Radium (Ra) là một nguyên tố hóa học có hành trình độc đáo trong lịch sử khoa học và công nghệ, từ biểu tượng của tiến bộ tiên phong đến nguyên nhân gây ra các tác hại sức khỏe cộng đồng rồi trở thành công cụ trong y học hạt nhân hiện đại. Radium, một kim loại kiềm thổ, được Marie và Pierre Curie khám phá sau nhiều năm nghiên cứu các mẫu quặng uraninite. Thành tựu mang tính bước ngoặt này được đánh dấu vào ngày 20 tháng 4 năm 1902, khi họ thành công phân lập Radium thành dạng tinh khiết. Sự phát hiện này đã mở ra kỷ nguyên nghiên cứu về tính phóng xạ và ứng dụng của nó.
Radium (Ra) nằm cùng nhóm với Canxi (Ca) và Bari (Ba). Sự tương đồng hóa học này là một yếu tố quyết định cả về độc tính sinh học và khả năng trị liệu của nó. Do Radium có tính chất rất giống Canxi, cơ thể con người không thể phân biệt được hai nguyên tố này một cách hiệu quả. Điều này dẫn đến việc Radium được hấp thụ và tích hợp trực tiếp vào mạng lưới tinh thể hydroxyapatite của xương. Việc Radium trở thành một chất “tìm kiếm xương” (bone seeker) chính là nguyên nhân cơ bản dẫn đến thảm kịch phơi nhiễm, nhưng đồng thời, chính đặc tính này lại được khai thác một cách chiến lược trong các liệu pháp điều trị ung thư hiện đại.
Đồng vị được sử dụng rộng rãi nhất trong suốt lịch sử công nghiệp và y học ban đầu là Radium-226. Đồng vị này có chu kỳ bán rã (T) cực kỳ dài, lên tới 1600 năm. Radium-226 phân rã bằng cách phát ra hạt alpha thành khí phóng xạ Radon-222. Chuỗi phân rã của Ra-226 không dừng lại ở đó; Radon-222, với chu kỳ bán rã 3.82 ngày, tiếp tục tạo ra một chuỗi các đồng vị con ngắn hạn khác, bao gồm Polonium-218, Lead-214, Bismuth-214, Polonium-214, Lead-210, Bismuth-210 và Polonium-210, trước khi ổn định thành Chì-206. Chuỗi phân rã phức tạp và kéo dài này phát ra nhiều hạt alpha, beta và tia gamma. Sự tồn tại của chuỗi phân rã này mang lại hai hệ quả quan trọng. Thứ nhất, việc tạo ra khí Radon-222, một chất độc hại khi hít phải, làm tăng nguy cơ phơi nhiễm nội bộ, đặc biệt là trong các ứng dụng Radium kín (như brachytherapy) hoặc khi Ra được nuốt vào cơ thể. Thứ hai, chu kỳ bán rã 1600 năm của Ra-226 đồng nghĩa với việc các sản phẩm và chất thải Radium lịch sử vẫn giữ độc tính phóng xạ trong hàng chục ngàn năm. Điều này đặt ra gánh nặng cực kỳ lớn cho các cơ quan quản lý và yêu cầu các chiến lược xử lý chất thải lâu dài và cô lập vĩnh viễn, được phân loại là nguồn phóng xạ chu kỳ bán rã dài (>30 năm).
