微小流体チップを用いた自動化胚胎性決定技術

学術的背景

卵用鶏の養鶏業において、ふ化直後に雄性ヒナを殺処分するというのは一般的な慣行です。雄性ヒナは卵を産むことができず、また高品質な肉を提供できないためです。毎年、EUでは約3億7200万羽の雄性ヒナがふ化後に殺処分されています。この慣行は動物福祉や倫理的な問題を引き起こし、ドイツ、フランス、イタリアなどの複数のヨーロッパ諸国ではこの行為を禁止する法律が制定されました。この問題を解決するために、胚胎性決定（in ovo sexing）が最も有望な代替案とされています。しかし、現在の胚胎性決定技術は高精度（>98%）、低コスト、胚への干渉の軽減、すべての卵殻の色への適用性、そして毎時2万個を超える卵の処理という要求をすべて満たすことはできていません。

これらの課題に対応するために、研究者たちはリコンビナーゼポリメラーゼ増幅（Recombinase Polymerase Amplification, RPA）を利用した微小流体チップ技術を開発しました。この技術は37.7°Cのインキュベーター内で30分以内に雌性ヒナに特異的な遺伝子HINTWを検出できるため、養鶏業界にとって効率的で低コストな解決策を提供します。

論文の出典

この論文はSimão Monteiro Belo dos Santos、Celine Wegsteen、Dries Vloemans、Matthias Corion、Bart De Ketelaere、Dragana Spasic、そしてJeroen Lammertynが共同で執筆しました。著者はKU Leuven（ベルギー・ルーヴェン大学）の生物システム学科に所属し、生体センサーと微小流体技術の分野で豊富な研究経験を有しています。この論文は2024年、npj Biosensing誌に《Fully automated sample-to-result simple-RPA microfluidic chip towards in ovo sexing application》という題名で掲載されました。

研究プロセスと結果

1. 研究目的と背景

この研究の主な目的は、胚胎性別を自動的に判別できる微小流体チップ（simple-RPAチップ）を開発することです。このチップはRPA技術を基礎としており、37.7°Cの温度環境下で雌性ヒナ特異的遺伝子HINTWを迅速に検出することが可能です。これにより胚への干渉を最小限に抑えながら、孵化6〜9日目に早期判別を行うことが可能となります。この技術は産業の高スループットの要求にも応えます。

2. 実験設計とプロセス

研究は以下の主要ステップに分かれています：

a) RPA生物検査のオフチップ最適化

まず、研究チームはオフチップ環境でRPA生物検査を最適化しました。異なるプライマー濃度（0.5、2.5、5、10 µM）やインキュベーション時間（5、10、15、20分）をテストすることで、最適なプライマー濃度（2.5 µM）とインキュベーション時間（15分）を決定しました。実験結果では、2.5 µMのプライマー濃度が最高の信号雑音比（SNR=0.92）を提供し、15分のインキュベーション時間が感度を損なうことなく迅速な検査を可能にしました。

b) 感度テスト

RPA生物検査の最適化後、チームはその感度をテストしました。合成DNAを段階希釈（0.05から1.6 × 10⁻⁵ ng/μL）した結果、RPA検査の検出感度はPCR熱循環器とインキュベーターを熱源とした場合で、それぞれ8 × 10⁻⁵ ng/μLと1.6 × 10⁻⁵ ng/μLでした。この結果は、インキュベーターを熱源とする場合の方が実際の応用に適していることを示しています。

c) simple-RPAチップの開発

オフチップ最適化されたRPA生物検査を基に、simple-RPAと呼ばれる微小流体チップが開発されました。このチップはSIMPLE技術（自動動力微小流体ポンプ技術）を使用しており、一回の押下で液体操作を自動的に完了することができます。チップの設計には以下の主要部品が含まれます： - サンプル処理ユニット：1 µLのサンプルを正確に計量し、RPA試薬と混合する。 - 3D混合室：拡張効果を通じて効率的に液体を混合する。 - 検出ユニット：ラテラルフロー試験片（LFS）を統合してRPA増幅産物を比色法で検出する。

d) チップ性能のテスト

最適化したRPA生物検査をチップ上でテストしました。実験結果では、simple-RPAチップが30分以内にHINTW合成DNAの検出を完了し、検出限界（LOD）は8 × 10⁻⁵ ng/μLでした。この結果はオフチップ実験と一致しており、チップの信頼性と実用性を証明しています。

3. 主な結果と結論

研究の主要な成果は以下のとおりです： - RPA生物検査を最適化し、最適なプライマー濃度とインキュベーション時間を特定。 - 全自動の微小流体チップ（simple-RPAチップ）を開発し、胚胎性決定をインキュベーター内で実現。 - チップの検出限界は8 × 10⁻⁵ ng/μLであり、実用的な要求を満たしている。

4. 研究の意義と価値

この研究は、卵用鶏業界に効率的かつ低コストの胚胎性決定技術を提供しました。RPA技術と微小流体チップを融合させることで、自動化および高感度な検査を実現し、従来のPCR技術の複雑さと高コストを回避しました。また、この技術は医療、獣医学、農業における病原体検出など、他の分野でも広く応用可能です。

5. 研究の特長

• 高感度：simple-RPAチップは、濃度が8 × 10⁻⁵ ng/μLまで低いHINTW遺伝子を検出可能。
• 全自動化：一回の押下でチップが起動し、ヒューマンエラーや汚染リスクを軽減。
• 低コスト：チップの製造コストは1ユーロ未満であり、大量生産に適している。

まとめ

この研究は、RPA技術を基にした微小流体チップを開発することで、効率的かつ低コストな胚胎性決定ソリューションを提供しました。この技術は卵用鶏業界の需要を満たすだけでなく、他分野における迅速診断に新しい可能性をもたらしました。