β-グルカン
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β-グルカン（β-glucan、べーた-）とは、グルコースがグリコシド結合で連なった多糖であるグルカンの内、β-グリコシド結合で繋がった重合体の総称である。植物や菌類、細菌など自然界に広く分布し、アガリクスやメシマコブ、霊芝などに由来するβ-グルカンは免疫賦活作用、制癌作用を持つとされる。単にβ-グルカンと言った場合は、通常β-1,3-グルカンのことを指す。β-グルカンは結合様式により様々な名称を持つ。
歴史
1940年代には酵母から抽出した混合物の免疫特性が研究されており、1941年、ルイス・ピレマー（Louis Pillemer）は酵母細胞壁抽出物にザイモサン(Zymosan)と名付けた[1]。ザイモサンは1943年に事典にも登録されている[2]。
1958年にDi CarloとFioreによってザイモサンの50 - 60%がグルカンである事が確認された[3]。1961年にはRiggiとDi Luzioによってザイモサンの活性成分がβ-1,3-グルカンである事が確認された[3][4]。
穀物および菌類製品は、何世紀にもわたって医薬品や化粧品用途として使用されてきた。しかしながらβ-グルカンの特異的な機能性について20世紀になるまで調査されていなかった。β-グルカンは、最初地衣類から発見され、その後すぐに大麦からも発見された。1981年にコレステロール低下作用が報告されたオート麦β-グルカンは特に注目された[5]。
1997年、FDAは1日当たり3.0gのオート麦β-グルカン摂取はコレステロールと冠状動脈性心疾患のリスクを低下させるというクレームを承認した。承認されたヘルスクレームは後に修正され、次の由来に含まれるβ-グルカンが追加されている。ロールドオーツ（オートミール）、オート麦ふすま、オート麦全粒粉、Oatrim（非デンプン多糖から作った脂肪代替物の商品名）、大麦全粒粉、大麦ベータ繊維。
許容される表示の例：「飽和脂肪酸とコレステロールが少ない食事の一種であるオートミール由来の可溶性食物繊維は、心疾患のリスクを減少させます。この効果を得るのに必要な一日あたりの量である3.0gのうち、0.75gのβ-グルカン水溶性繊維を一杯のオートミールは供給します。」この健康強調表示の表現は、連邦官報21号連邦規則集101.81「特定の食品に由来する可溶性繊維および冠状動脈心疾患(CHD)のリスク」に記載されている[6]。
構造
グルカンはD-グルコース六員環が直線的に結合しているが、由来に依り様々な結合様式が見られる。最も典型的なβ-グルカンは1,3-グリコシド結合を骨格とする。厳密には、β-グルカンは、β型グリコシド結合によって繋がったD-グルコース鎖の多糖類であるが、慣例的には全てのβ-D-グルコース多糖類がβ-グルカンとして分類されるわけではない[7]。セルロースはβ-1,4-D-グルカンの直鎖状高分子であるが、不溶性であり他の穀物や酵母β-グルカンとは物理化学的性質が異なるため、一般的にはβ-グルカンとは見なされない[8]。
幾つかのβ-グルカン分子は、主鎖であるβ-グルカン骨格の結合部位とは別の位に分岐グルコース側鎖を持つ。更にこれらの側鎖はPolysaccharide-Kのようにタンパク質のような他のタイプの分子が結合していることもある。
最も一般的なβ-グルカンの形態は、D-グルコースがβ-1,3結合したものである。酵母および菌類のβ-グルカンには1,6結合の分岐があり、穀物β-グルカンにはβ-1,3とβ-1,4結合の骨格が見られる。側鎖の導入率、位置、長さは免疫調節機能に影響があると推測される。分子量、形状、構造の違いは生理活性に影響する[9][10]。
