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Aplicaciones de
Radioisótopos y
Radiaciones Ionizantes en
Ciencias Biomédicas
Rayos X
Rayos XTomografía
Computada
Rayos X-Tomografía Computada
Rayos X-Tomografía Computada
Tomografía Computada Dental
Uso de Sustancias
Radiactivas en la Práctica
Biomédica
Utilización de radioisótopos en análisis de
laboratorio (investigación y diagnóstico)
Introducción de sustancias radiactivas en el
organismo (diagnóstico y terapia)
Irradiación externa del organismo (sólo terapia)
Aplicaciones Biomédicas Básicas
de los Radioisótopos
Biología celular e histología
Localizaciones de estructuras subcelulares y moleculares
Bioquímica
Rutas metabólicas
Biofísica
Transporte en membranas
Microbiología
Esterilización
Fisiología
Análisis funcionales de órganos y
sistemas
Farmacología
Radiofármacos
Aplicaciones Clínicas de los
Radioisótopos
Diagnósticas
Análisis Bioquímico
Análisis Fisiopatológico
Diagnóstico por imágenes
Terapéuticas
Terapias Oncológicas
Tratamiento del dolor óseo
Tratamiento del hipertiroidismo
Radiotrazadores
Moléculas orgánicas o inorgánicas con uno o más
átomos radiactivos
Ejemplos: glucosa (14C), 131I-, ATP (γ-32P)
Tienen las mismas propiedades químicas que las
correspondientes moléculas sin marca
radiactiva. Trazan el comportamiento
biológico de la especie química.
Decaimiento de Radioisótopos
En general, en las prácticas
médicas y bioquímicas
corrientes, la cantidad de
átomos radiactivos es muy
pequeña (trazas) en
comparación con la cantidad
de átomos no radiactivos de
la misma especie
Pese a ser pocos, a los
átomos radiactivos se los
detecta con facilidad
Repasamos …
Actividad
Número de desintegraciones nucleares
por unidad de tiempo
Unidades:
Becquerel (Bq)
Curie (Ci)
dps, dpm
cps, cpm
Actividad Específica
Es la actividad de un radionucleido por unidad
de masa del elemento o de la especie química
de la que forma parte
Unidades (A/m): cpm/g, Ci/mMol, Bq/Mol, etc
Concentración de Actividad
Es la actividad de un radionucleido por unidad
de volumen de la preparación radiactiva
Unidades (A/V): cpm/ml, Ci/L, Bq/L, etc.
Una aplicación de los radioisótopos:
Análisis
Compartimental
Compartimiento:
Conjuntos de objetos con propiedades compartidas
Espacio limitado por barreras físicas (o cinéticas).
Ejemplos: El espacio intravascular. El total de eritrocitos
circulantes. El total de mitocondrias de una célula. El
conjunto de moléculas de glucosa plasmática. El calcio total
contenido en los cristales óseos. El líquido intersticial. Etc.
Propiedades de los Compartimientos
Objeto del Análisis
Su tamaño (masa o volumen)
Su velocidad de intercambio con
el entorno o compartimientos
vecinos
Un ejemplo …
Cálculo de velocidades de difusión
unidireccionales
C2
D
v0
1
2
A2
Tiempo
Cálculo de Volúmenes por Dilución
Isotópica
DOSIS TRAZADORA
V
Volumen =
MUESTRA
AGITACION Y
MEZCLADO
Dosis ( cpm )
Concentracion de Actividad ( cpm / mL )
Cálculo de Compartimientos
Otra aplicación de los radioisótopos:
Radioinmunoanálisis (RIA)
Fundamento:
Se
utiliza
una
reacción inmunológica (AntígenoAnticuerpo) para estimar a un
ligando.
Ag + Ac ↔ Ag-Ac + Ag
Ag* + Ac ↔ Ag*-Ac + Ag
Si a una cantidad dada de antígeno (Ag) se le agrega una pequeña
cantidad del mismo antígeno marcado con un radionucleído (Ag*), y
ambos se hacen reaccionar con su anticuerpo (Ac), estando este último
en concentración limitada, Ag y Ag* competirán por unirse.
