Радиоактивность в науках о жизни

Радиоактивность обычно используется в науках о жизни для высокочувствительных и прямых измерений биологических явлений, а также для визуализации местоположения биомолекул , меченных изотопом радиоактивным .

Все атомы существуют в виде стабильных или нестабильных изотопов , причем последние распадаются с заданным периодом полураспада от аттосекунд до миллиардов лет; Радиоизотопы, полезные для биологических и экспериментальных систем, имеют период полураспада от минут до месяцев. В случае изотопа водорода трития (период полураспада = 12,3 года) и углерода-14 (период полураспада = 5730 лет) эти изотопы черпают свое значение из всей органической жизни, содержащей водород и углерод, и поэтому могут быть использованы для изучения бесчисленного количества живые процессы, реакции и явления. Большинство короткоживущих изотопов производятся в циклотронах , линейных ускорителях частиц или ядерных реакторах , а их относительно короткий период полураспада дает им высокие максимальные теоретические удельные активности, которые полезны для обнаружения в биологических системах.

ПЭТ-сканирование всего тела с использованием ¹⁸F-ФДГ демонстрирует опухоли кишечника и неспецифическое накопление в мочевом пузыре.

Радиомечение — это метод, используемый для отслеживания прохождения молекулы, содержащей радиоизотоп, через реакцию, метаболический путь, клетку, ткань, организм или биологическую систему. Реагент «маркируется» путем замены определенных атомов их изотопом. Замена атома его собственным радиоизотопом — это внутренняя метка, которая не меняет структуру молекулы. Альтернативно, молекулы могут быть помечены радиоактивным изотопом с помощью химических реакций, в ходе которых вводится атом, фрагмент или функциональная группа , содержащая радионуклид . Например, радиойодирование пептидов и белков биологически полезными изотопами йода легко осуществляется посредством реакции окисления, при которой гидроксильная группа заменяется йодом на остатках тирозина и гистадина . Другим примером является использование хелаторов, таких как DOTA , которые могут быть химически связаны с белком; хелатор, в свою очередь, улавливает радиометаллы, маркируя таким образом белок. Его использовали для введения иттрия-90 в моноклональное антитело в терапевтических целях и для введения галлия-68 в пептид. Октреотид для диагностической визуализации с помощью ПЭТ . ^[1] (См. использование DOTA .)

Для некоторых применений радиоактивная маркировка не требуется. Для некоторых целей растворимые ионные соли можно использовать непосредственно без дальнейшей модификации (например, галлий-67 , галлий-68 и радиоактивного йода изотопы ). Такое использование зависит от химических и биологических свойств самого радиоизотопа, позволяющих локализовать его в организме или биологической системе.

Молекулярная визуализация — это область биомедицины, в которой радиоиндикаторы используются для визуализации и количественной оценки биологических процессов с использованием позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ) и однофотонной эмиссионной компьютерной томографии (ОФЭКТ). Опять же, ключевой особенностью использования радиоактивности в науках о жизни является то, что это количественный метод, поэтому ПЭТ/ОФЭКТ не только показывает, где находится меченая радиоактивным изотопом молекула, но и сколько ее.

Радиобиология (также известная как радиационная биология) — область клинических и фундаментальных медицинских наук, занимающаяся изучением действия радиоактивности на биологические системы. Контролируемое воздействие вредной радиоактивности на живые системы — основа лучевой терапии .

Примеры биологически полезных радионуклидов

Водород

Тритий (водород-3) представляет собой излучатель бета- излучения с очень низкой энергией, который можно использовать для маркировки белков , нуклеиновых кислот , лекарств и практически любых органических биомолекул. Максимальная теоретическая удельная активность трития составляет 28,8 кКи / моль (1070 ТБк /моль). ^[2] Однако на молекулу часто приходится более одного атома трития: например, тритированный UTP большинство поставщиков продают , в котором атомы углерода 5 и 6 связаны с атомом трития.

Для обнаружения трития жидкостные сцинтилляционные счетчики классически используются , в которых энергия распада трития передается сцинтилляционной молекуле в растворе, которая, в свою очередь, испускает фотоны, интенсивность и спектр которых можно измерить с помощью матрицы фотоумножителей . Эффективность этого процесса составляет 4–50 % в зависимости от используемого сцинтилляционного коктейля. ^[3]^[4] Измерения обычно выражаются в количествах в минуту (CPM) или распадах в минуту (DPM). твердотельный люминофорный экран , специфичный для трития, вместе с устройством для визуализации фосфора для измерения и одновременного отображения радиоактивного индикатора. В качестве альтернативы можно использовать ^[5] Измерения/изображения являются цифровыми по своей природе и могут быть выражены в единицах интенсивности или денситометрии в пределах интересующей области (ROI).

