テクノロジー TECHNOLOGY

医療に大きな変革をもたらす培養筋肉の研究は、もうここまで来た!

浅羽 晃

分野横断型の研究が進むロボットの世界。工学と化学、物理、医学などの研究が融合し、培養した筋肉がまるで人間の腕のような動きをするロボットを東京大学生産技術研究所の研究チームが発表した。チームを牽引してきた研究室のリーダー、竹内昌治教授は、この研究を「バイオハイブリッド」と呼ぶ。バイオハイブリッドな研究とは、いったいどのようなものなのか。

研究室メンバーのバックグラウンドは
機械工学、化学、物理、生物、医学など多彩

中央上部の白い部分が培養筋肉。オレンジ色の部分は3Dプリンタでつくった樹脂の骨。

生体特有の能力を人工物のなかに取り入れる試みは、科学の歴史のなかで、繰り返されてきた。しかし、現実には、人工物で生体の機能を完全に模倣することは不可能に近い。人工物を生体に取り入れるのではなく、生体と人工物とのハイブリッドをつくることで、生体の能力を「ものづくり」に活用しようとしているのが竹内教授率いる同研究所のチームだ。今年(2018年)5月、米科学誌に発表された論文。世界中の注目を集めることになったその内容は、人工的に培養した組織二つを樹脂製の骨格に付けることで、人間の指に似た動きができるロボットを開発、1週間動き続けることに成功したというものだった。

「私の研究室では、いろんな方向で研究しているのですが、メインとなっているのはバイオハイブリッドという考え方です。僕のバックグラウンドは機械工学ですが、研究室のメンバー、それぞれのバックグラウンドは、化学、物理、生物、医学など、多岐にわたっています」

入れ替わりながらも常時50~60名いるメンバーは、工学、生物学、化学、医学などのPh.D取得者、学生、メディアアーティスト、会社社長など、立場もさまざまだ。

生産技術研究所は異なる専門分野を持つ研究者の交流の場でもある。

「異分野の融合型研究をやっていくと、考え方自体がどんどん、どんどんハイブリッドになっていきます。たとえば現在、生体と機械のハイブリッドな研究を推し進めています。僕ら、ものづくり屋がまだ実現できていないのは、生体に見られるような特殊で、非常に魅力的な機能です。それは1分子レベルで物質を検出してしまう能力であったり、超効率的な物質生産能であったりします。自己複製や自己修復という能力も、生体特有のものです。そういう機能を人工物のなかに取り入れる試みは、長い歴史のなかでいろんな研究がなされてきました。しかし、まだ、完全には人工物で生体の機能をしっかりと模倣できているわけではありません。そうであるのなら、生体を1つの人工物と同じような感覚で用いることのできるパーツとして、人工物のなかに融合したバイオハイブリッドシステムとして提案していこうというのが、僕らのアプローチです」

これまでの具体的な成果としては、人の汗の匂いに反応する蚊の触角に含まれている嗅覚受容体を人工的に再構成し、人の匂いに反応するセンサーをつくることに成功した。開発が進めば、足場や視界の悪さから発見が遅れてしまうような災害地などでの救助活動にも役立つ。

筋芽細胞が筋繊維となり、
筋肉となるプロセスを人工的につくる

竹内教授は、ハイブリッドな発想が社会の諸問題を解決し、科学技術を進展させると考えている。

今年、米科学誌に論文を発表した培養筋肉も、生体を人工的につくるという点が共通する。

「筋肉は、直径が10ミクロンくらいの筋芽細胞が組み合わさって出来ています。筋芽細胞が集まると、細胞膜同士が融合して、きれいな繊維ができ、その繊維が束となって筋組織ができます。筋組織と神経がつながり、神経から信号が来ると筋肉が収縮するというのが我々の体の中で起きている筋肉が動くメカニズムです。普段、筋肉はお母さんのお腹のなかで細胞が分裂して出来上がってくるわけですが、僕らは組織工学的なアプローチで、体外で筋肉をつくっているのです」

