Как работает ядерная медицина

Как  ядерные реакторы помогают с  диагностикой онкологии.
Как работает ядерная медицина

Если вспоминать практическую пользу от открытия цепной реакции деления урана, то сразу после оружия и энергетики, пожалуй, окажутся методы ядерной медицины. Ядерные явления используются как в диагностике, так и лучевой терапии.

Короткоживущий изомер технеция 99mTc — зонд (трассер), перемещение которого по организму и накопление можно контролировать с помощью томографии гамма-квантов, вылетающих при изомерном переходе этого нуклида . Он обладает коротким периодом полураспада (Т = 6,04 часа, распадаясь в основное состояние 99Tc, тоже радиоактивный изотоп, но с периодом полураспада уже 214 тысяч лет) и у технеция нет стабильных изотопов, поэтому он не встраиваться в метаболические пути в организме и быстро выводится. Еще одним важным полезным свойством является энергия γ-излучения (140 кэВ) — она достаточно велика, что бы проникать сквозь ткани и достаточно мала, что бы не вызывать их переоблучения.

В итоге сегодня в мире 80% диагностических процедур с использованием радиофармпрепаратов приходится на 99mTc — это порядка 30 млн процедур в год, в деньгах же Технеций — примерно 1/4 всей ядерной медицины. Диагностика трейсером выглядит как исследование динамики перемещения в организме специально подобранных молекул препарата с технецием — википедия знает множество таких веществ для диагностики разнообразных видов рака. При этом обычно маркирующий препарат накапливается (или не накапливается) в больном (здоровом) органе, и это легко увидеть однофотонным сцинциляционным томографом.

Однако, как мне кажется, гораздо более поразительная, чем сама диагностика, вещь — это получение радиофармпрепарата. Задумайтесь — время полураспада технеция 6 часов — за 24 часа распадается 94% этого изотопа, а значит препарат нельзя купить в аптеке, да его и перевозить-то сложно, даже перемещая его по городу можно потерять половину активности. Давайте раскрутим цепочку диагностической процедуры с конца до начала, а потом посмотрим на мировой рынок этого изотопа.

Как уже можно догадаться, препараты технеция для диагностики получают прямо в больнице с помощью довольно пугающих по своей серьезности радиохимических процедур. 99mTc — единственный дочерний изотоп радиоактивного молибдена 99Mo, период полураспада которого 2.75 дня. Молибден 99 доставляют в больнице в виде генераторов технеция — свинцовых контейнеров в котором находится колонка с осажденным молибденом.

В 20 килограммовом генераторе содержится, обычно, от 0,5 до 5 Кюри (20-120 ГБк) активно распадающегося молибдена. Для получения радиохимпрепарата сквозь колонку промывается химическое вещество которое элюирует (захватывает) технеций. Обычно для этого на генератор надеваются две ампулы — одна с элюэнтом, а вторая с вакуумом, причем на вакуумную ампулу надевается свинцовый экран.

Наконец, набрав раствора 99mTc на его базе готовят радиофармпрепарат. Не поленитесь посмотреть видео ниже — правила обращения с радиоактивной медициной, наводят на мысль, что не очень-то полезно вводить это внутрь :) Средний диагностический тест требует примерно 250 МБк (0,06 Ки) технеция и приводит к получению дозы в 50 мЗв (5 бэр) — примерно одна предельно допустимая годовая доза для персонала АЭС.

Следующий вопрос — откуда беруться генераторы технеция, наполненные 99Mo? Здесь вступают в игру ядерные реакторы. 99Mo — это один из осколков 235U, в продуктах деления его примерно 6,3%. Любой работающий гигаваттник содержит в своем топливе сотни грамм этого изотопа, при том, что потребление для медицинских нужд — всего околого 1 грамма. в год. Однако только остановка и извлечение ТВС из мощного энергетического реактора занимает столько времени (несколько суток), что от молибдена не остается практически ничего.

Поэтому 99Mo получают, облучая на исследовательских реакторах небольшие (десятки грамм) мишени из высокообогащенного 235U (наличие 238 изотопа в мишени дает радиотоксичные трансурановые элементы — плутоний, нептуний, америций). После извлечения из реактора мишени выдерживают 1-2 суток для распада еще более активных, чем молибден, осколков, затем растворяют в азотной кислоте или щелочи и химическим способом в горячей камере экстрагируют 99Mo. Наконец, очищенный раствор с радиоактивным молибденом передают на производство генераторов технеция, где он заряжается в сорбционную колонку. Последний процесс так же происходит в горячих камерах, но мало того — на GMP производстве (система стандартов фармпроизводства, обеспечивающая стерильность и качество препаратов).

