УНИВЕРСИТЕТСКИЕ СУББОТЫ лекция на тему: Ядерная медицина

химических наук,
доцент кафедры химии высоких энергий и радиоэкологии,
2018 г.
Министерство

образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
Российский химико-технологический университет имени Д.И.Менделеева
______________________________________

Нобелевская премия (всем)
1911 Нобелевская премия (М.Кюри)
Мария и Пьер Кюри
Авторадиография

K2UO2(SO4)2 24.02.1896

Интенсивность излучения пропорциональна количеству урана и не зависит от химического состава соединения

получил радиационный ожог рук (эритему)
1896 ─ демонстратор Эдисона умер от тяжелых ожогов
1897 ─ 23 случая рентгеновских повреждений кожи

1901 ─ А.А. Беккерель опубликовал статью о том, что действие лучей радия тормозит прорастание семян горчицы.
Отто Валькхоф исследовал воздействие излучения радия на мышах с привитыми опухолями и заметил, что те особи, которые подверглись излучению радия погибали значительно позже, чем необлученные.
1902 ‒ сообщение о первом индуцированном облучением раке кожи

радий-226 для контактной терапии заболевании кожи, вызванное туберкулезом
1903 – Alexander

Graham Bell предложил располагать источники радия-226 около или внутри опухоли.

1913 – Frederick Proescher опубликовал первую статью о внутривенной инъекции радия для терапии различных заболеваний

Кюритерапия  лучевая терапия с использованием радия

некоторые поля в Северной Америке и Франции были «удобрены» радиоактивностью.
1910

– 13 г Ra в Йохимстале
1916 – в мире добыто 48 г
1921 – 35 г Ra в США
1926 – в мире добыто 340 г
Ныне в мире накоплено 3 кг 226Ra (за счет радиоактивного распада в течение 100 лет исчезает <5%)

из себя газ, называемый Эманацией Радия, которая, обладая всеми его

целебными свойствами и, нашла себе широкое применение в медицине, которая в виде Радио-растворов употребляется, как наиболее удобная и прочная форма введения в организм Радия. Всякий больной без особых затрат может пользоваться лечением Радием на месте.
Желающим более подробно ознакомиться с новым методом лечения Радием высылается бесплатно литература с подлинными докладами лучших авторитетов науки по данному вопросу.
Адресовать: Москва, Т-ву РАДИОГЕН, 1-е в России депо Радиорастворов.
Почт. Ящ. 2295/6

впечатления, как открытие Радия, а главным образом применение его в

медицине.
Чудесные свойства радия, его лучи, его изумительные превращения приковывают в настоящее время внимание не только всего ученого мира, но и всего общества. Как специальная, так и общая печать полны статьями о Радии, о его удивительном действии на целый ряд таких тяжелых болезней, которые до сего времени считались неизлечимыми, и в борьбе с которыми медицины была бессильна.
Страшный бич человечества – рак – побежден Радием, и громаднейшее количество больных смотрит на него, как на единственное средство, могущее дать им исцеление.
«Нет недуга, который бы устоял перед могучей излечивающей силой радия», – говорит о нем знаменитый французский клиницист, проф. Бергонье.
Всевозможнейшие заболевания желудка, кишечника, сердца, печени,
почек, легких, болезни обмена веществ, как-то: ревматизм суставной
и мышечный, подагра, спинная сухотка, невралгия седалищного нерва, ожирение, нервное и душевное расстройство, кожные заболевания, артериосклероз, алкоголизм, малокровие и различные
злокачественные опухоли, все эти болезни радикально излечиваются Радием.

наша государственная промышленность, заинтересованная в охране здоровья трудящихся, обеспеченная доброкачественным

сырьем, всецело отвечает за качество выпускаемой продукции

радиоактивных индикаторов (меченых атомов)
Изотопы (в том числе и радиоактивные) ведут

себя во всех физических, химических и биологических трансформациях практически одинаково.

