Izotopy promieniotwórcze w medycynie

Do produkcji radioizotopów wykorzystuje się reaktory jądrowe, cyklotrony i akceleratory liniowe cząstek naładowanych. W reaktorze jądrowym stabilne pierwiastki poddaje się aktywacji strumieniem neutronów, które są uwalniane przy rozszczepieniu uranu-235. Przykładem tak wytwarzanego izotopu jest molibden-99, który wypromieniowując cząstkę * w rozpadzie zamienia się w izomer metatrwały technetu-99 okresie połowicznego zaniku T_1/2 = 6 godzin:

⁹⁹ Mo = ^99m Tc + * ^- + *.

Innym przykładem może być promieniotwórczy kobalt-60, który powstaje z kobaltu naturalnego ⁵⁹ Co w wyniku wychwytu radiacyjnego neutronów w kanale reaktora. Proces wytwarzania 30 gramowej próbki izotopu ⁶⁰ Co trwa około jednego roku.

Izotopy promieniotwórcze powstają też w reaktorach jądrowych w następstwie rozszczepienia uranu-235. Wytworzone produkty rozszczepienia posiadają z reguły nadmierną liczbę neutronów w jądrze, w związku z czym są niestabilne i emitują cząstki *. Główną trudnością jest konieczność rozdzielenia poszczególnych radioizotopów. W ten sposób udaje się jednak uzyskać pierwiastki promieniotwórcze o większej aktywności właściwej. Za pomocą reaktorów uzyskuje się tryt, węgiel-14, fosfor-32, cyrkon-51, kobalt-57, żelazo-59, selen-75, jod-125 i 131, ksenon-133. Izotopy o jądrach ubogich w neutrony otrzymuje się w cyklotronach, służących do przyśpieszania protonów lub innych cząstek naładowanych (jąder deuteru czy helu). Tak wytwarza się węgiel-11, azot-13, tlen-15, gal-67, ind-111, jod-123, tal-201.Radioizotopy są wykorzystywane w medycynie nuklearnej do diagnostyki i zabiegów leczniczych.

Wszystkich znanych izotopów promieniotwórczych jest ponad 1500, tj. około pięć razy więcej niż nuklidów trwałych. Izotopy promieniotwórcze posiadają takie same własności chemiczne jak analogiczne izotopy stabilne. Również związki zawierające w swoim składzie radioizotopy nie różnią się jako substancje chemiczne od identycznych związków zbudowanych z pierwiastków stabilnych. Występowanie w związku chemicznym pierwiastka promieniotwórczego stanowi jednak cechę, dzięki której można w łatwy sposób wykryć jego obecność, zmierzyć ilość, śledzić wędrówkę w organizmie, badać gromadzenie się, przetwarzanie, wydalanie i losy metaboliczne. Izotop promieniotwórczy wprowadzony do organizmu żywego spełnia zatem rolę znacznika (dokładniej: radioznacznika lub wskaźnika izotopowego). Często mianem radioznacznika lub związku znaczonego nazywa się w ogóle substancję chemiczną zawierającą w swym składzie atomy pierwiastka promieniotwórczego. Dla sporządzania związków znaczonych wykorzystuje się głównie radioizotopy o okresie połowicznego zaniku od kilku godzin do kilku dni. Krótkim okresem połowicznego zaniku odznaczają się radioizotopy cyklotronowe - rzędu minut, godzin, najwyżej dni. Np. otrzymany w cyklotronie węgiel-11 ma okres połowicznego zaniku T_1/2 = 20,4 min, gdy tymczasem reaktorowy węgiel-14 ma T_1/2 = 5730 lat. Jeśli jest to radioizotop, który podano pacjentowi w celu diagnostycznym, nieduży okres połowicznego zaniku ma znaczenie dla obniżenia efektywnego okresu połowicznego wydalania, a więc wpływa na obniżenie dawki promieniowania otrzymanej przez pacjenta. Stosowanie radioizotopw krótkożyjących zmniejsza niebezpieczeństwo skażeń oraz ułatwia usuwanie odpadów promieniotwórczych. Obecnie wydaje się, że radioizotopy otrzymywane w cyklotronach i akceleratorach liniowych stanowią przyszłość medycyny. Przeszkadza temu jednak wysoki koszt budowy tych urządzeń. Poza tym ze względu na krótki półokres rozpadu wytwarzane w cyklotronie radioizotopy wykazują wysoką aktywność wyjściową, co nastręcza trudności technicznych związanych z ochroną radiologiczną personelu i transportem radioizotopów.

