携帯型呼気分析器「Nutrion」、研究でラボ級精度を確認 脂肪燃焼の切り替わりを90秒で検出
2026年7月25日 15:54
食事管理で代謝状態を追跡したい人や、難治性てんかんのケトン管理、GLP-1系薬の影響を見たい研究用途に向けて、携帯型の呼気分析器が実用段階に近づいている。ETHチューリヒの査読付き研究では、血液採取なしで約90秒の測定結果が実験室の質量分析計と実質的に同等だった。もっとも、現時点の検証対象は健康な成人12人で、米国で臨床診断機器として承認されたわけではない。
■携帯型でもラボ機器に匹敵する精度を示した
スイスの大学発スタートアップが手がける携帯型の呼気分析器が、体が糖を燃やす状態から脂肪を燃やす状態へ切り替わったタイミングを検出できるようになった。これまで同じ用途にはゴールドスタンダードとされる実験室機器が必要だったが、この装置は採血なしで約90秒で測定できる。
7月22日付でCell Pressの学術誌「Device」に掲載された査読付き検証研究で、ETHチューリヒの研究チームは携帯型装置「Nutrion」と、呼気中の微量ガス検出で標準機とされる陽子移動反応飛行時間型質量分析計（PTR-ToF-MS）を比較した。ETH発スピンオフのAlivion AGが製品化したNutrionについて、健康な成人12人から得た312件の呼気測定値を4つの代謝シナリオで比べたところ、携帯機器の結果は実験室機器と実質的に見分けがつかない水準だった。
ETHチューリヒ機械・プロセス工学科の分子センシング教授Andreas Güntner氏は、大学のリリースで「食事法に関して、すべての人に当てはまる経験則はない。理想的には、自分の代謝がどう反応するかを自分で観察すべきだ。糖尿病患者の血糖測定のように、独立して実施でき、信頼できる結果を出す方法も必要になる」と述べた。
■呼気で脂肪燃焼を測る発想自体は新しくない
吐いた息から脂肪代謝を読み取る考え方は以前からある。肝臓が脂肪酸の燃焼へ切り替わると、絶食時や高強度運動時、あるいは極端な低炭水化物食の際に、副産物としてケトン体を作る。その1つであるアセトンは小さく揮発性が高いため、血流から肺へ拡散し、呼気として排出される。
そのため呼気中アセトン濃度は、ある時点で体が主に脂肪と炭水化物のどちらを燃料にしているかを連続的に示す代用指標になる。この科学的基盤は数十年前から確立されている。
ただし、この原理を製品化しようとした既存の呼気ケトン測定器は苦戦してきた。LEVL、Ketonix、Keytoといった機器がその例で、かつてFDAのクラスI医療機器として扱われたLEVLは、すでに事業を停止している。2021年の査読付きレビューによると、根本的な問題は人の呼気がほぼ水蒸気で飽和しており、多くのガスセンサーが微弱なアセトン信号と圧倒的な湿度を区別できない点にあった。その結果、既存の民生機器は厳格なケトジェニック食で生じる高いケトン濃度では動作しても、通常の運動や穏やかな食事変化に伴う微妙な代謝変化の検出は難しかった。
■湿度問題はTenax TA吸着カラムで処理する
Nutrionは、ユーザーの呼気とセンサーの間にTenax TA吸着カラムを挟む構成を採る。Tenax TAは多孔質ポリマーで、有機分子を選択的に捕捉する。ETHチューリヒの研究チームの確認と分析化学系記者の独立報道によると、この材料は水蒸気よりアセトンを約90倍強く引きつける。
ユーザーが装置に息を吹き込むと、水蒸気はTenax TAカラムをそのまま通過して外へ抜け、アセトンはポリマー内に一時的に捕捉される。その後、カラムが濃縮したアセトンを化学抵抗式センサーへ放出する。センサーは金属酸化物材料で、アセトンの存在下では電気抵抗が測定可能なレベルで低下する。センサーが信号を読む時点では、妨害要因だった湿度は取り除かれている。飲食物や環境由来の他の妨害分子も同じ選択性で遮断できる。
センサー素子そのものは、Güntner氏らが2017年にETHチューリヒで実証した研究に直接つながる。シリコンをドープした三酸化タングステン（WO₃）ナノ粒子の多孔質膜をコーティングしたチップで、気体混合物中の1億個の分子に対して1個のアセトン分子を検出できるとした。
湿度を処理する前濃縮段と、超高感度の化学抵抗式トランスデューサーを組み合わせた点が、約40年にわたり民生向け機器市場で実現できていなかった部分だ。
■再現性のために呼気の最後の成分だけを使う
