Dentro de um estreito tubo de vidro está uma substância que pode prejudicar ou curar, dependendo de como você o usa. Emite um leve brilho azul, um sinal de sua radioatividade. Embora a energia e as partículas subatômicas que ele emite possam danificar as células humanas, eles também podem matar alguns de nossos cânceres mais teimosos. Esta substância é o actínio-225.

Felizmente, os cientistas descobriram como aproveitar o poder do actinium-225 para o bem. Eles podem anexá-lo a moléculas que podem se alojar apenas nas células cancerosas. Em ensaios clínicos que tratam de pacientes com câncer de próstata em estágio avançado, actinium-225 eliminou o câncer em três tratamentos.

"Não há impacto residual do câncer de próstata. É notável, "disse Kevin John, um pesquisador do Laboratório Nacional de Los Alamos (LANL) do Departamento de Energia (DOE). Actinium-225 e tratamentos derivados dele também foram usados ​​em ensaios iniciais para leucemia, melanoma, e glioma.

Mas algo impedia a expansão desse tratamento.

Por décadas, um lugar no mundo produziu a maior parte do actínio-225:o Oak Ridge National Laboratory (ORNL) do DOE. Mesmo com duas outras instalações internacionais contribuindo com valores menores, todos os três combinados podem apenas criar actínio-225 suficiente para tratar menos de 100 pacientes anualmente. Isso não é o suficiente para realizar qualquer coisa, mas o mais preliminar dos ensaios clínicos.

Para cumprir sua missão de produzir isótopos em falta, o Programa de Isótopos do DOE Office of Science está liderando os esforços para encontrar novas maneiras de produzir actinium-225. Por meio do esforço de pesquisa Tri-Lab do programa de isótopos DOE para fornecer 225Ac produzido por acelerador para projeto de radioterapia, ORNL, LANL, e o Brookhaven National Laboratory (BNL) do DOE desenvolveram um novo processo extremamente promissor para a produção deste isótopo.

Construindo em um Legado da Era Atômica

A produção de isótopos para pesquisas médicas e outras não é nenhuma novidade para o DOE. As origens do Programa de Isótopos remontam a 1946, como parte do esforço do presidente Truman para desenvolver aplicações pacíficas da energia atômica. Desde então, a Comissão de Energia Atômica (predecessora do DOE) e o DOE têm fabricado isótopos para pesquisas e usos industriais. Os desafios únicos que vêm com a produção de isótopos tornam o DOE bem adequado para essa tarefa.

Isótopos são formas diferentes dos elementos atômicos padrão. Embora todas as formas de um elemento tenham o mesmo número de prótons, os isótopos variam em seu número de nêutrons. Alguns isótopos são estáveis, mas a maioria não. Os isótopos instáveis ​​estão em constante deterioração, emitindo partículas subatômicas como radioatividade. À medida que liberam partículas, os isótopos se transformam em isótopos diferentes ou mesmo em elementos diferentes. A complexidade da produção e do manuseio desses isótopos radioativos requer conhecimentos e equipamentos especializados.

O Programa de Isótopos DOE se concentra na fabricação e distribuição de isótopos que estão em falta e alta demanda, manter a infraestrutura para isso, e conduzir pesquisas para produzir isótopos. Ela fabrica isótopos que empresas privadas não estão disponibilizando comercialmente.

Um excepcional lutador contra o câncer

A produção de actinium-225 traz a experiência dos laboratórios nacionais para um novo reino.

O Actinium-225 é muito promissor porque é um emissor alfa. Emissores alfa descarregam partículas alfa, que são dois prótons e dois nêutrons unidos. À medida que as partículas alfa deixam um átomo, eles depositam energia ao longo de seu caminho curto. Essa energia é tão alta que pode quebrar ligações no DNA. Este dano pode destruir a capacidade das células cancerosas de se reparar e se multiplicar, até mesmo matando tumores.

"Emissores alfa podem funcionar em casos onde nada mais funciona, "disse Ekaterina (Kate) Dadachova, um pesquisador da Faculdade de Farmácia e Nutrição da Universidade de Saskatchewan que testou o actínio-225 produzido pelo DOE.

Contudo, sem uma maneira de atingir as células cancerosas, emissores alfa seriam igualmente prejudiciais às células saudáveis. Os cientistas anexam emissores alfa a uma proteína ou anticorpo que corresponde exatamente aos receptores nas células cancerosas, como colocar uma fechadura em uma chave. Como resultado, o emissor alfa apenas se acumula nas células cancerosas, onde ele emite suas partículas destrutivas em uma distância muito curta.

"Se a molécula for projetada corretamente e for para o próprio alvo, você mata apenas as células que estão ao redor da célula-alvo. Você não mata as células que são saudáveis, "disse Saed Mirzadeh, um pesquisador ORNL que começou o esforço inicial para produzir actinium-225 em ORNL.

O Actinium-225 é único entre os emissores alfa porque tem meia-vida de apenas 10 dias. (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. Ao mesmo 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. Em 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. Na década de 1960, 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. Em 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.

Atualmente, 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. Infelizmente, the small amount of thorium-229 limits how much actinium-225 scientists can produce.

Accelerating Actinium-225 Research

Em última análise, 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. Além disso, 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.

Primeiro, 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.

Próximo, 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. Ao mesmo 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.