Štefan Čerba

Názov, ktorý som si požičal od môjho bývalého učiteľa, možno spadá mimo oblasti môjho pôsobenia. Keďže však písanie blogov vnímam ako takzvaný vedecký „free-style“, pokúsim sa vám priblížiť túto tému trošku voľnejšie. Ako ste mali možnosť vidieť v mojich predošlých blogoch, využitie jadrovej energie pokrýva širokú oblasť aplikácii, od klasických jadrových elektrární cez odsoľovanie morskej vody, až po napájanie družíc vo vesmíre. Dnes si ukážeme, že výnimkou nie je ani medicína. Oblasť jadrovej medicíny v sebe zahŕňa všetky formy využitia otvorených zdrojov ionizujúceho žiarenia slúžiacich na diagnostiku alebo terapiu. Ionizujúce žiarenie sa celosvetovo využíva pri viac ako 30 miliónov aplikácií ročne. Ide hlavne o diagnostiku a lokalizáciu zhubných nádorov v ľudskom tele, ale aj o samotnú aplikáciu rádionuklidov na selektívnu terapiu tkanív. V prvej časti môjho príspevku sa budem venovať príprave rádiofarmák, ktoré sú takzvaným „hnacím motorom“ jadrovej medicíny.

Rádiofarmaká obsahujú jeden alebo viac atómov rádioaktívnych prvkov. Za posledné desaťročia bolo objavených viac ako 3000 umelých rádioizotopov. Väčšina z nich je veľmi krátko žijúca alebo proces ich získavania je extrémne náročný.  Napriek tomu existujú tucty, ktoré majú vlastnosti zabezpečujúce ich aplikáciu na poli jadrovej medicíny. Aké sú však základné kritériá pre aplikovateľnosť jednotlivých rádioizotopov v jadrovej medicíne? Dajú sa zhrnúť do niekoľkých bodov

• Charakter rádioaktívneho rozpadu,
• doba polpremeny,
• chemické vlastnosti,
• možnosti jednoduchej produkcie.

Samovoľný rozpad rádioaktívnych prvkov môže viesť k vzniku rôznych druhov žiarenia, od čoho závisí aj oblasť jadrovej medicíny, v ktorej je ich možné aplikovať. Vo všeobecnosti však platí, že pre účely diagnostiky je vhodnejšie prenikavé žiarenie, aby ho bolo možné registrovať mimo tela pacienta, a na terapeutické účely sa viacej využíva žiarenie kratšieho dosahu, aby bolo možné odovzdať čo najväčšiu energiu v lokálnom mieste v pacientových tkanivách. Okrem toho použitie diagnostických žiaričov by malo minimalizovať radiačnú záťaž pre pacienta a terapeutické žiariče by nemali emitovať príliš silné gama žiarenie, aby preniklo mimo telo pacienta. Doba polpremeny, ktorá nám hovorí za aký čas sa rozpadne polovica pôvodného rádioaktívneho materiálu, by mala byť dostatočne dlhá na to, aby bolo možné vykonať diagnostiku alebo terapiu, ale nie príliš dlhá na to, aby vystavovala pacienta radiačnej záťaži ešte aj po terapii. Pri aplikácii rádiofarmák je cieľom zabrániť tomu, aby pacient takpovediac „svietil“ aj po odchode z nemocnice. Pri výbere vhodného rádiofarmaka je taktiež dôležite dbať na jeho chemické vlastnosti, keďže pre každú aplikáciu sú iné špecifiká. Existuje množstvo rádioizotopov, ktoré spĺňajú prvé tri kritéria, ale ich získavanie je extrémne náročné. Niektoré z nich sa dajú vyrobiť v stopových množstvách pre použitie v laboratóriách, ale ako to už býva, rozhodujúcim faktorom sú peniaze. Inými slovami povedané, rádiofarmaká musia byť vyrobené lacno a vo veľkom množstve. Existujú tri hlavné spôsoby na efektívne získavanie rádiofarmák, a to pomocou urýchľovačov,  v jadrových reaktoroch a v rádionuklidových generátoroch.

