체르노빌 출입금지구역에서 야생들쥐(bank vole)의 내장조직에 대한 저선량 방사선의 피폭 영향 연구

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The_effect_of_chronic_low_dose_environmental_radiation_on_organ.pdf

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저자 

Kati Kivisaaria , Zbyszek Boratynskib , Anton Lavrinienkoa , Jenni Kes€€aniemia , Philipp Lehmannc , and Tapio Mappesa

Department of Biological and Environmental Science, University of Jyvaskyla, Jyvaskyla, Finland; CIBIO/InBIO, Research Center in Biodiversity and Genetic Resources, University of Porto, Vair~ao, Portugal; Department of Zoology, Stockholm University, Stockholm, Sweden

 

개요

목적 ; 동물들은 방사성핵종의 흡입과 섭취를 통한 내부 피폭과 방사선에 오염된 토양의 접촉을 통한 환경방사선의 외부피폭에 노출된다. 동물의 내장기관에서는 방사선오염으로 인하여 물리적 질병이 나타난다. 만성질병은 생리적 활성 기관의 크기를 줄일 수도 있지만, 야생동물에 대한 연구는 이런 사례가 드물다는 점을 드러낸다. 동물의 내장기관에 대한 환경방사선 오염 영향에 대한 조사는 체르노빌 출입금지 구역(CEZ ; 한국말 번역은 여기서는 ‘금지구역’으로 선택)에 서식하는 야생 들쥐를 이용했다.

재료와 방법 ; 금지구역의 방사능 오염수준에 따라 해당 지역에 서식하는 야생 들쥐의 뇌, 심장, 신장, 비장, 간과 폐의 조직을 조사. 개체별 내장기관의 비교는 개체별 총질량을 반영해서 교정했다.

결과 ; 환경의 방사선 수준과 뇌와 신장 조직은 음의 상관관계를 나타냈다. 심장은 양의 상관관계를 나타냈다. 방사선과 비장조직의 비교에서는 주성분 분석(PCA)상의 양의 상관관계를 나타냈다. 방사선과 간이나 폐와는 분명한 관계가 나타나지 않았다.

결론 ; 장기간의 저선량 방사선 피폭은 야생동물의 내장기관의 변화를 유발했다. 실험을 통해 급성, 고선량 방사선에 피폭한 경우에 나타났던 내장기관의 변화와 비슷한 영향을 받는 다는 점을 새롭게 확인할 수 있었다. 이러한 자료는 실험실에서 이용하는 동물들 보다 야생동물이 방사선에 훨씬 더 민감하다는 가설을 입증한다. 하지만 야생동물의 감염 등으로 인한 질병 효과나 혹은 먹이재료의 방사선 오염과 같은 간접적 효과에 대해서도 고려할 필요가 있다.

 

배경

방사선 사고와 낙진은 세계적인 주요 관심사이다. 장기간의 방사성 핵종, 예를들어 후쿠시마와 체르노빌의 세슘-137과 스트론튬-90은 긴 반감기로 인해 전 지구적 규모로 확산되었으며, 이로인한 영향은 수십년간 지속될 것으로 예상하고 있다.(Askbrant et al. 1996 IAEA 1996 Baba 2013) 체르노빌 지역에서 많은 야생 동물들은 방사선 피폭을 겪었으며, 이로 인해 종들마다 약간 다르기는 하지만, 세슘-137과 스트론튬-90이 누적되고 있다. (Beresford et al. 2020). 가용성이라는 특성에 따라 세슘137은 아주 활발한 유동성을 나타내며, 음식이나 음료를 통해 섭취하면 몸 전체로 이동할 수 있다. (Murakami et al. 2015).

그러나 세슘과 스트론튬은 토양이나 공기 속에서 인체와 충돌하기도 한다.(Chesser et al. 2001). 자연환경의 방사선은 시간당 시버트 선량률로 표현하며(Sv/h), 연간 선량은 평균해서 2.4mSv/년 정도이다.(대략 시간당 0.27mSv)(IAEA 2010). 그러나 체르노빌 지역에서 측정한 환경방사선은 시간당 300mSv를 초과했다. 이러한 선량 수준은 피폭할 경우 세포손상을 유발한다.(Waselenko et al. 2004). Gy로 표시하는 흡수 선량은 감마선과 베타선에 대해(둘 다 방사선 가중 계수가 1) 시버트와 1대1의 비율로 변환할 수 있다. (IAEA 2010). 향후의 방사선 관련 사고의 위험성을 고려할 때(Wheatley et al. 2016), 앞으로의 연구는 특별히 자연환경에서 방사성핵종의 만성저선량 피폭의 결과 초래하는 건강영향이나 환경문제 등을 해명해야만 한다. 방사선의 피폭영향은 직접(세포와 직접 충돌)과 간접(활성산소)의 두 가지가 있고, 두 가지 모두 장기 손상을 유발할 수 있다. (Navarrete et al. 2011 Azzam et al. 2012). 고선량의 방사선 피폭은 간접적으로 방사선 유발 산화 스트레스 (활성 산소 수준 증가에 대한 반응)를 유발할 수 있고, 또 직접적으로는 세포 구조의 변화나 DNA 손상을 초래할 수 있다는 점에 대해선 이미 확인된 내용이라 할 수 있다. (Azzam et al. 2012). 심장, 소장, 간 및 신장과 같은 기관들은 에너지를 많이 소모하고, 기초대사 과정에서 높은 비중을 차지한다.(Konarzewski and Diamond 1995). 예전 연구에서 쥐의 경우에는 먹이를 통해 소화기계통과 간과 같은 기관에 축적한 실험과(Nelson et al. 1961) 개에게 주사를 통해 주입한 후에 소화기계통, 심장, 신장과 간에 축적한 실험을(Leggett et al. 2003) 통해 세슘-137의 영향을 확인한 바 있다. 이런 실험들은 대사 작용의 비중이 높은 기관이 세슘-137이 많이 축적될 수 있다는 점을 시사한다. 아울러 세슘-137은 먹이 사슬의 더 높은 단계에서 농도를 증가시키는 것으로 나타났으며, 생물학적 반감기는 종종 체질량에 따라 증가하기도 한다.(Pendleton et al. 1965; Brooks et al. 2016). 장기에 대해 여러 방사선 실험연구에서 이용하는 선량은 급성이고 높은 선량(예를들면 간암실험에서는 총선량이 10Gy 이상이었다.)이었다.(Tao and Yang 2012; Braunstein and Nakamura 2013; Emami 2013).

