SHERLOCK試験紙 – 病気早期発見のための新しいツール

・SHERLOCKと名付けられたCRISPRベースの新しいツールは、デング熱、HPV、ジカ熱など多くの病気や感染症を検出することができます。

・高価な装置を追加することなく、指定されたサンプル中にある目的の分子を確認することができます。

 

ハーバード大学とMITの研究チームは、安価で高感度なCRISPRベースのツール「SHERLOCK」と、単一の遺伝子シグネチャーの検査結果を表示するシンプルな試験紙を開発しました。高価な装置は必要なく、結果を肉眼で見ることができます。

 

この紙には、検査結果が妊娠検査薬のように表示されます。試液に浸してしばらくすると、濃い線が現れ、目的の原子・分子が試液中に存在するかどうかを示します。

 

さらに、試液に含まれるターゲットの量を正確に定量する機能を追加して、SHERLOCKの感度を上げ、一度に複数のターゲットを特定できるようにしました。では、具体的にどのようなことが行われたのでしょうか。

 

SHERLOCKの新バージョン

2017年、チームは遺伝子組み替えの用途を超えてCRISPRシステム（細菌のDNA配列グループ）を活用するSHERLOCK（Specific High Sensitivity Reporter unLOCKing　特定の高感度レポーターロック解除の略）を発見しました。現在は腫瘍DNAや病原体を含む遺伝的シグネチャを迅速かつ正確に検出する能力が加速しています。

 

研究チームはこれまで、SHERLOCKが幅広い用途に使えることを実証してきました。今回は、デングウイルスと合成ジカ熱の同時測定や、肺がん患者の無細胞腫瘍DNAの検出などに使用しました。

 

研究者は、これらの改良により、より多くの診断データが得られるようになり、実用的なシステムに近づいたと言っています。

 

試験紙の結果

以上のように、SHERLOCKを使えば、機器を使わずにサンプル中にターゲットがあるかどうかを確認することができ、現場での診断に大きく近づくことができます。

 

画像元: Zhang lab/Broad Institute of MIT and Harvard

 

上の画像でわかるように、左側の未使用の試験紙には何のマークもありません。真ん中の試験紙はマイナス、右の試験紙はプラスのSHERLOCKが表示されています。変異の検出や感染症の診断に加え、農業や産業への応用も可能で、サプライチェーンに沿った工程の分析と観察により、安全性の向上や廃棄物の削減が期待できます。

 

当初、SHERLOCKは一度に1つの核酸配列しか検出できませんでしたが、現在では1つの検査で最大4種類のターゲットに対して化学反応による蛍光シグナルを出すことができます。例えば、デングウイルスやジカウイルス（どちらも症状が似ている）の粒子であるかどうかを、1回の反応で確認することができるのです。

 

どのように使うのか?

 

SHERLOCKの機能は、CRISPRに関連するタンパク質であるCas13がベースになっています。RNAの特定の部分に結合するようにプログラムすることができます。あらゆる遺伝子配列が、Cas13の標的として機能する可能性があります。これには、ウイルスゲノム、癌を引き起こす突然変異、バクテリアの抗生物質耐性を与える遺伝子などが含まれます。 さらにシグナルを生成するために、SHERLOCKは複数の生物種に由来するCas12aおよびCas13の酵素を使用しています。

 

特定の条件では、Cas13が標的を特定し切断すると、酵素の負荷が増えすぎて、目的なしに近隣のRNAを切断します。研究者らはSHERLOCKを構築するために、このオフターゲット活性を利用し、RNAとDNAの両方をサポートするシステムを構築しました。

 

SHERLOCKの診断能力は、追加されたストランド合成RNAによって変わってきます。Cas13はこのRNAが本来のターゲットにヒットすると切断し、シグナル分子を放出することで、サンプル中にターゲットが存在することを示します。

 

具体的には、ファーマコゲノム治療薬の開発におけるマルチプレックスジェノタイピング、共存する病原体の判定、フィールドにおける遺伝子組み換え生物の検出などに利用できます。また、迅速な等温読み取りにより、循環DNAのような希少種であっても、携帯型リーダーのない場所で検出することができます。

 

新バージョンのSHERLOCKは、従来のものよりも100倍感度が高くなっています。これは、血液中の無細胞腫瘍DNAを検出するようなターゲット濃度が極めて低い場合、非常に重要なことです。もちろん、次世代の「SHERLOCK」はさらに感度が高くなる予定です。

 

今後は?

将来的には、溶液を用いたカラー測定や ターゲットごとに複数の試験紙を使う複合型ラテラルフロー測定法も可能になるかもしれません。

 

この技術を商品化する前に、研究者たちはこのシステムが間違いなく正確であることを確認しなければいけません。このようなプラットフォームは最先端の機器や技術がない発展途上国にとって、本当に大きな進歩をもたらすかもしれません。