AZ IZOTÓPOK KÍSÉRLETES ÉS ORVOSI ALKALMAZÁSAI. RÉSZECSKE GYORSÍTÓK, GAMMA KAMERA
Tankönyv fejezetek: •Radioaktív izotópok felhasználása II./3.2.4 •Ionizáló sugárzások detektálása II./3.2.5 •Részecskegyorsítók az orvostudományban II./3.2.6 •Izotópos nyomjelzéstechnikák: szcintigráfia VIII/3.2 •Sugárterápia IX/3.
IZOTÓP: A PERIÓDUSOS RENDSZER AZONOS HELYÉN VAN (izosz, toposz) Szén izotópok: 6 proton + neutronok 5 neutron 6 neutron 7 neutron 8 neutron 9 neutron
11C 12C 13C 14C 15C
Lehetnek: • STABIL • RADIOAKTÍV
radioaktív stabil stabil radioaktív radioaktív
T1/2=20 s T1/2=5736 év T1/2=2.5 s
Felhasználási terület: • KUTATÁS • DIAGNOSZTIKA • TERÁPIA
STABIL IZOTÓPOK FELHASZNÁLÁSA Leggyakrabban használatosak: Felhasználásuk alapja:
2H, 13C, 15N, 18O
a természetben túlsúlyban lévőtől eltérő tömeg
A tömeg-eltérés detektálásának módja: * izotópeffektus (2H) * szedimentációs módszer (centrifugálás) * tömegspektrometria Klasszikus példa: Meselson és Stahl kísérlete a szemikonzervatív replikációra (1958)
A MESELSON-STAHL KÍSÉRLET
- a DNS-ben levő nitrogén a természetben 14N - ez kicserélhető 15N-re, ha azt tartalmazó táptalajt használunk - a 15N-t tartalmazó DNS ultracentrifugában CsCl gradiensen “mélyebbre” ülepszik, mint a 14N-t tartalmazó
Elv:
Nitrogén forrás
14N
14N 14N+15N 15N
DNS
15N-en
nevelt
14N
1. replik. 2. replik. után után
3. replik. után
Sűrűség gradiens
Eredeti DNS
15N
RADIOAKTÍV IZOTÓPOK FELHASZNÁLÁSA 1. Kis mennyiségben jelen lévő anyagok koncentrációjának meghatározása (RIA) - in vitro laboratóriumi vizsgálatok 2. 14C radiokarbon kor meghatározás – régészet 3. Radioaktív nyomjelzéses technika – sejtbiológia, biokémia 4. Testkompartmentek térfogatának meghatározása 5. Izotópeloszlás meghatározása szervek alakjának, méretének és metabolikus aktivitásának jellemzésére (2D képalkotás gamma-kamerával) 6. Izotópos nyomjelzésen alapuló tomográfiás eljárások (SPECT, PET; ld. következő előadás) 7. Sugárterápia
1. Érzékeny koncentráció meghatározás (RIA) Testnedvekből, sejttenyészetekből kis koncentrációjú anyagok – pl. hormonok, gyógyszerek mennyiségi meghatározása Vagy: 2b. Ismert koncentrációjú teszt anyag kalibr. görbe előállításához
1. Antitest az edény aljára tapasztva
Direkt mérés
3. Radioaktívan jelzett antitest Mérés szcintillációs számlálóval
1. Érzékeny koncentráció meghatározás (RIA) Indirekt (kompetitív) mérés
1.Antitest az edény aljára tapasztva A jelzett teszt anyag a mintában lévővel kompetál és kevesebb kötődik
