In 1896 ontdekte Henri Becquerel een nieuwe, mysterieuze straling. Anders dan röntgenstralen , die verdwenen zodra de röntgenbuis werd uitgeschakeld, werd deze nieuwe straling, waargenomen bij uranium, onophoudelijk uitgezonden. Verder onderzoek door Pierre en Marie Curie toonde aan dat ook andere elementen deze eigenschap bezitten. In het bijzonder vonden zij deze eigenschappen in 1898 bij polonium en radium.

Pierre en Marie Curie vonden al snel een toepassing voor deze eigenschap, en al in 1901 werd radium in ziekenhuizen gebruikt. Men onderkende dat radiumstraling gunstige effecten heeft op veel huidziekten, waaronder kanker.

Pierre en Marie Curie in hun laboratorium, Parijs 1898.

De nieuwe straling was van nucleaire oorsprong. Sommige kernen zenden spontaan α-deeltjes (heliumkernen), β-deeltjes – dit kunnen elektronen (β^-) of positronen (β⁺) zijn – en/of γ-stralen (gammastralen) uit (d.w.z. hoogenergetische fotonen). Zo'n atoom met een instabiele kern, gekenmerkt door overtollige energie, wordt een radionuclide of radioactief nuclide genoemd, en ook wel aangeduid als radio-isotoop of radioactieve isotoop.

Natuurlijke radio-isotopen zijn bijvoorbeeld ²³⁸U (uranium), ⁴⁰K (kalium), ²³²Th (thorium) en hun dochterkernen ²²⁶Ra (radium), ²²²Rn (radon), ²¹⁸Po (polonium). Sommige radio-isotopen ontstaan voortdurend door de inwerking van kosmische straling op de bovenste lagen van onze atmosfeer, zoals bijvoorbeeld ¹⁴C (koolstof), ³H (tritium) of ⁷Be (beryllium).

Irène en Frédéric Joliot-Curie waren de eersten die kunstmatige radio-isotopen maakten, in 1933, door met een natuurlijke α-bron aluminium-27 te beschieten en zo het radio-element fosfor-30 te produceren, dat via β-verval overgaat in silicium-30. Dit was het gevolg van het feit dat de kernen van de aluminiumatomen extra protonen opnamen uit de heliumkernen (α-deeltjes).

Sindsdien zijn veel nieuwe radio-isotopen gemaakt, wat een reeks nieuwe toepassingen mogelijk maakte en leidde tot een beter begrip van kernmaterie en kernkrachten. Tegen 1936 waren er zo'n 200 radionucliden geproduceerd. Tegenwoordig zijn er ongeveer 250 stabiele nucliden bekend. Ze worden gemaakt met deeltjesbundels, variërend van protonen tot ²³⁸U, versneld in cyclotrons of lineaire versnellers.

De eerste versneller (cyclotron) werd in 1932 gebouwd in Berkeley in de VS door Ernest O. Lawrence. Hij en zijn broer John Lawrence, een arts, zagen al snel zeer belangrijke medische toepassingen en maakten radioactieve isotopen voor biologisch en medisch onderzoek en voor de behandeling van kanker. Het eerste Europese cyclotron werd gebouwd door Frédéric Joliot (1939) aan het Collège de France in Parijs.

Kaart van het nucleaire landschap. De druplijnen markeren de grens van de kernstabiliteit tegen n - of p -emissie.

Natuurkundigen hebben veel nieuwe isotopen gemaakt die steeds verder van de natuurlijke stabiliteitsvallei af liggen. Momenteel zijn er veel faciliteiten die radioactieve ionenbundels gebruiken. De vraag naar medische radio-isotopen is een wereldwijd verschijnsel en groeit in de ontwikkelde landen sinds 1995 exponentieel.

De Nobelprijs voor Scheikunde van 1943 werd toegekend aan G. de Hevesy omdat hij als eerste natuurlijke (en later kunstmatige) radioactieve elementen als tracer gebruikte om stabiele elementen in biologische systemen te bestuderen. Een zeer kleine hoeveelheid van een radioactief element is in het menselijk lichaam gemakkelijk te volgen. Dat kan ook met chemische tracers, maar daarvoor zouden veel grotere hoeveelheden chemicaliën nodig zijn, wat de procedure veel riskanter zou maken voor de patiënt.

