Poland

W roku 1986 Henri Becquerel odkrył istnienie nowego, tajemniczego promieniowania. W odróżnieniu od promieniowania X, które znikało wraz z wyłączeniem lampy rentgenowskiej, nowe promieniowanie z uranu było emitowane w sposób ciągły. Dalsze badania, prowadzone przez Piotra Curie i Marię Skłodowską-Curie pokazały, że inne pierwiastki wykazują taką samą właściwość. W szczególności, właściwości te odkryto w roku 1898 w polonie i radzie.

Piotr i Maria Curie szybko znaleźli zastosowanie dla nowego promieniowania i już w 1901 roku zaczęto używać radu w szpitalach. Zauważono, że promieniowanie radu działa korzystnie w wielu chorobach skórnych, włączając raka skóry.

Piotr Curie i Maria Skłodowska-Curie w swoim laboratorium, Paryż 1898.

Nowe promieniowanie pochodziło z jąder atomowych. Niektóre jądra spontanicznie emitują cząstki α (jądra helu), cząstki β, którymi mogą być elektrony-) lub pozytony+), a także promieniowanie γ (gamma) (tj. wysokoenergetyczne fotony). Atom tego rodzaju, posiadający niestabilne jądro atomowe, charakteryzujący się nadmiarową energią, nazywany jest radionuklidem lub jądrem promieniotwórczym, ale także radioizotopem lub izotopem promieniotwórczym.

Naturalnymi radioizotopami są np. 238U (uran), 40K (potas), 232Th (tor) i ich jądra pochodne 226Ra (rad), 222Rn (radon), 218Po (polon). Niektóre radioizotopy, jak np. 14C (węgiel), 3H (tryt) lub 7Be (beryl) tworzą się w sposób ciągły w reakcjach promieni kosmicznych zachodzących w górnych warstwach atmosfery.

Irena i Fryderyk Joliot-Curie byli pierwszymi, którzy wytworzyli w roku 1933 sztuczne radioizotopy, wykorzystując w tym celu źródło-α do bombardowania aluminium-27. W wyniku reakcji tworzył się fosfor-30, który w β-rozpadzie tworzył krzem-30. Było to wynikiem otrzymania przez jądra aluminium dodatkowych protonów pochodzących z jąder helu (cząstek α).

Od tego czasu wytworzono wiele nowych radioizotopów, otwierając drogę nowym zastosowaniom i prowadząc do lepszego zrozumienia materii jądrowej i sił jądrowych. Do roku 1936. wyprodukowano około 200 radionuklidów. Dziś znamy już około 4000 izotopów, w tym 259 stabilnych. Radioizotopy są wytwarzane przy użyciu wiązek z cyklotronów lub akceleratorów liniowych.

Pierwszy akcelerator (cyklotron) został zbudowany w Berkeley, w USA w 1932 r. przez Ernesta O. Lawrence'a. Wraz z bratem, Johnem Lawrencem, lekarzem, szybko zdali sobie sprawę z ważnych zastosowań medycznych i zaczęli produkcję radioaktywnych izotopów dla badań biologicznych i medycznych, a także do leczenia nowotworów. W Europie, pierwszy cyklotron został zbudowany przez Fryderyka Joliot w Collège de France, Paryż.

Mapa pokazująca krajobraz jądrowy. Obwiednie, tzw. drip lines, pokazują granice stabilności, poza którymi następuje emisja nukleonów n lub p.

Fizycy wyprodukowali wiele izotopów, które odchodzą daleko poza granice naturalnej doliny stabilności. Obecnie mamy wiele urządzeń, wykorzystujących wiązki jonów promieniotwórczych. Zapotrzebowanie na medyczne radioizotopy jest powszechne w świecie, a od roku 1995 wzrasta eksponencjalnie w krajach rozwiniętych.

