"do núcleo" atômico -"seu modelo"
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Mestrado Integrado em Engenharia Biomédica - IST, FMUL Física da Radiação Lisboa, Portugal, 15 Dezembro 2011 Radioisótopos Conceitos, Tecnécio e Aplicações Marta Farracho 62845, [email protected] Palavras-Chave: Radioactividade, Decaimentos, Radioisótopos, Tecnécio-99m, Medicina Nuclear Resumo: O objecto de estudo da monografia apresentada são os radioisótopos e suas aplicações, em particular na área da medicina nuclear. A radioactividade é o processo através do qual nucleos instáveis emitem um tipo de radiação específico, alfa, beta ou gama, podendo ou não transformar-se noutro elemento químico, de forma a atingir a estabilidade. Cada isótopo procura a estabilidade segundo um tipo de decaimento específico, dependente da sua composição nuclear. A utilização de isótopos com este tipo de comportamento tem várias aplicações, desde a indústria à medicina, com particular ênfase nas técnicas de imagiologia. O Tecnécio-99m é, hoje em dia, dos isótopos mais utilizados, por esse motivo, são referidas com especial pormenor as suas características físicas e químicas e focadas as suas aplicações. Outros exemplos são o Iodo-131 ou as partículas emissoras de positrões, utilizadas, por exemplo, em PET. 1. Introdução A radioactividade é um processo através do qual um núcleo rico em neutrões ou rico em protões se transforma num núcleo mais estável. (Lilley, 2001) Um radioisótopo é um isótopo que apresenta um núcleo atómico instável que emite energia quando se transforma num isótopo mais estável. Esta energia é libertada por meio de decaimentos radioactivos: decaimento alfa, decaimento beta ou libertação de radiação gama. A radioactividade é o processo aleatório, não sendo possível prever quando é que um nuclido radioactivo irá decair. (Lilley, 2001) Cada radioisótopo, seja natural ou artificial, tem uma velocidade, ou seja, um tempo de desintegração característico. A meia-vida corresponde ao tempo necessário para que a actividade (número médio de desintegrações por segundo, unidade: Curie ou Becquerel) de um radioisótopo de reduza a metade da actividade inicial. Isto permite comparar diferentes radioisótopos entre si. Quando um radioisótopo atinge uma configuração estável, a sua actividade é nula e deixa de emitir radiação. Dependendo do valor inicial, considera-se que a actividade de um radioisótopo é nula quando atinge um valor 10 vezes menor que o inicial. Porém, isto só pode ser confirmado utilizando detectores de radiação. (Meia-vida, 2002) Uma cadeia de decaimentos nucleares sucessivos constitui uma série ou família radioactiva. Existem séries de radioisótopos naturais (Série do Urânio, Série do Actínio e Série do Tório), constituídas por isótopos instáveis que ocorrem naturalmente, e séries de radioisótopos artificiais, que se começaram a desenvolver com o avanço das tecnologias, no que diz respeito, por exemplo, aos aceleradores de partículas. (As famílias radioactivas, 2002) Os radioisótopos são utilizados em diversas áreas, desde a medicina à datação radiométrica. 1 2. Radioactividade Radioactivos e Decaimentos Tudo o que existe no mundo observável é feito de matéria, que por sua vez é composta por partículas chamadas átomos. Estes têm no seu interior o núcleo atómico, rodeado por camadas definidas de energia onde giram os electrões. O núcleo é, em média, cerca de 10 a 100 mil vezes inferior ao próprio átomo e comporta dentro de si os protões e neutrões. (Fissão Nuclear, 2011) A radioactividade é um fenómeno natural ou artificial pelo qual algumas substâncias ou elementos químicos são capazes de emitir radiações como, por exemplo, partículas alfa, partículas beta ou radiação gama. A radioactividade é uma forma de energia nuclear e existe devido à instabilidade de alguns núcleos atómicos, como o Urânio, o Rádio e o Tório. Foi observada pela primeira vez pelo francês Henri Becquerel, em 1896. (Radioactividade, 2011) Fig. 1 Estabilidade dos núcleos de acordo com o número atómico e número de neutrões (Lilley, 2001) A estabilidade nuclear está relacionada com o número de protões e neutrões existentes no núcleo atómico (Figura 1). Os elementos mais estáveis têm número de neutrões próximo do número de protões, para os elementos de número atómico até 20 (N = Z). Acima do número atómico 20, o número de neutrões aumenta (N > Z) até se atingir um rácio N/Z de aproximadamente 1,5 para os elementos mais pesados. Este aumento do número de neutrões é necessário para a estabilidade do núcleo uma vez que, quanto maior o número de protões, maior a repulsão entre si. A