I traccianti radioattivi

1. Lo studio dell’organismo umano fu iniziato dai grandi anatomici del rinascimento, in seguito ai progressi della fisica con l’indagine microscopica fu possibile elaborare la teoria cellulare. Successivamente si cercò di conoscere la struttura intima della materia vivente attraverso tecniche e metodologie proprie delle fisica e chimica. Il primo successo fu la scoperta dello zucchero nel sangue e fegato e quindi del glicogene e della funzione glicogenica dell’epatocita. Crebbe così la chimica biologica che ebbe grande influenza sulla fisiologia, infatti la patologia inizialmente strettamente di tipo morfologico si orientò a contenuti sempre più funzionali per addivenire a ciò che ora si definisce fisiopatologia. I traccianti radioattivi Introduzione Teoria dei traccianti radioattivi

2. I traccianti radioattivi L’indagine chimica e la conoscenza della composizione di un organismo vivente dicevano ben poco sulla dinamica dei processi biologici. Nell’osservazione di un organismo vivente si nota la presenza di certi contenuti chimici a strutture costanti che è il risultato di uno stato di equilibrio dovuto a processi di sintesi e scissione per cui non è possibile distinguere fra le sostanze introdotte da quelle simili sintetizzate o accumulate e studiarne il destino. Questo compito poteva essere realizzato solo con l’uso di sostanze riconoscibili dalle altre ed aventi la stessa struttura chimica e purché queste sostanze portatrici di questo segnale di riconoscimento non alterasse i comportamenti chimici e biologici. Gli isotopi radioattivi e le molecole a strutture biologiche marcate con questi rispondono al requisito di essere riconoscibili e di non alterare il comportamento biologico e quindi si è potuto studiare la dinamica della materia vivente. Teoria dei traccianti radioattivi

3. Cenni storici sui traccianti radioattivi • Alla fine dell’ottocento i coniugi Curie nell’analizzare la pechblenda, uno dei principali minerali dell’uranio, notarono che possedeva una attività maggiore di quella che avrebbe dovuto avere sulla base dell’uranio contenuto. Ciò indicava la presenza di composti di elementi (o elemento) più radioattivi dell’uranio. Attraverso metodi chimici individuarono due di tali elementi: il Radio e il Polonio. • Nel 1912 George Von Hevesy dopo inutili tentativi di isolare il Piombo, estratto dalla pechblenda, da un elemento identificato come Radio D ebbe la idea brillante di utilizzare il radio D come indicatore del piombo. • Nasce così il concetto di tracciante. Ora noi sappiamo che il radio D è un isotopo radioattivo del piombo e precisamente il Pb210 . Studiando queste sostanze Soddy arrivò alla conclusione che non erano separabili perché si trattava dello stesso elemento chimico, proponendo il termine isotopo per questi elementi che possedevano lo stesso numero atomico, occupavano lo stesso posto nella tavola periodica ma differivano per la massa atomica. Teoria dei traccianti radioattivi

4. Prime applicazioni dei traccianti • Nel 1924 Von Hevesy espose l’idea di usare gli isotopi radioattivi come indicatori degli elementi di sistemi chimici e biologici. Inizialmente furono fatti studi sulla circolazione del piombo e del bismuto in organismi viventi. • La più importante conseguenza nell’uso dei traccianti fu la scoperta dello stato dinamico dei costituenti gli organismi viventi. • L’impiego dei traccianti consentì di evidenziare come il complesso dei costituenti degli organismi viventi sia da considerare come un delicato sistema in continuo rinnovamento nel quale, tuttavia, i rapporti tra i diversi componenti sono costanti nell’individuo sano. • Nella lezione che tenne nel 1944, in occasione del conferimento del premio Nobel, Von Hevesy affermò: “ l’impiego degli isotopi radioattivi apre nuove linee di approccio, non solo alla soluzione di problemi già noti, ma potrà dirigere la nostra attenzione a nuove idee non prese in considerazione fino ad ora. L’uso di indicatori radioattivi apre l’unica via possibile per determinare la velocità, il luogo e la sequenza della formazione della maggior parte dei costituenti molecolari degli organismi viventi. L’esistenza di questi metodi è strumentale nell’aprire nuove vie di pensiero per dimostrare la dinamicità dei processi metabolici …..” Teoria dei traccianti radioattivi

