Vuonna 1896 Henri Becquerel löysi uuden salaperäisen säteilyn. Toisin kuin röntgensäteet , jotka katosivat, kun röntgenputki sammutettiin, tämä uraanista havaittu uusi säteily lähti jatkuvasti. Pierre ja Marie Curien jatkotutkimukset osoittivat, että myös muilla alkuaineilla oli sama ominaisuus. Erityisesti he löysivät nämä ominaisuudet poloniumista ja radiumista vuonna 1898.

Pierre ja Marie Curie löysivät tälle ominaisuudelle nopeasti käyttöä, ja radiumia käytettiin sairaaloissa jo vuonna 1901. Havaittiin, että radiumin säteilyllä on suotuisia vaikutuksia moniin ihosairauksiin, myös syöpään.

Pierre ja Marie Curie laboratoriossaan, Pariisi 1898.

Uusi säteily oli ydinperäistä. Jotkin ytimet lähettävät spontaanisti α-hiukkasia (heliumytimiä), β-hiukkasia – nämä voivat olla elektroneja (β^-) tai positroneja (β⁺) – ja/tai γ (gamma) -säteitä (eli suurienergisiä fotoneja). Tällaista atomia, jolla on epästabiili ja ylimääräistä energiaa sisältävä ydin, kutsutaan radionuklidiksi eli radioaktiiviseksi nuklidiksi, ja siitä käytetään myös nimitystä radioisotooppi eli radioaktiivinen isotooppi.

Luonnollisia radioisotooppeja ovat esimerkiksi ²³⁸U (uraani), ⁴⁰K (kalium), ²³²Th (torium) sekä niiden tytärytimet ²²⁶Ra (radium), ²²²Rn (radon), ²¹⁸Po (polonium). Osa radioisotoopeista syntyy jatkuvasti kosmisen säteilyn vaikutuksesta ilmakehämme ylimmissä kerroksissa, kuten esimerkiksi ¹⁴C (hiili), ³H (tritium) tai ⁷Be (beryllium).

Irène ja Frédéric Joliot-Curie olivat ensimmäiset, jotka valmistivat keinotekoisia radioisotooppeja vuonna 1933 käyttämällä luonnollista α-lähdettä alumiini-27:n pommittamiseen, jolloin syntyi radioaktiivinen alkuaine fosfori-30, joka beetahajoaa piiksi-30. Tämä johtui siitä, että alumiiniatomien ytimet saivat lisäprotoneja heliumytimistä (α-hiukkasista).

Sen jälkeen on tuotettu useita uusia radioisotooppeja, mikä on avannut lukuisia uusia sovelluksia ja johtanut ydinaineen ja ydinvoimien parempaan ymmärtämiseen. Vuoteen 1936 mennessä oli tuotettu noin 200 radionuklidia. Nykyään tunnetaan noin 250 stabiilia nuklidia . Ne tuotetaan hiukkassuihkuilla, jotka vaihtelevat protoneista aina ²³⁸U:hun asti ja jotka kiihdytetään syklotroneissa tai lineaarikiihdyttimissä.

Ensimmäisen kiihdyttimen (syklotronin) rakensi Ernest O. Lawrence Berkeleyssä Yhdysvalloissa vuonna 1932. Hän ja hänen veljensä John Lawrence, lääkäri, tunnistivat pian erittäin tärkeitä lääketieteellisiä sovelluksia ja tuottivat radioaktiivisia isotooppeja biologiseen ja lääketieteelliseen tutkimukseen sekä syöpien hoitoon. Ensimmäisen eurooppalaisen syklotronin rakensi Frédéric Joliot (1939) Collège de Franceen Pariisiin.

Kartta ydinmaisemasta. Valumarajat (drip lines) merkitsevät ydinstabiiliuden rajaa n - tai p -emissiota vastaan.

