血液中のがんの目印を、ごくわずかな量でも光で読み取るセンサー 実験室で原理を確認

編集・パクト

中国の深圳大学などのチームが、がんの目印になる分子を、標的を増やす工程なしにごく薄い濃さから検出する光のセンサーを作り、2026年2月に光学の専門誌『Optica』に報告した。

研究の段階は、実験室での原理実証だ。

標的は、さまざまながんの目印として知られるマイクロRNA「miR-21」で、検出の下限は168ゼプトモル(1ゼプトモルは1アトモルの1000分の1)と計算された。

臨床の試料では、肺がん患者10人と健康な人5人の血液から取り出したマイクロRNAを測った。

「画像に映る前」のがんを捕まえたい

血液に漏れる、がんの目印

がんの目印を血液などの体液から調べる方法は「リキッドバイオプシー(液体生検)」と呼ばれる。

論文は、体への負担が小さいこの方法による早期発見が、患者の経過をよくするための重要な方法になってきたと書いている。

目印の候補の一つがマイクロRNAだ。遺伝子の働きを調節する短いRNAで、血液や唾液の中でも壊れにくく、がんができる過程で量が変わる。

ただ、発表によると、病気の初期には目印の濃さがきわめて低いことが、早期診断の大きな壁になっている。

CTに映る前に、という目標

研究チームを率いる深圳大学のハン・ジャン(Han Zhang)氏は、Opticaの発表の中で「早期診断については、この方法は、CTスキャンで腫瘍が見えるようになる前に、簡単な血液検査で肺がんを調べられるようにする見込みがある」と述べている。

治療の場面については「画像の結果を何か月も待つのではなく、医師が患者の目印の量を毎日や毎週調べて薬の効き目を確かめられるようにすることで、一人ひとりに合った治療を進める助けにもなりうる」とも話す。

ただし、どちらもこれからの目標で、今回の研究で示されたことではない。

カギは、光を「半分」にする現象

波長が半分になる、不思議な光

この研究の心臓部にあるのが、第二高調波発生(SHG)と呼ばれる光の現象だ。ある光を物質に当てると、波長がちょうど半分の——言いかえれば振動数が倍の——光が出てくる。

今回の実験では、波長800ナノメートルの赤外のフェムト秒レーザーを当て、半分の400ナノメートルに出る光を信号として測った。

SHGは、中心について対称な構造の材料では起きない。実際、今回使った量子ドットだけではSHGは出なかった。発表によると、SHGの信号は背景の雑音が少ないので、ごく弱い信号でも見分けやすい。

DNAを「物差し」に使う

SHGを起こす舞台には、二硫化モリブデン(MoS2)の1層だけのシートを使った。

こうした薄いシートは従来の結晶よりけた違いに強いSHGを示す一方、薄すぎて光を受ける量が少なく、信号が弱くなりやすい。

そこでチームは、カドミウムテルルと硫化亜鉛でできた量子ドット(CdTe/ZnS)をシートの近くに置き、量子ドットが受け取った光のエネルギーをシートに渡す仕組み(FRET)で信号を強めた。

量子ドットとシートの距離を決めるのが、DNAだけでできた小さなピラミッド、DNA四面体だ。頂点の間隔が5、10、15、20ナノメートルの4種類を作り、頂点に量子ドットを1個ずつつないだ。

論文はこれを「物差し」と呼んでいる。距離が近いほど信号は強くなったが、5ナノメートル未満では構造がつぶれやすい。

量子ドットを組み合わせたシートでは、SHGの強さがシートだけのときより100倍以上になった。

ジャン氏は「DNAを生物の物質としてだけ見るのではなく、プログラムできる部品として使い、センサーの部品をナノメートルの精度で組み立てている」と述べている。

CRISPRは標的を見分けるスイッチ

綱を切る「引き金」としてのCRISPR

では、どうやってがんの目印を感じ取るのか。ここで働くのが、ゲノム編集で知られるCRISPRの仕組みのうち、Cas12aという酵素だ。

標的は、さまざまながんの目印として知られるmiR-21で、実験ではmiR-21から逆転写して作ったDNA(標的DNA)を測っている。

Cas12aは、案内役のRNA(crRNA)と組んで標的のDNAを見つけると活性化し、一本鎖のDNAを切るようになる。

センサーでは、量子ドットをつなぎとめているDNAが切られるように仕組んである。標的があるとDNAが切れて量子ドットが離れ、エネルギーの受け渡しが途切れて、SHGの信号が弱まる。