Вообще говоря, кпд процесса извлечения 99Mo из урановой мишени невысок: кроме того, что используется мизерная часть дорогого урана 235, так еще и из наработанного молибдена всего несколько процентов попадет в генераторы технеция — остальное уйдет с остальными продуктами деления в радиоактивные отходы или распадется до переработки. Небольшой кпд, работа с оружейным ураном, большое количество радиоактивных отходов определяют дороговизну молибдена — порядка 50 миллионов долларов за грамм в генераторе. Спасает только то, что этот грамм позволяет провести десятки миллионов тестов.

В итоге цепочка производства диагностики с 99mTc выглядит так: производство мишеней из ВОУ -> реактор -> горячие камеры (желательно рядом с реактором) -> GMP горячие камеры для зарядки генераторов технеция -> помещение в больнице для работы с радиоактивными препаратами. Текущий спрос составляет 12000 Кюри в неделю, и в мире есть десяток реакторов, которые занимаются облучением мишеней, но из них подавляющее количество молибдена поставляется канадским реактором NRU (4800 кюри в неделю) расположенным в Чалк Ривер, нидерландским HFR (2500 Ки) из Петтена, бельгийским BR-2 (который должна заменить MYRRHA) и французским OSIRIS — вместе они ответственны за 80% рынка этого нуклида. Рядом расположены так же крупнейшие переработчики мишеней Nordion в Kанаде, Mallinckrodt в Голландии, IRU в Бельгии.

Канадский реактор NRU использует мощную перегрузочную машину, которую ожидаешь увидеть скорее на АЭС. Его мощность 135 мегаватт тепловых — один из самых мощных исследовательских реакторов в мире.

Однако в эту сложившуюся еще в 80х компанию в 2010 году ворвался отечественный поставщик 99Mo — известный институт НИИАР, обладающий мощнейшим парком реакторов для облучения. Облучение ведется на известном нам реакторе СМ, переработка — на радиохимической линии РОМОЛ-99 и самый большой в мире (на одной площадке) парк исследовательских реакторов позволяет производить до 25% мировых потребностей, что использовалось в начале 2010х канадцами Nordion во время закрытия реактора NRU на ремонт и модернизацию. Вообще старение основных реакторов-производителей медицинских радиоизотопов повышает возможности Росатома и других новых производителей (например нового реактора OPAL в Австралии) по завоеванию рынка.

Есть в России и производство полного цикла. НИФХИ имени Л.Я.Карпова (расположенный в Обнинске) облучает мишени в своем бассейновом реакторе ВВР-ц, мощностью 15 мегаватт. Облучение ведется в 4 каналах реактора куда загружаются специальные сборки с внешним охлаждением.

Мишени облучаются в реакторе в течении приблизительно недели, после чего извлекаются, выдерживаются двое суток для распада самых активных осколков деления и перерабатываются в горячих камерах НИФХИ.

НИФХИ изготавливает генераторы технеция на своем GMP производстве. Его мощность — порядка 200 генераторов в неделю, с каждого из которых можно получить до 20 порций технеция для диагностики. Зарядка генераторов, как все остальные этапы — кропотливая работа в горячей камере.

Рынок облученных мишеней сегодня — порядка 50 миллионов долларов, раствора молибдена — 80 миллионов, а генераторов технеция 150, а медицинских процедур — 2 миллиарда долларов. Такой рынок уже вполне окупает создание специальных установок для получения 99Mo, причем в основном разработки направленны на создание активационных или осколочных ускорительных машин — т.е. ускорителей с нейтронным источником (как ESS) вызывающих реакцию вынужденного деления U238 или нейтронного захвата в мишени 98Mo. Пока эти разработки дают более дорогой молибден, чем в уже построенных реакторах, но более дешевый, чем если бы реактор пришлось бы построить специально только для наработки медицинских радиоизотопов. Кроме того, подобные ускорительные установки можно ставить прямо в госпиталях (в госпиталях уже стоит довольно много ускорителей для терапии и наработки короткоживущих диагностических изотопов — например 18F), в отличии от реакторов.

P.S. Изучая эту тему, я обнаружил для себя, что в Таиланде есть исследовательский реактор распространенной серии TRIGA, на котором в том числе получают медицинские радиоизотопы. Еще удивительнее, что он там есть с 1972 года.

Источник: livejournal.com

Комментарии
Комментарии