生体医学

COVID-19 との戦いを可能にする
光学とフォトニクス
ロバート・V・キメンティ
SARS-CoV-2 の初期シーケンスから、空気濾過で使われる紫外線 LED、そしてリアルタイム PCR などの分光法を用いた診断検査まで、光学とフォトニ
クスは COVID-19 との戦いを可能にしている。
近年の歴史の中で他のあらゆるイベ

ヘルスケアほどフォトニクスの影響を

rt-PCR のプロセスをよく理解するにントよりも、COVID-19 はこの 1 年間、大きく受けている産業はないと言っては、まず DNA 分子の基本的な構造を日常生活に大きな影響を与えた。パンも過言ではない。そこで、COVID-19振り返ることが重要である。DNA は 2デミックが世界を支配し続ける中、大パンデミック対策にフォトニクス技術本鎖の分子であり、アデニン（ A ）、シ衆はこれまで以上に検査、治療、消毒、がどう応用されているか、深掘りする

トシン
（C）
、グアニン
（G）
、チミン
（T）

ワクチン開発の最新情報を注視するよことにしよう。本稿では、COVID-19の 4 種類の核酸から構成される。アデうになっている。驚くべきことに、す検査でフォトニクスは現在どう応用さニンとチミンのみ、グアニンとシトシべてのメディアが注視する中で、これれているか探ると同時に、現在、フォンのみの結合様式をとり、塩基対を形らの進歩の多くはフォトニクスなしにトニクスが次世代技術をどう促してい成する。塩基対は、4 ビットのゲノム不可能だったという事実はほとんど注るか見ていこう。

コードを作り、DNA の自己複製を容目されていなかった。
「フォトニクスとは、可能にする技術である」という、コミュニティ内で易にする。

COVID-19 検査における蛍光の役割

通常の PCR では、DNA 鎖を変性させて「ほどく」ことにより、2 つに分けはよく言われるこの言葉は、COVID-

COVID-19 のアクティブな感染を診る。次に、ポリメラーゼと、対象とな19 に関してはこれ以上ないほど適切だ断するために最初に行う試験方法にるゲノムに合わせて設計した DNA コろう。なぜなら、生体医学がフォトニは、逆転写ポリメラーゼ連鎖反応（ rt-ードのプライマーを加える。ポリメラクスの影響を最も大きく受けた分野でPCR ）と呼ばれるプロセスが含まれてーゼは化学的プロセスを開始し、2 つあることは、疑いようのないことだかいる。PCR とは、DNA を指数関数的に分かれた DNA はそれぞれ適切な核らである。実際、遠隔通信を除いて、に増幅させる方法である。そのため、酸で「埋まり」、2 つの完全な DNA 分子が作られる。このプロセスを繰り返し、4 分子、8、16……と、DNA 総量

PPF

QQFP
Pは指数関数的に増加する。この増幅が起きるのは、DNA の塩基配列がプライマーの塩基配列と一致する場所のみである。そのため、COVID-19 の原因ウイルスであるSARS-CoV-2のように、特定の抗原の存在を確認するために選F
QPPQF択性の高い測定技術となっている。コロナウイルスは 1 本鎖の RNA ウイルスであるため、最初に RNA を DNA に変換する追加手順が必要となることに注

図 1 PCR 中の蛍光活性の模式図。P はポリメラーゼ、F は蛍光分子、Q は消光分子を示す。

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2021.5 Laser Focus World Japan意すべきだ。それゆえ逆転写が必要だ図 ２
抗 SARSCoV-2 抗 体 を検 出する SPR センサの模式図。

ルのインキュベーション時間のために総測定時間は数時間もかかることがある。
幸運なことに、Laser Focus World 誌
2020 年 8 月号で詳しく紹介されたように（ 2 ）、現在のパンデミック以前から、最新の分光技術が POC 医療診断の道Θを切り開いてきた。最も有望な POC
ザーレスクリーニング法は、表面プラズモン
光ダイオードアレイ共鳴（ SPR ）センサと、表面増強ラマン散乱（ SERS ）免疫測定の 2 つである。

