診断ツールを開発するマイクロエレクト​​ロメカニカルシステム（MEMS）の使用

私はU De Mercyです。Bio Stick MAMs in Medicine Labsの主任研究員を務めています。スタンフォード大学にて電気工学の博士号を取得し、その後、ハーバード医学大学院のMGH（マサチューセッツ総合病院）にて、バイオアコースティックMAMs、主にバイオMAに関するポストドクターとしての研究に従事しました。

そして現在は、ハーバード大学医学部およびハーバード・MITヘルスサイエンス・アンド・テクノロジーの教員として、非常にやりがいを感じている研究を続けています。博士課程で行った研究は、液滴に深く関連しており、音響を用いて精密なサイズの液滴を生成し、その位置と場所を制御することで、極めて高感度なポリマーを堆積させるというものでした。

現在、私たちは同様の技術を応用して、細胞を液滴に封入し、それを表面上に配置することで、組織工学におけるさまざまなアプリケーション、具体的には細胞を表面にプリントしてパターン化することに取り組んでいます。また、少数の細胞や単一の細胞を、あるいは同一集団の細胞を封入し、同一集団内での個々の細胞間の差異を確認したいというアプリケーションもあります。そのため、毎秒10,000個というような高スループットの速度で細胞を液滴に封入できることは、生物学的な問題を理解する上で非常に重要かつ有用となります。したがって、私の現在の研究には2つの柱があると言えます。

一つは、先ほどお話しした細胞のカプセル化に関する研究です。どのようにして細胞を液滴に封入し、それを細胞にダメージを与えず、繰り返し安定して行うことができるでしょうか。細胞が液滴に放出または封入された後、その細胞を表面上の正確な位置に配置でき、かつ細胞が機能的に生存し、生存能を維持している必要があります。

射出などの影響による損傷を受けてはいけません。そのため現在は、音響滴集中波を用いてオープンプールから液滴を生成するシステムを使用しており、細胞サイズと同等の極小液滴の中に、単一細胞まで封入することが可能です。これは、細胞プリンティングや組織工学への応用の観点から非常に期待されています。

私の研究のもう一つの側面は、これらのMEMS（微小電気機械システム）技術を再び活用し、低コストな診断ツールを開発することです。主にマイクロフルイディクス（微細流体）の手法を用いており、指先からの穿刺で得られる10 µL未満というごく少量の全血をチップに導入することが可能です。そして、その血液から特定の細胞内集団をカプセル化したり、捕捉したりすることができます。

なぜこれが重要なのでしょうか。なぜグローバルヘルスへの応用において、低コストである必要があるのでしょうか。例えば、アフリカの山奥のような場所で、HIV患者のCD4 Tリンパ球数がどれくらいであるかを判定できる必要があります。世界保健機関（WHO）は、CD4細胞数が 200 cells/µL 未満の場合に治療を開始すべきであるとしているからです。先進国では、このデータを取得するために数十万ドルのフローサイトメーターを使用しています。

当然ながら、このような巨大なテーブルサイズの装置を使用するには、時間と熟練した技術が必要です。我々の小型チップでは、この小さなフィンガーブリックに10 µLの全血を導入することで、表面タンパク質の親和性を利用してCD4細胞を捕捉できます。そして、チップ表面のCD4タンパク質抗体に付着しているのがCD4細胞であるため、捕捉されたこれらの細胞を迅速に計数することが可能です。

流速とせん断力を制御することで、これらの細胞型に対する特異性と効率を最適化できます。もちろん、非特異的な結合は常に存在しますが、せん断力を用いたアプローチにより、これらの影響を最小限に抑え、±10%の誤差範囲内に収めることができます。これは、アフリカの山岳地帯のような場所で診断的または予後的判断を下すのに十分な精度です。したがって、これはグローバルヘルスにおいて興味深い応用可能性を持つだけでなく、使い捨て可能な低コスト技術であるため、先進国にも影響を与える可能性があります。なぜなら、極めて低コストで迅速な血液検査が可能になれば、先進国で使用している検査手法にも影響を及ぼすからです。

