Сотрудники кафедры физики ускорителей и радиационной медицины физического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова получили перспективный медицинский изотоп циркония-89 при облучении мишеней молибдена тормозными гамма-квантами с максимальной энергией 55 и 20 МэВ. Этот способ может позволить организовать ПЭТ-диагностику в онкоцентрах на существующих ускорителях с максимальной энергией пучка 20 МэВ. Работа опубликована в журнале Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms.
Современные методы ядерной медицины дают возможность диагностировать онкологические заболевания на самых ранних стадиях. В настоящее время в России создана сеть центров ядерной медицины, в том числе ПЭТ-центров. Однако проблемы с доступностью радиофармацевтических препаратов делают актуальным поиск новых путей получения перспективных медицинских изотопов. «Изучение фотоядерных реакций с вылетом альфа-частиц при облучении мишеней молибдена тормозными гамма-квантами с энергией 20 МэВ представляет значительный практический интерес. В отличие от циклотронов, ускорители электронов – достаточно распространенные установки, в том числе в медицинских учреждениях. Однако там они используются только для лучевой терапии. Новый способ получения циркония-89 может позволить организовать ПЭТ-диагностику в онкоцентрах на существующих ускорителях с максимальной энергией пучка 20 МэВ», – рассказала старший научный сотрудник кафедры физики ускорителей и радиационной медицины физического факультета МГУ Марина Желтоножская.
Иммуно-ПЭТ – отдельное направление позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ), новейшего диагностического метода, позволяющего получать изображения на молекулярном уровне. Поскольку в иммуно-ПЭТ радиоизотоп присоединяется к моноклональным антителам (монАТ), нужно, чтобы биологическое время полужизни монАТ совпадало с периодом полураспада изотопа. Время полужизни антител составляет от суток до недель. Полученные изображения, как правило, обеспечивают максимальные соотношения сигнала к фону через 2–6 суток после введения метки на основе антител пациенту. То есть диагностика будет намного точнее, если использовать радиоактивные изотопы с более длительным периодом полураспада.
Идеальными характеристиками в этом смысле обладает цирконий-89: он распадается с периодом распада 78,41 ч. посредством позитронной эмиссии и захвата электронов в промежуточное состояние 89mY, которое распадается до стабильного 89Y посредством гамма-излучения (909 кэВ) с периодом полураспада 15,7 с. Низкая средняя энергия испускаемых позитронов (395,5 кэВ) обеспечивает высокое разрешение изображения, а несоответствие энергий между аннигиляционными гамма-квантами с энергией 511 кэВ и гамма-квантами с энергией 909 кэВ не позволяет последним мешать обнаружению совпадающих гамма-квантов. Кроме того, цирконий безопаснее в обращении, дешевле в производстве, более стабилен in vivo и значительно эффективнее накапливается в опухолях, чем используемый сейчас 124I.
Традиционно цирконий-89 получают на циклотронах из иттрия в реакциях 89Y(p,n)89Zr и 89Y(d,2n)89Zr. В обоих случаях технология осложняется образованием в реакциях (p,2n) и (d,3n) изотопной примеси изотопа 88Zr (период полураспада 83,4 суток), который распадается на дочерний радиоактивный изотоп 88Y (период полураспада 106 суток).
Нарабатывать радионуклиды на ускорителях электронов намного экономичнее и технологически проще, чем на ускорителях нуклонов. Так как для медицинских источников требуется высокая удельная активность и радиохимическая чистота, использование фотоядерных реакций с вылетом заряженных частиц позволяет работать с большими массами мишеней (порядка десятков граммов) и легко отделять радиохимическими методами нарабатываемый радионуклид от облучаемой матрицы, получая медицинский изотоп с высокой степенью чистоты.
Ученые облучили мишени естественного молибдена и молибдена, обогащенного по изотопу молибден-94, тормозными гамма-квантами с максимальной энергией 55 и 20 МэВ. Результаты и анализ обработки спектров облученных мишеней позволяют заключить, что при облучении мишени из природного молибдена тормозными гамма-квантами с максимальной энергией 55 МэВ цирконий-89 образовался в основном из 92Mo в реакциях 92Mo((γ,3n)+(γ,p2n))89Nb-89Zr и из 94Mo в реакции 94Mo(γ,αn)89Zr.
Получены экспериментальные выходы изученных реакций, проведена оценка количества примесного 88Zr в облученных мишенях. После перерасчетов с учетом периодов полураспада этих изотопов установлено, что вклад 88Zr в активность мишени облученного природного молибдена составляет менее 10-4 от активности 89Zr.
«Ожидаемой проблемой исследования были низкие сечения (y, pxn)-реакций, рассчитанные в рамках статистической модели (<= 1 мбн), – добавила Марина Желтоножская. – Мы предполагали, что это может быть обусловлено влиянием кулоновского барьера: оно приводит к смещению максимума функции возбуждения в область энергий больше 20 МэВ. В результате экспериментальный выход 89Zr оказался на порядок больше, чем мы ожидали, исходя из расчетных данных, полученных в рамках статистической модели. Исследование показало, что для граничных энергий тормозного излучения меньше 20 МэВ фотоядерные реакции с вылетом заряженных частиц проходят через механизм прямых реакций, что приводит к уменьшению порога реакции на 10–20 МэВ, так как в прямых реакциях влиянием кулоновского барьера можно пренебречь. Это хорошо видно на примере реакции 94Mo(y, an)89Zr. При расчетах процессов с использованием модели составного ядра ожидаемый порог реакции был 24 МэВ, из них 13 МэВ – кулоновский барьер. Однако в эксперименте с пучком тормозных гамма-квантов с максимальной энергией 20 МэВ мы наблюдаем возбуждение циркония-89».
Таким образом, при облучении 10-граммовой мишени молибдена-94 током 0,1 мА в течение одного периода полураспада 89Zr пучком тормозных гамма-квантов с максимальной энергией 20 МэВ нарабатывается активность 89Zr ~ 1011 Бк (активность используемых в ПЭТ-диагностике источников ~ 109 Бк).
Рисунок. Фрагмент спектра мишени, обогащенной по молибдену-94, после облучения тормозными гамма-квантами с максимальной энергией 20 МэВ (измерения проводились на полупроводниковом HPGe-спектрометре). Марина Желтоножская/МГУ