În 1896, Henri Becquerel a descoperit o nouă radiație misterioasă. Spre diferență de razele X, care dispăreau când tubul era oprit, aceasta nouă radiație observată la uraniu era emisă în continuu. Studiile ulterioare intreprinse de Pierre și Marie Curie au arătat ca și alte elemente au aceleași proprietăți. În particular au găsit aceleași proprietăți pentru poloniu și radiu în 1898.

Pierre și Marie Curie au găsit rapid o întrebuințare pentru această proprietate și radiul a început sa fie folosit în spitale încă din 1901. S-a recunoscut ca radiația radiului are efecte benefice asupra multor afecțiuni ale pielii, inclusiv cancerul.

Pierre și Marie Curie în laboratorul lor, Paris 1898.

Noua radiație era de origine nucleară. Unele nuclee emit spontan particule α (nuclee de heliu), particule beta (electron - (β^-) sau pozitron – (β⁺)), și/sau raze gama (fotoni de mare energie). Atomul cu un astfel de nucleu instabil, care este caracterizat de un exces de energie, se numește radionuclid sau nuclid radioactiv. Se face de asemenea referire la radioizotopi sau izotopi radioactivi.

Radioizotopii naturali sunt de exemplu ²³⁸U (uraniu), ⁴⁰K (potasiu), ²³²Th (thoriu) și nucleele fiică ²²⁶Ra (radiu), ²²²Rn (radon), ²¹⁸Po (poloniu). Unii radioizotopi sunt produși în continuu de către acțiunea razelor cosmice în straturile superioare ale atmosferei, cum ar fi de exemplu ¹⁴C (carbon), ³H (tritiu) sau ⁷Be (beriliu).

Irene și Frederic-Joliot Curie au fost primii producători ai radioizotopilor artificiali în 1933, utilizând o sursă α naturală pentru a bombarda aluminiu 27 și a produce fosfor 30, care se dezintegrează beta trecând în siliciu 30. Acesta era rezultatul adăugării de protoni din nucleele de heliu (particule alfa) la nucleele atomilor de aluminiu.

De atunci, multi radioizotopi noi au fost produși, deschizând drumul la noi aplicații și ducând la o mai bună înțelegere a materiei nucleare și a forțelor nucleare. Prin 1936, aproximativ 200 de radionuclizi erau deja produși. În ziua de astăzi sunt cunoscute în jur de 2500 nuclee stabile. Ele sunt produse folosind fascicole de particule, de la protoni la ²³⁸U, accelerate în ciclotroane sau acceleratori liniari.

Primul accelerator (ciclotron) a fost construit la Berkeley, în SUA, în 1932, de către Ernest O. Lawrence. El împreună cu fratele sau, John Lawrence, un doctor, au identificat de timpuriu importante aplicații medicale și au produs izotopi radioactivi pentru cercetare biologică și medicală, precum și pentru tratarea cancerului. Primul ciclotron european a fost construit de către Frederic Joliot (1939) la College de France, Paris.

Harta nucleelor. Diversele linii ce definesc valea de stabilitate demarchează limita stabilității nucleare față de emisia de protoni sau de neutroni.

Fizicienii au produs mulți noi izotopi care se află din ce în ce mai departe de valea stabilității. În prezent există multe facilități ce folosesc fascicule de ioni radioactivi. Cererea de radioizotopi medicali este un fenomen mondial ce crește în țările dezvoltate în mod exponențial din 1995.

Premiul Nobel pentru Chimie din 1943 a fost acordat lui G. de Hevesy pentru a fi primul utilizator al radioelementelor naturale (și ulterior artificiale) ca trasori pentru studiul elementelor stabile în sistemele biologice. O cantitate foarte mică dintr-un element radioactiv poate fi urmărită cu ușurință în corpul omenesc. Acest lucru se poate face și cu trasori chimici, dar cantitatea de trasori necesară ar fi mult mai mare, ceea ce ar face ca procedura să fie mult mai riscantă pentru pacient.