Sự khác biệt rõ ràng giữa Radium-226 và đồng vị hiện đại Radium-223 là nền tảng cho sự chuyển đổi trong ứng dụng y học:
Đặc Tính Hạt Nhân và Cơ Học của Radium-226 và Radium-223
| Đồng Vị | Chu Kỳ Bán Rã (T_{1/2}) | Loại Phân Rã Chủ Yếu | Phạm Vi trong Mô Mềm (Xấp xỉ) | Ý Nghĩa Độc học/Trị liệu |
| Radium-226 | 1600 năm | Alpha (\alpha) | Vài chục \mum | Phóng xạ liên tục, tạo khí Radon, rủi ro độc tính kéo dài. |
| Radium-223 | 11.4 ngày | Alpha (\alpha) | <100 micromet (2-10 tế bào) | Tác động mục tiêu cao, giảm thiểu độc tính toàn thân |
Cơ chế phát sáng liên tục của Radium được gọi là hiện tượng radioluminescence. Radioluminescence là sự phát sáng của vật liệu khi bị bắn phá bởi bức xạ ion hóa, chẳng hạn như hạt alpha, beta, hoặc tia gamma. Sơn dạ quang Radium (radioluminescent paint) là một hỗn hợp hóa học bao gồm chất phóng xạ (thường là Radium-226) và một bột tinh thể lân quang (phosphor), trong đó Kẽm Sulfide (Zinc Sulfide) là vật liệu được sử dụng phổ biến nhất. Cơ chế hoạt động dựa trên việc các hạt alpha có năng lượng cao phát ra từ Radium-226 và các sản phẩm phân rã của nó va chạm với các tinh thể Kẽm Sulfide. Sự va chạm này truyền năng lượng, kích thích các electron trong tinh thể Kẽm Sulfide lên mức năng lượng cao hơn. Khi các electron này trở lại trạng thái cơ bản, năng lượng dư thừa được giải phóng dưới dạng photon ánh sáng nhìn thấy. Sự phân rã Radium diễn ra liên tục, đảm bảo vật liệu phát sáng ổn định trong bóng tối mà không cần bất kỳ nguồn sáng kích thích nào từ bên ngoài (như ánh sáng mặt trời hay đèn), khác biệt cơ bản với vật liệu lân quang hiện đại như SuperLuminova.
Tuy nhiên, mặc dù Radium-226 có chu kỳ bán rã là 1600 năm, độ sáng của sơn radium vẫn suy giảm theo thời gian. Sự suy giảm này không phải do Radium cạn kiệt mà là do chính các hạt alpha năng lượng cao liên tục bắn phá và phá hủy dần cấu trúc tinh thể của bột lân quang Kẽm Sulfide. Sự phá hủy này làm giảm khả năng phát quang của phosphor, giới hạn tuổi thọ sử dụng hiệu quả của sơn dạ quang Radium.
Tính chất phát sáng độc đáo của Radium đã nhanh chóng thu hút sự chú ý của công chúng sau khi được phát hiện. Ứng dụng phổ biến nhất là trong sản xuất mặt đồng hồ và đồng hồ treo tường dạ quang, cho phép người dùng đọc giờ trong bóng tối. Mức độ thâm nhập thị trường là đáng kể; tạp chí Scientific American số tháng 4 năm 1920 ghi nhận đã có hơn 4 triệu đồng hồ và đồng hồ treo tường có tính năng phát sáng đã được sản xuất.
Ngoài đồng hồ, sơn radioluminescent còn được áp dụng rộng rãi cho nhiều sản phẩm tiêu dùng khác nhằm tạo ra khả năng phát sáng trong đêm, bao gồm: số nhà, bộ định vị lỗ khóa, la bàn tàu, mặt đồng hồ điện báo, biển báo mỏ, chỉ báo chai thuốc độc, số ghế nhà hát, mồi câu cá dạ quang, và mắt phát sáng cho búp bê và đồ chơi. Việc Radium được tích hợp vào các mặt hàng dân dụng thông thường như đồ chơi cho thấy sự chủ quan và thiếu nhận thức nghiêm trọng về nguy cơ phóng xạ trong những thập niên đầu thế kỷ 20.
