内を見つめる

「内面を美しくするための秘訣」

人体の内部で何が起こっているかを理解することは医学の核心です。数世紀にわたり、科学者たちは高血圧からがんまでの問題、状態、疾患を検出するためのより良い方法を探し続けてきました。

体温計や血圧計から血中酸素計まで、さまざまなセンシングデバイスは、生命の兆候を監視し、潜在的な問題を検出することを容易にしました。今、研究者たちはナノテクノロジーと合成生物学を使用して、分子レベルでセンシングを行っています。医学が未踏の領域に挑戦して、バイオセンサーを開発しています。

“特定の情報を提供するセンサーを設計することが可能になってきた。生体医学の診断は多様な応用に拡大しています。研究者は、一つの細胞レベルでもバイオマーカーを検出する方法を見つけ出しています。”ジョージア工科大学（ジョージアテック）の生物医学工学部の准教授、ゲイブ・クオンは述べています。

これらの新進システムは、感染の検出、がんの腫瘍の検出、および他の慢性疾患の存在の特定を行います。これにより、早期の介入と生命を救うより良い治療が期待できます。カリフォルニア大学サンディエゴ校（UCSD）のバイオセンサー研究所のスタッフリサーチアソシエイト、ロバート・クーパーは、「生体センサーは、私たちの診断能力を向上させる有望な方法です」と述べています。

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新たな視点

バイオマーカーを使用して状態を診断し治療することは新しいことではありません。基本レベルでは、血液検査や尿検査は人体内の出来事についての洞察を提供します。しかし、過去の1世紀において医学の進歩があったにもかかわらず、多くの状態の診断と治療にはまだ長い道のりがあります。

問題の一部は、特定の分子や細胞の存在を検出することが非常に困難であることです。たとえば、標準的な10ミリリットルの採血にはごくわずかのがん分子しか含まれていませんが、このようなテストでは検出されない可能性があります。”がんが肝臓や肺などの複雑な臓器に埋め込まれている場合、ノイズの中から信号を見つけるのは難しいです”、クオンは述べています。

これは早期発見や治療のモニタリングに影響を与えます。たとえば、免疫チェックポイントブロック（ICB）阻害剤は、現在、さまざまながんを治療するために使用されています。従来の治療法よりも悪性腫瘍の治療効果が高いですが、薬剤によって免疫系が癌細胞を攻撃するのを防ぐたんぱく質をブロックすることで作用します。しかし、これらの薬剤の効果を受けるのはおよそ25%の患者だけであり、さらにその効果も一時的なものが多いです。

そのため、研究者たちは、プロバイオティクス、合成生物学、およびCRISPR（簡潔反復性間隔内の短いパリンドローム反復を利用した遺伝子編集法）などの特定の遺伝子編集ツールを使用して、より高度なレベルで機能する新しいクラスのバイオセンサーと関連治療方法の開発に注力しています。”細菌などのエージェントを工学的に設計して特定のタスクを達成することが可能です”、クーパーは説明しています。

クオンはこの革命の最前線にいます。彼とジョージアテックの研究チームは、非侵襲的な尿検査を通じてICB治療が効果を発揮しているかどうかを検出するための合成バイオセンサーを開発しました。この技術は、手術的な生検やコンピュータ断層撮影（CTスキャン）を必要とせず、結果的には曖昧または誤解を招く可能性があるものです。代わりに、ICB薬剤を服用した後にT細胞が放出するタンパク質の高濃度を検出することに頼っています。

ナノテクノロジーは、ICB薬に取り付けられたバイオセンサーを利用します。注射後、それらは体内を移動し、腫瘍部位まで到達します。そこではT細胞と腫瘍細胞のプロテアーゼが、尿中に放出されるシグナル伝達物質のトリガーとなります。また、人間が見逃すことができるパターンを見つけることができる人工知能と機械学習技術の支援を受けることもある結果の読み取りによって、患者が治療に反応しているかどうかが判定されます。

「合成生物学によって、私たちは非常に特定のニーズに合わせたセンサーをカスタムデザインすることができます」とクワンは語ります。さらに、材料のサイズ、形状、色、その他の特性を操作することで、異なる結果を達成したり、異なるものを測定することが可能です。「異なる材料を10〜100ナノメートルに縮小すると、異なる新たな特性が現れます」とクワンは述べています。これにより、分析で識別できる色やその他の特性に変化が生じる可能性があります。

UCSDとオーストラリアの科学者たちは、バイオセンシングの限界を広げる取り組みも行っています。彼らは生物内で大腸癌の存在を特定するために、「CATCH」と呼ばれる遺伝子交換技術を使用しています。

「プロトタイプのバイオセンサーは、出力として抗生物質耐性をオンにします。これは比較的容易に検出することができます」とクーパーは述べています。「抗生物質とともに試料をペトリ皿に広げ、どれだけの細胞が成長するかを数える」と彼は説明します。しかし、臨床使用の前に、より安全な出力シグナル（例：尿で検出可能な蛍光分子など）に抗生物質耐性を置き換える予定です。

現時点では、彼らはマウスでこの技術を成功裏にテストしており、数年内に人間への拡大を目指しています。「これはより対象を絞った治療法の可能性も開く」とクーパーは述べています。

一方、コーネル大学のグループは、遺伝子組み換え技術を使用してPET（陽電子放出断層撮影）と光学イメージングの両方の画像対比を提供するシリカハイブリッドナノ粒子（ ‘C-ドット’）を開発しました。コロンビア大学の研究チームは、腫瘍に居住するプロバイオティク菌を改変し、それらをより簡単に検出可能にしています。このチームはまた、生物工学的な遺伝子回路を設計して、生きている細胞の行動をリアルタイムで感知し、それに応答するものとしています。

成功への感覚

バイオセンシングの未来は明るいですが、クワン、クーパー、その他の人々は、この技術が実用化されるまでには数年かかると述べています。「これらの技術を人間に試験する前に解決しなければならない重要な問題がいくつかあります。これらの技術が機能し、制御環境外での安全性が確認されることが不可欠です」とクーパーは語ります。

最終的には、クワンによれば、次世代のナノセンサーとバイオセンシングは、さまざまな疾患と病気を検出し治療するために使用されるかもしれません。「この技術は、早期発見と予防医学を変革する可能性があります」と彼は述べています。また、バイオセンシングは、医学以外の領域、例えば環境追跡、農業、食品安全などでも革新をもたらす可能性があります。

「私たちは、さまざまな状態や疾患についての早期情報を提供するセンサーとして細胞を設計できる時代に ac-closerzn approachをしています」とクワンは締めくくります。「その結果、より情報をもとに意思決定がされ、より健康的な生活が送れるでしょう」。

Samuel Greengardは、西リン市、オレゴン、アメリカを拠点とした著者およびジャーナリストです。

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