Radiochimica - Università degli Studi della Basilicata

Se hanno stesso numero atomico, vuol dire che hanno uguale
numero di elettroni e quindi coincidono le proprietà chimiche: èquesta
la caratteristica che consente l’utilizzo di isotopi come TRACCIANTI
BIOLOGICI, in quanto la materia vivente riconosce, utilizza e trasforma
sostanze esclusivamente per le proprietà chimiche, e quindi non può
differenziare e riconoscere due isotopi;
tuttavia, a causa del differente numero di neutroni, possiedono
diverse proprietà fisiche, e per questo possono essere differenziati in
laboratorio con semplici metodiche, consentendo di seguire il destino
biologico di moltissime molecole con essi marcati.
ISOTOPI
Elementi che occupano lo stesso posto nella tavola periodica.
Occupando la medesima posizione, COINCIDERÀ, per gli isotopi di un
elemento, il NUMERO ATOMICO (Z), che si riferisce al numero di protoni.
Differiscono, invece, per il NUMERO DI MASSA (A), che si riferisce alla
somma del numero di protoni e del numero di neutroni che costituiscono il
nucleo.
Rappresentazione dei NUCLIDI (stabili o instabili): M
A
Rappresentazione dei NUCLIDI (stabili o instabili):
Z M
12
6
C
13
6
C,
16
8
O
17
8
O
18
8
O
STABILITA’ ATOMICA E RADIAZIONE
Negli elementi più leggeri, in numero di massa A dell’isotopo più
16
abbondante è generalmente il doppio del numero atomico ( ); vuol
8 O
dire che il rapporto tra il numero di protoni e neutroni è sostanzialmente
UGUALE A 11;
man mano che aumenta il numero di protoni, aumenta tale rapporto;
se ho elementi il cui rapporto protoni/neutroni è basso basso, i loro isotopi
saranno STABILI (nuclidi);
se ho un elevato rapporto protoni/neutroni protoni/neutroni, tali isotopi INSTABILI
andranno incontro a trasmutazioni nucleari spontanee (decadimento),
che comportano emissione di radiazioni (isotopi radioattivi radioattivi, radionuclidi);

Si differenziano per il numero di massa;
ISOTOPI STABILI
Per ogni isotopo di un determinato elemento si indica la percentuale presente in
natura, ovvero la Normal Abundance;
Occorre arricchire l’isotopo di un elemento se la sua normal abundance è
scarsa;
Offrono, rispetto agli isotopi radioattivi, il vantaggio di poter essere manipolati
con calma, di poter essere recuperati e riutilizzati; gli svantaggi sono che le
misurazioni sono più complesse e non ce ne sono tanti disponibili;
Radiazioni beta
N° Atomico (Z): n° protoni
N° Massa (A): n° protoni + n° neutroni
Generalmente costituite da elettroni (β- , conversione di un neutrone in un protone +
un elettrone); più rara è la formazione di positroni (β + , conversione di un protone in un
neutrone + un positrone (elettrone positivo e + neutrone + un positrone (elettrone positivo, e );
dotate di forza di penetrazione della materia più alta rispetto alle radiazioni alfa,
ma la loro capacità di ionizzazione è molto più bassa;
l’emissione di una particella β - da parte di un radionuclide comporta la formazione
di un nuovo nucleo l atomico t i aumentato t t di una unità ità ( (spostamento t t di un posto t verso
destra nella tavola periodica); nel caso dell’emissione di un positrone, avviene il
contrario.
Le trasmutazioni nucleari comportano
PERDITA DELL’IDENTITA’ CHIMICA ORIGINARIA
Radiazioni nucleari
Radiazioni alfa
ISOTOPI RADIOATTIVI
Corpuscolari
Raggi alfa
Raggi beta
Elettromagnetiche Raggi gamma
N° N Atomico (Z): n° n protoni
N° Massa (A): n° protoni + n° neutroni
4
Costituite da 2 protoni e 2 neutroni (nuclei di He ): quindi l’elemento lelementoche che
emette una particella α si trasforma in un nuovo elemento con numero di
massa inferiore di 4 unità e numero atomico inferiore di 2;
dotate di energia cinetica alta, e nel passaggio dentro la materia
perdono d rapidamente id t energia, i ttrasferendola f d l agli li elettroni l tt i con cuii
collidono, producendo elevata ionizzazione; non sono molto penetranti.
