Hyppää pääsisältöön

Alzheimerin taudin rusentavat muutokset saadaan näkyviin antiaineen avulla

PET-kuva Alzheimerin tautia sairastavan aivoista
Näin 40 kuukautta Alzheimerin tautia rusentaa aivotoimintaa. PET-aivokuvat otetaan käyttämällä hyödyksi antiainetta! PET-kuva Alzheimerin tautia sairastavan aivoista Kuva: Agneta Nordberg Yle Tiede,positroniemissiotomografia

Alzheimerin taudin aiheuttamat hirvittävät muutokset saadaan näkyviin PET-kuvauksessa antiaineen avulla. Ajatella, että antimaterian keksi 1920-luvulla eräs fyysikko pelkällä kynällä ja paperilla, kirjoittaa teollisuusmatemaatikko Samuli Siltanen blogissaan.

Mestarifyysikko Paul Diracilla oli kova itseluottamus. Hän laski 1920-luvulla kynällä ja paperilla, että jos kvanttimekaniikan yhdistää Einsteinin suhteellisuusteoriaan, niin maailmassa on pakko esiintyä antiainetta. Siis sellaista materiaalia, joka on muuten samanlaista kuin tavallinen aine, mutta sähkövaraukseltaan vastakkaista. Samassa tilassa ei voi kauaa olla kumpaakin ainetyyppiä: jos antihevonen puraisee tavallista heinää, molemmat räjähtävät olemattomiin muuttuen liekehtiväksi energiaksi.

Diracin laskelmat pitivät kutinsa: antiainetta tosiaan on olemassa. Se havaittiin kokeellisesti jo vuonna 1932. Mutta onko tuolla fysiikan kummajaisella mitään kosketusta arkielämään?

Antiainetta käytetään lääketieteellisessä kuvantamisessa, esimerkiksi positroniemissiotomografiassa eli PET-kuvauksessa. Positroni on jokapäiväisen sähköhiukkasemme elektronin antiainemuoto.

PET-kuvaukseen tarvitaan radioaktiivista merkkiainetta, joka sinkoaa positroneja ympäriinsä. Yleensä siihen käytetään tiettyä sokeria, fluorodeoxyglukoosia, jossa yksi OH-ryhmä on korvattu fluoriatomilla, jonka isotooppi on F-18. Tällä vaihdoksella saavutetaan kaksi etua: ensinnäkin valesokeri kulkeutuu kyllä alueille, joissa energiaa kaivataan, mutta se ei kelpaa aineenvaihdunnalle ja jää siis vain oleilemaan. Toinen etu on se, että isotooppi F-18 on radioaktiivinen!

fluorin 18F-isotooppi, kemiallinen kaava
fluorin 18F-isotooppi, kemiallinen kaava Kuva: Samuli Siltanen Yle Tiede

Isotooppiasian ymmärtääksemme joudumme kertaamaan atomin osaset. Ytimessä on kahdenlaisia hiukkasia, neutroneita ja protoneita, joista jälkimmäisillä on positiivinen sähkövaraus. Ytimen ympärillä on elektroniverho, jossa pörrää yhtä monta negatiivisesti varattua elektronia kuin ytimessä on protoneita. Protonien lukumäärä ratkaisee sen, mistä kemiallisesta aineesta on kysymys.

Tavallisen fluoriatomin eli isotoopin F-19 ytimessä on 9 protonia ja 10 neutronia. Ydintä kiertää 9 elektronia. Fluorin isotoopilla F-18 onkin ytimessä 9 protonia ja vain 9 neutronia! Tämä on epävakaa yhdistelmä, koska se voi saavuttaa matalamman energiatason järjestäytymällä uudelleen. Tuo järjestäytyminen tapahtuu radioaktiivisen betahajoamisen muodossa: yksi protoni muuttuu neutroniksi ja yskäisee ytimestä ulos yhden neutriinon ja yhden positronin.

Hajoamisen jälkeen ytimessä on 8 protonia ja 10 neutronia. Tämä onkin happiatomi eikä enää fluoria laisinkaan! Aine muuttui toiseksi! Kyllä keskiajan alkemistit olisivat olleet radioaktiivisuudesta ihmeissään.

