빛의 이중성과 X선 방사선 항암치료 원리

난치병 암, 3대 암 치료 요법은?

✔️ 생명과학, 의약학 기술이 급속히 발전하였음에도, '암'은 인류가 아직까지 완전히 극복하지 못한 대표적 난치병으로 꼽히고 있습니다. 특히 우리나라에서 암은 30년이 넘는 기간 동안 사망 원인 1위 자리를 지키고 있을 정도로 우리에게 큰 두려움이 되는 질병이라 할 수 있습니다.

❗️그러한 이유로, 암을 극복하기 위한 치료 요법들에 대한 연구는 끊임 없이 활발히 이루어지고 있습니다. 현대 암 치료의 3대 요법은 수술, 항암화학요법, 방사선치료이며, 현대의 첨단 기술들이 각 영역에 적용되어 인류는 암의 완전한 극복에 한 걸음씩 내딛어가고 있습니다.

1) 외과적 수술 : 수술은 가장 1차적으로 진행될 수 있는 방법으로, 특히 암의 전이가 발생하지 않은 암 초기 단계에 물리적으로 암세포들을 절제해 덜어내는 방식을 의미합니다. 외과적 수술은 그것만으로 암이 완전히 제거될 수도 있는 반면, 완전한 제거를 위해 수술 이후에 항암화학요법, 방사선 등의 다른 요법들과 병행되는 경우가 있습니다.

2) 항암화학요법 : 항암화학요법이란, 항암제를 의미하는 것으로, 경구로 혹은 주사로 인체에 주입하는 항암 약물들입니다. 항암제는 기본적으로 빠르게 분열하는 세포들을 타겟으로 하는데, 이는 조절되지 않는 증식을 특징으로하는 암세포에 효과적일 수 있습니다. 다만, 이는 암세포 뿐만 아니라 우리 정상세포들에게도 독성을 나타내어 다양한 부작용을 발생시키는 단점을 가집니다.

3) 방사선치료 : 방사선 치료는 주로 외부에서 강한 에너지의 방사선을 조사하여 암세포의 DNA를 파괴하는 방식을 의미합니다. 방사선 치료는 암세포가 특정 부위에 국소적으로 분포되어 있으나 수술이 어려운 뇌종양 등의 경우에 특히 효과적인 방식이며, 또한 수술 이후에 남은 암세포를 제거하기 위해(Adjuvant therapy), 수술 이전 절제할 암세포들을 최소화하기 위해(Neoadjuvant therapy) 혹은 암 말기에 가능한한 암세포를 감소시켜 환자의 통증, 삶의질을 개선하는 목적으로(Palliative care) 등으로 진행됩니다. 특히 방사선치료 방식에는 첨단 공학 기술들이 적용되어 토모테라피, 입체조형치료, 세기조절방사선치료(IMRT), 양성자치료 등의 보다 효과적인 현대 방사선치료 방식들이 활용되고 있습니다.

❗️ 이번 탐구에서는, 방사선 치료 중에서도, 가장 기본이 되는 X선 치료 방식에 고등 물리학의 개념, 특히 '빛의 이중성' 개념이 어떻게 적용되는지를 살펴보고, 또한 첨단 방사선치료 기술인 세기조절방사선치료 IMRT에 대해 살펴보도록 하겠습니다. 이는 추후 탐구주제인 양성자치료 그리고 Bragg peak로서 화학 과목과도 유기적으로 연계할 수 있는 주제입니다.

