방사선의 살멸균 특성 및 멸균 산업의 이용
한국원자력연구원 첨단방사선연구소
김재경∙송범석∙김재훈∙박종흠∙변의백∙이주운
감마선, 전자선 및 X-선을 활용한 방사선 조사 기술은 제품의 완전한 포장상태에서 온도의 상승 없이 유해성분 이 남기지 않는 냉온살균∙살충 기술이다. 이러한 효과는 방사선의 직접작용과 간접작용을 통하여 세포의 DNA 와 단백질이나 지질과 같은 세포구성성분에 손상을 줌으로써 일어난다. 미생물의 방사선 민감성은 온도, 산소조 건, 수분활성도에 따라 달라지는데 온도가 높을 수록, 산소가 많을 수록, 수분활성도가 높을수록 생물에 미치는 방사선의 영향은 커지게 되어 상대적으로 낮은 방사선량으로 미생물을 제어할 수 있다. 현재 방사선 멸균기술을 활용하여 농산물의 발아/발근 억제, 숙도 지연, 해충 및 기생충 방제 및 부패미생물의 살균 등 식량자원의 장기 저장에 사용되고 있으며 우주식품, 구호식품 및 환자식 개발에도 이용되고 있다. 또한 의료용품을 비롯한 공중보 건제품의 멸균처리와 국가간 농산물 검역 및 방역 처리시에도 화학적 보존제 및 훈증제를 대체할 수 있는 가장 효과적인 기술로서 활용되고 있다. 재생의학분야에서 동종 및 이종조직의 병원성 미생물을 제거하기 위하여 국제 표준기술로 방사선 처리를 권고하고 있으며 향후 방사선 멸균기술을 활용하여 이종 생체재료의 면역거부반응 저 감화 및 안전성 확보에 대한 많은 연구개발이 이루어 질 것으로 사료된다.
색인 단어: 방사선, 살멸균, 재생의학
Sterilization Characteristics of Ionizing Irradiation and Its Industrial Application
Jae-Kyung Kim, Beom-Seok Song, Jae-Hun Kim, Jong-Heun Park, Eui-Baek Byun, Ju-Woon Lee
Advanced Radiation Technology Institute, Korea Atomic Energy Research Institute, Daejeon, Korea
Irradiation with ionizing energy such as gamma ray, electron beam and X-ray is cold steriliza- tion/disinfestation technique applied to full packed products without increase of temperature and any toxic residues. These sterilization events occurred through the direct effect and indirect effect of irradiation to DNA damage and changes of cell components such as proteins and lipids.
Radiation sensitivity of the organisms increase when the temperature, contents of oxygen, and water activity are high, which indicates the microorganisms can easily disinfect using irradiation with warm, air and wet condition. Ionizing irradiation has been used to increase storage period of food resources by delaying maturity and control germination/uprooting of agriculture products,
� Address for Correspondence: Ju-Woon Lee, Ph.D.
Radiation Research Division for Biotechnology, Advanced Radiation Technology Institute, Korea Atomic Energy Research Institute, Jeongeup 580-185, Korea
Tel : 82-63-570-3204, Fax : 82-63-570-3218, E-mail : [email protected]
방사선 조사기술의 특성
방사선은 방사선 동위원소로부터 방출되는 α(알 파), β(베타) 및 γ(감마)선 외에도 기계적으로 발생 되는 X-선, 전자가속기에서 나오는 전자선, 원자로 에서 만들 수 있는 중성자선 등이 있다. 이들 중 X선 과 감마선은 매우 짧은 단파장의 전자파로서 우리 일상생활에서 많이 사용되고 있는 microwave(극 초단파)나 라디오/TV전파, 그리고 자외선, 가시광 선, 적외선 등과 같은 부류에 속하는 에너지이다.1,2)
방사선은 물질을 통과할 때 물질의 원자나 원자 단, 분자 등을 전리시켜 이온을 생성하게 되는데 이 와 같은 성질을 지닌 방사선을 전리방사선(ioniz- ing radiation)이라 하며 감마선, 전자선, X-선, 알파선, 중성자선 등이 이에 포함된다. 지금까지 Food and Agriculture Organization (FAO, 식량농업기구), International Atomic Energy Agency (IAEA, 국제원자력기구) 및 World Health Organization (WHO, 세계보건기구)와 같은 국제기구와 Codex(국제식품규격) 식품규격 위원회에서 식품 및 공중보건제품의 조사에 안전하 게 이용될 수 있다고 밝힌 방사선의 종류는 Table 1과 같다. 이들 방사선 가운데 식품 및 공중보건산 업에서 활용되고 있는 비율은 감마선이 약 80% 이 상, 전자선이 20% 미만을 차지하고 있으며 X-선은 대부분 의료진단용으로만 사용되고 있다.
