종양 세포에 대한 방사선 효과

종양을 치료할 때는 종양 자체만이 아닌 그 주위의 정상조직과 방사선의 종류, 그외 다양한 요소를 고려해 치료해야 합니다. 이번 글에선 종양 세포를 치료할 때 고려해야 할 사항들에 대해 알아보겠습니다.

 

종양 세포에 대한 방사선 효과

 

종양 세포에 대한 방사선 효과

 

세포에 대한 방사선의 직접 작용과 간접작용

 

전리방사선이 물질에 흡수될 때 많은 2차 전자를 방출하게 되며 이때 2차 전자가 염색체 내의 DNA와 반응하여 고리를 끊게 됩니다. 이때 DNA양이 많을수록 감수성은 높아집니다. 이 반응에는 직접 작용과 간접작용이 있습니다.

 

직접 작용에서는 알파선이나 양자 선과 같은 선 에너지 전달계수(Linear Energy Transfer, LET)가 높은 전리방사선이 주된 작용을 하고 간접작용은 X선 감마선 같은 저 LET 방사선이 있습니다. 전리방사선이 세포 내의 물과 반응하면 ‘유리기’라는 것이 발생하는 데, 이것이 DNA와 반응하여 DNA 사슬을 끊어지게 합니다.

 

방사선량과 세포사

 

저 LET 방사선에 의한 세포의 생존곡선은 선량의 제곱에 비례한 형식으로 multi target 형태의 생존곡선이고 고 LET 방사선에 의한 세포의 생존곡선은 single target 형태이며 선량에 비례한 형식입니다.

 

평균 치사선량은 세포의 감수성을 나타내는 지표로서 평균 치사선량이 크면 방사선 감수성이 낮아지게 됩니다.

 

방사선 효과를 좌우하는 인자

 

세포주기와 방사선 감수성

 

방사선 감수성은 분열기(M)에서 가장 높고, DNA 합성 후기(LS)가 감수성이 가장 낮습니다. 이같이 세포의 각 주기에 따라 방사선 감수성이 다른 것을 주기 의존성이라고 합니다.

 

산소효과(oxygen effect)

 

그 결과, 방사선 감수성은 산소 분압에 비례하지만 30mmHg에 도달하면 방사선 감수성이 일정해집니다. 또한, 산소가 충분히 있는 세포가 무산소 상태에 있는 세포보다 방사선감수성이 3배 정도 더 높습니다. 산소효과는 주로 간접작용을 통해 작용하기 때문에 저 LET 방사선의 경우에 많이 나타나지만, 고 LET 방사선에서는 효과가 거의 없습니다.

 

종양 내의 저산소 세포의 재산소화 종양 조직 중에는 산소분압이 높은 세포와 낮은 세포가 존재합니다. 인체 종양의 경우, 종양의 30~40%가 산소분압이 낮은 세포입니다. 산소분압이 낮은 세포는 방사선 감수성이 낮습니다. 저산소 분압의 세포가 포함된 종양에 방사선을 조사하면 종양 외측의 산소분압이 높아서 방사선감수성이 높은 세포가 사멸하면서 종양의 중심부에 있는 산소분압이 낮은 세포와 외측의 모세혈관 사이의 거리가 짧아져서 산소 공급이 원활해집니다. 산소 공급이 원활하면 산소 분압이 높아지고, 따라서 방사선감수성이 높아집니다. 이러한 현상을 재산소화라 합니다.

 

온도효과

 

암세포는 41도 이상으로 가온하면 가온 시간과 함께 지수 함수적으로 감소합니다. 또한 가온을 통해 방사선에 의한 아치사장해 회복을 방지합니다. 특징으로는 방사선 저항성이 가장 큰 DNA 합성기가 열에 약하고 저산소 세포가 산소 세포보다 열에 약하며 암세포가 정상세포보다 열에 약합니다. 그리고 그 사실을 통해 암세포 치료 시 방사선 치료와 병용하여 암세포를 제거합니다. 적절한 가온 방법이 개발되어 방사선과 가온 요법을 병용한 수많은 우수한 임상 결과를 보고하고 있습니다.