Medyczne badania czynnościowe z zastosowaniem radioizotopów

Wprowadzenie radioizotopów do praktyki badań lekarskich spowodowało przewrót w medycynie. Badania takie stanowią potężny oręż nowoczesnej medycyny w walce z wielu trudnymi do leczenia chorobami. Uzyskano na przykład możliwość oznaczania z dużą precyzją stężeń praktycznie wszystkich substancji występujących w organizmie ludzkim, ujawniania i leczenia nowotworów złośliwych w różnych organach, diagnozowania chorób serca, unieszkodliwiania zatruć.

Na uwagę zasługuje badanie szybkości produkcji hemoglobiny erytrocytów za pomocą radioaktywnego żelaza-59, lub oceny szybkości produkcji białek osocza za pomocą selenu -75. Zastosowanie izotopów żelaza pozwala wyjaśnić przemianę tego podstawowego pierwiastka w ustroju. Stwierdzono, że choroby zakaźne obniżają przyswajanie żelaza do 20%. Przy użyciu Fe-59 stwierdzono również, że po ciężkich krwotokach wchłanianie dostarczanego w pokarmach lub lekarstwach żelaza wzrasta nawet pięćdziesięciokrotnie, podczas gdy w warunkach prawidłowych organizm ludzki, niezależnie od podanej dawki, przyswaja tylko pewną stalą ilość żelaza na dobę. Izotop ten, łącząc się łatwo z hemoglobiną (barwnik krwinek czerwonych), pozwolił ustalić czas życia i warunki odnowy krwinek czerwonych i hemoglobiny w różnych stanach chorobowych i fizjologicznych żywego ustroju. Warto wspomnieć, że stosowaniu izotopów żelaza zawdzięcza się wyjaśnienie szczegółów biologii przetaczania krwi. Ustalono krańcowy termin przechowywania konserwowanej krwi oraz najdogodniejsze środki i warunki jej konserwacji. Wykazano na przykład, że najkorzystniejsza do przechowywania krwi konserwowanej jest temperatura około 4°C.

Oprócz ⁵⁹Fe do znakowania krwinek czerwonych bardzo dobrze nadają się radioaktywny chrom -51 i fosfor-32. Określenie czasu życia krwinek metodą radioizotopową sprowadza się do wstrzyknięcia badanemu człowiekowi pewnej ilości krwi znakowanej radioizotopem, a następnie śledzeniu przez wiele dni za pomocą licznika promieniowania jak długo krwinki radioaktywne utrzymują się w krwiobiegu, jak spada promieniotwórczość krwi i kiedy znika ona całkowicie. W ten sposób stwierdzono, że krwinki czerwone człowieka mają najdłuższy czas życia ze wszystkich komórek krwi. Wynosi on u ludzi zdrowych około 120 dni.

W badaniach klinicznych często jest używany promieniotwórczy sód-24. Wykorzystuje się go do określenia szybkości krążenia krwi w różnych odcinkach układu krwionośnego.

Precyzyjne oznaczenie szybkości krążenia krwi, a właściwie czasu, jakiego potrzebuje krew do przepłynięcia z żył ręki do serca, do płuc, do tętnic drugiej ręki, do nóg, jest bardzo potrzebne dla ewentualnego potwierdzenia istnienia nieprawidłowych połączeń w sercu lub naczyniach krwionośnych. Metoda badawcza polega na wstrzyknięciu do naczyń krwionośnych małej ilości ²⁴Na i ustaleniu, po jakim czasie prąd krwi przeniesie promieniotwórczy sód do różnych punktów układu naczyń krwionośnych. Przeprowadzane tym sposobem pomiary pozwalają określić stopień wydolności serca oraz ustalić dokładnie czas przepływu krwi, gdyż w sposób pewny i obiektywny można określić stoperem liczbę sekund, jaka mija od chwili wstrzyknięcia sodu do żyły ręki, do pojawienia się impulsów w liczniku przyłożonym w okolicy serca, drugiej ręki lub nogi. U osób, które utraciły wiele krwi, jest ważne ustalenie, jaka jej ilość krąży w ustroju. Ilość tę można łatwo obliczyć, wstrzykując dokładnie oznaczoną ilość białka z jodem promieniotwórczym i ustalając na podstawie wskazań licznika stopień jego rozcieńczenia we krwi. Badanie objętości krwi metodą radioizotopową np. w diagnostyce chorób sercowo-naczyniowych, stanowi również u chorych leczonych operacyjnie najpewniejszy i szybki sposób monitorowania utraty krwi.

