Studiuj dzięki licznym zasobom udostępnionym na Docsity
Zdobywaj punkty, pomagając innym studentom lub wykup je w ramach planu Premium
Przygotuj się do egzaminów
Studiuj dzięki licznym zasobom udostępnionym na Docsity
Otrzymaj punkty, aby pobrać
Zdobywaj punkty, pomagając innym studentom lub wykup je w ramach planu Premium
Społeczność
Odkryj najlepsze uniwersytety w twoim kraju, według użytkowników Docsity
Bezpłatne poradniki
Pobierz bezpłatnie nasze przewodniki na temat technik studiowania, metod panowania nad stresem, wskazówki do przygotowania do prac magisterskich opracowane przez wykładowców Docsity
I.3 Zastosowanie izotopów promieniotwórczych w medycynie ... Radioizotopy, czyli izotopy promieniotwórcze, które inaczej nazywamy radionuklidami mają.
Typologia: Schematy
1 / 26
Ta strona nie jest widoczna w podglądzie
Nie przegap ważnych części!
ZASTOSOWANIE IZOTOPÓW W MEDYCYNIE
Praca wykonana pod kierunkiem mgr inż. Arkadiusza Boronia
Podziękowanie W tym miejscu chciałybyśmy złożyć najserdeczniejsze podziękowanie Panu mgr inż. Arkadiuszowi Boroniowi, za pomoc, poświęcony czas, za zaangażowanie, za stworzenie wspaniałej atmosfery, twórcze dyskusje oraz motywację do pracy.
Pojęcia „medycyna nuklearna” czy „izotop promieniotwórczy” często kojarzone są z przyczynami katastrofy w Czarnobylu albo z chorobami wywołanych promieniowaniem. Skojarzenia z izotopami są bardzo zróżnicowane. Właśnie dlatego leczenie terapią izotopową czy scyntygrafią wywołuje wiele obaw. Nasza praca przedstawia jak ważne są izotopy w naszym życiu. Skierowana jest do uczniów zainteresowanych fizyką. Stanowi bardzo dobra bazę materiałową do przygotowania się na konkurs. Dzięki informacją, które zostały w niej zawarte można przeprowadzić z uczniami dyskusję na temat likwidacji lub rozwijania energetyki fizyki jądrowej. Praca zawiera opis izotopów, ich powstawanie i połowiczny rozpad. Pragnęłyśmy zwrócić szczególną uwagę na radionuklidy, które przenikają do wnętrza naszego ciała nawet jeśli o tym nie wiemy. Podkreśliłyśmy czym jest promieniowanie jonizujące. Kolejny dział został poświęcony izotopom w medycynie. Medycyna to wyjątkowa dziedzina, która korzysta z promieniowania jonizującego ratującego życie. Szczególne znaczenie odgrywa podczas zwalczania chorób nowotworowych, których niestety z dnia na dzień jest coraz więcej. Najważniejszym elementem w leczeniu chorób nowotworowych jest ich diagnostyka, która również jest możliwa dzięki izotopom promieniotwórczym. Mamy wiele metod diagnozowania chorób do których należą: planarna scyntygrafia statyczna, komputerowa tomografia Emisyjna (SPECT, PET). Każda z nich ma ściśle określony charakter i nadaje się do leczenia konkretnych miejsc zmienionych chorobotwórczo. Medycyna nuklearna wykorzystuje źródła izotopowe, aby odpowiednio wcześnie zdiagnozować schorzenie. Następnie poddaje leczeniu. Zwróciliśmy uwagę na najbardziej powszechną metodę leczenia jaką jest radioterapia. Na zakończenie przedstawiliśmy najbardziej znane pierwiastki, które mają swoje zastosowanie w medycynie nuklearnej razem z ich zastosowaniem.
