互动科普

在温哥华中央医院（Vancouver General Hospital）里，一位静脉注射了放射性原子的患者安静地躺在床上，前面的环形扫描仪嗡嗡作响，他被缓缓地送了进去。患者说自己的脚一直疼得厉害，而这台环形扫描仪刚好能够借助注入的放射性元素，为患者脚内的骨骼和软组织拍摄清晰的3D照片。因为患者脚内受伤的位置会流入更多的血液，放射性更强，在最终的图像上，这片区域也会比其他区域更亮。

这种透视技术当然不仅仅是用在脚上。在全球范围内，医用扫描仪每年要执行超过三千万次的扫描，它们会用一种特殊的放射性元素检测心脏损伤后的异常跳动、定位致命的癌症或者扫描中风后伤痕累累的大脑。这种成像技术有一个特殊的名字，叫做单光子发射计算机断层扫描（single-photo emission computed tomography），在它运转时需要依赖一种不太常见的同位素：锝99m。向患者体内注射锝原子就像给医生们打开了一扇窗户，让他们能够准确定位患者体内的损伤和疾病，从而挽救患者的生命。与其他诊断手段相比，患者只需承受非常低辐射剂量就能得到清晰的影像。

然而，想要继续得到这样清晰的影像却不是一件容易的事。刚刚进入那位患者脚内的放射性原子来自几千千米以外的乔克里弗（Chalk River）核反应堆，它坐落在加拿大安大略省。2016年10月31日，这座颇有年份的反应堆已经不再提供这种同位素的原材料了。从乔克里弗反应堆宣布停产的那一刻起，整个北美地区就无法生产这种极为重要的医学材料了。这还使全球每年锝同位素的产量减少了20%。更麻烦的是，乔克里弗反应堆会在未来几年内彻底关闭，到时候情况会更加严峻。

就在不久前，还有6座研究用的核反应堆为全球提供锝原料（这就是所有的来源了）。然而，其中有4座已经运行了50多年，随时都有可能被关闭。剩下的2座反应堆分别在比利时和荷兰，它们肩负着全球每年一半的锝原料生产任务，而这样的情况也坚持不过10年。虽然在世界范围内已经有新的核反应堆在筹建了，但它们都难以在未来10年内投入使用。2016年9月，美国国家科学院、工程院和医学院联合发布了一份报告，警告未来几年内 “注定”要面临全球性锝短缺的问题。

现在，医生们已经坐不住了。“我们每天都离不开这种放射性元素。”埃里克·特科特（Eric Turcotte）说，他是魁北克省舍布鲁克大学的一名核医学专家。放射影像对于骨癌和骨折的诊断非常有效。之前治疗脚痛的那位主治医生就希望通过影像找出患者体内的损伤。另外，这种技术在心脏动脉阻塞检测上的表现也同样出色，所以锝同位素也经常用在胸口出现莫名疼痛或者有其他血管病征的患者身上。虽然也有别的影像学手段可用，但是它们要么在成像质量上比不上锝，要么需要利用更大剂量的辐射，可能会对患者造成更大的危害。渥太华大学心血管中心的心内科专家本杰明·乔（Benjamin Chow）认为，锝同位素的短缺会迫使医生重新采用之前那些不够精确的诊断方式，这或许会增加患者的风险，甚至有的医生可能因此放弃使用影像学诊断病情。

比关闭核反应堆、锝原料产量锐减更糟糕的是，原产地减少后供应链也会十分脆弱。只要经过一天的时间，锝同位素就会完全衰变，所以它们很难留存备用。注射进患者体内的每一针锝都必须从另一种物质中“新鲜榨取”。而这种原材料就是半衰期相对较长的同位素钼（Mo）99。即便如此，钼同位素也必须每隔几天就补给一次。核反应堆减少后，人们甚至需要从相距半个地球的反应堆索取这种材料，让它一路坐飞机赶到医院。可是，一旦出现天气状况不佳或者航班取消，医院放射科的大夫们都会如临大敌。弗朗索瓦·贝纳德（Francois Bénard）是一名临床科学家，他一脸惆怅地说：“如果机场因故关闭，我们该多无助啊。”

目前医用同位素的产业链还存在另一个问题：核恐怖主义。为了生产钼99，许多反应堆都需要采用武器级的高浓缩铀（highly enriched uranium, HEU）。由于某些危险分子的觊觎，国际社会希望能在2020年前彻底废除使用HEU。但是，改造现有的核反应堆让它们兼容低浓缩铀（LEU），不仅意味着漫长的停工整顿，还会使钼99的产量降低。

