ヒアルロン酸の構造、機能、応用

ヒアルロン酸は高い分子量を誇る生体多糖です。
ほとんどの結合性を持つ組織、例えば、上皮組織、内皮組織などに観られます。
また、体液の中でも滑液、硝子体液、臍帯血などに多く見られます。
ヒアルロン酸は関節や目の硝子体など液性の強い結合組織において
特に重要な役割を果たします。ヒアルロン酸が持つ保水力により、
粘弾性を実現し、関節などにおいては動きに対する摩擦を減らす効果があります(1)。
関節にある軟骨を保護する効果(chondroprotective effects)があります。
実際に膝軟骨疾患を持つ患者さんにヒアルロン酸を外的に注入することで
Negative Clarke maneuver（ネガティブ・クラークマニューバー）
治療後6か月で膝の関節に関する臨床的なテストで高い数字を示しました(8)。
ただ、ヒアルロン酸は不安定で、回転率の高い物質なので
1回の施術で良くならないケースもあると思います。
それよりもヒアルロン酸の分解酵素が炎症によって生じやすいので
痛みを感じたら、患部を休めるとか、炎症を早期に取る事の方が重要です。
ヒアルロン酸による治療を促す際には、
どうやって永続的にヒアルロン酸が分泌されるようになるか
遺伝子を含めて、そういった環境を整える事が重要です。
皮膚のパッチなど簡易的に、非侵襲で
ヒアルロン酸を皮膚から近い肘関節、膝関節、アキレス腱など
患部に浸透できれば、
継続的は補給ができるので、そうした処置もおそらく有効です。
ゲルとしてのヒアルロン酸の安定性を高めたり、
皮膚の透過性を高める成分を付加したりすることで
一定のロスはあるにしろ、滑液のヒアルロン酸を
定期的に患者さんにとって負担なく高めることができるかもしれません。
但し、医師の管理なくして、個人で勝手にすることは
もちろん危険を伴います。
この方法は特に女性の美しい肌のための皮膚の保湿と
身体への安全性の知見がある
化粧品メーカーがおそらく参入できると思いますが、
最後の段落で計算しましたが、
皮膚はコルデオデスモソームという強力なバリア機能があるので
高い拡散係数を得ることが特に高分子の場合は難しく、
安全に、継続的に、負担の無い方法となると
相当なイノベーションが必要だと思います。
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ヒアルロン酸は、
細胞の離脱、細胞分裂(有糸分裂)、細胞の移動、
腫瘍組織の発達、転移、炎症にも関わります(1)。
腫瘍組織は硬いというイメージがありますが、
実はそうではなく、水分量が多くなる傾向にあるようです。
ヒアルロン酸が腫瘍組織周りで過剰に分泌されるケースがあります(2)。
ヒアルロン酸は保湿効果があるため、
化粧水などスキンケア、美容でも利用されます。
ヒアルロン酸はイオン化したカルボキシル基密度が他の細胞外マトリっクスよりも
20倍以上高く、水分子を引き付ける性質があるため、親水性を持ちます。
また、構造として節を多く持ち、形を柔軟に変えられるため、
水をまきこんで、水分量を多くとることができます。
従って、自然由来の保湿成分(Nature's moisturizer)と定義できます(1)。
ヒアルロンは細胞から自然に生まれるものなので、
生体適合性が高く、免疫原性は低いです。
つまり、拒絶反応などにより、免疫系を過剰に高める効果がなく、
細胞などとの多様な細胞接着分子を通した結合性があるため
身体にもよくなじみます。
ヒアルロン酸は水を多く含むため、
免疫原性は他の細胞外マトリックスに比べて低いと考えられます。
ヒドロゲルによる薬物送達はすでに提案されています(3,4)。
薬物送達キャリアに求められる一つの特性は
免疫細胞が分布する循環器を通るので、
免疫機能を惹起させないことが基本的にあります。
従って、ヒドロゲルの中でも構成する物質を
自然由来のヒアルロン酸にすることは非常に有効です(5)。
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ヒアルロン酸は分子構造自体は3週類あります(7)。
HAS1, HAS2, HAS3
その基本構成は繰り返し単位である
D-グルクロン酸とN-アセチルグルコサミンから成り立っています。
負にイオン化したカルボキシル基(COO-)が水を引きつける
親水性に関わります。
従って、D-グルコロン酸が親水性を決めています。
(Chemical structure: 参考文献(1) Figure 1)
したがって、ヒアルロン酸そのものには「サブタイプ」という概念はありません。
しかし、ヒアルロン酸は以下、分子量（分子の大きさ）によって異なる特性を示すことがあります。
