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PHOtonuclear Reactions (PHOR): breakthrough research in radionuclides for theranostics

Applicant Türler Andreas
Number 180352
Funding scheme Sinergia
Research institution Departement für Chemie und Biochemie Universität Bern
Institution of higher education University of Berne - BE
Main discipline Interdisciplinary
Start/End 01.09.2018 - 31.08.2022
Approved amount 2'400'000.00
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All Disciplines (4)

Discipline
Interdisciplinary
Physical Chemistry
Particle Physics
Nuclear Physics

Keywords (4)

Alpha therapy; Photonuclear reactions; Therapeutic radionuclides; Theragnosis

Lay Summary (German)

Lead
In der Medizin angewandte nukleare Methoden spielen eine grundlegende Rolle in der Diagnose und zunehmend auch in der Therapie von Krebserkrankungen. Durch Markieren eines pharmazeutisch aktiven Wirkstoffs mit einem diagnostischen - und anschließend mit einem therapeutischen Radionuklid, können Patienten individuell diagnostiziert und behandelt werden. Um dieses Ziel zu erreichen, sind neue Radionuklide mit optimalen Zerfallseigenschaften und chemischen Eigenschaften unerlässlich. Ihre Verfügbarkeit ist derzeit sehr begrenzt und ein stabiles und nachhaltiges Angebot in Quantität und Qualität, das für medizinische Anwendungen geeignet ist, stellt eine große wissenschaftliche Herausforderung dar. Die Antragsteller schlagen Forschungsarbeiten vor, um die wissenschaftliche Grundlage für eine neue, wenig erforschte Methode zu schaffen, damit diese Radionuklide für zukünftige theranostische Anwendungen verfügbar gemacht werden können.
Lay summary

Inhalt und Ziel des Forschungsprojekts

Durch die Verwendung eines Hochleistungs-Elektronenbeschleunigers können ausreichend energiereiche und intensive Gammastrahlen erzeugt werden, um photonukleare Reaktionen auszulösen. Während solche Beschleuniger im Handel erhältlich sind oder sich in der Entwicklung befinden, müssen noch Konvertertargets, Bestrahlungseinrichtungen und nachfolgende chemische Trennungen entwickelt werden. Um dieses Ziel zu erreichen, ist ein multidisziplinärer Ansatz erforderlich, der Physik, Radiochemie und Radiopharmazie umfasst. In Bern ist bereits ein interdisziplinärer, auf diesem Gebiet tätiger Kompetenzkern mit der Universität Bern und der Bundesanstalt für Metrologie (METAS) etabliert.

In dem vorgeschlagenen Projekt konzentrieren wir uns auf die theranostischen Radionuklidpaare 43,44Sc / 47Sc, 64Cu / 67Cu und auf die Produktion des Alphateilchenemitters 225Ac, mit dem kürzlich herausragende Ergebnisse in der Krebstherapie erzielt wurden. Auf der Grundlage bereits vorhandener Infrastrukturen, die aus dem 22 MeV 20 microAmpere-Elektronenmikrotron der METAS (METAS) in Bern und dem Zyklotron-Labor des Universitätsspitals Bern bestehen, werden neue Wege zur zur Herstellung therapeutischer Radionuklide ( 47Sc, 67Cu, 225Ac) mittels photonuklearer Reaktionen untersucht. Mit protoneninduzierten Reaktionen werden die PET-Diagnosepartner (43,44Sc, 64Cu) erzeugt

Wissenschaftlicher und gesellschaftlicher Kontext des Forschungsprojekts
Diese ehrgeizigen Ziele werden durch den gemeinsamen multidisziplinären Ansatz verwirklicht, der die komplementäre Expertise in den Bereichen Beschleuniger- und Detektorphysik, Strahlenschutz, Hochleistungstargets (AEC-LHEP, UniBern), Monte-Carlo-Simulationen und Strahlungsmesstechnik (METAS) und Radiochemie und GMP-Radiopharmazie (LRC, Uni Bern) vereinigt. Auf der Grundlage dieser Kompetenzen wollen wir die wissenschaftliche Grundlagen für ein zukünftiges Zentrum mit Zyklotron und Hochleistungs-Elektronenbeschleunigern für die Radionuklidproduktion in der Schweiz schaffen.

