رادیو ایزوتوپ ها چیستند؟
بسیاری از عناصر شیمیایی دارای ایزوتوپ هستند. ایزوتوپ یک عنصر با خود عنصر دارای پروتون های برابری است (برابر با عدد اتمی) اما تفاوتشان در تعداد نوترون هاست. در یک اتم ، در حالت طبیعی، تعداد الکترون های خارجی برابر عدد اتمی است. این الکترون ها برای معادلات شیمیایی به کار می روند. جرم اتمی هم مجموع پروتون ها و نوترون هاست. 82 عنصر پایدار و 275 ایزوتوپ پایدار مربوط به این عناصر نیز وجود دارد.
وقتی ترکبی از نوترون ها و پروتون ها بوجود آید که در قبلا در طبیعت وجود نداشته اند ، این محصول مصنوعی خواهد بود و غیر پایدار است و به آن ایزوتوپ رادیو اکتیو یا رادیوایزوتوپ نامیده می شود. همچنین بسیاری از ایزوتوپ های طبیعی غیر پایدار، از واپاشی بسیار کهن اورانیوم و توریوم ناشی می شود. کلا حدود 1800 رادیو ایزوتوپ وجود دارد.
هم اکنون 200 رادیو ایزوتوپ در حال استفاده است که برخی از آنها باید به طور مصنوعی تولید شوند.
رادیو ایزوتوپ ها را می توان به روش های گوناگونی تولید کرد.البته غالبا بوسیلۀ گیر انداری نوترون در راکتور اکتیو می شوند. برخی نیز توسط سیکلوترون تولید می شوند که در این روش پروتون به هسته القا شده و هسته دارای پروتون اضافی می شود.
هسته های رادیو ایزوتوپ معمولا با انتشار ذرات آلفا یا (و) بتا به حالت پایدار می رسند. که می تواند با انتشار اشعه گاما همراه باشد. این فرایند واپاشی رادیو اکتیو نام دارد.
رادیو ایزوتوپ هایی که در پرتو پزشکی به کار می روند ، "رادیو دارو" نام دارند.
پزشکی هسته ای
یک شاخه از پزشکی است که از تشعشع برای تشخیص و درمان بیماری استفاده می کند. تیرویید، ریه، استخوان و قلب و بسیاری از دیگر اعضای بدن، براحتی قابل عکسبرداری هستند و بی نظمی در آنها قابل آشکارسازی است. پنج جایزۀ نوبل به کسانی داده شده که از مواد رادیواکتیو در عکسبرداری استفاده کرده اند.
در کشورهای پیشرفته (26% جمعیت جهان) فراوانی تشخیص بوسیلۀ پرتو پزشکی 1.9% در سال است. همچنین درمان بوسیلۀ رادیو ایزوتوپ ها حدود یک دهم این مقدار است. استفاده از رادیو دارو ها در حال افزایش به مقدار 10% در سال است.
پزشکی هسته ای در سال 1950 بوسیلۀ پزشکانی توسعه یافت که از ید 131 برای تشخیص بیماری تیرویید استفاده کردند.
تشخیص
روشهای تشخیصی در پزشکی هسته ای، از تصویر گرهای رادیو اکتیوی استفاده می کنند که منتشر کنندۀ گاما از داخل بدن هستند. این تصویرگر ها عموما رادیو ایزوتوپ های کوتاه عمری هستند که به ترکیبات شیمیایی متصل شده اند. آن ها از طریق تزریق، استنشاقی یا خوراکی قابل انتقال به بدن هستند. بوسیلۀ گاما های انتشار یافته از داخل بدن می توان تصاویری را از زاویه های مختلف داخل بدن به دست آورد که می تواند بافتهای غیر عادی را مشخص کند. این تصاویر بوسیلۀ کامپیوتر قابل بهینه سازی هستند.
