放射線の種類 電離放射線とは : 物質との相互作用の主要モードが電離である所の放射線電離とは : 電気的に中性の原子が外からエネルギーが与えられて 陽子イオンと自由電子に分離すること ( 間接電離放射線 ) 電離能力の有無 放射線の種類のまとめ 電離放射線 ( エックス線 γ 線 β 線 電子線 陽

Transcription

1 放射線の歴史 放射線生物学 895 年 :X 線の発見 896 年 : 896 年 : ウラン線の発見 898 年 : ラジュウムの分離 90 年 : 902 年 : 純粋なラジュウムの分離 99 年 : 92 年 : 急性皮膚炎 脱毛 動物実験での流産 放射線皮膚炎から発ガン 腋窩リンパ節転移 胎児被爆による奇形 923 年 : ダイアルペインター被曝事故 9 名死亡 70 名傷害 ラジウム顎 926 年 : 白血球減少性貧血 ( 再生不良性貧血 ) XP ( エックス線 ラジュウム防護委員会 ) 発足 928 年 : 遮蔽の必要性 : IX P ( 国際エックス線 ラジュウム防護委員会 929 年 : 934 年 : 人工放射能を発見 945 年 : 原曝投下 ( 広島 長崎 ) 骨肉腫 熱傷 感染症 出血 潰瘍 946 年 : ロスアラモス臨界事故 2 名死亡 2 名傷害 950 年 : 954 年 : 福竜丸事件 ( 水爆実験 ) 名死亡 93 名傷害 968 年 : 放射線治療装置事故 ( ワシントン ) 名死亡 960 年 : エックス線撮影装置事故 ( ニュ - ヨーク ) 2 名傷害 965 年 : ABCC ( アメリカ原爆障害調査委員会 ) 最大許容量採用 行為の正当化を勧告 975 年 : 放射線影響研究所 ( 広島 長崎 ) 976 年 : 放射線治療装置事故 ( オハイオ ) 0 名死亡 88 名傷害 977 年 : 978 年 : 福島第一原発事故 983 年 : 986 年 : チェルノブイリ臨界事故 ( ウクライナ ) 3 名死亡 238+ 傷害 990 年 : チェルノブイリ再臨界事故 99 年 : 浜岡原発臨界事故 999 年 : 東海村臨界事故 志賀原発臨界事故 2 名死亡 名傷害 20 年 : 福島第一原発事故 名死亡 7 名傷害 IC P( 国際放射線防護委員会 ) IC P 確率的影響 非確率的影響 公衆被曝 ( 環境被曝 ) を制限 ICP ICP 2 放射線とは 放射または放散されるエネルギーの総称 紫外線波長 :0nm から 380nm エネルギー : 約 3eV から 2eV 治療用エックス線波長 :pm 以上エネルギー : 約 0MeV から 000GeV 3 林孝文. 歯科画像診断と医療被曝講演資料改変 診断用エックス線波長 : 約 0nm から pm エネルギー : 約.2eV から 20keV 4 電離放射線 物質との相互作用の主要モードが電離である所の放射線 と定義し 電子ボルト単位でエネルギーが 0eV 以上のものであるが 紫外線は含めない また 中性子は低エネルギーでも含める : 国際放射線防護委員会 (International Commission on adiation Protection ICP) 電離放射線の物質との相互作用 電離作用 : 放射線が物質の中で透過 散乱 吸収される過程で物質内の分子や原子の電子にエネルギーを与え その電子 ( 自由電子 ) を物質外に放出させる作用 ( コンプトン散乱 ): 比較的低エネルギーの電離放射線が水や軟組織に衝突したときに起きる 励起作用 : 電離にまでは至らないが 軌道電子にエネルギーを与え外側の軌道に移動させる作用 ( 光電効果 ): 比較的エネルギーの低い電離放射線が硬組織に衝突したときに起きる 非電離放射線 物質との相互作用の主要モードが電離でない所の放射線 と定義し 電子ボルト単位でエネルギーが 0eV 以下のもの : 国際放射線防護委員会 (International Commission on adiation Protection ICP) 5 6

