Appunti Biotecnologie nella diagnostica di laboratorio e fondamenti di statistica

DECADIMENTO B+

Il decadimento b+ avviene in nuclei con eccesso di protoni e produce una particella positiva. Sono delle transizioni che

trasformano i protoni in neutroni.

Anche in questo caso bisogna bilanciare la carica, per cui serve un positrone, ovvero una particella b+. Il positrone è una

particella che ha la stessa massa dell’elettrone, ma carica positiva: è l’antimateria

dell’elettrone. Anche in questo caso, per bilanciare la massa, serve un neutrino. In

questo tipo di decadimento, l’antimateria è rappresentata dal positrone e non più

dall'antineutrino.

Il positrone è un problema perché è l’antimateria dell’elettrone e la materia è piena

di elettroni. Il positrone, infatti, va a schiantarsi contro un elettrone vicino e

positrone + elettrone scompariranno come massa e si trasformeranno in energia (E=

$ annichilazione,

m! ) secondo un processo detto producendo due fotoni g, quindi

solo energia elettromagnetica, che andranno nella stessa direzione ma con verso

opposto, a 180 gradi uno dall’altro, ognuno con una specifica energia di 511 keV.

TRANSIZIONI DI STATO ECCITATO

In molti dei decadimenti descritti, il nucleo figlio rimane in uno stato

g.

eccitato e, successivamente, rilascia energia in forma di fotoni

Questo processo avviene in meno di 10 secondi.

-12

Per esempio, il sodio ha 22 come numero di massa e 11 come numero

atomico; perde un protone che diventa un neutrone, per cui Z diventa

10 e A rimane costante, diventa Neon ed emette un positrone e un

neutrino. Il positrone trova l’elettrone, si annichilano e si formano le

due radiazioni gamma. 38

Molto spesso, quando avviene un decadimento di questo genere, il nucleo figlio non è completamente stabile, ma

rimane in uno stato eccitato in cui le particelle nucleari non si sono disposte proprio nel modo più comodo all’interno

%&$

del nucleo. Nell’arco di secondi, questi nuclei riorganizzano le loro particelle ed emettono energia sotto forma di

10

radiazioni g.

Quindi, dopo un decadimento b- o b+, ci può essere associato un'emissione di radiazione gamma.

TRANSIZIONI DI STATO METASTABILE O ISOMERICHE stato metastabile.

Se lo stato eccitato permane per più di 10 secondi si parla di Un nucleo metastabile è un isomero

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del nucleo figlio, da cui differisce solo per lo stato energetico.

Lo stato metastabile arriva a quello stabile con emissione gamma. Nuclei metastabili sono utilizzati tantissimo in

diagnostica per immagini perché, decadendo, il nucleo figlio riorganizza le sue particelle nucleari ed emette solo una

radiazione gamma.

Per esempio, il Tecnezio 99 metastabile ha 43 protoni e decade in Tecnezio 99 con una energia più bassa e quindi emette

una radiazione g. Le sue particelle non cambiano, cambia solo la loro organizzazione, cioè vanno in una organizzazione

più stabile, con un’energia minore.

Sia questa g che quella dell’annichilazione del positrone con l’elettrone, sono energie elettromagnetice senza supporto

di massa e sono quelle radiazioni che attraversano così bene i tessuti che si possono rilevare dall’esterno. Le radiazioni

g e quelle dell’annichilazione del b+ sono le radiazioni che vengono utilizzate nelle tecniche nucleari.

Questo è l’esempio della formazione del Tecnezio: il

Molibdeno 99 (con 42 protoni e costruito con un reattore

nucleare) decade con una transizione b o con una b+g in

Tecnezio 99 metastabile. Il Tecnezio 99 metastabile può

decadere in Tecnezio 99 con un singolo fotone di 142 KeV

o con due fotoni, di cui uno di 140 KeV e uno di 2 KeV.

Questo perché, come i livelli energetici elettronici, anche

nel nucleo possiamo pensare che le particelle si

dispongano su strati energetici. Quindi quando c’è

riorganizzazione delle particelle per arrivare ad una

situazione più stabile, c’è emissione di energia. 39

DECADIMENTO A

Le particelle a hanno alta energia, basso range (pochi cm in aria, frazioni di mm nei tessuti) e sono in genere emesse da

nuclei pesanti (Z>82), come ad esempio il Ra che decade a Rn.

22688 22286

particelle molto grosse. nucleo padre perde 4 particelle: due neutroni e due protoni,

Si tratta di In questo caso il cioè

pari a un nucleo di Elio. Quindi il nucleo figlio avrà due protoni in meno e 4 unità in meno di numero di massa, emetterà

il nucleo di Elio, cioè due protoni e due neutroni, e dell’energia.

Un esempio è quello dell’Uranio 238 con 92 protoni, che diventa Torio 234 con 90 protoni e una particella a.

Questo è il decadimento che è stato utilizzato per uccidere la

spia russa qualche tempo fa; infatti, era stato avvelenato con

qualcosa che emetteva particelle a. Queste particelle a emesse

nel suo apparato digerente hanno distrutto qualsiasi cosa,

perché una particella così grande, emessa ad alta energia,

distrugge qualsiasi cosa abbia vicino. Per schermare un

decadimento di questo genere è sufficiente un foglio di carta,

questo per dire quanto grande è l’interazione con la materia

di queste particelle a.

a → bloccati da un foglio di carta

b- → si fermano con la plastica, per cui se si usa il Fosforo-

32 in laboratorio, bisogna ricordarsi di usare il plexiglass (e

non il piombo, altrimenti ci facciamo una radiografia*).

raggi g e raggi X → per essere fermati hanno bisogno del

piombo (di diverso spessore, in base all’energia) 40

neutroni → hanno bisogno di decine di centimetri di cemento armato per essere fermati

*Le particelle b- sono degli elettroni. Elettroni accelerati contro un metallo

pesante formano un tubo radiogeno, cioè producono raggi X. Se ci

dovessimo proteggere dal fosforo-32 con il piombo, mi ci irraggeremmo

con i raggi X. Quindi è importante proteggersi dagli elettroni fermandoli con

il plexiglass.

