アルギニンサプリメントとしてのシトルリンの治療可能性:臨床薬理学的レビュー
Therapeutic potential of citrulline as an arginine supplement: a clinical pharmacology review

アミノ酸

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Therapeutic potential of citrulline as an arginine supplement: a clinical pharmacology review

要旨

アルギニンのサプリメントは、内皮機能障害を伴う心血管系疾患において、内因性一酸化窒素(NO)の調節を改善する安全な治療オプションとして期待されている。内因性アミノ酸であるL-アルギニンは、成人における臨床試験において、高血圧症、肺高血圧症、子癇前症、狭心症、ミトコンドリア脳筋症、乳酸アシドーシス、脳卒中様エピソード(MELAS)症候群における心肺機能の向上が報告されている。

L-アルギニンの天然前駆体であるL-シトルリンは、肝初回通過代謝の回避と循環時間の長さから、L-アルギニンよりも生物学的利用能が高い。まだ十分に研究されていないが、アルギニン/シトルリンは、小児の生命を脅かすいくつかの疾患において、計り知れない治療的可能性を秘めている。しかし、小児におけるアルギニンまたはシトルリンの最適な臨床開発は、適切な年齢および関連する疾患状態における薬物動態および曝露-反応関係についてのより多くの情報によって左右される。

本稿では、アルギニン/シトルリンの成人および小児における前臨床試験および臨床試験について、現在入手可能な薬物動態情報を含めて要約する。アルギニン/シトルリンの薬理学は、発育年齢や疾患状態によるアルギニン/シトルリンのベースライン変動など、いくつかの患者固有の要因によって混乱する。現在利用可能な薬物動態学的研究は、特に小児を対象とした臨床試験の最適なデザインに情報を提供するには十分ではない。アルギニン補給の臨床応用を成功させるには、薬理学的アプローチに加え、十分に設計された薬物動態学的・薬力学的研究からの情報が必要である。

キーワードシトルリン、アルギニン、薬物動態、小児科、一酸化窒素

はじめに

L-アルギニンは、筋肉の発達アンモニア解毒に重要な生理的役割を果たす準必須アミノ酸である[1,2]。エルゴジェニック栄養補助食品として広く使用されていることに加え、様々な病的状態での治療的使用について研究されていま[3-5]。内因性一酸化窒素(NO)産生を改善するアルギニンの治療的補給は、主に高血圧、肺高血圧、狭心症、硝酸塩耐性、子癇前症を含む循環器系の病気における臨床的使用のために研究された。L-アルギニンの補給は、微小血管性狭心症の正常血圧および高血圧患者の両方において、正常な内皮機能を回復することが報告されている[67]。冠動脈疾患や慢性心不全の治療に広く使用されているNOドナーである有機硝酸塩に対する耐性は、長年の治療上の問題であり、現在の臨床現場では、硝酸塩耐性を防ぐために、硝酸塩を含まない治療間隔が唯一の選択肢として残っている[8,9].アルギニンの補給は、NOの正常な機能を回復させるため、安定狭心症患者における経皮ニトログリセリン使用による急速な硝酸塩耐性を防ぐのに有用である[10].また、NO産生の変化は、子癇前症や子宮内発育制限の病態生理に寄与している[11]。妊娠中のアルギニンの補給は、高リスクの妊娠集団における子癇前症の発生率を低下させることがわかった[12]。

アルギニンは、死亡率の高い壊滅的な心肺疾患である肺高血圧症(PH)に対する有望な治療法でもある[13]。成人における臨床研究では、アルギニンまたはその前駆体であるシトルリンの形で投与されたアルギニンの補給が、PHに罹患した成人の肺血行動態を改善することが示された[1416]。PHの基礎となる病態生理の側面は成人疾患と異なるかもしれないが、小児(特発性または疾患関連)のPHに対するアルギニン/シトルリン補給の使用も注目されている[17-21]。

また、アルギニンが、心血管合併症を伴う小児の生命を脅かすいくつかの遺伝性疾患に治療的に有用であることを示す証拠もある。ミトコンドリア脳筋症、乳酸アシドーシス、脳卒中様エピソード(MELAS)症候群は、ミトコンドリアDNAの遺伝子変異によって起こる進行性の致死的なミトコンドリア病である。MELAS症候群では、ミトコンドリア増殖の制御不能による内皮機能障害が、脳血流動態の変化や脳卒中様のエピソードを引き起こす。アルギニンの補給はNOの欠乏を補い、脳微小血管の血液循環を改善することができることが文献で示されている[22,23]。最近発表された臨床研究では、アルギニンまたはシトルリンによるアルギニン補給がMELAS症候群の小児に治療効果があるようである[24]。

尿素サイクル障害(UCD)は、幼児に発症する別の疾患群である。尿素サイクル障害では、尿素サイクル経路の主要な酵素とトランスポーターの遺伝的欠損により、アンモニアといくつかの前駆代謝物が蓄積し、重度の神経学的障害を引き起こす[18,25].過去20年間、アルギニンの補充はUCDの小児の臨床転帰を改善するのに有用だった[26,27]。アルギニン療法は、代替酵素経路を活性化することにより、不足する尿素サイクル中間体を補充する[27,28]。臨床研究では、アルギニンの補充療法は、直接L-アルギニンとして、またはアルギニン前駆体であるシトルリンの形で使用されている。L-アルギニンに代謝されるα-アミノ酸であるシトルリンは、経口投与すると肝や腸のアルギナーゼの基質にならないため、アルギニン血漿濃度の改善にはL-アルギニンより効果的である[5]。

アルギニンの補給は、小児の生命を脅かすいくつかの疾患に対して非常に大きな治療的可能性を持っているが、アルギニン/シトルリン療法の臨床薬理学、特に薬物動態、曝露反応関係、安全性は、小児集団では広範に検討されていない。本総説では、アルギニン/シトルリン補給の異なる疾患における分子基盤、アルギニン/シトルリンの薬物動態、薬力学について、成人および小児疾患における潜在的治療用途を要約する。前臨床試験におけるアルギニン/シトルリンの薬物動態学的曝露と治療反応との関係、および臨床試験への移行の可能性について議論する。アルギニン/シトルリンの薬物動態と小児疾患における潜在的な治療効果について、アルギニン/シトルリン補給に関するレビューが不足しているため、本論文はすぐに参照できるものとする。

