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放射性同位素具有医学诊断和治疗的潜力

发布时间:2019-06-27 16:42 来源:未知 编辑:admin

  同位素 - 化学上相同但中子数和质量不同的元素原子 - 对核医学至关重要。为了恢复稳定的质量,称为放射性同位素的同位素会发射可以破坏病变组织的辐射,并且可以在某些环境中进行追踪,使其可用于医学成像和癌症治疗,以及跟踪海洋和土壤的环境变化,研究核的基础科学和维护国家安全。

  在迄今为止发现的数千种放射性同位素中,有少数在自然界中存在,但大多数必须在核反应堆或粒子加速器中产生。最广泛使用的医用放射性同位素是锝-99m(Tc-99m),即钼-99(Mo-99)的子同位素(意思是放射性衰变的产物)。

  目前由研究堆中的铀靶裂变产生的Mo-99的66小时半衰期使得它在自然衰变为Tc-99m之前在世界范围内生产和运输成为一项挑战。30至50年前,在原子用于和平时代的高峰时期,生产Mo-99的世界上几个关键核反应堆经历了计划外停工,破坏了Mo-99放射性同位素供应。

  由于供应不稳定的可能性,很有动力为这种必需的同位素开发替代生产方法。为了解决这个问题,国家核安全管理局(NNSA)正在支持商业合作伙伴加速建立不使用高浓缩铀的国内商业Mo-99生产能力。

  与此同时,国家核安全局正在努力通过支持国际Mo-99生产商将其Mo-99生产工艺从高浓缩铀(HEU)转化为低浓铀(LEU)来大幅降低核扩散风险。美国能源部(DOE)阿贡国家实验室积极支持这两项努力。

  “从20世纪80年代开始,Argonne专注于将钼-99的生产目标从高浓缩铀转化为低浓缩铀,并提供了这样做的技术,”Argonne核工程部杰出研究员George Vandegrift说。 。

  在过去的五年中,Argonne与NNSA管理下的工业和其他国家实验室合作,帮助建立美国的Mo-99生产。

  现在,除了继续开发用于DOE和NNSA的Mo-99生产方法的技术开发之外,Argonne还在DOE同位素计划的鼓励和支持下推进其他有前景的放射性同位素的新生产和加工方法。

  尽管源自其母同位素Mo-99的Tc-99m主要用于诊断程序,但是对于可用于癌症治疗的同位素的有效生产方法的开发存在很大兴趣。Argonne正在使用其最近升级的电子直线加速器(LINAC),以及其在开发目标和回收和净化放射性同位素方面的历史专长,以探索各种此类治疗同位素。

  Argonne的电子LINAC在制作特定放射性同位素的“甜蜜点”中运作。在30-50兆电子伏特和相对高的电流下,LINAC能够产生潜在重要的放射性同位素。例如,放射性同位素如铜-67(Cu-67)和钪-47(Sc-47) - 由于缺乏可靠的供应或低比活度而在制药应用的开发中受到阻碍。

  全世界超过80%的核诊断程序(每年4000万)使用Tc-99m。仅美国就占世界供应量的一半,但从外国进口100%的母体同位素Mo-99。

  Vandegrift说锝因其放射性和丰富的化学性质而被广泛使用。Tc-99m具有较短的半衰期,能够以易于检测的能量发射伽马射线,并与多种蛋白质结合,使放射性同位素能够对特定组织和身体功能进行成像。

  “当Mo-99面临供应危机时,国家核安全局将高浓铀扩大到低浓铀转换计划,包括开发Mo-99的国内供应,”Vandegrift说。

  由NNSA资助,Argonne与两家美国公司SHINE Medical Technologies和NorthStar Medical Technologies,LLC合作,建立可扩展,安全和可靠的生产,回收和净化Mo-99的方法,满足制药标准的使用要求。 Tc-99m作为放射性药物。Argonne通过其LINAC展示了每家公司的生产途径,并提供了目标化学和后处理方面的专业知识。