为了应对即将到来的危机，美国和加拿大的科学家一直在研发合成同位素的全新技术。他们希望钼99和锝99m的生产能够脱离对核反应堆的依赖，转而利用更便捷、更灵巧的粒子加速器或者其他设备。如此一来，不仅放射性同位素短缺的问题能够得到解决，同时还可以降低生产成本减少核废料。如今，在全世界放射性同位素产量都出现断崖式下跌的时候，考验科学家的时间也到了，他们需要找出全新的替代技术。

应对危机

其实医生们早就已经尝过没有钼99的苦头了。在2009年和2010年，由于加拿大和荷兰的反应堆停工维护，就引发过全球性的同位素短缺事件，医生们对此毫无防备、手足无措，只有四处寻找替代性的诊断技术。“2009年的短缺危机给所有人敲响了警钟，”萨莉·施瓦兹（Sally Schwarz）说，她是核医学与分子成像学会的主席，“缺少这种材料就无法做影像诊断，医院里到处都是苦不堪言的患者。我们可不希望悲剧重演。”

锝99m供应不足可能会使心脏诊断技术倒退。比如，医生们不得不重新使用另一种放射性同位素铊201。密歇根大学的心脏成像专家文卡特斯赫·L·默西（Venkatesh L. Murthy）指出，使用铊201不仅在成像质量上比锝99m差，还会让患者受到的辐射量加倍。至于其他非放射性的诊断技术，比如超声心动图，虽然可用但却无法达到同样的精确度。默西认为，锝99m是同时满足分辨率、安全性和成本三方面要求的最优解。

从那次危机中回过神来的加拿大政府很快注资4500万美元，成立了“同位素量产技术改良”（Isotope Technology Acceleration Program, ITAP）项目，希望加速研发生产锝99m的替代性技术。该项目的主体工程最快可能在2017年底就正式投入使用。

新技术把目光转向了小型的粒子回旋加速器，这就不需要修建巨大的核反应堆，甚至完全能够装进一家医院的地下室。回旋加速器能够把质子加速后轰击由另一种同位素（钼100）制成的靶子，两者通过碰撞就可以获得锝99m。锝99m的半衰期非常短暂，这就意味着一台粒子回旋加速器的产量能够供应的区域范围非常有限。不过TRIUMF核医学部门的前部长，现助理实验室主任保罗·谢弗（Paul Schaffer）认为，由于加拿大多数大城市目前都已经配备了类似的设备，想要把这种技术推广到加拿大的各个地方，也是很有可行性的。TRIUMF是加拿大历史上第一个粒子回旋加速器中心，同时也是上述同位素生产技术的研发单位。这家坐落在温哥华的机构已经完成了初步实验，证明了如果粒子回旋加速器每天工作6个小时，就能生产出大量（相当于执行500次医用扫描的剂量）的锝99m，这已经能满足人口在500万左右的不列颠哥伦比亚省的需求了。

目前，这座2米宽的粒子回旋加速器存放在不列颠哥伦比亚癌症研究所（BC Cancer Agency）在温哥华的一处设施内。它被锁在厚厚的铁门后面，有两条纤细的金属管子从回旋加速器中伸出，负责输送质子流，管道内质子的速度甚至能够达到光速的五分之一。金属管的另一端连接着质子轰击的目标：放在铝制圆筒内的一块长10厘米的扁平金属板，它的表面包裹了一层钼100。为了把钼100转变为锝99m，这块金属板先要经历6小时的质子轰击。随后通过高压管弹射进入另一个操作间（也叫热室）内，在这里，技术人员会分离和提纯转化出的锝99m。最终的产物是一小瓶透明的液体，里面同位素的含量足够进行数百次医用诊断。

最近，温哥华中央医院与癌症研究所完成了新一轮的临床试验，他们在患者身上使用了通过加速器合成的同位素。目前结束的临床试验显示，通过回旋加速器合成的与通过钼99元素衰变得到的锝同位素在功能上是一样的，都非常安全有效。回旋加速器通常在早上就开始运转，患者可以预约从下午1点开始的注射。

2016年，TRIUMF与ITAP项目里的合作者们一起创立了一家公司，他们想把合成技术推广给普通的回旋加速器。目前，全世界已有大约500台医用回旋加速器可以发出足以通过这种方法制造锝99m的高能射线，这些加速器本来的任务是制造其他同位素，用于正电子发射断层扫描等。对于新的锝99制造技术来说，这些现有的回旋加速器是一个巨大的优势。一台全新的医用粒子回旋加速器可能标价达500万美元，但是改造旧的设备让它支持新的功能，只需花费这个数字的十分之一。2014年，英国核医学学会（British Nuclear Medicine Society）推荐了这种改良的手段，认为它是应对未来锝99m短缺的最佳手段。按照谢弗的估算，12到24台粒子回旋加速器，就能够满足加拿大国内的全部需求。

