脂質エマルション表面単分子膜とリポソーム表面２分子膜の示す顕著なバイオ機能の差異 ── 血漿アポリポ蛋白質の認識について──
京都大学大学院

薬学研究科

半哲

田郎

Triacylglyceride (TG)/phosphatidylcholine (PC) -emulsions and PC-vesicles are protein-free models for TG-rich plasma
lipoproteins and biological membranes, respectively. Both have been utilized for drug delivery systems. We have found that
PC monolayers of emulsion particles and PC bilayers of vesicles have different interfacial properties and metabolic fates inanimal plasma. In this study, plasma apolipoprotein binding to emulsion and vesicle particles are studied in terms of interaction
between amphiphilic helices of apolipoproteins and surface PC layers of the lipid particles, and the physiological relevance ofthe results is discussed. Binding amounts of apoC-2 and apoE to PC/TG-emulsions were about 10 times larger than those toPC-vesicles in plasma. Accordingly, the plasma-clearance of emulsions through apoE receptors was more rapid than vesicles
in rat. The maximum binding amount of the isolated apoA-1 was 4 times larger for emulsions than vesicles. Apolipoproteins
are thought to interact surface PC layers of lipid particles ,with the amphiphilic helices nestled between the PC head groups.
The different binding capacities between emulsions and vesicles are explained by the interaction of surface (PC) and core (TG)lipids. Although binding of apolipoproteins to surface PC layers may produce the packing defects, the penetration of TG into
the surface monolayers of emulsions could fill the packing defects, resulting the increased binding capacity.

１緒

シクル粒子への血漿アポリポ蛋白質選択的結合のメカニズ

言ムを考察する。特に、脂質表面膜の両親媒性構造とアポリトリグリセライド—rich な血漿リポ蛋白質、カイロミク

ポ蛋白質のヘリックスの両親媒性構造の適合性、表面膜のロン（Chylomicrons）や VLDL は脂質エマルションを基水和など、アポリポ蛋白質の選択制や活性化に重要な因子本構造としている。その代謝過程で種々の可溶性のアポリについて議論する。なお、本研究では、エマルションやベポ蛋白質の結合が変化し、これがトリグリセライドの分シクル粒子径を一定（約 100nm）に保って比較した。

解（リポリシス）やレセプターを経由した細胞取り込みを２調製すると考えられる１）。アポリポ蛋白質の脂質表面膜に実験

エマルションとリポソームの調製対する親和性は、リポ蛋白質のみならず人工のエマルショエマルションのコンの体内動態にも重要である。我々は、リポ蛋白質の代謝アを形成する中性脂質トリグリセライド（triolein, TO or

過程での脂質組成の変化が可溶性アポリポ蛋白質との親和TG）、またはコレステリルオレート（CO）を、エマルショ性を変化させ、その代謝を制御すると位置づけている。実ン表面単分子膜を構成する卵黄レシチン（PC）、あるいは際、エマルションを利用して、一部これを証明してきた

これとコレステロール（Chol）の混合物を（乳化剤として）２〜６）。２分子膜（リポソーム or ベシクル vesicles）とレシ用い、粒子径約 100nm のエマルションを調製した（高圧乳チン単分子膜（エマルション emulsions）は、それぞれ生化機：800 〜 1300 気圧）。共存するリポソームは超遠心法

体膜と動物血漿リポ蛋白質の蛋白質フリーモデルと考えらで取り除いた２）。リポソームは、PC あるいは PC—Chol 混れる（Fig. １参照）。単分子膜（monolayers）と２分子膜合物を水溶液に分散し、これを 100nm のポアを持つポリカ（bilayers）では、血漿アポリポ蛋白質 apoA—1、ApoC—II、ーボネート膜に押し出して調製した（Extrusion method）２）。

および apoE の結合性に著しい差異があり、これに応じて膜流動性の評価 エマルションのコアは蛍光プローブ 1,6

動物血漿中での代謝が変化する。また、膜へのコレステロ—diphenylhexatriene（DPH）で、表面 PC 膜はそのカチオールの添加も、apoA—1 の結合に対し単分子膜と２分子膜