Urýchlovače

Na výrobu rádiofarmák slúžia cyklické vysokofrekvenčné urýchľovače, takzvané cyklotróny, ktoré môžu nadobúdať rozmery od priemeru desiatok centimetrov, až po niekoľko kilometrov. Isto viete, že ten rozmerovo asi najväčší sa nachádza pod hranicou troch krajín, Francúzska, Švajčiarska a Talianska, neďaleko jazera „Lac Léman“ vo vedeckom komplexe Cern. Na margo: „Nie, čierne diery sa tam nevytvárajú!“ Princíp činnosti týchto zariadení je založený na urýchľovaní nabitých častíc (deuterónov, protónov, prípadne jadier hélia) pomocou silného elektromagnetického poľa vo vnútri dutých urýchľovacích elektród a na narážaní týchto iónov do terča z takzvaného „materského“ prvku pri vysokých rýchlostiach. V dôsledku zrážky sa nabité častice doslova zabudujú do samotnej kryštalickej štruktúry terča, materského prvku, a dochádza k zmene protónového čísla pôvodného materského prvku. Výsledkom týchto procesov je vznik nových, prevažne rádioaktívnych prvkov. V cyklotrónových urýchľovačoch sa najčastejšie získavajú rádioizotopy ako indium (¹¹¹In), jód (¹²³I) alebo telúr (²⁰¹Tl). Samozrejme touto cestou je možné získavať aj iné prvky, ako napríklad gálium (⁶⁷Ga), ktoré je však výhodnejšie vyrábať v izotopových generátoroch. K tomu sa hneď dostaneme. Okrem cyklotrónov existuje aj niekoľko lineárnych urýchľovačov, takzvaných „Ion Linacs“-ov, na prípravu rádiofarmák, ale ich podiel na trhu je minimálny. Nevýhoda v porovnaní s cyklotrónmi spočíva v ich nekompaktných rozmeroch. Je pravda, že v USA existuje aj lineárny urýchľovač, ktorý je transportovateľný pomocou nákladného vozidla, ale takéto zariadenia sa považujú za raritu. Väčšinou sa jedná o dlhé, mohutné zariadenia, ktoré sa síce v niektorých laboratóriách (napr. Los Alamos National Laboratory v USA) používajú aj na prípravu rádiofarmák, ale je to len v rámci sekundárnej činnosti urýchľovača.

Jadrové reaktory

Ako je možné jadrové reaktory použiť na výrobu rádiofarmák? V jadrových reaktoroch sa používa jadrové palivo, najčastejšie formou uránu obohateného o izotop ²³⁵U do úrovne 5 %,  na ktorom prebieha štiepna reťazová reakcia. Po rozštiepení z pôvodného atómu uránu vznikajú 2 fragmenty nových, prevažne rádioaktívnych prvkov. Na separáciu novo vzniknutých prvkov, ktoré sa v odbornej terminológii nazývajú štiepnymi produktmi, stačí použiť vhodné techniky, a rádiofarmaká sú na svete. Znie to jednoducho? Bohužiaľ v praxi to tak nie je. Keďže pri štiepení vznikajú prvky fakticky z celej periodickej tabuľky, separácia len vybraných rádionuklidov môže byť technicky náročná. Našťastie existujú aj iné techniky. Pri štiepení uránu okrem už spomenutých štiepnych produktov vznikajú aj nové neutróny, ktoré nám slúžia na udržanie štiepnej reťazovej reakcie. Pokiaľ však konštrukcia reaktora dovolí zopár týchto neutrónov kuchynsky povedané „ukradnúť“, môžu nám poslúžiť na výrobu rádiofarmák, pomocou jadrových reakcií na špeciálnych terčových materiáloch. Neutróny vzniknuté pri štiepení majú vysokú energiu, teda aj rýchlosť. Z hľadiska zvýšenia pravdepodobnosti záchytu na terčových materiáloch je výhodne ich spomaliť pomocou špeciálnych kanálov obsahujúcich takzvané moderátory. Sú to materiály, ktoré nám neutróny spomaľujú ale ich podľa možností neabsorbujú. O týchto procesoch sa môžete dočítať tu. Keď sa nám podarí neutróny dostatočne spomaliť, zvýšime pravdepodobnosť reakcii vedúcich k vzniku želaných rádofarmák. Separácia týchto prvkov zo špeciálnych tenkých terčíkov je oveľa jednoduchšia ako z jadrového paliva, avšak samotný jadrový reaktor na to musí byť prispôsobený.

