マイクロビーム X 線を用いた毛髪キューティクル中の細胞膜複合体構造の解析
太田 昇
八木直人
八田一郎

要旨

財団法人高輝度光科学研究センター〒6795198 兵庫県佐用郡佐用町光都 111

財団法人高輝度光科学研究センター〒6795198 兵庫県佐用郡佐用町光都 111

財団法人高輝度光科学研究センター〒6795198 兵庫県佐用郡佐用町光都 111

福井工業大学工学部原子力技術応用工学科〒9108505 福井県福井市学園 361

高密度なマイクロビーム X 線を用いた小角回折実験は，複雑な構造体を含む試料から目的の構造体の散乱だけを観測できるので，数ミクロン厚の毛髪キューティクル中の細胞膜複合体（CMC）構造を調べる強力なツールとなる。
CMC は，b 層，d 層および b 層の 3 層構造で形成されている。CMC の b 層および d 層の厚さを見積もるための定量的な解析法を提案する。

1. はじめに放射光施設が 20 世紀後半に登場し，高い指向性および高い輝度の X 線が利用できるようになった。さらに第三世代放射光施設によりミクロンオーダーの X 線ビーム径が得られるようになり，局所領域の回折実験に用いられるようになった（マイクロビーム X 線回折）。これは，細い高密度な X 線ビームを目的とする微細領域だけに照射すれば，その他の構造体による散乱を抑えられ，質の良いデータが得られるためである。毛髪に限れば， X 線回折は20世紀前半にはすでに行われていた。毛髪束，1 本の毛髪，毛髪の局所構造のように微小領域からの散乱を得る工夫がなされてきた歴史といってもいい。マイクロビーム

X 線を用いた毛髪キューティクルからの散乱実験はその典型であろう。今回，主としてその解析と応用について解説する。
Fig. 1

2. 毛髪の X 線回折

A typical X-ray diŠraction proˆle of cortex. Inset: schematic
diagram of hair and X-ray.

哺乳類の毛は直径10 ～250 mm であり，アジア系のヒトmm である1)。毛髪の大部分はコル中間径フィラメントと呼ばれる繊維を形成するが，それらテックスと呼ばれる組織から成り，ここでは分化した多角の繊維間距離に相当する回折ピークが縦方向（ Fig. 1 の q形の細胞が毛軸方向（毛の伸びる方向）に伸びている。細＝0°，赤道方向と呼ぶ）に強く表れる4)。毛髪中心付近に毛髪では直径45～125

胞内部ではハード a ケラチン分子が毛軸に沿って配列し位置するメデュラは，ケラチン繊維の無い部分で，脂質なており，階層的な充てん構造が形成されている2)。毛髪のどで満たされていることが多い。これは毛軸に沿って存在

機械的性質はこのコルテックス部で決まっている3)。コルしたりしなかったりする。これらのメデュラおよびコルテテックスの X 線回折プロファイルを Fig. 1 に示す。これックスの構造は，キューティクルと呼ばれる扁平化した細は，Fig. 1 の挿入図に示すように毛軸をほぼ水平にして記胞の積み重なりで被われている。これは，内部構造を守る録したものである。ケラチン分子は 24 から 32 本集まってために存在していると考えられる。キューティクルの X

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(C) 2006 The Japanese Society for Synchrotron Radiation Research小角散乱特集 ■ マイクロビーム X 線を用いた毛髪キューティクル中の細胞膜複合体構造の解析

Fig. 3Fig. 2A typical X-ray diŠraction proˆle of cuticle. Inset: schematic
diagram of hair and X-ray.

Schematic diagram of the cross section of rat whisker and. Cut, Cor and Md
four regions denoted by I, II, III and III′indicate cuticle, cortex and medulla, respectively.

ルとコルテックス（Cor ）の，コルテックスのおよびに分離できる。得ら
コルテックスとメデュラ（Md）の′れた回折像の 1 枚 1 枚から特定の散乱角における円周に沿った強度プロファイルを切り出す。そのプロファイルに線回折プロファイルを Fig. 2 に示す。これは水平に置いた対してピーク形状をローレンツ関数と仮定して解析を行っ毛髪のエッジ領域にマイクロビーム X 線を照射して得らた 。 Fig. 1 お よ び Fig. 2 の Q ＝ ( 4p / l ) sin ( 2u / 2 ) ＝ 0.70

