研究セミナー特集
マイクロ工学と材料?生物学の融合による医疗応用技术 机械工学や高分子化学と生物学?医学との学际的融合による研究と成果
2018年1月11日（木）开催
会場：本学 カメリアホール
● 講演：慶應義塾大学 大学院理工学研究科 総合デザイン工学専攻：尾上弘晃准教授
● 招聘コーディネーター教授：小島伸彦准教授
尾上弘晃准教授による讲演
研究が进み、ゲルの中に细胞を封入し、纽状の形态を作っていくというところまではきました。次は、それがちゃんと中で组织を作るのかどうかが大切になってきます。そのためにいろいろ条件を検讨をするのですが、この部分は非常に难しいところです。
例えばこれは全く同じマウスの线维芽细胞なのですが、それに一绪に入れているのがコラーゲンです。これもほとんど全く同じ作りです。ただこちらの方だけコラーゲンが柔らかくて、こちらのは硬いです。その硬さを変えるだけで细胞の组织化の挙动が全く変わってきます。こちらの柔らかい方の场合ですと、中で细胞が动いていて、生きているのがわかるのですが、繋がっているというより块になってしまっています。足场がしっかりしている硬いコラーゲンで作るとちゃんと细胞が足场に一绪にくっつくことができるので、千切れず横につながるような组织ができます。直径や细胞浓度、コラーゲンの种类などいろいろな条件があり、少なくとも一つ言えるのがコラーゲンの硬さというのが、细胞同士をうまく组织化するためにとても重要な要素となることがわかっています。
実际、中で何が起きているのかということなのですが、それを确かめるためにコラーゲンを染色してみました。こちらで緑色に见えているのが细胞を悬浊させた时に一绪に入れたコラーゲンです。マゼンダに染めているのが细胞が出すコラーゲンです。悬浊させた后、细胞がコラーゲンをどんどん出して、构造を维持しています。これは封入したばかりの时は当然緑色ばかりなのですが、培养を进めていくとだんだんと内部に入れたコラーゲンがなくなっていき、しばらくすると细胞が出すコラーゲンに入れ替わってきます。これが示していることは细胞を最初に安全な状态にして、ある程度ちゃんとした场所に配置してあげれば、あとは细胞の力でどんどん内部の纽の状况を作り変えて、彼らにとってちょうどいい环境に中が変わるということです。これは工学的に细胞を配置して组织を作る时に非常に重要な考え方ではないかと思います。
纽を织ることでさまざまな机能を待たせる可能性
细胞の纽ができたので、私は研究室にあるどの细胞で纽ができるのかなと思い、手当たり次第研究室の细胞保存タンクの中にある细胞を入れて纽にするという実験をしばらくやっていました。その时に色々な细胞を试しました。筋肉や神経、内臓と、どういう种类のコラーゲンだったり细胞外マトリックスと一绪に入れるのがいいのかということです。试した结果、プラスとマイナスとして表にまとめたのですが、このマイナスという部分が纽にならないのです。どういうことなのかなと思うと、これも先ほどの话の硬さが全く违うマトリックスを选んだのです。细胞はマトリックスの硬さだけではなく、化学的な组成などにももちろん影响があるのですが、ほとんど同じような组成の中では强度というのが非常に重要でした。且つ、この部分というのは筋肉だったり皮肤だったり、非常に强いテンションがかかるところにいる细胞なのです。ですから、元々细胞の牵引力、自分の细胞が引っ张って出す力が强い细胞に対しては、弱い足场では纽になりません。ちゃんと硬い足场でないと纽にならない倾向だとわかりました。そうしてこのような纽ができたのですが、この纽は割としっかりして、例えば外侧のゲル、酵素で分解してもちゃんとくっついてくれているので、きちんと细胞同士の力でくっついているということがわかります。
では、形はできたけど机能はどうなのか？ということで、简単な机能のチェックをしました。全ての机能を调べることはできないので、代表的なものなのですが、例えば贬鲍痴贰颁と言われる血管の内皮细胞を中に入れると2日程度である构造体になります。この构造体を共焦点顕微镜で断面を见ると、チューブの中に血管のようなチューブができているということがわかります。元々この细胞というのは3次元的に培养するとチューブを作りたがる细胞なのです。ですから、中でちゃんと彼らが「なりたい构造」、つまりちゃんと繋がることができるということが确认できます。
（ここで受讲者から质问）
蚕：中の细胞は増殖はするのですか？
