8.6: Медичне використання радіоізотопів

Використання ядерної хімії в медичних технологіях з часом зростає. Медичне використання можна розділити на дві категорії:

1. медична візуалізація органів або діагностика будь-яких несправностей і
2. терапевтичне застосування, в основному для знищення ракових клітин.

Радіоізотопи в медичній візуалізації

Критерії відбору радіоізотопів для медичної візуалізації

1. ті, які випромінюють\(\ce{\gamma}\) -промені, прямо чи опосередковано, під час їх розпаду,
2. може бути доставлений до органу інтересу в чистому вигляді або позначений в з'єднанні,
3. є короткочасними або можуть виводитися з організму після використання.

У таблиці 8.6.1 перераховані деякі радіоізотопи, які зазвичай використовуються в медичній візуалізації. Пацієнту вводять низьку дозу радіоізотопу. \(\ce{\gamma}\)-промені перетинаються по тілу і записуються як рентгенівські промені. Комп'ютер нарешті перетворює запис у корисне зображення. Зображення порівнюють із зображенням здорового органу, щоб діагностувати будь-який збій.

Таблиця 8.6.1: Деякі з часто використовуваних радіоізотопів у медичній візуалізації

Радіоізотоп	Символ	режим розпаду	Період напіврозпаду	Використання в медичній візуалізації
Вуглець-11	\(\ce{_6^11C}\)	β ^+, г	20.3 м	Сканування мозку для відстеження глюкози
Фтор-19	\(\ce{_9^18F}\)	β ^+, г	109 м	Сканування мозку для відстеження глюкози
Хром-51	\(\ce{_24^51Cr}\)	Е.С., г	27,3 д	Діагностувати альбінізм; зображення селезінки і шлунково-кишкового тракту
Галій-67	\(\ce{_31^67Ga}\)	Е.С., г	78.3 год	Сканування всього тіла на наявність пухлин
Селен-75	\(\ce{_34^75Se}\)	Е.С., г	118 д	сканування підшлункової залози
Криптон-81м	\(\ce{_36^{81m}Kr}\)	г	13,3 сек	Сканування вентиляції легенів
Ксенон-133	\(\ce{_54^133Xe}\)	β	5,24 г	Сканування вентиляції легенів
Стронцій-81	\(\ce{_38^81Sr}\)	β	22,2 м	Сканування раку кісток і захворювань кісток
Меркурій-197	\(\ce{_80^197Hg}\)	Е.С., г	64.1 год	Сканування нирок
Залізо-59	\(\ce{_26^59Fe}\)	β, г	44,5 д	Функція кісткового мозку та анемії
Йод-131	\(\ce{_53^131I}\)	β, г	8,04 г	Діагностика несправності щитовидної залози
Йод-123	\(\ce{_53^123I}\)	Е.С., г	13.2 год	Діагностика несправності щитовидної залози
Техноній-99М	\(\ce{_43^{99m}Te}\)	г	6.01 год	Сканування мозку, печінки, нирок, кісток та діагностика пошкодженого серцевого м'яза
Фосфор-32	\(\ce{_15^32P}\)	β	14,3 д	Виявлення пухлин очей
Талій-201	\(\ce{_81^201Tl}\)	Е.С., г	3,05 д	Сканування серця і вправи стрес-тест

Прикладом медичної візуалізації є щитовидна залоза в області шиї, яка виробляє гормон тироксин, який контролює загальну швидкість обміну речовин в організмі. Кожна молекула тироксину містить чотири атома йоду. Введення радіоактивної солі Na ¹³¹ I або Na ¹²³ I накопичує йод в щитовидній залозі за кілька годин. Розпад ¹³¹ I і ¹²³ I передбачає\(\ce{\gamma}\) -емісію.

\[\ce{_53^131I -> _54^131Xe + _{-1}^{0}{e}} + \gamma\nonumber\]

\[\ce{_53^123I + _{-1}^{0}{e} -> _52^123Xe} + \gamma\nonumber\]

Реєструється\(\ce{\gamma}\) -емісія з йоду, локалізованого в щитовидній залозі, як показано на рис.8.6.1. Гіперактивна щитовидна залоза (гіпертиреоз) накопичується більше, а недоактивна щитовидна залоза (гіпотиреоз) накопичує менше йоду, ніж здорова щитовидна залоза.