この装置が対処するもう1つの課題は再現性だ。センサー自体が完璧でも、呼気のどの部分を採取するかで成分は変わる。鼻や喉など上気道の空気は周囲の空気の影響を反映し、代謝状態そのものではない。血液中の状態を正確に反映するのは、深く吐き切る呼気の最後の部分、いわゆる終末呼気だけである。
Nutrionは、連携するスマートフォンアプリで各測定をリアルタイムに誘導する。Cell Pressの研究発表によると、このアプリは呼気量と流量を監視し、センサーに使う空気として終末呼気だけを選び、品質基準を満たさない測定値は棄却する。さらに各装置はユーザーごとの肺容量に合わせて個別校正され、小柄な成人と体格の大きい成人の呼気量の差を補正する。測定全体は約90秒で完了する。
論文の筆頭著者でETHの博士課程学生Simone Hersberger氏は大学のリリースで、「この装置は呼気量を測定し、一定時間経過後に肺の深部から来たサンプルだけを採取する。そうしなければ、毎回の測定値が少しずつ違ってしまう」と説明した。
■12人・312測定で4つの代謝シナリオを比較
検証研究では健康な成人12人を登録し、312組のペア測定を集めた。各測定はNutrionとPTR-ToF-MS質量分析計で同時に取得した。研究チームは参加者の脂肪燃焼状態を異なる方法と速度で変化させるため、4つの代謝シナリオを設定した。軽い運動の後に高炭水化物食を摂る条件、高強度運動の後に高炭水化物食を摂る条件、脂肪の多いケトジェニック食の条件、そして絶食の条件だ。
軽い運動と炭水化物の再補給では、呼気アセトンは運動中も運動後も低いままだった。体がブドウ糖を燃やし続ける代謝条件だからである。一方、高強度運動の後は、参加者が炭水化物を摂るとアセトン濃度は低下し、脂肪を摂ると高い状態を保ち、絶食では上昇し続けた。大学の公表資料によると、Nutrionはこうした変化を実験室機器と同じ忠実度で捉え、数カ月にわたる検証期間でもその精度を維持した。
Hersberger氏は「これらの結果は、臨床研究のように脂肪代謝のわずかな違いを本当に区別したい用途に必要な高い性能を備えていることを示している」と述べた。
■製品化は進むが、米国の臨床診断承認はまだない
Nature Newsのこの研究に関する報道によると、Güntner氏と共著者Jan van den Broek氏はAlivion AGに出資しており、基盤特許はETHチューリヒが保有している。AlivionはNutrionを製品化し、現在は国際的な研究や医療施設に展開している。NutrionはISPO 2024イノベーション賞を受賞し、研究用途とウェルネス追跡用途で個人購入も可能だという。
ただし、消費者や臨床現場にとって重要な点として、Nutrionは現時点で米国における臨床用途の診断機器として検証・承認されたわけではない。したがって米国では、検査室のHbA1c検査のように処方されたり、医療診断の根拠として用いられたりはできない。学術誌「Device」に載った査読付き検証は重要な研究上の到達点だが、LEVLがかつて得ていたFDAクラスIクリアランスに相当する臨床診断向け承認は、別の段階としてまだ完了していない。
Alivionは生産拡大と規制対応を進めるため、追加の業界パートナーと戦略投資家を探している。
■難治性てんかんやGLP-1治療の追跡が有力用途
現在、最も直接的な臨床応用として開発が進んでいるのは小児てんかんだ。少なくとも2種類の薬に反応しない難治性てんかんの子どもでは、ケトジェニック食が確立した治療法になっている。2025年の「Frontiers in Nutrition」の系統的レビューとメタ分析によると、高脂肪摂取で体を持続的なケトーシスへ導くと、多くの患者で発作頻度が下がるとみられている。だがこの治療的ケトーシスを維持するには、これまで患者の代謝状態を継続的に確認するため、頻繁な穿刺による血中ケトン測定が必要だった。
ケトジェニック食の継続は臨床上の課題でもある。2024年の系統的レビューでは、てんかんの子どもの遵守率は6カ月時点でおよそ80％だったが、3年後には約38％まで低下していた。患者側は監視の負担を主な障壁の1つとして挙げている。研究チームはすでにチューリヒ大学小児病院と協力し、Nutrionが採血なしで子どもの食事療法の継続管理に役立つかを検証している。
