Diese Pille könnte uns nach einer Kernschmelze vor Strahlung schützen

Als russische Truppen vor mehr als einem Jahr das Kernkraftwerk Saporischschja (ZNPP) in der Ukraine besetzten, beschuldigten beide Seiten sich gegenseitig der Rücksichtslosigkeit und Sabotage, die das Kraftwerk beschädigen und einen nuklearen Unfall auslösen könnten. Jetzt, nach drei Jahrzehnten Forschung und Entwicklung, testen Wissenschaftler eine Pille, die bei einem solchen Vorfall dabei helfen könnte, radioaktive Partikel aus den Körpern exponierter Opfer zu entfernen.

Die Gefahr einer nuklearen Kontamination – durch Krieg oder einen Unfall in einem Kernkraftwerk – hat in der öffentlichen Vorstellung schon immer eine große Rolle gespielt. Die berüchtigte Reaktorschmelze im Kernkraftwerk Tschernobyl im Jahr 1986 führte zu 28 Todesfällen durch akute Strahlenvergiftung, 350.000 Evakuierungen und Tausenden Fällen von Schilddrüsenkrebs. Und obwohl der schlimmste Atomunfall in den Vereinigten Staaten (Three Mile Island in Pennsylvania) keinen ähnlichen Anstieg der Krebserkrankungen verursachte, bleibt die Sicherheit der 53 Kernkraftwerke des Landes ein anhaltendes Problem – insbesondere nach den Terroranschlägen vom 11. September .

Bald darauf gab es große Anstrengungen der US-Regierung, die Forschung zur Entwicklung neuer medizinischer Gegenmaßnahmen gegen nukleare Bedrohungen zu finanzieren, sagt Rebecca Abergel, eine anorganische Chemikerin mit gemeinsamen Positionen an der University of California, Berkeley und dem Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL). Jetzt haben Abergel und ihre Mitarbeiter bei SRI International, einem Forschungsinstitut in Kalifornien, mit klinischen Studien für ein vielversprechendes Medikament begonnen, das aus dieser Anstrengung hervorgegangen ist – HOPO 14-1 – das gegen radioaktive Schadstoffe wie Uran und Plutonium wirkt.

In den Phase-1-Studien wird die Sicherheit von HOPO 14-1 an einer kleinen Population gesunder Menschen getestet.

Wir sind alle ionisierender Strahlung ausgesetzt – ein allgemeiner Begriff für Strahlung, die Atomen und Molekülen Elektronen entziehen kann –, weil das gesamte Universum davon umhüllt ist.

Beim Zerfall eines instabilen Atoms wird Energie durch Strahlung freigesetzt. Diese Strahlung kann in verschiedenen Geschmacksrichtungen auftreten – jede mit ihren eigenen Eigenschaften. Gammastrahlen beispielsweise sind elektromagnetische Wellen, die tief in den Körper eindringen können und häufig in medizinischen Zusammenhängen wie der Bildgebung oder der Krebstherapie eingesetzt werden. Alphastrahlung hingegen entsteht durch energiereiche, positiv geladene Teilchen, die aus dem Atomkern ausgestoßen werden. Unsere Haut kann diese Partikel aufhalten, aber wenn Substanzen, die Alphastrahlung aussenden – wie Plutonium – in unseren Körper gelangen, bestrahlen sie kontinuierlich das umliegende Gewebe, dringen in unsere Knochen ein und zerstören die Immunzellen im Knochenmark, was uns gefährdet für Infektion, Krebs und Tod.

Schmutzige Bomben zerstreuen beispielsweise radioaktives Material (wie Cäsium oder Uran), das wir einatmen oder durchdringende Wunden infiltrieren könnten, während Kernschmelzen in Kernreaktoren das Wasser und die Luft mit radioaktivem Jod und Cäsium kontaminieren können.

Wie viel Strahlung uns schadet, hängt jedoch von der Dosis und der Einwirkzeit ab. Bei einem medizinischen Computertomographie-Scan (CT) liegt die Belastung bei etwa 10 mSv, während Menschen, die regelmäßig mit Strahlung arbeiten, einen Sicherheitsgrenzwert von 50 mSv pro Jahr einhalten müssen. Eine 4.000-mSv-Explosion ionisierender Strahlung bei einer einzigen Exposition ist oft tödlich, bricht Bindungen in unserer DNA und führt zu weitreichendem Organversagen.

