Физика/ 4. Применение физических методов в медицине

Учитель физики высшей квалификационной категории Онькова О.В.

МБОУ «Сокурская СОШ» Мошковского р-на Новосибирской обл., Россия

Радиоактивные изотопы в медицине.

Двадцатый век и начало двадцать первого века – это время научно-технического прогресса, различных нанотехнологий, технической вооружённости общества, а значит это очень непростое время отношений человека и окружающей среды. Эти отношения воздействия общества на природу ставят перед человечеством целый ряд новых, чрезвычайно острых проблем, в первую очередь — экологическую. Сегодня экологическую ситуацию в мире можно охарактеризовать как близкую к критической. Следствие этого - рост заболеваемости и смертности населения, обусловленный ухудшением среды обитания (возросла смертность недоношенных и аномальных детей; у новорожденных отмечаются раковые заболевания; у взрослого населения участились болезни крови, лёгких, костных тканей и др.). "Вклад" экологического фактора в ухудшение здоровья людей оценивается на уровне 10 - 30%, при этом по онкологическим заболеваниям - около 50%.

Как это ни печально, но тенденция роста показателей онкологических заболеваний сохраняется. Ни в мире, ни в России нет высокоэффективных методик лечения онкологических заболеваний, болезни легких, костных тканей и других. Как показывает практика, здесь эффективную помощь человеку могут оказать радиоактивные изотопы или, как их ещё называют, меченые атомы. Особенно на стадии ранней диагностики.

Впервые идея использования радиоактивных изотопов в медицинских целях пришла в голову изобретателю циклотрона Эрнесту Лоуренсу, который работал вместе со своим младшим братом Джоном, медиком и директором Биофизической лаборатории в Беркли. 24 декабря 1936 года Дж. Лоуренс использовал радиоактивный изотопом фосфора, искусственно полученный на циклотроне, для лечения 28 летней пациентки страдающей хроническим лейкозом. Помимо этого, Джон Лоуренс с успехом использовал изотопы для лечения раковых больных, в том числе своей матери, у которой был неоперабельный случай заболевания раком. После курса лечения она прожила еще 20 лет (!). Так Джон Лоуренс стал отцом ядерной медицины, а Беркли – колыбелью новой науки.[4]

Метод меченых атомов (радиоактивных изотопов) в медицине.

Метод меченых атомов позволяет на практике использовать свойства радиоактивных элементов. Этот метод использует тот факт, что по химическим и многим физическим свойствам радиоактивный изотоп неотличим от устойчивых изотопов того же элемента. В то же время радиоактивный изотоп легко может быть опознан по своему излучению  (с помощью, например, газоразрядного счетчика). Добавляя к исследуемому элементу радиоактивный изотоп и улавливая в дальнейшем его излучение, мы можем проследить путь этого элемента в организме. Меченые атомы, как правило, представляют собой радиоактивные, реже стабильные, нуклиды, которые используются в составе простых или сложных веществ для изучения химического, биологического и других процессов с помощью специальных методов.

Метод меченых атомов нашел весьма широкое применение в медицине. Значительный вклад в разработку методов ранней диагностики заболеваний с помощью введения в организм меченых атомов внесли российские ученые. Так, Г. Е. Владимиров (1901- 1960), известный биохимик, одним из первых  применил радиоактивные изотопы (меченые соединения) для изучения обменных процессов в нервной и мышечной тканях. Первые опыты по практическому применению данного метода были осуществлены биологами В. М. Клечковским и В. И. Спицыным. В настоящее время широко используется метод сканирования - метод радиоизотопной диагностики с применением сканеров, или подвижных детекторов излучения, дающих изображение (в виде “штрихов”) распределенных в организме радиоактивных изотопов посредством “построчного” обследования всего тела или его части. В качестве радиоактивного изотопа чаще всего применяют изотоп ⁹⁹Тс, который используют в диагностике опухолей головного мозга, при исследовании центральной и периферической гемодинамики. В частных случаях также используют изотопы золота ¹⁹⁸Au (для исследования раковых опухолей в критических ситуациях), йода (для диагностики заболеваний щитовидной железы).

Для радиоизотопной диагностики используются чрезвычайно короткоживущие нуклиды: Углерод-11 (¹¹С), Т = 20,4 мин.; Азот-13 (¹³N), T = 10,0 мин.; Кислород-15 (¹⁵O), T = 2,1 мин.; Фтор-18 (¹⁸F), T = 109 мин.; Рубидий-82 (⁸²Rb), T = 1,25 мин. и другие.

Радиоизотопные исследования проводятся для достижения двух целей: 1) для получения изображения органов при их воспалительных, опухолевых нарушениях; 2) для оценки функции того или иного органа или системы и ее изменения при разных болезнях.

