単一細胞プロテオミクスの新時代：AI駆動型プラットフォームSPRINTが実現する驚異の解析スループット

細胞一つひとつの個性をタンパク質レベルで解明する単一細胞プロテオミクスは、疾患のメカニズム解明や個別化医療の鍵を握る技術です。しかし、従来のワークフローは処理速度が遅く、大規模なサンプル解析には膨大な時間とコストが必要でした。本記事では、このボトルネックを革新的なAI技術とロボティクスで突破し、1日あたり1万個以上の細胞処理を可能にした最新の研究成果をご紹介します。

第1章：SPRINTプラットフォームの衝撃 − AIが加速する細胞分注の新次元

中国医学科学院（Chinese Academy of Medical Sciences）のジルー・イェ（Zilu Ye）博士らの研究チームは、次世代の単一細胞プロテオミクス基盤「SPRINT」を開発しました。bioRxiv（英文タイトル：End-to-end high-throughput single-cell proteomics via SPRINT and dual-spray LC-MS、和訳：SPRINTとデュアルスプレーLC-MSによるエンドツーエンドのハイスループット単一細胞プロテオミクス）で発表された本技術は、1日あたり1万個以上の細胞を安定して処理します。これは細い糸を通すような細胞分注を、AIが制御する超高速コンベアへと進化させた成果です。従来のシステムが数日間で数千個の処理に留まっていたのに対し、10倍以上の速度向上と100%の分注精度を実現しました。この効率性は、細胞の多様性を解明する研究規模を劇的に拡大させるはずです。

チームはAIを搭載したマルチノズルチップにより、液滴レベルでの精密な制御を達成しました。SPRINTはわずか30ピコリットルの極微小な液滴を吐出し、バッファーによる干渉を抑えながら、個々の細胞を正確に単離します。高解像度イメージングと機械学習アルゴリズムが、破片や重なり合った細胞を瞬時に見分け、純度の高い単一細胞サンプルを生成するのです。HeLa細胞を用いた検証では、1細胞あたり6,000種類を超えるタンパク質群と38,422個もの前駆体を同定することに成功しました。この基盤は、数百万の細胞を扱うRNA解析並みの効率を、プロテオミクスの世界に初めてもたらしました。

研究チームはサンプルの希少性に対応するため、二種類の異なる印刷チップを開発しました。840個のノズルを持つ標準チップに加え、5マイクロリットル程度の微量な懸濁液から高効率に回収できる100ノズル仕様のチップを使い分けます。これは広大な農地に種を撒くような一括処理と、宝石を一つずつ慎重に拾い上げるような高精度な回収を、用途に応じて切り替える柔軟な仕組みです。6,500万回もの吐出サイクルを経た後でも、液滴量の変動係数はわずか2%未満という驚異的な安定性を維持していることが実証されました。この堅牢な設計により、培養細胞だけでなく一次組織由来の細胞でも、再現性の高い解析が可能になります。

細胞濃度の最適化により、プレートあたりの処理時間は劇的に短縮されています。HeLa細胞では濃度が1ミリリットルあたり100万個のとき、384ウェルプレート1枚の処理時間は平均でわずか7.85分という超高速に達しました。目にも止まらぬ速さで細胞を配置していく様子は、まさに精密な三次元プリンターが複雑な回路を描き出していくプロセスそのものです。骨髄細胞においても1枚あたり4.78分という速度を達成しつつ、98.7%という高い分注精度を維持することに成功しています。この技術によって、これまでは数日を要した数万細胞の準備作業が、わずか数時間で完了する「分」単位のワークフローへと進化しました。

第2章：反応条件の究極的な最適化 − わずか500ナノリットルに宿る感度

チームは単一細胞解析の感度を最大化するため、前処理の反応容量を厳密に最適化しました。マウス細胞を用いた実験では、マスターミックスの量を100から1,000ナノリットルの範囲で検証し、最終的に500ナノリットルが最適であると結論付けました。微小な器の中で化学反応を凝縮させることで、タンパク質の吸着による損失を防ぎ、解析可能な分子の密度を極限まで高める戦略です。1,000ナノリットルを超えると、タンパク質の表面吸着によって同定数が約6.9%低下するという興味深い現象も確認されています。この微量分注技術の確立により、これまで検出が困難だった低発現タンパク質のシグナルを確実に捉えることが可能になりました。

酵素によるタンパク質の消化プロセスにおいても、高い同定効率を得るための条件が検討されました。トリプシン単独、Lys-C単独、およびその混合物を比較した結果、トリプシンのみを用いた場合に最も多くのタンパク質群が同定されました。巨大なタンパク質をハサミで適切な長さの断片に切り分ける際、その切れ味と断片の長さが質量分析の解像度を決定する鍵となります。消化時間は0.5時間から4時間の範囲で試験され、切断精度と蒸発損失のバランスから1から2時間が最適と判断されました。時間の延長は未分解の断片を減らしますが、同時にサンプルの揮発リスクを高めるため、この最適な窓の設定が不可欠です。

