Aplicaciones de Radioisótopos y

Radiaciones Ionizantes en Ciencias Biomédicas

Rayos X

Rayos X-Tomografía Computada

Rayos X-Tomografía Computada

Rayos X-Tomografía Computada

Tomografía Computada Dental

Uso de Sustancias Radiactivas en la Práctica

Biomédica�Utilización de radioisótopos en análisis de

laboratorio (investigación y diagnóstico)

� Introducción de sustancias radiactivas en el organismo (diagnóstico y terapia)

� Irradiación externa del organismo (sólo terapia)

Aplicaciones Biomédicas Básicas de los Radioisótopos

Biología celular e histologíaLocalizaciones de estructuras subcelulares y moleculares

FisiologíaAnálisis funcionales de órganos y

sistemas

BioquímicaRutas metabólicas Biofísica

Transporte en membranasMicrobiologíaEsterilización

FarmacologíaRadiofármacos

Aplicaciones Biomédicas Básicas de los Radioisótopos

Aplicaciones Clínicas de los Radioisótopos

Terapéuticas

�Terapias Oncológicas�Tratamiento del dolor óseo�Tratamiento del hipertiroidismo

Diagnósticas�Análisis Bioquímico�Análisis Fisiopatológico�Diagnóstico por imágenes

Radiotrazadores

Moléculas orgánicas o inorgánicas con uno o más átomos radiactivos

Ejemplos: glucosa (14C), 131I-, ATP (γ-32P)

Tienen las mismas propiedades químicas que las correspondientes moléculas sin marca radiactiva. Trazan el comportamiento

biológico de la especie química.

Decaimiento de Radioisótopos

En general, en las prácticas médicas y bioquímicas

corrientes, la cantidad de átomos radiactivos es muy

pequeña (trazas) en comparación con la cantidad de átomos no radiactivos de

la misma especie

Pese a ser pocos, a los átomos radiactivos se los

detecta con facilidad

ActividadNúmero de desintegraciones nucleares por unidad de tiempo

Unidades: Becquerel (Bq)Curie (Ci)dps, dpmcps, cpm

Repasamos …

Actividad EspecíficaEs la actividad de un radionucleido por unidad de masa del elemento o de la especie química de la que forma parteUnidades (A/m): cpm/g, Ci/mMol, Bq/Mol, etc

Concentración de ActividadEs la actividad de un radionucleido por unidad

de volumen de la preparación radiactivaUnidades (A/V): cpm/ml, Ci/L, Bq/L, etc.

Análisis Compartimental

Compartimiento: Conjuntos de objetos con propiedades compartidas Espacio limitado por barreras físicas (o cinéticas).

Ejemplos: El espacio intravascular. El total de eritrocitos circulantes. El total de mitocondrias de una célula. El conjunto de moléculas de glucosa plasmática. El calcio total contenido en los cristales óseos. El líquido intersticial. Etc.

Una aplicación de los radioisótopos:

Propiedades de los CompartimientosObjeto del Análisis

� Su tamaño (masa o volumen)

� Su velocidad de intercambio con el entorno o compartimientos

vecinos

Cálculo de velocidades de difusión unidireccionales

1 2

A2

Tiempo

C2

v0

D

Un ejemplo …

Cálculo de Volúmenes por Dilución Isotópica

DOSIS TRAZADORA

MUESTRA

V

AGITACION Y MEZCLADO

)mL/cpm(ActividaddeionConcentrac

)cpm(DosisVolumen =

Cálculo de Compartimientos

Radioinmunoanálisis (RIA)

Ag + Ac ↔ Ag-Ac + Ag

Ag* + Ac ↔ Ag*-Ac + Ag

Fundamento: Se utiliza una reacción inmunológica (Antígeno-Anticuerpo) para estimar a un ligando.

Si a una cantidad dada de antígeno (Ag) se le agrega una pequeña cantidad del mismo antígeno marcado con un radionucleído (Ag*), y ambos se hacen reaccionar con su anticuerpo (Ac), estando este último en concentración limitada, Ag y Ag* competirán por unirse.