감마선은 매우 짧은 초단파장으로 전자기파로 투
과력이 매우 강하여 제품을 완전 포장한 상태로 연 속적으로 처리할 수 있으므로 에너지 효율의 증대와 재포장 조작이 필요하지 않아 제품의 2차 오염을 줄 일 수 있는 장점이 있다. 또한 제품의 품온 상승(국 제적으로 건전성이 허가된 10 kGy조사시 물과 같 은 열용량을 가진 산물에서 약 2.4�C 상승)에 따른 성분의 파괴를 최소화하고 외관의 변화를 막을 수 있 는 냉 온 살 균 ∙ 살 충 방 법 이 며 , 화 학 훈 증 제 (Ethylene Oxide, Methyl Bromide 등)나 화학 첨가물(방부제 등)과는 달리 유해성분의 생성이나 잔류성분이 남지 않는다는 장점과 처리시 환경조건 의 영향을 거의 받지 않는다는 특징이 있다. 또한 에 너지 소요가 월등히 적어 경제적인 측면과 제품의 품질유지 면에서도 장점으로 고려되고 있다.
전자선은 감마선에 비해 투과력이 약해 활용범위 가 제한되나 곡류의 살충이나 표면살균, 의료 제품 및 제약 등의 분야에서 일부 사용되고 있으며 전원 에 의해서 조절이 가능하여 공정제어, 신속∙정확 성, 에너지 효율성, 소비자 수용성 등의 측면에서 장 점이 있다.
X-선은 감마선과 같이 높은 투과력을 갖고 있으 며 전자선과 같이 전원의 On/Off로 제어할 수 있어 쉽고 안전하게 이용할 수 있는 장점이 있으나 전환 에너지 효율이 매우 낮아 아직은 의료진단용에만 주 로 사용되고 있다. 하지만 미국과 캐나다를 중심으 로 X-선 변환장치개발이 활발하게 추진됨에 따라 감마선 규모의 에너지 효율을 갖는 발생장치가 상업
disinfestation of harmful bacteria and the pest. Recently, new application of irradiation has been studied to develop special purposed food such as space food, emergency food and patient food.
Irradiation also treated to sterilization of public health products includes medical supplies and quarantine or phytosanitary between countries as alternative sterilization methods of chemical preservatives and fumigant. In regenerative medicine fields, ISO recommends using gamma irra- diation to eliminate pathogenic microorganisms and assure the safety of allograft. In addition, many research will conduct using ionizing irradiation to decrease immune rejection response and sterilization of xenograft and its industrial need may improve.
Key Words: Irradiation, Sterilization, Regenerative medicine
적으로 공급될 것으로 기대할 수 있으며 현재 X-선 의 활용한 수출입용 농산물이나 의약품 및 의료용품 의 위생화를 위한 많은 연구개발이 진행되고 있으므 로 향후 X-선에 대한 활용도가 높아질 것으로 사료 된다.
공중보건제품과 식품 등에 이용하는 전리방사선 의 생물체나 무생물체에 대한 국제단위계(SI)의 방 사선 흡수선량 단위는 다음과 같다. 방사선의 어떤 물체에 대한 흡수선량의 단위는 그레이(gray, Gy) 가 사용되며, 1 Gy=100 rad(래드)=1 Joule/kg에 해당한다. 여기서 1 rad (radiation absorption dose)는 피조사체의 종류에 관계없이 물질 1 g당 100 erg의 방사선 에너지를 흡수하였을 때를 말하 며(1 rad=100 erg/g), 식품 및 공중보건제품의 방 사선 조사에서는 조사선량으로서 rad가 사용되어 왔으나 최근에는 Gy로 대체되었다.
