2 010. 8・9
Vol. 53
第53巻 第8・9号
特 集
NIRS International Symposium on
Radiation Life Sciences
放射線生命科学 関
●
宇宙開発飛行
●
月面 放射線環境
●
放射線量評価 MATROSHKA実験
●
LET 依存
炭素線 腫瘍
照射
照射−
走査
●
放射線治療
最適化
●
非標的哺乳類細胞
●
細胞内
内
応答
質
伝達経路
ADP-
●
DNA-
●
X線
重
照射後 DNA二本鎖切断
異質染色質 損傷 複雑
検討
●
解説：放射線生命科学 関
重粒子線使用 検討
不安定性
分子
化放射線
●
−拡大
組織
放医研国際
化反応 役割
損傷 遺伝毒性 修復
修復：
放医研国際
低線量粒子線 作用
ISSN 0441 - 2540
2010. 8・9
Vol. 53
第53巻 第8・9号
特集／放射線生命科学 関
放医研国際
NIRS International Symposium on Radiation Life Sciences
06
Preface
68
巻頭言
Radiation dose assessment in space missions
The MATROSHKA Experiment
宇宙開発飛行
放射線量評価 MATROSHKA実験
Guenther Reitz on behalf of the MATROSHKA Team
German Aerospace Center, Aerospace Medicine,
Radiation Biology, Koeln, Germany
ギュンター ライツ MATROSHKAチーム代表
ドイツ航空宇宙センター 航空宇宙医学部門 放射線生物学部
28
69
Radiation Environment on the Moon
月面 放射線環境
34
35
How to irradiate target volume with carbon beams
using passive and scanning irradiation systems.
炭素線 腫瘍
72
照射
▲
平成 22 年 6月11日
（ 金）〜12日
（土）
、放射線生命科学に関する
「 放医研国際シンポジウム」が所内の重粒子治療推進棟大会議室に於いて開催されました。
写真はシンポジウム 2日目の講演会場の様子ですが、最終講演までほぼ満席になるなど終始活溌な討議があり、またテレビ取材も受け、盛会の内に終了しました
Role of Poly(ADP-ribosylation) Reaction in
Response to Ionizing Radiation
化放射線
応答
ADP-
化反応 役割
Genotoxic Effects and Repair of DNA-Protein
Crosslink Damage
DNA-
質
損傷 遺伝毒性 修復
Hiroshi Ide
Department of Mathematical and Life Sciences
Graduate School of Science, Hiroshima University
井出 博 広島大学 大学院理学研究科 数理分子生命理学専攻
Optimal use of light ions for radiation therapy
Examination of DNA double strand break induction and
repair following exposure to X-rays and heavy ions; the
influence of heterochromatin and damage complexity.
放射線治療
最適化
重粒子線使用 検討
75
Genomic Instability In Non-Targeted
Mammalian Cells
非標的哺乳類細胞
不安定性
Effects of Low Doses of Energetic Particles
in Cells and a Tissue Model
細胞内
組織
内
低線量粒子線 作用
Kathryn D. Held1, Sarah Lumpkins1,2,
Nicole Magpayo1 and Hongying Yang1
1）Department of Radiation Oncology, Massachusetts General Hospital/
Harvard Medical School, Boston, MA, USA
2）Harvard-MIT Division of Health Sciences and Technology,
Cambridge, MA, USA
キャスリン D. ヘルド1、サラ ラムキンス1,2、ニコル マグパーヨ1、ホンギング ヤン1
1）マサチューセッツ総合病院 放射線腫瘍学部/
ボストン マサチューセッツ州 ハーバードメディカルスクール
2）ハーバード大学MIT, 健康科学とテクノロジー, マサチューセッツ州 ケンブリッジ
X線
重
照射後 DNA二本鎖切断
異質染色質 損傷 複雑
検討
修復：
Penelope A. Jeggo1, Angela Noon, N1,2, Nakako Nakajima2, Aaron A. Goodarzi1,
Atsushi Shibata1, Markus Lobrich3 and Ryuichi Okayasu2.
1）Genome Damage and Stability Centre, University of Sussex, Brighton.
2）National Institute of Radiological Sciences, Chiba, Japan
3）University of Technology, Radiation Biology and DNA Repair,
64287 Darmstadt, Germany Darmstadt
ペネロープ A ジェゴ1、アンジェラ ヌーン, N1,2、中島 菜花子2、
アーロンA. グッダルジー1、柴田 淳史1、マーカス ロブリッチ3 、 岡安 隆一2.
1) サセックス大学, ゲノム損害・安定性研究センター
2) 放射線医学総合研究所
3) ドイツ, 工業大学, 放射線生物学・DNA修復部門
Tom K. Hei
Center for Radiological Research, Department of
Radiation Oncology, Columbia University, New York, NY
トム K ヘイ コロンビア大学 放射線研究センター 放射線腫瘍学部
63
伝達経路
−拡大
走査
照射−
Tatsuaki Kanai
Heavy Ion medical research Center, Gunma University
金井 達明 群馬大学 重粒子線医学研究センター
Anders Brahme
Department of Medical Radiation Physics Karolinska Institutet
Box 260 SE-171 76 Stockholm Sweden.
アンダース ブラーメ スウェーデン カロリンスカ研究所
腫瘍・病理学部 医療放射線物理研究ユニット
62
分子
Hidenori Shirai1, Takashisa Hirai1,2, Erika Sasamoto1, Aki Inase1,
Hideki Ogino1, Keisuke Sasai2, Takashi Sugimura1, Mitsuko Masutani1
1）Biochemistry Division, National Cancer Center Research Institute,
2）Department of Radiology School of Medicine, Juntendo University
白井 秀徳1、平井 崇久1, 2、笹本 絵里香1、稲瀬 安希1
荻野 秀樹1、笹井 啓資2、杉村 隆1、益谷 美都子1
1）国立がん研究センター 研究所 生化学部
2）順天堂大学 医学部 放射線医学講座
Nobuyuki Hasebe and Kanako Hayatsu
Research Institute for Science and Engineering,
Waseda University
長谷部 信行、早津 佳那子 早稲田大学 理工学研究所
▲
放射線生命科学に関する放医研国際シンポジウムポスター（デザイン：上野 啓子、伴 貞幸 ）
LET 依存
Eleanor A. Blakely1 and Polly Y. Chang1,2
1）Life Sciences Division, Lawrence Berkeley National Laboratory,
Berkeley, California
2）Biosciences Division, SRI International Menlo Park, California
エレノア A. ブレイクリ1 、ポリ Y. チャン1,2
1）ローレンス・バークレー国立研究所 生命科学部
2） SRIインターナショナル 生命科学部
Hirohiko Tsujii, Executive Director
理事 辻井博彦
08
LET-Dependent Molecular Pathways
79
Commentary: NIRS International Symposium on
Radiation Life Sciences
解説：放射線生命科学 関
放医研国際
Sadayuki Ban, Planning Office of International Open Laboratory
Hirohiko Tujii
Exexutive Director/Director of the International Open Laboratory
伴 貞幸１、辻井博彦２
１）国際オープンラボラトリー運営室
２）理事・国際オープンラボラトリーデイレクター
91
編集後記
Radiological Sciences
Editor-in-Chief
Hirohiko Tsujii*, M.D.,Ph.D.
編集長
辻井 博彦
放射線科学
Volume 53, Special Issue :
August・September 2010
第53巻 特集号、第8・9号
2010年
Editorial Board
Associate Editors
Sadayuki Ban*, Ph.D.
編集員
伴 貞幸
Masanori Okamoto*, Ph.D.
岡本 正則
*National Institute of Radiological Science, Chiba, Japan
放射線医学総合研究所
4
放射線科学 Radiological Sciences Vol.53 No.8・9（4-5）2010
放射線科学 Radiological Sciences Vol.53 No.8・9（4-5）2010
5
放射線生命科学
関
Review Committees in the future regarding key
放医研国際
topics at NIRS. It is expected that the high-level
Preface
reviews received will raise the rationality, quality,
巻頭言
and sense of direction of research.
関
Also, this International Symposium has
放医研国際
provided us the opportunity to hear lectures
、今回
国際評価
際評価委員
招
機会
from the distinguished scientists invited.
Lectures included a wide range of fields from
Hirohiko Tsujii, Executive Director
理事
辻 井 博 彦 （ Hirohiko Tsujii ）
Responses,” and “Molecular Responses” to “DSB
and its Repair.” I encourage you to read this
International collaboration is important
自然科学
for the advance of natural science, and this should
、放医研
be the same for research activities of the National
。
発展
国際交流
更
背景
Institute of Radiological Sciences (NIRS). In order
世界最先端
to promote the most advanced research in the field
11 月
研究
生
多
国際交流
下
望
、放射線科学分野
行
目的
As one of the organizers of the symposium, it
、2008 年
would be my pleasure if this issue provides an
」 開設
opportunity for you to see the profundity of
放医研 「国際
。本年度
of Radiological Sciences, the International Open
Laboratory was established at NIRS in November
了
合
2008 . At the end of this fiscal year, the second
第Ⅰ期事業
放医研
第Ⅱ期中期計画
終
講演
胞応答」、
「分子応答」、
「DNA 二本鎖切断
広範囲
。11 人
演抄録
Special Issue as it contains lecture abstracts
permitted by 10 of 11 members of the Committee.
各委員
国
「
。宇宙放射線」
「放射線物理」
、
「細
、
“Space Radiation,” “Radiation Physics,” “Cellular
辻井 博彦
、著名
分野
国際評価委員
本特集号
是非
命科学
研究成果
読
接
組織
一人
委員
講
許可
頂
奥深
披露
、10 人
掲載
修復」
思
頂
幸甚
。放射線生
出来
、
至
。
Feature : NIRS International Symposium on Radiation Life Sciences
特集
特集／放射線生命科学
“Radiation Life Sciences.”
、国際
終了
。
5 -year plan of NIRS will end, and the first stage
project of International Open Laboratory will also be
completed.
、米国
In many big research institutes in the
各研究
world, such as US-NIH, protocols, progress and
outcomes of each research project are regularly
進行状況
reviewed by outside experts. Successfully
識者
incorporating the reviewersʼ recommendations
者
into studies has produced top class and highly
世界
reliable outcomes worldwide.
NIH
始
開始前
研究機関
、研究途中
成果
定期的
受
出
有力
研究
終了後
審査
、世界
。審査後
勧告
取
、外部有識
入
Nm Ade
研究成果
研究成果
世界的
高
放医研
Previously, NIRS hosted Advisory
外部有
NIRS International Symposium on
Radiation Life Sciences
、
信頼性
得
「外部有識者
Poly(ADP-ribose)
Polymerase-1
(PARP-1)
。
開催
but has rarely received the reviews of well-known
研究者
foreign experts by "Review Committee”．As an
著名
attempt to receive serious reviews from prominent
本格的
domestic and foreign experts (International
11 − 12 日
外国人
価
6
outcomes obtained by 3 units of International Open
今回
Laboratory and 2 programs of President Grantʼ
通知
s Creative Researches. The final review reports
究
will be released soon. The “assessment” and
医研
受
最初
試
評価
useful for the development of the above-mentioned
高
5 research programs. We are convinced that there
理性
質
Nm
1
R
R
P
P
2
Ade
Ade
Ade
Ade
Ade
R
R
R
R
R
R
R
R
R
R
P
P
P
P
P
P
P
P
P
P
Poly(ADP-ribose)
glycohydrolase
(PARG)
評
開催
得
展開
受
NAD
、６月
評価結果
、「評価」 「勧告」 上記
重要
PARP-1
DNA
研究成果
国際
今後
P
3 研究
国際評価委員
“recommendation” should be very important and
放射線科学 Radiological Sciences Vol.53 No.8・9（6-7）2010
有識者（国際評価委員）
国際
受
外国人
。
理事長裁量経費２課題
Symposium on June 11 th and 12 th to assess the
著名
比較的
含
研究評価
Review Committee), NIRS held an International
would be a need to hold similar International
、複数
研究評価
R
助言委員会」
Ade
何度
Committee comprised of experts several times,
R
P
極
有用
研究課題
。
関係者
５課題研
。今後
放
、国際評価委員
必要
出
評価
受
方向性
思
。国際的
、研究
高
合
期待
。
放射線科学 Radiological Sciences Vol.53 No.8・9（6-7）2010
7
放射線生命科学
関
sufficient energies to contribute directly to radiation
放医研国際
electrons and varying, but usually small amounts
The MATROSHKA Experiment
関
宇宙開発飛行
放射線量評価
MATROSHKA実験
放医研国際
Guenther Reitz on behalf of the MATROSHKA Team
German Aerospace Center, Aerospace Medicine, Radiation Biology, Koeln, Germany
ケルン
（ Guenther Reitz ）
2004 年 1 月
Space Station (ISS) is hosting a permanent guest
欧州宇宙機関
国際宇宙
計画
（ISS）
MATROSHKA 実験
人体模型（
‒ a human phantom which is the key part of the
） 据
。
確
線量
数千個
放射線
、
helping the scientists to understand more precisely
評価
MATROSHKA has moved to Japan ‒ passing the
移
borders from Russia via USA to Japan onboard
者注：
ISS.
体模型（人体
磁場
protons and electrons which are mainly produced by
全体的
interactions of the first two sources with the Earth's
加
、
体模型
皮膚面
放射線
線源、線量
実験名
任務
内部
組成
異
線量率
測定
起
宇宙飛行士体内
oscillations of the solar activity in an approximately
体
原子
変動
太陽活動
変動
外的放射線場
放射線場
増減、
及
SPE
。
飛行
宇宙船内
、一次粒子
相互作用
11-year cycle and to impulsive disturbances caused
。
、場所
数日
乱
変動
成
機体
、
人
複雑
。
by SPEs which may last for several days. While
those of the body itself.
The radiation exposure in space by cosmic
。
［訳
radiation can be reduced through careful mission
人
planning and constructive measures as example
（図 2 参照）
。人
the provision of a radiation shelter, but it cannot
模擬
場所
宇宙線
、
extreme high energies of particles in this field and
子人形（ Matryoshka）
」 由来
the herewith connected high penetration depth in
。
］
matter. MATROSHKA is designed to illustrate the
宇宙空間
放射線被曝
行計画 、放射線遮蔽体 設置
軽減
能
高
、宇宙空間
、
物質
貫通
MATROSHIKA
力
大
。
様々
評価
遮閉条件
明
、宇宙空間
正確
不可
粒子
放射線分布
設計
飛
防護
、ISS 内外
、人体内
、慎重
構造上 対策
、完全
。
be completely avoided. The reason for that are the
Introduction
人体
放射線被曝
役立
。
different shielding conditions inside and outside
Even after nearly five decades human
50 年近
年月
spaceflight remains an endeavor with inherent and
体的
大
significant risks. The exploration of space exposes
人間
過酷
the human being to a hostile environment which
講
経
現在
伴
、有人宇宙飛行
計画
環境
限
would if not mitigated coercively lead to deleterious
、人体
有害
具
the ISS and serves thereby for a more accurate
。宇宙探査
radiation assessment radiation of humans under
、強力
space conditions
影響
防護策
The exact determination of dose in space
受
宇宙空間
正確
is a demanding and challenging task, and is fulfilled
。
The radiation environment in the space
宇宙
軌道
放射線環境
（ GCR）、太陽粒子線（ SPR）、地球
the galactic cosmic radiation (GCR), the solar particle
荷電粒子（
radiation (SPR) and the charged particles trapped
線源
帯）
構成
持
first source comprises protons and heavier particles
方向
and electrons of all energies which impinge from
太陽系
降
質量放出（CME）
all directions on the solar system. Regarding SPR,
現象（ SPE）
only particles in energetic solar particle events
与
(SPEs), such as coronal mass ejections (CMEs) have
子
注
捕
、主
、陽子、重粒子、
電子
成
。SPR
粒子
陽子、電子、
。1 日当
rates ‒ up to a few hundreds of µSv in Low Earth
最大
、
research activities ‒ including the current biggest
、
radiation experiment MATROSHKA ‒ aim for a
better understanding of the interactions of the space
直接寄
radiation environment within the human body,
。
粒
and for a better future radiation risk estimation for
変動
通
explorative missions ‒ as going to Moon or Mars.
重要
困難
数百μ Sv
協力
推進
低地球軌道（ LEO）
線量
被曝
最大値
相当
宇宙放射線環境
相互作用
働
将来
人
月
推定
含
線量
火星
課題
働
、
環境
working in a natural radiation environment. Various
太陽粒子
、放射線曝露
密接
on the International Space Station. The daily dose
Orbit (LEO) ‒ are the highest reached for humans
3
高
持
、主
磁場
。GCR
in the Earthʼs magnetic field (Van Allen Belts). The
、銀河宇宙線
線量決定
、国際宇宙
in a close cooperation of all the partners working
consequences.
放射線科学 Radiological Sciences/G. Reitz,Vol.53 No.8・9（8-27）2010
強度
時間的変動、
radiation distribution in the human body under
8
放射線環境
、地球
the interactions of the primary particles with the
日本
人体組織
深
付
電子
衝撃的
第2
発生
陽子
is subject to slow temporal variations due to
astronautʼs body becomes even more complex by
果
用
） 言
第1
相互作用
、約 11 年周期
線源（
atoms of the structural materials and finally with
米国
MATROSHKA
。第 3
捕
複雑
付
備
測定活動
大気
and composition of the total radiation environment
radiation field, the field inside the spacecraft and an
提供
地上実験
有名 「入
station orbit is determined by three primary sources:
地球
of heavier ions. The third source is composed of
正
放射線
3回
MATROSHKA
already three successful measurement campaigns,
粒子分布
貴重
。ISS 船内
for an improved radiation risk assessment. Having
中心
成
passing through this complex and variable external
得
上
、
付
人体内
把握
the dose and particle distribution in a human body
線源
atmosphere and are trapped by its magnetic field. In
ドイツ
S i n c e J a n u a r y 2004 , t h e I n t e r n a t i o n a l
重
帯荷電粒子） 、主
addition to its variation with location, the intensity
ギュンター ライツ MATROSHKAチーム代表
ドイツ航空宇宙センター 航空宇宙医学部門 放射線生物学部
([email protected])
equipped with thousands of radiation sensors
少量
exposures. These particles are mainly protons and
Radiation dose assessment in space missions
ESA MATROSHKA Facility. The phantom is
常
Feature : NIRS International Symposium on Radiation Life Sciences
特集
特集／放射線生命科学
自然
。人体内
理解
探査飛行
向上
目的
放射線
放射線
、宇宙放射線測定
最大規模
今回
MATROSHKA 実験
、種々
実施
。
研究
、
放射線科学 Radiological Sciences/G. Reitz,Vol.53 No.8・9（8-27）2010
9
放射線生命科学
自体
accepted for space experiments, which is designed
重要臓器内
to measure the dose distributions in critical organs
線量
遮蔽体
線量分布
決定
考慮
、
計測
実効
。
taking into account mass distribution anisotropy
関
of both the phantom itself and its shielding, and
放医研国際
thereby allowing to determine the effective dose.
The main objective of the MATROSHKA
MATROSHKA 実験
experiment is to determine the empirical relations
between measurable absorbed doses and the
Fig. 1: European Astronauts Christer Fuglesang, Thomas Reiter (left) and Frank de Winne (right) with the EuCPDs (blue belts).
図 1: 欧州乗組員用個人線量計（ 青
） 装着
欧州 宇宙飛行士 Christer Fuglesang、Thomas Reiter（ 左 ）、
Frank De Winne（ 右 ）。
Research Objectives
研究目標
収線量
With extended mission duration and the
有人
shortage in launcher capabilities, the radiation
来
safety of the astronauts has become one of the
期間
簡単
無
、打
打
phantom exposed to the radiation enivronment in-
、組織吸収線量
and outside the ISS. Once the ratios for the tissue
、
上
maintenance during manned space flights. At the
確保
、宇宙飛行士
same time there is a requirement to provide a high
最重要課題
safety level for crews that ensures their capacity to
作業能力
work. Conservative approaches as used in the past
必要
一
確保
高
。従来
cannot be continued, instead the effective dose (E)
to determine the required tissue absorbed doses
用
状況
from measurements of surface absorbed doses, only.
守
線量（ E）
正確
適
実効
必要
。
cancer risk.
Effective dose ‒ as a risk related quantity
‒ is based on the determination of the doses in
関係
種々
臓器
various organs of the human body. The current
。現在
system of radiation protection in space provides for
宙飛行士
each astronaut its personal radiation dosemeter.
器
図1
body of the astronaut. Figure 1 shows European
Astronauts Christer Fuglesang, Thomas Reiter
人体
一
、臓器線量
determination of the organ dose. Measurements
課題
解決
inside tissue-equivalent phantoms are therefore
明
essential in order to solve this complex task
可欠
and to obtain a better knowledge of the dose
布
測定
Mathew Alderson
宇
of the depth dose profile inside tissue-equivalent
吸
。個人検出
phantoms. They contained measurements inside
量測定
a phantom head, and an Alderson phantom upper
組
皮膚表面線量
末
設置
Personal Dosemeter (EuCPD).
during ISS expedition 2 an Alderson phantom
（ HRF）
inside organs the MATROSHKA project
目的
置
anthropomorphous phantom inside and outside
、科学的
the International Space Station and considers in
的
its scientific program physical and biomedical
験
、
広
採用
内外
内
裏付
生物医学的影響
torso (Nickname “FRED”) was also flown inside
、MATROSHKA
宇宙
investigates the depth dose distribution inside an
放射線科学 Radiological Sciences/G. Reitz,Vol.53 No.8・9（8-27）2010
測定
測定
(HRF) onboard the International Space Station. In
物理
addition Russian scientists simplified the phantom
。宇宙実
to a spherical water filled phantom, which was
深部線量分布
用
検討
人体
the US Lab module Human Research Facility
人間型
応用
、
first exposed still on Space Station MIR and its
内部
、吸収線
様々
検出器
行
。
制限
実施
。2001 年
、国際宇宙
人体研究施設
Alderson
胴体（愛称 “FRED”）
科学者
試
、水
満
作
、宇宙
MIR
。
後継
組織等価球体
、現在、ISS 内
続
ʻ呼
測定時間
単純化
搭載
開発
飛行中
。
球体
不
（訳者注：
米国実験
搭載
測定
。
RSD 社
ISS 第 2 次長期滞在
the timeframe of the space shuttle. In late 2001
解
行
放射線測定
飛行時間内
正確
深部線量分
3回
合
experiments were performed on space shuttle
flights, resulting in an exposure time limited by
複雑
用
照射線量測定
欧州宇宙飛行士 Christer Fuglesang、Thomas
。
。
線量分布
。） 上半身
、当然
。
条件
決定
社長
and passive radiation detectors systems. These
臓器線量
導
不可欠
Alderson
人体模型 ʼ
and Frank De Winne wearing the European Crew
To solve the problem of dose determination
実効線量値
評価
宇宙実験
space experiments dealt with the determination
紹介
対
計測値
。組織等価
決定
Frank De Winne
測定
、組織等価
、欧州乗組員用個人線量計（EuCPD） 装着
Reiter、
曝露
。
、人体内
基礎
測定
適用
将来
知
求
of radiation risk on humans in space is the
線量測定
線量
値
宇宙放射線
実験
、体内
比
応
歴史
torso, applying a combination of various active
With this detector it is only possible to determine
the dose at the skin surface, but not inside the
実験
頭部内
、宇宙飛行士
条件
。
distribution inside the human body. Only three
渡
放射線環境
、個人線量計
、人体内
個人線量計
測定
計算
実効線量
、各々
決定
、体表面吸収線量
量
宇宙放射線防護
経験的関係
体表面吸収線量
可能
An essential parameter for the assessment
癌
決定
巻
宇宙飛行士
History of Phantom Experiments
続
、国際放射線防護委員会（ICRP） 勧告
、吸
the readings of their personal dosemeter systems.
保証
実効線量
曝露
the effective dose values for astronauts by using
上
安全性
組
放射線環境
取
有用
出
、人体
Using these results it will also be possible to derive
、乗組員
。放射線
評価
is the appropriate quantity to assess radiation
飛行
。同時
取
意味
as recommended by the International Commission
結果
放射線安全性
生物医学的
。即
組織吸収線量
body, these values may be used in future exposures
飛行士
、有人宇宙飛行中
出来
目標
組織吸収線量
。人体
出
避
。
on Radiological Protection (ICRP) needs to be
上
長期化
most important problems of the biomedical
determined as accurate as possible. Effective dose
何度
測定値
required tissue absorbed doses in a realistic human
known for a given radiation field around the human
主
ISS 内外
absorbed doses and surface absorbed doses are
10
質量分布異方性
Feature : NIRS International Symposium on Radiation Life Sciences
特集
aspects. It applies a human body model generally
（表 1
区画域
初
放射線測定
参照）。
放射線科学 Radiological Sciences/G. Reitz,Vol.53 No.8・9（8-27）2010
11
放射線生命科学
＜A＞
R ef er ences
Date
Location
Phantom Head
Konradi 1992; Benton 1990
1989 - 1990
Space Shuttle
Spherical Phantom
Berger 2001
1997 - 1999
MIR
Anthropomorphic Phantom
Yasuda 2000. 2002; 2009; Badhwar 2002; Cucinotta 2008
1998
Space Shuttle
Anthropomorphic Phantom
Semones 2002; Yasuda 2009, Cucinotta 2008
2001
ISS
Spherical Phantom
MATROSHKA-R
Shurshakov 2008; Machrafi 2009; Jadrní㶜ková 2009;
Sihver 2009; Semkova 2010; Hallil 2010
2004 -
ISS
Anthropomorphic Phantom
MATROSHKA
Reitz 2006, 2009; Zhou 2010
2004 -
ISS
＜C＞
＜D＞
関
Exp e ri me n t
＜B＞
Feature : NIRS International Symposium on Radiation Life Sciences
特集
Table 1: Phantom experiments in space
表 1：宇宙空間
実験
放医研国際
successor ‒ a tissue equivalent spherical phantom
‒ is currently measuring the radiation load in the
Russian segment of the ISS (see Table 1).
MATROSHKA
MATROSHKA is used for the first time for
測定
、船外活動条件
measurements of the radiation distribution inside
分布
初
使用
a human phantom under EVA conditions and
実験
thereafter ‒ including the just started exposure
疑似体内放射線測定
、
（JEM）内
放射線
後
測定
前述
含
使用
Fig. 2: The MATROSHKA phantom from left to right : ＜A＞ anthrophomorphic upper torso equipped with and active detector systems,
＜B＞ torso with poncho and hood equipped with passive detector systems for skin dose measurements, ＜C＞ carbon fibre container to
simulate the astronauts space suit, ＜D＞ facility close to launch equipped with multi layer insulation (MLI) for thermal protection
日本
、3 回
図 2：MATROSHKA
量検出器
備
層断熱剤（MLI） 覆
。
in the Japanese Experiment Module (JEM) ‒ for
。左
右
:＜A＞照射線量検出器
備
上半身人体模型（
）。＜B＞皮膚線量測定用
装着
上半身
。＜C＞炭素繊維 出来
用宇宙服 。＜D＞高温
保護
、打 上 直前 人体模型 。
吸収線
多
another three inside measurements.
carbon fiber container provides shielding thickness
The ESA-MATROSHKA Facility
欧州宇宙機関（ESA） 設計
MATROSHKA is an ESA-Multi-User facility
MATROSHKA
developed for studies of the depth dose distribution
宇宙飛行士
occurring in astronauts exposed to cosmic radiation
ESA-
during an EVA (Extra Vehicular Activity). The
備
基本
、人
upper phantom torso. At the site of the organs of
様々
interest, spaces are provided at the surface and in
照射線量
内部
納
、熱蛍光線量計
個体飛跡検出器（PNTD）
、
converter foils, a silicon detector telescope, plastic
価比例計数管
、
設備用
電子回路
phantom is mounted to an aluminum structure (Base
素繊維
Structure), which provides space for experiment
構造
、
and facility electronics and is enveloped by a carbon
空間
作
成
納
容器
持
封入
fiber structure (Container). Container and Base
素材
Structure form a closed, pressurized volume of 1. 05
炭素繊維製容器
atm for the phantom and therefore also protect the
0. 5 g/cm 2
phantom material against the space environment
円柱
大
保護
遮蔽厚
。MATROSHKA
圧力）
収集
。H/K
system. Temperature, pressure and the main status
状態監視
実験
収集
実験
船内
管理
）温度、圧力等
基盤
to the Payload Data Control Server (for facility status
制御
加圧閉鎖
monitoring from the Mission Control Center- Moscow).
同等
68 kg
1100 mm
、
蓄積
転送
似
、組織
人
skeleton (RANDO ® , The Phantom Laboratory,
Laboratory, 米国
骨格
備
設備
主
状態
知
連続的
（PDCS） 送信
MATROSHKA 内
equivalent polyurethane which comprises a human
Salem, NY, USA)(see Figure 2 A-D). It is cut into 33
測
備
管制
保守点検遠隔測定法
an anthropomorphic upper torso made of tissue
機能
、一時的
data are delivered as service telemetry continuously
The phantom inside MATROSHKA is
照射線量
収容
炭
EVA 用宇宙服
、
acquisition (experiment / facility status, temperature
。
（
。
重
、吸収線量
（H/K）
（実験 / 施設状態、温度、
transferred to the Russian onboard data management
付
設計
直径 600 mm、高
、
取
宇宙環境要因
。設備
has the capability for housekeeping (H/K) data
後、
。容器
真空
。
検出器
and experiment data are temporarily stored and then
、全体
1 . 05 気圧
、紫外線放射
定
組織等
製構造体（基盤構造） 、実験用
counter build up the instrument suite. The
MATROSHKA
and pressure) and experiment data acquisition. H/K
。
設計
立
experiments inside the Russian Service Module (RSM).
experiment packages (detectors), MATROSHKA
搭載・非搭載
検出器、
分解・組
height of 1100 mm. MATROSHKA is designed to
Besides providing room for passive and active
線量計
内容
作業
替
allow disassembly/assembly operations to exchange
、吸収線量
（ TLD）、
nuclear track detectors (PNTD) with and without
放射線科学 Radiological Sciences/G. Reitz,Vol.53 No.8・9（8-27）2010
胴体
。計測器一揃
切
a cylindrical volume of 600 mm in diameter and a
、体表
様々
of ~ 0 . 5 g/cm which is comparable to the EVA
実験
suit. The facility has a mass of 68 kg and occupies
研究
模
部位
測定
曝
。MATROSHKA 設
設
scintillators and a tissue equivalent proportional
12
上半身
深
different depths inside the phantom in which active
Thermoluminescence detectors (TLDs), plastic
宇宙線
深部線量分布
設備
。測定対象臓器
factors like ultraviolet radiation and vacuum. The
、船外活動中
体内
MATROSHKA facility basically hosts a human
and passive dosimeter packages are accommodated.
MATROSHKA設備
（RSM）内
2
。
人間
等価
上半身
作
、
®
（RANDO , The Phantom
州 Salem）（図 2 A-D
参照）
。
slices, each 25 mm in thickness.
放射線科学 Radiological Sciences/G. Reitz,Vol.53 No.8・9（8-27）2010
13
放射線生命科学
関
図 3B：
頭部 搭載
DOSTEL
（ 左 ）。樹脂製
縫 付
TLD 中性子線量計
備
（ 右 ）。写真 、設備 打 上
先
立 、DLR
検出器組 込
間 撮影
。
放医研国際
Fig. 4: The MATROSHKA facility mounted outside the
Zvezda Module on the ISS. The facility (encircled)
was mounted outside the Zvezda Module on February
26, 2004 by Expedition 8 crew Alexander Kaleri and
Michael Foale. It stayed outside for 539 days till August
18, 2005 and was brought back by Expedition 11 crew
Sergei Krikalev and John Phillips. (Picture courtesy of
NASA)
Fig. 3A: View of the head (left) and lower part of the torso (right) of MATROSHKA with the integrated passive and active radiation
detectors. Passive detectors are integrated in polyethylene tubes and in the organ dose packages. The sensor for the active SiliconScintillator Device (SSD) is shown with the blue cable connecting to the base structure. The white cable connects to a temperature
sensor in the head of the phantom. The pictures were taken during detector integration at DLR prior to the launch of the facility.
図 3A：放射線 吸収線量検出器
照射線量検出器 組 込
MATROSHKA
内 組 込
、
「 臓器線量 」
納
。照射線量測定
基盤構造部 結合
。白
、
頭部 温度
接続
器組 込
間 撮影
。
頭部（ 左 ） 胴体下部（ 右 ）。吸収線量計
（SSD）
、青
。写真 、設備 打 上
先立 、DLR
The phantom torso (see Figures 3 A and
胴体（図 3 A、3 B
3 B) is equipped with 4 , 800 TLDs distributed in
管
354 polyethylene tubes in the 33 slices, enabling
配置
determination of the absorbed dose and depth-dose
Y軸Z軸
distribution at over 1600 measurement points in a 2.5
定点
4 , 800 個
2 . 5 cm 間隔
図 4：I S S Z v e z d a
外側
取 付
MATROSHKA 設備 。MATROSHKA 設備（ 赤円内 ） 、2004
年 2月26日 第 8 次 長 期 滞 在 乗 組 員Alexander Kaleri
Michael Foale
、Zvezda
外側 取 付
。2005 年 8月18日
539日
船外 留
、第
11 次 長 期 滞 在 乗 組 員Sergei Krikalev John Phillips
回収
。
（NASA 提供写真 ）
、354 本
TLD
33 枚
。
、吸収線量
cm x/y/z grid.
