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trazador radiactivo

Ilustración que muestra el uso del carbono-14, que se desintegra por beta-gamma, como trazador radiactivo en una planta. Un trazador radiactivo , radiotrazador o marcador radiac...

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Ilustración que muestra el uso del carbono-14, que se desintegra por beta-gamma, como trazador radiactivo en una planta.

Un trazador radiactivo , radiotrazador o marcador radiactivo es un derivado sintético de un compuesto natural en el que uno o más átomos han sido reemplazados por un radionúclido (un átomo radiactivo). Gracias a su desintegración radiactiva , puede utilizarse para explorar el mecanismo de las reacciones químicas, siguiendo la trayectoria que sigue el radioisótopo desde los reactivos hasta los productos. El radiomarcaje o radiotrazador es, por lo tanto, la forma radiactiva del marcaje isotópico . En contextos biológicos, los experimentos que utilizan trazadores radioisotópicos se denominan a veces experimentos de alimentación con radioisótopos .

Los radioisótopos de hidrógeno , carbono , fósforo , azufre y yodo se han utilizado ampliamente para rastrear la ruta de las reacciones bioquímicas . Un trazador radiactivo también puede utilizarse para rastrear la distribución de una sustancia dentro de un sistema natural como una célula o tejido , [ 1 ] o como trazador de flujo para rastrear el flujo de fluidos . Los trazadores radiactivos también se utilizan para determinar la ubicación de fracturas creadas por la fracturación hidráulica en la producción de gas natural. [ 2 ] Los trazadores radiactivos forman la base de una variedad de sistemas de imágenes, como, tomografías por emisión de positrones (PET) , tomografías computarizadas por emisión de fotón único (SPECT) y tomografías con tecnecio . La datación por radiocarbono utiliza el isótopo carbono-14 que se encuentra naturalmente como un marcador isotópico .

En las ciencias radiofarmacéuticas, se observa cierto uso incorrecto de términos científicos establecidos. Por ello, en 2015, la Sociedad de Ciencias Radiofarmacéuticas (SRS) creó un "Grupo de Trabajo Internacional sobre Nomenclatura en Química Radiofarmacéutica y Áreas Relacionadas". Su objetivo era clarificar la terminología y establecer una nomenclatura estandarizada mediante consenso global, garantizando así la coherencia y la precisión dentro de la disciplina. [ 3 ]

Metodología

Isotopes of a chemical element differ only in the mass number. For example, the isotopes of hydrogen can be written as 1H, 2H and 3H, with the mass number superscripted to the left. When the atomic nucleus of an isotope is unstable, compounds containing this isotope are radioactive. Tritium is an example of a radioactive isotope.

The principle behind the use of radioactive tracers is that an atom in a chemical compound is replaced by another atom, of the same chemical element. The substituting atom, however, is a radioactive isotope. This process is often called radioactive labeling. The power of the technique is due to the fact that radioactive decay is much more energetic than chemical reactions. Therefore, the radioactive isotope can be present in low concentration and its presence detected by sensitive radiation detectors such as Geiger counters and scintillation counters. George de Hevesy won the 1943 Nobel Prize for Chemistry "for his work on the use of isotopes as tracers in the study of chemical processes".

There are two main ways in which radioactive tracers are used

  1. When a labeled chemical compound undergoes chemical reactions one or more of the products will contain the radioactive label. Analysis of what happens to the radioactive isotope provides detailed information on the mechanism of the chemical reaction.
  2. A radioactive compound is introduced into a living organism and the radio-isotope provides a means to construct an image showing the way in which that compound and its reaction products are distributed around the organism.

Production

The commonly used radioisotopes have short half lives and so do not occur in nature in large amounts. They are produced by nuclear reactions. One of the most important processes is absorption of a neutron by an atomic nucleus, in which the mass number of the element concerned increases by 1 for each neutron absorbed. For example,

13C + n → 14C

In this case the atomic mass increases, but the element is unchanged. In other cases the product nucleus is unstable and decays, typically emitting protons, electrons (beta particle) or alpha particles. When a nucleus loses a proton the atomic number decreases by 1. For example,

32S + n → 32P + p

Neutron irradiation is performed in a nuclear reactor. The other main method used to synthesize radioisotopes is proton bombardment. The proton are accelerated to high energy either in a cyclotron or a linear accelerator.[4]

Tracer isotopes

Hydrogen

Tritium (hydrogen-3) is produced by neutron irradiation of 6Li:

6Li + n → 4He + 3H

Tritium has a half-life4500±8 days (approximately 12.32 years)[5] and it decays by beta decay. The electrons produced have an average energy of 5.7 keV. Because the emitted electrons have relatively low energy, the detection efficiency by scintillation counting is rather low. However, hydrogen atoms are present in all organic compounds, so tritium is frequently used as a tracer in biochemical studies.

