ガラス製のナノポア


カリフォルニア大学リバーサイド校の研究チームは、小さなガラス管と電流を利用して、血液などの液体サンプルからDNAを検出する技術開発に成功しました。Nanoscale誌に掲載されたこの技術は、将来的に癌の診断を改善する可能性があります。

DNAは、二本鎖の帯電した分子で、生物が生命の構成要素を作り、組織化するために必要なすべての情報を含んでおり、細胞核の中でしっかりと折りたたまれています。一つの細胞からDNAを抽出するには時間がかかり、多くの医学的または実験的な手段として実用的ではありません。幸いなことに、細胞は自然死すると膜が破れ、DNAを含む内容物が放出されます。つまり、例えば血液サンプルには、自由に浮遊している多くのDNAが含まれており、理論的には、識別して量を抽出することが容易であるはずです。

しかし、細胞の廃棄物を除去するマクロファージというスカベンジャー細胞は、ほとんどの無細胞DNAを破壊してしまい、血液中には低濃度のまま残されています。セルフリーDNAを採取する方法のほとんどは、まず分子を濃縮してから、DNAを見やすくするために蛍光色素を使用するという、高価な技術を必要とします。

カリフォルニア大学リバーサイド校のバイオエンジニアリング助教授であるケビン・フリードマンは、ナノポアと呼ばれる小さな開口部のあるガラス管に、電荷を利用してDNAサンプルを直接入れることで、より低濃度のDNAの検出と捕捉を改善するための研究を主導しました。ナノポアセンシングは、さまざまな医療・臨床分野において、迅速で信頼性が高く、費用対効果の高い診断ツールとして注目されています。

「細胞膜に電圧をかけると、イオンが細胞膜の孔を通って移動することがわかっています。DNAも電界とともに移動するので、それを利用してDNAを移動させることができるのです。」と同氏は説明します。

研究チームは、幅20ナノメートルの開口部(孔)のあるガラス管の中に正極を設置しました。これはDNA分子より少し大きいが、細胞を認めるには小さすぎます。そして、このナノポアに電位を印加し、DNAサンプルと負極が入ったバイアル瓶に浸しました。すると、細胞を含まないDNAが孔の中に入り込み、孔を塞ぎました。DNAが孔を通過するときの電流の変化から、DNAを検出することができたのです。

スパゲッティを針に通してみるようなものです。孔を通過するためには、ほぼ完全に直線的でなければなりません。孔を液面に近づければ近づけるほど、より多くのDNAを拾うことができました。驚くべきことに、DNAは液体と空気の界面に蓄積されることがわかりました。冷却層があれば、DNAはより冷たい場所に行こうとします。血液サンプルでも同じことが言え、同じメカニズムでDNAを表面近くに集中させることができると期待しています。

いくつかの改良を加えれば、この純電気的手法は、1回の血液サンプルからある種のがんを診断するのに役立つと著者らは考えています。腫瘍が成長すると、DNAに加えて小胞が血流に放出されます。この脂質ベースの小滴は、元のがん細胞と同じミニ細胞と考えることができ、ナノポアセンシングで検出することも可能です。

この純粋な電気的手法のユニークな特徴をすべて考慮すると、ナノポアセンシングシステムは、将来的にポイントオブケア診断テスト評価として活用できる可能性があります。