筋芽細胞が筋繊維となり、筋肉となるプロセスを、人工的につくり出しているのだ。

「筋芽細胞を集めて、あるゼリー状の空間のなかに入れて、培養液を加えると、自ずと細胞は自己集積してきて、筋繊維が出来上がります。それを、とても細長い空間で行なうと、筋繊維がある一定の方向に配向し、そこに電気信号をかけると収縮するのです。その方法自体はこれまでもあるのですが、僕らは、まず細胞をゼリーのなかに閉じ込め固めた後、そのゼリーを型枠から取り出し、いろんなところに貼り付けるように改良しました。貼り付けた後に、その場で細胞が筋繊維に成長できる方法を考案したのです。」

ゼリーごと型枠から取り出せるようにしたことで、培養筋肉はパーツとして使えるようになったのだ。

「たとえば、3Dプリンタで骨格をつくり、この関節が動いてほしいなというところに筋肉を合わせて、電気刺激を与えると関節が動くようなシステムをつくりました。生体の組織のものづくりと、3Dプリンタでつくるものづくりを、うまく融合させたハイブリッドシステムを提案しているという状況です」

将来的には培養筋肉の大型化も可能だろうが、そのためのハードルはまだ高い。

「細胞なので、いつも養分を与えないといけません。筋肉を分厚くすると、培養液が内部まで行き渡らなくなるのです。人間の筋肉は太いのに栄養が行き渡るのは、筋肉のなかに血管が通っているからです。現状の培養筋肉は、あくまでもプロトタイプとしてつくっていて、生体組織と3Dプリンタでつくった人工物との融合、融合する際にどのようなものづくりが重要になってくるかという基礎的な研究のアウトプットとして出しています」

研究で培った技術は将来、
医薬品開発のモデルや培養肉に応用可能

現在は基礎的な研究の段階だが、培養筋肉には大きな展望もある。

「左右1対として、両側で同じようなテンションで引っ張る拮抗構造の培養筋肉は、1週間以上長持ちします。そうなると、使えるアプリケーションがあるのではないでしょうか。たとえば、医薬品開発のモデルとして使えるのではないかと考えています。筋肉をターゲットとした薬はたくさんあります。通常は人の細胞をとってきて、皿の上で、2次元で培養して、医薬品に対する収縮具合を見ます。ただし、2次元で収縮するのと、3次元で収縮するのとでは、全く違う応答を示すことも多々あります。力も違うし、細胞一つ一つが持っている能力も違うし、グルコースの消費量も違います。そうした違いがあるために、2次元では、薬がどういうふうに効いたかというのは、正しくはわからないのです」

3次元の培養筋肉なら、より人体の筋肉に近いモデルでデータを取ることができる。

「その発展形として、筋肉と神経とを結びつけることにより、ALSの患者さんの治療薬の開発モデルもできると考えています。通常、3次元の筋肉を研究するときは、ネズミなどの動物を使いますが、そこには2つの問題があります。動物実験をしていいのかという倫理的な問題と、ネズミとヒトは種が違うので、ネズミに効いてもヒトに効かないということはたくさんあるという問題です。ヒトの細胞を使って培養筋肉を作れば、ヒトの3次元の筋肉を模倣することになり、種の違いは起きません。将来は、動物実験を使わないような方向に進むのではないかと思っています」

ヒトの筋肉以外に応用すれば、次のような展望も開ける。

「牛の筋肉をつくることができれば、牛を殺さなくても牛肉ができます。オランダの研究者が世界で初めて培養肉をつくったのですが、環境負荷が少ない、細菌を一切含まないクリーンな環境でつくることができる、高蛋白・低脂肪のようなデザインをすることができるなど、メリットは多いのです。欧米では培養肉をつくるベンチャーも立ち上がっています。僕らも筋組織をつくり、筋繊維を配向させるという技術を持っているので、そちらの分野への応用もまじめに考えています」

さまざまな分野の研究者が集まる研究室だからこそ、培養筋肉について、さまざまな発想が生まれるのだろう。

「ある人は本気で医薬品を開発しようとしていて、ある人は筋肉がどのように発生してくるのかを基礎生物学としてしっかり調べようとしています。また、ある人はロボットに応用しようと試みています」