(1)低分子量ヒアルロン酸（Low Molecular Weight Hyaluronic Acid, LMW-HA）
　分子量：おおよそ50,000～500,000ダルトン
　特性：肌への浸透性が高く、保湿効果が高い。
(2)中分子量ヒアルロン酸（Middle Molecular Weight Hyaluronic Acid, MMW-HA）
  分子量：おおよそ500,000～1,500,000ダルトン
　特性：皮膚の弾力性を向上させ、保湿効果が持続する。
(3)高分子量ヒアルロン酸（High Molecular Weight Hyaluronic Acid, HMW-HA）
　分子量：おおよそ1,500,000～4,000,000ダルトン
　特性：表皮に留まりやすく、バリア機能を強化し、保湿効果が非常に高い。
一つの単位構造が1nmであり、最大で10000繰り返し構造をとるので
その長さは最大で10μmとなります。
血管の内皮細胞の大きさは長さ：10-30μm 幅：2-10μmなので
ヒアルロン酸は最大で単一内皮細胞レベルの大きさと言えます。
しかし、実際には水分子を巻き込みながら折りたたまれていますが、
複合体構造をとるのでヒアルロン酸のヒドロゲルの大きさは
粒子径で数十nmから数百μmとなります。
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ヒアルロン酸は糖なので、細胞内の生成においては
小胞体とゴルジ体が関わります。
(参考文献(6) Fig.2)
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ヒアルロン酸は体にあらゆる組織に共通してある
上皮細胞、内皮細胞からも分泌されるため、
多くの組織、臓器に分布が見られます。
どういった分子量のヒアルロン酸がどういった割合で存在するかはわかっていません。
ただ、ヒアルロン酸は分子量が低いほど弾性係数が低く、
弾性が高い、柔らかい傾向にあります。
(1)低分子量ヒアルロン酸（Low Molecular Weight Hyaluronic Acid, LMW-HA）
分子量： おおよそ50,000～500,000ダルトン
弾性係数（一般的な範囲）： 10～100パスカル（Pa）
特性： 肌への浸透性が高く、柔軟性があり、保湿効果が高い。
(2)中分子量ヒアルロン酸（Middle Molecular Weight Hyaluronic Acid, MMW-HA）
分子量： おおよそ500,000～1,500,000ダルトン
弾性係数（一般的な範囲）： 100～1,000パスカル（Pa）
特性： 皮膚の弾力性を向上させ、保湿効果が持続する。中間的な柔軟性と強度を持つ。
(3)高分子量ヒアルロン酸（High Molecular Weight Hyaluronic Acid, HMW-HA）
分子量： おおよそ1,500,000～3,000,000ダルトン
弾性係数（一般的な範囲）： 1,000～10,000パスカル（Pa）
特性： 皮膚の弾力性を向上させ、保湿効果が持続する。中間的な柔軟性と強度を持つ。
ヒアルロン酸は
弾性係数が低く柔らかいとされるエラスチン約0.3～1メガパスカル（MPa）よりも
約1/30000程度変形しやすく、柔らかいですが、
エラスチンのようにゴムのように元に戻る性質はありません。
従って、可塑的であり粘弾性を持ちます。
但し、分子量に応じて強度は高くなります。
物質の機械的特性の内、弾性限界応力があります。
これは物質が永続的な破壊から逃れる事ができる最大に応力です。
エラスチンは 約300～600キロパスカル（kPa）
ヒアルロン酸は約1～10キロパスカル（kPa）で
エラスチンの方が最大で600倍程度高いことになりますが、
一般的に体にかかる応力は
皮膚： 約100～500キロパスカル（kPa）
血管： 約500～1,500キロパスカル（kPa）
腱： 約50～150メガパスカル（MPa）
靭帯： 約20～80メガパスカル（MPa）
骨： 約100～200メガパスカル（MPa）
これらなので、エラスチンの弾性限界能力よりも高く、
これらの物質単独で体の力に耐える事はできません。
細胞骨格、細胞接着分子との接続、
他の構造的に強いコラーゲンなどとの
細胞外マトリックスとの複合体化が必要です。
コラーゲンの弾性限界応力は約50～200メガパスカル（MPa）なので、
腱、靭帯、骨にかかる応力に耐える強さがあります。
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ヒアルロン酸は
1. 線維芽細胞（Fibroblasts）