Izotopy to różne odmiany tego samego pierwiastka chemicznego. Charakteryzują się takimi samymi własnościami chemicznymi. Leżą w układzie okresowym w tym samym okresie i grupie ale wyróżnia je inna masa atomowa – a dokładnie liczba neutronów. Maja taką samą liczbę protonów, która mówi o jednakowych własnościach chemicznych. Różna liczba neutronów, zmienia ich własności fizyczne. [1] Początki izotopów sięgają modelu atomu: − 1874r. - George Stoney - teoria elektronu, wyznaczanie masy, − 1895r. - Wilhelm Roentgen - promienie X, − 1896r. - Henri Becquerel - odkrył promieniowanie atomowe, − 1898r. - Maria Skłodowska-Curie i Piotr Curie - pierwiastki promieniotwórcze: polon i rad – emitowały one promieniowanie podobne do promieniowania odkrytego przez Becquerela. Zjawisko to nazwano radioaktywnością, − 1898r. - Joseph Thompson – własności elektronu.[4] Promieniowaniem nazywamy strumień cząstek lub fal elektromagnetycznych emitowanych przez ciała. [13]. Natomiast promieniowanie jonizujące to zdolność do wytwarzania w ośrodku elektrycznie obojętnym par jonów opatrzonych ładunkami elektrycznymi: dodatnimi i ujemnymi [2]. Jeżeli chcemy podać izotop konkretnego pierwiastka należy zapisać go za pomocą symbolu chemicznego, w której uwzględniona jest: liczba protonów (Z) oraz liczba nukleonów – suma protonów i neutronów (A). W każdym atomie pierwiastka znajduje się określona liczba atomowa Z oraz liczba masowa A. Zapis jaki używamy to: AX lub AZX , gdzie X – symbol pierwiastka chemicznego. Jądra wzbudzone to takie, które posiadają nadmiar energii. Wysyłają one energię w postaci promieniowania jonizującego przybierającego postać cząstek alfa (α), cząstek beta (β) lub fotonów gamma (γ).
Promieniowanie jonizujące jest dla człowieka naturalne i stanowi część jego otoczenia. Każdego dnia naturalne promieniowanie dociera do naszego organizmu poprzez miliony cząstek. Sposobami jakimi docierają radionuklidy do ciała ludzkiego są:
Rysunek 1: Obieg materiałów promieniotwórczych w przyrodzie [10] I.1.1.2 Promieniowanie jonizujące Promieniowaniu towarzyszy powstawanie energii. W życiu codziennym często wykorzystujemy je podczas używania mikrofalówki, telefonów komórkowych, fal radiowych, opalania się w solariach, czy w badaniach rentgenowskich. Jeżeli mamy do czynienia z promieniowaniem znacznie większym niż rentgenowskie wówczas jest to promieniowanie gamma (γ) – jeden z rodzajów promieniowania jonizującego. [10] Rysunek 2: Źródła promieniowania jonizującego [10]
Diagnostyka promieniowania jonizującego polega na wprowadzeniu niewielkich ilości radionuklidu, który jest znacznikiem promieniotwórczym do krwiobiegu. Polega to na przemieszczaniu się radionuklidu, który jest monitorowany przez system detekcyjny. Dzięki temu można łatwo zauważyć miejsca, w którym przepływ krwi jest blokowany i zlokalizowany jest nowotwór. Nowotwór napromieniowany jest promieniowaniem gamma, przez kobalt. Inną metodą jest strumień cząstek, które są wytwarzane przez akceleratory. Pozwala to na walkę z komórkami nowotworowymi bez zniszczenia zdrowych tkanek. Do tarczycy podawany jest izotop jodu, który diagnozuje chore miejsca, a także można nim leczyć tzw. choroba Gravesa – Basedova. Inną metodą zastosowania promieniowania jonizującego jest wytwarzanie produktów codziennego użytku, a także sterylizacja i higienizacja kosmetyków oraz narzędzi medycznych. Izotopy promieniotwórcze otrzymywane są przez: − napromieniowania nuklidów o stabilnych cząstkach w reaktorze jądrowym, − napromienienie nuklidów o stabilnych cząstkach w akceleratorze i cyklotronie, − poprzez rozszczepienia nuklidów. Naturalne izotopy promieniotwórcze charakteryzują się długim okresem połowicznego rozpadu i nie mają swojego zastosowania w medycynie nuklearnej. Wspomaga to sztuczna promieniotwórczość, która powodowana jest przez reakcje jądrowe. Do czynników wpływających na aktywność izotopów należą: − strumienie cząsteczkowe, − liczba jąder umieszczonych w tarczy, − przekrój czynny wpływający na reakcję, − czas napromieniowania, − stała rozkładu izotopu. Jeżeli energia neutronu jest mniejsza od ok. 0,1 eV mamy do czynienia z neutronem termicznym, który jest w prosty sposób wchłaniany przez nuklidy.
