シンガポールの南洋理工大学（NTU）の科学者チームは、コンピュータビジョンと深層学習技術を組み合わせた新しいバイオチップを開発した。このチップは、わずか20分で微量のマイクロRNA（miRNA）——心臓病などの疾患に関連する小さな遺伝子マーカー——を迅速かつ正確に検出できる。研究成果は科学誌『Advanced Materials』に掲載された。
この新しいバイオセンシングプラットフォームは、特別に設計されたナノフォトニックチップとAI自動画像解析を組み合わせたものだ。チップに少量の血液を載せるだけで、複数のmiRNAバイオマーカーを迅速に検出できる。統合されたAIイメージング機能により、1回のスナップショットで数千のmiRNAシグナルを画像化・分析できる。現在のゴールドスタンダードであるPCR（ポリメラーゼ連鎖反応）と比較すると、検出時間を数時間から20分に短縮できる。PCRは遺伝物質を何度もコピーして微量を検出するが、新しいデバイスは増幅なしで直接検出する。
miRNAは体内の遺伝子調節を助ける短いRNA分子だ。miRNAレベルの変化は多くの疾患と関連しているため、科学者たちは心血管疾患、がん、神経変性疾患、代謝性疾患などのバイオマーカーとして研究を進めてきた。
研究を率いたNTU電気電子工学部のチェン・ユーチェン（Chen Yu-Cheng）准教授は、「迅速かつ正確に複数のmiRNAを測定するシステムを構築したい。私たちの肺癌細胞を用いたテストは、適切なプローブを用いれば、この技術が他の多くのがんや疾患（心血管疾患やウイルス性疾患を含む）にも応用できる可能性を示している。将来的には、血液や唾液サンプルを使って、自動化システムで数百から数千のバイオマーカーを一度にスクリーニングできるようになるかもしれない。これは大規模スクリーニングを支援し、個別化医療の進歩に貢献する可能性がある」と述べている。
チームは、ナノフォトニックチップの画像を撮影するカラーカメラと、AIアルゴリズムを用いて画像を解析し迅速な結果を提供するスマートフォンアプリケーションを備えたコンパクトなプロトタイプを構築した。このイノベーションはNTUのイノベーション・アントレプレナーシップイニシアチブの支援を受けており、大学のイノベーション・企業会社であるNTUitiveを通じて技術開示が行われている。
マイクロRNA検出の課題を克服
miRNAの重要性は2024年、ノーベル生理学・医学賞がmiRNAの発見と遺伝子調節における役割を認めたことで強調された。miRNAは非常に小さく、微量で存在することが多く、類似した配列を持つ関連miRNAは区別が難しい。この課題を克服するため、NTUチームはナノキャビティ——人間の髪の毛の幅よりも数百倍小さい光を閉じ込める構造——を設計した。鏡で覆われた洞窟のような形状のナノキャビティは、標的のmiRNAが対応するプローブに結合したときに発する蛍光シグナルを反射・増強する。これにより、単一のmiRNA分子でも検出が容易になる。
システムは、ヒト肺癌細胞抽出物から非小細胞肺癌関連の3種類のmiRNA（miR-191、miR-25、miR-130a）を増幅や複雑な準備なしで測定した。標識プローブを必要とするPCRやハイブリダイゼーションキットとは異なり、NTUプラットフォームは液体サンプル中の複数のmiRNAを直接定量的に検出する。
プラットフォームはまた、Mask R-CNNと呼ばれる深層学習モデルを用いて顕微鏡画像を自動解析する。自動化されたAIイメージングシステムが一度にmiRNAシグナルをキャプチャし、AIシステムが蛍光シグナルを識別・分類し、異なるmiRNAタイプを区別するため、手動カウントが不要になり人為的エラーが減少する。合成miRNAを生物学的抽出物に添加したテストでも良好な性能を示し、より現実的なサンプル条件下で確実に動作することが示唆された。
研究者らによれば、プラットフォームはサンプル中わずか数分子という極低濃度のmiRNAを検出でき、異なるテストチャネル間で99%以上のターゲット識別精度を達成した。
研究の第一著者であるNTUデジタル分子分析科学研究所（IDMxS）の博士課程学生、ボーウェン・フー（Bowen Fu）氏は、「私たちの目標は、複数のmiRNAを高感度かつ高スループットで直接測定できるプラットフォームを作ることでした。ナノフォトニックシグナル増強とAIベースの画像解析を組み合わせることで、数千のナノキャビティにわたる微量のRNA分子を数分以内に検出することができました」と述べている。
チェン教授はさらに、「このプラットフォームが将来的に血液、唾液、尿などのサンプルからバイオマーカーを分析できる可能性を探っています。これにより、より侵襲性の低い分子検査が可能になるかもしれません。また、このデバイスは製薬会社のmiRNA関連薬剤試験にも役立つ可能性があります」と付け加えた。
独立した専門家コメント
タントックセン病院（Tan Tock Seng Hospital）の消化器・肝臓内科コンサルタントで、ヒト遺伝学、腸内マイクロバイオーム、代謝疾患を専門とする臨床科学者のサニー・ウォン・ヘイ（Sunny Wong Hei）准教授は、研究結果について次のように述べた。「臨床的な観点から見ると、主要な unmet need の一つは、非侵襲的バイオマーカーを用いた疾患の早期発見とモニタリングです。マイクロRNAはこの点で長らく可能性が認識されており、特にがんにおいて顕著です。複数のマイクロRNAを正確に検出できるプラットフォームは、がんの早期発見、患者のリスク層別化、治療反応や再発のモニタリングなど、大きな臨床応用の可能性を秘めています。このような技術は、腫瘍学およびさまざまな疾患において、よりアクセスしやすく正確な臨床判断を可能にする可能性があります。」
チームは今後、臨床医や業界関係者と協議し、他のマイクロRNAマーカーに関するさらなる試験を拡大する方法を模索する予定である。