Izotopy promieniotwórcze w medycynie
Historycznie rzecz biorąc, pierwszym radioizotopem użytym w medycynie był rad, odkryty przez małżeństwo Curie. Już kilka lat po jego wyizolowaniu pracujący na Johns Hopkins University ginekolog Howard Atwood Kelly zastosował ten pierwiastek w leczeniu pewnych rodzajów nowotworów narządów rodnych. Niestety, rad jest silnie radioaktywny i do tego emituje bardzo niebezpieczne promienie alfa, tak więc dość szybko stwierdzono, że korzyść z jego stosowania jest o wiele mniejsza niż szkody przez niego wywoływane. Na szczęście medycyna już od dawna dysponuje wieloma rozmaitymi izotopami promieniotwórczymi, które są szeroko stosowane zarówno w diagnostyce, jak też terapii.
Promieniotwórcze izotopy jodu
Powszechnie wiadomo, że jod jest kluczowym pierwiastkiem związanym z tarczycą – gruczołem wydzielania wewnętrznego. Wchodzi w skład dwóch najważniejszych hormonów produkowanych przez tarczycę – trijodotyroniny (T3) oraz tyroksyny (T4). Do tego, aby hormony były produkowane w odpowiedniej ilości, do organizmu wraz z pożywieniem musi trafiać niezbędna dawka jodu. W naturze występuje tylko jeden trwały izotop tego pierwiastka – jod-127. Pozostałe cztery są promieniotwórcze. I właśnie te izotopy jodu powszechnie stosuje się w diagnostyce i leczeniu tarczycy.
Jod-123 (czas półtrwania 13 godz.) jest stosowany w scyntygrafii. Ta metoda diagnostyczna polega na wprowadzeniu do organizmu odpowiednich radiofarmaceutyków (znakowane izotopami promieniotwórczymi preparaty medyczne), które gromadzą się w konkretnych narządach. Następnie wykonuje się obrazowanie, w tym przypadku za pomocą gammakamery, która rejestruje promieniowanie emitowane przez dany narząd. Informacja ta jest następnie przetwarzana przez odpowiednie programy, pozwalające na szczegółową wizualizację miejsc zmienionych chorobowo. Izotop zostaje potem w naturalny sposób wydalony z organizmu, głównie z moczem, ale częściowo też z potem. Promieniowanie emitowane przez jod-123 jest nieszkodliwe dla tarczycy.
Kolejny izotop, jod-124, o czasie półtrwania ok. 4 dni, emituje pozytony (elektrony dodatnie), a więc może być używany w technice pozytonowej tomografii emisyjnej (PET), która daje znacznie dokładniejszy obraz diagnostyczny niż scyntygrafia. Jod-125 ma dość długi czas półtrwania, wynoszący 60 dni. Obecnie nie stosuje się go raczej w terapii, choć kiedyś był używany m.in. do leczenia raka prostaty metodą brachyterapii, czyli przez umieszczanie izotopu bezpośrednio w okolicy guza. Izotop ten okazał się także użyteczny w znakowaniu antygenów i przeciwciał stosowanych w metodach radioimmunologicznych.
Jednym z najczęściej stosowanych izotopów jest jod-131 o czasie półtrwania ok. 8 dni. Używa się go zarówno do celów diagnostycznych, jak i terapeutycznych. 90% emitowanego promieniowania to promienie beta, pozostałe 10% przypada na promienie gamma. Po raz pierwszy zastosowano go w 1948 r. do leczenia przerzutów raka tarczycy. Terapia jodem promieniotwórczym ma na celu zniszczenie resztek tarczycy pozostałych po leczeniu operacyjnym oraz sterylizację przerzutów. Wykorzystuje się go także do leczenia paliatywnego, gdy uwarunkowania medyczne nie pozwalają na operację. W tym przypadku zaobserwowano często zmniejszenie guzów, spowolnienie rozwoju nowotworu oraz złagodzenie bólu.
