飲酒検知器で新型コロナウイルス検査がより迅速かつ簡単になるか？

新型コロナウイルス感染症（COVID-19）のパンデミックとの闘いが始まって6ヶ月が経ちましたが、米国では依然として検査体制の改善が必要なことは明らかです。検査の遅れにより結果が出るまでの待ち時間は耐え難いほど長く、これから始まるインフルエンザシーズンは検査処理をさらに困難にする可能性があります。しかし、コロナウイルスを運ぶ私たちの呼気をCOVID-19の検出に利用できたらどうなるでしょうか？オハイオ州立大学とノースイースタン大学の研究者たちは、COVID-19用の呼気検知装置を開発しており、その期待に応えています。

アルコール検知器といえば、警察官がアルコール中毒の判定に携行する携帯型の機器として多くの人が知っているでしょう。しかし、科学者もアルコール検知器を使用しています。ただし、飲酒検査に使うわけではありません。研究者たちは、呼気中のアルコール濃度を分析することで、糖尿病、特定のがん、呼吸器疾患、その他多くの疾患の兆候を探る研究を進めています。

現在、オハイオ州立大学工学教授のペレナ・グーマ氏をはじめとする研究者たちは、同様のアプローチが新型コロナウイルス感染症にも有効であり、現在のゴールドスタンダードである咽頭または鼻腔スワブを用いたポリメラーゼ連鎖反応（PCR）検査よりも重要な利点がある可能性があると述べている。呼気アルコール検知器は試薬も実験室での処理も必要とせず、迅速に結果を出すことができる。この種の検査は「非侵襲性で、体への負担も少ない」とグーマ氏は言う。「いつでもどこでも実施できる」。新型コロナウイルス感染症用の検査はまだ市販されていないが、彼女の研究室をはじめとする研究室は人体を対象とした試験を実施しており、食品医薬品局（FDA）から承認を得て、より広範な使用が可能になることを期待している。

グーマ氏は長年、呼気分析、センサー、診断装置の研究を行ってきました。2017年には、呼気中の化合物イソプレンを主に標的として、インフルエンザの早期発見を目的とした呼気モニタリング装置を発明しました。この研究を基に、彼女は現在、セラミックセンサーを用いて、人の呼気中の揮発性有機化合物を検出する新型コロナウイルス感染症用呼気検知器のプロトタイプを開発しました。グーマ氏は、この揮発性有機化合物が新型コロナウイルス感染症のバイオマーカー、つまり疾患指標となると考えています。この研究はまだ発表されていないため、グーマ氏は装置が具体的にどの気体分子を検出するのかは明らかにしていませんが、他の新型コロナウイルス感染症とその関連バイオマーカーに関する医学文献を研究した結果、彼女と共同研究者は新型コロナウイルス感染症の指標となる可能性のある結論に至ったと述べています。

アルコール検知器のセンサーには、これらのバイオマーカーと高い親和性を持つナノマテリアルが組み込まれており、センサーは標的の化学物質にのみ反応します。ユーザーが装置に取り付けられた使い捨てのマウスピースに息を吐き出すと、呼気中に存在するこれらの化学物質が電気抵抗の変化を引き起こし、装置がそれを測定して測定値を表示します。

ゴウマ氏によると、結果はわずか15秒で、ワイヤレスで送信するか、デバイス上で直接読み取ることができる。約1分後、アルコール検知器は次の測定の準備ができる。「この技術を使えば、翌日も翌々日もモニタリングできます」とゴウマ氏は言う。「いつでも自分の健康状態を知ることができます。」

このアルコール検知器は病院やその他の医療機関で使用可能ですが、操作に特別な訓練や医療従事者を必要としないため、劇場、空港、学校など、他の場所でも使用可能だとゴウマ氏は言います。「アルコール検知器があらゆる場所で使われるようになることを夢見ています。それが私たちの目標です」と彼女は言います。

ゴウマ氏は、6月に国立科学財団（NSF）の助成金を受けて、このアルコール検知器の開発に着手しました。今夏初め、グーマ氏はオハイオ州立ウェクスナー医療センターで、新型コロナウイルス感染症（COVID-19）の患者と非感染者を対象に、この装置を試験する臨床試験を開始しました。オハイオ州コロンバス周辺の複数のCOVID-19検査施設の参加者も含めた追加試験も現在進行中です。ゴウマ氏は、このアルコール検知器についてFDA（米国食品医薬品局）の緊急使用許可を申請する予定です。この許可は、公衆衛生上の緊急事態において、特定の医療製品を正式な承認なしに使用および流通することを許可するものです。