Direct link to Lay Summary Last update: 23.11.2018

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
156852 PET SCANdium-43: a novel radionuclide for Positron Emission Tomography 01.01.2015 Interdisciplinary projects
175749 An active irradiation system for advanced radioisotope production using a medical PET cyclotron 01.10.2017 Project funding (Div. I-III)
156852 PET SCANdium-43: a novel radionuclide for Positron Emission Tomography 01.01.2015 Interdisciplinary projects

Abstract

Nuclear methods applied in medicine play a fundamental role in diagnosis and, increasingly, in therapy of cancer. By labeling a pharmaceutically active compound with a diagnostic radioisotope and, subsequently, with a therapeutic one, patients can be diagnosed and treated individually, manifesting the concept of personalized medicine and “theranostics”. To reach this goal, new radionuclides with optimum decay characteristics and chemical properties are essential. Their availability is presently very limited and a stable and sustainable supply in quantity and quality suitable for medical applications represents a major scientific challenge. To overcome this limitation several breakthroughs have to be accomplished. Facilities to produce such radionuclides require large scale scientific infrastructures and are extremely limited. The applicants propose research to lay the scientific foundation for a novel, almost unexplored method to make these radionuclides available for future theranostic applications. By using a high-power electron accelerator, sufficiently energetic and intense gamma-rays can be generated to induce photonuclear reactions. While such accelerators are commercially available or under development, converter targets, irradiation set-ups and subsequent chemical separations have yet to be developed. To reach this goal, a multidisciplinary approach encompassing physics, radiochemistry, and radiopharmacy is mandatory. An interdisciplinary nucleus of competence active in this field is already established in Bern, with the university of Bern and the Federal Institute of Metrology (METAS). Furthermore, nuclear medicine will be significantly strengthened at the Bern university hospital (Inselspital) with the appointment of a new director at the full professor level. In the proposed project we focus on the theranostic radionuclide pairs 43,44Sc/47Sc, 64Cu/67Cu and on the production of the alpha-particle emitter 225Ac, for which recently striking results in cancer therapy were obtained. At present the availability of these radioisotopes for clinical studies is almost non-existent. On the basis of already existing infrastructures constituted by the 22 MeV 20 microAmpere electron microtron at the Federal Institute of Metrology (METAS) in Bern and by the cyclotron laboratory at the Bern University Hospital, new routes towards theranostics using photonuclear reactions to produce therapeutic radionuclides (47Sc, 67Cu, 225Ac) together with proton induced reactions for the PET diagnostic partners (43,44Sc, 64Cu) will be investigated. We intend to: 1) enhance and optimize the production of the PET radionuclides by developing irradiation methods with compact solid target stations for medical cyclotrons; 2) improve nuclear data by measuring the cross section of the concerned photonuclear reactions; 3) establish a test facility for the production of therapeutic radionuclides at METAS; 4) study, simulate, design and test a prototype for a high-power target station for a future high-power electron linear accelerator; 5) develop the radiochemistry, separation, target material recovery and synthesis methods for theranostic labelled biomolecules. These ambitious goals will be realized by the common multidisciplinary approach that will bring together the complementary expertise on accelerator and detector physics, radiation protection, high power targets (AEC-LHEP, UniBern), Monte Carlo simulation and radiation metrology (METAS) and radiochemistry and GMP radiopharmacy (LRC, Uni Bern). On the basis of the competences and equipment we established with the interdisciplinary SNSF project “PET SCANdium-43”, we aim at laying the scientific foundation for a future center involving cyclotrons and high-power electron accelerators for radionuclide production in Switzerland. The novel methods and scientific achievements realized within this project will create the required breakthrough to make theranostics available to patients in the future.
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