Kobalt-60
Może to się wydawać dość zaskakujące, ale stosowana do radioterapii przez kilka dziesięcioleci bomba kobaltowa jest w pewnym sensie efektem ubocznym prac nad bombą jądrową. To właśnie w ramach projektu „Manhattan” Enrico Fermi stworzył pierwszy działający reaktor atomowy, który jest niezbędny do uzyskania promieniotwórczego izotopu kobaltu-60. Wynika to z faktu, że izotop ten nie występuje naturalnie w przyrodzie. Otrzymuje się go poprzez napromieniowanie neutronami naturalnego kobaltu-59 w reaktorze jądrowym. Powstający izotop ma czas półtrwania ok. 5 lat i emituje silne promieniowanie gamma. Ze względu na olbrzymią aktywność próbkę kobaltu-60 przechowuje się w grubej osłonie ołowianej wyposażonej w zamykane kanaliki, przez które promienie gamma mogą się wydostawać. Terapię kobaltem zaczęto stosować w latach 50. w Kanadzie – pierwszym szpitalem, w którym przeprowadzono ten zabieg, był Victoria Hospital w miejscowości London (prowincja Ontario). Tego typu radioterapię coraz częściej zastępuje się teraz akceleratorami liniowymi, które emitują podobne promieniowanie, ale nie generują niebezpiecznych odpadów promieniotwórczych. (Akcelerator liniowy to urządzenie przyśpieszające cząstki naładowane przy pomocy pola elektrycznego. Poruszają się one w linii prostej, podczas gdy w cyklotronie ruch odbywa się po spirali).
Izotop kobaltu-60 jest także stosowany do konstrukcji tzw. noża gamma. Urządzenia tego używa się w radiochirurgii, szczególnie do leczenia guzów mózgu. Po precyzyjnym określeniu położenia zmiany pacjent zostaje unieruchomiony, a na jego głowę nasuwa się hełm, w którym znajduje się ok. 200 małych źródeł promieniowania gamma. Pojedyncza wiązka ma niewielką moc, aby nie uszkodzić zdrowych tkanek, ale wszystkie razem, zogniskowane na guzie, wystarczają do tego, aby efektywnie zniszczyć tkankę rakową. Zastosowanie noża gamma może uchronić pacjenta przed interwencją neurochirurga. Ponieważ nie trzeba otwierać czaszki, metoda ta jest uznawana za względnie mało inwazyjną. Silne promieniowanie gamma wydzielane przez kobalt-60 wykorzystywane jest też czasem do sterylizacji sprzętu i odpadów medycznych.
Technet-99m
Dmitrij Mendelejew, tworząc tablicę pierwiastków, przewidział istnienie pierwiastka nr 43 o właściwościach zbliżonych do leżącego nad nim manganu. Przez kilkadziesiąt lat uczeni bezskutecznie usiłowali go odkryć. Dopiero w 1937 r. zespół włoski pod kierunkiem Emilia Segrè otrzymał niewielką ilość tego pierwiastka, znanego dziś jako technet (Tc). Okazało się, że nie ma on żadnego trwałego izotopu. Przez lata pozostawał tylko ciekawostką naukową, dziś jednak jest jednym z najbardziej pożądanych radionuklidów stosowanych w medycynie nuklearnej. Wykorzystuje się go jako znacznik w tomografii emisyjnej pojedynczych fotonów, znanej pod skrótem SPECT. Radiofarmaceutyk w postaci związku chemicznego, w ilościach nano- albo nawet pikogramowych, wprowadza się do krwiobiegu, a następnie pacjent jest skanowany przez kamery rejestrujące promieniowanie gamma. Badanie SPECT szczególnie przydaje się w diagnostyce serca i mózgu.
Czas półtrwania technetu-99m (litera m oznacza jądro metastabilne, a więc wyjątkowo nietrwałe) wynosi zaledwie 6 godz. Jest to niewątpliwą zaletą, jeśli chodzi o diagnostykę, ponieważ organizm człowieka będzie krótko narażony na promieniowanie gamma. Rodzi to jednak duży kłopot podczas wytwarzania – nie da się go po wyprodukowaniu w reaktorze wystarczająco szybko dostarczyć do ośrodka diagnostycznego. Dlatego zastosowano pewną technikę pozwalającą w sprytny sposób pokonać ten problem. W reaktorze nie produkuje się technetu, lecz molibden-99. Jest to izotop trwalszy niż technet-99m, z czasem półtrwania ok. 66 godz. Po uzyskaniu umieszcza się go (a dokładniej jego sól – molibdenian) w generatorze technetu, popularnie zwanym krową. Po szybkim dostarczeniu generatora do szpitala, w którym wykonuje się badania diagnostyczne, wymywa się odpowiednią ilość powstającego cały czas technetu-99m (roztwór ten nazywa się w żargonie mlekiem) i wykorzystuje do badania. Procedurę tę można powtórzyć tylko 10– 20 razy, dlatego badania w danym ośrodku wykonuje się seriami, pacjent po pacjencie.
