Mikrodoseringsmetoder Accelerator-Mass

Några acceleratorer med medicinska
tillämpningar i Lund
MAX-lab:
genererar synkrotronljus
MAX IV: under uppbyggnad, ännu bättre ljuskälla!
Kommande: ESS (European Spallation Source):
genererar neutroner
Mikrostråleacceleratorn på Fysicum:
genererar protoner, deutroner eller alfapartiklar
Acclerator-Mass-Spektrometri (AMS) på Geologen –
accelererar kolisotoper
MAX-lab – på baksidan av M-huset
Ett stort mikroskop som
använder synkrotronljus för att
undersöka material, se t ex
https://www.maxlab.lu.se/sv/no
de/1351.
En linjäraccelerator accelererar
elektroner till nära ljusets hastighet
(upp till 400 MeV).
Elektronerna leds inlagringsringen där
man böjer deras bana med hjälp av
magneter.
Vid avböjningen avger elektronerna
synkrotronljus som är ett mycket
intensivt ljus över ett brett
våglängdsintervall.
https://www.maxlab.lu.se/sv
Ljuset leds ut till forskningsstationerna
genom olika strålrör där själva
experimenten sker.
MAX IV – byggs på Brunnshög
Ljuskälla med högre energi (elektronenergi
upp till 3400 MeV) och förbättrad
prestanda än dagens MAX-lab: nya
typer av experiment möjliggörs
http://liveevent.se/lambert
sson/maxlab_1_640.jpg
European Spallation Source Scandinavia (ESSS) planerad granne till MAX IV
ESSS är ett planerat gigantiskt mikroskop
som använder neutroner för att studera
olika material på atomnivå.
Exempelvis kan man studera hur mediciner
är uppbyggda och fungerar.
Protoner accelereras till hög hastighet (nära
ljushastigheten) i ett 500-600 m långt rör
Protonerna träffar ett mål-material (t e x
kvicksilver eller bly) så att mål-materialet spjälkas i
mindre beståndsdelar, bl a neutroner:
spjälkningsprocessern kallas SPALLATION
Neutronerna leds fram till experimentkammare
där olika material undersöks genom att se hur
neutronerna sprids
http://www.stralsakerhetsmyndigheten.se/Global/Publikationer/Tidskrift/Str
alsakert/Neutronforskning-webb.pdf
Illustration: European Spallation Source ESS AB
European Spallation Source (ESSS)
Gå in på ESSS hemsida:
http://www.ess-scandinavia.se/
Läs mer om hur ESSS fungerar:
http://esss.se/exhibition/southWall.php
Få svar på de frågor du har:
 Hur fungerar ESS?
 När ska det byggas?
 Hur kan man studera läkemedel med
neutroner?
 Risker för människa och miljö?
...?
...?
Illustration: European Spallation Source ESS AB
Mikrostråleacceleratorn på Fysikum
Single ion hit facility – undersöker effekten av låga stråldoser
Introduktion
• Strålning orsakar skador på
människan
 Höga doser: Tjernobyl,
överlevare efter atombomber
 linjär dos-respons – LNT
(linear, no threshold)modellen
 Låga doser:
bakgrundsstrålning etc.
 LNT-modellen giltig?
Alternativ: linjär med tröskel,
hormesis (låga doser skulle
vara hälsosamma), låg-doshypersensitivitet
???
