Радионуклиды в ядерной медицине

Радионуклиды в ядерной медицине

1.1           Введение

Радиоактивные материалы используются в ядерной медицине для двух видов процедур: диагностических обследований и терапевтических процедур, которые представляют собой лечение болезней. Радионуклидная терапия используется, как для доброкачественных опухолей,  так и для злокачественных  онкологических заболеваний.

Радиоактивные материалы созданные и разработанные для выше перечисленных целей называются радиофармпрепаратами.

Технологии ядерной медицины не настолько хороши как в рентгендиагностике, магнитном резонансе или при ультразвуковых исследованиях для исследования точных деталей и внутренней структуры тела. Они являются дополнительными, по отношению к перечисленными, так как показывают только функционирование тела и его органов, а не его структуру.

1.2           Радионуклиды – прием внутрь и анализ

Рисунок 1 представляет собой схематическое описание ядерной медицины, показывает два вида процедур (терапевтические и диагностические) и методы введения радионуклидов и анализа. Вы можете всегда обратиться к этой диаграмме для пояснений.

Радионуклиды прописываются пациентам (перорально, ингаляционно или внутривенно) или добавляется к биологическим образцам  (т.е. крови, моче или тканей тела), взятых у пациента. Первый метод называется in vivo (означает в живом организме). Второй метод называется in vitro (означает в пробирке).

Терапевтические процедуры всегда требуют in vivo применения,  в то время как диагностические применения могут быть как  in vivo, так и in vitro.

In vivo применяется в большинстве случаев в диагностической ядерной медицине, так как позволяет изучить в реальном времени то, что происходит с организмом пациента. Распределение радиоактивности в органах и тканях измеряется посредством определения фотонов, излучаемых телом в результате радиоационного распада. Сканирование тела или его частей, измерение содержания радионуклидов в органах тела проводят при помощи гамма камеры  и сцинтилляционных счетчиков.  Хотя in vitro применение более предпочтительно, так как оно не приводит к формированию дозы у пациента, его использование ограничено процедурами радиоимунного анализа.

Есть некоторые исследования, такие как  проба Шиллинга и C14 тест дыхания, которые включают прием радионуклидов пациентом и анализ проб тела в лаборатории.  Радионуклиды, используемые в подобных тестах, должны обладать такими же качествами как те, которые безопасно используются  in vivo, и при этом позволяют анализировать in vitro, после извлечения образцов из тела пациента.  C-14 – это плохой выбор для использования в in vivo исследовании.  Он имеет период полураспада в  5760 лет!  Тем не менее, биологически, он проходит сквозь организм человека в течение одного дня.

Хотя многие отделения ядерной медицины делают время от времени in vitro процедуры, чаще они делаются в клинических лабораториях гематологии или биохимии.  Данный модуль связан только с in vivo процедурами.  Методы радиационной безопасности для in vitro анализов являются такими же как и для радиологических лаборатории.

1.3           Радионуклиды, используемые In Vivo

Радионуклиды для применения in vivo должны выбираться  очень тщательно  с целью минимизировать дозу пациента.
Терапевтические радиофармпрепараты должны давать максимальную дозу целевому органу или ткани, в то же время минимизировать облучение нецелевых тканей, таких как  костный мозг и др..Диагностические радиофармпрепараты должны давать как можно меньшую дозу пациенту.

Выбор радиофармпрепарата зависит от его  химических и физических характеристик. Во-первых, химическая форма молекулы, содержащей радионуклид, определяет, где она входит в тело. Молекулярный путь — это биохимический проход молекулы к интересующему органу или ткани. Ключевым для ядерной медицины является исследование функционирования органов или тканей, их взаимодействие, метаболизм или выделение трассера (фармокинетика).  Во-вторых, физические характеристики определяют вид радиоактивного распада и способы измерения радиоактивности.

