科学研究 - 利用纳米线，只需1毫升尿液即可检测癌症

纳米管、纳米粒子、纳米带等具有全新功能的纳米（10亿分之1米）级新材料正接连不断地被开发出来。日本名古屋大学研究生院工学研究科的副教授安井隆雄新发现了通过使用纳米线，仅需1毫升尿液即可检测癌症的技术。

将纳米线用于生物领域

纳米线是截面直径为几十～一百纳米的针状构造物。以前被称为“晶须（Whisker）”，是造成电子产品绝缘不良的罪魁祸首，但进入1990年代后，业界开始尝试在多种场合利用纳米线。纳米线可使用半导体、金属和氧化物等多种材料制作，有望广泛应用于高灵敏度传感器和光伏电池等领域。

安井推进了氧化物纳米线在生物领域的应用。生物领域不像高灵敏度传感器那样只使用1条纳米线，而是利用大量纳米线构成纳米线“森林”。安井在2×40毫米的面积上生长出了1亿条纳米线，打算利用与微流路结合的纳米线器件，收集可进行癌症检测的细胞外囊泡（外泌体）以及微生物。含有外泌体和微生物的溶液流经纳米线“森林”时，流路底部的纳米线会将其收集起来。

安井介绍说：“用于癌症检测时，收集体液中存在的外泌体，然后提取其中控制生物功能的小片段——微RNA进行解析。鉴定微生物时也是从微生物中提取DNA进行解析。所以我觉得可以利用纳米线收集小的标靶”。

兼顾功能和成本

目前，安井在利用两种方法制作纳米线。一种是气液固相（VLS）法，即熔化基板上的黄金微粒，并以气相状态向其供应锡和氧，使之作为固相晶体（氧化锡）生长（图1）。纳米线的粗细和密度可以通过基板上配置的黄金微粒控制。

■图1：利用黄金微粒制作纳米线的方法。

在想生长纳米线的基板上附着黄金微粒并加热（左）。黄金微粒发挥催化剂的作用，仅黄金微粒附着的位置上能生长纳米线（右）。

另一种方法是水热合成法，把实施了表面处理的基板浸入含有原子（原料）的溶液中，使其生长出纳米线。

安井介绍了纳米线的生长原理：“无论哪种方法，生长过程中都会发生降低整体表面能的现象。在VLS法中，熔化的黄金微粒发挥催化剂的作用，促进晶体生长。在水热合成法中，通过对硅基板实施氧化物成膜等表面处理，可以在希望生长纳米线的位置，形成便于晶体生长的表面能态”。

纳米线器件的另一个特点是安井所说的“受到产业关注”的流路部分。必须使含外泌体等样本溶液与纳米线接触才能收集到样本。因此安井在流路的顶面镌刻了V字型刻纹（图2）。这样，流路内会形成螺旋状水流，溶液能有效接触纳米线。

■图2：流路放大1000倍的模型。从上部的一个开口注入要分析的液体。注入的液体通过上部的V字型结构变成螺旋状水流，与底面的纳米线多次接触后，从另一个孔排出。

先驱研究领域提出的目标是创造能产生功能的“超级空间”，从而实现新的材料开发。根据以前的联合研究经验，安井发现，光实现功能还难以推进产业应用。他说：“要想作为材料得到使用，光实现功能还不够，降低制造成本也非常重要。所以详细研究了纳米线的生长方法和流路材料等，反复进行了改良”（图3）。安井表示，虽然还有改善的空间，比如将流路变成圆筒状等，但“目前已经明确了功能和原理，也确立了降低成本的方法，希望接下来由产业界继续改善和研究商业用途”。

■图3：实际的纳米线器件。通过改良在硅基板上生长纳米线的方法，以及利用O型圈（衬垫）形成流路，设法降低了成本。

用于癌症检测和微生物鉴定

纳米线器件的用途之一是癌症检测。细胞分泌的外泌体中含有微RNA，目前已经从人体内发现2600多种微RNA。健康人与癌症患者相比，体内的各类微RNA所占的比例不同，因此可以利用这个差别来发现癌症。以前大多利用血液样本检测癌症，安井通过收集尿液中含有的外泌体，并解析提取到的微RNA成功地检测出了癌症。

安井强调了利用尿液的优点：“血液样本的采集和管理都比较麻烦。就这一点而言，尿液不但成本低，还省时省力。而且没有痛苦，可减轻患者的负担”。

最初以为尿液中只含200～300种微RNA，比血液中少，因此担心无法实现与血液一样的检测效果。但“在尿液中发现了大约2000种微RNA。另外，跟预期相反，利用尿液检测的准确率更高。可能是因为尿液中混入的蛋白质等比血液中少的缘故”（安井）。据说目前可以已经可以利用这种方法检测出肺癌和脑癌。

此外，还可以利用纳米线器件缠绕微生物，破坏细胞，并通过提取的DNA确定微生物的种类。安井信心十足地表示：“由于微生物有细胞壁，要想破坏细胞壁需要使用特殊药剂等，而利用此次开发的器件，只需使含微生物的溶液流过流路就能提取到DNA”。

安井当初以为微生物被粉碎是因为被纳米线刺穿。但使用电子显微镜反复观察也没有捕捉到纳米线刺穿微生物的决定性瞬间。安井介绍说，通过改变纳米线的长度、粗细和数量等条件反复进行实验，发现了粉碎微生物等的意外机制（图4）。

■图4：纳米线粉碎微生物等的样子（示意图）。与纳米线接触的微生物吸附到纳米线上，被纳米线缠住。微生物被溶液流动的压力挤破，最终粉碎，释放出内部的DNA。

安井介绍说：“溶液中的微生物在流动过程中被纳米线捕获。被缠绕的微生物在溶液的流动压力下遭到挤压，最终粉碎，释放出DNA。这种解释与实验结果高度一致”。虽然利用电子显微镜观察到了纳米线缠绕微生物的情形，但目前尚未掌握纳米线缠绕的机制（图5）。尽管尚处于假设阶段，不过安井干劲十足地表示：“打算在近期拍摄到图像证据”。