Radioactieve stoffen in onze omgeving en in de geneeskunde. Alfons Verbruggen

Transcriptie

1 Radioactieve stoffen in onze omgeving en in de geneeskunde Alfons Verbruggen 1

2 2

3 Definities Radioactief : actief zoals radium Radium-226 komt voor in de natuur en vervalt onder uitzending van alfastraling naar het r.a. gas radon-222 Het echtpaar Pierre en Marie Curie ondekte op 21 december 1898 radium 3

4 Een atoom is radioactief als zijn kern niet stabiel is omwille van een ongunstige verhouding tussen het aantal positief geladen protonen en het aantal neutrale neutronen in de kern. 4

5 Definities Isotoop Radioisotoop een atoom met in zijn kern even veel protonen als bij andere vormen van dit element, maar met een verschillend aantal neutronen een isotoop dat radioactief (= instabiel) is proton (+) neutron elektron (-) Waterstof-1 waterstof-2 waterstof-3 (deuterium) (tritium) Stabiel stabiel radioactief Ook: koolstof-isotopen: koolstof-12 (stabiel) en koolstof-14 (radioactief) kalium-isotopen: kalium-39 (stabiel) en kalium-40 (radioactief) 5

6 Definities Radioactieve straling straling uitgezonden bij omzetting (verval) van een radioactief (= niet stabiel) atoom naar een meer stabiel atoom (alfa, bèta-min, bèta-plus, gamma, X = roentgen) 6

7 Tweemaal positief geladen deeltjes bestaande uit twee protonen en twee neutronen, ruim 7000 maal zwaarder dan een elektron Zeer geringe draagwijdte in weefsels: max. 40 µm (1/25 mm) in weefsel Kan niet door onze huid Alfastraling Zeer schadelijk bij inwendige besmetting ( botzoekers ) 7

8 Het tragische verhaal van de Radium Dial painters Anemie, necrose van kaak, botfracturen, dood

9 9

10 Bèta-min straling Bèta-min straling zijn elektronen uitgezonden door een kern die te veel neutronen bezit (bijv. koolstof-14). Elektronen zijn 7200 maal lichter dan een alfadeeltje en negatief geladen Draagwijdte in weefsel: 0,4 cm tot 2,2 cm Sommige van deze radioisotopen worden gebruikt voor inwendige radiotherapie (zoals jood-131) 10

11 In de BR2-kernreactor van Mol worden bèta-min stralende radioisotopen gemaakt die wereldwijd in de geneeskunde worden gebruikt 11

12 Gammastraling Elektromagnetische straling (zoals radiogolven, licht, microgolven, ) uitgezonden door radioisotopen in aangeslagen toestand. 12

13 Gammastralen hebben geen lading of materie, bewegen met snelheid van licht. Dringen diep door in materie (weinig gestopt door weefsel). Dergelijke radioisotopen worden meestal gebruikt voor diagnose (SPECTscan). Gammastraling De gammastraling van kobalt-60 wordt (werd) gebruikt voor externe radiotherapie. 13

14 X-straling (Roentgenstraling) Ontdekt door Wilhelm Conrad Röntgen op 8 november 1895 Ontstaat door afremming van elektronen - als secundair effect bij radioactief verval - in X-stralenbuis (voor radiologie) - in lineaire versneller (voor radiotherapie) Bezit dezelfde eigenschappen als gammastraling, doch kan veel meer energie hebben 14

15 X-stralen worden kunstmatig opgewekt voor gebruik in radiografie Klassiek radiografietoestel computertomograaf (CT-toestel)

16 Lineaire versneller: radiotherapie met elektronen of X-stralen

17 Bèta-plus straling (= positronen) Positief geladen elektronen uitgezonden door kernen met te veel protonen zeer snel na uitzending (na < 1/1000 e seconde) annihileren zij (= zij verdwijnen in het niets ) onder uitzending van 2 gammastralen van 511 kev. (Wet van Einstein: massa = energie; E = mc 2 ) vooral de positronstralers fluor-18 en gallium-68 worden in de geneeskunde gebruikt voor diagnose met positron emissietomografie (PET-scan, bijv. met fluor-18 FDG). 17

18 Annihilatie : een positron wordt aangetrokken tot een elektron, beide deeltjes verdwijnen in het niets en worden omgezet tot energie (2 gammastralen van 511 kilo-elektronvolt in tegenovergestelde richting) 18

