利用剩余伽马射线制备医用放射性核素

中国原子能科学研究院 周书华 编译自Charles Day.

Physics

本文选自《物理》2025年第12期

放射性核素常被用于医学领域，因为这些核素可辐射多种粒子，用于疾病的诊断与治疗。然而，如何制造出既具有医用价值又具有成本效益的核素是个难题。英国约克大学的Mamad Eslami及其团队发现了一种利用电子加速器实验中的剩余伽马射线来制备放射性核素的方法。这种方法能够生成两种铜核素——铜-64和铜-67；其中，铜-67很难用以往的方法大量生产。医学研究人员对这两种核素特别感兴趣，因为有可能联合使用它们来治疗癌症：一种核素释放治疗用的辐射，另一种提供诊断成像。

伽马射线的循环利用。加速器产生的电子束轰击金属箔，产生可用于研究样品(紫色)的伽马射线。部分伽马射线穿透该初级样品靶材后通常被浪费掉。研究表明，这些未再使用的伽马射线可被利用来生成医用核素铜-67

将治疗与诊断结合在同一个过程中进行的医疗方法，称为“治疗诊断一体化技术”。在核医学领域，治疗方案通常涉及将放射性核素与抗体结合，并将其注入患者血液中。当携带核素的抗体到达肿瘤部位时，会附着在肿瘤细胞上；随后，局部释放的辐射会破坏癌细胞的DNA，从而杀死这些癌细胞。在诊断方面，医生们可以使用正电子发射断层扫描(PET)等技术，这项技术同样依赖于核素与抗体的结合，其用途是确定肿瘤位置。可以设想，将两种核素——一种用于治疗，另一种用于诊断——结合到同一种抗体上，这样医生就可以在治疗过程中实时监测治疗效果了。如果这两种核素具有相同的化学性质，那么将两者与抗体结合就更加容易；而当两者属于同一元素的同位素时，正好符合这种条件。制药公司已经发现了几对具有广泛应用前景的“治疗诊断组合”。

铜-64和铜-67就是这样一对同位素。铜-64会释放正电子，这些正电子可以在正电子发射断层扫描中帮助识别肿瘤；而铜-67则会释放β-粒子(即电子)，攻击癌细胞。这两种核素均具有临床适用的半衰期，且其化学性质——特别是铜与抗体及其他生物分子结合的倾向性已进行过广泛研究。铜-64和铜-67在治疗癌症方面的潜在效果已在小鼠实验中得到验证。在小鼠实验中，这些同位素是用高能质子轰击锌靶产生的；不过与铜-64相比，铜-67的产额太低，因此不太适合用于临床诊断与治疗。

Eslami等发现了一种产生更高产额铜-67的方法。Eslami从同事处了解到，某些粒子加速器实验会长时间使用高强度电子束运行，而这些电子束产生的部分伽马射线在穿过预定靶材后会被浪费掉。他意识到，这些被浪费的光子可以被有效利用。

Eslami和他的团队在德国美茵茨大学的电子加速器上测试了他们的想法。实验中，855 MeV的电子撞击钴铁钒合金板，产生了轫致辐射，即伽马射线；这些伽马射线随后又击中了实验小组的锌箔靶。

两小时后，研究人员测量了锌箔中产生的铜-67(以及其他核素)的数量。在目前使用铜-67进行的实验中，患者所接受的辐射剂量仅为几吉贝可(GBq)，这相当于每秒发生几十亿次核衰变。Eslami和他的同事们发现，他们的原理验证实验每小时产生的铜-67量约为0.06 GBq；因此，要生产出4 GBq的铜-67大约需要5天的时间。

研究人员的目标不仅仅是确定能否生产出足够量的铜-67；他们还希望研究在伽马射线与锌核的碰撞过程中是否能产生其他有用的核素。由电子束散射实验的数据，他们推断出了照射到目标物体上的伽马射线谱。随后，他们将实验中测得的放射性核素产额与现有的光子—核反应模型进行对比，发现两者之间存在差异，尤其是在高能范围的伽马射线方面。因此，Eslami说道，“实验数据揭示了模型中的明显缺陷，这强烈表明需要在该能量范围内发展新的理论。”

十年前，橡树岭国家实验室医用同位素研发团队的David Rotch曾经通过伽马射线轰击锌靶制成了铜-67，但由于天然铜的污染导致放射性强度低于治疗所需水平，最终放弃了该项目。但Rotch表示：“光核反应路径是制备这种同位素的绝佳方法。”

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