У даній роботі представлено найважливіші досягнення науки, яка застосовує випромінювання різної природи для діагностики та терапії. Використовуються ядерне випромінювання (опромінювання α, β, γ), рентгенівське опромінення, лазер та радіохвилі.

   Як не можна собі уявити медицини без фармації, так нуклеарна медицина, яка набуває все більшого значення, своїм розвитком завдячує радіофармації, динамічний розвиток якої припав на останнє двадцятиріччя. Її завданням є як діагностика, так і лікування із застосуванням радіоактивних ізотопів, передусім — радіофармацевтичних засобів (субстанцій що містять радіоізотоп). Професор Keith Britton з Лондонського університету на щорічному з’їзді назвав радіофармацію «хлібом та вином» нуклеарної медицини.

На думку спеціалістів, багатьом небезпечним дослідженням, таким, як наприклад, ангіографія, повинно передувати радіоізотопне дослідження. Радіоізотопні методи належать до «образних» діагностичних методів, а залежно від виду випромінювання ці образні діагностичні методи можна поділити на:

1. Методи, які використовують рентгенівське випромінювання:

a. класичне просвічування;

b. комп’ютерна томографія.

2. Методи, з використанням магнітного резонансу (радіохвилі у магнітному полі, ЯМР-томографія).

3. Фотодинамічні методи діагностики та лікування новоутворень (лазерні промені).

4. Терапія, яка використовує специфічні властивості атома бору. Її назва походить від англійської абревіатури BNCT (boron neutron capture therapy), що означає терапію з використанням захоплення нейтронів атомом бору.

5. Сцинтиграфічні методи (використовують ядерне випромінювання, тобто випромінювання радіоактивних ізотопів елементів).

Ядерну томографію впроваджено у практичну медицину в 1980 р., через 30 років після першого спостереження явища магнітного резонансу. Цей метод використовує явище резонансу атомів водню, які знаходяться у магнітному полі при певній довжині радіохвиль. Оскільки людський організм у переважній більшості складається з атомів водню, то їх відповідне впорядкування, а далі комп’ютерне перетворення отриманих результатів, дає цінну інформацію про стан внутрішніх органів.

Обстеження з використанням методів ЯМР-томографії потребує наявності контрастних речовин для підсилення отримуваного сигналу. Ці речовини впливають на час релаксації атома водню, тобто на час його повернення до вихідного стану після збудження резонансною енергією. Такий вплив виявляють деякі метали з парамагнітними властивостями.

Складовими контрастних речовин при цій техніці є сполуки металів. До них належать похідні гадолінію, а похідні таких металів, як залізо або марганець, знаходяться на етапі клінічних досліджень. Використовуваними похідними гадолінію є Магневіст, Омніскан, Гадотеридол або Тесласкан (похідний марганцю).

Фотодинамічна терапія PDT (photodynamic therapy) грунтується на селективному (вибірковому) знищенні пухлинної тканини синглетним, тобто атомарним, киснем (який є радикалом). Також можуть бути використані інші радикали, які утворюються внаслідок дії світла з відповідною довжиною хвилі (лазерного променя).

Руйнування пухлинної тканини забезпечується збалансованим у ній барвником із фоточутливими властивостями. Це означає, що барвник всмоктується пухлиною, а потім під впливом опромінення сприяє появі вільних радикалів, які знищують патологічно змінену тканину.

Інтенсивні дослідження щодо впровадження цього методу у медичну практику тривають понад 20 років, але перші дослідження проводились ще у 1924 р., коли новоутворення у тварин опромінювали лампою Wooda (Вуда). При цьому спостерігали люмінесценцію та атрофію пухлинної тканини.

Фотодинамічний метод потребує трьох складових: барвника із фоточутливими властивостями, джерела світла (променів), яке збуджує цей барвник, а також, можливо, значного «накиснення» тканини. Це дуже перспективний метод, оскільки він ґрунтується на селективному окисленні пухлинної тканини. Барвники селективно акумулюються у пухлинах після внутрішньовенного введення. Абсорбовані у пухлинній тканині порфіни, опромінювані УФ-променями, емітують ІЧ-промені, що є основою для визначення локалізації та розміру пухлини. Через 24 год після введення, коли досягається відповідна концентрація барвника у патологічно змінених клітинах, тканину опромінюють променями азотового лазера із довжиною хвилі 630 нм. Внаслідок цього генерується синглетний кисень, який руйнує пухлину.

