薬は、どうやって細胞膜を通り抜けるのか？受動拡散・細胞のすき間・トランスポーター

薬が細胞膜をどう通り抜けるかは、飲み薬の候補が腸から吸収されるか、脳や肝臓、腎臓に入るかを見積もるときや、Caco-2透過性試験の結果を読むときの前提になる知識です。通り道は、膜に溶け込んで濃い側から薄い側へ移る受動拡散、細胞のすき間、膜のタンパク質（トランスポーター細胞膜にあり薬を細胞外へ汲み出したり内へ引き込んだりして、体内濃度を左右するタンパク質。詳しく →）の3つに分かれます。

ただし、1つの薬が1つの道だけを通るとは限らず、どの道が効くかは分子の性質と臓器で変わります。そのため、どの道を確かめたいかによって、選ぶ試験と結果の読み方が変わります。

この記事では、膜の通り方を何に使うのか、それぞれの道を通りやすい分子、トランスポーターが働く場所、道ごとの試験の選び方を順に説明します。最後に、自分の化合物で確かめる順番を示します。

1. 膜の通り方は、何を見積もるために知るのか

膜の通り方は、薬が腸から血液へ、血液から脳や肝臓、腎臓の細胞へ入るかを見積もり、どの試験で確かめるかを決めるために知っておきます。

飲み薬は腸の内側を覆う上皮細胞の層を通って血液に入り、その先の臓器でも、細胞の膜を通ってから働いたり、分解されたりするためです。この知識は、主に次の3つの立場で使われます。

• 化合物を選ぶ研究者⁠：腸から吸収されるか、脳に入るかを見て、残す化合物と直す構造を決めます（DMPKとは）。
• 薬物動態投与した薬が体内で吸収・分布・代謝・排泄されていく挙動。ADCではDARが大きく影響する。詳しく →を調べる研究者⁠：細胞の層を通る速さが低く出たとき、膜を通りにくいのか、汲み戻されているのかを読み分けます。
• 飲み合わせを調べる担当⁠：薬がどの輸送体に運ばれるかから、ほかの薬に妨げられて血中濃度が変わるおそれがあるかを判断します。

細胞膜は、リン脂質という分子が2層に並んだ膜（脂質二重層）を土台にしています。リン脂質は水になじむ頭と油になじむ尾を持ち、尾を内側に向けて並ぶため、膜の内部に油の層ができます。

そのため、薬が膜を通る道は、次の3つに分かれます。

1. 受動拡散⁠：分子が膜の油の層に溶け込み、濃い側から薄い側へ移ります。エネルギーは使わず、向きは濃度の差で決まります。
2. 細胞のすき間（細胞間隙経路）：隣り合う細胞のあいだを通ります。このすき間は、タイトジャンクション上皮や内皮の細胞どうしを強く連結して細胞間の隙間を封じる結合。物質の傍細胞的な通過を妨げ、血液脳関門でよく発達する。詳しく →（細胞どうしを閉じる結合）で狭められています。
3. トランスポーター（輸送体）：膜に埋まったタンパク質が、特定の分子を細胞の中へ取り込んだり、外へ汲み出したりします。

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このように、膜の通り方は、吸収だけでなく、臓器への入り方と出方も左右します。では、受動拡散で通りやすいのは、どんな分子なのでしょうか。

2. 受動拡散で通りやすいのは、どんな分子なのか

電荷を持たず、油になじみやすく、水素結合をつくる部分の少ない小さな分子ほど、受動拡散で通りやすくなります。

分子は、水から離れて膜の油の層に溶け込み、反対側で再び水に出ることで膜を通り抜けます。通る量は膜の両側の濃度の差に比例し、濃度が高くても頭打ちになりません。

通りやすさを左右する性質は、主に次の3つです。

• 電荷⁠：電荷を持つ形（イオン形）は油の層に入りにくく、主に電荷を持たない形（中性形）が膜を通ります。この考え方をpH分配仮説と呼び、2つの形の割合はpHとpKaで決まります（pKaとは）。
• 脂溶性分子が脂に溶けやすい性質。高いほど細胞膜を通り組織へ分配されやすく、分布容積が大きくなりやすい。詳しく →⁠：油になじむ分子ほど膜に溶け込みやすくなります。指定したpHでの油と水への分かれ方は、logD（分布係数）で表します（脂溶性（logP・logD）とは）。
• 水素結合と大きさ⁠：水と水素結合をつくる部分の多い分子や大きな分子は、膜に入りにくく、吸収が悪くなりやすいと整理されています（Lipinski 1997）。

