Radioizotopové generátory v nukleární medicíně. Ivo Bajer

Radioizotopové generátory v nukleární medicíně Ivo Bajer

Radioizotopové generátory Jsou to zařízení pro výrobu krátkodobých radioizotopů, která obsahují směs dvou radioizotopů - jeden je s delším poločasem - tzv. mateřský, jehož rozpadem pak vzniká požadovaný krátkodobý izotop tzv. dceřinný. To umožňuje používat krátkodobé radionuklidy i na pracovištích daleko od jaderného reaktoru nebo cyklotronu.

Pro počty jader mateřského N a a dceřinného N b radioizotopu platí : dn a a N a dt dn b N dt N a a b b dt

Řešením těchto diferenciálních rovnic pro počty jader mateřského N a a dceřinného N b radioizotopu je t a a a e N N 0 t b t t a b a a b b b a e N e e N N 0 0 b a pro a t b t a b e N te N N 0 0 b a pro

A pro pro aktivity mateřského radionuklidu A a a dceřinného A b radionuklidu platí A 0a a A 0b jsou počáteční aktivity mateřského a dceřinného radionuklidu) t a a a e A A 0 t b t t a b b a b b b a e A e e A A 0 0 b a pro b a pro t b t a b e A te A A 0 0

Závislost aktivity mateřského a dceřinného izotopu na čase (TA/TB=1000:1) mateřský radioizotop dceřinný radioizotop

Závislost aktivity mateřského a dceřinného izotopu na čase (TA/TB=100:1) mateřský radioizotop dceřinný radioizotop

Závislost aktivity mateřského a dceřinného izotopu na čase (TA/TB=10:1) mateřský radioizotop dceřinný radioizotop

Závislost aktivity mateřského a dceřinného izotopu na čase (TA/TB=1:1) mateřský radioizotop dceřinný radioizotop

Pokud je počáteční aktivita dceřinného radionuklidu nulová, tak je zřejmé, že se bude nejprve aktivita rychle zvyšovat (přírůstek z rozpadu mateřského izotopu převažuje nad úbytkem rozpadem) až dosáhne svého maxima a dál se pak už bude pomalu snižovat (přírůstek z rozpadu mateřského izotopu je menší než úbytek rozpadem) po jisté době nastává radioaktivní rovnováha Z časového hlediska rozeznáváme dva druhy radioaktivní rovnováhy :

1) sekulární (trvalá, dlouhodobá) rovnováha - mateřský poločas je mnohokrát větší než dceřinný (>100x) - vzhledem k poločasu dceřinného radionuklidu se zdá jeho aktivita konstantní (klesá jen pomalu s poločasem mateřského nuklidu) - po dosažení rovnováhy se obě aktivity téměř rovnají

2) transientní (přechodná) rovnováha - mateřský poločas je jen o něco větší než dceřinný - po dosažení rovnováhy je dceřinná aktivita o trochu větší než mateřská a klesá s poločasem mateřského radionuklidu pro t A A A B 1 T T 1 B 2 1 A 2

Podmínky radioizotopového generátoru pro využití v nukleární medicíně : Podmínky pro dceřinný radionuklid : - vhodný typ přeměny - vhodná energie záření - vhodný poločas rozpadu - produktem jeho rozpadu musí být stabilní nebo velice dlouhodobý radionuklid s nízkou radiotoxicitou

Podmínky pro radioizotopový generátor : - výsledný produkt generátoru obsahuje jen dceřinný radioizotop (radionuklidová čistota) - co nejvyšší účinnost extrakce dceřinného radionuklidu - záření mateřského radioizotopu lze dostatečně odstínit - jednoduchá obsluha a opakované a reprodukovatelné extrakce dceřinného radionuklidu - podmínky chemické čistoty - podmínky bakteriální čistoty (sterilní a nepyrogenní)

Klinicky používané generátory

Nejpoužívanější radioizotopový generátor je 99 Mo / 99m Tc. Dceřinný produkt 99m Tc se využívá k celé řadě vyšetření - asi 85% všech vyšetření NM na světě se provádí tímto radionuklidem. 99m Tc je eluováno fyziologickým roztokem ve formě technecistanu sodného. Dalším hojně užívaným generátorovým systémem je 81 Rb- 81m Kr generátor. 81m Kr se užívá pro vyšetření plicní ventilace.