ン性誘導体 TMADPH あるいはリン脂質誘導体 DPHpPC

では逆方向の効果を示す。これらの結果に、脂質粒子の表で、それぞれ標識し、蛍光異方性を測定して流動性を評価

面膜とコアの物理化学的研究をあわせ、エマルションとベした。また、ナノ秒時間分割蛍光異方性の測定も行った２、３）。
膜中の Chol の位置 蛍光性の Chol アナログ dehydro-

Distinct Plasma ApolipoproteinInteractions with Emulsion Monolayers
and Vesicle Bilayers

ergosterol（DHE）で Chol の一部を置き換え、水溶性の NaI

Tetsurou Handa

Chol のロケーション（メヂウムへの露出度）を評価した３）。

Graduate School of PharmaceuticalSciences, Kyoto University

で蛍光を消光し、これを解析して単分子膜と２分子膜中のアポリポ蛋白質の結合性

ヒト serum 中の apoC—II とapoE のエマルションとリポソームに対する（飽和）結合量を、１次元免疫拡散法によるアポリポ蛋白質定プレート−7−

Fig. １

TO-PC emulsions（PC momolayers）and PC liposomes（PC bilayers）

Fig. ２

apoC-II and apoE binding to emulsions and vesicles in human serumを用いて測定した３、４）。単離した apoA—1 や apoE の結合晶の CO に置き換えると、apoC—II と ApoE の結合量が減

等温線は、脂質粒子を分離する前後のメヂウム中のフリー少することも認められる。なお、ここで、apoC—II は血漿蛋白質を蛍光（tryptophan）分析して求めた５）。

リポ蛋白質（エマルション）コアの TG を加水分解する酵

ウイスター系ラット血中からの（蛍光脂質 cholesteryl

素 LPL の活性化因子（ペプチド）であり、apoE は、肝臓1-pyrene decanoate で標識した）脂質粒子の肝臓取り込み

実質細胞の LDL やレムナント（remnant）レセプターのによる消失（クリアランス）は、粒子投与後の血中の蛍光特異的リガンド蛋白質である３）。

脂質を追跡して評価した。

Fig. ３は、ラット血中に投与されたエマルションとベ

４、６）３シクルが肝臓の取り込みにより血漿中から消失される様結果と考察子を示す。粒子径は 100nm と同じであるが、TO/PC—

Fig. ２は、TO/PC—、CO/PC—、TO—CO/PC—emulsions

emulsions ＞ TO—CO/PC—emulsions ＞ CO/PC—emulsionsと PC—liposomes（vesicles）に対する、apoC—II と apoE＞ PC—vesicles の順に肝臓への移行が速い。この順序は、の serum 中での飽和結合量を示す。apoC—II と ApoE のFig. ２で示された apoE の結合性の順序と一致する７）。

結合量は、共にエマルション（PC 単分子膜）に比較してFig. ４は、エマルション表面 PC 単分子膜とコアの堅さベシクル（PC ２分子膜）では 10 分の１以下に低下していを、蛍光異方性をより評価した結果である。TO を CO でる。また、エマルションのコアの脂質を液体の TO から液置き換えるとコアの蛍光異方（すなわち、堅さ）は高くな−8−

脂質エマルション表 単分子膜とリポソーム表 ２分子膜の示す顕著なバイオ機能の差異——血漿アポリポ蛋白質の認識について——分子間に挿入されると考えられている。
Fig. ６に示すように、単離した apoA—1 もエマルションの PC 単分子膜の方が圧倒的に高い結合量を示した（右図）。また、
コアを液体の TO から液晶の CO の置き換えると、

