07 방사선 생물학 - 1. 방사선 생물학 1) 방사선 흡수의 물리와 화학

1. 방사선 생물학

1) 방사선 흡수의 물리와 화학

(1) 전리방사선(ionizing radiation)의 정의와 종류

• 전리방사선은 전자기방사선과 입자방사선으로 분류되며
• 전자기방사선 중 저에너지 감마선과 엑스선은 주로 진단에 이용되고
• 입자방사선들 중 베타선, 알파선, 전자선, 양성자선, 중성자선, 중하전입자선 등은 치료에 이용되고 있다.

 
(2) 전자기방사선의 흡수

• 전자기방사선과 흡수매질의 상호작용 중 하나인 광전흡수는 입사되는 전자기방사선의 모든 에너지를 흡수매질 원자에게 주어 궤도전자를 방출케 하는 것으로, 흡수매질의 원자번호가 커지면 증가하고 입사되는 전자기방사선의 에너지가 커지면 감소한다.
• 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 치료에서는 MeV 영역의 높은 에너지 전자기방사선을 주로 사용한다. 만약 관전흡수가 많이 발생하는 낮은 영역의 에너지를 치료에 사용한다면 뼈조직에 방사선에너지가 많이 흡수된다는 문제가 있다. 하지만 높은 에너지 영역에서는 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 에너지의 방사선량(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. 예를 들면 식물 싹의 치사율을 기준으로 비교하는지 포유동물 배양 세포의 치사율을 기준으로 비교하는지에 따라 RBE는 달라질 수 있다.

 

• LET값에 따라 RBE는 달라질 수 있으며, LET가 100 keV/㎛가 될 때까지는 증가하지만 그 이후는 급격히 감소한다. 이를 방사선의 과치사효과(over-kill)라 하며 일정한 전리수에 비해 세포의 영향을 주는 효율이 감소하기 때문이라고 해석하고 있다.

(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.

방사선이 물과 반응하여 다른 유리기도 발생하지만 포유동물 세포 DNA의 엑스선에 의한 장해의 약 2/3는 수산유리기에 의한다고 추정된다.
 
(5) 산소효과와 그 화학기구

• 방사선 조사 시 산소분압에 의해 엑스선이나 감마선 같은 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 가마선의 경우에는 산소여부에 따라 생물학적 효과에서 차이가 나지만 알파입자선과 같이 전리밀도가 높은 경우에는 차이가 없어서 OER이 1이다. 이는 전리밀도가 높은 방사선의 경우 주된 기전이 직접 작용에 기인하기 때문이다.