더군다나, 방사선과 피부손상에 대한 대부분의 연구는 실험실 환경에서 시행된 것으로서, 필연적으로 환경생태적 상관성이 없었다. 동물의 내장기관 손상과 세포단위에서 활성산소로 인한 손상에 초점을 둔 야생연구는 거의 대부분 무척추동물, 식물 및 조류에 대해 시행하여 포유류에 대해서는 대단히 드물어서 실험결과가 인간의 방사선민감성에 적용할 수 없었다.(Garnier-Laplace et al. 2013). 예를 들어 야생조류의 경우 상대적으로 뇌의 크기로 인해 음의 상관성을 나타냈으며(Møller et al. 2011), 새끼 포유를를 이용한 야생 동물의 방사선피폭 연구는 거의 시행한 적이 드물다. 체르노빌 지역에서 방사선 피폭으로 인한 분자수준의 손상에 대한 몇가지 실험결과가 있었다. 기존 연구에서는 고환과 간의 텔로미어(telomer)가 더 짧았던 반면 야생들쥐를 이용한 실험연구에서는 뇌와 간에서 더 긴 텔로미어를 나타냈다.(Kes€€aniemi, Lavrinienko, Tukalenko, Boratynski, et al. 2019).

최근의 연구는 야생동물들의 경우 실험실의 동물들보다 방사선민감성이 더 높은 것으로 나타났으며, 이것은 자연환경에서는 질병이 증폭되는 경향에 의한 것으로 추정된다.(Garnier-Laplace et al. 2013; Mothersill et al. 2019). 방사선 피폭에 대한 실험실 연구결과의 외삽(Extrapolating)은 자연 환경의 복잡성으로 인하여 보다 신중해야 하며, 일정한 조건을 통제한 실험실의 연구못지 않게 야생동물에 대한 연구가 중요하다는 점을 부각시킨다.

이전의 연구들은 내장기관의 상대적 질량이 독성에 대한 개별 폭로의 중요한 변수임을 시사한다.(Sellers et al. 2007; Piao et al. 2013). 방사선이 흡착한 내장기관의 손상은 세포사멸이나 성장중단으로 인한 질량의 감소로서 가시화될 수 있다는 점을 제시했다. (Lumniczky et al. 2017). 여기서 우리는 주요내장기관(뇌, 심장, 비장, 신장과 폐)의 방사선민감성이 어떻게 다른지를 확인하기 위해 야생들쥐를 이용한 실험연구를 시행했다.(Myodes [¼ Clethrionomys] glareolus, Schreber 1780). 실험에 이용한 동물은 우크라이나 체르노빌 출입금지 구역에서 방사선의 오염수준에 따른 지역별로 각각 포획을 하여 진행했다. 뇌나 간과같이 에너지소비가 많은 기관들은 방사선 피폭에 음의 상관성 반응을 보일 것으로 예상했다.(Aiello and Wheeler 1995; Navarrete et al. 2011). 또한 간과 비장은 면역시스템의 작동과 해독작용과 관계가 있어 방사선피폭으로 인해 더 많은 손상을 입을 수 있다. 신장은 혈액의 여과장치로서 세슘-137을 포함한 모든 용해성 핵종들에 피폭하며, 아울러 방사선 내부피폭으로 손상의 증가를 예상할 수 있다.(Nelson et al. 1961). 제한된 증식 능력 (Bhattacharya 및 Asaithamby 2016)과 높은 방사선 내성 (Darby et al. 2010)으로 인해 피폭으로 인한 심장 질량의 큰 변화는 예상하지 않았다.(Nelson et al. 1961).

