Yaşam bilimlerinde radyoaktivite - Radioactivity in the life sciences
Radyoaktivite genellikle yaşam bilimlerinde biyolojik olayların son derece hassas ve doğrudan ölçümleri için ve bir radyoizotop ile radyoetiketli biyomoleküllerin yerini görselleştirmek için kullanılır .
Tüm atomlar, kararlı veya kararsız izotoplar olarak bulunur ve ikincisi , attosaniyeden milyarlarca yıla kadar değişen belirli bir yarı ömürde bozunur; biyolojik ve deneysel sistemler için yararlı olan radyoizotopların yarı ömürleri dakikalardan aylara kadar değişir. Hidrojen izotop trityum (yarı ömür = 12.3 yıl) ve karbon-14 (yarı ömür = 5.730 yıl) durumunda, bu izotoplar önemlerini hidrojen ve karbon içeren tüm organik yaşamdan alır ve bu nedenle sayısız çalışma için kullanılabilir. Canlı süreçler, reaksiyonlar ve fenomenler. Kısa ömürlü izotopların çoğu siklotronlarda , lineer parçacık hızlandırıcılarda veya nükleer reaktörlerde üretilir ve nispeten kısa yarı ömürleri onlara biyolojik sistemlerde tespit için faydalı olan yüksek maksimum teorik spesifik aktiviteler verir.
Radyo etiketleme , bir reaksiyon, metabolik yol, hücre, doku, organizma veya biyolojik sistem yoluyla bir radyoizotop içeren bir molekülün geçişini izlemek için kullanılan bir tekniktir. Reaktan, belirli atomları izotoplarıyla değiştirerek 'etiketlenir'. Bir atomu kendi radyoizotopuyla değiştirmek, molekülün yapısını değiştirmeyen içsel bir etikettir. Alternatif olarak moleküller , bir radyonüklid içeren bir atom, kısım veya fonksiyonel grup oluşturan kimyasal reaksiyonlarla radyo-etiketlenebilir . Örneğin, biyolojik olarak yararlı iyot izotopları ile peptitlerin ve proteinlerin radyo- iyodinasyonu , hidroksil grubunu tirozin ve histadin kalıntıları üzerindeki iyot ile değiştiren bir oksidasyon reaksiyonu ile kolayca yapılır . Başka bir örnek, bir proteine kimyasal olarak bağlanabilen DOTA gibi şelatörlerin kullanılmasıdır ; şelatör sırayla radyometalleri yakalar ve böylece proteini radyoaktif olarak işaretler. Bu, terapötik amaçlar için bir monoklonal antikor üzerine Yttrium-90'ın sokulması ve PET görüntüleme ile tanısal görüntüleme için peptid Oktreotid üzerine Gallium-68'in yerleştirilmesi için kullanılmıştır . (Bkz. DOTA kullanımları .)
Bazı uygulamalar için radyo etiketleme gerekli değildir. Bazı amaçlar için, çözünür iyonik tuzlar, daha fazla modifikasyon yapılmadan doğrudan kullanılabilir (örneğin, galyum-67 , galyum-68 ve radyoiyodin izotopları). Bu kullanımlar, onu organizma veya biyolojik sistem içinde lokalize etmek için radyoizotopun kendisinin kimyasal ve biyolojik özelliklerine dayanır.
Moleküler görüntüleme , pozitron emisyon tomografisi (PET) ve tek foton emisyonlu bilgisayarlı tomografi (SPECT) görüntüleme kullanarak biyolojik süreçleri görselleştirmek ve ölçmek için radyoizleyiciler kullanan biyomedikal alandır . Yine, yaşam bilimi uygulamalarında radyoaktivite kullanmanın temel bir özelliği, nicel bir teknik olmasıdır, bu nedenle PET/SPECT yalnızca radyoetiketli bir molekülün nerede olduğunu değil, ne kadar olduğunu da ortaya çıkarır.
Radyobiyoloji (radyasyon biyolojisi olarak da bilinir), radyoaktivitenin biyolojik sistemler üzerindeki etkisinin incelenmesini içeren bir klinik ve temel tıp bilimleri alanıdır. Zararlı radyoaktivitenin canlı sistemler üzerindeki kontrollü etkisi radyasyon tedavisinin temelidir .
