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教 育 講 座 ―放射線技術学を用いた先端生命科学研究―

15．放射線被ばく有害事象に対するバイオマーカの探索研究
弘前大学大学院保健学研究科放射線技術科学領域
一般財団法人脳神経疾患研究所附属総合南東北病院診療技術部診療放射線科
3
弘前大学大学院保健学研究科生体検査科学領域
4
むつ総合病院放射線科
1
2

門前緒暁

1

上野達也

言

2

千葉

満

3

真里谷靖

4

射線療法が実現できるだろう．

国内における電離放射線(以下，放射線)を利用する

本稿では，生体試料を用いて放射線被ばくの程度を施 設 の 放 射 線 管 理 方 法 は，国 際 放 射 線 防 護 委 員 会

推定するためのバイオマーカ，いわゆる放射線生物学(International Commission on Radiological Protection:的線量評価(radiation biodosimetry)を紹介しつつ，筆ICRP)の勧告に基づき，関係法令に取り入れられてい者らが現在取り組んでいる新たな放射線被ばく有害事る．放射線は，医療のほか，食品，工業，土木業など，

象バイオマーカ探索研究の一部を紹介する．

実に多領域において有益なソースとして利用されているが，人体に対しては，線質ごとに一定量以上曝され1．放射線被ばくによる細胞の応答とバイオマーカると有害である．医療の場であれば，術者が業務上受基本的な放射線生物応答について確認する．放射線ける被ばく(職業被ばく)と被検者やその家族・介助者が(哺乳類)細胞に照射されると，その線質，線量率おが受ける被ばく(医療被ばく)に分類され，それぞれのよび線量に基づき，細胞内または近傍で物質との相互被ばくによる利益が不利益を上回るよう放射線防護の作用(励起，電離)を起こし，細胞成分がそれらの影響3 原則(行為の正当化，防護の最適化，線量限度)に基を受け，細胞が損傷する．しかし本来細胞が有する解づく安全管理がなされている．

毒作用または修復作用が働き，損傷した細胞は正常な医療被ばくには，一般撮影・透視撮影・X 線 com-細胞へ回復しようと努力するが，回復能力を超える損

puted tomography(CT)撮影や核医学診断といった診傷を受けた細胞は排除される(アポトーシス誘導な断領域によるものと，radioisotope(RI)内用療法や放ど)．放射線療法はこの細胞死誘導をがん細胞に応用

射線外照射療法といった治療領域によるものに大別さしたものである．細胞はまた，恒常性を維持するためれる．治療領域では，標的部位へ生物学的に損傷を与に，低分子から高分子に至る伝達物質を周辺細胞と交えることが目的であるため，診断領域に比べ照射線量換する細胞間コミュニケーションを行う特徴をもつは圧倒的に大きい．放射線療法は，体外照射であればが，この機能の全容は未だ不明である

三次元的な制御によって標的部位へ物理線量を照射す

細胞が放射線に曝された際に，その細胞から放出されるが，標的の周辺臓器(リスク臓器)は時に炎症を起こる伝達物質や代謝物質が乱れることを被ばくマウスモすなど有害事象を発生させる可能性を有する．また，デルの血中で確認しているが，この点についても多く臓器親和性を利用したRaCl などによる RI 内が未解明のままである．もし細胞応答や特異物質の変用療法においても，時に重大な副作用(嘔吐，骨髄抑制化に一定の規則性があれば，これらは biodosimetryや下痢など)が生じる．これら有害事象を事前に予測というバイオマーカの一つとして意義が見出せる．

131

Iや223

1, 2)

．筆者らは，する決定的ツールは存在しないため，発症時には状況に応じて治療を休止あるいは中止し，回復を促す処置を実施する．また，リアルタイムに細胞レベルの放射

2．不慮の放射線被ばくを医療対応するための biodosimetry

線生物学的応答を確認する決定的な方法も未だ存在せ

放射線被ばくによる有害事象のほとんどは「急性放ず，生体試料を利用したバイオマーカ基礎研究は世界射線障害」として知られ，前駆期・潜伏期・発症期・中の研究者が取り組んでいる状況にある．もし有害事回復期に分類できる(Fig. 1) ．急性放射線障害は，各象の発生が予測できれば，患者個別に最適化された放臓器・組織がもつ幹細胞が損傷し，枯渇あるいは分裂

3)

日本放射線技術学会雑誌

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Fig. 1

急性放射線障害発症までの各病期と biodosimetry の必要性(文献 3 より引用改変，日本原子力学会より許諾取得済)

aFig. 2b

Andrews Lymphocyte Nomogram(a)および gold standard とされている DCA biodosimetry(b)．(文献 4 および文献 5 より引用，with permission from IAEA)ができなくなった場合，分化による組織への細胞供給