 

 

 

자원과 방법

동물연구

야생들쥐는 침엽수림과 낙엽수림 모두에 서식하면서 유럽 전역에 걸쳐 분포한다. (Ledevin et al. 2010). 야생들쥐는 체르노빌 금지구역에서 서식하는 설취류 중에서 가장 많고 가장 오염된 지역에서도 확인할 수 있다. (Chesser et al. 2000), 그러나 포획지역 중에서 방사선이 증가한 지역은 개체수 감소를 확인할 수 있다.(Mappes et al. 2019). 야생들쥐는 뿌리나 줄기, 잎, 씨나 이끼와 벌레 등 다양한 식성을 갖고 있다. (Canova 1993). 실험에 이용한 동물은 2011년, 2016년 2017년 6월에 체르노빌 금지구역 바로 밖과 안쪽의 41곳의 포획장비 설치 지점에서 잡았다.(그림 1) 성숙한 쥐 만이 두 번의 겨울 동안에 생존할 수 있기 때문에(Prevot-Julliard et al. 1999), 포획한 개별 쥐들은 대부분 이전 가을에 태어났으며, 실험기간동안 비슷한 나이였다. 포획지점은 체르노빌 핵발전소(CNPP ; 그림 1)로부터 일정한 거리 별, 방사선 오염수준별로 구역을 반영하기 위해 그에 맞게 선택했다. 모든 구역은 야생들쥐에게 최적의 조건을 구비했으며, 지정학적 장벽(예를 들면 강)의 양 쪽으로부터 샘플링을 고려하여 하위 구분을 가능하게 했다. 이전의 연구에서는 야생들쥐의 가장 중요한 먹이 변수로서(Mappes et al. 2019) 발전소 영역의 지표면(0~50cm)에서의 방사선 효과를 발견하지 못했으며, 포획지점들 간의 큰 차이도 예상할 수 없었다. 감자와 해바라기 씨를 미끼로 만든 어글란 스페셜2 라이브라는 쥐덫(스웨덴 그라납)을 사용했는데, 인근 쥐덫 간 거리가 최소 1km 이상이었다. 2011년 각 쥐덫 설치 지점 20개의 지점에서 쥐를 포획하고, 2016년 2017년 설치지점은 각각 16개였다. 쥐덫은 매일 검사했으며, 포획된 들쥐는 CEZ에 위치한 실험실로 이송되었다.

방사선은 수동방사선 감시기를 이용해서 측정했다.(각 쥐덫에서 지표면 수준을 측정했으며 지표면의 1cm위 지점이다.)(Gamma-Scout w/ALERT Radiation detector/Geiger Counter, Gamma-Scout GmbH & Co. KG, Germany, with built-in shielding to block alpha radiation). 이렇게 해서 2011년의 20개지점, 2016년과 17년의 포획 지점의 선량을(mGy/h) 확인한 바. 각 쥐덫 설치지점별로 평균 방사선 선량을 측정했다.(Supplementary Table 1). 방사선 자료는 오른쪽으로 치우쳐 있으므로 측정값은 일상성을 달성하기 위해 로그10으로 변환했다. 최근의 연구는 대략 체르노빌 들쥐 선량의 70%가 세슘-137과 스트론튬-90 등 외부선원의 피폭 결과라는 점을 나타낸다. (Beresford et al. 2020). 그러나 방사선은 식물조직에 누적될 수 있으며, 이를 섭취하는 동물들은 더 많은 양의 방사선에 노출된다.(Boratynski et al. 2016). 그리하여 개별 들쥐들의 실제 선량은 쥐덫 설치 지점의 방사선량과 매우 유의한 상관성을 나타냈다고 하더라도, 먹이 섭취에 의해서도 매우 큰 변화를 나타낼 수 있다. (Chesser et al. 2000; Garnier-Laplace et al. 2013). 체르노빌 금지지역의 선량 측정은 유사한 상관관계를 보여준다.(부속 그림 1) 우리가 실험에 이용한 동물의 세슘-137 내부피폭으로 인한 추정선량이 최대 조건 11,678,718.6 Bq/kg이었음을 예전의 연구보고서가 제시한바 있다. 만일 쥐덫 설치지점의 자연방사선이 1 mGy/h미만이라면 오염되지 않은 곳으로 판단했다. 야생들쥐를 성공적으로 포획한 오염지점의 선량수준은 1.46과 198.74 mGy/h 범위였으며(대개는 체르노빌 핵발전소로부터 10km이내의 오염지역이었으며, 30km이내의 금지구역도 있었다.), 비오염지점(30km의 금지구역 안과 밖)은 0.01 ~ 0.58mGy/h (그림 1 ; 부속 표2)였다. 이후의 실험에서 우리는 체르노빌 발전소 주변에서 포획한 성숙한 야생들쥐를 이용했다.(그림 1) 성장기에 있는 들쥐들은 육안 조사(성장기의 회색털)와 생체질량을(14g 미만) 바탕으로 배제했다. 연구소로 운반 후에 야생 들쥐 개체들은 목 탈구를 통해 사망시키고, 성별, 몸체질량, 길이, 머리 넓이 등을 기록했다. 모든 기관은 가능한 한 감염여부를 육안으로 확인했으나(예컨대 병변), 감염된 증상을 보이는 기관은 전혀 없었다. 암컷 들쥐의 수태기간은 다양해서 질량 평가를 통해 완전한 형상을 갖춘 상태에서 배아상태까지 다양했다는 점을 확인했다. 내장기관(뇌, 심장, 간과 비장)은 해부해서 지방과 결합 조직을 떼어내고 닦아내 말렸으며, 진단

내부 기관(뇌, 심장, 간, 비장)을 해부하고 지방과 결합 조직을 청소하고 건조물을 블러팅하고 분석 균형을 통해 가중치를 부여했다. (Mettler Toledo, XS105 DualRange, precision: 0.01 g). 포획한 개체들의 일부 하위그룹(2016년 포획개체)은 신장(N¼162)과 폐 (N¼109)도 수집했다.

 

윤리선언

본 실험연구는 동물실험위원회의 검증. 국제적 가이드라인을 준수했다.

