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