Fyysikot ovat tuottaneet monia uusia isotooppeja, jotka ovat yhä kauempana luonnollisesta stabiiliuslaaksosta. Nykyään on useita laitoksia, joissa käytetään radioaktiivisia ionisuihkuja. Lääketieteellisten radioisotooppien kysyntä on maailmanlaajuinen ilmiö, ja teollisuusmaissa se on kasvanut eksponentiaalisesti vuodesta 1995.

Vuoden 1943 kemian Nobelin palkinto myönnettiin G. de Hevesylle siitä, että hän käytti ensimmäisenä luonnollisia (ja myöhemmin keinotekoisia) radioaktiivisia alkuaineita merkkiaineina stabiilien alkuaineiden tutkimiseen biologisissa järjestelmissä. Hyvin pientä määrää radioaktiivista alkuainetta voidaan helposti seurata ihmiskehossa. Sama onnistuisi myös kemiallisilla merkkiaineilla, mutta silloin tarvittaisiin paljon suurempia määriä kemikaaleja, mikä tekisi toimenpiteestä potilaalle huomattavasti riskialttiimman.

Tyypillisessä isotooppilääketieteellisessä tutkimuksessa potilaalle annetaan merkkiaine, ja merkkiaine nuklidin lähettämät γ-säteet rekisteröidään säteilyilmaisimien ryhmällä. Tätä kutsutaan emissiotomografiaksi. Merkkiaine valitaan yleensä niin, että se kertyy valikoivasti tiettyyn elimeen, jolloin havaitut γ-säteet antavat yksityiskohtaisen kuvan kiinnostuksen kohteena olevasta alueesta. Harjaantuneelle silmälle kuvat voivat paljastaa rakenteellisia tai aineenvaihdunnallisia poikkeavuuksia ja johtaa parempiin diagnooseihin. Isotooppilääketieteessä käytetään suurta joukkoa isotooppeja, joista kukin on kohdennettu ihmiskehon yksittäisiin elimiin.

Kuva yllä: PET-sovellus neurofysiologiassa (kielellinen työmuisti aivoissa), San Raffaelen sairaala, Milano.

Kasvaimia voidaan paikantaa menetelmillä kuten yksifotoniemissiotomografia (SPECT) tai positroniemissiotomografia (PET) (jossa positroneja (β+) lähettäviä ytimiä käytetään tuottamaan – annihilaatioprosessin kautta – energisiä γ-säteitä). SPECT- ja PET-menetelmät ovat vakiintuneita kasvaindiagnostiikassa sekä terveiden aivojen toiminnallisissa tutkimuksissa.

Kuva tietokonetomografiasta, jossa käytettiin röntgensäteitä ja jodimerkkiainetta (Hôpital Erasme, Bryssel).

Radioaktiivisista alkuaineista jodilla (I) on poikkeuksellinen asema, sillä se kiinnittyy kilpirauhaskudokseen suurella affiniteetilla ja valikoivuudella. Pieninä annoksina sitä voidaan käyttää diagnostiikkaan; toisaalta yksinomaan kilpirauhaskudokseen kiinnittyneen radioaktiivisen jodin lähettämällä säteilyllä voidaan hoitaa kilpirauhassyöpää.

¹³¹I (β- ja γ-aktiivisuus, puoliintumisaika 8 vuorokautta) on ollut käytössä yli 50 vuoden ajan kilpirauhasen toiminnan tutkimisessa. Myös Tc-99m (teknetium-99-ytimen metastabiili viritystila, puoliintumisaika 6 tuntia) on erittäin hyvä merkkiaine, jota käytetään esimerkiksi aivojen, maksan ja keuhkojen tutkimiseen. Radiumia ja strontiumia käytetään luiden ja luuston tutkimiseen.

Fysiologisesti kiinnostavimmilla alkuaineilla, kuten C (hiili), N (typpi) ja O (happi), on lyhytikäisiä β⁺-lähettäviä isotooppeja, joita käytetään PET-menetelmissä. Yleisimmin käytetyt beetalähettäjänuklidit ovat ¹¹C, ¹³N, ¹⁵O ja ¹⁸F (fluori).