방사선 조사의 생물학적 영향
방사선이 살멸균 효과의 원리는 방사선의 직접작 용(direct effects)와 간접작용(indirect effects) 으로 설명할 수 있다. 직접작용이란 방사선의 에너 지가 생물의 DNA와 같은 유기분자에 직접 흡수되 어 특정부위에 구조변화 등의 손상을 유발하는 것이 다. 이에 비하여 세포질의 용매인 물과 같이 표적 이 외의 다른 분자가 방사선의 에너지를 흡수해서 라디 칼 등의 활성체를 만들고 그 활성체가 표적분자와 반응해서 손상을 유발하는 것을 간접작용이라고 한 다. 다시 말해 방사선에 노출된 생물의 경우 생물체 내의 DNA가 직접적으로 손상되는 직접작용과 DNA의 주변환경을 이루는 물분자를 수소분자 (H∙), 수산화라디칼(OH∙), 수용성 전자(es-), 과
산화수소(H2O2) 등의 생성에 의한 연쇄적 손상이 일어나는 간접작용이 동시에 일어나게 된다. 방사선 조사의 생물학적 영향 측면에서 볼 때 직접작용에 의한 영향은 전체 영향의 약 25%에 상응하며 나머 지 75%는 간접작용을 통한 영향으로 볼 수 있는데 특히 수산화라디칼(OH∙)은 DNA 분자의 수화 경 계면에서 90% 정도의 손상율을 차지함으로써 유기 생물체의 방사선 감수성에 가장 큰 영향을 미치는 요소로 알려져 있다.3,4)
세포 및 생물체가 방사선에 피폭될 경우 직접적인 DNA의 손상은 DNA의 구성요소인 푸린과 피리미 딘 염기, 그리고 디옥시리보스의 화학적 변환을 유 도하여 DNA 단일사슬의 인산이에스터 결합이나 DNA의 이중나선 결합구조를 파괴함으로써 나타난 다.5)이와 더불어 간접작용에 의하여 DNA 분자에 서는 염기의 구조변화(deamination), 염기의 탈락 또는 삽입, 사슬 사이의 수소결합의 풀림, 한 가닥의 절단, 두 가닥의 동시 절단, 나선내의 가교형성, 다 른 DNA 분자 사이의 가교형성 및 단백질과의 가교 형성 등이 일어나는 것으로 알려져 있다. 이 외에도 단백질, 지방 및 탄수화물과 같은 세포 구성 성분변 화, 염색체 이상, 세포분열 지연, 탄수화물/아미노산 대사 억제 및 각종 효소(인산분해 효소, 리소좀 효소 등)의 불활성화 등 다양한 세포 내 영향이 일어나며 그에 따라 생물체가 사멸하게 된다.
바이러스, 포자형성균, 무포자세균(영양세포), 효 모나 곰팡이, 기생충 및 곤충 등은 매우 다른 형태적 차이를 가지고 있으며 특히 1) 세포질의 수분함량, 2) 표적 염색체 DNA의 크기, 3) 복구 효소 및 핵산 분해효소의 구조, 4) 유전체 물질의 다양성 등에 따 라 방 사 선 에 대 한 반 응 이 달 라 진 다 . 1906년 Bergoni와 Tribondeau는“세포의 방사선 감수성
Table 1.식품 및 공중보건산업에서 이용될 수 있는 방사선의 종류
방사선 선원 반감기 이용에너지(MeV)
감마선 60Co 5.3년 1.17, 1.33
137Cs 30년 0.06
전자선 전자가속기에서 발생(10 MeV 이하)
X-선 기계적으로 발생(5 MeV 이하)
이 세포의 증식활동에 비례하며 세포의 분화정도에 반비례한다”라는 Bergoni-Tribondeau의 법칙을 제시하였으며 이는 다시 말해 세포의 대사율이 높을 수록, 분열이 많을수록, 어릴수록 방사선에 민감하다 고 설명할 수 있다.6)가장 단순한 형태의 바이러스는 대사에 필요한 모든 필수요소를 같고 있지 않으며 DNA 또는 RNA의 핵산유전체로 구성되어 있다. 세 균성 포자의 경우 세포질 내에 자유수가 거의 없거나 아주 없는 휴지 상태의 구조로 포자의 핵심부의 효소 나 DNA는 상대적으로 고화된“spore element”가 있는데 이는 다소 뼈 조직과 유사하며 피막은 다층의 비투과성 보호막으로 되어있어 방사선 조사에 의하 여 생성된 외부환경의 라디칼과 독소를 차단하여 높 은 방사선 저항성을 나타낸다. 반면 영양세포는 바이 러스보다 100~1000배 이상 큰 유전체를 가지며 포 자와 달리 70~80%의 수분함량을 갖는 세포질에 유 전체가 떠있는 상태로 영양세포의 높은 수분함량은 세포질 내에서의 라디칼 형성을 용이하게 하여 방사 선에 대한 영향이 극대화된다. 이러한 특성에 따라 영양세포는 포자에 비하여 20배 이상의 높은 방사선 감수성을 갖는다. 진핵세포인 효모나 곰팡이류는 세 균보다 더 큰 유전체를 가지고 있으며 DNA가 핵막 에 둘러싸여 농축된 염색체 상태로 존재하므로 방사 선에 의하여 쉽게 파괴될 수 있어 원핵세포보다 방사 선감수성이 크다. 따라서 결과적으로 볼 때 Table 2 에서처럼 곤충에 비해 바이러스와 같이 유전체 구조 가 단순한 생물일수록 방사선 감수성이 낮아 높은 흡 수선량으로 제어해야만 한다.3,7)
그러나 생물체의 방사선 감수성과 관련하여 가장 많은 연구가 이루어져있는 미생물에 대한 일련의 연 구결과를 종합해보면 방사선 조사에 의한 미생물의
반응 정도는 미생물 고유의 방사선 감수성뿐만 아니 라 미생물의 생존에 영향을 주는 외부환경에 의하여 크게 좌우된다.8,9)즉, 온도, 산소의 유무, 수분활성 도와 같은 외부환경이 세포의 물리∙화학적 특성에 영향을 미쳐 방사선에 대한 감수성의 차이가 생기는 것이다. 미생물의 방사선 감수성에 영향을 미치는 주요 환경인자를 살펴보면 다음과 같다.
