Loading article…
シクロデキストリンは、 α-1,4グリコシド結合で結合したグルコースサブユニットのマクロ環状環からなる環状オリゴ糖 の一種です。シクロデキストリンは、デンプンを酵素変換して作られます。食品、医薬品、ドラッグデリバリー、化学工業のほか、農業や環境工学にも利用されています。 [ 1 ]
シクロデキストリンは、アミロース（デンプンの断片）と同様に、5個以上のα-D-グルコピラノシド単位が1→4結合で連結された構造をしている。典型的なシクロデキストリンは、環状構造の中に6～8個のグルコースモノマーを含み、円錐形をしている。
最もよく特徴づけられているシクロデキストリンは、32個の1,4-アンヒドログルコピラノシド単位から構成されている。少なくとも150個の環状オリゴ糖を含む、特徴づけが不十分な混合物も知られている。
シクロデキストリンは、30種類以上の承認済み医薬品の成分です。[ 2 ]疎水性の内部と親水性の外部を持つシクロデキストリンは、疎水性化合物と複合体を形成します。α-、β-、γ-シクロデキストリンはすべて、米国FDAによって一般的に安全と認められています。 [ 3 ] [ 4 ]これらは、ヒドロコルチゾン、プロスタグランジン、ニトログリセリン、イトラコナゾール、クロラムフェニコールなど、さまざまな薬剤の送達に使用されています。シクロデキストリンは、これらの薬剤に溶解性と安定性を与えます。[ 1 ] シクロデキストリンと疎水性分子の包接化合物は、体組織に浸透することができ、特定の条件下で生物活性化合物を放出するために使用できます。[ 5 ]ほとんどの場合、このような複合体の制御された分解のメカニズムは、水溶液のpHの変化に基づいており、ホスト分子とゲスト分子間の水素結合またはイオン結合の喪失につながります。複合体を破壊するための別の手段としては、加熱やグルコースモノマー間のα-1,4結合を切断できる酵素の作用を利用する方法がある。シクロデキストリンは、薬剤の粘膜浸透性を高めることも示されている。[ 6 ]
シクロデキストリンは香料を結合します。このようなデバイスは、アイロンがけ、体温、乾燥機などの加熱によって香料を放出することができます。一般的な用途としては、典型的な「乾燥機用シート」があります。また、β-シクロデキストリンが臭いの原因となる化合物を「捕捉」し、それによって臭いを軽減すると謳っているファブリーズの主成分でもあります。 [ 1 ]
シクロデキストリンは、エタノールをカプセル化してアルコール粉末を製造するためにも使用されます。この粉末は水と混ぜるとアルコール飲料になりますが、錠剤として服用することもできます。[ 8 ] 2014年にFDAが粉末アルコールを承認したことで、米国では広範囲にわたる禁止と反発が起こりました。[ 9 ]
典型的なシクロデキストリンは、6～8個のグルコピラノシド単位から構成されています。これらのサブユニットは1,4グリコシド結合で連結されています。シクロデキストリンはトーラス状の形状をしており、トーラスの大きい方の開口部と小さい方の開口部は、それぞれ溶媒に接する第二級および第一級ヒドロキシル基を露出させています。この構造のため、トーラス内部は水環境よりも親水性がかなり低く、疎水性分子を収容することができます。一方、外部は十分に親水性であるため、シクロデキストリン（またはその複合体）は水溶性を示します。これらは一般的な有機溶媒には溶解しません。
シクロデキストリンは、デンプンの酵素処理によって調製されます。[ 10 ] [ 11 ]一般的に、 α-アミラーゼとともにシクロデキストリングリコシルトランスフェラーゼ（CGTase）が使用されます。まず、デンプンは加熱処理またはα-アミラーゼを使用して液化され、次に酵素変換のためにCGTaseが添加されます。CGTaseはシクロデキストリンの混合物を生成するため、変換の生成物は、使用する酵素に厳密に依存する比率で、3つの主要なタイプの環状分子の混合物になります。各CGTaseは、独自の特性α:β:γ合成比率を持っています。[ 12 ] 3種類のシクロデキストリンの精製は、分子の異なる水溶性を利用しています。水溶性の低いβ-CD（ 25 ℃で18.5 g/Lまたは16.3 mM ）は結晶化によって容易に回収できますが、より水溶性の高いα-CDとγ-CD（それぞれ145 g/Lと232 g/L）は通常、高価で時間のかかるクロマトグラフィー技術によって精製されます。代替案として、酵素変換ステップ中に「錯化剤」を添加することができます。このような剤（通常はトルエン、アセトン、エタノールなどの有機溶媒）は、目的のシクロデキストリンと錯体を形成し、その後沈殿します。錯体形成により、デンプンの変換が沈殿したシクロデキストリンの合成へと促進され、最終製品混合物中のシクロデキストリンの含有量が増加します。一部の研究者は、α-、β-、またはγ-シクロデキストリンを特異的に生成できる専用プロセスを開発しました。[ 13 ]これは特に食品業界にとって非常に価値がある。なぜなら、アルファシクロデキストリンとガンマシクロデキストリンだけが1日の摂取制限なしで摂取できるからである。
