檢測時間從3個半小時縮減至5分鐘
爲超早期癌症的無痛診斷開闢道路
近年來，腫瘤學領域正在加速向精確掌握癌症患者的病理變化，並將其反映到冶癒方案中的精準醫療方向隊形變換，在開發冶癒藥物的同時，開發能夠檢測微量生物標誌物的先進檢查方法也變得越來越重要。作爲微量生物標誌物，包含mRNA等的奈米微粒「外泌體」（Extracellular vesicle、EV，細胞外囊泡）最爲受人關注。從微量樣品中快速靈敏地檢測出奈米級EV，對於癌症等難治性疾病的早期診斷非常有用。但是，既往的檢測方法通常需要數小時的超離心化等複雜流程。
大阪公立大學LAC-SYS研究所所長飯田琢也、副所長牀波志保、所長助理中瀨生彥等人組成的研究團隊2023年發表了一項令人矚目的成果。英國皇家化學會發行的《Nanoscale Horizons》是業界非常權威的科學雜誌之一，飯田等人的這篇論文入選了該雜誌的「2023 Outstanding Paper Award」表彰，受到了國内外的高度評價。
此項研究省略了超離心化等的複雜流程，將來自癌細胞的奈米微粒EV的檢測時間從3個半小時縮短到了5分鐘。其具體做法是，在雷射照射下產生光誘導力，加速EV和與EV表面膜蛋白質選擇性結合抗體「抗體修飾珠」的結合反應（圖1），並利用可實施高解析度和三維資訊重建的「共焦光學系」分析了由上述結合反應聚集的微粒空間結構。
圖1細胞外囊泡的微流光濃縮概念圖
研究結果顯示，僅花費5分鐘便成功在500納升（納升是10億分之1升）樣本中檢測出了約1000～10000個奈米級EV。能夠檢測的EV量相當於既往方法的4000分之1，可檢測出極微量的樣本。此外，研究團隊還成功檢測出了大腸癌細胞和肺癌細胞分泌的EV表面的狀態差異。飯田教授介紹說:「應用該技術甚至能對芝麻粒大小的微量血液進行檢測，實施既往方法難以實施的超早期無痛癌症診斷，這將有助於癌症的冶癒。」
濃縮生質以加速反應
利用發熱效應的新原理
爲了進一步提升此前的研究成果，飯田教授等發明了「光濃縮」技術。這是一種利用光激發力以及由光發熱產生的光激發對流的協同效應來濃縮生質並加速反應的方法。這一想法來源於「光鑷」透過透明物體和周圍液體之間折射率的差異產生光激發力，從而將物體吸引到光線強區域的技術。透過將雷射聚光到與光的波長相同程度的繞射極限，提高所產生的光的壓力，從而擷取和操縱細胞等數微米（微米爲百萬分之一米）以下的微粒的技術。
飯田教授等研究人員在世界上首次證實了光濃縮原理，透過在光激發力擷取的金屬奈米微粒周圍產生對流和氣泡，實施了靠對流搬運來的微粒在氣泡表面的聚集。研究團隊利用該原理，在幾分鐘内成功檢測出了1萬億分之一克的微量蛋白質，並於2014年發表了論文。之後在JST的未來社會創造事業專案中繼續操作推進研究，在和人的血管相似粗細的流道中，利用泵的壓力和光的壓力使金屬奈米微粒高效聚集，再透過集合體產生的熱效應實施了氣泡產生的高效率化。
圖2可以檢測1毫微微克規模的蛋白質的「泡泡糖感測器」
研究團隊將這樣生成的氣泡用於在通道中的收縮程序，開發出了在幾分鐘内從吸附在氣泡表面的蛋白質和金屬奈米微粒的集合體中檢測出1毫微微（毫微微爲千萬億分之一）克規模蛋白質的「泡泡糖感測器」（圖2）。這種感測器將成爲生物分析技術的基礎，能夠以高出早期試驗1000倍以上的高靈敏度從微量體液中檢測出引發成人病等疾病的蛋白質。該研究成果可以爲食品行業和醫療領域提供全新的檢測方法，後續開發可透過控制發熱量，使其能夠應用於耐熱性較差的EV。（未完待續）（TEXT：伊藤左知子；PHOTO：石原秀樹）
原文：JSTnews 2024年7月號
翻譯：JST客觀日本編輯部