I.2.1.1 Metody diagnozowania Radionuklid – atom, który samorzutnie ulega różnym przemianom jądrowym, wysyłając promienie jądrowe. W jego jądrach promieniotwórczych znajdują się nietrwałe nuklidy, które naturalnie ulegają samorzutnej przemianie promieniotwórczej z emisji cząstki lub kwantu promieniowania gamma. [14] Planarna scyntygrafia statyczna – polega na obrazowej metodzie diagnoz, w której wprowadzane są do organizmu środki chemiczne. Dzięki temu można zaobserwować ocenę morfologiczną danego narządu. Można ocenić również funkcjonowanie danego narządu (np. tarczyca – zawartość jodu). Dzięki scyntylografii można poznać położenie, wielkość, strukturę, kształt, zdolność do prawidłowego funkcjonowania. Komputer na zakończenie badania wygeneruje obraz izotopu znajdującego się w organizmie. Rysunek 3: Generator izotopowy 81Rb 81mKr w badaniach płuc (scyntygrafii) [4] Komputerowa tomografia Emisyjna ECT – nazwa wywodzi się od słowa „tomos”, które oznacza przekrój. Jej zastosowanie głównie odgrywa technika rentgenowska, która ma swoje zastosowanie w diagnostyce radiologicznej. Szczególnie wyróżniona jest komputerowa tomografia emisyjna. − Tomografia poprzeczna – SPECT (ang. Single Photon Emission Computed Tomography) - jej zadaniem jest rejestracja fotonów przy użyciu emitera pozytonów. To technika z dziedziny medycyny nuklearnej, której zadaniem jest przy zastosowaniu promieniowania gamma utworzenie przestrzennego obrazu wybranego obszaru ciała. Dzięki tej metodzie możliwa jest wizualizacja przepływu krwi oraz sprawdzenie obszaru metabolizmu w konkretnym miejscu. Zastosowane są wówczas radiofarmaceutyki zawierające radioaktywny izotop i nośnik pomagający na osadzenie się w narządach i tkankach. Komórki te mają często połączenia z przeciwciałami działającymi na komórki nowotworowe. Ich ilości są proporcjonalne do ilości metabolicznych. Wprowadzony do
Rysunek 4: Dystrybucja w organizmie i istota działania radiofarmaceutyków terapeutycznych oraz diagnostycznych. Na rysunku: wiązanie niespecyficzne (ang. non-specific sites), nerki (ang. kidneys), wątroba (liver), nowotwór (ang. tumor), wciągnięcie do środka (ang. internalization), radioizotop (ang. radioisotope), peptydowy nośnik radioizotopu (ang. peptide analog), receptor (ang. receptor), komórka nowotworowa (ang. tumor cell), terapia (ang. therapy), diagnostyka (ang. diagnosis), komórka sąsiadująca (ang. neighboring cell) [19] − PET (ang. Positron Emission Tomography) – to technika obrazowania. W lampie rentgenowskiej wiązka elektronowa wyrzuca w postaci impulsów z włókna lampy i trafia na antykatodę zrobioną z wolframu. Bardzo duże strumienie elektronów powodują przyspieszenia pola elektrycznego włókien dzięki czemu światło jest nagrzewane, a ciepło zostaje przekazane na podkładkę zrobioną z miedzi. [3] Rysunek 4. Zasada działania układu do PET. Radionuklid w ciele pacjenta emituje pozyton, który anihilując z elektronem generując parę fotonów. Promieniowanie rejestrowane jest przez detektor. Po przejściu przez kontroler zbieżności trafia do komputerowej jednostki przetwarzania obrazu na obraz PET [22]
Rysunek 4: Kamera PET [1]
