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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TAKAYUKI MATSUMINE×杉江理(WHILL代表) 。気鋭のアーティストが魅せる唯一無二の世界に迫る

中村竜也 -R.G.C

雪に恵まれた岩手県雫石町に生まれたTAKAYUKI MATSUMINE氏(以下、MATSUMINE氏)。幼少期よりスキーを履き、16歳になる頃にはエクストリームスポーツとしての一面を持つフリースタイルスキーヤーとして、有り余る才能を開花させ将来を有望視されていた最中、練習中の不慮の事故により手足が動かない身体となってしまった。そして2010年。ロサンゼルス留学中に出会ったハリウッドの映画アートの世界観に出会ったことにより、アートの世界に足を踏み入れる。

アイデアとコンセプトがあれば表現の形は問わない

動かなくなった四肢以外で絵を描くためには、筆を口に咥えるという選択しかなかったMATUMINE氏は、そこからアーティストとしてのキャリアをスタート。しかし、マウスペインターという枠にとどまることのない才能は、デジタルアートにも挑戦するなどし、「Def Tech」や「JESSE」「AI」といった様々な著名人の作品を残してきた。

そんな彼だが、約1年前からポートレートアートから造形をメインとした現代アートに表現の手法を移行した。造形物をディレクションし、大勢の人と形にしていくということに力を注ぐ。その心境の変化や作品を創作し続けるモチベーションはどこから生まれたのだろうか。

「造形アートって特に設計図があるわけではなく、自分のアイデアありきで作り出さなくてはいけないので、閃めきや知恵が結構必要とされるんです。そして、その知恵が出た時が自分的に一番面白いところでもあり大切な部分。それと僕は、人を驚かせたり視覚を刺激することが大好きなので、それを含めた事がモチベーションになっています」

自らの内にあるものをより表現できる。言い換えれば、より表現しやすい手法が、造形物の創作ということなのだろう。キャンバスから飛び出すことで、彼の世界観が広がったのは間違いない。

企業との取り組みが、新境地へと導く

写真提供元:WHILL

2018年10月26日~30日の5日間にわたり、「すべての人の移動を楽しくスマートに」をミッションに、誰もが乗りたくなるパーソナルモビリティを開発・販売することで、車いすのイメージや移動のあり方といった従来のステレオタイプを変えようとしている企業、“WHILL(ウィル)”とのアートプロジェクトが取り組まれた。

WHILLの倉庫内で、「Change the Stereotypes」をコンセプトにしたアート作品を製作。言葉で言い続けるだけでは、世の中にはびこるステレオタイプを変えることは難しい。そこで必要となってくるのは、もっと先を見据えたクリエイティビティや独創性ではないかと考えた本プロジェクト。

「何かを続けていかなくては、大勢の方たちのスイッチを入れることはできないと思っています。だからこそ、誰もがびっくりするような物を作り続けることに意味があるんです。固定観念という言葉を置き去りにするほどの圧倒的な創作がそれを実現すると信じています」と語ってくれたMATSUMINE氏。作品から感じ取れるスケールの大きさは、まさにこのような考え方からなのだろう。

そして今回、このアートコラボ作品“metamorphosis”の完成を記念し実現した、WHILLの代表を務める杉江理氏とMATSUMINE氏対談の様子を少しご紹介しようと思う。

左、WHILL代表の杉江理氏。後ろに並ぶのが今回、羽根や尾翼部のイメージとして使われたパーソナルモビリティ・WHILL Model A。

杉江理(以下、杉江):今回製作いただいた作品、“metamorphosis”のコンセプトは“変態”ですよね。蝶は卵から幼虫になり、そしてさなぎから成虫へと変態していくのと同じ意味合いで、電動車いすであり、パーソナルモビリティーでもあるWHILLのModel Aが変態しメタリックなイーグルへと変わっていくという。 

杉江氏が最初に送った画像。  写真提供元:WHILL

 MATSUMINE氏:今回、WHILLとのアートコラボが決まり、杉江社長にいただいた地球の写真が、なんの障壁もないつるつるの風船のような地球を、WHILLが走り続けるものでした。そこから抱いたイメージが、丸いものをどこまでも周り続けるということだったのです。さらに自分にはどんなお手伝いができるか考えていると、その写真の中には空があることに気が付きました。と同時に、グライダーをモチーフにしたWHILLのロゴマークの形を思い浮かべ、無機体であるModel Aと、有機体であるロゴマークのイーグルを融合させメタリックな感じのイーグルを作ろうというアイデアに辿り着きました。

写真提供元:WHILL

写真提供元:WHILL

杉江氏:なるほど。しかし、変態するにもきっかけがあると思うのですが、そこはどう考えていたのですか?

