生物学から見た放射線および電離放射線と物質との相互作用 2002年1月９日（III、IV）電離放射線は、ごくわずかのエネルギーで生体を死に至らしめる（図参照）。これは電離放射線が生体の内部に侵入して、生命の根源であるDNAを効率良く切断するからである。もちろんDNAは非常に小さい分子であるので、切断するには電離放射線がもたらすごく微量の電離エネルギーがあれば良い。電離放射線は、われわれの五感で感じることができないため生体に思い掛けない危険をもたらす場合があると同時に、古くから医療の分野で診断と治療に頻繁に用いられている。今回は、電離作用を引き起こす放射線の種類、物質や水との相互作用を学び、生物作用（DNA切断）がおこる原理を理解する。また、放射線の量／強さの単位と防護のための単位を学ぶ。１．放射線の種類電離作用が生物学的作用の本質であるので、電離をするものだけを電離放射線としてここで扱う。紫外線は軌道電子の励起までしか起こさないが、紫外線より高いエネルギーをもつすべての電磁波は軌道電子を弾き飛ばし電離作用を示す。また粒子線、α線（ヘリウムの原子核）、β線（電子線）、中性子線はすべて電離放射線である。X線は加速電子が原子に衝突する時に発生し（その主要なものは制動ｘ線と呼ばれる）、α、β、γ線は不安定な原子核が安定になる時（崩壊に伴って）原子核から直接放出される。２．電離放射線と物質の相互作用電離放射線は、物質内での直進性、透過性、引き起こす電離密度において各々異なった性質を示す。α線は電荷を持ち質量が大きいため、密に電離を引き起こしながら直進するが透過力は弱く、皮膚の表面でとまる。β線は電荷を持ち質量が小さいため、原子核や原子の軌道電子と頻繁に相互作用しながらジグザグに進む。透過力は弱い。γ線は電磁波で電荷を持たないため、透過性は非常に高く直進する。原子核や原子の軌道電子と相互作用しながら、電離を引き起こし、徐々にエネルギーを失う。すべての荷電粒子、γ線、Ｘ線が、物質中を通過中に失ったほとんどのエネルギーは、電子の電離や励起を引き起こしながら、最終的には熱エネルギーの形で物質に与えられる３．電離放射線と水の相互作用電離放射線は、生体内に多量に含まれる水と相互作用し、電離／励起を引き起こす。その結果、非常に反応性に富むラジカルとよばれる分子が発生する。このラジカルは直接的または間接的にDNAを攻撃し、DNA鎖の修飾、切断を引き起こす。その中でも重要なものは、 DNA２本鎖が同時に障害される２重鎖切断とよばれるもので、これは１つでも未修復のまま残ると細胞は生存できない。しかしながら、生体は日常的に発生するDNA損傷を完全になおせる修復系を持っており、少量の放射線（自然放射線など）を浴びても全く問題ない。自身が持つ修復能以上の電離放射線を浴びた場合は、DNA損傷（特に２重鎖切断）を完全に修復できない。この場合、２重鎖切断を持った細胞は、最終的に積極的に自殺するか（アポトーシス）、次の分裂時に異常を来して死亡する。一方、修復に伴いある頻度で修復の間違いが生じる。これが遺伝情報としてそのままのこると、将来発癌や遺伝的障害の素因となる。４．電離放射線の生物学的作用から見た強さ電離放射線は、その種類により生体に重大な影響をもたらすものから、ほとんど影響を与えないものまである。この違いは、電離放射線が引き起こす電離の密度によりもたらされる。電離密度をあらわす指標として、LETという値が用いられる。大きい電荷を持つ粒子ほど、また同じ種類の粒子ならそのエネルギー（飛ぶ速度）が低いほど、周囲の電子と相互作用をおこす結果、密に電離をおこし、高いLET値を示す。また一方、本来の生物学的な効果を指標として、同じ線量の異なる放射線の生物学的効果（強さ）を比較するものとして、RBEがある。RBEはおおまかにLETに比例するが、正確には一致しない。５．電離放射線に関する量と単位電離放射線はその量をあらわす方法として、治療や診断の面から正確に測定するものと、また防護の立場から考えられたおおまかな測定法がある。放射線の物理的強さは、その線源から出る放射線の数と一本の放射線が持つエネルギーの２つによって決定される。前者は、原子核が単位時間内に崩壊する量の比例し、一秒間の崩壊数はベクレル（Ｂｑ）とよばれる。またエネルギーは、電磁波では振動数に比例し、荷電粒子ではその飛ぶ速度に比例する。放射線が電離をおこすことを利用して、通過した空気中の電離量を測定したものが照射線量とよばれるもので、レントゲン（R）であらわされる。いっぽう、物質に吸収された放射線のエネルギーを測定したものは、吸収線量とよばれ、グレイ（Gy）という単位であらわされる。