础：このタイプの细胞は増殖するものです。细胞によって例えばプライマリーの肝细胞など増殖しないタイプはしないのですが、基本的にディッシュの上で増えるものは中で増殖します。
蚕：中身が詰まるのですか？先に伸びるのですか？
础：非常にいい质问ですね。それは中身が詰まっていきます。詰まってくるとお互いの间の圧力が高まってきて、増殖が止まるものは止まります。ただ、ガン细胞などはそれが止まらないのでそれを破ってキノコのように破裂してしまいます。
(质问ここまで)
実际问题ディッシュの中で培养しているとどういう状况になるかというと、ゲルの纽はとても长いので络まってしまいます。それは非常によろしくないことで、例えば纽として使いたい场合、ちゃんとほどいて取り出して培养をしたくても、なかなかそれが难しいです。かといって空気中に取り出してしまうと细胞なのですぐ乾いて死んでしまいます。またゲルで髪の毛くらいの厚さなのでとても弱いということで、なんとか纽一本として扱う技术というのが必要というのは感じていました。
どういう风にやったら纽というのを纽として扱えるのかということで试行错误した结果、チューブで培地を吸ったり吐いたりすることで纽を扱えるということを见出しました。ディッシュの中のチューブです。吸って吐き出すと出したり入ったりするので、うまく配置や流れをコントロールすると、(例えば)こことここにピンと张りたいなというのを流れでもって制御できます。これは考え方を変えると、今まで细胞は纽として使うようなものではなかったのだと思います。普通に混ぜて撒いて使うというものなのですが、こういう形に加工することで今までの私たちの服のような、纽として、材料として使えるんじゃないかと考えました。
では次に、どれだけ纽としての组织の性能があるかということです。実际に织ってみろという话になって织れれば纽だろうということで。この昔からある织り机の间に糸を通すということを细胞の糸でやることになりました。先ほど言ったように、固定はチューブを使います。このような大きい容器を用意して、中で织るというようなデモンストレーションをしました。実际にやったものなのですが、こういった3顿プリンターで织り机のようなものを作って、中に培地(この场合笔叠厂)を入れます。そして、こういう细胞の纽を张るという作业をします。これは実际织ることができます。これは细胞は入っていないものですが、だんだん织っていくと、まさに织物のような构造ができます。同じように细胞でもこのような构造ができるということをデモンストレーションしました。细い糸をバスの中で吸ったり吐いたりゆっくりゆっくり织っていくのですが、织られる姿を见られたくないので、鹤の恩返しだからやめてくれと、そういう冗谈を言いながら织っていました。细胞でも织れます。もちろん糸も縦横の糸も変えることができるので、こういった细胞种が违ったような组织、且つ方向性を持っているものを作れます。例えばシートのような组织を作ってここに血管を作りたいと考えた场合、细胞の割合をこういう风にコントロールしたいなということが自由にできるという构造です。织る以外にも巻き取ったり、バンドル化したり、いわゆる糸として物を作るといった発想で组织を构成することができます。このような构造というのは色々なところに生体に似たようなものがあります。例えばこういう2重になっている构造だったら、动脉血管はこういう縦の荒い目の二重构造をもっていたり、バンドルしているものだったらニューロンだとかそういうような构造になっています。もちろん作ったファイバの构造が、すぐこうなると言っているわけではありません。大分この生物学的な机能には差があります。けれどもそういった构造を作るときに、あらかじめ置いていく、细胞を配置するという意味ではこのような方法というのは使えるんじゃないかと私たちは思っております。
移植実験と共同研究で学んだコミュニケーション
さて、この细胞の纽ですが、ターゲットが移植用ということで、移植してちゃんと机能するのかということを确认しようという実験をしました。
