美国田纳西州橡树岭国家实验室(ORNL)正在进行一项合作努力，以探索镭的化学性质，并利用这些发现推进癌症治疗。目的是将α-粒子的细胞毒性与生物靶向载体的肿瘤特异性结合起来，以选择性地摧毁癌细胞。

药物化学家Nikki Thiele领导该项目的实验工作，而物理化学家Alexander Ivanov负责计算方面的工作。资深科学家保罗·本尼(Paul Benny)几十年来一直从事诊断和治疗放射性核素的工作，负责监督放射性同位素的生产。

该团队已经捕捉到了镭螯合的原子级细节，并发现一种被称为“macropa”的螯合剂在生理pH下对镭离子的亲和力最高。

镭-223是目前唯一被美国美国食品药品监督管理局(FDA)批准作为癌症疗法的α粒子放射放射性同位素。它已经被用于治疗转移性前列腺癌患者的骨癌，但ORNL研究小组表示，如果镭-223能够被输送到正确的位置，它可以治疗任何癌症。

镭模仿人体内的钙，因此它自然被骨骼吸收，并通过释放非常高能量的α粒子杀死癌细胞蒂尔解释说，这些粒子是电离辐射的一种形式，会导致DNA的双链断裂。

该团队希望扩大镭-223治疗软组织癌转移的效用，为此，他们需要能够结合和穿梭镭离子，将其重定向到骨外的肿瘤。这需要镭-223的螯合剂，但这些螯合剂仍然难以找到。

照亮镭的配位化学

为了开发这种改进的螯合剂，ORNL团队正在努力了解镭的配位化学伊万诺夫解释说，配位化学描述了金属与分子活性基团之间的结合相互作用如果你了解这些基本原理，这将为我们设计新的、更稳定、更具选择性的螯合剂奠定基础。

ORNL是美国能源部(DOE)17个国家实验室之一，根据几年前开始的一项合同，它实际上为国际化学品巨头拜耳生产镭-223前体锕-227。该疗法以Xofigo上市，于2013年5月获得FDA批准。

与中性大环醚和胺给体相比，macropa的带负电荷的羧酸侧基给体与Ra2+的相互作用更强

蒂尔说：“在奥恩实验室，我们在研究镭的化学方面处于非常有利的地位。”我们可以在这里获得大量的镭-223来进行这项基础科学研究。”她无法量化ORNL可用的这种同位素的数量，但将其供应描述为“足以满足全世界使用Xofigo作为转移性前列腺癌治疗的需求”。

虽然蒂尔的团队通过实验确定了镭-223的稳定常数，以显示给定分子和镭之间的相互作用强度，但伊万诺夫的团队致力于深入了解原子级的细节，这些细节是理解轨道如何相互作用所需的。

蒂尔解释说：“镭是一个巨大的、蓬松的、弥散的正电荷球，螯合剂带负电，因此镭和螯合剂之间的键相互作用是静电的。”但镭是如此蓬松，电荷如此分散，以至于没有螯合剂能够真正附着在镭离子上，特别是在体内因此，她和同事们正试图找到一种螯合剂，它能稳定镭，使其足以穿梭于肿瘤细胞。

人工智能可以帮忙

伊万诺夫附和了这种观点他说：“是的，我们基本上是想抓住这个毛茸茸的球。”为了做到这一点，他和同事们使用了量子化学计算，使他们能够观察镭内部的电子结构，以及配体分子轨道如何与镭上的空位轨道重叠。他们发现这种键是离子键，静电吸引起着巨大的作用。

伊万诺夫说：“有很多可用的分子——比如数亿种不同的分子——可以潜在地结合和稳定镭，新的机器学习方法和人工智能方法可以帮助我们识别这些分子。”。但他强调了泰尔的实验努力对这种理论预测进行检验的重要性。

据报道，在生理相关条件下，Macropa对Ra2+具有最高的亲和力

伊万诺夫不仅想知道这些实验值，以确定他的计算是否准确，而且蒂尔也很想知道她的实验值是否可以通过计算重现。有了这些知识，他们可以继续改进模型，使其在预测镭络合物的稳定性方面越来越有效。

