ナノスケールバイオテクで早期疾病検出を革新

定期健診が、コスト効率の良い自宅診断チップで補完される未来を想像してください。尿検体一つで基準健康状態を継続モニタリングし、微細なバイオマーカーシフト（潜在的ながん早期シグナルやウイルス感染）を即座に検出できます。

1970年代に登場した家庭用妊娠検査薬のようなポイントオブケアテストは、個人健康モニタリングを変革しました。これらのテストは尿中のヒト絨毛性ゴナドトロピンを簡易ストリップで検出し、クリニック受診なしで即座に結果を提供します。関連ナノスケール粒子を体液から分離できれば、同じ原理でより複雑な疾患検出にも拡張可能です。

ポイントオブケア診断の再発明

IBMリサーチでは、マスターインベンター兼研究科学者のJoshua Smith博士と、IBMトランスレーショナルシステム生物学・ナノバイオテクノロジープログラムディレクターのGustavo Stolovitzky博士が率いる学際チームが、生物医学用途へのシリコン技術の再構築に取り組んでいます。目標：ウイルス成分や腫瘍由来小胞などのナノスケール粒子を、尿や唾液など容易に採取可能な体液から分離することです。

現在の分離法は高価な装置、本格的な実験室、熟練技術者を必要とし、頻繁なスクリーニングを非現実的にしています。チップベースのナノテックソリューションなら、シンプルで安価、迅速な代替手段を提供し、臨床医が症状発現前から疾病を検出できるようにします。

nanoDLD：革新のエンジン

ナノスケール決定論的横方向変位（nanoDLD）を用い、液体検体を非対称ピラーアレイでパターン化されたシリコンチップに流します。この設計は粒子をサイズで分別：小粒子は流れに沿ってジグザグに移動し、大粒子は横方向に変位させられます。これは高速道路で車両が正しいレーンに強制されるのに似ています。結果として、数十ナノメートルまでの連続的なサイズ分離が可能です。

SmithとStolovitzkyのチームは、人間の髪の毛の約1/5,000にあたる20nmのエクソソーム、DNA、ウイルス、タンパク質複合体の分離に成功しました。これら微小バイオ粒子は、早期疾病発症、ウイルス曝露、疾病進行に関する重要な情報を運びます。

「この研究の社会的インパクトは、医師ががんを早期に検出できるようになること…治癒の可能性がより高い段階で」とStolovitzky氏は語ります。「微量バイオマーカー量を検出し、臨床医に患者の健康状態を知らせる、小型で安価な診断ツールの創出を目指しています。」

エクソソーム：微小なメッセンジャー、巨大な洞察

Carlos Cordon-Cardo博士率いるマウントサイナイ医療システムとの共同研究で、同システムのがん病理学専門性がIBMのバイオインフォマティクスとナノ流体技術を補完します。血液と尿に存在する細胞由来小胞であるエクソソームは、タンパク質、DNA断片、RNAの豊富な貯蔵庫であり、細胞間コミュニケーションの非侵襲的スナップショットを提供します。

「細胞はエクソソームを介してメッセージを送り、タンパク質、DNA、RNAをカプセル化します。これらの封筒を解読することで、疾病の早期警告シグナルを得られます」とCordon-Cardo氏は説明します。「エクソソームは予防医療の基盤となり得ます。臨床的に顕在化する前に問題を特定できるからです。」

nanoDLDチップで、臨床医は細胞間会話を「盗み聞き」し、顕在病理に先立つエクソソーム内容の変化をモニタリングできます。定期的なモニタリングで、疾病管理を受動的から能動的な取り組みへと変革できます。

前立腺がん：早期検出のケーススタディ

前立腺がんは米国男性で最も一般的ながんです。現在のスクリーニングは前立腺特異抗原（PSA）検査に依存しますが、偽陽性・偽陰性を生じることがあります。エクソソームバイオマーカー解析により、IBM-マウントサイナイ共同研究はより高い感度と特異度で疾病を特定することを目指します。

「エクソソームは腫瘍に触れずに、がん細胞が処理しているものを明らかにします」とStolovitzky氏。「それらの存在と内容を検出することで、腫瘍の生物学を早期に洞察できます。」

ベンチからベッドサイドへ

チームの最近のNature Nanotechnology掲載論文（DOI: 10.1038/NNANO.2016.134）は、nanoDLDチップの20nmまでのエクソソーム分離能力を詳述。次のステップはスループット向上、20nm未満粒子捕捉へのチップ改良、臨床検体でのバイオマーカー検証。実証されれば、プラットフォームは臨床グレードのポイントオブケアデバイスへ進化し、妊娠検査薬が女性の健康に与えたインパクトを反映する可能性があります。

脚注：

*Nature Nanotechnology: ナノスケール横方向変位アレイによるエクソソームとコロイドの20nmまでの分離, DOI: 10.1038/NNANO.2016.134

Benjamin H. Wunsch (IBM Research), Joshua T. Smith (IBM Research), Stacey M. Gifford (IBM Research), Chao Wang (現所属: アリゾナ州立大学), Markus Brink (IBM Research), Robert Bruce (IBM Research), Robert H. Austin (プリンストン大学), Gustavo Stolovitzky (IBM Research), Yann Astier (現所属: Roche Molecular Systems)