ISSN 2434-5873

研究報告 2022(KISTEC Annual Research Report, 2022)（地独）神奈川県立産業技術総合研究所
Kanagawa Institute of Industrial Science and Technology

研究報告2022 目次【企画部】････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

3【機械・材料技術部】････････････････････････････････････････････････････････････････

6【電子技術部】･･･････････････････････････････････････････････････････････････････････

21【情報・生産技術部】････････････････････････････････････････････････････････････････

34【化学技術部】･･･････････････････････････････････････････････････････････････････････

43【抄録】･････････････････････････････････････････････････････････････････

48【研究開発部】
有望シーズ展開事業「次世代機能性酸化物材料」プロジェクト･･･････････････････････････････････ 53「貼るだけ人工膵臓」プロジェクト･････････････････････････････････････････ 67「再生毛髪の大量調製革新技術開発」プロジェクト･･･････････････････････････ 81「超分子ペプチドを用いた脳梗塞の再生医療」プロジェクト･･･････････････････ 91
実用化実証事業「人工細胞膜システム」グループ･･･････････････････････････････････････････ 103「次世代医療福祉ロボット」グループ･･･････････････････････････････････････ 118「腸内環境デザイン」グループ･････････････････････････････････････････････ 131
国際評価技術サービス提供事業「食品機能性評価」グループ･･･････････････････････････････････････････････ 142「抗菌・抗ウイルス研究」グループ････････････････････････････････････････

1

153

KISTEC研究報告2022

戦略的研究シーズ育成事業
研究テーマ：光操作に基づく医療技術の創出･････････････････････････････････ 171研究テーマ：貴金属フリー新規触媒技術の開発･･･････････････････････････････ 178研究テーマ：超高空間分解を実現するナノカーボン光分析装置･････････････････ 183研究テーマ：光技術を用いた超広帯域テラヘルツオシロスコープの開発･････････ 189研究テーマ：ゲノム構築技術による創薬研究基盤の開発･･･････････････････････ 195
研究テーマ：化学ボロフェンによるフレキシブル素子の開発･･･････････････････ 201
政策課題受託研究「グローバルヘルスリサーチコーディネーティングセンター（GHRCC）」プロジェクト････････ 205

2

KISTEC研究報告2022

研究報告2022 目次【企画部】◆ 5Gネットワークを用いるCPS/IoT向け 制御システムへの暗号化制御の適用可能性･････････････

水矢 亨、千家雅之（企画部

経営戦略課 新事業戦略グループ）
阿部

3

4

顕一（企画部

経営戦略課）KISTEC研究報告2022

【企画部】

5G ネットワークを用いる CPS/IoT 向け
制御システムへの暗号化制御の適用可能性
水矢

亨，千家

雅之（企画部

経営戦略課
阿部

1.

新事業戦略グループ）

顕一（企画部

経営戦略課）

はじめに

5G は、超高速・大容量、超低遅延、多数同時接続を特長とするモバイル向けの無線通信として注目されている。製造業をはじめとする産業分野においては、低遅延を特徴とする無線通信であることに加え、一般企業や自治体等で自営できるローカル 5G の制度が設けられていることから、
CPS(Cyber Physical System)/IoT への活用も期待されている。
当研究所でも、2020 年度にローカル 5G の無線局免許を取得し、2021 年度から海老名本部でローカル 5G
（以下、
「L5G」
と記す。）の通信環境を運用している(1)。
5G に限らず、デジタル技術を駆使する CPS/IoT では、デ
図 1 CPSF における 3 層構造と求められる信頼性(2)ータ通信は欠かせない要素技術であり、それに伴ってセキュリティ対策もまた重要である。CPS/IoT におけるセキュ

2.2

リティ対策は、センサーや制御対象などが実在するフィジカル空間（現実空間）に損害を与えうる重要度の高いデー

ElGamal 暗号による暗号化制御

暗号化制御(3)、(4)では、制御対象において入出力信号デー
タや制御パラメータの暗号化・復号化等を行い、制御器でタを扱うこと(2)、及び端末数の増加等によりネットワークの複雑性が増すことによって通常のセキュリティ対策ではは秘密計算処理だけになるように制御系を構成する。CPSF
でいえば、サイバー空間にある制御器には暗号化された値満足しない可能性がある。このような懸念に対し、フィジ
カル空間内に制御対象がある制御システムのセキュリティ

しか提供しない暗号化制御は、第 2 層でのセキュリティ対策と捉えることができる。

対策として暗号化制御が提案されている(3)、(4)。暗号化制御

この暗号化制御は準同型性をもつ暗号を用いて実現できる。暗号化の操作 Enc に対し、暗号化される前と後のデーでは、準同型性を持つ暗号アルゴリズムを利用し、制御器での処理を暗号データのまま実行できる演算（秘密計算）に限定することで、サイバー攻撃の予防と検知に強い制御

タそれぞれに対して（加減乗除のような）演算子•𝑃𝑃 と•𝐸𝐸 が定められているとき、次式が成立すれば、暗号化 Enc は演器を実現する。
本稿では、当研究所の L5G 環境を利用し、高速性や低遅算• について準同型性をもつといわれる。

Enc(m • P n) = Enc(m) • E Enc(n)延性が期待される L5G における暗号化制御の適用可能性を検討する。そのために、L5G ネットワーク上で暗号化制

例えば、公開鍵暗号の一つである ElGamal 暗号は、乗法について準同型性をもつ。

御の演算処理を実行し、その処理時間を測定・評価する。

一般的な線形制御は、時間を離散化した場合、次式のように表現される。

2. CPS/IoT と暗号化制御
2.1 サイバー空間とフィジカル空間

 x(t + 1)  A B   x(t )
 u (t )  = C D   v(t ) 

 



一般的に CPS/IoT は、データが集積されるサイバー空間（仮想空間）とセンサーや制御対象機器などが配置される

ここで、x は制御器の状態変数、u は制御入力、v は制御器

フィジカル空間（現実空間）の両者に跨る(2)。スマート工場など産業分野での L5G も、サイバー・フィジカル間での利への入力であり、A、B、C、D は制御器のパラメータである。上式が ElGamal 暗号化可能な形に量子化されている場

用が期待されている。サイバー・フィジカル・セキュリティ・フレームワーク（CPSF）(2)では、これをふまえたセキ

合、乗法準同型性をもつ ElGamal 暗号の暗号化と復号化の操作を Enc と Dec とすると、次式が成立する。

ュリティ対策の全体像が示されている。CPSF では、産業社
会を 3 層構造と捉え、各層で求められる信頼性を図 1 のよ

 Ax(t ) + Bv(t )   Dec[Enc( Ax(t ))] + Dec[Enc(Bv(t ))]
Cx(t ) + Dv(t ) = Dec[Enc(Cx(t ))] + Dec[Enc(Dv(t ))] 

うに示している。このうち、第 2 層がサイバー空間とフィジカル空間の相互作用が生じる部分であり、IoT や CPS に

Dec[Enc( A) Enc( x(t ))] + Dec[Enc(B) Enc(v(t ))]=
 Dec[Enc(C ) Enc( x(t )] + Dec[Enc(D) Enc(v(t ))] 

由来する部分となっている(5)。

4KISTEC研究報告2022

【企画部】

ここで、最初の等号は、Enc に続いて Dec を行うと暗号化前の値が得られることによる。右辺のうち、暗号データの乗算とそれ以外（暗号化／複合化／平文の加算）の実行を制御器と制御対象に分離すれば暗号化制御が実現される。

3. 評価方法
3.1 計測方法
2.2 節で紹介した線形制御の ElGamal 暗号による暗号化
制御は、ElGamal 暗号化可能な量子化が必要ではあるが、一般的なベクトルと行列の乗算

図 3 L5G での処理時間の計測結果

 y1   A11  A1n   x1    =       
  
 
 y n   An1  Ann   xn 

4.

3.1 節で示した処理時間の計測を、L5G 接続下での計測結果を図 3 に示す。図中のエラーバーは標準偏差を示してを対象と考えることができる。ここでは、上式で n=3 の場

いる。L5G 接続下では、鍵長の値にかかわらず処理時間の最大値が 200～300 ms となる結果となった。これは、暗号合について、制御対象に相当する PC#1 と制御器に相当す
る PC#2 の 2 台の PC を L5G ネットワークに接続して、化制御の処理を周期的に実行させる場合、短い鍵長 64 ビ
ットを選択したとしても、200 ms 以上の周期を設定する必0) PC#1 で鍵長を指定して、公開鍵と秘密鍵を生成
1) PC#1 で 3×3 行列[Aij]の各成分を暗号化し、要があることを意味する。また、鍵長が 64～256 ビットの範囲では、処理時間に対する鍵長の影響は小さく、暗号化[Enc(Aij)]を PC#2 に UDP で転送
2) PC#1 で 3 次元ベクトル[xi]の各成分を暗号化し、制御の演算処理に比べ L5G 通信の遅延の影響が大きくなっていると考えられる。512 ビット以上の鍵長では、暗号[Enc(x1)、 …、 Enc(xn)]を PC#2 に UDP で転送
3) PC#2 で、[Enc(Ai1)Enc(x1), …, Enc(Ain)Enc(xn)]を暗号化制御の演算処理の影響も現れていると推測される。

データの乗法のみで計算し、PC#1 に UDP で転送。
これを、各 i(=1～n)に対して繰り返す。

5.

4) PC#1 で、3)で転送されたベクトルの各成分を復号
し、復号された各成分の和を計算する。これが [yi]のおわりに
本稿では 5G ネットワークを用いる CPS/IoT を想定し、その中で動作する制御システムへの暗号化制御の適用可能性を、当研究所の L5G を用いた処理時間の測定と評価を通各成分に対応する。
の各処理を行い、2)から 4) の処理 100 回分の時間を計測じて検証した。暗号化制御の演算処理を L5G ネットワーク
上で実行し、その処理時間を計測したところ、L5G の通信

した。

3.2

結果及び考察システム構成遅延の影響が大きいことが分かった。特に、鍵長の値にかかわらず処理時間の最大値が 200～300 ms となったことか計測に用いた 2 台の PC は、いずれも CPU に Core i51135G7 を搭載し、メモリは 16GB である。また、そのソフら、制御周期を考えると制御系への適用は制御周期を見ながら慎重に検討する必要があることも分かった。

トウェア構成は次のとおりである。
・OS：Ubuntu 20.04 LTS 64bit
・プログラミング言語：Python 3.8.10（Pycryptdome 3.15.0 と Numpy 1.23.1 も利用）

【謝辞】
2021 年度の電気通信大学との共同研究において小木曽先生ならびに小木曽研究室の皆様には暗号化制御についてご

なお、L5G 接続の場合に用いた L5G のシステムは図 2のようにオンプレミスでの構成となっている。

指導・ご助言をいただきました。記して謝意を表します。

【参考文献】
1. 神 奈 川 県 立 産 業 技 術 総 合 研 究 所 ： KISTEC ANNUALREPORT 2022 (2022).
2. 経済産業省：サイバー・フィジカル・セキュリティ対策
フレームワーク Version 1.0 (2019)．
3. K. Kogiso and T. Fujita: ”Cyber-security enhancement of
networked control systems using homomorphic encryption”,
Proc. IEEE Conf. Decis. Control, pp.6836-6843 (2015).
4. 藤田，
小木曽：「ElGamal 暗号を用いた制御器の暗号化」，
計測自動制御学会論文集, Vol. 51, No.9, pp.661-666 (2015).

図 2 L5G の構成

5. 経済産業省：IoT セキュリティ・セーフティ・フレーム
ワーク Version 1.0 (2020)．

5

KISTEC研究報告2022

研究報告2022 目次【機械・材料技術部】◆ DLC膜の混合および流体潤滑における摩擦特性････････････････････････････････････････････

吉田健太郎（機械・材料技術部

材料物性グループ）◆ セラミックス材料のミクロスケール力学特性の直接測定････････････････････････････････････

高橋 拓実、南矢矧大地（機械・材料技術部

束穂（川崎技術支援部

材料物性グループ）
純一（横浜国立大学）◆ 異形平板試料のゼータ電位･･････････････････････････････････････････････････････････････

小野15

洋介（機械・材料技術部 ナノ材料グループ）卓朗、袖山 研一（鹿児島県工業技術センター）◆ 高い近赤外遮蔽性と生体適合性を有する化粧品用酸化亜鉛顔料の開発････････････････････････

良知

健（機械・材料技術部
廣芝

17

ナノ材料グループ）
伸哉（大阪工業大学）◆ グラスウールの吸音特性予測と従来モデルとの比較････････････････････････････････････････

小島

13

徹也（機械・材料技術部 ナノ材料グループ）◆ 「ゼオライト軽石」‐軽石の高機能化技術‐･･････････････････････････････････････････････

増永

9

微細 構造解析グループ）

多々見
奥田

7

19

真路（機械・材料技術部 機械計測グループ）岡村

6

和馬（旭ファイバーグラス株式会社）

KISTEC研究報告2022

【機械・材料技術部】

DLC 膜の混合および流体潤滑における摩擦特性吉田
1.

健太郎（機械・材料技術部

はじめに

DLC 膜は、動弁系バルブリフター、ピストンリング等の自動車エンジン部品への適用が始まっており 1)、近年になって弾性流体潤滑（以下 EHL）下における摩擦特性が報告され始めた 2)、 3)。本報告では、各種 DLC 膜と環境負荷の小さいエステル系生分解油等を用いた混合および流体潤
滑の摩擦評価結果について述べる。

2.

2Dセンサー

油浴

実験方法

摩擦評価は、トライボロジー多機能試験機（Bruker 製
UMT –TriboLab）のブロック・オン・リングモジュール（図1）を用いて評価した。潤滑油として、ポリアルファオレ
フィン 50（100℃動粘度が 50 mm2/s の合成系炭化水素基
油、以下 PAO50）、PAO50＋グリセリンモノオレート（以下 GMO） 1wt%、エステル系生分解性油として、トリメ
チロールプロパントリオレート（以下 TMPTO）を用い、油温は 80 ℃で評価した。荷重は 32 N（ヘルツ接触面圧：
100 MPa）とし、リングの回転数を変化させることにより、滑り速度を最小 0.04 m/s から最大 9.2 m/s まで、段階的に変化させて摩擦係数を測定した。各滑り速度における保持
時間は 30 s とした。
試験片は FALEX 製ブロックオンリング型摩擦摩耗試験機（LFW-1）用のブロックとリングを用いた。ブロックの材質は SAE O1 鋼（JIS SKS3 相当）、リングの材質は SAE
4620 鋼（軸受用ニッケルモリブデン鋼）である。ブロック
およびリングのしゅう動面は、Ra≦0.01 μm になるように研磨した。ブロックのしゅう動面に DLC を成膜し、成膜していない（ノンコート）リングとしゅう動させた。DLC
膜はプラズマ CVD 法により成膜した a-C:H、真空アーク
蒸着法により成膜した ta-C、スパークレス・アーク法 4)と呼ばれるマクロパーティクルを発生しない真空アーク蒸着法により成膜した平滑 ta-C の３種類を評価した。ta-C のみ成膜後に膜表面の研磨を行った。
摩擦評価後の試験片は、走査型電子顕微鏡（SEM）によりしゅう動痕の観察を行った。また、ブロックの未しゅう
動部、およびしゅう動部、リングのしゅう動部および未評
価のリングについて、レーザ顕微鏡を用いてしゅう動方向に垂直な方向の表面粗さを測定した。

3.

材料物性グループ）

図1

ブロック・オン・リングモジュール概略図

図2

図3

TMPTO における DLC 膜の摩擦係数

各種油潤滑下 a-C:H 膜の摩擦係数てはノンコートよりも低い摩擦係数を示したが、EHL から流体潤滑においては高い摩擦係数を示した。
各種油潤滑下における a-C:H の摩擦評価結果を図 3 に示す。試験した滑り速度のほぼ全域において、TMPTO が最も低い摩擦係数を示した。PAO50 に比べ PAO50＋GMO
1wt%では全速度域において摩擦係数が増加した。
各種油潤滑下における平滑 ta-C の摩擦評価結果を図 4に示す。平滑 ta-C もほぼすべての速度域において、TMPTO
が最も低い摩擦係数を示した。平滑 ta-C では GMO 添加に
より全速度域において摩擦係数が低下した。

実験結果と考察TMPTO の DLC 膜の摩擦評価結果を図 2 に示す。a-C:Hと平滑 ta-C は、試験した滑り速度の全域においてノンコートよりも低い摩擦係数を示した。混合潤滑においては平滑 ta-C が a-C:H に比べ低い摩擦係数を示したが、EHL から流体潤滑においては a-C:H が平滑 ta-C よりも低い摩擦係数を示し、特に EHL において a-C:H は最小で 0.0006 という極めて低い摩擦係数を示した。ta-C は混合潤滑におい

7

KISTEC研究報告2022

【機械・材料技術部】

TMPTO でしゅう動試験後のブロックのしゅう動痕をSEM で観察した結果を図 5 に示す。ノンコートおよび taC では、しゅう動方向に平行な傷が多数見られた。a-C:H
および平滑 ta-C では傷はほとんど見られなかった。
TMPTO でしゅう動試験後のしゅう動部および非しゅう
動部のブロックの算術平均粗さとリングの算術平均粗さの合成表面粗さ［Ra ＝（Ra block2 ＋ Ra ring2）0.5］を図 6 に示す。混合潤滑から流体潤滑において低い摩擦係数を示し
た a-C:H と平滑 ta-C の合成面粗さは、ノンコート、ta-C に比べ小さくなっている。ta-C と平滑 ta-C の摩擦係数の差はしゅう動後の合成表面粗さが大きく影響しているものと考えられる。

4.

図4

各種油潤滑下平滑 ta-C 膜の摩擦係数
ta-C
ブロック

ノンコート
ブロック

まとめ

DLC 膜は鋼とのしゅう動において、混合潤滑および流体潤滑においても摩擦低減効果があることが確認された。
EHL から流体潤滑においては、表面の平滑な a-C:H、平滑
ta-C が摩擦低減に有効であることが確認された。また、潤滑油による摩擦係数の違いが確認され、特にエステル系の生分解性油である TMPTO は混合潤滑から流体潤滑の全域において最も低摩擦を示すことが確認された。以上の結果
は、これまで主に境界潤滑で適用されてきた DLC 膜の用途を軸受等、混合から流体潤滑で使用される部品へ拡大できる可能性を示唆しており、更に生分解性油と組み合わせた環境に優しいトライボロジーシステム実現の可能性を大いに示唆するものであると思われる。

100μm
リング

100μm
リング

100μm

100μm
a-C:H
ブロック

平滑ta-C
ブロック【参考文献】
1. 馬渕, トライボロジスト, 58, 8(2013)557.
2. K.Bobzin, et al., Surf. Coat. Technol., 284(2015)290.
3. K.Bobzin, et al., Lubr. Sci., 30(2018)285.
4. 高橋ら, 日新電機技報, 61, 1(2016)41.

100μm

100μm
リング

リング

100μm

図5

100μm

しゅう動痕表面観察□ 非しゅう動部■ しゅう動部

図68

各種試験片の表面粗さ

KISTEC研究報告2022

【機械・材料技術部】

セラミックス材料のミクロスケール力学特性の直接測定高橋

1.

拓実、南 大地（機械・材料技術 材料物性グループ）矢矧 束穂（川崎技術支援部微細 構造解析グループ）
多々見 純一（横浜国立大学）

はじめに
次世代エネルギー社会を支えるセラミックス材料の開る。したがって、構成要素（粒子や粒界）とカンチレバーの相対的な大きさや、ZrO2 でみられるように応力場が作発が進められており、信頼性や耐久性の向上の要求が年々高まっている。一方、定量的な材料設計の基盤となる破壊用することで結晶相が変化（応力誘起相変態）する物質では、その影響を考慮する必要がある。

現象への理解は十分ではない。現象を理解するためには、その素過程を明らかにする必要がある。

3.

破壊の素過程は構成要素の破壊である。一般的なセラミックス材料の構成要素はミクロスケールの粒子や粒界でマイクロカンチレバー法は曲げ試験であるため、従来のマクロな試験法である三点曲げや四点曲げ試験と同様、材ある。また、SOFC やコンデンサのように数 μm 厚のセラ
ミックス材料が異種材料と積層した構造をもつ部材では、

料表面の凹凸が試験結果に影響する。そこで、カンチレバーを作製したい面を機械研磨で鏡面仕上げにするか、また積層界面も重要な構成要素である。すなわち、ミクロスケ
ールの力学特性の直接評価は多様なセラミックス材料のはクロスセクションポリッシャー（Cross section Polisher：CP）で平滑な断面とする。

破壊の素過程を解明する強力な手段であり、破壊現象を理解する大きな一助になると期待できる。

加工面に適切な導電処理（コーティング層が分厚くなると、曲げ試験結果に影響を及ぼす）を施した後、FIB 加工

近年、材料のミクロスケール力学特性を評価する手法として、集束イオンビーム（Focused Ion Beam：FIB）加工と装置や FIB 機能が付属する走査電子顕微鏡（ScanningElectron Microscope：SEM）により加工を行う。カンチレ

ナノインデンテーション装置を組み合わせた手法が様々提案されている。著者らはこれまで、マイクロカンチレバ

バーの形状や寸法は、梁理論を適用して算出する力学特性

マイクロカンチレバー法の試験方法

ー法によりセラミックス中の粒子や粒界の力学特性の測定を初めて報告して以来、様々なセラミックス材料に本法を展開してきた 1-4。成果の詳細はそれぞれの報告を参照
いただきたい。本稿では、本法の基本的な原理と試験方法について説明するとともに、現在取り組んでいる研究および並行して進めている国際標準化での取り組みを評価事
例として簡単に紹介する。

2.

マイクロカンチレバー法の原理
マイクロカンチレバー法の構成を図 1 に示す。測定したい局所領域を最大の引張応力が作用する固定端に設定した片持ち梁状試験片（カンチレバー）の先端に集中荷重（P）を印加し、破断するまでの荷重、荷重点変位（d）、さらに試験片の形状と寸法を用いて、梁理論よりヤング率と曲げ

図 1 マイクロカンチレバー法の構成強度を算出する。梁理論の対象は等方的な連続体の対称曲げであるため、荷重印加方向の横断面の対称性が高くなる
ようにカンチレバーの形状を設計し、荷重点距離（ℓ）の横断面において幾何学的対称性と負荷対称性とを両立す
る対称軸の延長線上に荷重印加点を設定する必要がある。
また、線形弾性理論による断面不変、平面保持、微小ひずみ、微小変形の仮定の成立が前提条件である。
一般的なセラミックス材料は、構成粒子の結晶方位がランダムであるために必ずしも等方体でなく、また高荷重側では室温での塑性変形など非線形弾性が現れる場合があ

図 2 カンチレバーの横断面の形状

9KISTEC研究報告2022

【機械・材料技術部】

図 3 カンチレバーの外観

値を左右する重要な因子である。そのため、使用する装置の素早い探索機能をもつことのイオンビームの軸調整などを行い、加工中の座標ズレを回避する対策をとることが重要である。カンチレバーの横 押し込み位置を高精度かつピンポイントで設定できる
こと

断面の形状を図 2 に示す。横断面の形状は、前述した梁理論の適用範囲、FIB 加工の難易や効率を考慮すると、四角という性能が特に重要である。実際の試験時間を大きく左形や五角形が望ましい。五角形の場合、梁理論による応力分布から、下部の頂点（図 2 の 2～4）が横断面の高さ（h）

右するプロセスは荷重印加点の探索である。最近は SEMの中に設置するナノインデンテーションシステムも市場の半分（カンチレバーの長軸方向を横断する中立面に対応）
よりも下に位置するように注意する。

展開されている。観察しながら曲げ試験を行えるため、より正確性の高い試験が期待できる。

著者らが実際に作製したカンチレバーの外観を図 3 に示す。設計寸法は、幅 1μm、高さ 1.5 μm、長さ 12 μm であ

ここで、弊所のナノインデンテーション装置（ブルカー
ジャパン㈱製、Hysitron TI 980）について、簡単に紹介するが、概ね所望の寸法で作製できている。また、正面像で確認できるように、FIB 加工ではエッチング物質の再付着る。荷重と変位を検出するトランスデューサーは静電アクチュエーター式で、駆動電圧が低く、長時間測定での発熱（リデポ）も起こる。リデポ層がカンチレバーの高さに対して十分に薄い場合は大きな影響はないと考えられるが、によるドリフトが生じにくい。また、質量が小さく、小荷重領域での感度や応答性に優れる特長がある。荷重を印加

必要に応じて（あるいは理想的には）除去することが望ましい。また、ナノインデンテーション装置で適切に荷重をする圧子と同じ圧子で取得した表面形状像上で押し込み
位置をピンポイントで指定できる SPM モードも搭載して印加するために、荷重点マーカーを付与する。マーカーの形状は特に制限されないが、ナノインデンテーション装置

いる。これにより、ミクロスケールのカンチレバーの損傷を回避しながら、先端近傍に設けられた小さな荷重印加点の走査型プローブ顕微鏡（Scanning Probe Microscope：SPM）
モードで探索しやすい形状が望ましい。図 3 では点状としのマーカーを円滑に探索し、数十 nm の精度でアプローチ
することができる。さらにオプションとして、大荷重試験

たが、先端ならびに側部の三ヶ所に浅い線状マーカーを付
与して、これらの延長線上の交点を荷重印加点としてもよ用のトランスデューサーも利用でき、従来のマクロな力学
特性とミクロスケールの力学特性とを接続する領域の試い。いずれのマーカーでも、圧子圧入で試験片を破壊する
破壊源にならないように深さや大きさに注意する。なお、験も可能である。
曲げ試験で使用する圧子は、バーコビッチ、キューブコ

カンチレバーの正面像、俯瞰像、側面像から形状と寸法の測定を行うため、必ず取得する。また、同一条件の加工でーナー、コニカル圧子のいずれでもよいが、集中荷重を印加する点で、より先鋭なキューブコーナー圧子が望ましい。

もバラつきが生じるので、カンチレバーそれぞれで観察、画像解析を行い、曲げ試験結果と対応させる必要がある。

試験条件は、荷重または変位制御のいずれでも良いが、ミクロスケールのカンチレバーが破壊に至る荷重（荷重が大カンチレバーの曲げ試験を行うナノインデンテーショ
ン装置は、μN オーダーの荷重と nm オーダーの変位の制きく低下するまでの最大荷重）は数百 μN オーダーと小さ
いため、荷重印加速度（μN/s または nm/s）に注意が必要

御と同時計測を行い、材料のミクロスケールの硬さや弾性率、密着性などを測定、評価するために用いられる装置でである。なお、曲げ試験でもカンチレバーへの圧子の圧入は起こるため、生データだけでは真の荷重点変位（d）はある。市場に流通している製品ラインナップも様々あるが、マイクロカンチレバー法による力学特性評価においては、得られない。そこで、カンチレバーがない領域でインデン
テーション試験を行って、カンチレバーに圧子が圧入され 長時間の測定でドリフトがなく、小荷重領域での安定性

た分の変位を補正する必要がある。
試験後のカンチレバーの破面は SEM で観察し、破壊しが高い測定ができること
 カンチレバーごとに設定された先端近傍の荷重印加点

た場所と破面の情報を取得しておく。また、応力とひずみの関係に変換して、曲げ強度とヤング率を算出する方法は

10

KISTEC研究報告2022

【機械・材料技術部】

本稿では割愛するが、梁理論から容易に導出できる。既報を参照いただきたい 1-4。

3.

評価事例
最近取り組んでいる 2 つの事例を紹介する。1 つは、3mol%-Y2O3 安定化正方晶 ZrO2（3Y-TZP）を対象にした研究である。3Y-TZP は、高強度と優れた破壊靭性を示す材料であり、身近には医療用のインプラント材料や光ファイバーなどに応用され、産業分野でも広く用いられている重要なセラミックス材料の一つである。他方、3Y-TZP のアキレス腱として、水との化学反応が起点となり、体積膨張

図4

HT 前後の 3Y-TZP 表面に作製したカンチレバーの荷重変位曲線を伴う正方晶相（t 相）から単斜晶相（m 相）への相変態
で粒界にマイクロクラックが発生し、マクロな力学特性が著しく低下する低温劣化（Low Temperature Degradation：LTD）現象が知られている。安定化剤を添加された ZrO2 セラミックス材料の LTD 現象は 1984 年に初めて報告 5 され、以来、40 年近く精力的に研究されているが、未だに全容が明らかになっていない。特に、LTD 現象が起こる表面近傍の力学特性の変化については、これまで評価する手法がなく未解明である。著者は、共同研究者の多々見純一教授
がチームリーダーであるセラミックス材料の劣化の学理

図5

HT 前後の 3Y-TZP 表面に作製したカンチレバーの曲げ試験後の破面観察構築を目指す研究（科学技術振興機構の戦略的創造研究推
進事業 CREST）の一環で、3Y-TZP の LTD 現象にミクロ
スケールの力学的特性の変化からアプローチし、ナノ構造
やマクロな力学特性との相関解明を進めている。
3Y-TZP の LTD 現象は水熱下で進行する。そこで、水熱処理（HT）前後の 3Y-TZP を作製し、LTD 現象の進行の目安となる m 相分率を XRD 解析から評価した。本実験で作製した 3Y-TZP の HT 前後の m 相分率は 0%と 36%であり、HT 中に相変態が進行したことを確認した。また、SEM による微構造観察から、HT 後の 3Y-TZP では粒界にマイクロクラックが発生していることを確認した。カンチレバー（幅 1μm、高さ 1.7 μm、長さ 12 μm）は、いずれの場合も

図6

市販 SOFC 単セルの電解質層（1μm）に作製したカンチレバーの外観

き裂や気孔などの表面欠陥がない領域を選定し、かつ特定の粒子や粒界は狙わずに作製した。
図 4 は、HT 前後の 3Y-TZP 表面に作製したカンチレバ
ーの荷重変位曲線である（破線が生データ、実線が圧子圧

者は現在、「固体酸化物形燃料電池セル用セラミックス材
料の弾性率試験方法と構造評価法に関する国際標準化」のWG3 微小部力学特性評価方法の委員としても活動してい入分を補正したデータ）。HT 前は変位の増加とともに荷重が線形に増加した後、非線形に変形して破壊した。HT 後る（多々見純一教授が WG3 委員長）
。WG3 では、SOFC の
構成要素の中で最も力学特性が重要な電解質層（8YSZ）

は、変位の増加とともに荷重が線形に増加する過程で破壊した。梁理論を適用して応力とひずみの関係に変換し、平を対象にしている。最終的に目指す規格では、パワーエレ
クトロニクス基板材料、耐摩耗硬質コーティング、超軽量・

均曲げ強度を算出した結果、HT 後は表面近傍の強度が大幅に低下（HT 前の 38%）していることがわかった。図 5

高強度構造材料、蓄電池、MLCC 等の電子材料など、広範なセラミックス材料への適用を目指している。

は、HT 前後のカンチレバーの曲げ試験後の破面である。
HT 前の破面には平均粒子径（0.36μm）よりも微細な凹凸事業が始動した令和 3 年度は、マイクロカンチレバー法の試験プロトコルを作成し、さらに弊所の FIB 加工装置でが形成されたが、HT 後の破面は典型的な粒界破壊を示した。このように、カンチレバーの破面形態は HT 前後で大3 種類の市販 SOFC 単セル中の電解質層にカンチレバーを作製して 3 機関（横浜国立大学、産業技術総合研究所、神きく異なり、破壊の過程（き裂の進展経路）が全く違うことが見て取れる。すなわち、HT によって粒界強度が顕著

奈川県立産業技術総合研究所）でのラウンドロビン試験を実施した。図 6 は、作製したカンチレバーの一例である。

に低下したことが強く示唆された。
もう 1 つの事例として、マイクロカンチレバー法の国際

図 6 の製品はアノード支持型で、微構造が異なる 3 つの層標準化（ISO 化）に向けた取り組みについて紹介する。著11

KISTEC研究報告2022

【機械・材料技術部】が観察された。試験のターゲットである電解質層は中心部にあり、加工面内では 1μm 程度だったが、幅 0.5μm、高さ0.8μm、長さ 5μm のカンチレバーを電解質層にピンポイン
トで作製することに成功した。得られた曲げ強度、ヤング率を機関間で比較すると、第一原理計算から見積もられる電解質層（8YSZ）の力学特性の結晶方位依存性を考慮すれば、概ね良い一致を示すことがわかった。

4.

今後の展開

マイクロカンチレバー法を駆使した先端的な研究として、CREST では 3Y-TZP の LTD 現象の解明に取り組んでいる。現在、本成果の論文化を進めている都合上、紹介できるデータはごく一部に限られてしまう点は恐縮だが、「粒界」が鍵となる興味深い結果が様々得られているので、引き続き報告していく。また、セラミックス材料を構成す
る粒子の結晶方位は通常、ランダムであるが、粒子や粒界の大きさに対応するミクロスケールの力学特性を評価す

図7

3Y-TZP 中で結晶方位を特定した粒子間の粒界をターゲットにしたカンチレバー

るマイクロカンチレバー法では、結晶方位依存性が顕在化する。そこで、後方散乱電子回折（Electron Back Scatter
Diffraction：EBSD）とマイクロカンチレバー法を組み合わせ、結晶方位を特定した粒子や粒子間の粒界を狙ったカンチレバー（図 7）を作製し、ミクロスケール力学特性との相関解明を進めている。本成果は令和 4 年度の日本セラミックス協会秋季シンポジウムなどで発表する。さらに高応
力を印加したカンチレバーの TEM 観察も行い、ミクロス
ケールの力学特性とナノ構造の相関解明も進める。
国際標準化では、各機関でカンチレバーの作製から試験までを一貫して取り組み、規格化する上での課題抽出を進めている。また単結晶での試験も行い、試験法としての精度と材料としてのバラつき、試験装置の影響等を切り分けて整理していく。これらの結実として、先端ナノ計測拠点としての弊所のプレゼンスを向上させていく。

【参考文献】
1. J. Tatami, M. Katayama, M. Ohnishi, T. Yahagi, T. Takahashi,
T. Horiuchi, M. Yokouchi, K. Yasuda, D.K. Kim, T. Wakihara,
K. Komeya, J. Am. Ceram. Soc., 98 (3), 965-971(2015)
2. S. Fujita, J. Tatami, T. Yahagi, T. Takahashi, M. Iijima, J. Eur.
Ceram. Soc., 37 (14), 4351-4356 (2017)
3. T. Yamaguchi, J. Tatami, T. Yahagi, H. Nakano, M. Iijima, T.
Takahashi, T. Kondo, J. Mater. Sci., 55 (17), 7359-7372(2020)
4. J. Tatami, Y. Imoto, T. Yahagi, T. Takahashi, M. Iijima, J. Eur.
Ceram. Soc., 40 (7), 2634-2641 (2020)
5. K. Kobayashi, H. Kuwajima, T. Masaki, Solid State Ionics, 34, 489-493 (1984)【外部発表】口頭発表 2 件、 論文発表 4 件

12KISTEC研究報告2022

【機械・材料技術部】

異形平板試料のゼータ電位奥田1.

徹也（機械・材料技術部

2.

はじめに

ナノ材料グループ）

実験方法

KISTEC では 2008 年に平板形状試料のゼータ電位が測不均一試料のモデルとして、大きな正電位と負電位をも定できる装置を導入し、多数のお客様にご利用いただいている。測定が可能な試料の要件として、(a)全面均一な材質、つ領域が、様々なパターンで混在する試料を作製した。試料の基材は、中性 pH 域で負に帯電するスライドガラス(b)目視レベルの平坦性、(c)導電性をもたない等が挙げられる。しかし基板上の膜の一部が剥がれているなど、上記（MATSUNAMI 製 S1126）とした。この基材に対し、パターンに従って部分的にマスキングを施した後、正電位をもの要件を満たさない異形の平板試料のご依頼を承ることもあり、その場合は測定値の信頼性や解釈が問題となる。

つ膜を形成するジメチルポリシロキサン系のガラスコー
ティング剤を塗布した。乾燥後にマスキングを剥がすと、当所の装置（大塚電子製 ELSZ-2）の平板試料測定の概要を以下に記す。石英製のセルは、中央に長さ 23 x 幅 5 x

マスク部分から再び元のスライドガラス基材が現れる。
図 2 に、測定セル上方から見たイメージを示す。長方形

深さ 1 mm の直方体の溝を持つ。試料はこの溝の上面に蓋をする格好で設置して、長手方向に開いた長方形断面のトの内側は試料の接液部を表し、黒い領域は正に帯電したコーティング部分、白い領域は負に帯電したスライドガラス

ンネル型の流路を形成させる（図 1）。次にその流路にモニター粒子が分散した水溶液を充填し、トンネルの両端に基材の露出部分である。この図 2 の例は、モニター粒子の電気泳動方向に対して直交して不均一パターンが形成さある電極から直流電場を印可して、長手方向にモニター粒子を電気泳動させる。そして側面中央から入射したレーザれており、レーザー光が通過するセル中央付近はコーティ
ングされてないので負電位をもつ場合を示している。

ー光を、上面（試料）から下面まで上下方向にスキャンしながら、モニター粒子によって散乱されたレーザー光を検

ゼータ電位測定は、モニター粒子（大塚電子製）
を 10 mMの NaCl 水溶液で 100 倍希釈して電気泳動液とし、約 16出する。散乱光のドップラーシフトから、電気浸透流の上下方向の流速分布を求め、試料位置（上面）の電気浸透流

V/cm の電場を印可して行った。

の速度を Smoluchowski 式でゼータ電位に換算する。
トンネル内の電気浸透流の流速分布には、森・岡本の理

3.

論式 1) を適用する。この式の導出において、流れは電気
泳動方向のみで、上下方向および側面方向への流れはないと、各々のゼータ電位の測定値を示す。図 3 は電気泳動方向に直交して均等に約 4.6 mm 幅で 5 分割し、正電位領域と仮定する。上面・下面はそれぞれ全面均一で、また左と右の側面の材質は同一である。トンネルの上下面と左右側を片側から少しずつ増加させていった不均一パターン系
列である。全面にスライドガラス基材が露出した図 3①の面には境界条件を課すが、電気泳動方向には境界条件を付けないので、近似的に無限長の均一性を仮定している。し場合はゼータ電位が-48(mV)、全面に正電位コートを施した⑥の場合は+46(mV)であるが、この両端の間の②から⑤たがって試料（上面）が異形をもち、全面均一でない場合
は上記の仮定が成り立たなくなるが、装置からは森・岡本までが本研究が目的とする不均一試料である。まず図 3②の、一番端の領域だけ正電位コートされている場合、ゼーの式を使った解析結果しか得ることができない。
そこで本研究では、試料の不均一性が測定値に与える影

タ電位は-26(mV)で基材よりも正電位方向へ変化している。
上面（試料）から下面までの測定ポイントにおける、モニ響を把握するため、異なるゼータ電位をもつ部分が同一面内に混在する試料を作製し、試料面のどの部分がどのようター粒子の見かけのゼータ電位分布をカーブフィッティ
ングした電気浸透流プロットを見ると、森・岡本の理論式に寄与するか調べた。

通りの放物線である（図 7）。また他の測定パラメータも正常値の範囲に収まっているので、図 3②の測定ではレー

結果及び考察図 3 から図 6 に、作製した 4 種の不均一パターン系列図

ザー光が通過するセル中央付近の電気浸透流に乱れはな
いと考えられ、測定値の信頼性は高い。よってレーザー光が通過しない端部の不均一性が、中央付近にまで影響を及ぼしていると断定して良い。なお、モニター粒子の電気泳動速度は最大でも 100 (μm/s)程度で、測定中はほとんどが上面（試料）の正電位または負電位領域の片方だけをゆっくり泳動しているため、一つのモニター粒子が試料全面を一気に通過して泳動速度が平均化されたためではない。

図 1 測定セルのイメージ（試料で溝の蓋をしている）

13

KISTEC研究報告2022

【機械・材料技術部】

図 3 の不均一パターン系列の③から⑤を見ると、正電位をもつ領域が増加するにつれて、測定値も連続的に正電位方向へ変化していくことが分かる。ただし図 3 の系列からは、不均一領域が占める面積と位置のどちらが強く測定値に影響するかを知ることができない。
そこで図 4 に、電気泳動方向に対称なパターンを形成して評価した結果を示す。例えば逆パターンになっている③

図 2 セル上方から接液部を見たイメージ（白：負に帯電、黒：正に帯電）と⑥を比較すると、正電位と負電位の面積比よりは、どちらがセル中央付近にあるという位置の方が、測定値に強くゼータ電位影響することが分かる。⑥の正電位領域の面積は③の 4 分の 1 に過ぎないが、より大きな正電位を示すのは、レーザ

サンプル

(mV)

①

- 48

②

- 26

③

+4

④

+ 29

⑤

+ 37

⑥

+ 46

ー光が通過する中央付近に正電位をもつ⑥の方である。
位置分解能を上げるため、図 5 に均等に約 2.5 mm 幅で9 分割した一つの領域だけに正電位コートしたパターン系
列の測定結果を示す。正電位と負電位領域の面積比はいず
れも 1：8 であるが、正電位領域がセル中央に近づくほど測定値も正電位方向に変化し、⑤では基材の負電位を打ち消してほぼゼロ電位になっている。
図 6 は、電気泳動方向に平行に均等に 1 mm 幅で 5 分割

図 3 不均一パターン系列(1)サンプル

して、正電位領域を片側から少しずつ増加させていった不均一パターン系列である。正電位領域が増加するほど、測

ゼータ電位
(mV)

①

- 48

②

- 22

③

+8

④

+ 46

⑤

+ 26

⑥

+ 16

定値が正電位方向に変化する傾向は予想通りである。しかし例えば図 6③の場合、電気浸透流プロット（図 8）は、上面（試料）に近いほど森・岡本の理論式の放物線から外れている。また他の測定パラメータを調べると、ゼロ電位に近い値を示すはずのセル下面のゼータ電位は+12(mV)、
モニター粒子の真のゼータ電位は+11(mV)であり、いずれも正常値の範囲から逸脱していた。よって、セル中央付近の電気浸透流が乱れていると考えられ、測定の信頼性に問

図 4 不均一パターン系列(2)サンプル

題が生じていることが分かった。

ゼータ電位
(mV)

①

- 48

②

- 34

③

- 14

④

-8

⑤

+4

図 7 図 3②の電気浸透流

図 8 図 6③の電気浸透流

図 5 不均一パターン系列(3)

４.
サンプル

ゼータ電位
(mV)

①

- 48

②

-7

③

+2

④

+ 16

⑤

+ 40

⑥

+ 46

まとめ

異形試料の一例として、全面均一な材質という仮定が成り立たないモデル試料を作製して評価した。電気泳動方向に直交する不均一性では、不均一部分の位置が強く影響することが分かった。また電気泳動方向に平行な不均一性は、
電気浸透流の乱れが生じて測定の信頼性に影響することが分かった。現実的な試料と比べると、大きな正電位と負電位が混在する極端なモデルであるが、そのことで不均一性が測定値に与える影響を明確に抽出することができた。

【参考文献】

図 6 不均一パターン系列(4)1. 森裕行, 岡本嘉夫, 浮選, 27, 117-126 (1980).

14

KISTEC研究報告2022

【機械・材料技術部】「ゼオライト軽石」‐軽石の高機能化技術‐
小野
増永

1.

洋介（機械・材料技術部
卓朗、袖山

はじめに

ナノ材料グループ）研一（鹿児島県工業技術センター）

日本は世界有数の火山大国である。鹿児島県は本土面積た。蒸留水を張ったビーカーに試料を投入したところ、試料は水面に浮いたが、数分後に水中に沈むものもあり、試のおよそ半分がシラスと呼ばれる火山噴出物で覆われて
おり 1)、これを有効利用しようと半世紀以上前から研究開料の多孔構造や投入前の乾燥状態が浮水性に影響することが示唆された。

発がなされてきた。代表例の一つとして、シラスからゼオ
ライトという機能性材料を作製する技術が知られている。

粉末 X 線回折による結晶相調査の結果を図 2 に示す。
濃度 1～3 M の水酸化ナトリウム水溶液で水熱処理した試

ゼオライトは分子サイズの細孔を有しており、吸着材や触媒として広く利用されている。従来はゼオライト化しやす

料では、CHA 型ゼオライトに帰属されるピークが確認された。3 M100℃試料では、GIS 型ゼオライトに帰属される

い粉末状の原料が用いられてきたが、我々は軽石状のシラスに注目した。意図的に表面のみをゼオライト化すること

ピークも確認された。高濃度の 4 M 条件とした場合には、によって、“水に浮く”といった軽石の特徴と、“汚染物質を選択的に吸着する”といったゼオライトの特徴を併せ持つ新材料が得られると考えた。このようなコンセプトに基づき作製した「ゼオライト軽石」について、既に論文発表2)した内容に、新たな実験結果や考察を加えて報告する。

2.

実験方法
鹿児島県工業技術センターから提供された SiO2 : Al2O3 :Fe2O3 : Na2O : K2O : CaO の重量比が約 72 : 13 : 2 : 4 : 4 : 2
であるシラス軽石を、蒸留水を張ったビーカーに入れた。

図 1 水熱処理によるゼオライト軽石の作製手順

このうち、水面に浮いた約 83 mass%のシラス軽石を回収し、以下の手順で水熱処理を施した。シラス軽石原料 1.0 gを、濃度 1～4 M の水酸化ナトリウム水溶液 6 mL に投入
し、耐圧容器で密閉して 70～100℃で加熱した(図 1)。20
時間加熱後に、ろ過により固液分離した固相を蒸留水で水洗し、ホットプレートで乾燥して試料を得た。水熱処理のほかに、容器を開放状態とし常圧下で加熱した場合についても、同様にして試料を得た。
試料の微構造を走査電子顕微鏡(JEOL JSM-IT200)で観察し、試料に含まれる結晶相を粉末 X 線回折装置(リガク
Ultima IV)で調査した。また、比表面積・細孔分布測定装置(マイクロトラック・ベル BELSORP-max II)を用いて窒素ガスを吸着質とした吸着等温線を測定し、BET 法により試料の比表面積を求めた。さらに、各試料 0.1 g を 10 mMのリン酸二水素アンモニウム水溶液 25 mL に投入し、撹拌せずに室温にて 24 時間静置した。静置前後の水溶液のアンモニウムイオン濃度を、イオンクロマトグラフィーシス
テム(東ソー IC-2001)で測定することにより、試料のアン
モニウムイオン吸着能を評価した。

4.

結果と考察
水熱処理によって作製した試料の外観は、原料に用いた

図 2 粉末 X 線回折による結晶相調査の結果

シラス軽石と類似しており、軽石の多孔構造を維持してい

15

KISTEC研究報告2022

【機械・材料技術部】

図 3 吸着等温線、BET 比表面積測定と走査電子顕微鏡観察の結果; 左：1～3 M 試料(CHA 型ゼオライトがメイン相)、右：4M 試料(FAU 型ゼオライトがメイン相)FAU 型ゼオライトに帰属されるピークが強く、90℃条件

り、-1%となった)。これに対し、水熱処理によって作製しでは GIS 型ゼオライト、100℃条件では LTA 型ゼオライトのピークも確認された。このように、骨格構造や細孔径のた試料のアンモニウムイオン除去率は 29～48%であり、市販のゼオライト粉末(15%)よりも高い除去率を示した。撹

異なるゼオライトが生成していることが分かった。これら
水熱処理試料では、原料に含まれるアノーサイト(灰長石)拌無しとした実験条件が、軽石状の試料に有利に働いたと思われる。

やアルバイト(曹長石)に帰属されるピークも見られた。すなわち、シラス軽石の結晶質成分の一部は、水熱処理後に常圧下で加熱し作製した試料についても、水熱処理後の試料と同様の微構造を持つことを確認した。また、1～3 M

も結晶構造を維持していることが分かった。マグマが急冷して作られる軽石には結晶質成分とガラス質成分の両者条件で CHA 型ゼオライトが、4 M 条件で FAU 型ゼオライ
トが、それぞれメインの結晶相として含有されていることが含まれており、この天然由来の不均一な性質が、軽石の多孔構造の維持とゼオライトの生成の両立を可能にしたが分かり、水熱処理試料の実験結果とよく一致した。

と思われる。
窒素ガスを吸着質とした吸着等温線と BET 法による比4.

表面積の値、走査電子顕微鏡による観察像を図 3 に示す。
シラス軽石の比表面積が 1.4 m2/g であったのに対し、水熱吸着能を示したことから、赤潮対策への活用を見込んでいる。また、CHA 型ゼオライトはセシウムイオンに対する処理によって作製した試料は、軽石の数十～数百倍となる
高い比表面積を示した。特に 4 M80℃試料の比表面積(439吸着の選択性が高いことから、放射性物質除去への活用も期待できる。本研究のオリジナリティである軽石の形態と、

m2/g)は、複合体であるにもかかわらず粉末状のゼオライ
トと比べても遜色のない高い値であった。吸着等温線におゼオライトの吸着能を組み合わせて、新しい使い方を提案
し潜在ニーズを掘り起こしながら、実用化につなげていく。

今後の展開「ゼオライト軽石」がアンモニウムイオンに対する高い

いて、低圧領域で吸着量が急激に上昇したことから、ゼオ
ライトのマイクロ孔の存在が裏付けられた。また、4M80℃
試料や 4 M90℃試料では、相対圧 0.4～1.0 の範囲でヒステリシスが確認され、メソ孔の存在も示唆された。電子顕微【参考文献】
1. 袖山研一, かごしまシラス産業おこし企業ガイドブッ
ク, 70-76 (2011)

鏡像から、ミクロンサイズのゼオライトが表面に緻密に生成しており、シラス軽石の反応残部を支持体として、軽石

2. Y. Ono, T. Masunaga, K. Sodeyama, Microporous andMesoporous Materials, 328, 111500 (2021)とゼオライトが一体構造を形成していることが分かった。
アンモニウムイオン吸着実験の結果、シラス軽石のアン【外部発表】口頭発表 3 件、論文等発表 1 件

モニウムイオン除去率がほぼゼロであった(測定誤差によ

16

KISTEC研究報告2022

【機械・材料技術部】

高い近赤外遮蔽性と生体適合性を有する
化粧品用酸化亜鉛顔料の開発
良知

1.

健（機械・材料技術部 ナノ材料グループ）
廣芝 伸哉（大阪工業大学）

2.

