細胞は､エキソソームと呼ばれる膜を持った超微小な包みを分泌し､この包みは体の一箇所から他の箇所に重要なメッセージを運ぶことができる｡MITその他の研究機関の研究者らがこのメッセージを捕捉する手法を開発した｡この手法はがんや胎児異常などの問題の診断にも用いることができ､そのための新開発の装置はマイクロ流体工学と音波を組み合わせてエキソソームを血液から分離するようになっている｡
同グループでは､この技術を携帯できる大きさの装置に組み込むことで臨床現場で患者の血液サンプルを分析し､その場で診断が出せるようにしたいと考えており､そうなれば現在使われている､扱いが難しく､しかも時間のかかる超遠心分離法を必要としなくなる｡
2017年9月18日付のPNASに掲載された研究論文の首席著者の一人で､MITのDepartment of Materials Science and Engineeringの主任科学研究員､Dr. Ming Daoは､｢このエキソソームは､身体に異常があった場合にその異常に固有の物質を含んでいることが多い｡そのエキソソームを分離すれば生物学的解析にかけることで､その異常をつきとめることができる｣と述べている｡この論文の他の首席著者として､シンガポールのNanyang Technological Universityの次期大学総長で､かつてMITのEngineering学部長を務め､現在はMITでVannevar Bush Professor of Engineering Emeritusを務めるDr. Subra Suresh､Duke UniversityのMechanical Engineering and Materials Science教授を務めるDr. Tony Jun Huang､ピッツバーグ市にあるMagee-Women’s Research InstituteのDirectorを務めるDr. Yoel Sadovskyらが名を連ねている｡また､Duke Universityの大学院生､Mengxi Wuが論文の筆頭著者を務めている｡
この論文は､｢Isolation of Exosomes from Whole Blood by Integrating Acoustics and Microfluidics (音響とマイクロ流体工学とを組み合わせ､全血からエキソソームを分離)｣と題されている｡2014年､同じ研究チームが初めて｢細胞を微小管路中に流し､音波をかけることでその細胞を分離することができた｣と報告している｡現行の細胞選別技術では､細胞を化学物質でタグ付けしたり､あるいは細胞を損傷しかねないほど強い機械的力をかけるなどの問題があり､同グループの手法はそれに比べるとはるかに細胞にとって穏やかである｡その後､同研究グループは､この技術を使って､血液サンプルからきわめて希少な循環腫瘍細胞の分離も可能であることを示した｡同研究グループは新しい研究でエキソソームの捕捉を目指した｡エキソソームという嚢胞は直径が通常30ナノメートルから150ナノメートルという微小なもので､タンパク質､RNAその他の重要な細胞物質を運ぶことができる｡
以前の研究では、エキソソームの内容物が癌、神経変性疾患および腎臓疾患などの障害のマーカーとして役立つことが明らかにされている。 しかしながら、エキソソームを単離するための既存の方法では、高速遠心分離が必要であり、ポータブルではない大きな機械を使用して、実行に約24時間かかる。
高い遠心力は小胞に損傷を与えることもあります。
「音響音波ははるかに優しい」とダオ博士は言う。
これらの粒子は、分離されるにつれて力が1秒未満しか経験されておらず、大きな利点です。研究者らのオリジナルの音響細胞選別装置は、2つの傾斜した音響トランスデューサにさらされたマイクロ流体チャネルからなる。これらのトランスデューサによって生成された音波が互いに遭遇すると一連の圧力ノードを生成する定在波を形成する。
セルまたはパーティクルがチャネルを通過してノードに遭遇するたびに、圧力がセルを中心から少し遠ざけます。
細胞の移動の距離は、サイズおよび圧縮性などの他の特性に依存し、異なるサイズの細胞をチャネルの終点に達するまでに分離することを可能にする。
エキソソームを単離するために、研究者らはこのような2つのユニットを縦に並べたデバイスを構築した。
最初に音波は、血液サンプルから細胞および血小板を除去するために使用される。
細胞および血小板が除去されるとサンプルは、より高い周波数の音波を使用してエキソソームをわずかにより大きな細胞外小胞から分離する第2のマイクロ流体ユニットに入る。
この装置を使用すると100マイクロリットルの希釈されていない血液サンプルを処理するのに25分以下かかる。新しい技術は長いターンアラウンドタイム、不一致、低収量、汚染、不確かなエキソソームインテグリティなど、エキソソーム分離の現在の技術の欠点に対処できます。
「ボタンを押して10分以内に目的のサンプルを得るだけで高品質のエキソソームを簡単に抽出したい。この研究は、最先端の微細加工技術を駆使してマイクロフルイディクスと音響のユニークな組み合わせによって、ヒトの液体サンプルからエキソソームを捕捉する新しい方法を提供します」
とDr. Sureshは言います。
これらのナノスケール小胞を本質的に生物学的または物理的特性を変えずに分離するこの方法の能力は、ヒトの健康を評価する新しい方法を開発し、疾患の発症および進行を惹起する可能性を提供する。
クリアシグネチャー
この新しいエキソソーム分離法は、病気の診断と予後における新たなパラダイムを導く可能性がある」
とイリノイ大学アーバナシャンペーン校の機械科学技術工学教授であるTaher Saif博士は言う。
この論文は超高精度でエキソソームを血液から迅速に単離する非侵襲的でラベルフリーの生体適合性のあるオンチップの方法を提示しています。
研究チームは現在この技術を使用して病状を明らかにするバイオマーカーの探索を計画しています。
科学者は異常妊娠に関連するマーカーを探すためのNIHからの共同助成金を得ており、この技術が他の健康状態の診断にも役立つと考えています。
「新しい音響流体技術は、エキソソームおよび他の細胞外小胞の血液および他の体液からの分離プロセスを劇的に改善する可能性を秘めている」
とSadovsky博士は語る。
これは液体生検を研究する新しい次元を追加しヒト妊娠中の胎盤などアクセスが困難な器官の生理と健康を知らせるために細胞外小胞の臨床使用を促進するでしょう。
この投稿はMITの科学者のAnne Traftonが作成したMITのニュースリリースに基づいています。
この図には音波を用いてエキソソーム（ピンク球）を血液の他の成分から分離するマイクロ流体装置が示されている。
（Mengxi Wu、Ming Dao、Subra Suresh、Yoel Sadovsky、Tony Jun Huangの提供）
原著へのリンクは英語版をご覧ください。
Acoustic Microfluidic Device Can Gently and Rapidly Isolate Exosomes from Blood; Isolated Exosomes Can Be Analyzed for Molecular Signatures of Cancer and Other Diseases
