07. 방사선 생물학 - 1. 방사선 생물학

1. 방사선 생물학

1) 방사선 흡수의 물리와 화학방사선 생물학

1) 방사선 흡수의 물리와 화학
(2) 전자기방사선의 흡수
전자기방사선과 흡수매질의 상호작용 중 하나인 광전흡수는 입사되는 전자기방사선의 모든 에너지를 흡수매질 원자에게 주어 궤도전자를 방출케 하는 것으로 발생확률(τ)은

에 따른다. 즉 흡수매질의 원자번호가 커지면 증가하고 입사되는 전자기방사선의 에너지가 커지면 감소한다(그림 7-2).

방사선 진단에서는 광전흡수가 주가 되는 에너지 영역의 전자기방사선이 사용되며 연부조직에 비해 원자번호가 큰 칼슘이 많은 뼈조직에서는 엑스선이 상당한 정도까지 흡수되고 두 조직 간의 흡수차를 이용하여 엑스선 사진을 만든다.
방사선 치료에는 MeV 영역의 높은 에너지 전자기방사선을 주로 사용한다. 만약 광전흡수가 많이 발생하는 낮은 영역의 에너지를 치료에 사용한다면 뼈조직에 방사선에너지가 많이 흡수된다는 문제가 있다. 하지만 높은 에너지 영역에서는 발생확률(σ)이 

인 컴프턴산란이 압도적으로 많이 발생하고, 이는 흡수매질의 질량에 상대적으로 매우 적게 영향을 받으므로 뼈조직 흡수의 문제를 피할 수 있다.
 
(3) 선형에너지 전이와 생물학적 효과
전리방사선의 종류에 따라 전리를 일으키는 능력이 다르며, 따라서 흡수 매질에 에너지를 전달하는 방식도 다르다. 전리방사선이 매질을 통과하면서 1 ㎛의 단위거리당 전달하는 에너지의 양(keV)을 선형에너지전이(Linear Energy Transfer, LET)라 하며, 단위는 keV/㎛를 사용한다.
 
전리방사선의 종류에 따라 조직에 전달되는 선량이 같더라도 생물학적 효과는 다른데, 이를 구별하기 위하여 생물학적 효과비(Relative Biologic Effect, RBE)라는 개념이 사용된다. RBE는 특정 생물학적 효과를 발생시키는데 필요한 특정 에너지 방사선선량(주로 낮은 LET의 엑스선)과 비교하고자 하는 방사선의 선량의 비율로 정의된다.

RBE는 방사선의 종류에 따라 정해진 값을 가지는 것은 아니며 관찰하고자 하는 특정 생물학적 효과에 따라 같은 방사선에서도 달라질 수 있다.
 

LET값에 따라 RBE는 달라질 수 잇으며, LET가 100 keV/㎛가 될 때까지는 증가하지만 그 이후는 급격히 상승한다. 이를 방사선의 과치사효과(over-kill)라 하며 일정한 전리수에 비해 세포의 영향을 주는 효율이 감소하기 때문이라고 해석하고 있다(그림 7-3).
 
(4) 방사선의 직접 작용과 간접 작용
방사선이 생체 내 고분자에 직접 작용하여 자체의 원자가 여기 또는 전리되어 생물학적 변화를 유발하는 것을 방사선의 직접 작용이라 한다. 베타나 알파 입자처럼 LET가 높은 입자방사선에서는 직접 작용이 주요한 역할을 한다.
감마선과 같은 전자기방사선은 세포 안의 다른 원자나 분자(특히 물)와 작용하여 유리기를 발생하고 그것이 생체 고분자에 도달해서 장해를 일으키는데 이것을 간접 작용이라 한다.
 
