放射光の医学利用と放射線治療
篠原邦夫
早稲田大学理工学術院
総合研究所理工学研究所

Spring-8利用推進協議会
第6回安全安心のための分析評価研究会
2012.4.27. 於 東京理科大学

放射光の医学利用と放射線治療
１．放射光の特徴
２．医学利用研究の概要
３．放射線治療に関する基礎研究の概要
４．ＭＲＴ研究の背景
５．正常組織への影響
６．動物実験における延命効果
７．作用機構について
７．線量分布のエネルギー依存性
８．今後の課題

医・生物学利用における放射光の特徴
高輝度→顕微観察→位相情報
高強度→単色X線源
光子活性化療法→短時間露光微小ビーム
放射線療法

SPring-8のポスター

光電子の解析（原子・分子）光電子放出

放射線治療の基礎

放射光による放射線治療の基礎研究

血管造影剤による増感

オージェ効果誘発による増感

Bencokova et al, J. Synchrotron Radiat. 15, 74, 2008

放射線治療の基礎研究

吸収吸収端波長• 光子活性化療法 ➾ X線エネルギー依存性
DNAに結合する原子とそのK吸収端付近の単色X線照射を組み合わせて、致死増感効果を誘導する。（細胞毒性が粒子線並みのオージェ効果の誘発）･･･オージェ効果の寄与は数割程度の致死増感と見積もられた。

• 微小平板ビーム治療 ➾ 超高線量率照射
ラットの脳腫瘍に、数十μm幅のビームを数百μm間隔にして照射すると、1回線量625 Gyで、皮膚の放射線障害は回復し、延命効果があった。

オージェ効果を利用する

光子活性化療法とは

吸収

吸収端

波長

１．腫瘍集積性の元素を癌に取り込ませて、X線吸収における選択性をつける。
２．選択的に吸収する波長のX線を照射する。
３．その元素のX線吸収後に二次的に誘発されるオージェ効果の細胞毒性を利用する。

オージェ効果の細胞致死作用

電離e-吸収吸収端（XeのK殻に空きができた場合）

波長125Iの壊変様式

Halpern A, in Uses of Synchrotron
Radiation in Biology (Ed. by StuhrmannHB), pp.255-283, 1982

オージェ効果（オージェ電子群）
125IUdRのの細胞致死作用の特徴

DNA取り込み実験より

１．細胞致死作用が非常に大きい
２．傷害の局在性が高い（主に1.5‐2nm以内）
３．酸素効果が小さい（OER≦1.4）
４．LETが5MeVのα粒子（≧100keV/μm）相当
５．主に直接作用（DMSOで防護されにくい）
６．細胞周期依存性が低い

光子活性化療法の理論

5.4 倍

DE/D： 増感率
Fairchild and Bond, Strahlentherapie 160, 758, 1984

5-iododeoxyuridine (IUdR)
I-Kab： 0.0374 nm (33.17 keV)
● ▲: 0.037 nm (33.5 keV)
○ △: 0.038 nm▲△: +IUdR （置換率：20% ）●○: -IUdR

DE/D
実験値*2.05

理論値

4.61

*10%生存率で比較Photon Factory

Shinohara et al, Photon Factory Activity
Report 1984/1985, 225, 1986

D* = 0.27D （間接作用が73％）

Fairchild and Bond （1984）の式

= 1.8

DE/D
実験値*2.05

理論値

4.61

修正値

2.56

Shinohara et al, Photon Factory Activity Report 1986, 278, 1987

NEWS AND VIEWS(NATURE, 336, 710, 1988)

Mössbauer cross-section
原子核の励起DE/D
実験値 2.05
軌道電子
理論値 2.56
核の励起 理論値 28.5
Shinohara, K.

