相対生物学的有効性

放射線生物学において、相対生物学的効果（RBEと略されることが多い）とは、吸収エネルギー量が同じ場合の、ある種類の電離放射線と別の種類の電離放射線の生物学的効果の比率です。RBE は経験値であり、電離放射線の種類、関与するエネルギー、細胞死などの考慮される生物学的効果、組織の酸素分圧、いわゆる酸素効果によって異なります。

応用

吸収線量は放射線の生物学的効果の指標としては不十分である。生物学的効果は放射線の種類、エネルギー、組織の種類など、他の多くの要因に左右されるからである。相対生物学的効果は放射線の生物学的効果をより正確に測定するのに役立つ。組織に対するR型放射線の相対生物学的効果は、次の比率として定義される。

RBE={\frac {D_{X}}{D_{R}}}

ここで、D _{X は}標準タイプXの放射線の基準吸収線量であり、D _{R は}同量の生物学的損傷を引き起こすタイプRの放射線の吸収線量です。両方の線量は、細胞に吸収されるエネルギーの量によって定量化されます。

異なる種類の放射線は、主に組織にエネルギーを伝達する方法が異なるため、生物学的効果も異なります。光子とベータ粒子は線エネルギー伝達(LET) 係数が低いため、その経路に沿って数百ナノメートル(マイクロメートルの十分の一)離れた組織内の原子をイオン化します。対照的に、はるかに質量の大きいアルファ粒子と中性子は、その軌跡に約十分の一ナノメートル (つまり、光子とベータ粒子のイオン化間の一般的な距離の千分の一未満) 離れた高密度のイオン化原子の軌跡を残します。

RBEは、がんや遺伝的リスク（確率論的）または有害な組織反応（確定論的）効果のいずれにも使用できます。組織は効果の種類に応じて異なるRBEを持ちます。高LET放射線（アルファ線や中性子線）の場合、確定論的効果のRBEは確率論的効果のRBEよりも低くなる傾向があります。^[1]

RBE の概念は、放射線学や放射線治療などの医療分野に関連しており、原子力発電所の運転、核燃料の処分と再処理、核兵器、ウラン採掘、電離放射線の安全性など、さまざまな状況での放射能汚染のリスクと結果の評価にも関連しています。

放射線加重係数（W）との関係_R）

臓器や組織への等価線量を計算する目的で、国際放射線防護委員会（ICRP）は、以前は線量係数（Q）と呼ばれていた標準的な一連の放射線加重係数（WR _）を定義しました。^[1]^[2]放射線加重係数は、吸収線量（SI単位のグレイまたは非SI単位のラドで測定）を放射線被ばくの正式な生物学的等価線量（シーベルトまたはレムで測定）に変換します。ただし、ICRPは次のように述べています。^[1]

「等価線量と実効線量の量は、より高い放射線量を定量化したり、組織反応（確定的影響）に関連する治療の必要性を判断するために使用すべきではありません。このような目的では、線量は吸収線量（グレイ、Gy）で評価する必要があり、高LET放射線（中性子やアルファ粒子など）が関係する場合は、適切なRBEで重み付けされた吸収線量を使用する必要があります。」

放射線加重係数は、確率的健康リスクに対する放射線の RBE に主に基づいています。ただし、簡略化のため、放射線加重係数は組織の種類に依存せず、外部（細胞外部）の放射線源に関して、最も感受性の高い細胞の種類で観察される実験値の大部分よりも大きくなるように慎重に値が選択されています。反跳核などの重イオンの内部発生源に対する放射線加重係数は開発されていません。

相対的効果に関する ICRP 2007 標準値は以下のとおりです。放射線の種類に対する放射線加重係数が高いほど、その放射線による被害は大きくなります。この係数は、グレイからシーベルト単位への変換の計算に組み込まれます。

物理的エネルギーから生物学的影響へと変換される放射線加重係数を、組織加重係数と混同しないでください。組織加重係数は、体内の特定の組織への等価線量を実効線量に変換するために使用されます。実効線量は、体の一部への放射線量の結果として、生物全体への総危険を推定する数値です。

実験方法

通常、相対的生物学的効果の評価は、細菌などの原核細胞、単細胞植物などの単純な真核細胞、ラットなどの生物に由来する高度な真核細胞など、培養培地で増殖したさまざまな種類の生きた細胞に対して行われます。異なる線量と種類の放射線を細胞のバッチに照射することにより、線量と死ぬ細胞の割合の関係がわかり、次に、ある共通生存率に対応する線量を見つけることができます。これらの線量の比がRの RBE です。エンドポイントは、死の代わりに、有糸分裂（細菌の場合は二分裂）を行えなくなり、他の細胞機能をまだ実行できる場合でも事実上滅菌される細胞の割合である可能性があります。

RBE 評価で最も考慮される電離放射線の種類は、 X 線とガンマ線(どちらも光子で構成)、アルファ線(ヘリウム 4原子核)、ベータ線(電子と陽電子)、中性子線、および原子核分裂の破片を含む重原子核です。放射線の種類によっては、RBE が個々の粒子のエネルギーに大きく依存します。