役割： 結合組織の主要な細胞で、ヒアルロン酸を大量に分泌し、皮膚や腱、靭帯などの ECM（細胞外マトリックス）の構成要素を形成します。
2. 軟骨細胞（Chondrocytes）
役割： 軟骨組織に存在し、軟骨の ECMのヒアルロン酸を合成して、関節の潤滑と圧力の分散を助けます。
3. 上皮細胞（Epithelial Cells）
役割： 皮膚や内臓の上皮組織で、ヒアルロン酸を分泌し、バリア機能や保湿、修復に寄与します。
4. 内皮細胞（Endothelial Cells）
役割： 血管の内皮に存在し、血管の健康と機能を維持するためにヒアルロン酸を分泌します。
5. 滑膜細胞（Synovial Cells）
役割： 関節の滑膜に存在し、関節液にヒアルロン酸を分泌して関節の潤滑と衝撃吸収を助けます。
6. マクロファージ（Macrophages）
役割： 免疫系の一部で、ヒアルロン酸の合成と分解に関与し、組織修復や免疫応答に寄与します。
7. 神経細胞（Neurons）
役割： 神経系においてもヒアルロン酸が発現しており、神経保護や神経の成長に関与しています。
8. 脂肪細胞（Adipocytes）
役割： 脂肪組織においてもヒアルロン酸が発現し、脂肪の分布や組織の構造維持に寄与します。
9. 筋肉細胞（Myocytes）
役割： 筋肉組織でもヒアルロン酸が発現し、筋肉の修復や再生に関与します。
これらの細胞種で発現、分泌が見られます。
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ヒアルロン酸はタンパク質ではなく多糖です。
(基本構造単位)
2つの異なる糖が交互に連なってできた直鎖状の多糖です。これらの糖は以下の通りです：
N-アセチルグルコサミン（N-Acetylglucosamine, GlcNAc）： アミノ基がアセチル化されているグルコサミン。
グルクロン酸（Glucuronic Acid, GlcA）： 6-ヒドロキシル基がカルボキシル基に酸化されたグルコースの誘導体。
(ポリマーの長さ)
ヒアルロン酸のポリマーは非常に長く、数十から数百万の糖単位が連なります。分子量は数十万から数百万ダルトンに及びます。
(構造式)
[GlcNAc-β-1,4-GlcA-β-1,3-GlcNAc-β-1,4-GlcA-β-1,3-...]
(化学的性質)
水分保持： ヒアルロン酸は多くの水分を保持する能力があり、高い保湿性を持ちます。
ゲル化特性： ヒアルロン酸は水を吸収してゲル状になり、組織の弾力性やクッション性を提供します。
(生物学的機能)
細胞外マトリックスの構成成分： 組織の構造をサポートし、細胞の移動や成長を助けます。
潤滑作用： 関節液や体液中で潤滑作用を果たし、摩擦を減少させます。
保湿作用： 皮膚の保湿を助け、乾燥を防ぎます。
従って、ヒアルロン酸は豊富に水分を含むヒドロゲル構造を取ります。
ヒアルロン酸の構成単位の一つであるグルクロン酸が
カルボキシル基(-COO⁻)を持ち負電荷をもつため
水分子と静電引力によって引き合います。
ヒアルロン酸は直鎖状で、長いポリマー鎖が複雑に絡み合い、
広い表面積を提供するので、
それによって単位体積当たり多くの水分子を収納できます。
このカルボキシル基の密度は
ヒアルロン酸: 約0.2〜0.5 mmol/g
コラーゲン: 約0.01〜0.05 mmol/g
エラスチン: 約0.01 mmol/g以下
これであり、ヒアルロン酸は他の細胞外マトリックスよりも
20倍以上高いです。従って、多くの水分を保持できるため、
特注細胞外マトリックスパッチ医療(Customized ECMs patch medicine)を
提供するために臓器に貼り付けるための細胞外マトリックスシートを
人工的に構築するとき、
あるいは、
エラスチン誘導組織回復治療(Elastin-induced tissue recovery medicine)。
これを循環器の任意の場所に提供するための
エラスチン送達キャリアとして水を多く含むヒドロゲルを形成するとき
固体内の水分量を調整するための構造要素として
ヒアルロン酸量を任意に調整することが挙げられます。
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ヒアルロン酸の体内での寿命は
通常数日から数週間の範囲です。
例えば、皮膚や関節液などの体内では、ヒアルロン酸が比較的短期間で分解されます。
エラスチンが最大で100年程度、コラーゲンが約10～15年です。
従って、ヒアルロン酸は非常に回転率の高い細胞外マトリックスです。
この理由はヒアルロン酸が多糖からなるからです。
