JEMEA Journal Vol.1 (2017.12)

学術論文
生体分子の挙動解析研究を目標としたマイクロ波照射システムの開発
～ペプチドのバイオミネラリゼーションにおけるマイクロ波影響解析をモデルとして～
(Microwave irradiation systems for analyses of biomolecular behaviors)
臼井 健二 1, 2*#、 富樫 浩行 1, 2, 3#、 圓東 那津実 1、 尾崎 誠 1、 有本 米次郎 4、
裏鍛 武史 4、 大沢 隆二 5、 皆木 幸一 3、 中西 伸浩 2, 3、 梅谷 智弘 2, 6*
K. Usui1, 2*#, H. Togashi1, 2, 3#, N. Endo1, M. Ozaki1, Y. Arimoto4, T. Uraka4, R. Osawa5, K. Minaki 3,
N. Nakanishi2, 3, T. Umetani2, 6*
1. 甲南大学フロンティアサイエンス学部、 2. 非電離放射線生体環境総合研究所、 3. 株式会社ディーエスピーリサーチ、 4. ミナト医科学株式会社、 5. 株式会社精工技研、 6. 甲南大学
知能情報学部
1., 2. 〒650-0047 兵庫県神戸市中央区港島南町 7-1-20、 3. 〒650-0047 兵庫県神戸市中央区
港島南町 1-4-3、 4. 〒650-0047 兵庫県神戸市中央区港島南町 5-2-10、 5. 〒270-2214 千葉県松戸市松飛台 296-1、 6. 〒658-8501 兵庫県神戸市東灘区岡本 8-9-1
1. Faculty of Frontiers of Innovative Research in Science and Technology (FIRST), Konan Univ., 7-1-20, Minatojima
Minamimachi, Chuo-ku, Kobe, Hyogo 650-0047 Japan
2. Research Institute for Nanobio-environment and Non-Ionizing Radiation (RINNIR), Konan Univ., 7-1-20, Minatojima
Minamimachi, Chuo-ku, Kobe, Hyogo 650-0047 Japan
3. DSP Research, Inc., 1-4-3, Minatojima Minamimachi, Chuo-ku, Kobe, Hyogo 650-0047 Japan
4. Minato Medical Science Co., Ltd., 5-2-10, Minatojima Minamimachi, Chuo-ku, Kobe, Hyogo 650-0047 Japan
5. Seikoh Giken Co, Ltd., 296-1, Matsuhidai, Matsudo, Chiba 270-2214 Japan
6. Faculty of Intelligence and Informatics, Konan Univ., 8-9-1, Okamoto, Higashinada-ku, Kobe, Hyogo 658-8501 Japan

corresponding author*, e-mail address : kusui@center.konan-u.ac.jp, umetani@konan-u.ac.jp
# These authors equally contributed to this work.
キーワード：生体分子、マイクロ波、照射装置、偏波、ペプチド、バイオミネラリゼーション
Keywords: biomolecule, microwave, irradiator, polarized wave, peptide, biomineralization

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Abstract
There are a lot of epidemiology studies focused on the effects of microwave in life phenomena; however, there are few studies
about effects on biomolecular behaviors by microwave irradiation. We constructed microwave irradiation systems for detailed
analyses of biomolecular behaviors in this study. We developed a one-direction linear-polarized microwave irradiator with a
linear polarization antenna, and a two-direction linear-polarized microwave irradiator with two linear polarization antennas.
Finally, a study about influence of microwave in biomineralization, an example of the effects on biomolecular behaviors in life
phenomena, was conducted with a precipitating peptide using the developed microwave irradiation systems. Throughout thisstudy, the linear-polarized microwave irradiation systems would be one of the most powerful tools for studies about life and
biological phenomena as well as biomolecular behaviors.
1. 緒言
マイクロ波は携帯電話や電子レンジ、マイクロ波治ある細胞の生理的活動や応答によって成り立っている。