Aber der Lieferweg ist wichtig. Wir können externen Strahlungsquellen wie Röntgengeräten ausweichen oder uns davor schützen. Interne Verunreinigungen müssen jedoch entfernt werden, um ihre schädlichen Auswirkungen zu stoppen.

Wenn man eine Strahlenvergiftung hatte, waren die Möglichkeiten jahrzehntelang begrenzt. Vergiftungen durch Aktiniden – die radioaktiven Seltenerdmetalle, die häufig in Atomwaffen und Kernkraftwerken verwendet werden – konnten beispielsweise nur mit einer Chemikalie namens Diethylentriaminpentaacetat (DPTA) behandelt werden. DPTA wurde in den 1960er Jahren von der FDA zugelassen und ist ein Chelator – Moleküle, die giftige Metalle binden und sie zu den Nieren transportieren, wo sie den Körper mit dem Urin verlassen.

Aber DPTA brachte ernsthafte Vorbehalte mit sich. Es funktioniert nur bei drei Aktiniden: Plutonium, Americium und Curium. Und das Präparat musste schnell verabreicht werden; Innerhalb von 24 Stunden nach der Exposition würde das Medikament sonst viel weniger wirksam werden, da sich radioaktive Schadstoffe in den Geweben und Organen des Körpers festsetzen würden. Darüber hinaus musste DPTA von einem Arzt intravenös verabreicht werden, was den Einsatz in Szenarios mit Massenunfällen unpraktisch machte. Noch besorgniserregender ist jedoch die Tendenz von DPTA, auch wichtige Mineralien aufzunehmen, die unser Körper benötigt – wie Kalzium und Zink.

„Bei längerer Anwendung können Sie dem Mineralhaushalt Ihres Körpers großen Schaden zufügen“, sagt Julian Rees, Mitbegründer von HOPO Therapeutics, einem Unternehmen, das kommerzielle Anwendungen von HOPO 14-1 untersucht, und ehemaliger Postdoc bei Abergel LBNL.

Um einen besseren Chelator für diese radioaktiven Substanzen zu entwickeln, haben Wissenschaftler die Natur untersucht – insbesondere Bakterien und wie sie Eisen transportieren.

Eisen ist für viele Organismen ein essentieller Nährstoff. Und so haben Bakterien äußerst spezifische Chelatoren entwickelt, um es einzufangen. „Während einer Invasion eines Wirtssystems senden Bakterien Moleküle aus, die Siderophore genannt werden – die das Eisen binden, damit sehr stabile Komplexe bilden und es zur Bakterienzelle zurückbringen“, sagt Abergel, der auch Mitbegründer von HOPO ist Therapeutika.

Inspiriert von diesen mikrobiellen Chemikern und unter Ausnutzung der chemischen Ähnlichkeiten zwischen Eisen und Schwermetallen begannen Kenneth Raymond und Patricia Durbin – Abergels Studienberater an der UC Berkeley – vor drei Jahrzehnten mit der Entwicklung von Chelatoren für Schwermetalle.

HOPO 14-1, das Medikament, das sich derzeit in klinischen Studien befindet, erwies sich als Spitzenkandidat – mit einer Affinität zu Uran, Neptunium, Plutonium, Americium und Curium. Einige dieser Metalle sind groß, daher sollte ein Chelator „sie vollständig umschließen können“, sagt Abergel. Mit vier molekularen „Klauen“ und zwei Bindungsstellen pro Klaue kann HOPO 14-1 ein radioaktives Zielmetall an acht Stellen greifen, es fest fixieren und zur Ausscheidung über den Kot in den Darm befördern.

Gleichzeitig scheint das Medikament weder Kalzium noch andere physiologisch wichtige Moleküle einzufangen, was es weniger toxisch als DPTA macht. Selbst bei der 100-fachen normalen HOPO 14-1-Dosis funktionieren in einer Schale kultivierte menschliche Zellen weiterhin und sehen normal aus.

