コンタクトレンズ上の実験室：セロトニンでストレスを測る

「コンタクトレンズ型ラボ」が涙液中の神経伝達物質セロトニンを測定できることを、新しい研究が示した。ストレスレベルを非侵襲的に分析する、まったく新しいウェアラブル手法につながるかもしれない。

「涙は、時間をかけて繰り返し測定できる、実用的で非侵襲的な生化学情報源になり得ます」と、ロサンゼルスのTerasaki Institute for Biomedical Innovationで生体医用工学デバイスセンター長を務めるYangzhi Zhu氏は言う。「現在、ほとんどのバイオマーカー検査は採血か単発のラボ測定に頼っており、得られるのはある瞬間のスナップショットにすぎません。コンタクトレンズベースのウェアラブルプラットフォームは、いずれ日常生活の中で生化学的変化をより継続的に追跡することを可能にするかもしれません。」

ストレスは、うつ病や統合失調症など多くの疾患の発症に関わっている。現在、医師がストレスを評価するのに用いるのはアンケートや日記が一般的だが、これらの方法は主観性が強く、正確な判断が難しい。今回の新しい研究で、研究者たちはセロトニンを測定するデバイスを作ることで、ストレス評価のより客観的な方法を提供できないかと考えた。セロトニンはしばしば「幸せ」ホルモンと呼ばれ、気分の調節に中心的な役割を果たす。主に消化管、血液、神経系に存在するが、涙液中にも少量が検出される。そこで科学者たちは、涙液がセロトニンレベルを分析するための非侵襲的で入手しやすい経路になり得るかを調べた。しかし、セロトニンの濃度はごく低いため、「センサーは極めて高感度であると同時に、セロトニンを涙液中の他の分子と区別できなければなりません」とZhu氏は言う。

スマートコンタクトレンズの開発

Zhu氏とチームは、柔らかく再利用可能なハイドロゲルレンズを作製し、その中に柔軟で生体適合性のあるグラフェン電極と銀電極を封入した。電極は蛇行パターンで印刷され、繰り返しの変形に耐えられるよう設計されている。彼らはフェロセンと呼ばれる化合物をグラフェンに結合させ、安定して再現性のある形でセロトニンの検出を助けた。

研究者たちはこのスマートコンタクトレンズを、セロトニンを添加した市販の人工涙液を使い、実験室のシャーレでテストした。レンズは1リットルあたり72兆分の1モルという低濃度のセロトニンを検出できた。これはヒトの涙液中の平均セロトニン濃度である約1リットルあたり150億分の1モルを大きく下回る。実験ではまた、レンズが28日以上にわたる繰り返しの折り曲げ、折りたたみ、引っ張り、ねじりを経ても機能を保つことも示された。

科学者たちはさらに、10人のボランティアから採取した涙液を使い、シャーレでこれらのレンズをテストした。採取のタイミングは、各人が2つのストレス課題（公開スピーチと数学の課題）を終える5分前、終了直後、そして約30分後の3回。予想どおり、涙液中のセロトニンレベルはストレスの増加に伴って低下した。

さらに研究者たちは、麻酔をかけた生きた豚の目にレンズの1枚を約5分間載せた。セロトニン濃度50ナノモルと100ナノモルの人工涙液を目に点眼すると、レンズはセロトニンを検出できた。レンズは感染や刺激の兆候も引き起こさなかった。

「私たちは軟性コンタクトレンズプラットフォームを使って、レンズの透明性、柔軟性、快適性に関わる特性を保ちながら、涙液中のごく低濃度のセロトニンを検出できました」とZhu氏は言う。

実験室と豚でレンズによるセロトニン検出を行う際、科学者たちは柔軟でしなやかなニッケル線でレンズを読み出し装置に接続した。Zhu氏と同僚たちはすでに、小型化した近距離無線通信（NFC）チップと伸縮可能なアンテナを組み込んだ、概念実証版のワイヤレスレンズを開発している。これによりバッテリー不要のセンシングとスマートフォンベースのデータ転送が実現する。ただし、さらなる最適化、安全性試験、検証が必要だと彼らは言う。（Zhu氏によれば、これらのレンズの矯正用バージョンを作ることも可能だという。）

非侵襲的生体センシングの展望

全体として、「この研究はウェアラブル生体センシングのエキサイティングな方向性を浮き彫りにしていると思います——心拍数や体温といった物理的信号を超え、分子的な情報の継続的モニタリングへと向かう方向です」と、カリフォルニア工科大学の医用工学教授で、この研究に関わっていないWei Gao氏は言う。「目と涙液はそのための興味深いインターフェースです。採血なしに繰り返しの生化学測定を可能にするかもしれないからです。」

科学者たちがマウスの活動を1日数時間制限することでストレスを高める実験では、研究者たちはマウスの血液と涙液中のセロトニンレベルが同程度に低下することを見出した。この発見は、涙液が血液中のセロトニンレベルを非侵襲的に反映できる可能性を示すが、医師がこれらのレンズを医療に使う前に、さらに多くのテストが必要だとZhu氏は言う。

「涙液中のセロトニンが、個人差、時間帯、ストレス条件、眼表面の状態、疾患条件によってどう変化するのか、またこれらの測定値が血液バイオマーカーや臨床評価とどう関係するのかを理解する必要があります」とZhu氏は言う。

研究者たちはレンズでセロトニンを測定する一方で、涙液のラボ検査でストレスホルモンであるコルチゾールも測定した。コルチゾールのモニタリングにはすでにさまざまな技術が開発されている。たとえばパッチを使って汗や皮下間質液中のコルチゾールを測定する方法などだ。セロトニンとコルチゾールを同時に測定すれば相補的な情報が得られるとZhu氏は言う。コルチゾールはストレスへの即時的・短期的な反応を反映するのに対し、セロトニンはその人が長期的に直面している状況を描き出す。セロトニンの検出はより難しく、それが自分たちの技術で何ができるかを示していると同氏は付け加えた。

Zhu氏によれば、将来科学者たちはレンズでセロトニンだけを測定するのにとどまらず、複数の分子を同時に分析することで「その人の生理状態をより包括的に理解する」ことを目指している。「長期的な目標は、日常生活の中で生化学的変化を長期間追跡できる、快適なウェアラブルプラットフォームを開発することです。」

科学者たちは9月16日、彼らの発見を『Science Translational Medicine』誌で詳しく発表した。

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