酸素効果

生化学において、酸素効果とは、酸素分圧が大気圧の 1% 未満(つまり、101.3 kPa、760 mmHg、または 760 torr の 1% 未満) である無酸素状態または低酸素状態よりも、酸素が存在する場合の方が自由生活細胞および生物の放射線感受性が増加する傾向を指します。

酸素効果は、外部放射線療法において特に重要であり、酸素が十分に供給された領域における光子線および電子線による腫瘍細胞の死滅は、腫瘍の血管が乏しい部分における場合よりも最大 3 倍も高くなる可能性があります。

腫瘍性低酸素症以外にも、酸素の影響は、骨髄中の骨に隣接する骨内膜^[1]や腸管上皮層^[2]などの幹細胞ニッチの正常な生理機能に存在する低酸素状態に関係しています。さらに、心血管疾患に関連する狭窄性冠動脈など、酸素化された組織が低酸素状態になる非悪性疾患もあります。^[3]

ホルトヒューゼン（1921）^[4]は、酸素を豊富に含む条件では無酸素条件に比べて線虫の 回虫の孵化卵が2.5～3.0倍少ないことを発見し、酸素の影響を初めて定量化したが、これは細胞分裂の変化によるものと誤って説明された。しかし、2年後、ペトリ（1923）^{[5]は、酸素分圧が野菜の種子に対する}電離放射線の影響に影響を与えると初めて結論付けた。その後、酸素が放射線治療に与える影響はモットラム（1936）によって議論された。^[6]

酸素効果の生物学的メカニズムを説明する仮説を制限する重要な観察は、一酸化窒素ガスが腫瘍細胞で観察される酸素と同様の効果を持つ放射線増感剤であるということである。 ^[7]もう1つの重要な観察は、酸素効果が発生するためには、酸素が照射時または数ミリ秒後に存在する必要があるということである。^[8]

酸素効果の最もよく知られた説明は、1962年にアレクサンダーが提唱した酸素固定仮説である。 ^[9]この仮説は、放射線誘発性の修復不可能な、または「固定された」核DNA損傷は、二原子酸素が存在すると細胞にとって致命的であると仮定した。^{[10] [11]}最近の仮説には、第一原理からの酸素増強損傷に基づくものが含まれる。^[12]別の仮説は、電離放射線がミトコンドリアを刺激して活性酸素（および窒素種）を生成させ、これが酸化リン酸化中に漏出するが、これは酸素と一酸化窒素の両方の効果で観察される双曲線飽和関係で変化すると仮定している。^[13]

酸素の影響は、特定の生物学的影響（細胞死やDNA損傷など）の放射線感受性または酸素増強比（OER）を測定することによって定量化されます^[14]。これは、純酸素と無酸素状態における線量の比です。したがって、OERは無酸素状態での1から、低電離密度放射線（ベータ線、ガンマ線、またはX線）またはいわゆる低線エネルギー付与（LET）放射線の場合の100％酸素での最大値の3まで変化します。

放射線感受性は、酸素分圧が大気圧の約1%以下になると最も急速に変化します（図1）。ハワード・フランダースとアルパー（1957）^{[15]は、OERの}双曲線関数と、その酸素濃度または空気中の酸素分圧による変化 の式を開発しました。

放射線生物学者は、放射線治療の実施に影響を与える酸素効果のさらなる特性を特定した。彼らは、低LET放射線から高LET放射線まで、放射線の電離密度が増加するにつれて、最大OER値が減少することを発見した（図2）。[ ^16]約200 keV/μmの高LETのアルファ粒子の場合、OERは酸素分圧に関係なく1である。好気性（21％O2、159 mmHg）および無酸素（窒素）条件下でX線に曝露された培養哺乳類細胞について評価したところ、低線量ではOERは減少した。 ^[17]典型的な分割治療は毎日2 Gyの曝露であり、この線量以下では、細胞生存曲線のいわゆる「肩」または修復領域が侵食され、OERが減少する（図3）。