、X 軸
格子
1600 以上
深部線量分布
測
測定
。
Combinations of TLDs and plastic nuclear
製
track detectors assembled in polyethylene boxes ( 60
TLD
箱（60 × 40 × 25 mm） 組
PNTD
複合体
× 40 × 25mm) are placed at selected organ locations
胃、腎臓、腸） 位置、
(eye, lung, stomach, kidney and intestine) as well
（
「
®
as in a NOMEX travel jacket (“Poncho”). For the
線量
determination of the skin dose, detectors are sewn
込
into polyethylene strips directly on the surface;
mm
measuring thereby average dose at a depth of 0 . 6
器
平均線量
使
臓器内
。ISS 内
equivalent proportional counter (TEPC) in front of
位
the torso monitored its ambient exposure rate. For
MATROSHKA 設備
追加
comparison with dose rates inside the ISS, additional
detector packages were stored at several reference
上
）
supply spacecraft from the spaceport of Baikonur
th
Zvezda module on February 26 , 2004 (see Figure 4).
放射線科学 Radiological Sciences/G. Reitz,Vol.53 No.8・9（8-27）2010
1
心
4
星
diglycol carbonate with trade name CR- 39 . From
TLD
the TLDs the absorbed dose of sparsely ionizing
度電離粒子
particles up to an energy deposit of 10 keV/µm is
（10 keV/μm
、
〕 向
参照）。
対照部
付
。
、
Zvezda
区域
固定
。ISS
構造的・機能的
装着
、TLD
。臓器線量
PNTD
組
測
合
、商品名 CR- 39
。
付与 10 keV/ μ m 以下
吸収線量
計算
低密
。高密度成分
大） 寄与
、CR 39 検出器
付与（LET）
測定
得
。
from energy deposit (LET) spectra measured in the
CR 39 detectors.
複数 研究
results, but due to the intense calibration activities
結果
the received results agree well among each other.
得
結果 得
徹底的
5A
中
measurement point at 8 mm depth in the phantom
第 1 測定点
（図
the dose rate decreases by a factor of about 2 at the
innermost organs. The significantly higher rates
示
低下
率
一致
測定
。
比
、各
互
。TLD
is shown in Figure 5 A. Compared to the first
、
校正
結果
The depth dose distribution measured with TLDs
構成
臓器線量
必要
、
calculated, whereas the contribution of the densely
Different groups contribute to the overall
打
、
使用
ionizing component (above 10 keV/µm) is obtained
所
測定
、
。今回
、上記
、Zvezda（
意味
一
plastic nuclear track detector- in this case polyallyl
宇宙基地
語
方法
重
組織等価比例計
、2004 年 1 月
外部〔訳者注：Wikipedia
in January 2004 with a Russian Progress cargo
and mounted in a fixed orientation outside the
取
、2004 年 2 月 26 日
求
使用
、数
補給船
合計
organ doses is the use of a combination of TLDs and
頭部上方
検出器
当量
照射線量検出
量
評価
effective dose - of an astronaut the sum of all organ
。7 個
比較
放射線被
実効線量
定
、周辺被曝率
線量率
exposure ‒ and thereby the assessment of the
dose equivalents is needed. One way to determine
検出器（SSD）
数管（TEPC）
宇宙飛行士
0.6
（ DOSTEL） 胴体前方
(DOSTEL) on top of the phantom head and a tissue
locations. The MATROSHKA facility was launched
縫
。内部
。
主 結果
深
5個
設置
MATROSHKA船外曝露（MTR1）
、
瞬間線量率
mentioned organs to monitor the interior heavy
ion and neutron component. A silicon telescope
測定
検出器
中性子成分
instantaneous dose rate. Five scintillation detectors
(SSD) were installed at the positions of the above
設置
帯
Selected Results of the MATROSHKA
Outside Exposure (MTR 1)
For the determination of the radiation
。皮膚
製
体表
®
置
、
込
主要臓器（眼球、肺、
NOMEX
」）内
測定
mm. Seven active radiation detectors monitored the
14
入
参照）
検出
Feature : NIRS International Symposium on Radiation Life Sciences
特集
Fig. 3B: DOSTEL sensor head which is mounted on the
head of the phantom (left). Phantom Poncho which is
equipped with TLDs sewn in plastic stripes and neutron
dosemeters (right). The pictures were taken during
detector integration at DLR prior to the launch of the
facility.
深部線量分布
内
、最
深
深
8 mm
設
臓器
線量率
約 1/ 2
。頭部、頚部、肩
有意
高
図
、身体
領域
自己遮蔽効果
線量
小
放射線科学 Radiological Sciences/G. Reitz,Vol.53 No.8・9（8-27）2010
15
放射線生命科学
Feature : NIRS International Symposium on Radiation Life Sciences
特集
関
放医研国際
＜B＞
＜A＞
＜C＞
Fig. 5: ＜A＞ depth dose distribution of absorbed doses measured with TLDs inside the human phantom; ＜B＞ Inclusion of the
absorbed doses measured with the Poncho detectors; ＜C＞ Location of organs based on the Zubal phantom.
Fig. 7: MTR 1 exposure outside the Service Module (2004-2005); MTR2A exposure inside the PIRS Module (2006) and MTR2B
exposure inside the Service Module (2007 ‒ 2009)
図 5：＜A＞人体
＜B＞
図 7：
内部
縫 付
TLD
測定
検出器
吸収線量 深部線量分布 。
測定
吸収線量分布 。＜C＞Zubal
Skin
Skin
Eye lens
Eye lens
Breast
Breast
Brain
Brain
Bones
Bones
Lungs
Lungs
Liver
Liver
Salivary glands
Salivary glands
Bone marrow
Bone marrow
Colon
Colon
Stomach
Stomach
Bladder
Bladder
Thyroid
Thyroid
Esophagus
Esophagus
Testes
Testes
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
臓器
0.0
0.5
2.0
2.5
3.0
外部
MTR 1 宇宙線曝露（2004 〜 2005 年）、PIRS
MTR2B 宇宙線曝露（2007 〜 2009 年 ）。
図 8：2005 年 Sergei Krikalev John Philips
持 上
、
内部
検出器 取 外
反映
思
、ISS
。胴体底部
取 外
。
（右）
最小
the organs of the Zubal phantom mapped and scaled
。
into the Voxel representation of MATROSHKA
遮蔽効果
算
皮膚線量率
。
obtained from the computer tomography (CT)
球
the ISS.
slides. The calculated skin dose rate represents an
例外
including the skin measurement highlight the very
皮膚
5B
示
steep decline within the first 8 mm by a factor of
about ten shown in Figure 5 B. From this depthdose distribution, an average organ dose rate was
assigned to it in a Voxel model. Figure 5 C shows
放射線科学 Radiological Sciences/G. Reitz,Vol.53 No.8・9（8-27）2010
低下
Voxel
計算
含
深部線量率分布
、線量率
急激
determined for each critical organ as the average of
the dose rates in those volume elements which were
測定
深 度 8 mm
。
各主要臓器
観
割
当
、平均臓器線量率
臓器
Voxel 画像
、縮尺
average of the outermost 3 mm. With about 1 mGy/
約 1 / 10
d it is by far the highest, followed by the dose rate
、
salivary glands, the dose rates for the other organs
。図 5C
are in the range from 0.2 to 0.3 mGy/d (see Figure 6).
、
The daily dose equivalent rate HTotal based
得
、Zubal
示
宇宙線曝露（2006 年）、
。計
MATROSHKA
、最外層 3 mm
最高値
線量率
平均
表
約 1 mGy/d
次
。胸部
、眼
唾液腺
、他 臓器 線量率 、0. 2 〜 0. 3 mGy/d
範囲内
（図 6
参照）
。
in the eye. With the exception of the breast and the
平均線量率
断層画像（ CT）
MATROSHKA
、図
深部線量分布
MTR2A
（ 左） 、2009 年 3月 Yuri Lonchakov
the bottom of the torso is also due to the shielding of
The depth dose distribution of dose rates
内部
Fig. 8: Removal of the Poncho in 2005 by Sergei Krikalev and John Philips (left) and removal of the detectors from inside the
phantom by lifting up the MATROSHKA slices by Yuri Lonchakov in March 2009. (right)
H（
T mSy/d）
smaller self shielding of the body. The minimum at
16
内部
1.5
1.0
D（
T mGy/d）
Fig. 6: Calculated Organ absorbed doses (left) and organ dose equivalents (right)
図 6：計算
求
臓器吸収線量（ 左 ） 臓器線量当量 。
（右）
in the head, neck and shoulder region reflects the
位置 。
TLD 測定値
CR 39
on the combination of TLD measurements and CR
1 日線量当量率 HTotal
39 data is given in Figure 6 . The values for the
皮膚
厚
3 mm
組
図6
示
計算
合
。皮膚
基
値
、
測
放射線科学 Radiological Sciences/G. Reitz,Vol.53 No.8・9（8-27）2010
17
Reduced Etch Rate Ratio
［S-1］
放射線生命科学
関
TL-efficiency
（ ）
10 0
放医研国際
Helium
Carbon
Oxygen
Neon
Argon
Iron
10 -1
100
101
102
103
Helium
Oxygen
Neon
Silicon
Argon
Iron
Xenon
10 0
10 -1
10 -2
100
101
LET∞［keV/µm］
Fig. 9: Integration of the MTR detector set for the fourth MTR exposure phase in the Japanese Experiment Module (left: Alexander
Skvortsov and Mikhail Kornienko, right Alexander Skvortsov and Soichi Noguchi
図 9：日本 実 験
第 4 回 MTR 曝 露 計 画
右：Alexander Skvortsov 野口聡一 ）。
向
MTR 検 出 器
組
込 （ 左：Alexander Skvortsov Mikhail Kornienko、
102
103
LET200CR39
［keV/µm］
Fig. 11:＜Left＞ Thermoluminescence detector response to ions and energies encountered in the space radiation environment (Data
from Berger, 2008 ) ＜Right＞Calibration function for ions and energies encountered in the space radiation environment for CR 39
nuclear track detector material (Data from Zhou, 2008 ).
図 11：＜左＞宇宙放射線環境
＜右＞CR 39 原子核飛跡検出器
材質 関
反応（Berger, 2008
）。
校正関数（Zhou, 2008
対
熱
検出器
、宇宙放射線環境
）。
Feature : NIRS International Symposium on Radiation Life Sciences
特集
10 1
MATROSHKA ‒
Operations onboard the ISS
Up to now three experiment phases have
MATROSHKA ‒ISS
MATROSHKA 実験
been performed with the MATROSHKA facility
実施
out ‒ and inside the ISS（Figure 7 ）. The fourth
exposure phase ‒ inside KIBO ‒ just started on the
実験
運用
、ISS 船外
船内
3期
（図 7）
。「希望」内
、2010 年 5 月 4 日
2011 年 4 月
第4期
開始
継続
、
。
04. May 2010 and will last until April 2011.
Inside the module the container of
Fig. 10: MATROSHKA mounted
in the rack position inside JEM
(04. May 2010)
図 10：JEM 内
位置
MATROSHIKA
（2010 年 5月4日）。
取 付
内
MATROSHKA Facility needs to be removed, an
取
外
extension rod on top of the phantom needs to be
線量検出器
mounted to allow the lifting of the phantom slices
部
延長
in order to remove the passive detector packages.
子
図8
、MATROSHKA 設備
、
容器
上
取
取
示
出
付
吸収
、
上
必要
。
様
。
This is illustrated in Figure 8.
Figure 9 shows the integration of the
図9
passive detectors inside the MATROSHKA torso
実験
for the fourth exposure phase in the Japanese KIBO
量検出器
module. The integration was performed on the
skin represent measurements for the Poncho which
定値
is calculated for a skin depth of 3 mm. Relative
〜8%
precisions for organ dose values range between 4
範囲
表
。臓器線量値
範囲
相対的精度
、<QT>
、4
9 〜 12 %
線量
ICRP approaches the value of 0 . 59 ± 0 . 04 mSv/d.
近
result with this value, a personal dosemeter of an
astronaut would show a factor of 2. 1 of this exposure,
which is a quite strong overestimate. For more
results see Reitz, 2006, 2009; Zhou, 2010.
18
ICRP
weighted with tissue weighting factors defined by
Comparing the MATROSHKA “personal” dosemeters
放射線科学 Radiological Sciences/G. Reitz,Vol.53 No.8・9（8-27）2010
04
th
May 2010. Figure 10 shows the final exposure
向
第 4 期曝露
、MATROSHKA 胴体
組
込
2010 年 5 月 4 日
内部
最終的
location for the MATROSHKA facility inside KIBO.
示
。
Ground Segment
地上作業
様子
実施
内部
示
吸収線
。組
。図 10
MATROSHKA 設備
込
、
「希望」
曝露位置
。
and 8 % and for <QT> between 9 and 12 % .
The effective dose as sum of all organ doses
、日本 「希望」
組織加重係数
合計
実効線量
値
付
値
2. 1 倍
比較
大幅
。
詳
2006, 2009；Zhou, 2010
、
臓器
、0 . 59 ± 0 . 04 mSv/d
。MATROSHKA
結果
量計
重
「個人」線量計
、宇宙飛行士
個人線
過剰評価
結果
参照
、Reitz,
。
C a l i b r a t i o n a n d o f T L D s a n d C R - 39
detectors as well as for the active radiation detectors
applied within the MATROSHKA experiment
were performed at several proton and heavy
MATROSHKA 実 験
CR- 39 検出器
、日本
「宇宙線
験（ ICCHIBAN）
Radiation Laboratory (NSRL) at the Brookhaven
Linda、米国
the Heavy Ion Medical Accelerator, HIMAC, at
TLD
放射線照射線量検出器
校正
放射線医学総合研究所（ NIRS） 本拠地
ion accelerators like Loma Linda, NASA Space
National Laboratory (BNL), Brookaven, USA and
用
NIRS 重
線
相互比較実
」 一環
国立研究所（ BNL）
NASA 宇宙放射線研究所（ NSRL）
、千葉
医学総合研究所（NIRS）
、Loma
重粒子線
放射線
治療装置
放射線科学 Radiological Sciences/G. Reitz,Vol.53 No.8・9（8-27）2010
19
Feature : NIRS International Symposium on Radiation Life Sciences
特集
放射線生命科学
300
600
250
220
200
Dose（mGy）
放医研国際
Dose（mGy）
y（mm）
関
500
400
300
150
192
200
163
100
135
Fig.12:<Left> Phantom head equipped with TLDs in the Biology Room at NIRS;
<right> TLD and CR-39 detectors in Eye organ dose box in Slice #3 of the phantom
図 12：＜左＞放医研・生物照射室 TLD 取 付
頭部 。＜右＞
100
107
50
-100
78.3
#3「眼球臓器線量
」内
TLD CR-39 検出器 。
0
-50
0
50
100
x（mm）
50
Fig.13:<left>2D dose distribution (TLD 700 150 MeV/n Helium) (Nominal dose at incidence : 120 mGy);
<right>2D dose distribution calculated with GEANT4 (white rectangles show the TL- detector position).
the National Institute for Radiological Sciences
HIMAC
陽子
重粒子加速器
実施
図 13：＜左＞ 2 次元線量分布（TLD 700 150 MeV/n
）
（ 定格入射線量 120 mGy）。
＜右＞GEANT4 計算
2 次元線量分布（ 白 長方形 TL 検出器 位置 示 ）。
（Uchihori, 2004；2008 ）。
(NIRS), Chiba Japan as part of the Intercomparison
for Cosmic-rays with Heavy Ion Beams At NIRS
(ICCHIBAN) Program which has its home base at
transfer LETΔ (which also is denoted as restricted
η（ L） 関
the National Institute for Radiological Sciences (NIRS)
energy loss, RELΔ ). As for the thermoluminescence
特異的関数
in Japan (Uchihori, 2004; 2008 ).
efficiency, η(L), the dependence of the reduced etch
与 LET ∞（Δ＝∞） 代
The establishment of the TLD response
functions η(L) for the different TLD materials
使用
種々
TLD 材料
η（L） 確立、
rate ratio is not a unique function of LET. If instead
検出器
of the unrestricted linear energy transfer LET∞
LET 校正関数
決定
、本国際共同相互校正事業
(Δ = ∞ ) only the linear energy is taken into account,
付与
s- 1
calibration functions for the CR- 39 plastic detectors
重要
。
作業
which is transferred by secondary electrons with
。CR 39
材料
入
場合、Δ
a kinetic energy ε ≤ Δ , the dependence of s- 1 on
inter-calibration campaigns.
this restricted linear energy transfer approaches a
。LET 200
一種（LiF：
single function if Δ is chosen appropriately. A value
詳
LET
of Δ = 200 eV has turned out to be such a suitable
materials, (LiF:Mg,Ti, Harshaw TLD 700 ) the
最
頻繁
使用
TLD 材料
Mg,Ti, Harshaw TLD 700）
効 率 η（L）
dependence of the efficiency η(L) on the ionsʼ LET
関係
図 11
示
。既
理論的
証明
(Waligorski, 1980 ; Horowitz, 1980 ) and reflected
Horowitz, 1980 ）、図 11
LET
示
、η
一次的
定
、十分
近似精度
LET. For practical purposes, however, a single fit
。
function can be established which yields the TLD
算出
response in an acceptable approximation. More
実験
experimental and theoretical details can be found
Uchihori, 2004；2008； Bilski, 2006；Berger, 2008
to the Ground Based Studies using the “twin” of the
in ( Yasuda, 2006 ; Uchihori, 2004 ; 2008 ; Bilski,
参照。
anthrophomorphic phantom applied onboard the
理論
関数
関数
In the frame of the FP 7 HAMLET project
TLD 応答
定
a dedicated HIMAC Research Project “Space
。
、Yasuda, 2006；
詳細
2006 ; Berger, 2008 ).
代表的
detectors has been established for representative
器曝露
ions and energies in the same accelerators
数
on the charged particlesʼ restricted linear energy
放射線科学 Radiological Sciences/G. Reitz,Vol.53 No.8・9（8-27）2010
CR- 39
確立
速度比 s- 1
exposures. Figure 11 (right part) displays the
dependence of the reduced etch rate ratio, s- 1 ,
Radiation Dosimetry-Ground Based Verification of
the MATROSHKA Facility ( 20 P- 240 )” is devoted
with thermoluminescence and nuclear track etch
検出器
校正関
detectors positioned in the Biology Room at HIMAC,
。図 11（右
部分） 、低下
、荷電粒子
限定線
与 LET Δ（限定
依存
加速
、同一
損失量 REL Δ
関係
示
。熱
付
呼
適切
選
、
依存関係
限定線
単一
関数
近
、Δ＝ 200 eV
適切
値
判明
LET ∞
変換
含
Zhou, 2007；Zhou, 2008
、
参照
。
FP 7 HAMLET
上
）
効率
枠組
人間型
同一
地上研究
双子
検証（ 20 P- 240）」 実施
用
核飛跡検出器
頭部
、日本
置
NIRS
。NIRS
照射
部線量分布
得
dose distribution after irradiation with 150 MeV/n
部分） 示
。図 14
Helium ions at NIRS are given in Figure 13 (left part).
MATROSHKA
照射
地上
。図 12
、熱
物照射室
、ISS
、HIMAC 研究
NIRS, Japan. First results of the measured 2D depth
The right part of Figure 14 shows the GEANT 4
内
「宇宙線線量測定 ‒ MATROSHKA 設備
ISS. Figure 12 shows the phantom head equipped
The calibration function for the CR-39 plastic
線
be found in (Zhou, 2007; Zhou, 2008 ).
（ L）
簡単
ε≦Δ
including the conversion of LET 200 into LET ∞ can
in these data, η(L) is no unique function of the
実用上
、
付
value for the CR 39 material. Further details,
（Waligorski, 1980；
is shown in figure 11 . As is known theoretically
値
LET
、運動
付与
were an essential part of this joint international
For one of the most frequently used TLD
20
二次電子
考
速度比
。非限定線
TLD 応答関数
CR- 39
employed and the determination of the LET
、低下
GEANT 4
後
右
装着
HIMAC 生
150 MeV/n
測定
最初
示
結果
部分
2 次元深
図 13（左
、地上
Voxel
基
示
、
。
放射線科学 Radiological Sciences/G. Reitz,Vol.53 No.8・9（8-27）2010
21
放射線生命科学
Feature : NIRS International Symposium on Radiation Life Sciences
特集
Experiment：
PHITS simulations：
Matroshka data
Trapped Protons
Galactic Cosmic Radiation
Total
放医研国際
Daily dose[mGy/day]
関
0.3
0.2
0.1
Tube 30M
0.0
Daily dose[mGy/day]
foundation
container
phantom
Fig. 14: Simulated geometry of the phantom, container and foundation (a) and the simplify ISS geometry with MTR facility.
図 14：MTR 設備（
、容器、基盤 ） 模式的形状（a）
MTR 設備 取 付
ISS
形状 。
0.3
0.2
0.1
Tube 31M
0.0
Daily dose[mGy/day]
simulation of this irradiation based on the Voxel
Model of the MATROSHKA ground based phantom.
The MATROSHKA project uses the
MATROSHKA
phantom also for depth dose studies using detector
射線
and kidney cells in the frame of the ESA IBER
検出器
生物学的影響
(Investigations into Biological Effects of Radiation)
腎臓細胞
program (Durante, 2007 ). The IBER program is
良
understanding of the radiation risk of cancer and
疾患
。
、生理機能
要因
話題
GSI
in interplanetary missions, which represents a major
問題
強調
思
血液細胞
化
detector systems to visualize the depth dose effect in
定
実験
被曝
ESA
、今後
専門
図 15：
胴体
#30 〜 31
含
M〜L 沿
。
80
100
120
線量分布 。
Y 方向
30M
示 。
Computer simulations
Computer simulations present a strong
加速器
、
MATROSHKA
有力
it is not possible to perform measurements for
。飛翔体・標的・
国立研究所
NSRL
all potential projectile-target-energy-geometry
可能
影響
combinations, computer simulations using particle
不可能
一緒
and heavy ion transport codes are the only way
用
画像
to provide the necessary information estimation
決
of the radiation risks for humans on board a
必要
spacecraft, but they suffer on the complexity of the
、宇宙
、検出器
深部線量作用
MATROSHKA
。
space radiation field and need therefore carefully
transport calculations. Ground experiments are an
benchmarked. As one example recent calculations
essential part of the MATROSHKA program and
using the PHITS code are chosen.
放射線科学 Radiological Sciences/G. Reitz,Vol.53 No.8・9（8-27）2010
60
重大
太陽粒子事象
継続
40
放射線被曝
、放射線伝達計算
重要部分
20
MATROSHKA
、人体内
。地上実験
0
Fig .15: The dose distribution along the tubes M-L located in slices 30-31 of the phantom torso. The Y direction of the tubes is
shown for tube 30M .
corner stone in the MATROSHKA program. Since
、
。
-20
Y[mm]
、
、大規模
使
研究
-40
要因
。第 2 回
Tube 31L
、
探査
与
長
0.1
0.0
実施
曝露
experiment blood cells were exposed together with
will be continued in the future.
22
助言
解決
研究
the NSRL in Brookhaven is investigated. In this
a human body and benchmark in addition radiation
認識
制限
In a second MATROSHKA phantom exposure
the impact of a solar particle event simulated at
一
急性放射線症候群
、飛行期間
with a large accelerator-based research program.
加
0.2
。
。惑星間飛行
、航行中
be stressed that the problem of radiation exposure
operational risk for acute radiation syndrome and
微小重力
Marco Durante
問題
、
放射線
研究活動
ESA
設置
GSI, Germany, to advice ESA in this topic. It should
内
研究
対
欧州
制限
topical team was build up chaired by Marco Durante,
limitation in mission duration, can only be solved
癌以外
放射線
limiting factors for explorative missions. An ESA
深部線量
解明
also non-cancer effects. It recognizes that radiation
枠組
（Durante, 2007 ）。IBER
、癌
an European effort to contribute to an improved
研究）
用
使用
is besides physiology and microgravity one of the
、ESA IBER（放
0.3
In the simulation the phantom, together
組
得
・幾何学形状
合
測定
。
理念
、粒子
実施
重
輸送
放射線
推定
・
、宇宙船搭乗者
情報
得
放射線場
深
唯一
手段
極
複雑
定
、PHITS
。
注意
必要
用
最近
。一例
計算
、
1 g/cm
2
示
容器
製
基礎
載
、基盤
。
厚
内
放射線科学 Radiological Sciences/G. Reitz,Vol.53 No.8・9（8-27）2010
23
部
容器
内部
foundation of 1 g/cm thickness. The inside of the
幾何学形状
foundation as well as the inside of the container
円柱形
空気
were filled with air. The container together with
14）。計算値
the foundation, were located on the simplified ISS
最初
放医研国際
geometry chosen as an aluminum cylinder shape
満
。単純化
、厚
選
関
放射線生命科学
2
、
15 g/cm
上
容器
測定値
結果
ISS
2
基盤
置
（図
、
有望
（図 15）。
助金契約 No. 218817
資金
得
要約
The exact determination of dose in space is
宇宙空間
a demanding and challenging task, and is fulfilled
正確
極
放射線線量測定
重要
密接
on the International Space Station. MATROSHKA
。MATROSHKA
is the only human phantom experiment were
唯一
organ doses are calculated based on depth dose
臓器線量
人体
measurements. The effective dose could be
dosemeter overestimate the dose during an EVA
。
実効線量
）個人線量計
2 倍以上
役立
models to outer space. It presents source data for
画
experimental assessment of the station shielding
放射線
efficiency in different compartments not only in the
本
得
出来
fundamental and application studies on radiation
要件
評価基準
各区
単位
実施
行
基
国家
関
必要
規定
MATROSHKA
which are listed below and the help of Jan
ESA
Dettmann, ESA, who act as ESA MATROSHKA
成
務
Jan Dettmann
装置
。
Guenther Reitz (PI),
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
Vladislav Petrov (Co-PI)
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
DLR, Cologne, Germany（
船 外（ MTR 1）、PIRS 内（ 2006 年
2 A in 2006 ) and in the Zvezda module (MTR 2 B
2009 年
f r o m 2007 - 2009 ) . T h e f o u r t h e x p o s u r e ( M T R
MTR 2 B）
実施
2 KIBO) for measurements inside the Japanese
測定
Experimental Module (JEM) started in May 2010 .
年5月
第 4 回目
開始
検討
在、宇宙
onboard the space station and is the biggest
行
（ JEM）内
実験（ MTR 2 KIBO） 、2010
。2 回目
船外実験
。MATROSHKA
6 年間
、国際的共同研究体制下
定
MATROSHKA 実験
。日本実験
行
A potential second outside exposure is considered.
3回
内（ 2007 〜
、現
運用
宇宙空間
。収集
線量測
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
、HAMLET（ 宇 宙 飛 行 士 放 射 線 被 曝 測 定
the HAMLET (Human Model MATROSHKA
人体
MATROSHKA）
）
INP, Krakow, Poland（
）
Jozsef Palfalvi
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
KFKI, Budapest, Hungary（
Marco Durante
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
GSI, Darmstadt, Germany（
Marco Casolino
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
INFN, Rome, Italy（
Lembit Sihver
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
DIAS, Dublin, Ireland（
Aiko Nagamatsu
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
JAXA, Japan（日本）
Yukio Uchihori, Nakahiro Yasuda,
・・・・・・・・・・・・・・
）
）
）
CHALMERS, Goethenburg, Sweden（
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
）
Alena Spazio, Italy（
Denis OʼSullivan,
Tatsuhiko Sato
）
）
）
JAERI, Tokai, Japan（日本）
NIRS, Chiba, Japan（日本）
Francis Cucinotta, Edward Semones,
Neal Zapp, Dazhuang Zhou ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ NASA JSC, Houston, USA（米国）
Eric Benton, Stephan McKeever,
Eduarda Yukihara ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ OSU, Stillwater, USA（米国）
膨大
gathered are immense and will be populated within
放射線科学 Radiological Sciences/G. Reitz,Vol.53 No.8・9（8-27）2010
行
）
Sandor Deme, Istvan Apathy,
Cesare Lobascio
展望
Zvezda
）
Peter Beck ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ AIT, Seibersdorf, Austria（
Michael Hajek ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ ATI, Vienna, Austria（
MTR 2 A）、
達
）
Thomas Berger ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ DLR, Cologne, Germany（
the ISS space researches.
been performed outside (MTR 1) in the PIRS (MTR
始
）
IBMP, Moskow, Russia（
Luke Hager, Rick Tanner ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ HPA, Chilton, UK（英国）
Three MATROSHKA exposures have
支援
。
safety in the framework of the National program of
今後
ESA
Project Manager.
Pavel Bilski, Pavel Olko
、放射線安全性
応用研究
located in US, Japan, Russia, Japan and Europe
国 際 協 力、
Soenke Burmeister, Bernd Heber ・・・・・・・・・・・・・・・ Universität Kiel, Germany（
、ISS 宇宙研究
枠組
基礎研究
結果
実験的評価
20 施 設
米国、日本、
被
証明
線量
単位
defines the requirements of equipment needed for
船外活動中
。宇宙
遮蔽効率
units of dose but in the units of radiation risk and
、（体
、宇宙（開発計画） 応用
研究
、欧州
列挙
MATROSHKA Science Team Members
基
過大評価
results serve to benchmark models and have
重要
、本実験
決定
an international cooperation with 20 institutions
、以下
目指
。人体
。MATROSHKA
collaboration in space dosimetry so far. The data
補
行
、深部線量測定
by more than a factor of two. The MATROSHKA
therefore a large impact on the extrapolation of
協力
計算
測定
線量
課題
働
実験
実験
表面
難
、国際宇宙
in a close cooperation of all the partners working
MATROSHKA is now operating since 6 years
計画 FP 7
HAMLET
実施
成果
These results could be only achieved in
first results are very promising (Figure 15).
24
、欧州共同体第 7 次枠組
project under grant agreement no 218817.
calculations still differ from measurements, the
Perspectives and outlook
利用
Framework Programme FP 7 within the HAMLET
with a thickness of 15 g/cm (Figure 14). Although
determined and demonstrated that personal
活動
reference for radiation risk estimate calculations
( http://www.fp 7 -hamlet.eu ). This activities are
参考
（ http：//www.fp 7 -hamlet.eu）。
funded from the European Community's Seventh
2
Summary
推定計算
Astronauts) data base which could be used as
隔
非常
、放射線
For Radiation Exposure Determination of
Feature : NIRS International Symposium on Radiation Life Sciences
特集
with the container, was placed on the aluminum
Jack Miller ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ LBL, Berkeley, USA（米国）
納
放射線科学 Radiological Sciences/G. Reitz,Vol.53 No.8・9（8-27）2010
25
放射線生命科学
Y.S. Horowitz, The theoretical and microdosimetric
G. D. Badhwar, W. Atwell, F. F. Badavi, T. C. Yanga,
basis of thermoluminescence and applications to
aboard the International Space Station using Liulin-5
and T. F. Cleghorn, Space Radiation Absorbed Dose
dosimetry. Phys. Med. Biol. 26, 765‒824 (1981)
charged particle telescope, Advances in Space
Distribution in a Human Phantom, Radiation Research
関
157, 76‒91 (2002)
Research, 45, 858-865 (2010)
( 2000 )
H. Yasuda and K. Fujitaka, EFFICIENCY OF
I. Jadrní㶜ková, R. Tateyama, N. Yasuda, H. Kawashima,
A RADIOPHOTOLUMINESCENCE GLASS
放医研国際
M. Kurano, Y. Uchihori, H. Kitamura, Yu. Akatov, V.
E. Semones,
E. V. Benton, A. L. Frank, D. Yang, E. R. Benton,
Shurshakov, I. Kobayashi, H. Ohguchi, Y. Koguchi, F.
A. Johnson,
Preliminary measurements of LET spectra in the head
Spurny, Variation of absorbed doses onboard of ISS
Measurement of absorbed dose during the phantom
phantom flown on STS-28, Progress Report, NASA
Russian Service Module as measured with passive
torso experiment on the International Space Station,
Grant NAG9-235. Univ. San Francisco, San Francisco,
detectors, Radiation Measurements 44, 901‒904 (2009)
34th COSPAR Scientific Assembly, The Second World
N. Yasuda, Y. Uchihori, E.R. Benton, H. Kitamura,
Space Congress, held 10-19 October, 2002 in Houston,
K. Fujitaka, The intercomparison of cosmic rays
TX, USA.
with heavy ion beams at NIRS (ICCHIBAN) project.
CA (1990)
A. Konradi, W. Atwell, G. D. Badhwar, B. L. Cash, K. A.
F. Gibbons,
M. Golightly, M. Weyland,
G. Smith,
T. Shelfer,
N. Zapp,
DOSEMETER FOR LOW-EARTH-ORBIT SPACE
RADIATION Radiation Protection Dosimetry, 100,
545‒548 (2002)
T. Berger, M. Hajek, W. Schöner, M. Fugger, N. Vana,
Hardy, Low Earth orbit radiation dose distribution in
M. Noll, R. Ebner, Y. Akatov, V. Shurshakov, and V.
a phantom head, Int. J. Radiat. App. Instrum. D-Nucl.
L. Sihver, T. Sato, K. Gustafsson, V.A. Shurshakov,
Arkhangelsky, Measurement of the depth distribution
Tracks Radiat. Meas. 20 (1), 49‒54 (1992)
and G. Reitz, Simulations of the MTR-R and MTR
H. Yasuda, Effective Dose Measured with a Life Size
Experiments at ISS, and Shielding Properties using
Human Phantom in a Low Earth Orbit Mission. J.
