ヒアルロン酸の2つの異なる製造方法とその用途
はじめに
ヒアルロン酸（HA）はヒアルロナンとも呼ばれ、一般に1918年にKarl MeyerとJohn Palmerによって発見された直鎖多糖である[1]。現在でも、HAは科学者たちに多くの思いがけない結果をもたらしている。この記事では、ヒアルロン酸とは何か、どのように生成され、どこで使用されているかについて簡単に紹介する。
ヒアルロン酸とは何か？
ヒアルロン酸（HA）は、グルクロン酸-N-アセチルグルコサミンの二糖の繰り返しからなる線状のグリコサミノグリカン（GAG）である。図1を参照。一般的なHAは図1の構造を10000回以上繰り返すことができる[2]。
図1：ヒアルロン酸モノマーの構造：左側がグルクロン酸、右側がN-アセチルグルコサミン。
HAは脊椎動物の上皮組織、神経組織および結合組織の細胞外マトリックスによく見られる。また、連鎖球菌のようないくつかの微生物にも細胞外カプセルの一部として見られる。ここでHAは、保護剤や接着剤としてだけでなく、感染過程で宿主の免疫系を "欺く "偽装剤としての役割も果たしている [2]。
ヒアルロン酸はその高い保湿性と優れた生体適合性から、バイオメディカル医薬品、化粧品、臨床研究の多くの分野で広く使われている。例えば、ヒアルロン酸は多量の水を吸収し、関節や結合組織の潤滑剤や衝撃吸収剤として働く。ヒアルロン酸は繰り返し構造の化合物であるため、繰り返し時間が異なるとヒアルロン酸に異なる性質を与える。その用途の増加により、HAの需要は発見以来現在に至るまで増加し続けている。人々はより効率的かつ経済的にHAを入手する2つの方法を見出している。
ヒアルロン酸はどのように生産されるのか？
現在、ヒアルロン酸を生産する2つの主要な源がある：動物とバクテリアである。まず動物から生産されるヒアルロン酸について説明しよう。
動物由来のヒアルロン酸
ヒアルロン酸は1934年、MeyerとPalmerによりウシの硝子体液から初めて単離された。その後、雄鶏の櫛、ヒトの臍帯およびウシの滑液のような他の多くの動物組織がヒアルロン酸の抽出に用いられている。一連のプロセスには、動物組織のホモジナイズ、抽出、精製、最終製品の調製が含まれる[1]。異なる原料、異なる最終製品のヒアルロン酸のグレードに対して、異なる抽出法と精製法がある。ここでは、医療用の高純度HAを例にとってみよう。
洗浄： 抽出の前に、動物組織をエタノールとクロロホルムの混合液、あるいは水、アセトン、エタノールで "洗浄 "する必要がある。雄鶏の櫛のような動物組織を採取し、クロロホルムで脱飽和した95％エタノールで1日処理する。洗浄工程は、洗浄液が無色透明になるまで数回繰り返す。これは、鉄イオン、銅イオン、リン酸イオンなどの "悪い "成分がすべて洗い流されていることを確認するためである。
抽出： 次に水とクロロホルム（20:1）の混合液を用いて、すでに前処理した動物組織を抽出し、組織からできるだけ多くのHA成分を抽出するために少なくとも2回攪拌する。抽出液を4～25℃で少なくとも24時間放置する。混合溶液を濾過し、塩化物とクロロホルム（1：1）を加え、4～25℃で3～5時間撹拌する。
精製：HAは動物組織から抽出されるため、抽出液中にはタンパク質、脂質、ペプチドあるいは低分子量前駆体のような多くの不純物が存在する。いくつかのHAはタンパク質やペプチドと共有結合していることさえある。単純な有機溶媒洗浄では不十分である。ここでは自然pHの抽出液にタンパク質分解酵素を加え、室温で5日間撹拌する。水層を取り、テフロンフィルターで溶液を滅菌する。多糖類を沈殿させるために3容量のエタノールを使用する。最後に、エタノールとアセトンを用いて再び多糖を沈殿させ、アセトンで滅菌し、真空下で乾燥させる[1]。
HA最終生成物の分子量は750000Da以上である。生産効率は、1kgの雄鶏の櫛から約0.8gのヒアルロン酸である。
バクテリアから生産されるヒアルロン酸
細菌源から生産されるヒアルロン酸は過去20年間に急速に発展した。ヒアルロン酸の製造に使用できる連鎖球菌やパスツレラ菌のようなグラム陽性菌の数は少なく、それらは通常以下の条件を満たす必要がある。
- これらの細菌は人に無毒または有害であってはならず、溶血性であってはならない。
