大型放射光施設 SPring-8

公開日

2017年03月22日

2017年3月22日
北九州市立大学
高輝度光科学研究センター
有明工業高等専門学校

ポイント
•　104年前にセッケン分子は集まってミセルを作ることを発見：近代科学の重要な概念。
•　このミセルの概念は必ずしも正しくないことを発見：会合数が小さい時は不連続な値となる。
•　高効率な人工ウイルス粒子などナノテクノロジーの新しい分子設計プラットホームとなる。

＜研究の背景と経緯＞
　ミセルは洗剤から、化粧品の材料、薬物の送達など多くの分野に使われている、きわめて身近な存在です。また、生命現象の根幹である細胞膜も一種のミセルと考えられます。さらに、細胞内の物質の移動もベシクルと呼ばれるミセルの一種によって行われています。ミセルを作る化合物は、水に溶けやすい親水部と水に溶けにくい疎水部からなっています^（注１）。ミセルの形状には、球状から、棒状や板状、ベシクル状があります。特に球状ミセルは、多くの化合物がとる形状で、古くから研究が行われてきました^（注１）。
　1913年にイギリスの化学者マックベインによってミセルの概念（図１）^（注１）が提唱された後、そのモデルの精密化と理論の構築やミセルの実験的な観測はデバイやタンフォードらによって開始され、現代まで様々な研究が行われています。しかし、マックベインによる球状ミセルの概念そのものは、一貫して確立された完全に正しい事実として扱われてきました。これによると、球状ミセルは数十から百数十の分子が集まって形成され、その会合数は、疎水性の部分と、親水性の部分のバランスによって決まり、溶媒や濃度、ミセルの化学構造が変われば、連続的に変化するとされています。この理論はパッキングパラメーター理論^（注１）として、大学の化学系の学生が学ぶ項目です。また、マックベインによって提唱された球状ミセルのモデルは高校の化学の教科書に必ず解説図付きで載っている（図１）、高校化学の必須事項です。
　本研究グループは、医薬品を効率的に送達するDDSナノ粒子を研究する過程で、ミセルを形成する分子の個数（会合数）を小さくしていったところ、従来のミセルの理論では説明できない現象を発見しました。

＜研究の内容＞
発見の内容
　本研究グループは、図２に示すカリクサレン系の両親媒性化合物^（注１）を研究する過程で、この物質が水の中で球状ミセルを形成することを見つけました。その後、SPring-8のビームライン BL40B2の高輝度放射光Ｘ線^（注２）を使った構造解析や、その他の溶液物性を測定する手法で、この物質の会合数が６であり、かつそれ以外の会合数は存在しないこと（単分散性）を見出しました。また、濃度を大きく変えても会合数が変化しないなど、従来のミセルの概念からは説明できない、いくつかの現象を発見しました。この事実は、すでに論文として報告していますが、このような単分散性を示す他の例はないかと、異なるカリクサレン系の化合物や、他の界面活性剤などを詳細にしらべたところ、両親媒性化合物が球状のミセルを形成する場合、会合数が３０以下と十分小さい時は、会合数は、２，４，６，８，１２，２０，２４から選ばれる数字のどれかになることを発見しました。どのように条件を変化させても、これらの数字以外の値、例えば５とか７、１７などの値は取りえないと予想されます（図１）。例えば、溶媒条件などを連続的に変化させて、従来のミセルの概念では会合数が連続的に変化しうる条件にしても、６－＞８－＞１２と不連続にしか変化しないことを発見しました（図２）。本研究グループが見つけた会合数のほとんどは、プラトンの正多面体^（注３）の面の数と一致します。このことから、この不思議なミセルを「プラトニックミセル」と名付けました。