最終的なペプチドの回収とイオン化効率を高めるため、反応停止液の組成も精査されました。0.1%のギ酸に代えてトリフルオロ酢酸（TFA）を使用することで、単一細胞におけるタンパク質同定数が9.2%向上することを見出しました。ペプチド表面の電荷を適切にコーティングしてやることで、質量分析計のセンサーへと飛び込む分子の「弾み」を強化するような仕組みです。また、0.5%のジメチルスルホキシド（DMSO）を添加することで、親水性の低いペプチドの損失を抑え、イオン化をより安定させることに成功しました。これらの微細な添加剤の調整が、数千種類の分子を同時に識別する解析の「視力」を大幅に改善する結果をもたらしたのです。

ラベルフリー解析の精度を支える「キャリア細胞」の適切な量についても、重要な知見が得られています。チームは1ウェルあたり10個から100個の細胞を混合して検証を行い、10個から20個程度の添加で十分な解析品質が保たれることを確認しました。これは解析の基準となる「地図」を最小限の予備サンプルで作成し、主役である単一細胞のデータを邪魔しないように配慮する工夫です。過剰なキャリア細胞の添加は、かえってバックグラウンドノイズを増大させ、微量なタンパク質の検出を妨げる要因になり得ます。この最適化された比率は、希少な臨床サンプルの消費を最小限に抑えつつ、最大限のデータを得るための実践的なガイドラインとなります。

第3章：デュアルスプレーLC-MSの導入 − 装置の「空白時間」を徹底排除

サンプル準備が高速化する一方で、質量分析計（MS）の稼働効率が新たなボトルネックとなっていました。通常の装置では、カラムの洗浄や平衡化などの非解析時間にランタイムの半分以上が費やされ、分析計が「アイドル状態」で待機しています。高価な精密機器を有効活用するためには、一人が走り終わるのを待つのではなく、交代で絶え間なく選手を送り出すリレーのような仕組みが必要です。チームはこの課題を解決するため、二本の独立したカラムを並列で動作させる「デュアルスプレーTDIシステム」を独自に構築しました。片方のカラムで検出を行っている間に、もう片方で準備を完了させることで、空白時間を徹底的に排除したのです。

この並列化システムの導入により、質量分析計の利用効率は飛躍的な向上を遂げました。従来の単一スプレー方式では44.2%に留まっていたMSの有効稼働率が、本システムでは88.4%という極めて高い水準まで引き上げられました。渋滞していた高速道路の車線を倍に増やし、料金所での停止時間をなくすことで、物流量を一気に拡大させたようなインパクトです。その結果、感度を一切犠牲にすることなく、1日あたり168回ものラベルフリー単一細胞解析を実行することが可能になりました。これは従来のプラットフォームの約3倍に相当するスループットであり、大規模な細胞集団の網羅的なプロファイリングを現実のものとしました。

二本のカラムを使用することによるデータのバラつきについても、厳格な品質管理が行われています。カラム間の保持時間の偏差は0.25分未満に抑えられており、主成分分析（PCA）の結果も高い再現性と一貫性を示しています。異なる工場で製造された精密部品が、寸分違わぬ精度で組み上がるように、高度な温度・圧力制御がデータの一体性を保証しているのです。各カラムで同定されたタンパク質数は約6,880種類とほぼ等しく、バッチ効果の影響を最小限に留めていることが実証されました。この安定した並列化技術こそが、大量のデジタルデータを統合して単一細胞の「辞書」を作り上げるための強固な基盤となっています。

本システムは、非常に短い勾配を用いた分析において特に優れたパフォーマンスを発揮します。8.6分の全サイクル時間のうち、7.6分を実際のペプチド分離に割り当てることで、理論上の限界に近い稼働効率を達成しました。分離のプロセスを限界まで濃縮しながらも、個々のタンパク質のピークを鋭く保つ高度なクロマトグラフィー技術が、この高速化を下支えしています。マウス胎児由来の細胞を用いた比較でも、従来の直接注入法を上回るタンパク質同定数を確認しており、高速化と高感度の両立が証明されました。装置のポテンシャルを極限まで引き出すこのアプローチは、今後のハイスループット解析における新たな標準となることが期待されます。

第4章：組織解離プロトコルの標準化 − 壊れやすい細胞を「優しく」解き放つ

研究の対象を培養細胞から実際の組織へと広げるため、包括的な組織解離プロトコルが確立されました。心臓、肝臓、肺、脳、腸などを含む12種類のマウス組織を収集し、それぞれの細胞の特性に合わせた酵素処理の条件を系統的に評価しました。組織という強固な城壁に守られた細胞たちを、その個性を傷つけることなく優しく「自由の身」にするための、洗練されたマニュアルを作成したのです。既存のRNA解析用手法では不十分だった細胞残渣の除去プロセスを強化し、プロテオミクス特有の目詰まりの問題を根本から解決しました。この標準化された手順により、高品質な一次組織由来の単一細胞サンプルを誰でも調製することが可能になります。