いずれにしても、東京大学生産技術研究所の竹内研究室に集う研究者たちは、楽しさを感じながら研究に打ち込んでいることだろう。

竹内昌治(Shoji Takeuchi)
1972年、東京都生まれ。東京大学工学部産業機械工学科卒業、同大大学院工学系研究科機械情報工学専攻博士課程修了。現・同大生産技術研究所 教授、総合バイオメディカルシステム国際研究センター センター長。研究室では「Think Hybrid」を合言葉にしている。「少子高齢化の問題、環境問題、安心安全の問題など、多くの問題があるときに、一つの専門分野だけでは解決できないことがあります。いろんな分野の人が集まって、いろんな発想をして、解決するのが自然な流れでしょう。それを一つの研究室でやっていこうというのが、私共のポリシーです」

(text: 浅羽 晃)

(photo: 増元幸司)

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出遅れ日本!になってしまうか?自動運転技術の行方

御堀 直嗣

日産自動車が昨2019年、スカイラインに『プロパイロット2.0』と名付けた運転支援機能を搭載し、発売した。これは、高速道路上でハンドルから手を放して走行できる機能である。クルマの運転という概念が変化していくのを実感させた。クルマの自動運転はどんな変化をもたらしていくのだろうか。世界の動きを見ていきたい。

日産自動車が発売したプロパイロット2.0は、自動運転へ向けた技術開発のなかで世界最先端のひとつといえる。たとえばドイツの自動車メーカーであるBMWやアウディは、高速道路でのハンドルからの手離し運転を実現しているが、渋滞中など限定された条件が付く。
イスラエルの自動車部品メーカーであるモービルアイは、エルサレム市街を自動運転で走るクルマの映像を公開した。市販されているわけではないが、歩行者が交差点を横断し、路線バスが停留所で停車したそれを追い越していく場面などは、我々が日本の街で見かけるのと同じような交通状況であり、一般道での自動運転を実現している。

それなのに、なぜ自動運転車がまだ市販されないのか。
技術的課題として、万一の緊急時、たとえば歩行者の車道への飛び出しや、他車が急に進路を変更したような場面で、危険回避するためのセンサー性能が不十分な状況にある。自動運転化されれば、事故の責任は自動車メーカーが負うことになるから、慎重に事を進めているところだ。
クラッキング(不正侵入や破壊)の懸念もある。自動運転の制御に外部から不法な侵入が行われないようにするとか、侵入された際の安全確保の手順などが確立されなければ、国も導入を認めにくくなるし、消費者も不安だ。
さらなる技術開発に加え、法整備や、消費者が安心して自動運転を受け入れられる不安解消の段取りが、自動運転車の市販には必要だ。

危うい自動車大国の地位
打開策はどこに

国内でも、内閣府や国土交通省などが実用化へ向けた計画を進めている。しかし消費者にとって、いまひとつ現実感のない話に見えてしまうのではないだろうか。
車両関係は国土交通省、情報通信関係は総務省、新規事業の創設など経済効果は経済産業省と、担当省庁が分かれており、内閣府などで取りまとめる動きはあるが、各省内も縦割りで担当が分かれているなど、従来の組織の枠組みのままではなかなか前進しにくい。自動運転に限らず、将来的なあらゆる生活様式や事業創出でも同じことがいえる。

組織とは別に日本の国情もある。日本は、弓なりをした国土の海岸付近に平地があるのみで、背骨のように山岳地帯があるため、国土全体を広く網羅する交通政策を行いにくい。なおかつそこに1億2000万人の国民が住み、都市への人口集中が進み、都市部と過疎地とで公共交通を含めた移動の仕方に違いがある。
大都市では、公共交通の充実によりクルマの利用がそれほど重要ではない人が多い。しかし地方都市や過疎地域では、クルマが移動の基本になる。日々の生活で必要な交通形態が地域や人口密度によって異なるため、ひとつの理想を追求した中央集権的交通問題の解決を策定しにくいのである。

欧米の場合、国土がより広かったり、平地が多かったりするため人口が偏っておらず、クルマを主体とした交通の未来像を描きやすい。自動運転や、それを利用した移動サービスなど、ひとつの模範解答があれば国や地域全体で多くの人が利用でき、事業としても採算を計算しやすい。また、具体案を策定しやすく、消費者が現実的な未来を実感したり、期待したりしやすいのだ。