1. 온도
일반미생물의 치사범위 이하인 45�C 정도의 열처 리만으로도 미생물에 대한 방사선 조사 효과는 상당 한 높아진다. 이는 DNA의 손상 등에 대한 미생물 의 복구작용이 환경온도 이상에서는 작동하지 않기 때문이다.3)100�C에서도 수 시간 이상 내열성을 갖 고 방사선에 대해서도 상당한 저항성를 갖는 세균의 포자를 80�C 정도의 온도로 처리한 후 방사선을 조 사하면 방사선 저항성은 급격히 감소한다.10)반대로 미생물의 영양세포를 어는점 이하의 온도(-20�C 혹은 -80�C)에서 방사선을 조사하면 방사선 저항 성이 높아지는데 이는 어는점 이하에서 수분활성도 가 감소하고 물의 동결에 따라 세포 내 라디칼의 확 산이 제한되기 때문이다.11)하지만 포자의 경우 자체 내 수분함량이 낮기 때문에 냉동에 따른 부가적인 라디칼의 확산억제 효과가 크지 않아 냉동조건에 따 른 방사선 저항성이 크게 다르지 않다.
2. 산소의 유무
일반적으로 무산소 조건보다는 유산소 조건에서 미생물에 대한 방사선의 살균효과가 증가한다. 이는
Table 2.유기생명체의 사멸에 요구되는 흡수선량 구분
Process Approximate dose (kGy)
Insect disinfestation Up to 1
Elimination of yeast and fungus Up to 5
Elimination of non-sporing pathogens Up to 10
Baterial sterilization include spore Up to 20
Elimination of Virus Up to 30
산소의 유무에 따라 미생물의 생리적 대사과정과 라 디칼의 생성 정도가 달라지기 때문이다. 실험결과 무산소 상태에서는 유산소계에 비하여 영양세포의 저항성이 2~5배로 높아진다고 알려져 있다.3)
3. 수분활성도
미생물은 주변환경이 수분이 높은 환경에서 방사 선에 민감하다. 수분이 낮은 환경에서는 방사선 조 사에 의해 생성되는 라디칼 양이 적어지므로 DNA 에 대한 간접작용의 정도 역시 낮아지기 때문이다.
세균의 포자가 방사선에 대하여 강한 저항성을 갖는 것은 원형질체가 부분적으로 탈수된 것에 기인한 다.12)그러나 포자의 발아 시에는 원형질내의 수분활 성도가 높아지므로 방사선 조사에 대한 저항성도 낮 아진다.
방사선 조사기술의 멸균산업 이용
1. 식품생명공학분야
식량자원은 수확 후 저장 및 유통과정에서 손실되
는 양이 년간 10% 이상에 달하고 있다. 중국과 같은 신흥 경제성장 국가를 중심으로 동물성 식품의 소비 량이 증가함에 따라 가축을 사육할 사료 등의 곡물 의존도가 지속적으로 상승하고 있다. 우리나라의 경 우 1980년 이후 우리 국민 1인당 축산물 열량섭취 량(kcal/일)이 꾸준히 증가하고 있으며, 가축사료 로 소비하는 곡물은 국내 총소비량의 48%이고 이 중 90%는 수입에 의존하는 형편이다. 2009년 국내 식품류 수입 의존도는 72% 이상으로 식량 무기화 시대에 대비하는 실효성 있는 정책이 없고, 신기술 을 개발하고 적용하는 데에 많은 어려움이 있다. 이 와 같은 국제적인 상황에서 FAO와 WHO 등 국제 기구들은 약 20% 정도의 식량자원을 간접증산 시킬 수 있는 방사선 멸균 기술을 식량의 장기 안전저장 방법으로 적극적으로 활용할 것을 권고하고 있다.