ノースイースタン大学工学部のニアン・サン教授は今年初め、肺がんバイオマーカーを検出するガスセンサーの研究から、新型コロナウイルスを標的とするセンサーの研究へと転向した。6月にNSF（米国科学財団）から助成金を獲得し、サン教授らは、呼気を含む空気中のウイルス粒子を捕捉する電気化学センサーを搭載した携帯型アルコール検知器を開発した。

センサーには、SARS-CoV-2ウイルスの表面から突出するスパイクタンパク質の形状とサイズに正確に一致する微細な刻印された空洞が設けられています。「特定のウイルスに合わせて型を作ります」とサン氏は言います。鍵が鍵穴に差し込まれるように、ウイルスのスパイクタンパク質だけがセンサーの空洞に収まります。水素結合が電磁力を生み出し、空気中のウイルス粒子をセンサーの刻印に結合させ、測定可能な電気抵抗の増加を引き起こします。粒子の数が多いほど、抵抗は高くなります。

ユーザーは使い捨ての一方向気流チューブに息を吹き込むと、デバイスのLEDが結果を表示します。赤いライトはウイルス検出、緑は陰性、黄色は境界線で、もう一度息を吹き込むか、さらなる検査が必要になる可能性があるとサン氏は述べています。サン氏によると、センサーは他の種類のウイルスには反応しないため、偽陽性の可能性は低いとのことです。「この種のセンサーは特異性が非常に高いです」と彼は言います。「異なる[SARS-CoV-2]株を区別することさえ可能です。」

長さと幅がわずか数インチのこのプロトタイプは、わずか1～2秒で結果を生成し、無線で送信できます。「このデバイスは特別な操作訓練を必要とせず、特別な試薬も必要ありません。非常に簡単です」とサン氏は言います。

研究室でのセンサー試験では、凍結・不活化SARS-CoV-2ウイルスが使用されてきた。現在、人を対象とした研究に必要な、試験実施予定施設の倫理審査委員会の承認を待ちつつ、サン氏らはマサチューセッツ総合病院の患者とノースイースタン大学の学生、教職員、そしてボランティア職員を対象に、この呼気検知器の試験を近々開始したいと考えている。試験の一環として、呼気検​​知器の結果を鼻腔ぬぐい液検査の結果と比較するとサン氏は述べている。彼もまた、この装置のFDA緊急使用許可を申請する予定だ。

しかし、呼気分析は複雑になりがちです。クリーブランド・クリニック呼吸器研究所の所長、ラエド・ドゥイック氏によると、私たちが吐く息には、口​​、腸内細菌、食物、摂取した薬剤などから発生する何百もの化合物が渦巻いています。周囲の環境さえも呼気中に放出されます。「高速道路を運転した後に来院する患者さんの呼気からは、ディーゼル排気ガスが検出されることがあります」と彼は言います。つまり、彼は続けてこう言います。「呼気分析には課題があります。呼気は、探している物質だけでなく、それ以上のものを含んでいるからです。」

例えば、ドゥイック氏によると、ある研究中に、入院患者の呼気サンプルの100%から特定の化合物が検出されたという。この化合物は、対照群の健康な被験者全員の呼気からは検出されなかった。一見、この化合物は病気の兆候のように見えるかもしれないが、さらに詳しく調べた結果、研究者たちは、対照群を評価したクリニックでは使用されていない病院の洗浄液に由来することが判明した。「ですから、呼吸をする際には本当に注意が必要です」とドゥイック氏は言う。「多くの人が論文を発表したり、呼吸がいかに素晴らしいかを主張したりしますが、彼らのデータを詳しく調べると、環境要因を考慮していないことに気づきます。」

肝疾患、腎不全、その他の疾患の呼気診断を研究してきたドゥワイク氏は、ゴウマ社やサン社の呼気検知器を具体的に検討したわけではない。しかし、新型コロナウイルス感染症用の呼気検知器については慎重ながらも楽観的であり、その可能性には期待しているという。「可能性は非常に大きい」とドゥワイク氏は語るが、「呼気検査、あるいはどんな検査でも、正確に行う必要がある」と強調する。

カリフォルニア大学デービス校工学部教授兼学部長のクリスティーナ・デイビス氏は、新型コロナウイルス感染症の検出に加え、呼吸の分析によって、新型コロナウイルス感染症患者の免疫系が感染に対して過剰反応し、体自身の防御機構が自己破壊し、ひいては致命的となる可能性があるかどうかを判断するのにも役立つ可能性があると考えています。「一見健康そうに見える人でも、この問題が発生することがあります」とデイビス氏は言います。「なぜでしょうか？そして、患者の呼吸から何かを検出することで、この患者は他の患者よりも多くの問題を抱えるだろうと予測できるでしょうか？」

