All'interno di uno stretto tubo di vetro si trova una sostanza che può danneggiare o curare, a seconda di come lo usi. Emana un debole bagliore blu, un segno della sua radioattività. Mentre l'energia e le particelle subatomiche che emette possono danneggiare le cellule umane, possono anche uccidere alcuni dei nostri tumori più ostinati. Questa sostanza è attinio-225.

Fortunatamente, gli scienziati hanno scoperto come sfruttare il potere dell'attinio-225 per sempre. Possono attaccarlo a molecole che possono insediarsi solo sulle cellule cancerose. Negli studi clinici sul trattamento di pazienti con cancro alla prostata in fase avanzata, actinium-225 ha spazzato via il cancro in tre trattamenti.

"Non c'è alcun impatto residuo del cancro alla prostata. È notevole, "ha detto Kevin John, un ricercatore presso il Los Alamos National Laboratory (LANL) del Dipartimento di Energia (DOE). L'attinio-225 e i trattamenti da esso derivati ​​sono stati utilizzati anche nei primi studi per la leucemia, melanoma, e glioma.

Ma qualcosa ostacolava l'ampliamento di questo trattamento.

Per decenni, un posto al mondo ha prodotto la maggior parte dell'attinio-225:l'Oak Ridge National Laboratory (ORNL) del DOE. Anche con altre due strutture internazionali che contribuiscono con importi inferiori, tutti e tre insieme possono creare solo abbastanza attinio-225 per trattare meno di 100 pazienti all'anno. Non è sufficiente per eseguire nient'altro che il più preliminare degli studi clinici.

Per compiere la sua missione di produrre isotopi che scarseggiano, il programma Isotope del DOE Office of Science sta conducendo gli sforzi per trovare nuovi modi per produrre actinium-225. Attraverso lo sforzo di ricerca Tri-Lab del programma DOE Isotope per fornire 225Ac prodotto da acceleratori per il progetto di radioterapia, ORNL, LANL, e il Brookhaven National Laboratory (BNL) del DOE hanno sviluppato un nuovo processo estremamente promettente per la produzione di questo isotopo.

Costruire su un'eredità dell'era atomica

La produzione di isotopi per la ricerca medica e di altro tipo non è una novità per il DOE. Le origini del Programma Isotopi risalgono al 1946, come parte dello sforzo del presidente Truman per sviluppare applicazioni pacifiche dell'energia atomica. Da allora, la Commissione per l'energia atomica (il predecessore del DOE) e il DOE hanno prodotto isotopi per la ricerca e per usi industriali. Le sfide uniche che derivano dalla produzione di isotopi rendono il DOE adatto a questo compito.

Gli isotopi sono diverse forme degli elementi atomici standard. Mentre tutte le forme di un elemento hanno lo stesso numero di protoni, gli isotopi variano nel loro numero di neutroni. Alcuni isotopi sono stabili, ma la maggior parte no. Gli isotopi instabili sono in costante decomposizione, emettendo particelle subatomiche come radioattività. Quando rilasciano particelle, gli isotopi si trasformano in diversi isotopi o addirittura in elementi diversi. La complessità della produzione e della manipolazione di questi isotopi radioattivi richiede esperienza e attrezzature speciali.

Il programma DOE Isotope si concentra sulla produzione e distribuzione di isotopi che scarseggiano e sono molto richiesti, mantenere l'infrastruttura per farlo, e condurre ricerche per produrre isotopi. Produce isotopi che le aziende private non rendono disponibili in commercio.

Un eccezionale combattente contro il cancro

La produzione di actinium-225 porta le competenze dei laboratori nazionali in un nuovo regno.

Actinium-225 ha una tale promessa perché è un emettitore alfa. Gli emettitori alfa scaricano particelle alfa, che sono due protoni e due neutroni legati insieme. Quando le particelle alfa lasciano un atomo, depositano energia lungo il loro breve percorso. Questa energia è così alta che può rompere i legami nel DNA. Questo danno può distruggere la capacità delle cellule tumorali di ripararsi e moltiplicarsi, persino uccidendo i tumori.

"Gli emettitori alfa possono funzionare nei casi in cui nient'altro funziona, " disse Ekaterina (Kate) Dadachova, un ricercatore presso l'Università del Saskatchewan College of Pharmacy and Nutrition che ha testato l'attinio-225 prodotto dal DOE.

Però, senza un modo per colpire le cellule tumorali, gli emettitori alfa sarebbero altrettanto dannosi per le cellule sane. Gli scienziati collegano gli emettitori alfa a una proteina o a un anticorpo che corrisponde esattamente ai recettori sulle cellule tumorali, come inserire una serratura in una chiave. Di conseguenza, l'emettitore alfa si accumula solo sulle cellule tumorali, dove emette le sue particelle distruttive a brevissima distanza.

"Se la molecola è progettata correttamente e va al bersaglio stesso, uccidi solo le cellule che si trovano intorno alla cellula bersaglio. Non uccidi le cellule sane, " disse Saed Mirzadeh, un ricercatore ORNL che ha iniziato lo sforzo iniziale per produrre attinio-225 presso ORNL.

L'attinio-225 è unico tra gli emettitori alfa perché ha solo un'emivita di 10 giorni. (An isotope's half-life is the amount of time it takes to decay to half of its original amount.) In fewer than two weeks, half of its atoms have turned into different isotopes. Neither too long nor too short, 10 days is just right for some cancer treatments. The relatively short half-life limits how much it accumulates in people's bodies. Allo stesso tempo, it gives doctors enough time to prepare, administer, and wait for the drug to reach the cancer cells in patients' bodies before it acts.