Bij een typisch nucleair-geneeskundig onderzoek krijgt de patiënt een tracer toegediend en worden de γ-stralen die het tracer- nuclide uitzendt geregistreerd met een reeks stralingsdetectoren. Dit heet emissietomografie. De tracer wordt meestal zo gekozen dat hij zich selectief in een bepaald orgaan afzet; de gedetecteerde γ-stralen leveren dan een gedetailleerd beeld van het gebied van belang. Voor het geoefende oog kunnen de beelden structurele of metabole afwijkingen onthullen, wat tot betere diagnoses leidt. In de nucleaire geneeskunde wordt een grote verscheidenheid aan isotopen gebruikt, elk specifiek gericht op afzonderlijke organen van het menselijk lichaam.

Afbeelding boven: PET-toepassing in de neurofysiologie (verbaal werkgeheugen in de hersenen), San Raffaele-ziekenhuis, Milaan.

Tumoren kunnen worden gelokaliseerd met technieken als Single Photon Emission Computed Tomography (SPECT) of Positron Emissie Tomografie (PET) (waarbij positronen (β+) uitzendende kernen worden gebruikt om – via het annihilatieproces – energierijke γ-stralen te produceren). SPECT- en PET-technieken zijn standaard bij de diagnose van tumoren en bij functioneel onderzoek van het normale, gezonde brein.

Beeld uit een computertomografie met röntgenstralen en een jodiumtracer (Hôpital Erasme, Brussel).

Onder de radioactieve elementen speelt jodium (I) een uitzonderlijke rol, omdat het zich met grote affiniteit en selectiviteit hecht aan het schildklierweefsel. In lage doses kan het voor diagnostische doeleinden worden gebruikt; omgekeerd kan de straling van radioactief jodium dat zich uitsluitend aan het schildklierweefsel hecht, schildklierkanker behandelen.

¹³¹I (β- en γ-straling, met een halfwaardetijd van 8 dagen) wordt al meer dan 50 jaar gebruikt om de schildklierfunctie te onderzoeken. Tc-99m (een metastabiele aangeslagen toestand van de kern technetium-99 met een halfwaardetijd van 6 uur) is eveneens een zeer goede tracer voor het onderzoek van organen zoals de hersenen, de lever en de longen. Radium en strontium worden gebruikt om botten en het skelet te bestuderen.

De fysiologisch interessantste chemische elementen, zoals C (koolstof), N (stikstof) en O (zuurstof), hebben kortlevende β⁺-uitzendende isotopen die in PET-technieken worden gebruikt. De gangbare bèta-uitzendende nucliden zijn ¹¹C, ¹³N, ¹⁵O en ¹⁸F (fluor).

Afbeelding rechts: Scintigrafie van de schildklieractiviteit met technetium.

SPECT staat voor Single Photon Emission Computed Tomography. Bij deze procedure worden organen in beeld gebracht door de verdeling van een geïnjecteerde radiotracer te meten met een gammacamera die op een computer is aangesloten. Bij SPECT-beeldvorming draait een reeks gammadetectoren rond de patiënt om metingen vanuit vele hoeken te verkrijgen. Met deze techniek worden de positie en de concentratie van de radionuclidenverdeling bepaald. SPECT maakt gebruik van radio-isotopen zoals ^99mTc of ¹²³I, waarbij één enkel γ-kwant (van 140 keV) wordt uitgezonden.

Afbeelding links: Een hersenletsel wordt duidelijk gelokaliseerd door een SPECT-scan (links). Het glioom (een soort hersentumor) is op de röntgentomografie (rechts) slecht afgegrensd, maar is op een met Tc-99m gemaakte SPECT-opname te zien als een duidelijke donkere vlek.

SPECT kent veel toepassingen, zowel in de diagnostiek als als hulpmiddel bij de therapie. SPECT-scans met een radio-isotoop dat niet door weefsels wordt opgenomen maar in de bloedbaan circuleert, kunnen laten zien hoe het bloed naar bepaalde weefsels en organen stroomt. Dat is bijzonder nuttig bij scans van hersenen en hart.

