22.5 Læknisfræðileg notkun geislavirkni: myndgreining og geislun

Lykilhugtök kaflans

Læknisfræðileg notkun kjarnaeðlisfræði

Notkun kjarnaeðlisfræði er orðin óaðskiljanlegur hluti af nútímalífi. Allt frá beinskönnun sem greinir krabbamein til geislajoðsmeðferðar sem læknar annað, hefur kjarnageislun bæði greiningar- og lækningaáhrif í læknisfræði.

Læknisfræðileg myndgreining

Fjöldi aðferða við læknisfræðilega myndgreiningu nýtir kjarnageislun. Hvað gerir kjarnageislun svo gagnlega í læknisfræðilegri myndgreiningu? Í fyrsta lagi getur γ-geislun auðveldlega smogið í gegnum vefi; þess vegna er hún gagnlegt rannsóknartæki til að fylgjast með ástandi inni í líkamanum. Í öðru lagi er kjarnageislun háð kjarntegundinni en ekki efnasambandinu sem hún er í, þannig að hægt er að setja geislavirka kjarntegund í efnasamband sem er hannað í sérstökum tilgangi. Þegar það er gert er efnasambandið sagt vera merkt. Merkt efnasamband sem notað er í læknisfræðilegum tilgangi kallast geislavirkt lyf. Geislunarnemar utan líkamans geta ákvarðað staðsetningu og styrk geislavirks lyfs til að veita læknisfræðilega gagnlegar upplýsingar. Til dæmis safnast ákveðin lyf fyrir á bólgusvæðum í líkamanum og staðsetning þeirra getur aðstoðað við greiningu og meðferð eins og sést á mynd 22.37. Önnur notkun nýtir geislavirkt lyf sem líkaminn sendir til beinfrumna, sérstaklega þeirra sem eru virkastar, til að greina krabbameinsæxli eða gróanda. Hægt er þá að búa til myndir af slíkum beinskönnunum. Snjöll notkun geislasamsæta ákvarðar virkni líffæra, svo sem blóðflæði, virkni hjartavöðva og upptöku joðs í skjaldkirtli. Til dæmis er hægt að nota geislavirkt form af joði til að fylgjast með skjaldkirtlinum, geislavirkt þallíumsalt til að fylgja blóðrásinni og geislavirkt gallíum til krabbameinsmyndgreiningar.

Þegar geislavirkt efnasamband hefur verið innbyrt er tæki eins og það sem sýnt er á mynd 22.38 notað til að fylgjast með kjarnavirkni. Tækið, sem kallast Anger-myndavél eða gammamyndavél, notar blýstykki með götum sem boruð eru í gegnum það. Gammageislunum er beint í gegnum götin til að þrengja geislabúntið og síðan greina tindrarar geislunina. Tölvugreining á merkjum frá nemanum býr til mynd. Einn af ókostum þessarar greiningaraðferðar er að engar dýptarupplýsingar fást (þ.e. hún gefur tvívíða mynd af æxlinu í stað þrívíddar), vegna þess að geislun frá hvaða stað sem er undir nemanum framkallar merki.

SPECT (einljóseindasneiðmyndataka), notuð samhliða tölvusneiðmyndatæki (CT), bætir ferlið sem gammamyndavélin framkvæmir. Mynd 22.39 sýnir sjúkling í hringlaga fylki af SPECT-nemum sem geta verið kyrrstæðir eða snúist, þar sem úttak nemanna er notað af tölvu til að setja saman nákvæma mynd. Rýmisupplausn þessarar tækni er slök, en þrívíddarmyndin sem verður til leiðir til verulegrar framfarar í skerpu.