Дотепер досліджено багато барвників із фоточутливими властивостями, але для діагностичного та терапевтичного застосування вибрано похідні гематопорфірину. Обраний димер гематопорфірину, відомий під назвою Фотофрин ІІ, — перший зареєстрований і допущений до клінічного застосування FDA.

Терапія із захопленням нейтронів атомами бору (BNTC)

Найновітніший метод лікування новоутворень — це терапія, яка використовує сполуки бору. Будова атома бору дозволяє його використовувати як джерело променів, що руйнує пухлини. Сам бор не виявляє радіоактивних властивостей, але при опромінюванні нейтронами (елементарними частинками, позбавленими заряду) стає джерелом емісії α-частинок, тобто позитивно заряджених атомів гелію з дуже коротким покриттям (0,01 мм). Ці властивості використано наступним чином: вибрано сполуки — похідні бору, як органічні, так і неорганічні, що здатні акумулюватись у пухлині. Опромінення цієї тканини струменем нейтронів зумовлює емісію α-частинок, які руйнують пухлину. Техніка BNTC може бути близькою до досконалості за умови отримання сполук бору із селективним зв’язуванням з пухлиною. Метою радіаційної терапії є знищення пухлини. Клінічне використання мають дві сполуки — похідні бору: ВРА (L-4-дигідроксиборилофенілаланін) та BSH (Na2B12H11SH).

За поділ клітин відповідає ядро, тому ідеальними засобами в описуваній терапії були б сполуки, які проникають у ядро клітини або у хромосоми. На етапі дослідження знаходяться похідні основ нуклеїнових кислот, а також нуклеозидів, які вміщують атоми бору. Очікують, що це будуть саме ті сполуки, які виявляють селективність до ядер клітин.

Методи, в яких використовуються радіоактивні ізотопи

Класичні радіофармацевтичні засоби є носіями радіоактивних ізотопів та використовуються у сцинтиграфії обстежуваних органів.

На відміну від класичних рентгенологічних досліджень, комп’ютерної томографії чи ЯМР-томографії, в яких джерело опромінення знаходиться поза організмом, у сцинтиграфічних методах джерело опромінення знаходиться у досліджуваному органі, якого воно досягає завдяки використанню відповідного радіофармацевтичного засобу.

Пристрої для реєстрації цього випромінювання називають γ-камерами, вони дуже довгі, дають багатошарову картину, перетворену комп’ютером, — це емісійні томографи.

Радіофармацевтичними засобами називають субстанції, які є носіями радіоактивних ізотопів. Використовувані радіонукліди не несуть загрози пацієнту; ризик розвитку онкологічного захворювання у пацієнта, якого обстежували з використанням рентгенографічного та радіоізотопного методів, така сама, як і кожної людини, яка отримує дозу іонізуючого опромінення з природних джерел.

Радіофармацевтичні засоби успішно застосовуються для діагностичного обстеження таких органів і систем, як нирки, жовчні шляхи, міокард, кісткова система, але перш за все — центральної нервової системи. Окрім того, їх широко використовують при вивченні механізму дії лікарських засобів та при дослідженні рецепторів.

Значення радіофармацевтичних засобів

Радіофармацевтичними засобами називають субстанції, які є носіями радіоактивних ізотопів та використовуються з метою лікування і діагностики.

В емісійній томографії яка використовує радіоактивні ізотопи застосовують дві техніки реєстрації даних, пов’язані із різною природою емітованого випромінювання.

Перша з них — це емісійна томографія одиночного фотона SPECT, а друга — позитронова томографія РЕТ, використання якої вимагає наявності циклотрону. У випадку позитронової томографії такі ізотопи, як, наприклад, 15О, 11С, 13N, 18F з дуже коротким періодом напіврозпаду, вводять у фізіологічні субстанції, завдяки чому можна слідкувати за правильним або ж патологічним метаболічним шляхом цих субстанцій.

Однак позитронова техніка має обмежене застосування з огляду на доступність обладнання. Натомість емісійну томографію успішно використовують, бо вона застосовує більш доступні радіоактивні елементи.

У використовуваній в Польщі емісійній томографії такий радіоактивний елемент, як 99mТс, емітує γ-випромінювання, яке реєструється емісійним томографом.

Серед ізотопів, які використовуються в медицині як джерело випромінювання для радіофармацевтичних засобів, варто назвати: 201Tal, 111Ind, 18F, 13N, 11C, 113Xe, 42K, 47Ca, 57Co, 125I, 131І, 67Ga та 99 mТс.