Углерод

Углерод-14 имеет длительный период полураспада — 5730 ± 40 лет . Его максимальная удельная активность составляет 0,0624 кКи/моль (2,31 ТБк/моль). Он используется в таких приложениях, как радиометрическое датирование или тесты на наркотики. ^[6] Мечение углеродом-14 часто используется при разработке лекарств для проведения исследований ADME (абсорбция, распределение, метаболизм и выведение) на животных моделях, а также в токсикологических и клинических испытаниях на людях. Поскольку обмен трития может происходить в некоторых радиоактивно меченных соединениях, этого не происходит с углеродом-14, и поэтому он может быть предпочтительным.

Натрий

Натрий-22 и хлор-36 обычно используются для изучения переносчиков ионов . Однако натрий-22 трудно отфильтровать, а хлор-36 с периодом полураспада 300 000 лет имеет низкую активность. ^[7]

сера

Сера-35 используется для мечения белков и нуклеиновых кислот. Цистеин — это аминокислота , содержащая тиоловую группу , которую можно пометить серой-35. Для нуклеотидов , не содержащих серную группу, кислород в одной из фосфатных групп может быть заменен серой. Этот тиофосфат имеют небольшое предубеждение против него действует так же, как нормальная фосфатная группа, хотя большинство полимераз . Максимальная теоретическая удельная активность составляет 1494 кКи/моль (55,3 ПБк/моль).

Фосфор

Фосфор-32 широко используется для мечения нуклеиновых кислот и фосфопротеинов. Он имеет самую высокую энергию излучения (1,7 МэВ) среди всех распространенных исследовательских радиоизотопов. Это главное преимущество в экспериментах, для которых чувствительность является основным фактором, таких как титрование очень сильных взаимодействий ( т.е. очень низкая константа диссоциации ), эксперименты по следам и обнаружение фосфорилированных видов с низким содержанием. Фосфор-32 также относительно недорог. Однако из-за его высокой энергии его безопасное использование требует ряда технических мер ( например , акриловое стекло ) и административных мер . Период полураспада фосфора-32 составляет 14,2 суток, а его максимальная удельная активность — 9131 кКи/моль (337,8 ПБк/моль).

Фосфор-33 используется для мечения нуклеотидов. Он менее энергичен, чем фосфор-32, и не требует защиты оргстеклом . Недостатком является его более высокая стоимость по сравнению с фосфором-32, поскольку большая часть бомбардируемого фосфора-31 приобретет только один нейтрон , в то время как лишь некоторые приобретут два или более. Его максимальная удельная активность составляет 5118 кКи/моль (189,4 ПБк/моль).

Йод

Йод-125 обычно используется для мечения белков, обычно по остаткам тирозина. Несвязанный йод летуч, и с ним необходимо обращаться в вытяжном шкафу. Его максимальная удельная активность составляет 2176 кКи/моль (80,5 ПБк/моль).

Хорошим примером разницы в энергии различных радиоядер являются диапазоны окон обнаружения, используемые для их обнаружения, которые обычно пропорциональны энергии излучения, но варьируются от машины к машине: в сцинтилляционном счетчике Perkin Elmer TriLux Beta Окно энергетического диапазона водорода-3 находится между каналами 5–360; углерод-14, сера-35 и фосфор-33 находятся в окне 361–660; а фосфор-32 находится в окне 661–1024. ^{[ нужна ссылка ]}

Обнаружение

Количественный

При жидкостном сцинтилляционном подсчете к сцинтилляционной жидкости добавляют небольшую аликвоту, фильтр или тампон, а планшет или флакон помещают в сцинтилляционный счетчик для измерения радиоактивного излучения. Производители включили твердые сцинтилляторы в многолуночные планшеты, чтобы исключить необходимость использования сцинтилляционной жидкости и сделать этот метод высокопроизводительным.

Гамма -счетчик по формату аналогичен сцинтилляционному счетчику, но он непосредственно обнаруживает гамма-излучение и не требует сцинтилляционного вещества.

Счетчик Гейгера — это быстрое и грубое приближение активности. Эмиттеры с более низкой энергией, такие как тритий, не могут быть обнаружены.

Качественный И Количественный

Ауторадиография : срез ткани, прикрепленный к предметному стеклу микроскопа или мембране, такой как нозерн-блот или гибридизированный слот-блот, можно поместить на рентгеновскую пленку или люминофорный экран для получения фотографического или цифрового изображения. Плотность воздействия, если она откалибрована, может предоставить точную количественную информацию.