Niektóre choroby wynikają wprost lub wiążą się z odwodnieniem organizmu. Dla lekarza ważne jest przekonanie się, jak dalece ilość wody w organizmie odbiega od normy. Za pomocą izotopów promieniotwórczych można dokładnie określić nie tylko ogólną ilość wody zawartej w ustroju, lecz nawet zbadać jej rozmieszczenie. Można określić jaka część całkowitej zawartości wody przypada na wszystkie komórki, jaka zaś znajduje się w płynach pozakomórkowych, w szczelinach pomiędzy komórkami, w limfie, we krwi. Zasada określania ogólnej ilości wody w organizmie opiera się na założeniu, że woda znakowana za pomocą promieniotwórczego izotopu wodoru, jakim jest tryt, i wprowadzona do ustroju doustnie, dożylnie lub podskórnie, ulega dość szybkiemu równomiernemu wymieszaniu z całą wodą w organizmie. Na podstawie stopnia rozcieńczenia wodoru promieniotwórczego w całej wodzie organizmu, ustala się objętość wody w ustroju. Przez wstrzyknięcie roztworu chlorku sodu, który nie wnikając do wnętrza komórek w ciągu 2-3 dni ulega równomiernemu rozmieszczeniu w płynach ustroju i przez badanie stopnia jego rozcieńczenia można obliczyć całkowitą objętość wody pozakomórkowej. Dalszy prosty rachunek (tj. różnica między objętością wody całkowitej i pozakomórkowej) pozwala wyliczyć objętość wody zawartej w komórkach. Badania objętości wody całkowitej, wody komórkowej i pozakomórkowej są pomocne w rozpoznawaniu przyczyny stanów odwodnienia oraz w śledzeniu efektów stosowanego leczenia.