療器など身の回りの様々な技術に利用されている。こ

それら生理的活動や応答は、タンパク質を中心としたれら機器から発射されるマイクロ波においては、人体生体分子がさまざまに働くことによって発現している。

への悪影響が懸念されており、国際的な規制の対象とよって、詳細解析を行うためには、関与する種々の生なっている。人体への悪影響に関する学術的な報告例

体分子の挙動を様々な角度から解析研究することが必としては、C. Robinette らによる強いマイクロ波に長期要となる。このような研究を行う重要な第一歩あるい

間暴露された人々のがん罹患率が高いという報告[1]、は大前提として、生体分子試料に定量的にマイクロ波携帯電話を長時間利用する人々の脳腫瘍罹患率が高いを照射する必要が生じてくる。このような観点のもと、という報告[2]などが挙げられる。その一方で、疫学研

我々はまず、生体分子試料解析用のマイクロ波照射シ究論文 219 件を抽出し、若年者への脳腫瘍への影響にステムの開発を行うことにした。

ついて取りまとめた論文[3]からは、罹患率の上昇を認

ここで、代表的な汎用装置としては、いわゆる電子めず、携帯電話使用に伴う関連性も認められていないレンジのようなマイクロ波照射装置が挙げられる。しとの報告もある。医療や産業への応用も近年注目を集

かしながら、高出力のマイクロ波を反射・散乱させ試めており、マイクロ波の生体への透過性と加熱能から料に照射させる原理であるため、マイクロ波の高周波整形外科の加温治療や肺がんの治療[4]などにも用いら

出力は制御できても、試料に実際に照射されたマイクれている。また、産業分野における応用例としては、ロ波のエネルギー量や方向の制御は非常に難しく、生無機材料及び有機材料の合成[5-9]、ペプチド合成[10]

体分子に与える影響を詳細に考察するには不向きであなどにも用いられている。

る。そこで、マイクロ波の出力を調整でき、それによ

しかしながら、生命科学分野の学術的な報告においって、照射量や照射方向を細かく制御できる照射装置ては、がん以外の他の多くの疾患及び生命現象に対すの開発を新たに行うことにした。マイクロ波発生源とる影響についての詳細報告は少ないのが現状である。

しては、マイクロ波治療に用いられるマグネトロン発

また、それら多くの報告は、医療応用などへの根拠と振器を採用し、一定の方向に照射できるよう直線偏波もなるが、統計学的知見に基づくものが多く、例えばアンテナを組み合わせることを考えた（Fig. 1a）
。マイ

分子レベルにおける影響まで詳細に解析している報告

クロ波を特定の方向からのみ照射すれば、生体分子のはさらに少ない。

挙動に特定の方向性が生じることが考えられ、これにそこで、我々は、疾患あるいは生命現象に対するマよりマイクロ波特性と生体分子挙動の相関が比較的観

イクロ波照射による影響の詳細解析研究を目指すこと察しやすい条件となることが期待できる。さらに、そにした。疾患あるいは生命現象は生命体の最小単位での相関をより明確に、より詳細に解析する目的で高周18

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Fig. 1: Microwave irradiation systems in this study, (a) a one-direction linear-polarized irradiation
system, (b) the system and a water-shield cover and (c) a two-direction linear-polarized irradiation
system. (d) a cross-section view of a two-direction linear-polarized irradiation system along the plane X
in (c).
波出力を変え試料に照射できるようにした。次に、マメカニズムの解明が可能になると考えられる。また本

イクロ波を一方向から照射した際の生体分子の挙動が、研究で開発した装置は、研究分野にとどまらず、医療マイクロ波照射によるものであると裏付けるために、分野をはじめ様々な用途に用いられると考えられる。

複数方向からマイクロ波を試料に照射する装置の開発を試みた。具体的には、前述の一方向からの直線偏波

2.方法

照射が可能な装置にもう１台の直線偏波アンテナを配

2-1.一方向直線偏波照射システムの開発
2-1-1.一方向直線偏波照射システム

置した二方向から直線偏波を照射する装置を作製した

マイクロ波治療器のマグネトロンをマイクロ波発振（Fig. 1cd）
。さらに実際にこれら２種類の装置を用い源とし、直線偏波アンテナを組み合わせた照射装置のた生命現象への影響研究のモデル実験として、ペプチ

