科学者たちは、血液中の極微量のがんバイオマーカーを検出できる強力な光ベースのセンサーを設計しました。この技術革新により、最終的には医師が定期的な採血を通じてがんやその他の疾患の早期警告サインを特定できるようになる可能性がある。
タンパク質、DNA 断片、その他の分子などのバイオマーカーは、がんの有無、がんの進行状況、がんを発症するリスクなどを知らせることができます。問題は、病気の初期段階ではこれらのマーカーが極めて低濃度で存在するため、従来のツールで測定することが困難であることです。
「私たちのセンサーは、DNAで作られたナノ構造と量子ドットおよびCRISPR遺伝子編集技術を組み合わせており、第二高調波発生（SHG）として知られる光ベースのアプローチを使用して微弱なバイオマーカー信号を検出します」と、中国の深セン大学の研究チームリーダーHan Zhang氏は述べた。 「このアプローチが成功すれば、病気の治療がより簡単になり、生存率が向上し、全体的な医療費が削減される可能性があります。」
で 光学式Optica Publishing Group の影響力の高い研究に関するジャーナルで、Zhang 氏と彼のチームは、この装置が患者サンプル中の肺がんバイオマーカーをアトモル以下のレベルで検出したと報告しました。分子が数個しか存在しない場合でも、システムは明確で測定可能なシグナルを生成しました。このプラットフォームはプログラム可能であるため、ウイルス、細菌、環境毒素、またはアルツハイマー病などの症状に関連するバイオマーカーの特定に適応できる可能性があります。
「早期診断のために、この方法はCTスキャンで腫瘍が見える前に肺がんの簡単な血液スクリーニングを可能にする可能性がある」とZhang氏は述べた。 「また、医師が画像検査の結果を何ヶ月も待つのではなく、患者のバイオマーカーレベルを毎日または毎週監視して薬の有効性を評価できるようになり、個別化された治療の選択肢を前進させるのにも役立つ可能性があります。」
無増幅光センシング技術
現在のバイオマーカー検査のほとんどは、微小な分子シグナルを増加させるために化学増幅を必要とし、時間、複雑さ、費用が増加します。研究者らは、こうした追加の手順を排除する直接検出戦略を作成することを目指しました。
このシステムは、入射光が波長の半分の光に変換される非線形光学現象である SHG に依存しています。この設計では、SHG は二硫化モリブデン (MoS2) と呼ばれる 2 次元半導体の表面で発生します。
感知コンポーネントを正確に配置するために、チームは、完全に DNA から形成された小さなピラミッド型のナノ構造である DNA 四面体を構築しました。これらの構造は、MoS2 表面から慎重に制御された距離に量子ドットを保持します。量子ドットは局所的な光場を強化し、SHG 信号を増大させます。
次に、特定のバイオマーカーを認識するために CRISPR-Cas 遺伝子編集技術が組み込まれました。 Cas12a タンパク質が標的を検出すると、量子ドットを固定している DNA 鎖が切断されます。このアクションにより、SHG 信号の測定可能な低下が引き起こされます。 SHG はバックグラウンド ノイズをほとんど発生しないため、システムは非常に低いバイオマーカー濃度を高感度で検出できます。
「DNA を生物学的物質としてのみ見るのではなく、プログラム可能な構成要素として使用し、ナノメートル レベルの精度でセンサーのコンポーネントを組み立てることができます」と Zhang 氏は述べています。 「背景ノイズを効果的に最小限に抑える光学的非線形センシングと増幅のない設計を組み合わせることで、私たちの方法は速度と精度の明確なバランスを提供します。」
ヒト血清を用いた肺がん検査に成功
現実世界のパフォーマンスを評価するために、研究者らは肺がんに関連するマイクロRNAバイオマーカーであるmiR-21に焦点を当てた。この装置が管理された緩衝液中の miR-21 を検出できることを確認した後、実際の血液検査をシミュレートするために肺がん患者から採取したヒト血清を使用して装置をテストしました。
「センサーは非常にうまく機能し、光学、ナノマテリアル、生物学の統合がデバイスを最適化する効果的な戦略となりうることを示しました」と Zhang 氏は述べています。 「センサーは特異性も高く、他の同様の RNA 鎖を無視し、肺がんの標的のみを検出しました。」
次の目標は光学系の小型化です。研究者らは、ベッドサイド、外来診療所、または医療リソースが限られている僻地で使用できるポータブル版の開発を目指している。
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2026-02-17 01:50:00