不溶性微粒子被ばくの特徴
佐藤達彦，松谷 悠佑，真辺 健太郎（原子力機構）NHKクローズアップ現代＋ 2017年6月6日

2018/11/16 保物セミナー2018＠大阪科学技術センター

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不溶性セシウム粒子（Csボール）とは？
 福島原発事故後に各地で発見された不溶性かつ高いセシウム比放射能を持つ微粒子
 過去の原発事故ではほとんど見つかっていない
Adachi et al., Sci. Rep. (2013)

Csボールの特徴
 化学的特性：水や硝酸に対して不溶 物理的特性：主成分はガラス，粒径は大きいものだと数μm程度
 放射能：高い比放射能（通常は数Bq/個，大きいものだと数100Bq/個） 体内動態：血液や組織液に溶解することなく，確率的に粒子状のまま移行する。場合によっては，同じ場所に長期滞留する可能性もある 従来の可溶性セシウム被ばくに対する線量評価手法が適用できない
 同じ被ばく線量でも放射線影響が異なる可能性がある
2

発表内容
1. 線量評価の話
 現行法の問題点とSB法の開発
 SB法を用いたCsボール被ばくの線量評価
 まとめ

2. マイクロドジメトリの話
 吸収線量の定義の再確認
 様々なスケールに対する吸収線量の不均一性
 不均一性がCsボール被ばくに与える影響の検討 まとめ
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内部被ばく線量評価法
臓器吸収線量，DT
体内動態モデルに基づく評価値

DT   NS  ER,iYR,i ΦT  S, ER,i Si

核種固有のデータ

⼈体モデルに固有のデータ

 Ns: 線源領域 S における核種の総壊変数
 ER,i: 放射線の種類Rのi番⽬の放射線のエネルギー
 YR,i: 放射線の種類Rのi番⽬の放射線の放出率 Φ(T←S, ER,i): Sから標的臓器T への⽐吸収割合（SAF）

線源領域（臓器）毎の総壊変数の評価が必要
4

コンパートメントモデル

放射能は体内に拡散

新しいCsの体内動態モデル（ICRP Publ. 137より）

 各臓器をコンパートメント（箱）で表現
 核種の移行経路を矢印（移行係数）で繋ぐ
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一般的な壊変数の評価方法① コンパートメントモデルを組む
取込み
Comp.1
λaComp.2λdComp.4

λbλeComp.3Comp.5λfλc
排出排出（λi: 移行係数）② 連立常微分方程式（ODE）を立てる
 da1 t  dt   λaa1 t 
 da 2 t   λ  λ a t   λ a t bd2a 1
 dt
 da 3 t   λca 3 t   λba 2 t 
 dt
 da 4 t  dt   λea 4 t   λda 2 t 
 da 5 t    λ a t   λ a t f 5e 4 dt

ai(t): 時間t経過時のComp.iにおける放射能③ 数値解析的にODEを解く

N S   a S t dt

決定論的手法（解はひとつで分布がない）
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Csボールの特徴を考慮した壊変数評価法
Csボール被ばくの特徴

例1
ET1沈着→ 環境中

 不溶性かつ取り込み数が少ない
 移⾏経路が⼀つ⼀つ異なる
 粒⼦間でのばらつきが⼤きくなる ODEを決定論的に解いただけ
では⼤幅な過⼩評価 or 過⼤評価となる可能性がある
 モンテカルロ法を⽤いて確率論的に解いて各臓器線量の分散を導出

例2
肺胞沈着→ 消化管→糞 確率論的体内動態法を開発
 SB（Stochastic Biokinetic）法と命名
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SB法で得られる結果
 1回のSB法で得られる線量︓1個の確率変数
 SB法を繰り返し実⾏︓線量の確率密度分布、統計値
中央値

算術平均値（決定論定⼿法による評価値）

確率密度

過⼩評価する確率99%ile値

線量
線量の確率密度分布

過⼩評価の程度

一般的な線量評価法を適用したときに過小評価となる確率・程度を定量化
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発表内容
1. 線量評価の話
 現行法の問題点とSB法の開発
 SB法を用いたCsボール被ばくの線量評価
 まとめ

