Химики из Университета Тафтса в сотрудничестве с представителями Перкин Элмери Университетского колледжа Лондона впервые стали свидетелями того, как атомы одного химического элемента превращаются в атомы другого химического элемента – результаты их неожиданного наблюдения могут стать основой для нового способа безопасной радиотерапии рака.

В группе Чарльза Сайкса (Charles H. Sykes) исследования проводили с йодом-125 – радионуклидом, который обычно применяется при радиотерапии рака.

С помощью сканирующего туннельного микроскопа, способного получить изображение каждого отдельного атома на поверхности материала, исследователям удалось наблюдать акты радиоактивного превращения индивидуальных атомов ¹²⁵I. Этот нуклид «трансмутирует» по механизму электронного захвата, в результате чего протон в ядре, взаимодействуя с электроном, превращается в нейтрон, и нуклид ¹²⁵I превращается в стабильный нуклид ¹²⁵Te.

Превращение одного элемента в другой происходило, когда исследователи наносили крошечную каплю воды, содержащую ¹²⁵I на поверхность тонкого слоя золота. При испарении воды атомы йода связывались с золотом, после чего исследователи помещали небольшой образец под сканирующий электронный микроскоп.

Период полураспада нуклида ¹²⁵I составляет около 59 дней, однако поскольку период полураспада – величина статистическая, невозможно предсказать, когда конкретно какой-либо индивидуальный атом йода-125 трансмутирует в теллур. Чтобы не пропустить случаи распада, исследователи работали по 18 часов в день в течение нескольких недель.

В конечном итоге исследователям удалось получить изображения с помощью сканирующего туннельного электронного микроскопа, демонстрирующие наличие небольших точек размером с атомы на поверхности образца, наличие этих точек было интерпретировано как изображение свежеобразовавшихся атомов теллура.

Для подтверждения того, что действительно наблюдалось превращение, исследователи изучали один из образцов в течение нескольких месяцев с помощью рентгеновского фотоэлектронного спектрометра – такие наблюдения позволяли определять химический состав образца. Проводя измерения раз в неделю или два раза в неделю, исследователям удалось подтвердить, что они наблюдали превращение одного элемента в другой– постепенно йод превращался в теллур.

На очередном этапе исследования один из участников исследовательской группы – Алекс Проншиске (Alex Pronschinske), предположил, что исследователи фиксируют электроны, испускаемые образцом самопроизвольно, без активации рентгеновскими лучами фотоэлектронного спектрометра.

В особенности исследователя интересовала эмиссия низкоэнергетических электронов, которые, как было показано ранее, продемонстрировали эффективность в радиационной онкологии, поражая опухолевые клетки. Благодаря тому, что длина пробега таких электронов составляет 1–2 нанометра, они не воздействуют на находящиеся рядом здоровые ткани и органы.

Эксперименты и расчеты показали, что

связанный с золотом ¹²⁵I испускает в шесть раз больше медленных, низкоэнергетических электронов, чем несвязанный ¹²⁵I. По словам Сайкса, золото одновременно играет роль отражателя и усилителя – специалистам по химии и физике поверхности известно, что направление любого источника излучения на золото приводит к увеличению количества исходящих низкоэнергетических электронов.

Результаты исследования позволяют предложить новое направление радионкологии – получение наночастиц золота, их связывание с ¹²⁵I, модификация наночастиц антителами, распознающими злокачественные опухоли и помещение таких наночастиц в жидкость, которую можно ввести в организм пациента простой инъекцией.

Теоретически такие наночастицы должны связываться с клетками опухоли и испускать низкоэнергетические электроны, разрушая ДНК злокачественного новообразования. Сайкс предполагает, что

наночастицы из золота могут впоследствии полностью выводиться из организма, в отличие от радиоактивного ¹²⁵I, вывод которого из организма осложняется накоплением в щитовидной железе, повышающей риск зарождения опухоли в этом органе.