Radyoizotopların Tıbbi Kullanımı

Açılış sahnesi

Perşembe sabahı, yediyi on geçiyor. Ceren'in gözlem programındaki son durak nükleer tıp bölümünün "sıcak oda" dediği küçük odası. Kurşun camlı çeker ocağın arkasında nükleer tıp uzmanı Nurhayat Hanım, termos büyüklüğünde zırhlı bir silindirin üstüne boş bir şişe oturtuyor; şişe kendi kendine dolmaya başlıyor. Tam o sırada bir kurye kapıya sarı etiketli, ağır bir kutu bırakıyor. Etikette "F-18 FDG" yazıyor; kutu gece yarısından sonra başka bir ildeki siklotrondan yola çıkmış.

Ceren şişenin kurşun kılıfındaki etikete bakıyor: "Tc-99m". Koridorun sonundaki kurşun kaplı kapının üstünde ise "I-131 tedavi odası" yazıyor. "Hocam, dün akşam acilde iyonları konuştuk ve çekirdek hiç değişmiyordu. Burada her şey çekirdekle ilgili galiba. Teknesyumun yanındaki m ne? Bu kutu neden gece yola çıkmış da şu silindir bütün hafta aynı tezgâhta duruyor?" Nurhayat Hanım şişeyi zırhlı kılıfına yerleştiriyor. "Hepsinin cevabı çekirdeğin nasıl ve ne hızla değiştiğinde. Onu öğrenince neyi görüntüleme, neyi tedavi için seçtiğimizi kendin söylersin".

Bu derste ne olacak

Kararsız bir çekirdeğin başka bir çekirdeğe hangi yollarla dönüştüğünü, her yolda atom numarasının ve kütle numarasının nasıl değiştiğini izleyeceksin. Bir radyoizotop örneğindeki bozunma hızını ölçen niceliği ve birimini tanıyacak, zamanla ne kadarının kaldığını hesaplayacaksın. Görüntüleme ve tedavi için neden farklı izotopların seçildiğini kuracak, vücudun bir izotopu neden ötekinden ayıramadığını ve vücudun atımı eklendiğinde sürenin nasıl kısaldığını göreceksin.

Metin

Çekirdeğin kendisi değiştiğinde

İyonlar dersinde elektron sayısı değişmiş, çekirdek ise her seferinde aynı kalmıştı. İzotoplar dersinde (L02-P06-M01-D03) kararlı ve kararsız izotop ayrımını yalnız adıyla anmış, ayrıntısını bu derse bırakmıştık. Kararsız bir çekirdek daha düşük enerjili bir düzene kendiliğinden geçer ve ne sıcaklık ne de atomun kimyasal bağı bu geçişi hızlandırır.

Henri Becquerel 1896'da uranyum tuzlarının, önceden ışığa tutulmasa bile karanlıkta sarılı fotoğraf plakasını karartan bir ışınım yaydığını gösterdi. Bugün bir örnekteki bozunma hızının birimi onun adını taşıyor.

Bozunma defteri: Z ve A

Her bozunma türü, çekirdeğin iki sayısını kendine özgü bir biçimde değiştirir. Alfa bozunmasında çekirdek iki proton ve iki nötrondan oluşan bir helyum çekirdeği fırlatır; atom numarası iki, kütle numarası dört azalır. Radyum-223 bunun tıptaki bir örneğidir: 223 − 4 = 219 ve 88 − 2 = 86, yani ürün radon-219'dur. Radyum, Periyodik Eğilimler dersinde gördüğün ikinci grupta, kalsiyumun altında durur ve vücutta kalsiyumun yolunu izleyerek kemiğe yerleşir.

Beta eksi bozunmasında çekirdekteki bir nötron protona dönüşür ve dışarı bir elektronla birlikte bir antinötrino atılır. Aynı dönüşümü, nötronun kütlesini tartarken serbest nötronda görmüştük; çekirdeğin içinde de olay değişmez. Kütle numarası değişmez, atom numarası bir artar. İyot-131'in elli üç protonu elli dörde çıkar ve çekirdek ksenon-131 olur. Molibden-99 aynı yolla 42'den 43'e, teknesyuma geçer.

