理研、血液中の新型コロナ抗体量の精密測定を30分でできるシステムを開発

理化学研究所(理研)は9月3日、ヒトの血液中にある新型コロナウイルス(SARS-CoV-2)に対する抗体の量(抗体価)を、30分程度で高感度測定できる「ウイルス・マイクロアレイ検出システム」を開発したと発表した。

同成果は、理研開拓研究本部伊藤ナノ医工学研究室の森島信裕特別嘱託研究員、同・礒島隆史専任研究委員、理研創発物性科学研究センター創発生体工学材料研究チームの柏木裕晴氏、同・秋元淳研究員、同・小布施聖研究パートタイマーI、同・伊藤嘉浩チームリーダー(開拓研究本部伊藤ナノ医工学研究室主任研究員)らの研究チームによるもの。詳細は、日本化学会の欧文学術誌「Bulletin of the Chemical Society of Japan」に掲載された。

新型コロナに感染しているか、もしくはワクチン接種により抗体ができたかどうかの抗体検査は、指先から採血し、免疫クロマトグラフィー法によって行われているが、早ければ15分程度で結果が出てくるが、定性的なものであり、感度は十分とは言えないという課題がある。一方、精密な定量検査を行うためには、より多くの血液を採取し、検査センターに送って調べる必要があり、ある程度の日数を必要とするという精度と時間のトレードオフの関係がある。

現在の新型コロナウイルス抗体の検査法。現在のウイルス抗体検査には、医療現場における免疫クロマトグラフィー法による簡易検査、もしくは検査センターにおける精密検査がある。検査時間と精度がトレードオフの関係にある (出所:理研Webサイト)

伊藤チームリーダーらは2003年に、生体由来物質など、有機化合物であれば何でも基板に固定化できる技術「何でも固定化法」を開発したことを報告しており、その後の改良を経て2013年、さまざまなウイルスを固定化して免疫感染履歴を測定できるシステムを発表しているほか、2019年には、41種類のアレルゲンを固定化したチップを用いた特異的IgE検査キット「ドロップスクリーン」を開発したことを報告し、こちらは2020年2月より日本ケミファより発売されている。

今回の研究では、このシステムを用いて、新型コロナを構成するいくつかのタンパク質を基板上にマイクロアレイ固定化し、それらに対する抗体があるかどうかを自動的に測定できるシステムとして、ヒトの血液中にある新型コロナに対する抗体の量(抗体価)を迅速に測定できる「ウイルス・マイクロアレイ検出システム」が開発された。

ウイルス・マイクロアレイ検出システムでは、まずマイクロアレイチップが作製される。

光架橋によるタンパク質固定化マイクロアレイチップ作製法。光反応性高分子を被覆したチップに、ウイルスに含まれるタンパク質試料液を吐き出し、乾燥後に紫外線を照射すると、光架橋によりタンパク質がチップに固定されたマイクロアレイチップが作製される (出所:理研Webサイト)

具体的には今回は、新型コロナ内部にあるヌクレオカプシドタンパク質、表面にあるスパイクタンパク質の3つのセグメント(S1、S2、RBD)をそれぞれ固定化したマイクロアレイチップを作製。検体血清中に各ウイルスタンパク質に対する抗体があると結合して発光することを確認したという。その際の血液量は20μlほどでよく、また抗体量の測定時間は約30分ほどで、感度は免疫クロマトグラフィー法の約500倍ほどとなることを確認したという。

SARS-CoV-2タンパク質を固定化したマイクロアレイチップによる抗体検出システム。(左)SARS-CoV-2は、主にヌクレオカプシドタンパク質(青)とスパイクタンパク質から構成される。スパイクタンパク質はS1領域とS2領域(黄)からなり、S1領域には、RBD(レセプター結合ドメイン、赤)が含まれる。(右)左の4種類のタンパク質をそれぞれ固定したマイクロチップを、カセットに装填。検体血清中にウイルスタンパク質に対する抗体があれば結合する。そして結合した抗体を酵素修飾抗体で検出して化学発光させ、その化学発光シグナルをCCDカメラで撮影して発光量を定量することで、それぞれの抗体の多寡が測定されるという仕組みである (出所:理研Webサイト)

また、ヒト血清をチップに滴下してスイッチを押すだけで、反応、洗浄、検出という一連の工程を完全自動で行う仕組みを採用しており、実際の医療現場の負担を減らすことも可能なのではないかとしている。

マイクロアレイチップによるウサギIgGの検出確認と感染回復患者検体のIgG定量。(左)4種類のタンパク質を固定したマイクロチップ。(中央)特異的ウサギIgGを用いた化学発光の検出例。(右)感染回復患者4人の血清検体中のヌクレオカプシドタンパク質に対するヒトIgGの定量例 (出所:理研Webサイト)

実際に、新型コロナタンパク質に対するウサギの抗体(免疫グロブリンG、IgG)と、感染回復患者4人の抗体(IgG)の検出を行ったところ、固定化されたタンパク質が特異的に抗体を認識できることが確認されたほか、感染回復患者のIgGの定量されたとする。また、新型コロナのスパイクタンパク質のRBDへの抗体が、2003年に流行したSARS(重症急性呼吸器症候群)のコロナウイルス(SARS-CoV)のスパイクタンパク質のRBDを認識しないことが最近報告されたことを受けて調べたところ、同システムにて、それを確認できたという。この結果について研究チームでは、両RBDのアミノ酸配列の違いが全体の約30％におよび、それにより免疫応答に違いが現れたことを示していると述べている。

研究チームでは、ウイルス・マイクロアレイ検出システムが実用化されれば、医療現場での精密検査が可能になることから、ワクチン接種の必要性などをその場で容易に判断できるとともに、将来のパンデミックに備えた疫学調査も容易に行えるようになるものと期待できるとしている。