Radiazioni gamma
Costituite da radiazioni elettromagnetiche di elevata frequenza;
si originano per cattura di un elettrone (E.C.) o per transizione isomerica (I.T.): nel
primo caso, un protone è trasformato in neutrone per la cattura di un elettrone, e il
nucleo l eccitato it t ttende d ariportarsi i t i add uno stato t t ffondamentale d t l emettendo tt d energia i
come raggi gamma; nel secondo caso, si ha transizione da uno stato eccitato ad
uno stazionario con emissione di energia elettromagnetica;
con la cattura di un elettrone il numero di massa resta invariato, ma si ha
diminuzione di numero atomico; con la transizione isomerica isomerica, il nucleo metastabile si
trasforma in un isomero con egual numero atomico ed egual numero di massa;
ddotate t t di fforza di penetrazione t i ddella ll materia t i ddecisamente i t superiore i rispetto i tt alle ll
radiazioni alfa e beta (altamente penetranti);
2

Energia delle radiazioni
Una particella di massa m e dotata di velocità v avrà un’energia pari a :
E
1 2
m
2
Per le radiazioni corpuscolari alfa e beta, lavelocitàconcuilaparticellaè
espulsa dal nucleo determina la sua velocità iniziale; ma non tutte le
particelle sono espulse con la medesima velocità, per cui si specifica la Emax delle radiazioni emesse da un isotopo.
Per le radiazioni elettromagnetiche gamma, l’energia dipende dalla
frequenza:
E h
L’energia di una radiazione (alfa, beta e gamma) è espressa in elettronvolt (eV)
v
Decadimento
Un isotopo radioattivo si disintegra con una velocità proporzionale alla
costituzione del suo nucleo e seguendo una cinetica di primo ordine
(d (decadimento di t esponenziale): i l )
dI
v - - k I
dt
kt
I I 0 e
I radioattiv ità
0,693
(t 1/2 )
k
t tempo
k costante di velocità di disintegra zione, o costante di decadiment o,
indipenden te da parametri fisici (temperatu ra, pressione, ecc) o chimici
Unità di misura
Nel SI, l’unità lunità di misura della radioattività è il BECQUEREL (Bq),
corrispondente alla quantità di materiale radioattivo che va incontro ad
una disintegrazione g al secondo (1 ( d.p.s.); p ) tuttavia,èpiù p frequente q l’uso del
Curie (Ci), definito come la quantità di materiale radioattivo che dà lo
stesso numero di disintegrazioni di 1g di radio, e cioè 3,7 x 10 10
disintegrazioni al secondo.
L’unità Lunità della radiazione gamma è il Roentgen Roentgen, che corrisponde alla
quantità di radiazione che, passando in 1,293 x 10-3 gdiaria,produce
un’unità di elettricità elettrostatica per cm3 un unità di elettricità elettrostatica per cm ; misura la cosiddetta dose di
esposizione, cioè la capacità di una radiazione di provocare ionizzazione.

Applicazioni biologiche dei radioisotopi
La radioterapia si basa sulle azioni biologiche delle radiazioni ionizzanti
ed è attuata con raggi emessi da elementi radioattivi. Le indicazioni piùù
importanti della radioterapia sono rappresentate da alcune lesioni
malformative lf ti ( (ad d es. angiomi), i i) dda certe t fforme iinfiammatorie fi t i e
degenerative (artriti e artrosi), da alcune endocrinopatie (ipertiroidismo) e
soprattutto da lesioni neoplastiche
neoplastiche.
La cura consiste in un vero e proprio bombardamento di radioattività
mirato sul target d'interesse d interesse (es (es. cellule tumorali) tumorali). Tale bombardamento
può provenire sia dall'esterno dell'organismo che dall'interno, dove il
radioisotopo radioisotopo, opportunamente camuffato in forma di biomolecola
specifica per il riconoscimento di determinati sistemi biologici, viene
portato direttamente sull'obiettivo o target (es. 186/188 portato direttamente sull obiettivo o target (es. Re illustrato in seguito).
