がんの早期発見や個別化医療の鍵として注目される「リキッドバイオプシー」。その実現には、血液などの体液中に存在する「エクソソーム」という微小なカプセルの解析が欠かせません。しかし、血液のように複雑な液体から、この極めて小さなエクソソームだけを迅速かつ高純度で分離することは、長年の技術的な壁となっていました。この困難な課題に対し、音の力を利用して、わずか数分でエクソソームを分離する画期的な技術が登場しました。前処理も不要で、臨床応用に大きな期待が寄せられるこの新技術は、一体どのような仕組みなのでしょうか。
エクソソームは、ほとんどの細胞から分泌される小さな小胞で、病気の進行や転移の診断・予測に役立つ非侵襲的なバイオマーカーとして機能する生物学的情報やタンパク質を運んでいます。しかし、未希釈の全血や血漿、血清といった様々な生体液から高純度のエクソソームを迅速に分離することは、依然として大きな挑戦でした。音響波を利用して粒子を優しく非接触で操作する音響法は、有望なアプローチとされてきましたが、音響回折限界という物理的な制約により、エクソソームのようなナノスケールの粒子を全血のような複雑な液体から直接効率的に分離することは困難でした。
2025年4月16日に『Science Advances』誌で発表された研究において、中国科学院深圳先端技術研究院（SIAT: Shenzhen Institutes of Advanced Technology）のヘアロン・ジェン博士（Hairong Zheng, PhD）およびロン・メン博士（Long Meng, PhD）率いる研究チームは、米国バージニア工科大学のジェンファ・ティエン博士（Zhenhua Tian, PhD）との共同研究により、この課題を解決する振動マイクロバブルアレイベースのメタマテリアルを開発しました。この技術により、標識や前処理を行うことなく、未希釈の全血からエクソソームを効率的に分離することが可能になります。このオープンアクセスの論文は、「Oscillating Microbubble Array–Based Metamaterials (OMAMs) for Rapid Isolation of High-Purity Exosomes（振動マイクロバブルアレイベースのメタマテリアル（OMAMs）による高純度エクソソームの迅速な分離）」と題されています。
OMAMsは、多機能で調整可能な超深サブ波長メタマテリアルであり、極めて高い解像度で任意の音響場を複数生成し、異なる音響エネルギー場を切り替え、音響波を空間的に調整することができます。このプラットフォームは、音響放射力と音響流を利用して血球のような大きな粒子を捕捉し、サンプルを効果的にフィルタリングすることで、より小さなエクソソームだけを通過させます。
粒子捕捉のメカニズムを解明するため、研究チームは46,750個のマイクロバブルを持つ、高効率で再利用可能なナノフィルターとしてOMAMsプラットフォームを設計・開発しました。これにより、音響操作のスケール横断的な能力が拡張され、全血サンプルから高純度エクソソームをその場（in situ）で分離することが可能になりました。
研究の結果、OMAMsは化学試薬や遠心分離、ろ過といった前処理を一切必要とせず、未希釈の全血から約3分で純度93%のエクソソームを分離できることが明らかになりました。さらに、マイクロバブルの振動振幅を調整することで、平均直径が異なるエクソソームの亜集団をサイズに基づいて分離することも可能であり、その多彩な音響調整能力が実証されました。
既存の手法と比較して、OMAMsプラットフォームは、臨床サンプルから直接高純度のエクソソームを得るための、著しく高速かつシンプルで、より費用対効果の高い方法を提供する可能性があります。この能力は、リキッドバイオプシー診断の進歩や、エクソソームを利用した治療法の開発において極めて重要です。
研究を率いたメン博士は、「OMAMsは、エクソソームに基づく生物学的研究や臨床応用、さらには調整可能なメタマテリアルを用いた音響レンズやトランスデューサーの開発に貢献すると期待しています」と述べています。
