125 lat po odkryciu chemia aktynu wciąż wprawia naukowców w zakłopotanie

Badanie przeprowadzone w Berkeley Lab ujawniło nowe informacje na temat aktynu, pierwiastka kluczowego w nowych metodach leczenia raka. Badając jego strukturę krystaliczną, naukowcy zauważyli wyjątkowe właściwości, które mogą ulepszyć ukierunkowaną terapię alfa, obiecującą metodę leczenia raka.

Chociaż pierwiastek aktyn odkryto po raz pierwszy na przełomie XIX i XX wieku, badacze nadal nie mają dobrej wiedzy na temat chemii tego metalu. Dzieje się tak dlatego, że aktyn jest dostępny tylko w bardzo małych ilościach, a praca z materiałem radioaktywnym wymaga specjalnych urządzeń. Aby jednak ulepszyć nowe metody leczenia raka przy użyciu aktynu, badacze będą musieli lepiej zrozumieć, w jaki sposób pierwiastek wiąże się z innymi cząsteczkami.

Postępy w badaniach nad aktynem

W nowym badaniu przeprowadzonym przez Narodowe Laboratorium Lawrence Berkeley Departamentu Energii (Berkeley Lab) badacze wyhodowali kryształy zawierające aktyn i zbadali strukturę atomową związku. Chociaż pierwiastki często zachowują się podobnie do swoich lżejszych kuzynów w układzie okresowym, badacze ze zdziwieniem odkryli, że aktyn zachowuje się inaczej, niż przewidywano, patrząc na jego odpowiednik, lantan.

„Istnieje szeroki zakres zastosowań tych pierwiastków, od energii jądrowej, przez medycynę, po bezpieczeństwo narodowe, ale jeśli nie wiemy, jak się zachowują, hamuje to postęp, jaki możemy poczynić” – powiedziała Jen Wacker, pierwsza autorka niedawno opublikowanego artykułu W Komunikacja przyrodnicza i chemik w Berkeley Lab. „Widzimy, że ta praca jest konieczna, aby naprawdę zrozumieć złożoność tych pierwiastków promieniotwórczych, ponieważ w wielu przypadkach użycie ich surogatów nie wystarczy do zrozumienia ich składu chemicznego”.

Potencjał aktynu w terapii raka

Jednym z obszarów zainteresowania jest zastosowanie izotopu aktynu (aktynu-225) w metodzie leczenia raka zwanej celowaną terapią alfa (TAT), która okazała się obiecująca w badaniach klinicznych. Metoda TAT wykorzystuje biologiczne systemy dostarczania, takie jak peptydy lub przeciwciała, w celu przeniesienia pierwiastka radioaktywnego do miejsca nowotworu. Kiedy aktyn rozpada się, uwalnia cząstki energetyczne, które przemieszczają się na niewielką odległość, niszcząc pobliskie komórki nowotworowe, ale oszczędzając zdrową tkankę dalej.

„Istnieje ruch mający na celu projektowanie lepszych systemów dostarczania, które pozwoliłyby na dostarczenie aktynu do poszczególnych komórek i zatrzymanie go tam” – powiedziała Rebecca Abergel, profesor nadzwyczajny inżynierii jądrowej i chemii na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley, która kieruje Grupą Chemii Pierwiastków Ciężkich w Berkeley Lab. „Jeśli uda nam się zaprojektować białka, które będą wiązać aktyn z naprawdę wysokim powinowactwem i albo zostaną połączone z przeciwciałem, albo będą służyć jako białko nakierowujące, naprawdę umożliwi to nowe sposoby opracowywania radiofarmaceutyków”.

Innowacyjne techniki badania aktynu

Naukowcy zastosowali nowatorskie podejście do hodowli kryształów przy użyciu zaledwie 5 mikrogramów czystego aktynu – czyli mniej więcej jednej dziesiątej masy ziarenka soli i niewidocznego gołym okiem. Najpierw oczyścili aktyn w złożonym procesie filtracji, który usunął inne pierwiastki i zanieczyszczenia chemiczne. Następnie związali aktyn z cząsteczką wychwytującą metal zwaną ligandem i otoczyli wiązkę białkiem wyizolowanym i oczyszczonym przez zespół Rolanda Stronga w Centrum Onkologii Freda Hutchinsona, budując „rusztowanie makromolekularne”.

Kryształy hodowane przez tydzień w Laboratorium Badań nad Pierwiastkami Ciężkimi zostały następnie schłodzone kriogenicznie w ciekłym azocie i naświetlone promieniami rentgenowskimi w zaawansowanym źródle światła (ALS) w Berkeley Lab. Promienie rentgenowskie ujawniły trójwymiarową strukturę związku i pokazały, w jaki sposób aktyn oddziałuje z otaczającymi atomami. Jest to pierwsza monokryształowa struktura rentgenowska opisana dla aktynu

„Zajmuję się krystalografią od 40 lat i widziałem wiele rzeczy, a metoda stosowana przez zespół jest wyjątkowa i dostarcza szczegółów, których nie mogliśmy uzyskać w przeszłości” – powiedział Marc Allaire, naukowiec z Molecular Lab w Berkeley Zakład Biofizyki i Zintegrowanego Bioobrazowania oraz kierownik zespołu Berkeley Center for Structural Biology w ALS. „O ile mi wiadomo, laboratorium w Berkeley to jedyne miejsce na świecie, w którym prowadzimy tego rodzaju badania i mierzymy kryształy radioaktywnych białek”.

Przyszłe kierunki badań nad aktynem

W tej pracy naukowcy wykorzystali aktyn-227, najdłużej żyjący izotop pierwiastka. Przyszłe badania będą dotyczyć aktynu-225 (preferowanego izotopu w celowanej terapii alfa) w celu poszukiwania innych zmian w sposobie wiązania metalu. Naukowcy są również zainteresowani łączeniem aktynu z różnymi białkami, aby dowiedzieć się więcej o strukturach, jakie tworzy.

„To bardzo podstawowa nauka, która stanowi część naszego podstawowego programu mającego na celu zrozumienie chemii ciężkich pierwiastków” – powiedział Abergel. „Opracowaliśmy naprawdę trudną technicznie metodę eksperymentalną, która przesuwa granice chemii izotopów i pozwala nam lepiej zrozumieć ten pierwiastek. Mamy nadzieję, że umożliwi nam i innym opracowanie lepszych systemów, które będą przydatne w ukierunkowanej terapii alfa”.

Odniesienie: „Chelatacja i krystalizacja aktynu w makromolekularnym rusztowaniu”: 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 i Rebecca J. Abergel, 15 lipca 2024 r., Komunikacja przyrodnicza.
DOI: 10.1038/s41467-024-50017-5