뇌종양은 인체에 발생하는 전체 종양 중 세 번째로 많은 약 10%를 차지하며 소아에서는 20%~40%에 이른다. 국제인구 통계자료에 의하면 매년 인구 10만 명당 10명 정도의 새로운 환자가 발생하는데, 국내에서는 매년 2,500~4,500명이 발생하여, 현재 뇌종양으로 고통받는 환자는 약 2만 여명으로 추정되고 있다.

방사선치료의 기초는 원자에 있습니다. 원자도 몇 개의 구조물로 이루어졌는데, 원자의 핵은 양성자 (proton)와 중성자 (neutron)로 이루어져있으며, 핵을 중심으로 전자 (electron)가 궤도를 돌고 있습니다. 양성자는 크기가 크며 양극을 띠고 있는 입자입니다. 전자는 크기가 작고 음극을 띠고 있는 입자입니다. 비록 크기는 다르지만 둘 사이에 전기적인 부하는 같습니다. 따라서 대부분의 원자에서 전기적인 부하는 중성입니다. 중성자는 이름 그대로 중성전하를 띠고 있으며 양성자와 전자 간의 견인력이 전자의 궤도를 유지하며 원자를 안정시켜 중성으로 만드는 기초가 됩니다.

같은 원소(element) 에서 중성자의 숫자가 다른 원소를 말합니다. 동위원소의 일부는 감마선 등의 방사능을 내는 능력이 있는데 의학적으로 사용되는 동위원소에는 코발트 (cobalt)와 요오드 (iodine) 등이 있습니다.

이온은 원자가 전자를 잃거나 얻은 상태로 전기적 부하, 전하를 띤 상태를 말합니다. 의료용 방사선은 원자에서 전자를 떼어냄으로써 이온을 만들어 내는데 이것을 ‘전리 방사선’이라고 하며 이 전리 방사선은 생체 조직을 침투하여 조직에 영향을 미치므로 의학적으로 중요한 역할을 하게 됩니다. 전리된 원자는 다른 원자와 반응을 일으키게 됩니다. 여기서의 반응은 주로 체세포를 이루는 분자를 파괴하는 역할을 말합니다. 방사선의 주 목표는 DNA 입니다. DNA는 모든 세포의 기초적인 구조 단위이면서 방사선에 가장 취약한 목표물입니다. DNA가 손상을 받으면 세포는 분열하는 능력이 저해됩니다. 따라서 시간이 지나면서 방사선에 조사된 종양세포는 재생을 하려고 시도하다가 사멸하게 됩니다. 전리 방사선에는 몇 가지 종류가 있습니다. X 선 (x-ray), 감마선 등을 포함하는 선 (線, rays)이 그 중 한 형태입니다. 선은 파동을 이루면서 움직입니다. 에너지가 훨씬 크다는 점 말고는 열 또는 빛 과 비슷합니다. X 선은 특별한 전자장비를 사용하여 만들어 낼 수 있습니다. 방사성 동위원소는 감마선을 방출합니다. 광자 (photon, 광량자)는 빛 에너지를 뜻합니다. 전리 입자는 중성자, 양성자, 전자와 같이 빠른 속도로 움직이는 작은 조각의 물질들을 뜻합니다.

방사선은 신체조직에 흡수된 에너지의 양으로 측정합니다. Gray라는 단위를 사용하는데 Gy라고 표시합니다. Gy의 하부 단위가 centi Gray, cGy입니다. 다른 단위로 rad를 사용하는데, 1 rad는 1 cGy에 해당됩니다. 진단목적으로 쓰이는 방사선의 양은 약 0.0072cGy에 불과하지만 뇌종양을 치료하기 위해서는 약 6000cGy가 필요합니다.

전기를 이용하여 전리방사선을 만들어내는 기계를 선형가속기(linear accelerator, LINAC)라고 합니다. 선형가속기는 전자를 아주 빠른 속도로 움직이게 한 다음 기계내의 표적에 충돌시킵니다. 이때 빠른 속도로 움직이던 전자가 표적과 충돌하면서 갑자기 정지하게 되고 전자가 갖고있던 에너지가 X 선, 즉 광자로 바뀌게 됩니다. 위에서 말씀드린 것처럼 광자 (photon)는 빛 에너지입니다. 선형가속기의 전압이 높을수록 보다 강력한 투과력을 갖는 X 선이 만들어집니다. 뇌종양을 치료하려면 두개골이라는 커다란 장벽을 방사선이 통과하여야 하므로 침투력이 강할수록 유리하게 됩니다. 코발트치료기는 동위원소인 코발트를 방사선 발생원으로 사용합니다. 동위원소 코발트는 물론 원자로에서 만들어냅니다. 선형가속기와 코발트치료기, 이들 두가지가 방사선치료에 주로 쓰이는 치료기입니다.

