Radiotrazadores

MSc. Victoria Calzada

Desde su descubrimiento los radionucleidos han sido utilizados para detectar su presencia y sus desplazamientos temporales en diversos procesos físicos, químicos y biológicos.

La detección de permite su localización en función del tiempo y así determinar características de un proceso.

Con detectores y técnicas computacionales es posible el desarrollo y la construcción de proyecciones representativas bi- y tri-dimensionales.

Los Radiotrazadores son compuestos que contienen uno o más átomos radioactivos que permiten su detección y medición.

Un radiotrazador tiene la misma o similar composición química y se comporta en idéntica forma que el compuesto de interés y se utiliza en cantidades muy pequeñas para no perturbar el sistema en estudio.  

La radiación emitida por este es detectable por sistemas externos (contador Geiger; contador de centelleo; Ge o Si de alta resolución, etc.).

Existe una gran variedad de radiotrazadores con aplicaciones específicas en las distintas disciplinas.

Ventajas Alta sensibilidad Detección “en-línea” (inmediata) Compatibilidad físico-química con sistema en

estudio Disponibilidad de gran variedad de

radiotrazadores Análisis no destructivo y repetible Aplicable a macro- y micro sistemas Económico Baja interferencia

Consideraciones básicas:

1) Los isotopos radioactivos se comportaran de la misma manera que el isotopo estable del mismo elemento.-Esto no es exactamente así por el efecto isotópico (cambios en las masas producen cambios en la tasa de reacción o equilibrio). Sin embargo, en la mayoría de los casos esto no afecta la utilidad como radiotrazador. -El grado de estabilidad del enlace químico esta directamente relacionado a la raíz cuadrada de las masas de los isotopos involucrados, por lo que el efecto isotópico podría ser relevante solamente en elementos con una masa atómica ≤25 u.

Efecto isotópico: La diferencia es el comportamiento entre los diferentes isótopos de un mismo elemento se debe a las diferentes masas. Esta diferencia de masa afectará a la energía cinética de las moléculas (dando lugar a los efectos isotópicos físicos) o afectará las propiedades de vibración y rotación de las moléculas (dando lugar a los efectos químicos de isótopos).

2) La radioactividad no deberá cambiar las propiedades químicas y físicas del sistema. -La cantidad de actividad empleada deberá ser la mínima necesaria para permitir un conteo eficiente de las muestras a ser analizadas. Esto dependerá a su vez de varios factores como el tipo de emisión y sistema con el que se va a trabajar. -Afortunadamente los métodos para medir radioactividad son muy sensibles por lo que difícilmente ocurra un daño significativo. El resultado del decaimiento radioactivo usualmente da un elemento químico distinto. Uno debería asegurarse que la presencia de esa especie diferente y los equilibrios no afectarán los resultados.

3) En estudios biológicos, no deberá haber desviación del estado fisiológico normal. Si para lograr una detección suficiente del trazador, el nivel químico del compuesto dado excede en gran medida el nivel fisiológico o químico normal, los resultados experimentales serán cuestionables. Por lo tanto la actividad específica del radiotrazador deberá ser lo suficientemente alta para ser administrado dentro de los límites fisiológicamente normales.

4) La forma química y física del radionucleido. El compuesto marcado deberá comportarse de la misma forma que la variedad no marcada. El radionúclido y el nucleido estable deben someterse a intercambio isotópico. Esto significa que el trazador y el átomo estable deben estar en el mismo estado redox.La pureza radioquímica de un compuesto no debe ser asumida.

Radiolisis

Daño en las moléculas por efecto de la radiación

Autorradiolisis Efecto de la radiación que emite el

radionucleido presente en la molécula marcada

Clasificación

I. Radiolisis primaria interna. Al decaer el radionucleido da lugar a otro elemento, cambia su valencia y generalmente se rompe la molécula

II. Radiolisis primaria externa. La molécula marcada sufre el daño de la radiación (especialmente b) producida por otras moléculas marcadas presentes en el medio. Aumenta al aumentar la actividad específica

III. Radiolisis secundaria. Radionucleido de la molécula marcada

Solvente Producción de radicales libres Otras moléculas marcadas se dañan

Métodos para minimizar la radiolisis

Reducir Actividad Específica Dispersar en diluyente adecuado (solventes,

celulosa, etc.) Adicionar secuestrantes de radicales libres

(benzeno, etanol, glicerol, ácido ascórbico, cisteína, proteínas carrier)

Almacenar a temperatura baja Almacenar a pH óptimo

5) Solamente los átomos radioactivos son trazadores. -Nunca asuma que la apariencia de la etiqueta radioactiva en una muestra dada indica la presencia del compuesto administrado. Se trata de los átomos marcados que se están siguiendo, no el compuesto intacto. -En reacciones metabólicas puede ocurrir la escisión del átomo radioactivo a partir del compuesto original, pero también pueden ocurrir reacciones de intercambio, y así la eliminación de átomos lábiles del compuesto marcado. -El grado de intercambio químico es fuertemente dependiente de las especies moleculares implicadas, la posición del radionucleido en la molécula, y los factores ambientales (fluidos biológico, pH, etc).

