원제목 ; Small head size and delayed body weight growth in wild Japanese monkey fetuses after the Fukushima Daiichi nuclear disaster.(福島第⼀原⼦⼒発電所惨事後、野⽣ニホンザル胎児の頭囲の矮化と体重増加の遅延)
저자 ; Shin-ichi Hayama, Moe Tsuchiya, Kazuhiko Ochiai, Sachie Nakiri, Setsuko Nakanishi, Naomi Ishii, Takuya Kato, Aki Tanaka, Fumiharu Konno, Yoshi Kawamoto & Toshinori Omi
출처 ; Scientific Reports volume 7, Article number: 3528 (2017)
이 논문은 맨 처음 영어로 발표했습니다. 영어파일 첨부합니다.
그런데 저자들이 일본인들이라 일본어로 된 것도 있습니다만, 영어 원문을 번역한 것인 듯 합니다. 일본어 읽을줄 아는 분들은 참조하시면 좋겠네요. 다만 해부학적 용어는 일본어가 한자어로 되어 있어서 어렵습니다.
글을 읽기 전에요. 제곱이나 주번호는 위에다가 작게 붙여야하는 데요. 저는 아래아한글에서는 할줄아는데, 여기 블로그에는 복사해서 붙이면 제곱이나 주번호가 그냥 일반번호처럼 옆에 붙네요. 여기서 어떻게 하면되는지 아시는 분은 좀 도와주세요.
개요
후쿠시마 제1 핵발전소(이하 후쿠1)의 핵참사로 인한 생물학적 영향을 평가하기 위해, 발전소에서 약 70km의 거리에 위치한 후쿠시마 시에서 생식하는 야생원숭이(Macaca fuscata)에 대해 2006년부터 2016년까지 기간 동안 수집한 원숭이 태아의 외형측정을 시행하였으며, 2011년 사고 전후 기간 중 두 집단간 성장의 상대적 차이를 비교했다. 사고 이전에 수태한 원숭이 태아 31마리와 이후에 수태한 원숭이 태아 31마리에 대해 체중과 머리 크기(두개골 전후 직경과 두개골 양쪽 직경의 합)를 머리에서 둔부까지의 길이(머리엉덩길이, CRL)에서 차지하는 비율을 산출하여 비교했다. 사고 후에 수태한 태아의 체중성장률은 유의하게 낮았고, 상대적 머리크기는 유의하게 감소했다. 태아 모체의 영양지표에 유의한 차이는 인정할 수 없었다. 이런 결과는 방사선 피폭이 본 연구에서 인정할 수 있는 성장지연에 기여한 요인임을 시사하는 것이다.
서론
2011년 3월에 발생한 '후쿠1'의 사고는 다수의 사람과 야생동물을 방사성 물질에 피폭시켰다. 진딧물류(Tetraneurasorini, T. nigriabdominalis)나 남방부전나비(pale grass blue butterfly ; 나비류 Zizeeria maha)의 형태이상, 잉어(Cyprinus carpio)의 혈액학적 이상, 야생설치류(Apodemusargenteus, Mus musculus)의 염색체 이상 등, 후쿠시마 야생동물에 대한 몇 건의 연구가 핵사고의 건강에 대한 영향을 조사한바 있다. 그러나 오늘에 이르기까지 전형적으로 수명이 긴 포유동물에 대한 장기간의 방사선 피폭을 조사한 연구는 존재하지 않는다. 본 논문은 후쿠시마에서 사람 이외의 영장류에 대한 핵발전소 사고 전후 장기간에 걸친 생물학적 영향을 관찰한 것으로서는 최초의 보고서이다.
