生命科学における放射能

放射能は一般的に、生命科学において生物学的現象の高感度かつ直接的な測定や、放射性同位体で標識された生体分子 の位置を可視化するために用いられる。

すべての原子は安定同位体または不安定同位体として存在し、後者はアト秒から数十億年までの一定の半減期で崩壊します。生物学的システムや実験システムに有用な放射性同位体の半減期は数分から数ヶ月です。水素同位体であるトリチウム（半減期＝12.3年）と炭素14（半減期＝5,730年）の場合、これらの同位体は水素と炭素を含むすべての有機生命体から重要性を得ており、無数の生命過程、反応、現象の研究に利用できます。ほとんどの短寿命同位体はサイクロトロン、線形粒子加速器、または原子炉で生成され、比較的短い半減期により理論上の最大比放射能が高く、生物学的システムでの検出に役立ちます。

放射性標識法は、放射性同位体を組み込んだ分子が反応、代謝経路、細胞、組織、生物、または生物系を通過する過程を追跡するために用いられる技術です。反応物は、特定の原子をその同位体で置換することによって「標識」されます。原子を自身の放射性同位体で置換することは、分子の構造を変化させない固有の標識です。あるいは、放射性核種を含む原子、部分、または官能基を導入する化学反応によって分子を放射性標識することもできます。例えば、生物学的に有用なヨウ素同位体を用いたペプチドやタンパク質の放射性ヨウ素標識は、チロシンおよびヒスチジン残基のヒドロキシル基をヨウ素で置換する酸化反応によって容易に行うことができます。別の例としては、DOTAなどのキレート剤をタンパク質に化学的に結合させる方法があります。キレート剤は放射性金属を捕捉し、タンパク質を放射性標識します。これは、治療目的でモノクローナル抗体にイットリウム90を導入したり、PETイメージングによる診断イメージングのためにペプチドオクトレオチドにガリウム68を導入したりするのに用いられてきた。^{[ 1 ]} （ DOTAの使用法を 参照）。

放射性標識は、用途によっては必ずしも必要ではありません。場合によっては、可溶性イオン塩をそのまま、特に修飾することなく使用できます（例：ガリウム67、ガリウム68、放射性ヨウ素同位体）。これらの用途は、放射性同位体自体の化学的および生物学的特性を利用して、生物体内または生物系内で放射性同位体を局在化させるものです。

分子イメージングは​​、放射性トレーサーを用いて陽電子放出断層撮影（PET）および単光子放出コンピューター断層撮影（SPECT）イメージングにより生物学的プロセスを可視化および定量化する生物医学分野です。生命科学分野で放射能を用いる際の重要な特徴は、それが定量的な手法であるということです。つまり、PET/SPECTは放射性標識された分子がどこにあるかだけでなく、どれだけの量があるかも明らかにします。

放射線生物学（放射線生物学とも呼ばれる）は、放射能が生物系に及ぼす影響を研究する臨床医学および基礎医学の分野である。有害な放射能を生物系に制御して作用させることは、放射線療法の基礎となっている。

シルト回帰法は放射性リガンド結合アッセイの一種です。DNAを標識（5'末端および3'末端）するために用いられ、核酸はそのままの状態で残ります。

放射性標識バイアルには「総放射能」があります。例えば、主要サプライヤー2社、Perkin Elmer NEG502H500UCまたはGE AA0068-500UCIのカタログにあるγ32P ATPの場合、総放射能は500 μCiです（その他の一般的な数値は250 μCiまたは1 mCiです）。これは、放射能濃度に応じて、5～10 mCi/mL（185～370 TBq/ ^m³）などの一定の容量に含まれており、一般的な容量は50 μLまたは25 μLです。

溶液中のすべての分子が最後の（つまりガン​​マ）リン酸にP-32を持っているわけではありません。「比放射能」は放射能濃度を示し、放射性核種の半減期に依存します。すべての分子に標識を付けた場合、理論上の最大比放射能はP-32の場合9131 Ci/mmolとなります。事前校正と効率の問題により、この数値がラベルに記載されることはなく、よく見られる値は800、3000、6000 Ci/mmolです。この数値から、全化学物質濃度とホット/コールド比を計算することができます。

「校正日」とは、バイアルの放射能がラベルに記載されている値と一致する日付のことです。「事前校正」とは、輸送中に発生した放射能の減衰を補正するために、将来の日付で放射能を校正することです。

過去30年間に蛍光法が広く用いられるようになる以前は、放射能が最も一般的な標識法であった。

蛍光が放射性トレーサーよりも優れている主な利点は、放射線管理とその関連費用および安全対策を必要としないことです。放射性同位体の崩壊は試薬の保存期間を制限する可能性があり、交換が必要となり、費用が増加します。複数の蛍光分子を同時に使用できます（FRETのように重なり合わない限り）。一方、放射能では2つの同位体（トリチウムと低エネルギー同位体、例えば^33Pは強度が異なるため）を使用できますが、特別な装置（トリチウムスクリーンと通常の蛍光体イメージングスクリーン、特定のデュアルチャンネル検出器など）が必要です。 )

蛍光法は、専用の装置が必要であること、また消光現象によって絶対定量や再現性のある定量が困難になることから、必ずしもより簡単または便利に使用できるとは限らない。

蛍光標識と放射性トレーサーを比較した場合の主な欠点は、生物学的に重大な問題である。蛍光色素で分子を化学的に標識すると、分子の構造が根本的に変化し、その結果、分子と他の分子との相互作用の仕方が大きく変わってしまう。一方、分子を放射性標識する場合は、構造を一切変化させることなく標識することができる。例えば、水素原子をH-3に、炭素原子をC-14に置換しても、分子の立体配座、構造、その他の特性は変化せず、単に同じ原子の形態が入れ替わるだけである。したがって、放射性標識された分子は、標識されていない分子と同一である。

放射性トレーサーを用いた生物学的現象の測定は常に直接的である。一方、生命科学における蛍光応用の多くは間接的であり、蛍光色素が目的分子に結合することで、発光波長が増加、減少、または変化するという現象を利用する。

放射性核種を使用する実験室で適切な健康物理管理が維持されていれば、作業員が受ける放射線の総量はそれほど重要ではないと考えられます。しかしながら、低線量の影響はほとんど不明であるため、皮膚や内部被ばくなどの不必要なリスクを回避するために多くの規制が存在します。透過力が低く、多くの変数が関係するため、放射性濃度を線量に変換することは困難です。1平方センチメートルの皮膚（厚さ70μmの死層を通過）に1μCiのP-32を照射すると、1時間あたり7961ラド（79.61グレイ）の被ばくになります。同様に、マンモグラフィーでは、より大きな体積に300ミリレム（3ミリシーベルト）の被ばくがあります（米国では、平均年間線量は620ミリレムまたは6.2ミリシーベルトです^{[ 8 ]}）。

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