Otra aplicación de los radioisótopos:

RADIOINMUNOANÁLISIS

� Radionucleido con tiempo de vida media largo (meses a años) para poder tener marcado el antígeno por mayor tiempo.

� Emisor de partículas beta o radiación gamma de muy baja energía para evitar exposición de las personas que realizan el ensayo.

� Los más utilizados son: 125I (Emisor γ 35 keV, t1/2: 59,6 días) y 3H (Emisor β- 18 keV, t1/2 : 12,4 años).

Características de los Radionucleidosen RIA

RADIOINMUNOANÁLISIS

Ventajas

� Alta sensibilidad (10-9 – 10-12 M)

� Alta especificidad

Desventajas� Uso de material radiactivo

� Requiere de personal entrenado

� El laboratorio requiere de las licencias adecuadas para el manejo de material radiactivo

RADIOINMUNOANÁLISIS

Análisis de hormonas, enzimas, esteroides y marcadores diagnóstico, como: T3, T4, TSH, insulina, calcitonina, angiotensina, gastrina, ácido fólico, virus B de la hepatitis, antígeno carcinoembrionario, α-fetoproteína, aldosterona, hormona del crecimiento, prolactina.

Análisis y monitoreo de medicamentos como: barbitúricos, digoxina y gentamicina.

Investigación básica.

Aplicaciones del Radioinmunoanálisis

Radiofármaco

Es todo producto farmacéutico que, una vez terminado y listo para ser empleado, contiene uno o más nucleidos radiactivos (radioisótopos), incluidos con un propósito médico (Farmacopea Argentina, 7ª Ed., 2003)

El radiofármaco es un medicamento

Cumple los requisitos de la Autoridad Sanitaria (no ser tóxico, no ser pirogénico, ser estéril, etc.)

El radiofármaco es radiactivo

Cumple los requisitos de la Autoridad Regulatoria Nuclear (dosis, almacenamiento, eliminación de residuos, etc.)www.arn.gov.ar

D.7. Protección Radiológica del Paciente

59. La actividad del material radiactivo administrado con fines diagnósticos debe ser tal que la dosis al paciente sea la mínima necesaria y suficiente para conseguir el objetivo perseguido.

60. La actividad del material radiactivo administrado con fines terapéuticos debe ser tal que la dosis al tejido sano sea la mínima que pueda razonablemente alcanzarse compatible con la dosis de tratamiento requerida.

65. Se deben usar métodos adecuados para bloquear la absorción de los radionucleidos por órganos que no sean objeto de estudio y para acelerar su excreción, cuando proceda.

Algunas pautas importantes de la Autoridad Regulatoria Nuclear

Clasificación

Estructuraquímica Uso

Radionucleidosprimarios

Moléculasmarcadas Terapia Diagnóstico

Radiofármacos

Radionucleidos PrimariosSoluciones de compuestos inorgánicos del elemento respectivo

CLASIFICACIÓN DE RADIOFÁRMACOS(ESTRUCTURA)

Compuestos Marcados

Constituidos por una molécula y un radionucleido primario

Características Biológicas del Radiotrazador

Que una al blanco con gran afinidad

Que llegue al blanco en cantidad suficiente con mínima captación en tejido no blanco

Que se incorpore a la fisiología del órgano sin alterarla

Que permanezca en la diana el tiempo indispensable para obtener la información necesaria, con eliminación rápida del resto del organismo

CARACTERÍSTICAS DE RADIOFÁRMACOS

Características Físicas del Radiotrazador

Alta actividad específica

Espectro de energía en el rango 120-160 keV

(ojo! los fotones de aniquilación siempre son de 511 keV)

Emisor de radiación γ o β

Vida media corta

CARACTERÍSTICAS DE RADIOFÁRMACOS

Radiofármacos para Diagnóstico

Son administrados con el fin de visualizar la anatomía de un órgano o sistema, evaluar el comportamiento fisiológico a nivel de los tejidos, analizar a través de su metabolismo el comportamiento bioquímico o determinar cuantitativamente sus parámetros farmacocinéticos.

