동위원소검사학 강의 3

동위원소검사학 강의 3

3. 방사선 생물학

I. 생체에 대한 작용 기전 1. 작용의 기본적 과정

물질과 방사선의 상호작용으로 물리적 과정에서 에너지 흡수 방사화학적 현상으로 유리기(radical)의 생성(10^-17~10^-10 sec)

생화학적 변화에서 효과가 증폭

세포 손상

세포의 기능적 변화

세포의 사멸

단 시간(minutes)에서 년(years)의 긴 세월 동안 효과를 나타내기도 한다.

단시간 내 세포나 조직, 개체에 영향이 나타나는 변화.

다음 대 이 후 유전적 변화

1). 이온화 방사선(ionizing radiation)

방사선이 어떤 물질을 통과할 때 그 물질에 이온화 작용을 일으키는 방사선 2). 물 분자의 이온화(ionization of water molecules)

모든 생물체의 구성성분 약80%가 물

피폭되면 일차적으로 물분자에 이온화 발생, 방사분해(radiolysis)가 유발.

물분자의 방사 분해로 인해 생성되는 1차 유리기(primary free radicals)

e, H, OH 는 반응력이 강하기 때문에 생성된 부위에서 대부분 2차 반응을 일으켜

이차적으로 생성되는 유리기로는 HO₂^-, O₂^- 등이 있으며 1차 유리기에 비해 비교적 반응력이 약하기 때문에 먼 곳까지 이동해서 생체 구성물질과 상호작용을 유발.

3). 유리기의 반응

이온화 작용은 물분자에 국한된 현상이 아니라 세포내 여러 유기물에서

과산화물이 생성됨으로써 단백질 및 기타 성분과 반응하여 대사장해 유발.

2. 직접작용과 간접작용

직접작용 간접작용

생물체가 방사선에 피폭되면

방사선의 에너지가 장애를 나타내게 되 는 유기물분자에 직접 흡수되어 특정부 위에 구조변화 등의 손상을 유발한다는 설

전체 영향의 약 25%를 차지

세포질의 용매인 물이 이온화되고 유리 기 및 과산화물을 생성하여 이러한 유리 기 및 과산화물이 주변의 세포성분과 반 응하여 대사장해를 유발한다는 설

전체 영향의 75%를 차지 생물체가 방사선에 피폭되면 두 가지 현상이 동시에 유발

※. 간접작용에 영향을 주는 인자

①. 희석 효과:

희석했을 때 방사선에 의한 용질분자 변화 비율이 커지는 현상

②. 산소 효과:

생물학적 작용이 산소가 있으면 증가하는 현상. 저산소 상태에서 조사하면 정상적 조건에서의 생물보다 방사선 장해가 감소

③. 보호 효과:

물 분해 생성물이나 방사선에 의한 유리기 및 활성종과 반응하기 쉬운 물질을 가하면 방사선 분해의 2차 작용 (간접작용)을 줄이는 효과.

④. 동결 효과(저온효과) :

3. 방사선의 생체 작용단계

세포 성분의 대부분인 물은 이온화에 의해서 분자 수준에서 변화 발생.

염색체를 이루고 있는 물질에서 과산화물 등의 해로운 화학물질 생성.

이러한 유해작용은 세포의 구조와 기능을 변화시키게 되며 임상증상 유발 시킴

①. 물리적 단계 세포의 원자나 분자에 부여된 에너지에 의해 물분자 이온화

②. 물리, 화학적 단계 이온이 다른 물분자와 반응하여 새로운 물질을 생성하는 단계. 일차유리기, 이차유리기 과산화물을 생성

③. 화학적 단계 물리화학적 단계에서 생긴 반응 생성물이 세포의 중요한 유기분자와 작용

④. 생물학적 단계

① 세포가 조기에 사멸.

② 세포분열이 중단되거나 지연.

③ 영구적인 변화(유전)

방사선 손상이 일어나는 과정 4단계로 나누어서 생각할 수 있다.

II. 세포에 대한 작용 1. 세포분열 장애

1). 세포 분열(cell division)

a). G1기(Gap 1) 세포 분열이 완전히 끝나고 다음 분열을 위하여 DNA 합성이 개시될 때 까지 기간

b). S기(Synthetic Stage)

G1기가 끝나면 세포분열에 앞서 세포핵 속 에 있는 핵산, DNA의 합성이 이루어진다.

이 DNA를 합성하는 시기. DNA가 처음의 c). G2기(Gap 2)

DNA의 합성이 끝나 고 다음 분열이 개시 될 때 까지의 시간.

세포 분열에 필요한 단백질의 합성

d). 분열기M기(Mitotic Stage)

2). 세포사 (분열사, Mitotic Death)

세포 분열 억제 세포사, 세포 분열 지연. (100rem정도)

손상 받은 세포는 분열을 되풀이하는 동안 분열이 불가능 세포사 3). 거세포 형성 (Giant Cell Formation)

손상 받은 세포 1-수회 분열을 일으킴. DNA합성, 세포질 단백질 합성은 하나 최종과정(세포질 분열)에서 손상으로 분열이 되지 못하고 거대 세포의 형성

4). 분열지연 (Division Delay)

세포 집단이 적당량의 방사선 조사. 세포 분열수 일시적 감소, 최저치 다시 급격히 증가 M기의 이행이 늦어져 G2에 머물러 있기 때문 G2 block이라 한다.

