Trazador radiactivo

Un trazador radiactivo , radiotrazador o marcador radiactivo es un derivado sintético de un compuesto natural en el que uno o más átomos han sido reemplazados por un radionúclido (un átomo radiactivo). En virtud de su desintegración radiactiva , se puede utilizar para explorar el mecanismo de las reacciones químicas al rastrear el camino que sigue el radioisótopo desde los reactivos hasta los productos. El radiomarcado o radiotrazado es, por tanto, la forma radiactiva del marcado isotópico . En contextos biológicos, los experimentos que utilizan trazadores radioisotópicos a veces se denominan experimentos de alimentación de radioisótopos .

Los radioisótopos de hidrógeno , carbono , fósforo , azufre y yodo se han utilizado ampliamente para rastrear la ruta de las reacciones bioquímicas . Un trazador radiactivo también se puede utilizar para rastrear la distribución de una sustancia dentro de un sistema natural como una célula o tejido , ^[1] o como un trazador de flujo para rastrear el flujo de fluidos . Los trazadores radiactivos también se utilizan para determinar la ubicación de las fracturas creadas por la fracturación hidráulica en la producción de gas natural. ^[2] Los trazadores radiactivos forman la base de una variedad de sistemas de imágenes, como las exploraciones PET , las exploraciones SPECT y las exploraciones de tecnecio . La datación por radiocarbono utiliza el isótopo carbono-14 natural como etiqueta isotópica .

Los isótopos de un elemento químico difieren únicamente en el número másico. Por ejemplo, los isótopos del hidrógeno se pueden escribir como ¹ H , ² H y ³ H , 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 que sustenta el uso de trazadores radiactivos es que un átomo de un compuesto químico se sustituye por otro átomo del mismo elemento químico. Sin embargo, el átomo que sustituye es un isótopo radiactivo. Este proceso se suele denominar marcaje radiactivo. La potencia de la técnica se debe al hecho de que la desintegración radiactiva es mucho más energética que las reacciones químicas. Por tanto, el isótopo radiactivo puede estar presente en baja concentración 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 los procesos químicos".

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

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

Los radioisótopos de uso común tienen vidas medias cortas y, por lo tanto, no se encuentran en la naturaleza en grandes cantidades. Se producen mediante reacciones nucleares . Uno de los procesos más importantes es la absorción de un neutrón por un núcleo atómico, en el que el número de masa 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 permanece invariable. 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 en un ciclotrón o en un acelerador lineal . ^[3]

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

⁶ Li + n → ⁴ He + ³ H

El tritio tiene una vida media 4500 ± 8 días (aproximadamente 12,32 años) ^[4] y se desintegra por desintegración beta . Los electrones producidos tienen una energía media de 5,7 keV. Debido a que los electrones emitidos tienen una energía relativamente baja, la eficiencia de detección por recuento 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 con frecuencia como trazador en estudios bioquímicos .

^{El 11} C se desintegra por emisión de positrones con una vida media de aproximadamente 20 minutos. ^{El 11} C es uno de los isótopos que se utilizan a menudo en la tomografía por emisión de positrones . ^[3]

^{El 14} C 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 encuentra en niveles traza en el medio ambiente. Sin embargo, no es práctico utilizar el ¹⁴ C de origen natural para estudios trazadores. En su lugar, se produce mediante la irradiación de neutrones del isótopo ¹³ C, que se encuentra de forma natural en el carbono en un nivel de aproximadamente el 1,1 %. ^{El 14} C se ha utilizado ampliamente para rastrear el progreso de las moléculas orgánicas a través de las vías metabólicas. ^[5]

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

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

^{El 18} F se desintegra principalmente por emisión β, con una vida media de 109,8 min. Se obtiene mediante bombardeo de protones de ¹⁸ O 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. ^[3]

^{El 32} P se forma mediante bombardeo de neutrones sobre ^{el 32} S.

^32S + n → ^32P + p​​

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

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

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

^{El 35} S se forma mediante bombardeo de neutrones de ³⁵ Cl.

^35Cl + n → ^35S + p​​

Se desintegra por desintegración beta con una vida media de 87,51 días. Se utiliza para marcar los aminoácidos que contienen azufre metionina y cisteína . 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.

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

⁹⁹ Mo → ^{99 m} Tc +
mi⁻
+
no
_mi

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 aproximadamente dos semanas. La mayoría de los generadores comerciales ^{de 99m} Tc utilizan cromatografía en columna , en la que ^{el 99Mo} en forma de molibdato, MoO ₄ ^2−, se adsorbe sobre alúmina ácida (Al ₂ O ₃ ). Cuando el ^99Mo se desintegra, forma pertecnetato TcO ₄ ⁻ , que debido a su carga única está menos fuertemente unido a la alúmina. Al hacer pasar una solución salina normal a través de la columna de ^{99Mo inmovilizado, se eluye el 99m} Tc soluble , lo que da como resultado una solución salina que contiene el ^99m Tc como la sal sódica disuelta del pertecnetato. El pertecnetato se trata con un agente reductor como Sn ²⁺ y un ligando . Diferentes ligandos forman complejos de coordinación que le dan al tecnecio una mayor afinidad por sitios específicos del cuerpo humano.

