Über die Analytik von Radionukliden der Nuklearmedizin im Rahmen der Umweltüberwachung – Lutetium-177

Radionuklide finden in der Medizin schon seit 1931 Anwendung. Damals wurde Iod-131 (I-131) von J. Hamilton zur Diagnose eingesetzt. 1937 setzte J. Lawrence Phosphor-32 (P-32) zu therapeutischen Zwecken bei Leukämie ein. Die Anwendung der Radionuklide hatte u. a.  den Vorteil, dass damit selektiv und kontrolliert Krankheitsbilder dargestellt oder behandelt werden konnten, bei denen konventionelle Methoden nicht mehr ausreichend waren. Mit der Zeit kam es zu immer mehr technischen Entwicklungen, um anthropogene bzw. künstlich hergestellte Radionuklide zu gewinnen und zu detektieren. Dementsprechend ergaben sich mit der Zeit auch immer mehr Anwendungsmöglichkeiten. Gegenwärtig ist die Nuklearmedizin ein eigenständiges Fachgebiet der Medizin und der Einsatz von Radionukliden bei der Diagnostik und Therapie von Krankheiten nicht mehr wegzudenken. In der Therapie können Radionuklide allein zur Heilung, in Kombination mit der Chirurgie bzw. einer Chemotherapie oder auch in der Palliativmedizin verwendet werden. Zukünftig sollen auch in der Nuklearmedizin Diagnostik und Therapie in einem Fachgebiet „Theranostik“ vereint werden (Rösch 2016).

Lutetium-177 (Lu-177) findet seit 2014 verstärkt Anwendung in der Nuklearmedizin – vor allem für therapeutische Zwecke in der Radioimmuntherapie, der Synovektomie (Behandlung entzündeter Gelenke) und der Palliativmedizin sowie bei der Behandlung von Knochenmetastasen. Zudem hat Lu-177 in der Radio­ligandentherapie, die zum Beispiel einen selektiven Einsatz bei Prostata- und Brustkrebs ermöglicht, an Bedeutung gewonnen (Rösch 2016, SSP 2022a).

Bei der Behandlung von Patentinnen und Patienten mit einer Lu-177-Verbindung kommen diese zunächst in Quarantäne, wo anfallende Abfälle und Abwässer gesondert gesammelt werden. Lu-177 ist ein kurzlebiges Nuklid, sodass nach einer bestimmten Abklingzeit und abschließenden Kontrollmessung die Lösungen in die Kanalisation abgeleitet werden. Dasselbe gilt für feste Stoffe, die nach Ablauf der Abklingzeit und Feststellung einer Kontaminationsfreiheit als Krankenhausabfälle entsorgt werden. Die Patientinnen und Patienten werden entlassen, wenn der Großteil des Nuklids den Körper verlassen hat, aber nicht alles. So behandelte Patientinnen und Patienten geben das Nuklid somit auch nach der Entlassung weiterhin durch Schweiß, Stuhl und vor allem Urin ab, wenn auch nur in einer stark reduzierten Dosis. Die Ausscheidungen gelangen dann über das Abwasser in die Kläranlagen oder in Form von Windeln in den Hausmüll (SSP 2022b, Zehringer 2018).

In der Strahlenmessstelle in Oranienburg wurde Ende Oktober 2020 in einer Abwasserroutineprobe Lu-177 detektiert. Die ermittelte Aktivitätskonzentration lag weit unter der Freigrenze von 100.000 Bq/kg (StrlSchV Anlage 4 Tabelle 1 Spalte 4), von einer Gefahr konnte deshalb nicht ausgegangen werden. Seitdem wird Lu-177 jedoch mit steigender Regelmäßigkeit im Klärschlamm oder Abwasser gefunden, sodass dessen Analyse im Routineprogramm für diese Medien aufgenommen wurde. Es kann angenommen werden, dass der vermehrte Einsatz von Lu-177 bei medizinischen Therapien Ursache für dessen Detektion im Abwasser und Klärschlamm ist.

