Ⅰ. 서 론

인체는 다양한 조직과 기관으로 이루어져 있으며, 기관은 모양과 크기가 다른 세포들로 이루어져 있다. 세포는 세포 벽, 세포질, 핵으로 구성되어 있으며, 핵은 DNA 복제와 전 사를 통해 기능을 조절하는 등 세포에서 가장 중요한 역할 을 한다[1-2]. 일반적인 세포와 핵의 모양은 구형과 타원형 으로 되어 있지만, 암세포는 다양한 크기와 모양을 가진다 [3]. 사람의 전형적인 세포의 크기는 6 ∼ 20 μm, 핵의 크 기는 4 ∼ 18 μm 정도이다[4]. 방사선을 이용한 암 치료에 있어 핵은 전리방사선의 표적이며, 암세포 내 핵의 DNA의 손상을 통해 암세포를 사멸시킨다. 이러한 방사선치료의 목 표는 정상 세포에는 방사선량을 최소화하면서 종양세포에 는 최대한의 방사선량을 조사하는 것이다[5]. 그 중 표적 방 사성 핵종 치료(targeted radionuclide therapy; TRT)는 표적 종양세포에 적합한 방사성 의약품을 사용하여 치료하 는 방법이다[6]. 방사성 의약품 치료는 사용할 방사성 핵종 의 종류, 표적기관, 투여 방법 등의 다양한 요소를 고려하여 치료계획을 수립해야 한다[7].

기존 표적 방사성 핵종 치료에는 일반적으로 ¹³¹I(Iodine), ⁹⁰Y(Yttrium) 등의 핵종이 이용되었으며, 현재에도 베타선 을 방출하는 핵종들이 주를 이루고 있다[4,6]. 베타선은 불 안정한 원자핵에서 방출되는 고속 전자의 흐름으로 최대 에 너지(E_max)를 기준으로 연속적인 에너지 분포를 나타내며, 광자선을 이용한 외부방사선치료(External beam radiation therapy, EBRT)에 비해 비정이 짧고, 짧은 거리 내 많은 에 너지를 전달하는 특성을 가진다[8.9]. 베타선을 이용한 표 적 방사성 핵종 치료에 있어서 종양세포 내 도달하는 흡수 선량은 매우 중요한 요소이다[10]. 이러한 흡수선량을 평가 하기 위해서는 선원 영역(source region)과 표적 영역 (target region)에 대한 구분된 평가가 필요하다. 선원 영역 은 방사성 핵종이 방출되는 공간 영역이며, 표적 영역은 선 원 영역에서 발생 된 방사선 에너지가 흡수되는 공간적인 영역을 의미한다. 따라서 표적 방사성 핵종 치료 시 흡수선 량 평가의 목적에 따라 표적 영역은 설정될 수 있다[11]. 과 거 방사성 핵종을 이용한 흡수선량 평가는 의료 내부 방사 선량 위원회(Committee on Medical Internal Radiation Dose, MIRD)에서 제시된 수식에 의해 분석된 흡수선량 수치를 기준으로 제시되었다[12]. 또한, 방사선에 의한 흡수 선량을 평가하는 방법은 크게 인체 모형(body phantom) 을 이용한 측정과 몬테카를로 방법을 통한 계산 모델 (computational model)을 이용하는 평가 방법이 있다. 인 체 모형 평가법은 인체 모형 내 선원 영역에서의 방사성 물 질을 측정한 다음 표적 영역에 계측기를 설치하여 방사선 흡수량을 평가하는 방법으로서, 측정 당시 환경이나 검출기 의 종류에 따른 오차가 발생할 수 있다. 그에 반해 몬테카를 로 방법을 통한 계산 모델은 방사선과 물질과의 상호작용 시 나타나는 통계적 특성(Statistical properties)을 효과적 으로 모사할 수 있는 방법으로 제시되고 있다[13].

이에 본 연구에서는 몬테카를로 방법을 이용하여 표적 방 사성 핵종 치료에 사용되는 치료용 방사성동위원소의 종류 에 따라 세포 수준에서의 흡수선량을 평가하고 이를 분석하 고자 한다.

Ⅱ. 대상 및 방법

1. 실험 재료

1) 표적 방사성핵종 치료에 사용되는 방사성동위원소

본 연구는 국제방사선방호위원회(International Commission on Radiological Protection, ICRP) 간행물 140에서 제시 하고 있는 치료용 방사성동위원소 중 베타선을 방출하는 핵 종을 대상으로 하였으며[7], 핵종에 대한 물리적 특성은 Table 1과 같다. Table 1에 제시된 방사성동위원소에서 방 출되는 베타선 에너지와 방출 수율을 고려하여 방사선원에 대해 모사하였다.

