La Struttura di Medicina Nucleare segue diverse attività di ricerca sostenuta da Grant di Enti privati e pubblici sia nel settore della diagnostica che in quello della terapia. I filoni più importanti di ricerca sono elencati di seguito in termini molto sintetici, in quanto notizie più dettagliate sono reperibili nello Scientific Report che l’Istituto pubblica annualmente.
Studi di radiochimica e messa a punto di Radiofarmaci innovativi sia per la diagnostica PET che per la Terapia Medico Nucleare.
Nei laboratori di Radiochimica PET sono state sintetizzate alcune molecole nuove, alcune delle quali brevettate per la diagnosi di tumore, quale la 18F-FLT (fluorolevotimidina, marcatore in vivo di proliferazione cellulare).
Altri radiofarmaci per la terapia vengono messi a punto ed alcuni sono  in corso di valutazione quali gli analoghi della somatostatina marcati con ⁹⁰Y e ¹⁷⁷Lu, così come i trattamenti che impiegano microsfere per via intra-arteriosa dopo marcatura con ⁹⁰Y, gli anticorpi monoclonali anti-CD20 (ibri tumoMab radiomarcati con ⁹⁰Y).
E’ in corso di attivazione uno studio di impiego dell’alfa-radin (farmaco emettitore alfa) per il trattamento delle metastasi ossee.i
Messa a punto di nuovi approcci metodologici per la stadiazione dei tumori
Sono state messe a punto e validate tecniche innovative per lo studio del linfonodo sentinella dei tumori dell’endometrio, , utilizzando microsfere di albumina per via endolinfatica marcate con ^99mTc.
E’ in corso di valutazione la PET/TC impiegata nella stadiazione e ristadiazione dei tumori della testa e del collo, dei linfomi, e dei tumori GIST. La PET/TC viene impiegata anche per la diagnosi delle recidive delle neoplasie cerebrali (¹¹C-MET), nonché per  la valutazione della risposta ai trattamenti radioterapici e/o chemioterapici dopo chirurgia.
Studi dosimetrici e trattamenti con alte dosi
Nel Reparto, su alcuni gruppi selezionati di pazienti, vengono effettuate valutazioni dosimetriche pre-terapeutiche che permettono di calcolare la dose ottimale in base alla quale scegliere l’attività di radiofarmaco da somministrare al paziente. Ciò dà modo di determinare la dose su base individuale (tailored therapy), rispettando il concetto della ottimizzazione del trattamento, che vuole rappresentare un superamento dei trattamenti con dosi fisse, pre-determinate.  Questo tipo di apprccio viene applicato per il trattamento delle neoplasie tiroidee con ¹³¹I, dei neuroblastomi e feocromocitomi con ¹³¹I-MIBG, con le mi criosfere radio marcate con 90Y. Queste osservazioni del tutto innovative lasciano intravedere la possibilità di migliorare i risultati terapeutici, risparmiando ai tessuti sani dosi indebite, e dunque limitando gli effetti collaterali.