5. Traccianti radioattivi • Si definisce “Tracciante” un elemento o sostanza che introdotta in un sistema chimico o biologico, si mescola rapidamente ed uniformemente con i costituenti di questo e, pur essendo sempre identificabile e differenziabile da essi, ne riproduca fedelmente il comportamento, senza influenzarlo. • Quindi il tracciante deve possedere i seguenti requisiti: • Equivalenza dal punto di vista chimico e biologico agli elementi dei sistemi che con essi si studiano; • Assenza di effetti sul comportamento dei sistemi in studio; • Possibilità di identificazione e misura tra gli altri elementi del sistema. Esempi di traccianti radioattivi sono l’acqua triziata e lo I131 Teoria dei traccianti radioattivi

6. Traccianti radioattivi • Definiamo “Indicatore” un elemento o sostanza che abbia la proprietà di assumere in una struttura biologica anatomicamente e, in genere, spazialmente definita, una concentrazione significativamente diversa da quella che esso assume nelle strutture ad esso contigue, e di poter essere in esse identificato. • Tali sostanze sono, in genere, del tutto estranee al sistema che si vuole esplorare e non ha interesse l’effetto da esse introdotto. Esempi di indicatore sono molecole organiche, quali ad esempio : diiodiofluorescina—cervello; solfocolloidale---fegato; MDP---osso; DMSA—rene. Vi sono inoltre dei traccianti che fungono da indicatori un esempio è dato dallo Iodio radioattivo ( funge da tracciante del ricambio iodico e si concentra nella tiroide). Teoria dei traccianti radioattivi

7. Traccianti radioattivi • Gli Indicatori possono a loro volta essere suddivisi in Indicatori Positivi e in Indicatori Negativi questa differenziazione è associata alla caratteristica di raggiungere concentrazioni maggiori o minori in un determinato organo o tessuto in studio rispetto alle zone circostanti. • Es. di indicatore positivo: Ga67citrato per i tumori polmonari; DTPA per il cervello;Polifosfati e Difosfonati marcati con Tc99m. • Es. di indicatore negativo: DMSA per il rene; Solfocolloidale per il fegato e i generale colloidi marcati con Tc99m per lo studio del fegato. Teoria dei traccianti radioattivi

8. Traccianti radioattivi • Avendo gli indicatori scopi essenzialmente descrittivi e qualitativi, non è in genere necessaria alcuna elaborazione analitica dei risultati ottenuti. • Nell’impiego dei traccianti, il cui scopo è quello di fornire informazioni quantitative sulla dinamica dei processi biologici, per ottenere le informazioni volute è necessaria una elaborazione analitica dei risultati • L’insieme delle metodologie analitiche che dal risultato sperimentale consentono di risalire alle caratteristiche quantitative dei processi allo studio costituiscono laTeoria dei traccianti. Teoria dei traccianti radioattivi

9. Traccianti radioattivi Caratteristiche dei traccianti Traccianti omogenei sono quelli di specie chimica o biologica identica ai costituenti del sistema. Esempi: I131e Na24 per i rispettivi isotopi naturali; i fosfolipidi marcati con P32; i globuli rossi marcati con Fe59. Tuttavia non sempre è possibile disporre di condizioni ideali perché ad esempio certi radioisotopi hanno emivite troppo lunghe o troppo brevi (Cl36e Cl38), oppure si presentano condizioni per cui certe sostanze risultano di difficile marcatura, in questi casi si ricorre aiTraccianti Eterogenei. Esempi :isotopi radioattivi appartenenti allo stesso gruppo delle tavola di Mendelejev (Rb86 come tracciante del K), molecole identiche ai costituenti del sistema in cui sia stata applicata una sostituzione con un radioisotopo di un elemento etereogeneo. Teoria dei traccianti radioattivi

