НЕВИДИМЫЕ ПОМОЩНИКИ: радиоактивные изотопы
Промышленность и технологический контроль, сельское хозяйство и медицина, средства связи и научные исследования — охватить весь спектр применения радиоактивных изотопов практически невозможно
Одинаковые снаружи, разные внутри
Пожалуй, точкой отсчета в истории изучения радиоактивных изотопов следует считать 1900 год, когда английский химик Фредерик Содди стал ассистент-профессором химии в университете Мак-Гилла в Монреале (Канада). В 1901–1902 гг. будущие Нобелевские лауреаты Эрнест Резерфорд и Фредерик Содди создали теорию распада радиоактивных элементов, согласно которой несколько самых тяжелых элементов становятся устойчивыми, выбрасывая из своих ядер небольшие, но в достаточной степени разрозненные единицы массы, заряда и энергии в виде альфа-, бета- и гамма-частиц. Оказалось, что в процессе радиоактивного распада образуются другие элементы. В частности, Содди доказал, что в результате радиоактивного распада радия образуется гелий. Это был первый документально подтвержденный случай образования одного элемента из другого.
Далее, проведя ряд экспериментов, Содди пришел к выводу, что радий образуется в результате постепенного распада атомов урана, и высказал предположение, что в ходе этого превращения должен образоваться промежуточный элемент.
В 1913 г. была выдвинута концепция изотопов — атомов одного и того же элемента, идентичных по химическим свойствам, но отличающихся друг от друга физическими характеристиками. Все изотопы одного элемента занимают в периодической таблице Менделеева одно и то же место (греч. «изо» — одинаковый, «топ» — место), но имеют разную атомную массу. Содди говорил, что изотопы одинаковы «снаружи», но отличаются «внутри».
В 1920 г. ученый предположил, что изотопы можно использовать для определения геологического возраста 
горных пород и окаменелостей, поскольку известна скорость их радиоактивного распада. Это предположение стало основой развития современной технологии радиоактивного датирования.
В 1921 г. Фредерик Содди получил Нобелевскую премию «За вклад в химию радиоактивных веществ и за проведенное исследование происхождения и природы изотопов».
В конце ХХ в. было рекомендовано термин «изотоп» заменить на «нуклид» и соответственно «радиоактивный изотоп» на «радионуклид». Однако широкого распространения это нововведение не получило, и оба термина используются в научной литературе как синонимы.
На службе у человека
В настоящее время радиоактивные изотопы и соединения, меченные радиоактивными изотопами, широко применяются в самых разных областях человеческой деятельности. В атомной энергетике и оборонной промышленности используют обогащение урана (235U), являющегося основным ядерным топливом, без которого невозможно получение оружейного плутония, необходимого для создания ядерного и термоядерного оружия.
Радиоактивные изотопы позволяют судить о диффузии металлов, процессах в доменных печах и т.д. Мощное гамма-излучение радиоактивных препаратов используют для исследования внутренней структуры металлических отливок в целях обнаружения в них дефектов.
Все более широкое применение получают радиоактивные изотопы в сельском хозяйстве. Облучение семян растений (хлопчатника, капусты, редиса и др.) небольшими дозами гамма-лучей радиоактивных препаратов способствует значительному повышению урожайности. Большие дозы радиации вызывают мутации у растений и микроорганизмов, что в отдельных случаях обусловливает появление мутантов с новыми ценными свойствами (радиоселекция). Так были выведены ценные сорта пшеницы, фасоли и других культур, а также получены высокопродуктивные микроорганизмы, применяемые в производстве антибиотиков. Гамма-излучение радиоактивных изотопов используют также для борьбы с вредными насекомыми и для консервации пищевых продуктов.
Широкое применение получили меченые атомы и в агротехнике. Например, чтобы выяснить, какое из фосфорных удобрений лучше усваивается растением, удобрения помечают радиоактивным фосфором. Исследуя затем растения на радиоактивность, можно определить количество усвоенного ими фосфора из того или иного вида удобрений.
Интересное применение для определения возраста древних предметов органического происхождения (дерева, древесного угля, тканей и т.д.) получил метод радиоактивного углерода. На основе определения его процентного содержания в органических остатках можно установить их возраст. Именно так узнают возраст египетских мумий, останков доисторических животных, растений и др.