多糖はグリコシド結合からなり、
タンパク質間の共有結合などと比べて結合力が低く、分解されやすいです。
また、pH(酸性、アルカリ性)や酵素などに敏感で、分解しやすいです。
ヒアルロン酸は炎症、組織修復、加齢によって増える
ヒアルロン酸分解酵素によって分解されます。
そのヒアルロン酸分解酵素の種類は
Hyaluronidase (hyase)
b-d-glucuronidase
β-N-acetyl-hexosaminidase
これらです(1)。
Hyaluronidase (hyase)は大きな分子量を小さな多糖に分解する役割がありますが、
b-d-glucuronidase　β-N-acetyl-hexosaminidase
これらはさらに多糖から、それ以上分解できない単糖に分解します(1)。
従って、組織がダメージを受けると
あるいは高齢になるとヒアルロン酸が減る傾向にあります。
しっかりエビデンスを取る必要がありますが、
比較的高齢になってもヒアルロン酸分泌量が保たれる細胞は
軟骨細胞、内皮細胞、神経細胞です。
ここで重要な循環器、血管の議論になります。
血管のヒアルロン酸量、保湿は、炎症によって酵素により低下しますから、
免疫機能に異常があると循環器のヒアルロン酸、水分量は減り、
組織として全体的に硬くなると考えられます。
組織として固くなると内皮細胞にかかる力が相対的に強くなるため、
細胞外マトリックスとして強いコラーゲンが増加し、
弾性の強いエラスチン、ヒアルロン酸が低下します。
コラーゲンは構造的に強く、硬く、寿命が長いですから、
組織の中に常在する事になります。
それによって、内皮細胞の連続性が喪失するため、
コラーゲンを分泌する内皮細胞の数が相対的に減少します。
そうすると血管の機能が「負のスパイラル」で低下します。
従って、エラスチンなど寿命が長く、弾性のある物質を
ヒドロゲルで各血管の内膜に制御して送達させる
エラスチン誘導組織回復治療(Elatin-induced tissue reovery medicine)は
その負のスパイラルを止め、正のスパイラルに誘導する
きっかけを与える可能性があります。
エラスチンの血管組織の馴染みを高める事、浸透性を高める事は
化学的作用(装飾)によって高められる可能性がありますが、
それ以外に超音波や電気刺激によっても高められる可能性があります。
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エラスチンと相互作用、複合体化しやすい細胞外マトリックスは
1. コラーゲン
タイプIコラーゲン: エラスチンとともに血管や皮膚、結合組織に存在し、共に血管の強度と弾力性を提供します。エラスチンはコラーゲンと相互作用して、組織の弾力性と構造的強度を高める役割を果たします。
タイプIIIコラーゲン: 特に弾力性の高い組織に多く存在し、エラスチンと協調して組織の弾力性と柔軟性を保ちます。
2. フィブロネクチン
フィブロネクチン: 結合組織に多く含まれ、エラスチンやコラーゲンと結合して細胞接着や ECMの構築を支援します。エラスチンとフィブロネクチンは協力して細胞外マトリックスの形成や組織修復を促進します。
3. ラミニン
ラミニン: 基底膜に存在し、エラスチンと相互作用することで血管内膜や皮膚の基底膜の安定性を保ちます。ラミニンはエラスチンと結合して、基底膜の構造と機能を支える役割があります。
4. プロテオグリカン
デスモシン: エラスチンと結合し、エラスチン繊維のクロスリンクを助けることで弾力性を提供します。デスモシンはエラスチン繊維間の結びつきを強化します。
ヒアルロン酸: エラスチンと共に、細胞外マトリックスにおける水分保持と組織の弾力性に寄与します。ヒアルロン酸はエラスチンと相互作用して、組織の柔軟性や弾力性を保つ助けとなります。
5. エラスチン関連タンパク質
エラスチン結合タンパク質: エラスチンと特異的に結合し、エラスチン繊維の安定化や修復を促進します。これには、エラスチンと結合するタンパク質が含まれます。
6. カタネクチン
カタネクチン: エラスチンと結合し、細胞接着や組織の修復に関与します。カタネクチンは、エラスチンとともに組織の構造と機能をサポートします。
これらです。
従って、コラーゲンは細胞外マトリックスの強さ、
フィブロネクチンは細胞外マトリックスの折り畳み構造の制御
エラスチンは細胞外マトリックスの弾性
ヒアルロン酸は細胞外マトリックスの水分量
これらの構造的、物理的特性を変える上で有効になります。
これらは高度に複合体化せることができます。
ヒアルロン酸は免疫原性を下げる上でも有効です。
一方で、
