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세포사망과 건강영향
방사선에 의한 세포사망과 건강영향
방사선에 조사된 세포는 전리방사선으로 질병을 치료하는 효과와 한편으로는 고유 장해가 나타나는 대상이다. 두 경우 모두 세포가 사망하여 결과가 생기지만 치료는 원하는 것이고 장해는 피하고자 하는 것이다.
치명적으로 손상된 세포가 사망한다는 것은 DNA가 손상되어 일어난다. 세포가 즉시 사망한다고 하기 보다는 방사선조사된 세포들도 비교적 정상적으로 기능하고, 분화세포의 경우 심지어 ‘실패한 복제‘ 로 자손 세포로 한 번 혹은 몇 번에 걸쳐 분화한다. 이때 손상된 DNA 수가 많았다면 세포가 사망한다. 한편 분화하지 않는 세포들은 치명적인 손상을 입었다고 할 수 없다. 신경세포와 같은 경우 치명적으로 손상을 받아 사망할 경우가 적기 때문에 방사선저항성이 크다고 표현한다.
1. 방사선치료
방사선으로 세포의 증식을 억제하는 효과를 이용하는 것이 암세포를 죽이는 방사선치료이다. 증식을 하지 않는 세포는 비교적 오랜 기간 정상적으로 기능한다. 고선량에 의한 방사선장해가 나타나는 것은 주로 분화세포의 사망에 의한 것이다. 방사선(암)치료 시 암세포를 사망하게 하기 위하여 40~50 Gy 의 고선량을 암부위에 집중하여 조사하지만, 주변의 정상 세포들에게서도 나중에 퇴행성 손상이 있을 수 있다.
2. 저선량 장해
그 값의 차이는 있으나, 의학계에서는 수백 mGy 혹은 1Gy 이하를 저선량이라고 구분한다. 세포에게 치명적이지 않으나, 적절한 환경조건에서는 수개월 혹은 심지어 수년 후에 뚜렷하게 영향이 나타나는 원인을 제공하는 DNA 손상이 있을 수 있다. 증식하지 않는 혈액줄기세포의 DNA 손상은 수년 뒤에 백혈병으로 전이되어 나타날 수 있다. 精原세포의 DNA 손상은 성장하는 정자를 죽이지 않고 생식을 방해하지 않으나, 방사선이 유발한 유전정보손상을 운반하는 정자로 수정(임신)이 되면 태아에 해로울 수 있다.
3. 세포생존 및 영향 완화
선량이 크면 세포의 생존율은 감소한다. 세포가 방사선이 조사된 즉시 죽는 것은 아니다. 분화하는 세포의 특성에 맞추어 설명하자면 방사선으로 불임 처리되었다 하더라도 이후 개개의 세포가 수십 혹은 수백 개의 세포로 구성된 군체(群體)로 성장하는 능력을 측정하여 세포의 생존율을 결정한다.
1) 방사선손상 복구
손상된 DNA를 복구하는 세포의 능력이 있으면 방사선으로 인한 영향이 완화된다.
혈액기원세포(cells of hematological origin)는 일반적으로 다른 조직(tissue)에 비해 복구능력이 떨어진다. 만약 DNA 복구와 관련하여 유전적 질병을 갖고 있다면, 전리방사선에 예민하다. 이러한 유전적 질병이 있는 경우, 자연적으로 발생하는 DNA 손상도 그 수가 많아지면 생애기간 중 노화나 암 등 건강상의 영향을 가져 온다. 이는 마치 피부건조색소결핍증 환자가 태양광의 자외선에 민감하여 유별나게 피부암에 약한 것과 같다.
원인으로 구분할 때, DNA 손상은 대사(metabolism)과정이나 가수분해를 통해 생기는 부가물질이 원인이 되는 내인성 요인과 자외선, 전리방사선, 독성화학물질 등에의 노출과 같은 외인성 요인으로 발생한다.
살아 있는 모든 세포 유기체는 손상 받은 DNA를 복구한다. 세포가 증식을 하건 안 하건, 세포주기(cell cycle)에서의 단계와 주변 환경(세포 외부 pH, 영양상태, 에너지, 산소의 양 등)에 따라 복구능력의 차이가 있을 수 있다.
2) 세포자살(Apoptosis)
DNA가 손상을 입었을 때, DNA 복구 단백질이 활성화 되거나 유도되지만, 그 손상 정도가 복구용량을 초과하면 세포 자살(apoptosis)이 일어나기도 한다. 손상 받은 세포가 자살을 하면 돌연변이 유발이나 암 진행 등이 예방될 수 있다.
