科學研究 - 利用奈米線，只需1毫升尿液即可檢測癌症

奈米管、奈米粒子、奈米帶等具有全新功能的奈米（10億分之1米）級新材料正極性連不斷地被開發出來。日本名古屋大學研究生院工學研究科的副教授安井隆雄新發現了透過使用奈米線，僅需1毫升尿液即可檢測癌症的技術。

將奈米線用於生物領域

奈米線是截面直徑爲幾十～一百奈米的針狀構造物。以前被稱爲「晶鬚（Whisker）」，是造成電子產品絕緣不良的罪魁禍首，但進入1990年代後，業界開始嘗試在多種場合利用奈米線。奈米線可使用半導體、金屬和氧化物等多種材料製作，有望廣泛應用於高靈敏度感測器和光伏電池等領域。

安井推進了氧化物奈米線在生物領域的應用。生物領域不像高靈敏度感測器那樣只使用1條奈米線，而是利用大量奈米線構成奈米線「森林」。安井在2×40毫米的面積上成長出了1億條奈米線，打算利用與微流路結合的奈米線器件，收集可進行癌症檢測的細胞外囊泡（外泌體）以及微生物。含有外泌體和微生物的溶液流經奈米線「森林」時，流路底部的奈米線會將其收集起來。

安井介紹說：「用於癌症檢測時，收集體液中存在的外泌體，然後提取其中控制生物功能的小片段——微RNA進行解析。鑑定微生物時也是從微生物中提取DNA進行解析。所以我覺得可以利用奈米線收集小的標靶」。

兼顧功能和成本

目前，安井在利用兩種方法製作奈米線。一種是氣液固相（VLS）法，即熔化基底層上的黃金微粒，並以氣相狀態向其供應錫和氧，使之作爲固相晶體（氧化錫）成長（圖1）。奈米線的粗細和密度可以透過基底層上配置的黃金微粒控制。

■圖1：利用黃金微粒製作奈米線的方法。

在想成長奈米線的基底層上附着黃金微粒並加熱（左）。黃金微粒發揮觸媒的作用，僅黃金微粒附着的位置上能成長奈米線（右）。

另一種方法是水熱合成法，把實施了表面處理的基底層浸入含有原子（原料）的溶液中，使其成長出奈米線。

安井介紹了奈米線的成長原理：「無論哪種方法，成長程序中都會發生降低整體表面能的現象。在VLS法中，熔化的黃金微粒發揮觸媒的作用，促進晶體成長。在水熱合成法中，透過對硅基底層實施氧化物成膜等表面處理，可以在希望成長奈米線的位置，形成便於晶體成長的表面能態」。

奈米線器件的另一個特點是安井所說的「受到產業關注」的流路部分。必須使含外泌體等樣本溶液與奈米線接觸才能收集到樣本。因此安井在流路的頂面鐫刻了V字型刻紋（圖2）。這樣，流路内會形成螺旋狀水流，溶液能有效接觸奈米線。

■圖2：流路等比增大1000倍的模式。從上部的一個開口注入要分析的液體。注入的液體透過上部的V字型結構變成螺旋狀水流，與底面的奈米線多次接觸後，從另一個孔排出。

先驅研究領域提出的目標是創造能產生功能的「超級空間」，從而實施新的材料開發。根據以前的聯合研究經驗，安井發現，光實施功能還難以推進產業應用。他說：「要想作爲材料得到使用，光實施功能還不夠，降低製造成本也非常重要。所以詳細研究了奈米線的成長方法和流路材料等，反復進行了改良」（圖3）。安井表示，雖然還有改善的空間，比如將流路變成圓筒狀等，但「目前已經明確了功能和原理，也確立了降低成本的方法，希望接下來由產業界繼續操作改善和研究商業用途」。

■圖3：實際的奈米線器件。透過改良在硅基底層上成長奈米線的方法，以及利用O型圈（加襯板）形成流路，設法降低了成本。

用於癌症檢測和微生物鑑定

奈米線器件的用途之一是癌症檢測。細胞分泌的外泌體中含有微RNA，目前已經從人活體內發現2600多種微RNA。健康人與癌症患者相比，活體內的各類微RNA所佔的比例不同，因此可以利用這個差別來發現癌症。以前大多利用血液樣本檢測癌症，安井透過收集尿液中含有的外泌體，並解析提取到的微RNA成功地檢測出了癌症。

安井強調了利用尿液的優點：「血液樣本的採集和管理都比較麻煩。就這一點而言，尿液不但成本低，還省時省力。而且沒有痛苦，可減輕患者的負擔」。

最初以爲尿液中只含200～300種微RNA，比血液中少，因此擔心無法實施與血液一樣的檢測效果。但「在尿液中發現了大約2000種微RNA。另外，跟預期相反，利用尿液檢測的準確率更高。可能是因爲尿液中混入的蛋白質等比血液中少的緣故」（安井）。據說目前可以已經可以利用這種方法檢測出肺癌和腦癌。

此外，還可以利用奈米線器件纏繞微生物，破壞細胞，並透過提取的DNA確定微生物的種類。安井信心十足地表示：「由於微生物有細胞壁，要想破壞細胞壁需要使用特殊藥劑等，而利用此次開發的器件，只需使含微生物的溶液流過流路就能提取到DNA」。

安井當初以爲微生物被粉碎是因爲被奈米線刺穿。但使用電子顯微鏡反復觀察也沒有捕捉到奈米線刺穿微生物的決定性瞬間。安井介紹說，透過改變奈米線的長度、粗細和數量等條件反復進行實驗，發現了粉碎微生物等的意外機制（圖4）。

■圖4：奈米線粉碎微生物等的樣子（示意圖）。與奈米線接觸的微生物吸附作用到奈米線上，被奈米線纏住。微生物被溶液流動的壓力擠破，最終粉碎，釋放出内部的DNA。

安井介紹說：「溶液中的微生物在流動程序中被奈米線擷取。被纏繞的微生物在溶液的流動壓力下遭到擠製，最終粉碎，釋放出DNA。這種解釋與實驗結果高度一致」。雖然利用電子顯微鏡觀察到了奈米線纏繞微生物的情形，但目前尚未掌握奈米線纏繞的機制（圖5）。儘管尚處於假說階段，不過安井幹勁十足地表示：「打算在近期拍攝到影像證據」。