Ethical statement

All experiments complied with the legal requirements and adhered closely to international guidelines for the use of animals in research. All necessary permissions were obtained from the Animal Experimentation Committee for these experiments (permission no. ESAVI/3834/04.10.03/2011 and ESAVI/7256/04.10.07/2014).

 

통계

원 자료에 대한 초기 점검과정에서 방사선 (log10-오른쪽으로 치우친 데이터를 정규화하기 위해 변환 됨)과 장기질량 간에 단순한 상관관계가 나타났다.(보충 표 3) 방사선과 뇌, 간과 신장질량 간에는 유의한 음의 상관관계가 있었다. (보충 표 3) 그러나 심장, 비장과 폐는 동일한 양상이 나타나지 않았다. 모든 장기의 질량이 밀접한 상관관계가 있어, 장기 질량의 변화 패턴을 추론하기 위해 Promax 회전 및 Kaiser 정규화를 사용하여 주성분 분석 (PCA)을 수행했다. PCA는 상관관계가 없는 변수들을 줄이기 위해 상관관계 특성 수를 줄이는 다변량 기법이다.(Jolliffe 2002) 첫 번째 PCA는 한 가지 구성요소 만을 밝혀냈는데, 장기 질량 변수의 50%이상은 생체질량으로 설명할 수 있었다. (보충 표4) 그리하여 생체질량에 대한 방사선 피폭의 전반적인 효과는 종속변수로서 분류했고, 방사선과 성별차이는 설명변수로서, 그리고 덫 설치지점은 랜덤요소로 분류했다.(보충 표 5) 유의한 음의 상관관계는 피폭과 성체질량(보충 표 5)에서 나타났다. 그러나 이것은 더 큰 동물이 보통 더 큰 장기를 보유해서 나타난 현상으로 추정했다. 통계를 분석하기 전에 특성변수의 정규성과 동일성을 확인했다. 통계적 유의성은 0.05 수준에서 달성했다.

성체질량이 장기질량과 높은 상관관계에 있기 때문에(보충 표 2), 성체 질량의 이런 변화는 나머지 장기 질량을 표준화해서 계산하여 평가했다.(체질량과 장기질량간의 선형회귀 분석으로부터 나온 표준화된 잔차) 두 번째 PCA는 이렇게 보정한 상관성이 있는 변수들로 수행했다. (지금부터 언급하는 것은 잔차 장기 질량이다.) 누적 분산이 70%를 초과하고 고유값이 0.8을 초과하도록 고려하여 주성분의 수를 선택했다. 두 번째 PCA분석은 잔차 장기질량을 세 개의 기본 구성으로 나누어서 분석했다. (PC1, PC2 and PC3; Table 1) 이후 방사선의 피폭효과를 추정하기 위해 GLMMs를 이용했다. 아카이케 정보기준(AIC, Akaike Information Criterion)점수는 다음의 4가지 다양한 모델을 평가 비교하는 데 이용했다. 1) 선량수준( 공변으로 로그10 전환) 2) 성차만, 3) 성차와 선량 양쪽 다 4) 성차와 선량수준과 상호작용. 쥐덫 설치 지점(쥐덫 설치 년도 대신)은 일부(대략 3분의 1)만 연도에 중복되기 때문에, 연도별로 의도적으로 변화시켜 보다 넓은 지역을 커버하기 위해 연도별로 모든 모델에 랜덤으로 적용했다. 체질량을 공변량으로 포함한 모델도 실험해 체질량이 잔차 기관 질량과 상관관계가 없음을 확인했다. 모든 경우 (t<0.841, p>.401)에 유의성이 없었고 체질량에 대해 이미 잔차 기관질량으로 확인할 수 있어 우리는 최종 모델에서 체질량을 제외했다. 연령 모델을 대신하여 들쥐의 머리 너비를 추가해 사실상 연령 효과도 검증하고자 했다.(Kallio et al. 2014). 이는 어떤 장기에도 큰 영향을 미치지 않았으며, 성숙 개체를 실험 대상으로 의도적으로 선정했기 때문에, 모델을 단순화하기 위해 연령 대조는 배제했다. 두 모델은 AIC 점수 차이가 2.00보다 낮을 때 동일한 정보를 제공한다고 가정했다.(Burnham and Anderson 2002). 최상의 모델은 성별과 방사선 수준 모두를 포함했으며 무작위 요인으로 쥐덫 설치 지점을 대조했다.

 

기본 구성 요인 ~ 방사선(로그10 변환) + 성차 + 포획지점

 

표본의 하위 범주에는 신장 질량(N¼162)과 폐 질량(N¼109)도 포함했다. 먼드프롬(Mundfrom) 등의 연구에 따르면 (2005) 109의 표본 크기는 4개 이상의 요소로 6개의 변수를 갖는 (K 값은 최소한 0.98) 아주 우수한 수준의 기준을 통과하기에는 충분하지 않을 것이다. 따라서 PCA에서 표본 크기를 최대화하기 위해 각 장기 질량에 대한 방사선 효과를 별도로(하위 범주 장기 포함) 시험했다.

