表皮電位を指標とした皮膚バリア光治療法の時空間的評価
東京都立大学システムデザイン学部機械システム工学科

阿部結奈

As the involvement of epidermal keratinocytes in signal transduction triggered by various external stimuli attracts
attention, red light irradiation has been suggested to promote the recovery process of skin barrier disorder. For its practicalapplication as a therapy, further elucidation of the underlying mechanism and the optimum parameter of the stimuli isneeded. In this study, transepidermal potential difference (TEP), the electrical voltage generated across the epidermal tissue,
was utilized as a measurement indicator to evaluate the integrity of the skin barrier. TEP can be measured by a simple
system with a pair of reference electrodes connected to the top and bottom of the tissue via salt bridges. The potential
difference is derived from the localization of ions in the epithelial tissue, and the disturbance of normal distribution causedby damage to the skin structure decreases the potential difference. Skin specimens extracted from hairless mice were used
for ex vivo measurement. The specimens showed ca. -6 mV of TEP and promoted recovery of TEP by red light irradiation
after the barrier destruction by acetone. The acceleration of recovery varied depending on the radiance and the durationof the stimulation. Higher radiance showed better recovery even in short duration, but it seemed to have a “window” formaximizing the therapeutic effect and avoiding the toxic effect of high-intensity light. Then, continuous TEP measurement
was carried out to observe the acute response to the irradiation. Hydrogel salt bridges composed of polyvinyl alcohol wereshown as a promising material to avoid excessive hydration of the tissue during the measurement. This method will enable
the in situ evaluation for elucidating the therapeutic effect of the light stimuli and its safe application.

１．緒

することから，バリアの定量評価指標として活用できる可言

能性がある 10）．一般的なバリア評価指標である経皮水分

表皮ケラチノサイトは，角層を主体とする構造的な皮膚蒸散量と比較すると，TEP は皮膚組織の内部状態を反映

バリアを形成する一方，近年では侵害受容や温度感覚等，するため計測雰囲気の影響を受けにくく，オンデマンドで様々な外的刺激の伝達に関与していることが明らかになりの評価が可能となると期待できる．既報 11）では，ブタ皮つつある 1 , 2）．光刺激もまた表皮によって受容されること

膚切片の ex vivo モデルを用いて，実験的なバリア破壊にが示唆されている．表皮細胞には光受容分子オプシンが発より TEP が減弱し再び回復すること，適切な条件での赤3）現しており ，可視光周辺の波長域の光が，メラニン産生，

色光照射が TEP の回復を促進すること等を観察した．本

創傷治癒，コラーゲン産生等のプロセスを調節する働きを研究では，赤色光によるバリア治療法の確立に向けた基礎

4）5）

持つことが知られている ．本研究では，先行研究 で報的検討として，赤色光刺激の条件による回復効果の評価を告された赤色光の皮膚バリア回復促進効果に着目した．こ試みた．

の効果には網膜度と類似した光受容経路の関与が示唆さ

２．方れ 6），細胞レベルでは細胞形態の改善やタンパク質発現量の増大が観察されている 7）．

法

計測対象としてヘアレスマウス皮膚切片（株式会社星野2+

ここで，表皮組織内にはイオンの局在が生じ，Ca な

試験動物飼育所，ラボスキン）を用いた．これは体毛を持

どの濃度差が細胞増殖や分化のシグナルとして働くことたないヘアレスマウス成体（Hos: HR- 1）の背部全層皮膚8）が知られている ．このような濃度差により，組織の厚であり，摘出後は凍結せずに氷冷状態で輸送し，実験まで

み方向には表皮電位（transepidermal potential difference,

4 ℃で保管したのち，実験直前に培養液（gibco，DMEM，

TEP）と呼ばれる電位差が生まれ，その大きさはヒト皮膚フェノールレッド不含）を含む濾紙に載せて室温に戻した．

では部位により数十 mV 程度に達する 9）．TEP の値は皮膚TEP 計 測 系 は 既 報 9 , 12）を 参 考 に， 図 1 に 示 す 形 に 組 みバリアの機能不全（イオン分布の変化を伴う）により減弱立てた．リンゲル液（大塚製薬）に 4 wt% のアガロース（ フ ナ コ シ，Agarose Ⅰ ）を 溶 解 し， シ リ コ ー ン チ ュ ーブ（AS ONE，ラボランチューブ，内径 3 mm）に充填しSpatiotemporal Evaluation of Light
Treatment for Skin Barrier Based on
Transepidermal Potential Differenceてゲル化させ，塩橋とした．電気化学アナライザ（BAS，
AL 7082 E，開回路電圧測定モード）の 2 つの測定端子にそれぞれ Ag/AgCl 参照電極（イーシーフロンティア，RE-

