研究者らは、シルクのタンパク質成分から作られたゲルを用いた、新しい埋め込み型センサーを開発した。
このセンサーは、特定の波長の光を当てると発光し、血中酸素濃度を測定する。
この非侵襲性の「タトゥー」は、慢性疾患の患者が複数の血液成分をモニタリングするのに役立つ可能性がある。
運動中にどれだけ酸素を使っているかを知らせたり、いつでも血糖値を測定したり、さまざまな血液成分や、環境中の毒素への曝露をモニタリングしたりできる、実用的なタトゥーを想像してみてほしい。
「皮膚の下にセンサーアレイを埋め込めば、複数の血液成分を追跡できる可能性があります」
大学院生
今回の研究は、それを実現するための重要な一歩だ。
現時点では酸素濃度の測定に限られるこの新しいセンサーは、フィブロインと呼ばれるシルクのタンパク質成分から形成されたゲルでできている。シルクフィブロインのタンパク質には独自の特性があり、埋め込み材料として特に適している。
ゲルやフィルムに再構成すると、皮膚の下で数週間から1年以上にわたって保たれる構造を作るよう調整できる。シルクが分解されても体との適合性があり、免疫反応を引き起こす可能性は低い。
グルコース、乳酸、電解質、溶存酸素など、血液中の物質は、身体の健康状態やパフォーマンスを知る手がかりとなる。医療現場では、採血したり、患者を大型の機器に接続したりしてこれらを測定する。これらの濃度を継続的にモニタリング非侵襲的にどのような環境でも行えることは、特定の疾患の経過を追ううえで大きな利点となり得る。
たとえば糖尿病患者は、食事の内容や服薬のタイミングを決めるため、血糖値を測る際に、しばしば毎日採血する必要がある。一方、研究者らが描く構想では、文字どおり光を当てて健康状態を可視化することで、モニタリングをはるかに簡単にする。
「シルクは、優れた特性を数多く兼ね備えています」と、タフツ大学工学部の工学教授で、本研究の主任研究者であるデビッド・カプラン氏は述べる。「フィルムやスポンジ、ゲルなど、さまざまな形に加工できます。生体適合性があるだけでなく、化学的性質を変えることなく添加物を保持でき、添加物には周囲の分子を検出するセンシング機能を持たせることもできます。この酸素センサーは、私たちが開発できるさまざまなセンサーの概念実証です」
シルクタンパク質の化学的性質により、添加物を取り込み、特性を変えることなく保持しやすくなる。酸素センサーを作るため、研究者らはPdBMAPという添加物を使用した。これは特定の波長の光を当てると発光する。その発光の強さと持続時間は、周囲の酸素濃度に比例する。
シルクゲルは周囲の液体を透過させるため、PdBMAPは周囲の血液と同じ酸素濃度を「感知」する。またPdBMAPは、皮膚を透過できる光を当てると発光、すなわち燐光を発する点でも有用だ。他のセンサー候補は、皮膚を透過できない波長の光にしか反応しない可能性がある。
研究者らは、酸素濃度の定量には燐光の「持続時間」をより重視している。発光の強さは、インプラントの深さや大きさ、肌の色などによって変わる可能性があるためだ。酸素濃度が上がるにつれて、発光の持続時間は短くなる。
実験では、埋め込み型センサーが動物モデルの酸素濃度をリアルタイムで検出し、高濃度、低濃度、正常濃度を正確に追跡した。患者の酸素濃度を追跡する重要性は、新型コロナウイルス感染症（COVID-19）のパンデミックを機に広く認識されるようになった。この感染症では、酸素濃度が危険なほど低下した患者が入院治療を受ける必要があった。
「皮膚の下に埋め込むタトゥーのようなセンサーが役立つ場面は、数多く考えられます」と、カプラン氏の研究室の大学院生で、このタトゥーセンサーを開発したトーマス・ファルクッチ氏は述べる。
「多くの場合、慢性疾患のある人を従来の臨床環境の外で長期間にわたってモニタリングする必要がある状況です。センサーアレイを使えば、複数の血液成分を皮膚の下で追跡できる可能性があります」
