AZ IZOTÓPOK KÍSÉRLETES ÉS ORVOSI ALKALMAZÁSAI. RÉSZECSKE GYORSÍTÓK, GAMMA KAMERA 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 C radioaktív T 1/2 =5736 év 9 neutron 15 C radioaktív T 1/2 =2.5 s 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. 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 N - ez kicserélhető 15 N-re, ha azt tartalmazó táptalajt használunk - a 15 N-t tartalmazó DNS ultracentrifugában CsCl gradiensen mélyebbre ülepszik, mint a N-t tartalmazó Nitrogén forrás N 15 N N Eredeti DNS 15 N-en nevelt 1. replik. után 2. replik. után 3. replik. után N N+ 15 N 15 N DNS Sűrűség gradiens
RADIOAKTÍV IZOTÓPOK FELHASZNÁLÁSA 1. Kis mennyiségben jelen lévő anyagok koncentrációjának meghatározása (RIA) - in vitro laboratóriumi vizsgálatok 2. 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) 1. Antitest az edény aljára tapasztva Testnedvekből, sejttenyészetekből kis koncentrációjú anyagok pl. hormonok, gyógyszerek mennyiségi meghatározása Vagy: 2b. Ismert koncentrációjú teszt anyag kalibr. görbe előállításához Mérés szcintillációs számlálóval Direkt mérés 3. Radioaktívan jelzett antitest 1. Érzékeny koncentráció meghatározás (RIA) Indirekt (kompetitív) mérés 2. Radiokarbon kormeghatározás Chauvet-Pont-d'Arc barlang Franciaország: legrégebbi barlangrajzok a Paleolitikumból (~30 ezer éves) 1.Antitest az edény aljára tapasztva A jelzett teszt anyag a mintában lévővel kompetál és kevesebb kötődik 1.Antitest az edény aljára minta kontroll tapasztva Mérés szcintillációs számlálóval Kontroll aktivitása Minta aktivitása ~ Anyag mennyisége a mintában C/ 12 C arány állandó, míg anyagcsere folyik, az egyed elpusztulása után a C bomlása miatt csökken Beta-decay, t 1/2 =5730 év
3. Nyomjelzéses módszerek 2. Nyomjelzéses módszerek Hevesy György, 1885-1966 Sejtek, enzimek működésének vizsgálata 3 H : Timidin inkorporáció - DNS szintézis mérése 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) PROTEIN Autoradiográfia 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 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 (γ-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. γ-kamera, SPECT (részletesebben: egy másik előadáson) γ sugárzó izotóp minél rövidebb felezési idő leggyakoribb: 99m Tc Előállítás: technéciumgenerátorban Technéciumgenerátor β -, 67ó γ, 6 ó 42 43 43 99 Mo 99m Tc 99 Tc 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 (γ-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. 99m Tc -hoz kötve mikrokolloid - csontvelő makrokolloid - máj, lép, RES szérumalbumin - perfúzió DMSA (dimerkaptoszukcinát) - vese Foszfát - csont, izület EDTA - agy, vese HIDA - epeút 201 Tl - szívizom 113m In - placenta 133m Xe - tüdő 131 I, 123 I - pajzsmirigy, vese
5. 2D képalkotás. Gamma-kamera kollimátor Szcintillációs kristály Szcintillációs kristály és fotoelektronsokszorozó Szcintillációs kristály: CsI αrészecskék 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 Fotoelektronsokszorozó 5. 2D képalkotás. A vesék alaki és funkcionális vizsgálata Cél: 7. Sugárterápia Daganatok elsődleges vagy kiegészítő kezelése Statikus vizsgálat 99m Tc-DMSA alkalmazásával, patkóvese diagnosztizálása Időbeni mérés renogram 1. Szupervolt terápia a mélyen elhelyezkedő tumor kezelésére a. Ultrafeszültségű Rtg kezelés (lásd gyorsítóknál) b. Kobalt ágyú c. Gamma-kés 60 Co β - + 60m Ni γ (1,17MeV) 60m Ni γ (1,33MeV) 60 Ni Idő (perc) 2. Testbe helyezett sugárforrás (β - + γ) 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 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 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
CIKLIKUS GYORSÍTÓK ÁLTALÁNOS MEGFONTOLÁSOK A pályán tartó erő: Lorentz erő B qvb DE OEC: Lineáris gyorsító qvb=mv 2 /r; ω=v/r ω=qb/m CIKLIKUS GYORSÍTÓK E qvb=mv 2 /r; ω=v/r duáns ω=qb/m Ciklotronban A pálya elektron esetén kör v=c, 1 MeV felett ionok estén spirál v<<c, v egyre nő, ω állandó, tehát r nő Nagy energiájú ionok esetén m is nő (relativisztikus tömegnövekedés) 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
It is beautiful! DC-72 cyclotron