장차 장기 질량 ~ 방사선(로그 10 변환) + 성차 + 포획지점

나이가 든 동물들은 방사선 환경에 더 장기간 노출되었다고 봐야하며, 이에 따라 실험은 질적으로 유사한 결과를 나타내는 20g 미만의 체질량 개체들만 이용했다.(보충 표 6) 통계분석은 SPSS 버전 24.0.0.1과 RStudio (Integrated Development for R. RStudio, PBC, Boston, MA) version 1.0.143 (R Core Team 2016)을 다음 패키지와 함께 이용하였다. lme4, nlme. Packages ggmap (Kahle and Wickham 2013)과 ggplot2 (Wickham 2009)는 지도 그래픽을 위해 이용했다.

 

결과

주성분 분석

들쥐 221개체의 장기질량과 체질량을 측정하고(하위 범주의 신장포함한 N¼162와 폐를 포함한 N¼109) 선량수준은 각 포획지점별로 기록했다.(보충 표2의 서술통계). 원래의 장기 질량(보조 표 4)에 의한 PCA는 전체 개체의 크기를 나타낼 가능성이 높은 변수의 50% 이상에서 단일 주성분(PC)을 산출했다. 그리하여 야생들쥐의 체질량에 대한 피폭 영향을 실험했을 때, 체질량과 방사선 사이에 음의 상관관계를 확인했다. (GLMM: 계수 ¼0.743, t¼3.231, df¼217, p¼.001, 보충표 5). 체질량과 두 성별과의 사이에는 어떤 유의한 차이도 없었다.(보충 표5). 아울러 암컷과 수컷의 숫자는 오염된 지역과 오염되지 않은 지역의 통계적 차이도 없었다.(Binary logistic regression: v2¼0.010, df¼1, p¼.920). 오염된 지역은 작은 개체를 수용하는 경향이 있었기 때문에(보충 표 4) 모든 장기 질량은 신체 질량과 양의 상관관계가 있었다(Pearson 상관관계: R2>0.087, p<001), 동물 신체 질량에 대해 보정된 장기 질량의 잔차(선형 회귀: 장기 질량)을 계산했다. 이러한 잔류 기관 질량(표 1)을 사용한 후속 PCA는 장기를 변수의 80% 이상을 차지하는 세 가지 성분으로 분류했다(보정된 뇌, 심장, 간, 비장 질량을 포함함). 첫 번째 성분분석(PC1)은 심장과 비장에, 두번째 성분분석은 뇌가, 세번째는 간을 포함시켰다. (표 1). 이런 과정 후에 세 번의 성분 분석은 이후의 분석에서 장기 질량에 대한 방사선 영향을 실험하기 위해 사용헸다.

 

방사선 영향 실험(피폭 영향 조사)

주변 선량, 성별, 포획지점과 관계있는 세가지 성분분석은 세가지 모델중에서 두 개가 방사선의 중요한 영향임을 나타냈다.(표2) 첫 번째 분석은 양의 상관관계의 유의성을 나타냈고(심장과 비장질량도 측정 ; 표2)반면 두 번째 분석(뇌를 포함)은 유의한 성차(암컷의 전반적인 뇌질량은 유의하게 작았다.)와 방사선과 음의 상관관계를 강력하게 나타냈다. 마침내 세 번째 분석(간을 포함)은 성차와 방사선에는 어떤 유의한 관계도 없음을 나타냈다.

검체의 부분집합에는 신장(N¼162) 및 폐(N¼109) 질량에 대한 추가 데이터가 포함되었다. 이 테스트는 모든 잔류 기관 질량에 대해 별도로 실행되었다(통계 및 표 3 참조). 분석 결과 PCA 점수를 이용한 이전 분석과 매우 유사한 결과가 나타났다(표 2). 방사선은 뇌 질량뿐만 아니라 신장 질량에도 상당한 부정적 영향을 미쳤다(PCA에는 포함되지 않음). 심장 질량은 방사선과 확실히 상관관계가 있었다(표 3). 폐, 비장, 간의 질량은 별도로 분석했을 때는 방사선과 상관관계가 없었다. 또한 성적인 차이도 관계가 거의 없었다: 뇌, 신장, 비장의 질량이 암컷 들쥐들에게는 현저히 작았다(표 3). 또 체질량이 20g 이상인 나이 든 개체를 이용한 모델도 실험했다. 그 결과는 표 2 (보조 표 6)에 제시된 것과 매우 유사하므로, 우리는 데이터 집합에서 작은 동물을 제외할 타당한 이유가 없었다.

 

토론

방사성 세슘(세슘-137)은 가용성이라는 특성으로 전신으로 쉽게 확산될 수 있고, 이로 인하여 베타선 내부피폭 만이 아니라 감마선에 의한 외부피폭도 상당히 위험할 수 있다. (Nelson et al. 1961). 그러나 들쥐의 경우 세슘-137의 여러 장기의 축적은 상당히 다르며 단일 선량의 피폭 후 배설은 대부분의 장기에서 오염농도를 감소시키지만, 섭취한 선량의 일부분은 단 며칠 만에 장기의 일부로 결합된다. (Nelson et al. 1961).