Ядерная медицина
Впервые идею использовать радиоактивные изотопы в медицинских целях высказал изобретатель циклотрона американский физик Эрнест Лоуренс, который вместе со своим младшим братом Джоном руководил биофизической лабораторией в Беркли (Калифорнийский университет, США).
24 декабря 1936 г. Джон Лоуренс использовал радиоактивный изотоп фосфора, искусственно полученный на циклотроне, для лечения 28-летней пациентки с хроническим лейкозом. Ученый также с успехом применял изотопы для лечения пациентов с онкологическими заболеваниями, в том числе своей матери.
В настоящее время радиоактивные изотопы используют в медицине как для установления диагноза, так и с целью лечения. Методы диагностики и лечения на основе радиоактивных изотопов получили название ядерной медицины. С помощью радионуклидов изучают пути и способы выведения из организма отравляющих веществ, усвоение и выведение лекарственных препаратов, поведение микроорганизмов.
Одним из первых методов ядерной медицины является сцинтиграфия.
Суть исследования состоит в том, что пациенту вводят радиофармпрепарат (радиоиндикатор) — лекарственное средство, состоящее из молекулы-вектора и радиоактивного маркера (изотопа). Молекулу-вектор поглощается в определенных тканях или накапливается в жидкостях. Радиоактивная метка служит «передатчиком» — испускает гамма-лучи, которые регистрирует гамма-камера.
От традиционных лекарственных средств радиофармацевтические препараты отличаются отсутствием какого-либо фармакодинамического воздействия на организм человека, что обусловлено введением меченого химического соединения в низких дозах. В основе диагностического использования радиофармпрепаратов лежат особенности их фармакокинетики, что позволяет получать изображение органа и определять его анатомо-топографические характеристики либо оценивать функциональное состояние органа или системы, не нарушая физических условий его работы.
Действие лечебных радиофармпрепаратов обусловлено не влиянием химического соединения, а излучением входящего в его структуру радионуклида.
Сегодня в мире производят более тысячи радиоактивных изотопов, однако в медицине применяются лишь несколько десятков из них. Это обусловлено тем, что в организм человека можно вводить только радиоактивные элементы с очень коротким периодом полураспада, так как длительное воздействие излучаемой энергии может спровоцировать в организме нежелательные реакции.
Подготовила Александра Демецкая, канд. биол. наук
Мнение эксперта
Наталья Илясова, врач-радиолог:
В настоящее время технологии ядерной медицины можно применять в различных областях и, например, для диагностики болезней внутренних органов, в частности, в таких областях медицины как неврология, эндокринология, нефрология, пульмонология, гастроэнтерология, кардиология, кардиохирургия, онкология, и др.
Одним из современных методов ядерной медицины является позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ) — метод исследования внутренних органов и тканей тела, позволяющий оценить в них интенсивность обмена и транспорта веществ.
Современное диагностическое оборудование позволяет комбинировать ПЭТ с компьютерной томографией (КТ) — так называемое ПЭТ/КТ-исследование. По данным КТ можно получить детальную анатомическую картину исследуемой зоны, a на основании результатов ПЭТ — оценить наличие в ней патологических функциональных процессов (например, опухолевый рост).
Данный метод основан на внутривенном введении радиоактивного индикатора (радиофармпрепарата), который попадает в органы с повышенным обменом веществ (например, в клетки опухоли). При этом, в отличие от сцинтиграфии, ПЭТ позволяет получать подробные трехмерные изображения интересующих врача участков тела.
Одной из основных задач ПЭТ является обнаружение опухоли или ее метастазов не только до появления клинических признаков заболевания, но и тогда, когда другие методы диагностики бессильны. Кроме того, с помощью ПЭТ с высокой достоверностью можно дифференцировать доброкачественные опухоли от злокачественных. ПЭТ также используют для диагностики заболеваний сердца (участки сердечной мышцы, в которых нарушено кровоснабжение) и головного мозга (эпилепсия, болезнь Альцгеймера, последствия травм, ишемические нарушения).
Необходимо отметить, что при проведении как сцинтиграфии, так и ПЭТ возможно получение так называемых ложноположительных результатов (болезни нет, а результат исследования «положительный»). Это связано с тем, что радиофармпрепараты накапливаются в тех местах, где имеется воспалительный процесс (в следствие травмы, хронических заболеваний и др.). Поэтому результаты диагностического исследования должен тщательно изучить лечащий врач
“Фармацевт Практик” #10′ 2014