てんかん以外では、研究チームはGLP-1受容体作動薬治療の脂肪代謝への影響を監視する研究も計画している。セマグルチド（製品名としてOzempic、Wegovyなどを含む）もこの薬剤群に属する。2026年6月のGallup調査データによると、米国では現在3000万人超がGLP-1薬を使用している。一方で、こうした薬が体の燃料利用にどう影響しているかを患者や臨床家がリアルタイムで追跡できる実用的な手段は現状ない。体重や血糖値のような間接指標ではなく、脂肪酸化を直接測る検証済みの呼気モニターがあれば、GLP-1治療の個別化に新たな視点を加える可能性がある。
Alivionチームは3つ目の用途としてアスリートのパフォーマンスも評価している。脂肪適応型トレーニングを取り入れる持久系アスリートには、練習中の代謝状態を現場で追跡できる手段が現時点ではない。
■呼気診断全体への波及も視野に入る
Nutrionが示した技術的な意味は、脂肪燃焼の測定にとどまらない。Tenax TAカラムによる目的特化型の吸着分離段と、化学抵抗式の金属酸化物トランスデューサー、さらにリアルタイムの呼気誘導ソフトウェアを組み合わせれば、手持ち型のポイントオブケアセンサーと卓上型の分析化学機器の性能差を埋められる可能性がある。
この設計思想はアセトン専用ではない。化学抵抗式センサーの前段で選択的に濃縮する原理は、呼気診断で使う他の揮発性有機化合物にも応用できる可能性がある。
Güntner氏はCell Pressの研究発表で、「将来的には病院へ行かなくても済むヘルスケアソリューションへ本当に近づいている。自宅で実施できるようになるだろう」と語った。
もっとも、Nutrionの基盤技術がより広い呼気診断ツール群へ拡張できるかは、今後の患者集団での臨床試験と、AlivionがFDAとの規制対応をどう進めるかに左右される。現在の検証はすべて健康な成人で実施されたものだ。実際の患者が示す多様な代謝条件でも精度が確認されれば、この吸着カラムと化学抵抗式センサーを組み合わせた設計は、脂肪代謝を超える非侵襲診断の参照設計になる可能性がある。
研究資金は、Cell Pressの発表によると、スイスのイノベーション機関Innosuisse、Vontobel Foundation、Accentus Foundation、スイス連邦教育・研究・イノベーション事務局（SERI）から提供された。
■注目ポイントQ&A
●Nutrionは血中ケトン測定の代わりになりますか
研究用途や個人のウェルネス追跡では、その可能性があるといえます。査読付き検証では、既存の民生向け呼気計が見分けにくかった代謝シナリオを含め、実験室の質量分析計と同等の精度が示されました。ただし米国では、臨床診断用途のFDAクリアランスをまだ取得していないため、医療診断のための血中ケトン検査を現時点で置き換えることはできません。てんかんや糖尿病などの管理に使う場合は、臨床家と連携し、検証済みの臨床検査を使う必要があります。
●Tenax TA吸着カラムはなぜ精度向上に効くのですか
従来の呼気ケトン測定器は、水蒸気を大量に含む呼気からアセトンを直接読もうとしていました。水蒸気は化学抵抗式センサーの妨害となり、測定を不安定にします。NutrionのTenax TAカラムは水よりアセトンを約90倍強く引きつけるため、水蒸気は先に通過し、アセトンだけを捕捉・濃縮してからセンサーへ渡せます。その結果、食事や運動の直後でも、より特異的で汚染の少ない読み取りが可能になります。
●どの病態で特に役立つ可能性がありますか
研究チームが最優先としているのは、治療的ケトーシスの厳密な維持が必要で、頻繁な採血負担が大きい難治性小児てんかんです。GLP-1治療のモニタリングや肥満管理に向けた研究も計画されています。アスリートの脂肪適応トレーニングも対象です。ただし、こうした用途はすべて実際の患者集団での大規模な臨床検証に依存しており、今回の査読付き研究は健康な成人12人のみを対象にしています。臨床用途の規制承認も別の未達成マイルストーンです。
●ラボ級精度なのに臨床承認されていないとはどういう意味ですか
研究で実験室の基準機器と一致したというのは、最良の装置が捉える代謝変化を同じように検出できるだけの精度を示した、という厳密な科学的評価です。一方、米国でのFDAクリアランスのような臨床承認は別の規制判断で、その機器が特定の患者集団で臨床診断に安全かつ有効に使えるかを示す追加証拠が必要です。今回の「Device」掲載研究は強い土台ですが、対象は健康な成人12人に限られており、てんかん、糖尿病、肥満の患者に対する臨床使用には別途試験が求められます。
元記事: Pocket-Sized Breath Test Matches Lab Mass Spectrometry for Fat-Burn Tracking