放射線生物学

放射線生物学（放射線生物学、またはまれに放射線生物学とも呼ばれる）は、生体組織に対する放射線の影響[ 1 ]（電離放射線と非電離放射線を含む）[ 2 ] [ 3 ] 、特に放射線の健康への影響を研究する臨床および基礎医学の分野です。

電離放射線は一般的に生物にとって有害で​​あり、致死的となる可能性がありますが、がんや甲状腺中毒症の治療における放射線療法においては健康上の利点をもたらす可能性があります。最も一般的な影響は、被曝後数年または数十年の潜伏期間を伴うがんの誘発です。高線量は、視覚的に明らかな放射線熱傷や、急性放射線症候群による急速な死亡を引き起こす可能性があります。制御された線量は、医療画像診断および放射線療法に使用されます。

健康への影響

一般的に、電離放射線は生物にとって有害で​​あり、致命的となる可能性もありますが、癌や甲状腺中毒症の治療のための放射線療法では健康上の利点がある場合があります。

放射線被曝による健康への悪影響は、主に次の 2 つのカテゴリに分類できます。

  • 高線量被曝後の細胞の死滅または機能不全が主な原因となる確定的影響（有害な組織反応）および
  • 確率的影響、すなわち、体細胞の突然変異により被曝した個人にがんが発生するか、生殖細胞の突然変異により子孫に遺伝性疾患が発生するかのいずれかを伴うがんおよび遺伝性影響。[ 4 ]

確率論的

電離放射線が人間の健康に及ぼす影響の中には確率的な影響があり、その発生確率は線量に比例して増加するが、その重症度は線量とは無関係である。[ 5 ]放射線誘発がん、催奇形性、認知機能低下、心臓病はすべて電離放射線によって引き起こされる確率的影響である。

最も一般的な影響は、被曝後数年または数十年の潜伏期間を伴う、確率的な癌の誘発である。この発生メカニズムは十分に理解されているが、リスクレベルを予測する定量モデルについては依然として議論が続いている。最も広く受け入れられているモデルは、電離放射線による癌の発生率は実効放射線量の増加に伴って1シーベルトあたり5.5%の割合で直線的に増加すると仮定している。[ 6 ]この直線モデルが正しければ、自然放射線は一般公衆の健康にとって最も危険な放射線源であり、次いで医療画像診断が僅差で続くことになる。

電離放射線が人体の健康に及ぼす影響に関する定量的なデータは、これまでの症例数が少ないこと、そして影響の一部が確率的であることから、他の疾患に比べて比較的限られています。確率的影響は、喫煙習慣やその他の生活習慣といった交絡因子を除外できる十分なデータが収集された大規模な疫学研究を通じてのみ測定可能です。質の高いデータの最も豊富な情報源は、日本の原爆被爆者に関する研究です。in vitro実験や動物実験は有益ですが、放射線抵抗性は種によって大きく異なります。

8mSvの 腹部CT検査1回による生涯の癌発症リスクの増加は0.05％、つまり2,000人に1人と推定されています。[ 7 ]

決定論的

確定的影響とは、閾値線量を超えると確実に発生する影響であり、その重症度は線量の増加とともに増加する。[ 5 ]

高線量被ばくは確定的影響を引き起こし、閾値を超えると確実に発生し、その重症度は被ばく量に応じて増大します。確定的影響は必ずしも確率的影響よりも重篤度が高い、あるいは低いというわけではなく、どちらも最終的には一時的な不快感や死亡につながる可能性があります。確定的影響の例としては、以下のものがあります。

米国科学アカデミーの電離放射線の生物学的影響委員会は、「腫瘍誘発のリスクがゼロになる線量閾値を示す説得力のある証拠は存在しない」と結論付けている。[ 8 ]