| 由来 | 名称 | 骨格 | 分岐 | 水溶性 |
|---|---|---|---|---|
| 穀物 |  |
なし | 可溶[9] | |
| 細菌 | カードラン |  |
なし | 不溶[11] |
| キノコ | レンチナン
グリフォラン |
 |
グルコース残基がβ-1,6結合している | 不溶[12] |
| 酵母 | ザイモサン |  |
β-1,3-グルカンの側鎖がβ-1,6結合している | 不溶[10] |
| 海藻 | ラミナラン |  |
β-1,3-グルカンの側鎖がβ-1,6結合している | 可溶[13] |
β-グルカンの種類
β-グルカンは、細菌、真菌、酵母、オート麦、大麦といった穀物の細胞壁を構成する天然成分である。
各タイプのβ-グルカンは分子骨格、分岐レベル、分子量の違いをもち、溶解性や生理的性質へ影響する。
最も一般的なβ-1,3-グルカンの供給元はパン酵母（Saccharomyces cerevisiae）の細胞壁である。酵母由来のβ-1,3-グルカンしばしば不溶性である。しかし、β-(1,3)(1,4)-グルカンは、オート麦や大麦、または頻度はずっと低いがライ麦や小麦といった幾つかの穀物のふすまより抽出される。他の供給源として幾つかの海藻（コンブ属）や[14]、霊芝、コフキサルノコシカケ(Ganoderma applanatum)[15]、椎茸、チャーガ、舞茸といった特別なキノコ類が知られている[16]。
穀物のβ-グルカン
オート麦、大麦、小麦、ライ麦由来の穀物β-グルカンは健康に良い影響を与える様々な生理的性質を持つ。オート麦および大麦由来β-グルカンは、高コレステロール血症患者を対象に血糖値調整効果について研究されている[17]。
穀物β-グルカンの骨格にはβ-1,3結合とβ-1,4結合が混在しており、分岐は見られない[13]。オート麦と大麦では三量体と四量体の1,4結合の比に違いが見られる。大麦の1,4結合による重合度は4よりも大きい。しかし、大麦の大部分は三量体か四量体である。オート麦では、β-グルカンは穀粒の胚乳で主に見られ、特に胚乳の外層に見られる[9]。
キノコのβ-グルカン
種々のキノコ類でβ-グルカンが確認されている。シイタケ、マイタケ、スエヒロタケ等に含まれるβ-グルカンは、直鎖β-1,3-グルカン骨格にβ-1,6結合でグルコース残基が一つ結合している。シイタケのβ-グルカンであるレンチナンは5:2の割合でグルコース残基の分岐を持つ。マイタケのβ-グルカンはグリフォランと呼ばれ、スエヒロタケのβ-グルカンはシゾフィランと呼ばれる[13][18]。
酵母のβ-グルカン
酵母の細胞壁に見られるβ-グルカンは直鎖β-1,3結合の骨格から30残基の側鎖がβ-1,6結合し分岐している[13]。1990年代に行われたヒト臨床試験でPGG-グルカンの高リスク手術患者での感染への影響が評価された。これらの研究においてPGG-グルカンは有意な減少を示した[19][20][21][22]。
経口投与された酵母グルカンはアレルギー性鼻炎の原因となるサイトカインIL-4およびIL-5を減少させ、IL-12レベルを上昇させたと報告されている[23]。
海藻のβ-グルカン
海藻、特にコンブ属(Laminaria)に多く含まれるβ-グルカンであるラミナラン(Laminaran)は直鎖β-1,3-グルカン骨格に、β-1,6-グリコシド結合で僅かに側鎖が結合していると報告されている。ラミナランは他のβ-グルカンと比較すると分子量が小さく、末端残基にマンニトールの様なグルコース以外の単糖が結合している[13]。