Yuina Abe

1 B）を接続した．2 つの電極はそれぞれ飽和 KCl 溶液に浸Tokyo Metropolitan University

し，さらに塩橋で皮膚切片と接続した．ここで，一方の塩− 76 −

表皮電位を指標とした皮膚バリア光治療法の時空間的評価

2 . 2 . 赤色光照射による TEP 変化の観察
まず 2 . 1 . と同様に，皮膚切片の表皮側で計測対象点を決め，TEP を 60 秒間計測した．その後アセトン処理を行
い，再び TEP を 60 秒間計測し，電位差の大きさが初期値の 40 - 80 % となったことを確認した．
つづいて計測対象点に赤色光を照射し，各条件を比較した．照度条件の比較のため，放射照度を 10，20，40 mW/
cm 2 の 3 段階に設定し，各サンプルに 60 分間の照射を行った．このとき，照射開始から 20 分ごとにTEPを計測した．
また，放射照度を 20 mW/cm 2 に固定したうえで照射の持続時間を 5 分，1 分および 1 秒に変更し，照射直後および照射終了後の TEP を計測した．すべての条件で照射開始
図 1 皮膚切片 TEP 計測系模式図．電圧計の両端子に参照
電極を接続し，さらに表皮組織までを電解液（飽和 KCl，
リンゲル液，培養液，皮膚切片内組織液）
で接続した．

から 10 分後，20 分後に計測を行った．
また，光の効果の空間的な広がりについても検討した．放射照度を 20 mW/cm 2 に，持続時間を 20 分に設定
し，光照射点からの距離が異なる 3 点の計測対象点をと橋は表皮（角層）側の計測対象点に直接接触させ，もう一って，照射開始から 20 分ごとに TEP を計測した．距離は

方は培養液を含んだ濾紙を通じて真皮側と電気的に接続し0 mm（光照射点直下），10 mm，20 mm とした．このとき，た．この系は表皮（角層）と真皮との間に生じる電位差を計

アセトン処理の領域は 3 つの計測対象点すべてが収まるよ

測するが，真皮内に電位差が発生しないことは先行研究 9）おう，10 × 30 mm に広げた．

よび以前の報告 13），本研究の予備実験により確認済であり，計測された値は表皮組織の厚み（深さ）方向に沿う電位差2 . 3 . PVA ゲルを用いた TEP 連続計測の検討に等しいとみなすことができる．

比較的短時間に起きる TEP 変化のモニタリングをめざ

光照射系は既報 11）と同様とした．白色 LED 光源（林時し，連続計測の検討を行った．ここで，アセトン処理を

計工業，LA-HDF 5010）に赤色フィルター（林時計工業，

施したヘアレスマウス皮膚の表面を覆い，水分の蒸発を妨げ

R- 60 φ 22 . 5 mm）とライトガイド（林時計工業，LGC 1 -ると，角層脂質の回復が阻害されることが報告されている 14）．

3 L 1000）を取り付け，赤色光源として用いた．ライトガイ

本計測系は塩橋内の電解液を介して電圧計と皮膚切片を接ド先端を対象に近づけ，直径 8 mm 程度の円形の領域に赤続するため，測定中は計測対象点が湿潤状態に保たれ，回色光が照射されるよう調整した．光パワーセンサ（日置電機，復を阻害する可能性がある．この影響について確認するた

Optical Power Meter 3664，Optical Sensor 9743）で放射

め，測定対象点を 20 × 20 × 1 mm のゲル塩橋シートで覆照度を確認し，LED 光源の出力を目的の照度に合わせた．

い，この上から光を照射して 10 分ごとに TEP を計測した．
光の放射照度は 20 mW/cm 2 に，持続時間は 10 分に設定

2 . 1 . ヘアレスマウス皮膚切片の TEP 計測

し，照射終了と同時にゲル塩橋シートを除去した．シート

皮膚切片の表皮側で計測対象点を決め，この点におけるの材料として，従来用いてきたアガロースゲルと，PVA

TEPを 60 秒間計測した．サンプリング周期は 0.1 秒とした．

クライオゲルの 2 種類を比較した．PVA クライオゲルは，

60 秒間の計測値から平均を算出し，TEP の初期値とした．

25 % ジメチルスルホキシド水溶液に PVA（Moiwol® 28 -

計測後，計測対象点を中心とした 10 mm 角の範囲を，ア99，Sigma-Aldrich）15 wt% を加熱溶解し，凍結・融解のセトン（富士フィルム和光純薬）を含ませた綿棒で拭くこ

