Trazador radiactivo

Un trazador radiactivo, un radiotrazador o una etiqueta radiactiva es un compuesto químico en el que uno o más átomos han sido reemplazados por un radionúclido de modo que en virtud de su desintegración radiactiva, se puede utilizar para explorar el mecanismo de reacciones químicas rastreando el camino que sigue el radioisótopo desde los reactivos hasta los productos. El radiomarcaje o radiotrazado es, por tanto, la forma radiactiva del marcado isotópico. En contextos biológicos, el uso de trazadores de radioisótopos a veces se denomina experimentos de alimentación con radioisótopos.

Los radioisótopos de hidrógeno, carbono, fósforo, azufre y yodo se han utilizado ampliamente para rastrear el camino de las reacciones bioquímicas. También se puede utilizar un trazador radiactivo para rastrear la distribución de una sustancia dentro de un sistema natural como una célula o tejido, o como un trazador de flujo para rastrear el flujo de fluido. Los trazadores radiactivos también se utilizan para determinar la ubicación de las fracturas creadas por fracturación hidráulica en la producción de gas natural. Los trazadores radiactivos forman la base de una variedad de sistemas de imágenes, como exploraciones PET, exploraciones SPECT y exploraciones con tecnecio. La datación por radiocarbono utiliza el isótopo natural carbono 14 como etiqueta isotópica.

Metodología

Los isótopos de un elemento químico difieren sólo en el número másico. Por ejemplo, los isótopos del hidrógeno se pueden escribir como 1H, 2H y 3H, con el número másico en superíndice a la izquierda. Cuando el núcleo atómico de un isótopo es inestable, los compuestos que contienen este isótopo son radiactivos. El tritio es un ejemplo de isótopo radiactivo.

El principio detrás del uso de trazadores radiactivos es que un átomo en un compuesto químico es reemplazado por otro átomo del mismo elemento químico. El átomo sustituido, sin embargo, es un isótopo radiactivo. Este proceso a menudo se denomina etiquetado radiactivo. El poder de la técnica se debe al hecho de que la desintegración radiactiva es mucho más energética que las reacciones químicas. Por lo tanto, el isótopo radiactivo puede estar presente en bajas concentraciones y su presencia puede detectarse mediante detectores de radiación sensibles como los contadores Geiger y los contadores de centelleo. George de Hevesy ganó el Premio Nobel de Química en 1943 "por su trabajo sobre el uso de isótopos como trazadores en el estudio de procesos químicos".

Hay dos formas principales en las que se utilizan los trazadores radiactivos

1. Cuando un compuesto químico etiquetado sufre reacciones químicas uno o más de los productos contendrá la etiqueta radiactiva. El análisis de lo que sucede con el isótopo radiactivo proporciona información detallada sobre el mecanismo de la reacción química.
2. Un compuesto radiactivo se introduce en un organismo vivo y el radio-isotopo proporciona un medio para construir una imagen que muestre la forma en que ese compuesto y sus productos de reacción se distribuyen alrededor del organismo.

Producción

Los radioisótopos comúnmente utilizados tienen vidas medias cortas y, por lo tanto, no se encuentran en la naturaleza en grandes cantidades. Se producen por reacciones nucleares. Uno de los procesos más importantes es la absorción de un neutrón por un núcleo atómico, en la que el número másico del elemento en cuestión aumenta en 1 por cada neutrón absorbido. Por ejemplo,

13C + n → 14C

En este caso la masa atómica aumenta, pero el elemento no cambia. En otros casos, el núcleo producto es inestable y se desintegra, emitiendo normalmente protones, electrones (partícula beta) o partículas alfa. Cuando un núcleo pierde un protón, el número atómico disminuye en 1. Por ejemplo,

32S + n → 32P + p

La irradiación de neutrones se realiza en un reactor nuclear. El otro método principal utilizado para sintetizar radioisótopos es el bombardeo de protones. Los protones se aceleran a alta energía ya sea en un ciclotrón o en un acelerador lineal.