фотосинтеза, биосинтеза и распада

белков, нуклеиновых кислот, углеводов, жиров и др.
Метод меченых атомов используется для выяснения механизма химических реакций.
Он применяется в количественном анализе (метод изотопного разбавления, активационный анализ).
С помощью метода меченых атомов исследуют метаболизм компонентов лекарственных препаратов.

Метод меченых атомов лежит в основе радиоизотопной диагностики

«Наиболее значительным результатом, полученным при исследованиях с применением изотопных индикаторов, является открытие динамического состояния компонентов организма. Молекулы, из которых состоят растения и организмы животных, постоянно регенерируются». Д. Хевиши

ядер в другие

кэВ
Изотонический раствор АЧС, меченный 123I, введенный в кровь, становится «свидетелем».

За движением отмеченного объёма крови можно следить с помощью наружного γ-детектора, пока раствор не распределится равномерно по всему объёму крови.
Если счётчик расположить над большим сосудом, то можно проследить за появлением двух максимумов радиоактивности с интервалом около 40- 45 с – это время полного кругооборота крови.
Зная объём введённого раствора и его объёмную активность, можно вычислить полный объём крови.
Vкр = (А0/Акр)·V0 - V0  (А0/Акр)·V0
У взрослого человека - от 4 до 8 л

и свойства возникающих при этом явлении ионизирующих излучений: α, β

и γ

для диагностических и терапевтических целей, а также с целью исследования.

+

Радиофармацевтические препараты (РФП) – это диагностические или лечебные средства, которые содержат один или несколько радионуклидов.

Ядерная медицина разрабатывает теорию и практику применения РФП для лечения, а также исследования органов и систем человека и распознавания болезней.
Радионуклиды используются в индикаторных количествах, поэтому не влияют на процессы в организме, но принимают участие в метаболизме
Диагноз врача основан на различиях в поведении РФП в организме при нормальном и патологическом состояниях.

иные соединения чисто химическим путем…
CH3 (CH2)16COOH
Вместо стеариновой кислоты
В организм

вводили
α-фенилстеариновую кислоту.
Однако изменение строения вело к изменению биохимического поведения…

Химические соединения, в которых часть обычных атомов заменена радиоактивными атомами того же самого элемента, называют изотопно мечеными соединениями.

С17Н3511СООН

Н215О

Na131I

Соединения, меченные радиоактивными атомами, ведут себя в живых организмах практически так же, как и соответствующие им нерадиоактивные вещества.

своих тканях некоторые химические вещества.
Такие вещества называются
органотропными
P, Ca,
Sr,

Ba

Нормальный кот

органов и систем, поэтому методы ядерной медицины в основном направлены

на функциональные исследования.

Получаемая информация всегда отражает функцию изучаемого органа или системы.

кости, выявляются на 6 мес раньше, чем методом КТ
Функциональные

изменения намного опережают анатомические и делают методы ядерной медицины уникальными при ранней диагностике заболеваний

Сцинтиграммы щитовидной железы (99mТс-пертехнетат)

◄Норма распределение препарата во всех отделах железы равномерное.

◄Диффузный токсический зоб
все отделы железы увеличены, накопительная функция повышена.

◄ "Холодный" узел левую долю занимает узел, не накапливающий препарат

в митохондриях окисляется до СО2.
Кислород является необходимым компонентом полного окисления глюкозы;

когда кислорода недостаточно, в клетках в процессе гликолиза синтезируется лактат и полного окисления глюкозы в этом случае не происходит. Такой путь расщепления глюкозы до лактата способен поддерживать стабильный синтез минимального количества АТФ.

О. Варбургом было отмечено, что раковые клетки производят в основном лактат, а не пируват, независимо от присутствия кислорода в клетках.
Опухолевая ткань продуцирует молочную кислоту в 8 раз быстрее, чем работающая мышца. Поэтому для образования достаточного количества энергии опухолевой клетке необходимо в 10-30 раз больше глюкозы, чем окружающей здоровой ткани.

