新型コロナウイルス研究 ＃05

以前の研究で開発した、ガラスキャピラリーを用いる分析装置

遺伝子検査によく利用されるリアルタイムPCRは、「試料と試薬を混ぜた溶液を異なる温度で加熱処理し、蛍光シグナルを検出する」という操作を数十サイクル行うことにより、目的遺伝子の増幅・検出を行います。1サイクルの操作は、二重らせん構造のDNAを一本鎖に引き離す「熱変性」、一本鎖DNAとプライマーを結合させる「アニーリング」、DNA ポリメラーゼによって対となる塩基配列を構築する「伸長反応」、目的遺伝子の量を検出する「蛍光検出」が含まれます。これらの操作はペルチェヒーターを搭載したサーマルサイクラーと蛍光光度計が一体化した「リアルタイムPCR装置」により実行されます。この装置は、多数の検体を一挙に検査することが可能ですが、一つのヒーターを加熱・冷却させる必要があり、温度制御に時間を要します。一方、キャピラリーPCRは、溶液を入れたガラスキャピラリーを複数の定温ヒーター上や検出デバイス内を移動させることで加熱処理・検出を行います。キャピラリー内の溶液は数 µL と微少量であり、加熱・冷却を迅速に行うことが可能です。ヒーターの温度を変更する必要がなく、温度制御に必要な時間も短縮できます。キャピラリーPCRはリアルタイムPCRと比較して、少ない数の検体を迅速に検査することを得意とします。

本実験で用いる新型コロナウイルス感染症検査キットは、遺伝子増幅量の指標としてCyanine５(Cy5）という物質の蛍光を検出します。そこでまず、Cy5の蛍光を計測するための検出デバイスを作製しました。デバイスは、赤色 LED（光源）、励起光カットフィルター、フォトダイオード（光検出器）、3D プリンターで作製した構造体から構成されており、ガラスキャピラリーを挿入して簡単に蛍光を検出できる仕組みとなっています。市販のサーマルサイクラーを用いて、陽性コントロールと陰性コントロールがそれぞれ入った反応液のPCRを行い、その溶液を入れたキャピラリーをデバイス内に挿入すると、陰性コントロールを含む溶液では蛍光は検出されず、陽性コントロールを含む溶液で蛍光が目視で検出できました。この結果は、開発したデバイスを用いて増幅した遺伝子の量を評価できる可能性を示しています。また、キャピラリーPCRシステムを、リニアアクチュエータ、制御用電子回路(Arduino)、ヒーター、サーモスタット、電源、検出デバイスを用いて構築しました。アクチュエータの停止位置や停止時間のプログラムをArduinoに入力し、アクチュエータに固定されたガラスキャピラリーを前方・後方に移動・停止させることで、検体の加熱と蛍光検出の操作を自動化できます。実験から100サイクル以上の動作を安定して実行できることがわかりました。現在、開発したシステムを用いる新型コロナウイルス感染症検査を検討しており、装置の評価とともに実用化への準備を進めています。人々の安全・安心な暮らしを、分析装置の開発から支える研究をこれからも続けてまいります。