 

방사선 증감제 및 방어제

 

DNA를 구성하고 있는 4개의 염기의 동류체가 DNA에 결합하면 방사선 감수성이 높아집니다. 염기 동류체를 결합한 세포(염색체)에 방사선을 조사하면 염색체의 사슬이 끊어지기 쉬워 2~3배 방사선 감수성이 높아집니다. 저산소 세포의 방사선 증감제는 고압 산소요법을 이용해 방사선 감수성을 높이는 방법과 화학물질이 있으며, 이를 방사선 치료와 같이 사용하면 치료 효과가 증가합니다. 반면 시스테인, 시스테아민은 방사선 조사에 의해 DNA에 생긴 유리기에 수소 원자가 결합하게 함으로써 유리기의 작용을 막아 방사선의 작용을 약하게 하여 방사선 효과를 감소하게 만듭니다.

 

방사선 손상으로부터의 회복

 

아치사장해 회복(sublethal damage repair) 방사선을 조사하면 세포가 손상되는데 그중 일부는 손상을 회복하기도 합니다. 이때 정상 상태에서 손상에서 회복할 수 있을 만큼의 장해를 아치사장해라 하며 거기서 회복하는 것을 아치사 장해 회복이라 합니다. 이 현상을 Elkind라는 사람이 발견했으므로 Elkind 회복이라고도 합니다.

 

잠재적 치사장해 회복(repair of potentially lethal damage: PLD)

 

방사선 조사 후 세포는 정상 상태에서는 죽게 되지만, 특정 조건을 만족할 경우, 죽지 않고서 세포가 손상을 회복할 수 있습니다.

 

방사선 치료를 할 때 고려해야 할 수치

 

종양 치사선량(tumor control dose: TCD95)

 

종양이 방사선 조사를 받았을 때 95%를 제거하는 데 필요한 선량을 말합니다. 이 종양 치사선량에 영향을 주는 인자엔 종양의 크기, 종양의 분화도, 저산소 세포 함유율 등이 있습니다.

 

생물학적 효과비(relative biological effectiveness: RBE)

 

250kV X선으로 조사했을 때 생물학적인 효과와 다른 방사선으로 인해 발생하는 생물학적 효과가 같을 때, X선과 다른 방사선 선량의 비율을 의미합니다.

 

치료 효과개선비(therapeutic gain factor: TGF)

 

종양 조직의 생물학적 효과 비와 이것을 둘러싼 건강조직의 생물학적 효과 비의 비율로, 이 값이 1보다 크면 방사선을 조사하였을 때, 건강조직의 방사선 손상이 적고, 종양 조직은 크게 손상되어 방사선 치료 효과가 높아집니다. RBE는 전리를 많이 일으키는 방사선의 경우, 선량을 분할 조사하는 것이 1회 조사로 치료했을 때의 RBE보다도 큽니다. 그 이유는, 분할조사에서는 1회 조사선량이 적고, 적은 선량에서는 RBE가 크기 때문입니다. 따라서 조사할 때마다 선량을 적게 하고 분할 횟수를 늘리면 중성자선은 X선에 비해 유효하게 됩니다. 방사선 치료를 할 때 중성자가 X선에 비해 효과적으로 되기 위해선 종양이 갖는 RBE가 관련된 정상조직의 RBE보다 커야 합니다. 따라서 치료 효과 개선비는 1보다 커야 합니다.

 

치료가능비(therapeutic ratio: TR)

 

치료가능비란 정상조직의 내용선량(정상조직이 파괴되지 않거나 회복할 수 있는 선량)을 악성종양의 치사선량으로 나눈 값으로 치료가능비가 1 이상이 되어야 방사선 치료를 시행할 수 있습니다. 이 값이 크면 클수록 효과적인 치료를 기대할 수 있습니다. 따라서 치료가능비를 높이기 위해 정상조직의 내용선량을 높이거나 악성종양의 치사선량을 낮출 필요가 있습니다.

 

정상조직의 내용선량을 높이기 위해선 국소 장해나 전신장애에 대한 관리, 적절한 공간적인 선량 분포 설정, 시간적인 선량 분포 설정, 환자의 영양 관리 등을 시행해야 합니다.

 

악성종양의 치사선량은 산소효과 이용, 중입자선 활용과 방사선 증감제를 병용해 치료하는 것으로서 낮출 수 있습니다.

 

산소 효과비(oxygen enhancement ratio: OER)

 

같은 생물학적 효과가 나타났을 때, 무산소 상태에서의 조사선량과 유산소 상태에서의 조사선량의 비율을 의미합니다.

 

열효과비(thermal enhancement ratio: TER)

 

가온에 의한 방사선 효과를 말하며 같은 생물학적 효과가 나타났을 때 가온하면서 X선을 조사했을 때 필요한 선량과 X선 단독일 때의 필요한 선량의 비를 의미합니다.