우리는 이전에 '후쿠1'에서 약 70km의 거리에 있는 야생 원숭이(Macacafuscata)의 방사선피폭과 건강에 대한 작용을 연구한 바 있다. 사고 후 후쿠시마 시의 세슘토양 축적량은 10,000 ~ 300,000 Bq/㎡이었다. 하야마5) 등은 2011년 4월부터 2012년 6월에 걸쳐, 후쿠시마 시에서 생식하는 원숭이 근육의 세슘축적량을 검증했다. 10,000 ~ 300,000 Bq/㎡의 지점에서 포획한 원숭이 근육의 세슘 축적량은 2011년 4월의 경우 6,000~25,000 Bq/kg이었고, 그로부터 3개월 후에는 약 1,000Bq/kg까지 감소했다. 그러나 일부 개체의 축적량은 2011년 12월 이후, 2,000~3,000 Bq/kg으로 다시 증가하였으며, 2012년 4월이 되자, 1,000 Bq/kg으로 돌아왔으며, 이후 일정했다.
후쿠시마 원숭이는 백혈구, 적혈구, 헤모글로빈의 합계 수치 및 헤마토크릿이 유의하게 낮았으며, 미성숙한 원숭이의 경우에는 백혈구 관련 수치가 근육중 세슘축적량과 유의한 역비례 관계를 나타냈다.6) 이런 결과는 단기간 일정한 방사성물질로 인한 피폭이 후쿠시마 원숭이의 혈액학 변화를 초래했음을 시사하는 것이다.
장기에 걸친 저염료 방사선피폭이 태아에게 끼친 영향은, 건강과 관련한 수당의 우려상을 포함한다. 히로시마 나가사키의 원폭피폭자에게서 태어난 아이들은 저체중 출산, 소두증의 고율화, 두뇌발달의 이상에 기인하는 지능저하를 나타냈다. 임신한 쥐 또는 설치류에게 방사선을 폭로시킨 실험 결과, 저체중 출산, 소두증, 또는 두 가지 모두를 유발한다고 보고했다. 우리는 야생동물에 대해서도 같은 연구를 확인했으며, 논문은 체르노빌 핵발전소의 인근에서 포획한 조류의 두뇌중량 측정값은 다른 지역에서 포획한 조류에 비해 낮았다고 보고했다.
후쿠시마 시에서 생식하는 원숭이 개체 수는 2008년 이후 농산물 피해를 경감하기 위해 법률에 기초하여 후쿠시마 현의 규제에 따라 조직적으로 관리해왔다. 우리 연구그룹은 후쿠시마 시에서 포획해서 안락사 처리한 개체에 대해 해부를 실시하고, 원숭이 개최군의 생식 • 영양상태를 조사했다. 원숭이는 핵사고의 결과, 방사선에 피폭한 최초의 야생영장류 개체군이다. 그러나 체르노빌과 후쿠시마의 두 경우 모두 같은 류의 야생생물개체 군에 대해 장기에 걸쳐 태아발달을 추적하거나, 장기간 방사선 피폭 전후의 태아 발달을 비교한 연구는 다른 곳에 없었다.
본 연구의 목적은 후쿠시마 시에서 생식하는 야생 원숭이의 태아 발달에 대해 사고 전후의 변화를 비교하는 것이다.
결론
사고 후에 임신한 모체의 근육에서 세슘을 검출했다.(표1) 2011년에 교미하고, 2012년에 출산한 모체의 근육중 세슘의 평균 축적량은 1,059Bq/kg(n=14)이었지만, 축적 값은 해마다 차츰 내려가서, 2016년에 출산한 모체의 경우 22 Bq/kg(n=3)까지 떨어졌다. 사고에 앞선 시기의 근육조직은 입수할 수 없었기 때문에, 사고 전에 포획한 개체의 근육 중 세슘축적량을 측정하지는 못했다. 그러나 같은 도호쿠지방이면서 핵발전소에서 400km 떨어진 아오모리현에서 2012년에 포획한 야생원숭이의 경우, 근육중 세슘축적량은 검출한계 이하였기2) 때문에, 우리는 사고 전 후쿠시마 시에서 생식했던 원숭이의 근육중 세슘축적 값도 역시 검출한계 이하였을 것으로 추정했다.