radioactividade pode ser natural ou artificial. A radioactividade natural ou espontânea é a que se manifesta nos elementos radioactivos e nos isótopos que se encontram na natureza e poluem o meio ambiente. A radioactividade artificial ou induzida é aquela que é provocada por transformações nucleares artificiais. Para isso, podem, por exemplo, bombardear-se certos núcleos com partículas apropriadas. Se a energia destas partículas tiver um valor adequado, estas penetram no núcleo bombardeado formando um novo núcleo que, no caso de ser instável, se desintegra posteriormente. Foi descoberta pelo casal “Joliot-Curie” (Frédéric Joliot e Irène JoliotCurie), bombardeando núcleos de boro e alumínio com partículas alfa. Observaram que as substâncias bombardeadas emitiam radiações após retirar o emissor das partículas alfa. O estudo da radioactividade permitiu um maior conhecimento da estrutura dos núcleos e partículas subatómicas e abriu a possibilidade da transmutação dos elementos, ou seja, a transformação de elementos em elementos diferentes. (Radioactividade, 2011) Nos decaimentos radioactivos, um nuclido instável, nuclido-pai, é transformado num nuclido estável, nuclido-filho. Se este ainda for radioactivo, o processo continua numa cadeia de decaimentos até que se atinja um produto estável. A maioria dos núcleos radioactivos naturais ou artificiais são α ou β activos ou mesmo ambos e, por vezes, emissores de radiação γ. (Lilley, 2001) Essas sequências de núcleos são denominadas séries ou famílias radioactivas. Considera-se que existem apenas 3 séries ou famílias radioactivas naturais: a Série do Urânio, Série do Actínio e Série do Tório. A Série do Actínio, na realidade, inicia-se com o Urânio-235 mas tem esse nome porque se pensava que começava pelo Actínio-227. As três séries naturais terminam em isótopos estáveis do 2 chumbo, respectivamente, Chumbo-206, Chumbo207 e Chumbo-208. A título de exemplo, apresenta-se na Figura 2 a Série Radioactiva do Tório. Fig. 2 Série Radioactiva do Tório (Lilley, 2001) O desenvolvimento de reactores nucleares e aceleradores de partículas permitiu o fabrico de muitos radioisótopos a partir de isótopos estáveis, originando as Séries Radioativas Artificiais, de que é exemplo a Série do Neptúnio. (As famílias radioactivas, 2002) Decaimento Alfa O decaimento alfa ocorre em nuclidos naturais pesados, com , e nuclidos artificiais, . O nuclido-pai perde massa e carga de acordo com a relação: .O nuclido-filho pode ou não ser estável mas situa-se, invariavelmente, próximo da região de estabilidade. Trata-se da emisão de um núcleo de 4 He (2 protões e 2 neutrões) por efeito de túnel que, por motivos energéticos, é preferido em detrimento de outras partículas (t, d, 3He, ...) que exigiriam um input de energia. A energia libertada no decaimento alfa corresponde à diferença de energia de massa (mass energy) entre o nuclidopai e o(s) nuclido(s)-filho, sendo libertada como energia cinética partilhada entre as partículas que são emitidas. (Lilley, 2001) Exemplos de partículas radioactivas que decaem desta forma são o 210Po ou o 238Pu (As Radiações alfa, beta e gama, 2002) A Z X ZA42Y 24He Decaimento Beta+ e Beta- (1) O decaimento beta pode ocorrer de três formas distintas: decaimento beta+, decaimento beta- e captura electrónica. Uma partícula beta negativa é semelhante a um electrão (e-) e, quando emitida, a carga do núcleo aumenta uma unidade. Uma partícula beta positiva é um positrão (antipartícula do electrão, e+) e, quando emitida, a carga do núcleo diminui uma unidade. (Lilley, 2001) Ao contrário das partículas α, as partículas β são emitidas com um espectro de energia contínuo. A energia máxima no espectro (end-point), é a energia esperada da partícula emitida, de acordo com a relação massa-energia, porém, isso não se verifica, sendo apenas cerca de um terço do suposto (Figura 3). Em 1931, Wolfgang Pauli justificou esta diferença com a existência de uma terceira partícula que foi posteriormente apelidada de neutrino ( ), por Fermi. Esta partícula é um fermião (spin ½), tem massa nula ou desprezável e interage de forma imperceptível com a matéria. A sua existência foi provada apenas em 1950, por Reines e Cowan. (Lilley, 2001) Fig. 3 Espectro de energia das partículas beta emitidas pelo Berílio-210 (Lilley, 2001) O decaimento beta é então a transformação de um dos nucleões do núcleo, de neutrão para protão ou vice-versa, resultando na emissão de leptões (e, ) ou anti-leptões (e+, ). Os dois processos podem ser descritos simbolicamente como: (Lilley, 2001) 1 0 n11p 10e (2) 3 1 1 p01n 10e (3) Os leptões e anti-leptões