Skutečné grafy aktivity v generátoru se budou od předchozích grafů lišit : - protože ne všechny mateřská jádra se musí přeměnit na dceřiná, musí se do vzorce pro aktivitu zavést korekční koeficienty (výsledná aktivita dceřinného radioizotopu tak bude nižší) - dceřinný izotop se bude z generátoru po určité (pravidelné) době extrahovat a tím klesne jeho aktivita k nule - extrakce probíhá s jistou účinností (v generátorů zůstává část dceřinného radionuklidu) následující grafy platí pro 99 Mo/ 99m Tc generátor. korekční koeficient pro 99 Mo/ 99m Tc je 0,876.

Aktivity mateřského 99 Mo a dceřinného 99m Tc - eluce po 24h mateřský radioizotop A k t iv it a [ M B q ] dceřinný radioizotop dceřinný radioizotop po eluci 0 50 100 150 200 250 čas [hod]

Aktivity mateřského 99 Mo a dceřinného 99m Tc - eluce po 12h mateřský radioizotop A k t i v i t a [ M B q ] dceřinný radioizotop dceřinný radioizotop po eluci 0 50 100 150 200 250 čas [hod]

Počty jader 99 Mo, 99m Tc a 99 Tc - eluce po 24h 100,00% 10,00% 1,00% Mo99 Tc99m 0,10% Tc99 0,01% 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 čas (hodiny) Mo99+Tc99m +Tc99

Počty jader 99 Mo, 99m Tc a 99 Tc - bez elucí 100,00% 10,00% 1,00% Mo99 0,10% Tc99m Tc99 Mo99+Tc99m+Tc99 0,01% 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 čas (hodiny)

Všimněme si, že počet jader 99 Tc již brzy po eluci generátoru (asi 10,5 h) překoná počet 99m Tc a dále pořád roste na rozdíl od 99m Tc, který po dosažení rovnováhy už klesá. 99m Tc se chemicky váže na RF stejně jako 99 Tc. Dlouhý čas mezi elucemi generátoru může způsobit, že v RF bude i volný technecistan 99m Tc, protože některé vazby radiofarmaka jsou už obsazeny 99 Tc a to by znehodnotilo vyšetření. uplynulý čas od eluce 12 h 24 h 48 h 72 h 96 h 120 h poměr počtu jader 99 Tc/ 99m Tc 1,14 2,56 6,52 11,89 18,85 27,82

Byly vyvinuty různé druhy 99 Mo/ 99m Tc generátorů : -Sorpční -Chromatografický -Sublimační -Extrakční -Gelový dnes se komerčně vyrábí chromatografické (eluční) generátory. základem tohoto generátoru je kolona obsahující oxid hlinitý adsorbující molybdenanové ionty, která se proplachuje fyziologickým roztokem

Řez Mo 99 /Tc 99m generátorem

Jeden z prvních Mo 99 /Tc 99m generátorů z roku 1967 Squibb Technetope

Historie 99 Mo/ 99m Tc generátoru - 99m Tc byl objeven jako kontaminant při vývoji generátorů na Brookhavenské národní laboratoři pro atomový výzkum v roce 1950. -Walter Tucker a Margaret Greene čistili dceřinný 132 I z mateřského 132 Te a objevili že 99m Tc je dceřinný produkt rozpadu 99 Mo. Všimli si podobnosti dvojice 99 Mo/ 99m Tc s dvojicí 132 Te/ 132 I a vyvinuli tak první molybden/techneciový generátor. -Ve stejnou dobu tam byl i Powell Richards a ten si uvědomil potenciál 99m Tc pro medicínu. Prezentoval to na 7. Mezinárodním elektronickém a nukleárním sympoziu v Říme v červnu 1960. Cestou letadlem se setkal s Paulem Harperem z Chicagské univerzity a nemocnice Argonne pro výzkum rakoviny a vysvětlil mu výhody 99m Tc. -V roce 1961 objednal P. Harper první generátor u BNL. Richards začal spolupráci s Harperem a kolegyní z Chicagské univerzity Katherine Lathrop, která vedla ke zdokonalení mnoha postupů. -V letech 1963-1966 natolik vzrost zájem o že 99m Tc, BNL nezvládalo výrobu a tak v roce 1966 generátory začali vyrábět komerční výrobci Nuclear Consultants (později převzal Mallinckrodt) a Union Carbide a později další.