Nagroda Nobla z chemii przypadła w 1934 G. de Hevesy'emu, któremu jako pierwszemu udało się wykorzystać naturalne (a potem sztuczne) radioizotopy jako znaczniki w badaniach stabilnych pierwiastków w układach biologicznych. Bardzo małą ilość pierwiastka promieniotwórczego można łatwo wprowadzić do ciała ludzkiego. Można to także uczynić przy pomocy znacznika chemicznego, niemniej jednak potrzeba wtedy znacznie większej ilośc takiego wskaźnika, co czyni procedurę znacznie ryzykowniejszą.

W typowym badaniu diagnostycznym w medycynie jądrowej podawany jest pacjentowi znacznik, a jego promieniowanie γ zostaje rejestrowane przez zestaw detektorów. Technika ta nosi nazwę tomografii emisyjnej. Wybierany znacznik ma tę właściwość, że usadawia się selektywnie w danym narządzie i wtedy rejestrowane promienie γ pozwalają otrzymać szczegółowy obraz interesującego nas obszaru. Dla wprawnego oka obrazy mogą pokazywać strukturalne i metaboliczne odchylenia od normy, co prowadzi do lepszej diagnostyki. Bardzo wiele radioizotopów wykorzystywanych jest w medycynie nuklearnej, każdy specyficzny dla danego narządu w ciele człowieka.

Obraz powyżej: zastosowanie techniki PET w neurofizjologii (obrazy mózgu podczas zapamiętywania słów), San Raffaele Hospital, Mediolan.

Miejsca, w których znajduje się guz nowotworowy można znaleźć przy pomocy techniki SPECT (od ang. Single Photon Emission Computed Tomography lub Pozytonowej Tomografii Emisyjnej (PET) (w której korzysta się z izotopów emitujących pozytony (β+) i które drogą procesu anihilacji z elektronami powodują powstanie energetycznych promieni γ).

Obraz z tomografii komputerowej z wykorzystaniem promieniowania X ze znacznika jodu (Szpital Erasme, Bruksela).

Wśród pierwiastków promieniotwórczych, jod (I) gra rolę szczególną, jako że łączy się bardzo efektywnie i selektywnie z tkanką tarczycy. W niewielkich dawkach można go używać do diagnostyki medycznej lub, alternatywnie, promieniowanie promieniotwórczego jodu w tarczycy można wykorzystać do leczenia raka tarczycy.

131I (promieniowanie β i γ, okres połowicznego zaniku 8 dni) jest od 50 lat używanym radioizotopem do badań aktywności tarczycy. Tc-99m(metastabilny stan wzbudzony jądra technetu-99 o połowicznym czasie zaniku 6 godzin) jest także świetnym znacznikiem, używanym do badań takich narządów jak mózg, wątroba i płuca. Rad i stront używane są w badaniach kości i szkieletu.

Najbardziej interesujące z fizjologicznego punktu widzenia pierwiastki chemiczne jak C (węgiel), N (azot) i O (tlen) mają krótkożyciowe izotopy β+-promieniotwórcze i są wykorzystywane w technikach PET. Powszechnie używanymi tu izotopami beta-promieniotwórczymi są 11C, 13N, 15O i 18F (fluor).

Obraz z prawej strony: Scyntygrafia aktywności tarczycy przy użyciu technetu.

Skrót SPECT pochodzi od ang. Single Photon Emission Computed Tomography - emisyjna tomografia komputerowa pojedynczych fotonów. W tej procedurze otrzymuje się obraz narządów wewnętrznych poprzez obserwację rozkładu znacznika przez "gamma-kamerę" podłączoną do komputera. Obrazowanie SPECT obejmuje obracanie zestawem detektorów gamma wokół pacjenta, aby uzyskać informację z wielu różnych kątów obserwacji. W ten właśnie sposób szukamy rozkładu koncentracji radionuklidu w badanym narządzie. Izotopami używanymi w SPECT są np. 99mTc lub 123I, które emitują pojedyncze fotony γ (140 keV).