Малюнок\(\PageIndex{1}\): Сканування щитовидної залози йодом-123 для оцінки гіпертиреозу. Джерело: Міохан на en.Вікіпедія/CC BY (https://creativecommons.org/licenses/by/3.0)

Інший приклад - позитронно-емісійна томографія (ПЕТ). Позитронні випромінювачі, такі як вуглець-11 та фтор-18, включені у відповідну сполуку, таку як глюкоза, дозволяють слідувати метаболічному шляху сполуки. Наприклад, 18-фтородезоксиглюкоза) 18-ФДГ) - молекула глюкози, в якій один з кисню замінюється ¹⁸ F. Внутрішньовенна ін'єкція 18-ФДГ в кінцевому підсумку призводить до кумуляції 18-ФДГ в мозку та інших органах тіла, де глюкоза використовується в обмінному процесі. ¹⁸ F випромінює позитрон, який, будучи античастинкою електрона, реагує з електроном і виробляє два g\(\ce{\gamma}\) -промені.

\[\ce{_9^18F -> _8^18O + _{1}^{0}{e}} + \gamma\nonumber\]

\[\ce{_{1}^{0}{e} + _{1}^{0}{e} ->} 2\gamma\nonumber\]

Для отримання зображення органу використовуються\(\ce{\gamma}\) промені. На зображенні виявляються проблемні ділянки у вигляді аномальної концентрації глюкози в частині органу. Наприклад, рис. 8.6.2 порівнює ПЕТ-зображення здорового мозку з хворобою Альцгеймера з хворобою Альцгеймера.

Малюнок\(\PageIndex{2}\): ПЕТ-сканування висівок: здорові (зліва) та хвороба Альцгеймера (праворуч). Джерело: Національний інститут старіння, Центр освіти та направлення хвороби Альцгеймера /Громадське надбання

Оскільки метаболізм глюкози відбувається у всіх органах, ПЕТ-сканування всього тіла може бути використано для діагностики раку легенів, колоректальної кишки, голови та шиї та стравоходу, а також інших захворювань, що включають порушення метаболізму глюкози. Наприклад, пухлини мають високі показники метаболізму; для їх виявлення використовують ПЕТ-сканування з використанням 18-ФДГ, як показано на рис. 8.6.3.

Малюнок\(\PageIndex{3}\): ПЕТ-сканування всього тіла за допомогою ¹⁸ F-FDG. Нормальний мозок і нирки маркуються, а радіоактивна сеча від розпаду ФДГ видно в сечовому міхурі. Крім того, велика метастатична пухлинна маса від раку товстої кишки спостерігається в печінці. Джерело: Йенс Маус (http://jens-maus.de/)/Громадське надбання

Медична візуалізація без використання радіоізотопів

Основні приклади медичної візуалізації з використанням зовнішніх джерел випромінювання включають наступне.

1. Рентгенівські промені, які є зовнішнім джерелом випромінювання, зазвичай використовуються для медичної візуалізації органів і кісток.
2. Комп'ютерна томографія (КТ) використовує комп'ютерну обробку багатьох рентгенівських вимірювань, під різними кутами, для отримання поперечного перерізу (віртуальних зрізів) органу.
3. Магнітно-резонансне зображення (МРТ) - ще одна потужна медична візуалізація, яка заснована на тому, що атоми водню при розміщенні в сильному магнітному полі розщеплюються на два енергетичних стану. При освітленні інфрачервоним (ІЧ) випромінюванням енергії, що відповідає енергетичному зазору між двома групами, атоми водню збуджуються від нижнього до вищого енергетичного стану. Розпад збудженого стану випромінює ІЧ-випромінювання, які реєструються для отримання зображення м'яких тканин, які містять багато атомів водню у вигляді молекул води. На рис. 8.6.4 наведені деякі приклади.

