Download Clase 3
Document related concepts
Transcript
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