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細胞生物学では、細胞外液（ECF）とは、多細胞生物の細胞外にあるすべての体液を指します。健康な成人の総体水分量は、総体重の約50～60%（範囲45～75%）です。[ 1 ]女性や肥満者は通常、痩せた男性よりも割合が低くなります。[ 2 ]細胞外液は体液の約3分の1を占め、残りの3分の2は細胞内の細胞内液です。[ 3 ]細胞外液の主な成分は、細胞を取り囲む間質液です。
細胞外液はすべての多細胞動物の内部環境であり、血液循環系を持つ動物では、この液の一部は血漿である。[ 4 ]血漿と間質液は、細胞外液の少なくとも97%を構成する2つの成分である。リンパは間質液のごく一部を占める。[ 5 ]残りの少量の細胞外液には、細胞間液（約2.5%）が含まれる。細胞外液は、輸送システムとしての血漿とリンパ、および細胞との水分と溶質の交換のための間質液という2つの成分から構成されていると考えることもできる。[ 6 ]
細胞外液、特に間質液は、体内のすべての細胞を浸す、体内の内部環境を構成しています。そのため、細胞外液の組成は細胞の正常な機能にとって極めて重要であり、負のフィードバックを含む多くの恒常性維持機構によって維持されています。恒常性維持機構は、とりわけ細胞外液中のpH、ナトリウム、カリウム、カルシウム濃度を調節します。体液量、血糖値、酸素濃度、二酸化炭素濃度もまた、厳密に恒常的に維持されています。
体重70kg（154ポンド）の若い成人男性の細胞外液量は 体重の20％、つまり約14リットルです。そのうち11リットルは間質液で、残りの3リットルは血漿です。[ 7 ]
細胞外液（ECF）の主成分は、体内の細胞を取り囲む間質液、すなわち組織液です。ECFのもう一つの主成分は、循環系の血管内液である血漿です。残りのわずかな割合は、細胞間液です。これらの成分はしばしば「体液コンパートメント」と呼ばれます。体重70kgの若い成人男性の細胞外液量は 、体重の20%、つまり約14リットルです。
間質液は基本的に血漿に匹敵する。間質液と血漿は細胞外液の約97%を占め、そのうちのごく一部がリンパ液である。
間質液は血管と細胞の間の体液であり、[ 8 ]拡散によって毛細血管から栄養素を含み、代謝によって細胞から排出された老廃物を保持します。[ 9 ] [ 10 ]細胞外液の11リットルは間質液であり、残りの3リットルは血漿です。[ 7 ]血漿と間質液は、毛細血管の壁を介して、孔や毛細血管裂隙を通して水、イオン、および小さな溶質が絶えず交換されるため、非常によく似ています。
間質液は、糖類、塩類、脂肪酸、アミノ酸、補酵素、ホルモン、神経伝達物質、白血球、細胞老廃物を含む水溶媒から構成されています。この溶液は、人体に含まれる水分の26%を占めています。間質液の組成は、生体組織の細胞と血液との間の物質交換に依存します。[ 11 ]これは、組織液の組成が組織や体の部位によって異なることを意味します。
血液毛細血管を通って間質液に濾過される血漿には、赤血球や血小板は大きすぎて通過できないため含まれていないが、免疫系を助けるための白血球は含まれている場合がある。
細胞外液が細い血管（リンパ毛細血管）に集まるとリンパ液とみなされ、それを血液に戻す血管はリンパ管と呼ばれます。リンパ系は、タンパク質と余分な間質液を循環系に戻します。
間質液と血漿のイオン組成は、ギブス・ドナン効果によって変化する。このため、両体液コンパートメント間で陽イオンと陰イオンの濃度にわずかな差が生じる。
細胞間液は細胞の輸送活動によって形成され、細胞外液の最小成分です。これらの液は上皮で覆われた空間内に存在します。この液の例としては、脳脊髄液、眼の房水、体腔を覆う漿膜内の漿液、内耳のリンパ液と内リンパ液、関節液などがあります。[ 2 ] [ 12 ]細胞間液は場所によって組成が大きく異なります。細胞間液中に存在する電解質には、ナトリウムイオン、塩化物イオン、重炭酸イオンなどがあります。
細胞外液は、ECFと細胞間の物質交換の媒体を提供し、これは液体媒体中での溶解、混合、輸送によって行われます。[ 13 ] ECFに含まれる物質には、溶解ガス、栄養素、電解質などがあり、これらはすべて生命維持に必要です。[ 14 ] ECFには、細胞から可溶性の形で分泌される物質も含まれていますが、これらはすぐに繊維（コラーゲン、細網線維、弾性線維など）に凝集するか、固体または半固体の形で沈殿します（軟骨の大部分を形成するプロテオグリカンや骨の構成要素など）。これらの物質やその他の多くの物質は、特にさまざまなプロテオグリカンと結合して、体中の細胞間の細胞外マトリックス、つまり「充填」物質を形成します。 [ 15 ]これらの物質は細胞外空間に存在するため、ECFの一部ではありませんが、すべてECFに浸されています。