もし効率と特異性がより高いレベルに最適化されれば（初期データではそれが可能であることが示されています）、それは間違いなく私たちの生活に影響を与えるでしょう。博士課程を修了したとき、私はマイクロフルイディクスやMAMsについて、他の何よりも詳しく、特にドロップレットへの応用において、細胞をプリントしたり、細胞をカプセル化したり、あるいは少数の細胞や単一細胞を操作することができれば、バイオテクノロジー分野で大きな応用可能性が見いだせると確信していました。そして私は、人々の生活に実際に影響を与える研究に取り組むことに非常に強い関心を持っていました。

以前はこれらの技術を半導体産業に適用していましたが、その後、直接的に人々の役に立ちたいと思うようになりました。それが、ヘルスケア分野の課題へと私を向かせた理由です。そのため、大きな転換を決意し、ポスドクとしてマサチューセッツ総合病院（Mass General Hospital）へ来ました。

そこで、私は次第に多くの問題に直面するようになりました。そして、今日の世界における最大の問題の一つがグローバルヘルスであることは明白であり、結核やHIVのような、一日に数千人もの命を奪う疾患が存在します。これらの人々が亡くなるのは、薬がないからではなく、既存の薬よりもはるかに高価な診断ツールが不足しているためです。そのため、私は技術的な側面について非常に深く理解しています。

生物学的な課題に触れる機会があり、それらについて学べば学ぶほど、自分が貢献できることがあると感じられるようになりました。そこからすべてが始まり、現在もその取り組みを続けています。

バイオテクノロジーや医学の分野には、実際に多くの人々の命を失うことに直結する問題が多く存在します。そのため、技術的な側面からアプローチし、それを現実世界の医学的な課題に適用できる能力を身につけることは、非常に優れた道であると考えています。バイオテクノロジーという領域全体がこのように成長しており、非常に大きな影響力を持つようになっていると感じます。考えてみれば、HIVやがんは、世界における大きな死因となっています。

また、現在のマイクロテクノロジーとアプローチにより、血液からこれらの細胞を捕捉してがんを早期発見したり、コストを大幅に抑えて多くの人々が利用できるようにしたりすることで、大きな恩恵が得られる可能性があります。これらの要素が統合されることで、ヘルスケアや医療におけるマイクロテクノロジーの応用が、人類の未来に影響を与えると考えています。このようにして、これらすべてのことが結びついているのだと思います。

ハーバード大学とMITのヘルスサイエンス・アンド・テクノロジー（HST）プログラムに身を置いていることで、一方にはテクノロジーがあり、もう一方には私が勤務しているブリガム・アンド・ウィメンズ病院の患者や医師へ直接アクセスできる環境があるというのは、非常に素晴らしいことです。なぜなら、接する人々はそれぞれ独自の課題を抱えており、異なるバックグラウンドを持つことで、それら実世界の既存の課題に対して興味深い解決策を提示できる可能性があるからです。このように、私は医療上の課題がテクノロジー側とどのように結びつくかという全体的な視点を持って捉えています。

そして、私たちは人々の生活に肯定的な影響を与えることを目指しています。単一細胞のキャップ封入または細胞封入における最大の課題は、単一細胞を確実かつ再現性高く封入できることです。つまり、1秒間に10,000個から100,000個の細胞を排出していることになります。

そして、射出する各ドロップレットに単一の細胞が含まれていることをどのように確認するのでしょうか。これはドロップレットのサイズを変更し、ドロップレットサイズに対する細胞サイズの比率を最小化および最適化するという統計的な問題であり、体積内に球体を詰め込むという古典的な問題と、その最も効率的な方法に関連しています。したがって、これが細胞プリンティング領域における技術面での最大の課題となります。

もう一つの側面は、細胞をプリントして正確に配置できるようになったことです。では、どのようにしてこれらの三次元組織を構築し、生存させ、そして移植させるのでしょうか。ここで、組織を正確に模倣するという生物学的な課題に取り組むことになります。

