JP4128448B2 - 水溶液の表面張力を測定する方法 - Google Patents
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Description
本発明は、一般に、水溶液の表面張力を、その気液界面において測定する方法に関する。具体的には、本発明の課題は、薬剤等の物質の表面活性特性を測定する方法であって、前記物質の水溶液の表面張力を、前記物質の複数の濃度で測定し、前記水溶液の表面張力に対する前記物質の作用を、前記表面張力と前記物質の濃度との間の関係を決定することによって決定する方法に関する。
薬剤などの物質の、両親媒性及び界面活性は、それらの胃腸管に於ける吸収、それらの組織中における分布、そして、特に、それらの血液脳関門（ＢＢＢ）透過性、肝臓代謝作用及び尿排泄、すなわち、それらの所謂ＡＤＭＥ性、に相関している。分子疎水性を推測する１つの方法は、その物質のオクタノール水中における分配係数（ｌｏｇ Ｐ）を測定することである。両親媒性及び界面活性は、従来、水の表面張力に対するその物質の作用を測定することによって測定されてきた。表面張力は、たとえば、ウィルヘルミープレート又はデュヌイリングの使用を含む方法、等の様々な方法で測定することが可能である。
薬剤用として使用され、そのためにＡＤＭＥ特性についてテストされる物質の大半に関連する問題点は、それらの難水溶性である。この理由により、製薬産業は、通常、その薬剤の所謂塩基性溶液を使用し、これは、その薬剤の、ジメチルスルホキシド（ＤＭＳＯ）溶液であり、この溶液は、薬剤に対して１０ｍＭである。しかしながら、ＤＭＳＯは、その表面張力が低く、又、それによって、水と水溶液の表面張力が低下するため、表面張力の測定にはあまり適していない。前記薬剤のＤＭＳＯ１０ｍＭ溶液は、非希釈形態で使用される。というのは、それからＡＤＭＥ特性が測定される前記物質によって引き起こされる表面張力の変化は、モル濃度がマイクロ−ミリの目盛で変化することを必要とするからである。系に添加されるＤＭＳＯによって得られる信号、すなわち、測定の感度、が大幅に低下する。
薬物動態不良が、現在、臨床試験に於ける化合物の不成功の主要な理由である。従って、薬物動態学のための、容易で、ハイスループットで、ロバストなスクリーニング方法が早急に求められている。薬剤の表面張力に基づいてＢＢＢ−透過性を推測するための手順が、最近、提案されている（シーリッグ，アール（Ｓｅｅｌｉｇ， Ｒ．）他：Ａ ｍｅｔｈｏｄ ｔｏ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅ ｔｈｅ ａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｄｒｕｇ ｔｏ ｄｅｆｕｓｅ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｂｌｏｏｄ−ｂｒａｉｎ ｂａｒｒｉｅｒ， Ｐｒｏｃ． Ｎａｔｌ． Ａｃａｄ． Ｓｃｉ． ＵＳＡ ９１：６８−７２ （１９９４）；フィッシャー，エイチ（Ｆｉｓｃｈｅｒ Ｈ．）他，Ｂｌｏｏｄ−ｂｒａｉｎ ｂａｒｒｉｅｒ ｐｅｒｍｅａｔｉｏｎ：ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｇｏｖｅｒｎｉｎｇ ｐａｓｓｉｖｅ ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ， Ｊ． Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｂｉｏｌ． １６５：２０１−２１１ （１９９８））。しかしながら、この方法の予想される価値は非常に優れたものではあるが、これらの著者によって記載されている方法は、遅く、その測定サイクルは最大で４時間近くになる。更に、必要なキュベット量が多いため、化合物の消費量が多い。