2) 몬테카를로 방법을 이용한 단일 세포에 대한 구성

몬테카를로 방법은 통계적인 문제를 난수를 이용한 무 작위적 표본 추출을 통해 전체 시행 횟수와 해당 조건을 만족하는 방정식, 함수, 적분의 해를 찾는 통계적인 계산 알고리즘이다. 본 연구에서는 로스알라무스 국립연구소 (Los Alamos National Laboratory, LANL)에서 개발한 MCNPX (Monte Carlo N—Particle eXtended, Ver 2.5.0, USA) 프로그램을 사용하였으며[14], 표적 방사성 핵종 치 료 시 세포 수준에서의 흡수선량 평가를 위해 단일 세포는 전체 직경 5 μm, 10 μm 두 가지의 구 형태로 구성하였다. 세포 내 중앙에는 직경 이 다른 구를 이용하여 세포핵, 세포 질, 세포 표면을 Fig. 1과 같이 구성하였으며, 방사선에 의 한 상호작용 계산이 끝나는 지점(Void)을 구분하기 위하여 반지름 0.01 cm의 구를 구성하였습니다. 세포 내부 구성은 세포핵과 세포질로 분리하였으며 구성은 2020년 연구[12] 를 바탕으로 물(H₂O, ρ=1 g/cm³)을 기준으로 하였으며, 세포질 외부 세포 표면은 지질 성분(CH₂, ρ=0.92 g/cm³) 으로 모사하였다.

2. 실험방법

1) 방사성동위원소의 에너지에 따른 비정

베타선은 연속적인 에너지 분포를 나타내는 특성상 방사 성 핵종에서 방출되는 베타선 에너지에 따라 세포 내 비정 이 달라지게 된다. 본 연구는 치료용 방사성동위원소에서 방출되는 에너지에 따른 세포 내 베타선의 입자 거동 및 형 태를 평가하고자 이론적인 계산식(1,2)을 통해 베타선의 비 정을 산정하였다[15].

이때. R은 베타선의 비정, E_max는 베타선의 최대 에너지 이다.

2) 방사성동위원소의 종류에 따른 세포 내 자가선량 평가

본 연구는 표적 방사성 핵종 치료 시 사용되는 베타선 방 출 핵종을 대상으로 몬테카를로 전산모사를 이용하여 수행 하고자 하였다. Fig. 2와 같이 모사한 단일 세포 직경 5 μm, 10 μm의 세포를 기준으로 방사성동위원소가 존재하는 공간 인 선원 영역을 세포핵으로 지정한 후 표적 영역을 세포핵, 세포질, 세포 표면으로 설정하였다. 세포 구획에 따른 평균 에너지를 구하기 위하여 tally specification card는 F6 tally를 이용하여 각각의 영역 내 도달하는 단위 질량당 축 척된 에너지 분포 (MeV/g)를 획득하였다. 획득한 에너지 분포에 대해 각 영역별 흡수선량(μGy/particle)으로 환산하 였으며, 세포핵 내 존재하는 치료용 방사성동위원소 종류에 따른 흡수선량에 대해 분석하였다. 모의실험에 대한 반복횟 수(nps)는 10⁸번 이상 수행하였으며, 결과에 대한 통계적 불 확도(uncertainty)는 3% 이내로 신뢰성을 확보하였다.

Ⅲ. 결 과

1. 방사성동위원소의 최대 에너지에 따른 베타선 비정 평가

방사성동위원소에서 방출되는 베타선의 최대 에너지에 따른 비정을 산정한 결과는 Table 2와 같다. ¹⁸⁸Re 선원에서 1.016 g/cm²로 가장 높은 비정을 보였고, ¹⁷⁷Lu에서 0.155 g/cm²로 가장 낮은 비정을 나타내었다.

2. 세포 내 자가선량 분석

1) 세포 직경 5 μm에 따른 세포 자가선량(self-dose) 분석

세포 직경에 따른 세포 자가선량을 분석하고자 직경 5 μm 세포 내 핵에서 방출되는 베타선에 의한 자가선량을 평가하 였다. 자가선량을 평가 결과, Table 3과 같이 평가한 베타선 방출 핵종 중 ¹⁷⁷Lu의 자가선량이 세포표면 4.99 μGy/particle, 세포질 7.38 μGy/particle, 세포핵 0.18 μGy/particle로 가 장 높은 선량을 보였다. 그에 반해 ¹⁸⁸Re의 경우, 세포표면 3.74 uGy/particle, 세포질 5.82 uGy/particle, 세포핵 0.16 Gy/particle으로 가장 낮게 나타났다. 그 외 방사성 핵종의 경우, ¹³¹I, ¹⁵³Sm, ¹⁹⁸Au, ⁸⁹Sr, ³²P의 순서로 자가선량이 점 차 낮아지는 경향을 보였다.

