テラヘルツ分光で切り拓く角質中に必要な水の “質” の解明
理化学研究所生命医科学研究センター

白神慧一郎

Although the moisture content in the skin is of major interest in cosmetology and dermatology, the roles and functions ofwater are yet to be understood at a molecular level. Over more than half a century, physicochemical and biophysical studies
have emphasized the importance of hydration water that surrounds biological macromolecules to prompt their native functions,but such a “quality” of water has been overlooked in biological samples due to experimental difficulty in characterizing thefree/hydration water content in vivo. To settle this issue, in this study we constructed a homebuilt terahertz time-domain
attenuated total reflection spectroscopy system and developed a theoretical algorithm to derive the depth profile of free waterin living skin. Our results showed that the free water content in the stratum corneum of a hairless mouse is kept at particularly
low level, but applying pure water and a cosmetic lotion substantially increases the population of free water albeit temporarily.
Interestingly, the cosmetic lotion (sekkisei) was found to have a greater ability in retaining free water for a longer period,compared to pure water.

１．緒

通常の水（自由水またはバルク水）とは異なる挙動を示すよ

言うになった水分子を水和水（または結合水や生体水）と呼び，“Water is life's matter and matrix, mother and medium.

水和水は様々な高分子の機能発現や自己組織化に積極的にThere is no life without water.” ─ 1937 年にノーベル生関与していることが見出されている．このことは，自由水理学賞を受賞した Szent-Györgyi 博士が語ったように，水／水和水という “質”的に異なる水の状態が生命機能を織りは生命を維持する媒質として古くから重要性が認識されてなす場として機能していることを示唆しており，皮膚表皮

1）いた ．水の中で誕生した生命が約 3 億 6 千万年前に陸上内においても “量” にとどまらず水の “質” の観点から議論すに進出して以降，気相環境に適応できる体表面の上皮構造ることで保湿の本質的理解に至れる可能性がある．の変化が進んだことで 2），我々ヒト表皮の最外殻に位置す

しかし細胞や組織中では数多の物質が不均一に分布するる角質層は体内の乾燥を防ぐ最後の砦として身体内の恒常複雑環境であることから，生体中における自由水／水和水

3）性を維持する役割を担っている ．またそれと同時に，角の質的評価を行った例は報告されていなかった．周波数

質層の保湿は健全な皮膚機能を維持するために不可欠であ

0 . 1～10 THz（1011 ～1013 Hz）で定義されるテラヘルツ波はるため，適当量の水を供給・保持することで柔軟性に富ん近年の技術発展が著しい電磁波帯であり，可視光に比べてだ美しい肌を保つことが化粧品製剤のもつ大きな意義とな1000 倍以上も光子エネルギーが小さい安全な光として生3）っている ．そのため，これまでに角層内に存在する水や物を対象とした応用開拓が進められている．テラヘルツ波角質層から受動的に拡散喪失する水の “量” を評価する技術のもつエネルギーは自由水のピコ秒揺らぎと一致するため，によって保湿状態が定義されてきたものの，角層水分量とテラヘルツ帯の分光スペクトルは自由水の動的状態を直接経皮水分蒸散量の間に整合性が認められない例も報告され的に反映する一方で，水和水や生体高分子の吸収は自由水

4）ており ，これは水の “量” 的観点だけでは不十分であるこに比べて圧倒的に小さいため，テラヘルツ帯は自由水のみとを示唆している．

を選択的に観測できる電磁波帯であることが近年明らかに- 12）秒という極めて短い時間スなってきた．そこで本研究では，皮膚表皮中の水の自由水ケールで絶えず揺らぎ続けている一方で，タンパク質のよ／水和水評価に向けたテラヘルツ測定系を構築し，化粧水

うな生体分子の表面に位置する水分子は界面に特有の作用が皮膚表皮中の水の“質”に及ぼす影響の定量評価を行った．

液体の水分子はピコ（10を受けることでその動態が著しく遅くなることが明らかに２．方なっている 5）．このように生体分子の束縛を受けることで，法吸収の大きい試料のスペクトルを測定する手法として，サブ波長程度の深さに局在するエバネッセント光と＂Quality” of water in stratum corneum
investigated with terahertz spectroscopy
Keiichiro Shiraga
RIKEN Center for Integrative MedicalSciences