Obraz z lewej strony: Dobrze zlokalizowane uszkodzenie mózgu, uwidocznione techniką SPECT (na lewo). Glejak (rodzaj nowotworu) jest słabo widoczny podczas obserwacji techniką tomografii komputerowej (po prawej), może być jednak łatwo uwidoczniony w postaci ciemnej plamy na obrazie SPECT, otrzymanym przy użyciu Tc-99m.

Istnieje wiele zastosowań techniki SPECT także w terapii. Skany wykonane tą techniką przy użyciu radioizotopów nieabsorbowanych przez tkanki ale w zamian biegnących w krwioobiegu można wykorzystywać do obejrzenia, w jaki sposób następuje przepływ krwi przez niektóre tkanki i narządy wewnętrzne. Jest to szczególnie istotne w badaniach mózgu i serca.

Najczęściej używanymi radioizotopami w technice pozytonowej tomografii emisyjnej są 15O, 13N, 11C i 18F. Izotopy te mają krótkie okresy połowicznego zaniku, około odpowiednio 2, 10, 20,4 i 110 min., tak więc te izotopy należy produkować blisko miejsca ich użycia. Z tego też powodu, wiele szpitali ma w pobliżu lub w samym szpitalu niewielkie cyklotrony, specjalnie dedykowane do produkcji tych izotopów. Taki izotop jest następnie dołączany do naturalnej cząsteczki chemicznej jak glukoza, woda, czy amoniak i wstrzyknięte bezpośrednio do człowieka lub dostarczone poprzez wchłonięcie odpowiedniego gazu. Radioizotop przechodzi do tej części ciała, która korzysta z substancji chemicznej, do której został dołączony i z tego względu korzysta się z różnorodnych cząsteczek chemicznych jako nośników izotopu.

Schemat techniki PET. Grupa detektorów umieszczonych na obwodzie okręgu rejestruje dwa fotony gamma pochodzące z anihilacji e+ - e-.

Cząstki elementarne mają swoje odpowiednie antycząstki. Taka antycząstka jest w zasadzie tą samą cząstką, tyle że o przeciwnym znaku ładunku elektrycznego. Gdy cząstka i antycząstka zderzają się, anihilują z wyłącznie emisją energii.

Izotopy używane typowo w PET są emiterami β+. Gdy taki izotop rozpada się wewnątrz ciała pacjenta, emitowany pozyton(β+) nim zanihiluje z elektronem (β-) przechodzi w tkance pewną krótką drogę (na ogół krótszą od 1 mm, ale to zależy od radioizotopu). Energia uwalnia się w anihilacji w postaci pary fotonów gamma (γ) o energii 511 keV każdy, biegnących względem siebie pod kątem 180°. Zarejestrowanie w koincydencji dwóch fotonów γ przez dwa detektory, pozwala na zlokalizowanie miejsca, w którym nastąpił rozpad wzdłuż linii łączącej te dwa detektory.

Skanowanie techniką PET używane jest zazwyczaj do diagnozowania nowotworów, stanu serca i niektórych zaburzeń mózgu, jak epilepsja czy choroba Alzheimera. Techniki PET używamy też do śledzenia postępów w terapii nowotworów. Ponadto skany PET są używane w badaniach naukowych, np. efektów nadużywania narkotyków czy starzenia się.

Ryzyko związane z obrazowaniem technika PET jest bardzo małe, ale jak w większości przypadków skanowania z reguły nie jest zalecane kobietom w ciąży lub karmiącym matkom. Ze względu na obecność w ich ciałach substancji promieniotwórczej, szpitale zalecają aby pacjenci przez co najmniej kilka godzin po badaniu PET unikali bliskiego kontaktu z kobietami w ciąży czy małymi dziećmi.

