Wat zijn radio-isotopen?
Radio-isotopen
Verschillende isotopen van hetzelfde element hebben hetzelfde aantal protonen in hun atoomkernen, maar een verschillend aantal neutronen.
Radio-isotopen zijn radioactieve isotopen van een element. Zij kunnen ook worden gedefinieerd als atomen die een onstabiele combinatie van neutronen en protonen, of overtollige energie in hun kern bevatten.
Hoe ontstaan radio-isotopen?
De onstabiele kern van een radio-isotoop kan op natuurlijke wijze ontstaan, of als gevolg van het kunstmatig veranderen van het atoom. In sommige gevallen wordt een kernreactor gebruikt om radio-isotopen te produceren, in andere een cyclotron. Kernreactoren zijn het meest geschikt om neutronenrijke radio-isotopen te produceren, zoals molybdeen-99, terwijl cyclotrons het meest geschikt zijn om protonrijke radio-isotopen te produceren, zoals fluor-18.
Het bekendste voorbeeld van een in de natuur voorkomend radio-isotoop is uranium. Op 0,7 procent na bestaat al het in de natuur voorkomende uranium uit uranium-238; de rest is het minder stabiele, of meer radioactieve, uranium-235, dat drie neutronen minder in zijn kern heeft.
Radioactief verval
Atomen met een instabiele kern worden weer stabiel door overtollige deeltjes en energie in de vorm van straling af te stoten. Het proces van het afwerpen van de straling wordt radioactief verval genoemd. Het radioactieve vervalproces van elke radio-isotoop is uniek en wordt gemeten aan de hand van een tijdsperiode die halfwaardetijd wordt genoemd. Een halveringstijd is de tijd die de helft van de onstabiele atomen nodig heeft om radioactief verval te ondergaan.
Hoe worden radio-isotopen gebruikt?
Radio-isotopen zijn een essentieel onderdeel van radiofarmaceutica. Zij worden in feite al meer dan 30 jaar routinematig in de geneeskunde gebruikt. Gemiddeld zal één op de twee Australiërs ooit in zijn leven een procedure in de nucleaire geneeskunde ondergaan waarbij gebruik wordt gemaakt van een radio-isotoop voor diagnostische of therapeutische doeleinden.
Sommige radio-isotopen die in de nucleaire geneeskunde worden gebruikt, hebben een korte halfwaardetijd, wat betekent dat ze snel vervallen en geschikt zijn voor diagnostische doeleinden; andere met een langere halfwaardetijd hebben meer tijd nodig om te vervallen, wat ze geschikt maakt voor therapeutische doeleinden.
De industrie gebruikt radio-isotopen op verschillende manieren om de productiviteit te verbeteren en informatie te verkrijgen die niet op een andere manier kan worden verkregen.
Radio-isotopen worden vaak gebruikt bij industriële radiografie, waarbij een gammabron wordt gebruikt om stresstests uit te voeren of de integriteit van lasnaden te controleren. Een veelgebruikt voorbeeld is het testen van vliegtuigmotorturbines op structurele integriteit.
Radio-isotopen worden door de industrie ook gebruikt voor metingen (bijvoorbeeld om het vloeistofniveau in containers te meten) of om de dikte van materialen te meten.
Radio-isotopen worden ook veel gebruikt in wetenschappelijk onderzoek en worden gebruikt in een reeks toepassingen, van het traceren van de stroom van verontreinigende stoffen in biologische systemen tot het bepalen van metabolische processen in kleine Australische dieren.
Zij worden ook gebruikt ten behoeve van internationale nucleaire veiligheidscontrole-instanties om clandestiene nucleaire activiteiten op te sporen aan de hand van de kenmerkende radio-isotopen die door wapenprogramma’s worden geproduceerd.
Wat is een radioactieve bron?