５）

アポリポ蛋白質の結合量が減少した（左図）５）。アポリポ蛋白質の粒子への結合は、表面 PC 単分子膜上のイベントである。コア脂質はどのように関与するのであろう？
Fig. ７に、アポリポ蛋白質と PC 膜の相互作用の模式図を示す。アポリポ蛋白質の脂質結合部位は両親媒性の α—
helix である。PC 分子の臨界充填パラメータは約１、自発的曲率はほぼ０である８）。また、脂質粒子は 100nm なので、粒子表面は分子レベルでは平面と見なせる。血漿アポリポ蛋白質の両親媒性ヘリックスは、一般に、親水面が大き
Fig. ３

Clearance of emulsions and vesicles in rat blood

く親油面が小さい（親水性の高い）構造を持つので９）、表面膜に結合して＋の曲率（positive curvature）あるいはるが、PC 表面単分子膜の堅さは一定である 。それでは、＋の曲げ（positive bending）をもたらす。この膜の曲げコアの組成によりアポリポ蛋白質の表面膜結合性や（Fig.

は、表面エネルギーを高め２）、蛋白質を脱着させる方向に７）２）血中からの消失（Fig. ３）が変化するのはどのようなメカニズムによるのであろうか？

これを考察する前に、単離した apoA—1 のエマルションとベシクルへの結合性を見てみよう。
apoA—1 は、動物体内でコレステロールの代謝に重要な役割をはたしている。この蛋白質は Fig. ５に示されるように、７〜８本の両親媒性 α—ヘリックス（amphiphilichelices）から構成されており、水中ではこれらのヘリックスは球状蛋白質へと畳み込まれている。脂質粒子表面では、
apoA—1 の高次構造はほどけ、両親媒性ヘリックスは PC

Fig. ４

Fig. ５

Plasma apoA-1 in the unfolded state

Fluorescence anisotropy or rigidity of surface layer and core of emulsion particles−9−

Fig. ６

ApoA-1 binding to emulsion and vesicle particles作用する。エマルション（PC 単分子膜）はコアに中性脂質（親油性の TO）を有し、その表面膜への移動は−の曲げ（negative bending）を誘導し、蛋白結合による膜のフラストラションを緩和する。
コアを持たないベシクル（PC ２分子膜）では、このような曲げエネルギー低減効果は期待されない。また、エマルションのコアを液体の TO から液晶の CO に置き換えると、中性脂質の表面膜への移動が抑制され表面フラストラションの緩和も減弱する。
Fig. ８では、エマルションとベシクルへの apoA—1 の結合に対する Chol の効果を示す。TG—PC エマルション表面の PC 単分子膜へ Chol を 20mol％以上添加すると apoA—1の結合は減少する 。40mol％の Chol は蛋白結合量を半分５）Fig. ８Fig. ７ Interaction between amphiphilic helix of apolipoprotein and PC molecules at surface layer

Distinct effects of Chol on apoA-1 binding between emulsions and vesicles− 10 −

脂質エマルション表 単分子膜とリポソーム表 ２分子膜の示す顕著なバイオ機能の差異——
血漿アポリポ蛋白質の認識について——Fig. ９Chol in PC bilayrs and emulsion PC momolayersに減少する。一方、PC ベシクル２分子膜への Chol の添加は apoA—1 結合量を急増させる５）。40mol％の Chol は結合量を５倍にまで上昇させる。このように、エマルションとベシクルでは Chol の効果は逆転する。
Fig. ９で apoA—1 の結合に対する、エマルションとベシクルでの対照的な Chol の効果を考察しよう。エマル
ション表面の PC monolayers とベシクルの PC bilayers
中 の Chol の ご く 一 部 を、 蛍 光 性 の Chol ア ナ ロ グ、dehydroergosterol（DHE）で置き換える。水溶性の蛍光消光剤 NaI による膜中の DHE の消光実験の結果、DHE

Fig.10

ApoA-1 induced leakage of calcein out of vesicles（Chol）は PC bilayers では水溶液に接して存在するが（左下図）、PC monolayers では膜のより内側に取り込まれ、子膜からなる超分子構造（Fig. ７）の形成に Chol が重要