血管内皮細胞機能障害におけるL-アルギニン欠乏と効率的なアルギニン補給としてのシトルリンの使用について

血管の緊張と収縮の調節は、血管内皮におけるNO産生の重要な基質であるL-アルギニンの利用可能性に決定的に依存している。L-アルギニンの供給不足は、eNOSによるスーパーオキシドの生成を増加させ、血管内皮細胞内のL-アルギニン代謝を変化させる結果となった。さらに、L-アルギニンが長期間不足すると、酸化ストレスの上昇、細胞内のL-アルギニンの隔離、前駆体であるL-シトルリンからのL-アルギニンのリサイクル速度が遅くなる。その結果、高活性eNOSが十分なNOを生成できないため、血管収縮と血管リモデリングが起こる[2931]。発表された研究では、アルギニンを補充することで内皮機能障害を防ぐことができ、その結果、血管内皮の正常な血管拡張能を回復させることができることが示されている。しかし、腸管腸細胞にアルギナーゼが存在し、肝臓のアルギナーゼによるL-アルギニンのオルニチンと尿素への初回通過代謝が高いため、アルギニン経口補給ではL-アルギニンの血漿濃度を十分に上昇させることはできない[3233]。さらに、循環L-アルギニン濃度が高くなると、ほとんどの組織でアルギナーゼが誘導され、L-アルギニンが急速にクリアランスされる。

L-シトルリンは、尿素サイクルとNOサイクルの両方に関与するL-アルギニンの天然前駆体であり、肝初回代謝をバイパスして組織内で特異的にL-アルギニンに変換されるため、L-アルギニン補給のより良い代替物となり得る(図1)。L-シトルリンは、L-グルタミンの代謝産物であるL-オルニチンがオルニチンカルバモイルトランスフェラーゼによってL-シトルリンに変換される尿素サイクルの中間産物である。ヒトの場合、L-シトルリンはL-アルギニンに比べて小腸の有用産物となり、L-シトルリン代謝の主要臓器である腎臓は、出生後、徐々にL-シトルリンをL-アルギニンに変換する効率が高くなる。つまり、L-シトルリンは経口摂取すると、アルギナーゼによる代謝ロスなしに腸管細胞に運ばれ、さらに肝代謝を迂回して腎臓に運ばれてL-アルギニンに代謝されるため、L-アルギニン血漿濃度を効果的に改善できる[33]。L-シトルリン処理のこれらの要素は、L-アルギニンよりも薬物動態学的な利点を提供する。したがって、L-シトルリンを経口投与すると、L-アルギニンの濃度が比較的高くなり、したがって、L-アルギニンを経口投与するよりも、より重要な治療効果をもたらすことが期待される。したがって、L-アルギニン不足に起因する様々な疾患において、L-シトルリン補給はL-アルギニン補給に代わるより良い選択肢であると考えられる。

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図1:アルギニンとシトルリン:尿素サイクルおよび一酸化窒素サイクルにおける2つの重要なプレーヤー

様々な疾患におけるL-アルギニン補給の有用性を探る前臨床試験

新規の医薬品やサプリメントを研究する場合、ヒト、特に小児や妊娠中のような脆弱な集団で臨床試験を開始する前に、安全性を確立し、有効性を証明するために前臨床試験が必要である。安全性と有効性を評価するために生体内試験(全動物)またはex vivo(単離された臓器)モデルを使用することにより、ヒトにおける潜在的な効果の大きさや考えられる副作用プロファイルを理解するための基礎となる。

シトルリンとL-アルギニンの使用は、いくつかの疾患やさまざまな動物モデルで前臨床的に研究されている。ここでは、アテローム性動脈硬化症(血管壁と血管機能)、全身性高血圧症、肺高血圧症、子癇前症に焦点を当てる。表1は、これらの疾患で行われた前臨床試験と、アルギニンまたはシトルリン補給の結果をまとめたものである。

表1 アルギニン/シトルリンサプリメントに関する様々な前臨床試験のまとめ

病気について 動物モデル L-アルギニンまたはシトルリン補給の成果
補給する
アテローム性動脈硬化症 高コレステロール血症ウサギ – ↓病変部表面積[110,34,38,35]。
– ↓内膜の厚さ[3436、45]。
– 付着単球や組織マクロファージが存在しない[45]。
– 黄色腫形成を予防する[110]。
LDL受容体ノックアウトマウス
血管内皮機能 高コレステロール血症ウサギ – ↑ 内皮依存性の弛緩[3439]。
– ↑ NO産生/スーパーオキシドラジカル放出[34,39,38,111]。
肺高血圧症(Pulmonary Hypertension 低酸素誘発性肺高血圧症(ラット、新生ブタ)
モノクロタリン誘発肺高血圧症[43]
– ↑NO産生[40424453]である。
– ↓肺血管抵抗[4044]である。
全身性高血圧症 食塩感受性高血圧症(ラット)
自然発症の高血圧(ヤングラット)
-↑NOの生成[48,47]。
子癇前症 インスリン誘発性高血圧症(妊娠ラット) – ↓血圧[49,51,50,52]である。
– ↓尿中代謝物または硝酸塩[49,51,50,52]
– ↓尿蛋白の排泄[51,52]
アドリアマイシン誘発性腎症(妊娠ラット)

