ウェット界面を利用した安静時汗成分センシングデバイスの研究開発（1）

2022年12月01日 カテゴリ：解説・連載 ,特集
長峯　邦明（ながみね　くにあき）
山形大学 大学院有機材料システム研究科
准教授
長峯 邦明

１．はじめに

 Society5.0社会における医療・ヘルスケア分野では、個人の主体的な未病ケア・予防医療への関与を促す、即ち新たな生活様式に向けて行動変容を促すようなセンシング技術の革新が期待されている。その実現に向け、近年では、患者だけでなく健常者まで対象を広げ、自分の健康状態を自分で測るというセルフヘルスケアの潮流が見られる。最近では低価格のスマートウォッチが普及しているが、個人の生体内「化学」情報を簡易に常時取得可能にするウェアラブル、あるいはポータブル型の化学センサが実現されれば、得られる生体情報が詳細になり、かつセルフヘルスケアを体験してみたいという意識が芽生え、個人の健康への意識も変わっていくかもしれない。また、センサから得られる個人、更には人々の生体情報ビッグデータをAI解析すれば，例えば病気の予兆を検知し、重症化前の予防活動や治療方針をユーザーに提供することが将来可能になるかもしれない。
 バイオセンサとは、酵素、抗体、核酸などの生体由来の分子認識素子（以下、受容体と記載）と、その分子認識反応を認知可能な信号に変換する変換器から構成される化学センサである。生体由来材料の高い反応選択性により、体液など夾雑物が多数共存する溶液中での目的物質の高選択的な定量を可能にする。血糖値センサは実用化された医療・ヘルスケア用バイオセンサの代表例であり、血中グルコースと選択的に反応する酸化酵素を分子認識素子としたバイオセンサである。定量性と小型化の点で有利とされる電気化学式血糖値センサは、血液と触れる使い捨て酵素電極チップと、繰り返し使用する小型測定器で構成される。極微量の血液を酵素電極チップに接触させるだけで迅速に血糖値を表示してくれる簡易なポータブルセンサではあるが、前述のように健常者を含めた個人の日常健康管理用途としては、採血を伴う測定法は受け入れ難い。そのため近年では、採血を伴わない、即ち身体的負担が少ない自己健康管理技術に注目が集まっている。非侵襲的に採取可能、かつ血中バイオマーカー（ある病気の指標となり得る生体内物質）の存在が示唆されている生体液（涙、唾液、尿、汗）や生体ガス（呼気、皮膚ガス）を用いる自己健康管理センサの研究開発が活発である 1)。本稿では、筆者らが特に注力している汗成分センサを中心に世界の研究開発事例を紹介しながら、筆者らの研究成果もご紹介する。

２．汗成分センシング

2.1　汗について

 汗は、細胞で構成された汗腺と呼ばれる分泌腺から分泌される。汗成分は血清（血液中の固形成分を除いた上澄み）成分と似ており、Na+イオン、K+イオン、Cl–イオン、NH4+イオン等の電解質、グルコース、乳酸、尿酸などの代謝物、コルチゾールなどのホルモン、そしてタンパク質や微量重金属イオンから主に構成される 2)。汗の99 %は水であり、残り1 %に前述の汗成分が含まれる。そのため、血液と比較して夾雑物の影響が比較的少ないと考えられる。汗成分の由来は、汗腺を構成する細胞やその間隙を介して汗腺内に輸送される間質液成分（血管外に滲出した血液成分）、汗腺細胞が分泌した成分、そして皮膚表面の常在菌由来の分泌物である。複雑な成分構成ではあるが、間質液由来成分が若干含まれることから血中バイオマーカーの存在が示唆されている。汗成分と病気の関連性に関する研究例は、以下の代表例を含め多数報告されている（グルコースと糖尿病 3)、コルチゾールとメンタルストレス 4)、乳酸と心不全・低酸素症 5,6)、Na+イオンと熱中症 7)、尿素・クレアチニンと腎機能障害 8)、Cl–イオンと嚢胞性線維症 9)）。また近年では摂取栄養管理の目的から食事内容と汗成分の関連性も研究されており、塩分摂取と汗中Na+イオン 10)、ビタミンC摂取と汗中アスコルビン酸 11)、各種アミノ酸摂取とそれらの汗中濃度 12)などの関連性に関する報告例がある。その他、飲酒と汗中アルコールの関係性 13)や摂取薬物と汗中薬物濃度の関係 14)など様々な生体情報を汗成分が反映する可能性が示唆されている。しかし、汗成分の由来や病気との関連性の医学的根拠はまだ不十分とみられ、今後も引き続き詳細な分析研究や疫学研究が必要と考えられる 15)。

2.2　汗成分センシングデバイス

 体表の汗を常時採取・検出する目的から、体表に装着可能な様々な形態（眼鏡、靴下、下着、リストバンド、タトゥー等）のウェアラブルバイオセンサが開発されている 16-20)。多くのウェアラブルデバイスは微小流路構造を有しており、発汗の圧力（約70 kN m-2）21）を利用して流路内に汗を誘導し（押し込み）、流路内に作りこんだ微小センサで検出する。一方で、センシングに必要な十分量の汗を日常的に採取することは容易ではなく、例えば運動時や温室内など積極的に発汗が誘導される条件下での使用に制限されたものが多い。このことが本センサの日常ヘルスケア応用を困難にしている要因の1つと考えられる。1つの解決策として、副交感神経系を刺激することで発汗を強制誘導する薬剤をイオントフォレシス法（経皮通電により化学物質の経皮透過を促進する技術）で投与しながら汗成分を連続的に採取・計測する新たなウェアラブルデバイスが開発されている 22)。本デバイスでは、皮膚に貼付した一対の電極間に微弱な直流電流を印加して正極から負極へ向かう皮下体液の流れを誘導し、その流れに乗せて効率よく経皮的に発汗誘導薬剤を投与する。その後得られる汗成分を、体表に設置したセンサで検出する。汗成分計測が任意のタイミングで実施できるというメリットの反面、定期的な薬剤投与がユーザーに受け入れられるかが課題である。



次回に続く－



参考文献

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【著者紹介】
長峯　邦明（ながみね　くにあき）
山形大学　大学院　有機材料システム研究科　准教授

■略歴
2007年 東北大学大学院環境科学研究科博士後期課程修了（博士（学術））。同年より日立製作所中央研究所 研究員、東北大学大学院薬学研究科・理学研究科 COEフェロー、東北大学大学院工学研究科 助教を経て2017年1月より山形大学大学院有機材料システム研究科 准教授。同年から2021年まで文部科学省 卓越研究員を兼務。ヒトや植物、微生物などの生体情報のバイオセンシングの研究に従事。