シンガポールの南洋理工大学の科学者がコインサイズの

シンガポールの南洋理工大学の科学者は、わずか 30 分で血漿を分離できる ExoArc というコインサイズのチップを開発しました。これにより、現在の複数段階の遠心分離プロセスよりも便利で使いやすくなります。 ExoArc は、99.9% 以上の血球と血小板を除去することで高い血漿純度を達成し、バイオマーカー スクリーニングのための無細胞 DNA、RNA、細胞外小胞の迅速な臨床分析を可能にします。臨床的に検証された ExoArc は、90% の感度で非小細胞肺がんを正確に診断し、糖尿病などの慢性代謝疾患の精密医療に応用できる可能性があります。

Scientists at Nanyang Technological University, Singapore (NTU Singapore), have developed a coin-sized chip that can directly isolate blood plasma from a tube of blood in just 30 minutes, which is more convenient and user-friendly as compared to the current gold standard, multi-step centrifugation process.

シンガポールの南洋理工大学 (NTU シンガポール) の科学者は、わずか 30 分で血液チューブから血漿を直接分離できるコインサイズのチップを開発しました。これは、現在のゴールドスタンダードと比較して、より便利で使いやすいものです。 、多段階の遠心分離プロセス。

Named ExoArc, in just one step, it can achieve high blood plasma purity by removing more than 99.9 per cent of blood cells and platelets precisely and gently.

ExoArc と名付けられたこの装置は、わずか 1 ステップで 99.9% 以上の血球と血小板を正確かつ穏やかに除去することで、高い血漿純度を達成できます。

This will greatly speed up clinical analysis of the cell-free DNA and RNA molecules, as well as nanoparticles commonly known as extracellular vesicles. These particles are often used to screen for biomarkers that are tell-tale signs specific to certain cancers and diseases.

これにより、無細胞 DNA および RNA 分子、さらに細胞外小胞として一般に知られるナノ粒子の臨床分析が大幅に高速化されます。これらの粒子は、特定のがんや病気に特有の明らかな兆候であるバイオマーカーをスクリーニングするためによく使用されます。

Currently, the only way to isolate blood plasma is through using a centrifuge, which spins blood samples at high speeds, separating the blood cells from the plasma.

現在、血漿を分離する唯一の方法は、血液サンプルを高速で回転させて血漿から血球を分離する遠心分離機を使用することです。

However, even after two rounds of spinning in the centrifuge, there will still be some cells and platelets present in the blood plasma which can break down or degrade, releasing additional bio-content, thus leading to unwanted materials that affect the accuracy of diagnostic tests.

しかし、遠心分離機で 2 回回転させた後でも、血漿中には分解または劣化する細胞や血小板がまだ存在しており、追加の生体成分が放出され、診断検査の精度に影響を与える不要な物質が発生する可能性があります。 。

As a proof-of-concept, the team built a portable prototype device (measuring 30cm x 20cm x 30cm) to house the ExoArc chip (3.5cm x 2.5cm x 0.3cm), which has a large touch-screen interface to adjust settings, as well as internal pumps and pipings for the processing of blood samples and collection of the isolated blood plasma.

概念実証として、チームは ExoArc チップ (3.5cm x 2.5cm x 0.3cm) を収容するポータブル プロトタイプ デバイス (寸法 30cm x 20cm x 30cm) を構築しました。このデバイスには、設定を調整するための大型タッチ スクリーン インターフェイスが付いています。 、血液サンプルの処理と分離された血漿の収集のための内部ポンプと配管も同様です。

Together with clinician-scientists from National Cancer Centre Singapore (NCCS), Tan Tock Seng Hospital (TTSH), and the Agency for Science, Technology and Research (A*STAR), the team clinically validated ExoArc by analysing the microRNA profile of blood plasma in healthy people and cancer patients using a biomarker panel and found it was able to diagnose non-small cell lung cancer with a sensitivity of 90 per cent.

シンガポール国立がんセンター (NCCS)、タン トク セン病院 (TTSH)、科学技術研究庁 (A*STAR) の臨床医兼科学者と協力して、チームは血漿のマイクロ RNA プロファイルを分析することで ExoArc を臨床的に検証しました。バイオマーカーパネルを使用して健康な人とがん患者を対象に実験を行ったところ、90パーセントの感度で非小細胞肺がんを診断できることがわかりました。

As an innovation, ExoArc currently has two patent applications filed through NTUitive, NTU’s innovation and enterprise company and its study findings have been published recently in ACS Nano[1], a journal under the American Chemical Society.

イノベーションとして、ExoArc は現在、NTU のイノベーションおよびエンタープライズ企業である NTUitive を通じて 2 件の特許出願を行っており、その研究結果は最近、米国化学会傘下の雑誌である ACS Nano [1] に掲載されました。

Lead scientist of the study, NTU Associate Professor Hou Han Wei, said the team aimed to find a quicker solution that could replace the centrifuge, while still yielding high-quality plasma for disease screening and research.

