こだわりアカデミー
機械と生き物を結び付けて、 「生きたロボット」をつくりたいんです。
再生医療への応用が期待される
機械と生物の融合
東京大学生産技術研究所准教授 バイオナノ融合プロセス連携研究センター センター長
竹内 昌治 氏
たけうち しょうじ
1972年東京都生まれ。1995年東京大学工学部卒業。2000年に同大学大学院工学系研究科機械情報工学専攻博士課程修了。同年日本学術振興会特別研究員。01年東京大学生産技術研究所講師、03年同助教授。04年ハーバード大学化学科客員研究員兼任。07年より現職（バイオナノ融合プロセス連携研究センター センター長は08年から兼任）。研究分野はナノマイクロテクノロジー。細胞を部品のように加工したり、人工的に細胞組織を組み上げる新手法で成果を挙げてきた。08年文部科学大臣表彰若手科学者賞、09年日本学術振興会賞を受賞。
2013年10月号掲載
細胞を部品のように組み立てて3次元組織をつくる!?
──先生は機械工学がご専門でありながら、生命科学の分野である細胞やタンパク質を使って「ものづくり」を行うという、新しい研究に取り組んでいらっしゃいます。
ものづくりというと、金属、プラスチック、シリコンなどの人工的な材料を思い浮かべますが、なぜ生体材料によるものづくりをしようと考えられたのですか？
竹内 私はもともとSF映画の「ロボコップ」や「ターミネーター」などに出てくるような、生体と機械の融合に興味がありました。大学では、昆虫ロボットの研究をしていたのですが、昆虫を観察すればするほど、そのすごさを実感して、昆虫に似せてロボットをつくるのではなく、昆虫そのものを機械で制御することを考えるようになりました。
当初は足や触角を切って、センサーやモーターとして使い、リモコン操作をしていましたが、その後、昆虫の細胞に注目して、一つ一つのパーツを人工的に再構成することができれば、細胞からロボットをつくることができるのではないかと思うようになったんです。
──SFの世界ではよくありますが、実際に機械と生き物を結び付けてものづくりをするなんて、今までにない新しい発想ですね。
竹内 そうですね。細胞で組織をつくる場合、細胞を発生学的に培養する方法が一般的ですが、私は細胞を部品のように組み立てるという、工学的な方法を思い付きました。
──細胞というのは、大変小さくてつかみようがなく、扱いが難しいと思うのですが、どのようにして組み立てるのですか？
竹内 確かに、細胞を一つ一つ扱うことは非常に難しいです。そこで、まずは細胞をネジやバネのように規格化して、扱いやすい部品にするパーツづくりに取り組みました。
世の中の全てのものは、「点」と「線」と「面」からできています。細胞で「点」「線」「面」の各パーツをつくり、おもちゃのブロックのように組み合わせれば、さまざまな3次元組織ができるのではと考えたのです。
──そういわれてみれば確かに、人の内臓や組織などは細胞が立体的に組み合わさったものですね。
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| プレートの形を変えることで、細胞が自ら変化しサイコロや正十二面体など、さまざまな形の立体をつくることができる＜写真提供：竹内昌治研究室＞ | |
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| プレートの上で細胞を培養すると、接着面積を広げようと細胞が伸長する。数分で引き寄せられていき、折り紙のように立体が組み上がる＜資料提供：竹内昌治研究室＞ |
細胞をパーツ化し、「ビーズ」や「ひも」を作成
──具体的にはどのようなパーツづくりを？
竹内 まず取り組んだのは、「点」です。細胞は種類によって形や大きさがさまざまあるのですが、それぞれ直径約0.1�个離咫璽詐�の入れ物の中に詰めることで、一定の大きさに規格化することができました。これを「細胞ビーズ」と呼んでいます。
──その「細胞ビーズ」によって、どのようなことができるのですか？
竹内 鋳型をつくり、その中に「細胞ビーズ」を詰め込んで培養することで、さまざまな形のものをつくることができます。試しに長さ約3.5�僂了悗里茲Δ聞渋い鬚弔�ってみました。
そのくらいの大きさになると、通常は血管のない人工的な細胞組織は、中まで栄養が届かず死んでしまいますが、ビーズを積み重ねる方法は、ビーズの隙間から養分が浸透するので、24時間以上生存に成功したんです。
──人工的につくられた指の中身は生きた細胞でできているんですね。とても不思議な感じがします。
竹内 見た目は指そのものですが、一種類の細胞でつくっているので、今の段階では生体機能がありません。本来、指の中には血管や筋肉、神経、骨などがあり、もっと複雑な構造をしています。こうしたパーツを一つ一つつくり込んでいくことが今後の課題です。