são originados por acção da força nuclear fraca, motivo pelo qual o decaimento beta é, em geral, um processo lento, quando comparado com os processos que envolvem interacção nuclear forte ou interacção electromagnética. Uma vez que a energia tem que se conservar, o processo só ocorre, e as equações anteriores só são válidas, quando o nuclido-filho é mais leve que o nuclido-pai. (Lilley, 2001) Nos nuclidos ricos em neutrões, ocorre decaimento beta-, um neutrão transforma-se num protão e num leptão. Nos nuclidos ricos em protões, ocorre decaimento beta+, um protão transforma-se num neutrão e num anti-leptão. (As Radiações alfa, beta e gama, 2002) No decaimento beta+ pode ainda verificar-se captura electrónica. O o núcleo capta um electrão das orbitais atómicas interiores (captura K) e são emitidos um neutrão e um neutrino. (Lilley, 2001) A observação directa deste processo não é possível. (As Radiações alfa, beta e gama, 2002) Na Figura 4, está representado um diagrama de decaimento beta usual, neste caso do Sódio-22. O decaimento representado é uma junção de beta+ e captura electrónica, que origina um estado excitado do nuclido-filho que, subsequentemente, decai emitindo radiação gama e dando origem a um isótopo estável de Néon. Ao contrário das radiações alfa e beta, que são constituídas por partículas, a radiação gama é formada por ondas eletromagnéticas emitidas por núcleos instáveis. Resulta da transição dos níveis de energia nucleares mais energéticos dos nuclidos-filho para o estado fundamental, directamente ou em cascata. Isto ocorre, por exemplo, no caso do Césio-137. Ao emitir uma partícula beta, transforma-se em Bário-137. No entanto, pode acontecer que, mesmo assim, se mantenha instável, originando um isótopo metaestável de Bário-137m e verificando-se a emissão de radiação gama (Figura 5). Fig. 5 Decaimento do Césio-137 A energia das radiações gama varia entre as dezenas de keV e alguns MeV. (Ramos, 2006) X* X (4) 3. Produção de Radioisótopos Fig. 4 Esquema de decaimento do Sódio-22 Radiação Gama (γ) Apesar de a radioactividade ser uma característica dos nuclidos mais pesados, esta pode também ser induzida em nuclidos leves, fornecendo-lhes o excesso de energia necessário. Isto pode ser feito, por exemplo, expondo os nuclidos a feixes de neutrões em reactores nucleares ou a feixes de partículas carregadas, 4 como protões ou partículas alfa em ciclotrões. (Sahoo & Sahoo, 2006) Reactores Nucleares Nos reactores nucleares, são três os factores que definem o tipo de reacção que ocorre quando determinado nuclido é bombardeado com um feixe de neutrões: a energia e o fluxo do feixe, as características e quantidade do nuclido em questão e a activation cross-section da reacção desejada. O fluxo de neutrões é o produto entre a densidade do neutrão e a sua velocidade média, sendo expresso em n.s.cm-2. A interacção dos neutrões com o alvo pode ser expressa quantitativamente em termos de nuclear cross-section. É uma medida da probabilidade que uma determinada reacção nuclear tem de ocorrer. Isto pode ser expresso em termos de uma secção transversal imaginária em torno do núcleo, perpendicular ao feixe. A reacção só ocorre se o feixe atravessar esta secção. A secção transversal depende da energia do feixe e de núcleo para núcleo. Quanto maior a secção, maior a probabilidade de formação do radioisótopo pretendido. Para poderem ser utilizados num reactor nuclear, os nuclidos têm que ter características específicas. Substâncias que sejam explosivas, voláteis, etc, não podem ser irradiadas em reactores nucleares. Para além disso, quanto maior o seu grau de pureza, maior a actividade específica do radioisótopo formado. O alvo deve ter uma conformação tal que a depressão do fluxo de neutrões seja mínima e deve encontrar-se quimicamente apto a irradiação posterior. Usualmente, são utilizados núcleos metálicos ou óxidos. Alguns dos isótopos produzidos em reactores nucleares são o Iodo-131, o Fósforo-32 e o Crómio-51. (Sahoo & Sahoo, 2006) Ciclotrão O primeiro ciclotrão foi desenvolvido em 1932 por Lawrence e Livingston, tendo sido utilizado para acelerar partículas carregadas até níveis de energia elevados sendo provocadas colisões com alvos específicos. O Carbono-11, o Azoto-13, o flúor-18 e o Iodo-123 são alguns dos isótopos produzidos com recurso a ciclotrões (Figura 6). (Sahoo & Sahoo, 2006) Fig. 6 Isótopos produzidos em ciclotrões (Sahoo & Sahoo, 2006) Geradores de Radionuclidos Os geradores de radionuclidos permitem a separação química de nuclidos-filho radioactivos de vida curta dos seus nuclidos-pai. Tipicamente, as técnicas utilizadas