こうしたことから、COVID-19に対すSPR センサによる POC 抗体検出

標的 DNA をタグ付けするために使るrt-RCT 検査とELIZA 抗体検査はす

表面プラズモンとは、金属と誘導体

うのは、片方の端に蛍光分子を、もうべて、単にフォトニクスに依存しているの界面における伝導帯電子のコヒーレン片方の端に消光分子を持つ低分子のではなく、根本的には光学分析である。

ト振動によって発生する表面波である。

が、結果は同じである。

RNA である。消光分子が近くにあると蛍光分子は不活化され、溶液中では活性がない。しかし、標的 RNA と結臨床現場における迅速スクリーニングの開発

その結果、表面プラズモンは、物質の誘導率（屈折率の平方根）の変化に非常に敏感である。それゆえSPR センサは、合した後は、ポリメラーゼによって蛍ELIZA や PCR 検査の価値が低く見屈折率測定、干渉法、分光法によって誘導率の変化を迅速に測定できる。

光分子が放出され、活性化する（図 1）。

られているわけではないものの、残念

PCR プロセスが繰り返させると、蛍光ながらどちらも臨床現場（ POC ）におSPR センターは、ガラス基板上に金、シグナルは最終的に検出できるほど強ける迅速な検査には適していない。例

銀、胴などの貴金属の薄膜を作ることくなる。従って、すべての PCR 検

えば、ELIZA は一般的に 96 ウェルプで構成される。ELIZA と同様の生化査システムには励起源（通常は LED ）、レートで行い、多数のサンプルを同時学的構造を用いて、金属表面に抗原を光検出器、複数の光学フィルタを必要に検査できるにもかかわらず、サンプ固定させる。センサ表面の抗原に抗体（1）とする。
抗体検出もまた、過去に感染したかどうかを判断したり、ワクチン接種の効果を確認したりするための強力なツールである。現在、抗体検査のゴール
ドスタンダードは酵素結合免疫吸着測定（ ELIZA ）だ。ELIZA 法は、抗体によって固定化される抗原から構成される。この抗原は、マイクロプレートアレイのウェル内に配置された基板と結合している。サンプルに触れると、血清中に抗体がある場合、抗原に結合する。レポーター分子をつなげた 2 次抗体をウェルに加え、比色法または蛍光で検出する。そのため、ELIZA 検査システムには rt-PCR 検査システムと同様の光学コンポーネントを必要とする。

図３ アフィニティ・インストゥルメント社のポータブルSPRシステムであるP4-SPR（同社提供）。

Laser Focus World Japan 2021.525

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図 ４ ARS-CoV2 のために機能化したバイオストリーム・ダイアグノ
スティクス社の磁気 SERS アッセイの模式図。

AuNP

Antigen
PMP

く簡素化され、現場の検査技師にとってはるかに直感的に操作できる。さらに、本体はたった175×155×55mmで、重さは 1.3kg 以下である。血清を直接測定できる性能と携帯性により、ポータブル SPR は POC 抗体検査において理想的なものといえる。

SERS アッセイによる
POC 抗原検出が結合すると誘導率がわずかに変化

2020 年 4 月、カナダのモントリール

し、表面プラズモンの共振周波数が変大（ University of Montreal ）化学教授化する。そのため、SPR は 2 次結合をでアフィニティ・インストゥルメント社

表面増強ラマン散乱（ SERS ）は、局必要とせず、迅速でラベルフリーな検（ Affinité Instruments ）CTO であるジ在表面プラズモン共鳴（ LSPR ）とラマ出が可能となる。

