汗で健康を常時チェック！ ナノ粒子を印刷して作る次世代ウェアラブルセンサー
一人ひとりの体調を正確に把握し、最適な栄養素や薬を届ける「個別化医療」。それは未来の医療の姿として、大きな期待が寄せられています。しかし、その実現には、体の中の状態を示す「バイオマーカー」を、リアルタイムで、しかも継続的に測る方法が必要不可欠でした。汗をかく、服を着る、そんな日常の中で健康状態をずっと見守れたら…？カリフォルニア工科大学（Caltech）のエンジニアチームが、そんな未来を一歩近づける画期的な技術を開発しました。特殊なナノ粒子をインクジェット印刷することで、まるでシールのように身につけられる汗センサーを大量生産する道を拓いたのです。
このセンサーは、私たちの健康状態を、より手軽に、より深く知るための新しいツールとなるかもしれません。ビタミン、ホルモン、代謝物、薬剤など、様々なバイオマーカーをリアルタイムで監視し、患者とその医師が分子レベルの変化を継続的に追跡することを可能にします。この新しいナノ粒子を組み込んだウェアラブルバイオセンサーは、カリフォルニア州ドゥアルテのシティ・オブ・ホープ（City of Hope）において、COVID後遺症（ロングCOVID）に苦しむ患者の代謝物モニタリングや、がん患者の化学療法薬レベルのモニタリングに成功裏に使用されています。
「これらは可能性のほんの一例に過ぎません」と、カルテック（Caltech）のアンドリュー・アンド・ペギー・チャン医用工学部門（Andrew and Peggy Cherng Department of Medical Engineering）の医用工学教授であるウェイ・ガオ博士（Wei Gao, PhD）は述べています。「これらのセンサーによって、多くの慢性疾患とそのバイオマーカーを継続的かつ非侵襲的に監視できる可能性が生まれました」と、この新技術を記述したNature Materials誌の論文の責任著者であるガオ博士は語ります。2025年2月3日付の記事のタイトルは「Printable Molecule-Selective Core-Shell Nanoparticles for Wearable and Implantable Sensing（ウェアラブルおよび埋め込み型センシングのための印刷可能な分子選択的コアシェルナノ粒子）」です。
ガオ博士と彼のチームは、このナノ粒子を「コアシェル立方体ナノ粒子」と説明しています。この立方体は、研究者が追跡したい分子、例えばビタミンCを含む溶液中で形成されます。モノマーが自発的に集合してポリマー（重合体）を形成する際に、標的分子であるビタミンCが立方体ナノ粒子の内部に閉じ込められます。次に、溶媒を用いてビタミンC分子を選択的に除去すると、ビタミンC分子の形状に完全に一致する穴が点在する「分子インプリントポリマー」のシェル（殻）が残ります。これは、特定の分子の形状のみを選択的に認識する「人工抗体」に似ています。
重要なことに、今回の新しい研究では、研究者たちは特別に形成されたポリマーと、ヘキサシアノ鉄(II)酸ニッケル（NiHCF: nickel hexacyanoferrate）でできたナノ粒子コアとを組み合わせています。このNiHCF材料は、人間の汗や他の体液と接触すると、印加された電圧下で酸化または還元される特性を持っています。ビタミンCの例に戻ると、ビタミンC形状の穴が空いている限り、体液はNiHCFコアと接触し、電気信号が発生します。
しかし、ビタミンC分子がポリマーに接触すると、それらの穴に入り込み、汗や他の体液がコアに接触するのを防ぎます。これにより電気信号が弱まります。したがって、電気信号の強さが、存在するビタミンCの量を明らかにするのです。
「このコアは非常に重要です。ヘキサシアノ鉄(II)酸ニッケルのコアは、生体液中でも非常に安定しており、これらのセンサーを長期測定に理想的なものにしています」と、ヘリテージ医学研究所（Heritage Medical Research Institute Investigator）の研究員であり、ロナルド・アンド・ジョアン・ウィレンズ奨学生（Ronald and JoAnne Willens Scholar）でもあるガオ博士は述べています。
この新しいコアシェルナノ粒子は非常に汎用性が高く、単一のアレイに複数のナノ粒子「インク」を使用するだけで、汗や体液中の複数のアミノ酸、代謝物、ホルモン、または薬剤のレベルを測定するセンサーアレイの印刷に使用されます。例えば、論文で記述されている研究では、研究者たちはビタミンCに結合するナノ粒子と共に、アミノ酸のトリプトファンや、腎臓の機能を評価するためによく測定されるバイオマーカーであるクレアチニンに結合する他のナノ粒子を印刷しました。これらのナノ粒子はすべて1つのセンサーに統合され、その後大量生産されました。これら3つの分子は、COVID後遺症の患者の研究において注目されています。
同様に、研究者たちは、シティ・オブ・ホープのがん患者でテストされた個々のセンサー上に、3種類の異なる抗腫瘍薬に特異的なナノ粒子ベースのウェアラブルセンサーを印刷しました。
「この技術の可能性を示すものとして、私たちは体内の抗がん剤の量を任意の時点で遠隔監視することができました」とガオ博士は言います。「これは、がんだけでなく他の多くの疾患においても、用量個別化という目標への道筋を示しています。」
論文では、研究チームはまた、これらのナノ粒子を用いて、体内の薬剤レベルを正確に監視するために皮膚直下に埋め込むことができるセンサーを印刷できることも示しました。
この論文の筆頭著者は、カルテックのミンチャン・ワン博士（Minqiang Wang, PhD）とツイ・イエ博士（Cui Ye, PhD）です。他の著者には、カルテックのイーラン・ヤン博士（Yiran Yang, PhD ’23）、ダニエル・ムカサ（Daniel Mukasa, MS ’21）、カンラン・ワン（Canran Wang, MS ’23）、チャンハオ・シュー博士（Changhao Xu, PhD ’24）、ジホン・ミン博士（Jihong Min, PhD ’24）、サミュエル・A・ソロモン（Samuel A. Solomon, MS ’23）、ジャオビン・トゥ博士（Jiaobing Tu, PhD ’24）、ソンソン・タン（Songsong Tang）、シティ・オブ・ホープ・ベックマン研究所（Beckman Research Institute at City of Hope）のグオファン・シェン（Guofang Shen）とジャニーン・S・マキューン（Jeannine S. McCune）、UCLAデビッド・ゲフィン医学部（David Geffen School of Medicine at UCLA）のツン・K・シャイ（Tzung K. Hsiai）とザオピン・リー（Zhaoping Li）が含まれます。カルテックのカブリ・ナノサイエンス研究所（Kavli Nanoscience Institute）が、このプロジェクトに重要な支援とインフラを提供しました。
画像；カリフォルニア工科大学のエンジニアチームは、特殊なナノ粒子のアレイをインクジェット印刷する技術を開発し、長寿命のウェアラブル汗センサーの大量生産を可能にした。これらのセンサーは、ビタミン、ホルモン、代謝産物、薬物など、様々なバイオマーカーをリアルタイムでモニターするために使用することができ、患者とその医師に、これらの分子のレベルの変化を継続的に追跡する能力を提供することができる。(Credit：カリフォルニア工科大学）
