事業成果

新型コロナウイルスの感染が拡大し、日本国内でも感染者が増え続ける日が続いた。そのさなかに問題となったのは、新型コロナウイルス（SARS-CoV-2）の感染診断に、時間と手間と費用がかかることだった。

今回、渡邉力也主任研究員らの共同研究グループは、理学と工学の異分野融合研究を推進。SARS-CoV-2由来のウイルスRNA（リボ核酸）を「1分子」レベルで識別して、5分以内に検出できる革新的技術の開発に成功した。今回の成果は、世界最速^※1の新型コロナウイルス検出法で、「CRISPR-based amplification-free digital RNA detection；SATORI法」と命名された。

SATORI法は従来のPCR検査のように核酸を増幅させないため、エラーが少なく、5分以内に新型コロナウイルスRNAを1個ずつ識別して検出できる。また、検出感度は5フェムトモーラー^※2で、新型コロナウイルス感染者の検体中のウイルスRNA量を高感度で検出可能。しかも、ランニングコストは9ドル程度と安価だ。

本研究成果は、新型コロナウイルス感染症（COVID-19）などの超高感度・迅速診断装置の開発を含む、次世代の感染症診断法の核心技術として、応用展開に期待が集まる。

※1 2021年7月現在

※2 フェムトモーラー
「fM」と表記。1fMは1000兆分の1［10^-15］モーラー。モーラーとはモル濃度のことで、濃度を表す方式の1つ。溶液1 L中の溶質をモル数で表したもので、単位は[mol/L]

現状の新型コロナウイルス感染診断では、主にタンパク質抗原を検出する方法（抗原検査）と、ウイルスRNAを増幅して検出する方法（PCR検査）^※3が利用されている。この2つはそれぞれスクリーニングや確定診断など、用途に応じて使い分けされている。

感染が疑われる場合は、抗原検査を用いたスクリーニングを実施。抗原検査は、結果判明まで30分程度と迅速、かつ簡便にウイルスを検出できるため、スクリーニングには適している。ただし、検出感度の低さなどによる検出エラーの多さが問題となっている。

一方、スクリーニングの次の確定診断として用いられるPCR検査では、専門的な技術や装置を用いて、検体からRNAを精製。さらに増幅の過程を経て、ウイルスを検出する。PCR検査は感度が優れ、確定診断に適している。しかし、検出の前処理に最短で1時間程度がかかること、また増幅に起因する検出エラーも発生する。そのため大量の検体を迅速に解析し、診断することは困難だ。こうした状況下で、PCR検査の「感度の高さ」と、抗原検査の「迅速・簡便さ」を両立させる新しいウイルス検出法の開発が急がれていた。

※3 PCR法
PCR（polymerase chain reaction）法は、ポリメラーゼ連鎖反応法のこと。生物の遺伝子を増幅させ、検出可能な量まで増やしていく方法。

SATORI法は、渡邉主任研究員グループが専門とする「マイクロチップを利用した酵素反応の1分子検出技術^※4」と、東京大学の西増弘志・濡木理グループが専門とする「核酸切断酵素CRISPR-Cas13a（Cas13a）^※5」に関する先進技術を融合させたものだ。特定のRNA配列を認識する「Cas13a」と、蛍光レポーター^※6の混合液をバイオセンサーとして利用し、検体中の標的となるウイルスRNAの有無を高感度・高精度、しかも迅速に検出する。

※4 マイクロチップ技術
半導体製造プロセスを活用して、微細構造をチップ上に造形する技術。本研究では、容積3フェムトリットルという世界最小レベルの微小試験管を、約100万個集積したマイクロチップを造形した。

※5 核酸切断酵素CRISPR-Cas13a
多くの細菌は、異物が体内へ侵入した際に獲得される「CRISPR-Casシステム」と呼ばれる獲得免疫システムを持っている。同じ異物が再度体内へ侵入した際は、前回の記憶でこの免疫の仕組みが働き、その異物が除去される。CRISPR-Cas13aはCRISPR-Casの1つで、ガイドRNAと複合体を形成すると活性化。標的となるRNAを切断する。

※6 蛍光レポーター
標的RNAとCas13aの複合体を検出するための蛍光性の機能分子。この分子は、5塩基のオリゴRNAから構成され、その5'、3'末端がそれぞれ蛍光基と消光基で標識されている。通常、蛍光は消光しているが、標的RNAによって活性化されたCas13aによって、オリゴRNAが切断されると、蛍光基と消光基が物理的に解離し、結果として、蛍光シグナルが得られる。

1）核酸切断酵素 Cas13aと蛍光レポーターの混合液に、ウイルスRNAを混ぜる。するとウイルスRNAとCas13aの複合体が形成される。
2）複合体が形成されるとCas13aの酵素活性がオンとなり、蛍光基と消光基がつながった蛍光レポーターが切断される。
3）3フェムトリットル（fL、1f Lは1000兆分の1リットル）の微小試験管が100万個集積されたマイクロチップアレイに、（2）の複合体と蛍光レポーターの混合液を小分けにして封入。Cas13aの切断活性で、ウイルスRNAが存在する試験管だけ、蛍光シグナルが1分以内に大きく上昇。
4）蛍光シグナルの有無を確認し、そのデジタル信号からシグナル有の微小試験管の個数をカウント。カウントされる試験管の個数が検体中のウイルスRNAの個数に相当する。試験管のサイズは、大腸菌とほぼ同じ大きさ。ウイルスRNAを1分子レベルで判別・検出できる。

SATORI法を用いれば、5分以内にウイルスRNAを1個ずつ識別して検出できる（図3a）。検出感度は、5フェムトモーラー^※2。これはウイルスRNAの量で表すと、1マイクロリットル（μL、1μLは100万分の1リットル）あたり約10³個となる（図3b）。この感度は従来の抗原検査法（10⁴～10⁵個/μL）と比較すると10～100倍高く、PCR検査（10～10²個/μL）と比較すると10～100倍低いということになる。

ただし、SARS-CoV-2感染者の検体中のウイルスRNA量は、10³～10⁶個/μLである。そのことからSATORI法は、SARS-CoV-2の感染診断を実施する上で必要な感度を満たしているのが分かる。

SATORI法は、ウイルスRNAを世界最高速度で検出できる革新的技術である。また、SATORI法のランニングコストはおよそ9ドルで、PCR検査の5ドル程度とほぼ同等。今後は安価で、素早く多種のウイルス感染症を正確に診断できる、次世代の感染症診断法となることが期待される（図4）。

さらにSATORI法への期待は、それだけではない。SATORI法は、疾患バイオマーカーの検出などにも活用可能だ。その機能を活かして、がんなどの基礎疾患の早期・層別化診断などを目指す、次世代のリキッドバイオプシー^※7の技術基盤となることにも注目が集まる（図4）。

本研究成果は特許出願済みであり、今後は実用化を希望する企業との研究開発を進めていく予定だ。

※7 リキッドバイオプシー
血液や尿など、身体への負担が少ない液性検体の解析を基盤とした、基礎疾患・感染症の診断方法。