Medicina nucleare I - Appunti

Podio, domande

1. Tipi di decadimento radioattivo.
2. Interazioni con la materia di vari tipi di particelle e radiazioni emesse nei decadimenti radioattivi.
3. Cinetica di decadimento di un radionuclide e definizione di tempo di dimezzamento.
4. Definizione di attività, tempo di dimezzamento e quantità di un radionuclide.
5. Tecnologie e cinetica di produzione di radionuclidi per uso medico (anche ciclotrone).
6. Equilibrio secolare e transitorio.
7. Attività del radionuclide figlio che può essere ottenuta nel tempo [Mo/Tc].
8. Eluato di generatore Mo/Tc ed evoluzione nel tempo della quantità di Tc e Tc e loro rapporto.
9. Caratteristiche che deve possedere un farmaco per diagnostica medico-nucleare e per terapia radiometabolica.
10. Caratteristiche dei nuclidi B+ emittenti utilizzati in diagnostica per immagini.
11. Purezza radionuclidica e sua variazione nel tempo.
12. Attività specifica e purezza radionuclidica di nuclidi prodotti artificialmente.
13. Radiofarmaci “non carrier added” e “carrier added”; concentrazione radioattiva e attività specifica.
14. Radiofarmaci tecneziati I: generalità, numeri di ossidazione Tc, preparazione.
15. Radiofarmaci tecneziati II: stabilità e impurezze più probabili.
16. Radiofarmaci tecneziati III: situazioni che condizionano basse rese di marcatura.
17. Sintesi dell’FDG.
18. Metodiche di controllo di qualità dei radiofarmaci.
19. Purezza radiochimica e stabilità dei radiofarmaci.
20. Limiti di utilizzo di un radiofarmaco.
21. Concetti di indicatore/tracciante: esempi dell’uno e dell’altro in alcune semplici applicazioni diagnostiche.

1 - Tipi di decadimento radioattivo

Il decadimento radioattivo è una trasformazione che avviene all'interno del nucleo. La radioattività, in particolare, deriva dall'instabilità energetica del nucleo di un atomo che, per diventare stabile, decade. Per raggiungere questa stabilità, il nucleo emette energia.

Tipi di decadimento

Decadimento alfa: è tipico dei nuclei dotati di grande massa (A > 200); in questo tipo di decadimento, il nucleo perde 2P e 2N, 42 che danno origine al He, cioè la particella alfa.

L'energia della particella alfa è pari alla differenza tra il livello energetico del nucleo “genitore” ed il livello energetico del nucleo “figlio”; nel decadimento cambia la chimica dell'elemento (A, N, Z).

Decadimento beta meno: avviene quando c'è un eccesso di neutroni (N/Z troppo elevato), un neutrone del nucleo decade in protoni con emissione di una particella negativa (beta meno) ed una particella priva di massa che consente di rimuovere l'energia in eccesso (anti neutrino elettronico).

Decadimento beta più: avviene quando nel nucleo vi è un eccesso di protoni (rapporto N/Z troppo basso), un protone decade in un neutrone con l'emissione di una particella positiva (beta più) e di una priva di massa che consente di rimuovere l'energia in eccesso (neutrino elettronico); viene sfruttato nella PET.

Cattura elettronica: avviene quando non ci sono le condizioni per cui avvenga un decadimento beta più (eccesso di protoni più); un e viene catturato dalla Shell K (meno probabile della L o M), si formano RX a causa del riassestamento elettronico.

Transizione isomerica: è il passaggio di un nucleo con eccesso di energia (situazione instabile) ad una situazione più stabile tramite l'emissione di un fotone gamma; vi è solo lo stato energetico dell'atomo per cui non si parla di vero e proprio decadimento, ma di transizione.

Conversione interna: un fotone gamma viene emesso e cede la sua energia ad un e un orbitale (e Auger); questo viene ….

2 - Interazioni con la materia di vari tipi di particelle e radiazioni emesse nei decadimenti radioattivi

Una radiazione è detta ionizzante quando in grado di produrre, direttamente o indirettamente, la ionizzazione, e non solo l'eccitazione, del materiale attraversato. Le radiazioni corpuscolari hanno una massa e producono una ionizzazione quando le particelle che le compongono cedono un'energia sufficientemente alta; invece producono l'eccitazione quando provocano semplicemente il passaggio di un e dalla banda di valenza a quella di conduzione.

Le radiazioni corpuscolari producono quindi ionizzazione diretta tramite cessione diretta di energia.

I raggi X e gamma, invece, quando non vengono diffusi ma assorbiti dalla materia mettono in moto e o positroni che a loro volta possono produrre eccitazioni e/o ionizzazione. Sono quindi indirettamente ionizzanti.

Interazioni particelle-materia

Le particelle cariche pesanti vengono deviate rispetto alla loro direzione iniziale e cedono poca energia; compiono un breve percorso nella materia.

