Hoá học hạt nhân và phóng xạ

Dược chất phóng xạ và y học hạt nhân

Cách các phân tử đích mang đồng vị phóng xạ chẩn đoán và điều trị vào mô bệnh, cân bằng giữa động học phân rã, thải trừ cơ quan và liều chiếu xạ tế bào.

Trực giácTrực giác: những ngọn hải đăng phân tử trong cơ thể sống

Hãy hình dung việc gửi những trinh sát vi mô qua dòng máu, bám đặc hiệu vào tế bào u và mang theo chiếc đèn lồng phóng xạ tí hon. Vì mô người gần như trong suốt đối với tia gamma năng lượng cao, đầu dò bên ngoài có thể định vị chính xác vị trí tích tụ mà không cần phẫu thuật. Khi thay đèn lồng bằng một hạt mang năng lượng cao, bức xạ sẽ phá huỷ ADN của tế bào ung thư ở cự ly vi mô mà giảm thiểu tổn hại mô lành.

Phổ thôngMức phổ thông: các phương thức ghi hình chẩn đoán và hoá học chất đánh dấu

Các chất đánh dấu lâm sàng minh hoạ cho các chiến lược gắn nhãn phóng xạ phong phú. Tecneti-99m ($t_{1/2} = 6{,}01\text{ h}$, $\gamma$ $140{,}5\text{ keV}$) được chiết tách từ bình sinh $\ce{^{99}Mo/^{99m}Tc}$ dưới dạng pecmangant technetat $[\ce{^{99m}TcO4}]^-$; khử bằng $\ce{Sn^2+}$ cho phép tạo phức thành $\ce{^{99m}Tc-sestamibi}$ (tưới máu cơ tim), $\ce{^{99m}Tc-MDP}$ (di căn xương), hoặc $\ce{^{99m}Tc-MAA}$ (thuyên tắc phổi). Với PET, flo-18 từ máy gia tốc cyclotron ($t_{1/2} = 109{,}8\text{ min}$) được tổng hợp thành $[\ce{^{18}F}]\text{FDG}$ (2-deoxy-2-$[\ce{^{18}F}]$fluoro-D-glucose). Tế bào khối u biểu hiện quá mức thụ thể GLUT và tăng hấp thu $[\ce{^{18}F}]\text{FDG}$ (hiệu ứng Warburg); hexokinase tế bào phosphoryl hoá chất này thành $[\ce{^{18}F}]\text{FDG-6-phosphat}$, không thể tiếp tục đường phân hay đồng phân hoá, dẫn đến giữ bẫy phóng xạ bên trong mô ác tính.

Đại họcĐại học: động học sinh học, chất tạo phức và chu kỳ bán huỷ hiệu dụng

Các ion kim loại phóng xạ ($\ce{Lu^3+}, \ce{Ac^3+}, \ce{Y^3+}, \ce{Ga^3+}$) không thể tiêm trực tiếp ở dạng ion tự do vì sự thuỷ phân và gắn không đặc hiệu vào protein huyết thanh sẽ gây độc tính tuỷ xương và gan nghiêm trọng. Chúng được neo giữ nhờ các chất tạo phức hai chức năng (BFCA), liên kết một vòng càng macrocycle với phân tử sinh học dẫn đường qua cầu nối peptide. Vòng DOTA ($1,4,7,10$-tetraazacyclododecane-$1,4,7,10$-tetraacetic acid) tạo phức 8 càng cực kỳ bền vững ($\log K > 22$) với các lantanit ($\ce{Lu^3+}$) và actini ($\ce{Ac^3+}$) hoá trị ba. Với các ion bát diện nhỏ hơn như $\ce{Ga^3+}$, phối tử NOTA cho phép tạo phức định lượng nhanh ngay ở nhiệt độ phòng.

Nâng caoNâng cao: theranostics, truyền năng lượng tuyến tính và liều lượng học MIRD

Mô hình theranostics kết hợp chẩn đoán phân tử với điều trị trúng đích trên cùng một vector mang. Bệnh nhân u thần kinh nội tiết trước hết được ghi hình bằng $[\ce{^{68}Ga}]\text{Ga-DOTATATE}$ PET để khẳng định mật độ thụ thể somatostatin (SSTR2); nếu dương tính, bệnh nhân được điều trị bằng $[\ce{^{177}Lu}]\text{Lu-DOTATATE}$ (Lutathera). Hiệu quả phụ thuộc sâu sắc vào độ truyền năng lượng tuyến tính (LET): hạt beta ($\ce{^{177}Lu}, \ce{^{131}I}$) có LET thấp ($\sim 0{,}2\text{ keV}/\mu\text{m}$) và quãng chạy dài ($1\text{-}5\text{ mm}$), tạo đứt gãy đơn ADN và hiệu ứng chiếu xạ chéo (crossfire) diệt các tế bào u lân cận. Ngược lại, hạt alpha ($\ce{^{223}Ra}, \ce{^{225}Ac}$) có LET cao ($80\text{-}100\text{ keV}/\mu\text{m}$) và quãng đường siêu ngắn ($40\text{-}80\ \mu\text{m}$), tập trung chùm ion hoá đậm đặc gây đứt gãy kép chuỗi xoắn kép ADN không thể sửa chữa mà không phụ thuộc vào tình trạng oxy mô.

Trong đo liều nội chiếu, quy chuẩn MIRD (Medical Internal Radiation Dose) tính toán liều hấp thụ $D(r_T)$ tại cơ quan đích $r_T$ bằng cách lấy tổng đóng góp từ tất cả các cơ quan nguồn $r_S$. Trong đó $\tilde{A}(r_S)$ biểu thị hoạt độ tích luỹ (tổng số phân rã phóng xạ xảy ra trong cơ quan nguồn theo thời gian), còn $S(r_T \leftarrow r_S)$ là giá trị $S$ đặc trưng cho từng đồng vị và hình học giải phẫu (liều hấp thụ trên một đơn vị hoạt độ tích luỹ, đơn vị $\text{Gy}/(\text{Bq}\cdot\text{s})$). Việc bảo đảm chuỗi cung ứng đồng vị mẹ như $\ce{^{99}Mo}$ ($t_{1/2} = 65{,}9\text{ h}$) là một thách thức kỹ thuật lớn, hiện đang chuyển đổi từ phân hạch urani độ giàu cao (HEU) sang urani độ giàu thấp (LEU) và sản xuất trực tiếp qua máy gia tốc với phản ứng $\ce{^{100}Mo}(p,2n)\ce{^{99m}Tc}$.