分子レベルで口腔内の炎症を検出するウェアラブルバイオセンサー

テキサスA&M大学の研究者らは、口腔内の炎症バイオマーカーを分子レベルで検出する、組織接着型のウェアラブルバイオセンサーを開発した。現在、歯周病の検出には歯科医の診察台と視診が必要であり、多くの場合、組織損傷が始まってからでないと問題を発見できない。

土木・環境工学の准教授が、湿潤な口腔環境でも機能し、会話や食事中も貼付状態を維持できる多層センサーを開発・試験した。このパッチの特殊なセンシング層は、炎症の重要なバイオマーカーである腫瘍壊死因子アルファ（TNF-α）タンパク質を標的とする。この研究は学術誌Science Advancesに掲載された。

グラフェン-MXeneセンシング層は、標的タンパク質にのみ結合する特定のプローブを結合させることができる。この層は固有の導電性を有しており、標的タンパク質などの分子が結合すると、電荷の変化を測定できる。これにより、フェムトグラム毎ミリリットル（fg/mL）レベルでの高感度検出が可能になる。

この研究では、わずか18.2 fg/mLでの検出が示された。参考までに、1,000兆フェムトグラム（1の後にゼロが15個付く数）はちょうど1グラムに相当する。このセンサーは1ミリリットルあたり100～150個を検出できるが、例えばウイルス感染症の患者では、1ミリリットルあたり1000万～10億コピーのウイルス量で症状が現れることがある。このような感度を達成するのは、特に不要なバイオマーカーも検出される場合には難しい。しかし、外層がパッチの選択性を高めるのに役立っている。

組織接着性ヒドロゲルには、不要な分子をろ過するのに役立つ選択透過性ヒドロゲル層も備わっている。ミシガン州立大学の機械工学助教授が、組織接着性ヒドロゲルと選択透過性ヒドロゲルの開発に協力した。強固な組織接着は、センシング層の精度向上にも寄与する。

センシング測定は、組織の動的な動きによって大きく影響を受ける可能性がある。組織結合がより強固であれば、ひずみに依存せず、より信頼性の高いセンシング性能が得られる。選択透過層はメッシュ格子のように機能し、特定のサイズの分子だけを通過させる。層とバイオマーカー間の化学的相互作用も選択性に寄与する可能性がある。

研究者らは、同様のサイズを持ついくつかの生体分子を体系的に試験した。生体分子と周囲のポリマーネットワークとの相互作用により、異なる生体分子の輸送を識別する選択性が向上する。今後の研究では、これらの異なる相互作用を研究し、特定の生体分子と相互作用するヒドロゲルを設計して、多様なバイオマーカーを標的とすることが計画されている。

研究者らは、テキサスA&M大学医学部の微生物病原性・免疫学部門のRegents' Professorの協力を得て、非侵襲性パッチを試験した。この試験では、モルモットが比較的扱いやすく、特に口腔内炎症においてヒトと多くの類似特性を共有しているため、モルモットを使用することにした。

TNF-αタンパク質は、軟部組織の感染に伴う炎症にほぼ常に関与するサイトカインである。この研究の目標は、この種のシステムが迅速なポイントオブケア検出を可能にするかどうかを確認することだった。ミシガン大学の歯学准教授は、口腔内でのTNF-α検出の重要性を認識し、バイオマーカーと歯科疾患に関する貴重な知見を提供した。

口腔内感染症は、歯周病や歯の喪失などの深刻な健康問題を引き起こす可能性があり、治療せずに放置するとさらに悪化する可能性がある。症状が現れる前に感染症を迅速に診断できる能力は、口腔医療を対症療法から予防的対応へと転換させることができる。

この研究で使用された動物は、コンセプトが機能することを実証するためだけに用いられた。今後は、動物を対象とした臨床試験、そして最終的にはヒトを対象とした臨床試験が次のステップとなる。使用される材料の多用途性を考慮すると、将来の研究では、この種のバイオセンサーを体の他の部位や異なるバイオマーカーに応用することも可能である。