プロリンとは…成分効果と毒性を解説

保湿
プロリン
[化粧品成分表示名称]
・プロリン

[医薬部外品表示名称]
・L-プロリン

化学構造的にイミノ基(>C=NH)とカルボキシル基(-COOH)をもつ双性イオン化合物(∗1)であり、中性アミノ酸のイミノ酸(∗2)に分類される分子量115.13の水溶性アミノ酸(∗3)です(文献2:1994)

∗1 双性イオン化合物とは、両性イオン化合物とも呼び、一つの分子内にプラス電荷とマイナス電荷の両方を持ち、全体としては中性イオンを示す化合物を指します。プロリンは電荷が全体として0となる(中性を示す)ときのpH(等電点)が6.30であることから(文献2:1994)、溶液のpHが6.30以下なら陽イオンに、6.30以上なら陰イオンとなります。

∗2 イミノ酸とは、分子中にイミノ基(>C=NH)とカルボキシル基(-COOH)の両方を含む有機化合物の一群です。

∗3 一般にアミノ基(-NH2)とカルボキシル基(-COOH)の両方の官能基をもつ有機化合物をアミノ酸と呼びますが、プロリンはアミノ基をもたず、代わりにアミノ基に類似したイミノ基(>C=NH)をもつイミノ酸です。アミノ酸は、アミノ基とカルボキシル基の割合によって中性アミノ酸、酸性アミノ酸、塩基性アミノ酸に分類され、プロリンは厳密にはアミノ酸ではないという議論もありますが、現時点ではアミノ酸として中性アミノ酸に分類されています。

ヒト皮膚におけるプロリンの主な役割は、以下の真皮の構造をみてもらうとわかりやすいと思いますが、

真皮の構造

真皮層において皮膚の弾力や水分保持を担う細胞外マトリックス構造を支えるコラーゲンを構成するアミノ酸のひとつとして機能しています。

コラーゲンは、以下のコラーゲン構造図をみてもらうとわかるように、

コラーゲンの構造

3本のペプチド鎖の3重らせん構造であり、それぞれのペプチド鎖は以下のように、

グリシン – アミノ酸X – アミノ酸Y

3種類のアミノ酸で構成されます(文献4:2010)

3種類のうち1つは必ずグリシンが存在するため、配列としては、

グリシン-アミノ酸X-アミノ酸Y-グリシン-アミノ酸X-アミノ酸Y-グリシン-アミノ酸X-アミノ酸Y

となり、人体においてはアミノ酸Xにプロリンが、アミノ酸Yにはヒドロキシプロリンが選択的に現れ(文献3:2010)、強固で弾力性に富むコラーゲン繊維を形成しています。

こういった背景からプロリンは高い保水性を有していますが、保水性において特徴的なのは、以下の表のように、

保湿成分 結合水量(g)
乳酸Na 2.5
プロリン 2.4
PCA-Na 2.1
グリセリン 1.9
ソルビトール 1.5

保湿剤の中でも天然保湿因子である乳酸Na、PCA-Naに並んで多量の結合水(∗4)を保持する性質であることから、温度や湿度の影響にほとんど関係なく水分を保持できることです(文献4:1993)

∗4 結合水とは、たんぱく質分子や親液コロイド粒子などの成分物質と強く結合している水分であり、純粋な水であれば0℃で凍るところ、角層中の水のうち33%は-40℃まで冷却しても凍らないのは、角層内に存在する水のうち約⅓が結合水であることに由来しています(文献5:1991)。

一般的な用途としては、医療分野においては水分や電解質などを点滴静注により投与するための輸液(点滴)に、食品分野においてアミノ酸バランスを改善した栄養強化食品などに、飼料分野においてはアミノ酸バランスを改善しタンパク効率を高めた畜産飼料・養鶏飼料などに汎用されています(文献6:1967;文献7:1982)

