医療画像の世界には、医師たちの信頼できるガイドとして機能する、たった一つの放射性元素が存在します。テクネチウム99mと呼ばれるこの物質は、核医学の主力であり、人間の体内の心臓、骨、臓器を可視化するために、毎年何百万回ものスキャンで使用されています。その価値は完璧なバランスにあります。それは、カメラが容易に検出できる特定の種類のエネルギーを放出しますが、患者への放射線被曝を低く抑えるために、体から十分に素早く消失するという点にあります。数十年もの間、この不可欠なツールは、脆弱な一連の連鎖によって供給されてきました。病院は、「ジェネレーター」からこれを受け取りますが、これは本質的に、親元素であるモリブデン99によって充電された放射性バッテリーのようなものです。その親元素は、巨大な原子炉の中でウラン原子を分裂させることによって作られます。しかし、これらの原子炉は老朽化しており、頻繁な故障によって不足の歴史を生み出し、病院が本来必要とするスキャンを行えない事態を招いてきました。この脆弱性が、重い原子を分裂させることも、老朽化した原子炉に依存することもない、別の方法でこの医薬品を作るための道を、科学者たちに模索させてきました。
探索されている解決策は、粒子加速器、具体的には、他の種類の癌治療のために多くの病院ですでに導入されているマシンである「メディカル・サイクロトロン」を使用することを含んでいます。原子を分裂させる代わりに、これらのマシンは、特定のバージョンのモリブデンで作られたターゲットに陽子を衝突させることで、必要なテクネチウムを直接生成することができます。課題は、これを効率的に行うための正確な設定を見つけることでした。エネルギーが低すぎると何も起こらず、高すぎると、患者にとって医薬品を安全ではなくしてしまう不要な放射性副産物が生じてしまいます。スイスとウクライナの研究チームは、異なるバージョンのモリブデンが様々な速度の陽子を受けたときにどのように反応するかを正確に測定することで、このパズルを解こうとしました。彼らは、コンピュータによる推測や、しばしば意見が食い違っていた古いデータには頼りませんでした。代わりに、彼らは、自然界に見られる天然の混合物で作られたものと、特定の同位体の高度に精製されたバージョンで作られたものを含む、小さな固体のモリブデン・ターゲットを作りました。彼らは、ベルン大学の専門施設内で、粒子の速度と曝露時間を注意深く制御しながら、これらのターゲットに陽子ビームを照射しました。
爆撃の後、研究者たちは極めて高い精度でターゲットから出る放射線を測定しました。彼らはテクネチウムとその様々な放射性の兄弟たちがどのように生成されるかを追跡し、異なるエネルギーレベルにおいてそれぞれがどれだけ生成されるかを正確に記録しました。このプロセスは、ノイズを最小限に抑えながら最もクリアな信号を見つけるためにラジオのチューニングを行うようなものでした。彼らは、有用なテクネチウム99mを最も多く生成しつつ、不要な不純物を最小限に抑える特定の陽子エネルギーを見つけ出す必要がありました。彼らの測定により、科学ライブラリにある従来のデータは、これらの反応がどのように機能するかを過小評価、あるいは過大評価していることが明らかになりました。異なる出発物質の寄与を分離するための数学的なアプローチを用いることで、彼らは1800万電子ボルトまでのエネルギーにおける反応の真の挙動をマッピングしました。彼らは、陽子ビームがターゲットに衝突する前に、マシンの最大速度ではなく、わずかに減速させた方が反応が最適になることを発見しました。
この研究は、生産のための「スイートスポット」を特定しました。彼らは、厚さ約0.5ミリメートルの高度に濃縮されたモリブデン100で作られたターゲットを使用し、約16 MeVのエネルギーで陽子を照射することが、最良の結果をもたらすと判断しました。これらの条件下では、メディカル・サイクロトロンでの10時間の稼働により、ビーム電流1マイクロアンペアあたり約1.7ギガベクレルの有用なテクネチウムを生産できます。決定的なことに、このセットアップは、欧州の保健当局が定める厳格な安全基準を十分に下回るレベルに放射性不純物を抑えます。最も重要な不純物は、寿命の短いテクネチウムのバージョンであり、それはすぐに消滅しますが、より寿命の長い汚染物質は無視できるレベルに留まります。これらの知見が単なる理論ではないことを証明するために、チームはこれらの最適化された設定を用いて実際の生産実験を行いました。その結果は彼らの計算とほぼ完璧に一致し、この方法が信頼可能であり、実現可能であることを裏付けました。
この研究は、病院が自らこの不可欠な医療用アイソトープを生産するための、明確でテストされたロードマップを提供します。適切な装置と正確な設定があれば、テクネチウム99mの世界的な供給を、老朽化する原子炉ネットワークから切り離して、より安全かつ独立したものにできることを示しています。研究者たちは、前進への道が遠い夢ではなく、ハードデータに基づき、実世界のテストによって検証された、実践的な現実であることを示しました。正確なエネルギーとターゲットの厚さを定義することで、彼らは推測の余地を取り除き、遠く離れた発電所の状況に関わらず、この命を救う診断ツールが常に利用可能である未来に向けて、医療センターが計画を立てられるようにしたのです。
技術要約：断面積測定による99mTc陽子誘起生成の最適化
問題提起