Phân tích Sự phơi nhiễm của “Radium Girls”
Thảm kịch liên quan đến các họa sĩ vẽ mặt đồng hồ (Radium Girls) là cột mốc quan trọng nhất trong việc định hình các tiêu chuẩn an toàn bức xạ hiện đại. Tại các nhà máy sản xuất mặt đồng hồ, công nhân, chủ yếu là phụ nữ trẻ, được giao nhiệm vụ vẽ các con số nhỏ bằng sơn Radium:
- Cơ chế Phơi nhiễm Nội bộ: Để đạt được độ chính xác cao trong nét vẽ, nhiều công nhân đã được hướng dẫn hoặc khuyến khích dùng miệng làm sắc nhọn đầu cọ vẽ—một hành động được gọi là “lip-tipping” hoặc “pointing”. Trong quá trình này, họ vô tình nuốt phải một lượng lớn sơn có chứa Radium. Các nhà quản lý nhà máy đã cam đoan với họ rằng Radium là vô hại và sẽ đi qua đường tiêu hóa.
- Hậu quả Độc học: Trái ngược với lời trấn an đó, Radium nuốt vào đã lợi dụng tính chất hóa học tương tự Canxi để được cơ thể hấp thụ và tích lũy trong xương, nơi nó liên tục phát ra tia alpha. Phơi nhiễm này dẫn đến hàng trăm trường hợp nhiễm độc phóng xạ nghiêm trọng, bao gồm thiếu máu nặng, gãy xương tự phát, và hoại tử xương hàm (còn gọi là “radium jaw”).
Sự phơi nhiễm ở mức độ cực kỳ cao. Ước tính công nhân có thể đã nuốt hàng trăm đến hàng nghìn microcurie (\muCi) Radium mỗi năm. Con số này cao gấp gần 20 nghìn lần so với Gánh nặng Cơ thể Tối đa Cho phép (Maximum Permissible Body Burden) được thiết lập sau này ở mức 0.1 \muCi. Thảm kịch này đã chứng minh một nguyên tắc cốt lõi của vật lý sức khỏe: hạt alpha gây nguy hiểm cực độ khi bị phơi nhiễm nội bộ, mặc dù chúng vô hại khi bị chặn bởi da, do Năng lượng Truyền tải Tuyến tính Cao (High LET) của chúng gây ra tổn thương tế bào không thể sửa chữa tại chỗ.
Trong giai đoạn đầu thế kỷ 20, Radium cũng bị lạm dụng rộng rãi trong lĩnh vực y tế giả khoa học (quackery). Radium được sử dụng trong các loại mỹ phẩm (như kem Tho-Radia), salves, và đặc biệt là nước uống Radium (“radium water”). Nhiều nhà sản xuất nước giải khát hoặc khách sạn suối nước nóng đã đổi thương hiệu thành “nước radium” để trục lợi từ cơn sốt này. Trường hợp nổi tiếng nhất về độc tính do sử dụng sản phẩm giả y tế là cái chết của vận động viên golf nổi tiếng Eben Byers vào năm 1932 do nhiễm độc Radium nặng sau khi tiêu thụ một sản phẩm nước uống Radium. Các sản phẩm như bình gốm Revigorator, được lót bằng quặng phóng xạ để làm nhiễm xạ nước uống, cũng là một ví dụ về việc công chúng chấp nhận rủi ro nội bộ mà không hề biết đến nguy cơ hủy hoại mô do các hạt alpha gây ra.