Metodi di misura della radioattività
La diagnostica in Medicina Nucleare ha il compito di stabilire gli aspetti
radiologici dell'organismo dell organismo normale e in stato di malattia così da
raccogliere e vagliare tutti quegli elementi che possono comunque
giovare all'identificazione all identificazione e al chiarimento degli stati patologici patologici.
Si sfruttano, perciò, i radioisotopi come traccianti utili per l'osservazione di
determinate regioni interne all'organismo. Le immagini del corpo umano
(o di parte di esso), ottenute tramite rilevamento dei fotoni o delle
particelle emessi dal radionuclide iniettato, trovano dunque
importantissime possibilità di applicazione come occasione di frequenti
iindagini d i i clinico-diagnostiche li i di ti h nell'ottica ll' tti di una sempre più iù specifica ifi e
risolutiva problematica di ricerca clinica e terapeutica su soggetti umani.

L' L'ambito bit di utilizzo tili ddegli li iisotopi t i radioattivi di tti i iin medicina di i sii ddecide id iin ffunzione i
delle specifiche proprietà nucleari degli stessi. Si utilizzano, in particolare,
radionuclidi in grado di emettere:
Radiazioni β - per la TERAPIA. Un esempio di particolare interesse è quello del 186/188 Re, emettitore
bbeta-gamma: t se llegato t aspecifici ifi i anticorpi ti i oaltre lt sostanze t add attività tti ità recettoriale, tt i l esso puòò
consentire sia il trattamento in loco di masse tumorali che studi di biodistribuzione. In base alla
localizzazione del radiofarmaco mediante imaging in vivo, è possibile inoltre studiare il danno
genotossico in particolari distretti corporei, come per esempio quello emopoietico.
Un'altra possibilità di applicazione dei radiofarmaci a base di 188Re riguarda la terapia dell'artrite
reumatoide.
Radiazioni gamma o β + per la DIAGNOSI, cioè la visualizzazione (scintigrafia) di tessuti e strutture
anatomiche che consente di evidenziarne eventuali anomalie morfologiche o funzionali. Un
esempio molto importante di radioisotopo gamma emittente è il 99mTc, ampiamente utilizzato nei
più comuni test diagnostici (SPECT); un noto emettitore di positroni è, invece, il fluoro-18,
radioisotopo artificiale su cui si fonda il meccanismo di funzionamento della PET PET.
Radioisotopo Impiego
Tecnezio 99m
Fluoro 18
In vivo. Viene usato per scintigrafie scheletriche, epatiche, renali, cerebrali,
tiroidee, funzionalità epatica. Tempo di dimezzamento: 6 ore.
In vivo vivo. Usato per la visualizzazione scintigrafica in campo oncologico
oncologico,
cardiologico (metabolismo cardiaco, del flusso coronario, etc.) e neurologico
(diagnosi Alzheimer, epilessia, lesioni cerebrali traumatiche, etc.). Tempo di
dimezzamento: 110 min.
In vivo. Impiegato come agente terapeutico nella cura di tumori e artriti e
Renio 188
come tracciante analogo al 99mTc. Tempo di dimezzamento: 17 ore.
Cobalto 60 In vivo. Usato nella radioterapia dei tumori. Tempo di dimezzamento: 5 anni.
In vivo. Usato per la diagnostica tiroidea e la cura dei tumori della tiroide, le
Iodio i 131 renografie fi e l'indagine i i cosiddetta i total-body. Tempo dii dimezzamento: i
8
giorni.
Tallio 201 In vivo. Serve per scintigrafie del miocardio. Tempo di dimezzamento: 3 giorni.
Iodio 125
In vitro. Serve per tutte le analisi di radioimmunologia (RIA) per il dosaggio
degli ormoni tiroidei. Tempo di dimezzamento: 60 giorni.
Trizio Usato raramente. Tempo di dimezzamento: 12 anni circa.
Carbonio 14 Usato raramente.
La diagnostica medico-nucleare in vivo si fonda essenzialmente sulla possibilità di studiare
fenomeni fisiopatologici utilizzando dei radiocomposti, i quali, una volta somministrati nell'organismo
umano sottoforma di semplici radionuclidi o di molecole radiomarcate, si comportano come
traccianti di un particolare p fenomeno biologico, g , permettendo, p , attraverso l'impiego p g di appositi pp
rivelatori, di produrre immagini diagnostiche.