Bij de Positron Emissie Tomografie (PET) worden gewoonlijk de isotopen ¹⁵O, ¹³N, ¹¹C en ¹⁸F gebruikt. Deze hebben korte halfwaardetijden van respectievelijk ongeveer 2, 10, 20,4 en 110 minuten, zodat de radio-isotopen dicht bij de plaats van gebruik moeten worden gemaakt. Daarom beschikken veel ziekenhuizen over een klein cyclotron in de buurt of zelfs in het ziekenhuis zelf, speciaal gebouwd om deze isotopen te produceren. Het isotoop wordt vervolgens gekoppeld aan een natuurlijke stof zoals glucose, water of ammoniak, die daarna via een injectie of eventueel door inademing als gas in het menselijk lichaam wordt gebracht. Het radio-isotoop reist naar het lichaamsdeel dat de stof gebruikt waaraan het gekoppeld is – daarom worden er veel verschillende stoffen toegepast.

Schematische weergave van de PET-techniek. Een ringvormige detectorreeks registreert de twee gammastralen afkomstig van een e⁺ - e^- -annihilatie.

Elementaire deeltjes hebben bijbehorende antideeltjes. Het antideeltje van een deeltje is in feite hetzelfde deeltje, maar met tegengestelde elektrische lading. Wanneer een deeltje en zijn antideeltje botsen, annihileren ze onder uitzending van pure energie.

De isotopen die gewoonlijk bij een PET-scan worden gebruikt zijn β⁺ -emitters. Wanneer het isotoop in het lichaam van de patiënt vervalt, legt elk uitgezonden positron (β⁺) slechts een korte afstand af in het weefsel (meestal minder dan 1 mm, afhankelijk van het isotoop) voordat het annihileert met een elektron (β^-). De bij de annihilatie vrijkomende energie verschijnt als een paar gammafotonen (γ), die onder 180° ten opzichte van elkaar worden uitgezonden, elk met een energie van 511 keV. Door de twee γ-stralen in coïncidentie met twee detectoren waar te nemen, kan de vervalgebeurtenis worden gelokaliseerd op de lijn die de twee detectoren verbindt.

PET-scans worden vaak gebruikt om kanker, hartaandoeningen en sommige hersenaandoeningen zoals epilepsie of de ziekte van Alzheimer te diagnosticeren. PET wordt ook gebruikt om de respons op kankertherapie te beoordelen. Daarnaast worden PET-scans in onderzoek gebruikt, bijvoorbeeld bij studies naar de effecten van drugsgebruik of veroudering.

De risico's van een PET-scan zijn zeer klein, maar zoals bij de meeste soorten scans is hij niet altijd geschikt voor zwangere vrouwen of vrouwen die borstvoeding geven. Vanwege de aanwezigheid van een radioactieve stof in het lichaam adviseren ziekenhuizen patiënten om na een PET-scan ten minste enkele uren nauw contact met zwangere vrouwen of jonge kinderen te vermijden.

PET-scan met botkanker van het skelet (Hôpital Erasme, Brussel).

Vergeleken met andere diagnostische beeldvormingstechnieken zoals de röntgenscan of MRI onderzoekt PET eerder de functie van het lichaam dan de anatomie ervan. Tot op heden kan geen enkele diagnostische beeldvormingstechniek ermee wedijveren wat dynamische interactie betreft. Deze medische beeldvormingstechniek maakt het mogelijk op verschillende tijdstippen kwantitatieve informatie te volgen over de farmacokinetiek en farmacodynamiek van een gemerkt biomolecuul dat bij een levend dier of mens is geïnjecteerd (of ingeademd). PET is nuttig bij het bestuderen van de stofwisseling (suikeropname, inbouw van aminozuren in eiwitten, enz.), enzymatische reacties en moleculaire interacties. SPECT verzamelt, net als PET, informatie over de concentratie van radionucliden die in het lichaam van de patiënt zijn gebracht.

SPECT-beeldvorming doet onder voor PET wat betreft haalbare resolutie en gevoeligheid. Voor PET bedraagt de best haalbare ruimtelijke resolutie momenteel ongeveer 6 mm, 2 tot 3 keer beter dan met SPECT. Vanwege hun snelle verval moeten vrijwel alle PET-isotopen ter plaatse worden geproduceerd (met uitzondering van ¹⁸F met een halfwaardetijd van 110 min). SPECT-isotopen zoals ¹²³I hebben daarentegen een voldoende lange halfwaardetijd (13,2 uur) om centrale productie op verafgelegen locaties mogelijk te maken, met levering per expreszending.

