研究人员培养了纯锕化合物的晶体，这是通过显微镜看到的，以了解锕是如何与固体中的其他分子结合的。来源:Jen Wacker/伯克利实验室

　　伯克利实验室的一项研究揭示了锕的新见解，锕是一种对新兴癌症治疗至关重要的元素。通过检查其晶体结构，研究人员注意到其独特的特性可以增强靶向α疗法，这是一种很有前途的癌症治疗方法。

　　虽然锕元素是在20世纪之交首次发现的，但研究人员仍然没有很好地掌握这种金属的化学性质。这是因为锕的数量非常少，处理这种放射性物质需要特殊的设备。然而，为了改进使用锕的新兴癌症治疗方法，研究人员需要更好地了解元素是如何与其他分子结合的。

　　珍·瓦克在伯克利实验室处理锕的样品。图片来源:Marilyn Sargent/伯克利实验室

　　锕的研究进展

　　在美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)领导的一项新研究中，研究人员培育了含有锕的晶体，并研究了这种化合物的原子结构。虽然元素的行为通常与元素周期表上较轻的表亲相似，但研究人员惊讶地发现，锕的行为与通过观察其对应元素镧所预测的不同。

　　“这些元素的应用范围很广，从核能到医学再到国家安全，但如果我们不知道它们的行为方式，就会阻碍我们取得的进展，”伯克利实验室化学家、《自然通讯》(Nature Communications)上最近发表的论文的第一作者珍·瓦克(Jen Wacker)说。“我们看到，这项工作对于真正了解这些放射性元素的复杂性是必要的，因为在很多情况下，使用它们的替代品不足以了解它们的化学性质。”

　　乔舒亚·伍兹和阿皮·彼得森测量了一小块锕样本。图片来源:Marilyn Sargent/伯克利实验室

　　锕在癌症治疗中的潜力

　　人们感兴趣的一个领域是在一种被称为靶向α疗法(TAT)的癌症治疗方法中使用锕的同位素(锕-225)，这种方法在临床试验中显示出了希望。TAT方法使用生物传递系统，如肽或抗体，将放射性元素移动到癌症部位。当锕衰变时，它会释放出高能粒子，这些粒子会传播很短的距离，摧毁附近的癌细胞，但不会伤害更远的健康组织。

　　加州大学伯克利分校核工程和化学副教授、伯克利实验室重元素化学小组的负责人丽贝卡·阿伯格尔(Rebecca Abergel)说:“有一种运动是设计更好的输送系统，将锕输送到特定的细胞并保持在那里。”“如果我们能设计出一种蛋白质，使锕具有非常高的亲和力，要么与抗体融合，要么作为靶蛋白，这将真正为开发放射性药物提供新的途径。”

　　这张渲染图显示了锕(洋红色)与其他分子结合的结构。红色三角形指出其排列方式与锕的浅色对应物镧(灰色)的不同之处。结合分子(配体)的棒状结构被蛋白质中的小袋包围。来源:Jen Wacker/伯克利实验室

　　锕研究的创新技术

　　研究人员使用了一种新颖的方法来培养晶体，只使用了5微克的纯锕——大约是一粒盐的十分之一，肉眼是看不见的。他们首先通过去除其他元素和化学杂质的复杂过滤过程纯化锕。然后，他们将锕与一种称为配体的金属捕获分子结合，并将其包裹在一种蛋白质中，这种蛋白质是由弗雷德哈钦森癌症中心的罗兰·斯特朗团队分离和纯化的，从而构建了一个“大分子支架”。

　　这些晶体在重元素研究实验室中生长了一个多星期，然后在液氮中冷冻，并在伯克利实验室的先进光源(ALS)中用x射线照射。x射线揭示了该化合物的三维结构，并显示了锕与周围原子的相互作用。这是报道的第一个锕单晶x射线结构

　　“我在晶体学领域工作了40年，见过很多东西，这个团队使用的方法是独一无二的，提供了我们过去无法获得的细节，”伯克利实验室分子生物物理学和综合生物成像部门的科学家、ALS伯克利结构生物学中心团队负责人马克·阿莱尔说。“据我所知，伯克利实验室是世界上唯一一个我们进行这种研究和测量放射性蛋白质晶体的地方。”

　　(从左至右)Anthony Rozales, Joshua Woods, Jen Wacker和Marc Allaire在先进光源的光束线5.0.2处。图片来源:Marilyn Sargent/伯克利实验室

　　锕研究的未来方向

　　在这项研究中，科学家们使用了锕-227，这是元素中寿命最长的同位素。未来的研究将探索锕-225(靶向α治疗的首选同位素)，以寻找金属结合方式的其他变化。研究人员也对锕与不同的蛋白质配对感兴趣，以了解更多关于它形成的结构。

　　阿伯格尔说:“这是非常基础的科学，是我们理解重元素化学的核心项目的一部分。”“我们已经实现了一种技术上非常困难的实验方法，突破了同位素化学的界限，让我们更好地了解了这种元素。希望这将使我们和其他人能够开发出更好的系统，用于靶向α治疗。”

　　参考文献:“大分子支架中的锕螯合和结晶”，作者:Jennifer N. Wacker, Joshua J. Woods, Peter B. Rupert, Appie Peterson, Marc Allaire, Wayne W. Lukens, Alyssa N. Gaiser, Stefan G. Minasian, Roland K. Strong和Rebecca J. Abergel, 2024年7月15日，Nature Communications。DOI: 10.1038 / s41467 - 024 - 50017 - 5