PHITS, IEEAC paper #1015, (2009)
Radiat. Res., 50, 89‒96 (2009)
V. Mitrikas, V. Petrov, V. Shurshakov, L. Tomi, I.
V.A. Shurshakov, Yu.A. Akatov, I.S. Kartsev, et al.,
D. Zhou et al., Radiation measured for ISS-Expedition
T. Berger, M. Hajek, TL-efficiency ̶ Overview
Kartsev and V. Lyagushin, Neutron dose study with
Study of dose distribution in a human body in Space
12 with different dosimeters Nucl. Instr. Meth. A 580,
and experimental results over the years. Radiation
bubble detectors aboard the International Space
Station compartments with the spherical tissue-
1283 - 1289 (2007)
Measurements 43, 146-156 (2008)
Station as part of the MATROSHKA-R experiment.
equivalent phantom. In: Proceedings of International
Radiation Protection Dosimetry,133, 200‒207 (2009)
Conference “Fundamental Space Research”, Sunny
D. Zhou, D. OʼSullivan, E. Semones, N. Zapp, S. Johnson,
Beach, Bulgaria, 21‒28 September 2008, 234‒238 (2008)
M. Weyland. Radiation dosimetry for
of average LET and absorbed dose inside a water-filled
phantom on board space station Mir. Physica Medica
R. Machrafi, K. Garrow, H. Ing, M. B. Smith, H. R.
17(S1), 128 (2001)
Andrews, Yu. Akatov, V. Arkhangelsky,I. Chernykh,
P. Bilski, Response of various LiF thermoluminescent
detectors to high energy ions - Results of the
G. Reitz, T. Berger, The MATROSHKA Facility
ICCHIBAN experiment. Nucl. Instr. Meth. B 251,
‒ Dose determination during an EVA. Radiation
121-126 (2006)
Protection Dosimetry 120, 442 ‒ 445 (2006)
Radiation Protection Dosimetry 120, 414‒420 ( 2006)
http://www.stil.-bas.bg/FSR/
Feature : NIRS International Symposium on Radiation Life Sciences
特集
References
high LET particles in low Earth orbit. Acta
Astronautica, 63, 2008, 855- 864 ( 2008)
Y. Uchihori, E. Benton, E. (Eds.), Results from the
first two intercomparison of dosimetric instruments
D. Zhou, E. Semones, D. OʼSullivan, N. Zapp, M.
F. Cucinotta, Y. Myung-Hee, M Kim, V. Willingham,
G. Reitz, T. Berger, P. Bilski, R. Facius, M. Hajek, V.
for cosmic radiation with heavy ions beams at NIRS
Weyland, G. Reitz, T. Berger, E.R. Benton, Radiation
K. George, Physical and Biological Organ Dosimetry
Petrov, M. Puchalska, D. Zhou, J. Bossler, Y. Akatov,
(ICCHIBAN 1&2). Report: HIMAC-078, National
measured for MATROSHKA-1 experiment with
Analysis for International Space Station Astronauts,
V. Shurshakov, P. Olko, M. Ptaszkiewicz, R. Bergmann,
Institute for Radiological Sciences, Chiba, Japan. (2004)
passive dosimeters, Acta Astronautica, 66, 301 ‒ 308,
Radiation Research 170, 127‒138 (2008)
M. Fugger, N. Vana, R. Beaujean, S. Burmeister, D.
(2010)
Bartlett, L. Hager, J. Pálfalvi, J. Szabó, D. OʼSullivan,
Y. Uchihori, E. Benton, E. (Eds.), Results from the
M. Durante, G. Kraft, P. O'Neill, G. Reitz, L. Sabatier, U.
H. Kitamura, , Y. Uchihori, N. Yasuda, A. Nagamatsu,
ICCHIBAN-3 and ICCHIBAN-4 Experiments to
Schneider, Preparatory study of a ground-based space
, H. Tawara, E. Benton, R. Gaza, S. McKeever, G.
Intercompare the Response of Space Radiation
radiobiology program in Europe, Advances in Space
Sawakuchi, E. Yukihara, F. Cucinotta, E. Semones, N.
Dosimeters. Report: HIMAC-128, National Institute for
Research , 39, 1082-1086 (2007)
Zapp, J. Miller, J. Dettmann, Astronautʼs Organ Doses
Radiological Sciences, Chiba, Japan. (2008)
（訳監修：伴
貞幸）
Inferred from Measurements in a Human Phantom
A. Hallil, M. Brown, Yu. Akatov, V. Arkhangelsky, I.
Outside the International Space Station, Radiation
M.P.R. Waligórski, R. Katz, Supralinearity of peak 5
Chernykh, V. Mitrikas, V. Petrov,V. Shurshakov, L.
Research 171 (2), 225 ‒ 235, ( 2009 )
and 6 in TLD- 700. Nucl. Instrum. Methods 172, 463‒
Tomi, I. Kartsev and V. Lyagushin, Mosfet Dosimetry
26
470 (1980)
Mission inside the ISS as Part of the MATROSHKA-R
J. Semkova, R. Koleva, St. Maltchev, N. Kanchev, V.
Experiment, Radiation Protection Dosimetry, 138, 295‒
Benghin, I. Chernykh, V. Shurshakov, V. Petrov, E.
H. Yasuda, G. D. Badhwar, T. Komiyama, K. Fujitaka,
309 (2010)
Yarmanova, N. Bankov, V. Lyagushin, M. Goranova,
Effective dose equivalent on the ninth Shuttle‒Mir
Radiation measurements inside a human phantom
mission (STS-91), Radiation Research, 154, 705‒713
放射線科学 Radiological Sciences/G. Reitz,Vol.53 No.8・9（8-27）2010
放射線科学 Radiological Sciences/G. Reitz,Vol.53 No.8・9（8-27）2010
27
放射線生命科学
関
放医研国際
Radiation Environment on the Moon
lunar surface, sometimes in clusters or showers.
及
The rain of even minute grain particles poses a
須
。
。宇宙放射線
hazard to all surface materials. It is desirable to
月面 放射線環境
make shield against such collisions. The space
衝突
防護
月
役立
表面
関
radiation shield would also protect against these
放医研国際
Nobuyuki Hasebe and Kanako Hayatsu
Research Institute for Science and Engineering, Waseda University
3-4-1 Okubo Shinjuku, Tokyo Japan
範囲
mineral fragments and glasses formed by melting
遮蔽物
必
、微小隕石
） 覆
変動
、
。
、
。平均粒径
、深
埃
施
。
物質
bedrock by meteorite impacts. It contains rock,
長谷部 信行（ Nobuyuki Hasebe ）
対
、
月面表層土
（
作
regolith which is produced from underlying
早稲田大学 理工学研究所
長谷部 信行、早津 佳那子
([email protected])
遮蔽
、岩石、鉱物破片
micrometeorites.
The lunar surface is covered with lunar
対
溶融
40 〜 270 μm
[ 5 ]。月
表面
表面素材
、塵粒子
汚染
保護
必要
Charged Particle Radiation on the Moon
月面
荷電粒子放射線
留
There are four important sources of
月
表面、計器、居住者
曝露、
particle radiation with different energies and
4
fluxes which affect the lunar surface, instrumental
異
乾燥
曝
損傷
装置
。
機器
。
of soil, rock and minerals. Its average grain size
Introduction
ranges 40 to 270 µm and varies with depths [ 5 ].
Unmanned lunar explorations are currently
月
地球
being conducted as an extension of human activity
的容易
in Low Earth Orbit around the Earth. The first
対象
long term human exploration mission will be the
表面
Moon because of the nearest celestial body with
薄
近
。
比較
The lunar surface is dry and dusty, and all the
長期的有人探査飛行
、月
surface materials are exposed to them. Therefore,
、地球
they must be protected from contamination and
、到達
、月面
異
直接月
住者
弱
表面
。未来
長期
防護
環境
考慮
影響
work as a barrier preventing for charged particles
and micrometeorites to enter the lunar surface,
月面
they directly arrive at the lunar surface. Under
護
評価
行
、居
対
月
有人月探査
、月面
放射線被曝
関
。居住者
、将来
[1-3]。本論文
環境
微小隕石
必要
研究
微小隕石
月面基地
過酷
。放射線
Since the Moon has an extremely tenuous
subsequent damage by dust particles.
大気
、荷電粒子
到達
作業者
放射線環境
。月
非常
quite different from that on the Earthʼs surface.
atmosphere and very small magnetic field which
通信
天体
、最初
、磁場
a relatively easy access and communication. The
radiation environment on the Moon, however, is
最
重要
環境
検討
人的活動
、
放射線防
。
the hostile environment, habitats or worker at the
2
cosmic rays (GCRs) with fluxes of about 1 /cm /
。
（1）高
透過深度
達
最大 100 /cm 2 /sec
、透過深度
約 1 cm
Consideration of radiation and micrometeorite
about 1 cm, ( 3) anomalous cosmic rays (ACRs) with
exposures and their protection must be taken into
the least energetic part of GCR energies (a few 10
He、O、N、Ne、Ar
account. The study of the environmental effects on
MeV/n) mostly consisting of H, He, O, N, Ne and
1 cm 以下
human habitats is an important concern of manned
Ar ions, and a penetration depths of about 1 cm or
低
8
度
、一次粒子
2
損傷
primary particles only. SW with high flux might
子
、宇宙船
make damaging materials on the lunar surface,
可能性
although SW particles have low energies. The
境
the smallest micrometeorites to impact with
comic velocity with 10 - 30 km/s, though some
50 km/s
均的
micrometeorites (meteoroids) with a mass of 1 g
10 年
or greater hit about once every 10 years/km . But
small micrometeorites frequently arrive at the
、小
10 〜 30 km/s
arrive at > 50 km/s [ 4 ]. On the average, large
2
希薄
超
速度
1回
割合
飛来
。
落下
粒子
衝突
elements, electronics, and biological structures.
、中
[ 4 ]。平
微小隕石
、流星群
微細
月面
more energetic particles could damage spacecraft
飛来
、質量 1 g 以上
面
放射線科学 Radiological Sciences/N. Hasebe and K. Hayatsu,Vol.53 No.8・9（28-33）2010
宇宙速度
微小隕石
2
、1 km 当
。微小隕石
頻繁
月
障害
流束
重
月面物質
発生
線量
高
関係
GCR
SEP
放射線環
SEP
構成
降
核反応
通
含
月表面
高
注
、
、二次粒子
二次粒子
物質、宇宙船、
部品、居住者
。月
値
高
地下
、月面
二次中性子
。
粒
損傷
。
寄与
、表面
、月面物
被曝線量
透過性
陽子
of high energy protons and heavy ions in the GCRs
大
高
[ 1 - 3 , 6 - 9 ]。GCR
置
。SW 粒子
部品、電子部品、生体構造
。月面
一次粒子
透過深
。
、主
penetrative GCRs and SPEs [ 1- 3, 6- 9]. The impact
and SPEs on the lunar surface produces a cascade
、SW
恐
dose on the Moon, mainly consists of highly
飛来
、表面素材
The radiation environment relating to the radiation
低
、
。上記
値
約
、
小
2
関
H、
、透過深度
約 10 /cm /sec
大
質
大気
成
低 （約 1 keV）透過深度
penetration depths described above are for the
月
、主
。
（4）太陽風（SW）粒子
for human activity on the Moon.
The tenuous lunar atmosphere allows even
最
部分（数 10 MeV/n 以下）
depths, but high fluxes of about 10 /cm /sec. The
微小隕石 塵
。（ 3）宇宙線異常成
分（ACR） 、GCR
an assessment of radiation exposure and shielding
月面
100
、
up to 100 /cm /sec, and a penetration depths of
8
。
（2）高
太陽粒子（SEP） 、
達
lower energies (about 1 keV), smaller penetration
次
銀河宇宙線（GCR）
最大数
with energies mostly less than 100 MeV/n, fluxes
we will review the lunar environment and present
放射線
約 1/cm /sec（ 0. 1 〜 10 GeV/n） 、
MeV/n 未満
less, and ( 4 ) solar wind (SW) particles with much
及
2
a few meters, ( 2 ) solar energetic particles (SEPs)
lunar exploration in the future [ 1- 3]. In this paper
影響
、
、
sec ( 0 . 1 - 10 GeV/n) and penetration depths up to
2
Micrometeorite and Dust
28
components and habitats : ( 1) high-energy galactic
分類
future lunar base will have to stay for a long period.
on the Lunar Surface
Feature : NIRS International Symposium on Radiation Life Sciences
特集
特集／放射線生命科学
、地下
流束
中性子線量
放射線科学 Radiological Sciences/N. Hasebe and K. Hayatsu,Vol.53 No.8・9（28-33）2010
29
放射線生命科学
of primary particles with lunar material. Some of
地表
面
高
透過性
these secondaries such as neutrons and gamma
GCR
。
、GCR
持
、
SEP
月
表
、GCR、SEP、
二次粒子
考
the abundances of GCR heavy ions are much fewer
。
遮蔽体
becomes comparable to that of proton, in spite that
GCR
heavy ions are not small because of the large LETs
作
最
than GCR proton. However, the dose values from
rays are directed upwards, and hence contribute
効果
月
優勢
関
放医研国際
lunar surface, a spacecraft, its component and/or a
On the surface, the most dominant
habitat. The flux of the secondary neutrons under
contributions for the dose are primary charged
中性子線量
lunar surface is higher than that on the surface.
particles such as GRSs and SEPs. The SEP dose
線量
Then the neutron dose underground is higher than
c o u l d b e b l o c k e d o f f e a s i l y i f a b o u t 10 g / c m
2
that on the surface. Therefore, here we consider
aluminum shield is applied. However, in the case
中性子由来
from HZE particles.
because GCRs and SPEs are penetrative on the
been hardly effective. In the underground of the
。
surface of the Moon.
Moon, secondary neutrons produced by GCRs are
由来
Galactic Cosmic Rays
Neutron flux becomes maximal at 120 g/cm in
銀河宇宙線
The estimation of radiation dose from
GCR
primary GCRs and their secondary particles on the
一次成分
地下
lunar surface and the underground are essential
量当量
dose equivalent on the lunar surface was calculated
近観測
site for a highland region and at Apollo 11 landing
site for a mare one were used in the calculation.
、標的物質
場合
、
[ 12 ]。
about 420 mSv/yr in the mare during the solar
放射線量
dose is thus by about 176 times larger than natural
一次粒子
dose of about 2. 4 mSv/yr on the Earth (UNSCEAR,
γ線
陽子
and also no magnetic field. On the lunar surface,
時
線量
、
総量
線量
計算
equivalent of GCR proton tends to decrease in an
重
線量寄与
ignored. Generally, the dose contributed from GCR
月表面
proton tends to be emphasized because of high
GRS、
SEP
約 10 g/cm
阻止
深度
3倍
。
分布
分布
同様
線量換算係数
。安全
大
、月面基地
約 500 g/cm 2
表面
、
深
地
。
大半
Solar Energetic Particles
陽子
由来
鉄
匹敵
値
、
実効線量
Mare
。SEP
場合
設置
Solar Max.
Highland
GCR
Mare
376.7
Highland
175.3
Neutron
40.8
37.7
15.1
14.0
Gamma-rays
3.9
3.7
1.7
1.7
Total Dose
421.4
418.1
192.1
190.9
線量
太陽高
SEPs can occasionally and transiently give
SEP
rise to great enhancements of particle radiation and
月面
so radiation environment entirely changes on the
SEP
粒子
粒子
放射線環境
一変
著
増強
大
大半
。小規模
。
、
shielding is very effective for small SEPs. However,
、異常
、
there are some anomalously large SEP events as
期
容
to dominate over particle radiation environments
GLE
2
around the Moon. During a long period for lunar
能性
、GCR
大規模
月面滞在
。SEP
比
非常
、放射線遮蔽
、月付近
。月探査
核種組成
変動
SEP
、
。個々
、
in comparison with that for GCR. Then radiation
、10 g/cm
放射線量
、時折
Moon. Individual SEP events greatly vary in their
Most of energy spectra for SEPs are very steep
、重
寄与
、GCR
Solar Min.
fluxes and nuclear compositions from event to event.
。
。
大
Annual Effective Dose Equivalent H E [mSv/yr]
from the lunar surface.
組成
GCR 中
基
the ground which is deeper than about 500 g/cm 2
Radiation Dose due to
少
遮蔽体
。
。80 g/cm
指数
1%
。
大
have large conversion coefficients. For the sake of
線量
GCR
一次荷電粒子
2
[3,12]。
陽子
LET
最
GCR
総量
小
線量
思
建設
neutron dose was 3 times larger than the dose
safety, the lunar base should be constructed under
大
占
傾向
実効線量当量
決
2
seems to come from the fact that the fast neutrons
自然
、二次粒子
GCR 中
、陽子
実効線量当量
表 1：BESS [10] ACE/CRIS [11] 宇宙線観測
計算
月 表面
年間実効線量当量 。
of fast neutron flux under the lunar surface. It
推定
表面
、
評価
、中性子
高速中性子
exponential manner. At depth of 80 g/cm 2 , the
平均的
約 176 倍
、一般
、HZE 粒子
放射線科学 Radiological Sciences/N. Hasebe and K. Hayatsu,Vol.53 No.8・9（28-33）2010
dose becomes dominant and so the effective dose
、地球上
約 90 %
、
易
存在量
計算
、月
。
占
the dose from secondary particles should not be
effective dose equivalent of GCR iron, for example,
surface. However, in the underground, the neutron
約 420 mSv/ 年
線量
示
線量
Table 1. The Annual Effective Dose Equivalent on the lunar
surface calculated on the basis of the energy spectra and
chemical abundance observed by the BESS [10] and ACE/
CRIS [11].
on the surface. This distribution is similar to that
。GCR
GCR 中
当量
最
対象
約 2. 4 mSv/ 年
線量
1 % and 10 % of the total, respectively. However,
proton abundance in the GCR composition. The
値
月面
about 90 % of the total value [ 3, 12]. In contrast, the
doses from gamma-rays and neutrons are less than
twice higher than the neutron dose on the lunar
。
海領域
10 % 程度
because the Moon effectively has no atmosphere
the dose of GCR primary particles represents by
用
中性子
無視
年間有効線
月面物質
（ UNSCEAR, 1988 [ 13 ]）。
found to be quite different from that on the Earth,
80 g/cm 2 [ 14 ]. The dose from GCR proton was
16 号着陸地点（高地）
、太陽活動極小期
1988 [ 13 ]). Radiation environment on the Moon is
安全性
。
、
In the worst case, the value is estimated to be
minimum period of solar activity [ 12 ]. The lunar
表面
11 号着陸地点（海） 採取
組成
equivalent from neutron becomes maximal around
GCR
当
CRIS[ 11]. Average compositions of lunar materials
表面
ACE/CRIS [ 11 ]
計算
行
月
、人間活動
。月
、BESS [ 10 ]
by using the energy spectra and abundance of the
as for target materials found at Apollo 16 landing
推定
重要
最大
地下
線量
、月
[ 12]、
depth of lunar soil [ 12 ], while the effective dose
二次粒子
放射線量
非常
for safety human activities. The annual effective
GCRs newly observed by the BESS[ 10] and ACE/
放射線量
取
2
、GCR 陽子
。
表面
、
、80 g/cm
、高速中性子
居住施設
下
表面
傾向
地下
、
、線量推定
最大値
、GCR 陽子
中性子線量
、月
深度
2倍
減少
of GCRs, the aluminum shield of 10 g/cm have
Radiation Dose due to
30
関数的
地下
。中性子
2
実効線量当量
優勢
the GCRs, SEPs and their secondary particles here,
2
要因
[ 14 ]。月
2
the most dominant factor for the dose estimation.
二次中性子
土壌中、
120 g/cm
to the dose deposited on a material located at the
。月
Feature : NIRS International Symposium on Radiation Life Sciences
特集
of secondary particles through nuclear reactions
非常
粒子放射環境
SEP
急峻
効果的
圧倒
発生
、地球
地上
観測
、大規模
SEP
遭遇
、宇宙作業者
。長
可
居住者
放射線科学 Radiological Sciences/N. Hasebe and K. Hayatsu,Vol.53 No.8・9（28-33）2010
31
関
放医研国際
Neutron flux
（neutron/cm2/sec）
放射線生命科学
Epithermal（1eV-1MeV）
30
shield by which high energy particles are totally
GLE
absorbed, are indispensable from the viewpoint of
2 〜 3 年間
radiation protection and safety.
発生
According to the GLE statistics, there are
few largest GLE events during the 2- 3 year period
25
Fig.1 Distributions of fast (E > 1 MeV), epithermal
(1 eV < E < 1 MeV), and thermal (E < 1 eV)
neutron fluxes in the lunar subsurface calculated
by PHITS. Data of lunar composition obtained
by Apollo 17 were used. JAM and JQMD nuclear
interaction models were used for proton and alpha
particles, respectively.
15
10
Fast（>1MeV）
図 1. PHITS
計算
月 地下
高速
（E>1 MeV）
、熱外
（1 eV<E<1 MeV）
、
熱中性
子
（E<1 eV）
分布 。
17 号 得
月面組成
使用
。陽子
α粒子
、
JAM
JQMD 核反応
用
。
5
Thermal（<1eV）
0
0
100
200
300
400
[ 17 , 18 ]。建設
地
大規模
活動
事象
such as a lunar-base at the initial phase of the
動
極小期
events such as Ground Level Enhancement (GLE)
events observed in the Earthʼs surface. The study
[ 7 , 15 , 16 ]。SEP
影響
線量
研究
大
。
of space radiation effect on space workers or
遂行
居住者
habitants is important for the exploration of the
推定
。
、月面任務
重要
、SEP 線量
非常
場合
、
、月面
超大型 SEP
最小限
、太陽活
開始
重要
to protect human beings from radiation. To be
able to safely perform activities on the Moon and
Al-shield
Thickness
to establish a lunar base, it is of high importance
that the start of the construction of the lunar base
will be at solar minimum to minimize the risk for
SEP
2003/10/28
extremely large SEP events.
年間線量
、我々
、月面基
開始
建設
、人間
。
重要
、GCR
存在
実施
月面基地
SEP
2005/ 1/20
宇宙放射線
建設
極小期付近
GLE
初期段階
施設
被
Depth
（g/cm2）
対
場所
安全
500
habitants to stay, they may encounter large SEP
、最大規模
守
we should start the large-scaled construction
construction, because these is no place and facility
、太陽活動周期
放射線
around the solar minimum of the solar cycle [17,18],
20
統計
Ambient Dose Equivalent H *(10) [mSv]
H
He
O
0.0
2045.7
113.0
30.8
1.0
1178.4
53.4
2.5
2.0
663.7
24.4
0.0
5.0
287.4
7.0
0.0
10.0
3.3
0.0
0.0
0.0
216.7
16.8
11.0
1.0
155.1
12.0
5.0
2.0
113.6
8.7
0.2
5.0
82.4
6.3
0.3
10.0
10.2
0.8
0.1
Feature : NIRS International Symposium on Radiation Life Sciences
特集
35
Table 2.The ambient dose equivalent H *(10) for the SEPs on Oct.
28, 2003 and Jan. 20, 2005 with aluminum shield of 0 〜 10
g/cm2 in thickness.
表 2. 2003 年 10月28日 2005 年 1月20日 SEP
厚 0〜
遮蔽体 用
周辺線量当量H （
* 10）。
10 g/cm 2
Moon [ 7, 15, 16]. The doses of SPEs are sometimes
greater than the annual dose of GCRs. Therefore,
References
11. M. Israel et al., Nucl. Phys. A, 758 (2005)201-208.
we estimated SPE doses which are very important
1. G. De Angelis et al., Advances in Space Research,
12. K. Hayatsu et al., Radiation Measurements, (2010)
34 (2004)1395‒1403,.
for habitats who carry out the lunar mission.
Recent six SEP events are selected and
最近
SEP
analyzed for the dose. The intensity of low energy
SEP 粒子
particles (< 10MeV/n) is very high. However, those
、低
particles are so easily absorbed by about 10 g/cm
2
領域
非常
高
。
、厚
2
10 g/cm thick material (see Table 2 ). Since the
、
参照）
。
heavy elements but proton, the doses due to heavy
比
elements are relatively small when compared with
線量
that due to proton, which is quite different from
、GCR
the GCR case. However, some extremely large
GLE
SEPs such as GLE events, among which particles
GeV
and give a large radiation dose to people working
32
材料
大
、SEP
陽子
、数桁
大
線量
比
場合
安全
視点
、重厚
遮蔽
遮蔽
行
重粒子
結果
。
SEP
容易
到達
、
、粒子
備
1
、月面
働
人々
完全
月面施設
必要
1988 Report, United Nations Pub., New York.
14. S. Ota et al., Earth Planetary Science, 62 (2010)
in press.
15. De Angelis et al., Nucl. Phys. B (Proc. Suppl.) 166
(1975)567-785.
6. R.C. Reedy, and J.R. Arnold, J. Geophys. Res., 77
(2007)169‒183.
16. H. Hayatsu et al., J. Phys. Soc. Jpn. Suppl. A78
7. J.H. Adams et al., Adv. Space Res., 40 (2007)338-341.
8. R. Silberberg et al., Lunar and Planetary Institute,
Houston, (1985)663-669.
(2009)149-152.
17. D.F.Smart etal., Adv. Space Res., 37 (2006)
1734-1740.
18. D.F. Smart, and M.A. Shea, 30 th Int. Cosmic Ray
Conf., 1 (2007)261- 264.
(2008)313-319.
10. Y. Shikaze et al., Astroparticle Phys., 28
、放射線防護
粒子
4. O.E. Berg and E. Grün, Space Research XIII
9. N. Yamashita et al., Earth Planets Space, 60
、
。
、高
遮蔽体
貫通
Effects and Risks of Ionizing Radiation, UNSCEAR
(1972)537-555.
、重粒子
。
3. K. Hayats et al., Bio. Sci. Space, 22 (2008)59-66,.
5 . G . H e i k e n , Rev. Geophys., Space Phys., 13
、
13. United Nations Scientific Committee on the Effects
of Atomic Radiation (UNSCEAR), 1988, Sources,
(1973)1047-1055.
（表
異
遮蔽体
2
。
及
小
2. M. Gurtner etal., Advances in Space Research, 37
(2006)1759‒1763.
判
加速
放射線
。
、約 10 g/cm
影響
超
大量
放射線科学 Radiological Sciences/N. Hasebe and K. Hayatsu,Vol.53 No.8・9（28-33）2010
線量
陽子
薄
on the Moon. Then lunar facilities with massive
容易
2
超大型
are accelerated to the energy above 1 GeV and
easily penetrate such a thin shielding material,
粒子
約 10 g/cm
SEP
2
分析
粒子（< 10 MeV/n） 強度
遮蔽体
give a large effect to dose by the shield with about
、線量
見
aluminum shield. Therefore, most SEPs do not
dominant particles in SEPs, moreover, are not of
選
to be submitted.
(2007)154-167.
吸収
。
放射線科学 Radiological Sciences/N. Hasebe and K. Hayatsu,Vol.53 No.8・9（28-33）2010
33
特集／放射線生命科学
How to irradiate target volume with carbon beams using
passive and scanning irradiation systems.
関
放医研国際
放射線生命科学
関
炭素線 腫瘍
照射
−拡大
走査
放医研国際
Optimal use of light ions for radiation therapy
放射線治療
最適化
重粒子線使用 検討
照射−
放医研国際
Tatsuaki Kanai
Heavy Ion medical research Center, Gunma University
3-39-21, Showa-machi, Maebashi-shi, Gunma
Anders Brahme
Department of Medical Radiation Physics Karolinska Institutet
Box 260 SE-171 76 Stockholm Sweden.
群馬大学 重粒子線医学研究センター
金井 達明
([email protected])
スウェーデン カロリンスカ研究所
腫瘍・病理学部 医療放射線物理研究ユニット（主任教授）
アンダース ブラーメ
ABSTRACT
金井 達明（ Tatsuaki Kanai ）
Phone: +46 8 5177 24 96 Fax: +46 8 34 35 25
([email protected])
要約
Heavy ions have been used in radiation
LBL（米国 Lawrence Berkeley 研究所） 初
therapy since the first clinical trials of heavy ion
線治療
radiotherapy were carried out at LBL (Lawrence
放射線治療
Berkeley Laboratory, USA). Major biophysical
物理学的特性、
characteristics of heavy ions were clarified at LBL
量依存性、OER（酸素増感比）
、放射線感受性
through intensive studies of RBE (Relative Biological
周期依存性
Effectiveness) and its dependency on dose, OER (Oxygen
研究
radiation sensitivity of various kinds of cells.
、炭素
radiotherapies using carbon ions have begun to be utilized
。
At NIRS, a beam wobbling method have been
用
have been used for making spread out Bragg peaks
RBE（生物学的効果比）、線
development of modern radiation therapy where
最適化
Biological Optimized Radiation Quality and
学的最適化
1970−90 年
LBL
基
用
照射
一様
治療装置） 用
放射線治療
方法
拡大
走査
法
passive method for irradiating the targets in patients,
内
over 5000 patients were treated by carbon beam at
NIRS
5000 例以上
NIRS. The results of the clinical trials showed that
臨床試験
成績
、炭素線治療
a fast scanning system for the carbon beam. Using this
走査
system, the better dose conformation will be realized.
Despite the success in clinical applications of
合
照射方法
、炭素線治療
建造
素
be continued in order to achieve the most suitable
的・技術的
臨床応用
incomplete and scientific and technical studies should
研究
本
how to get more reasonable irradiation can be
定
obtained by the passive or scanning system.
走査法
考
方
放射線治療
distributional qualities of light ions like penumbra
周囲
and depth dose are ideally suited for high quality
酸素状態
正常組織
大
complex generally hypoxic tumor volumes with
感度
minimal damage to surrounding normal tissues.
正確
The remaining challenge to a more wide spread
的・物理的長所
。重粒子線
臨床使用
、
重粒子線
生
高速
。最適
応用
応
生物学
低酸素腫瘍
it is essential to modulate the ion beams and select
腫瘍塊
、
the best possible ion species depending on the
小侵潤腫瘍
最
成功
、生物物
実現
必要
採用
線量分布改善
role. For small hypoxic tumors the high apoptotic
、科学
induction at the Bragg peak of lithium ions is ideal
期待
用
and oxygen ions and microscopically invasive
RBE 固
tumors may be best treated by photons, electrons,
拡大
、今後放医研
有効
分子
変調
必要
役割
、
、
担
。小
誘発率
酸素
必要
高
、
、大
、微
X 線、電子、陽子、
考
。
whereas large tumor masses may require carbon
。
線量表示
議論
最
生物学
and that is where systems biology will play a key
炭
、放射線治療
適切
続
molecular and anatomic properties of the tumor
拡
、腫瘍
、
、炭素
根治
開発
理想的
高速
。
基本的
行
重要
低
位置決定
、
選択
、
分子画像診断
、腫瘍組織
tissues and to develop fast scanning systems that
preserve the fundamental biological and physical
、腫瘍
向上
。
高
、一般
腫瘍体積
課題
種
、質
複合的
残
特異度
、半影
最小限
、大
properties are also ideal for eradicating large
。重粒子線
、放射線生物学的特性
障害
理想的
IMRT）
発展
線量分布特性
理想的
最善
実現
、従来 NIRS
照射法
to therapy optimization. The traditional dose
生物
、
担
従来
Imaging to more accurately localize the tumor
、炭素
不完全
応用
深部線量
、
。
線量分布形状
理解
use, not least through a systems biology approach
役割
的・解剖学的特性
治療法
、線質
advantages of the light ions. For optimal application
、現在 NIRS
理学的
有望
特別
sensitivity and specificity of Molecular Tumor
受
治療
、重粒子線
。患者体
実現
炭素線治療
段階
the carbon beams, our biophysical understanding is
In this symposium, I would like to discuss
患者
用
clinical use of light ions are to improve the
工夫
。
炭素線
applications of carbon beams in radiotherapy.
容易
示
良好
採
生物学
強度変調放射線治療（QMRT
照射法
。
単純
次
、
（SOBP） 作成
and easy to realize the carbon treatments. Under this
For the next step, NIRS are now constructing
方
、
手段
臨床
radiation therapy, and their radiation biological
方法
用
the carbon radiotherapy is a promising treatment.
開始
、拡大
。NIRS
、拡大
標的
Intensity Modulated Radiation Therapy (QMRT
集中的
、NIRS（放射線医学総
法（scanning method）
側方
細胞
放射線治療
and IMRT) are increasingly coming to clinical
HIMAC（重粒子線
(SOBPs). This passive irradiation method is simple
放射線科学 Radiological Sciences/T. Kanai,Vol.53 No.8・9（34）2010
現代
。
粒子線
要約
The light ions have a unique role in the
主
方法（Passive method）
adopted for lateral spreading the beam, and ridge filters
Abstract
生物
本格的規模
腫瘍
（ Anders Brahme ）
重
以来、重
。重
、
合研究所）
at National Institute of Radiological Sciences using HIMAC
実施
利用
背景知識
Based on this background knowledge, full-scale
(Heavy Ion Medical Accelerator in Chiba) accelerator 3 .
臨床試験
明
Enhancement Ratio), and cell-cycle dependence of
34
関
Feature : NIRS International Symposium on Radiation Life Sciences
特集
特集／放射線生命科学
protons and helium ions.