段階 症状 全身吸収線量（Gy）
1～2 グレイ2～6 グレイ6～8 グレイ8～30 グレイ> 30 グレイ
すぐに吐き気と嘔吐5～50%50～100%75～100%90～100%100%
発症時期2～6時間1～2時間10～60分10分未満分
間隔24時間未満24～48時間48時間未満48時間未満該当なし（患者は48時間以内に死亡する）
下痢なしなし～軽度（< 10%）重度（> 10%）重度（> 95%）ヘビー（100％）
発症時期—3～8時間1～3時間1時間未満1時間未満
頭痛わずか軽度から中等度（50％）中程度（80％）重度（80～90%）重度（100％）
発症時期—4～24時間3～4時間1～2時間1時間未満
熱なし中程度の増加（10～100%）中等度から重度（100％）重度（100％）重度（100％）
発症時期—1～3時間1時間未満1時間未満1時間未満
中枢神経系の機能 障害なし 認知障害 6～20時間 認知障害 > 24時間 急速な無力化 発作、振戦、運動失調、無気力
潜伏期間28～31日7～28日7日以内なしなし
病気軽度から中等度の白血球減少症疲労衰弱中等度から重度の白血球減少症、紫斑、出血、感染症、3Gy照射後の 脱毛症重度の白血球減少症、高熱、下痢、嘔吐、めまいと見当識障害、低血圧、電解質異常吐き気、嘔吐、激しい下痢、高熱、電解質異常、ショック該当なし（患者は48時間以内に死亡する）
死亡気にせず0～5％5～95%95～100%100%100%
慎重に0～5％5～50%50～100%99～100%100%
死6～8週間4～6週間2～4週間2日間～2週間1～2日
表の出典[ 9 ]

放射線の種類別

アルファ粒子を放出する同位体を摂取した場合、その半減期や崩壊速度から予想されるよりもはるかに危険です。これは、アルファ線を放出する放射性同位体が生細胞に侵入した後に、アルファ線が生物学的損傷を引き起こす相対的な生物学的効果が高いためです。摂取した超ウラン元素やアクチノイドなどのアルファ線放出放射性同位体は、ベータ線やガンマ線を放出する放射性同位体の同等の放射能と比較して、平均で約20倍、実験によっては最大1000倍も危険です。放射線の種類が不明な場合は、電界、磁界、または遮蔽量を変化させた状態での差分測定によって特定できます。

放射線防護に用いられる外部線量。これらの計算方法と使用方法については、シーベルトに関する記事をご覧ください。

妊娠中

胎児が被曝した場合、生涯のある時点で放射線誘発がんを発症するリスクは成人よりも高くなります。これは、細胞が成長期に脆弱であることと、被曝後、がんを発症するまでの期間がはるかに長いためです。過剰な放射線被曝は、胎児や生殖器官に有害な影響を与える可能性があります。[ 10 ]研究によると、9ヶ月以内に2回以上スキャンを行うと、胎児に悪影響を与える可能性があります。[ 11 ]

妊娠中の放射線被曝による確定的影響としては、流産、構造的先天異常、成長遅延、知的障害などが考えられる。[ 12 ]確定的影響は、例えば広島と長崎の原爆被爆者や妊娠中に放射線療法が必要となった 症例などで研究されてきた。

妊娠週数胎児期効果推定閾値線量（mGy）
2～4週間0～2週間流産か流産なし（すべてか無か）50 - 100 [ 12 ]
4～10週間2～8週間構造的先天異常200 [ 12 ]
成長制限200 - 250 [ 12 ]
10～17週間8～15週間重度の知的障害60 - 310 [ 12 ]
18～27週16～25週間重度の知的障害（リスクが低い）250 - 280 [ 12 ]

知的障害は妊娠10～17週で1,000mGyあたり約25IQポイントと推定されている。 [ 12 ]

投影放射線撮影やCT スキャンでは胎児が放射線にさらされる ため、これらの影響は妊娠中の医療画像診断について決定する際に関係することがあります。

また、妊娠中の放射線被曝では、母親が後に放射線誘発性乳がんを発症するリスクが特に高くなるようです。[ 13 ]

測定

人体は極めて高線量でない限り電離放射線を感知できませんが、電離の影響は放射線の特性評価に利用できます。対象となるパラメータには、崩壊率、粒子束、粒子の種類、ビームエネルギー、カーマ、線量率、放射線量などがあります。

人間の健康を守るための線量のモニタリングと計算は線量測定と呼ばれ、保健物理学の分野で行われます。主要な測定ツールとしては、外部実効線量摂取量を測定する線量計の使用と、摂取線量を測定する生物学的検定法の使用があります。シーベルトに関する記事では、ICRU（国際放射線防護委員会）とICRP（国際放射線防護委員会）による線量値の使用に関する勧告を要約し、シーベルトで測定される電離放射線の影響に関するガイドを掲載するとともに、特定の状況における線量摂取量の概算値の例を示しています。