水溶性の消光剤に完全には曝されていない（右下図）こな役割をもっていると推定され、血漿中の Chol 代謝ともとがわかった 。ベシクルの PC ２分子膜はそれ自身のア関連して注目される。

３）

ポリポ蛋白質の結合容量は小さいが、自発的曲率が負の４Chol は−の曲げを表面に誘導し、蛋白質による膜の＋の曲げを相殺する。これにより、表面フラストラーションも４. １緩和され、アポリポ蛋白質結合容量が増大すると考えられ総括

エマルション表面の PC 単分子膜は、ベシクル２分子膜に比べアポリポ蛋白質の結合容量が大きい。TOる。

—PC エマルションは動物血中では PC ベシクルより速く

Fig.10 は、apoA—1 により誘起される蛍光色素 calceinのベシクル２分子膜からの漏出を示す。apoA—1 が外水（apoE レセプター経由で）肝に取り込まれる。
４. ２

エマルションコアの TO を CO に置き換えると、相にないとき、蛍光色素の漏れは認められない。動物血

アポリポ蛋白質の結合容量が低下し、動物血中での肝取漿中のフリー濃度に相当する 4μM apoA—1 により、PCり込も遅延する。

vesicle bilayers から急速に大量の蛍光色素が漏出する。

４. ３

アポリポ蛋白質の PC 表面膜結合は膜に＋の曲げ

PC bilayers に 40mo％の Chol を添加するとこの漏出は大をもたらす。TO—PC エマルションでは TO がコアから幅に抑制される。一方、apoA—1 の結合量は、Chol 含有表面膜へ移行して、表面膜に−の曲げを誘起しこれを打ベシクルのほうが PC のみのベシクルより５倍も大きい５）

ち消す。

（Fig. ８参照）。この結果より、アポロポ蛋白質と脂質２分

４. ４− 11 −

Chol は、アポリポ蛋白質の結合に関して、エマル

ション表面の PC 単分子膜とベシクル２分子膜で逆の効

Miyajima, J. Biol. Chem. 271 , 15515-15520（1996）

果を示す。PC ２分子膜では Chol は−の曲げを誘起して、４）I. Arimoto et al., Lipid 33 , 773-779（1998）; I.

アポリポ蛋白質の誘起する + の曲げを打ち消す。PC 単Arimoto, M. Fujita, H. Saito, T. Handa, K. Miyajima,

分子膜では Chol は膜とコアの境界に局在し、アポリポ

Colloid Polymer Sci. 275 , 60-66（1997）

蛋白質の結合容量を低下させる。
４. ５５）H. Saito, Y. Miyako, T. Handa, K. Miyajima, J. Lipid

また、エマルション表面にスフインゴミエリンを添加するとアポリポ蛋白質や TG を分解する LPL の結Res. 38 , 287-294（1997）６）T. Handa, Y. Eguchi, K. Miyajima, Pharm. Res.11 ,合性を低下し、その代謝に顕著に影響することも明らかになった。

1283-1287（1994）
７）Saito et al, J. Lipid Res , submitted.

10）８）A. Kabalnov et al., Langmuir, 12 , 276-292（1996）:（参考文献）

J. Colloid Interface Sci. 184 , 227-235（1996）１）例えば , A M. Gotto, Jr et al., Method Enzymol. 128 ,９）J. P. Segrest, D. W. Garber, C. G. Brouillette, S. C,

3-31（1986）

Harver, G. M. Anantharamaian, Adv. Protein Chem.45

２）H. Saito, K. Nishiwaki, S. Ito, T. Handa, K. Miyajima,Langmuir 11 , 3742-3747（1995）, 303-369（1994）10）I. Arimoto, H. Saito, Y. Kawashima, K. Miyajima, T.

３）H. Saito, T. Minamida, I. Arimoto, T. Handa, K.

− 12 −

Handa, J. Lipid Res. 39 ,143-151（1998）