その他のβ-グルカン
土壌細菌(Agrobacterium biobar)から抽出されたβ-グルカンであるカードランは、分岐がない直鎖状のβ-1,3-グルカンである。ユーグレナ(Euglena gracilis)が含有するβ-グルカンであるパラミロンも分岐がない直鎖状のβ-1,3-グルカンである[13]。
β-グルカンの吸収性
腸細胞はβ-1,3-グルカンおよび類似の化合物の細胞壁を越えてのリンパへの輸送を促進し、リンパにおいてマクロファージと相互作用し免疫機能を活性化する[24]。
放射能標識による検証で、β-グルカンの小さい断片および大きい断片が血清中に見出され、これらが腸管より吸収されたことが示唆されている[25]。
パイエル板上に存在するM細胞は不溶性のグルカン粒子全体を腸管関連リンパ組織(GALT)へ物理的に輸送する[26]。
デクチン1
デクチン-1(Dectin-1)とはβ-1,3-グルカンおよびβ-1,6-グルカンの受容体であり、C型レクチンに属する。ヒトのデクチン1は9つのアイソフォームが存在する。β-グルカンの構造により結合性が異なり、分子量が数十万以上の(1-3)-β-D-グルカンへの結合性が高い。またオリゴ領域では10糖以上のものを認識し結合する。
マクロファージや樹状細胞はデクチン1でβ-グルカンを認識する。デクチン1はT細胞との相互作用を促進すると推測される。真菌細胞壁成分の50%以上を占める β-グルカンを特異的に認識するデクチン1は、TLRsと並んで真菌感染に対する防御応答において重要な役割を果たしていると考えられる。
しかしながらデクチン1による真菌の認識は、β-グルカンが露出する限られた形態の時にしか起こらない。例えばCandida albicansは酵母型と菌糸型の2つの形態を取るが、デクチン1は酵母型とは結合するが菌糸型とはほとんど結合しない。
デクチン1ノックアウトマウス由来の樹状細胞では、本来誘導されるはずのTNF産生が認められず、β-グルカンによる免疫賦活活性にデクチン1が必須である事が明らかとなっている。マウスへのデクチン1中和抗体投与により、β-グルカンによる抗腫瘍活性発現が有意に低下し、腫瘍が増殖した。これよりデクチン1はβ-グルカンの抗腫瘍活性発現においても重要な役割を果たしていることが示唆されている[27]。
酵母β-グルカンの生理機能
酵母中の細胞壁にあるβ-グルカンには1,3-グルカンに加え、1,6-グルカンも含まれる[28]。
1990年代からの人体への臨床試験によってPGG-グルカンがリスクの高い外科手術に起因する病気に感染した患者に与える影響が評価されている。これらの研究においては、PGG-グルカンが合併症を大きく減少させたことが明らかになっている[29][30][31][32]。
β1,3Dグルカンが生体内に入ると免疫細胞に働きかけて悪性新生物（ガン細胞）を攻撃させたり、抗酸化酵素（スーパーオキシドディスムターゼ、SODに代表される）に働きかけてラジカル消去効果を高めたりするという前医療統計学的実験論文も公表されている[33]。一方、2007年に発表された酵母細胞壁画分の実験では、抗酸化作用はβ-グルカンそのものよりも酵母細胞壁タンパク質によるものが大きいと結論づけている[34]。酵母ベータ1,3Dグルカンの持つ抗酸化作用・機序については前述の通り2008年6月末現在では未解明な部分が多い。
酵母β-グルカンの抗酸化作用