Значення технецію

У 60-х роках минулого століття увагу звернули на метастабільні ізотопи (тобто ті, які тривалий час перебувають у високоенергетичному стані). Саме таким ізотопом є 99 mТс, який з огляду на свої властивості (емітер γ-випромінювання з енергією 40 кеV, t½ — 6 год) отримав широке застосування у ядерній медицині і поряд із похідними йоду його сполуки належать до найчастіше використовуваних радіофармацевтичних засобів. Технецій був відкритий у 1937 р., і хоча він не існує на земній кулі, його легко отримати за допомогою молібденового генератора, що є додатковою перевагою.

Система класифікації радіофармацевтичних засобів

Усі радіофармацевтичні засоби можна поділити на діагностичні та терапевтичні. Останнім приділяється все більше уваги як потенційним антинеопластичним засобам. Найпопулярніший спосіб класифікації радіофармацевтичних засобів виникає з їхнього застосування. Як і у випадку лікарських засобів, найзручнішою як для фармацевтів, так і для лікарів є терапевтична система, яка вміщує механізм дії та хімічну будову. Ці речовини, як і ліки, виявляють афінітет до тих самих місць дії, а вирішальний вплив на це має їхня структура. Від неї залежать фізико-хімічні властивості, які безпосередньо впливають на біодоступність, метаболізм та афінітет до місця дії, до якого належать: ферменти, білки, ДНК і РНК. Знання шляхів метаболізму дозволило створити ефективний радіофармацевтичний засіб (Тродат) для ранньої діагностики хвороби Паркінсона, механізм дії якого полягає у зв’язуванні з білками, що транспортують допамін. Подібні дослідження запроваджуються щодо діагностики хвороби Альцгеймера. Останнім часом значне зацікавлення соматостатиновим та естрагеновим рецепторами зумовило появу засобів з потенційним використанням для виявлення новоутворень.

З огляду на будову, радіофармацевтичні засоби поділяють на сполуки, в яких радіоактивний елемент є інтегральною частиною, відповідальною за активність (ІІ покоління), а також двохелементні ліганди (ІV покоління), в яких одна структура афінна до ефектора, а друга є носієм радіоактивного елемента. Найчастіше ці обидві частини поєднані елементом, який не впливає на активність, але може впливати на покращення біодоступності.

Відстань фрагмента, який зв’язує радіоізотоп, від структури з афінітетом до рецептора, має вагоме значення, оскільки зумовлює те, що цей фрагмент може не порушувати зв’язування із рецептором.

Таким чином, виділяють чотири покоління радіофармацевтичних засобів:

I. Радіоактивні елементи та їхні солі.

II. Сполуки, мічені радіоактивними елементами

III. Природні сполуки або їхні аналоги, мічені нейтрондефіцитними радіонуклідами (емітери позитонів, РЕТ).

IV. Субстанції із вибірковим афінітетом до рецепторів, епітопів або ферментів.

Відкриття радіофармацевтичних засобів, як і лікарських препаратів, також часто було випадковим, як, наприклад, найпопулярнішого на сьогодні засобу, що використовують для дослідження жовчних шляхів, меброфеніну. Перші похідні імінодіоцтової кислоти отримано у 1978 р. як потенційні радіофармацевтичні засоби для діагностики функції міокарда. Припускали, що ці сполуки як аналоги лідокаїну будуть виявляти біологічну активність материнської субстанції та мати подібний біорозподіл в організмі. Проте виявилось, що сам ліганд, тобто меброфенін, піддається швидкій елімінації у жовчних шляхах, натомість і його комплекс із технецієм елімінує селективно через жовчні шляхи. Таким чином було відкрито групу селективних діагностичних субстанцій жовчних шляхів.

З погляду хімічної класифікації, радіофармацевтичні засоби можна поділити на мало- та багаточастинкові сполуки.

Ще одним підходом до класифікації є поділ на одноелементні сполуки. Це означає, що сполука із вбудованим атомом технецію є структурою з афінітетом до вибраного органа, наприклад, НМРАО (діагностика ЦНС) або меброфенін (жовчні шляхи).

Перші застосовувані похідні технецію належать до сполук із відносно простою будовою, в яких технецій становив фрагмент, що впливав на афінітет частинки до даного органа. В обох випадках фармакокінетика ліганда відрізняється від такої комплексу з технецієм.

