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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音を髪で感じるデバイス!?“世界を変える若者”が想い描く未来とは【the innovator】

高橋亜矢子-TPDL

髪の毛で音を感じる全く新しいユーザインターフェイスが、世界中から注目を集めている。ヘアピンのように髪の毛につけて、振動と光で音の特徴を伝えるデバイスは、髪に音のアンテナを立てるという意味を込めて「Ontenna(オンテナ)」と名付けられた。その「Ontenna」を開発したのが、富士通UIデザイナーの本多達也さん。彼こそ、世界有数の経済誌『Forbes』が選んだ“世界を変える若者”のひとりだ。

最新のテクノロジーで、
ろう者に音を伝えたい

−日本のみならず、海外からも注目を集めている「Ontenna」について、詳しく教えてください。

Ontennaは、聴覚に障がいをもつろう者のために開発されたヘアピン型のデバイスで、髪の毛につけることで、生活の中のさまざまな音を振動と光によって伝えます。ろう者は、電話が鳴ってもわからない、車が近づいてもわからない、掃除機のコンセントが抜けてもわからないという中で生活しています。彼らに、テクノロジーやデザインを使って音を伝えたいという想いから生まれました。

−振動と光で音を伝えるということですが、具体的にどういう仕組みになっているのですか?

仕組みとしては、30dB〜90dBの音圧、つまり音の大きさを256段階の振動と光の強さにリアルタイムに変換してユーザに伝えます。どうぞ手に取ってみてください。「おーい」「あ、あ、あ」「あーーー!」(本多さんOntennaに向かって声を出す)。振動から音のリズムやパターンを感じられませんか?

−音が大きくなると振動が強くなって、離れると弱くなります。音に応じて震えるのですね。

Ontennaはろう者と協働して開発していますが、印象的だったフィードバックに「初めてセミの鳴き声を聞いた気がした」という声がありました。ろう学校でセミは「ミーンミンミン」と鳴くと教わったけれど、それがどういうリズムで鳴くのか今までわからなかったそうです。Ontennaは、ろう者の生活に寄り添うだけでなく、ろう者の感じる世界を一変させるプロダクトになると確信しました。

ろう者と健聴者の
ギャップを埋めるデザイン

−開発5年目に突入したOntennaですが、そもそものきっかけは何だったのですか?

大学1年生の学園祭でろう者と出会ったことがきっかけでした。それからろう者とのコミュニケーションに興味をもち、手話の勉強を始め、手話通訳のボランティアやNPOの立ち上げを行いました。大学では、「身体と感覚の拡張」をテーマに研究を重ね、Ontennaの開発を始めたのは4年生のときです。

−「髪の毛で音を感じる」というユニークなコンセプトは、最初からあったのですか?

当初は、音の大きさを光の強さに変換するプロダクトを作りました。大きな音がすると光が大きくなる、イコライザーみたいなもの。アルバイトで稼いだお金をつぎ込んでプロトタイプを作ったのですが、ろう者に「こんなのいらない」って言われてしまって……。あれはショックでしたね。それから触覚というものに注目してみたのですが、肌に直接付けると振動が気持ち悪い、服の上に付けると今度は振動が伝わりにくいとなり、いろいろな部位を試すなかで髪の毛という結論に辿り着いたのです。

−Ontennaの開発にあたり、いちばん苦労したのはどんなことでしたか?

付ける位置のほか、振動の強弱の調整にも苦労しました。ろう者は健聴者に比べて振動にとても敏感で、強すぎても不快だし、弱すぎても気づくことができません。あとは、形をどうするかも悩みました。どんなに優れたテクノロジーであっても、いかにも障がい者用とわかるような見た目では、ろう者と健聴者のギャップは埋まりません。振動が伝わりやすいように基盤を配置しつつ、アクセサリーのようなスタイリッシュなデザインに徹底的にこだわりました。

FEELからFUNへ。
Ontennaの描く未来とは?

−最近では、映画『Noise』とのコラボレーションも話題となりましたが、どのような経緯でこのような取り組みをすることになったのですか?

『Noise』は、日本を代表する DJのbanvoxさんが音楽プロデューサーとして参加していて、劇中の音楽、音声、音質、効果音、細かな音のニュアンスまでこだわった作品です。音と映像のシンクロにフォーカスした作品をろう者にも体験してほしい、今までにない新しい映画体験をたくさんの人に届けたいという想いで、Ontennaを用いた上映会を実施しました。

−上映会に参加した人の反応はいかがでしたか?

今回の上映会では、ろう者だけでなく健聴者にもOntennaを使ってもらい、同じ空間を共有してもらいました。映画は秋葉原無差別殺傷事件がモチーフになっていて、救急車のサイレンの音が特徴的に使われているのですが、そういった音が健聴者にも臨場感をもって体感できたようです。ろう者からは「信号機に音があることを初めて知った」という声があり、Ontennaを付けたことでより映画を楽しめ、新しい価値の創造につながったと思います。

−ますます広がりを見せているOntennaですが、今後の課題や展望を教えてください。

これからのOntennaは、ろう者がアラームを感じ取るデバイスではなく、楽しいを増幅させるデバイスになってくれたら嬉しいですね。Ontennaを付けることで、みんながより楽しくなり、ろう者と健聴者が同じ空間を共有できるものになることを願っています。とにかく早くみなさんに届けられるように、今ビジネスモデルを模索中です。当初の目標であった2020年には、多くの人が使えている状態までもっていきたいです。

障がいなんて、
テクノロジーの力でどうにでもなる

−先の上映会もそうですが、垣根のない社会のために未来にどんなプロダクトがあったらいいと思いますか?

僕はデジタルなことをやっていますが、アナログなことを後世に残したいと感じることがあります。2020年後半からシンギュラリティが始まり、2045年にはこれまでの世界とは全く異なる世界がやってくると言われています。今僕らが感じている、砂や泥の感触、土のにおい、心地よい空気、穏やかな波の音っていうのは、その世界にはないかもしれない。直感的、感覚的なものは、健常者も障がい者も平等にもっています。そういう価値観を残せるタイムカプセルを作りたいですね。

−今、本多さんが注目している企業や人、取り組みを教えてください。

僕も参画しているのですが、落合陽一さんが代表を務める「クロス・ダイバーシティ」というプロジェクトです。AIを脅威に感じる人は多いですが、そんなことはありません。AIがあることで、人間は拡張されてより働けるし、おもしろいこともたくさんできます。障がいがあるからできない、高齢になったからできない、そういったものは、テクノロジーの力でどうにかなると言いたい。AIで広がる世界というものを、僕たちが描いていけたらと思っています。

本多達也(Tatsuya Honda)
1990年 香川県生まれ。人間の身体や感覚の拡張をテーマに、ろう者と協働して新しい音知覚装置の研究を行う。2014年度未踏スーパークリエータ。第21回AMD Award 新人賞。2016年度グッドデザイン賞特別賞。Forbes 30 Under 30 Asia 2017。Design Intelligence Award 2017 Excellcence賞。現在は、富士通株式会社マーケティング戦略本部にてOntennaの開発に取り組む。

(text: 高橋亜矢子-TPDL)

(photo: 壬生マリコ)

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