預託線量とは、放射性物質が人体に摂取されることによる確率的な健康リスクの尺度です。ICRPは、「内部被ばくの場合、預託実効線量は通常、生物学的検定測定やその他の量から放射性核種の摂取量を評価することで決定されます。放射線量は、推奨線量係数を用いて摂取量から決定されます」と述べています。[ 14 ]

吸収線量、等価線量、実効線量

吸収線量とは、単位質量あたりに電離放射線によって物質に与えられる平均エネルギーを表す物理的な線量量Dである。SI単位系では、この単位はジュール/キログラムであり、特別な名称はグレイ（Gy）である。[ 15 ] SI単位系に属さないCGS単位であるradも、主にアメリカ合衆国で使用されることがある。

確率的リスクを表すために、等価線量HT と実効線量Eが用いられ、吸収線量から適切な線量係数と係数を用いてこれらを計算します。[ 16 ]等価線量と実効線量は、生物学的影響が考慮されていることを意味するシーベルトまたはレムの単位で表されます。これらは通常、国際放射線防護委員会（ICRP）と国際放射線単位測定委員会（ICRU）の勧告に準拠しています。これらの委員会によって開発された一貫した放射線防護量の体系は、添付の図に示されています。

組織

国際放射線防護委員会（ICRP）は、線量摂取量の推奨限度を設定する国際放射線防護制度を管理しています。線量値は、吸収線量、等価線量、実効線量、または預託線量を表す場合があります。

このテーマを研究している他の重要な組織は次のとおりです。

曝露経路

外部の

外部光源（赤色）から放射線（黄色）が照射されている長方形を示す模式図
皮膚などの外部表面に存在する放射能汚染物質（赤色で表示）によって照射されている長方形を示す模式図。放射能汚染物質は放射線（黄色で表示）を放出し、それが動物の体内に侵入する可能性がある。

外部被曝とは、放射線源（またはその他の放射線源）が被曝する生物の外部にある（そして外部に留まっている）場合に生じる被曝です。外部被曝の例としては、以下のものが挙げられます。

  • 密封された放射性物質をポケットに入れる人
  • 宇宙線に被曝した宇宙旅行者
  • 遠隔放射線治療または密封小線源治療のいずれかによって癌治療を受ける人。密封小線源治療では線源は体内にありますが、預託線量には至らないため、外部被曝とみなされます。
  • 放射性粉塵で手が汚れた原子力作業員。放射性物質が吸収、吸入、または摂取される前に手が洗浄されていると仮定すると、皮膚汚染は外部被曝とみなされます。

外部被ばくは比較的容易に推定でき、放射化を引き起こす強力な中性子線を照射された場合を除いて、照射を受けた生物は放射能を帯びることはありません。

医療画像の種類別

医療画像の種類別の実効線量
標的臓器試験の種類成人における実効線量[ 17 ]背景放射線の等価時間[ 17 ]
頭部CT単シリーズ2ミリシーベルト8ヶ月
造影剤あり +造影剤なし4ミリシーベルト16ヶ月
胸胸部CT検査7ミリシーベルト2年
胸部CT、肺がんスクリーニングプロトコル1.5ミリシーベルト6ヶ月
胸部X線写真0.1ミリシーベルト10日間
心臓冠動脈CT血管造影12ミリシーベルト4年
冠動脈CTカルシウムスキャン3ミリシーベルト1年
腹部腹部と骨盤のCT10ミリシーベルト3年
腹部および骨盤CT、低線量プロトコル3ミリシーベルト[ 18 ]1年
腹部および骨盤のCT（造影剤あり、なし）20ミリシーベルト7年
CTコロノグラフィー6ミリシーベルト2年
静脈性腎盂造影検査3ミリシーベルト1年
上部消化管シリーズ6ミリシーベルト2年
下部消化管シリーズ8ミリシーベルト3年
脊椎脊椎X線写真1.5ミリシーベルト6ヶ月
脊椎CT6ミリシーベルト2年
四肢四肢のX線写真0.001ミリシーベルト3時間
下肢CT血管造影0.3～1.6ミリシーベルト[ 19 ]5週間～6ヶ月
歯科X線写真0.005ミリシーベルト1日
DEXA（骨密度）0.001ミリシーベルト3時間
PET-CTの組み合わせ25ミリシーベルト8年
マンモグラフィー0.4ミリシーベルト7週間

