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La medicina nucleare è quella branca della medicina che utilizza sostanze radioattive (radiofarmaci) a scopo diagnostico, terapeutico e di ricerca biomedica. Le metodiche diagnostiche consistono nello studio della fissazione di un radionuclide legato a una molecola carrier (vettore), che "mima" l'attività metabolica di un tessuto o si fissa a quest'ultimo mediante l'interazione con opportuni recettori, come ad esempio l'utilizzo di un anticorpo monoclonale che lega ad esso un radionuclide. La terapia radiometabolica si effettua impiegando sostanze che, legandosi ai tessuti patologici con meccanismi simili ai farmaci usati in campo diagnostico, consentono di colpirli in maniera selettiva e con un'alta dose di radiazioni ad alto LET (come le particelle β− o α) risparmiando in larga misura i tessuti sani. Per approfondire gli aspetti fisici, biologici e radioprotezionistici che riguardano le interazioni della radiazioni con la materia si raccomanda la lettura delle voci radiazioni ionizzanti, radiobiologia e radioprotezione. Negli ultimi anni si parla sempre di più di radiomica, definita una "nuova scienza in oncologia" e legata all'integrazione delle informazioni provenienti dall'imaging radiologico e le conoscenze del medico nucleare, sottolineando la necessità di parametrare i biomarcatori tumorali fra loro per meglio integrare le notizie forniteci (per es., volume della neoplasia, neo-angiogenesi, la cellularità...).