仕様は次のとおりである。

ドのバイオミネラリゼーション[11-14]における、マイ・出力：10 - 200 W (10 W ステップ)

クロ波の影響に関する解析研究を行うことにした。

・周波数：2450 MHz ± 50 MHz

本研究を通して、マイクロ波照射装置および試料へ・照射アンテナ：直線偏波パッチアンテナの照射方法などが確立できれば、バイオミネラリゼー

・シールド装置：水シールドカバー

ションのみならず、様々な生命現象に関与する生体分照射アンテナの主輻射軸上に試料を入れたマイクロ子への影響の詳細研究が可能となる。こうした知見をチューブを設置し、一方向からマイクロ波を照射でき集積していけば、電波がもたらす生体への影響とそのるよう、アクリル板でマイクロチューブ立てを固定す19

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る構造とした（Fig. 1a）
。なお、マイクロ波は交流電源ンテナを２台使用した照射システムの仕様は次のとお周波数に合わせて、60Hz の周期で照射を on/off させるりである。

仕様となっている。

・出力：10 - 200 W (10 W ステップ)

また、照射されるマイクロ波が周囲に与える影響を軽

・周波数：2450 MHz ± 50 MHz減するためにシールド装置を用いる。シールド装置は、

・照射アンテナ：直線偏波パッチアンテナ（２対を 90

１面は開口、残りの５面が二重構造のアクリルの直方度の挟角で設置）体容器を使用し、二重構造部分に水を封入することで・照射方法：60 Hz 周期で交互にマイクロ波を照射吸収体を構成する(Fig. 1b)。

・シールド装置：水シールドカバー
基本仕様は 2-1-1.で示したマイクロ波照射装置と同様

2-1-2.電界強度計測機器

であるが、試料へのマイクロ波の照射方法を一方向かマイクロ波照射装置から照射されるマイクロ波の試

らの直線偏波照射から二方向からの直線偏波照射へ変料近傍における電界強度を測定するために用いた電界更した点が異なる。すなわち、２対の直線偏波パッチ強度計測装置の仕様は次のとおりである。