Într-o investigație tipică de medicină nucleară, un trasor este administrat pacientului, iar razele gama emise de nuclidul trasor sunt detectate cu un ansamblu de detectori. Acest proces se numește tomografie de emisie. Trasorul este în general ales astfel încât se depozitează în mod selectiv într-un organ particular, ulterior razele gama emise de el permițând obținerea unei imagini a regiunii de interes. Pentru un ochi antrenat, imaginile pot revela anomalii structurale sau metabolice ce duc la o mai bună diagnosticare. O varietate întreagă de radionuclizi sunt folosiți în medicina nucleară, fiecare vizând specific organele corpului uman în mod individual.

Imagine sus: Tomografie cu Emisie de Pozitroni aplicată în neurofiziologie (memoria verbală în creier), spitalul San Raffaele, Milano.

Tumorile pot fi localizate prin tehnici precum Tomografia Computerizata prin Emisie de Foton Unic (engl. SPECT) sau prin Tomografia cu Emisie de Pozitroni (engl. PET) (în care nucleele ce emit pozitroni (β+) sunt folosite pentru a produce – printr-un proces de anihilare – raze gama energetice. Tehnicile SPECT și PET sunt standard în diagnosticarea tumorilor și de asemenea în studiile despre funcționalitatea creierului normal, sănătos.

Imagine de la o tomografie computerizată ce folosește raze X de la un trasor de Iod (Spitalul Erasme, Bruxelles).

Printre elementele radioactive, iodul (I) joaca un rol excepțional, deoarece se atașează tiroidei cu mare afinitate și foarte selectiv. La doze mici poate fi folosit în scopuri de diagnoză, sau, alternativ, radiația emisă de iodul radioactiv localizat în exclusivitate în tiroidă poate trata cancerul de tiroidă.

¹³¹I (radioactivitate beta și gama, perioada de înjumătățire de 8 zile) este folosit de peste 50 de ani pentru studiul activității tiroidei. Tc-99m (o stare excitata metastabilă a nucleului de technetiu-99 cu o perioadă de înjumătățire de 6 ore) este de asemenea un foarte bun trasor folosit pentru a studia organe precum creierul, ficatul sau plămânii. Radiul și stronțiul sunt folosite pentru oase și schelet.

Elementele cele mai interesante fiziologic vorbind, precum C (carbon), N (nitrogen) și O (oxigen) au izotopi emițători β⁺ cu timp mic de viață ce sunt folosiți în Tomografia cu Emisie de Pozitroni. Emițătorii beta folosiți uzual sunt ^{11C, 13N, 15O și 18F (fluor).}

Imagine dreapta: scintigrafie a activității tiroidiene folosind Tc.

SPECT este, precum stipulat mai sus, termenul pentru Tomografia Computerizata prin Emisie de Foton Unic. Prin aceasta procedura, organele sunt vizualizate măsurând distribuția unui radio-trasor prin intermediul unei “camere” gama conectate la un computer. Imagistica SPECT implică rotirea unui ansamblu de detectori gama în jurul pacientului pentru a măsura din unghiuri diferite. Prin această tehnică se urmărește poziția și concentrația distribuției de radionuclizi. SPECT implică folosirea de radioizotopi precum ^99mTc sau ¹²³I, pentru care o singură cuantă gama (de 140keV) este emisă.

Imagine stânga: o leziune cerebrală este clar localizată de un scanner SPECT. Glioma (un tip de tumoare cerebrală) este foarte slab definită în tomografia cu raze X (dreapta), dar poate fi bine vizualizată ca o pată întunecată într-o imagine SPECT făcută cu Tc-99m.

SPECT are multe aplicații, în terapie și ca ajutor pentru aceasta. Scanările SPECT ce folosesc radioizotopi ce nu sunt absorbiți în țesut, ci în loc de aceasta se deplasează în fluxul sangvin, pot fi folosite pentru vizualizarea trecerii sângelui prin vase și țesuturi. Acestea sunt în special folositoare pentru scanările cerebrale și cardiace.