Радиоизотопные методы диагностики основаны на том, что в кровь, в дыхательные пути, пищеварительный тракт вводятся радиоактивные изотопы – вещества, обладающие свойством радиоактивного излучения (чаще всего это гамма-лучи). Данные изотопы находятся в смеси с веществами, которые накапливаются преимущественно в том или другом органе. Радиоактивные изотопы, таким образом, являются своего рода метками, по которым уже можно судить о наличии тех или иных препаратов в органе.

Рассмотрим некоторые примеры радиоизотопных исследований:

= Исследование с помощью радиоизотопов функции щитовидной железы позволяет выявить заболевания, протекающие с повышенной (гипертиреоз), пониженной (гипотиреоз) и нормальной (эутиреоз) функцией железы, что крайне важно для диагностики и лечения этих болезней.

= Радиоизотопная гепатография выявляет ранние признаки нарушенной функции печеночных клеток. Радиоизотопная ренография определяет, насколько хорошо почки выделяют балластные вещества из организма, при этом можно оценить раздельно функции каждой почки в отдельности.

= Сцинтиграфия сердца проводится с использованием радиоактивного таллия ²⁰¹Tl, пирофосфата технеция ⁹⁹Тс, радиоактивного галлия ⁶⁷Ga. Последний накапливается в воспалительных очагах в сердце, и появляются "горячие очаги" на сцинтиграммах сердца. Метод имеет определенное значение в диагностике воспаления миокарда - миокардита. Сцинтиграфия легких и органов средостения с галлием ⁶⁷Ga помогает в распознавании воспалительных и опухолевых заболеваний в этих органах.

= Сцинтиграфии легких: с помощью макроагрегатов альбумина, меченных радиоактивными йодом ¹¹¹J или технецием ⁹⁹Тс. Данный метод информативен при тромбоэмболии легочной артерии. На сцинтиграммах легких обнаруживаются зоны ишемии – значительного уменьшения накопления изотопов.

= Сцинтиграфия печени. Здесь используются различные вещества, захватываемые и выделяемые печенью, меченные радиоактивными золотом ¹⁸⁹Au , индием ¹¹¹In, технецием ⁹⁷Тс. При диффузных заболеваниях печени изменений сцинтиграмм может не быть или отмечается диффузное неравномерное накопление изотопа, что бывает при активных гепатитах, циррозах печени, жировом гепатозе. В пользу портальной гипертензии и, возможно, цирроза печени свидетельствует накопление изотопа в селезенке. Основное значение придается сцинтиграфии в разграничении диффузных и очаговых поражений печени. Признаками очаговых изменений являются неровный контур печени, неравномерное увеличение органа, наличие “холодных” узлов, где нет изотопа. Сцинтиграфически можно выявлять объемные образования диметром от 3 мм и более.

= Сцинтиграфия почек. Проводится с помощью диэтилентриаминопентацетата (ДТПА), меченного технецием ⁹⁹Тс. Показаниями для проведения сцинтиграфии почек чаще всего является подозрение на опухолевые поражения почек, при туберкулезе почек, некоторых других патологических процессах.

= Сцинтиграфия костей и костного мозга. Изображение костного мозга можно получить с помощью серного коллоида, меченного технецием ⁹⁹Тс, который накапливается в клеточных элементах костного мозга. Имеются особенности изображения костного мозга при острых лейкозах, у больных миелосклерозом, при лимфогранулематозе.

= Сцинтиграфия лимфатических узлов (непрямая лимфография). Проводится с помощью коллоидного золота ¹⁸⁹Au. Препарат вводят в межпальцевые промежутки на тыле стопы, откуда он по лимфатическим сосудам транспортируется в лимфоузлы. Таким образом, можно оценить, к примеру, забрюшинные лимфоузлы и степень их поражения при лимфогранулематозе или неходжскинских лимфомах.

= Сцинтиграфия щитовидной железы. Проводится с помощью препаратов радиоактивного йода или технеция. Метод используется для распознавания узловых образований в щитовидной железе.

Скеннирование органов и тканей человеческого организма как самый распространенный метод исследования. Радиоизотопное скеннирование является методом визуальной регистрации распределения меченого соединения в организме, избирательного накопления его в отдельных органах человека или животного. Применяемые для этой цели радиоактивные препараты содержат гамма-излучающие изотопы. С помощью специальной радиометрической аппаратуры гамма-излучения могут быть легко обнаружены.

Основной принцип скеннирования заключается в передвижении счетчика сцинтилляций над исследуемой областью или органом, измерении радиоактивности в нем и автоматической графической регистрации результатов.