یکی از جدیدترین این تصویربرداری ها PET می باشد. (برای توضیح بیشتر کلیک کنید)
درمان
آسیب زدن به تقسیم بندی سریع سلول ها بوسیله تشعشع دارای اهمیت بالایی برخوردار است. از همین طریق، رشد برخی سرطان ها را می توان کنترل کرد. پرتو افکنی خارجی به وسیلۀ اشعه گاما ،که از کبالت 60 منتشر می شود، همچنین شتابدهندۀ خطی اشعه X ، می توانند این کار را انجام دهند.
پرتو دهی داخلی بوسیلۀ اشعه گاما و ذره بتا ، نیز قابل انجام است. ید 131 معمولا برای درمان سرطان تیرویید استفاده می شود ، که شاید موفق ترین درمان سرطان باشد. همچنین از آن برای درمان اختلالات غیر بدخیم تیرویید نیز استفاده می شود. ایریدیوم 192 بطور ویژه در سر و سینه(پستان) مورد استفاده قرار می گیرد. آنها بشکل سیم درست شده و به قسمت مورد نظر بدن وارد می شود. پس از رسیدن به دوز مورد نظر ، باید سیم ها از بدن خارج شوند. این براچی تراپی (براکی تراپی) (brachytherapy) (روشی که در آن ماده رادیو اکتیو مستقیما در بدن قرار می گیرد) در کل دوز کمی را به کل بدن منتقل می کند و دارای قیمت پایینی است.
برای درمان لوکمیا (leukaemia) (نوعی سرطان مغز استخوان) بوسیلۀ کشت مغز استخوان ، باید سلول های معیوب بوسیله تابش دهی رادیو اکتیو نابود شوند تا بتوان مغز استوان سالم را جایگزین آن کرد.
بسیاری از درمان ها مسکن هستند. برای مثال، استرانسیوم 89 و بیشتر از آن ساماریوم 153 برای تسکن درد استخوان ناشی از سرطان به کار می روند. رنیوم 186 نیز محصولی جدید برای این هدف است.
یک روش جدید TAT نام دارد که مخفف Targeted Alpha Theray است به معنی آلفا تراپی هدفمند است. این روش برای سرطان های پراکنده به کار می رود. تابش مقداری کم از آلفا های پر انرژی به بافت ، سبب می شود که کسر عظیمی از انرژی تابشی به هدف برخورد کند. یک حامل رادیو نوکلئید های منتشر کنندۀ آلفا را به مکان مورد نظر منتقل می کند. تحقیقات آزمایشگاهی افق های جدیدی را برای درمان لوکمیا ، تومور های مغزی و سرطان پوست روشن می سازد.
یک پیشرفت تجربی در این زمینه Boron Neutron Capture Therapy(درمان بوسیله گیر اندازی نوترون توسط بور) بوسیله بور 10 است که در تومور بدخیم مغزی متمرکز می شود. بعد بیمار بوسیلۀ نوترون حرارتی مورد تابش قرار می گیرد که شدیدا بوسیلۀ بور جذب می شود و ذرات آلفای پر انرژی را برای کشتن سلول های سرطانی آزاد می کند. در این روش به جای آنکه رادیو ایزوتوپ به مریض داده شود، مریض در معرض نوترون ها قرار می گیرد.
پرتو درمانی در درمان بیماری های سمج و ماندگار موفق عمل کرده و درضمن دارای عوارض جانبی کمی است. دوز تابشی به میزان هر درمان ، 20 تا 60 گری است.
تحلیل بیوشیمیایی
آشکار سازی و تشخیص مواد رادیو اکتیو کار ساده ایست حتی اگر مقدار آن کم باشد. به همین دلیل می توان مولکول موارد بیولوژیکی را در خارج از بدن (In Vitro) بوسیله رادیوایزوتوپ ها نشانگذاری کرد. پاتولوژیست ها صدها آزمایش را برای تعیین اجزای خون، پلاسما، ادرار، هورمون ها، آنتی ژن ها و بسیاری دیگر را با استفاده از رادیوایزوتوپ ها به کار برده اند. این روش به Radioimmuno موسوم است.
