等張化と浸透圧の調整：注射剤を体液に合わせる

寄せる対象は浸透圧溶液中の溶質濃度で決まる、水を引き込む圧。培養では上昇が細胞ストレスになる管理項目。詳しく →です。浸透圧は、その液の中に溶けている粒がどれだけの数あるかを表します。粒の種類は問いません。塩でも糖でもタンパク質でも、1粒は1粒として数えられる。この「数で決まる」という性格が、等張化の設計を単純にもし、厄介にもします。高濃度の抗体製剤製剤。原薬を処方・充填して、最終的な投与形態に仕上げた製品。詳しく →で「気づいたら高張になっていた」という場面が起きるのも、ここに理由があります。

本稿では、なぜ 約290 mOsm/kg が目安になるのかから始めて、生理食塩液が計算どおりの値にならない理由、塩と糖の使い分け、高濃度製剤抗体を150〜250mg/mL級まで濃くした製剤。皮下注の自己注射に向くが、粘度や凝集の課題が生じる。詳しく →で足す余地が消えること、氷点降下法粒子が増えるほど液が凍りにくくなる性質を使って浸透圧を測る方法。注射剤の浸透圧試験の標準的な原理。の中身、そして測る道具と報告の書き方を整理します。最後に、浸透圧を決める順番を並べます。数値は処方と経路で動くので、目安と実測の区別をつけながら読んでください。製剤設計有効成分を安定に保ち投与しやすくするため、pH・緩衝剤・添加剤などの処方を検討して決める工程です。詳しく →の全体像は製剤設計の考え方、希釈の計算は希釈計算ツールの側にあります。

なぜ約290 mOsm/kgなのか

理由は細胞膜にあります。

細胞膜は水を通し、溶質はあまり通しません。だから膜の外が中より薄ければ、水は中へ入ります。赤血球なら膨らんで、最後は破れる。これが溶血です。逆に外が濃ければ、水は細胞から抜けて縮みます。外と中がほぼ同じなら、水の出入りが釣り合って細胞は無事です。

ヒトの血漿はおよそ 285〜295 mOsm/kg の範囲にあり、実務では 約290 mOsm/kg を等張の目安に置きます。単位を確認しておくと、Osm は溶けている粒の総数を表す単位で、mOsm/kg は水 1 kg あたり何ミリオスモルの粒があるかを意味します。この「溶媒の質量あたり」で数える量が osmolality溶媒の質量あたりに溶けた粒子の総数を表す量（mOsm/kg）。温度の影響を受けず、品質管理の基準に使う。 です。「溶液の体積あたり」で数える osmolarity もありますが、温度や濃度で液が膨らむ影響を受けないぶん、実務の基準は前者です。

ただし全部を 290 に揃える必要はありません。許される幅は投与経路で変わります。大量にゆっくり入る点滴は血流で速やかに薄まるので、多少の逸脱は吸収されます。皮下注皮膚の下に注射する投与経路。一度に入れられる液量が小さく、抗体の高濃度化が求められる。詳しく →や筋注は、狭い場所に濃い液がとどまるので、外れると痛みや局所刺激に直結する。 等張溶液の浸透圧が生体の体液とほぼ同じ状態で、注射時の組織への刺激が少ない条件。詳しく →が理想ですが、実際の落としどころは経路と処方で決まります。

0.9%が308ではなく286である理由 ― 浸透圧係数

生理食塩液で計算してみると、教科書どおりにはいきません。

塩化ナトリウムは水に溶けると Na⁺ と Cl⁻ に分かれます。1分子が2粒。0.9% は 1 L に 9 g なので、式量 58.44 で割って 154 mmol/L、2倍して 308 mOsm/L。これが理論値です。

ところが実測すると、およそ 286 mOsm/L しかありません。イオンが完全には解離薬分子が水溶液中で電荷を帯びたイオン型と電荷を持たない非イオン型に分かれる現象で、体内のpH環境によって割合が変化する。詳しく →せず、互いに引き合っているからです。この「思ったほど粒として振る舞わない」度合いを浸透圧係数と呼び、塩化ナトリウムでは 0.93 前後。理論値に 0.93 を掛けると、実測とほぼ合います。