（参考）最近の報文＊S. J. Karnas et al:
Optimal photon energies for IUdR K-edge radiosensitization
with filtered X-ray and radioisotope sources. Phys. Med. Biol.
44 (1999) 2537.
＊M.-C. Biston et al:Cure of Fisher rats bearing radioresistant F98 glioma treatedwith cis-platinum and irradiated with monochromaticsynchrotron X-rays. Cancer Res. 64 (2004) 2317.
＊S. Corde et al:
Synchrotron radiation-based experimental determination of theoptimal energy for cell radiotoxicity enhancement following
photoelectric effect on stable iodinated compounds. Br. J. Cancer(2004) 544.

微小平板ビーム放射線治療
MRT (Micro-planarbeam Radiation Therapy)
方法
スリット状の放射光を照射する
放射光

特徴
Laissue et al, Proc.
SPIE 4508, 65, 2001

ラットの脳腫瘍に、数十μm幅のビームを数百μm 間隔にして照射すると、1回線量625 Gyで、皮膚の放射線障害は回復し、延命効果があった。

背景（粒子線の影響）
1 mm

280 Gy25 μm

4000 Gy
Zeman et al, Radiat. Res. 15, 496, 1961

概要
1961 Zeman et al：粒子線マイクロビームの影響
1963 Straile and Chase： X線マイクロビームによる検討
1992 Slatkin et al：放射光マイクロビーム放射線治療の提案
1995 Slatkin et al：放射光マイクロビーム放射線の正常組織(rat頭部）への照射（正常組織への影響）
1999 Laissue et al：suckling rats
2000 Schweizer (Laissue) et al ：Drosophila melanogaster2001 Dilmanian et al：duck embryos
2001 Laissue et al：piglets
2003 Zhong (Dilmanian) et al ：rat skin（制癌作用）
1998 Laissue et al：rat 9L gliosarcoma
2002 Dilmanian et al：rat 9L gliosarcoma
2003 Dilmanian et al：murine EMT-6 carcinoma
2006 Smilowitz (Laissue) et al ：rat 9L gliosarcoma
2006 Miura (Laissue) et al：murine SCCVII squamous cell carcinoma

正常組織への影響

Slatkin et al, Proc. NAS USA
92, 8783, 1995

9L Rat Gliosarcoma

625 Gy crossfired
625 Gy unidirectional
25-100 μm
312 Gy crossfired
Sham-irrad.

Laissue et al, Int. J. Cancer 78, 654, 1998

Murine EMT-6carcinoma
90-300 μm

ED50/TCP50

Dilmanian et al, Radiat. Res. 159, 632, 2003

9L Rat Gliosarcoma
腫瘍位置でのピーク線量と谷線量

ビーム幅：27 μm
Dilmanian et al, Neuro-Oncol. 4, 26, 2002

Peak-Valley:359-19 or 179-17 Gy
500 or 250 皮膚線量

Dilmanian et al, Neuro-Oncol. 4, 26, 2002

文献情報
発表年
生物影響

2006 2007 2008 2009 20102011/12計

組織反応1130229

治療効果

2032

119

治療設計‧線量計測他

12464421

概説・総説

01

10305

計

44

11810744（１）正常組織への損傷は、broad beam の場合よりも小さい（２）minibeamよりもmicrobeamのほうが効果的（３）増感剤（Ｇｄ）の併用が効果的（４）損傷の腫瘍選択性が高い（血管への作用）（５）照射法の提案

Serduc et al, PLOS ONE, 5(2), e9028, 2009
Serduc et al, J. Synchrotron
Radiat. 16, 587-590, 2009

MRT効果を決めるパラメータは？
＊ピーク線量と谷線量の関係は？
＊その作用機構は？
腫瘍血管への選択的損傷？
a. Bouchet et al, Int. J. Radiat. Oncol. Biol. Phys. 78, 1503, 2010.
b. Sabatasso et al, ibid. 80, 1522, 2011.（未成熟血管の損傷大）（cf. 正常血管の損傷を検出せず：Serduc et al, ibid. 64, 1519, 2006）＊ビーム幅、ビーム間隔の設定基準は？
＊ピーク線量の設定基準は？
＊ 治療への具体的な方法は？
短時間照射！ 10000 Gy/sec?
最適エネルギーは？