10. Traccianti radioattivi • I dati ottenuti con traccianti eterogenei non possono essere considerati come misure assolute dei fenomeni da questi studiati. In genere si può ammettere un rapporto di proporzionalità fra il valore trovato e quello reale e ciò ne giustifica l’impiego quando non occorre conoscere il valore assoluto ma confrontarne il comportamento in diverse condizioni. • Infine i traccianti eterogenei possono andare incontro ad un destino metabolico diverso dai componenti del sistema biologico che si vuole studiare. Teoria dei traccianti radioattivi

11. Traccianti radioattivi • Un tracciante è definito Permanente quando il radioisotopo si lega alla struttura in esame in maniera indissolubile ( il radio ferro entra nella molecola dell’emoglobina del globulo rosso fino alla morte del globulo rosso stesso). • Invece il radiocromo (usato per seguire la vita dei globuli rossi) abbandona il globulo rosso con un ritmo dell’1% al giorno e pertanto viene definito Tracciante Temporaneo. Teoria dei traccianti radioattivi

12. Traccianti radioattivi Effetto isotopico L’identità di comportamento chimico fra diversi isotopi va intesa a rigore in senso qualitativo . In realtà vi sono diversi gradi di stabilità dei legami molecolari, causa le differenze di peso fra i diversi isotopi, che conducono a velocità di reazione diverse ( almeno per quelle che implicano rotture di legami). Questo effetto, definito Effetto isotopico, è maggiore per gli isotopi con basso numero atomico e tende a diminuire con il suo aumentare. In realtà l’effetto isotopico è piccolo negli esperimenti biologici, mentre diventa molto importante nei processi di purificazione di alcuni radioisotopi. Teoria dei traccianti radioattivi

13. Traccianti radioattivi Effetto radiante Le radiazioni inducono modificazioni nella materia attraversata ( ionizzazione, rottura di legami molecolari ), l’entità di tali modificazioni varia con le dosi somministrate che dipendono dal tipo di radiazione la sua energia e le caratteristiche di emivita fisica e biologica. Quindi quando si esegue un esperimento con tracciante radioattivo è necessario stimare la dose assorbibile al fine di assicurarsi che il sistema biologico non si modifichi. Con l’introduzione dei nuovi traccianti radioattivi negli studi diagnostici di medicina nucleare questo effetto appare molto contenuto. Teoria dei traccianti radioattivi

14. Traccianti radioattivi Effetto ponderale Per Effetto ponderale si intende l’eventuale induzione di modificazioni nell’equilibrio del sistema in conseguenza della variazione quantitativa dovuta alla introduzione in esso di un tracciante in quantità ponderalmente non trascurabile. Una delle prerogative più interessanti delle tecniche con traccianti radioattivi consiste nella possibilità di indagare il comportamento dei sistemi biologici nelle condizioni basali senza indurre in essi variazioni quantitative che potrebbero pregiudicare lo studio. Per questo aspetto grande importanza è legata alla Attività Specifica che è definita come la quantità di radioattività, espressa in Bq, per unità ponderale espressa in grammi o moli, infatti tanto più grande è l’attività specifica del tracciante somministrato tanto minore è la quantità ponderale somministrata. Teoria dei traccianti radioattivi

15. Traccianti radioattivi Attualmente è possibile ottenere, attraverso tecniche radiochimiche, traccianti praticamente puri, definiti del primo ordine. Un esempio è offerto dallo I131che raggiunge una attività di 37MBq in una quantità ponderale di circa un miliardesimo di grammo. Quando un radionuclide è completamente separato dai suoi isotopi stabili e da altri elementi viene definito CARRIER FREE e il suo peso può venire trascurato. Quando il tracciante è una molecola o struttura biologica marcata con un determinato radioisotopo siamo di fronte ad un tracciante del secondo ordine nei quali è sempre presente una quota di carrier. Teoria dei traccianti radioattivi