În tehnica tomografiei cu emisie de pozitroni (PET), cei mai folosiți izotopi sunt ¹⁵O, ¹³N, ¹¹C și ¹⁸F. Aceștia au perioade de înjumătățire de aproximativ 2, 10, 20 și 110 minute respectiv, ca atare radioizotopii trebuie produși aproape de locul unde urmează a fi folosiți. Din acest motiv, multe spitale au un mic ciclotron în apropiere sau chiar în incinta spitalului, special construit pentru a produce acești izotopi. Izotopul folosit este în prealabil atașat unei substanțe naturale, cum ar fi glucoza, apa sau amoniacul, care sunt apoi introduse în corpul pacientului prin injectare sau prin inhalarea unui gaz. Radioizotopul își urmează traseul către partea corpului care folosește substanța căreia a fost atașat, ceea ce explică de ce se folosesc multe feluri de substanțe.

Reprezentare schematică a tehnicii PET. Un ansamblu circular de detectori înregistrează cele două raze gama provenite de la fiecare anihilare e⁺-e^-.

Particulele elementare au antiparticule ce le corespund. Antiparticula unei particule este similară cu aceasta, însă de sarcina opusă. Când particula și antiparticula se ciocnesc, ele se anihilează emițând doar energie sub formă de unde electromagnetice (radiații gama).

Izotopii folosiți în scanările PET sunt tipic emițători β+. Când izotopul se dezintegrează în corpul pacientului, orice pozitron (beta+) emis se deplasează o distanță foarte scurtă în țesut (tipic sub 1 mm, dar depinde totuși de izotop) înainte de a se anihila cu un electron (beta-). Energia eliberată la anihilare ia forma unei perechi de radiații gama (fotoni) emiși la 180 de grade unul fata de celalalt și fiecare cu o energie de 511 keV. Detecția în coincidență cu doi detectori permite localizarea evenimentului de dezintegrare pe linia ce leagă cei doi detectori.

Scanările PET sunt în general folosite pentru diagnosticarea cancerelor, a problemelor cardiace și a maladiilor cerebrale precum epilepsia sau boala Alzheimer. PET este de asemenea folosită la evaluarea răspunsului la terapia împotriva cancerului. În plus de aceasta, PET este folosită în cercetare, de exemplu în studii despre abuzul de medicamente sau droguri, sau la studii despre îmbătrânire.

Riscurile asociate cu scanarea PET sunt foarte mici, dar precum majoritatea investigațiilor de acest tip, nu sunt neapărat adecvate femeilor însărcinate sau care alăptează. Datorită prezentei unei substanțe radioactive în corpul lor, spitalele sfătuiesc pacienții să nu aibă contact cu femei însărcinate sau copii mici cel puțin timp de câteva ore după PET.

Imagine PET ce arată cancerul osos în schelet (Spitalul Erasme, Bruxelles).

Comparativ cu alte tehnici de diagnoză bazate pe imagistică, precum razele X sau MRI, PET studiază mai degrabă funcționalitatea corpului decât anatomia. Până în acest moment, nicio tehnică nu poate concura cu PET în termeni de interacție dinamică. Această tehnică de imagistică medicală permite urmărirea în multe momente a informațiilor cantitative despre farmacocinetica și farmacodinamica unei biomolecule “etichetate” injectate sau inhalate într-un animal sau om viu. PET este folositoare la studierea metabolismului (absorbția zahărului, incorporarea aminoacizilor în proteine, etc.), reacții enzimatice și interacții moleculare. SPECT, precum PET, furnizează informații despre concentrația radionuclizilor introduși în organismul pacientului.

Imagistica SPECT este inferioară PET în termeni de rezoluție ce poate fi atinsă și de sensibilitate. Pentru PET, cea mai bună rezoluție ce poate fi atinsă în prezent este de 6 mm, ceea ce înseamnă de 2-3 ori mai bine decât la SPECT. Datorită dezintegrării lor rapide, practic toți izotopii PET trebuie sa fie produși ținând cont de aceste premise (cu excepția ¹⁸F care are timpul de înjumătățire de 110 minute). În schimb, izotopii SPECT precum ¹²³I au un timp de înjumătățire destul de mare (13.2 ore), pentru a permite producerea lor în mod centralizat în facilități aflate la distanță și livrarea substanțelor prin curierat expres.