出谋划策

但在美国，粒子回旋加速器却并没有带来新的希望，无法生产出足量的锝同位素。美国多年以前就在医院内装配医用回旋加速器了，这些型号老旧的设备无法达到生产锝同位素所需的高能射线标准。

因此，美国能源部国家核安全管理中心决定支持一些研发相关设备的公司。其中有一家位于威斯康星州麦迪逊市，叫做北极星医学同位素公司（NorthStar Medical Radioisotopes），它计划采用一种电子直线加速器（electron linear accelerator, LINAC）激发高能X射线。高能射线能够轰掉钼100中的一个中子，把它变为钼99，而钼99很快就会衰变为锝。LINAC获得许可的门槛要比核反应堆低得多，设备成本也比粒子回旋加速器便宜。用一位曾经研究直线加速器的物理学家卡尔·罗斯（Carl Ross）的话说，这套设备基本可以不用定制，“直接就能在市场上买到”。卡尔在退休前一直为加拿大国家研究委员会工作。加拿大同位素创新公司（Canadian Isotope Innovations）——它初创时的技术积累也来自ITAP资助过的研究——也在研究使用直线加速器生产同位素的技术，不过进展没有北极星快。

尽管有许多优点，由普通的直线加速器获得的钼99在浓度上还是比不上由反应堆生产的原料。因此北极星公司研发了一套全新的系统，想从LINAC量产的钼同位素混合物中提纯锝99m。这套系统被称为“RadioGenix”，它的核心工作原理是将混合物泵入一排只吸收锝元素的树脂柱。滤出的钼同位素可以用于新一轮的合成，而柱子上滤得的锝元素则可以用盐水洗脱，进一步收集。现在，北极星公司希望这套系统的临床应用能在2017内得到批准。

除此之外，还有一套技术解决方案，这套方案是由总部位于威斯康星州马诺纳市的夏因医学技术公司（SHINE Medical Technologies）提出的，它可能是所有方法中最激进的。这家公司试图用中子轰击液态LEU，量产99Mo。氘和氚都是氢的重同位素，如果在LINAC内用氘原子轰击氚原子，两者就会发生融合形成另一种元素——氦。夏因公司就希望借助氘氚融合时释放出的中子制造锝，因为它能触发LEU内的裂变反应，最终产出钼99。夏因公司宣称，通过这种方案获得的钼99已经达到了量产锝99m所需的浓度标准了，足以用于进一步的转化、分离或是榨取操作。2016年2月，夏因公司已经获得美国核管理委员会对建造生产设施的批准，该公司计划在2020年开始生产和供应。

不过，好技术可不等于好商品，价格是其中非常重要的一个因素。贝纳德说：“你必须让产品的价格具有竞争力，医院才有可能欣然接受。”现在单位针剂的锝99m在北美的售价是20~25美元，但这个价格远比实际的生产成本低。部分原因是政府为大部分的反应堆燃料、核废料处理以及核反应堆的基础建设买了单。“我们一直对政府资助核反应堆的行为习以为常，”谢弗说，“但是，这种好事恐怕以后不会再有了。”

随着新技术的出现，相应的供应链也变得更为私有化和本地化，供应商和政府都希望对锝99m重新定价，好涵盖维持整个产业链运作所需的成本。谢弗说，不列颠哥伦比亚的许多医院准备在未来几年内将这种同位素的价格提高40%。

提高售价从而保障前期投入可以顺利回收，确实可以让一个新兴产业迅速崛起，并且早日步入正轨。但是，新的生产技术却面临两种截然相反的市场预测。其中一种预测认为，发达国家人口的老龄化会提高社会对心脏检查项目的需求，此外高速成长的中国市场也有巨大的潜力。这正是锝99m大显身手的时候。

但是还有另一种观点，根据经济合作与发展组织（OECD）的统计，近年一些国家的锝99m实际需求量持续走低。为什么？在2009到2010年锝99供应不足期间，医院降低了每支针剂的有效成分的含量。但这并没有影响图像质量，而这要归功于更智能的成像软件。综合这些因素，OECD预测当2021年新反应堆和新技术都投入生产后，锝同位素将因供大于求而不得不降价。

不过领域里的很多人都认为，新建的替代的核反应堆无法按时投产。“如果我们继续依赖核反应堆，那么历史还会重演。”不列颠哥伦比亚癌症研究所的贝纳德说。他认为，如果我们想保护影像医学这颗明亮的眼睛，就不应该为是否要使用新技术而迟疑。