Radioisotopi

I diversi isotopi dello stesso elemento hanno lo stesso numero di protoni nei loro nuclei atomici ma un numero diverso di neutroni.

I radioisotopi sono isotopi radioattivi di un elemento. Possono anche essere definiti come atomi che contengono una combinazione instabile di neutroni e protoni, o un eccesso di energia nel loro nucleo.

Come si formano i radioisotopi?

Il nucleo instabile di un radioisotopo può formarsi naturalmente, o come risultato di un’alterazione artificiale dell’atomo. In alcuni casi si usa un reattore nucleare per produrre radioisotopi, in altri un ciclotrone. I reattori nucleari sono più adatti a produrre radioisotopi ricchi di neutroni, come il molibdeno-99, mentre i ciclotroni sono più adatti a produrre radioisotopi ricchi di protoni, come il fluoro-18.

L’esempio più noto di un radioisotopo presente in natura è l’uranio. Tutto l’uranio presente in natura, tranne lo 0,7%, è uranio-238; il resto è il meno stabile, o più radioattivo, uranio-235, che ha tre neutroni in meno nel suo nucleo.

Decadimento radioattivo

Gli atomi con un nucleo instabile riacquistano stabilità liberandosi delle particelle e dell’energia in eccesso sotto forma di radiazione. Il processo di rilascio della radiazione è chiamato decadimento radioattivo. Il processo di decadimento radioattivo per ogni radioisotopo è unico e si misura con un periodo di tempo chiamato emivita. Un’emivita è il tempo necessario alla metà degli atomi instabili per subire il decadimento radioattivo.

Come si usano i radioisotopi?

I radioisotopi sono una parte essenziale dei radiofarmaci. Infatti, sono stati usati di routine in medicina per più di 30 anni. In media, un australiano su due può aspettarsi, ad un certo punto della sua vita, di essere sottoposto ad una procedura di medicina nucleare che utilizza un radioisotopo a scopo diagnostico o terapeutico.

Alcuni radioisotopi utilizzati in medicina nucleare hanno brevi emivite, il che significa che decadono rapidamente e sono adatti a scopi diagnostici; altri con emivite più lunghe richiedono più tempo per decadere, il che li rende adatti a scopi terapeutici.

L’industria usa i radioisotopi in una varietà di modi per migliorare la produttività e ottenere informazioni che non possono essere ottenute in altro modo.

I radioisotopi sono comunemente usati nella radiografia industriale, che usa una sorgente gamma per condurre prove di stress o controllare l’integrità delle saldature. Un esempio comune è quello di testare le turbine dei motori a reazione degli aerei per verificarne l’integrità strutturale.

I radioisotopi sono anche usati dall’industria per la misurazione (per misurare i livelli di liquido all’interno dei contenitori, per esempio) o per misurare lo spessore dei materiali.

I radioisotopi sono anche ampiamente usati nella ricerca scientifica e sono impiegati in una gamma di applicazioni, dal tracciare il flusso di contaminanti nei sistemi biologici alla determinazione dei processi metabolici nei piccoli animali australiani.

Sono anche usati per conto delle agenzie internazionali di salvaguardia nucleare per rilevare attività nucleari clandestine dai caratteristici radioisotopi prodotti dai programmi di armamento.

Cos’è una sorgente radioattiva?

Una sorgente radioattiva sigillata è una quantità incapsulata di un radioisotopo usata per fornire un fascio di radiazioni ionizzanti. Le fonti industriali di solito contengono radioisotopi che emettono raggi gamma o raggi X.

Quali sono alcuni radioisotopi di uso comune?

I radioisotopi sono usati in una varietà di applicazioni in campo medico, industriale e scientifico. Alcuni radioisotopi comunemente usati nell’industria e nella scienza possono essere trovati nelle tabelle seguenti. I radioisotopi medici sono descritti nella prossima sezione.

Radioisotopi naturali nell’industria e nella scienza

Radioisotopo	Half-vita	Uso
Hydrogen-3 (trizio)	12.32 anni	Utilizzato per misurare l’età delle acque sotterranee “giovani” fino a 30 anni.
Carbonio-14	5.700 anni	Utilizzato per misurare l’età del materiale organico fino a 50.000 anni.
Cloro-36	301.000 anni	Usato per misurare le fonti di cloruro e l’età dell’acqua fino a 2 milioni di anni.
	Lead-210	22.2 anni	Utilizzato per datare strati di sabbia e terreno posati fino a 80 anni fa.

