放射線生物学

放射線生物学（放射線生物学、まれに放射線生物学とも呼ばれる）は、電離放射線が生物に与える影響、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す。電離放射線は一般に生物に有害で、致命的となる可能性もありますが、がんや甲状腺中毒症の治療のための放射線療法では健康上の利点があります。最も一般的な影響は、被曝後数年または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火傷や、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。制御された線量は、医療用画像診断および放射線療法に使用されます。

一般的に、電離放射線は生物にとって有害で​​あり、致命的となる可能性もありますが、癌や甲状腺中毒症の治療のための放射線療法では健康上の利点が得られる可能性があります。

放射線被曝による健康への悪影響は、主に次の 2 つのカテゴリに分類できます。

• 大量被ばく後の細胞の死滅または機能不全が主な原因となる確定的影響（有害な組織反応）
• 確率的影響、すなわち、体細胞の突然変異による被ばくした個人の癌の発症、または生殖細胞の突然変異による子孫の遺伝性疾患を伴う癌および遺伝性影響。^[1]

電離放射線が人間の健康に及ぼす影響の中には確率的な影響があり、その発生確率は線量に比例して増加するが、その重症度は線量とは無関係である。^[2] 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ある。

その最も一般的な影響は、被曝後数年または数十年の潜伏期間を伴う癌の確率的誘発である。これが起こるメカニズムはよく理解されているが、リスクのレベルを予測する定量的モデルは依然として議論の余地がある。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は実効放射線量とともにシーベルトあたり5.5％の割合で直線的に増加すると仮定している。^[3]この直線モデルが正しければ、自然放射線は一般公衆の健康にとって最も危険な放射線源であり、それに次いで医療用画像診断が僅差で2番目となる。

電離放射線が人間の健康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と、影響の一部が確率的性質を持つことから、他の病状に比べて比較的限られています。確率的影響は、喫煙習慣やその他の生活習慣要因などの交絡因子を除外するのに十分なデータが収集された大規模な疫学研究を通じてのみ測定できます。質の高いデータの最も豊富な情報源は、日本の原爆生存者の研究です。in vitro および動物実験は有益ですが、放射線耐性は種によって大きく異なります。

8mSvの 腹部CT検査1回による生涯のがん発症リスクの増加は0.05%、つまり2,000人に1人と推定されています。^[4]

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、その重症度は線量とともに増大する。^[2]

高い放射線量により確定的影響が生じます。確定的影響は閾値を超えると確実に発生し、その重症度は放射線量とともに増大します。確定的影響は必ずしも確率的影響より重大または軽微というわけではなく、どちらも最終的には一時的な迷惑または死亡につながる可能性があります。確定的影響の例は次のとおりです。

• 急性放射線症候群、急性全身放射線による
• 放射線による火傷は、特定の体表面への放射線によるものである。
• 放射線誘発性甲状腺炎、甲状腺機能亢進症に対する放射線治療の潜在的な副作用
• 慢性放射線症候群、長期にわたる放射線によるもの。
• 放射線誘発性肺障害、例えば肺への放射線療法によるもの
• 白内障と不妊症^[2]

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存在しない」と結論付けた。^[5]

アルファ粒子を放出する同位元素を摂取すると、半減期や崩壊率から推測されるよりもはるかに危険です。これは、アルファ線を放出する放射性同位元素が生体細胞に入った後に、アルファ線が生物学的損傷を引き起こす相対的な生物学的効果が高いためです。摂取した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元素は、ベータ線放出またはガンマ線放出放射性同位元素の同等の放射能よりも平均で約 20 倍危険であり、実験によっては最大 1000 倍危険です。放射線の種類が不明な場合は、電界、磁界の存在下で、または遮蔽量を変えて差分測定を行うことで特定できます。

胎児が被爆した場合、成人よりも生涯のある時点で放射線誘発性癌を発症するリスクが高くなります。これは、細胞が成長中に脆弱になりやすいことと、被爆後に癌を発症するまでの寿命がはるかに長いためです。放射線被爆量が多すぎると、胎児や生殖器官に有害な影響が出る可能性があります。^[7]研究によると、9か月間に1回以上スキャンすると胎児に悪影響を与える可能性があります。^[8]