それでも、世界人口の増加によって欧米の都市も住民が増え、渋滞が現実的となり、いかに効率よく人を移動させるかが課題となってきた。

もともと人口の集中により大都市化している日本の状況は、将来的に欧米の都市の肥大化の前例となっており、日本の解決策を適応できるかもしれない。

また新型コロナウイルスの影響により、混雑する電車で通勤することが敬遠されると、空間を確保できる個人の移動を充実させていく必要に迫られる。大都市においては、時差通勤を行っても、混雑は十分には解消されないからだ。
時々刻々と変化する現状を把握し、国内外の状況を検証しながら日本が将来への展望を構想してゆけば、計画はより具体性を帯び、その知見を海外へ売り込むこともできるようになるはずだ。そのためには、縦割りとなりがちな専門家集団ではなく、広い視野を持ち、俯瞰して見られる新たな創造者が必要になる。
その実現のために政府が行わなければならないことは、規制緩和だ。また、国民に理解を求める啓発や啓蒙も不可欠である。

それでも東京都という広さで考えるとまだ難しいかもしれない。ならば、区や、区の中の町といった規模でも実証を受け入れる地域に最適な自動運転を実際に実施し、住民と議論を重ねていく。失敗を恐れてはならない。失敗も、知見のひとつであり、開発の方向性をより明確にするからだ。
作られた箱庭(実証実験のテストコース)ではなく、たとえ小さな地域でも現実の町や市で行うことが肝心なのである。それには行政の支援が必要であるし、それを支える国の支援が不可欠だ。エルサレムでモービルアイ社が実験できるのも、ネタニアフ首相との太い絆があるからである。
そのうえで、自動運転がもっとも求められるのは地方都市や、過疎地域だ。なぜなら高齢化社会と、高齢者による交通事故が目立つ現状に対し、公共交通機関の成り立ちにくい地域だからである。

課題は、予算や人員の不足だ。市町村や、県単位でも、十分な施策として扱いにくいかもしれない。一案となるのが、道州制のような発想だ。県をまたいだ人員の確保や、予算の補充ができるかもしれない。その成果は、関係各地域共通の解決策とし、事業を行う企業への便宜に利用してもいいだろう。
この発想は、一次産業である農業や漁業、林業などの活性化と物流など日本の暮らし全体にも関わることであり、交通の未来像は、交通形態だけの問題ではない。衣食住+移動+仕事の未来像は、従来の行政のやり方では解決しないのである。まさに、新しい国造りの一環だ。

自動運転の車両設計においても既存の概念にとらわれず、様々な可能性を生活実態や人口増加、そして高齢化などに合わせて修正していく必要がある。
自動運転でもっとも恩恵を受けるのは、障がいを持つ人や高齢者のはずだ。それによって、生活を自立できる。目標としては、目の不自由な人が一人で初めての場所へ安心して移動できる自動運転車だ。それには真の意味でのユニバーサルデザインでなければならない。そしてクルマがはじめて健常者のものから万人のものになっていく。

動力は、モーターであるべきだ。すなわち電気自動車(EV)である。モーター制御はエンジンの1/100ほど速く、しかも数値の指示通りデジタルで行えるので、発進・加速・減速・停止を瞬時に実行できる。
当然、EVであれば排出ガスゼロなので、環境の改善に効果があり、走りは滑らかで静かなため、快適な移動を実現できるし、騒音が減れば、街は静かになる。

都市と過疎地域それぞれに目標を定めた具体的な交通計画と、それを支援する行政の在り方を新しく組織できれば、欧米へも展開できる具体案となり、なおかつ急速に経済を発展させている中国やインドへも展開できるだろう。そうなれば、日本が自動運転の先進国となれる。
そこまで壮大な未来像と計画を持てなければ、自動運転においても日本は欧米の後を追い、装置などの正確さや原価に専念する工業国で終わってしまう。そこには、中国や韓国が迫りくるはずだ。

(text: 御堀 直嗣)

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