細胞外液の主な役割の1つは、血液から組織細胞への分子状酸素の交換と、細胞ミトコンドリアで生成された二酸化炭素（CO₂ ）を血液に戻すことを促進することです。二酸化炭素は酸素よりも水に約20倍溶けやすいため、細胞と血液の間の水性液体中を比較的容易に拡散することができます。[ 16 ]
しかし、疎水性の分子状酸素は水への溶解度が非常に低く、疎水性の脂質結晶構造を好む。[ 17 ] [ 18 ]その結果、血漿リポタンパク質は周囲の水性媒体よりもはるかに多くのO2を運ぶことができる。[ 19 ] [ 20 ]
赤血球中のヘモグロビンが血液中の主要な酸素輸送体であるとすれば、血漿リポタンパク質は細胞外液中における唯一の酸素輸送体である可能性がある。
リポタンパク質の酸素運搬能力は、加齢や炎症によって低下します。これにより、細胞外液機能の変化、組織への酸素供給量の減少、組織低酸素症の発症につながります。リポタンパク質のこれらの変化は、酸化または炎症による損傷によって引き起こされます。[ 21 ]
内部環境は恒常性の過程で安定化される。複雑な恒常性メカニズムが働き、細胞外液の組成を調節して安定させる。個々の細胞もさまざまなメカニズムによって内部組成を調節することができる。[ 22 ]
細胞内外のナトリウムイオンとカリウムイオンの濃度には大きな違いがあります。細胞外液中のナトリウムイオン濃度は細胞内液中の濃度よりもかなり高くなっています。 [ 23 ]カリウムイオン濃度については、細胞内外でその逆が当てはまります。これらの違いにより、すべての細胞膜は電気的に帯電し、細胞の外側が正電荷、内側が負電荷を帯びます。静止状態のニューロン（インパルスを伝導していないニューロン）では、膜電位は静止電位と呼ばれ、膜の両側の電位差は約-70mVです。[ 24 ]
この電位は、細胞膜にあるナトリウム-カリウムポンプによって生成されます。このポンプは、ナトリウムイオンを細胞外の細胞外液に送り出し、その見返りとして細胞外液からカリウムイオンを細胞内に取り込みます。細胞内と細胞外のイオン濃度のこの差を維持することは、正常な細胞容積を安定させ、一部の細胞が活動電位を発生させるために不可欠です。[ 25 ]
いくつかの細胞種では、細胞膜にある電位依存性イオンチャネルが、特定の条件下で数マイクロ秒の間だけ一時的に開くことがあります。これにより、細胞内外に存在するナトリウムイオン濃度勾配によって、ナトリウムイオンが細胞内に短時間流入します。その結果、細胞膜が一時的に脱分極（電荷を失う）し、活動電位の基礎が形成されます。
細胞外液中のナトリウムイオンは、体液のある区画から別の区画への水の移動にも重要な役割を果たします。涙が分泌されたり、唾液が形成されたりすると、ナトリウムイオンは細胞外液からこれらの体液が形成されて集められる管に送り込まれます。これらの溶液の水分含有量は、水が浸透圧によってナトリウムイオン（および付随する陰イオン）に追随するという事実によって生じます。[ 26 ] [ 27 ]同じ原理が他の多くの体液の形成にも適用されます。
カルシウムイオンはタンパク質に結合する傾向が非常に高い。[ 28 ]これによりタンパク質上の電荷分布が変化し、その結果、タンパク質の3D（または三次）構造が変化する。[ 29 ] [ 30 ]多くの細胞外タンパク質、および細胞膜タンパク質の細胞外部分の正常な形状、したがって機能は、ECF中の非常に正確なイオン化カルシウム濃度に依存している。ECF中のイオン化カルシウム濃度の変化に特に敏感なタンパク質は、血漿中のいくつかの凝固因子であり、カルシウムイオンがないと機能しないが、適切な濃度のカルシウム塩を加えると完全に機能するようになる。 [ 23 ] [ 28 ]神経および筋肉の細胞膜にある電位依存性ナトリウムイオンチャネルは、 ECF中のイオン化カルシウム濃度の変化に対してさらに高い感度を示す。[ 31 ]血漿イオン化カルシウム濃度が比較的わずかに低下すると（低カルシウム血症）、これらのチャネルからナトリウムが神経細胞または軸索に漏れ出し、神経細胞または軸索が過興奮状態になり、その結果、自発的な筋肉の痙攣（テタニー）や四肢および口の周りの知覚異常（「針で刺される」ような感覚）が引き起こされます。[ 29 ] [ 31 ] [ 32 ]血漿イオン化カルシウムが正常値を超えると（高カルシウム血症）、より多くのカルシウムがこれらのナトリウムチャネルに結合し、逆の効果をもたらし、倦怠感、筋力低下、食欲不振、便秘、感情の不安定さを引き起こします。[ 32 ] [ 33 ]