2. 간기사(Interphase Death)

세포 분열과 분열 사이의 휴지기(resting stage, interphase)세포가 분열하지 않고 죽는 경우

대선량의 방사선에 피폭되거나, 소선량일 경우 임파구 세포, 난모 세포에도 영향

기전 : DNA장애, 세포내의 막계 장해, 효소의 방출, 핵구조의 변화, ATP합성의 장애 등이 있으나 정설은 아직 밝혀지지 않음 3. 돌연변이(Mutation)

자연 돌연변이, 방사선 유발 돌연변이 1). 유전자 돌연변이(Gene Mutation):

유전자 자체에 변화, 미세한 구조 변화에 의한 돌연변이(point mutation) 2). 염색체 이상(Chromosome Mutation):

염색체의 구조상의 변화

3). 변성 돌연변이(Transmutation):

세포 속에 ³H, ³²P등의 동위 원소가 들어가 핵산등의 분자 속에 이행 원자 중에 몇 개가 괴변을 일으켜 다른 원자로 변하고 변성.

동위원소의 괴변으로 발생하는 변이

4.세포 구성 성분과 방사선의 영향

1). 단백질 : 단백질의 기본 단위 아미노산.

방사선에 가장 민감한 부위는 아미노기인데 아미노산 분자 중에서 방사선에

의하여 구조적 변화가 일어날 수 있는 부위는 곁사슬로서 탈수소 등의 구조변화.

단백질 폴리펩티드내의 아미노산 곁사슬 중 방사선 감수성이 높은 것 :

히스티딘, 트립토판, 티로신 등 환상 구조(ring form)를 갖고 있는 것.

-SH기(thiol group)를 갖고 있는 시스테인 등

단백질 특유기능의 상실은 단지 polypeptide 결합이 끊어지는 것과 같은 근본적인 구조 변화에 그 원인이 있는 것이 아니라 측쇄 구조의 변화로 인하여 공간배열이 변하기 때문에 일어나는 것이다.

2). 핵산(deoxyribonucleic acid : DNA) 방사선에 의한 DNA분자의 구조 변화

① 염기의 구조변화 ② 염기의 탈락 또는 삽입 ③ 사슬사이의 수소결합의 절단 ④ 한가닥의 절단 ⑤ 두가닥의 동시 절단 ⑥ 나선내의 가교 형성

⑦ 다른 DNA 분자와의 사이의 가교 형성 ⑧ 단백질과의 사이의 가교 형성 염기의 구조변화 또는 염기의 탈락은 대부분이 OH 유리기에 의해 유발.

염기 중에서 피리미딘 유도체가 퓨린 보다 방사선에 대하여 민감하다.

염기의 구조변화 및 탈락은 염기서열에 영향을 미침으로서 유전장해 및 돌연변이

3). 지방(lipid)

유기용매에 용해되는 물질을 총칭 중성지방 및 지방 중성지방에서 방사선에 민감한 부위 :

지방산으로 특히 불포화지방산이 포화지방산보다 산화가 쉽게 일어남.

이중결합의 수가 증가하고 이때 수소가 제거되어 공명구조를 이루게 되며

산소 존재 하에 유기 과산화물이 생성되어 유리기는 계속 연쇄반응을 일으킨다 이러한 유리기 및 과산화물(peroxide)은 체내에서 단백질 및 기타 유기물과 반응하여 유기물을 변성시키거나 대사장해 유발

4). 탄수화물(carboydrate)

단당류(monosaccharide), 과당(oligosaccharide), 다당류(polysaccharide) 가장 간단한 탄수화물의 형태는 오탄당과 육탄당 등 단당류이다.

단당류(monosaccharide) : 당분자가 하나씩 존재 과당류(polysaccharide) : 당분자가 2∼4개가 결합

단당류는 용액 상태에서 방사선을 조사하면 축합하여 다당류로 전환되는 경향.

다당류에서 방사선이 조사되면 과당류 및 단당류로 분해

5. 염색체에 미치는 방사선의 영향

이온화 방사선에 피폭되면 염색체 돌연변이(chromosomal mutation)의 발생빈도가 훨씬 높아진다.

결실(deletion) :

염색체 일부가 절단되어 세포분열 과정에서 없어짐

절단된 염색체가 극히 작을 때는 가시돌연변이가 생기나 클 경우에는 치사돌연변이 가 일어난다.

역위(inversion):

절단된 염색체가 위치가 바뀜 염색체 역위현상이 생기면 수정효과가 감퇴되거나 유전자의 위치효과를 나타나게 된다

중복(double):

절단된 염색체가 다른 부위에 부착되어 염기서열이 중복 전좌(translocation):

염색체의 일부가 절단되어 다른 염색체에 부착 염색분체교환(exchange):

체세포 분열에 있어 복제된 염색분체와 원래의 염색분체가 한 곳 이상에서 꼬여 분열 시 염색체의 일부 뒤바뀜

6. 대사에 미치는 방사선의 영향

1). 탄수화물 대사(carbohydrate metabolism)

①. 해당과정 및 TCA회로에 관련된 효소는 방사선에 민감하다.

가). 활성도 저하, 세포, 조직내 TCA 회로 억제.

나). ATP 생성률 저하 및 기 생성된 ATP 분해.

다). ADP 나 AMP의 함량이 일시적 증가.

②. 저장형태의 당인 글리코겐 합성 효소는 방사선 저항성 있음.

간이나 근육조직 내의 글리코겐 함량의 증가.

2). 아미노산 대사

아미노산 대사에 관여하는 효소들의 방사선 감수성 연구는 조직과 혈청에서의 활성도 증감에만 집중되어 있다.