用
論
。
放射線科学 Radiological Sciences/A. Brahme,Vol.53 No.8・9（35-61）2010
35
放射線生命科学
題
often be more than doubled compared to photons,
資
electrons and protons (cf Fig. 1 ). Taking all this
加
、1 億〜 1 億 5000 万
。1 〜 16 分割照射
、腫瘍
information into account, the cost effectiveness
関
for light ions per patient cured is similar to that
放医研国際
of advanced conventional radiation therapy, and
高額
局所制御
増加
治療効果
QOL
臨床結果
対
向上、生存率
著
正常組織
著
大
増大
向上、
有害作用
子線治療
設備投
低下
臨床的利点
、重粒
。
about 2 to 3 times higher than that for proton
therapy. The only problem with the light ions is the
large capital cost requiring an initial investment
in the order of 100 - 150 M €. Beside the increased
therapeutic efficiency with 1 ‒ 16 fractions, the
major clinical advantages of light ion therapy
are an increased therapeutic outcome in terms of
improved local tumor control and quality of life,
Feature : NIRS International Symposium on Radiation Life Sciences
特集
curative gain factor for hypoxic tumor cells can
and a substantially increased patient survival as
well as a significantly reduced risk for adverse
normal tissue reactions.
As our knowledge about the molecular
癌
biology of cancer is rapidly improving, we
分子生物学
、重粒子線治療
continuously need better tools for diagnostic
画像診断
molecular imaging to match the improved
性腫瘍
Fig. 1 Comparison of the biologically effective dose distributions when irradiating a deep seated tumor using parallel opposed photon,
electron, and light ion beams. It is clearly seen that the normal tissues surrounding the tumor are considerably less damaged with the
lightest ions around lithium (cf Fig. 12). For hypoxic radiation resistant tumors the clinical advantage is even larger for the light ions
beyond helium. For well oxygenated tumors the difference is less significant and protons and electrons can be used with rather small
differences in clinical response since both generally deliver doses that are below the threshold for severe normal tissue damage as shown
by the schematic dose response curves in the left panel. In both panels a vertical effective dose scale is used in GyE and % respectively.
In addition to the longitudinal dose distribution shown here also the lateral penumbra the oxygen enhancement ratio and the biological
effectiveness should be considered when selecting the optimal treatment energy and modality.
treatment accuracy and therapeutic efficiency with
重要
generation today may be diagnosed with cancer
向上
図 1：陽子、電子、重粒子線 対向 2 門照射 体深部 腫瘍 治療
際 生物学的実効線量分布 比較 。
中心
最 軽
周囲 正常組織
障害 明
少 （ 図 12 参照）
。低酸素 放射線抵抗性腫瘍 対
、
軽 軽
臨床的利益
。酸素 富
腫瘍
差 小 、左図 模式的線量反応曲線 示
、陽子 電子
付与線量 一般 正常組織障害 引 起
低
、臨床的反応 大
差 生
、陽子 電子 使用
。左右
図
、縦軸 実効線量 表 、 単位
GyE %
。最適 治療
治療法 選択
際
、
示
縦方向 分布
、酸素増感比 生物学的有効性 関
半影 考慮
。
sometime during their life. A Comprehensive
術開発
、腫瘍
大
閾値
横方向
関
light ion therapy. Malignant tumors are our major
精度
約 65 歳
。悪
、今日
時点
最
若
癌
診断
、癌治療
大幅
焦点
世代
。
先進放射線治療
・
能力
、分子
年齢層
疾患
、生涯
・
見合
求
、総合癌
about 65 years and as many as 50 % of the young
進歩
向上
常
死亡原因
life threatening disease at least up to the age of
急速
効果
良
、少
50 %
知識
進歩
QOL
、二
当
技
。
Cancer Center and a Center of Excellence for
Advanced Radiation Therapy should therefore
be focused on two unique developments that will
considerably improve our ability to cure cancer
Introduction
patients and maximize their quality of life.
Biologically optimized intensity modulated
生物学的
photons, electrons and light ions represent the
ultimate development of radiation therapy where
最適化
重粒子線
量
、物理的視点
生物学的作用
the absorbed dose and biological effect to normal
from a physically point of view at the same time as
子線
、物理的
cells is as high as possible from a biological point
必要
腫瘍細胞
the clinical target volume and surrounding healthy
陽子
normal tissues can be set as narrow as physically
考慮
possible, the required number of treatment
36
放射線科学 Radiological Sciences/A. Brahme,Vol.53 No.8・9（35-61）2010
対
2倍
療
周囲
improved as far as possible so they really become a
立
高
unique, sensitive and fast tool in the early detection
成
。重粒
of tumor spread. Furthermore they should also
CT 画像法
可能
限
上回 （図 1
狭
設定
著
少
。重粒子線
、治療
the tumor in vivo by repeated PET-CT imaging
、低酸素
during the first week of therapy [ 1]. This was one
X 線、電子、
参照）。
従来型放射線治療
be used to evaluate the radiation resistance of
正常組織
治療効果比
約2〜3倍
最大限
健康
、治癒患者 1 例当
、最先端
、生物学的視点
放射線治療
分割照射回数
of view. With light ions the border region between
視野
治療効果
、臨床標的体積
、現在
of view of modern PET-CT cameras should be
抑
、究極
the therapeutic effect on radiation resistant tumor
fractions can be substantially reduced and the
最小限
第1
吸収線
正常組織
放射線抵抗性腫瘍細胞
tissues can be adjusted to be as low as possible
First, the sensitivity, resolution and field
強度変調 X 線、電子、
重粒子線
同等
of the key goals of the 6
th
感度、解像度、
向上
、腫瘍拡大
、高感度、
高速
。
、治療
反復実施
放射線抵抗性
、
低
経済性
Magnetic Resonance Spectroscopic Imaging (MRSI),
、
、陽子治
even if the sensitivity is lower should be used for
番目
唯一
screening purposes since the radiation dose to
X 線画像法
第1週
PET-
、生体内
腫瘍
主導
重要
画像法（MRSI） 、感度
、正常組織
放射線量
目的
診断技術
完
研究所
。磁気共鳴
B IO C ARE , coordinated from Karolinska Institutet.
役
活用
第 6 次研究計画 BIOCARE
framework program,
早期発見
評価
[ 1 ]。
知見
問
PET-CT
可能性
触
小
使用
。3
、
必要
位相差（SP）
。
、診断
放射線科学 Radiological Sciences/A. Brahme,Vol.53 No.8・9（35-61）2010
37
的 CT
放射線生命科学
秘
関
放医研国際
and contrast at significantly lower doses compared
捉
、非常
興味深
腫瘍診断
。
、腫瘍
特性
、高度
大
早期画像
、治療
関
Diagnostics By PET-CT Imaging
分子腫瘍診断
改良
実現
可能性
Inverse Radiation Therapy Planning (IRTP) and
治療（IMRT） 開発初期
診断方法
腫瘍拡
Intensity Modulated Radiation Therapy (IMRT)
子、重粒子線
、活用
。
生体内予測
治療最適化
逆方向放射線治療計画（IRTP） 強度変調放射線
the goal was to shape arbitrary physical dose
distributions by dynamic scanning of narrow pencil
、任意
、
beams of photons, electrons and light ions or by
[ 6 - 16 ]。
実現
動的
物理的線量分布
、最適
高
spread should be used as the base for treatment
of radiation therapy required that the optimal
response monitoring during the early phase of
dose delivery should produce the best possible
therapy and allow accurate in vivo predictive
clinical combination of a high tumor cure and
assay of radiation responsiveness and consequently
minimal adverse normal tissue side effects. Thus,
放射線治療
最適化
biologically based therapy optimization [ 1, 3, 4].
a radiation biological optimization of the treatment
治療中
治療後
outcome is really the key goal of radiation therapy
観点
optimization. This could be done in terms of the
腫瘍治癒
第2
Secondly, to maximize the therapeutic
response of the tumor and minimize eventual adverse
組織
normal tissue reactions biologically optimized
安定
photons, electrons and light ions are the ultimate
常組織
、治療
腫瘍
有害作用
最小化
腫瘍細胞
反応
、
高密度
修復可能
重粒子線
of DNA lesions in genetically unstable tumor cells
、正常
、遺伝的
DNA 障害
、生物学的
therapeutic modalities delivering high densities
最大化
発生
、正
少
発生
障害
最適化
照射
（図 1
lesions in normal tissues (Fig. 1 and [ 5]). To maximize
LET（線
the therapeutic outcome it is important to be able to
OER（酸素増感比）、OGF（酸素効果比）、AFr（
RBE (Relative Biological Effectiveness), OER (Oxygen
影響範囲内
正確
正常組織
最善
副作用
組
合
減
実現
認識
、
放射線生物学的
。
治療結果
重要目標
患者
実施
、
最大化
治療
最適化
、
。
、
実効的 QOL
単純
副作用
具体的
、
最小化
、
mm
行
総合癌
Relation) for the tumor and affected normal tissues.
能力
飛躍的
増大
早期
実現
have mm resolution a comprehensive cancer center
最大限
with light ion therapy will represent a quantum leap
癌
in our ability to accurately treat malignant tumors.
発展
、腫瘍
治療特性
重要
(Apoptotic fraction) and the DRR (Dose Response
Since both the diagnostic and therapeutic methods
関
対
定量化
解像度
。診断
達
治療
、重粒子線治療
、悪性腫瘍
正確
治療
。
、重粒子線治療
活用
臨床的長所
、重粒子線治療、
分子
促
It is very important that such centers will b e
、癌患者
、非常
realized as soon as possible to make full use of the
癌治療制度
clinical advantages and fast developments of light
投資
ion therapy as well as of molecular genomics and
向上
一
、腫瘍治癒確率
有害
、
実現
付与）
、RBE（生物学的効果比）
、
Enhancement Ratio), OGF (Oxygen Gain Factor), AFr
proteomics of cancer and to make them clinically
最大化
比率）、DRR（線量反応関係）
beams in terms of LET (Linear Energy Transfer),
必要
限
真
最適化
治療方法
and largely only induce a low density of repairable
accurately quantify the therapeutic properties of the
可能
走査
X 線、電子、
究極
[ 5]）。治療効果
不
、臨床的
動的
多葉
線量分布
正常組織
、X 線、電
形成
、放射線治療
dynamic multileaf collimation [ 6 - 16 ]. However, it
was very soon realized that a true optimization
目標
細
、
、
[ 1, 3, 4]。
diagnostic approaches the initial image of tumor
PET-CT画像法
In the early days of the development of
治療反応
正確
生物学的
and treatment responses [ 2 ]. With any of these
治療
早期段階
基礎
放射線反応性
可能性
Improved Molecular Tumor
反応
分子画像法
[ 2 ]。
to diagnostic CT. It has also the potential to allow
advanced molecular imaging of tumor properties
解像度
技術
imaging since it has a very interesting potential
in tumor diagnostics due to improved resolution
線量
向上
diagnostic development should be mentioned here
namely Stereoscopic Phase Contrast (SP) X-ray
低
Feature : NIRS International Symposium on Radiation Life Sciences
特集
normal tissues is really minimal. A third potential
利益
重要
臨床
中
経済性
。
、新
優
分野
、医療
診断・治療法
、治療成績
期待
提供
実質的
QOL
、数少
領域
。
available to the benefit of our cancer patients. It is one
of the few areas where a substantial investment
in new diagnostic and therapeutic methods is cost
effective and rapidly bringing improved treatment
results and quality of life into the health and cancer
care system.
38
放射線科学 Radiological Sciences/A. Brahme,Vol.53 No.8・9（35-61）2010
Fig. 2) Illustration of the development from classical forward therapy planning to inverse therapy planning using physical
dose (upper right panel) and biological (tumor and normal tissue response) treatment objectives. The ultimate step in therapy
development is to do biologically optimized light ion therapy where the optimal weights of different light ion species are selected
to maximize the complication free cure (cf lower right panel and Fig 5).
図 2：古典的 順方向治療計画
療法発展 最終段階 、合併症
（ 右下図 図 5 参照 ）。
、物理的線量（ 右上図） 生物学的（ 腫瘍
正常組織 反応）治療目標 用
逆方向治療計画
発展 。治
治癒 最大化
、様々 重粒子線種 最適 重 付
行 、生物学的 最適化
重粒子線治療
放射線科学 Radiological Sciences/A. Brahme,Vol.53 No.8・9（35-61）2010
39
可能性
放射線生命科学
a quasi-uniform cell kill is produced in the target
正常組織
均一
volume disregarding a possible hypoxic Gross tumor
and normal tissue side effects. In fact, most of the
副作用
殺細胞作用
関
time the treatment outcome is in reality limited by
放医研国際
the unavoidable radiation effects in healthy normal
考慮
tissues surrounding the tumor and it is important
要
治療
健康
放射線作用
腫瘍
知
optimized treatment approach since we never know
。放射線治療
the true radiation sensitivity of the tumor and it is
腫瘍
often heterogeneous. The ultimate development of
応答特性
発展
放射線感受性
、生物学的
基
」
For this purpose a new approach called BIOART ‒ “the
、反復的
測定
、治療
治療
最適化
選
努
示
、BIOART「生命
用
開発
。
3 D PET-CT 撮影、患者位置画像、
、第 1 週 治療
based Radiation Therapy as illustrated in Fig. 3 .
果
This is a truly biologically adaptive approach where
観察
the early tumor response is picked up by repeated
当 生物学的適応
分布
放射線
三次元生体内予測
新
捉
初期段階
、図 3
PET-CT 線量分布画像
Optimized 3 dimensional in vivo predictive Assay
重
決
、観察
目的
放射線治療
treatment to the observed radiation responsiveness.
art of life” ‒ is being developed using Biologically
最終形態
生物学的
。
治療
不均一
放射線応答特性
radiation therapy is to try to measure the radiation
of therapy and then try to biologically adopt the
本当
避
、
最適化
、
合
対
受
生物学的
。
場合、
正常組織
制限
、真
to take this into account in a true biologically
response of the tumor during the initial phase
手法
。実際、
腫瘍周囲
入
、標的体積内
生
高度
現実
考慮
Feature : NIRS International Symposium on Radiation Life Sciences
特集
as biologically optimized ion therapy where just
初期
終
後、線量
修正
、治療結果
反応
合
真
治療
腫瘍反応
生物学的効
最大化
、
選択
、本
（図 3）
。
3 D PET-CT imaging, patient position imaging
Fig. 3) Illustration how PET-CT information can be used to verify and biologically optimize radiation therapy using in vivo Predictive Assay
(BIOART). By measuring the tumor cell kill early on in the treatment 3-dimensional in vivo predictive assay information about radiation
responsiveness is obtained for accurate prediction of the optimal dose delivery. Both with light ions and scanned high energy photon
beams 3D in vivo PET-CT dose delivery monitoring is possible to further optimize the treatment based on observed mean dose delivery
which may differ from the planned dose delivery without considering organ and patient motion (cf Figs. 4 and 15). Both these data sets
when used together will allow a high degree of therapy optimization where practically all major sources of treatment error can be picked
up as long as they influence tumor cell survival and can thus be corrected for using biologically optimized adaptive treatments [1, 4].
図 3：生体内予測
（BIOART ） 用 、生物学的 最適化
放射線治療 検証
PET-CT 情報 活用
方法 。治療早期 殺腫瘍細
胞効果 測定
、治療反応性 関
三次元的 生体内予測
情報 得
、最適 線量送達 正確 予測
。重粒
子線 高
X線
、平均線量分布 計測 基
治療
最適化
、三次元生体内 PET-CT 線量分布
可能
、計測値 計画
線量分布
逸脱
場合
、臓器 患者 動
考慮
実施
（ 図 4 15 参照 ）。
両方
併用
、高度 治療最適化 可能
、腫瘍細胞 生存 影響 及
主 治療誤差 源 事実上
拾 上 、生物学的 最適化
適応放射線治療
補正
[1,4]。
effective quality of life for the patient during and
after therapy or more simply and specifically by
実施
癒
効果的
今日
effectively achieved by maximizing the probability
後
of achieving complication free tumor cure (P+, [17-22])
最小化
腫瘍治
、何年
達成
[ 17−22 ]
、
下図 2、3、5 - 9
、
P+
、P+
治療関連障害
高
保
、最
前
the first week of therapy the dose and biological
effect delivery is modified to adopt the treatment
to the observed response to really maximize the
treatment outcome (Fig 3).
individualized, taking the responsiveness of the
治療
法
The scientific bases for the BioArt approach as
初期段階
presented in Fig. 3, illustrating how repeated PET-
治療中
平均線量送達
測定
CT imaging during the early phase of radiation
反応性
推定
方法
描
情報 図 2
3
最大化
radiation responsiveness at the same time as the
確率
mean dose delivery during the treatment can be
。
as shown in Figs. 2 and 3 to derive the optimal
to stay high during this process as seen in Figs. 2,
dose delivery with available radiation modalities.
3 and 5- 9 below.
Therefore Figs 2 and 3 really show how different
放射線科学 Radiological Sciences/A. Brahme,Vol.53 No.8・9（35-61）2010
一般
呼
、低酸素
、非常 個別的
B IOART
科学的根拠
示
。
反復的
図
、放射線治療
PET-CT 画像法
同時
、
、腫瘍
放射線
。
measured.
probability of treatment related injury requiring P+
線治療
、生体内
[ 1 , 4 ]。図 3
tumor in vivo in 3 -dimensions into account [ 1 , 4 ].
biologically based inverse treatment planning
more advanced than what is commonly mentioned
実現
一
therapy can be used to estimate the tumor
達成
最適化
利点
三次元的 腫瘍 反応性 考慮
maximizing P + and thereafter minimizing the
、生物学的
治療法
method is therefore that it will be highly
This information can then be used for
治療目標
、
One of the advantages of this treatment
but can today probably best be achieved by first
These treatment objectives are much
40
、合併症
確率（P+） 最大化
maximizing tumor cure and minimizing treatment
related side effects. For many years this was
。
and PET-CT dose delivery imaging and after
粒子
肉眼的腫瘍
次
方向治療計画
最適
的
線
、利用可能
導
出
図2
3
、正常組織
生物学的
様々
可能
逆
放射線治療法
線量送達
治療効果 高
radiation modalities such as photons, electrons
and light ions can be optimally combined to give
活用
生物学 基
。
限
低
副作用
抑
物理
、腫瘍
、X 線、電子、重粒子
放射線治療法
最適
組
合
放射線科学 Radiological Sciences/A. Brahme,Vol.53 No.8・9（35-61）2010
41
検出
放射線生命科学
ions is that positron emitters are created along
線
炭素
the ion track and not least at the end of the range
線施設
使用
and could be detected by PET imaging. It has
示
関
放医研国際
energy photons and carbon ions can be registered
野
with a PET camera used at the light ion facility.
解像度
Fig. 4 shows how an opened whole body PET-CT
等
camera could be designed to get a large field of
PET 画像法
view and at the same time a high resolution CT in
、中央
確保
中央
高解像度
by combining the same detector for both CT and
用
、中央部
PET imaging for example using avalanche photo
高
diodes with different operation mood during the
洗練
CT and PET operation. The central high resolution
治療情報
方法
図3
during the treatment schedule to determine the
線治療
urgently needed for accurate target volume
、標的体積
腫瘍画像法
緊急
必要
determination. Based on accurate PET-CT imaging
画像法（図 3
(cf Figs. 3 and 4 ) the effectiveness of light ion
低 LETX 線、電子、陽子
therapy can be increased, because the number
1 / 10
。正確
参照） 基
比
門数
。PET-CT
than for low LET photons, electrons and protons.
断方法
New diagnostic modalities such as PET-CT and
腫瘍
MRSI, will also give a measure on the tumor
重粒子線
cell density and hopefully in addition the tumor
飛跡
MRSI
、腫瘍細胞密度
反応性
沿
利点
有効性
測
計測
期待
、飛程
約
高
新
可能
、
、CT
比較
出
[ 1] ). The scientific bases for the BIOART approach is
用
可能
presented in Fig. 3 illustrating how repeated PET-
高
解像度
[ 2 ]。
時点
放射線抵抗性
、生物学的
最適化
個別化
科学的根拠
反復的
描
示
。
。図
、放射
PET-CT 画像法
治療中
。次
基
抑
使用
平均線量分布
、
情報
逆方向治療計画
放射線治療法
低
判定
放射線治療（ BIOART,
基
高度
診断
、三次元
。図 2
限
方法
。
考慮
。
、位相差
、腫瘍
生物学
導
使用
最適
図2
活用
線量分布
、正常組織
、腫瘍
副作
治療効果
、X 線、電子、重粒子線
CT imaging during the early phase of radiation
放射線治療法
therapy can be used to estimate the tumor radiation
示
線治療
最適
。BIOART 技術
関
詳細
重粒子線
思
組
報告
、
合
種々
使用
方法
、最近、進行肺癌
X
11
、 C
同等以上
効果
[ 4 ]。
such as photons, electrons and light ions can be
combined to give a high therapeutic tumor effect
at the same time as normal tissue side effects are
診
、
[ 1 ]。一部
kept as low as possible. The BIOART technique
was recently described in more detail for photon
therapy of an advanced lung cancer, but it could
equally well or even better have been done with
末端
放出核
解像度
作動
放射線応答特性
方法
predictive Assay based Radiation Therapy ( BIOART,
2 really shows how different radiation modalities
重粒子線治療
、腫瘍
、利用可能
PET-CT
CT
効果
異
初期段階
into account using Biologically Optimized in vivo
delivery with available radiation modalities. Fig.
高
合
肉眼的腫瘍領域
BIOART 法
3
、高度
決定
、重粒子線治療
o f b e a m p o r t a l s c a n b e a b o u t 10 t i m e s l o w e r
放射線科学 Radiological Sciences/A. Brahme,Vol.53 No.8・9（35-61）2010
4
正確
組
CT 検出
、治療
the responsiveness of the tumor in 3 -dimensions
shown in Figs. 2 and 3 and derive the optimal dose
異
反応性
推定
physically and biologically possible.
視
PET
後者
、治療
could therefore be highly individualized, taking
biologically based inverse treatment planning as
CT
検出器
生体内予測
and therapeutic information at different times
treatment. This information can then be used for
。
場所
可能
腫瘍
[ 1 ]） 用
as normal tissue side effects are kept as low as
Advanced tumor imaging is therefore
42
示
、広
腫瘍
可能
could be further refined to compare diagnostic
responsiveness and mean dose delivery during the
使用
同
PET
CT detection could even use the phase contrast
a high therapeutic tumor effect, at the same time
、他
resolution elsewhere. This latter effect is achieved
mechanism to increase resolution and contrast in
方法
。
、CT
radiation resistance of the tumor. The treatments
示
。
the central tumor section and equal CT and PET
、重粒子
設計
確保
達成
the central gross tumor region [ 2 ]. This method
線量
記録
。図 4
全身 PET-CT
図 4：中央 CT 領域 解像度 高
中央 開口部 設
、専用 高解像度
PET-CT 腫瘍
断面図 。PET 検出器 、周辺部
CT 用 X 線 検出
、最適 PET 再構成
十分 低 解像度
。究極的
、測定中 陽電子 拡散 消滅 補正
、
2 〜 3 mm
PET 解像度 可能
思
。正確 自動
患者 呼吸運動
補正
、三次元
組 込 、活動的 患者
再構成精度 高
計画
。中央 高解像度 X 線画像
、肉眼的腫瘍
体積 解像度
最大化
、PS（ 位相差
）X 線画像 用
理想
。
付与
X
PET
been shown that the delivered dose from high
Fig. 4) Cross section through a dedicated high-resolution open PET-CT tumor camera where the central opening is introduced to allow
a high resolution in the central CT-region. The PET detectors will also detect peripheral CT photons but at a lower resolution sufficient
for optimal PET reconstruction using CT alternation data. Ultimately a PET resolution in the order of 2 ‒ 3 mm should be possible by
correcting for positron diffusion and annihilation in flight. It is planned to integrate a 3D laser camera with the system for accurate
auto set up and real time correction of patient motions such as breathing to improve reconstruction accuracy with a dynamic patient.
The central high resolution X-ray imaging section could ideally use PS-Phase contrast Stereoscopic X-ray imaging to maximize
resolution and contrast in the gross tumor volume.
。高
Feature : NIRS International Symposium on Radiation Life Sciences
特集
responsiveness [ 1 ]. The advantage of some light
作
、PET 撮影
light ions such as
11
C [ 4].
放射線科学 Radiological Sciences/A. Brahme,Vol.53 No.8・9（35-61）2010
43
放射線生命科学
Feature : NIRS International Symposium on Radiation Life Sciences
特集
関
放医研国際
Fig. 5) Illustration of the numerical techniques used in iterative procedures for biologically optimized therapy planning and inverse
therapy planning using physical (dose) and biological (quality of life or tumor and normal tissue response cf Fig. 2) treatment
objectives.
Fig. 6) Illustration of the advanced 3-dimensional dose delivery possible by low LET photon beams using biologically intensity and
angle of incidence based radiation therapy (BIO-IMRT). The red to pink region is the high dose tumor volume accurately enclosing
a prostate tumor enlarged by tumor growth.
図 5：物理的（ 線量 ）
生物学的（QOL
腫瘍 正常組織
向治療計画 反復計算手続
用
数値計算技法 。
図 6：生物学的 強度 入射角 基
放射線治療（BIO-IMRT） 用
低 LETX 線
、腫瘍増殖
肥大
前立腺腫瘍 正確 取 囲 、高線量 腫瘍体積
。
実現
of advanced tumor diagnostics based on PET-CT
長所
、
真
imaging (cf Fig. 3 ) of the tumor clonogen density
中
opens the field for new powerful radiobiologically
瘍細胞
based treatment optimization methods. The
療最適化法
ultimate step is to use the unique radiobiological
低
反応、図 2 参照 ） 治療目標
Development Of Advanced Biologically
高度 生物学的
Optimized Light Ion Therapy
重粒子線治療
The fast development of energy and
果、放射線治療
has resulted in a considerable improvement of
6
radiation therapy, particularly when combined with
治療最適化技術
従来
be able to cure also the most advanced hypoxic and
、臨床
示
the ultimate tool and in clinical practice even 2 - 3
進行腫瘍診断
times more cost effective than just proton therapy.
基
、腫瘍
開発
治療最適化法
、重粒子線
2〜3倍
独特
X 線、電子、水素
、事実上、
where the integral 3 -dimensional dose delivery
進行
monitored by PET-CT imaging and corrected by
手段
経済的
。
捉
。
治
重陽子
「古典的」
、
、
炭素
、腫瘍
生物学的作用
比較
、正常組織
根治的治療
最
少
中心的
。
、
可能性
photons, electrons and hydrogen ions (protons,
but also possibly deuterons and tritium nuclei) the
、新
放射線生物学
high ionization density carbon ions induce the least
線量分布
、
高
生物学的作用
“classical” approach using low ionization density
intermediate lithium, beryllium or boron ions, and
放射線生物学
有害
将来
高度
。究極
領域内
、適応的
） 用
、電離密度
adaptive therapy optimization methods. Beside the
、近年
開
素
活用
参照） 腫
（陽子、
、中等度
狭
監視
領域
。電離密度
以外
(cf Figs. 5 and 6 ) and tumor cell survival can be
6
補正
beams for truly optimized bio-effect planning
参照） 基
分野
PET-CT 画像
[ 23 ]。
原性密度
強力
積分三次元線量分布（図 5
生存
色
生物効果計画
可能性
、最
究極
最適化
原子核
強力
、強度変調重粒子線
高度三次元線量分布 。赤
and dose distributional advantages of light ion
同
治療
PET-CT 画像法（図 3
段
X線
放射線抵抗性腫瘍
開発
radiation resistant tumors of complex local spread,
基
進歩
局所進展
陽子線治療
結
図 2、3、5、
陽子線治療
as conventional uniform beam proton therapy. To
放射線科学 Radiological Sciences/A. Brahme,Vol.53 No.8・9（35-61）2010
、
併用
均一
低酸素
発展
放射線生物学
。複雑
electron and photon beams practically as powerful
44
向上
用
急速
、強度変調電子
3, 5 and 6 [ 23]. This has made intensity modulated
This development and the recent development
著
、生物学
systems biologically and radiobiologically based
intensity modulated light ion beams are really
電子線
強度変調放射線治療
示
治療計画 逆方
最適化
、X 線
last two decades using photon and electron beams
treatment optimization techniques as seen in Figs. 2,
最適化
開発
過去 20 年間
intensity modulated radiation therapy during the
、生物学的
手
detrimental biological effect to normal tissues for
a given biological effect in a small volume of the
放射線科学 Radiological Sciences/A. Brahme,Vol.53 No.8・9（35-61）2010
45
放射線生命科学
Feature : NIRS International Symposium on Radiation Life Sciences
特集
関
放医研国際
Fig. 7) (right) Overview of the multifaceted array of tumor diagnostics, therapy planning and treatment verification approaches
available for biologically optimized radiation therapy today. Beside the standard tomo-graphic and projective techniques such as X-ray
CT, MRI, MRSI, PET and conventional and therapeutic X-rays multiple molecular approaches are available for imaging hypoxic tumors
and vasculature. In addition diagnostic and therapeutic x-rays may be used for treatment set up verification and so may PET-CT be
used for in vivo dose delivery verification and tumor responsiveness monitoring. For advanced tumors as many as possible of these
advanced diagnostic techniques should be used to ensure an optimal treatment considering the multifaceted clinical background.
Equally important is to have an accurate protocol for treatment follow up to ensure that the clinical response information gained during
each treatment is accurately fed back to historical dose response data (lower row).
図 7：
（ 右 ）生物学的 最適化
放射線治療 現在利用
、多面的 腫瘍診断、治療計画、治療検証方法 全体像 。X 線 CT、MRI、MRSI、
PET
標準的 断層法 投影法、従来型
治療的 X 線法 加
、種々 分子的
低酸素腫瘍 血管系 画像法 利用
。
、診断的
治療的 X 線法 治療
検証 使用
、PET-CT
生体内線量分布検証 腫瘍反応性
可能
。進行腫瘍 対
、多面的 臨床的背景 考慮
、
高度 診断技術
多 使用 、最適 治療 確実 実施
。
各治療 間 得
臨床的反応 情報 、病歴 線量反応
正確
、治療
正確
作
成
、同 重要
（ 下段 ）。
図 8：様々 重粒子線線量分布
標的体積（
局所
節転移 伴 子宮頚癌 ） 各部
有利
図示
。臨床標
的体積 周辺部
、腫瘍細胞密度 低 領域 LET 低 、
陽子 最 有用
思
。遠位 肉眼的腫瘍 領域
、
最善
思
。 領域
、直腸 標的体積 下流 位置 、他 方法
毒性 高 炭素
曝露
恐
。最後 、肉眼的腫瘍 本体
、炭素
照射 、腫瘍全体 均一 中 LET（ 約 40 eV/nm） 達成
望
。b）
標的領域（ 深 10 〜 15 cm）
内 、 均一 生物学的作用分布 得
、
低 遠位 LET
開始 、腫瘍
前方部 向
炭素
用
LET 増加
良 。 方法 、
付与 微視的 標準偏差
変動 小
、
均一 LET 分布 得
。
tumor. They may therefore be key particles for
resistant and hypoxic tumors. BIologically
curative therapy in the future.
Optimized predictive Assay based light ion
In a more cost efficient approach, referred
patients will first be given a high dose high
precision “boost” treatment with carbon or oxygen
経済的
「
」治療
照射
with conventional radiations in the referring
瘍内
高
the normal tissue stroma inside the tumor and
、照会
炭素
ions during one week preceding the final treatment
is to reduce the high ionization density dose to
方法
週間
hospital. The rationale behind these approaches
46
Fig. 8) Illustration of how different light ion dose distribution kernels are advantageous in different regions of the target volume (here a cervix
cancer with locally involved lymph nodes). Helium and protons may be most useful in the periphery of the clinical target volume due to
their lower LET in a region where the tumor cell density is low. Lithium ions may be best in the distal Gross Tumor region where rectum is
downstream of the target volume and may otherwise receive the more toxic fragmentation tail of carbon ions. Finally the bulk of the gross
tumor should preferably receive Bragg peak carbon ions so a uniform medium LET ( ≈40 eV/nm) could be reached throughout the tumor. b)
In order to get a more uniform biological effect distribution in the target region (10-15 cm depth) it is better to start with a lower distal LET
such as lithium or helium ions and increase the Bragg peak LET towards the anterior part of the tumor using carbon ions. In this way a more
uniform LET distribution with a smaller variation in the microscopic standard deviation of the energy deposition is obtained.
酸素
受
後、照会元
最終治療
正常組織
受
基質
。
対
病院
方法
、放射線抵抗性
低酸素腫瘍
、
均一
線量分布
最適化
予測
微視的
。生物学的
重粒子線治療（BIOART、図 3
delivery with a strong early effect on radiation
布
腫瘍応答特性
、1
、
Radiation Therapy (BIOART, cf Fig. 3) is really the
情報
実施
最終段階
物学的
従来
therapy using checkpoints of the integral dose
線
delivery and the tumor responsiveness, and based
診断
on this information, performing compensating
次元（3D）線量送達
corrections of the dose delivery during the last of
法
、本当
the treatment so called Adaptive therapy. By using
応
測定
biologically optimized scanned high energy photon
療終了
or ion beams it is possible to measure in vivo the
行
線量
減
初期効果
保証
基
参照） 、積分線量分
用
高
3 -dimensional ( 3 D) dose delivery using the same
補正
最適化
呼
治療
行
。生
X
用
物
同
、腫瘍進展
PET-CT
、生体内三
測定
。
標的組織
線量分布
、治療
全体
修正
、真
、
高
線
用
方法
、適応治療
線量分布
ultimate way to perform high precision radiation
、腫
究極
基
高精度
根拠
高電離密度
to ensure a more microscopically uniform dose
放射線科学 Radiological Sciences/A. Brahme,Vol.53 No.8・9（35-61）2010
患者
精度放射線治療
臨床反
生
誤差
入射
意味
適応放射線治療
三次元
道
開
方
治
生物学的
微調整
最適化
。興味深
放射線科学 Radiological Sciences/A. Brahme,Vol.53 No.8・9（35-61）2010
47
放射線生命科学
Feature : NIRS International Symposium on Radiation Life Sciences
特集
関
放医研国際
Fig. 9) The generation of a quasi uniform absorbed dose and cell kill distribution between about 21 and 26 cm of depth by combining
lithium and carbon ions in suitable ratios to make the cell kill and survival quasi uniform. The small local variations in absorbed dose
are due to a somewhat too large longitudinal range modulation ( ˜3 mm) used to clearly illustrate the applied mechanism combining
lithium and carbon ion Bragg peaks at each depth. The different panels show the total dose and carbon dose and the lithium dose in
the upper row, whereas the cell survival and mean LET distribution is shown below. Interestingly, by combining lithium and carbon ions
a uniform biological effect, survival, mean LET and absorbed dose can be obtained for a uniform tumor. The survival was calculated
for simultaneous irradiation whereas the mean LET is more difficult to interpret as it is based both on lithium and carbon ions but the
LET variation is low and in a single beam it peaks just downstream from the tumor where the dose is low.