방사선 멸균 기술은 농산물의 발아/발근 억제, 숙도 지연, 해충 및 기생충 방제 및 부패미생물의 살균 등 식량자원의 장기 안전저장에 사용되고 있다. 특히, U.S Department of Agriculture (USDA, 미국 농무부)는 식중독 사고를 원천봉쇄하기 위해 2003 년 5월 국공립학교 점심 급식 프로그램에 방사선 조 사된 쇠고기(햄버거 포함)의 공급을 승인하였다.
Fig. 1.방사선 조사기술의 멸균산업 이용
1960년대 미국과 소련(지금의 러시아)의 우주개 발 경쟁이 본격화됨에 따라 양국은 우주공간에서 우 주인이 섭취할 식품개발에 기술력을 집중하였다. 미 국과 소련은 우주환경 등 극한 환경에서 식품의 안 정공급과 위생적 안전성 확보를 위해 방사선 멸균 기술을 도입하여 실용화를 달성하였다. 이를 계기로 1980년대부터 방사선 멸균 기술이 우주식품, 전투 식량, 스포츠식품, 재난시 비상식량 생산의 핵심기 술로 연구되기 시작하여 다양한 분야에서 활용되기 시작하였다. 고산등반, 극지탐험, 장거리 하이킹/렐 리 등 특수 스포츠분야에 장기저장식품(Shelf sta- ble food)을 공급하고 있는 남아프리카공화국은 80 년대부터 방사선기술을 활용하여 이 분야의 세계시 장을 석권하고 있다. 우리나라도 지난 2003년부터 우리의 전통음식을 기반으로 한 한국형 우주식품을 개발하기 시작했다. 한국원자력연구원은 2014년 현 재 24종의 우주식품이 개발되어 러시아과학원 의생 명연구소로부터 우주식품 인증을 획득하여 방사선 기술과 식품공학 기술의 우수성을 입증 받았다.
2004년 12월 동남아 대해일(Tsunami)로 인한 재해에서 인도네시아 정부는 광범위한 재해지역의 구호를 위해 방사선 조사된 장기저장식품을 공급하 여 위생적이고 안전한 구호활동을 수행하였고, 2009년 지진 재해 시에도 역시 방사선 처리된 쇠고 기카레밥을 구호식품으로 공급하였다. 미국도 2005 년 여름 허리케인 카트리나의 피해복구 및 구호를 위해 미 연방정부와 주정부는 재해지역에 공급되는 식음료의 위생화에 방사선 멸균 기술을 이용하여 식 인성 질병 등의 2차 피해를 방지하였다. 2010년부 터 FAO와 IAEA는 면역질환환자의 안정적인 영양 공급과 회복을 위한 환자식품 개발을 위한 국제공동 연구를 시작하였다. 장기이식환자, 백혈병, 말기 암 치료환자, 후천성면역결핍증(AIDS) 환자 등을 위 한 식품개발이 미국, 영국 등 20여개국이 참여하여 진행되고 있으며 우리나라도 아시아 태평양지역 리 더국가로서 사업에 참여하고 있다.
2. 공중보건제품 위생처리 분야
최초 의료용품의 위생화 기술로서 방사선 조사는
1956년 미국에서 전자선을 이용하여 수술용 봉합사 를 멸균하기 시작하였으며, 그 후 Co-60 감마선 선 원이 개발되어 상업적 규모로 실시되었다. 일본에서 는 1970년에 처음으로 일회용 주사기, 수술용 장갑, 1973년에는 수액세트 등의 감마선 멸균이 허가되었 고 그 적용대상은 현재 200여 품목에 달한다. 의료 용품의 멸균사업은 종래에는 Ethlyene oxide 가 스 멸균이 대부분을 점유하였지만 인체에 대한 안전 성 및 건전성 문제가 대두되면서 1990년부터 안전 성이 인정되어 사용이 계속 증가되어 온 감마선 조 사가 증가되고 있다. 또한 전자선 이용도 현재 감마 선의 10%정도에 지나지 않으나 매년 증가경향을 나 타내고 있다. 특히 의료용구의 방사선 조사 시 가장 주의를 요하는 것은 제품재질의 열화로서 플라스틱 류는 방사선 조사에 의해 일반적으로 열화(기계적 강도 저하, 갈변 등)하는 경우가 많다. 이러한 작용 을 방지하기 위해 가소제나 안정제 첨가로 내방사선 재질의 소개가 개발되고 있다.