タンパク質の三次構造も、入浴液のpHによって影響を受ける。さらに、ECFのpHは、血漿中のカルシウム総量のうち、タンパク質やリン酸イオンに結合している部分とは対照的に、遊離型またはイオン化型として存在する割合に影響を与える。したがって、ECFのpHの変化は、ECFのイオン化カルシウム濃度を変化させる。ECFのpHはECF中の二酸化炭素分圧に直接依存するため、ECF中の二酸化炭素分圧を低下させる過換気は、血漿イオン化カルシウム濃度の低下とほとんど区別がつかない症状を引き起こす。[ 29 ]
細胞外液は循環系によって絶えず「攪拌」されており、これにより、体細胞を浸す水環境が体全体でほぼ均一に保たれています。つまり、栄養素は特定の場所（例えば、腸、肝臓、脂肪細胞など）から細胞外液に分泌され、約1分以内に体全体に均等に分布します。ホルモンも同様に、血液中に分泌された場所に関係なく、体内のすべての細胞に迅速かつ均等に拡散されます。肺胞内の空気から肺によって取り込まれた酸素も、適切な分圧で体内のすべての細胞に均等に分配されます。老廃物も細胞外液全体に均一に拡散され、特定の部位（または臓器）でこの全身循環から除去されるため、不要な化合物の局所的な蓄積や、本来必須である物質（例えば、ナトリウムイオンや細胞外液の他の構成要素）の過剰蓄積は一般的に起こりません。この一般的な原則に対する唯一の重要な例外は、静脈内の血漿です。静脈内の溶質濃度は、細胞外液（ECF）の他の成分とは程度が異なります。しかし、この血漿は静脈管の防水壁内に閉じ込められているため、体細胞が存在する間質液には影響を与えません。体内のすべての静脈からの血液が心臓と肺で混合されると、組成の違いは相殺されます（例えば、活動中の筋肉からの酸性血液は、腎臓によって恒常的に生成されるアルカリ性血液によって中和されます）。したがって、左心房から先、体内のすべての臓器において、ECFのすべての成分の正常な恒常的調節値が回復されます。
動脈血漿、間質液、リンパ液は、毛細血管のレベルで相互作用します。毛細血管は透過性があり、水は自由に出入りできます。毛細血管の細動脈側では、血圧が組織の静水圧よりも高くなっています。 [ 34 ] [ 23 ]そのため、水は毛細血管から間質液に漏れ出します。この水が移動する孔は、より小さな分子（インスリンなどの小さなタンパク質のサイズまで）も毛細血管壁を自由に通過できるほど十分に大きいです。これは、毛細血管壁を挟んだ両側の濃度が均一になり、浸透圧効果がないことを意味します（これらの小さな分子やイオンによって引き起こされる浸透圧（毛細血管膜を通過できない大きな分子の浸透圧効果と区別するために結晶浸透圧と呼ばれます）は、毛細血管壁の両側で同じであるためです）。[ 34 ] [ 23 ]
細動脈側で毛細血管から水が移動すると、血液が毛細血管の細静脈側へ移動するにつれて、毛細血管壁を通過できない物質の濃度が高くなります。毛細血管内に留まる最も重要な物質は、血漿アルブミン、血漿グロブリン、フィブリノーゲンです。これらの物質、特に血漿アルブミンは、血漿中に分子として豊富に存在するため、いわゆる「膠質浸透圧」または「コロイド浸透圧」の原因となり、特に細静脈側で水を毛細血管内に引き戻します。[ 34 ]
これらの過程の総合的な効果として、毛細血管から水が流出し、再び毛細血管内に戻る一方で、毛細血管液と間質液中の結晶質物質は平衡状態に達します。毛細血管液は血液の流れによって絶えず急速に補充されるため、その組成が毛細血管床で達成される平衡濃度を決定づけます。これにより、体内の細胞の水分環境は常に理想的な環境（体の恒常性によって設定される）に近い状態に保たれます。
毛細血管から漏れ出した溶液のごく一部は、膠質浸透圧によって毛細血管に引き戻されません。これは、体全体で1日あたり2～4リットルに相当します。この水分はリンパ系によって集められ、最終的に左鎖骨下静脈に排出され、左腕から来る静脈血と混ざり合い、心臓へと向かいます。[ 23 ]リンパはリンパ毛細血管を通ってリンパ節に流れ、そこで細菌や組織の残骸がリンパから除去され、様々な種類の白血球（主にリンパ球）が液体に加えられます。さらに、脂肪分の多い食事を摂取した後、小腸から排出されるリンパにはカイロミクロンと呼ばれる脂肪滴が含まれています。 [ 28 ]このリンパは乳糜と呼ばれ、乳白色をしており、小腸のリンパ管は乳糜管（内容物の乳白色に由来）と呼ばれています。 [ 35 ]
細胞外液は、他の構造の間にある小胞によって機械的にこの循環に導かれる可能性がある。これらが集合して間質を形成し、これは体内で新たに特定された生物学的構造とみなされる可能性がある。[ 36 ]しかし、間質が臓器であるかどうかについては議論がある。[ 37 ]