Procedury diagnostyczne i lecznicze

Zasadniczo istotne są te metody diagnostyczne medycyny nuklearnej, w których substancje znaczone wprowadza się do krwiobiegu organizmu żywego dożylnie lub doustnie. Mogą one przenikać w niedostępne zakątki organizmu. Ilości wagowe podawanych substancji radioaktywnych (kilka do kilkunastu mikrogramów) są na tyle małe, że w praktyce nie zaobserwowano po ich stosowaniu ani objawów toksycznych ani uczuleniowych. Dlatego liczne metody radioizotopowe, stosowane do diagnostyki, badania funkcji różnych organów i do leczenia, zaliczone zostały do grupy badań nieagresywnych, a więc nie zagrażających zdrowiu i życiu człowieka. Metoda atomów znaczonych wniosła m. in. wkład w walkę z zatruciami. Pozwala ona na śledzenie drogi przechodzenia substancji trującej w organizmie i szczegółów jej oddziaływania. W rezultacie takiego badania udaje się wypracować najbardziej prawidłowy sposób szybkiego wydalenia jej z organizmu. Metody radioizotopowe są przydatne do badania zasobów wymienialnego potasu lub sodu w ustroju. W stanach zaniku mięśni ilość potasu wymienialnego obniża się. Badając licznikiem scyntylacyjnym promieniowanie z całego ciała, emitowane przez naturalnie występujący w ustroju potas-40, można wyliczyć zawartość tego pierwiastka w organizmie ludzkim. Jest ona proporcjonalna do masy mięśni. Z zawartości potasu można wnioskować o stopniu zaawansowania choroby. Przez pomiar promieniowania radioizotopu można uzyskać informacje o tym, jak izotop ten rozkłada się w organizmie. Niektóre organy mają właściwość wybiórczego przyswajania pierwiastka promieniotwórczego, przez co izotop promieniotwórczy wprowadzony do organizmu rozkłada się w nim w sposób niejednorodny, zwłaszcza w obecności zmian nowotworowych w narządach. Informacje o tym rozkładzie można otrzymać przez pomiar promieniowania radioizotopu, za pomocą tzw. scyntygrafu, przesuwając go centymetr po centymetrze, w płaszczyźnie, nad ciałem pacjenta. Na wyjściu tego urządzenia otrzymuje się obraz o różnym zaczernieniu, który stanowi rzut plaski obszaru zawierającego radioizotop o różnej koncentracji. Część substancji promieniotwórczej, wprowadzonej do żywego ustroju, prąd krwi roznosi po wszystkich tkankach ciała. Wiadomo, że tarczyca gromadzi jod, tkanka kostna sód, fosfor, wapń i stront, mięśnie potas. Intensywność procesu przyswajania izotopu promieniotwórczego zależy w dużym stopniu od stanu zdrowia człowieka. Przy normalnej pracy organizmu przyswajana jest określona ilość substancji promieniotwórczej z określoną szybkością. Przy złym stanie zdrowia są wyraźne odchylenia od normy szybkości przyswajania. Np. chora tarczyca, w przypadku nadczynności, kiedy aktywność jej bardzo wzrasta, działając wybiórczo na jod-131, gromadzi go niewspółmiernie dużo. W innym przypadku tnie, co przejawia się spowolnieniem i zmniejszeniem akumulacji jodu. Można to stwierdzić podając pacjentowi nieznaczną dawkę jodku sodu z promieniotwórczym jodem-131 i ustawiając nad tarczycą licznik promieniowania. Na podstawie jego wskazań wykreśla się krzywą obrazującą gromadzenie się jodu w tarczycy, a tym samym określa się stan czynnościowy tego narządu. W ten sposób stwierdzono, że po zastosowaniu promieniotwórczego jodu w postaci jodku sodu, wychwyt jodu przez tarczycę po 24 godzinach u osób zdrowych wynosi 30-55 %. W stanach niedoczynności tarczycy wartości te są niższe (5-20%), a w nadczynności tarczycy podwyższone, niekiedy nawet do 90%. Wprowadzając dostatecznie dużo radioaktywnego jodu-131 można spowodować, że emitowane promieniowanie sprowadzi funkcje tarczycy do normy. W przypadku nowotworów tarczycy można dobrać podawaną dawkę tak, aby zatrzymana przez chorą tarczycę ilość jodu mogła w niej zniszczyć nowotwór. Ponieważ podstawą leczenia nowotworów przy użyciu promieniowania jest podwyższona czułość komórek nowotworowych na napromieniowanie w porównaniu z komórkami zdrowej tkanki, ważny jest precyzyjny dobór dawki, a więc również czasu napromieniowania, tak aby tkanka nowotworowa uległa zniszczeniu a tkanki sąsiednie, słabiej napromieniowane, doznały tylko odwracalnych zmian. W rozpoznawaniu chorób tarczycy metody radioizotopowe odgrywają bardzo ważną rolę i w większości pracowni medycyny nuklearnej należą do najczęściej wykonywanych badań. Dostarczają one wielu istotnych informacji dotyczących funkcji tego gruczołu i stanowią podstawę do ustalenia prawidłowej diagnozy i wyboru właściwego leczenia. Jod-131 jest wychwytywany również w dużych ilościach przez przerzuty nowotworowe tarczycy umiejscowione najczęściej w kościach. Pozwala to, obok zadziałania na nowotwór tarczycy, zniszczyć również ogniska nowotworów w układzie kostnym. Podobnie, szczególne powinowactwo do tkanki kostnej wykazują wapń, fosfor oraz gal. W leczeniu nowotworów kości coraz częściej próbuje się stosować izotop promieniotwórczy galu-72, który po wprowadzeniu do organizmu już po godzinie gromadzi się głównie w tkance kostnej i na nią wywiera swoje działanie. Izotop ten gromadzi się przede wszystkim w tych częściach kości, w których odbywa