超音波を用いた細胞破壊・手術研究の現状（～2026年3月）

概要

超音波は画像診断だけでなく、音圧を集中させることで腫瘍や組織を壊す治療にも利用される。特に大出力の超音波で生じるキャビテーション（微小気泡の急膨張・崩壊）や音響振動は、熱を介さずに細胞を機械的に破砕・崩壊させることができる。近年は「ヒストトリプシー（histotripsy）」「オンコトリプシー（oncotripsy）」「低周波超音波による機械的アポトーシス」「超音波遺伝子回路操作」など、機械的作用を利用した研究が進んでおり、いくつかの治療は臨床試験や医療機器の承認に進んでいる。本稿では 2024 年〜2026 年初頭の文献・ニュースを基に、細胞を破壊する超音波手術・研究の主要テーマと最新動向をまとめた。なお、表では長い文を避け、キーワードや数値のみを列挙した。

1. ヒストトリプシー（Histotripsy）

ヒストトリプシーは高強度超音波パルスを照射して腫瘍内に空洞化（キャビテーション）を起こし、微小気泡が崩壊する際の機械的な力で組織を破砕する治療法である。熱を用いない非熱性メカニカルアブレーションであり、周囲の血管や胆管などを温存できる点が特徴。によると、超音波エネルギーで腫瘍内に微小気泡を作り出し、この気泡の崩壊で腫瘍組織が破壊され、破壊された組織は免疫系により処理される。ジョンズ・ホプキンス病院では 2023 年にFDAが肝腫瘍治療用として承認した機器を用い、外科的切開なしで肝腫瘍を治療している。数時間で完了し、患者は日帰り可能で回復時間も短い。2025年の一報では12か月後の局所腫瘍制御率が90 %で、一次肝癌患者の1年生存率は73.3 %、転移性腫瘍は48.6 %だったと報告され、血管や胆管の損傷は避けられた。なお、腎腫瘍への適応については2025年末〜2026年初にFDA承認が予想されている。

ヒストトリプシーはHIFU（高強度集束超音波）と異なり熱ではなく機械的破砕を利用するため熱による"ヒートシンク"効果の影響を受けず、腫瘍周囲の組織を温存しやすい。機器はMRIや超音波画像と組み合わせてリアルタイムで照射部位を追跡できる。臨床試験（HOPE4LIVER 試験など）では肝腫瘍の局所制御や免疫反応誘導の可能性が示され、免疫療法との併用研究も進んでいる。

ヒストトリプシーに関するキーワード

テーマ	キーワード・数値	補足
非熱性機械アブレーション	キャビテーション, 微小気泡崩壊	熱を使わず組織を粉砕
FDA承認	2023年に肝腫瘍用「Edison」システムが米国承認	日帰り治療
臨床成績	1年局所腫瘍制御率90 %, HCC患者の1年生存率73.3 %	転移性腫瘍は48.6 %
適応拡大	腎腫瘍・脳腫瘍への試験、免疫療法との併用	2025年末〜2026年初に腎腫瘍への承認を予想

2. オンコトリプシー（Oncotripsy）および低強度パルス超音波（LIPUS）

オンコトリプシーは、がん細胞と正常細胞の機械的特性の違い（がん細胞は弾性率が低く核が大きい）に基づき、超音波の共鳴周波数を調整してがん細胞だけを振動させ破壊する概念である。2020年ごろのモデリング研究では肝細胞癌の自然振動数が約80 kHz、正常細胞が約43 kHzと予測され、この周波数差を利用して選択的に核や核小体を破壊できることが示された。実験では特定の周波数に設定した低強度パルス超音波（0.5–0.67 MHz、パルス幅>20 ms）により乳がんや大腸がん細胞を選択的に壊死させることが確認されている（専門誌の記述）。機械的疲労により細胞骨格が崩壊し、がん細胞ではアクトンストレスファイバーの破断によりアポトーシスが誘導されるが、正常細胞はほぼ影響を受けない。この概念は理論段階にあり、臨床応用にはさらなる検証が必要だが、機械共鳴を利用した「周波数選択性破壊」は今後の研究分野である。