Малюнок\(\PageIndex{4}\): Спектр медичної візуалізації. Джерело: Мартін Торнай, CC BY 4.0 < https://creativecommons.org/licenses/by/4.0 >, через Вікісховище

Променева терапія

Мета променевої терапії полягає в вибірковому знищенні хворих клітин або тканин, піддаючи їх опроміненню. Для терапії потрібні більш високі дози опромінення, ніж для візуалізації. Джерело випромінювання може бути зовнішнім або внутрішнім.

Зовнішня променева терапія

При зовнішньому опроміненні випромінюванні джерела, наприклад, коба, які часто використовуються, розробляються інші джерела випромінювання, такі як протонний промінь з циклотрона, який використовувався для знищення неоперабельних пухлин поблизу або в оці, основі черепа або хребті. Протонна терапія використовує промінь протона для доставки випромінювання безпосередньо до пухлини.

Малюнок\(\PageIndex{5}\): Променева терапія лімфоми Ходжкіна у Versa HD.. Джерело: Джейкмбрадфорд, CC BY-SA 4.0 < https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0 >, через Вікісховище

Внутрішня променева терапія

Внутрішня променева терапія застосовується, коли короткочасний радіоізотоп може бути зроблений для вибіркової концентрації в органі або тканини, що цікавить. Наприклад, йод-131 є\(\ce{\beta}\) і\(\ce{\gamma}\) -емітер, вводиться хворому, підхоплюється щитовидною залозою, використовується для лікування гіпертиреозу. Інший приклад - актиній-225, який є\(\ce{\alpha}\) -емітером з періодом напіврозпаду 10 днів. Актиній-225 встановлюється в моноклональне антитіло, яке прикріплюється до простат-специфічного антигену і доставляється вибірково для лікування пухлин передміхурової залози.

Малюнок\(\PageIndex{6}\): Ділянки тіла, в яких брахітерапія може бути використана для лікування раку. Джерело: Рок mc1/CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)

Брахітерапія

Брахітерапія або імплантація насіння - це форма внутрішнього променевого лікування, яка забезпечує високу дозу протягом короткого періоду в порівнянні з зовнішнім променевим лікуванням. На рис. 8.6.6 показані ділянки в організмі, де брахітерапію можна використовувати для лікування раку. Наприклад, для лікування раку передміхурової залози імплантують 40 і більше титанових капсул, розміром приблизно з рисове зерно (рис. 8.6.7). Насіння містить\(\ce{\gamma}\) -емітер, як йод-125 (період напіввиведення 60 днів), паладій-103 (період напіввиведення 17 днів), або цезій-131 (період напіввиведення 10 днів). Насіння може залишитися в організмі, оскільки через короткий період напіврозпаду вони не є більш суттєво радіоактивними після обробки.

Малюнок\(\PageIndex{7}\): Фото радіоактивних насіння. Ці імплантати є формою променевої терапії раку передміхурової залози. Джерело: Комісія з ядерного регулювання від США/Громадське надбання

Іншим варіантом є тимчасова брахітерапія, наприклад, голки іридію-192, які доставляють більш високі дози опромінення, вводяться для лікування раку передміхурової залози і видаляються через 5 - 10 хв. Провід іридієм-192 також використовуються як подальше лікування після операції з раку молочної залози, щоб убити будь-які залишкові або повторювані ракові клітини. Провід іридієм-192 вводяться через катетер, імплантований в простір, звідки була видалена пухлина. Провід видаляють після доставки необхідної дози опромінення. Процес повторюється двічі на день протягом п'яти днів. Катетер видаляється, а радіоактивний матеріал після лікування в організмі не залишається.