کاربرد عناصر غنی‌شده در فردای ایران آزاد

نویسنده: نام محفوظ (یک دانشمند هسته‌ای ایرانی)

مقدمه: انتشار این مقاله با این فرض صورت گرفته که خواننده مطلع است که جمهوری اسلامی با تحمیل هزینه‌های باورنکردنی به ایران و ایرانیان، از امکانات هسته‌ای فقط به عنوان اهرمی در معادلات بین‌المللی و تحکیم حکومت ظلم و جنایتش استفاده می‌کند. باید از حالا برای فردای براندازی، فضا و گفتمان لازم را برای مسایل اساسی، همچون سرنوشتِ صنایع هسته‌ای ایران ایجاد کرد. از این روی بحث این مقاله در این مورد است که با استفاده از توان سانتریفوژهای هسته‌ای ایران پس از براندازی، می‌توان به بازار اقتصاد ایزوتوپهای دارویی، که اکنون در انحصار روسیه است دسترسی یافت.

در سالیان اخیر واژگان زیادی با مفاهیم منفی در اذهان عمومی جا گرفته اند که غنی‌سازی یکی از آنهاست. سوالی که در اکثر موارد برای افراد در جامعه مطرح می‌باشد این است که آیا تنها کاربرد غنی‌سازی عناصر، تهیه مواد هسته‌ای خطرناک و نظامی است یا کاربردهای دیگری نیز دارد؟ در این مقاله‌ی کوتاه، در مورد اهمیت عناصر غنی‌شده در زندگی بشر و بسیاری از موارد کاربرد آن می‌پردازیم. تقریباً اکثر عناصری که می‌شناسیم دارای چند ایزوتوپ پایدار هستند که این ایزوتوپ‌ها هر کدام می‌توانند بر اساس کاربرد خود در صنایع غذایی، پزشکی، داروسازی و… دارای ارزش باشند.

از نظر تعریف، "غنی‌سازی" به مجموعه روشهای فیزیکی اطلاق میگردد که برای جداسازی ایزوتوپهای مختلف یک عنصر انجام میگیرد. یکی از قدیمی‌ترین روش‌های غنی‌سازی روش استفاده از توربین‌ها یا صفحات مشبکی هستند که در حالی که با سرعت‌های بالا در گردش هستند، عنصر اولیه که دارای ایزوتوپ‌های مورد نیاز میباشد به فرم مولکول گازی به این صفحات تزریق شده و پس از ورود به این شبکه های توربین در حال چرخش، ایزوتوپ‌های مورد نظر بر اساس اندازه اتمی مختلف توسط این صافیهای اتمی جدا میشوند. این روش اولین بار برای جداسازی عناصر رادیواکتیو برای تولید اولین سلاح های هسته‌ای در دهه های ۴۰ ، ۵۰ میلادی قرن قبل به کار گرفته شد. با این حال در حال حاضر روشهای غنی‌سازی دیگری هم وجود دارد که یکی از پرکاربردترین روش‌های غنی‌سازی توسط سانتریفیوژها می باشد که در برخی کشورها برای تولید ایزوتوپ‌های غنی‌شده به کار می‌رود. این سانتریفیوژها بر اساس توان‌مندی خود می‌توانند با سوهای (توان جداسازی) مختلفی عناصر را از هم جدا کند که از حوصله این بحث خارج است. جالب توجه اینکه فناوری سانتریفیوژی که در کشورهای مختلف جهان در حال حاضر برای غنی‌سازی عناصری مانند اورانیوم به کار میروند، می تواند به راحتی برای جداسازی عناصر دیگر که دارای ارزش اقتصادی بالا در علوم پزشکی، داروسازی، فیزیک و زیست‌شناسی هستند به کار روند. بسیاری از موارد مهم عناصر غنی‌شده با کاربرد‌های مهم در علوم زیستی در جدول-۱ نشان داده شده‌اند. در اینجا به معرفی برخی از مهمترین کاربردهای عناصر غنی‌شده برای رفاه در زندگی بشر پرداخته می‌شود.