本発明は、公知の方法に関連する上記欠点を軽減し、表面張力を測定する高感度な方法を提供する。この方法は、たとえば、受動拡散によって中枢神経系に入る化合物のＢＢＢ−透過性を極めて良好に予測する化合物のスクリーニングを可能にする。又、得られたデータは、薬剤の尿排泄に対する良好な相関性を示し、従って、ＡＤＭＥにおけるいくつかの薬物動態学的決定子の共通の生物物理学的性質を示す。
本発明は、両親媒性物質の表面活性特性を測定する方法であって、当該方法は、前記物質の水溶液の表面張力を、前記物質の複数の濃度において、その気液界面で測定し、前記物質の表面張力と濃度との関係をギブスの吸着等温式に基づいて決定する工程と、このようにして決定された関係を使用して、前記物質の前記表面活性特性を予測する工程とを有し、この方法において、前記水溶液に、前記水溶液の表面張力を増加させる水溶性物質を、０．３Ｍから前記水溶液中の前記物質の飽和濃度の範囲の濃度となる量添加する。
好ましくは、その表面活性特性が測定される前記物質は、生物活性物質である。
添付図面において、
図１は、４ＭのＮａＣｌと１％ＤＭＳＯ（三角）又は１０％ＤＭＳＯ（丸）、又は１１４ｍＭのＮａＣｌと１０％ＤＭＳＯ（四角）のいずれかを含有する、緩衝（５０ｍＭトリス−塩酸，ｐＨ８）水溶液中の薬剤ハロペリドールの濃度の対数（ｌｎＣ）の関数としての表面圧πをグラフ形態で図示している、
図２は、図１のものと類似のグラフであるが、ここでは薬剤イミプラミンのｌｎＣの関数としての表面圧を図示し、ここで、その溶液は図１のものに対応している、そして
図３は、図１のものと類似のグラフであるが、ここでは薬剤アミオダロンのｌｎＣの関数としての表面圧を図示し、ここで、その溶液は図１のものに対応している。
図１は、４ＭのＮａＣｌと１％ＤＭＳＯ（三角）又は１０％ＤＭＳＯ（丸）、又は１１４ｍＭのＮａＣｌと１０％ＤＭＳＯ（四角）のいずれかを含有する、緩衝（５０ｍＭトリス−塩酸，ｐＨ８）水溶液中の薬剤ハロペリドールの濃度の対数（ｌｎＣ）の関数としての表面圧πをグラフ形態で図示している、
図２は、図１のものと類似のグラフであるが、ここでは薬剤イミプラミンのｌｎＣの関数としての表面圧を図示し、ここで、その溶液は図１のものに対応している、そして
図３は、図１のものと類似のグラフであるが、ここでは薬剤アミオダロンのｌｎＣの関数としての表面圧を図示し、ここで、その溶液は図１のものに対応している。
本発明によれば、水溶液に対して、それ自身がその水溶液の表面張力を増加させる水溶性物質を十分な量、添加することによって、その系と使用される方法の感度を顕著に改善することが可能であることが発見された。水溶液の表面張力を増加させる化合物は、「水構造形成剤」（ｗａｔｅｒ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｍａｋｅｒｓ）、あるいは、抗カオトロピック物質、と称することができる。たとえば、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ， ２３７ （１９９０） ４１１−４１９， Ｊ． Ｐｈｙｓ，Ｃｈｅｍ． ８， １９９８， １０２， ７０５８−７０６６を参照。
表面張力を増加させる典型的な物質は、ハロゲン化物や炭酸塩等のアルカリ金属塩又は土類アルカリ金属塩である。好適な塩は、塩化ナトリウムや塩化カリウム等の塩化物である。適当な有機塩は、たとえば、カルボン酸塩、たとえば、グルタミン酸ナトリウム等のグルタミン酸塩、酒石酸塩、コハク酸塩、クエン酸塩、である。
塩に加えて、水溶液に対する表面張力増大作用を有するその他の水溶性物質も使用可能であり、これらの物質は、当業者によって容易に決定することができる。そのような物質の具体例として、コリンとベタイン、糖とポリオール、たとえば、マンニトール、イノシトール、ソルビトール及びキシリトール、そして、リジンなどのアミノ酸やそれらの塩、を挙げることができる。好ましくは、これらの物質は、効率的な水素結合供与体又は受容体であるべきではない。
