Produktion af radioisotoper til medicinsk billeddannelse og sygdomsbehandling

Før- og efterbillederne er fantastiske:En prostatakræftpatient fyldt med metastatiske tumorer, der forsvinder efter bare tre, stærke behandlinger.

"To patienter gennemgik disse behandlinger, og de blev helbredt, "sagde Cathy Cutler, direktør for Medical Isotope Research and Production Program ved det amerikanske energiministeriums Brookhaven National Laboratory. "Deres kræft var væk.

"Det er det, vi vil gøre - levere dette materiale, så flere patienter kan få denne behandling, " hun sagde.

Materialet er et molekyle mærket med Actinium-225, en radioaktiv isotop. Når designet til specifikt at binde med et protein på overfladen af ​​kræftceller, det radiomærkede molekyle leverer en dødelig, lokaliseret punch-alfapartikler, der dræber kræften med minimal skade på omgivende væv.

Actinium-225 kan kun produceres i de store mængder, der er nødvendige for at understøtte kliniske applikationer på faciliteter, der har højenergipartikelacceleratorer.

"Det er derfor, jeg kom til Brookhaven, "Cutler sagde i en nylig tale, hun holdt for at fremhæve sin gruppes arbejde." Vi kan lave disse alfa -emittere, og det giver virkelig læger en chance for at behandle disse patienter! "

Radiokemi redux

Brookhaven Lab og Department of Energy Isotope Program har en lang historie med at udvikle radioisotoper til brug inden for medicin og andre applikationer. Disse radioaktive former for kemiske elementer kan bruges alene eller knyttet til en række forskellige molekyler til at spore og målrette sygdom.

"Hvis det ikke var for det amerikanske energiministerium og dets isotopudviklingsprogram, Jeg er ikke sikker på, at vi ville have nuklearmedicin, "Sagde Cutler.

Blandt de bemærkelsesværdige Brookhaven Lab -succeser er udviklingen i 1950'erne og 60'erne, henholdsvis, af Technetium-99m generatoren og en radioaktivt mærket form for glucose kendt som ¹⁸ FDG - to radiosporere, der revolutionerede medicinsk billeddannelse.

Som et eksempel, ¹⁸ FDG udsender positroner (positivt ladede fætre til elektroner), der kan afhentes af en positronemissionstomografi (PET) scanner. Fordi hurtigt voksende kræftceller optager glukose hurtigere end sundt væv, læger kan bruge PET og ¹⁸ FDG til at opdage og overvåge sygdommen.

"FDG vendte onkologi om, " sagde Cutler. I stedet for at tage et lægemiddel i flere måneder og lide af toksiske bivirkninger, før man ved, om en behandling virker, "patienter kan scannes for at se på virkningen af ​​behandlingen på tumorer inden for 24 timer, og igen over tid, for at se, om stoffet er effektivt - og også om det holder op med at virke."

Symbiotiske operationer

Mens Tc-99m og ¹⁸ FDG er nu bredt tilgængelige på hospitalsindstillinger og bruges i millioner af scanninger om året, andre isotoper er sværere at lave. De kræver den slags partikelaccelerator med høj energi, du kun kan finde på fysiklaboratorier i verdensklasse.

"Brookhaven er en af ​​få faciliteter i DOE -isotopprogrammet, der kan producere visse kritiske medicinske isotoper, "Sagde Cutler.

Brookhavens lineære accelerator ("linac") var designet til at føre bjælker af energiske protoner til fysikeksperimenter ved Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC), hvor fysikere udforsker egenskaberne af stoffets grundlæggende byggesten og de kræfter, hvorigennem de interagerer. Men fordi linakken producerer protonerne i pulser, Cutler forklarede, den kan levere dem puls-for-puls til forskellige faciliteter. Operatører i Brookhavens Collider-Accelerator-afdeling leverer vekslende impulser til RHIC og Brookhaven Linac Isotope Producer (BLIP).

"Vi driver disse to programmer symbiotisk på samme tid, "Cutler sagde." Vi kombinerer vores ressourcer til at understøtte driften af ​​den lineære accelerator; Det er billigere for begge programmer at dele denne ressource, end det ville koste, hvis vi hver især skulle bruge den alene. "

Tuning og mål

BLIP-operatører retter de præcist kontrollerede stråler af energiske protoner mod små puckformede mål. Protonerne banker subatomære partikler fra målets atomer, omdanne dem til de ønskede radioaktive grundstoffer.

"Vi stabler forskellige mål i rækkefølge for at udnytte strålens reducerede energi, når den forlader et mål og går ind i det næste i rækken, så vi kan producere flere radionuklider på én gang, "Sagde Cutler.

Transformerede mål undergår yderligere kemisk behandling for at give et rent produkt, der kan injiceres i patienter, eller et prækursorkemikalie, der nemt kan omdannes til den ønskede isotop eller sporstof på stedet på et hospital.