Radioisotopi prodotti artificialmenteradioisotopi prodotti artificialmente nell’industria e nella scienza

Radioisotopo	Half-vita	Uso
Hydrogen-3 (trizio)	12.32 anni	Utilizzato come tracciante nell’acqua triziata per studiare le acque di scarico e i rifiuti liquidi.
Cromo-51	27,7 giorni	Utilizzato per tracciare la sabbia per studiare l’erosione costiera.
Manganese-54	312,12 giorni	Usato per prevedere il comportamento dei componenti di metalli pesanti in effluenti da acque reflue minerarie. Prodotto in reattori.
Cobalto-60	5,27 anni	Utilizzato nella radiografia a raggi gamma, misurazione e sterilizzazione di apparecchiature mediche commerciali. Utilizzato anche per irradiare le larve di mosca della frutta al fine di contenere e sradicare i focolai, come alternativa all’uso di pesticidi tossici. Prodotto in reattori.
Zinco-65	243,66 giorni	Utilizzato per prevedere il comportamento dei componenti di metalli pesanti in effluenti di acque reflue minerarie. Prodotto in ciclotroni.
Technetium-99m	6,01 ore	Utilizzato per studiare i movimenti di liquami e rifiuti liquidi. Prodotto in “generatori” dal decadimento del molibdeno-99, che a sua volta viene prodotto in reattori.
	Caesium-137	30.08 anni	Utilizzato come radiotracciante per identificare le fonti di erosione e deposito del suolo, e anche usato per la misurazione dello spessore. Prodotto in reattori.
Ytterbium-169	32.03 giorni	Usato nella radiografia gamma.
Iridium-192	73.83 giorni	Usato nella radiografia gamma. Utilizzato anche per tracciare la sabbia per studiare l’erosione costiera. Prodotto in reattori.
Oro-198	2,70 giorni	Usato per tracciare il movimento della sabbia nei letti dei fiumi e sui fondali oceanici, e per tracciare la sabbia per studiare l’erosione costiera. Utilizzato anche per tracciare i rifiuti delle fabbriche che causano l’inquinamento degli oceani, e per studiare i movimenti delle acque reflue e dei rifiuti liquidi. Prodotto nei reattori.
Americo-241	432,5 anni	Utilizzato nella misurazione dei neutroni e nei rivelatori di fumo. Prodotto nei reattori.

Radioisotopi in medicina

La medicina nucleare usa piccole quantità di radiazioni per fornire informazioni sul corpo di una persona e sul funzionamento di specifici organi, sui processi biologici in corso, o sullo stato patologico di una specifica malattia. Nella maggior parte dei casi le informazioni sono usate dai medici per fare una diagnosi accurata. In certi casi le radiazioni possono essere usate per trattare organi malati o tumori.

Come sono fatti i radioisotopi medici?

I radioisotopi medici sono fatti da materiali bombardati da neutroni in un reattore, o da protoni in un acceleratore chiamato ciclotrone. ANSTO usa entrambi questi metodi. I radioisotopi sono una parte essenziale dei radiofarmaci. Alcuni ospedali hanno i loro ciclotroni, che sono generalmente usati per fare radiofarmaci con emivita breve di secondi o minuti.

Cosa sono i radiofarmaci?

Un radiofarmaco è una molecola che consiste in un tracciante radioisotopo attaccato a un farmaco. Dopo essere entrato nel corpo, il farmaco radiomarcato si accumulerà in un organo specifico o nel tessuto tumorale. Il radioisotopo attaccato al farmaco tracciante subirà un decadimento e produrrà quantità specifiche di radiazioni che possono essere utilizzate per diagnosticare o trattare malattie e lesioni umane. La quantità di radiofarmaco somministrata è accuratamente selezionata per garantire la sicurezza di ogni paziente.

Radiofarmaci comuni

Circa 25 radiofarmaci diversi sono usati abitualmente nei centri di medicina nucleare australiani.