야생원숭이가 생식하는 후쿠시마 시 구역에서 공간선량도 동일한 바와 같이, 2011년 4월은 1.1 혹은 1.2 μSv/h였지만, 감소가 지속해서 2016년 5월에는 0.10 혹은 0.133이 되었다.(표2) 이러한 측정값에 근거하여, 시 구역의 원숭이는 사고 이후 5년 간 적어도 12mSv의 누적공간선량에 피폭한 것으로 추정한다.
후쿠시마에서 생식하는 야생원숭이 태아에 대한 기술통계값은 표3에 제시했다. 중위 체중(g)과 중위 체중 증가율(g/mm)은 사고 이전 집단과 이후 집단에서 유의한 차이가 있었다. (각각 p=0.032, 0.0083) 양두정골(biparietal, 양쪽 두정골사이의 지름, mm), 후두골 전면의 직경(mm), 머리크기(㎟), 머리크기비(mm)의 평균은 사고 이전 집단과 이후 집단에 유의한 차이가 있었다.( 각각 순서대로 p = 0.046, 0.018, 0.014, and 0.0002) 머리엉덩길이(CRL ; crown-rump length ; 머리 꼭대기부터 엉덩이까지의 길이)는 두 그룹간에 유의한 차이가 없었다. 사고 전후의 두 집단의 각각의 체중과 머리엉덩길이의 관계를 나타내는 회귀직선(두 집단의 데이터에서 중심 분포경향을 나타내는 직선)을 그림1에 나타냈다. 사고후 회귀직선 자료는 사고전 보다 유의하게 낮았다.(p < 0.0001)(표4) 사고 전후의 양 집단의 각각의 머리 크기와 머리엉덩길이의 연관성을 나탸내는 회귀직선을 그림2에 제시했다. 사고후의 회귀직선 자료는 사고전 보다 유의하게 낮았다.(p < 0.0001)(표5)
이들 원숭이 태아 어미들의 체중차이는 사고 전 후를 비교했을 때 유의한 차이가 없었다.(Z = 1.213; P = 0.219)
논고(Discussion)
사고 후에 수태한 태아의 머리엉덩길이와 비교한 체중과 머리크기는 사고전에 수태한 태아에 비하여 측정값이 낮았다. 후쿠시마시의 야생원숭이는 5세가 된 가을에 처음 임신했으며, 6세가 되던 해에 출산했다.17) 따라서 우리는 조사한 사고 후에 수태한 어미원숭이의 머리가 2011년의 사고 발발 이후에 끊임없이 방사선에 피폭했다고 추론했다.
태아의 성장지연은 어미 원숭이의 영양상태 악화가 원인이라고 생각할 수 있다. 그러나 우리 연구에서는 어미 원숭이의 체지방 지수는 사고 전후의 차이를 확인할 수 없었다. 따라서 태아의 성장지연이 어미원숭이의 영양상태와 관련짓는 것은 생각하기 어렵다. 기후의 변화, 먹이의 영양성분 등 다른 요인이 태아의 성장에 영향을 줬을지도 모른다. 본 연구의 한계는 우리가 태아 성장지연의 원인에 기여했을지도 모르는 조직학적 변화를 조사하기 위한 시료를 입수할 수 없었다는 점, 아울러 자료수집의 성질로 인하여 시료수가 비교적 적었다는 점에 있다. 피난지시구역의 원숭이를 후쿠시마 비오염지구의 원숭이와 비교한다면, 이상적일지도 모른다. 그러나 본연구가 대상으로 하는 바와같이, 수백 마리의 원숭이를 포획하는 대규모 포획사업을 시도하는 것 외에는 달리 방법이 없다. 하지만 피난지시구역에는 출입제한 조치가 시행중이었다. 현시점에서 다른 지역에서 같은 연구를 시행하는 것은 불가능하다.