はじめに

実験方法

太陽光に含まれる紫外線が肌の炎症や黒化をもたらす

硝酸亜鉛六水和物水溶液（150 ml、0.05 M）と水酸化ことは一般によく知られている。また紫外線を繰り返し浴びることにより、シワやシミといった肌の光老化が生ナトリウム水溶液（150 ml、0.05 M）を下記(a)-(c)の 3 条件で混合し、70℃の恒温水槽で 4 時間反応させた後、沈じる他、将来的に皮膚がんにつながることもある。このような作用を持つ紫外線から肌を守るため、紫外線を遮殿物を乾燥させて酸化亜鉛粒子を得た 3-6)。
(a) 硝酸亜鉛六水和物水溶液を恒温水槽で液温が安定す蔽する機能を持つ紫外線防止化粧品が販売されている。
さらに近年は紫外線だけでなく、肌のより深層まで到達るまで保持した後、水酸化ナトリウム水溶液をゆっくり滴下する近赤外線も光老化の原因となることが指摘されるよ
うになり、近赤外線遮蔽性を付与した紫外線防止化粧品(b) 2 つの水溶液を予め混合してから恒温水槽に投入(c) (b)と同様の混合条件とし、液の蒸発による濃度変化も見られるようになってきた 1)。
著者らはこれまで、化粧品への適用が可能で市販品よを防ぐためにパラフィルムを使用
次に得られた酸化亜鉛粒子に、フィブロインコーティ

りも高い近赤外遮蔽性を示す材料の開発を目指し、液相合成法により酸化亜鉛粒子の作製に取り組んできた。そングを行った。まず、IPA（2-プロパノール）と純水 9:1の混合溶液を溶媒として用い、3-アミノプロピルトリメ

して前報では、pH や反応時間、作製原料が粒子の形状及び粒径へ与える影響について報告した 2)。濃度を低くす

トキシシランを 0.1 M となるように調整した 7)。そこに酸化亜鉛粒子を入れ、4 時間撹拌した。酸化亜鉛粒子表ることでサブミクロン径の球状粒子が得られたが、一方で収量が少なく、近赤外反射率を評価することができな

面に物理吸着している有機分子を除去するため IPA で洗浄し、その後純水に置換してからフィブロイン水溶液をかった。そこで本研究では、原料となる溶液の濃度をやや高くするとともに混合条件を検討することで、あらた添加した。60 時間静置した後、IPA を添加して物理吸着したフィブロインを除去し、沈殿物を自然乾燥してフィ

めてサブミクロン径の球状粒子の作製を試みた。更に生体適合性の付与を目的として、粒子表面を蚕の絹糸（シブロインコート酸化亜鉛粒子を得た。
得られた粒子の粒径および形状は走査電子顕微鏡ルク）の主成分で繊維状のタンパク質であるフィブロイ
ンでコーティングすることを検討した。

（SEM）［日本電子、JSM-IT200LA］で評価した。また、
紫外可視分光光度計[島津製作所、SolidSpec3700i]により

(a)

100

(b)

1 µm

Reflectance [ % ]

80

1 µm

(c)

60
40
(a)
(b)
(c)

20
0
1 µm

図 1 酸化亜鉛粒子の SEM 像

500

1000
1500
Wavelength [ nm ]

2000

2500

図 2 酸化亜鉛粒子の拡散反射スペクトル

17

KISTEC研究報告2022

【機械・材料技術部】

100

コーティング前

Reflectance [ % ]Intensity [ arb. units ]80
コーティング後

コーティング後

60
40
20

コーティング前

500

1000

1500

2000

2500

0

3000

Raman shift [ cm-1 ]

1000
1500
Wavelength [ nm ]図 3 粒子（c）のフィブロインコート前後におけるラマン
スペクトル

図 4 粒子（c）のフィブロインコート前後における拡散反射
スペクトル

拡散反射スペクトルを測定した。フィブロインコート酸
化亜鉛粒子については、顕微レーザーラマン分光装置[堀4.

場製作所、XploRA Plus]を用い、粒子表面におけるフィ
ブロインの存在を確認した。

3.

500

2000

2500

まとめ
高い近赤外遮蔽性と生体適合性を有する化粧品用顔料の開発を目指し、液相合成法により酸化亜鉛粒子の表面をシルクフィブロインで被覆した粒子の作製を試みた。

結果および考察

その結果、フィブロインをコートした酸化亜鉛粒子において、近赤外領域で概ね 70 ％以上の反射率を示す粒子

液相合成により得られた、フィブロインコーティング
前の酸化亜鉛粒子の SEM 像を図 1 に示す。粒子（a）-が得られた。

（c）はいずれも 1 ミクロン前後のほぼ球状の粒子で、作製条件により大きさが異なっていることがわかる。次に【参考文献】

これらの粒子の拡散反射スペクトルを図 2 に示す。近赤外領域（780-2500 nm）において粒子（c）の反射率が最1. https://www.sunstar.com/wp-content/uploads/2018/02/
2. 180214_2.pdf, サンスター株式会社他 (2018).
3. 良知健, 小野洋介, 廣芝伸哉, KISTEC 研究報告, 10も高く概ね 80 ％以上の反射率を示している。そこで粒子（c）についてフィブロインコーティングを行った。フ

(2021).
4. N. Uekawa et al., Phys. Chem Chem. Phys., 6, 442 (2004).

ィブロインコーティング処理後の粒子（c）のラマンスペ
クトルを図 3 に示す。また比較としてコーティング前の

5. N. Uekawa et al., Matter. Lett., 64, 1729 (2007).
6. H Quang et al., J, Phys. D: Appl. Phys., 44, 125104 (2011).

ラマンスペクトルも同図に載せてある。コーティング後の粒子では酸化亜鉛のピークに加え、フィブロインのピ

7. J. Zhang et al., Chem. Master., 14, 4172 (2002).
8. 尾形健一, 小池一歩, 平田泰之, 佐々誠彦, 井上正崇,

8)が複数確認でき、粒子の表面にフィブロインが存ーク在していることがわかる。図 4 に粒子（c）のフィブロイ

矢野満明, 材料, 55 159 (2006).
9. M. Zhao et al., Int. J. Mol. Sci., 22, 4136 (2021).

ンコート後の拡散反射スペクトルを示す。コーティング
により広い波長領域で反射率の低下が見られるものの、
フィブロインコーティング後も近赤外領域における反射率は概ね 70 ％以上であり、高い近赤外反射率を維持していることがわかる。

18

KISTEC研究報告2022

【機械・材料技術部】

グラスウールの吸音特性予測と従来モデルとの比較
小島

1.

真路（機械・材料技術部 機械計測グループ）
岡村 和馬（旭ファイバーグラス株式会社）

はじめに

10

音響材料の吸音特性の評価には一般に音響管による垂R/ρc－1

直入射吸音率の測定と、残響室法によるランダム入射吸音率の測定がある。残響室法は、実際の使用状態に近い
吸音特性が得られるものの、試験体の準備や取り付けに多くの手間がかかる。一方、音響管による方法は、垂直入射に限定しているものの、試験体が小さく利用しやす
い。また、音響パラメータ(特性インピーダンスや伝搬定

0.10.0001数)などの複素数情報が得られるため音響材料の設計に役立つ。

𝑓𝑓 −0.641
𝑅𝑅(𝑓𝑓) = 1 + 0.0833 � �
𝜎𝜎
0.001

0.01

0.1

𝑓𝑓⁄𝜎𝜎

(a) 特性インピーダンス(実数部)

著者らはこれまでに、グラスウールの垂直入射吸音率を理論予測するプログラムを作成し、良好な予測結果を

10

-X/ρc

得た 1)。しかし、従来から用いられているモデルとの比較は行っていなかった。本研究では、平均繊維径 3μm のグラスウールを対象として、流れ抵抗から音響パラメー
タを予測する独自モデルを作成し、実測や従来のモデル(Miki モデル)を用いて得られる垂直入射吸音率と比較し結果を検証する。なお、音響パラメータから垂直入射吸10.1
0.0001音率の算出には 2×2 伝達マトリックス法を用いる。

2.

1

𝑓𝑓 −0.405
𝑋𝑋(𝑓𝑓) = −0.2303 � �
𝜎𝜎
0.001

0.01

0.1

𝑓𝑓⁄𝜎𝜎

(b) 特性インピーダンス(虚数部)

嵩密度と流れ抵抗の関係10

嵩密度の空気流れ抵抗の関係には、相関があることが

cα/ω

知られている。グラスウールの嵩密度𝐷𝐷と流れ抵抗𝜎𝜎との関係を検証した(図 1)。サンプル数は 14 個で、厚さの範囲は 14~23mm、嵩密度の範囲は 20.2~70.7(kg/m3)であった。その結果、強い相関が認められたので累乗近似を行い、グラスウールの嵩密度から流れ抵抗を算出する以下の推定式(1)を得た。

3.

𝜎𝜎 = 316.97 𝐷𝐷1.5912

1

0.1
0.0001(1)

𝜔𝜔
𝑓𝑓 −0.421
𝛼𝛼(𝑓𝑓) = �0.2862 � �
�
𝑐𝑐
𝜎𝜎
0.001

0.01

0.1

𝑓𝑓⁄𝜎𝜎

音響パラメータの推定(c) 伝搬定数(実数部)

嵩密度の異なる 14 個のグラスウールの音響パラメータ10𝜎𝜎 = 316.97 𝐷𝐷1.5912

100000cβ/ω-1

流れ抵抗(Pa s/m2)

1000000

1

0.1
0.000110000

10𝛽𝛽(𝑓𝑓) =𝜔𝜔
𝑓𝑓 −0.635
�1 + 0.1347 � �
�
𝑐𝑐
𝜔𝜔

0.001

0.01

𝑓𝑓⁄𝜎𝜎

100

(d) 伝搬定数(虚数部)

嵩密度(kg/m3)

図 2 音響パラメータ

図 1 嵩密度と空気流れ抵抗の関係

19

KISTEC研究報告20220.1

【機械・材料技術部】

1.0を測定した。図 2(a)、(b)に特性インピーダンス 𝑍𝑍𝑐𝑐 の実

数部 𝑅𝑅 と虚数部 𝑋𝑋 を、図 2(c)、(d)に伝搬定数 𝛾𝛾 の実数部 𝛼𝛼 と虚数部 𝛽𝛽 を示す。横軸は周波数 𝑓𝑓 を流れ抵

垂直入射吸音率

抗 𝜎𝜎 で規準化した値である。また、縦軸は、特性イン
ピーダンスについては、その実数部 𝑅𝑅 と虚数部 𝑋𝑋 をそれぞれ空気の音響抵抗 𝜌𝜌𝜌𝜌 で規準化し、実数部から１を引いた値と虚数部の符号を反転した値で、伝搬定数では、その実数部 𝛼𝛼 と虚数部 𝛽𝛽 をそれぞれ波数 𝜔𝜔⁄𝑐𝑐 で

0.6
0.4
0.2
0.0

規準化し、虚数部については１を引いた値となってい1.0

垂直入射吸音率て累乗近似を行った。その結果、周波数を流れ抵抗で規準化した 𝑓𝑓�𝜎𝜎 から音響パラメータを求める以下の推定式(2)~(3)を得た。

𝜔𝜔
𝑓𝑓 −0.421
𝛼𝛼(𝑓𝑓) = �0.2862 � ��𝑐𝑐
𝜎𝜎𝛽𝛽(𝑓𝑓) =

4.

1500

2000

0.6
0.4
0.2
0.0

(2)

0

500

1000

1500

2000

周波数(Hz)(b) 流れ抵抗 101,670.0 (Pa・s/m2)、厚さ 20(mm)
図 3 垂直入射吸音率の予測値と実測値の比較
4.0

最小二乗誤差𝛾𝛾 = 𝛼𝛼(𝑓𝑓) + 𝑗𝑗𝑗𝑗(𝑓𝑓)1000

予測(独自モデル）
予測(Mikiモデル)
実測

0.8測する独自モデルを作成した。実測値には、主に𝑓𝑓�𝜎𝜎 <0.005の範囲に落ち込みが見られるため、その範囲を除い

𝑓𝑓 −0.405
𝑋𝑋(𝑓𝑓) = −0.2303 � �𝜎𝜎500(a) 流れ抵抗 37,883.5 (Pa・s/m2)、厚さ 15(mm)用いられている複数の音響パラメータの実測値から近似する手法 2)を採用し、流れ抵抗から音響パラメータを予

𝑓𝑓 −0.641
𝑅𝑅(𝑓𝑓) = 1 + 0.0833 � �
𝜎𝜎0

周波数(Hz)る。
Delany-Bazley モデルや Miki モデルが導かれる過程で

𝑍𝑍𝑐𝑐= 𝑅𝑅(𝑓𝑓) + 𝑗𝑗𝑗𝑗(𝑓𝑓)𝜌𝜌𝜌𝜌

予測(独自モデル）
予測(Mikiモデル)
実測

0.8

(3)

𝜔𝜔
𝑓𝑓 −0.635
�1 + 0.1347 � �
�
𝑐𝑐
𝜔𝜔

独自モデル
MIKI モデル

3.0
2.0
1.0
0.0

0

20000

40000
60000
80000
流れ抵抗(Pa・s/m2)

100000120000

図 4 予測値と実測値の最小二乗誤差

独自モデルの検証
独自モデルを用いて垂直入射吸音率を予測し、Miki モ

5.

デルでの予測値及び実測値と比較した。図 3(a)、(b)は、それぞれ流れ抵抗 37,883.5、101,670.0(Pa・s/m2)、厚さ

まとめ

本研究では、平均繊維径 3μm のグラスウールを対象として、嵩密度から垂直入射吸音率を理論予測した。周波15、20mm の結果である。流れ抵抗が大きい、すなわ
ち、嵩密度が大きい場合、実測結果に凹凸が現れ、予測数を流れ抵抗で規準化した値の範囲を限定することで、妥当な音響パラメータのデータのみを用いて、独自モデ

値との誤差が大きくなる。この凹凸は、グラスウールの嵩密度が大きくなることによって、固体伝搬音特性が生ルを作成した。
その結果、流れ抵抗が小さい場合には顕著な差が現れじているためと考えられる。本研究で用いている 2×2 伝
達マトリックス法は、空気伝搬音特性のみを考慮しておなかったが、100,000(Pa・s/m2)以上という比較的大きい
範囲において、従来の Miki モデルに比べて良好な予測結り、固体伝搬音特性が無視できることを条件としている
ので 3)、これは、避けられない現象である。

果が得られた。今後は、音響パラメータの実測値をいかに精度よく求めるかが課題となる。

実測値と二つのモデルから得られる予測値との最小二乗誤差を 8 個のサンプルで算出した結果を図 4 に示す。

【参考文献】

流れ抵抗が小さい場合には、独自モデルと Miki モデルで顕著な差は見られないが、流れ抵抗が 100,000(Pa・s/m2)

1. 小島真路ほか, KISTEC 研究報告, 3-4(2021)
2. M.E.Delany and E.N.Bazley , Apl.Acost, 3, 105-116(1970)

以上になると独自モデルの誤差が Miki モデルに比べ小さく抑えられていることが明らかとなった。

3. 加藤大輔, 日本音響学会誌, 68, 463-468(2012)20

KISTEC研究報告2022

研究報告2022 目次【電子技術部】◆ ＳＤＲ（ソフトウェア無線）を用いたローカル５Ｇ（Sub6帯）における･････････････････････

22

マイクロ波測定システムの開発
菅間
土屋
水矢

秀晃（電子技術部）

明久（電子技術部 電磁環境グループ）

亨（企画部 経営戦略課 新事業戦略グループ）

今井

大貴、橋本

修、須賀

良介（青山学院大学）◆ パワーデバイス向けたCu-Pdスパッタ膜の評価方法････････････････････････････････････････

根本

27

俊介，八坂 慎一（電子技術部 電子デバイスグループ）◆ Ni板の親水化に対するプラズマ照射の影響････････････････････････････････････････････････

安井 学、黒内正仁、金子長沼智（電子技術部

29

電子材料グループ）康弘（機械材料技術部 解析評価グループ）

田中 聡美、加藤 千尋（化学技術部 環境安全グループ）◆ 基板厚の異なるマイクロストリップ線路上に装荷したノイズ抑制シートの････････････････････

31

伝送減衰率の評価
土屋明久（電子技術部 電磁環境グループ）
菅間21

秀晃（電子技術部）

KISTEC研究報告2022

【電子技術部】

ＳＤＲ（ソフトウェア無線）を用いた
ローカル５Ｇ（Sub6 帯）におけるマイクロ波測定システムの開発
菅間 秀晃（電子技術部）
土屋 明久（電子技術部 電磁環境グループ）
水矢 亨（企画部 経営戦略課 新事業戦略グループ）
今井 大貴、橋本 修、須賀 良介（青山学院大学）
1.

はじめに

KISTEC では県内中小企業への DX（デジタルトランス
フォーメーション）支援サービス提供を目指して、2021

2.

実験及び結果2.1

SDR と GNU Radio によるスペクトラムアナラ

年 3 月にローカル 5G（Sub6 帯）の無線局を開設した。
ローカル 5G は最新の無線通信技術を活用して高速・高イザ

セキュリティな無線ネットワークを構築できる。図書室（図 1）および試作実験棟の 3 つの実験室に設置したロSDR 機器は少数ではあるが市販されている 2)。本研究でローカル 5G（Sub6 帯）の周波数に対応した安価なーカル 5G を活用して企業や大学と共同研究を実施している。設置したローカル 5G 基地局は Sub6 帯と呼ばれる
中心周波数 4.85GHz、占有帯域幅 100MHz のマイクロ波を使って規格上最大 1.9Gbps（上り・下りの合計）の高

PA : パワー・アンプ
LNA : ロー・ノイズ・アンプ
DAC : D-Aコンバータ
ADC : A-Dコンバータ
FIR : デジタル・フィルタ

速無線通信が可能である。しかし、従来の 4G の主要周
波数 800MHz 帯に比べて 5 倍以上高い周波数帯であるため、電波の直進性が強く、障害物による反射・減衰が大きいなど通信品質の劣化が懸念されている。そこでローカル 5G 通信エリアの電波状況を評価するために簡便に
電波強度測定できる小型スペクトラムアナライザが有用である。近年、SDR（Software Defined Radio；ソフトウ
ェア無線）を用いた低価格の無線通信機器やスペクトラ
ムアナライザ（周波数 4.4GHz まで）などの高周波計測器などが市販されるようになった 1)。SDR はソフトウェ
アで無線機能を自由に追加・変更できるため、低コス
ト・短期間で測定システムの開発が可能である。

図 2 ADALM-PLUTO(PlutoSDR)

本報告は、SDR を用いたローカル 5G（Sub6 帯）のマ
イクロ波測定システムについて報告する。

表１

PlutoSDR の性能一覧

図 1 ローカル 5G（Sub6 帯）基地局

22

KISTEC研究報告2022

【電子技術部】

は、ADALM-PLUTO（アナログ・デバイセズ製；以下、る 5)。Arduino328 互換ボードを搭載しているので、外部

PlutoSDR）を採用した。PlutoSDR は、図 2 に示すようなブロック構成で、非公式ではあるが拡張設定後の諸性能

PC から台車ロボットをシリアル通信で制御できるようにするために図 5 に示すオープンソースの Arduino IDE では表 1 に示す通りである 3)。周波数範囲が 70 MHz から
6GHz、帯域幅が最大 56MHz、AD コンバータ（ADC）のプログラムを作成し、Arduino328 互換ボードのソフトウ
ェアを書き換えた。外部 PC からのシリアル通信で前分解能が 12bit とローカル 5G（Sub6 帯）で使用される中心周波数 4.85GHz、帯域幅 100MHz、基地局出力 50mW

進・後退・右移動・左移動・右回転・左回転・停止と移動速度・回転速度の制御が可能である。

の測定に適している。
また、SDR と接続する PC は安価で小型な Raspberry Pi

Raspberry Pi から台車ロボットを操作するプログラムはThonny（オープンソース Python IDE）を使用して図 6 の4B を用いて、オープンソースソフトウェアの GNU Radio
でスペクトラム解析プログラムを作成した。Raspberry Pi

ように作成した。GUI は PySimpleGUI ライブラリを使用
し、前進・後退・右移動・左移動・右回転・左回転・停

4B は Wi-Fi5(IEEE802.11ac)と Bluetooth の無線機能を標準で搭載しており、簡単に無線通信システムを構築できる。開発環境は全てオープンソースであるため低コストというメリットがあるが、開発に必要な情報が乏しく、ソフトウェアのバージョン違いにより SDR が動作しないなど難しい一面もある。
今回は、主要な SDR 機器のドライバや GNU Radio を含む SDR 制御ソフトウェアをバンドルした Raspberry Pi
OS のディストリビューションである PiSDR（Ver.6.1, 64
bit 版）を利用して開発を行った 4)。この PiSDR をコピーした SD カードを Raspberry Pi に挿入して起動すると、サポート対象の SDR 機器を USB 接続するだけで、ドライ
バのインストール不要で使用できる。本測定システムは広い空間で効率的に測定を行う必要があるため、台車ロ
ボットに搭載することを考慮した。Raspberry Pi の電源定格は電圧 5 V・電流 3 A となっているので、長時間動作（目標 2 時間）させるために、定格出力が電圧 5 V・電流 3 A で容量が 10,000 mAh（37 Wh）のモバイルバッテ
リー（ANKER 製 PowerCore 10000 Redux）を採用した。
GNU Radio は GNU Radio Companion（GRC）を使用し

図 3 SDR と GRC によるスペクトラムアナライザてフローグラフによるプログラミングによりスペクトラ
ム解析ソフトウェアを短時間で開発することができる。
必要な信号処理ブロックをフローグラフ上で配線接続することで、任意の受信システムを開発できる。SDR では
FFT 信号処理を行うと、FFT の中心周波数に DC 成分が現れるため、DC カットの信号処理ブロックを挿入する必要がある。本研究では図 3 に示すように 4.85 GHz を中心周波数として帯域幅 50MHz でパワースペクトラム測定と Waterfall 表示する GUI を作成した。PlutoSDR は周波数拡張設定をしているが、インターフェースが USB2.0（480 Mbps）であるため、帯域幅 50 MHz では信号処理速度が不足して十分な性能が得られていないので、Max
Hold の測定時間を長くとることで測定精度を高めている。また、トリガー・モードを使用して測定の取りこぼしを減らしている。

2.2

台車ロボットと制御プログラム

図 4 に示す電波を受信するホーン・アンテナ（マイクロウェーブファクトリー製 MDH0218）を取り付けた台車

図 4 ホーン・アンテナを搭載した台車ロボット

ロボット（Nexus Robot 製 3WD 100mm Omni Wheel RobotKit 10013）はオムニホイール 3 輪で移動するタイプであ23

KISTEC研究報告2022

【電子技術部】

止のボタンスイッチと移動速度・回転速度の数値入力ボス（エプソン製 BT-30E；1280×720 pix）を装着して、実ックスを配置した。シリアル通信（通信速度 9600bps）
は PySerial ライブラリを使用した。台車ロボット前方に空間に仮想スクリーンを融合した映像を見ながら行うことができる。スマートグラスと Raspberry Pi を HDMI 接Web カメラ（解像度 1K）を搭載し、Raspberry Pi と USB接続した。Web カメラのリフレッシュレートは 15Hz 以

続しすることで、実空間に 40 型相当の仮想スクリーン(仮想視聴距離 2.5 m 時)を表示して効率的な電波測定が可上を確保するために画面解像度を 640×480pix としている。

2.3

SDR 機器の電磁干渉対策

PlutoSDR の本体ケースがプラスチック製であるため、図 7 に示すように台車ロボットに搭載したときに、
Raspberry Pi や Arduino ボードなどから発生する無線電波
や電磁ノイズなどを受信してしまう EMI（電磁干渉）問題が発生した。 PlutoSDR はアンテナを未接続の状態でも様々な周波数の電波を受信しており、正確な電波強度測定が困難であった。このため、図 8 に示すように
PlutoSDR の本体ケースの内側に電磁シールド塗料（プラスコート製 PCS-107AgCu）を塗布することで、4.8GHz
帯において 30dB 以上のシールド効果を確認した。

2.4

図 7 SDR と制御機器との電磁ノイズ干渉

スマートグラスを活用したリモート操作システム
台車ロボットの遠隔操作は、図 9 に示すスマートグラ

図 5 Arduino IDE によるロボット制御プログラム

図 8 電磁シールド塗料による SDR の電磁ノイズ対策

図 6 Python によるロボット・コントロール GUI

図 9 スマートグラスと遠隔制御

24

KISTEC研究報告2022

【電子技術部】

図 10 SDR を用いたローカル 5G（Sub6 帯）におけるマイクロ波測定システム能である。ウエストポーチに入れた Raspberry Pi から台車ロボットに搭載した Raspberry Pi に無線ネットワーク
接続して、空中マウス（エレコム製 M-RT1BR；Bluetooth
2.4 GHz）でリモート操作が可能である。スマートグラスを装着しての台車ロボットの操縦と電波強度の測定は訓練を要するが、見えない電波の可視化により、現場での作業効率が高まり、信頼性の高い無線通信システムの実
現に貢献できる。
具体的には図 10 に示すように 2 台の Raspberry Pi（PC-1 と PC-2）を Wi-Fi 5（IEEE802.11ac；5 GHz 帯）
で VNC（Virtual Network Computing）接続してリモート制御を行った 6)。PiSDR には RealVNC Server が標準イン
ストールされており、PC-2 に RealVNC Viewer を追加インストールすることで、PC-1 の画面を PC-2 から直接制御できる。Wi-Fi 5 は MIMO を活用していて、広い範囲で通信可能であり、図書室内での無線通信に問題がない
ことを確認した。初期段階で台車ロボットのリモート制
御はラジコン用アプリをインストールしたスマートフォ
ンから Bluetooth（2.4 GHz 帯）通信で試みたが、基地局から一番離れた本棚の奥（距離 約 15 m）では、制御不図 11 図書室と測定点能に陥ることが確認されたため、Wi-Fi 5 でのリモート制御に変更した。

13）、約 10 dB の差異があることがわかる。なお、測定系の校正を実施していないため、電波強度の単位は dB としている。B 点は本棚により電波強度が約 10dB 減衰して2.5 図書室におけるローカル 5G の電波強度測定
ローカル 5G を設置した図書室において、図 11 に示すいるがローカル 5G の通信安定性に影響ないことが、共同実験等を通して確認できている。

電波伝搬経路の異なる A 点と B 点で測定を行った。
PlutoSDR 内蔵の LNA 利得を 40 dB、トリガーレベルを

3.

-60 dB に設定し、台車ロボットを連続回転させ、Max
Hold で電波強度を測定した結果の最大値を比較すると、考察及び今後の展開

KISTEC の図書室に設置したローカル 5G（Sub6 帯）の電波状況について PlutoSDR を用いたマイクロ波測定シス

A 点は約-37 dB（図 12）、B 点は約-47 dB であり（図25KISTEC研究報告2022

【電子技術部】

図 13 測定点 B における電波強度測定

図 12 測定点 A における電波強度測定

索している。実測とシミュレーションを併用することテムを開発して実測を行った。本測定システムはローカ
ル 5G（Sub6 帯）だけでなく、Wi-Fi6(IEEE802.11ax)、
Bluetooth、プライベート LTE など周波数 6GHz までの無線通信システムの電波強度測定に利用できる。
PlutoSDR 以外にも 6GHz までの周波数に対応した
HackRF One（GREAT SCOTT GADGETS 製；以下、HackRF）と NI-USRP 2900（日本ナショナルインスツル
メンツ製；以下、USRP）も購入して検討を行っている。

で、ローカル 5G（Sub6 帯）をはじめ、マイクロ波を利用する Wi-Fi6、プライベート LTE、LoRaWAN などを使った無線 IoT システムの安定性向上に貢献できるように、デジタルツイン環境の構築を目指す。

【参考文献】
1. 高橋知宏, 富井里一, 通販ガジェッツで広がる RF 測定の世界, RF ワールド , 54, 8-41(2021)

HackRF は、Linux 環境と Windows 環境のどちらでも安定して動作し、多数のフリーソフトウェアがサポートし

2. 高橋知宏, GRC で広がる SDR の世界, RF ワールド, 44,
7-91(2018)ているため SDR の入門機として最適である 7)。また、掃引型スペクトラムアナライザのような広帯域測定も可能なフリーソフトウェアも公開されている。ただし、ADCが 8bit であるためローカル 5G（Sub6 帯）の電波測定には感度不足であるので LNA（利得 20dB 程度）の追加が

3. 藤井義巳, RF 送受信機 ADALM-PLUTO の準備,
Interface, 5, 63-66 (2021)
4. https://github.com/luigifcruz/pisdr-image/releases, PiSDRVersion 6.1 (64-bits)

必要となる。
USRP は高価であるが、高速信号処理用の FPGA が搭載されていて、測定精度と効率性が高く、Windows PC とグラフィカル・プログラミング言語 LabVIEW（日本ナシ

5. https://www.vstone.co.jp/robotshop/index.php?main_page=product_info&products_id=3753, 3WD100mm オムニホイョナルインスツルメンツ製）の開発環境でフレキシビリ
ティの高い測定システムが実現できるため、高精度を要求する測定には USRP を使用している。

pi/raspberry-pi-vnc/, VNC で Raspberry Pi にリモートデス
クトップ接続 (Windows/Mac/Linux 対応)

ールロボット 10013
6. https://www.indoorcorgielec.com/resources/raspberry-

7. https://engineer-climb.com/hackrf-one-2/, HackRF One を
Windows で動かす

今後の展開として、コンピュータ・シミュレーション
を用いて、大規模空間の電磁界解析を行うために、令和４年２月にレイトレース法による電波伝搬解析シミュレータ（構造計画研究所製 RapLab）を導入した。図 11 に

【外部発表】口頭発表 1 件

示す図書室の３次元モデルを作成して解析精度向上を模

26

KISTEC研究報告2022

【電子技術部】

パワーデバイス向けた Cu-Pd スパッタ膜の評価方法
Method of evaluating Cu-Pd sputtered films for power device applications
根本

1.

俊介，八坂

慎一（電子技術部

電子デバイスグループ）

はじめに
ガソリン自動車から電気自動車や燃料電池車への転換に向けて、SiC パワーデバイスの研究活動が活発になっている。SiC パワーデバイスは、高温動作可能なデバイスであり、自動車の冷却機構の簡素化が期待できる。現在、パワーデバイスの実装技術として、Ag、Cu、Au 等の、高温環境下(250 ℃)での試験事例が報告されている 1,2,3)。さらに将来、パワーデバイスのジャンクション温度(Tj)の要求
は、300 ℃以上と言われている 4)。また、パワーデバイス
以外にも電気自動車の急速充電(10 min)でのバッテリーセ
ル温度は、270 ℃に達するシミュレーションの結果も報告され、バッテリーパック ECU (Electronic Control Unit)内の実装等、パワーデバイスのみならず高温耐性のある実装技術が必要と考えられる 5)。

図 1 Cu-Pd スパッタ膜の Pd 濃度制御方法

実装材料として、Au は高温耐性が高く、Au-Ge 共晶はんだで実装したサンプルでは、330 ℃環境下 1600 時間の

図 1 に Cu-Pd スパッタ膜の Pd 濃度制御方法を示す。

高温保存試験で良好な実装結果が得られたことが報告されている 6)。しかし、Au は、高価であるため、安価でか

Cu-Pd スパッタ膜の Pd 濃度は、3 インチ Cu ターゲットのエロージョン上に 2 mmφ - 5 mm の Pd 小片を載せてそつ耐腐食性のある実装材料の検討を行った。
車載用半導体に使用するワイヤーボンディング材料のの個数を増減することで制御できる。事前評価した結果では、Pd 小片 1 個当たり、およそ Pd 原子濃度 1%であった。

研究開発は、Cu を中心に 2009 年頃から活発に進められ、
Au ワイヤから Cu ワイヤへ移行が行われてきた。それは、

図 1 の様に 5 個の Pd 小片を載せると Pd 原子濃度 5%の
Cu-Pd スパッタ膜ができる。次に、スパッタ法で作製した

Cu が Au に対して安価であり、Pd を Cu ワイヤにコーティングした Pd コーテッド Cu ワイヤの耐腐食性や Cu-Pd 合

サンプルをダイヤモンドペンでウェハサンプルの個片化（5 mm□ - 10 mm□）をした。サンプルの一部は Cu-Pd

金の材料評価などがなされ、200 ℃の環境下で車載用半導体に対して十分な信頼性が得られたことが挙げられる 7,8)。

スパッタ膜の Pd 濃度評価に用いた。

Cu-Pd 膜の先行事例としては、3 %以上の Pd 原子濃度のCu-Pd 合金で耐腐食性が得られることが報告されている 9)。

2.2

また、Cu は 300℃の拡散係数が、250 ℃時の Ag の拡散係数と同等であるなど高温耐性が見込める 10)。さらに、耐腐

わせて接合を行った。接合条件はセラミックネジとナットで個片化したチップを挟み込み、300 ℃ 2 h 大気中で接食性を向上するために添加する Pd は、Cu より 6 桁拡散係数は小さく、Cu に Pd を添加することで高温環境下（300℃）

合を実施した。

での拡散が抑えられ、長期信頼性が期待できると考え研究開発を進めてきた 11)。本報告では、Cu-Pd スパッタ膜の作

2.3

製および接合を実施し、接合サンプルを大気環境下で接合試験後、接合部の評価を実施したので報告する。

した。その後、研磨機(ムサシノ電子社製 MA-200)を使用
し、5 mm□程度までサンプルを研磨後、評価対象の接合接合方法

個片化した Cu-Pd スパッタ膜サンプルの Cu 面を重ね合断面研磨接合を実施したサンプルをエポキシ樹脂で樹脂埋めを部近傍まで断面研磨を実施した。その後、接合部の研磨によるダメージ層を除去するため、イオンミリング（JEOL

2. 実験及び結果
2.1 Cu-Pd スパッタ膜の作製方法

社製 IB-19500CP）で加工を実施した。

Cu-Pd の成膜は、キヤノンアネルバ社製 L-332S-FH で作製した。はじめに Ti を Si ウェハ上に密着層として 20 nm成膜を行った。次に、3%以上の Pd 原子濃度にするため、

2.4

断面観察および EDX

Pd 原子濃度 5%とし、Cu-Pd をスパッタ膜厚 1000 nm 成膜
した。

製 JSM-IT200LA)で評価を行った。図 2 にイオンミリング
後の Cu-Pd 接合部の断面図を示す。Cu-Pd 接合部は 3 層構

接合後の実装面を評価するために、SEM-EDS(JEOL 社

27

KISTEC研究報告2022

【電子技術部】【参考文献】造が観察され、また、接合界面とみられる位置では、ボイドがほぼ見られなかった。3 層構造がどのような物質で構成されているかを評価するために EDX を使用して点分析

1. S. Noh, H. Zhang, and K. Suganuma, 3D-PEIM,
10.1109/3DPEIM.2018.8525232, (2018).

と線分析を実施した。事前に加熱前の個片化したチップについて EDX 点分析を実施すると Cu-Pd スパッタ膜の Pd

2. F.Lang, H. Yamaguchi, H Nakagawa, H.Sato, CPMT, Vol. 5,
No. 8, pp.1069-1074, (2015).

濃度は 6%であり、ほぼ想定通りのスパッタ膜が形成できていた。接合を実施した図 2 のそれぞれの層についても点

3. H. Nishikawa, K Matsunaga, M. S. Kim, M. Saito and J.
Mizuno, HiTEC, pp. 143-147 (2016).

分析を実施すると Cu-Pd 層はおよそ 10%の Pd 濃度になっており、酸素はほぼ検出しなかった、接合界面近傍は Cu

4. 山本秀和, エレクトロニクス実装学会, Vol. 20, No. 7, pp.
442-448, (2017)に酸素濃度が 33%程度あり、Pd は検出できなかった。
次に図 3 に Cu-Pd 接合部の EDX 線分析の評価結果を示

5. M. Keyer, A. Pesaran, Q Li, S. Santhanagopalan, K. Smith,
E. Wood, S. Ahmed, I. Bloom, E. Dufek, M. Shirk, A.

す。
図 2 の Cu-Pd 接合部をに対して垂直に線分析を行った結Meintz, C. Kreuzer, C. Michelbacher, A. Burnham, T.
Stephens, J. Francfort, B.Carlson, J. Zhang, R. Vijagopal, K.

果と SEM 像を比較すると接合界面と Cu-Pd 層を比較すると接合界面に Pd は存在せず Cu2O を形成し、Cu-Pd 層にはHardy, F. Dias, M. Mohanpurkar, D. Scoffield, A. Jansen, T.
Tanim, A. Markel, Journal of Power Sources, Vol. 367, pp.

酸素がほぼ存在しないことがわかった。

228-236, (2017)
6. F. Lang, S. Tanimoto, H. Ohashi, H. Yamaguchi, EMPC,

3.

本報告では、Cu-Pd スパッタ膜でサンプルを大気中で(2009)
7. T. Uno, S. Terashima and T. Yamada, ECTC, pp. 1486-1495,

300 ℃ で 2 h 接 合 を 行 っ た。 こ れ ら サン プ ル の断 面
SEM-EDS で評価を行い、次の結果が得られた。

(2009)
8. M.Eto, T. Uno, T. Haibara, R. Oishi, T. Yamada, T. Oyamada,・大気環境下(300 ℃)で行ったサンプルの接合は、接合界面に数十 nm 前後のボイドが若干見られものの良好な接ECTC, pp.1297-1302, (2017)
9. S. Nemoto, T. Maeda, M. Miyajima, Y. Akaike, K. Kitagawa,

考察及び今後の展開

H. Ishii, H. Shimamoto, and K. Kikuchi, ICEP,(2019)

合が行われた。
・Cu-Pd 層について、300℃で 2 h 接合を行った結果、Cu-Pd層が初期の Pd 濃度 6％から 10％に上昇していた。
これは、接合界面に向かって Cu が Pd に対して速い拡散が行われ

pp. 56-60,

10.NIMS, https://diffusion.nims.go.jp/, Accessed: 2022/06/27
11.根 本 俊 介 , 八 坂 慎 一 , 三 橋 雅 彦 ,MES2021, pp.
231-234 (2021)

たためと考える。
・接合界面では、接合直後から拡散によって接合界面に達した Cu は、Cu2O と考えられる酸化物を形成したが、Cu-Pd層においては酸化されていなかった。

【外部発表】口頭発表 1 件

本報告の結果から Cu-6at%Pd 固溶体に高温耐酸化性があることが分かった。本断面研磨手法と EDX を実施する
ことで、一定の接合過程と合金評価ができることが分かっ
た。

Si
Cu-Pd
Cu2O
Cu-Pd

図3

Cu-Pd 接合部の EDX 線分析の評価結果

Si

図 2 Cu-Pd 接合部の断面観察および点分析結果

28

KISTEC研究報告2022

【電子技術部】

Ni 板の親水化に対するプラズマ照射の影響
安井

学、黒内

正仁、金子 智（電子技術部
長沼 康弘（機械材料技術部
聡美、加藤 千尋（化学技術部

田中
1.

電子材料グループ）
解析評価グループ）
環境安全グループ）

定 す る た め ， X 線 光 電 子 分 光 (X-ray photoelectron

はじめに

ナノインプリント用金型として，著者らは耐熱性と離型性に優れる Ni-W めっき膜を用いた Ni-W 電鋳金型を研究

spectroscopy : XPS) 分析により，表面数 nm の元素組成と化学結合状態を評価した．使用装置は X 線光電子分光装している 1)．具体的には，ナノパターンを形成した Ni 板
上に 80μm 前後の厚みの Ni-W めっきを行い，その後，Ni

置（アルバック・ファイ PHI5000 VersaProbeⅡ）であった．
プラズマ照射時間は未照射，2 分と 4 分の 3 条件であり，板から剥がした Ni-W 膜を Ni-W 電鋳金型に使用することを目指している．ナノパターンを形成した Ni 板は超撥水

その他のプラズマ照射条件は FT-IR 分析と同じであった．

を示すため，プラズマ照射で Ni 板表面を親水化し，Ni 板
に対する Ni-W めっき膜の密着力を確保する必要がある．

3.

しかし，図 1 に示す通り，Ni 表面の接触角が超親水性を示す状態であっても，プラズマの照射時間によって，Ni-

未処理の Ni 基板を参照サンプルとして測定したプラズ
マ照射時間が 2 分と 20 分の Ni 板の高感度赤外反射スペ

W めっき膜の析出形状に大きな差が生じた 2)．この原因を究明するため，プラズマ照射時間を変化させた Ni 板表面

クトルを図 2 に示す．3500 cm-1 付近にブロードな吸収バ
ンド，ならびに 730 cm-1 付近より低波数側に吸収の立ち上を分析し，検討した結果 3)を報告する．

がりを観測した．これらは，O-H 結合と Ni-O 結合に由来すると推察される 4)．そして，水酸基(-OH) が導入された

結果及び考察1）FT-IR 分析結果

撥水性

Ni 表面の濡れ性は向上し，Ni-W めっきのつきまわりを改善したと考えられる．また，プラズマ照射時間に対する O-

親水性

接触角（°）

H 結合の吸収ピークに顕著な変化が見られなかったことから，2 分間のプラズマ照射により O-H 結合の導入量は飽和したと考えられる．この結果は，2 分以上のプラズマ照射において，接触角が 5°以下に収束する点と一致する．

超親水性
プラズマ照射時間 2 分
照射時間（秒）

図 1 プラズマ照射時間による接触角とめっき膜の形状変化

2.

Ni-O

実験

O-H

CO2

プラズマ照射時間 20 分

1）フーリエ変換赤外分光光度計分析
プラズマ照射により Ni 板表面に生じる官能基を特定するため，フーリエ変換赤外分光光度計（日本分光 IRT-7000）に，高感度反射装置（日本分光 RAS PRO410-H 型）を取り付け，入射角 85 度で高感度赤外反射スペクトルを測定した．
基板は鏡面研磨を行った純度が 99.9%の Ni 板を用いた．

波数（cm-1）

図 2 プラズマ照射時間が 2 分と 20 分の Ni 板の高感度赤外反射スペクトル

2）XPS 分析結果
図 3(a) に示すようにワイドスキャン測定では，Ni，O，

プラズマ装置には SEDE-GE（Meiwafosis）を用いた．放電
方式はグロー放電であり，2Pa まで真空引きを行った後，F，C，N を観測した．そして，プラズマ照射時間の増加に伴い，F1s ピーク強度が増加した．F はプラズマ装置の絶大気を導入してチャンバー内の圧力は 8Pa に調整した．電流値は 3.5～4mA であった．プラズマ照射時間の影響を見縁体に使われているテフロンから発生したと考えられる．
図 3(b)に示す C1s スペクトルでは，プラズマ照射によりるため，プラズマ照射時間は 2 分と 20 分に設定した．
2）X 線光電子分光分析

285eV のピークが大きく減少した．このピークは炭化水素に対応しており 5)，プラズマ照射で導入した大気中の酸素プラズマ照射により Ni 板表面に影響を与えた元素を特29

KISTEC研究報告2022

【電子技術部】

正規化した強度

照射時間 2 分の Ni 板
F1s

未照射の Ni 板
照射時間 2 分の Ni 板

照射時間 4 分の Ni 板

Ni3s
Ni3p
F2s

C1s

O1s

N1s

照射時間 4 分の Ni 板

F KLL

強度

O KLL

Ni2p
F KLL
Ni LMM

未照射の Ni 板

結合エネルギー（eV）

結合エネルギー（eV）

(a)

(c)

未照射の Ni 板
照射時間 2 分の Ni 板
照射時間 4 分の Ni 板

強度精機かした強度

未照射の Ni 板
照射時間 2 分の Ni 板
照射時間 4 分の Ni 板

結合エネルギー（eV）

結合エネルギー（eV）

(b)

(d)

図 3 (a)Ni 板のワイドスキャン測定結果、(b)Ni 板の C1s スペクトル、(c)Ni 板の Ni2p スペクトル、(d) Ni 板の O1s スペクトルから生じた酸素プラズマが Ni 板表面に吸着していた炭化水素を分解し，Ni 板の親水化が進んだと考えられる 6)．

る．そして，プラズマ照射による Ni 板表面の親水化が，
Ni-W めっき膜のつきまわりを改善し，Ni-W めっき膜の図 3(c)に示す正規化した Ni2p スペクトルにおけるプラ
ズマ照射前の Ni 板では，852.5eV 付近のピークである

析出状態の改善に寄与したと考えられる．

Ni(金属)が主成分であり，その左側にショルダーピークを形成したブロード部分を伴う NiO7)が一部存在すると考え【参考文献】
1. 安井学, 金子智, 黒内正仁, 伊藤寛明, 荒井政大, 電気

られる．NiO は疎水性 8)を示すため，未照射では Ni-W め
っき膜が剥落し易かったと考えられる．そして，プラズマ学会論文誌 C（電子・情報・システム部門誌）,
139(5), 644(2019)

照射から生じた酸素プラズマによる酸化が進行し，NiO とNi(金属)の大部分は親水性を示す Ni2O39)に変化し，Ni(金2. M. Yasui, M. Kurouchi, S. Kaneko ; Isplasma2020, 10P333(2020)属)のピークが低下したと考えられる．FT-IR 測定で Ni2O3を構成する Ni-O 結合が検出されており，この推論の妥当

3. 安井学, 長沼康弘, 田中聡美, 加藤千尋, 黒内正仁, 金
子 智, 表面技術, 72, 716-718(2021)性を示している．そして，Ni 板の親水性の向上の原因の一つとして，Ni 板表面が Ni(金属)と NiO から Ni2O3 に変

4. Y.-L. T. Ngo, S. H. Hur ; Materials Research Bulletin,
84(10), 168(2016)

化したことが考えられる．
図 3(d)に示す正規化した O1s スペクトルにおけるプラ5. 伊東威安, 色材協会誌, 64, 396-403 (1991)
6. 江黒徹, 村田功, 大橋功, 前川修一郎, 吉成正雄, 日本

ズマ照射前の Ni 板では，531.6eV と 529.9eV で 2 つのピークを検出した．結合エネルギーの値 10) と図 3(c)から口腔インプラント学会誌, 24, 215(2011)
7. A. Agrawal, H. R. Habibi, R. K. Agrawal, J. P. Cronin, D.

531.6eV のピークは NiO であり，プラズマ照射により，
NiO は更に酸化されて， Ni2O3 に変化したと考えられる．

M. Roberts, Thin Solid Films, 221, 239(1992)
8. A. A. Jabbar, A. J. Haider, M. J. Haider, K. F. Al-azawi,

4.

Journal of Materials Research and Technology, 9(6),15123(2020)

まとめ

FT-IR と XPS を用いて，プラズマ照射後の Ni 板の表面を分析した．FT-IR の分析結果では，水酸基により Ni 板

9. C. Negin, S. Ali, Q. Xie ; Petroleum, 2(4), 324(2016)
10.J. F. Moulder, W. F. Stickle, P. E.’Sobol, K. D. Bomben,の表面が親水化されたと考えられる．また，XPS の分析
結果では，酸素プラズマによる Ni 板表面の炭化水素の除Handbook of X-ray Photoelectron Spectroscopy, p.231(Perkin-Elmer Corp. Phys. Electron. Div. Pub. Ltd., 1992)

去と Ni 板表面が親水性を示す Ni2O3 に変化したことの 2
点が Ni 板表面の親水性を変化させた一要因と考えられ【外部発表】論文発表 1 件

30

KISTEC研究報告2022

【電子技術部】

基板厚の異なるマイクロストリップ線路上に装荷したノイズ抑制シートの伝送減衰率の評価
土屋

1.

明久（電子技術部
菅間

電磁環境グループ）
秀晃（電子技術部）

はじめに

EMC 対策部品として、軟磁性材料をシート状に形成した Noise Suppression Sheet (NSS)が広く利用されている[1]。
NSS は強磁性共鳴を利用することで発生する電磁ノイズを抑制することができる。NSS の利用方法としては主にプ
リント基板上や IC チップなどのノイズ源近傍に貼り付けて使用される[2,3]。
近年の小型軽量化に伴い、スマートフォンやノート PCなど情報通信機器においては多層プリント基板やフレキ
シブルプリント基板（FPC）など従来の基板に比べ薄く、
配線パターンも細くなるものが採用されている。このため、NSS をこれらの基板に使用した場合のノイズ抑制効果について検討する必要がある。これを踏まえ、本研究では異なる基板厚のマイクロストリップ線路(MSL)上に NSS を装荷した場合のノイズ抑制効果について確認するため、電図 1 解析モデル

磁界シミュレーションによる解析を行ったので報告する。

2.

解析条件

現在、NSS の評価方法として国際規格が定められており、この規格の中において、プリント配線板上に NSS を装荷した場合のノイズ抑制効果についての評価方法として伝送減衰率がある[4]。この国際規格を参考とした伝送減衰率の解析モデルを図１に示す。図に示すように、両面基板上に作製したマイクロストリップ線路にエンドランチコネ
クタを取り付け、線路上に信号を入力する。伝送減衰率は
この線路上に NSS を貼り付けた場合の反射特性及び透過特性から求められる。国際規格においては NSS を装荷す
る MSL の基板厚は 1.6 ㎜と定められているが、今回多層基板や FPC など薄型化する基板厚を想定し、この基板厚 dを変化させた場合について解析を行った。この時、基板厚を変化させた MSL の線路幅は特性インピーダンスが 50 Ωとなるように設定した。したがって、基板厚が薄くなるに
つれて線路幅は細くなる。解析には市販されている 2 種類の NSS を用意した。ここで、この 2 種類の NSS の材料定数を図 2 に示す。この NSS の材料定数は同軸管法用いて測定した[5]。両 NSS ともに複素比透磁率 μr’、μr”は低周波から高周波に向けて、大きく緩和が見られていることがわかる。また、複素比誘電率 εr’、εr”については、NSS 上の磁性材料が導電性を持つことから人工誘電体のように振る舞うため、高い誘電率を示した。今回の解析には電磁界

図 2 NSS の材料定数シミュレータ AET 社 MW-STUDIO を用いた[6]。

31

KISTEC研究報告2022

【電子技術部】

図 4 測定系
(a)

NSS#1

(b)

NSS#2

図 5 伝送減衰率（実測）に依存する。これより基板厚を薄くすることにより反磁界成分が増加し、強磁性共鳴周波数が高くなることで、伝送

図 3 異なる基板厚における伝送減衰率(解析)3.