Een andere techniek die voor medische diagnose wordt gebruikt is Magnetic Resonance Imaging (MRI). De eerste klinische MRI-apparaten (aanvankelijk NMR genoemd, naar Nucleaire Magnetische Resonantie) werden in de jaren tachtig gebouwd.

Het grootste voordeel van MRI is dat er geen radioactieve stof aan te pas komt. MRI-beelden tonen de verdeling van water (H₂O) in het lichaam en de organen waarin het is opgeslagen. De MRI is in wezen een grote buis met krachtige magneten erin. Dat komt doordat de protonen in de H-kernen zich gedragen als kleine magneetjes. Wanneer rond de patiënt een uitwendig magneetveld wordt aangelegd (wat niet schadelijk is), worden al die kleine magneetjes in het water in één richting getrokken. Wanneer het proton terugklapt naar zijn oorspronkelijke stand zendt het radiogolven uit, die de MRI-scanner kan detecteren en meten om een 2D-beeld van het lichaam te maken. MRI wordt vaak gebruikt voor diagnoses van hersenen of hart, maar kan voor bijna elk lichaamsdeel worden ingezet.

De MRI-technologie wordt verder ontwikkeld om een breder scala aan klinische diagnoseproblemen aan te pakken. Zo kan gepolariseerd Xe-129 of He-3 worden gebruikt om de luchtwegen in de longen met hoge ruimtelijke en temporele resolutie in beeld te brengen. MRI van bloedvaten en organen in hoofd en romp.

De Nobelprijs voor de Geneeskunde 2003 werd toegekend aan Paul Lauterbur en Sir Peter Mansfield voor hun werk en hun bijdrage aan Magnetic Resonance Imaging.

De meeste moderne en academische ziekenhuizen gebruiken tegenwoordig MRI en PET, naast andere beeldvormende technieken. In veel kernfysische instituten zijn er groepen waarvan de activiteiten en het onderzoek gewijd zijn aan specifieke medische toepassingen en aan patiëntenbehandeling, bijvoorbeeld bij GSI (Duitsland), PSI (Zwitserland), GANIL (Frankrijk), HMI (Duitsland) of LARN (België).

Bij deeltjestherapie worden geïoniseerde deeltjes op de doeltumor gericht. De ionisatie beschadigt zonder onderscheid het DNA van cellen. Kankercellen kunnen zichzelf echter minder goed herstellen en worden sterker getroffen door deze schade.

De gebruikte deeltjes zijn onder meer protonen, neutronen of positief geladen ionen. Elk type deeltje heeft een andere energie en kan daardoor verschillend diep in het menselijk lichaam doordringen. Daarom worden voor verschillende procedures verschillende soorten deeltjes gebruikt. De meest voorkomende vorm van deeltjestherapie is protonentherapie.

Een fundamenteel probleem van de stralingstherapie is de noodzaak om de in de tumor afgegeven dosis te maximaliseren en tegelijk de schade aan het gezonde weefsel eromheen te minimaliseren. Bij elektromagnetische straling (röntgen- of γ-stralen) treft een groot deel van de dosis het gezonde weefsel langs de bundel vóór en achter de tumor.

Een verbetering in de stralingstherapie wordt nu bereikt met hoogenergetische deeltjesbundels (p, zware ionen), omdat bij ionenbundels de dosis toeneemt met de indringdiepte tot een maximum aan het einde van het deeltjesbereik. Ionenbundeltherapie maakt het mogelijk een grotere en effectievere dosis in de tumor af te zetten dan enige andere vorm van uitwendige therapie.

De afbeelding rechtsboven toont een vergelijking van twee procedures. Fotonentherapie (a) zet een hoge stralingsdosis af in het gezonde weefsel vóór de tumor. Bij een deeltjesbundel (b) blijft het grootste deel van de dosis beperkt tot de tumor.

De afbeelding links toont een scan van hersenkanker vóór en zes weken na radiotherapie met fotonen en koolstofionen.