Walter Tucker a Powel Richards

Výroba Mo 99 -Tc 99 generátoru Ozářením terčíků z vysoce obohaceného uranu v reaktoru s vysokým tokem vznikne celá řada štěpných produktů, mezi nimi i radioizotop Mo 99. Separováním dostaneme čistý Mo 99, který se používá pro výrobu Mo 99 -Tc 99 generátoru. Takto se vyrábí Mo 99 v těchto reaktorech : -NRU v kanadském Chalk River -HFR v holandském Pettene -BR2 v belgickém Mol -OSIRIS v Saclay ve Francii -SAFARI v Pelindabe v Jihoafrické republice.

Všechny tyto reaktory jsou starší než 40 let a zabezpečují více než 90% dostupného Mo 99. Separace Mo 99 z terčíků sa dělá ve čtyřech centrech: - AECL separuje Mo 99 v Chalk River a MDS-Nordion ho čistí v Kanate, Kanada - Covidien v Pettenu, Holandsko - IRE ve Fleurus, Belgie - NECSA-NTP v Pelindabe, Jihoafrická republika

Generátory Mo 99 /Tc 99m potom skládá a prodává velké množství společností, z kterých jsou nejvýznamnější : - Covidien (bývalá Mallinckrodt / TYCO healthcare) - Lantheus Medical Imaging (bývalá DuPont / Bristol-Myers Squibb) - GE Healthcare (předtím prodaný spoločností Amersham) - Iba-Molecular (bývalá CISbio International).

U nás dodávají generátory tyto společnosti : UltraTechneKow FM KC Solid a.s., Rokycany Mallinckrodt (Covidien) DRYTEC MGP s.r.o., Zlín GE HEALTHCARE ELUMATIC III LACOMED s.r.o., Řež IBA Molecular, Belgie

Izotopová krize Alarmující nedostatek výrobních kapacit pro lékařské radioizotopy Od roku 2008 se potýká produkce Mo 99 s problémy (souběh plánovaných odstávek, koroze reaktoru, únik chladiva, končící provozní licence dosluhujících reaktorů), takže jsou dodávky generátorů někdy kráceny a situace nebude lepší ani v tomto roce. Od podzimu 2009 došlo k výraznému navýšení ceny Mo 99 /Tc 99m generátorů.

Aktuální stav produkce Mo 99 - HFR Petten (Nizozemí) bude do poloviny srpna odstaven (33% světové spotřeby 2008) - NRU Chalk River (Kanada) bude až do konce července odstaven (31% světové spotřeby 2008) - BR2 Mol (Belgie) probíhala během května pravidelná údržba (10% světové spotřeby 2008) - Do produkce Mo 99 se zapojují i další reaktory jako výzkumné reaktory v Kanadě, v Nizozemí, Jihoafrické republice, Belgii, Francii, Austrálii, Argentině, od dubna v Polsku (reaktor Maria u Varšavy) a od 18.května i v ÚJV Řeži (reaktor LVR-15 z roku 1950, modernizace 1980)

Odhadovaná spotřeba generátorů v ČR je 420 GBq 99 Mo za týden a očekávaná produkce v ÚJV Řež je 2 TBq (aktivita 6 dní po odeslání od výrobce) za týdenní produkční cyklus, tj. 76násobek spotřeby ČR. Transport z ÚJV Řež do IRE Fleurus, Belgie Přeprava (po silnici, nákladními vozidly) ozářeného materiálu probíhá ve speciálních obalových souborech: obalový soubor kontejner zajišťující dostatečné stínění a zádržný systém zabraňující úniku rad. látek z kontejneru, hmotnost kontejneru 5,5 t, kapacita kontejneru 3 terče, tj. 12 g uranu. Pro přepravu letecky by používaný obalový soubor musel mít typové schválení i pro leteckou přepravu. Obalové soubory poskytuje IRE, Fleurus, Belgie.

Děkuji za pozornost

Použitá literatura : http://astronuklfyzika.cz - V. Ullmann www.nucleide.org http://www.snus.sk http://en.wikibooks.org/wiki/basic_physics_of_nuclear_medicine http://www.sprawls.org/ppmi2/radioact/ http://www.covidien.com/mo99supply http://www.bnl.gov/bnlweb/history/tc-99m.asp http://www.nuclearsafety.gc.ca http://www.nri.cz Přehled užité matematiky - Karel Rektorys a spol.