1980年代後半から2000年代にかけて一部研究者の手によって酵母(Saccharomyces cerevisiae)から抽出したベータ1,3Dグルカンの持つ抗酸化作用の有無に関する実験検証が行われていることは上述されている。実験検証の多くは酵母細胞壁から抽出したベータ1,3Dグルカン画分が示顕する抗酸化作用（生体においては活性酸素消去様作用）の現象をとらえたものではなかろうか。もし酵母細胞壁から抽出したベータ1,3Dグルカン自体に抗酸化作用があるとすれば、この多糖物質にはそれまでに実証が試みられていた免疫調整機能とは別の（あるいは源を一にする）「抗酸化環境維持能」のような機能があるのではないかということも否定できない。[独自研究?]例えば、1987年血液病理学誌「Journal of Leukocyte Biology 42」では酵母細胞壁から抽出したベータグルカンが放射線被爆したマウスで造血機能を回復するという実験論文「Glucan: Mechanisms Involved in Its "Radioprotective" Effect」が発表されているが、著者はこの中で副次的実験結果としてベータグルカンの持つラジカル捕捉能について記している。酵母細胞壁から抽出したベータ1,3Dグルカンを含む高分子多糖成分が抗酸化作用にかかわっているのかということについては、より精細かつ具体的な検証が期待される（2008年11月1日現在）。
酵母β-グルカンと中枢神経組織
酵母ベータグルカンが免疫細胞を刺激する、という前提に基づいて1994年以来この物質が中枢神経組織の免疫細胞にも影響を及ぼすのか、という実験が進められているようである（1994年 Res. Immunol, 154(4): 267-75, 2008年 J. Immunol, 180(5): 2777-85)。中枢神経組織にはミクログリアという貪食免疫細胞が在住して神経細胞を守っていると言われる。実験は酵母ベータグルカンがこの免疫細胞にも影響を及ぼすのかどうかという検証のようだ。2009年現在これらの実験は動物（マウス等）が対象である。非常に大くくりな言い方をすれば、これら実験報告はマイクログリアは酵母ベータグルカンによって刺激され活性されるが、周囲の神経細胞に害を及ぼすような過剰な免疫反応は起こさない、といった検証を試みているものであろう。
β-グルカンと放射線被曝
1970年代以降2011年まで酵母saccharomyces cerevisiaeを精製して得られるβ1,3Dグルカンには免疫細胞を刺激し、骨髄の増殖作用を促す作用を示す研究が、主として米国のジャーナルで発表されてきたようである。その作用に関連して、放射線（コバルト60）を被曝させたマウスにβ1,3グルカンを処置し、被曝によって減少した白血球、血小板、ヘマトクリットなどの回復を計測した実験が米国研究陣によって1986年に免疫医療誌"J Biol Response Mod"に発表されている。同実験を発表した研究グループの一員は6年後の1992年にもβグルカンがマウスの免疫細胞の活性と抗酸化物質の生成に寄与したという別の実験論文を発表しているようである（1992年2月Int. J. Immunopharmacol誌）。共に論文は英語であるが後者の論文タイトルは日本語で「放射線被曝マウスに及ぼす水溶性グルカンと粒状グルカンの比較効果」となる。こうした実験は放射線を被曝した動物に酵母を精製したベータグルカンを与えて生体機能の変化を観察したものであろう。2011年3月の時点ではβグルカンが被曝前に放射線を防護したという言わばシェルター機能の研究はないと思われる。[独自研究?]