ーン・ フランソワ・ マソン氏（ Jean-ン散乱の組み合わせに基づいた増強技

図 2 に、レーザ反射を利用した SPR

François Masson ）が率いる研究チーム術である。現在、迅速な COVID-19 ス

センサの模式図を示す。この図はプロ

は、ポータブル SPR を用いて、血清原クリーニングを可能にするソリューシセスを簡単に理解するのに役立つが、液中の抗 SARS-CoV-2 抗体を定量する

ョンとして研究されている有力な候補

屈折率の測定では広帯域分光法がより手段として SPR を実証することに成功の 1 つだ。LSPR は、ナノ構造をした一般的な方法である。入射光が表面プした。マソン氏らは分析のために、貴金属を用いて表面電荷密度を局所的ラズモンに滞留しているとき、相殺的同社のモバイル SPR センサである P4-に増加させ、表面プラズモンの強度を干渉に対応してスペクトルディップがSPR を使 用 した（図 3 ）。P4-SPR は血増幅させることで、ラマン散乱の強度生じる。そのため、センサがより多くしょうや血清といった未処理の体液をを 106 倍にまで高める。この超高感度の検査対象物を収集することで透過ス分析するために設計されたもので、前と、ラマン分光法の本来の特異性が組ペクトルの極小がシフトし、極めて感処理をせずに直接機器にアプライできみ合 わさることで、SERS は COVID-度の高い定量が可能となる。

る。これにより、検査プロセスが大き19 の迅速な POC スクリーニングの有（3）力候補となっている。
ラマン分光法を用いて SARS-CoV-2の化学的指紋を直接検出しようとするチームは存在する。しかし、ナノ粒子やナノ構造の基板に抗原を十分に近づけ、同時にサンプル中の低分子によるラマン散乱を低減させるという課題がある。そのため、検査で再現性を確立させるのはほぼ不可能だ。そこで、より 典 型 的 な 方 法 は、ELIZA に 似 た
SERS サンドイッチ免疫測定を用いることである。
従来の SERS サンドイッチアッセイ
は、まず抗原特異的な抗体を金の固体基板に固定させる。そして、SERS ナノ粒子を、同じ抗体と高ラマン活性レ
図５ ブリティッシュ・コロンビア大でバイオストリーム・ダイアグノスティクス社の磁気 SERSアッセイを評価するヤエル・ニコール・スレイヴィン氏。

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ポーター分子で機能化させる。その後、基板へのサンプル注入、ナノ粒子の添加、洗浄、レーザ照射という 4 ステッ（ InPhotonics ）の光ファイバラマンプロ

ンサルタントを務めていることをここ

プの処理を行う。サンプルにウイルスーブ、米イノベーティブ・フォトニックソに記載する。上記の未発表結果も把握

抗原が含まれていれば、それがリンカリューションズ社（ Innovative Photonicしている。

ーとして機能し、機能化されたナノ粒Solutions ）の 785nm 波長の安定化ダイ

子と基板が結合し、レポーター分子のオードレーザ、オーシャンインサイト社

ラマンスペクトルが検出される（ Ocean Insight ）の温度制御分光計か。こ（4）のプロセスは非常に強力だが、洗浄スら構成される。

最後に今回は簡潔にするため、COVID-19
検査におけるフォトニクス応用に焦点テップでマイクロ流体機能が必要であ

このアッセイは、スレイヴィン氏のを絞った。しかし、UV-C 殺菌システるため、現場での配置には限界がある。

指導教官であるオラシオ・バッハ氏

ム（ 5 ）、（ 6 ）から光線力学的療法（ 7 ）まで、

また、唾液は粘度が高いため、非侵襲（ Horacio Bach ）が 開 発 し た SARS-COVID-19 対策の他の多くの側面にお的な検査はさらに困難となる。

CoV-2 特異的な特許抗体を使って作らいてもフォトニクスは重要な役割を果

カナダのバイオストリーム・ダイアグれた。バッハ氏は、バイオストリーム・たしていると知ることは重要である。

ノ ス ティク ス 社（ Bio-Stream Diagno

ダイアグノスティクス社のシニアリサ

SARS-CoV-2 ゲノムの初期シーケンス

stics ）は、固体基板を常磁性ナノ粒子

ーチサイエンティストで、ブリティッは、蛍光ベースの DNA シーケンシン（ PMP ）に置き換えた SERS 免疫測定

シュ・コロンビア大の IIRC プロテオミ

グがなければ不可能だっただろう。ジ法を開発している。このアプローチでック・抗体エンジニアリング施設の非ーン・フランソワ・マソン氏とのやり取は、システムの複雑性が劇的に改善さ常勤教授・マネージャーである。未発りの中で、彼は「 15 年前は配列を解読れる。なぜなら、金ナノ粒子（ AuNP ）表だが、彼らの研究成果には多くの期するのに数週間かかり、25 年前では数と PMP を同じ溶液中に保存できるた待が寄せられている。バイオストリー年かかった」と指摘する。さらにマソめマイクロ流体が不要になり、唾液サ

