マイクロ流体を使用した新規治療用途の開発

私はマメド・トナーです。もともと機械工学を専攻し、その後バイオメディカル工学および科学のトレーニングを受けました。現在はマサチューセッツ総合病院、ハーバード大学医学部、およびハーバード大学・MITヘルスサイエンシズ＆テクノロジー部門の教員として、医学におけるバイオメディカル工学のさまざまな応用研究に取り組んでいます。具体的には、血液中の共通細胞を迅速に特定し、それらの生理学的変化を追跡することで、炎症や火傷、外傷を負った患者などの疾患状態における細胞の生理学的メカニズムを解明するといった研究を行っています。

また、先天免疫系の応答を理解しようとしたり、このような症例において血球がどのように炎症反応を調節しているかを解明しようとしたりする場合、およびそれらのゲノミクスやプロテオミクスを解析する場合についてです。こうした例において重要なのは、細胞の生理機能や発現レベルなどを変化させることなく、これらの細胞を回収することです。つまり、細胞の取り扱いによって生じるアーティファクトではなく、根本的な問題における自然な生理機能を調査することが目的となります。

その他の応用例としては、CD4陽性リンパ球のレベルなど、治療開始の判断基準となる標的細胞を測定できるグローバルヘルスチップのようなポイントオブケアデバイスが挙げられます。そのため、私たちはマイクロ流体マイクロチップ技術を用いて、CD4陽性細胞を検出し計数できるチップの開発に取り組んでいます。さらに、より高度な応用例として、いわゆる希少細胞検出があります。臨床医学において、通常は一般的な細胞を扱い、それらの細胞に基づいて患者の生理状態を把握しようとします。

しかし実際には、多くの生理学的または病理生理学的プロセスは、樹状細胞、幹細胞、調節細胞、あるいは癌の場合であれば循環腫瘍細胞など、はるかに希少な細胞によって制御されています。そのため、様々な治療への反応を実際に決定づける希少細胞の同定や、診断への利用に関心があります。このように、マイクロフルイディクスを用いて細胞をチップ上に配置し、数多くの診断および治療アプリケーションに活用することは、非常に幅広い展望を持っています。

マイクロフルイディクスの初期の研究は主に構築に重点が置かれており、集積回路などのアプリケーション向けに開発されたマイクロシステム技術のツールを活用し、マイクロフローサイトメトリー、マイクロ電気泳動システム、マイクロクロマトグラフィーシステムなどを開発するラボオンチップ概念のような小型化システムを適用していました。これらの小型化研究から、生物学的システムとマイクロシステムをどのように融合させるかについて多くの知見が得られました。しかし、この分野でこれまで欠けていたのは、いわゆる「ブロックバスター」と呼べるような、これらの技術による主要なアプリケーションや、臨床的に大きな影響を与える成功したアプリケーションでした。

私たちの研究室は、特に大規模な研究病院にあるため、これらの技術の有意義かつ実用的な応用法の探求に重点を置き、他の方法では解決できなかった課題を解決できる領域を見出すことに取り組んでいます。例えば、グローバルヘルスへの応用としてAIDSの場合、非常に安価で使い捨て可能であり、指先から採取した全血から陽性リンパ球を検出でき、ポイントオブケア機能を備えたチップが挙げられます。この技術が成功すれば、数百万人もの人々によって利用されることになるでしょう。

したがって、これらの作製、スケールアップ、および、近年、我々やこの分野の多くの研究者が注目している高インパクトなアプリケーションへの応用が重要となります。臨床医学や生物科学におけるこれらの技術の有意義な応用法の発見こそが、この分野における大きな進歩をもたらすと私は考えています。同様のツールは、細胞間相互作用の調査、細胞が環境刺激にどのように反応するかの調査、細胞や組織の微小環境の非常に精密な制御といった、基本的な生物学的プロセスの解明に向けた非常に巧妙な方法でも探索されています。これにより、生物学的応答を制御する根本的なプロセスの理解が可能になります。我々が取り組んでいる「リビングライブラリー」のようなコンセプトにおける応用例としては、異なる遺伝子を報告するラベル付きの細胞クローンを、非常に複雑なマイクロ流体ネットワークに導入し、1回の実験で数千もの異なる条件に曝露させることが挙げられます。

また、特異的なマーカーでタグ付けされたこれらの細胞（異なる遺伝子でタグ付けされた異なるクローン）のリアルタイムの遺伝子発現をモニタリングすることができます。私の考えでは、この分野における最大の課題の一つは、これらの基礎科学的な知見や、いわゆる画期的な技術を、どのようにして新しい治療法や有意義な生物学的応用に変換するかということであり、非常に多角的な専門知識を必要とする分野です。

アプリケーションに応じて、エンジニア、物理学者、生物学者、神経生物学者が必要になります。そのため、分野間の橋渡しをすることが、私の考えでは最大の課題の一つでした。初期の発見の多くは、生物学的な問題に関する十分なトレーニングや理解を持たないエンジニアや物理学者によって行われました。

しかし、より最近では、生物学者たちもこれらのツールに注目しており、ここ数年で異なる分野間の大きな隔たりが大幅に縮まってきています。これは、生物学側の関心に加え、我々のグループのような多角的な視点を持つ研究者が、これらのツールの臨床医学や生物学への応用を模索しているためです。私にとって、このような多角的なアプローチという側面は、これらのアイデアを実用化させる上で影響を及ぼす主要な課題の一つです。もう一つの課題は、アカデミアと産業界の橋渡しです。

これらのアイデアの多くはアカデミアで生み出されますが、それらは非常に複雑であり、細胞や複雑な生物学的プロセス、さらには複雑なエンジニアリング、製造、パッケージングの問題が関わっています。そのため、これらの技術の商用化に向けたトランスレーションには、多大な注意が必要です。その負荷の一部は、産業界が担っています。

業界において根本的なブレークスルーを実現させることは、特に臨床研究や生物学的試料が関わる場合、単純なプロセスではありません。そのため、この分野の多角的な性質と、アカデミアから産業界への移行という2つの大きなハードルが、今後数年間で取り組むべき主要な課題になると考えられます。しかし、これらの問題に取り組んでいるグループは数多くあり、私が「ティニー・テクノロジー（極小技術）」と呼ぶマイクロ・ナノテクノロジーの医学および生物学への応用には、非常に刺激的な未来が待っていると感じています。