水溶液に添加される水溶性物質の量は、かなり広い範囲内で変化可能であり、約０．３Ｍからその水溶性表面張力増大物質の飽和濃度までの範囲が適切であることが判っている。特に好適な範囲は、特に、前記物質が、塩化ナトリウム等の塩である場合、２〜６Ｍである。
本発明の一実施例に拠れば、その表面張力が測定される前記水溶液は、両親媒性物質の水溶液、但し薬剤に限定されない、とすることができ、特に、中枢神経系（ＣＮＳ）の障害の治療用の薬剤などの、血液脳関門を通して拡散する薬剤とすることができる。
本発明の好適実施例に拠れば、前記両親媒性物質は、ＤＭＳＯや低級アルコール、たとえば、メタノール、ジメチルホルムアミド、トルエン、イソプロパノール、等の十分に水溶性である溶媒中に溶解された前記水溶液に添加される。水溶液中の前記水溶性溶媒の濃度はそれほど重要ではなく、その使用可能な範囲は、溶液の体積比で０．１〜２０％である。１体積％もの低い量でも良好な結果が得られた。溶媒の測定に対する干渉が少なくなるため、より少ない量が好適であることはもちろんである。
たとえば、水溶性溶媒中に溶解した両親媒性物質が、水溶液に添加されると、その物質は、気液界面を分け（ｐａｒｔｉｔｉｏｎ）、表面張力の低下（表面圧の増加）を引き起こす。前記水溶液中において、更に、それ自身が、表面張力を増加させる物質を使用することによって、測定をより高感度なものとする、すなわち、前記両親媒性物質のその表面活性をテストする時に、両親媒性物質のより低い濃度で、より水溶性の低い溶媒を使用して、表面張力又は表面圧に於けるより顕著でより大きな変化を得る、ことが可能である。濃度の関数としての表面圧の変化は、通常、約０．１ｎＭ〜１０Ｍ、好ましくは、０．１ｎＭ〜１０ｍＭオーダーの低濃度で測定される。
表面張力に対して反比例する表面圧は、たとえば、前記気液界面に配置されたセンサにかかる力を測定することによって測定することができる。そのようなセンサは、ウィルヘルミープレート等の薄いプラチナプレートとして構成することができ、これが気液界面に配置される。表面圧の変化は、前記プレートに付着する液体の量の変化として明示される。液体の表面圧の増大に応じて、プレートに付着する水の量はリニアに減少し、その逆も真である。前記センサの表面は、表面圧の作用によって湿潤され、これが、センサの重量、又は、センサにかかる荷重の増加、として現れる。表面圧によってセンサにかかる力によって、センサは垂直方向に移動する。この力は、たとえば、市販の微量天秤によって測定することができる。
センサの別の構造は、小径の金属合金ワイヤプローブ、すなわち、デュヌイリングである。
テスト対象の物質の濃度の関数として表面張力又は表面圧を測定することによって、前記物質の表面圧に対する作用、すなわち、濃度の関数としての表面圧又は張力を測定することができる。種々の物質の濃度の対数値の関数として表面圧をプロットすることによって得られた曲線により、それらの物質の表面活性プロファイルに寄与する、分子の界面面積、空気と水との分配係数、及び臨界ミセル濃度を含む多くの特性の測定が可能となる。これ自身は公知であり、たとえば、上述した文献（Ｊ． Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｂｉｏｌ． １６５：２０１−２１１ （１９９８））に記載されている。以下の例において、これについて更に詳しく説明する。
この例において、ＤＭＳＯを、薬剤用の好適な溶媒として使用した。薬剤は、１０ｖｏｌ−％と１ｖｏｌ−％の濃度でＤＭＳＯ中に溶解された。９６ウェルプレートにおいてＤＭＳＯの系列希釈を行った（Ｃｏｒｎｉｎｇ， ＮＹ， ＵＳＡ）。その後、これらのＤＭＳＯ溶液の６μｌを、測定キュベット（Ｋｉｂｒｏｎ Ｉｎｃ．， ヘルシンキ、フィンランド）中で、５５μｌの緩衝液（１１４ｍＭ ＮａＣｌ，５０ｍＭ トリス−塩酸， ｐＨ８．０）又は、４ＭのＮａＣｌを含有する同じ緩衝液に移した。ＤＭＳＯ中において十分に溶解しない化合物の場合は、代わりにメタノールを使用することができる。
