血液中の細胞外小胞を音波を利用して分離・選別し、多様な診断や治療に役立てる可能性を発見。

この成果は、2022年11月23日、Science Advancesのオンライン版に掲載された。オープンアクセス論文は「細胞外ベシクルの生物物理学的分画への解決策。波柱励起共鳴による音響ナノスケール分離 (ANSWER) [A Solution to the Biophysical Fractionation of Extracellular Vesicles: Acoustic Nanoscale Separation via Wave-Pillar Excitation Resonance (ANSWER) ]」と題されている。

デューク大学ウィリアム・ベバン特別教授（機械工学・材料科学）のトニー・ジュン・ホァン博士は、「これらのナノ粒子は医療診断や治療に大きな可能性を秘めているが、現在の分離・選別技術では数時間から数日かかり、一貫性がなく、生産量や純度が低く、コンタミに苦しみ、時にはナノ粒子に損傷を与える」と述べている。

「高品質なsEVの抽出と選別をボタンを押すように簡単にし、シャワーを浴びるよりも早く目的の試料を得ることができるようにしたい」とホァン博士は語った。

最近の研究では、sEVは、サイズが異なるいくつかのサブグループ（例えば、50ナノメートルより小さい、60～80ナノメートル、90～150ナノメートル）で構成されていることが示されている。それぞれのサイズは、異なる生物学的特性を持つと考えられている。

最近発見されたsEV亜集団は、癌やアルツハイマー病の早期発見など、非侵襲的診断の分野に革命をもたらす可能性があるため、研究者は興奮している。しかし、この粒子はまだ臨床の場には出てきていない。

ホァン博士によると、これは主に、これらのナノサイズのsEV亜集団の分離・単離に関連する難しさに起因しているとのことだ。この課題を解決するために、ホァン博士と博士課程の学生のチャン・ジンシン氏、UCLA、ハーバード大学、マギー・ウィメンズ・リサーチ・インスティチュートの共同研究者達は、ANSWERプラットフォームを開発した。

この装置では、1対のトランスデューサを使用して定在波を発生させ、流体で満たされた狭い密閉された流路を包み込む。音波は流路の壁から液体中心部に「漏れ」、元の定在波と相互作用する。壁厚、流路サイズ、音響周波数を慎重に設計することで、この相互作用が共鳴を生み、流路の中心に沿って「バーチャル・ピラー」を形成する。

この仮想的な柱はそれぞれ、半卵型の高圧力領域である。粒子はこの柱を乗り越えようとすると、流路の端に押しやられる。粒子が大きければ大きいほど、その圧力は大きくなる。研究チームは、バーチャル・ピラーを調整して、移動するナノ粒子に微妙な力を加えることで、ナノ粒子を大きさごとに正確に分類し、実験の必要性に応じてさまざまなグループに分けることができるようになった。

共著者の一人であるUCLA 口腔・頭頸部腫瘍研究センターのディレクターであるデビッド・ウォン医師は、「ANSWER EV分画技術は、EVを正確に分画する最先端の機能であり、EV診断、予後診断、リキッドバイオプシーの世界に大きな影響を与えるだろう」と述べている。

この論文で研究者らは、ANSWERプラットフォームが、sEVを3つのサブグループに分類し、大きい方のナノ粒子については96%、小さい方のナノ粒子については80%の精度で分類できることを実証している。また、音波のパラメータを更新するだけで、グループ分けの数やサイズの範囲を調整できるなど、システムの柔軟性も示している。超遠心分離法などの他の方法では数時間から数日かかるのに対し、各実験はわずか10分で完了した。

「ANSWERは非接触型であるため、生体ナノ粒子の分離に生体適合性の高いアプローチを提供する。分離カットオフ径が固定されている機械的ろ過法とは異なり、ANSWERはナノスケール分離に調整可能なアプローチを提供し、カットオフ径は入力音響パワーを変えることによって正確に変更することができる。」とジンシン氏は説明する。

この研究者らは今後、ANSWER技術の改良を進め、ウイルス、抗体、タンパク質など、生物学的に関連する他のナノ粒子の精製にも効率的に対応できるようにする予定である。

バーチャル・ピラーの動画はニュースリリースサイトで閲覧できる。

[News release] [Science Advances article]