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放射線生物学（放射線生物学とも呼ばれ、まれにアクチノ生物学とも呼ばれる）は、放射線が生体組織に及ぼす影響[ 1 ]（電離放射線と非電離放射線を含む）[ 2 ] [ 3 ] 、特に放射線の健康への影響を研究する臨床および基礎医学の分野である。
電離放射線は一般的に生物にとって有害で、場合によっては致命的ですが、がんや甲状腺中毒症の治療における放射線療法では健康上の利点をもたらすことがあります。最も一般的な影響は、被曝後数年から数十年の潜伏期間を経てがんを誘発することです。高線量は、視覚的に劇的な放射線熱傷や、急性放射線症候群による急速な死亡を引き起こす可能性があります。医療画像診断や放射線療法では、制御された線量が用いられます。
一般的に、電離放射線は生物にとって有害であり、場合によっては致命的であるが、癌や甲状腺中毒症の治療における放射線療法においては健康上の利点をもたらす可能性がある。
放射線被ばくによる健康被害のほとんどは、大きく2つのカテゴリーに分類できる。
電離放射線が人体に及ぼす影響の中には確率的なものがあり、それは発生確率が線量とともに増加する一方で、その重症度は線量とは無関係であることを意味します。[ 5 ]放射線誘発がん、催奇形性、認知機能低下、心臓病はすべて、電離放射線によって引き起こされる確率的な影響です。
最も一般的な影響は、被ばく後数年または数十年の潜伏期間を伴う確率的癌誘発です。これが起こるメカニズムはよく理解されていますが、リスクレベルを予測する定量的モデルは依然として議論の的となっています。最も広く受け入れられているモデルは、電離放射線による癌の発生率が、実効放射線量に対してシーベルトあたり5.5%の割合で直線的に増加すると仮定しています。[ 6 ]この線形モデルが正しい場合、自然背景放射線は一般公衆衛生にとって最も危険な放射線源であり、医療画像がそれに僅差で続きます。
電離放射線が人体に及ぼす影響に関する定量的データは、これまでの症例数が少ないこと、および影響の一部が確率的な性質を持つことから、他の疾患と比較して比較的限られている。確率的な影響は、喫煙習慣やその他の生活習慣などの交絡因子を取り除くのに十分なデータが収集された大規模な疫学研究によってのみ測定できる。質の高いデータの最も豊富な情報源は、日本の原爆被爆者の研究である。試験管内実験や動物実験は有益であるが、放射線耐性は種によって大きく異なる。
8 mSvの腹部CT検査1回による生涯がん発症リスクの増加は0.05%、つまり2,000人に1人と推定されている。[ 7 ]
確定的影響とは、閾値線量を超えると確実に発生する影響であり、その深刻度は線量とともに増加する。[ 5 ]
高線量の放射線は、ある閾値を超えると確実に発生する確定的影響を引き起こし、その深刻度は線量とともに増大します。確定的影響は、確率的影響よりも必ずしも深刻度が高い、あるいは低いというわけではなく、どちらも最終的には一時的な不快感や死亡につながる可能性があります。確定的影響の例としては、以下のようなものがあります。
米国科学アカデミーの電離放射線の生物学的影響委員会は、「腫瘍誘発のリスクがゼロになる線量閾値を示す説得力のある証拠はない」と結論付けた。[ 8 ]
アルファ粒子を放出する同位体を摂取した場合、その半減期や崩壊速度から想像されるよりもはるかに危険です。これは、アルファ線放出放射性同位体が生細胞に入った後、アルファ線が生物学的に高い相対効果を発揮し、生物学的損傷を引き起こすためです。超ウラン元素やアクチニドなどのアルファ線放出放射性同位体を摂取した場合、ベータ線放出またはガンマ線放出放射性同位体の同等の放射能と比較して、平均で約20倍、実験によっては最大1000倍も危険です。放射線の種類が不明な場合は、電場、磁場、または様々な遮蔽条件下での差分測定によって特定できます。
胎児が放射線に被曝した場合、成人よりも放射線被曝によるがんを発症するリスクが高くなります。これは、細胞が成長期にあるため脆弱であることと、被曝後がんを発症するまでの生存期間がはるかに長いことが理由です。放射線被曝量が多すぎると、胎児や生殖器に有害な影響が出る可能性があります。[ 10 ]研究によると、9か月間に複数回スキャンを受けると胎児に害を及ぼす可能性があります。[ 10 ]