表面活性は、自動較正及び測定プログラムを備えた、マルチチャンネルマイクロ表面張力計（ＭｕｌｔｉＰｉ， Ｋｉｂｒｏｎ Ｉｎｃ．）を使用して測定することができる。較正のために、第１ウェルは、溶媒とともに前記緩衝液を含んでいた。表面張力は、小径金属合金メタルプローブを使用するデュヌイ法の技術によって測定された。前記複数のチャンネルのそれぞれに対して、１３の連続ウェルを平行して測定した。キャリオーバーを最小限にするために、最高薬物濃度は、最後のサンプルウェルとなるようにした。純水の表面張力を測定している際の１つのチャンネル内の誤差は、０．１２〜０．３４ｍＮ／ｍの範囲であった。チャンネル間の誤差は、０．３０ｍＮ／ｍであった。
このようにして、添付の図１−３に図示されている表面活性プロファイルが得られた。
公知のように、親媒質の気液界面に対する吸着によって、表面張力γは減少する。水溶液の表面張力γ０と前記薬剤溶液について測定された値γ０−γとの差によって、表面圧π＝γ０−γが生まれる。ギブスの吸着等温式を使用して、このプロセスのサーモダィナミックスは次の等式によって与えられる。
ここで、Ｃは、前記親媒質の濃度、ＲＴは熱エネルギ、ＮAはアボガドロ数、そしてＡSは親媒質の界面面積である。ｌｎＣに対してπをプロットすることによって、直線勾配が得られる。この勾配は、表面過剰濃度Γ∞に対応する。これらのデータから、下記の等式を使用してＡSが導かれる。
前記空気と水との分配係数Ｋawは、π／Ｃ曲線をΓ∞を得るために調節し、次の等式を使用して前記測定データから計算することができる。
両親媒性インデックスΘは、ＣＭＣ／Ｋawから得られ、ここでＣＭＣは臨界ミセル濃度である。ＣＭＣは、表面圧πの増加が、図１において矢印によって示されてるように横ばい状態になる濃度として前記プロットから入手可能である。
上述したように、物質の、ＡＤＭＥ特性を決定するための有用なパラメータは、界面面積ＡS、空気と水との分配係数Ｋaw、及び臨界ミセル濃度ＣＭＣであり、これらのパラメータによって、物質の両親媒性インデックスの測定が可能となり、更に、それによって、血液脳関門を横断する物質の能力を測定する手段が提供される。
Claims (6)
- 両親媒性物質の表面活性特性を測定する方法であって、当該方法が、前記物質の水溶液の表面張力を、前記物質の複数の濃度において、その気液界面で測定し、前記物質の表面張力と濃度との関係をギブスの吸着等温式に基づいて決定する工程と、このようにして決定された関係を使用して、前記物質の前記表面活性特性を予測する工程とを有するものにおいて、前記水溶液に、前記水溶液の表面張力を増加させる水溶性物質が、０．３Ｍから前記溶液中の前記水溶性物質の飽和濃度の範囲の濃度となる量、添加されることを特徴とする方法。
- 請求項１の方法であって、その前記表面活性特性が測定される前記物質は、ＤＭＳＯまたは低級アルコールの、水溶性の溶媒に溶解された前記水溶液に添加される。
- 請求項１又は２の方法であって、前記水溶液の表面張力を増加させる前記水溶性物質は、アルカリ又はアルカリ土類金属塩、カルボン酸塩から成るグループから選択される。
- 請求項１又は２の方法であって、前記水溶液の表面張力を増加させる前記水溶性物質は、糖及びポリオール、アミノ酸、コリン及びベタインから成るグループから選択される。
- 請求項２又は３の方法であって、前記水溶性物質は、該水溶性物質の濃度、２〜６Ｍの量、添加される。
- 請求項２の方法であって、前記水溶性の溶媒は、前記溶液全体の０．１〜２０体積％である。
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