妊娠中の放射線被曝による確定的影響としては、流産、構造的先天異常、成長遅延、知的障害などが考えられる。^{[9]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治療が必要となった ケースなどで研究されてきた。

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。 ^[9]

投影放射線撮影やCT スキャンでは胎児が放射線にさらされる ため、これらの影響は妊娠中の医療画像診断について決定する際に関係することがあります。

また、妊娠中の放射線被曝では、母親が後に放射線誘発性 乳がんを発症するリスクが特に高いようです。^[10]

人体は、非常に高い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の特性を調べることができます。対象となるパラメータには、崩壊率、粒子束、粒子タイプ、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に線量を監視および計算することを線量測定と呼び、保健物理学の分野で行われます。主要な測定ツールは、外部有効線量摂取量を示す線量計の使用と、摂取線量を測定するための生物学的検定の使用です。シーベルトに関する記事では、線量量の使用に関する ICRU および ICRP の推奨事項を要約し、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、特定の状況での線量摂取量の概算値の例を示します。

預託線量とは、人体への放射性物質の摂取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、預託実効線量は通常、生物学的検定測定またはその他の量から放射性核種の摂取量を評価して決定される。放射線量は推奨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。^[11]

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/キログラムで、特別な名称はグレイ（Gy）です。^[12]非SI CGS単位radも時々使用されますが、主に米国で使用されています。

確率的リスクを表すために等価線量 HT と実効線量_Eが使用され、適切な線量係数と係数が吸収線量から計算される。^{[13]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）と国際放射線単位測定委員会（ICRU）の勧告に従っています。これらによって開発された一貫した放射線防護量の体系は、添付の図に示されています。

国際放射線防護委員会( ICRP) は、線量摂取量の推奨限度を設定する国際放射線防護システムを管理しています。線量の値は、吸収線量、等価線量、実効線量、または預託線量を表します。

このテーマを研究している他の重要な組織には以下のものがあります。

• 国際放射線単位測定委員会(ICRU)
• 原子放射線の影響に関する国連科学委員会（UNSCEAR）
• 米国放射線防護測定委員会(NCRP)
• 英国英国保健安全保障庁
• 米国科学アカデミー（BEIR研究を通じてNAS）
• フランス核放射線防護研究所(IRSN)
• 欧州放射線リスク委員会（ECRR）放射線の段階は身体部位が影響を受ける段階によって異なります

外部被曝とは、放射性物質（またはその他の放射線源）が被曝する生物の外部にある（そして外部に留まっている）場合に発生する被曝です。外部被曝の例には以下が含まれます。

• 密封された放射性物質をポケットに入れる人
• 宇宙線に被曝した宇宙旅行者
• 遠隔治療または近接放射線治療のいずれかによって癌の治療を受ける人。近接放射線治療では線源は人体内にありますが、預託線量にはならないため、外部被曝とみなされます。
• 放射性粉塵で手が汚れた原子力作業員。放射性物質が吸収、吸入、または摂取される前に手が洗浄されていると仮定すると、皮膚の汚染は外部被曝とみなされます。

外部被ばくは比較的容易に推定でき、放射化を引き起こす強力な中性子線の場合を除いて、照射を受けた生物は放射能を帯びることはありません。

内部被曝は、放射性物質が生体内に入り、放射性原子が生体内に取り込まれることで発生します。これは、吸入、経口摂取、または注射によって発生します。以下に、内部被曝の例をいくつか示します。