RADIOINMUNOANÁLISIS
Características de los Radionucleidos
en RIA
Radionucleido con tiempo de vida media largo
(meses a años) para poder tener marcado el
antígeno por mayor tiempo.
Emisor de partículas beta o radiación gamma de
muy baja energía para evitar exposición de las
personas que realizan el ensayo.
Los más utilizados son: 125I (Emisor γ 35 keV,
t1/2: 59,6 días) y 3H (Emisor β- 18 keV, t1/2 : 12,4
años).
RADIOINMUNOANÁLISIS
Ventajas
Alta sensibilidad (10-9 – 10-12 M)
Alta especificidad
Desventajas
Uso de material radiactivo
Requiere de personal entrenado
El laboratorio requiere de las licencias
adecuadas para el manejo de material radiactivo
RADIOINMUNOANÁLISIS
Aplicaciones del Radioinmunoanálisis
Análisis de hormonas, enzimas, esteroides y marcadores
diagnóstico, como: T3, T4, TSH, insulina, calcitonina,
angiotensina, gastrina, ácido fólico, virus B de la
hepatitis, antígeno carcinoembrionario, α-fetoproteína,
aldosterona, hormona del crecimiento, prolactina.
Análisis y monitoreo de medicamentos como: barbitúricos,
digoxina y gentamicina.
Investigación básica.
Radiofármaco
Es todo producto farmacéutico que, una
vez terminado y listo para ser
empleado, contiene uno o más nucleidos
radiactivos (radioisótopos), incluidos
con un propósito médico (Farmacopea
Argentina, 7ª Ed., 2003)
El radiofármaco es un medicamento
Cumple los requisitos de la Autoridad
Sanitaria (no ser tóxico, no ser pirogénico,
ser estéril, etc.)
El radiofármaco es radiactivo
Cumple los requisitos de la Autoridad
Regulatoria Nuclear (dosis, almacenamiento,
eliminación de residuos, etc.)
www.arn.gov.ar
Algunas pautas importantes de la
Autoridad Regulatoria Nuclear
D.7. Protección Radiológica del Paciente
59. La actividad del material radiactivo administrado con fines
diagnósticos debe ser tal que la dosis al paciente sea la mínima
necesaria y suficiente para conseguir el objetivo perseguido.
60. La actividad del material radiactivo administrado con fines
terapéuticos debe ser tal que la dosis al tejido sano sea la mínima que
pueda razonablemente alcanzarse compatible con la dosis de
tratamiento requerida.
65. Se deben usar métodos adecuados para bloquear la absorción de
los radionucleidos por órganos que no sean objeto de estudio y para
acelerar su excreción, cuando proceda.
Radiofármacos
Clasificación
Estructura
química
Radionucleidos
primarios
Moléculas
marcadas
Uso
Terapia
Diagnóstico
CLASIFICACIÓN DE RADIOFÁRMACOS
(ESTRUCTURA)
Radionucleidos Primarios
Soluciones de compuestos inorgánicos del elemento
respectivo
Compuestos Marcados
Constituidos por una molécula y un radionucleido primario
CARACTERÍSTICAS DE RADIOFÁRMACOS
Características Biológicas del
Radiotrazador
Que se incorpore a la fisiología del
órgano sin alterarla
Que permanezca en la diana el tiempo indispensable
para obtener la información necesaria, con
eliminación rápida del resto del organismo
Que una al blanco con gran afinidad
Que llegue al blanco en cantidad suficiente con
mínima captación en tejido no blanco
CARACTERÍSTICAS DE RADIOFÁRMACOS
Características Físicas del
Radiotrazador
Alta actividad específica
Emisor de radiación γ o β
Espectro de energía en el rango 120-160 keV
(ojo! los fotones de aniquilación siempre son de 511
keV)
Vida media corta
CLASIFICACIÓN DE RADIOFÁRMACOS
(USO)
Radiofármacos para Diagnóstico
Son administrados con el fin de visualizar la
anatomía de un órgano o sistema, evaluar el
comportamiento fisiológico a nivel de los tejidos,
analizar a través de su metabolismo el
comportamiento bioquímico o determinar
cuantitativamente sus parámetros
farmacocinéticos.
