Bilderna före och efter är fantastiska:En prostatacancerpatient är full av metastatiska tumörer som försvinner efter bara tre, kraftfulla behandlingar.

"Två patienter genomgick dessa behandlingar och de botades, "sa Cathy Cutler, chef för Medical Isotope Research and Production Program vid U.S. Department of Energy's Brookhaven National Laboratory. "Deras cancer var borta.

"Detta är vad vi vill göra - leverera detta material så att fler patienter kan få denna behandling, " Hon sa.

Materialet är en molekyl märkt med Actinium-225, en radioaktiv isotop. När den är utformad för att specifikt binda med ett protein på ytan av cancerceller, den radiomärkta molekylen ger en dödlig, lokaliserad stans - alfapartiklar som dödar cancern med minimal skada på omgivande vävnader.

Actinium-225 kan endast produceras i de stora mängder som behövs för att stödja kliniska tillämpningar vid anläggningar som har partikelacceleratorer med hög energi.

"Det är därför jag kom till Brookhaven, "Cutler sa i ett föredrag som hon nyligen höll för att lyfta fram gruppens arbete." Vi kan göra dessa alfasändare och det ger verkligen läkare en chans att behandla dessa patienter! "

Radiokemi redux

Brookhaven Lab och Department of Energy Isotope Program har en lång historia av att utveckla radioisotoper för användning inom medicin och andra applikationer. Dessa radioaktiva former av kemiska grundämnen kan användas ensamma eller anslutna till en mängd olika molekyler för att spåra och rikta sjukdomar.

"Om det inte var för US Department of Energy och dess isotoputvecklingsprogram, Jag är inte säker på att vi skulle ha kärnmedicin, "Sa Cutler.

Bland de anmärkningsvärda Brookhaven Lab -framgångarna finns utvecklingen på 1950- och 60 -talen, respektive, av Technetium-99m-generatorn och en radioaktivt märkt form av glukos som kallas ¹⁸ FDG - två radiospårare som revolutionerade medicinsk bildbehandling.

Som ett exempel, ¹⁸ FDG avger positroner (positivt laddade kusiner till elektroner) som kan tas upp av en positronemissionstomografi (PET) -skanner. Eftersom snabbt växande cancerceller tar upp glukos snabbare än frisk vävnad, läkare kan använda PET och ¹⁸ FDG för att upptäcka och övervaka sjukdomen.

"FDG vände om onkologi, "Sa Cutler. Istället för att ta ett läkemedel i flera månader och drabbas av toxiska biverkningar innan man vet om en behandling fungerar, "patienter kan skannas för att titta på behandlingens inverkan på tumörer inom 24 timmar, och igen med tiden, för att se om läkemedlet är effektivt - och även om det slutar fungera. "

Symbiotiska operationer

Medan Tc-99m och ¹⁸ FDG är nu allmänt tillgängligt på sjukhus och används i miljontals skanningar om året, andra isotoper är svårare att göra. De kräver den typ av högenergipartikelaccelerator som du bara kan hitta på fysiklaboratorier i världsklass.

"Brookhaven är en av bara några få anläggningar i DOE -isotopprogrammet som kan producera vissa kritiska medicinska isotoper, "Sa Cutler.

Brookhavens linjära accelerator ("linac") var utformad för att mata strålar av energiska protoner till fysikförsök vid Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC), där fysiker utforskar egenskaperna hos materiens grundläggande byggstenar och de krafter genom vilka de interagerar. Men eftersom linac producerar protonerna i pulser, Cutler förklarade, det kan leverera dem puls-för-puls till olika anläggningar. Operatörer i Brookhavens Collider-Accelerator-avdelning levererar alternerande pulser till RHIC och Brookhaven Linac Isotope Producer (BLIP).

"Vi driver dessa två program symbiotiskt samtidigt, "Sa Cutler." Vi kombinerar våra resurser för att stödja driften av den linjära acceleratorn; Det är billigare för båda programmen att dela denna resurs än vad det skulle kosta om vi var och en måste använda den ensam. "

Tuning och mål

BLIP-operatörer riktar de exakt kontrollerade strålarna av energiska protoner mot små puckformade mål. Protonerna slår subatomära partiklar från målets atomer, förvandla dem till de önskade radioaktiva elementen.

"Vi staplar olika mål i följd för att utnyttja strålens reducerade energi när den lämnar ett mål och går in i nästa i raden, så att vi kan producera flera radionuklider samtidigt, "Sa Cutler.

Transformerade mål genomgår ytterligare kemisk bearbetning för att ge en ren produkt som kan injiceras i patienter, eller en prekursorkemikalie som enkelt kan omvandlas till önskad isotop eller spårämne på plats på ett sjukhus.

