生命科学における放射能

放射能は一般に生命科学において、生物学的現象を高感度かつ直接的に測定するため、また放射性同位元素で標識された生体分子 の位置を視覚化するために使用されます。

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所定の半減期で崩壊します。生物学的および実験的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。水素同位体トリチウム（半減期 = 12.3年）および炭素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に由来しており、したがって無数の生体プロセス、反応、および現象の研究に使用できます。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、生物学的システムでの検出に役立つ高い理論最大比放射能が得られます。

放射性標識は、放射性同位元素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のを追跡するために使用される技術です。反応物は、特定の原子をその同位元素で置き換えることによって「標識」されます。原子をそれ自身の放射性同位元素で置き換えることは、分子の構造を変え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。たとえば、生物学的に有用なヨウ素同位元素によるペプチドおよびタンパク質の放射性ヨウ素化は、チロシンおよびヒスタジン残基のヒドロキシル基をヨウ素で置き換える酸化反応によって簡単に行えます。もう 1 つの例は、タンパク質に化学的に結合できるDOTAなどのキレート剤を使用することです。キレート剤は次に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を導入するために、またPET画像診断用のペプチドオクトレオチドにガリウム68を導入するために使用されています。^[1] （DOTAの用途を参照）。

放射性標識は、一部の用途では不要です。一部の目的の場合、可溶性イオン塩は、さらに変更することなく直接使用できます (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に依存し、生物または生物系内で放射性同位体を局在させます。

分子イメージングは​​、放射性トレーサーを使用して陽電子放出断層撮影(PET) と単一光子放出コンピューター断層撮影(SPECT) イメージングを使用して生物学的プロセスを視覚化し、定量化する生物医学分野です。繰り返しになりますが、ライフ サイエンス アプリケーションで放射能を使用する主な特徴は、定量化技術であることです。そのため、PET/SPECT は放射性標識分子がどこにあるかだけでなく、その量も明らかにします。

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作用を研究する臨床および基礎医学の分野です。有害な放射能が生物系に及ぼす作用を制御下に置くことが、放射線治療の基礎となっています。

トリチウム（水素3）はベータエネルギーの非常に低い放射性物質で、タンパク質、核酸、薬物、およびほぼすべての有機生体分子の標識に使用できます。トリチウムの理論上の最大比活性は28.8  kCi / mol（1,070  TBq / mol）です。^[2]ただし、分子あたり複数のトリチウム原子が存在することがよくあります。たとえば、ほとんどのサプライヤーが販売しているトリチウム化UTPは、炭素5と6がそれぞれトリチウム原子に結合しています。

トリチウムの検出には、液体シンチレーションカウンタが伝統的に使用されてきた。液体シンチレーションカウンタでは、トリチウムの崩壊エネルギーが溶液中のシンチラント分子に伝達され、次に光子が放出され、その強度とスペクトルが光電子増倍管アレイによって測定される。このプロセスの効率は、使用するシンチレーションカクテルに応じて4～50%である。 ^{[3] [4]} 測定値は通常、1分あたりのカウント数（CPM）または1分あたりの崩壊数（DPM）で表されます。あるいは、固体のトリチウム固有のリン光体スクリーンをリン光イメージャーと一緒に使用して、放射性トレーサーを測定し、同時に画像化することもできます。^{[5]測定値/画像はデジタルであり、}関心領域（ROI）内の強度または濃度測定単位で表すことができます。

炭素14の半減期は長く、5730 ± 40年。最大比放射能は0.0624 kCi/mol（2.31 TBq/mol）である。放射性年代測定や薬物検査などの用途に用いられる。^[6]炭素14標識は、動物モデルでのADME（吸収、分布、代謝、排泄）研究やヒトの毒性学および臨床試験を行うための医薬品開発において一般的である。一部の放射性標識化合物ではトリチウム交換が起こる可能性があるが、炭素14ではこれが起こらないため、炭素14のほうが好ましいと考えられる。

イオントランスポーターの研究には、ナトリウム22と塩素36が一般的に使用されています。しかし、ナトリウム22は遮断が難しく、塩素36は半減期が30万年と活性が低いです。^[7]

硫黄 35 はタンパク質や核酸の標識に使用されます。システインはチオール基を含むアミノ酸で、硫黄 35 で標識できます。硫黄基を含まないヌクレオチドの場合、リン酸基の 1 つにある酸素を硫黄で置換できます。このチオリン酸は通常のリン酸基と同じように機能しますが、ほとんどのポリメラーゼによってわずかに不利に作用します。理論上の最大比活性は 1,494 kCi/mol (55.3 PBq/mol) です。

リン-32は、核酸やリン酸化タンパク質の標識に広く使用されています。一般的な研究用放射性同位元素の中で最も高い放出エネルギー（1.7 MeV）を持っています。これは、非常に強い相互作用（つまり、非常に低い解離定数）の滴定、フットプリント実験、低存在量のリン酸化種の検出など、感度が第一に考慮される実験では大きな利点となります。リン-32は比較的安価でもあります。しかし、エネルギーが高いため、安全に使用するには、いくつかの工学的制御（例：アクリルガラス）と管理的制御が必要です。リン-32の半減期は14.2日で、最大比活性は9,131 kCi/mol（337.8 PBq/mol）です。

リン33はヌクレオチドの標識に使用されます。リン32よりもエネルギーが低く、プレキシガラスで保護する必要はありません。欠点は、リン32に比べてコストが高いことです。これは、照射されたリン31のほとんどが中性子を1つしか獲得せず、2つ以上を獲得するのは一部だけであるためです。最大比放射能は5,118 kCi/mol（189.4 PBq/mol）です。

