Des chercheurs ont fait croître des cristaux d'un composé d'actinium pur, observés ici au microscope, pour comprendre comment l'actinium se lie à d'autres molécules dans un solide. Crédit : Jen Wacker/Berkeley Lab
Une étude menée au Berkeley Lab a révélé de nouvelles informations sur l’actinium, un élément essentiel aux nouveaux traitements contre le cancer. En examinant sa structure cristalline, les chercheurs ont noté des propriétés uniques qui pourraient améliorer la thérapie alpha ciblée, une méthode prometteuse dans le traitement du cancer.
Bien que l'actinium ait été découvert au début du XXe siècle, les chercheurs n'ont toujours pas une bonne compréhension de la chimie de ce métal. En effet, l'actinium n'est disponible qu'en très petites quantités et la manipulation de ce matériau radioactif nécessite des installations spéciales. Cependant, pour améliorer les nouveaux traitements contre le cancer utilisant l'actinium, les chercheurs devront mieux comprendre comment cet élément se lie à d'autres molécules.
Jen Wacker traite un échantillon d'actinium au laboratoire de Berkeley. Crédit : Marilyn Sargent/Berkeley Lab
Progrès dans la recherche sur l'actinium
Dans une nouvelle étude menée par le Laboratoire national Lawrence Berkeley du ministère de l'Énergie (Berkeley Lab), des chercheurs ont fait croître des cristaux contenant de l'actinium et étudié la structure atomique du composé. Alors que les éléments se comportent souvent de manière similaire à leurs cousins plus légers du tableau périodique, les chercheurs ont été surpris de constater que l'actinium se comportait différemment de ce que prédisait son homologue, le lanthane.
« Il existe une multitude d'applications pour ces éléments, de l'énergie nucléaire à la médecine en passant par la sécurité nationale, mais si nous ne savons pas comment ils se comportent, cela freine les progrès que nous pouvons réaliser », a déclaré Jen Wacker, première auteure de l'article récemment publié dans Nature Communications et chimiste au Berkeley Lab. « Nous constatons que ce travail est nécessaire pour vraiment comprendre la complexité de ces éléments radioactifs, car dans de nombreux cas, l'utilisation de leurs substituts ne suffit pas à comprendre leur chimie. »
Joshua Woods et Appie Peterson mesurent un petit échantillon d'actinium. Crédit : Marilyn Sargent/Berkeley Lab
Le potentiel de l'actinium dans le traitement du cancer
L’un des domaines d’intérêt est l’utilisation d’un isotope d’actinium (actinium-225) dans une méthode de traitement du cancer appelée thérapie alpha ciblée (TAT), qui s’est révélée prometteuse lors d’essais cliniques. La méthode TAT utilise des systèmes de distribution biologiques tels que des peptides ou des anticorps pour déplacer l’élément radioactif vers le site du cancer. Lorsque l’actinium se désintègre, il libère des particules énergétiques qui parcourent une courte distance, détruisant les cellules cancéreuses voisines mais épargnant les tissus sains plus éloignés.
« Il existe un mouvement pour concevoir de meilleurs systèmes de distribution afin d’acheminer l’actinium vers des cellules particulières et de l’y maintenir », a déclaré Rebecca Abergel, professeure agrégée de génie nucléaire et de chimie à l’Université de Californie à Berkeley, qui dirige le groupe de chimie des éléments lourds au laboratoire de Berkeley. « Si nous pouvons concevoir des protéines qui se lient à l’actinium avec une très grande affinité, et qui soient soit fusionnées avec un anticorps, soit utilisées comme protéine de ciblage, cela ouvrirait la voie à de nouvelles façons de développer des produits radiopharmaceutiques. »
Cette représentation montre la structure de la liaison de l'actinium (magenta) avec d'autres molécules. Les triangles rouges indiquent comment la disposition diffère de celle de son homologue plus clair, le lanthane (gris). La structure en bâton de la molécule de liaison (le ligand) est entourée de poches dans la protéine. Crédit : Jen Wacker/Berkeley Lab
Techniques innovantes pour étudier l'actinium
Les chercheurs ont utilisé une nouvelle approche pour faire pousser les cristaux en utilisant seulement 5 microgrammes d’actinium pur, soit environ un dixième du poids d’un grain de sel et invisible à l’œil nu. Ils ont d’abord purifié l’actinium par un processus de filtration complexe qui a éliminé d’autres éléments et impuretés chimiques. Ils ont ensuite lié l’actinium à une molécule piégeant les métaux appelée ligand et ont enveloppé le faisceau à l’intérieur d’une protéine isolée et purifiée par l’équipe de Roland Strong au Fred Hutchinson Cancer Center, construisant ainsi un « échafaudage macromoléculaire ».
Les cristaux, cultivés pendant une semaine au laboratoire de recherche sur les éléments lourds, ont ensuite été refroidis par cryogénie dans de l'azote liquide et éclairés aux rayons X à l'Advanced Light Source (ALS) du Berkeley Lab. Les rayons X ont révélé la structure 3D du composé et montré comment l'actinium interagissait avec les atomes environnants. Il s'agit de la première structure monocristalline aux rayons X signalée pour l'actinium
« Je travaille dans le domaine de la cristallographie depuis 40 ans et j'ai vu beaucoup de choses. La méthode utilisée par l'équipe est unique et fournit des détails que nous ne pouvions pas obtenir par le passé », a déclaré Marc Allaire, scientifique de la division de biophysique moléculaire et d'imagerie biologique intégrée du Berkeley Lab et responsable de l'équipe du Berkeley Center for Structural Biology à l'ALS. « À ma connaissance, le Berkeley Lab est le seul endroit au monde où nous effectuons ce type d'étude et mesurons les cristaux de protéines radioactives. »
(De gauche à droite) Anthony Rozales, Joshua Woods, Jen Wacker et Marc Allaire sur la ligne de faisceau 5.0.2 de l'Advanced Light Source. Crédit : Marilyn Sargent/Berkeley Lab
Orientations futures de la recherche sur l'actinium
Dans cette étude, les scientifiques ont utilisé l'actinium-227, l'isotope de l'élément dont la durée de vie est la plus longue. Des études ultérieures exploreront l'actinium-225 (l'isotope privilégié pour la thérapie alpha ciblée) pour rechercher d'autres changements dans la manière dont le métal se lie. Les chercheurs souhaitent également associer l'actinium à différentes protéines pour en savoir plus sur les structures qu'il forme.
« Il s’agit d’une science fondamentale qui fait partie de notre programme de base pour comprendre la chimie des éléments lourds », a déclaré Abergel. « Nous avons mis au point une méthode expérimentale très difficile sur le plan technique qui repousse les limites de la chimie isotopique et nous permet de mieux comprendre cet élément. Nous espérons que cela nous permettra, ainsi qu’à d’autres, de développer de meilleurs systèmes utiles pour la thérapie alpha ciblée. »