↓=減少、↑=増加、LDL=低密度リポ蛋白、NO=一酸化窒素、PAH=肺動脈性肺高血圧症


前節で述べたように、NOは血管内皮機能の維持に不可欠である。そのため、アルギニン/シトルリン補給の重要な効果は、全身および肺血管系[34-39]の両方における内皮機能の改善である[4044]。特に、内皮機能の改善は、血管/肺の圧力低下または血管壁内膜厚の正常化などの下流の利益をもたらす[34-3645]。例として、L-アルギニン補給の血管壁効果は、Preliらの総説にまとめられている[46]。この設定で使用される支配的な動物モデルは、高コレステロール血症ウサギ(高コレステロールチャウ)である。簡単に説明すると、L-アルギニンの補給は無処置の動物と比較して、動脈硬化病変の表面積を減らし、内膜の厚さを減少させる(表1)さらに、別の研究ではLDL受容体ノックアウトマウスを用いて、L-アルギニンが黄色腫の形成を防止することが示された。この論文の著者らは、L-アルギニンの補給は家族性高コレステロール血症の患者にとって有益である可能性があると結論付けている。L-アルギニンの補給は、食塩感受性高血圧症[47]と自然発症高血圧症ラットモデル[48]の両方で、また、インスリン誘発高血圧症[4950]とアドリアマイシン誘発腎臓病モデル[5152]など、子癇前症の異なる動物モデルでも全身血圧を下げた。アルギニン/シトルリン補給によるNO産生の改善と血管機能との関連は、肺高血圧を研究するいくつかの動物モデルで示されている。肺高血圧症の無傷の動物およびex vivoモデルは、環境傷害(低酸素)[40-4253]、または薬物-毒素誘発(モノクロタリン)傷害[44]のいずれかで開発された。L-アルギニンの補給は、これらのモデルで試験されたとき、NO産生を増加させ[41404748534244]、最終的に肺血管抵抗の減少をもたらした[4044](表1)。同様に、L-シトルリンの補給は、新生児/幼若動物モデル、例えば、新生児ブタ[404153]および幼若ラット[48]で調べたとき、肺血管NO産生の改善と肺高血圧の改善に有効だった。

アルギニン補給の効果は、全身性高血圧を表すいくつかの前臨床モデルでも評価された。L-アルギニンまたはL-シトルリンの摂取は、NO合成を改善し、ラットにおける食塩感受性高血圧を予防した[47]。最近発表された研究では、L-シトルリンの補給がラットの自然発症高血圧を予防することが示された[48]。

これらの前臨床研究は、様々な病態におけるアルギニン/シトルリン補給の有効性を示すものだが、限界もある。その一つは、年齢や生理学的に適切な(すなわち、小児/若年者または妊娠中の)動物モデルを使用した研究が少ないことである。また、多くの研究は短期間の暴露であり、安全性に関する懸念に十分に対処できていない。ある動物実験では、ラットを用いて13週間にわたってL-アルギニンの毒性を調べた。全体として、副作用は最小限であり、概して一過性だった[54]。理論的には、アルギニン/シトルリンの過剰摂取は、その血管拡張作用により低血圧をもたらす可能性がある。公開された論文によると、前臨床モデルで大量のL-アルギニンが急性膵炎の誘発に使用されており[55]、アルギニン塩酸塩の偶然の過剰摂取は致命的だった[56]。シトルリンの研究では、限られた範囲の用量しか使用されていないが、有害な副作用は報告されていない。したがって、アルギニン補給の安全性は依然として懸念され、安全性の問題を慎重に検討し、臨床的な翻訳が行われるときのために副作用を注意深く監視することを義務付けている。

アルギニン補給の臨床的使用

L-シトルリンの治療効果は、そのほとんどがL-アルギニンの作用に依存している。L-アルギニンは、尿素サイクルの一部としてアルギニノコハク酸合成酵素によってL-シトルリンから生成される(図1)。L-アルギニンは一酸化窒素合成酵素(NOS)の基質として、NOの生成と前駆体であるL-シトルリンの再構成に不可欠である。NOは可溶性グアニル酸シクラーゼの補因子であり、神経系、免疫系、心血管系の調節因子、仲介因子、メッセンジャーである環状グアノシン一リン酸(cGMP)の形成を触媒する。血管系では、cGMPは血管拡張のための調節因子である。NOシグナルの機能不全は様々な疾患の原因となるため、L-アルギニンやL-シトルリンなどのアルギニン補給が様々な臨床試験で評価され、表2にまとめられている。

表2 アルギニン/シトルリンサプリメントに関する様々な疾患での臨床研究

病気について 研究対象者


臨床成績
年齢
(歳)
n 投与量
尿素生成の先天的なエラー【26 <0.5 4 アルギニン/シトルリン0.2mmol/kg/日 – アルギニン補給による症候性高アンモニア血症の改善
狭心症[6件] 狭心症=57±9
コントロール=59±8
16、微小血管狭窄症=8、コントロール=8 アルギニン500mgを10分間点滴として投与する。 – アルギニン補給は冠動脈の内皮依存性血管拡張を改善する
狭心症[7件] 狭心症=57±9
コントロール=59±8
13 アルギニン 2g、連日経口投与 – アルギニン補給は微小血管狭窄の高血圧患者における内皮機能を改善する
子癇前症[12](しかんぜんしょう プラセボ=28.2±5.1
アルギニン=28.0±6.1
450;プラセボ=222、Arg=228 アルギニン 6.6g/日経口投与 – アルギニン補給は子癇前症発症の潜伏期間を延長させる
狭心症患者における硝酸塩の耐性【10 14、アルギニン=7、プラセボ=7 アルギニン 700mg 経口 – アルギニン補給は経皮ニトログリセリン持続療法中の硝酸塩耐性の発現を修飾または予防した
鎌状赤血球症【87 10-18 5 経口シット 0.1g/kg×2 回 – 総白血球数&セグメント好中球数↓。
– 症状の改善
– コントロールは使用しない
術後肺高血圧症【88 < 6 40; プラセボ=20, Cit=20 シット1g/m2を術後5回投与する。 – シトルリン補給で血漿アルギニン/シトルリン濃度が上昇した
– 血漿中のシトルリン濃度が高くなると、術後の肺高血圧症が予防された
MELAS症候群【24 6-14 10; プラセボ=5, Cit/Arg=5 3g/kg/日; シット/アルグ – シトルリン補給はアルギニンよりもNO産生向上効果が高い
MELAS症候群【23 20-46 20; プラセボ=10, Cit/Arg=10 0.8g/kg/日; シット/アルグ – シトルリン補給は、アルギニン補給で観察されるよりもNO産生を大幅に増加させる。
急性心筋梗塞[85]の場合 >30 153名;プラセボ=75名、Cit/Arg=78名 1-3gmを6カ月間、1日1回 – 血管の硬さや駆出率に改善は見られない
– 心筋梗塞後の死亡率の上昇と関連する可能性がある。
– 急性心筋梗塞ではL-アルギニンの補給を推奨すべきではない。
結核【86 15-73 200; Arg+vitD=50、Arg+プラセボ=49、プラセボ+vitD=51、オールプラセボ=50 Arg=1日6gを経口錠剤で、vitD3=1250mcgを経口錠剤で。 – L-アルギニンの補給は結核の転帰に影響しない
肺高血圧症[79]の場合 52±5 肺高血圧症=10
肺高血圧を伴わない心不全=5
アルギニン(500mg/kg)30分注入 – 肺高血圧症の一部の患者において、外因性L-アルギニンは短期的に有益である。
嚢胞性線維症に伴う気道閉塞【84 14-45 嚢胞性線維症患者13名 7%アルギニン塩酸塩溶液18mLを電子ネブライザーで投与する。 – アルギニンの単回吸入により、急性かつ一過性の肺機能および酸素化の改善をもたらす