妊娠中の放射線被曝による可能性のある確定的影響には、流産、構造的先天異常、成長制限、知的障害などがある。[ 11 ]確定的影響は、例えば広島と長崎の原爆被爆者や、妊娠中に放射線療法が必要となったケースなどで研究されている。
知的障害は、妊娠10～17週で1,000mGyあたり約25IQポイントと推定されている。 [ 11 ]
これらの影響は、妊娠中の医療画像診断を決定する際に考慮される場合がある。なぜなら、投影X線撮影やCTスキャンは胎児を放射線に曝露させるからである。
人体は非常に高線量でない限り電離放射線を感知できませんが、電離の影響を利用して放射線を特性評価することができます。対象となるパラメータには、崩壊率、粒子束、粒子種、ビームエネルギー、カーマ、線量率、放射線量などがあります。
人間の健康を守るための線量のモニタリングと計算は線量測定と呼ばれ、保健物理学の分野で行われます。主な測定ツールは、外部実効線量を測定するための線量計の使用と、摂取線量を測定するためのバイオアッセイの使用です。シーベルトに関する記事では、線量量の使用に関するICRUとICRPの勧告を要約し、シーベルトで測定される電離放射線の影響に関するガイドを含め、特定の状況における線量摂取量の概算値の例を示しています。
預託線量は、放射性物質が人体に取り込まれることによる確率的健康リスクの尺度である。ICRPは、「内部被ばくの場合、預託実効線量は一般的に、バイオアッセイ測定またはその他の量による放射性核種の摂取量の評価から決定される。放射線量は、推奨される線量係数を使用して摂取量から決定される」と述べている。[ 13 ]
吸収線量は、電離放射線によって単位質量あたりに物質に与えられる平均エネルギーを表す物理的な線量量Dです。SI 単位系では、測定単位はジュール毎キログラムで、特別な名称はグレイ(Gy) です。[ 14 ] SI 以外のCGS単位であるradも、主に米国で使われることがあります。
確率的リスクを表すために等価線量H Tと実効線量Eが使用され、吸収線量からこれらを計算するために適切な線量係数と係数が使用されます。[ 15 ]等価線量と実効線量の量は、生物学的影響が考慮されていることを意味するシーベルトまたはレムの単位で表されます。これらは通常、国際放射線防護委員会(ICRP) および国際放射線単位測定委員会(ICRU) の勧告に準拠しています。彼らが開発した放射線防護量の整合性のあるシステムは、添付の図に示されています。
国際放射線防護委員会（ICRP）は、放射線被ばく線量の推奨限度を定める国際放射線防護システム（ISRP）を管理しています。線量値は、吸収線量、等価線量、実効線量、または預託線量を表す場合があります。
このテーマを研究しているその他の重要な組織には、以下のようなものがあります。
外部被ばくとは、放射性物質（またはその他の放射線源）が被ばく対象生物の外部にあり（かつ外部にとどまる）場合に発生する被ばくのことです。外部被ばくの例としては、以下のようなものがあります。
外部被ばくは比較的容易に推定でき、放射線が強力な中性子ビームで活性化を引き起こす場合を除き、照射された生物は放射性にならない。
内部被ばくとは、放射性物質が生物体内に入り込み、放射性原子が生物に取り込まれる状態を指します。これは、吸入、摂取、または注射によって起こり得ます。以下に、内部被ばくの例をいくつか示します。
放射性物質が人体に取り込まれると、外部からの放射線被ばくによる影響とは異なります。特に、通常は皮膚を透過しないアルファ線の場合、摂取または吸入による被ばくは、より深刻なダメージを与える可能性があります。放射線被ばくは通常、預託線量として表されます。
放射線は19世紀後半に発見されたものの、放射能や放射線の危険性はすぐには認識されなかった。放射線の急性影響が初めて観察されたのは、 1895年にドイツの物理学者ヴィルヘルム・レントゲンが意図的に指にX線を照射した時である。彼は発生した火傷に関する観察結果を発表したが、その原因をX線によって空気中に生成されるフリーラジカルであるオゾンと誤って解釈した。現在では、体内で生成される他のフリーラジカルの方がより重要であることが分かっている。彼の火傷は後に治癒した。
