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たけなりえんの
4 years ago
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1 放射線生物学

放射線の歴史 1895 年 :X 線の発見 1896 年 : 急性皮膚炎脱毛 1896 年 : ウラン線の発見 1898 年 : ラジュウムの分離 1901 年 : 動物実験での流産 1902 年 : 純粋なラジュウムの分離放射線皮膚炎から発ガン腋窩リンパ節転移 1919 年 : 胎児被爆による奇形 1921 年 : XRP ( エックス線ラジュウム防護委員会 ) 発足 1923 年 :

2 放射線の歴史 1895 年 :X 線の発見 1896 年 : 急性皮膚炎脱毛 1896 年 : ウラン線の発見 1898 年 : ラジュウムの分離 1901 年 : 動物実験での流産 1902 年 : 純粋なラジュウムの分離放射線皮膚炎から発ガン腋窩リンパ節転移 1919 年 : 胎児被爆による奇形 1921 年 : XRP ( エックス線ラジュウム防護委員会 ) 発足 1923 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 1926 年 : 白血球減少性貧血 ( 再生不良性貧血 ) 1928 年 : 遮蔽の必要性 :IXRP( 国際エックス線ラジュウム防護委員会 1929 年 : 骨肉腫 1934 年 : 人工放射能を発見 1945 年 : 原曝投下 ( 広島長崎 ) 熱傷感染症出血潰瘍 1946 年 : ロスアラモス臨界事故 2 名死亡 2 名傷害 ABCC( アメリカ原爆障害調査委員会 ) 1950 年 : 最大許容量採用 ICRP( 国際放射線防護委員会 ) 1954 年 : 福竜丸事件 ( 水爆実験 ) 1 名死亡 93 名傷害 1968 年 : 放射線治療装置事故 ( ワシントン ) 1 名死亡 1960 年 : エックス線撮影装置事故 ( ニュ-ヨーク )2 名傷害 1965 年 : 行為の正当化を勧告 ICRP 1975 年 : 放射線影響研究所 ( 広島長崎 ) 1976 年 : 放射線治療装置事故 ( オハイオ ) 10 名死亡 88 名傷害 1977 年 : 確率的影響非確率的影響 ICRP 1978 年 : 福島第一原発事故 1983 年 : 公衆被曝 ( 環境被曝 ) を制限 ICRP 1986 年 : チェルノブイリ臨界事故 ( ウクライナ )31 名死亡 238+ 傷害 1990 年 : チェルノブイリ再臨界事故 1991 年 : 浜岡原発臨界事故 1999 年 : 東海村臨界事故志賀原発臨界事故 2 名死亡 1 名傷害 2011 年 : 福島第一原発事故 1 名死亡 17 名傷害

3 放射線とは放射または放散されるエネルギーの総称

4 紫外線波長 :10nm から 380nm エネルギー : 約 3eV から 12eV 治療用エックス線波長 :1pm 以上エネルギー : 約 10MeV から 1000GeV 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 10nm から 1pm エネルギー : 約 1.2eV から 120keV

5 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 10eV 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 Radiation Protection ICRP) 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 10eV 以下のもの : 国際放射線防護委員会 (International Commission on Radiation Protection ICRP)

6 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

7 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 )

8 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 ) 電離能力の有無非電離放射線 ( 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 ) 質量の有無粒子線 (β 線電子線陽子線中性子線 )

9 透過作用放射線の性質放射線が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

10 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 14 リン32 ストロンチウム90 ヨウ素 131 電離作用: 中ガンマ線 : コバルト60 セシウム137 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水やコンクリート

11 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 1 グレイとは物質 1kg あたり 1 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 1J = 0.24 cal 1cal = 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 1 シーベルトとは X 線の 1 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: 1/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 1 ベクレルとは 1 秒間に 1 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

12 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 (RBE:Relative 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 RBE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 RBE = Ds/ D

13 放射線の分子レベルの影響 ( 直接作用と間接作用 ) A T C G A T C G C G A T C G A T H O H 直接作用間接作用

14 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 ) 励起 ( 水素ラディカル ) ( ヒドロキシラディカル ) その他の用語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こと

15 希釈効果 R R R H 2 O H 2 O H 2 O OH* H* OH* H* OH* H*

16 化学的防護作用 SH OH* R H 2 O OH* SH R R H 2 O H 2 2 O H* H* OH* OH* H* H* SH

17 酸素効果酸素下で起きるラジカル反応 eaq- + O2 O2- H R + O2 HO2 R RH + HO2 R R + H2O2 RH + HO2 RO R + H2O RH + HO R R R + H2O R R + O2 RO2 R 酸素増感比 (OER, 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 ;OER = 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参考 ; 気圧 760mmHg, 酸素 21%, 大気の酸素分圧 155mmHg

18 放射線の細胞への影響 M 期 : 分裂期 G1 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 G 0 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

19 多標的 1 ヒット型 : 低線量 (1-2Gy) 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=1-10 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

20 標的論 (Target Theory) 仮定 : 1)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 : 1) 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