減衰率のピークが高周波側へと移行したと考えられる。
解析結果の妥当性について確認するため、実際に厚さ解析結果異なる基板厚における伝送減衰率 Rtp の解析結果を図 3に示す。基板厚が国際規格と同じ 1.6 ㎜とした場合、0.05 mm の MSL 上に NSS を配置し、伝送減衰率を測定した。図 4 に測定系を示す。国際規格においては、50 ㎜の

NSS#1 の伝送減衰率が 30 dB 以上となる周波数は 3.35 GHzであったのに対し、これより基板厚を薄くするに従い伝送線路の先端にエンドランチコネクタを取り付けて信号を掃引するが、この MSL は基板厚が薄くエンドランチコネ

減衰率のピークは高周波側にシフトしていくことがわかる。また、NSS#2 の場合においても同様に基板厚を薄くす

クタの取り付けが困難なため、線路長 100 ㎜の MSL の両端をプローブで接触し、線路上に配置する NSS の長さはるに従い、高周波側にシフトしていくことが確認できる。
以上のことから、NSS を配置するマイクロストリップ線路

50 ㎜として測定を行った。伝送減衰率の測定結果について図 5 に示す。ここで、国際規格に準拠した方法で測定しの基板厚を薄くすることにより、伝送減衰率のピークは高周波側にシフトすることを確認した。

た伝送減衰率も合わせて示す。0.05 ㎜の基板上に作製した
MSL 上に配置した NSS の伝送減衰率のピークは 10GHz 以

ここで、この伝送減衰率の振る舞いについて考察する。
NSS のノイズの抑制帯域は強磁性共鳴周波数と一致する。

上にみられ、国際規格による方法に比べ高周波側に移行している。この振る舞いは解析においても同様に見られていここで、NSS も含む磁性材料の強磁性共鳴周波数 frd は次式で書くことができる[7]。
𝑓𝑓𝑟𝑟𝑟𝑟 =ることから、本解析による結果の妥当性について確認した。

𝛾𝛾 𝑀𝑀𝑠𝑠 (𝐻𝐻𝑘𝑘 + 𝑁𝑁𝑑𝑑 𝑀𝑀𝑠𝑠 )
�
2𝜋𝜋
𝜇𝜇0

4.

むすび
基板厚の異なるマイクロストリップ線路上にノイズ抑制シートを配置した場合の効果について確認するため、ノ
イズ抑制効果を表す伝送減衰率について解析を行った。そγ は磁気回転比、Ms は飽和磁化、Hk は異方性磁界、Nd は反磁界係数、μ0 は真空の透磁率を表す。次の式からわかるの結果、NSS の伝送減衰率のピークは基板厚を薄くするに従い、高周波側にシフトすることを確認した。これはプリ

ように、飽和磁化、異方性磁界は NSS によるもので線路形状に依らず一定であるのに対し、反磁界係数は線路形状

ント基板の厚みは薄くなるに従い、反磁界成分が大きくなり、強磁性共鳴周波数が高周波側に移行するためであると

32

KISTEC研究報告2022

【電子技術部】

考えられる。更に、解析結果の妥当性について検証するため、実際に測定をした結果、基板厚を薄くすることで、伝送減衰率のピークは高周波側に移行することを確認した。
これより、NSS を EMC 対策部品として基板等に使用する
際には、使用する基板の特性も考慮する必要がある。

【参考文献】
1. 平塚信之, “ノイズ抑制用磁性材料とその応用,”三松株
式会社, May 2008.
2. 橋本修,“ 電波吸収体のはなし ,”日刊工業新聞社，pp.26,Jun. 2001
3. 松尾良夫,“ スピネル型ソフトフェライト ,”電磁環境工学情報 EMC,No.232,pp.46-48,Aug,2007
4. IEC62333-1, Ed.1, IEC62333-2 Ed.1, “Noise suppression
Sheet for digital devices and equipment,”2006.
5. 橋本修，“高周波領域における材料定数測定法,”森北出版株式会社, pp.30-44, Aug. 2003.
6. The homepage of EAT Corporation [Online]. Available:
https://aetjapan.com/software/CST/Overview.php

7. 山口正洋，室賀翔,浅妻裕己,“複素透磁率の周波数分散に対する反磁界の影響 ,”信学技報,EMCJ2013-21,pp.5256, Jun.2013

33

KISTEC研究報告2022

研究報告2022 目次【情報・生産技術部】◆ ローカル5Gによる生産現場の遠隔モニタリング･･･････････････････････････････････････････

阿部35

顕一、千家 雅之（情報・生産技術部 システム技術グループ）
水矢

亨（企画部 経営戦略課 新事業戦略グループ）松日楽

長尾達明（情報・生産技術部）

信人、加藤宏一朗（芝浦工業大学）◆ ローカル5Gネットワークにおけるロボット用ミドルウェア･････････････････････････････････

39

ROS 2のリアルタイム性に関する初期評価
千家雅之（情報・生産技術部 システム技術グループ）◆ ランダムフォレストを用いたLMD時における投入粉末の･･････････････････････････････････

41

歩留りにおよぼす影響度に関する研究福山中村

遼(情報・生産技術部

加工評価グループ)

紀夫(情報・生産技術部 システム技術グループ)

34

KISTEC研究報告2022

【情報・生産技術部】

ローカル 5G による生産現場の遠隔モニタリング
阿部顕一、千家 雅之（情報・生産技術部 システム技術グループ）
水矢 亨（企画部 経営戦略課 新事業戦略グループ）
長尾 達明（情報・生産技術部）
松日楽 信人、加藤 宏一朗（芝浦工業大学）

1. はじめに2.2. ローカル 5G 通信機器仕様

コロナ禍により、人と人との接触を避けるためにも、IoT
機器やリモートロボットを介した作業の実現が求められている。特に、リモートロボットで遠隔作業を行うには移動の束縛とならない無線での通信が必要になるが、画像通信は不安定であり、時間遅れも大きく、作業が効率的にできないことが問題となる。無線通信の主力は、多接続、高速、低遅延の 5G 通信へと切り替わろうとしているが、現場での実性能は十分明らかになってはおらず、性能の把握が課題となっている。神奈川県立産業技術総合研究所（KISTEC）では令和 3 年度より、通信範囲が特定領域に限定されたローカル 5G（L5G）通信設備を開設している。
本開発の目的は、KISTEC 内に仮想の生産現場を設定し、各種機器を L5G で接続し、接続機器を一元管理できる遠隔モニタリングシステム構築することである。L5G を用いた隔モニタリングシステムの現状での実用性や問題点を明らかにする。

5G は、多接続、高速、低遅延を特徴とする第 5 世代移動
通信システムである。KISTEC の L5G は、4.8～4.9GHz の周波数帯（いわゆるサブ 6GHz 帯に含まれる）を利用する
スタンドアロン（SA）構成のものである。

2.3. 通信規約
本研究計画で求めるネットワーク環境下における複数台のセンサーやロボットなどのリモート制御を実現する
ためには、異なるメーカーの多種多様な装置とデータを送受信できる共通の通信規約を利用する必要がある。
本 研 究 計 画 で は 過 去 の 実 績 か ら RSi (Robot Service
initiative)が策定した RSNP (Robot Service Network Protocol)を採用することとした。XML ベースの通信で、仕様が簡易であり、機器毎にレコードの定義を自由に設定できるので拡張性が高い。リアルタイム性は無いが、同期をとらない
ため機器間の調整は不要であり、機器の追加や削除が容易である。RSNP の構成を図 2 に示す。

2. 実験システム
2.1. 実験環境

L5G による遠隔モニタリングを実現し効果を測るための実験環境として、KISTEC 内の各種工作機械が設置されている実験室を利用した。実験室を工場製造現場と見立て、現場を遠隔モニタリングできるシステムを構築する。実験室のレイアウトを図 1 に示す。
実験室には、13 台の加工機が設置されている。今回、環境カメラ 1 台、台車ロボット 2 台、監視対象となる加工機
1 台、ロボットアーム 1 台、オペレータ用 PC 1 台を L5Gに接続し、遠隔モニタリングシステムとして構築した。

図 2 RSNP の構成

2.4. 環境カメラ
環境カメラは、自律走行するロボットの動作確認やロボット周囲の状況確認のための固定設置された遠隔監視用カメラである。本研究では、パナソニック社製の広角 4K ネットワークカメラ AW-UE4KGN を採用した。環境カメラの外観を図 3 に示す。

図 1 実験室レイアウト

図 3 環境カメラ

35

KISTEC研究報告2022

【情報・生産技術部】

映像配信プロトコルとして RTMP を選択した。RTMP サーバーは 5G コアネットワークと有線で接続する方法を採用した。RTMP サーバーの仕様を表 1 に示す。

転情報から、マッピングやナビゲーションを実現している。
ROS に RSNP ノードを組み込むことで、RSNP ユニット不要で、L5G で RSNP サーバーと接続され、センサーデータの送信、オペレータからの指令の受信を行う。

表 1 RTMP サーバー仕様

名称

Raspberry Pi 3 Model B+

OS

Raspberry Pi OS Lite (Legacy)

ソフトウェアNginx, nginx-rtmp-module

2.6. 監視対象加工機

実験室には 13 台の加工機が配置されており、その内のNC フライス加工機（イワシタ社 NR2）を監視対象とした。
NC フライス加工機は UDP のソケット通信のプロトコル
で RSNP ユニットへデータを送信する。RSNP ユニットにより UDP のソケット通信データを MQTT に変換してから、L5G で RSNP サーバーへデータを送信する。NC フライスの外観を図 5、システム構成を図 6 に示す。

2.5. 台車ロボット
環境カメラでは認識できない詳細な状況把握をするために 2 台の台車ロボット（①、②）を配置した。2 台の台車ロボットの外観を図 3、4 に、2 台の台車ロボットの仕様
を表 2 に示す。

図 5 監視対象加工機

図 3 台車ロボット ①

図 6 システム構成

2.7.
図 4 台車ロボット ②
表 2 台車ロボット仕様
台車ロボット ①
台車ロボット ②
名称ヴィストン
メガローバー Ver2.0

イクシス
iWS09-MS

寸法

φ45 mm x H277 mm

積載重量L396 ㎜ x W353 ㎜ x
H166 ㎜
40 kg

駆動方式

2 輪駆動

2 輪駆動

最高速度

1.4 m/s

1.0 m/s

センサー

LRF 1 個バンパーセンサー 2 個
デプスカメラ 1 個

LRF 1 個
位置検出素子センサー
6個

リモートロボットアーム

監視対象加工機には、遠隔操作が可能なロボットアームを配置した。ロボットアームの外観を図 7、ロボットアー
ムの仕様を表 3 に示す。

15 kg

台車ロボットは、オープンライセンスソフトウェアのロ
ボット制御ソフトウェアである ROS で制御し、外界センサーとして LRF センサー、内界センサーとして駆動輪の回

図 7 ロボットアーム

36

KISTEC研究報告2022

【情報・生産技術部】

表 3 ロボットアーム仕様
名称

ROBOTIS OpenMANIPULATOR-X

自由度

4 軸+グリッパ

リーチ長

380 mm

可搬重量

500 g

軸角速度

46 RPM繰返し精度

0.2 mm 以下

3.2. 実験結果

環境カメラ、加工機、台車ロボット（+Web カメラ）2 台、ロボットアーム（+Web カメラ）
、オペレータ用 PC、すべてを同時に L5G でネットワークに接続した。
その内、台車ロボット（+Web カメラ）2 台、加工機、ロボットアーム（+Web カメラ）
、合計 7 台を同時に RSNP サーバーに接続した。図 8 にサーバーへの接続状態を示す。

制御用ノート PC の ROS で制御し、ROS に RSNP ノードを組み込むことで、L5G で RSNP サーバーと接続される。

2.8. 制御システム
遠隔モニタリングシステム全体の情報管理は、RSNP サーバーで行う。RSNP サーバーは、OS を含め、複数のオー
プンライセンスソフトウェアを組み合わせた環境に、
RSNP サーバーソフトウェアを組み込んだものである。
RSNP サーバーの仕様を表 4 に示す。
表 4 RSNP サーバー仕様
OS

Ubuntu 20.04.3 LTS

Web サーバー

Apache 2.4.41

APP サーバー

Apache Tomcat 9.0.31

RDB 管理システム

MySQL 8.0.26-0ubuntu0.20.04.3 for Linux
on x86_64

RSNP サーバー

RSNP 2.3.0r49

図 8 RSNP サーバーへの同時接続異常事態に対する実験結果を時系列順に以下に示す。
環境カメラから出力される画像データはオペレータ
用 PC の WEB アプリから収得できた。視覚的にはフレーム欠落は認識できず、画像情報は安定して受信できたが、5～10 秒程度の時間遅れが発生した。環境カメラからの画像データを図 9 に示す。

①

オペレータはオペレータ用 PC を通じて遠隔モニタリン
グシステムを利用する。オペレータ用 PC は WEB アプリ
で RSNP サーバーにアクセスできる。PC やタブレット、
スマートホンで利用できる。

3. 実験
3.1. 実験方法
仮想設定した状況対応に沿って、遠隔モニタリングシス
テムの活用を試みることとした。発生事象および対応行動
を時系列順に以下に示す。
① オペレータは、生産現場に設置された環境カメラを監
視中、作業中のある加工機の異常に気付く。
② オペレータは、異常が発生した加工機の状況を、加工機自身から送信される状態データにより異常が発生していることを認識する。
③ オペレータは、より詳細な情報を得るために、台車ロ
ボット（台車ロボット）を異常状態の加工機に向かわせる。
④ 台車ロボットが、異常状態の加工機に到着する。
⑤ オペレータは、台車ロボットを遠隔手動操作し、搭載した WEB カメラからの遠隔画像で状況（加工機への材料装填不良）を認識する。
⑥ オペレータは、加工機に設置された遠隔作業用ロボッ
トアームを遠隔操作し、ロボットアーム手先 WEB カメラからの遠隔画像で詳細な状況を確認し、加工機を遠隔停止させる。その後、ロボットアームにより材料を再装填する。
⑦ オペレータは、加工機からの状態データが正常になったこと、さらに台車ロボットやロボットアームからの遠隔画像からも確認する。
⑧ オペレータは、台車ロボットを待機位置に帰還させる。

図 9 環境カメラ 4K 画像加工機の制御装置から出力される状態データは RSNP
ユニット経由で RSNP サーバーに送信された。状態データはオペレータ用 PC の WEB アプリから収得できた。
③ オペレータ用 PC の WEB アプリから RSNP サーバー
経由で台車ロボットに巡回を指示、さらに任意の加工機への移動を指示し、指示通りに動作することを確認した。動作開始に数秒の時間遅れが発生した。台車ロ
ボットに搭載した Web カメラからの画像データは
RSNP サーバー経由でオペレータ用 PC の Web アプリ
で取得できた。
フレームレートは 10 fps 程度であった。
台車ロボットカメラからの画像データを図 10 に示す。

②

図 10 台車ロボットカメラ画像と台車ロボット移動指示

37

KISTEC研究報告2022

【情報・生産技術部】④

台車ロボットは移動に際し、LRF で外界を認識し、自律的に障害物を避けて目的地に達することができた。
走行は蛇行が見られた。台車ロボットから出力される
位置データは RSNP ノード経由で RSNP サーバーに送信された。位置データはオペレータ用 PC の WEB ア
プリから収得できた。
台車ロボット位置情報を図 11 に示す。

⑤

ロボットアーム手先カメラから出力される画像デー
タは RSNP ノードを経由で RSNP サーバーに送信された。画像データはオペレータ用 PC の WEB アプリから収得できた。
手先カメラからの画像データを図 12 に示す。

られため、追加実験として RTMP サーバーを変更して検証した。RTMP サーバーのハードウェアを Raspberry Pi から、より処理能力の高い PC に変更した所、時間遅れは軽減されたため、Raspberry Pi では性能不足であることがわかった。
・台車ロボットやロボットアームへの指示の時間遅れ：
オペレータ用 PC から台車ロボットやロボットアームへ
RSNP サーバー経由で指示を送信し、実行が開始されるまでに数秒の時間遅れが発生する。時間遅れの原因は、RSNPの仕様、RSNP の使用方法、ROS 等の制御プログラムの設定等が考えられる。今後、問題点を特定し改良していく予定である。
・台車ロボットの蛇行：
実験室の床は、油が飛散しやすい環境ではあるが、車輪のスリップは見られない。
台車ロボットの制御には ROS を利用しているが、LRF の性能不足による位置情報の精度不足と走行に関わる制御
パラメータの調整不足と考えられる。今後、LRF を変更、制御パラメータを調整し、蛇行を低減する予定である。

図 11 台車位置情報

4. おわりに
本開発の成果は以下のとおりである。
・L5G を利用した遠隔モニタリングシステムを構築した。
・ロボット、センサー、加工機を一元的に監視・制御できるようになった。
・RSNP、ROS、Raspberry Pi 等のサービスロボット等に活用できる技術の取得ができた。
また、今後は得られた成果により以下の展開を検討している。
・新たな L5G 開発・支援事業のテストベッド・サービスロボットの開発支援
・RSNP 技術利用の拡大
今後、あらゆるものが IoT 化していく中で、5G 通信技術を用いた技術開発の重要性は増していく。
5G 通信技術は、
多接続、高速、低遅延の特徴から、将来的にはロボットのリアルタイム制御にも活用できると思われる。
本開発により、いち早く、種々のロボット等を 5G 通信技術で活用するための知見を集積しつつある。今後は、情報提供や技術支援により、関連企業の技術、製品開発に貢献する。

図 12 手先カメラ画像

オペレータ用 PC の WEB アプリから RSNP サーバー経由でロボットアームに動作指示を与え、指示通りに動作することを確認した。動作開始に数秒間の時間遅れが発生した。ロボットアームは加工機の停止ボタンを押下し、模擬的な材料装填動作が実行できた。
⑦ 台車ロボットの画像データや加工機の状態データで加工機の状態を確認できた。
⑧ オペレータ用 PC の WEB アプリから RSNP サーバー
経由で台車ロボットに待機位置への復帰を指示し、指示通りに動作することを確認した。
⑥

謝辞：
本開発は公益財団法人 JKA による競輪の補助を受けて実施しました。
テクノツール株式会社 島田 努氏、株式会社 MEMO テ
クノス 渡邊 将文氏には、本研究の開始にあたり、研究内
容において有益なご提案をたまわりましたこと、お礼申し上げます。

3.3. 実験結果からの問題点と改善実験により明らかになった問題点および今後の改善点は以下のとおりである。
・L5G の応答速度：
端末とサーバー間で 50 ms の遅れがあり、リアルタイム
遠隔制御での障害となっている。KISTEC 内の L5G 機材に由来するものであるため、改善には機材の改修や交換が必要である。
・環境カメラの時間遅れ：
環境カメラの画像データは、L5G でネットワークに接続され画像データを保管する RTMP サーバーに送信される。
時間遅れの原因は RTMP サーバーの処理能力不足が考え

38

KISTEC研究報告2022

【情報・生産技術部】

ローカル 5G ネットワークにおけるロボット用ミドルウェア
ROS 2 のリアルタイム性に関する初期評価
千家1.

雅之（情報・生産技術部 システム技術グループ）

3. 評価方法
3.1 システム構成

はじめにロボットの遠隔制御において無線通信を用いることは有線通信と比べてケーブル敷設作業が不要になる等利便性の面で大きなメリットを有するが、通信の即時応答性や安定評価システムのシステム構成は図 2 の通りである。ロボットに搭載されることを想定した PC #1 は LAN ケーブル性の面でデメリットがある。そのため、近年、超高速、多数同時接続、高信頼・低遅延を特徴とする 5G は大きな注を介してローカル 5G 端末に接続されている。エッジサー
バーとして機能する PC #2 は LAN ケーブルでローカル 5G

目を集めており、産業分野での期待は大きい。ローカル 5G
はモバイル向け通信規格である 5G に則った無線通信ネッの上位ネットワークに接続されている。PC #1 および PC #2の仕様を表 1 に、ソフトウェア構成を表 2 に示す。各 PC

トワークであり、通信事業者以外の一般企業や自治体等によって構築・運用される。当研究所では、2020 年度にローは ROS 1 インストール済み Linux と ROS 2 インストール済
み Linux を PC 起動時に切り替えられる構成となっている。

カル 5G の無線局免許を取得し、2021 年度に海老名本部でローカル 5G の通信環境の運用を開始している。
本稿では、どちらの構成も OS の処理遅延を低減させるために lowlatency カーネルを用い、さらに構成 B では DDS をリアル

ロボットの無線遠隔制御に焦点を当て、ロボット用ミドル
ウ ェ ア の 中 で 大 き な シ ェ ア を 有 し て い る ROS (Robot

タイム性が高いとされる RTI 社製 DDS に変更している。

Operating System)(1) の次世代バージョンである ROS 2 を対象に、当研究所のローカル 5G ネットワークを用いてリア

3.2

ルタイム性に関する測定と評価を行う。具体的には、ユー
ザ端末から物理的に近い場所にサーバー等のコンピュータ

クエストを用いて、PC #1 と PC #2 間の応答性能を測定する。具体的には、クライアントである PC #1 から二つの整を設置して応答性能を向上（低遅延化）させるエッジコン
ピューティングを想定したシステム構成で、通信の応答性数を含む ROS サービスリクエストを送信し、サーバーである PC #2 で二つの整数を合計しレスポンスとして返すとい能を従来バージョンである ROS 1 と ROS 2 それぞれで測定し、リアルタイム性を評価する。

う処理において、ROS サービスの応答時間（送信から受信までの所要時間）及びその送信処理のジッター（送信タイ

測定方法

ROS 1 および ROS 2 で用意されている ROS サービスリ

2. 要素技術の紹介
2.1 エッジコンピューティング
モバイル向け通信におけるエッジコンピューティングとは、基地局付近にエッジサーバーを設置し、機械学習や画
像処理といった負荷が高い処理を基地局内で実施すること
で、遅延低減や帯域節約を図る手法のことである。エッジ
コンピューティングアーキテクチャの有用性は様々な研究で検証されている(2)。

2.2

図 1 ROS 1 と ROS 2 のアーキテクチャの比較

ROS 1 と ROS 2 のアーキテクチャ（文献(3)より引用）

ROS 1 と ROS 2 はミドルウェアが担う範囲が異なっている。図 1 に示す通り、ROS 1 は独自のプロトコルである
TCPROS/UDPROS 上にライブラリがあり、その上で ROS マ

ローカル5Gの上位ネットワーク(Backhaul)

スターが動作するという構成であるが、ROS 2 は通信の大部分を DDS (Data Distribution Service)が担い、共通のインタ

LANPC #2 (Server)<エッジサーバー>
サーバー室

ーフェースを通して ROS ノードと DDS の橋渡しをするという構成である。ROS 2 は DDS の性能に依存する構成と言RULANえるが、DDS が独立しているため別のベンダーの DDS に容易に変更することができる。

ローカル
5G端末

USB

PC #1 (Client)<ロボット制御用PC>(Robot)

図 2 評価システムの構成

39

KISTEC研究報告2022

【情報・生産技術部】

ミングの揺らぎ）の測定を行う。送信処理のループは Rate

Embedded Software and Systems (ICESS), 1–8 (2020)

クラスの sleep 関数を用い、周期は 500 ms と 100 ms の 2 パ
ターンで、送信回数は 1000 回とする。

4.

結果及び考察ROS サービスの応答時間をヒストグラムで図 3 に、その送信処理のジッターを箱ひげ図で図 4 に示す。
図 3 より、ROS サービスの応答時間は ROS 2 の方が短い
ことがわかる。ROS 1 では横軸 100 ms 前後に、ROS 2 では
50 ms 未満の区間にヒストグラムの棒が集中しているが、この ROS 1 と ROS 2 の違いは TCP ベースの独自プロトコルである TCPROS と UDP を用いる DDS との違いから生じているものと考えられる。また、図 3 (a)と(b)の応答時間の

Model
CPU
RAM
Disc

表 1 PC の仕様
PC #1 (Client)
PC #2 (Server)Intel NUC11 Pro
Shuttle SH370R6Core i5-1145G7Core i7-8700K
32GB
32GB
NVMe SSD 256GB
NVMe SSD 256GB

OS
KernelROS
Protocol

表 2 PC のソフトウェア構成
構成 A
構成 B
Ubuntu 18.04.6 LTS
Ubuntu 20.04.4 LTS
5.4.0-104-lowlatency
5.13.0-35-lowlatency
ROS Melodic
ROS 2 Foxy
TCPROS
RTI Connext DDS

分布や最大値の違いは、通信環境の変動だけでなくクライ
アント側の送信処理での Rate クラスの sleep 関数の影響によるものと考えられる。この sleep 関数は既定の周期に沿うように次の周期までの残り時間分だけ待機する関数であるが、既定の周期を超えて残り時間が負になった場合は待機しない。つまり、サービスレスポンス受信後すぐにサービスリクエスト送信処理が行われるため、サーバー側で処理遅延が生じている可能性がある。

(a) 周期 500 ms の場合

図 4 より、送信時のジッターは、周期 500 ms では±0.2ms 程度で ROS 1 と ROS 2 の間に大きな差はないと考えらえるが、周期 100 ms では ROS 1 の方が非常に大きい。これは ROS 1 では ROS サービスの応答時間が周期 100 ms を超える場合があるためである。なお、この測定は送信処理に入る前のタイムスタンプを利用しているため、厳密な比較のためにはパケットキャプチャ装置を用いる必要がある。

5.

(b) 周期 100 ms の場合おわりに

図 3 ROS サービスの応答時間

評価システムを用いた測定より、ローカル 5G ネットワーク上で ROS の通信を行う場合、ROS 2 は ROS 1 よりも即時応答性が高いため、リアルタイム性の確保と短い周期での通信に利点があることがわかった。当研究所のローカ
ル 5G ではエッジコンピューティングのアーキテクチャとROS 2 を用いることで周期 100 ms 程度のリアルタイム通信が可能であることが分かった。
今後は、リアルタイム性の向上が期待できる ROS 2 のExecutor クラス(4)を用いた検証やロボットに実装しての検証に取り組む予定である。

(a) 周期 500 ms の場合【参考文献】
1.

Open Robotics: “ROS - Robot Operating System”,

2.

https://www.ros.org/
山口弘純, 安本慶一, “エッジコンピューティング環境における知的分散データ処理の実現”, 電子情報通信学会論文誌 B, Vol.J101-B, No.5, pp.298-309 (2018)

3.

4.

Y. Maruyama, S. Kato and T. Azumi, “Exploring the
Performance of ROS2”, 2016 International Conference on
Embedded Software (EMSOFT 2016) (2016)
Y. Yuqing and T. Azumi, “Exploring Real-Time Executor on(b) 周期 100 ms の場合

ROS 2”, In 2020 IEEE International Conference on

図 4 サービスリクエスト送信時のジッター

40

KISTEC研究報告2022

【情報・生産技術部】

ランダムフォレストを用いた LMD 時における投入粉末の歩留りにおよぼす影響度に関する研究
福山
中村

1.

遼(情報・生産技術部

紀夫(情報・生産技術部

加工評価グループ)

システム技術グループ)

まず、LMD による歩留りの実データとして 391 サンプ

はじめに

レーザ粉体肉盛溶接（Laser metal deposition; LMD）はレ
ーザ照射により形成される溶融部に金属粉末を投入し、肉ル取得した。LMD の積層条件と説明変数名を表 1 に示す。
レーザ出力、レーザ走査速度、粉末供給量は表 1 に示す範盛溶接を行うことで金属積層造形、あるいは部分的な機能性付与（Laser cladding）が可能な近年注目の技術である。

囲内の乱数で行った。また、層数は 3 層盛（1 層目 5 パス、
2 層目 4 パス、3 層目 3 パス）と 2 層盛（1 層目 5 パス、2

この LMD 加工時に投入する粉末は非常に高価であり、加工条件によっては投入粉末が溶融池に入らなかったもの

層目 4 パス）の 2 種類、粉末は Co 基のステライト 4 種類、基材は SCM440、S45C の 2 種類で行った。その他の積層やスパッタとして外に飛び出すものがあり、全ての粉末が溶着されるわけではない。また、使用した粉末は酸化や塵条件は固定とした。また、放射温度計によりレーザ加工点の温度測定を行った。測定箇所は最終パスの加工直前の基の付着により再利用できないため、粉末の溶着率（歩留り）が加工コストに直結している。

材温度と平均溶融池温度である。
次に歩留りの測定方法について説明する。LMD 前後のしかしながら、LMD の加工条件にはレーザ出力、レーザ走査速度、粉末供給量等の複雑で様々な組合せがあり、基材の重さより、肉盛された重さの実測値 Wm (gf)を測定した。肉盛重さの理論値 Wt (gf)は、L を総ビード長さ(mm)、

これらの加工条件が歩留りに及ぼす因子であるか明らかではない。

v を走査速度 (mm/s)、p を粉末供給量 (gf/s)として、式(1)のように定義し、歩留り N (%)は、Wm を Wt で除した値とそこで、機械学習のアルゴリズムの一つであるランダム
フォレストを用いて様々な加工条件から歩留りにおよぼした。
𝑊𝑊𝑡𝑡 = (𝐿𝐿 ∙ 𝑝𝑝)/𝑣𝑣

す重要度の導出を試みた。ランダムフォレストはアンサン
ブル学習の一つで学習用データから多数の決定木を作成

機械学習のライブラリは Python で使用可能な scikitlearn。ensemble の RandomForestRegressor（以下ランダムフ

し、その決定木による予測値の平均から最終的な予測値を導出する。さらに、ランダムフォレストでは予測に用いらォレストと記す）を用いた。実験で得た 391 のデータの前処理として、数値データ以外の基材の種類や粉末の種類なれる各説明変数の重要度がどの程度なのかを導出できる特徴がある。

どの連続量ではないカテゴリーデータはダミー変数として 0、1 に変換した。これらの前処理したデータを学習用本研究では、ランダムフォレストを用いて LMD における多種類の説明変数から歩留りを予測するモデルを構築と評価用として 8 対 2 に分割した。ランダムフォレストのハイパーパラメータは決定木を 5000 本、層の最大深さをした。そして、説明変数の重要度の導出により歩留りの予測精度を向上させる因子の探索を目的とした。また、加工30 層とした。枝分かれの際の判断基準として平均二乗誤差（Mean Squared Error; MSE）で学習させ、予測精度は平現象を踏まえた複合説明変数を加えることで予測精度を向上させ、検討を行った。

2.

(1)

均絶対誤差（Mean Absolute Error; MAE）で評価し、各説明変数の重要度を導出した。
加工条件のみで予測を行った場合、評価用データでの予測精度の指標である MAE は 0.032 であった。レーザ出力

実験及び結果本研究で用いた LMD 装置はレーザ発振器（TRUMPF 製：
TruDisk3006）、ロボット（KUKA 製：KR C4）、粉末供給装と走査速度の重要度が高いことから、単位長さあたりの入熱量（HF）の計算値と加工現象で重要な因子である温度の置（GTV 製：GTV PF 2/2）の構成となっている。発振器から出たレーザ光（ディスクレーザ、波長 1030 nm）は光フ実験値を新たに説明変数に加えると、MAE は 0.028 に向上した。このときの重要度は入熱量（HF）、レーザ出力（Pw）、

ァイバーで伝送され、ロボットアーム先端に設けた出射光学系により集光され、母材表面を溶融する。粉末は供給装

溶融池温度（Mpt）、基材温度（Pass_temp）の順で高い。これら 4 つの説明変数から表 1 の下部に示す新たな 4 つの置からアルゴンガスにより搬出され、出射光学系先端のノズル内に設けた出射口から溶融部に供給される。レーザ照複合説明変数を加えたところ、図 1 の相関図に示すように予測と実際の結果が一致する 45 度線上に集まっているこ

射と同期してロボットアームは移動し、目的とする形状の肉盛層を造形する。

とがわかり、MAE は 0.026 とさらに向上した。このとき、

41

KISTEC研究報告2022

【情報・生産技術部】

表 1 LMD の積層条件と説明変数名
項目

説明変数名

条件

レーザ出力 kW

Pw

1.2~3

レーザ走査速度 mm/s

Velo

3~28

層間垂直移動距離 mm

Pz

0.5~1.5

粉末供給量 g/min

P_feed

7.5~23.8

層数とパス数

pass_seq

2層9パス，3層12パス

ステイライト粉末の種類

Powder_ID

1, 6, 12, 12H

基材（予熱無の室温）

Work_ID

SCM440，S45C

スポット径 mm−

φ4（固定）

シールドガス流量 ℓ/min−

23 （固定）キャリアガス流量 ℓ/min−

2.1（固定）ラップ幅 mm−2（固定）1パスの長さ mm−

50（固定）

Pass_temp

実験値

最終パス平均溶融池温度 ℃

Mpt

実験値

単位長さあたりの入熱量 J/mm

HF

計算値

溶融池温度/入熱量 ℃/(J/mm)

Mpt/HF

計算値

Pt/HF

計算値

Mpt/Pw

計算値

Pt/Pw

計算値

最終パス基材温度 ℃

基材温度/入熱量 ℃/(J/mm)

溶融池温度/レーザ出力 ℃/W
基材温度/レーザ出力 ℃/W

図 3 溶融池温度/レーザ出力（Mpt/Pw）と歩留りの関係

各説明変数の重要度は図 2 に示すように溶融池温度/レー
ザ出力（Mpt/Pw）が最も高い。この Mpt/Pw と歩留りの関係を図 3 に示すと、Mpt/Pw が低いほど歩留りが高い負の線形関係が見られた。この相関関係より、粉末を効率的に溶融する一因はレーザ出力が高いときであり、そのとき溶
融粉末は多くなるため熱エネルギーが粉末に奪われ溶融
池温度が減少する。したがって、Mpt/Pw の意味するとこ
ろは単位時間あたりに溶融池に投入される熱量と、溶融池温度の低さ、つまり粉末が溶融するために使用された熱量との比であり、熱効率を意味していると考えられる。
また、2 番目に高い重要度はレーザ出力（Pw）であり、上位の各説明変数の重要度にも多く内包されている。この
Pw 増加に伴う加工現象として、溶融池サイズが大きくなることが想定され、粉末の集束径が同じであれば溶融池に投入されやすくなると考えられる。そのうえ、本研究で使用したレーザのビームプロファイルはガウス分布である。
したがって、照射されたレーザは端部になるほどパワーが弱くなるため、端部付近に投入された粉末は未溶融になりやすい。しかし、Pw が高出力時には低出力時に比べ有効
パワー密度が大きくなり、端部付近に投入された粉末も溶融されやすくなると考えられる。

3.

おわりに
ランダムフォレストを用いて LMD 時における投入粉末の歩留りを予測するモデルを構築した。加工現象を踏まえ
複合説明変数を用いて構築したモデルの予測精度は

図 1 予測と実際の結果の相関図

94.8 %（MAE2.6 %）であった。最も高い重要度を得た
Mpt/Pw は熱効率を意味していると推察され、歩留りとの線形関係が見られた。この線形性が予測精度に大きく寄与していると考えられる。 また、歩留りにおよぼす上位の重要度にはレーザ出力（Pw）が内包される溶融池温度/レーザ出力（Mpt/Pw）や入熱量（HF）であり、 溶融池サイ
ズの大小に直結する変数が重要と考えられる。

図 2 各説明変数の重要度

42

KISTEC研究報告2022

研究報告2022 目次【化学技術部】◆ アミロース塗布膜の分子構造に由来した分子吸着挙動の検討････････････････････････････････

水野陽介（化学技術部 材料化学グループ）◆ 食品の各種酵素阻害活性試験における試料溶解溶媒の影響･･････････････････････････････････

瀬戸山

43

44
46

央（化学技術部 バイオ技術グループ）

KISTEC研究報告2022

【化学技術部】

アミロース塗布膜の分子構造に由来した
分子吸着挙動の検討
水野

1.

はじめに

陽介（化学技術部

材料化学グループ）

これまでにナノグラムオーダーで質量変化を検出可能

ルを添加した。自然乾燥した後にメタノールで数回洗浄し、真空乾燥することで両方のセンサーにアミロースを塗布な水晶振動子マイクロバランス(QCM)法を用いた、フロー
系の分子検出システムの検討を行っている 1。具体的には、した QCM ツインセンサー(Twin-AM)を作製した。この時、ブタノールを添加した膜では V-アミロースが形成し、無特異的な分子の吸着を示す、多糖類のアミロースを QCM
センサーに塗布し、アミロース膜による水中の有機分子の添加の膜では老化アミロースが形成する。片方のセンサーにのみ V-アミロースを塗布した QCM ツインセンサー

吸着を評価した。この時、アミロースを塗布したセンサーと未修飾のセンサーを有する QCM ツインセンサーを用い(Single-AM)の作製は、同様の方法でアミロースの重量のみを 100 mg に増やして行った。

ている。QCM ツインセンサーは、2 つのセンサーの測定値の差分をとることで温度変化や溶液の粘性の変化の影

2.3

響を打ち消すことができるため、定量性や取り扱いの観点で単一のセンサーに比べて優れている。しかし、アミロー

測定には NAPiCOS システム（日本電波工業）および30 MHz ツインセンサーを用いた。測定セルにはフローセスによる有機分子の吸着のほか、参照する未修飾センサー
表面への物理吸着も同時に確認されており、検出した質量ルを用いた。測定温度は恒温チャンバーを用いて 25 ℃とした。キャリヤーは超純水を真空脱気して用いた。流量は変化の要因は、アミロースの選択的な分子吸着に限定されない。そのため、非選択的な分子検出や測定値と濃度の相10 mL/ min とした。注入するカプリル酸水溶液は濃度の低いものから順に 100 mL ずつ注入した。

関の複雑化が予想され、改善すべき課題となっている。
そこで本研究は、センサー表面の性状の違いによる物理

QCM 法

3. 結果と考察
3.1 Single-AM のカプリル酸水溶液に対する応答

吸着の差異の影響を除き、アミロースの分子構造に由来した選択的な吸着による分子検出方法の確立を目的とした。

飽和カプリル酸水溶液およびその希釈液（飽和濃度 Cmax,

アミロース分子は複数の二次構造を形成する。その中でもシングルらせん構造を有した V-アミロースは、らせん構

1/2Cmax, 1/4Cmax, 1/8Cmax, 1/16Cmax）を濃度の低い順に注入
し、Single-AM で QCM 測定を行った。その時のアミロー

造内部にゲスト分子を包接することが知られている 2,3。一方で、二重らせん構造を有した B-アミロースや老化アミ

ス塗布センサー(CH1)と未修飾センサー(CH2)の周波数の経時変化 DF を図 1(a)に示す。カプリル酸水溶液の注入にロースは分子包接が不可能である。つまり、V-アミロースと老化アミロースをそれぞれのセンサーに塗布した QCM
ツインセンサーを用いることで、分子包接に由来する分子吸着による質量変化のみの検出が期待できる。本研究では、
上記センサーを作製し、V-アミロースが包接可能なカプリル酸の分子吸着挙動を QCM 法により検討した。

2. 実験
2.1 試料
アミロースは市販のでんぷん（北海道産ジャガイモ使用）
から既報 1 の方法で合成した。超純水には Milli-Q 水(Merck)を用いた。その他の試薬は購入したものをそのま
ま用いた。

2.2

アミロース塗布 QCM センサーの作成

20 mg のアミロースを DMSO 2 mL に加え溶解した。その溶液を 50 mL に定容し、さらに 12 倍に希釈した。希釈
液 30 mL を QCM ツインセンサーの 2 つの電極表面にそ

図 1 Single-AM を用いた QCM 測定における、カプリ
ル酸水溶液注入時の周波数経時変化: (a) 各電極の周波数変化∆F(CH1：V-アミロース、CH2：未修飾) (b) 周波数差分の変化∆FCH1-CH2,S．

れぞれ滴下し、一方のセンサーにのみ 10 mL のブタノー

44

KISTEC研究報告2022

【化学技術部】

より、アミロースの塗布の有無に関わらず、質量増加を意

また、ベースラインがドリフトしているため、より信頼性味する周波数の減少が起き、水での洗浄により質量減少を意味する周波数の増加が起こった。この時、注入前の周波の高い評価が必要である。

数までは戻らず、不可逆的な分子吸着が示唆された。
CH1 と CH2 の周波数の差分の変化(DFCH1-CH2,S)を図１

0-5
FTwin -AM (Hz)(b)に示す。カプリル酸水溶液の注入時、注入後ともに
DFCH1-CH2,S の明確な減少が見られ、可逆的、不可逆的な分子吸着量がともに CH1 センサー表面で大きいことが示された。
これらの結果から、アミロース塗布センサーは未修飾センサーよりもカプリル酸の吸着量が明らかに大きいこと

-15
-20
-25

がわかる。しかし、未修飾センサーにおいても物理吸着が起きているため、DFCH1-CH2,S には両センサーの物理吸着の-30

差異の影響も含まれている。

3.2

y = -0.059 x - 2.818
R² = 0.988

-10

0

100

200

300

400

500

濃度 C0 (ppm)

図 3 FTwin-AM の注入したカプリル酸水溶液に対する濃度依存性．

Twin-AM のカプリル酸水溶液に対する応答

濃 度 の 異 な る カ プ リ ル 酸 水 溶 液 (10, 50, 100, 200,4.

400 ppm)を注入した際の、Twin-AM(CH1:V-アミロース塗
布、 CH2：老化アミロース塗布)の DFCH1-CH2,T の経時変化

まとめ
分子構造の異なるアミロースを塗布した QCM ツインセ

ンサーを用いることで、センサー間の物理吸着の違いによる影響を最小限にし、アミロースの分子構造に由来した不を図 2 に示す。カプリル酸水溶液を注入後、DFCH1-CH2,T はわずかに減少し、洗浄過程で更なる減少が起こった。この可逆的な分子吸着による周波数減少の評価が可能である
ことを示した。また、周波数減少量と注入したカプリル酸

周波数変化の傾向は、Single-AM での測定と異なるものであった。これは、カプリル酸水溶液と接触している間は、水溶液濃度の相関には直線性があり、アミロース分子が特異的に吸着可能な有機化合物を対象とした水溶液の濃度両センサーでほぼ同量の吸着が起こるが、洗浄過程後に残存するカプリル酸分子が V-アミロースに多いことを示し測定手法として有効性が示唆された。ただし、10 ppm の濃度で数 Hz という小さな変化になるため、より低濃度のている。つまり、DFCH1-CH2,T の減少が示すセンサー表面の質量増加は、V-アミロースの分子構造によって、特異的に分子検出を行うには高感度化が課題である。
本研究の改善により、通常、バッチ式の測定が行われて吸着されたカプリル酸によるものだと考えられる。

いる水道水の水質管理において、ppm、ppb オーダーの濃度の有機化合物の検出が連続的に行えるようになり、リア
ルタイムの水質モニタリングの実現が期待できる。

【参考文献】
1. 水野 陽介, KISTEC 研究報告, 54-56(2021).
2. T. Kuge, K. Takeo, Agr. Biol. Chem., 32, 1232-1238 (1968).
3. C. A. K. Le, Doctoral Thesis, University of Grenoble Alpes,
Grenoble (2018).

図 2 Twin-AM での QCM 測定におけるカプリル酸水溶液注
入時の周波数差分の変化∆FCH1-CH2,T (CH1：V-アミロース、
CH2：老化アミロース)．

カプリル酸水溶液を注入する前から、洗浄後までに減少した DFCH1-CH2,T の値を濃度ごとに算出し、それぞれの濃度に達するまでの減少値を積算した値を FTwin-AM とした。その際、ベースラインが傾斜していたため、ベースラインの影響を補正している。FTwin-AM の注入したカプリル酸水溶液に対する濃度依存性を図 3 に示す。10-400 ppm のカプ
リル酸水溶液では、溶液濃度の増加に伴い、FTwin-AM が減
少した。その相関には直線性があったことから、分子検出手法としての有効性が示唆された。しかし、今回の測定はSingle-AM および Twin-AM で測定条件が異なっており、

45

KISTEC研究報告2022

【化学技術部】

食品の各種酵素阻害活性試験における試料溶解溶媒の影響
瀬戸山

1.

央（化学技術部

バイオ技術グループ）in vitro 食品機能性評価は、主に各種酵素阻害活性試験

緩衝液（pH 8.8）に溶解したものを酵素溶液とした。96穴マイクロプレートを用いて各溶媒 25 µL、酵素溶液 50を行うことで評価される。各種酵素阻害活性試験に用いられる試料は、熱水抽出液や含水有機溶媒抽出液などµl、基質溶液 100 µL を入れ攪拌し、37℃で 30 分間イン
キュベートした後、405 nm における吸光度を測定した。

様々だが、有機溶媒は酵素反応を阻害するなどの悪影響が懸念される 1,2)。しかし、食品機能性評価で対象とする

溶媒の代わりに純水を加えたものをコントロールとし
た。

はじめに

酵素に対する有機溶媒の種類や濃度の影響について詳細に検討した事例はない。そこで本研究では、いくつかの3. 結果および考察
3.1 チロシナーゼ阻害活性試験

酵素阻害活性試験を対象として許容される有機溶媒の種類とその濃度について検討を行い、試料溶解に許容され各溶媒を用いてチロシナーゼ阻害活性試験を行った結る有機溶媒の種類や濃度を把握することを目的とした。

果を図１に示す。DMSO およびエタノールを用いた場
合、100 vol%においてコントロールに対して有意に吸光2. 材料および方法
2.1 試料溶解溶媒度の低下が見られた。またエタノールを用いた場合、100
vol %においてコントロールに対して有意に吸光度の低下

試料溶解溶媒として、メタノール、エタノール、
DMSO を用い、溶媒ごとに 100、50、10 vol %の濃度に調が見られた。一方、メタノールを用いた場合、すべての濃度で吸光度は若干低下する傾向が見られたが、有意差製し各種酵素阻害活性試験に用いた。

は認められなかった。これらの結果から、チロシナーゼ
阻害活性試験において許容される試料溶解溶媒とその濃2.2度については、DMSO およびエタノールは 50 vol%までの濃度、メタノールは 100 vol%までの濃度であると考えチロシナーゼ阻害活性試験

マッシュルーム由来チロシナーゼを 300 units / mL で
0.1 M リン酸緩衝液（pH 6.7）に溶解したものを酵素溶
液、L‐DOPA を 1 mM で 0.1 M リン酸緩衝液（pH 6.7）られる。

に溶解したものを基質溶液とした。96 穴マイクロプレー
トを用いて各溶媒 25 µl、酵素溶液 100 µL を入れ攪拌後、基質溶液 125 µL を加え、37℃で 10 分間インキュベートした後、475 nm における吸光度を測定した。溶媒の代わりに純水を加えたものをコントロールとした。

2.3

コラゲナーゼ阻害活性試験 3,4)

コラゲナーゼを 0.02 mg / mL で 50 mM Tris 緩衝液（pH7.3）に溶解したものを酵素溶液、MOCAc-Pro-Leu-GlyLeu-A2pr（Dnp）-Ala-Arg-NH2 を 1 mM で DMSO に溶解し、使用直前に 50 mM Tris 緩衝液（pH 7.3）で 200 倍希
釈したものを基質溶液とした。96 穴マイクロプレート

図 1 チロシナーゼ阻害活性試験の結果（黒色）を用いて各溶媒 50 µL、酵素溶液 100 µl を入れ攪拌し 37℃で 10 分間インキュベートした後、基質溶液

3.2

50 µL を入れ攪拌後、37℃で 1 分ごとに 60 分間蛍光強度（励起波長 320 nm、蛍光波長 405 nm）を測定した。溶媒

コラゲナーゼ阻害活性試験の代わりに純水を加えたものをコントロールとした。

各溶媒を用いてコラゲナーゼ阻害活性試験を行った結果を図２に示す。用いたすべての溶媒、すべての濃度に2.4

おいてコントロールに対して有意に蛍光強度の低下が見られた。これらの結果から、コラゲナーゼ阻害活性試験

エラスターゼ阻害活性試験

STANA (N‐Succinyl‐Ala‐Ala‐Ala‐p‐nitroanilide)においてメタノール、エタノールおよび DMSO のすべて
溶媒で濃度にかかわらず不適であると考えられる。

を 1 mM で Tris 緩衝液（pH 8.8）に溶解したものを基質
溶液、ブタ由来膵臓エラスターゼを 0.5 units / mL で Tris

46

KISTEC研究報告2022

【化学技術部】

コラゲナーゼ阻害活性試験においては、メタノール、
エタノールおよび DMSO のすべて溶媒で濃度にかかわらず不適であることが明らかとなった。コラゲナーゼは、今回の反応条件において 10 vol%程度の低濃度の有機溶媒においても酵素反応が阻害されることが示唆された。
エラスターゼ阻害活性試験において許容される試料溶
解溶媒とその濃度については、DMSO およびメタノール
は 10 vol%までの濃度であることが明らかとなった。一方、エタノールはすべての濃度で不適であることが明らかとなった。エラスターゼは、今回の反応条件において10 vol%程度の低濃度の DMSO、メタノールにおいて酵素反応が阻害されないことが示唆された。
今後は今回の結果から許容可能であると考えられた溶媒および濃度において、すでに酵素阻害活性が確認されている食品成分を用いて確認試験を行うことが必要であ

図 2 コラゲナーゼ阻害活性試験の結果

3.3

り、研究を進めていきたいと考えている。

エラスターゼ阻害活性試験

各溶媒を用いてエラスターゼ阻害活性試験を行った結して有意に吸光度の低下が見られた。またエタノールを用いた場合、すべての濃度においてコントロールに対し【参考文献】
1. 木瀬秀夫，日本醸造協会誌，86(8), 581 (1991)
2. 木瀬秀夫，日本油化学会誌，46(12),1447 (1997)
3. 杉本幸子，コスメトロジー研究報告，Vol.25, 9 (2017)
4. 石橋正己，コスメトロジー研究報告，Vol.12, 31 (2004)て有意に吸光度の低下が見られた。これらの結果から、エラスターゼ阻害活性試験において許容される試料溶解【外部発表】口頭発表 1 件、 論文発表 0 件

果を図３に示す。DMSO およびメタノールを用いた場
合、50 vol %および 100 vol%においてコントロールに対溶媒とその濃度については、DMSO およびメタノールは
10 vol%までの濃度であり、エタノールはすべての濃度で不適であると考えられる。

図 3 エラスターゼ阻害活性試験の結果

4.