• 正常な人間の体内に存在するカリウム40によって引き起こされる曝露。
• 牛乳中の⁸⁹ Srなどの可溶性放射性物質の摂取による被曝。
• 放射性医薬品を用いて癌の治療を受けている人。放射性同位元素を薬剤（通常は液体または錠剤）として使用する。このトピックに関するレビューは 1999 年に発表されました。^[17] 放射性物質は影響を受けた物体と密接に混合されるため、内部被曝が発生した場合、物体または人の除染は困難になることがよくあります。二酸化ウランマトリックス内の核分裂生成物などの非常に溶けにくい物質は、実際には生物の一部になることはないかもしれませんが、肺や消化管内のそのような粒子は、内部被曝につながる内部汚染の一種と見なすのが普通です。
• ホウ素中性子捕捉療法（BNCT）では、腫瘍細胞に優先的に結合するホウ素10標識化学物質を注入します。原子炉からの中性子は、中性子減速装置によってBNCT治療に適した中性子エネルギースペクトルに成形されます。腫瘍はこれらの中性子で選択的に照射されます。中性子は体内で急速に減速し、低エネルギーの熱中性子になります。これらの熱中性子は注入されたホウ素10によって捕捉され、励起（ホウ素11）を形成します。励起はリチウム7とヘリウム4 アルファ粒子に分解され、これら2つの粒子は近接した電離放射線を生成します。この概念は、がん治療に2つの別々の成分を使用するバイナリシステムとして説明されています。各成分自体は細胞に対して比較的無害ですが、治療のために組み合わせると、致死的な（細胞毒性のある）高い細胞破壊効果を生み出します（5〜9マイクロメートルまたは約1つの細胞の直径の限られた範囲内）。有望な結果を伴う臨床試験が現在フィンランドと日本で実施されています。

放射性化合物が人体に入ると、体外の放射線源にさらされた場合とは異なる影響が生じます。特に、通常は皮膚を透過しないアルファ線の場合、摂取または吸入後の曝露ははるかに大きなダメージを与える可能性があります。放射線曝露は通常、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ましたが、放射能と放射線の危険性はすぐには認識されませんでした。放射線の急性効果は、ドイツの物理学者ヴィルヘルム レントゲンが1895 年に意図的に指を X 線にさらしたときに初めてX 線の使用で観察されました。彼は、発生した火傷に関する観察結果を発表しましたが、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であると誤って考えていました。現在では、体内で生成される他のフリーラジカルの方が重要であることがわかっています。彼の傷は後に治癒しました。

医学の一分野としての放射線生物学は、レオポルド・フロイントが1896年に、新しく発見されたX線と呼ばれる電磁放射線を使用して、毛深いほくろの治療を実証したことに由来しています。1896年初頭にカエルや昆虫にX線を照射した後、イヴァン・ロマノビッチ・タルハノフは、これらの新しく発見された放射線は写真を撮るだけでなく、「生体機能に影響を与える」と結論付けました。^[18]同じ頃、ピエール・キュリーとマリー・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ました。

放射線の遺伝的影響、特にがんリスクへの影響は、ずっと後になってから認識されました。1927 年にヘルマン・ジョセフ・ミュラーが遺伝的影響を示す研究を発表し、1946 年にその研究結果によりノーベル賞を受賞しました。

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ありました。ここで注目すべきはダグラス・リーです。^{[19] [20]}彼の発表には約400の支持文献の徹底的なレビューも含まれていました。^{[21] [ページが必要] [22]}

放射線の生物学的影響が知られるようになる前、多くの医師や企業が放射性物質を特許医薬品や放射性インチキ医療として売り出し始めていた。その例としては、ラジウム浣腸や強壮剤として飲むラジウム含有水などがある。マリー・キュリーはこの種の治療法に反対し、放射線が人体に与える影響は十分に理解されていないと警告した。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った。アメリカの有名な社交界の名士エベン・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）で亡くなったが、彼の死は放射線の危険性に世間の注目を集めた。1930年代には、愛好者の骨壊死や死亡例が多数出たため、ラジウムを含む医薬品は市場からほぼ姿を消した。

米国では、ラジウム・ガールズと呼ばれる、数千人のラジウム文字盤塗装工が口腔がんにかかったが^[23]、急性放射線症候群^[24]の症例はなかったという経験から、放射線の危険に関連する職業上の健康に関する警告が広まりました。MITのロブリー・D・エバンスは、ラジウムの許容体内負荷量に関する最初の基準を開発しました。これは、研究分野としての核医学を確立するための重要なステップでした。1940年代の原子炉と核兵器の開発により、あらゆる種類の放射線の影響の研究に科学的な注目が集まりました。

