蝶の目からヒントを得た新型UVセンサー：がん細胞の検出に革命

目

人間は三色型視覚を持っており、三種類の光受容体（赤、青、緑）があり、これらの波長の色を見ることができます。これを可視スペクトルと呼びます。ミツバチもまた三色型視覚を持っています（青、緑、UV）。しかし、蝶はもっと多くの受容体を持っており、一般的なルリツバメ（Graphium sarpedon）では最大15種類にも及びます。アジアのアゲハ蝶、Papilio xuthusは、UV、バイオレット、ブルー、グリーン、レッド、ブロードバンドの6種類の光受容体を持ち、多くの異なる波長の光を検出することができます。蝶の目、そしてすべての蝶の目は複眼で、多くの個別の小眼、オンマチジウムから構成されています。オンマチジウムの一つは、蝶の目の表面に見える六角形の部分で、幅よりも10倍長く、いくつかの異なる光受容体を含んでいます。Papilio xuthusには、異なる受容体の組み合わせを持つ3種類のオンマチジウムがあり、目全体にランダムに分布しています。

P. xuthusのオンマチジウムの一つは、UV光を直接検出する光受容体と、UV光子に当たると緑色の蛍光を発する薄い色素層という、UV光を検出するための二つの補完的な方法を組み合わせています。この蛍光は、緑色の光に敏感な他の光受容体によって吸収されます。直接的および間接的な吸収の組み合わせにより、蝶はUVスペクトル内で10nm以内を識別することができます。

研究者らは、ペロブスカイト（CsPbBr3）ナノクリスタル（PNCs）の薄層をシリコン光ダイオードの階層的なアレイに重ねることで、P. xuthusのオンマチジウムを再現しました。PNC層はUVB光子（>250nm）を吸収し、緑色の蛍光を発することで、シリコン光ダイオード層によって検出されます。他の光ダイオードは直接UVA（>300nm）光を検出します。センサーの異なる層の異なる波長感度により、UVシグネチャを精密に識別することができます。PNC層から発せられる蛍光光子の一部がセンサーから離れて放出されるため、緑色に輝きます。

がん細胞の見分け方

アロマチック環を含むタンパク質、酵素、アミノ酸は、UV光（300～500nm）に当たると、UVおよび可視スペクトルの一部で蛍光を発します。代謝が変化し、増加しているがん細胞はこれらの芳香族分子を高濃度で含むため、UV光の下で健康な細胞よりも強く蛍光を発します。

研究者らは、このセンサーがこれらのがん関連生体分子の異なるUVシグネチャを識別する能力を試験し、チロシン、トリプトファン、エラスチン、NADHの溶液をイメージングし、それらの異なる蛍光波長を区別することができました。次に本番のテストが行われました：バッファー中で懸濁された乳がん細胞と正常な腎臓細胞。乳がん細胞はより強い蛍光を発し、色調と彩度に基づいて区別することもできました。この二種類の細胞は容易に区別され、99％の確信を持って識別されました。

層状のPNCとシリコンダイオードのバイオミメティックセンサーは、UV光に単純に曝露するだけで、リアルタイムで正常細胞と健康細胞を区別することができます。蛍光は細胞自体の特性に基づいているため、バイオラベルは必要ありません。研究者らは、このセンサーが手術中に使用され、より強い輝きを放つ腫瘍細胞を基に、すべての腫瘍細胞が切除されたことを確認するのに役立つと考えています。

紫外線に敏感なアオスジアゲハの目にヒントを得た新しいセンサーは、腫瘍と健康な細胞を99％の信頼性で見分けることができます。

著：サイエンス・ライター Kim Woolcock（キム・ウールコック）

[Science Advances article]