Il più comune è il tecnezio-99m, che ha le sue origini come silicio di uranio sigillato in una striscia di alluminio e posto nel recipiente del riflettore ricco di neutroni del reattore OPAL che circonda il nucleo. Dopo la lavorazione, il precursore molibdeno-99 risultante viene rimosso e messo in dispositivi chiamati generatori di tecnezio, dove il molibdeno-99 decade in tecnezio-99m. Questi generatori sono distribuiti da ANSTO ai centri medici in tutta l’Australia e nella vicina regione Asia-Pacifico.

Un breve tempo di dimezzamento di 6 ore, e la debole energia del raggio gamma che emette, rende il tecnezio-99m ideale per l’imaging degli organi del corpo per la rilevazione delle malattie senza fornire una dose significativa di radiazioni al paziente. Il generatore rimane efficace per diversi giorni di utilizzo e viene poi restituito all’ANSTO per il rifornimento.

Un altro radiofarmaco prodotto in OPAL è lo iodio-131. Con un’emivita di otto giorni e un decadimento di particelle beta ad alta energia, lo iodio-131 è usato per trattare il cancro alla tiroide. Poiché la ghiandola tiroidea produce la riserva di iodio del corpo, la ghiandola accumula naturalmente lo iodio-131 iniettato nel paziente. La radiazione dello iodio-131 attacca quindi le cellule tumorali vicine con un effetto minimo sul tessuto sano.

Altri radiofarmaci comunemente usati si trovano nelle liste sottostanti.

Radioisotopi medici prodotti dai reattori

Radioisotopo	Half-vita	Uso
	Fosforo-32	14.26 giorni	Utilizzato nel trattamento dei globuli rossi in eccesso.
Cromo-51	27.70 giorni	Utilizzato per etichettare i globuli rossi e quantificare la perdita di proteine gastrointestinali.
Ittrio-90	64 ore	Utilizzato per la terapia del cancro al fegato.
Molibdeno-99	65.94 ore	Utilizzato come ‘genitore’ in un generatore per produrre tecnezio-99m, il radioisotopo più utilizzato in medicina nucleare.
Technetium-99m	6.01 ore	Utilizzato per l’immagine del cervello, tiroide, polmoni, fegato, milza, reni, cistifellea, scheletro, pool di sangue, midollo osseo, pool di sangue del cuore, ghiandole salivari e lacrimali, e per rilevare le infezioni.
Iodio-131	8,03 giorni	Utilizzato per diagnosticare e trattare varie malattie associate con la tiroide umana.
Samario-153	46.28 ore	Usato per ridurre il dolore associato alle metastasi ossee dei tumori primari.
	Lutezio-177	6,65 giorni	Correntemente in studi clinici. Usato per trattare una varietà di tumori, compresi i tumori neuroendocrini e il cancro alla prostata.
	Iridium-192	73,83 giorni	Fornito in forma di filo per l’uso come fonte di radioterapia interna per alcuni tumori, compresi quelli della testa e del seno.

Cyclotron-radioisotopi medici prodotti dal ciclotrone

Radioisotopo	Metàvita	Uso
	Carbonio-11	20.33 minuti	Utilizzato nella Tomografia ad Emissione di Positroni (PET) per studiare la fisiologia e la patologia del cervello, per rilevare la posizione dei focolai epilettici e negli studi di demenza, psichiatria e neurofarmacologia. Utilizzato anche per rilevare problemi cardiaci e diagnosticare alcuni tipi di cancro.
Nitrogeno-13	9,97 minuti	Utilizzato nelle scansioni PET come tracciante del flusso sanguigno e in studi cardiaci.
Ossigeno-15	2.04 minuti	Usato nelle scansioni PET per etichettare l’ossigeno, l’anidride carbonica e l’acqua al fine di misurare il flusso sanguigno, il volume del sangue e il consumo di ossigeno.
Fluoro-18	1,83 ore	Il radioisotopo PET più utilizzato. Utilizzato in una varietà di applicazioni di ricerca e diagnostiche, tra cui l’etichettatura del glucosio (come fluorodeossiglucosio) per rilevare i tumori cerebrali attraverso un aumento del metabolismo del glucosio.
Copper-64	12,7 ore	Utilizzato per studiare le malattie genetiche che interessano il metabolismo del rame, in PET scansioni, e ha anche potenziali usi terapeutici.
Gallio-67	78,28 ore	Utilizzato nella diagnostica per immagini per rilevare tumori e infezioni.
	Iodio-123	13.22 ore	Usato nell’imaging per monitorare la funzione tiroidea e rilevare disfunzioni surrenali.
Tallio-201	73.01 ore	Usato nell’imaging per rilevare la posizione del muscolo cardiaco danneggiato.

