Стабильные изотопы – на службе здоровья

Стабильные изотопы – на службе здоровья

Что такое изотопы

При изучении свойств радиоактивных элементов было обнаружено, что у одного и того же химического элемента можно встретить атомы с различной массой ядра. Заряд ядра при этом они имеют одинаковый, то есть это не примеси сторонних веществ, а то же самое вещество. В Периодической системе Менделеева и данный элемент, и атомы вещества с отличающейся массой ядра занимают одну клетку. Таким разновидностям одного и того же вещества было дано название "изотопы" (от греческого isos - одинаковый и topos – место). Итак, изотопы – это разновидности одного и того же химического элемента, различающиеся по массе атомных ядер.

Как известно, ядра атомов состоят из протонов и нейтронов. Ядра некоторых атомов вещества содержат различное количество нейтронов, но одинаковое количество протонов. В самом деле, заряд ядра изотопов одного элемента одинаков, следовательно, количество протонов в ядре одинаково. Ядра различаются по массе, соответственно они содержат разное количество нейтронов.

Изотопы бывают стабильными и нестабильными. На сегодняшний день известно около 270 стабильных изотопов и более 2000 нестабильных. Стабильные изотопы – это разновидности химических элементов, которые могут самостоятельно существовать продолжительное время.

Большая часть нестабильных изотопов была получена искусственным путём. Нестабильные изотопы радиоактивны, их ядра подвержены процессу радиоактивного распада, то есть самопроизвольному превращению в другие ядра, сопровождающемуся испусканием частиц и/или излучений. Практически все радиоактивные искусственные изотопы имеют очень маленькие периоды полураспада, измеряемые секундами и даже долями секунд. Ядро не может содержать произвольное количество нейтронов. Соответственно количество изотопов ограничено. У чётных по количеству протонов элементов количество стабильных изотопов может достигать десяти. Например, олово имеет 10 изотопов, ксенон – 9, ртуть – 7 и так далее.

Те элементы, количество протонов которых нечётно, могут иметь лишь по два стабильных изотопа. У ряда элементов имеется только один стабильный изотоп. Это такие вещества, как золото, алюминий, фосфор, натрий, марганец и другие. Такие вариации по числу стабильных изотопов у разных элементов связаны со сложной зависимостью числа протонов и нейтронов от энергии связи ядра.

Практически все вещества в природе существуют в виде смеси изотопов. Количество изотопов в составе вещества зависит от вида вещества, атомной массы и количества стабильных изотопов данного химического элемента.

Где применяют изотопы

Разнообразные изотопы химических элементов находят широкое применение в научных исследованиях, в различных областях промышленности и сельского хозяйства, в ядерной энергетике, современной биологии и медицине, в исследованиях окружающей среды и других областях. Стабильные изотопы нашли наибольшее применение в химии (для изучения механизма химических реакций, процессов горения, катализа, синтеза химических соединений, в спектрометрии), в биологии, физиологии, биохимии и агрохимии (для изучения процессов обмена веществ в живых организмах, превращения белков, жирных и аминокислот, процессов фотосинтеза в растениях, движения воды от корня по стеблю к листьям и плодам). Они также используются в ядерно-физической аппаратуре для изготовления счётчиков нейтронов, что позволяет увеличить эффективность счёта более чем в 5 раз, в ядерной энергетике как замедлители и поглотители нейтронов. Перечисленное, однако, далеко не исчерпывает все существующие и возможные области использования изотопов. Более того, сфера их использования как эффективных помощников в решении целого ряда научных и прикладных проблем расширяется с каждым годом.

В научных исследованиях (например, в химическом анализе) требуются, как правило, небольшие количества редких изотопов различных элементов, исчисляемые граммами и даже миллиграммами в год. Вместе с тем для ряда изотопов, широко используемых в ядерной энергетике, медицине и других отраслях, потребность в их производстве может составлять многие килограммы и даже тонны.