試料の相互作用を観測する全反射減衰（Attenuated totalreflection, ATR）測定は赤外分光で広く用いられている．
エバネッセント光の電場強度はプリズムからの距離に応じて指数関数的に減少し，光強度が 1 ⁄ e 2 に減衰する深さ dpは周波数 ν の関数として− 33 −

コスメトロジー研究報告 Vol. 28, 2020d（ν）=pc+ εpsin2 θ−ε'（ν）[（εp sin2 θ−ε'（ν））2 +ε''（ν）2（]−1 （1））√2 πνで与えられる 6 , 7）．ここで，c : 真空中の光の速度，θ : 入射角，TD-ATR 測定を実施した．なお，塗布物の中に含まれる自由水の影響を把握するために，THz TD-ATR 分光で純水と化粧水（雪肌精）のテラヘルツ帯スペクトルも測定した．

εp : ATR プリズムの誘電率実部であり，測定試料の複素誘３．結果および考察電率を ε（̃ ν）= ε'（ν）−ί ε''（ν）としている．ATR 分光はテラヘルツ帯で大きな吸収をもつ水の分光測定においても高い３．
１．化粧水中の水和状態評価実用性が報告されており，高抵抗シリコン単結晶（εp= 11 . 7）

本研究で構築した THz TD-ATR 系を用いて純水と化粧をプリズムに用いると周波数 ν = 1 THz では dp ≈ 25 μm と水を測定した結果を図 1 左に示す．どちらの試料にも共通なる．この深さは角層厚みと同程度であるため，テラヘルして，バックグラウンド測定（試料がない場合）に比べてツ帯の ATR 分光では角層中の自由水を選択的に観測できテラヘルツパルスの振幅が減少し，またピーク位置が後方ると期待される．そこで本研究では，中心波長 780 nm のに遅延していることが認められる．これは，全反射時にエフェムト秒ファイバーレーザー（FemtoFErb 780 , トプテ

バネッセント光として試料内部にもぐり込んだテラヘルツィカフォトニクス株式会社）を励起光に用いてダイポール波が試料と相互作用し，吸収や位相遅延が起きていること型光伝導アンテナ（G 10620 - 11，浜松ホトニクス株式会社）を表している．また純水（図中青色実線）と化粧水（赤色実でテラヘルツパルスの発生・検出を行う全反射減衰テラ線）を比較すると，特に吸収に由来する振幅減少は化粧水

ヘルツ時間領域（Terahertz time-domain attenuated totalに比べて純水の方でより顕著であった．緒言で述べたよう

reflection, THz TD-ATR）
分光測定系を構築した 8）．にテラヘルツ波は試料中の自由水とのみ相互作用するこ本手法では ATR プリズム近傍に局在する近接場の分光とを鑑みれば，化粧水中には水以外にも様々な基剤が含ま情報を得るため，本研究では高い密着性を期待してヘアれているうえ，一部の水分子は水和水としてそれらの基剤レスマウスの腹部（20 × 30 mm）を対象として THz TD-を取り巻いているため，自由水のみからなる純水に比べてATR 測定を行った．実験に使用したマウスは顆粒層 SG 1

テラヘルツ波の吸収が小さくなっていると考えられる．次で 特 異 的 に 発 現 す る Skin aspartic protease 遺 伝 子 を ヘに，THz TD-ATR 測定で得たテラヘルツパルスの電場波テロで有するヘアレスマウスであり，電気伝導率測定計

形を Fourier 変換し，吸収の大きさを表す複素誘電率の虚ASA-M 3（日本アッシュ株式会社）を用いた予備測定では部（誘電損失スペクトル，ε''（ν））を求めた結果を図 1 右に野生型と同程度の角層水分量をもつことがわかっている．

示す．純水の誘電損失スペクトル ε''（ν）は 0 . 2 ~ 3 . 0 THz のそこで，全身麻酔を投与したマウスの左腹部と右腹部をそ周波数領域において単調減少する傾向が認められたが，これぞれ交互に 3 回ずつ測定を行い，その平均値を定常状態

