イソロイシンの基本情報・配合目的・安全性

イソロイシン

化粧品成分表示名称 イソロイシン
医薬部外品表示名称 L-イソロイシン
配合目的 保湿、ヘアコンディショニング など

1. 基本情報

1.1. 定義

アミノ酸の一種であるロイシンの構造異性体(∗1)であり、以下の化学式で表される、アミノ基(-NH2とカルボキシル基(-COOH)をもち側鎖にsec-ブチル基(-CH(CH3)CH2CH3をもつ双性イオン化合物(∗2)であり、中性アミノ酸の脂肪族アミノ酸に分類されるアミノ酸(∗3)です[1a][2a]

∗1 構造異性体とは、化学組成式が等しく、原子の間の結合関係が異なる分子のことであり、ロイシンは側鎖にイソブチル基(-CH2CH(CH3)2)をもちますが、イソロイシンは側鎖にsec-ブチル基(-CH(CH3)CH2CH3)をもちます。

∗2 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。イソロイシ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6.02であることから[2b]、溶液のpHが6.02以下なら陽イオンに、6.02以上なら陰イオンとなります。

∗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。塩基性を示すアミノ基と酸性を示す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、イソロイシンは中性アミノ酸に分類されます。

イソロイシン

1.2. 化粧品以外の主な用途

イソロイシンの化粧品以外の主な用途としては、

分野 用途
食品 アミノ酸バランスを改善した栄養強化食品などに用いられています[3a][4a]
医療 水分や電解質などを点滴静注により投与するためのアミノ酸輸液(点滴)に用いられています[3b][4b]

これらの用途が報告されています。

2. 化粧品としての配合目的

化粧品に配合される場合は、

  • 角層水分量増加による保湿作用
  • ヘアコンディショニング

主に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汎用されています。

以下は、化粧品として配合される目的に対する根拠です。

2.1. 角層水分量増加による保湿作用

水分量増加および柔軟持続性向上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PCA-Na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

水分を保持する働きもつ天然保湿因子を含む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になっており、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[5][6]

また、角質層において水分を保持する働きをもつ物質は、天然保湿因子(NMF:natural Moisturizing Factor)と呼ばれる親水性の吸湿物質であり、天然保湿因子は以下の表のように、

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[7]

この天然保湿因子において約40%を占めるアミノ酸組成は、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種類のアミノ酸で構成されており[8]、これらアミノ酸の大部分は、以下の図のように、

天然保湿因子の産生メカニズム

表皮顆粒層に存在しているケラトヒアリン(∗3)が角質細胞に変化していく過程でフィラグリンと呼ばれるタンパク質となり、このフィラグリンがブレオマイシン水解酵素(bleomycin hydrorase)によって完全分解されることで産生されることが報告されています[9][10]

∗3 ケラトヒアリンの主要な構成成分は、分子量300-1,000kDaの巨大な不溶性タンパク質であるプロフィラグリンであり、プロフィラグリンは終末角化の際にフィラグリンに分解されます。

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用いられていますが、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[11]

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、

∗4 この検証は水溶性アミノ酸のものであり、疎水性アミノ酸であるイソロイシンは含まれていませんが、程度の差はあるものの経皮吸収挙動は疎水性アミノ酸も同様であり、アミノ酸のヒト皮膚における経皮吸収挙動が非常に理解しやすいことから記載しています。

– in vitro:皮膚透過試験 –

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[12a]、水溶性アミノ酸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。

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[13]、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[14]

∗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。

一方で、アラニンを含む疎水性アミノ酸の皮膚透過性に関しては、1994年に富山医薬大学によるアミノ酸の皮膚透過機構に関する研究によると、

– in vivo:皮膚吸収試験 –

ラット皮膚を用いて種々の疎水性中性アミノ酸(アラニン、バリン、イソロイシン、ロイシン)のpH3.0-7.0範囲における皮膚透過性を評価したところ、以下のグラフのように、

各pHにおける中性アミノ酸のラット皮膚透過性比較

アミノ酸の透過係数は、アラニン > バリン > イソロイシン = ロイシンの順であった。

また、どの中性アミノ酸も酸性側で高い透過性を示した。

このような検証結果が明らかにされており[15]、アラニンに優れた皮膚透過性が認められています。

疎水性アミノ酸の皮膚透過性に関しては、水溶性アミノ酸と同様に、健常皮膚においては経時的に穏やかな経皮吸収性であり、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を有していると考えられます。

このような背景から、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、一般にアミノ酸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す傾向があることから、優れた水分保持剤になり得ると考えられます。

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、

– in vitro試験:脂質二分子膜の水分保持作用 –

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[16a]、イソロイシンに角質層水分量(結合水量)増加による保湿作用が認められています。

またイソロイシンとプロリ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[16b]

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[12b]、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。

