Miten tutkijat löysivät uuden tavan tuottaa actinium-225: tä, harvinaista lääketieteellistä radioisotooppia

Quantum Fields: The Real Building Blocks of the Universe - with David Tong (Kesäkuu 2019).

Anonim

Kapealla lasiputkella on sellainen aine, joka voi vahingoittaa tai parantaa, riippuen siitä, miten sitä käytetään. Se antaa heikon sinisen hehkun, joka on merkki radioaktiivisuudesta. Vaikka emittoidut energia- ja subatomiset hiukkaset voivat vahingoittaa ihmissoluja, ne voivat myös tappaa joitakin kaikkein itsepintaisimmista syöpätapauksistamme. Tämä aine on actinium-225.

Onneksi tiedemiehet ovat selvittäneet, kuinka valjastaa actinium-225: n valta hyväksi. He voivat kiinnittää sen molekyyleihin, jotka voivat asua vain syöpäsoluissa. Kliinisissä tutkimuksissa, joilla hoidettiin myöhäisvaiheen eturauhasen syöpäpotilaita, aktinium-225 pyyhkäisi syövän kolmessa hoidossa.

"Eturauhasen syöpä ei ole jäljellä, se on huomattavaa, " sanoi Kevin John, energian osaston (DOE) Los Alamos National Laboratory (LANL) tutkija. Actinium-225: tä ja sen johdettuja hoitoja on käytetty myös leukemiaa, melanoomaa ja gliomaa alkuvaiheissa.

Mutta jotain seisoi keinoa laajentaa tätä hoitoa.

Vuosikymmenien ajan yksi paikkakunta maailmassa on tuottanut suurimman osan actinium-225: sta: DOE: n Oak Ridge National Laboratory (ORNL). Jopa kahdella muulla kansainvälisellä laitoksella, jotka osallistuvat pienempiin määriin, kaikki kolme yhdistelmää voivat luoda riittävän määrän actinium-225-hoitoa alle 100 potilaan hoitoon vuosittain. Se ei riitä pelkästään tekemään mitään, mutta eniten alustavia kliinisiä tutkimuksia.

DOE Office of Sciencein isotooppiohjelman tehtävänä on tuottaa uusia tapoja tuottaa actinium-225: ta, jotta se täyttäisi tehtävänsä tuottaa isotooppeja, jotka ovat puutteellisia. DOE: n Isotope-ohjelman Tri-Lab-tutkimuspyrkimyksenä nopeutetun tuottavan 225Ac-säteilyhankkeen tarjoamiseksi ORNL, LANL ja DOE: n Brookhaven National Laboratory (BNL) ovat kehittäneet uuden, erittäin lupaavan prosessin tämän isotoopin tuottamiseksi.

Rakentaminen Atomic Age Legacy

Isotooppien tuottaminen lääketieteelliselle ja muulle tutkimukselle ei ole mitään uutta DOE: lle. Isotope-ohjelman alkuperä alkoi vuonna 1946 osana presidentti Trumanin pyrkimyksiä kehittää atomienergiaa rauhanomaisesti. Sittemmin atomienergiakomissio (DOE: n edeltäjä) ja DOE ovat valmistaneet isotooppeja tutkimukseen ja teolliseen käyttöön. Ainutlaatuiset haasteet, jotka tulevat isotooppituotannosta, tekevät DOE: sta hyvin sopivia tähän tehtävään.

Isotoopit ovat standardin atomielementtien eri muodot. Vaikka kaikilla elementin muodoilla on sama määrä protoneja, isotoopit vaihtelevat niiden neutronimäärässä. Jotkut isotoopit ovat stabiileja, mutta useimmat eivät. Epästabiilit isotoopit hajoavat jatkuvasti ja lähettävät subatomisia hiukkasia radioaktiivisuutena. Kun ne vapauttavat hiukkasia, isotoopit muuttuvat eri isotoopeiksi tai jopa eri elementteiksi. Radioaktiivisten isotooppien tuottamisen ja käsittelyn monimutkaisuus edellyttää asiantuntemusta ja erikoislaitteita.