Immagini nucleari

L’imaging nucleare è una tecnica diagnostica che utilizza radioisotopi che emettono raggi gamma all’interno del corpo.

C’è una differenza significativa tra l’imaging nucleare e altri sistemi di imaging medico come la TAC (tomografia computerizzata), la risonanza magnetica (MRI) o i raggi X.

La differenza principale tra l’imaging nucleare e gli altri sistemi di imaging è che, nell’imaging nucleare, la fonte della radiazione emessa è all’interno del corpo. L’imaging nucleare mostra la posizione e la concentrazione del radioisotopo. Se pochissimo del radioisotopo è stato assorbito, un “punto freddo” apparirà sullo schermo indicando, forse, che il sangue non sta passando. Un “punto caldo”, invece, può indicare un eccesso di radioattività assorbita nel tessuto o nell’organo che può essere dovuto a uno stato di malattia, come un’infezione o un cancro. Sia le ossa che i tessuti molli possono essere sottoposti a imaging con successo con questo sistema.

Come funziona l’imaging nucleare?

Un radiofarmaco viene somministrato per via orale, iniettato o inalato, e viene rilevato da una gamma camera che viene utilizzata per creare un’immagine potenziata dal computer che può essere visualizzata dal medico.

L’imaging nucleare misura la funzione di una parte del corpo (misurando il flusso sanguigno, la distribuzione o l’accumulo del radioisotopo), e non fornisce immagini anatomiche ad alta risoluzione delle strutture corporee.

Cosa può dirci l’imaging nucleare?

Le informazioni ottenute dall’imaging nucleare dicono molto a un medico esperto su come funziona una data parte del corpo di una persona. Usando l’imaging nucleare per ottenere una scansione delle ossa, per esempio, i medici possono rilevare la presenza di una “diffusione” secondaria del cancro fino a due anni prima di una radiografia standard. Evidenzia i tentativi di rimodellamento quasi microscopico dello scheletro mentre combatte le cellule tumorali invasive.

Altri tipi di imaging

Tomografia a emissione di positroni (PET)

Una tecnica di imaging nucleare molto usata per individuare i tumori ed esaminare l’attività metabolica negli uomini e negli animali. Una piccola quantità di isotopo radioattivo a vita breve che emette positroni viene iniettata nel corpo su una molecola portante come il glucosio. Il glucosio porta l’emettitore di positroni in aree di alta attività metabolica, come un cancro in crescita. I positroni, che sono emessi rapidamente, formano il positronio con un elettrone dalle biomolecole nel corpo e poi si annichilano, producendo una coppia di raggi gamma. Rilevatori speciali possono seguire questo processo, permettendo di rilevare tumori o anomalie nelle funzioni cerebrali.

Tomografia Computerizzata (TAC)

Una TAC, a volte chiamata TAC (Tomografia Assiale Computerizzata), usa un’attrezzatura speciale a raggi X per ottenere dati di immagini da centinaia di angoli diversi intorno al corpo, e “fette” attraverso di esso. Le informazioni vengono poi elaborate per mostrare una sezione trasversale 3-D dei tessuti e degli organi del corpo. Dal momento che forniscono viste del corpo fetta per fetta, le scansioni CT forniscono informazioni molto più complete dei raggi X convenzionali. L’imaging CT è particolarmente utile perché può mostrare diversi tipi di tessuto – polmoni, ossa, tessuti molli e vasi sanguigni – con maggiore chiarezza rispetto alle immagini a raggi X.

Anche se una scansione CT usa radiazioni, non è una tecnica di imaging nucleare, perché la fonte di radiazioni – i raggi X – proviene da un’apparecchiatura esterna al corpo (al contrario di un radiofarmaco interno al corpo).

Le scansioni PET sono spesso combinate con le scansioni CT, con la scansione PET che fornisce informazioni funzionali (dove il radioisotopo si è accumulato) e la scansione CT che raffina la posizione. Il vantaggio principale della PET è che può fornire al medico esaminatore dati quantificati sulla distribuzione del radiofarmaco nel tessuto o nell’organo assorbente.