れたもので，キューティクル細胞は水平方向へ広がり垂直(nm－1) の点線で示される散乱角は，中間径フィラメント方向に積み重なっている。キューティクル細胞は毛根から間距離に由来する散乱ピークと，キューティクルの 2 番の傾きを持っており，鱗状に張付い毛先に向かって 2～3°目のピークが観察される領域である。 l (＝ 0.08 nm ) は Xた外観をもつ（Fig. 11 挿入図にキューティクル細胞を模式

線の波長， 2u は散乱角である。 Fig. 4 には強度， Fig. 5 に化した）。毛髪を手に取り 2 本の指で毛根から毛先に向かは赤道方向ピークからの傾きと広がり（半値全幅ってしごいてみると，その逆方向のしごきよりも抵抗が小（FWHM））をそれぞれ示す。Fig. 4 では領域，では比

さいためにキューティクルの存在と方向性を感じることが較的強い強度ピークを形成しており，領域，，′でできる。回折像においても，キューティクル（ Fig. 2 ）とは比較的強度が弱いことがわかる。また，領域および異なるコルテックス（ Fig. 1 ）の散乱ピークの傾きは約 3 °′の境界を明確に区別することは難しいが，領域′ではことが分かる。要約すると，毛髪は中心からメデュラ，コ凹の強度変化があるように見える。 Fig. 5 の傾きと半値全ルテックス，キューティクルと配置されており，キューテ

あるいは約－ 3 °に反射が幅の測定では，領域では約 3 °ィクルとコルテックスは散乱プロファイルおよびその配向傾いており，半値全幅は狭い。領域，，′へ移動す角度によって区別できる。に近づき，かつ半値全幅が広がっるに従い，傾き角が 0 °ている。キューティクルとコルテックスの境界（領域）

3. マイクロビーム X 線を用いた毛髪スキャン

では，半値全幅の広いコルテックスの散乱が半値全幅の狭いキューティクルの散乱と重なるために，コルテックスからの寄与が入ると半値全幅は傾き角よりも敏感に変化す

高密度 X 線を持った SPring-8 の BL40XU5) では，直径5 mm のピンホールを光路上に置くことで高フラックスのマイクロビーム X 線が得られる6)。ラットの髭を水平方向る。したがって，キューティクルとコルテックスの区別には半値全幅が重要となる。
キューティクルの散乱がどの領域で見られるか，つまりに固定し，毛髪外から毛髪中心に向かい，さらに毛髪外にどれほど内部の散乱に影響を及ぼしているかを見るために，向かって 2 mm ステップで垂直に動かした。この髭は薄白Q ＝0.94 (nm－1) の円周上の強度プロファイルの解析結果

色透明であり，光学顕微鏡下でメデュラの空間が毛軸に沿を Fig. 6 に示す。この散乱角はキューティクルにおける 3って連続的 に存在する ことを確認 できる。ラ ットの髭番目の強度ピーク位置（ Fig. 1 ）にあたるが，コルテック

は，Fig. 3 に示すようにマイクロビーム X 線回折によってスでは目立った散乱ピークは得られない領域である（ Fig.

4 つの領域，キューティクル（ Cut ）の，キューティク2 ）。 Fig. 6 は，ローレンツ関数で解析した結果を示す。領

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域，で強度ピークを形成している点は Fig. 4 と同様であるが，その内部の領域，′では強度変化は平坦である。したがって，との境界が区別でき，キューティク
ルとコルテックスの散乱が重なって観察される領域が明瞭に識別できる。これらの円周上の強度プロファイルに対する解析によって，毛髪の回折像は 4 つの種類（，，および′）に分けられると解釈できる。

Fig. 3 に ， 上 述 の 4 つ の 領 域 と 毛 髪 中 の メ デ ュ ラ（Md），コルテックス（Cor）およびキューティクル（Cut）の関係の模式図を示した。Fig. 4 において，毛髪外側からX 線が毛髪内に入ると，まず X 線ビームが通過する部分のキューティクルの体積が増えるために散乱強度が増える。毛髪中心へ向かうとキューティクルの体積は若干減る
Fig. 4

Peak intensity (closed circle) estimated in an intensity proˆlealong a ring of Q＝0.70 nm －1 at each scanning position of z.