Warto wiedzieć, że Polska jest jednym z najbardziej znaczących na świecie producentów generatorów technetu-99m. Wytwarza się go w jedynym naszym reaktorze jądrowym „Maria” w Świerku.
Scyntygrafia
Jedną z dziedzin medycyny nuklearnej stosowaną do obrazowania i badania stanu narządów wewnętrznych jest scyntygrafia. Właśnie tutaj wykorzystuje się najwięcej rozmaitych radioznaczników. Izotopy promieniotwórcze, związane z cząsteczkami farmaceutyków, podaje się do organizmu w ilościach minimalnych, ale wystarczających do ich detekcji z zewnątrz.
Jedną z nowszych technik diagnostycznych wymagających zastosowania znaczników radioizotopowych jest PET. W tym przypadku znaczenie ma antymateria, a konkretnie: pozytony (elektrony dodatnie). Takie izotopy jak węgiel-11, azot-13, tlen-15 czy fluor-18 rozpadają się z wydzieleniem antyelektronu, który bardzo szybko, po przebyciu zaledwie kilku milimetrów, zderza się ze zwykłym elektronem, przy czym następuje anihilacja tych dwóch cząstek z wytworzeniem pary fotonów. Aparatura PET rejestruje właśnie te fotony, pozwalając na uzyskanie bardzo dokładnego obrazu zmienionych chorobowo narządów wewnętrznych. W tym przypadku najczęściej stosuje się znakowaną izotopem fluoru-18 fluorodeoksyglukozę. Pewne rodzaje nowotworów wykazują bowiem specyficzny metabolizm charakteryzujący się zwiększonym zapotrzebowaniem na energię, a jej źródłem są cukry. Obrazowanie PET poza onkologią jest dobrą metodą do badania funkcji mózgu, wspomaga więc m.in. diagnostykę chorób Alzheimera i Parkinsona. Ponieważ fluor-18 ma czas półtrwania krótszy niż 2 godz., jego aktywność dość szybko maleje. Pozwala to na znaczące ograniczenie stopnia napromieniowania pacjenta. Warto podkreślić, że metoda PET jest ok. sto razy dokładniejsza niż opisywana wcześniej technika SPECT. Niestety, urządzenia PET są kilkadziesiąt razy droższe niż SPECT, droższe jest też samo badanie.
W przypadku schorzeń układu kostnego wykonuje się często scyntygrafię całego ciała, aby znaleźć miejsca zmienione chorobowo. Jest to technika znana już od lat 30. XX w., gdy György von Hevesy (patrz ramka) zastosował do badań izotop fosforu-32. W latach 50. ub.w. do tego celu używano wapnia-45, a dziś najczęściej stosuje się znakowane technetem-99m związki fosforu. Wbrew pozorom badanie to należy do bardzo bezpiecznych, specjaliści medycyny nuklearnej uważają, że można je wykonywać nawet u dzieci.
W przypadku chorób płuc jedną z metod diagnostycznych pozostaje scyntygrafia wentylacyjna. W tym przypadku pacjent podczas badania oddycha mieszaniną promieniotwórczego ksenonu-133 (czas półtrwania ok. 5 dni) z tlenem. Pozwala to na dokładne obrazowanie dróg oddechowych. Obecnie jednak częściej stosuje się scyntygrafię aerozolową, w której do płuc podawany jest drogą wziewną aerozol zawierający technet-99m. Badanie tymi metodami stosuje się w przypadku podejrzenia zatoru płucnego oraz niektórych chorób nowotworowych.