アンテナを使用し、それらを 90 度の挟角で固定した。

・測定周波数範囲：100 kHz ～ 10 GHz

また、試料を入れたマイクロチューブは、各アンテナ

・測定電界強度範囲：0.5 ～ 25 kV/mの給電点からの距離が等しく、かつ主輻射軸が交差す

この電界強度計測装置は、１軸のセンサヘッド、コンる位置に設置した（Fig. 1cd）。なお、マイクロ波は交トローラ及び光ファイバによって構成されている。そ

流電源周波数に合わせて、60Hz の周期で照射を on/off

れぞれの仕様は次のとおりである。

させ、二方向の場合は、干渉を防ぐためにそれぞれを・センサヘッド180°位相をずらした形で、交互に照射される仕様とな

型番：CS-1403（精工技研製）っている。さらに、シールド装置は一方向直線偏波実筺体寸法：6 ｘ 6 ｘ 23 mm

験と同様の装置を使用した。

導波部：Mach-Zehnder 型
素子材料：LiNbO3 結晶

2-2-2. 電界強度計測機器

アンテナ部寸法：

開発した二方向直線偏波照射システムから照射されアンテナ長：2.5 mm

るマイクロ波の試料近傍における電界強度を測定する

電極長：1.5 mm

ために用いた電界強度計測装置は、2-1-2.で挙げた装・コントローラ

置を使用した。

型番：C3-1055（精工技研製）
筐体寸法：W 430 ｘ L 450 ｘ H 130 mm

3.結果と考察

出射レーザ光：波長 1.55 μm、20 mW（レーザ光漏れ

3-1. 一方向直線偏波照射システム防止プロテクション付き）

3-1-1. 一方向直線偏波照射システムの開発
ミナト医科学製のマイクロ波治療器に着目し、その・光ファイバ
直径 3 mm シングルモード（石英ガラス）

マイクロ波発生装置及び直線偏波パッチアンテナを組

なお、本論文での計測結果の数値はすべて実効値で表み合わせた照射システムの開発を行った。この治療器している。のマグネトロンは、実装されている２つのアンテナ（２チャンネル）に対して、商用電源の周波数で交互に切2-2. 二方向直線偏波照射システムの開発
2-2-1. 二方向直線偏波照射システム替わる仕様となっている。そこで、作製する一方向直線偏波照射システムにおいては、1 チャンネルのみにマイクロ波治療器のマグネトロンをマイクロ波発振源マイクロ波を出力するようにプログラミングを行った。とした二方向からの直線偏波照射が可能となるようア

また、直線偏波アンテナは、マイクロ波治療器のアン20

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テナをそのまま用いた。アンテナの主輻射軸上にアン換し、強度変調光として出力する。こうすることで、テナ給電点からマイクロチューブまでの距離が 35 mm

センサの金属部分は、小型ダイポールアンテナ金属薄となるようにマイクロチューブ立てを固定する置台を膜（Au：0.2 μm 厚）のみとなる。また、センサからの設置した。なお、マイクロチューブは通常の市販のも出力後は、石英ガラス製光ファイバにより信号伝送をので使用可能であった。しかし、マイクロチューブ立行なう。以上より、マイクロ波に暴露される金属部分てにおいては、一部、マイクロ波を吸収し、加熱、変の面積は非常に小さくなり、電界を乱す要因は極めて形するものが見られた。そこで、このようなことが起限定的となり、電界強度測定の安定性や再現性につなこらないチューブ立てを実際にマイクロ波照射システがる。

ムに設置して温度を測ることで選定した。

この装置を用いて、一方向直線偏波照射システムの次に、水シールドカバーを作製した。これは、マイ出力と電界強度との相関を解析したところ、Fig. 2 のよ

クロ波照射システムを設置する周辺環境によって、試うになった。作製したシステムの出力をそれぞれ 10 W、料に照射されるマイクロ波の定量性が左右されないよ

30 W、100 W 及び 200 W に設定したときの、試料近傍うに開発を行ったものである。具体的には、放射されの電界強度をそれぞれ測定した。その結果、作製したる電波をある空間に閉じ込めることにより、外的要因システムの出力に応じて電界強度が線形的に増加してを排除し、定量化を可能とした。シールドカバーとしいた。このことより、本システムを用いれば、生体分て反射型と吸収型が考えられるが、マイクロ波照射シ子挙動の影響の定量的解析が行えることが示唆された。

ステムの高周波出力は最大 200 W であり、反射型ではさらに、各測定点での誤差も比較的小さかったことか内壁での反射・散乱により試料への再照射への懸念がら、本システムによるマイクロ波照射の再現性は高いあることから、吸収型を採用することとした。マイクと言える。以上より、本研究では、一方向直線偏波照ロ波の吸収体としては、カーボン混合発泡材が入手し射システムの作製に成功した。本システムは、生体分やすく加工性も良いためよく使われているが、今回の子のマイクロ波に対する詳細な挙動解析を実施するた

測定範囲である 200 W 付近においては発火の可能性がめに必要な定量性と安定性・再現性を備えていると言あるため採用を見送った[15]。そこで我々はマイクロ波える。

吸収体として、水を吸収体としたシールドカバーを採用することとした。水はマイクロ波に対しての反射もわずかであり、温度上昇においても水の対流により放熱性が大きく、限られた空間内での均一電界の再現性を得るための材料として非常に優れている。
以上のような装置を開発し、これらを組み合わせることによって Fig. 1a のような照射システムを構築した。
3-1-2. 一方向直線偏波照射システムの電界強度計測

Fig. 2: Relationships between output power of
the one-direction liner-polarized irradiation
system and electric field strength around thesample.

