Win-Win Tech - 실시간 중합효소 연쇄반응(PCR)을 이용한 방사선 인체피폭 측정
WIN-WIN TECH는 정부출연연구소 등 공공연구기관으로부터 듣는 최신 기술동향입니다.
한국원자력의학원 방사선의학연구소에서 ‘방사선이 인체에 미치는 영향’ 연구를 진행하면서 가장 많이 듣게 되는 질문은 “① 근무지에 방사선이 많지 않은가? ② 방사선이 많은 곳에서 일하는 것이 위험하지 않은가? ③ 방사선이 많은 곳에 있으면 암이 발생하고, 유전되지 않는가?” 등이다.
일반적인 국민의 생각으로 ‘방사선의학연구소에는 항상 방사선이 존재하기 때문에 위험하다’라는 염려가 있기 때문인 것 같다.
방사선에 대한 이러한 생각은 2011년 진도 9.0의 대지진에 후쿠시마(일본) 원자력 발전소 폭발사건으로 ‘방사능 오염’에 대한 관심이 집중되면서 더 커졌다.
이는 이웃국가에서 발생한 사고로 인해 의도치 않게 방사선 피폭이 될까봐 어느 때보다도 방사선을 두려워하는 국민의 관심 때문일 것이다.
생활 속 방사선
1) 방사선과 방사능의 차이
방사선(Radioactive Ray)은 방사능을 가진 원자에서 발생하는 빛 또는 물질에너지의 흐름이며, 방사능(Radioactivity)은 방사능 물질이 방사선을 내는 능력을 뜻한다. 방사능과 잘 혼동되는 방사능 물질은 방사능을 가지는 물질을 말한다.01
(01 알기 쉬운 방사선 영향: 잘못알고 있는 방사선 영향 이야기(2002). 한국방사선동위원소협회(KRIA))
후쿠시마 원전에서 누출된 세슘과 요오드가 방사능 물질의 예이며, 몸에 달라붙어 방사선을 계속 뿜어낼 수 있기 때문에 피폭량이 늘어 인체에 치명적일 수 있다.
방사선과 방사능은 그 의미가 다르므로 양을 표시하는 방법도 다른데, 그 중 우리 생활과 가장 밀접한 것은 인체에 얼마나 영향을 미치는지를 표시하는 시버트(Sv)이다. 예를 들어 흉부 X선 노출되는 방사선의 양은 약 0.1~0.3mSv 정도이다.
2) 자연 방사선과 인공 방사선
우리가 유럽을 비행기로 왕복여행을 해도 방사선(0.07mSv)을 받게 되는데, 이는 자연상태에서 발생하는 자연 방사선으로 인한 피폭이며, 이 피폭량은 원자력발전소 설비와 같은 인공장비에서 나오는 인공 방사선의 연간 선량 목표치(0.05mSv)보다 높은 수준이다.
또한 일반인의 연간 방사선 허용선량은 1mSv이며, 방사선 종사자의 허용선량은 20mSv이다( 그림 1 참조).
일반국민에게 노출되는 자연 방사선은 전체 방사선량의 약 85% 정도이며, 나머지는 대부분 X선 촬영 등 의료검진을 위해 노출되는 인공 방사선이다.
방사선 방호의 기준을 검토하고 있는 국제방사선방호위원회(ICRP)에서는 사람이 받는 방사선의 선량은 될 수 있는 한 적게 해두는 쪽이 보다 안전하다는 입장에서 아무리 낮은 선량이라도 그 나름대로의 영향이 있다는 가정에서 방사선 방호기준을 정하고 있다.
방사선에 대한 우리의 시각
일반적인 방사선 노출은 인체에 해가 되는 것은 사실이며, 일본 원전사고로 인해 방사선에 대한 부정적인 이미지가 더욱 깊숙이 자리잡고 있다. 그러나 방사선 또는 방사능 물질에 대해서 부정적인 시각만 가지고 볼 것은 아니다.
방사선은 암 치료에 널리 이용되는 것은 물론 각종 의료기기를 안전하고 완벽하게 멸균소독하고, 독성화학 물질의 독성을 제거하며, 식품의 장기저장, 비파괴검사(금속의 용접부 검사 등)와 생산공정의 품질관리 부분에 이용되어 의료, 화학, 농업, 공업분야 등 우리 생활 속에서 여러가지로 도움이 되고 있다는 사실은 명백하다.