ただし、脂溶性を上げすぎると水に溶けにくくなり、膜にたどり着く前に腸の中で溶けきらなくなります。膜を通る力と溶ける量は、分けて確かめます（溶解度とは）。

つまり、受動拡散の通りやすさは、電荷と脂溶性と構造から、測る前におおよその見当がつきます。では、水に溶けやすく油になじまない分子は、膜を通れないのでしょうか。

3. 水に溶けやすい小さな分子は、どこを通るのか

水に溶けやすい小さな分子の一部は、細胞の膜ではなく、隣り合う細胞のすき間を通ります。 ただし、すき間はタイトジャンクションで狭められているため、通れる分子の大きさと量は限られます。

透過の目印に使う水溶性の分子（分子量60〜502）をラットの腸とCaco-2ヒト大腸がん由来の細胞株。単層が小腸上皮に近く、腸吸収の見込みを試験管内で測るのに使う。詳しく →細胞の層で測った報告では、透過性は分子量が大きいほど下がりました（Artursson 1993）。人の腸はどちらの試験系よりも通しやすく、Caco-2細胞の層の値は、人の大腸とよく相関したとしています。

そのため、主に細胞のすき間を通る薬は、Caco-2透過性試験で、人の小腸での吸収より低めに見積もられるおそれがあります。すき間を通る目印に使われるマンニトールも、ICH M9BCSに基づくバイオウェーバーの考え方を示すICHガイドライン。詳しく →は人での吸収率が50%未満の低透過性の例に挙げています（Table 2）。

脳の毛細血管では、内皮細胞どうしのタイトジャンクションが物理的な壁をつくり、すき間から脳へ入るのを妨げています（Abbott 2010、血液脳関門と脳への移行）。

このように、細胞のすき間は、小さな水溶性の分子に限られた狭い道です。では、膜のタンパク質が薬を運ぶのは、どんな場合なのでしょうか。

4. トランスポーターは、薬をどこへ運ぶのか

取り込み型は薬を細胞の中へ、排出型は細胞の外へ運び、働く臓器によって吸収や脳への移行、排泄を変えます。

受動拡散と違い、トランスポーターは運ぶ相手を選び、運べる量に上限があります。ICH M12薬物相互作用試験の判断基準を日米欧で揃えた国際整合ガイドライン。in vitroから臨床試験の要否を判断する。詳しく →も、高い濃度では輸送体が飽和しうるため、試験では低い濃度も含めることが重要としています（7.4.2）。

働く場所ごとの例は、次のとおりです。

• 腸での取り込み⁠：抗ウイルス薬アシクロビルにアミノ酸のバリンをつないだバラシクロビルは、腸のペプチド輸送体（PEPT1）に運ばれることが報告されています（Balimane 1998）。人でアシクロビルとして全身に届いた割合は54.2%で、アシクロビルそのものを飲んだときの3〜5倍でした（Soul-Lawton 1995）。
• 腸と脳での汲み出し⁠：P糖タンパク質（P-gp腸上皮などにある排出トランスポーター。取り込んだ薬を管腔側へ汲み出して吸収を下げる。）は、ATP（細胞のエネルギー源）を使って、腸では薬を腸の内側へ、脳の毛細血管では血液側へ汲み戻します。通常の量では脳に作用しないオピオイド系の下痢止めロペラミドも、P-gpを妨げるキニジンと併用すると、呼吸の抑制を起こしたと報告されています（Sadeque 2000）。
• 肝臓と腎臓での出し入れ⁠：肝臓では、有機アニオン輸送ポリペプチド（OATP1B）が血液中の薬を肝細胞に取り込みます。腎臓では、尿細管の細胞が取り込み型の輸送体で血液から薬を取り込み、排出型の輸送体で尿へ送り出します（ICH医薬品規制の国際調和を目的として、日米欧の規制当局と製薬業界が参加する国際的なガイドライン策定機関。詳しく → M12 2.2.1、トランスポーターの飲み合わせ）。