Biyolojik olarak faydalı radyonüklid örnekleri
Hidrojen
Trityum (hidrojen-3) proteinleri , nükleik asitleri , ilaçları ve hemen hemen tüm organik biyomolekülleri etiketlemek için kullanılabilen çok düşük bir beta enerji yayıcıdır. Trityumun maksimum teorik spesifik aktivitesi 28.8 kCi / mol'dür (1.070 TBq /mol). Bununla birlikte, genellikle molekül başına birden fazla trityum atomu vardır: örneğin, trityumlu UTP , çoğu tedarikçi tarafından her biri bir trityum atomuna bağlı karbon 5 ve 6 ile satılmaktadır.
Trityum tespiti için, klasik olarak, trityum bozunmasının enerjisinin çözelti içindeki bir sintilasyon molekülüne aktarıldığı ve bunun sonucunda yoğunluğu ve spektrumu bir fotoçoğaltıcı dizisi ile ölçülebilen fotonlar veren sıvı sintilasyon sayaçları kullanılmıştır . Kullanılan sintilasyon kokteyline bağlı olarak bu işlemin verimi %4-50 arasındadır. Ölçümler tipik olarak dakika başına sayı (CPM) veya dakika başına parçalanma (DPM) olarak ifade edilir . Alternatif olarak, radyo izleyiciyi ölçmek ve eşzamanlı olarak görüntülemek için bir katı hal, trityuma özgü fosfor ekranı bir fosfor görüntüleyici ile birlikte kullanılabilir. Ölçümler/görüntüler doğası gereği dijitaldir ve bir ilgi alanı (ROI) içindeki yoğunluk veya yoğunluk birimi cinsinden ifade edilebilir .
Karbon
Karbon-14 uzun bir yarı ömre sahiptir.5730 ± 40 yıl . Maksimum spesifik aktivitesi 0.0624 kCi/mol'dür (2.31 TBq/mol). Radyometrik tarihleme veya ilaç testleri gibi uygulamalarda kullanılır . Karbon-14 etiketlemesi, hayvan modellerinde ve insan toksikolojisi ve klinik deneylerinde ADME (absorpsiyon, dağılım, metabolizma ve atılım) çalışmaları yapmak için ilaç geliştirmede yaygındır . Bazı radyoetiketli bileşiklerde trityum değişimi meydana gelebileceğinden, bu karbon-14 ile gerçekleşmez ve bu nedenle tercih edilebilir.
Sodyum
Sodyum-22 ve klor-36 , iyon taşıyıcıları incelemek için yaygın olarak kullanılır . Bununla birlikte, sodyum-22'yi elemek zordur ve 300.000 yıllık bir yarı ömre sahip olan klor-36, düşük aktiviteye sahiptir.
Kükürt
Sülfür-35 , proteinleri ve nükleik asitleri etiketlemek için kullanılır. Sistein , sülfür-35 ile etiketlenebilen bir tiyol grubu içeren bir amino asittir . İçin nükleotid , bir sülfür grubu içermeyen, fosfat gruplarından biri oksijen, bir sülfür ile ikame edilebilir. Bu tiyofosfat , çoğu polimeraz tarafından ona karşı hafif bir önyargı olmasına rağmen, normal bir fosfat grubu gibi davranır . Maksimum teorik spesifik aktivite 1.494 kCi/mol'dür (55.3 PBq/mol).
Fosfor
Fosfor-32 , nükleik asitleri ve fosfoproteinleri etiketlemek için yaygın olarak kullanılmaktadır. Tüm yaygın araştırma radyoizotoplarının en yüksek emisyon enerjisine (1.7 MeV) sahiptir. Bu, çok güçlü etkileşimlerin titrasyonları ( yani , çok düşük ayrışma sabiti ), ayak izi deneyleri ve düşük bol fosforlu türlerin tespiti gibi, duyarlılığın birincil olarak dikkate alındığı deneylerde büyük bir avantajdır . Fosfor-32 de nispeten ucuzdur. Yine yüksek enerji Ancak onun güvenli kullanım bir dizi gerektirir mühendislik kontrolleri ( örn , akrilik cam ) ve idari kontroller . Fosfor-32'nin yarı ömrü 14.2 gündür ve maksimum spesifik aktivitesi 9.131 kCi/mol'dür (337.8 PBq/mol).