رادیو دارو های تشخیصی
از نقطه نظر شیمیایی ، هر عضو بدن عملکردی متفاوت با بقیه دارد. پزشکان و شیمی دان ها ، مقداری از مواد شیمیایی را که توسط اعضای بدن جذب می شود را مشخص کرده اند. مثلا تیرویید ید را جذب می کند ، مغز برخی قندها را مصرف می کند. با این دانش پرتو پزشکان مواد رادیو ایزوتوپ را به مواد بیولوژیکی مختلف می چسبانند.
پرتو پزشکی تشخیصی می تواند برای اندازه گیری میزان خون شارش یافته به مغز مورد استفاده قرار گیرد. همچنین برای بررسی عملکرد کبد، ریه، قلب، کلیه ها و دستیابی به مغز استخوان و اقدامات تشخیصی مشابه مورد استفاده قرار می گیرد. یکی از کاربردهای دیگر پیش بینی اثرات درمان است.
مقدار ماده رادیو اکتیو رسیده به بدن برای تشخیص ناچیز است. مریض در قبل و بعد از آزمایش چیز ناخوشایندی را احساس نمی کند و اثرات باقیمانده از ماده در مدت کوتاهی از بین می رود. غیر تهاجمی بودن آزمایش، طبیعت این روش است که می توان از خارج بدن به آزمایش بدن پرداخت.
رادیوایزوتوپی که برای تشخیص و آزمایش به کار می رود باید منتشر کنندۀ گاما باشد تا در هنگام خارج شدن از بدن، داخل را به ما نشان دهد. همچنین باید دارای نیمه عمر کوتاهی باشد تا زیاد در بدن باقی نماند.
رادیوایزوتوپی که به کرات استفاده می شود تکنسیوم 99m می باشد که در 80% پرتوپزشکی ها مورد استفاده قرار می گیرد. حدود 40000 بار در روز. تکنسیوم 99m به دلایل زیر برای مصارف پرتو پزشکی رادیو نوکلئید خوبی است:
_ نیمه عمری حدود 6 ساعت دارد و در عین حال که زمانی طولانی برای بررسی فرایند های متابولیکی است، زمان کوتاهی برای به حداقل رسانی تابش به بدن است.
_ تکنسیوم 99m بوسیلۀ فرایندی که "ایزومریک" نامیده می شود واپاشی می شود که گاما های کم انرژی و الکترون منتشر می کند. تا زمانی که انرژی پرتو بتا بالا نباشد برای بدن زیان آور نیست.
_ اشعۀ گامای کم انرژیی که از بدن خارج می شود به راحتی توسط دوربین ها (آشکارسازها) آشکارسازی می شوند.
"ژنراتور" تکنسیوم که یک محفظه سربی است که لوله ای شیشه ای محتوی رادیو ایزوتوپ را پوشانده است ، برای بیمارستان ساخته شده است و محتوی مولبدیوم 99 با نیمه عمر 66 ساعت است که تدریجا به تکنسیوم 99 واپاشی می شود. Tc-99 وقتی که لازم باشد شسته و تصفیه می شود. بعد از دو هفته یا کمتر ژنراتور برای شارژ مجدد بازگردانده می شود.
از ژنراتوری مشابه برای تولید روبدیوم 82 استفاده می شود که در عکسبرداری PET استرانسیوم 82 با نیمه عمر 25 روز به کار می رود.
از عکسبرداری MPI (Myocardial Perfusion Imaging) با کلرید تالیوم 201 یا تکنسیوم 99m برای تشخیص و پیش بینی بیماری های شریان کرونر قلب استفاده می کند.
