방사선생물학 이해

▼ 방사선생물학

  DNA 손상과 방사선량; 선량이 연간 선량한도 수준으로 내려가면?

  방사선생물학 이해

  세포사망과 건강영향

일반(개요)
방사선에 의하여 인체 세포에 전달된 운동에너지는 원자수준에서 물 혹은 생물분자의 원자 전자를 떼어내거나, 원자, 분자 전체를 들뜨게 한다. 전자가 떨어져 나가 세포에 직접 운동에너지를 전달하여 손상을 주기도 하고, 세포내 생성된 전자와 생체분자 이온은 물과의 반응을 통하여 수소기, 수산화기 등 다양한 유리기가(radical) 생성된다. 이 때문에 화학반응이 촉진되며, 그 반응결과의 일부로 DNA 구조가 파괴되고 세포가 죽는다. 생성물질과 생체물질과의 화학반응을 통하여 추가로 손상을 일으키니 간접적으로 손상을 준다고 구분한다. 그 양이 일정 수준이상으로 많아지면, 이로 인하여 인체조직(tissue)이 손상되고 장기(organ)가 기능하지 못하며 생물체에 해로운 영향이 나타난다.

현재의 지식은 생명체가, 특히 인체가 항상성이라는 특성이 있어 문제가 발생하면, 상처가 자연 복구되듯 이를 복구하는 능력이 있음을 보여주고 있다. 물론 일정 수준을 넘어서는 손상은 복구할 수 없고 때로 치명적인 결과로 나타난다.

DNA 손상은 전리방사선, 자외선, 화학물질 등에 의해서 일어날 수 있다. 늘 먹는 음식물과 호흡하는 공기 중의 물질 등이 체내 섭취되면, 신진대사 과정에서 생성되는 활성산소를 포함하는 화학물질들이 만들어 져서, 이들이 세포의 DNA를 손상시킬 수 있다.

방사선에 의한 영향은 피부, 장기, 혈액, 신경계 등 손상 부위의 위치에 따라 다르게 증상 혹은 영향이 나타나며, 그 크기도 다르다.

동일 양의 운동에너지를 갖는 방사선이 생체에 입사하여도 일정 지역(단위 체적)에 최종 흡수되는 에너지의 양은 방사선의 종류에 따라 달라지기 때문에 결과적으로 그 영향의 크기가 다르다. 방사선의 전리능력이 다르기 때문이고, 이를 방사선의 선질(quality)이 다르다고 표현한다. 국제방사선방호위원회(ICRP)는 이를 고려하여 편의상 방사선별로 가중치(weighting factor, wR)를 권고하고 있다.

생물학적 영향이 나타나는 과정
방사선이 일으키는 생물학적 과정을 시간단위로 구분하면,

물리적 과정 : ~10^-16 초 이내에 물분자를 이온화하고 생체분자를 여기 시킨다. 이 과정에서 다양한 radical이 생성된다.
화학반응 과정 : ~ 0.001초에 radical 과 생체분자가 화학반응 하여 생체분자가 손상된다. 생체분자에 직접 변화가 생기기도 한다.
생화학반응 과정 : ~ 수 분 안에 손상된 생체분자가 고착화 되거나 화학적 복구가 일어나기도 한다.
생물영향 과정 : ~ 수 시간 안에 세포 손상 혹은 효소복구 과정이 일어난다.

전자기방사선과 생체내 에너지 전달, 흡수, 영향

구 분	진동수 (1014Hz)	에너지 (eV)	영 향
라디오파, 레이다파, 마이크로파	< 3 x 10-4	< 0.00124	분자진동, 온도상승
적외선	0.003 ~ 4.3	~ 1.77	분자진동, 온도상승
가시광선	4.3 ~ 7.5	~ 3.1	분자진동, 온도상승
자외선	7.5 ~ 300	~ 124	특정(분자) 에너지흡수 (손상부위 특정); 여기, 화학반응
엑스선, 감마선	> 300	> 124	비특정에너지흡수 (손상부위 비특정); 여기, 화학반응