Jáeindaskannar (eða PET-skannar) nýta myndir sem framleiddar eru af β⁺-geislagjöfum. Þegar útgefin jáeind β⁺ rekst á rafeind verður tvíeyðing, sem framleiðir tvo γ-geisla. Þessir γ-geislar hafa sömu 0,511 MeV orku (orkan kemur frá eyðingu massa rafeindar eða jáeindar) og þeir fara beint í sundur, sem gerir nemum kleift að ákvarða upprunastað þeirra nákvæmlega (eins og sýnt er á mynd 22.40). Þetta krefst nema á gagnstæðum hliðum til að greina samtímis (þ.e. á sama tíma) ljóseindir með 0,511 MeV orku og nýtir tölvumyndgreiningartækni svipaða þeirri í SPECT- og CT-skönnum. PET er mikið notað til að greina heilasjúkdóma. Það getur greint minnkuð efnaskipti á ákveðnum svæðum sem fylgja Alzheimer-sjúkdómi. PET getur einnig staðsett svæði í heilanum sem verða virk þegar einstaklingur framkvæmir ákveðnar athafnir, svo sem að tala, loka augunum og svo framvegis.

Jónandi geislun á líkamann

Við heyrum margt sem virðist mótsagnakennt um líffræðileg áhrif jónandi geislunar. Hún getur valdið krabbameini, bruna og hárlosi, en samt er hún notuð til að meðhöndla og jafnvel lækna krabbamein. Hvernig skiljum við slík áhrif? Enn og aftur er undirliggjandi einfaldleiki í náttúrunni, jafnvel í flóknum líffræðilegum lífverum. Öll áhrif jónandi geislunar á líffræðilegan vef má skilja með því að vita að jónandi geislun hefur áhrif á sameindir innan frumna, sérstaklega DNA-sameindir. Við skulum líta stuttlega á sameindir innan frumna og hvernig frumur starfa. Frumur hafa langar, tvöfaldar gormlaga DNA-sameindir sem innihalda efnamynstur sem kallast erfðakóðar og stjórna virkni og ferlum frumnanna. Skemmdir á DNA felast í rofi á efnatengjum eða öðrum breytingum á byggingareiginleikum DNA-keðjunnar, sem leiðir til breytinga á erfðakóðanum. Í mannafrumum getum við fengið allt að milljón einstök tilvik af DNA-skemmdum í hverri frumu á dag. Viðgerðarhæfileiki DNA er lífsnauðsynlegur til að viðhalda heilleika erfðakóðans og fyrir eðlilega starfsemi allrar lífverunnar. Fruma með skerta hæfni til að gera við DNA, sem gæti hafa orsakast af jónandi geislun, getur gert eitt af eftirfarandi:

• Fruman getur farið í óafturkræft dvalaástand, þekkt sem öldrun (senescence).
• Fruman getur framið sjálfsmorð, þekkt sem stýrður frumudauði.
• Fruman getur farið í stjórnlausa frumuskiptingu, sem leiðir til æxla og krabbameina.

Þar sem jónandi geislun skemmir DNA hefur jónandi geislun mest áhrif á frumur sem fjölga sér hratt, þar á meðal flestar tegundir krabbameins. Þannig eru krabbameinsfrumur næmari fyrir geislun en venjulegar frumur og auðvelt er að drepa þær með henni. Krabbamein einkennist af bilun í frumufjölgun og getur einnig orsakast af jónandi geislun. Það er engin mótsögn í því að segja að jónandi geislun geti verið bæði lækning og orsök.

Geislameðferð

Geislameðferð er áhrifarík gegn krabbameini vegna þess að krabbameinsfrumur fjölga sér hratt og eru þar af leiðandi næmari fyrir geislun. Aðalvandamálið við geislameðferð er að gera skammtinn fyrir krabbameinsfrumur eins háan og mögulegt er en takmarka um leið skammtinn fyrir heilbrigðar frumur. Hlutfall óeðlilegra frumna sem drepnar eru á móti heilbrigðum frumum sem drepnar eru kallast meðferðarhlutfall (e. therapeutic ratio), og öll tækni í geislameðferð er hönnuð til að auka þetta hlutfall. Hægt er að þjappa geislun saman í krabbameinsvef með ýmsum aðferðum. Ein algengasta aðferðin fyrir vel afmörkuð æxli er rúmfræðileg aðferð sem sýnd er á mynd 22.41. Mjóum geisla er beint í gegnum sjúklinginn úr ýmsum áttum með sameiginlegan skurðpunkt í æxlinu. Tæknin þjappar skammtinum saman í æxlinu en dreifir honum yfir stórt rúmmál af heilbrigðum vef.