19 Een cyclotron versnelt protonen om bèta+ stralende radioisotopen te maken

20 Draagwijdte van verschillende soorten straling Papier plastic staal lood 20

21 Kenmerken van radioactiviteit - Iedere radio-isotoop (> 1500) heeft een specifieke halveringstijd (T 1/2 ), dit is de tijd na de welke de radioactiviteit tot de helft is vervallen - De halveringstijd kan variëren van een fractie van een seconde tot miljarden jaren - Radioisotopen gebruikt in de geneeskunde hebben een T 1/2 van enkele uren (voor diagnose) tot enkele dagen (voor therapie) - De hoeveelheid radioactiviteit werd vroeger uitgedrukt in curie (Ci, = activiteit van 1 gram radium-226), nu in becquerel (Bq, = 1 kernomzetting per seconde) 21

22 Radio-isotopen in onze omgeving 1. Radio-isotopen met een halveringstijd van de ordegrootte van de ouderdom van de aarde uranium-238, T 1/2 = 4,5 miljard jaar kalium-40, T 1/2 = 1,28 miljard jaar Een volwassen man (70 kg) bevat ongeveer 160 g kalium waarvan 18 mg kalium-40. Als gevolg daarvan zendt de volwassen man per seconde 450 gammastralen uit. Natuurlijke radioactiviteit in voedsel Voedsel kalium-40 radium-226 dps/kg dps/kg Bananen 130 0,04 Brazil. noten Wortelen 126 0,02-0,08 Aardappelen 126 0,04-0,1 Bier Rood vlees 111 0,02 Boterboon 172 0,08-0,2 Drinkwater ,006 dps: desintegraties per seconde 22

23 Radio-isotopen in onze omgeving 2. Dochterproducten van de langlevende radio-isotopen (bijv. het radioactieve gas radon-222, T 1/2 = 3,82 dagen) 23

24 Radon-222 in België Bij het vervallen van uranium-238 komt o.a. het radioactieve gas radon- 222 (alfa-straler, T1/2 = 3,82 dagen) vrij in de atmosfeer. De vervalproducten van radon-222 binden zich makkelijk aan kleine stofdeeltjes. Radon-222 en zijn radioactieve vervalproducten blijven vooral bij rokers plakken in de longen en veroorzaken door de alfa- en bètastraling longkanker. Volgens een studie van het Federaal Agentschap voor Nucleaire Controle (FANC) is longkanker verantwoordelijk voor de dood van ongeveer Belgen per jaar. In één op de tien gevallen is radon hiervan de oorzaak Zie website van FANC voor radonconcentratie in uw gemeente 24

25 25

26 26

27 Radio-isotopen in onze omgeving 3. Radio-isotopen continu gevormd in atmosfeer door neutronwinden koolstof- 14 (T 1/2 = 5730 jr) en tritium (waterstof-3, T 1/2 = 12,26 jr) - Alle levende organismen (planten en dieren) bevatten 220 Bq/kg koolstof-14 in hun organisch materiaal via opname van 14 CO 2 - Meting van de hoeveelheid koolstof-14 in fossielen laat toe hun ouderdom te bepalen (tot ongev j) 27

28 Radio-isotopen in onze omgeving 4. Radio-isotopen geproduceerd door de mens voorbeelden - 99 Tc (T 1/ jr): dochterproduct van 99m Tc I : splijtingsproduct van kernreactoren Jood-131 (T 1/2 8 d) is vluchtig en komt vrij bij kernrampen. Het wordt opgenomen (via lucht en melk) in de schildklier en kan zo schildklierkanker veroorzaken. Inname van niet - radioactief kaliumjodide verhindert opname van jood-131 in schildklier gedurende 24 u 28

29 29

30 Kernreactoren in Europa 30

31 Natuurlijke radioactiviteit in uw lichaam Radioisotoop totale massa totale radioactiviteit dagelijkse inname in lichaam in lichaam Uranium 90 µg 1,1 dps 1,9 µg Thorium 30 µg 0,11 dps 3 µg Kalium mg 4400 dps 0,39 mg Radium 31 pg 1,1 dps 2,3 pg Koolstof ng 3700 dps 1,8 ng Tritium ( 3 H) 0,06 pg 23 dps 0,003 pg Polonium 0,2 pg 37 dps 0,6 pg µg microgram 10-6 g ng nanogram 10-9 g pg picogram 10-6 g dps desintegraties per seconde 31

32 Gemiddelde jaarlijkse blootstelling van de Europese bevolking aan ioniserende stralen (msv) Kosmische straling % Aardstraling % Inwendige bestraling ( 40 K) % Medische bestraling % Radon (+ thoron) % Andere: % (professionneel: 0.01 msv, radio-actieve neerslag: 0.01 msv, radio-actief afval: 0.02 msv, etc 32 TOTAAL % 32