La tecnologia che ne concretizza la realizzazione prende il nome di "Diagnostica per Immagini"
(imaging) e si basa sull'impiego di particolari apparecchiature dotate di cristalli caratterizzati dalla
proprietà di emettere fotoni quando colpiti da radiazioni γ di energia superiore a qualche decina di
KeV (gamma (gamma-camera). camera) La radiazione emergente dall'organo dall organo e contenente le informazioni relative
al suo stato clinico, viene così restituita sotto forma di immagine.
L'immagine L immagine finale (scintigrafia) èè, quindi quindi, totalmente generata dalla radiazione emessa dal
radionuclide che si è localizzato nell'organo bersaglio, sfruttando un ben preciso meccanismo
biologico: il suo contenuto diagnostico avrà una valenza funzionale e non un semplice carattere
morfologico. f i
Perciò la Medicina Nucleare si differenzia dalle altre discipline come la Radiologia, l'Ecografia e
lla Ri Risonanza MMagnetica ti NNucleare l perché hé non sii li limita it afornire f i iinformazioni f i i di ti tipo morfologico, f l i ma
rappresenta le funzioni biochimiche e fisiologiche dell'organo in esame.

L'informazione diagnostica o l'effetto terapeutico è legato all'utilizzo di
radionuclidi :
• in forma chimica molto semplice: ad esempio il catione 210 TI + è trattenuto dalle
cellule del miocardio come analogo del potassio e permette di evidenziare
fenomeni ischemici; gli isotopi radioattivi dello iodio, sotto forma di ioduri, si
localizzano nella tiroide e vengono utilizzati come traccianti nella sintesi di ormoni
tiroidei.
• iinseriti iti iin composti ti più iù o meno complessi l i ttramite it una serie i di particolari ti l i
manipolazioni chimiche. Ciò riguarda la maggior parte dei radioelementi utilizzati in
Medicina Nucleare. Le tecniche di sintesi utilizzate consentono di ottenere sistemi
biologicamente stabili e compatibili con l'organismo nel quale vengono iniettati.
In entrambi i casi questi radiocomposti vengono detti radiofarmaci e,
attualmente in base al D.L.vo n.178 del 29/5/91, sono classificati come
specialità medicinali
I radiofarmaci vengono somministrati direttamente al paziente, per via
orale o endovenosa. Tali somministrazioni non causano danni in quanto
le dosi impiegate sono basse e i radioisotopi impiegati hanno tossicità
ed energia molto bassa. Inoltre i nuclidi hanno tempi di vita media
piuttosto ridotti e nel radiofarmaco sono generalmente presenti
quantitàà di atomi inattivi che diminuiscono l’attivitàà specifica del
prodotto (radioattività per unità di massa dell’elemento, generalmente
espressa iin MB MBq oGBq GB / grammo). )
La localizzazione del radiofarmaco, dopo somministrazione nei pazienti,
e le informazioni o l'effetto l effetto terapeutico da essi derivanti sono
determinati dalle caratteristiche del radiofarmaco nel suo insieme:
• Caratteristiche chimico chimico-fisiche: fisiche: tipo di emissione del radioisotopo radioisotopo, carica carica, lipofilia lipofilia,
dimensione del complesso radioattivo.
• Possibili interazioni con componenti biologici (tessuto ematico, cellule, membrane, enzimi,
recettori).
Un radiofarmaco, quindi, è caratterizzato, oltre che dalla struttura chimica e dalla
forma farmaceutica, anche dal radionuclide con cui è marcato, dalle cui proprietà
dipende non solo la possibilità di sintesi del radiofarmaco e la sua stabilità, ma anche
l'efficienza di rilevazione e la radioesposizione al paziente.
Pertanto, le caratteristiche ideali di un radionuclide destinato alla preparazione di un
radiofarmaco possono essere considerate le seguenti:
emissione monoenergetica di sole radiazioni gamma di energia compresa fra i 100 e i 200 keV;
breve tempo di dimezzamento;
trasformazione in un nuclide stabile;
alta purezza radionuclidica;
pronta disponibilità;
basso costo di produzione;
proprietà chimiche che permettono di legarsi facilmente a molecole di interesse biologico.