Im Gegensatz zu DPTA bleibt es wirksam, wenn es bis zu 48 Stunden vor oder sieben Tage nach der Strahlenexposition verabreicht wird. Die Erweiterung dieses Zeitfensters ist wichtig, da es oft „nach Industrieunfällen einige Zeit dauern kann, bis wir die Patienten erreichen“, sagt David Cassatt, Strahlenbiologe beim Radiation and Nuclear Countermeasures Program am National Institute of Allergy and Infectious Diseases (NIAID). Maryland.

Aber Sascha Goonewardena, Kardiologe an der University of Michigan und Prüfarzt der klinischen Phase-I-Studie, ist vielleicht am meisten begeistert, dass HOPO 14-1 in Tablettenform erhältlich ist. „Es ist eine einfachere und praktischere Lösung als andere Dinge, die es derzeit gibt“, sagt Goodnewardena. Pillen könnten beispielsweise aus der Luft in kontaminierte Gebiete geworfen werden, sodass sich Menschen das Medikament selbst verabreichen könnten, ohne Ersthelfer unnötig der Strahlung auszusetzen.

Abergel weist jedoch darauf hin, dass HOPO 14-1 nicht in der Lage wäre, Opfer einer nuklearen Detonation wie Hiroshima zu behandeln, die einer externen Strahlung ausgesetzt wären. Aber es wäre immer noch nützlich für diejenigen, die weit genug entfernt sind, um der ersten Explosion zu entgehen, sich aber im Umkreis des radioaktiven Niederschlags befinden.

„Es ist sehr erfreulich“, in der klinischen Testphase zu sein, sagt Polly Chang, Strahlenbiologin bei SRI International und häufige Mitarbeiterin von Abergel. Aber die Vorbereitungsarbeit, um diesen Punkt zu erreichen, erstreckt sich über Jahrzehnte und umfasst Institutionen, die von Universitätslaboren über gemeinnützige Forschungsinstitute bis hin zu staatlich finanzierten Agenturen reichen.

HOPO 14-1 ist ein entscheidender Teil des nuklearen Puzzles, aber es ist eine von mehreren Strategien, die das NIAID finanziert, sagt Andrea DiCarlo-Cohen, Direktorin des Programms für Strahlung und nukleare Gegenmaßnahmen am NIAID. „Was uns als Programm am Herzen liegt, ist die Verbesserung der medizinischen Vorbereitung der US-Regierung“ im Falle eines Strahlenunfalls oder -angriffs.

Unterdessen katalogisieren Rees und Abergel andere Verwendungsmöglichkeiten für HOPO 14-1, beispielsweise als Chelator für nicht radioaktive, aber dennoch giftige Metalle wie Blei und Cadmium. Da ein Drittel der Kinder weltweit von Bleivergiftungen betroffen sind, sieht Rees das Problem als „einen riesigen ungedeckten Bedarf“.

Die Entfernung von Gadolinium, einem Bestandteil des in MRTs verwendeten Kontrastmittels, ist eine weitere mögliche Anwendung von HOPO 14-1. Forscher, die einst als harmlos galten, haben inzwischen herausgefunden, dass Gadolinium in den Knochen, im Gehirn und anderen Organen weiterleben kann und möglicherweise Schmerzen, Gedächtnisverlust und andere chronische Beschwerden verursacht. Wenn HOPO 14-1 direkt vor oder nach einer MRT verabreicht wird, kann es laut Tests an Mäusen verhindern, dass sich bis zu 96 Prozent des Gadoliniums in den Organen ablagern.

Laut DiCarlo-Cohen sind es diese alltäglicheren Verwendungszwecke von HOPO 14-1, die sicherstellen werden, dass die USA über ausreichende Vorräte verfügen, wenn sie benötigt werden. Wenn die Entfernung von Gadolinium beispielsweise zur gängigen klinischen Praxis wird, dann hätten Krankenhäuser HOPO 14-1 zur Hand und wären verfügbar (nur für den Fall der Fälle).

Für Ryan Marino, Notarzt und medizinischer Toxikologe am University Hospitals Cleveland Medical Center, kann die Markteinführung von HOPO 14-1 nicht früh genug kommen.

„Eine meiner Bedenken besteht darin, dass Behandlungen nicht immer verfügbar sind oder dass es schwierig sein könnte, sie zu bekommen“, sagt Marino, der nicht an der Forschung zu HOPO 14-1 beteiligt war. „Dieses Molekül könnte also ein Game Changer sein.“