Beta artı bozunmasında süreç tersine döner: bir proton nötrona dönüşür ve çekirdekten bir pozitron, yani elektronun artı yüklü karşıtı, ile bir nötrino çıkar. Flor-18'in dokuz protonu sekize iner ve ürün oksijen-18 olur; kütle numarası yine yerinde kalır. Aynı sonuca pozitron salmadan da varılabilir. Elektron yakalamada çekirdek, en içteki kabuktan bir elektronu içine alır ve bir protonu nötrona çevirir. İyot-123 bu yolla tellür-123'e dönüşür. Boşalan iç kabuk yerini dış elektronlar doldururken atomdan X ışını ya da Auger elektronu çıkar.

Gama ışımasında ise hiçbir sayı değişmez. Bir bozunmadan sonra uyarılmış kalan çekirdek fazla enerjisini yüksüz bir foton olarak verir ve bu adım çoğu zaman bozunmanın hemen ardından gelir. Bazı çekirdeklerde ise uyarılmış hâl şaşırtıcı biçimde uzun yaşar.

Ceren'in sorduğu harf budur. Teknesyum-99m, temel hâlinin yaklaşık 143 keV üzerinde bekleyen bir teknesyum-99 çekirdeğidir. Bozunmalarının neredeyse tamamı izomerik geçiştir ve başlıca 140 keV'luk bir gama fotonu salar. Proton ve nötron sayısı aynı kaldığı için geride yine teknesyum-99 kalır. O çekirdeğin yarı ömrü yaklaşık 211 bin yıl olduğundan aktivitesi ihmal edilecek kadar küçüktür.

Yarı ömür ve aktivite

Üstel fonksiyon dersinde (L02-P01-M02-D03) bir niceliğin yarıya inme süresine yarılanma süresi demiş ve azalan üstel süreçlerde bu sürenin başlangıçtaki miktardan bağımsız kaldığını görmüştük. Çekirdek fiziğinde aynı niceliğe yarı ömür (half-life) denir ve simgesi T½'dir. Tek bir çekirdeğin geçmişi yoktur; bir saatlik bir teknesyum-99m çekirdeğinin sonraki saatte bozunma olasılığı, yeni oluşmuş olanınkiyle aynıdır. Yarı ömür bu yüzden bir çekirdeğin ömrünü değil, bir çekirdek topluluğunun yarısının bozunması için geçen süreyi anlatır.

Aktivite de çekirdek sayısıyla aynı hızda azalır: A = A₀ × (1/2)^(t ÷ T½). Burada A₀ başlangıçtaki aktivite, t geçen süredir. Teknesyum-99m'nin yarı ömrü iki veri değerlendirmesinde de 6,01 saate yuvarlanır. Sabah hazırlanan bir örneğin ertesi sabah ne kadar kaldığını bulmak için önce geçen yarı ömür sayısını hesapla: 24 ÷ 6,01 ≈ 3,99. Sonra (1/2)^3,99 ≈ 0,063 bulursun; başlangıç aktivitesinin yaklaşık on altıda biri kalmıştır.

Görüntülemek için: dışarı çıkan ışın

Bir görüntüleme cihazı yalnız vücudu terk eden ışınımı görebilir. Yüklü alfa ve beta parçacıkları enerjilerini dokuda kısa bir yolda bırakır; yüksüz gama fotonu ise dokudan büyük ölçüde geçer. Tanıdaki bir radyoizotoptan bu yüzden dışarı çıkan bir foton ve vücutta kısa bir kalış beklenir.

