MITの研究者らは、遺伝子改変した細菌を搭載した飲み込めるセンサーを開発した。このセンサーは、胃の出血やその他の消化器系の問題を診断できる。
この「チップ上の細菌」という手法では、生きた細胞で作られたセンサーと超低消費電力の電子回路を組み合わせ、細菌の反応をスマートフォンで読み取れる無線信号に変換する。
「改変した生物学的センサーと低消費電力の無線電子回路を組み合わせることで、体内の生物学的信号をほぼリアルタイムで検出し、人々の健康に関する新たな診断能力を実現できます」と、MITで電気工学・コンピューターサイエンスおよび生物工学の准教授を務めるティモシー・ルー氏は述べる。
新たな研究で、研究者らは5月24日付のオンライン版Scienceに掲載されたこの研究で、血液の成分であるヘムに反応するセンサーを開発し、ブタで機能することを示した。また、炎症のマーカーとなる分子に反応するセンサーも設計した。
ルー氏と、MIT工学部長で電気工学・コンピューターサイエンスのヴァネヴァー・ブッシュ教授を務めるアナンタ・チャンドラカサン氏が、この研究の上席著者である。筆頭著者は大学院生のマーク・ミミー氏と、MITの元ポスドク研究員フィリップ・ノドー氏だ。
無線通信
この10年間、合成生物学の研究者らは、環境汚染物質や病気のマーカーなどの刺激に反応する細菌の遺伝子工学で大きく前進してきた。こうした細菌は、標的となる刺激を検知すると光などを発するよう設計できるが、その反応の測定には通常、専用の実験機器が必要となる。
こうした細菌を実社会での用途により役立てるため、MITの研究チームは、細菌の反応を無線信号に変換できる電子チップと組み合わせることにした。
「私たちのアイデアは、細菌細胞を装置の中に封入することでした」とノドー氏は話す。「細胞は中に閉じ込められ、装置が胃を通過する間、一緒に移動します。」
最初の実証では、研究者らは消化管での出血に着目した。彼らは、プロバイオティクス株のE. coliを遺伝子改変し、ヘムに接すると細菌が発光する遺伝子回路を発現させた。
研究者らは、周囲の環境にある小分子を通過させる半透膜で覆われた、独自に設計したセンサーの4つのウェルに細菌を入れた。各ウェルの下にはフォトトランジスタがあり、細菌細胞が発する光の量を測定して情報をマイクロプロセッサーに送る。マイクロプロセッサーは、近くのコンピューターやスマートフォンに無線信号を送信する。研究者らは、データの分析に使えるAndroidアプリも開発した。
長さ約1.5インチの円筒形センサーが必要とする電力は約13マイクロワットだ。研究者らはセンサーに2.7ボルトの電池を搭載し、連続使用で約1.5カ月間、装置を稼働できると見積もっている。また、ノドー氏とチャンドラカサン氏が以前に開発した技術を用い、胃の酸性液体で維持されるボルタ電池から電力を供給することも可能だという。
「この研究では、細菌によるセンシングの力と超低消費電力回路を組み合わせ、重要な健康センシング用途を実現するためのシステム設計と統合に重点を置いています」とチャンドラカサン氏は述べる。
病気の診断
研究者らはブタで飲み込めるセンサーを試験し、胃に血液があるかどうかを正確に判定できることを示した。この種のセンサーは1回限りの使用にすることも、消化管内に数日から数週間とどまり、信号を連続的に送るよう設計することもできると見込んでいる。
現在、胃潰瘍による出血が疑われる患者は、問題を診断するために内視鏡検査を受けなければならず、その際、患者に鎮静剤を使用することも多い。
「このセンサーの目標は、カプセルを飲み込むだけで不要な処置を回避でき、比較的短時間で出血が起きたかどうかが分かるようにすることです」とミミー氏は話す。
この技術を患者に使える段階へ進めるため、研究者らはセンサーの小型化と、細菌細胞が消化管内でどれほど生存できるかの研究を計画している。また、出血以外の消化器系の状態を検出するセンサーの開発も目指している。
「Science」掲載論文で、研究者らは以前に報告されたセンサーを応用し、別の2種類の分子を検出するセンサーを作製した。これらはまだ動物実験では試されていない。一方のセンサーは、チオ硫酸塩と呼ばれる硫黄を含むイオンを検出する。これは炎症と関連しており、クローン病やその他の炎症性疾患の患者のモニタリングに利用できる可能性がある。もう一方は、AHLと呼ばれる細菌のシグナル分子を検出する。細菌の種類によってこの分子の形がわずかに異なるため、消化管感染症のマーカーとして使える可能性がある。
「論文で行った研究の大半は血液に関するものでしたが、理論上は、どんなものでも感知し、それに反応して発光するよう細菌を改変できます」とミミー氏は話す。「病気に関連する分子を感知するよう細菌を改変しようとしている人なら誰でも、その細菌をウェルの1つに組み込めば、すぐに使えるようになります。」
研究者らによると、センサーには複数の細菌株を搭載するよう設計することもでき、さまざまな状態の診断が可能になる。
「現時点では検出部位は4つですが、16や256に増やせれば、複数種類の細胞を搭載してすべてを並行して読み取れるようになり、より高スループットのスクリーニングが可能になります」とノドー氏は述べる。
この研究は、テキサス・インスツルメンツ、香港イノベーション・アンド・テクノロジー基金、米海軍研究局、米国立科学財団、マイクロバイオーム情報学・治療センター、ブリガム・アンド・ウィメンズ病院、クアルコム・イノベーション・フェローシップ、カナダ自然科学・工学研究会議の助成を受けた。チップの製造にはTSMC大学シャトルプログラムが協力した。