Isótopos trazadores

Hidrógeno

El tritio (hidrógeno-3) se produce mediante la irradiación de neutrones de 6Li:

6Li + n → 4He + 3H

El tritio tiene una vida media 4500±8 días (aproximadamente 12,32 años) y se desintegra por desintegración beta. Los electrones producidos tienen una energía promedio de 5,7 keV. Debido a que los electrones emitidos tienen una energía relativamente baja, la eficiencia de detección mediante conteo de centelleo es bastante baja. Sin embargo, los átomos de hidrógeno están presentes en todos los compuestos orgánicos, por lo que el tritio se utiliza frecuentemente como trazador en estudios bioquímicos.

Carbono

El 11C se desintegra por emisión de positrones con una vida media de ca. 20 minutos. ¹¹C es uno de los isótopos que se utilizan a menudo en la tomografía por emisión de positrones.

El 14C se desintegra por desintegración beta, con una vida media de 5730 años. Se produce continuamente en la atmósfera superior de la Tierra, por lo que se produce a nivel de trazas en el medio ambiente. Sin embargo, no es práctico utilizar ¹⁴C natural para estudios de trazadores. En cambio, se produce mediante irradiación de neutrones del isótopo 13C que se encuentra naturalmente en el carbono en aproximadamente un nivel del 1,1%. El ¹⁴C se ha utilizado ampliamente para rastrear el progreso de las moléculas orgánicas a través de vías metabólicas.

Nitrógeno

El 13N se desintegra por emisión de positrones con una vida media de 9,97 min. Se produce por la reacción nuclear.

1H + 16O → 13N + 4He

El 13N se utiliza en la tomografía por emisión de positrones (PET scan).

Oxígeno

El 15O se desintegra por emisión de positrones con una vida media de 122 segundos. Se utiliza en tomografía por emisión de positrones.

Flúor

El 18F se desintegra predominantemente por emisión β, con una vida media de 109,8 min. Se fabrica mediante bombardeo de protones de 18O en un ciclotrón o acelerador lineal de partículas. Es un isótopo importante en la industria radiofarmacéutica. Por ejemplo, se utiliza para fabricar fluorodesoxiglucosa (FDG) marcada para su aplicación en exploraciones PET.

Fósforo

32P se produce mediante bombardeo de neutrones de 32S

32S + n → 32P + p

Se desintegra por desintegración beta con una vida media de 14,29 días. Se utiliza comúnmente para estudiar la fosforilación de proteínas por quinasas en bioquímica.

El 33P se produce con un rendimiento relativamente bajo mediante bombardeo de neutrones del 31P. También es un emisor beta, con una vida media de 25,4 días. Aunque son más caros que el 32P, los electrones emitidos son menos energéticos, lo que permite una mejor resolución, por ejemplo, en la secuenciación del ADN.

Ambos isótopos son útiles para marcar nucleótidos y otras especies que contienen un grupo fosfato.

Azufre

El 35S se produce mediante bombardeo de neutrones con 35Cl.

35Cl + n → 35S + p

Se desintegra por desintegración beta con una vida media de 87,51 días. Se utiliza para marcar los aminoácidos metionina y cisteína que contienen azufre. Cuando un átomo de azufre reemplaza a un átomo de oxígeno en un grupo fosfato de un nucleótido, se produce un tiofosfato, por lo que el ³⁵S también se puede utilizar para rastrear un grupo fosfato.

Tecnecio

99mTc es un radioisótopo muy versátil y el trazador de radioisótopos más utilizado en medicina. Es fácil de producir en un generador de tecnecio-99m, mediante la desintegración del 99Mo.

⁹⁹Mo → ^99mTc +
e⁻
+
.
_e

El isótopo de molibdeno tiene una vida media de aproximadamente 66 horas (2,75 días), por lo que el generador tiene una vida útil de unas dos semanas. La mayoría de los generadores comerciales de ^99mTc utilizan cromatografía en columna, en la que ⁹⁹Mo en forma de molibdato, MoO₄²⁻ se adsorbe sobre alúmina ácida (Al₂O₃). Cuando el ⁹⁹Mo se desintegra, se forma pertecnetato TcO₄^-, que debido a su carga única está menos unido a la alúmina. Al pasar la solución salina normal a través de la columna de ⁹⁹Mo inmovilizado, se eluye el ^99mTc soluble, lo que da como resultado una solución salina que contiene el ^99mTc disuelto. Sal sódica del pertecnetato. El pertecnetato se trata con un agente reductor como Sn2+ y un ligando. Diferentes ligandos forman complejos de coordinación que le dan al tecnecio una mayor afinidad por sitios particulares del cuerpo humano.