방사선이 아미노산 대사에 미치는 영향에 대해서는 일정한 경향성을 발견하기 곤란하나 조직 재생과 효소 활성도 사이에 서로 관계가 있음이 명확하다고 본다.

3). 인산분해 효소 및 리소좀 효소

Alkaline/acid phosphatase는 전신 조사시 혈청내에서는 활성도가 조사선량에 비례 하여 감소하나 간에서는 혈청보다 다소 저항성을 나타내는 데 이러한 현상은

리소좀 막의 파괴에 따른 리소좀 효소의 유출에 기인하는 것으로 생각된다.

리소좀(lysosome)은 세포질내 단층막으로 되어 있어 세포 사멸후

자가소화(autolysis)할 수 있는 여러 가지 가수분해 효소를 갖고 있는 데 방사선은 리소좀 막을 파괴함으로써 암의 방사선 치료효과를 나타내는 것으로 알려져 있다.

4). 핵산 합성 및 분해 효소

DNA 합성 및 단백질 합성에 미치는 방사선의 영향에 관해서는 서로 상반된 보고 들이 많이 있으나 전신조사는 재생되는 간에서 DNA 합성을 저해한다는 보고 등에 비추어 DNA 및 단백질 합성은 방사선 조사에 의하여 억제된다는 것이 타당하다.

DNA 분해효소인 Dnase는 정상조직에서는 Dnase 활성도에 아무런 변화가 없었다 또한 기관에 따라서 DNase의 방사선 감수성에 많은 차이가 있었는데

콩팥, 간 등 세포분열이 왕성하지 않은 기관에서는 저항성을 보였으며 비장, 흉선에서는 반응이 예민하다.

7. 세포의 방사선 감수성

세포 감수성에 대한 이론(Bergonie-Tribondeau 설) Bergonie와 Tribondeau (1906년)

같은 동물이라 하여도 세포의 종류에 따라 방사선 감수성이 각기 다른 점에 착안, 쥐의 정소(testis)를 이용한 실험을 통한 결론

①. 세포의 재생능력이 클수록 ②. 세포 분열이 활발할수록

③. 형태적, 기능적 분화의 정도가 얕을수록 ④. 미분화 세포일수록 방사선 감수성 이 높다.

유사분열이 높아서 정상조건하에서 유사분열을 많이 거듭하는 세포, 분열과정이 긴 세포, 형태적, 기능적 분화 정도가 낮은 세포

어리고 약한 세포일수록 방사선 감수성이 높다는 것이다.

이 설의 개념을 모든 포유동물 세포의 방사선 감수성에 통용하기에는 예외가 많다.

같은 동물이라 하여도 세포의 종류에 따라 방사선 감수성이 다르다.

포유동물 세포에서는 세포질의 양과 감수성이 상관관계가 있으며

핵의 부피와 세포질의 양의 비, 즉 감수성이 부피에 비하여 세포질 양이 많은 세포가 방사선에 대한 저항성이 높으며 미토콘드리아 수가 많은

세포가 적은 것에 비해 저항성이 높은 것으로 알려졌다.

8. 기관계에 미치는 방사선의 영향

선량은 저선량(0∼5Gy), 중간선량(5∼10), 고선량(20Gy이상)

동일한 개체 내에서도 조직에 따라 방사선 감수성에 많은 차이의 이유 조직을 구성하고 있는 세포의 감수성의 차이

방사선 조사 방법에 따라서 생물학적인 효과의 차이

동일한 선량이라도 국부조사에서는 개체의 치사효과를 일으키지 못하나 전신조사의 경우는 생물학적 효과가 일어나기 이전에 개체를 치사케 한다.

1) 혈액 및 조혈 조직 (중간선량 기준 5-10Gy)

①. 림프절(lymph node)

림프질의 기질(stroma of lymph node)은 저항성, 림프절내 lymphocyte는 민감

②. 흉선(thymus)

조직은 상당한 저항성, 흉선 내의 림프구는 림프절의 경우와 같다.

③. 비장 (spleen)

림프구의 생성 부위인 백수(white pulp)는 중간선량에 피폭 24시간 후에 림프구가 없어지며 비장의 크기는 절반 이하로 줄어든다.

④. 골수 (bone marrow) (중간선량)

골수내의 지방세포, 대식세포(macrophage), 망상세포(reticulocyte), 결체조직 (connective tissue) 등은 상당한 저항성을 나타내나 과립세포(granulocyte), 혈소판 등 피폭되면 7∼8일이 지나야 회복

⑤ 혈구 (blood cell) (중간선량)

15분 후부터 림프구가 감소, 1시간 정도가 지난 후에는 림프구가 거의 없어진다.

회복되는 데는 3∼4주가 걸린다. 성숙한 과립세포, 혈소판은 비교적 저항성이 높으나 수명이 짧아 피폭된 후 3∼5일 후 최소치에 도달, 25일 후 정상 회복된다.

성숙한 적혈구는 피폭되어도 그 숫자에는 변화가 없으나 5∼7일 후 적혈구 감소, 심한 빈혈증상. 이러한 현상은 혈관 파열로 인한 내출혈이 요인으로 생각.

