2層膜⽪膚拡散モデルを⽤いた 化学
物質の経⽪暴露後の吸収性 in silico
予測
城⻄⼤学 薬学部
薬粧品動態制御学講座
藤堂 浩明

⽪膚透過性および⽪膚中濃度の把握
ハザード薬(⼒価)x

曝露量=リスク 曝露量と反応効果

安全性(リスク)と有効性(効果)の確認のため、ハザード物質や薬剤の曝露量の把握が重要（化学物質の安全性評価；暴露量 = 経皮吸収量）

経皮吸収量を測定するためには、
in vitro皮膚透過試験が必須
In vitro皮膚透過試験法 (OECD TG428)
摘出皮膚を用いたin vitro試験の課題

A) 洗浄液

摘出皮膚B) 角層抽出液
C) 皮膚抽出液
24時間後D) レセプター液

レセプター液
経皮吸収量：C+Dの合計（角層より下に透過した量）試験成立条件：A-Dの合計が塗布量の100±15%以内••••

試験時間が長い（24時間+α）
高コスト
供給安定性
個体および部位差大化学物質の⽪膚透過性（透過係数︓P）の予測
化合物の透過性の予測は数多く報告あり（濃度⼀定、⽔基剤からの透過予測式）

log P (cm/s) = 1.1710−7Ko/w0.751+2.7310−8Morimoto Y et al., J Pharm Pharmcol., 44, 634‐639 (1992)

・Ko/w : ⽔／オクタノール分配係数
・MW : 分⼦量・R2, 2H, Σ2H, Σ2H, Vx :Abraham Solvation Parameterlog P (cm/s) = –6.3+0.71log Ko/w –0.0061MWPotts RO, Guy RH, Pharm. Res., 9, 663‐669 (1992)

log P (cm/s) = –5.1+0.44R2–0.492H–1.482H–3.44 2H+1.94Vx
Abraham et al., Pestic. Sci., 55, 78‐88 (1999)

Q (g/cm2)

定常状態の皮膚透過速度 Jss
透過係数Pよりレセプター移行量（全身循環系移行量の一部）の推定可能

FluxdQ KCv Ds
J ss 
dt
Ls しかし PCV
Cv :適用物質濃度Lag time Time (h)・角層下の組織への移行量（吸収量＝レセプター移行量＋角層下組織中量）
・皮膚透過量および皮膚中濃度の経時変化
・ TG428条件で適用したとき（ex. <10 µl/cm2 :時間の経過に伴い濃度変化あり)の予測は困難

２層膜モデルを⽤いた⽪膚中濃度解析

Donor
Cd

Stratum
corneum
Ksc Csc
Dsc

Viable epidermis
Anddermis

Kved

C

sc における位置 x、時間 t の薬物濃度
Csc は Fick の第 2 法則から、
C sc
 C sc Dsctx 2ved についても同様に、
Cved Cved
 Dvedt
x 2

Csc：sc中濃度
Cved：ved中濃度
Dsc：sc中拡散係数
Dved：ved中拡散係数
Lsc：scの厚み
Lved：vedの厚み
Ksc：sc/donor分配係数
Kved：ved/sc分配係数

Cved
Dved

x = -Lsc x = 02Receiver

x = Lved
初期条件と境界条件
t=0-Lsc < x < 00 < x < Lvedt>0x = -Lsc
x=0

Csc = 0Cved = 0
Csc = Ksc・Cd
Cved = Kved・Csc
Dsc

2x = Lved

dCscdC Dved veddx
dx

Cved = 02層膜の皮膚中平均濃度予測式
CDonorKsc・Cv

K : Partition coefficient
Cv : Donor concentration
Ls : Thickness of membrane: Average membraneCssconcentration
P : Permeability coefficient

Stratumcorneum(sc)Viable epidermis and dermis(ved)

KscCvPtot / Pved
Cv
KscCvPtot / PvedKved / Ksc
x=0x = Ltot

x = LscConc. in sc

Conc. in ved

Ksc Cv  Ksc Cv  Ptot / Pved
Css, sc 
2C ss , ved Kved Cv  Ptot / Pved
2

Conc. in full-thickness skin

C ss , tot Cv  K sc  L sc  (1  P tot / P ved )  K ved  L ved  P tot / P ved 
2  L tot Sugibayashi K., et al., Pharm. Res., 27, 134-142 (2010).