체르노빌 금지구역에 서식하는 야생들쥐들은 일상적인 오염환경에서 살아왔기 때문에 이들의 만성피폭은 체르노빌 금지구역의 오염수준이 반영되어 상호 작용(covary)을 했을 것으로 기대할 수 있다.(Chesser et al. 2000). 장기 질량의 변화는 오염되지 않은 구역에서 연간 선량이 최대 2 Gy/h까지 상승하는 구역(공간 방사선량이 200 μGy/h를 초과하는 지역)에 이르기까지 다양한 수준의 공간 방사선(ambient radiation)이 있는 구역을 평가했다. 이전 연구에서는 선량이 높은 지역에서 야생 들쥐의 텔로미어(telomere)가 짧았지만, 뇌와 간의 텔로미어 발현이 더 증가하는 경향을 나타냈다.(Kesuroaniemi, Lavrinienko, Tukalenko, Boratynski, et al. et et al. 2019)

그리하여 이런 장기는 방사선의 오염농도에 따라 더 강력한 마이너스의 형태학적(morphological) 반응을 나타냈다. (Aiello and Wheeler 1995 Navarrete et al. 2011). 텔로미어의 길이는 세포의 노화와 관련 있으며 (Shay and Wright 2000), 이것은 체르노빌 금지구역에서 야생들쥐들에게 방사선 효과로 나타나는 메카니즘일 가능성이 있다. 우리의 실험연구에서 기대할 수 있는 예상과 일치하여, 만성 저선량 방사선에 피폭된 야생 들쥐는 선량이 증가하면서 뇌 질량이 현저하게 감소하는 것을 발견했다. 실험실에서의 동물실험은 뇌 세포손상과 뇌의 용적이 줄어드는 것이 인지능력 장애와 같은 신경학적 이상의 현저한 증가와 관련이 있었으며, 인간의 경우에 이것은 정신 지체 및 지능 저하와 관련될 수 있다. (Hladik and Tapio 2016 Verreet et al. 2016 Lumniczky et al. 2017). 그러나 실험실의 선량은 매우 높게 설정을 하여(총선량이 50그레이 이상) 체르노빌 금지구역의 야생동물들과 같이 비교 할 수는 없다. (Lumniczky et al.2017). 실험실 쥐들의 경우 태아기 선량 0.66그레이로서 새끼 쥐의 뇌 질량에 영향을 주는 것으로 나타났지만, 체질량에 영향을 주는 것은 1그레이의 선량이었다.(Verreet et al. 2016). 덧붙여 뇌는 재생능력이 떨어지고 성장기의 방사선 피폭으로 인한 손상은 성숙기까지 지속할 수 있다.(Lumniczky et al. 2017). 체르노빌에서 뇌용량의 감소는 조류에게도 나타나고 있으며, 이는 저선량 만성피폭이 실험실의 경우보다 훨씬 더 장기에 영향을 주고 있음을 입증하는 것이다.(Møller et al. 2011). 최근의 연구는 일본 원숭이의 머리크기가 후쿠시마 사고 이후 현저하게 감소하고, 이는 뇌용량의 감소에 따른 것임을 보여주었다.(Hayama et al. 2017). 배아기의 방사선 피폭의 민감성은 실험실 연구에서도 잘 나타난다.(Brown 1964 Devi and Hande 1990).

신장은 혈액의 불순물을 걸러주는 역할을 하고 있으며, 이에 따라 세슘-137과 같은 수용성 입자들에 노출될 수 밖에 없고, 이로 인해 내부피폭의 가능성이 높아진다.(Nelson et al. 1961). 세슘-137의 흡입은 신속하게 폐를 통해 운반되며, 신장과 골격근 및 소화기관에서 대부분 축적된다. (Nelson et al. 1961). 공간방사선과 신장질량 간에는 마이너스의 상관관계로서 유의성이 있다. 고선량 방사선(5~20그레이)은 젖먹이 생쥐의 신장성장을 억제한다는 사실이 보고된 바 있다.(Donaldson et al. 1978). 아울러 신장질량의 감소는 고혈압이나 신부전을 유발한다는 점도 나타났다.(Williams 1986). 우리가 아는 바로는 신장질량에 대한 초저선량 피폭의 영향을 평가한 이전의 연구는 아직은 없다. 세슘-137과 비슷한 거동양태를 나타내는 포타슘을 흡입하거나 섭취했을 때 신장이나 간에서 상당한 비중의 양을 걸러낸다는 보고가 있었다.(Leggett et al. 2003). Cs-137은 신장에서 20 ~ 25 %정도가 축적되며(Stather 1970) Leggett et al. (2003)의 연구에서는 방사성 용액을 주입했을 때 Cs-137 농도는 신장이 체내에서 가장 높은 것으로 나타났다. 신장은 세포의 회전율이 느린 조직이기 때문에 (Williams 1986), 세포 방관자 효과 (방사선에 피폭하지 않은 세포가 피폭한 세포로 인해 피폭 효과를 나타내는 현상)의 영향을 받을 수 있으며 누적된 방사선 피폭으로 손상될 수 있다 (Mothersill et al. 2017 ). 회전율과 재생률이 더 높은 기관은 이러한 효과가 나타나지 않을 수도 있지만, 이런 가설에 대한 검증은 별도의 목적을 위한 실험에서 진행되어야 할 것이다.