"Meget af vores arbejde går ud på at producere disse mål, " sagde Cutler. "Du ville blive chokeret over al den kemi, ingeniørarbejde, og fysik, der går med til at designe en af ​​disse pucker - for at sikre, at den overlever strålens energi og høje strøm, giver dig den isotop, du er interesseret i, med minimale urenheder, og giver dig mulighed for at udføre kemien for at udvinde den isotop effektivt."

Cutler overvågede for nylig installationen af ​​et nyt "stråleraster"-system designet til at maksimere brugen af ​​målmaterialer og øge produktionen af ​​radioisotoper. Med denne opgradering, en række magneter styrer BLIPs energiske partikelstråle for at "male" målet, frem for at deponere al energien på ét sted. Dette skærer ned på opbygningen af ​​målskadelig varme, gør det muligt for operatører at øge strålestrømmen og omdanne mere målmateriale til det ønskede produkt.

Imødekomme stigende efterspørgsel

Det nye raster system og øgede strømmen hjalp med at øge produktionen af ​​et af BLIPs hovedprodukter, Strontium-82, med mere end 50 procent i 2016. Sr-82 har en relativt lang halveringstid, tillader det at blive transporteret til hospitaler i en form, der kan generere et kortvarigt radiospor, Rubidium-82, hvilket i høj grad har forbedret præcisionen af ​​hjertebilleddannelse.

"Rb-82 efterligner kalium, som optages af muskler, herunder hjertet, Cutler forklarede. "Du kan injicere Rubidium i en patient i en PET-scanner og måle optagelsen af ​​Rb-82 i hjertemusklen for præcist at lokalisere områder med nedsat blodgennemstrømning, når hjertet er under stress. Derefter kan kirurger gå ind og blokere den koronararterie for at øge blodgennemstrømningen, før patienten får et hjerteanfald. Hundredtusinder af patienter modtager denne livreddende test på grund af det, vi laver her på Brookhaven. "

BLIP producerer også flere isotoper med forbedrede muligheder for at opdage kræft, herunder metastatiske tumorer, og overvågning af respons på behandlingen.

Men stigende for at imødekomme efterspørgslen efter isotoper, der har potentiale til at helbrede kræft, kan være BLIPs højeste kald - og har været en vigtig driver i Cutlers karriere.

Kører en 80 tons semi-lastbil ind i en svulst

"Vi ønsker at gå ud over billeddannelse til terapi, " hun sagde, noterer sig løftet om at designe molekyler til at levere kræftdræbende stråling med ekstrem præcision.

"Det var her, jeg begyndte som kemiker ved University of Missouri - at designe molekyler, der har de rigtige ladninger, den rigtige størrelse, og de rigtige egenskaber, der bestemmer, hvor de går i kroppen, så vi kan bruge dem til billeddannelse og terapi, "sagde hun." Hvis vi kan målrette mod receptorer, der er overudtrykt på tumorceller, vi kan selektivt forestille disse celler. Og hvis der er nok af disse receptorer udtrykt, vi kan levere radionuklider til disse tumorceller meget selektivt og ødelægge dem. "

Radionuklider, der udsender alfapartikler, er blandt de mest lovende isotoper, fordi alfapartikler leverer meget energi og krydser meget små afstande. Målrettet levering af alfaer ville afsætte meget høje doser - "som at køre en 80-tons lastbil ind i en tumor" - samtidig med at skaden på omgivende sunde celler minimeres, Sagde Cutler.

"Vores problem er ikke, at vi ikke kan helbrede kræft; vi kan ablere kræften. Vores problem er at redde patienten. Toksiciteten af ​​behandlingerne er i mange tilfælde så signifikant, at vi ikke kan få niveauerne til at dræbe kræft uden faktisk at skade patienten. Med alfapartikler, på grund af den korte afstand og høje effekt, de gør det muligt for os at behandle disse patienter med minimale bivirkninger og giver læger mulighed for virkelig at helbrede kræft. "

Gør sagen for en kur

En eksperimentel behandling, som Cutler udviklede ved hjælp af Lutetium-177, mens han stadig var på University of Missouri, fungerede positivt i behandlingen af ​​neuroendokrine tumorer, men kom ikke til en helbredende tilstand. Actinium-225, en af ​​de isotoper, der er vanskeligere at lave, har vist mere løfte - som det fremgår af prostatakræftresultaterne, der blev offentliggjort i 2016 af forskere på University Hospital Heidelberg.

Lige nu, ifølge Cutler, DOE's Oak Ridge National Laboratory (ORNL) laver nok Ac-225 til at behandle omkring 50 patienter hvert år. Men næsten 30 gange så meget er nødvendig for at gennemføre de kliniske forsøg, der kræves for at bevise, at en sådan strategi virker, før den kan flytte fra laboratoriet til lægepraksis.

"Med speederen har vi her på Brookhaven, ekspertisen inden for radiokemi, og erfaring med at producere isotoper til medicinske anvendelser, vi - sammen med partnere på ORNL og DOE's Los Alamos National Laboratory - søger at imødekomme dette uopfyldte behov for at få dette materiale ud til patienter, "Sagde Cutler.