Obraz skanu PET pokazujący raka kości w kręgosłupie (Szpital Erasme, Bruksela).
W porównaniu do innych technik obrazowania jak prześwietlenia rentgenowskie czy MRI, PET bada raczej funkcje ciała niż jego anatomię. Do chwili obecnej żadna z technik nie może się z nią równać jeśli chodzi o oddziaływanie dynamiczne. PET pozwala na śledzenie w różnych chwilach ilościowych zmian w farmakokinetyce i farmakodynamice znaczonych cząstek biologicznie czynnych, wstrzykniętych lub zainhalowanych do ciała żywego zwierzęcia lub człowieka. PET jest wygodnym narzędziem do badania metabolizmu (absorpcja cukru, wchłanianie aminokwasu przez białka itd.), reakcji enzymatycznych i oddziaływań molekularnych. SPECT, podobnie jak PET, zbiera informację o koncentracji radionuklidu wprowadzonego do ciała pacjenta.

Obrazowanie techniką SPECT jest gorsze niż PET w sensie osiąganej przestrzennej zdolności rozdzielczej i czułości. W wypadku PET najlepsza obecnie zdolność rozdzielcza wynosi około 6 mm, a więc jest 2 do 3 razy lepsza niż w technice SPECT. Ze względu na bardzo szybki rozpad, w zasadzie wszystkie izotopy używane w PET muszą być produkowane na miejscu (jedyny wyjątek stanowi 18F, którego okres połowicznego zaniku wynosi 110 minut). W przeciwieństwie do tej sytuacji, izotopy wykorzystywane w SPECT, jak 123I, mają stosunkowo długie okresy połowicznego zaniku (tu 13,2 godz.), pozwalające na umiejscowienie się radioizotopu w odległych miejscach, z których otrzymuje się później sygnały.

Inną techniką używaną w medycynie nuklearnej jest obrazowanie rezonansem magnetycznym (MRI od ang. Magnetic Resonance Imaging). Pierwsze przyrządy dla obrazowania MRI (nazywane słusznie jądrowym rezonansem magnetycznym) zbudowano w latach 1980.

Główną zaletą MRI jest to, że nie korzysta z żądnych substancji radioaktywnych. Rezonanse MRI pokazują w istocie rozkład cząsteczek wody (H2O) w ciele i narządach wewnętrznych. Skaner MRI jest w istocie dużą tubą zawierającą w środku mocne magnesy. Gdy pacjenta otacza pole magnetyczne (co nie jest szkodliwe) wszystkie protony (jądra wodoru, które zachowują się jak mikroskopijne magnesy) w wodzie są ustawiane w jednym kierunku. Gdy proton wraca do swego poprzedniego położenia, następuje emisja fal radiowych, które rejestruje i mierzy skaner MRI, a to z kolei pozwala na otrzymanie obrazu 2D badanej części ciała.

Technika MRI jest wciąż rozwijana w kierunku możliwości coraz szerszego pola diagnostycznego. Na przykład, spolaryzowany Xe-129 lub He-3 można wykorzystać do zobrazowania z odpowiednią przestrzenną i czasową rozdzielczością działania dróg oddechowych w płucach.
MRI naczyń krwionośnych oraz narządów w głowie i tułowiu.

Nagroda Nobla z medycyny została przyznana w 2000 r. Paulowi Lauteburowi i Sir Peterowi Mansfieldowi za ich wkład w rozwój obrazowania technika rezonansu magnetycznego.

Większość szpitali współczesnych i akademickich posiada obecnie skanery MRI i PET, a także innych technik obrazowania. W wielu instytutach fizyki jądrowej istnieją grupy, których badania są ukierunkowane na specyficzne procedury medyczne obrazowania jak i leczenia. Można tu wymienić np. GSI w Niemczech, PSI w Szwajcarii, GANIL we Francji, HMI w Niemczech czy LARN w Belgii.

Terapia przy użyciu cząstek promieniowania jonizującego oznacza skierowanie ich na konkretny guz nowotworowy. Jonizacja całkowicie niszczy DNA w komórkach guza. Jednakże, komórki nowotworowe mają mniejsze możliwości zreperowania się i skutki uszkodzenia ich są zdecydowanie większe.

