最新開發新冠病毒呼氣檢測法-基於呼氣組學發展的未來醫療
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研究要點
日本東北大學和島津製作所成功開發了利用自然呼出氣為樣本的新冠病毒檢測法「呼氣組學」注1。
「呼氣組學」是分析呼出氣體中的病毒、源於生物體的蛋白質、代謝產物的最先進技術。
將來，此種技術不僅能應用於新冠，還能應用於個性化醫療、遠程、居家健康檢查、各種疾病的診斷、治療、未病先防等，揭開呼氣醫療的新篇章。
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研究概要
目前亟需有助於新冠病毒快速且高靈敏、高準確度的診斷，發病期及症狀的評估，重症化風險的判斷，預後及併發症的預測與診斷的檢測方法。
東北大學研究生院醫學系研究科、老齡研究所基於和島津的共同研究，投入開發了「針對新冠病毒防治對策的呼氣組學解析系統」（圖1）。該研究研發出了基於利用自然呼出氣體（呼氣）的非侵入式呼氣組學解析法的檢查系統，代替傳統鼻、口（咽）取樣的檢查方法。
圖1． 基於呼氣組學的新冠傳染防治項目
本解析法的優點除了採樣簡便，還有多樣化的解析結果。此外，本方法除了對各種傳染病有效，也能應用於心血管和肺部疾病、生活方式病、糖尿病等代謝性疾病、癌症等健康管理、未病先防等方面。呼氣醫療未來還將在遠程醫療等領域一展身手，我們以建立基於呼氣醫療的未來醫療為目標（圖2）。
圖2．基於呼氣醫療的個性化未來醫療
本研究獲得了日本文部科學省針對新冠傳染防治對策項目以及內閣官房新冠防治AI模擬試驗項目的支持。
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研究內容
新冠疫情的惡化大大限制了社會經濟活動，改變了人們的生活方式。為了維持社會經濟活動、醫療能力並阻止感染擴大，針對新冠病毒快速且高靈敏、高準確度的診斷，發病期及症狀的評估，重症化風險的判斷，預後及併發症的預測與診斷是目前的緊要課題。
此次，日本東北大學研究生院醫學系研究科、老齡研究所基於和島津製作所的共同研究，在令和二年文部科學省一次補正預算（強化國立大學研究基礎）新冠傳染防治項目下研究出「針對新冠病毒防治對策的呼氣組學解析系統」，並於2020年5月在日本東北大學醫學部設立了「呼氣組學研究中心」，開展新冠病毒診斷法的研究。
呼氣組學是利用質譜儀注2檢測氣溶膠注3作為主要的精密檢測方法，以「對受試者的非侵入性」、「所得信息的豐富性」見長（圖1）。若使用日本東北大學開發的高性能氣溶膠收集裝置，受試者自己在安靜狀態下呼吸5分鐘，即可得到1毫升左右的呼出氣冷凝液注4。若居家即可收集呼氣樣本，就可以建立有助於在早期發現作為感染擴大主要原因的無症狀感染者和輕症患者，以及有助於在早期預測及預防新冠發病和重症化的檢查體系。
呼氣組學不僅能檢測是否感染新冠病毒，還能獲得發病時間及症狀的評估，重症化風險的判斷，預後及併發症預測相關的信息。呼氣組學也能應對新冠病毒以外的其他病毒，由於可同時測定多種病毒，所以對新冠疫情結束後的其他傳染病防治也有作用。
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今後發展
日本東北大學和島津製作所將把呼氣組學的應用範圍拓展到傳染病以外的疾病診斷、健康檢查等醫療保健領域，以此發展未來的呼氣醫療。此外，通過構建包括呼吸、環境和基因組（基因）等各種組學分析信息的資料庫，呼氣醫療不僅能診斷心血管、肺部疾病、生活方式病和糖尿病等代謝性疾病、癌症等，還能有助於居家健康管理和健康檢查，通過遠程醫療來推進開發有助于于未病先防和延年益壽的個性化醫療（圖2）。
島津製作所為了將與日本東北大學合作研發的檢查系統推向社會實際應用，將致力於「研發可自動進行從預處理到質量分析、數據分析工程的完整系統」，「橫向部署針對全國各地主要醫院和檢查機構的檢查系統，並建設傳染病防控網絡」。
注1. 組學：從整體角度分析代謝物、蛋白質等生物分子的技術。樣本形態無特別限制，例如鼻、咽拭子，唾液，血液，尿液、糞便等。環境組學可以分析灰塵和汙垢（汙水）。在呼氣組學中，會收集呼出的氣體，氣溶膠注3中的病毒蛋白和基因組，源自受試者的炎症介質和能量代謝物，並實現全自動化的高速、超靈敏的組學分析。
注2. 質譜儀：一種通過將樣品轉換成離子並按尺寸（質量）篩分來鑑定和定量分析樣品中所含成分的設備。通過進行適當的預處理，可以分析如蛋白質等各種生物分子，且可以一次分析多種成分。隨著近年來的高速化和高靈敏度化，其應用範圍也在擴大。
注3. 氣溶膠：漂浮的微米級液體或固體微粒。
注4. 呼出氣冷凝液：通過對呼出氣體進行冷凝收集的液體樣品。包含病毒蛋白， RNA基因組和生物代謝產物。