się rozrost tkanki kostnej. Jego stężenie w nowotworach narastających w kości już po kilku godzinach przewyższa kilkunastokrotnie stężenie izotopu w kości zdrowej. Badając dokładnie licznikiem promieniowania całe ciało chorego obserwuje się gwałtowny wzrost liczby zliczeń w momencie gdy licznik znajduje się nad tkanką nowotworową. Scyntygrafia jest badaniem, z którego korzysta się w pierwszej kolejności przy podejrzeniu przerzutów nowotworowych do kości. Wzmożenie gromadzenia radiofarmaceutyku obserwowane w takim badaniu może o wiele miesięcy wyprzedzić inne objawy choroby, uchwytne na zdjęciach rentgenowskich. Może też być ono pomocne przy ustalaniu rodzaju nowotworu. W ostrych stanach zapalnych kości zmiany scyntygraficzne stwierdza się nierzadko już w pierwszym tygodniu choroby. Natomiast na zdjęciach rentgenowskich mogą się pojawić dopiero po 3-4 tygodniach, a nawet później. Scyntygrafia stanowi zatem cenną pomoc w diagnostyce zapalenia kości, szczególnie o przebiegu pod ostrym lub nietypowym. Badanie to umożliwia też ocenę rozległości procesu, co ułatwia wybór właściwej metody leczenia. Metody radioizotopowe wykorzystuje się też do diagnostyki i leczenia chorób mózgu, wątroby, do badania funkcji i chorób układu oddechowego, moczowego, nerwowego. Dla ujawnienia nowotworów złośliwych w takich organach jak tarczyca, mózg, wątroba stosuje się radioaktywne izotopy: ³²P, ¹³¹J, ¹⁹⁸Au. Dwa ostatnie izotopy emitują, oprócz cząstek *, promieniowanie gamma, które łatwo przenika w twarde i głębiej położone tkanki ludzkiego ciała. Izotop ¹⁹⁸Au podawany dożylnie gromadzi się głównie w komórkach nowotworowych gruczołów chłonnych. Złoto promieniotwórcze wywiera na nie działanie lecznicze przez wysyłane promieniowanie * i *, niszcząc młodą nieprawidłową tkankę. Izotop ¹⁹⁸ Au w postaci koloidalnej używany jest również do leczenia nowotworów wątroby. Natomiast w formie igieł i granulek jest stosowany do leczenia nowotworów mózgu, pęcherza moczowego itp. Do podobnych celów, również w formie igieł i granulek, używany jest izotop ⁶⁰ Co. Diagnostyka nowotworów złośliwych oparta jest na tym, że komórki nowotworowe inaczej gromadzą pierwiastek promieniotwórczy w porównaniu z tkanką zdrową. Wiadomo na przykład, że tkanka nowotworowa charakteryzuje się podwyższoną akumulacją radioaktywnego fosforu. Radioaktywny fosfor emituje cząstki, * o średnim zasięgu w tkance równym 3 mm. Dlatego ³²P stosuje się w diagnostyce nowotworów zlokalizowanych w pobliżu powierzchni ciała (skóra, miękkie tkanki ramion, biodra), lub w łatwo dostępnych jamach ciała (krtań, przewód pokarmowy). Podobnie jak fosfor zwykły jest on szczególnie przyswajany przez tkankę kostną, a ponadto gromadzi się wybiórczo w komórkach nowotworowych mózgu. Po podaniu choremu "dawki" 2 mCi radioaktywność guza mózgu staje się niekiedy 100 razy większa od aktywności otaczających tkanek zdrowych. Badanie licznikiem promieniowania daje możliwość dokładnego zlokalizowania nowotworu i tym sposobem ułatwia i zwiększa precyzję operacji. Podawanie ³²P okazuje się też celowe w chorobach układu krwiotwórczego (szpiku kostnego) jak białaczka lub czerwienica. W tym ostatnim przypadku szpik kostny wytwarza w nadmiarze krwinki czerwone. Promieniotwórczy fosfor zgromadzony w kościach działa niszcząco na tkankę krwiotwórczą, szpiku kostnego, zmniejszając produkcję krwinek. Warto dodać, że w badaniach scyntygraficznych szpiku kostnego zmiany chorobowe mogą się manifestować jako ogniska wzmożonego wychwytu radioznacznika ("gorące") lub jako ubytki gromadzenia ("zimne"). Badanie scyntygraficzne jest szczególnie pomocne w rozpoznawaniu chorób szpiku kostnego oraz wykrywaniu w nim zmian nowotworowych. Również w celach diagnostycznych i leczniczych stosowany jest kobalt-60. Dla leczenia raka przełyku chory połyka metaliczne "perły" kobaltowe przymocowane do jedwabnej nici. Pozostając przez kilka godzin w bezpośrednim sąsiedztwie nowotworu kobalt niszczy go emitowanym przez siebie promieniowaniem gamma. Perły kobaltowe mogą być wprowadzane również do innych jam ciała: nosogardzieli, zatok bocznych nosa, pęcherza moczowego. Wprowadzane do ustroju radioizotopy wywierają działanie lecznicze od wewnątrz. Oprócz tej metody niekiedy zabieg leczniczy wymaga naświetlania tkanek promieniowaniem jądrowym z zewnątrz. W terapii zewnętrznej nowotworów, do niszczenia tkanek nowotworowych, mają zastosowanie tzw. bomby kobaltowe, czyli źródła zawierające (w odpowiedniej ołowianej osłonie) radioizotop ⁶⁰ Co w takiej ilości, że wypromieniowywana przezeń energia kwantów gamma ma moc około jednego lub kilku watów. Nieznaczna wagowo 30 gramowa próbka kobaltu emituje stale przez długie lata (T_1/2 =5,3 lat) bardzo intensywne promieniowanie gamma równoważne promieniowaniu przeszło 1 kilograma radu. W diagnostyce medycznej stosuje się radioizotopy będące emiterami * i * Nie używa się emiterów *, które z powodu krótkiego zasięgu w materii mogą w organizmie spowodować uszkodzenia tkanek. Emitery * zalicza się do grupy pierwiastków promieniotwórczych o wysokim stopniu toksyczności.