次に、作製したマイクロ波照射システムの出力と試料近傍の電界強度との相関などのシステムの特性を調べることにした。本研究のような分子挙動解析においては、mm 単位の微小領域での３軸方向全ての電界強度測定が求められる。そこで、このような条件で正確に

3-2. 二方向直線偏波照射システム

電界強度を測定する機器として、光電界センサを採用

3-2-1. 二方向直線偏波照射システムの開発することにした。光電界センサは、ポッケルス効果に次に、マイクロ波を一方向から照射した際の生体分より小型ダイポールアンテナで受信した電界を E/O 変子の挙動が、マイクロ波照射によるものであると裏付

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けるために、複数方向からマイクロ波を試料に照射すた。まず、試料を設置する主輻射軸の交差点付近でのる二方向直線偏波照射システムの開発を試みた。二方電界強度が、電界強度分布中最大に近い値となること向からの直線偏波を照射する際に問題となるのは２対を確認した。このことより、試料測定位置では、双方のアンテナ同士による干渉である。当初はマグネトロの電波が干渉することなく照射されていることが示唆

ンからのマイクロ波を２分配し、２つのアンテナからされた。さらに試料測定位置（Fig. 3 の 0 mm×0 mm の同時に電波を発射することで、試料に同時に二方向か位置）から 20 mm 四方においては、10%程度の強度差ら照射させる計画であった。しかしながら、この仕様であり、これは 3-1-2.における一方向直線偏波照射シ

では、同時発射する２アンテナの側面から漏れる電波ステムでの電界強度の相対誤差とほぼ一致している結により、マグネトロンが飽和し、想定した電力を出力果となった。以上より本システムは、生体分子挙動のできなかった。そこで、本システム開発では、一方向詳細解析を実施するために必要な定量性と安定性・再直線偏波照射システムと同様に、ミナト医科学製のマ現性を備えていることが示唆された。

イクロ波治療器を採用し、２チャンネルに出力される仕様となっている既存のプログラㇺをそのまま使用することにした。アンテナの設置については、直線偏波の偏波面を直角に交差させるよう、直線偏波パッチアンテナ２対を 90 度の挟角をもって設置した。これらを用いて交互に電波を出力させることでマグネトロンの飽和を抑えることにした。
また、試料を入れたマイクロチューブは、各アンテナの給電点からの距離が 40 mm と等しく、かつ主輻射

Fig. 3: Distribution of electric field strength in

軸が交差する位置に設置した。さらに、シールド装置

the two-direction linear-polarized irradiation

は一方向直線偏波実験と同様の水シールドカバーを使

system.

用した。水シールドは、前述の通り、反射・散乱を最小限に抑えることが可能なので、マイクロ波を二方向からの直線偏波で照射している際の、アンテナ間のア3-3. ペプチドのバイオミネラリゼーションにおけるイソレーションを確保でき、干渉を軽減できる。

マイクロ波影響解析

以上のような装置を開発し、これらを組み合わせる

生体分子のマイクロ波照射における挙動解析研究のことによって Fig. 1cd のような照射システムを構築し一例として、我々が最近研究を行っている、歯や骨なた。

どを構築する自己組織化メカニズムであるバイオミネラリゼーションへの影響研究を、実際に本システムを3-2-2. 二方向直線偏波照射システムの電界強度計測用いて行った。バイオミネラリゼーションは生体内で次に、作製したマイクロ波照射システムにおける試タンパク質・ペプチドがイオン状態の無機物を沈殿さ料近傍の電界強度分布を調べることにした。

せ、組織を構築する分子レベルの反応であり、我々は作製したシステムは、3-1-1.と同様のシステムであ

ペプチドを用いて、形状や沈殿量などのナノレベルでり、出力に応じて電界強度が線型的に変化する。そのの制御を試みる研究を行っている[11-13]。

ため、本実験では、２つのアンテナの主輻射軸の交差本システムを用いて、我々はまず、一方向からマイ点を中心として、前後左右 40 mm（80 mm 四方）の水クロ波を直線的に照射しながらペプチドを用いた炭酸平面の電界強度分布を、双方のアンテナの出力を 200カルシウムのミネラリゼーションを行い、原子間力顕W に固定して測定することとした。3-1-2.と同様の計微鏡（AFM）
、透過型電子顕微鏡（TEM）、動的光散乱測装置を用いて、測定したところ、Fig. 3 のようになっ22