^{El 99m} Tc se desintegra por emisión gamma y su vida media es de 6,01 horas. La corta vida media garantiza que la concentración corporal del radioisótopo se reduzca a cero en unos pocos días.

^{El 123} I se produce mediante la irradiación de protones de ¹²⁴ Xe . El isótopo de cesio producido es inestable y se desintegra en ¹²³ I. El isótopo se suministra habitualmente como yoduro e hipoyodato en solución de hidróxido de sodio diluido, con una alta pureza isotópica. ^{[6] El 123} I también se ha producido en Oak Ridge National Laboratories mediante bombardeo de protones de ¹²³ Te . ^[7]

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

^{El 125} I se utiliza con frecuencia en radioinmunoensayos debido a su vida media relativamente larga (59 días) y su capacidad de ser detectado con alta sensibilidad por contadores gamma. ^[8]

^{El 129} I está presente en el medio ambiente como resultado de los ensayos de armas nucleares en la atmósfera. También se produjo en losdesastres de Chernóbil y Fukushima . ^{El 129} I se desintegra con una vida media de 15,7 millones de años, con emisiones beta y gamma de baja energía. No se utiliza como trazador, aunque su presencia en organismos vivos, incluidos los seres humanos, se puede caracterizar mediante la medición de los rayos gamma.

Se han utilizado muchos otros isótopos en estudios radiofarmacológicos especializados. El más utilizado es el ⁶⁷ Ga para las exploraciones con galio . ^{El 67} Ga se utiliza porque, al igual que ^{el 99m} Tc, es un emisor de rayos gamma y se pueden unir varios ligandos al ion Ga ³⁺ , formando un complejo de coordinación que puede tener afinidad selectiva por sitios particulares en el cuerpo humano.

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

En la investigación del metabolismo , el tritio y la glucosa marcada con ¹⁴ C se utilizan comúnmente en pinzas de glucosa para medir las tasas de absorción de glucosa , la síntesis de ácidos grasos y otros procesos metabólicos. ^[9] Si bien los trazadores radiactivos a veces todavía se utilizan en estudios humanos, los trazadores de isótopos estables como ^{el 13} C se utilizan más comúnmente en los estudios actuales de pinzas humanas. Los trazadores radiactivos también se utilizan para estudiar el metabolismo de las lipoproteínas en humanos y animales de experimentación. ^[10]

En medicina , los trazadores se aplican en una serie de pruebas, como ^{el 99m} Tc en autorradiografía y medicina nuclear , incluida la tomografía computarizada por emisión de fotón único (SPECT), la tomografía por emisión de positrones (PET) y la gammagrafía . La prueba del aliento con urea para Helicobacter pylori utiliza comúnmente una dosis de urea marcada con ¹⁴ C para detectar la infección por H. pylori. Si la urea marcada fuera 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 ¹³ C se ha convertido en el método preferido, evitando la exposición del paciente a la radiactividad. ^[11]

En la fracturación hidráulica , se inyectan isótopos trazadores radiactivos con fluido de fracturación hidráulica para determinar el perfil de inyección y la ubicación de las fracturas creadas. ^[2] Se utilizan trazadores con diferentes vidas medias para cada etapa de la fracturación hidráulica. En los Estados Unidos, las cantidades por inyección de radionúclido se enumeran en las pautas de la Comisión Reguladora Nuclear (NRC) de los Estados Unidos. ^[12] Según la NRC, algunos de los trazadores más utilizados incluyen antimonio-124 , bromo-82 , yodo -125 , yodo-131 , iridio-192 y escandio-46 . ^[12] Una publicación de 2003 del Organismo Internacional de Energía Atómica confirma el uso frecuente de la mayoría de los trazadores anteriores y dice que el manganeso-56 , el sodio-24 , el tecnecio-99m , la plata-110m , el argón-41 y el xenón-133 también se utilizan ampliamente porque se identifican y miden fácilmente. ^[13]

• Centro Nacional de Desarrollo de Isótopos Recursos del gobierno de los EE. UU. para radioisótopos: producción, distribución e información
• Desarrollo y producción de isótopos para investigación y aplicaciones (IDPRA) Programa del Departamento de Energía de EE. UU. que patrocina la producción de isótopos y la investigación y el desarrollo de la producción