CLASIFICACIÓN DE RADIOFÁRMACOS(USO)

a) Determinación de la composición corporalb) Investigación de procesos metabólicosc) Estudio dinámico de fluidos (sangre, orina, LCR)d) Técnicas centellográficase) Evaluación de diversas sustancias, hormonas,

vitaminas, virus, drogas, etc.f) Localización de masas invasoras (ej: Tumores)g) Localización de centros nerviosos

CLASIFICACIÓN DE RADIOFÁRMACOS(USO)

Radiofármacos en Diagnóstico

Son aquellos que se administran al paciente con el objeto de irradiar un tejido interno. Su valor terapéutico se basa en el efecto de las radiaciones sobre el tejido en el cual se localiza y en la selectividad de dicha localización

Radiofármacos para Terapia

CLASIFICACIÓN DE RADIOFÁRMACOS(USO)

a) Aplicación de rayos γ desde una fuente externa (bomba de Co, bomba de Cs) o de radiación β (aceleradores lineales)

b) Uso de compuestos radiactivos que se localicen en determinados tipos celulares (fuente interna)

Las radiaciones aplicadas desde fuentes externas deben ser de tipo γ debido a su poder penetrante o β de alta energía (aceleradas)

Las radiaciones aplicadas desde fuentes internas deben ser de tipo α o β para que tengan un radio de acción reducido y por lo tanto más específico. El objetivo es atacar lo más localmente posible el tejido/órgano afectado

Terapéutica del Cáncer

Comparación de Requisitos de los Radiofármacos Según su Aplicación

USO DIAGNÓSTICO• Obtener una buena

imagen en cámara gamma

• Con buena relación blanco / fondo.

• No tiene demasiados requerimientos dosimétricos porque se trabaja con baja actividad y con emisores gamma de baja energía

USO TERAPÉUTICO• No es necesario obtener

imágenes• Optimizar la relación

dosis blanco / fondo• Minimizar la dosis en

órganos críticos• Evaluar la dosimetría

para cada caso particular, porque se usan emisores beta de diversa E y biomoléculasde distinta especificidad

•¿Cómo se detectan?

Los rayos gamma son emitidos por el radiofármacoadministrado y son detectados externamente por un detector (Ej. cámara gamma, SPECT, PET). Una computadora procesa la información obtenida y la convierte en una imagen que es luego interpretada por el médico especializado.

Radiofármacos

MEDICINA NUCLEAR (MN)

La MN es unamodalidad de diagnóstico por imágenes que

utiliza sustancias radioactivas como fuente energética

Los diferentes isótopos son incorporados al organismo solos o

ligados químicamente a sustancias que se

incorporan a procesos fisiológicos o

bioquímicos específicos

La calidad de la información que ofrece está ligada a:

a) la calidad de los radiofármacos que utilice y

b) la capacidad del equipamiento para describir dicha distribución

Los sistemas de detección son únicamente “rastreadores” de la distribución espacio-

temporal de los radiofármacos

El poder de la MN radica en su capacidad de expresar dicha distribución como

evidencia de patología o normalidad a nivel tisular

-Los radiofármacos se inyectan generalmente por vía endovenosa (el 131I se administra por vía oral, y a veces el 99Tc para tiroides)

-Cada radiofármaco tendrá avidez por un órgano, tejido o patología determinada

- Una vez que el radiofármaco llega al órgano de estudio, la emisión radioactiva del mismo se detecta con la cámara gamma

- Imágenes digitalizadas por computadora con un sistema decodificador analógico-digital

Metodología

Cámara Gamma Convencional

SPECT (single photon emission computedtomography): Imágenes multiplanares de área de interés (con mayor sensibilidad que los estudios planares). Se debe rotar el detector

Cámara Gamma No ConvencionalPET (positron emission tomography): Imágenes metabólicas y funcionales en el área de interés. Alta definición y sensibilidad. En general con detector de anillo completo

TOMOGRÁFICAS

Planar: Imágenes desplazando el detector en un plano, de acuerdo a la zona a estudiar

Medicina Nuclear

Convencional (MNC)

Emisoresde fotones(pueden estar conjugados

con moléculas más grandes)