Cząstki wykorzystywane w terapii to protony, neutrony i dodatnio naładowane jony. Każdy rodzaj cząstek ma różną energię i może zatem penetrować ludzkie ciało w różnym stopniu. Właśnie dlatego w terapii korzystamy z różnych cząstek. Najpowszechniejszą jest radioterapia protonowa.

Podstawowym problemem w radioterapii jest dostarczenie do guza maksymalnej dawki promieniowania i jednoczesnego zminimalizowania dawki dla tkanki otaczającej guz. W wypadku promieniowania elektromagnetycznego (promieniowanie X lub γ) , znacząca część dawki dostarczana jest wzdłuż biegu wiązki do zdrowej tkanki przed i za guzem.

Znaczącym postępem w radioterapii jest korzystanie obecnie z wysokoenergetycznych cząstek (p, ciężkie jony), gdyż dla wiązek jonów dawki rosną w miarę wnikania i są największe pod koniec zasięgu cząstki. Tego rodzaju terapia (zwana terapią hadronową) pozwala na lepsze ulokowanie dawki w guzie niż jest to możliwe w jakimkolwiek innym rodzaju zewnętrznej radioterapii.

Powyższe zdjęcie po prawej stronie pokazuje porównanie istoty dwóch procedur. Terapia protonowa (a) deponuje wysoką dawkę w zdrowej tkance na froncie nowotworu. W wypadku wiązki cząstek (b) większość dawki skupiona jest na nowotworze.

Obraz z lewej strony pokazuje skan raka mózgu przed i po sześciu tygodniach po radioterapii przy użyciu fotonów i jonów węgla.

Na świecie wyleczono już ponad 50 tysięcy pacjentów korzystając z wiązek protonów. Leczenie nowotworów oka wiązkami protonów zaowocowało najlepszymi wynikami klinicznymi. Terapia protonowa jest również idealną gdy guz znajduje się w pobliżu narządów krytycznych, gdy wiązka może być dokładnie skierowana na wskazane miejsce. Im w lepszy sposób możemy uformować kształt wiązki zgodnie z objętością guza, tym wyniki są lepsze. Jest to również prawdą w przypadku wiązek ciężkich jonów, dla których taka konforemność jest znacznie lepsza niż w wypadku protonów. Terapia ciężkimi jonami została zapoczątkowana w roku 1974 w Lawrence Berkeley Laboratory. W pierwszych procedurach terapeutycznych korzystano z jonów argonu (Ar), później z wiązek krzemu (Si) i neonu (Ne). Napromieniowywane guzy znajdywały się blisko organów krytycznych w mózgu, głowie i szyi. Wyniki były znakomite i motywujące do zbudowania dedykowanych medycznych akceleratorów ciężkich jonów.

Brachyterapia jest formą terapii radiacyjnej, w której materiał promieniotwórczy jest wstawiany do wnętrza ciała lub do jego powierzchni. Zaletą tej terapii jest fakt, że promieniowanie nie musi przechodzić od zewnętrznego źródła do ciała przez zdrową tkankę aby dostać się do guza i w rezultacie działa tylko lokalnie. Oznacza to dalej, że można dostarczyć do guza stosunkowo dużą dawkę przy minimalnym ryzyku. Ponadto, pacjent może poruszać się podczas leczenia. Pełne leczenie wymaga z reguły krótszego czasu niż w wypadku innych procedur, a wiec komórki nowotworowe mają mniej czasu na rozmnożenie się pomiędzy sesjami terapeutycznymi.

