Radioactiviteit kan een slechte rap hebben, maar het speelt een cruciale rol in medisch onderzoek. Een revolutionaire nieuwe techniek om radioactieve moleculen te maken, pionierde in het lab van chemieprofessor David MacMillan in Princeton, heeft het potentieel om nieuwe geneesmiddelen veel sneller dan voorheen bij patiënten te brengen.

"Je gemiddelde medicijn doet er 12 tot 14 jaar over om op de markt te komen, " zei MacMillan, de James S. McDonnell Distinguished University Professor of Chemistry. "Dus alles wat we kunnen doen om dat tijdsbestek van 14 of 12 jaar te nemen en het te comprimeren, zal de samenleving ten goede komen, omdat het zo veel sneller medicijnen bij mensen – bij de samenleving – krijgt."

Elk potentieel nieuw medicijn moet worden getest om te bevestigen dat het van invloed is op het deel van het lichaam dat het moet beïnvloeden. "Gaat het naar de juiste plaats? De verkeerde plaats? De juiste plaats en de verkeerde plaats?" vroeg MacMillan.

Het volgen van het pad van een chemische stof die in de bloedbaan oplost, vormde een serieuze uitdaging, maar een die radiochemici jaren geleden hebben opgelost door individuele atomen uit te wisselen met radioactieve vervangers. Als dat eenmaal gedaan is, "de eigenschappen van het molecuul - van het medicijn - zijn precies hetzelfde, behalve dat ze radioactief zijn, en dat betekent dat je ze echt kunt traceren, heel goed, ' zei Mac Millan.

Maar dat introduceerde een nieuw probleem.

"Het is niet eenvoudig om deze radioactieve atomen in het medicijn te krijgen, " zei hij. "Mensen hebben zich lang ontwikkeld, soms maandenlang, twee maanden, sequenties van drie maanden om maar een kleine hoeveelheid van een stof met een paar radioactieve atomen te krijgen."

Maar nu hebben hij en zijn collega's een betere manier gevonden, puttend uit hun werk met behulp van blauwe LED-lampen en katalysatoren die reageren op licht, bekend als fotokatalysatoren. Hun onderzoek werd online gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschap op 9 november

"Het was een gek idee! Gelukkig, het werkte, " zei MacMillan. "Wat we bedachten was, als je er licht op schijnt, kunnen deze fotokatalysatoren het niet-radioactieve atoom daadwerkelijk verwijderen en vervolgens het radioactieve atoom installeren?"

Zij konden.

MacMillan's techniek maakt gebruik van "zwaar water, " die de waterstof (H) in H2O vervangt door tritium, een radioactieve versie van waterstof met twee extra neutronen per atoom.

"Als je je medicijn gewoon in het radioactieve water laat zitten en er licht op laat schijnen met een katalysator, de katalysator verwijdert het atoom dat niet radioactief is - in dit geval is het waterstof - en vervangt het door tritium, " hij zei.

Plotseling, het bevestigen van een van deze atoomlabels duurt uren in plaats van maanden, en de techniek werkt op veel soorten veelgebruikte verbindingen. De onderzoekers hebben het al getest op 18 in de handel verkrijgbare medicijnen, evenals kandidaten in de Merck-pijplijn voor het ontdekken van geneesmiddelen.

Voor verbindingen die geen radioactieve tags nodig hebben, hetzelfde eenstapsproces kan deuterium inwisselen, een versie van waterstof met slechts één extra neutron. Deze "stabiele labels" (met deuterium) en "radiolabels" (met tritium) hebben talloze toepassingen, zowel in de academische wereld als in de ontdekking van geneesmiddelen.

De eenvoud van deze nieuwe benadering heeft nog een andere implicatie, zei Jennifer Lafontaine, de senior directeur van synthese en analytische chemie voor Pfizer in La Jolla, Californië, die niet bij het onderzoek betrokken was.

Omdat het vorige proces zo arbeidsintensief was, deuterium- of tritium-gelabelde moleculen werden vaak alleen gemaakt voor chemicaliën die "behoorlijk geavanceerd waren in het ontdekkingsproces van geneesmiddelen, " zei ze. "Deze methodologie zou daarom de deur kunnen openen naar eerder en uitgebreid gebruik van isotopische etikettering bij de ontdekking van geneesmiddelen, ons vermogen om kandidaat-geneesmiddelen op een dieper niveau te bestuderen aanzienlijk verbeteren, en voor een scala aan toepassingen."

Deze nieuwe methode maakt gebruik van het opkomende gebied van fotokatalyse dat pionier was in Princeton en paste het toe op nog een ander nieuw gebied, zei MacMillan. Het heeft ook een duidelijke financiële waarde, maar hij wuifde dat weg.

"Niemand patenteert dit, omdat we willen dat het voor iedereen beschikbaar is, ' zei Mac Millan.

Deze technologie is ontwikkeld in samenwerking met Merck in het Merck Catalysis Center in Princeton, waar Princeton-afgestudeerde student Yong Yao Loh en postdoctoraal onderzoeker Kazunori Nagao onderzoek deden met het radioactieve materiaal, zei Ian Davies, een co-auteur op de Wetenschap paper die de hoofdonderzoeker was in het partnerlab van Merck terwijl het onderzoek werd uitgevoerd.

"Dit is een geweldig voorbeeld van een Princeton-industriële samenwerking die de wetenschap en de hele samenleving ten goede komt, ' zei Davies.