Två radioaktiva isotoper av det metalliska grundämnet scandium, eller Sc, verkar vara idealiska för att visualisera, och sedan förstöra, solida tumörer. En barriär, dock, blockerar deras användning - oförmågan att snabbt producera och rena isotoper i användbara mängder.

University of Alabama i Birmingham, i samarbete med forskare vid University of Wisconsin och Argonne National Laboratory i Illinois, har fått ett anslag från Department of Energy för att lösa denna produktionsspärr för de radioaktiva isotoperna 43-Sc och 47-Sc. 43-Sc har en halveringstid på 3,9 timmar, så var fjärde timme försvinner mer än hälften av radioaktiviteten. Den måste användas i en PET-skanning samma dag som den görs.

43-Sc och 47-Sc är ett eftertraktat "theranostic"-par, säger Suzanne Lapi, Ph.D., direktör för UAB Cyclotron Facility, professor vid UAB-avdelningen för radiologi och ledare för anslaget.

Neologismen "teranostik" kombinerar orden terapi och diagnostik. Både 43-Sc och 47-Sc – om tillgängliga – skulle fästas till en målpeptid för att vägleda dem till en solid tumör för avbildning och för tumörutrotning. 43-Sc skulle tillåta en diagnostisk skanning eftersom den avger positroner som resulterar i gammastrålning som skulle resa ut ur kroppen för detektion och storleksmätning genom en PET-skanning. 47-Sc skulle leverera terapin vid tumören, genom att avge en vävnadsskadande beta-partikel.

Lapi-labbet vid UAB använde UAB-cyklotronen – en nyckelmaskin för utveckling av avancerad cancerdiagnos och behandling vid O'Neal Comprehensive Cancer Center vid UAB – för preliminärt arbete med hur man gör det theranostiska paret.

De fann att protoner, avfyrade från partikelacceleratorn, bildade Sc-isotoper vid användning av titanoxidmål. Shaun Loveless, en doktorand i Lapi-labbet, utvecklade också ett reningsschema - måltitanoxid löstes i syra och ammoniumbifluorid och hälldes genom en jonbytarkolonn för att separera Sc från titan.

Eftersom naturligt titan är en blandning av fem stabila isotoper, dessa preliminära experiment gav inte rena 43-Sc och 47-Sc. Protonbombardement av naturligt titan producerade ytterligare, kontaminerande Sc-isotoper. Nästa steg kommer att använda mål som är enstaka stabila isotoper av titan, inte en blandning.

Forskare vid UAB, Wisconsin och Argonne har planerat en mångsidig produktionsinsats. UAB kommer att använda sin 24 MeV cyklotron för att bestråla titan-46- och titan-50-mål med protoner. Wisconsin kommer att använda sin 16 MeV cyklotron för att bestråla kalciumoxidmål med deuteronpartiklar, gjord av en proton och en neutron. Argonne kommer att bestråla titanmål med gammastrålar.

Alla tre labb kommer att arbeta tillsammans, i liten skala, för att fullända reningen av 43-Sc och 47-Sc från målmaterialen.

Lapi säger att UAB:s inriktningsexpertis och dess kraftfulla cyklotron hjälpte universitetet att konkurrera om $390, 000 forskningsanslag. Hon säger också att alla tre platserna kommer att involvera doktorander i samarbetsutbildning och forskning, som är ett mål för energidepartementet för att förbereda den framtida arbetskraften.

UAB Cyclotron Facility har nationellt erkännande. Den producerar zirkonium-89 och andra isotoper för kliniker och forskare vid institutioner som inkluderar Stanford University, University of California, MD Anderson Center i Houston, University of Pennsylvania, Yale University och Memorial Sloan Kettering Cancer Center i New York.

Också, UAB-cyklotronen var en del av en överraskande, icke-medicinsk grundvetenskaplig upptäckt publicerad i tidskriften Natur det här året. Lapi och Loveless var medförfattare tillsammans med kärnfysiker som arbetade vid Lawrence Livermore National Laboratory i Kalifornien, City University of New York och University of Missouri för att testa förmågan hos en radioaktiv zirkonium-88 isotop – producerad och renad vid UAB – att fånga neutroner.

Resultaten var ögonöppnande.

Zirkonium 88:s förmåga att fånga neutroner var 1 miljon gånger större än det teoretiskt förutspådda värdet, en lucka som kallas "överraskande stor" i studiens titel. "Detta är det näst största termiska neutroninfångningstvärsnittet som någonsin uppmätts, " skrev författarna. "Inget annat tvärsnitt av jämförbar storlek har upptäckts under de senaste 70 åren."