ただし、輸送体に運ばれる薬でも、受動拡散で十分に速く通るなら、腸での影響は小さいことがあります。ICH M12は、輸送体が働かない条件での透過性が高透過性の対照薬以上なら、腸の輸送体の役割は限られうるとしています（7.4.2）。

このように、トランスポーターが効くかどうかは、受動拡散の速さと、薬がどの臓器で消えていくかで決まります。では、どの道が効いているかは、何で確かめるのでしょうか。

5. どの道が効いているかは、何で確かめるのか

受動拡散だけを測る試験と、細胞の層で測る試験の結果を並べ、食い違いから道を見分けます。

PAMPAは、細胞の代わりに脂質を染み込ませたフィルターを膜にして、受動拡散の速さを測ります（Kansy 1998）。Caco-2透過性試験は腸の細胞に似た細胞の層を使いますが、ICH M9は、輸送体の発現が低いか、無いおそれがあるとしています（Annex I）。

3つの化合物群で人工膜と細胞の層の値を比べた報告では、多くの化合物で両者がそろい、受動拡散が主だったと考えられました（Kerns 2004）。細胞の層で低く出た化合物には汲み出しが、高く出た化合物には細胞のすき間や輸送体による取り込みが関わっていたとしています。測るpHの条件で差が出た化合物もありました。

つまり、2つの値を並べると、通りにくいのか、汲み出されているのか、運び込まれているのかを見分けられます。

6. 自分の化合物では、何から確かめるのか

電荷と脂溶性から受動拡散の見当をつけ、細胞の層で食い違いを探し、標的の臓器と消え方に合わせて輸送体を確かめます。

1. 中性形の割合と脂溶性を見る⁠：pKaから腸や血液のpHでの中性形の割合を出し、logD（分布係数）と合わせて受動拡散の見当をつけます。
2. 受動拡散の速さを測る⁠：多くの化合物を比べる段階では、人工膜の透過試験（PAMPA）で構造を直す方向を決めます。
3. 細胞の層で両方向に測る⁠：Caco-2透過性試験で腸の側から血液の側への値を人工膜の値と比べ、逆向きとの比（排出比透過をB→AとA→Bの比で表す指標。2以上だとP-gpなどによる能動的な排出を疑う。詳しく →）が2以上なら汲み出しを疑います。
4. 輸送体を特定する⁠：阻害剤を加えた試験や、輸送体を発現させた細胞で、どの輸送体に運ばれるかを確かめます（ICH M12 2.2.1.1）。
5. 標的の臓器と消え方に合わせて確かめる⁠：脳に入れたい薬では、P糖タンパク質（P-gp）と乳がん耐性タンパク質P-gpと並ぶ代表的な排出トランスポーター。基質が重なり脳移行を妨げる。詳しく →（BCRP）の基質かを見ます。肝臓での代謝や胆汁への排泄が消失の25%以上なら、有機アニオン輸送ポリペプチド（OATP1B）の基質かを調べることを検討します（ICH M12 2.2.1）。