Fosfor-33 , nükleotidleri etiketlemek için kullanılır. Fosfor-32'den daha az enerjilidir ve pleksiglas ile koruma gerektirmez . Bir dezavantajı, fosfor-32'ye kıyasla daha yüksek maliyetidir, çünkü bombardımana tutulan fosfor-31'in çoğu sadece bir nötron alırken, sadece bazıları iki veya daha fazla nötron almış olacaktır. Maksimum spesifik aktivitesi 5.118 kCi/mol'dür (189.4 PBq/mol).
İyot
İyot-125 , genellikle tirozin kalıntılarında proteinleri etiketlemek için yaygın olarak kullanılır. Bağlanmamış iyot uçucudur ve bir çeker ocakta ele alınmalıdır. Maksimum spesifik aktivitesi 2.176 kCi/mol'dür (80.5 PBq/mol).
Çeşitli radyonükleusların enerjilerindeki farklılığa iyi bir örnek, onları algılamak için kullanılan, genellikle emisyon enerjisiyle orantılı olan, ancak makineden makineye değişen algılama penceresi aralıklarıdır: bir Perkin elmer TriLux Beta sintilasyon sayacında, hidrojen-3 enerji aralığı penceresi kanal 5-360 arasındadır; karbon-14, kükürt-35 ve fosfor-33, 361-660 penceresinde; ve fosfor-32, 661-1024 penceresindedir.
Tespit etme
Nicel
Gelen sıvı sintilasyon sayımı , küçük bir sıvı bölüntü, filtre ya da çubuk sintilasyon sıvısı ilave edilir ve plaka, ya da şişe, yerleştirilir sintilasyon sayacı radyoaktif emisyonları ölçmek için. Üreticiler, sintilasyon sıvısı ihtiyacını ortadan kaldırmak ve bunu yüksek verimli bir tekniğe dönüştürmek için katı sintilantları çok oyuklu plakalara dahil ettiler.
Bir gama sayacı sintilasyon sayımı için biçiminde benzer fakat doğrudan gama emisyonu tespit eder ve bir sintillasyon yapıcıyı gerektirmez.
Bir Geiger sayacı , aktivitenin hızlı ve kaba bir tahminidir. Trityum gibi daha düşük enerji yayıcıları tespit edilemez.
Nitel ve nicel
Otoradyografi : Bir mikroskop lamına veya Northern blot veya hibridize slot blot gibi bir membrana yapıştırılmış bir doku kesiti , fotoğrafik veya dijital bir görüntü elde etmek için x-ışını filmi veya fosfor ekranlarına yerleştirilebilir. Maruz kalma yoğunluğu kalibre edilirse, kesin niceliksel bilgiler sağlayabilir.
Fosfor depolama ekran : kaydırma ya da zar daha sonra taranabilir bir fosfor ekran karşı yerleştirilir phosphorimager . Bu, film/emülsiyon tekniklerinden çok daha hızlıdır ve verileri dijital biçimde verir, bu nedenle film/emülsiyon tekniklerinin yerini büyük ölçüde almıştır.
mikroskopi
Elektron mikroskobu : Numune bir elektron demetine maruz kalmaz, ancak dedektörler radyonükleustan atılan elektronları alır.
Mikro-otoradyografi: Tipik olarak kriyoseksiyonlu bir doku kesiti, yukarıdaki gibi bir fosfor ekranına karşı yerleştirilir.
Kantitatif Tüm Vücut Otoradyografisi (QWBA): Mikro-otoradyografiden daha büyük, bütün hayvanlar, tipik olarak kemirgenler, biyolojik dağılım çalışmaları için analiz edilebilir.
Bilimsel yöntemler
Schild regresyonu bir radyoligand bağlama deneyidir. Nükleik asitleri bozulmadan bırakarak DNA etiketlemesi (5' ve 3') için kullanılır.
radyoaktivite konsantrasyonu
Bir radyoetiket şişesi "toplam aktiviteye" sahiptir. Örnek olarak, iki büyük tedarikçinin, Perkin Elmer NEG502H500UC veya GE AA0068-500UCI'nin kataloglarından γ32P ATP alındığında, bu durumda toplam aktivite 500 μCi'dir (diğer tipik sayılar 250 μCi veya 1 mCi'dir). Bu radyoaktif konsantrasyona bağlı olarak, belirli bir hacim içinde ihtiva gibi 5 ila 10 mCi / mL olan (185 370 TBq / m 3 ); tipik hacimler 50 veya 25 μL içerir.