Een ingekapselde radioactieve bron is een ingekapselde hoeveelheid van een radio-isotoop die wordt gebruikt om een bundel ioniserende straling te leveren. Industriële bronnen bevatten gewoonlijk radio-isotopen die gammastralen of röntgenstralen uitzenden.
Wat zijn enkele veelgebruikte radio-isotopen?
Radio-isotopen worden gebruikt in een verscheidenheid van toepassingen op medisch, industrieel en wetenschappelijk gebied. Sommige radio-isotopen die courant in de industrie en de wetenschap worden gebruikt, staan in de onderstaande tabellen. Medische radio-isotopen worden in het volgende hoofdstuk beschreven.
Natuurlijk voorkomende radio-isotopen in industrie en wetenschap
| Radio-isotoop | Half-levensduur | Gebruik |
|---|---|---|
| Hydrogen-3 (tritium) | 12.32 jaar | Gebruikt om de leeftijd te meten van ‘jong’ grondwater tot 30 jaar oud. |
| 5.700 jaar | Gebruikt om de leeftijd te meten van organisch materiaal tot 50.000 jaar oud. | |
| 301.000 jaar | Gebruikt om bronnen van chloride te meten en de ouderdom van water tot 2 miljoen jaar oud. | |
| Lood-210 | 22.2 jaar | Gebruikt om zandlagen en grond te dateren die tot 80 jaar geleden zijn neergelegd. |
Artificieel-geproduceerde radio-isotopen in industrie en wetenschap
| Radio-isotoop | Half-levensduur | Gebruik |
|---|---|---|
| Hydrogen-3 (tritium) | 12.32 jaar | Gebruikt als tracer in getritityleerd water om rioolwater en vloeibaar afval te bestuderen. |
| 27,7 dagen | Gebruikt om zand te traceren om kusterosie te bestuderen. | |
| 312,12 dagen | Gebruikt om het gedrag te voorspellen van zware metaalcomponenten in afvalwater van mijnbouw. Geproduceerd in reactoren. | |
| Kobalt-60 | 5,27 jaar | Gebruikt bij gamma-radiografie, metingen en sterilisatie van commerciële medische apparatuur. Wordt ook gebruikt voor het bestralen van fruitvlieglarven om uitbraken in te dammen en uit te roeien, als alternatief voor het gebruik van giftige pesticiden. Geproduceerd in reactoren. |
| Zink-65 | 243,66 dagen | Gebruikt om het gedrag te voorspellen van zware metalen in afvalwater uit de mijnbouw. Geproduceerd in cyclotrons. |
| Technetium-99m | 6,01 uur | Gebruikt voor het bestuderen van rioolwater en vloeibare afvalstromen. Wordt in ‘generatoren’ geproduceerd uit het verval van molybdeen-99, dat op zijn beurt in reactoren wordt geproduceerd. |
| 30,08 jaar | Gebruikt als radiotracer om bronnen van bodemerosie en -afzetting te identificeren, en ook gebruikt voor diktemetingen. Geproduceerd in reactoren. | |
| Ytterbium-169 | 32,03 dagen | Gebruikt in gamma radiografie. |
| Iridium-192 | 73,83 dagen | Gebruikt in gamma radiografie. Wordt ook gebruikt om zand op te sporen voor onderzoek naar kusterosie. Geproduceerd in reactoren. |
| Goud-198 | 2,70 dagen | Gebruikt voor het opsporen van zandbewegingen in rivierbeddingen en op oceaanbodems, en voor het opsporen van zand voor het bestuderen van kusterosie. Ook gebruikt om fabrieksafval op te sporen dat oceaanvervuiling veroorzaakt, en om rioolwater en vloeibaar afval te bestuderen. Geproduceerd in reactoren. |
| Americium-241 | 432,5 jaar | Gebruikt in neutronenpeilingen en rookdetectoren. Geproduceerd in reactoren. |
Radio-isotopen in de geneeskunde
Nucleaire geneeskunde gebruikt kleine hoeveelheden straling om informatie te verschaffen over iemands lichaam en de werking van specifieke organen, lopende biologische processen, of de ziektetoestand van een specifieke ziekte. In de meeste gevallen wordt de informatie door artsen gebruikt om een nauwkeurige diagnose te stellen. In bepaalde gevallen kan straling worden gebruikt om zieke organen of tumoren te behandelen.