Risk
Kända data,
LNT
Extrapolering
Låga
stråldoser
Höga
stråldoser
Introduktion
• Mikrostråle, laddade partiklar:




Enskilda celler, enstaka MeV joner
Lateral upplösning några µm
Träffa individuella celler, väldefinierad dos
”bystander effects” – icke-bestrålade celler
• Single Ion Hit Facility för cellbestrålning
• CELLION: ”Studies on cellular response to
targeted single ions using nanotechnology”,
2004-2008
Lund Ion Beam Analysis Facility
3 MV NEC Pelletron van de Graaff accelerator
protoner, deutroner, alfapartiklar
2 strålrör – makro, (mikro), nano
A Single Ion Hit Facility
 Charged particle microprobe
 Beam blanker
 Single hit detector
Deflecting/
analyzing
magnet
 Vacuum window (external beam)
 Cell dish other than standard Petri dish
Aperture slits
Object slits
Quadrupole lenses
High voltage
beam blanker
Cell chamber
6 maj 2011
Charlotta Nilsson, LTH
Björndjur?
http://sv.wikipedia.org/wiki/Tr%C3%B6gkrypare
• Tardigrad/trögkrypare/
björndjur
• 1 mm
• Lever överallt
• Tolerant:
–
–
–
–
6 maj 2011
Charlotta Nilsson, LTH
uttorkning
låga/höga temperaturer
vakuum/högt tryck
joniserande strålning!
Protonbestrålning av björndjur
• Richtersius coronifer
• Uttorkade djur
• Bestrålning med protonmikrostråle, 2.5 MeV
• I vakuum (lågt tryck ok)
6 maj 2011
3 MV
Charlotta Nilsson,
LTHelektrostatisk
accelerator
Foto: R. Hoischen
Protonbestrålning av björndjur
• Korttidsöverlevnad:
• 4-48 timmar efter
blötläggning
• Dos < 10000 Gy påverkar
inte björndjur
• Dos ≥ 12000 Gy dödar
björndjur
• LD50 = 10.24 kGy (24 h)
E.J.C. Nilsson et al., International Journal of
Radiation Biology 86 (2010) 420
6 maj 2011
Charlotta Nilsson, LTH
Acceleratormasspektrometern
(AMS) för 14C-mätningar på
Geologen
Åldersbestämningar med 14C-metoden inom arkeologi och geologi
Massor av andra tillämpningar, t ex:
 Biokinetikstudier av
14C-märkta
läkemedel i kliniskt bruk
 Läkemedelsutveckling med mikrodosering
 Bombpulsdatering av mänsklig vävnad för att:
• studera hur snabbt olika sjukdomar utvecklas
• studera naturlig cellomsättning i olika organ
14C
i kolcykeln och 14C-datering
Spallationsreaktioner mellan kosmisk strålning (t ex p, α-partiklar
med hög energi) och atmosfärens beståndsdelar ger neutroner
Neutroner i kärnreaktioner med atmosfäriskt kväve: 14N(n,p)14C
14C
tas upp i CO2
Nu levande kol
(i växter och djur):
99% 12C
1% 13C
10-10% 14C
14C
→
14N
+ β− -strålning
T1/2=5730 år
14C
–halten ger åldern
(upp till 50 000 år gamla
föremål kan dateras)
14C-datering
– åldersbestämning av
upp till 50 000 år gamla föremål
Willard F. Libby
Nobelpriset i kemi 1960 för att ha
utvecklat 14C-metoden
Mätte beta-sönderfall:
• Tidskrävande (mättid: dygn)
• Kräver stora prov (ca 1 g kol)
Effektivare metod (utveckades på 1980-talet):
Acceleratormasspektrometri (AMS)
• Räknar atomer
• Mäter isotopförhållanden 12C/13C/14C
• Mättid: < 1h
• Provmängd: ner till 10 μg kol
Varför inte vanlig masspektrometri (MS)?
Jonkälla
producerar
joner för
provet
Acceleration
i vakuum
BR=mv/q=(2mE)1/2/q
Magnetfält
Separerar
olika
jonslag
Detektor
mäter de
olika
massorna
var för sig
Funkar inte!
14C-signalen
drunknar i bakgrund av molekyler med samma massa
(s k molekylisobarer, joner med M=14, t ex 13CH)!