В биологии изотопы применяют для решения как фундаментальных, так и прикладных биологических проблем, изучение которых другими методами затруднено или невозможно. Существенное для биологии преимущество метода меченых атомов состоит в том, что использование изотопов не нарушает целостности организма и его основных жизненных отправлений. С применением изотопов связаны многие крупные достижения современной биологии, определившие расцвет биологических наук во второй половине XX века. С помощью стабильных и радиоактивных изотопов водорода, углерода, азота, кислорода, фосфора, серы, железа, йода были выяснены и детально изучены сложные и взаимосвязанные процессы биосинтеза и распада белков, нуклеиновых кислот, углеводов, жиров и прочих биологически активных соединений, а также химические механизмы их превращений в живой клетке. Использование изотопов привело к пересмотру прежних представлений о природе фотосинтеза. С помощью изотопов выполнено огромное число исследований в самых разнообразных направлениях биологии и биохимии. Одно из направлений включает работы по изучению динамики и путей перемещения популяций в биосфере и отдельных особей внутри данной популяции, миграции микробов, а также отдельных соединений внутри организма. Вводя в организмы с пищей или путём инъекций метку, удалось изучить скорость и пути миграции многих насекомых (москитов, мух, саранчи), птиц, грызунов и других мелких животных и получить данные о численности их популяций. В области физиологии и биохимии растений с помощью изотопов решён ряд теоретических и прикладных проблем: выяснены пути поступления минеральных веществ, жидкостей и газов в растениях, а также роль различных химических элементов, в том числе микроэлементов, в жизни растений. Показано, в частности, что углерод поступает в растения не только через листья, но и через корневую систему, установлены пути и скорости передвижения ряда веществ из корневой системы в стебель и листья и из этих органов к корням. В области физиологии и биохимии животных и человека изучены скорости поступления различных веществ в их ткани (в том числе скорость включения железа в гемоглобин, фосфора в нервные и мышечные ткани, кальция в кости). Важная группа работ охватывает исследования механизмов химических реакций в организме. Так, во многих случаях удалось установить связь между исходными и вновь образующимися молекулами, проследить за «судьбой» отдельных атомов и химических групп в процессах обмена веществ, а также выяснить последовательность и скорость этих превращений. Полученные данные сыграли решающую роль при построении современных схем биосинтеза и метаболизма (метаболических карт), путей превращения пищи, лекарственных препаратов и ядов в живых организмах.

В медицине с помощью изотопов были раскрыты механизмы развития (патогенез) ряда заболеваний; их применяют также для изучения обмена веществ и диагностики многих заболеваний. Изотопы вводят в организм в крайне малых количествах, не способных вызвать какие-либо патологические сдвиги. Различные элементы неравномерно распределяются в организме. Аналогично им распределяются и изотопы. Излучение, возникающее при распаде изотопа, регистрируют специальными приборами. Так, можно определить состояние большого и малого круга кровообращения, сердечного кровообращения, скорости кроветока, получить изображение полостей сердца.

Для чего нужен дыхательный тест

Выдыхаемый человеком воздух содержит столько информации, что, научившись анализировать её, можно составить полнейшее представление о состоянии организма. Можно поставить диагноз в зависимости от состава выдыхаемого воздуха. На этом основан новый метод исследования пищеварительной системы человека, при котором применяются так называемые дыхательные тесты. Его самый очевидный плюс – нет опасности заразиться гепатитом или СПИДом. А традиционные трубки для осмотра желудка, взятия желудочного сока при плохой дезинфекции могут стать причиной этих и других вирусных инфекций. Метод этот весьма точен – примерно 90% достоверности.

«Не навреди» – основной принцип медицины с древних пор. Дыхательные диагностические тесты заболеваний полностью ему удовлетворяют в отличие от зондирования и биопсии. А использование тест-препаратов со стабильным изотопом углерода 13С (так обозначают изотоп с атомным весом, то есть общим числом нейтронов и протонов в ядре равным 13) исключает и возможность радиоактивного облучения (не только пациентов, но и персонала). Выпил раствор 13С-препарата и по содержанию 13СО sub 2 /sub (углекислого газа) в выдыхаемом воздухе определил состояние того или иного органа – просто, точно и безопасно. Но ещё более широкие возможности открывают новейшие 13С-магниторезонансные методы, которые позволяют получать высококачественные снимки опухолей, сосудов... и даже контролировать метаболические процессы, а значит, и наше здоровье без использования рентгеновских, радиоизотопных и прочих дорогих, сложных и небезопасных методов диагностики.