昔は、照射線量がよく用いられていたが、現在では被曝の効果がより正確な吸収線量に置き換わりつつある。また、LETは電離密度と比例し、RBEは生物学的効果と比例する単位である。放射線防護の立場からは、飛んでくる種々のエネルギーの異なる放射線別々に評価するのは不可能なので、吸収線量に線質計数（QF；γ線１、中性子１０、α線２０など）をかけて、その被曝の危険度を推定している。放射線の分類ＩＩ（発生の由来による） 1.放射線とは ①放射性元素の崩壊に伴って放出される粒子線または電磁波。アルファ線･べ-夕線･ガンマ線の三種をいうが、それらと同じ程度のエネルギーをもつ粒子線･宇宙線も含める。アルファ線はヘリウムの原子核、ベータ線は電子または陽電子から成る粒子線、ガンマ線は非常に波長が短い電磁波。いずれも気体を電離し、写真作用･蛍光作用を示す。1896年ベクレルにより、ウラン化合物から発見された。②広義には種々の粒子線および電磁波の総称。（広辞苑一第五版一）放射線の分類Ｉ（物理的性質）電離能力低エネルギー電波ー電磁波可視光線ー紫外線ー高エネルギーＸ線＋ γ線＋粒子線 α線（ヘリウムの原子核）＋ β線（電子線）＋中性子線＋ ☞健康に影響を与える能力による分類この点から見て注目すべきは放射線の電離能力である。電離(英語の直訳で「イオン化」ともいう）では、何らかの原因で原子や分子から電子がはぎ取られ、陰陽一対のイオンができる。陰イオンはばき取られた電子１が他の原子や分子に結びついたもの一であり、陽イオンは残った原子や分子である。放射線が生物に影響を与える１番最初のイベントは、生体をつくっている分子を電離することで、あらゆる生物影響はそこから出発する。 1.電気的エネルギー（電子と原子の相互作用）によるもの（X線） 2.原子核の放射性崩壊によるもの（粒子（αβ）線、γ線） 1.加速電子線の物質への衝突によるもの（X線） 2.不安定な原子核からのα、β、γ線の発生崩壊様式放出原子番号放射線質量数の変化 α崩壊 α線Ｚ→Ｚー２（ａ）Ａ→Ａ−４ β崩壊 βー崩壊 β線Ｚ→Ｚ＋１（ｂ、ｄ）Ｘ線管によるＸ線の発生原理Ａ→Ａ β＋崩壊 β線Ｚ→Ｚー１（ｃ）Ａ→Ａ電子捕獲ーＺ→Ｚー１（ｄ）（Ｘ線）Ａ→Ａ電磁波（光子）の分類非電離放射線（電離作用なし） *励起作用あり電離放射線（電離作用あり） α線 β線 ☞電離と励起および光の放出 ☞Ｘ線とγ線の違いＸ線 γ線これよりエネルギー準位が高いと電離する原子核外由来原子核内由来 γ線質量数 226 原子番号 88 （陽子数） Ra Rn 222 86 γ線と物質の相互作用 2. 放射線と物質の相互作用 α線と物質の相互作用 1. 2. 直進透過力強い粗に電離をおこす電荷０質量なし（２次電子） 3. ジグザグ運動透過力弱い粗に電離をおこす電荷１質量小電子の発生、移動に伴い電離がおこる直進透過力極めて弱い密に電離をおこす電荷2 質量大直進透過力強い密に電離をおこす電荷０質量中 β線と物質の相互作用（加速電子と物質の相互作用a-dと同じ）中性子線と物質の相互作用 3. 放射線と生物（水）の相互作用放射線による水中でのラジカル生成ラジカルによるDNAの損傷放射線によるDNA障害が生体におよぼす影響元通りに修復健康間違って修復発癌次世代への遺伝的影響修復 DNA損傷（２重鎖切断）少量修復不能アポトーシス（細胞の自殺）多量健康組織の破壊死亡 4. 放射線の生物学的作用から見た強さ生物学的効果比（relative biological effect:RBE）線エネルギー付与（linear energy transfer:LET）電離放射線が生体にエネルギーを与えると電離と励起とが起こるが、それらはまったく任意に分布するのではなく、個々の電離粒子の飛跡にそって分布する。その分布の仕方は放射線の種類により異なる。たとえば、X線光子は速い電子一電荷が1つで質量も小さな粒子一を生じ、中性子は反跳陽子一電荷は同じく1つだが量は電子の約2OOO倍もある粒子一を生じる。α粒子はそれ自体が2荷の電荷を持ち質量が陽子の4倍で、電荷と質量の比は電子に対するより8000倍も異なる。その結果、異なる粒子により生じる電離の空間分布も実にまちまちである。このことを図9-1に示すが、その背景になっているのはヒト肝細胞の電子顕微鏡像で、白い点はコンピュータでシミュレートした電離点である。一番下の飛跡は診断用X線光子により生じる低エネルギー電子を表す。第一次の電離は相当の距離をおいて起こっており、それゆえX線は粗に電離を起こすsparsely ionizingといわれる。下から2番目に示す飛跡は、より粗に電離を起こすコバルト60-γ線光子による電離を表している。