Hoe worden medische radio-isotopen gemaakt?
Medische radio-isotopen worden gemaakt van materialen die worden gebombardeerd met neutronen in een reactor, of met protonen in een versneller, een cyclotron. ANSTO gebruikt beide methoden. Radio-isotopen zijn een essentieel onderdeel van radiofarmaceutica. Sommige ziekenhuizen hebben hun eigen cyclotrons, die meestal worden gebruikt om radiofarmaceutica te maken met een korte halfwaardetijd van seconden of minuten.
Wat zijn radiofarmaceutica?
Een radiofarmaceuticum is een molecuul dat bestaat uit een radio-isotopentracer die aan een farmaceuticum is gekoppeld. Nadat het geneesmiddel het lichaam is binnengekomen, zal het zich ophopen in een specifiek orgaan of tumorweefsel. De radio-isotoop die aan het targeting farmaceuticum is gehecht, zal vervallen en specifieke hoeveelheden straling produceren die kunnen worden gebruikt om ziekten en verwondingen bij de mens te diagnosticeren of te behandelen. De hoeveelheid toegediend radiofarmaceuticum wordt zorgvuldig geselecteerd om de veiligheid van elke patiënt te waarborgen.
Gemeenschappelijke radiofarmaceutica
Er worden ongeveer 25 verschillende radiofarmaceutica routinematig gebruikt in de nucleaire-geneeskundecentra van Australië.
Het meest voorkomende is technetium-99m, dat zijn oorsprong vindt als uraniumsilicide dat in een aluminiumstrip is verzegeld en in het neutronenrijke reflectorvat van de OPAL-reactor is geplaatst, dat de kern omringt. Na verwerking wordt de resulterende molybdeen-99-precursor verwijderd en in zogenaamde technetiumgeneratoren geplaatst, waar het molybdeen-99 vervalt tot technetium-99m. Deze generatoren worden door ANSTO gedistribueerd naar medische centra in heel Australië en in de nabijgelegen regio Azië-Stille Oceaan.
Het korte halfwaardetijd van 6 uur en de zwakke energie van de uitgezonden gammastraal maken technetium-99m ideaal voor beeldvorming van organen van het lichaam voor het opsporen van ziekten zonder dat de patiënt een significante stralingsdosis krijgt toegediend. De generator blijft enkele dagen werkzaam en wordt dan teruggestuurd naar ANSTO om te worden bijgevuld.
Een ander radiofarmacon dat in OPAL wordt geproduceerd is jodium-131. Met een halfwaardetijd van acht dagen en een bètadeeltjesverval met een hogere energie wordt jodium-131 gebruikt voor de behandeling van schildklierkanker. Omdat de schildklier de voorraad jodium in het lichaam produceert, stapelt de klier het in de patiënt geïnjecteerde jodium-131 op natuurlijke wijze op. De straling van jodium-131 valt vervolgens de kankercellen in de buurt aan, met minimale gevolgen voor gezond weefsel.
Andere veelgebruikte radiofarmaceutica vindt u in de onderstaande lijsten.