방사선치료 시 선(rays), 혹은 입자(particle)은 최대한 정상 뇌조직을 보호할 수 있도록 조심스럽게 목표를 겨냥할 수 있어야 합니다. 특히 종양이 눈과 같이 기능적으로 매우 중요한 부위에 위치할 경우 그 중요성은 더욱 커지게 됩니다. 그러므로 실제 방사선 치료 시 한 방향에서만 방사선을 조사하지 않고 가능한 여러 각도에서 종양을 겨냥하여 방사선 조사를 하게 됩니다. 이를 cross-fire 치료법이라고 합니다.

일반 방사선 치료는 치료용량을 분할하여(fraction) 치료하는 것을 원칙으로 합니다. 분할치료를 하게 되면 정상조직이 방사선에 의해 입은 손상을 스스로 회복할 수 있는 기회를 줄 수 있습니다. 종양은 자기 치료능력이 정상 조직에 비하여 떨어지므로 상대적으로 방사선에 의한 손상을 정상조직보다 더 많이 받게 됩니다. 종양의 중심부에 위치한 암세포는 산소가 부족한 저산소 상태에 있을 것으로 추정됩니다. 저산소 상태의 암세포들은 방사선을 분할 조사함으로써 산소를 공급 받을 기회가 늘어나게 되고, 다음에 방사선을 조사할 때 방사선에 더욱 민감하게 될 수 있습니다. 원발성 뇌종양에 대한 일반적이고 표준화된 1회 분할 외부 방사선 조사량은 180-200cGy입니다. 이것을 주 5회, 월, 화, 수, 목, 금 요일에 시행하고 토요일과 일요일은 쉬는 식으로 5내지 6주에 걸쳐 조사하게 됩니다. 성인의 경우 총 조사량은 5400~6000cGy에 이르게 됩니다. 전이성 뇌암의 경우 전체 3000cGy를 2주간에 걸쳐 조사하는 방법을 가장 많이 사용하고 있습니다. 하루에 300cGy 씩 평일 5일간에 걸쳐 조사하고 토요일과 일요일 2일간 쉰 뒤 다시 시작하는 식으로 대개 2주간 시행합니다.
방사선 치료를 받은 환자는 주변에 방사선을 낼 것처럼 오해를 하는 경우가 있습니다. 전혀 아닙니다. 방사선이나 입자가 표적과 충돌하고 나면 자기가 갖고있던 에너지는 사라지게 되고 더 이상 환자나 주변 사람들에게 영향을 미치지는 않습니다.

방사선치료의 화두는 정상조직에 조사되는 방사선량을 최대한 줄이면서 동시에 종양에만 집중적으로 방사선을 조사하고자 하는 것입니다. 사람의 얼굴 모습이 정면과 측면이 다른 것처럼 종양도 보는 위치에 따라 모습이 달라집니다. 따라서 방사선을 조사할 때에 빔의 위치에 따라 빔의 모양과 세기를 조절하는 장치를 사용하여 최적의 방사선 조사를 결정하는 방법입니다.

돋보기로 햇빛을 모으면 초점에 있는 검은 종이는 불이 붙지만 초점 밖의 물체는 거의 영향을 받지 않습니다. 방사선도 이와 같아서 혼자서는 정상 조직에 대한 영향이 거의 없는 여러 개의 방사선을 한 곳의 초점에 맞추면 목표부위만 선택적으로 많은 양의 방사선에 의해 파괴가 되고 주변의 정상 뇌조직에 대한 방사선의 영향은 최소화 할 수 있습니다. 머리 속에 있는 병변을 수술로 열지 않고 마치 수술과 같은 효과를 얻는다고 해서 방사선 수술이라고 이름지어 졌습니다. 물론 마취도 필요 없습니다. 환자는 입원을 하지 않거나, 하더라도 하루나 이틀에 불과한 빠른 시간 내에 치료를 마치고 일상생활로 복귀할 수 있습니다. 1951년 스웨덴 신경외과 의사 렉셀교수가 최초로 정위방사선수술(stereotatic radiosurgery)을 고안하였고 1968년 렉셀교수와 물리학자 랄손교수가 처음으로 감마선을 이용한 감마나이프 정위방사선 수술기계를 제작하여 뇌질환 치료를 하게 되었습니다.

1980년대 후반부터는 선형가속기를 이용한 방법들이 개발되어 현재 방사선 수술에 사용되는 장비는 선형가속기를 이용한 것과 동위원소인 코발트를 이용한 감마나이프 두 개로 크게 나눌 수 있습니다. 1990년 이후로 MRI, CT등의 영상의학 기술이 획기적으로 발전하면서 방사선 수술의 정밀도가 높아졌고 전 세계적으로 널리 보급되었습니다.