Derzeit gibt es in Brandenburg zehn Gemeinden, die ihren Klärschlamm bzw. ihr Abwasser beproben und im LLBB untersuchen lassen. In Proben von acht Gemeinden wurde Lu-177 detektiert, nur in denen von Finsterwalde und Spremberg nicht. Seitdem Lu-177 im Routineprogramm aufgenommen wurde, wird in den acht Gemeinden bei ca. jeder dritten Abwasserprobe und bei ca. jeder zweiten Klärschlammprobe Lu-177 nachgewiesen. Die höchsten Aktivitätskonzentrationen findet man im Klärschlamm. Während die höchsten Aktivitätskonzentrationen im Abwasser um die 5 Bq/l mit Nachweisgrenzen von 0,6 Bq/l liegen, kam es bei Klärschlamm vor, dass die Aktivitätskonzentration bei rund 400 Bq/kg lag (Nachweisgrenze 58 Bq/kg). Ein Großteil des Lu-177 aus dem Abwasser scheidet sich im Klärschlamm ab. Dass sich mehr Lu-177 im Klärschlamm findet, liegt u. a. daran, dass der Klärschlamm als Sammelprobe selbst eine Sammlung über einen längeren Zeitraum darstellt. Somit ist eine höhere Konzentration im Klärschlamm als bei einer einmalig genommenen Sammelprobe von Abwasser nachvollziehbar. Generell folgen die ermittelten Aktivitätskonzentrationen aber keinem bestimmten Muster.

Das anthropogene Radionuklid Lu-177 gilt als weicher Strahler, d. h., es ist ein β-Strahler mit niedriger maximaler Energie (< 500 keV). Mit einer Halbwertszeit t1/2 von 6,9 d zerfällt es zu Hafnium-177 (Hf-177). Der Zerfall führt in mehr als 20 % der Fälle zu einem metastabilen Hf-177m, wobei bei der Relaxation in den Grundzustand Gammastrahlung (γ-Strahlung) emittiert wird, die bei der γ-Spektrometrie zur Bestimmung von Lu-177 detektiert wird. Mit einer Emissionswahrscheinlichkeit von 10,4 % erhält man einen Peak bei 208 keV, und mit einer Emissionswahrscheinlichkeit von nur 6,2 % erhält man einen Peak bei 113 keV (Laraweb 2023). Für die quantitative Analyse sollte der Peak bei 113 keV gewählt werden, da bei Anwesenheit von Actinium-228 (Ac-228) der Peak bei 208 keV gestört wird. Ac-228 ist ein Nuklid, das natürlichen Ursprungs und immer im Klärschlamm vorhanden ist. Für die γ-spektrometrische Analysen der Proben am LLBB werden verschiedene Reinstgermaniumdetektoren und 1-l-Ringschalen verwendet. Die Abwasserproben werden vor der Überführung auf 1 l eingeengt, die Klärschlammproben werden getrocknet.

Lu-177 kann durch zwei Methoden gewonnen werden. Bei der ersten Methode wird es wegen des hohen Wirkungsquerschnitts von 2.090 barn im Reaktor durch Neutroneneinfang aus Lu-176 gewonnen. Diese Methode hat allerdings auch ihre Grenzen, da neben Lu-177 zusätzlich das unerwünschte Lu-177m erzeugt wird. Das Lu-177m/Lu-177-Verhältnis steigt mit der Bestrahlungszeit, damit sind mögliche spezifische Aktivitäten begrenzt. Bei der zweiten Methode, der indirekten Gewinnung, kommt es mit einem sehr viel geringeren Wirkungsquerschnitt (2,3 barn) im Reaktor zur Neutronenaktivierung von Ytterbium-176 (Yb-176) zu Yb-177. Letzteres zerfällt dann unter β-Emission zu Lu-177, und es können höhere spezifische Aktivitäten erzeugt werden. Allerdings bedarf es zur Trennung von Lu-177 von Yb aufwändiger radiochemischer Trennverfahren, was diesen Produktionsweg teurer macht (Dash et al. 2015). Im Allgemeinen wird Lu-177 mit geringen Anteilen von Lu-177m verwendet.

Lu-177m kann per γ-Spektrometrie durch Peaks bei 208 keV (58 % Emissionswahrscheinlichkeit) und 228 keV (37 % Emissionswahrscheinlichkeit) identifiziert werden (Laraweb 2023). Eine Detektion von Lu-177m würde darauf schließen lassen, dass Lu-177 kurz nach der Gewinnung vorliegt. Bei den Proben, die vom LLBB untersucht wurden, wurde in keinem Fall Lu-177m detektiert.

I-131 ist ein anthropogenes Radionuklid mit einer Halbwertszeit t1/2 von 8 d, das ebenfalls u. a. in der Medizin Anwendung findet und schon länger im Routineprogramm für Abwasser und Klärschlamm aufgenommen ist. Es kann bisher kein Zusammenhang zwischen den Aktivitätskonzentrationen von I-131 und Lu-177 beobachtet werden. Wenn Lu-177 detektiert wird, wird nicht automatisch I-131 detektiert, und die Aktivitätskonzentration von I-131 steigt nicht proportional zur Aktivitätskonzentration von Lu-177. Gäbe es einen Zusammenhang, könnte man davon ausgehen, dass es bei den Krankenhäusern in den Gemeinden, die alle Nuklide in einem Abwassertank sammeln, teilweise zu einer Ableitung kommen würde, obwohl die Abklingzeit noch nicht erreicht wurde.