심장은 제한된 확산 능력과(Bhattacharya and Asaithamby 2016) 높은 방사선 내성능력를 보이는 것으로 알려졌다. (Darby et al. 2010). 15그레이 수준의 높은 단일 선량이라도 심장근육의 비대화를 초래하는 방사선 흡착 염증 유발 정도만 나타나며(Darby et al. 2010), 심장질량은 체르노빌 금지구역의 저선량 방사선 오염의 영향으로 증가하지는 않을 것으로 예상했다. 그러나 우리의 예상과는 달리, 공간방사선 피폭과 심장질량의 관계는 플러스의 상관관계가 있는 것으로 나타났다. 심장은 인간에 대한 잔류 방사선 문제로서 고려할 수 있지만, 30그레이 이하의 선량까지 영향을 받지 않는 것으로 생각했었다. 그러나 최근의 연구는 20그레이 이하의 선량으로 영향이 나타나고 있음을 보여주었다.(Darby et al. 2010). 심장에 대한 만성 저선량(2그레이 미만)피폭의 영향은 아직까지도 많은 연구가 없다.(Taunk et al. 2015). 심장근육은 산화방지 기능이 낮고 방사선 피으로 인한 활성산소로 세포손상을 줄 수도 있다. (Tapio 2016). 인간에 대한 방사선치료는 심장확대와 심장근육 비대화(Yusuf et al. 2011)와 고혈압을 (Souza et al. 2015). 초래한다는 연구도 있다. 심장근육의 비대화는 또한 심장압력을 증가시키고, 이로 인해 전체적인 심장의 확장을 초래한다.(Darby et al. 2010). 비대화와 확장 두 가지는 심장병의 원인이 될 수 있고, 심정지를 유발할 수 있다.(Yusuf et al. 2011). 반대로 Sreetharan et al. (2019) 등의 연구에서는 암컷 쥐가 수태기간 중에 1그레이의 선량에 급성 피폭했을 때 수컷 쥐의 자손들에게 박동수 감소를 초래하였다는 보고도 있다. 그러나 반대로 방사선 치료나 실험실의 경우에서와 같이 선량이 일정한 환경에서의 연구는 체르노빌의 야생 들쥐보다 더 증가하는 경향도 나타났다.(Chesser et al. 2000). 아울러 방사선 누적 피폭으로인한 심장 영향은 종종 피폭이후 수개월 혹은 수년후에 나타나기도 한다.(Williams et al. 2010; Emami 2013), 그리하여 만성 피폭은 유사한 영향을 초래할 가능성이 있다. 따라서 체르노빌 금지구역에서 배아단계나 유년기의 세포손상은 세월이 흘러 성숙한 개체가 되는 시간까지 지속하며 오염된 개체로부터 야생동물의 심장질량이 더 증가한다는 결론이 타당하다고 판단된다.

비장은 면역체계에 속해 있는 장기이며, 고선량 피폭과 마이너스의 상관관계가 있는 것으로 알려졌다.(Miller et al. 2005; Toesca et al. 2018). 비장질량과 피폭간에는 양의 상관관계가 있다. 고선량 피폭(8그레이 이상)후 며칠 이내에 비장질량의 유사한 증가 사례는 쥐를 이용한 실험연구에서 나타났다. (Congdon and Urso 1957). 이러한 증가는 세포증식과 결합되어 나타나며, 면역체계에 대한 압력과 감염율 증가로 이어진다.(Makinodan et al. 1962). 비장에 대한 피폭영향은 늘 세포 분열의 둔화로 인한 상당한 지연 현상이 나타난다. (Williams 1986). 공간방사선은 세포에 직접 손상을 주며(혈액세포를 포함) 비장은 백혈구 세포의 보존과 모세포의 갱신에 영향을 준다. (Osipov et al. 2013; Ochiai et al. 2014). 그리하여 비장 크기의 증가는 손상된 백혈구 세포와 면역체계의 압력이라는 유해한 순환과정으로 나타난다. 이러한 가설은 최근의 연구에서도 나타났는데, 체르노빌 야생들쥐의 염증 반응과 관련된 유전자의 발현이 상향 조정된 것으로 확인되었다.(Kes€€aniemi, Jernfors, et al. 2019). 보충 표2에서 더 큰 개체들은(즉 성숙한 개체) 비장질량의 변화가 많았다. 종종 감염 발생으로 인해 비장질량의 증가가 일어나기도 한다.(Ponlet et al. 2011). 야생 들쥐들은 종종 다양한 유형의 한타바이러스에 감염될 수 있지만, 이들 바이러스는 거의가 그들의 숙주에 무증상의 효과를 나타낸다. (Kallio et al. 2010). 체르노빌 야생들쥐에 대한 예전의 연구에서는 체르노빌 금지구역 안과 밖에서 포획된 개체간의 신체적 차이가 없었으며, 이는 영양상태와는 관계가 없다는 것을 암시한다.(Kes€€aniemi, Jernfors, et al. 2019). 그러나 이로 인하여 일부 복합적인 스트레스 효과가 일부 장기에 더 강한 영향을 끼칠 수 있다는 추정은 가능하다.