Le particelle cariche leggere, invece, vengono maggiormente frenate e deviate e danno origine a raggi X per Bremsstrahlung di energia corrispondente a quella ceduta dalle particelle; hanno un range di alcuni metri in aria e di alcuni millimetri in acqua o tessuti molli.

Interazioni fotoni-materia

Effetto fotoelettrico: si ha il completo assorbimento del fotone da parte di un elettrone con espulsione dell'elettrone stesso; la lacuna creata dall'espulsione viene riempita dall’elettrone di un orbitale più esterno con emissione di fotoni X caratteristici di energia pari al salto energetico; dipende da Z e la probabilità che avvenga diminuisce all'aumentare dell'energia.

Effetto Compton: un fotone interagisce con un elettrone debolmente legato al nucleo, gli cede parte della sua energia; ne deriva l'emissione di un elettrone da un orbitale e di un fotone diffuso che si propaga in direzione diversa da quella del fotone incidente; la probabilità che avvenga si riduce leggermente all'aumentare dell'energia; l'effetto Compton è la causa della radiazione X diffusa e si verifica per fotoni di energia più elevata rispetto al fotoelettrico.

Produzione di coppie: si verifica per fotoni con E>1,022 MeV che, interagendo con il nucleo, determinano la creazione di due particelle cariche, una positiva beta più e una negativa beta meno; il beta meno può provocare poi ionizzazione, il beta più va incontro ad annichilazione con un elettrone, con produzione di due fotoni gamma da 0,511 MeV in direzione opposta, dipende da 2Z ed è il processo dominante per E>2 MeV.

3 - Cinetica di decadimento di un radionuclide e definizione di tempo di dimezzamento

La cinetica di decadimento dei radionuclidi presenta andamento esponenziale e può essere descritta dalla formula:

La costante decadimento gamma:

• Indipendente dall'età del nucleo;
• Sempre la stessa per un determinato radionuclide;
• Indipendente dalle condizioni ambientali;
• Dipendente dell'energia di legame.

Il tempo di dimezzamento (T ½) è il tempo in cui l'attività iniziale si è dimezzata. È il tempo che deve trascorrere affinché la metà dei nuclei di un dato radionuclide vada incontro a decadimento.

In medicina nucleare, oltre al T ½ fisico, si deve considerare anche quello biologico che descrive quanto il radionuclide rimane in un organo o tessuto. Combinando il T ½ fisico e il T ½ biologico, ottengo il T ½ eff.

• T ½ fisico: legato alle leggi di decadimento.
• T ½ biologico: legato alle caratteristiche chimiche del radioisotopo e dell'elemento ad esso legato.
• T ½ effettivo: è sempre minore di entrambi; in caso di grandi differenze tra T ½ fisico e il T ½ biologico, è prossimo al più piccolo.

4 - Definizione di attività, T ½ e quantità di un radionuclide

Attività

0-λt è il numero di disintegrazioni nella unità di tempo; segue la legge esponenziale A=A e la sua unità di misura è il Bequerel (Bq). 1 BQ = 1 dis/s.

L'attività diminuisce in modo esponenziale in quanto ci sono sempre meno nuclei che possono decadere.

Attività specifica

È l'attività per unità di massa; la massa è riferita al composto contenente il radionuclide. È direttamente proporzionale al T ½.

Per massa si intende quella di tutte le molecole che contengono gli isotopi del radionuclide considerato, sia radioattivi che non radioattivi, presenti una certa forma chimica.

Tempo di dimezzamento

È il tempo che deve trascorrere affinché la metà dei nuclei di un dato radionuclide vada incontro a decadimento.

Il tempo di dimezzamento fisico è legato alle leggi di decadimento.

T 1/2 biologico descrive quanto il radionuclide rimane in un organo o tessuto: è legato alle caratteristiche chimiche del radioisotopo e a quelle dell'elemento ad esso legato.

È sempre minore degli altri due e, in caso di grandi differenze tra T ½ fisico e biologico, è prossimo al più piccolo.

Quantità

Si intende il numero di nuclei radioattivi e dipende sia da λ che da T 1/2.

-λt N=N e N0= quantità di nuclei iniziale (a t=0).

• Quando λ è elevato e quindi T ½ è piccolo, la curva della quantità tende a zero velocemente;
• Quando λ è bassa e quindi T ½ elevato, la curva della quantità tende a zero meno velocemente.

5 - Tecnologie e cinetica di produzione di radionuclidi per uso medico (anche ciclotrone)

Metodi di produzione

• Reattore nucleare;
• Acceleratore/ciclotrone;
• Generatore.

Parametri indicatori di efficienza di produzione

Attività specifica: As= A/m (Bq/Kg), massa = tutte le molecole contenenti gli isotopi del radionuclide considerato, radioattivi e non, presenti in una certa forma chimica.

