血液一滴から病気を早期発見する「リキッドバイオプシー」。その実現には、体液中を漂う微小なカプセル「細胞外小胞」を捕まえる技術が欠かせません。しかし、これまでは大掛かりな装置や複雑な手順が必要でした。デューク大学の研究チームが開発したのは、なんと「音」を使ってこの課題を解決する、手のひらサイズの小さなチップです。安価な電子ブザーと流体技術を組み合わせたこのデバイスは、医療の現場（ポイントオブケア）での診断を劇的に変える可能性を秘めています。
音波で「細胞外小胞」をキャッチ。デューク大学が開発した、迅速・低コストな新型検査チップ
「小型細胞外小胞（sEVs: small extracellular vesicles）」は、約30〜140ナノメートルという極小サイズながら、多くの体液中を循環し、ゲノムやプロテオーム、メタボロームといった重要な情報を運んでいます。そのため、生理学的あるいは病理学的な状態を非侵襲的に評価できるリキッドバイオプシーの強力な媒体となります。
しかし臨床現場において、sEVの解析は患者さんから採取できるサンプル量が微量であるという制約を受けることが多く、小規模でも効率的に機能する方法が求められていました。一般的なナノフローサイトメトリーのような技術は、大型で高価な装置や、事前の処理を必要とします。また、ウェスタンブロッティング法は時間がかかる上、通常、その後の研究のために無傷のsEVを回収することが困難です。
マイクロ流体プラットフォームは微量サンプルの扱いに長けていますが、ポイントオブケア（患者のそばで行う検査）での使用に適した、よりシンプルで、より速く、より高感度なアプローチが依然として求められていました。
「この課題に対処するために、私たちは音響とマイクロ流体工学を組み合わせた『音響流体（acoustofluidics）』戦略を開発しました」と、デューク大学医学部の研究員であり、本研究の筆頭著者であるジェシカ・F・リュー博士（Jessica F. Liu, MD PhD）は述べています。「鋭いエッジ（sharp-edge）を持つ微細構造と小型の音響ブザーを使用することで、わずか50マイクロリットル程度のサンプルからでも、抗体ビーズに結合したsEVを濃縮し、チップ上で即座に蛍光検出することができます。私たちが埋めようとしているギャップは、臨床現場で特定のsEVサブグループを迅速に検出できる、持ち運び可能で低コスト、かつ使いやすいプラットフォームの不在です」。
この音響流体デバイスは、ガラス基板上にプラズマ接合された「ポリジメチルシロキサン（PDMS: polydimethylsiloxane）」層で構成されています。PDMS層には、高さ100マイクロメートル、幅800マイクロメートルのマイクロ流路があり、その内部には長さ400マイクロメートルの鋭いエッジを持つ微細構造が、流路の両側に交互に配置されています。そして、この鋭いエッジ構造を振動させるための音響ブザーが、ガラススライドの一端にエポキシ樹脂で接着されています。
実験の結果、このデバイスの有効性が実証されました。サイズ選択性の検証実験では、音場をオンにすると、5マイクロメートルのビーズは急速にデバイスの鋭いエッジの先端に集積しましたが、400ナノメートルのナノ粒子や結合していないsEVは分散したままでした。音場がオフの状態では、どちらも凝集しませんでした。
また、ストレプトアビジンとビオチンの結合を用いた検出効率の実験では、4kHzの駆動条件下で、ビーズ複合体が先端に捕捉され、強い蛍光を示しました。先端部と背景の蛍光強度比（FIR）は、ビーズ濃度に伴って単調に増加しました。
さらに、特定のマーカー捕捉実験において、抗EGFRビーズをHeLa細胞（EGFR陽性）と共にインキュベートした場合、FIRは6.00 ± 0.46という高い値を示しました。一方、K562細胞（対照群）を用いた場合はFIR 1.01 ± 0.03となり、バックグラウンドと同等のレベルでした。これは、このデバイスが特定のsEVを特異的に捕捉できることを示しています。
この記事で紹介されている音響流体技術は、微量サンプルからの循環sEVの高柔軟性、高特異性、高効率な捕捉と検出を可能にします。その携帯性、低コスト、使いやすさは、sEV表面マーカーのポイントオブケア検出に理想的なツールとなります。また、モジュール式の設計により、多様なsEV集団のワンステップかつハイスループットな捕捉・検出が可能です。
将来的には、末梢血から臓器特異的なsEVを捕捉・検出し、がんバイオマーカーにとどまらない、低侵襲でマルチオミクスな疾患評価が可能になると期待されます。
「現在進行中の研究は、複数のターゲットを同時に検出できるようにデバイスを多重化（マルチプレックス化）し、診断能力をさらに拡大することに焦点を当てています。スピード、正確さ、そしてアクセシビリティをシームレスに統合することで、このプラットフォームはリキッドバイオプシーを変革し、精密医療（プレシジョン・メディシン）を臨床現場の最前線へと導く可能性を秘めています」とリュー博士は語っています。
本研究成果は、2025年7月17日に『Cyborg and Bionic Systems』誌に掲載されました。オープンアクセス論文のタイトルは「An Acoustofluidic Device for Sample Preparation and Detection of Small Extracellular Vesicles（小型細胞外小胞のサンプル調製と検出のための音響流体デバイス）」です。
写真：ジェシカ・F・リュー博士（Jessica F. Liu, MD PhD）