サイクルを 3 回繰り返すことで作成し 15），純水中で洗浄とで脱脂し，実験的にバリア機能不全状態を模擬した．こしたのち溶媒をリンゲル液に置換したものを用いた．

のとき，表皮組織の機械的損傷を最小限に抑えるため，綿また，皮膚切片に直接触れるチューブ充填のゲル塩橋を棒は皮膚切片表面を軽く転がすように操作した．1 分間静PVA クライオゲルに変え，1 時間の連続計測を行った．計

置し，アセトンを揮発させた．

測開始から 60 秒後に光照射を開始し，計測終了まで照射

計測対象点の TEP を再度 60 秒間計測した．ここで，を続けた．

TEP が初期値の 40 - 80 ％となったことを確認した．これ

３．結

より値が大きかった場合は，40 - 80 % になるまでアセトン処理を繰り返した．値が 40 % 未満となった場合は計測を中止し，この切片のデータを除外した．

果

図 2 にヘアレスマウス皮膚片の TEP 計測結果を示す．
計測開始当初の状態では，各サンプルは皮膚表面（角層）− 77 −

コスメトロジー研究報告 Vol. 32, 2024

側が負になる - 6 mV 前後の電位差を示した．電位差の極塗布による脱脂処理を施すと，TEP は - 2 . 2 mV から - 3 . 4の報告と一致し，また電位差mV 程度の値にまで減少した．先行研究 16）では，本研究結の大きさはヘアレスマウス皮膚の ex vivo 16）および既報 13）

果より TEP 初期値の小さい（- 4 mV 程度）皮膚切片に対しにおける in vivo 計測結果の中間程度であった．アセトンてテープストリッピングによる皮膚バリア破壊処理を施し性の向きは各先行研究

9 , 13 , 16）たところ，2 mV 程度の電位差減少が観察された．ここで，TEP の値は部位により異なることが報告されている 9）ため，以降の検討では各計測点における当初の TEP の値を
100 % として算出した変化率に基づき，電位差変動の傾向を比較した．アセトン処理による変動幅については先行研
究 16）を参考に，本研究では当初 TEP 値の 40 - 80 % に減少
したサンプルを以降の実験に使用可能であると判断した．
図 3（a）-（c）に光照射時の TEP 計測結果を示す．なお，
データの一部は図 2 の結果と同一のものである．脱脂処理
により，TEP の値は平均して当初値の 60 % 程度にまで減少した．その後，TEP の値は多くのサンプルで増大し元の水準に近づいたが，光照射の条件により回復の程度は異なった．
図 2 マウス皮膚切片の TEP 初期値，およびアセトン脱脂後のTEP．

放 射 照 度 の 条 件 に つ い て 比 較 す る と（ 図 3（a）），10
mW/cm 2 および 20 mW/cm 2 では，光を照射しない場合

図 3 赤色光照射による TEP 変化．（a）赤色光を持続時間 60
min，10-40 mW/cm2 の異なる放射照度で照射した場合．（b）
赤色光を放射照度 20mW/cm2，1 sec-5 min の異なる持続時間で照射した場合．
（c）赤色光を放射照度 20 mW/cm2，および持続時間 20min で照射した場合の，照射点からの距離
0-20 mm における TEP 変化．エラーバーはすべて標準誤差．
特記なき場合 n = 3．

− 78 −

表皮電位を指標とした皮膚バリア光治療法の時空間的評価に比べて TEP 値の回復が早まり，また，その効果は 20
2た光エネルギーの密度（放射照度と持続時間の積，フルエ

mW/cm の条件のほうがより大きかった．一方，さらにンス）に対して単調な相関関係を示さなかった．放射照度

放射照度が大きい 40 mW/cm 2 では，回復の程度は光を照については 20 mW/cm 2 における回復効果が最も大きく，射しない場合とほぼ同等であった．

また，持続時間については 1 分間程度でも，60 分間の連照射の持続時間について比較すると（図 3（b）），1 min

続照射に近い回復効果がみられた．

お よ び 5 min の 条 件 で は， 照 射 開 始 後 20 分 ま で に， い

本研究以前に実施した，家畜ブタの皮膚片を用いた実験 11）ずれの場合も最大で 100 % 程度にまで TEP が回復した．

では，放射照度が大きいほどより大きな回復促進効果がみ

1 sec では，回復促進的な効果はほとんどみられなかった．

られたものの，光源装置の最大照度（40 mW/cm 2）を超え

照射点から空間的に離れた点での回復については（図 3

る条件については検討できなかった．ブタ皮膚において（c）），照射点直下の距離 0 mm の点と距離 10 mm の点が，も，さらに放射照度が大きい条件では回復効果が小さくな