化粧品に配合される場合は、

これらの目的でスキンケア化粧品、ボディ&ハンドケア製品、シート&マスク製品、アウトバストリートメント製品、シャンプー製品、ヘアトリートメント製品、メイクアップ化粧品、クレンジング製品、洗顔料など様々な製品に使用されています。

角質層水分量増加による保湿作用

角質層水分量増加による保湿作用に関しては、まず前提知識として皮膚最外層である角質層の構造と役割および角質細胞におけるアミノ酸の役割について解説します。

直接外界に接する皮膚最外層である角質層は、以下の図のように、

角質層の構造

角質と角質の間を細胞間脂質で満たした、レンガとモルタルの関係と同様の構造となっており、この構造が保持されることによって、外界からの物理的あるいは化学的影響から身体を守り、かつ体内の水分が体外へ過剰に蒸散していくのを防ぐとともに一定の水分を保持する役割を担っています(文献8:1990;文献9:2002)

また、角層に存在し水分を保持する働きをもつ水溶性物質は、天然保湿因子(NMF:natural Moisturizing Factor)と呼ばれており、以下の表のように、

成分 含量(%)
アミノ酸類 40.0
ピロリドンカルボン酸(PCA) 12.0
乳酸 12.0
尿素 7.0
アンモニア、尿酸、グルコサミン、クレアチン 1.5
ナトリウム(Na⁺) 5.0
カリウム(K⁺) 4.0
カルシウム(Ca²⁺) 1.5
マグネシウム(Mg²⁺) 1.5
リン酸(PO₄³⁻) 0.5
塩化物(Cl⁻) 6.0
クエン酸 0.5
糖、有機酸、ペプチド、未確認物質 8.5

アミノ酸、有機酸、塩などの集合体として存在していますが、天然保湿因子の約40%はアミノ酸類で構成されており(文献10:1985)、ピロリドンカルボン酸(PCA)や尿素などアミノ酸の代謝物を含めると約60%を占めることから、角層の水分保持にアミノ酸およびその関連物質が重要な役割を担っていると考えられています。

さらに、この天然保湿因子において約40%を占めるアミノ酸の組成は、以下の表のように、

アミノ酸の種類 含量(%)
プロリン 5.6
アスパラギン + アスパラギン酸 0.8
トレオニン 0.4
セリン 19.7
グルタミン + グルタミン酸 2.3
グリシン 14.7
アラニン 10.4
バリン 3.4
メチオニン 0.2
イソロイシン 0.5
ロイシン 1.5
チロシン 0.8
フェニルアラニン 0.7
リシン 1.1
ヒスチジン 1.4
アルギニン 10.3

16種類で構成されており(文献11:1983)、中でもセリン、グリシン、アラニンおよびアルギニンが大部分を占めています。

このような背景から、角質層の水分保持にアミノ酸が重要であると考えられています。

アミノ酸は天然保湿因子(NMF)の主要成分であることから皮膚の潤いを保つ目的でスキンケア化粧品に使用されていますが、一方で水溶性低分子の両性イオン化合物であり、一般的に電荷を有した物質は皮膚や生体膜を透過しにくく、その透過率は電荷を持たない物質と比較して1/1000といわれています(文献12:1984)

1996年に味の素とカリフォルニア大学医学部皮膚科によって報告されたアミノ酸のヒト皮膚での経皮吸収挙動の検証によると、

ヒト皮膚(角質層、表皮および真皮の一部を含む)上に1%濃度生理食塩水(pH7.4)となるように調製した5種類の水溶性アミノ酸(L-リシン、グリシン、グルタミン酸Na、プロリンおよびトレオニン)溶液をのせ、2-4時間ごとに皮膚透過挙動を評価したところ、以下のグラフのように、