Die bisherige Überwachung genügt nicht, um eindeutig sagen zu können, dass die detektierten Lu-177-Aktivitätskonzentrationen im Abwasser und Klärschlamm ausschließlich von entlassenen Patientinnen und Patienten verursacht wurden. Sie können auch aus Ableitungen der Krankenhäuser stammen. Für Patientinnen und Patienten als Ursache spricht, dass keine Korrelationen zu erkennen sind. Lu-177 wurde in fast jeder untersuchten Gemeinde detektiert, aber nicht immer. Es gibt keinen Zusammenhang zwischen den gemeinsamen Lu-177-Aktivitätskonzentrationen in Abwasser oder Klärschlamm oder in Bezug auf I-131. Zudem wurde bislang kein Lu-177m detektiert. Dies ist ein Hinweis darauf, dass die Quarantäne der Patientinnen und Patienten und die Zwischenlagerungen der Reststoffe durch die Krankenhäuser so lange erfolgte, dass Lu-177m nicht mehr nachgewiesen werden kann. Die bisherigen Ergebnisse sind nicht repräsentativ, und es fehlen weitere Untersuchungen. Zur Überprüfungen, ob der Lu-177-Eintrag von Patientinnen und Patienten stammt, könnten Kanalisationsschlämme an von Krankenhäusern unabhängigen Stellen untersucht werden.

Neben Lu-177 und I-131 gibt es noch andere Radionuklide, die im Routineprogramm enthalten bzw. auf die Nuklearmedizin zurückzuführen sind, wie zum Beispiel Indium-111 (In-111). In der Theranostik wäre es zukünftig möglich, dass neben Lu-177 In-111 in einem Umfang Anwendung finden könnte, dass dieses im Rahmen der Umweltüberwachung durch γ-Spektrometrie detektiert werden könnte (Rösch 2016). Die γ-Spektrometrie bietet dabei eine einfache und schnelle Messmethode ohne komplizierte Probenvorbereitung. Jedoch können nicht alle Radionuklide aus der Nuklearmedizin mithilfe von γ-Spektrometrie nachgewiesen werden, vor allem sei hier Yttrium-90 (Y-90) zu nennen (Zehringer 2018).

Zusammengefasst lässt sich festhalten, dass die zunehmende Anwendung von Methoden der Nuklearmedizin eine zunehmende Häufung von Radionukliden im Abwasser erwarten lässt. Ein Anstieg ergibt sich auch aus der Theranostik und der damit gleichzeitigen Anwendung mehrerer Radionuklide. Vor diesem Hintergrund ist es wichtig zu wissen, dass noch wenig darüber bekannt ist, welchen Einfluss die niedrigen Aktivitätskonzentrationen, die als gereinigtes Abwasser in die Umwelt eingeleitet werden, auf Wasserorganismen haben (Zehringer 2018). Die Umweltüberwachung bleibt eine wichtige Aufgabe und sollte, den Innovationen entsprechend, ständig angepasst werden.

Literatur:

BfS – Bundesamt für Strahlenschutz (2023): www.bfs.de/DE/themen/ion/anwendung-alltag/strahlenquellen/strahlenquellen_node.html, aufgerufen am 15.03.2023

Dash A., Pillai M. R. A., Knapp F. F. (2015): Production of 177Lu for Targeted Radionuclide Therapy: Available Options. Nuclear Medicine and Molecular Imaging, 49: 85-107

Laraweb (2023): www.lnhb.fr/Laraweb, aufgerufen am 07.03.2023

Rösch F. (2016): Nuclear- and Radiochemistry Volume 2, Walter de Gruyter GmbH & Co. KG (Verlag), Berlin: 507, 547-550

SSP (2022a): Neue Therapieoptionen beim Prostatakarzinom. StrahlenschutzPRAXIS 02/2022: 5

SSP (2022b): Abfallmanagement bei neuen Therapien. StrahlenschutzPRAXIS 02/2022: 13

Zehringer M. R. (2018): Fate of Radiopharmaceuticals in the Environment. In: Zhu I. (ed.) Sewage. EBOOK: 125 S. ISBN978-1-83881-487-8