2) 세포 직경 10 μm에 따른 세포 자가선량(self-dose) 분석

10 μm 세포 내 핵에서 방출되는 베타선에 의한 자가 선량 을 측정한 결과, Table 4와 같이 직경 5 μm 세포 내 핵을 기준으로 측정한 결과와 유사한 경향을 나타냈다. ¹⁷⁷Lu의 자가 선량이 세포표면 1.17 uGy/particle, 세포질 2.29 uGy/particle, 세포핵 0.19 μGy/particle으로 가장 높은 선량을 보였고, ¹⁸⁸Re의 경우, 세포표면 0.87 uGy/particle, 세포질 1.82 uGy/particle, 세포핵 0.16 μGy/particle으 로 가장 낮게 나타났다. 그 외 방사성 핵종의 경우, ¹³¹I, ¹⁵³Sm, ¹⁹⁸Au, ⁸⁹Sr, ³²P의 순서로 자가선량이 낮아지는 경향 을 보였다.

Ⅳ. 고 찰

표적 방사성 핵종 치료는 기타 외부방사선치료(EBRT)에 비해 정상조직의 손상이 낮은 장점 때문에 과거부터 현재까 지 이용되고 있는 치료 방법이다[16]. 표적 방사성 핵종 치 료 시 표적 장기의 선량을 최대화하고 정상조직의 선량을 최소화하기 위해서는 사용하는 방사성 핵종의 종류에 따른 세포 자가선량에 대해 평가하는 것이 중요하다. 이에 본 연 구에서는 몬테카를로 전산모사를 이용하여 치료용 방사성 동위원소의 종류에 따른 단일 세포의 자가선량을 분석하고 자 하였다.

몬테카를로 전산모사를 사용하여서 방사성 핵종의 종류 에 따른 자가선량 분석을 통해 ¹⁷⁷Lu이 가장 높은 선량 분포 를 나타내었으며, 그 외 방사성 핵종은 ¹³¹I, ¹⁵³Sm, ¹⁹⁸Au, ⁸⁹Sr, ³²P, ¹⁸⁸Re 순서대로 낮아지는 경향을 보였다. 이는 방 사성 핵종의 종류에 따라 방출되는 베타선의 비정에 반비례 하여 선량이 높게 나타난 것으로 분석된다.

본 연구 결과는 2020년 Ebrahim Kouhkan의 연구에서 제시한 것과 유사한 결과를 나타내었으며, 표적 방사성 핵 종의 에너지에 따른 베타선의 비정이 세포의 자가선량을 결 정하는 중요한 요소일 것으로 사료된다[1].

표적 방사성 핵종 치료 시 실제 측정 방법을 통한 세포 선 량을 평가하기에는 현실적으로 불가능하다. 그에 반해 몬테 카를로 전산모사의 경우, 이상적인 컴퓨터 가상공간에서의 세포 단위 수준 입자 거동 및 선량 평가에 유용한 방법으로 제시되고 있다[17].

본 연구 몬테카를로 전산모사를 통해 표적 방사성 핵종의 종류에 따른 세포 자가선량을 분석하였다. 이를 통해 표적 방사성 핵종 치료 시 세포 선량에 대한 참고자료로서 활용 가능하다. 향후 본 연구를 바탕으로 추후 연구에서는 세포 를 구성하는 세포 소기관의 크기 변화에 따른 선량 분석과 다중 세포에서의 자가선량 및 교차 선량에 대한 선량 분석 이 필요할 것으로 사료된다.

Ⅴ. 결 론

본 연구는 몬테카를로 전산모사를 이용하여 표적 방사성 핵종 치료에 사용되는 치료용 방사성동위원소에 따른 세포 내 자가선량을 분석하였다. 세포 내 자가선량 분포는 세포 질, 세포 표면, 세포핵 순으로 점차 감소되었으며, 방사성 핵종 중 베타선 비정이 가장 짧은 ¹⁷⁷Lu 선원에서 가장 높은 자가선량을 나타낸다는 것을 확인하였다. 이에 따라 표적 방사성핵종 치료 시 암세포 내 높은 흡수선량 전달을 위해 서는 방사성 핵종의 비정을 고려한 핵종의 선택이 필요할 것으로 사료된다.