本記事は カリフォルニア工科大学（Caltech）との協力により掲載されています。
カリフォルニア工科大学（Caltech）で開発された新技術は、ガスを充填したマイクロバブルを用いて組織内で光を集束させるもので、将来的にはレーザーで腫瘍を破壊する低侵襲な手段を医師に提供し、診断用の医療画像の改善につながる可能性がある。
体内で光を集束させる際の主な課題は、生体組織が光学的に不透明であることだ。透明なガラスとは異なり、組織を構成する細胞やタンパク質は光を散乱させ、吸収する。「光に関して言えば、私たちの組織は非常に濃い霧のように振る舞います」と Changhuei Yang（電気工学、生物工学、医用工学の教授）は述べる。「車のヘッドライトを霧の中で焦点を合わせられないのと同じように、科学者たちはこれまで組織を通して光を集束させることに常に苦労してきました。」
この問題を回避するため、Yangとそのチームは、超音波画像診断でコントラストを高めるために医療で一般的に用いられているマイクロバブルに着目した。
このガス充填マイクロバブルは薄いタンパク質の殻で覆われており、音響屈折率（媒質中を音波がどのように伝わるかに影響する性質）が生体組織のものとは異なる。その結果、音波に対して異なる応答を示す。「超音波を用いてマイクロバブルを急速に収縮・膨張させることができ、この振動によって、生体組織よりも効果的に音波を反射させるため、周囲の組織と区別しやすくなります」と、Yangの研究室のポスドク研究員であるHaowen Ruanは述べる。
さらに、マイクロバブルの光屈折率は生体組織のものとは同じではない。光屈折率とは、光線が（例えば液体のような）ある媒質から（気体のような）別の媒質へ移る際に、どれだけ曲がるかを示す尺度である。
YangとRuan、そして大学院生のMooseok Jangは、時間反転超音波マイクロバブル符号化（TRUME）光集束と呼ばれる新技術を開発した。この技術は、マイクロバブルと組織の音響屈折率と光屈折率の不一致を利用して、体内で光を集束させるものである。まず、組織に注入されたマイクロバブルを超音波で破裂させる。その前後の光透過率の差を測定することで、Caltechの研究者は、レーザービームの波面を変化させ、マイクロバブルの元の位置に焦点が合うようにできる。Yangは、その結果について「暗い野原で誰かを探しているときに、突然その人が照明弾を打ち上げるようなものです。一瞬、その人が照らし出され、その位置を正確に絞り込めるのです」と説明する。
2015年11月24日にオンライン公開された新たな研究は、学術誌『 Nature Communications』に掲載され、チームは、TRUME技術が生体組織内の特定の位置にレーザービームを集束させる効果的な「ガイドスター」として利用できることを示した。適切に配置された単一のマイクロバブルでレーザーを集束させるには十分であり、標的付近に位置する複数の破裂するバブルが、光の地図として機能した。
「破裂のたびに、組織を通って曲がりくねる光の軌跡の道しるべとなります」とYangは述べる。「その道しるべを利用して、バブルが破裂する場所に収束するように光の形を整えることができます。」
TRUMEが、例えば破裂するマイクロバブルによる悪影響を伴うことなく、生体組織内で効果的に機能することが示されれば、さまざまな研究や医療応用を可能にしうる。例えば、マイクロバブルを、がんに関連するバイオマーカーを探索するよう設計された抗体プローブと組み合わせることで、医師は体の深部にある腫瘍を標的にして破壊したり、悪性の腫瘍をはるかに早期に検出したりできるようになる可能性がある。
「超音波とX線による技術は、がんが塊を形成した後にしか検出できません」とYangは述べる。「しかし光集束を用いれば、がん細胞が生化学的変化を起こしている最中で、形態学的変化を起こす前に捉えられるかもしれません。」
この技術は、他の診断スクリーニング法に取って代わる可能性がある。例えば、乳児のタンパク質であるビリルビンの濃度を測定し、黄疸のリスクを判断するために用いられる可能性がある。「現在、この検査には採血が必要ですが、TRUMEを使えば乳児の体に光を当て、ビリルビン分子に特有の吸収シグネチャーを探すことができます」とRuanは述べる。
光を用いて実験動物の個々のニューロンを活性化できる既存の技術と組み合わせることで、TRUMEは神経科学者が脳の働きをよりよく理解するのに役立つ可能性がある。「現在、神経科学者は脳の表層に限定されています」とYangは述べる。「しかし、私たちの光集束法は、脳のより深い領域を探るための低侵襲な方法を可能にするかもしれません。」
本論文のタイトルは 「Optical focusing inside scattering media with time-reversed ultrasound microbubble encoded (TRUME) light.」 です。本研究は、米国国立衛生研究所（National Institutes of Health）、米国国立衛生研究所のBRAINイニシアチブ（National Institutes of Health BRAIN Initiative）、およびGIST-Caltech共同研究提案の支援を受けた。
本記事の掲載は、世界経済フォーラムによる見解の支持を意味するものではない。
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執筆者：Ker Thanは科学ライターであり、スタンフォード大学地球・エネルギー・環境科学大学院（Stanford School of Earth, Energy & Environmental Sciences）のコミュニケーション担当副ディレクターである。
画像：サットンにあるインスティテュート・オブ・キャンサー・リサーチ（Institute of Cancer Research）の研究室で、分析用のタンパク質サンプルを準備する科学者。REUTERS/Stefan Wermuth。