(5) 산소효과와 그 화학기구
방사선 조사 시 산소분압에 의해 엑스선이나 감마선같은 저 LET 방사선의 생물학적 효과가 크게 증가하는 것을 산소효과라 하며, 산소 분압에 따른 같은 생물학적 효과를 얻는 데 필요한 선량의 비를 산소효과비 또는 산소증감률(Oxygen Enhancement Ratio, OER)이라 한다. 방사선의 종류에 따른 산소효과가 달라서 전리밀도가 낮은 감마선의 경우에는 산소여부에 따라 생물학적 효과에서 차이가 나지만 알파입자선과 같이 전리밀도가 높은 경우에는 차이가 없어서 OER이 1이다(그림 7-5).

이는 전리밀도가 높은 방사선의 경우 주된 기전이 직접 작용에 기인하기 때문이다.
산소의 분압에 따른 방사선 효과의 차이는 종양의 방사선 치료에서 중요한 개념을 차지한다. 일정한 크기 이상의 고형암은 저산소 상태에 있는 세포들을 가지고 있기 때문에 일반적인 방사선 치료에 대해 저항성을 가지고 있기 때문이다.
 
2) DNA와 염색체에 대한 작용
방사선에 의한 세포영향에서 염색체 DNA가 주된 표적으로 알려져 있다.
방사선에 의해서 발생되는 DNA 손상은 가닥손상(strand break), 염기변화(base change), 당쇄(sugar) 파괴, 가교형성(cross-link) 및 이량체(dimer) 형성 등이 있다. 이 중 가닥손상이 가장 흔하고 중요한 것으로 알려져 있다.
 
(1) DNA 손상과 복구
세포에 엑스선을 조사하면 DNA 단일가닥손상(Single-Strand  Break, SSB)이 많이 일어나지만 송상 받지 않은 가닥을 이용한 복구가 빨리 일어나므로 생물학적 의미가 적다. DNA 이중가닥손상(Double-Strand Break, DSB) 시 두 절단면이 떨어져 있으면, 각각의 절단이 별개로 다루어져 역시 빨리 복구된다. 이에 반해 DSB 두 절단면이 2~3 염기쌍 밖에 떨어져 있지 않으면, 염색분체가 두 부분으로 떨어질 수 있다.
 
(2) 적응(adaptive) 반응
방사선 적응 반응은 세포에 방사선을 조사한 후 다시 방사선을 조사할 때, 두 번째 방사선에 대한 저항성이 증가하는 형상으로, 1차 방사선에 의해서 DNA 손상 복구 시스템이 항진되어 2차 방사선에 대한 저항성이 증가하는 기전으로 여겨진다. 적응반응에 대한 ICRP 간행물 103의 견해는 아래와 같다.
시험관 및 생체 내 세포에서 적응반응을 보편적으로 항상 관찰할 수 있는 특성은 아니라는 제한점이 있다. 가장 잘 연구된 세포계통(인체 림프구 세포유전적 반응)에서도 수십 밀리그레이 수준의 낮은 선량으로도 적응 반응이 촉발된다는 증거가 부족하며, 림프구를 제공한 공여자에 따라, 즉 실험 개체 간의 개인차가 상당하다. 일반적인 스트레스 반응 기전, 화학기단 제거, 효율적인 DNA 복구와 관련성을 지지하는 연구결과도 있지만, 적응반응 기전에 대한 이해가 아직은 단편적이다. 일부 긍정적인 연구 결과도 있지만, 종양유발(또 면역 반응)에 대한 동물연구가 방사선의 부정적인 보건 영향을 감소시킬 수 있다는 일관된 증거를 제시하지는 못하고 있다. 
 
(3) 유전자와 염색체 돌연변이 유발
 
(4) 후성적(epigenetic) 반응
방사선에 의한 일차적인 DNA 손상이 없음에도 불구하고 게놈변화나 세포에 영향을 일으키는 반응을 말하며 전리방삿너 비적에 DNA가 직접 표적이 되는 개념과는 대조된다.
 
