ナノバイオテクノロジーによる早期の病気の検出の加速

このシナリオを想像してみてください。毎年の身体検査は、手頃な価格の家庭用診断チップによって補完され、単純な尿サンプルだけでベースラインの健康状態を定期的に監視できます。外見上は健康に見えますが、デバイスはバイオマーカープロファイルの変動を明らかにし、初期段階の癌の発生またはウイルスの存在の可能性を示しています。

家庭用妊娠検査のような診断装置は1970年代から出回っています。それは、彼女の疑いを確認するために医師の予約を待たずに、彼女が妊娠しているかどうかを知る女性の能力に革命をもたらしました。この検査は、尿中に存在するホルモンであるヒト絨毛性ゴナドトロピンの検出に依存しています。しかし、同様の種類のサンプルやデバイスから癌や致命的なウイルスを検出することは、同じくらい簡単で非侵襲的でしょうか？

マイクロ流体ジグに取り付けられたIBMResearchの2cmx2cmnanoDLDチップ

過去2年間、研究科学者でありマスター発明者であるJoshuaSmith博士とIBMTranslational Systems Biology andNanobiotechnologyのプログラムディレクターであるGustavoStolovitzky博士が率いる、IBM Researchの学際的なチームは、このアイデアをシリコン技術を改造し、それを使用してウイルスや癌の要素などのナノスケールサイズの粒子を分離します。

答えは、人間生物学とナノテクノロジーの交差点にあります。まず、尿または唾液のサンプルから採取できる「リキッドバイオプシー」が必要です。次に、ナノメートルの小さな生体分子は、その存在が物理的に検出できない場合でも、病気の下流の検出のために分離する必要があります。今日の分離技術は、高価な機器、生化学実験室、および訓練を受けた技術者を必要とし、定期的なスクリーニングを非現実的にしています。しかし、チップベースのナノテクアプローチは、医師が病気を潜在的に検出および監視できるようにするためのシンプルで手頃なオプションを提供する可能性があります。これは医療専門家にとっての聖杯です。前に人々を治療する 彼らは慢性的に病気になります。

チームの大きな利点は、最先端のナノテクノロジーと製造技術を計算生物学の専門知識と組み合わせることです。この強力な相乗効果は、他の研究所では実現が困難です。

生体粒子を知る

生体粒子の分離は決して新しい概念ではありませんが、最新の実験で、スミスとストロビツキーのチームは、ナノスケールの生体分子、特にエクソソーム（母細胞から放出された遺伝子カーゴを含む体液に見られる細胞由来の小胞）の分離に成功した最初のチームです。直径わずか20nmまで、人間の髪の毛の約1 / 5,000です。この規模では、前述のエクソソーム、DNA、ウイルス、タンパク質複合体など、多くの重要な生体粒子を分離できます。これらは、病状の早期発症、曝露直後のウイルスの存在を示す可能性があります。病気の進行を監視します。

ナノスケールの決定論的横方向変位（nanoDLD）と呼ばれる技術を使用して、液体サンプルを、非対称ピラーアレイで特別に設計されたシリコンチップを連続的に通過させることができます。このアレイにより、システムは粒子の微細な滝を分類し、粒子を数十ナノメートルの解像度までサイズ別に分離することができます。分離は、小さな粒子が流体の方向にジグザグに移動するときに発生しますが、大きな粒子は、高速道路のトラックレーンに押し込まれたトラック運転手のように、柱の非対称の方向に沿ってアレイを突き抜け、さまざまなサイズの材料を許可しますダウンストリームの検出または分析のために分離されます。

「この研究の社会的影響は、医師が癌を早期に発見できるようになる可能性があることです…治癒の可能性がより高いとき」とStolovitzkyは言いました。 「私たちは、この研究が癌の分野であり、ジカ熱のようなDNAやウイルスの検出の分野でもあることを望んでいました。すべてが同じことになります。医師に人の健康について何かを伝える微量のバイオマーカー粒子を検出できる、小型で手頃な診断ツールを使用できるようになります。」

人間から原子までの生物学のスケールとIBMResearchのnanoDLDデバイスが到達できる新しいナノスケールの範囲[完全なインフォグラフィック]

スミス氏は次のように付け加えました。「医師が手頃な価格で非侵襲的な方法で個人の生物学的プロファイルを定期的にスクリーニングできることは、予防の新時代の到来を告げる可能性を秘めています。 ヘルスケアと、病気の進行に寄与する要因の理解を深めます。」

予防医学の先駆者としてのエクソソームの使用

このテクノロジーの継続的な開発の一環として、IBM Researchは、マウントサイナイ医科大学の病理学部長で教授であるCarlos Cordon-Cardo、MD、PhDが率いるマウントサイナイ医科大学のチームと協力しています。 Icahn School of Medicineで病理学、遺伝学およびゲノム科学、腫瘍学の学位を取得。このコラボレーションにより、シナイ山の癌と病理学に関する専門知識が結集され、IBM Researchは、バイオインフォマティクスの経験と最新のナノスケール分離技術をもたらします。