são a cromatografia de adsorção, destilação ou separação de fases. O Tecnécio-99m é produzido num gerador de radionuclidos, como irá ser descrito adiante. (Keur, 2010) Considerações gerais São grandes as diferenças entre os reactores nucleares e os ciclotrões. Os reactores são máquina de grande complexidade que trabalham 24 horas por dia, exigindo vigilância contínua e sistemas de segurança e emergência infalíveis, para além de originarem resíduos nucleares que perduram por grandes períodos de tempo. Os ciclotrões variam entre o formato de um tampo de mesa e o tamanho de uma sala de 8 por 10 metros. Os ciclotrões têm uma série de vantagens, por exemplo, são mais seguros e baratos em termos de uso. Por funcionarem com electricidade, em vez de recorrerem à fissão do Urânio, como nos reactores, os resíduos que produzem são apenas cerca de 10% dos produzidos nos reactores, sendo significativamente mais inofensivos e passíveis de 5 armazenar em áreas autorizadas a resíduos de baixa radioactividade. (Keur, 2010) 4. Tecnécio O Tecnécio corresponde ao elemento 43 da tabela periódica. Foi descoberto no ano de 1937, após os grandes avanços da Física Nuclear registados nos anos anteriores. A descoberta do neutrão tornou óbvia a constituição do núcleo por Z protões e N neutrões, a descoberta do positrão revelou-se muito importante no desenvolvimento da radiação artificial e a descoberta do deutério teve um grande papel no desenvolvimento de aceleradores, sendo utilizado como partícula bombardeadora em reacções nucleares. Para além disso, em 1932 obtiveram-se pela primeira vez as condições necessárias à simulação da desintegração nuclear. (F. de Jonge, 23:336-344) Características Tecnecio Físicas e Químicas do O Tecnécio é um material radioactivo de massa atómica 98 g.mol-1 e aparência semelhante à platina. Tem linhas de emissão características para os comprimentos de onda de 363.3 nm, 403.1 nm, 426.2 nm, 429.7 nm e 485.3 nm. A sua forma metálica é paramagnética e torna-se supercondutor a temperaturas inferiores a 7.46 K. As suas temperaturas de fusão e ebulição são, respectivamente, de 2430 K e 4538 K, e a sua densidade é de 11 g.cm-3. (Dean, 1999) O Tecnécio situa-se no sétimo grupo da tabela periódica, entre o Rénio e o Manganês. Entre estes, as propriedades químicas do Tecnécio são semelhantes às do Rénio, principalmente no que respeita à formação de ligações covalentes. O Tecnecio forma catiões quando ionizado e os seus estados de oxidação mais comuns são o +4, +5 e +7. A sua primeira energia de ionização é de 702 kJ.mol-1. É solúvel em água, ácido nítrico e ácido sulfúrico. A sua entalpia de fusão é de 33.29 kJ.mol-1 e a de vaporização é de 585.2 kJ.mol-1. (N. Greenwood, 1997) Isótopos do Tecnécio O Tecnécio é, dos elementos sem isótopos estáveis, o que tem um menor número atómico, porém, foram já identificados 22 isótopos não estáveis, cujas massas atómicas variam entre 87.933 u (88Tc) e 112.931 u (113Tc). (Tc Technetium, 2011) A não existência de isótopos estáveis do Tecnécio pode ser explicada pela fórmula de Weizsäcker. Esta corresponde a uma aproximação matemática de várias propriedades dos núcleos, segundo a qual a energia de ligação de um núcleos é dada pela soma de cinco termos: a energia de volume, a energia de superfície, a energia de Coulomb, a energia assimétrica e a energia de emparelhamento, e prevê um vale de estabilidade. Assim, os nuclidos que se afastam deste vale terão um comportamento radioactivo e tenderão a decair em direcção ao centro do vale, de forma a atingir a estabilidade. No caso do Tecnécio, a estabilidade está localizada para um número de nuclões (A) igual a 98. Ao decair, o Tecnécio origina isótopos de Molibdénio ou Ruténio, para os quais existe já um isótopo estável com um número de nucleões entre 95 e 102, o que significa que não poderá existir um isótopo estável de Tecnécio para A = 98. Para além disso, segundo a regra de exclusão de Pauli, a estabilidade verifica-se para um número de nucleões ímpar. (Technetium) Apesar de nenhum dos isótopos do Tecnécio ser estável, existem alguns com tempos de semivida bastante elevados. O modo primário de decaimento do Tecnécio é por captura electrónica, originando o Molibdénio. Os isótopos mais pesados tendem a sofrer decaimento beta-, originando Ruténio. Alguns isótopos do Tecnécio possuem metaestados, ou seja, formas mais isoméricas mais estáveis de determinados isótopos, cujo tempo de semi-vida difere em várias ordens de grandeza. Exemplo disso são os isótopos 99Tc e 99mTc que têm, respectivamente, tempos de semi-vida de milhares de anos e 6 h. O isótopo 99mTc