O alta tehnică de diagnoză medicală este Imagistica prin Rezonanță Magnetică (MRI). Primele instrumente folosite clinic pentru MRI (la început numită NMR, sau Rezonanță Magnetico-Nucleară) au fost construite în anii 1980.

Principalul beneficiu al tehnicii MRI este că nu folosește nicio substanță radioactivă. Analizele MRI arată distribuția apei în organism și organele unde ea este păstrata. Un aparat MRI este la baza un tub mare ce conține magneți puternici. Când un câmp magnetic este aplicat în jurul pacientului (ceea ce nu este dăunător), toți protonii (nucleele de Hidrogen) din apă sunt trași într-o direcție. Când protonii revin la poziția inițială ei emit unde radio pe care scanner-ul MRI le poate detecta și măsura pentru a realiza o imagine 2D a corpului. MRI este îndeosebi folosit la diagnosticarea creierului sau a inimii, dar poate fi utilizat la aproape orice parte a corpului.

Tehnicile MRI sunt dezvoltate în continuare pentru a se adresa unei palete mai largi de probleme de diagnosticare clinică. De exemplu, Xe-129 sau He-3 polarizate pot fi folosite pentru imagistica traseului aerului în plămâni cu rezoluție spațială și temporală ridicată. MRI la vase de sânge și organe în cap și tors.

Premiul Nobel pentru medicină din 2003 a fost acordat lui Paul Lauterbur și Sir Peter Mansfield pentru dezvoltările și contribuțiile lor la Imagistica prin Rezonanță Magnetică.

Majoritatea spitalelor moderne și academice din zilele noastre folosesc MRI și PET, împreună cu alte tehnici de imagistică. În multe institute de Fizica Nucleară sunt grupuri a căror activități și cercetări sunt dedicate specific aplicațiilor medicale și de asemenea tratării pacienților, cum ar fi de exemplu la GSI (Germania), PSI (Elveția), GANIL (Franța), HMI (Germania) sau LARN (Belgia).

Terapia cu particule implică folosirea de particule ionizate ce țintesc tumoarea. Ionizarea deteriorează ADN-ul celular fără discriminare. Totuși, celulele canceroase sunt mai puțin capabile să se repare și sunt ca atare mai afectate de aceasta daună.

Particulele folosite includ protoni, neutroni sau ioni încărcați pozitiv. Fiecare tip de particulă are o energie diferită și poate penetra corpul uman în mod diferit. Acesta este motivul pentru care se folosesc tipuri diferite de particule pentru proceduri diferite. Cel mai des întâlnită terapie cu particule este protonoterapia.

O problemă fundamentală la terapia cu radiații este maximizarea dozei în tumoare și minimizarea celei aferente țesutului din jurul tumorii. Pentru radiațiile electromagnetice (X sau gama), o mare parte din doză afectează țesutul sănătos din fasciculul dinaintea și de după tumoare.

O îmbunătățire în terapia cu radiații este făcută în momentul de față folosind fascicule de particule cu energii înalte (p, ioni grei), pentru că doza în cazul fasciculelor de ioni crește cu adâncimea de penetrare până la un maxim care corespunde parcursului particulei. Așadar terapia cu fascicule de ioni permite ca o doza mai mare și mai eficientă să fie depusă în tumoare decât în cazul oricărui alt tip de terapie externă.

Imaginea de mai sus arată o comparație dintre cele două proceduri. Terapia cu fotoni (a) depozitează o doză mare de radiații în țesutul sănătos din fața tumorii. În cazul unui fascicul de particule (b), cea mai mare parte din doză este depozitată în tumoare.

Imaginea din stânga arată o scanare a unui cancer cerebral înainte de, și șase săptămâni după radioterapia cu protoni și ioni de carbon.