5% ブドウ糖液のほうは計算が素直です。50 g を式量 180 で割って 278 mmol/L。非電解質なので解離せず、そのまま 278 mOsm/L 付近に落ちます。 電解質を使うときは、計算した粒数がそのまま浸透圧にはならないと覚えておいてください。

塩で調整するか、糖で調整するか ― 効率と安定性

等張化剤注射剤の浸透圧を体液に合わせるために加える成分。塩化ナトリウムやスクロースなどの糖が使われる。の二大勢力が、塩化ナトリウムと糖です。

塩の強みは効率です。1分子が2粒として数えられるので、少量で浸透圧を稼げます。低分子の注射剤で生理食塩液が定番になっているのは、この効率のためです。

弱みはタンパク質との相性にあります。イオンはタンパク質どうしの静電的な反発を弱めるので、凝集を誘発することがある。種類によっては溶解度や安定性も下げます。

そこで糖の出番です。スクロースやトレハロースは電離しないので、1分子が1粒。効率では塩に劣ります。そのかわり、タンパク質の周りの水の構造を保って変性と凝集を抑える働きを兼ねます。凍結乾燥品では、乾燥中にタンパク質を守る保護剤として糖がほぼ必須です。マンニトールやソルビトールといった糖アルコールは、凍結乾燥の骨格を作る役目も持ちます。高濃度抗体ではアルギニン塩酸塩アミノ酸アルギニンに塩酸を付加した塩で、抗体製剤の粘度低減や安定化に広く使われる賦形剤。のようなアミノ酸が、粘度液体の流れにくさを表す物理的性質で、タンパク質濃度の上昇に伴い非線形に増大する。詳しく →低減を兼ねて入ることがあります。

市販抗体製剤を横断的に調べた総説では、皮下注の抗体製剤で等張化剤としていちばん多く使われているのがスクロースで、次いでソルビトール、塩化ナトリウム、トレハロースと続くことが示されています。原料側は Pfanstiehl の高純度スクロースやトレハロース、Merck の Emprove エクシピエント有効成分そのもの以外に製剤へ加え、安定性や溶解性を保つために用いる添加物の総称です。詳しく →、Roquette の PEARLITOL マンニトール結晶性が高く、凍結乾燥品の増量剤としてケーキ形状や再溶解性の確保に使われる糖アルコール。詳しく →、Avantor の J.T.Baker といったグレードが使われます。 抗体の等張化は糖が主役で塩が脇役に寄りやすく、理由は効率ではなく安定性です。

高濃度製剤では足すのではなく削る

低濃度から中濃度なら、設計は足し算で済みます。バッファーとタンパク質でいくら、残りを糖や塩で 290 まで埋める。

皮下自己注射向けの高濃度抗体製剤皮下注などで求められる高い抗体濃度の処方。溶液の粘度が高くなりやすい点が課題になる。詳しく →では、この前提が崩れます。理由は二つ。

一つは、タンパク質そのものと対イオンの寄与です。抗体は分子が大きいので粒の数としては多くありませんが、150〜250 mg/mL ともなると無視できません。加えて、抗体の電荷を中和するために入るイオンが粒数を押し上げます。もう一つは粘度対策です。アルギニン分子どうしの会合による凝集を抑え、高濃度処方では粘度を下げる働きも知られるアミノ酸。詳しく →などのアミノ酸や塩を加えると、それもまた浸透圧に効きます。高濃度化そのものの難しさは抗体医薬の高濃度化はなぜ難しいかで扱っています。

結果として、等張化剤を足して 290 に持っていくどころか、何も足さずに超えることが起きます。むしろ他の成分を削る方向での調整になる。前掲の総説でも、高濃度抗体製剤は等張からやや高張に寄りやすいことが示されています。

高張が必ず不可というわけではありません。皮下注では注入の速度と量と部位を含めて忍容性患者が薬や投与に伴う痛み・刺激などをどれだけ耐えられるかの度合い。高張の製剤などで評価される。を評価したうえで、ある程度の高張を許す製剤も実在します。ただし高張は注射時の痛みと局所刺激のリスクを上げます。 高濃度製剤では、浸透圧は後から調整する変数ではなく、最初に予算を立てておく変数です。