※. 방사선 선량 (Gy)조사에 의한 혈액의 변화 선량(Gy) 혈액변화

0.25 초기 림프구 감소

0.5 ~ 1.0 림프구 감소, 백혈구 증가 1.0 ~ 2.5 림프구 감소, 백혈구 감소 2.5 ~ 5.0 백혈구 감소, 혈소판 감소

5.0 ~ 7.5 백혈구 감소, 혈소판 감소, 적혈구 감소

7.5 ~ 10 백혈구 감소, 혈소판 감소, 적혈구 감소, 혈색소 감소, 출혈, 화농 형성 2). 소화관에 미치는 방사선의 영향

저선량(0∼5Gy), 중간선량(5∼10), 고선량(20Gy이상)

식욕부진, 구토, 설사 등. 고선량에 피폭되면 구강 점막에 궤양이 발생, 세균감염.

인두, 식도는 저항성이 높으나 선량이 높아지면 표피층에서 괴사.

위는 중간선량을 조사하면 선상피 세포 특히 펩시노겐(pepsinogen)을 분비하는 세포에 병변이 일어나게 된다.

염산 분비 세포는 선상피 세포에 비하여 다소 저항성, 염산 분비량이 감소.

소장은 소화기관중 가장 방사선에 민감한 부위로서 특히 십이지장의 표피세포는 중간선량 피폭에서 핵절단, 유사분열 중지, 표피세포 탈락이 일어난다.

3). 혈관계(vascular system)

혈관계 손상은 간접적으로 다른 기관에 큰 영향을 미친다.

심장과 대동맥은 방사선에 대한 저항성이 크나 모세혈관의 내피세포는 민감하여 중간선량의 피폭에 의해서도 폐색이 발생한다

①. 만일 저선량의 방사선에 의하여 모세혈관 내피세포가 손상을 입으면 나머지 손상을 입지 않은 세포의 분열을 촉진하여 지나치게 많은 수의 세포가 증식되어 모세혈관을 막아 버리게 된다.

② 피폭된 모세혈관 내피세포는 팽창되어 혈관을 막게 된다.

③ 괴사가 일어난 내피세포의 잔해가 혈관 내강을 막아버린다.

④ 모세혈관에 염증이 생기며 혈관이 찌그러진다. 이상과 같은 모세혈관 의 폐색은 혈류의 유통을 저해한다.

4). 골(bone)

뼈의 생장하지 않는 부위는 저항성,

생장하는 골단, 골간판 등은 중간선량에서도 손상을 입게 된다.

생후 50일된 쥐의 대퇴부에 방사선을 조사하면 연골판이 없어지거나 연골세포의 팽창 및 퇴화가 일어난다.

골수내 혈관은 충혈되거나 출혈이 일어나게 되며 2∼6주가 지난 후 회복, 그러나 생장기를 놓친 관계로 다리의 길이가 짧아진다.

5). 피부 및 모발(skin and hair)

피부의 진피층과 표피의 기저 분열층은 대단히 민감, 0.35Gy 정도의선량을 조사하면 세포분열이 중지된다.

표피층은 저항성이 높으나 자체분열능력이 없어서 곧 탈락되고 만다.

중간선량을 조사하면 진피조직은 엉성해지며 표피세포로 전환되지 못하여 손, 발가락의 지문이 없어진다. 사람의 경우 피부에 방사선 홍반이 생긴다.

모근세포는 매우 민감하여 저선량에 피폭되면 모발 생장이 중지되고 중간선량의 경우는 1∼3주내 탈모현상, 1개월 후에 회복되나 백발.

6). 호흡기계(respiratory system)

호흡기는 저항성이 높은 것으로 알려졌으나

고선량에 피폭되면 방사선폐염(radiation pneumonitis) 및 수종이 발생하여 폐포가 섬유질로 덮인다.

7). 비뇨기계(urinary system)

콩팥, 방광, 배설관 등은 저항성이 높으나 피폭 후 몇 개월 또는 몇 년이 경과하면 혈관계 손상으로 인한 영향이 오는 경우가 있다.

즉 중간선량에 피폭되면 수개월 후에 고혈압, 단백뇨, 혈뇨, 다뇨증 등이 발생한다.

8). 생식기관(repuoductive organ)

기관들은 저항성이 매우 크나 정자 생성 과정에 있는 생식세포들은 매우 민감.

중간선량에 피폭되면 염색체 이상, 세포분열 중지 및 세포의 괴사 발생.

정자는 성숙정도에 따라 방사성 감수성이 각기 다르기 때문에 저선량 및 중간선 량을 조사하여도 일정기간은 수정능력을 유지한다. 그러나 비록 수정이 되어도 분만되는 새끼의 수는 정상에 비하여 적고 정자의 염색체 이상으로 인한 기형 및 사산이 되는 경우가 많다.

암컷의 생식기관은 난소, 나팔관, 자궁, 질 등으로 이루어져 있다. 수컷의 경우와 같이 조직 및 기관은 상당한 방사선 저항성을 나타내지만 성숙과정의 난 즉, 중간 정도로 성숙한 여포세포는 발생초기 및 완전히 성숙한 여포세포에 비하여 방사선 에 더 민감하다. 생쥐에 1Gy의 방사선을 조사하면 발생초기에 있는 여포세포는 완전히 파괴되고 0.5 Gy정도의 피폭으로 영구불임 개체가 된다.

사람의 경우는 저선량에서 일시적인 불임(12∼36개월)이 되고 중간선량에서는 영구불임 및 인공폐경이 일어난다.

III. 방사선의 생물학적 효과에 영향을 주는 요인 1. 생물학적 요인

1). 연 령

동물의 연령과 방사선 감수성과는 상호 깊은 관련성

어린 개체가 높은 감수성을 나타내는 것은 성체에 비해 많은 세포분열을 하는 것에 원인이 있다고 생각된다. 생물 종류에 따라서는 예외가 있다.