جدول-۱: شماری از ایزوتوپهای غنی‌شده (ستون چپ) که برای تولید رادیوایزوتوپهای پزشکی (ستون راست) کاربرد دارند (برگرفته از Isotopes for medicine and life sciences, 1995, DOE)

الف) رادیوداروها

از نظر تعریف، رادیودارو به ترکیبات رادیواکتیوی اطلاق میشود که بروشهای مختلف خوراکی، تزریفی، استنشاقی و یا کاشتنی در انسان تجویز میشوند و برای تشخیص، درمان بیماری‌ها و گاهی هر دو منظور بکار میروند و حداقل دارای یک عنصر رادیواکتیو (رادیوایزوتوپ) میباشند. اکثر رادیوداروها در تشخیص بیماریهای سرطانی، قلب و عروق و سیستم اعضاب کاربرد دارند (در مقاله‌‌ای جداگانه اهمیت این داروها در سلامت بشر تحت بررسی قرار خواهند گرفت) در زیر به مهمترین رادیوایزوتوپ هایی که در تهیه رادیوداروها نقش دارند و وابستگی کامل به مواد غنی‌شده دارند ذکر میگردند:

مولیبدن-۹۹ - ایزوتوپهای متنوع و مهمی برای تولید رادیوداروها به کار می‌روند که از مهمترین رادیوداروها می‌توان به ترکیبات حاوی تکنسیوم-۹۹m اشاره کرد. حدود ۳۰ میلیون انسان سالیانه از این رادیوداروها استفاده میکنند که در حال حاضر ۸۵ درصد تجویز های رادیوداروهای جهان را شامل میشود. این رادیوایزوتوپ باخواص مناسب رادیوایزوتوپی بالا براساس اتصال به مولکولهای مختلف به فرم کیت آماده نشان‌دارسازی در تشخیص حداقل ۴۰ نوع بیماری مختلف خوش خیم و بدخیم بکار میرود.

تکنسیوم-۹۹m (بانیمه عمر فیزیکی ۶ ساعت) از فروپاشی مولیبدن-۹۹ بدست می آید که دارای نیمه عمر حدود ۶۶ ساعت می باشد. این عنصر، خود با بهره‌ی بالا، از شکاف اورانیوم ۲۳۵ که باید براساس فرایند غنی‌سازی تا درصد غنای ۲۰ توسط روشهای غنی‌سازی حاصل شود در راکتورهای تحقیقاتی تولید می‌شود. تولید هفتگی جهانی مولیبدن-۹۹ ۹۰۰ کوری (واحد سنجش رادیواکتیویته) می‌باشد که سالی ۵ تا ۷ درصد بدان افزوده میگردد و درآمدزایی بالایی برای کشورهای صاحب این صنعت بدنبال دارد. معادله ۱ رابطه بین این عناصر را نشان میدهد.

معادله ۱

فلوئور-۱۸- در آب طبیعی، به همراه اکسیژن-۱۶ مقادیر کمی از اکسیژن -۱۸ نیز وجود دارد که با وجود مقادیر ناچیز، دارای ارزش‌ بالای اقتصادی در تولید مهمترین رادیو داروی مورد استفاده در پزشکی هسته در روش نگاره‌برداری (positron emission tomography :PET) با گسیل پوزیترون بفرم گلوکز نشاندار می‌باشد. آب غنی‌شده حاوی اکسیژن-۱۸ در حال حاضر جزو مواد غنی‌شده ارزشمند در جهان میباشد. اکسیژن-۱۸ بفرم آب در شتاب دهنده‌های (سیکلوترون) بیمارستانی تحت بمبارش پروتون قرار گرفته و به رادیو ایزوتوپ فلوئور-۱۸ تبدیل میشود که نهایتا با یک واکنش شیمی سنتزی ۲ مرحله ای به قند گلوکز نشاندار تبدیل می‌شود. درآمد حاصل از این رادیودارو در سال ۲۰۲۰ حدود یک و نیم بیلیون دلار اعلام شد که تا ۲۰۳۰ به ۳ بیلیون دلار خواهد رسید (transparency market research website 2023). معادله ۲ رابطه بین تولید این عنصر و مراحل مورد نظر را نشان میدهد.