Preparación

En ciertos experimentos, los radionucleidos primarios se pueden usar directamente, pero por lo general el investigador quiere asegurar un compuesto marcado totalmente para su uso en experimentos de radiotrazadores.

Métodos de marcación

Intercambio Isotópico No isotópico

Biosíntesis Síntesis química Reacciones nucleares Reacciones de retroceso

Clasificación:En función de Nombre Elemento Posición EjemplosElemento Isotópico Igual

elementoIgual posición Eritrocina-B-131I

No isotópico distinto elemento

Igual posición Seleniometionina-75Se

Multiplicidad Simple Un solo lugar Seleniometionina-75Se

Múltiple Más de un lugar Ácido benzoico-3H

Mixto Más de un RN CH23H-14COOH

Uniforme Un solo RN Más de un lugar

Localización Específico

Nominal

Nomenclatura

Nombre + grupo funcionalL-valina (carboxil-14C)

Nombre + posición RNL-valina-1-14C

[Posición] + nombre

[1-14C]-L-valina

Características del radionucleido

Forma química definida t1/2 adecuado al marcado y al uso No debe alterar estructura ni propiedades químicas de la

molécula marcada Actividad específica elevada Elevada pureza Tipo de emisión: Poseen masa y carga eléctricas ( α ; β ) -Baja penetración (rango) -Altamente ionizantes -Baja detección externa

Sin masa ni carga  -Alta penetración (rango) -Escaso poder ionizante -Alta detección externa

Consideraciones Prácticas

La viabilidad de los experimentos con radiotrazadores suele depender de ciertos factores entre los que se incluyen:

DisponibilidadUn factor principal es si un radioisótopo del elemento a ser rastreado está disponible con las características adecuadas (t1/2, la energía de partículas, actividad específicas posible, la radiación emitida debería ser relativamente fácil de detectar. Un segundo factor es si el compuesto marcado está disponible comercialmente o puede sintetizarse fácilmente.

Cantidad de radiotrazador necesaria para el experimento. Los experimentos con radiotrazadores deberán en general involucrar cantidades pequeñas de radiotrazador.

Evaluación de riesgos. Irradiación y contaminaciónEn la gran mayoría de los experimentos de radiotrazadores, el peligro de la radiación externa directa no representa un problema grave. Uso de un emisor alfa o beta: posibilidad de ingestión del radiotrazador, en particular los conocidos por tener un período de semidesintegración largo. Muestra que forma aerosoles o es un polvo seco en alguna etapa del experimento.

Aplicaciones

Medicina nuclear Ciencias naturales Agricultura alimentos Fisiología vegetal Entomología Biología marina Estudios microambientales Recursos hidrológicos. Humedad de suelos Salinidad de suelos Toxicología ambiental Distribución dinámica Sedimentación Control de erosión Humedad de suelos

Aplicaciones Químicas Separación química-separaciones por precipitación. -dependencia del pH, el volumen de eluyente y factores similares en separación de iones metálicos mediante intercambio iónico. Utilización de radiotrazadores para estudiar la

presencia y propiedades de intercambio isotópico

Estudio de los mecanismos de reacción química.

Rearreglos moleculares

Autorradiografía: es el método más antiguo. Una muestra radiactiva se coloca en una emulsión fotográfica. Después de un período de tiempo, la película se desarrolló y la ubicación precisa del material radiactivo en la muestra se determina a partir del patrón de oscurecimiento en la película. Por lo tanto, autorradiografía se utiliza para localizar los radionucleidos en una sección de tejido, muestra bruta, o cromatograma.

Aplicaciones Biológicas In-vitro

Radioinmunoensayo (RIA) -Es un método altamente sensible para la determinación de las cantidades de hormonas, fármacos, vitaminas, enzimas, virus, antígenos tumorales, y proteínas de suero en muestras biológicas. -Se basa en la reacción inmunológica de anticuerpos y antígenos. Uno comienza con ya sea un antígeno o anticuerpo marcado con un marcador radiactivo tal como 3H, 14C o 125I. -Así RIA es una forma especial de análisis por dilución isotópica (AIF).