デイビス氏と共同研究者たちは、以前開発された、呼気凝縮液を捕集する手のひらサイズの装置を用いて、新型コロナウイルス感染症患者の呼気エアロゾルを収集・分析している。デイビス氏によると、サイトカインやエイコサノイドといった、炎症やその他のプロセスに関連するシグナル伝達分子といったより大きな分子も呼気エアロゾル中に見つかることがある。デイビス氏は、質量分析法を用いて凝縮液を分析することで、これらの分子のどの濃度が免疫系の過剰反応の兆候となり得るかを正確に特定したいと考えている。相関関係を突き止めるため、彼女はこれらの濃度を、肺の働きや、病状の進行度合いなどの最終的な結果を判定する研究参加者の肺機能検査結果と比較する。もしこれらの分子と重度の免疫反応を起こす人々との間に相関関係が見つかれば、この技術は、将来どの新型コロナウイルス感染症患者が炎症の問題に関して綿密なモニタリングを受ける必要があるかを予測するのに役立つ可能性があるとデイビス氏は述べている。

この検査に参加するには、患者は装置に接続された使い捨てのマウスピースに息を吐き出す。すると、呼気が液体に凝縮され、それをバイアルに注ぎ、分析のために採取するまで冷凍庫で保存する。カリフォルニア大学デービス校医学部と退役軍人省北カリフォルニア医療システムが実施するこの研究の参加者は、新型コロナウイルス感染症検査場で、あるいは入院中に呼気サンプルを提供することができる。また、入院を必要としない患者は、採取装置を自宅に持ち帰ることも可能だ。

これらの新しいデバイスが興味深い可能性を秘めているとはいえ、PCR検査がすぐになくなることはないだろう。「PCR検査をはじめとする従来の検査法は、かなり優れています」とデイビス氏は指摘する。「呼気検査も一定の役割を果たすと考えています。ただ、従来の検査法に取って代わるものではなく、むしろそれらを補完するものとして捉えています。」

他の専門家は、COVID-19検出技術を組み合わせて使用​​できる可能性さえ示唆しています。「異なる環境で機能する補完的な検査方法があるのは、非常に良いことだと思います」と、シェフィールド大学生物質量分析施設の施設長であるヘザー・ウォーカー氏は述べています。彼女は、PCR検査は信頼性が高いものの時間がかかるため、呼気アルコール検知器のような迅速で機敏な検査方法は、例えば飛行機に搭乗する乗客の検査に最適であると述べています。

COVID-19検査の種類によって、明らかになる情報も異なります。「呼気分析では、ウイルスに感染していれば代謝の変化が見られることは当然です」とウォーカー氏は言います。これは呼気中に排出される化合物の変化と相関します。「しかし、既にウイルスに感染して回復したかどうかを確認するために、必ずしも抗体を調べる必要はありません」（抗体検査は通常、採血によって行われます）。

では、新型コロナウイルス対策のアルコール検知器はいつ入手可能になるのでしょうか？それは、FDAの承認や大規模生産のための製造能力など、様々な要因に左右される可能性があります。オハイオ州立大学のグーマ氏は、緊急使用許可を取得できれば、早ければ今秋にも装置の配備を開始したいと考えています。ノースイースタン大学のサン氏によると、彼と同僚たちは装置の製造パートナーの獲得に取り組んでおり、FDAの承認もまだ必要とのことです。

新型コロナウイルス感染症（COVID-19）の感染拡大の元凶である私たちの息は、最終的には私たちの利益のために利用されることになるかもしれない。「今こそ、呼吸分析と低侵襲性の診断・モニタリングが真に世界に貢献できる時だと思います」とデイビス氏は言う。

WIREDのその他の素晴らしい記事

• 📩 テクノロジー、科学、その他の最新情報を知りたいですか？ニュースレターにご登録ください！
• ロケット科学者の愛のアルゴリズムはコロナ禍でも効果を発揮する
• 主役の証人：スマートスピーカー
• 金融アプリは、支出を増やし、疑問を減らす方法
• パンデミック時代の子育て
• TikTokとデジタルブラックフェイスの進化
• 🏃🏽‍♀️ 健康になるための最高のツールをお探しですか？ギアチームが選んだ最高のフィットネストラッカー、ランニングギア（シューズとソックスを含む）、最高のヘッドフォンをご覧ください