Skąd się biorą radioizotopy stosowane w medycynie
Pierwszy izotop stosowany w medycynie, rad, pozyskiwany był ze źródeł naturalnych, konkretnie z rud uranowych. Dzisiejsze radioizotopy pochodzą niemal wyłącznie z przemysłu jądrowego. Znacząca część to produkty uzyskiwane w reaktorach jądrowych, m.in. w „Marii” w Świerku. Są one produktami reakcji jądrowych, w których najczęściej jeden pierwiastek zmienia się w drugi – w tym przypadku pod wpływem neutronów emitowanych w czasie rozpadu promieniotwórczego uranu lub plutonu. Sam proces produkcji polega na naświetlaniu umieszczonej w kanale utworzonym w osłonie reaktora tarczy wykonanej z jakiegoś pierwiastka. Czasem jądro jednego pierwiastka zmienia się w izotop tego samego pierwiastka o innej liczbie neutronów. Tak np. z kobaltu-59 produkuje się promieniotwórczy kobalt-60. Z kolei jod-131 to produkt rozpadu jąder uranu, występujący w dość dużych ilościach podczas napromieniowania tarczy uranowej neutronami. Aby go uzyskać, próbkę naświetlonego neutronami uranu pozostawia się na jakiś czas, aby krócej żyjące izotopy uległy rozpadowi, a następnie ekstrahuje jod-131 za pomocą wodorotlenku sodu.
Ostatnio coraz częściej produkuje się radioizotopy w cyklotronach. Ponieważ urządzenia stają się coraz popularniejsze, a ich koszt spada, dość często w centrach medycyny nuklearnej otrzymuje się dany radioizotop na miejscu, jak np. fluor-18, który ma zastosowanie w diagnostyce PET. W tym przypadku wiązka protonów generowanych w cyklotronie trafia w atomy tlenu-18, przekształcając go we fluor-18. Cyklotrony mogą służyć do wytworzenia kilkudziesięciu rozmaitych izotopów o zastosowaniu medycznym. Co ważne, tego typu produkcja nie pozostawia po sobie uciążliwych odpadów promieniotwórczych.
dr n. chem. Mirosław Dworniczak
***
Zasady bezpieczeństwa
Pacjenci po diagnostyce lub terapii jodem-131 (oraz innymi radioizotopami) „świecą”. Co prawda promieniowanie emitowane przez ich ciało nie jest bardzo silne, ale chory otrzymuje zalecenia co do trybu życia. Ponieważ przez kilka tygodni w naturalny sposób izotop jest wydalany (a jednocześnie spada aktywność promieniotwórcza), musi dokładnie kilkakrotnie spłukiwać po sobie toaletę oraz umywalkę/wannę po myciu. Należy powstrzymać się od stosunków seksualnych przez miesiąc, a kobiety nie powinny zachodzić w ciążę przez 6 miesięcy od opuszczeniu szpitala. Ważne jest, aby pacjent na początku nie przytulał nikogo (przede wszystkim dzieci), ponieważ jego szyja przez kilka dni może stanowić zagrożenie dla osób będących w pobliżu.
Ponieważ jod wydalany jest także z potem, odzież oraz pościel takiego pacjenta musi być prana osobno, a on sam nie powinien chodzić po domu boso. Nie zaleca się odkażania toalety, umywalki czy odzieży typowymi środkami zawierającymi chlor, ponieważ w efekcie utleniania tworzy się promieniotwórczy gazowy jod, który z łatwością przenika do organizmów osób przebywających w otoczeniu.
***
György von Hevesy – pionier medycyny nuklearnej
Urodzony w 1885 r. Hevesy zaczynał karierę jako chemik, ale doktorat obronił w dziedzinie fizyki. Współpracował przez krótki czas z niesławnym Fritzem Haberem, a potem zainteresował się młodą dziedziną – radiochemią. Jakiś czas spędził w pracowni Ernesta Rutherforda, gdzie miał okazję spotkać m.in. Nielsa Bohra. W 1922 r. został współodkrywcą hafnu, za co w 1943 r. otrzymał Nagrodę Nobla. Już w 1923 r. wpadł na pomysł badań biologicznych przy użyciu promieniotwórczego izotopu ołowiu-212, który pozwalał na śledzenie transportu substancji odżywczych w roślinach. Po serii udanych eksperymentów dość szybko zaczął stosować radioznaczniki w badaniu metabolizmu u zwierząt, a w końcu także u ludzi. Czas II wojny światowej uczony spędził w Danii, gdzie wsławił się m.in. tym, że roztworzył w wodzie królewskiej medale noblowskie Maxa von Lauego i Jamesa Francka, co zapobiegło ich zarekwirowaniu przez Niemców. Roztwór pozostawił po prostu na półce w pracowni. Po wojnie okazało się, że butla pozostała nienaruszona. Hevesy wytrącił złoto, a Komitet Noblowski z tego materiału wykonał nowe wersje medali.