2). 유전적 요인

생물 종의 종류가 다르면 방사선 감수성은 다르게 나타나는 데

하등생물에 비해 고등생물의 감수성이 높으며 특히 방사선에 대한 표적의 크기 (target size ; DNA volume)가 큰 생물일수록 방사선에 강하다

동일한 종에 있어서도 계통이나 품종에 따라서 방사선 감수성에 많은 차이가 있다.

2. 물리적 요인

1). 국부조사(partial body irradiation)

생물체에 대한 방사선 조사부위에 따라 에 많은 차이가 있으며 조사받은 부위와 주변의 조직 및 기관간에는 상호작용이 있으나 장해는 대부분의 경우 조사받은 경우 조사받은 조직이나 기관에서만 일어난다.

2). 선량률(dose rate)

선량률은 단위 시간당 생물체가 받는 방사선량을 말한다.

단속조사(pulsed irradiation):

동일 선량을 어떤 단시간 간격으로 조사하는 것

분할조사(fractioned irradiation): 조사시간이 일 또는 주 간격일 때

준치사량 이하에서는 방사선 조사가 일정한 시간간격을 두고 이뤄질 경우 생물 체에 방사선 손상을 회복하는 데 필요한 시간을 제공하는 효과를 나타내게 되어 연속 조사에 비해 그 영향을 덜 받는다.

방사선 조사방법의 차이와는 별개로 방사선량이 같아도 선량률이 높은 경우가 훨씬 더 영향을 많이 받게 되며 따라서 실제 동물의 치사효과도 선량률에 따라 서 달라진다.

4. 온도

생물체에 방사선 조사시의 주변 온도와 방사선 감수성과는 밀접한 관계 저온에서 선량 감소 .

3. 산소

저산소 상태에서 조사하면 정상적 조건에서의 생물보다 방사선 장해 감소.

산소에 의한 방사선 영향의 증가율을 OER(oxygen enhancement ratio)로 표현하는 데 이는 다음에서 보는 바와 같이 산소가 없는 상태에서의 방사선 영향에 대한 산 소조건에서의 동일 방사선량의 영향 비율을 뜻한다.

OER(산소효과비)= 산소포화시 방사선 효과 무산소상태의 방사선 효과

5. 방호물질(radioprotective agents)

방사선 방호효과가 있는 물질을 직접 응용하기에는 다음과 같은 문제점 방호효과를 나타낼 만한 물질은 동물에 대한 치사량에 가깝다.

물질자체가 독성을 보유.

방호효과를 얻기 위해서는 투여 시기가 방사선조사 직전이나 조사중이어야 한다 방호효과가 있다고 알려진 물질중 가장 효과가 큰 것은 aminothiol 계열과 생물체 에 많은 아미노산인 cystein을 비롯하여 그 유도체인

2-mercaptoethyl-amine(cysteamine), S, 2-aminoethylisothiourea, dihydro-

bromide, 2-mercaptoethylguanidine 등 -SH기와 NH2 기를 함유하고 있는 화합물 등이다.

이러한 방호물질을 실험동물에 투여하면 피폭선량에 따른 장해를 감소시킬 수 있 다.. 방호물질의 투여로 발생하는 선량 감소효과를 선량 감소계수(DRF; dose

reduction factor)를 정하여 평가하고 있다.

※. 방호물질의 작용기작 1)유리기의 제거

생성된 세포내의 유리기 (OH)가 cysteamine과 반응하여 cysteamine은 산화되며

유리기는 반응력이 없는 안정된 유리기로 전환되어 간접작용장해를 감소시킨다.

R - SH + OH → RS + H2O 2)수소공여에 의한 회복

단일분자(RH)가 방사선에 의하여 (간접 또는 직접작용) 유리기(R)로 전환되면 RH → R + H이 유리기(R)는 서로 반응하여

R + R → R - R 또는 R + O₂→ RO₂등의 과산화물이 된다.

이때 방호물질(P)는 수소를 공여함으로써 다시 원상태로 회복된다.

3)세포성분과의 상호작용

방호물질이 세포 구성성분과 결합함으로써 방호효과를 나타낸다.

Thoil 화합물은 세포내에서 DNA합성을 저해하는 작용을 나타내며 따라서 세포의 효소계로 하여금 DNA손상수복에 필요한 시간적 여유를 확보할 수 있게 한다. 또 한 방호물질은 세포내에 존재하는 단백질의 -SH기와 결합하여 mixed disulfide를 형성하여 유리기의 공격으로부터 특정 단백질을 보호하는 역할을 한다.

4)조직내 저산소 상태 유발

Thiol기는 쉽게 산화된다. 생체내에 투여된 thoil 기는 조직내 산소와 결합하여 산 화되면서 저산소 상태를 유발함으로써 방사선으로부터 세포물질을 보호하는 효과 를 나타내게 된다.

IV. 방사선의 인체 영향

1 신체적 영향과 유전적 영향 1). 신체적 영향

신체의 체세포 손상에 의해서 생기는 것 영향은 피폭 받은 사람에게만 한정

신체적 영향에는 방사선을 받아서 조기에 나타나는 것 암과 같이 오랜 잠복기 후에 나타나는 것이 있다.

2). 유전적 영향

생식세포 손상. 세포 중 유전을 담당하고 있는 물질인 유전자의 변화 유전자 돌연변이(gene mutation) 또는 점 돌연변이(point mutation).

그 영향은 몇 세대 후에 나타날 수도 있다.