La prima applicazione pratica dei traccianti: l'invenzione dell'uso di una

sostanza radioattiva come tracciante, cioè per seguire qualcosa nel tempo,

si deve ad uno studente che ha tracciato il cibo della pensione in cui viveva

per vedere se venissero serviti gli avanzi. Per questo uso delle sostanze

radioattive quel signore, George de Heves, prese il Nobel nel 1943.

TRACCIANTE

Un tracciante è una sostanza in grado di seguire (tracciare) un processo senza alterare lo stato del sistema in cui viene

non è un farmaco,

introdotto. Un tracciante infatti quando lo chiamiamo radiofarmaco non è completamente corretto,

perché se lo utilizzassimo a scopo terapeutico allora sarebbe un radiofarmaco, ma se lo usiamo solo a scopo diagnostico

è solo un tracciante. Il tracciante è qualcosa che noi mettiamo nel sistema, si localizza e ci permette di vedere una

funzione biologica senza perturbare nulla, infatti non reagisce, non induce trasduzione del segnale, non ha effetto

farmacologico, perché la dose a cui viene somministrato è una dose tracciante, non è una dose farmacologica. Di solito

la dose tracciante è 100 volte più bassa della dose farmacologica.

l’alta attività specifica.

La caratteristica fondamentale è L’interazione e il legame specifico tra tracciante e molecola

target assicura la possibilità di ottenere le informazioni relative al processo molecolare in esame. Ad esempio, se

vogliamo vedere quanti recettori dopaminergici sono espressi in un certo punto del cervello, usiamo come tracciante

un ligando del recettore dopaminergico e lo marchiamo con qualcosa di radioattivo. Lo iniettiamo, la sostanza si

distribuisce in tutto l’organismo, trova i recettori dopaminergici e ci si lega, la quota che non si è legata viene escreta e,

infine, possiamo fare l’acquisizione. Se abbiamo iniettato 100 molecole di tracciante tutte radioattive, il segnale che

avremo sarà la stima di quanti recettori sono espressi in quel tessuto. Se invece abbiamo iniettato 50% radioattivo e

50% freddo, statisticamente avremo solo il 50% dei recettori legati al tracciante radioattivo e il segnale che avremo sarà

il 50% di quello che dovremmo ottenere per stimare la quantità di recettore corretta. In questo modo stiamo

sottostimando del 50% la quantità di recettore presente. Questo effetto, in cui il tracciante freddo prende il posto che

“effetto massa”,

dovrebbe essere occupato dal tracciante caldo, si chiama cioè abbiamo così tanto tracciante non

radioattivo, che non vediamo il segnale non perché non ci sia il bersaglio, ma perché tutti i posti vengono occupati e

alcuni sono occupati dalla molecola fredda che non emette.

Per capire meglio possiamo considerare un parcheggio con 100 posti, per cui io potrei avere dentro 100 macchine

parcheggiate, ma se metà parcheggio è in fase di ristrutturazione, avrà anche 100 posti, ma io ci posso mettere 50

macchine. In questo caso abbiamo 100 recettori, ma se io ho solo il 50% dei traccianti radioattivi, per statistica si legherà,

al massimo, al 50% dei recettori. specifico:

Altra caratteristica fondamentale del tracciante è che deve essere l’interazione tra il tracciante e la molecola

target deve essere così specifica da assicurare che il segnale che otteniamo sia effettivamente dovuto al processo

molecolare che sto studiando. Quindi, per ogni processo molecolare, per ogni target, per ogni molecola che vogliamo

specifico.

studiare, bisogna inventare un tracciante 41

cinetica, distribuzione,

Inoltre, per ogni tracciante nuovo è necessario conoscere esattamente la i meccanismi di il

metabolismo, l’accumulo l’eliminazione.

e In questo modo si può capire quanto tracciante iniettare e dopo quanto

tempo fare l’acquisizione. Se inietto e faccio subito l’acquisizione, il tracciante è tutto nel sangue e io nel cervello non

vedo niente o vedo segnale ovunque. Se aspetto 6 ore è stato tutto eliminato e magari il radionuclide è pure decaduto,

quindi quando faccio l’acquisizione non vedo niente perché è troppo tardi. Devo trovare quella finestra temporale che

mi permetta di massimizzare la localizzazione del radionuclide non ancora decaduto sul suo target e quello aspecifico

deve essere stato eliminato il più possibile. Per ogni tracciante bisogna fare tutto questo studio di cinetica, per capire

qual è il momento migliore in cui fare l'acquisizione.

La funzione in esame sarà visibile solo quando, dopo essersi distribuito in base alla perfusione, il tracciante verrà

eliminato dalle zone di legame a-specifico e accumulato nelle zone specifiche in base alla funzione in esame. Per questo

è importante valutare la finestra temporale adatta per valutare la funzione in esame e non la perfusione.

Il tracciante, infatti, non è un farmaco, per cui la s