معادله ۲

لوتسیوم-۱۷۷-رادیوایزوتوپ مهم دیگری که در جدول-۱ میبینید، لوتسیوم-۱۷۷ میباشد که در تولید برخی رادیو داروهای درمانی بکار میرود (رادیوایزوتوپهای درمانی دارای ذرات پرانرژی بمباران کننده سلولی می باشد که بعدا در مقاله‌های بعدی مورد بررسی قرار خواهند گرفت). این رادیوایزوتوپ پس از اتصال به مولکول مناسب، جهت درمان درد استخوان در بیماران سرطانی و مهمتر از آن در درمان سرطان‌های مختلف کبد، سیستم گوارشی و غدد لنفاوی مورد استفاده قرار می‌گیرد. لوتسیوم طبیعی عنصری کمیاب در طبیعت بوده که پس از غنی‌سازی (به روش سانتریفیوژ یا روش های دیگر مثل توربینها) منجر به تهیه ماده غنی‌شده لوتسیوم-۱۷۶(که غیر رادیواکتیو است) میگردد. ماده اخیر پس از تشعشع دادن در یک راکتور هسته ای تحقیقاتی (research reactor) تبدیل به لوتسیوم ۱۷۷ (که یک رادیوایزوتوپ درمانی میباشد) می‌شود. لوتسیوم-۱۷۶ غنی‌شده به شدت گران و کمیاب بوده و با توجه به اینکه روسیه بزرگترین تولید کننده این ترکیب شیمیایی در سنوات اخیر بوده است (روسیه در دهه های اخیر به دلیل داشتن تجهیزات و فناوری‌های غنی‌سازی بسیار گسترده طی رقابتهای دوران جنگ سرد به یکی از مهم‌ترین تولید کننده مواد غنی‌شده برای کاربردهای پزشکی تبدیل شده است)، در حال حاضر به دلایل سیاسی و تحریم‌های بین‌المللی دسترسی و موجودی این ایزوتوپ به شدت کاهش یافته و قیمت بالای آن وضعیت سختی برای کشورهای تهیه کننده رادیو داروهای مربوطه پدید آورده است. لازم به ذکر است که تحقیقات اخیر در اروپا بر اساس پایشهای بازارهای جهانی نشان میدهد که همچنان تا دهه آینده مهمترین تولیدات هسته ای جهان برای کاربردهای سلامت بشر رادیوداروهای فوق خواهند بود. در شکل-۱ وضعیت خوشبینانه و بدبینانه درخواست جهانی برای تهیه رادیو و داروهای درمان سرطان را مشاهده می فرمایید.

شکل-۱: وضعیت بازار جهانی رادیوایزوتوپ های درمانی مانند لوتسیوم-۱۷۷ و ید-۱۳۱ و.. که روند صعودی خوشبینانه و بدبینانه را تا سال ۲۰۲۷ نشان میدهد.

کاربرد ترکیبات حاوی دوتریوم

یکی از مهمترین مثال‌های کاربرد عناصر غنی‌شده، استفاده از ایزوتوپ هیدروژن موسوم به دوتریوم می‌باشد این ایزوتوپ قابل جداسازی هیدروژن دارای کاربردهای فراوان در علوم زیست شناسی، پایه و تولید ترکیبات نشاندار می‌باشد. اولین بار، این ترکیبات برای تعیین متابولیسم ترکیبات بیولوژیکی در بیوشیمی در دهه های ۵۰ و ۶۰ قرن قبل استفاده شدند. با این حال این ترکیبات دارای کاربردهای دیگری جهت تعیین ساختار مولکول‌های شیمیایی بفرم حلال‌های دوتره برای حل کردن نمونه های شیمیای و تعیین ساختار آنها به روش‌ تشدید مغناطیسی(nuclear magnetic resonance) هسته می‌باشد.

