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SCIENTIFIC AMERICAN November 2015

Disease Detector

病原体ナノセンサー

By Shana O. Kelley S. O. ケリー
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Why is it so difficult to diagnose an in­­fec­tious disease on the spot? We measure vital signs such as temperature or blood pressure routinely, yet we have no quick way to pinpoint the cause of most infection. Our inability to identify harmful bacteria and viruses costs patients dearly. During the several days or so that doctors usually take to identify bacteria and viruses, illnesses spread and may get harder to treat, and the most vulnerable patients—newborns, the elderly, anyone with a weak immune system—can die.  感染症をその場で診断するのがこれほど難しいのはなぜか? 体温や血圧などは常にチェックされているものの,多くの感染症については原因を素早く特定できる方法がまだない。有害な細菌やウイルスを特定できないと,患者はひどいことになる。病原体の特定には数日ほどかかるのが普通で,この間に病気が進行して治療しにくくなり,新生児や高齢者,免疫系の働きが低下している人など,体力の弱い患者の多くは命を落としかねない。
These delays happen amid all the advantages of high-tech medicine. Consequences are even worse in small clinics in Africa, where it can take many more days to get test results. In that time, malaria patients can be mistakenly treated for typhoid, or Ebola patients can go unquarantined.  この遅れは恵まれたハイテク医療機関でも生じている。アフリカの小さな診療所では検査結果を得るまでにさらに何日もかかり,状況はもっと悪い。その間,マラリアの患者に誤って腸チフスの治療を施したり,エボラ出血熱の患者を隔離しそこなったりする。
Tests move so slowly because the molecular fingerprints of specific infections are hidden in the human body, obscured by an abundance of normal proteins and particles. In one sample of blood, there can be just 1,000 bacteria-specific molecular markers floating among trillions of irrelevant molecules. It takes a long time for expensive, complex machines, operated by highly trained scientists in specialized laboratories, to find a large enough group of target molecules to set off an alarm.  検査に時間がかかるのは,それぞれの感染症に特有な分子が人体のなかで大量の正常なタンパク質などに紛れて隠されているからだ。1滴の血液試料中に含まれる病原菌特有の分子マーカーはたったの1000個ほどで,それが何兆個もの無関係な分子に紛れて漂っている。十分な数の標的分子を見つけて警告を発するには,高度な訓練を受けた科学者が高価で複雑な装置を特別な実験室で操作して調べるので,長い時間がかかる。
We are now on the verge of doing much better. In­­stead of wasting time and endangering lives transporting samples from patients to testing facilities, we can find the molecules of disease right away, identifying them in a doctor’s office while the patient waits 20 minutes. We can do this with nanoscale probes, tiny sensors just a few billionths of a meter in diameter that are nestled in a small, plastic cartridge. Place a drop of blood in the cartridge and get the results. These probes react quickly to low levels of bacterial DNA, in part because they are about the same size.  だが,うまい方法が生まれつつある。検体を検査施設に輸送して時間を無駄に費やし命を危険にさらすのではなく,病気の分子をすぐに発見して,患者が診療所で20分待っている間に結果を特定できる。小さなプラスチック容器に収めたナノスケールの検出器,直径が10億分の数mしかない小さなセンサーがこれをこなす。プラスチック容器に血液試料を1滴たらせば結果が出る。これらのプローブが低濃度の病原菌DNAに素早く反応するのは,ひとつにはその大きさがDNA分子とほぼ同じだからだ。
Size matters. A small wave will not shake a battleship, but it will rock a little rowboat in a clearly noticeable way. It might send spray over the sides, startling the rower. Our nanoscale probes respond to their surroundings—fluid in a blood sample—in ways that would go unnoticed by a larger sensor, and we can see that happen very quickly.  サイズがものをいう。小さな波は戦艦を揺らすことはないけれども,小さな手漕ぎボートにははっきりわかる影響を及ぼすだろう。ボートの側面に小波が当たってしぶきを上げ,漕ぎ手を驚かす。私たちのナノプローブは周囲の環境(血液試料中の液体)に反応し,従来の大きなセンサーでは気づかなかった事柄を素早く検知できる。