放射性トレーサー

放射性トレーサー、放射性標識とは、天然化合物の1つ以上の原子が放射性核種（放射性原子）に置き換えられた合成誘導体である。放射性崩壊の性質を利用して、反応物から生成物への放射性同位体の経路を追跡することで、化学反応のメカニズムを解明することができる。したがって、放射性標識または放射性トレーサーは、同位体標識の放射性形態である。生物学的な文脈では、放射性同位体トレーサーを用いた実験は、放射性同位体投与実験と呼ばれることもある。

水素、炭素、リン、硫黄、ヨウ素の放射性同位体は、生化学反応の経路を追跡するために広く使用されてきました。放射性トレーサーは、細胞や組織などの自然システム内の物質の分布を追跡するためにも使用できます^{[ 1 ]}。また、流体の流れを追跡するためのフロートレーサーとしても使用できます。放射性トレーサーは、天然ガス生産における水圧破砕によって生成された亀裂の位置を特定するためにも使用されます^{[ 2 ]} 。放射性トレーサーは、 PETスキャン、SPECTスキャン、テクネチウムスキャンなどのさまざまなイメージングシステムの基礎を形成します。放射性炭素年代測定では、天然に存在する炭素14同位体を同位体ラベルとして使用します。

放射性医薬品科学では、確立された科学用語の誤用がいくつか見られます。そのため、放射性医薬品科学会（SRS）は2015年に「放射性医薬品化学および関連分野における命名法に関する国際ワーキンググループ」を設立しました。その目的は、用語を明確にし、世界的な合意を通じて標準化された命名法を確立し、この分野における一貫性と正確性を確保することでした。^{[ 3 ]}

化学元素の同位体は、質量数のみが異なります。例えば、水素の同位体は、質量数を左上に添えて^1H、^2H、^3Hと表記できます。同位体の原子核が不安定な場合、その同位体を含む化合物は放射性になります。トリチウムは放射性同位体の一例です。

放射性トレーサーを用いる原理は、化合物中の原子を同じ化学元素の別の原子に置き換えるというものです。ただし、置き換えられる原子は放射性同位体です。このプロセスはしばしば放射性標識と呼ばれます。この技術の有効性は、放射性崩壊が化学反応よりもはるかにエネルギーが高いという事実に基づいています。そのため、放射性同位体は低濃度でも存在し、ガイガーカウンターやシンチレーションカウンターなどの高感度放射線検出器で検出できます。ジョージ・ド・ヘヴェシーは、「化学プロセスの研究におけるトレーサーとしての同位体の使用に関する研究」により、1943年のノーベル化学賞を受賞しました。

放射性トレーサーは主に2つの方法で使用されます。

1. 標識された化合物が化学反応を起こすと、生成物のうち1つ以上に放射性標識が含まれる。放射性同位体に何が起こるかを分析することで、化学反応のメカニズムに関する詳細な情報が得られる。
2. 放射性化合物を生物体内に導入すると、放射性同位体によって、その化合物とその反応生成物が生物体内でどのように分布しているかを示す画像を作成する手段が得られる。

一般的に使用される放射性同位体は半減期が短いため、自然界には大量には存在しません。これらは核反応によって生成されます。最も重要なプロセスの 1 つは、原子核による中性子の吸収であり、吸収された中性子 1 つにつき、対象となる元素の質量数が 1 増加します。たとえば、

^13C + n → ^14C​​

この場合、原子量は増加しますが、元素は変化しません。他の場合、生成核は不安定で崩壊し、通常は陽子、電子（ベータ粒子）、またはアルファ粒子を放出します。原子核が陽子を失うと、原子番号は1 減少します。たとえば、

³² S + n → ³² P + p

中性子照射は原子炉で行われる。放射性同位体を合成するもう1つの主な方法は陽子照射である。陽子はサイクロトロンまたは線形加速器で高エネルギーまで加速される。^{[ 4 ]}

代謝研究では、グルコースクランプ法において、トリチウムおよび^14C標識グルコースが、グルコース取り込み速度、脂肪酸合成速度、およびその他の代謝プロセスを測定するために一般的に使用されています。[ 11 ]放射性^{トレーサーは、} ヒトの研究では今でも使用されることがありますが、現在のヒトクランプ研究では、 ^13Cなどの安定同位体トレーサーがより一般的に使用されています。放射性トレーサーは、ヒトおよび実験動物のリポタンパク質代謝の研究にも使用されます。 ^{[ 12 ]}

医学では、トレーサーは、オートラジオグラフィーや核医学における^99m Tcなど、多くの検査に用いられており、単光子放出コンピューター断層撮影(SPECT)、陽電子放出断層撮影 (PET)、シンチグラフィーなどにも用いられています。ヘリコバクター・ピロリ菌の尿素呼気試験では、一般的に¹⁴ C 標識尿素を投与してH. pylori 感染を検出します。標識尿素が胃の中で H. pylori によって代謝されると、患者の呼気に標識二酸化炭素が含まれます。近年では、非放射性同位体¹³ Cで濃縮された物質の使用が好ましい方法となり、患者の放射能被曝を回避しています。^{[ 13 ]}

水圧破砕では、注入プロファイルと生成された破砕の位置を決定するために、放射性トレーサー同位体が水圧破砕液とともに注入されます。^{[ 2 ]} 水圧破砕の各段階では、半減期の異なるトレーサーが使用されます。米国では、放射性核種の注入量は、米国原子力規制委員会（NRC）のガイドラインに記載されています。^{[ 14 ]} NRCによると、最も一般的に使用されるトレーサーには、アンチモン-124、臭素-82、ヨウ素-125、ヨウ素-131、イリジウム-192、スカンジウム-46などがあります。^{[ 14 ]}国際原子力機関による 2003 年の出版物では、上記のトレーサーのほとんどが頻繁に使用されていることを確認しており、マンガン 56、ナトリウム 24、テクネチウム 99m、銀 110m、アルゴン 41、キセノン 133も容易に識別および測定できるため広く使用されていると述べています。^{[ 15 ]}

• 国立同位体開発センター米国政府の放射性同位体に関するリソース - 製造、流通、および情報
• 同位体開発・生産研究・応用（IDPRA）は、同位体生産および生産研究開発を支援する米国エネルギー省のプログラムです。