Российские физики придумали новый метод производства изотопа циркония-89 на ускорителях электронов, что позволит лучше определять онкологические заболевания при помощи позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ). Об этом ученые рассказали на страницах журнала Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms.

Ядерная медицина помогает диагностировать рак на самых ранних стадиях, в том числе при помощи ПЭТ. Подобные центры существуют и в России, но необходимые для них радиофармацевтические препараты сложны в получении и дороги. Так, изотоп цирконий-89 с периодом распада 78,41 часа идеально подходит для метода иммуно-ПЭТ, позволяющего получать изображение на молекулярном уровне при помощи меченых антител.

Цирконий-89 обеспечивает безопаснее в обращении, дешевле в производстве, стабильнее в живых тканях и лучше накапливается в опухоли, чем используемый сейчас изотоп иода. Традиционно цирконий-89 получают на циклотронах из иттрия, но технология осложняется образованием примеси изотопа циркония-88 (период полураспада 83,4 суток), который распадается на дочерний радиоактивный изотоп иттрий-88 (период полураспада 106 суток).

Сотрудники кафедры физики ускорителей и радиационной медицины физического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова и Медицинского биофизического центра имени А.И. Бурназяна получили цирконий-89 на ускорителях электронов при облучении мишеней молибдена тормозными гамма-квантами. Их метод экономичнее и технологически проще существующих, и позволяет работать с большими массами мишеней (порядка десятков граммов), производя медицинский изотоп с высокой степенью чистоты.

«В отличие от циклотронов, ускорители электронов достаточно распространенные установки, в том числе в медицинских учреждениях. Однако там они используются только для лучевой терапии. Новый способ получения циркония-89 может позволить организовать ПЭТ-диагностику в онкоцентрах на существующих ускорителях с максимальной энергией пучка 20 МэВ», – рассказала старший научный сотрудник кафедры физики ускорителей и радиационной медицины физического факультета МГУ Марина Желтоножская.

Фрагмент спектра мишени, обогащенной по молибдену-94, после облучения тормозными гамма-квантами с максимальной энергией 20 МэВ (измерения проводились на полупроводниковом HPGe-спектрометре) / Марина Желтоножская/МГУ

Ученые облучили мишени природного молибдена и молибдена, обогащенного изотопом молибден-94, тормозными гамма-квантами с максимальной энергией 55 и 20 МэВ. В первом случае цирконий-89 образовался в основном из молибдена-92. Физики рассчитали экспериментальные выходы изученных реакций и оценили количество примесного циркония-88 в облученных мишенях. Оказалось, что вклад циркония-88 в активность мишени облученного природного молибдена составляет менее 10^-4 от активности циркония-89.

«Ожидаемой проблемой исследования были низкие сечения (y, pxn)-реакций, рассчитанные в рамках статистической модели (<= 1 мбн), — рассказывает Марина Желтоножская. — Мы предполагали, что это может быть обусловлено влиянием кулоновского барьера: оно приводит к смещению максимума функции возбуждения в область энергий больше 20 МэВ. В результате экспериментальный выход 89Zr оказался на порядок больше, чем мы ожидали».

К примеру, по расчетам на модели составного ядра получалось, что реакция не пойдет при энергиях меньше 24 МэВ (из них 13 МэВ составлял кулоновский барьер). Но оказалось, что для граничных энергий тормозного излучения меньше 20 МэВ превращения происходят по механизму прямых реакций, в которых влиянием кулоновского барьера можно пренебречь.

Таким образом, при облучении 10-граммовой мишени молибдена-94 током 0,1 мА в течение одного периода полураспада 89Zr пучком тормозных гамма-квантов с максимальной энергией 20 МэВ нарабатывается активность 89Zr ~10¹¹ Бк (активность используемых в ПЭТ-диагностике источников ~10⁹ Бк).