癌との戦いにおいて、エクソソームは悪性腫瘍の診断と予後のための有用なバイオマーカーとしてますます見られています。エクソソームは、血液や尿などの簡単にアクセスできる体液で放出され、癌の起源を明らかにすることができるため、貴重な生物医学的ツールとなります。

「私たちは、細胞がメッセンジャーを送ることによって自分自身と話していることに気づきました。これらのメッセンジャーの一部は、さまざまな小さな小胞またはエクソソーム内に保存および転送されます。これらのエンベロープの中には、タンパク質によってコード化された情報や、DNA遺伝子フラグメントやRNA分子の形での私たち自身の細胞のメッセンジャーなど、多くの重要な情報が見つかることがわかりました」と、Cordon-Cardo氏は述べています。

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Cordon-Cardoは、エクソソーム内で運ばれる情報を使用して病気に先んじる機会に動機付けられています。

「今日、私たちはその完全な定義の文脈で「ヘルスケア」を追求していません。今日、私たちは基本的に「シックケア」と定義できることを行っています。「ヘルスケア」を受け入れて実施するには、健康な個人、医療専門家、社会一般を教育する必要があります。 、しかし私たち自身ではありません。多くの場合、何かが間違っている可能性があるのではないかと心配しているためです。エクソソームは、病気の早期発見に役立つ可能性があります。何が起こるかを予測するために、どのメッセージが臓器間で送信され始めているかを質問し、調査することは、ヘルスケアを見る最も興味深い新しい方法の1つになるでしょう。」

Cordon-Cardoは、IBM nanoDLDテクノロジーを使用すると、専門家が非侵襲的な方法で細胞と臓器の間で送信されるメッセージをより効果的に盗聴できると考えています。この細胞間会話をより定期的に監視することで、専門家は仮想シャペロンとして行動し、状態が逆転して患者が健康な状態に戻るまで注意深く観察するか、医師がより侵襲的なものが正当に必要であると判断できるようになります。

表面のエクソソームの電子顕微鏡写真。

「私たちが病気に先んじているとき、私たちは通常それをうまく対処することができます。しかし、病気が私たちの前にある場合、旅は通常はるかに困難です。このコラボレーションで私たちが試みている重要な開発の1つは、非常に早い段階で存在する可能性のある分子シグネチャを特定するための基本的な根拠を持つことです。」と彼は言いました。

前立腺がんの検査

IBMResearchとMountSinaiは、米国の男性で最も一般的な癌である前立腺癌でnanoDLDテクノロジーをテストすることを計画しています。前立腺がんの場合、医師は、50歳以上の男性が血液サンプルから採取した前立腺特異抗原（PSA）の検査を毎年受けることを推奨しています。ただし、PSA値が上昇しているからといって、必ずしも前立腺がんにかかっている、または前立腺がんになる可能性があるとは限りません。逆に、PSAの検査で陽性にならないからといって、個人が前立腺がんを形成することも妨げられません。

希望は、特定の敏感なバイオマーカーを探すことであり、今日のエクソソームは、人が癌を患っているかどうかの答えを保持する可能性のある手がかりを提供する新しいフロンティアを表しています。

「エクソソームを使用すると、癌細胞が処理しているものを垣間見ることができます。細胞は常にエクソソームを放出します。それらを検出すれば、癌に触れることなく内部にあるものを見ることができます」とStolovitzky氏は述べています。

現在、研究はまだ初期段階にあります。 IBM Researchチームの最新の科学的結果は、本日 Nature Nanotechnology *で公開されました。 次のステップの一環として、チームは、デバイスが処理できる量とスループットを向上させ、デバイスを設計して、20ナノメートル未満の生体粒子を分離し、個々のタンパク質の領域に取り込むことを望んでいます。

また、デバイスが前立腺がん患者のエクソソームに見られると予想される種類のバイオマーカーを検出できることを確認する予定であり、臨床グレードのプロトタイプデバイスの構築に引き続き取り組んでいきます。デバイスが市場に出る前に、臨床試験が必要になります。しかし、妊娠検査が妊婦のゲームを変えたように、将来的には、症状に気付く前に健康の兆候を示す簡単なポイントオブケアデバイスを使用できるようになるかもしれません。

脚注：

*ネイチャーナノテクノロジー： 20nまでのエクソソームとコロイドを分離するためのナノスケールの横方向変位アレイ DOI：10.1038 / NNANO.2016.134

Benjamin H. Wunsch（IBM Research）、Joshua T. Smith（IBM Research）、Stacey M. Gifford（IBM Research）、Chao Wang（現在の所属：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）、およびYann Astier（現在の所属：Roche Molecular Systems）