タンパク質発現分析の重要性

タンパク質には、がんや自己免疫状態などの疾患を理解し、治療法を見つけるための鍵が含まれています。このため、組織内でのタンパク質発現の分析は、診断において重要な役割を担っています。「ウェスタンブロッティング」は、40年前から行われている確立された分析方法です。

簡単に言うと、ウエスタンブロッティングでは、組織サンプルからのタンパク質をゲルマトリックスで処理し、電界を利用して質量ごとに分類します。前処理されたタンパク質は、再び電界を使用して、ゲルからより耐久性のある膜に一晩で移されます。

その後、特定のタンパク質に結合する抗体や、光に反応する他の抗体で膜をプローブすることで、タンパク質の濃度、組成、又は結合挙動を可視化することができ、例えば腫瘍の存在の手がかりを得ることができます。

ウェスタンブロッティングの課題

「今日、世界中のほぼすべての生物学研究所でウェスタンブロッティングが使用されています。」とProteinSimple社のマーケティング部門ディレクター Kelly Gardners氏は述べています。しかし、1つの欠点は、準備、プロービング、インキュベーション、洗浄における複数のステップが、研究者や研究室のスタッフにとって煩雑であると同時に、平均的な結果しか得られないことです。

「ウェスタンブロッティングでは、10万個以上の細胞からなるサンプル全体の平均的なタンパク質発現量しか得られません。」とガードナー氏は言います。「ただし、その平均化された測定が混合サンプル内の個々の細胞と細胞タイプに適用されるかどうかについての答えはありません。」 

最近の研究で、特にサンプルの不均一なプロファイルが、健康及び疾病を理解するための基本的な情報を提供することがわかってきました。

従来の西部劇の再考

数年前、ガードナー氏が所属していたエイミー・E・ヘルツ教授率いるカリフォルニア大学のバイオエンジニアリングチームは、この方法の開発に着手し、個々の細胞の高速計測を可能にしました。このコンセプトの核となったのは、約1,000 個の細胞を取り出して異なるタンパク質を 1 回で検査できるゲル層を持つガラスチップと、このプローブをわずか 4 〜 6 時間で処理して測定する高性能なデバイスでした。

構築するためのプラットフォーム

2013年に、スタートアップ企業 Zephyrus Biosciences社が設立され、このコンセプトを市場に投入しました。2年後、この企業はミネアポリスを拠点とするバイオテクノロジー企業Bio-Techne社に買収され、その後、タンパク質分析ツールを開発する ProteinSimple社に統合されました。

ProteinSimple社は、現在、ブランド名 Milo の下にシングルセル・ウェスタン・プラットフォームを販売しています。「私はいつもミロと名付けられた犬が欲しかったんです。」と笑顔でガードナー氏は説明します。「現在は、それはライフサイエンスツール業界の新しいトレンドを表しています。」

Miloプラットフォームの機能

すべてのMiloキットは、研究者へ、ゲル層のチップに加えて、プロセスを支援するさまざまなバッファー溶液を提供します。ゲル内に最大6,400個の小さなウェルがあり、単独の細胞を捕捉することができます。チップによってサイズが異なりますが、これらのマイクロウェルは目ではほとんど感知できません。

「試料懸濁液を塗布した後もほとんどは空のままですが、約1,000個の細胞がマイクロウェルに沈み込み、1つがウェルに沈みます。」とガードナー氏は言います。これは、信頼できる実験を実施するのに必要な組織が少なくて済むことも意味します。

余分な細胞を洗い流した後、細胞を溶解し、タンパク質を電気泳動によってその場で分離し、紫外線によってゲル中に固定したMilo装置にチップをセットします。このプロセスに要する時間はたった数分で、従来の方法では時間のかかる膜移動の手順は不要になります。

