Jak oddělit (téměř) neoddělitelné

Na kraji města Janesville v americkém Wisconsinu, uprostřed kukuřičných polí, stojí rozsáhlý areál firmy SHINE Technologies. V jedné z nenápadných budov tam běží nejmodernější linka na výrobu lutecia-177, radionuklidu používaného k léčbě rakoviny. Má nečekanou chemickou vazbu na Prahu: klíčovou část procesu tvoří speciálně navržené molekuly – chelátory – vyvinuté vědci v Ústavu organické chemie a biochemie AV ČR. Příbuzné molekuly by nyní díky recyklaci neodymových magnetů, klíčových pro průmysl, mohly pomoci osamostatnit Evropu od závislosti na Číně.

Lanthanoidy neboli prvky vzácných zemin (rozdíl v termínech viz slovníček) najdeme jako zvlášť vyčleněný řádek téměř úplně vespod periodické tabulky. Jde o pozoruhodnou rodinu sourozenců, kteří jsou si chemicky velmi podobní, ale výrazně se liší fyzikálními vlastnostmi. Některé jsou výjimečně magnetické, jiné svítí intenzivní luminiscencí, další mají vlastnosti vhodné pro jadernou medicínu. Díky tomu jsou nenahraditelné v řadě technologií, od diagnostiky a léčby rakoviny přes elektroniku až po elektromobilitu a větrné elektrárny.

1. Chelátor DOTA (vlevo nahoře) a model jeho komplexu s lanthanoidem (vlevo dole), používaný v medicíně. Způsob, jakým chelátor ion kovu obemkne, připomíná chobotnici svírající kořist (vpravo).

Ilustrace Tomáš Belloň, ÚOCHB AV ČR; Étienne Claude Voysard (volné dílo)

Jejich chemická podobnost je darem i prokletím zároveň. Na jednu stranu umožňuje tyto prvky libovolně zaměňovat, a tak vnášet do molekul a materiálů nové vlastnosti. Na druhou stranu je velmi těžké je od sebe oddělit. Tento článek vypráví dva příběhy o tom, jak výzkum molekul, které měly původně sloužit jako pouhý „obalový materiál“ pro prvky vzácných zemin, nakonec vedl k vzniku chytrých molekul, které umějí tyto prvky rozpoznat a rozdělit.

Důležitou roli v obou příbězích hrají takzvané chelátory, proto si je na úvod krátce představme. Ionty kovů se rády vážou na molekuly, které mají volné elektronové páry – typicky atomy kyslíku nebo dusíku. Říkáme jim donorové atomy a vazba se označuje za koordinační. Když jich je v jedné molekule víc a dokážou kov uchopit z několika stran, mluvíme o chelátoru (z řeckého chēlē – klepeto). Vzniklá sloučenina se nazývá komplex nebo chelát.

Lanthanoidy se ve vodě vyskytují téměř vždy jako trojmocné ionty Ln³⁺. Jejich koordinační vazby jsou poměrně slabé, ale když se jich vytvoří sedm až deset najednou, dohromady drží ion kovu poměrně pevně. Chelátor tak připomíná spíš chobotnici než krabí klepeto: několik „chapadel“ se obtočí kolem kovu a nepustí ho.

Nejslavnější chelátor pro lanthanoidy se jmenuje DOTA (obr. 1). Vypadá jako kruh, ze kterého trčí čtyři „chapadla“ (tzv. pendantní ramena) odvozená od kyseliny octové. Jeho komplexy s gadoliniem se používají jako kontrastní látky v magnetické rezonanci, komplexy s luteciem-177 jsou zase součástí radioaktivních léčiv.

V obou případech má ale DOTA pouze jednu funkci: pevně držet ion kovu a nepustit ho. Svým způsobem slouží jako pevný, ale poněkud hloupý obal. O tom, že může nabídnout i zcela jiné užitečné vlastnosti, se dlouho nevědělo. Vyžadovalo to náhodu, nekonvenční myšlení a cílený molekulární design.

Příběh první: luteciem proti rakovině

Myšlenka využít radioaktivitu k léčbě rakoviny je téměř tak stará jako objev radioaktivity samotné. Princip je jednoduchý: pokud se podaří dopravit radioaktivní atom do blízkosti nádoru, jeho rozpad uvolní částice, které mohou poškodit DNA nádorových buněk, a tak je zahubit. Záření navíc zasáhne i místa, kam se samotná molekula léčiva nedostane, takže účinek na dálku může pomoci i v husté a neprostupné nádorové tkáni. Dlouho však chyběl spolehlivý způsob, jak radioaktivní náklad doručit cíleně a současně šetřit zdravé tkáně. Prvním úspěšným příkladem byl jod-131, používaný k léčbě nádorů štítné žlázy, kde se o selektivní vychytávání postaral sám organismus (jod je přirozenou součástí hormonů štítné žlázy). Skutečný rozmach přinesl až moderní pokrok v biologických vědách, který umožnil najít vhodné molekulární cíle a připravit protilátky či jiné naváděcí molekuly.

2. Pohled do aktivní zóny jaderného reaktoru. Modré Čerenkovovo záření je optickým projevem intenzivní radiace v prostředí s vysokým tokem neutronů. Právě sem se při výrobě lutecia-177 vkládají terče s izotopem Yb-176, které se ozařují typicky po dobu 7–14 dnů.

Snímek Argonne National Laboratory, CC BY-SA 2.0

Pro terapii se dnes nejčastěji používají beta-zářiče, které emitují rychle letící elektrony. Jejich dosah v tkáni je řádově v milimetrech, a jsou proto vhodné pro větší ložiska i metastázy. Právě do této skupiny patří lutecium-177, které se v klinické praxi prosadilo mimo jiné díky vzácně vyvážené kombinaci vlastností. Má téměř ideální poločas rozpadu sedm dnů, jeho záření beta má „tak akorát“ dosah kolem tří milimetrů a dá se stabilně navázat do chelátových komplexů, a tedy i do cílených léčiv. A nakonec je tu vlastnost, která často rozhoduje úplně nejvíc: lutecium-177 lze vyrábět v potřebné čistotě a ve škále, kterou si moderní medicína žádá. Radionuklidy, které vypadají skvěle na papíře, ale nelze je ve skutečnosti vyrábět spolehlivě a ve velkém, zůstávají jen vědeckou kuriozitou.