برای عکسبرداری PET اصلی ترین رادیو دارو فلور دی اکسی گلوکوز (FDG) نام دارد. F-18 با نیمه عمر کمتر از دو ساعت ، به عنوان نشانگر استفاده می شود. FDG بدون اینکه نابود شود با سلول ها ترکیب می شود که نمایانگر خوبی برای متابولیسم سلول است.
در دارو های تشخیصی ، تمایل زیادی برای استفاده از ایزوتوپ های تولید شده توسط سیکلوترون ، مثل F-18 وجود دارد که استفاده وسیعی در PET و CT/PET دارد. این فرایند در عرض دو ساعت در سیکلوترون انجام می شود.
رادیو دارو های درمانی
در برخی شرایط درمانی، برای نابودی و یا ضعیف کردن سلول های غیر عادی پرتو درمانی مفید است. رادیو ایزوتوپی که پرتو را تولید می کند می تواند در عضو مورد نظر جاگذاری شود (مشابه همان روشی که برای تشخیص به کار می رفت). در بسیاری موارد ، اشعه بتا است که باعث نابودی سلول های نامطلوب می شود. این رادیو تراپی است. رادیوتراپی کوتاه مدت ، به براچی تراپی معروف است و در حال تبدیل شدن به اصلی ترین روش درمانی است.
هرچند، کاربرد درمانی مواد رادیو اکتیو کمتر از کاربرد تشخیصی است ، هر چند که توسعۀ آن مهم و در حال رشد است. یک رادیوداروی ایده آل یک منتشر کنندۀ بتای قوی و همچنین گامای کافی برای عکسبرداری باید باشد ، مثل لوتیسم 177 که از ایتربیوم-176 (Yb) ساخته می شود که خود ایتربیوم-176 با تشعشع زایی به ایتربیوم-177 و فورا به لوتیسم-177 (Lu-177) تبدیل می شود. ایتریوم-90 (Y-90) نیز برای درمان برخی سرطان های دستگاه لنفاوی و استفاده از آن برای درمان آرتروز نیز در حال گسترش است.
ید-131 و فسفر-32 نیز برای درمان استفاده می شوند. ید-131 برای درمان تیرویید که دچار سرطان یا شرایط غیر عادی مثل پرکاری تیرویید شده باشد، بکار می رود. در بیماری پریاخته خونی که تعداد گولبول های قرمز خون تولیدی توسط مغز استخوان بالا می رود، از فسفر-32 برای جلوگیری از این ازدیاد استفاده می شود.در یک روش جدید (و هنوز آزمایشی) از بور-10 استفاده می کند که در تومور متمرکز می شود. بعد، بدن بیمار توسط نوترون مورد تابش قرار می گیرد و بور که دارای سطح مقطع جذب نوترون بالایی است ، آلفاهای پر انرژی را برای کشتن سلول های سرطانی منتشر می کند.
برای TAT ، اکتانیوم-225 با انتشار 3 ذرۀ آلفا به دخترش بیسموت-213 تبدیل می شود که برای نشانگذاری مولکول های هدف به کار می رود.
تحقیقات پزشکی مهم در سرتاسر جهان برای چسباندن رادیو نوکلیید ها به مواد شیمیای بیولوژیکی مثل آنتی بادی ها، انجام گرفته است. نشانگذاری سلول ها می تواند برای درمان انواع بیماری ها مورد استفاده قرار گیرد.
مسمومیت رادیوایزوتوپ
در سال 2006 در بریتانیا ، یک شهروند جدید که قبلا عضو سازمان اطلاعات روسیه بود ، توسط پلونیوم مسموم شده و کشته شده بود. که مرگی طولانی مدت و دردآور است.
