International Masterclasses 2017 - INFN · J. Esposito, Masterclass 2017, Padova 13-15-16 Marzo...

J. Esposito, Masterclass 2017, Padova 13-15-16 Marzo 2017

International Masterclasses 2017 (per gli studenti delle scuole secondarie superiori)Lunedi 13 Giovedì 16 Marzo 2017 Venerdì 17 Università di Padova,Laboratorio di Informatica - Plesso Paolotti LabP140

Juan Esposito Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN)Laboratori Nazionali di Legnaro (LNL)juan.esposito@lnl.infn.it

Radionuclidi in medicina

Medicina nucleare

Terapia con radionuclide

Ricerca in fisica medica

Aplicazioni della fisica nucleare alla medicina

Tecniche diagnostiche

«guardare» dentro un organismo vivente intatto a livello molecolare

Imaging molecolare è definito come l’analisiper immagini «in vivo» di processi biologici alivello molecolare

si può ottenere facendo l’imaging delladistribuzione in vivo di singole molecole cheinteragiscono con il processo biologico in studio

L’imaging nucleare è petanto una metodologiache usa singole molecole marcate conradionuclidi come «sonde» per raccogliere eregistrare informazioni diagnostiche in vivo

• Scopo: diagnosi precoci e terapie specifiche

La radiazione emessa nel decadimento è utile per:

• Diagnosi : raggi-γ (fotoni) per SPECT ; positroni β+ per PET

• Terapia : Elettroni (β- , Auger e-) e particelle α (nuclei He)

Preparazione del radiofarmaco

Anatomia

Informazioni strutturali, morfologiche !

Funzionalità

Informazioni sul funzionamento degli organi!

Tomografia Computerizzata ad Emissione di Singolo Photone (γ)

Single Photon Emission Computed Tomgraphy (γ)

g, 511 keV

PET-CT

PET-MRI

SPECT-CT

Metodo d’indagine Dose (mSv)

PET (F-18) 15

SPECT 2-10

Rx 0.02-8

TC 1-20

(67 h)

(6.6 h)

(stable)

100% β-

g, 1.4%

142.6 keV

g, 98.6%

140.5 keV

(6.6 h)

2.2 × 105 y

Tc-99m

Soluzione fisiologica (NaCl, 0,9%)

18F (1.83 h)

18O(stabile)

96% β+

3.14% EC

511 keV

Radioisotopi a vita breve: minimizare la dose di radiazione paziente

a differenza dei sistemi a raggi x, non possiamo spegnerli!!!

Il livello di radioattività si riduce nel tempo secondo una legge esponenziale caratterizzata dal parametro

«Tempo di dimezzamento» T1/2 o in alternativa il la costante di decadimento = ln 2/T1/2

Radionuclidi presenti in natura sono solitamente a lunga vita, se vogliamo un radioisotopo a breve vita, dobbiamo

produrlo artificialmente

𝐴 𝑡 = 𝐴(0)𝑒−𝑡(ln 2 /𝑇1/2)𝐴 𝑡 = −𝑑𝑁 𝑡

𝑑𝑡= 𝜆𝑁(𝑡) solution is

Dobbiamo cambiare il rapporto N/Z per uscire fuori dalla zona di stabilità nucleare della materia mediante una reazione nucleare artificialmente indotta…..

Irraggiare nuclei di atomi stabili mediante particelle neutre o ionizzate (neutroni, protoni, particelle etc..) aventi energia sufficientemente elevata per aprire uno (o più) «canali di reazione»

Reazioni per cattura neutronica (attivazione) sfruttando una sorgente intensa di neutroni (es. reattore a fissione)

Reazioni fissione nucleare indotta da neutroni su materiale fissile o fertile (235U/ 238U, 23x-

24xPu, 232Th etc.) (reattori autofertilizzanti o reattori veloci /ADS

Reazioni specifiche indotte da particelle cariche accelerate (es. Ciclotroni) adatti suapposi bersagli (targets)

Necessari reattori MTR( Material Testing

Reactor) ad alto flusso neutronico

Campioni da irraggiare inseriti in canali

dedicati all’interno del core oppure nel

riflettore neutronico a differenti posizioni

radiali

Si sfrutta tutto il range di energia dello

spettro neutronico ~25 meV 20 MeV

Si possono sfruttare diversi tipi di reazione per cattura neutronica sia su materiale stabile sia arricchito isotopicamente

1. (n,g): 𝑍𝐴𝑋 + 𝑛 𝑍

𝐴+1𝑋∗

𝑍𝐴+1𝑋 + 𝛾

2. (n,p): 𝑍𝐴𝑋 + 𝑛 𝑍−1

𝐴𝑋 + 𝑝

3. (n,): 𝑍𝐴𝑋 + 𝑛 𝑍−2

𝐴−3𝑋 + α

4. (n,…)

Note generali

Se il numero di protoni (Z) cambia, la nuova specie chimica è facilmente separabile chimicamente con alti livelli di purezza ed elevata attività specifica (prodotto carrier-free).

Le reazioni di cattura neutronica aumentano il numero di neutroni nel nucleo, perciò tendono a collocarsi ad di sotto della linea di stabilità nucleare: decadono a decadere b- emettendo elettroni

Efficienza di produzione scarsa: anche sotto flussi elevati, (1012-1013 cm-2s-1) attività specifica è bassa (i.e. 1 /106-109)

Per produzioni basate su reazioni (n, g), la più comune, il numero atomico Z non cambia. Nessuma reazione chimica di separazione è possibile (i.e. radionucliprodotti mediante reaziozni (n,g) non sono carrier-free.

Come funziona un ciclotrone…

Target solido

target Gas/liquido

LAboratorio di RAdionuclidi per la MEDicina

Produzione di radionuclidi per irraggiamento con fasci di protoni

Lo ione Rb+ è un analogobiologico di K+, fondamentaleper il funzionamento dellecellule di cuore.

Una volta somministrato periniezione endovenosa, Rb+ vieneassemblato nel miocardio

quando sustituito con unradioisotopo g emettitore, puòessere utilizzato cometracciante per studiare ilfunzionamento cardiaco.

Mean β energy: 141 keVMean Auger e energy: 28 keV

Mean β energy: 190 keVMean Auger e energy: 2 keV

Terapia + Diagnostica = Teranostica67Cu and 64Cu come un «singolo» radioisotopo

Vantaggi:Informazione pre-terapia, sulla biodistribuzione, dosimetria,

sull’organo/tesuto critoco, e la massiam dose tollerabile (MTD)*

Selezione dei pazienti

prima della terapia!

* Srivastava SC, . J Postgrad Med Edu Res 47 (2013) 1:31-46

Produzione = 64Ni(p,n)64Cu

Decadimento = b+ (17%), b- (39%),

t1/2 = 12.701 h

Produzione = 68Zn(p,2p)67Cu

Decadimento = b- (17%), g (39%),

t1/2 = 2.6 d

Cu-64 - Carcinoma prostatico

Scintigrafie prima (sx) e dopo (dx) la terapia con Cu-64

Cu-64 - Melanoma alla gamba sx

100Mo(p,2n)99mTc

microSPECT imaging (1)

Single photon emission computed tomography

Pinhole collimator

Small-Animal Scanners

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