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新規構造マイクロニードルによる疾患診断・治療デバイス

東北大学 材料科学高等研究所 助教　甲斐 洋行

2019年5月30日 JST新技術説明会

背景： 皮膚とマイクロニードル

表皮

真皮

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角質皮膚組織液

血液

皮膚組織液を分析することで皮膚や全身の状態が把握可能

多数のバイオマーカーを含有

物質拡散をブロック

マイクロニードルによる低侵襲な角質貫通→ 物質拡散バリアを迂回 　・皮膚組織液の採取・分析による生体センシング　・皮膚への高効率な投薬

マイクロニードル

双方向の物質拡散皮膚に投与された物質は血液を介して全身に拡散

背景： マイクロニードルによる投薬

ソリッド型マイクロニードルを用いた投薬方法

角質（皮膚再外層）のバリアを貫通して，皮膚内部に薬剤を直接投与 → 全身に循環

薬剤塗布型 溶解型 中空型ソリッド型

注射針と比べて刺す深さが浅く，低侵襲・安全・簡便

Y.-C. Kim et al., Advanced Drug Delivery Reviews, 64, 1547 (2012)

溶解型

中空型

様々な投薬方式・素材

背景： マイクロニードルによる経皮生体センシング

Joseph Wang’s group (UC San Diego, USA),Biosensors and Bioelectronics 2017, 91, 574.

エタノールセンサ グルコースセンサ（＋インスリン投与）

Joseph Wang’s group (UC San Diego, USA),Biosensors and Bioelectronics 2017, 91, 574.

Ryan F. Donnelly group (Queen’s University Belfast, UK),PLoS ONE 2015, 10, e0145644.

乾燥したハイドロゲルを皮膚組織液で 膨潤させて、別途抽出した後HPLCで解析ハイドロゲルをモデル皮膚に見立てて試験

Barillaro group (Consiglio Nazionale delle Ricerche Italy), Biosensors and Bioelectronics 2015, 66, 162.

グルコースオキシダーゼ（GOx）電極と 中空型マイクロニードルを接続

グルコースオキシダーゼが酸素消費 → ミセル構成分子が 還元反応し，ミセル崩壊 → インスリン放出（マウスで実証）

Zhen Gu group (UNC Chapel Hill, USA), PNAS 2015, 112, 8260.

グルコースオキシダーゼ（GOx） 電極の中空型マイクロニードル

Joseph Wang’s group (UC San Diego, USA), Electrochemistry Communications 2014, 47, 58.

Akira Matsumoto group (Tokyo Medical and Dental University, Japan),

Adv. Funct. Mater. 2019, 29, 1807369.

酵素を使わずに，グルコース 応答性のインスリン投与可能

センシングと投薬を組み合わせる手法も開発され始めている

新技術： 多孔質マイクロニードル電極

Continuous poresfor fluid transport

PolymerPerspective Cross section

Skin

Microneedle array

2 µm500 µm

L. Liu, H. Kai*, K. Nagamine, Y. Ogawa, and M. Nishizawa*, RSC Adv. 6, 48630 (2016); 特願2016-055428

10 µm 1 µm

• 多孔質の架橋アクリル樹脂からなるマイクロニードル• 毛細管現象による高速な吸水，多孔質構造による比表面積の大きな電極• 皮膚刺入に十分な先端形状・強度と，高速な吸水を両立

電子顕微鏡（SEM）画像指の上に載せた様子

皮膚刺入率

吸水時間

Pene

trat

ion

effic

ienc

y [%

]

Porogen ratio [%]200

0

20

40

60

80

100

80 1006040　細孔量 [%]　

刺入率 [%]

Porogen ratio [%]

1

101

102

103

200 80 1006040

Res

pons

e tim

e of

wat

er s

enso

r [m

in]

>720 min

　細孔量 [%]　

吸水時間 [min]

最適な バランス

新技術： 多孔質マイクロニードル電極

無電解金めっき

• 樹脂でできた多孔質マイクロニードルを無電解金めっき　→ 細孔内部まで金で被覆された，　　 比表面積の大きい電極• 自己組織化単分子膜（SAM）が形成可能

1.0

-0.20

-0.5-0.7-0.9Voltage (vs Ag/AgCl) [V]

Cur

rent

[mA

]

-1.1

0.20.4

0.80.6

SAMを形成したチオール

2回目の還元電流１回目の還元電流

サイクリックボルタンメトリー によるSAM形成確認

マイクロニードル表面を金被覆した多孔質電極グルコースセンサとしての利用グルコースオキシダーゼを修飾後， 溶液中での三極式測定

サイクリックボルタンメトリー

電流のグルコース濃度依存性

0

0

100

200

300

400

0.50.40.30.2Voltage [V]

Cur

rent

[µA]

0.1

350

300

250

200

150

100

50

0

Glucose concentration [mM]C

urre

nt a

t 0.4

V [µ

A]0 2015105

新技術の利点

これまでのマイクロニードル（MN）・中空MN：

◯ 電極をMN中央の空洞に設置するもので，グルコース，乳酸，カフェインなどを測定した基礎研究の例が多数 △ 微量な組織液を高感度・高精度に採取分析する仕組みは無い

・ハイドロゲルMN：◯ 高速に皮膚組織液を採取可能なハイドロゲルMNの報告あり△ 生体成分定量のためには別途抽出，分析のプロセスが必要

新技術◯ 多孔質MN電極の大きな比表面積を利用して，皮膚組織液成分を高感度・高精度に分析できるポテンシャルを有する→ さまざまな生体物質を高感度・高精度に測定することで，マイクロニードルによる経皮疾患診断の用途が広がると期待される