ム・ダイアグノスティクス社は現在、ン氏は、「次世代シーケンサーがあっンプルをバイアルに入れて撹拌し、磁カナダ全土の PCR 検査施設に展開すたからこそ、ワクチンや治療などの緩場を利用して濃縮できるからである。

るため、POC ラマンシステムのプロト和策によって迅速に対応できた」と述

図 4 に、バイオストリーム社のサンドタイプ 5 台の開発を依頼しており、比べる。このように、フォトニクスが現イッチアッセイの模式図を示す。ここ較データの収集を始めている。

在のパンデミックに対する次世代技術

では、PMP を持つ抗体と、レポーター透明性のため、本稿の著者は現在バを可能にするだけでなく、近い将来に分子と共有結合している AuNP との間

イオストリーム・ダイアグノスティクス

は病原体に対抗する上で重要な役割をに SARS-CoV-2 抗原が挟まれる。

社の研究・エンジニアリングチームのコ果たすことは間違いないだろう。

図 5は、カナダのブリティッシュ・コロンビア大（ University of British Columbia ）感染症学部の大院生で、バイオス
トリーム・ダイアグノスティクス社の研究チームの一員であるヤエル・ニコール・スレイヴィン氏（ Yael Nicole Slavin ）が、サンドイッチアッセイが含まれるエッペンドルフチューブにサンプルをピペッティングしている実験装置である。スレイヴィン氏の装置では、サンドイッチアッセイが含まれるチューブはネオジム磁石の真上に保持され、ナノ粒子は底に凝集する。その結果得られるペレットを、モジュール式のラマン装置で分析する。
この装 置 は、 米インフォトニクス社

参考文献（ 1 ）L. J. Carter et al., ACS Cent. Sci., 6, 5, 591-605（ 2020 ）.
（ 2 ）R. Chimenti, “ Laser-based point-of-care testing and biomodulation therapy have a bright
future, ” Laser Focus World, 56, 8, 30-32（ Aug. 2020 ）; https://bit.ly/LFW-Chimenti.
（ 3 ）A. Djaileb et al., ChemRxiv（ 2020 ）; https://doi.org/10.26434/chemrxiv.12118914.v1.
（ 4 ）R. Thomas, K. A. Bakeev, M. Claybourn, and R. Chimenti, Spectroscopy, 28, 9, 2-8（ 2013 ）.
（ 5 ）Y. Gerchman, H. Mamane, N. Friedman, and M. Mandelboim, J. Photochem. Photobiol. B:
Biol., 212, 112044（ 2020 ）.
（ 6 ）M. G. Strakhovskaya, G. A. Meerovich, A. N. Kuskov, S. A. Gonchukov, and V. B.
Loschenov, Laser Phys. Lett., 17, 9, 093001（ 2020 ）.
（ 7 ）N. Kipshidze, N. Yeo, and N. Kipshidze, Nat. Photonics, 14, 11, 651-652（ 2020 ）.
著者紹介
ロバート・V・キメンティは現在、米 RVC フォトニクス社（ RVC Photonics LLC ）の取締役であり、米ローワン大（ Rowan University ）物理天文学部の専任講師も務める。米デイトン大（ Universityof Dayton ）で物理学、フォトニクス、経営学の学士号を取得し、さらに電気光学の修士号を取得した。光学とフォトニクスの分野で 20 年近くのキャリアを持ち、主に振動分光を中心に新しいレーザと分光アプリケーションの開発に注力している。また、分析化学・分光学会連合（ FACSS ）にも深く関与しており、毎年開催される SciX 会議のワークショップ議長を数年間務めており、2021年の SciX 会議では実行委員長に就任予定である。

LFWJ
Laser Focus World Japan 2021.5

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