DCA は高精度な線量評価が可能なうえ，広い線量レが抑制・停止することにより，そのターンオーバーにンジを有する gold standard として認知されている依存して発症期へと移行するとされている．このた(Fig. 2b) ．このほか DNA 損傷頻度や末梢血血漿/血め，被ばく後に正常組織を防護するためには，その組清に含まれる成分，爪や歯を用いた電子常磁性共鳴法

織幹細胞の回復が見込めるできるだけ早期の医療対応(EPR)も研究段階にあり，さまざまな角度からの bio-が必要となり，その早期対応に biodosimetry が有用

dosimetry が検証されているなツールとされる．

7)

8～11)

．

物理線量評価と異なる biodosimetry の特徴の一つ

細胞遺伝学的 biodosimetry 技術は 1960 年代中盤頃

は，個人ごとの放射線感受性を含めた直接評価だといか ら 始 ま っ た と さ れ，血 球 減 少 を 指 標 と す る

うことであり，重要な線量評価ツールといえる．またʠAndrews Lymphocyte Nomogramʡという線量に応国際原子力機関(IAEA)は biodosimetry について，物じてリンパ球減少割合が時間軸で異なることを利用し理評価による個人線量計と並び，原子力災害や放射線た方法があった(Fig. 2a) ．その後，細胞遺伝学的な事故といった不慮の被ばく事象に対し，急性放射線障

biodosimetry は研究が積み重ねられ，末梢血リンパ球害に対する医療トリアージとして積極的に利用するよを 用 い た premature chromosome condensation

う推奨している ．

4)12)(PCC)，dicentric chromosome assay(DCA)，fluorescent in situ hybridization (FISH)，cytokinesis-block
micronucleus(CBMN)などの評価技術が国際標準化のマニュアルとされ現在に至る(Table)

5, 6)Vol. 75 No. 5 May 2019

．とりわけ

3．Biodosimetry の課題と新たなバイオマーカの探索
Biodosimetry の国際標準化マニュアルは，前セク

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Table

線量評価のための細胞遺伝学的変異アッセイの比較
細胞遺伝学的変異アッセイ
PCC

DCA

FISH

CBMN
・微小核陽性細胞・核質間ブリッジ

Biodosimetry の対象となる変異・染 色 体 断 片 の 過 ・二動原体染色体
剰；二動原体染色(および環状染色体)
体と環状染色体・転座・二動原体染色体(および環状染色体)・転座

放射線被ばくの対象となるシナリオ

・直後～数日・直後～数日・直 後 ～ だ い ぶ 経 ・直後～数日過した被ばく

光子線による全身への急性被ばく線量でのレンジ(Gy)0.2–20

0.1–5

0.25–4局所被ばくでの有用性○○××

トリアージとしての線量評価

○○×

○

0.3–4

ションで紹介した高精度な定量が可能な DCA を中心昇がみられることが明らかとなった(Fig. 3b，クレアに進められているものの，これらの手法には末梢血リチニン量により濃度補正を実施した)．またその尿中ンパ球の培養が必要なうえ，その培養期間と解析には応答は 72 時間以内にて検出可能であった．

数日の時間を要するため，迅速性に課題がある．そのまたこのほかの尿中バイオマーカとして，組織細胞ため新たなバイオマーカの探索が必要とされる(Fig.

内への酸化ストレスを受けた際にタンパクおよび核酸1)．また，放射線療法分野において，正確に物理線量代謝にて誘導される脂質酸化代謝物である malondial-を付与しても，リスク臓器における有害事象が強く発dehyde(MDA)についても検証したので紹介する ．

現する患者もいれば，ほとんどみられない場合もあMDA は個体生物が摂取した多価不飽和脂肪酸(poly-る．このような迅速性と生物学的な応答性の両方を備

unsaturated fatty acid: PUFA)を由来としており，生えるバイオマーカがあれば，医療トリアージにも利用

体内における酸化的代謝の影響を受け，尿中に排泄さ可能であり，更には放射線療法の最適化に応用可能とれると考えられている．同様に高線量率被ばくマウス考える．こうした夢のバイオマーカを見つけるため，モデルを用いて検証したところ，尿中 MDA は致死線

筆者らは尿中および血液中に含まれる成分を対象とし量被ばくにて 48 時間以内で有意な濃度上昇が確認さた基礎研究にて可能性を見出したので紹介する．

れた(Fig. 4)．

14)以上の 2 種類の代謝成分はいずれも技術的に最短 33-1

尿中に含まれる放射線被ばくマーカ

尿は，老廃物を体外に排泄する，あるいは体内浸透時間以内の測定が可能であり，致死線量被ばくの判定には有用であると考える．

圧を調節する働きをもつ腎臓から産生される物質で，腎糸球体でろ過され体内の代謝物を多分に含む．その3-2血液中に含まれる放射線被ばくバイオマーカ

中でも比較的安定性が高く，細胞の核酸の酸化損傷を血液中に含まれる RNA 成分のうち，micro RNA指標とする 8-hydroxy-2ʼ-deoxyguanosine (8-OHdG)に(miRNA)について，近年放射線応答性があることを着目した ．この 8-OHdG は DNA 中のグアニン塩基示唆する報告が散見されている．筆者らは放射線被ばが酸化損傷を受け，8 位の炭素が酸化されることで産くマウスモデルを用いて被ばくマーカの可能性を探索生される．毒性を有する 8-OHdG は，体内では速やかしたところ，血清中に放射線に複数応答する miRNAに血中から尿中へと排泄される．これまでにさまざまを発見した．そのうち膵臓や腸管などで高発現するな酸化ストレスに対するマーカとして知られていたも