1.3.1       Терапевтические радионуклиды

  • Радиофармпрепараты, применяемые для терапии приводят к накоплению большой дозы в короткий промежуток времени. Так как их использование основано на наличии излучения частиц, обычно это бета частицы. (Есть исследования по использованию альфа частиц, конверсионных электронов и др., но они ещё не находятся в клиническом использовании.)
  • Является позитивным фактором, если радионуклид также излучает гамма фотоны, которые могут быть визуализированы при помощи гамма камеры.  Это позволяет вести мониторинг радиофармпрепарата и, оценку дозы полученной как целевым, так и нецелевым органом или биологической тканью.
  • Период полураспада должен быть довольно коротким, обычно не более нескольких дней. Терапевтическая радиационная доза наиболее эффективна, если доставляется в наиболее короткое время. Так же очень важно избежать высоких доз для других тканей, что может произойти, если биологическое выведение радиофармпрепарата занимает длительное время, а период его полураспада велик.
  • Диагностический радионуклид должен излучать фотоны в большом количестве для эффективной визуализации посредством гамма камеры. Наиболее удобным диапазоном энергии частиц для гамма-камер является энергии от  100 до 300 кэВ, с оптимумом при 150 кэВ. При более высоких энергиях, эффективность поглощения детектора уменьшается.  При низких энергиях, взаимодействие фотона в теле с другими материалами, производит фотоны, которые перекрывают и смягчают пространственное энергетическое разрешение.  Новые  гамма камеры могут давать изображение  511 кэВ аннигиляционных фотонов образующихся при распаде такого радионуклида, как  фосфор-18.
  • Он не должен излучать заряженных частиц, так как они поглощаются в радиусе нескольких мм от точки распада. Почти все энергия заряженных частиц распределяется локально.   Это может привести к значительному увеличению дозового воздействия на пациента и не принести новой полезной информации.
  • Он должен иметь короткий период полураспада, чтобы удерживать радиационную дозу предельно низкой. Существует ограничение по времени пребывания пациента под сканером.  Все атомы трассера, которые распадаются раньше или позже сканирования ничего не сообщают исследователю, а только способствуют накоплению радиационной дозы.

1.3.2       Диагностические радионуклиды

Радиационная доза пациента это фактор, ограничивающий количество радионуклидов, используемых при сканировании. Только очень небольшая часть гамма лучей испускаемых телом пациента в поле видимости гамма камеры может быть использована для получения изображения.

Изображения гамма камеры это компромисс между радиационной дозой, временем облучения пациента и статистический «шумом», обусловленным стохастической природой излучений, более существенном при низкой активности радиофармпрепарата.

1.4           Радионуклиды, используемые In Vitro

В in vitro исследованиях  происходит добавление радионуклида к образцам тканей, взятых из организма пациента.  Образцы измеряются при помощи счётчика. Радиоиммунный анализ являются примером in vitro исследования. Радионуклиды, используемые в in vitro исследованиях должны, в идеале, соответствовать следующим требованиям:

  • Выбор радиоактивной метки не ограничен, так как методы подсчёта, используемые in vitro намного более чувствительные, чем у гамма камеры. Очень незначительные количества радиоактивности могут использоваться, а радиационная доза не является основным предметом беспокойства. Техника подсчета образцов может обладать эффективностью более  80%, для многих обычно используемых радионуклидов.
  • Долгий период полураспада используемых радиофармпрепаратов более удобен для применения и подсчёта, например, йод-125 с периодом полураспада в 60 дней.
  • Важны химические свойства радионуклида. Используются изотопы биологически значимых трассирующих элементов, таких как железо или кобальт. Йод удобен потому, что может быть легко встроен в большой спектр органических молекул.
  • Энергия радиоактивного распада не должна быть слишком большой.  Высвобождение большого количества энергии может разорвать химические связи и привести к снижению химической стабильности. Например, I-125 предпочтительнее, чем I-131, а P-33 предпочтительнее, чем P-32.