Lösning: Acceleratormasspektrometri
Bryter upp molekylisobarerna genom att kollidera jonerna vid hög energi med
en sk strippergas, gör sedan MS för att ta bort uppbrutna molekyler
Förr: en AMS-maskin där Fysicums bibliotek är idag!
Sent 1980-tal– 2005
Pelletronen: En 3 MV elektrostatisk
tandemaccelerator
“The Pelletron”
14C, 26Al, 59Ni
Acceleratormasspektrometri (AMS) in Lund
2004 – pågående
250 kV
Single Stage AMS
(SSAMS)
på Geologen
Bara 14C
• Mäter14C/13C/12C
• Mättider: ca 2 - 30 min/prov
• Detektionsgräns: <1 attomol (10–18 mol) 14C
• Provstorlek: 10 µg - 1 mg stabilt C
SSAMS på Geologen
Jonkälla med kolprov
Ar (eller He) gas-stripper
Byter laddningstillstånd från negativ till positiv
Bryter upp alla molekylisobarer (t ex 13CH i 14C-jonstrålen)
Dipolmagnet,
Dipolmagnet,
Väljer m.E/q2
q=+1
250 kV
acceleration
Switchar 12C / 13C / 14C
Väljer m.E/q2
Faradaykoppar
Mäter 12C +, 13C +
Elektrostatisk
analysator (ESA)
Väljer mellan de
två jonkällorna
Väljer E/q
Elektrostatisk
analysator (ESA)
Väljer E/q
Detektor
Mäter 14C+
Jonkällor –
Producerar negativa joner (q=-1)
från en av jonkällorna
AMS i biokinetiska studier av 14C-märkta läkemedel i
kliniskt bruk
Oralt intag av 14Cmärkt läkemedl
Andningsprov avslöjar
olika sjukdomstillstånd
(e.g. 14C-urea för diagnos
av infektion av
Helicobacter Pylori som
kan orsaka t ex magsår)
Utandad 14CO2
Mängden ger
information om
sjukdomstillståndet
14C-märkt
läkemedel
absorberas och
metaboliseras
Stråldos till patienten från
undersökningen?
(t ex Helicobacter Pylori
producerar 14CO2 och NH3 från
14C-urea)
AMS i biokinetiska studier av 14C-märkta läkemedel i
kliniskt bruk: till doskatalogen
Compound
Investigates
Effective dose for an
investigation*
Reference
14C-triolein
Malabsorption of fat in the
small intestine
0.02 mSv
(0.28 mSv/MBq)
M Gunnarsson, et al.
Nucl Instr Meth B172
(2000) 942-946.
M Gunnarsson, et al.
Appl Rad Iso 58:4 (2003)
517 – 526.
14C-urea
Diagnosis of
Helicobacter pylori infection
Adults:
0.004 mSv
(0.04 mSv/MBq)
Children (3-14 y):
0.00001-0.00004 mSv
(0.024-0.1 mSv/MBq)
S Leide-Svegborn, et al.
Eur J Nucl Med 26:6
(1999) 573-580.
M Gunnarsson ,et al.
British J Radiology 75
(2002) 982-986.
14C-xylos
Abnormal bacterial intestinal
flora
0.007 mSv
(0.1 mSv/MBq)
M Gunnarsson, et al.
Cancer Bioth & Radioph
22 (2007) 762-77.1
14C-glycocholic
Abnormal bacterial overgrowth
in the small intestine
0.08 mSv
(0.41 mSv/MBq)
acid
* From M Gunnarsson: Biokinetics and radiation dosimetry of 14C-labelled triolein, urea,
glycocholoic acid and xylose in man. PhD thesis, Department of Radiation Physics, Malmö, Lund
University, Malmö 2002.
Example: Fettmalabsorptionstest med 14C-märkt triolein
Omsättningen av 74 kBq oralt administerat
14C-triolein följdes genom analys av
• Utandad CO2
• Fett- och muskelbiopsier
• Benbiopsier
• Hår
• Urin
• Feces
Även efter 4.5 år fanns en liten
andel av administrerad aktivitet
kvar i fettdepåerna!