اخیرا کاربرد دیگری برای این ترکیبات معرفی شده است. ترکیبات دارویی دارای عناصری مانند دوتریوم به تازگی در بعضی از مراکز تحقیقاتی در آمریکای شمالی سنتز شده اند که جزو داروهای هوشمند تلقی میشوند. به طور خلاصه می‌توان گفت داروهای معمولی که ما مصرف می‌کنیم معمولاً دارای اتم‌های هیدروژن معمولی در مولکول خود هستند که به راحتی توسط آنزیم‌های (آنزیم ها مولکول های درشت پروتئینی هستند که بطور تخصصی اقدام به انجام واکنشهای شیمیایی زیستی در بدن میشوند) موجود در بدن انسان در زمان‌های مشخص (نیمه عمر دارویی) شکسته شده (متابولیسم) و اصطلاحاً از بدن از طریق ادرار یا مدفوع دفع می گردند. متابولیسم و دفع همه داروهای موجود بر اساس عنصر هیدروژن طبیعی (که برای آنزیم‌های بدن شناخته شده است) می‌باشند. در صورتی که از عنصر دوتریوم در برخی نواحی مولکول دارو استفاده شود بسیاری از آنزیم‌هایی که در حالت عادی باعث شکست و دفع شدن داروهای معمولی در بدن می‌شوند از کار خود بازمانده (سمیت آنزیمی) و بدین ترتیب دارو در زمان‌های طولانی‌تری در بدن باقی ‌می‌ماند. برای مثال فرض کنید که خوردن یک قرص استامینوفن حدود۶ تا ۸ ساعت از علائم درد در بدن جلوگیری می‌کند. در صورتی که در ساختار شیمیایی استامینوفن از ایزوتوپ پایدار هیدروژن یعنی دوتریوم استفاده شود چون آنزیم‌های شکننده استامینوفن فاقد توان لازم بیولوژیکی برای اثر شکست مولکول جدید می باشد (این به دلیل سایز متفاوت نسبت به هیدروژن) این مولکول تا زمانهای طولانی تری در بدن باقی مانده و بنابراین اثر ضد درد خود را طولانی تر ظاهر کند. بنابراین رشته بسیار جدیدی در علوم دارویی به نام رشته داروهای دوتره در حال شکل گیری است که هر چند هنوز در اولین مراحل خود می‌باشد ولی به نظر می‌رسد در سالیان آینده بتوان از آن استفاده کرد. گرچه این مثال برای داروی ارزان قیمت استامینوفن مطرح شد ولی حقیقت این است که بسیاری از داروهای گران قیمت (مثل داروهای شیمی درمانی) که معضل استفاده‌های مجدد در دوزهای متنوع هزینه‌های زیادی را برای بیمار و سیستم‌های درمانی کشورها به دنبال دارد میتواند کاربرد بسیار بالا و سودآوری در داروسازی ایجاد کند. البته در این راستا مسائلی مانند سمیت نیز باید در نظر گرفته شوند.

در شکل ۲ یک مولکول دارویی نشاندار با دوتریوم را مشاهده میکنید که با موفقیت آزمایشات اولیه را پشت سر گذاشته است.

شکل ۲: ساختار شیمیایی ترکیبات جالب داروی عصبی تترابنزازین معمولی و نشاندار با دوتریوم (برگرفته از Biochemistry 2018, 57, 5, 472–473)

کاربرد داروهای نشاندار با عناصر غنی‌شده در مطالعات بالینی داروها

یکی دیگر از مهمترین کاربردهای ترکیبات نشاندار شده دارویی با عناصر پایدار غنی‌شده استفاده از مولکول‌های دارویی معمولی است که قرار است فاز اول مطالعاتی خود را در بدن انسان‌های سالم داوطلب انجام دهند. این ترکیبات و روش دارای ارزش بسیار بالا و عدم وجود مشکلاتی مانند تشعشع می‌باشد و این ترکیبات به طور روزمره در فاز صفر کارآزمایی به کار رفته‌اند. ترکیب نشان‌دار پس از تجویز توسط روش‌های طیف سنج جرمی که با حساسیت بالا قادر به تعیین مقدار مقادیر جزیی دارو در مایعات بدن، مانند خون، لنف و ادرار میباشند جهت بررسی جذب پراکنش متابولیسم و دفع دارو در بدن بکار می روند. در جدول-۲ انواع ایزوتوپ‌های غنی‌شده پایدار برای اینگونه مطالعات آورده شده است.

در بخش بعدی به فناوری تولید رادیوایزوتوپهای پزشکی و رادیوداروها خواهیم پرداخت