ヒト皮膚角質層に対するアミノ酸の透過性比較

いずれのアミノ酸も経皮吸収にタイムラグがみられ、またアミノ酸によって透過量が異なることがわかった。

次に、ヒト皮膚の角質層を擦って剥いだ肌荒れモデル上に同様のアミノ酸溶液をのせ、2-4時間ごとに皮膚透過挙動を評価したところ、以下のグラフのように、

ヒト擦過皮膚(荒れ肌モデル)に対するアミノ酸の透過性比較

いずれのアミノ酸も経皮吸収のラグタイムが短縮され、また蓄積量も増大した。

この試験結果から、角質層はアミノ酸の経皮吸収に対して最大のバリアとなっていることが明らかとなった。

このような検証結果が明らかにされており(文献13:1996)、プロリンは健常皮膚においては経時的に穏やかな経皮吸収性が、バリア機能が低下した皮膚においては健常な皮膚と比較して優れた経皮吸収性が認められています。

健常な皮膚においては、角質層がバリアの役割を果たしているため、プロリンは経皮吸収されにくく、また経皮吸収に時間がかかることから即時的な保湿効果はほとんどないと考えられますが、一方で経時的に少しずつ経皮吸収されることが示されていることから、持続性のある穏やかな水分保持剤として機能すると考えられます。

また、肌荒れや皮膚炎などを有するバリア機能が低下した皮膚においては、角質層を有した健常な皮膚と比較して格段に高い経皮吸収性を示したことから、優れた水分保持剤になり得ると考えられます。

アミノ酸が角質層に経皮吸収されにくいメカニズムは、アミノ酸がイオン性物質であることによる角質層の水和(∗5)が重要な要因であり(文献14:1993)、経皮吸収のラグタイムが長い理由は、アミノ酸と表皮との間の水素結合や静電気的相互作用によるものであると考えられています(文献15:1990)

∗5 水和(hydration)とは、ある化学種へ水分子が付加する現象であり、イオン性化合物や水素結合性化合物が水に溶解し、静電相互作用や水素結合することによって起こります。

また、プロリンと、グリセリン乳酸NaまたはPCA-Naのいずれかを併用することで角質層におけるプロリン蓄積量が増大することが明らかになっており(文献13:1996)、プロリンとPCA-Naの相乗効果については、1982年に味の素によって報告された技術情報でも明らかにされています(文献17:1982)

次に、1995年にノエビアによって公開された技術情報によると、

細胞膜と同様の構造をした水添大豆レシチン脂質二分子膜に、種々のアミノ酸(すべてL体)を10%添加した場合の結合水量を測定したところ、以下のグラフのように、

アミノ酸添加による脂質二分子膜の水分保持作用

脂質二分子膜単独での結合水量は0.3g/g lipidであったが、アミノ酸を添加した場合ではアミノ酸の種類によって結合水量は変化し、とくにプロリンの添加で著しい増加が認められた。

また、イソロイシン、ロイシンの添加においても各々0.41,0.37g/g lipidと結合水量の増加が認められた。

次に、上記試験における種々のアミノ酸を添加した場合の脂質二分子膜の閉塞性(水分蒸散抑制量)を添加から24時間後に測定したところ、以下のグラフのように、

アミノ酸添加による脂質二分子膜の水分蒸散量変化

親水性の高いプロリンを添加した場合には水分蒸散量に大きな変化は認められず、水に対する溶解性の低いメチオニン、イソロイシンの添加では水分蒸散を抑制する傾向が示され、添加したアミノ酸の水に対する親和性と閉塞性の間に相関関係が認められた。

これらの結果から、脂質二分子膜のバリア機能および水分保持能はアミノ酸の添加に大きく影響を受けることが示された。

プロリンの添加においては、脂質ラメラの結合水量は著しく増加し、閉塞性はわずかながら低下する傾向がみられ、イソロイシンおよびロイシンの添加においては、結合水量の増加とともに閉塞性の向上が認められた。

この結果をうけて、単独添加で結合水量が最大を示した15%プロリンと、10%イソロイシンまたは10%ロイシンを組み合わせて添加した場合の結合水量と水分蒸散量を測定したところ、以下のグラフのように、