Repurposing Isotopes for Medicine

While it took decades for medical researchers to figure out the chemistry of targeting cancer with actinium-225, the supply itself now holds research back. Nel 2013, the federal Food and Drug Administration (FDA) approved the first drug based on alpha emitters. If the FDA approves multiple drugs based on actinium-225 and its daughter isotope, bismuth-213, demand for actinium-225 could rise to more than 50, 000 millicuries (mCi, a unit of measurement for radioactive isotopes) a year. The current process can only create two to four percent of that amount annually.

"Having a short supply means that much less science gets done, " said David Scheinberg, a Sloan Kettering Institute researcher who is also an inventor of technology related to the use of actinium-225. (This technology has been licensed by the Sloan Kettering Institute at the Memorial Sloan Kettering Cancer Center to Actinium Pharmaceuticals, for which Scheinberg is a consultant.)

Part of this scarcity is because actinium is remarkably rare. Actinium-225 does not occur naturally at all.

Scientists only know about actinium-225's exceptional properties because of a quirk of history. Negli anni Sessanta, scientists at the DOE's Hanford Site produced uranium-233 as a fuel for nuclear weapons and reactors. They shipped some of the uranium-233 production targets to ORNL for processing. Those targets also contained thorium-229, which decays into actinium-225. Nel 1994, a team from ORNL led by Mirzadeh started extracting thorium-229 from the target material. They eventually established a thorium "cow, " from which they could regularly "milk" actinium-225. In August 1997, they made their first shipment of actinium-225 to the National Cancer Institute.

Attualmente, scientists at ORNL "milk" the thorium-229 cow six to eight times a year. They use a technique that separates out ions based on their charges. Sfortunatamente, the small amount of thorium-229 limits how much actinium-225 scientists can produce.

Accelerating Actinium-225 Research

In definitiva, the Tri-Lab project team needed to look beyond ORNL's radioactive cow to produce more of this luminous substance.

"The route that looked the most promising was using high-energy accelerators to irradiate natural thorium, " said Cathy Cutler, the director of BNL's medical isotope research and production program.

Only a few accelerators in the country create high enough energy proton beams to generate actinium-225. BNL's Linear Accelerator and LANL's Neutron Science Center are two of them. While both mainly focus on other nuclear research, they create plenty of excess protons for producing isotopes.

The new actinium-225 production process starts with a target made of thorium that's the size of a hockey puck. Scientists place the target in the path of their beam, which shoots protons at about 40 percent the speed of light. As the protons from the beam hit thorium nuclei, they raise the energy of the protons and neutrons in the nuclei. The protons and neutrons that gain enough kinetic energy escape the thorium atom. Inoltre, some of the excited nuclei split in half. The process of expelling protons and neutrons as well as splitting transforms the thorium atoms into hundreds of different isotopes – of which actinium-225 is one.

After 10 days of proton bombardment, scientists remove the target. They let the target rest so that the short-lived radioisotopes can decay, reducing radioactivity. They then remove it from its initial packaging, analyze it, and repackage it for shipping.

Then it's off to ORNL. Scientists there receive the targets in special containers and transfer them to a "hot cell" that allows them to work with highly radioactive materials. They separate actinium-225 from the other materials using a similar technique to the one they use to produce "milk" from their thorium cow. They determine which isotopes are in the final product by measuring the isotopes' radioactivity and masses.

Trials and Tribulations

Figuring out this new process was far from easy.

Primo, the team had to ensure the target would hold up under the barrage of protons. The beams are so strong they can melt thorium – which has a melting point above 3, 000 degrees F. Scientists also wanted to make it as easy as possible to separate the actinium-225 from the target later on.

"There's a lot of work that goes into designing that target. It's really not a simple task at all, " said Cutler.

Prossimo, the Tri-Lab team needed to set the beamlines to the right parameters. The amount of energy in the beam determines which isotopes it produces. By modeling the process and then conducting trial-and-error tests, they determined settings that would produce as much actinium-225 as possible.

But only time and testing could resolve the biggest challenge. While sorting actinium out from the soup of other isotopes was difficult, the ORNL team could do it using fairly standard chemical practices. What they can't do is separate out the actinium-225 from its longer-lived counterpart actinium-227. When the team ships the final product to customers, it has about 0.3 percent actinium-227. With a half-life of years rather than days, it could potentially remain in patients' bodies and cause damage for far longer than actinium-225 does.

To understand the consequences of the actinium-227 contamination, the Tri-Lab team collaborated with medical researchers, including Dadachova, to test the final product. After analyzing the material for purity and testing it on mice, the researchers found no significant differences between the actinium-225 produced using the ORNL and the accelerator method. The amount of actinium-227 was so miniscule that it "doesn't make any difference, " said Dadachova.

Happily Ever After?

Having resolved many of the biggest issues, the Tri-Lab project team is in the midst of working out the new process's details. They estimate they can provide more than 20 times as much actinium-225 to medical researchers as they were able to originally. Those researchers are now investigating what dosages would maximize effectiveness while minimizing the drug's toxicity. Allo stesso tempo, the national labs are pursuing upgrades to expand production to the level needed for a commercial drug. They're also working to make the entire process more efficient.

"Having a larger supply from the DOE is essential to expanding the trials to more and more centers, " said Scheinberg. With the Tri-Lab project ahead of schedule, it appears that the new production process for actinium-225 could lead to a better ending for more patients than ever before.