33 Effecten van hoge dosis ioniserende straling op ons lichaam Meest gevoelig: - Huid (roodheid, afbladeren, perkamenten huid, verzweringen, tijdelijke of permanente haaruitval) - Ooglens (cataract) - Darmwand (perforaties, diarree, misselijkheid, bestralingskater ) - Bloedcellen (bloedingen, verminderde weerstand tegen infecties) - Eicellen en spermacellen (tijdelijke of permanente steriliteit, afwijkingen bij kinderen) 33

34 Effecten van (hoge) dosis ioniserende straling op ons lichaam Blootstelling aan ioniserende straling geeft ook een verhoogde kans op mutaties en daardoor verhoogde kans op - Kanker - Afwijkingen bij de nakomelingen (mentale achterstand, skeletafwijkingen) 34

35 Daling in levensverwachting door diverse oorzaken dagen ongehuwd - man 3500 sigaretten roken - man (20/d) 2250 hartziekte 2100 ongehuwd - vrouw 1600 overgewicht /30%) 1300 sigaretten roken - vrouw (20/d) 800 pijp roken 220 job met 10 msv/j gedurende 40 j 40 natuurlijke straling 8 radiologische onderzoeken

36 Gebruik van radio-isotopen in de geneeskunde - α straling en β - straling geven in weefsel veel energie af op een korte afstand en kunnen gebruikt worden voor inwendige radiotherapie (radiosiotopen worden in het lichaam gebracht) - gammastraling is erg doordringend (weinig energie afgegeven bij doorgang door weefsel) en wordt gebruikt voor * diagnose (voornamelijk) * uitwendige bestralingstherapie (grote hoeveelheden) (ook X-straling) 36

37 Inwendige Radiotherapie Principe : snel delende cellen (tumorcellen, hyperactieve cellen) zijn meer gevoelig dan gezonde cellen aan het schadelijke ioniserende effect van alfadeeltjes en elektronen (β - straling) en zullen dus preferentieel gedood worden in de nabijheid van α- stralers en β - stralers. - de radioactieve stof moet bij voorkeur alleen in het doelwitorgaan terechtkomen zodat het gezonde weefsel maximaal gespaard wordt. 37

38 Voorbeelden van gebruik van radioisotopen voor therapie jood-131 onder vorm van jodide wordt voornamelijk (75 80 %) opgenomen in de schildklier Toepassingen - behandeling van hyperfunctie van schildklier (ambulant) - behandeling van uitzaaiingen van schildklierkanker na operatief wegnemen van de schildklier (5 dagen opname) Ook : - pijnbehandeling van botuitzaaiingen met radium-223 (alfa) - behandeling van tumoren met stof die bindt aan tumorcellen en gemerkt is met lutetium-177 of yttrium-90 (bèta-min) 38

39 Y-90 Y-90 Zevalin Produces heeft een kruisvuur a Crossfire effect Effect Naked antibody Y-90 Zevalin Yttrium-90 Zevalin is nuttig voor behandeling van non-hodgkin lymfoom 39

40 Radioisotopen voor therapie de radioactieve stof wordt soms aangebracht op de plaats waar de (kanker)cellen moeten gedood worden (= brachytherapie) voorbeelden: behandeling van kanker van prostaat, borst of baarmoederhals met jood-125 zaadjes of iridium-191 draden 40

41 Diagnose met radio-isotopenscintigrafie Principe : een verbinding gemerkt met een gammastraler of positronstraler wordt intraveneus ingespoten De gammastraling wordt weinig geabsorbeerd door het weefsel en wordt buiten het lichaam gedetecteerd en gelokaliseerd met een speciaal toestel, namelijk een gammacamera of PET-camera. De kooi waarmee het radio-isotoop gebonden wordt aan het dragermolecule laat toe een radio-isotoop te binden dat nuttig is voor diagnose (technetium-99m, gallium-68) of voor therapie (yttrium-90 of lutetium-177)

42 Diagnose met radio-isotopenscintigrafie het visualiseren en meten van de snelheid en de mate waarin een (radioactief gemerkte) verbinding wordt opgenomen in of uitgescheiden uit een orgaan of weefsel laat toe de functie van dit orgaan of weefsel te meten of metabole processen op moleculair niveau waar te nemen (moleculaire beeldvorming) dit laat toe ziektes op te sporen in een zeer vroeg stadium, lang vóór er afwijkingen zijn in vorm of structuur van een orgaan

