AZ IZOT OTÓPOK ÓPOK KÍSÉRLETES ÉS ORVOSI ALKALMAZÁSAI. RÉSZECSKE GYORSÍTÓK, GAMMA KAMERA
IZOTÓP: A PERIÓDUSOS RENDSZER AZONOS HELYÉN VAN (izosz, toposz) Szén izotópok: 6 proton + neutronok 11C
5 neutron 6 neutron 7 neutron 8 neutron 9 neutron
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.
Nitrogén forrás
14N
Eredeti DNS 14N 14N+15N
Klasszikus példa: Meselson és Stahl kísérlete a szemikonzervatív replikációra (1958)
Felhasználási terület: • KUTATÁS • DIAGNOSZTIKA • TERÁPIA
15N
DNS
15N
15N-en
nevelt
14N
1. replik. 2. replik. után után
3. replik. után
Sűrűség Sű ség gradiens
A tömeg-eltérés detektálásának módja: * izotópeffektus (2H) * szedimentációs módszer (centrifugálás) * tömegspektrometria
T1/2=5736 év T1/2=2.5 s
A MESELSON-STAHL KÍSÉRLET
2H, 13C, 15N, 18O
a természetben túlsúlyban lévőtől eltérő tömeg
15C
T1/2=20 s
- 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:
Felhasználásuk alapja:
13C 14C
radioaktív stabil stabil radioaktív radioaktív
Lehetnek: • STABIL • RADIOAKTÍV
STABIL IZOTÓPOK FELHASZNÁLÁSA Leggyakrabban használatosak:
12C
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)
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
2. Radiokarbon kormeghatározás
Indirekt (kompetitív) mérés
Chauvet-Pont-d'Arc barlang Franciaország: legrégebbi barlangrajzok a Paleolitikumból
(~30 ezer éves)
14C/12C
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
arány állandó, míg anyagcsere folyik, az egyed elpusztulása után a 14C bomlása miatt csökken
Beta-decay, t1/2=5730 év
3. Nyomjelzéses módszerek Hevesy György, 1885-1966 3H
2. Nyomjelzéses módszerek Autoradiográfia
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) 14C:
32P
PROTEIN
3.Nyomjelzéses módszerek: pulse-chase kísérlet a szekréciós útvonal tanulmányozására (Palade) 3H-leucine
(pulse) beadása a tengerimalacoknak. 3 perc múlva nagy mennyiségű „hideg” leucine beadása (chase).
Rtg filmen
3.Nyomjelzéses módszerek: pulse-chase kísérlet a szekréciós útvonal tanulmányozására (Palade)
.
Mintavétel és metszet készítés a hasnyálmirgyből különböző időpontokban a második injekció után.
5 min
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.
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
Technéciumgenerátor 99Mo β , 67ó
42
99mTc
γ,6ó
43
Használatának alapja: A vízben nem oldódó NH4MoO4-ból vízben oldódó NH4TcO4 keletkezik, mely kinyerhető
99Tc 43
5. 2D és 3D képalkotás (γγ-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.
γ-kamera, SPECT (részletesebben: egy másik előadáson) γ sugárzó izotóp minél rövidebb felezési idő leggyakoribb: 99mTc Előállítás: technéciumgenerátorban
5. 2D és 3D képalkotás (γγ-kamera, SPECT, PET) Csak γ bomló (vagy K befogást követően röntgensugárzást kibocsátó) izotópokat használnak, mert az α és β 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 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
Szcintillációs kristály Fotoelektronsokszorozó
7. Sugárterápia
5. 2D képalkotás. A vesék alaki és funkcionális vizsgálata Statikus vizsgálat 99mTc-DMSA alkalmazásával, patkóvese diagnosztizálása
Időbeni mérés – renogram
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
→ β- + 60mNi→ γ (1,17MeV) → 60mNi → γ (1,33MeV) → 60Ni
2. Testbe helyezett sugárforrás (β- + γ) Intersticiális (a daganatszövetbe tűzdelve) - 60Co, 192Ir Üregi - 60Co, 192Ir, 137Cs, 226Ra, Kontakt applikátor (szem) - 103Ru Keringésbe juttatott – 131I, 32P, 198Au – EGYRE RITKÁBBAN ! Idő (perc)
RÉSZECSKEGYORSÍTÓK
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.
Orvosi alkalmazások: PET-hez β+ - 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
Lineáris gyorsító, Stanford
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 3.2 km hosszú
CIKLIKUS GYORSÍTÓK ÁLTALÁNOS MEGFONTOLÁSOK A pályán tartó erő: Lorentz erő
B
qvB
qvB=mv2/r; ω=v/r ω=qB/m
DE OEC: Lineáris gyorsító
CIKLIKUS GYORSÍTÓK qvB=mv2/r; ω=v/r ω=qB/m
∆E
duáns
Ciklotronban A pálya elektron esetén kör v=c, 1 MeV felett ionok estén spirál v<
ω állandó, tehát B-t növelni kell Legjobb megoldás: szinkrotron ω 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 !
