抗生物質の薬効試験を短時間で正確に行うためのデバイスの開発〜Suspended Microchannel Resonator〜

抗生物質を開発するのは時間がかかるもの。数多くの試験の中で、最初の関門である薬効試験。これ一つでもかなりの時間が必要となります。いかに高速に、そして大量の薬剤を評価するのか、それが一つの課題となっており、新しいデバイスの開発が望まれています。

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SMR:Suspended Microchannel Resonator

マサチューセッツ工科大学の研究チームが、複数の細胞の増殖を同時に測定できるデバイスの開発を行っている。

彼らが開発しているデバイスの技術は、Suspended Microchannel Resonator(SMR:中断されたマイクロチャネル共振器)と呼ばれるものだ。

このデバイスは小さな流路系とセンサーとしてカンチレバーが配置されており、その中に細胞を一つ一つ流していく。

このカンチレバーは常時振動しており、その上に細胞が来ると重さに依存してその振動数が変化する。

その振動数の変化をモニタリングするという仕組みである。

複数のカンチレバー方式

この研究チームはSMRの技術を2007年に開発した。

それ以降、多くの開発者が、一つの細胞の増殖を長時間モニタリングするためや細胞密度の測定、細胞から放出される小胞の測定、環境の栄養変化により起こる短期間の細胞の応答の測定を行うために用いられてきた。

また彼ら自身も細胞の増殖速度を精密に測定するため、一つの細胞を一つのカンチレバーで何度も繰り返し測定することにより、増殖のモニタリングをするシステムも開発した。

このシステムではこれまでの10倍から100倍精密に細胞の重さを測ることができたが、問題点があった。

それは一度に一つの細胞しか測定できず、また十分な数の細胞を測定しようと思うと時間がかかってしまうことだった。

そこで彼らはデバイスに10から12個のカンチレバーセンサーを配置し、さらにセンサー間には通るのに時間がかかるように何度も往復するような長い流路を配置した。

センサー間にある流路は5 cmあり、細胞がここを通過するのには2分程度かかる。

この2分間で細胞はほんの少し成長し、重量が変化する。

そして一つ目のセンサーに細胞が到達したときに、次の細胞が注入することにより、複数の細胞の増殖を一度に測定できるようなシステムを構築した。

このシステムを用いることで、これまで1時間で数個しか測れなかった細胞の重量が、1時間で60の細胞と150の微生物の重量を測定できるようになった。

抗生物質の効果の測定

この新しいデバイスは一体何に使われるのだろうか?

今、注目されている利用法としては、抗生物質の効果の測定だ。

抗生物質は微生物の体内に入り込み、微生物の成長や増殖を止める作用がある。

もちろんその効果は重量変化に現れる。

これまでの抗生物質の評価方法は、まずシャーレ上に寒天で固めた透明な培地に菌を塗り、そこに評価したい薬剤を染み込ませた小さなろ紙を置き、一晩以上微生物を増殖させる。

もしろ紙に染み込ませた薬剤が微生物に影響のないものであれば、微生物は培地の全域に渡り増殖し、白く濁る。

だが薬剤が微生物の生育を止めるもの、つまり抗生物質だった場合、ろ紙の周囲では微生物は生育できず、透明なままとなる。

そしてろ紙を中心に微生物が生育できない範囲が広ければ広いほど、抗生物質の性能は良いというわけだ。

だがこの方法では、必ず微生物が生育するだけの時間が必要となってしまう。

そしてこの評価方法が薬効試験において、時間のかかる原因の一つなのである。

またもちろん薬効を正確に評価するためには、ある一定の大きさ以上のシャーレが必要となり、培養スペースの問題も出てくる。

だが彼らのシステムを使用することで、一度に多くの薬剤をパラレルに、そして短時間で評価することができるため、薬効試験の高速化を図ることができるのだ。

複数のセンサーを配置し、その間を細胞が時間をかけて進むよう流路を長くするというアイデアは非常に面白いですね。ヒトの細胞はだいたい10マイクロメートル(0.01 mm)程度であることを考えると、それがたった一つだけ通るような流路というとかなり細いことが分かってもらえるかと思います。現在では、微細加工技術が発達し、そのような流路を作ることができるようになったことから、今回のセンサーの開発につながったと言えるかもしれません。このように新しい技術を色々組み合わせ、より良いものを作り出す。最先端の研究の醍醐味だと思います。

元記事はこちら(Microchip enables fast, precise measurement of single-cell growth. Device that measures growth of many individual cells simultaneously could lead to rapid tests for antibiotics.)

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