特に照射終了直後の 20 min の時点において同様の回復傾る傾向がみられた可能性がある．またフルエンスを考慮す向を示した．距離 20 mm の点，および光を照射しなかっると，40 mW/cm 2 の照度で 10 分間の照射を行った場合にた点では回復がほとんどみられなかった．なお，この実

は TEP が初期値に近いレベルまで回復した一方，フルエ

験では他の実験に比して全体的に TEP 回復が小さい傾向

ンスで勝る 26 mW/cm 2・60 分間の照射では十分に回復しがみられ，すべての条件で光照射終了後，時間経過に伴いないサンプルが多かった．本研究の結果と照らし合わせる

TEP が減少していった．推測される原因については後述する．

と，光による TEP 値回復促進効果はエネルギー量依存的

図 4（a）（b）に PVA ハイドロゲル塩橋を用いた TEP 連に現れるものではなく，短時間であっても適切な照度の光

続計測の検討結果を示す．

を当て，治療的効果を誘起するプロセスがより重要である

ハイドロゲル被覆の影響を比較すると（図 4（a）），いずと推測される．

れの条件でも 10 分間の被覆・光照射の直後に，TEP の値

関連する研究例として，赤色 LED 照射によるマウス皮は初期値の 20 % 程度にまで減少した．ゲルを除去した後，膚の創傷治癒促進法に関し，フルエンスが同一となる複数

アガロースゲルで被覆したサンプルの回復は平均で 45 %の条件で比較が行われた 17）．この研究では，照度 8 mW/

程度にとどまったが，PVA ゲルで被覆したサンプルは平cm 2 程度の光を約 600 秒 / 日で露光する条件でもっとも治均で 90 % 程度にまで回復した．

療効果が高く，他の照度・時間の条件では効果が小さかっ

PVA ゲル塩橋を用いて光照射中の TEP 連続計測を行た．治癒プロセスに関与する細胞の代謝や増殖を促進するったところ（図 4（b））
，計測開始時に 40 % 程度であったには一定以上の照度の光が必要である一方，過剰な刺激はTEP 変化率は，3600 秒時点で約 83 % にまで回復した．

有害な効果をもたらし治癒促進を妨げたと推測された．本４．考研究でみられた TEP 回復効果の傾向についても，同様の察機序によって説明がつく可能性がある．

光照射による TEP 値回復促進効果は，皮膚が受け取っ

また，既報 11）のブタ皮膚切片を用いた実験と，本研究

図 4 PVA ハイドロゲル塩橋を用いた TEP 連続計測の検討．
（a）ハイドロゲルで被覆しながら光を照射した場合の TEP 値変化．n=3．
エラーバーは標準偏差．薄赤色で塗りつぶした領域は被覆・光照射の期間を表す．
（b）PVA ハイドロゲル塩橋を用いた TEP 変化の連続計測．

− 79 −

コスメトロジー研究報告 Vol. 32, 2024のマウス皮膚切片を用いた実験では，最も効果が高いとみ

続計測では 10 分程度で回復が頭打ちになる比較的早い変られる光刺激の強度が異なった．ブタ皮膚切片は少なくと化がみられたことを考慮すると，塩橋の影響は依然として

2

も 40 mW/cm 以上の光による刺激を必要とした一方，マ

無視できない水準にある．TEP は十分に大きな内部抵抗

ウス皮膚切片ではこれより小さい 20 mW/cm の照度でよを持つ計測器により開回路電圧として計測するため，回路り大きな回復促進効果がみられた．本研究ではこの差異のの電気抵抗値の増大はある程度許容でき，したがって電解原因特定に至らなかったものの，両者の皮膚構造の違いが液の接触をさらに減らす余地がある．今後，生体親和性と重要な要因であると考えられる．例えば，ブタ皮膚の各組

良好な水和特性を兼ね備えた塩橋担体を検討し，組織のイ

2織の厚さはヒト皮膚に近いとされして 100 µm 程度

18），表皮の厚さは平均

オン動態を攪乱しない連続計測を実現したい．

11）

である一方，本研究で用いたへアレス

５．総

マウス HR- 1 の表皮の厚さは 10 µm 以下であった 19）．こ括のような差異は生理的特性・光学的特性の差異につながり，本研究では，表皮バリアの健全性に伴って変わる TEP