W 1946r. R.R. Wilson został pomysłodawcą zastosowania protonów do radioterapii. Istotne znaczenie w tej metodzie miała korzystniejsza dawka protonowa na obszar napromieniowany. Pierwszy pacjent został poddany metodzie proteinoterapii w 1954r. Zapoczątkował technikę, którą rocznie stosuje około 40 tysięcy pacjentów. Cały czas prowadzone są badania na temat radioterapii w innych ciężkich naładowanych cząstkach. 1994r. zapoczątkował pierwsze centrum terapii jonami węgla C 12. W terapii, której wykorzystywane jest promieniowanie jonizujące, którego składem są przyspieszone ciężko naładowane cząsteczki to terapia hydronowa. Obecnie w leczeniu klinicznym wykorzystywane są protony i jony węgla. Jednak rozwój tej techniki jest tak szybki, że prace trwają cały czas. Radioterapia jest podstawową metodą leczenia. Aby skutek był zadowalający powinna być połączona z innymi technikami. Większość pacjentów jest leczonych promieniowaniem jonizującym. Medycyna radioterapii zwiększyła swój zasięg w ostatnim dwudziestoleciu. Dzięki temu sprzęt radioterapeutyczny, a także diagnostyczny, który wykorzystuje się w leczeniu chorób nowotworowych uległ dynamicznemu ulepszeniu. Główny cel leczenia radioterapeutycznego to uzyskanie jak najlepszego przypasowania do wyznaczonego obszaru, w którym znajduje się tkanka guza – obszar tarczowy. Dzięki odpowiedniemu dostarczeniu dawki obszary te są chronione poprzez otaczające guza tkanki zdrowe i obszary krytyczne. Zadaniem leczenia jest śmierć komórek nowotworowych, ale także ochrona zdrowych, funkcjonujących tkanek i narządów. W radioterapii stosowane są takie techniki, które pozwolą zniszczyć guza poprzez promieniowanie jonizujące jednocześnie zachowując jak najwięcej komórek zdrowych. Radioterapia polega na napromieniowaniu pacjenta dawką ok. 60 Gy, która podawane jest w określonym czasie. Frakcje to do 30 po 2 Gy. Pacjent jest wówczas odpowiednio ułożony, aby napromieniowanie ułatwiło powtarzalne umiejscowienie (dokładność 0,5 – 3 mm). Początki radioterapii i pierwsze próby zastosowania promieni X użyto w XIX w. Odkrycie promieni X stało się nowym początkiem do podstawowych działań medycyny i diagnostyki. Jako pierwsze promieniowanie wykorzystano w leczeniu skóry, a dawka która była dobierana została frakcjonowana ze względu na natężenie oraz niską energię. Dopiero odseparowanie
radu pozwoliło na silniejsze źródła promieniowania. Technika ta została nazwana curieterapią. Ówczesna nazwa tego leczenia to brachyterapia. Radioterapia ma swój silny rozwój poprzez stałe ulepszanie i normalizowanie ilości oraz dawki promieniowania. Izotopy zostały produkowane w akceleratorach i reaktorach (promieniowanie gamma 60 Co o bardzo wysokiej aktywności). Promieniowanie, w którym używane są wiązki zewnętrzne nosi nazwę teleradioterapii. W radioterapii wykorzystujemy urządzenie noszące nazwę liniowy akcelerator fotonów i elektronów. Pierwiastek 226 - Ra jest najczęściej stosowany w brachyterapii, gdzie zastąpiono go sztucznymi izotopami 137 - Cs i 192 – Ir. Mechanizm działania radioterapii polega na pośrednim lub bezpośrednim uszkodzeniu struktur. W działaniu pośrednim wrażliwe struktury zostają uszkodzone przez wolne elektrony. Natomiast w działaniu bezpośrednim uszkodzenia powstają przez radiolizę wodnych rodników, a także samej wody. Wszystkie działania mające na celu zniszczenie komórki polegają na różnorakich zmianach chemicznych i biochemicznych. Do rodzajów radioterapii należą:
Terapia radioizotopowa – należy do metody leczenia polegającej na wprowadzeniu w odpowiednie miejsce radiofarmaceutyku. Dzięki temu emitowane jest promieniowanie jonizujące gromadzone w jednym miejscu. Metody podawania radioizotopu są różne. Można podawać radioizotop dożylnie, w postaci tabletek, płynów, wlewem, domięśniowo, a także za pomocą koloidu. Po podaniu radioizotopów gromadzone są one w obrębie chorobotwórczym w znacznie większym stopniu niż w tkankach zdrowych. Efektem promieniowania jest martwica popromienna miejsc sieci naczyń włosowatych, gdzie umiejscowiony jest nowotwór. W metodzie tej możliwe jest napromieniowanie kilku miejsc równocześnie. [9, 10, 11] Radioterapia hadronowa – polega na radioterapii, w której występuje naświetlenie strumieniem rozpędzonych cząstek. W ten sposób komórki nowotworowe pod wpływem protonów lub ciężkich jonów (np. węgla) oddziaływają w stopniu zasięgowym. Kiedy protony nabierają prędkości tracą małą ilość energii, która w określonej wielkości staje się maksymalna. W momencie zatrzymania protonów energia zanika. Parametry są dopasowywane w taki sposób, aby wiązka protonów niszczyła tylko komórki chorobowe bez miejsc zdrowych. Jest to bardzo duża przewaga protonoterapii. [12] I.2.1.3 Medycyna nuklearna Odrębną gałąź medycyny stanowi medycyna nuklearna. To nauka obejmująca zarówno metody diagnostyczne, a także lecznicze. Najczęściej w diagnostyce wykorzystywane jest promieniowanie gamma, a w celach terapeutycznych promieniowanie beta. Izotopy promieniotwórcze w przypadku medycyny nuklearnej są jako otwarte źródła promieniowania. W metodzie tej wykorzystujemy USG, badania radioizotopowe, rezonans magnetyczny, tomografię komputerową, radioimmunologia. Medycyna nuklearna to badanie, które polega na zastosowaniu substancji, która jest podana z odpowiednim izotopem. W badaniu tym wykorzystywane są:
Metoda radioimmulogiczna pomaga w dokładnym oznaczeniu poziomu dużej ilości substancji znajdujących się w płynach ustrojowych. Wyróżnione są: − insulina, − testosteron estrogenu, − hormon sterydowy, − hormon tarczycy. Związki te są antygenami, które wytwarzają przeciwciała reagując na nie. Terapia radioizotopowa polega na zróżnicowaniu całkowitej dawki, która zostaje przekazana, a także zmian chorobowych, które reagują na promieniowanie jonizujące. W medycynie nuklearnej metody radioizotopowe są nadzieją na leczenie wielu schorzeń. Nowe związki chemiczne, które są nadal odkrywane i poszukiwanie radioizotopów oddziaływających na tkankę zmienną chorobowo jest nadzieją na odnalezienie tkanki wiążącej się z tkanką patologiczną. Zakłady medycyny nuklearnej, a także oddziały radiologiczne mają swoje miejsce w wielu szpitalach. Podczas promieniowania rentgenowskiego, które zawiera bardzo dużą ilość energii dzięki której następuje likwidacja komórek rakowych wiązka elektronów pod wpływem siły uderza w metalową tarczę uzyskując promieniowanie rentgenowskie. [2] Radiofarmaceutyki to związki składające się z pierwiastka, który ma powinowactwo do badanej tkanki oraz radioizotopu, który wpływa na daną substancję. W odróżnieniu do form tj. tomografia komputerowa, ultrasonografia, rezonans magnetyczny w metodzie tej możemy zobrazować fizjologię i aktywność metaboliczną. Dzięki medycynie nuklearnej uzyskujemy szczegółowe informacje na temat konkretnych narządów, w których mogą wystąpić dysfunkcję. Bardzo duża ilość różnych radiofarmaceutyków pozwala na rozwój tej dziedziny. W radiofarmaceutykach znajdują się radioizotopy. Najczęściej są one wolne od efektów farmakologicznych zatem bezpieczeństwo ich użytkowania jest duże. Radiofarmaceutyki stosowane są w ilościach śladowych. Cyklotrony powodujące przyspieszenie cząstek dzięki którym powstają radioizotopy mają szerokie zastosowanie w medycynie. Aktualna liczba radiofarmaceutyków to 100.