Tot op heden zijn wereldwijd meer dan 50 000 patiënten behandeld met protonenbundels. De behandeling van oogtumoren met protonenbundels levert verreweg het beste klinische resultaat op. Protonentherapie is ook ideaal wanneer de tumor dicht bij een kritisch orgaan ligt, omdat ze zeer nauwkeurig kan worden gericht. Hoe beter het bestraalde volume overeenkomt met het doelvolume, hoe beter de resultaten. Dat geldt ook voor zware-ionenbundels, waarmee een nog betere overeenkomst dan met protonen haalbaar is. Zware-ionentherapie werd in 1974 als eerste toegepast in het Lawrence Berkeley Laboratory. Bij de eerste behandelingen werd gebruikgemaakt van Ar-ionen (argon) en later van Si- (silicium) en Ne-ionen (neon). De bestraalde tumoren lagen dicht bij kritische organen in de hersenen, het hoofd of de hals. De resultaten waren uitstekend en vormden de aanleiding voor de bouw van speciale medische zware-ionenversnellers.

Brachytherapie is een vorm van stralingstherapie waarbij radioactief materiaal in het lichaam wordt geplaatst, dicht bij de tumor. De voordelen van deze procedure zijn dat de straling niet vanaf de buitenkant van het lichaam door gezond weefsel hoeft te reizen om de tumor te bereiken en in plaats daarvan slechts een plaatselijk gebied treft. Daardoor kunnen relatief hoge doses met minimaal risico worden gegeven. Bovendien is de patiënt gedurende de hele behandeling mobiel. De totale behandeling is meestal in kortere tijd voltooid dan bij andere procedures, zodat kankercellen tussen de behandelsessies door minder tijd hebben om zich te vermenigvuldigen.

Brachytherapie is een standaardtechniek voor sommige gynaecologische kankers zoals baarmoederhals- of prostaatkanker en voor bepaalde stadia van hoofd-halscarcinoom. Voor prostaataandoeningen zijn verschillende benaderingen gebruikt, die vooral worden bepaald door het gekozen isotoop. ¹²⁵I (met een halfwaardetijd van 60 dagen) en ¹⁰³Pd (met een halfwaardetijd van 17 dagen) worden gebruikt voor permanente implantaten. Deze isotopen kunnen worden gemaakt door neutronenvangst in reactoren. ¹⁰³Pd kan efficiënter worden geproduceerd in cyclotrons (met protonenbundels van 14 MeV). In de VS zijn meer dan 10 jaar klinische gegevens beschikbaar over het gebruik van ¹⁰³Pd in prostaatbrachytherapie. Dit klinische succes heeft het, samen met het ontbreken van bijwerkingen, tot een zeer populaire therapiekeuze gemaakt.

De Zon levert de energie die de Aarde nodig heeft om leven te herbergen. De energie van de Zon wordt geproduceerd in de kern, waar kernreacties plaatsvinden bij temperaturen van ongeveer 15 miljoen °C. De in de p-p-keten geproduceerde energie wordt afgevoerd door fotonen en door neutrino's die zonder absorptie ontsnappen. Deze fotonen kunnen er 2 miljoen jaar over doen om van de kern van de Zon naar het oppervlak te reizen, maar daarna bereiken ze de Aarde in ongeveer 8 minuten.

De Zon zendt zichtbaar licht uit, infraroodstraling die wij als warmte voelen, en ultraviolette straling die helaas gevaarlijk kan zijn. De ultraviolette straling kan huidmelanoom (huidkanker) veroorzaken. Huidmelanoom is een van de meest voorkomende oorzaken van kanker en heeft bijvoorbeeld in 2008 wereldwijd ongeveer 46 000 mensen het leven gekost.

Microscopisch beeld van gezonde huid (links) en door straling beschadigde huid (rechts).

Het aantal diagnoses van maligne melanoom is de afgelopen 30 jaar verviervoudigd. Het komt het vaakst voor bij mensen met huidkanker in de familie, bij mensen met blond haar en een lichte huid en bij mensen ouder dan 40. Iedereen kan echter kanker krijgen, ongeacht afkomst, leeftijd of genetica. De meeste huidschade ontstaat vóór het 20e levensjaar maar wordt vaak pas zichtbaar rond het 40e, dus ook als u zichzelf niet ziet verbranden, beschadigt u toch uw huid. Daarom is het zo belangrijk zonnebrandcrème te gebruiken en uit de zon te blijven wanneer die het felst is (tussen 11 en 15 uur).