細胞の生存率と形態を維持するために不可欠なウシ血清アルブミン（BSA）の濃度も、再検討されています。一般的な1%の濃度ではバックグラウンドノイズが大きくなり解析を妨げるため、チームは0.1%を最適な標準濃度として設定しました。濃度を上げすぎると細胞が膨らんだり縮んだりといった変形を起こし、本来の生理状態を反映できなくなる恐れがあることを突き止めたのです。実験では0時間から16時間後までの細胞の状態を詳細に追跡し、組織ごとに異なるBSAへの反応性をデータベース化しました。過度な添加を排し、データの透明性を最優先したこのバランス調整は、正確な解析のための極めて重要なステップです。

組織ごとの細胞の「脆さ」の違いが、プロテオームデータの質に直結することも明らかになりました。リンパや血液の細胞はBSAの保護下で90%以上の生存率を維持しましたが、腸の細胞は極めて敏感で、高濃度下では急激に死滅しました。特定の環境では薬となる成分が、別の場所では毒に変わるように、組織のルーツに基づいた個別のケアが必要であることをデータが示しています。特に脆弱な腸細胞の処理では、AIイメージングとSPRINTの高速処理を組み合わせることで、崩壊前のタンパク質情報を捉えることに成功しました。このようにサンプルの特性に合わせて戦術を切り替える柔軟性が、これまで困難とされた組織プロテオミクスの扉を開いたのです。

解析を通じて、細胞の直径の変化という「目に見える指標」がデータの信頼性に大きく寄与しました。リンパ細胞はBSA添加後に一時的な膨張を示し、その後の収縮を経て安定化するといった、経時的な物理変化のパターンが記録されています。顕微鏡下で繰り広げられる細胞たちのダイナミックな振る舞いを、AIがリアルタイムで測定し、分注のタイミングを最適化する仕組みです。肝臓細胞は時間の経過とともに肥大化する傾向にあり、各組織の解離後の「賞味期限」を科学的な根拠に基づいて定義することに成功しました。物理的な形態情報と分子情報を紐付けるこのアプローチは、解析における新たな多角的な品質基準となるでしょう。

第5章：マウス・プロテオームアトラスの完成 − タンパク質が綴る生命の物語

確立された全自動ワークフローを用いて、世界初となる多組織横断的なマウス単一細胞プロテオームアトラスが完成しました。骨髄、心臓、腸、腎臓、肺、リンパの6組織から、合計5,823種類ものユニークなタンパク質を同定し、壮大な分子の地図を描き出しました。個々の細胞から得られた膨大な情報を繋ぎ合わせ、一つの生命体の中でタンパク質がどのように役割を分担しているかを可視化する試みです。すべての組織で共通して検出された1,039種類のタンパク質は、リボソームや代謝酵素といった、生命を支える基本インフラを構成していました。一方で、組織特有の機能を持つタンパク質も明確に区別され、臓器の多様性が克明に記録されています。

このアトラスは、これまで教科書的だった細胞の個性を、実数値として裏付ける重要な役割を果たしています。心臓の拍動を支えるトロポニンや、腸の吸収を担うエンテロサイト特有の分子パターンを、単一細胞レベルの解像度で直接検出することに成功しました。数千人もの合唱団の中から、一人一人の歌声とその役割を聞き分けるような、驚異的な識別能力が細胞レベルで実現されたのです。腎臓のエピテーリウム細胞では代謝活性が、リンパのB細胞では免疫応答の強化が、タンパク質発現量として鮮明に現れています。これにより、疾患によって細胞の機能が乱れた際、どのタンパク質がその原因であるかを特定する道が拓かれました。

細胞が分化・成長していく動的なプロセスも、本プラットフォームは高解像度で捉えることができます。研究チームは好中球が未熟な状態から成熟へと至る軌跡を解析し、特定のマーカータンパク質が段階的に変動する様子を解明しました。止まった写真の連続ではなく、成長の物語を一本の映画のように描き出す「擬似時間解析」が、分子レベルの解像度で実行されたのです。成熟に伴いS100A8が増加する一方で、MPOが初期にピークを迎えるといった、RNA解析では見えてこないタンパク質の動態を捉えました。タンパク質こそが生命の実行部隊である以上、この動的な変化の記録は、病気の進行を理解するための強力な武器となります。

SPRINTとデュアルスプレーLC-MSの統合は、プロテオミクスを新たなスケーラブルな時代へと押し上げました。本研究は、感度の壁を越えた今、次なり挑戦である「スループット」の壁をAIと工学の力で突破できることを世界に示しました。かつては夢物語だった、数万の細胞プロテオームを日常的に計測する未来は、もはや目前の現実としてそこにあります。チームは今後、1日の解析数を300から500細胞まで引き上げ、臨床診断への応用をさらに加速させる構えです。細胞の個性が織りなす生命のシステムを解き明かすこの技術は、個別化医療や創薬の現場を劇的に変えていくに違いありません。

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参考文献タイトル：End-to-end high-throughput single-cell proteomics via SPRINT and dual-spray LC-MS
出典リンク：https://doi.org/10.1101/2025.11.03.686420