Стабильно-изотопная диагностика – это не больно!

Вы заходите в кабинет гастроэнтеролога. Вам дают выпить раствор препарата, растворённый в апельсиновом соке, и через 20 минут просят выдохнуть в пробирку. Выдохнули! А всё остальное сделает доктор. Он присоединит эту пробирку к специальному прибору и сообщит результат: опаснейшая бактерия H. pylori у вас отсутствует.

А что за препарат в соке растворяли? Да самую обычную мочевину. Но вместо распространённого углерода 12С её молекула содержит изотоп 13С, которого в природе немного – чуть больше 1%, но он есть везде, и в теле человека его около двухсот граммов. Это так называемый стабильный изотоп углерода, который не распадается, ничего не излучает и отличается от «обычного» атома 12С только тем, что он чуть тяжелее – на один нейтрон.

Ценность изотопа 13С в том, что он нисколько не меняет химические свойства веществ, благодаря чему мы можем принимать 13С-препараты без вреда для здоровья. Этот изотоп легко увидеть с помощью современных приборов, на чём и основана стабильно-изотопная диагностика: если зловредная H. pylori всё же попала в ваш организм, её фермент (уреаза) быстро разлагает мочевину, образующийся углекислый газ кровью переносится в лёгкие и удаляется с выдыхаемым воздухом. Выпив раствор 13С-мочевины, вы выдохните 13СО sub 2 /sub , что и увидит доктор на экране прибора.

И не надо глотать жуткие скользкие металлические шланги-зонды. Помимо всего прочего эти методы обладают высочайшей точностью (до 100%) и специфичностью (поставленный диагноз будет однозначен). Именно благодаря этим достоинствам можно получить массу информации, например: как работает желудок (перистальтика), поджелудочная железа (хорошо ли усваиваются жиры), здорова ли печень (циррозы, гепатиты) и так далее.

Для того чтобы применять активные изотопы в медицине, нужно налаженное производство веществ, их содержащих, то есть меченых. Такого производства в России нет.

За рубежом стабильно-изотопные медицин­ские тест-препараты выпускаются уже более 15 лет, и производство их продолжает расти. Иностранными фирмами освоен выпуск нескольких сотен диагностических субстанций и ряда готовых лекарственных форм. Диагностические приборы выпускаются различными фирмами и используются для рутинных анализов, благодаря чему в развитых странах метод СИД (стабильно-изотопной диагностики) вошёл в повседневную практику врачей. Однако лишь немногие страны (в основном США) имеют собственное производство стабильно-изотопных соединений; остальные вынуждены приобретать их на внешнем рынке.

В то же время перечень заболеваний, выявляемых с помощью тест-препаратов на основе стабильных изотопов, быстро растёт и включает болезни органов пищеварения, печени, поджелудочной железы. Метод применяют для выявления ряда онкологических заболеваний, заболеваний крови, центральной нервной системы (ЦНС), а также в эндокринологии (диабет). В целом, медицинская диагностика с помощью стабильных изотопов быстро развивается и имеет большие перспективы.

Наиболее востребованны органические соединения, меченные лёгкими стабильными изотопами 13С.

В России существуют объективные условия быстрого развития данного направления. Госкорпорация «Росатом» выпускает изотопное сырьё высшего качества – двуокись углерода (113CO sub 2 /sub ), пригодное для производства медицинских тест-препаратов, освоено производство окиси углерода (13CO).

В 2007 году по инициативе авторов проекта на базе научно-технической программы правительства Москвы (Департамент науки) «Разработка и практическое освоение в здравоохранении новых методов и средств профилактики, диагностики и лечения онкологических, инфекционных и других опасных заболеваний» начато выполнение этой программы НИОКР. В работе участвовали ведущие медицинские научные центры: ГНЦ РФ – ИМБП РАН, НИИ скорой помощи им. Н.В. Склифосовского, РОНЦ им. Н.Н. Блохина РАМН и ряд других научных организаций.