쥐나 햄스터를 이용한 실험에서는 방사선피폭이 태아에게 체중감소, 소두증, 뇌 질량 감소를 유발한다는 보고가 있었다.9) 10) 11) 12) 13) 14) 15) 그러나 이러한 실험의 대다수는 뇌가 발달하는 시기에 해당하는 수태로부터 10일 이후의 어미원숭이에게 1회로 제한하여 폭로를 시행했던 것이다. 이러한 폭로에서는 사고 이후의 장기에 걸친 저선량피폭과 질적으로 다를지도 모른다. 이러한 실험의 방사선량은 상당히 들쑥날쑥하며 분산적이다. 한디(Hande) 등은9) 태아상태 3.5일, 6.5일, 11.5일의 쥐에게 최대 70 킬로볼트의 엑스선 9mSv를 조사하고, 모든 사례에서 출생시 체중이 대조군 쥐에 비해 감소하고 있다는 점을 확인했다. 우마 데비는 태아상태 11.5일째 되는 쥐에게 0.25Gy를 조사하고, 태어날 때 머리크기가 감소한다는 점을 확인했다. 아울러 이들은 태아상태에서 0.05~0.15Gy를 조사한 경우, 방사선량과 머리크기 사이에 역상관관계가 있음을 확인했다.
체르노빌 사고후, 벨라루스의 몇몇 고선량으로 오염된 지역 주민들에게서 태어난 저체중 신생아의 수는 1982년과 비교해서 1990년이 많이 증가했다. 후주엘(Hujuel)등은 치아 치료 시에 방사선으로 피폭하고 이후 출산한 여성들을 대상으로 장기 조사를 시행했다. 이들은 0.4mGy이상의 피폭한 여성들의 경우 2.5kg 이하의 신생아 출산할 리스크가 높다고 보고했다. 골드버그 등은 임신과 출산 이전에 의료검사의 결과 방사선에 폭로된 수준과의 관계를 관찰하고, 폭로시의 센치그레이(cGy)당 37.6의 체중감소가 있다는 점을 확인했다. 이러한 의료 피폭은 태아 자체 보다는 엄마의 생식샘이나 내분비 샘에 더 많은 영향을 준다고 믿게 되었다. 우리가 관찰한 지연성장은 방사선 피폭의 직접적인 효과인지 여부를 결정하기에는 아직까지 불확실성이 있었다.
오타케와 슐은8) 히로시마와 나가사키의 원자폭탄으로 방사선에 피폭한 엄마들에 대한 시간경과에 따른 변화를 연구했다. 그들은 태아 기간 0~8주사에 폭로된 신생아들은 어떤 영향도 확인할 수 없었으며, 태아 기간 8 ~ 15주 사이에 피폭한 신생아에게서는 소두증이 가장 높은 비율로 나타났고, 여타 뇌손상도 많이 발생했다. 후자의 기간(8~15주)에서는 인간의 뇌가 급속하게 발달하며, 이런 시기에 방사선피폭으로 인한 피해가 태아에게 심각한 영향을 주고 있을지도 모른다.
선행연구는 사고 후에 수태한 태아에게 확인한 출산시의 저체중과 작은 머리크기는 방사선 피폭의 결과라는 점을 강력하게 시사하고 있다. 그러나 우리는 개별 야생 동물의 외부와 내부피폭의 선량을 확인할 수 없었다. 세슘을 모든 개체들의 근육 속에서 발견했다고 해도, 누적 피폭량은 불명확했다. 왜냐하면 방사성세슘의 생물학적 반감기는 3주 정도로5) 짧기 때문이다. 더군다나 시료규모가 작았기 때문에, 피폭선량과 태아에 대한 영향의 인과관계를 규명하는 것은 어려웠다.
우리의 연구는 후쿠시마 사고이후 태아의 머리크기가 비례해서 감소했다는 점을 드러냈다고 하더라도, 뇌의 발육이 지연된 부위를 해부학적으로 특정할 수 없었다. 호싸인 등은12) 태아기간 14일에 코발트-60에 피폭한 6~12 개월가량의 쥐의 뇌를 연구했다. 뇌의 무게는 피폭선량율 0.5~1.5Gy에서 감소했으며, 해마 CA3 영역에 있는 시상하부의 뉴런의 수는 유의하게 감소했다. 우리는 장차 연구에 대한 준비로서 출산 후의 발육 지연성장의 영향과 발육이 늦어진 뇌의 영역을 특정하기 위해, 핵발전소 사고 후에 수태한 태아 및 어린 원숭이의 뇌에 대한 조직학적 검사를 처음으로 실시했다.