- これらの細菌はHAに対してヒアルロニダーゼ活性を示さないこと [1]。HAは非常に単純な重複を持つ長鎖化合物である。HAは容易に "破壊 "され、機械的、熱的、化学的、酵素的摂動に影響される。
- 高い効率も考慮すべき重要な点である。
A群およびC群Streptococciは、その収率の高さからHAを生産する最も一般的で適切な菌株である。しかしながら、一般的な連鎖球菌群は毒素を産生する。良いニュースは、HA生合成経路で使われる遺伝子コードを発見することにより、その遺伝子コードを発現しHAを生産できる多くの細菌（Bacillus、Agrobacterium、E. coli、Lactococcus菌）を改変できることである。言い換えれば、我々はまず非溶血性でヒアルロニダーゼ陰性の細菌を選択し、次にHAを産生するようにそのコードの一部を変えることができる[2]。
細菌源からヒアルロン酸を得る全プロセスは実に複雑である。図5は大腸菌によってHAがどのように生産されるかを示している[2]。
図5： ヒアルロン酸を生産する大腸菌の生合成経路の概要 [2］
ヒアルロン酸の応用
ヒアルロン酸の用途は、その大きさによって異なる：高分子（約1000～1500kDa）、中分子（約200～800kDa）、低分子（約5～200kDa）。
高分子ヒアルロン酸（HMW-HA）は、皮膚に表面レベルの潤いを与えるために、スキンケア製品によく使用される。分子サイズが大きいため、皮膚に深く浸透することはできないが、その代わりに皮膚表面に膜を形成し、水分の損失を防いで皮膚の潤いを保つのに役立つ。このタイプのHAは、モイスチャライザー、シートマスク、その他の保湿スキンケア製品によく含まれている。
一方、低分子ヒアルロン酸（LMW-HA）は、より深く皮膚に浸透することができる。そのため、アンチエイジングのためのスキンケア製品に有用で、コラーゲンの生成を促し、肌全体の質感や見た目を改善するのに役立つ。また、肌に素早く吸収されるように設計された、美容液やその他の軽量製剤にもよく使われている。
続きを読む 高分子VS.低分子ヒアルロン酸
中分子ヒアルロン酸（MMW-HA）は、その名が示すように、分子の大きさに関しては中間に位置する。このタイプのHAはスキンケア製品にあまり使用されないが、表面レベルの保湿と皮膚深部への浸透の両方に利点があると考えられている。肌に即効性と長期的な保湿の両方を提供することを目的とした処方において有用であろう。
スキンケア製品での使用に加え、ヒアルロン酸は皮膚充填剤のような注入治療にも使用されている。これらのフィルターでは通常、高分子と低分子のヒアルロン酸の組み合わせが使用され、肌に即時的なふっくらとした潤いと、長期的なボリュームアップ効果をもたらします。
全体として、ヒアルロン酸のさまざまな用途は、その分子サイズと、使用される特定のスキンケア悩みによって異なる。高分子HAは表面レベルの保湿に有用であり、低分子HAはアンチエイジングとコラーゲン産生に有用であり、中分子HAはあまり使用されないが、表面レベルと深部保湿の両方に効果があると考えられる。
結論
結論として、ヒアルロン酸は動物由来と細菌由来から抽出できる。そして、異なるサイズのHA製品は、スキンケア分野で異なる目的に使用されている。
スタンフォード先端材料会社は、高分子ヒアルロン酸、中分子ヒアルロン酸、低分子ヒアルロン酸の製造と販売において豊富な経験を持っています。最良の結果を得るためには、よく調合され、特定のスキンケア・ニーズに適した製品を選ぶことが重要です。詳しくは当社ホームページをご覧ください。
参考文献
- Polyak, F., Khabarov, V. N., Boykov, P. Y., & Selyanin, M. A. (2015).ヒアルロン酸：生産、特性、生物学と医学における応用。John Wiley & Sons, Incorporated.
- Sze, J. H., Brownlie, J. C., & Love, C. A. (2016).ヒアルロン酸のバイオテクノロジーによる生産：ミニレビュー。3 Biotech, 6(1), 67.https://doi.org/10.1007/s13205-016-0379-9