Эффект Варбурга

Даже ничтожно малые по размеру опухоли выявляются как высокоинтенсивные очаги

накопления этого радиоиндикатора

отдельных тканях, поэтому их применяют для исследования перфузии. Перфузия -

естественное кровоснабжение органов и тканей

 Свойства тропности или инертности можно придать практически любому радионуклиду, изменяя его химическую форму.

щитовидной железе
Йод-альбумин (кровеносная система)

изменяя его химическую форму.
Радионуклидная диагностика с 99mTc-РФП

зона снижения кровотока (белая стрелка).
Височная эпилепсия. Снижение уровня потребления глюкозы (красные

стрелки) в области, где расположен очаг эпилепсии►

Дифференциальный диагноз опухолей головного мозга. В зоне поражения (красные стрелки) не накапливается РФП (11С-метионин), что исключает опухоль головного мозга ►

◄Злокачественная опухоль головного мозга. Резко очерчен очаг повышенного накопления 11С-метионина в злокачественной опухоли (красные стрелки)

Выделение зон интереса

целенаправленных изменений атомных ядер стабильных элементов.
111Cd (p,n) 111In
или
31P(n, )32P
14N

(p,) 11C

14N (d,n) 15O

18O (p,n) 18F

16O (p,) 13N

мировая потребность в 99Мо составила 600 кКи (на 6-й день)
99Мо

– материнский радионуклид, при распаде которого получается 99mTc

с помощью наружного детектора: -камеры или ПЭТ-сканера

Основными диагностическими процедурами

in vivo
в ядерной медицине стали:

Одно-
Фотонная
Эмиссионная
Компьютерная
Томография
ОФЭКТ (SPECT) – основана на регистрации γ-излучения

Позитронно-
Эмиссионная
Томография
ПЭТ (PET) – основана на регистрации аннигиляционных
γ-квантов

β+ + β- → 2

Хаунсфилд
Г. М. Кормак
Компьютерная томография (от греч. tomos

– ломóть) – метод неразрушающего послойного исследования внутренней структуры объекта посредством его многократного просвечивания в различных пересекающихся направлениях

амбулаторных условиях, не имеют противопоказаний (кроме периодов лактации и беременности),

побочных действий, возрастных ограничений, не травматичны и могут неоднократно повторяться без риска для больного.
Продолжительность исследования – от 30 до 90 мин.
Разовая лучевая нагрузка на пациента меньше, чем при рентгеновском (КТ) обследовании.
Своевременный диагноз позволяет осуществлять раннее лечение, когда оно наиболее эффективно, и возможен благоприятный прогноз.

Туморотропный  [64Cu] пептид

молекул органических и неорганических веществ, входящих в состав организма …
Радионуклидная

терапия

на конкурентном связывании избытка меченых и немеченых белковых молекул определяемого

вещества (антигена) со специфическими антителами, находящимися в дефиците.

РАДИОИММУННЫЙ АНАЛИЗ (РИА) 1959

С.А. Бернсон Р.С. Яллоу

Нобелевская премия
1970 г.

In vitro

терапия и рентгеновские методы исследования, заключается в использовании РФП.
γ

новейший метод медицинской визуализации (радиоизотопной диагностики), основанный на использовании неустойчивости

ядер короткоживущих изотопов, входящих в состав различных радиофармпрепаратов. Изотопы 11С и 13N нашли применение в диагностике онкологических и кардиологических заболеваний с использованием ПЭТ.
Напишите уравнения реакций радиоактивного распада изотопов 11С и 13N, лежащих в основе ПЭТ.
Ядерный синтез изотопов 11С и 13N осуществляют в циклотроне. Один из изотопов получают, облучая простое вещество газ А, содержащий в качестве примеси менее 0,5 % простого вещества газа B, протонами, при этом образуется меченный искомым изотопом радиоактивный газ С, относительная плотность которого по газу А составляет 1,54. Уравнение протекающей ядерной реакции:
облучаемый изотоп + p → искомый изотоп + 4He
3) Определите вещества А – С и напишите уравнение данной реакции.