DOE-isotooppi-ohjelma keskittyy tuotantoon ja jakeluun, jossa on runsaasti toimituksia ja kysyntää heikentäviä isotooppeja, ylläpidetään infrastruktuuria ja tehdään tutkimuksia isotooppien tuottamiseksi. Se valmistaa isotooppeja, joita yksityiset yritykset eivät myy kaupallisesti.

Poikkeuksellinen syöpätaistelija

Actinium-225: n tuottaminen tuo kansallisten laboratorioiden asiantuntemuksen uudelle alueelle.

Actinium-225: lla on tällainen lupaus, koska se on alfa-emitteri. Alfa-päästöt tyhjentävät alfa-hiukkasia, jotka ovat kaksi protonia ja kaksi neutronia sidottuna yhteen. Kun alfa-partikkelit jättävät atomin, ne tallentavat energiaa lyhyellä polullaan. Tämä energia on niin suuri, että se voi katkaista sidokset DNA: ssa. Tämä vahinko voi tuhota syöpäsolujen kyvyn korjata ja moninkertaistaa jopa kasvaimia tuhoamalla.

"Alpha-emitterit voivat toimia tapauksissa, joissa mikään muu ei toimi", kertoi Ekaterina (Kate) Dadachova, tutkija Saskatchewanin yliopiston farmasian ja ravitsemuslaitoksen yliopistosta, joka testasi DOE: n tuottaman actinium-225: n.

Kuitenkin ilman keinoa kohdistaa syöpäsoluja, alfa-päästöt olisivat yhtä haitallisia terveille soluille. Tutkijat kiinnittävät alfa-päästöjä proteiiniin tai vasta-aineeseen, joka täsmää täsmällisesti syöpäsolujen reseptoreihin, kuten kiinnittämällä lukon avaimeen. Tämän seurauksena alfa-emitteri kertyy vain syöpäsoluihin, joissa se tuhoaa hiukkastensa erittäin lyhyessä ajassa.

"Jos molekyyli on suunniteltu oikein ja menee itse kohteeseen, tapat vain solut, jotka ovat kohdesolun ympärillä. Ette tappaa terveitä soluja", sanoo ORNL-tutkija Saed Mirzadeh, joka aloitti alustavan ponnistelunsa tuottaa actinium-225 ORNL: ssä.

Actinium-225 on ainutlaatuinen alfa-emitterin joukossa, koska sillä on vain 10 päivän puoliintumisaika. (Isotooppien puoliintumisaika on ajan kuluminen, joka kestää puoleen sen alkuperäisestä määrästä.) Vähemmän kuin kaksi viikkoa, puolet sen atomeista on muuttunut eri isotooppeiksi. Ei liian pitkä eikä liian lyhyt, 10 päivää on sopiva joihinkin syövän hoitoon. Suhteellisen lyhyt puoliintumisaika rajoittaa sitä, kuinka paljon se kertyy ihmisten elimiin. Samaan aikaan lääkäreille annetaan riittävästi aikaa valmistautua, hallita ja odottaa lääkettä saavuttamaan syöpäsolut potilaan kehossa ennen kuin se toimii.

Isotooppien korvaaminen lääketieteeseen

Vaikka lääketieteelliseen tutkijaan kesti vuosikymmeniä selvittää syövän kohdentamista koskeva kemia aktinium-225: lla, tarjonta itsessään on nyt tutkimusta. Vuonna 2013 liittovaltion elintarvike- ja lääkevirasto (FDA) hyväksyi ensimmäisen lääkkeen, joka perustuu alfa-päästöihin. Jos FDA hyväksyy useita lääkkeitä, jotka perustuvat actinium-225: een ja sen tytär-isotooppiin, vismutti-213: een, aktinium-225: n kysyntä voi nousta vuodessa yli 50 000 millicuresta (mCi, radioaktiivisten isotooppien mittayksikkö) vuodessa. Nykyinen prosessi voi luoda vain kaksi tai neljä prosenttia tästä määrästä vuosittain.