In reactoren geproduceerde medische radio-isotopen
| Radio-isotoop | Half-levensduur | Gebruik |
|---|---|---|
| Fosfor-32 | 14.26 dagen | Gebruikt bij de behandeling van een teveel aan rode bloedcellen. |
| Chroom-51 | 27,70 dagen | Gebruikt voor het labelen van rode bloedcellen en het kwantificeren van gastro-intestinaal eiwitverlies. |
| 64 uur | Gebruikt voor leverkankertherapie. | |
| Molybdeen-99 | 65.94 uur | Gebruikt als ‘ouder’ in een generator om technetium-99m te produceren, de meest gebruikte radio-isotoop in de nucleaire geneeskunde. |
| Technetium-99m | 6.01 uur | Gebruikt voor beeldvorming van de hersenen, schildklier, longen, lever, milt, nieren, galblaas, skelet, bloedplas, beenmerg, bloedplas van het hart, speekselklieren en lacrimale klieren, en om infecties op te sporen. |
| Jodium-131 | 8,03 dagen | Gebruikt voor de diagnose en behandeling van verschillende ziekten die verband houden met de menselijke schildklier. |
| Samarium-153 | 46.28 uur | Gebruikt om de pijn te verminderen die gepaard gaat met benige uitzaaiingen van primaire tumoren. |
| Lutetium-177 | 6,65 dagen | Voor het ogenblik in klinische trials. Wordt gebruikt voor de behandeling van diverse vormen van kanker, waaronder neuro-endocriene tumoren en prostaatkanker. | Iridium-192 | 73,83 dagen | In draadvorm geleverd voor gebruik als inwendige radiotherapiebron bij bepaalde vormen van kanker, waaronder die van het hoofd en de borst. |
Cyclotron-geproduceerde medische radio-isotopen
| Radio-isotoop | Half-levensduur | Gebruik |
|---|---|---|
| Koolstof-11 | 20.33 minuten | Gebruikt in Positron Emissie Tomografie (PET) scans om hersenfysiologie en -pathologie te bestuderen, om de locatie van epileptische foci te detecteren, en in dementie, psychiatrie, en neurofarmacologie studies. Ook gebruikt om hartproblemen op te sporen en bepaalde soorten kanker te diagnosticeren. |
| Stikstof-13 | 9,97 minuten | Gebruikt in PET-scans als een bloedstroom tracer en in hartonderzoek. |
| Zuurstof-15 | 2.04 minuten | Wordt in PET-scans gebruikt om zuurstof, kooldioxide en water te labelen en zo de doorbloeding, het bloedvolume en het zuurstofverbruik te meten. | Fluor-18 | 1,83 uur | De meest gebruikte PET radio-isotoop. Wordt gebruikt voor een groot aantal onderzoeks- en diagnosetoepassingen, waaronder het labelen van glucose (als fluordeoxyglucose) om hersentumoren op te sporen via een verhoogd glucosemetabolisme. |
| 12,7 uur | Gebruikt voor het bestuderen van genetische ziekten die het kopermetabolisme beïnvloeden, in PET-scans, en heeft ook potentiële therapeutische toepassingen. | |
| Gallium-67 | 78,28 uur | Gebruikt bij beeldvorming om tumoren en infecties op te sporen. |
| Jodium-123 | 13.22 uur | Gebruikt bij beeldvorming om de schildklierfunctie te controleren en bijnierdisfunctie op te sporen. |
| Thallium-201 | 73.01 uur | Gebruikt bij beeldvorming om de plaats van beschadigde hartspier op te sporen. |
Nucleaire beeldvorming
Nucleaire beeldvorming is een diagnostische techniek die gebruik maakt van radio-isotopen die gammastralen uitzenden vanuit het lichaam.
Wat is het verschil tussen nucleaire beeldvorming en andere beeldvormingssystemen?
Er is een belangrijk verschil tussen nucleaire beeldvorming en andere medische beeldvormingssystemen zoals CT (Computed Tomography), MRI (Magnetic Resonance Imaging) of röntgenstralen.
