これらのセンサーの感知原理は単純です。監視対象の分子標的または薬物 (上の図では緑色で示されています) は、アプタマー (黄色の分子) と呼ばれる特定の DNA 分子と相互作用することができます。分子標的に結合すると、この「アプタマー」DNA は別の電気活性 DNA (赤色 DNA) を阻害できなくなり、その後、電極の表面に到達して、安価なリーダーで簡単に検出できる電気化学電流を生成することができます。 [Jianbin Zhou]
モントリオール大学 (UdeM) の化学者たちは、自然の細胞シグナル伝達カスケードからインスピレーションを得て、血液一滴中のさまざまな分子の濃度を 5 分以内に定量化し、簡単に測定できる電気化学シグナルを介して報告できるようにする DNA ベースのシグナル伝達カスケードを開発しました。
ヴァレ・ベリルのチームが開発したアプローチは、さまざまな病気の治療を監視し最適化するためのポイントオブケア機器を構築する取り組みに役立つ可能性があるとチームは示唆した。 UdeMの化学教授アレクシス・ヴァレ＝ベリル博士が率いるチームは、マウス実験で検証された研究結果を報告した。 アメリカ化学会誌「」というタイトルの論文で分子検出のための速度論的にプログラムされたシグナル伝達カスケード」彼らは論文の中で、「特に、このカスケードは、5 分間の簡単な 1 ステップ手順を使用して、5 μL 滴の未処理の血液で直接動作し、集中的な検査法で通常必要とされる分離、洗浄、または精製ステップの必要性を排除しました。」と述べています。
この新しいテクノロジーによる画期的な進歩は、細胞が周囲の分子の濃度をどのように検出し定量化するかを観察することから生まれました。ヴァレ＝ベリル氏は生物工学およびバイオナノテクノロジーのカナダ研究委員会の保持者であり、生物システムが周囲の分子の濃度をリアルタイムでどのように監視するかを長年研究してきました。
シグナル伝達カスケードは重要な生化学的メカニズムを表すと著者らは説明した。 「これらの細かく調整された分子ネットワーク反応は、通常、入力モジュール、受容体モジュール、プロセッサモジュール、出力モジュールなどのモジュール式および階層構造を示しますが、細胞の活動、分裂、分化を制御および最適化するために、幅広い化学入力を検出するように進化してきました。」このような分子ネットワークは、合成生物学、分子コンピューティング、薬物送達などの分野における戦略の開発にも影響を与えている、と研究チームは続けた。
「さまざまな病気の治療を成功させるための重要な要素の 1 つは、治療全体を通じて治療薬の用量を提供し、維持することです」とヴァレ・ベリル氏は述べています。 「最適以下の治療曝露は効率を低下させ、通常は薬剤耐性につながりますが、過剰曝露は副作用を増加させます。」
しかし、血中の薬物濃度を適切に維持することは、現代医学における大きな課題のままです。各患者は異なる薬物動態プロファイルを持っているため、血中の薬物濃度は大きく異なります。たとえば、化学療法では、多くのがん患者が最適な用量の薬剤を投与されておらず、この問題を検出できるほど迅速な検査は現在ほとんどまたはまったくありません。
新しく開発されたセンサーの検出原理は単純です。監視対象の分子標的または薬物は、アプタマーと呼ばれる特定の DNA 分子と相互作用できます。分子標的に結合すると、アプタマー DNA は別の電気活性 DNA を阻害できなくなり、電気活性 DNA が電極の表面に到達して、安価なリーダーで簡単に検出できる電気化学電流を生成します。
「細胞は、特定量の外部刺激または分子の存在下で相互作用して特定の細胞活動を活性化するようにプログラムされた生体分子で構成されるナノスケールの『シグナル伝達カスケード』を発達させました」と、筆頭著者でUdeMの博士研究員であるGuichi Zhu博士はコメントした。 「自然界のシグナル伝達システムのモジュール性と、それらが新しい分子標的を検出するために容易に進化できることにインスピレーションを得て、私たちは、簡単で測定可能な電気化学シグナルの生成を介して特定の分子を検出および定量できる、同様の DNA ベースのシグナル伝達カスケードを開発しました。」
研究者らはさらに、「細胞内シグナル伝達カスケードに見られるモジュール性と階層的配置からインスピレーションを得て、DNAベースのシグナル伝達カスケードを設計しました。細胞内シグナル伝達カスケードは通常、入力、受容体、プロセッサー、出力モジュールで構成されます…」と説明した。
この新しい信号伝達メカニズムは、糖尿病患者が血糖値をチェックするために使用する家庭用血糖計と同様の安価な電子機器を使用して測定できる十分な電流変化を生成します。 「この DNA ベースのアッセイを使用することで、たとえその濃度がグルコースの 100,000 分の 1 未満であったとしても、複数の血液分子のセンサーを開発することができました」と、共著者でもう 1 人の UdeM 博士研究員である Bal-Ram Adhikari 博士は述べています。
この新しいシグナル伝達機構を使いやすい家庭用検査にどのように適応させて、患者の化学療法のモニタリングと最適化を支援できるかを説明するために、著者らは生きたマウスで抗マラリア薬キニーネのリアルタイムモニタリングを実証した。そのために採用されている現在のゴールドスタンダードテストでは、通常、何時間もの手順と高価な機器の設定が必要です。 「キニーネやその他の抗マラリア薬を自宅でモニタリングできる便利な戦略は、これらの治療法の有効性と有効性を改善するための重要な進歩となるだろう」と彼らは論文でコメントしている。
「これらの DNA ベースの電気化学検査の大きな利点は、その感知原理が多くの異なるターゲットにも一般化できることであり、診療所や家庭でも 5 分以内に多くの異なる分子を検出できる安価な装置を構築できることです」とヴァレ・ベリル氏は述べ、そのチームは ATP、トロンビン、血小板由来増殖因子を検出するための追加センサーを開発することで新しいメカニズムを検証した。研究チームは実験報告の際、「…ATP分子、トロンビン、PDGFはすべて5分の反応時間で検出に成功した」と書いている。
「全体として、これらの結果は、動力学的にプログラムされたシグナル伝達カスケードがワンポット形式で適切に機能することを示しており、これにより訓練を受けていないユーザーでも実行できるシンプルなワンステップワークフローが可能になります。」この技術は幅広い用途に応用できる可能性があると研究者らは結論付けた。 「私たちは、同様の速度論的にプログラムされたシグナル伝達カスケードが幅広い化学用途に開発され、複雑な多段階のワークフローを迅速な単一段階の反応に合理化できると信じています。
この発明の特許は、商業化を促進するために、モントリオールに本拠を置く企業 Anasens によってライセンス供与されています。
1760656197
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2025-10-16 21:35:00