우리가 방사선을 얼마나 활용하느냐는 우리가 얼마나 선진과학 및 문화생활을 누릴 수 있느냐하는 것과 직결되는 부분이고 단순히 방사선을 위험하기만 하다는 편견을 가지는 자세는 경계해야 하며 균형잡힌 시각이 필요하다.
또한 건강이나 안전에 대한 정보를 전문가 및 관련기관에서 정확하게 제공받아 스스로 자신의 건강을 체크해 보는 것도 중요하다.
방사선 인체피폭 확인방법
방사선이 각종 산업분야 뿐만 아니라 질병을 진단하고 치료하는 의료분야까지 다각적인 용도로 이용되면서 방사선 관련직업 종사자의 수도 비약적으로 증가하고 있다.
이에 따라 대량의 방사능물질 누출에 대한 위험성, 취급 부주의로 발생할 수 있는 핵반응사고에 대한 사람들의 관심이 증가되고, 지속적인 방사선 노출로 인한 관련 종사자들의 직업상 피폭가능성 등 최적화 및 정당화되지 않은 방사선 피폭이 인체에 미치는 영향에 대한 관심도 높아지고 있다.
국민의 방사선 피폭환경 변화에 능동적으로 대처하기 위해서는 위해평가의 결정지표가 되는 방사선 종사자에 대한 피폭선량 분석 및 평가가 중요하고, 피폭선량 관리는 지속적으로 되고 있다.
방사선 종사자의 피폭선량 관리는 물리학적 개인 선량계 TLD(Thermo-Luminiscence Dosimeter) 뱃지를 판독하여 피폭선량을 쉽게 알 수 있으나, 부주의로 인해 TLD 뱃지를 패용하지 않은 채 사고가 발생하거나 패용하고 있더라도 실제 피폭되는 정도를 잘 반영하지 못하는 경우가 발생할 경우 생물학적 지표를 사용하는 방법이 필요하게 된다.
또한 다수의 일반 국민이 후쿠시마원전 폭발과 같은 사고에 노출될 경우 생물학적 지표를 사용하는 방사선 피폭측정 방법은 절실히 요구된다.
국제원자력기구(IAEA)는 방사선 피폭시 피폭된 사람의 말초혈액에서 염색체의 이상판독으로 피폭선량을 측정하는 비교적 정확한 검사를 권장하고 있으나, 결과분석까지 시간이 오래 걸리고 판독자의 주관적 판단에 의해 결과에 영향을 줄 수 있으며 비용이 비싼 단점이 있다( 그림 2 참조).
또한 여러가지 혼란변수, 즉 대상자의 성별, 연령, 흡연, 음주, 약물사용, 감염여부, 다른 위해인자의 존재 등이 검사결과 오차를 발생시킬 수 있다.
이러한 단점을 보완할 수 있는 새로운 생물학적 지표를 이용한 피폭측정 방법을 지속적으로 연구하고 확립하는 것은 국가적관리 차원에서 필수적이다.
방사선 인체피폭 검사를 위한 새로운 도전 :
미토콘드리아를 이용하는 이유
미토콘드리아(Mitochondria)는 고대 그리스어 Mitos(끈)와 Chondros(낱알)의 합성어로, 겉모양이 낱알을 닮고 내부구조가 마치 끈을 말아놓은 것 같다고 하여 붙여진 이름이다.02, 03
(02 Futuyma, Douglas J. (2005). On Darwin's Shoulders. 《Natural History》 114 (9): 64–68.)
(03 Scheffler, I.E. (2001). A century of mitochondrial research: achievements and perspectives. 《Mitochondrion》 1 (1): 3–31.)
미토콘드리아는 진핵생물의 세포 안에 있는 중요한 세포 소기관으로, 기본적인 기능이 생명활동에 필요한 에너지를 만들어 내기 때문에 세포의 발전소라고 할 수 있다.
보통 미토콘드리아는 세포질의 15~50%를 차지하며, 자체적인 유전자(mitochondirial DNA: mtDNA)를 가지고 있어 스스로 복제하는 능력이 있다.
미토콘드리아의 유전자는 손상을 받을 경우 적절한 방어능력이 결핍되어 있어 효율적으로 회복하지 못하기 때문에 핵유전자보다 구조적 손상에 민감성을 보여 방사선에 대한 민감한 지표가 될 수 있다( 그림 3 참조).