が，キューティクルの散乱強度が減る主な理由は，下述のようなキューティクルの構造から，回折条件を満たせない部分の割合が増えるためであろう。 X 線とキューティク
以上傾くと，散乱条件ル面が平行な角度からおおよそ35 °を満たすキューティクルは殆んどなくなる。キューティク
ルは一様な構造体ではなく，方向性を持っているため，特定の方向から X 線を照射しないと回折が生じないのである。キューティクルの解析においては，コルテックスからの散乱の影響がない散乱像を用いなければならない。したがって，マイクロビーム X 線を用いてキューティクルのみの回折像を得て解析するためには，領域で最も強い強度を得ることが必要な条件と考えている。
一方，コルテックスに関しては常に回折条件を満たすので，透過する X 線上のコルテックスの体積が主に散乱強度に寄与するとみなすことができる。例えば， Fig. 4 の領域で散乱強度が増えるのは X 線ビームが通過する部分

Fig. 5

Tilt angle (open circle, see q of Fig. 1) and FWHM (line) ofan equatorial peak from cuticle estimated in an intensity proˆle along a ring of Q＝0.70 nm －1 at each scanning positionof z.の体積増加が原因であり，領域′で凹型の強度分布になるのはコルテックスの体積が空洞のメデュラによって減少するためであると解釈できる。実際，このようなコルテックスをドーナツ型のモデルを用い X 線にビームが通過する領域の体積計算することによって，強度変化と同様の変化が得られる。これら領域および′では，前述のようにキューティクルの明確なスポットは観察されないが，キューティクルはごく僅かであるが X 線の吸収等には寄与すると考えられる。
領域および′の位置で得られた回折像（Fig. 1 ）で，の範囲で扇毛軸に垂直な方向（赤道方向）に沿って±11 °状に平均積算したプロファイルの解析結果を Fig. 7 およびFig. 8 に示す。コルテックス領域から得られた 2 つのピー
ク位置とその半値全幅を Fig. 7 に， 2 つのピークのピーク
強度を Fig. 8 に示す。 Fig. 7 の Q ＝ 1.3 nm－1 のピークのプ
ロットの近くにあるは，領域′のところどころ見られる脂質に由来する散乱である（Fig. 8 では)7)。しかしながら，領域′では X 線の光路上に毛髪のメデュラ，コルFig. 6

Peak intensity (closed triangle) in an intensity proˆle along aring of Q＝0.94 nm－ 1 at each scanning position of z.

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テックス，キューティクルおよびキューティクル表面が存在し，脂質がどの領域に存在していたかを特定することは

小角散乱特集 ■ マイクロビーム X 線を用いた毛髪キューティクル中の細胞膜複合体構造の解析

は Q ＝ 0.7 nm－1 （）および Q ＝ 1.3 nm－1 （）は，どちらもコルテックスの体積変化にしたがって同様に変化している。毛髪外側において， Q ＝ 1.3 nm－1 の強度（ Fig. 8の）が Q ＝0.7 nm－1 の強度（Fig. 8 の）に比べて顕著に減少することはなく，かつ，目立った半値全幅の増大もな い 。し た がっ て ，ラ ッ ト の髭 の 場合 ， これ ら 2 つ のピークは異なる階層構造，つまり中間径フィラメント間距離に由来する散乱と，その内部構造（コイルドコイル構造を持つ a ケラチン分子が 2 本合わさってプロトフィラメントを作り，これが 6 ～8 本集まって中間径フィラメントを形成している4)）に由来する散乱とに分けて解析することが必要である。
Fig. 7

Peak positions (open symbols) and FWHM (line) of two equatorial peaks observed from cortex at each scanning position of z.

4. キューティクルの構造解析
キューティクル以外の部分からの散乱が最も少ない回折像（Fig. 2）では，赤道線上19.0 nm (Q＝0.33 nm－1), 9.7nm (Q＝0.65 nm－1), 6.48 nm (Q＝0.97 nm－1), 4.89 nm(Q ＝1.28 nm－1) の位置に回折ピークが見られる。このキューティクルの散乱プロファイルを解析するために，キューティクル中の内部構造モデル6,9)を示す。
キューティクルは，動物種によってさまざまな厚さをもつ。メリノウールでは 1 層ほどしかないが，ヒトにおいては約500 nm の厚さの扁平な角化細胞が約 10層積み重なっている。ヒトの角質細胞の場合，電子顕微鏡写真では表面がうねっており，厚さのばらつきも大きい。扁平化した
厚さ500 nm の角化細胞間は細胞膜複合体（CMC）と呼ばれ，電子顕微鏡観察では特徴的な 3 層構造を形成していることが知られている。3 層の中心層は，約15 nm 厚で，主に親水的なタンパク質で形成されており d 層と呼ばれFig. 8