内部

内部被ばくは、放射性物質が生体内に侵入し、放射性原子が生体内に取り込まれることで発生します。これは、吸入、経口摂取、または注射によって起こります。以下に、内部被ばくの例をいくつか示します。

  • 通常の人間の体内に存在するカリウム40による曝露。
  • 牛乳中の89 Srなどの可溶性放射性物質の摂取による被曝。
  • 放射性医薬品を用いて癌治療を受けている人。放射性同位元素を薬剤（通常は液体または錠剤）として使用する。このテーマに関するレビューは1999年に発表された。[ 20 ] 放射性物質は影響を受けた物体と密接に混ざり合うため、内部被曝が発生した場合、物体または人の除染はしばしば困難である。二酸化ウランマトリックス内の核分裂生成物など、非常に難溶性の物質は、実際には生物の一部となることはないかもしれないが、肺や消化管内のそのような粒子は、内部被曝につながる内部汚染の一形態とみなすのが一般的である。
  • ホウ素中性子捕捉療法（BNCT）では、腫瘍細胞に優先的に結合するホウ素10標識化学物質を注入します。原子炉から発生した中性子は、中性子減速装置によってBNCT治療に適した中性子エネルギースペクトルに成形されます。これらの中性子が腫瘍に選択的に照射されます。中性子は体内で急速に減速し、低エネルギーの熱中性子になります。これらの熱中性子は注入されたホウ素10に捕捉され、励起されたホウ素11（リチウム7とヘリウム4のアルファ粒子に分解されます）を形成します。これらのアルファ粒子は両方とも、近接した電離放射線を生成します。この概念は、がん治療に2つの別々の成分を使用するバイナリシステムとして説明されています。各成分自体は細胞に対して比較的無害ですが、治療のために組み合わせると、致死的な（5～9マイクロメートルまたは約1つの細胞の直径の限られた範囲内での）高い細胞殺傷性（細胞毒性）効果を生み出します。有望な結果を伴う臨床試験が現在フィンランドと日本で実施されています。

放射性化合物が人体に入ると、体外からの放射線源への被曝による影響とは異なります。特に、通常は皮膚を透過しないアルファ線の場合、経口摂取または吸入による被曝は、はるかに大きなダメージを与える可能性があります。放射線被曝量は通常、預託線量として表されます。

歴史

放射線は19世紀後半に発見されましたが、放射能と放射線の危険性はすぐには認識されませんでした。放射線の急性影響は、 1895年にドイツの物理学者ヴィルヘルム・レントゲンが自らの指に意図的にX線を照射した際に初めて観察されました。彼は火傷に関する観察結果を発表しましたが、その原因をX線によって空気中に生成されるフリーラジカルであるオゾンであると誤って説明しました。現在では、体内で生成される他のフリーラジカルの方がより重要であることが理解されています。レントゲンの傷は後に治癒しました。

医学の一分野としての放射線生物学は、 1896年にレオポルド・フロイントが、新たに発見された電磁放射線の一種であるX線を用いて、毛深いほくろの治療効果を実証したことに端を発しています。1896年初頭、イヴァン・ロマノヴィチ・タルハノフはカエルや昆虫にX線を照射した後、これらの新発見の放射線は単に写真を撮るだけでなく、「生物の機能に影響を与える」と結論付けました。[ 21 ]同じ頃、ピエール・キュリーとマリー・キュリーは、後に癌の治療に使用される放射性元素ポロニウムとラジウムを発見しました。

放射線の遺伝的影響、特にがんリスクへの影響は、ずっと後になってから認識されました。1927年、ヘルマン・ヨーゼフ・ミュラーは遺伝的影響を示す研究を発表し、1946年にその研究成果によりノーベル賞を受賞しました。

より一般的には、1930年代には放射線生物学の一般モデルを開発する試みがなされました。ここで注目すべきはダグラス・リー[ 22 ] [ 23 ]で、彼の発表には約400件の支持文献の徹底的なレビューも含まれていました[ 24 ] [ 25 ] 。

