ヒト細胞の「共鳴周波数」を特定することに成功！――利用すれば細胞破砕も可能 (2/2)

ヒト細胞の共鳴周波数を特定する

生きているヒト細胞の共鳴周波数をどうやって測るのか？

理論的には2つの方法が存在します。

1つはワイングラスや音叉、そして崩壊する橋のように、外部から振動を与えて、細胞の揺れやすい振動パターンを探すという方法です。

しかし生きている細胞の場合、実験に使用する振動によって細胞の生命活動に影響が及んで細胞が変質してしまい、測定結果が「本当にもともとの細胞の共鳴周波数かどうか」の区別がつかなくなってしまう可能性があります。

そこで今回の研究ではもう1つの方法として、細胞の振動をダイレクトに計測する方法が考案されました。

外から振動を与えて細胞の揺れやすさを確認するのではなく、生きている細胞そのものの自然な振動パターンを計測できれば、そこから共鳴周波数を導くことが可能だからです。

調査に当たってはまず、生体環境に近い状態でヒト細胞を保持したまま、高い周波数まで測定できる手法を模索しました。

そこで選ばれたのが、下の図のような微小なカンチレバー型センサーを用いて細胞の熱的ゆらぎ（熱運動）を直接読み取る方法です。

カンチレバーとは、一端が固定され、もう一端が自由に動ける極小サイズの「板バネ」のようなもので、そこに細胞を接着し、カンチレバー自身の微小な振動をレーザーで検出することで、細胞の“自然な揺れ”を拾い上げることが可能になります。

実際の実験では、まずファイブロネクチンなどの接着因子を用いてカンチレバー表面に生きているヒト乳房細胞を固定しました。

そして培養液中で細胞が生きた状態のまま、1 kHzから1 MHzにおよぶ幅広い周波数領域でカンチレバーの振動スペクトルを高精度に計測します。

微小なカンチレバーは周波数帯ごとに特有の振動モード（曲げやねじれ）を持ちますが、細胞が接着しているときだけ異常なピークやスペクトル変化が表れるため、そこから細胞固有の振動モード――すなわち、共鳴周波数を逆算することができるのです。

この方法を繰り返し検証した結果、ヒト乳腺細胞においては10〜30 kHz近辺と150〜180 kHz近辺で振幅の大きなピークが見られ、理論モデルによるシミュレーションとも一致したことが明らかになりました。

注目すべきは、10〜30 kHz付近という周波数帯が、人間の可聴域（おおむね20 Hz～20 kHz）と重複していることです。

また細胞の質量は比較的安定しており、約4.08 ngから±5%の範囲で変動しました。

こうした成果から研究者たちは、細胞の共鳴周波数を「健康な細胞と病変細胞を区別する指紋」として活用できる可能性を示唆しています。

たとえば、がん細胞だけが示す特異的な共鳴周波数を狙い撃ちできれば、周囲の正常細胞を傷つけずに病巣だけを破壊できるかもしれません。

これは超音波治療や音響治療の分野を大きく前進させるアイデアとなり得るでしょう。

加えて、骨折治療や組織再生における超音波利用の精度をさらに高めることも視野に入ります。

さらに、より高い周波数でも測定できる微小な装置（マイクロメカニカル共振器）の開発が進めば、観察できる細胞の「振動モード（揺れ方）」が増えて、今よりずっと詳細な「細胞振動分光法」を確立できるでしょう。

振動の細かい情報を正確にとらえられるようになれば、がん細胞の破壊だけでなく、細胞がいまどんな状態なのかをリアルタイムで見極め病気の早期発見や新しい治療方法の開発に大きく貢献する可能性があります。

研究チームは今後、異なる種類の細胞や病巣細胞に対しても同様の測定を行い、その指紋とも言うべき周波数マップを体系的に構築していく予定だと述べています。