1990년대에 들어 제약분야에서는 국제적으로 품 질관리(Quality control) 및 품질보장(Product assurance)을 통한 안전성이 확보된 의약품이 제 조되고 있다. 최근 국내에서도 제약산업에서 품질이 보증된 의약품을 공급하기 위한 GMP (Good Manufacturing Practice)가 도입되어 약효 또는 기준성분의 함유량, 미생물 및 해충오염의 유무 등 에 관한 품질보증이 요구되고 있다. 하지만 국내 제 약 및 건강보조식품산업에서 특히 생약 및 한방약재 의 미생물 오염 대책은 매우 중요하고 시급히 해결 되어야 할 문제이며 방사선 멸균 기술을 통한 안전 성 확보 연구가 일본과 한국원자력연구원 첨단방사 선연구소에서 활발히 연구되고 있다.
3. 식물검역 분야
최근 국가간 농산물의 교역이 증가함에 따라 검역 처리의 중요성은 점점 강조되고 있다. 그러나, 최근 까지 농산물의 검역처리를 위해 사용되고 있는 Methyl Bromide와 같은 화학훈증제 처리 방법은 환경오염을 유발하며, 인체에 유독한 것으로 알려져 있어 세계적으로 사용이 점차 금지되고 있다. 방사
선 기술은 지난 수십 년 동안 WHO, FAO, World Trade Organization (WTO, 세계무역기구) 등 의 국제기구 및 국제학회들을 통해 안전성이 입증되 어 화학적 보존제 및 훈증제 등을 대체할 수 있는 가 장 효과적인 기술로서 적극 권장되고 있다.
현재 우리나라에서 수출입 농산물의 식물검역을 위한 방사선 기술의 이용은 전무한 실정이다. 반면 미국 및 유럽의 다수의 국가와 태국, 파키스탄, 인도 등의 동남아 국가 또한 자국의 방사선 식물검역 표준 운영절차(Standard Operating Procedure, SOP)를 개발하여 그에 따른 방사선 식물검역을 실 시하고 있다. 우리나라에서는 연간 4,000억원으로 추정되고 있는 수출 농산물 검역 폐기 및 저장 중 부 패로 인한 손실비용을 획기적으로 줄이고 농산물 수 출 시장의 확대와 우리나라 농산물에 대한 국제적 신 용도 제고에 기여하기 위해 방사선 기술을 이용한 검 역처리 방법을 한국원자력연구원 첨단방사선연구소 에서 2013년부터 연구하고 있다. 방사선 이용 식물 검역처리 방법은 포장 후 처리가 가능하고 처리 후 약해가 없으므로 재선별 과정이 필요하지 않아 경제 성이 크며, 기존 검역처리 방법 대비 처리시간 단축 및 저비용이라는 장점을 가진다. 또한 국민들은 보다 안전하고 신용할 수 있는 먹을 거리를 제공 받고 건 강한 삶을 영위할 수 있으며 이는 농산물 안전에 대 한 국민요구 충족이라는 국가적 목표에 부합되므로 이와 관련된 많은 연구가 이루어 져야 할 것이다.
4. 재생의학분야
생체이식 재료의 공급원은 환자 자신의 자가이식 (Autograft), 기증자에서 얻어지는 동종이식 (Allograft), 동 물 에 서 획 득 한 이 종 이 식 (Xenograft) 및 인공재료가 있다. 다양한 이식방 법 중 자가이식이 가장 효과적이며 안전하지만 환자 자신으로부터 공급이 어려우며, 동종이식의 경우에 도 자가이식에 비해 상대적으로 공급이 용이하다고 하나 거의 전량 수입에 의존하고 있으며 비용 역시 큰 부담이 되고 있다. 반면 이종이식의 경우 돼지나 소로부터 대량생산이 가능하여 공급에 제한이 없으 나 면역거부 반응을 비롯한 안전성에 대한 의문으로
인하여 상용화에 어려움을 겪고 있다.
