חוקרים גידלו גבישים של תרכובת אקטיניום טהורה, הנראית כאן דרך מיקרוסקופ, כדי להבין כיצד אקטיניום נקשר למולקולות אחרות במוצק. קרדיט: Jen Wacker/Berkeley Lab
מחקר במעבדת ברקלי חשף תובנות חדשות לגבי אקטיניום, מרכיב קריטי לטיפולי סרטן מתפתחים. על ידי בחינת מבנה הגביש שלו, החוקרים ציינו תכונות ייחודיות שיכולות לשפר טיפול אלפא ממוקד, שיטה מבטיחה בטיפול בסרטן.
למרות שהיסוד אקטיניום התגלה לראשונה בתחילת המאה ה-20, לחוקרים עדיין אין הבנה טובה בכימיה של המתכת. הסיבה לכך היא שאקטיניום זמין רק בכמויות קטנות במיוחד ועבודה עם החומר הרדיואקטיבי דורשת מתקנים מיוחדים. עם זאת, כדי לשפר את הטיפולים המתפתחים בסרטן באמצעות אקטניום, החוקרים יצטרכו להבין טוב יותר כיצד היסוד נקשר עם מולקולות אחרות.
ג'ן וואקר מעבדת דגימה של אקטיניום במעבדת ברקלי. קרדיט: מרילין סרג'נט/מעבדת ברקלי
התקדמות בחקר האקטיניום
במחקר חדש שהוביל המעבדה הלאומית של לורנס ברקלי (מעבדת ברקלי) של משרד האנרגיה, גידלו החוקרים גבישים המכילים אקטיניום וחקרו את המבנה האטומי של התרכובת. בעוד שלעתים קרובות אלמנטים מתנהגים באופן דומה לבני דודיהם הבהירים יותר בטבלה המחזורית, החוקרים הופתעו לגלות שהאקטיניום התנהג בצורה שונה ממה שחזו על ידי הסתכלות על מקבילו, לנתנום.
"יש מגוון רחב של יישומים עבור אלמנטים אלה, מאנרגיה גרעינית לרפואה ועד לביטחון לאומי, אבל אם אנחנו לא יודעים איך הם מתנהגים, זה מעכב את ההתקדמות שנוכל לעשות", אמרה ג'ן וואקר, המחבר הראשון של המאמר שפורסם לאחרונה ב תקשורת טבע וכימאי במעבדת ברקלי. "אנחנו רואים שהעבודה הזו נחוצה כדי להבין באמת את המורכבות של היסודות הרדיואקטיביים האלה, מכיוון שבהרבה מקרים השימוש בפונדקאיות שלהם לא מספיק כדי להבין את הכימיה שלהם."
ג'ושוע וודס ואפי פיטרסון מודדים דגימה קטנה של אקטניום. קרדיט: מרילין סרג'נט/מעבדת ברקלי
הפוטנציאל של אקטניום בטיפול בסרטן
תחום עניין אחד הוא בשימוש באיזוטופ של אקטיניום (אקטיניום-225) בשיטת טיפול בסרטן הנקראת טיפול אלפא ממוקד (TAT), אשר הוכיחה הבטחה בניסויים קליניים. שיטת TAT משתמשת במערכות אספקה ביולוגיות כגון פפטידים או נוגדנים כדי להעביר את היסוד הרדיואקטיבי לאתר הסרטן. כאשר האקטיניום מתפרק, הוא משחרר חלקיקים אנרגטיים שעוברים מרחק קצר, הורס את התאים הסרטניים הסמוכים אך חוסך רקמות בריאות רחוקות יותר.
"יש תנועה לתכנן מערכות אספקה טובות יותר כדי להעביר את האקטיניום לתאים מסוימים ולשמור אותו שם", אמרה רבקה אברג'ל, פרופסור חבר להנדסה גרעינית ולכימיה באוניברסיטת ברקלי, שמובילה את קבוצת הכימיה של האלמנטים הכבדים במעבדת ברקלי. "אם נוכל להנדס חלבונים לקשור את האקטיניום עם זיקה ממש גבוהה, או להתמזג עם נוגדן או לשמש כחלבון המיקוד, זה באמת יאפשר דרכים חדשות לפתח תרופות רדיו-פרמצבטיות."