この研究の主任研究者であるNTU准教授ホウ・ハン・ウェイ氏は、チームは遠心分離機に代わるより迅速な解決策を見つけながら、病気のスクリーニングや研究用に高品質の血漿を得ることが目的であると述べた。

“It has been nearly 160 years since the invention of the first centrifuge and about 50 years since modern high-speed centrifuges became a standard tool in laboratories [2]for preparing blood samples. Despite these advancements, separating complex liquids like blood, which comprises various cell types and a diverse range of biological materials, remains a challenge,” explained Assoc Prof Hou, a biomedical engineer from the School of Mechanical and Aerospace Engineering and Lee Kong Chian School of Medicine (LKCMedicine).

「最初の遠心分離機が発明されてから約 160 年が経過し、現代の高速遠心分離機が血液サンプルを調製するための研究室の標準ツールになってから約 50 年が経ちました。こうした進歩にもかかわらず、さまざまな種類の細胞や多様な生体物質で構成される血液のような複雑な液体を分離することは依然として課題です」と機械航空宇宙工学部およびリー・コンチアン大学の生物医学工学者であるホウ准教授は説明した。医学 (LKCMedicine)。

"By leveraging unique flow phenomenon in tiny channels in a chip that is about the size of a dollar coin, we can now efficiently separate small biological materials based on their size without using any physical membrane or filters. We have transformed this breakthrough technology into a device about size of a small desktop printer, featuring disposable plastic chips to prevent cross-contamination in clinical testing."

「1 ドル硬貨ほどの大きさのチップ内の小さなチャネルにおける独特の流れ現象を利用することで、物理的な膜やフィルターを使用せずに、サイズに基づいて小さな生体物質を効率的に分離できるようになりました。私たちはこの画期的な技術を、小型デスクトッププリンターほどの大きさの装置で、臨床検査での相互汚染を防ぐ使い捨てプラスチックチップを備えています。」

Co-author of the paper, Professor Darren Lim, Senior Consultant in the Division of Medical Oncology at NCCS and Director of Research at the SingHealth Duke-NUS Lung Centre, explained the importance of high-quality blood plasma.

この論文の共著者であるダレン・リム教授（NCCSの腫瘍内科上級コンサルタントであり、シングヘルス・デューク・NUS肺センターの研究ディレクター）は、高品質の血漿の重要性について説明した。

"Reducing contamination from degraded blood cells is crucial for the accuracy of diagnostic tests. Our study shows that this device allows quicker and more precise clinical diagnoses, significantly decreasing the waiting time for test results, reducing patients’ anxiety and ultimately improving their overall care. This is particularly significant for cancer treatment," said Prof Lim.

「劣化した血球による汚染を減らすことは、診断検査の精度にとって極めて重要です。私たちの研究では、この装置により、より迅速かつ正確な臨床診断が可能になり、検査結果までの待ち時間が大幅に短縮され、患者の不安が軽減され、最終的には全体的なケアが向上することが示されました。」これはがん治療にとって特に重要です」とリム教授は語った。

In another demonstration of its broad application, the team used ExoArc to study microRNA molecules from blood plasma samples from healthy individuals and those with type 2 diabetes mellitus using quantitative polymerase chain reaction (PCR).            

その広範な応用の別の実証として、チームはExoArcを使用して、定量的ポリメラーゼ連鎖反応（PCR）を使用して健康な人と2型糖尿病患者の血漿サンプルからマイクロRNA分子を研究しました。

From just one tube of blood, they identified 293 different microRNA molecules. The research team also found that the microRNA profile from plasmas and extracellular vesicles from individuals with type 2 diabetes had a different composition as compared to healthy participants. This suggests the potential of ExoArc in helping to isolate and identify disease-related biomarkers.

わずか 1 本の血液チューブから、293 個の異なるマイクロ RNA 分子が同定されました。研究チームはまた、2型糖尿病患者の血漿および細胞外小胞からのマイクロRNAプロファイルが、健康な参加者と比較して異なる組成を持っていることも発見した。これは、ExoArc が疾患関連バイオマーカーの単離および同定に役立つ可能性を示唆しています。

Associate Professor Rinkoo Dalan, Senior Consultant specialising in diabetes and endocrinology at Tan Tock Seng Hospital, said the initial results are promising and show the potential of ExoArc being able to help drive precision medicine.

タン・トク・セン病院の糖尿病と内分泌を専門とする上級コンサルタントであるリンクー・ダラン准教授は、初期の結果は有望であり、ExoArcが精密医療の推進に役立つ可能性を示していると述べた。

“This technology can help clinicians better predict and manage complications of chronic metabolic conditions like diabetes, by providing more accurate, timely, and individualised information. By detecting specific biomarkers accurately, we can tailor treatments to the unique needs of each patient, potentially improving outcomes and enhancing the quality of care,” said Assoc Prof Dalan, who is also a teaching faculty at LKCmedicine.