2.2. ヘアコンディショニング作用

ヘアコンディショニング作用に関しては、まず前提知識として毛髪の構造とアミノ酸組成について解説します。

ヒト毛髪は、硫黄(元素記号:S)を含む(∗6)、アミノ酸の結合によってできた繊維状タンパク質である硬ケラチン(ハードケラチン)で構成されており[17]、そのアミノ酸組成(∗7)は以下の表のように、

∗6 硫黄原子は、主にアミノ酸の一種であるシスチン残基中にジスルフィド結合として存在し、タンパク分子間あるいは分子内に架橋を形成しています。

∗7 このアミノ酸組成は硬ケラチン(毛髪)を構成するアミノ酸組成であり、皮膚における天然保湿因子といった遊離アミノ酸とは異なります。

アミノ酸の種類 含量(%)
プロリン 4.3 – 9.6
アスパラギン + アスパラギン酸 3.9 – 7.7
トレオニン 7.0 – 8.5
セリン 7.4 – 10.6
グルタミン + グルタミン酸 13.6 – 14.2
グリシン 4.1 – 4.2
アラニン 2.8
バリン 5.5 – 5.9
シスチン 16.6 – 18.0
メチオニン 0.7 – 1.0
イソロイシン 4.7 – 4.8
ロイシン 6.4 – 8.3
チロシン 2.2 – 3.0
トリプトファン 0.4 – 1.3
フェニルアラニン 2.4 – 3.6
リシン 1.9 – 3.1
ヒスチジン 0.6 – 1.2
アルギニン 8.9 – 10.8

18種類のアミノ酸で構成されています[18]

毛髪におけるアミノ酸としては、硬ケラチンを構成するアミノ酸だけでなく、親水性物質として遊離アミノ酸の存在も報告されていますが[19]、現時点で遊離アミノ酸の組成や役割に関する情報はみつけられていないため、みつけしだい追補します。

アミノ酸は、天然保湿因子(NMF)の主要成分であることから毛髪の潤いを保つ目的で毛髪を対象とした化粧品に用いられており[1b]、主に毛髪の天然保湿因子(NMF)構成をモデルとした混合原料として用いられています。

ただし、ヒト毛髪における使用試験データがみあたらないため、みつかりしだい追補します。

3. 混合原料としての配合目的

イソロイシンは、混合原料が開発されており、イソロイシンと以下の成分が併用されている場合は、混合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 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 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 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 皮膚のNMFをモデル化した保湿剤

4. 配合製品数および配合量範囲

実際の配合製品数および配合量に関しては、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(∗8)

∗8 表の中の製品タイプのリーブオン製品というのは付けっ放し製品という意味で、主にスキンケア化粧品やメイクアップ化粧品などを指し、リンスオフ製品というのは洗浄系製品を指します。

イソロイシンの配合製品数と配合量の調査結果(2012年)

5. 安全性評価

イソロイシンの現時点での安全性は、

  • 食品添加物の指定添加物リスト(2021年1月15日改正)に収載
  • 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
  • 50年以上の使用実績
  • 皮膚刺激性:ほとんどなし(データなし)
  • 眼刺激性:詳細不明
  • 皮膚感作性(アレルギー性):ほとんどなし(データなし)

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。

5.1. 皮膚刺激性および皮膚感作性(アレルギー性)

日本薬局方に収載されており、30年以上の使用実績がある中で重大な皮膚刺激および皮膚感作の報告がみあたらないため、化粧品配合量および通常使用下において、一般的に皮膚刺激および皮膚感作性(アレルギー性)はほとんどないと考えられますが、詳細な安全性試験データがみあたらず、データ不足のため詳細は不明です。

5.2. 眼刺激性

試験結果や安全性データがみあたらないため、現時点ではデータ不足により詳細は不明です。

6. 参考文献

  1. ab日本化粧品工業連合会(2013)「イソロイシン」日本化粧品成分表示名称事典 第3版,199.
  2. ab大木 道則, 他(1989)「イソロイシン」化学大辞典,184.
  3. ab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. DOI:10.5059/yukigoseikyokaishi.25.349.
  4. ab吉川 英雄・高瀬 忠夫(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. DOI:10.5059/yukigoseikyokaishi.40.73.
  5. 朝田 康夫(2002)「保湿能力と水分喪失の関係は」美容皮膚科学事典,103-104.
  6. 田村 健夫・廣田 博(2001)「表皮」香粧品科学 理論と実際 第4版,30-33.
  7. I Horii, et al(1989)「Stratum corneum hydration and amino acid content in xerotic skin」British Journal of Dermatology(121)(5),587-592. DOI:10.1111/j.1365-2133.1989.tb08190.x.
  8. I. Horii, et al(1983)「Histidine-rich protein as a possible origin of free amino acids of stratum corneum」Current Problems in Dermatology(11),301-315. DOI:10.1159/000408684.
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  11. J. Swarbrick, et al(1984)「Drug Permeation Through Human Skin Ⅱ: Permeability of Ionizable Compounds」Journal of Pharmaceutical Sciences(73)(10),1352–1355. DOI:10.1002/jps.2600731006.
  12. ab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. DOI:10.5107/sccj.30.55.
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