감마나이프는 점차 새로운 기능을 추가하면서 발전하였고 선형가속기를 사용하는 방사선 수술장비는 X-knife, Green Knife, Novalis, Cyberknife 등으로 다양해졌습니다. Novalis와 Cyberknife는 머리에 국한되었던 방사선 수술의 영역을 전신으로 넓힌 장비입니다. 척추의 종양과 폐암, 간암, 췌장암, 전립선암, 복부 대동맥 주변의 암전이 임파선에도 우수한 치료결과가 있다는 보고가 계속되고 있습니다. 뇌질환에 국한해서 언급한다면 방사선 수술은 전이성 뇌종양, 청신경초종, 삼차신경초종, 뇌수막종, 뇌하수체 선종, 뇌신경교종 등 여러 종류의 뇌종양에 적용이 가능하며 동정맥기형 등의 뇌혈관질환에도 탁월한 효과를 보이고 있습니다. 수술로 도달이 어려운 깊은 부위에 병변이 있거나 언어중추, 운동중추 등 기능적으로 중요한 위치에 병변이 있을 경우 일차적 선택수단으로 고려되고 있습니다. 이외에 삼차신경통, 운동기능장애, 간질 등의 기능적 질환에도 방사선 수술이 점차 영역을 넓혀가고 있습니다.

종양에 직접 방사선 에너지를 방출하는 에너지원을 넣는 것을 말합니다. 내부로부터 종양을 직접 공격하는 것이지요. 이렇게 할 경우 장점은 정상 조직에 대한 방사선의 영향이 최대한 감소된다는 것이다. 이러한 치료법이 효과가 있는 경우는 종양의 크기가 5cm 미만이고 수술로 도달 가능한 곳에 위치해야만 합니다. 종양이 아주 큰 경우에는 수술로 크기를 줄인 뒤 내부에 방사선 에너지원을 넣을 수도 있습니다.

근접 치료법은 국소치료법 (local therapy) 이므로 종양이 넓게 퍼져있거나 여러 개가 있는 경우에는 해당되지 않습니다. 초기에는 재발하거나 전이된 종양에만 사용되었으나 최근에는 새로 진단된 종양에도 적용하고 있으며 일반 외부 방사선 치료의 전, 후에 방사선 치료효과의 증강 목적으로 사용 가능합니다. 에너지원을 종양 내부에 넣는 방법은 CT나 MRI를 이용한 뇌정위적 수술방법으로 도관을 종양 내부에 집어넣고 펠렛 형태로 되어있는 에너지원을 다시 그 도관에 밀어넣는 식으로 시행합니다. 그리고 집어넣은 동위원소의 종류에 따라 수일 혹은 수개월 간 그 자리에서 방사선을 방출하도록 한다. 동위원소 주변에는 뇌부종이 발생하게 되므로 스테로이드를 사용하여 부종을 빼주며 사용되는 동위원소는 Iodine-125, Iridium-192, Californium-252 (중성자) 등이다. 약 반수의 경우에서 치료 후에 죽은 종양세포를 제거하기 위한 수술이 필요하다고 합니다.

방사선 근접 치료법은 외부 조사 방사선과 달리 동위원소 에너지 원이 환자 체내에 있는 동안 환자가 방사능을 내므로 많은 주의가 필요합니다. 보호조치로는 격리입원, 환자머리에 납으로 된 헬멧을 씌우기 등이 있고, 납 에이프런이나 차단막 등을 사용하여 주변에 있는 사람들을 보호해야 합니다.

암세포가 정상 세포보다 열에 더 약한 것은 아닙니다만, 혈액공급이 안 좋은 경우, 저산소 상태 그리고 산도가 높은 환경에 있는 경우 암세포는 열에 취약합니다. 종양의 중앙부가 대개 이런 환경에 놓여있는데, 이런 점이 방사선에대해 종양이 저항성을 나타내는 요인이 되기도 합니다. 이런 점에서 본다면 열과 방사선은 서로의 약점을 보완하는 효율적인 동시 치료법이 될 수도 있습니다. 열을 가할 때에는 종양 전체에 고르게 온도를 높일 수 있도록 하여야하며 정상 조직의 보호가 매우 중요합니다. 여기에 사용되는 도구는 고주파, 극초단파, 초음파 그리고 전자기 기술 등입니다만 아직 많은 연구가 필요합니다. 신체 다른 부위의 몇몇 암에는 성공적으로 적용되었지만 뇌종양에는 아직 시작단계인 상황입니다.