まとめと今後の展開本研究では、チロシナーゼ阻害活性試験、コラゲナー

ゼ阻害活性試験およびエラスターゼ阻害活性試験における試料溶解に許容される有機溶媒の種類や濃度について検討を行った。
チロシナーゼ阻害活性試験において許容される試料溶
解溶媒とその濃度については、DMSO およびエタノールは 50 vol%までの濃度、メタノールは 100 vol%までの濃度であることが明らかとなった。チロシナーゼは、今回の反応条件において、比較的高濃度の有機溶媒においても酵素反応が阻害されないことが示唆された。

47

KISTEC研究報告2022

【抄録】研究報告2022 目次【抄録】

機械・材料技術部◆ Effect of Degree of Unsaturation in Vegetable Oils on Friction Properties of DLC Coatings◆ In situ crystallization of CHA / FAU zeolites on volcanic stone in the absence of organic agents◆ In situ observation of evolution of internal structure of alumina during sintering by swept-source OCT◆ Transparent Y-alpha SiAlON:Ce3+ Ceramics Fabricated by Low-Temperature Liquid Phase Sintering

Technique
電子技術部◆ Ni板の親水化に対するプラズマ照射の効果

化学技術部◆ Lysine-glucose Maillard reaction products promote longevity and stress tolerance in Caenorhabditis elegans via

the insulin/IGF-1 signaling pathway◆ パラコート処理が線虫の体内活性酸素および抗酸化酵素活性に与える影響◆ ボイセンベリーおよびボイセンベリー含有アントシアニン類の抗糖化作用

川崎技術支援部◆ Decomposition of Gaseous Styrene Using Photocatalyst and Ozone Treatment◆ 光触媒式小型空気清浄機による飛沫除去挙動の評価

48

KISTEC研究報告2022

【抄録】◆Effect of Degree of Unsaturation in Vegetable
Oils on Friction Properties of DLC Coatings
機械・材料技術部 材料物性グループ
吉田 健太郎
解析評価グループ
長沼 康弘
東京工業大学加納 眞

この手法において、軽石はゼオライトの原料としての役割と多孔質な支持体としての役割を担っており、作製するゼオライト複合体は軽石のマクロ孔とゼオライトのマイクロ孔を併せ持つ。本研究の結果、マイクロ孔の径が 0.38 nm に揃った CHA型ゼオライトと、0.74 nm に揃った FAU 型ゼオラ
イトを作り分けることができた。また、ゼオライトの生成に伴い、複合体の比表面積が軽石原料の数
十～数百倍に向上した。さらに、アンモニウムイオンを対象とした吸着実験において、ゼオライト複

掲載紙：Tribology Online, Vol. 16, No. 4(2021)210.

合体が市販のゼオライト粉末よりも高い除去能を示した。

近年、有機酸を含む様々な種類の植物油と DLC
膜の組み合わせが摩擦を減らすのに効果的である◆In situ observation of evolution of internal
structure of alumina during sintering by sweptsource OCT

ことが報告されているが、植物油潤滑剤の化学構造の違いと摩擦低減との関係についての詳細な報
告はほとんどない。そこで著者らは、不飽和度の異なる植物油について、水素含有 DLC(a-C:H)膜と水素フリーDLC(ta-C)膜 2 種類の摩擦特性への影響を評価した。 評価した全植物油において ta-C 膜は、機械・材料技術部 材料物性グループ
高橋 拓実
横浜国立大学坂本 文香、多々見 純一、飯島 志行

a-C:H 膜および未コート材よりも著しく低い摩擦係数を示した。 ta-C 膜については、一価不飽和脂
肪酸の含有量が高い植物油で最も低い摩擦係数を示した。X 線光電子分光分析(XPS)および飛行時間

掲載紙：Int. J. Appl. Ceram. Tec., 19(2), 11711179 (2022)

型二次イオン質量分析(ToF-SIMS)を用いて、ta-C 膜の摩擦面を分析した結果、C-OH 結合からなる表面層の形成を確認し、これらの結合の検出強度が増加するにつれて、より低い摩擦係数を示すことがセラミックスの焼結をその場で観察することは、内部構造の発達を含む焼結挙動を理解し、優れたわかった。

特性を有するセラミックスを作製するために重要である。しかし、高温の成形体や焼結体の内部構造をマイクロメートルオーダーの分解能で高速その場観察する研究はこれまで行われていませんでし◆In situ crystallization of CHA / FAU zeolites
on volcanic stone in the absence of organic
agentsた。ここでは、波長掃引型の光コヒーレンストモグ
ラフィー（OCT）を用いて、Al2O3 成形体の焼結中の内部構造の変化を観察した。OCT によるその場観察により、密度分布の発達や粗大な気孔の成長

機械・材料技術部 ナノ材料グループ
小野 洋介
鹿児島県工業技術センター
増永 卓朗、袖山 研一など、焼結中に内部構造が変化することが明らかになった。また、OCT 像から焼結収縮率や相対密度を得ることができた。一次粒子径の異なる造粒物を添加、積層した成形体の焼結中の内部構造を

掲 載 紙 ： Microporous and Mesoporous
Materials, Vol.328, 111500 (2021)

OCT で観察した結果、高温での緻密化の進行に伴い、不均一な領域が発達していることが確認され日本は 100 以上の活火山を持つ火山大国である。

た。これらの結果は、波長掃引型 OCT を用いた成形体の焼結挙動のその場観察が、焼結中の内部構

本研究では、火山噴出物である軽石の新規な有効利用法を提案する。軽石を水酸化ナトリウム水溶造の変化をリアルタイムで観察することができる
新規な技術であることを示している。

液に投入して 100℃程度で加熱することにより、軽石表面にゼオライトを生成させ軽石と複合化した。

49

KISTEC研究報告2022

【抄録】◆Transparent Y-alpha SiAlON:Ce3+ Ceramics
Fabricated by Low-Temperature Liquid Phase
Sintering Technique

プラズマ照射時間によって，Ni 板上の Ni-W めっき膜の剥離の有無が変化した．親水性とめっき膜の剥離の有無の関係を調べるため，プラズマ照射
時間を変化させた Ni 板表面を FT-IR と XPS を用
いて分析・検討した．FT-IR の分析結果では，水酸

機械・材料技術部 材料物性グループ
高橋 拓実、横内 正洋
横浜国立大学
佐野 由紀、多々見 純一、飯島 志行

基により Ni 板の表面が親水化されたと考えられる．
また，XPS の分析結果では，酸素プラズマによる
Ni 板表面の炭化水素の除去と Ni 板表面が親水性を示す Ni2O3 に変化したことの 2 点が Ni 板表面の掲載紙：ECS J. Solid State Sci. Technol. 10086008 (2021)

親水性を変化させた一要因と考えられる．そして，プラズマ照射による Ni 板表面の親水化が，Ni-W め
っき膜のつきまわりを改善し，Ni-W めっき膜の密着性の改善に寄与したと考えられる．

固体照明や光源の高出力化に伴い、耐熱性に優れた透明性と蛍光性を兼備するセラミックス基板が求められている。エンジニアリングセラミックスである α-SiAlON は、安定化イオンの導入でフォ
トルミネッセンスを示すことが知られているが、αSiAlON のバルク単結晶を得ることは不可能である。
そこで本研究では、高出力固体半導体光源用の波◆ Lysine-glucose Maillard reaction products
promote longevity and stress tolerance inCaenorhabditis elegans via the insulin/IGF-1
signaling pathway

長変換部材として、透明な Y-α SiAlON:Ce3+セラミックスを作製した。この目的のために、均質で緻密

Issei Yokoyama
Ou Setoyama
Ayumi Urakawa
Momo Sugawara
Yaqi Jia
Yusuke Komiya
Jun Nagasao
Keizo Arihara

な成形体を用いて、ガス加圧焼結、次いで低温での熱間等方加圧を実施した。特に、周期的な冷間等方圧加圧により、成形体の密度と均質性が高まり、低温での緻密化が促進され、焼結時の気孔の消失が効率的に行われるようになった。低温緻密化により結晶粒成長が抑制された結果、高い直線透過率を有する Y-α SiAlON:Ce3+セラミックスを得ることに成功した。この透明な Y-α SiAlON:Ce3+セラミッ
クスは、Ce3+の 5d-4f 遷移によるフォトルミネセンスを示した。発光強度のピーク波長は Ce3+の濃度

掲載紙：Journal of Functional Foods Vol.87,
pp.104750 (2021)に依存し、発光色は青色から青緑色の範囲であった。

The

Maillard

reactionisassociated

with

the

development of distinct flavors and colors during foodprocessing and cooking. This reaction generates
numerous chemical compounds, including antioxidants.
Caenorhabditis elegans is a model organism for◆Ni 板の親水化に対するプラズマ照射の効果studying aging; its lifespan is prolonged by antioxidants.
In this study, we investigated the effects of lysine-

電子技術部 電子材料グループ
安井 学、黒内 正仁、金子 智
機械・材料技術部 解析評価グループ
長沼 康弘
化学技術部 環境安全グループ
田中 聡美、加藤 千尋

glucose Maillard reaction products (LG MRPs) on C.
elegans lifespan. Our results showed that LG MRPs
prolonged the lifespan in a dose-dependent (0.001–0.1
M) and improved the reduction of age-related
movements. Reactive oxygen species and fat
accumulation were decreased upon treatment with LG

掲載紙：表面技術, Vol.72 No.12, pp.716718(2021)

MRPs. LG MRPs treatment also improved oxidative andheat stress tolerance. Furthermore, mRNA expression of

50

KISTEC研究報告2022

【抄録】daf-16 which relates to the longevity and its target genes(sod-3, ctl-1, hsp-12.6, and hsp-16.2) was increased.

◆ Decomposition of Gaseous Styrene Using
Photocatalyst and Ozone Treatment

These results suggest that LG MRPs might contribute tolongevity via the insulin/insulin-like growth factor
signaling pathway in C. elegans.

川崎技術支援部 材料解析グループ
濱田 健吾
落合 剛
青木 大輔
阿久津 康久平林 康男◆パラコート処理が線虫の体内活性酸素および抗酸化酵素活性に与える影響
化学技術部 バイオ技術グループ
瀬戸山 央

掲載紙：Catalysts, Vol.12, No.3, pp.316(2022)

掲載紙：科学・技術研究, 10 巻, 1 号, pp.4144 (2021)

Because photocatalysis has strong oxidation abilities
in redox systems, it has been applied to indoor air
purification. However, intermediate products are

ヒトの体内で過剰に生じた活性酸素（ROS）は
酸化ストレスとして作用し、老化の要因となるこ

produced during the photocatalytic oxidative
decomposition of aromatic compounds with benzeneとが明らかになっている。モデル生物である線虫においても、ROS と老化に深い関わりがあること

rings. Therefore, it is essential to improve decomposition
performance and evaluate the intermediate productsが明らかとなっている。本研究では 2.5～10 mMのパラコート処理が線虫に与える影響について、produced for practical applications. Herein, we describe
the decomposition performance of ozone, photocatalyst,

体内の ROS 生成及び抗酸化酵素（SOD、CAT）活性に着目して解析を行った。その結果、パラコー

and their combination, under the target gas of styrene.
Using a one-pass mini reactor, decomposition

ト処理の期間が長いほど、またパラコート濃度が高いほど体内 ROS 生成量が増加し、SOD 活性が

performance was evaluated by analyzing the output gas
in the reactor and observing the styrene removal, the

上昇することを明らかにした。

amount of carbon dioxide produced, and thecomposition of a small amount of intermediate products.
The combination of ozone and photocatalyst showed themost significant performance, completely decomposing◆ボイセンベリーおよびボイセンベリー含有アントシアニン類の抗糖化作用

in the photocatalyst and removing odor components inozone. Moreover, we demonstrated that decomposition
performance could be evaluated by observing slightamounts of intermediate products in the exhaust gas. We

化学技術部 バイオ技術グループ
瀬戸山 央

believe that this research provides insights into thepractical application of photocatalysis and ozone

掲載紙：食生活研究, 41 巻, 6 号, pp.338-346(2021)

oxidation technologies in air purifiers and theirperformance management, with particular emphasis on
the decomposition of odor compounds.

ボイセンベリーはベリー類の中でも大きく加工性に優れている。本研究は、ボイセンベリーの抗糖化性およびボイセンベリー含有アントシアニン
類の抗糖化性への寄与を明らかにすることを目的◆光触媒式小型空気清浄機による飛沫除去
挙動の評価とした。その結果、ボイセンベリーには蛍光性
AGEs 生成抑制作用および CMA 生成抑制作用が川崎技術支援部 材料解析グループ
落合 剛
大阪府立大学工学研究科
秋吉 優史

認められ、抗糖化作用があることが明らかとなった。また、ボイセンベリーに含まれるアントシア
ニン類が蛍光性 AGEs 生成抑制作用に関与していることが明らかとなった。

51

KISTEC研究報告2022

【抄録】

綿野 哲
掲載紙：エアロゾル研究, Vol.36, No.4,
pp.263-272(2021)
A small air cleaner with the visible-light-responding
photocatalyst was developed. This air cleaner is
specialized in removal of the splashed droplets whichflies between facing peoples to cope with various
infectious diseases. Photocatalyst of a tungsten trioxidesystem which response efficiently to visible-light was
sprayed on a conventional nonwoven fabric filter with avisible-light LED module and a silent type fan are
applied. The photocatalyst was excited by visible-lightto generate active oxygen that oxidizes and decompose
various organic matters. In this study, the physicalperformance of the air purifier was estimated, 1) theremoval action of splashed droplets from the oral cavity
with special motion-picture system, 2) evaluation of thetransmittance of droplets to the filter and 3) droplets
capture performance in a clean bench. Furthermore,
performance of the photocatalyst system was evaluatedby formaldehyde gas decomposition rate in a smallchamber. As a result, droplets of 5 micrometers or more
can be removed effectively by the small air purifier, and
it is considered that the virus contained in the droplets
caught by the filter will be inactivated with thephotocatalyst by degrees.

52

KISTEC研究報告2022

研究報告2022 目次【研究開発部】

有望シーズ展開事業「次世代機能性酸化物材料」プロジェクト◆ 総括･･････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

54◆ 新奇ペロブスカイト化合物Bi0.5Pb0.5FeO3の電荷分布の解明････････････････････････････････

57◆ PbVO3の圧力下巨大体積変化を活かした負熱膨張材料の設計と分域構造の観察･･･････････････

60◆ 業績･･････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

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KISTEC研究報告2022

【研究開発部】次世代機能性酸化物材料「次世代機能性酸化物材料」プロジェクト
プロジェクトリーダー

東正樹【基本構想】
全てのモノがインターネットにつながる IoT 社会の実現に向けて、電子デバイスの消費電力の低減や、環境負荷の小さい材料の開発が求められている。例えば 10 ㎝の鉄の棒は、温度が 1℃上がるごとに 1.2mmの熱膨張を起こす。小型・高密度化が進む現在の LSI のゲート幅は 10nm 以下であり、熱膨張の制御なしには精度を保つことができない。本プロジェクトでは、こうした熱歪みを吸収する「負」熱膨張材料のほか、低消費電力不揮発性メモリ材料につながる強磁性強誘電体や、風や振動から電気エネルギーを生む圧電発電のための非鉛圧電体などの、革新的な環境調和機能性材料に関する技術的シーズをさらに発展させていく。中でも負熱膨張材料については、企業との連携により安定な材料の供給ができる体制を整え、産業化への歩みを始めている。

１.

2021 年度の研究目的(2) 強磁性強誘電体の単一強誘電ドメイン化

プロジェクト 3 年目となる 2021 年度は、以下の各項目

引き続き、超低消費電力磁気メモリへの応用が期待できを重点項目として研究を行った。

る、電場印加で磁化反転が可能な室温強磁性強誘電体、BiFe0.9Co0.1O3 薄膜の単一強誘電ドメイン化を行う 2)。電子(1) 巨大負熱膨張材料高収率合成手法の開発
BiNi0.85Fe0.15O3 は 、 室 温 近 傍 で 既 存 材 料 の 5 倍 の技術部のドライエッチング装置使用の目処が立ったので、いよいよ BiFe0.9Co0.1O3 薄膜のエッチングでの微細加工に-187ppm/K の巨大な負熱膨張を示す 1)。日本材料技研によって試験的な工業生産が始まったこの巨大負熱膨張材料

よる単一ドメイン化に挑戦する。また、BiFe0.9Co0.1O3 薄膜
上への InSe ホールセンサーの形成を行う。

の生産コスト削減のため、酸化剤を不要とし収率の向上に繋がる、共沈法による前駆体作成手法を、工業的合成法として確立する。また、有望シーズで開発、特許申請した、温度履歴が抑制され、理想的な負熱膨張特性を持つ
Bi1-xSbxNiO3 についても、共沈法での前駆体作製を行い、工業化への道を拓く。新物質開発については、PbFeO3 に続き、Pb-3d 遷移金属で最後に残った PbMnO3 の電荷分布を解明する。また、10%もの巨大な体積収縮を示す PbVO3
ベースの負熱膨張材料において、低温相と高温相が共存するドメイン構造の解明を目指す。
これらに加えて、Ca2RuO4
焼結体の巨大負熱膨張のメカニズムを解明し、新負熱膨張
材料探索に展開する。

図 2：GdScO3 基板上の BiFe0.9Co0.1O3 薄膜の強誘電・強磁性ドメイン構造の観察。分極ドメイン像の色は、左の 8 つの<111>方向の分極に相当する。紙面奥から手前への分極反転（71°スイッチング）の前後で、磁気ドメインのコントラストが反転している。

(3)非鉛圧電体の研究
現状では 42pC/N に留まっている、(1-x)Na1/2Bi1/2VO3 xNa1/2Bi1/2TiO3 単斜相相の d33 を向上させる。これは絶縁性が低く、分極処理が不完全なためである。引き続き、V サ
イトへの Mn, Zn, Li の置換、さらには正方晶相の BaTiO3
や K1/2Bi1/2TiO3 の固溶による絶縁性の向上と、圧電特性の

図 1：BiNi0.85Fe0.15O3 の巨大負熱膨張向上を図る。これらはいずれも特許申請済みである。また、
Na1/2Bi1/2VO3 の薄膜化に挑戦する。

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【研究開発部】次世代機能性酸化物材料

２.

2021 年度の研究成果

以下に挙げるのは、
2021 年度の具体的な研究成果である。

こと、昇温すると、この結晶構造の歪みが徐々に解消する
ため、c 軸方向に伸長し、b 軸方向に収縮する異方的な熱(1) 巨 大 負 熱 膨 張 材 料 高 収 率 合 成 手 法 の 開 発膨張が起こることを明らかにした。材料組織を形成する針状の結晶粒は、長手方向が b 軸に対応しているため、昇温

BiNi0.85Fe0.15O3 の共沈法による前駆体調整については、原料である硝酸鉄に吸着した空気中の CO2 が反応することに伴って太鼓型に変形し、それによって結晶粒間の空隙が減少することで全体として大きく体積が収縮する。また、

で、炭酸ビスマスが生成してしまうことが問題であることが分かった。グローブバッグ内で作業することで、遠心分合成直後の材料は格子間位置に過剰な酸素を取り込んでおり、これが低温での選択的な電子軌道の占有と酸素 8 面離の代わりに濾過で脱水できることが判明し、技術移転に大きく前進した。BiNi0.85Fe0.15O3 に加えて動作温度の高い体の傾斜を阻害してることもわかった 4)。

BiNi0.90Fe0.10O3 をラインアップに加えるべく、日本材料技研がエチレングリコール法で調整した前駆体の評価を行い、問題なく負熱膨張材料が得られることを確認した。製品としての提供が始まり、さらなる販路拡大に繋がると期待される。
PbVO3 は、V4+の dxy 軌道秩序のために c/a=1.23 という強大な正方晶歪みを持つ PbTiO3 型化合物で、圧力を印加す
ると 11%もの体積減少を伴って立方晶の常誘電相に転移する。Pb を一部 Bi3+, La3+で置換して電子をドープすると昇温で転移が起こるようになり、負熱膨張物質化出来る事
を戦略シーズの成果として報告した。しかしながら、電子
ドープによって c/a 比が減少するため、室温近傍で負熱膨張を起こす Pb0.76La0.04Bi0.20VO3 では体積変化は 6.7%に減
少してしまう。これに対し、Pb2+を Sr2+で置換すると、c/aを減少させる事なく突然立方晶への変化が起こることを見いだし、Bi3+置換と組み合わせた Pb0.8Bi0.1Sr0.1VO3 で、図 4：（上）Ca2RuO4 の低温（左）と高温（右）の結晶構造。低温

9.3%の体積減少を伴う負熱膨張を実現した。さらに、電子顕微鏡観察と、ブラッグコヒーレントＸ線イメージングのびている。八面体が傾斜することでも c 軸（縦）方向に収縮して手法で、11%の体積差を持つ立方晶相と正方晶相の相境界、そしてドメイン構造を明らかにする事に成功した 3)。

方向に膨張、b 軸（横）方向に収縮する。
（下）結晶粒の異方的なでは dxy 軌道のみが 2 つの電子を持つため、酸素八面体が横に伸いる。昇温すると、これらの歪みが解消することで、c 軸（縦）熱膨張による材料組織の変化と負熱膨張の模式図。

PbMnO3 は、PbMO3（M：3d 遷移金属）で唯一その電荷分布が不明であった。第一原理計算、硬Ｘ線光電子分光、
放射光Ｘ線全散乱データ PDF 解析を組み合わせることで、
PbCrO3 同様、局所的には Pb2+と Pb4+が岩塩型に配列した、
Pb2+0.5Pb4+0.5Mn3+O3 の電荷分布を持つ事を明らかにした。
これにより、PbMO3 における系統的な電荷分布変化の全容が明らかになった。
図 3：Pb0.8Bi0.1Sr0.1VO3 の X 線回折パターンの温度変化(a)と、負熱膨張(b)

還元処理した層状ルテニウム酸化物 Ca2RuO4 の焼結体が、345K 以下の 200K に渡る温度範囲で 6.7%もの体積収縮を示す事が、平成 29 年に名古屋大学の竹中教授とKISTEC の酒井常勤研究員らによって発見されたが、そのメカニズムは不明であった。放射光を用いた精密な構造・電子状態解析と第一原理計算で、4 価のルテニウムが持つd 電子が、低温では横方向に張り出した dxy 軌道を優先的に占有するために、ルテニウムを囲む酸素 8 面体が縦に収縮しており、さらにそれらが互いに傾斜するために縦方向

図 5：硬Ｘ線光電子分光による PbMO3（M：3d 遷移金属）の系
統的な電荷分布の解明（c 軸方向）に縮み、横方向（b 軸方向）に伸長している

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【研究開発部】次世代機能性酸化物材料(2) 強磁性強誘電体の単一強誘電ドメイン化
NANOBIC と海老名の電子技術部の装置を併用して、ドSrTiO3 を成膜し、その上に InSb を成長させる事にも成功した。こちらでも±10 Oe の外部磁場の反転を検出出来て

ライエッチングによる BiFe0.9Co0.1O3 ナノドットの作製に成功した。BiFe0.9Co0.1O3 はエッチング耐性が高く微細加工

いる。
また、Co 以外の元素で Fe を置換する事で自発磁化を増に困難があったが、シリコンの深堀り反応性イオンエッチ
ング（DeepRIE）用に使用されるフォトレジストを用いる大させるために、Co が果たす役割を第一原理計算とモン
テカルロシミュレーションで調べ、Co3+が一部高スピン状ことで、数十 nm の深さの加工プロセスが実現できるように なっ た。図 6 に原子 間力 顕微 鏡によ って 観察した態になる事が鍵であるとわかった 6)。

BiFe0.9Co0.1O3 ナノドットの形状像を示す。直径 1.2−1.5μm程度のドット形状が規則的に整列している様子が見て取れる。また、この形状像から得られたドットの厚みは25−30 nm であった。
このナノドットに対して、圧電応答顕微鏡による強誘電ドメイン、ならびに磁気力顕微鏡による磁気ドメイン像の観察を試みたが、繰り返しスキャンをしていくと像が不明
瞭になり、信頼性のあるデータを取得することはできなかった。これは、微細加工プロセスの最中に形成される側壁防護膜（図 6 のナノドットの外縁に存在すると思われる）

図 7：STO 上に成膜した InSb 薄膜のホール抵抗の外部磁場依存や、レジストの残留物などが、測定中にプローブの探針に付着する影響と考えられる。

性(3)非鉛圧電体の研究
Na0.5Bi0.5VO3 薄膜の作製を開始した。Na の揮発に伴う組成ずれが激しいため、室温でのレーザーアブレーション後に加熱することで結晶化させる、固相エピタキシー法を取り入れている。一方で、分極回転メカニズムを持つ
BiFe1-xCoxO3 薄膜の電場印加による構造変化を、韓国のグループと共同で、放射光Ｘ線を用いて観察することに成功した。また、同様の構造を持つ BiFe1-xGaxO3 薄膜は、配向を変化させて、分極回転の余地を大きくすることで、圧電特性が 1.6 倍にも増大することを明らかにした 7)。

図 6：ドライエッチングで作製した BiFe0.9Co0.1O3 ナノドットのAFM 像

上記のように、BiFe0.9Co0.1O3 のナノドット形状による単一強誘電ドメイン化が進行しているため、今後の電場印加
磁化反転の特性評価を見据えて、磁化反転を電気的に検出するホール素子材料の作成に着手した。まず BiFe0.9Co0.1O3
薄膜の弱強磁性が表面近傍につくる磁場の強さを見積もると、およそ 10mT と算出された。この磁場を検出するた
めには、移動度にして 103−104 cm2V-1s-1 の材料が必要であると予想された。そこで、現存する市販のホール素子でもっとも感度が高い材料であるインジウムアンチモン InSb

図 8：BiFe1-xCoxO3 薄膜の配向と圧電応答（移動度＞30000 cm2 V-1s-1）を、BiFe0.9Co0.1O3 の成膜プロセスに組み込めるように、パルスレーザー堆積法で合成す【参考文献】

ることを試みた。基板には、SrTiO3(001)と GdScO3(110)を選定した。基板温度や成膜速度などの検討を行い、いずれ

1. K. Nabetani et al., Appl. Phys. Lett., 106, 061912 (2015).
2. K. Shimizu et al., Nano Lett., 19, 1767 (2019).

の基板上でも InSb のエピタキシャル成長が確認された。
面内配向を調べるために X 線回折のφスキャンを行った

3. T. Nishikubo, submitted.
4. L. Hu et al., Chem. Mater., 33, 7665 (2021).

ところ、六方晶 InSb が互いに 30°回転したダブルドメイ
ンをもつ薄膜であることがわかった。これらの InSb 薄膜

5. K. Lee et al., J. Jpn. Appl. Phys., 61 080902 (2022).
6. K. Lee et al, Phys. Rev. Mater., 6, 064401 (2022).

に対して、外部磁場±1 Oe 下のホール抵抗の変化を検証したところ、磁場の反転によって符合が変化することを確認

7. K. Shimizu et al., ACS Appl. Electron. Mater., 3, 4459
(2021).

した。さらに、BiFe0.9Co0.1O3 薄膜上にバッファー層として

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KISTEC研究報告2022

【研究開発部】次世代機能性酸化物材料

新奇ペロブスカイト化合物 Bi0.5Pb0.5FeO3 の電荷分布の解明「次世代機能性酸化物材料」プロジェクト
酒井 雄樹
1.

はじめに

熱膨張が発現することが多いことから、電荷自由度の観点

ビスマスや鉛は典型元素であるが、6s0(Bi5+ 、Pb4+)と
2
6s (Bi3+、Pb2+)の電子配置を取り、その間の 6s1(Bi4+、Pb3+)

からも興味深い物質群である。
我々のグループは近年、電荷自由度を有するビスマスとの電子配置を取らないバレンススキッパーと呼ばれる電荷の自由度をもつ。ペロブスカイト構造の A サイトをビ

鉛を 1:1 の割合で固溶させた Bi0.5Pb0.5MO3 では、ビスマスと鉛の両方に価数変化の可能性があることから、BiMO3 とスマスや鉛が、B サイトを 3d 遷移金属が占有する、ビス
マス・鉛含有ペロブスカイト酸化物では、ビスマスや鉛のPbMO3 よりもさらに複雑な結晶構造や電荷分布を取りう
るのではと考え、これらの物質の結晶構造及び電荷分布に

6s 軌道、遷移金属の 3d 軌道、酸素の 2p 軌道のエネルギ
ー準位が互いに近いことから、ビスマスや鉛と遷移金属の関 す る 研 究 を 進 め て い る 。 M = Mn に つ い て は 、La0.5Ca0.5MnO3 と同様、平均 3.5 価の Mn が 3+と 4+に秩序エネルギー準位差に応じて、さまざまな電荷分布が発現する。我々のグループはこれまで、A サイトにビスマスや鉛化しており、CE 型の電荷‧軌道‧磁気秩序を持つことを 6)、
M = Ni では Bi が電荷不均化した Bi3+0.25Bi5+0.25Pb4+0.5NiO3を単独で含む、BiMO3 及び PbMO3 (M：3d 遷移金属)の結晶構造と電荷分布を、放射光 X 線回折と硬 X 線光電子分の電荷分布を取ること 7)をこれまで報告してきた。今回
我々は、新たに Bi0.5Pb0.5FeO3 の合成に成功し、放射光を利光、X 線吸収分光等により系統的に調べ、これらの物質が周期表に沿った電荷分布変化を示すことを明らかにして用した回折及び分光手法により、結晶構造及び電荷分布を明らかにした。この結果により、Mn から Ni に及ぶ、

きた 1)。BiMO3 は、M が Cr から Co までは Bi3+M3+O3 の価数状態を取り、BiNiO3 では Bi が 3+と 5+に電荷秩序したBi0.5Pb0.5MO3 の系統的な電荷分布変化が明らかになったので、その研究結果について報告する。

Bi3+0.5Bi5+0.5M2+O3 という特徴的な電荷分布へと変わる。
BiMO3 に現れる電荷分布はこの二通りだけだが，PbMO3 は2.

さらに複雑な電荷分布の変化を示す。Pb の価数は、M がTi 及び V では 2 価(Pb2+M4+O3)、Cr 及び Fe では 2 価と 4

Bi0.5Pb0.5FeO3 多結晶体は、6 万気圧・1000℃の高温高圧条件下で 30 分熱処理することで作成した。図１に放射光価に不均化した平均 3 価(Pb2+0.5Pb4+0.5M3+O3)、Co では Pb2+と Pb4+ が 1:3 で 電 荷 秩 序 し た 平 均 3.5 価

X 線回折パターンのリートベルト解析結果を示す。リート
ベルト解析と第二次高調波発生測定の結果から、(Pb2+Pb4+3Co2+0.5Co3+0.5O3)、Ni では 4 価(Pb4+Ni2+O3)をとる。
このように BiMO3 と PbMO3 では、元素周期表を右に進む、

Bi0.5Pb0.5FeO3 はペロブスカイト基本格子の[001]PC 方向に沿った反位相の酸素八面体のチルト(a0a0c-)を有する、空間

つまり遷移金属の d レベルが深くなるにつれて、遷移金属の価数が減少し、ビスマスや鉛の価数は増加する。

群 I4/mcm の非極性の正方晶構造を取ることが明らかになった（図２）。この構造では、ビスマスと鉛が占有する A

このような電荷分布の変化は，遷移金属の種類を変えるだけではなく、温度や圧力印加によっても起こすことが可

サイトと鉄が占有する B サイトが結晶学的にそれぞれ単一のサイトしか持ちえないことから、ビスマスと鉛の秩序能である。BiNiO3 を加圧すると Bi と Ni の間で電荷移動が起き(Bi3+0.5Bi5+0.5Ni2+O3 → Bi3+Ni3+O3)、格子の収縮を伴

配列や鉄の電荷秩序などは長距離的には存在しない。しかし、リートベルト解析によって精密化された異方性原子変った金属絶縁体転移を示す 2)。 我々のグループは、Bi の一部を 3 価のランタノイドイオン 3)や Sb3+に 4)、Ni の一部

位パラメーターを反映させた酸素イオンは、O1 サイトは
[001]PC 方向に、O2 サイトが[100]PC と[010]PC 方向(I4/mcm

を Fe3+で置換することで 5)、Bi3+Ni3+O3 の電荷分布を安定化させ、体積収縮を伴う温度誘起の電荷移動、つまり温め格子での[110]T 方向)に大きな伸びた形状をしており、[100]PC と[010]PC 方向に沿った八面体のチルトが局所的にると収縮する負の熱膨張を発現させることに成功した。室
温 近 傍 で -187ppm/K と 大 き な 負 熱 膨 張 率 を 示 す 、は存在していることを示唆している。このような局所的な構造歪みはビスマスや鉛を含むペロブスカイト型酸化物

BiNi0.85Fe0.15O3 に関しては、日本材料技研のもとで試験的な工業生産が既に始まっており、樹脂コンポジット材料なで多くみられ、ビスマスが 3 価と 5 価に電荷秩序している
BiNiO3 では、ビスマスサイトを鉛で一部置換すると、鉛がどの熱膨張抑制用フィラーやスイッチング材料、センサー
材料としての利用が期待されている。ビスマスや鉛のペロ

ビスマスの長距離秩序を阻害するため、局所構造歪みを伴う 短 距 離 秩 序 へ と 変 わ る こ と が 知 ら れ て い る 8) 。

ブスカイト酸化物は、6s2 孤立電子対の立体障害効果に注目した、強誘電体としての研究が盛んに行われきたが、電Bi0.5Pb0.5FeO3 の局所構造歪みも、ビスマスと鉛の短距離秩序に起因するものだと考えられ、A サイトイオンと B サ

荷分布が変化する際には、超伝導や巨大磁気抵抗効果、負イトイオンともに平均構造的には単一のサイトしか持た

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実験方法と結果

KISTEC研究報告2022

ないが、局所的には環境が異なる複数のサイトを有していいる。また、内側に少し裾を引くようなピークブロードニ

ると思われる。また、結合長と配位数から価数を見積もる
ボンドバレンスサム計算の結果は、鉄の価数が 3 価である

ングは、鉄の局所環境に磁気的な乱れが生じていることを示唆しており、結晶構造解析の箇所で述べた局所構造乱れ

ことを示唆しており、前述したバレンススキッパーという特徴により鉛は 3 価を取れないため、Bi0.5Pb0.5FeO3 は鉛がの存在と整合している。また、磁化曲線と磁化率測定の結果から（図 4）
、Bi0.5Pb0.5FeO3 はスピン傾角に起因する弱い

2 価と 4 価に電荷秩序した Bi3+0.5Pb2+0.25Pb4+0.25Fe3+O3 といった電荷分布を取っていると予測できる。そこで、次に強磁性成分を持つ反強磁性体であること、磁気転移温度は400 K 以上であることが明らかになった。
（250 K 付近で見

57Feられるキンクは、不純物相である α-Fe2O3 のモーリン転移に由来する。
）

メスバウバー分光法による鉄の価数状態とスピン状態の、硬 X 線光電子分光によるビスマスと鉛の電荷分布の直接観察を行った。

図 1：Bi0.5Pb0.5FeO3 の放射光 X 線回折データのリートベルト解析結果。

図 3：Bi0.5Pb0.5FeO3 のメスバウアー分光スペクトル。磁気分裂した６本のピークは、室温でも磁気秩序を持つことを、アイソ
マーシフトの値は、鉄が 3 価の高スピン状態であることを示している。

図 2：Bi0.5Pb0.5FeO3 の結晶構造。平均構造的には、[001]PC 方向に沿った反位相の酸素八面体のチルト(赤矢印)しか存在しないが、異方性原子変位パラメーターを反映した酸素イオンの形状
は、局所的な[100]PC と[010]PC 方向のチルト(青矢印)の存在を示唆している。
図 4：Bi0.5Pb0.5FeO3 の磁化率の温度依存性と磁化曲線(挿入図)。

図 3 は室温でのメスバウアー分光スペクトルを示している。主成分は磁気分裂した 6 本のピークで構成されてい磁場中冷却と零磁場冷却時での磁化率の値のズレは、400 K まで磁気秩序が安定であることを示している。

ることから、Bi0.5Pb0.5FeO3 は室温でも磁気秩序を有していることが明らかになった。また、スペクトル全体の重心位置の原点からのズレを示す、アイソマーシフトの値は鉄の価数とスピン状態を反映しており、今回得られた 0.4 mm/sという値は鉄が 3 価の高スピン状態であることを示して

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KISTEC研究報告2022

【研究開発部】次世代機能性酸化物材料

図 5 は、Bi0.5Pb0.5FeO3 と、ビスマス及び鉛のそれぞれの価数状態のレファレンス試料の硬 X 線光電子分光スペク
トルを示している。ビスマスのスペクトルは、BiFeO3 同様にビスマス 3 価 1 成分から成り立っていることから、3 価であることがわかる。一方、鉛のスペクトルは、2 価と 4
価の 2 つの成分から構成されており、ピーク面積比から、2 価と 4 価の割合はおおよそ 1:1 であることも分かった。
したがって、結晶構造解析から予測されていたように、
Bi0.5Pb0.5FeO3 は 鉛 が 2 価 と 4 価 に 電 荷 不 均 化 し た
Bi3+0.5Pb2+0.25Pb4+0.25Fe3+O3 の特異的な電荷分布を取っていることが明らかになった。
局所的な構造乱れも、Bi3+と Pb2+、
Pb4+といった、価数もイオンサイズも異なる 3 つのイオンが同一の A サイトを占有しているからだと考えると、う

図 6：Bi0.5Pb0.5MO3 の系統的な電荷分布変化。

【参考文献】

まく説明することができる。

1. M. Azuma et al., Annu. Rev. Mater. Res., 51, 329-349(2021).
2.

M. Azuma et al., J. Am. Chem. Soc., 129(46), 14433–
14436(2007).

3.
4.

K. Oka et al., Appl. Phys. Lett., 103(6), 061909 (2013).
T. Nishikubo et al., Appl. Phys. Express, 11(6),5.

061102(2018).
K. Nabetani et al., Appl. Phys. Lett.,106(6), 061912(2015).

6.

S. Wakazaki et al., Inorg. Chem., 59(18), 13390–
13397(2020).

7.
8.

Y. Sakai et al., Chem. Mater., 31(13), 4748–4758(2019).
K. Nakano et al.. Chem. Mater. 28(17), 6062–6067(2016).

図 5：Bi0.5Pb0.5FeO3 の硬 X 線光電子分光スペクトル。ビスマス
は 3 価、鉛は 2 価と 4 価に 1:1 で電荷不均化した平均価数３価であることを示している。

3.

考察及び今後の展望

本研究では、放射光を用いた回折及び分光実験により、電荷の自由度を有するビスマスと鉛を同時に含んだ、新規
ペロブスカイト型酸化物 Bi0.5Pb0.5FeO3 の結晶構造及び電荷分布の解明に成功した。Bi0.5Pb0.5FeO3 は鉛が電荷不均化した Bi3+0.5Pb2+0.25Pb4+0.25Fe3+O3 といった特異的な電荷分布を取り、スピン傾角による弱い強磁性成分を持つ反強磁性体であることが明らかになった。本研究結果により、Bi0.5Pb0.5MO3 の電荷分布は、Mn から Fe そして Ni へと、
周期表を左から右に行くにかけて(遷移金属の d レベルが深くなるにつれ)、遷移金属の価数は 3.5 価から 3 価、2 価と系統的に変化していくとこが明らかになった。また、ビスマスと鉛の電子配置に注目すると、鉛の方がビスマスより先に 6s2(Pb2+)から 6s0(Pb4+)へと変化することも分かった（図 6）。電荷不均化した系では、BiNiO3 同様に化学置換による電荷移動型の負熱膨張の発現が期待される。そこで、今後は Bi0.5Pb0.5FeO3 の負熱膨張化を目指していく。

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KISTEC研究報告2022

【研究開発部】次世代機能性酸化物材料

PbVO3 の圧力下巨大体積変化を活かした
負熱膨張材料の設計と分域構造の観察「次世代機能性酸化物材料」プロジェクト
西久保 匠
1.

この電子ドープは c/a の低下を招くことから体積変化量のはじめに航空宇宙分野など温度幅の広い環境下で用いられる材料や、半導体製造など小さな変位でも致命的となるような減少を伴うものである。そこで本研究では、Pb2+や Bi3+の持つ 6s2 孤立電子対の量を調節することで大きな c/a を保分野では、熱膨張による位置決めのずれや、異種接合界面の剥離が大きな問題となる。そのため、熱膨張を制御する

ちつつ温度誘起相転移を狙い、巨大な体積変化を伴う負熱膨張物質の設計を図った。このように設計された技術が求められており、多くの研究がなされている。この
熱膨張抑制技術の一つとして、負熱膨張物質の利用がある。

Pb0.8Bi0.1Sr0.1VO3 において、低温相と高温相の体積差が高圧下での体積収縮に匹敵する-11.1%となる負熱膨張を実構造材料と混合することで熱膨張の抑制・制御ができる負熱膨張材料は様々な産業分野での応用が期待されている 1。

現した。さらに 10%以上の巨大な体積差を持つ 2 相の共存状態の観察を、高角散乱環状暗視野走査透過電子顕微鏡

負熱膨張という物性は実は身近なものである。例えば、水の固相である氷が水面に浮くことは、液相よりも固相の密観察(HAADF-STEM)と Bragg コヒーレント X 線回折イメージング(Bragg-CDI)により初めて成功した。

度が低く、固相から液相に相転移する際に負熱膨張を伴うことを表している。既に応用されている負熱膨張物質としては、ガラスの熱膨張を補償している β-ユークリプタイトなどが挙げられる 2。この数十年で多くの負熱膨張材料が

2. 実験と結果(1) 電子ドープおよび孤立電子対低減の寄与
V4+へ電子ドープした Pb1-xBixVO3、Pb2+の持つ 6s2 孤報告されており、特にペロブスカイト構造とその関連構造（逆ペロブスカイト、ルドルスデン・ポッパー型層状ペロおよび両者の寄与を
立電子対の量を低減した Pb1-xSrxVO3、併せ持つ Pb1-xLaxVO3 は、キュービックアンビル型高圧装ブスカイト、ReO3 型構造など）を持つ化合物が挙げられる。これらは、強誘電体から常誘電体への転移、金属間電置を用いて 8 万気圧・1200℃の高温高圧条件で合成した。
図 1(a)-(c)に放射光 X 線回折パターンの組成依存を、 (d)荷移動、磁気体積効果、軌道秩序転移、フレキシブルネッ
トワークなど、多種多様な負熱膨張の起源を有している 3–には正方晶と立方晶の結晶構造を示す。
電子ドープした Bi置換試料では、極性正方晶相の 001 と 100 のピークの分裂7。中でも近年注目されているのは、相転移による大きな

体積変化を利用した材料である。相転移型負熱膨張では、が置換度の増加とともに減少し、c/a 比が減少していることを示している。c/a 比は Bi 置換で 1.23 から 1.07 に減少

低温相と高温相の体積変化量は母物質によって決まっているため、転移温度幅と熱膨張係数はトレードオフの関係

し、x =0.3 以上で飽和している。x =0.3 付近から微量の不純物ピークが現れ始め、x =0.4 でさらに大きくなることかとなる。そこで、体積変化量が大きい母物質を選んで、化学置換で相転移温度を調整することになるが、この際、一ら、x =0.3 付近が溶解限界であることがわかる。0 ≤ x ≤ 0.4
では立方晶相への転移は見られなかった。Bi 置換と同様

般に体積変化量の減少を伴ってしまう。本研究では、圧力下で極性-非極性相転移によって体積の減少を示すペロブに電子をドープしながら 6s2 孤立電子対の量を減らす La3+
置換では、Bi 置換と同様に c/a が減少していることがわか

スカイト酸化物 PbVO3 に着目し、最適なドープを施すことで巨大な体積変化量を持つ負熱膨張物質を設計した。高る。一方で、Sr2+ 置換の場合、001 ピークと 100 ピークの
位置はほとんど変わらず、x =0.18 で PbVO3 の高圧安定相

圧高温下で合成されるペロブスカイト型化合物 PbVO3 は、
Pb2+の 6s2 孤立電子対の立体障害効果および d1 電子配置をである立方相への相転移が急激に起こることが確認された。これらのことから、PbVO3 の c/a は電子ドープ量によ持つ V4+による Jahn-Teller 効果により c/a ~1.23 という巨
大な正方晶歪みをもち、高圧下で-10.6%という非常に大きって支配され、6s2 孤立電子対の量は相転移温度を低下させると考えられる。

な体積減少を伴う極性正方晶（P4mm）から非極性立方晶（Pm-3m）への構造相転移を示す 8–10。Pb2+サイトへの Bi3+置換により V4+への電子ドープを行うことで、常圧下での昇温での負熱膨張を伴う構造相転移が観測され、さらにBi3+, La3+の両置換により、負熱膨張の動作温度を室温域まで低減可能であることが報告されている 11。しかしながら、

60

KISTEC研究報告2022

【研究開発部】次世代機能性酸化物材料

緑破線で示した刃状転移の余剰半面は 11 セルに 1 個の周期で見られる。

図 2：Pb0.82Sr0.18VO3 の HAADF-STEM 像。(a)正方晶-正方晶境界、
図 1：(a-c)Pb1-xMxVO3 (M=Bi, La, Sr)の放射光 XRD パターン。

(b)90°ドメイン付近の拡大図、(c)正方晶-立方晶境界、 (d,e)領域 d(d)正方晶(上図)と立方晶(下図)の結晶構造。(e)c/a 比の組成変化と e での FFT パターン、(f)正方晶-立方晶境界付近の拡大図。黄色は正方晶、赤は立方晶の Pb 原子位置、緑の破線は余剰半面を(2) HAADF-STEM によるドメイン境界の観察示す。

上述の通り Sr 置換した試料では 001 と 100 のピークの位置はほとんど変わらず、x =0.18 で正方晶から立方晶へ(3) Bragg-CDI による粒子内サブミクロンドメインの観察の転移が起こった。この系では、温度による相転移は観察されなかったため、この温度的に安定な二相共存状態を利Bragg-CDI はサブミクロンサイズの粒子内のドメイン
構造を 3 次元的に可視化する強力な手法である 12,13。孤立

用して、HAADF-STEM による原子分解能でのドメイン境界の観察を行った。ターゲット物質として、68%が正方晶、32%が立方晶の Pb0.82Sr0.18VO3 を選択した。図 2(a) に示す
HAADF-STEM 像には、相境界のような構造が確認できる。
この領域の拡大図を図 4(b)に示す。黄色の丸で示した Pb（Sr）原子の距離は矢印に沿って 0.45 nm であり、これが粒子内のドメイン構造を調べるために本手法を採用した。
図 3 (a)は、立方晶 200c の 3 次元ブラッグ回折パターンを観察したものである。ブラッグ位置から散乱ベクトル Q200に垂直に伸びる筋状のテールは、Q200 に垂直な法線ベクトルを持つ界面の存在を、ストリーク状のスポットの間隔
0.0045 nm-1 は、粒子外径 が 220 nm であることを示して正方晶相の c 軸方向であることがわかる。赤の破線は 90度ドメインの境界を示している。一方、図 2(c)では同一のいる。これは図 3(d)に示した位相回復像のサイズと一致する。図 3(b)は、図 3(a)の断面高速フーリエ変換（FFT）像

視野内に正方晶相と立方晶相の両方が存在している。図2(d)および(e)に示す、図 2(c)の領域 d および e のフーリエである。FFT 像は粒子画像の自己相関関数に相当するため、
図 3(c)に模式的に示すように、縦縞は複数の界面が平行に変換像から、領域 d は a =0.37 nm、c =0.45 nm の正方晶相、領域 e は a =c =0.38 nm の立方晶相であり、これらの格子

存在していることを示している。前述の HAADF-STEM 像
は、Q200 方向に対応している。図 3(d)は、図 3(a)のデータ

定数は、放射光 X 線回折（SXRD）データのリートベルト
解析の結果とよく一致する。観察された立方体状の相はを用いて位相差計算を行い、粒子の三次元像を再構成したものである。内部の等密度面は、立方晶 200 の反射密度が001 方向から見た正方晶相である可能性もあるが、正方晶-正方晶ドメインは前述のように 90°ドメインを形成した

高い領域を示している。図 3(e)、(f)に示す Bragg-CDI 像の断面図は、
図 3(c)に示すように、011-接続界面と平行で Q200方が安定なので、正方晶-立方晶の境界が観察されたと結論づけられる。図 2（f）に示すドメイン境界の拡大図から、方向と垂直な方向から見たものである。図 5（d）の水平面
における立方晶 200 の反射密度をプロットしたものが図

正方晶相と立方晶相は{110}面を共有して境界を接しているが、{101}T 面と{110}C 面の間隔はそれぞれ 0.291nm と3(e)である。立方晶と正方晶が滑らかに接続するためには、
弾性エネルギーが最小となる{110}接続となると考えられ0.262nm で 10%の差があり、10 間隔ごとに欠陥が導入されてミスマッチが緩和されていると推測される。図 2(f)のる 14。また、立方晶密度の高い領域に挟まれた立方晶密度61

KISTEC研究報告2022

【研究開発部】次世代機能性酸化物材料の低い領域は、他の相、すなわち正方晶で満たされている

PbVO3 の圧力誘起体積収縮の 10.6%に匹敵する値となっと考えるのが妥当である。図 3(f)は断面位相像を示しており、位相変化が大きいことが境界部にひずみがあることをた。結晶学的な体積変化量は 9.3%と 8.4%に達し、相転移型負熱膨張材料の中で最も大きいものである。HAADF-

示している。相変化の縞模様は垂直であり、図 3(e)の点線で囲った立方晶密度の高い部分と重ね合わせると位相差

STEM と Bragg-CDI 観察により、1 つの結晶粒の中に正方晶と立方晶のドメインが共存していることが確認されの大きい部分が 2 相の境界に対応することから、この位相差は正方晶-立方晶間のひずみによるものであるとわかる。

たことから、加熱/冷却サイクルを繰り返すことでドメイン構造が変化し，温度ヒステリシスが抑制されると考えられる。そこで、Pb0.775Bi0.125Sr0.1VO3 について、5 回の加熱冷却サイクルの XRD パターンの温度変化を測定した。大きな体積収縮は維持され、温度ヒステリシスは 5 回目の温度サイクルで 200 K から 150 K に減少することがわかった(図 4(d))。

図 3：Pb0.82Sr0.18VO3 の Bragg-CDI (a)回折パターンと(b) FFT像。(c)立方晶-正方晶界面の模式図。(d)粒子の位相回復 3D 像。
図 4：Pb0.8Bi0.1Sr0.1VO3 (a) と Pb0.775Bi0.125Sr0.1VO3 (b) の 110T、101T、(e)(c)で示した段面における立方晶 200 反射密度。(f)(e)と同一面

110C 付近での放射光 XRD パターンの温度変化。Pb0.8Bi0.1Sr0.1VO3での位相像。

(c)と Pb0.775Bi0.125Sr0.1VO3 (d)のユニットセル体積の温度依存。青(4) 11.1%の体積変化量を持つ巨大負熱膨張物質の設計

は正方晶、赤は立方晶、黒は加重平均を示す。Pb0.775Bi0.125Sr0.1VO3は緑で示す 5 回目の加熱/冷却サイクルも合わせてプロットしてPb1-xBixVO3 と Pb1-xLaxVO3 では、置換に伴う電子ドーピいる。

ングが起こり、置換量の増加とともに c/a 比が大きく減少
する一方で、
6s2 孤立電子対の量が減少するのみである Pb1-

3.