Kuva oikealla: kilpirauhasen toiminnan gammakuvaus teknetiumilla.

SPECT tarkoittaa yksifotoniemissiotomografiaa. Tässä menetelmässä elimet kuvataan mittaamalla ruiskutetun radioaktiivisen merkkiaineen jakaumaa tietokoneeseen kytketyllä gammakameralla. SPECT-kuvauksessa gammailmaisimien ryhmä kiertää potilaan ympäri, jotta mittauksia saadaan useista suunnista. Tällä menetelmällä selvitetään radionuklidijakauman sijainti ja pitoisuus. SPECT käyttää radioisotooppeja kuten ^99mTc tai ¹²³I, joista lähtee yksi γ-kvantti (140 keV).

Kuva vasemmalla: aivovaurio paikantuu selvästi SPECT-kuvauksessa (vasemmalla). Gliooma (eräs aivokasvaintyyppi) erottuu huonosti röntgentomografiassa (oikealla), mutta näkyy selvänä tummana läiskänä Tc-99m:llä tehdyssä SPECT-kuvassa.

SPECT:llä on lukuisia sovelluksia sekä diagnostiikassa että hoidon apuvälineenä. SPECT-kuvauksilla, joissa käytetään kudoksiin imeytymätöntä mutta verenkierrossa kulkeutuvaa radioisotooppia, voidaan nähdä, miten veri virtaa tiettyihin kudoksiin ja elimiin. Tämä on erityisen hyödyllistä aivojen ja sydämen kuvauksessa.

Positroniemissiotomografiassa (PET) yleisesti käytettyjä isotooppeja ovat ¹⁵O, ¹³N, ¹¹C ja ¹⁸F. Näillä on lyhyet puoliintumisajat , noin 2, 10, 20,4 ja 110 minuuttia, joten radioisotoopit on tuotettava lähellä käyttöpaikkaa. Tästä syystä monissa sairaaloissa on pieni syklotroni lähistöllä tai jopa sairaalan sisällä, ja se on rakennettu erityisesti näiden isotooppien tuottamiseen. Isotooppi kiinnitetään sitten luonnolliseen aineeseen, kuten glukoosiin, veteen tai ammoniakkiin, joka viedään ihmiskehoon ruiskeena tai mahdollisesti kaasuna hengitettynä. Radioisotooppi kulkeutuu siihen kehon osaan, joka käyttää sitä ainetta, johon se on kiinnitetty – siksi käytetään monia erilaisia aineita.

Kaaviokuva PET-menetelmästä. Rengasmainen ilmaisinryhmä rekisteröi kaksi gammasädettä, jotka ovat peräisin e⁺ - e^- -annihilaatiosta.

Alkeishiukkasilla on vastaavat antihiukkaset. Hiukkasen antihiukkanen on käytännössä sama hiukkanen, mutta vastakkaisella sähkövarauksella. Kun hiukkanen ja sen antihiukkanen törmäävät, ne tuhoutuvat ja vapauttavat puhdasta energiaa.

PET-kuvauksessa tyypillisesti käytetyt isotoopit ovat β⁺ -lähettäjiä. Kun isotooppi hajoaa potilaan kehossa, jokainen syntynyt positroni (β⁺) kulkee kudoksessa vain lyhyen matkan (tyypillisesti alle 1 mm, isotoopista riippuen), ennen kuin se annihiloituu elektronin (β^-) kanssa. Annihilaatiossa vapautuva energia esiintyy gammafotoniparina (γ), joka lähtee 180° kulmassa toisiinsa nähden, kummankin energia 511 keV. Kun kaksi ilmaisinta havaitsee molemmat γ-säteet samanaikaisesti, hajoamistapahtuma voidaan paikantaa näiden kahden ilmaisimen yhdistävälle suoralle.

PET-kuvauksia käytetään yleisesti syöpien, sydänsairauksien ja eräiden aivosairauksien, kuten epilepsian tai Alzheimerin taudin, diagnosointiin. PET:iä käytetään myös arvioitaessa vastetta syöpähoidolle. Lisäksi PET-kuvauksia käytetään tutkimuksessa, esimerkiksi päihteiden käytön tai ikääntymisen vaikutuksia selvitettäessä.

