コロナウイルス検査の最前線にあるMEMS

アリッサ・M・フィッツジェラルド博士　2020年4月6日

世界保健機関（WHO）や米疾病予防管理センター（CDC）のプロトコルによると、すべてのCOVID-19試験プロトコルの要となるのは、リアルタイム逆転写ポリメラーゼ連鎖反応（RT-PCR）分析技術です。簡単に説明すると、PCRは、患者のスワブ検体中のDNAを増幅するために熱サイクルを利用し、蛍光光学検出でウイルスの特異的DNAを検索する装置です。この検査では、まずウイルスのゲノムを知る必要があります。SARS-CoV-2の全ゲノム配列を決定するという重要な研究は、2020年1月10日に中国の科学者によって初めて公表されました。

 

従来のPCR装置は、結果が出るまでの熱サイクルに何時間もかかりますが、MEMSベースのPCRシステムは、従来のものよりはるかに早く結果を出せます。熱質量がごくわずかなスケールヒーターと反応炉により、非常に高速な冷熱サイクルが実現し、数分で結果を出すことができます。

 

図1
（左）Northrup氏らが開発し、Cepheidにライセンス供与された初のMEMSシリコンPCRチップ
（右）Cepheidの検査カートリッジ
出典：1993年に横浜の学会でNorthrup氏らが発表した論文「DNA amplification in a microfabricated reaction chamber（微細加工された反応炉内でのDNA増幅）」の924～926ページ

 

MEMSベースのPCRシステムに関する研究は、1990年代初頭から着実に続いています。現在、研究者らは、特にポイントオブケア（臨床現場即時検査）用途向けに、高度に統合された低コストのシステム開発に注力しています。最近の研究の一例として、韓国のETRIとGenesystemのチームが、ポリイミドチャンバーやマイクロヒーター、光学読取用統合CMOS検出器を備えた低コストのハンドヘルドPCRシステムのプロトタイプを開発しました（図2）。

 

図2
（左）ポータブルPCRのプロトタイプにおけるチャンバー、加熱モジュール、統合光学検出器の断面図
（右）統合検査カートリッジ
出典：2019年にベルリンの学会で発表された論文「A Handheld and Battery-Powered Realtime Microfluidic PCR Amplification Device（ハンドヘルド電池駆動リアルタイムマイクロ流体PCR増幅装置）」の1063～1065ページ

 

韓国では、バイオテクノロジー企業の迅速な対応と新たなドライブスルー検査場の構築が、COVID-19の発生の特定と対策の実施に役立ちしました。Cepheidの検査も同様に効果的であることが期待されています。

 

重症急性呼吸器症候群（SARS）や中東呼吸器症候群（MERS）、現在のCOVID-19の蔓延により、MEMS技術によって迅速な検査が可能なPCR検査機は、ウイルスの蔓延に対抗する上で必須の医療ツールになってきています。開発が続けば、こういった重要な機器のコストも低減できるため、近い将来すべての医院にPCR装置が設置されることも期待できます。