21 直線 -2 次理論 (Linear Quadratic Theory) 仮定 : 1)Targetは2 本鎖 DNAである 2) 細胞死は1 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)1 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)1 粒子による切断は修復する背景 : 1 回の電離で必ずしも 1 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生存率 ( % ) 早期反応晩期反応 S = e -(αd+βd2 ) αd βd = E = n(αd+βd 2) E/α = BER( 生物学的効果線量 ) αd 2 βd 2 早期反応腫瘍 α/β = 1-5 Gy 晩期反応 α/β = Gy Gy Gy Gy

22 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 ) 標的対象その他 1 標的 1 ヒット型 1 個バクテリア酵素 D37 標的論多標的 1 ヒット型 N 個ほ乳動物造血幹細胞 D0 (Target Theory) 1 標的多ヒット型多標的多ヒット型直線 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 1 本鎖切断

23 放射線の組織への影響放射線増殖死照射間期死幹細胞組織分裂速度の低下機能細胞細胞数の低下萎縮死 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分化完成までの分裂回数多い少ない

24 放射線の組織への影響放射線増殖死照射間期死幹細胞組織分裂速度の低下機能細胞細胞数の低下萎縮死

25 放射線感受性の組織での違い唾液腺血管 1 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

26 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 (Repair 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しかし高 LET 放射線治療では利用できない

27 塩基損傷一本鎖切断 A T G C A 二本鎖切断 C G A C T G C C C G T G G 修復 A C T G C A G T 突然変異遺伝子異常細胞死 A C C G C A GA

28 放射線による生体への作用過程放射線エネルギー間接作用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 ) 生体高分子の電離励起直接作用生体高分子の損傷修復生化学的変化形態的変化突然変異染色体異常細胞死組織障害発癌以外の身体的影響発癌遺伝的影響林孝文. 歯科画像診断と医療被曝講演資料より

29 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 DNA 損傷物理的過程化学的過程 10 数十分数日 ~ 数月 DNA 修復細胞死染色体異常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

30 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) 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

31 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 ) 広い範囲で線量不依存域が存在 ( 生存期間が一定領域 )

32 放射線の人体への影響 ( 発症と線量との関係の分類 ) ICRP ( 国際放射線防護委会 International Commission on Radiological 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

33 放射線の人体への影響 ( 発症と線量との関係の分類 ) 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

34 放射線の人体への影響 ( 発症時期による分類 ) 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回復不能細胞

35 身体的影響中枢神経系早期 ( 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寿命の短縮が重要

36 急性障害造血器造血器官 : 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 ) 大分裂頻度高い形態や機能の分化度低い分化完成までの分裂回数多い感受性小低い高い少ない

37 放射線感受性リンパ球 > 好中球 > 血小板急性障害造血器血小板好中球リンパ球感染症出血貧血 2-10 Sv 日

38 急性障害消化管吸収障害下血 Sv 3-10 日

39 急性障害中枢神経放射線照射幹細胞分裂速度の低下増殖死組織機能細胞細胞数の低下萎縮死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射線照射 >15Gy >100Gy 1-5 日血管機能細胞透過性の亢進脳浮腫細胞数の低下核の濃染組織萎縮死

40 急性被爆による死 ( 急性放射線死 ) のまとめ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

41 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 4-10 Sv Sv Sv > 40 Sv 1 回 11.8 年 5.3 年 4.2 年 1-3ヶ月 6.6 年 5.2 年 2.8 年 2.6 年 3ヶ月 < 10.8 年 6.2 年 4.4 年 3.6 年

42 晩期障害生殖機能特徴女性では高齢者ほど感受性が高い

43 晩発障害寿命 (1) 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 1Gy 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

44 晩発障害寿命 (2) 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 晩発障害胎児の体内被曝高感受性しきい値 (Gy) 時期特異性がある正自常覚なな新し生に児流産奇形精神発達遅延発育遅延

46 晩発障害胎児の体内被曝体内被曝による重度精神発達遅延 0.2 Gy 図録ヒロシマを世界により 0.50 国連放射線影響科学委員会 1988 年 Report より

47 晩発障害胎児の体内被曝がんの発生がん発生率上昇 : 胎内被曝 < 出生児被曝 10mSv の体内被曝で明らかなリスク上 ( オッヅ比 1.3)

48 晩発障害発ガン被曝によるがん上昇率 =0.041 x Sv x 年齢リスク倍増率 5-100mSv( 平均 29mSv) から明らかにリスク上昇

49 低線量被曝と発がん原子力発電所 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 インドケケラ州 :10-12 msv 180 家族 730 人 595 DNA コントロール :1.1 msv 68 家族 258 人 200 DNA 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 1/200 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

51 その他の晩期障害 ICRP 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影響

52 晩期障害のまとめ 1 回急性被爆 (Gy) その他水晶体混濁 Gy/ 年 x50 年白内障 Gy/ 年 x54 年男一時不妊永久不妊女一時不妊永久不妊重度奇形妊娠 2 8 週胎児永久発育遅滞妊娠 8- 出産精神遅滞妊娠 8-15 週ガン遺伝疾患発生率増加 5% / Gy 0.5% / Gy 25% 1-2%

53 放射線障害の分類のまとめ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

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

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