アミノ酸添加による脂質二分子膜の水分保持作用

アミノ酸添加による脂質二分子膜の水分蒸散量変化

プロリンと、イソロイシンまたはロイシンを混合添加することにより、著しい結合水量の増加が認められ、またプロリン単体と比較して高い水分蒸散抑制が認められた。

これらの結果から、アミノ酸の混合添加による相乗効果が示唆された。

また、これらの水分量経時変化を測定したところ、脂質二分子膜単独では塗布後3時間まで水分量は急激に減少したが、プロリンを添加すると水分減少量は40%程度抑制され、さらにプロリンと、イソロイシンまたはロイシンの混合添加においては、急激な水分減少は認められず、その後も長時間にわたって高レベルで水分量が維持された。

このような検証結果が明らかにされており(文献16:1995)、プロリンに角質層水分量(結合水量)増加による保湿作用が認められています。

またプロリンと、イソロイシンまたはロイシンを併用することで角層水分量の向上および水分保持能に相乗効果が認められています(文献16:1995)

この試験は脂質二分子膜に直接各アミノ酸を添加したものですが、アミノ酸類の皮膚透過性も明らかにされており(文献13:1996)、ヒト皮膚においても水分保持効果を有していると考えられます。

複合アミノ酸原料としてのプロリン

プロリンは、他のアミノ酸やアミノ酸関連物質とあらかじめ混合された複合原料があり、プロリンと以下の成分が併用されている場合は、複合アミノ酸原料として配合されている可能性が考えられます。

原料名 PRODEW 300
構成成分 乳酸NaPCA-Naソルビトールプロリンメチルパラベンプロピルパラベン
特徴・主な用途 皮膚のNMFをモデルベースとしPCA-Naとプロリンの相乗効果により優れた湿潤保湿能を有する保湿剤
原料名 PRODEW 400
構成成分 ベタインPCA-Naソルビトールセリングリシングルタミン酸アラニンリシンアルギニントレオニンプロリンメチルパラベンプロピルパラベン
特徴・主な用途 皮膚のNMFをモデル化した保湿剤
原料名 PRODEW 500
構成成分 PCA-Na乳酸Naアルギニンアスパラギン酸、PCA、グリシンアラニンセリンバリンプロリントレオニンイソロイシンヒスチジンフェニルアラニン
特徴・主な用途 毛髪のNMFをモデル化した保湿剤
原料名 P.P.A.A.-C
構成成分 タウリンリシンHClアラニンヒスチジンHClアルギニンセリンプロリングルタミン酸トレオニンバリンロイシングリシンアラントインイソロイシンフェニルアラニン
特徴・主な用途 プラセンタに含まれるアミノ酸組成を模して構成されたアミノ酸混合物
原料名 AMINO ACID COMPLEX
構成成分 BGグリシンセリングルタミン酸アスパラギン酸ロイシンアラニンリシンアルギニンチロシンフェニルアラニントレオニンプロリンバリンイソロイシンヒスチジン
特徴・主な用途 皮膚のNMFをモデル化した保湿剤

実際の配合製品の種類や配合濃度範囲は、海外の2012年の調査結果になりますが、以下のように報告されています。

以下表におけるリーブオン製品は、付けっ放し製品(スキンケア製品やメイクアップ製品など)を表しており、またリンスオフ製品というのは、洗い流し製品(シャンプー、ヘアコンディショナー、ボディソープ、洗顔料、クレンジングなど)を指します。

プロリンの配合製品数と配合量の調査(2012年)

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プロリンの安全性(刺激性・アレルギー)について

プロリンの現時点での安全性は、

  • 医療上汎用性があり有効性および安全性の基準を満たした成分が収載される日本薬局方に収載
  • 外原規2006規格の基準を満たした成分が収載される医薬部外品原料規格2006に収載
  • 1980年代からの使用実績
  • 皮膚刺激性:ほとんどなし
  • 眼刺激性:ほとんどなし
  • 皮膚感作性(アレルギー性):ほとんどなし