99mTcTejido óseo (fosforados), músculo cardíaco, cerebro, tiroides, pulmones, hígado, riñones, glándulas salivales y lacrimales

51Cr Cuantificación de pérdida de proteínas a nivel intestinal

64Cu Estudio de enfermedades genéticas que afectan el metabolismo del Cu

131I Estudio y tratamiento de tiroides

59Fe Estudios del metabolismo del bazo

75Se Producción de enzimas digestivas

133Xe Estudios de ventilación pulmonar

67Ga Imágenes de tumores y localización de lesiones inflamatorias

201TlDiagnóstico de enfermedad coronaria, tejidos isquémicos o necróticos. Detección de tumores de bajo contraste

111In Estudios de cerebro, procesos infecciosos y de tránsito de colon

Radioisótopos Utilizados en MN

Medicina Nuclear No Convencional(MNNC)

Emisores de positrones(conjugados a biomoléculas)

11C Flujo miocárdico (Acetato11C), metabolismo de ácidos grasos (Palmitato11C), síntesis de proteínas

13N Flujo cerebral y miocárdico (NH4)

15O Flujo sanguíneo, flujo cerebral

18F Determinación de presencia tumoral, metabolismo miocárdico, cerebro (FDG) (reemplaza al hidrógeno)

Radioisótopos Utilizados en MN

Centellografía PlanarEl centellograma óseo

• Investigación del dolor óseo

• Investigación de patología neoplásica

• Investigación de patología ósea benigna

Utilidades

Estructura Química de Difosfonatos

Centellografía Planar y SPECT Óseo Radiofármacos. Difosfonatos-Tc99

Esquema de Concentración de los Difosfonatos en el

Hueso

Rastreo Antero-posterior Planar

Metástasis (Estudio Planar)

inyecciinyeccióónn

SPECT (Single Photon Emission Computed Tomography)Medicina Nuclear Convencional

SPECT Ósea• Es el segundo estudio en frecuencia luego de la SPECT

cardíaca solicitada en un servicio de medicina nuclear.

• Comparado con el estudio planar, la SPECT aumenta la detección y localización de las lesiones.

• Aumenta el rendimiento diagnóstico cuando hay lesiones que requieren una localización más precisa del área patológica.

• Es localizado, se hace luego del planar de cuerpo entero.

• Aplicaciones: columna, cráneo, cadera, rodillas, otras

SPECT en Mandíbula• Evalúa viabilidad de injerto óseo post reconstrucción

• Evalúa hueso viable post RDT para colocación de prótesis dentarias

• Seguimiento evolutivo

• Evalúa osteorradionecrosis (+S y –E que RMN)

• Complementa TAC (tomografía axial computada) en evaluación de extensión mandibular de tumores de cavidad oral

SPECT y Evaluación del Crecimiento Mandibular

Fahey et al, Eur J Nucl Med Mol Imaging (2010) 37:1002–1010

(99mTc-MDP)

SPECT y Carcinomas Intraorales

Chan et al, J Nuclear Med, 37(1): 42-45, 1996

(99mTc-MDP)

SPECT en CardiologíaPerfusión Miocárdica por SPECT

Estudio normal (radiofármaco: Tc99m-sestamibi*)

STRESS

REPOSO

STRESS

REPOSO

STRESS

REPOSO

*Hexakis(2-methoxy-2-methylpropylisonitrile) technetium (99mTc)

SPECT Cardíaco Anormal

STRESS

Isquemia por Isquemia por estenosis estenosis coronariacoronaria

REPOSO

STRESS

REPOSO

STRESS

REPOSO

Principales Limitaciones de la SPECT

• Duración del estudio (por limitada sensibilidad y radioisótopos de T1/2 largo)

• Dificultad en la interpretación (por artificios de atenuación tisular (en obesos y otros)

Sistemas Híbridos

PET vs. CTRayos X y Tomografía

- Rayos X transmitidos a través del cuerpo desde fuente externa aun detector (imágenes por transmisión)- Estructuras anatómicas