^99mTc desintegra por emisión gamma, con una vida media: 6,01 horas. La corta vida media garantiza que la concentración corporal del radioisótopo caiga efectivamente a cero en unos pocos días.

Yodo

123I se produce mediante la irradiación de protones de ¹²⁴Xe. El isótopo de cesio producido es inestable y se desintegra a ¹²³I. El isótopo generalmente se suministra como yoduro e hipoyodato en una solución diluida de hidróxido de sodio, con alta pureza isotópica. ¹²³I también se produjo en los Laboratorios Nacionales de Oak Ridge mediante bombardeo de protones de 123Te.

¹²³I se desintegra por captura de electrones con una vida media de 13,22 horas. El rayo gamma de 159 keV emitido se utiliza en la tomografía computarizada por emisión de fotón único (SPECT). También se emite un rayo gamma de 127 keV.

El 125I se utiliza con frecuencia en radioinmunoensayos debido a su vida media relativamente larga (59 días) y su capacidad para ser detectado con alta sensibilidad mediante contadores gamma.

El 129I está presente en el medio ambiente como resultado de las pruebas de armas nucleares en la atmósfera. También se produjo en los desastres de Chernobyl y Fukushima. ¹²⁹I se desintegra con una vida media de 15,7 millones de años, con emisiones beta y gamma de baja energía. No se utiliza como marcador, aunque su presencia en organismos vivos, incluidos los seres humanos, puede caracterizarse midiendo los rayos gamma.

Otros isótopos

Se han utilizado muchos otros isótopos en estudios radiofarmacológicos especializados. El más utilizado es el 67Ga para exploraciones con galio. Se utiliza ⁶⁷Ga porque, al igual que ^99mTc, es un emisor de rayos gamma y se pueden unir varios ligandos al ion Ga³⁺, formando un complejo de coordinación que puede tener afinidad selectiva por sitios particulares del cuerpo humano.

A continuación se puede encontrar una lista extensa de trazadores radiactivos utilizados en la fracturación hidráulica.

Aplicación

En la investigación del metabolismo, el tritio y la glucosa marcada con 14C se utilizan comúnmente en pinzas de glucosa para medir las tasas de absorción de glucosa, la síntesis de ácidos grasos y otros procesos metabólicos. Si bien a veces todavía se utilizan trazadores radiactivos en estudios en humanos, los trazadores de isótopos estables como el 13C se utilizan más comúnmente en los estudios actuales de pinzas en humanos. Los trazadores radiactivos también se utilizan para estudiar el metabolismo de las lipoproteínas en humanos y animales de experimentación.

En medicina, los trazadores se aplican en una serie de pruebas, como ^99mTc en autorradiografía y medicina nuclear, incluida la tomografía computarizada por emisión de fotón único (SPECT), la tomografía por emisión de positrones (PET) y gammagrafía. La prueba de urea en el aliento para Helicobacter pylori utiliza comúnmente una dosis de urea marcada ¹⁴C para detectar h. infección de pilori. Si la urea marcada fue metabolizada por h. pylori en el estómago, el aliento del paciente contendría dióxido de carbono marcado. En los últimos años, el uso de sustancias enriquecidas en el isótopo no radiactivo 13C se ha convertido en el método preferido, evitando la exposición del paciente a la radiactividad.

En la fracturación hidráulica, los isótopos trazadores radiactivos se inyectan con fluido de fracturación hidráulica para determinar el perfil de inyección y la ubicación de las fracturas creadas. Para cada etapa de la fracturación hidráulica se utilizan trazadores con diferentes vidas medias. En los Estados Unidos, las cantidades por inyección de radionúclido figuran en las directrices de la Comisión Reguladora Nuclear (NRC) de los Estados Unidos. Según la NRC, algunos de los trazadores más utilizados incluyen antimonio-124, bromo-82, yodo-125, yodo-131, iridio-192 y escandio-46. Una publicación de 2003 de la Agencia Internacional de Energía Atómica confirma el uso frecuente de la mayoría de los trazadores mencionados anteriormente y dice que también se utilizan manganeso-56, sodio-24, tecnecio-99m, plata-110m, argón-41 y xenón-133. ampliamente porque son fáciles de identificar y medir.