방사선에 의해서 유전자의 돌연변이가 일어난다 해도 그것을 자연적으로 일어나 는 돌연변이와 구별한다는 것은 불가능하다. (열, 화학약품)

이온화 방사선을 돌연변이율을 증대시키기 때문에 그것을 이용하는 것은 유전적 이상이 있는 사람의 수를 증가시키는 원인이 될 수도 있기 때문에

사람들의 방사선 피폭에 대한 엄중한 주의가 필요하다.

2. 방사선의 급성 효과 (acute or early effects of radiation)

방사선의 효과가 피폭 후 1∼2개월 이내에 발생할 경우를 말한다.

방사선을 비교적 단시간에 전신에 받게 되는 경우

피폭 후 30일간에 사망률이 50%정도되는 LD₅₀₍₃₀₎ 은 4∼5Gy로 알려져 있으며 이 정도의 방사선을 받게 되면 한기나 구토와 같은 증상이 수시간 안에 일어나고 약 3주 후에 탈모, 식욕부진, 출혈성 발진, 발열, 쇠약 등과 같은 증상이 나타난다.

선량 X선 또는 선을 일시에 전신에 받았을 때의 증상 비고 0.25Gy 거의 임상증상이 없다

0.5Gy 림프구 일시적 감소

1Gy 구토, 구역질,전신권태,림프구 거의 감소 1.5Gy 방사선 숙취 50%

2Gy 장기 백혈구 감소 사망률 5%

4Gy 사망 30일 내에 50% LD₅₀₍₃₀₎ 6Gy 사망 14일 내에 90%

7Gy 사망 100% 100%치사선량

1). 치사효과(lethal effect)

생물의 치사율을 표시함에 있어 반치사선량(lethal dose50(30))을 사용하는 데 이러한 선량 단위는 일반적으로 고등 생물의 치사율을 나타내는데 사용

방사선에 피폭된 생물의 50%를 30일 이내에 치사케 할 수 있는 선량을

LD₅₀₍₃₀₎ 부호로 표시한다.

LD₅₀₍₃₀₎

생물의 종, 생리조건, 년령, 등에 따라 차이가 있으나 일반적 건강한 성체를 기준 척추 동물에서는 고등동물일수록 이 낮아지는 경향이 있으며 무척추동물은 척추동

동물의 X, γ-선에 대한 LD₅₀₍₃₀₎

동물 LD₅₀₍₃₀₎ 동물 LD₅₀₍₃₀₎

Human 2.5-4.5 Gy Rabbit 8.0

Dog 3.5 Chicken 6.0

Gueniapig 4.0 Lark 8.0 Mouse 5.5 Goldfish 23.0

Monkey 6.0 Frog 7.0

Rat 7.5 Turtle 15.0

2). 급성 방사선 증후군(acute radiation syndrome)

①. 분자사(molecular death)

동물체가 1,000Gy나 그 이상의 방사선에 피폭시 피폭도중 또는 직후에 사망.

분자수준에서 그 기능을 상실하기 때문에 이를 분자사라 한다.

②. 중추신경 증후군(central nervous system syndrome)

포유동물이 100Gy 정도의 방사선에 전신 피폭되면 1∼2일 후에 사망 증상은 신경조직의 손상으로 인하여 과도흥분, 구토, 설사 등이 생기며

피폭후 5∼6시간이 지나면 혈관염(vasculitis), 부종(edema), 뇌막염(meningitis) 등의 증상이 나타나 결국은 사망.

③. 위장 증후군(gastrointestinal syndrome)

포유동물이 9∼10Gy의 방사선에 피폭되면 대부분 2∼5일 만에 사망

원인은 소화관의 장해 때문인 것으로 알려져 있으며소장 융모나출(denudation), 설사, 백혈구 감소, 세균의 감염 등으로 인해 죽음에 이른다.

④. 조혈 증후군(hematopoietic syndrome)

사람 5Gy 정도의 방사선에 전신 피폭되면 피폭 직후에는 속이 메스껍거나 구토가 나며 1∼2일 후에는 그러한 증상이 없어진다.

2∼3주 후에는 조혈기관인 골수의 장해로 인해 골수원세포 (sten cell)의 수가

3. 방사선의 만성효과 (chronic or late effects of radiation)

피폭 후 1∼2개월 이내에 발생하지 않고 오랜 세월 지난 후에 증상이 나타나는 것.

만성효과나 급성효과를 일으킬 수 있는 선량의 명확한 구분은 없다.

급성효과가 발생하였으나 모든 상해가 회복되어 육안으로 보아서는 정상이었으나 시간이 지남에 따라 여러 가지 만성효과가 나타나는 경우도 있으며

저선량의 방사선에 오랫동안 피폭되면 급성효과는 발생하지 않으나

노화촉진, 수명단축 또는 암발생 빈도 증가 등의 증상이 나타나게 되는데 이러한 모든 현상을 방사선의 만성효과라 한다.

효과 평균잠복기(Years) 근거

Leukemia 8-10 원폭피폭자, X선 치료 받은 환자 Bone Cancer 15 라디움 도료 작업자

Thyroid Cancer 15-30 원폭피폭자, X선 치료 받은 환자 Lung Cancer 10-20 우라늄 광산 노동자

수명 단축 생쥐 실험

백내장 cataract 5-10 원폭피폭자 방사선의 만성효과

1). 방사선에 의한 노화(radiological ageing)

조직기능의 퇴화를 촉진하는 것이 확실하게 알려져 있다.

조직 세포와 미세혈관(fine vasculature) 의 수나 양이 감소하고 결체조직(connective tissue)의 양이 증가한다.