シクロデキストリンへの関心は、ヒドロキシル基の化学修飾によってホスト-ゲスト挙動を操作できるため高まっている。O-メチル化とアセチル化は典型的な変換である。プロピレンオキシドはヒドロキシプロピル化誘導体を与える。[ 1 ]第一級アルコールはトシル化することができる。誘導体化の程度は調整可能であり、完全メチル化と部分メチル化である。[ 15 ]
β-シクロデキストリンとメチル-β-シクロデキストリン（MβCD）はどちらも培養細胞からコレステロールを除去します。メチル化されたMβCDはβ-シクロデキストリンよりも効率的であることがわかりました。水溶性のMβCDはコレステロールと可溶性の包接錯体を形成し、それによって水溶液中でのコレステロールの溶解度を高めることが知られています。MβCDはコレステロールフリー製品の製造に使用されます。かさばって疎水性のコレステロール分子はシクロデキストリン環の中に容易に取り込まれます。MβCDは、膜からコレステロールを除去することによって脂質ラフトを破壊する研究にも使用されます。[ 16 ]
チオール基がシクロデキストリンに共有結合しているため、高い粘膜付着性を導入できます。これは、これらのチオール化オリゴマー（チオマー）が粘液糖タンパク質のシステインに富むサブドメインとジスルフィド結合を形成できるためです。したがって、チオール化シクロデキストリンの胃腸および眼内滞留時間は大幅に延長されます。[ 17 ] [ 18 ]さらに、チオール化シクロデキストリンは標的細胞に積極的に取り込まれ、ペイロードを細胞質に放出します。たとえば、チオール化α-シクロデキストリンをキャリアシステムとして使用することで、さまざまなモデル薬の細胞内取り込みが最大20倍向上しました。[ 19 ]
超分子化学において、シクロデキストリンは、ロタキサンやカテナンなどの機械的に連結した分子構造の前駆体である。例として、α-シクロデキストリンはテトラブロモアウレートアニオン（[AuBr4]-）と第二配位圏錯体を形成する。[ 20 ]
β-シクロデキストリンと特定のカロテノイド食品着色料との複合体は、色を濃くし、水溶性を高め、光安定性を向上させることが示されている。[ 21 ] [ 22 ]
β-シクロデキストリンとアダマンタン誘導体との間に形成される複合体は、ハイドロゲル[ 23 ]や低摩擦表面[ 24 ]などの自己修復材料の製造に使用されている。
β-シクロデキストリンとパーフルオロヘキサンのホスト-ゲスト相互作用を利用して、音響活性ナノ粒子が作製された。[ 25 ]これらのナノ粒子は組織破壊と組み合わされ、ナノ粒子媒介組織破壊（NMH）の開発につながった。NMHは、非選択性や高圧の必要性など、従来の組織破壊の限界を克服している。 [ 26 ]この有望な新手法は、がん治療を含むさまざまな目的での細胞除去に応用できる可能性がある。[ 27 ]
シクロデキストリンは、1891年にA. Villiersによって初めて記述されたとき、「セルロシン」と呼ばれていました。[ 28 ]その後すぐに、F. Schardingerは、α、β、γの3つの天然シクロデキストリンを特定し、「Schardinger糖」と呼んでいます。1911年から1935年までの25年間、ドイツのHans Pringsheimはこの分野の第一人者であり、[ 29 ]シクロデキストリンが他の多くの化学物質と安定な水性複合体を形成することを実証しました。1970年代半ばまでに、天然シクロデキストリンはそれぞれ構造的および化学的に特徴付けられ、さらに多くの複合体が研究されました。1970年代以降、Szejtliらは、産業および薬理学的用途のためにシクロデキストリンとその誘導体によるカプセル化を探求する広範な研究を行ってきました。[ 30 ]錯体形成に用いられるプロセスの中で、混練プロセスは最も優れたものの1つであると思われる。[ 31 ]
シクロデキストリンは、動物実験で無毒であるように見えることから、広く注目されています。LD50 （経口、ラット）はグラム/キログラムのオーダーです。[ 1 ]それにもかかわらず、β-シクロデキストリンを動脈硬化[ 32 ]、加齢に伴うリポフスチン蓄積[ 33 ]、肥満の予防に使用しようとする試みは、聴神経の損傷[ 34 ]や腎毒性作用[ 35 ]という障害に直面しています。