Радіофармацевтичні засоби останнього покоління є сполуками з двополюсною структурою (кожна із сторін виконує іншу функцію і між собою вони поєднані фрагментом, який може впливати на біодоступність). Вирішальний вплив на біологічну активність хімічних сполук має їхня структура, від якої залежать її фізико-хімічні властивості. Останні безпосередньо впливають на біодоступність, метаболізм та афінітет до місця дії. Молекулярною мішенню для них найчастіше є білкові структури, такі, як:

– ферменти;

– рецептори (клітинні та оболонкові);

– структурні білки;

– транспортні білки;

– ДНК і РНК.

Пошук лікарських засобів з високою селективністю до вибраного місця дії має на меті зменшення побічних ефектів, але під час досліджень важливим є глибокий аналіз метаболітів, які також можуть виявляти біологічну дію, в тому числі токсичну (талідомід).

Пошук радіофармацевтичних засобів підлягає тим самим процедурам, а дослідження їхніх біологічних властивостей є ще складнішим, особливо сполук технецію, з огляду на складну для встановлення структуру отримуваних комплексів.

Біодоступність радіофармацевтичних засобів, як і лікарських препаратів, вирішують, зокрема, ступінь іонізації, ліпофільність, тобто афінітет до жирової тканини, розмір частинки. Ліпофільність важлива у фізіологічних умовах.

Прикладом впливу ліофільності (яка випливає із хімічної будови) на біодоступність є застосовувані комплекси технецію з етилендицистеїном (ЕС), а також його діетиловим естером (ECD). Перший з них не проникає через гематоенцефалічний бар’єр, однак його елімінація через сечові шляхи дозволяє використовувати засіб для діагностики патології нирок. Другий комплекс, навпаки, має більшу ліпофільність, проникає через гематоенцефалічний бар’єр, а тому знайшов своє застосування для дослідження кровопостачання мозку.

Загалом, нові радіофармацевтичні засоби створюють на основі досліджених біохімічних шляхів, ендогенних (в т.ч. нейротрансмітерів), а також екзогенних субстанцій, що мають відомий афінітет до вибраних органів (наприклад, лікарські засоби з відомим механізмом дії і високою селективністю щодо даного органа).

Рецепторна сцинтиграфія

Ліганди стероїдних рецепторів

Рецептори стероїдів можуть відігравати значну роль у діагностиці та лікуванні новоутворень молочної та передміхурової залози. Наявність рецепторів у пухлинах визначає способи терапії. Оцінювати наявність стероїдних рецепторів повинна кожна установа, яка лікує хворих з пухлинами молочної залози, оскільки пухлина, що містить естрогеновий рецептор, виявляє 40–70% відповіді на гормональну терапію, а пухлини, які його не містять, — лише 10%. Наявність рецепторів є також прогностичним чинником; пухлини з високим рівнем стероїдних гормонів характеризуються кращим прогнозом.

Відомо, що певні патології ЦНС пов’язані з порушенням передачі інформації, яке виникає внаслідок недостатності нейротрансмітерів або атрофії рецепторів певних ділянок мозку. Хвороба Паркінсона або Альцгеймера, гіпоксія, спричинена геморагією, — це лише деякі з цих патологій, оскільки появу психічних захворювань пов’язують із порушенням функціонування нейротрансмітерів та їх рецепторів. Визначення їх рівня за допомогою радіофармацевтичних засобів надає надзвичайно цінну інформацію, що дозволяє провести точну діагностику, яка є основою раціональної терапії.

Пептидні радіофармацевтичні засоби, мічені антитіла і тромбоцити, метаболічні прекурсори

Білкові субстанції (наприклад, соматостатин) та його синтетичний аналог, мічені радіоактивними елементами, належать до надзвичайно цінних радіофармацевтичних засобів, оскільки вони є аналогами ендогенних лігандів. Не можна також оминути проблему діагностики запальних вогнищ із використанням мічених антитіл або мічених тромбоцитів чи застосування метаболічних прекурсорів.

Антисенси у нуклеарній медицині

Останні роки принесли нові досягнення у терапії, до яких належать антисенси. Це короткі фрагменти одинарних ниток РНК, які можуть гальмувати експресію небажаного, відповідального за хворобу, гену. З’явились дані щодо приєднання до фрагментів одинарних ниток нуклеїнових кислот частинки, яка комплексує технецій. Отримання відповідних носіїв (векторів) може зумовити включення цієї структури у пухлинну клітину (діагностика), а також гальмування збільшення клітин (терапія).

Приклади застосування радіофармацевтичних засобів

Для дослідження функції нирок використовують 131О-йодогіпуран, тобто сполуку, яка містить радіоактивний йод. Препарати йоду менш зручні у застосуванні, оскільки їх синтез відбувається далеко від місця обстеження пацієнта, у лабораторіях ядерної техніки, які зазвичай віддалені від місця обстеження.

