Pour certains radioéléments ayant un intérêt applicatif, avant de pouvoir étudier leur réactivité, il est nécessaire d’avoir caractérisé les formes chimiques sous lesquelles ils se présentent initialement. C’est en particulier le cas de l’astate (Z=85), dont le radioisiotope 211 présente des caractéristiques physiques très favorables pour une utilisation en médecine nucléaire. C’est en solution aqueuse que le processus initial de radiomarquage est réalisé pour obtenir un radiopharmaceutique. En combinant les résultats (i) de calculs DFT relativistes en deux composantes de stabilité thermodynamique et (ii) de mesures au laboratoire Subatech (UMR 6457) de coefficient de partage en milieu biphasique, les espèces élémentaires de l’astate en milieu aqueux ont pu être identifiées (Figure 1). L’astate se distingue en particulier des autres halogènes par l’existence, en plus de At^-, de formes cationiques At⁺ et AtO⁺ stables en conditions oxydantes et à pH fortement acide.

Bien que découvert il y a plus d’un siècle, le protactinium (Z=91) demeure un des actinides le moins caractérisé surtout si on le compare à son voisin l’uranium (Z=92). Alors qu’aucune liaison oxo ne se forme en solution avec le thorium (Z=90) et que deux liaisons oxo peuvent se former avec l’uranium, Pa serait quant-à-lui susceptible de ne former qu’une seule liaison oxo. Des calculs poussés révèlent une liaison plus longue que prévue (Figure 1), remettant en cause les données expérimentales antérieures et confirmant le caractère unique de Pa parmi les actinides.

Parmi les approches prometteuses en médecine nucléaire figure l’alphathérapie ciblée. Son principe repose sur l’association d’un isotope radioactif émetteur de particules alpha (α), capables de détruire les cellules de petites tumeurs et cancers disséminés, à un vecteur biologique reconnaissant spécifiquement ces cellules. Cette association est assurée par un agent chélatant (ACB, Figure 2), molécule jouant le rôle de lien chimique qui doit garantir la non-libération in vivo du radioisotope. Le marquage des biomolécules avec ²¹¹At ou ²²³Ra reste un défi en raison de la méconnaissance de la chimie de ces radioéléments, avec par exemple une instabilité de la liaison formée avec ²¹¹At pour l’essentiel des candidats radiopharmaceutiques actuels. Plusieurs hypothèses ont pu être testées par modélisation, liées à la force des liaisons formées ou à la sensibilité de l’astate aux processus oxydatifs. Nous avons récemment quantifié la capacité exceptionnelle de l’astate à former des interactions intermoléculaires, dites liaisons halogène (Figure 2). L’hypothèse que la dégradation des radiopharmaceutiques soit potentiellement initiée par la formation de liaisons halogène entre l’astate et des sites de l’environnement biologique a amené à concevoir in silico une famille de composés, ensuite synthétisés et évalués in vitro au laboratoire CRCI²NA (UMR 6075), puis brevetés (WO2025219558).
Les travaux de recherche s’élargissent à conception d’agents chélatants propres au radioisotope 223 du radium, actuellement seul émetteur α approuvé par les autorités sanitaires (ANSM, FDA), mais aussi applicables au radioisotope 226 qui présente des enjeux spécifiques d’ordre environnementale (contamination d’espaces naturels).