　ミセルのプラトニック性は、この現象を見つけたカリクサレン系の化合物に限るわけではありません。例えば、天然に存在するサーファクチンと呼ばれる脂質でも同様な現象が見られます。これらの事から、セッケン分子や脂質などの両親媒性化合物が水中で球状ミセルを形成し、その会合数が３０以下になると、今までの研究者が気づかなかっただけで、すべての化合物で、２，４，６，８，１２，２０，２４から選ばれる数字のどれかから選ばれる会合数を取っていると考えるに至りました。すなわち、プラトニックミセル性はミセル一般に適用できる一般法則だと考えます。このような観点から、過去の研究を見直すと、何人かの研究者が、単分散の球状ミセルを発見していて、それらは本研究グループが提唱している、プラトニックミセル性を満足します。逆に言えば、球状ミセルが発見されて１０４年間、この事実に誰も気が付かなかったことが不思議ですが、水溶液中の会合体の構造や分子量が精密に、かつ、独立した数種類の方法で測定できるようになったのは、近年になってからの放射光X線の進歩によるものなので、納得できる点もあります。この意味からも、この発見において、SPring-8^（注２）における測定が果たした役割は大きいものがあります。

プラトニックミセルの理論的な裏付け
　水の中でミセルを作る分子は、水に溶けやすい親水性部分と、水と溶けないで水との接触を嫌う疎水性部分からなっています^（注１）。球状ミセルを作る分子の大雑把な形状は円錐状と考えることができます（図２の中央）。図２に示すように、円錐の尖った部分が疎水性で底面の部分が親水性です。水は疎水性の部分との接触を嫌うため、このような円錐形の分子は疎水性の部分（図２と図３の緑の部分）がお互いに寄り集まって、親水性の部分で疎水性の部分を覆い隠すように球状の集合体を作ると考えられています。従来は会合数が十分に大きいとして理論的な考察がされていました。これによると、分子の数が多くなるほど疎水性の部分の露出が少なくなる（すなわち、被覆率が高くなる）のですが、分子の数が多いと混みあってきて反発が大きくなります。会合数はこの２つの因子（被覆率と分子間反発力）のバランスで決まるとされてきました（タンフォードの理論：パッキングパラメーター理論）。
　しかし、会合数が少なくても、特定の数の時には被覆率は高くなります。例えば、下の図では、会合数１２と３の場合を示していますが、１２の場合は親水と疎水の界面の球帽の中心が球に内接する正２０面体の頂点になるように配置したときに被覆率が最大となり、このときの被覆率は９０％となります。一方、３の場合は球帽の中心が球に内接する正三角形の頂点になるように配置したときに被覆率が最大となりますが、この被覆率は７５％です。また、２の場合は、球の２つの極に中心をもつ半球（これも球帽）で覆うと被覆率は１００％となります。このように、円錐の数が少ない時は、円錐の数によって最大となる被覆率が大きく異なります。

球の表面を同じ大きさの球帽で覆うときの配置の問題はTammes問題^（注４）と呼ばれ、現在でも完全な解答が見つかっていない数学上の未解決問題の一つです。ここで未解決と言うのは、一般的にＮ個の球帽で球を覆うときに、球帽の中心の座標を厳密な式で表すことができないという意味です。しかし、計算機を使った近似的な解は求まっていて、その時の被覆率と球帽の配置を図４に示します。２の場合は先に述べたように２つの極に半球を配置すれば被覆率が１００％となります。被覆率が高いのは４，６，１２，２０，２４で４０を超えると４８の時以外はほぼ一定の被覆率となります。ここに、本研究グループが今回発見した系（１２、２０、２４）とすでに発表した系（２，６，８，３２）、それに先行研究の文献値（４，６）を載せてみたところ、被覆率が高いところで実際のミセルが出現していることが分ります。ここで興味深いのは、従来よくしられているセッケンや生物の実験でよくつかうSDSという化合物は球状のミセルをつくり、その会合数は３０から４０以上であり、このような多くの会合数では、被覆率はほぼ一定として扱われて来ました。しかし、会合数３２や４８でもピークあることです。このことから、セッケンのような会合数の大きなミセルでもプラトニックミセルの現象がおきているかもしれません。つまり、会合数32や48が優位になっているかもしれないと示唆されます。

