Egészségügy | Biofizika » Izotópok és orvosbiológiai felhasználásuk

IZOTÓPOK ÉS ORVOSBIOLÓGIAI FELHASZNÁLÁSUK IZOTÓP: A PERIÓDUSOS RENDSZER AZONOS HELYÉN VAN (izosz, toposz) Jelölés: 14N; 7 14N; Lehetnek: • STABIL • RADIOAKTÍV Felhasználási terület: • KUTATÁS • DIAGNOSZTIKA • TERÁPIA 15N STABIL IZOTÓPOK FELHASZNÁLÁSA Leggyakrabban használatosak: Felhasználásuk alapja: 2H, 13C, 15N, 18O a természetben túlsúlyban lévőtől eltérő tömeg A tömeg-eltérés detektálásának módja: * izotópeffektus (2H) * szedimentációs módszer (centrifugálás) * tömegspektrometria Klasszikus példa: Meselson és Stahl kísérlete a szemikonzervatív replikációra (1958) A MESELSON-STAHL KÍSÉRLET - a DNS-ben levő nitrogén a természetben 14N - ez kicserélhető 15N-re, ha azt tartalmazó táptalajt használunk - a 15N-t tartalmazó DNS ultracentrifugában CsCl gradiensen “mélyebbre” ülepszik, mint a 14N-t tartalmazó Elv: Nitrogén forrás 14N 14N 14N+15N 15N DNS 15N-en nevelt 14N 1. replik 2

replik után után 3. replik után Sűrűség gradiens Eredeti DNS 15N RADIOAKTÍV IZOTÓPOK FELHASZNÁLÁSA 1. 2. 3. 4. Érzékeny koncentráció meghatározás (RIA) Nyomjelzéses módszerek 2D és 3D képalkotás (γ-kamera, SPECT, PET) Terápia Egyéb 2.0% Radon 54.0% Erőmű 0.5% Foglalkozási 0.5% Háttér 28.0% Orvosi 15.0% 1. Érzékeny koncentráció meghatározás (RIA) Testnedvekből, sejttenyészetekből kis koncentrációjú anyagok – pl. hormonok, gyógyszerek mennyiségi meghatározása 2a . 1. Antitest az edény aljára tapasztva Vagy: 2b. Ismert koncentrációjú teszt anyag kalibr. görbe előállításához Direkt mérés 3. Radioaktívan jelzett antitest Mérés szcintillációs számlálóval 1. Érzékeny koncentráció meghatározás (RIA) 3. Ra d jel ioak ze tív an tt te an ya sz g t Indirekt (kompetitív) mérés 2. 1.Antitest az edény aljára tapasztva A jelzett teszt anyag a mintában lévővel kompetál és kevesebb

kötődik minta kontroll 1.Antitest az edény aljára tapasztva Mérés szcintillációs számlálóval Kontroll aktivitása – Minta aktivitása ~ Anyag mennyisége a mintában 2. Nyomjelzéses módszerek 1. Ismert aktivitású izotóp bejuttatása a szervezetbe, sejtbe 2. Az izotóp aktivitásának mérése egyes mintákból Élő szervezetben végezhető mérések Alapvető szempont: rövid felezési idő Statikus mérések Teljes test víztérfogat Vérplazma térfogata Kicserélhető Na+ ionok Dinamikus mérések Vasfelvétel kinetikája - 59Fe Kalciumfelvétel kinetikája - 45Ca VVT élettartam mérés - 59Fe Pajzsmirigy jódfelvétele - 131I, 123I + 14C radiokarbon alapú kormeghatározás 14C/12C arány állandó, míg anyagcsere folyik, az egyed elpusztulása után a 14C bomlása miatt csökken 2. Nyomjelzéses módszerek Sejtek, enzimek működésének vizsgálata 3H : 14C: Timidin inkorporáció - DNS szintézis mérése Enzim aktivitás, anyagcsere

folyamatok (elektroforézis után autoradiogram) 24Na: Sejtek Na+ háztartása (pl. Na-K ATP-áz) 32P: ATP beépülés DNS és foszfoprotein autoradiográfia 35S: Fehérje nyomjelzés 45Ca: Sejtek Ca++ háztartása (pl. stimuláció, Ca-ATP-áz) 86Rb: Sejtek K+ háztartása (pl. Na-K ATP-áz) 2. Nyomjelzéses módszerek Autoradiográfia PROTEIN 32P Rtg filmen 2. Nyomjelzéses módszerek PULSE-CHASE KÍSÉRLET 1. kompartment 2. kompartment 3. kompartment nem radioaktív molekula radioaktív molekula 2. Nyomjelzéses módszerek PULSE-CHASE KÍSÉRLET 1. kompartment 2. kompartment 3. kompartment nem radioaktív molekula radioaktív molekula 2. Nyomjelzéses módszerek PULSE-CHASE KÍSÉRLET 1. kompartment 2. kompartment 3. kompartment nem radioaktív molekula radioaktív molekula 2. Nyomjelzéses módszerek PULSE-CHASE KÍSÉRLET 1. kompartment 2. kompartment 3. kompartment nem radioaktív molekula radioaktív molekula 2. Nyomjelzéses módszerek