"Mycket av vårt arbete går ut på att ta fram dessa mål, "Cutler sa." Du skulle bli chockad över all kemi, teknik, och fysik som går ut på att designa en av dessa puckar - för att se till att den överlever strålens energi och höga ström, ger dig den isotop du är intresserad av med minimala föroreningar, och låter dig göra kemin för att extrahera den isotopen effektivt. "

Cutler övervakade nyligen installationen av ett nytt "beam raster" -system som är utformat för att maximera användningen av målmaterial och öka produktionen av radioisotoper. Med denna uppgradering, en serie magneter styr BLIP:s energiska partikelstråle för att "måla" målet, snarare än att lägga all energi på en plats. Detta minskar uppbyggnaden av målskadlig värme, tillåter operatörer att öka strålströmmen och omvandla mer målmaterial till önskad produkt.

Möter ökande efterfrågan

Det nya rastersystemet och ökade strömmen bidrog till att öka produktionen av en av BLIPs huvudprodukter, Strontium-82, med mer än 50 procent 2016. Sr-82 har en relativt lång halveringstid, låta den transporteras till sjukhus i en form som kan generera en kortlivad radiospårare, Rubidium-82, vilket avsevärt har förbättrat precisionen för hjärtavbildning.

"Rb-82 härmar kalium, som tas upp av muskler, inklusive hjärtat, "Cutler förklarade." Du kan injicera Rubidium i en patient i en PET-skanner och mäta upptaget av Rb-82 i hjärtmuskeln för att exakt identifiera områden med minskat blodflöde när hjärtat är under stress. Då kan kirurger gå in och avblockera kranskärlen för att öka blodflödet innan patienten får en hjärtinfarkt. Hundratusentals patienter får detta livräddande test på grund av vad vi gör här på Brookhaven. "

BLIP producerar också flera isotoper med förbättrade möjligheter för att upptäcka cancer, inklusive metastatiska tumörer, och övervakning av respons på behandlingen.

Men att stiga för att möta efterfrågan på isotoper som har potential att bota cancer kan vara BLIPs högsta kall - och har varit en viktig drivkraft i Cutlers karriär.

Kör en 80-ton halvbil in i en tumör

"Vi vill gå bortom bildbehandling till terapi, " Hon sa, noterar löftet att designa molekyler för att leverera cancer-dödande strålning med extrem precision.

"Det var här jag började som kemist vid University of Missouri - designa molekyler som har rätt laddning, rätt storlek, och de rätta egenskaperna som avgör var de går i kroppen så att vi kan använda dem för bildbehandling och terapi, "sa hon." Om vi ​​kan rikta in receptorer som är överuttryckta på tumörceller, vi kan selektivt avbilda dessa celler. Och om det finns tillräckligt med dessa receptorer uttryckta, vi kan leverera radionuklider till dessa tumörceller mycket selektivt och förstöra dem. "

Radionuklider som avger alfapartiklar är bland de mest lovande isotoperna eftersom alfapartiklar levererar mycket energi och passerar mycket små avstånd. Riktad leverans av alfa skulle sätta in mycket höga doser-"som att köra in en 80-ton halvbil i en tumör"-samtidigt som skador på omgivande friska celler minimeras, Sa Cutler.

"Vårt problem är inte att vi inte kan bota cancer; vi kan avlägsna cancern. Vårt problem är att rädda patienten. Behandlingarnas toxicitet är i många fall så stor att vi inte kan få in nivåerna för att döda cancer utan att faktiskt skada patienten. Med alfapartiklar, på grund av den korta sträckan och den stora påverkan, de gör det möjligt för oss att behandla dessa patienter med minimala biverkningar och ger läkare möjlighet att verkligen bota cancer. "

Att göra fallet för ett botemedel

En experimentell behandling Cutler utvecklad med Lutetium-177 medan han fortfarande var vid University of Missouri arbetade positivt med behandling av neuroendokrina tumörer, men kom inte till botemedelstillstånd. Actinium-225, en av de isotoper som är svårare att göra, har visat mer löfte - vilket framgår av resultaten av prostatacancer publicerade 2016 av forskare vid University Hospital Heidelberg.

Just nu, enligt Cutler, DOE:s Oak Ridge National Laboratory (ORNL) gör tillräckligt med Ac-225 för att behandla cirka 50 patienter varje år. Men nästan 30 gånger så mycket behövs för att genomföra de kliniska prövningarna som krävs för att bevisa att en sådan strategi fungerar innan den kan flytta från laboratoriet till medicinsk praxis.

"Med gaspedalen har vi här på Brookhaven, expertis inom radiokemi, och erfarenhet av att producera isotoper för medicinska tillämpningar, vi - tillsammans med partners vid ORNL och DOE:s Los Alamos National Laboratory - vill möta detta otillfredsställande behov av att få ut detta material till patienter, "Sa Cutler.