氷点降下法 ― 1.86 ℃ という係数

粒の数を直接数えるのは現実的ではないので、粒の数に比例して現れる別の物理量を代わりに測ります。標準は氷点降下溶質が溶けると液の凍る温度が下がる現象。下がり幅が溶質の総数に比例し、浸透圧の測定に使われる。です。

純水は 0 ℃ で凍りますが、粒が溶けているともっと低い温度でないと凍りません。その下がり幅が、溶けている粒の総数にほぼ比例します。水では、粒が 1 kg あたり 1 オスモル溶けると凍る温度が 約1.86 ℃ 下がる。この関係が知られています。測った下がり幅を 1.86 で割れば、Osm/kg が出ます。

装置の中では、試料をいったんわずかに過冷却させてから凍結を促し、凍り始めに現れる温度の平らな部分を捉えます。そこが凝固点です。

測定法は薬局方で規定されています。米国薬局方の USP <785> と欧州薬局方の Ph. Eur.欧州医薬品品質局（EDQM）が発行する、医薬品の品質基準を定めた公定書で、署名国・加盟国の規制に法的効力を持つ。詳しく → 2.2.35 は国際調和されていて、どちらも氷点降下法を基本の原理に置いています。蒸気圧降下を使う方式もありますが、注射剤の品質試験では氷点降下法が広く使われます。

測る道具と、報告の書き方

専用機なら Advanced Instruments の OsmoTECH シリーズ、Gonotec の OSMOMAT 3000、KNAUER の K-7400S あたりが並びます。細胞培養の側では、Nova Biomedical の BioProfile FLEX2 のように代謝物の分析計に氷点降下法を内蔵したものもあり、培養液の浸透圧をそのまま読めます。

どの装置でも、校正に使う標準液と管理試料を同じ供給元で揃えておくのが基本です。氷点降下法は温度を測る手法なので、装置の温度側がずれると全部ずれます。

報告のときに気をつけるのは単位です。実測されるのは溶媒の質量あたりの osmolality で、単位は mOsm/kg。溶液の体積あたりの osmolarity、単位 mOsm/L は計算で導く値です。前節の生理食塩液がまさにそうで、理論値として語られる 308 は mOsm/L、実測の 286 は mOsm/kg。桁は近いので、単位を省くと取り違えます。 何で測ったかと、どちらの単位かを、数値とセットで書きます。

浸透圧を決める順番

最後に、順番を並べます。

先に決まるのは投与経路です。点滴か、皮下注か、筋注か。許される幅がここで決まります。皮下注なら幅は狭く、点滴なら広い。この幅が決まらないと、あとの判断がすべて宙に浮きます。

次に、足さなくても出てしまう浸透圧を数えます。タンパク質、対イオンある成分の電荷を打ち消すために存在する反対電荷のイオン。高濃度製剤では浸透圧を押し上げる要因になる。詳しく →、バッファー、粘度対策のアミノ酸。高濃度製剤では、この時点で 290 を超えていることが珍しくありません。 等張化剤を選ぶ前に、既に積み上がっている分を測ります。

余地が残っていれば、そこで等張化剤を選びます。タンパク質製剤なら糖から検討し、安定性に問題がなければ塩も候補に入れる。電解質を使うなら、計算値に浸透圧係数を掛けた値で見積もります。

最後に実測で確かめます。計算は出発点で、判定は実測です。そして高濃度製剤では、忍容性の評価まで含めて着地を決めます。 計算した浸透圧と測った浸透圧が合わないとき、直すのは測定ではなく計算の前提です。

参考文献

• Strickley RG, Lambert WJ. A review of Formulations of Commercially Available Antibodies. J Pharm Sci. 2021;110:2590-2608. PMID: 33789155.
• USP General Chapter 〈785〉 Osmolality and Osmolarity（米国薬局方・浸透圧の測定章）.
• European Pharmacopoeia 2.2.35 Osmolality（欧州薬局方・浸透圧の測定章）.
• Freezing point depression osmometer（氷点降下型オスモメーターの原理と1.86の氷点降下定数）. Wikipedia.