Până acum, peste 50000 de pacienți au fost tratați cu fascicule de protoni în lume. Tratarea tumorilor oculare cu fascicule de protoni asigură de departe cele mai bune rezultate clinice. Protono-terapia este de asemenea ideală când tumoarea este aproape de un organ critic, deoarece se poate ținti cu mare acuratețe. Cu cât volumul iradiat este mai conform volumului țintei, cu atât sunt rezultatele mai bune. Aceste lucruri sunt valabile și pentru fasciculele de ioni grei, unde acuratețea poate fi obținută la un nivel superior celui celui atins cu fascicule de protoni. Terapia cu ioni grei și-a văzut pionieratul în 1974 la Laboratorul Lawrence Berkeley. Primele tratamente foloseau ioni de Ar (Argon), după care de Si (Siliciu) și de Ne (Neon). Tumorile iradiate erau localizate aproape de organe esențiale în creier, cap sau gât. Rezultatele au fost excelente și au motivat construirea de acceleratori de ioni grei pentru medicină.

Brahiterapia este o formă de radioterapie în care materialul radioactiv este plasat în interiorul corpului, lângă tumoare. Avantajele acestei proceduri constau în faptul ca radiația nu necesită deplasarea din afara organismului prin țesutul sănătos pentru a atinge tumoarea, ci în loc de aceasta afectează numai o zonă bine localizată. Aceasta înseamnă că se pot folosi doze relativ mari cu riscuri minime. De asemenea, pacientul este deplasabil pe durata tratamentului. Tratamentul este în general efectuat într-un timp mai scurt decât în cazul altor proceduri, ceea ce face ca timpul celulelor canceroase pentru multiplicare între ședințele de tratare sa fie la rândul său mai scurt.

Brahiterapia este o tehnică standard pentru cancere ginecologice, cervicale sau de prostată și anumite faze ale tumorilor maligne capului sau ale gâtului. Pentru boala prostatei au fost dezvoltate mai multe abordări, acestea depinzând în principal de izotopul selectat. ¹²⁵I (perioada de înjumătățire de 60 de zile) și ¹⁰³Pd (perioada de înjumătățire de 17 zile) sunt folosite pentru implanturi permanente. Acești izotopi pot fi produși prin captură de neutroni în reactori. ¹⁰³Pd poate fi produs în mod mai eficient în ciclotroane (cu fascicule de protoni de 14 MeV). În SUA există date clinice pentru aceasta terapie a prostatei cu ¹⁰³Pd aferente unei perioade de peste 10 ani. Acest succes clinic, împreună cu lipsa de efecte secundare, a făcut sa fie o alegere foarte populară pentru terapie.

Soarele asigură energia necesară Pământului pentru a găzdui viața. Energia Soarelui este produsă în miezul său, unde reacțiile nucleare au loc la o temperatură de aproximativ 15 milioane de grade. Energia produsă în lanțul p-p este purtată de fotoni și neutrini care apar la suprafață fără a fi absorbiți. Fotonilor le poate lua 2 milioane de ani sa ajungă la suprafață Soarelui, dar doar 8 minute pentru a ajunge de acolo la Pământ.

Soarele emite lumină vizibilă, radiație infraroșie pe care o percepem ca și căldura, și radiație ultravioletă, care din păcate poate fi periculoasă. Radiația ultravioletă poate provoca melanomul pielii (cancer de piele). Aceasta este una din cele mai frecvente forme de cancer, care în 2008 de exemplu a ucis 46.000 de persoane.

Vedere microscopică a pielii sănătoase (stânga) și a pielii deteriorate de radiație (dreapta).

Rata melanomului malign s-a înmulțit cu 4 în ultimii 30 de ani. Este cel mai des întâlnit la persoanele care au antecedente în familie și cei peste 40 de ani. Totuși, oricine poate face cancer, indiferent de rasă, vârstă sau genetică. Cea mai mare deteriorare a pielii se produce înainte de 20 de ani, dar deseori nu se manifesta înainte de 40, ceea ce înseamnă ca și în cazul în care nu observăm arsuri, ne deterioram totuși pielea. De aceea este foarte important să folosim crema de protecție și să ne ferim de Soare atunci când este mai puternic (între orele 11 și 15).