れは本測定帯域が～20 GHz に位置する自由水の巨大な吸のマウスの測定値，そして標準誤差を測定の不確かさとみ収ピークの高周波裾野に対応していることに起因する．赤なした．また，その後にマウスの左腹部と右腹部に純水と外分光や核磁気共鳴とは異なり明瞭なピーク構造が見られ化粧水（薬用雪肌精，株式会社コーセー）をそれぞれ 1 mLず特徴に欠けるスペクトルであるように思えるが，この吸ずつ塗布し，その 1 分後に表面の残留成分を軽く拭き取っ

収の大きさそのものがピコ秒の時間スケールで揺らぐ自由てから左腹部（純水）→右腹部（化粧水）→ 左 →…と左右交水の量を反映している．また図 1 右では，化粧水も純水と互に 3 回ずつ測定を行い，塗布後 1 分目と 11 分目に THz類似したスペクトル形状を示しているが，これはテラヘル

図1 （左）THz TD-ATR測定で得られたテラヘルツパルスの電場波形．挿入図はパルスピーク付近の拡大図．
（右）32℃における純水と化粧水（雪肌精）の誘電損失スペクトル．

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テラヘルツ分光で切り拓く角質中に必要な水の “質” の解明

ツ帯では化粧品基剤に特有の吸収ピークが現れず，化粧水在深さ dp が周波数 νに依存していることが原因に挙げられ中の自由水だけが誘電損失スペクトル ε''（ν）に寄与している．式（1）を用いて実際にエバネッセント光の局在深さ d（ν）
pることを表している．したがって，純水に対する化粧水のを計算すると，ν = 0 . 5 THz では dp= 50 . 0 µm，ν = 1 . 0 THz

吸収の比率は化粧水中に含まれる自由水量比に他ならず，では dp= 25 . 6 µm，ν = 2 . 0 THz では dp= 12 . 5 µm となり，高本 THz TD-ATR 測定ではその値が 66 . 1±0 . 05 % である

周波側では局在深さが小さい，すなわちマウス表皮の浅いと見積もられた．しかしこの値は，赤外領域に見られる領域のみを観測していることが理解できる．したがって，

H-O-H変角振動ピーク強度から推定した水分量比（89.9%）

周波数ごとに（マウス）／（純水）の吸収比率が異なるというよりも有意に小さい．ここで，H-O-H 変角振動は化粧水

結果は，マウス表皮内の深さ方向における自由水量の勾配中に含まれる全ての水分子（自由水＋水和水）を観測していを反映していると考えられる．

るのに対し，テラヘルツ帯の誘電損失スペクトル ε''（ν）に吸収の大きい媒質の ATR 分光を行ったとき，プリズムは自由水しか寄与を及ぼしていないため，そもそも同一の表面から深さ z までの領域が全体の吸収に占める寄与率水を見ているわけではない．ここで両水分量比を比較する

C0z はと，化粧水中ではその差分に相当する 23 . 8 %（= 89 . 9 −66 . 1）の水分子が水和水となりテラヘルツ波と相互作用しC 0（ν）
= 1−exp（−zなくなっていることがわかる．

で与えられる 6 , 7）．そのため，詳細は省くが式（1）
および
（2）

３．
２．定常状態におけるマウス皮膚中の自由水量評価（図 2 左）からマウス皮膚中における自由水量の深さプロフ

上記の解析手法は自由水のみがテラヘルツ帯の吸収に寄ァイルを求めることができる．その結果，図 2 右に示すよ与していることを前提としているが，これまでの研究では

うにヘアレスマウス皮膚表層 10 µm から 15 µm にかけて自水以外の角質構成成分がテラヘルツ帯でほとんど吸収を示

由水量が急激に増加し，その後 50 µm までなだらかな増加さないことが報告されている．そのため純水や化粧水に限を経てさらに深い領域では約 30 % で一定に達しているこらず，ヘアレスマウスの誘電損失スペクトル ε''（ν）から角とがわかった．

2z）
d（ν）
p（2）

を用いた理論解析計算を行うことで，誘電損失スペクトル

質層内の自由水量を定量解析することも可能であると考えこれまで角層水分量は静電容量や導電率を測定する電気られる．そこで，塗布物を適用する前に測定した定常状的手法や共焦点ラマン分光を用いた評価が行われてきた態のマウス皮膚の THz TD-ATR 測定結果を図 2 左に示す．