3. 低周波超音波による機械的アポトーシス（Mechanoptosis）

機械的ストレスによって腫瘍細胞のアポトーシスを誘導する研究も進んでいる。Bioengineering & Translational Medicine誌（2024年末発表）の研究では、33 kHzという低周波の超音波（出力39 mW/cm²、2 時間照射）が腫瘍細胞のアポトーシスを選択的に誘導することが報告された。乳がん細胞 (MDA‑MB‑231) では 46 %、メラノーマ細胞 (A375p) では 58 %、線維肉腫細胞 (HT1080) では 32 %のアポトーシスが観察されたが、同じ組織由来の正常細胞ではアポトーシス率がほぼ増加しなかった。周波数を120 kHzに変えると効果は消失し、低周波特有の現象であることが示された。また低出力（1.5 W）の繰り返し照射を3日間行っても、腫瘍細胞のみが減少し正常細胞は減少しなかった。このアポトーシスは機械感受性イオンチャネルPiezo1によるカルシウム流入とカルパイン活性化を介して起こり、Piezo1をノックダウンするとアポトーシスがほとんど起こらない。

低周波超音波は他の治療と組み合わせる研究も報告されている。ライス大学とヴァンダービルト大学のグループは、小分子蛋白質TRAIL（腫瘍壊死因子関連アポトーシス誘導リガンド）と低強度集束超音波を併用することで前立腺癌モデルの腫瘍を大幅に縮小できることを示した。超音波による機械刺激がPiezo1を活性化し、TRAILのアポトーシス誘導を増強するためで、TRAIL単独より効果が高く副作用も少ない。

低周波超音波アポトーシスのキーワード

テーマ	キーワード・数値	補足
周波数・出力	33 kHz, 39 mW/cm², 2 時間	低周波で腫瘍細胞のアポトーシス46–58 %
正常細胞への影響	MCF10Aなど正常細胞ではアポトーシス増加なし	高出力では正常細胞も死亡
機構	Piezo1チャネルのカルシウム流入 → カルパイン活性	Piezo1ノックダウンで効果消失
応用	TRAIL療法との併用で前立腺腫瘍縮小	Piezo1活性化がTRAIL効果を増強

4. 超音波と免疫療法の統合（ソノメカノジェネティクス）

最近の研究では、超音波を遺伝子回路や免疫細胞制御に応用する「ソノメカノジェネティクス」が注目されている。USC Viterbi School of Engineeringの王研究室は、機械ストレス応答性遺伝子回路を腫瘍細胞に組み込み、焦点超音波（FUS）と抗生物質ドキシサイクリンの組み合わせによって腫瘍細胞にCAR‑T細胞が認識する標的抗原CD19を発現させる方法を開発した。超音波は腫瘍局所でのみ遺伝子回路を起動し、CD19を発現した腫瘍細胞が「訓練センター」となってCAR‑T細胞を活性化し、周囲の腫瘍細胞を攻撃させる。細胞培養や腫瘍オルガノイド、マウスモデルで安全性と局所性が確認され、乳がんや脳腫瘍にも応用可能である。

同研究室は2025年に、超音波により遠隔制御できる新しい「EchoBack CAR-T細胞」を開発した。10分間の超音波刺激によってCAR‑T細胞が5日以上活性状態を維持し、標準的なCAR‑T細胞より5倍長く腫瘍細胞を攻撃できる。EchoBack CAR‑T細胞は陽性フィードバック回路と超音波感受性プロモーターを内蔵し、腫瘍近傍の刺激に応答して活性化・増殖し、腫瘍外では活性が低下するため安全性が高い。このアプローチは固形腫瘍に対する免疫療法の有効性を高める可能性がある。

ソノメカノジェネティクス関連のキーワード

テーマ	キーワード・数値	補足
超音波誘導遺伝子回路	FUS + ドキシサイクリン → CD19発現	腫瘍細胞がCAR‑Tを訓練
EchoBack CAR‑T細胞	10分の超音波刺激で5日間活性維持	標準CAR‑Tの5倍長持ち
安全性	超音波照射部位のみ活性化、腫瘍外では不活性	正常組織への攻撃を回避