‘>’=より大きい、'<‘=より小さい、Arg=アルギニン、Cit=シトルリン、g=グラム、kg=キログラム、m2=メートル2乗、mcg=マイクログラム、mg=ミリグラム、mmol=ミリモル、PAH=肺動脈性高血圧、tid=一日三回、vit=ビタミン

成人の臨床試験におけるアルギニン/シトルリン補給の様子

成人を対象とした臨床研究では、シトルリンまたはシトルリンを多く含むスイカの食事による補給が、運動結果の改善[5758]、肺高血圧症を含む心血管系の健康に及ぼす効果が評価されている[5977]。

1990年代半ばの臨床研究では、肺高血圧症におけるアルギニン補給の有益性について意見が一致していなかったが[7881]、最近の研究では、心血管系の問題を抱える成人におけるアルギニン/シトルリンの有益性をより一貫して支持している[7682]。L-シトルリンの2週間の経口投与は、特発性肺高血圧症患者のQOLの改善と関連していた[15]。狭心症に関連する合併症におけるアルギニン補給の効果を評価した研究が3件ある。江頭らは、L-アルギニンの冠動脈内注入が狭心症患者の冠動脈微小循環を改善することを示したが、非定型胸痛と正常冠動脈造影を有する対照被験者では改善しなかった[6].この研究におけるL-アルギニンの補充は、内皮依存性血管拡張の改善と関連していた。8年後、Palloshiらは別の臨床研究において、L-アルギニンの経口補充が狭心症を持つ高血圧患者の内皮機能を改善する有用な方法であることを発見した[7]。アルギニンの補給は、別の研究において、狭心症の管理のための第一選択療法として使用される有機硝酸塩の重大な制限である硝酸塩耐性を効果的に防止した。この無作為化プラセボ対照二重盲検試験では、経皮ニトログリセリン連続投与試験中の硝酸塩耐性を防ぐために、L-アルギニン経口投与が有益な効果を示した[10].アルギニン/シトルリン補給は、MELAS症候群に関連する症状の管理[83]、嚢胞性線維症に関連する気道閉塞[84]に有効であった。しかし、アルギニンの補給は、急性心筋梗塞や結核の転帰の改善には有効ではなかった[8586]。

小児臨床試験におけるアルギニン/シトルリン補給の様子

Brusilowらは、尿素合成の先天的なエラーを持つ小児患者において、アルギニンの補給が症状のある高アンモニア血症を改善することを初めて示した[26]。2001年、Waughらは、鎌状赤血球症の小児患者5名(10~18歳)を対象とした第II相試験的臨床試験を報告した。この研究では、0.09~0.13g/kgの経口L-シトルリンを1日2回、4週間投与したところ、血漿アルギニン濃度が65%増加し、白血球数および好中球数が正常化したことがわかった。これらの結果と患者の肯定的な認識に基づいて、著者らは、L-シトルリンの薬物動態学的曝露はこの研究では研究されていないが、緩和療法として使用することを示唆した。このパイロット研究は、有望な結果を示したものの、サンプルサイズが小さい、対照がない、用量が確定していない、指定された4週間以内の結果を測定したなど、重大な制限に悩まされている。これらの限界を認識し、著者らは、十分にコントロールされた長期的な研究を追加して実施することを推奨している[87]。

2006年、Smithらは、心肺バイパスを用いた手術を受ける小児40名を対象に、術後肺高血圧の予防を目的としてL-シトルリンの経口投与を行った無作為化プラセボ対照試験を報告した。術前に合計9.5g/m2のL-シトルリンを投与したところ、術後12時間後にアルギニンおよびL-シトルリンの平均血漿濃度が85%上昇した。これは、報告されている小児科の研究の中で最大のものである。研究観察では、術後肺高血圧を発症した参加者のシトルリン濃度が年齢別の基準値以下であったことが報告されている[88]。最適なL-シトルリン投与量の決定は研究範囲外であり、本研究は、ベースラインのシトルリン濃度のコントロールが今後の研究において潜在的に重要であることを明らかにした。

2016年、El-Hattabらは、MELAS症候群の小児患者5名と、健康な小児参加者5名を対照として、シトルリンとアルギニンを投与した対照クロスオーバー試験を報告した。体重が20kg以上の参加者に、10g/m2/日のサプリメントを投与した。体重が20kg未満の参加者には、サプリメントを3g/kg/日摂取させた。アルギニンの補給と比較して、L-シトルリンの補給は、一酸化窒素生成率、アルギニンおよびシトルリンフラックス、血漿アルギニンおよびシトルリン濃度、およびデノボアルギニン合成率の高い増加をもたらした[24].