é um dos metaestados mais estáveis dos isótopos de 6 Tecnécio. No caso dos isótopos metaestáveis de Tecnécio, verifica-se que estes podem decair de formas distinta consoante o seu número de nucleões. O decaimento pode ser directo, por captura electrónica, originando AMo para A < 98, ou por decaimento beta-, originando ARu para A ≥ 98. Contrariamente pode verificar-se decaimento indirecto, através de transições isoméricas (emissão de radiação gama ou conversão interna), originando ATc que irá posteriormente decair. Em geral, uma das formas de decaimento tem uma probabilidade de ocorrência consideravelmente superior a outra. No caso do 99mTc, a mais provavel é a emissão de radiação gama, devido a uma transição isomérica. como o Urânio ou o Plutónio, em reacções com um rendimento entre 4.9 e 6.21%. As suas aplicações são essencialmente na industria física e química, tais como em calibração de aparelhos, catalisador de reacções, etc. Em termos de segurança, apesar do seu elevado tempo de semivida (milhares de anos), não é um isótopo estável e requer alguns cuidados de manuseamento. (Schwochau, 2000) Tecnécio-99 e Tecnécio-99m O Tecnécio não existe em grandes quantidades na natureza, foi identificado apenas em pequenas quantidades em minérios de Urânio na crosta terrestre ou na análise dos espectros de algumas estrelas. Tanto o Tecnécio-99 como o Tecnécio99m são produzidos industrialmente para diversas aplicações. O Tecnécio-99 é obtido na fissão de actinídeos Fig. 8 Esquema de decaimento do Tecnécio-99 Na Figura 7, está representado o esquema de decaimento do Tecnécio-99. Como é possível observar, este isótopo pode decair verificando-se um de dois decaimentos beta distintos. Contudo, dado que a probabilidade de um deles é consideravelmente elevada, o outro não costuma sequer ser referido. Além disso, nos casos em que Fig. 7 Esquema de decaimento do Molibdénio-99 (Firestone, 1998) 7 esse se verifica, é logo seguido de um segundo decaimento (tempo de semi-vida da ordem dos nanossegundos) para o estado estável do Rubídio99. Uma vez que as energias envolvidas no decaimento do Tecnécio são reduzidas (keV), as partículas beta são facilmente travadas dentro de um laboratório, podendo emitir raios-X de baixa energia. Apesar de isto não implicar grandes riscos, o perigo está na possibilidade de serem inaladas pequenas poeiras de Tecnécio que poderão estar na origem de cancro do pulmão. Por este motivo, o Tecnécio deve ser manuseado dentro de uma hotte. (Schwochau, 2000) O Tecnécio-99m é, como referido anteriormente, um dos isómeros metaestáveis do Tecnécio. Para dar origem ao Tecnécio-99, sofre uma diminuição da energia do núcleo por libertação de radiação gama. Exibe múltiplos estados de oxidação (valências de +7 a -1), o que facilita a sua ligação a substratos orgânicos ou moléculas, como são os fármacos necessários à sua distribuição correcta pelo organismo. É obtido no decaimento do Molibdénio-99 e tem um tempo de semi-vida de aproximadamente 6 horas. Este valor é relativamente elevado quando comparado com outros isótopos emissores deste tipo de radiação, mas obriga a que a sua produção seja feita no local de utilização já que, a ter que ser transportado para longas distâncias, ao chegar ao destino poderia já quase não existir. Assim, foram desenvolvidos geradores de 99mTc, que permitem a sua produção por decaimento do 99Mo que, tendo um tempo de semi-vida de cerca de 66 horas, já pode ser transportado. (Technetium-99m, 2011) Analisando o espectro de decaimento do Molibdénio-99, verifica-se que o decaimento directo para 99mTc tem uma probabilidade de ocorrência bastante elevada, de 82.4%. Para além disso, ainda que decaia para outros isótopos metaestáveis do Tecnécio, muitos deles acabam por se transformar também em 99mTc. A grande maioria dos geradores de produção deste isótopo, utilizam cromatografia em coluna e Molibdénio-99 sob a forma de adsorvido em alumina ácida (Al2O3). Ao decair, transformase em pertecnato ( ) que, por ter carga negativa, fica preso na coluna. Posteriormente, a coluna é atravessada por uma solução salina que provoca a libertação do Tecnécio. O resultado é uma solução salina contendo o isótopo pretendido. (Technetium-99m, 2011) O 99mTc pode decair para 99Tc com a emissão de radiação gama, de acordo com o espectro (incompleto) representado na Figura 8. 