このような結果となっており、化粧品配合量および通常使用下において、一般的に安全性に問題のない成分であると考えられます。

以下は、この結論にいたった根拠です。

皮膚刺激性および皮膚感作性(アレルギー性)について

Cosmetic Ingredient Reviewの安全性試験データ(文献1:2013)によると、

  • [ヒト試験] 112人の被検者に0.1%プロリンを含むアイクリームを対象にHRIPT(皮膚刺激&感作試験)を閉塞パッチにて実施したところ、この製品は皮膚刺激および皮膚感作を誘発しなかった(TKL Research,2005)

と記載されています。

試験データをみるかぎり、皮膚刺激および皮膚感作なしと報告されているため、一般に皮膚刺激性および皮膚感作性はほとんどないと考えられます。

眼刺激性について

Cosmetic Ingredient Reviewの安全性試験データ(文献1:2013)によると、

  • [ヒト試験] 29人の被検者の目元に0.1%プロリンを含むアイクリームを4週間連用してもらったところ、この製品は眼刺激を誘発しなかった(Stephens & Associates Inc,2002)

と記載されています。

試験データをみるかぎり、眼刺激なしと報告されているため、一般に眼刺激性はほとんどなしと考えられます。

∗∗∗

プロリンは保湿成分にカテゴライズされています。

成分一覧は以下からお読みください。

参考:保湿成分

∗∗∗

文献一覧:

  1. Cosmetic Ingredient Review(2013)「Safety Assessment of α-Amino Acids as Used in Cosmetics」International Journal of Toxicology(32)(6_suppl),41S-64S.
  2. 大木 道則, 他(1994)「プロリン」化学辞典,1274.
  3. 奥山 健二, 他(2010)「コラーゲンの分子構造・高次構造」高分子論文集(67)(4),229-247.
  4. 井形 幸代, 他(1993)「湿潤剤の差別化 吸湿性試験を用いた方法」日本化粧品技術者会誌(27)(3),450-458.
  5. G Imokawa, et al(1991)「Stratum corneum lipids serve as a bound-water modulator」Journal of Investigate Dermatology(96)(6),845-851.
  6. 日野 哲雄, 他(1967)「アミノ酸類の用途および製造の展望」有機合成化学協会誌(25)(4),349-354.
  7. 吉川 英雄, 他(1982)「最近のアミノ酸業界の動き」有機合成化学協会誌(40)(1),73-76.
  8. 田村 健夫, 他(1990)「表皮」香粧品科学 理論と実際 第4版,30-33.
  9. 朝田 康夫(2002)「角質層のメカニズム」美容皮膚科学事典,22-28.
  10. 尾沢 達也, 他(1985)「皮膚保湿における保湿剤の役割」皮膚(27)(2),276-288.
  11. I Horii, et al(1983)「Histidine-rich protein as a possible origin of free amino acids of stratum corneum」Normal and Abnormal Epidermal Differentiation: Current Problems in Dermatology(11),301-315.
  12. J Swarbrick, et al(1984)「Drug Permeation Through Human Skin Ⅱ: Permeability of Ionizable Compounds」Journal of Pharmaceutical Sciences(73)(10),1352–1355.
  13. 川崎 由明, 他(1996)「In vitroによるアミノ酸のヒト皮膚での経皮吸収挙動の解析」日本化粧品技術者会誌(30)(1),55-61.
  14. M Sznitowska, et al(1993)「In vitro permeation of human skin by multipolar ions」International Journal of Pharmaceutics(99)(1),43-49.
  15. L Wearley, et al(1990)「A Numerical Approach to Study the Effect of Binding on the Iontophoretic Transport of a Series of Amino Acids」Journal of Pharmaceutical Sciences(79)(11),992–998.
  16. 野口 千笑, 他(1995)「脂質二分子膜の水分保持作用に対するアミノ酸の影響」日本化粧品技術者会誌(29)(1),49-54.
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