図４のプラトニックミセルが観測される会合数と、Tammes問題で被覆率が高くなる円帽の数とは密接な相関があることがわかります。すなわち、現代でも数学者が取り組んでいる、難問であるTammes問題と、本研究グループが使っているミセルの構造が密接に関連していることがわかりました。

＜今後の展開＞
　ミセルはナノテクノロジーの基盤技術です。例えば、医薬品を効率良く運搬するDDS製剤にはミセルは不可欠です。また、分子鋳型法では、ミセルを鋳型にしてメソポーラスシリカなどの多孔質のシリカ粒子や膜、触媒が作られます。フッ素樹脂などのエマルジョン重合でもミセルは大切な役割を果たしています。これらの技術の中で、ミセルに大きさの分布があるため、問題となることがあります。
　端的な例は、多孔質シリカの分離膜や、ナノ多孔体です。ナノ多孔体は、これまでにない新たな化学反応の場をもつ材料として期待され、触媒材料及び吸着材料等に向けた研究・開発が活発に行われてきました。特に金属ナノ多孔体は、エレクトロニクスから触媒、医学にいたるまで、様々な分野での応用が提案されています。しかし、これら従来のナノ多孔体は、構造の規則性が乏しく、孔の大きさを自由に制御できるナノ多孔体の創出が望まれていました。そこで、本研究グループが見つけたプラトニックミセルの技術を利用すれば、均一な粒子を鋳型にした、真に均一な孔の大きさを自由に制御できるナノ多孔体が実現できると考えられます。

　さらに、本グループが研究している、薬物輸送用のDDS粒子においても粒子の大きさの制御は極めて重要です。臓器や細胞は、極めて正確にナノ粒子の大きさや形状を識別していることが最近明らかになりつつあります。つまり、標的とする細胞が好む形や大きさに厳密に制御・設計した単分散なDDS粒子の創成は、効率的な薬物送達のためには極めて重要です。今までのナノ粒子では、大きさを完全に一定にすることは極めて困難でした。本研究グループは、標的細胞が最も好む大きさと形状の粒子を分散なく作れれば、精密な標的能力を有するDDSナノ粒子の創成が可能となると考えています。このような粒子は、巡航ミサイルのように生体の異物排除機能を回避して、目的の臓器、さらには細胞、細胞内の特定の器官に到達する能力を持つものと思われます。これは、副作用が強くて実用化されなかった既存の低分子医薬の復活、遺伝子導入効率が本物のウイルスに迫るような遺伝子ベクターや、癌免疫療法に利用する抗原デリバリーなど、次世代の薬物送達システムの基盤技術となると考えます。

用語解説
注1） ミセル

注2） SPring-8の高輝度放射光Ｘ線
大型放射光施設(SPring-8)は、世界最高性能の放射光を利用することができる大型の実験施設であり、国内外の研究者に広く開かれた共同利用施設として、物質科学・地球科学・生命科学・環境科学・産業利用などの分野で優れた研究成果をあげている。

注3） プラトンの正多面体
正多面体またはプラトンの立体（Platonic solid）とは、すべての面が同一の正多角形で構成されており、かつすべての頂点において接する面の数が等しい凸多面体のことである。正多面体には正四面体、正六面体、正八面体、正十二面体、正二十面体の五種類がある。

注4） テーマス問題
球面の充填問題として最も有名なものは，「単位球面上に N 個の大きさの等しい球帽を重ならないように配置したい．球帽の最大角直径を求めよ．また，最大を与えるときの球帽の配置はどのようなものか？また，そのような配置は本質的に一通りか？」という Tammes の問題（球帽を用いた球面の最密充填問題）である。球帽とは，球面上の円のことである．この問題は，N = 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 24 に関してのみ数学的証明を伴って解が与えられている。