방법
동물과 윤리. 원숭이 사체는 후쿠시마 시에서 제공했다. 원숭이는 “조수보호 및 관리에 따른 수렵적정화에 관한 법률”에 근거하여 책정한 “후쿠시마 현 야생원숭이 관리계획”하에 후쿠시마 현 당국의 허가를 얻어 농작물 피해대책으로서 소독을 한 것이다. 원숭이는 후쿠시마 시의 요청으로 상자형 덫으로 생포했으며, 면허를 보유한 사냥인의 총으로 사살했다. 포획 • 도살처분 방법은 위의 관리계획의 가이드라인 준거했으며, 생명윤리에 저촉하지 않는다. 이러한 도살방법은 교토대학 영장류 연구소가 공표한 가이드라인에 따르고 있다. 본 연구가 대상으로 하는 지역에 생식하는 야생 원숭이는 환경성이 2012년에 개정한 일본한 멸종위기 생물리스트인 [멸종위험이 있는 야생생물 종 리스트]의 멸종위기종으로 지정하지 않았다.
태아와 근육시료. 태아는 2008년부터 2016년에 걸쳐 임신중인 야생원숭이로부터 채집했다. 사체는 우리의 연구실 정원에서 냉장이송하여 해부했다. 원숭이의 각 개체별 체중은 그램 단위로 측정했다. 핵발전소 사고후의 해부 시에, 방사성세슘의 함유량을 측정하기 위해서 뒷다리에서 500 내지 1,000 그램의 근육조직을 채집했다. 방사성세슘 누적량을 측정하기 위해 500g이상의 장기가 필요했기 때문에, 골격근을 이용했다. 근육조직은 방사능 측정에 사용할 때 까지 -30도의 온도로 냉동 보관했다.
해부할 때 자궁에서 태아를 적출하고, 체중을 바로 옆에서 그램단위로 측정하였으며, 마찬가지 방식으로 머리엉덩길이(CRL), 즉 머리꼭대기에서 몸통의 최하부까지의 길이도 밀리미터 단위로 측정했다. CRL은 신체나 신경검사에서 나이를 평가하기 위한 신체측정으로 가장 일반적으로 이용한다.
태아는 중성완충호르마린의 10% 용액에 담가서 보존했다. 분석한 태아는 머리엉덩길이가 90mm이상 (태아상태 3개월 이상), 두개골이 딱딱해지기 때문에, 외부측정이 가능한 검체를 포함했다. 태아의 머리크기는 양쪽 두개골의 직경 × 앞 뒷머리의 직경의 합으로 산출했다. 양쪽 두정골의 직경은 태아의 크기, 머리부분의 최대 폭을 평가하기 위해 사용했고, 기본적인 생물측정매개 변수의 하나이다. 뒷머리 정면직경은 이마와 뒷통수 사이의 최대 폭을 측정해야 했다. 모든 검체는 한 사람이 캘리퍼스calipers를 이용해 측정했다.
후쿠시마 시의 야생원숭이는 3월과 4월에 출산하는 계절성 번식동물이다. 따라서 2011년에 수집한 태아는 핵발전소 사고 발생 시에는 거의 완전하게 발육해 있었다. 이로 인해 태아는 2011년 전(사고 전)에 수태한 집단과 2011년 이후(사고 후)에 수태한 집단으로 나눴다. 시료는 사고전 수태한 태아31검체와 사고 전에 수태한 태아 31검체로 구성했다.
지방지표. 해부할 때에 지방지표를 계산해서 원숭이의 영양상태를 평가했다. 이전 연구에서는 체중에 대한 장간막 지방의 중량 비율은 야생 원숭이의 체지방 백분율에 상응했다. 지방지표는 장간막 지방의 중량(g) ÷ 체중(g) × 1,000의 계산식으로 산출했다.