3) 방사선 민감체
감마선 혹은 엑스선 같은 전리(전자기)방사선은 특정하지 않은 화학반응에 의하여 세포 내 손상을 가져온다. 즉, 반응성 높은 중간물질과 반응하는 화학물질에 의해 DNA 손상의 정도가 달라질 수 있는데, 방사선생물학에서 가장 중요한 것 중 하나가 산소분자이다. 전자친화성이 아주 높은 산소분자가 방사선조사 된 물 분자와 생체분자와의 반응을 증폭하고 변형시킨다. 방사선 조사된 호기성(aerobic) 세포가 저산소(hypoxic) 세포보다 약 3배 더 방사선에 민감하다. 인체조직 내 산소농도는 이러한 반응을 일으키기에 충분하다.
4) 방사선 방호제
방사선방호제는 비교적 장수명의 자유라디칼(free radical)을 제거해서 거대 생물분자에 생성된 손상의 크기를 줄인다. 알콜(alchol)과 메르캅토기(sulfhydryl) 함유 합성물질 등이 효과적인 방사선방호제이다. 글루타티온을 포함하여 생체 내 자연적으로 존재하는 세포 내 非단백질 메르캅토기들이 정상적인 산화대사(oxidative metabolism)를 포함하여 방사선과 라디칼을 만드는 다른 과정들에 의해 만들어진 DNA 손상을 최소화하는데 중요한 역할을 한다고 판단한다.
5) 방사선량률(radiation dose rate) 효과
젖 먹이 동물세포에서 방사선영향은 분당 수 그레이(Gy/min)의 고 선량률에서 나타난다. 치료 또는 진단의 목적으로 방사선을 조사해야 할 때, 많은 선량을 한 번에 조사하는 것보다 적은 양으로 나누어 여러 번 조사(분할조사)를 하거나, 낮은 선량률로 장시간 계속 조사를 하면 생물학적으로 손상의 정도가 줄어든다. 특정 선량을 조사하기 위하여 조사시간을 수 분에서 수 시간으로 증가시키면, 조사 중에 복구반응이 일어난다. 조사선량과 세포생존율 관계를 고려하면 조사 중에 일어나는 이러한 복구반응이 방사선치료효과를 떨어뜨린다. 장시간의 조사는 살아있는 세포의 증식이 조사 중에 세포집단의 크기를 증가시키기 때문에 결과적으로 세포가 받은 손상을 감소시킨다. 아주 낮은 선량률의 한계 내에서 조사된 세포군의 성장, 생존, 그리고 특성은 대조 배양군의 것들과의 차이를 구별할 수 없을 것이다.
6) 방사선질(radiation quality) 효과
방사선질에 따라 방사선에 의한 생물학적 효과가 다르다. 알파입자, 중이온, 중성자 등 선형에너지전달(LET) 값이 큰 전리방사선은 감마선, 엑스선, 양성자, 전자 등 LET가 작은 전리방사선과 다르게, 진행경로에 많은 이온쌍을 만들 수 있으므로 DNA에 직접 더 큰 손상을 줄 수 있다. 방사선 진행경로 주변 미소 지역에 많은 양의 에너지를 전달하기 때문에 DNA 손상이 매우 많이 발생한다. 이로 인한 손상은 복구되기 어려우며, 치명적일 가능성이 높다. 이 경우 방사선에 의해 생성된 화학물질과 반응하여 일어나는 DNA 손상(간접적인 반응)의 비중은 작다. LET가 증가할수록(~ 200 keV/um) 방사선손상의 정도를 변화시키는 방사선 민감체, 방호제, 세포연령, 복구과정, 분할조사, 선량률 등의 효과는 줄어든다.
LET별 경로상 생성된 이온쌍의 수효 비교
LET별 선량과 세포생존율 비교
4. 장기(organ)와 조직(tissue)의 방사선 감수성
일반적으로 100 mSv 보다 적은 저선량에 피폭하였을 때 방사선감수성을 확인하는 것은 불가능하다. 적어도 1 Sv(1,000 mSv) 보다 많은 고선량에 피폭하였을 때, 그 어떤 유전적 성향과 무관하게 감수성을 확인할 수 있는 인자들이 있을 수 있다. 빈혈이나 백혈병 환자와 같이 혈액을 만드는데 이상이 있는 경우, 방사선에 대한 감수성이 더 높을 수 있다. 위장관 질환이 있는 경우에도 고선량의 방사선이 위장관의 민감한 줄기세포에 영향을 주어 위장관 내막손상을 일으킬 수 있다. 방사선이나 다른 독성 물질에 의한 손상에 효과적으로 대응하는 능력을 약화시키는 질병을 갖고 있는 경우 방사선에 대한 감수성이 클 수 있다.
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