研究年表
- 1941年 ルイス・ピレマー（Louis Pillemer）は酵母細胞壁抽出物にザイモサン(Zymosan)と名付けた[1]。
- 1958年 Di CarloとFioreによってザイモサンの50 - 60%がグルカンである事が確認された[3]。
- 1961年 テュレーン大学のRiggiとニコラス・ディルジオ(Nicholas R. Di Luzio)によってザイモサンの活性成分がβ-1,3-グルカンである事が確認された[3][4]。
- 1963年 βグルカンが、がん細胞の縮小に効果を持つことが初めて発表された。
- 1984年 米マサチューセッツ工科大学(MIT)とAlpha Beta Technology社(ABT)の産学共同研究で酵母βグルカンの微粒子精製に成功。
- 1985年 日本で、シイタケ由来のレンチナンが天然由来の抗がん剤として認可を受けた。2007年現在ではこの他に、カワラタケ由来のクレスチン、スエヒロタケ由来のソニフィランも認可を受けている。
- 1986年 米国の研究陣が致死量の放射線（コバルト60）被曝後のマウスで減少した白血球、血小板、ヘマトクリットがベータグルカン処置で回復したという実験を医療誌で発表（1986年2月J Biol Response Mod誌)。同研究陣は別の医療誌（1986年3月Methods of Find Exp Clin Pharmacol誌）でも同様実験を公開している。なお両実験論文とも2011年3月27日現在の米国電子図書サービスINFOTRIEVE ONLINE中のアメリカ国立医学図書館オンライン医学文献検索サービスMEDLINEでも検索可能である（両サービスとも検索は無料。両サイトは米国検索ポータルサイトから検索可能）。両実験論文とも英語であるが、日本語での前者論文タイトルは「放射線被曝マウスに及ぼす水溶性グルカンと粒状グルカンの比較効果」、後者は「グルカンによる造血作用と免疫活性：準致死性と致死性被曝マウスの治療効果」となる（なお1987年にも血液生物学誌Journal of Leukocyte Biology 42で10ページにわたる同著者の論文が発表されているが、その内容から上記と同様な放射線防護実験結果を記したものと思われる）。
- 1990年 MITとABTが共同で酵母βグルカン粒子から医療向け水溶性βグルカン（注射液）の開発に成功。
- 1990年 水溶性βグルカン（実験用注射液と思われるリン酸グルカン）の開発特許認可（米パテント番号4,975,421）
- 1994年 米ルイビル大学で酵母βグルカンが癌に及ぼす影響の研究を開始。
- 1996年 米外科医療誌［Journal of Surgical Research］62(2):179-183でW.K. Washbum博士、R. Gttschalk博士、I. Otsu博士等の研究陣が臓器移植ラットを使って実施した水溶性ベータグルカンの実験では、臓器移植後のGVHDや移植拒絶反応を有意に増加させなかったという結果が発表された。
- 1999年 米ルイビル大学微生物学研究室と同大学ジェームズ・グラハム・ブラウン癌センターが共同で酵母βグルカンと最新分子標的抗癌剤（モノクロナール抗体抗癌剤）の併用効果について前医療実験開始。
- 2001年 酵母細胞壁β1,3Dグルカンは免疫細胞だけでなく、ヒトの皮膚線維芽細胞上の受容体に結合して皮膚組織修復を促進する、という実験結果が米免疫・感染症医療誌「Infection and Immunity」69(6)で発表された。
- 2002年 日本の研究機関とアメリカルイビル大学病理学研究室が2001年に共同で行った酵母由来ベータ1,3Dグルカンの経口投与による抗腫瘍作用マウステスト実験結果が米健康医療誌[JANA（The Journal of American Neutraceutical)]2002年Vol5.No.1号で5ページにわたり紹介された。
- 2004年 米免疫医療誌[The Journal of Immunology]2004 173で経口投与による酵母β1,3Dグルカンと分子標的抗癌剤（リツキシマブ、トラスツズマブ、セツキシマブ等）併用による抗腫瘍相乗効果の前医療動物実験結果が発表された。
- 2005年 米外科医療誌[Neurosurgical Review]2005年28(4)号では、H.カヤリ博士、M.F.オズダグ博士等の研究陣が酸化ストレス状況に置かれたラットを使って実施したベータグルカンの抗酸化作用の実証実験が発表された。
- 2007年 米食品化学誌[Journal of Agricultural Food Chemistry]55(12):4710-6でS.C.Jaehrig博士、S.Rohn博士等によって酵母細胞壁抽出複合体は、(1-->3)(1-->6)ベータDグルカン画分の抗酸化作用よりも細胞壁蛋白画分の抗酸化作用が大きいという実験結果が発表された。
- 2009年12月 宮崎忠昭教授の研究チーム（北海道大人獣共通感染症リサーチセンター）の実験結果から、インフルエンザウイルスに感染したマウスへβグルカンとEF乳酸菌の組み合わせを投与すると、インフルエンザウイルスに対する免疫力が高まり重症化を防ぐ効果があるという結果が発表された。
脚注
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