대사장해로 인한 노화촉진과 관련된 만성효과는 아직 알려진 바 없다.

2). 수명의 단축(life shorting)

동일 선량이면 장기조사의 경우가 일시조사에 비하여 수명이 단축되는 율이 낮다.

동물의 수명단축은 방사선의 피폭에 기인한 장해나 손상이 회복되지 않고 누적되 어 노화를 촉진케 되며 그 외에도 암이나 질병을 유발하여 빨리 죽게 되는 것이나 방사선량 1Gy에 대해 1년 이하의 수명단축이 일어날 것으로 보는 견해가 지배적.

3). 수명의 연장( life lengthening)

높은 자연방사선준위의 방사선이 존재하는 환경조건하에서는 수명이 연장될 가능

① 기존 질병에 대한 저선량 방사선의 치유효과

② 전염성 질병의 출현을 억제하는 예방효과

③ 낮은 선량에 의한 백혈구(호중구)의 활성화

④ 스트레스유도인자에 의한 질병저항성 증가

암(Cancer)

정상세포(Normal cell)

발암원(Radiation) 초기유발(Initiation)

생물학적 과정

(Biological process) 원상복구(No effect) 촉진단계1(Promotion Stage1)

촉진물질(Promotor) 촉진단계2(Promotion Stage2) 종양발생(Tumor) 잠복기(Latent period)

진행단계(Progression) 암세포로 발전(Carcinoma cell)

질병발생(Disease Development

세포사멸(Cell Death) 킬러세포작용(Natural Killer Cells) 4). 방사선 발암(radiation carcinogenesis)

①. 발암 과정

방사선에 의한 발암과정은 다른 발암과정물질에 의해서 유발되는 암과 동일한 과정

②. 방사선 유발암의 종류

ⓐ 백혈병(leukemia) 잠복기가 약 10년.

태아의 경우는 0.01∼0.05Gy 정도의 낮은 선량에서도 백혈병이 유발될 수 있으며 발암율과 선량과의 관계에 있어서 발단선량(threshold)은 없는 것으로 알려져 있다.

ⓑ 피부암 (skin cancer)

방사선 초기에 X선 발생장치 취급자들에게는 손에 피부암이 많이 발생하였으나 피폭선량에 대한 규제가 실시된 이후에는 그와 같은 예가 거의 없다.

ⓒ 폐암(lung cancer)

우라늄이나 라돈이 함유된 광산에서 일하는 광부. 발암율이 정상인에 비해 높다.

ⓓ 갑상선암(thyroid cancer)

잠복기는 20년. 1Gy 이상의 선량에 피폭될 경우 갑상선암 발생율이 높다.

남자보다 여자에서 발생율이 높다.

ⓔ 유방암(breast cancer)

피폭 후 10년의 잠복기를 지나서 발생되는 경우도 있으나 평균 25년 후에 발생.

연령면에서 볼 때 10대보다는 20대에서 발병율이 높다.

4 배에 미치는 방사선 영향(radiation effects on embryo) 1). 전착상기(preimplantation period)

이 시기에 피폭되면 매우 큰 영향.

염색체 소실, 기형출산, 사산 등이 0.1Gy정도의 저선량에서도 나타난다.

2). 기관형성기(organogenesis period)

피폭시 전착상기에 비해 사망률은 낮으나 기형발생 빈도가 높다.

소안(micropthalmia)이나 이상사지, 무두개골-뇌노출, 중추신경 손상 등 기형 3). 태아기(fetus period)

모체가 방사선에 피폭되어 특별한 증상이나 태아의 사망은 발생하지 않더라도 출산후 만성효과가 나타나는 경우가 있으며

위장이나 조혈기관의 장해 등의 기능이상 증세가 나타난다.

※. 확률적 영향과 결정론적 영향의 비교

구 분 근 거 장해효과 발단선량 선량과 관계 방어목표 확률적

영 향 생식세포, 돌연변이

유전적 장해

발암, 백혈병 없음 발생률 증가

심각성 일정 제한, 감소 5. 장해발생확률과 선량관계 기준 : 결정론적 영향과 확률적 영향

1) 결정론적 영향

방사선피폭 선량과 장해발생확률이 비례관계를 형성할 뿐만 아니라

장해의 심각성이 선량에 따라 변하며 어떤 발단치가 존재하는 경우를 말함.

(결정론적 영향의 예는 수정체의 혼탁, 피부의 비악성 손상, 빈혈을 초래하는 골수의 세포감소, 불임효과 등이 있음)

2) 확률적 영향

방사선 피폭으로 인한 영향과 발생확률이 함수관계를 형성하며 그 효과의 심각성은 선량에 무관한 경우를 말함

확률적 영향은 선량이 낮은 경우에도 어떠한 발단선량(Threshold) 없이 영향 발생 확률이 존재함.

(확률적 영향의 예는 암, 백혈병, 유전적 영향 등이 있음.)