2 放射線の種類 電離放射線とは : 物質との相互作用の主要モードが電離である所の放射線電離とは : 電気的に中性の原子が外からエネルギーが与えられて 陽子イオンと自由電子に分離すること ( 間接電離放射線 ) 電離能力の有無 放射線の種類のまとめ 電離放射線 ( エックス線 γ 線 β 線 電子線 陽子線 中性子線 ) 非電離放射線 ( 電波 赤外線 可視光線 紫外線 ) 直接電離放射線 (β 線 電子線 陽子線 ) 電荷の有無 間接電離放射線 ( エックス線 γ 線 中性子線 ) 電磁波 ( エックス線 γ 線 ) 質量の有無 7 粒子線 (β 線 電子線 陽子線 中性子線 ) 8 透過作用 放射線の性質 放射線か 物質を透過する性質 電離作用 放射線が物質を透過する際 物質の原子の中の電子を飛び出させる性質 感光作用 通常の光と同じく写真フィルムを感光させる性質 蛍光作用 蛍光物質に当たると光を発生させる性質 放射線の透過力 アルファ線 : ラジウム プルトニウム ウラニウム ラドン 電離作用 : 大 ベータ線 : トリチウム 炭素 4 リン 32 ストロンチウム 90 ヨウ素 3 電離作用 : 中 ガンマ線 : コバルト 60 セシウム 37 電離作用 : 小 中性子 : ウラニウム プルトニウム 電離作用 : 小 紙 アルミニウム等の薄い金属板 鉛や厚い鉄の板 9 水やコンクリート 0 放射線の単位 a. 照射線量 : クーロン毎キログラム (C/kg) X 線または γ 線が空気中にどれだけの強さ出されているか ( どれだけ電離させれるか ) を示す放射線量 b. 吸収線量 : グレイ (Gy: J/kg) 放射線が物質に照射され 相互作用を行った時 そのエネルギーがどれだけ物質に吸収されたかを示す値 グレイとは物質 kg あたり ジュールのエネルギー吸収を生じる時の放射線量 吸収される物質により照射線量と吸収線量は異なる J = 0.24 cal cal = 4.2J c. 線量当量 : シーベルト (Sv: J/kg) 吸収線量を放射線の種類やエネルギーによる影響によって補正して得た値で 人体への影響の程度を表す シーベルトとは X 線の グレイによってもたらされるのと同じ程度の損傷を人体に引き起こす放射線の量 d. 放射能 : ベクレル (Bq: /sec) 原子の放射線を出す強さを表すもので 一定時間内に何個の原子が崩壊し放射線を放出するかで示される ベクレルとは 秒間に 個の原子核が崩壊している状態の放射線の強さ また は放射性物質の量 e. 放射線エネルギー : エレクトロンボルト (ev: J) 放射線固有のエネルギー f. 線エネルギー付与 (LET:Linear Energy Transfer): エレクトロンボルト毎メートル (ev/m: J/m) 電離放射線が物質の中を通過する際に 飛距離の単位長さ当たりに物質に与えるエネルギー量のことであり 放射線の線質の違いを知る指標である X 線 γ 線はLETが小さいので 低 LETといい α 線 中性子線 重粒子線はLETが大きいので高 LETという g. 生物学的効果比 (BE:elative Biological Effectiveness 能力比なので単位はない ) 放射線の線質による生物効果の大きさの違いを量的に示す値である BEとは 問題にしている放射線の吸収線量 (D) が 標準放射線 (250keVのX 線 ) の吸収線量 (Ds) に比べて何倍の生物効果を与えるかを数字であらわしたものである BE = Ds/ D 2 2

3 放射線の分子レベルの影響 ( 直接作用と間接作用 ) 間接作用の主体 ( 影響の 2/3) 電離 イオン化 ( 水和電子 ) ( 過酸化水素分子 ) ( 水素分子 ) G T G T O H H 励起 その他の用語 ( 水素ラディカル ) ( ヒドロキシラディカル ) 直接作用 間接作用 3 希釈効果 化学的防護作用 酸素効果 間接作用は水が多いほど強くなる 水が多くなり標的分子数が相対的に減ると影響分子が増えること SH 基 アミノ酸 アルコール等の放射線防護物質を入れた水溶液を照射すると防護剤と競合し標的分子の影響が減少すること 高酸素下では低酸素下と比べ標的分子は大きな影響を受ける 4 こと 希釈効果 化学的防護作用 SH H 2 2 O SH SH 5 6 酸素効果 放射線の細胞への影響 酸素下で起きるラジカル反応 eaq- + O2 O2- H + O2 HO2 H + HO2 + H2O2 H + HO2 O + H2O H + HO + H2O + O2 O2 M 期 : 分裂期 G 期 :DNA 合成準備期 S 期 :DNA 合成期 G2 期 : 分裂準備期 放射線高感受性 酸素増感比 (OE, oxygen enhancement ratio): 酸素のある状態 ( 飽和状態 ) で特定の効果を引き起こすのに必要な線量 (A) に対する酸素がない状態で必要な線量 (B) の割合 ;OE = B / A 低 LETの電離放射線ほど著しく 高 LETのものはあまり関与しない 7 参考 ; 気圧 760mmHg, 酸素 2%, 大気の酸素分圧 55mmHg G0 同様の分化時期 同様の組織の細胞でも個々の細胞周期により放射線感受性が異なる 8 分裂期 分裂準備期後期 DNA 合成準備期前期の放射線感受性が高い 3

