Den amerikanske fysikeren Ernest O Lawrence (1901-1958) fikk nobelprisen i fysikk i 1939 «for oppfinnelsen og utviklingen av syklotronen og resultatene oppnådd med den, spesielt med hensyn på kunstige radioaktive grunnstoffer». Ved Radiation Lab ved Universitetet i California, Berkeley, nå Lawrence Berkeley National Laboratory ble det laget flere syklotroner med akselerasjon av protoner som fikk stadig høyere energi. I 1939 en syklotron med radius 152 cm og som ga protoner med energi 16 millioner elektronvolt (MeV).
Fermats spiral
Det en begrensning hvor høy energi det er mulig å gi protonstrålen forklart av den spesielle relativitetsteorien. Maksimalt var det mulig å akselerere protoner til energi 350 MeV. Syklotronen ble derfor erstattet av synkrotronen (synkrosyklotron) og isokrone syklotroner som gir større partikkelhastighet, men innen nukleærmedisin blir syklotronen fremdeles anvendt for å lage radioaktive isotoper (radionuklider) med korte halveringstider e.g. fluor-18, karbon-11 og teknesium-99m anvendt innen kreftdiagnostikk og behandling I tillegg kan partikkelstrålingen med akselererte protoner bli brukt direkte på pasienter med kreft i form av rotonterapi. Partikkelterapi i form av karbonionterapi blir også benyttet med høy lineær energitransferstråling (LET) med en stor Bragg-topp.
PET-skanning
Positronemisjontomografi (PET)baserer seg på positronstråling (β+))fra kortlivete isotoper laget i en syklotron og som annihilerer med elektroner (β-) og sender ut gammastråling (γ) med høy energi.
e- + e+ → γ + γ
Fluor-18 (18F) blir laget i en syklotron hvor akselererte protoner bombardere den stabile oksygenisotopen oksygen-18 (18O). Fluor-|8 lir deretter brukt til å lage fluor-|8-deoksyglukose som er en glukoseanalog og akkumuleres i cellevev med stort opptak av glukose slik som i kreftceller. 18F har halveringstid 109.8 minutter. Fluor-|8-deoksyglukose blir tatt opp av kreftcellene og fosforylert av heksokinase fra glykolysen som det finnes mye av i mitokondriene i kreftceller.
Teknetium 99m festet til metylendifosfonat blir tatt opp av bein og kan gi lokal beståling av beinkreft.
Radiomerkete monoklonale antistoffer blir brukt i diagnostikk for å visualisere tumorer og terapeutisk i behandling. Andre kortlievete positronemittere (β+) brukt til PET-skanning i kreftdiagnostikk og radioterapi er:
Gallium-68 (68Ga, , t1/2= 68 min) laget ved protonstråling av zink-68.
Karbon-11 (11C, t1/2= 20.38 min)
Nitrogen-13 (13N, t1/2= 9.9 min) brukt til å lage N-13 merket ammonium.
Oksygen-15 (15O, t1/2= 2.05 min) brukt til å studere blodstrøm, blodvolum og oksygenomsetning, Også brukt til å lage [15O]O2, [15O]CO2, [15O]CO and [15O]H2O. Vanligst laget ved beståling av 1nitrogen-14 med 7MeV deuteroner. Sender ut postitronstråling og omdannes til nitrogen-15
Scandium-44 (44Sc, t1/2=4.042 h), h = time.
Kobber-64 (64Cu, t1/2= 12.7 h) hvor kobber kan chelateres til peptider, proteiner monoklonale antistoffer og nanopartikler.
Zirkonium-89 (89Zr, t1/2= 3.3 d) desintegrer via positronstråling og elektroninnfanging til yttrium- 89. kan bli laget ved protonstråling 89Y(p,n)89Zr eller i reaksjon med deuteronstråling 89Y(d,2n)89Zr.
Yttrium-86 (86Y, t1/2= 14.7 h)
Jod-124 (124I, t1/2= 4.18 d)
Litteratur
Lawrence EO & Edlefsen NE : On the production of high speed protons. Science. 72 (1867) (1930) 376–377, 10.1126/science.72.1867.372
Wikipedia