Radionuklid-Studie

Geschichte der Entdeckung der Radionukliddiagnostik

Die Entfernung zwischen den Physiklaboren, in denen Wissenschaftler die Spuren von Kernteilchen aufzeichneten, und dem klinischen Alltag schien deprimierend groß. Allein die Idee, kernphysikalische Phänomene zur Untersuchung von Patienten zu nutzen, mag, wenn nicht verrückt, so doch fantastisch erscheinen. Doch genau diese Idee entstand in den Experimenten des ungarischen Wissenschaftlers D. Hevesi, des späteren Nobelpreisträgers. An einem Herbsttag im Jahr 1912 zeigte ihm E. Rutherford einen Haufen Bleichlorid im Keller des Labors und sagte: „Hier, kümmern Sie sich um diesen Haufen. Versuchen Sie, Radium D aus dem Bleisalz zu isolieren.“

Nach zahlreichen Experimenten von D. Hevesi zusammen mit dem österreichischen Chemiker A. Paneth wurde klar, dass Blei und Radium D chemisch nicht getrennt werden konnten, da es sich nicht um separate Elemente, sondern um Isotope desselben Elements – Blei – handelte. Sie unterscheiden sich lediglich darin, dass eines von ihnen radioaktiv ist. Beim Zerfall emittiert es ionisierende Strahlung. Das bedeutet, dass ein radioaktives Isotop – ein Radionuklid – als Marker für die Untersuchung des Verhaltens seines nicht-radioaktiven Gegenstücks verwendet werden kann.

Für Ärzte eröffneten sich faszinierende Perspektiven: die Einführung von Radionukliden in den Körper des Patienten und die Überwachung ihrer Position mit radiometrischen Geräten. Innerhalb relativ kurzer Zeit entwickelte sich die Radionukliddiagnostik zu einer eigenständigen medizinischen Disziplin. Im Ausland wird die Radionukliddiagnostik in Kombination mit der therapeutischen Anwendung von Radionukliden als Nuklearmedizin bezeichnet.

Die Radionuklidmethode ist eine Methode zur Untersuchung des funktionellen und morphologischen Zustands von Organen und Systemen mithilfe von Radionukliden und damit markierten Indikatoren. Diese Indikatoren – sie werden Radiopharmaka (RP) genannt – werden in den Körper des Patienten eingeführt und anschließend mithilfe verschiedener Geräte die Geschwindigkeit und Art ihrer Bewegung, Fixierung und Entfernung aus Organen und Geweben bestimmt.

Darüber hinaus können Gewebeproben, Blut und Patientensekrete für die Radiometrie verwendet werden. Trotz der Einführung vernachlässigbarer Mengen des Indikators (Hundertstel und Tausendstel Mikrogramm), die den normalen Ablauf von Lebensprozessen nicht beeinträchtigen, weist die Methode eine außergewöhnlich hohe Empfindlichkeit auf.

Ein Radiopharmakon ist eine chemische Verbindung, die für die Anwendung am Menschen zu diagnostischen Zwecken zugelassen ist und in ihrem Molekül ein Radionuklid enthält. Das Radionuklid muss ein Strahlungsspektrum einer bestimmten Energie aufweisen, eine minimale Strahlenbelastung verursachen und den Zustand des untersuchten Organs widerspiegeln.

Dabei wird ein Radiopharmakon unter Berücksichtigung seiner pharmakodynamischen (körpereigenen) und nuklearphysikalischen Eigenschaften ausgewählt. Die Pharmakodynamik eines Radiopharmakons wird durch die chemische Verbindung bestimmt, auf deren Basis es synthetisiert wird. Die Möglichkeiten zur Registrierung eines Radiopharmakons hängen von der Art des Zerfalls des Radionuklids ab, mit dem es markiert ist.