現在、膵島をプリントしたり、平滑筋細胞を用いてヒトまたは赤色の膀胱を直接模倣した膀胱組織をプリントしたりするアプローチがあります。これにより、組織を作製し、実在する天然組織と比較してどの程度良好に機能するかをテストすることが可能になります。したがって、これらの斬新な技術を用いて、どのようにして置換や移植が可能な理想的な組織を作製できるかが、最大の課題であると考えられます。単一細胞を制御できれば、それらを正確な位置に配置することが可能になります。そして、そこからどのように組織を成長させるかが重要な点となります。

したがって、人間の生活に影響を与えるような移植可能なものの開発が重要になります。その点において、組織工学における課題は、そしてマイクロフルイディクスを用いた診断における課題は、数十億個の細胞の中から単一の細胞を捕捉できるかという点にあります。それはあたかも、塩の容器の中から1粒の砂糖粒子を探し出し、取り出そうとするようなものであり、その確率は数十億分の1に相当します。

ここでは、数µLから数mLの全血を処理し、目詰まりなどの技術的な問題や非特異的結合などの生物学的な問題を回避しながら、特異的かつ効率的に分離を行うことを目的としています。具体的には、全血1µLあたり数百万個の細胞が存在する中で、特定の1個の細胞を単離することを目指します。CD4陽性Tリンパ球の場合、1µLあたり約1,000個の細胞が存在するため、これは1,000個に1個の細胞を分離するという課題になりますが、本手法でそれが可能であることを示しました。

しかし、がんの循環腫瘍細胞を標的にする場合、その課題は10億個に1個という極めて低い頻度になります。簡単にまとめますと、周囲にある数十億個の他の細胞の中から、いかにしてこの1個の細胞を捕捉するかという点が課題であり、その技術的な側面とはどのようなものか、ということになります。

流速はいくらですか？デバイスの設計はどうなっていますか？流速は、流速はいくらですか？

処理が必要な血液量はどのくらいか、そして、実際に捕捉したい細胞を確実に捕捉できているかをどのように確認するのか。これらのすべての側面が、一つの文章に集約される大きな課題を形成しています。それは、「数十億個もの細胞の中から、いかにしてこのたった一つの希少細胞を捕捉するか」ということです。まさに「干し草の中の針を探す」ような問題であり、非常にエキサイティングな挑戦です。

そして、これらの課題を解決するために技術を前進させることが、現在の技術的な挑戦であると考えています。技術を本来の役割を果たすレベルまで到達させることは一つの段階に過ぎません。そこから臨床現場に導入し、製品化するためには、起業や特許取得など、また別のあらゆる専門知識が必要となり、それらの側面が重要になってきます。

また、私たち科学者は、試作品を製品へと昇華させるために必要なスキルのすべてを兼ね備えているわけではないと思います。そこで改めて、異なるバックグラウンドを持つ人々との共同研究が重要になります。世の中には、非常に大きな影響力と有用性を持ち得る技術が数多く存在していると考えています。

それらが臨床現場や実用化に至らないことがあります。それは単に実現しなかったか、タイミングが適切でなかったか、あるいは先ほど述べたような他の要因が影響したためです。あるいは、その技術が実際に問題を解決できるという直接的な結びつきが見えにくい場合もあります。また、その問題に取り組んでいる人々、例えば生物学者や医学に携わる人々が、長年にわたって一つの方法で行うことに慣れているというケースもあります。

また、技術側の人々は、バイオテクノロジーに重点を置いていない場合、医学上の問題に気づいていないことがほとんどです。そのため、これら両者を結びつけることは、本格的な学際的研究となります。ここ数年、NIHレベルにおいても、また研究室や大学で見られるように、学際的な研究を推進することが全体の重点となっていると考えています。

その結果、多くの人々が複数の分野に精通していなければならない状況で博士号を取得することになります。例えば私の博士課程では、音響学、MEMS、マイクロフルイディクスを習得し、それらをポリマーに適用する必要がありました。このように、ある一つの分野で非常に深い知識を持つためには、実際にはその問題を解決するために他の3つの分野についても十分に精通していなければならないという状況が見受けられます。

したがって、答えは、ビジネススキルを持つ人材を組み合わせた学際的な研究にあり、それを人々が利用できるようにすることにあると考えられます。それは全般的な大きなプロセスであり、特定の箇所で非効率性が生じます。それが、技術移転の割合が低くなっている原因です。