ある1つの粒子をとれば、そのエネルギーが上がるほど、電離密度は粗になる。下から3番目の飛跡は、原子炉からの核分裂中性子によると思われる陽子を表すが、電離が柱のように密に起こっており、それゆえこの放射線は密に電離を起こすdensely ionizingといわれる。最も上に示す飛跡は放射線治療に用いられる高エネルギー中性子により生じる10MeV陽子のものである。線エネルギー付与LinearEnergyTransfer(LET)とはZirkleにより提唱されたもので、飛跡の単位長さあたりに付与されるエネルギーのことである。通常、密度1の物質1ミクロンあたり何キロ･エレクトロン･ボルト(KeV/μm)かで表す。体内における荷電粒子のLinear Energy Transfer(L) とはdE/dLの商で、ここでdEとは特定のエネルギーを持った荷電粒子がdLの距離を通過する時、体に与える平均エネルギーである。したがって次式で表される。 L=dE/dL これは光子、粒子を含む種々の放射線の質を示すのに簡単かつナイーブな方法として用いることができる。通常使用されている放射線の典型的なLETを表9-1に示している。気のつくことは、ある種の荷電粒子ではエネルギーが高いほど、LETが低く、したがって、その生物学的効果も低くなることである。たとえば、γ線もX線も第二次送電子を生じるがゆえに、1.1MeVコバルトー60γ線は250kVX線よりLETが低く生物学的効果も10%低い。同じように150MeV陽子は一10MeV陽子よりLET が低く、それゆえ生物学的効果も少ない。 10MeV陽子線核 0.5MeV陽子線 1MeV電子線 5keV電子線 RBEとLETとの関係 RBEをLETに対しプロットしたものが図9-6である。LETが増すにつれ RBEは最初は徐々に、LETが10KeV/μm以上になると急速に大きくなる。そして10-100KeV/μmでLETが大きくなるにつれRBEは急速に大きくなり、100KeV/μmでほぼ最高となり、それ以上になるとRBEは逆に小さくなってくる。粒子の電荷が大きいほどまた同じ粒子ならエネルギーが低い（速度が遅い）ほど密に電離をおこしやすい（生物学的効果が大きい）至適LET値生物学的効果を生じるのに、なぜ約100KeV/μmのLETを持つ放射線が至適なのかは興味ある問題である。この密度で電離が起こると各電離と電離との間の平均距離がDNA二重鎖(20Aすなわち、 2nm)の直径とほぼ一致する。この密度で電離を起こす放射線は第1の荷電粒子が通ることで二重鎖切断をもっとも起こしやすい。二重鎖切断は生物学的効果の基礎である。これを図9-7に示すが、粗に電離を起こすX線では単一の飛跡により二重鎖切断の起こる確率は低く、一般的にいって1つ以上の飛跡が必要である。その結果、X線の生物学的効果は低い。その反対に(たとえば200KeV/μmの LETを持っ)より密に電離を起こす放射線は容易に二重鎖切断を生じるが、反面、電離があまりにも接しすぎているためエネルギーの"浪費"となる。RBEは等しい生物学的効果を生じる線量の比なので、あまりにも密に電離を起こす放射線は、至適LETの放射線より逆に低くなる。あまりにも電離が密な放射線は飛跡あたりでは効果が強いが、線量あたりでみると低くなる。したがって、二重鎮切断が生物学的効果の基本であるために、なぜRBEが至適値を持つかが理解できる。この至適LETを持っ放射線としては2、3百キロ･エレクトロン･ボルトの中性子線とか低エネルギーの陽子線、α粒子線があげられる。５.放射線に関する量と単位物理的な単位放射線防護のための単位測定器でカウントする数 (count per min: c.p.m.) 吸収粒子（α、β線）光子（γ、Ｘ線）＋熱ー放射性物質Ｘ線管線の数一秒間にでる本数（∝cpm）照射線量（R）ある一定量の空気線の太さを電離する放射線量エネルギー（eV） (C/kg) 通過熱＋一部吸収ー＋熱ー吸収吸収線量（Gy）物質の中でエネルギー（熱、電離）に変化した放射線量 (J/kg) 放射能が高い一秒間に崩壊する原子の数（Bq）の値（c.p.m.に比例）が大きい放射能のエネルギーが強い粒子の飛ぶ速度が速い（荷電粒子）波長が短い（光子） ☞1ev（電子ボルト）電子が１ボルトの電位差によって獲得するエネルギーシーベルト(Sv)は放射線防護の目的で医療現場や原発で頻用されている。 ☞崩壊図の例我々は、年間自然放射線を 1mSv 浴びている。胸部間接撮影 0.05mSv 胃透視 0.6mSv 胸部CT 6mSv 6. 放射線の医療への応用診断用レントゲン10keV-300KeV 癌治療用ｘ線発生装置10Mev-