移植は私だけではできませんので、糖尿病治疗の専门家の医学部の先生と协力し、ファイバーの中に糖尿病下でのインスリン机能を改善する细胞を入れて、それを糖尿病になっているマウスに埋めることで、失われた膵臓の机能を回復できないか？というアプローチです。共同研究でやったのですが、とてもいい経験になったのでご绍介させていただきたいと思います。雑誌でも绍介していただいた话なのですが、兴津先生とおっしゃる移植の専门の先生に、この纽を本当に移植用に使えるということを示したくて、私が细胞ファイバーを使って、膵臓の细胞を封入して、本当に治疗に利用できることを示しましょうという话をしました。兴津先生も非常にアクティブな方で、それはいいね、ぜひやろう！ということで共同研究がスタートしたのですが、実はこれは目的と手段という意味でいろいろ食い违っている部分もありました。私はモノを作っているので、この细胞ファイバーをさまざまな医疗に活かしたいのですが、兴津先生としては当然糖尿病を治疗したいわけで、ここに共同研究の难しさを体験しました。
兴津先生先生からしてみると、なんとか新しい技术を使いたい。ですから成り行き上この细胞の纽を使うことになったのですが、先生の立场からするとこの技术じゃなくてもいいわけです。ですからこちらの意図やの要求もマッチさせつつ、共同研究を进めなければならないという状况になっていました。
これは共同研究をされる中でよくある话なのですが、私の前のボスである东大の竹内先生も良く言っていた例え话があります。例えば、山があったとします。この山をみんな登りたいわけです。山を登ることが目的の人は山を登る适切な靴を选びます。これがつまり研究の目的だとすると、どの手段で行けばいいかというチョイスになるのですが、これはパーパスドリブンの研究スタイルといって、ミッションが决まっているのに対して最适な工学的な技术な何か、という考え方です。それに対して、目的があるのですが、工学技术を伸ばすという立场が当然あり、とにかく技术を伸ばす。こういう研究スタイルですと别にこの山じゃなくても良くて、実はこういう技术が活かせる高い山があるんじゃないかとか。今まで目标として知られてなかったところに到达できるというような考え方もあると。こういうテクノロジードリブンの研究スタイルもあります。私がやっていたのはその当时こちらでした。ですから共同研究においてはうまく山と靴の改良を合わせるところが非常に大切だということを学びました。
兴津先生は非常に共同研究に长けた方で、私が先生から学んだことが多かったのは、先生の生活スタイルで、午后から実験开始だったのですが、とにかく実験开始する前にお茶を饮まれる先生でした。実験の打ち合わせは10分くらいすれば、今日何をするのかが决まるわけですが、そのあと30分くらい雑谈をして、なんで研究を早く始めないのかなと思っていたところ、さらにその后実験室でパスタを食べようと。始めるのが遅いのがいけないのですが、遅いから终わらないんです。结局终电まで一绪にやると。こういうような実験のスタイルを3、4ヶ月ずっと続けていました。
こちらとしては本当に早く実験したいのに、という気持ちだったのですが、こういう风にすると、话す机会が増えるわけです。そうすると、そもそも要望が违ったり、どういうことでこの研究を一绪にすることになったかなど、それぞれの本心が段々と见えてきて、いろいろな物事がスムーズになり、相手のいっていることもよくわかるようになってきたなと、一绪に共同研究した时に感じたことでした。このスタイルが面白くなり、共同研究はお茶を饮みながらということで、兴津先生との共同研究の话をエッセイで书いたりしたわけです。そういう风に、最初は山を行く靴もうまくあってはいなかったのですが、とにかく进め流ことができ、やがてインスリンが出るようなファイバーを开発しました。惭滨狈6というβ细胞の细胞株やラットの膵岛から取ってきた细胞を封入し、テストを行い、グルコースの量に応じてインスリンがちゃんと出るかなということを见て、低いグルコースだとインスリンが少なく、高いグルコースだとたくさん出ると言ったこともわかってきました。こうしたテストを一绪に行うことで结果が出たと言えます。
医疗技术と纽のマッチング
こうした研究を続けているうちに、私の先ほどの编む映像などを兴津先生にも见せたのですが、それを见た兴津先生はこれはカテーテルで移植するのに非常にいいのではないかと言われました。これはゆっくりやれば纽の形をしているので细いカテーテルの中にしまえるというんです。これは実は移植としては非常にいいことで、大きくお腹を割かなくても、细い管を入れて、ある程度の块の臓器を入れられるわけです。文字どおり、组织工学の「纽」が再生医疗と身を结んだ瞬间ではないでしょうか。
后付けではありましたが、そのような话で研究を进めることになり、最终的にはマウスの肾臓の肾皮膜の下に植えるという仕组みで完成しまして、これはカテーテルとポンプの操作でうまくいことがわかりました。（3へ続く）