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法（DLS）などを用いて、ナノレベルでの構造観察を結果、マイクロ波発振器および直線偏波アンテナを組行った。その結果、微視的・局所的な測定法（AFM，み合わせた照射システムと、水シールドカバーから構TEM）と巨視的な測定法（DLS など）両方による測定成される生体分子照射システムの構築に成功した。次法において，一方向からのマイクロ波照射によるミネに、この照射システムを用いて、バイオミネラリゼーラリゼーションへの影響が示唆された。具体的には、ションをモデルにマイクロ波の影響の分子レベルでの単純加熱では粒子状の沈殿物が見られたのに対し、マ詳細解析研究を試みた。その結果、単純加熱では見らイクロ波を照射した試料では、ひも状、網目状の形状れない沈殿物がマイクロ波照射時では観測でき、偏波といったマイクロ波の指向性が示唆される結果が得らの方向、電界強度を変化させると、沈殿物の形状も変れた(Fig. 4)。

化することが分かった。

マイクロ波の偏波の影響を更に詳細に観測するため今回題材として選んだバイオミネラリゼーションにに、高周波出力及び照射時間が単一方向照射と同条件おけるマイクロ波照射の影響については、歯や骨などとなるように複数方向からマイクロ波を照射しその形の治療に役立つのみならず、無機材料開発や産業分野状変化などを観測した結果、単一方向からのマイクロへの応用などが考えられる。さらに、本システムを用波照射で見られた形状とは異なる沈殿物を観測した。

いれば、マイクロ波の照射偏波や電力などの条件を制

以上のように、今回開発を行ったシステムを用いた御することで、バイオミネラリゼーションのみならず、マイクロ波照射におけるミネラリゼーションへの影響他の生体分子への影響を解析したり、制御したりするについては、単純加熱では見られない沈殿物がマイクことも可能であると考えられる。こうした知見を集積

ロ波照射時では観測され、さらに、マイクロ波の偏波していけば、電波がもたらす生体への影響とそのメカの違いでその形状も変化することが示唆された。よっ

ニズムの解明が期待できる。て、本システムを用いて、マイクロ波の照射偏波や出しかしながら、本システムはプロトタイプであり、力などの条件を制御することで、バイオミネラリゼー改良の余地がある。具体的には、現状のマイクロ波のションのみならず、他の生体分子への影響解析研究が周波数成分の精度や、照射方向の精密さは今後、生体可能になると考えられる。

分子の精密・詳細解析を行う上で、不十分であると考えられる。今後はこれらを解決するために、これまでの知見を活かしながら、半導体型照射システムの開発を行っていきたい。
5. 謝辞
本研究は、甲南大学フロンティアサイエンス研究科の
濵田芳男博士、龍谷大学理工学部の富﨑欣也教授、今Fig. 4: TEM images of calcium carbonate
precipitation using the peptide (a) at 90 °C
without microwave irradiation and (b) at r.t.
with 200 W microwave irradiation using theone-direction linear-polarized irradiation
system.

井崇人博士をはじめとする関係各位の協力により達成されたものです。これらの方々に感謝いたします。ま
た、本研究の一部は、私立大学等経常費補助金特別補
助「大学間連携等による共同研究」
、文部科学省科学研
究費補助金新学術領域研究「分子ロボティクス」
（15H00828）
、カシオ科学振興財団「第 30 回(平成 24年度)研究助成」
、ひょうご科学技術協会「平成 26 年度

4. 結言学術研究助成」からの助成を受けたものであり、ここ

本研究では、生体分子の挙動におけるマイクロ波のに感謝いたします。

影響について、まず、照射方向や照射エネルギー量を制御できる新たな照射システムの開発を行った。その23

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引用文献
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▁▁▁▁▁▁▁▁▁▁▁▁▁▁▁▁▁▁▁▁▁▁▁▁▁▁▁▁▁▁▁▁▁▁▁▁▁▁▁▁▁▁▁▁▁▁▁Manuscript received: October 13, 2017
Revised: November 27, 2017
Accepted: December 5, 2017

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