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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5Gサービス開始まであと1年! NTTドコモが提案する新しいスポーツ観戦のカタチ

Yuka Shingai

東京オリンピック・パラリンピックのチケット抽選申込受付も始まり、開催までいよいよか、とカウントダウンを感じられるようになった。そんななか、近年ではスポーツ観戦の楽しみ方が多様化し、最新テクノロジーによる全く新しい体験が新機軸として注目を集めている。NTTドコモは、2017年にスマートライフ推進部にスポーツ&ライブビジネス推進室を発足し、スポーツやエンタテイメントの領域を市場として広げる施策に取り組んでいる。AR、VR など HERO X ではすでにお馴染みとなった最新技術は、スポーツ観戦でどのように取り入れられ、どんなシナジーが生み出されるのか。同部署の企画開発担当部長 滝澤 暢氏に話を伺った。

高速大容量、低遅延、多端末接続。
5Gの回線だから楽しめる新しいスポーツ体験を提案中

NTTドコモが提供する新しい体験を語る上で欠かせないのが、2020年に本格的にサービス開始予定の5G (第5世代移動通信システム)。すでに米国と韓国では商用化が始まっており、環境次第では、現行 (4G)の何十倍もの伝送速度が出せると言われている。

「5Gで実現するのは高速大容量、低遅延、多端末接続。同じエリアでも多くの端末が繋げることで、サービス内容がより豊かになっていくと思われます」(滝澤氏)

同社では、5Gの回線を活用した施策を試験的に行い続けており、2017年12月には、ラグビーチーム・NTTドコモ レッドハリケーンズとNEC グリーンロケッツの試合で実証実験を行った。その際活用された「ARライブ映像視聴システム」は、今後の普及に大きく期待が寄せられている。

「ARライブ映像視聴システム」とは、新しいスポーツ観戦スタイルを提供するシステム。スマートグラス上に投影されているコンテンツを、手の動きで自由な位置に動かしたり、動かしたコンテンツの表示位置に応じて大きさを変えることができる。実証実験では5Gを活用して、高速大容量化とタイムラグのない複数カメラ映像の同時配信を実現し、観戦時、肉眼だけでなく同時に映像や解説、選手情報などのコンテンツを楽しめる環境を構築した。

スタジアムの来場者がスマートグラスを装着すると、中継カメラで撮影したフィードが映し出される。自身が肉眼で見ているものとは違った視点での観戦が同時に楽しめるというわけだ。また、スマートグラスに表示されるのは、生中継映像だけでなく、選手のプロフィールや試合内容を解説するテキストなど、観戦がより充実するコンテンツ群。この表示されるコンテンツをリモコンなどの端末ではなく、手を直感的に動かしながら操作できることもこのシステムの大きな特徴で、これは「空間インターフェース」という同社の特許技術である。

さらに、映像をリプレイすれば、見逃した部分を即時にキャッチアップすることもできて、競技やルールに詳しくなくても観戦を楽しめる仕組みになっており、もし来場者がライトファンだとしても簡単に楽しめそうだ。

「AR技術はラグビーのほかにもバレーボールや水泳などでも実証実験を行っておりますので、スマートグラスに表示するコンテンツがどんなものだったら、その競技をより楽しめるものにできるのかが、今後工夫を加えていくべきところですね。ライブ映像が良いのか、リプレイが良いのか、それとも選手の出した記録が世界記録と比べてどうだったというデータを出すのが良いのか…。競技によって異なる楽しみ方を見出していきたいです。

また、映像が突然目の前に現れてはびっくりするでしょうから、ユーザーが希望するタイミングで表示できるとか、邪魔にならない見せ方についても、これから工夫が必要になるはずです」(滝澤氏)

フェンシングにおける日本人初のメダリスト、太田雄貴選手とリオ2016パラリンピック女子車いすフェンシング金メダリストであるベアトリーチェ・マリア・ヴィオ選手のエキシビションマッチでは、複数台のカメラで様々な視点から撮影した映像を、東京スカイツリー スカイアリーナにある多様なモニターに同時に伝送して映し出し、まるでその場でフェンシングの試合が行われているかのようなマルチアングルでの観戦を提案した。

特設のタッチパネルで、観たいアングルの映像を自由にスイッチングしながら観戦を楽しむという、来場者にとっても新たな視聴体験となったこの施策は同社のプロジェクト「FUTURE-EXPERIMENT」でもフィーチャーされている。

 会場と観客、観客同士、会場とまた別の会場…
数万人が一斉に繋がることで新たな楽しみ方が生まれる

NTTグループの最先端通信テクノロジーを活用してスポーツやライブなどエンタテインメント全般の新体験を追求する本プロジェクトの最新事例は、2018年の年末に横浜アリーナで開催されたPerfumeのライブ。NTTドコモとPerfumeがコラボレーションしたスペシャルコンテンツ「FUTURE-EXPERIMENT VOL.04 その瞬間を共有せよ。」だ。

観客のスマートフォンからアンケートの回答を集め、リアルタイムでステージ上モニターに反映、Perfumeがその場で書いたメッセージを観客のスマートフォンにリアルタイムで届けるという、双方向のコミュニケーションを実現したこの日のライブにもやはり「5G」と高効率Wi-Fiの存在があった。

「通信でステージ上のアーティストと観客が繋がっていることを前提とした企画ですから、多端末の接続に対応している必要があります。ただ、現状では、イベントの様子をSNSにアップするだけでも接続が快適なところと、そうでない場所があります。ステージと観客、観客同士、またひとつの会場と異なる会場など、何万人もの端末を一斉に繋ぐことが可能になれば、会場でも自宅でもない場所、たとえばパブリックビューイングやライブビューイングでの楽しみ方を広げていけるのではないかと思っています」(滝澤氏)

 ARやVRが人間の目の感覚に追いつくのはまだ先。
技術とコンテンツのブラッシュアップに期待

いくつものトライアルを重ね、サービスのブラッシュアップは今後も続きそうだが、すでに体験してみたユーザーからはどのような反応が返ってきているのだろうか。これからARスポーツ観戦をしてみたい!という人にとっても気になるポイントだろう。

「概ね高評価をいただいていますが、実際にいくつか課題はあります。ARのスマートグラスにしても、全く装着感がないとまではいかず、重さや視野角などデバイスについての意見もあります。スタジアムのどの位置で観戦するかにもよるのですが、太陽の方向を向いた状態でスマートグラスを装着していると、その上に半透明の映像が重なると、眩しさや見えづらさを感じてしまうこともあり、画質や明るさについてはこれからの課題だと考えています。

一方、目で見るだけや数字の情報だけでは分からなかったものが、ARグラスに映し出すことで体感できるようになり、これまでは不可能だったことが可能になってきているということもあります。とはいえ、実際見ているもののほうが鮮明で綺麗ですから、グラスによってさらに体験価値を上げることができるように、今後も技術、コンテンツ面もさらに精度を高めていきたいと思います」(滝澤氏)

5Gのサービス開始と、東京オリンピック・パラリンピックを控える2020年が、テクノロジーのエポックイヤーとなることは間違いなさそうだ。

あと1年で、どれだけ技術が進歩するのか追っていきたい。

(text: Yuka Shingai)

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