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| （写真左）生きた細胞をカプセル化した、直径約0.1�个痢嶌挧Ε咫璽此廖�（写真中央）「細胞ビーズ」でつくった身長5�个凌遊繊�（写真右）「細胞ビーズ」でつくった長さ約3.5cmの指＜写真提供：竹内昌治研究室＞ | ||
──では、「線」のパーツとしては、どのようなものを？
竹内 細胞を生きたまま髪の毛くらいの細い「線（ファイバー）」にすることに成功しました。これは世界初の技術なんですよ。
単なるひもだけでなく、編んだり巻いたり束ねたりすることでいろいろな構造をつくることができます。実際にコイル状に巻いて太い管をつくったり、編み機でタテ糸、ヨコ糸を入れて編んでいくと、きれいなシートもできるんです。
──世界初とは快挙ですね！
しかし、ひも状につなげただけで細胞同士がつながって、組織として機能していくのでしょうか？
竹内 はい。各細胞の機能は、ひも状にしても失われないことが分かりました。
例えば、心筋細胞を使った場合は、脈打つように伸縮が起き、神経細胞では実際に神経シグナルを伝達することが可能です。すでに神経細胞、筋肉細胞、血管の内側を覆う内皮細胞など、15種類ほどの細胞で線をつくることに成功しています。
現在は、実際の血管や神経と同じように、機能させることに取り組んでいるところです。
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| 細胞ファイバーは、普通のひもと同じように、編んだり、織ったり、巻いたりして加工することができる＜資料提供：竹内昌治研究室＞ | |
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| 細胞をコラーゲンなどと一緒にひも状に整形した後、培養することで、細胞が詰まった細胞ファイバーができ上がる。これまでに、心筋細胞、内皮細胞など、さまざまな細胞ファイバーをつくっている＜資料提供：竹内昌治研究室＞ | |
再生医療、新薬開発など応用はさまざま
──それにしても、「点」や「線」、そして「面」と、生きた細胞を組み合わせていろいろな機能ができれば、多種多様な分野で生かせそうですよね。
竹内 はい。例えば、失われた臓器を代替するなど、再生医療の分野での活用が期待できます。再生医療といえばiPS細胞を思い浮かべると思いますが、iPS細胞なども、ファイバー状にして移植することで生着率が高まることが期待できるんです。
また、人体と類似した細胞組織ができれば、薬や化粧品、食品などの開発で、動物実験を行わなくても人体に対する影響を調べることができます。
──確かに、重要な技術になりそうです。
竹内 そのほかにも、細胞を使ったセンサーづくりも考えています。麻薬犬の嗅覚のような高感度な匂いセンサーをつくったり、ヘルスモニタリングができるよう、体の中に埋め込めるセンサーを開発したり。また、その他にも食肉を人工的につくれれば、将来動物を殺さなくてもいいかもしれません。
──いろいろな可能性が考えられますね。
竹内 そうですね。近い将来では、糖尿病治療への応用が実現できると思います。糖尿病は膵臓の中の膵島でつくられるインスリンが不足して、血液中の糖が必要以上に増えて起きる病気ですが、マウスの膵臓から分離した膵島細胞でファイバーを作製し、これを糖尿病疾患のマウスに移植したところ、血糖値が正常値範囲まで下がり、取り除くと、再び血糖値が上昇することが確認できました。
──それはすごい！ 糖尿病患者には朗報です。
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| 糖尿病のマウスに膵島細胞ファイバーを移植した様子。線のように見えるのが、移植された膵島細胞ファイバー。移植を受けたマウスの血糖値は正常値まで下がった＜写真提供：竹内昌治研究室＞ |
竹内 ええ。また、細胞ファイバーの登場で、臓器や細胞を患者の体に埋め込むだけでなく、移植した後、不要になったファイバーを簡単に取り去ることができるようになるため、今後の移植医療が大きく変わる可能性も秘めています。
──治療が難しい病気への活用が進めば、病気への考え方も変わってくるかもしれません。
それでは、先生の今後の目標は？
竹内 将来的には、細胞を使った、世界初の優れた「究極の何か」をつくりたいです。その素材を応用して、今までにないユニークなものづくりを目指していけたらと思います。
そして、できることなら、子供の頃に見たSF映画に出てくるような、細胞でできたロボットをつくりたいですね（笑）。
──機械工学と生命科学の融合によって、ものづくりの無限の可能性のようなものを感じました。今後のさらなるご活躍に期待しています。
本日はありがとうございました。
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