Счетчик (точнее воспринимающая, чувствительная сцинтилляционная головка счетчика с коллиматором) двигается с постоянной быстротой в горизонтальной плоскости, смещаясь на равные промежутки - строки. Устройство, автоматически регистрирующее импульсы, механически связано со счетчиком. Оно отмечает приходящий импульс на листе белой бумаги в виде штрихов. В некоторых аппаратах имеется приспособление для фотографической регистрации импульсов, а также для получения цветных скеннограмм.

Учёные обнаружили, что один из белков в яде жёлтого скорпиона (Leiurus quinquestriatus) "предпочитает" связываться с клетками опухоли мозга (глиомы). И исследователи, попытавшись найти способ заставить этот белок нести к глиоме что-то разрушающее опухоль, создали синтетическую версию яда. Этим "что-то" стала радиация. В результате белок из скорпионьего яда был в лаборатории соединён с радиоактивным изотопом йода. Получившаяся "микстура" вводится в кровоток пациента.

Подготовительный этап к исследованию. Основой подготовки является отмена приема примерно за 12-24 часа до исследования лекарств, назначенных больному. Обычно при назначении того или иного вида радиоизотопного исследования больному вручается памятка о том, в приеме каких лекарств надо сделать перерыв. Перед исследованием надо снять часы, браслеты и другие украшения, которые могут помешать регистрации результатов исследования.

Опасности и осложнения радиоизотопных исследований. Во время исследования больной получает определенную дозу радиации. Эта доза не превышает тех уровней радиоактивного излучения, которым подвергается организм при рентгенографии грудной клетки, компьютерной томографии. Следует также знать, что применяемые в исследованиях радиоактивные изотопы быстро выводятся из организма и не оказывают, таким образом, повреждающего действия.

В ряде государств изготавливаются радиофармацевтические препараты, используе6мые для протонно-ионной и бор-нейтроннозахватной терапии и ранней диагностики онкологических и других заболеваний, а также в качестве анестетиков.

Итак, радиоактивные изотопы нашли своё применение в медицине вообще и в хирургии в частности. Причем, спектр используемых радиоактивных изотопов достаточно широк, и применение их в различных областях хирургии многообразно. Сегодня достаточно широко радиоактивные изотопы используются как для многообразных методов диагностики (для обнаружения, распознавания и локализации внутренних злокачественных образований), так и для терапии болезней человека. РДИ имеют свои достоинства, среди которых следует выделить увеличение экономической и экологической безопасности, снижение стоимости и улучшение эксплуатационных характеристик, в том числе при использовании новейших методов, позитронно-эмиссионной томографии с использованием ультракороткоживущих радиоизотопов ¹¹С, ¹³N, ¹⁷О и ¹⁸F, периоды полураспада которых составляют несколько часов. Радиоактивные изотопы либо вводятся непосредственно в организм пациента (in vivo), либо смешиваются в пробирках с биологическими реагентами пациента (in vitro). В том и другом случае количество введенного препарата незначительно, но современная аппаратура (гамма-камера) позволяет измерять даже малые количества радиоактивности и с помощью компьютера расшифровывает полученное изображение, точно указывая местонахождение патологического очага. Статистический анализ результативности применения радиоактивных изотопов для диагностики и лечения в хирургии показывает, что использование радиоизотопов в медицине практически безопасно для пациента. Метод использования радиоактивных изотопов для диагностики и лечения в хирургии постоянно совершенствуется и развивается, о чем свидетельствует динамика его использования в крупных городах России, в целом в Российской Федерации и развитых странах.

Литература.

1. Ландсберг Г. С.  Элементарный учебник физики. Том III. – М.: Наука, 1986

2. Селезнев Ю. А.   Основы элементарной физики. – М.: Наука, 1964.

3. CD ROM   “Большая энциклопедия Кирилла и Мефодия”, 1997.  

4. Лауреаты Нобелевской премии: Энциклопедия: Пер. с англ.– М.: Прогресс, 1992.
5. Журнал «Атомная стратегия» № 8, декабрь 2003 г.

6. Трифонов Д.Н. «Аномальная» история. Химия, 1996, № 26, 28.

7. Популярная медицинская энциклопедия. 2008

8. Общая и сосудистая хирургия в Израиле | GlobalMed

9. www.sibcity.ru/index

10. Making Radioactive Scorpion Venom Therapy Safe - PDF-документ .

11. The H.W. Wilson Company, 1987.

12. www.globalmed.co.il/dep_surgery.php

13. http://www.trimm.ru/php/content.php?group=1&id=3951

14. www.ntpo.com/…/medicine_7/medicine_689.shtml

15.

Socfil.narod.ru/glava_2_3.htm