SPECTイメージングで最も広く使用されている放射性核種であるテクネチウム-99m（99mTc）の世界的な供給は、老朽化した原子炉における235Uの核分裂によって製造される99Mo/99mTcジェネレータに大きく依存している。このサプライチェーンは、施設の停止やメンテナンスの問題により大きなリスクに直面しており、加速器ベースの代替生産戦略が必要とされている。濃縮100Moターゲットを用いた低エネルギー陽子ビーム（18 MeV未満）による99mTcの直接生成は有望な経路であるが、その最適化は、既存の文献における核反応断面積の著しい不一致によって妨げられている。反応断面積に関する正確なデータは、臨床基準（欧州薬局方など）を満たす放射性核種純度を確保しつつ、生成収率を最大化するために不可欠である。
方法論
本研究は、ベルン大学の高エネルギー物理学研究所（LHEP）とタラス・シェフチェンコ・キエフ国立大学の共同研究によって実施された。研究には、ベルン大学病院のIBA Cyclone 18/18サイクロトロンを使用し、最大18.24(25) MeVの陽子ビームを提供した。
- ターゲット材料： 照射は、天然Mo、89.86%濃縮97Mo、および92.43%または99.73%濃縮100Moの3種類のモリブデンターゲットに対して行われた。同位体組成は、誘導結合プラズマ質量分析法（ICP-MS）により検証された。
- 照射および測定： 薄いターゲット（固体箔または蒸着粉末）に対し、制御されたビーム電流で照射を行った。照射後、活動量はN型高純度ゲルマニウム（HPGe）検出器を用いて測定された。
- データ解析：
- 断面積は、標準的な放射化方程式を用いて計算され、照射中の崩壊およびビーム電流の変動に対する補正が行われた。
- 複数の反応経路を通じて生成される放射性核種（例：93Tc、94Tc）については、異なる同位体組成を持つターゲットからの測定に基づき、線形系逆行列法を用いて個々の反応寄与を分離した。
- 厚いターゲット収率（TTY）および放射性核種純度は、測定された断面積、質量阻止能（SRIM-2013により算出）、およびエネルギー減衰のためのFLUKAシミュレーションを用いてモデル化した。
- 検証： 断面積データと理論的収率予測を検証するために、最適化されたパラメータを用いた2回の生産テストを実施した。
主な貢献および結果
本論文は、18 MeVまでのモリブデンに対する陽子誘起反応に関する、包括的な実験的断面積測定の結果を提示している（93Tc、94Tc、95Tc、96Tc、97mTc、99mTc、101Tc、および99Moの生成をカバー）。
- 断面積データ： 本研究は、92Mo(p,γ)、94Mo(p,2n)、および100Mo(p,2n)を含む、いくつかの反応チャネルに関する新しい、あるいは精緻化された断面積データを提供する。結果は、既存の実験文献とは概ね一致しているが、特定の反応やエネルギー範囲に応じて、値を過小評価または過大評価する傾向があるTENDL核データライブラリの予測とはしばしば乖離している。
- 生産パラメータの最適化：
- エネルギー： 約16 MeVの陽子エネルギーが最適であると特定された。18 MeVは理論上の最高収率をもたらすが、16 MeVは500 µmのターゲットに対して同等の収率を提供し、かつビーム輸送およびターゲット窓でのエネルギー損失を許容できる。
- ターゲット厚さ： ターゲットの厚さは約0.5 mm（500 µm）が選択された。より厚いターゲット（最大900 µm）は絶対収量を増加させるが、500 µmの厚さは、濃縮100Moの単位コストあたりの収率（コスト効率）において優れており、高電流運転時の熱管理にも適している。
- 収率および純度： 16 MeVのビームを500 µmの濃縮100Moターゲットに10時間照射した場合の計算された99mTc収率は、約1.7 GBq/µAである。
- 不純物： 放射性核種純度を欧州薬局方の制限値に対して評価した。主要な不純物は94mTc、95Tc、および101Tcである。解析の結果、10時間の照射と約3時間の冷却時間を経ることで、94mTcの活性は0.02%の制限値を下回ることが示された。95Tcは、照射終了（EOB）後12時間以上経過しても0.07%の制限値を下回る。長寿命不純物（95mTc、97mTc）は、無視できる程度に生成される。
検証
2回の生産テストにより、提案された経路の実現可能性が確認された：
- 10.4 MeVでのテストは、様々なTc同位体の断面積測定を検証した。
- 99.73%濃縮100Moターゲットを用いた16.1 MeVでのテストでは、271(14) MBq/µAhの収量と、99.941(4)%の放射性核種純度（EOBから2時間後に測定）が得られた。これらの実験結果は、測定された断面積から導かれた理論的予測と密接に一致した。
意義
本論文の主な意義は、既存の文献における不一致を解消する、高品質で実験的に検証された断面積データを提供することにある。このデータにより、99mTcの生産プロセスを厳密に最適化することが可能となり、臨床的な放射性核種純度基準を厳格に遵守しながら収率を最大化する特定の構成（16 MeV陽子、500 µm濃縮100Moターゲット、10時間照射）を特定できた。生産テストを通じた検証の成功は、医療用サイクロトロンを用いた高純度99mTc製造の実用的な実現可能性を示しており、原子炉ベースのサプライチェーンに対する実行可能な代替案を提示している。著者らは、現在のテストは低電流で行われたものであるが、得られた結果は、臨床的に関連のあるビーム電流へと生産をスケールアップするための強固な実験的根拠を提供するものであると述べている。
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