PULSE-CHASE KÍSÉRLET 1. kompartment 2. kompartment 3. kompartment nem radioaktív molekula radioaktív molekula 2. Nyomjelzéses módszerek PULSE-CHASE KÍSÉRLET 1. kompartment 2. kompartment 3. kompartment nem radioaktív molekula radioaktív molekula 2. Nyomjelzéses módszerek PULSE-CHASE KÍSÉRLET 1. kompartment Csak „pulse” 2. kompartment 3. kompartment nem radioaktív molekula radioaktív molekula 2. Nyomjelzéses módszerek PULSE-CHASE KÍSÉRLET 1. kompartment Csak „pulse” 2. kompartment 3. kompartment nem radioaktív molekula radioaktív molekula 2. Nyomjelzéses módszerek PULSE-CHASE KÍSÉRLET 1. kompartment Csak „pulse” Pulse + chase 2. kompartment 3. kompartment nem radioaktív molekula radioaktív molekula 2. Nyomjelzéses módszerek PULSE-CHASE KÍSÉRLET 1. kompartment Csak „pulse” Pulse + chase 2. kompartment 3. kompartment nem radioaktív molekula radioaktív molekula 2. Nyomjelzéses

módszerek PULSE-CHASE KÍSÉRLET Radioaktivitás a Golgi kompartmentben Radioaktivitás a szekréciós vezikulumokban 3. 2D és 3D képalkotás (γ-kamera, SPECT, PET) 1/Teff = 1/Tfiz + 1/Tbiol rövid fizikai felezési idő: hogy az aktivitás lehető legnagyobb része a vizsgálat alatt kerüljön felhasználásra biológiai felezési idő: az anyagcsere határozza meg. Kinetikai mérések esetében hasonló nagyságúnak kell lennie mint a mérés időtartama. γ-kamera, SPECT (részletesebben: egy másik előadáson) γ sugárzó izotóp minél rövidebb felezési idő leggyakoribb: 99mTc Előállítás: technéciumgenerátorban 99Mo β , 67ó 42 99mTc 43 γ,6ó 99Tc 43 3. 2D és 3D képalkotás (γ-kamera, SPECT, PET) Csak γ bomló (vagy K befogást követően röntgensugárzást kibocsátó) izotópokat használnak, mert az α és β részecskék nem hagyják el a testet, ha annak belsejében emittálódnak. 99mTc -hoz kötve mikrokolloid - csontvelő makrokolloid

- máj, lép, RES szérumalbumin - perfúzió DMSA (dimerkaptoszukcinát) - vese Foszfát - csont, izület EDTA - agy, vese HIDA - epeút 201Tl 113mIn 133mXe 131I, 123I - szívizom - placenta - tüdő - pajzsmirigy, vese 3. 2D és 3D képalkotás (γ-kamera, SPECT, PET) PET (Pozitron emissziós tomográfia; részletesebben: következő előadáson) β+ sugárzó izotóp szükséges A leggyakoribbak: izotóp jelző molekula vizsgált folyamat jelentősége 11C aminosav anyagcsere tumor diag. 13N NH3 véráramlás szívizomzat 15O O2, CO2 légzés anyagcsere 18F dezoxiglükóz anyagcsere tumor diag. 18F F- ion csontanyagcsere betegség, áttét Előállításuk: N vagy O bombázása ciklotronban gyorsított proton vagy deuteron részecskékkel 4. Terápia Cél: Daganatok elsődleges vagy kiegészítő kezelése 1. Szupervolt terápia a mélyen elhelyezkedő Tu kezelésére a. Ultrafeszültségű Rtg kezelés (lásd gyorsítóknál) b. “Kobalt ágyú” 60Co β- + 60mNi γ

(1,17MeV) 60mNi γ (1,33MeV) 60Ni 2. Testbe helyezett sugárforrás (β- + γ) Intersticiális (a daganatszövetbe tűzdelve) - 60Co, 192Ir Üregi - 60Co, 192Ir, 137Cs, 226Ra, Kontakt applikátor (szem) - 103Ru Keringésbe juttatott – 131I, 32P, 198Au – EGYRE RITKÁBBAN ! GYORSÍTÓK Biológiai alkalmazások: PET-hez β+ - bomló izotópok előállítása gyors protonok és deuteronok - ciklotron Ultrafeszültségű Rtg kezelés gyors elektronok - lineáris gyorsító Nagyfeloldású Rtg krisztallográfia koherens EM (Rtg energia) sugárzás - szinkrotron Ultragyors molekulaspektroszkópia koherens EM sugárzás - szinkrotron LINEÁRIS GYORSÍTÓK Ionforrás ~ Elektródák Rádiófrekvenciás generátor Proton: 50-60 MeV (max 1000 MeV) Elektron: 1 MeV felett v ~ c ! más technikai megoldást igényel az elektródok lehetnek egyenlő távolságra stanfordi lineáris gyorsító: 40,000 MeV !, 0.1A Nagyenergiájú Rtg fotonok kiváltása (Rtg laser is.) CIKLIKUS

GYORSÍTÓK ÁLTALÁNOS MEGFONTOLÁSOK A pályán tartó erő: Lorentz erő B qvB qvB=mv2/r; ω=v/r ω=qB/m CIKLIKUS GYORSÍTÓK qvB=mv2/r; ω=v/r ω=qB/m ∆E duáns Ciklotronban A pálya elektron esetén kör v=c, 1 MeV felett ionok estén spirál v<<c, v egyre nő, ω állandó, tehát r nő Nagy energiájú ionok esetén m is nő (relativisztikus tömegnövekedés) ω állandó, tehát B-t növelni kell Legjobb megoldás: szinkrotron ω és B nő a gyorsulással szinkron, így r állandó lehet ~