タンパク質を可視化するには、標準的なウエスタン法と同じ検証済みの抗体を使用し、従来のマイクロアレイスキャナーを使用してチップ上の様々なタンパク質濃度を読み取ります。「チップは、後で追加テストが必要となる場合に備えて、最大9ヶ月間保管できます。」とガードナー氏は言います。

緊密なパートナーシップ

75.6 x 25mm、厚さがわずか1mmというサイズのチップは、かみそりのような薄い表面コーティングのガラス基板で作られています。このシナリオでは、コーティングが重要な役割を果たします。これにより、ゲルが所定の位置に留まり、マイクロウェルを最高の精度で形成できるようになります。ProteinSimple社のプロセスは常に完璧です。

創業当初、同社では基板自体を製造していたと、ProteinSimple社のエンジニアリング部門ディレクター、ジョシュ・モルホ氏は報告しています。しかし、ショットはすぐに理想的なパートナーであると認識しました。

「基板とコーティングが正確である場合に限り、マイクロウェルも正確です。ショットは、必要な基板を正確に開発するために緊密に協力し、量的需要が高まるにつれて品質と生産能力に自信を与えてくれました。特殊ガラスとコーティングに関する長年の経験は、当社にとって大きな利点でした。」と彼は述べています。「スタートアップ時、私たちは迅速に行動しなければなりませんでした。この俊敏性を共有するパートナーが必要でした。ショットと協力することで、実際の仕事、Miloプラットフォームのさらなるマーケティングに集中することができました。」

コラボレーションのメリット

ショットは Zephyrus Biosciences社のような新興企業とのコラボレーションに大きな可能性を見出しています。「シングルセルウェスタン技術は、診断の次のトレンドの一つになることを約束しています。」とSCHOTT North AmericaのセールスマネージャーでProteinSimple社の担当者のスペンサー・ペリーは述べています。「バイオテクノロジーのスタートアップは、研究から医療分野の進歩への科学的発見の移行に不可欠なメカニズムです。何故なら、情熱的な研究者と技術を可能にすることは、常にショットのDNAの一部となっているからです。」

ProteinSimple社のこれまでの開発は、ペリーの評価が正しいことを示唆しています。Miloプラットフォームは、米国、ヨーロッパ、アジアの数多くの政府および民間研究施設で使用されており、主にがん、幹細胞研究、免疫学で使用されているとマーケティングマネージャーのガートナー氏は報告しています。また最近では、世界で最も尊敬される自然科学雑誌の一つとされる科学雑誌 「 Nature 」を含む多くの著名な専門誌で、シングルセルウェスタン分析を使用した研究結果を発表しています。

タンパク質 - 生命の構成要素

タンパク質はあらゆる細胞内に存在し、体内の数多くのプロセスに関与しています。感染症に対抗し、体を成長させるための要素を供給し、筋肉が私たちの体を動かすことを可能にします。また、血液中の酸素や鉄などの重要な物質を運搬したり、ホルモンとして脳から全身に指令を伝えたりする役割も担っています。

私たちのDNA（デオキシリボ核酸）には、タンパク質を構成する設計図があり、RNA（リボ核酸）を介して細胞に伝達されます。そして、DNAが設計図であるように、タンパク質は生命の最も重要な構成要素の1つであり、時には死の構成要素でもあります。これは、変異によってタンパク質の活性が変化するためです。タンパク質濃度の上昇は、疾患を示す場合があります。例えば、多くの腫瘍でp53タンパク質の濃度が上昇していることが確認されています。

使用した材料および類似製品

SCHOTT NEXTERION®の詳細と、関連製品についてご覧ください。 

SCHOTT MINIFABの一部として NEXTERION®として知られるホウケイ酸ガラス基板の独自の製品群は、幅広いDNA、タンパク質、細胞用途に最適です。 NEXTERION®は、ペプチドおよび抗体用エポキシシランからオリゴヌクレオチド用アミノシランまで、さまざまな機能皮膜が利用可能で、多くの診断および生命科学用途で使用されており、ご要望に応じて高度にカスタマイズできます。