miR-375-3p が特に致死線量を被ばくした際血清に高のの，急性放射線障害発症レベルとの関連性について濃度で検出されることがわかったの詳細は未だ報告が少なかった．筆者らは個体マウス

その miRNA は血清中に含まれる細胞外小胞において(C57BL/6N，8 週齢，雄)を用いて高線量率被ばく後も検出されることを確認した．

13)

15, 16)(Fig. 5)．更にの尿中測定を実施したところ(1 Gy/min，X 線，150
kV，20 mA，0.5 mmAl+0.3 mmCu)，線量の増大とと3-3

大腸がん治療を目的とした被ばくバイオマーカ

もに強い骨髄抑制が観察され(Fig. 3a)，尿中 8-OHdG

筆者らはがん細胞においても同様に放射線に応答すはマウス致死線量である 7 Gy 以上にて有意な濃度上るバイオマーカが存在しないかを確認する実験を大腸

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Fig. 3

Validation of radiation induced bone marrow failure under radiation exposure and response of 8-OHdG conc. in micemodel.
In 72 h after exposed X-irradiation, bone marrow cells from both femurs and urine were collected, and quantified anumber of cells (a) and concentration of urinal 8-OHdG (b). #P<0.05 vs. unexposed cells, and *P<0.05 vs. unexposedurine by Mann-Whitney U-test. (referenced by No.13．日本サイトメトリー学会より許諾取得済)

Fig. 4ab

Radiation response of urinal MDA production.
Data are presented as the mean±standard error of the mean of 3–5 urine
samples. *P<0.05 vs. unexposed urine of day 1, #P<0.05 vs. unexposedurine of day 2. (referenced by No.14．日本臨床検査医学会より許諾取得済)

がん細胞株 HCT-116 細胞にて検証した．この実験では，細胞外に放出される miRNA に注目したところ，4．今後の放射線診療および被ばく医療への課題と期
待X 線 2 Gy 照射後において miR-3605-5p，miR-516a-5p，放射線被ばくに対する biodosimetry 技術は，まだmiR-765 の 3 因子が非照射条件に比べ 2 倍以上発現上まだ発展の可能性を秘めており，筆者らもまた，日々昇した(Fig. 6)．更に最も変動の大きかった miR-研究活動に取り組み，新たな知見を得る度にその科学765 は，大腸がんに対する術前化学放射線併用療法に的根拠の追跡に取り組むことを繰り返している．放射おける状態翼マーカとしての報告があり，とりわけ放線被ばく事象から生体内の代謝産物が血清や尿中にお射線に応答性がある因子の一つとして，今後更なる検いて検出されるまでにさまざまな修飾を受けるため，証に期待が高まる．

その実態の全容を把握することは容易ではなく，更な17, 18)る基礎研究を進めることが必要である．筆者らの取りVol. 75 No. 5 May 2019

484abcFig. 5

miR-375-3p expression in serum of mice exposed to 7 Gy X-irradition.
The expression in whole serum (a) and in extracellular vesicles derived fromserum (b) of mice was measured by RT-qPCR (each n=5−7). The expression of
miR-375-3p of 18 organs/tissues was also quantitated (c) . Statisticalsignificance was examined by Student’s t-test (*P£0.05, **P£0.01 vs 0 Gy).
(referenced by No.14–15．日本臨床検査医学会より許諾取得済)

Fig. 6

Quantitative analysis of miR-3605-5p, miR-516a-5p and miR-765 expression
in the HCT116 cell culture supernatant.
Each miRNAs were collected after 72 h exposed to 2 Gy X-irradiation, andquantified by miRNA microarray system (SureScan, Agilent Technologies).
Data are presented as the mean±standard error of the mean of 3 separate
experiments. *P<0.05 and **P<0.01 vs. unexposed cell by Student’s t-test.

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組む研究活動で明確にいえることは，正常組織と腫瘍細胞の双方で放射線応答因子は存在し，その応答には一定の規則性があるということである．緊急時放射線被ばく分野のほか，医用放射線分野における被ばくバイオマーカの技術発展のため(Fig. 7)，是非この分野に興味・関心が集まり，多くの研究者に取り組んでいただければと思う．

Fig. 7

Schematic diagram of microenvironment incancer tissue under radiotherapy.

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