Радиоактивные нуклиды часто используются в медицине, поскольку их излучение обеспечивает широкий спектр энергетических частиц, которые могут помочь в диагностике и лечении заболеваний. Однако создание нуклидов, которые были бы одновременно полезными в медицинских целях и экономически эффективными, является сложной задачей.
Мамед Эслами из Йоркского университета в Великобритании и его коллеги продемонстрировали новый эффективный способ получения радионуклидов с использованием оставшихся гамма-лучей от экспериментов на электронных ускорителях [1]. В частности, команда показала, что этот метод переработки может создать два нуклида меди — медь-64 и медь-67, второй из которых было трудно получить в достаточных количествах с помощью предыдущих методов.
Медицинские исследователи особенно заинтересованы в этой паре нуклидов, поскольку их потенциально можно вводить вместе для борьбы с раком: один нуклид будет доставлять терапевтическое излучение, а другой — обеспечивать диагностическую визуализацию.
Тераностика
Стратегия сочетания терапии и диагностики в одной процедуре называется тераностикой. В ядерной медицине терапевтическая сторона часто включает присоединение радиоактивных нуклидов к антителам и введение их в кровоток пациента. Когда несущие нуклид антитела достигают своей опухолевой мишени, они прикрепляются к ней, и локально доставленное излучение разрушает ДНК раковых клеток, убивая их.
С диагностической стороны у врачей есть такие инструменты, как позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ), которые также используют комбинации нуклид-антитела, но для обнаружения опухолей, а не для их уничтожения. Потенциально два нуклида — один терапевтический, другой диагностический — могут быть связаны с одним антителом, что позволит врачам отслеживать лечение по мере его проведения. Такое двойное связывание проще осуществить, если нуклиды имеют одинаковую химию, что происходит, когда они являются изотопами одного и того же элемента.
Фармацевтические компании определили несколько перспективных тераностических пар. Одной из таких пар является пара медь-64 и медь-67. Медь-64 излучает позитроны, которые могут точно определять опухоли при ПЭТ-сканировании, в то время как медь-67 излучает бета-частицы, которые могут атаковать раковые клетки. Оба нуклида имеют клинически удобные периоды полураспада, а их химия хорошо изучена.
Производство меди-67
Эслами и его коллеги нашли способ повысить выход меди-67. Метод может также иметь преимущество в снижении затрат, поскольку может использовать существующую инфраструктуру. Эслами узнал от коллег, что некоторые эксперименты на ускорителях частиц проводятся с интенсивными электронными пучками в течение длительных периодов, и что часть гамма-лучей, генерируемых пучками, выбрасывается после прохождения через их намеченную цель. Эти потерянные фотоны, как он понял, можно использовать.
Эслами и его коллеги испытали свою идею на Mainz Microtron, электронном ускорителе в кампусе Университета Йоханнеса Гутенберга в Майнце в Германии. В своём эксперименте электроны с энергией 855 МэВ ударили по листу из сплава кобальта, железа и ванадия, создавая тормозное излучение — гамма-лучи, — которые затем воздействовали на мишень из цинковой фольги, подготовленную командой.
Через 2 часа исследователи измерили количество меди-67 (и других нуклидов), полученного в фольге. В текущих исследованиях с использованием меди-67 пациенты получают дозы, радиоактивность которых составляет несколько гигабеккерелей (ГБк), что соответствует нескольким миллиардам ядерных распадов в секунду. Эслами и его коллеги обнаружили, что их экспериментальный эксперимент по проверке концепции дал около 0,06 ГБк в час, что означает, что для производства 4 ГБк меди-67 потребуется около 5 дней. Это время производства сопоставимо с тем, сколько времени требуется высокопоточному исследовательскому реактору для производства 4 ГБк лютеция-177, нуклида, используемого для лечения нейроэндокринных опухолей и рака простаты.
Исследователи ставили перед собой не только задачу выяснить, можно ли получить полезные количества меди-67. Они также хотели изучить потенциал получения других полезных нуклидов при столкновениях гамма-лучей с ядрами цинка. Из данных о рассеянии электронов они определили спектр гамма-излучения, попадающего на их мишень. Затем они сравнили полученные ими выходы радионуклидов с популярной моделью реакций фотон-ядро и обнаружили расхождения, особенно в диапазоне высоких энергий гамма-лучей. «Наши данные выявили явные пробелы в моделях, — говорит Эслами. — Это явный признак того, что в этом энергетическом диапазоне необходимы новые теоретические разработки».
Дэвид Ротч возглавляет группу по разработке медицинских изотопов в Национальной лаборатории Ок-Риджа в Теннесси. Десять лет назад он и его коллеги получили медь-67, бомбардируя цинковые мишени гамма-лучами в Аргоннской национальной лаборатории в Иллинойсе. Они отказались от проекта, потому что загрязнение природным медью снизило радиоактивность ниже уровней, необходимых для терапии. Но, по его словам, «фотоядерный путь производства — отличный способ получить этот изотоп».
Чарльз Дэй,
старший редактор журнала Physics Magazine.
[1] — здесь можно было бы указать источник для более детального изучения, однако в данном контексте это не является обязательным.