5. 音響応答粒子を用いた腫瘍軟化・破壊

コロラド大学ボルダー校の研究者は、シリカで作られた音響応答粒子を腫瘍組織に添加し、高周波超音波を照射することで腫瘍組織を軟化させる研究を報告した。粒子は超音波によって高速振動し、周囲の水を蒸気化してキャビテーションを起こす。2D培養では腫瘍組織が破壊されたが、3D培養では周囲のタンパク質が減少して組織が柔らかくなり、薬剤が浸透しやすくなった。この方法は抗がん剤の浸透を高める補助療法として期待される。

6. マイクロバブル破壊と薬剤送達（UTMD）

超音波照射によりマイクロバブルを破裂させて局所的な薬物や遺伝子を放出する「超音波標的化マイクロバブル破壊（UTMD）」は、血管内皮や腫瘍細胞を機械的に破壊すると同時に薬剤送達を向上させる。レビューによると、キャビテーションが生じることで内皮細胞に微小流れやマイクロジェットが発生し、微小血管が破裂して腫瘍細胞のアポトーシスや血管新生阻害が起こる。またマイクロバブルに結合させた抗体や遺伝子治療薬をターゲット部位で放出できるため、免疫チェックポイント阻害剤や化学療法との併用効果が報告されている（前回調査で参照した文献より）。

7. 今後の展望

超音波による細胞破壊・手術は、非侵襲性・高精度という利点から急速に発展している。ヒストトリプシーはすでに肝腫瘍治療として商業化され、1年追跡で高い局所制御率が報告された。腎腫瘍や脳腫瘍への応用も進んでおり、臨床試験が増えている。一方、低周波超音波を用いた機械的アポトーシスやオンコトリプシーは前臨床段階だが、Piezo1チャネルなど機械感受性分子の理解が進めば選択的腫瘍破壊法として期待される。また、超音波による遺伝子回路の遠隔制御やCAR‑T細胞の活性化は免疫療法との融合を示しており、腫瘍微小環境での局所治療を実現する可能性がある。今後は安全性評価、腫瘍環境への到達性、正常組織への影響を検討しながら、臨床試験による検証が必要である。

構造はどのくらい違いますか

癌細胞と正常細胞は見た目の基本構造（細胞膜・細胞質・核）は同じですが、 内部構造のバランスや組織構造がかなり違います。 その違いが「柔らかさ」や「振動応答」の差につながります。

1 基本構造（共通）

まず前提として、両方とも基本構造は同じです。

細胞膜
↓
細胞質
↓
核
↓
細胞骨格

つまり細胞の種類が違うわけではなく、状態が変わっているだけです。

2 一番大きな違い：核の大きさ

癌細胞の特徴として有名なのが 核が大きい ことです。

細胞	核の割合
正常細胞	約10〜20%
癌細胞	30〜80%

顕微鏡では

正常細胞
○

癌細胞
◎

のように見えます。これは診断でも使われます。

3 細胞骨格の違い（これが柔らかさの原因）

細胞の硬さは

アクチン
微小管
中間フィラメント

という細胞骨格ネットワークで決まります。正常細胞

格子状ネットワーク

癌細胞

ネットワーク崩壊
↓
ランダム構造

イメージ正常細胞

# # # #
# # # #
# # # #

癌細胞

#   # 
   #  
#     #

つまり 内部フレームが弱い です。

4 接着構造が違う

正常細胞は周囲の細胞と

カドヘリン
インテグリン

というタンパク質で接着しています。正常組織

細胞—細胞—細胞
│   │   │
固定

癌細胞

細胞   細胞
   細胞

つまり 組織構造が崩れます。

5 細胞表面の違い

癌細胞は表面が かなり不規則 になります。正常細胞

滑らか

癌細胞

突起
フィロポディア
ラメリポディア

これは 移動能力 を上げるためです。

6 組織構造の違い（これが重要）

面白いのは

細胞単体

細胞	硬さ
正常	硬い
癌	柔らかい

しかし

腫瘍組織

組織	硬さ
正常	柔らかい
腫瘍	硬い

になります。理由腫瘍は

コラーゲン
線維

を大量に作るからです。

7 振動応答の違い

構造が違うと 振動特性 が変わります。振動工学で言うと固有振動数

f = √(k/m)