43 SPECT-camera (gamma-camera) PET-camera SPECT = single photon emission computed tomography PET = positron emission tomography 43

44 Voorbeelden van SPECT-onderzoeken 44

45 Studie van de nierfunctie Opeenvolgende beelden (telkens van 1 min) van de nieren en de blaas na injectie van een tracerproduct dat via actieve tubulaire secretie uit het bloed wordt geklaard en uitgescheiden wordt via de urine. Dergelijk onderzoek laat toe de nierwerking (bijv. van transplantnier) snel te evalueren

46 Onderzoek van de nierfunctie normale nierfunctie slechte werking van rechternier 46

47 Botscintigrafie na toediening van 99m Tc-bisfosfonaat of 18 F-fluoride Normale botscan Patiënt met botmetastasen Botscan met PET en fluor-18 47

48 99m Tc-ECD voor lokalisatie van een epilepsie-focus vóór chirurgie ter verwijdering van deze focus. Er wordt een hersendoorbloedingsstudie uitgevoerd tijdens een epilepsie-aanval en in normale toestand. Het verschil tussen beide beelden toont de zone van verhoogde doorbloeding tijdens de epilepsie-aanval (= epileptische focus). Door dit beeld te superposeren op een MRI beeld heeft de chirurg een nauwkeurig beeld welk weefsel hij moet verwijderen. Hogere opname tijdens aanval Tijdens aanval Normale toestand - = R L MRI 48

49 DATSCAN bindt in de hersenen aan eiwitten die in geringere mate aanwezig zijn in het striatum bij Parkinson patiënten Onderzoek met deze radiotracer laat toe patiënten te selecteren voor behandeling met duur geneesmiddel voor ziekte van Parkinson 49

50 High resolution 18 F-PE2I PET/MR of dopamine transporters

51 Visualisatie van schildwachtklier bij borstcarcinoom - 99m Tc-colloied ingespoten rond borstumor - 99m Tc-colloied migreert tot aan eerste lymfeklier (schildwachtklier, sentinel node) die zo in beeld kan gebracht worden - Punctie van deze klier om te onderzoeken of daarin ook al kankercellen zitten - Indien geen kankercellen in schildwachtklier: geen chirurgie van lymfeklieren nodig - Zelfde procedure ook bij kanker van prostaat of baarmoederhals 51

52 Voorbeelden van PET onderzoeken PET-radiosotopen hebben korte halveringstijd: fluor-18 = 110 min; gallium-68 = 68 min Tracerproducten worden in het ziekenhuis zelf gemaakt (cyclotron + radiochemie: wedren tegen de tijd...)

53 Bereiding van radiofarmaca voor PET: een wedren tegen de tijd fluor-18 koolstof-11 halveringstijd 110 min 20 min 2. radiosynthese 4. analyse 5. Klinisch onderzoek % radioactiviteit cyclotron bestraling (aanmaak radioisotoop) 3. Zuivering& formulering tijd (min)

54 Omwille van de hoge radioactiviteit bij de bereiding van radioactieve geneesmiddelen wordt gewerkt met geautomatiseerde synthesemodules in loodcellen (10 cm lood) met vooraan loodglas. 54

55 18 FDG Glucose (druivensuiker) Fluoro-Deoxy-Glucose (FDG) Met fluor-18 gemerkt FDG stapelt zich vooral op in de weefsels met een hoog glucoseverbruik, namelijk de hersenen en de hartspier. Ook in de meeste tumoren is het glucoseverbruik hoger dan in normale weefsels. Dit laat toe een groot aantal tumoren te visualiseren met PET en 18 F-FDG

56 FDG-PET in gezonde vrijwilliger FDG-PET in patiënt met talrijke metastasen 56

57 In vivo evaluatie van effect van chemotherapy met 18 FDG Patiënt met GIST tumor imatinib vóór behandeling na behandeling GIST : gastrointestinal stromal tumor 57

58 Neuroendocriene tumor met 68 Ga-DOTATOC and PET/CT 68 Ga-DOTATOC PET CT 68 Ga-DOTATOC bindt met hoge affiniteit aan somatostatine-2 99m receptoren Tc-EDDA-Hynic-TOC die een verhoogde expressie kennen in neuroendocriene tumoren PET + CT 58

59 68 Ga-PSMA PET/CT in patiënt met prostaatkanker 59

60 Een zelfde molecule kan gebruikt worden voor diagnose (gemerkt met gammastraler) en voor therapie (gemerkt met bèta-min straler) 60

61 61