それぞれ特異的な場所で上述した以外の多様な細胞外マトリックスを相互作用します。
アグリカン（Aggrecan）
 発現場所: 主に軟骨組織
 機能: 軟骨の主要なプロテオグリカンで、細胞外マトリックスの構造を提供し、軟骨の弾性と耐圧性を高める。
リンクプロテイン（Link Protein）
 発現場所: 主に軟骨 
 機能: アグリカンとヒアルロン酸の結合を安定化し、プロテオグリカンアグリゲートの形成を助ける。
ベルシカン（Versican）
 発現場所: 多様な組織（皮膚、血管、肺など）
 機能: 細胞の増殖、移動、接着を調節し、組織の構造を維持する。
ニューロカン（Neurocan）
 発現場所: 中枢神経系（特に脳）
 機能: 神経細胞の接着や成長を調節し、シナプスの形成に関与する。
TSG-6（TNF-stimulated gene-6）
 発現場所: 炎症部位の様々な細胞（マクロファージ、線維芽細胞など）
 機能: 炎症の制御、細胞外マトリックスのリモデリング、ヒアルロン酸と結合して炎症反応を抑制する。
GHAP（Hyaluronan and Proteoglycan Link Protein 1）
 発現場所: 軟骨およびその他の結合組織
 機能: ヒアルロン酸とアグリカンの結合を安定化し、軟骨の構造を維持する。
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ヒアルロン酸と結合できる細胞接着分子は
1. CD44
機能: ヒアルロン酸の主要な受容体で、細胞表面に広く発現しています。CD44はヒアルロン酸と結合し、細胞の接着、移動、増殖、そして細胞外マトリックスのリモデリングに関与します。
2. RHAMM (Receptor for Hyaluronan-Mediated Motility)
機能: ヒアルロン酸と結合し、細胞の運動や分裂を調節します。RHAMMは細胞の移動や増殖、がんの進行に関与することが知られています。
3. Hyaladherins
例: Hyaluronan-binding protein (HABP)、**Hyaluronan-binding cell adhesion molecule (HAB-CAM)**など
機能: ヒアルロン酸と結合し、細胞間の接着や組織の形成を支援します。これらのタンパク質は、細胞外マトリックスと細胞間の相互作用に関与しています。
4. Linker Proteins (リンクタンパク質)
例: Hyaluronan-binding link protein
機能: ヒアルロン酸と結合し、コラーゲンやプロテオグリカンといった他のマトリックス成分と連結する役割を果たします。
5. Integrins
例: α2β1インテグリン、α5β1インテグリン
機能: 一部のインテグリンはヒアルロン酸と結合し、細胞の接着やシグナル伝達、細胞外マトリックスの維持に関与しています。
6. Tetraspanins
例: CD9、CD63
機能: ヒアルロン酸と結合し、細胞膜のクロスリンクや細胞外マトリックスの相互作用を調節します。
7. Hyaluronan Synthase (HAS)
例: HAS1、HAS2、HAS3
機能: ヒアルロン酸の合成に関与し、ヒアルロン酸と結合することで細胞外マトリックスの形成に寄与します。
8. CD168 (Hyaluronan Receptor)
機能: ヒアルロン酸と結合し、細胞の接着や移動に関与します。CD168は特に免疫系細胞において重要な役割を果たします。
9. Proteoglycans(シンデカン)
例: Syndecans（特にSyndecan-1）
機能: ヒアルロン酸と結合し、細胞外マトリックスの構造をサポートします。
10 LYVE-1（Lymphatic Vessel Endothelial Hyaluronan Receptor-1）
発現場所: 主にリンパ管内皮細胞
機能: ヒアルロン酸の輸送に関与し、リンパ系の機能維持に重要。
これらです。
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ヒアルロン酸は免疫細胞など多くの細胞上にあるCD44などの
ヒアルロン酸受容体を通じて細胞の遺伝子に働きかけます(1)。
低分子量および中分子量のヒアルロン酸（HA）は、マクロファージ、内皮細胞、好酸球、特定の上皮細胞において遺伝子発現を促進します。これらの細胞における遺伝子発現促進は、主に以下の経路および転写因子を介して行われます：
経路および転写因子
　NF-κB（核因子カッパB）経路
　　ターゲット遺伝子: 炎症性サイトカイン（例：TNF-α、IL-1β、IL-6）