"Lyhyt toimittaminen tarkoittaa sitä, että paljon vähemmän tiedettä saadaan", sanoi Sloan Kettering Institute -tutkija David Scheinberg, joka on myös keksijä aktinium-225: n käyttöön liittyvästä teknologiasta. (Tämä tekniikka on saanut Sloan Kettering -instituutin lisensoinnin Memorial Sloan Kettering Cancer Centrille Actinium Pharmaceuticalsille, josta Scheinberg on konsultti.)

Osa tästä puutteesta johtuu siitä, että aktiniini on erittäin harvinaista. Actinium-225 ei esiinny lainkaan luonnollisesti.

Tutkijat tietävät vain aktinium-225: n poikkeuksellisista ominaisuuksista johtuen historiasta. 1960-luvulla DOE: n Hanford-sivuston tutkijat tuottivat uraani-233: n polttoaineena ydinaseille ja reaktoreille. He lähettivät osan uraani-233: n tuotantotavoista ORNL: lle käsittelyyn. Nämä kohteet sisälsivät myös torium-229: n, joka hajoaa actinium-225: een. Vuonna 1994 Mirzadehin johdolla toimiva ORNL-ryhmä aloitti torium-229: n uuttamisen kohdemateriaalista. He lopulta perustivat torium "lehmän", josta he voisivat säännöllisesti "maitoa" actinium-225: ta. Elokuussa 1997 he tekivät ensimmäisen aktinium-225-lähetyksen National Cancer Instituteille.

Tällä hetkellä tutkijat ORNL "maito" torium-229 lehmä kuusi-kahdeksan kertaa vuodessa. He käyttävät tekniikkaa, joka erottaa ionit niiden latausten perusteella. Valitettavasti pieni määrä torium-229 rajoittaa kuinka paljon actinium-225 tutkijat voivat tuottaa.

Actinium-225-tutkimuksen nopeuttaminen

Lopulta Tri-Lab-projektiryhmä joutui katsomaan ORNL: n radioaktiivisen lehmän ulkopuolella tuottamaan enemmän tätä valovoimaista ainetta.

"Lupaavin reitti oli käyttänyt suuria energeuttisia kiihdyttimiä luonnollisen toriumin säteilyttämiseksi", sanoi BNL: n lääketieteellisen isotooppitutkimuksen ja tuotantoohjelman johtaja Cathy Cutler.

Vain muutamia kiihdyttimiä maassa luo tarpeeksi energiaa protonipalkkeja tuottamaan actinium-225: ta. BNL: n Linear Accelerator ja LANLin Neutron Science Center ovat kaksi niistä. Vaikka molemmat keskittyvät lähinnä muuhun ydintutkimukseen, ne aiheuttavat paljon ylimääräisiä protoneja isotooppien tuottamiseksi.

Uusi aktinium-225-tuotantoprosessi alkaa torium-tavoite, joka on jääkiekko-kiekon koko. Tutkijat asettavat tavoitteen säteen polulle, joka ampuu protonit noin 40 prosentilla valon nopeudesta. Koska palkkien protonit osuvat toriumytyksiin, ne nostavat atomien protonien ja neutronien energiaa. Protonit ja neutronit, jotka saavat riittävästi liike-energiaa, päästävät toriumatomilta. Lisäksi eräät emäksiset ytimet jakautuivat puoleen. Protonien ja neutronien karkotusprosessi sekä halkaisu muuttavat toriumatomit satoihin eri isotooppeihin - joista aktinium-225 on yksi.

10 päivän protonipommituksen jälkeen tutkijat poistavat tavoitteen. Ne antavat kohteen lepäämään niin, että lyhytaikaiset radioisotoopit voivat hajota ja vähentää radioaktiivisuutta. Sen jälkeen ne poistetaan alkuperäisestä pakkauksestaan, analysoidaan ja pakataan uudelleen pakkaukseen.