Physicochemical properties of model chemical compounds
Drug

Epinepherine(Epi)

Dopamine(Dopa)

Antipyrine(ANP)

Isosorbide
mononitrate(ISMN)

Caffeine(CAF)

Aminopyrine(AMP)

M. W.

219.67189.64188.22

191.10194.19231.29ClogP*-0.684

0.169

0.204

-4.586

-0.04

0.572

pKa

8.70, 9.90

2.31, 9.74, 13.40

1.50

ー

1.40

5.00

Drug

Isosorbide
dinitrate(ISDN)

Methyl
PABA(M-PABA)

Lidocainehydrochloride(LC)

Benzoicacid(BA)

Ethyl
PABA
(E-PABA)

Methylparaben
(MP)

M. W.

236.10151.17234.30122.12165.19152.15

ClogP*-5.540

1.394

1.950

1.885

1.932

1.557

pKaー

2.36

7.86

4.20

2.36

8.40

Drug

Ethyl
paraben(EP)

Propyl
PABA(P-PABA)

Propylparaben(PP)

Buthyl
PABA(B-PABA)

Buthylparaben
(BP)

M. W.

166.18179.22180.20193.24194.23

ClogP*

2.513

2.452

3.042

2.981

3.571

pKa
8.40
2.37
8.40
2.37
®
*Calculation by Chem Draw Ultra 12.2 (PerkinElmer informatics, Cambridge, U.S.A.)

8.40

Hydrophilic compounds : ClogP < 1

Lipophilic compounds : ClogP ≥ 1

Relationship between calculated skin conc. and observed skin conc.

1

1:1 correlation

P-PABA B-PABA
BA PP BPEP
ISDN
E-PABAMP
AMP LC M-PABA
ANP
CAF

0-1-2

EpiDopa

ISMN-3-4-5-5-4-3-2-1

01Log (calculated Css , tot /donor conc.)

Log (observed Css , ved /donor conc.)

Log (observed Css , tot /donor conc.)

Full-thickness skinViable epidermis and1:1 correlation
dermis
10-1Dopa-2
Epi

P-PABABA EP
ISDN
E-PABAMP
B-PABA
M-PABALCAMPBPPPANPCAF
ISMN-3-4-4-3-2-101Log (calculated Css , ved /donor conc.)

Data range: 122.12<M.W.<234.30, -5.54<ClogP<3.57

Mean ± S.E. (n = 4)

Ksc:1.0
Kved:1.0

35

80

30
252015105

⽣きた表⽪・真⽪深さ (cm)

4 h塗布、製剤を丁寧に取り除いた場合
⾓層中薬物濃度（ μg/mL)90

⽣きた表⽪・真⽪中薬物濃度（ μg/mL)

40⾓層深さ (cm)

7060504030
201012000

10000

0.01h
0.025h0.1h
0.25h
0.05h0.5h
1.0h
2.0h
4.0h
8.0h
12h24h

8000

6000

4000

2000

0024Time (h)6804812Time (h)

1620

24

1801601400.05h
0.25h
0.1h
0.5h
1.0h
2.0h
4.0h
8.0h
12h
24h

120
100
80
60
40
20

00.00050.001

0.001500

⽣きた表⽪・真⽪中薬物濃度（ μg/mL)

Psc: 5×10-7 cm/s
Pved: 2×10-5 cm/s

1.0%, 10 μL/cm2

⽣きた表⽪・真⽪中薬物濃度（ μg/mL)Time (h)Time (h)累積透過量（μg/cm2)

24 h塗布

⽣きた表⽪・真⽪中
薬物濃度（ μg/mL)

累積透過量（μg/cm2)

Ksc:1.0
Kved:1.0

⾓層中薬物濃度（ μg/mL)

Psc: 5×10-7 cm/s
Pved: 2×10-5 cm/s

1.0%, 10 μL/cm2

⾓層深さ (cm)0.002

000.012

0.024

0.036

0.048

⽣きた表⽪・真⽪深さ (cm)Method
Cosmetics EuropeのADME タスクフォースから報告されている論文データを引用
 化学物質の物理化学的パラメーターの算出

••
•
•
•
•
•

分子量（M.W.）
ClogP
HOMO
LUMO
HOMO-LUMO Gap
融点pKa••••

双極子モーメント
生成熱
電子親和力
イオン化エネルギー• Absolute hardness• 化学ポテンシャル

JMP proにて解析を実施した。

Material
Compound

M.W.

ClogP

2,4'-Dichloroacetophenone

189.042.7

2,4-Dinitrochlorobenzene

202.552.32,5-Diaminotoluene

122.17

0.6

Cinnamaldehyde

2-Acetylaminofluorene

223.27

3.3

Cinnamic acid

2-Ethylhexyl acrylate

184.27

3.8

2-Nitro-P-phenylenediamine
3-Methyl-3H-imidazo[4,5-f]quinolin2-amine
4-Amino-3-nitrophenol

153.140.5

154.12

0.9

4-Aminophenol

109.1304-Bromophenyl Isocyanate

198.023.4

4-Chloroaniline

127.571.9

4-Chlorobutyric acid122.55

0.6

4-Methylpentanoic acid116.16

1.4

4-Nitro-o-phenylenediamine

153.14

0.96-Methylcoumarin

160.17

1.8

Acetophenone

120.15

1.6AMP(Aminopyrine)

231.291ANP(Antipyrine)

188.23

0.4

B-PABA(Butyl 4-aminobenzoate)

193.242.9

BA(Benzoic acid)122.12

1.9

Basic Red 76

336.4

4.5

Benzophenone

182.22

3.4

Benzyl bromide

171.03

2.9

Benzylideneacetone146.192.1BP(Butylparaben)

194.23

3.6

198.22

1.5

CompoundCompound

M.W.