放射線生物学は医学の一分野として、レオポルド・フロイントが1896年に、新たに発見された電磁放射線の一種であるX線を用いて毛深いほくろを治療したことを実証したことに端を発する。1896年初頭にカエルや昆虫にX線を照射した後、イワン・ロマノヴィチ・タルハノフは、これらの新たに発見された光線は撮影するだけでなく、「生命機能にも影響を与える」と結論付けた。[ 20 ]同時に、ピエールとマリー・キュリーは、後に癌の治療に使用される放射性ポロニウムとラジウムを発見した。
放射線の遺伝的影響、特にがんリスクへの影響が認識されるようになったのは、ずっと後のことである。1927年、ヘルマン・ヨーゼフ・ミュラーは遺伝的影響を示す研究を発表し、1946年にはその研究成果によりノーベル賞を受賞した。
より一般的には、1930年代には放射線生物学の一般的なモデルを開発する試みが行われた。ここで注目すべきはダグラス・リー[ 21 ] [ 22 ]であり、彼の発表には約400の関連出版物の徹底的なレビューも含まれていた[ 23 ] [ 24 ] 。
放射線の生物学的影響が知られるようになる以前、多くの医師や企業が放射性物質を特許薬や放射性インチキ療法として販売し始めていました。例えば、ラジウム浣腸療法や、強壮剤として飲むラジウム含有水などです。マリー・キュリーはこの種の治療法に反対し、放射線が人体に及ぼす影響は十分に理解されていないと警告しました。キュリーは後に放射線中毒による再生不良性貧血で亡くなりました。アメリカの著名な社交界の人物であるエベン・バイヤーズは、数年にわたって大量のラジウムを摂取した後、1932年に多発性癌（急性放射線症候群ではない）で亡くなりました。彼の死は放射線の危険性に対する世間の注目を集めました。1930年代までには、熱狂的な人々の間で骨壊死や死亡例が多数発生した後、ラジウム含有医療製品は市場からほぼ姿を消しました。
米国では、いわゆる「ラジウムガールズ」の事例、すなわち数千人のラジウム文字盤塗装工が口腔がんを発症したが[ 25 ]、急性放射線症候群の症例はなかった[ 26 ]という事例が、放射線被ばくの危険性に関連する職業上の健康への警告を広めた。MITのロブリー・D・エバンスは、ラジウムの許容体内負荷に関する最初の基準を開発し、核医学を研究分野として確立する上で重要な一歩となった。1940年代に原子炉と核兵器が開発されると、あらゆる種類の放射線影響の研究に科学的な注目が集まった。
広島と長崎への原爆投下により、多数の放射線中毒が発生し、その症状と危険性についての理解が深まった。赤十字病院の外科医、佐々木照文医師は、広島原爆投下後の数週間から数ヶ月にわたり、この症候群に関する集中的な研究を主導した。佐々木医師と彼のチームは、爆心地からの距離が異なる患者の放射線の影響を監視することができ、その結果、この症候群の3つの段階が記録された。赤十字の外科医は、爆発から25〜30日以内に白血球数が急激に減少することに気づき、この減少と発熱の症状を急性放射線症候群の予後基準として確立した。[ 27 ]広島原爆投下時に現場に居合わせた 女優の中みどりは、放射線中毒の最初の事例として徹底的に研究された。1945年8月24日の彼女の死は、放射線中毒（または「原爆病」）の結果として公式に認定された最初の死となった。
原爆被害者委員会と放射線影響研究財団は、 1946年以来、被爆者とその子孫の健康状態を監視してきました。彼らは、放射線被曝が癌のリスクを高める一方で、被爆者の平均寿命は被曝していない人と比べてわずか数ヶ月しか短縮されていないことを発見しました。被爆者の子供たちには、これまでのところいかなる健康影響も検出されていません。[ 28 ]
生物と電磁場（EMF）および電離放射線との相互作用は、さまざまな方法で研究することができる。
放射線生物学の実験では、通常、以下のような放射線源が使用されます。
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