  两家公司都在建立生产设施,使他们能够制造和分配足够的Mo-99,每个都满足美国50%的需求,而无需使用高浓铀。

  提出的SHINE生产方法使用基于低能量加速器的中子发生器来传播低浓度硫酸铀酰溶液的裂变,产生数百种同位素,包括Mo-99。Argonne的研究人员已经证明了这种方法使用电子LINAC通过转换器产生中子来照射硫酸铀酰溶液的可行性。他们还开发了Mo-99的回收和净化技术,Mo-99占辐照溶液中存在的裂变产物的6%。Argonne最近使用为SHINE开发的这项技术生产和加工了大量的Mo-99。Mo-99被送往GE Healthcare进行测试并通过了所有纯度和使用要求。美国

  “SHINE从Argonne帮助设计和测试我们的工艺所做的工作中获益匪浅.Argonne的独特能力意味着他们能够在我们的制造工厂建成之前几年展示SHINE工艺,这大大降低了我们的启动风险,” SHINE Katrina Pitas,SHINE业务发展副总裁。“我们非常感谢LEU Mo-99世界的先驱George Vandegrift和他的整个团队,他们为SHINE项目做出了精明的见解和努力。”

  另一方面,NorthStar工艺使用高能电子束在转换器靶中产生光子,以照射一组稳定的Mo-100烧结盘。在这个过程中,光子撞击Mo-100的原子,释放出中子并留下大量的Mo-99用于加工。Argonne团队优化了磁盘化学和结构,并开发了一条化学回收途径,使NorthStar能够重复使用昂贵的富钼靶材料。Argonne与洛斯阿拉莫斯国家实验室合作建造的测试设施是NorthStar建议生产单元的所有组件的中试规模操作。在Argonne的最后一次生产测试中,生产了几批Mo-99并送到NorthStar进行评估。

  “由于我们通过电子加速器开发和优化了Mo-99的生产工艺,NorthStar在过去的五年或更长时间里得到了Argonne国家实验室的大力支持和贡献,”NorthStar高级副总裁兼首席科学官Jim Harvey说。“用于溶解和回收富集的目标材料的化学过程的开发,以及现在使用Argonne的电子加速器进行有意义的辐照生产的能力,直接有助于我们在美国成功地将来部署这种Mo-99生产工艺。”

  通过在Argonne的LINAC开发的两个流程的成功演示,SHINE和NorthStar继续计划使用加速器进行生产。SHINE将在其位于威斯康星州Janesville的工厂使用基于加速器的中子发生器进行中子诱导裂变过程,而NorthStar长期计划在其位于威斯康星州Beloit的工厂安装自己的电子LINAC作为基础其诱导反应过程。回到阿贡,研究人员在美国能源部同位素计划的支持和鼓励下,正在扩大其放射性同位素计划,目标是开展突破性研究,并开展提供一系列关键放射性同位素所需的开发和演示。

  Cu-67具有无毒的适用于放射治疗和成像的排放以及2.6天的半衰期,因其作为“治疗诊断”的综合治疗和诊断放射性同位素的合适特性而被认可数十年。

  “Cu-67可以让医生实时监测治疗,”Argonne化学家David Rotsch说。“它发出的粒子已被证明可以穿透几毫米进入组织,杀死癌细胞,但它也会发出伽玛辐射,可以用来追踪它根除这些癌细胞的程度。”

  利用LINAC,研究人员产生了高比活度的Cu-67,并证明了放射性同位素的小规模生产。现在,在美国能源部同位素计划的资助下,他们正准备生产足够的铜-67,以满足对外部研发和未来临床试验的估计需求。早在今年11月,阿贡就将通过美国能源部的国家同位素开发中心分发Cu-67。

  “我们从100毫克库里开始批量生产,根据需求可以增加到两个居里批次,”Rotsch说。

  该团队还于2015年秋季获得阿贡实验室指导研究与开发(LDRD)资助,以研究利用电子LINAC生产各种其他放射性同位素。LDRD的一个重点是为Sc-47创建一种生产模式,以便快速简单地进行分配。

  与Cu-67一样,Sc-47具有使其成为良好的治疗诊断候选者的特征。Argonne研究人员正在开发一种生产和纯化Sc-47的方法,以最大限度地缩短加工时间并最大限度地提高产量。该同位素也可通过DOE同位素计划获得。

  “我们处于有利位置,因为现在,我们的LINAC在具有更高功率和能量束方面是独一无二的,”核工程部加速器设备经理Sergey Chemerisov说。“我们是唯一能够立即完成这项工作的DOE LINAC。”

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