체르노빌 오염구역에 서식하는 동물의 폐는 방사선 입자의 흡입과 폐 흡착 방사선으로 인한 피폭 가능성이 있다. (Stone et al. 2003), 그러나 통계적 유의성은 없었다. 간에 대한 통계적 유의성도 역시 없었다. 이런 사실은 이 두 장기는 만성 방사선 피폭에 대한 더 높은 내성을(a higher tolerance) 암시한다. 간은 상대적으로 방사선 내성이 강한 것으로 추정할 수 있으며, 사람의 경우 방사선 치료에서 30그레이까지는 안전하다고 평가하고 있다.(Emami 2013; Benson et al. 2016). 이런 규모의 선량은 체르노빌 금지구역중에서 십여년의 기간 중에 아주 일부지역에서만 나타났다. (e.g. the Red Forest, ambient radiation level >200 μGy/h), 따라서 야생들쥐들이 상당한 고선량에 노출되는 것은 거의 불가능하다. 폐의 방사선 내성은 간 보다는 더 낮지만, 그러나 분명한 문턱값은 없다.(Emami 2013). 방사성 물질의 반감기가 길수록 주요 방사성 핵종은 폐로부터 혈액과 조직 주변으로 이동할 것이다.(Kendall and Smith 2002). 세슘-137의 경우, 쥐의 폐에서 측정하기는 어렵고, 대신 혈액과 골격근으로 신속하게 이동하는 거동양태를 나타낸다.(Nelson et al. 1961). 체르노빌 금지구역의 야생들쥐들은 50세대 이상 만성 방사선 피폭 환경에서 서식하고 있다.(Baker et al. 2017) 따라서 일정하게 방사선 내성 적응 형태로 진화하는 것은 가능하다고 본다. 방사선 효과에 덧붙여 성분 분석2(뇌의 축적)와 잔류 뇌질량 두 가지는 중요한 성적 차이를 나타냈으며, 암컷의 뇌 질량이 유의하게 작았다. 피폭과 성별 차이의 상호 작용이 없기 때문에, 체르노빌 금지구역에서 방사능 오염과 관련되었다고 보기는 어렵다. 암컷 뇌의 용적 크기가 상대적으로 작은 것은 인간에게도 나타난다.(Ankney 1992). 암컷과 수컷의 뇌의 용적의 성차는 일상적으로 암컷에게 나타나는 활성산소가 더 높다는 점으로 설명할 수도 있다.(Alonso-Alvarez et al. 2004). 방사선과 프리래디컬 두 가지는 세포의 활성산소를 증가시킨다.(Alonso-Alvarez et al. 2004; Speakman 2008; Azzam et al. 2012) 아울러 포유동물에서 수유기중 대사작용의 증가와 더많은 활성산소를 유발한다.(Speakman 2008) 연구 모델에서 잔존 장기질량을 사용할 때, 성 차이는 또한 신장과 비장에서도 유사하다.(암컷은 신장과 비장질량이 유의하게 작다.) 그러나 여기서도 방사선과 성별 영향 간에는 상호작용이 없다. 또한 성별 차이는 심장, 간 폐 질량에서도 상대적 차이가 없다. 암컷의 재생산 능력은 야생 들쥐가 한번에 10마리의 새끼를 낳을 수 있기 때문에 더 작은 장기의 크기를 설명하는 근거가 된다.(Koskela et al. 1998). 방사선과 재생산 산출 능력과의 연계는 공간 방사선량이 암컷의 생산능력과 마이너스의 상관관계를 갖는다는 이전 연구의 사례도 있었다. (Lehmann et al. 2016; Mappes et al. 2019).

공간선량이 증가한 구역에서 포획한 야생들쥐는 유의하게 작았다. 이것은 오염된 지역에서는 개체들이 보다 어리거나 성장의 둔화가 있었다는 점을 암시한다. 들쥐가 직면한 고선량 오염은 더 낮은 구역에서 서식하는 들쥐들만큼 오래 생존할 수 없으며, 오염도가 낮은 구역의 들쥐들은 자연방사선량 수준과 거의 유사한 선량에 피폭했다. 고농도 오염 구역의 성장률이 더 낮다는 것은, 고농도 오염 구역 들쥐의 체질량이 더 작다는 점을 설명한다. 둔화된 성장률과 몸통 크기의 감소는 실제로 나비에게서도 나타난다.(Hiyama et al. 2013) 둔화된 성장률은 후쿠시마의 오염구역에서 서식하는 원숭이의 새끼에서도 나타난다.(Hayama et al. 2017) 야생들쥐의 새끼 생산은 체르노빌 오염구역의 선량이 높은 구역에서는 감소함을 나타낸다. (Mappes et al. 2019) 본 연구의 자료에서는 저선량 방사선이 장기질량의 변화를 유발하고 있음을 나타내고 있다. 불행히도 우리의 연구에서는 어린 개체에게 발생한 손상과 각 개체의 전 생존기간 동안의 누적 선량에 기인하는 영향을 구별할 수 없었다. 실험실에서의 연구는 성숙개체를 이용하고 이으며, 어린 개체보다 좀더 방사선 내성이 있다는 점을 나타낸다.(Spalding and Trujillo 1962) 아울러 피폭도 생존기간 내내 발생하지 않았다. 야생 포유동물의 이용과 일반적인 실험실 모델과의 깊은 관련성은 다양한 장기에 대한 만성 방사선 피폭의 내성을 볼 수 있다는 점이며, 어떤 장기들(예를들면 뇌, 심장, 비장과 신장)은 예전에 예상했던 것보다 방사선에 좀더 민감하다. (Emami 2013). 여기에서 야생 포유류에서 처음으로, 우리는 만성 저선량 방사선에 대한 평생 노출이 고선량 방사선 피폭으로 나타나는 효과와 유사하게 장기 질량에 영향을 미칠 수 있음을 보여준다. 그리하여 우리의 실험연구는 환경오염이 야생 유기체에 어떤 영향을 줄 수 있는지와 자연조건에서 방사선 피폭영향을 평가하기위한 야생동물 연구의 중요성을 나타낸다. 그러나 더 많은 연구가 이러한 영향에 대한 생물학적 중요성을 평가하는 데 필요함은 물론이다.

 

감사인사

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