Radium Brachytherapy (Xạ trị Liều gần)
Radium đóng vai trò tiên phong trong lĩnh vực xạ trị. Xạ trị liều gần (Brachytherapy), có nguồn gốc từ tiếng Hy Lạp brachy nghĩa là “khoảng cách ngắn,” là kỹ thuật đặt các nguồn phóng xạ kín trong hoặc rất gần khối u để cung cấp liều bức xạ tập trung, tối thiểu hóa tổn thương mô lành xung quanh. Kỹ thuật này bắt đầu được áp dụng ngay sau khi Radium được phát hiện. Năm 1901, Danlos và Bloch đã sử dụng một mẫu phóng xạ từ Marie Curie để điều trị bệnh lupus. Năm 1903, Margareth A. Cleaves là người đầu tiên sử dụng brachytherapy Radium để điều trị ung thư cổ tử cung. Sau đó, các kỹ thuật cấy ghép intracavitary (trong khoang) và interstitial (trong mô) đã được phát triển để điều trị nhiều loại ung thư khác nhau. Tuy nhiên, việc sử dụng Radium-226 trong brachytherapy mang lại rủi ro vốn có. Chu kỳ bán rã dài của nó đòi hỏi các nguồn phóng xạ phải được quản lý và bảo quản nghiêm ngặt trong nhiều thập kỷ. Ngoài ra, nguy cơ tiềm ẩn về rò rỉ khí Radon-222 từ các nguồn kín đã đặt ra thách thức về an toàn bức xạ cho nhân viên y tế trong quá trình cấy ghép thủ công.
Vào giữa thế kỷ 20, ngành xạ trị đã dần loại bỏ Radium để chuyển sang các đồng vị nhân tạo. Vào những năm 1950, Radium được thay thế bằng Cobalt-60 và Cesium-137. Đến thập niên 1960, Iridium-192 trở thành nguồn brachytherapy phổ biến nhất. Việc chuyển đổi này được thúc đẩy bởi nhu cầu tăng cường an toàn và độ chính xác kỹ thuật. Các đồng vị nhân tạo có chu kỳ bán rã ngắn hơn (ví dụ: Cs-137 khoảng 30 năm, Ir-192 khoảng 74 ngày), giúp đơn giản hóa việc quản lý chất thải và giảm thiểu rủi ro phơi nhiễm lâu dài. Quan trọng hơn, sự phát triển của các thiết bị nạp từ xa (remote afterloading devices) cho phép đặt nguồn phóng xạ vào bệnh nhân mà không cần nhân viên y tế phải thao tác trực tiếp với nguồn, loại bỏ nguy cơ phơi nhiễm thủ công. Sự tiến bộ này, bắt nguồn từ những hạn chế an toàn của Radium-226, đã tạo ra nền tảng cho việc lập kế hoạch liều lượng ba chiều (3D) và xạ trị chính xác cao ngày nay.
Liệu pháp Radium-223 Dichloride
Trong y học hạt nhân hiện đại, Radium đã trở lại nhưng dưới dạng một đồng vị khác: Radium-223 Dichloride, được biết đến với tên thương mại Xofigo. Đây là một radiopharmaceutical phát tia alpha (first-in-class alpha-emitting radiopharmaceutical) được phê duyệt để điều trị ung thư tuyến tiền liệt kháng cắt bỏ (CRPC) đã di căn triệu chứng đến xương nhưng chưa di căn đến các cơ quan nội tạng khác. Thuốc được sử dụng bằng đường tiêm tĩnh mạch.
Chiến lược điều trị của Radium-223 là một sự chuyển đổi chiến thuật, biến tính chất “tìm kiếm xương” (bone seeker) vốn là độc tính của Radium-226 thành một lợi thế điều trị.
Do tính chất hóa học tương tự Canxi, Ra-223 tập trung một cách chọn lọc tại các vị trí di căn xương. Các vị trí này (thường là di căn tạo xương/osteoblastic) có mức độ chuyển hóa xương cao, thu hút Ra-223. Sau khi tích tụ, Ra-223 phân rã và phát ra các hạt alpha mạnh mẽ. Ưu điểm chính của Ra-223 là sử dụng năng lượng cao và tầm bắn ngắn của hạt alpha. Tia alpha có Năng lượng Truyền tải Tuyến tính (LET) cao, gây ra tổn thương DNA sợi kép không thể sửa chữa, dẫn đến chết tế bào khối u hiệu quả. Tuy nhiên, tầm bắn của các hạt alpha trong mô mềm là cực kỳ ngắn, chỉ dưới 100 micromet tương đương với đường kính của 2 đến 10 tế bào. Tầm bắn hạn chế này đảm bảo rằng liều bức xạ hủy diệt được phân phối cục bộ chính xác vào các tế bào ung thư trong môi trường vi mô của xương.