* → promieniowanie α

* → promieniowanie β

* → promieniowanie χ

Symbol pierwiastka	Okres połowicznego rozpadu	Rodzaj promieniowania	Sposób otrzymywania	Zastosowanie
^3H	12,33 lat	*^	Reaktory, cyklotrony	Do badania ogólnej ilości wody w organizmie i jej rozmieszczenia
^11C ^14C ^24Na	20,4 min 5730 lat 14,9 h	*^+* *^- *^- *	Cyklotron Reaktor, cyklotron	Do określania szybkości przepływu krwi w różnych odcinkach układu krwionośnego, do badania czasu przepływu krwi w celu określenia stopnia wydolności serca, do określenia całkowitej objętości wody poza komórkowej w organizmie
^32P	14,26 dni	*^-	Reaktory, cyklotron	Do znakowania krwinek czerwonych, diagnozowania i leczenia nowotworów zlokalizowanych w pobliżu powierzchni ciała, w jamach ciała, w mózgu, w chorobach układu krwiotwórczego. Jest też szczególnie przyswajany przez tkankę kostną
^40K	1,28 x 10^9 lat	*^- *	naturalny	Do badania stopnia zaawansowania choroby związanej z zanikaniem mięśni
^51Cr	27.7 dni	Wychwyt elektronu przez jądro	wychwyt	Do znakowania krwinek czerwonych
^59Fe	45,1 dni	*^- *	Reaktory, akceleratory	Do badania szybkości produkcji hemoglobiny erytrocytów, określania warunków odnowy krwinek czerwonych
^60 Co	5,269 lat	*^- *	Reaktor, akcelerator	Do leczenia raka przełyku, nosogardzieli, zatok bocznych nosa, pęcherza moczowego. Stosowany w terapii zewnętrznej nowotworów
^72 Ga	14.1godziny	*^- *	Reaktor, akcelerator, reakcje rozszczepiania	Do leczenia nowotworów kości
^75 Se	119,78 dni	Wychwyt elektronu przez jądro	Reaktor, akcelerator	Do oceny szybkości produkcji białek, osocza
^132J	8,04 dnia	* *^-	Reaktor, akcelerator, reakcje rozszczepiania	Do badania objętości krwi w ustroju, w terapii nowotworów tarczycy, niszczenia ognisk nowotworowych w układzie kostnym
^198 Au	2,69 dni	*^- *	Reaktor, akcelerator	Wywiera lecznicze działanie na komórki nowotworowe gruczołów chłonnych, nowotwory wątroby, mózgu, pęcherza moczowego

---