放射線の生物学的影響が知られるようになる以前、多くの医師や企業が放射性物質を特許薬や放射性詐欺として売り始めていた。その例として、ラジウム浣腸や強壮剤として飲むラジウム含有水などがある。マリー・キュリーはこの種の治療法に反対し、放射線が人体に与える影響は十分に理解されていないと警告した。キュリーは後に放射線中毒による再生不良性貧血で亡くなった。有名なアメリカの社交界の名士、エベン・バイヤーズは数年にわたり大量のラジウムを摂取した後、 1932年に多発性癌（急性放射線症候群ではない）で亡くなったが、彼の死は放射線の危険性に世間の注目を集めた。1930年代には、ラジウム愛好家の骨壊死や死亡例が数多く発生し、ラジウムを含む医薬品は市場からほぼ姿を消した。

アメリカ合衆国では、いわゆる「ラジウム・ガールズ」と呼ばれる事件が起こりました。この事件では、ラジウム文字盤の塗装工数千人が口腔がん[ 26 ]を発症しましたが、急性放射線症候群[ 27 ]は発症しませんでした。この事件をきっかけに、放射線障害に関連する職業上の健康被害に関する警告が広く知られるようになりました。MITのロブリー・D・エバンスは、ラジウムの許容体内負荷量に関する最初の基準を開発し、核医学を研究分野として確立する上で重要な一歩を踏み出しました。1940年代の原子炉と核兵器の開発に伴い、あらゆる種類の放射線影響の研究に科学的な関心が高まりました。

広島と長崎への原爆投下は、多数の放射線中毒事例を引き起こし、その症状と危険性への理解を深めるきっかけとなりました。広島赤十字病院の外科医、佐々木照文博士は、広島への原爆投下後数週間から数ヶ月にわたり、放射線中毒症候群に関する徹底的な研究を主導しました。佐々木博士と彼のチームは、爆心地からの距離の異なる患者における放射線の影響をモニタリングし、この症候群の3つの段階を記録しました。爆発から25～30日以内に、赤十字の外科医は白血球数の急激な減少に気づき、この減少と発熱の症状を急性放射線症候群の予後基準として確立しました。[ 28 ]広島への原爆投下時に現場に居合わせた 女優の仲みどりさんは、広範囲に研究された最初の放射線中毒事例でした。1945年8月24日に亡くなった彼女の死は、放射線中毒（または「原爆症」）によるものとして公式に認定された最初の死でした。

原爆傷害調査委員会と放射線影響研究所は、1946年以来、被爆者とその子孫の健康状態を監視してきました。放射線被曝はがんリスクを高める一方で、被爆者の平均寿命は被曝していない人々に比べてわずか数か月しか短くないことも判明しました。被爆者の子供たちには、今のところいかなる健康影響も確認されていません。[ 29 ]

関心分野

生物と電磁場 (EMF) および電離放射線との相互作用は、さまざまな方法で研究できます。

実験放射線生物学のための放射線源

放射線生物学実験では通常、次のような放射線源が使用されます。

  • 同位体源、通常は137 Csまたは60 Co。
  • 高エネルギーの陽子、電子、または荷電イオンを生成する粒子加速器。生物試料は、幅広く均一なビーム[ 32 ] 、または細胞または細胞下サイズにまで焦点を絞ったマイクロビームのいずれかを用いて照射することができる。
  • UVランプ。

参照

参考文献

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  32. ^ Pattison JE, Hugtenburg RP, Beddoe AH, Charles MW (2001). 「放射線生物学研究のための原爆ガンマ線スペクトルの実験的シミュレーション」 ( PDF) .放射線防護線量測定法. 95 (2). Oxford Academic: 125– 136. doi : 10.1093/oxfordjournals.rpd.a006532 . PMID 11572640. S2CID 8711325. 2020年7月16日時点のオリジナル(PDF)からのアーカイブ。  

出典

さらに読む

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  • 放射線生物学教科書
  • G.Gordon Steel、「基礎臨床放射線生物学」、2002年、Hodder Arnold。
  • ヘルムホルツ環境保健センター放射線生物学研究所[1]
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