• Medicina Nuclear

- Rayos gamma emitidos desde dentro del cuerpo (imágenes por emisión)- Proyección de imagen funcional o contraste metabólico (no anatómico)• Perfusión cerebral (función)• Perfusión miocárdica• Detección de tumores (metástasis)

EL5823 Nuclear Imaging Yao Wang, Polytechnic U., Brooklyn

Las innovaciones tecnológicas atienden a:

Posibilitar la detección de nuevos isótopos incorporados a la MN

Avanzar en la corrección de problemas de origen físico presentes en las imágenes, como ser: radiación dispersa, fenómeno de atenuación de los tejidos, mala relación señal/ruido, entre otros

Ventajas de la PET sobre SPECT• Corrección por atenuación

• Alta resolución

• Radioisótopos correspondientes a átomos de la materia viva. Permite estudiar procesos bioquímicos.

• Radioisótopos de período de semi-desintegración corto, lo cual implica menor exposición del paciente

• Cuantificación absoluta de procesos metabólicos y de flujo miocárdico

MNC MNNCT1/2

(horas)T1/2

(minutos)

99mTc 6 15O 2

201Tl 73 11C 10

67Ga 72 13N 20

131I 192 18F 110

T1/2 de Radioisótopos

Principios Físicos de la PET

e+

Electrón

Emisión del

Positrón

Dispersión del Positrón en el tejido donde

pierde energía

Aniquilación511 keVrayo γ

511 keVrayo γ

E = mc2

Emisores de Positrones

1,19β+ (100%)1016O (p,α) 13N

13N

1,74β+ (100%)2,0415N (p,η) 15O

15O

0,96β+ (100%)20,3814N (p,α) 11C

11C

0,64β+ (100%)109,7718O (p,η) 18F

18F

EnergíaMáx (MeV)

DecaimientoVida Media(min)

ReacciónRadio-isótopo

El 18F, 11C, 15O y 13N son elementos biógenos. Todos ellos son producidos artificialmente en un ciclotrón.

Medicina Nuclear No Convencional

¿Por qué son tan importantes los emisores de positrones?

El 11C, 13N y 15O, están involucrados directamente en procesos bioquímicos de nuestro organismo.

El 18F es utilizado como análogo de compuestos donde las ligaduras C-H ó C-OH pueden ser reemplazadas por C -18F. El más conocido de ellos, es la 2-desoxy-2-fluor-d-glucosa marcado con 18F, [18F]FDG.

PET: Radiotrazadores

• Perfusión Miocárdica T 1/2– 15O (H20) 120 seg– 13N (Amonio) 10 min– 82Rb (Rubidio) 72 seg

• Metabolismo Cardíaco– 18F desoxiglucosa (FDG) (tb p/oncología) 120 min– 11C acetato 20 min– 11C palmitato 20 min

Porque es un radiofármaco que una vez captado por las células permite obtener información respecto de su estado metabólico. De esa forma, la [18F]FDG dio a la medicina nuclear la potencia de la imagen metabólica

Medicina Nuclear No Convencional¿POR QUÉ ES TAN IMPORTANTE LA [18F]FDG?

Porque por el “largo” T1/2 (110’) del 18F, es posible operar en un servicio de MNNC, sin contar con un ciclotrón instalado.

1818FF

Formación de la Imagen

1. Ciclotrón (produce radioisótopos)

2. Tomógrafo (capta la energía emitida por el paciente)

3. Computadora (construye imágenes tridimensionales del órgano o tejido a estudiar a partir de las radiaciones detectadas por el tomógrafo)

PET: Disposición de los Detectores

MEDICINA NUCLEAR NO CONVENCIONAL

PET (Positron Emission Tomography)

PET: Linfoma Mandibular e Incidentaloma Tiroideo

Bosch-Barrera et al, Cases J, 2009 doi: 10.4076/1757-1626-2-6384

PET NORMALPET NORMAL(([13N]amonio))

CORTES PERPENDICULARES VENTRICULO IZQUIERDO

CORTES PARALELOS VENTRICULO IZQUIERDO CORTES PARALELOS VENTRICULO IZQUIERDO

STRESS

REPOSO

STRESS

REPOSO

STRESS

REPOSO

STRESS

REPOSO