감작제라는 단어가 생소하고 어렵습니다. 감작제란 세포를 어떤 치료법에 더 잘 듣도록 작용하는 방법 혹은 약제를 뜻합니다. 뇌종양의 중심부에는 약 20%의 세포가 있는데, 이곳은 저산소 상태인 것으로 추정됩니다. 이 세포들은 산소가 부족하기 때문에 활발하게 분열을 하거나 자라지 않습니다. 방사선에 의한 충격 중 어떤 것은 산소가 있을 때 영구적인 효과가 있다고 합니다. 그러나 산소가 부족하면 그 충격으로부터 재생이 가능해집니다.

방사선 치료를 마치면 산소가 풍부한 세포는 죽거나 치명상을 입게 되지만 저산소 상태의 세포들은 오히려 이때부터 산소를 공급받게 되고 분열을 시작하여 종양이 다시 자라게 됩니다. 저산소상태의 세포는 산소가 풍부한 세포에 비하여 약 세배의 방사선을 받아야 죽는다고 합니다. 그러나 이렇게 많은 방사선을 주면 도저히 감당할 수 없는 부작용이 생기게 되므로 현실적으로 불가능합니다.

이러한 저산소 세포들의 저항성을 극복하기 위하여 metronidazole, nisonidazole 그리고 고압산소요법 등이 개발되었으나 별효과는 없었습니다. 현재는 bromodeoxyuridine(BudR), iododeoxyuridine(IudR), Fluosol 등이 시도되고 있습니다. 이외에 hydroxyure라는 항암제가 방사선 손상을 치유하는 것을 방해하는 작용이 있다고 하며 다른 항암제도 유사한 작용여부에 대해 연구 중에 있습니다.

가속기를 사용하면 양성자나 중이온 등의 ‘하전 입자 방사선’(charged particle radiation)을 만들어 낼 수 있습니다.
하전 입자는 두 가지 점에서 광전자 (photon 선)에 비해 뛰어납니다.
1. 첫째로 빔을 더 잘 조정할 수 있어 정상조직의 손상을 감소시킬 수 있습니다.
2. 더 효과적으로 종양을 죽일 수 있습니다. 이들 장치는 현재까지의 연구결과로는 두개기저부 종양에 일부 역할이 있을 것으로 판단되고 있습니다. 양성자 발생 가속기는 우리나라에서도 국립암센터에서 시설을 설치 중에 있으며 조만간 임상적용에 이를 것으로 알려져 있습니다.

가속기를 이용하여 역시 고속중성자 방사선을 만들어 낼 수 있습니다. 이런 중성자는 하전입자는 아닙니다. 종양을 죽이는 효과는 뛰어나지만 부작용이 너무 심해서 중단되었습니다.

종양 내에 특이적으로 집적되는 약을 주입하고 레이저등의 특정 빛을 그 종양에 비추면 암세포만 골라서 죽인다는 개념의 요법입니다. 적절한 약제와 빛에 대한 연구가 진행 중입니다.

종양 내에 특이적으로 더 집적되는 보론 화합물을 환자에게 주사한 후 원자로에서 뽑아낸 열 혹은 열외 중성자에 노출시키면 종양 내에 있는 보론이 중성자를 포획하여 세포를 죽이는 방사선을 방출하는 것을 이용한 치료법입니다. 1960년대 미국에서 최초로 시작되었다가 심각한 부작용으로 중단되었으나 일본에서 활성화되어 좋은 치료성적을 계속 보고하였으며 90년대 이후 새로운 주목을 받고 있습니다. 일본에는 일본 원자력연구소와 교토대 두 곳에서 꾸준히 시술이 이루어지고 있으며 네덜란드, 핀란드 등 유럽 각국에서도 활발히 시도되고 있고 미국에서도 임상연구에 들어가 있는 상태입니다. 우리나라에서는 대덕 원자력연구소의 하나로 원자로에 시설이 설치되어 현재 동물시험을 진행 중이며 임상적용을 눈앞에 두고 있습니다.

방사선은 누적되어 영향을 미치는 특징을 갖고 있으므로 일반 방사선 (conventional radiation therapy)을 다시 시행하는 경우는 드뭅니다. 그러나 종양의 위치와 뇌에서 중요한 역할을 담당하는 부위와의 관계, 이미 조사한 방사선량, 환자의 나이, 종양의 개별적인 특성 등을 고려하여 재조사를 하는 경우도 있습니다. 전이성 뇌암의경우에는 초기 치료 시 방사선량이 최대 내용량 (maximally tolerated dose)을 넘지 않는 경우가 많기 때문에 재조사를 하는 경우가 꽤 있습니다. 방사선 근접치료법과 방사선 수술은 재발한 악성 뇌신경교종이나 전이성 뇌암에 일반 방사선 치료 후 재조사의 개념으로 사용될 수 있습니다.