体内に埋め込んだセンサーが、24時間健康を見守ってくれる――そんなSFのような未来が、もうすぐそこまで来ているかもしれません。しかし、この「体内見守りセンサー」実用化には、大きな壁がありました。センサー表面に細菌や細胞が付着して邪魔をする「バイオファウリング」と、体がセンサーを異物とみなして攻撃する「異物反応」です。これらの問題が、センサーの寿命を縮め、正確な測定を妨げてきました。この長年の課題に、ハーバード大学ウィス研究所の研究チームが画期的な解決策を提示しました。彼らが開発したのは、センサーを「汚れ」や「体の攻撃」から守りつつ、長期間安定して機能させることを可能にする特殊なコーティング技術。まるでセンサーに「透明な鎧」を着せるようなこの技術は、糖尿病患者さんの血糖値モニターはもちろん、脳の状態やがん治療の効果判定など、幅広い医療分野での応用が期待されています。2025年3月6日に学術誌「Biosensors」で発表されたこの研究は、個別化医療やデジタルヘルスの未来を大きく前進させるかもしれません。
論文タイトルは「An Antimicrobial and Antifibrotic Coating for Implantable Biosensors（埋め込み型バイオセンサーのための抗菌・抗線維化コーティング）」です。
この課題の克服は、慢性疾患や自己免疫疾患患者のより長期的な状態モニタリング、既存治療や臨床試験中の新薬に対する患者の反応評価、脳を含む多くの臓器における生理学的・病理学的シグナルの測定といった、多くの臨床診断および研究応用への道を開くことになります。
この新しいコーティング技術は、埋め込み型およびウェアラブルバイオセンサーの寿命を大幅に延ばしつつ、その電気信号活性を維持します。これにより、体内のさまざまな生体液中のアナライトを、潜在的には数週間にわたり連続的に測定することが可能になります。研究チームが実証したように、このコーティングを電気化学センサーデバイスに施すと、バイオセンサーや他の埋め込み型デバイス上に抗生物質耐性バイオフィルムを形成する原因となる緑膿菌の増殖を阻害しました。また、このコーティングは、初代ヒト線維芽細胞の付着や近傍の免疫細胞の不要な活性化を防ぎつつ、2つの主要な炎症性タンパク質に結合するように設計された概念実証センサーの検出能力を少なくとも3週間完全に機能させ続けました。
「埋め込み型バイオセンサーデバイスの持続的な保護を提供できるこの新規コーティング技術により、私たちは次世代の電気化学的生体内（in vivo）センサー開発における中心的なボトルネックを取り除きました。個別化医療とデジタルヘルスの時代において、これは膨大な数の診断および研究応用を手の届くところに もたらします」と、本研究を主導したウィス研究所（Wyss Institute at Harvard University）創設ディレクターのドナルド・インバー医学博士（Donald Ingber, MD,PhD）は述べています。
「これはまた、臨床ケアの進展を著しく遅らせる問題の解決に対する、ウィス研究所の電気化学センサーチームの極めて鋭い集中の証でもあります」とインバー博士は付け加えています。インバー博士はまた、ハーバード大学医学部およびボストン小児病院のジュダ・フォークマン血管生物学教授であり、ハーバード大学ジョン・A・ポールソン工学・応用科学スクールのハンスルーク・ウィス生物学的着想工学教授でもあります。
この新しいコーティング技術は、ウィス研究所における非常に革新的な電気化学バイオセンサー開発の伝統に基づいています。このプラットフォームのイノベーションの一部は現在、ウィス研究所が支援するスタートアップ企業StataDX（スタタディーエックス）社によって商業化されており、同社は患者から得た一滴の血液を用いてヒト脳内の多様な分子的変化を検出するアッセイを開発しています。しかし、数週間にわたる期間での連続的な電気化学的バイオマーカーの生体内測定を可能にするため、筆頭著者であるソフィア・ウェアハム-マティアセン博士（Sofia Wareham-Mathiasen, PhD）とインバー研究室の共同研究者たちは、ウシ血清アルブミンと機能化グラフェンの架橋格子から構成される新しいコーティングを開発しました。グラフェン成分が効率的な電気信号伝達を保証する一方、BSA格子は多数の可能性のある生物学的および分子的汚染物質の非特異的結合を防ぐ自然なバリアを形成します。また、アナライト検出抗体や、バイオファウリングと積極的に戦う抗生物質のコーティング内への安定的な組み込みも可能にします。
ウィス研究所、特許技術推進のためのパートナーを募集
概念実証研究において、研究チームのメンバーは、複雑なヒト血漿にさらされた特別に設計されたセンサーを用いて、2つの重要な炎症バイオマーカーを3週間以上にわたり連続的かつ正確に検出できることを実証しました。同じ期間中、このコーティングはヒト線維芽細胞の付着や、通常緑膿菌によって産生されるバイオフィルムの形成に抵抗し、一方で炎症誘発性免疫細胞には目立たないままでした。さらに、このコーティングは低コストの構成要素から簡単なスケーラブルなプロセスで製造でき、生体内バイオセンサーの大量生産を容易にします。ウィス研究所はこの新規コーティング技術の特許を取得しており、患者さんの生活や科学的発見に直接影響を与える実世界への応用を促進するためのパートナーを探しています。
本研究の他の著者には、ウィス研究所の電気化学バイオセンサープラットフォームの推進に尽力した元ウィス研究所シニアサイエンティストのパワン・ジョリー氏（Pawan Jolly）、産業界の協力者であるノボノルディスク社（Novo Nordisk）のヘンリック・ベントソン氏（Henrik Bengtsson）、デンマークのコペンハーゲン大学コスタートン・バイオフィルムセンターのトーマス・ビャルンスホルト氏（Thomas Bjarnsholt）、ならびにウィス研究所の研究者であるナンディニー・ラダ・シャンムガム氏（Nandhinee Radha Shanmugam）、バドリナス・ジャガンナート氏（Badrinath Jagannath）、プラナヴ・プラバラ氏（Pranav Prabhala）、ユンハオ・ジャイ氏（Yunhao Zhai）、アリジャン・オズカン氏（Alican Ozkan）、アラシュ・ナジリプール氏（Arash Naziripour）、ロヒニ・シン氏（Rohini Singh）がいます。
ウィス研究所
ハーバード大学ウィス生物学的着想工学研究所（www.wyss.harvard.edu）は、その核心に先見の明のある人々を擁し、生物学に着想を得た工学によって推進される破壊的イノベーションのための研究開発エンジンです。私たちの使命は、自然界の構築方法を模倣した画期的な技術を開発し、スタートアップ企業の設立や企業との提携を通じて商業製品への転換を加速することで、ヘルスケアと環境を変革し、世界に短期的にポジティブな影響をもたらすことです。私たちは、学界の従来のサイロや産業界との障壁を打ち破り、世界をリードする私たちの教員が、診断、治療、医療技術、持続可能性という私たちの重点分野全体で創造的に協力できるようにすることで、これを達成しています。私たちのコンソーシアムパートナーには、ボストン地域および世界中の主要な学術機関や病院が含まれており、ハーバード大学の医学部、工学部、芸術科学部、デザイン学部、ベス・イスラエル・ディーコネス医療センター、ブリガム・アンド・ウィメンズ病院、ボストン小児病院、ダナ・ファーバーがん研究所、マサチューセッツ総合病院、マサチューセッツ大学医学部、スポルディングリハビリテーション病院、ボストン大学、タフツ大学、シャリテ・ベルリン医科大学、チューリッヒ大学、マサチューセッツ工科大学などが名を連ねています。