Stepanovaらによる2017年の1つの追加研究では、内皮機能障害の兆候を示した小児患者において、マレイン酸シトルリンによる治療がL-アルギニン、亜硝酸、およびNO代謝物の血清濃度を改善したことが示された[89]。

全体として、成人および小児集団における最近の臨床研究は、アルギニン/シトルリン補給が有効な結果を改善することを示す証拠を提供しているが、暴露-反応相関および用量範囲の効果はまだ十分に評価されていない。これらの研究は、有効性を立証し、小児および成人の両疾患におけるアルギニン補給の投与量決定に情報を提供する、将来の十分に設計された無作為化臨床試験のための信頼性の根拠を作る。しかし、将来の臨床試験の最適なデザインは、アルギニン/シトルリンの薬物動態に関する正確な情報にかかっている。

前臨床試験におけるアルギニンおよびシトルリンの薬物動態の評価

アルギニンは内因性の分子であり、基底レベルが変化し、複数の生化学的経路に寄与するため、サプリメントの薬物動態は複雑である。アルギニン補給後のアルギニン曝露とクリアランスは、患者の年齢、対象疾患の種類と病期によって影響を受ける。Wuらは、異なる動物モデルでアルギニンの薬物動態を評価した[90]。これらの動物の生理的、病理的、種差にかかわらず、アルギニンの静脈内補充は血漿アルギニン濃度を上昇させるが、投与後4-5時間でベースラインに戻った。静脈内投与動物におけるアルギニンのクリアランスは、妊娠動物、新生児動物、痩せ型動物で、非妊娠動物、成人動物、肥満動物に比べ高いことが観察された。アルギニンの経口摂取は、腸管吸収と腸内代謝の相互作用により、吸収速度が変化することになる。しかし、アルギニンのクリアランスは、静脈内投与の場合に観察されたのと同様の傾向を示した。循環アルギニンは、異なる生理的成熟段階の動物で急速にクリアランスされる。

疾患はアルギニンとシトルリンの基礎レベルに影響を与える可能性がある。アルギニンまたはシトルリンによるアルギニン補給がそのPKに及ぼす影響について、様々な動物疾患モデルで評価した。アロキサン誘発糖尿病ラットは、アルギニンの基礎レベルの低下を示し、アルギニンの補充によって正常レベルに回復することができる[91]。異なる中枢神経系疾患におけるNOの効果を評価するために、Heinzenらは外因性アルギニン補給の薬物動態(PK)-薬力学(PD)モデルを報告し、脳内のアルギニンレベルをうまく予測することができた[92]。この研究から得られたPK-PDモデルは、外因性アルギニン補給が海馬のアルギニン濃度を用量依存的に増加させることを示唆している。別の研究では、心血管疾患動物モデルにおけるNO依存性反応の増強におけるアルギニン+シトルリン経口投与の効果が評価された[93]。アルギニンとシトルリンの経口併用療法は、血漿中のアルギニン濃度が最大になるまでの時間であるTmaxが、ヒトにおいてL-シトルリン単独療法よりも短いことを示し、ラットとヒトの吸収の種間差が無視できるならば短時間作用の利点があることを示唆した。シトルリンのみのサプリメントは、アルギニンの利用可能性を高める長時間作用型であることを支持するが、シトルリン+アルギニン療法の速効型アルギニンサプリメントとしての利点は、ヒト試験による検証を要する。サプリメントの選択は、病態にも左右されることがある。内毒素性敗血症のような感染症は、アルギニンの薬物動態はほとんど変化しないものの、シトルリンのバイオアベイラビリティを著しく低下させる[94]。

前臨床研究では、様々な病態におけるアルギニン/シトルリン補給の治療効果を支持する印象的な証拠が得られているが、アルギニン薬物動態を報告する研究は数が少なく、研究目的に関して散発的で、ヒトに翻訳するのは困難である。アルギニン補給後のアルギニン暴露を研究する際の重要な課題として、非常に変動しやすいベースラインの推定とアルギニン生合成における疾患関連変化の予測が挙げられる。最終的に、臨床試験に正確に移行するためには、ヒトでPK情報を作成する必要がある。

ヒトにおけるアルギニンおよびシトルリンの薬物動態

現在までに、アルギニン補給の薬物動態を検討した臨床研究のほとんどは、健康な成人集団で実施された。アルギニンまたはシトルリンの薬物動態を評価した臨床研究を3に要約する。