Carbon

11C decays by positron emission with a half-life of ca. 20 min. 11C is one of the isotopes often used in positron emission tomography.[4]

14C decays by beta decay, with a half-life of 5730 years. It is continuously produced in the upper atmosphere of the earth, so it occurs at a trace level in the environment. However, it is not practical to use naturally occurring 14C for tracer studies. Instead it is made by neutron irradiation of the isotope 13C which occurs naturally in carbon at about the 1.1% level. 14C has been used extensively to trace the progress of organic molecules through metabolic pathways.[6]

Nitrogen

13N decays by positron emission with a half-life of 9.97 min. It is produced by the nuclear reaction

1H + 16O → 13N + 4He

13N is used in positron emission tomography (PET scan).

Oxygen

15O decays by positron emission with a half-life of 122 seconds. It is used in positron emission tomography.

Fluorine

El 18F se desintegra predominantemente por emisión beta, con una vida media de 109,8 min. Se obtiene mediante bombardeo de protones sobre 18O en un ciclotrón o acelerador lineal de partículas . Es un isótopo importante en la industria radiofarmacéutica . Por ejemplo, se utiliza para fabricar fluorodesoxiglucosa (FDG)marcada o D-3-[ 18F ]fluoroalanina para su aplicación en tomografías por emisión de positrones ( PET). [ 4 ] [ 7 ]

Fósforo

El 32P se produce mediante bombardeo de neutrones sobre el 32S .

32 S + n → 32 P + p

Se desintegra por desintegración beta con una vida media de 14,29 días. Se utiliza comúnmente para estudiar la fosforilación de proteínas por quinasas en bioquímica.

El 33P se obtiene con un rendimiento relativamente bajo mediante el bombardeo de neutrones del 31P . También es un emisor beta, con una vida media de 25,4 días. Si bien es más caro que el 32P , los electrones emitidos son menos energéticos, lo que permite una mejor resolución en, por ejemplo, la secuenciación del ADN.

Ambos isótopos son útiles para marcar nucleótidos y otras especies que contienen un grupo fosfato .

Azufre

El 35S se obtiene mediante bombardeo de neutrones sobre el 35Cl .

35 Cl + n → 35 S + p

Se desintegra por desintegración beta con una vida media de 87,51 días. Se utiliza para marcar los aminoácidos que contienen azufre, metionina y cisteína . Cuando un átomo de azufre reemplaza a un átomo de oxígeno en un grupo fosfato de un nucleótido , se produce un tiofosfato , por lo que el 35S también puede utilizarse para rastrear un grupo fosfato.

Tecnecio

El 99m Tc es un radioisótopo muy versátil y el trazador radioisotópico más utilizado en medicina. Es fácil de producir en un generador de tecnecio-99m ,mediante la desintegración del 99 Mo.

99 Mo → 99m Tc + e −+ νmi

The molybdenum isotope has a half-life of approximately 66 hours (2.75 days), so the generator has a useful life of about two weeks. Most commercial 99mTc generators use column chromatography, in which 99Mo in the form of molybdate, MoO42− is adsorbed onto acid alumina (Al2O3). When the 99Mo decays it forms pertechnetate TcO4−, which because of its single charge is less tightly bound to the alumina. Pulling normal saline solution through the column of immobilized 99Mo elutes the soluble 99mTc, resulting in a saline solution containing the 99mTc as the dissolved sodium salt of the pertechnetate. The pertechnetate is treated with a reducing agent such as Sn2+ and a ligand. Different ligands form coordination complexes which give the technetium enhanced affinity for particular sites in the human body.

99mTc decays by gamma emission, with a half-life: 6.01 hours. The short half-life ensures that the body-concentration of the radioisotope falls effectively to zero in a few days.

Iodine

123I is produced by proton irradiation of 124Xe. The caesium isotope produced is unstable and decays to 123I. The isotope is usually supplied as the iodide and hypoiodate in dilute sodium hydroxide solution, at high isotopic purity.[8]123I has also been produced at Oak Ridge National Laboratories by proton bombardment of 123Te.[9]

123I decays by electron capture with a half-life of 13.22 hours. The emitted 159 keVgamma ray is used in single-photon emission computed tomography (SPECT). A 127 keV gamma ray is also emitted.