結果としてそれぞれ異なる光感受性を示したものと推測での値を指標として，ヘアレスマウス皮膚切片における赤色

きる．

光の皮膚バリア回復促進効果の評価を試みた．既報 11）のさらに，光照射点から離れた点での計測結果から，光刺ブタ皮膚切片を用いた検討の結果からは，放射照度が大き激による TEP 回復促進効果は照射点の中心から 10 mm 程

いほど回復促進効果も大きいことが示唆されたが，本研究度離れた点にまで伝播することが示唆された．ブタ皮膚切では最大照度の条件で効果の減弱がみられ，刺激に一定の片を用いた既報 11）においては，回復効果は距離 20 mm の有効域があることが示唆された．表皮組織の構造は生物種

点にまで広がったとみられる結果が得られており，この差だけでなく，解剖学的部位や環境，年齢等によって異なる

異も皮膚構造の違いによるものと推測される．なお，このため，光刺激に対する感受性も変動することが予測される．

実験ではすべての条件で TEP 値の減少がみられたが，こしたがって治療法としての確立に向けては，治療効果を個れは同一の皮膚切片上に計測対象点を 3 点とり，アセトン

別に確認してパラメータを至適範囲に調整することが重要処理によるバリア破壊の面積が他の実験の 3 倍となったこであり，TEP のようなオンデマンドに利用できるリアルとが組織への負荷を増大させたためであると考えられ，既タイム評価指標が有用である．In vivo での TEP 計測に向報 11）でも同様の傾向が観察された．効果の伝播に関しては，

けては既にウェアラブルデバイスのプロトタイプを開発済

先行研究

20）

において表皮組織内の生細胞に局所的なレーザー刺激を印加し，周囲の細胞で一過的な Ca 2 + 濃度の上みであり 21），外的刺激機能と組み合わせた新たな皮膚ヘ
ルスケアへのアプローチ開拓が期待される．

昇が観察された例があり，バリア破壊への応答や外的刺激のシグナル伝達との関連が推測されている．光による刺激

謝の効果も，表皮内イオン分布の変化などを介して空間的に伝播した可能性が考えられる．

辞本研究の遂行にあたり，ご支援を賜りました公益財団法人コーセーコスメトロジー研究財団に心より御礼申し上げ

光刺激による回復促進メカニズムの解明や，最適な刺激

ます．

条件の探索のために，TEP を指標としたリアルタイム評

また多大なご助言とご協力をいただきました東北大学

価が有用であると期待できる．先述の通り，本研究で用い西澤松彦教授，辰井裕希氏をはじめとする研究室の皆様にた TEP 計測系では，皮膚切片サンプルがゲル塩橋内の溶深く感謝申し上げます．

媒（電解液）を介して接続されるため，計測中に皮膚が水和しバリア回復が妨げられる可能性があった．本研究では，（引用文献）

生体親和性が高いゲル材料としてアガロースと PVA の２

1） Sadler K E, Moehring F, Stucky C L. Keratinocytes

種類を比較し，PVA ゲルでより TEP 回復阻害効果が小さ

contribute to normal cold and heat sensation. Elife 9,

くなることを確認した．PVA ゲルは柔軟性に優れ，アガ

1‒14（2020）

ロースゲルより高分子の割合が大きい（含水率が低い）配2） Talagas M, Lebonvallet N, Berthod F, Misery L.

合で十分なハンドリング性を示したため，皮膚に影響をLifting the veil on the keratinocyte contribution to

与えにくい塩橋材料の有力な候補となる．本研究ではこの

cutaneous nociception. Protein Cell 11, 239‒250（2020）

PVA 塩橋を用い，光刺激によって TEP 値が回復する様子

3） Suh S, Choi E H, Atanaskova Mesinkovska N.

を観測することに成功したが，その回復は非連続計測の結The expression of opsins in the human skin and its

果と比較すると遅い傾向にあった．塩橋による皮膚表面のimplications for photobiomodulation: A Systematic

閉塞および水分供給の阻害的効果は小さく，光照射の回復

Review. Photodermatol. Photoimmunol. Photomed. 36,

促進効果のほうが支配的であったとみられるものの，非連329‒338（2020）− 80 −

表皮電位を指標とした皮膚バリア光治療法の時空間的評価

Vitro and During the Wound Healing Process In Vivo.

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