PET-kuvaus perustuu siihen, että positroni lentää kudokseen ja törmää hetimiten elektroniin. Kohtaamisesta syntyy puhdasta energiaa! Tässä tilanteessa energia ottaa muodokseen kaksi fotonia, jotka lentävät vastakkaisiin suuntiin. Nuo fotonit ovat läpitunkevampia kuin hammaslääkärin röntgen, ja ne viuhahtavat ulos kehosta. Potilaan ympärillä olevat säteilykamerat seuraavat tilanteita, joissa havaitaan kaksi fotonia samaan aikaan. Silloin tiedetään, että noiden kameroiden välisellä suoralla linjalla tapahtui betahajoaminen.

Lopuksi matemaattinen algoritmi laskee mittausten perusteella kuvan. Värikkäät kohdat kuvassa näyttävät ne aivoalueet, joilla aktiivisuutta on eniten ja jonne radioaktiivinen sokeri pyrkii ajatusten polttoaineeksi. Lääkäri voi seurata PET-kuvauksella esimerkiksi Alzheimerin taudin etenemistä tai nähdä syövän etäpesäkkeiden sijainnit.

Dirac tuskin aavisti poikkeuksellisen teräviä aivojaan käyttäessään, että antiainelasku johtaisi lääketieteelliseen kuvantamiseen. Ihmeellinen on tie puhtaasta perustutkimuksesta mullistavaan teknologiaan!

teollisuusmatemaatikko Samuli Siltanen
Teollisuusmatemaatikko Samuli Siltanen teollisuusmatemaatikko Samuli Siltanen Kuva: Yle Kuvapalvelu / Jukka Lintinen prisma studio

Kirjoittaja: Samuli Siltanen

Teollisuusmatemaatikko Samuli Siltanen näkee matematiikkaa lääkärin röntgenlaitteessa, huulipunamallien siloposkikuvissa ja hämähäkkien ruuanhankinnassa. Hän tutkii Helsingin yliopistolla käänteisiä ongelmia, joissa edetään seurauksista syihin. Samuli viihtyy painavien asioiden, kuten kahvakuulien ja kamerajalustojen, parissa.

Yle Tieteen asiantuntijat bloggaavat itselleen tärkeistä tiedeaiheista.

Liity Yle Tieteen yhteisöön Facebookissa.

Kommentit

Lue myös - yle.fi:stä poimittua

Tiede

  • Aivotutkija: Nämä viisi asiaa kaipaavat kipeimmin muutosta suomalaisessa työelämässä

    Kiire, uni, tehokkuus, tilat ja verkostotyö.

    Kun aivotutkija päästetään katselemaan suomalaista työelämää, tulee mieleen pitkä lista asioita, jotka kannattaisi muuttaa. Aloitetaan tärkeimmistä, kirjoittaa aivotutkija Minna Huotilainen blogissaan. 1. Kiire ja hoppu pois! Lyhytjänteinen asioista toiseen hyppiminen ja jatkuvat keskeytykset eivät päästä aivoja vakaviin töihin, vaan pitävät meidät lillukanvarsien parissa.

  • Kuusi huomiota tulevaisuudesta, joiden ei pitäisi yllättää

    Lauri Reuter kokoaa Global Solutions -ohjelman antia.

    Biotekniikan tohtori ja Prisma Studion asiantuntija Lauri Reuter esittelee blogissaan keskeisimmät havaintonsa Piilaaksosta, jonne eri alojen huiput ovat kokoontuneet ratkomaan ihmiskunnan suurimpia haasteita. "Juuri nyt, enemmän kuin koskaan ennen, on tärkeää nähdä horisontin taakse, ennakoida teknologian kehitystä ja ohjata sitä oikeaan suuntaan."

  • Elämän synty on tieteen suurimpia arvoituksia - miten ja missä elämä syntyi?

    Missä liemessä elämä syntyi?

    Elämä sai alkunsa maapallolla noin neljä miljardia vuotta sitten. Todennäköisesti se tapahtui tuliperäisen lämpimän maaston koloissa. Mutta minkälainen liemi sai biomolekyylit rikastumaan tällaiseksi elämäksi, jonka nyt tunnemme? Oliko alkuliemessä vettä vai tarjosiko joku muu hapettomissa oloissa syntynyt liuos otollisemmat olot RNA-pohjaisen elämän syntymiselle?