Loading article…
紙ベースのバイオセンサーは、水中の病原体の存在を検出するために使用される紙ベースのマイクロ流体デバイスの一種です。紙ベースの検出デバイスは、低コスト、携帯性、使いやすさで高く評価されています。 [ 1 ] [ 2 ]特に携帯性の高さから、ポイントオブケア検査に適しています。[ 1 ]しかし、これらの検査法には限界もあり、科学者たちは精度、感度、および複数の汚染物質を同時に検査する能力を向上させるために継続的に取り組んでいます。[ 1 ]
紙は、リトマス紙が初めて報告された1800年代から分析化学で使用されており、その後、ペーパークロマトグラフィーやラテラルフローアッセイなどの技術に使用されてきました。[ 3 ]しかし、マイクロ流体アッセイの材料として認識されたのは2007年のことで、パターン化された紙がバイオアッセイの低コストプラットフォームとして提案されたときでした。[ 3 ] [ 4 ]
さまざまなアプローチを用いた紙ベースのバイオセンサーが数多く開発されている。[ 5 ]一般的に、病原体は比色法、電気化学法、蛍光法、化学発光法によって検出されるが、他のタイプのセンサーも存在する。[ 3 ]紙ベースのバイオセンサーの例を以下にいくつか紹介する。
水サンプル中の細菌の存在を検出できるとされている装置の一つは、細菌細胞の表面に存在するオリゴ糖と単糖の共通の性質を利用しています。これは、炭素電極が埋め込まれた疎水性紙を使用する電気化学装置です。高価な抗体を検出器として使用する代わりに、この装置はオリゴ糖と単糖に非常に特異的なコンカナバリンA （Con A）を使用します。 [ 1 ] Con Aは、カルボキシル基も備えた炭素電極に結合しています。[ 6 ]細菌の存在は一連の電気化学反応を引き起こし、これはポテンショスタットと呼ばれる装置を使用して測定されます。[ 7 ]この装置は、他のいくつかの装置よりも感度が低く、検出限界は1.9 × 10 3 CFU /mLです。[ 8 ]比較すると、ELISAの中には20 CFU/mLから1 × 10 4 CFU/mLの範囲のものもあります。[ 9 ] [ 10 ]
水サンプル中の大腸菌を特異的に検出するための複数のペーパーデバイスが報告されている。そのようなデバイスの1つは、β-ガラクトシダーゼ遺伝子を持つT4バクテリオファージの組換え体を利用している。水サンプルはメンブレンフィルターでろ過され、ろ紙は栄養培地を含むペーパーベースのデバイスにセットされる。その後、37 ℃で4時間インキュベートされる。次に、バクテリオファージとβ-ガラクトシダーゼ指示基質がサンプルに添加される。これにより細胞が溶解してβ-ガラクトシダーゼ酵素が放出され、基質が蛍光生成物に変換され、病原体の存在を示す。蛍光は発光イメージングデバイスを使用して検出される。このデバイスは大腸菌に対して非常に特異的であることが判明しており、エンテロバクター・クロアカエ、アエロモナス・ハイドロフィラ、サルモネラ・チフィムリウムの存在に対して試験された。[ 1 ] [ 11 ]検出限界は10 CFU/mL未満であり、非常に高感度であると考えられています。[ 12 ]
大腸菌を検出するために、DipTestと呼ばれる別の装置も開発されています。これは多孔質のセルロースろ紙を使用します。ろ紙の一方の端は疎水性材料でコーティングされ、もう一方の端は化学誘引物質（化学的性質に基づいて細胞を引き付ける物質）でコーティングされています。疎水性の端には、反応ゾーンにカスタマイズされた化学試薬が埋め込まれています。ろ紙を水サンプルに浸すと、大腸菌が存在する場合、ろ紙の一方の端にある化学誘引物質に引き寄せられます。細菌細胞は毛細管現象によってろ紙を上昇し、反応ゾーンに到達すると、試薬と反応してピンクから赤色に変化します。[ 1 ]