① 방사선 유발 게놈불안정성(Radiation induced genome instability)
통상적으로 DNA 손상 반응은 피폭 후 게놈 손상이 1차 또는 2차 세포 주기 중 발현되는 것으로 알려져 있지만, 방사선 유발 게놈불안정성이라는 용어는 게놈 손상과 세포 영향이 조사 후 여러 세포 주기에 걸쳐 일관성 있게 발현되는 현상을 설명하기 위해 사용된다.
 
②  구경꾼 효과(bystander effect)
구경꾼 효과란 방사선에 직접 조사되지 않았으나 조사된 세포에 인접한 세포들에 DNA 손상이나 세포생존의 감소와 같은 방사선 영향이 나타나는 현상을 말한다.
 
3) 세포에 대한 방사선의 효과
(1) 방사선 생물학적 세포사
방사선 생물학적인 관점에서는 방사선조사에 따른 세포사를 조사된 세포군집에서의 물리적인 생존여부가 아닌 세포의 증식능력 상실로 정의하기도 한다.
생식세포의 사망은 방사선조사 후 몇 번의 세포분열 이후 발생하는 mitotic catastrophe에 의한다. 조사선량을 증가시키면 발생빈도가 증가한다. 방사선조사 후 세포분열에 실패한 세포들은 세포고사로 진행할 수도 있다. 세포고사는 고선량에서 발생한다. 방사선조사 이후의 세포수의 빠른 감소는 세포고사에 의한 것으로 여겨지며 빠르게 증식하는 세포집단에서는 mitotic catastrophe에 의할 수도 있다.
세포고사가 방사선 치료에 의한 암세포사망을 전반적으로 잘 반영하는 기전인지에 대해서는 아직 밝혀지지 않은 면이 있어 일부 암종에 대해서만 인정되고 있다.
 
(2) 세포 생존곡선과 모델
세포의 생존곡선은 흡수선량(D)을 대수 x축으로 생존확률(S)을 로그 y축으로 하여 관계를 선형-2차식으로 나타낸 것이다.

상수 α는 생존(로그) 대 선량(선형)의 반대수 그래프에서 세포사멸에 대한 세포 감수성의 선형성분을 나타내며, β는 높은 방사선량에서 증가하는 감수성을 나타낸다. α/β비는 세포사멸의 선형 및 2차 성분이 동일한 위치에서의 선량이다. 이 비는 생존곡선의 곡률을 나타낸다. 신장이나 척수처럼 느린 재생기관 계통에서와 같이 천천히 증식하는 동질적 세포집단에서 α/β비는 낮으며 반대수 그래프상 곡선은 더 휜다. 구강점막이나 장의 재생 표적세포 집단과 같이 빠르게 증식하고 이질적인 세포집단에서는 α/β비가 커지며 생존곡선은 더 직선에 가깝다(그림 7-8).

알파 입자라던지 저에너지 중성자 등의 전리를 빈번히 일으키는 방사선에 의한 생존곡선은 그림 7-8의 높은 LET 선과 같이 원점에서 거의 직선이다. 이런 종류의 방사선으로 조사했을 때, 어느 특정 세포에서는 그 생존곡선이 하나의 인자, 즉 경사만으로 완전히 나타낼 수 있다. 엑스선이라든가 감마선 등 전리를 드물게 일으키는 방사선에서는 그림 7-8에서의 낮은 LET 곡선에서 보는 바와 같은 특징을 가진다.
 
(3) 세포에 대한 방사선 영향을 수식하는 인자
세포에 
 
3) 세포에 대한 방사선의 효과
(1) 방사선 생물학적 세포사
세포에 
 
(1) 방사선 생물학적 세포사
세포에 
 
(1) 방사선 생물학적 세포사
세포에 
 
3) 세포에 대한 방사선의 효과
(1) 방사선 생물학적 세포사
세포에 
 
(1) 방사선 생물학적 세포사
세포에 
 
(1) 방사선 생물학적 세포사
세포에