考察及び今後の展望で述べたように，c/a 比が小さいと正味の体積収縮率

本研究では d1 電子配置に起因する dxy 軌道秩序による大きな正方晶歪み（c/a =1.23）を持つ PbVO3 に対して、電(ΔV/V) が小さくなるため、大きな負熱膨張を実現するには大きな c/a 比が必要である。大きな体積収縮率を保ちつ

子ドープと 6s2 孤立電子対の減少の影響を明らかにし、巨大な体積変化量をもつ負熱膨張物質を設計した。電子ドー

xSrxVO3 では、c/a 比の減少は無視できる程度である。冒頭

プは c/a 比を減少させ、6s2 孤立電子対の提言は立方晶相への転移を誘起することが判明し、これらの知見から、

つ負熱膨張を実現するために、c/a が大きく、温度誘起相
転移のない Pb0.9Bi0.1VO3 と Pb0.875Bi0.125VO3 を選択し、Pb

9.3%の巨大な体積収縮を伴う負熱膨張を実現した。さらに10%以上の巨大な体積差を持つ 2 相の共存状態の観察を、の Sr 置換により正方晶相の不安定化を図った。このように設計された Pb0.8Bi0.1Sr0.1VO3 と Pb0.775Bi0.125Sr0.1VO3 は
図 4(a), (b)に示すように加熱により 2 相が共存して立方晶相へ一次相転移し、相分割率で重み付けした平均単位胞体

HAADF-STEM と Bragg-CDI により初めて成功した。これ
らの知見は、新しい巨大な負熱膨張材料の設計に道を開く

積は大きな体積収縮を示している。特に、Pb0.8Bi0.1Sr0.1VO3と Pb0.775Bi0.125Sr0.1VO3 では、同じ温度での低温相と高温相ものである。
今後は温度変化によるドメイン構造の変化と、それが特性にどのように寄与するかを詳細に調査するこの体積差はそれぞれ 11.1%と 10.8%と非常に大きく、とが求められる。

62

KISTEC研究報告2022

【研究開発部】次世代機能性酸化物材料

Transition. Phys. Rev. B 1991, 44 (1), 5–12.

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63

KISTEC研究報告2022

【研究開発部】次世代機能性酸化物材料

業績
Vanadium Perovskite Oxyhydrides、Inorganic Chemistry（Vol.60 No.20）、(2021)【原著論文】
1.

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Haruki Shimizu、Keisuke Shimizu and Masaki Azuma、Stabilization of correlated ferroelectric and ferromagnetic

2.

8.

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Takahiro Ogata、Yuki Sakai、 Takumi Nishikubo、

utilizing trailing fields、Applied Physics Express（Vol.15 No.2）、(2022)

Takashi Mizokawa、 Masaichiro Mizumaki、 Koomok
Lee、 Qiumin Liu and Masaki Azuma、Intermetallic

3.

9.

Shogo Wakazaki、Liu Qiumin, Randy Jalem, Takumi

Charge Transfer in V-Substituted PbCrO3、Inorganic
Chemistry（Vol.60 No.13）、(2021)

Nishikubo, Yuki Sakai, Naoki Matsui, Guowei Zhao,
Kota Suzuki, Kei Shigematsu, Takafumi Yamamoto,

Masaki Azuma、Hajime Hojo、Kengo Oka、Hajime

Ryoji Kanno, Hena Das, Yoshitaka Tateyama and Masaki
Azuma、High-Pressure Synthesis and Lithium Ionic

Yamamoto、Keisuke Shimizu、Kei Shigematsu、Yuki
Sakai、Functional Transition Metal Perovskite Oxides

Conduction of Li4OBr2 Derivatives with a Layered
Inverse-Perovskite Structure、Chemistry of Material

with 6s2 Lone Pair Activity Stabilized by High-Pressure
Synthesis、Annual Review of Materials Research（Vol.33 No.23）、(2021)10.

（Vol.51）、(2021)
4.

Takuma Itoh、Marin Katsumata、 Kei Shigematsu、

domain structures in BiFe0.9Co0.1O3 films、Applied
Physics Letters（Vol.119）、(2021)

Zhao Pan、Takehiro Koike、 Takumi Nishikubo、 Lei
Hu、 Qiumin Liu、 Yuki Sakai、 Shogo Kawaguchi、Keisuke Shimizu、Hajime Hojo and Masaki Azuma、Enhanced Piezoelectric Response in Orientation-

Masaki Azuma、Realization of Negative Thermal
Expansion in Lead-Free Bi0.5K0.5VO3 by the Suppression

Controlled BiFe1-xGaxO3 Thin Films with Polarization
Rotation、ACS Applied Electronic Materials（Vol.3

of Tetragonality、Inorganic Chemistry（Vol.61
No.28）、(2022)

No.10）、(2021)11.
5.

6.

Lei Hu、Yingcai Zhu、 Yue-wen Fang、 Masayuki
Fukuda、Takumi Nishikubo、Zhao Pan、Yuki Sakai、Sahle、 Cheng Dong、 Hajime Hojo、 Yuki Sakai、Jun Zhang、 Wenmin Li、 Lei Duan、 Ting-Shan

Shogo Kawaguchi、Hena Das、Akihiko Machida、Tetsu Watanuki、Shigeo Mori、Koshi Takenaka andChan、 Chien-Te Chen、 Johannes Falke、 Cheng-En
Liu、 Chang-Yang Kuo、 Zheng Deng、 Xiancheng

Masaki Azuma、Origin and Absence of Giant Negative
Thermal Expansion in Reduced and Oxidized Ca2RuO4、Wang、 Richeng Yu、 Runze Yu、 Zhiwei Hu、Martha Greenblatt、 Changqing Jin、Magnetic

Chemistry of Materials（Vol.33 No.19）、(2021)

Ordering and Structural Transition in the Ordered
Double-Perovskite Pb2NiMoO6、Chemistry of Materials

Hajime Yamamoto、Haruna Aizawa、 Ikuya Yamada、
Kaoru Toda、 Atsushi Tanaka、 Masaki Azuma、（Vol.34 No.1）、(2022)

Yuki Sakai、 Takumi Nishikubo and Hiroyuki Kimura、
Crystal Structures and Electronic States of High-7.

Jianfa Zhao、Xiao Wang、 Xi Shen、 Christoph J

12.

Zhao Pan、Yue-Wen Fang、 Takumi Nishikubo、 Lei
Hu、 Shogo Kawaguchi、 Masaki Azuma、Tolerance

Pressure-Synthesized (1-x)PbVO3-xBiCrO3 Solid
Solutions、Journal of Asian Ceramic Societies（Vol.9

Factor Control of Tetragonality and Negative
ThermalExpansion in PbTiO3‑Based Ferroelectrics、

No.3）、(2021)

Chemistry of Materials、[Online early access] DOI:
10.1021/acs.chemmater.2c00076、(2022)

Kazumasa Miyazaki、Masayuki Ochi、 Takumi
Nishikubo、 Jinya Suzuki、 Takashi Saito、 Takashi【口頭発表】Kamiyama、 Kazuhiko Kuroki、 Takafumi
Yamamoto、 and Masaki Azuma、High-Pressure and1.

High-Temperature Synthesis of Anion-Disordered

Kei Shigematsu、Masaki Azuma、Direct Observation ofMagnetization Reversal by Polarization Switching in
Multiferroic Cobalt-Substituted Bismuth Ferrite Thin

64

KISTEC研究報告2022

【研究開発部】次世代機能性酸化物材料

Film、8th International Congress on Ceramics(ICC8)、12.

2021 年 4 月 25 日
2.

相転移と負熱膨張、第 62 回高圧討論会、2021 年 10
月 20 日

Takuma Itoh、Marin Katsumata、Kei Shigematsu、
Masaki Azuma、Control of ferromagnetic andferroelectric domains in BiFe0.9Co0.1O3 thin films byutilizing trailing fields、International Symposium on

3.

13.

チフェロイック BiFe0.9Co0.1O3 薄膜における trailingfield を用いた強誘電性・強磁性ストライプドメイン

Lei Hu、Koshi Takenaka 、 Masaki Azuma、Origin

形成と制御、粉体粉末冶金 2021 年度秋季大会、
2021 年 11 月 9 日
14.

啓佑、山本 一理、Nikoleav Sergey、Hena Das、室温
フェリ磁性体四重ペロブスカイト CeCu3Mn4O12 薄膜

Masaki Azuma、Giant Negative Thermal Expansionの垂直磁化、粉体粉末冶金 2021 年度秋季大会、
2021 年 11 月 9 日
15.

Research(ACHPR-10)、2021 年 11 月 23 日
Kei Shigematsu、Keita Ozawa、 Marin Katsumata、
Masaki Azuma、Observation of ferroelectric and

16.

8.

研吾、 山本孟、 酒井雄樹、巨大

西久保 匠、酒井 雄樹、Lalitha K.V.、Jürgen Rödel、
東 正樹、分極・歪みによる BiInO3-BiZn1/2Ti1/2O3 の負熱膨張と強弾性の制御、日本結晶学会令和 3 年度

RESEARCH MEETING(MRM)2021、2021 年 12 月 15日

年会、2021 年 11 月 20 日

東正樹、Co 置換 BiFeO3 薄膜における電場印加磁化

酒井雄樹、松野夏奈、西久保匠、森茂生、中島宏、
久留島康輔、町田晃彦、綿貫徹、東正樹、PbCrO3の立方晶―立方晶転移における局所構造の変化、日本結晶学会令和 3 年度年会、2021 年 11 月 19 日

伊藤拓真、勝俣 真綸、重松 圭、東 正樹、強誘電性・強磁性が共存する BiFe0.9Co0.1O3 薄膜の trailing18.

鈴木仁哉、西久保匠、酒井雄樹、Pan Zhao、齋藤寛

field を用いたドメイン制御、強誘電体会議 FMA、
2021 年 6 月 1 日

之、東正樹、山本隆文、フラックスを用いたバナジ
ウム酸水素化物の高圧合成と反応経路のその場観

東 正樹、巨大負熱膨張材料を用いた熱膨張制御、察、日本セラミックス協会
会、2022 年 1 月 9 日

ニューセラミックス懇話会
年 8 月 31 日
9.

正樹、岡

ferromagnetic domains of BiFe0.9Co0.1O3 nanodot arrayby using anodic porous alumina mask、MATERIALS

反転、ナノ学会第 19 回大会、2021 年 5 月 22 日
7.

東

負熱膨張材料の研究、粉体粉末冶金 2021 年度秋季大会、2021 年 11 月 9 日

17.
6.

重松 圭、西久保 匠、酒井 雄樹、東 正樹 、清水Science and Technology for Advanced Ceramics(STAC12)、2021 年 7 月 7 日

Materials Derived from Pressure Induced Phase
Transitions、10th Asian Conference on High Pressure

5.

伊藤 拓真、勝俣 真綸、 重松 圭、東 正樹、マルApplications of Ferroelectrics (ISAF2021)、2021 年 5
月 21 日and Absence of Giant Negative Thermal Expansion in
Ca2RuO4、The Twelfth International Conference on the4.

東 正樹、西久保 匠、酒井 雄樹、山本 孟、岡 研
吾、Bi、Pb-3d 遷移金属ペロブスカイトの圧力誘起

第 60 回基礎科学討論第 245 回研究会、2021
19.

長瀬 鉄平、西久保 匠、重松 圭、東 正樹、山本

木原 汐里（酒井 雄樹、東 正樹、西久保 匠、若崎隆文、壬生 攻、南部 雄亮、池田 陽一、松田 雅
昌、(111)面に酸素欠損が秩序化したペロブスカイト

翔吾）、ペロブスカイト Bi0.5Pb0.5MO3(M=3d 遷移金属)の電荷分布変化、日本セラミックス協会秋季シ

型酸化物の合成・同定、日本セラミックス協会
2022 年年会、2022 年 3 月 10 日

ンポジウム、2021 年 9 月 2 日
20.
10.

11.

西久保 匠、今井 孝 、酒井 雄樹 、水牧 仁一

Koomok Lee、重松圭、東正樹、酸化物基板上へのInSb エピタキシャル薄膜の製作、応用物理学会秋季

朗 、大和田 謙二 、町田 晃彦 、綿貫 徹 、押目典宏 、島田 歩 、菅原 健人 、久留島 康輔 、森学術講演会、2021 年 9 月 12 日

茂生 、溝川 貴司 、東 正樹、PbVO3 の圧力下巨大体積変化を活かした負熱膨張設計と分域構造の観

西久保 匠、酒井 雄樹、水牧 仁一朗、今井 孝、東正樹、巨大な体積変化を伴う負熱膨張物質の設計、察、日本物理学会第 77 回年次大会、2022 年 3 月 16日

第 62 回高圧討論会、2021 年 10 月 19 日

65

KISTEC研究報告2022

【研究開発部】次世代機能性酸化物材料

21.

酒井雄樹、木原汐里、若崎翔吾、西久保匠、福田真幸、水牧仁一郎、東正樹、ペロブスカイト型酸化物
Bi0.5Pb0.5MO3(M=3d 遷移金属)の電荷分布変化、日本物理学会第 77 回年次大会、2022 年 3 月 16 日

22.

Koomok Lee、Hena Das、 Kei Shigematsu、 Masaki
Azuma、Theoretical investigations of the canted
antiferromagnetism in Co doped BiFeO3、第 69 回応用物理学会春季学術講演会、2022 年 3 月 22 日

23.

伊藤 拓真、重松 圭 、東 正樹、Water printing による マルチフェロイック BiFe0.9Co0.1O3 薄膜の面外分極反転と強誘電性・強磁性 ドメイン制御、第 69
回応用物理学会春季学術講演会、2022 年 3 月 25 日

【特許】(1)国内特許出願

2件

66

KISTEC研究報告2022

研究報告2022 目次【研究開発部】

有望シーズ展開事業「貼るだけ人工膵臓」プロジェクト◆ 総括･･････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

68◆ マイクロニードル融合型デバイスのリアルタイム機能評価と穿刺性評価法の確立･･････････････

71◆ 複数のすい臓がん幹細胞の標的化に向けたボロン酸リガンドによるpH依存的な･･･････････････

73

糖鎖末端シアル酸認識◆ Porous Microneedles filled with a Glucose-responsive Hydrogel for Self-Regulated････････････････

76

Insulin Delivery◆ 業績･･････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

67

78

KISTEC研究報告2022

【研究開発部】貼るだけ人工膵臓

「貼るだけ人工膵臓」プロジェクト
プロジェクトリーダー

松元亮【基本構想】
糖尿病は、インスリンの絶対的あるいは相対的な作用不足に起因するため、これに対する最も有効かつ安全な治療法はインスリン療法である。これは、血糖値のモニタリングや個人の生活習慣等に基づいて、即効性から遅効性のインスリン製剤を組み合わせて投与し、血糖値をできる限り正常域にコントロールするものである。一方、インスリン療法は患者の生活の質を著しく損なううえ、意識障害等の重篤な症状に繋がる低血糖の危険性がある。心筋梗塞等の心血管合併症を予防するためには、より精密な血糖コントロールが有効であるが、頻回の低血糖症状はむしろ予後を悪化させる可能性も指摘されている。この急性かつ重篤なリスク（低血糖発作）を避ける結果、実臨床上、十分な血糖コントロールが得られていない。最近
では、マイクロコンピューター制御による装着型のインスリンポンプが欧米を中心に普及しつつあるが、あらかじめ設定されたアルゴリズムに従ってインスリンを投与するか基礎分泌相当を供給するに留まり、オーダーメイド医療とはほど遠いものである。従って、より正確かつ連続的にインスリン供給制御が可能な代替技術が強く要請されている。我々は、糖との結合能で知られるボロン酸をキーコンポネントとし、これを導入した水溶性アクリルアミドゲル構造を最適化することで、生体由来材料やエレクトロニクスを一切用いない上記目的のインスリン供給機構を実証してきた。本プロジェクトでは、究極的な低侵襲性を志向したマイクロニードル融合型（「貼るだけ人工膵臓」）デバイスの開発を進めている。生活習慣病を中心とする非感染性疾患（non-communicable disease: NCD）は世界の医療費の 43%を占め、2020 年には 60%に増加するとともに、全死亡の 73%に関与すると予測されている。世界に類を見ない速度で高齢化が進行する本邦では、糖尿病等の生活習慣病が国民医療費の約 15％、死亡数割合では約 30％を占める。
「貼るだけ人工膵臓」の技術は、糖尿病治療におけるアンメットメディカルニーズ（長期的な血糖管理、低血糖の回避、患者負担の軽減）を解決し、「健康寿命」と「平均寿命」の差“ゼロ”の実現を図る革新的な医療技術として期待される。

１. 2021 年度の研究目的(1) 製造プロセスの最適化とプロトタイプの開発

で均一かつ十分な加圧が可能な構造とする。本検討は、インスリンデリバリーにとどまらず、ワクチン等他の薬剤の経皮的デリバリーにおけるアンメットニーズ解決を見据

共同研究先企業と協議の上、マイクロニードルの製造方
法としては、量産性に優れた光重合方式にフォーカスしている。中心的な課題は、「刺入性」、「放出特性」、「製造効えたものである。

率」の全てを高次に満足する製造プロセスの開発である。
この目的のため、ゲル重合時の反応条件を最適化するとと(3) ボロン酸によるシアル酸認識を利用したがん幹細胞標的化のための分子技術の検討

もに、これまでに開発してきた被覆剤や添加材等を利用して取り組むこととした。

シアル酸（Neu5Ac）は、細胞糖鎖中に最も高頻度かつ糖鎖末端に多く存在し、その動態は、発生、分化、疾病等の細胞現象と関連している。特に、がん細胞、高転移性のがん細胞、がん幹細胞（Cancer Stem Cells: CSCs）表面におい(2) 次世代型徐放性マクロニードル材料および製造プロセスの開発
デバイスからのインスリン放出性能を最大化することては、ほぼ普遍的に過剰発現することが知られる。シアル酸は正常組織にも存在するため、シアル酸ターゲティング

が、デバイスの小型化と持続性の延長につながる。ゲルマ
イクロニードルでは一般に、低密度化するほど薬物放出性を実現するためには、腫瘍内で特異的に活性化されるような戦略的設計が必要である。ボロン酸は、グルコースに限能が向上するが、力学的特性の維持には不利となる。このような二律背反の命題を解決する一つのアプローチとしらず多様な生体分子と相互作用し、その強度と選択性は合成化学的に可変である。シアル酸に対する人工リガンドとて、スマートゲル内包多孔質 MNs を検討した。具体的には、マイクロニードル先端部でインスリン拡散制御を担う

して用いることもできる。我々は、ピリジル系ヘテロ環含有ボロン酸誘導体の一種（5-boronopicolinic acid（5-BPA））

ゲル成分と力学的強度を補強する成分との相分離構造を高次に制御することで目的の材料とし、その製造プロセス

が、従来知られる水準と比べて数十倍強力かつ選択的にシアル酸と結合し、さらに、この挙動は腫瘍内低酸素環境にを最適化した。力学的に強固かつインスリンの拡散性を妨げない共連続構造のマトリックスを活用し、機能部位（ゲ特徴的な弱酸性条件下においてのみ顕在化し、生理的条件
下（pH7.4）では完全に失効することを発見していた 1,2)。

ルニードル）との層構造とすることで、ニードル一本単位

そこで、膵臓がん幹細胞亜集団に対する並列的標的化を果

68

KISTEC研究報告2022

【研究開発部】貼るだけ人工膵臓

たす分子技術への展開妥当性について検討した。

２.

2021 年度の研究成果(1) リアルタイム機能評価と穿刺性評価法の確立
2021 年度までに、テレメトリーシステムを導入し、ラットの血糖値をストレスフリーに 24 時間リアルタイムにモ
ニタリングできるシステムを確立していた。今年度は、血糖日内変動の把握に加え、日常診療で一般的に行われているインスリン間欠投与による糖尿病治療を再現し、テレメ
トリーシステムにより観測する手技を確立した。
本デバイスが十分な効果を発揮するには、表皮バリアを破って留置されるマイクロニードルの表面積が十分に確

図 2：PES ハイブリッド型 MN.

保される必要があり、穿刺性の向上が重要な課題である。
そこで、種々形状のマイクロニードルを用いて皮膚の穿刺

薬剤放出能の両立が課題である。また近年、インスリンデ性や肉眼的な変化を比較検討した（図 1）。SD ラットの皮
膚にデバイスを貼付し、すぐに剥がして 1 時間後まで観察

リバリーに関わらず、免疫治療の分野で除法型 MN に対するニーズが高まっている。我々は、これらの課題に対し、した。その結果、いずれのデバイスも明確な穿刺痕が観察
され、1 時間後には概ね消失することが確認された。肉眼

いくつかのアプローチ（ボトムアップ及びトップダウン成型法）により多孔性 MN 製造技術の開発に取り組んでい的所見に加えて、角質や上皮のバリア機能を反映する水分
蒸散量 TEWL（transepidermal water loss）を計測することる。ここでは、2021 年度に特許出願を果たしたボトムアップ型成型法の一例について述べる。貧溶媒中での相分離をで、マイクロニードル穿刺性（数・深さ）の数値化を試み
た 3,4) 。マウスに対してデバイスを貼付し、その前後で介して多孔質構造を形成するポリエーテルスルホン（PES）
を用いて力学的特性の優れた多孔質 MN（PES MNs）を作

TEWL を測定した。その結果、穿刺の程度（数・深さ）応じてこれが再現性良く上昇したことから、TEWL 計測系に製し、薬剤放出能の高い低密度ボロン酸ゲルを PES MNsに添加し、皮膚刺入後にインスリン放出できるハイブリッ

より、穿刺性を「面」として連続評価することの妥当性が示された。

ド型 MNs（Hybrid MNs）を検討した（図 2）。調製した PES
MNs の表面構造を SEM 観察したところ、多数の空隙が確認され、ベンゼン中での PES の相分離に伴う多孔質構造の形成が確認された。また、PES の相分離速度の制御に向けて PES 濃度とベンゼン濃度を最適化することで、PES
MNs のニードル部分の成形性が高まった。その後、PES
MNs 表面の親水化およびボロン酸モノマー含有プリゲル
溶液の添加により Hybrid MNs を作製し、最大応力をボンドテスターにより評価したところ、ボロン酸ゲルと多孔質
PES のハイブリッド化により力学的特性が大幅に向上した。ここで、乾燥前後の Hybrid MNs に関して最大応力が変化しなかったことから、内包したゲルの水和率に依存することなく力学的強度が維持されることを確認した。その結果、マウス皮膚に対して優れた刺入性を示した。さらに、異なるグルコース濃度における Hybrid MNs からの蛍光標
識インスリンの放出を共焦点顕微鏡により評価したところ、グルコース依存的なインスリン放出も確認された。以上より、力学的強度と薬剤放出能を両立した Hybrid MNsの妥当性を示した。

図 1：針長による穿刺性の違い.

(3) 複数のすい臓がん幹細胞の標的化に向けたボロ
ン酸リガンドによる pH 依存的な糖鎖末端シアル酸
認識の実証(2) 次世代型徐放性マイクロニードル材料および製造プロセスの開発デバイス

ボロン酸リガンドの重要な利点の一つに、シアリル化に我々の開発したマイクロニードル（MN）では、週レベ依存する複数タイプのエピトープ（CSC の亜集団）を並列的に標的可能なことが挙げられる。実際、このような複数ルでの安定性およびインスリン放出持続性を確認しているが、ゲルマイクロニードル一般において、力学的強度とのエピトープが発現する事象は、膵臓 CSC において知ら69

KISTEC研究報告2022

【研究開発部】貼るだけ人工膵臓

図 3 ボロン酸による CSC ターゲティング.

れている。なお、抗体リガンドではこれらを独立に標的する必要がある。本研究では、まずフローサイトメトリーにより、すい臓がん CSCs のバイオマーカーである CD44 や
CD133 と、糖鎖末端シアル酸との交差性を確認した。ついで、5-BPA と蛍光物質のコンジュゲートを合成し、すい臓
がん細胞表面シアル酸の標的能および CD44 陽性細胞群および CD133 陽性細胞群への取り込み量を評価した。その結果、BPA コンジュゲートがすい臓がん細胞へ pH 依存的に取り込まれ、さらに、複数のすい臓がん CSCs を同時に標的化できることが明らかになった。さらにこの傾向は、
弱酸性化条件下でより顕著となった 5)。これらの結果は、
低酸素および酸性の腫瘍微小環境に存在する複数の CSCsの標的化におけるボロン酸リガンドの化学構造制御の重要性を明らかにし、難治性すい臓がんの治療を目指した有効なアクティブターゲティングシステムの開発をさらに促進するものである。

【参考文献】
1. Alexander H, Brown S, Danby S, Flohr C. Researchtechniquesmadesimple:transepidermal

water

loss

measurement as a research tool. J Invest Dermatol 138: 22952300, 2018.

2. 太 田 広 毅 . 皮 膚 バ リ ア 機 能 評 価 の 現 状 と 最 新 型
TewameterTMHex. COSMETIC STAGE vol. 12, 2020.

3. Matsumoto, A.;
Miyazawa, T.;

Stephenson-Brown, A. J.; Khan, T.;
Cabral, H.; Kataoka, K.; Miyahara, Y.,

Heterocyclic boronic acids display sialic acid selective
binding in a hypoxic tumor relevant acidic environment.
Chemical Science 2017, 8 (9), 6165-6170.
Igarashi, K.; Tanabe, A.;

4. Khan, T.;

Miyazawa, T.;

Fukushima, S.; Miura, Y.; Matsumoto, Y.; Yamasoba,
T.; Matsumoto, A.; Cabral, H.; Kataoka, K., Structural
Control of Boronic Acid Ligands Enhances Intratumoral
Targeting of Sialic Acid To Eradicate Cancer Stem-like Cells.
ACS Applied Bio Materials 2020, 3 (8), 5030-5039.
Khan, T.;
Tachihara, Y.;
Itoh, M.;

5. Miyazaki, T.;

Miyazawa, T.; Suganami, T.; Miyahara, Y.; Cabral, H.;
Matsumoto, A., Boronic Acid Ligands Can Target Multiple
Subpopulations of Pancreatic Cancer Stem Cells via pHDependent Glycan-Terminal Sialic Acid Recognition. ACS
Applied Bio Materials 2021, 4 (9), 6647-6651.

70

KISTEC研究報告2022

【研究開発部】貼るだけ人工膵臓

マイクロニードル融合型デバイスのリアルタイム機能評価と穿刺性評価法の確立「貼るだけ人工膵臓」プロジェクト
伊藤 美智子1.

た（図 1）。また、STZ 投与ラットを絶食下におき、再摂はじめに本プロジェクトで取り組んでいる「貼るだけ人工膵臓」
は、マイクロニードルの針自体にグルコール応答性を持食させると血糖上昇が認められ、再摂食前に Humulin Rを投与することで血糖上昇が抑制されることを確認した

たせ、皮膚に貼付するだけでインスリンが分泌される画期的なデバイスである。これまでに開発されているマイ（図 2）。今後、マイクロニードルデバイスを用いて同様の実験を実施し、ゲルから放出されたインスリンによるクロニードルは皮膚に刺入後、溶解・吸収されるタイプのものであったが、本プロジェクトで目指すマイクロニ

血糖コントロール効果を検討していく。

ードルは皮膚留置型で長期間にわたって効果を発揮するという挑戦的な取り組みである。生体内での効果を期待できるゲルの組成や基本的な構造が確立しつつあり、今年度は今後のスケールアップと安定性向上に必要な基礎データの取得に取り組んだ。

2. 実験と結果(1) テレメトリーシステムを用いた血糖モニタリン
グ
昨年度テレメトリーシステムを導入し、ラットの血糖値をストレスフリーの状態で 24 時間リアルタイムにモニタリングできるシステムを確立した。血糖日内変動の把握に有用であることは既に確認できているため、今年度
はデバイスの機能評価に先立ち、日常診療で一般的に行われているインスリン間欠投与による糖尿病治療を再現し、テレメトリーシステムによる観察を行った。具体的には、ストレプトゾトシン（STZ）を用いて 1 型糖尿病モ
デルを作成し、テレメトリーを装着の上、即効型ヒトイ
ンスリン製剤 Humulin R を間欠的に皮下投与した。
STZ 投与によってラットの血糖値は 400 から 600 mg/dl(2) マイクロニードル皮膚穿刺性の評価に上昇していたが、Humulin R 投与後に血糖値が 200
mg/dl 程度まで低下し、その後の元に戻る過程が観察され本デバイスが十分な効果を発揮するには、表皮バリアを破って留置されるマイクロニードルの表面積が十分に確保される必要があり、穿刺性の向上が重要な課題である。また、本デバイスは最大 1 週間の連続使用を予定しているため、かぶれや痒みなど皮膚の恒常性に及ぼす影響も考慮する必要がある。本年度は異なる形状のマイク
ロニードルを用いて皮膚の穿刺性や肉眼的な変化を比較検討した。マイクロニードルの針長はヒトにおいて痛点に届かないことを企図して、1 mm 長のモールドを使用していたが、マイクロニードル成形中に 20-30%程度短縮するため、2 mm 長のモールドについても評価を行った。
SD ラットの皮膚にデバイスを貼付し、すぐに剥がして 1
時間後まで観察した。その結果、いずれのデバイスも明
確な穿刺痕が観察され、1 時間後には概ね消失すること

71

KISTEC研究報告2022

【研究開発部】貼るだけ人工膵臓が分かった（図 3）。病理組織像を観察すると、1 mm モーードル欠損のために穿刺痕が少ない場合には上昇は軽度

ルドタイプでは表皮の陥凹はあるものの、必ずしも表皮を穿破していない部分が多く、2 mm モールドタイプの方にとどまっていた（図 4）。また、マイクロニードルを除去して 1 時間後には穿刺痕の消失とともに TEWL 値の低が真皮まで確実に穿刺されていることが明らかになった（図 3）。針長が長くなることで強度が不十分になったり、下が認められた（図 5）。TEWL 計測計を用いることで、穿刺性を面として評価することが可能になると考えられ

皮膚に垂直に刺さりにくくなるといった問題があり、刺入性と有効面積のバランスを慎重に検討する必要がある。

た。一方で、マウスでは除毛によって皮膚の乾燥とバリ
ア機能の破綻が誘導されてしまうため、除毛してから長時間経過後に健常部位と穿刺部位を比較することが難し
く、短時間での貼付前後での比較が適していると考えられた。

3.

考察及び今後の展望
これまでに基本的なゲル組成は検討が終了しており、現在はマイクロニードルデバイスの形状について、強度の確保、有効面積を確保するための針長の調整、インス

肉眼的所見では穿刺痕の数を根拠に判断するが、穿刺の深さについては評価できないこと、また病理組織像では切片上に捉えられる穿刺部位がごく限られることに加え、評価に時間がかかるという問題点がある。そこで、角質や 上 皮 の バ リ ア 機 能 を 反 映 す る 水 分 蒸 散 量 TEWL
（transepidermal water loss）を計測することで、マイクロ

リン浸透性の改善、微細な亀裂からのインスリン漏出防止といった改良に取り組んでいる。血糖値は摂食や運動によって大きな日内変動があるが、テレメトリーシステ
ムの確立によって、デバイスの性能を詳細に評価できる
準備が整った。血糖値あるいはインスリン値といったア
ウトプットに加えて、組織学的解析および TEWL によっ1,2)。マウ

ニードル穿刺性（数・深さ）の数値化を試みた
スに対してデバイスを貼付し、その前後で TEWL を測定した。正常な皮膚では 10-20 g/m2/h 程度が基礎値となるが、マイクロニードルの穿刺によってその数値が上昇し、ニて局所の情報を得ることで、新規デバイスの性能を正確に捉え、生体において十分な治療効果を発揮できるデバ
イスの確立を加速化させたいと考えている。

【参考文献】
1. Alexander H, Brown S, Danby S, Flohr C. Researchtechniques made simple: transepidermal water loss
measurement as a research tool. J Invest Dermatol 138:2295-2300, 2018.
2. 太田広毅. 皮膚バリア機能評価の現状と最新型
TewameterTMHex. COSMETIC STAGE vol. 12, 2020.

72

KISTEC研究報告2022

【研究開発部】貼るだけ人工膵臓

複数のすい臓がん幹細胞の標的化に向けた
ボロン酸リガンドによる pH 依存的な糖鎖末端シアル酸認識「貼るだけ人工膵臓」プロジェクト
宮崎 拓也
1.

すい臓がん CSCs のバイオマーカーである CD44 やはじめに

がん幹細胞（CSCs）は、がんの発生や転移に関与していることから、がんの根治に向けては CSCs の標的化が必要

CD133 と、糖鎖末端シアル酸との交差性を評価するために、すい臓がん BxPC-3 細胞に Alexa647 標識抗 CD44 抗

である 1, 2。一方で、CD133 などの膜タンパク質が CSCs のバイオマーカーとして同定されており、抗 CD133 抗体に体、Alexa647 標識抗 CD133 抗体および FITC 標識 Sambucus
Nigra（SNA）を添加し、フローサイトメトリー法により抗がん剤を導入した抗体薬物複合体による CSCs の標的化および治療効果の増大が確認されている 3。しかしながら、

Alexa647 および FITC を発現する細胞群を同定した。ここで、SNA は糖鎖末端シアル酸に結合することが知られて

CD133 などのバイオマーカーは正常組織においても発現しており、正常組織に対する毒性が課題である 4。

おり、シアル酸陽性細胞群の同定に用いた。その結果、
CD44 陽性およびシアル酸陽性の細胞群が 12.5 %である一

一方で、細胞表面の糖鎖末端シアル酸の標的化に向けてボロン酸リガンドの開発が進められている 5-8。これまで

方で、CD44 陽性およびシアル酸陰性の細胞群が 0.36 %であることから、ほぼ全ての CD44 陽性細胞群がシアル酸をに、5-boronopicolinic acid（5-BPA）が pH 依存的にシアル酸に結合することを見出しており、正常 pH（pH 7.4）にお発現していることが明らかとなった（図２）。また、CD133
に関しても CD44 と同様の傾向が確認され、ほぼ全てのいてはシアル酸に対する結合定数が低い一方で、腫瘍内pH（pH 6.5）においてはシアル酸に強く結合することを確

CD133 陽性細胞群がシアル酸を発現していることが明らかとなった（図２）。よって、シアル酸を標的化すること認している 9。また、5-BPA をダハプラチン内包高分子ミセルの表面に搭載することで、ミセルの正常組織への集積により、CD44 陽性すい臓がん細胞と CD133 陽性すい臓がん細胞を同時に標的化できることが示唆された。

を抑制しながら、乳がん腫瘍への集積性を高め、特に、
CD44 発現 CSCs 標的能を向上させた 10。しかしながら、すい臓がんなどの難治性がん CSCs においては CD4411 やCD13312, 13 などの複数の抗原を発現していることが知られており、5-BPA のすい臓がん CSCs の標的能は不明である。そこで、本研究では、すい臓がん CSCs のバイオマー
カーである CD44 や CD133 と、糖鎖末端シアル酸との交差性を確認し、蛍光標識 5-BPA のすい臓がん細胞表面シアル酸の標的能および CD44 陽性細胞群および CD133 陽性細胞群への取り込み量を評価した（図１）。

図 2：すい臓がん BxPC-3 細胞における CD44、CD133 およびシアル酸陽性細胞群の同定(2) すい臓がん細胞における 5-BPA のシアル酸標的能の評価
5-BPA のすい臓がん細胞への pH 依存的な取り込みを評価するために、すい臓がん BxPC-3 細胞にローダミン標識

図 1：本研究の概要.

5-BPA を添加し、共焦点顕微鏡法により細胞内に取り込まれた 5-BPA を観察した。ここで、シアル酸標的能および2. 実験と結果(1) シアル酸陽性すい臓がん細胞における CD44、
CD133 の発現性の評価

pH 応答能の無い Phenylboronic acids（PBA）をコントロー
ルとした。その結果、PBA が pH 7.4 および pH 6.5 におい

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KISTEC研究報告2022

【研究開発部】貼るだけ人工膵臓

て低い取り込み量を示した一方で、5-BPA は pH 6.5 にお陽性細胞群に対する取り込み量が減少したことから、pH

いて pH 7.4 の約 4 倍の取り込み量を示した（図３）。
また、細胞表面のシアル酸を分解するシアリダーゼを添加した依存的にすい臓がん CSCs を標的化できることが示唆された（図４）。

ところ、5-BPA の取り込み量が減少したことから、5-BPA
はシアル酸への結合を介して BxPC-3 細胞に取り込まれていることが示唆された（図３）。このシアル酸を介した 5BPA の細胞取り込みは、pH 6.5 において 5-BPA と SNA が共局在していることからも示唆された（図３）。よって、臨床での腫瘍を反映した細胞株である BxPC-3 細胞においても、5-BPA が細胞表面のシアル酸を pH 依存的に標的化できることが示された。

図 4：CD44/CD133 陽性すい臓がん
BxPC-3 細胞に対する PBA、5-BPA の取り込み.

3.

考察及び今後の展望

5-BPA を含む複素環式ボロン酸が芳香族窒素とシアル酸上のカルボキシル基との水素結合を介してシアル酸に強く結合するという独自の知見を基に、本研究では、標準的なボロン酸である PBA に比べて 5-BPA がすい臓がん細胞を pH 依存的に取り込まれ、さらに、複数のすい臓がん
CSCs を同時に標的化できることを示した。これらの結果

図 3：すい臓がん BxPC-3 細胞に対する PBA、5-BPA の取り込
みおよび SNA との局在は、低酸素および酸性の腫瘍微小環境に存在する複数のCSCs の標的化におけるボロン酸リガンドの化学構造制御(3) すい臓がん細胞における 5-BPA の CD44/CD133
陽性細胞群標的能の評価の重要性を明らかにし、難治性すい臓がんの治療を目指した有効なアクティブターゲティングシステムの開発をさ5-BPA の CD44/CD133 陽性すい臓がん細胞への pH 依存

らに促進するものである 14。

的な取り込みを評価するために、すい臓がん BxPC-3 細胞にローダミン標識 5-BPA、Alexa647 標識抗 CD44 抗体およ【参考文献】び Alexa647 標識抗 CD133 抗体添加し、フローサイトメト
リー法によりローダミンおよび Alexa647 を発現する細胞

1. Batlle, E.; Clevers, H., Cancer stem cells revisited. Nat Med
2017, 23 (10), 1124-1134.
2. Dean, M.; Fojo, T.; Bates, S., Tumour stem cells and drug群を同定した。その結果、PBA が pH 6.5 において低い取り込み量を示した一方で、5-BPA は pH 6.5 において

resistance. Nat Rev Cancer 2005, 5 (4), 275-84.
3. Swaminathan, S. K.; Roger, E.; Toti, U.; Niu, L.;

CD44/CD133 陽性細胞群に対して高い取り込み量を示した（図４）。また、5-BPA は pH 7.4 において CD44/CD133

Ohlfest, J. R.; Panyam, J., CD133-targeted paclitaxel

74

KISTEC研究報告2022

【研究開発部】貼るだけ人工膵臓

delivery inhibits local tumor recurrence in a mouse model ofApplied Bio Materials 2021, 4 (9), 6647-6651.

breast cancer. Journal of Controlled Release 2013, 171 (3),280-287.
4. Kim, W.-T.; Ryu, C. J., Cancer stem cell surface markers on
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Chemistry – A European Journal 2005, 11 (13), 4010-4018.
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acid with N-acetylneuraminic acid (Neu5Ac) in aqueous
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9. Matsumoto, A.; Stephenson-Brown, A. J.; Khan, T.;
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Heterocyclic boronic acids display sialic acid selective
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Chemical Science 2017, 8 (9), 6165-6170.
10.Khan, T.; Igarashi, K.; Tanabe, A.; Miyazawa, T.;
Fukushima, S.; Miura, Y.; Matsumoto, Y.; Yamasoba,
T.; Matsumoto, A.; Cabral, H.; Kataoka, K., Structural
Control of Boronic Acid Ligands Enhances Intratumoral
Targeting of Sialic Acid To Eradicate Cancer Stem-like
Cells. ACS Applied Bio Materials 2020, 3 (8), 5030-5039.
11.Li, C.; Lee, C. J.; Simeone, D. M., Identification of humanpancreatic cancer stem cells. Methods Mol Biol 2009, 568,
161-73.
12.Maeda, S.; Shinchi, H.; Kurahara, H.; Mataki, Y.;
Maemura, K.; Sato, M.; Natsugoe, S.; Aikou, T.;
Takao, S., CD133 expression is correlated with lymph nodemetastasis and vascular endothelial growth factor-C
expression in pancreatic cancer. Br J Cancer 2008, 98 (8),1389-1397.
13.Immervoll, H.; Hoem, D.; Sakariassen, P.; Steffensen,
O. J.; Molven, A., Expression of the "stem cell marker"
CD133 in pancreas and pancreatic ductal adenocarcinomas.
BMC Cancer 2008, 8, 48.
14.Miyazaki, T.; Khan, T.; Tachihara, Y.; Itoh, M.;
Miyazawa, T.; Suganami, T.; Miyahara, Y.; Cabral, H.;
Matsumoto, A., Boronic Acid Ligands Can Target Multiple
Subpopulations of Pancreatic Cancer Stem Cells via pHDependent Glycan-Terminal Sialic Acid Recognition. ACS

75

KISTEC研究報告2022

【研究開発部】貼るだけ人工膵臓

Porous Microneedles filled with a Glucose-responsive Hydrogelfor Self-Regulated Insulin Delivery「貼るだけ人工膵臓」プロジェクト
Barthelmes Kevin
1.

Introduction

This new type of hybrid MNs structures could significantly

The microneedle (MN) array, a two-dimensional array has
recently attracted increasing interest as minimally invasive tool

improve the sustain and long-term drug release after skinpenetration.

for transdermal drug delivery. A MN patch, which contain sharp
needles with length ranging from 25 to 2000 μm, can penetrate2.

skin to bypass the diffusion barrier of the stratum corneum, theoutermost layer of skin, and transient microchannels without

At first PMN arrays consisting of a stable, non-biodegradable
polymer material with high porosity (>50%) were produced andtouching nerve fibers and blood vessels are formed. Therefore,
macromolecules (e.g., vaccines or insulin) could be effectively

subsequently, the pores were filled by a glucose-responsivehydrogel.3 The novel hybrid MNs were analyzed in vitro intransported across the skin barrier in a pain-free, risk-free andself-administered way.

terms of mechanical strength, skin punctuation and insulin
release.

(1) Porous microneedles(1) PES Microneedles

Microneedles can be classified according to theirmorphology, and recently porous microneedles (PMN) became

We have investigated polyether sulfone (PES) as a polymericmaterial for the PMN fabrication.4 PDMS molds were filledof interest as they are advantageous for fast liquid absorption
and drug release. PMN containing a large network ofwith a PES solution in DMF and benzene was added on thebackside of the solution. The benzene diffuses slowly into theinterconnected pores, which enables efficient fluid
transportation into and from inside the skin. They are, however,solution and can interact with the aromatic rings of PES by pi
stacking. The PES solution solidified overnight and was

intrinsically fragile because of a large volume of the void, andusually hard materials, like metals or ceramics are used.

subsequently washed by methanol to remove the intercalated
benzene (Figure 1A). By this method, µm-size pores

Recently polymers have been applied as well and they possess
several advantages e.g., good biocompatibility, increased(Figure 1B) remain in the polymer structure, whereby the PES
and benzene concentration are crucial parameters for a goodpermeability, tunable molecular weight, and facile fabrication
processes like molding and UV-polymerization. Nonetheless, a

MN morphology (Figure 1C).

Results and discussion

sustain and long-term drug release through the microchannels
of a PMN is still challenging. PMN pose the risk of breakage
and leave the debris of needles underneath the skin andinflammation of the tissue can happen. Moreover, cloggage ofthe pores by body fluid absorption could result in discontinuityof the drug flow.

(2) Filling of pores
A denser network structure is one approach to increase themechanical strength of PMNs; however, this usually result inless porosity and a reduced permeability of the material. On theother hand, increased permeability could be achieved by higher

Figure 1: (A) Schematic representation of the PMN fabrication

porosity resulting in a more fragile material.1 One approach is
to fill the interconnected pores with a hydrophilic andprocess. (B) Pore size characterized by SEM images.
(C) Morphology of MNs characterized by optical microscopy.

permeable polymer to further increase the mechanical stability.2

76

KISTEC研究報告2022

【研究開発部】貼るだけ人工膵臓

Moreover, the porosity could be adjusted between 60-80%

A localized dehydration of the gel surface occurs and forms adepending on the polymer concentration.

so-called “skin layer” which enables release of insulin from thegel. The released amount of FITC insulin in the buffer solution(2) Hybrid Microneedles

was estimated by fluorescence spectroscopy and it could beshown that the hybrid MNs still show the glucose

Since PES is a hydrophobic polymer, plasma treatment andsurface coating by poly(acrylic acids) was applied to facilitate
pore filling process by the hydrophilic pre-gel solution

concentration-dependent release profile (Figure 3D).

(Figure 2). The pre-gel solution contains a mixture of various
acrylate-based monomers, crosslinker and initiator in methanol
and was added on the backside of the PES MNs. The solution
was soaked in by capillary force and could be thermallypolymerized afterwards (i.e., Gelation process).

Figure 3: (A) Morphology of MNs characterized by optical
microscopy. (B) Mechanical strength of MNs. (C) Trypan blue
staining showing the formation of microchannels in mouse skinafter MNs treatment. (D) Glucose-dependent FITC insulin releasevs. time.
Figure 2: Schematic representation of the hybrid MN fabrication

3.

process.

Conclusion and future plan
We could produce hybrid MNs comprising PES as a

The morphology of the novel hybrid MNs was confirmed by
optical microscopy showing sharp and uniform needles

scaffolding polymer and a hydrogel as a permeable material.
The combination of both materials further strengthened the(Figure 3A). The mechanicals strength was investigated byshear stress-strain tests of a single microneedle. It was shownstability of the microneedles and at the same time the drug
release capability could be preserved. Nonetheless, a persistentthat the maximum stress in the PES MNs was significantly
higher than the dry or wet MNs consisting of only hydrogel (i.e.,

diffusion-controlled insulin release remained challenging.
Presumably surface detachment of PES and hydrogel caused

naked MNs) (Figure 3B). Moreover, the mechanical strength
increased from around 0.6 N (PES MNs) to 1 N (hybrid MNs)

small microchannels which result in leakage of the insulin
soaked MNs. For this purpose, we are looking for otherwhich clearly shows the reinforcement effect by the pore filling
process.

scaffolding materials which can interact with the hydrogel bycovalent bonds.

The hybrid MNs were analyzed in vitro by skin punctuation
test. It was shown that the new material could efficiently【References】

penetrate the stratum corneum of mouse skin. A uniform
microchannel formation was confirmed by trypan blue staining.

1. H. Chang, M. Zheng, X. Yu, A. Than, R. Z. Seeni, R. Kang,
J. Tian, D. P. Khanh, L. Liu, P. Chen, C. Xu, Adv. Mater.,29,

The glucose-responsive insulin release was analyzed byimmersingthehybridMNs
inafluorescein

1702243 (2017).
2. S. Kusama, K. Sato, Y. Matsui, N. Kimura, H. Abe, S.

isothiocyanate-labeled (FITC) insulin solution overnight,
whereby the hydrogel absorbed the insulin. Subsequently, theYoshida, M. Nishizawa, Nat. Commun., 12, 658 (2021).
3. S. Chen, H. Matsumoto, Y. Moro-oka, M. Tanaka, Y.

insulin soaked MNs were immersed buffer solution withdifferent amount of glucose. The hydrogel can interact with

Miyahara, T. Suganami, A. Matsumoto, Adv. Funct. Mater.,
29, 1807369 (2019).
4. S. Samitsu, Macromolecules, 51, 151-160 (2018).

glucose and the resultant change in counterionic osmoticpressure translates into a change in the hydration state of the gel.

77

KISTEC研究報告2022

【研究開発部】貼るだけ人工膵臓

業 績
7. Takuya Miyazaki (Thahomina Khan, Yoshihiro Tachihara,
Michiko Itoh, Taiki Miyazawa, Takayoshi Suganami, Yuji

【原著論文】
1. Siyuan Chen (Takuya Miyazaki, Michiko Itoh, Hiroko
Matsumoto, Yuki Morooka, Miyako Tanaka, Yuji Miyahara,
Takayoshi Suganami, Akira Matsumoto), A porous reservoir-

Miyahara, Horacio Cabral, Akira Matsumoto)
Boronic acid ligands can target multiple subpopulations ofbacked boronate gel microneedle for efficient skinpenetration and sustained glucose-responsive insulin

pancreatic cancer stem cells via pH-dependent glycanterminal sialic acid recognition,delivery" Gels, 8 (2), 74 (2022).

ACS Applied Bio Materials (4, 9) (2021).

2. Hiroaki Hatano (Fanlu Meng, Momoko, Sakata, Akira
Matsumoto, Kazuhiko Ishihara, Yuji Miyahara, Tatsuro

8. Taehun Hong (Takuya Miyazaki, Akira Matsumoto, Kyoko
Koji,Yuji Miyahara,Yasutaka Anraku, Horacio Cabral)

Goda)
Transepithelial Delivery of Insulin Conjugated with

Phosphorylcholine-installed nanocarriers target pancreaticcancer cells through the phospholipid transfer protein,

Phospholipid-Mimicking Polymers via
Fusion-Mediated Transcellular Pathways,

ACS Biomaterials Science & Engineering (7, 9) (2021).

Biomembrane

Acta Biomaterialia, accepted (2021).

9. Wenqian Yang (Takuya Miyazaki, Pengwen Chen, Taehun
Hong, Mitsuru Naito, Yuji Miyahara, Akira Matsumoto,

3. Hideki Fujisaki (Aom Tongchatra, Akira Matsumoto, Yuji
Miyahara, Tatsuro Goda)

Kazunori Kataoka, Kanjiro Miyata, Horacio Cabral)
Block Catiomer with Flexible Cationic Segment Enhances

In-situ chemical modification of printed conducting polymer
films for specific glucose biosensing,Complexation with siRNA and the Delivery Performance inVitro,

Sensors and Actuators B: Chemical, 349, 130829, (2021),[7.335]

Science and Technology of Advanced Materials (2021).