サルモネラ菌と大腸菌の両方を検出できる紙ベースのバイオセンサーの一つは、ナノ材料であるグラフェンを使用しています。このストリップはラテラルフローアッセイの一種で、テストラインは蛍光抗体標識CdSe / ZnS量子ドット（Ab-QD）をプローブとして構成しています。サンプルを塗布した後、酸化グラフェンが添加され、検出剤として機能します。ドナー分子とアクセプター分子の間でエネルギー移動が起こります。サルモネラ菌が存在しない場合、Ab-QDがドナーとして機能し、グラフェンがアクセプターとなるため、このエネルギー移動によってテストラインの蛍光が消光されます。一方、サルモネラ菌が存在すると、細菌細胞がAb-QDに結合する様式により蛍光が発せられます。ドナーとアクセプター間の距離が大きすぎてエネルギー移動が起こらないため、蛍光は消光されません。このストリップの検出限界は100 CFU/mLです。[ 1 ]
毎年、汚染された水に含まれる病原体が原因で160万人以上が死亡しています。[ 1 ]発展途上国では、水系感染症により1日に2,200人の子供が死亡しています。[ 13 ]世界保健機関（WHO）の基準では、飲料水として十分に清潔であるとみなされるには、100 mLのサンプル中に細菌が検出されないことが必要です。水の主な汚染物質は、カンピロバクター、クロストリジウム、サルモネラ、ブドウ球菌、アナベナ、ミクロシスチスなどの細菌、マンソン住血吸虫や無鉤条虫などの蠕虫、赤痢アメーバや十二指腸ジアルジアなどの原虫、エンテロウイルスや微胞子虫などのウイルスや真菌などの病原体です。コレラなどの水系感染症の発生は、19世紀と20世紀に何度かのパンデミックを通じて何百万人もの人々に影響を与えてきましたが、通常は不十分な廃水処理システムと一般的な衛生状態の悪さが原因でした。[ 1 ]しかし、これは数十年前の問題ではありません。2015年時点では、年間13億人がコレラのリスクにさらされており、年間286万件の症例と推定9万5千人の死亡者が出ていることが判明しました。[ 14 ]しかし、コレラは水系感染症の一例にすぎず、より広範には、世界中で7億8千万人が依然として清潔な飲料水を利用できていません。[ 13 ]
水中の汚染を検出する従来の方法は、非常に正確で感度が高いものの、多くの障害があります。多くの場合、コストがかかり、訓練を受けた技術者の操作が必要で、労働集約的です。[ 15 ]また、時間もかかります。たとえば、微生物学的アッセイでは、培地の準備に加えて、サンプルから病原体を培養して分離する必要があり、これには数日または数週間かかる場合があります。[ 1 ] [ 16 ]紙ベースのバイオセンサーは、これらの問題の多くに対処します。具体的には、材料としての紙にはいくつかの利点があります。サンプルは毛細管現象によってデバイスを通過するため、外部電源は必要ありません。その繊維ネットワーク構造により、必要な試薬を活性状態で保存できます。また、コスト効率が高く、表面積対体積比が高く、サンプルを効率的に吸収し、焼却によって簡単に廃棄できます。[ 1 ] [ 3 ]
一般的に、資源が限られている環境では、低コストで使いやすく、現場で迅速に実施できる水サンプル検査が有益となる可能性がある。さらに、在宅検査の必要性もある。紙ベースのバイオセンサーなど、適切かつ低コストの診断機器を広く普及させることで、疾病負担を軽減できる可能性がある。それだけでなく、より正確な疫学的症例データが得られ、疾病モデルの改善にもつながる可能性がある。[ 17 ]
この技術の最も重要な制限は感度、つまりサンプル中の非常に低いレベルの汚染物質を検出する能力です。最も感度の高いELISAの中には、20 CFU/mLという低いレベルの汚染物質を検出できるものもあります。[ 10 ] 特定の病原体の正確な識別という精度を向上させることに加えて、もう1つの課題は、病原体の種類を容易に区別できるバイオセンサーを開発することです。[ 1 ]最後に、紙自体の素材は多くの利点がある一方で、いくつかの欠点もあります。たとえば、紙デバイスがサンプルの流れの速度と方向をどれだけうまく制御できるかには限界があります。これは、問題となっているバイオセンサーによっては、複雑な化学化合物の取り扱いや多段階アッセイの管理に関して制限をもたらします。[ 3 ]