עיבוד זה מראה את המבנה של האופן שבו אקטניום (מגנטה) נקשר למולקולות אחרות. משולשים אדומים מציינים כיצד הסידור שונה מהמקבילה הבהירה יותר של האקטיניום, לנתנום (אפור). מבנה המקל של מולקולת המקשר (הליגנד) מוקף בכיסים בחלבון. קרדיט: Jen Wacker/Berkeley Lab
טכניקות חדשניות ללימוד אקטיניום
חוקרים השתמשו בגישה חדשנית לגידול הגבישים תוך שימוש ב-5 מיקרוגרם בלבד של אקטיניום טהור – בערך עשירית ממשקלו של גרגר מלח, ובלתי נראה לעין בלתי מזוינת. תחילה הם טיהרו את האקטיניום באמצעות תהליך סינון מורכב שהסיר יסודות אחרים וזיהומים כימיים. לאחר מכן הם קשרו את האקטיניום למולקולה לוכדת מתכת הנקראת ליגנד ועטפו את הצרור בתוך חלבון שבודד ומטוהר על ידי הצוות של רולנד סטרונג במרכז הסרטן של פרד האצ'ינסון, ובנה "פיגום מקרומולקולרי".
הגבישים, שגדלו במשך שבוע בתוך מעבדת המחקר לאלמנטים כבדים, עברו קריאו-קירור בחנקן נוזלי והוארו בקרני רנטגן במקור האור המתקדם של מעבדת ברקלי (ALS). צילומי הרנטגן חשפו את המבנה התלת-ממדי של התרכובת והראו כיצד אקטניום קיים אינטראקציה עם האטומים שמסביב. זהו מבנה הרנטגן החד-גבישי הראשון שדווח על אקטניום
"עבדתי בקריסטלוגרפיה כבר 40 שנה וראיתי הרבה דברים, והשיטה שהצוות משתמש בה היא ייחודית ומספקת פרטים שלא הצלחנו לקבל בעבר", אמר מארק אליר, מדען ב-Berkeley Lab's Molecular חטיבת ביו-פיזיקה וביו-הדמיה משולבת וראש צוות מרכז ברקלי לביולוגיה מבנית ב-ALS. "למיטב ידיעתי, מעבדת ברקלי היא המקום היחיד בעולם שבו אנו עושים מחקר מסוג זה ומודדים גבישי חלבון רדיואקטיביים."
(משמאל לימין) אנתוני רוזלס, ג'ושוע וודס, ג'ן וואקר ומארק אלאיר בקו קרן 5.0.2 במקור האור המתקדם. קרדיט: מרילין סרג'נט/מעבדת ברקלי
כיוונים עתידיים בחקר האקטיניום
בעבודה זו, מדענים השתמשו באקטיניום-227, האיזוטופ הארוך ביותר של היסוד. מחקרים עתידיים יחקרו את האקטיניום-225 (האיזוטופ המועדף לטיפול אלפא ממוקד) כדי לחפש שינויים אחרים באופן שבו המתכת נקשרת. חוקרים מעוניינים גם בשיוך אקטיניום לחלבונים שונים כדי ללמוד עוד על המבנים שהוא יוצר.
"זהו מדע בסיסי מאוד שהוא חלק מתוכנית הליבה שלנו בהבנת הכימיה של יסודות כבדים", אמר אברג'יל. "השגנו שיטה ניסויית קשה מאוד מבחינה טכנית שדוחפת את גבולות הכימיה של האיזוטופים ומאפשרת לנו להבין טוב יותר את היסוד הזה. אני מקווה שזה יאפשר לנו ולאחרים לפתח מערכות טובות יותר שמועילות לטיפול אלפא ממוקד".