ヨウ素 125 は、通常、タンパク質のチロシン残基にラベルを付けるために使用されます。結合していないヨウ素は揮発性があり、ドラフト内で取り扱わなければなりません。最大比活性は 2,176 kCi/mol (80.5 PBq/mol) です。

さまざまな放射性核種のエネルギーの違いを示す良い例は、それらを検出するために使われる検出ウィンドウの範囲です。これは通常、放射のエネルギーに比例しますが、機器ごとに異なります。パーキンエルマー社の TriLux ベータシンチレーションカウンターでは、水素 3 のエネルギー範囲ウィンドウはチャンネル 5 ～ 360 の間です。炭素 14、硫黄 35、リン 33 は 361 ～ 660 のウィンドウにあります。リン 32 は 661 ～ 1024 のウィンドウにあります。^{[引用が必要]}

液体シンチレーション計測では、少量のアリコート、フィルター、または綿棒をシンチレーション液に加え、プレートまたはバイアルをシンチレーションカウンタに入れて放射性放出を測定します。製造業者は、シンチレーション液の必要性をなくし、これを高スループット技術にするために、固体シンチラントをマルチウェルプレートに組み込んでいます。

ガンマカウンターはシンチレーションカウンターと形式が似ていますが、ガンマ放出を直接検出し、シンチラントを必要としません。

ガイガーカウンターは、放射能を素早く大まかに測定します。トリチウムなどの低エネルギー放射体は検出できません。

オートラジオグラフィー: 顕微鏡スライドやノーザンブロット、ハイブリダイズドスロットブロットなどの膜に貼り付けられた組織切片を、X 線フィルムやリン光スクリーンに当てて、写真画像やデジタル画像を取得します。露出密度を較正すると、正確な定量情報が得られます。

リン光体ストレージスクリーン: スライドまたは膜をリン光体スクリーンに当て、リン光体スクリーンをリン光イメージャーでスキャンします。これはフィルム/エマルジョン技術よりも何倍も高速で、データをデジタル形式で出力するため、フィルム/エマルジョン技術に取って代わるようになりました。

電子顕微鏡：サンプルは電子ビームにさらされませんが、検出器が放射性核種から放出された電子を検出します。

マイクロオートラジオグラフィー: 通常は凍結切片化された組織切片を、上記のように蛍光スクリーンに当てます。

定量的全身オートラジオグラフィー (QWBA): マイクロオートラジオグラフィーよりも規模が大きく、通常はげっ歯類などの動物全体を分析して生体内分布を研究できます。

シルト回帰は放射性リガンド結合アッセイです。核酸をそのまま残したまま、DNA の標識付け (5' および 3') に使用されます。

放射性標識のバイアルには「総活性」があります。2 つの主要サプライヤーのカタログ、Perkin Elmer NEG502H500UC または GE AA0068-500UCI の γ32P ATP を例にとると、この場合の総活性は 500 μCi です (他の一般的な数値は 250 μCi または 1 mCi)。これは、放射能濃度に応じて、5 ～ 10 mCi/mL (185 ～ 370 TBq/m ³ ) などの特定の量に含まれており、一般的な量は 50 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。「比活性」は放射能濃度を示し、放射性核種の半減期に依存します。すべての分子にラベルを付けると、P-32 の理論上の最大比活性は 9131 Ci/mmol になります。事前較正と効率の問題により、この数字はラベルに表示されません。よく見られる値は 800、3000、6000 Ci/mmol です。この数字を使用して、総化学物質濃度と熱対冷比を計算することができます。

「校正日」とは、バイアルの活性がラベルに記載されているものと同じである日付です。「事前校正」とは、輸送中に発生した減衰を補正するために、将来の日付で活性が校正される日付です。

過去 30 年間に 蛍光が広く使用されるようになるまでは、放射能が最も一般的なラベルでした。

放射性トレーサーに対する蛍光の主な利点は、放射線管理とそれに伴う費用および安全対策が不要であることです。放射性同位元素の崩壊により試薬の保存期間が制限され、試薬の交換が必要になり、費用が増大します。複数の蛍光分子を同時に使用できます (重複していない場合、FRET を参照)。一方、放射能では 2 つの同位元素(強度が異なるため、トリチウムと低エネルギー同位元素、例: ³³ P ) 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リン光体イメージング スクリーン、特定のデュアル チャネル検出器、例: [1]) が必要です。

蛍光は、専用の特殊な装置を必要とし、消光によって絶対的および/または再現性のある定量化が困難になるため、必ずしも使用が簡単または便利というわけではありません。

蛍光と放射性トレーサーの主な欠点は、重大な生物学的問題です。分子を蛍光染料で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、その分子が他の分子と相互作用する方法が根本的に変化する可能性があります。対照的に、分子の本質的な放射性標識は、その構造をまったく変更せずに行うことができます。たとえば、水素原子を H-3 に置き換えたり、炭素原子を C-14 に置き換えても、分子の配座、構造、またはその他の特性は変化せず、同じ原子の形態が切り替わるだけです。したがって、本質的に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す。

放射性トレーサーによる生物学的現象の測定は常に直接的に行われます。対照的に、生命科学の蛍光アプリケーションの多くは間接的であり、蛍光染料が対象分子に結合すると、波長の放射が増加、減少、またはシフトします。

放射性核種を使用する研究室で適切な健康物理学的管理が維持されていれば、作業員が受ける総放射線量がそれほど重要になる可能性は低い。しかし、低線量の影響はほとんどわかっていないため、皮膚や内部被ばくなどの不必要なリスクを避けるための規制が数多く存在する。透過力が低く、多くの変数が関係するため、放射能濃度を線量に変換するのは困難である。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）の被ばくとなる。同様に、マンモグラフィーでは、より大きな体積で300ミリレム（3mSv ）の被ばくとなる（米国では、年間平均線量は620ミリレムまたは6.2mSv ^[8]）。

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