組織の種類による依存

早い段階で、X 線、ガンマ線、ベータ線はすべての細胞タイプに対して本質的に同等であることが判明しました。したがって、標準的な放射線タイプXは、通常、250 keV の光子またはコバルト 60ガンマ線を含む X 線ビームです。その結果、ベータ線と光子線の相対的な生物学的効果は基本的に 1 になります。

他の種類の放射線の場合、RBEは明確に定義された物理量ではありません。組織の種類や細胞内の正確な吸収場所によって多少異なるためです。したがって、たとえば、アルファ放射線のRBEは、細菌で測定した場合2〜3 、単純真核細胞では4〜6 、高等真核細胞では6〜8です。ある情報源によると、卵母細胞ではそれよりもはるかに高い可能性があります（X線を基準として6500）。^[3]中性子のRBEは、細菌では4〜6、単純真核細胞では8〜12、高等真核細胞では12〜16です。

ソースの場所への依存

初期の実験では、放射線源はすべて照射された細胞の外部にありました。しかし、アルファ粒子は人間の皮膚の最外層の死滅層を通過できないため、体内の原子の崩壊から生じた場合にのみ、重大な損傷を与えることができます。アルファ粒子の射程距離は通常、単一の真核細胞の直径とほぼ同じであるため、組織細胞内の放射原子の正確な位置が重要になります。

このため、アルファ線放出体による汚染の健康への影響は大幅に過小評価されている可能性が示唆されている。^[4] 外部発生源による RBE の測定では、アルファ崩壊による親原子核の反動によって引き起こされる電離も無視されている。崩壊する原子の親原子核の反動は通常、崩壊する原子から放出されるアルファ粒子のエネルギーの約 2% しか運びませんが、その飛程は電荷が高く質量が大きいため極めて短い（約 2～3 オングストローム）。親原子核は、アルファ粒子を放出すると、運動量保存則により離散的な運動エネルギーで反動する必要がある。したがって、反動原子核からの電離エネルギーはすべて、元の位置に近い極めて小さな体積、通常は重金属との親和性を持つ染色体の細胞核に蓄積される。^[5]^[6]^[7]細胞外の放射線源を用いた研究の大部分では、RBEは10から20の間と算出されている。^[8] アルファ粒子の移動による電離損傷のほとんどは細胞質に蓄積されるのに対し、反跳核の移動による損傷はDNA自体に蓄積されるため、アルファ粒子自体よりも反跳核によってより大きな損傷が引き起こされる可能性が高い。

歴史

1931 年、フェイラとヘンショウは、X 線と γ 線の相対生物学的効果 (RBE) の測定について報告しました。これが「RBE」という用語の最初の使用例と思われます。著者らは、RBE は研究対象の実験システムに依存すると指摘しました。その後しばらくして、ジルクルら (1952) は、生物学的効果は付与されたエネルギーの空間分布と電離粒子の単位経路長あたりの電離密度に依存することを指摘しました。ジルクルらは、放射線生物学で阻止能、つまり荷電粒子の単位経路長あたりのエネルギー損失を表すために「線エネルギー付与 (LET)」という用語を考案しました。この概念は、核兵器と原子炉の配備によって人工放射能の生物学的効果に関する研究が促進された 1950 年代に導入されました。これらの効果は、放射線の種類とエネルギースペクトル、および生体組織の種類の両方に依存することが認識されていました。 RBE を決定するための最初の体系的な実験はその 10 年間に実施されました。^[要出典]

参照

背景放射線
線エネルギー移動（LET）
二重放射作用の理論

参考文献

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外部リンク

イオンビーム治療における相対的生物学的効果

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[4] Winters TH、Di Franza JR (1982年2月)。「タバコ喫煙中の放射能」。ニューイングランド医学ジャーナル。306 (6): 364–5。doi : 10.1056 /NEJM198202113060613。PMID 7054712 。

[5] Zhu G, Zhang CY (2014年12月). 「重金属イオンアッセイのための機能的核酸ベースセンサー」. The Analyst . 139 (24): 6326–42. Bibcode :2014Ana...139.6326Z. doi :10.1039/C4AN01069H. PMID 25356810.

[6] Barton JK (1994)。「第 8 章: 金属/核酸相互作用」(PDF)。Bertini I、Gray HB、Lippard SJ、Valentine JS (編)。生体無機化学。カリフォルニア州ミルバレー: Univ. Science Books。pp. 455–503。ISBN 0-935702-57-1。

[7] Kim SH、Shin WC、Warrant R (1985)。「重金属イオンと核酸の相互作用」。生物学的高分子の回折法パートA。酵素学の方法。第114巻。pp. 156–67。doi : 10.1016/ 0076-6879 (85)14016-4。ISBN 978-0-12-182014-5. PMID 3853074。

[8] ^ Chambers DB、Osborne RV 、 Garva AL (2006)。「非ヒト生物への線量に対するアルファ放射線加重係数の選択」。環境放射能ジャーナル。87 (1): 1–14。doi : 10.1016 /j.jenvrad.2005.10.009。PMID 16377039 。

応用

放射線加重係数（W）との関係R）