2. マイクロドジメトリの話
 吸収線量の定義の再確認
 様々なスケールに対する吸収線量の不均一性
 不均一性がCsボール被ばくに与える影響の検討
 まとめ
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計算条件
評価対象＆線量• 評価対象︓ 成⼈男性に対する肺預託吸収線量• 活動レベル︓軽作業• 呼吸習慣︓ ⿐呼吸

Csボールの特性
•
•
•
•

粒径︓
2.0 μm
密度︓2.0 g/cm−3
形状係数︓1.0（球状）
放射能︓ 134Cs 0.5 Bq + 137Cs 0.5 Bq（放射平衡の137mBaも含む）

Csボールの体内動態• 不溶性を考慮した保守的な動態モデル⇒ 呼吸気道・消化管から⾎液への移⾏なし、肺・肝臓等での滞留考慮

線量評価データ（ICRP66）（Geraets et al. 2012）• 核崩壊データ︓ICRP Pub. 107• ⽐吸収割合データ︓ICRP Pub. 133（標準成⼈男性⽤データ）
10計算結果①：確率密度分布
B: 呼吸気道の上流に沈着し，消化管へすぐ移⾏

確率密度0.4
0.3
中央値

0.2

99%ile値

D: 肺胞に沈着した後，間質に移⾏して滞留

C: 肺胞に沈着し，緩やかに消化管へ移⾏

0.1
0

算術平均値

10-13 10-12 10-11 10-10 10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4

A: 気道に沈着せず排気肺の預託吸収線量 (Gy)

１つのCsボールを吸入したときの肺預託吸収線量
 発生比率 A : B : C : D = 13 : 75 : 8 : 5
 線量は粒子が（たまたま）沈着した領域とその後の移行シナリオに大きく依存
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計算結果②：現行の計算方法との比較
SB法による評価値
線量の⽐ ＝
現⾏の線量係数による評価値
肺の預託吸収線量の⽐

10210110010-110-210-310-4 01099%ile値
算術平均値
中央値
101102103
摂取個数、摂取放射能 (Bq)104

 現行の線量係数による評価値との比は2.7に収束
 この比は体内動態モデルの違いに起因

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発表内容
1. 線量評価の話
 現行法の問題点とSB法の開発
 SB法を用いたCsボール被ばくの線量評価
 まとめ

2. マイクロドジメトリの話
 吸収線量の定義の再確認
 様々なスケールに対する吸収線量の不均一性
 不均一性がCsボール被ばくに与える影響の検討
 まとめ
13まとめ
1. Csボールのような不溶性微粒子内部被ばくでは，平均値のみならずその分散も評価することが望ましい
2. 上記目的のため，確率論的体内動態法（SB法）を開発した
3. 摂取個数が少ない場合，現行の計算手法では線量を大幅に過小評価してしまう可能性がある
4. 摂取個数が増えれば，肺預託吸収線量のSB法/現行法の比は2.7倍に収束する
詳細は下記文献を参照
K. Manabe & M. Matsumoto, J. Nucl. Sci. Technol. (2018)
DOI: 10.1080/00223131.2018.1523756

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発表内容
1. 線量評価の話
 現行法の問題点とSB法の開発
 SB法を用いたCsボール被ばくの線量評価
 まとめ

2. マイクロドジメトリの話
 吸収線量の定義の再確認
 様々なスケールに対する吸収線量の不均一性
 不均一性がCsボール被ばくに与える影響の検討
 まとめ
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吸収線量とは？
定義
吸収線量(Gy) ＝ ある領域における付与エネルギー(J)
その領域の重さ(kg)質問
ある臓器（重さ1kg）で電離が1回（付与エネルギー13eV）起きたとき，その臓器の吸収線量のオーダーは？
１．aGy（1E-18)
２．pGy（1E-12）
３．μGy（1E-6）
同じ電離があるDNA断片上（直径2nm，長さ30nm）で起きたとき，そのDNA断片の吸収線量のオーダーは？
１．mGy（1E-3)
２．Gy（1E0）
３．kGy（1E3）