4. Kazunori Igarashi (Horacio Cabral, Taehun Hong, Yasutaka

10.Hiroko Oda (Takeshi Namagatsu, Horacio Cabral, Takuya
Miyazaki, Takayuki Iriyama, Kei Kawana, Yutaka Osuga,

Anraku, Fotios Mpekris, Triantafyllos Stylianopoulos,
Thahomina Khan, Akira Matsumoto, Kazunori Kataoka, Yu

Tomoyuki Fujii)
Thrombomodulin promotes Placental Function by Up-

Matsumoto, Tatsuya Yamasoba)
Vascular Bursts Act as a Versatile Tumor Vessel Permeation

Regulating Placental Growth Factor via Inhibition of Highmobility-group box 1 and Hypoxia-inducible factor 1a,Route for Blood-Borne Particles and Cells,
Small, 17 2103751, (2021).

Placenta (111) (2021).
11.John D. Martin (Takuya Miyazaki, Horacio Cabral)
Remodeling tumor micro-environment with nanomedicines,

5. Miyuki Tabata (Chiho Kataoka-Hamai, Kozue Nogami,
Daiju Tsuya, Tatsuro Goda, Akira Matsumoto, Yuji
Miyahara)

WIREs Nanomedicine & Nanobiotechnology (2021).

Organic and inorganic mixed phase modification of silver
surface for functionalization with biomolecules and12.Hiroko Oda (Takeshi Namagatsu, Danny J. Schust, Horacio
Cabral, Takuya Miyazaki, Keiichi Kumasawa, Takayuki

stabilization of electromotive force,
RSC Advances (11) (2021).

Iriyama, Kei Kawana, Yutaka Osuga, Tomoyuki Fujii)
Recombinant Thrombomodulin Attenuates Preecamptic

6. Yoshioka N (Tanaka M, Ochi K, Watanabe A, Ono K, Sawada

Symptoms by Inhibiting High-Mobility Group Box 1 Mice,
Endocrinology (162, 4), (2021).

M, Ogi T, Itoh M, Ito A, Shiraki Y, Enomoto A, Ishigami M,
Fujishiro M, Ogawa Y, Suganami T)

13.Yukichi Horiguchi (Kevin Barthelmes, Yuji Miyahara, Akira

The sodium-glucose cotransporter-2 inhibitor Tofogliflozin
prevents the progression of nonalcoholic steatohepatitis-

Matsumoto)
pH-responsive Adsorption and Dissociation of Sialic Acidassociated liver tumors in a novel murine model,
Biomed. Pharmacother. (140), (2021).

Expressed Protein on Boronic Acid Immobilized Surface,Chem. Lett. (50), (2021), [1.389]

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KISTEC研究報告2022

【研究開発部】貼るだけ人工膵臓

14.Takuya Miyazaki, (Satoshi Uchida, Yuji Miyahara, Akira

8. 伊藤美智子（田村篤志、金井紗綾香、白川伊吹、田中都、Matsumoto, Horacio Cabral)"Development of Flexible Polycation-Based mRNA Delivery

金森耀平、小川佳宏、菅波孝祥）NASH 発症におけるマクロファージのコレステロール代謝障害と機能変容、Systems for In Vivo Applications",
Mater. Proc., (4(1), 5) (2021).

第 94 回日本生化学会大会（オンライン開催）2021 年 11月3日

15.伊藤美智子、金井紗綾香、田村篤志、白川伊吹、金森耀

9. 伊藤美智子（小川佳宏、菅波孝祥）死細胞を起点とする

平、田中都、松元亮、宮原裕二、小川佳宏、菅波孝祥
マクロファージにおける脂質代謝障害に着目した

慢性炎症と非アルコール脂肪性肝炎、第 36 回日本糖尿病合併症学会（オンライン開催）2021 年 10 月 5 日

NASH 発症機構の解明,
日本内分泌学会雑誌, 97 (1), 282 (2021),

10.伊藤美智子（田中都、小川佳宏、菅波孝祥）NASH 発症
における死細胞貪食・処理の病態生理的意義、日本 Cell
Death 学会第 29 回学術集会 (オンライン開催) 2021 年 7【総説】
1. 松元亮（宮崎拓也、伊藤美智子、菅波孝祥、宮原裕
二）月 26 日11.伊藤美智子（小川佳宏、菅波孝祥）NASH マウスモデルの確立を通じた病態解析・治療戦略開発への挑戦、第 64

ボロン酸ゲルを用いた糖尿病治療デバイスの社会実装,
バイオマテリアル (2021).

回日本糖尿病学会学術集会、富山（オンライン開催）
2021 年 5 月 20 日

2. Akira Matsumoto (Siyuan Chen)
A boronate gel-based synthetic platform for closed-loop
insulin delivery systems

12.伊藤美智子（金井紗綾香、田村篤志、白川伊吹、金森耀

Polym. J. (53), (2021).

平、田中都、松元亮、宮原裕二、小川佳宏、菅波孝祥）
マクロファージにおける脂質代謝障害に着目したNASH 発症機構の解明、第 94 回日本内分泌学会学術総会、（オンライン開催）2021 年 4 月 22 日

【口頭発表】
1. Akira Matsumoto, “Borono-lectin” based bioengineering,The
8th Joint Symposium between IBB/TMDU and13.宮崎 拓也（Barthelmes Kevin、池原 清、宮原 裕二、松Chulalongkorn University on “Biomedical Materials andEngineering”, January 25, 2022 (Online).

元 亮）、力学的強度と薬剤放出能を両立させるスマー
トゲル内包多孔質マイクロニードルの設計と評価、第2. 松元亮，完全合成材料による 「エレクトロニクスフリ

33 回高分子ゲル研究討論会（オンライン開催）、2022 年1 月 21 日ー」な 人工膵臓の開発，令和 3 年度 生体医歯工学共同研究拠点（第１期） 最終成果報告会，オンライン，

14.宮崎 拓也、炎症性サイトカインの安全性と有効性を高2022 年 3 月 4 日

める pH 応答性プロドラッグの開発、第 28 回次世代医工学研究会、兵庫、2021 年 10 月 29 日

3. 松元亮、「貼るだけ人工膵臓」開発の最前線、東京都医工連携 HUB 機構 連携セミナー、2021 年 11 月 30 日

15.松元 亮（宮崎 拓也、Khan Thahomina、宮澤 大樹、Cabral

4. 松元亮、ボロノレクチンを駆使した次世代医工学、第 25

Horacio、宮原 裕二）、ボロン酸を生体対話の基盤とした「はたらく高分子」、第 70 回高分子討論会（オンライン開催）、2021 年 9 月 7 日

回次世代医工学研究会、2021 年 10 月 29 日

16.松 元 亮 （ Chen Siyuan 、 宮 崎 拓 也 、 伊 藤 美 智 子 、Barthelmes Kevin、松本裕子、金井紗綾香、池原清、諸5. 松元亮、ボロン酸化学を駆使した医工学研究の最前線、高分子学会 2021 年度 Webinar（第 5 回）
、2021 年 10 月
5日

岡由佳、木村 真一郎、田中都、菅波孝祥、宮原裕二）、
高分子ゲルの階層的エンジニアリングによる持続型マ

6. 松元亮、機能性高分子を応用した ドラッグデリバリーシステムの研究、MLS-IBB-DSC Collaborative Workshop、

イクロニードルデバイスの開発、第 70 回高分子討論会（オンライン開催）、2021 年 9 月 8 日

2021 年 8 月 17 日
17.宮崎拓也、妊娠期の化学療法に向けたナノ医薬の開発、
7. 伊藤美智子（松元亮）「貼るだけ人工膵臓」の開発、第8 回 COINS シンポジウム（オンライン開催）2022 年 1Life Science Connect 2021（オンライン開催）、2021 年 8月 26 日

月 21 日79

KISTEC研究報告2022

【研究開発部】貼るだけ人工膵臓

18.宮崎拓也（内田智士、カブラルオラシオ）、効率的なmRNA 送達に向けた柔軟性高分子の開発、第 31 回バイオ・高分子シンポジウム（オンライン開催）、2021 年 6
月 24 日19.Wenqian Yang (Takuya Miyazaki, Pengwen Chen, Taehun
Hong, Horacio Cabral), Influence of PEG-Polycation Chain
Flexibility on the Assembly of siRNA into Polyion
Complexes, The 12th International Conference on the
Science and Technology for Advanced Ceramics, July 6,2021 (Online).
20.Taehun Hong (Takuya Miyazaki, Kazunori Igarashi,
Pengwen Chen, Keita Masuda, Yasuhiro Nakagawa, Yu
Matsumoto, Tatsuya Yamasoba, Horacio Cabral),
Phosphorylcholine-installed polymers target pancreatictumors through their exacerbated lipid metabolism, The 12th
International Conference on the Science and Technology for
Advanced Ceramics, July 6, 2021 (Online).

【特許】(1)国内特許出願(2)国際特許出願

4件
1件

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KISTEC研究報告2022

研究報告2022 目次【研究開発部】

有望シーズ展開事業「再生毛髪の大量調製革新技術開発」プロジェクト◆ 総括･･････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

82◆ 毛乳頭細胞の電気刺激培養･･････････････････････････････････････････････････････････････

85◆ 毛髪再生医療のための毛包オルガノイド･･････････････････････････････････････････････････

86◆ 業績･･････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

89

81

KISTEC研究報告2022

【研究開発部】再生毛髪の大量調製革新技術開発「再生毛髪の大量調製革新技術開発」プロジェクト
プロジェクトリーダー

福田淳二【基本構想】
毛髪を生み出す毛包組織は、胎児期において、上皮系と間葉系の２種類の幹細胞からなる原基を形成し、これらの細胞の相互作用がトリガーとなり生み出される。他の臓器では、この胎児期にしか原基が作られないが、毛包組織は唯一、誕生後も一定間隔（毛周期）で一生涯再生を繰り返すという特徴がある。近年、
毛包原基から始まる毛包組織形成プロセスを人為的に再現することで、脱毛症の治療を行う毛髪再生医療に期待が集まっている。我々が考えている毛髪再生医療の手順を図１に示す。ここでは、患者本人の毛髪を毛包組織ごと数本取り出し、そこから上皮系と間葉系の２種類の幹細胞を単離する。そしてこれらの細胞を、例えば 100 本分に増殖させた上で、毛包原基様の移植体を生体外で作製し、これを脱毛部に移植する。我々の研究プロジェクトの出発点は、毛包原基様の移植体が細胞の自己組織化により形成されることを発見したことに始まる。すなわち、上皮系と間葉系の細胞を混ぜて 1 つの凝集体を形成させると、培養
初期は 2 種類の細胞がバラバラの状態で凝集体内に存在するものの、培養 3 日間のうちにそれぞれの細胞が凝集体内で自発的に分離し毛包原基様の構造が形成されることを発見した。これを応用して独自の細胞培養器を開発することで毛包原基を大量調製する技術を確立した。毛髪再生医療では、患者１名に数千個の移植体が必要であり、細胞の自己組織化を利用する本手法は、毛包原基の大量調製へとスケールアップ
可能である点が技術的な有意性である。本研究プロジェクトでは、この技術をもとに毛包原基の作製以外の手順も含めて実用化を目指した基盤技術を確立する。

図１：毛包原基の大量調製法を用いた毛髪再生医療

一方、本国で唯一行われている毛髪再生医療の臨床試験では、弱った毛包を活性化する目的で間葉系細胞の移植を行っている。しかし、間葉系細胞は移植に必要な数まで増殖させる中でその機能を急激に失うことが知られており、この治療での毛髪数の増加は全体の５％にとどまる。我々は、ごく最近、間葉系細胞の機能を維持しながら細胞数を増加させる培養技術を開発した。この培養技術で増殖させた間葉系細胞を移植することで細胞移植による毛髪再生の治療効果を増加できる可能性がある。本研究プロジェクトでは、当初計画に追加して細胞移植による毛髪再生の実用化を目指した基盤技術についても確立を目指す。
そして、連携企業や医療機関などと協力し、脱毛症患者の毛包由来細胞へと当該技術を適用することで、毛髪再生医療の実用化を目指す。

82

KISTEC研究報告2022

【研究開発部】再生毛髪の大量調製革新技術開発

１.

2021 年度の研究目的の三次元培養により、回復させることが可能だが、培養ディッシュに比べ、細胞が増殖しにくいという課題がある。
我々が開発した重層化培養は、細胞の機能回復と細胞数の増加を両立させた培養法である。通常の細胞培養では、細胞が培養ディッシュ表面を埋め尽くすと新しい培養ディッシュに継代する。3-5 日おきにこのプロセスを繰り返す
が、我々は継代を行わず 30 日間同じ培養ディッシュで毛乳頭細胞を培養した（図 2）。
すると、表面を埋め尽くした毛乳頭細胞は培養 5 日を過ぎたあたりで重層しはじめ、それと共に毛髪再生能を示す
マーカー遺伝子の発現が増加する様子が確認された。興味深いことに、培養 30 日目のマーカー遺伝子の発現量はス

プロジェクト 2 年目となる 2021 年度は、以下の各項目
を重点項目として研究を進めた。ただし、動物実験については、横浜国立大学動物実験専門委員会の承認を得て実施
し、患者組織の利用については、横浜国立大学倫理委員会（人を対象とする医学系研究）の承認を得て実施した。
(1) 毛乳頭細胞の移植による毛髪再生(2) 毛包原基の移植による毛髪再生(3) 生体外再生毛髪の移植による毛髪再生
前年度は、主に(2)の実用化を目指した毛髪再生医療の基盤技術の確立を検証してきた。脱毛症患者由来の細胞を用いて毛包原基を作製し、これを移植することで毛髪が再生することも確認した。しかし、実用化を目指す上で、大量の毛包原基を作製するために必要な上皮系細胞の増殖技術が確立できておらず、実用化に向けたハードルとなっている。一方で、間葉系細胞（特に毛乳頭細胞）の増殖技
術については、これまでに様々なアプローチを開発し、細胞の機能を維持しながら増殖させることが可能になった。
本研究プロジェクトでは、毛髪再生医療の早期実用化を実現するため、当初の研究計画からの変更であるが、(1)の“毛乳頭細胞の移植による毛髪再生”を課題に追加し、研究開発を進めた。また、(2)の実用化も継続して目指しており、現状の課題である毛包上皮幹細胞の増殖培養技術の開発に重点を置き、研究開発を進めた。 (3)では、我々が開発した生体外で毛髪を再生する技術において、毛髪再生医療への応用可能性について検討を行った。
(3)については、景山研究員が報告することから、本報告書では主に(1), (2)について報告する。

２. 2021 年度の研究成果(1) 毛乳頭細胞の移植による毛髪再生細胞移植による毛髪再生は、資生堂が東京医科大学と共に臨床研究をスタートしている。この研究では、患者の毛包から採取した毛球部毛根鞘細胞を増殖培養し、これを弱った毛包の周辺に投与する。但し、臨床試験の結果では毛髪増加率５％と有効性は低い。臨床試験２段階目も進行予定であるが、有効性をさらに向上させるためには新たな工夫が必要と考えられる。そもそも細胞移植では、細胞培養プロセスにおいて、細胞機能をいかに維持できるかが成功の鍵となる。我々は、これまでに患者毛包から細胞移植の細胞源の１つである毛乳頭細胞を分離する技術を確立し、その細胞の機能を維持しながら培養する技術として、電気刺激培養（L. Yan et al. J. Biosci. Bioeng. 133(3) 281-290, 2022,
ZHANG 研究員が報告）、ゲルビーズ培養（T. Kageyama etal. Biomaterials, 212, 55-63, 2019）、PI3k/Akt パスウェイ活性化剤の添加培養（M. Yamane et al. J. Biosci. Bioeng., 134, 1,
55-61, 2022）、重層化培養（特願 2022-031086）を開発してきた。なかでも、重層化培養は作業プロセスの簡便性から実用化が期待できる。本稿では、このアプローチの概要と実用化を目指した取り組みについて紹介する。
毛乳頭細胞は培養ディッシュで増殖させると、その機能は培養と共に失われる。この機能はスフェロイド培養など

図 2：毛乳頭細胞の重層化培養

フェロイド培養と比較して有意に増加していた。網羅的な遺伝子解析では、重層化培養した細胞の遺伝子プロファイ
ルが培養前の毛乳頭の遺伝子プロファイルと類似しており、本手法で細胞機能をかなり維持できることを確認している。また細胞数は、スフェロイド培養では 30 日間の培養で約 2、3 倍しか増加しないのに対し、重層化培養では約 20 倍まで増加した。さらに、マウスを用いた移植実験において、重層化培養した毛乳頭細胞がスフェロイド培養
や培養ディッシュでの培養と比べ、より多くの毛髪を再生できることを確認した。以上の結果より、重層化培養は毛乳頭細胞の機能を維持・回復しながら細胞数を増やすために適した方法と考えられる。

83

KISTEC研究報告2022

【研究開発部】再生毛髪の大量調製革新技術開発

我々は実用化を目指した取り組みとして、生物由来原料
基準（生原基）を満たした培地への置換も進めている。予備検討では、生原基対応培地で重層化培養が適用可能なことが確認できている。現在、重層化培養した細胞の移植方
法や保存方法について検討を進めており、これらの周辺技術を確立させ、細胞移植による毛髪再生の実用化（図３）を目指していきたい。

図3

毛乳頭細胞の移植による毛髪再生(2) 毛包原基の移植による毛髪再生
毛包原基の移植による毛髪再生には、毛乳頭細胞と毛包上皮幹細胞を細胞源として用いるが、世界的に見ても毛包上皮幹細胞の培養技術は確立できていない。そこで今年度
は、毛包上皮幹細胞の機能を維持しながら培養する方法の検討を進めた。これまで我々は、毛包上皮幹細胞の機能を維持しながら培養する技術として、培養ディッシュ上での平面培養と三次元培養を検討してきた。三次元培養（特許第 7078925 号）では、毛包上皮幹細胞の機能を維持することが可能だが、継代の際に、凝集体の細胞を分散するための長時間の酵素処理が必要であり、細胞に深刻なダメージを与えてしまう。平面培養は、培養と共に機能が低下する
が，患者 1 人の施術に必要な数千個の毛包原基を作製するための 107 オーダーの細胞数を短期間（2 週間）の培養で調製することが可能である。そこで今年度は、平面培養で毛包上皮幹細胞の機能を維持しながら培養する技術の開発に取り組んだ。平面培養において、細胞は基材表面にコートされた細胞外マトリクス（ECM）やタンパク質を介して接着する。生体では、細胞が組織特有の ECM と接着し、機能を維持していることを考えると、培養基材表面のコー
ティング剤を細胞ごとに適したものに最適化する必要がある。我々は、ECM アレイとよばれる 36 パターンの ECM
を 1 枚のスライドガラスに配置した培養基材に毛包上皮幹細胞を播種し、3 日間培養を行った。その結果、パター
ンごとに初期接着や細胞増殖に違いがみられ、接着、増殖、機能維持の観点で優れた ECM の組み合わせの候補を 4 つ見出した（図 4）。今後は、このコーティング剤で培養した毛包上皮幹細胞の遺伝子を網羅的に解析し、生体の毛包上皮幹細胞の遺伝子プロファイルとの類似性を解析するとともに、ヌードマウスへの移植により、その毛髪再生能を検証していく予定である。
我々は、毛包上皮幹細胞の培養方法の最適化と並行して、毛包原基の作製技術についても改良を進め、これまでにマ

84

図 4：ECM アレイによるコーティング剤の検討

イクロウェルアレイ法（K. Suzuki et al. AATEX, 2022）、バイオプリンティング法（A. Nanmo et al. Acta Biomaterialia,2022）、マイクロ流体デバイス法、遠心集積法を含む 4 つの手法を開発してきた。いずれの手法もそれぞれの利点があり、毛包上皮幹細胞の培養技術が確立し次第、培地や添加因子の最適化を進める予定である。
本研究の一部は、文部科学省地域イノベーション・エコ
システム形成プログラム、JSPS 科学研究費助成事業・基盤 B により実施した。

KISTEC研究報告2022

【研究開発部】再生毛髪の大量調製革新技術開発

毛乳頭細胞の電気刺激培養「再生毛髪の大量調製革新技術開発」プロジェクト
ZHANG Binbin、景山 達斗
1.

はじめに

さらに、電気刺激した細胞が毛髪再生能を有するかについて、移植実験により評価した。電気刺激あり/なしで培養した毛乳頭細胞とマウス胎児上皮系細胞をスフェロイド
培養容器に播種し、毛包原基を形成させたのち、これをマウス皮内に形成した移植創に挿入した。移植 3 週間後に形成した毛髪をカウントすると、電気刺激ありの毛乳頭細胞を用いた系で毛髪数が 2 倍増加していた（図 2）。以上の結果より、電気刺激により毛乳頭細胞の機能を維持・回復
しながら増殖できることが示された(4)。

毛髪再生医療の実現には、毛包の幹細胞である毛乳頭細胞を移植に十分な数まで増殖させる技術が必要不可欠である。しかし、毛乳頭細胞は培養ディッシュでの平面培養
中に毛髪再生機能を急速に失う。そのため、毛乳頭細胞の機能を維持しながら増殖させるための様々なアプローチが開発されてきた。三次元培養は、毛乳頭細胞の機能を維持・回復するのに有効な方法として知られている(1, 2)。ス
フェロイドやゲルビーズ内で培養された毛乳頭細胞は発毛関連遺伝子を向上させ、その移植でより多くの毛髪を再生させることが可能になる。しかし、三次元培養では、細胞の増殖率が平面培養と比較しても低いこと、細胞継代の際に必要な長時間の酵素処理が細胞に深刻なダメージを与えることなどの課題が残る。
電気刺激は、ヒトの脱毛症治療において一定の効果があることが報告されている(3)。しかし、培養中の毛乳頭細胞にどのような影響をもたらすかは、我々の知る限り、明らかになっていない。我々は、毛乳頭細胞に電気刺激を与えることで毛髪再生機能を維持・回復しながら培養することができないかと考えた。そこで本研究では、毛乳頭細胞に電気刺激を付与しながら、平面培養するための培養容器を開発し、そこで培養した毛乳頭細胞の機能を評価した。

図 2：移植による毛髪再生効率の評価

2.

実験と結果

作製したデバイスを図１に示す。培養容器のサイズは 10mm×20 mm であり、その底面は導電性ポリマーのポリピ
ロールがコーティングされている。また容器の上蓋には対極として白金メッシュを設置した（図 1）。

3.

考察及び今後の展望

本研究では、毛乳頭細胞への電気刺激が毛髪再生機能の維持に有効であることを示した。この現象は脱毛症患者の細胞を用いた検討でも実証している。本技術は、毛髪再生医療のための新しい培養方法として期待できる。

【参考文献】
1. C.A. Higgins, et al, Experimental Dermatology, 19, 546-548(2010).
2. T. Kageyama, et al, Biomaterials, 212, 55-63 (2019).
3. W.S. Maddin, et al, Int. J. Dermatol., 31, 878-880 (1992)
4. L. Yan, et al, J Biosci Bioeng., 133(3), 281-290 (2022)
図 1：作製した電気刺激デバイス

このデバイスに毛乳頭細胞を播種し、電気刺激を与えながら 3 日間培養を行った。細胞は基板表面に接着し、増殖する様子が観察され、発毛関連遺伝子は従来の平面培養と比較して有意に増加していた。

85

KISTEC研究報告2022

【研究開発部】再生毛髪の大量調製革新技術開発

毛髪再生医療のための毛包オルガノイド「再生毛髪の大量調製革新技術開発」プロジェクト
景山 達斗
1.

はじめに

毛髪再生医療の分野では、毛髪再生能を有する上皮系細胞と間葉系細胞を移植するアプローチが注目を集めている。この方法では、移植した 2 種類の細胞が毛髪を新しく形成するため、末期の脱毛症患者においても毛髪の数を増やすことが可能である。先行研究では、上皮系細胞と間葉系細胞を用いて、生体の毛包原基に類似した構造を再構築
し、これを移植することで毛髪を効率よく再生する方法が提案された[1]。このアプローチでは、コラーゲンゲルの液滴内で上皮系細胞と間葉系細胞のペレットを顕微鏡下で接合させ、毛包原基に類似した構造を形成させる。免疫不全マウスに移植すると毛髪を再生することができるが、作製プロセスには熟練した技術が必要となる。我々は、より簡便に毛包原基を大量調製するために、細胞の自己組織化を利用した組織作製方法を開発した[2]。上皮系細胞と間葉系細胞の混合懸濁液を培養器に播種し凝集体を形成させると、培養初期は 2 種類の細胞がバラバラの状態で凝集
体内に存在するが、培養 3 日間でそれぞれの細胞が分離し、自発的に毛包原基の形成に至ることを発見した。このプロセスは非常にシンプルであり、数千個のウェルを有す
る大量培養容器を利用することで、患者 1 人当たりの治療に必要な数千個の毛包原基を細胞播種のみで作製できる。
この毛包原基を移植すると毛髪が再生することも確認しており、さらに毛包周囲に存在するコラーゲン[3,4,5]や多血小板血漿[6]、血管内皮細胞[7]、脂肪幹細胞[8]を毛包原
基の作製時に混合すると、周囲環境がリプログラミングされ、毛髪再生能が向上することも見出している。
近年、我々は毛包原基の培養条件の最適化を進める中で、低濃度のマトリゲルを添加した際に、毛包が生体外で高効率(100％)に再生する現象を見出した[9]。毛包原基の移植を種まきと仮定すれば、生体外で再生した毛包組織の移植
は苗を植えるようなものである。再生毛包はより高い効率で移植部に生着すると予想され、理想の配置で審美性の高い毛髪再生が可能となる。本稿では、生体外で再生した毛包組織を利用した毛髪再生について、昨年度までの進捗状況を報告する。

2.

実験と結果(1) 毛髪を生体外で再生するアプローチ
生体外での毛髪再生を実現するために、我々はまず毛包原基を長期間培養する実験を試みた。実際に、一部の毛包
原基から毛幹様の組織が形成される様子が確認されたが、再生効率は非常にわずか（0.3%, 300 個中 1 個程度）であり、生体外での毛髪再生を実現にするには重要な何かが欠86けているようであった。
添加因子、培地、培養条件など様々な条件を検討するな
かで、低濃度のマトリゲルを培地に添加した条件で毛髪がほぼ確実に生体外で再生することを見出した。すなわち、
上皮系細胞と間葉系細胞を 1：1 の比率で混合し、96well
丸底プレートに播種したのち、2v/v%マトリゲルを混合した培地で培養すると、培養 6 日目には毛包が生体外で高効率(100％)に再生した（図 1）。以後、この組織を毛包オル
ガノイドと呼ぶ。毛包オルガノイドから再生した毛包には、
毛包上皮幹細胞や毛乳頭細胞、色素細胞、色素幹細胞、毛母細胞などの毛包を構成する細胞が存在しており、毛幹の表面には、うろこ状のキューティクル構造が観察された。
このように再生した毛包が生体の毛包と類似した構造を有していることが確認された。

図 1：生体外で再生した毛包オルガノイド(2) マトリゲル代替物の探索
生体外での毛髪再生に有効であったマトリゲルは、マウス肉腫由来の細胞外マトリクス抽出物であり、ヒトへ移植する際には安全性の観点で課題が残る。そこで、マトリゲルの代替となる材料の探索を行った。成長因子や細胞外マ
トリクスの種類や組み合わせを検討した結果、マトリゲルの主要成分であるコラーゲン IV やラミニン＋エンタクチ
ン混合物(PCT/JP2019/031142)のみでなく、マトリゲルにほとんど含まれないコラーゲン I やフィブロネクチン(特願2021-165888）でも毛髪が再生した。特にコラーゲン I は、
生物由来原料基準を満たした製品がヒトの治療に用いられている。毛髪再生効率を詳しく評価すると、マトリゲル
同等に高い再生効率を示したことから、コラーゲン I は有望なマトリゲル代替材料になると考えられる。

KISTEC研究報告2022

【研究開発部】再生毛髪の大量調製革新技術開発

幹が伸長を続けており、その長さは約 3 mm に達した（図4）。このようにゲル包埋培養で伸長した毛包を、実体顕微鏡下でマイクロ剪刀を用いて切断し、ヌードマウスの背部へ移植すると、ヌードマウス皮下で生着する様子が観察された(特願 2021-165889）。この方法では、植毛で用いる自家毛包とほぼ同様の移植体を作製できるため、植毛術と同様に毛の方向をコントロールすることが可能になると考えられる。

興味深いことに、生体外の毛髪再生に成功した条件で共通していたのは、培養 2 日目における上皮系細胞と間葉系細胞の細胞分布である。通常、これら 2 種類の細胞を凝集体として培養すると、同種細胞どうしが分離したダンベル型の構造を形成する（図 2）。しかし、マトリゲルやコラー
ゲン I などの細胞外マトリクス（ECM）を添加した場合、上皮系細胞が内核、間葉系細胞が外殻となるコアシェル型の構造を形成した（図 2）。この自己組織化の変化は、ECMの添加が同種および異種細胞間の相互作用のバランスを変えたために生じた現象と考えられる。今後、自己組織化と毛髪再生の関係について、より詳細なメカニズムについて調べていく予定である。

図 2：上皮系細胞と間葉系細胞の自己組織化と毛髪再生の関係

図 4：ゲル包埋培養による長毛化（緑：上皮系細胞、赤：間葉系細胞）

3.

(3) 再生毛包の移植による毛髪再生

考察及び今後の展望

本稿では、毛髪を生体外で再生する技術とその移植による毛髪再生について紹介した。しかし、本稿で紹介した内容はマウス細胞での検証であり、今後ヒト細胞を用いた検討を進めていく必要がある。現在、マウス上皮系細胞をヒト iPS 細胞から誘導した上皮系細に置換しても、生体外で毛髪が再生することを確認している。また、脱毛症患者由来の上皮系細胞と間葉系細胞から毛包オルガノイドを形成し、10 日間培養を行うと、細長い毛幹様構造が伸長する様子が観察され、その組織体が未熟ではあるが、毛髪コルテックスタンパクを形成していることも観察されている。今後、さらにヒト細胞に適した培養条件へと最適化を進めることで、本技術を毛髪再生医療の基盤技術へと成長させていきたい。

生体外で再生した毛包組織の移植による毛髪再生の可能性を評価した。毛包オルガノイドをヌードマウスの皮膚に移植したところ、ほとんどの移植部で毛包が生着し、毛幹が伸長する様子が観察された。また経時的に観察を行うと、生着した毛包は少なくとも 333 日は毛の生え代わりを繰り返した（図 3）。

図 3：ヌードマウス皮下に移植後に生着した毛髪本研究の一部は、JST-さきがけ、 AMED 戦略的国際共同研究プログラム（SICORP） 日・シンガポール共同研究、
JSPS 科学研究費助成事業・若手研究により実施した。

(4) 長毛化した毛髪の移植実験
毛包オルガノイドでは複数の毛包が再生するため、その移植では、1 つの毛穴から複数の毛髪がランダムな向きに再生する。審美性の高い毛髪再生を実現するためには、1つの毛穴から再生する毛包の数やその向きを制御できる技術が必要となる。我々は、毛包オルガノイドから再生した毛包組織を切断し、それを 1 本ずつマウス皮下に移植するアプローチを考案した。この方法では、切断・移植を可能とする十分な長さの毛包を調製する技術が必要となる。
そこで我々は、生体外で長毛を形成する培養系を考案した。
これは、培養 1 日目の毛包オルガノイドをゲル内に包埋し、長期間培養するものである。6 well 丸底プレートでの浮遊培養では、毛幹の伸長は培養 8 日目で止まり、その長さは 200 µm 程度だが、包埋培養では、培養 23 日目でも毛87【参考文献】
1. K.-e. Toyoshima, K. Asakawa, N. Ishibashi, H. Toki, M.
Ogawa, T. Hasegawa, T. Irie, T. Tachikawa, A. Sato, A.
Takeda, T. Tsuji, Nature Communications 3 (2012).
2. T. Kageyama, C. Yoshimura, D. Myasnikova, K. Kataoka, T.
Nittami, S. Maruo, J. Fukuda, Biomaterials 154, 291-300.
(2018)
3. T. Kageyama, L. Yan, A. Shimizu, S. Maruo, J. Fukuda,
Biomaterials 212,55-63 (2019).
4. M. Yamane, J. Seo, Y. Zhou, T. Asaba, S. Tu, A. Nanmo, T.
Kageyama, J. Fukuda, J Biosci Bioeng 134(1), 55-61 (2022).
5. A. Nanmo, L. Yan, T. Asaba, L. Wan, T. Kageyama, J.

KISTEC研究報告2022

【研究開発部】再生毛髪の大量調製革新技術開発

Fukuda, , Acta Biomater in press (2022).
6. T. Kageyama, A. Nanmo, L. Yan, T. Nittami, J. Fukuda,,
Journal of bioscience and bioengineering 130(6), 666-671(2020).
7. T. Kageyama, Y.S. Chun, J. Fukuda, Scientific Reports 11(1)(2021).
8. R. Nakajima, Y. Tate, L. Yan, T. Kageyama, J. Fukuda,, J
Biosci Bioeng 131(6), 679-685 (2021).
9. T. Kageyama, A. Shimizu, R. Anakama, R. Nakajima, K.
Suzuki, Y. Okubo, J. Fukuda, bioRxiv
10.https://doi.org/10.1101/2022.06.13.495917.

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KISTEC研究報告2022

【研究開発部】再生毛髪の大量調製革新技術開発

業

績
の移植組織凍結保存法 化学工学会第 52 回秋季大会(2021/9/22-24 ＊オンラインオンサイト併用)【原著論文】
1. Yukihito Moritoki, Taichi Furukawa, Jinyi Sun, Minoru
Yokoyama, Tomoyuki Shimono, Takayuki Yamada, Shinji
Nishiwaki, Tatsuto Kageyama, Junji Fukuda, Masaru Mukai
and Shoji Maruo. 3D‐Printed Micro‐Tweezers with aCompliant Mechanism Designed Using Topology
Optimization. Micromachines, 12, 579, 2021

2. 杉山衣蓮、景山達斗、福田淳二 マイクロ流体デバイスを用いた毛包原基の調製 化学工学会第 52 回秋季大会（2021/9/22-9/24 ※オンライン開催）
3. 南茂彩華、景山達斗、福田淳二 コラーゲンゲルビー
ズの自己収縮を用いた毛包原基の作製法 化学工学会
第 52 回秋季大会（2021/9/22-9/24 ※オンライン開催）

2. Minami Masumoto, Ittetsu Fukuda, Suguru Furihata,
Takahiro Arai, Tatsuto Kageyama, Kiyomi Ohmori, Shinichi
Shirakawa, Junji Fukuda, Deep neural network for thedetermination of transformed foci in Bhas 42 celltransformation assay. Scientific reports, 11, 23344, 2021

4. Ayaka Nanmo, Tatsuto Kageyama, Junji Fukuda Largescale preparation of collagen-containing hair follicle germs
using 3D bioprinting Biofabrication2021（2021/9/27-9/29

3. Lei Yan, Tatsuto Kageyama, Binbin Zhang, Seiya
Yamashita, Paul J Molino, Gordon G. Wallace, Junji
Fukuda. Electrical stimulation to human dermal papilla cells
for hair regenerative medicine. Journal of Bioscience andBioengineering. 133, 3, pp281-290, 2022

※オンライン開催）
5. Riki Anakama, Tatsuto Kageyama, Junji Fukuda In vitro
hair models using human iPS derived follicular epithelial
stem cells for drug screening BIOFABRICATION 2021
CONFERENCE（2021/9/27-9/29 ※オンライン開催）

4. Monami Yamane, Yinghui Zhou, Tomoki Asaba, Shan Tu,
Ayaka Nanmo, Tatsuto Kageyama, and Junji Fukuda,
Effects of the PI3K/Akt signaling pathway on the hairinductivity of human dermal papilla cells in hair beads.
Journal of Bioscience and Bioengineering, 134, 1, pp55-61,2022

6. 景山達斗，福田 淳二，創薬及び毛髪再生医療のための毛包オルガノイド，第 30 回日本色素細胞学会（2021/10/23-24 シンポジウム講演※オンライン開催）
7. Monami Yamane, Tatsuto Kageyama, Junji Fukuda,
Restoration of the hair-inductive capacity of human dermal
papilla cells embedded in collagen microgel, TERMIS 6TH
WORLD CONGRESS 2021, (2021/11/15-19 ※オンライ
ン開催）

【書籍】
1. 南茂彩華、景山達斗、福田淳二、バイオプリンターを用いた毛包原基の調製と毛髪再生医療への応用、人工臓器, 50, 1, pp51, 2021
2. 景山達斗、福田淳二、髪の色を決めるメラノソーム―
白髪の発生機序とその治療に向けたアプローチ, 実験
医学増刊号 『EVs 細胞外小胞の生物学』39, 20, pp112118, 2021

8. Lei Yan, Tatsuto Kageyama, Binbin Zhang, Junji Fukuda,
ELECTRICAL STIMULATION VIA CONDUCTIVEPOLYMER BED FOR HAIR FOLLICLE STEM CELLCULTURE, TERMIS 6TH WORLD CONGRESS 2021,(2021/11/15-19 ※オンライン開催）

3. 南茂彩華、景山達斗、福田淳二、3D バイオプリンテ
ィングによる培養皮膚や毛包の再生技術、BIO
INDUSTRY, 38, 10, pp32-39, 2021

9. 穴竃理樹、肥高龍彦、景山達斗、福田淳二 毛髪再生医療に向けた毛包オルガノイドの構築, 第 43 回日本バ
イオマテリアル学会大会, (2021/11/28-30)

4. 南茂彩華，景山達斗，福田淳二，毛髪再生のカギは生体模倣？−毛髪再生医療のための培養技術，月刊化学2021

10.景山達斗,福田 淳二, Hair organoid model for melanosome
production and transport, 第 44 回日本分子生物学会（シンポジウム講演 2021/12/1-3 ※オンラインオンサイト
併用）【口頭発表】
1. 青木美緒、景山達斗、福田淳二

毛髪再生医療のため

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KISTEC研究報告2022

【研究開発部】再生毛髪の大量調製革新技術開発

11.南茂彩華、景山達斗、福田淳二 毛髪再生医療のための毛包原基の 3D バイオプリンティング 第 10 回日本
生物工学会東日本支部コロキウム（2022/3/10 ※オン
ライン開催）
12.Tu Shan、景山達斗、福田淳二,in vitro hair follicle
models for study of hair graying 化学工学会第 87 年会(2022/3/16-18＊オンラインオンサイト併用)
13.Seo Jieun, Junji Fukuda, Chun Yang Sook, A 3D cell culture
system for investigating crosstalk mechanisms in the tumor
microenvironment, 化学工学会第 87 年会(2022/3/16-18＊オンラインオンサイト併用)
14.福田淳二、細胞組織の作製と臓器チップ、第 43 回未来医学研究会大会（2021/7/10 ※オンライン開催）
15.福田淳二、毛髪再生医療のための微小環境制御、第 70回高分子討論会（2021/9/6 ※オンライン開催）
16.福田淳二、化学物質の in vitro 細胞アッセイ法の開発、情報計算化学生物学会（CBI 学会）2021 年大会（2021/10/27 ※オンライン開催）
17.Junji Fukuda, Engineering 3D tissues in vitro based on
oxygen supply, MRSTIC2021(2021/11/4 ※オンライン開催)
18.福田淳二、培養基板の微細加工と毛髪の再生医療、高分子学会印刷・情報・電子用材料研究会（2021/11/25※オンライン開催）
19.福田淳二、「再生毛髪の大量調製革新技術開発」プロ
ジェクト、Innovation Hub 2021（2021/12/3 ※オンライン開催）
20.福田淳二、再生・細胞医療の可能性を、ものづくり工学と評価法開発との融合から挑戦！、RINK FESTIVAL
2022（2022/2/18 ＊オンラインオンサイト併用）
21.福田淳二、毛髪再生医療のための工学的アプローチ、
第 21 回日本再生医療学会総会（2022/3/17-19 ※オンライン開催）【特許】(1)国内特許出願(2)国際特許出願

5件
2件

90

KISTEC研究報告2022

研究報告2022 目次【研究開発部】

有望シーズ展開事業「超分子ペプチドを用いた脳梗塞の再生医療」プロジェクト◆ 総括･･････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

92◆ JigSAPによる亜急性期重度脳梗塞治療の実現に向けた齧歯類での実証実験･･･････････････････

95◆ JigSAPによる亜急性期重度脳梗塞治療の実現に向けた形態学的定量解析系の確立･････････････

98◆ 業績･･････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････ 101

91

KISTEC研究報告2022

【研究開発部】超分子ペプチドを用いた脳梗塞の再生医療「超分子ペプチドを用いた脳梗塞の再生医療」プロジェクト
プロジェクトリーダー

味岡逸樹【基本構想】
国内死因の第 3 位となっている脳血管障害のうち、脳梗塞は全体の 75%以上を占め、一命をとりとめた
場合でも後遺症が残る場合が多く、我が国の「寝たきり」原因の 25%を占めている。脳機能発揮の中心的役割を担う神経細胞（ニューロン）は、皮膚や肝臓の細胞とは異なり増殖能に乏しく、脳組織がほとんど再生しないため、手足の麻痺や言語障害などの後遺症が残ることが多く、患者や家族の QOL を著しく低下させる社会問題となっている。
一方、医師の側にも悩みがある。脳梗塞発症後 4.5 時間以内であれば血栓溶解治療薬を投与できるが、2%程度の患者にしか治療効果が得られていない。発症 8 時間以上の患者に対しては安定期まで見守ることしかできず、医師もまた、亜急性期の重度脳梗塞患者に効果のある何らかの治療法を求めているのが現状である。
戦略的研究シーズ育成事業（「脳梗塞治療のためのスキャフォールド材料」）では、生体適合性が高く、脳内投与に適した硬さに分子設計した 16 アミノ酸からなる両親媒性ペプチド (RADA)3-RADG を開発した。
本プロジェクトでは、この超分子ペプチドを革新的な医薬品へと開花させるため、低免疫原性の短いア
ミノ酸からなる両親媒性ペプチドを開発し、「細胞フリー再生治療医薬品」への展開を実現する。なお本プ
ロジェクトは神奈川県が掲げる「ヘルスケア・ニューフロンティア」事業の一角としても研究を進めていく。

1.

2021 年度の研究目的

条件では流動性の高いゲル状態であるため、酸性状態で生
理活性物質と共存させる必要があり、活性状態を保持する

プロジェクト 1 年目となる 2021 年度は、以下の各項目
を重点項目として開発を進めた。

という観点から中性で扱えるペプチドの開発が必要とされていた。また、体内投与する際に免疫原性を可能な限り(1) 11 アミノ酸からなる JigSAP（Jigsaw-shaped selfassembling pepitide）の開発抑えるため、短いアミノ酸配列でゲル化するペプチドの開発が必要であった。

細胞外マトリックス（ECM）は生体内で細胞足場としての機能に加えて、吸着した生理活性物質を局所的に放出し、そこで本プロジェクトでは、中性でゲル化し、短いアミノ酸でゲル化するペプチドの開発を目的とした。

細胞の分化増殖を精密に制御する機能を持つ。損傷した生体組織の再生研究開発において、様々な人工 ECM が開発(2) JigSAP ゲルからの修飾タンパク質徐放効果の検討されてきたが、体内安全性の高い両親媒性ペプチドを材料にした超分子ペプチドゲルが注目を浴びている。最もよく前述したように、人工 ECM には細胞足場としての機能

知 ら れ て い る (RADA)4 ペ プ チ ド （ AcRADARADARADARADA-NH2）は、PuraMatrix®という商の他に、生理活性物質を局所的に徐放する機能が重要である。しかしながら、生理活性物質の吸着と放出はトレード

品名で研究用の人工 ECM として販売され、PuraStat®という商品名で臨床用の止血剤として販売されている。しかしオフの関係にあり、実際、予備実験の結果から、 (RADA)4
あるいは(RADA)3-RADG 配列を付加した生理活性タンパながら、脳内に投与するには硬すぎるという問題があり、本プロジェクトの非常勤研究員で計算物理学を専門とす

ク質を(RADA)4 あるいは(RADA)3-RADG に取り込ませた
ところ、ペプチド配列付加によりゲルへの取り込みが顕著る北里大・渡辺准教授と有機化学を専門とする農工大・村岡教授との共同研究にて、分子集合体構造を予測する分子に増加したものの、ほとんどゲルから放出されないという知見を得た。この理由として、(RADA)4 あるいは(RADA)3-

動力学（MD）シミュレーションを新たに確立し、脳内投与に適した硬さに分子設計した 16 アミノ酸からなる両親

RADG ペプチドでは、アラニン側鎖からなる疎水面が平面形状であるため、疎水性相互作用が強固になり、一度取り

媒 性 ペ プ チ ド(RADA)3-RADG （ AcRADARADARADARADG-NH2）を開発した（Ishida et al.,

込んだペプチドタグ付きタンパク質を放出しにくいことが考えられた。そこで、新規ペプチド開発では両親媒性ペChem Eur J 2019, doi: 10.1002/chem.201902083）。
しかしながら、(RADA)4 および(RADA)3-RADG は酸性

プチドの疎水面に、吸着と放出の起こりやすい分子設計を

92

KISTEC研究報告2022

【研究開発部】超分子ペプチドを用いた脳梗塞の再生医療行い、新規ペプチドタグを付加したタンパク質の取り込みと徐放を達成する新規ペプチドの開発を目的とした。

(3) 血管内皮細胞増殖因子（VEGF）を使ったマウス
脳梗塞モデルの治療効果検討とその作用機序解析
齧歯類脳梗塞モデルにおいて、VEGF を亜急性期に脳内連続投与すると運動機能障害が回復すると報告されている （ Zhang
et
al.,
J
Clin
Invest2000,
https://doi.org/10.1172/JCI9369）。そこで本プロジェクトでは、新規ペプチドタグを付加した VEGF を超分子ペプチドゲルから徐放させ、単回投与で治療効果を発揮させることを目的とした。

(4) 形態学的な再生を定量的に評価する実験系の開発
非臨床 POC 取得には、脳梗塞後の再生メカニズム解明が必要不可欠であり、特に形態学的な解析が鍵となるため、2021 年度には超高解像度顕微鏡と三次元画像解析ソフト
ウエアを研究室に設置し、定量解析の実験系確立を行った。

チド（Ac-RIDARMRADIR-NH2）JigSAP を開発した（図 1ad）
。JigSAP は、凹凸を持つ組木状の疎水面を有しており、

図 1：JigSAP によるハイドロゲル形成
a, Ac-RIDARMRADIR-NH2 (JigSAP) の空間充填モデル．凹
凸状の疎水性表面を示す． b, MD シミュレーションにより得られた JigSAP の水中超分子構造のスナップショット． c,
37℃で 48 時間培養した JigSAP の写真（ペプチド濃度: 1.0
wt%, pH 7.4）。矢印はハイドロゲルを示す．d, JigSAP の透過型電子顕微鏡写真．e, f, JigSAP の貯蔵弾性率 (G', 赤) と損失弾性率 (G", 青) の時間変化． g,h, JigSAP の円二色性（CD）スペクトル．h, JigSAP の CD シグナル強度の時間変化 (217.6 nm) ．

合致する凹凸部との選択的疎水性相互作用と、水素結合によるβシート形成によって自己選択的に一次元集積する。

並行して粘弾性も増加した（図 1e-h）。JigSAP はこの動的特性のため、溶解直後に脳内投与しやすい柔らかさを有し

凹凸状疎水面は、グリコホリン A などのホモ二量体蛋白質に広く見られる構造であり、その特徴的な構造モチーフている点が特徴である。
また、JigSAP の細胞接着能を 3T3 細胞を用いた細胞接2. 2021 年度の研究成果(1) 11 アミノ酸からなる JigSAP（Jigsaw-shaped Selfassembling pepitide）の開発
短いアミノ酸からなり、中性でゲル化し、タンパク質の取り込みと徐放を達成する新規 11 アミノ酸からなるペプである AXXXA 配列や GXXXG 配列は、αヘリックスからβストランドへとコンフォメーション変化することが着実験で検討し、(RADA)4（=RADA16）と同等の細胞接着能を有していることが判明した（図 2）。

知られている。実際に JigSAP は、水中でヘリックスからβシートへの構造変化を示してゲル化し、この動的変化と

図 2：JigSAP ペプチドの細胞接着性
a-e,Sigmacote (a), 非 コ ー ト 対 照 (b), Fibronectin (FN) (c),RADA16 (d), JigSAP (e) でコートしたチャンバースライドに接着した線維芽細胞の DAPI 蛍光像．f,接着した線維芽細胞の細胞数．*P < 0.05

凹凸形状の疎水性表面が超分子特性へ与える影響を調べるために、疎水性表面が平面の両親媒性ペプチドである
5V (Ac-RVDVRVRVDVR-NH2) を合成した（図 3a）
。5V は

93

KISTEC研究報告2022

【研究開発部】超分子ペプチドを用いた脳梗塞の再生医療

は準研究員・秋本の研究報告欄に記載した。

図 3：平面形状の疎水性表面を持つ 5V ペプチドの特性
a, 5V ペプチドの FSAP としての特性．Ac-RVDVRVDVR-NH2(5V)の空間充填モデル．b,MD シミュレーションで得られた、5V の超分子構造スナップショット．C, 5V の写真．

MD シミュレーションにより、非一方向性のメッシュ状構造を形成することが予測され（図 3b）。実際、5V は溶液中で懸濁液のままであり、ゲル化しなかった（図 3c）。
以上の結果より、独自に開発した JigSAP は、11 アミノ酸という短いペプチドでありながらも、中性でゲル化し、脳内投与に適した動的特性を示し、人工 ECM としての重要な細胞接着性も有することが明らかとなった。

(2) JigSAP ゲルからの修飾タンパク質徐放効果の検討
JigSAP 配列を付加したタンパク質の吸着と徐放を評価するために、緑色蛍光タンパク質 EGFP を用いて検討した。
吸着に関しては、従来の(RADA)4 配列を付加した場合と同様に JigSAP 配列の付加でゲルへの取り込み効率が顕著に増加したが、放出に関しては従来の(RADA)4 配列タグの 10倍以上のタンパク質を約 1 週間かけて徐放することが判明し、吸着と放出の起こりやすい分子設計に成功した。なお、この詳細は研究員・原の研究報告欄に記載した。

(3) 血管内皮細胞増殖因子（VEGF）を使ったマウス
脳梗塞モデルの治療効果検討とその作用機序解析
JigSAP 配列を付加した VEGF も、EGFP と同様に約 1 週
間かけて徐放することを確認し、戦略的研究シーズ育成事
業で確立した、マウス中大脳動脈遠位部梗塞（dMCAO）
モデルと光化学反応誘発性血栓形成（PT）モデルの 2 種類の脳梗塞モデルマウスを用いて、
VEGF-JigSAP の治療効果を検討し、脳梗塞発症 1 週間後の脳内単回投与で歩行機能改善を認めた。また、血管内皮細胞の増殖促進と数の増加、および、ニューロン数減少の抑制を認め、VEGF-JigSAP による亜急性期脳梗塞モデルの治療効果は血管新生とニューロン細胞死抑制効果の影響によるものと示唆された。この詳細は研究員・原と準研究員・秋本の研究報告欄に記載した。

(4) 形態学的な再生を定量的に評価する実験系の開発
非臨床 POC 取得には、損傷脳の再生メカニズム解明が必要不可欠である。特に形態学的な解析が鍵となるため、超高解像度顕微鏡と三次元画像解析ソフトウエアを駆使し、定量解析の実験系確立を行い、血管体積と血管分岐を定量化に成功した。また、損傷領域近傍でのミクログリア
による貪食活性を評価できる観察系を確立した。この詳細

94

KISTEC研究報告2022

【研究開発部】超分子ペプチドを用いた脳梗塞の再生医療

JigSAP による亜急性期重度脳梗塞治療の実現に向けた
齧歯類での実証実験「超分子ペプチドを用いた脳梗塞の再生医療」プロジェクト
原

1.