Çözeltideki tüm moleküllerin son (yani gama) fosfat üzerinde bir P-32'si yoktur: "spesifik aktivite" radyoaktivite konsantrasyonunu verir ve radyonükleinin yarı ömrüne bağlıdır. Her molekül etiketlenmişse, P-32 için 9131 Ci/mmol olan maksimum teorik spesifik aktivite elde edilir. Ön kalibrasyon ve verimlilik sorunları nedeniyle bu numara hiçbir zaman bir etikette görülmez; sıklıkla bulunan değerler 800, 3000 ve 6000 Ci/mmol'dür. Bu sayı ile toplam kimyasal konsantrasyonu ve sıcak-soğuk oranını hesaplamak mümkündür.
"Kalibrasyon tarihi", flakonun etkinliğinin etikettekiyle aynı olduğu tarihtir. "Ön kalibrasyon", nakliye sırasında meydana gelen bozulmayı telafi etmek için faaliyetin ileri bir tarihte kalibre edilmesidir.
floresan ile karşılaştırma
Floresansın son otuz yılda yaygın olarak kullanılmasından önce radyoaktivite en yaygın etiketti.
Floresansın radyoizleyicilere göre birincil avantajı, radyolojik kontroller ve bunlarla ilişkili masraflar ve güvenlik önlemleri gerektirmemesidir. Radyoizotopların bozunması, bir reaktifin raf ömrünü sınırlayabilir, değiştirilmesini gerektirebilir ve dolayısıyla masrafları artırabilir. Birkaç flüoresan molekülü aynı anda kullanılabilir (üst üste gelmemeleri koşuluyla, bkz. FRET), oysa radyoaktivite ile iki izotop kullanılabilir ( trityum ve düşük enerjili izotop, örneğin farklı yoğunluklardan dolayı 33 P ) ancak özel ekipman gerektirir (a trityum ekranı ve düzenli bir fosfor görüntüleme ekranı, özel bir çift kanal detektörü, örneğin [1] ).
Floresan, kullanımı daha kolay veya daha uygun değildir, çünkü floresan kendi başına özel ekipman gerektirir ve söndürme mutlak ve/veya tekrarlanabilir nicelemeyi zorlaştırır.
Floresansın radyoizleyicilere karşı birincil dezavantajı önemli bir biyolojik sorundur: bir molekülü bir floresan boya ile kimyasal olarak etiketlemek, molekülün yapısını kökten değiştirir, bu da molekülün diğer moleküllerle etkileşim şeklini kökten değiştirebilir. Buna karşılık, bir molekülün içsel radyo-etiketlemesi, yapısını herhangi bir şekilde değiştirmeden yapılabilir. Örneğin, bir hidrojen atomu için bir H-3 veya bir karbon atomu için bir C-14'ün ikame edilmesi, molekülün konformasyonunu, yapısını veya başka herhangi bir özelliğini değiştirmez, sadece aynı atomun formlarını değiştirir. Bu nedenle, özünde radyoetiketli bir molekül, etiketlenmemiş muadili ile aynıdır.
Biyolojik olayların radyoizleyiciler tarafından ölçülmesi her zaman doğrudandır. Buna karşılık, birçok yaşam bilimi floresan uygulaması dolaylıdır ve ilgili moleküle bağlandıktan sonra dalga boyu emisyonunda artan, azalan veya değişen bir floresan boyadan oluşur.
Emniyet
Radyonüklidlerin kullanıldığı bir laboratuvarda iyi sağlık fiziği kontrolleri sürdürülürse, işçiler tarafından alınan toplam radyasyon dozunun çok önemli olması olası değildir. Bununla birlikte, düşük dozların etkileri çoğunlukla bilinmemektedir, bu nedenle cilt veya iç maruziyet gibi gereksiz riskleri önlemek için birçok düzenleme bulunmaktadır. Düşük penetrasyon gücü ve ilgili birçok değişken nedeniyle bir radyoaktif konsantrasyonu doza dönüştürmek zordur. 1 μCi P-32 ciltte (70 μm kalınlığındaki ölü bir tabakadan ) saatte 7961 rad (79.61 gri ) verir . Benzer şekilde bir mamogram daha büyük bir hacimde 300 mrem (3 mSv ) maruziyet verir (ABD'de ortalama yıllık doz 620 mrem veya 6.2 mSv'dir).