道の見当がついたら、次は、細胞の層を通る速さをどう求め、どう読むかです。その値が高ければ、よく吸収されると言えるのかは、Caco-2透過性試験とはで説明します。

参考文献

• ICH M12 Drug Interaction Studies（Step 4、2024年5月21日）. ICH（2.2.1：P-gp・BCRP は消化管に発現し経口バイオアベイラビリティ投与した薬のうち、未変化のまま全身循環に到達する割合。静脈内投与を100%として比較する。詳しく →に影響しうる。肝臓での代謝・胆汁排泄が消失の25%以上なら OATP1B1肝細胞の血管側にあり、血中の薬を肝臓へ取り込む代表的な取り込みトランスポーター。詳しく →・1B3、腎での能動分泌が全身クリアランスの25%以上なら OAT1・OAT3・OCT2・MATE1・MATE2-K の基質かを検討。2.2.1.1：輸送体の基質の判定。7.4.2：高濃度では輸送体が飽和しうるため低い濃度も含める。輸送体が働かない条件の透過性が高透過性の対照薬以上なら、腸の輸送体の役割は限られうる）
• ICH M9 Biopharmaceutics Classification System溶解性と腸管透過性で経口薬を4クラスに分ける枠組み。詳しく →-Based Biowaivers（Step 4、2019年11月20日）. ICH（Annex I：Caco-2 では排出型・取り込み型の輸送体の発現が低いか欠けているおそれ。Table 2：マンニトールを低透過性（吸収率50%未満）の例に挙げる）
• Kansy M, Senner F, Gubernator K. Physicochemical high throughput screening: parallel artificial membrane permeation assay in the description of passive absorption processes. J Med Chem. 1998;41(7):1007-1010. doi:10.1021/jm970530e（PAMPA：parallel artificial membrane permeation assay）
• Kerns EH, Di L, Petusky S, et al. Combined application of parallel artificial membrane permeability assay and Caco-2 permeability assays in drug discovery. J Pharm Sci. 2004;93(6):1440-1453. doi:10.1002/jps.20075（3つの化合物群で PAMPA と細胞の層の値が多くの化合物で相関。細胞の層で低い化合物には排出など、高い化合物には細胞のすき間・能動輸送などが関与）
• Sugano K, Kansy M, Artursson P, et al. Coexistence of passive and carrier-mediated processes in drug transport. Nat Rev Drug Discov. 2010;9(8):597-614. doi:10.1038/nrd3187（受動拡散と輸送体による輸送が共存し、ともに膜透過に寄与するとの見解）
• Artursson P, Ungell AL, Löfroth JE. Selective paracellular permeability in two models of intestinal absorption: cultured monolayers of human intestinal epithelial cells and rat intestinal segments. Pharm Res. 1993;10(8):1123-1129. doi:10.1023/a:1018903931777（分子量60〜502の水溶性の目印の分子。透過性は分子量とともに下がり、人の腸は試験系より通しやすく、Caco-2 は人の大腸と相関）
• Lipinski CA, Lombardo F, Dominy BW, Feeney PJ. Experimental and computational approaches to estimate solubility and permeability in drug discovery and development settings. Adv Drug Deliv Rev. 1997;23(1-3):3-25.
• Abbott NJ, Patabendige AA, Dolman DE, et al. Structure and function of the blood-brain barrier. Neurobiol Dis. 2010;37(1):13-25. doi:10.1016/j.nbd.2009.07.030（内皮細胞のタイトジャンクションによる物理的な壁と、輸送体による壁）
• Balimane PV, Tamai I, Guo A, et al. Direct evidence for peptide複数のアミノ酸がペプチド結合でつながった中分子化合物で、タンパク質より鎖が短いものを指す。詳しく → transporter (PepT1)-mediated uptake of a nonpeptide prodrug, valacyclovir. Biochem Biophys Res Commun. 1998;250(2):246-251. doi:10.1006/bbrc.1998.9298（ヒトPEPT1を発現させたカエルの卵母細胞で、バラシクロビルの取り込みが濃度依存的・飽和性で、PEPT1の基質で阻害された）
• Soul-Lawton J, Seaber E, On N, et al. Absolute bioavailability and metabolic disposition of valaciclovir, the L-valyl ester of acyclovir, following oral administration to humans. Antimicrob Agents Chemother. 1995;39(12):2759-2764. doi:10.1128/AAC.39.12.2759（健康な12人。アシクロビルの絶対バイオアベイラビリティ静脈内投与（F=1）を基準に、経口などのAUC比から求めるバイオアベイラビリティ。詳しく →54.2%、経口アシクロビルの3〜5倍）
• Sadeque AJ, Wandel C, He H, Shah S, Wood AJ. Increased drug delivery to the brain by P-glycoprotein inhibition. Clin Pharmacol Ther. 2000;68(3):231-237. doi:10.1067/mcp.2000.109156（健康な男性8人。ロペラミド16 mg とキニジン600 mg の併用で呼吸抑制。血漿中のロペラミド濃度の上昇では説明できない）