央子

はじめに

人工細胞外マトリックス（ECM）には細胞足場としての機能の他に、生理活性物質を局所的に放出する機能が重要である。11 アミノ酸からなる JigSAP（Jigsaw-shaped selfassembling peptide）（Ac-RIDARMRADIR-NH2）は、凹凸形状を持つ組木状の疎水面を有しており、JigSAP 配列を付加したタンパク質と混合してゲル化することで、タグ付きタンパク質を効率的に取り込み、数日かけて徐放することを狙って開発した両親媒性ペプチドである。そこで 2021
年度は、タンパク質の吸着と徐放を評価し、血管内皮細胞
増殖因子（VEGF）を使った亜急性期脳梗塞治療の実現に向けた齧歯類での実証実験を行った。

2. 実験と結果(1) JigSAP ゲルからの修飾タンパク質の徐放効果検
討C 末端側に、疎水性表面が凹凸形状を持つ JigSAP および疎水性表面が従来の平面形状を持つペプチド 5V (AcRVDVRVRVDVR-NH2)
及びRADA16(AcRADARADARADARADA-NH2) を付加した EGFP-JigSAP、
EGFP-5V、EGFP-RADA16 のペプチドゲルへの取り込みを検討した（図 1a）。ペプチドタグ付き EGFP を対応する両親媒性ペプチドと混合し、ペプチドタグ付き EGFP のペ
プチドゲルへの取り込み効率を、ELISA 法によって評価した（図 1b-d）。JigSAP 付加 EGFP タンパク質とタグなし
EGFP タンパク質の間では、取り込み効率に顕著な差を認めた（図 1b）。同様に、5V と RADA16 付加 EGFP タン
パク質も、タグなし EGFP よりも対応するペプチドゲル
への高い取り込み効率を示した（図 1 c,d）
。これらの結果
より、タンパク質の取り込みにペプチドタグが重要な役割を果たすことが示唆された。

図 1：JigSAP タグ付き EGFP タンパク質の効率的な組み込
みと徐放化
a, 実験デザイン：JigSAP ペプチドをコードする配列をEGFP cDNA の C-末端に付加した．EGFP-JigSAP を発現するプラスミドを 293T 細胞に遺伝子導入し、粗精製した
EGFP-JigSAP タンパク質を過剰量の JigSAP と混合した．
b-d, ペプチドタグ付き GFP と非タグ付き GFP の取り込み比率を示す．EGFP-JigSAP (b, 赤色), EGFP-5V (c, 青色),EGFP-RADA16 (d, 灰色) はそれぞれ JigSAP, 5V, RADA16ペプチドと混合してゲル化した．タグなし EGFP（b-d、黒色）をコントロールとして用いた．e, GFP の放出量と取り込まれた GFP との比率．EGFP-JigSAP（赤色）、EGFP-5V（青色）、EGFP-RADA16（灰色）は、それぞれ JigSAP、5V、
RADA16 ゲルからの放出である．

た（図 2）。投与 3 時間後で、EGFP-JigSAP および EGFPRADA16 注入脳の両方で、投与した部位に EGFP 蛍光シグ放出に関しては、JigSAP ペプチドゲルは、従来の疎水性
表面が平面形状のペプチドゲルよりも、タグ付きタンパクナルが明確に検出された（図 2 a, b）。一方、投与 72 時間
後では、EGFP-RADA16 投与脳でのみ明確な EGFP シグナ

質の長期放出能を発揮することが生体外実験により明らかとなった（図 1 e）。

ルが検出され、EGFP-JigSAP の注入部位からの放出が示唆された。

次に、生体内において JigSAP タグ付きタンパク質が invivo 注入部位から放出されるかどうかを調べるために、投与した JigSAP ペプチドの免疫原性を検討するために、
JigSAP と RADA16 投与 7 日目後にニューロンマーカー

EGFP-JigSAP と EGFP-RADA16 を そ れ ぞ れ 混 合 し た
JigSAP と RADA16 ペプチドを非損傷マウス脳内に投与しNeuN、活性化アストロサイトマーカーGFAP、ミクログリ

95

KISTEC研究報告2022

【研究開発部】超分子ペプチドを用いた脳梗塞の再生医療

図 2：EGFP-JigSAP および EGFP-RADA16 の脳への注入
a-d、注入後 3 時間（a、b）および 24 時間（c、d）の脳のEGFP 蛍光画像（緑色）および DAPI（青色）画像。(a, b, d)の矢印は EGFP シグナルを示す。

図 4： JigSAP タグ付き VEGF タンパク質の持続的な放出と in vitro 血管新生a, ペプチドゲルへの VEGF の取り込み比率。VEGF-JigSAP（赤色）とタグなし VEGF（黒色）．b, VEGF の放出量と取り 込 ま れ た VEGF の 比 率 . c-j, 血 管 内 皮 細 胞 マ ー カ ー
Lycopersicon esculentum lectin（LEL）（マゼンタ色）およびDAPI（青色）による HUVEC. （d）および（h）の矢印は、管腔様構造を示す．
（e）と（i）の矢印は、死細胞の特徴である核の凝縮を示す．k、HUVEC の細胞数測定．

内皮細胞増殖因子（VEGF）タンパク質を用いたマウス脳梗塞モデルの治療効果検討を行った。EGFP-JigSAP のデー
タから予想された通り、JigSAP 付加 VEGF タンパク質（VEGF-JigSAP）は、タグなし VEGF よりも効率的に
JigSAP ペプチドゲルに取り込まれ（図 4a）、さらに、VEGFJigSAP は、EGFP-JigSAP 同様の長期放出が認められた（図4b）。VEGF-JigSAP を取り込んだ JigSAP ペプチドゲルがin vitro 血管新生を促進するかどうかを調べるために、コラーゲンゲル中でヒト臍帯静脈内皮細胞（HUVEC）の管腔様形成アッセイを実施し、ゲル内に取り込まれた VEGF-

図 3： JigSAP と RADA16 の脳内注入後の異物反応評価
4-ペンチノイル基を有する JigSAP と RADA16（AlkyneJigSAP と Alkyne-RADA16）を用いて、in vivo でのペプチド
ゲルを可視化した．活性化アストロサイトマーカーGFAP（緑色）（a-d）, ミクログリアマーカーIba1（マゼンタ色）（e-h）、ペプチドゲル（黄色）（i-l）．

JigSAP が溶液に添加したリコンビナント VEGF と同程度の活性が認められ、VEGF-JigSAP が VEGF 同様の生物活性を持つことが示された（図 4 c-k）。
そこで、マウス中大脳動脈遠位部梗塞（dMCAO）モデ

アマーカーIba1 で免疫染色した（図 3）。JigSAP 投与部位において Iba1、GFAP 陽性細胞が検出されたが、異物反応

ルと光化学反応誘発性血栓形成（PT）モデルの 2 種類の脳梗塞モデルマウスを用いて、
VEGF-JigSAP の治療効果を検レベルは軽度であり、ヒトで既に臨床応用されている
RADA16 投与部位と同程度であった。以上の結果から、討した。図 5 に示すように、dMCAO 作製 7 日後の歩行機
能解析テスト（FFT）を行った直後にペプチドゲルを脳内JigSAP 付加タンパク質を JigSAP と混合投与することで、重大な異物反応を引き起こすことなく、生体内徐放の達成に単回投与し、投与 7 日後に FFT を行った。その結果、
JigSAP ゲル単独、VEGF-JigSAP 単独、タグなし VEGF＋に成功した。

JigSAP 混合投与群では歩行機能改善効果が認められなか
ったが、
VEGF-JigSAP＋JigSAP の単回投与群では顕著な歩(2) 血管内皮細胞増殖因子（VEGF）を使ったマウス
脳梗塞モデルの治療効果検討

行機能改善効果が認められた（図 5 a）。さらに、VEGFJigSAP と VEGF-RADA16 の効果を比較するために、
VEGF-

このような JigSAP システムの動的特性を踏まえ、血管

JigSAP と VEGF-RADA16 を 取 り 込 ま せ た JigSAP と

96

KISTEC研究報告2022

【研究開発部】超分子ペプチドを用いた脳梗塞の再生医療

以下本文。以下以本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下以本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。
以下本文。以下以上、○○○を用いた○○○の実験結果より、まず・・・・の・・・・という性質が明らかになった。
このことは・・・・の解明につながる可能性もあり、今後
さらなる検討が必要とされる。また・・・・・の点においては、・・・・・の問題を考慮する必要があるため、・・・・・・・・・
であるとはいえず、・・・・・・・本文。以下以上、○○○を用いた○○○の実験結果より、まず・・・・の・・・・という性質が明らかになった。このことは・・・・の解明につながる可能性もあり、今後さらなる検討が必要とされる。また・・・・・の点においては、・・・・・の問題を考慮する必要があるため、・・・・・・・・・であるとはいえず、・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ことも考えられる。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。
以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。
以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。
以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。
以下本文。以下本文。以本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本

図 5： VEGF-JigSAP を組み込んだ JigSAP ペプチドゲルの単回注入による脳梗塞モデルマウスの機能回復．
a, dMCAO モデル b, 光血栓 PT モデル。*P<0.05 n=7.

文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。
以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以RADA16 ペプチドゲルをそれぞれ注入した。この実験では、
VEGF-JigSAP＋JigSAP が dMCAO モデルでのみ機能回復

下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本を促進した可能性を排除するために、PT モデルを使用した。VEGF-JigSAP＋JigSAP は PT モデルでの行動回復も改文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。
以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以善したが、VEGF-RADA16＋RADA16 は改善しなかった（図 5 b）。
これらの結果より、脳梗塞発症 1 週間後の VEGF-

下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本JigSAP＋JigSAP の脳内単回投与が、亜急性期マウス脳梗塞モデルの治療効果を持つことが判明した。

文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。
以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以

3.

下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本

今後の展望

亜急性期脳梗塞の治療効果を持つ VEGF には血管透過能もあることから、未だ臨床応用されていない。また、化文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。
以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以

学合成では製造できない分子量の大きいタンパク質のため、臨床応用に向けて莫大な製造費用を要するという問題

下本文。以下本下本文。以下本文。以下本文。以下本文。
以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以点もある。今後は臨床応用に適した化学合成可能な生理活性物質を用いて、開発研究を進めていく。

下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。

97

KISTEC研究報告2022

【研究開発部】超分子ペプチドを用いた脳梗塞の再生医療

JigSAP による亜急性期重度脳梗塞治療の実現に向けた形態学的定量解析系の確立「超分子ペプチドを用いた脳梗塞の再生医療」プロジェクト
秋本

1.

沙織

はじめに

JigSAP の医薬品展開に必要不可欠となる非臨床 POC 取
得には、脳梗塞後の再生メカニズム解明が必要不可欠であり、特に形態学的な解析が鍵となる。有望シーズ展開事業の初年度となる 2021 年度は、超高解像度顕微鏡と三次元画像解析ソフトウエアを研究室に設置し、定量解析の実験系確立を行った。

2. 実験と結果(1)
血管内皮細胞増殖因子（VEGF）を使った脳梗塞治療効果の作用機序解析
マウス脳梗塞モデルとして、本研究では中大脳動脈遠位部
梗塞（dMCAO）モデルを用いた。dMCAO 作製 1 週間後に
VEGF-JigSAP＋JigSAP を脳内単回投与し、さらに 1 週間
後に脳組織切片を作製して、組織学的解析を行った。損傷
中心部や損傷周囲のペナンブラ領域の体積には影響を与えず、また、Iba1 陽性領域で測定される病変サイズの減少も認められなかった（図 1）。

図 2：VEGF-JigSAP タンパク質を組み込んだ JigSAP ナノフ
ァイバーの単回注入による脳梗塞モデルマウスの血管新生．
a, 実験デザイン．dMCAO 後 7 日目に、ペプチドゲルを脳内に単回投与し、EdU を 8 時間置き 1 週間投与して増殖細胞をラベルした．b-f、ラミニン（緑色）、g-k、EdU（マゼン
タ色）、l-p、損傷中心部とペナンブラの境界におけるラミニ
ン（緑色）と EdU（マゼンタ色）染色画像。q-u、ペナンブ
ラでのラミニン（緑色）、EdU（マゼンタ色）、DAPI（青色）の高倍率画像．v、w、ペナンブラでのラミニン陽性（v）および EdU/ラミニン共陽性（w）細胞の細胞数測定．

図 1：ペプチド注入後の病変領域評価。
a, 対照群（PBS 投与）損傷部位の Iba1 染色画像．b, Iba1 強陽性部位の体積測定

そこで、血管内皮細胞のマーカーラミニンの免疫組織染色を行ったところ、
VEGF-JigSAP＋JigSAP の脳内単回投与
により、ペナンブラにおけるラミニン陽性細胞の数が増加した（図 2 b-f, v）。また、チミジンアナログの EdU を 8 時
間おきに 7 日間腹腔内注射して増殖細胞を標識し、増殖血り、ペナンブラでの NeuN 陽性細胞数が増加し（図 3 a-j）、
FJC 陽性細胞数が顕著に減少した（図 3 k-t）ことから、ペ

管内皮細胞の数を調べた。VEGF-JigSAP＋JigSAP の投与
で、EdU/ラミニン共陽性細胞数が有意に増加し（図 2 g-u、

ナンブラでの神経細胞死を抑制していることが示唆された。過去の報告において、VEGF が脳損傷後の成体ニューw）、ペナンブラでの血管新生促進が示唆された。次に、神経保護効果を評価するために、変性したニューロンを標識

ロン新生を促進することが知られている。我々は、
EdU/NeuN 共陽性細胞の数を調べることで、成体ニューロする Fluoro-Jade C (FJC) 染色とニューロンマーカーNeuNの抗体染色を行った。VEGF-JigSAP + JigSAP の投与によン新生への影響を評価したが、共陽性細胞は観察されなか

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KISTEC研究報告2022

【研究開発部】超分子ペプチドを用いた脳梗塞の再生医療った。したがって、VEGF-JigSAP＋JigSAP の脳内単回投与
は、成体ニューロン新生を促進することなく、血管新生と神経保護を促進することが示唆された。

図 3： VEGF-JigSAP を組み込んだ JigSAP ペプチドゲルの単回注入による脳梗塞モデルマウスの神経保護作用．
a-f、損傷中心部とペナンブラの境界における NeuN（マゼン
タ色）（a-c）および NeuN（マゼンタ色）/LEL（緑色）（d-f）
染色画像．g-i、ペナンブラにおける NeuN（マゼンタ色）、
LEL（緑色）および DAPI（青色）の高倍率画像。j、ペナン
ブラにおける NeuN 陽性細胞の細胞数測定
k-p、損傷中心部とペナンブラの境界における FJC（緑色）（k-m）および FJC（緑色）/DAPI（青色）（n-p）画像、qs、ペナンブラにおける FJC（緑色）/DAPI（青色）の高倍率
画像．t、ペナンブラにおける FJC 陽性細胞の細胞数測定．

図 4： 血管体積の定量化と血管分岐間の平均距離測定(2) 形態学的な再生を定量的に評価する実験系の開発
非臨床 POC 取得には、損傷脳の再生メカニズム解明が必要不可欠である。特に形態学的な解析が鍵となるため、2021 年度上半期には超高解像度顕微鏡と三次元画像解析
ソフトウエアを研究室に設置し、定量解析の実験系確立を行った。図 4 は、ペナンブラと反対側の非損傷部位の血管
体積と血管分岐を定量化し、観察系を確立したことを示す図である。具体的には、生体組織と屈折率が近いシリコン
オイルとシリコンオイル対応 25 倍対物レンズを用いて、200µm x 200µm x100µm の血管画像を顕微鏡で取得し、三次元画像解析ソフトウエアにて血管表面をオブジェクト化した。なお、血管画像の取得には、タモキシフェン投与により血管内皮細胞で赤色蛍光タンパク質が発現する遺伝子改変マウスを利用し、血管の体積の定量化は血管表面のオブジェクト画像（図 4 の上の画像）を用いた。その解

図 5： ミクログリア活性評価

析の結果、損傷部は非損傷部に比べて顕著に血管が発達していることが定量的に示された（図 4 表）
。一方、血管分た可能性が示された（図 4 表）。

岐の程度を定量化するために、血管分岐間の平均距離を定量化するプロトコルを作製した（図 4 の下の画像で緑色でさらに、損傷領域と非損傷領域の識別を試みた。形態学的な解析による損傷再生メカニズム解明において、損傷領示されている血管）。このプロトコルにより、血管までの距離を正確に測定することができ、実際、損傷部の方が血域と非損傷領域の区別の指標が有用だが、ペナンブラと呼ばれる損傷領域周辺部は、その知見が重要な意味を持つに

管分岐までの距離が短く、損傷後に新たな血管分岐が生じも関わらず、境界が不明瞭であることから厳密に調査する

99

KISTEC研究報告2022

【研究開発部】超分子ペプチドを用いた脳梗塞の再生医療ことが難しい。我々の脳梗塞モデルマウスにおいても、脳組織染色により損傷領域を特定できるが、損傷中心部や損傷周辺部であるペナンブラ、非損傷領域の境界を明確にすることは難しいため、指標を作り一定の条件で領域を区別してより明瞭な形態学的解析データを得たい。
一方で、損傷が強い領域においてミクログリアが活発に活動し、損傷による細胞死などから発生した老廃物を貪食

以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以することは、これまでの多くの研究で明らかにされてきた。
ミクログリアの形態や貪食程度により損傷領域の境界の下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本指標を設定できれば、本研究で行う損傷脳再生メカニズムの解明の形態学的な定量解析で、より明瞭な結果を得られ文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。
以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以ると期待できる。
損傷部と反対側の非損傷部位のミクログリアの貪食程

下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本度を可視化したところ、貪食程度の比較に成功した。具体的には、脳梗塞モデルマウスの Iba1 陽性細胞内にニュー文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下

ロン由来の老廃物が蓄積しているかを可視化した。恒常的にニューロンで蛍光タンパク質 YFP を発現するトランス

本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。

ジェニックマウスで脳梗塞モデルを作製し、損傷領域を含む組織をミクログリアのマーカーである抗 Iba1 抗体染色

以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本を行った。
共焦点蛍光顕微鏡で XYZ の撮影をして得られた Iba1 陽

文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。
以下本文。以下本文。以本文。以下本文。以下本文。以下

性のミクログリアの細胞質内に蓄積された神経細胞由来の蛍光タンパク質 YFP の有無を xyz の 3 次元画像解析に本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。

より検証しところ、損傷領域近傍の Iba1 陽性細胞内に多数の YFP シグナルを検出し、非損傷領域では Iba1 陽性細以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下

胞内の YFP シグナルはほとんど得られなかった（図 5）。
この観察方法により、まず損傷領域近傍でミクログリアに本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。

よる貪食活性を評価できる観察系を確立した。

以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下

3.

本研究で確立した形態学的な再生を定量的に評価でき本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。

る実験系は、多検体サンプルの解析を可能にする。本研究で明らかとなった亜急性期脳梗塞の治療効果を持つ

以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下

VEGF には血管透過能もあることから、未だ臨床応用されていない。また、化学合成では製造できない分子量の大き本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。

いタンパク質のため、臨床応用に向けて莫大な製造費用を要するという問題点がある。今後は臨床応用に適した化学

以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本下本文。以下本文。以下本文。以下本文。

合成可能な生理活性物質を用いて開発研究を進めていくが、本研究で確立した形態学的再生の定量評価で研究開発

以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。以下本文。

の加速化を図る。

今後の展望としては、・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・の解析や・・・・・を中心に、○○○法を用いた実験など・・・・

今後の展望の○○○などについても・・・・・・を行う計画である。

100

KISTEC研究報告2022

【研究開発部】超分子ペプチドを用いた脳梗塞の再生医療

業 績【原著論文】

脂質膜の形成を誘導する CaRL ペプチドの設計と応用

1. Atsuya Yaguchi, Mio Oshikawa, Go Watanabe, Hirotsugu
Hiramatsu, Noriyuki Uchida, Chikako Hara, Naoko Kaneko,

日本化学会 第 102 春季年会, 2022 年 3 月, オンライン

Kazunobu Sawamoto, Takahiro Muraoka, and Itsuki Ajioka
Efficient protein incorporation and release by a

4. 三浦恵理香、奥村正樹、村岡貴博
液液相分離を利用した酸化的タンパク質フォールディ

jigsaw-shaped self-assembling peptide hydrogel for injured
brain regeneration.

ング操作
日本化学会 第 102 春季年会, 2022 年 3 月, オンライン

Nature Commun. 12, 6623 (2021)
5. 野尻涼矢、村岡貴博
2. Jindan Sheng, Susumu Kohno, Nobuhiro Okada, Nobuyuki
Okahashi, Kana Teranishi, Fumio Matsuda, Hiroshi Shimizu,

凝集抑制効果を併せ持った酸化的タンパク質フォール
ディング促進剤の開発

Paing Linn, Naoko Nagatani, Minako Yamamura, Kenichi
Harada, Shin-ichi Horike, Hiroshi Inoue, Seiji Yano, Sharad

日本化学会 第 102 春季年会, 2022 年 3 月, オンライン

Kumar, Shunsuke Kitajima, Itsuki Ajioka, and Chiaki
Takahashi

6. 松本陽佑、松﨑元紀、稲葉謙次、奥村正樹、村岡貴博
芳香族化合物による酸化的タンパク質フォールディン

Treatment of Retinoblastoma 1–Intact Hepatocellular
Carcinoma With Cyclin-Dependent Kinase 4/6 Inhibitor

グ促進効果
日本化学会 第 102 春季年会, 2022 年 3 月, オンライン

Combination Therapy.
Hepatology 74, 4, 1971-1993 (2021)

7. 西野隼人、三宅亮介、村岡貴博
酸化的タンパク質フォールディングを操作するポリカ
チオン化合物の開発

3. Chiharu Ueda, Junsu Park, Kazuya Hirose,Subaru Konishi,
Yuka Ikemoto, Motofumi Osaki, Hiroyasu Yamaguchi, Akira
Harada, Masaru Tanaka, Go Watanabe, Yoshinori Takashima,

日本化学会 第 102 春季年会, 2022 年 3 月, オンライン

Behavior of Supramolecular Cross-Links Formed by
Host-Guest Interactions in Hydrogels Responding to Water

8. 矢口敦也、平松弘嗣、味岡逸樹、村岡貴博
高次構造転移特性を有するヒドロゲル化ペプチドの開Contents.
Supramolecular Materials 1 100001 (2021)

発と組織再生への応用
日本化学会 第 102 春季年会, 2022 年 3 月, オンライン

4. Atsuya Yaguchi, Hirotsugu Hiramatsu, Atsuya Ishida, Mio

9. 岡田隼輔、奥村正樹、村岡貴博

Oshikawa, Itsuki Ajioka, Takahiro Muraoka,
Hydrogel-Stiffening and Non-Cell Adhesive Properties of

生体酵素模倣を指向したタンパク質酸化的フォールデ
ィング促進剤の開発

Amphiphilic Peptides with Central Alkylene Chains.
Chem Eur J 27, 36, 9295-9301（2021)

日本化学会 第 102 春季年会, 2022 年 3 月, オンライン
10.内田紀之、村岡貴博
リン脂質膜変形分子素子の開発(1)：光応答性両親媒性【口頭発表】
1. 露木 弘美、上田 智也、西村 慎之介、塩本 昌平、村上 大樹、田中 賢、渡辺 豪、

分子を用いたエンドサイトーシス様ベシクル分裂
日本化学会 第 102 春季年会, 2022 年 3 月, オンライン

分子動力学シミュレーションを用いた生体親和性ポリ
マーブラシのミクロダイナミクス解明

11.Go Watanabe, Mitsuo Hara, Jun Yoshida、Visualizing
helicalstackingof
propeller-shaped
metallomesogen molecules: a molecular dynamics study.

日本化学会 第 102 春季年会, 2022 年 3 月, オンライン
2. 石井 佐和、西村 達也、前田 勝浩、渡辺 豪
分子動力学シミュレーションによる外部刺激応答性ら

Pacifichem 2021、2021 年 12 月, オンライン
12.Atsuya Yaguchi, Hirotsugu Hiramatsu, Mio Oshikawa,
Itsuki Ajioka, Takahiro Muraoka

せん高分子の構造解明
日本化学会 第 102 春季年会, 2022 年 3 月, オンライン

Development of synthetic amphiphilic peptides with
bio-functions and stimuli-responses

3. 河北杏樹、内田紀之、村岡貴博

Pacifichem 2021, 2021 年 12 月, オンライン

リン脂質膜変形分子素子の開発（2）: チューブ状リン

101

KISTEC研究報告2022

【研究開発部】超分子ペプチドを用いた脳梗塞の再生医療

第 64 回日本神経化学会大会, 2021 年 9 月, オンライン
13.Itsuki Ajioka
Artificial Scaffolds

MimickingThe

22.Go Watanabe, Mitsuo Hara, Jun Yoshida

Extracellular

Environment of Developing Brain
the 16th Biennial Meeting of the Asian-Pacific Society for

A Molecular Dynamics Study of Helical Columnar Liquid
Crystals Based on Propeller-Shaped Metallomesogens

Neurochemistry (APSN), 2021 年 12 月, オンライン

Optics of Liquid Crystals 2021, 2021 年 9 月, 沖縄

14.味岡 逸樹、村岡 貴博、渡辺 豪
粘弾性を調節した超分子ペプチドゲルの開発と脳梗塞

23.渡辺 豪、栄村 弘希、アボット ニコラス、加藤 隆史
生体分子認識部位を持つ両親媒性メソゲンの水面上単の再生治療
第 44 回日本分子生物学会年会, 2021 年 12 月, 横浜・分子膜におけるタンパク質吸着の分子動力学シミュレ
ーション

オンライン

2021 年日本液晶学会討論会, 2021 年 9 月, オンライン

15.味岡 逸樹、矢口 敦也、押川 未央、渡辺 豪、村岡 貴
博

24.矢口 敦也、平松 弘嗣、味岡 逸樹、村岡 貴博
アルキレン鎖導入ペプチドの超分子ファイバー形態とVEGF を徐放する超分子ペプチドの開発と亜急性期脳梗
塞の再生治療機能
日本化学会 生体機能関連化学部会 若手の会 第 32 回

第 43 回日本バイオマテリアル学会大会, 2021 年 11 月,
名古屋・オンライン

サマースクール, 2021 年 7 月, オンライン

16.渡辺 豪、關 拓和、石井 宏幸、竹谷 純一、岡本 敏宏

25.矢口 敦也、石田 敦也、押川 未央、味岡 逸樹、平松 弘
嗣、村岡 貴博

革新的有機半導体分子創製を目指した計算科学的手法の確立

自己集合性ペプチド中央へのアルキレン鎖導入効果
2021 年繊維学会年次大会, 2021 年 6 月, オンライン

2021 年分子シミュレーション討論会, 2021 年 11 月, 岡山

【特許】(1) 国内特許出願 2 件(2) 国外特許出願 1 件

17.矢口敦也、平松弘嗣、味岡逸樹、村岡貴博
高次構造転移し超分子ゲルを形成する新規自己集合性ペプチドの開発と応用
第 11 回 CSJ 化学フェスタ 2021, 2021 年 10 月, オンラ
イン
18.付若瀛、内田紀之、村岡貴博
二次構造転移を伴う自己集合性ペプチドの開発とゲル形成特性
第 11 回 CSJ 化学フェスタ 2021, 2021 年 10 月, オンラ
イン
19.渡辺 豪シミュレーションで水圏機能材料における分子の動きを“視る”
第 11 回 CSJ 化学フェスタ 2021, 2021 年 10 月, オンラ
イン20.關 拓和、渡辺 豪、竹谷 純一、岡本 敏宏
有機半導体分子が示す結晶多形を再現する分子動力学
計算手法の確立
第 11 回 CSJ 化学フェスタ 2021, 2021 年 10 月, オンラ
イン
21.味岡 逸樹、村岡 貴博、渡辺 豪
超分子ペプチドの設計と脳梗塞の再生治療

102

KISTEC研究報告2022

研究報告2022 目次【研究開発部】

実用化実証事業「人工細胞膜システム」グループ◆ 総括･･････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････ 104◆ 微小気泡を用いる脂質二重膜の再形成技術････････････････････････････････････････････････ 106◆ 昆虫嗅覚受容体を発現したセンサ細胞の機能評価技術の開発････････････････････････････････ 109◆ DNAを用いた脂質二重膜接着・融合技術･･････････････････････････････････････････････････ 112◆ 業績･･････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････ 115

103

KISTEC研究報告2022

【研究開発部】人工細胞膜システム

人工細胞膜システムグループ
グループリーダー

竹内昌治【基本構想】
膜タンパク質は細胞膜中に存在し、細胞の内外への物質輸送・排出、シグナル伝達・変換などにおいて重要な役割を果たしており、１兆ドル余り(2011年)の医薬品の世界市場において、薬剤の標的の半数以上がこれら膜タンパク質や膜表在性物質だと言われている。リガンド同定済みのGタンパク質共役型受容体(GPCR)に関するだけでも約600億ドル(2009年)に上り、リガンド未同定のGPCRをはじめ、イオンチャネル
やトランスポータなどの膜タンパク質の機能や特性を一つ一つ解明することが、基礎研究のみならず創薬・医療分野における重要な課題である。しかし細胞膜中に存在する膜タンパク質は単離が困難なため、機能解析は難しいとされてきた。
創造展開プロジェクト(2009-2012年度)では、細胞膜のモデルとなる脂質二重膜を人工的に再構成した後、精製された膜タンパク質を導入することで、その膜タンパク質の特性を低ノイズで解析する戦略にもとづ
いて研究を行い、膜タンパク質を再構成するための２つの人工脂質二重膜システムを確立した。(1)電気的計測技術に適する平面膜システムでは、ヒト由来イオンチャネルの並列同時シグナル計測に適する自動化・集積化チップ、小型化チップをそれぞれ研究・開発した。(2)光学的計測技術に適するリポソーム膜シ
ステムでは、細胞サイズリポソームの形成手法を確立し、トランスポータの輸送現象やGPCRの基質結合を蛍光により観測することに成功している。
2013年度に実用化実証事業に移行後は、地域イノベーション戦略支援プログラムの支援も受けながら、創造展開プロジェクトで得られた研究成果を展開し、標的膜タンパク質の生体外での創薬解析支援システ
ムを確立すべく研究開発を行ってきた。具体的には、効率的膜システム要素技術の開発として、人工脂質
二重膜の集積化や薬剤スクリーニングに適したデバイスとするためのシステム全体の基盤研究開発を実施
し、膜タンパク質の調製・導入法の開発として、イオンチャネルやGPCR、トランスポータなどを人工脂質二重膜に効率的・体系的に導入できる手法の研究開発を実施している。最終的に、大学・研究機関などで使用できるシステムや製薬企業から薬剤候補化合物の評価を受託できる評価法の開発を目標とした。2021
年度、このイオンチャネルの機能評価技術を基盤とするベンチャーの起業に至った。一方で、NEDO事業(2015-2019年度)および地域イノベーション・エコシステム形成プログラム(2018年度開始)では、膜タンパク
質の機能利用による人工細胞膜センサに関わる研究開発を行っている。膜タンパク質である嗅覚受容体に代表されるように、生体のもつセンサは優れた感度・特異性をもつことが知られており、膜タンパク質をセンサ素子として活用するための研究開発を実施している。JST-CREST事業（2020年度開始）、科研費研究（2021年度開始）において、細胞をセンサ素子として用いる研究開発も企業と共同で進めている。周辺技術も含め、小型・高性能な次世代センサの実用化技術の開発を目標としている。

1.

2021 年度の研究目的
実用化実証事業 9 年目となる 2021 年度は、イオンチャ

響が避けられず、一つの標的タンパク質に限定して機能を探ることは難しかった。

ネル機能評価システムについて、事業化に向けた実用化研
究開発を推進し、起業への道筋を立てることを目標とした。

我々の目指す人工細胞膜プラットフォームは、細胞膜のモデルとなる脂質二重膜を簡便に再現良く形成し、その膜一方で、センサ開発に関しては、これまでの細胞膜センサ
研究の成果を応用・展開して、標的物質に応答する細胞をに再構成する標的膜タンパク質の活性を保持したまま機能解析を可能とするシステムである。実用化実証事業におセンサ素子とするバイオハイブリッドセンサの概念実証に向けた基盤研究を開始した。

いては、これらの人工脂質二重膜デバイスを膜タンパク質の機能解析や創薬スクリーニングといった場面において(1) イオンチャネル機能評価システムの開発

実用的なプラットフォームとして拡張していくための要
素技術、あるいは量産化に必要となる技術の実現を目標と

従来、膜タンパク質の機能解析は、培養細胞を用いた電気生理学的手法（パッチクランプ法）や蛍光イメージング

して研究開発を行ってきた。
2021 年度は、これまで継続してきたイオンチャネル機法によって行なわれるのが一般的である。しかしながらこれらの手法では、培養中の汚染対策や個体差の均一化処理

能評価システムについて、量産性や機能性向上に関する実用化研究開発を完遂し、ベンチャー企業の設立につなげるが煩雑であるほか、標的以外の雑多なタンパク質からの影ことを目標とした。

104

KISTEC研究報告2022

【研究開発部】人工細胞膜システム(2) バイオハイブリッドセンサの開発

生体機能と機械を融合したバイオハイブリッドセンサ

膜タンパク質は、匂いや味などの化学量センサとしての役割を生体内で担っており、その感度や特異性は人工的なに関しては、科研費研究（2021-2025 年度）による学術基
盤確立、JST-CREST 事業（情報担体；2020-2025 年度）にセンサに比べ非常に高いことが知られている。こうした膜タンパク質の機能を活用することができれば、小型で高性

よる実用性実証を目的とした研究開発を本格的に開始した。細胞上に発現させた受容体をセンサ素子とする細胞セ能の化学量センサを実現できると考えられる。
イオンチャネル機能評価システムの開発成果により、マンサに関して、東京大学、住友化学と共同で実施する。竹
内 G では、センサ細胞が標的物質に応答して発する微小イクロチップ上での脂質二重膜を再現良く形成し、そこに再構成したイオンチャネルの機能を活用できるようにな

シグナルをデバイスで検出するための計測基盤について研究を行い、概念実証のための計測システムを製作・開発

った。NEDO 事業（2015-2019 年度）では、昆虫嗅覚受容体を脂質二重膜に組み込んだ人工細胞膜センサのプラッする。
2021 年度は、微小シグナルの検出技術について、光学

トフォーム技術を確立し、地域イノベーション・エコシス
テム形成プログラムでも、この人工細胞膜センサの要素技

的技術および電気的技術それぞれの感度や応答性に関する比較検討を開始した。標的物質と細胞表面の受容体が結術の研究を行ってきた。その成果のデモンストレーション
として、ヒトの呼気中に混合したごく微量の疾患マーカの合すると、細胞内へのカルシウムイオンの流入が生じる。
光学的計測では、例えばこのカルシウムイオン濃度を蛍光検出を実証し、新聞・TV 等で取り上げられるなど注目された。その結果、生体機能と機械を融合したバイオハイブ

輝度に変換することで標的物質を検出する。電気的計測では、細胞内へのイオン流入（イオン電流）や膜電位変化をリッドセンサの基盤研究および概念実証を目的とする科
研費研究、JST 事業の採択につながった。

直接・間接的に検出する方法がある。こうした計測技術の感度や応答性能などの特長について、それぞれ検討を行っ

2021 年度は、標的物質に応答する細胞をセンサ素子とする細胞センサについて、その計測技術に関する基礎研究ている。また、こうした細胞や細胞膜機能を活用するバイオハイブリッドセンサに関する研究をまとめた総説がを開始した。光学的計測技術と電気的計測技術について、比較検討することを目的とした。

Lab on a Chip 誌に掲載された。
(3) 共同研究による成果
JST-CREST 事業（ゲノム合成：2018-2023 年度、東大白2. 2021 年度の研究成果(1) イオンチャネル機能評価システムの開発
JST 大学発新産業創出プログラム（START、2018-2021

髭教授代表、機能的人工染色体の設計と利用のための革新的研究）に参画している。同 CREST では東大大杉研と共年度）において、マイクロチップ上に細胞膜を簡便・再現
良く形成するコア技術を利用し、細胞内イオンチャネルに同で、人工細胞核を封入したリポソームを作製するためのデバイスを設計・開発している。カエル卵抽出液中で細胞対する薬剤候補物質の評価技術の実用化研究開発を進めてきた。計測チップに関しては、東レエンジニアリング社

核様構造が形成される機能を利用し、リポソーム中に細胞核を封入する。2021 年度は、細胞核封入リポソームの作と共同で性能向上を目指して改良を行った。特にチップベースとなるプラスチック部品については、設計変更した射製に関して進展があり、学術論文への投稿に向けて同成果をまとめているところである。

出成形品を完成させ、計測データの信頼性・再現性を向上できることが確認された。こうしたシステム開発成果に加上記のそれぞれの研究成果は、業績一覧に示す通り、国え、製薬企業との薬剤候補化合物評価の実証実験の結果を踏まえ、2021 年 8 月、同技術を活用し、イオンチャネル

際会議・国内学会での発表、学術論文、記者発表などとして積極的に公開している。また、コア技術・要素技術とし創薬支援の事業化を行う「株式会社 MAQsys」が KISTEC
発ベンチャーとして設立された。形質膜や細胞内イオンチて重要な成果については特許出願も行っている。

ャネルを標的とした薬剤候補化合物の評価を通して、新たな創薬市場の創出を目指す。KISTEC では、起業後もMAQsys 社の事業開始を支援するため、共同開発を継続する。
成果展開として、協力研究員による萌芽研究を実施し、その成果が Lab on a Chip 誌に掲載された。外部研究機関との共同研究も行っており、東大豊田研究室との成果はLangmuir 誌に採択された。国際医療福祉大相馬研究室との科研費研究や東工大松浦研究室との共同研究についても継続して実施している。

(2) バイオハイブリッドセンサの開発

105

KISTEC研究報告2022

【研究開発部】人工細胞膜システム

微小気泡を用いる脂質二重膜の再形成技術「人工細胞膜システム」グループ
大崎

寿久、橋本

和泉、三村

久敏、三木 則尚、竹内昌治

1. はじめに(1) 細胞膜モデルとしての平面脂質二重膜

我々の研究グループでは、一対の微小液滴の間に脂質二重膜を形成する人工膜法「液滴接触法」を発明し、その実細胞膜は、主に脂質二重膜と膜タンパク質から構成される。脂質二重膜は、両親媒性の脂質分子が疎水性相互作用用化を目指した研究を続けてきた。液滴接触法も脂質分子の両親媒性を利用した膜形成法である。デカンなどの油相により炭化水素鎖を内側に向かい合わせた構造をもつ。極性分子やイオン等の透過を抑制し、細胞内外を隔てる役割に脂質を分散しておき、そこに水滴を滴下するとその表面には自発的に脂質単分子膜が形成される。単分子膜が表面を主に果たす。一方、膜タンパク質は細胞内外への物質輸送や情報の伝達に関与している。膜タンパク質は、細胞のに形成されたこの油中水滴 2 つを接触させることで、その界面に脂質二重膜構造が形成される[4]。この方法は、液滴生理学的機能に対する寄与は大きく、その機能評価は創薬においても不可欠になっている。

の滴下操作のみで簡便・迅速に再現良く平面脂質二重膜を形成できる点で優れる。我々は、本方法をイオンチャネル

細胞膜モデルとしての平面脂質二重膜の研究は、
1960 年代から行われてきた。油水界面における脂質分子の単分子

機能評価システム[5]や細胞膜センサ[6,7]へと応用すべく、これまで研究開発を行ってきた。

膜形成を利用した刷毛塗り法や、気液界面に形成される単分子膜を貼り合わせる Montal Mueller 法など、脂質分子の(3) 脂質二重膜の不安定性

両親媒性の性質を使った親疎水界面における自発的な膜形成過程を利用する脂質二重膜形成原理が多く報告され平面脂質二重膜を工学利用する上での課題として、膜を作製する際の煩雑さや再現性に加えて、脂質二重膜の物理ている[1,2]。
平面脂質二重膜は、2 つのウェル間に設けられた高分子

的不安定性が挙げられている。脂質二重膜は厚さがわずか
5 nm ほどしかなく、また非共有結合性の疎水性相互作用

フィルムの微小な孔に作られることが多い。微小孔周縁部と脂質二重膜との界面は油相で保持され、ウェル間で電気により膜構造を維持している。そのため、わずかな衝撃や振動などの物理的外乱や電気的揺動が加わることで、容易的な絶縁が保たれた状況であることから、電気的な計測に適する。膜の静電容量など、電気的性質を明らかにする研に破壊される。こうした脂質二重膜の不安定性は、セパレータ微小孔の縮小による膜サイズの微細化や、微小孔周縁究や、膜タンパク質の中でイオンの透過制御に関わるイオ
ンチャネルの電気生理学的研究に至るまで、細胞膜モデル、部の表面物性を最適化することで改善できることが報告されている[8]。また、平面脂質二重膜に隣接しているウェ

細胞膜機能計測のプラットフォーム技術として平面脂質
二重膜は利用されている。一方で、これらの古典的な平面

ル水溶液が揺動し、外乱となって膜破壊が生じることもある。これを避けるため、我々のグループでは微小液滴のス

脂質二重膜技術は、手順の煩雑さや並列化の困難さから、実験室での利用にとどまっていた。

ロッシング現象に関する研究も行った[9]。しかしながら、こうした脂質二重膜の安定化にも限度はあり、膜の破壊をそうした中で、2000 年頃より、細胞膜モデルの作製やイオンチャネルをはじめ膜タンパク質の機能評価を細胞外未然に防ぐことは難しい。
そこで、破壊された脂質二重膜を簡便・迅速に再現性良でスループット良く行うための方法として、MEMS 技術の活用に着目が集まるようになった。MEMS 技術を使いく再形成する技術について検討を行っている。液滴接触法
デバイスでは、セパレータ微小孔において脂質二重膜が破作製するマイクロ流体デバイスは、微小流路や微小容器を設計することで、サンプル溶液などの希釈・混合といった壊されると液滴同士が融合した状況となる。これまでの研究により、融合した液滴同士を物理的に分断し、再度、接操作を迅速・効率的に行うことができる。また自動化や並列化といった特長も併せもつ。こうしたデバイス技術の研触させることで脂質二重膜を再形成できることが分かっている[10]。液滴の分断と再接触はモータ等を利用すれば究の進展により、細胞外での平面脂質二重膜の形成、すな
わち細胞膜を人工的に再現する「人工膜法」の研究が盛ん

自動化が可能である[11]。ただし、並列処理におけるデバ
イスの複雑化は避けられない。

に行われた。こうした成果を受けて、イオンチャネルをはじめとした膜タンパク質の機能評価や機能活用といった本研究では、破壊された脂質二重膜の再形成方法として、
微小気泡を用いて融合液滴を分断する技術について提案

成果展開が期待されている[3]。

した。

(2) 液滴接触法

106

KISTEC研究報告2022

【研究開発部】人工細胞膜システム

図 1：微小気泡による平面脂質二重膜の再形成のコンセプト図。
（左）デバイスのイメージ図。マイクロ流路を設け、外部のポンプから気泡を導入する。（1）～（4）膜が破壊された状態から、微小気泡により再形成されるまでの状態図。

2.実験方法(1) 微小気泡発生デバイスの作製

きたら、シリンジポンプを稼働させ、マイクロ流路を通してウェル底面より微小気泡を発生させた。平面脂質二重膜

脂質二重膜再形成のための微小気泡発生デバイスは、前述の液滴接触法を基盤とした[5]。8 字状に 2 つの円筒ウェの破壊や気泡の発生、その後の脂質二重膜再形成の成否といった一連の過程について、電気計測を行った。計測には

ル（直径 4 mm、深さ 3 mm）が接したダブルウェルを設け、その境界に直径 600 ミクロンの微小孔をもつセパレータ

パッチクランプ増幅器を用い、50 mV 定電圧印加下で、電流変化を観測した。観測時はアルミ箔で作製したファラデを配置している。ウェルは液滴の位置・接触圧力を制御しており、液滴は微小孔において接触して、面積が制御されーケージでデバイスを覆うことで、周囲の電磁波ノイズの影響を低減させた。

た平面脂質二重膜が形成される。微小気泡は、ウェル底面に設計した流路を介して発生させた。本研究では、気泡出

3.

口は直径 0.5 mm とした。また、電気計測のための銀－塩化銀電極もそれぞれのウェル底面に配置した。デバイスの再形成過程の模式図を図 1 に示す。前述の通り、液滴接触
法デバイスではセパレータ微小孔に脂質二重膜が形成さ

模式図を図 1 に示す。
微小気泡発生デバイスは CAD で構造設計を行い、小型れ、膜が破壊されると、この微小孔において各ウェルの 2
つの液滴が融合した状態となる（図 1-1）
。本研究では、セNC 切削機を用いて作製した。材料にはアクリル板（3 mm
厚、および 1 mm 厚）を用いた。切削したアクリル部品はパレータ近傍のウェル底面より微小気泡を発生させ、片側のウェル中に微小気泡を導入する（図 1-2）
。導入された気

ウェル、ウェル底部、マイクロ流路をそれぞれ設計した 3層からなる。これらは、アラインメントを施した上で熱圧

泡は、セパレータ微小孔に達すると融合した液滴を分断する（図 1-3）。その後、気泡はウェル底面より分離して液滴着により接合した。セパレータ部品は別途アクリルフィル
ムから切削し、2 つのウェル境界に挿入して接着した。気

表面から気中に解放される。これに伴い、セパレータ微小孔からも気泡が離れることで、液滴同士が再度接触し、脂泡導入流路は、テフロンチューブを介してシリンジに接続した。シリンジに空気を満たし、シリンジポンプによって質二重膜が再形成される（図 1-4）。
図 2 に、本デバイスを用いて微小気泡により平面脂質二気泡を吐出させた。ポンプを用いることで、吐出速度、および吐出時間を制御することができる。電極は銀線をウェ

重膜が再形成されたときの電流応答の結果を示す。図中
A-1 は、脂質二重膜が破壊された状況を示す。液滴同士がル裏面から挿入し、ウェル底部側の表面は銀－塩化銀ペー
ストを塗布・乾燥させた。

融合し、銀－塩化銀電極間が 1M KCl 溶液でショートした状態であるため、電流値はオーバーフローしている（図 1-(2) 微小気泡の発生による膜再形成

1 に対応）。A-2 において、微小気泡の発生のため、シリン
ジポンプを稼働させた（図 1-2 に対応）
。直後の A-3 では、

微小気泡発生デバイスを用いた脂質二重膜の破壊や再形成の検証は、ナノポア形成ペプチド（アルファ-ヘモリシ

気泡がセパレータに到達したことで、電極間が絶縁された状態となる。そのため、オーバーフローしていた電流値がン）の膜への再構成を電気生理学的に観測することで行った。まず、各ウェルに 20 mg/mL DPhPC 脂質/デカン溶液、ゼロとなっている（図 1-3 に対応）
。A-4 における鋭いピー
ク信号は、微小気泡がウェル底面を離れて気中に解放され、および 1 M KCl バッファ溶液を逐次滴下することで平面
脂質二重膜を作製した。次に、デバイスに物理的振動を外セパレータ微小孔において液滴同士が再接触した際に生じたものと考えられる。その後、一定の待ち時間の後、A-部から故意に加えて脂質二重膜を破壊した。破壊が確認で5 においてステップ状の電流値上昇が観測されている。こ107

結果と考察 微小気泡発生による平面脂質二重膜のKISTEC研究報告2022

【研究開発部】人工細胞膜システム

図 2：脂質二重膜の再形成プロセスにおける典型的な電流応答。

れは、アルファ-ヘモリシンが脂質二重膜に再構成し、ナノポアを形成した際に生じる信号である。本実験条件におけ

Plasma/Organelle Membranes Using an On-Chip Lipid
Bilayer System,” Sci. Rep. vol. 8, 17498, 2018.

るステップサイズ（コンダクタンス）も先行研究と一致しており、少なくとも A-5 の信号が観測されるまでに平面脂6. N. Misawa, S. Fujii, K. Kamiya, T. Osaki, T. Takaku, Y.
Takahashi, and S. Takeuchi, “Construction of a Biohybrid

質二重膜が再形成されたと考えられる（図 1-4 に対応）。
本研究では、微小気泡を利用した平面脂質二重膜の再形

Odorant Sensor Using Biological Olfactory Receptors
Embedded into Bilayer Lipid Membrane on a Chip,” ACS

成法について試作したデバイスによる実証を行った。電流
値変化の観測結果より、微小気泡により脂質二重膜が再形

Sens. vol. 4, no. 3, pp. 711-716, 2019.
7. T. Yamada, H. Sugiura, H. Mimura, K. Kamiya, T. Osaki, and成できることを示した。一方で、微小気泡による液滴分断などで課題があることも明らかとなり、気泡発生条件の検S. Takeuchi, “Highly Sensitive VOC Detectors Using Insect
Olfactory Receptors Reconstituted into Lipid Bilayers,” Sci.

討やデバイス構造の改良を進める予定である。本成果は、物理的に不安定な脂質二重膜の再形成を簡便・迅速に行え

Adv., vol. 7, eabd2013, 2021.
8. L. K. Bright, C. A. Baker, M. T. Agasid, L. Ma, and C. A.