Sitten se on pois ORNL. Tutkijat vastaanottavat kohteet erikoissäiliöissä ja siirtävät ne "kuumalle solulle", jonka avulla he voivat työskennellä erittäin radioaktiivisten materiaalien kanssa. He erottavat aktinium-225: n muista materiaaleista käyttäen samanlaista tekniikkaa kuin ne, joita he käyttävät tuottamaan "maitoa" toriumlehmastaan. Ne määräävät, mitkä isotoopit ovat lopputuotteessa mittaamalla isotooppien radioaktiivisuus ja massat.

Koettelemukset ja ahdistelut

Tämän uuden prosessin kuvaaminen ei ollut helppoa.

Ensinnäkin joukkueen oli varmistettava, että kohde tarttuu protonien räjäytykseen. Palkit ovat niin voimakkaita, että ne voivat sulata toriumia, jonka sulamispiste on yli 3 000 astetta F. Tutkijat halusivat myös tehdä mahdollisimman helpoksi erottamaan aktinium-225: n myöhemmin.

"Siellä on paljon työtä, joka menee suunnittelemaan tämä tavoite. Se ei todellakaan ole yksinkertainen tehtävä lainkaan", sanoi Cutler.

Seuraavaksi Tri-Lab-tiimi joutui asettamaan beamlines oikeisiin parametreihin. Energian määrä palkissa määrittää sen tuottavat isotoopit. Mallinntamalla prosessia ja tekemällä kokeilu- ja virhekokeet, he määrittivät asetukset, jotka tuottaisivat mahdollisimman paljon aktinium-225: ta.

Mutta vain aika ja testaus voisivat ratkaista suurimman haasteen. Vaikka aktiniumin lajittelu muidenkin isotooppien keitosta oli vaikeaa, ORNL-tiimi pystyi tekemään sen melko tavanomaisilla kemiallisilla käytännöillä. Mitä he eivät pysty tekemään, on erillään aktinium-225 sen pidemmäisestä vastapuolen actinium-227: sta. Kun joukkue toimittaa lopullisen tuotteen asiakkaille, sillä on noin 0, 3 prosenttia actinium-227: ta. Kun puoliintumisaika on enemmän kuin päiviä, se voi potentiaalisesti pysyä potilaan kehossa ja aiheuttaa vahinkoa huomattavasti kauemmin kuin actinium-225.

Jotta ymmärtäisivät aktinium-227-kontaminaation seuraukset, Tri-Lab-tiimi toimi yhteistyössä lääketieteen tutkijoiden, kuten Dadachovan kanssa, testaamaan lopputuotetta. Sen jälkeen, kun materiaali oli analysoitu puhtauden suhteen ja testattu hiirillä, tutkijat eivät löytäneet merkittäviä eroja ORNL: n ja kiihdytysmenetelmän avulla tuotetun actinium-225: n välillä. Actinium-227: n määrä oli niin vähäinen, että se "ei tee mitään eroa", sanoi Dadachova.

Sen pituinen se?

Tri-Lab-projektiryhmä on ratkaissut monia suurimpia kysymyksiä keskellä uutta prosessin yksityiskohtia. He arvioivat, että he voivat antaa yli 20 kertaa niin paljon actinium-225 lääketieteen tutkijoille kuin he pystyivät alun perin. Nämä tutkijat tutkivat parhaillaan, mitkä annokset maksimoivat tehokkuuden ja minimoivat lääkkeen toksisuuden. Samaan aikaan kansalliset laboratoriot pyrkivät parantamaan tuotannon laajentamista kaupallisen huumeen tarpeelliseen tasoon. He työskentelevät myös koko prosessin tehostamiseksi.

"Ison tarjonta DOE: ltä on välttämätöntä kokeiden laajentamiseksi yhä useammille keskuksille", Scheinberg sanoi. Tri-Lab -projektin aikataulun myötä näyttää siltä, ​​että aktinium-225: n uusi tuotantoprosessi voisi johtaa parempaan potilaaseen pääsemiseen paremmin kuin koskaan aiemmin.

menu
menu