Bei der Auswahl eines Radiopharmakons zur Untersuchung muss der Arzt zunächst dessen physiologische Ausrichtung und Pharmakodynamik berücksichtigen. Betrachten wir dies am Beispiel der Verabreichung eines Radiopharmakons ins Blut. Nach der Injektion in eine Vene verteilt sich das Radiopharmakon zunächst gleichmäßig im Blut und wird zu allen Organen und Geweben transportiert. Interessiert sich der Arzt für die Hämodynamik und Blutfüllung von Organen, wird er einen Indikator wählen, der lange Zeit im Blutkreislauf zirkuliert, ohne die Gefäßwände zu verlassen und in das umliegende Gewebe vorzudringen (z. B. menschliches Serumalbumin). Bei der Untersuchung der Leber wird der Arzt eine chemische Verbindung bevorzugen, die selektiv von diesem Organ aufgenommen wird. Einige Substanzen werden von den Nieren aus dem Blut aufgenommen und mit dem Urin ausgeschieden und werden daher zur Untersuchung der Nieren und Harnwege verwendet. Einige Radiopharmaka wirken knochentrop und sind daher für die Untersuchung des Bewegungsapparats unverzichtbar. Durch die Untersuchung der Transportzeiten und der Art der Verteilung und Ausscheidung des Radiopharmakons aus dem Körper beurteilt der Arzt den Funktionszustand sowie die strukturellen und topografischen Merkmale dieser Organe.

Es reicht jedoch nicht aus, nur die Pharmakodynamik eines Radiopharmakons zu betrachten. Auch die kernphysikalischen Eigenschaften des darin enthaltenen Radionuklids müssen berücksichtigt werden. Vor allem muss es ein bestimmtes Strahlungsspektrum aufweisen. Zur Bildgebung von Organen werden nur Radionuklide verwendet, die γ-Strahlen oder charakteristische Röntgenstrahlung emittieren, da diese Strahlungen extern detektiert werden können. Je mehr γ-Quanten bzw. Röntgenquanten beim radioaktiven Zerfall entstehen, desto diagnostisch wirksamer ist das Radiopharmakon. Gleichzeitig sollte das Radionuklid möglichst wenig Korpuskularstrahlung emittieren – Elektronen, die im Körper des Patienten absorbiert werden und nicht zur Bildgebung der Organe beitragen. Aus dieser Sicht sind Radionuklide mit einer Kernumwandlung vom isomeren Übergangstyp vorzuziehen.

Radionuklide mit einer Halbwertszeit von mehreren zehn Tagen gelten als langlebig, mehrere Tage als mittellebig, mehrere Stunden als kurzlebig und einige Minuten als ultrakurzlebig. Aus offensichtlichen Gründen werden in der Regel kurzlebige Radionuklide verwendet. Der Einsatz mittellebiger und insbesondere langlebiger Radionuklide ist mit einer erhöhten Strahlenbelastung verbunden, der Einsatz ultrakurzlebiger Radionuklide ist aus technischen Gründen schwierig.

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, Radionuklide zu gewinnen. Einige von ihnen werden in Reaktoren, andere in Beschleunigern gebildet. Die gebräuchlichste Methode zur Gewinnung von Radionukliden ist jedoch die Generatormethode, d. h. die Produktion von Radionukliden direkt im Radionukliddiagnostiklabor mithilfe von Generatoren.

Ein sehr wichtiger Parameter eines Radionuklids ist die Energie elektromagnetischer Strahlungsquanten. Sehr energiearme Quanten werden im Gewebe zurückgehalten und erreichen daher nicht den Detektor eines radiometrischen Geräts. Sehr energiereiche Quanten passieren den Detektor teilweise, sodass auch ihre Erfassungseffizienz gering ist. Der optimale Bereich der Quantenenergie in der Radionukliddiagnostik liegt bei 70–200 keV.

Eine wichtige Anforderung an ein Radiopharmakon ist die minimale Strahlenbelastung während seiner Verabreichung. Es ist bekannt, dass die Aktivität des verwendeten Radionuklids aufgrund zweier Faktoren abnimmt: des Zerfalls seiner Atome, d. h. eines physikalischen Prozesses, und seiner Ausscheidung aus dem Körper, einem biologischen Prozess. Die Zerfallszeit der Hälfte der Atome des Radionuklids wird als physikalische Halbwertszeit T 1/2 bezeichnet. Die Zeit, während der die Aktivität des in den Körper eingeführten Arzneimittels aufgrund seiner Ausscheidung um die Hälfte abnimmt, wird als biologische Halbwertszeit bezeichnet. Die Zeit, während der die Aktivität des in den Körper eingeführten Radiopharmakons aufgrund von physischem Zerfall und Ausscheidung um die Hälfte abnimmt, wird als effektive Halbwertszeit (Ef) bezeichnet.

