University of California, Santa Cruz (UC Santa Cruz) の研究者らを中心とするチームが、エボラその他の病原ウイルスを検出できる信頼性の高いチップ･ベースの技術を開発した。このシステムはウイルス分子を直接光学的に検出する方法を採っており、エボラ出血熱のような疫病の広がりを緊急に防止しなければならない現場における迅速正確なウイルス検出のために、扱いが簡単で持ち運びのできる機器に組み込むこともできる。エボラウイルスその他の出血熱ウイルスの試料を用いたラボでの試験でも、実用レベルの臨床アッセイに必要とされる感度と特異度を示した。
この研究の論文は、2015年9月25日付Nature Scientific Reportsのオープン･アクセス論文として発表され、｢Optofluidic Analysis System for Amplification-Free, Direct Detection of Ebola Infection (増幅不要なエボラ感染の直接検出用流体光学分析システム)｣と題されている。
西アフリカのエボラ大流行では2014年以来11,000人を超える人々が亡くなり、最近でもギニアとシエラ･レオネで新しい患者が発生している。現在、エボラウイルス検出の標準的検査法は、PCRを用いてウイルスの遺伝物質を増幅した上で検出するという方法を採っている。しかし、PCRはDNA分子に作用するものであり、一方、エボラはRNAウイルスであるため、PCR増幅と検出の前に、逆転写酵素を用いてウイルスのRNAからDNAコピーを作るというステップが必要になる。
この論文の首席著者でUC Santa CruzのKapany Professor of Optoelectronicsを務めるDr. Holger Schmidtは、｢私達の開発したシステムと違って、PCR検出法は複雑でラボ施設が必要だ。それに比べると、私達のシステムでは核酸を直接検出し、PCRと同等の検出限度を達成しつつ、優れた特異度を持っている。ラボの試験では、このシステムがエボラウイルス検出に高い感度を示しながら、エボラと近いスーダン･エボラウイルスとマールブルグ･ウイルスを使った試験ではまったく陽性の判定を出さなかった。様々な濃度のエボラウイルスを使った試験も行い、6桁違いという大きな濃度の開きでもそれぞれ正確に定量化した。
さらに、微小流体チップ上でのサンプル前処理時に｢予備濃縮｣作業を行うことで、通常のチップベースの検査法の検出限度を超えることができ、PCR分析に匹敵する検出範囲が可能になった。Dr. Schmidtは、｢実際の感染患者で見られるウイルス濃度範囲全体で測定した｣と述べている。
UC Santa CruzのDr. Schmidt研究室は、Brigham Young University (BYU) やUC Berkeleyの研究者と共同研究を行い、このシステムを開発した。San AntonioのTexas Biomedical Research Instituteのウイルス学者が試験に用いるウイルス試料を用意した。このシステムは2種の小さなチップを合わせた構成で、一つはサンプル前処理用の微小流体チップ、もう一つは光学的な検出を行う流体光学チップとなっている。
過去10年、Dr. Schmidtと共同研究者は、単一分子をチップ上の流体で満たした微小な通路を通過する際にその分子を光学的に分析する流体光学チップ技術の開発に携わってきた。サンプル処理用微小流体チップは、流体光学チップと並べるか、または上に重ね、第二層として一体化することも可能である。
Dr. Schmidt研究室は、この技術の先駆者で論文の共著者、UC BerkeleyのDr. Richard Mathiesと協同して微小流体チップを設計制作した。このチップは、ポリジメチルシロキサン (PDMS) と呼ばれるシリコン系のポリマーでできており、マイクロ弁と流路を備え、各サンプル前処理段階でサンプルをノード間に移動することができる。
標的とする分子は、たとえばこの研究ではエボラウイルスRNAだったが、磁気マイクロビーズに付着させた合成DNA中の対応するオリゴヌクレオチド･シーケンスに結合させて分離する。その後、マイクロビーズは磁石で回収し、標的としない生体分子は洗い落とす。その後に結合している標的分子を加熱して分離させ、蛍光マーカーでラベル付けし、流体光学チップに通して光学的検出を行う。
Dr. Schmidtは、｢このシステムの試験では、採取した新鮮な血液サンプルの処理という段階がまだ手つかずになっている。それをするためには、サンプル前処理の段階が必要になり、その前処理はバイオセーフティ･レベル4の施設でしかできない。
現在、テキサスの施設で使うシステム試作品を作っているところであり、それが完成すれば採取した血液サンプルの処理から試験することが可能で、血液採取から分析まですべてのプロセスをカバーできるようになる。
また、危険性の低い病原体の検出にも同じシステムを使うことを試しており、UC Santa Cruzの施設で全分析作業を行っている｣と述べている。
Scientific Reportsの筆頭著者は、UC Santa CruzのDr. Schmidt研究室所属のポスドク研究員、Dr. Hong Caiと院生のJoshua Parksが務めた。また、BYUのAaron Hawkinsが率いるチームがこの研究のためにシリコン･ベースの流体光学チップを制作した。ウイルス学者のDr. Jean Pattersonが率いるTexas Biomedical Research Instituteの研究チームがこの研究の試験のためにウイルス･サンプルを作成した。
原著へのリンクは英語版をご覧ください
Chip-Based, Field-Usable Device Developed for Amplification-Free Detection of Ebola Virus and Other Viral Pathogens