Brachyterapia jest standardową techniką w wypadku niektórych raków ginekologicznych jak rak jajnika czy rak prostaty, a także w pewnych stadiach raka głowy czy szyi. W wypadku raka prostaty próbowano używać różnych metod, zależych głównie od rodzaju używanych izotopów. Izotop 125I (o okresie połowicznego zaniku 60 dni) i 103Pd (o okresie połowicznego zaniku 17 dni) są używane we wstawianych na stałe implantach. Oba te izotopy można wytwarzać drogą wychwytu neutronów w reaktorach jądrowych. Izotop 103Pd można produkować efektywniej w cyklotronach (korzystają z wiązek protonow o energiach 14 MeV). W USA istnieje ponad dziesięcioletnie doświadczenie w wykorzystaniu izotopu 103Pd w brachyterapii prostaty. Ten sukces kliniczny, przy braku efektów ubocznych, stał się bardzo popularnym wyborem terapii.

Słońce dostarcza energii niezbędnej do utrzymywania życia na Ziemi. Energia Słońca tworzona jest wewnątrz jego rdzenia, w którym w temperaturze około 15 milionów °C zachodzą reakcje jądrowe. Energia produkowana w cyklu p-p zostaje wyniesiona przez fotony i neutrina, które pojawiają się nieabsorbowane w Słońcu. Przejście fotonów od rdzenia do powierzchni Słońca może trwać 2 miliony lat, ale potem osiągają one powierzchnię Ziemi w ciągu 8 minut.

Słońce emituje światło widzialne, promieniowanie podczerwone, które czujemy jako ciepło, a także nadfiolet, który, niestety, może być niebezpieczny. Promieniowanie ultrafioletowe może wywołać czerniaka skóry (raka skóry). Czerniak jest jednym z najczęstszych raków skóry i np. w roku 2008 zabił na świecie około 46000 ludzi.

Obraz mikroskopowy zdrowej skory (z lewej) i skóry uszkodzonej przez promieniowanie (z prawej).

Częstotliwość diagnozowania czerniaka zwiększyła się czterokrotnie w trakcie ostatnich 30 lat. Najczęściej znajdujemy go u ludzi, którzy mieli w rodzinie raka skóry, jasnowłosych i jasnoskórych, a także w wieku powyżej 40 lat. Niemniej jednak każdy może zachorować na raka bez względu na rasę, wiek czy genetykę. Najwięcej uszkodzeń skóry pojawia się w wieku poniżej 20 lat, ale często nie pojawiają się one aż do osiągnięcia wieku 40 lat. Tak więc nawet jeśli nie widać zaczerwień na skórze, podlega ona ciągłemu procesowi uszkodzenia. To właśnie z tego względu jest tak bardzo ważną rzeczą aby stosować odpowiednie kremy z filtrami i przebywać poza słońcem, gdy jego promieniowanie jest najsilniejsze (pomiędzy 11:00 a 15:00).


Pobierz quiz!
1. Istnieje wiele rodzajów promieniowania. Połącz rodzaj promieniowania z odpowiednią cząstką lub falą
  1. Alfa
  2. Beta-
  3. Beta+
  4. Gamma
  1. fotony
  2. elektrony
  3. jądra helu
  4. Pozytony
2. Która z wymienionych procedur medycznych nie jest związana z procesami jądrowymi?
  1. PET
  2. SPECT
  3. Brachyterapia
  4. MRI
3. Którym z wymienionych nie zaleca się częste korzystanie z procedur związanych z procesami jądrowymi?
  1. ludziom starszym
  2. komukolwiek, kto wcześniej chorował na raka
  3. kobietom w ciąży
  4. zwierzętom
  5. cukrzycowcom
  6. kobietom karmiącym piersią
  7. komukolwiek cierpiącemu na chorobę chroniczną
4. Promieniowanie może być wykorzystywane do leczenia nowotworów ponieważ ...
  1. twoje antyciała przenoszą promieniowanie do obszarów zaatakowanych przez nowotwór
  2. niszczy DNA i komórki rakowe mają mniejszą możliwość zreperowania uszkodzenia
  3. całe promieniowanie zostaje zaabsorbowane przez komórki rakowe w większym stopniu niż przez komórki normalne
Pokaż odpowiedzi ...
1.a.iii,b.ii,c.iv,d.i   2.d   3.c,f,e   4.b