Für radionukliddiagnostische Untersuchungen wird versucht, ein Radiopharmakon mit der kürzesten Halbwertszeit (T 1/2) auszuwählen. Dies ist verständlich, da die Strahlenbelastung des Patienten von diesem Parameter abhängt. Eine sehr kurze physikalische Halbwertszeit ist jedoch auch ungünstig: Man benötigt Zeit, um das Radiopharmakon ins Labor zu liefern und die Untersuchung durchzuführen. Als allgemeine Regel gilt: Die Tdar des Arzneimittels sollte der Dauer des Diagnoseverfahrens nahe kommen.

Wie bereits erwähnt, verwenden Labore derzeit am häufigsten die Generatormethode zur Gewinnung von Radionukliden. In 90–95 % der Fälle handelt es sich dabei um das Radionuklid ^99m Tc, mit dem die überwiegende Mehrheit der Radiopharmaka markiert wird. Neben radioaktivem Technetium werden auch ¹³³ Xe, ⁶⁷ Ga und sehr selten andere Radionuklide verwendet.

In der klinischen Praxis am häufigsten verwendete Radiopharmaka.

RFP	Geltungsbereich
99m Tc-Albumin	Blutflussstudie
99m 'Tc-markierte Erythrozyten	Blutflussstudie
99m Tc-Kolloid (Technifit)	Leberuntersuchung
99m Tc-Butyl-IDA (Bromsid)	Untersuchung des Gallensystems
99m Tc-Pyrophosphat (Technifor)	Skelettuntersuchung
99 m Ts-MAA	Lungenuntersuchung
133 Er	Lungenuntersuchung
67 Ga-Citrat	Tumorotropikum, Herzuntersuchung
99m Ts-Sestamibi	Tumorotropikum
99m Tc-monoklonale Antikörper	Tumorotropikum
201 T1-Chlorid	Herz-, Hirnforschung, tumorotropes Medikament
99m Tc-DMSA (Technemek)	Nierenuntersuchung
131 T-Hippuran	Nierenuntersuchung
99 Tc-DTPA (Pentatech)	Untersuchung der Nieren und Blutgefäße
99 m Tc-MAG-3 (Technemag)	Nierenuntersuchung
99m Tc-Pertechnetat	Untersuchung der Schilddrüse und der Speicheldrüsen
18 F-DG	Gehirn- und Herzforschung
123 I-MIBG	Nebennierenuntersuchung

Für die Durchführung von Radionukliduntersuchungen wurden verschiedene Diagnosegeräte entwickelt. Unabhängig von ihrem spezifischen Zweck basieren alle diese Geräte auf einem einzigen Prinzip: Sie verfügen über einen Detektor, der ionisierende Strahlung in elektrische Impulse umwandelt, eine elektronische Verarbeitungseinheit und eine Datenpräsentationseinheit. Viele radiodiagnostische Geräte sind mit Computern und Mikroprozessoren ausgestattet.

Als Detektoren werden üblicherweise Szintillatoren oder, seltener, Gaszähler eingesetzt. Ein Szintillator ist eine Substanz, in der unter Einwirkung schnell geladener Teilchen oder Photonen Lichtblitze, sogenannte Szintillationen, entstehen. Diese Szintillationen werden von Photomultiplierröhren (PMTs) erfasst, die die Lichtblitze in elektrische Signale umwandeln. Szintillationskristall und PMT befinden sich in einem schützenden Metallgehäuse, einem Kollimator, der das Sichtfeld des Kristalls auf die Größe des untersuchten Organs oder Körperteils begrenzt.

