First production of the medical radionuclide 103Pd from 99Tc and determination of the 99Tc(7Li,3n)103Pd nuclear reaction cross-sections between 20 and 34 MeV

Stellen Sie sich vor, Sie hätten einen riesigen, leicht radioaktiven Lego-Stein namens Technetium-99. Normalerweise behandeln Wissenschaftler diesen Stein als ein Überbleibsel aus Kernkraftwerken – etwas, das man in einer „Abfall“-Box wegstellen muss, weil er sehr lange bleibt (etwa 211.000 Jahre!). Aber was wäre, wenn Sie diesen Stein mit einem speziellen Hammer zertrümmern könnten, um ihn in ein brandneues, super nützliches Werkzeug für die Medizin zu verwandeln? Genau das haben ein Team von Wissenschaftlern der Universität zu Köln und des GSI getan.

Sie haben erfolgreich zum ersten Mal auf diese Weise ein medizinisches Radionuklid namens Palladium-103 hergestellt. Stellen Sie sich Palladium-103 wie einen winzigen, internen Scheinwerfer vor, den Ärzte nutzen können, um kleine Tumore (wie etwa solche, die in andere Körperteile streuen) zu bekämpfen, ohne das umliegende gesunde Gewebe zu verletzen. Es funktioniert, indem es winzige, unsichtbare „Pfeile“ namens Auger-Meitner-Elektronen aussendet, die nur eine sehr kurze Distanz zurücklegen, was sie perfekt für Präzisionsschläge macht.

Das große Experiment: Das „Zerschlagen und Messen“-Spiel

Um dies zu ermöglichen, bauten die Wissenschaftler eine Hochgeschwindigkeitskanone. Sie nahmen ihre Technetium-9q-Steine und beschichteten eine dünne Goldschicht damit, so wie man einen Kuchen mit Glasur überzieht. Dann feuerten sie einen Strahl aus Lithium-7-Ionen (winzige, schwere Teilchen) auf das Technetium ab. Sie haben nicht nur einmal geschossen; sie versuchten, das Ziel mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten zu beschießen, die von 20 MeV bis 34 MeV reichten.

Stellen Sie sich vor, Sie versuchen, ein bewegliches Ziel mit einem Wasserballon zu treffen. Wenn Sie ihn zu sanft werfen, prallt er ab. Wenn Sie ihn zu fest werfen, explodiert er auf eine Art und Weise, die Sie nicht erwartet haben. Die Wissenschaftler wollten die „Goldlöckchen“-Geschwindigkeit finden – den perfekten Wurf, der das Technetium in Palladium-103 verwandelt, ohne ein Chaos anzurichten.

Die Ergebnisse: Den idealen Punkt finden

Sie verwendeten ein riesiges, supersensibles Kamerasystem namens HORUS, das wie ein Raum voller 14 Hightech-Augen ist, um zu beobachten, was passierte, während der Strahl auf das Target traf. Anstatt zu warten, um zu sehen, was danach übrig blieb, fingen sie die Lichtblitze (Gammastrahlen) auf, die die neuen Palladium-103-Atome in dem Moment abgaben, in dem sie geboren wurden.

Hier ist das, was sie herausfanden:

• Die perfekte Geschwindigkeit: Die Reaktion funktionierte am besten, als der Lithium-Strahl mit 30 MeV bewegte. Bei dieser Geschwindigkeit produzierten sie die maximale Menge an Palladium-103.
• Die Zahlen: Bei dieser Spitzengeschwindigkeit erreichte der „Wirkungsquerschnitt“ (was eine schicke Art zu sagen ist: die Wahrscheinlichkeit, dass die Reaktion stattfindet) 374±63 mb.
• Der Abfall: Als sie versuchten, schneller zu werden, bis zu 32 MeV, blieb die Produktion hoch, begann aber zu schwanken. Doch als sie die Geschwindigkeit auf 34 MeV erhöhten, wurde es chaotisch. Die Wissenschaftler bemerkten, dass bei dieser hohen Geschwindigkeit die Reaktion anfing, ein anderes, unerwünschtes Produkt (Palladium-102) anstelle von genau dem, was sie wollten, zu erzeugen. Aus diesem Grund schlagen sie vor, dass der Datenpunkt bei 34 MeV etwas „kontaminiert“ durch diese andere Reaktion sein könnte und nicht als reines Maß für ihr eigentliches Ziel gezählt werden sollte.

Warum das wichtig ist (ohne Fachjargon)

Normalerweise ist die Herstellung von Palladium-103 wie der Versuch, ein bestimmtes Sandkorn aus einem Eimer mit gemischtem Sand und Steinen zu trennen, indem man ein kompliziertes chemisches Bad nutzt. Aber da die Wissenschaftler mit Technetium begannen (das sich in Wasser wie ein negativer Magnet verhält) und mit Palladium endeten (das sich wie ein positiver Magnet verhält), könnten sie das neue Medikament theoretisch sehr leicht vom alten Target-Material trennen, fast so, als würde man einen Magneten benutzen, um Eisenfeilspäne aus einem Haufen Plastik herauszuziehen.

Was sie nicht getan haben (und was sie ausgeschlossen haben)

Es ist wichtig zu wissen, was diese Arbeit nicht getan hat. Sie haben das Palladium in diesem speziellen Experiment nicht chemisch vom Technetium getrennt; sie haben lediglich bewiesen, dass sie es herstellen können. Außerdem haben sie die Idee ausgeschlossen, dass die Reaktion bei allen Geschwindigkeiten perfekt funktioniert. Sie stellten ausdrücklich fest, dass ein zu schnelles Tempo (wie bei 34 MeV) eine konkurrierende Reaktion einführt, die die Ergebnisse verfälscht.

Wie sicher sind sie sich?

Die Wissenschaftler sind sehr zuversichtlich in ihren Messungen. Sie haben nicht einfach geraten oder eine Computersimulation durchgeführt; sie haben das Target gebaut, den Strahl abgefeuert und die Teilchen gezählt. Sie haben die Dicke ihrer Technetium-Schicht mit extremer Präzision (etwa 0,63±3 μm) gemessen und ihre Mathematik mithilfe einer Methode namens Rutherford-Rückstreuung überprüft. Während sie sich über den Peak bei 30 MeV sehr sicher sind, sind sie hinsichtlich des Datenpunkts bei 34 MeV vorsichtig und deuten an, dass dieser wahrscheinlich Beiträge dieser unerwünschten Nebenreaktion enthält.

Kurz gesagt: Diese Arbeit beweist, dass man ein nukleares Abfallprodukt in ein lebensrettendes medizinisches Werkzeug verwandeln kann, indem man es mit einem Lithium-Strahl bei genau der richtigen Geschwindigkeit trifft. Es ist ein neues Rezept für die Herstellung eines Medikaments, das bei der Behandlung von Krebs helfen könnte, und die Wissenschaftler haben genau kartiert, wie heiß der Ofen sein muss, um es perfekt zu backen.