が，これらの測定方法では原理的に自由水と水和水を識別

ヘアレスマウスの誘電損失スペクトル ε''（ν）は純水のそれすることができないため，それらの総和（全水量）を出力値と類似した形状を示しているものの，その値は非常に小さとして得ている．ここで，3300 cm- 1 付近に位置する OHいことがわかった．また，挿入図に示すように純水に対す伸縮共焦点ラマンスペクトルを用いてヒト前腕の全水量プるマウスの吸収比率は周波数依存性があり，周波数の増加

ロファイルを求めた先行研究結果 9）も図 2 右に示す．今回に応じて自由水量が減少している傾向が見出された．周波の THz TD-ATR 測定ではヘアレスマウス腹部を測定して数ごとに自由水量が異なるという結果には違和感を感じるいるため両者の定量的な比較は困難であるが，共焦点ラマが，これは式（1）で記述したようにエバネッセント光の局ン分光で得た全水量がどの深さにおいても自由水量を大き

図2 （左）純水とヘアレスマウス腹部の誘電損失スペクトル．挿入図は純水に対するヘアレスマウスの誘電損失の比．
（右）マウス腹部におけるバルク水量の深さプロファイル．参照用データとしてヒト前腕の共焦点ラマン
測定結果9）も示している．

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コスメトロジー研究報告 Vol. 28, 2020

く上回っていることが定性的に理解できる．全水量と自由由水量が有意に高いレベルに保たれていることが見出され水量の差は水和水量に相当するため，図 2 右に示した両プた．ここで自由水量の増加割合を評価するために，定常状ロットの差は皮膚表皮内に存在する水和水の量を反映する．

態（塗布前）に対する塗布後の自由水量の比に相当する “相概して言えば，20 µm 以下ではバルク水に対して水和水の対自由水量” の深さプロファイルを求めた結果を図 3 右に割合が特に多いのに対し，20 µm を超えるとバルク水の割示す．1 分後の時点では純水塗布と化粧水塗布で酷似した合が徐々に増えて，深さ 50 µm では水和水：バルク水の比相対自由水量のプロファイルを示し，角質層（深さ 20 µm率がおよそ 3：2 程度に収束している．上述のように，こ以下）では一時的に自由水量がおよそ 3 倍にまで増加する

こでは異なる皮膚試料を比較しているため厳密な議論を行ものの，観測領域が深くなるにつれて自由水量の相対値がうことはできないものの，本結果は顆粒層より深部に存在1 . 5 倍程度に収束していることがわかる（化粧水におけるする生細胞中では細胞内水の約 6 割程度が水和水として存深さ 10 µm の異常値は皮膚表面でふき取れずに残留してい在しているのに対し，角質層中では自由水割合がさらに減た化粧水の影響であると考えられる）．また純水・化粧水

少して相対的に水和水の比率が高くなっていることを示唆

塗布に共通して，塗布直後 1 分目の時点において 50 µm よしている．生体分子に束縛されている水和水に対して自由り深い領域で相対自由水量が 50 % も増えているというこ水の方が高い蒸気圧を示すことを鑑みれば，タイトジャンとは，皮膚表面に晒された自由水は角質層のバリアをくぐクションの外側に位置する角質層内では気化を妨げるバリり抜けて急速に深部へ到達していることを示唆している．
塗布直後には純水と化粧水が同様の自由水量プロファイアが存在しないため自由水量が低下するという傾向は直感

ルを示すものの，その 10 分後には両者の間に有意な差が的にも納得できるものである．

認められる．純水塗布時には相対自由水量が 1，すなわち３．３．純水・化粧水塗布後におけるマウス皮膚中の自由水量評価（i）塗布した水が蒸発によって失われたこと，また（ii）塗布次に，定常状態のヘアレスマウスに純水と化粧水（雪肌した水が水和水に変化したこと，の 2 点が考えられる．た精）をそれぞれ 1 mL ずつ塗布したときの自由水量変化を図だし THz TD-ATR 測定と並行して実施した電気伝導率塗布前の定常状態にまで戻っているが，この原因としては

3 右に示す．塗布後 1 分目の時点では，純水（上段）と化粧測定では，塗布前（5 . 8 ± 2 . 3 µS）と塗布後 11 分目（5 . 8 ±水（下段）ともに著しい自由水量の増加が認められ，その影0 . 8 µS）で全水量に有意差が見られないという結果が得ら

