利用剩余伽馬射線制備醫(yī)用放射性核素

中國原子能科學研究院 周書華 編譯自Charles Day.

Physics

本文選自《物理》2025年第12期

放射性核素常被用于醫(yī)學領域，因為這些核素可輻射多種粒子，用于疾病的診斷與治療。然而，如何制造出既具有醫(yī)用價值又具有成本效益的核素是個難題。英國約克大學的Mamad Eslami及其團隊發(fā)現(xiàn)了一種利用電子加速器實驗中的剩余伽馬射線來制備放射性核素的方法。這種方法能夠生成兩種銅核素——銅-64和銅-67；其中，銅-67很難用以往的方法大量生產(chǎn)。醫(yī)學研究人員對這兩種核素特別感興趣，因為有可能聯(lián)合使用它們來治療癌癥：一種核素釋放治療用的輻射，另一種提供診斷成像。

伽馬射線的循環(huán)利用。加速器產(chǎn)生的電子束轟擊金屬箔，產(chǎn)生可用于研究樣品(紫色)的伽馬射線。部分伽馬射線穿透該初級樣品靶材后通常被浪費掉。研究表明，這些未再使用的伽馬射線可被利用來生成醫(yī)用核素銅-67

將治療與診斷結合在同一個過程中進行的醫(yī)療方法，稱為“治療診斷一體化技術”。在核醫(yī)學領域，治療方案通常涉及將放射性核素與抗體結合，并將其注入患者血液中。當攜帶核素的抗體到達腫瘤部位時，會附著在腫瘤細胞上；隨后，局部釋放的輻射會破壞癌細胞的DNA，從而殺死這些癌細胞。在診斷方面，醫(yī)生們可以使用正電子發(fā)射斷層掃描(PET)等技術，這項技術同樣依賴于核素與抗體的結合，其用途是確定腫瘤位置。可以設想，將兩種核素——一種用于治療，另一種用于診斷——結合到同一種抗體上，這樣醫(yī)生就可以在治療過程中實時監(jiān)測治療效果了。如果這兩種核素具有相同的化學性質，那么將兩者與抗體結合就更加容易；而當兩者屬于同一元素的同位素時，正好符合這種條件。制藥公司已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了幾對具有廣泛應用前景的“治療診斷組合”。

銅-64和銅-67就是這樣一對同位素。銅-64會釋放正電子，這些正電子可以在正電子發(fā)射斷層掃描中幫助識別腫瘤；而銅-67則會釋放β-粒子(即電子)，攻擊癌細胞。這兩種核素均具有臨床適用的半衰期，且其化學性質——特別是銅與抗體及其他生物分子結合的傾向性已進行過廣泛研究。銅-64和銅-67在治療癌癥方面的潛在效果已在小鼠實驗中得到驗證。在小鼠實驗中，這些同位素是用高能質子轟擊鋅靶產(chǎn)生的；不過與銅-64相比，銅-67的產(chǎn)額太低，因此不太適合用于臨床診斷與治療。

Eslami等發(fā)現(xiàn)了一種產(chǎn)生更高產(chǎn)額銅-67的方法。Eslami從同事處了解到，某些粒子加速器實驗會長時間使用高強度電子束運行，而這些電子束產(chǎn)生的部分伽馬射線在穿過預定靶材后會被浪費掉。他意識到，這些被浪費的光子可以被有效利用。

Eslami和他的團隊在德國美茵茨大學的電子加速器上測試了他們的想法。實驗中，855 MeV的電子撞擊鈷鐵釩合金板，產(chǎn)生了軔致輻射，即伽馬射線；這些伽馬射線隨后又擊中了實驗小組的鋅箔靶。

兩小時后，研究人員測量了鋅箔中產(chǎn)生的銅-67(以及其他核素)的數(shù)量。在目前使用銅-67進行的實驗中，患者所接受的輻射劑量僅為幾吉貝可(GBq)，這相當于每秒發(fā)生幾十億次核衰變。Eslami和他的同事們發(fā)現(xiàn)，他們的原理驗證實驗每小時產(chǎn)生的銅-67量約為0.06 GBq；因此，要生產(chǎn)出4 GBq的銅-67大約需要5天的時間。

研究人員的目標不僅僅是確定能否生產(chǎn)出足夠量的銅-67；他們還希望研究在伽馬射線與鋅核的碰撞過程中是否能產(chǎn)生其他有用的核素。由電子束散射實驗的數(shù)據(jù)，他們推斷出了照射到目標物體上的伽馬射線譜。隨后，他們將實驗中測得的放射性核素產(chǎn)額與現(xiàn)有的光子—核反應模型進行對比，發(fā)現(xiàn)兩者之間存在差異，尤其是在高能范圍的伽馬射線方面。因此，Eslami說道，“實驗數(shù)據(jù)揭示了模型中的明顯缺陷，這強烈表明需要在該能量范圍內(nèi)發(fā)展新的理論。”

十年前，橡樹嶺國家實驗室醫(yī)用同位素研發(fā)團隊的David Rotch曾經(jīng)通過伽馬射線轟擊鋅靶制成了銅-67，但由于天然銅的污染導致放射性強度低于治療所需水平，最終放棄了該項目。但Rotch表示：“光核反應路徑是制備這種同位素的絕佳方法。”

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