図 9：殺細胞作用 細胞生存
均一
適
比率 、
炭素
併用
、深 約 21 〜 26 cm 間
均一
吸収線量 殺細胞作用分布 生成
。吸収線量
局所変動 、種々 深
炭素
併用
仕組
描 出
、縦方向 変調範囲（ 約 3 mm）
過大
。上段 図 総線量
線量、下段 図 細胞生存 平均
LET 分布 示
。興味深
、
炭素
併用
、均一 腫瘍
均一 生物学的作用、生存、平均 LET、吸収線量 得
。生存 、同時照射
計算
。一方、平均 LET 、
炭素
両者 基
、LET 変動 小 、単一
腫瘍 少 下流
線量 低 場所 最大値 取
、解釈 難
。
Fig. 10) A common technique to reduce the quality variation is to use parallel opposed beams. This is even more efficient when
using two different ion species as seen on the RBE variation which is now almost negligible and the large peak in Fig. 9 has
disappeared because of the dose contribution from the posterior beam. It is also seen that the mean RBE is increased even if about
half the dose is delivered by lithium ions.
図 10：質
。
変動 減
後方
付与
一般的 技法 一
、対向 2 門
線量
、RBE 変動
無視
、平均 RBE 増大
用
小
the tumor spread. This method thus opens up
動
誤差、
反応
planning errors, patient setup errors, and dose
積分線量
走査
adaptive radiation therapy where the measured
主要
dose delivery to the true target tissue and their
。最初
瘍細胞
the incoming beams so that possible errors in the
放射線科学 Radiological Sciences/A. Brahme,Vol.53 No.8・9（35-61）2010
、
方法
1 〜 2 週間
定量
当
埋
治療後
合
正
、
can be used to also account for uncertainties in
密
生存
不確実性
、
biological response data and really cover all clinical
、
中
得
the first week or two of therapy, this information
補正
可能
、
the end of the treatment. Interestingly enough,
48
源
、生物学的反応
integral therapy process are eliminated towards
practically all major error sources can be corrected
誤差
問題、
誤差
情報
臨床的不確実性
（図 7）
。PET-CT
場合
数回
進化
用
、BIOART 法
[ 1 , 4 ]。
up (Fig. 7 ). The response of the PET-CT camera
治療最適化
is related to the truly delivered integral dose [ 4 ]
行腫瘍
with correct temporal averaging, thus if only small
能
治療
、
不確実性
補
放射線治療
厳
生体内予測
真
生物学的
実施
10 〜 40 %
基
最適化
可能
思
生物学
用
[ 18 ]。三次元
両者
誤差
調整
、最近開発
治療結果
付与
腫瘍反応
、
科学
放射線治療
、本当
生物学的反応
可能
dose response data can be derived during follow
errors are seen, it is sufficient to adjust the last few
効果的
約半分
[ 4 ]、小
、患者
用
本
関連
。PET-CT
uncertainties at the same time as more accurate
線量反応
使用
。 、線量
時間的平均
、最後
腫
補正
正確
場合
十分
用
線量送達
、正確
見
to quantify the surviving tumor colognes after
誤差、患者
起因
the door for truly 3 D biologically optimized
therapeutic response, can be used to fine adjust
、治療計画
2 種類
消滅
。
scanning beam errors. As long as it is possible
、臓器
、異
for in this way such as organ motions, treatment
delivery problems due to gantry, multileaf or
PET-CT camera that was used for diagnosing
。
、図 9 大
基
、進
向上
腫瘍細胞生存
可
線量分布
適応放射線治療
放射線科学 Radiological Sciences/A. Brahme,Vol.53 No.8・9（35-61）2010
49
放射線生命科学
40 % [ 18]. The adaptive radiotherapy process based
放射線治療
多
患者
both on 3 D tumor cell survival and dose delivery
monitoring has the potential of percent accuracy in
高度
関
放医研国際
治療
modulated ion beam dose delivery.
CT
有望
、
外科治療
必要
治療
、
高 RBE
3 D geometric Bragg peak scanning and intensity
、X 線
高 LET
肉眼的腫瘍体積
、生物学的
最適化
、他
正確
診断方法
生体内予測
more and more patients may not even need
初期
advanced surgery but instead could be cured
治療反応性
何桁
高
放射線感受性
関
究極
腫瘍画像法
、
三次元
手段
。治療
、腫瘍
機能的腫瘍細胞
。PET
、
PET-
2 回実施
by photon and electron IMRT and ultimately
MRSI
。
感度
腫瘍画像診断
点
当
重粒子線治療
疑
radiation therapy is very promising and gradually
biologically optimized light ion therapy, where the
非常
電子 IMRT
tumor response and dose delivery, not least with
There is no doubt that the future of
未来
消失率
方
定量
分子的感度
重要
高
思
、
。
high LET ‒ high RBE Bragg peak is solely placed
Feature : NIRS International Symposium on Radiation Life Sciences
特集
outcome for advanced tumors by as much 10 ‒
in the gross tumor volume. PET-CT is still a few
orders of magnitude more sensitive than other
diagnostic modalities and probably the ultimate
tool for accurate tumor imaging and 3-dimensional
in vivo predictive assay of radiation sensitivity.
By imaging the tumor twice during the early
course of therapy it is possible to quantify both
the tumor responsiveness to therapy and the rate
of loss of functional tumor cells. MRSI may also
Fig 11) (right) The DNA damage in the cell is recognized by proteins that signal their results by phosphorylation on the P53 gene product.
Low ionization density damage generally phosphorylates the serine 15 and 20 sites on P53 which leads to a cell cycle block and initiation
of DNA repair by P21 and GADD45. With lithium ions this mechanism dominates in normal tissues in front of and behind the tumor. At
the Bragg peak the ionization density is high which leads to more severe unrepairable DNA damage which commonly phosphorylates the
serine 46 site on P53 and thereby triggers an apoptotic response, eliminating tumor cells with severe DNA damage [26]. With lithium ions
a high LET is only present in the Bragg peak where tumor cells are effectively eliminated by apoptosis whereas in all normal tissues the
low ionization density triggers a cell cycle block and DNA damage repair. With protons and helium ions a too low ionization density is
reached at the Bragg peak whereas carbon ions have a high LET almost 5 cm in front of the Bragg peak and also in the fragmentation
tail behind it, so a too little or too wide apoptotic region is obtained with these ions as seen in Fig. 12.
図 11：
（ 右）細胞内 DNA 損傷 蛋白質 認識 、P53 遺伝子産物
酸化
、認識結果 応
送 出 。低電離密度
損傷 、
一般 P53 15 番 20 番
酸化 、
細胞周期 停止 、P21
GADD45
DNA 修復 開始 引 起
。
場合、腫瘍 前後 正常組織
、
支配的
。
電離密度 高
、 重度 修復不可能 DNA 損傷
酸化 、
反応 開始
、重度 DNA 損傷 持
腫瘍細胞 排除
[26]。
起
。
一般 P53 46 番
、
高 LET 集中 、
腫瘍細胞
効果的 除去
、
正常組織
電離密
度 低
、細胞周期 停止 DNA 損傷 修復 引 起
。陽子
、
達成
電離密度 低
、一方、炭素
、
前方約 5 cm
LET 高 、後方
形成
、
、図 12 示
、
領域 狭
、
広
。
become important in this respect even though the
molecular sensitivity is higher with PET.
Medium LET Mixed Modality Light Ion
Therapy Result In Fewer Microscopic Cold
微視的
Spots and Higher Microscopic Uniformity
高
The standard deviation of the microscopic
energy deposition density is very high in high-
場合
常
response monitoring, it is even possible to account
形状
for the uncertainty in biological response of the
変調
patient and it may even be possible to convert
50
、腫瘍反応
線量分布
精度、
対
照射
。
線量分布
向上
非常
高
around lithium and beryllium the highest portion
3 D 幾何学
at intermediate energy deposition densities. The
、強度
shallower normalized dose response gradient at
可能性
high-LETs [ 19 - 21 ] is caused by the microscopic
heterogeneity which increases the risk that
最
付与密度
、
、
多
部分
、中等度
生
正規化線量反応
。高 LET
勾配
不均一性
浅
、
[ 19 - 21 ] 理由
平均的
some tumor cells are missed due to microscopic
time in vivo predictive assay to perform truly
coldspots even at high average normally curative
沿
治療線量
biologically optimized radiation therapy with the
doses. The increased randomness may also cause
粒子線
B IO A RT approach [ 1 , 4 ]. Thus, using the recently
increased cell kill along the tracks at low doses
最
available biologically based treatment optimization
due to random high dose events [ 21 , 22 ]. Based
慎重
algorithms it is possible to improve the treatment
on the different dose distributional and biological
入
見逃
。
乱雑
高線量事象
細胞
独特
死滅
判断
、微視的
高
、微視的
腫瘍細胞
非
標準偏差
図 12） 見
付近
有効線量
線量
付与密度
。図 1（
very high. In Fig. 1 (and 12 below) it is seen that
成績
沿
、微視的
radiation therapy to an exact science and use real
放射線科学 Radiological Sciences/A. Brahme,Vol.53 No.8・9（35-61）2010
、
高
LET beams since the dose along the ion cores is
微視的均一性
中LET混合重粒子線治療
高 LET
of the effective dose at the Bragg peak is delivered
treatment fractions. When using PET-CT tumor
少
増加
線量分布
大
、低線量
[ 21 , 22 ]。上
生物学的特性
利用
、
図8
必要
明
線量付与 主
一部
、
飛跡
述
重
、
論
、
。例
、
肉眼的腫瘍 位
放射線科学 Radiological Sciences/A. Brahme,Vol.53 No.8・9（35-61）2010
51
LET
放射線生命科学
absorbed dose and the atomic number and thus also
the Bragg peak LET of the ions or alternatively
図9
線量
by just mixing two different ions species so the
図 10
一定
関
放医研国際
stays approximately constant as seen in Figs. 9
大半
炭素
and 10 . This latter approach requires that most
要
、腫瘍
、
平均 LET
方法
方法
、
混合
生存、
保
後者
可能
。
前半部
非常
高
LET
必
、遠位部
of the Bragg peak dose is of very high LET, such
、
as carbon ions, in the anterior part of the tumor
、
whereas the distal part mainly requires a lower
大形
密度
低
主体
必要
近
状態
理想的
達成
（図 9
、中形
微視的
付与
、非常
10
良
参照）
、
、細
deposition density distribution for medium to large
。実際
混合
腫瘍
思
移
LET
炭素
lithium and carbon ions may be a very good
way to achieve close to ideal microscopic energy
方法
2 種類
生物学的作用
dose biological effect and survival and mean LET
LET such as helium or lithium ions. In fact, mixing
増大
方法
小
治療
（図 11
12
転
最善
参照）。
Feature : NIRS International Symposium on Radiation Life Sciences
特集
edge such as lithium and gradually increase the
size tumors (cf Figs. 9 and 10), whereas small oligo
metastasis are best treated by narrow lithium ions
alone (cf Figs. 11 and 12).
High Apoptotic Cell Kill In The Tumor
正常組織
腫瘍
But Not In Normal Tissue
細胞死 高
The maximum apoptotic cell kill is obtained
LET
from a clinical point of view since apoptotic tumor
瘍細胞
cell kill does not cause an inflammatory response in
図 12：高 LET 成分 、陽子
2 〜 3%
前方数 cm
広
、背後
広
。
寄
、大
腫瘍
炭素
最 理想的
a peak at around 20 ‒ 80 eV/nm that is at lower
80%
、
急激 増加
。炭素 場合、高 LET 領域 、
炭素 中間 位置
、中間的 腫瘍部位 治療 関心
properties of light ions discussed above it is clear
置
that their optimal usage require some careful
無視
considerations as briefly discussed in Fig. 8 . For
微小線量測定
example should the Bragg peak dose delivery
細胞
mainly be located in the gross tumor so that
密度
、腫瘍外
程度
敏感
正常組織
抑
高 LET 線量
必要
視点
、図 9
均一
発生
望
。
10
示
微視的
引
起
of high-LET events that are needed to induce
、LET
with increasing LET [ 25]. This effect is due to the
tissues outside the tumor. Furthermore, it is better
interesting property to induce a local apoptotic
from a microdosimetric point of view to generate
response (programmed cell death) only in the
a rather uniform microscopic energy deposition
Bragg peak region where the LET is sufficiently
density on the cellular scale as shown in Figs. 9
high. Therefore they eliminate more tumor cells
and 10.
with natures preferred method characterized by
9
LET at the distal tumor edge then obtained by
、単
高 LET 炭素
simply depositing high-LET carbon Bragg peaks
、
低
as indicated in Figs. 8 and 9 . This could basically
基本的
2
放射線科学 Radiological Sciences/A. Brahme,Vol.53 No.8・9（35-61）2010
実現
望
徐々
吸収線量
原子番号
。
、
、
RBE
急速
数
低下
起因
作用
、高 LET
単位線量当
事象
数
減少
起因
中
、LET
十分
高
反応（
細胞死） 引
起
持
。
多
腫瘍細胞
所的
効率
最大化
同時
、
、非常
、自然本来
起
合間
副作用
最小化
達成
。
後方
。
回復
直接的
方法
、局
領域
引
興味深
消滅
、DNA 損傷
治療
LET 値
高 LET 事象
局所的
plateau region and the fragmentation tail beyond
LET
線量
伴
重粒子線
DNA 修復
、
、
領域
特性
起
同様、
必要
。
LET
引
持
、一定
上昇
effects. At the same time the DNA-damage in the
the Bragg peak is instead triggering cell cycle
。腫瘍後端
増大
。RBE
highest possible local efficiency and minimal side
後端
照射
用
方法
、腫瘍
低 LET
be done in two different ways either by starting
with a lower LET Bragg peak at the distal tumor
LET
示
有利
[ 25 ]。
decreasing number of apoptotic events per unit
dose at high LET values. Medium LET light ions
炎症反応
、100 〜 200 eV/nm
eV/nm. This is due to the fact that the number
like lithium and beryllium therefore have the very
、図 8
値
、中
腫
、20 〜 80 eV/nm
。
、
最大
、
正常組織
低
apoptosis at a given dose level decreases rapidly
。
死
LET values than that of the RBE peak at 100 ‒ 200
、
付与
[ 24 , 25 ]。
、臨床的
normal tissue. Similar to the RBE the apoptosis has
negligible high-LET dose falls on sensitive normal
Therefore it is better to use a slightly lower
52
at medium LETs [ 24 , 25 ]. This is advantageous
Fig. 12) The high LET component increases rapidly from only a few percent for protons and about 50% for helium, 80% for lithium.
For carbon the high LET region extends several cm in front of the Bragg peak and also behind it. Beryllium and boron ions are located
between lithium and carbon and are of interest for intermediate tumor sites whereas carbon is most ideal for large tumors.
約 50%、
素
。
細胞死
根絶
細胞周期
正常組織
停止
分割
、腫瘍細胞
。
arrest and DNA-repair. Thus normal tissue will
generally recover well between treatment fractions
放射線科学 Radiological Sciences/A. Brahme,Vol.53 No.8・9（35-61）2010
53
放射線生命科学
apoptosis.
In tumors with a mutant P 53 pathway the
P 53 経路
apoptotic fraction is lower [ 25]. However, with light
割合
突然変異
低
関
LET 放射線
放医研国際
to other apoptotic pathways normally not active
経路
。P 53
割合
起
腫瘍細胞
、
主
局所的
引
11 . Lighter ions do not produce much, whereas
、炭素
level of apoptosis both in front of and behind the
前方
ions thus possess a unique, geometrical precision
、独特
in their apoptotic potential. Due to the saturation
誘発能力
effect of the apoptosis at high doses this advantage
和作用
may be highest at low doses.
起
両者
、
〜
幾何学的精度
発揮
伴
。高線量
生
、
飽
利点
低線量
低
X線
線、中性子、重粒子線
low energy photons through high energy electrons
段
and photons to neutrons and light to heavier ions
中 LET
生物学的特性
重粒子線
高
LET（上
i n m o s t r e s p e c t s . T h e q u i t e c o m p l e x F i g . 13
尺度） 、種々
summarizes the LET (upper horizontal scale) or
。高 LET
近
number of biological parameters showing that most
高 LET
至
電子
、種々
横軸
高 LET 線量成分（下
大半
依存関係
線量
同様
。酸素効果比
比率（ AFr ）
、吸収線量付与
neon ions or about half the dose is carbon ions. This
σμ [ 19 - 22 ]、腫瘍治癒確率 50 %
is so with the Oxygen Gain Factor (OGF), the OER,
量
RBE and Apoptotic Fraction (A Fr ) but also with
的
the physical quantities like σµ the microscopic
配γ Clin
高
standard deviation in absorbed dose delivery [19-22],
有用
、非常
物理量
、
and the maximum clinically observed normalized
領域内
。
、標的体積
線量
下
。
均一
均一
peak region the LET is reduced as by necessity
胞死
腫瘍
、臨床
tumor with regard to cell density and sensitivity
炎症反応
it is thus desirable to produce a uniform LET
除去
低
勾
最
distribution with a mean LET value around 40 eV/
LET
nm. Interestingly, this intermediate LET-region
also maximizes the apoptotic cell kill so tumor cells
必然的
照射
低 LET
、LET
感受性
作
望
、
太
起
。
素
LET
引
起
、腫瘍細胞
密度
重要
効果的
炭素
低
十分
過大
、
高
LET
持
。
are more effectively eliminated without too much
inflammatory response in normal tissues as shown
in Fig. 13. The lower LET at the Bragg peak with
boron ions as compared to carbon ions indicate
細
10
引
、正常組織
by the thick dotted ( 10 B ) and shaded ( 12 C ) curves
。興味深
、
、図 13
低
関
、平均 LET 値 40 eV/nm 程度
中 LET 領域
最大化
付
。拡大
、細胞密度
LET 分布
、
LET
曲線（ 12 C） 示
LET plateau ion dose. With a rather uniform
、臨床的
大部分
図 13：酸素増感比
（OER）
、RBE、
比率、50%腫瘍治癒線量
最適線質範囲 選択 、電離密度
（LET、上 尺度）
密 電離
起
線量 割合
（ 下 尺度） 対
関数
示 。
炭素
、放射線治療
最 興味深 、有用 重粒子線
。興味
深
、生物学的有効性 酸素効果、
殺細胞作用 大半 、40 eV/nm前後、
高 LET
線量
約 1/4 〜 1/3 、炭素
線量 約 1/2 所 得
。RBE 同様、
比率
、
原子番号 大
、高 LET
誘発
低 。P53 依存
経路 、殺細胞作用
比率 約
出現
。 、P53 経路 突然変異 持 細胞系 、
半分 誘発
。
D 50 線
最大線量反応関係
中間領域
steepness of the dose response relation γClin is
言
高
Fig. 13) Selection of the Optimal Radiation Quality Range for the Oxygen Enhancement Ratio (OER), RBE, Apoptotic Fraction and the
Dose causing 50% tumor cure as a function of the ionization density (LET, upper scale) or densely ionizing dose fraction (lower scale).
Lithium to carbon ions are the most interesting and useful light ions for radiation therapy Interestingly, most of the biological effectiveness
and oxygen gain as well as the apoptotic cell kill are obtained at around 40 eV/nm or about 1/4 to 1/3 of the dose as high-LET neon
ions or about 1/2 as carbon ions. It is seen that like the RBE the peak apoptotic fraction occurs at increasing LET as the atomic number
of the ions increases. Also cell lines with a mutant P53 pathway have a lower level of induced apoptosis. P53 independent pathways
induce about half the apoptotic fraction of the cell kill.
微視的標準偏差
同
正規化
LET 範囲
、超
約 1 / 3、
約半分
（ OGF）、OER、RBE、
the D 50 dose causing 50 % probability of tumor cure
示
、30 〜 50 eV/nm 付
線量
観察
、
。
炭素
one third of the dose in the form of very high-LET
有利
複雑
得
of the high-LET advantages are obtained already
。
最
非常
生物学的変数
利点
放射線治療手
面
尺度）
X
図 13
、
。図 13
intermediate LET light ions are most advantageous
high-LET dose faction (lower scale) dependence of a
高
線量分布特性
示
are summarized in Fig. 13 indicating that the
放射線科学 Radiological Sciences/A. Brahme,Vol.53 No.8・9（35-61）2010
最
。
properties of different radiation modalities from
large parts of the target volume will receive low-
素
最適電離密度
Both the biological and dose distributional
high or low LET values. Within an extended Bragg
起
量
。
思
軽
、図 12
後方
引
thus in this intermediate region and not at very
。
引
重
Bragg peak as seen in Fig. 12. The lithium ‒ boron
still high. The clinically most useful LET-range is
起
多
carbon and heavier ions produce a significant
、低
別
大
働
用
、図 11
apoptosis mainly at the Bragg peaks as seen in Fig.
at around 30 - 50 eV/nm or with as little as about
、
通常活性化
cells the lithium and beryllium ions will induce local
Optimal Ionization Density
腫瘍
重粒子線
、
with low LET radiations. In P 53 proficient tumor
持
[ 25 ]。
ions there still is a significant apoptotic fraction due
54
Feature : NIRS International Symposium on Radiation Life Sciences
特集
whereas the tumor cells are directly eradicated by
点線（ B） 影
the importance of the fluence density of ions with
sufficiently high LET for inducing apoptosis.
放射線科学 Radiological Sciences/A. Brahme,Vol.53 No.8・9（35-61）2010
55
放射線生命科学
Feature : NIRS International Symposium on Radiation Life Sciences
特集
関
放医研国際
Fig. 14) (right) Building and equipment locations in the proposed outline for an expansion of the existing radiotherapy department of
Karolinska University Hospital is shown in the left part of the figure. The light ion treatment rooms at two levels are equipped with two
excentric gantries allowing treatments from practically any direction (cf Fig. 14) via a 120º wide range of variability in each of the four
rooms. PET-CT and MRSI based tumor diagnostics as well as compact high energy scanned photon therapy allowing PET-CT in vivo
dose delivery verification is also available. Furthermore, Carbon-11 can be produced in the range shifter to produce positron emitting ion
beams to allow more accurate in vivo Bragg peak density monitoring (cf [27]).
Fig. 15) Cross section through the Superconducting Cyclotron with the Particle & Energy Selecting Excentric Ion Gantry capable of
treating patients in 4 surrounding rooms as shown in the lower left panel. The four treatment rooms with protons to carbon ions allow a
10-12 min set up time, and a 2-3 min treatment time/room. In this way a total 12-16 pat/hour, 100-120 pat/day and 2 500 pat/year (at
10-12 fractions/pat) can conveniently be treated. The decelerating graphite range shifter is indicated where carbon 11 can be produced
in therapeutic quantities allowing 50 fold accuracy in Bragg peak imaging. b) The lower right panel shows a close up of the stereotactic
treatment couch used to dock the patient both to the PET-CT camera (see Fig. 4) and the therapy unit (cf Figs. 13-16).
図 14：
（右）
治療室
、4 室
。PET-CT MRSI
正確 生体内
図 15：粒子
選択式
備
超電導
断面図 。左下図 示
、周囲 4 室 患者 治療
。陽子
炭素
用
4
治療室 、
時間 10 〜 12 分、1 室当
治療時間 2 〜 3 分 可能
。 方法 1 時間当
12 〜 16 例、1日100 〜 120 例、年間 2500 例（ 患者 1 例当
10 〜 12 分割） 楽 治療
。図 示
減速用 黒鉛
、治療
量 炭素 11 製造
、
画像 精度 50 倍 高
。b）右下図
、PET-CT
（ 図 4 参照 ） 治療
（ 図 13 〜 16 参
照 ） 両方 患者 固定
、定位的治療
詳細 示 。
大学病院 既存 放射線治療部門 拡張
案 概要 。新
建物 設備 位置 図 左側部分 示 。2 階層 重粒子線
120° 広 可変域 持 、
方向
治療 実施
（ 図 14 参照 ）、2 基
設置
腫瘍診断 、PET-CT
生体内線量送達検証 可能
高
走査 X 線治療 利用
。
、
密度
可能
、陽電子 放出
炭素 11
内 製造
（[27] 参照 ）。
Treatment Rooms, Excentric Gantries,
Patient Setup and Beam Delivery
治療室、
Since both light ions and high energy
、患者
重粒子線
photons activate the tissues in the patient they all
内
組織
benefit from the possibility to use PET-CT based
布
検証
dose delivery verification. A light ion center will
治療
therefore benefit considerably by being equipped
X線
放射化
11
C and
15
O activity directly after the
用
、素早
治療室
（図 4 - 7
Figs. 4- 7, cf [ 5, 24]) with a wide range of possible
、
図
covering angles of incidence of ± 60 or about 120 in
様々
be rotated more than 180 º. These figures clearly
示
illustrate the great flexibility in treatment set up
学的
放射線科学 Radiological Sciences/A. Brahme,Vol.53 No.8・9（35-61）2010
線量分
the requirement of very specific beam angles
重粒子線
is generally not needed with 3 D Bragg peak
11
有益
、各室
可変域
、千葉
C
一般的
。
、
。
正
門
間
角度間隔
角度
（図 15
17
回転
angle between two different beam portals can be
治療室内（図 16）
changed more than about 30º (cf Figs. 15 and 17).
CT 線量分布
The stereotactic treatment couch (cf Figs. 4, 14- 17)
離
可能
約
参照）
。
、
、
allows high-accuracy patient set up, not least in
速
combination with the laser scanner (cf Figs. 3 , 4 ,
小限
短
重要
（図 4、14- 17
直近
自動
室外（図 14）
使用
PET-CT
、 O
、
（図 3、4、7、14、
患者
治療
変化
可能
両方
15
抑
範囲
入射角
併用
重粒子
参照） 設置
、2
患者
参照）
。治療室内
示
得
参照）。定位的治療
参照） 、高精度
dose distributions. Once the right angular interval
厳密
図
約 30 °以上
、正確
16
現在使用
、
PET、移送距
接続
迅
放射能（t 1/ 2 ＝ 2 分） 損失
最
（図 4
16
参照）
。
7 , 14 and 16 ) both for patient auto set up in the
treatment rooms and for PET-CT dose delivery
参照）。興味深
線量分布
必要
angle of incidence is not too critical provided the
柔軟性
（図 17
一般
4
入射角±60 °
治療法
最適化
O
scanning for shaping of biologically optimized
角
is available, as shown in these figures, the exact
持 （図 15 - 16
放医研
近
15
線量分布
治療
each room (See Figs. 15- 16) because the couch can
56
、治療直後
180 °以上
方向
120 ° 広
beam angular intervals of their beam directions
at NIRS in Chiba, Japan (cf Fig. 17 ). Interestingly,
X 線治療室
参照、[ 5 , 24 ]
。治療用
treatment techniques such as those currently used
患者体
2
線
each of which is covering four treatment rooms (cf
。
装備
非常
treatment. Two excentric light ion beam gantries
、
、重粒子線
放射能
照射
、PET-CT
利点
photon beam treatment rooms so patients can
both the
、
高
PET-CT
with PET-CT cameras close to the light ion and
be rapidly scanned for the dose delivery using
、非常
with excentric gantries on a number of common
形成
monitoring inside (Fig. 16 ) or just outside the
、生物
3D
treatment rooms (Fig. 14) to minimize
15
O activity
loss (t 1 / 2 = 2 min) by short transport distance and
放射線科学 Radiological Sciences/A. Brahme,Vol.53 No.8・9（35-61）2010
57
放射線生命科学
Cone Beam CT & LC
In Beam PET & LC
関
Beam Of PET & LC
Feature : NIRS International Symposium on Radiation Life Sciences
特集
Stereotactic Couch &
Laser Camera Auto Set Up
放医研国際
All Availabel in the 4 Rooms
Fig. 16) Patient set up using both laser cameras with green, red or infrared scanned laser beams for auto set up of the treatment based
on the 3D shape of the patient surface. A cone beam CT facility for set up on internal reference points is included in the gantry for fast
check that the patient s internal structures are accurately positioned. The cone beam CT device as well as the 4 PET detector arrays
can be used in all 4 rooms and be retracted into the excentric gantry when not needed as indicated in the figure.
図 16：患者体表 三次元形状 基
治療 自動
患者 。
、患者体内 構造 正確 定位
。
CT 装置 4 基 PET 検出器
、4 室
行 、緑色、赤色、
使用
、不要時
赤外走査
、内部基準点 確認
図
図 17：3
通常
法
前立腺癌 治療 。最後 垂直
治療室
監視 解像度 0.1 mm
可能
四次元
when fast longitudinal scanning is used whereas
PET-CT camera (cf Figs. 4 and 16).
lateral scanning starting at the most distal point
低 LET
effect between the low-LET plateau regions
同時
and the high-LET Bragg peaks when delivered
療
simultaneously should be used clinically when
計
designing the 4D scanning pattern of the ion beam
修復
from the treatment unit [ 24]. It is highly desirable
低
to deliver the majority of the local low- and high-
近
LET dose fractions as closely in time as possible to
放医研
minimize cellular repair in the tumor and maximize
的
the therapeutic response. This is automatically
変調
領域
照射
臨床的
抑
相乗作用
出
線
、治療反応
高 LET 線量成分
時間
結果
設
therapeutic high-LET dose fraction by as much
思
細胞
a s 20 % [ 24 ] . T h i s m a y e x p l a i n t h e s o m e w h a t
付与
実行
非常
、
接
望
。
、
自動
。
、連続的
移動
。3 D
Bragg peak over the entire range of Bragg peak
用
、最大限
走査
場合
達成
modulation, achieving maximum synergism. With
横走査
3 D Bragg peak scanning this is achieved only
付与
場合
回転
、
速
縦方向
遅
治療結果
、千葉
悪
理由
。残念
範囲
急速
、
説明
反復率
変化
、
末端
望
、
必要
遅
、抽出
高速縦
、線量輸送
設置
電磁
用
、
and slow longitudinal electromagnetic scanning
[ 24 ]。
、
縦
for cordomas treating tumors by fast lateral
compared to the result from Chiba using ridge
減少
難
。
実現
高速
言
。
to rapidly vary the extraction energy and range
瞬間的
相乗作用
実現
using longitudinal scanning with a synchrotron of
、
高速縦走査
slow pulse repetition rate. A fast material range
、腫瘍
遠位端
shifter at the end of the dose delivery system may
、1 〜 3 分後
。治療
filters. Unfortunately it is slightly more difficult
、
範囲全体
filter continuously and instantaneously shifts the
lower therapeutic outcome seen in Darmstadt
、局所
大部分
治療室 行
。
20 %
横方向
peaks 1 - 3 minutes later reducing the effective
用
done by the ridge filters used in Chiba. The ridge
放射線科学 Radiological Sciences/A. Brahme,Vol.53 No.8・9（35-61）2010
最大化
GSI
、治
4 D 走査
[ 24 ]。腫瘍
高 LET 線量成分
脊索腫
臨床的利益
活用
、図 14 左下
、自動的 行
of the tumor may deliver the last anterior Bragg
高 LET
際
、治療
。
fast docking to both the treatment unit and the
The clinically advantageous synergistic
58
用
CT装置 含
内 引 込
Fig. 17) Treatment of a prostate cancer with a three-field technique. The treatment takes place in the lower left treatment room of Fig. 14
to allow the final vertical beam. The rotation of the treatment couch is done automatically by supervision from the treatment room using
an ordinary video camera and by the 4-Dimensional laser camera with 0.1 mm resolution.
最後
前方
、治療的
有効
then be desirable or even needed to achieve fast
longitudinal scanning of the Bragg peak.
放射線科学 Radiological Sciences/A. Brahme,Vol.53 No.8・9（35-61）2010
59
興味深
放射線生命科学
、縦
References
反応
1. Brahme A.: Biologically optimized 3-dimensional
proton and heavy ion therapy using an adaptive
in vivo predictive assay based radiation
inversion algorithm. Radiother. Oncol. 15, 189-97,
therapy using positron emission tomography-
1989.
seen with the cordomas using longitudinally
用
scanning ridge filters is consistent with a higher
有効高 LET 線量成分
脊索腫
effective high LET dose fraction. This indicates
関
接近
放医研国際
low LET regions locally as closely in time as
言
p o s s i b l e , p r e f e r a b l y w i t h i n 15 - 30 s e c o n d s t o
低 LET
avoid undesirable fast low-LET repair before
時間
、腫瘍
beam scanning may be achieved by starting the
高 LET
finishing it at the most distal part of the tumor. In
部
遠位端
、腫瘍
local dose delivery will arrive earlier in the part
部分
瘍
considerably higher than in the distal tumor with
望
almost only high-LET Bragg peaks. From this
遠位
少
早
思
方法
縦方向
medical applications. Phys Med. 24 (3), 129-148,
著
Dose Fractionation, Madison ; 50-67 (2005)
遠位
、腫
走査
前方側
治療
行
、低
高 LET 線量付与
、
後、逆戻
最小限
LET dose delivery.