4 存率(%放射線の組織への影響幹放射線の組織への影響幹萎縮組織 細胞能細胞死照射 射線間期死放細胞能細胞死照射 射線間期死放多標的 ヒット型 : 低線量 (-2Gy) では曲線で 大線量になると直線的になる 高線量で実験値と一致 人のような哺乳動物では N=-0 all or none 直線 2 次曲線モデル : 低線量では直線的で 大線量で曲線となる 放射線治療に使用される線量 (2-8Gy) で実験値と一致 repair 標的論 (Target Theory) 仮定 : )Target となる個々の分子や細胞は 放射線に対して全く独立に影響を受ける 2) 線量に対する効果は確率的過程として扱うことができる 線量に依存した細胞の生死の確率を示すモデル 理論の前提 : ) 放射線はエネルギーを粒子として無差別に物質に付与 2) 粒子と細胞の相互作用 ( ヒット ) は独立的に起き Poisson 分布に従う 3) 放射線は標的細胞を不活化するための標的数が決まっている 9 20 直線 -2 次理論 (Linear Quadratic Theory) 仮定 : )Target は 2 本鎖 DNA である 2) 細胞死は 粒子による 2 本鎖切断と 2 粒子による 2 本鎖切断からなる 3) 放射線はエネルギーを粒子として無差別に物質に付与 4) 粒子による切断は吸収線量に比例する 5)2 粒子によれる切断は吸収線量の 2 乗に比例する 6) 粒子による切断は修復する 背景 : 回の電離で必ずしも ヒットが生じないため 標的理論の意味が薄れたため考え出された理論 線量 - 細胞生存曲線の考え方 ( 線量と細胞死の関係を示す考え方の実験モデル ) 標的論 (Target Theory) 標的 ヒット型多標的 ヒット型 標的多ヒット型多標的多ヒット型 標的対象その他 個 N 個 バクテリア 酵素ほ乳動物 造血幹細胞 D37 D 生0. 早期反応晩期反応 S = e -(α D+β D2 ) 0 0 E = n(αd+βd 2 ) E/α = BE( 生物学的効果線量 ) αd βd 2 αd 2 早期反応 腫瘍 α/β = 0-20 Gy + 0. = 0. βd 2 晩期反応 α/β = -5 Gy 直線 2 次曲線モデル (Linear Quadratic Model) DNA 発ガン突然変異染色体異常 2 本鎖切断 本鎖切断 )Gy Gy Gy 増殖死 分裂速度の低下 機細胞数の低下 Bergonie-Tribondeau の法則 ( ベルゴニエ トリボンドー ) 放射線感受性 大 小 分裂頻度 高い 低い 形態や機能の分化度 低い 高い 増殖死 分裂速度の低下 分化 完成までの分裂回数多い少ない23 機細胞数の低下 24 萎縮組織 4