Análisis de ADN

-El análisis de ADN es ampliamente utilizado para identificar personas, establecer la paternidad, la detección de enfermedades genéticas, etc. Se extrae el ADN de una muestra de sangre, piel, cabello, semen, etc. -Este ADN se corta en piezas que utilizan enzimas que cortan cada lado de una secuencia repetida. El resultado es una mezcla de segmentos de ADN de diferente tamaño. -Los fragmentos separados espacialmente se dejan reaccionar con radiomarcados "sondas de genes". Estas contienen fragmentos de ADN radiomarcados específicos que se unen sólo a los segmentos de ADN que contienen una secuencia de nucleótidos que es complementaria a su propia.-Los fragmentos de ADN originales continuación, se identifican por el ADN marcado radiactivamente que ha reaccionado con ellos, por lo general por autorradiografía. -El patrón físico en la autorradiografía es un patrón de las secuencias de ADN y tamaños.

Medicina Nuclear. Radiotrazadores como agentes imagenológicos.

-La medicina nuclear se ocupa de la utilización de la radiación y la radioactividad para diagnosticar y tratar la enfermedad. Las dos áreas principales de la actividad, el diagnóstico y la terapia, involucran diferentes métodos y consideraciones para el uso radiotrazador (Radiofármaco).

-El diagnóstico por radiotrazadores es para formación de imágenes de órganos específicos, los huesos o tejidos.

-Los nucleidos utilizados para la formación de imágenes deben emitir fotones con una energía de entre 100 y 200 keV.

Aplicaciones Biológicas In-vitro

-Tomografía puede implicar imágenes generadas por la transmisión de radiación a través del cuerpo o mediante la incorporación de radionucleidos en el cuerpo y la detección de la radiación emitida (tomografía de emisión). Para la tomografía por emisión, las técnicas de imagen pueden incluir:

Centellografía y SPECT se utilizan sobre todo para el cerebro y imágenes cardiacas y oseas. Los radionúclidos que se emplean son 99mTc, 67Ga, 111In, 123I , y demás emisores de fotones simpes.

PET, nucleidos emisores de positrones, tales como 18F, 11C, 15O, o 13N se introducen en una región a ser estudiada. Los dos fotones de 0,511 MeV, que se producen cuando los positrones son aniquilados, surgen en direcciones opuestas y definen una línea que pasa por el punto donde se ha producido la aniquilación. Los dos fotones se detectan en coincidencia por una matriz de detectores de centelleo. PET se utiliza principalmente para estudios dinámicos del cerebro, el corazón y los pulmones. 11C , 18FDG. Otros nucleidos, como 15O, se pueden utilizar para estudiar el flujo sanguíneo y el volumen.

Herramienta para medir la dinámica de muchos procesos físicos y biológicos.

Medir patrones de flujo, de dispersión. Radiotrazadores se han empleado en los estudios de los procesos

físicos y biológicos en la atmósfera y en la hidrosfera. -estudios atmosféricos, patrones de flujo de aire en investigaciones a gran y pequeña escala, la dispersión de contaminantes atmosféricos procedentes de diversas fuentes, e identificación de las fuentes de diversos contaminantes. -medición de patrones generales de circulación de agua y diversas características del ciclo hidrológico, incluyendo la precipitación, la escorrentía y el caudal, las existencias totales de agua, infiltración, los problemas de agua subterránea, tales como el origen y la edad de las aguas , su velocidad de flujo y la dirección, evaporación transporte y la producción de aerosoles. Muchos estudios de naturaleza biológica, tales como la dispersión de

contaminantes, la absorción, y la concentración en el ecosistema, han implicado el uso de radiotrazadores. 137Cs , 210Pb, 7B.

 

Aplicaciones ambientales

Trazadores radiactivos tienen varias ventajas importantes sobre trazadores convencionales para estudios ambientales.

-La detectabilidad del trazador no está influenciada por las propiedades físicoquímicas del medio ambiente -Debido a que la radiación nuclear, particularmente la radiación gamma que es altamente penetrante, el trazador puede ser detectado, como cuando se emplea enterrado en el suelo - Mejor sensibilidad de detección debido al alto factores de dilución. - Debido a trazadores de vida media corta los experimentos se pueden repetir varias veces sin dañar el medio ambiente o la obtención de resultados erróneos debido a la persistencia de trazadores de los experimentos anteriores en que el medio ambiente. -En muchos casos, radiotrazadores son el método más barato de rastreo de flujo de contaminante.

Uso Industrial

Hay un gran número de usos industriales para radiotrazadores. Varias aplicaciones industriales implican la

determinación de los caudales y volúmenes líquidos. Para ello se introduce el trazador en la corriente de líquido y se mide la actividad como una función de la distancia.

Estudios de corrosión.

Modern Nuclear Chemistry Escrito por Walter D. Loveland,David J. Morrissey,Glenn T. Seaborg

http://www-pub.iaea.org/MTCD/publications/PDF/TRS423_web.pdf

Gracias!