PET-kuvaukseen liittyvät riskit ovat hyvin pieniä, mutta kuten useimmat kuvaustyypit, se ei aina sovi raskaana oleville tai imettäville. Kehossa olevan radioaktiivisen aineen vuoksi sairaalat neuvovat potilaita välttämään läheistä kontaktia raskaana olevien tai pienten lasten kanssa ainakin muutaman tunnin ajan PET-kuvauksen jälkeen.

PET-kuva, jossa näkyy luuston luusyöpä (Hôpital Erasme, Bryssel).

Muihin diagnostisiin kuvantamismenetelmiin, kuten röntgenkuvaukseen tai magneettikuvaukseen, verrattuna PET tutkii kehon toimintaa pikemminkin kuin sen rakennetta. Tähän mennessä mikään diagnostinen kuvantamismenetelmä ei pysty kilpailemaan sen kanssa dynaamisen vuorovaikutuksen osalta. Tämä lääketieteellinen kuvantamismenetelmä mahdollistaa eri ajanhetkinä määrällisen tiedon seuraamisen elävään eläimeen tai ihmiseen ruiskutetun (tai hengitetyn) leimatun biomolekyylin farmakokinetiikasta ja farmakodynamiikasta. PET on hyödyllinen aineenvaihdunnan (sokerin imeytyminen, aminohappojen liittyminen proteiineihin jne.), entsymaattisten reaktioiden ja molekyylien vuorovaikutusten tutkimisessa. SPECT kerää PET:n tavoin tietoa potilaan kehoon vietyjen radionuklidien pitoisuudesta.

SPECT-kuvaus jää PET:stä jälkeen saavutettavan erotuskyvyn ja herkkyyden osalta. PET:llä paras nykyisin saavutettava paikkaerotuskyky on noin 6 mm, mikä on 2–3 kertaa parempi kuin SPECT:llä. Nopean hajoamisensa vuoksi käytännössä kaikki PET-isotoopit on tuotettava paikan päällä (lukuun ottamatta isotooppia ¹⁸F, jonka puoliintumisaika on 110 min). Sen sijaan SPECT-isotoopeilla, kuten ¹²³I, on riittävän pitkä puoliintumisaika (13,2 tuntia), jotta ne voidaan valmistaa keskitetysti kaukaisissa laitoksissa ja toimittaa pikapostina.

Toinen lääketieteellisessä diagnostiikassa käytetty menetelmä on magneettikuvaus (MRI). Ensimmäiset kliiniset MRI-laitteet (alun perin nimeltään NMR, ydinmagneettinen resonanssi) rakennettiin 1980-luvulla.

MRI:n tärkein etu on se, ettei siinä käytetä lainkaan radioaktiivisia aineita. MRI-kuvat näyttävät veden (H₂O) jakautumisen kehossa ja ne elimet, joihin sitä on varastoitunut. MRI on periaatteessa suuri putki, jonka sisällä on voimakkaita magneetteja. Tämä johtuu siitä, että vetyytimien protonit käyttäytyvät kuin pienet magneetit. Kun potilaan ympärille luodaan ulkoinen magneettikenttä (mikä ei ole haitallista), kaikki nämä veden pienet magneetit kääntyvät samaan suuntaan. Kun protoni palaa takaisin asentoonsa, se lähettää radioaaltoja, jotka MRI-laite voi havaita ja mitata muodostaakseen kaksiulotteisen kuvan kehosta. MRI:tä käytetään yleisesti aivojen tai sydämen diagnostiikassa, mutta sillä voidaan kuvata lähes mitä tahansa kehon osaa.

MRI-tekniikkaa kehitetään edelleen yhä laajempaan joukkoon kliinisiä diagnostisia ongelmia. Esimerkiksi polarisoitua Xe-129:ää tai He-3:a voidaan käyttää keuhkojen hengitysteiden kuvaamiseen suurella paikka- ja aikaerotuskyvyllä. Pään ja vartalon verisuonten ja elinten magneettikuva.

