COVID-19からがんまで：新しい家庭用検査で驚異的な精度で病気を検出

喉の痛みや鼻づまりでお困りですか？自宅で簡単に検査できる検査機器の登場により、COVID-19のような深刻な病気なのか、それともただの春のアレルギー症状なのかを簡単に判断できるようになりました。しかし、迅速で便利な反面、これらの検査は医療機関で行われる検査に比べて感度が低いため、たとえ感染していても陰性の結果が出る可能性があります。

解決策となるのは、COVID-19のようなウイルスに対する感度を100倍も高める、新しい低コストのバイオセンシング技術です。また、前立腺がんや敗血症といった他の危険な疾患の迅速スクリーニング能力も向上させる可能性があります。

カリフォルニア大学バークレー校の科学者たちは、「コーヒーリング効果」と呼ばれる自然の蒸発プロセスとプラズモニクスおよび人工知能を組み合わせ、わずか数分で病気のバイオマーカーを正確に検出する検査を開発した。

「このシンプルでありながら強力な技術は、従来の診断方法のほんの一部で、非常に正確な結果をもたらします」と、カリフォルニア大学バークレー校でマイクロエレクトロメカニカルシステムとナノエンジニアリングの博士課程に最近入学したカムヤール・ベロウジ氏は述べています。
「私たちの研究は、特に資源が限られた地域において、より利用しやすく、手頃な価格の診断ソリューションへの道を開くものです。」

この技術の説明はNature Communications誌に掲載された。

コーヒーリング効果とナノ粒子

コーヒーやワインの染みをよく見ると、中心よりも端の方が濃い色になっていることに気づくでしょう。これはコーヒーリング効果と呼ばれる物理現象によるものです。液体が蒸発すると、流れが生じ、浮遊粒子が端に向かって押し上げられます。コーヒーやワインのように粒子に色素が含まれている場合、染みの端に濃い色のリングが形成されます。

2020年、ベルーズ氏はCOVID-19を検出するためのバイオセンサーを開発していた際、実験溶液の液滴が乾燥するとリング状の跡を残すことに気づきました。彼は、コーヒーリング効果を利用してCOVID-19ウイルス粒子を濃縮し、検出を容易にできると考えました。

「この効果を使えば、当初計画していたものよりはるかに優れたものを作れることが分かった」とベルーズ氏は語った。

テストはどのように行われますか?

この迅速検査技術では、特殊な方法で光と相互作用するプラズモニックナノ粒子と呼ばれる小さな粒子を使用します。

1. ユーザーは、病気に関連するタンパク質を含む液体（口や鼻から綿棒で採取したものなど）を膜に一滴塗布します。
2. 乾燥すると、滴はコーヒーリング領域に病気のバイオマーカーを集中させます。
3. 次に、ユーザーは病気のバイオマーカーに「付着」するプラズモニックナノ粒子を含む 2 滴目を追加します。

バイオマーカーが存在する場合、ナノ粒子は特定のパターンを形成し、光が膜と相互作用する方法を変化させます。これらの変化は、肉眼またはAI搭載のスマートフォンアプリで確認できます。

この技術は12分以内に結果を提供し、同様の家庭用検査よりもCOVID-19に対する感度が100倍高い。

その他の疾患への応用

「この技術で検出できる重要なタンパク質の一つは、敗血症のバイオマーカーです。敗血症は細菌感染に対する危険な炎症反応で、特に50歳以上の人では急速に進行する可能性があります」と、本研究の主任著者であるカリフォルニア大学バークレー校機械工学科教授のリウェイ・リン氏は述べています。
「一刻一刻が重要ですが、感染源を特定するための細菌培養には数日かかることもあります。私たちの技術により、医師は10～15分で敗血症を検出できる可能性があります。」

科学者たちはすでに、サンプルを正しく配置し、プラズモニック液滴を適用するのに役立つ3Dプリント部品を備えた、迅速なCOVID-19検査に似た家庭用検査のプロトタイプを作成している。

「新型コロナウイルス感染症のパンデミックの間、私たちは感染の有無を確認するために自宅での検査に頼っていました。私たちの技術によって、家を出ることなく前立腺がんなどの病気の定期検査を受けられるようになることを願っています」とリン氏は述べた。