방사능측정
사고 후에 임신한 어미 원숭이 31개체에 대해, 근육내 세슘 축적량을 측정했다. 근육시료에 포함된 세슘의 방사능은 게르마늄 반도체 분광계(GC2020-7500SL-2002 CSL, Canberra, Meriden, CT)와 NaI (T1) 신틸레이션scintillation 검출기(AT1320A, Atometex, Minsk, Belarus)로 분석했다. 데이터는 필요에 다라 측정환경의 백그라운드 방사선량을 고려하여 보정했다. 세슘-134는 604.70, 795.85 keV(킬로전자볼트)를 이용해서 검출하고, 세슘-137은 661.6keV 감마선을 이용해서 검출했다. 세슘의 방사능은 물리학적 반감기에 기초하여, 포획당일의 값으로 보정했다. 검출 한계값은 10Bq/kg이었다. 근육의 세슘 측정량은 세슘-134축적량과 세슘137 누적선량을 합산한 생근육 1kg당 축적량으로 계산했다.
우리는 원숭이의 외부피폭선량을 평가하기 위해, 후쿠시마 시내의 원숭이 생식지 근처에 있는 후쿠시마 현이 관리하는 공간선량 모니터링 지점 2개소, 이이즈카(N37°49′33.7″,E140°26′52.8″)와 오오자소(N37°47′11.6″, E140°24′10.8″)에서 지상 1m 높이의 측정값을 이용했다. 핵발전소 사고 직후, 2011년 4월부터 2016년 5월까지 후쿠시마 현은 이들 2개소의 모니터링 지점에서 9번의 선량측정을 실시했다. 평균 누적 외부피폭 선량은 2개소 모니터링 지점의 공간선량의 평균값에, 연속한 측정일 사이일수를 곱해서 산출한 값으로 했다.
통계
피폭의 판단기준에는 오류가 있을 수 없기 때문에, 사고 전에 태아 발육 과정에 있었던 모든 원숭이는 “비피폭”집단으로 분류하고, 사고 후에 태아 발육 과정에 있었던 모든 원숭이는 “피폭”집단으로 분류했다. 샤피로 윌크 검사(The Shapiro-Wilk test)를 이용해서, 각각의 변수에 대한 정상상태를 확인했다. 스튜어던트 t검사를 이용해서, 머리엉덩길이, 양두정골의 지름, 전면후두골의 지름, 머리 크기를 비교해서, 사고 전후의 두 집단에 어떤 차이가 없는가를 평가하여 윌콕슨-만-휘트니 검사(Wilcoxon-Mann-Whitney test)를 이용해서 두 집단의 체중을 비교했다. 체중의 성장률은 체중을 머리엉덩길이로 나누어 결정하고, ‘머리크기비’는 머리크기를 머리엉덩길이로 나누어 산출하여 정했다. 사고 전후의 머리크기비는 윌콕슨만휘트니 검사를 시행하여 비교했다. 체중과 머리엉덩길이, 머리크기와 머리엉덩길이에 대한 연관을 나타내기 위해 회귀직선을 작성했다. 상호작용조건(사고 전/후* × 머리엉덩길이)을 가진 설명변수(머리엉덩길이와 사고전/후)와 종속변수(체중과 머리크기)에 대한 다중 선형회귀를 시행했다. 회귀마다 모델은 적합했으며, 상호작용의 유무에 관계없는 우도비 검정을 이용하여 검사했다.
모든 해석에 통계해석 소프트웨어 Stata/IC 13.1(Stata Corp LP, College Station, Texas USA)를 이용했다. 통계평가와 추론을 위해 5% 유의수준의 양면가설검정을 이용했다. 지방지수의 유의차는 윌콕슨 순위합검정(the Wilcoxon rank-sum test)으로 평가했다.
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25) Fukushima Prefecture website. Available: Results of air dose rate monitoring survey by Fukushima Prefecture. https://www.pref.fukushima.lg.jp/sec/16025d/monitaring-mesh.html. Accessed 20 January, 2017.
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