毎年、世界で約800万人の命を奪うがんとの闘いにおいて、医師は化学療法や放射線療法など、さまざまな強力な武器を備えている。しかし不足しているのは、偵察手段、すなわち、ある患者に対して特定の治療がどれほど効果を上げているかをリアルタイムで把握できる信頼性の高い方法だ。
磁気共鳴画像法（MRI）などの画像診断技術では腫瘍の大きさを確認できる。一方、治療効果を最も詳しく知るには、生検で採取した組織を病理医が調べる必要がある。しかし、これらの方法で得られるのは腫瘍の反応を捉えた断片的な情報にすぎず、生検は侵襲的でリスクを伴うため、臨床医はできるだけ回数を抑えようとする。
現在、MITコッホ統合がん研究所の研究者たちは、初回の生検時にがん組織へ埋め込める小型の生化学センサーを開発し、この情報の隔たりを埋めようとしている。センサーは、がんの兆候を示すバイオマーカーのデータを外部の「リーダー」装置へ無線送信する。これにより医師は患者の経過をより的確に把握し、それに応じて投与量を調整したり、治療法を切り替えたりできる。がん治療をより標的に即した精密なものにすれば、効果を高めながら、患者が深刻な副作用にさらされるリスクを減らせる。
「腫瘍内で何が起きているかを化学的な信号で知らせてくれる装置を作りたいと考えました」と話すのは、センサー開発を統括した、材料科学・工学科のDavid H. Koch（1962）教授であり、コッホ研究所の研究員でもあるMichael Cimaだ。「腫瘍が縮小するのを何カ月も待つのではなく、早い段階で反応を読み取り、正しい方向に進んでいるかを確かめられます。」
Cimaの研究室に所属するMITの博士課程学生2人が、センサーのプロジェクトで彼とともに取り組んだ。現在MITで博士研究員を務めるVincent Liuと、現在カリフォルニア大学バークレー校で博士研究員を務めるChristophoros Vassiliouだ。彼らの研究を紹介する 論文 は、学術誌 Lab on a Chip にオンライン掲載された。
MRIを使わない測定
Cimaのチームが開発したセンサーは、治療に対する腫瘍の反応に関連する2つのバイオマーカー、pHと溶存酸素について、必要に応じたリアルタイムのデータを提供する。
Cimaによると、がん組織が化学療法薬の攻撃を受けると、酸性度が高まる。「腫瘍が実際に縮小するのが見えるより前に、化学的な変化で反応を確認できることはよくあります」とCimaは話す。実際、治療によって免疫反応が引き起こされ、炎症のために腫瘍が大きくなったように見える場合もあるが、その間も治療自体は効果を上げていることがある。
一方、酸素濃度は、放射線療法などの適切な投与量を医師が判断する助けになる。腫瘍は酸素の少ない低酸素状態で増殖しやすいためだ。「腫瘍が低酸素であればあるほど、必要な放射線量は多くなります」とCimaは言う。「ですから、センサーの経時的な読み取りによって腫瘍内の低酸素状態がどう変化しているかを確認し、それに応じて放射線量を調整できるようになるでしょう。」
生体適合性プラスチック製のセンサー筐体は、生検針の先端に収まるほど小さい。中には、磁気共鳴画像法（MRI）で一般に用いられる化学造影剤が10マイクロリットル入っており、外部のリーダー装置と通信するための回路も内蔵されている。
Cimaによると、こうしたセンサーの電源を考案することは極めて重要だった。4年前、彼のチームはMRIスキャナーで読み取れる同様の埋め込み型センサーを開発した。「MRI検査は費用がかかり、日常診療に取り入れやすいものではありません」と彼は言う。「次の段階として、装置に電子回路を載せ、MRIを使わずに測定できるようにしたかったのです。」
今回の新しいセンサーは、リーダーを電源として利用する。具体的には、リーダーの内部に金属コイルがあり、センサー本体にはそれよりはるかに小さなコイルがある。電流によってリーダー内のコイルが磁化され、2つのコイルが近づくと、その磁場がセンサー側のコイルに電圧を生み出す。これは相互インダクタンスと呼ばれる仕組みだ。リーダーが一連のパルスを送り、Cimaの言葉を借りれば、センサーが「応答音を返す」。この応答信号が時間とともにどう変化するかを、リーダーと接続したコンピューターが解析し、対象とするバイオマーカーの変化を明らかにする。
「この装置を使うのは、血圧を測るようなものです。簡単な測定で、結果を得たら次に進めます」と話すのは、マサチューセッツ総合病院の放射線科医で、システム生物学センターの研究室長を務め、この研究を知るRalph Weisslederだ。「その場ですぐに、複雑な検査をせずにできることなら、できるだけそのほうがいいのです。」
さらなる応用
Cimaのチームは、実験室での試験でセンサーの性能を確認し、げっ歯類への埋め込みも行った。埋め込み期間は数週間に限られていたが、Cimaは、人の健康を何年にもわたってモニタリングする用途にも使えると考えている。
「ペースメーカーや除細動器のような埋め込み型電子機器のおかげで、現在、何千人もの人が生きています」と彼は言う。「私たちは、こうした長期埋め込み型機器に使われているものと同種の材料でセンサーを作っていますし、これほど小さいので、問題にはならないと思います。」
初期実験では、センサーが組織内のpHと酸素濃度を迅速かつ確実に、正確に検出できることが示された。次に研究者たちは、長期間にわたるpHの変化をセンサーがどれほど適切に測定できるかを調べたいと考えている。
「このプローブをさらに発展させ、腫瘍の反応をモニタリングできるようにしたいのです」とCimaは言う。「今回の実験でも少し試しましたが、十分に信頼できるものにする必要があります。」
これらのセンサーの主な用途はがん医療だが、Cimaは環境科学など、ほかの分野の研究者との協力にも意欲を示している。「たとえば、池や湖のさまざまな場所で溶存酸素やpHを測定するのに使えます」とCimaは言う。「環境モニタリングにビッグデータをもたらすために、このセンサーを活用することに期待しています。」
本記事は MITとの共同出版です。掲載は、世界経済フォーラムが本記事の見解を支持することを意味するものではありません。
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著者：Chris Berdikはフリーランスの科学ジャーナリストであり、『Mind Over Mind: The Surprising Power of Expectations（心が心に及ぼす影響：期待がもたらす驚くべき力）』の著者。
画像：初回の生検時にがん組織へ埋め込める小型生化学センサーのイラスト。画像提供：MITコッホ統合がん研究所
