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同位素锝-101:从杂质到多用途的医疗工具

2021-10-26 14:59          放射性同位素医用同位素


解决医疗放射性同位素供应短缺的问题:由于医用放射性同位素的供应链持续挣扎,研究人员正在开发生产锝-99m的新方法,并探索以前未被充分利用的锝放射性同位素的潜力。(Courtesy: Shutterstock/Parilov)

Innovative Fuel Solutions LLC公司的合伙人Edward Mausolf和Erik Johnstone认为医疗放射性同位素供应稳定具有必要性。十年前,他们在研究生院成为锝化学专家,当他们研究如何生产和分离锝同位素时,他们意识到在锝供应链中存在一些固有问题,除非做出实质性改变,否则该行业将继续面临这些问题。

例如,锝-99m(Tc-99m)是核诊断成像程序中使用最多的一种同位素,它通常由钼-99(Mo-99)利用核反应堆生产。由于Mo-99/Tc-99m的物理半衰期相对较短(同位素衰变到其初始活性的一半所需的时间),科学家们无法生产库存; 相反,他们必须持续生产和分配。其他问题,如核反应堆基础设施的老化和对放射性同位素需求的增加,导致了多年来Mo-99/Tc-99m供应链的几次重大中断。

简单地说:需要有新的方法,能够更有效地生产放射性同位素的锝,并减少浪费。

此后,Mausolf和Johnstone设计了一种方法,依靠氘-氘中子发生器来生产锝放射性同位素。他们的方法可以解决供应链和基础设施问题,安全地将Tc-99m和以前未被充分利用的放射性同位素Tc-101的生产拉近到病人的床边,同时也产生更少的废物和使用更少的资源。他们在《制药》杂志上报告的初步实验结果还表明,Tc-101--通常被认为是一种杂质--可以在医学成像和治疗方面发挥作用。

用中子发生器生产锝同位素

"我们意识到,可能有一些发散性思维来寻找增加产量的方法。Mausolf说:"与其有更大的堆积,不如使用不同的锝同位素比率,以便能够弥补当前供应链效率低下的差异。"而中子发生器是有意义的,因为你没有长寿命的裂变废物。"

氘-氘中子发生器通过碰撞称为氘的氢的同位素产生中子辐射。当两个氘原子在聚变反应中碰撞时,它们会产生自由中子,可以与钼靶碰撞,产生锝同位素。当中子轰击钼靶时,Tc-101与Tc-99m一起被产生。而Johnstone和Mausolf希望将Tc-101用于工作。尽管它的半衰期只有14.22分钟,但Tc-101在衰变时产生β射线(487 keV,90.3%)和伽马射线(307 keV,89.4%)。这些可以被用于治疗和成像应用。

"我们相信,靠近使用点的小规模放射性同位素生产可能是未来的方向,因为它避免了将半衰期以小时计算的快速衰变产品运往全国甚至国际。"我们研究的另一个关键特点是准确定位Tc-101的生产或分离,我们认为它是一种寿命较短的锝同位素,在文献中没有讨论。"

科学家们说,Tc-101的物理半衰期很短,不应该阻止其他人考虑它的医疗应用,因为其他半衰期更短的同位素,如半衰期刚刚超过2分钟的氧-15,被广泛使用。

相反,Mausolf和Johnstone说,他们面临的最大挑战是优化利用氘-氘中子发生器产生的中子来生产Tc-101的过程。与氘-氚中子发生器(其功率更大,但由于氚的放射性,需要增加屏蔽和监管负担)相比,氘-氚中子发生器通常产生较少的中子,其能量也较低,这减少了可生产的放射性同位素的数量。

为了提高Tc-101的产量,科学家们与阿德尔菲科技公司的David Williams合作。他们一起设计了一个优化的分离过程,并将其与阿德尔菲的氘-氘中子发生器耦合,该发生器产生的中子产量超过每秒100亿个中子。在发生器中产生的中子然后击中钼,钼反过来衰变为Tc-99m和Tc-101。由此产生的材料与活性炭接触,以从剩余的低比活度的钼中分离出锝同位素。

在优化的系统中,"你在生产中总是有一些平衡期,"威廉姆斯说。"你有一个不是半衰期的半衰期,因为它被母体[钼]的半衰期所支配。"

其他考虑因素

科学家们评估了用这种方法生产的Tc-99m和Tc-101的产量,并将产量与来自氘-氚系统以及天然和富集钼靶的产量进行了比较。尽管他们的目的不是要确定Tc-101的任何具体应用,但他们也从环境、财务、监管和临床的角度考虑了生产同位素的影响。

为这项研究提供咨询的HZDR资源生态研究所的科学家Natalia Mayordomo指出,由于Tc-101及其稳定的子产品钌-101的物理和生物半衰期较短,通过人类废物进入环境的放射性物质的数量将少于具有较长基态或衰变产物的放射性同位素。

此外,威廉姆斯说,中子发生器的目标具有较低的比活度,没有与放射性同位素生产相关的裂变产物,而且屏蔽要求与屏蔽氟-18等PET同位素没有多大区别。

该团队的下一步包括为一条试验性生产线筹集资金,并扩大生产规模,以便开始对小鼠进行重要的研究,并由美国食品和药物管理局等监管机构进行测试。

使用氘-氘中子发生器生产锝同位素,并考虑Tc-101等 "杂质 "的新用途,"对如何使锝为医学界服务的论点提出了一个巨大的动态变化,"Mausolf说。"我认为它已经有了很大的牵引力,我认为有很多的跑道,我认为还有很多要做的事情。"

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