minta
kontroll
1.Antitest az edény aljára tapasztva
Mérés szcintillációs számlálóval Kontroll aktivitása – Minta aktivitása ~ Anyag mennyisége a mintában
2. Radiokarbon kormeghatározás Chauvet-Pont-d'Arc barlang Franciaország: legrégebbi barlangrajzok a Paleolitikumból
(~30 ezer éves)
arány állandó, míg anyagcsere folyik, az egyed elpusztulása után a 14C bomlása miatt csökken
14C/12C
Beta-decay, t1/2=5730 év
3. Nyomjelzéses módszerek Hevesy György, 1885-1966
Sejtek, enzimek működésének vizsgálata
Timidin inkorporáció - DNS szintézis mérése Enzim aktivitás, anyagcsere folyamatok (elektroforézis után autoradiogram) 24Na: Sejtek Na+ háztartása (pl. Na-K ATP-áz) 32P: ATP beépülés DNS és foszfoprotein autoradiográfia 35S: Fehérje nyomjelzés 45Ca: Sejtek Ca++ háztartása (pl. stimuláció, Ca-ATP-áz) 86Rb: Sejtek K+ háztartása (pl. Na-K ATP-áz) 3H
: 14C:
2. Nyomjelzéses módszerek Autoradiográfia
PROTEIN
32P
Rtg filmen
3.Nyomjelzéses módszerek: pulse-chase kísérlet a szekréciós útvonal tanulmányozására (Palade) (pulse) beadása a tengerimalacoknak. 3 perc múlva nagy mennyiségű „hideg” leucine beadása (chase). 3H-leucine
Mintavétel és metszet készítés a hasnyálmirgyből különböző időpontokban a második injekció után. A metszetek festése Ozmium-tetroxiddal, ami a membránokhoz kötődik. Vékony fotoemulzió rétegzése a mintákra. Az izotóp által kibocsátott béta sugárzás hatására az izotóp helyén ezüst szemcsék kiválása történik.
A minták vizsgálata transzmissziós elektron mikroszkópban.
3.Nyomjelzéses módszerek: pulse-chase kísérlet a szekréciós útvonal tanulmányozására (Palade)
.
5 min
Sejtmag
Durva ER
15 min
>30 min
Radioaktív izotóppal jelölt fehérjék
4.Testkompartmentek térfogatának meghatározása 1. Ismert aktivitású izotóp bejuttatása a szervezetbe, sejtbe 2. Az izotóp aktivitásának mérése egyes mintákból
Élő szervezetben végezhető mérések Alapvető szempont: rövid felezési idő Statikus mérések Teljes test víztérfogat Vérplazma térfogata Kicserélhető Na+ ionok
Dinamikus mérések Vasfelvétel kinetikája - 59Fe Kalciumfelvétel kinetikája - 45Ca VVT élettartam mérés - 59Fe Pajzsmirigy jódfelvétele - 131I, 123I
5. 2D és 3D képalkotás (g-kamera, SPECT, PET) 1/Teff = 1/Tfiz + 1/Tbiol rövid fizikai felezési idő: hogy az aktivitás lehető legnagyobb része a vizsgálat alatt kerüljön felhasználásra biológiai felezési idő: az anyagcsere határozza meg. Kinetikai mérések esetében hasonló nagyságúnak kell lennie mint a mérés időtartama.