CLASIFICACIÓN DE RADIOFÁRMACOS
(USO)
Radiofármacos en
Diagnóstico
a) Determinación de la composición corporal
b) Investigación de procesos metabólicos
c) Estudio dinámico de fluidos (sangre, orina, LCR)
d) Técnicas centellográficas
e) Evaluación de diversas sustancias, hormonas,
vitaminas, virus, drogas, etc.
f) Localización de masas invasoras (ej: Tumores)
g) Localización de centros nerviosos
CLASIFICACIÓN DE RADIOFÁRMACOS
(USO)
Radiofármacos para Terapia
Son aquellos que se administran al paciente con
el objeto de irradiar un tejido interno. Su valor
terapéutico se basa en el efecto de las
radiaciones sobre el tejido en el cual se localiza
y en la selectividad de dicha localización
Terapéutica del Cáncer
a) Aplicación de rayos γ desde una fuente externa (bomba
de Co, bomba de Cs) o de radiación β (aceleradores lineales)
b) Uso de compuestos radiactivos que se
localicen en determinados tipos celulares
(fuente interna)
Las radiaciones aplicadas desde fuentes externas deben ser
de tipo γ debido a su poder penetrante o β de alta energía
(aceleradas)
Las radiaciones aplicadas desde fuentes internas deben ser
de tipo α o β para que tengan un radio de acción reducido y
por lo tanto más específico. El objetivo es atacar lo más
localmente posible el tejido/órgano afectado
Comparación de Requisitos de los
Radiofármacos Según su Aplicación
USO DIAGNÓSTICO
• Obtener una buena
imagen en cámara
gamma
• Con buena relación
blanco / fondo.
• No tiene demasiados
requerimientos
dosimétricos porque se
trabaja con baja
actividad y con
emisores gamma de
baja energía
USO TERAPÉUTICO
• No es necesario obtener
imágenes
• Optimizar la relación
dosis blanco / fondo
• Minimizar la dosis en
órganos críticos
• Evaluar la dosimetría
para cada caso
particular, porque se
usan emisores beta de
diversa E y biomoléculas
de distinta especificidad
Radiofármacos
•¿Cómo se detectan?
Los rayos gamma son emitidos por el radiofármaco
administrado y son detectados externamente por un
detector (Ej. cámara gamma, SPECT, PET). Una
computadora procesa la información obtenida y la
convierte en una imagen que es luego interpretada
por el médico especializado.
MEDICINA NUCLEAR (MN)
La MN es una
modalidad de
diagnóstico por
imágenes que
utiliza sustancias
radioactivas como
fuente energética
Los diferentes isótopos
son incorporados al
organismo solos o
ligados químicamente a
sustancias que se
incorporan a procesos
fisiológicos o
bioquímicos específicos
Los sistemas de detección son únicamente
“rastreadores” de la distribución espaciotemporal de los radiofármacos
El poder de la MN radica en su capacidad
de expresar dicha distribución como
evidencia de patología o normalidad a nivel
tisular
La calidad de la información que ofrece está ligada a:
a) la calidad de los radiofármacos que utilice y
b) la capacidad del equipamiento para describir dicha
distribución
Metodología
-Los radiofármacos se inyectan generalmente por vía
endovenosa (el 131I se administra por vía oral, y a
veces el 99Tc para tiroides)
-Cada radiofármaco tendrá avidez por un órgano,
tejido o patología determinada
- Una vez que el radiofármaco llega al órgano de
estudio, la emisión radioactiva del mismo se detecta
con la cámara gamma
- Imágenes digitalizadas por computadora con un
sistema decodificador analógico-digital
Cámara Gamma Convencional
Planar: Imágenes desplazando el detector en un plano,
de acuerdo a la zona a estudiar
SPECT (single photon emission computed
tomography): Imágenes multiplanares de área de
interés (con mayor sensibilidad que los estudios
planares). Se debe rotar el detector
Cámara Gamma No Convencional
PET (positron emission tomography): Imágenes
metabólicas y funcionales en el área de interés.