16. Lo stato dinamico dei costituenti di un sistema biologico Tutti i costituenti corporei si trovano in equilibrio dinamico per cui, in condizioni normali, mentre il numero di elementi che compongono un sistema rimane invariato, gli elementi stessi vengono rinnovati, in modo tale che l’apparente invariabilità di composizione è il risultato dell’equilibrato procedere di processi di sintesi e di diffusione o più semplicemente della immissione e dell’allontanamento dei componenti dai singoli sistemi biologici. Teoria dei traccianti radioattivi

17. Lo stato dinamico dei costituenti di un sistema biologico La proprietà di rinnovarsi è il minimo comune denominatore di tutta la materia vivente. E’ tale proprietà che rende possibile: • L’inserimento del tracciante nel sistema biologico; • La generalizzazione del comportamento del tracciante a quello del sistema biologico tracciato. Teoria dei traccianti radioattivi

18. Fase • Con il termine Fase si intende un insieme di elementi simili in equilibrio fra di loro, nel senso che un qualunque elemento omologo che in essa venga introdotto può andare ad occupare una posizione qualunque della fase, ed ancora nel senso che gli elementi omologhi introdotti nella fase stessa questi tenderanno a distribuirsi in essa in modo uniforme. • Il processo della diffusione è regolato in linea di massima dalle leggi della diffusione, nel sangue oltre ai fattori di diffusione si aggiungono altri fattori di mescolamento quali il flusso continuo. • Può accadere che i processi di distribuzione siano diversi dalla diffusione. Teoria dei traccianti radioattivi

19. Fase Unitaria – Fase Compartimentalizzata • Quando il passaggio di un elemento da un punto ad un altro del sistema biologico ubbidisce alle sole leggi della diffusione e non comporta mai il passaggio di una membrana biologica o il cambiamento del suo stato chimico - fisico siamo di fronte a ciò che si definisce fase unitaria. • Quando al suo interno esistono membrane che la suddividono in frazioni il sistema si definisce fase compartimentalizzata. Teoria dei traccianti radioattivi

20. Equilibrio dinamico • L’equilibrio dinamico delle fasi è il prodotto da una serie di processi di cui alcuni irreversibili altri reversibili. • I processi irreversibili legano tra di loro fasi diverse e presiedono al rinnovamento vero e proprio dei sistemi biologici, mentre i processi reversibili si svolgono all’interno delle fasi ed hanno per scopo ultimo il mantenimento dell’equilibrio di distribuzione. • Nella massima parte dei sistemi biologici che possono venire studiati con traccianti radioattivi i processi reversibili e quelli irreversibili si embricano gli uni con gli altri in modo che il comportamento del tracciante è la risultante dei due processi. • Nell’indagine sperimentale e nell’analisi successiva del comportamento del tracciante si tende a separare queste due componenti, in modo da valutare il significato e l’importanza di ognuna. Teoria dei traccianti radioattivi

21. Schematizzazione in fasi di un sistema biologico INPUT Fase A Fase B Unitaria Fase C compartimentata Teoria dei traccianti radioattivi OUTPUT

22. Processi Reversibili • All’introduzione del tracciante in un compartimento segue la diffusione nel compartimento stesso e in quelli ad esso connessi (cioè la diluizione in uno spazio crescente). Si registra così una riduzione della concentrazione nel compartimento di introduzione. Tale riduzione dipende: dal volume di distribuzione del compartimento, da quello dell’intera fase e dalle caratteristiche delle membrane interposte tra i vari compartimenti. • In assenza di processi irreversibili si giungerà ad una concentrazione costante sia nel compartimento di introduzione che nei compartimenti collegati. Teoria dei traccianti radioattivi

23. Processi Reversibili • Con il termine misure di diluizione si intende lo studio della modalità con cui il tracciante si distribuisce all’interno della fase, dal compartimento di introduzione fino al raggiungimento della uniformità di distribuzione. • Dallo studio della variazione di concentrazione nel compartimento di introduzione è possibile dedurre numerose caratteristiche della fase stessa, cioè l’entità della fase ,il numero dei compartimenti e la rapidità degli scambi tra i vari compartimenti. Teoria dei traccianti radioattivi