Teknesyum-99m bu beklentiye iyi uyar. Neredeyse yalnız gama fotonu salar; 140 keV'luk enerjisi gama kameralar için uygundur ve fotonları farklı açılardan toplayan tek foton emisyon tomografisi, SPECT, kesit görüntüsü kurar. Tezgâhtaki silindir bir jeneratördür: içinde, 66 saatlik yarı ömrüyle beta eksi bozunmasına uğrayan molibden-99 bulunur ve bozunma ürünü teknesyum-99m birikir. Anne çekirdek ürününden 66 ÷ 6,01 ≈ 11 kat yavaş azaldığı için jeneratör her sabah yeniden sağılabilir. Bir hafta sonra ise 168 ÷ 66 ≈ 2,55 yarı ömür geçmiş ve molibdenin yalnız 0,17'si kalmıştır; silindirin haftalık değiştirilmesinin nedeni budur.

Flor-18 başka bir yol izler. Saldığı pozitron dokuda en fazla birkaç milimetre içinde bir elektronla karşılaşır ve ikisi yok olurken yaklaşık zıt yönlere giden iki adet 511 keV'luk foton doğar. Pozitron emisyon tomografisi, PET, bu foton çiftini dedektör halkasında aynı anda yakalar ve olayı ikisini birleştiren çizgiye yerleştirir. Flor-18, glukozun bir hidroksil grubunun yerine takılarak florodeoksiglukoz yapılır. Molekül glukoz taşıyıcılarıyla hücreye girer, heksokinazla fosforlanır, ama sonraki basamaklarda işlenemediği için hücrede kalır. Beyin, pek çok tümör ve iltihaplı doku gibi glukozu hızlı kullanan dokular görüntüde parlak çıkar.

Kuryenin kutusu gece bu yüzden yola çıkar. Flor-18'in yarı ömrü 110 dakikaya yakındır ve bekletilemez. İki buçuk saatlik bir yolda 150 ÷ 109,8 ≈ 1,37 yarı ömür geçer, (1/2)^1,37 ≈ 0,39 kalır. Üretici yola çıkan miktarı bu kayba göre ayarlar.

Tedavi için: enerjiyi yerinde bırakmak

Tedavide mantık tersine döner. Enerjinin hedef dokuda kalması istenir, bu yüzden menzili kısa, yüklü parçacıklar tercih edilir. İyot-131 beta eksi bozunmasıyla elektron salar ve bu elektronlar dokuda en fazla birkaç milimetre ilerler. Aynı çekirdek 364 keV'luk bir gama fotonu da salar; bu foton dağılımı görüntülemeye yarar, ama yakındakilere de ulaştığı için tedavi kurşunla korunan ayrı bir odada yürütülür. Alfa parçacıklarının menzili daha da kısadır, yalnız birkaç hücre çapı kadardır; radyum-223 bu yüzden kemiğe yerleştiği yerde komşu dokuya taşmadan enerji bırakır.

İyot burada hem tanıya hem tedaviye izotop verir. İyot-123 elektron yakalamayla bozunur, 159 keV'luk bir gama fotonu salar ve iyot-131 gibi beta parçacığı yağdırmaz; tanı içindir. İyot-131'in yarı ömrü 8,02 gün, yani 192,5 saattir ve 192,5 ÷ 13,2 ≈ 14,6 eder: iyot-123'ünkinin yaklaşık on beş katı. Ömrün uzunluğu ve saldığı beta parçacıkları iyot-131'i tedavi tarafına yerleştirir.

Tiroid neden ayırt edemez

İzotoplar dersinde kimyanın elektronlarla yapıldığını söylemiştik. İyot-127, iyot-123 ve iyot-131 çekirdeklerinde elli üç proton taşır ve iyodür hâlinde üçü de elli dört elektronlu, tek eksi yüklü aynı anyondur. Tiroid bezi iyodürü hücre zarındaki bir taşıyıcıyla, sodyum–iyodür simporteriyle içeri alır; taşıyıcı her iyodürü iki sodyum iyonuyla birlikte geçirir. İyonlar dersinde zardaki taşıyıcıların iyonu yükünden ve boyutundan tanıdığını görmüştük. Çekirdekteki nötron sayısı ise iyonun ne yükünü ne boyutunu değiştirir; taşıyıcı radyoaktif iyodürü sıradan iyodürden ayıracak hiçbir işaret bulamaz.