Het belangrijkste verschil tussen nucleaire beeldvorming en andere beeldvormingssystemen is dat bij nucleaire beeldvorming de bron van de uitgezonden straling zich binnen het lichaam bevindt. Nucleaire beeldvorming toont de positie en concentratie van de radio-isotoop. Als er heel weinig van het radio-isotoop is opgenomen, verschijnt er een “koude plek” op het scherm, wat er misschien op wijst dat er geen bloed wordt doorgelaten. Een “hot spot” daarentegen kan wijzen op een overmatige opname van radioactiviteit in het weefsel of orgaan, die te wijten kan zijn aan een zieke toestand, zoals een infectie of kanker. Zowel bot als zacht weefsel kunnen met dit systeem met succes in beeld worden gebracht.
Hoe werkt nucleaire beeldvorming?
Een radiofarmacon wordt oraal toegediend, geïnjecteerd of geïnhaleerd, en wordt gedetecteerd door een gammacamera die wordt gebruikt om een computer-verrijkt beeld te maken dat door de arts kan worden bekeken.
Nucleaire beeldvorming meet de functie van een deel van het lichaam (door de bloedstroom, de distributie of de accumulatie van het radio-isotoop te meten), en levert geen hoog-resolved anatomische beelden van lichaamsstructuren.
Wat kan nucleaire beeldvorming ons vertellen?
De informatie die wordt verkregen met nucleaire beeldvorming vertelt een ervaren arts veel over hoe een bepaald deel van het lichaam van een persoon functioneert. Door gebruik te maken van nucleaire beeldvorming voor het maken van een botscan, bijvoorbeeld, kunnen artsen de aanwezigheid van secundaire “uitzaaiingen” van kanker tot twee jaar eerder opsporen dan met een standaard röntgenfoto. Het laat de bijna microscopische remodeleringspogingen van het skelet zien terwijl het de binnendringende kankercellen bestrijdt.
Andere soorten beeldvorming
Positron Emissie Tomografie (PET) scans
Een veelgebruikte nucleaire beeldvormingstechniek voor het opsporen van kankers en het onderzoeken van metabolische activiteit bij mensen en dieren. Een kleine hoeveelheid kortlevende, positron-emitterende radioactieve isotopen wordt in het lichaam geïnjecteerd op een dragermolecuul zoals glucose. Glucose voert de positronstraler naar gebieden met een hoge metabolische activiteit, zoals een groeiende kanker. De positronen, die snel worden uitgezonden, vormen positronium met een elektron uit de biomoleculen in het lichaam en annihileren vervolgens, waarbij een paar gammastralen wordt geproduceerd. Speciale detectoren kunnen dit proces volgen, waardoor kankers of afwijkingen in de hersenfunctie kunnen worden opgespoord.
Computed Tomography (CT)scans
Een CT-scan, soms ook CAT-scan (Computerised Axial Tomography) genoemd, maakt gebruik van speciale röntgenapparatuur om beeldgegevens te verkrijgen vanuit honderden verschillende hoeken rond, en ‘plakjes’ door, het lichaam. De informatie wordt vervolgens verwerkt om een 3-D dwarsdoorsnede van lichaamsweefsels en -organen te tonen. Omdat CT-scans het lichaam plak voor plak weergeven, bieden ze veel uitgebreidere informatie dan conventionele röntgenstralen. CT-beeldvorming is vooral nuttig omdat verschillende soorten weefsel – long, bot, zacht weefsel en bloedvaten – duidelijker kunnen worden weergegeven dan met röntgenfoto’s.
Hoewel bij een CT-scan straling wordt gebruikt, is het geen nucleaire beeldvormingstechniek, omdat de stralingsbron – de röntgenstralen – afkomstig is van apparatuur buiten het lichaam (in tegenstelling tot een radiofarmacon in het lichaam).
ET-scans worden vaak gecombineerd met CT-scans, waarbij de PET-scan functionele informatie verschaft (waar het radio-isotoop zich heeft opgehoopt) en de CT-scan de plaatsbepaling verfijnt. Het belangrijkste voordeel van PET-beeldvorming is dat het de onderzoekende arts gekwantificeerde gegevens kan verschaffen over de radiofarmaceutische distributie in het absorberende weefsel of orgaan.