k = 剛性 m = 質量癌細胞は

剛性 k ↓
核質量 m ↑

なので 振動応答が変わる 可能性があります。これが oncotripsy の理論です。

8 数値的にはどのくらい違うか

研究の平均値ですが

特性	正常細胞	癌細胞
ヤング率	2〜5 kPa	0.2〜1 kPa
核サイズ	小さい	大きい
骨格構造	規則的	乱れ
接着力	強い	弱い
移動能力	低い	高い

つまり 材料としてかなり違う と言えます。

9 面白い点（研究者が驚いた部分）

実は 癌細胞の柔らかさ は

転移能力

と強く相関します。つまり

柔らかい癌
↓
転移しやすい

です。このため最近は 癌診断 = 細胞の硬さ測定 という研究もあります。

もし興味があればですが、この話にはさらに驚く研究があります。実は最近 癌細胞は正常細胞の10〜20倍変形する ことが分かっています。これは ナノレベルの材料試験 で測定されています。しかもこの柔らかさは 癌発生のかなり初期から現れる 可能性があります。ここはかなり面白いので、希望があれば **癌細胞の硬さ測定技術（AFMなど）**も解説できます。

超音波発信機側の構造の違いを教えてください

超音波で「細胞破壊・医療」に使う装置と、「超音波切削」に使う装置では、発信機（トランスデューサ）の構造がかなり違います。 大きくいうと 振動の作り方・エネルギーの出し方・焦点の作り方が違います。

1 超音波発信機の基本構造（共通）

まずどちらも基本は同じです。中心は **圧電素子（PZTなど）**です。基本構造

電源
↓
高周波発振回路
↓
圧電素子
↓
機械振動
↓
超音波

圧電素子は

電圧
↓
伸び縮み
↓
振動

します。

2 超音波切削装置の構造

超音波加工では 工具を振動させる構造 です。構造

発振器
↓
圧電振動子
↓
ホーン（振幅増幅）
↓
工具

イメージ

[圧電素子]
     │
  振動子
     │
  ホーン
     │
  工具

特徴

周波数：20〜40 kHz
振幅：10〜50 µm
接触加工

ホーンは

共振体

で、振幅を増やします。

3 医療用超音波（histotripsyなど）の構造

医療用は 焦点を作る構造 です。構造

発振器
↓
多数の圧電素子
↓
超音波アレイ
↓
焦点形成

イメージ

  ))  ))  ))
 ))  ))  ))
   ))  ))
     ↓
   焦点

特徴

周波数：0.5〜2 MHz
非接触
音波を集中

4 大きな違い（構造比較）

項目	超音波切削	医療超音波
振動体	工具	液体・組織
構造	ホーン共振器	トランスデューサアレイ
周波数	20〜40 kHz	0.5〜2 MHz
振幅	大きい	小さい
焦点	なし	あり

5 超音波切削の特徴的な構造

超音波加工装置は 共振器設計 が重要です。ホーン形状

ステップホーン
テーパーホーン
指数ホーン

目的

振幅増幅

例えば

圧電振動 5µm
↓
ホーン
↓
工具振動 40µm

6 医療装置の特徴

医療用では フェーズドアレイ が使われます。つまり

複数振動子
↓
位相制御
↓
焦点移動

です。例

256素子
512素子
1024素子

7 Histotripsy装置の特殊構造

histotripsyでは 短パルス高圧 を作ります。特徴

パルス幅
1〜10 µs

圧力

10〜30 MPa

これで

キャビテーション

を起こします。

8 構造のイメージ（かなり違う）

超音波切削

[振動子]
   │
 [ホーン]
   │
 [工具]
   │
加工物

医療

(振動子アレイ)
  ))  ))  ))
   ))  ))
     ↓
    腫瘍

9 実は共通点もある

共通する重要な技術があります。 共振設計 です。どちらも

λ/2共振

を使います。例えば 20 kHz の場合

音速
≈5000 m/s

波長
≈250 mm

なので

ホーン長
≈125 mm

になります。

10 面白い研究方向

実は最近 機械加工の超音波技術を医療に応用 する研究があります。例

超音波メス
超音波破砕

逆に医療研究から

細胞振動破壊

という 材料振動破壊 に近い研究も出てきています。

もし興味があればですが、超音波装置の話で一番面白いのは なぜ超音波振動子は必ず共振設計なのか です。ここは

振動工学
材料力学
音響工学

が全部つながるので、かなり面白い分野です。