がんやその他の病気が疑われるケースでは、熟練した病理医が患者の組織サンプルを顕微鏡下で分析して診断を確定します。異なる細胞構造や組織タイプの間で色の対比を高めるため、化学染料が加えられ、がんや他の健康状態の決定的な兆候を見つけやすくします。
疾病診断のための組織サンプルの染色には専門的な技術が必要です。しかし、それは高コストで時間がかかり、一貫性に欠けることが多い。KAUST（King Abdullah University of Science and Technology）のガン・チャンらとその協力者は代替アプローチの開発に着手しました。「私たちの目標は、病理的に意味のある細胞レベルおよび組織レベルの情報を提供できる、染色を使わない光学顕微鏡プラットフォームを開発することでした」と、ガン研究室の学生であるチェン・チージェは語ります。
化学染料に頼る代わりに、ガンらのチームは病理医が疾病を診断する際に用いる細胞特徴を強調する「構造色」に焦点を絞りました。構造色は、ナノスケールの表面構造を持つ材料に生じ、光と相互作用して一部の波長を吸収し他を反射することで色を作り出します。
研究者たちはその成果をジャーナル Advanced Science に発表しました。
従来の染色を用いなくても、正常結腸組織とがん性結腸組織の領域間の差を視覚化するのに十分な色の対比を提供した
Yanyan Li
蝶の翅や孔雀の羽は、鮮烈な構造色を持つ自然素材です。これをナノ構造表面を持つ合成材料として設計することも可能ですと、ほぼ二十年間にわたりナノフォトニクスと構造色を研究してきたガンは述べます。「KAUSTに入って以来、現実の問題にこれらの原理を適用することに関心を持つようになりました」とガンは語ります。「上海の華山医院の臨床協力者と意見を交わす中で、構造色が従来の化学染色に依存せずに組織イメージングの新しい対比機構を提供する可能性があると気づきました。」
チームは、シリコンウェハに窒化ケイ素のナノコーティングを施した「構造色付きの顕微鏡スライド」を設計しました。 「窒化ケイ素のナノ層は『光学的ナノキャビティ』として機能します」とチェンは言います。 光がスライドに反射すると、ナノコーティングは特定の波長を選択的に強化し、他を抑制します。 チームはこの調整された反射率を利用して、がん組織と健常組織との光学的差異を増幅しました。 「スライドはこれらの差異を distinct な色として表示し、がん関連領域を健常組織と区別しやすくします」とチェンは述べます。
KAUST の生物科学プログラムのポスドク、ヤンヤン・リーによると、チームは結腸直腸がん患者の実組織サンプルを用いて NOS（nanocavities-on-silicon）スライドの診断可能性を実証しました。 「このスライドは、従来の染色なしで正常組織とがん性結腸直腸組織の領域間の色差を視覚化するのに十分なコントラストを提供しました」と彼女は語ります。 さらに、組織サンプルを非染色のまま保存できる利点があり、病理医は同じスライド上で追加のがん検査を実施できるため、診断ワークフローの効率化が進みます。」
NOSスライドの作成は簡易で低コストであり、高スループットの生体医療用途にとって極めて重要です。 研究チームは健常組織とがん組織の数千枚の NOS スライド顕微鏡画像を記録し、NOS顕微鏡画像で大腸がんを自動検出するAIモデルを訓練するための十分な画像データを確保しました。 「モデルは健常結腸直腸組織とがん性組織を識別する際に優れた精度を示し、97％を超える正確さを達成しました」と、プロジェクトに協力した計算機科学プログラムの学生である胡麗杰は語ります。
ガンと彼のチームは、伝統的な染色を超えた病気の高度な診断のために、ナノフォトニック技術が組織サンプルから追加情報を引き出せるかどうかを現在探索しています。AI支援診断のための高品質な NOS イメージングデータセットの構築も進めています。
「KAUST の同僚や地元の病院の協力者とともに、この技術を臨床的に適用・検証し、導入していく予定です」とガンは語ります。「長期的な目標は、ナノフォトニック染色なしイメージングとAIを組み合わせて、サウジアラビア国内外の重要な医療課題に対処し、病理診断をより迅速かつ拡張可能に、そして可能ならよりアクセスしやすくすることです。」
出典: King Abdullah University of Science and Technology