表3 アルギニン/シトルリンの薬物動態を報告した臨床研究

スタディタイプ 対象者 投与量 PKアウトカム
無作為化プラセボ対照試験【14】。 前葉性肺高血圧症 19名 経口 50mg/kg L-アルギニン – 血漿L-アルギニン:90±4(ベースライン)→274±34(ベースラインから統計的に有意な変化)
フェーズ1用量漸増試験【19 5 先天的な問題で心臓手術を受ける乳幼児と小児 段階的に投与量を増加させた:50mg/kg、100mg/kg、150mg/kgと段階的に増量し、手術前と手術直後の2回投与した。 – シトルリン血漿クリアランス、分布容積、半減期はそれぞれ0.6Lhr-1kg-1,0.9Lkg-1,1時間であった
MELAS症候群の被験者を対象とした対照試験[23]。 被験者20名(MELAS症候群10名、健常者10名) L-アルギニンまたはL-シトルリン:1日あたり体表面積1m2あたり10gを2日間摂取。 – アルギニン補給:血漿アルギニンが57.1±3.2(ベースライン)から増加した。143.8±9.9(ベースラインから統計的に有意な変化)
– シトルリン補給:血漿アルギニンは57.6±2.1(ベースライン)から増加した。182±14.4(ベースラインからの統計的に有意な変化)。
対照クロスオーバー試験[24]。 MELAS症候群の小児患者5名と対照として健常児5名 シトルリン/アルギニンの投与量:
体重20kg未満の患者:500mg/kg/回を4時間おきに48時間経口投与する。
体重20kg以上の患者:10g/㎡/日。
– シトルリン補給により、血漿アルギニン濃度は64±5.7から257±21μmol/Lに上昇した;
– アルギニン補給で血漿アルギニン濃度が59±5から184±14μmol/Lに上昇した
肺高血圧症患者を対象としたパイロット試験[79]。 肺高血圧症患者10名 l-アルギニンとして500mg/kgを30分かけて点滴する。 血漿アルギニンが59±6μmol/Lから10,726±868μmol/Lに増加(統計的に有意な変化)。
第II相臨床試験(パイロット試験)【87 鎌状赤血球症患者5名(10歳~18歳) 0.09~0.13g/kgを1日2回、4週間投与。 – 血漿アルギニンの65%増加(77±9.1→127±18)。
シトルリン経口摂取のランダム化比較試験【88 心肺バイパスを受ける小児40名 5回(体表面積1m2あたり1.9g)投与 – シトルリン群の血漿中L-アルギニンはプラセボ群に比べ有意に高かった(術直後36μmol /L vs 26μmol /L、術後12時間37μmol /L vs 20μmol /L)。
無作為化試験【98 健康なボランティア10名 0.18g/kg/d – シトルリン:448±92%増加(39±4→225±44)●アルギニン:92±57%増加(134±33→247±62)●尿および赤血球のシトルリン増加●尿中アルギニン、血漿尿素、尿中尿素窒素の排泄量は変化せず、窒素バランスを改善した。
スイカ摂取後の薬物動態試験[99]。 健康な成人6名 3.3kg湿潤重量完熟スイカの赤い果実 – シトルリン:摂取1時間後に22μmol/Lから593μmol/L(範囲386~1069)へ上昇
– アルギニン:摂取2時間後に65μmol/Lから199μmol/L(範囲128~251)へ上昇
スイカ摂取後の薬物動態試験[100]。 健康な成人23名 スイカジュース780g(=シトルリン1g)、1560g(=シトルリン2g)を3週間摂取した場合 – スイカジュースの摂取量が少ない場合:血漿アルギニンが12%増加した。
– スイカジュース高摂取:血漿アルギニン22%増加、血漿オルニチン18%増加。
肺高コレステロール血症患者を対象としたパイロット試験[101]。 10人の被験者 L-アルギニン(5gまたは7g)を経口投与し、8時間後にL-アルギニン(10gまたは30g)を静脈内投与することを、4種類の訪問先でそれぞれ実施。 – 経口投与後の平均Cmax範囲:42.8~46.5μg/mL
– 経口投与後の平均AUC範囲:651~894μg.min-1.ml-1.g-1
– 静脈内投与後の平均AUC範囲:1762~1926μg.min-1.ml-1.g-1
– 平均的な非腎クリアランス564.4〜586mL/min
– 平均バイオアベイラビリティ:0.37~0.52
中等症マラリア患者を対象とした無作為化パイロット試験[103]。 78名:観察群48名、L-アルギニン投与群30名 3,6、12gのL-アルギニンを30分かけて注入 – 2コンパートメント型薬物動態モデルに従う
– セントラルコンパートメントからのクリアランス31Lhr-1
– 末梢コンパートメントからのクリアランス74Lhr-1
– 分布量(中心部):27 L
– 分配量(末梢):27 L21 L
重症マラリア患者を対象とした無作為化パイロット試験[104]。 8名の被験者:2名に生理食塩水を、6名にL-アルギニンを投与。 12gのL-アルギニンを8時間かけて注入 – 2コンパートメント型薬物動態モデルに従う
– セントラルコンパートメントからのクリアランス61.8Lhr-1
– 末梢コンパートメントからのクリアランス:21.4Lhr-1
– 分布量(中心部):115 L
– 分配容積(末梢):115 L70.9 L
鎌状赤血球症患者を対象とした第1相用量設定試験[105]。 8つのテーマ ステップ1:L-シトルリン20mg/kgのボーラス投与
ステップ2:L-シトルリン7mg/kg/時間持続点滴投与
– ボーラス投与後のL-シトルリンのピーク血漿中濃度:257μmol/l
– ボーラス投与後のクリアランスおよび分布量は、それぞれ0.52±0.13L.h-1.kg-1および0.50±0.14L.kg-1である。
– 持続注入後のクリアランスおよび分布量は、それぞれ0.52±0.17L.h-1.kg-1および0.41±0.02L.kg-1であった。
単盲検クロスオーバー試験[97]。 健康な大人8名 シトルリン2,5、10,15g – シトルリン10gを摂取した後
– シトルリンTmax = 0.72±0.08h, Cmax = 2756±70μmol/l
– アルギニン Tmax = 1.67±0.05h, Cmax = 280±1043μmol/l
二重盲検無作為化プラセボ対照クロスオーバー試験[96]。 健康なボランティア20名 シトルリン:1回0.75,1.5,3gを1日2回アルギニン:即時放出(IR)1gを1日2回、持続放出(SR)1.6を1週間継続投与 – シトルリン3g負荷後
– シトルリンTmax = 0.7±0.1 h, Cmax = 846±45μmol/l-.
– アルギニンTmax = 1.4±0.1h, Cmax = 149 ±42μmol/l。
プラセボ対照の無作為化試験【88 先天性心臓病変の手術を受けている子どもたち40名 シトルリン1.9g/m2/投与×5本
合計9.5g/m2の投与となる。
術後12時間
– シトルリン:37(18-83) vs 20±(15-29) (プラセボ)
– アルギニン:36±24 vs. 23±1357、シトルリンの血漿中平均濃度がそれぞれ85%上昇

‘≧’=以上、’<’=未満、Arg=アルギニン、Cmax=最大血漿濃度、Cit=シトルリン、d=日、g=グラム、h=時間、kg=キログラム、L=リットル、m2=メートル2乗、mcg=マイクログラムです;MELAS=ミトコンドリア脳筋症、乳酸アシドーシスおよび脳卒中様エピソード、mg=ミリグラム、mmol=ミリモル、PAH=肺動脈性高血圧、tid=1日3回、vit=ビタミン、μmol=マイクロモール、Tmax=投与後最高血漿濃度観測までの時間