Alta definición y sensibilidad. En general con
detector de anillo completo
T
O
M
O
G
R
Á
F
I
C
A
S
Radioisótopos Utilizados en MN
Tc
Tejido óseo (fosforados), músculo cardíaco, cerebro,
tiroides, pulmones, hígado, riñones, glándulas salivales
y lacrimales
51
Cr
Cuantificación de pérdida de proteínas a nivel
intestinal
64
Cu
Estudio de enfermedades genéticas que afectan el
metabolismo del Cu
99m
Medicina
Nuclear
Convencional
(MNC)
Emisores
de fotones
(pueden estar
conjugados
con moléculas
más grandes)
131
I
Estudio y tratamiento de tiroides
59
Fe
Estudios del metabolismo del bazo
Se
Producción de enzimas digestivas
75
133
Xe
Estudios de ventilación pulmonar
Ga
Imágenes de tumores y localización de lesiones
inflamatorias
67
201
Tl
Diagnóstico de enfermedad coronaria, tejidos
isquémicos o necróticos. Detección de tumores de bajo
contraste
111
In
Estudios de cerebro, procesos infecciosos y de
tránsito de colon
Radioisótopos Utilizados en MN
Medicina
Nuclear No
Convencional
(MNNC)
Emisores de
positrones
(conjugados a
biomoléculas)
C
Flujo miocárdico (Acetato11C), metabolismo de ácidos
grasos (Palmitato11C), síntesis de proteínas
13
N
Flujo cerebral y miocárdico (NH4)
15
Flujo sanguíneo, flujo cerebral
11
O
18
F
Determinación de presencia tumoral, metabolismo
miocárdico, cerebro (FDG) (reemplaza al hidrógeno)
Centellografía Planar
El centellograma óseo
Utilidades
• Investigación del dolor óseo
• Investigación de patología neoplásica
• Investigación de patología ósea benigna
Estructura Química de Difosfonatos
Centellografía Planar y SPECT Óseo
Radiofármacos. Difosfonatos-Tc99
Esquema de
Concentración de los
Difosfonatos en el
Hueso
Rastreo Antero-posterior Planar
Metástasis (Estudio Planar)
inyecció
inyección
Medicina Nuclear Convencional
SPECT (Single Photon Emission Computed Tomography)
SPECT Ósea
• Es el segundo estudio en frecuencia luego de la SPECT
cardíaca solicitada en un servicio de medicina nuclear.
• Comparado con el estudio planar, la SPECT aumenta la
detección y localización de las lesiones.
• Aumenta el rendimiento diagnóstico cuando hay lesiones
que requieren una localización más precisa del área
patológica.
• Es localizado, se hace luego del planar de cuerpo entero.
• Aplicaciones: columna, cráneo, cadera, rodillas, otras
SPECT en Mandíbula
• Evalúa viabilidad de injerto óseo post reconstrucción
• Evalúa hueso viable post RDT para colocación de prótesis
dentarias
• Seguimiento evolutivo
• Evalúa osteorradionecrosis (+S y –E que RMN)
• Complementa TAC (tomografía axial computada) en
evaluación de extensión mandibular de tumores de cavidad
oral
SPECT y Evaluación del
Crecimiento Mandibular
(99mTc-MDP)
Fahey et al, Eur J Nucl Med Mol Imaging (2010) 37:1002–1010
SPECT y Carcinomas Intraorales
(99mTc-MDP)
Chan et al, J Nuclear Med, 37(1): 42-45, 1996
SPECT en Cardiología
Perfusión Miocárdica por SPECT
Estudio normal (radiofármaco: Tc99m-sestamibi*)
STRESS
REPOSO
STRESS
REPOSO
STRESS
REPOSO
*Hexakis(2-methoxy-2-methylpropylisonitrile) technetium (99mTc)
SPECT Cardíaco Anormal
Isquemia por
estenosis
coronaria
STRESS
REPOSO
STRESS
REPOSO
STRESS
REPOSO
Principales Limitaciones de la
SPECT
• Duración del estudio (por limitada sensibilidad y
radioisótopos de T1/2 largo)
• Dificultad en la interpretación (por artificios de
atenuación tisular (en obesos y otros)
Sistemas Híbridos
Rayos X y Tomografía
- Rayos X transmitidos a través del
cuerpo desde fuente externa a
un detector (imágenes por
transmisión)
- Estructuras anatómicas
PET vs. CT
• Medicina Nuclear
- Rayos gamma emitidos desde
dentro del cuerpo (imágenes por
emisión)
- Proyección de imagen funcional o
contraste metabólico (no anatómico)
• Perfusión cerebral (función)
• Perfusión miocárdica
• Detección de tumores (metástasis)
EL5823 Nuclear Imaging Yao Wang, Polytechnic U., Brooklyn
Las innovaciones tecnológicas
atienden a:
Posibilitar la detección de nuevos
isótopos incorporados a la MN
Avanzar en la corrección de problemas de
origen físico presentes en las imágenes,
como ser: radiación dispersa, fenómeno de
atenuación de los tejidos, mala relación
señal/ruido, entre otros
Ventajas de la PET sobre SPECT
• Corrección por atenuación
• Alta resolución
• Radioisótopos correspondientes a átomos de la
materia viva. Permite estudiar procesos
bioquímicos.