Экран для хранения фосфора : Предметное стекло или мембрана помещается напротив люминофорного экрана, который затем сканируется в фосфорном сканере . Это во много раз быстрее, чем методы пленки/эмульсии, и выводит данные в цифровой форме, таким образом, он в значительной степени заменил методы пленки/эмульсии.

микроскопия

Электронная микроскопия : образец не подвергается воздействию пучка электронов, но детекторы улавливают выброшенные электроны из радиоядер.

Микроавторадиография: срез ткани, обычно замороженный, помещают на люминофорный экран, как указано выше.

Количественная авторадиография всего тела (QWBA). Более крупная, чем микроавторадиография, цельные животные, обычно грызуны, могут быть проанализированы для исследований биораспределения.

Научные методы

Регрессия Шильда представляет собой анализ связывания радиолигандов. Он используется для мечения ДНК (5' и 3'), оставляя нуклеиновые кислоты нетронутыми.

Концентрация радиоактивности

Флакон с радиоактивной меткой обладает «общей активностью». Взяв в качестве примера γ32P ATP из каталогов двух основных поставщиков Perkin Elmer NEG502H500UC или GE AA0068-500UCI, в этом случае общая активность составляет 500 мкКи (другие типичные цифры — 250 мкКи или 1 мКи). Он содержится в определенном объеме, в зависимости от радиоактивной концентрации, например от 5 до 10 мКи/мл (от 185 до 370 ТБк/м3). ³); типичные объемы включают 50 или 25 мкл.

Не все молекулы в растворе имеют Р-32 на последнем (т. е. гамма) фосфате: «удельная активность» дает концентрацию радиоактивности и зависит от периода полураспада радиоядер. Если бы каждая молекула была помечена, то максимальная теоретическая удельная активность для Р-32 составила бы 9131 Ки/ммоль. Из-за проблем с предварительной калибровкой и эффективностью это число никогда не указывается на этикетке; часто встречающиеся значения составляют 800, 3000 и 6000 Ки/ммоль. С помощью этого числа можно рассчитать общую концентрацию химикатов и соотношение горячего и холодного.

«Дата калибровки» — это дата, когда активность флакона такая же, как на этикетке. «Предварительная калибровка» — это когда активность калибруется в будущем, чтобы компенсировать спад, произошедший во время транспортировки.

Сравнение с флуоресценцией

До широкого использования флуоресценции в последние три десятилетия радиоактивность была наиболее распространенным ярлыком.

Основное преимущество флуоресценции перед радиофармпрепаратами заключается в том, что она не требует радиологического контроля и связанных с ним затрат и мер безопасности. Распад радиоизотопов может ограничить срок годности реагента, требуя его замены и, следовательно, увеличивая затраты. Одновременно можно использовать несколько флуоресцентных молекул (при условии, что они не перекрываются, см. FRET), тогда как при радиоактивности два изотопа (тритий и изотоп низкой энергии, например можно использовать ³³P из-за различной интенсивности), но требуют специального оборудования (тритиевый экран и обычный фосфорный экран, специальный двухканальный детектор, например [1] ).

Использование флуоресценции не обязательно является более простым или удобным, поскольку для флуоресценции требуется собственное специализированное оборудование и поскольку гашение затрудняет абсолютную и/или воспроизводимую количественную оценку.

Основным недостатком флуоресценции по сравнению с радиофармпрепаратами является серьезная биологическая проблема: химическое маркирование молекулы флуоресцентным красителем радикально меняет структуру молекулы, что, в свою очередь, может радикально изменить способ взаимодействия молекулы с другими молекулами. Напротив, внутренняя радиоактивная метка молекулы может быть осуществлена без какого-либо изменения ее структуры. Например, замена атома водорода на H-3 или атома углерода на C-14 не меняет конформацию, структуру или какое-либо другое свойство молекулы, а просто меняет формы одного и того же атома. Таким образом, молекула, меченная радиоактивным изотопом, идентична своему немеченому аналогу.

Измерение биологических явлений радиоиндикаторами всегда является прямым. Напротив, многие применения флуоресценции в медико-биологических науках являются непрямыми и заключаются в увеличении, уменьшении или сдвиге длины волны излучения флуоресцентного красителя при связывании с интересующей молекулой.