Hơn nữa, Radium-223 có chu kỳ bán rã ngắn (11.4 ngày). Sự kết hợp giữa chu kỳ bán rã ngắn và tầm bắn alpha cực ngắn cho phép tiêu diệt tế bào khối u mục tiêu trong khi giảm thiểu đáng kể bức xạ đến các mô khỏe mạnh lân cận. Điều này giải thích tại sao Ra-223 chỉ gây ra độc tính tủy xương tạm thời và không đặc hiệu, cho phép phục hồi tạo máu hoàn toàn, một sự cải thiện lớn so với độc tính kéo dài do Ra-226 gây ra.
Phân Tích Chiến Lược Liệu Pháp Radium-223 (Xofigo)
| Đặc Điểm Phóng Xạ | Chi Tiết Kỹ Thuật | Tác Động Sinh Học (Biểu hiện) |
| Cơ chế Nhắm Mục tiêu | Tương tự Canxi, tích tụ tại các điểm tăng chuyển hóa xương. | Phân phối chính xác liều bức xạ alpha cao đến các khối u di căn. |
| Loại Hạt Phát ra | Hạt Alpha (High LET) | Gây ra tổn thương DNA không thể sửa chữa, hiệu quả cytotoxic mạnh |
| Phạm vi trong Mô Mềm | <100 micromet | Tối thiểu hóa tổn thương mô lành xung quanh, bao gồm tủy xương |
| Độc tính Tủy Xương | Tạm thời, không đặc hiệu | Cho phép phục hồi tạo máu, đảm bảo khả năng dung nạp. |
Radium đại diện cho một nghiên cứu điển hình về sự phát triển của khoa học hạt nhân, thể hiện cả tiềm năng trị liệu và những nguy hiểm khủng khiếp khi sử dụng không được kiểm soát.
Thứ nhất, tính chất hóa học tương tự Canxi của Radium là trung tâm của mọi ứng dụng. Đặc tính này đã dẫn đến thảm kịch nhiễm độc xương mãn tính (hoại tử xương hàm và ung thư) trong thời kỳ Radium Girls, nhưng cũng là cơ sở để phát triển liệu pháp alpha mục tiêu chính xác ngày nay. Thứ hai, “tính giữ màu sắc” (radioluminescence) của Radium là một thành tựu công nghiệp lịch sử, được cung cấp bởi sự tương tác liên tục của hạt alpha từ Ra-226 (T1/2 1600 năm) với bột lân quang. Chính chu kỳ bán rã dài đảm bảo sự phát sáng liên tục này lại là nguyên nhân chính khiến chất thải Radium lịch sử trở thành vấn đề nan giải về an toàn phóng xạ và môi trường trong nhiều thế hệ. Thứ ba, sự thay thế Radium-226 bằng các đồng vị nhân tạo trong xạ trị liều gần lịch sử đã thúc đẩy các tiến bộ an toàn bức xạ quan trọng, dẫn đến sự phát triển của thiết bị nạp từ xa. Sự đổi mới này đã mở đường cho Liệu pháp Alpha Mục tiêu tiên tiến.
Ngày nay, Radium-223 Dichloride (Xofigo) đại diện cho đỉnh cao của sự hiểu biết này, sử dụng hạt alpha để gây ra tổn thương DNA mạnh mẽ tại vị trí di căn xương với độ chính xác cao (phạm vi bắn phá <100 \mum) và với hồ sơ độc tính toàn thân thuận lợi do chu kỳ bán rã ngắn. Radium, từ nguyên tố gây ra những tai họa lịch sử, đã được tái sinh thành một công cụ y tế quan trọng, đặt ra mô hình cho sự phát triển tương lai của liệu pháp y học hạt nhân.
Từ khóa: Radium;
– CMD –