방사선에 의한 생체 손상
전자기(파)방사선 중에, 엑스선과 감마선보다 진동수(파장의 역수)가 작은 자외선, 가시광선, 적외선, 마이크로파, 레이다파, 라디오파 등은 에너지가 낮아 전리(이온화: 원자궤도전자를 떼어내는) 능력이 없어 비전리 방사선이라고 한다. 비전리 방사선의 경우 에너지가 특정 부위에 전달되며, 그 지점을 특정할 수 있다.
이보다 에너지가 큰 광자(엑스선이나 감마선)와 같은 전리 능력이 있는 전리방사선의 경우, 3가지 주요 반응 (광전효과, 컴프턴산란, 전자쌍생성)을 통하여 생체 내 에너지를 전달한 결과, 원자궤도를 이탈한 빠른 속도의 전자, 산란된 낮은 에너지의 광자가 방사선의 진행경로를 따라 생성된다. 이 빠른 속도의 전자가 주변의 분자들과 충돌하여 전자를 떼어 내면 진행 경로에 이온쌍(낮은 에너지의 전자와 양전기를 띤 원자)들을 생성한다. 아주 큰 반응성을 갖는 이온들이 인근 분자들과 화학반응을 통하여 많은 양의 이온, 유리기, 여기분자, 기타 화학물질 등을 생성하게 되고, 이 중 일부가 생물학적으로 아주 중요한 분자들과 화학반응을 하면 생물학적 손상(biological damage)이 생기는 것이다.
중성자와 하전입자 방사선인 알파선 등은 전자기파 방사선의 경우와 다르다.
중성자의 경우 복잡한데, 일차적으로 중성자가 원자핵과 충돌하여 튕김 양성자, 알파입자, 기타 분열파편(fragment) 등을 생성하고, 이 생성물질들이 생체와 반응하여 직접 전리작용을 일으키게 된다. 알파선의 경우 운동하는 하전입자가 생체물질 원자궤도의 전자와 반응하여 직접 이온을 생성할 수 있기때문에 진행경로에 이온궤적(ion track)을 만들어 이 이온들이 주변 분자들과 화학반응 한다.

전리방사선에 의한 생체 손상의 특성
방사선과 생체 매질(분자)과의 반응특성은 에너지 전달과정이 무작위적(random)이고, 일어나는 생물학적 장애 혹은 결함(lesion)이 다양하다. 장애 혹은 결함이 다양하다고 하는 것은 최초의 이온화 이후 특정되지 않는 화학반응이 일어나기 때문이다.
젖 먹이 동물 세포의 약 70%가 물이기 때문에 방사선조사 받은 세포에서의 대부분의 결손은 물 분자들에 의한 화학반응의 결과이다. 결손은 정상의 것으로 대체되기도 하나, 일부 그리고 심지어 단 하나의 DNA에 생긴 결함의 결과로 세포의 기능이 변화될 수도 있고, 나아가 세포가 죽을 수도 있다. 사망한 세포의 수가 일정 수준을 넘으면 인체(器官, 臟器 등)에서 그 영향이 나타난다. 따라서 이러한 DNA 결함의 결과가 전리방사선의 세포독성효과를 나타내는 주요 요소이다.
방사선조사를 받으면 인체 세포를 구성하는 DNA와 염색체에 결함을 가져온다. 결함은 단순 점 돌연변이(point mutation)를 포함한 다양한 유전적 변화, 적든 많든 유전정보의 삭제, 유전정보표식 등을 변화시키는 DNA 혹은 염색체 재배열을 가져 온다.

방사선에 의한 세포 내 손상

DNA 손상	염색체 손상
염기변화(base changes)	염색체결손(deletions)
유전자결손(deletions)	전위(translocations)
단일나선절단(SSB)	전도(inversions)
이중나선절단(DSB)	중심조각(acentric fragments)
가교(crosslinks)	이원염색체(dicentric chromosomes)
부가물질(adducts)	고리염색체(ring chromosomes)

원인별 유전자 변화결과의 동일성
방사선이 조사된 세포에서 나타나는 세포의 유전적 변화는, 정성적으로 노화와 연관된 변화 혹은 불특정으로 진행된 산화와 화학적 손상에 노출되어 일어난 변화와 동일하다.
방사선이 조사된 세포에서 혹은 개개의 세포후손에서 관찰된 다양한 돌연변이는 자연인구집단에서 발견되는 자연돌연변이와 비슷하다. 관련 연구조사들에서도 방사선 조사된 초파리, 쥐 개체들 중에서 혹은 대규모 인구집단에서 유해한 돌연변이는 관찰되지 않았다.

참고
Sara Rockwell et al, Encyclopedia of Human Biology, Acedmic Press(1991)
이재기, 방사선방호원론 제8장 방사선생물학, 한국방사선진흥협회(2016)

이 자료의 최초 작성 및 등록 : 김봉환(KAERI) bhkim2@kaeri.re.kr