結論
Even if biologically optimized radiation
therapy has proven difficult to introduce in most
従来型
化
放射線治療部門
放射線治療
conventional radiation therapy departments
it will be urgently needed with light ions in
order to make full clinical use of the significant
biological advantages of light ions. There is no
doubt that QMRT and BIOART are very important
十分
早急
。最大
一般
従来
、
生物学的利点
非常
重要
技法
早
利益
導入
発展
第 1 世代
導入
臨床専用
分野
低 LET 放射線
重要
抵抗性
高
腫瘍
放医研（千葉県） 辻井教授
benefits are expected for hypoxic and generally
臨床成績
radiation resistant tumors for conventional low-
重要
shown by the clinical results of Prof Tsujii and his
team at NIRS in Chiba, Japan.
60
放射線科学 Radiological Sciences/A. Brahme,Vol.53 No.8・9（35-61）2010
neutral particles. Swe Pat 7904360-0 (1979).
治療
示
改善
期待
、
。
物理工学部 松藤 成弘）
therapy. VIIIth ICMP, San Antonio TX, Phys.
Med. Biol. 33 Suppl 1: 73 (MP19.1), 1988.
for radiation oncology treatment planning,
Houston TX, March 1990.
20. Källman P., Lind B.K., Brahme A.: An algorithm
for maximizing the probability of complication
free tumour control in radiation therapy. Phys.
Med. Biol. 37, 871-90, 1992.
21. Brahme A., Källman P., Lind B.K: Optimization
of the probability of achieving complication free
integral equation encountered in rotation therapy.
tumor control using a 3D pencil beam scanning
Phys. Med. Biol. 27, 1221-29, 1982.
technique for protons and heavy ions. Proc.
9. Brahme A., Eenmaa J., Lindbäck S., Montelius A.,
NIRS Int. Workshop on Heavy Charged Particle
Wootton P.: Neutron beam characteristics of 50
Therapy and Related Subjects (Chiba). Ed. A
MeV protons on beryllium with a continuously
Itano and T Kanai, 124-42, 1991.
65-76, 1983.
10. Näfstadius P. Brahme A., Nordell B.: Computer
assisted dosimetry of scanned electron and
photon beams. Radiother. Oncol. 2, 261-69, 1984.
22. Källman P., Ågren A., Brahme A.: Tumor and
normal tissue responses to fractionated non
uniform dose delivery. Int. J. Rad. Biol. 62, 249-62,
1992.
23. B r a h m e A , L i n d B K : A S y s t e m s B i o l o g y
Approach to Radiation Therapy Optimization.
distributions with scanned elementary beams by
Radiation and Environmental Biophysics. 2010
deconvolution methods. Proc. VII ICMP, Espoo,
24. Svensson H, Ringborg U, Näslund I, Brahme
12. B r a h m e A . : O p t i m a l s e t t i n g o f M u l t i l e a f
Collimators in stationary beam radiation therapy.
13. Lind B., Brahme A.: Optimization of radiation
therapy dose distributions using scanned photon
beams. Proc. 9:th Int. Conf. on Comp. in Rad.
（訳監修：重粒子医科学
dose and biological effect planning in heavy ion
8. Brahme A., Roos J-E., Lax I.: Solution of an
Strahlentherapie 164, 343-50, 1988.
LET beams, where we can expect the most
important treatment improvements as clearly
therapy. Int J Rad Onc Biol Phys 58: 603-616 (2004).
Finland 1985, p 953.
、低酸素
optimization. Phys. Med. 6, 53-68, 1990.
18. Brahme A., Källman P., Lind B.K: Absorbed
radiation therapy planning. Inter-Society Council
11. Lind B., Brahme A.: Generation of desired dose
、非常
期待
、
radiation therapy planning as a tool for 3D dose
Tsujii H, Rad Sci, 52, 8-31, 2009
5. Brahme A.: Recent advances in light ion radiation
variable multileaf collimator. Rad. Ther. Oncol. 1,
臨
B IOART
。QMRT
、
procedures that are very important to introduce
dedicated light ion installations. The largest
必要
重粒子線治療
重粒子線施設
already in the first generation of clinically
大
、重粒子線治療
実現
developments for light ion therapy and they are
最適
困難
活用
疑
、生物学的
導入
、重粒子線
床
多
1291-300, 1988.
17. Brahme A., Lind B.K, Källman P.: Inverse
and Biological dose optimization using inverse
Racetrack Microtron. Acta Radiol. 19, 305-19, 1980.
minimize the time interval between low- and high-
dynamic multileaf collimation. Phys. Med. Biol. 33,
19. Brahme A., Lind B.K, Källman P.: Physical
and photon beam characteristics from a 50 MeV
the most distal tumor region and then back to
Shaping of arbitrary dose distributions by
Workshop, November 17th 2008, Chiba, Japan, ed
7. Brahme A., Kraepelien T., Svensson H.: Electron
。
16. Källman P., Lind B.K, Eklöf A., Brahme A.:
modality. 1st NIRS International Open Laboratory
6. Brahme A.: Scanning system for charged and
時間差
for example starting anteriorly treating towards
Conclusion
4. Brahme A: Potential developments of light ion
therapy: The ultimate conformal treatment
観点
方向
。例
light ion therapy. Proc. 7th Int. Conf. On Time
高
。
2008.
3. Brahme A.: Development of biologically optimized
低 LET
到達
考
開
、
腫瘍
腫瘍領域
tumor at least twice and from different directions
contrast X-ray imaging techniques and potential
、
2 回、異
point of view it would be desirable to scan the
15
終了
、局所線量付与
大半
2. Zhou S A, Brahme A.: Development of phase-
治療
受
部分
of the tumor where the low-LET dose fraction is
前方側
、低 LET 線量成分
腫瘍
42: 123-136 (2003).
望
。遅
。
比
this way most of the low-LET plateau part of the
前
望
computerized tomography imaging. Acta Oncol
望
、
実施
改善
treatment on the anterior side of the tumor and
輸送
起
走査
始
、臨床的
。高 LET 成分
〜 30 秒以内
。
局所的
治療
修復
、
一致
低 LET 領域
the high-LET component is also delivered. A
slight improvement with slow longitudinal pencil
急勾配
高
、高
the clinical desirability to treat the high and
、
15. Brahme A., Källman P., Lind B.K.: Optimization of
A.: Development of light ion therapy at the
Karolinska Hospital and Institute. Radiother
Oncol 73 Suppl 2: 206-210 (2004).
25. Vreede P, Brahme A: Development of biologically
optimized radiation therapy: Maximizing the
apoptotic cell kill. Rad Sci, 52, 31-52, 2009
26. Nakamura Y.: Isolation of p53-target genes and
Therapy, Eds. Bruinvis IAD, Van der Giessen PH,
their functional analysis. Cancer Sci. 95: 7-11 (2004).
Van Kleffens HJ, Elsevier, Amsterdam, 235-239,
27. Brahme A, Lewensohn R, Ringborg U, Amaldi
1987.
Feature : NIRS International Symposium on Radiation Life Sciences
特集
Interestingly, the slightly steeper response
U, Gerardi F, Rossi S.: Design of a centre for
14. Brahme A.: Optimization of stationary and
biologically optimized light ion therapy in
moving beam radiation therapy techniques.
Stockholm. Nucl Instr Meth Phys Res B 184:
Radiother. Oncol. 12, 129-40, 1988.
569-588 (2001).
放射線科学 Radiological Sciences/A. Brahme,Vol.53 No.8・9（35-61）2010
61
放射線生命科学
関
放医研国際
特集／放射線生命科学
Genomic Instability In Non-Targeted Mammalian Cells
非標的哺乳類細胞
不安定性
関
細胞内
放医研国際
K
低線量域
電離放射線
of ionizing radiation are subjected to modulations
by various parameters including bystander
個人
遺伝的感受性
effects, adaptive response, genomic instability and
変化
genetic susceptibility of the exposed individuals.
非照射細胞、
To ascertain the genomic stability of the progeny
受
of non-targeted mammalian cells presented in
取
。照射
the vicinity of hit cells or receiving medium from
及
放射線作用
哺乳類細胞
近傍
biology has been that radiation-induced effects
基本的
考
出
培地
result from cells being traversed by ionizing
何代
細胞分裂後
治療装置（ HIMAC） 両者
使用
類
and the Heavy Ion Medical Accelerator in
MeV/ 核子） 照射
行
。α粒子
Chiba (HIMAC). Among the progeny of non-hit
細胞
胞集団分裂後
子孫細胞
or Si ions ( 490 MeV/nucleon), there was clear
体異常
明
頻度
Si
細胞集団中
bystander cells exposed to either alpha particles
、照射後
遅発性
増加
存在下
。
何世代
suppressed. These data indicate that genomic
間接触
instability can be induced in both directly
示
誘導
有意
同等
、
誘発
結
after the original radiation exposure, at similar
結果
、放射線治療患者
付
Since genomic instability is commonly linked to
細胞
能性
示唆
（ 490
in vivo studies, that “non-targeted” effects can
直接
不安材料
undergoing radiological procedures.
産生
DNA
損傷
間接作用 ʼ
adaptive responses, as well as in vivo abscopal or
作用
研究
“out of field” effects.
広
作用
細胞
引
、
ʻ直
低線量（例
「非標的」細胞
起
試験管内
生体内
確認
。
、
反応、
不安定性、
生体内
「
外」作用 含
放射線
occurrence of biological changes in unirradiated cells
反応
当
that are in proximity to or sharing medium with
貞幸）
上記
。
The radiation-induced bystander response is the
可
ʻ 放射線
。最近
（遠達）効果
照射
結果
直接作用 ʼ
考
低線量高感受性、適応反応、
患者
、
、
呼
種々
細胞
細胞
cells that have been traversed by ionizing radiation.
細胞
Bystander responses have been demonstrated using
生
近傍
位置
非照射細胞、
放射線照射
加
場合
、電離放射線
培地
、被照射培地
生物学的変化
別
細胞
。
反応
低
media transfer and media sharing approaches, and
換
a wide variety of endpoints, such as chromosome
色体異常、遺伝子発現
aberrations, changes in gene expression, mutagenesis,
酸素種（ROS） 増加、細胞死、悪性形質変換
increased reactive oxygen species (ROS), cell killing
多岐
α粒子、粒子
培地共有
指標
線
報告
after exposures to both high and low LET radiations
[reviewed in ( 3 )]. An important characteristic of
反応
伴
急激
証明
、染
変化、突然変異誘発、活性
報告
、
[ 総説（ 1 , 2）]。
高 LET 放射線
低 LET 放射
[ 総説（3）]。
低線量（< 5 cGy） 起
増大
、
、培地交
方法
反応
非照射
添加
low fluences of α-particles, particle microbeams,
[reviewed in (1,2)]. The effects have been documented
放射線科学 Radiological Sciences/Tom K. Hei,Vol.53 No.8・9（62）2010
及
ʻ 放射線
考
instability, low dose hypersensitivity, and
癌
放射線
細胞内
言
and malignant transformation, have been shown
62
、
、
< 0 . 2 Gy） 放射線照射
。
（訳監修：伴
言
effects include bystander responses, genomic
among irradiated population poises a potential
concern among radiotherapy patients and patients
起
染色
。我々
受
引
二
透過
電離作用
接作用 ʼ、ʻ 間接作用 ʼ 以外
発現
放射線検査
損傷
、今
細胞内
at low radiation doses (e.g., < 0 . 2 Gy). These
抑制
考
電離放射線
細
不安定性
細胞集団中
（ Kathryn D. Held ）
。二 目 、放射線 水分子 励起
also result from radiation exposure, particularly
細胞
不安定性
irradiated as well as in bystander cells generations
、照射
increasing acceptance, based on both in vitro and
、当初
。一般
levels, independently of initial cell-cell contact.
、数種
種々
関
。1
DNA
、照射
後
無関係
water-derived free radicals. However, there is
。
、直接照射
経
重粒
突然変異
細胞
the induced genomic instability was significantly
DNA either via direct ionization or indirectly via
-2
不安定性
inhibitors of gap junctions and cyclooxygenase- 2 ,
、
50 回
見
粒子等
photons or particles, causing damage to cellular
標的
、細胞間結合阻害剤
exposure. Furthermore, in the presence of
cancer, our results suggest that non-targeted cells
細胞
放医研
utilizing both the Columbia University microbeam
aberrations after 50 population doublings post-
The traditional paradigm in radiation
確認
子線
evidence of delayed mutations and chromosomal
指標
獲得
them, several experimental approaches were used;
D.
、
、様々
大学
研究
低線量粒子線 作用
不安定性、
被照射細胞
非照射細胞
不安定性
内
キャスリン D. ヘルド1、サラ ラムキンス1,2、ニコル マグパーヨ1、ホンギング ヤン1
1）マサチューセッツ総合病院 放射線腫瘍学部/
ボストン マサチューセッツ州 ハーバードメディカルスクール
2）ハーバード大学MIT, 健康科学とテクノロジー, マサチューセッツ州 ケンブリッジ
([email protected])
（ Tom K. Hei ）
放射線生物学的作用
効果、適応応答、
被曝
組織
Kathryn D. Held1, Sarah Lumpkins1,2, Nicole Magpayo1 and Hongying Yang1
1）Department of Radiation Oncology, Massachusetts General Hospital/
Harvard Medical School, Boston, MA, USA
2）Harvard-MIT Division of Health Sciences and Technology, Cambridge, MA, USA
教授
The radiobiological effects of low doses
放医研国際
Effects of Low Doses of Energetic Particles
in Cells and a Tissue Model
Professor Tom K. Hei
Center for Radiological Research, Department of Radiation Oncology,
Columbia University, New York, NY
コロンビア大学
放射線研究センター 放射線腫瘍学部
トム K ヘイ
([email protected])
関
Feature : NIRS International Symposium on Radiation Life Sciences
特集
特集／放射線生命科学
、線量増加
、通常 10 〜 30 cGy
放射線科学 Radiological Sciences/Kathryn D. Held,Vol.53 No.8・9（63-67）2010
63
放射線生命科学
low radiation doses (< 5 cGy), increase rapidly
達
特徴的
線量 - 効果反応
endpoints of micronuclei (MN) formation 72 h
示
after irradiation and formation of foci of the DNA
[ 総説（3）]。
with dose, then reach a plateau, usually by 10 - 30
repair-related protein 53 BP 1 5 h after irradiation.
cGy [reviewed in ( 3)].
Our new data with 1 GeV/n iron ions (LET of 151
関
In space, astronauts are exposed to a
放医研国際
complex and unique radiation environment including
宇宙飛行士
and heavy charged ions (HZE)) and solar particle
主
雑
陽子
独特
radiations can result in significant cumulative
宇宙飛行士
doses to astronauts during long-duration space
、放射線
的
targeted effects, including bystander effects, have
（3, 4）
。
increased significance ( 3 , 4 ). To date, much of the
与）値
irradiated and bystander cells after exposure to
細胞
粒子
transfer) values, compared to photons, using a
常
多
用
作用
重要
of cells with damage increases sharply with dose in
LET（線
照射
細胞
have shown that when normal human fibroblasts,
照射後
比較
照射
AG 01522 細胞
光顕微鏡下
in work at the National Space Radiation Laboratory
呼
low particle fluences, using the DNA damage
64
放射線科学 Radiological Sciences/Kathryn D. Held,Vol.53 No.8・9（63-67）2010
細胞
接作用
核内
取
込
放射線
DSB
1回
増加
MN
効率的
分裂
MN
経
増加
増加
、
dynamically maintained by reciprocal interactions
間期細胞中
between epithelium and stroma, but the role of
報告
、
「標的」
beginning to be evaluated [see ( 8 ) and references
（6）
。最
therein]. As a prelude to studies with mixed
（5）
AG 01522 細胞
低
、照射後 72 時間目
間
動態的
。
照射
通過
標的細胞
結
細胞集団
損
放射線
直
伝達 結果
。
文献
研究
radiation-induced intercellular signaling, using the
系
増殖
恒常性
上皮細胞
間質細胞
維持
放射線
、
相互作用
調
[ 文献（8）
引用
文献
参照 ]。三次元
放射線照射後
重要
用
。我々
、
keratinocytes. The data show that there is a
究
fibroblasts or keratinocytes after proton irradiation
単離状態
始
細胞
cell types in 3 D matrices, we initiated studies of
1. 5- 2. 0-fold increase in MN formation in bystander
単層
研究
（未発表）
。
照射
、LET
放射線
相互作用
誘発
MN 形成
陽子 200 個）
分
相互作用
(AG 01522 cells) and hTERT-immortalized human
粒子放射線
、
放射線量
。組織
数
γ H 2AX
2 e protons/cm（細胞 1 個当
低
細胞
hTERT 不死化
際
側
、
transwell insert system, between human fibroblasts
陽子線 照射
結果 得
1
程度
2
増加
放射線
人体内
those interactions in radiation response is only just
実験
（別
DNA 損傷
総合
monolayer or in isolation. Tissue homeostasis is
。
） 増加
。照射
radiation on traversed cells.
誘発
出現
得
高
示唆
Cells in a personʼs body do not grow in
観察
観察
約 2 e protons/cm （細胞 1 個当
bystander signaling rather than a direct effect of
場合、
増加
、
2
irradiated population at low fluences is a result of
現在、非常
照射
7
増加
染色体
増加
陽子約 2 個）
傷
。]
増加
5
。損傷
and suggest that the increase in damage in the
小核頻度 増加
我々
移動
。
出来
線量
、反応
、低
細胞
We have now extended investigations to very
同
果
酸
。
細胞
by very low radiation doses, independent of LET,
、別
。約 50 %
増加
線量反応曲線
、γ -H 2AX 塊 螢
近 Brookhaven 国立研究所 国立宇宙放射線研究所
鉄
形
誘導
DNA 損傷
GeV/n
同
伝達
変
1. 5 〜
陽子（LET 0 . 24 keV/μm） 照射
the data show that bystander signaling is elicited
、放射線照射後
研究
。1 GeV
酸化
粒
有意
急激
有意
非常
間期細胞 細胞質中 凝縮
行
細胞
無関係
観察
DNA 損傷
照射細胞
比率
2e 7 protons/cm 2 ( 200 protons per cell). Together,
細胞分裂中
）ROS 生成
損傷細胞
蛋白質 H 2AX（γ -H 2AX） 凝集
染色
両者
留
。
抗
見
鉄
続
塊
低
当
統計的
照射
protons per cell) and the plateau continues to about
粒上
線量依存性
増加
酸
。抗体
。特
2
1 % 以下
増加
細胞
高
being the same, but the plateau in the responses
研究
細胞
損傷
細胞
fluences; the lowest fluence at which increased
小核（MN）頻度（訳者注： 染色体
or protons (unpublished).
細胞
keV/µm), with the magnitude of DNA damage
0. 1 〜 5 Gy
数 [ 訳者注：
化蛋白質 凝集塊 検出
断片
、
細胞
for irradiated and bystander cells shifts to higher
、
大
and increased ROS generation ( 6 ). More recently,
2倍
with cells exposed to 1 GeV protons (LET of 0 . 24
正
有意
被照射細胞
damage is seen is 2 e 5 protons/cm (about 2
可視化
H 2AX 抗体 処理
細胞
細胞
行
γ H 2AX
damage in the form of γ H 2AX foci or micronuclei
生物学
（5- 7）
。我々
実験
化
付
割合
鉄
（〜 2 e 3 Fe ions/cm 2 ）、
大
伴
最近
被照射細胞
DNA 損傷
irradiated cells, but does not increase in bystander
cells. Similarly-shaped dose response curves occur
。1 GeV/n
細胞
、2 % 以上
cells are traversed (~ 2 e 3 Fe ions/cm ), there is
traversed by an ion, above which the percentage
、
線維芽細胞
。
2
、
実施
当
域
magnitude to a fluence where ~ 50 % of cells are
資金
調
、粒子
particle, but at fluences where 2 % or more of the
cells; the level of damage remains constant at that
作
（LET 151 keV/μm） 用
両者
空間
指標
起
where 1 % or less of the cells are traversed by a
DNA damage in both bystander and irradiated
DNA 修復関連蛋白質 53 BP 1
DNA 損傷
damage in irradiated or bystander cells at fluences
条件下
、種々
粒子
定量的
X線
組織内
用
keV/µm) show no significant increase in DNA
低
思
生物学的変化
的変化
when “hit” cells are exposed to 1 GeV/n iron ions (5)
通
分散
研究
持
particles of several different LET (linear energy
shown similar results in bystander AG 01522 cells
体内
形成
a statistically significant 1 . 5 - 2 -fold increase in
。
率
NASA
細胞培養系
on quantification of biological changes in both
宇宙飛行期間中
非標的細胞
我々
複
存在
放射線被
反応
at Brookhaven National Laboratory, we have
太陽粒子種（SPE） 含
時間的
location and time. Under such conditions, non-
X-rays, bystander cells exhibit increased DNA
（HZE）
）
大半
。
transwell insert cell culture system ( 5 - 7 ). We
荷電
累積線量
、宇宙飛行士
NASA-funded research by our group has focused
重
、銀河宇宙線
放射線 、長期
flights, most exposures occur at low fluences and
AG 01522 cells, are irradiated with 0 . 1 to 5 Gy
成
放射線環境
。
an astronautʼs body are well separated in tissue
宇宙空間
陽子
events (SPEs), primarily protons. Although these
fluence rates, so that particle traversals through
活動
（GCR；高
galactic cosmic rays (GCR; energetic protons
後 5 時間目
Feature : NIRS International Symposium on Radiation Life Sciences
特集
bystander effects is that the responses occur at
反応
調
、
線維芽細胞（AG 01522 細胞）
表皮細胞
細胞間
開始
増殖
間
伝達
。
、照射
調
細胞
線維芽細胞
MN 形成
放射線
研
陽子
照射
表皮細胞
1 . 5 〜 2 倍増加
放射線科学 Radiological Sciences/Kathryn D. Held,Vol.53 No.8・9（63-67）2010
65
効果
。
表皮細胞 （二次元
単層培養系
co-culture with irradiated keratinocytes. Data also
indicate that a 1. 5- 2-fold increase in the fraction of
見
関
cells expressing 53 BP 1 foci occurred in both cell
両方
放医研国際
放射線生命科学
increase in MN is seen in bystander fibroblasts in
観察
types when either cell type was irradiated. Thus,
率
of bystander responses depends on cell type,
、MN
、
細胞
53 BP 1
1. 5 〜 2 倍
示
反応
調
指標
有意
増加
照射
場合、
発現
増加
these data support the idea that the occurrence
）共培養
線維芽細胞
。
細胞
、照射
細胞
比
。
大
、
細胞種、線質、
依存
示
。
Importantly, studies of cell type interactions
強調
評価
二次元
carcinogenesis development. 3 D skin construct
大
models have been widely used in dermatology to
癌研究
広
（9- 11）]。通常
用
内
上
空気 - 培養液境界面
間
、組織切片上
of both the irradiated and bystander 3D construct
能
0 . 1 Gy of 1 GeV protons. In the irradiated half,
DNA 損傷
substantial DNA damage was seen 1 h after
過
。三次元皮膚構築
dose response data show that the % fibroblasts
照射
the 3 D constructs increases with dose, although
表皮細胞
観察
fibroblasts. With either cell type, the fraction of
cells with DNA damage in the 3 D constructs is
構築
considerably less than in cells irradiated in 2 D
胞
比率
monolayers (e.g., 1 h after 0 . 1 and 2 Gy of X-rays
有意
低
射後 1 時間目
respectively, are positive for 53 BP 1 foci, while in
53BP 1
3D the damaged fraction is only 6 and 21 % at 0. 1
三次元構築
and 2 Gy, respectively). Hence, the data support
射
the hypothesis that radiation response depends on
6%
cell organization in 2D versus 3D.
、放射線
種々 線量
X線
and Physics support teams at NSRL at Brookhaven
線維芽細胞
National Laboratory for their excellent assistance.
増加
増殖
細胞
組織形態
支持
比
三次元
示
X線
95 %
2 Gy
照
細胞
、
X線
照
陽性細胞
増殖
違
大
大
二次元
細胞
異
仮説
。
数年前、
大学
膚構成
粒子線
constructs, that micronuclei and apoptosis occur in
実験
unirradiated (bystander) cells at distances up to 1
非照射（
mm from the irradiated cells ( 12 ). We have used
誘発
the alternative approach of cutting a construct into
構成
two pieces, irradiating half of it, then immediately
照射（
adding back the unirradiated (bystander) half into
別
行
、MatTek 皮
照射
、照射細胞
最大 1 mm
証明
2
切
用
（ 12）。我々
同
離
MN
、放射線照射
） 半分
方法
非常
）細胞
、
損傷
低
頻度
上昇
）
伝達
研究結果（ 12）
一致
容器
。照射後経時的
半分
戻
、両
一部
、NASA 補助金 #NNX 07 AE 40 G
NSBRI NASA NCC 9 - 58（ SL）
受
究所 NSRL
。著者
医学、生物学、
頂
物理学支援
技術支援 感謝
線量測定
acknowledged for their efforts to develop the
開発
at very low fluences.
、Brookhaven 国立研
。超低
均一性
尽
Chiang、M. Sivertz 各博士
A. Rusek、I-H.
感謝
。
（訳監修：伴 貞幸）
細
持 細胞）
三次元
経
、
Drs. A. Rusek, I-H. Chiang and M. Sivertz are
dosimetry and beam uniformity monitoring system
、単層培養
2 Gy
影響
時間
謝辞
支援
[例
及
可
。
9- 58 (SL). The authors thank the Medical, Biological
]。
細胞
後
損傷細胞
、Belykov
実施
21 %
、
距離（mm
研究
DNA 損傷
53BP 1
定量
。対照的
結果
（KDH）
0. 1
経過時
照射後 1 時間目
。
#NNX 07 AE 40 G (KDH) and NSBRI NASA NCC
約 35 %
細胞
53 BP 1
後 48 時間目
形成
0. 1
両方
観察
示
種々
三次元組織細胞
照射後 1 時間目
本研究
細胞
陽性（DSB
場合
、
多
結果
AG 01522 細胞
to AG 01522 monolayers about 35 and 95 % of cells,
増殖
Acknowledgements
表皮細胞
照射
細胞
distances (on the order of mm), consistent with the
場合、照射後
減少
Supported in part by NASA grant
。繊維芽細胞
照射
、
線量
表皮細胞
、二次元単層
考
用
割合
発
。
、0 . 1 Gy
。照射
、
調
用
持
、線維芽細胞
more foci are seen in keratinocytes than in the
単層培養
、53BP 1
（AGO）
that bystander signals can travel considerable
照射
組織細胞
halves at varying times after irradiation with
放射線影響
出
照射
work of Belykov et al. ( 12).
上皮性表皮細胞層
layers on top at the air-liquid interface. X-ray
放射線科学 Radiological Sciences/Kathryn D. Held,Vol.53 No.8・9（63-67）2010
that 53 BP 1 foci could be quantified in fibroblasts
拡
用
線維芽細胞
三次元皮膚構築
using their particle beam to irradiate MatTek skin
1 GeV 陽子
at 1 h, but increased out to 48 h. The data show
系
出来
a collagen gel and keratinocytes forming epithelial
University showed in very elegant experiments
and analyzed for effects. Preliminary data show
相互作用
組織
三次元皮膚構築
細胞
in our 2D studies, with the fibroblasts growing in
Several years ago, the team at Columbia
予備的
the level of damage in the bystander half was low
。皮膚科学
model because it allows us to use the same cells as
66
三次元
必要
[例
同
細胞種間
単層培養系
研究
study carcinogenesis processes [e.g., ( 9 - 11 )]. We
(AGO) or keratinocytes positive for 53 BP 1 foci in
Subsequently, both halves were fixed, sectioned
発
、放射線障害
癌
assessing radiation damage and mechanisms of
have undertaken studies using a 3D skin construct
固定
irradiation, then decreased with time. In contrast,
radiation quality and endpoint.
need to be extended to 3 D tissue models for
the insert containing the irradiated construct half.
Feature : NIRS International Symposium on Radiation Life Sciences
特集
of either cell type. However, no significant
、
非
References
1. Morgan WF. Non-targeted and delayed effects
of exposure to ionizing radiation: I. Radiationinduced genomic instability and bystander effects
in vitro. Radiat Res 2003;159:567-80.
2. Prise KM, Schettino G, Folkard M, Held KD. New
insights on cell death from radiation exposure.
Lancet Oncology 2005;6:520-8.
3. Held KD. Effects of low fluences of radiations
found in space on cellular systems. Int J Radiat
Biol 2009;85:379-90.
4. Brenner DJ, Elliston CD. The potential impact
of bystander effects on radiation risks in a Mars
mission. Radiat Res 2001;156:612-7.
5. Yang H, Anzenberg V, Held KD. The time
dependence of bystander responses induced
by iron-ion radiation in normal human skin
fibroblasts. Radiat Res 2007;168:292-8.
6. Yang H, Asaad N, Held KD. Medium-mediated
intercellular communication is involved in
bystander responses of X-irradiated normal
human fibroblasts. Oncogene 2005;24:2096-103.
7. Yang H, Magpayo N, Held KD. Targeted and
non-targeted effects from combinations of low
doses of energetic protons and iron ions in human
fibroblasts. Int J Radiat Biol 2010;submitted.
8. Nakazawa Y, Saenko V, Rogounovitch T, Suzuki
K, Mitsutake N, Matsuse M, et al. Reciprocal
paracrine interactions between normal human
epithelial and mesenchymal cells protect cellular
DNA from radiation-induced damage. Int J Radiat
Oncol Biol Phys 2008;71:567-77.
9. Berking C, Herlyn M. Human skin reconstruct
models: A new application for studies of
melanocyte and melanoma biology. Histology and
Histopathology 2001;16:669-74.
10. Meier F, Nesbit M, Hsu M-Y, Martin B, Van Belle
P, Elder DE, et al. Human melanoma progression
in skin reconstructs. Biological significance of
bFGF. Am J Pathol 2000;156:193-200.
11. Khavari PA. Modeling cancer in human skin
tissue. Nat Rev Cancer 2006;6:270-80.
12. Belyakov OV, Mitchell SA, Parikh D, RandersPehrson G, Marino S, Amundson S, et al.
Biological effects in unirradiated human tissue
induced by radiation damage up to 1 mm away.
Proc Natl Sci 2005;102:14203-8.
放射線科学 Radiological Sciences/Kathryn D. Held,Vol.53 No.8・9（63-67）2010
67
放射線生命科学
関
放医研国際
特集／放射線生命科学
LET-Dependent Molecular Pathways
LET 依存
分子
関
放医研国際
Role of Poly(ADP-ribosylation) Reaction in
Response to Ionizing Radiation
伝達経路
関
化放射線
応答
ADP-
化反応 役割
放医研国際
Hidenori Shirai1, Takashisa Hirai1, 2, Erika Sasamoto1, Aki Inase1,
Hideki Ogino1, Keisuke Sasai2, Takashi Sugimura1, Mitsuko Masutani1
Eleanor A. Blakely1 and Polly Y. Chang1,2
1）Life Sciences Division, Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley,
California 94720 [email protected]
2）
Biosciences Division, SRI International Menlo Park, California 94025
1）Biochemistry Division, National Cancer Center Research Institute
2）Department of Radiology School of Medicine, Juntendo University
白井 秀徳1、平井 崇久1, 2、笹本 絵里香1、稲瀬 安希1
荻野 秀樹1、笹井 啓資2、杉村 隆1、益谷 美都子1＊
1）国立がん研究センター 研究所 生化学部
2）順天堂大学 医学部 放射線医学講座
エレノア A. ブレイクリ1 、ポリ Y. チャン1,2
1）ローレンス・バークレー国立研究所 生命科学部 カリフォルニア
2）SRIインターナショナル 生命科学部 カリフォルニア
([email protected])
Charged particle tracks leave a legacy
細胞内
of molecular changes that can have wide-spread
子
consequences on molecular pathways. With the
大
simultaneous rapid advances in gene expression
速
荷電粒子
通
変化
影響
生
分子
情報
molecular pathways. This presentation will briefly
試験管内
生体内
review some of the intriguing conclusions that can
研究、
他
be drawn from our own cellular and tissue work
得
in vitro and in vivo , and the published work of
得
。研究
放射線
tissues of origin, radiation types and doses, and
時間経過
time-course of study after exposure, important
新
、我々
実施
照射後
characteristic gene expression profiles have been
、今後必要
特徴的
R
R
P
P
NAD
Nm
研究
Ade
Ade
簡単
生物学的
重要
Poly(ADP-ribose)
Polymerase-1
(PARP-1)
組織
発表
結論
様々
説明
関
細胞
線量、
急
、
研究者
用
種類
Nm Ade
発展
。本報告
興味深
others. Despite the range of biological models and
臨床結果
伝達経路
information is emerging regarding LET-dependent
＊益谷 美都子（ Mitsuko Masutani ）
伝達経路
、粒子線
急速
(＊[email protected])
分
。遺伝子発現解析技術
同時
依存
種々
、分子
放射線生物学
LET
（ Eleanor A. Blakely ）
飛跡行路上
出
進歩
technologies, and the rapid developments in
the clinical radiobiology of particle beams, new
A.
、組織
種類、
PARP-1
解析
研究
遺伝子発現特性
1
指針
R
R
P
P
2
Ade
Ade
R
R
R
R
R
R
R
R
P
P
P
P
P
P
P
P
P
P
明
Poly(ADP-ribose)
glycohydrolase
(PARG)
DNA
study.