1.5           Направленность на орган или ткань мишень

Наиболее распространённые способы введения радиофармпрепаратов пациенту это:

  • В кровяной поток, через внутривенную инъекцию
  • Через лёгкие, через ингаляции газа, аэрозоля или смеси малых частиц.
  • Перорально, в гастроэнтерический тракт (заглатывание).

Попав однажды в организм и достигнув требуемого органа или ткани радиофармпрепарат должен достигнуть в нём такой концентрации, которая позволила бы получение чёткого изображения.

Вот несколько примеров из простых ионных форм выборочно накапливающихся в тканях: этот механизм характерен для галий-67 в виде солей лимонной кислоты, йод-123 или йод-131 в виде йодита натрия, и таллий-201 как хлорида таллия.

Молекулы, маркированные подходящим радионуклидом, таким как  Tc-99m или I-123 также могут накапливаться в органе или ткани. Имеется множество составляющих этого класса, включая глюкозу, пептиды и моноклональные антитела. Для визуализации мозга некоторые  липидные смеси такие как HMPAO могут пересекать  гематоэнцефалический барьер, который обычно предотвращает проникновение нежелательных примесей из крови в ткань мозга.

Молекулы коллоидного размера будут очищены из крови специальными клетками печени, костного мозга и селезёнки.  Это основы сканирования печени с использованием коллоидных соединений Tc-99m (Tc-99m S).  Схожий механизм используется для маркировки белых телец в образце крови пациента Tc-99m S в виде коллоидов.  Вновь введённые белые тельца, содержащие  Tc-99m S, накопятся в местах наличия инфекции в организме. Коллоидные смеси  иттрия-90, которые излучают бета лучи, используются для лечения определённых форм артрита.

Частицы, которые достаточно велики для того, чтобы не проникнуть в маленькие кровеносные сосуды, могут использоваться для демонстрации артериального кровяного тока (перфузия).  При сканировании лёгких, Tc‑99m маркированные частицы вводятся внутривенно.  Они путешествуют по направлению к сердцу и затем в лёгкие, где и задерживаются. Если  большой кровеносный сосуд блокирован  сгустком крови, в легких это место  выглядит «холодной» зоной на сканере, так как маркированные частицы не проходят через этот сгусток в мелкие сосуды.

«Выборочное накопление» это цель радиофармпрепаратов  в их поиске пути прохождения через организм.  Например, если накопление трассера в раковой опухоли достаточно велико для диагностического изображения, возможно, идти дальше и начать лечить опухоль, маркируя трассер радионуклидами с большей активностью.  Это причина поиска «магической пули» в терапии рака – маркированных радионуклидом антител, которое находит и присоединяется к раковой опухоли.

1.6           Радионуклиды общего применения

Только четыре радионуклида — Tc-99m, Tl-201, I-131 и Ga-67 – применяются  для большего количества медицинских процедур. Несколько других ограничены факторами стоимости и доступности, например,  Sr-89, I-123, In-111 и радионуклиды с маленьким периодом полураспада (например, F-18 и O-15) применяемые для позитрон-эмиссионной томографии. Некоторые радионуклиды с более длительным периодом полураспада используются для контроля качества.   Например: небольшие герметичные источники  цезия-137 (30 лет полураспада) используются для калибровки дозиметров,  линейные источники на основе гадолиния-153 (источник высокоэнергетических фотонов) применяется для сканирования тела и большие плоские источники (так называемые потоковые источники) кобальта-57 (фотонная энергия близка к Tc-99m) применяются для осуществления поверки гамма-камер.

Приблизительно 90% процедур сканирования осуществляются с  Tc-99m (обычно получаемым из молтюдена-99 в генераторах), и 90% терапевтических процедур осуществляются с I-131.  Основные особенности и схемы их распада показаны на Рисунке 2, с обзором характеристик, которые делают их пригодными для диагностики и терапии.