MATSUMINE氏:僕は、杉江さん自身も変態していると思っていまして(笑)。昔、キックボクシングをタイでやっていたというお話も聞いたことがあるし、そう言った色んな過去が積み重なり、今のWHILLがある。そこに、僕が加わることが、刺激となり変態へのきっかけになったらいいかなと考えました。

杉江氏:今回の作品では、WHILLとMATSUMINEさんの最上級を示していると感じたのですが、実際にはどうですか?

MATSUMINE氏:空を飛ぶということが、生活基準で考えた時の移動という概念の最終形だと思っているので、まさに最上級ということです。

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MATSUMINE氏:そういうことですよね。「Change the Stereotypes」と言っていますが、ステレオタイプを感じることなんて、正直、本当にいっぱいある。変えるためには、圧倒的なモノを作っていくしかないんです。実は今回の作品を最終的に全部燃やしてしまおうかと考えているんです(笑)。今回、“metamorphosis”の製作意図には、喜怒哀楽を全て込めるというテーマが自分の中にはあります。もちろん僕自身の喜怒哀楽を表す時も、いつも車いすの上なので、そこを結びつけてのアイデアです。製作に関わってくれた方たちの想いも全て背負い、燃えてぐちゃぐちゃになったことで“metamorphosis=変態”が完成すると思うんです。

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二輪の薔薇は、MATSUMINESI氏が痛めた頸椎を表現している。

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写真提供元:WHILL

TAKAYUKI MATSUMINE
1985年生まれ、岩手県雫石町出身。幼少期から熱中したフリースタイルスキーの熱狂的な感覚と25歳から目覚めたアートの自由的表現が松嶺の中で化学反応を起こした。4歳からスキーを履き、16歳にはスポンサードされるスキーヤーとして有望視されたが、松嶺の人生は一転、転倒事故で頚椎を骨折し手足が動かない身体となる。それでも松嶺はフリースタイルスキーと同じ感覚、熱狂的に人を魅了できるステージを探し続ける。2010年、ロサンゼルス留学で探し求めたものにようやく出会う。フリースタイルスキーで自由自在にパフォーマンスをし、人を魅了する感覚にシンクしたのがハリウッドの映画アートの世界観だった。自身の身体能力への同情を松嶺は執拗に嫌う。同じステージで戦えるものがアート、さらには世界の中でオンリーワンになれると確信したのがアートの世界だった。

2012年、松嶺のアート活動が本格的にフィーチャーされ始める。日本の著名ミュージシャンやアスリートのポートレート写真に肖像の内面と松嶺の熱狂性と爆発を吹き込んで作品を生み出してきた。2015年にはRed Bull製作のセルフドキュメンタリーが発信されるなど、TAKAYUKI MATSUMINEのポートレートアートは様々なシーンに登場、注目を集めてきた。そして2016年、ポートレートアートは序章とし、リアル・オンリーワンを目指し、油絵、アクリル、デジタルとマルチメディアの中からオンリーワンのスタイルを世界中に発信すべくアート活動を再始動させた。
オフィシャルホページ:http://takayuki-m.com/

WHILL
「すべての人の移動を楽しくスマートにする」をミッションとして、車いすの概念を変える、高い機能と美しいデザインの融合を実現したパーソナルモビリティの開発・販売を行う。
2012年5月に日本で創業し、2013年4月には米国カリフォルニア州にも拠点を設立。2014年に発売した初号機WHILL Model Aは日本・北米・欧州で販売しており、2015 年度のグッドデザイン大賞など数多くのアワードを受賞した。2017年4月に発売した2号機となるWHILL Model Cは、世界的なデザイン賞であるRed Dot Design Award(ドイツ)のBest of the Best(最優秀賞)の受賞をはじめ、2017 年度のグッドデザイン賞、iF Design Award(ドイツ)など国内外のデザイン賞で入賞している。技術面も高く評価され、北米モデルであるWHILL Model CiはCES 2018でBest of Innovation Award を受賞した。
オフィシャルページ:https://whill.jp/

(text: 中村竜也 -R.G.C)

(photo: 河村香奈子)

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