5 放射線感受性の組織での違い 唾液腺血管 放射線効果と生体防護作用 修復 :DNA 細胞内構造のレベルでの損傷が治される現象回復 : 細胞 組織以上のレベルでの機能障害が治される現象 対象損傷部位修復 回復法 細胞内 DNA 塩基損傷 DNA 一本鎖切断 DNA 二本鎖切断 損傷塩基 ヌクレオチドが除去され損傷のない新しいものが挿入 再結合 2 細胞再生系 3 条件的組織再生系 4 細胞非再生系 Bergonie-Tribondeauの法則 ( ベルゴニー トリボンドー ) 大 感受性小 分裂頻度 高い 低い 形態や機能の分化度 低い 高い 分化 完成までの分裂回数 多い 少ない 25 細胞 亜致死性損傷 潜在的致死損傷 死まで至らない細胞が回復 細胞が増殖しにくい環境を与えると回復に余裕ができ生存率が上昇 組織 器官 細胞損傷細胞数の減少により幹細胞増殖が起き回復 亜致死性損傷回復 (epair SLD sublethal damage recovery) は実際の低 LET ( 線エネルギー付与 Linear Energy Transfer) 放射線治療に利用されている 26 しかし 高 LET 放射線治療では利用できない 塩基損傷一本鎖切断二本鎖切断 A G T C C G C G C G 間接作用 放射線による生体への作用過程 水分子の電離 励起 高反応性物質の生成 ( 活性酸素 ラジカル ) 放射線エネルギー 生体高分子の損傷 生体高分子の電離 励起 直接作用 修復 修復 生化学的変化 形態的変化 突然変異 染色体異常 G T 突然変異 遺伝子異常 細胞死 C G G A 27 細胞死 組織障害 発癌以外の身体的影響 発癌 遺伝的影響 28 林孝文. 歯科画像診断と医療被曝講演資料より 放射線の生物作用の時間経過 時間 ( 秒 ) 作用照射電離 励起ラジカル形成 分子反応 物理的過程化学的過程 数十分 DNA 損傷 DNA 修復細胞死 染色体異常 線量率効果 ー線量率と生物学的効果との関係ー 吸収線量 (Gy) 吸収線量率 (Gy/h) 同一種類の放射線で同一の吸収線量であっても線量率が異なると生物学的効果が異なること エックス線や γ 線では起こるが 重粒子線や中性子線では起こらない 生体内に吸収された放射線エネルギー量 単位時間あたりの吸収線量 線量率が高いほど生物学的効果は大きくなる LET が高いほど生物学的効果は大きい 数日 ~ 数月 組織障害 個体死 生物的過程 数年 発ガン 数十年 遺伝的影響

6 生存期間ー全身被爆線量との関係ー 高線量致死 : 中枢神経死 線量不依存 : 消化管死 低線量致死 : 骨髄死 ( 造血器死 ) 放射線の人体への影響 ( 発症と線量との関係の分類 ) ICP ( 国際放射線防護委会 International Commission on adiological Protection ) における放射線防護の観点からの考え方であり 現実とは若干異なる Bergonie-Tribondeauの法則 ( ベルゴニー トリボンドー ) 感受性大 小 分裂頻度 高い 低い 形態や機能の分化度 低い 高い 分化 完成までの分裂回数 多い 少ない 広い範囲で線量不依存域が存在 ( 生存期間が一定領域 ) 3 確率的影響 確定的影響 定義 しきい値がない重篤度は線量不依存 しきい値がある重篤度は線量依存 疾患 ガン遺伝的影響 不妊白内障 32 放射線の人体への影響 ( 発症と線量との関係の分類 ) 放射線の人体への影響 ( 発症時期による分類 ) 確率的影響 確定的影響 定義 しきい値がない 重篤度は線量不依存 しきい値がある重篤度は線量依存 疾患 ガン遺伝的影響 ( 奇形 低成長 染色体異常 ) 不妊 白内障脱毛 33 定義 対象 身体的影響被爆者個人に現れる体細胞 遺伝的影響被爆者の子孫に現れる生殖細胞 早期 ( 急性 ) 影響被爆後数週間以内に現れる器官や組織の死 晩発影響 被爆後数ヶ月の長い潜伏期の後に現れる 器官や組織の修復 34 回復不能細胞 身体的影響 急性障害 造血器 中枢神経系 早期 ( 急性 ) 障害では造血器官 胃腸管系 中枢神経系 生殖器 晩発性障害ではガン ( 白血病 固形ガン ) 白内障 胎内被曝での胎児の影響 35 寿命の短縮が重要 造血器官 : 骨髄 脾臓 リンパ節構成 : 造血幹細胞 造血支持組織 Bergonie-Tribondeauの法則 ( ベルゴニー トリボンドー ) 感受性大小分裂頻度高い低い形態や機能の分化度低い高い 36 分化 完成までの分裂回数多い少ない 6