Üblicherweise verfügt ein radiodiagnostisches Gerät über mehrere austauschbare Kollimatoren, die vom Arzt je nach Untersuchungsziel ausgewählt werden. Der Kollimator hat eine große oder mehrere kleine Öffnungen, durch die radioaktive Strahlung in den Detektor eindringt. Grundsätzlich gilt: Je größer die Öffnung im Kollimator, desto höher ist die Empfindlichkeit des Detektors, d. h. seine Fähigkeit, ionisierende Strahlung zu erfassen. Gleichzeitig ist jedoch seine Auflösung, d. h. die Fähigkeit, kleine Strahlungsquellen separat zu unterscheiden, geringer. Moderne Kollimatoren verfügen über mehrere Dutzend kleine Öffnungen, deren Position unter Berücksichtigung der optimalen Sicht auf das Untersuchungsobjekt gewählt wird! In Geräten zur Bestimmung der Radioaktivität biologischer Proben werden Szintillationsdetektoren in Form sogenannter Well-Counter eingesetzt. Im Inneren des Kristalls befindet sich ein zylindrischer Kanal, in den ein Reagenzglas mit dem zu untersuchenden Material eingebracht wird. Ein solches Detektordesign erhöht seine Fähigkeit, schwache Strahlung aus biologischen Proben zu erfassen, deutlich. Flüssigszintillatoren werden zur Messung der Radioaktivität biologischer Flüssigkeiten verwendet, die Radionuklide mit weicher β-Strahlung enthalten.

Alle Radionukliddiagnostikstudien werden in zwei große Gruppen unterteilt: Studien, bei denen das Radiopharmakon in den Körper des Patienten eingeführt wird – In-vivo-Studien – und Studien am Blut, an Gewebestücken und Sekreten des Patienten – In-vitro-Studien.

Jede In-vivo-Studie erfordert eine psychologische Vorbereitung des Patienten. Der Zweck des Verfahrens, seine Bedeutung für die Diagnostik und der Ablauf sollten ihm erklärt werden. Besonders wichtig ist es, die Sicherheit der Studie zu betonen. In der Regel ist keine besondere Vorbereitung erforderlich. Der Patient sollte lediglich über sein Verhalten während der Studie aufgeklärt werden. In-vivo-Studien verwenden je nach Ziel des Verfahrens verschiedene Methoden zur Verabreichung des Radiopharmakons. Bei den meisten Methoden wird das Radiopharmakon hauptsächlich in eine Vene injiziert, seltener in eine Arterie, ein Organparenchym oder andere Gewebe. Das Radiopharmakon wird auch oral und durch Inhalation (Inhalation) angewendet.

Die Indikationen für eine Radionukliduntersuchung werden vom behandelnden Arzt nach Rücksprache mit einem Radiologen festgelegt. In der Regel wird sie nach anderen klinischen, laborchemischen und nicht-invasiven Bestrahlungsverfahren durchgeführt, wenn der Bedarf an Radionukliddaten zur Funktion und Morphologie eines bestimmten Organs deutlich wird.

Es gibt keine Kontraindikationen für die Radionukliddiagnostik, es gelten lediglich Einschränkungen, die durch die Anweisungen des Gesundheitsministeriums vorgesehen sind.

Unter den Radionuklidmethoden werden unterschieden: Radionuklidvisualisierungsmethoden, Radiographie, klinische und Laborradiometrie.

Der Begriff „Visualisierung“ leitet sich vom englischen Wort „Vision“ ab. Er bezeichnet die Gewinnung eines Bildes, in diesem Fall mithilfe radioaktiver Nuklide. Die Radionuklidvisualisierung ist die Erstellung eines Bildes der räumlichen Verteilung des Radiopharmakons in Organen und Geweben nach der Verabreichung in den Körper des Patienten. Die wichtigste Methode der Radionuklidvisualisierung ist die Gammaszintigraphie (oder einfach Szintigraphie), die mit einer sogenannten Gammakamera durchgeführt wird. Eine Variante der Szintigraphie, die mit einer speziellen Gammakamera (mit beweglichem Detektor) durchgeführt wird, ist die schichtweise Radionuklidvisualisierung – die Einzelphotonen-Emissionstomographie. In seltenen Fällen, hauptsächlich aufgrund des technischen Aufwands bei der Gewinnung ultrakurzlebiger Positronen-emittierender Radionuklide, wird auch die Zweiphotonen-Emissionstomographie mit einer speziellen Gammakamera durchgeführt. Manchmal wird eine veraltete Methode der Radionuklidvisualisierung verwendet – das Scannen; dies wird mit einem sogenannten Scanner durchgeführt.

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