随着我国核电的高速发展以及近年来国际上核事故和核恐怖袭击事件（核脏弹）的威胁，核安全在全球都得到了高度重视。锕系元素作为核工业及核武器的重要原料，具有极高的化学毒性和放射性，一旦进入人体会沉积在内脏和骨骼等组织难以排出，从而导致严重的器官损伤，如肾衰竭、骨肉瘤等，并极有可能致癌。使用促排剂（络合剂）使锕系元素离子与其结合形成可溶物从而促进其排出体外是处理锕系元素急性体内污染的唯一可行方法。然而，锕系元素促排剂研究近 30 年来进展极为缓慢，未获得十分有效的促排剂来保障公共卫生安全。因此研究低毒、高效的锕系元素促排剂，最大限度降低其内照射产生的辐射损伤是核安全领域最大也是最难的任务之一。
从骨骼中促排锕系元素一直是促排领域内最大的挑战，这是由于锕系元素进入骨骼中，会迅速与成骨材料如羟基磷灰石（HAP）等磷酸配体结合形成极其稳定、溶解度极低的络合物，难以排出。针对该挑战，苏州大学王殳凹课题组从最基础的分子内作用力出发，深入分析了分子内影响络合能力的重要因素，突破了以往关于促排配体分子设计中氢键对于配体结构刚性和对锕系元素选择性影响的固有认知，创新性地制备出一类新型的HOPO配体(5LIO-1-Cm-3,2-HOPO)，通过电位滴定，DFT理论计算揭示5LIO-1-Cm-3,2-HOPO对铀酰具有更高的亲和力和更低的结合能，小鼠促排实验发现能够去除肾脏中约85%的铀以及骨骼中50%的铀，是首个可以大量去除骨骼中铀的HOPO类促排剂。
图1. 5LIO-1-Cm-3,2-HOPO合成路线图
与目前最优配体5LIO-(Me-3,2-HOPO)相比，5LIO-1-Cm-3,2-HOPO的合成方法更温和，安全和低成本。电位滴定实验表明5LIO-1-Cm-3,2-HOPO与铀酰络合常数（Logβ110 = 18.6）比5LIO-(Me-3,2-HOPO)（Logβ110 = 14.9）至少高三个数量级，表明该配体可以高效络合铀酰且对铀酰具有很高的选择性。进一步通过DFT理论计算表明5LIO-1-Cm-3,2-HOPO因亚甲基的引入和吡啶环的倒置使其分子内氢键作用大大被削弱，与5LIO-(Me-3,2-HOPO)相比，5LIO-1-Cm-3,2-HOPO羟基氧的负静电势更强，与铀酰的结合能更低。
图2. DFT理论计算5LIO-(Me-3,2-HOPO)和5LIO-1-Cm-3,2-HOPO分子结构、几何参数、结合能和氧静电势。
小鼠促排实验发现能够去除肾脏中约85%的铀以及骨骼中50%的铀，相比于目前美国报道的最优四齿HOPO配体，骨骼促排铀效率提升了近6倍，首次在保持肾脏促排率同时可以大量去除骨骼中铀的HOPO类促排剂。此外，体外与羟基磷灰石的竞争吸附铀实验也证实了此配体能够高效脱附HAP（成骨材料）上的铀酰离子，脱附率是此前同类配体的4倍以上。进一步研究发现这一配体即使口服给药或者延迟24小时给药，仍能够保持很高的促排效率，且对生物体内铀和钍具有很好的广谱促排效果，可以同时去除肝脏中50%的钍，以及肾脏中近90%的铀和骨骼中近55%的铀。可见，该配体是目前世界范围内报道的对铀促排效果最好的四齿羟基吡啶酮的配体，在核应急方面具有极强的可操作性，具有很好的应用前景。
图3. a-g: 5LIO-(Me-3,2-HOPO)和5LIO-1-Cm-3,2-HOPO不同给药方式和给药时间对小鼠体内铀的促排效果；h: 5LIO-(Me-3,2-HOPO)和5LIO-1-Cm-3,2-HOPO体外解吸羟基磷灰石中铀的效果图。
本工作苏州大学放射医学与辐射防护国家重点实验室核能环境化学研究中心研究生王晓梅博士和代星副研究员为共同第一作者，王殳凹教授、周如鸿教授和第五娟教授为共同通讯作者。