　　機能: NF-κBは炎症応答の主要な調節因子であり、低分子量および中分子量のHAはNF-κB経路を活性化することで、これらのサイトカインの発現を促進します。これにより、マクロファージや内皮細胞の炎症応答が増強されます。
　MAPK（マイトジェン活性化プロテインキナーゼ）経路
　　ターゲット遺伝子: 炎症性サイトカイン、ケモカイン（例：CCL2、CXCL8）
　　機能: MAPK経路（ERK、JNK、p38）は、細胞の増殖、分化、ストレス応答に関与しています。HAはMAPK経路を活性化し、これらのケモカインやサイトカインの発現を増加させます。
　STAT（シグナル伝達および転写活性化因子）経路
　　ターゲット遺伝子: 抗ウイルス応答遺伝子、炎症性サイトカイン
　　機能: 特にSTAT3は、IL-6シグナル伝達経路の下流にあり、炎症性遺伝子の発現を促進します。HAはこの経路を活性化することで、細胞の炎症応答を増強します。
　HIF-1α（低酸素誘導因子-1α）経路
　　ターゲット遺伝子: VEGF（血管内皮成長因子）、MMP（マトリックスメタロプロテアーゼ）
　　機能: HIF-1αは低酸素応答に関与する転写因子で、VEGFやMMPの発現を促進します。HAはHIF-1αの安定化や活性化を介して、これらの遺伝子の発現を増加させ、血管新生や組織リモデリングを促進します。
具体的な細胞における影響
マクロファージ
　促進される遺伝子: TNF-α、IL-1β、IL-6、CCL2
　機能: 炎症応答の増強、病原体や損傷組織の除去
内皮細胞
　促進される遺伝子: VEGF、ICAM-1、VCAM-1
　機能: 血管新生、白血球の接着と移動の調節
好酸球
　促進される遺伝子: IL-4、IL-5、CCL5
　機能: アレルギー応答の増強、寄生虫感染の防御
上皮細胞
　促進される遺伝子: IL-8、MMP-9
　機能: 炎症応答の調節、組織リモデリング
低分子量および中分子量のヒアルロン酸は、これらの細胞においてさまざまな経路と転写因子を活性化し、炎症応答や組織リモデリングに関与する遺伝子の発現を促進します。
従って、免疫原性は低いとされていますが、
ヒアルロン酸自体が免疫原性を生じないわけではありません。
ここは重要なポイントなので整理が必要です。
具体的にはヒアルロン酸は「高分子量の場合」免疫原性が低い傾向にあります。
その理由は以下です。
免疫細胞のCD44と結合して、遺伝子経路を惹起させる場合には
複数のCD44が同時に結合し、信号が強化される必要があります。
そうした場合、短い分子量のヒアルロン酸は
独立して、複数のCD44と結合することができます。
そうなる事の空間的制約が少ないです。
とどのつまり分子が小さいから邪魔にならないという事です。
しかし、分子量が大きくなると
一つの細胞に対して、同じ分子が同時にCD44と結合する必要性が出てきます。
なぜなら、独立して複数の大きな分子が
細胞の周りに存在することが空間的に、邪魔で許されないからです。
この事が同時にCD44と結合することを難しくします。
これが一番、本質的な理由です。
従って、ヒアルロン酸が炎症反応によって
Hyaluronidase (hyase)の分泌が上がり、高分子が切断されると
バラバラになり分子量が小さくなるため、
CD44を通じて、免疫細胞に多価で認識されやすくなり、
ヒアルロン酸の免疫原性が上がってしまいます。
これは、あらゆる分子における免疫原性の基本的なことです。
すなわち、ヒドロゲルのような構造の場合、
それぞれの単位構造が免疫細胞に対して相対的に大きければ、
必然的に免疫原性はどのような物質であっても下がります。
しかし、ヒドロゲルの拡散性を上げるためには
粒子径は小さい方がいいのです。
それを決めるのがStokes-Einstein式です。
粒子の拡散係数Dは
D = (kb*T)/(6π*μ*r)できまります。
ここで：
D は粒子の拡散係数（m²/s）
kbはボルツマン定数（1.380649 × 10^-23 J/K）
T は絶対温度（ケルビン、K）
η は流体の粘性（Pa·s、パスカル秒）
r は粒子の半径（m）
これらです。従って、拡散係数は粒子径の１乗で反比例します。
また、流れに対して同じ速度で拡散する限界はペクレ数(Pe)です。
Pe = (L×U) / D
L は特徴長さ（m）
U は流速（m/s）
D は拡散係数（m²/s）
これあｒです。
ペクレ数が1に近い場合、拡散と対流が同程度の影響力を持つことを示します。
ペクレ数が1以下になると、拡散の影響が大きくなり、
ペクレ数が1以上になると対流の影響が大きくなります。
すなわち、ペクレ数が1以下では
その流れと違う方向に速く動くことができます。