#NNJ 07HC 791 and the US Department of Energy
Grant DE-AC 02 - 05 CH 11231 .
国
NASA 補助金 #NNJ 07 HC 791
米
Fig. 1. PolyADP-ribosylation reaction. Ade, adenine; R, ribose; P, phosphate; Nm, nicotinamide.
図 1： ADP化反応 。Ade＝
；R＝
；P＝ 酸；Nm＝
。
省補助金 DE-AC 02 - 05 CH 11231
実施
。
（訳監修：伴
貞幸）
Poly(ADP-ribose) polymerase (PARP)
catalyzes the poly(ADP-ribosylation) reaction
using
+
β-NAD as a substrate (Figs. 1 and 2 ).
Sixteen members of PARP family proteins are now
known. Parp- 1
- /-
a g e n t s . A f t e r γ- i r r a d i a t i o n , P a r p - 1
-/-
mice
showed more severe villous atrophy of the small
放射線科学 Radiological Sciences/Eleanor A. Blakely and Polly Y. Chang,Vol.53 No.8・9（68）2010
（ ADPβ -NAD
触媒
+
）合 成 酵 素（ PARP） 、
基質
ADP-
致死感受性
、Parp- 1
重度
-/-
小腸絨毛萎縮
蛋白質
。Parp- 1
知
、γ線照射
型
化反応
（図 1、2）。PARP
現在 16 種類
ES cells and mice show increased
lethality against γ-irradiation and alkylating
68
Ade
R
revealed that should guide much needed future
本研究
Ade
R
。
This work was supported by NASA Grant
Feature : NIRS International Symposium on Radiation Life Sciences
特集
特集／放射線生命科学
-/-
化剤処理
亢進
ES 細胞
対
野生
。γ線照射実験
、Parp- 1
呈
、
+/+
。脾臓
比
髄外造血
放射線科学 Radiological Sciences/M. Masutani, Vol.53 No.8・9（69-71）2010
69
放射線生命科学
関
A.
放医研国際
DNA bindind domain
FI
FII
Auto-modification
domain
Catalytic domain
BRCT
motif
NLS
Myelosuppression
984993
PARP-1
1 21-53
B.
125-162 207-226
372
385
523
795
859
908
1014
476
Lack of extramedullary
hematopoiesis
Regulatory domain
Catalytic domain
NLS
NES
NLS
1 1016
126-134
421-446
PARG
734
838890
844 871876
Hemorrhage in tissues
976
Fig. 3. A model for hemorrhage in tissues of Parp-1 -/- mice after γ-irradiation.
組織内出血
。
図 3：γ線照射後 Parp-1 -/-
Fig. 2. Domain structure of human PARP-1 and PARG. A, PARP-1; B, PARG. The numbers indicate amino acid residues.
図 2： PARP-1
PARG
構造 。A, PARP-1；B, PARG。数値
酸残基数 示 。
intestine compared to Parp- 1 +/ + mice. A defect
欠損
was observed, accompanying hemorrhage in the
tissues, such as glandular stomach and testes
3 ). Parp- 1
+/ +
(Fig.
見
点突然変異
上昇
point-mutation and deletion-type mutation after
同様
γ -irradiation. In contrast, Parp- 1
mice showed
-/-
mutation, whereas the frequency of point-mutation
失型突然変異
誘導
mice. Deletion‒type
mutations are mainly caused by inaccurate repair
頻度
上昇
Parp- 1
頻度
結果
glycohydrolase deficiency sensitizes mouse ES
頻度
cells to DNA damaging agents. Curr. Cancer
+/+
Drug Targets, 2009, 9:953-962.
非
修復
Parp- 1
欠損
the liver and brain of mice at adolescence and
advanced age. Mutation Res., 2009, 664:20-27.
3. Shibata A, Masutani M, et al. Parp-1 deficiency
、欠失型突然変異
示唆
2. Shibata A, Masutani M, et al . Role of Parp-1 in
suppressing spontaneous deletion mutation in
、γ線照射後、欠
NHEJ 修復
阻害
誘発
1. Fujihara H, Masutani M, et al. Poly(ADP-ribose)
。対
、主
不正確
。本研究
References
伴
、γ線照射後
。欠失型突然変異
相同末端結合（ NHEJ）
起
出血
、欠失型突然変異
増加
引
was increased as in Parp- 1
組織
+/+
、点突然変異
no increase in the frequency of deletion-type
+/ +
精巣
欠失型突然変異
Parp- 1
照的
mice show increased frequencies of
- /-
、腺胃
（図 3）。Parp- 1
in extramedullary hematopoiesis in the spleen
causes an increase of deletion mutations
。
through non-homologous end-joining (NHEJ). The
and insertions/rearrangements in vivo after
result thus suggests that Parp- 1 deficiency blocks
treatment with an alkylating agent. Oncogene,
NHEJ repair after γ-irradiation, which leads to
2005, 24:1328-1337.
4. Masutani, M, et al . The response of Parp
deletion mutation.
Poly(ADP-ribose) is mainly degraded
（ADP-
by poly(ADP-ribose) glycohydrolase (PARG) into
ADP-ribose (Figs. 1 and 2 ). Parg
-/ -
mouse ES cells
showed increased lethality against treatment with
an alkylating agent and cisplatin. Sensitization to
γ-irradiation was observed in Parg -/ - mouse ES
70
Feature : NIRS International Symposium on Radiation Life Sciences
特集
γ-Irradiation
） 、主
）
（PARG）
ES 細胞
、
化剤
致死感受性
γ線照射
致死感受性
、PARG
阻害
for sensitization to radiation therapy.
考
。
-/-
亢進
放射線治療
ES 細胞
見
増感
Mutation Res., 2000, 462:159-166.
-/-
処理
。Parg
増加
cells. Therefore, inhibition of PARG may be useful
放射線科学 Radiological Sciences/M. Masutani, Vol.53 No.8・9（69-71）2010
分解
（図 1、2）。Parg
、ADP-
knockout mice against DNA damaging agents.
（ADP-
5. Nozaki, T, Masutani, M, et al . Suppression of
対
G1 arrest and enhancement of G2 arrest by
、
inhibitors of poly(ADP-ribose) polymerase:
。
possible involvement of poly(ADP-ribosyl)ation
有用
in cell cycle arrest following γ -irradiation. Jpn.
J. Cancer Res., 1994, 85:1094-1098.
放射線科学 Radiological Sciences/M. Masutani, Vol.53 No.8・9（69-71）2010
71
Genotoxic Effects and Repair of DNA-Protein
Crosslink Damage
関
DNA-
質
aldehydes and ionizing radiation. With aldehydes,
HeLa cells were incubated with formaldehyde
検討
電離化放射線
。
化合物
、HeLa 細胞
（FA）
、trans- 2 -
（PEN）
、
（ CRA）、
（GA）、
放医研国際
chloroacetaldehdye (CAA), and cell survival was
数理分子生命理学専攻
井出 博（ Hiroshi Ide ）
In cells, DNA constantly suffers from
lesions due to exposure to reactive metabolites
細胞内
子
DNA
、反応性
曝露
生
unrepaired, lead to adverse biological consequences
変異
有害
such as cell death and mutations. However, cells are
細胞
、DNA 損傷
equipped with repair and tolerance mechanisms
復機構
。未修復
or base excision repair (BER). When DNA damage
進行
remains unrepaired, the replication fork is often
損傷乗
Under these circumstances, damage tolerance
mechanisms such as translesion synthesis (TLS)
射線
roles in the restart of the stalled replication fork.
属
agents such as ionizing radiation and UV light
転写装置
and by chemical agents such as aldehydes, heavy
修復
停止
働
drugs. Since crosslinked proteins (CLPs) are
DPC
extremely bulky, steric hindrance imposed by
解明
CLPs would impede the progression of replication
毒性、
用
anti-FITC antibodies. The results showed that
GA、PEN、FA
GA, PEN, and FA, but not CAA, ACR, and CRA,
CAA、
ACR、
CRA
種
抗癌剤
、
進行
妨
立体障害
。
、CLP
DNA
。
結合
than DPCs. With ionizing radiation, transplanted
軽減
。本研究
検討
。
cells, treated with FITC, and directly analyzed on
用
a fluorometer. Alternatively DNA was analyzed
蛍光
by Western blotting using anti-FITC antibodies.
線量
増加
伴
増大
indicating the preferential formation of DPCs in
阻害
形成、遺伝
処理
、抗 -FITC 抗体
分析
。低酸素下
。
照射
腫瘍
腫瘍 比
腫瘍細胞
大
DPC
形成
。
We have previously shown that both
我々
NER
、細菌
HR
but differentially, in bacterial cells. NER removes
関与
示
DPCs with CLPs smaller than 12- 14 kDa, whereas
CLP
oversized DPCs are processed exclusively by
RecBCD 依存的
RecBCD-dependent HR. The study has rigorously
含
除去
限
amenable to bacterial NER, and provided insight
損傷
NER
明確
対
役割
違
12 - 14 kDa
小
、
HR
、細菌
defined the size limit of bulky DNA lesions
、両者
。NER
DPC
DPC 処理
大
処理
修復
示
、NER
DPC
。
、非常
HR
嵩高
協調
into how NER and HR are coordinated when cells
明
。本研究
、哺乳類細胞
the steric hindrance of CLPs could hamper the
deal with unusually bulky DNA lesions. In the
DPC 処理
NER
協調的
DNA-binding or assembly of repair proteins.
present study, we asked whether NER and HR
。非特異的
However, it has not been fully elucidated how
were also involved in the repair and tolerance
DNA
cells deal with DPCs and mitigate the genotoxic
of DPCs in mammalian cells. Chromosomal
異性
effect. Here we analyzed the formation, genotoxic
DPCs were induced by FA that induces DPCs
effects, and repair of DPCs.
in a relatively nonspecific manner or 5 -aza- 2 ʼ
HR
DPC 誘発剤
転移酵素
高
DPC 誘発剤
（azadC） 細胞
。NER 欠損細胞
研究
DNA 損傷
and transcription machineries. Furthermore,
放射線科学 Radiological Sciences/H. Ide,Vol.53 No.8・9（72-74）2010
、
hypoxic tumor cells.
NER and HR contribute to the repair of DPCs,
、
X 線照射
、
、重金
立体障害
。
検討
SCCVII
DNA
示
誘発
移植
抽出後、FITC
直接分析
with hypoxic tumors than with normoxic ones,
十分
、DPC
蛍光光度計
可能
低酸素条件下
DNA
、電離放
、複製
立
hypoxic conditions. DNA was isolated from tumor
。腫瘍細胞
致死効
関与
脚
常酸素条件下
DPC
DPC 形成
、C 3 H/He
腫瘍
、
。
致死効果
。電離放射線
、低酸素条件下
、細胞
遺伝毒性
修復
組
示唆
with increasing doses. The signals were greater
質（CLP） 非常
、CLP
誘発
性
、DPC 以外
。
認
、GA、PEN、FA
、常酸素下 照射
化学的因子
DPC
DPC 生成
Both fluorescence and Western signals increased
、
定量
ACR, and CRA likely involves DNA damage other
、
質
物理的因子
有意
CLP
DNA 損傷
再活性
DNA 損傷
法
果
状況
複製
標 識 後、 抗 -FITC 抗 体
is directly related to DPCs, whereas that by CAA,
。DNA 損
。DNA-
CLP
突然
修
。
停止
役割
質
可能性
FITC and quantified by Western blotting using
、FITC
DNA
、CAA、ACR、CRA
場合、複製
。
嵩高
抽出
増加
細胞
直接関係
合成（TLS） 相同組換 （HR）
、
DNA lesions. They are produced by physical
with LD 10 concentrations. CLPs were labeled with
薬剤処理
suggesting that cell killing by GA, PEN, and FA
。
除
、多
紫外線
DNA-protein crosslinks (DPCs) are ubiquitous
metal ions, and a certain class of anticancer
取
（DPC） 、普遍的
and homologous recombination (HR) play pivotal
。LD 10 濃度
were irradiated with X-rays under normoxic and
損傷部位
重要
FA. DNA was isolated from cells after treatment
順
損傷
。修復機構
DNA 鎖
致 死 濃 度（LD 10 ） 、CAA
減少
結果
軽減
備
残
越
< ACR < GA < CRA < PEN < FA
除去修復（NER） 塩基除去修復（BER）
損傷許容機構
化
遺伝毒性
in the order of CAA < ACR < GA < CRA < PEN <
10 %
。細胞生存
induced significant amounts of chromosomal DPCs,
間
起
調
環境因
、細胞死
引
細胞生存率
率
SCCVII tumors in the legs of C 3 H/He mice
未修復
arrested when it runs into the site of damage.
生物影響
形成法
dose that gave 10 % cell survival (LD 10 ) increased
、
、損傷
傷
絶
DNA 損傷
許容機構
to mitigate the genotoxic effect of DNA damage.
the DNA strand by nucleotide excision repair (NER)
代謝産物
、
and environmental agents. DNA lesions, if left
In the repair mechanism, damage is removed from
富
（ ACR）、
（CAA） 処理 、
analyzed by colony formation assays. The lethal
東広島市鏡山1-3-1 〒739-8526
([email protected])
72
形成
(CRA), glutaraldehyde (GA), acrolein (ACR), and
Department of Mathematical and Life Sciences
Graduate School of Science, Hiroshima University
Higashi-Hiroshima 739-8526 Japan
大学院理学研究科
DPC
化合物
(FA), trans - 2 -pentenal (PEN), crotonaldehyde
損傷 遺伝毒性 修復
Hiroshi Ide
広島大学
井出 博
、
We assessed the formation of DPCs by
放医研国際
放射線生命科学
関
Feature : NIRS International Symposium on Radiation Life Sciences
特集
特集／放射線生命科学
DNA
働
検討
FA、
選択的
5-
処理
働
上
、
捕捉
特
- 2 ʼDPC
FA 感受性
誘発
示
放射線科学 Radiological Sciences/H. Ide,Vol.53 No.8・9（72-74）2010
73
放射線生命科学
関
放医研国際
関
Examination of DNA double strand break induction and
repair following exposure to X-rays and heavy ions;
the influence of heterochromatin and damage complexity.
放医研国際
X線
重
照射後
異質染色質 損傷 複雑
DNA二本鎖切断
検討
修復：
Penelope A. Jeggo1, Angela Noon, N1/2., Nakako Nakajima2, Aaron A. Goodarzi1,
Atsushi Shibata1, Markus Lobrich3 and Ryuichi Okayasu2.
1) Genome Damage and Stability Centre, University of Sussex, Brighton.
2) National Institute of Radiological Sciences, Chiba, Japan
3) University of Technology, Radiation Biology and DNA Repair , 64287 Darmstadt, Germany
Darmstadt
Feature : NIRS International Symposium on Radiation Life Sciences
特集
特集／放射線生命科学
ペネロープ A ジェゴ1、アンジェラ ヌーン, N1/2、中島 菜花子2、アーロンA. グッダルジー1、
柴田 淳史1、マーカス ロブリッチ3 、 岡安 隆一2.
1) サセックス大学, ゲノム損害・安定性研究センター
2) 放射線医学総合研究所
3) ドイツ, 工業大学, 放射線生物学・DNA修復部門
([email protected])
Fig. 1 Repair and damage tolerance mechanisms of DPCs in bacterial and mammalian cells.
図 1：細菌 哺乳類細胞 DPC 修復
損傷許容機構
DNA double strand breaks (DSBs) induced
-deoxycytidine (azadC) that specifically traps DNA
、azadC
cytosine methyltransfrerases. Although NER-
感受性
除去
not azadC, SDS-PAGE analysis of CLPs revealed
哺乳類 NER
that DPCs were not removed by NER. This was
kDa） 小
consistent with the upper size limit of CLPs (< 8‒ 10
DPC
proteasomal degradation of CLPs. Conversely,
示
。興味深
nuclear RAD 51 and γ-H 2 AX foci, confirming the
HR 欠損細胞
role of HR in the tolerance of DPCs. Interestingly,
、FA
蓄積
蓄積
、DPC 部位
停止
示唆
HR 開始機構
but not HR-proficient cells accumulated DSBs,
DPC 修復
NER
suggesting that replication forks stalled at DPCs
、
働
、
関与
、試験管内
DNA can range from less compacted euchromatic
正染色質
種
（図 1）。
電気泳動
CLP
field gel electrophoresis and other techniques have
可能性
否定
shown that whilst approximately 80 % of the DSBs
azadC
両者
高
、RAD 51
関与
確認
、
、野生型細胞
複製
。以上
哺乳類細胞
多様
越
結果
DPC 処理
保存
胞
、
異
DSB 再結合
are rejoined more slowly. We have recently used
γ -H 2 AX
γ-H 2AX foci analysis as a highly sensitive method
蛋白質 H 2 AX
to monitor DSB rejoining in G 0/G 1 phase cells and
rejoining [ 1 ]. Importantly, we have shown that
研究
約 80 %
genetic requirements the more rapidly repaired
粒上
DSBs and, most significantly, requires the signaling
再結合
最近、G 0 /G 1 期細
方法
酸化
検出
and demonstrate the versatile and conserved role
DSBs generated by X or γ-rays. However, an
合
of HR in the tolerance of DPCs among species (Fig. 1).
analysis of damage complexity did not support that
。γ -H 2AX
大
言
処理
出来
、早
DSB
再結合
抗
（免疫組
）
、γ -H 2 AX 塊
螢光顕微鏡下
。
位置・存在
塊
染色
粒
呼
観察
知
、
出来
免疫組織染色法
repair might represent a subset of more complex
再
［訳者注：DSB 近傍
。γ -H 2 AX
we considered that the slow component of DSB
速
高感度
観察
DSB
、X 線
約 20 %
酸化 H 2 AX 抗体
織染色法
真
異質染色質中
用
可視化
the slow component of DSB repair has additional
kinase, ATM and the nuclease, Artemis. Initially,
凝集
酸化 H 2AX（γ -H 2AX）
凝集
含
。
DSB
、残
現象
凝集
。我々
observed similar fast and slow components of DSB
切
複雑
技法
生
結合
DNA 二本鎖切
様々
induced by X or γ-rays are rejoined with faster
kinetics, an approximately 20 % subset of DSBs
誘導
γ線
（ Penny A. Jeggo ）
、比較的緩
高度
heterochromatin (HC DNA). Studies using pulse
repair of DPCs in bacterial and mammalian cells,
放射線科学 Radiological Sciences/H. Ide,Vol.53 No.8・9（72-74）2010
DNA
、
細菌
、HR
DPC 許容機構
示
凝集状態
azadC 処理
DSB
介
。DNA
DNA（HC DNA）
HR
断
a range of complexities. Further, compaction of
DNA to highly compacted DNA found in
形成
following FA and azadC treatments, HR-deficient
NER
多彩
（< 8 - 10
azadC
核内
誘発
非常
。
、FA
放射線
断（DSB）
、NER
、DPC 許容機構
FA and azadC. FA and azadC treatment induced
highlight the differential involvement of NER in the
上限
。FA
γ -H 2 AX
HR-deficient cells were hypersensitive to both
CLP
連動
。一方、HR 欠損細胞
感受性
結果
化
分解
chromosomal DPCs were not polyubiquitinated,
74
修復
。
各種
by different forms of radiation can encompass
、DPC
支持
kDa) amenable to mammalian NER in vitro . Also,
undergo breakage, initiating HR. These results
。SDS-PAGE
CLP 除去動態分析
deficient cells were slightly sensitive to FA but
ruling out the possibility of NER coupled with the
示
A
、別
蛋白質
。］ 指標
変
存在
解析
DSB
確認
。抗体
場
再結合
［1］
。
放射線科学 Radiological Sciences/P. A. Jeggo, Vol.53 No.8・9（75-78）2010
75
多
by neocarzinostatin, which are highly homogenous
ATM
DSBs. More recent findings have shown that the
機構
DSBs repaired with slow kinetics represent those
、X 線
放医研国際
located within regions of HC DNA. Collectively,
修復
機構
遺伝子
必要
我々
最初
γ線
生
複雑
再結合
。
調
非常
G 0/G 1 phase.
of ATM substrates is only slightly reduced in
対応
cells lacking the mediator proteins and G 2 /M
、損傷
均質
。
、損傷
無
DSB
知
誘発
再結合
、速
反応
後
研究
。
修復
DSB
遅
、HC
DSB 修復
ATM
染色質 DNA
ATM
位置
、G 0 /G 1 期
確証
得
。H 2 AX
、γ -H 2 AX
is an early substrate of ATM and phosphorylated
H 2 AX (γ-H 2 AX) recruits the mediator protein,
蛋白質 MDC 1
MDC 1 , to the DSB site. An interaction between
MRN
MDC 1 and MRN provides a second process that
MRN
enhances MRN levels at the DSB. Subsequently,
DSB 近傍
two ubiquitin ligases, RNF 8 and RNF 168 , which
2 種類
primarily ubiquitylate H 2A in the DSB vicinity, are
員
recruited. This in turn facilitates the recruitment
of 53 BP 1 [ 2 ]. Recent studies have shown that
MRN
波状的
levels at the DSB [ 3 ]. Since MRN interacts with
ATM, these waves of recruiting MRN serve to
ATM
enhance the level of activated ATM at the DSB [ 4].
我々
放射線科学 Radiological Sciences/P. A. Jeggo, Vol.53 No.8・9（75-78）2010
53 BP 1
動員
、53 BP 1
、
ATM
MRN 動員
、DSB
53 BP 1
。
DSB
上昇
DSB
。
、
that the repair of DSBs at HC regions requires
活性化
concentrated, localized p- KAP 1 at the DSB site,
重要
役割
演
DSB
which is visualized as defined p-KAP 1 foci. This
ATM
意外
、HC DSB
言
修復
、
。
、単一
酸化部
ATM 基質
報告
示
重要
働
。
酸
用
変換
、
存在下
突然
似
［7］。
同様
我々
結論
、ATM
。
明確
経過
ATM
示唆
rapidly dephosphorylated, raising the possibility
必要
観察
。
基
明確
他
p-KAP 1
、我々
、DSB 部位
知見
局在・濃縮
p-KAP 1
KAP 1
。p-KAP 1
、p-KAP 1
得
。
、HC 領域
、DSB 部位
高
形成
p-KAP 1
重要
観察
KAP 1 phosphorylation. p-KAP 1 appears to be
酸化
初
必須
ATM
KAP 1
、核全体
知見
影
、電離放射
［4］。53 BP 1
必須
。
修復
我々
電離放射線照射後早期
蛋白質
修復
KAP 1
DSB
核全体
時間
作
除去（S 24 A） ATM
、異質染色質
及
ATM
DSB 修復欠損
観察
見
酸
細胞）
酸化部位
AT
、加
事実
DSB 修復
変異（S 824 D）（訳者注：824 位
DSB site to allow ATM to effect a high level of
that the maintenance of p-KAP 1 requires ongoing
我々
、KAP 1
process requires the tethering of ATM at the
発見
、ATM 欠損細
発見
［6］。
、一定
p-KAP 1 . Based on these findings, we propose
事実
位（S 824） 持
defined foci at later times [ 4]. Significantly, 53 BP 1
報告
ATM
働
異質染色質形成因子 KAP 1
酸化 KAP 1
p-KAP 1 foci but are dispensable for pan-nuclear
上記
欠損
必要
at early times post IR, only become evident as
MRN
可視化
、53 BP 1
53 BP 1
and the other mediator proteins are required for
［4］。最近、
必要
重要
促進
相互作用
ATM
知見
動
BRCT
高
Strikingly, our recent findings have shown that
role in enhancing ATM levels at a DSB.
we observed defined foci that, although formed
持
γ−H 2 AX、RNF 8、RNF 168、MRN 複合体、
線照射後早期
働
同
ATM
、
［1 , 4］。
響
化
ATM
必要
、
that KAP 1 is phosphorylated in a pan-nuclear
manner at early times after IR but additionally
RNF 168
DSB 修復
蛋白質
酸化
後、主
［5］。
伝達蛋白質
、ATM 依存性
、正
起
役割
胞中
除
増幅
酸化現象
via its phosphorylation of KAP 1 . We also found
。
働
［3］。MRN
providing a further process that enhances MRN
at the DSB, suggesting that 53BP 1 plays a critical
相互作用
presence of ATM [ 7]. Thus, we conclude that ATM
。MDC 1
H 2A
研究
基質
DSB 部位
上昇
the BRCT domains of 53 BP 1 interact with MRN,
53BP 1 is required for the visualization of ATM foci
動員
、
。ATM
impacts upon repair of heterochromatic DSBs
RNF 8
［2］。最近
confers an AT like DSB repair defect even in the
ATM
第2
今度
ATM
仲介
上昇
蛋白質
whilst ablation of the phosphorylation site (S 24 A)
介
早期段階
DSB 部位
。
Significantly, knockdown of KAP 1 relieves the
expression of the phosphomimic mutation (S 824 D
相互作用
反応
相互作用
。
。Mre 11 -Rad 50 -
NBS1
（MRN）
複合体 、
損傷 最初 感知
動員
substrate with a single phosphorylation site (S824) [6].
線量域
、
ATM 欠損細胞
修復
低
酸化
停止
that all the ATM signaling proteins described
a heterochromatin building factor, is an ATM
蛋白
ATM 基質
不可欠
Chk 2
停
G 2 /M
伝達蛋白質
γ−H 2AX, RNF 8, RNF 168, the MRN complex and
後
、
、
phosphorylation events, we were surprised to find
requirement for ATM for DSB repair as does
R a d 50 - N B S 1 ( M R N ) c o m p l e x r e p r e s e n t s t h e
interaction with the C-terminus of NBS 1 . H 2 AX
必要
C 末端
言
修復
蛋白質
、NBS 1
真正
、DSB 部位
凝集
been described as amplifying ATM signaling
It was previously shown that KAP 1 ,
X 線誘発 DSB
不可欠
組織的
伝達
53BP 1 are required for HC DSB repair.
除
我々
伝達
総合
、
assembly of proteins at the DSB site. The Mre 11initial damage sensor and recruits ATM via its
76
中
ATM
ATM signaling involves an orchestrated
知見
伝達
。
常
that observed in ATM defective cells [ 1, 4]. Thus,
領域内 位置
妨
一群
and all have defects identical to and epistatic with
反応
。
欠損
low doses [ 5 ]. Thus, the mediator proteins have
above are required for ATM-dependent DSB repair
反応
、遅
、HC DNA
DSB
不可欠
低下
modest role of ATM signaling proteins in ATM
誘発
ATM
checkpoint arrest occurs normally except at very
rather than being essential for it. Given this
。
、
妨
複雑
誘発
得
、放射線誘導 G 2 /M
複雑
証明
DSB
酸化
質
再結合
関係
for Chk 2 phosphorylation following radiation
checkpoint arrest, the phosphorylation of a range
分析
早
、放射線照射
。当初、我々
。
詳
興味深
止
DSB
遅
Interestingly, although ATM is essential
exposure and for radiation induced G 2 /M
必要
明
DSB 再結合能
機構
伝達
考
that ATM is dispensable for the repair of X-ray
修復
、特
DSB
DSB repair, which is relieved by ATM signaling.
induced DSBs located within euchromatic DNA in
DSB
Artemis
the findings suggest that HC poses a barrier to
Furthermore, our findings provide strong evidence
早
Feature : NIRS International Symposium on Radiation Life Sciences
and slow kinetics for the repair of DSBs induced
放射線生命科学
DSB
関
特集
model. Most importantly, we observed similar fast
、明確
必要
維持
言
ATM
酸化
、急速
DSB
脱
繋
止
、
行
酸化
、DSB
放射線科学 Radiological Sciences/P. A. Jeggo, Vol.53 No.8・9（75-78）2010
77
放射線生命科学
ATM
tethering ATM at the DSB, a process which
思
requires the mediator proteins including the
繋
downstream component of the assembly process,
継続的
達成
、下流
凝集
関
放医研国際
、各種
with slow kinetics even in control cells, where
。興味深
ATM signaling takes place, suggesting that ATM
遅
overcomes but does not eliminate the impact of the
伝達
反応
構造
影響
受
修復
影響
生
及
示
。我々
照射後
γ H 2 AX
Sadayuki Ban
Planning Office of International Open Laboratory
Hirohiko Tujii
Exexutive Director/Director of the International Open Laboratory
国際オープンラボラトリー運営室
伴 貞幸
理事・国際オープンラボラトリーデイレクター
辻井 博彦
伴
貞幸（ Sadayuki Ban ）
最近、炭素
DSB 修復
実験
γ線
確認
、重
DSB
of heavy ion induced DSBs compared to X - or γ -
我々
ray induced DSBs. We are currently investigating
Artemis、CtIP、
Mre 11
the possibility that the genetic requirements for
二本鎖 DNA
末端部位処理
必要性
DSB
比
Artemis
、末端処理
放医研国際
γ線
分析
。予備的
、複雑
、X 線
放射線生命科学 関
修復
鉄
X線
DSB
requirement for ATM and Artemis for the repair
that either regulate or are directly required for
異質染色
作用
比
研究
after carbon and iron ion irradiation. Preliminary
the repair of complex DSBs may include proteins
ATM
、ATM
線
DSB
experiments suggest that there may be a greater
細胞
、
起
含
必要
、対照群
解説
NIRS International Symposium on Radiation Life Sciences
。
DSBs. We have recently substantiated this using
γ H 2 AX foci analysis to monitor DSB repair
53 BP 1
修復
、DSB
重
with slow kinetics compared to X or γ- ray induced
成分
、HC DSB
示唆
generated by heavy ion irradiation are repaired
質
DSB
、
蛋白質
複雑
無
Several studies have shown that DSBs
、ATM
止
質
必要
。
53 BP 1 . Interestingly, the HC DSBs are repaired
heterochromatic superstructure on DSB repair.
活性化
、ATM
高
DSB
Commentary : NIRS International Symposium on Radiation Life Sciences
特集
ATM activity at the DSB. This is achieved by
。現在
修復
直接必要
仮説
必要条件
、切断
調節
蛋白質
立
、
蛋白質
含
研究
。
end processing, such as Artemis, CtIP or Mre 11.
（訳監修：伴
貞幸）
References
1. Riballo, E. et al. Mol Cell 16, 715-724 (2004).
2. Panier, S. & Durocher, D. DNA Repair 8.436-443
(2009)
3. Lee, J.-H., Goodarzi, A.A., P.A., J. & Paull, T.T.
Photo 1. Photographer from JCN Chiba appeared in the conference room to take photographs
写真 1：会場
「JFN 千葉 」
撮影 来
EMBO Journal (2009).
4. Noon, A.T. et al. Nat Cell Biol 12, 177-184 (2010).
5. Fernandez-Capetillo, O. et al. Nat Cell Biol 4,
993-997. (2002).
1.Introduction
1.
In November 2008 , International Open
6. Ziv, Y. et al. Nat Cell Biol 8, 870-876 (2006).
Laboratory was established at National Institute
7. Goodarzi, A.A. et al. Mol Cell 31, 167-177 (2008).
of Radiological Sciences (NIRS) in order to perform
放射線科学分野
目的
医研
of radiation science. At the end of this fiscal year,
国際
the second 5 -year plan of NIRS will be completed,
了
and the first-stage project of International Open
Laboratory, some excellent outcomes that will lead
78
放射線科学 Radiological Sciences/P. A. Jeggo, Vol.53 No.8・9（75-78）2010
第Ⅱ期中期計画
。本年度
一応
。国際
経過
成果
著名
目的
終
開設
成果
11 名
放
、
第Ⅰ期事業
。
行
終了
将来
招
研究
放医研 「国際
開設
1 年半少々
it has been only a little more than one and a half
year since the establishment of International Open
、2008 年 11 月
」
the worldʼs most advanced research in the field
Laboratory will also end tentatively. Although
世界最先端
、
幾
創出
、国内外
研究者（表 1）
、6 月 11‒12 日
評価
行
放医研 「放
放射線科学 Radiological Sciences/S. Ban,Vol.53 No.8・9（79-90）2010
79
放射線生命科学
Table2
Invited Reviewers（審査員
招
著名研究者）
Program of Outcome-Reporting（成果発表
関
放医研国際
Commentary : NIRS International Symposium on Radiation Life Sciences
解説
Table1
1.
Dr. Eleanor A. Blakely
）
International Open Laboratory Session
（国際
）
(Senior Staff Biophysisit. Life Science Division, Lowrence Berkeley National Laboratory, USA)
Dr. Eleanor A. Blakely (米国・
国立研究所・生命科学部門・教授)
8：30-10：30
Particle Therapy Model Research Unit（Chair：Masami Torikoshi）
Dr. Anders Brahme
粒子線治療
(Professor, Department of Medical Radiation Physics, Karolinska Institute, Sweden)
Dr. Anders Brahme (
・
研究所・腫瘍病理部門・医療放射線物理専攻・教授)
Anders Brahme（Karolinska Inst.）, Takeshi Murakami（NIRS）et al
研究
（座長：取越
Anders Brahme（
Dr. Nobuyuki Hasebe
10：30-10：45
(Professor, Research Institute for Science and Engineering, Waseda University, Tokyo)
長谷部 信行 (早稲田大学・理工学術院理工学研究所・教授.)