吸収線量は，対象とする領域の重さに極めて大きく依存する
16吸収線量の不均一性
質問
対象領域が小さくなると線量は？
小さくなる

変わらない

高くなる

領域の質量と線量不均一性
Rossi(1968), Kron et al. (2016)

様々なスケールの線量不均一性が被ばくリスクに与える影響を検討
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発表内容
1. 線量評価の話
 現行法の問題点とSB法の開発
 SB法を用いたCsボール被ばくの線量評価
 まとめ

2. マイクロドジメトリの話
 吸収線量の定義の再確認
 様々なスケールに対する吸収線量の不均一性
 不均一性がCsボール被ばくに与える影響の検討
 まとめ18

DNAスケールでの線量不均一性
不均一性が生じる要因
放射線の飛跡周辺の電離密度の違い（～LET）
不均一性が与える影響
DNA損傷パターンが変化する（電離密度が高いほど複雑な損傷が発生）

電子，陽子，炭素イオンの飛跡構造*
 放射線加重係数（wR）や線質係数Q(L)として現在の放射線防護体系で考慮
 放射線の物理的特性のみで決まり，被ばく形態（内部or外部被ばく）には依存しない*RITRACKS (Plante et al. 2011)で計算＆描画

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細胞内での線量不均一性
不均一性が生じる要因
RIが細胞の特定部位に集積することにより，放射線感受性の高い細胞部位（細胞核）の線量が全体の平均値と比べて変化する（内部被ばくのみで問題）

不均一性が与える影響
 細胞核に集積するRI（有機結合型トリチウムやDNAに結合しやすいAuger電子放出核種）は，放射線影響が大きくなる（CERRIE 2004）
 137Cs,134Cs,131Iは，放出するβ線のエネルギーが高いので，細胞核に集中してエネルギー付与することはない（最大でも1.04倍，Sato et al. 2013）

β from 3H

β from 137Cs

PHITSで計算した3Hと137Csから放出されたβ線による細胞レベルでの付与エネルギー空間分布

Csボールは細胞内に取り込まれないので，線量の細胞内不均一性はほとんどない20

臓器内（細胞間）での線量不均一性
不均一性が生じる要因
 放射線治療でがん細胞に線量を集中させた場合（外部照射・RI内用療法）
 表面汚染などで局所的に被ばくした場合不均一性が与える影響
 確定的影響は，個々の細胞応答の合計で表現できるため，均一被ばくと比べて影響の大きさは異なる（放射線治療）
 確率的影響は，発生メカニズムは未解明だが，極めて少数の細胞の変異に起因していると仮定すると，均一被ばくと比べてあまり変化はないと予想される
 ただし，バイスタンダー効果が変異の主因となる場合は，影響は異なる

放射線治療計画の例

Kumada et al (2007)

Csボールが特定の場所に長期滞在した場合，通常の内部被ばくよりも局所性が高くなる21

発表内容
1. 線量評価の話
 現行法の問題点とSB法の開発
 SB法を用いたCsボール被ばくの線量評価
 まとめ

2. マイクロドジメトリの話
 吸収線量の定義の再確認
 様々なスケールに対する吸収線量の不均一性
 不均一性がCsボール被ばくに与える影響の検討
 まとめ
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シミュレーション条件
一様面線源

不溶性微粒子

シミュレーション体系：1x1x1 cm3
 サイズ：全て軟組織
 組成
 線源形状 ：上面中心に不溶性微粒子
もしくは上面に一様面線源
模擬線源

種類
セシウム
ボール
α線源ホットパーティクル
模擬線源

組成

密度(g/cm3)

粒径(µm)

放射能(Bq)