Vuoden 2003 lääketieteen Nobelin palkinto myönnettiin Paul Lauterburille ja Sir Peter Mansfieldille heidän työstään ja panoksestaan magneettikuvauksen kehittämisessä.

Useimmat nykyaikaiset ja yliopistolliset sairaalat käyttävät nykyään MRI:tä ja PET:iä muiden kuvantamismenetelmien ohella. Monissa ydinfysiikan instituuteissa on ryhmiä, joiden toiminta ja tutkimus on omistettu tietyille lääketieteellisille sovelluksille sekä potilaiden hoidolle, esimerkiksi GSI:ssä (Saksa), PSI:ssä (Sveitsi), GANILissa (Ranska), HMI:ssä (Saksa) tai LARNissa (Belgia).

Hiukkashoidossa ionisoituja hiukkasia kohdistetaan kohteena olevaan kasvaimeen. Ionisaatio vahingoittaa solujen DNA:ta valikoimatta. Syöpäsolut kykenevät kuitenkin korjaamaan itseään huonommin ja kärsivät tästä vauriosta enemmän.

Käytettyjä hiukkasia ovat muun muassa protonit, neutronit tai positiivisesti varautuneet ionit. Kullakin hiukkastyypillä on eri energia, ja siksi ne tunkeutuvat ihmiskehoon eri syvyyksille. Tämän vuoksi eri toimenpiteissä käytetään erilaisia hiukkasia. Yleisin hiukkashoidon muoto on protonihoito.

Sädehoidon perusongelma on tarve maksimoida kasvaimeen annettava annos ja samalla minimoida sen ympärillä olevan terveen kudoksen vaurioituminen. Sähkömagneettisessa säteilyssä (röntgen- tai γ-säteet) suuri osa annoksesta osuu terveeseen kudokseen säteilykeilan varrella kasvaimen edessä ja takana.

Sädehoitoa on nyt parannettu käyttämällä suurienergisiä hiukkassuihkuja (p, raskaat ionit), sillä ionisuihkuilla annos kasvaa tunkeutumissyvyyden mukana aina hiukkasen kantaman lopussa olevaan maksimiin asti. Ionisuihkuhoito mahdollistaa suuremman ja tehokkaamman annoksen kertymisen kasvaimeen kuin mikään muu ulkoisen hoidon muoto.

Yllä oikealla oleva kuva vertaa kahta menettelyä. Fotonihoito (a) kerryttää suuren säteilyannoksen kasvaimen edessä olevaan terveeseen kudokseen. Hiukkassuihkun tapauksessa (b) suurin osa annoksesta rajoittuu kasvaimeen.

Vasemmalla oleva kuva esittää aivosyövän kuvausta ennen fotoneilla ja hiili-ioneilla annettua sädehoitoa ja kuusi viikkoa sen jälkeen.

Tähän mennessä yli 50 000 potilasta maailmanlaajuisesti on hoidettu protonisuihkuilla. Silmäkasvainten hoito protonisuihkuilla antaa ylivoimaisesti parhaat kliiniset tulokset. Protonihoito on ihanteellinen myös silloin, kun kasvain on lähellä kriittistä elintä, koska se voidaan kohdistaa hyvin tarkasti. Mitä paremmin säteilytetty tilavuus vastaa kohdetilavuutta, sitä paremmat ovat tulokset. Sama pätee raskasionisuihkuihin, joilla saavutetaan protoneja parempi vastaavuus. Raskasionihoito otettiin ensimmäisenä käyttöön vuonna 1974 Lawrence Berkeley Laboratoryssa. Ensimmäisissä hoidoissa käytettiin Ar-ioneja (argon) ja myöhemmin Si- (pii) ja Ne-ioneja (neon). Säteilytetyt kasvaimet sijaitsivat lähellä kriittisiä elimiä aivoissa, päässä tai kaulassa. Tulokset olivat erinomaisia ja johtivat erityisten lääketieteellisten raskasionikiihdyttimien rakentamiseen.

