中國(guó)原子能科學(xué)研究院 周書華 編譯自Charles Day.

Physics

本文選自《物理》2025年第12期

放射性核素常被用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，因?yàn)檫@些核素可輻射多種粒子，用于疾病的診斷與治療。然而，如何制造出既具有醫(yī)用價(jià)值又具有成本效益的核素是個(gè)難題。英國(guó)約克大學(xué)的Mamad Eslami及其團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了一種利用電子加速器實(shí)驗(yàn)中的剩余伽馬射線來制備放射性核素的方法。這種方法能夠生成兩種銅核素——銅-64和銅-67；其中，銅-67很難用以往的方法大量生產(chǎn)。醫(yī)學(xué)研究人員對(duì)這兩種核素特別感興趣，因?yàn)橛锌赡苈?lián)合使用它們來治療癌癥：一種核素釋放治療用的輻射，另一種提供診斷成像。

伽馬射線的循環(huán)利用。加速器產(chǎn)生的電子束轟擊金屬箔，產(chǎn)生可用于研究樣品(紫色)的伽馬射線。部分伽馬射線穿透該初級(jí)樣品靶材后通常被浪費(fèi)掉。研究表明，這些未再使用的伽馬射線可被利用來生成醫(yī)用核素銅-67

將治療與診斷結(jié)合在同一個(gè)過程中進(jìn)行的醫(yī)療方法，稱為“治療診斷一體化技術(shù)”。在核醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，治療方案通常涉及將放射性核素與抗體結(jié)合，并將其注入患者血液中。當(dāng)攜帶核素的抗體到達(dá)腫瘤部位時(shí)，會(huì)附著在腫瘤細(xì)胞上；隨后，局部釋放的輻射會(huì)破壞癌細(xì)胞的DNA，從而殺死這些癌細(xì)胞。在診斷方面，醫(yī)生們可以使用正電子發(fā)射斷層掃描(PET)等技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)同樣依賴于核素與抗體的結(jié)合，其用途是確定腫瘤位置?？梢栽O(shè)想，將兩種核素——一種用于治療，另一種用于診斷——結(jié)合到同一種抗體上，這樣醫(yī)生就可以在治療過程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)治療效果了。如果這兩種核素具有相同的化學(xué)性質(zhì)，那么將兩者與抗體結(jié)合就更加容易；而當(dāng)兩者屬于同一元素的同位素時(shí)，正好符合這種條件。制藥公司已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了幾對(duì)具有廣泛應(yīng)用前景的“治療診斷組合”。

銅-64和銅-67就是這樣一對(duì)同位素。銅-64會(huì)釋放正電子，這些正電子可以在正電子發(fā)射斷層掃描中幫助識(shí)別腫瘤；而銅-67則會(huì)釋放β-粒子(即電子)，攻擊癌細(xì)胞。這兩種核素均具有臨床適用的半衰期，且其化學(xué)性質(zhì)——特別是銅與抗體及其他生物分子結(jié)合的傾向性已進(jìn)行過廣泛研究。銅-64和銅-67在治療癌癥方面的潛在效果已在小鼠實(shí)驗(yàn)中得到驗(yàn)證。在小鼠實(shí)驗(yàn)中，這些同位素是用高能質(zhì)子轟擊鋅靶產(chǎn)生的；不過與銅-64相比，銅-67的產(chǎn)額太低，因此不太適合用于臨床診斷與治療。

Eslami等發(fā)現(xiàn)了一種產(chǎn)生更高產(chǎn)額銅-67的方法。Eslami從同事處了解到，某些粒子加速器實(shí)驗(yàn)會(huì)長(zhǎng)時(shí)間使用高強(qiáng)度電子束運(yùn)行，而這些電子束產(chǎn)生的部分伽馬射線在穿過預(yù)定靶材后會(huì)被浪費(fèi)掉。他意識(shí)到，這些被浪費(fèi)的光子可以被有效利用。

Eslami和他的團(tuán)隊(duì)在德國(guó)美茵茨大學(xué)的電子加速器上測(cè)試了他們的想法。實(shí)驗(yàn)中，855 MeV的電子撞擊鈷鐵釩合金板，產(chǎn)生了軔致輻射，即伽馬射線；這些伽馬射線隨后又擊中了實(shí)驗(yàn)小組的鋅箔靶。

兩小時(shí)后，研究人員測(cè)量了鋅箔中產(chǎn)生的銅-67(以及其他核素)的數(shù)量。在目前使用銅-67進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)中，患者所接受的輻射劑量?jī)H為幾吉貝可(GBq)，這相當(dāng)于每秒發(fā)生幾十億次核衰變。Eslami和他的同事們發(fā)現(xiàn)，他們的原理驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)每小時(shí)產(chǎn)生的銅-67量約為0.06 GBq；因此，要生產(chǎn)出4 GBq的銅-67大約需要5天的時(shí)間。

研究人員的目標(biāo)不僅僅是確定能否生產(chǎn)出足夠量的銅-67；他們還希望研究在伽馬射線與鋅核的碰撞過程中是否能產(chǎn)生其他有用的核素。由電子束散射實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)，他們推斷出了照射到目標(biāo)物體上的伽馬射線譜。隨后，他們將實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的放射性核素產(chǎn)額與現(xiàn)有的光子—核反應(yīng)模型進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)兩者之間存在差異，尤其是在高能范圍的伽馬射線方面。因此，Eslami說道，“實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)揭示了模型中的明顯缺陷，這強(qiáng)烈表明需要在該能量范圍內(nèi)發(fā)展新的理論。”

十年前，橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室醫(yī)用同位素研發(fā)團(tuán)隊(duì)的David Rotch曾經(jīng)通過伽馬射線轟擊鋅靶制成了銅-67，但由于天然銅的污染導(dǎo)致放射性強(qiáng)度低于治療所需水平，最終放棄了該項(xiàng)目。但Rotch表示：“光核反應(yīng)路徑是制備這種同位素的絕佳方法?！?br/>

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