24. Processi Irreversibili • Nei sistemi biologici in equilibrio dinamico i processi irreversibili determinano l’immissione e l’allontanamento di una ugual frazione degli elementi costitutivi ad ogni tempo. • Il trasferimento di elementi costitutivi di una fase ad un’altra è governato esclusivamente da processi irreversibili. • Quando una aliquota più o meno grande di elementi (o loro frammenti) di una fase A è normalmente trasferita attraverso un processo irreversibile in una fase B partecipando alla costituzione dei suoi elementi costituenti senza che vi siano intermediari tra A e B allora la fase A viene definita Precursore Specifico della fase B (ad esempio la glicina è un precursore specifico della emoglobina). Teoria dei traccianti radioattivi

25. Processi Irreversibili • Lo studio del comportamento del tracciante in fasi diverse da quella originariamente marcata (fasi secondarie) ha una grande importanza nella metodologia isotopica. • Le fasi secondarie possono in alcuni casi essere inerti metabolicamente in modo che i loro elementi non vengono trasferiti ulteriormente ad altri sistemi, ma più spesso queste rappresentano sistemi in equilibrio dinamico precursori a loro volta di altre fasi. • Dallo studio del comportamento del tracciante in una fase secondaria e dal suo confronto con una fase primitiva, è possibile ottenere informazioni di grande interesse quali la precisazione della effettiva condizione di precursore specifico di un sistema nei confronti di un altro e la misura delle costanti di rinnovamento del sistema secondario. Teoria dei traccianti radioattivi

26. Le costanti di rinnovamento definizioni • Per Tasso di rinnovamento o Turnover F si intende la quantità di sostanza che entra nel sistema o esce da esso nell’unità di tempo. • Per Ritmo di rinnovamento R si intende la frazione dell’intero sistema che viene rinnovata nell’unità di tempo. • Tra il Tasso di rinnovamento F, il Ritmo di rinnovamento R e la quantità di sostanza che è presente nel sistema N (o Entità del sistema) intercorrono le seguenti relazioni: R = F/N F = RN Teoria dei traccianti radioattivi

27. Le costanti del rinnovamento • Si definisce “Tempo di rinnovamento” o “Turnover time” T di un sistema biologico il tempo necessario alla sostituzione di una quantità di sostanza pari a quella costituente il sistema stesso. T = N/F ma poiché F = RN ne segue N/F = 1/R Per cuiT = 1/R o R = 1/T • Un sistema è completamente definito quando di esso si conoscono tutte le costanti di rinnovamento R,F,N,T . • Un sistema è relativamente definito quando siano determinate le sole costanti relative T ed R. Teoria dei traccianti radioattivi

28. Processi irreversibili Due sono i principali tipi di rinnovamento : • Rinnovamento Discriminato; quando viene operata una scelta, quindi ha senso parlare di tempo di vita (es. eritrociti, epitelio). • Rinnovamento Indiscriminato; non viene operata alcuna scelta per cui non ha senso parlare di tempo di vita ma di vita media . Teoria dei traccianti radioattivi

29. Processi irreversibili • Ipotesi : blocchiamo l’immissione di nuovi elementi nel sistema. Processo irreversibile discriminato N N(0) dN(t)/dt = -RN(0) Life span t La variazione è costante e negativa ed indipendente dal numero N(t) di elementi rimasti nel sistema, per cui potremo dire che i processi irreversibili discriminati procedono come reazioni di ordine zero. Teoria dei traccianti radioattivi

30. Processi irreversibili N Processo irreversibile indiscriminato Ipotesi : blocchiamo l’immissione di nuovi elementi nel sistema. N(t) dN(t)/dt = -RN(t) t La variazione degli elementi residui N(t) nell’intervallo dt è negativa e proporzionale al numero stesso N(t). Quindi i processi irreversibili indiscriminati procedono come reazioni di primo ordine. Teoria dei traccianti radioattivi