В настоящее время впервые в нашей стране разработаны способы получения 14 различных 13С?препаратов медицинского назначения. В соответствии с приказом Минздравсоцразвития РФ от 25.08.2005 г. № 539 начата подготовка производства первого в России препарата СИД «Геликотест» на основе высокообогащённого (99%) 13С?карбамида для диагностики Helicobacterpylori методом дыхательного теста. Разработан оригинальный и недорогой отечественный прибор для массовой 13С?диагностики методом дыхательных тестов (изготовлены действующие образцы прибора для медицинской регистрации). Проведена успешная медицинская апробация дыхательных тестов с использованием ряда 13С?препаратов.

В ходе выполнения работ участниками проекта получены патенты РФ. Растёт интерес к данной проблеме в отечественной медицине.

Однако российские медицинские организации в отсутствие отечественных препаратов СИД вынуждены закупать их по импорту. Вместе с тем началось проникновение на внутренний рынок зарубежных компаний, поставляющих дорогие импортные 13С-препараты.

Рыночные цены меченых соединений составляют от 100 до 1000 долларов США (и более) за 1 грамм вещества; потребность составляет более 1000 килограммов в год и постоянно растёт. Только Москве для однократной диспансеризации населения требуются сотни килограммов 13С-карбамида, а номенклатура необходимых препаратов СИД превышает 20 наименований. С учётом значительного роста потребности медицины и других областей в стабильно-изотопных тест-препаратах производство этой продукции должно возрастать ускоренными темпами.

Итоговые перспективы проекта СИД

Проектом предусмотрено решение трёх основных задач:

1) разработка новых способов получения 13С-продуктов и значительное расширение их номенклатуры с целью широкого внедрения методов стабильно-изотопной диагностики в практику российского здравоохранения;

2) создание новой наукоёмкой отечественной продукции – высокообогащённых (99%) 13С?препаратов – для реализации на внешнем рынке;

3) освоение и развитие новых областей использования стабильно-изотопных продуктов – в криминалистике, судебно-медицинской экспертизе, космической медицине, антидопинговом контроле, экологии, геологии, геофизике, изучении биосинтеза и других научных исследованиях, производстве стандартных образцов.

Первая задача предполагает разработку методов синтеза и создание научных основ производства стабильно-изотопных препаратов медицинского назначения, содействие в разработке и производстве диагностических приборов и оборудования, широком освоении методов СИД в различных областях отечественной медицины.

Вторая задача нацелена на производство и продажу большой номенклатуры отечественных стабильно-изотопных продуктов на мировом рынке. Отличительная особенность продукции – её экономическая эффективность (малые количества и высокие цены).

Решение третьей задачи обеспечит выпуск и использование тест-препаратов специального назначения независимо от рыночной конъюнктуры (то есть от импорта), а также ускоренное развитие ряда областей экономики.

В ходе работы планируется разработка новых способов синтеза 13С-продуктов для производ­ства диагностических препаратов для дыхательных тестов.

В итоге работы ожидаются следующие результаты:

– расширение номенклатуры отечественных 13С-продуктов, принадлежащих к разным классам соединений, до 40–50 наименований, включая моно- и поликарбоновые органические (в том числе ароматические) кислоты и их производные, аминокислоты, углеводы, мочевины, циклические карбонаты и другие;

– научные основы технологий эффективного производства 13С-продуктов;

– установки синтеза 13С-продуктов в количествах, необходимых для проведения медицин­ских и иных испытаний с целью создания отечественной стабильно-изотопной диагностики (включая разработку и медицинскую регистрацию 13С-препаратов и приборов для дыхательных тестов);

– образцы 13С-продуктов медицинского и иного назначения.

Полученные результаты позволят приступить к организации серийного производства 13С-препаратов для дыхательных тестов, а также 13С-продуктов иного назначения, в том числе для их поставок на экспорт, провести клиническую апробацию и внедрение методов 13С?диагностики заболеваний с помощью 13С-компьютерной томографии, расширять исследования в смежных (немедицинских) областях использования 13С-тест-препаратов и продуктов.

Развитие данного направления значительно расширит возможности российского здравоохранения, уменьшит его зависимость от импорта, повысит экспортопригодность отечественной наукоёмкой продукции, будет способствовать увеличению её доли на мировом рынке.

Учёные РН-ЦИР ведут успешные исследования в этом направлении и ожидают хороших результатов.