光を用いたセンサーが血液中のがんバイオマーカーを極低濃度で検出

研究者らは、血液中のがんバイオマーカーを極めて低濃度で検出できる高感度の光ベースセンサーを開発した。ジャーナル『Optica』に掲載された研究では、このセンサーは、血液サンプル中に分子が数個しか存在しない場合でも肺がんバイオマーカーを検出することができ、従来の方法では見つけられないほどバイオマーカー濃度が低い早期がん検出に有望であることを示している。

このセンサーは、患者サンプル中の肺がんバイオマーカーをサブアトモル濃度で検出し、サンプル中に分子が数個しか存在しない場合でも明確なシグナルを生成した。タンパク質、DNA、その他の分子などのバイオマーカーは、がんやその他の疾患の存在、進行、またはリスクを明らかにするために使用できる。しかし、早期疾患診断における主な課題の1つは、発症時に存在するバイオマーカーの濃度が極めて低いことである。

「私たちのセンサーは、DNAで作られたナノ構造と量子ドット、CRISPR遺伝子編集技術を組み合わせ、第二高調波発生（SHG）として知られる光ベースのアプローチを用いて微弱なバイオマーカーシグナルを検出する」と、中国の深セン大学の研究チームリーダーは述べた。「成功すれば、このアプローチは病気の治療をより簡単にし、生存率を向上させ、医療費全体を削減する可能性がある。」

センサーは、二硫化モリブデンの平らな層で作られている。これは、入射光の波長を半分に減らす光学現象であるSHGをサポートするのに理想的な特性を持つ半導体材料である。新しいセンサーはSHGに基づいており、これは入射光が半分の波長の光に変換される非線形光学プロセスである。

ピラミッドのような形状のDNAナノ構造を用いて、科学者らは量子ドットをセンサー表面の正確な位置に固定し、生成されるSHGシグナルの強度を高めた。研究者らは、DNAのみから作られた自己組織化ピラミッド状ナノ構造であるDNA四面体を用いて、MoS₂表面から正確な距離に小さな量子ドットを固定した。量子ドットは局所的な光学場を増強し、SHGシグナルを強化する。

CRISPRを用いることで、センサーは任意の標的を認識するようにプログラムできる。研究者らは、特定のバイオマーカーを検出するためにCRISPR-Cas遺伝子編集を適用した。CRISPRに使用されるCas12aタンパク質が標的バイオマーカーを認識すると、量子ドットを所定の位置に保持しているDNAを切断し、その結果、SHGシグナルの測定可能な低下が引き起こされる。SHGシグナルはバックグラウンドノイズが最小限であるため、非常に低濃度のバイオマーカーでも検出できる。

「DNAを単なる生物学的物質として見るのではなく、プログラム可能な構成要素として使用することで、センサーの構成要素をナノメートルレベルの精度で組み立てることができる」とチームリーダーは述べた。「バックグラウンドノイズを効果的に最小化する非線形光学センシングと、増幅を必要としない設計を組み合わせることで、私たちの方法は速度と精度の明確なバランスを提供する。」

十分な強度のシグナルを得るためにDNAまたはRNA標的の増幅を必要とする従来の検出方法とは異なり、これらの量子センサーは、超低濃度でも標的を直接検出できる。バイオマーカーの検出には通常、微量の分子の増幅が必要であり、このプロセスは時間とコストがかかる可能性がある。したがって、この技術は、複雑な増幅ワークフローによって導入される可能性のあるエラーを防ぎながら、ワークフローをはるかに迅速かつ低コストにする可能性がある。

研究者らは、肺がんの増殖と転移に関連するマイクロRNAバイオマーカーであるmiR-21を検出するようにプログラムして、センサー設計をテストした。単純なバッファー溶液中でこのマーカーを検出できることを確認した後、実際の血液検査をシミュレートして、肺がん患者からのヒト血清中でもバイオマーカーを検出できることを示した。

「センサーは非常にうまく機能し、光学、ナノ材料、生物学を統合することがデバイスを最適化する効果的な戦略になり得ることを示した」とチームリーダーは述べた。「センサーはまた、非常に特異的であり、他の類似のRNA鎖を無視し、肺がんの標的のみを検出した。」

このセンシング技術はプログラム可能に設計されており、ウイルス、細菌、環境毒素、さらにはアルツハイマー病に関連するなどのさまざまなバイオマーカーを検出できる可能性がある。

「早期診断のために、この方法は、腫瘍がCTスキャンで見えるようになる前に、肺がんの簡単な血液検査を可能にする可能性を秘めている」とチームリーダーは述べた。「また、医師が画像診断結果を数ヶ月待つのではなく、毎日または毎週患者のバイオマーカーレベルを監視して薬剤の有効性を評価できるようにすることで、個別化治療オプションの進歩にも役立つ可能性がある。」

今後、チームはセンサー設計の改良と小型化を継続する予定であり、最終的には、早期がん検出を支援するために臨床現場と遠隔地の両方で簡単に使用できるポータブルデバイスの開発を目指している。研究者らは光学セットアップの小型化に焦点を当てる予定である。彼らの目標は、ベッドサイド、診療所、さらには資源の乏しい遠隔地でも使用できるポータブルデバイスにすることである。