響は特に表面付近で顕著であった．しかし塗布後 11 分経れていることを踏まえれば，可能性（ii）は排除でき，塗布過では，純水を塗布したマウス皮膚中の自由水量が塗布直した水が全て蒸発したという（i）のシナリオが妥当である

前と同程度まで減少しているのに対し，化粧水塗布では自と考えられる．その一方で，化粧水を塗布した場合は深さ

図3 （左）マウス腹部におけるバルク水量の深さプロファイルと塗布後の経時変化．上段：水を適用した場合，下段：化粧水を適用した場合．
（右）塗布前に対するバルク水量の相対比．

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テラヘルツ分光で切り拓く角質中に必要な水の “質” の解明にかかわらず一様に相対自由水量が 50 % 程度増加してい本研究を助成対象課題として採択していただいた公益財団ることが見出された．化粧水中の約 1 / 3 は自由水ではな

法人コーセーコスメトロジー研究財団に深謝申し上げます．

い成分（溶質基剤ならびに水和水）で占められているにもかかわらず，純水に比べて化粧水の方がより高い “自由水の1） 上平恒 , 多田羅恒雄 ,「水の分子生理」メディカル・サ

保湿能力”を有していることは非常に興味深い．

４．総（引用文献）
イエンス・インターナショナル（1998）．

括2） 松井毅 , 陸上脊椎動物の皮膚の適応進化と内在性レト
ロウイルス . ウイルス , 66, 31-38,（2016）．

本研究では THz TD-ATR 測定を用いて皮膚表皮内の“自由水” 深さプロファイルを定量的に評価することに成功

3） 安部隆 , 皮膚と水 . 油化学 , 34, 413-419,（1985）．

した．ヘアレスマウスを用いた実証実験では，角質層内の4） T. Matsui et al., SASPase regulates stratum corneum

水の大半は水和水として存在し，自由水の比率は低い値にhydration through profilaggrin-to-filaggrin processing.

保たれていることが明らかになった．また，皮膚に純水とEMBO Mol. Med. 3, 320-333,（2011）．

化粧水（雪肌精）を塗布すると，適用直後は両者ともに特5） B. Baguchi, Water dynamics in the hydration layerに皮膚表面で自由水量が著しく増加したのに対し，化粧around proteins and micelles. Chem. Rev. 1 0 5, 3 1 9 7-

水塗布の場合のみ 10 分以上経過した時点でも効果的に “自3219,（2005）．

由水の保湿” が行われていることが見出された．これまで

6） N. J. Harrick, Electric field strengths at totally

水溶液レベルでは示差走査熱量測定（Differential scanningreflecting interfaces. J. Opt. Soc. Am. 5 5, 8 5 1-8 5 7,calorimetry, DSC）などを用いて実験的に自由水／水和水（1965）．の割合を評価する研究は行われていたが，in vivo で水の7） K. Ohta and R. Iwamoto, Experimental proof of the“質” を評価する研究はほとんど行われていなかった．そのrelation between thickness of the probed surface layer

ため，生体侵襲性の低いテラヘルツ波を用いて in vivo でand absorbance in FT-IR/ATR spectroscopy. Appl.

皮膚中の自由水量を求めるという本技術は従来の水分量評

Spectrosc. 39, 418-425,（1985）．

価技術とは一線を画していると考えられる．今後は共焦点

8） M. Nagai et al., Terahertz time-domain attenuated

ラマン分光などを用いた全水量測定との融合を図りつつ，

total reflection spectroscopy in water and biological

THz TD-ATR 測定系の最適化を進めることで本質的な意

solution. Int. J. Infrared Milli. Waves 2 7, 5 0 5-5 1 5,

味で保湿の重要性を明らかにすることができる可能性があ（2006）．

ると期待している．

9） S. Bielfeldt et al., Assessment of human stratum
corneum thickness and its barrier properties by in-謝辞

vivo confocal Raman spectroscopy. IFSCC Magazine

本研究の実施にあたって技術的な御指導，御協力をいた
だいた松井毅博士と横尾里佳氏に感謝申し上げます．また，− 37 −

12, 9 -15,（2009）．