同时，如果本尼和他的团队不生产放射性同位素，这些工作都不可能完成。班尼解释说，他们经过一系列分离，将镭从锕-227和钍-227的母体中分离出来，然后以可用于蒂尔实验的形式生产出镭。

一旦奥恩实验室的研究人员找到了合适的镭螯合剂，团队合作就不会结束，他们希望很快就能找到。在这一点上，他们将需要与其他人合作，这些人拥有他们在ORNL所不具备的专业知识。

例如，为了确定任何假设的新螯合剂是否能够将镭-223输送到肿瘤，研究人员需要与一个或多个能够使用动物设施的人合作，以便可以检查肿瘤，最有可能是在小鼠模型中。例如，这样的合作伙伴可以是另一家机构的生物化学家，或者是在医院或医疗机构工作的科学家。

对镭的新兴趣

美国纽约康奈尔大学化学和化学生物学系教授贾斯汀·威尔逊(Justin Wilson)没有参与这项研究，他对ORNL的工作充满热情。他指出，镭在历史上一直是一种晦涩难懂的元素，尽管它对玛丽·居里一个多世纪前首次发现辐射很重要。他说，直到2013年，镭被批准用于治疗前列腺癌骨转移时，它才引起了人们的关注。

威尔逊回忆道：“从那时起，关于镭的思考过程发生了某种转变——在理解这种元素的化学性质以及科学家是否能够利用其化学性质使其作为治疗剂的用途多样化方面，它引起了人们的极大兴趣。”。

他说，这项新的ORNL研究提供了镭如何与几种化学螯合剂相互作用的基本热力学数据。这一点很重要，因为它的放射性很强，而且是一种非常不寻常的元素，以至于很多信息都无法获得。

我们基本上是想抓住这个毛绒球

威尔逊说，为镭制备螯合剂以改变其生物分布和肿瘤靶向特性的努力一直在黑暗中进行，但ORNL的这项最新研究提供了一种实验手段，可以评估各种螯合剂对镭的热力学结合亲和力的有效性。

他对这个团队在放射性元素上的工作如此成功印象深刻威尔逊告诉《化学世界》杂志，“分析化学不仅是彻底的——为了获得这些分析值，你必须非常精确，在测量的过程中非常小心——而且你还要处理具有潜在放射性危害的放射性物质，而这些物质对大多数研究实验室来说都不太有用。”。

他希望这项工作将激励其他人在自己的实验室中采用这些技术，并更广泛地使用它们来测量镭的稳定常数威尔逊说：“如果我们得到足够的临界质量，并且我们开始积累大量关于镭的热力学亲和性的数据，那么结合计算数据，我们将在设计螯合剂方面获得一些预测能力，这将是很好的。”

衰变状态

加州劳伦斯·利弗莫尔国家实验室核与化学科学部门的放射化学家Gauthier Deblonde同意，ORNL团队可能会对新出现的癌症治疗方式(即靶向阿尔法疗法)产生重大影响。

Deblonde表示，这些研究人员似乎解决了镭作为癌症治疗的主要问题，即经典的有机螯合剂对镭不起作用。

与此同时，世界上许多地区(包括美国、欧洲和澳大利亚)目前缺乏放射化学专业知识，这一点令人担忧。事实上，上世纪70年代进入该领域的高级科学家已经到了退休年龄，而且似乎没有足够的研究人员队伍在酝酿中。

蒂尔警告说：“没有足够的放射化学培训，学术界甚至美国能源部国家实验室也没有足够的项目来培训人员，这是一件很棒的事情。”。

伊万诺夫认为，问题的一部分还与这些同位素的可用性差有关。他们可以在ORNL访问，但在大多数大学或研究机构无法访问他说，仅仅要求使用这种同位素是一个漫长的过程，而且成本可能很高。

使用放射性同位素也存在固有的安全问题，而且这种研究极其困难和耗时伊万沃夫说，撰写提案，然后获取同位素，与安全人员交谈，并将这些同位素从一个设施转移到另一个设施，是一个漫长的过程。他认为，这也可以解释为什么对进行放射性实验感兴趣的人员短缺。