99m Tc99Tc (5) A probabilidade de decaimento mais elevada (89%) é a de emissão de radiação gama com uma energia de 141 keV. Esta é de especial importância pois está na base da utilização deste isótopo na medicina, como irá ser descrito posteriormente. Fig. 8 Esquema de decaimento do Tecnécio-99m (Firestone, 1998) 5. Radioisótopos na Medicina Desde sempre, existiu uma estreita relação entre as descobertas da física atómica e nuclear e as suas aplicações na medicina, particularmente nas áreas de imagiologia não invasiva e tratamento do cancro. (Lilley, 2001) A medicina nuclear é uma especialidade médica que utiliza radionuclidos ou radiofármacos para o estudo, diagnóstico ou tratamento de doenças. (Pena, 2009) Na investigação diagnóstica, os critérios de selecção para o uso de radioisótopos são: um tempo de semi-vida relativamente curto, a emissão de fotões com baixa energia mas suficiente para ser detectada mesmo quando emitida a partir de 8 estruturas profundas, a não emissão de partículas radioactivas (alfa e beta) e uma actividade específica (MBq.mg-1) máxima, afim de não desencadear uma resposta tóxica ou afectar a sua biodistribuição. (Pena, 2009) Na terapêutica, os critérios de selecção são a emissão de partículas radioactivas com uma capacidade de penetração máxima equivalente à dimensão da lesão a tratar, a emissão concomitante de radiação gama, permitindo a visualização do radionuclido no alvo e uma actividade específica média ou alta. (Pena, 2009) Os radioisótopos foram utilizados pela primeira vez, na medicina, em 1936, sendo os primeiros produzidos utilizando ciclotrões. (Lamb, 1981) O Flúor-18 foi o primeiro a ser utilizado, em 1936, em imagem médica, para análise do esqueleto, e era esperado que tivesse um grande interesse comercial. Em 1970, era o isótopo escolhido para a realização de cintigrafias de detecção de lesões ósseas. Como alternativa, existia um Estrôncio-85, porém, a vida média deste era demasiado longa e demorava bastante até que fosse totalmente removido do organismo. A desvantagem do Flúor-18 devia-se, contudo, também à sua meia-vida que, por ser demasiado curta (110 minutos) inviabilizava a sua produção para comercialização em larga escala. (Lamb, 1981) Desde o início da década de 40, o tratamento do hipertiroidismo e do cancro da tiróide tem sido feito com administração de Iodo-131, sendo este muitas vezes referido como um dos principais exemplos de utilização de substâncias radioactivas para marcar tecidos específicos. (Lilley, 2001) Em 1962, foi utilizado pela primeira vez o Iodo-123 numa imagem de cintigrafia. Este veio substituir o até então utilizado Iodo-131, já usual nos estudos da função da tiróide. Com o Iodo-123 a dose de radiação absorvida pelos doentes é cerca de 30 a 40% inferior. (Lamb, 1981) Em 1969, foi demonstrada a utilização do Gálio-67 na localização de tumores de tecidos models, e do Índio-111 na localização de tumores e em cintigrafias linfáticas. (Lamb, 1981) O Potássio-43 começou por ser utilizado no estudo do miocárdio, já que era possível extraí-lo do sangue para o tecido em questão de forma rápida e eficaz. Para além disso, as sua radiação gama tem energia suficiente (619 keV) para a obtenção de imagens com uma qualidade significativa. Porém, a sua produção tinha um Fig. 9 Radioisótopos utilizados na medicina até 1970 (Lamb, 1981) 9 rendimento bastante reduzido. O Rúbidio-81, por seu lado, tinha uma utilização idêntica e um rendimento de produção consideravelmente superior. (Lamb, 1981) O Carbono-11, Azoto-13 e Oxigénio-15, radioisótopos de vida curta, eram utilizados unicamente em investigação, em centros onde existisse um ciclotrão, para a sua produção, próximo do centro de imagiologia, para a sua utilização. (Lamb, 1981) Na Figura 9, encontra-se representada um tabela contendo todos os radioisótopos existentes em 1970 e respectiva utilização na medicina. Actualmente, os radioisótopos são utilizados como marcadores em diagnóstico e terapia de doenças variadas. O Tecnécio-99, por exemplo, está na base de cerca de 30 radiofármacos diferentes, utilizados tanto em imagiologia como em estudos funcionais de uma série de órgãos, i.e, cérebro, pulmões, rins, etc. Outro exemplo é a terapia por captura de neutrões pelo Boro, na qual é feita a irradiação do isótopo estável Boro-10 com neutrões, originando partículas ionizadas de Hélio e Lítio, sendo utilizada no tratamento do cancro. (Efferth & Langguth, 2011) Nos últimos anos, a procura por radioisótopos tem vindo a crescer de forma constante, em particular, os radioisótopos de via curta necessários à medicina nuclear. Um dos principais problemas deste tipo de radioisótopos prende-se com o seu transporte. Uma vez que o seu tempo de vida é muito curto, decaem rapidamente e, por esse motivo, não podem ser transportados para grandes distâncias sob risco de grande parte do produto se perder. (Razazi & Gharehbagh, 2010) Experiências realizadas nos últimos seis anos têm demonstrado que é possível produzir radioisótopos de vida curta (Short-Lived radioisotopes – SLRs), com uma actividade de apenas alguns micro Curie que podem ser utilizados para produzir SLRs que possam ser utilizados em exames de Tomografia por Emissão de Positrões (Positron Emission Tomography – PET). (Razazi & Gharehbagh, 2010) O desenvolvimento da tecnologia PET teve por base a combinação de nuclidos emissores de positrões e o desenvolvimento da tomografia computorizada (Computed Tomography – CT). Na Figura 10 encontram-se listados os radioisótopos mais comuns utilizados neste tipo de exame imagiológico. O Tecnécio-99m é o radionuclido mais frequentemente utilizado em estudos de medicina nuclear. Está facilmente disponível, sendo produzido localmente, em meio hospitalar, com recurso a geradores portáteis (99Mo/99mTc). (Pena, 2009) O Tecnécio-99m actua como agente radioactivo dentro do organismo e a sua actividade pode ser detectada do exterior. A sua aplicabilidade justifica-se por vários motivos. O seu tempo de semi-vida, sendo de 6 horas, é suficientemente longo para que sejam realizados exames e suficientemente curto para que não permaneça no organismo. Para além disso, emite radiação gama com uma energia de 141 keV que é possível detectar com a tecnologia de raio-X actual. Por fim, ao decair origina o isótopo 99Tc que, tendo um tempo de semi-vida na ordem dos milhares de anos, não sujeita o organismo à emissão de partículas beta. Fig. 10 Radioisótopos mais comuns utilizados em PET 10 Muitos dos exames realizados no âmbito da medicina nuclear utilizam, actualmente, 99mTc. Antes de ser administrado, o 99mTc é ligado a um fármaco específico cuja função é transportá-lo para o órgão ou tecido pretendido. No caso da análise da perfusão do miocárdio, por exemplo, é utilizado o Sestamibi. A ligação aos glóbulos brancos permite a análise de locais de infecção. Algumas das principais técnicas de medicina nuclear que recorrem à utilização de 99mTc são a Cintigrafia Óssea, que permite a avaliação da densidade óssea e utiliza um fármaco que permite a integração do 99mTc com os osteoblastos, responsáveis pela formação do tecido ósseo, e permite detectar pequenas fracturas invisíveis no raio-X ou tumores ósseos; e o Estudo da Perfusão do Miocárdio, que permite obter uma imagem funcional do miocárdio e permite o diagnóstico de isquémia, baseando-se no facto de que, quando lesado e em condições de stress, o fluxo sanguíneo no miocárdio é reduzido. (Technetium-99m, 2011) Fig. 11 Estudo da Perfusão do Miocárdio Para além destas, o 99mTc é ainda utilizado em imunocintigrafia, ventriculografia cardíaca ou na obtenção de imagens funcionais do cérebro. As doses de Tecnécio administradas em exames de cintigrafia variam, usualmente, entre 10 e 30 mCi, em adultos, o que equivale a cerca de 500 raios-X torácicos. (G. Bedetti, 2088) Pelas características apresentadas anteriormente, isto não é lesivo para o doente. (Technetium-99m, 2011) Um exemplo prático bem conhecido é o uso do Iodo-131, que emite partículas beta e radiação gama e tem um tempo de semi-vida de oito dias. O Iodo-131 apresenta as características ideais para aplicação em Medicina, tanto em diagnóstico como em terapia: tem um tempo de semi-vida curto, é absorvido preferencialmente por um órgão (a tiróide) e é eliminado rapidamente do organismo. A energia da radiação gama que emite é baixa. (Medicina Nuclear, 2002) É utilizado em diagnóstico ou terapia para eliminação de lesões identificadas na tiróide, aplicando-se uma dose superior no caso da utilização terapêutica. (Radioisótopos na Medicina, 2002) O funcionamento da tiróide tem uma grande influência no comportamento de um indivíduo e pode ser avaliado estudando avaliando a forma como o Iodo-131 é absorvido pela glândula. Para diagnóstico de problemas na tiróide, o doente ingere uma solução de Iodo-131 que é absorvida pela glândula. Utilizando um detector colocado próximo do pescoço do paciente, é possível observar se o Iodo foi muito ou pouco absorvido e avaliar a sua distribuição na glândula obtendo um mapeamento, a preto e branco ou colorido, que é posteriormente comparado com um mapeamento padrão de uma tiróide normal. A mesma técnica é utilizada para diagnóstico de problemas no fígado e no pulmão. Outro radioisótopo, o Samário-153, é utilizado como paliativo para a dor, podendo ser administrado a doentes com tumores e metástases no tecido ósseo. (Medicina Nuclear, 2002) Tem um tempo de semi-vida de cerca de 46 horas e emite radiação gama com uma energia de 103 keV e partículas beta com um poder de penetração de 3,1 mm nos tecidos moles e 1,7 mm no tecido ósseo. 