一方で、1以上になると物質は血液の流れに従って動きます。
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従って、流速が速ければ、媒体の動的機序は対流律速になるという事です。
しかし、ヒドロゲルが大きくて重ければ、血管内壁に留まって、
蓄積してしまう、場合に依ったら、血管内腔を狭窄したり、
毛細血管など細い血管の場合は閉塞するという事も考えられます。
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ヒドロゲル100nmの時には
拡散係数は血液中のヒドロゲル粒子の拡散係数は
1.94×10^−12m2/s
これであり、
ペクレ数Peは3.09×10^10なので
圧倒的に対流律速であるということです。
おそらくヒドロゲルが自らの拡散を駆動する条件は
受容体と極めて近い位置になった時の局所だけに限られます。
おそらく
ヒドロゲルの沈降の影響もあまりないと推定されます。
ヒドロゲルの密度が血液の密度（約1g/cm³）とほぼ同じであるためです。
但し、蓄積は可能性があります。
血管の狭窄部や曲がりくねった部分では、流れの速度が変わり、
ヒドロゲルが局所的に蓄積する可能性があります。
衝突を考慮した場合に拡散係数は
Deff　約2.55×10^-14m2/s
これで約2桁下がります。
但し、血流が速いので、ほとんどの細胞が対流律速になっているため
こうした衝突の影響をあまり考える必要はないかもしれません。
物質間の強い結合に基づいた局所的な動きに限られます。
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ヒアルロン酸の濃度と半減期
1. 硝子体
ヒト: 100–400 μg/ml
リスザル: 100–180 μg/ml（注入液: 10 mg/ml、10–20% 濃度）
フクロウザル: 300–900 μg/ml（注入液: 10 mg/ml、20–30% 濃度）
ウサギ: 14–52 μg/ml（注入液: 0.02 mg/ml、70% 濃度）
2. 前房
ヒト: 1.1 μg/ml
フクロウザル: 11.4 μg/ml（注入液: 10 mg/ml、0.2–0.6% 濃度）
シノモルガスザル: 10 μg/ml（注入液: 0.8 mg/ml）
ウサギ:
1.1 μg/ml（注入液: 10 mg/ml、0.3–0.5% 濃度）
1.1 μg/ml（注入液: 0.02 mg/ml、0.04–0.06% 濃度）
3. 関節
馬: 300–500 μg/ml（注入液: 10 mg/ml、1% 濃度）
ウサギ:
0.3 μg/ml（注入液: 0.5 mg/ml）
3,800 μg/ml（注入液: 20 mg/ml、0.5% 濃度）
4. 胸膜
ウサギ:
0.76 μg/ml（注入液: 0.03–0.05 mg/ml、0.4–1.0% 濃度）
5. 心膜
ウサギ:
5 μg/ml（注入液: 10 mg/ml、3–4% 濃度）
5 μg/ml（注入液: 0.06 mg/ml、3–4% 濃度）
6. 腹膜
ウサギ:
2–93 μg/ml（注入液: 10 mg/ml、1.2% 濃度）
0.07 μg/ml（注入液: 0.1 mg/ml）
7. 骨格筋
ウサギ: 26–28 μg/ml（注入液: 10 mg/ml、1.25% 濃度）
8. 羊水
ヒツジ:
12週: 5.1 μg/ml（トレーサー）
15–17週: 1.9 μg/ml（トレーサー、0.5–0.8% 濃度）
9. 皮膚
ウサギ:
1.9 μg/ml
0.07 μg/ml（注入液: 0.5 mg/ml）
10 μg/ml（注入液: 2 mg/ml）
ラット: 840 μg/ml（注入液: 2.6–4.5 mg/ml）
半減期（t1/2）のデータ
硝子体:
ヒト: データなし
リスザル: 約10日
フクロウザル: 約10日
ウサギ: 約0.02日
前房:
ヒト: データなし
フクロウザル: 約10日
シノモルガスザル: 約0.8日
ウサギ:
約10日（0.3–0.5% 濃度）
約0.02日（0.04–0.06% 濃度）
関節:
馬: 約10日
ウサギ:
約0.5日
約20日（0.5% 濃度）
胸膜:
ウサギ: 約0.03–0.05日
心膜:
ウサギ:
約10日（3–4% 濃度）
約0.06日（3–4% 濃度）
腹膜:
ウサギ:
約10日（1.2% 濃度）
約0.1日
骨格筋:
ウサギ: 約10日（1.25% 濃度）
羊水:
ヒツジ:
12週: 約3–8日
15–17週: 約0.5–0.8日
皮膚:
ウサギ:
約1.9日
約0.5日
約2日