Najčastejšími rádiofarmakami získanými z jadrového reaktora sú molibdén (⁹⁹Mo) alebo železo (⁵⁹Fe). Keďže ako som spomenul, v jadrovom reaktora vzniká celá periodická tabuľka prvkov, teoreticky by bolo možné vyrobiť akýkoľvek rádioizotop. Možno vás napadla otázka: „Aj zlato?“. Odpoveď znie: Áno, avšak z technického a hlavne z finančného hľadiska by bola efektivita tejto techniky niekde na úrovni chytania vinných mušiek ryžovými paličkami. Ja osobne verím tomu, že existujú aj ľudia čo by to dokázali. Určite každý z vás už videl film v ktorom sa alchymisti snažili vyrábať zlato tepaním železných tehál mohutným kladivom. Našťastie v stredoveku jadrové reaktory neexistovali, lebo takíto majstri čiernych mágii by mohli byť za tieto činy veľmi ľahko popravení.

Rádionuklidové generátory

Keďže spotreba rádiofarmák v jadrovej medicíne je pomerne vysoká, na ich získavanie sa okrem kapacít urýchľovačov a jadrových reaktorov využívajú aj ďalšie metódy. Najjednoduchším a zároveň najlacnejším spôsobom ich získavania  je využitie rádionuklidových generátorov, tiež označovaných ako „dojné kravy“. Tieto generátory pozostávajú z materského rádionuklidu (z nuklidu z ktorého to vzniká), ktorého doba polpremeny je niekoľkonásobne dlhšia ako jeho dcérskeho produktu (ktorý vzniká). Ďalej súčasťou tohto zariadenia je nádoba s vhodným absorpčným materiálom, na ktorom je nanesený materský rádionuklid. Produktom rádioaktívneho rozpadu je dcérsky rádionuklid, ktorý sa uvolňuje do premývacieho roztoku. Pre niektorých tento proces pripomína dojenie kravy, z čoho pochádza aj (ne)odborný názov tohto zariadenia. Po oddelení dcérskeho nuklidu je porušená rovnováha, ktorá sa v dôsledku rozdielných dôb polpremeny časom neustále obnoví a poruší, až kým aktivita neklesne pod veľmi nízke hodnoty. Najbežnejším generátorom je technéciový generátor ktorý slúži na prípravu jedného z najviac využívaných rádioizotópov v jadrovej medicíne ^99mTc. Okrem technécia existujú aj generátory na prípravu širokej palety rádiofarmák ako napríklad kripton, gálium či itrium. O konkrétnom použití týchto rádiofarmák si povieme niečo v pokračovaní tohto blogu, teším sa na vás.

Zdroje obrázkov:

Obr.1 http://patonovak.wix.com/fyzikanakolesach#!video/cdgm
Obr.2 http://www.ife.no/en/ife/ife_images/ntf/isotop/radiofarmaka
Obr.3 http://englishrussia.com/2012/01/21/the-budker-institute-of-nuclear-physics/
Obr.4 http://www.sckcen.be/~/media/Images/Public/News/BR2_standard/BR2_News-large.png?la=nl&h=267&w=400