健康な成人集団におけるアルギニン/シトルリンサプリメントの摂取

Tangphaoらは、心血管疾患患者におけるL-アルギニンの薬物動態を理解するための最初の取り組みとして、健康なヒトで外因性アルギニンを試験した[95]。未治療の健康成人のベースラインL-アルギニンレベルは、かなりの日内変動を示した。L-アルギニンの経口投与または静脈内投与後に測定したベースライン補正血漿L-アルギニン濃度は二相性の排泄パターンを示した[95].L-アルギニンの静脈内投与は、最初の濃度依存的な急速な腎排泄を引き起こし、その後、主に非腎排泄に導かれるゆっくりとした排泄を引き起こした。バイオアベイラビリティが20%程度のL-アルギニンを10g単回経口投与すると、血漿中のL-アルギニン濃度はベースラインから3倍上昇したSchwedhelmらは、健康な成人において、シトルリンの慢性的な経口投与がL-アルギニン濃度を用量依存的に増加させることを報告した[96]。この無作為化二重盲検プラセボ対照試験では、異なる用量のL-シトルリンと2種類のL-アルギニンの製剤が比較された。L-シトルリンはL-アルギニンの2分の1の投与量で、L-アルギニンの血漿暴露量は同程度であり、L-アルギニン補給の効率的な方法であることが示唆された。血漿中L-アルギニン半減期は、ベースライン値が不規則であったため、これまでの研究同様、決定することができなかった。シトルリンとアルギニンのTmaxとCmaxは、3gのシトルリン投与後に報告された:Tmax=0.7±0.1時間および1.4±0.1時間、およびCmax=846±45μmol/lおよび149±42μmol/lをそれぞれ報告している[96]。健康な成人において、4回の経口投与(2,5、10,15g)に対するシトルリンの薬物動態を特徴付けた別の研究がある。各用量の平均分布量は同様であったが、クリアランスの用量依存的な有意な減少が2,5、および10 gmの用量で観察された[97].10gm以上のL-シトルリン用量は、2gm用量のそれよりもクリアランスの〜50%減少に関連していた。シトルリンの血漿中半減期と露出も用量依存的に増加し、シトルリン (Tmax = 0.72±0.08 h, Cmax = 2756±70 μmol/l)とアルギニン (Tmax = 1.67±0.05 h, Cmax = 280±1043 μmol/l)について TmaxとCmaxが決定された[97].2007年、Rougeらは、10人の健康なボランティアを対象とした無作為化試験の結果を報告した。0.18g/kg/日のシトルリン補給により、シトルリンとアルギニンの血漿中濃度が上昇した。シトルリンの血漿濃度は39±4から225±44μmol/Lに増加し、アルギニンは134±33から247±62μmol/Lに増加した。このサプリメントは、窒素バランスを強化し、赤血球結合シトルリンのレベルだけでなく、シトルリンの腎臓クリアランスを増加させた[98]。シトルリンを多く含む食事介入によって血漿シトルリン/アルギニンレベルが改善されるかどうかを評価した研究はほとんどない。Mandelらは、健康な成人6人が3.3kg(湿重量)のスイカを摂取した後、最初の2時間以内にアルギニンとシトルリンの両方が有意に増加することを観察した。シトルリンは摂取1時間後に22μmol/Lから593μmol/L(範囲386~1069)、アルギニンは摂取2時間後に65μmol/Lから199μmol/L(範囲128~251)に増加した[99]。また 2007年にCollinsらは、健康な成人23人にスイカジュース:780gまたは1560gを3週間摂取させたところ、血漿アルギニン濃度がそれぞれ12%および22%増加したと報告している[100]。

疾患状態にある成人患者におけるアルギニン/シトルリン補給について

Tangphaoらは、健常成人を対象とした前回の研究より一歩進んで、内皮および血小板における一酸化窒素シグナル伝達の障害が報告されている高コレステロール血症患者におけるL-アルギニンの薬物動態を評価した[101]。高コレステロール血症患者において、L-アルギニンの経口または静脈内長期投与(~12週間)は、血漿L-アルギニン濃度の有意な上昇と関連していた。ウサギを用いた以前の研究では、外因性アルギニンの長期投与により血漿中L-アルギニン濃度が徐々に低下することが示唆された[102]。しかし、本研究では、経口または静脈内投与により血漿中L-アルギニン濃度が持続的に上昇することが示された。しかし、L-アルギニンの分布量と消失半減期という2つの重要なパラメータは、基礎L-アルギニン濃度の日内変動により算出することが出来ませんだった。外因性L-アルギニン投与は、血漿L-アルギニンによる成長ホルモン分泌に対する薬力学的耐性を示さなかった[101].

L-アルギニンの薬物動態は、マラリアに関連した内皮機能障害のために血漿L-アルギニン濃度が正常値より低いことを示した重症マラリア罹患者においても評価された[103].健常者およびマラリア感染者を対象とした前向き観察研究において、血漿中のL-アルギニン濃度を補充するためのL-アルギニン静注の用量変化効果を集団薬物動態学的アプローチにより決定した。3g、6g、12gのいずれの投与量においても、30分間の点滴による血漿中濃度-時間プロファイルは、一次排泄を伴う2コンパートメント線形モデルを支持した。推定クリアランスは733 mL/minであり、マラリア患者における外因性L-アルギニンの半減期は健常者よりもわずかに短かった。12gのL-アルギニンを異なる投与頻度(6,8、12時間)で投与した場合の血漿プロファイルのシミュレーションでは、最適なNO産生のために必要なL-アルギニントランスポーターの半最大飽和濃度よりそれぞれ60%、75%、90%増加すると予測された[103]。別のオープンラベルのパイロット試験では、12gのL-アルギニンを8時間ごとに投与すると、重症マラリア患者では、中等症マラリア患者よりも、以前のモデル予測濃度よりも低く、L-アルギニンのクリアランスが40%増加した[104,103].

2012年、El-Hattabらは、20名を対象とした対照クロスオーバー試験を報告した:MELAS症候群患者10名と健常者10名を対象に、シトルリンまたはアルギニンを10g/m2/日経口投与した。シトルリン補給により、一酸化窒素生成率、アルギニンおよびシトルリンフラックス、血漿アルギニンおよびシトルリン濃度がより有意に上昇した。シトルリン補給は血漿アルギニン濃度を57.6±2.1から182.0±14.4μmol/Lに、アルギニン補給は血漿アルギニン濃度を57.1±3.2から143.8±9.9μmol/Lに増加させた。デノボアルギニン合成は、アルギニン補給で減少し、シトルリン補給で増加することが観察された[23]。

最近、L-シトルリンの静脈内投与の薬物動態および安全性プロファイルが、18~24歳の鎌状赤血球症の成人を対象に評価された[105]。この用量設定試験では、20 mg/kgのボーラス投与後、7 mg/kg/hのシトルリン連続注入により、トラフ血漿アルギニン濃度を100 μmol/lに維持することができた。シトルリンの静脈内ボーラス投与により、平均最大血漿中シトルリン濃度は259μmol/lとなった[105]。.