재생조직 제품의 세계시장은 2010년 559억 달러 에서 2011년 598억 달러로 8.4%의 연평균 성장률 로 성장하여 2016년에는 897억 달러 시장규모로 성 장할 전망이다.13) 국내 유통된 인체조직은 2012년 30만 5,152개로 2011년 26만 8,372개보다 13.7%
로 증가하였으나 국내 자급률은 2011년 24%에서 2012년 21.4%로 감소하였으며 수입비중은 2011년 76%에서 2012년 78.6%로 증가하여 수입 인체조직 에 의존도가 매우 높은 실정이다.14)2012년도 수입 원재료 및 제품 비중이 큰 유형은 인대, 건, 피부, 연 골이고, 국내 자급률이 높은 유형은 혈관, 판막, 양 막이었다. 그 중 뼈와 피부는 수입 원재료를 국내에 서 가공하는 비중이 상대적으로 큰 반면, 인대, 건, 연골은 순수 수입 비중이 큰 것으로 나타났다. 따라 서 이러한 수입의존도를 낮추며 국민보건의료비용 부담을 경감시키기 위한 방안이 시급한 실정으로 국 내 기증자의 비중을 늘리기 위한 인지도 향상 및 인 식변화의 노력이 요구되며 다른 대안으로 이종 생체 재료(Xenograft)의 대량생산을 위한 많은 연구개 발이 이루어져야 할 것으로 사료된다.
한편, 자가이식을 제외한 동종 및 이종조직의 사 용을 위해서는 병원성 미생물을 완전히 제거해야 하 기 때문에 방사선 기술이 활용되고 있으며 국제표준 ISO 11137-1 및 국제 표준/기술 보고서 ISO/TR 13409에서 생체조직 등 보건 관리 상품의 무균화를 위한 요구사항으로 방사선 조사(25 kGy)을 권고하 고 있다.15,16)또한 Food and Drug Administration (FDA, 미국 식품의약국) 및 유럽에서는 피부염, 조 직괴사 등의 부작용을 일으키는 Ethlyene oxide 가스와 같은 화학훈증제의 사용을 금지하고 생체조 직의 멸균을 위해 반드시 감마선과 전자선 등의 방 사선 멸균을 하도록 규정하고 있다.
그럼에도 불구하고 건/인대 동종조직의 경우 방 사선 조사에 의한 멸균과정에 의한 인장강도 등 생 화학적 특성 감소, 임상학적 부정적인 평가 및 안전 성에 대한 우려가 있다.17) 하지만 최근 냉동상태 (dry ice)에서 25 kGy 이하의 낮은 수준(15~22 kGy)의 방사선 조사선량으로 병용처리 할 경우 건 조직(tendon)의 물리적 강도 (graft strength 및
elastic module)가 떨어지지 않으며.18-20)임상학적 연구에서도 방사선 조사된 조직과 비조사 조직 사이 에 차이가 없는 것으로 밝혀졌다.21-23)또한 매우 높 은 수준의 HIV에 감염되어 있을 경우는 30 kGy의 방사선 조사가 필요하지만 실제로 낮은 수준의 HIV에 감염된 동종조직의 경우 10~20 kGy 수준 의 방사선 조사만으로도 99.9% 제어 할 수 있다고 보고되었다.24)따라서 낮은 온도조건에서 정확한 목 적 선량(Target dose)로 방사선 처리를 한다면 생 화학적/임상학적으로 안정적인 동종이식재료를 확 보 할 수 있다.17)
요 약
감마선, 전자선 및 X-선을 활용한 방사선 조사 기 술은 제품의 완전한 포장상태에서 온도의 상승 없이 유해성분이 남기지 않는 냉온살균∙살충 기술이다.
이러한 효과는 방사선의 직접작용과 간접작용을 통 하여 세포의 DNA와 구성성분에 손상을 줌으로써 일어나며 방사선 조사 시 온도, 산소의 유무 및 수분 활성도에 영향을 받게 된다. 현재 방사선 멸균기술 을 활용하여 우주식품 및 환자식 개발, 공중보건제 품의 위생처리, 검역 및 방역 처리를 비롯하여 재생 의학분야에서 동종 및 이종조직의 안전성을 확보하 기 위하여 활용되고 있다.
감사의 글
본 연구는 한국원자력연구원 창의연구사업 및 2014년도의 정부(미래창조과학부)의 재원으로 한 국연구재단의 지원을 받아 수행된 국책연구사업임 (2013M2A2A6043298).
