发现125年后 锕的化学性质仍令科学家困惑不已

伯克利实验室的一项研究揭示了对锕元素的新认识，锕元素是一种对新兴癌症治疗至关重要的元素。通过研究锕系元素的晶体结构，研究人员注意到了锕系元素的一些独特性质，这些性质可能会提高α靶向疗法的效果，而α靶向疗法是一种很有前景的癌症治疗方法。

研究人员通过显微镜观察纯锕化合物的晶体生长，以了解锕如何与固体中的其他分子结合。图片来源：Jen Wacker/伯克利实验室

虽然锕元素是在 20 世纪初首次被发现的，但研究人员对这种金属的化学性质仍然没有很好的把握。这是因为锕元素的用量极少，而且使用这种放射性物质需要特殊的设备。不过，要想利用锕改进新出现的癌症治疗方法，研究人员需要更好地了解这种元素如何与其他分子结合。

Jen Wacker 在伯克利实验室处理锕系元素样品。图片来源：Marilyn Sargent/伯克利实验室

在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，研究人员培育出了含有锕的晶体，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中较轻的同族元素相似，但研究人员惊讶地发现，锕的行为与同族元素镧的行为不同。

最近发表在《自然-通讯》上的这篇论文的第一作者、伯克利实验室的化学家詹-瓦克（Jen Wacker）说：”这些元素的应用范围很广，从核能、医学到国家安全，但如果我们不知道它们的行为方式，就会阻碍我们取得进展。我们看到，要真正了解这些放射性元素的复杂性，这项工作是必要的，因为在很多情况下，使用它们的代用品不足以了解它们的化学性质。”

约书亚-伍兹（Joshua Woods）和阿皮-彼得森（Appie Peterson）在测量一小块锕样品。资料来源：玛丽莲-萨金特/伯克利实验室

人们感兴趣的一个领域是将锕的同位素（锕-225）用于一种称为靶向α疗法（TAT）的癌症治疗方法，该疗法在临床试验中已显示出良好的前景。α靶向疗法使用生物传输系统，如肽或抗体，将放射性元素转移到癌症部位。当锕元素衰变时，会释放出短距离传播的高能粒子，摧毁附近的癌细胞，但不会伤及远处的健康组织。

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负责人丽贝卡-阿伯格尔（Rebecca Abergel）说：”人们正在设计更好的输送系统，将锕元素输送到特定细胞并保持在那里。如果我们能设计出能与锕系元素高亲和力结合的蛋白质，并将其与抗体融合或作为靶向蛋白质，这将能真正实现放射性药物的新开发方式”。

这张效果图显示了锕（品红色）与其他分子结合的结构。红色三角形指出了这种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）的棍棒结构被蛋白质中的口袋包围。图片来源：Jen Wacker/伯克利实验室

研究人员采用一种新颖的方法，仅用 5 微克纯锕系元素（约为一粒盐重量的十分之一，肉眼无法看到）就培育出了晶体。他们首先通过复杂的过滤过程纯化锕系元素，去除其他元素和化学杂质。然后，他们将锕系元素与一种被称为配体的金属捕获分子结合，并将锕系元素束包裹在由弗雷德-哈钦森癌症中心的罗兰-斯特朗团队分离和纯化的蛋白质内部，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内生长了一周，然后在液氮中低温冷却，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。这是首次报道的锕系元素单晶 X 射线结构。

伯克利实验室分子生物物理学和综合生物成像部科学家、ALS 伯克利结构生物学中心团队负责人马克-阿莱尔（Marc Allaire）说：”我从事晶体学研究已有 40 年，见过很多东西，该团队使用的方法很独特，提供了我们过去无法获得的细节。据我所知，伯克利实验室是世界上唯一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 5.0.2 光束线。图片来源：Marilyn Sargent/Berkeley Lab

在这项研究中，科学家们使用了锕-227这种寿命最长的同位素。未来的研究将探索锕-225（α靶向治疗的首选同位素），寻找金属结合方式的其他变化。研究人员还有兴趣将锕与不同的蛋白质配对，以进一步了解锕形成的结构。

“这是非常基础的科学，是我们理解重元素化学的核心计划的一部分，”Abergel 说。”我们采用了一种技术难度极高的实验方法，突破了同位素化学的界限，让我们对这种元素有了更深入的了解。希望它能让我们和其他人开发出更好的系统，用于α靶向治疗。”

编译自/ScitechDaily