AMS i läkemedelsutveckling
Problem med dagens läkemedelsutveckling
• Djurförsök förutspår inte alltid hur ett läkemedel uppträder i
människa
– Bara 1 av 5 läkemedel som går till kliniska test når marknaden
– Risk att läkemedel som skulle kunnat fungera på människa väljs bort
under djurförsök
• Kräver
– att stora mängder av läkemedelskandidaten framställs
– stor användning av försöksdjur
⇒ Dyrt och tidskrävande!
– Negativt för konsumenterna
VILL GÖRA TIDIGA
FÖRSÖK PÅ
MÄNNISKA!
Liten “ofarlig” dos till människa
(<1% av farmakologisk dos,<100 μg)
Minskat antal djurförsök (toxikologiska test)
Mikrodoseringsmetoder
Accelerator-Mass-Spektrometri (AMS)
 Ytterst hög känslighet
 Kräver små mängder märkt ämne (vanligtvis 14C, β-).
 Ger “klassiska” ADME/PK data
 Obetydligt radioaktiv exponering
Positron-Emissions-Tomografi (PET)
• Ytterst hög känslighet
• Kräver märkt ämne (vanligtvis 11C, β+)
• Avbildningsteknik
• Radioaktiv exponering kan vara problem
LC-MS/MS
• Ibland möjligt om tillräckligt hög känslighet
• Ger klassiska PK-data
Flödesschema mikrodosering med AMS
Framställ ca
5g
läkemedel
PK och
ADME
⇓
beslut
FDA
Single dose 14 day study in
rat with histopathology
3 male, 3 female, oral exposure
100-fold safety factor
Framställ 14Cmärkt läkemedel
EMEA
Somewhat extened compared to FDA
Preklinisk
toxikologi
AMSmätning
Fas 0
(mikrodos)
på människa
I vissa fall
kromatografisk
separation
AMS i andra medicinska sammanhang...
14C
i atmosfärsik CO2 fram till idag…
800
Något drastiskt hände på
1900-talet!
∆14C (‰)
600
Neutroner från kärnvapentest i
kärnreaktioner med atmosfäriskt
kväve: 14N(n,p)14C
400
200
14C
tas upp i CO2
0
-25000
-20000
-15000
CO2 tas upp
-10000
-5000i allt
14
levande material
Calendar year
http://www.nv.doe.gov/library/films/media/wmv/0800042.wmv
0
5000
14C
14CO
2
i atmosfären
minskar pga
upptag i hav och
levande material
2,0
14C
1,8
Fraction Modern F14C
och andra
radioaktiva
ämnen spreds
i atmosfären
bombpulsdatering
1,6
1,4
1,2
1,0
1950
1960
1970
1980
1990
2000
2010
Calendar year
Bombpulsen kan användas för att bestämna när organiskt material bildades från 1960-talet och framåt!
Retrospecive
cell dating in
the brain
Spalding et al,
2005
Growth rate
of gallstones
Druffel & Mok, 1983
Carbon turnover
in the human eye
lens crystallines
Lynnerup et al, 2008
Age of senile plaques in
Alzheimer’s disease
Lovell et al, 2002
Dynamics of fat
cell turnover
Spalding et al, 2008
Bombpulsdatering av
blodproppar
Mean biological
age:
5-15 years
Förväntade kunskaper
1. Vad genererar MAX-lab och vad används det till?
2. Hur är ESS tänkt att fungera? Vad kommer det att användas till?
3. Vad gör man vid Single Ion Hit Facility vid Mikroaceleratorn på
Fysicum?
4. Varför kan man inte mäta 14C med en vanlig masspektrometer?
Hur löser AMS detta problem?
5. Vad används 14C-AMS till?
6. Vad är bombpulsdatering med 14C och vad kan man använda det
till?