125I is frequently used in radioimmunoassays because of its relatively long half-life (59 days) and ability to be detected with high sensitivity by gamma counters.[10]

129I is present in the environment as a result of the testing of nuclear weapons in the atmosphere. It was also produced in the Chernobyl and Fukushima disasters. 129I decays with a half-life of 15.7 million years, with low-energy beta and gamma emissions. It is not used as a tracer, though its presence in living organisms, including human beings, can be characterized by measurement of the gamma rays.

Other isotopes

Many other isotopes have been used in specialized radiopharmacological studies. The most widely used is 67Ga for gallium scans. 67Ga is used because, like 99mTc, it is a gamma-ray emitter and various ligands can be attached to the Ga3+ ion, forming a coordination complex which may have selective affinity for particular sites in the human body.

An extensive list of radioactive tracers used in hydraulic fracturing can be found below.

Applications

In metabolism research, tritium and 14C-labeled glucose are commonly used in glucose clamps to measure rates of glucose uptake, fatty acid synthesis, and other metabolic processes.[11] While radioactive tracers are sometimes still used in human studies, stable isotope tracers such as 13C are more commonly used in current human clamp studies. Radioactive tracers are also used to study lipoprotein metabolism in humans and experimental animals.[12]

In medicine, tracers are applied in a number of tests, such as 99mTc in autoradiography and nuclear medicine, including single-photon emission computed tomography (SPECT), positron emission tomography (PET) and scintigraphy. The urea breath test for helicobacter pylori commonly used a dose of 14C labeled urea to detect h. pylori infection. If the labeled urea was metabolized by h. pylori in the stomach, the patient's breath would contain labeled carbon dioxide. In recent years, the use of substances enriched in the non-radioactive isotope 13C has become the preferred method, avoiding patient exposure to radioactivity.[13]

En la fracturación hidráulica , se inyectan isótopos trazadores radiactivos con el fluido de fracturación hidráulica para determinar el perfil de inyección y la ubicación de las fracturas creadas. [ 2 ] Se utilizan trazadores con diferentes vidas medias para cada etapa de la fracturación hidráulica. En los Estados Unidos, las cantidades por inyección de radionúclido se enumeran en las directrices de la Comisión Reguladora Nuclear de los Estados Unidos (NRC). [ 14 ] Según la NRC, algunos de los trazadores más utilizados incluyen antimonio-124 , bromo-82 , yodo-125 , yodo-131 , iridio-192 y escandio-46 . [ 14 ] Una publicación de 2003 del Organismo Internacional de Energía Atómica confirma el uso frecuente de la mayoría de los trazadores mencionados anteriormente, y afirma que el manganeso-56 , el sodio-24 , el tecnecio-99m , la plata-110m , el argón-41 y el xenón-133 también se utilizan ampliamente porque son fáciles de identificar y medir. [ 15 ]

