Programma INFN 2019 Aggiornamento per docenti di scuola...

J. Esposito, INFN Programma Aggiornamento Docenti 2019, (LNL 27.03.2019)

Programma INFN 2019

Aggiornamento per docenti di scuola secondaria di II gradoMercoledì 27 marzo 2019

INFN Laboratori Nazionali di Legnaro Aula Rostagni

Juan Esposito Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN)Laboratori Nazionali di Legnaro (LNL)[email protected]


Osservare il funzionamento delle cellule: Il principio tracciante

Tipi di radiazione: Radionuclidi e radiofarmcaci in medicina

SPECT

PET

Medicina Nucleare: Terapia con radionuclide (teranostica)

Radisotopi: come si producono? (ricerche della fisica nucleareapplicate alla diagnostic/terapia

Aplicazioni della fisica nucleare alla medicina (il progettoLARAMED ai LNL)

Tecniche diagnostiche


Il paradigma dell’imaging molecolare: «guardare» dentro un organismo

vivente, intatto, a livello biomolecolare

Imaging molecolare è definito come l’analisi perimmagini «in vivo» di processi biologici a livellomolecolare

si può ottenere facendo l’imaging della distribuzione invivo di singole molecole che interagiscono con ilprocesso biomolecolare in fase di studio

L’imaging in generale è pertanto una metodologia cheusa singole molecole marcate aventi opportuneproprietà di emissione di fotoni di data energia dausare come «sonde» per raccogliere e registrareinformazioni diagnostiche in vivo


Microscopia ottica a fluorescenza

Uso di molecole fluorescenti fluoroforo

(ad es. GFP, la fluoresceina o il DyLight Fluor

https://it.wikipedia.org/wiki/Fluoroforo

https://it.wikipedia.org/wiki/Green_fluorescent_protein

https://it.wikipedia.org/wiki/Fluoresceina


Dal Fenotipo al…. chemotipo

Posso visualizzare la complessità

molecolare di una cellula quando si

trova all’interno di un organismo?

Se è possibile, COME SI PUO’ fare?


George de Hevesy

scopritore dell’elemento Hf, premio Nobel per la chimica 1943.

Primo ad usare traccianti radioattivi in organismi viventi per seguire processi biochimici e fisiologici di

un gran numero di organismi come i virus, marcati con isotopi radioattivi.


Sistemi a raggi-X: Imaging planare (2D) tridimensionale (3D) TAC

Sistemi con traccianti radioattivi : Imaging planare (2D) o tridimensionale (3D) basato su emisisone di fotoni gamma (SPECT-PET)


Anatomia

Informazioni strutturali,

morfologiche !


Funzionalità

Informazioni sul

funzionamento degli organi!

Dalla materia stabile…a materia instabile


• 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)


Diagnostica Terapia/Teranostica


La Medicina Nucleare è la branca della medicina che utilizza l’energia emessa dai nuclei di atomi instabili (radioattivi) a scopo diagnostico e terapeutico.

http://www.google.it/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&frm=1&source=images&cd=&cad=rja&docid=5hbFRc8iCYTk9M&tbnid=wgV7tKNU4N37OM:&ved=0CAUQjRw&url=http://www.nuclearonline.org/newsletter/casestudy706.htm&ei=I0h6UuOvH6OI0AX2r4HIBg&bvm=bv.55980276,d.ZG4&psig=AFQjCNH1TnhfHrbOyyy2t2xH16D6ylltjw&ust=1383831690361596

http://www.google.it/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&frm=1&source=images&cd=&cad=rja&docid=5hbFRc8iCYTk9M&tbnid=wgV7tKNU4N37OM:&ved=0CAUQjRw&url=http://www.nuclearonline.org/newsletter/casestudy706.htm&ei=I0h6UuOvH6OI0AX2r4HIBg&bvm=bv.55980276,d.ZG4&psig=AFQjCNH1TnhfHrbOyyy2t2xH16D6ylltjw&ust=1383831690361596


Preparazione dellradiofarmaco


Radionuclide T1/2 E (keV)

111In 62 h 170, 340

123I 13 h 27, 159

201Tl 73 h 130, 170

67Ga 68 min 90, 180, 300

99mTc 6 h 140

Principio fisico sfruttato:

diseccitazione nucleare con emissione di

fotoni di bassa energia (max 300 keV)


Principio fisico sfruttato: annichilazione materia-antimateria (e+ e-) da decadimenti + completa trasformazione in energia (emissione coppia di fotoni da 511 keV

Radionuclide T1/2

15O 2 min

13N 10 min

11C 20 min

68Ga 68 min

18F 110 min

64Cu 12 h


Radionuclide Decadimento (EmaxkeV) Rmax (mm)

131Iodio - (970), (365), X 4

90Ittrio - (2279) 12

89Stronzio - (1463) 2.4

186Renio - (932,1069), (137) 1.1

188Renio - (1965,2120), (155) 11

177Lu - (490), (113), X (210) 2

67Cu - (390), (91, 93, 185)


SPECT/PET/CT Alta efficienza Alta risoluzione spaziale Immagini quantitativeMultipli radionuclidi


CARDIOTOMOGRAFIA NUCLEARE

Analisi geometrica bidimensionale (a stati su vari piani) dell’organo in esame


PET PET/CT


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)

𝑠𝑖 𝑚𝑖𝑠𝑢𝑟𝑎 𝑖𝑛 𝐵𝑞 =[1/𝑠]


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 su apposibersagli (targets)


La tabella dei nuclidi è un valido aiuto per trovare il modo migliore per ottenere una data produzione di radionuclidi. Nello schema si evidenziano percorsi differenti (tutti con vantaggi e inconvenienti) per la produzione di F18 partendo da materiale target 18O

18O(p,n)18F

18O(p,2n)17F

18O(p,p2n)16O

18O(p,α)15N

18O(d,α)16N

18O(n,p)18N

18O(n,α)15C

.......

