がん細胞はしばしば元の場所から離れて血流に入り、体内の別の場所に新たな腫瘍を形成します。こうした細胞を検出できれば、患者の腫瘍が転移するかどうかを医師が予測したり、治療への反応を追跡したりする新たな手段になり得ます。しかし、患者の血液1ミリリットルの検体にわずか1～10個しか存在しない場合もあるため、これほど希少な細胞を見つけることは困難でした。
MIT、ペンシルベニア州立大学、カーネギーメロン大学のエンジニアチームは、音波を使って血球から分離するという、こうした細胞を単離する新たな方法を開発しています。
新しい細胞選別装置は、研究チームが昨年初めて報告した初期版の20倍の速さで動作し、患者の血液検体の検査に役立てるために必要な速度に近づいています。研究者らはまた、この装置が患者検体から循環腫瘍細胞をうまく捕捉できることを実証しました。これにより、多くの臨床応用に加え、こうした細胞が元の腫瘍部位からどのように離脱するかについての基礎研究も可能になる可能性があります。
MIT材料科学・工学部の主席研究科学者Ming Dao、カーネギーメロン大学学長であり、MITでは工学分野のVannevar Bush名誉教授および元工学部長を務めたSubra Suresh、ペンシルベニア州立大学の工学科学・力学教授Tony Jun Huangが、4月6日の週に米国科学アカデミー紀要に掲載される装置の論文の上級著者です。
研究チームにはほかに、筆頭著者でペンシルベニア州立大学の博士研究員Peng Li、MITの元博士研究員で現在はノートルダム大学の助教であるZhangli Peng、ペンシルベニア州立大学ハーシーがん研究所の医学教授Joseph Drabickらが参加しています。
細胞にやさしい分離
既存の細胞選別技術の多くは、細胞に化学物質で標識を付けたり、損傷を与える可能性のある強い機械力にさらしたりする必要があります。より穏やかな代替手段である音波を使って細胞を選別するため、研究者らはマイクロ流路の両側に音波を発生させる2つの音響トランスデューサーを備えたマイクロ流体デバイスを作製しました。2つの波が出会うと重なり、定在波（一定の位置にとどまる波）を形成します。この波によって、圧力が低い節、すなわち線状の領域が生じます。
音波は傾けられ、マイクロ流路を斜めに横切るように進むため、各細胞は流路を通過する間に複数の圧力の節に遭遇します。細胞は節に遭遇するたびに流路の側方へさらに押されます。細胞の移動距離は、細胞の大きさや圧縮性などの特性によって異なります。
先行研究では、研究者らはがん細胞を赤血球および白血球から分離できましたが、デバイス内の検体流量は毎分わずか1～2マイクロリットルでした。この速度では、約6ミリリットルの一般的な患者検体の処理に50時間以上かかります。
新型装置の実用流量は約20倍速く、患者検体を約5時間で処理できます。
これを実現するため、研究者らは細胞の軌跡をコンピューターモデルで解析し、実験で検証したうえで、音波が流路に当たる角度である傾斜角や、細胞が音波にさらされる距離など、装置の他の特性を調整しました。
希少細胞を検出
研究者らは、新しい音響デバイスを、実験室で培養したがん細胞と白血球を混合した検体で試験しました。これらの研究では、白血球10万個あたりがん細胞がわずか1個の検体からでも、がん細胞の少なくとも83％を単離できました。
この装置は、乳がん患者3人の血液検体を用いた試験でも良好な性能を示しました。研究者らはそれぞれの検体から腫瘍細胞を1個、8個、59個単離しました。最初の検体は治療に非常によく反応していた患者から採取されたもので、そのため循環している腫瘍細胞は少数でした。
結果は、市販のがん細胞選別装置と同様でした。しかし、その装置では細胞が損傷し、その後の研究に使える状態ではなくなるとDaoは述べています。これに対し、音響技術は非常に穏やかで、細胞に磁気ビーズや抗体、その他の分子で標識を付ける必要がありません。そのため、単離後のさらなる分析に理想的です。
「細胞処理能力をさらに高めれば、この研究は、循環腫瘍細胞という複雑なテーマの基礎研究にも、さまざまながんの臨床評価にも役立つ新たなツールとなる可能性があります」とSureshは述べています。
研究チームに加わっていないイリノイ大学アーバナ・シャンペーン校の機械科学・工学教授Taher Saifは、患者検体の選別における新システムの成功は、チームの初期装置からの「大きな前進」だと述べています。「今回考案した設計に基づいて製品を実現できると、今では想像できます」とSaifは述べています。
研究者らは現在、装置の流量をさらに高めるとともに、より頑丈で費用対効果の高いものにする取り組みを進めています。
この記事は、 MIT Newsとの共同制作で掲載されています。掲載は、世界経済フォーラムが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：Anne TraftonはMIT Newsに記事を執筆しています。
画像：サットンにあるがん研究所で、科学者のPaul Clarkeがモニターに映る標識細胞の画像を見ている。REUTERS/Stefan Wermuth