Referencias

  1. ↑ Rennie MJ (noviembre de 1999). "Una introducción al uso de trazadores en nutrición y metabolismo" . Actas de la Sociedad de Nutrición . 58 (4): 935–44 . doi : 10.1017/S002966519900124X . PMID 10817161 . 
  2. 1 2 Reis, John C. (1976). Control ambiental en ingeniería petrolera. Gulf Professional Publishers.
  3. ↑ Coenen, Heinz H.; Gee, Antony D.; Adam, Michael; Antoni, Gunnar; Cutler, Cathy S.; Fujibayashi, Yasuhisa; Jeong, Jae Min; Mach, Robert H.; Mindt, Thomas L.; Pike, Victor W.; Windhorst, Albert D. (2017-12-01). "Reglas de nomenclatura consensuadas para la química radiofarmacéutica: aclarando los hechos" . Medicina nuclear y biología . 55 : v– xi. doi : 10.1016/j.nucmedbio.2017.09.004 . ISSN 0969-8051 . 
  4. 1 2 3 Fowler JS y Wolf AP (1982) Síntesis de radiotrazadores marcados con carbono-11, flúor-18 y nitrógeno-13 para aplicaciones biomédicas. Nucl. Sci. Ser. Natl Acad. Sci. Natl Res. Council Monogr. 1982.
  5. ↑ Lucas LL, Unterweger MP (2000). "Revisión exhaustiva y evaluación crítica de la vida media del tritio" (PDF) . Journal of Research of the National Institute of Standards and Technology . 105 (4): 541– 9. doi : 10.6028/jres.105.043 . PMC 4877155. PMID 27551621. Archivado del original (PDF) el 17 de octubre de 2011.  
  6. ↑ Kim SH, Kelly PB, Clifford AJ (abril de 2010). "Cálculo de la exposición a la radiación durante el uso de nutrientes, componentes alimentarios y biofármacos marcados con (14)C para cuantificar el comportamiento metabólico en humanos" . Journal of Agricultural and Food Chemistry . 58 (8): 4632–7 . doi : 10.1021/jf100113c . PMC 2857889. PMID 20349979 .  
  7. ↑ Li, Kaixuan; Tolentino Collado, Jinnette; Marden, Jocelyn A.; Pollard, Alyssa C.; Guo, Shuwen; Tonge, Peter J.; Qu, Wenchao (2024-08-22). "Evaluación biológica de d- [ 18F ] fluoroalanina y d- [ 18F ] fluoroalanina-d3 como trazadores de imágenes de tomografía por emisión de positrones para infección bacteriana" . Journal of Medicinal Chemistry . 67 (16): 13975–13984 . doi : 10.1021/acs.jmedchem.4c00783 . ISSN 0022-2623 . PMC 11342404. PMID 39082959 .   
  8. ↑ Hoja informativa I-123
  9. ↑ Hupf HB, Eldridge JS, Beaver JE (abril de 1968). "Producción de yodo-123 para aplicaciones médicas". The International Journal of Applied Radiation and Isotopes . 19 (4): 345– 51. doi : 10.1016/0020-708X(68)90178-6 . PMID 5650883 . 
  10. ↑ Gilby ED, Jeffcoate SL, Edwards R (julio de 1973). "Trazadores de yodo-125 para radioinmunoensayo de esteroides". The Journal of Endocrinology . 58 (1): xx. PMID 4578967 . 
  11. ↑ Kraegen EW, Jenkins AB, Storlien LH, Chisholm DJ (1990). "Estudios de trazadores de la acción de la insulina in vivo y el metabolismo de la glucosa en tejidos periféricos individuales". Hormone and Metabolic Research. Supplement Series . 24 : 41–8 . PMID 2272625 . 
  12. ↑Magkos F, Sidossis LS (September 2004). "Measuring very low density lipoprotein-triglyceride kinetics in man in vivo: how different the various methods really are". Current Opinion in Clinical Nutrition and Metabolic Care. 7 (5): 547–55. doi:10.1097/00075197-200409000-00007. PMID 15295275. S2CID 26085364.
  13. ↑Peeters M (1998). "Urea breath test: a diagnostic tool in the management of Helicobacter pylori-related gastrointestinal diseases". Acta Gastro-Enterologica Belgica. 61 (3): 332–5. PMID 9795467.
  14. 12Whitten JE, Courtemanche SR, Jones AR, Penrod RE, Fogl DB, Division of Industrial and Medical Nuclear Safety, Office of Nuclear Material Safety and Safeguards (June 2000). "Consolidated Guidance About Materials Licenses: Program-Specific Guidance About Well Logging, Tracer, and Field Flood Study Licenses (NUREG-1556, Volume 14)". US Nuclear Regulatory Commission. Retrieved 19 April 2012. labeled Frac Sand...Sc-46, Br-82, Ag-110m, Sb-124, Ir-192
  15. ↑Radiation Protection and the Management of Radioactive Waste in the Oil and Gas Industry(PDF) (Report). International Atomic Energy Agency. 2003. pp. 39–40. Retrieved 20 May 2012. Beta emitters, including 3H and 14C, may be used when it is feasible to use sampling techniques to detect the presence of the radiotracer, or when changes in activity concentration can be used as indicators of the properties of interest in the system. Gamma emitters, such as 46Sc, 140La, 56Mn, 24Na, 124Sb, 192Ir, 99Tcm, 131I, 110Agm, 41Ar and 133Xe are used extensively because of the ease with which they can be identified and measured. ... In order to aid the detection of any spillage of solutions of the 'soft' beta emitters, they are sometimes spiked with a short half-life gamma emitter such as 82Br...
  • National Isotope Development Center U.S. Government resources for radioisotopes - production, distribution, and information
  • El programa del Departamento de Energía de los Estados Unidos para el Desarrollo y la Producción de Isótopos para la Investigación y las Aplicaciones (IDPRA) patrocina la producción de isótopos y la investigación y el desarrollo en este campo.