Önnur leið til geislameðferðar notar geislavirk lyf. Geislavirk lyf eru notuð markvisst í krabbameinsmeðferð með því að merkja mótefni með geislasamsætum. Þessi mótefni eru dregin úr sjúklingnum, ræktuð, hlaðin geislasamsætu og síðan skilað aftur í sjúklinginn. Mótefnin safnast þá næstum eingöngu fyrir í vefnum sem þau þróuðust til að berjast gegn, og staðsetja þannig geislunina í óeðlilegum vef. Þessi aðferð er notuð með geislavirku joði til að berjast gegn skjaldkirtilskrabbameini. Þótt meðferðarhlutfallið geti verið nokkuð hátt fyrir slíka skammdræga geislun, getur skammturinn orðið verulegur fyrir líffæri sem losa geislavirkt lyf úr líkamanum, svo sem lifur, nýru og þvagblöðru. Eins og með flesta geislameðferð takmarkast tæknin af því magni skemmda sem heilbrigður vefur þolir.

Geislaskammtur

Til að ræða líffræðileg áhrif jónandi geislunar á megindlegan hátt þurfum við mælieiningu fyrir geislaskammt sem tengist þessum áhrifum beint. Til að skilgreina slíka einingu er mikilvægt að taka tillit til bæði lífverunnar og geislunarinnar sjálfrar. Vitandi að magn jónunar er í hlutfalli við magn orku sem gleypt er, skilgreinum við mælieiningu fyrir gleypinn skammt sem kallast rad. Eitt rad jafngildir 1/100 úr júli af jónandi orku sem gleypt er í hverju kílógrammi vefjar, sem er

Til dæmis, ef 50,0-kg manneskja verður fyrir jónandi geislun á allan líkamann og hún gleypir 1,00 J, þá er geislaskammtur hennar á allan líkamann

Ef sömu 1,00 J af jónandi orku hefðu gleypst í 2,00-kg framhandlegg hennar einum og sér, þá væri skammturinn á framhandlegginn

og vefurinn sem varð ekki fyrir geislun hefði núll rad skammt. Þegar geislaskammtar eru reiknaðir deilir þú gleyptu orkunni með massa þess vefjar sem varð fyrir áhrifum. Þú verður að tilgreina svæðið sem varð fyrir áhrifum, svo sem allan líkamann eða framhandlegg, auk þess að gefa upp tölulega skammtinn í rad. Þótt orkan á hvert kílógramm í 1 rad sé lítil, getur hún samt haft veruleg áhrif. Þar sem aðeins fáein eV valda jónun, geta bara 0,01 J af jónandi orku myndað gríðarlegan fjölda jónapara og haft áhrif á frumustigi.

Áhrif jónandi geislunar geta verið í beinu hlutfalli við geislaskammtinn í rad, en þau eru einnig háð tegund geislunar og tegund vefjar. Það er að segja, fyrir tiltekinn skammt í rad eru áhrifin háð því hvort geislunin er α, β, γ, röntgengeislun eða einhver önnur tegund jónandi geislunar. Hlutfallsleg líffræðileg virkni (RBE) vísar til þess magns líffræðilegs tjóns sem getur orðið af völdum tiltekinnar tegundar geislunar og er gefin upp í töflu 22.4 fyrir nokkrar tegundir jónandi geislunar.

Lokaeining skammta sem tengist nánar áhrifum geislunar á líffræðilegan vef kallast röntgenjafngildi manns, eða rem. Hann sameinar alla þættina sem nefndir hafa verið hér á undan, og röntgenjafngildi manns er skilgreint sem skammturinn í rad margfaldaður með hlutfallslegri líffræðilegri virkni.

Stórtækum áhrifum geislunar á menn má skipta í tvo flokka: bráðaáhrif og langtímaáhrif. Tafla 22.5 sýnir bráðaáhrif geislunar á allan líkamann sem móttekin er á skemmri tíma en einum degi. Ef geislunin dreifist yfir lengri tíma þarf stærri skammta til að valda þeim áhrifum sem talin eru upp. Hver sá skammtur sem er minni en 10 rem kallast lágur skammtur, skammtur frá 10 til 100 rem kallast miðlungsskammtur og allt sem er meira en 100 rem kallast hár skammtur.