g-kamera, SPECT (részletesebben: egy másik előadáson) g sugárzó izotóp minél rövidebb felezési idő leggyakoribb: 99mTc Előállítás: technéciumgenerátorban
Technéciumgenerátor 99Mo 42
b- , 67ó
99mTc
g,6ó
43
Használatának alapja: A vízben nem oldódó NH4MoO4-ból vízben oldódó NH4TcO4 keletkezik, mely kinyerhető
99Tc 43
5. 2D és 3D képalkotás (g-kamera, SPECT, PET) Csak g bomló (vagy K befogást követően röntgensugárzást kibocsátó) izotópokat használnak, mert az és b részecskék nem hagyják el a testet, ha annak belsejében emittálódnak. 99mTc -hoz kötve mikrokolloid - csontvelő makrokolloid - máj, lép, RES szérumalbumin - perfúzió DMSA (dimerkaptoszukcinát) - vese Foszfát - csont, izület EDTA - agy, vese HIDA - epeút 201Tl 113mIn 133mXe 131I, 123I
- szívizom - placenta - tüdő - pajzsmirigy, vese
5. 2D képalkotás. Gamma-kamera kollimátor
Szcintillációs kristály Fotoelektronsokszorozó
Szcintillációs kristály és fotoelektronsokszorozó Szcintillációs kristály: CsI – α részecskék és protonok Thalliummal szennyezett NaI – γ fotonok Bizmut-germanát – γ fotonok A fényfelvillanások intenzitása függ a γ fotonok energiájától. Az elektromos jelek amplitúdója arányos a részecskék/fotonok energiájával Az elektromos impulzusok száma = beeső fotonok száma
5. 2D képalkotás. A vesék alaki és funkcionális vizsgálata Statikus vizsgálat 99mTc-DMSA alkalmazásával, patkóvese diagnosztizálása
Időbeni mérés – renogram
Idő (perc)
7. Sugárterápia Cél:
Daganatok elsődleges vagy kiegészítő kezelése
1. Szupervolt terápia a mélyen elhelyezkedő tumor kezelésére a. Ultrafeszültségű Rtg kezelés (lásd gyorsítóknál) b. “Kobalt ágyú” c. Gamma-kés 60Co
b- + 60mNi g (1,17MeV) 60mNi g (1,33MeV) 60Ni
2. Testbe helyezett sugárforrás (b- + g) Intersticiális (a daganatszövetbe tűzdelve) - 60Co, 192Ir Üregi - 60Co, 192Ir, 137Cs, 226Ra, Kontakt applikátor (szem) - 103Ru Keringésbe juttatott – 131I, 32P, 198Au – EGYRE RITKÁBBAN !
7. Sugárterápia:Gamma-kés
•
• •
~200 db 60Co sugárforrásból érkező gamma sugarakat fókuszálnak az agyban található elváltozásra/daganatra. Az egyes sugárforrások gyengék, a sugárzás nem roncsolja az egészséges szöveteket. A sugárnyalábok metszéspontjába helyezett célpontot viszont elegendően nagy dózis éri, ahhoz hogy a sejtek elpusztuljanak.
RÉSZECSKEGYORSÍTÓK Orvosi alkalmazások: PET-hez b+ - bomló izotópok előállítása gyors protonok és deuteronok - ciklotron Ultrafeszültségű Rtg kezelés gyors elektronok - lineáris gyorsító Biológai alkalmazások: Nagyfeloldású Rtg krisztallográfia koherens EM (Rtg energia) sugárzás - szinkrotron Ultragyors molekulaspektroszkópia koherens EM sugárzás – szinkrotron Részecskefizikai alkalmazások: pl. kvarkok megismerése Magfizikai alkalmazások:
LINEÁRIS GYORSÍTÓK Ionforrás
~ Elektródák
Rádiófrekvenciás generátor
Proton:
50-60 MeV (max 1000 MeV)
Elektron:
1 MeV felett v ~ c ! más technikai megoldást igényel az elektródok lehetnek egyenlő távolságra stanfordi lineáris gyorsító: 40,000 MeV !, 0.1A Nagyenergiájú Rtg fotonok kiváltása
Lineáris gyorsító, Stanford
3.2 km hosszú
DE OEC: Lineáris gyorsító
CIKLIKUS GYORSÍTÓK ÁLTALÁNOS MEGFONTOLÁSOK A pályán tartó erő: Lorentz erő
B
qvB
qvB=mv2/r; w=v/r w=qB/m
CIKLIKUS GYORSÍTÓK qvB=mv2/r;
w=v/r
w=qB/m
DE
duáns
Ciklotronban A pálya elektron esetén kör v=c, 1 MeV felett
ionok estén spirál v<
w állandó, tehát B-t növelni kell Legjobb megoldás: szinkrotron w és B nő a gyorsulással szinkron, így r állandó lehet
~
A Lawrence ciklotron D-i a hűtő csövekkel
A ciklotron mágnesrésze
DC-72 cyclotron It is beautiful !
