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 11 C radioaktív T 1/2 =20 s 6 neutron 12 C stabil 7 neutron 13 C stabil 8 neutron 14 C radioaktív T 1/2 =5736 év 9 neutron 15 C radioaktív T 1/2 =2.5 s Lehetnek: STABIL RADIOAKTÍV Felhasználási terület: KUTATÁS DIAGNOSZTIKA TERÁPIA
STABIL IZOTÓPOK FELHASZNÁLÁSA Leggyakrabban használatosak: Felhasználásuk alapja: 2 H, 13 C, 15 N, 18 O a természetben túlsúlyban lévőtől eltérő tömeg A tömeg-eltérés detektálásának módja: * izotópeffektus ( 2 H) * szedimentációs módszer (centrifugálás) * tömegspektrometria Klasszikus példa: Meselson és Stahl kísérlete a szemikonzervatív replikációra (1958)
Elv: A MESELSON-STAHL KÍSÉRLET - a DNS-ben levő nitrogén a természetben 14 N - ez kicserélhető 15 N-re, ha azt tartalmazó táptalajt használunk - a 15 N-t tartalmazó DNS ultracentrifugában CsCl gradiensen mélyebbre ülepszik, mint a 14 N-t tartalmazó Nitrogén forrás 14 N 14 N+ 15 N 15 N 14 N 15 N 14 N Eredeti DNS 15 N-en nevelt 1. replik. után 2. replik. után 3. replik. után Sűrűség gradiens DNS
RADIOAKTÍV IZOTÓPOK FELHASZNÁLÁSA 1. Kis mennyiségben jelen lévő anyagok koncentrációjának meghatározása (RIA) - in vitro laboratóriumi vizsgálatok 2. 14 C 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 Direkt mérés 1. Antitest az edény aljára tapasztva Mérés szcintillációs számlálóval 3. Radioaktívan jelzett antitest
1. Érzékeny koncentráció meghatározás (RIA) Indirekt (kompetitív) mérés 1.Antitest az edény aljára tapasztva minta kontroll 1.Antitest az edény aljára tapasztva A jelzett teszt anyag a mintában lévővel kompetál és kevesebb kötődik 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) 14 C/ 12 C arány állandó, míg anyagcsere folyik, az egyed elpusztulása után a 14 C bomlása miatt csökken Beta-decay, t 1/2 =5730 év
3. Nyomjelzéses módszerek Hevesy György, 1885-1966 Sejtek, enzimek működésének vizsgálata 3 H : Timidin inkorporáció - DNS szintézis mérése 14 C: Enzim aktivitás, anyagcsere folyamatok (elektroforézis után autoradiogram) 24 Na: Sejtek Na + háztartása (pl. Na-K ATP-áz) 32 P: ATP beépülés DNS és foszfoprotein autoradiográfia 35 S: Fehérje nyomjelzés 45 Ca: Sejtek Ca ++ háztartása (pl. stimuláció, Ca-ATP-áz) 86 Rb: Sejtek K + háztartása (pl. Na-K ATP-áz)
2. Nyomjelzéses módszerek Autoradiográfia PROTEIN 32 P Rtg filmen
3.Nyomjelzéses módszerek: pulse-chase kísérlet a szekréciós útvonal tanulmányozására (Palade) 3 H-leucine (pulse) beadása a tengerimalacoknak. 3 perc múlva nagy mennyiségű hideg leucine beadása (chase). 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 Radioaktív izotóppal jelölt fehérjék >30 min
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 - 59 Fe Kalciumfelvétel kinetikája - 45 Ca VVT élettartam mérés - 59 Fe Pajzsmirigy jódfelvétele - 131 I, 123 I
5. 2D és 3D képalkotás (g-kamera, SPECT, PET) 1/T eff = 1/T fiz + 1/T biol 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: 99m Tc Előállítás: technéciumgenerátorban
b -, 67ó Technéciumgenerátor g, 6 ó 99 Mo 99m Tc 99 Tc 42 43 43 Használatának alapja: A vízben nem oldódó NH 4 MoO 4 -ból vízben oldódó NH 4 TcO 4 keletkezik, mely kinyerhető
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. 99m Tc -hoz kötve mikrokolloid makrokolloid szérumalbumin DMSA (dimerkaptoszukcinát) Foszfát EDTA HIDA - csontvelő - máj, lép, RES - perfúzió - vese - csont, izület - agy, vese - epeút 201 Tl - szívizom 113m In - placenta 133m Xe - tüdő 131 I, 123 I - 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 99m Tc-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 60 Co b - + 60m Ni g (1,17MeV) 60m Ni g (1,33MeV) 60 Ni 2. Testbe helyezett sugárforrás (b - + g) Intersticiális (a daganatszövetbe tűzdelve) - 60 Co, 192 Ir Üregi - 60 Co, 192 Ir, 137 Cs, 226 Ra, Kontakt applikátor (szem) - 103 Ru Keringésbe juttatott 131 I, 32 P, 198 Au EGYRE RITKÁBBAN!
7. Sugárterápia:Gamma-kés ~200 db 60 Co 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 Proton: 50-60 MeV (max 1000 MeV) ~ Rádiófrekvenciás generátor 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 Lineáris gyorsító, Stanford
DE OEC: Lineáris gyorsító
CIKLIKUS GYORSÍTÓK ÁLTALÁNOS MEGFONTOLÁSOK A pályán tartó erő: Lorentz erő B qvb qvb=mv 2 /r; w=v/r w=qb/m
CIKLIKUS GYORSÍTÓK qvb=mv 2 /r; w=v/r w=qb/m Ciklotronban A pálya elektron esetén kör v=c, 1 MeV felett ionok estén spirál v<<c, v egyre nő, w állandó, tehát r nő Nagy energiájú ionok esetén m is nő (relativisztikus tömegnövekedés) w állandó, tehát B-t növelni kell Legjobb megoldás: szinkrotron w és B nő a gyorsulással szinkron, így r állandó lehet duáns DE ~
A Lawrence ciklotron D-i a hűtő csövekkel A ciklotron mágnesrésze
It is beautiful! DC-72 cyclotron