既存の大多数の研究では• 皮膚組織液に高濃度に存在する物質が測定対象• 模擬環境における特性評価

新技術の応用可能性

診断全身状態： 糖尿病（グルコース） ，ストレス（コルチゾール）など皮膚状態： 皮膚がん，アトピー性皮膚炎，乾癬　など

治療インスリン投与（糖尿病），抗がん剤投与（皮膚がん）など

次ページ以降のスライドで，「皮膚がん診断・治療パッチ」についての説明

（JST COIプロジェクトによる支援を受けた，　　東北大学，東京大学，山形大学の３大学共同研究）

0

30

60

90

120

年齢0 20 40 60 80

部位 罹患数全がん 1,014,000大腸 149,500胃 132,800肺 128,700乳房（女性） 89,100前立腺 86,100肝臓 41,900膵臓 39,800悪性リンパ腫 31,100腎・尿路（膀胱除く） 30,900皮膚 28,400子宮 28,100胆嚢・胆管 24,500口腔・咽頭 22,800食道 22,700膀胱 21,000甲状腺 19,200白血病 14,100卵巣 10,400多発性骨髄腫 8,200脳・中枢神経系 4,900喉頭 4,800

皮膚がん：見た目はシミ・ホクロ皮膚がん羅患率 （人口10万人あたり）

がん羅患数 （2017年予測）

良性・悪性の識別が簡便にできれば、 早期発見・死亡数の減少に貢献

0

5

10

15

年次1980 1990 2000 2010

出典：国立がん研究センター がん情報サービス「がん登録・統計」

年齢別（2012年）

年次推移（全年齢）

罹患率

罹患率

紫外線の 影響の蓄積

悪性 or 良性？

悪性良性A. Esteva, B. Kuprel, et al., Nature 2017

• 皮膚科専門医以外には識別が困難 • 目視による疑い例は，生検（組織採取）で確定診断へ

背景： 皮膚がんの診断

分子糊を修飾した多孔質マイクロニードル電極によるパッチ型ATPセンサ

多孔質マイクロニードル（東北大）

ATP応答性分子糊（東大）マイクロニードルの細孔表面に固定

マイクロニードルの細孔表面にセンサ分子を修飾 ・豊富な内部表面積による高いセンサ感度 ・刺し入れ時の摩擦から保護

ATP

延長ゲート型有機トランジスタフィルム（山形大）

金メッキしたマイクロ ニードルを電極に使用

マイクロニードル細孔表面の 分子の会合・解離や 酵素反応を検出

ATP濃度（悪性腫瘍の指標）に応じた接着制御 ・細孔表面からの解離 ・酵素の活性化、抗がん剤の放出

皮膚

皮膚がん

皮膚がん診断・治療デバイスのコンセプト

ATP濃度が高い

東北大学・東京大学・山形大学の３大学共同研究

パッチを皮膚へ刺し込み（無痛）

ATP金表面

抗ガン剤/分子糊

不活性化酵素/分子糊

活性化 解離

※ 分子糊に接着させる分子を変えるだけで、 診断・治療機能の組合せを変えられるポテンシャル

皮膚がんに刺すと、マイクロニードル表面から分子糊が解離して、 内包タンパク質の解放・活性化

治療

診断

皮膚がん

抗ガン剤

抗がん剤（抗PD-1抗体など）による皮膚がんの治療

酵素

ATP定量結果に基づく皮膚がんの診断

パッチによる皮膚がんの診断・治療

ATP濃度が高い

プルシアンブルー(PB, メディエータ)

グルコースオキシダーゼ

(GOx)

ATP応答性分子糊

金被覆表面

分子糊で不活性化

活性化

ATP 間質液のグルコースとGOxが反応⇒ ゲート表面のPBの電荷が変化⇒ トランジスタで検出

原理2

原理1ATPの結合で分子糊が解離

ATP 分子糊が金表面から解離する⇒ 表面の電気二重層が変化⇒ トランジスタで検出

金被覆表面

ATP応答性分子糊

—COO– 単分子膜（self-assembled monolayer; SAM）で金表面を修飾

塩橋形成 —COO– が露出

ATPの結合で分子糊が解離

分子糊によるATP検出の原理

• 分子糊のSAMへの吸着• ATP添加による（一部）解離

2 mMATP添加

10 µM分子糊添加

吸着 解離

時間 [min]50 1000

吸着量

[a.u

.]

水晶発振子マイクロバランス測定法（QCM）で吸着量を測定

• 分子糊のカルボキシSAMへの選択的吸着を確認• 現状，SAMへの吸着が強く，信号が弱い

マイクロニードルのSAM電極電位を外部電圧計で測定 カルボキシル基あり

カルボキシル基なし

40

-80

-40

0 40 80Time [min]

120Volta

ge (v

s A

g/A

gCl)

[mV]

0

分子糊追加

ATP追加吸着

分子糊の電極への吸着とATP応答性

平面金電極

✔ 分子糊のATP応答性の吸脱着を確認

分子糊と電極表面の構造最適化を検討中

企業との連携可能性

製薬・医療機器メーカーを想定

•デバイスの製造と実証試験•皮膚がん以外の診断・治療対象疾患の検討，市場調査

•分子糊による電極の修飾条件の最適化•電極電位のノイズ減少と安定性向上•腫瘍モデル（ヒト皮膚切片・メラノーマ移植マウス）を用いた皮膚がん検出の実証

皮膚がん診断・治療パッチの，実用化に向けた課題

本技術に関する知的財産

•発明の名称： 皮膚の疾患又は状態の検出，診断又は治療のためのデバイス•出願番号： 特願2017-166153, PCT/JP2018/32167•出願人 ：東北大学, 東京大学, 山形大学•発明者 ：甲斐洋行, 大黒耕, 長峯邦明

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