Tỷ lệ phân bào, tăng sinh tế bào và giảm biệt hoá được coi là yếu tố chính dẫn tới sự phát triển ồ ạt của tổ chức ung thư. Hầu hết u lành phát triển chậm và kéo dài đến hàng năm, nhưng khối u ác tính thì phát triển rất nhanh, đôi khi lại di chuyển. Số lượng tế bào pha S trong chu trình tế bào cũng cao hơn so với mô lành.
Do vậy, nó đòi hỏi tăng nhu cầu về nguyên liệu (nucleotides) cho tổng hợp DNA. Trong tế bào, thymidine được phosphoryl hoá bởi thymidine kinase (TK) để chuyển thành thymidine phosphat, chất này tham gia cấu thành DNA. Định lượng nucleotide cấu thành DNA trong u in vitro bằng cách sử dụng [3H]thymidine là một phương pháp đánh giá sự tăng sinh tế bào.
Vì vậy [11C]thymidine được sử dụng là chất đánh dấu trong PET để ghi hình khối u và đo lường sự tăng sinh tế bào. Tuy nhiên, vì sự chuyển hoá nhanh của chất đánh dấu trong máu, sự tập trung vào u của thymidine[11C] nên nó không phải là chất tối ưu cho ghi hình ảnh và định lượng.
Các chất chuyển hoá tương tự thymidine là những chất nền của enzym TK đang được nghiên cứu và ứng dụng. [18F]FLT, [18F]fluorouridine gắn vào tế bào giống như thymidine và sản phẩm phosphoryl hóa của nó bởi TK là [18F]FLT-5’-phosphate cùng đi vào ADN tế bào u. Đồng phân của Uridine được gắn F-18 là [18F]Fluoruridine cũng được tế bào đang sinh sản hấp thụ nhưng nó được gắn vào cả AND và RNA. Trên cơ sở đó, một phân tử đánh dấu khác như [11C]FMAU cũng được sử dụng, chất này tương tự như thymidine và cũng được phosphoryl hoá và tích hợp vào DNA.
a. Vận chuyển axit amin và tổng hợp protein
Sự tăng sinh và phát triển khối u có đặc điểm là tăng sinh và tổng hợp protein. Vì các axit amin là thành phần tạo nên protein nên việc sử dụng các axit amin có đánh dấu đồng vị phóng xạ có thể tạo nên hình ảnh chuyển hoá protein (Jaget và cộng sự, 2001).
Tuy nhiên, các amino axit cũng trải qua quá trình chuyển hoá như chuyển amin (transamination) và khử carboxyl (decarboxylation). Do đó, vị trí chính xác nơi 11C và 18F gắn vào trong phân tử mang tính cốt yếu cho việc đánh giá tổng hợp protein. [Carboxyl- 11C]-L-leucine và [11C]-L-methionine đã được nghiên cứu. Trong methionine, 11C được đưa vào nhóm carboxyl hoặc nhóm methyl gắn với nguyên tử S do đó 11C-S-methyl- Lmethyonine dễ dàng có được nhưng có thể bao gồm sự chuyển methyl (transmethylation) thêm vào quá trình tổng hợp protein. Những nghiên cứu gần đây đã chứng tỏ lợi ích trong chẩn đoán u não với chất đánh dấu 18F gắn với phenyl alanine và tyrosine. Trong số đó, O-(2-[18F]fluoroethyl)-L-tyrosine và L-3-[18F]fluoro-- methyltyrosine (FMT) có giá trị chẩn đoán u não hơn hẳn các chất khác.
b. Receptor
Một số hormon và chất dẫn truyền thần kinh gắn vào vị trí đặc hiệu hay còn gọi receptor trên màng tế bào (như somatostatin receptor va dopmine receptor) hoặc trong tế bào (như estrogen receptor) để khởi đầu các phản ứng đặc hiệu.
Để ghi đo các receptor thể hiện trong các bệnh lý khác nhau người ta sử dụng các hợp chất gắn với receptor đánh dấu đồng vị phóng xạ trong kỹ thuật PET. Sự gắn các chất thăm dò này với các receptor có độ đặc hiệu cao và phụ thuộc vào ái lực của chất đó với receptor và số lượng receptor. Vì số lượng của các receptor bị giới hạn, độ tập trung thấp nên các chất đánh dấu phóng xạ có hoạt độ riêng cao (1-10 Ci/mol) là cần thiết để
đánh gía sự bộc lộ của receptor. Hơn nữa, các chất đánh dấu này dù có ái lực thấp hoặc cao với các receptor, nhìn chung bị lưu giữ ở mô đích sau khi gắn đặc hiệu vào receptor. Một số các DCPX phát positron đã được sử dụng trong hai thập kỷ gần đây.
c. Somatostatin Receptor
Somatostatin (SST), một peptide vòng chứa 14 acid amin, có nhiều chức năng sinh lý bao gồm ức chế bài tiết GH, glucagon, insulin, gastrin, một số hormon khác của tuyến yên và đường tiêu hoá. Nhiều tác dụng sinh học khác nhau của SST thông qua trung gian receptor đôi trong một họ G protein, trong số đó 5 dưới nhóm (subtype) đã được xác định.
Receptor của somatostatin ở người (SSTR) đã được xác định trên hầu hết các u thần kinh nội tiết, ung thư phổi tế bào nhỏ và ung thư tuyến giáp thể tuỷ. Sự bộc lộ của các dưới nhóm SSTR trong các mô ung thư ở người, giường như rất thay đổi giữa các loại u khác nhau. Octreotide và các chất tương tự (Doctatoc, Dotanoc) được gắn đồng vị phóng xạ phát positron như 66Ga, 68Ga, 86Y đã có khả năng ứng dụng ghi hình các khối u có receptor SSTR và lợi ích lâm sàng của các chất đánh dấu này đã được ghi nhận.
d. Estrogen Receptor
Trong ung thư vú, estrogen và progesteron tác động thông qua các receptor trên nhân tế bào. Một số lượng các estrogen gắn với các halogen phát positron đã được nghiên cứu đánh giá. Chất hứa hẹn nhất cho việc đánh giá tình trạng recptor in vivo qua ghi hình PET là 16ỏ- [18F] flouro-17õestradiol (FES).