پلونیوم دارای 26 ایزوتوپ است ، که همگی رادیو اکتیو هستند. که 250 میلیارد برابر سمی تر از اسید هیدروسیانیک است و در یک اسید رقیق قابل حل است. (این اولین عنصری است که توسط ماری کوری در سال 1898 کشف شد و به نام کشورش یعنی Poland (لهستان) نامگذاری کرد. ایرن ،دختر او، توسط همین پلونیوم در یک حادثه آزمایشگاهی مسموم شد و در سن 59 سالگی با بیماری سرطان خون درگذشت)
پلونیوم-210 محصول یکی مانده به آخر واپاشی U-238 است ، قبل از آنکه با واپاشی آلفا به سرب تبدیل شود(به حالت پایدار برسد). این ناشی از واپاشی بتای Pb-210 (در سری واپاشی U-238 ) به Bi-210 که به سرعت با واپاشی بتا به Po-210 تبدیل می شود. این در هرجای طبیعت که اورانیوم موجود باشد رخ می دهد. به هر حال به خاطر نیمه عمر کوتاهش(138 روز) مقدار کمی Po-210 در اورانیوم وجود دارد (در حدود 0.1mg/tonne ). مقدار Po-210 در خاک حتی کمتر از این مقدار است اما در تنباکو مقدارش بیشتر است و اثرات آن را می توان در ادرار برخی افراد سیگاری مشاهده کرد.
Po-210 را همچنین بوسیلۀ در معرض تابش نوترون قرار دادن Bi-209 می توان بدست آورد. روسیه از Po-210 بعنوان منبع حرارتی در فضاپیما های با عمر کوتاه و قمرهای مصنوعی استفاده کرده است. همچنین می تواند راکتورهای با سیستم خنک کنندگی سرب-بیسموت را به کار بیندازد. که در اثر بمباران نوترونی، با Po-210 آلوده شده باشد.
به خاطر نیمه عمر کوتاهش، یک گرم Po-210 حدود 5000 بار رادیواکتیو تر از رادیوم است. اما 138 روز زمان به اندازه کافی طولانیی برای تولید و انتقال و توزیع آن می باشد، پیش از آنکه توانش کم شود. همچنین به حاملش خطرات چندانی را انتقال نمی دهد، چون اشعه آلفا در داخل بدن خطرناک است و در بیرون از بدن، پوست نیز می تواند از ورود آن جلوگیری کند.
بهر حال، دوز های معمولی در صورتی که از طریق روده جذب بدن نشود و یکی دو روز بیشتر طول نکشد ، اثری بر بدن حامل آن نخواهد داشت. در برخی روش ها مثل TAT که از میزان پایین آلفا استفاده می شود، باید در یکی از ترکیبات بیولوژیکی بدن حل شده و توسط این ترکیبات به بافت های سرطانی برسد.
در مورد آقای لیتویننکو (جاسوس روسی) شدت ذرات آلفا بسیار بالا بود و مدت سه هفته برای از پا در آوردن او کافی بود. این مقدار صد برابر دوزی است که در TAT است ، همچنین نیمه عمر Po-210 خیلی طولانی تر از موادی است که در TAT استفاده می شود.
ضایعات
رادیو ایزوتوپهایی که در پزشکی برای تشخیص و درمان به کار می روند، در اصل دارای ضایعات کمی هستند یا در اصطلاح به LLW معروفند. این ضایعات شامل کاغذ، لباس ها، ابزار و فیلتر ها که دارای رادیواکتیو اضافی هستند ، می شود. اکثر این مواد در طول چند ماه یا چند سال ، در اثر واپاشی از بین می روند.
وقتی منابع رادیو دارو در اثر واپاشی به موادی تبدیل می شوند که دارای رادیو اکتیویته کمی هستند در حقیقت به ضایعات پیوسته اند. منابعی مثل کبالت-60 درمانی کوتاه مدت و دارای ضایعات متوسط (ILW) هستند. منابعی دیگر مثل رادیوم-226 در درمان سرطان به کار می روند که به هرحال ماندگاری زیادی می طلبد که ضایعاتش در سطح ILW ولی جزء رادیو اکتیوهای با عمر طولانی در پرتو پزشکی است.
می ده گزافه ساقیا،