ClogP

234.34

2.3

M.W.

ClogP

Butyldiglycol

162.230.6

lidocaine

CAF(Caffeine)

194.19-0.1

M-PABA(Methyl 4-aminobenzoate)

151.161.4

132.16

1.9

Methyl methanesulfonate

110.13-0.4

148.162.1MP(Methylparaben)

152.15

2

Cinnamyl alcohol134.17

1.9Naphthalene128.17

3.3

Cyclophosphamide monohydrate

261.080.6

Nitrobenzene

123.11

1.9

169.18-1.2

Diethyl maleate

172.180.9

Norepinephrine

Dimethyl phthalate

194.18

1.6

P-PABA(propyl 4-aminobenzoate)

179.22

2.4

DOPA(Dopamine hydrochloride)153.18-1

p-Phenylenediamine

108.14-0.3

E-PABA(Ethyl 4-aminobenzoate)

165.191.9

p-Tolunitrile

117.152.4

EP(Ethylparaben)

166.17

2.5

PP(propylparaben)

180.2

3

Epi(Epinephrine)

183.2

-1.4

Resorcinol

110.110.8Ethylumbelliferone

190.192.3

Salicylic acid138.122.3

288.4

3.3Eugenol

164.2

2

Testosterone

Geraniol154.25

2.9

Thioglycolic acid

92.12

0.1

HC Red No.3

197.190.5

Tetramethyl thiuram disulfide

240.4

1.7

Hydrocortisone

362.5

1.6

Triclosan

289.5

5

Vanillin152.151.2hydroquinone

110.11

0.6

Ibuprofen

206.28

3.5

ISDN(Isosorbide dinitrate)

236.14

1.3

ISMN(Isosorbide mononitrate)

191.14-0.4

Isoeugenol

164.2

2.6

Ketoprofen

254.283.1

2.2

予測値𝐷exp

𝐶𝑙𝑜𝑔𝑃 2.40.5

論⽂値 log Dsc (cm2/s)

予測値𝑙𝑜𝑔𝐾
8.6 5.1 𝐶𝑙𝑜𝑔𝑃 1.3𝐿𝑈𝑀𝑂 𝐻𝑂𝑀𝑂𝑔𝑎𝑝 2.5 10 𝑚𝑒𝑙𝑡𝑖𝑛𝑔 𝑝𝑜𝑖𝑛𝑡
0.51𝑑𝑖𝑝𝑜𝑙𝑒 𝑚𝑜𝑚𝑒𝑛𝑡 2.0𝑐ℎ𝑒𝑚𝑖𝑐𝑎𝑙 𝑝𝑜𝑡𝑒𝑛𝑡𝑖𝑎𝑙 2.3 𝐿𝑈𝑀𝑂 𝐻𝑂𝑀𝑂𝑔𝑎𝑝
𝑐ℎ𝑒𝑚𝑖𝑐𝑎𝑙 𝑝𝑜𝑡𝑒𝑛𝑡𝑖𝑎𝑙 5.0
1.8 10 𝑚𝑒𝑙𝑡𝑖𝑛𝑔 𝑝𝑜𝑖𝑛𝑡 67
𝐻𝑏𝑜𝑛𝑑 𝑑𝑜𝑛𝑜𝑟 0.63
-5-9-8.5-8-7.5-7-6.5-6-5.5-6.5-7-7.5-8

予測値 log Dsc (cm2/s)-6

予測値 log Ksc-9.5-8.5-9

予測値 log Dsc = 1.0×実測値 log Dsc + 0.6
R² = 0.76

予測値 logKsc = 0.76×実測値log Ksc + 1.0
R² = 0.76-9.5

論⽂値 log Ksc

論⽂値 log Psc (cm/s)

0-3-2.5-2-1.5-1-0.5

0-0.5-1.5-2-2.5
予測値 log Psc (cm/s)=1.1×論⽂値 log Psc +0.59
R2=0.52-3

予測値 log Psc (cm/s)-1

Future plan
各パラメータの予測モデルの構築後
水基材からの化学物質の皮膚透過性および吸収性に関して、予測モデルの妥当性を検証する
予測モデルの妥当性に関しては、OECD皮膚吸収性試験ガイドライン及びガイダンス作成にするにあたり、実施された試験を収集したデータベースEDETOX database (https://apps.ncl.ac.uk/edetox/)を用いる。

EDETOX database

水基剤からの透過データ 154
種々基剤を含む透過データ 1657