Peak intensities (closed symbols) of two equatorial peaks
observed from cortex at each scanning position of z.ている。この d 層の両側に，脂肪酸や極性脂質の他に細胞側のタンパク質と化学的に結合する脂質を含む脂質層があり， b 層と呼ばれ，それぞれ約 5 nm の厚さがある。したがって，電子顕微鏡観察で CMC は25 nm ほどの厚さと難しい。ヒト毛髪の場合では，メデュラ領域に脂質が多く見積れる。その他に電子顕微鏡では，エキソキューティク

分布していると報告されている8) 。ラットの髭の場合にル（扁平細胞の外側半分），エンドキューティクル（扁平は，クロロフォルムメタノール（＝ 2  1 ）溶液で長時細胞の内側半分）， A レイヤー（ CMC のエキソキューテ

間超音波洗浄してもこの脂質の散乱が得られたので， X

ィクル側 70 nm ）， i レイヤー（ CMC のエンドキューティ

線回折で解析される脂質がキューティクル表面にある可能クル側の数 nm ）などが観察されている。キューティクル性は低いと我々は考えている。

から得られた回折像には，これらすべての構造情報が含ま

この脂質以外の a ケラチンの階層構造にも触れてみよう。 Q ＝0.7 nm－1 の散乱ピーク位置（ Fig. 7 の）は外側ほど散乱角が小さくなり，中間径フィラメント間距離が増れるが，回折ピークには脂質とタンパク質による層状でかつ高い電子密度差をもつ CMC 構造が主に寄与すると考えられる。

加していることが分かる。この領域において，Fig. 5 ではこのような構造情報から CMC の解析モデルを立てた。

よりずれている。したがって，毛髪外側ほど傾き角が 0 ° 個々の CMC 構造は同じ構造である。
 約500
要点は，の外側ほど中間径フィラメントが傾いているために，中間nm の細胞を隔てた CMC 構造間において干渉効果は生じ径フィラメント間距離が広がっていると解釈できる。一方，

 CMC は Fig. 9 に示すような脂質とタンパク質のない。

Q ＝ 1.3 nm－1 の幅広い散乱ピーク位置（ Fig. 7 の）は外電子密度分布を持つ。これらの仮定のもとに計算された散側でも殆んど変化していない。Fig. 8 の強度分布に関して

乱プロファイルが Fig. 10 の青線である。ただし，CMC 以

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Fig. 10

Intensity given by I(Q)Q4 as a function of Q for a ratwhisker.

5. 産業応用
Fig. 9(a) Schematic diagram of the cross section of the cell membrane complex composed of b, d and b layers, and outer bulk
part composed of the cuticle cells in the centrosymmetricstructure. (b) Electron density proˆles, r(x), of the cell
membrane complex structure.

Fig. 11 は，毛髪の内部構造とその機能および対象となる毛髪処理についてまとめたものである。メデュラは，空洞であったり脂質が充てんされていたりすることによって可視光の反射に関係し，毛髪のツヤといった見た目の影響について考察されている3)。コルテックスに関しては，機械的強度があるために毛髪の形状に影響を及ぼしている。ま外の構造に関しては等方的な散乱を与えるバックグラウン

た，メラニンが分布しており，可視光の散乱吸収効果によドとみなしている。実際， Fig. 2 において特定の散乱角にって毛髪の色に影響がある。毛髪表面は摩擦や毛髪間の静対する円周上の強度プロファイルは，CMC の散乱ピーク電的相互作用を生じる部分である。洗髪はその表面状態を以外は平坦であった。したがって，CMC 構造を解析する変えるので，毛髪の感触を改善するシャンプーやリンスなための散乱のバックグラウンドとしては，同じ散乱像でキどの成分が検討されている。このように多彩な毛髪の機能ューティクルの散乱以外の領域の散乱を平均積算して用いに対して，化粧品を中心とした産業応用を考える場合，Xている。そのように差し引いた CMC のプロファイルは線回折が得意とすることは分子レベルの集合体構造の解析

Fig. 10 ので示されている。この散乱プロファイルと理であり，マイクロビーム X 線によってその空間分布を知論プロファイルを比較すると，ピークの頂点位置は一致しることができる。この手法は，本来の毛髪構造に与える化ているが，溝の深さについては再現していない。電子顕微