Препаратом вибору є комплекс технецію з меркаптоацетилтригліцином Tc-MAG3. Також використовується комплекс технецію з етиленбісцистеїном. З метою визначення стану кісткової системи застосовують комплекси технецію з метадифосфоновою кислотою — Остеоліт.

Препарати, які застосовують для діагностики функціонального стану міокарда, дозволяють виявити ділянку ішемії. Їхня дія ґрунтується на подібному принципі, який використовують для діагностики ішемії мозку. При останньому додатковою проблемою є подолання гематоенцефалічного бар’єра.

У цьому випадку використовують комплекс технецію із простим ізонітрилом, який відомий під назвою Кардіоліт (Сестаміб, Гексамід). Іншим засобом для діагностики функції міокарда є Кардіотек (Тебороксим) — велика комплексна сполука. Для дослідження функції ЦНС одним з перших застосовуваних радіоактивних ізотопів був газовий ксенон 133 (133Xe), згодом почали використовувати ряд йодованих моно- та діамінів. Першим препаратом йоду, отриманим у 1976 р. для оцінювання кровопостачання мозку, був 123I-антипірин, однак його елімінація з організму відбувається надто швидко, що не дозволяє реєструвати дані.

Згодом почали застосовувати йодовані похідні катехоламінів, які проникають через гематоенцефалічний бар’єр та характеризуються достатнім для реєстрації часом ретенції, який становить 30–50 хв. До цих засобів належать: N-ізопропіл-4-йодамфетамін (IMP) та йодований діамін HIPDM. Обидва препарати застосовуються в клінічних дослідженнях з 1988 р. Проте йодовані сполуки не вигідні у застосуванні з огляду на необхідність транспортування радіофармацевтичного засобу від місця синтезу до місця використання. Через це розпочато пошук у групі похідних технецію, який завершився отриманням комплексних сполук. У 1960 р. вперше припущено можливість застосування технецію в медицині, а його фактичне застосування датоване 1962 р. Сполуки технецію мають перевагу, оскільки їх отримують безпосередньо перед обстеженням в лабораторії з заздалегідь отриманого ліганда, найчастіше із препарату надтехнецію, який отримують за допомогою молібденового генератора.

Нейтральні ліпофільні комплекси, які здатні долати гематоенцефалічний бар’єр, були одержані на початку 80-х років минулого століття. Серед низки сполук вибрано лише одну — HMPAO, суміш D,L-діастероізомерів, яка стала першим препаратом технецію, зареєстрованим у США для дослідження кровопостачання мозку (Ексаметазин). Він виявляє здатність до кумуляції у вогнищах запалення, і ця властивість використовується для локалізації важких для діагностики запальних станів.

Результати дослідження показали, що наведений комплекс вступає в реакцію з внутрішньоклітинним глутатіоном, завдяки чому затримується в мозку, тоді як його мезоформа виявляє мінімальний час ретенції. Подальші, а власне одночасні пошуки радіофармацевтичних засобів для дослідження функції мозку дозволили отримати сполуку з кориснішими властивостями, це комплекс технецію та етилового L,L-етиленбісцистеїну (ECD). Окрім того, дозвіл до застосування отримали такі засоби, як Нейроліт і Нейросцинт.

Ефективність відомих дотепер препаратів, які використовуються для оцінки кровопостачання мозку та для виявлення пухлин мозку, полягає у тому, що вони вказують на місце нормального кровопостачання, а не проникають до патологічно змінених ділянок. Таким чином, після обстеження ділянки, уражені патологічним процесом, будуть позбавлені радіоізотопу.

Застосування радіофармацевтичних засобів для дослідження рецепторів

Ці засоби широко застосовуються у дослідженні рецепторів ЦНС, які були започатковані у 1979 р. Синтезовано багато сполук як для SPECT, так і для PET. Допамінові рецептори досліджували найінтенсивніше, але також було отримано мічені радіоактивним ізотопом похідні бензодіазепіну, які використовували для дослідження габаергічного рецептора. Радіофармацевтичні засоби також використовують у дослідженнях мускаринових та бензодіазепінових рецепторів.

Прикладом радіофармацевтичного засобу, який виконує одночасно діагностичну та терапевтичну роль, може бути похідне циклопентенопергідрофенантрену — новий засіб для дослідження естрогенового рецептора і потенційний лікарський засіб для радіотерапії естрогенреагуючих пухлин.