10：45-12：45
正己）
研究所）, 村上
健（放医研）
Break（休憩）
Particle Radiation Molecular Biology Unit（Chair：Yoshiya Shimada）
Dr. Tom K. Hei
粒子線分子生物学
(Professor, Radiation Oncology & Environmental Health Sciences, Columbia University Medical Center, USA)
Dr. Tom K. Hei (米国・
大学医療
・放射線腫瘍学部門・教授)
（座長：島田
Penelope A. Jeggo（Univ. Sussex）, Ryuichi Okayasu（NIRS）et al
Penelope A. Jeggo（
Dr. Kathryn D. Held
(Associate Professor, Department of Radiation Oncology, Massachusetts General Hospital/Harvard Medical School, USA)
Dr. Kathryn H. Held (米国・
医科大学・
総合病院・助教授)
12：45-13：45
13：45-15：45
Dr. Hiroshi Ide
大学）, 岡安
隆一（放医研）
Lunch（昼食）
Space Radiation Research Unit（Chair：Mitsuru Nenoi）
宇宙放射線研究
(Professor, Department of Mathematical and Life Sciences, Graduate School of Science, Hiroshima University, Hiroshima)
井出 博 (広島大学大学院・理学研究科・教授)
義也）
（座長：根井
充）
Tom K. Hei（Columbia Univ.）, Yukio Uchihori（NIRS）et al
Dr. Penelope A. Jeggo
Tom K. Hei（
(Professor, Genome Damage and Stability Centre, University of Sussex, UK)
Dr. Penelope A. Jeggo (英国 ・
大学・
損傷・安定性研究
・教授)
15：45-16：00
大学）, 内堀
幸夫（放医研）
Break（休憩）
Dr. Tatsuaki Kanai
（Professor Department of Heavy Ion Medicine, Heavy Ion Medical Research Center, Gunma University）
金井 達明（群馬大学・重粒子線医学研究
・重粒子線医学部門・教授）
2.
NIRS President Grant s Creative Scientific Research Session（Chair：Kazuo Sakai）
理事長裁量経費・創成的研究
（座長：酒井一夫）
Dr. Mitsuko Masutani
(Chief, Biochemical Division, National Cancer center Research Institute, Tokyo)
益谷 美都子 (国立
研究
・生化学部・部長)
16：00-16：45
Development of component technologies and a prototype for the OpenPET .
Taiga Yamaya（NIRS）
Dr. Peter O Neill
(Professor, Gray Institute for Radiation Oncology and Biology, University of Oxford, UK)
Dr. Peter O Neill (英国・
大学・Gray放射線腫瘍学・生物学研究所・教授)
OpenPET
構成技術 原型
山谷 泰賀（放医研）
Dr. Guenther Reitz
16：45-17：30
（Chief, Radiation Biology, Aerospace Medicine, German Aerospace Center,Germany）
Dr. Guenther Reitz（
航空宇宙
・航空宇宙医学・放射線生物学部・部長）
Research toward cancer diagnosis and therapy targeting strategic hypoxia in cancer stem cells.
Takako Furukawa（NIRS）
古川
to impressive future research have been achieved.
射線生命科学
For the purpose to assess those outcomes, NIRS
開催
放医研国際
。本
invited 11 distinguished scientists (Table 1 ) from
基幹研究
量経費創成的研究 2 課題
Life Sciences” on June 11th and 12th.
価
of two President Grantʼs Creative Researches, which
行
of NIRS, were also reviewed and assessed. On
11 名
著名
測定
放射線
解析、
野
講演
、放医研
頂
将来
effects of high LET radiation at molecular, cellular
and tissue levels.
2.Presentation of research findings
宇宙放射線
物理学的・生物学的影響
至
幅広
On Day 1 , the research progress and
2.研究成果
発表
第 1 日目
、国際
3
分子
findings were reported by the members of three
分
units (Therapy Model Research Unit, Particle
物学
Radiation Molecular Biology Unit, and Space
裁量経費創成的研究 2 課題
the afternoon of the 12 th, the 11 invited scientists
Radiation Research Unit) of International Open
presented lectures in a wide range of fields from the
Laboratory, and of two President Grantʼs Creative
放射線科学 Radiological Sciences/S. Ban,Vol.53 No.8・9（79-90）2010
幹細胞研究
評
研究者
。
低酸素域
approach in heavy-ion therapy, and the biological
、
臨床応用
診断 治療 戦略 上
高子（放医研）
dosimetry of space radiation to the medical-physical
「理事長裁
成果報告」
。12 日午後
招
are expected to become the future main researches
加
期待
held a “NIRS International Symposium on Radiation
At this symposium, the research outcomes
」
、「国際
成果報告」
domestic and foreign research organizations, and
80
関
開発
（粒子線治療
研究
、粒子線分子生
、宇宙放射線研究
（表 2）。
報告
）
成果報告
未発表
、各発表者
理事長
含
提供
資料
放射線科学 Radiological Sciences/S. Ban,Vol.53 No.8・9（79-90）2010
81
放射線生命科学
3-2. Final assessment
3-2. 最終評価
The final assessment was performed on a
最終評価
、各研究課題
（1）研究全体、
関
4-grade scale of S (excellent), A (good), B (average),
（2）研究
独創性、（3）研究計画
放医研国際
and C (poor) regarding ( 1 ) overall research, ( 2 )
（4）成果
量
originality of research, ( 3 ) rationale and certainty
責任者
of research planning, ( 4 ) quality and quantity of
A（良）、B（平均）、C（不良）
research programs. The five research programs
。今回評価
Photo 2. The assessment committee discussing how the assessment should be performed, prior to the
research assessment
写真 2：研究評価 先立
、評価
方 打 合
評価委員
集
資料集
were included in all reports, an information packet
所
11 名
限
評価委員
方
containing the data provided by each presenter was
。
distributed only to the 11 reviewers, the president,
紹介
and a few people including the administration
発表者
充分
準備
officer. Therefore, the contents of each report will
各研究
成果
充分
not be introduced in this article. Each speaker
思
始
配布
、各成果報告
本誌
。
練習
目指
、
見
。
評価主任
最終評価結果
toward the worldʼs most advanced research in
送
来
、
NIRS, and therefore only programs that are given
平
an S mark are acceptable.
5 課題
評価
S 評価
NIRS in writing by an assessment leader of each
非常
program. As expected, a very fair assessment was
。
公
、残念
、
頂
今後
前向
最終評価結果
放医研
、非常
研究課題
received an S mark unfortunately, but very positive
文書
。今回
、
放医研
具体的
近
研究
助言
進
方
付
公表
。
and specific advice on how to proceed in the future
内容
控
5 研究課題
各課題
The final assessment results were sent to
理事長、理事
合格
4 段階評価
受
研究
他
（研究
、S（優秀）、
subjected to this assessment are intended to aim
performed. In this assessment, not all five programs
Researches((Table 2 ). Because unpublished data
世界最先端
S 評価
確実性、
質、
（5）社会的影響、
（6）
等）
outcome, ( 5 ) social influence, and ( 6 ) other factors
(leadership of the principal investigator, etc.) in the
妥当性
Commentary : NIRS International Symposium on Radiation Life Sciences
解説
given to all research programs on the whole (Photo 3).
was given to all of the research programs.
、各
発表
臨
、
The final assessment results will be
released soon.
出来
（写真 1）。
had sufficiently prepared and practiced for the
presentation. In fact, they seemed well pleased and
satisfied in their own presentation (Photo 1).
3. Research assessment
3.研究評価
3-1. Rapid assessment
3-1. 迅速評価
On Day 2 , the research findings presented
on the previous day was assessed by the assessment
committee from 8 : 30 to 11 : 00 (Photo 2 ). It seemed
二日目
11 時
題
assess the most important points of each research
issue and give advice on how to continue to make
評価委員
研究成果
評価
（写真 2）。評価
優
点
presented by the 11 invited distinguished reviewers.
講演
方
When we obtained the lecture titles
各演者
。
from 11 speakers before the Symposium, we felt
射線測定
課題
今後
研究
進
勧告
見受
出
4.学術講演会
2 日目
、目標
一部
4. Scientific lecture session
行
方針
評価
、各課題中
前日
On the afternoon of Day 2 , lectures were
委員
公平
progress in each field of research in the future
82
8 時半
発表
that the policy for the assessment was to fairly
regarding issues in which the goals were not
Photo 3. Open session for reporting the brief assessment
写真 3：公開 形式 行
評価報告会
、各研究課
到達
研究
鋭
批判
。
午後
招聘
行
演題名
a serious difficulty in arranging the program
広範囲
構成
regarding a small part of the various research issues.
DSB (DNA double-strand break) repair. We read
治療用放射線）
」
、
「細胞
評
their abstracts and arranged the program so that
影響（損傷
研究課題
it would flow from “high LET radiation (space
research program were reported in an open session
価報告
行
from 11 : 00 a.m.. At this time, high marks were
概
高
放射線科学 Radiological Sciences/S. Ban,Vol.53 No.8・9（79-90）2010
形
。
評価
与
、各研究課題
時
（写真 3）。
radiation, therapeutic radiation)” to “their effects
読
頂
編成
半日
行
至
、
悩
抄録
公開
、宇宙放
分野
fields from the space radiation dosimetry to the
11 時
頂
DSB（DNA 二本鎖切断）修復
reached. Of course, serious criticisms were heard
The brief assessment results on each
著名研究者
。
最初
because the titles included a very broad range of
11 名
。
、「高 LET 放射線（宇宙放射線、
修復）」
影響」、
「分子
流
（表 3）。一
講演会
会場
、
広範
分
放射線科学 Radiological Sciences/S. Ban,Vol.53 No.8・9（79-90）2010
83
放射線生命科学
induced DNA damage and its repair” (Table 3 ).
Table3
Program of Scientific Meeting（学術講演会
関
Session 1
Although the findings in a very wide range of fields
）
were presented in a lecture session held at one
venue in only a half day, the participants were very
放医研国際
Space Radiation（Chair： M. Kusakabe）
宇宙放射線（座長：日下部 正志）
interested in all lectures. Some heated discussions
Radiation dose assessments in space missions.
宇宙開発計画
宇宙放射線線量測定
Guenther Reitz（
Radiation Environment on the moon.
月面
放射線環境.
長谷部
Guenther Reitz（German Aerospace Center）
航空宇宙
were also took place. This session was very
successful (Photos 4 , 5 ), because of the following
）
three reasons: ( 1 ) all of the researchers were also
Nobuyuki Hasebe（Waseda University）
good speakers; ( 2 ) the keywords were radiation
信行（早稲田大学）
and life, which were familiar to the audience, ( 3 )
Session 2
Radiation Physics（Chair： K. Noda）
放射線物理（座長：野田耕司）
because one lecture was limited only within 20
How to irradiate target volume with carbon beams using passive and scanning irradiation systems.
Tatsuaki Kanai（Gunma University）
essential data.
炭素線 腫瘍
照射
Photo 4. Scene of a heated discussion
写真 4：活発 討論風景
minutes, all presentations focused on important and
-拡大
走査
照射―
金井
野
Space exploration missions conducted
達明（群馬大学）
in a large international cooperative system have
Optimal use of light ions for radiation therapy.
放射線治療
Session 3
最適化
軽
線使用
検討.
Anders Brahme（Karolinska Institute）
Anders Brahme（
研究所）
行
内
Tom K. Hei（Columbia University Medical Center）
Tom K. Hei（
低線量粒子線
大学医科学
作用
Kathryn D. Held（
放射線
most important issues. Dr. Reitz introduced the
、演者
本質的
挙
LET
依存
分子
伝達経路
Eleanor A. Blakely（Lawrence Berkeley Natl. Lab.）
Eleanor A. Blakely（
国立研究所）
思
応答
ADP-
化反応
役割
益谷
美都子（国立
Genotoxic effects and repair of DNA-protein crosslink damage.
DNA-
Session 5
質
損傷
遺伝毒性 修復.
井出
）
Hiroshi Ide（Hiroshima University）
博（広島大学）
DSB and its Repair（Chair： T. Kamada）
DNA二本鎖切断
修復（座長： 鎌田 正）
。本実験
is intended to protect workers who carry out
達成
long-term tasks on the moon surface. Because the
推定計算
atmosphere is very thin and the magnetic field is
。
very small on the moon surface, meteors come at
長谷部博士
high speed and high-energy charged particles are
業者
constantly falling on it. It is believed that in the
究
X線
重
照射後
Penelope A. Jeggo（
DNA二本鎖切断
大学）
放射線科学 Radiological Sciences/S. Ban,Vol.53 No.8・9（79-90）2010
修復：異質染色質 損傷
複雑
検討
protection on the moon surface has already
放射線安全性
確保
取
線量分布
、11
、長期
非常
人類
過酷
弱
環境
大
絶
受
through a systematic biology. For example, he
Brahme 博士
降
遂行
大気
高速
晒
極
飛来
。近未来
。月面居住者
挙
作
、
注
長期間
成果
ions as an effective means for optimizing therapy
出
放射線環境」研
、隕石
月面任務
既
重要
。月面
思
究
高 LET 放射線
「月面
荷電粒子
非常
国際協力
月面任務
目的
、磁場
国 20 施設間
極
計
紹介
、特
守
produced significant findings.
Dr. Brahme reported the possibility of light
。宇宙開発
間違
報告
impressed that the research regarding radiation
大学）
大
MATROSHKA 実験
放射線誘発二本鎖切断
Peter O Neill,（
巡
、体内臓器内
測
高
Examination of DNA double strand break induction and repair following exposure to heavy ions.
Penelope A. Jeggo（University of Sussex）
84
人体
period of time on the moon surface. We were very
.
、宇宙飛行士
駆
、国際宇宙
薄
向
」
、時
。Reitz 博士
付
短
宇宙開発
produced very important data for the calculation
near future, humankind will stay to work for a long
‒ 修復
言葉
行
一
The complexity of radiation-induced double strand breaks ‒ challenge for repair.
Peter O Neill,（University of Oxford）
複雑
大規模
全世界
“radiation environment on the moon surface” which
研究
「
講演
最重要課題
and estimation of the risk of high LET radiation.
」、第 2
成果
中
理由
研究者
20 分
絞
討論
。
国際的共同体制
事業
活発
「優
身近
20 institutions from 11 countries, and particularly
Dr. Hasebe reported his findings on the
The role of polyADP-ribosylation reaction in response to ionizing radiation.
Mitsuko Masutani（National Cancer Research Center.）
化放射線
内容
International Space Station. This experiment was
医科大）
言
講演時間
事業
講演
（写真 4、5）。
生命
「一
organs using humanoid phantoms attached to
激
上手
」
、第 3
MATROSHKA experiment for measuring the
）
Molecular Responses（Chair： Y. Fujibayashi）
分子応答（座長： 藤林 康久）
LET-dependent molecular pathways.
、時
盛況
astronauts from radaitions is surely one of the
achieved by international cooperation between
Session 4
、非常
持
、第 1
radiation dose and its distribution within internal
組織
関心
高
、参加者
announced worldwide as big news. Among such
Effects of low doses of energetic particles in cells and a tissue model.
Kathryn D. Held（Harvard Medical School）
細胞内
大変
space exploration mission, securing the safety of
Genomic instability in non-targeted mammalian cells.
不安定性
披露
achieved excellent findings which are occasionally
Cellular Responses（Chair： M. Akashi）
細胞応答（座長：明石 真言）
非標的哺乳類細胞
研究成果
Commentary : NIRS International Symposium on Radiation Life Sciences
解説
at the cellular and molecular levels” to “radiation-
、
居住
守
大
研
感銘
。
、
生物学
治療最適化
放射線科学 Radiological Sciences/S. Ban,Vol.53 No.8・9（79-90）2010
85
放射線生命科学
一般 1 名
appear after the second cell division), and it is now
believed that the bystander effect is related to the
Commentary : NIRS International Symposium on Radiation Life Sciences
解説
fragment and ring chromosome etc. did not usually
病院 5 名
外国の大学・
研究機関
21 名
企業・マスコミ 7 名
cancer risk.
関
Dr. Hei stated that it was very important,
放医研国際
in terms of assessing the cancer risk of radiation,
大学・
研究機関
30 名
放医研
98 名
to investigate the bystander effect induced in nontargetted cells (bystander cells) that were existed in the
radiation field, but not directly exposed to a radiation.
Based on the reports of Dr. Reitz, Dr.
Hasebe, Dr. Brahme, and Dr. Kanai, it is indicated
that in a space radiation environment or therapeutic
Figure1: Number of participants by organization
図 1：機関別参加者人数
irradiation field, there are many cells that are not
directly exposed within a human body. In other
words, situations of exposure to not only natural
radiation but also space radiation and artificial
Photo 5. The conference room was almost full until the last lecture on Day 2 (Saturday)
写真 5：2日目
（ 土曜 ）最後 講演
会場
満席
radiation have been substantially clarified, and it is
評価
believed that the necessity of understanding the
。
bystander effect has been increasing in order to
suggested that carbon and oxygen ions might be
手段
、軽
effective for a large tumor mass, but lithium ions,
。例
for a small hypoxic tumor, and protons and light
ions such as helium ions, for a microscopically
酸素線
炭素線
Radiation induces various kinds of genetic
小
damage depending on the radiation quality
、低酸素域
、微小浸潤腫瘍
等
有効
示
beam developed at NIRS as irradiation methods
照射方法
DNA
effects include a “bystander effect” which appears
腫瘍
、放医研
大
作用
直接
水分子
線
誘導
酸素分子等
。
透過
ʻ 直接作用 ʼ
子
besides a “direct effect” in which damage is
ʻ 間接作用 ʼ 以外 、標的細胞近傍 非照射細胞
directly induced in DNA when radiation transmits
射線
through the DNA, and an “indirect effect” in which
damage is caused to DNA by radical molecules
or reactive oxygen species, etc. generated from
H 2 O and O 2 molecules excited by radiations. The
mechanism of bystander effect is still not precisely
現
言
用
起
細胞
。
DSB
誘発
経
不安定型染色体異常（動原体
含
片、環状染色体等 、通常
induced in bystander cells and that the unstable-
胞分裂以後
現
明
in descendant cells after many cell division of
関連
bystander cells (it was believed that the unstabletype chromosome aberrations such as acentric
放射線科学 Radiological Sciences/S. Ban,Vol.53 No.8・9（79-90）2010
Hei 博士
考
細胞（
2 回目
細
観察
。
標的
細胞） 誘導
明
行
作用
思
依存
修復
働
。
様々
遺伝的
生物
幾
阻害
有用
機構
始
質
質
曝露
場合
誘発
随
DPC 修復
塩基対除去修復（NER）
（HR）
、哺乳類細胞
、
HR
相同組
働
。
DSB
細胞死以外
Representative rejoining mechanisms are HR and
一
考
突然変異
癌化
、DSB
多
研究
非常
致死的
何
絡
「DNA-
。井出博士
示
端
示唆
知
換
it has been clarified that there are rapidly and
放射線増感剤
多
（DPC）
分前
常
薬物
備
、修復
可能性
to somehow rejoin the broken ends of DSB.
slowly rejoined DSBs. Dr. OʼNeill and Dr. Jeggo
上
線質・線量
、毒性因子
lethal damage to cells, such cells have an ability
NHEJ (nonhomologous end joining). Moreover,
、
益々高
DNA
bacteria, and HR, in mammalian cells.
been conducted on DSB. Because DSB causes
作用
晒
酵素
。
染色体断
人工放射
（井出博士、益谷博士）。益谷博士
系
被
。
（Blakely 博士）、
放射線損傷
excision repair (NER) and the homologous
and therefore a large amount of research has
細胞以外
宇宙放射線
誘発
治療
子孫細胞
考
、放射線照射野
、放射線
治療用放射
示唆
評価
必要性
損傷
述
被
多
状況
genotoxic agents. Dr. Ide showed that the nucleotide
of mutation or cancer other than cell death,
）
、
理解
被曝
DSB is considered as one of the causes
。
後
異常
Masutani suggested a possibility that an inhibitor of
recombination (HR) contribute to repair DPC in
、
細胞分裂
known. It has been clarified that DSB can be
放
作
不明
何世代
type chromosome aberrations are observed
起
作用 ʼ
正確
細胞
引
ʻ
明
放射線
“DNA-protein cross-link (DPC)” is induced by
直接
、自然放射線
radiation damages (Dr. Ide, Dr. Masutani). Dr.
分
重要
、宇宙放射線環境
細胞
線
associated with many proteins including histone,
in non-targetted cells adjacent to target cells,
作用
損傷
曝
放射線
極
、人体内
organisms have some mechanisms to repair the
、放射線
調
長谷部博士、Brahme 博士、金井
報告
線照射
It is well known that because DNA is
時
発生
DNA
博士
and radiation dose (Dr. Blakely). But, all living
radiation therapy as a radiation sensitizer.
上
Reitz 博士
key enzyme in the repair system may be useful in
拡大
DNA
励起
活性酸素種等
合
紹介
、放射線
損傷
・形
開発
操作照射法
放射線
軽
。
、患者体内
照射法
body.
86
腫瘍塊
陽子線
金井博士
It has been clarified that the radiation
可能性
有効
method and a fast scanning system for the carbon
optimizing to the size and shape of a tumor in the
有効
論
properly and correctly assess radiation risk.
有効
、大
腫瘍
invasive tumor.
Dr. Kanai introduced the passive irradiation
線
作用
繋
非
。DSB
損傷
、細胞
原因
細胞
DSB
（再結合）能力
切断
備
放射線科学 Radiological Sciences/S. Ban,Vol.53 No.8・9（79-90）2010
87
放射線生命科学
slowly rejoins, but the conclusions of two reports
。再結合機構
代表的
（非相同末端結合）
seem different. Unfortunately, Dr. OʼNeill did not
再結合
2種
DSB
関
博士
放医研国際
(complex DSB) requirs sufficient time.
報告
Dr. OʼNeill obtained the following two interesting
再結合
DSB
再結合
、両者
。残念
誌
、彼
複雑
broken ends to anneal each other ; and ( 2 ) the
OʼNeill 博士 （1）複雑
four hours after irradiation, but DNA-PKcs is
際
担当
ʻ切
）
necessary in a process of slow rejoining. Based on
切断端同士
these findings, Dr. OʼNeill suggested that NHEJ
後 4 時間以内
had two pathways, and it is adjusted within a cell
胞
so that the pathway of slow rejoining was involved
DNA-PKcs
二
構造
、複雑
DSB
早
DSB
induced in heterochromatin DNA (HC DNA) was
DSB
提唱
DNA). It seems that in order to repair DSB in HC
DSB
DNA, it is necessary for ATM to phosphorylate a
DSB
再結合
見出
and slow rejoining in NHEJ, and ( 2) whether there
DSB
修復
53BP1
between irradiated cells and bystander cells, etc.
整
In this symposium, there was some
、HC DNA 上
DSB
concern that the number of participants would be
-
NHEJ 機構
DSB ends so that a substantial length of DNA is
DSB 末端
。
（切 出 酵素）
働
長
一本鎖 DNA
一本鎖 DNA 同士
single-strand DNA fragment at each DSB site, and
、
長
facilitating to anneal both fragments each other
、NHEJ
to join the DSB. Therefore, it is well known that
良
、早
知
再結合
出方 差 有
DNA
多
作
、
5.成果
。
今回
思
金曜・土曜
、
発表
、参加者数
。
the question-and-answer session were conducted
会場
in English. However, the number of registered
約4割
。
21 人
本
遺伝
countries. There were foreign researchers who
千葉」
、
（2）DNA 損傷
came to Japan only to participate in this symposium
間
外国
行
162 名
、
（図 1）
。
、
、
参加者
来日
約3分
1
。今回
外国人研究者
国際
会合
。
them, namely 21 participants, were from foreign
、
（1）NHEJ
参加者
、
英語
危惧
参加
approximately 40 % of the participants were from
週末
少
満席
所外
participants was 162 and the conference room
質疑応答
、記名参加者数
常
other institutions, and approximately one-third of
DNA 修復機構
再結合
必要
違
普及
was almost full all the time (Figure 1 ). In addition,
易
除去
。今後
細胞間
、等々 調
Friday and a Saturday and all presentations and
整理
、
被照射細胞
small because it was held on the weekend, on a
酵素
易
報告
endonuclease (excision enzyme) acts on both
5. Dissemination of outcomes
酸化
原因
Artemis, CtIP, Mre11 等
修復系
存在下
再結合 ʼ
ʻ
必要
的
is a difference in the DNA damage repair system
蛋白質
DSB 切断末端
believed that in the future, it will be necessary
報告
異質性染色質形成因子 KAP1
合
to investigate ( 1 ) whether there is a difference in
出来
CtIP, and Mre 11 in order to facilitate annealing.
中
。
、異質染色質 DNA（HC DNA）
再結合
NHEJ is an error-prone DNA repair system. It is
早
appearance of genetic errors between fast rejoining
broken ends of DSB by enzymes such as Artemis,
放射線科学 Radiological Sciences/S. Ban,Vol.53 No.8・9（79-90）2010
再結合
、DSB
。Jeggo 博士
向
Figure 2. Scenes of this symposium carried on the Internet website of JCN Chiba
図 2：JCN 千葉
掲載
本
様子
出来
必要
Regarding the NHEJ mechanism,
誘発
、真正染色質 DNA（EC DNA）
DSB in HC DNA, it was necessary to process the
88
DSB
幾
rejoining.” Dr. Jeggo reported that for rejoining of
DSB
誘発
関連
。HC DNA 上
ATM
NHEJ
調節
再結合
the presence of some mediator proteins including
得
、
観察
slower than that induced in euchromatin DNA (EC
removed, thereby creating a certain length of
知見
。
再結合
複雑
過程
修復
細胞内
。Jeggo 博士
that basis, she reported that the rejoining of DSB
53BP1. The KAP1 phosphorylation is the cause of “slow
二
DSB
関与
照射
DNA-PKcs 欠損細
均質
concluded that the speed of DSB rejoining might
heterogeneous chromatin formation factor KAP 1 in
、
、OʼNeill 博士
or slowly rejoined. From these findings, she
not be associated with the complexity of DSB. On
Artemis
整
現象
、
結論
、損傷部
再結合
知見
neocarzinostatin induced DSBs which were quickly
DSB
、
（2）DSB
必要
経路
再結合
酵素 ʼ（
難
再結合
本
。
、
経路
抄録
出来
切断端
-
。
働
得
出
DSB
観察
in the repair of complicated DSB.
彼
報告
除去
Jeggo
異
DSB（complex DSB）
時間
位
結論
許可
complicated DSB, and therefore it is difficult for
homogeneous DSB. Dr. Jeggo observed that
DSB
機構
、OʼNeill 博士
掲載
place here) cannot process the broken ends of
Neocarzinostatin induces nearly
、速
。OʼNeill 博士
he reported that the rejoining of complicated DSB
DNA-PKcs-deficient cells can rejoin DSB within
NHEJ
。
permit us to print his abstract in this journal, but
findings: ( 1 ) an “excision enzyme” (Artemis takes
HR
Commentary : NIRS International Symposium on Radiation Life Sciences
解説
both reported the mechanism with which DSB
様子
11 日
掲載
夕方
、
放映
「JCN
、JCN 千葉
（図 2）。
放射線科学 Radiological Sciences/S. Ban,Vol.53 No.8・9（79-90）2010
89
解説
and this conference was therefore considered to be
放射線生命科学
編
a clearly successful international symposium.
Some scenes of this symposium were
集
夏、「日本
broadcast on the evening of the 11th by cable TV
記録的 猛暑」、「地球的 超異常気象現象」、「宮崎県
関
多 報
。
放医研国際
問題
Internet website of JCN Chiba (Figure 2).
不確実
至 、数多
Only five research programs were assessed
今回
国際評価委員会
by this international assessment committee, but it
5 研究課題
was the first attempt for NIRS to be evaluated by
11 名
11 outside academics, including seven foreigners.
審査
審査
初
学術誌
。
原著論文
使命
mission for researchers. At the same time, it is also
意味
思
評価委員
彼
何度
多
外部有識者
多
。
organizing an assessment comittee. Many of the
送
outside intellectuals who were invited this time
開催者
。
committee many times. Therefore, they were very
催
knowledgeable of the clerical/technical procedures
際
related to both organization and management.
開催
今後
増
必
役
詳
国人
次
、今回
国
次回
役立
誘発
希望
、9月号
知
集
予
掲載
最
損傷 修復 至 幅
、読者
。本特集号
皆
。
合併号
。
本号 、既刊
和英併記号
試
。
、放医研
機会 提供
号
形 発表
思
一
開催
広 分野 研究
10 年4 月号 続
取 組
」
、治療用重粒子線 照射法 関
。
多
期待
当所
新治療研究棟
活動 外
中 僅
。（S. Ban ）
咲
壁面 包 込
、
花
告
科学技術カフェ2010 〜シエスタ〜
【後
開
思
少
対応
財産
国際評価委員会
大変
講演会 抄録 編集
無 研究分野
様 研究 業務
特
役割 果
評価」 「著名 外部評
組織・細胞・分子
研究成果 報告
皆様
、
貴重
学
立
広 分野
【主
。
予想
開催
放射線
開催
外部有識者
機会
、
事務的・技術的手続
観察
had experience with this type of assessment
種
。
関
適化、高
国際化
等
。
、研究機関
放医研国際
特集号
宇宙放射線 測定
09 年 2月号、同 7月号
関
社会 課
。研究評価結果 何
、本誌 8・9 月号
8月号 記事
極
。
経験
開催・運営
clerical/technical procedures, etc. related to
、
研究評価
。今回招聘
Moreover, from this international
行
組織
研究評価 受
成 立
。講演会
世界的
上
国際
事務的・技術的手続
学
知
関
役割 変
「放医研 ５研究課題
講演会」
思
研究
。
。
価者
成果報告
自分
、今回
findings can be evaluated in order to objectively
symposium, we learned many things about
前
明
人口動態統計
中 、研究者
。
試
。同時
外部有識者
重要
「高齢者 所在不明」
問題 浮 彫
起
、著名 外部研究者
研究者
客観的
a review and assessment system, each specific
determine its level on a global basis.
表面化
血縁関係 希薄
6 月 11 〜 12 日 「放射線生命科学 関
研究成果
審査
大事
含
受
発表
for researchers to present their outcomes in the
presence of outside academics. Through such
）
言
、研究者
彼
（
、外国人 7 人
放医研
最大
受
過
外部有識者
Needless to say, publishing the original article in
believed that it is very important and meaningful
、新
「成果 創出・報告・普及」
6.
大
予言』 再度信
行政面 問題
様々 出来事
top-class academic journals is the most important
記
規模 口蹄疫発生」、等々、『
“JCN Chiba” and they were also carried on the
6. Conclusion
後
催】独立行政法人放射線医学総合研究所
財団法人内藤泰春科学技術振興財団
千葉市
援】千葉市教育委員会
社団法人原子力産業
NPO法人放射線安全フォーラム
千葉市科学館
評価委員会
。
《編集委員会》
Various comments and suggestions also arose before
委員長……酒井 一夫
the symposium. However, those are considered
to be valuable assets for the organizers. It is
expected that there will be many opportunities to
委 員……白川 芳幸
内堀 幸夫
高田 真志
玉手 和彦
金澤 光隆
小橋
菊池 達矢
神田 玲子
石井 伸昌
立崎 英夫
鈴木 敏和
杉森 裕樹
元
長谷川 純崇
事務局……岡本 正則
hold similar international assessment committees
comprised of outside academics in the future, and it
Radiological Sciences
Vol.53 No. 8・9
2010
is believed that what we learned about organizing
this international symposium will certainly be useful
第 53 巻 第 8・9号
when we organize the next assessment committee.
2010 年 9 月 30 日発行
7. Acknowledgment
7.謝辞
This symposium was supported with the
本
Fund donated by Dr. Chang Yung-Fa CBE, Group
Chairman of Evergreen Group. We would like to
express our deep appreciation for this support.
90
放射線科学 Radiological Sciences/S. Ban,Vol.53 No.8・9（79-90）2010
《 Editing and Publication 編集・発行》
開催
総裁・張榮發氏
当
寄付
。本紙面
礼申
。
資金
借
一部
深
National Institute of Radiological Sciences
Anagawa 4-9 -1, Inage-ku, Chiba, Japan 263-8555
独立行政法人 放射線医学総合研究所
tel : +81-43-206 -3026 fax : +81- 43 -206-4062 e-mail : [email protected]
電話 043（206）3026 Fax.043（206）4062
URL; http: //www.nirs.go.jp/info/report/rs-sci/index.shtml
本誌 URL; http: //www.nirs.go.jp/info/report/rs-sci/index.shtml
Copyright© 2010 National Institute of Radiological Sciences
〒 263-8555 千葉市稲毛区穴川 4 - 9 -1
（禁無断転載）
E メール [email protected]. jp
第53巻 第8・9号
Central Tokyo
Chiba
prefecture
放射線科学 Radiological Sciences Vol.53 No. 8・9 2010
本冊子
購入法 基
基本方針 判断 基準 満
紙 使用
。
This brochure uses paper that meets the policy standards
based on the Green Purchasing Law.
放射線医学総合研究所
Fax. 043（ 206）4 062
Japan
2010 年 9 月 30 日発行 《編集・発行》独立行政法人
National Institute of Radiological Sciences
〒 263-8555 千葉市稲毛区穴川 4 - 9 - 1 電話 04 3（206）3026
ht t p: //w w w. n i rs .go. jp

Radiation Detection Monitoring and Safety Market Development, Growth and Demand Forecast to 2020

High-Throughput DNA Isolation

Lo Giudice et al, THERMOLUMINESCENCE AUTHENTICATION

10th SYMPOSIUM OF THE CROATIAN RADIATION

SUNY UPSTATE MEDICAL UNIVERSITY - sample personal statement

J - Deeper

Analysis on Radiation Curable Resins Market Research Report

Radiation Shielding Textile Market Growth, Trends, Price and Forecasts To 2021

Spectroscopy - Chabot College

Does Azithromycin 500 Mg Make You Sick