Brakyterapia on sädehoidon muoto, jossa radioaktiivista ainetta sijoitetaan kehon sisään lähelle kasvainta. Menetelmän etuna on, ettei säteilyn tarvitse kulkea kehon ulkopuolelta terveen kudoksen läpi kasvaimeen, vaan se vaikuttaa ainoastaan paikallisesti. Näin voidaan antaa suhteellisen suuria annoksia hyvin pienin riskein. Lisäksi potilas on liikuntakykyinen koko hoidon ajan. Kokonaishoito saadaan yleensä päätökseen lyhyemmässä ajassa kuin muilla menetelmillä, joten syöpäsoluilla on vähemmän aikaa lisääntyä hoitokertojen välillä.

Brakyterapia on vakiintunut menetelmä eräissä gynekologisissa syövissä, kuten kohdunkaulan tai eturauhasen syövässä, sekä tietyissä pään ja kaulan alueen karsinoomien vaiheissa. Eturauhassairauksissa on käytetty erilaisia lähestymistapoja, joita ohjaa lähinnä valittu isotooppi. ¹²⁵I (puoliintumisaika 60 vuorokautta) ja ¹⁰³Pd (puoliintumisaika 17 vuorokautta) käytetään pysyviin implantteihin. Näitä isotooppeja voidaan tuottaa neutronikaappauksella reaktoreissa. ¹⁰³Pd voidaan tuottaa tehokkaammin syklotroneissa (14 MeV:n protonisuihkuilla). Yhdysvalloissa on yli 10 vuoden kliininen aineisto isotoopin ¹⁰³Pd käytöstä eturauhasen brakyterapiassa. Tämä kliininen menestys yhdessä sivuvaikutusten puuttumisen kanssa on tehnyt siitä hyvin suositun hoitovaihtoehdon.

Aurinko tuottaa energian, jota Maa tarvitsee ylläpitääkseen elämää. Auringon energia syntyy ytimessä, jossa ydinreaktiot tapahtuvat noin 15 miljoonan °C lämpötilassa. p-p-ketjussa syntyneen energian kuljettavat pois fotonit ja neutriinot , jotka pääsevät ulos absorboitumatta. Näiltä fotoneilta voi kestää 2 miljoonaa vuotta matkata Auringon ytimestä pinnalle, mutta sen jälkeen ne saavuttavat Maan noin 8 minuutissa.

Aurinko lähettää näkyvää valoa, infrapunasäteilyä, jonka tunnemme lämpönä, ja ultraviolettisäteilyä, joka valitettavasti voi olla vaarallista. Ultraviolettisäteily voi aiheuttaa ihomelanooman (ihosyövän). Ihomelanooma on yksi yleisimmistä syövän aiheuttajista, ja esimerkiksi vuonna 2008 se tappoi maailmanlaajuisesti noin 46 000 ihmistä.

Mikroskooppikuva terveestä ihosta (vasemmalla) ja säteilyn vaurioittamasta ihosta (oikealla).

Pahanlaatuisen melanooman diagnoosien määrä on nelinkertaistunut viimeisten 30 vuoden aikana. Sitä esiintyy useimmin henkilöillä, joiden suvussa on ihosyöpää, vaaleahiuksisilla ja vaaleaihoisilla sekä yli 40-vuotiailla. Kuka tahansa voi kuitenkin sairastua syöpään taustastaan, iästään tai perimästään riippumatta. Suurin osa ihovaurioista syntyy ennen 20 vuoden ikää, mutta ne tulevat usein näkyviin vasta 40-vuotiaana – joten vaikka et näkisi itsesi palavan, vahingoitat silti ihoasi. Siksi on niin tärkeää käyttää aurinkovoidetta ja pysyä poissa auringosta silloin, kun se paistaa voimakkaimmin (klo 11–15).