Teknesyum-99m sıcak odada perteknetat, TcO₄⁻ olarak elde edilir; tek eksi yüklü bu anyon iyodüre yakın boyuttadır ve aynı taşıyıcı onu da tiroide alır. Tiroid perteknetatı hormona bağlamaz, yalnız bir süre tutar; bu kısa tutulma bile tiroid görüntülemesi için yeterlidir. İyot ise hormonun yapısına girer.

Bu ilkeyi ilk uygulayanlardan biri George de Hevesy'dir. 1923'te Biochemical Journal'ın 17. cildinde yayımlanan çalışmasında radyoaktif bir kurşun izotopu kullanarak bitkilerin kurşunu nasıl aldığını ve dokularına nasıl taşıdığını izledi. Sıcak odadaki her şişe bu mantıkla çalışır.

İki saat birlikte işlediğinde

Vücuttaki bir radyoizotop yalnız bozunarak azalmaz; böbrekler, bağırsak ve metabolizma onu ayrıca uzaklaştırır ve bu atımın yarılanma süresine biyolojik yarı ömür denir. İki süreç aynı anda yürüdüğünde hızları toplanır ve her hız yarı ömrün tersiyle orantılıdır.

Hesabı kolay izlenen bir varsayımla yürütelim; biyolojik yarı ömrü 12 saat olan ve Tc-99m ile işaretli hayalî bir molekül düşün. Bu değer hiçbir gerçek radyofarmasötiği temsil etmez. 1 ÷ 6,01 ≈ 0,1664 ve 1 ÷ 12 ≈ 0,0833 bulunur; toplam 0,2497 eder ve 1 ÷ 0,2497 ≈ 4,0 saat çıkar. Aktivite, iki süreden de kısa bir sürede yarıya iner. Radyasyon güvenliği de süreyle kurulur, uzaklık ve zırh onu tamamlar; sıcak odadaki kurşun cam o zırhtır.

Sıcak odaya dönüş

Ceren kılıftaki etikete yeniden bakıyor. "m" artık fazla enerjisini atmak için saatlerce bekleyen bir çekirdek; silindirin haftalık değişmesi ile kutunun gece yola çıkması da aynı üstel eğrinin farklı hızlarından çıkıyor.

Nurhayat Hanım koridordaki kurşun kapıyı gösteriyor. Oradaki iyot, tiroidin gözünde sıradan bir iyodürden farksız; tiroid onu kendi eliyle toplayıp hormonuna katıyor. Farkı gören tek şey dedektör ve ona bunu söyleyen de elektronlar değil, çekirdek.

Kendini sına

1. Radyum-223 alfa bozunmasıyla, iyot-131 beta eksi bozunmasıyla, iyot-123 elektron yakalamayla bozunur. Her birinde ürünün atom numarasını ve kütle numarasını yaz.
2. Teknesyum-99m ile teknesyum-99 arasında proton ve nötron sayısı bakımından fark var mı? "m" neyi gösterir?
3. Flor-18'in yarı ömrü yaklaşık 110 dakika. Üç saatlik bir yolda başlangıç aktivitesinin ne kadarı kalır?
4. Görüntülemede gama ya da pozitron, tedavide beta ya da alfa salan izotoplar neden tercih edilir?
5. Fiziksel yarı ömrü ve biyolojik yarı ömrü eşit olan bir izleyicide etkin yarı ömür bu sürenin kaçta kaçıdır?

Bir sonraki derse köprü

Sıradaki ders modülü atomdan periyodik sisteme uzanan bir quizle kapatıyor. Oraya giderken bir laboratuvar satırında ya da bir cihaz ekranında gördüğün her simgeye şunu sormaya hazırlan: bu bilgi çekirdekten mi, yoksa elektronlardan mı geliyor, ve çekirdekten geliyorsa kimya onu görebilir mi?