С-11. Химическая форма стабилизации 11СО2 (43/28 ≈ 1,54)




2) А – N2
B

– O2
С – 11СО2

14N (p,) 11C

содержащие изотоп nX, который можно получить облучением неона дейтронами.
Синтез

одного из радиофармпрепаратов – соединения Z, меченного изотопом nX и содержащего 39,78% углерода по массе, из 1,3,4,6-тетра-О-ацетил-2-трифторметил- сульфонил-β-D-маннопиранозы схематично представлен ниже:

Реакция получения Y представляет собой нуклеофильное замещение SN2.
4) Определите изотоп nX и напишите уравнение ядерной реакции его получения

ошибка в условии задачи. 18F‒ сорбируют на анионообменной смоле, затем

смолу высушивают.






Можно получать 18F по ядерной реакции
20Ne(d,α)18F

Z в проекции Фишера, используя принятые выше сокращения.
Периоды полураспада

изотопов, используемых в ПЭТ-диагностике, достаточно коротки (например, T½ nX составляет 110 мин.). Это диктует необходимость проводить синтез радиофармпрепаратов в крайне сжатые сроки. Так, в одном из опытов после облучения мишени удельная активность полученного раствора, содержащего анион nX, составила 56 ГБк. Этот раствор был использован для получения соединения Z. Удельная активность радиофармпрепарата, измеренная сразу после его синтеза, составила 9,4 ГБк (выход продукта составил 24 % от теоретического).
6) Рассчитайте, сколько времени (в минутах) занимает синтез радиофармпрепарата Z по рассмотренной выше схеме.

XXXXI Международная менделеевская олимпиада

бы Атеор = 56∙0,24 = 13,44 (Гбк)
Время можно рассчитать по

основному уравнению радиоактивного распада




t ≈ 56,3 мин

поворотный детектор для количественной оценки распределения РФП в теле человека.

Biograph открытием года

-квант от места аннигиляции до момента, когда он будет зарегистрирован

детектором.

2006 – фирма Philips создала первую коммерческую времяпролетную ПЭТ систему GEMINI TF

функциональных нарушений.
Два типа изображений накладываются друг на друга, и врач

может рассмотреть опухоль в мельчайших деталях.

МРТ

ПЭТ

2008 – фирма Siemens создала первую гибридную ПЭТ/МРТ систему

600 процедур ПЭТ-диагностики,
в Италии — более 250,
в Германии — более 60,
в России — 7.

Динамика роста количества отделений ПЭТ

для диагностики различных заболеваний.
Термография
льва зимой
◄Термография при остеохондрозе позвоночника: стрелками

указаны места напряжения мышц и воспаления

излучения, прошедшего через исследуемый объект, и сканирующей установки, с помощью

которой излучатель и детектор перемещаются вокруг неподвижного пациента (по спирали).

получения послойного изображения посредством анализа эхо-сигнала, отраженного от внутренних структур

тела человека, которое получают путем развертки ультразвукового луча.

видна опухоль желтого цвета
Магнитно-резонансная томография (МРТ) – метод получения изображения

внутренних структур тела человека в виде срезов посредством использования явления ЯМР

в год на 1 млн жителей
Облучение всего тела дозой ~10

мЗв
Курение 1,5 сигарет.
80-км путешествие на автомобиле.
400-км путешествие на самолете.
Подъем в гору в течение 1,5 мин.
Плавание на каноэ в течение 6 мин.
Работа на фабрике в течение 1-2 недель.
20 мин жизни человека в возрасте 60 лет.
9 часов жизни человека в возрасте 30 лет.
(данные статистического ведомства Великобритании)

Существуют три вида лжи: ложь, наглая ложь и статистика.
Б. Дизраэли