1). 결정론적 영향

①.조혈조직(골수)의 방사선 상해 말초혈액의 혈구수

혈구 Normal(㎕) 감소발생 발단선량 WBC 3,500~10,000 0.5 Gy

RBC (400~500)ⅹ10⁴ 1.0 Gy Platelet 20ⅹ10⁴ 1.0 Gy

②.생식선의 방사선 장애

성별 불임의 종류 1회 급성조사 만성피폭 MALE 일시적 0.15 Gy 0.4 Gy/y

영구 3.5~6 Gy 2.0 Gy/y FEMALE 일시적 0.65~1.5 Gy 0.2Gy/y

영구 2.5~6 Gy

1). 결정론적 영향

조혈조직(골수)의 방사선 상해 생식선의 방사선 장애

피부의 방사선 장애 수정체의 방사선 장애 갑상선의 방사선 장애 전신피폭

③. 피부의 방사선 장애’ 결정론적인 영향; 피부 상해 확률론적인 영향 ; 피부암

선량 급성영향 만성영향

0.5Gy 염색체 변화 변화 없슴

5Gy 일시적 탈모와 홍반 보통은 없으나 기능 장애의 위험이 증대 25Gy 일시적 궤양 위축, 혈관확장, 색소침착

50Gy 영구 궤양 만성 궤양, 발암의 위험성 증대

④. 수정체의 방사선 장애

종류 1회 급성피폭 수회 분할피폭

수정체 혼탁 0.5~2.0Gy 5Gy

백내장 5.0Gy 8Gy이하

⑤. 갑상선의 방사선 장애

증 상 문턱선량 (Gy) 비 고 기능 저하 성 인 25~30, 아 동 1~10

급성 갑상선염 200 수 주이내 발생

지발성 갑상선염 10 수 년 후까지 발생 가능

⑥. 전신피폭

선 량(Gy) 증 상 0.05~0.25

0.2~50.5 0.5 ~0.75 0.75~1.25 1~2

3~5

염색체 이상이 발견되는 최소 선량

백혈구, 임파구 변화(집단 대조로 판별 가능) 혈액 변화를 개별적으로 확인 가능

피폭자 10% 오심, 구토

20～70% 구토 , 30～60% 무력증 , 20～35% 혈구생산 감소, 합병증으로 사망 자 발생가능

조혈 기능 장해로 수 개월내 50% 사망(LD₅₀/₆₀)

2).확률론적 영향

확률론적 영향에 대한 위험계수

조직 영향 위험계수

생식선 자손에 나타나는 중대한 결함 4×10^-3 유방 유방암에 의한 사망 2.5×10^-3 적색골수 혈액암에 의한 사망 2×10^-3

폐 폐암에 의한 사망 2×10^-3

갑상선 갑상선 암에 의한 사망 5×10^-3 뼈 표면 골막암에 의한 사망 5×10^-3 기타조직 암에 의한 사망 5×10^-3

확률론적 영향은 발단 선량이 없으며 선량에 따라 발생률이 증가한다.

확률론적 영향으로는 암, 백혈병, 유전적 영향 등이 있다.

위의 표는 확률론적 영향에 대한 위험계수이다.

구분 선량한도

외부피폭 하복부 표면선량 2mSv 내부피폭 년간 섭취한도의 1/20 6. 임신한 여성 영향

임신 기간에 따라 영향의 종류가 다르며,

발단선량 이상을 받는 경우 수태 후 9일 이내에는 태아가 사망하고, 각종 장기가 형성되는 8주까지는 장기의 기형이 일어날 수 있고, 그 이후에는 지능이 저하된다.

대개 25주 이상에서는 방사선이 태아의 성장에 크게 영향을 미치지 않는다.

발단 선량은 시기에 따라 다르지만 대개 흉부 X선을 한번에 500장 촬영하는 정도 (0.05 Gy)로 추정하고 있어 일반적인 진단용 방사선 검사를 이유로 임신 중절하는 것은 옳지 않다.

7. 조직의 방사선 감수성 순위

1). 임파조직, 골수, 흉선 2). 난소, 정소

3). 점막 4). 타액선 5). 모낭

6). 한선, 지선 7). 피부

8). 장막 9). 신장

10). 부신, 간, 췌장 11). 갑상선,

12). 근육조직 13). 혈관

14). 연골 15). 골

16). 신경조직 17). 신경섬유

방사선감수성 순위

순위 조직의 방사선 감수 성

기관

1 림프조직, 골수 조혈기관(감수성이 높다)

2 난소, 고환 생식선

3 위, 대장, 소장 소화관 4 피부 모낭, 수정체 체표면, 눈 5 폐, 간, 신장, 췌장,

갑상선

내장, 선(샘)

6 뼈, 혈관, 결합, 지방 조직, 근육

근육 골격

7 신경 신경(감수성이 낮다)

8. 방사선 피폭에 의한 장기의 증상 1). 눈 ; 결막염, 백내장, 수정체 혼탁

2). 구강영역 ; 미각저하, 구내건조, 구내염 3). 식도 ; 식도염, 연하통

4). 피부 ; 색소침착, 홍반

5). 갑상선 ; 갑상선 기능 저하증, 위축 6). 경부 ; 방사선 척추염

7). 소아골 ; 장관골의 발육엑제, 성장정지 8). 폐 ; 섬유종

9). 임파구 ; 면역력 저하 10). 신장 ; 신경화증

11). 골수 ; 백혈병, 빈혈 12). 방광 ; 빈뇨, 방광염 13). 장 ; 궤양출혈

※. 방사선 감수성이 높은 세포부터 순서

①. 성숙한 백혈구(matured lymphocyte), 적혈구아세포(erythroblast),

정원세포(spermatogonium)

②. 발생중 또는 성숙한 여포세포(ovarian follicle cell) 골수구세포(myelocyte)

③. 위선세포(gastric gland cell),

소혈관 내피세포(inner epithelial cell of vascular wall)

④. 조골세포(osteoblast), 파골세포(osteoclast), 연골아세포(chomdroblast)

⑤. 골아세포(osteocyte), 정자(sperm)

⑥. 선관유세포, 섬유아세포(fibroblast),

THE END