7 萎縮組織 幹細胞能分裂速度の低下細胞死照射 射線血管萎縮組織 射線機能細胞放射線感受性リンパ球 > 好中球 > 血小板 急性障害 造血器 急性障害 消化管 吸収障害 血小板好中球リンパ球 感染症 出血 貧血 2-0 Sv 0-60 日 下血 0-00 Sv 3-0 日 急性障害 中枢神経放増殖死 機急性障害 生殖器 特徴女性では高齢者ほど感受性が高い 細胞数の低下 低線量による染色体異常 ( 遺伝的影響 ) が大問題 放射線感受性が低い ( 中枢神経は成人において細胞分裂していない ) 中枢神経死の大部分は脳血管障害による放>5Gy >00Gy -5 日 透過性の亢進脳浮腫死照射細胞数の低下 核の濃染 39 Bergonie-Tribondeauの法則 ( ベルゴニー トリボンドー ) 感受性大小分裂頻度高い低い形態や機能の分化度低い高い 40 分化 完成までの分裂回数多い少ない 急性被爆による死 ( 急性放射線死 ) のまとめ 晩発障害 白内障 原爆被爆者における白内障の発症と線量との関係 全身に短期間で大量の放射線を受けた場合に起きる線量は感受性に依存し 死までの期間は細胞の寿命に依存する 4 線量閾値 傷害名 発症時期 Sv 水晶体傷害 線量に依存 5 Sv 白内障 線量に依存 被曝期間 水晶体線量 2-3 Sv 4-0 Sv 0-20 Sv Sv > 40 Sv 回.8 年 5.3 年 4.2 年 -3ヶ月 6.6 年 5.2 年 2.8 年 2.6 年 3ヶ月 < 0.8 年 6.2 年 4.4 年 3.6 年 42 7

8 図録 ヒロシマを世界により 晩期障害 生殖機能 晩発障害 寿命 () 線量効果関係 : 死亡率と線量は直線関係となる白血病 胸腺腫瘍の発生率の増加と潜伏期の短縮による短命は Gy あたり 4-7 週である 線量率効果 : 死亡率は線量率が高くなるほど高くなる 特徴女性では高齢者ほど感受性が高い 晩発障害 寿命 (2) 晩発障害 胎児の体内被曝 年齢依存性 : マウスにおいて 感受性は胎生期よりも出生初期が高くその後低下する肝癌 肺癌の発生率と関係があるこの時期は人の胎生後期にあたる ホルミンス効果 (hormesis effect) : 致死線量照射前に微量放射線を照射すると寿命の延長が認められるこの効果は SPF(Specific Pathogen Free 特定病原菌なし ) にはなく 対照群と比べ発ガン率の上昇が認められたことから発ガン率の低下ではなく免疫活性効果と考えられている 45 自覚しきい値 (Gy) 高感受性 正常 精神 奇形 発育遅延時期特異性がある なな発達新生児しに流産遅延46 晩発障害 胎児の体内被曝 晩発障害 胎児の体内被曝 がんの発生 体内被曝による重度精神発達遅延 0.2 Gy がん発生率上昇 : 胎内被曝 < 出生児被曝 0.50 国連放射線影響科学委員会 988 年 eport より 47 0mSv の体内被曝で明らかなリスク上 ( オッヅ比.3) 48 8

9 晩発障害 発ガン 低線量被曝と発がん 被曝によるがん上昇率 =0.04 x Sv x 年齢リスク倍増率 5-00mSv( 平均 29mSv) から明らかにリスク上昇 49 原子力発電所 5km 圏内と 70km 圏外では 5 才以下の小児白血病の有病率を比較すると前者が 2.3 倍多い Int.J.Cancer 2007: ドイツのグループによる 年の大規模調査 50 その他の晩期障害 インド ケケラ州 : 0-2 msv 80 家族 730 人 595 DN A コントロール :. msv 68 家族 258 人 200 D NAを分析 すべての突然変異 (267 DNA 突然変異 ) のうち高線量地域で 22/595 低線量地域で /200 が放射線が原因の DNA 突然変異 米国科学アカデミー紀要 2002 より しかし 広島 長崎の被爆者データーも含め 5 高線量被曝者の遺伝影響 ( 先天異常 ) の発生の増加は認められていない ICPは確率的影響を遺伝的疾患 がんと限定 しかし 現在の見解ではすべての放射線が悪影響する疾患は確率的 52 影響 晩期障害のまとめ 回急性被爆 (Gy) その他 放射線障害の分類のまとめ 水晶体混濁 Gy/ 年 x50 年 白内障 5 0.5Gy/ 年 x54 年 男 女 胎児 ガン遺伝疾患 一時不妊 永久不妊 一時不妊 永久不妊 重度奇形永久発育遅滞 精神遅滞 発生率増加 % / Gy 0.5% / Gy 妊娠 2 8 週妊娠 8- 出産 妊娠 8-5 週 25% -2% 53 発生時期 線量 発症 被曝時間 障害対象 被曝範囲 被曝様式 早期 ( 急性 ) 障害 晩期障害確率的影響 確定的影響急性被曝 慢性被曝身体的影響 遺伝的影響全身被曝 局所被曝外部被曝 内部被曝 胎内被曝 54 9