• Radioisótopos de período de semidesintegración corto, lo cual implica menor
exposición del paciente
• Cuantificación absoluta de procesos
metabólicos y de flujo miocárdico
T1/2 de Radioisótopos
MNC
MNNC
T1/2
(horas)
T1/2
(minutos)
99mTc
6
15O
2
201Tl
73
11C
10
67Ga
72
13N
20
131I
192
18F
110
Principios Físicos de la PET
Dispersión del
Positrón en el
tejido donde
pierde energía
e+
Emisión
del
Positrón
511 keV
rayo γ
511 keV
rayo γ
Electrón
Aniquilación
E = mc2
Emisores de Positrones
Radioisótopo
18F
Reacción
18O
Vida Media
(min)
Decaimiento
Energía
Máx (MeV)
(p,η)
109,77
β+ (100%)
0,64
(p,α)
20,38
β+ (100%)
0,96
(p,η)
2,04
β+ (100%)
1,74
(p,α)
10
β+ (100%)
1,19
18F
11C
14N
11C
15O
15N
15O
13N
16O
13N
El 18F, 11C, 15O y 13N son elementos biógenos. Todos
ellos son producidos artificialmente en un ciclotrón.
Medicina Nuclear No Convencional
¿Por
qué son tan importantes los emisores de positrones?
El 11C, 13N y 15O, están involucrados
directamente en procesos bioquímicos de nuestro
organismo.
El 18F es utilizado como análogo de compuestos
donde las ligaduras C-H ó C-OH pueden ser
reemplazadas por C -18F. El más conocido de ellos, es
la 2-desoxy-2-fluor-d-glucosa marcado con 18F,
[18F]FDG.
PET: Radiotrazadores
• Perfusión Miocárdica
T 1/2
–
15O
(H20)
120 seg
–
13N
(Amonio)
10 min
–
82Rb
(Rubidio)
72 seg
• Metabolismo Cardíaco
–
18F
desoxiglucosa (FDG) (tb p/oncología) 120 min
–
11C
acetato
20 min
–
11C
palmitato
20 min
Medicina Nuclear No Convencional
¿POR QUÉ ES TAN IMPORTANTE LA [18F]FDG?
Porque es un radiofármaco que una vez captado
por las células permite obtener información
respecto de su estado metabólico. De esa
forma, la [18F]FDG dio a la medicina nuclear la
potencia de la imagen metabólica
Porque por el “largo” T1/2 (110’) del 18F, es
posible operar en un servicio de MNNC,
sin contar con un ciclotrón instalado.
18F
Formación de la Imagen
1. Ciclotrón (produce radioisótopos)
2. Tomógrafo (capta la energía emitida por el
paciente)
3. Computadora (construye imágenes
tridimensionales del órgano o tejido a estudiar a
partir de las radiaciones detectadas por el
tomógrafo)
PET: Disposición de los Detectores
MEDICINA NUCLEAR NO CONVENCIONAL
PET (Positron Emission Tomography)
PET: Linfoma Mandibular e
Incidentaloma Tiroideo
Bosch-Barrera et al, Cases J, 2009 doi: 10.4076/1757-1626-2-6384
PET NORMAL CORTES PERPENDICULARES VENTRICULO IZQUIERDO
([13N]amonio)
STRESS
REPOSO
STRESS
REPOSO
CORTES PARALELOS VENTRICULO IZQUIERDO
STRESS
REPOSO
STRESS
REPOSO