11 Fig. 12 Gamagrafia óssea com Samário-153 O Césio-137 e, posteriormente, o Cobalto-60 são isótopos radioactivos utilizados para destruir células de tumores. Um dos aparelhos de radioterapia é a Bomba de Cobalto, utilizada no tratamento do cancro. Trata-se de uma fonte radioactiva de Cobalto-60, encapsulada e blindada para impedir a passagem de radiação. A substituição das fontes de Césio-137 pelas fontes de Cobalto-60 deveu-se a uma questão de rendimento terapêutico. No momento da utilização, a fonte é deslocada, dentro do invólucro de protecção, para a frente de um orifício que permite a passagem de um feixe de radiação para a região a ser irradiada. Finda a irradiação, a fonte é recolhida para a posição anterior. (Radioterapia, 2002) 6. Outras Aplicações Os isótopos radioactivos não tem aplicações só na medicina, são utilizados em muitas outras áreas, tais como a indústria química e física, datação radiométrica, entre outras. O Carbono-14, por exemplo, é utilização em datação. Encontra-se em fósseis de madeira, papiros e animais e tem um período de semi-vida de 5600 anos, o que significa que, a cada 5600 anos, a sua actividade é reduzida a metade. Medindo-se a proporção de Carbono-14 existente nos materiais em estudo, é possível saber a sua idade. Foi assim, por exemplo, que se determinou a idade dos Pergaminhos do Mar Morto. (Datação do Carbono - 14, 2002) A aplicação de radioisótopos mais conhecida na indústria é na radiografia de peças metálicas ou gamagrafia industrial. Os fabricantes de válvulas usam a gamagrafia para controlo de qualidade, ou seja, para verificar se há defeitos ou fissuras no corpo das peças. Este é um procedimento comum, por exemplo, na indústria de aviação, já que são necessárias inspecções frequentes nos aviões para verificar se há fadiga nas partes metálicas e soldas essenciais sujeitas a maior esforço (por exemplo, nas asas e nas turbinas). Uma outra aplicação industrial dos radioisótopos é na medição do nível de líquidos em tanques de armazenamento. Para isso, é colocada uma fonte radioactiva num dos lados do tanque e, no lado oposto, um detector ligado a um aparelho de indicação ou de medição. Quando o líquido alcança a altura da fonte, a maior parte da radiação emitida é absorvida por ele e deixa de chegar ao detector, indicando que o líquido atingiu o nível marcado. Para indicar um nível mínimo de líquido desejado, a fonte e o detector são colocados na posição adequada e, quando o líquido atingir esse ponto, deixará de absorver a radiação, que chegará ao detector com maior intensidade. Em geral, acrescenta-se um sistema de alarme para soar quando o nível marcado é atingido. Um exemplo desta técnica é a verificação automática dos níveis de líquidos em garrafas, latas e vasilhames em geral, durante o processo de enchimento. Esta técnica é utilizada pela indústria de alimentos, em especial a de refrigerantes e cervejas. (Gamagrafia e Medidores de Níveis, 2002) 7. Conclusões Sumariamente, é possível concluir que os radioisótopos assumem uma importância cada vez maior em vários sectores. As ciências da vida são uma área na qual físicos, químicos e engenheiros procuram, cada vez mais, dar o seu contributo. As tecnologias são desenvolvidas no sentido de colocar ao dispor do Homem ferramentas que lhe possibilitem melhorar a sua qualidade de vida e contribuir para o desenvolvimento de técnicas de diagnóstico e 12 terapias cada vez melhores, para as mais variadas doenças. Assim, os radioisótopos, e fármacos necessários à sua utilização, merecem especial atenção, em particular no que diz respeito a técnicas de imagiologia. Estas permitem avaliar o funcionamento de vários órgãos, tais como a perfusão do miocárdio ou o cérebro e são, por isso, um recurso indispensável. Por outro lado, os radioisótopos permitem também o desenvolvimento de aplicações industriais de extrema utilidade e são necessários à avaliação do estado de conservação de estruturas e instalações das quais, por vezes, pode depender a vida humana, como é o caso dos aviões. Assim, considera-se que esta é uma área com um grande potencial de estudo, na qual não devem ser diminuídos os esforços no sentido de proporcionar à sociedade o melhor do que a ciência e tecnologia de ponta possam permitir. 13 8. Referências 137Cs. (s.d.). Obtido em 10 de Dezembro de 2011, de Laboratórios de Física da Radiação: http://www.lip.pt/~patricia/FisicaDaRadiacao/Figuras /137Cs_Lederer.png Lilley, J. (2001). 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