SiO2

2.0

6.9

440

UO2

10.5

15.7

3.8

放射性核種(放射能比)
134Cs (50%),
137Cs (50%)
239Pu (43%), 240Pu(43%), 241Am (14%)

放出放射線(Emax)
β-rays(1.176 MeV)
α-rays
(5.486 MeV)

計算条件
：モンテカルロ粒子輸送計算コードPHITS 計算コード 被ばく（線源滞留）時間 ：１分～10日間：３次元空間線量分布（２ or 7μm空間分解能）
 計算した物理量23

計算結果①不溶性微粒子
一様面線源

400 300 200 1000

400 300 200 1000

吸収線量 (Gy)

α線源

セシウム

70μm（表皮の厚さ）

400 300 200 1000

400 300 200 1000

照射表面からの距離(μm)

1時間滞留に対する吸収線量の空間分布（2μm分解能）
 不溶性微粒子の場合，局所的に被ばく線量が高くなる（Gyオーダー）
 ただし，ほとんどの放射線は表皮で止まる（特にα線源）

24

吸収線量 (Gy/(Bq.sec))

計算結果②10−410−610Csボール

線量計算領域
20.01 mm
21 mm
21 cm10−410−6−810−8−1010α線源ホット
パーティクル

一様面線源

100500−1010000
照射表面からの深さ (m)50100

線量深さ分布と線量を計算する領域の広さの関係
 不溶性微粒子の場合，線量を計算する領域を狭めると線量は大きくなる
 表面付近ほど，その差は大きい（不均一性が高い） 特定の細胞に対する線量は，1cm2で平均した場合と比べて3桁以上高い
25

不均一線量による生物学的な効果
バイスタンダー効果
 照射細胞から非照射細胞にシグナルが伝達され放射線影響が現れる効果
 DNA損傷，染色体異常，細胞致死などあらゆるエンドポイントで観察される
 シグナル発信細胞となるしきい値線量は数100mGy程度との報告が多い

放射線照射

正常細胞

シグナル発信細胞

シグナル受信細胞

影響発現細胞

不均一照射の場合にバイスタンダー効果がより重要となる
26

1015

崩壊数 (Bq.sec)
106107108

セシウム

3

線量が0.5Gy以上の体積 (mm )計算結果③不溶性微粒子
一様面線源

0.50210103104

滞在時間 (sec)105106

RI滞留時間と高線量（D>0.5Gy）領域*の体積の関係
高放射能の不溶性微粒子が1日程度（105sec）同じ場所に滞留すれば，バイスタンダー効果のしきい値を超える領域が増えてくる
表皮領域（表面から70μm）を除く

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細胞実験による検証（準備段階）
実験体系の構築

細胞線量の評価
セシウムボール ヒト肺線維芽細胞を使用
 キャピラリー先端にCsボール*を封入してミクロレベルで位置を制御

PHITSシミュレーションで各細胞線量を評価

予備実験（均一照射）結果
0 Gy0.10 Gy

7.57 Gy*約500Bq，佐藤志彦氏（JAEA）より提供

24時間セシウムガ
ンマ線で照射した
後，γ-H2AX foci検出によりDNA二本鎖切断を定量化
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発表内容
1. 線量評価の話
 現行法の問題点とSB法の開発
 SB法を用いたCsボール被ばくの線量評価
 まとめ

2. マイクロドジメトリの話
 吸収線量の定義の再確認
 様々なスケールに対する吸収線量の不均一性
 不均一性がCsボール被ばくに与える影響の検討
 まとめ
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まとめ
1. 不溶性微粒子による被ばくは，臓器内（細胞間）での線量不均一性が他の被ばく形態と異なる（局所被ばくの可能性）
2. 線量不均一性の違いによる確率的影響リスクの違いは限定的と思われる
3. 確定的影響やバイスタンダー効果に対しては，従来の被ばくとは応答が異なる可能性がある
4. 今後，細胞や動物実験を通して不溶性微粒子被ばくの放射線影響を解明していく必要がある

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