N

Z


Criteri per selezionare la reazione nucleare appropriata ...

1. Il radionuclide prodotto dovrebbe appartenere a un diverso elemento per ottenere, attraverso la separazione chimica, un prodotto ad alta radioattività specifica

2. Le impurezze dei radionuclidi o i radionuclidi dello stesso elemento Z dovrebbero essere evitati se possibile

N

Z

20Ne(d,α)18F

21Ne(p,α)18F

19F(p,d)18F

16O(α,d)18F

16O(d,)18F

18Ne(n,p)18F

18O(p,n)18F


La radioattività specifica può anche essere una relazione tra la radioattività A e il numero di molecole marcate (MA) e non marcate (MS) Sa = A / (MA + MS)

Qualunque sia la via di produzione seguita da ciascun radionuclide di interesse per la medicina deve fornire, nel complesso, valori nelle specifiche corretti sui seguenti tre parametri

rapporto tra l’attività A del radioisotopo kX e il numero di isotopi radioattivi e stabili NiX (se generati o già presenti) isotopico con l'elemento X. Può essere espresso nelle seguenti 3 formulazioni

NA= Avogadro Number = 6.023·1023 at(mol)/mole

Mmol = Massa molare (atomi or molecule) dell’elemento/composto X (g/mol)

1. Attività specifica (As):


Maggiore è questo valore, migliore è il contributo alla radioattività dato dal radionuclide interessato (i.e. kX).

Fornisce anche una risposta diretta sull'efficacia del percorso di produzione selezionato

(bassa contaminazione radioattiva da altri radionuclidi generati dallo stesso elemento X)


rapporto (espresso in %) in funzione del tempo, tra l’attività del radionuclide kX e l’attività di tutti i radionuclidi (incluso kX ) isotopico con l'elemento X.

2. Purezza radionuclidica (RNP):


Maggiore è questo valore, migliore è il canale di reazione nucleare selezionato per lo specifico radionuclide interessato (i.e. Produzione molto selettiva - As elevato).

Piccole quantità in massa dell’elemento (o composto) radiattivo sono pertanto necessarie

nella fase di labelling chimico con il prodotto farmaceutico per produrre il radiofarmaco


rapporto (espresso in %) in funzione del tempo, tra il numero di radioisotopi kX presenti e tutti gli isotopi (sia radioattivi che stabili) incluso kX ) isotopici con l'elemento X.

3. Inverso del Fattore di diluizione isotopica (IDF)-1:


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


La probabilità di una reazione di interazione con un neutrone-nucleo: il concetto di sezione d’urto nucleare (xs)

Una reazione nucleare con particelle cariche e con

neutroni veloci può avere una sezione d’urto ben al

di sotto del nucleo geometrical size.Una reazione nucleare con neutroni termici può avere valori di

sezioni trasversali molte migliaia di volte maggiori delle

dimensioni geometriche del nucleo !!!! Ciò deriva dal principio

di indeterminazione di Heisenberg:

𝛥𝑥 ∙ 𝛥𝑝 >ℎ

4𝜋Una particella a bassa velocità avrà un'incertezza in posizione

.... Un neutrone con energia molto bassa (termica) sarà sparso

nella stanza!!!

Questa non è inaccuratezza degli strumenti di misura, ma

dipende dalla descrizione quantistica della natura


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

1. (n,): 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 - 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, ), la più comune, il numero atomico Z non cambia. Nessuna reazione chimica di separazione è possibile (i.e. radionucli prodotti mediante reazioni (n,) non sono carrier-free.


Sia con le reazioni indotte da neutroni che con quelle indotte dalla fissione, la resa Nr per la produzione di radioisotopi nel periodo di tempo t per un volume target unitario è un equilibrio tra produzione e decadimenti. Può essere calcolato prendendo in considerazione:

a) Sezione d’urto specifica per la reazione (E), in barn o unità 10-24 cm2 ;

b) La densità atomica nt del material target 𝑛𝑡 =𝜌

𝐴∙ 𝑁𝐴 (cm-3)

c) Livello del flusso neutronico (E), in cm-2s-1

d) La costante di decadimento = ln(2)/T1/2

𝑁𝑟 =1 − 𝑒−𝜆𝑡

𝜆

𝐸𝑚𝑖𝑛

𝐸𝑚𝑎𝑥

𝑛𝑡 ∙ 𝜙(𝐸) ∙ 𝜎(𝐸)𝑑𝐸

Dopo un determinato periodo di tempo si ottiene la

saturazione nella produzione di radionuclidi,

chiamata equilibrio secolare. L'irradiazione può

essere interrotta a causa della mancata produzione

di attività aggiuntive


F = q(E + v × B)


Target solido

target Gas/liquido


LAboratorio di RAdionuclidi per la MEDicina

AXp

AY

n

Z

Z+1

Produzione di radionuclidi per irraggiamento con fasci di protoni


Produzione = 64Ni(p,n)64Cu

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

t1/2 = 12.701 h

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

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

t1/2 = 2.6 d


Cu-64 - Carcinoma prostatico

Positive lymph node

64Cu2+

18F-Choline

64Cu2+


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

Cu-64 - Melanoma alla gamba sx


100Mo(p,2n)99mTc


Grazie

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