참고문헌
01. Byun MW. Utilization of radiation technology in food industry. Food Sci Ind. 1997:30-1.
02. Kwon JH, Kim GS. Utilization of gamma-ray energy for the storage and quality improvement of foods. Food Ind Nutr. 1996:1-2.
03. Byun MW, Kim DH, Yook HS, Ahn HJ. Radiation sterilization of food borne microorgani. Food Sci Ind. 2000:2.
04. Atomic Knowledge Information Portal. Ency- clopedia: Direct and indirect effects of ionizing radiation [undated 1998 Mar; cited 2014 Jan13].
Available from: https://www.atomic.or.kr/atomi- ca/read. html?chapter=9-2-2-10.
05. Zerial A, Gelman I, Firshein W. Glycolipids simulate DNA polymerase activity in a DNA membrane fraction and in a partially purified poly- merase system extracted from pneumococci. J Bacteriol. 1978;135-78.
06. Ko IH, Kim YL, Kim YJ, Kim YK, Kim TH.
Radiation Biology. Komoonsa; 2013. 02. 25.
07. Kim BK, Lee JW, Kim CT. Application and identification methods for evaluating the irradia- tion foods. Safe Food. 2013;8-3
08. Colins CI, Murano EA, Wesley IV. Survival of Acnobacter butzleri and Campylobacter jejuni after irradiation treatment in vacuum packaged ground pork. J Food Prot. 1996;59.
09. Byun MW, Kwon OJ, Yook HS, Kim KS.
Gamma irradiation and ozone treatment for inacti- vation of Escherichia coli O157:H7 culture media.
J Food Prot. 1998;61.
10. Giese AC, Heath HD. Sensitization of heat by X- rays. J Gen Physiol. 1948;31.
11. Han IJ, Song BS, Lee JW, Kim JH, Choi KS, Park JR, Chun SS. Effect of irradiation tempera- ture on physicochemical and sensory properties of Tarakjuk (Milk Porridge). J. Korean Soc Food Nutr. 2011;40-9.
12. Ma K, Maxcy RB. Factors influencing radiation resistance of vegetative bacteria and spore associ- ated with radappertization of meat. J Food Sci.
1981;46.
13. BCC Research. Tissue engineering and regenera- tion: Technologies and global markets. BCC Research. 2012.
14. Park JS, Kim JY. Current status on the donation and trausplantation of domestic human tissues.
Kor Health Ind Brief. 2013:96.
15. ISO 11137-1. Sterilization of health care products- Radiation-Part 1: Requirements for development, validation and routine control of a sterilization process for medical devices. 2006;E
16. ISO/TR 13409. Sterilization of health care prod- ucts-Radiation sterilization-Substantiation of 25 kGy as a sterilization dose for small or infrequent production batches. 1996. [cited 2014 Jan16].
Available from: http://www.iso.org/iso/iso_cata- logue/catalogue_ics/catalogue_detail_ics.htm?csnu mber=21926
17. Samsell BJ, Moore MA. Use of controlled low dose gamma irradiation to sterilize allograft ten- dons for ACL reconstruction: biomechanical and clinical perspective. Cell Tissue Bank. 2012;13.
18. Balsly C, Cotter A, Williams L, Gaskins B, Moore M, Wolfinbarger L. Effect of low dose and moderate dose gamma irradiation on the mechanical perperties of bone and soft tissue allo- graft. Cell Tissue bank. 2008;9.
19. Greaves L, Hecker A, Brown C. The effect of donor age and low-dose gamma irradiation on the
initial biomechanical properties of human tibialis tendon allografts. Am J Sport Med. 2008;36.
20. Roche C, Gaskins B, Kuhn C, Mooer M. The effect of gamma irradiation on the biomechanical properties of soft tissue allografts. 29thannual meeting of the American association of Tissue Banks. Hollywood, FL. 2005.
21. Fanelli G, Giannotti B, Edson C. Arthroscopically assisted combined anterior and posterior cruciate ligament reconstruction. Arthroscopy. 1996;12 22. Sekiya J, Hussein E, Harner C. Meniscal trans-
plant combined with anterior cruciate ligament reconstruction. Oper Tech Sport Med. 2002;10.
23. Rihn J, Irrgang J, Chhabra A, Fu A, Harner C.
Dose irradiation affect the clinical outcome of patellar tendon allograft ACL reconstruction. Knee Surg Sport Traumatol Arthrose. 2006;14.
24. Moore M. Inactivation of enveloped and non- enveloped viruses on seeded human tissure by gamma irradiation. 56thannual meeting of the Orthopedic Research Society. 2010.