Purezza radionuclidica: Pm=A /A radionuclide tot, rapporto tra A del radionuclide considerato e quella totale del campione.

Reattore nucleare

Strumento ad elevato flusso continuo di neutroni, utilizzato sia per produrre energia sia per produrre radionuclide utile. È difficoltosa solo l'estrazione dell'elemento utile prodotto. I radionuclidi vengono prodotti in due modalità:

Fissione: è un fenomeno che si verifica in un nucleo pesante reso instabile dall'ingresso di un neutrone nel nucleo dell'atomo; l'attività specifica è elevata: il processo è molto efficace in quanto il campione è immerso in un bagno di neutroni lenti termici il cui flusso è molto elevato; la purezza radionuclidica è bassa perché ottengo nuclei il cui numero di massa è definito da distribuzioni probabilistiche: il nuclide di interesse è solo uno dei tanti prodotti; la depurazione comporta costi elevati; la sezione d'urto, cioè la probabilità che la fissione avvenga, diminuisce all'aumentare dell'energia dei neutroni.

Funziona come una reazione a catena: dopo la fissione del primo atomo, i tre neutroni con E > vengono rilasciati; un moderatore fa diminuire la loro energia cinetica che li trasforma così in neutroni termici che creano altre fissioni.

Attivazione: un sottile strato di materiale metallico viene esposto ad un flusso di neutroni, con energia cinetica > dei neutroni termici; vengono così prodotti dei beta meno emittenti in parte radioattivi e in parte non attivati, carrier, che non sono separabili dai radioattivi.

As: è bassa perché la probabilità di interazione tra neutroni veloci e gli atomi del sottile strato metallico è molto ridotta (il neutrone può passare senza interagire).

P radionuclidica: elevata perché è improbabile che nello stesso nucleo avvenga 2 volte la stessa reazione; perciò il radionuclide è più puro.

Ciclotrone

È un'apparecchiatura molto costosa in grado di accelerare gli ioni; è composta da due magneti separati da una camera a vuoto in cui viene generato un campo elettrico; il E (campo elettrico) ha il compito di accelerare gli ioni, quella magnetica di defletterli facendo loro assumere traiettoria circolare; al centro della camera a vuoto è posta la sorgente di ioni (in genere negativi); questi ioni vengono attratti dai magneti ed escono da essi con traiettorie circolari sempre più grandi (energia cinetica aumenta); ad energia sufficiente vengono fatti impattare su un bersaglio di materiale diverso in base al radionuclide che si vuole produrre.

As= elevata.

Prn= elevata, bassa probabilità che avvengano due reazioni nello stesso nucleo.

Generatore

Dispositivo che produce radionuclidi sfruttando l'equilibrio transitorio; il radionuclide voluto viene estratto attraverso l’eluizione, cioè lavando via da esso il radionuclide “padre”. Non si parla di As ma di concentrazione radioattiva in quanto il generatore produce una quantità di radionuclide in un volume.

Il generatore può anche sfruttare l'equilibrio secolare (T ½ padre >> T ½ figlio).

6 - Equilibrio transitorio e secolare (produzione di radionuclidi del generatore I)

Equilibrio secolare

Il T ½ del padre è molto più elevato di quello del figlio quindi, essendo la costante decadimento pari a ln2/t ½, la costante decadimento del padre (λ1) è molto più piccola di quella del figlio (λ2). Il loro rapporto vale circa 10⁴.

Equilibrio transitorio

Il T ½ del padre è di poco maggiore di quello del figlio e quindi la costante decadimento del padre (λ1) è di poco minore di quella del figlio (λ2).

Questo significa che, dopo un certo tempo, l'attività del figlio supera quella del padre.

7 - Attività del radionuclide figlio che può essere ottenuta nel tempo (99 Mo/99m Tc) (produzione di radionuclidi dal generatore II)

Il 99 Mo decade per l'87% in 99m Tc e per il 13% in 99 Tc. Non si tiene conto della percentuale di 99 Tc perché, avendo tempo di dimezzamento molto lungo, la sua attività può essere trascurata.

Il tempo di dimezzamento del 99 Mo è maggiore di quello del 99m Tc (T ½ Mo=66h; Tc=6h); questi raggiungono l'equilibrio transitorio ma, in questo caso specifico, l'attività del figlio (99m Tc) non supererà mai quella del padre (di 99 Mo) a causa della percentuale di 99 Tc prodotto (circa 1/7 dei decadimenti sono in 99 Tc, 6/7 in 99m Tc).

Inoltre, man mano che il 99m Tc decade in 99 Tc, aumenta sempre più l’attività di quest’ultimo a scapito di quella del 99m Tc.

8 - Eluato di generatore Mo/Tc ed evoluzione nel tempo