Безопасность

Если в лаборатории, где используются радионуклиды, поддерживается хороший физический контроль здоровья, маловероятно, что общая доза радиации, полученная работниками, будет иметь большое значение. Тем не менее, эффекты низких доз по большей части неизвестны, поэтому существует множество правил, позволяющих избежать ненужных рисков, таких как воздействие на кожу или внутреннее облучение. Из-за низкой проникающей способности и множества переменных трудно преобразовать радиоактивную концентрацию в дозу.1 мкКи Р-32 на квадратный сантиметр кожи (через отмерший слой толщиной 70 мкм) дает 7961 рад (79,61 грей ) в час. Аналогичным образом, маммография дает облучение 300 мбэр (3 мЗв ) на большем объеме (в США средняя годовая доза составляет 620 мбэр или 6,2 мЗв). ^[8] ).

См. также

Ссылки

^ Бриман, WAP; Де Блуа, Э.; Сзе Чан, Х.; Конийненберг, М.; Квеккебум, диджей; Креннинг, EP (2011). «Меченные 68Ga ДОТА-пептиды и радиофармпрепараты, меченные 68Ga, для позитронно-эмиссионной томографии: текущее состояние исследований, клиническое применение и перспективы на будущее». Семинары по ядерной медицине . 41 (4): 314–321. doi : 10.1053/j.semnuclmed.2011.02.001 . ПМИД 21624565 .
^ Фогес, Рольф; Привет, Дж. Ричард; Мениус, Томас (2009). Получение соединений, меченных тритием и углеродом-14 . Чичестер, Великобритания: Wiley. п. 146. ИСБН 978-0-470-51607-2 . Проверено 11 сентября 2017 г.
^ Яконич, И; Николов Ю; и др. (2014). «Исследование эффектов гашения при жидкостном сцинтилляционном счете во время измерений трития». Журнал радиоаналитической и ядерной химии . 302 (1): 253–259. дои : 10.1007/s10967-014-3191-1 . S2CID 95524987 .
^ «Сцинтилляционные коктейли и расходные материалы — для любого применения жидкостного сцинтилляционного счетчика» (PDF) . ПеркинЭлмер . Архивировано из оригинала (PDF) 27 марта 2016 года . Проверено 11 сентября 2017 г.
^ «Фосфорный экран для хранения BAS-IP» (PDF) . GE Life Sciences . 2012. Архивировано из оригинала (PDF) 11 сентября 2017 года . Проверено 11 сентября 2017 г. Файл данных 29-0262-96 АА
^ Радиомеченые тестовые образцы , AptoChem
^ Биохимические методы. Образец для студентов-медиков . 2-е изд. 2008 г., Биргитте Люттге. Орхусский университет.
^ НКРП . 160 . {{cite journal}}: Отсутствует или пусто |title= ( помощь )

[1] Бриман, WAP; Де Блуа, Э.; Сзе Чан, Х.; Конийненберг, М.; Квеккебум, диджей; Креннинг, EP (2011). «Меченные 68Ga ДОТА-пептиды и радиофармпрепараты, меченные 68Ga, для позитронно-эмиссионной томографии: текущее состояние исследований, клиническое применение и перспективы на будущее». Семинары по ядерной медицине . 41 (4): 314–321. doi : 10.1053/j.semnuclmed.2011.02.001 . ПМИД 21624565 .

[2] Фогес, Рольф; Привет, Дж. Ричард; Мениус, Томас (2009). Получение соединений, меченных тритием и углеродом-14 . Чичестер, Великобритания: Wiley. п. 146. ИСБН 978-0-470-51607-2 . Проверено 11 сентября 2017 г.

[3] Яконич, И; Николов Ю; и др. (2014). «Исследование эффектов гашения при жидкостном сцинтилляционном счете во время измерений трития». Журнал радиоаналитической и ядерной химии . 302 (1): 253–259. дои : 10.1007/s10967-014-3191-1 . S2CID 95524987 .

[4] «Сцинтилляционные коктейли и расходные материалы — для любого применения жидкостного сцинтилляционного счетчика» (PDF) . ПеркинЭлмер . Архивировано из оригинала (PDF) 27 марта 2016 года . Проверено 11 сентября 2017 г.

[5] «Фосфорный экран для хранения BAS-IP» (PDF) . GE Life Sciences . 2012. Архивировано из оригинала (PDF) 11 сентября 2017 года . Проверено 11 сентября 2017 г. Файл данных 29-0262-96 АА

[6] Радиомеченые тестовые образцы , AptoChem

[7] Биохимические методы. Образец для студентов-медиков . 2-е изд. 2008 г., Биргитте Люттге. Орхусский университет.

[8] НКРП . 160 . {{cite journal}}: Отсутствует или пусто |title= ( помощь )

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]