粧品の影響を考察する手段ともなるが，その対象となるも鏡写真において CMC の b 層および d 層の厚さにばらつきのはヒト毛髪であろう。ここで示した CMC 構造解析はラが見られるが，それを考慮していないために散乱プロファットの髭に関する研究であるが，ヒト毛髪においても同等イルの溝の深さが浅くなると考えられる。そこで，CMCの散乱プロファイルが得られるので，ヒト毛髪へ応用できの b 層および d 層と仮定した場合のプロファイルを Fig. 10る。の緑線で表している。この理論プロファイルでは，溝を含キューティクル中の CMC を介して毛髪内部への物質のめて散乱プロファイルを再現していることが分かる。ここ拡散透過が行われており（Fig. 11 挿入図の青矢印は，扁では， b 層の厚さ，d 層の厚さ， b 層および d 層のばらつ平細胞間（ CMC の d 層）の透過経路を示す），実際，透き は ， そ れ ぞ れ 3.34 nm, 15.72 nm, 0.39 nm お よ び 1.15

過能を溶剤処理によって変化させたときに b 層d 層の厚nm であると見積もることができた。電子顕微鏡観察ではみをマイクロビーム X 線回折から見積もると，染色量とd 層および b 層の厚さが見積もられているが，それだけでd 層の厚さの間に密接な関係が高いことが分かった10)。まなく，染色をせずに直接 d 層および b 層の厚さおよびそた，実際の処方（パーマネントウェーブ，ヘアダイ，トれぞれの層厚のばらつきを含めて解析できることを示してリートメント等）を想定した溶液中における CMC 構造解いる。

析も行われている11) 。このような物質の浸透メカニズムの解明が，浸透効果に優れたパーマ剤等の製品開発につな

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Fig. 11

Schematic diagram of the cross section, functions and treatments of hair. Inset: longitudinal section of haircuticle.

がる応用研究になるであろう。
4)

6. おわりに5)

X 線回折を用いた計測では，電子顕微鏡観察とは異なり，様々な外部条件下で毛髪を分子レベルで直接観察が行える。しかしながら毛髪の構造は複雑であり，得られた情報を十分に解析することができなければ，内にかくれている物質の浸透などのメカニズムを明らかにできない。毛髪6)7)8)に興味をもつ広い分野の研究者の積極的な取り組みを期待
9)

したい。

10 )

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● 著者紹介 ●太田昇

財団法人 高輝度光科学研究センター
協力研究員
E-mail: noboru_o＠spring8.or.jp
専門X 線回折［略歴］
2003年より現職

八木直人
財団法人 高輝度光科学研究センター
主席研究員
E-mail: yagi＠spring8.or.jp
専門非結晶 X 線回折［略歴］
1975 年東京大学物理工学科卒業， 1980年東北大学医学部助手， 1982 年医学博士， 1990 年東北大学医学部講師， 1997
年より現職

八田一郎
福井工業大学JASRI/SPring-8
E-mail: hatta＠fukui-ut.ac.jp;
hatta＠spring8.or.jp
専門生物物理学［略歴］
1967 年 3 月東京工業大学大学院理工学研究科 博士課程修了（物理学専攻），理学博士， 1967 年 4 月東京工業大学理学部物理学科助手， 1976 年 4 月名古屋大学工学部応用物理学科助教授， 1985
年 10 月名古屋大学工学部応用物理学科教授，2002年 3 月名古屋大学名誉教授，
2002 年 4 月福井工業大学工学部教授，
財 高輝度光科学研究セン
2006 年 8 月 ター コーディネーター 兼務

Structural analysis of cell membrane complex ofhair cuticle by micro-beam X-rayNoboru OHTA
Naoto YAGIIchiro HATTA

Japan Synchrotron Radiation Research Institute (JASRI),
111 Kouto, Sayo, 6795198 Japan
Japan Synchrotron Radiation Research Institute (JASRI),
111 Kouto, Sayo, 6795198 Japan
Japan Synchrotron Radiation Research Institute (JASRI),
111 Kouto, Sayo, 6795198 Japan
Faculty of Engineering, Fukui University of Technology,361 Gakuen, Fukui, 9108505 Japan

Abstract Small-angle diŠraction experiment using high-‰ux microbeam X-ray is a powerful tool to investigate cell-membrane-complex structures in hair cuticle with micron-order thickness without interference fromother hair structures. The cell membrane complex structure in the hair cuticle is composed of three layers, thatis, b-, d- and b-layers. We proposed a quantitative analysis to estimate the thickness of b and d layers in the cellmembrane complex.

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