小児患者におけるアルギニン/シトルリン補給について

先天性心臓手術を受けた小児を対象に、L-シトルリン静脈内投与のPKを評価した[19]。最初の患者群では、4時間後のトラフシトルリン血漿中濃度が80~100μmol/Lとなるように、50mg/kgから150mg/kgまでのボーラス静脈内投与が実施された。このデータに基づく薬物動態シミュレーションでは、最適なシトルリン濃度を維持するために、150 mg/kgのボーラス投与後、4時間後に9 mg/kg.hrの点滴静注を行うことが示唆された。シトルリンの半減期は約60分で、分布量は0.8~1.0L/kgと報告されている[19]。しかし、活性化合物であるL-アルギニンの血漿中濃度を上昇させるシトルリン投与の効果は測定されていない。MELASの小児患者において、シトルリン補給は血漿アルギニン濃度をベースラインから4倍(64±5.7→257±21μmol/L)増加させた。また、アルギニンの補充は、血漿アルギニン濃度の緩やかな増加(59±5から184±14 μmol/L)を示した[24]。

アルギニン、シトルリン、シトルリン含有食による外因性アルギニン補給後のアルギニン/シトルリンの薬物動態を報告したすべての臨床研究では、介入により血漿アルギニンが増加することが示されている。アルギニン/シトルリンのクリアランスは、シトルリン/アルギニンの用量、年齢、疾患状態に依存するが、ベースラインのアルギニン/シトルリンの高い変動は、分布量とクリアランスを正確に推定することを妨げる。これらの変数は、様々な疾患状態に苦しむ異なる年齢層におけるアルギニン/シトルリンの有効性を評価する臨床試験を設計する際に考慮する必要がある。

アルギニンの薬物動態を評価するためのファーマコメトリー・アプローチ

アルギニンとシトルリンの集団薬物動態を評価するための研究はほとんど発表されていない[103]。Yeoらは、中等症マラリアの成人患者におけるL-アルギニンの薬物動態を調査し、濃度-時間プロファイルを記述するために2コンパートメントモデルを開発した。体重と民族性はマラリア患者の薬物動態に影響を与えることが判明したが、これらの共変量は健康なボランティアを対象とした過去の解析では確認されなかった。さらに、外因性アルギニンを投与していない患者における内因性L-アルギニン濃度の経時的な上昇を記述するために、経験的2次多項式が使用された。ベースラインのアルギニン記述については、アルギニンの内因性生産をパラメータ化する代替ターンオーバーモデルも評価されたが、初期推定値にモデルが敏感であったため、保持しなかった。健康な中国人ボランティアを対象とした別の研究では、WangらはL-アルギニンのPKを記述するために同様の2コンパートメントモデル構造を適用した[106]。最終的なパラメータ推定値は、2つのモデリングの試みの間で同等であった。しかし、後者の研究では、体重が末梢容積の有意な共変量として特定され、ベースラインはモデルで特に記述されていなかった。このレビューの時点では、シトルリンの集団PKに関する研究は発表されていない。

アルギニンおよびシトルリンの集団モデルに関する論文数は限られており、発表されたモデルには一貫性がないことから、患者におけるこれらの薬剤の曝露-反応関係の理解には知識のギャップがあることが指摘されている。アルギニンおよびシトルリンのPKおよびPD特性、それらの集団変動、および患者の特徴から潜在的に影響する因子を確立するために、さらなる研究が必要である。特に、これらの分子の内因性機能性を考慮すると、試験デザインは、患者のベースラインのアルギニン/シトルリンレベルの自然な進行を記述するための適切なサンプリング戦略に対応する必要がある。アルギニンの代謝と一酸化窒素の産生は、疾患の状態によって影響を受けることが示されている[107-109]。したがって、これらの分子の定量的モデルを開発する場合、外来および内因性分子のキネティクスに関する潜在的な共変量として、疾患の状態も評価する必要がある。

結論

サプリメント・アルギニンは、主に一酸化窒素の調節における内因性アミノ酸基質としての重要な役割から、成人および小児の年齢層、前臨床および臨床研究の両方で、さまざまな疾患における治療的使用の可能性が示されている。現在、補助的なアルギニンは、アルギニンの静脈内投与または経口投与として利用可能である。アルギニンの前駆体であるシトルリンは経口剤で入手可能であり、心肺バイパス手術を受ける小児の臨床試験で静脈内投与製剤が検討されているが、まだ入手できない。シトルリンを多く含む果物であるスイカの摂取も、アルギニンレベルを改善するために臨床試験で使用されている。シトルリンは、アルギニンよりも全身アルギニン濃度を高めるのに有効であるようだ。いくつかの臨床試験で、アルギニン/シトルリンの補給は小児集団の生命を脅かすいくつかの症状を効果的に改善したが、アルギニン/シトルリンのPKデータと用量反応関係をさらに評価する必要があるため、広範囲な臨床応用は制限されている。アルギニンは複雑な薬理作用を示し、いくつかの交絡因子、例えば、発育状態や疾病状態、年齢、疾病状態、妊娠などによるアルギニンのベースライン変動に依存する。病気や特別な集団におけるアルギニン/シトルリンの薬物動態学的研究は、適切な投与ガイダンスを知らせるには不十分である。アルギニンまたはシトルリンサプリメントとして投与されるアルギニンの薬物動態学的・薬力学的関係を理解するための研究は、異なる年齢層や病状において、そのベンチからベッドサイドへの移行に決定的に不可欠である。

キーポイント

アルギニン/シトルリンは、高血圧症や肺高血圧症における心血管系機能など、小児の生命を脅かすいくつかの疾患において絶大な治療効果を発揮する可能性がある。

アルギニン/シトルリンの薬理作用は、発育年齢や病態によるアルギニン/シトルリンのベースライン変動など、いくつかの患者固有の要因に影響される。

謝辞

この研究は、Principal Investigatorに授与された助成金によって支援された:C.D. Fike, R34HL142995 from NIH/NHLBI.著者らは、他の潜在的な利益相反はない。

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