방사선에 노출된 mtDNA는 공통결실(Common Deletion:CD)이라고 부르는 대규모의 유전자 결실이 발생되고, 복제시 회복되지 못하고 축적된다. 이렇게 축적된 공통결실 mtDNA는 방사선 인체피폭의 마커로 사용된다.
중합효소 연쇄반응 실험기법 이용한
방사선 인체피폭 확인
1) 실시간-PCR기법 활용
실시간 중합효소 연쇄반응(Real-Time Polymerase Chain Reaction: Real-Time PCR, Quantitative Real Time Polymerase Chain Reaction; qPCR)은 PCR의 일종이나 일반적인 PCR 방법이 갖는 문제점을 해결하여 각 PCR 단계를 측정하고자 형광물질을 이용하여 증폭반응 도중에 직접 증폭산물을 확인할 수 있으며, 매 진행상황을 측정하는 분자생물학적에서 일반적으로 사용하는 실험기법이다.04, 05, 06
(04 VanGuilder HD, Vrana KE, Freeman WM (2008). Twenty-five years of quantitative PCR for gene expression analysis. 《Biotechniques》 44 (5): 619–626.)
(05 Spackman E, Suarez DL (2008). Type A influenza virus detection and quantitation by real-time RT-PCR. 《Methods Mol Biol》 436: 19–26.)
(06 Julie Logan, Kirstin Edwards, and Nick Saunders. (2009). 《Real-Time PCR: Current Technology and Applications》. Caister Academic Press.)
실시간-PCR은 일반 PCR과 같이 2개의 Primer를 이용하는 원리는 같으나 형광물질이 화학적으로 결합되어 있는 Probe를 병행하여 사용한다는 차이점이 있으며, 증폭이 이루어지는 과정에서 PCR 반응액의 성분들이 증폭을 저해하지 않는다.
또한 Probe를 사용함으로써 비특이적 증폭을 줄이고 특정 유전자만 증폭하는 장점도 있으며 검출과 양의 측정을 할 수 있어 절대적인 복제수 또는 상대적인 양을 셀 수 있다( 그림 4 참조).
2) 일반 PCR과 실시간-PCR을 접목시킨 다중-PCR 기법
방사선에 의해 발생된 mtDNA 공통결실은 매우 적은 양이 존재하기 때문에 효과적으로 검출하는 방법에 있어서 일반적인 PCR만을 사용하는 방법에는 한계점이 존재한다.
그래서 이 한계점을 해결하기 위해 일반 PCR과 실시간-PCR을 접목시켜 새로운 다중-PCR(multiplex-PCR) 실험방법을 구축하였으며, 구축된 이 실험방법이 방사선 조사된 말초혈액 속에 따로 mtDNA를 분리하지 않고도 적은 양으로 존재하는 mtDNA 공통결실을 검출할 수 있게 되었다.07
(07 Kim EJ, Kim SY, Yun HJ, Kim CG, Jeong JW, Kim TH, Kim CH, Darroudi F, Kang CM.(2012). Detection and quantification of a radiation-associated mitochondrial DNA deletion by a nested real-time PCR in human peripheral lymphocytes. 《Mutat Res.》 749: 53-59.)
실험진행은 일반적인 PCR 반응을 따르며, 중요한 특징은 증폭된 DNA가 실시간으로 측정된다는 것이다.
① 일반 PCR을 이용하여 적은 양의 mtDNA 결손을 증폭시키고, ② 이 증폭산물 1㎕를 주형으로 하여 실시간-PCR을 수행하여 성별과 나이에 영향을 받지않는 일정한 mtDNA 공통결실 측정값을 얻을 수 있다.
이 기법은 자동검사 방법으로 해석이 쉽고 재현성이 높고, 실험이 간단하여 1일 안에 결과를 얻을 수 있으며, 현재 주로 이용되고 있는 염색체 이상 빈도측정 방법보다 비용절감의 효과뿐만 아니라 방사선 사고시 단시간에 다수의 환자 방사선 피폭을 예측할 수 있게 됨으로써 환자의 적절한 치료를 결정하고 예후를 판단할 수 있는 기법으로 적용가능성을 보여준다.
또한 직업상 방사선에 장기간 노출되는 방사선 종사자에 대한 건강검진과 평가를 통하여 평생관리를 할 수 있는 관리체계 구축에도 적용가능하다.