「このテクノロジーは、より正確でタイムリーな個別化された情報を提供することで、臨床医が糖尿病などの慢性代謝疾患の合併症をより適切に予測し、管理するのに役立ちます。特定のバイオマーカーを正確に検出することで、各患者の固有のニーズに合わせて治療を調整することができ、結果を改善し、治療の質を向上させる可能性があります」と、LKCmedicine の教員でもある Dalan 准教授は述べました。

ExoArc vs conventional centrifuge

ExoArc と従来の遠心分離機

The current gold-standard method of isolating blood plasma relies on centrifuges, which is not foolproof and is highly dependent on the skill of the technicians who manually extract the plasma after each spin.

現在の究極の血漿分離方法は遠心分離機に依存していますが、これは確実ではなく、遠心分離のたびに手動で血漿を抽出する技術者のスキルに大きく依存しています。

Even after two centrifugation rounds, which can take up to an hour, residual biological cells can remain in the plasma, potentially contaminating RNA tests and leading to inaccurate results.

最長 1 時間かかる場合がある 2 回の遠心分離の後でも、残留生体細胞が血漿中に残る可能性があり、RNA 検査を汚染して不正確な結果を招く可能性があります。

One of the key reasons is that blood tests are time-sensitive, requiring processing within a day or even a few hours to prevent the rapid degradation of biological material from cells. This breakdown introduces additional DNA, RNA or vesicles into the plasma, which can distort test outcomes.

主な理由の 1 つは、血液検査は時間に敏感であり、細胞からの生体物質の急速な分解を防ぐために 1 日以内、場合によっては数時間以内の処理が必要であることです。この分解により、追加の DNA、RNA、または小胞が血漿に導入され、検査結果が歪む可能性があります。

Laboratories typically wait to accumulate multiple blood samples before using the centrifuge, extending the isolation process by several hours. This delay combined with the extended duration of centrifugation and operator variability, sometimes makes it challenging to compare scientific findings between different research labs.

通常、研究室では複数の血液サンプルが蓄積されるまで待ってから遠心分離機を使用するため、分離プロセスが数時間延長されます。この遅れに、遠心分離時間の延長やオペレーターのばらつきが加わり、異なる研究機関間で科学的知見を比較することが困難になる場合があります。

Unlike the centrifuge machine which usually process multiple tubes of blood samples, ExoArc technology can be scaled up by designing multiple channels to simultaneously isolate blood plasma as and when blood samples are received in clinics or hospitals in a faster and more consistent manner.

通常、血液サンプルの入った複数のチューブを処理する遠心分離機とは異なり、ExoArc テクノロジーは、診療所や病院で血液サンプルを受け取ったときに、より迅速かつ一貫した方法で血漿を同時に分離する複数のチャネルを設計することによってスケールアップできます。

In future, this process could be automated into a one-step process, which would significantly reduce the time needed to prepare samples for testing and will streamline the diagnostic process, potentially helping to reduce overall cost. By adjusting the size-cutoff, this platform technology can also be used to isolate bacteria or viruses from blood or other biofluids.

将来的には、このプロセスはワンステッププロセスに自動化される可能性があり、これにより、検査用のサンプルの準備に必要な時間が大幅に短縮され、診断プロセスが合理化され、全体的なコストの削減に役立つ可能性があります。サイズカットオフを調整することで、このプラットフォーム技術を使用して、血液やその他の生体液から細菌やウイルスを分離することもできます。

The development of ExoArc is backed by a Proof-of-Concept and Proof-of-Value grant from the NTUitive Gap Fund, under the NTU Innovation and Entrepreneurship initiative. This initiative seeks to turn research into practical innovations that address societal challenges, like an ageing population, and generate significant economic benefits for Singapore.

ExoArc の開発は、NTU イノベーションおよび起業家精神イニシアチブに基づく、NTUitive Gap Fund からの概念実証および価値実証の助成金によって支援されています。この取り組みは、研究を実用的なイノベーションに変え、高齢化などの社会課題に対処し、シンガポールに大きな経済的利益をもたらすことを目指しています。

The study also included contributions from scientists at the Massachusetts Institute of Technology and the University of Texas Medical Branch (Galveston).

この研究には、マサチューセッツ工科大学とテキサス大学医学部（ガルベストン）の科学者らの貢献も含まれている。

[1] ACS Nano 2024, 18, 8, 6623–6637, Publication Date: February 13, 2024,

[1] ACS Nano 2024、18、8、6623–6637、発行日: 2024 年 2 月 13 日、

https://doi.org/10.1021/acsnano.3c12862

https://doi.org/10.1021/acsnano.3c12862

[2] Marshall Scientific. (n.d.). The history of the centrifuge. Retrieved from https://www.marshallscientific.com/the_history_of_the_centrifuge_a/349.htm

[2] マーシャルサイエンティフィック。 （未確認）。遠心分離機の歴史。 https://www.marshallscientific.com/the_history_of_the_centrifuge_a/349.htm から取得