つまり「信号が減ったこと」が、目印を捉えたしるしになる。

「増幅なし」が指すもの

Opticaの発表によると、ふつう目印を検出するには、ごくわずかな分子を増やす「増幅」の工程が必要で、時間も費用もかかる。

チームは、そうした複雑な増幅の工程を使わずに、薄い目印をじかに見分ける方法をめざした。ただし、ここでいう「増幅なし」は、標的の分子そのものを増やさないという意味だ。

論文はまとめの部分で、Cas12aを「分子の増幅器」として使ったと書いており、CRISPRを単なる引き金とは位置づけていない。

狙った相手だけに反応するかも確かめている。miR-21、miR-155、miR-10bを使った試験では、配列がぴったり合う組み合わせだけがCas12aを働かせた。

ジャン氏は「センサーは特異性も高く、よく似たほかのRNA鎖は無視して、肺がんの標的だけを検出した」と述べている。

どこまで見えたのか、そして限界

数分子でも、読み取れた

感度を調べるため、チームは標的DNAの濃さを10フェムトモルから100ゼプトモルまで変えて測った。

100ゼプトモルでもSHGの信号は8.31%以上変化し、計算した検出の下限は168ゼプトモルだった。発表は、試料の中にほんの数分子しかなくてもはっきりした信号が出たと説明している。

論文の抄録は、従来の光学バイオセンサーより6けた以上よいとしている。こうした感度の測定は、澄んだ緩衝液の中で行ったものだ。

pH6.4〜8.4の範囲では信号の変化が比較的安定し、牛の血清アルブミンやブドウ糖を加えても妨害は小さかった。

次に、肺がん患者10人と健康な人5人の血液からマイクロRNAを取り出し、miR-21、miR-155、miR-10bの3種類を、従来の方法であるRT-qPCRと今回のセンサーで測り比べた。

論文によると、センサーの信号の変化は11%から54%で、肺がん患者と健康な人をRT-qPCRよりはっきり見分けられたという。

「原理実証」という段階

ただし、今回の成果は実験室での原理実証の段階だ。

臨床の試料は15人分と少なく、論文本文には、患者のがんの進み具合(ステージ)や、画像に映る前のがんを見つけられたかどうかの記載は見当たらない(補足資料は確認していない)。

がんのある人をどれだけ取りこぼさないか(感度)、がんのない人をどれだけ誤って陽性にしないか(特異度)といった診断の成績を、大人数で確かめたわけでもない。

また、miR-21はさまざまながんの目印とされており、これ一つで肺がんと決められるわけではない。

調べたのは肺がんだけで、1回の採血で多くのがんを調べるような使い方は、この研究では試していない。

実用化までの距離

次は装置の小型化

発表によると、チームは次に、光学系の小型化に取り組む。ベッドサイドや診療所、さらには医療資源の乏しい遠隔地でも使える、持ち運べる装置にするのが目標だという。

いまの装置は、フェムト秒レーザーと共焦点顕微鏡を使って信号を測っている。

発表は、標的を設計し直せば、ウイルスや細菌、環境中の毒素、アルツハイマー病に関わる目印などの検出にも使える可能性があるとしている。

残る課題

実際の患者で診断に使えるだけの精度、ほかのがんへの対応、そして製品としての形は、いずれもこれからの課題だ。

論文の元データは現時点で公開されておらず、妥当な求めがあれば著者から入手できるとしている。

今回のセンサーは、波長を半分にする光の現象に、DNAの足場と量子ドット、CRISPRのスイッチを組み合わせ、標的を増やす工程なしにごく薄いマイクロRNAを検出した。

ただし実験室での原理実証で、臨床の試料は15人分にとどまる。健康診断などで使えるかどうかは、大人数での検証と装置の小型化を経てはじめて判断できる。