広島と長崎への原爆投下により、多数の放射線中毒事件が発生し、その症状と危険性についてより深く理解できるようになりました。広島への原爆投下後、数週間から数か月にわたって、赤十字病院の外科医である佐々木照文博士が、この症候群に関する徹底的な研究を主導しました。佐々木博士と彼のチームは、爆発自体にさまざまな距離で近づいた患者における放射線の影響をモニターすることができ、この症候群の3つの段階が記録されました。爆発から25〜30日以内に、赤十字の外科医は白血球数の急激な減少に気づき、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ました。^[25]広島への原爆投下時に居合わせた 女優の仲みどりは、広範囲に研究された最初の放射線中毒事件でした。1945年8月24日の彼女の死は、放射線中毒（または「原爆症」）の結果として公式に認定された最初の死でした。

原爆傷害調査委員会と放射線影響研究所は1946年以来、被爆者とその子孫の健康状態を監視してきた。放射線被爆はがんリスクを高めるが、被爆者の平均寿命は被爆していない人に比べて数ヶ月しか短くないことも判明した。これまでのところ、被爆者の子供たちにいかなる健康影響も検出されていない。^[26]

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できます。

• 放射線物理学
• 放射線化学
• 分子細胞生物学
• 分子遺伝学
• 細胞死とアポトーシス
• 高レベルおよび低レベルの電磁放射線と健康
• 生物の特定の吸収率
• 放射線中毒
• 放射線腫瘍学（がんの放射線治療）
• 生体電磁気学
• 電場と磁場- それらの一般的な性質。
• 電気生理学- 生物細胞および組織の電気的特性に関する科学的研究。
• 生体磁気学- 生体システムの磁気特性（例えば、SQUIDイメージングを使用したDavid Cohenの研究を参照）および磁気生物学- 生体システムに対する磁石の影響の研究。電磁放射線と健康も参照してください。
• 生体電磁気学- 生体システムの電磁気的特性と生体電磁気学- 生体システムに対する電磁場の影響の研究。
• 電気療法
• 放射線治療
• 放射性ゲノミクス
• 経頭蓋磁気刺激- 強力な電流が、一時的な空間的に集中した磁場を生成し、被験者の頭皮と頭蓋骨を貫通して、脳表面のニューロンに電気活動を誘発します。
• 磁気共鳴画像法- 非常に強力な磁場を使用して脳の水分子の密度の 3D 画像を取得し、さまざまな解剖学的構造を明らかにします。関連技術である機能的磁気共鳴画像法は、脳内の血流パターンを明らかにし、特定のタスクに脳のどの部分が関与しているかを示すことができます。
• 胚発生、個体発生、発生生物学- 多くの科学分野理論を生み出した学問分野。
• 生体エネルギー学- 生体システムの分子レベルでのエネルギー交換の研究。
• 生物学的精神医学、神経学、精神神経免疫学

放射線生物学実験では通常、次のような放射線源が使用されます。

• 同位体源、典型的には¹³⁷ Csまたは⁶⁰ Co。
• 高エネルギーの陽子、電子、または荷電イオンを生成する粒子加速器。生物学的サンプルは、幅広く均一なビーム^[27] 、または細胞または細胞内サイズに焦点を絞ったマイクロビームのいずれかを使用して照射することができます。
• UVランプ。

• エピゲノムに対する放射線の生物学的影響
• 細胞生存曲線
• 宇宙線による健康への脅威
• NASA宇宙放射線研究所
• 生物学における放射能
• 放射線科
• 放射線恐怖症
• 放射線感受性

• ICRP、2007年。国際放射線防護委員会の2007年勧告。ICRP出版物103。Ann. ICRP 37（2-4）。

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• エリック・ホール『放射線科医のための放射線生物学』2006年、リピンコット
• G.Gordon Steel、「基礎臨床放射線生物学」、2002年、Hodder Arnold。
• ヘルムホルツ環境保健センター放射線生物学研究所[1]