ラット: 約2.6–4.5日
従って、眼の硝子体と関節が最も多いです。
それ以外で多いのは骨格筋です。
高齢になって関節を痛めている人も多いので、
特に歩行に影響を与える膝関節のヒアルロン酸の量の調整を
非侵襲で、患者さんに負担がない形で
皮膚などのパッチによって浸透で出来るようにすることは大切です。
半減期が1週間程度なので、継続的なケアが少なくとも必要です。
これは、高齢の方に限らず、
運動強度の高いスポーツ選手のケアなどでも重要性が高いです。
できるだけ高分子量のヒアルロン酸を入れたいという需要もあります。
しかし、これを実現することは非侵襲ではおそらくかなり難しいです。
人の筋肉において腱は非常に重要です。
12か所ある腱のヒアルロン酸の推定濃度を上げます。
アキレス腱 (Achilles Tendon)
推定濃度: 約50–150 μg/ml
膝蓋腱 (Patellar Tendon)
推定濃度: 約40–120 μg/ml
腸脛靭帯 (Iliotibial Band)
推定濃度: 約30–100 μg/ml
大腿四頭筋腱 (Quadriceps Tendon)
推定濃度: 約50–130 μg/ml
肩甲下筋腱 (Subscapularis Tendon)
推定濃度: 約50–120 μg/ml
肩峰下腱 (Supraspinatus Tendon)
推定濃度: 約60–140 μg/ml
上腕二頭筋腱 (Biceps Brachii Tendon)
推定濃度: 約50–110 μg/ml
前腕屈筋腱 (Flexor Tendons)
推定濃度: 約40–100 μg/ml
前腕伸筋腱 (Extensor Tendons)
推定濃度: 約40–100 μg/ml
長腓骨筋腱 (Peroneus Longus Tendon)
推定濃度: 約30–90 μg/ml
短腓骨筋腱 (Peroneus Brevis Tendon)
推定濃度: 約30–90 μg/ml
内側広筋腱 (Medial Vastus Tendon)
推定濃度: 約50–120 μg/ml
腱のヒアルロン酸は骨格筋よりは多い傾向にあります。
特に問題となるアキレス腱は皮膚から距離が近いため、
皮膚パッチで非侵襲で入れたいという需要があります。
私も左のアキレス腱を少しだけだけど痛めていて、
大きな速度で走ることができません。
アキレス腱は細いから痛めると治らないので、
できるだけ柔らかい細胞外マトリックスである
ヒアルロン酸の分子量と量を最適化したいという事があります。
特にスポーツ選手においては重要です。
例えば、ヒアルロン酸を皮膚からアキレス腱まで浸透圧を使って
届けることを考えます。
前提条件と仮定
皮膚からアキレス腱までの距離: 約2–5 cm（皮膚から腱までの皮下組織の厚さ）
皮膚のバリア構造: 角質層（stratum corneum）は約10–20 μmの厚さ
ヒアルロン酸の拡散係数 (D): 
皮膚内のヒアルロン酸の拡散係数は約 1×10^−7m-^2/s(仮定)
温度 (T): 体温である約37°C（310 K）
膚の透過率 P
P= D / S
D = 拡散係数 = 1×10−7m2/s
h = 皮膚の厚さ約10–20 μm 
​P = 0.01m/s
ヒアルロン酸が皮膚からアキレス腱に到達するためには、一定の浸透圧差を確保する必要があります。仮に皮膚からアキレス腱までの距離を5 cm（0.05 m）とすると、拡散による時間 t を計算できます。拡散の距離 x に対する時間は以下の式で表されます：
t = x^2/D
x = 0.05 m
D = 拡散係数 = 1×10−7m2/s
t = 29日
従って、約1か月もかかってしまうため現実的ではありません。
仮に10秒で届けようとすれば、
2.5×10^-4m2/sの拡散係数が必要です。
もともと皮膚はそういった物質が中に浸透しないようにできているので
それを打ち破って、中まで浸透させるにはやはり
ニードルなど侵襲的な処置が必要になりそうです。
電気、超音波などもありますが、
現実的には少し難しい可能性があります。
高分子量のヒアルロン酸ならなおさらバリア機能を通過する事は難しいです。
例えば、深さ方向に対して
非常に高い精度で制御した形でニードルを指し、
角質層だけをスキップするとか、
侵襲するにしてもデメリットが少ない形での注入方式はあるかもしれません。
ヒアルロン酸による治療が普及していないという事は
どこかに潜在的な困難性があるということです。
その一つはおそらくヒアルロン酸の回転率の高さ、
すなわち寿命の短さです。

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