✔️ 물리학1을 공부하며, 물리학1의 개념이 의약학적으로 어떻게 활용되고 있는 지에 대한 궁금증을 가지게 되었다. 그 중에서도 '빛의 이중성'이라는 우리 눈으로 직접 관찰할 수 없기에 크게 와닿지 않는 다소 모호한 개념을 배우며 이러한 개념이 의약학적 활용과 어떤 관련이 있는지를 탐구하고 싶은 생각이 들었다. 특히 지난 탐구에서 전자기파(빛)의 일종인 X선이 영상의학과의 진단의 도구로 활용된다는 점에서, 그렇다면 고에너지의 X선을 치료의 목적으로 활용할 수는 없을까?하는 궁금증을 가지게 되었고 이와 관련하여 암의 3대 치료 요법 중 하나인 방사선 치료 요법에 대해 조사, 정리해보며 물리학 내용과의 관련성을 탐구해보았다.

방사선과 방사선치료

✔️ 방사선이란, 넓은 의미로서 (방출된)에너지가 어떤 물질이나 공간을 매개로 전파되는 것을 의미합니다. 이러한 방사선은 불안정한 원소의 붕괴 과정에서 발생하며, 방사선의 형태는 파동(주로 전자기파) 혹은 입자(양성자 혹은 중성자)의 형태를 나타냅니다. 즉 전자기파의 파동 형태를 나타내는 빛은 모두 방사선의 일종이라 할 수 있습니다. 방사선은 이온화 방사선(Ionizing radiation)과 비이온화 방사선(Non-ionizing radiation)으로 나누어집니다.

1) 이온화 방사선(Ionizing radiation) : 충분한 에너지를 가짐으로서, 상호작용하는 주변의 원자에 결합하고 있던 전자를 떼어 낼 수 있는 방사선을 의미합니다. 대표적으로 전자기파 중 파장이 짧고 에너지가 큰 X선, 감마선이 이온화 방사선에 속하며, 입자의 형태를 나타내는 양성자, 중성자 등 역시 이온화 방사선에 해당합니다.

2) 비이온화 방사선(Non-ionizing radiation) : 상호작용하는 주변의 원자로부터 전자를 떼어낼 정도의 충분한 에너지를 가지지 못하는 방사선으로서 대표적으로 전자기파 중 가시광선, 마이크로파, 라디오파 등이 비이온화 방사선에 해당합니다.

❗️ 두 종류의 방사선 중, 항암 방사선치료에 활용되는 것은 충분한 에너지를 가져 암세포와의 상호작용으로 암세포에 유해한 영향을 미칠 수 있는 이온화 방사선(Ionizing radiation)으로서 대표적으로 X선, 감마선, 양성자, 중성자 등이 항암 치료를 위한 방사선 요법에 활용되고 있습니다.

❗️이온화 방사선은 직접적으로 암세포의 DNA에 작용하여 높은 에너지로 DNA를 파괴할 수 있습니다. 암세포는 빠르게 분열하는 특성을 지니는데, DNA가 손상된 경우 DNA의 복제가 일어나지 못해 세포분열이 진행될 수 없으며 암세포는 세포자살(Apoptosis)을 진행하게 됩니다. 혹은 이온화 방사선에 의해 주변 분자들(ex, 주변 물분자)로 부터 방출된 자유 전자는 Free radical을 형성하며 이는 강한 반응성으로 암세포의 DNA 등과 반응해 마찬가지로 간접적으로도 암세포가 정상적으로 분열할 수 없도록 하는 항암 기전을 가지고 있습니다.

빛의 이중성? 광전효과와 콤프턴효과

✔️ 물리1 교과에서 배우는 것처럼, 여러 과학자들에 의해 전자기파 빛은 파동성과 입자성의 두가지 특성(이중성)을 가진다는 것이 밝혀져 있습니다. 하지만 그 이전에는 토마스 영의 이중 슬릿 실험등을 통해 '회절', '편광' 등의 현상들이 발견되며 빛은 파동성을 가지는 것으로 여겨져 왔는데, 이러한 기존의 견해를 뒤엎고 빛이 입자성 역시 가진다는, 즉 빛의 이중성의 근거가 된 것이 바로 아인슈타인의 광전효과와 콤프턴의 콤프턴효과입니다.

❗️광전효과와 콤프턴효과