에너지선은 직접 작용 혹은 간접 작용을 통해 생체 내 분자에 영향을 끼친다. 특히, 입자 가속기에서 생성된 이온빔은 에너지가 매우 크며, 조사 위치와 심도의 조절이 가능하다. 이러한 이온빔에 의한 \( \mathrm{DBS} \) 손상은 복구가 어렵기 때문에 세포의 사멸이나 돌연변이 발생 가능성이 높다.
<h1>이온빔의 특성</h1> <p>일반적으로 에너지선은 표적 분자에 직접 손상을 주거나 (직접 작용), 세포 내의 물을 전리시켜 이로부터 발생한 라디칼에 의한 간접 작용을 통해 생체 내 분자에 영향을 미친다. 감마선이나 엑스선과 같은 일반적인 방사선은 주로 간접작용에 의해 생체분자에 작용하지만, 이온빔은 직접작용의 역할이 대부분을 차지하는 것으로 알려지고 있다. 방사선의 세포 내 표적 물질로서 가장 중요한 것은 DNA로서, 단일 가닥 절단(single strand break, SSB), 이중 가닥 절단 (double strand break, DBS), 염기의 손상 혹은 손실, 그리고 분자내/분자간 가교 형성 등의 손상을 유발할 수 있으며, 특히 밀집된 손상(clustered damage)이 중요하게 여겨지고 있다. 이 중에서 사실상 복구가 불가능하여 세포 사멸을 유도하는 가장 중요한 손상은 DSB로서, 방사선 치료과정에서 암세포를 죽이는 주된 메커니즘이 된다. 하지만, 물질이 같은 정도의 선량(dose)을 흡수했다 하더라도 방사선의 종류가 다르면 작용이나 효율이 달라지는데, 이와 같이 비적을 따라 일어나는 전리 및 여기의 분포상태를 선형 에너지전달(LET, linear energy transfer)로 나타낸다. 저 LET 방사선으로 대표적인 것은 엑스선과 감마선이며, 알파선, 중성자, 중입자 등은 고 LET 방사선으로 분류된다. 일반적으로 양성자빔은 저 LET 방사선으로 간주되지만 생체분자에 대한 영향력은 매우 큰 것으로 알려져 있다.</p> <p>입자 가속기에서 발생되는 이온빔은 다른 방사선과는 달리 물질에 가하는 에너지가 대단히 크고 조사의 위치와 심도의 조절이 가능하다는 장점이 있다. 엑스선은 조직에 침투하는 즉시 대부분의 에너지를 전달하지만, 이온빔은 시료에 침투하였을 때 속도가 느려지고 궤도 전자와 상호작용이 증가하면서 최종적으로 양성자가 멈추는 지점에서 최대의 에너지를 주변에 전달하는 Bragg peak 특성을 보인다(Fig. 2). 따라서 선량의 집중화가 가능하므로 주변 조직의 파괴를 최소화하면서 생체 조직 내의 특정 위치를 선택적으로 타격할 수 있다. 이러한 특성으로 인하여 이온빔의 일종인 양성자빔에 의한 암 치료가 우리나라를 비롯하여 전 세계적으로 확대되고 있으며, 탄소를 포함한 중이온 가속기 또한 치료용으로 쓰이고 있다.</p> <p>최근에는 전산학적 모사에 의해 이온빔 또는 이온화 방사선이 세포를 타격할 때 DNA에 나타나는 손상의 정도를 strand break의 수치로서 예측하는 것이 가능할 정도가 되었다. 그러나 이 방법으로는 아직 염기의 손실 및 손상 정도를 예측하기는 어려운 것이 현실이다. Hada와 Sutherland 는 순수 분리한 T7 DNA(40-kb)를 여러 종류의 방사선으로 조사한 뒤 DNA 손상에 특이적으로 반응하는 효소를 이용하여 DNA의 절단 및 염기의 손실 정도를 조사한 결과 LET가 증가할수록 손상 정도 역시 증가하였으며, 엑스선과 같은 전자기파 방사선에 비해 입자 방사선의 경우 염기의 탈락이나 손상보다 DBS의 비율이 더 높음을 보고하였다. \( \mathrm{DBS} \) 의 경우는 복구되기가 대단히 어려우므로, 세포의 사멸이나 돌연변이 발생으로 이어지는 비율이 더 높은 것으로 알려지고 있다.</p>