ることを示したものであり、今後、自動化や複数の脂質二重膜への適用などに繋がるものと考えている。

Aspinwall, “Decreased aperture Surface Energy Enhances
Electrical, Mechanical, and Temporal Stability of Suspended【謝辞】

Lipid Membranes,” ACS Appl. Mater. Interface, vol. 5, pp.
11918–11926, 2013.

本研究内容の一部は、文部科学省地域イノベーション・
エコシステム形成プログラム、および国立研究開発法人科

9. Y. Izawa, T. Osaki, K. Kamiya, S. Fujii, N. Misawa, S.
Takeuchi, and N. Miki, “Suppression of Sloshing by Utilizing

学技術振興機構 大学発新産業創出プログラム（START）の支援により行われました。ここに感謝申し上げます。

Surface Energy and Geometry in Microliter Cylindrical Well,”Sens. Actuators B Chem., vol. 258, pp. 1036-1041, 2018.
10.Y. Tsuji, R. Kawano, T. Osaki, K. Kamiya, N. Miki, and S.
Takeuchi, “Droplet Split-and-Contact Method for High-【参考文献】
1. P. Mueller, D. O. Rudin, H. T. Tien, W. C. Wescott, “Methods
for the Formation of Single Biomolecular Lipid Membranes

Throughput Transmembrane Electrical Recording,” Anal.
Chem., vol. 85, pp. 10913-10919, 2013.

in Aqueous Solution,” J. Phys. Chem., vol. 67, pp. 534-535,
1963.

11.M. Gotanda, K. Kamiya, T. Osaki, N. Miki, and S. Takeuchi,“Automated Generation System of Cell-Sized Liposomes,”
Sens. Actuators B Chem., vol. 292, pp. 57-63, 2019.

2. M. Montal and P. Mueller, “Formation of Biomolecular
Membranes from Lipid Monolayers and a Study of Their
Electrical Properties,” Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A., vol. 69,
pp. 3561-3566, 1972.
3. T. Osaki and S. Takeuchi, “Artificial Cell Membrane Systems
for Biosensing Applications,” Anal. Chem., vol. 89, pp. 216–
231, 2017.
4. K. Funakoshi, H. Suzuki, and S. Takeuchi, “Lipid Bilayer
Formation by Contacting Monolayers in a Microfluidic
Device for Membrane Protein Analysis,” Anal. Chem., vol.
78, no. 24, pp. 8169–8174, 2006.
5. K. Kamiya, T. Osaki, K. Nakao, R. Kawano, S. Fujii, N.
Misawa,M.
Hayakawa,
andS.
Takeuchi,“Electrophysiological Measurement of Ion Channels on

108

KISTEC研究報告2022

【研究開発部】人工細胞膜システム

昆虫嗅覚受容体を発現したセンサ細胞の機能評価技術の開発
三村

1.

「人工細胞膜システム」グループ
久敏、大崎 寿久、高森 翔、竹内 昌治

生物における匂いの感知は、嗅覚器官に存在する細胞に容体を通して細胞外の Ca2+が細胞内に流入し、細胞質のCa2+濃度の上昇が起こり、GCaMP の蛍光強度も増加する。

よって行われ、細胞膜に局在する嗅覚受容体タンパク質を通して行われる。嗅覚受容のメカニズムは脊椎動物と無脊その結果、センサ細胞では、溶液中の匂い物質の有無を蛍
光強度の変化として検知することが可能となる。

椎動物では異なっており、昆虫の場合は、膜タンパク質である嗅覚受容体 OR（Olfactory receptor）と嗅覚受容体共受(3) センサ細胞を利用した匂いセンサ

容体 Orco（Olfactory receptor co-receptor）が相互作用する
ことによってその役割を果たしている［1,2］。OR は、匂生物の嗅覚受容体は、分子構造を認識することにより、匂い物質を特異的に結合する。そのため、センサ細胞を利い物質を識別する役割を担い、様々な匂い物質を受容する
必要から、蚊では 80 種類前後が存在することが知られて用した匂いセンサは、人工物である従来の酸化物半導体センサなどに比べ、高い選択性と感度を有すると考えられる。

いる ［3,4］。Orco は、膜を介してナトリウムイオン（Na+）
やカルシウムイオン（Ca2+）などの陽イオンを輸送するイ

細胞センサを利用した匂いセンサの用途としては、匂い診断による病気の早期発見など、将来的には健康医療分野でオンチャネルとしての役割を担い、OR と相互作用することにより、匂い物質に反応して活性化されるリガンド依存の応用が期待されている。生物の嗅覚を利用した最近の例
としては、匂いに対する線虫の化学走性を利用することに性陽イオンチャネルとして機能する。細胞表面に局在する
嗅覚受容体に匂い物質が結合すると、活性化された嗅覚受より、早期がんの検出法が実用化されている［8］。さらに、がんに関連すると考えられる匂い物質のデータベースの容体を通して、細胞内への陽イオンの流入が濃度勾配に従って起こり、細胞膜の脱分極が引き起こされる。細胞の脱整備も進められており［9］、匂い物質に対する蚊の嗅覚受容体の反応特異性も明らかにされていることから［3,4］、

分極は、信号として神経細胞系を伝達され、匂いの関知が行われる。現在では、匂い物質の検知を目的として昆虫なそれらを比較参照することにより、がんに関連した匂い物
質検出における昆虫嗅覚受容体の応用可能性についても

どの嗅覚受容体を発現させた培養細胞はセンサ細胞と呼ばれ、次世代の匂いセンサへの応用を目指した研究が盛ん議論されている［5］。このように、昆虫の嗅覚受容体を発現させたセンサ細胞は、次世代の匂いセンサにおける基盤に行われている［5］。

要素として大きな注目を集めており、前述の蛍光反応を利用した光学的方法による匂いセンサだけでなく、センサ細(2) センサ細胞
匂い物質に対するセンサ細胞の応答検出には、蛍光反応

胞の応答を電気的に検出する匂いセンサの開発も進められている［10,11］。その一方で、センサ細胞の応答検出法が利用されることが多い。この目的のため、センサ細胞を作製する際には、OR と Orco の遺伝子に加え、カルシウムには、光学的方法と電気的方法があることからも分かるよ
うに、これまでに作製された匂いセンサの設計思想は開発

センサタンパク質（GCaMP）の遺伝子が培養細胞に導入される［6］。GCaMP は、緑色蛍光タンパク質である GFP、グループごとに異なっている。そのため、光学的方法と電気的方法による応答性能の比較はもちろんのこと、異なっCa2+結合タンパク質であるカルモジュリン、ミオシン軽鎖
ペプチドフラグメントの 3 つを遺伝子工学的に融合したたデバイスを用いて行われたセンサ細胞自体の性能評価
も単純に比較できるものではなかった。本研究では、細胞タンパク質であり、Ca2+がカルモジュリンに結合すること
により、GFP の蛍光強度が変化する。これを利用すること

センサの応答強度や反応特性といった機能評価を同一条件下で行うため、光学的方法または電気的方法、あるいはにより、センサ細胞内の Ca2+濃度の変化を、GCaMP の蛍
光強度変化としてモニターすることが可能となっている

その両方でセンサ細胞の応答を検出するためのデバイス開発を行った。

はじめに(1) 昆虫の嗅覚受容体［7］。そのため、センサ細胞に発現させた嗅覚受容体にリガンドである匂い物質が結合すると、活性化された嗅覚受

109

KISTEC研究報告2022

【研究開発部】人工細胞膜システム

図 1：作製した機能評価デバイス。（A）光学的方法で用いるもの。
（B）電気的方法で用いるもの。

2. 実験方法(1) 機能評価デバイスの作製

金の順でスパッタすることによって作製した。銀－塩化銀
電極は、銀線に銀－塩化銀ペーストを塗布して作製した。

本研究で作製した機能評価デバイスは、匂い物質に対するセンサ細胞の応答を、同一条件下で光学的及び電気的にマイクロ流路の入口と出口には、匂い物質を含む溶液のウ
ェルへの送液と廃液を行うため、テフロンチューブ（φ0.5

検出することを目的としている。光学的方法では、匂い物質に応答したセンサ細胞中の GCaMP の蛍光変化を検出すmm）を接続し、接着剤を用いて固定した。

る。電気的方法では、固定化標本法により［12］、匂い物
質で活性化された嗅覚受容体を通して輸送される陽イオ(2) 光学的方法による検出

ンを、電荷移動に伴う容量性電流として検出する。機能評
価デバイスの構造は、センサ細胞を注入するためのウェル

覚受容体を一過性発現させたセンサ細胞を作製し、その匂い物質への応答を検出することによって行った。ヒトスジと、そこに匂い物質を含む溶液を送液するためのマイクロ流路で構成されている。ウェルの底面は、光学的方法と電シマカ（Aedes albopictus）の嗅覚受容体（AaOR8）と共受
容体（AaOrco）、カルシウムセンサタンパク質（GCaMP）

気的方法に応じて、スライドガラスまたは金電極をそれぞれ配置して固定する構造となっている。電気的方法で参照の 遺 伝 子 を 動 物 細 胞 （ HEK293） に 導 入 し 、 匂 い 物 質（1-octen-3-ol）に反応するセンサ細胞を作製した。センサ

電極として使用するため、マイクロ流路には、銀－塩化銀
電極も配置した。

細胞は、培養で用いた培地をハンクス平衡塩溶液（0.1%
BSA 含む）に置換し、機能評価デバイスのウェルに添加

機能評価デバイスは、CAD で構造設計を行い、小型 NC
切削機と熱圧着プレス機を用いて作製した。材料にはアクした。機能評価デバイスは、37℃の CO2 インキュベータ内に 30 分間静置することにより、ウェル底面のスライドガ

リル板 (4 mm 厚と、1 mm 厚) を用いた。切削したアクリ
ル部品は、マイクロ流路とウェルからなる上層部、スライ

ラスにセンサ細胞を接着させた。機能評価デバイスの入口
側テフロンチューブには、分岐したテフロンチューブを介

ドガラスまたは金電極を固定するための下層部からなる。
上層部のマイクロ流路とウェルは熱圧着により接合した。

して、2 台のシリンジポンプを接続した。機能評価デバイ
ス内のセンサ細胞の観察は、倒立顕微鏡を用いて行った。

上層部と下層部の固定にはネジを用いた。光学的方法で用いるスライドガラスには、ガラスカッターを用いて所定の匂い物質に対するセンサ細胞の応答は、匂い物質を含まないハンクス平衡塩溶液（0.1% BSA 含む）に続けて、匂い

大きさに切断した No.3 厚ガラス (0.25~0.35 mm) を使用した。電気的方法で用いる金電極は、所定の大きさに切断物質を含む同様液を連続して送液し、その際に起こる、青色光で励起され、緑色光で検出される GCaMP の蛍光変化

した No.3 厚ガラス基盤に、アクリル板を切削して作製したマスクをポリイミド耐熱テープで密着固定し、クロム、を記録した。

光学的方法で用いる機能評価デバイスの検証は、昆虫嗅

図 2：匂い物質に対するセンサ細胞及びセンサベシクルの応答。
（A）センサ細胞の蛍光顕微鏡観察像。
（B）光
学的方法によって検出したセンサ細胞の応答。
（C）電気的方法によって検出したセンサベシクルの応答。匂い物質（1-octen-3-ol）の濃度はいずれも 100 µM。

110

KISTEC研究報告2022

【研究開発部】人工細胞膜システム(3) 電気的方法による検出

物質に対するセンサベシクルの応答結果を示す。匂い物

電気的方法で用いる機能評価デバイスの検証は、検体応答の確実性を保証するため、昆虫嗅覚受容体を再構成した質を含まない溶液（コントロール）に比べ、匂い物質を含む溶液を送液した際には、計測された電流値が増加し脂質ベシクル（センサベシクルと呼ぶ）を用いて行った。
センサベシクルの合成には、無細胞合成系を利用した。まていることを示している。溶液中の匂い物質に対し、センサベシクルが反応していることが分かる。電流値の増ず、試験管内転写反応により、AaOR8 と AaOrco の DNAを鋳型として、それぞれの mRNA を合成した。次に、両加は、匂い物質によって昆虫嗅覚受容体が活性化され、これを通して運ばれる Ca2+が増加したためと考えられる。

方の mRNA を、脂質と一緒に無細胞翻訳系に加えること
により、匂い物質（1-octen-3-ol）に反応するセンサベシク

輸送される Ca2+が増加したことにより、それによって誘起される容量性電流も増加したと考えられる。

ルを試験管内で合成した。センサベシクルは、遠心操作によって簡易精製し、機能評価デバイスのウェルに添加した。

本研究では、次世代の匂いセンサ素子となり得るセンサ
細胞やセンサベシクルの検証や比較のため、これに利用

機能評価デバイスは、スイングロータのバケットの中心に置いて遠心することにより、センサベシクルをウェル底面できる機能評価デバイスを作製した。作製したデバイス
は、顕微鏡を利用した光学的方法と、パッチクランプアの金電極に吸着させた。センサベシクルの吸着と金電極の絶縁のため、金電極表面には、チオール層と脂質層からなンプを利用した電気的方法により、匂い物質に対するセンサ細胞やセンサベシクルの応答を検出することができる自己組織化単分子膜層を予め形成した。機能評価デバイ
スの入口側テフロンチューブには、分岐したテフロンチュる。昆虫嗅覚受容体を発現させたセンサ細胞とセンサベ
シクルを用いた実証試験により、前者は蛍光観察により、ーブを介し、3 台のシリンジポンプを接続した。電流計測を行うため、金電極と銀－塩化銀電極はパッチクランプア

後者は容量性電流計測によって、匂い物質に対する応答をそれぞれ検出できることを示した。今後は、電気的方ンプに接続した。匂い物質に対するセンサベシクルの応答
は、塩濃度と匂い物質の有無が異なる 3 種類の溶液を送液法によるセンサ細胞の応答検出や、光学的方法と電気的方法による同時検出についても検討する。本デバイスのすることにより検出した。① 低塩濃度溶液、② 高塩濃度
溶液、③ 匂い物質を含む高塩濃度溶液、を順番に送液す活用により、光学的方法と電気的方法の詳細な比較を行うと共に、匂い物質に対するセンサ細胞とセンサベシク

ることにより、昆虫嗅覚受容体は匂い物質によって塩濃度
勾配存在下で活性化される。その結果、活性化された昆虫

ルの応答特性を明らかにすることにより、昆虫嗅覚受容体を利用した次世代匂いセンサ素子の詳細な解析が可能

嗅覚受容体を通して陽イオンの輸送が起こり、これによって誘起されたと考えられる容量性電流を記録した。

になるものと考えられる。

【謝辞】
3.

結果と考察

本研究は、JST、CREST、JPMJCR18S5 の支援を受けたも作製した機能評価デバイスを図 1 に示す。同一のデバイ
ス構造を用いて、スライドガラスと金電極を交換するこのです。ここに記して感謝申し上げます。

とにより、匂い物質に対するセンサ細胞またはセンサベ
シクルの応答を検出することが可能である。
これにより、【参考文献】

光学的方法と電気的方法による検出手法の比較に加え、評価対象の匂いセンサ素子を同一条件下で直接に比較す

2. Wicher D, et al., Nature 2008, 452, 1007-1011
3. Carey AF, et al., Nature 2010, 464, 66-71

ることが可能になると考えられる。
図 2 に、本研究で作製した機能評価デバイスを用いて

4. Wang G, et al., Proc. Natl Acad. Sci. USA 2010, 107,4418-4423

検出した、匂い物質に対するセンサ細胞またはセンサベ
シクルの応答結果を示す。図 2A は、機能評価デバイス

5. Hirata Y, et al., Lab Chip 2021, 21, 2643-2657
6. Mitsuno H, et al., Biosens. Bioelectron 2015, 65, 287-294のウェル中における、匂い物質の添加前後のセンサ細胞の蛍光観察像を示す。匂い物質の添加によって緑色蛍光7. Tian L, et al., Nat. Methods 2009, 6, 875-881
8. Hirotsu T, et al., PLOS ONE 2015, 10, e0118699の輝度が増し、センサ細胞が反応していることが分かる。
粒子状の構造体それぞれが一個のセンサ細胞に相当する。

9. Janfaza S, et al., Database 2017, bax055
10.Lee M, et al., ACS Nano 2015, 9, 11728-11736

緑色蛍光はセンサ細胞に発現している GCaMP に由来する。蛍光強度の増加は、匂い物質の添加によって活性化

11.Bazzone A, et al., Methods Enzymol 2017, 594, 31-83

1. Sato K, et al., Nature 2008, 452, 1002-1006

された昆虫嗅覚受容体を通し、細胞外から細胞内に Ca2+が輸送され、細胞質の Ca2+濃度の上昇を検知した GCaMPの蛍光強度が増加したことによる。図 2B は、匂い物質の添加によって起こった、センサ細胞の蛍光強度の時間変化を示す。匂い物質の添加から、およそ 2 分後に蛍光強度は最大に達している。
図 2C に、機能評価デバイスを用いて検出した、匂い

111

KISTEC研究報告2022

【研究開発部】人工細胞膜システム

DNA を用いた脂質二重膜接着・融合技術「人工細胞膜システム」グループ
高森

翔、三村

久敏、大崎 寿久、竹内昌治

1. はじめに(1) 脂質二重膜の融合

ンを形成することが難しいことも多い。さらに、過度な強度の電場は細胞を損傷させてしまうことも知られている。

脂質二重膜（脂質膜）は両親媒分子である脂質が水溶液中で炭化水素鎖間の疎水性相互作用を介して構成する構(3)造であり、原核細胞から真核細胞まであらゆる細胞膜の基本構造として知られている。

細胞内では SNARE と呼ばれるタンパク質複合体が膜融合を誘起することが知られている[3]。
そして、
この SNARE

脂質膜は細胞膜だけでなく、細胞内の様々な細胞小器官の基本構造でもある。核や葉緑体、ミトコンドリアは二層タンパク質は出芽酵母からヒトまで様々な真核細胞で見つかっている。近年、ペプチドの人工合成を用い、SNAREの脂質膜で、小胞体やゴルジ体などは一層の脂質膜で覆われている。これら脂質膜で分画された構造体は細胞内で物タンパク質の構造と融合メカニズムを模倣したペプチド
デバイスも開発されている[4]。これら SNARE タンパク質

質勾配を生じさせ、この物質の偏りが細胞小器官ごとに異なる生化学的な機能性を生み出している。

や SNARE 模倣ペプチドを用いた膜融合はその原理から選択性に優れている。また、電場の印加を必要としないとい

脂質膜は細胞外物質の細胞内への取り込み、細胞間情報伝達などにも関係している。神経細胞間の情報伝達は、神う点で電気融合よりも細胞への害も少ない。しかし、複数種類の膜融合を選択に誘導するための複数種類のペプチ

経伝達物質を内封したシナプス小胞膜が細胞膜に融合（膜融合）し、神経伝達物質を細胞外へ放出することで行われドデバイスの設計などは原理的に難しい。
近年、ペプチドデバイス設計の低い自由度を克服する方る。この膜融合現象は細胞外でも頻繁に見られ、筋芽細胞の多核筋管への分化、受精における卵と精子の融合などが法として DNA を用いた SNARE 模倣デバイスも開発されている[5]。DNA を用いた場合も、ペプチドと同じように有名である。
膜融合現象を人為的に誘導することで、細胞融合やリポ高い膜融合の選択性を実現することができる。さらに、ワトソン・クリック塩基対（A/T、G/C）の選択性に起因する、ソーム(脂質二重膜小胞)融合、細胞・リポソーム融合を起こすことができる。特に、リポソーム・細胞融合は新しい配列設計における高い自由度を利用することで、選択性の高い膜融合デバイスを同時に複数種類設計することがで

細胞内物質導入法として近年注目されている[1]。膜融合の分子メカニズムについては現在も活発に研究が行われきる。この自由度の高さは DNA のプログラマビリティと言われ、DNA ナノテクノロジーの分野では様々なデバイているが、図１のような流れだと考えられている。標的脂質膜が近接し、近接膜が同時局所破壊され、脂質膜の自発スが開発されている。しかし、これら SNARE 模倣デバイスを用いた膜融合は総じてデバイス単体では電気融合な的再形成の特性によって融合膜が形成される。

どに比較すると膜融合効率が低いことが知られている[6]。

(2) 電気融合(4) DNA と電気を組み合わせた膜融合

SNARE 模倣デバイスを用いた膜融合

人為的に膜融合を起こす技術には様々なものがあるが、前述した DNA のプログラマビリティを活かしつつ、融最も一般的な方法は電気融合だろう[2]。まず、リポソームや細胞などの標的サンプルに交流電場を印加し、誘電泳動

合効率を改善する方法として、DNA と電気融合を組み合わせた方法も提案されている。この方法は DNA-assisted

現象の一つであるパールチェーン形成が誘導される。形成されたパールチェーンにパルス電場を印加すると、近接しselective electrofusion（DASE）法と呼ばれ、DNA で脂質膜の選択的接着を実現し、そこへパルス電場を印加することたリポソーム膜や細胞膜に電気穿孔が誘起され、自発的な脂質膜の再形成を経て膜融合が起こる。電気融合は専用ので接着膜の融合だけを誘起する[7]。この DASE 法を用いればリポソームと培養細胞の膜融合を実現できる可能性

電場発生装置を用いることで比較的容易かつ短時間で行うことができる方法だが、パールチェーン形成による標的がある。前述したようにリポソームと培養細胞の融合法は注目を集めている技術であり、本研究では DASE 法を用

膜のペアリングが本質的にランダムなプロセスであり、狙った膜ペア以外の融合（膜 A と膜 B を融合させる際に膜いたリポソームと培養細胞の融合を目指し、DNA ナノデバイスを用いたリポソームと細胞の接着に関する実験をA 同士、膜 B 同士の融合も同時に起こってしまう）も頻繁に起こる（低い選択性）という欠点がある。また、リポソ行った。

ームや細胞の種類・組成に依存して交流電場への応答性に違いが生じるため、そもそも目的の膜ペアのパールチェー

112

KISTEC研究報告2022

【研究開発部】人工細胞膜システム

図１：脂質二重膜の融合手順．標的脂質二重膜を近接させ、同時局所破壊を行うことで、脂質二重膜の自己修復能を利用した膜融合を誘導することができる．

2. 実験方法(1) DNA ナノデバイスの設計と構築

図２ 本研究で作製した DNA ナノデバイスの構造と DNA を介した脂質二重膜接着のメカニズム.

SNARE 模倣 DNA デバイスとして図 2 のような構造のDNA を設計した。各々のデバイスは２本鎖 DNA のスペーサー（γ/γ*）を中心とし、一方の末端の鎖に脂質膜への用いた。DNA で機能化したリポソームと HEK293T 細胞
を 1.5 mL チューブで等体積混合し、室温で 4 時間培養しアンカー用コレステロールが修飾されている。反対末端には相補鎖と選択的結合を起こすための１本鎖 DNA（α/α*、た。その後、5 μM YOYO-1、5 μM SYTO17、5 μM WGACF405S を加えて蛍光染色を行い、共焦点顕微鏡で蛍光観

γ/γ*）が付与されている。コレステロール修飾された１本鎖 DNA を購入し、ハイブリダイゼーション用バッファー察を行った。

（100 mM NaCl, 10 mM Tris, 1 mM EDTA）にそれぞれの１
本鎖 DNA を 6.4 μM となるように溶解した。このバッフ

3.

ァーに溶解した DNA を PCR チューブに 40 μL ずつ分注
し、サーマルサイクラーを用いて 75℃から 4℃まで９時間

結果と考察
DNA デバイスで機能化したリポソームを図３に示す。

リポソーム膜の機能化には前述の濃度条件の DNA を加え、室温で４時間培養した。リポソーム膜に挿入された DNA

かけてゆっくりと温度降下し、DNA ハイブリダイゼーシ
ョン反応を行った。

を YOYO-1 で染色して観察したところ、DNA 濃度の増加とともにリポソーム膜の YOYO-1 強度が上昇していく様(2) DNA を用いたリポソーム膜の機能化子が見られた。リポソーム膜上の YOYO-1 強度の平均値をプロットしたところ、機能家の際の DNA 濃度の増加とまず、リポソーム(POPC/ATTO565-DOPE=100/0.1 モル比)を界面通過法で作製した（リポソーム内液：340 mM のともに YOYO-1 強度の平均値が上昇する傾向が見られた。
なお、プロット各点の算出につき、40 個以上のリポソー

スクロース溶液を、外液：140 mM グルコース+100 mM
NaCl）。DNA による膜の機能化にはリポソーム内外の浸透ム膜上の YOYO-1 強度の平均値と、その SD をプロットした。先行研究より 100 nM 前後でリポソーム膜状に導入で圧を維持した上で DNA デバイスを加え(0/64/128/192/256nM)、室温で４時間培養した。脂質膜に固定されなかったきる類似の DNA デバイスの量が飽和することがわかっており、今回の実験でも同じ傾向を期待したが、エラーバー

遊離 DNA については、遠心分離（1000g, 5 min）と上清のリポソーム外液への置換を 2 回繰り返すことで除去した。

が大きく YOYO-1 強度の飽和の蛍光は見られなかった。
次に、DNA で細胞膜を機能化した HEK293T 細胞を図

その後、5 μM の YOYO-1 を加え、共焦点顕微鏡を用いた蛍光観察を行った。

４A に示す。
前述の DNA 濃度条件で機能化を行い、YOYO1 染色により DNA を可視化したが、DNA 濃度が 0 nM の

(3) DNA を用いた細胞膜の機能化

時点で細胞表面に YOYO-1 シグナルが観察された。さらに、DNA 濃度の増加させていったところ、YOYO-1 シグ

培養した HEK293T 細胞をトリプシン処理し、HBSS(-)に分散した。その後、DNA を加え(0/64/128/192/256 nM)、

ナル強度に明確な変化は見られなかった。また、すべてのDNA 濃度条件において細胞膜表面に YOYO-1 シグナルが氷上で 4 時間培養した。脂質膜に固定されなかった遊離DNA については、遠心分離(200g, 5 min)と上清の HBSS(-)

局在した箇所が多く見られた。一方、SYTO17 で可視化した核酸（SYTO は DNA と RNA の両方を染色することがへの置換を 2 回繰り返すことで除去した。その後、5 μMの YOYO-1 と 5 μM の SYTO17 を加え、共焦点顕微鏡を用いた蛍光観察を行った。

知られている）については、細胞内の大部分の細胞質が染色されており、かつ核と考えられる箇所がより強く染色さ(4) DNA を用いたリポソーム・培養細胞接着
リポソームと HEK293T 細胞を２．２－３の手順で DNAれている様子が見られた。この実験では YOYO-1 染色によって細胞膜上に挿入される DNA デバイスの量が変化する様子が観察されると予想されたが、その様子を観察することはできなかった。この結果の解釈として、一つには細を用いて機能化した（ただし、DNA 濃度は 512 nM とした）。この際、リポソーム膜の機能化には α と β を持つ胞膜に DNA がほとんど導入できていないということが考DNA を、HEK293T の機能化には α*と β*を持つ DNA を

113

KISTEC研究報告2022

【研究開発部】人工細胞膜システム

図４（A）DNA で細胞膜を機能化した HEK293T 細胞．緑：YOYO1、赤：SYTO17 赤．スケールバー：10 μm．（B）DNA で機能化したリポソームと HEK293T 細胞の接着．矢印はリポソーム．ス
ケールバー：10 μm．

【謝辞】
本研究内容の一部は、戦略的創造研究推進事業 CREST「機能的人工染色体の設計と利用のための革新的研究」

図３ DNA を用いたリポソーム膜の機能化. プロットはリポソーム膜上の YOYO-1 強度の平均値±SD（各平均値の算出に付き
40 以上のリポソームの平均を算出)．スケールバー：10 μm．

（JPMJCR18S5）の支援により行われました。ここに感謝申し上げます。

えられる。もう一つの可能性としては、氷上の HBSS(-)中で 4 時間培養している最中に細胞が劣化し、何らかの原因【参考文献】

で溶液中に流出した DNA が細胞表面に局在してしまったということが考えられる。より明確な結果を得るためには、蛍光色素が修飾された DNA がデバイスを用いて細胞膜の機能化の実験を行うことが必要だと考えている。

1. Saito, Akira C., et al. "Introducing micrometer-sized artificial
objects into live cells: A method for cell–giant unilamellar
vesicle electrofusion." PloS one 9.9 (2014): e106853.
2. Zimmermann, U. "Electric field-mediated fusion and related
electrical phenomena." Biochimica et Biophysica Acta
(BBA)-Reviews on Biomembranes 694. 3 (1982): 227-277.

図４B に DNA デバイスで機能化したリポソームとHEK293T 細胞の接着の様子を示す。図中の矢印はリポソ

3. Chen, Yu A., and Richard H. Scheller. "SNARE-mediatedmembrane fusion." Nature reviews Molecular cell biologyームを示しており、矢印のないものは HEK293T 細胞である。YOYO-1 強度より、リポソーム膜が DNA で強く機能

2.2 (2001): 98-106.
4. Robson Marsden, Hana, et al. "A reduced SNARE model for

化できていることがわかる。一方の HEK293T の膜上のYOYO-1 強度は非常に弱いこともわかる。これらのリポソ

membrane fusion." Angewandte Chemie 121.13 (2009):
2366-2369.

ーム膜と HEK293T 細胞膜の接着については界面のリポソーム膜が大きく湾曲していることから明らかだが、細胞膜

5. Löffler, Philipp MG, et al. "A DNA‐Programmed Liposome
Fusion Cascade." Angewandte Chemie International

を DNA で機能化する際の条件については検討が必要ある
ことが示唆される。

Edition 56.43 (2017): 13228-13231.
6. Stengel, Gudrun, Raphael Zahn, and Fredrik Höök. "DNA-

本研究では DASE 法を用いたリポソームと培養細胞の融合を実現するために、リポソーム膜と HEK293T 細胞膜

inducedprogrammablefusionofphospholipid
vesicles." Journal of the American Chemical Society 129.31

を DNA ナノデバイスで接着する実験を行った。
その結果、リポソーム膜を DNA で機能化できることがわかった。一(2007): 9584-9585.
7. Takamori, Sho. Electrofusion of Escherichia coli with Giant

方、DNA を用いた HEK293T 細胞膜の機能化にはリポソームのそれとは大きな違いがある可能性が示唆された。まLipid Vesicles and the Compaction of Escherichia coli
Nucleoid. Diss. University of Cambridge, 2021.

た、機能化したリポソームと HEK293T 細胞を接着させる
ことにも成功した。本成果を受け、今後は DASE 法を用いたリポソーム・培養細胞融合に取り組みたいと考えている。
具体的には細胞膜の機能化の条件検討・最適化を行い、DASE 法を用いてリポソーム・培養細胞融合実験に取り組む。その後、従来の融合方法と比較してどの程度選択的な融合が可能になるのか、細胞の生存率に対する変化について解析し、将来的には細胞内への物質導入に挑戦したい。

114

KISTEC研究報告2022

【研究開発部】人工細胞膜システム

業 績【原著論文】【口頭発表】

1. Hironori Sugiyama, Toshihisa Osaki, Shoji Takeuchi, andTaro Toyota

1. Shoji Takeuchi
Biohybrid Devices—Harnessing Biofunctional Materials inRole of negatively charged lipids achieving rapid
accumulation of water-soluble molecules andMicro-Devices
2021 Virtual MRS Spring Meeting & Exhibit, 2021 年 4 月，

macromolecules into cell-sized liposomes against a
concentration gradient

OnlineLangmuir, 38, 112-121 (2022).

2. 竹内昌治
生物×機械

2. Kazuto Ogishi, Toshihisa Osaki, Yuya Morimoto and Shoji
Takeuchi

第 13 回理研・未来戦略室フォーラム, 2021 年 5 月，
Online3D printed microfluidic devices for lipid bilayer recordings
Lab on a Chip, 22, 890-898 (2022).

3. 中根卓馬，大崎寿久，三村久敏，高森翔，三木則尚，

【総説】

竹内昌治
匂いガス検出のための高効率ガス導入流路を有するバ

1. 伊藤嘉玖，大崎寿久，三木則尚，竹内昌治
膜タンパク質を組み込んだ人工細胞膜センサ

イオハイブリッドセンサ
化学とマイクロ･ナノシステム学会第 43 回研究会

表面と真空, 64(4), 162-167 (2021).

（CHEMINAS43）, 2021 年 5 月，Online

2. 山田哲也，大崎寿久，竹内昌治
蚊の嗅覚受容体を組み込んだ高感度匂いセンサの開発

4. 竹内昌治
Think Hybrid! 生物と機械を融合する

AROMA RESEARCH 第 86 号, 22 (2), 37-42 (2021) .

関東高分子若手研究会 2021 春の講演会,2021 年 6 月，
Online3. 山田哲也，大崎寿久，竹内昌治
呼気に含まれる匂い分子を ppb レベルで検出！－ 蚊の5. Takuma Nakane, Toshihisa Osaki, Hisatoshi Mimura,
Norihisa Miki, and Shoji Takeuchi
Efficient gas-to-liquid partition using gas-flow channels for

嗅覚受容体を組み込んだ高感度匂いセンサーの開発
化学 6 月号，76 (6), 12-16 (2021).

cell-based gaseous odorant detection
The 21st International Conference on Solid-State Sensors,

4. Yusuke Hirata, Haruka Oda, Toshihisa Osaki, and Shoji
Takeuchi
Biohybrid sensor for odor detection

Actuators And Microsystems（TRANSDUCERS 2021) ,2021 年 6 月，Online

Lab on a Chip, 21, 2643-2657 (2021).
6. Kazuto Ogishi, Toshihisa Osaki, Yuya Morimoto, and Shoji
5. 山田哲也, 大崎寿久, 竹内昌治
蚊の嗅覚受容体を再構成した人工細胞膜センサ

TakeuchiMonolithic fabrication of a lipid bilayer device using
stereolithography
The 21st International Conference on Solid-State Sensors,におい・かおり環境学会誌 2022 年 1 月号, 53 (1), 17-24(2022).

Actuators And Microsystems（TRANSDUCERS 2021) ,2021 年 6 月，Online【書籍】
1. 杉浦広峻, 大崎寿久, 竹内昌治
脂質二重膜による膜タンパク機能計測デバイス

7. 竹内昌治

マイクロ・ナノ熱工学の進展, 587-592 (2021).

異分野融合研究で近づく SF の世界
東進トップリーダーと学ぶワークショップ, 2021 年 7

2. 山田哲也, 大崎寿久, 竹内昌治
昆虫の嗅覚受容体センサとは？

月，東京及び Online
8. 竹内昌治
バイオハイブリッドが拓く新たなセンシングにおい分析評価・対策事例と頻出 Q&A 集，393-398(2022).

第 4 回デジタルバイオ分析研究会, 2021 年 8 月，Online

115

KISTEC研究報告2022

【研究開発部】人工細胞膜システム

10 月，アメリカ及び Online
9. 竹内昌治
三次元組織を作って使うバイオハイブリッド技術

17.竹内昌治

第 9 回 Chem-Bio Joint Seminar 2021, 2021 年 8 月，
Online“バイオハイブリッド”が拓く次世代センシング
第 11 回 CSJ 化学フェスタ 2021, 2021 年 10 月，Online

10.竹内昌治

18.Sho Takamori, Hisatoshi Mimura, Toshihisa Osaki,

バイオハイブリッドが拓く超高機能デバイス
第 82 回応用物理学会秋季学術講演会,2021 年 9 月，

Shoji Takeuchi
脂質共役型 DNA を用いた油中水滴界面上での脂質膜形

Online成「細胞を創る」研究会 14.0, 2021 年 11 月，Online

11.竹内昌治
バイオハイブリッド技術が切り拓く未来 ～体内埋め19.三村久敏，大崎寿久，高森翔，竹内昌治

込みデバイスから培養肉まで～先端技術セミナー（ソニーグループ(株)R&D センター）,

匂いセンサ開発に向けた昆虫嗅覚受容体ベシクルを用いた電気生理学的検出技術の開発

2021 年 9 月，Online

化学とマイクロ・ナノシステム学会第 44 回研究会
(CHEMINAS44), 2021 年 11 月，Online

12.Shoji Takeuchi
Emerging technology for Biohybrid devices

20.田中葵，高森翔，三村久敏，大崎寿久，三木則尚，竹NTT Research Upgrade 2021 Summit, 2021 年 9 月，アメリカ及び Online

内昌治
毛細管を有する複数センサ細胞作製カセットの開発
第 12 回マイクロ・ナノ工学シンポジウム, 2021 年 11
月，Online

13.Izumi Hashimoto, Toshihisa Osaki, Hirotaka Sugiura,
Hisatoshi Mimura, Norihisa Miki, and Shoji Takeuchi
Reliable re-formation of a lipid bilayer using a geometrically

21.竹内昌治

guided air bubble
The 25th International Conference on Miniaturized Systems

バイオハイブリッド技術が切り拓く未来～体内埋め込
みデバイスから培養肉まで～

for Chemistry and Life Sciences (MicroTAS 2021), 2021 年
10 月，アメリカ及び Online

第 37 回けいはんな「エジソンの会」, 2021 年 11 月，
Online22.竹内昌治

14.Kazuto Ogishi, Toshihisa Osaki, Yuya Morimoto, and Shoji
TakeuchiRapid fabrication of arrayed lipid bilayer devices using

バイオハイブリッドが拓く高感度センシング
第 9 回 iSyMs 全体会議, 2021 年 11 月，Online

stereolithography
The 25th International Conference on Miniaturized Systems

23.Hironori Sugiyama, Toshihisa Osaki, Shoji Takeuchi, Tarofor Chemistry and Life Sciences (MicroTAS 2021), 2021 年
10 月，アメリカ及び Online

ToyotaAbiotic molecular transport against a concentration gradientcaused by flow-induced membrane asymmetry between the
inner/outer leaflets of cell-sized liposomes

15.Sho Takamori, Hisatoshi Mimura, Toshihisa Osaki, and第 59 回日本生物物理学会年会, 2021 年 11 月，Online

Shoji Takeuchi
DNA-mediated adhesion of giant liposomes with cells
towards the transplantation of artificial organelles
The 25th International Conference on Miniaturized Systems

24.Sho Takamori, Hisatoshi Mimura，Toshihisa Osaki, Shoji
Takeuchifor Chemistry and Life Sciences (MicroTAS 2021), 2021 年
10 月，アメリカ及び Online

Adhesion of giant liposomes with cells using
lipid-conjugated DNA towards DNA-mediated fusion
第 59 回日本生物物理学会年会, 2021 年 11 月，Online

16.Hisatoshi Mimura, Toshihisa Osaki, Sho Takamori, andShoji Takeuchi
Dual-function device for detection of insect olfactory

25. 大崎寿久

receptor activity
The 25th International Conference on Miniaturized Systems

昆虫嗅覚受容体を用いた高感度匂いセンサの開発
日本技術士会神奈川県支部講演会（第 104 回 CPD 講

for Chemistry and Life Sciences (MicroTAS 2021), 2021 年座）,2021 年 11 月，横浜及び Online

116

KISTEC研究報告2022

【研究開発部】人工細胞膜システム【記者発表、取材】
1. 竹内昌治，大崎寿久
薬開発からバイオマシンまで!“タンパク質”人工合26.竹内昌治SF の世界に近づく先端工学～筋肉をまとうバイオハイ
ブリッドロボットから培養肉まで～
第 17 回日立財団科学技術セミナー, 2021 年 11 月，

成の世界
日本放送協会（NHK），サイエンス ZERO，2021 年 6 月 27

Online日
2. 竹内昌治
Growing Steak Meat in the Lab

27.高森翔，三村久敏，大崎寿久，竹内昌治
細胞小器官スケールリポソームの細胞内導入へ向けた
マイクロスケールリポソーム内包ジャイアントリポソームと培養細胞の脂質共役型 DNA を用いた接着

日本放送協会（NHK）、NHK World-JAPAN Science View，2021 年 8 月 10 日

第 44 回日本分子生物学会年会, 2021 年 12 月，横浜及び Online

番組 HP 上で 2022 年 8 月 10 日まで閲覧可能【特許】
28.橋本和泉，大崎寿久，三村久敏，三木則尚，竹内昌治(1) 国内特許出願

3件

微小気泡による脂質二重膜の再形成
令和 3 年度生体膜デザインコンファレンス・ミニ研究(2) 国外特許出願

0件

会, 2021 年 12 月，Online
29.大崎寿久
人工細胞膜技術を用いた創薬支援と次世代センサ開発
日本海水学会電気透析および膜技術研究会第 50 回荷電膜コロキウム, 2021 年 12 月，Online
30.Aoi Tanaka, Sho Takamori, Hisatoshi Mimura, Toshihisa
Osaki, Norihisa Miki, and Shoji Takeuchi
Cartridge device capable of spontaneous solution exchange
for sensor cell production
The 35th International Conference on Micro Electro

Mechanical Systems (IEEE MEMS 2022) , 2022 年 1 月，東京及び Online
31.Kazuto Ogishi, Toshihisa Osaki, Yuya Morimoto, and Shoji
TakeuchiOn-site formation of lipid bilayer arrays with an air/liquidinterface
The 35th International Conference on Micro Electro

Mechanical Systems (IEEE MEMS 2022) , 2022 年 1 月，東京及び Online
32.Shoji Takeuchi
3D tissue fabrication for biohybrid robots
MaP Distinguished Lecture Series ‘Additive Manufacturing’,
2022 年 3 月，Online
33.杉山博紀，大崎寿久，竹内昌治，豊田太郎
膜タンパク質なしにリポソーム内部に分子が濃縮される：リン脂質二分子膜が生命起源に果たしうる役割
第 46 回生命の起原および進化学会 学術講演会, 2022
年 3 月，Online

117

KISTEC研究報告2022

研究報告2022 目次【研究開発部】

実用化実証事業「次世代医療福祉ロボット」グループ◆ 総括･･････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････ 119◆ 拡張現実提示機能を備えた遠隔操作システムにおける仮想物体を介した･･････････････････････ 122

実環境への接触の表現◆ Dynamic programmingマッチングを用いた吸入動作正誤判別････････････････････････････････ 126◆ 業績･･････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････ 129

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KISTEC研究報告2022

【研究開発部】次世代医療福祉ロボット「次世代医療福祉ロボット」グループ
グループリーダー

下野

誠通【基本構想】
本研究グループでは、平成 28 年度～平成 31 年度に実施した有望シーズ展開事業で得られた研究開発成果を基に、実世界での力触覚の伝送・記録・再現を可能とするリアルハプティクスを援用した様々な医療デバイスの実用化研究を推進することを目的として、令和 2 年度より開始している。特に、力触覚情報を活用することによって高い安全性や新しい診断機能を獲得した高付加価値な医療デバイス、遠隔触診を実現するネットワークシステム技術、革新的な手術支援ロボットなどの開発を行う。そして、産学公連携拠点としての殿町（川崎市川崎区）の研究室において、医療機器を中心とした産業界とも密に連携した共同研究を推進し、開発技術の社会実装へと繋げることを目指す。

1.

2021 年度の研究目的

2. 2021 年度の研究成果(1) ハプティック骨ドリルの開発研究

2021 度は、実用化実証事業「次世代医療福祉ロボッ
ト」研究グループの研究活動二年目にあたり、前年度に引き続いて特に医療デバイスへの応用研究を主軸として本テーマでは、脊椎掘削・切削時のリアルタイム貫通
検知と瞬時自動停止機能を有する安全安心な骨ドリルの研究を推進する。産学公連携拠点としての殿町研究室を本拠地とし、産業界とも密に連携した実用化研究を実施

実用化を目指した研究開発を進めている（図 1）。2021 年度では、昨年度に製作した改良機を用いることで、貫通する。これにより、医療機器メーカー等との協働による開発技術の事業化へと繋げる。

検知アルゴリズムの発展的研究を実施した。
昨年度では、AMED ACT-MS の支援を受けて、脊椎を昨年度まで実施した AMED ACT-MS によって得られた
ハプティック骨ドリルの開発研究の成果を基に、さらな垂直方向に掘削した際の貫通検知及び自動停止の機能検証を達成し、開発アルゴリズムの有効性を確認した。

る性能改善に向けたドリル研究に取り組む。骨ドリル試作機やボーンソー試作機を用いた動物実験を慶應義塾大

2021 年度では、実際の手術動作と同様に、骨の表面に沿ってドリルを水平に移動させながら切削を行った際の、学医学部、同大学 HRC、日本メドトロニック株式会社と協力して実施することで、実用化に向けた非臨床 POC を
段階的に達成する。
脳神経外科用のハプティック鑷子研究については、引き続き動物実験などを実施し、データ収集と有用性評価を行う。
また、鷺沼診療所と連携し、遠隔触診に向けたハプティック超音波プローブの開発研究を継続し、精細な超音波画像の取得支援を行う誘導アルゴリズムの開発研究などを実施する。

(a) ハプティック骨ドリル試作機

慶應義塾大学医学部、薬学部との吸入動作解析に関する研究については、臨床試験によるデータ収集を継続
し、吸入器操作におけるクリティカルエラーの自動診断技術の開発を進める。
さらに、AMED 先進的医療機器・システム等技術開発
事業の研究分担機関として、マイクロサージャリー用シ
ミュレータの開発研究を実施する。実システムを用いたシミュレータ環境を構築すると共に、実験評価まで達成することを目指す。

(b) 貫通検知・自動停止の有用性実証
図 1：ハプティック骨ドリルによる試験

119

KISTEC研究報告2022

【研究開発部】次世代医療福祉ロボット

貫通検知機能についての検証を行った。慶應義塾大学医学部整形外科教室との共同実験において、人の術者により実際の施術と同様に切削を行ったところ、装置が正常に貫通を検知し、自動停止することが十分に可能である
ことが確認された。さらに、本アルゴリズムをボーンソーにも応用したモデルを試作し、模擬骨を用いた試験によって貫通検知・自動停止機能が骨ドリルと同様に十分に機能することを確認した。

図 3：自由度超音波プローブシステム(2) ハプティック鑷子の開発研究(4) 吸入支援デバイスの開発研究

脳神経外科支援用ハプティック鑷子（図 2）の開発研

慶應義塾大学医学部及び同附属病院薬剤部の研究者と共同で、IMU を用いた吸入動作モニタリングデバイスの究では、腫瘍組織と正常組織の剛性計測実験を実施し、新たなバイオマーカーとしての力触覚情報の有用性につ改良開発を行った（図 4）。
2 つの IMU を活用することで、蓋の開閉動作や吸入器

いて検討を深めた。非臨床試験によって、腫瘍組織と正常組織の剛性推定結果に有意な差があることを確認し、の傾け角度を測定可能となるようにし、吸入動作の適切性のより詳細な把握を実現した。また、薬剤充填動作の診断技術への応用性を実証することができた。

不備など、クリティカルエラーを自動判別するためのア
ルゴリズム研究も並行して実施し、動的計画法を応用した手法によって薬剤師と同等の評価精度が得られるとの結果を示すことで、その有用性を確認した。

(a) ハプティック鑷子試作機

図 4：吸入動作モニタリングデバイス(5) マイクロサージャリー用シミュレータの開発研
究(b) ペンホールド型試験機
図 2：脳神経外科支援デバイス

AMED・先進的医療機器・システム等技術開発事業（研究代表機関：慶應義塾大学）の分担研究機関とし(3) ハプティック超音波プローブの開発研究
リアルハプティクスの遠隔触診応用を目指し、超音波て、マイクロサージャリー支援ロボットを用いたトレー
ニングシミュレータの開発研究を実施した（図 5）。ロボ

プローブによる画像データと力触覚データとの統合解析研究を実施している。特に 2021 年度では、3 自由度を有ットに内蔵する各モータの位置情報を基にシミュレータ側のヴァーチャルモデルを同期させ、またシミュレータ

する超音波プローブシステムを試作し（図 3）、画像デー
タと力触覚データのクラスタリングと二次元マッピング側に設定された仮想環境から得られる反力情報をロボット側において出力することで、視覚情報と力触覚情報とによるマニピュレーション誘導アルゴリズムの開発を行った。画像の一致度と接触対象物のインピーダンスの一を提示可能なシミュレータ環境を構築した。
さらに、精密な動作が要求される場面を想定し、力制致度を二つの独立な軸として表現する二次元マップの生成法を考案し、実際の接触状況に関する相対位置をマッ

御に基づいて手先の位置を目標値へと誘導するナビゲー
ションシステムを開発した。実際のマイクロサージャリ

プ上にリアルタイム表示することで、適切な力加減やプローブ操作角度等を誘導することが可能であることを実

ー支援ロボットを用いた検証実験により、手先位置を目標位置へと誘導可能であると共に、手ブレの抑制や、位験的に示した。

置ズレの防止に効果的であることが確認された。

120

KISTEC研究報告2022

【研究開発部】次世代医療福祉ロボット(a) マイクロサージャリーロボット試作機(b) 構築したシミュレータ環境
図 5：マイクロサージャリーシミュレータ

3.

今後の展望

本研究グループでは、これまでの KISTEC 有望シーズ展開事業で得られた研究成果を発展させる形で、リアル
ハプティクスを援用した様々な医療デバイスの社会実装研究を推進している。医療機器メーカーを中心とした産業界との連携体制の構築、拡張ができてきており、今後も外部資金を活用しながら実用化に向けた開発研究を進めていく予定である。特に 2022 年からは、AMED 医療機器等における先進的研究開発・開発体制強靭化事業に分担研究機関として参画する骨ドリル開発の提案課題が採択されており、この支援を活用して開発技術の実用化を目指す。また、これまでの人間支援ロボットの開発研究を通して得られた動作支援技術や動作評価技術については、今後の様々な機器開発のための要素技術として利活用することができるよう、引き続き地域連携／産学公連携活動を展開していく予定である。

121

KISTEC研究報告2022

【研究開発部】次世代医療福祉ロボット

拡張現実提示機能を備えた遠隔操作システムにおける仮想物体を介した実環境への接触の表現「次世代医療福祉ロボット」グループ
松永 卓也

1. はじめに
マスタ・スレーブ型遠隔操作ロボットは、人間の能力拡張による高難度な作業の支援や危険な作業における人間の安全確保等に有用である。マスタ・スレーブシステ
ムの制御はロボット間における位置情報の伝送で実現可能であるが、より安全で直感的な作業をおこなうためには力触覚情報が必要となる。さらに、ロボット間で伝達される力触覚情報に加えて視覚情報や聴覚情報を活用することで、より高度な人間支援が可能となる。
バイラテラル制御はマスタ・スレーブシステムにおいて力触覚伝達をおこなう制御手法である。加速度制御に

図 1：視覚・力触覚伝達が可能な遠隔操作システム

基づくバイラテラル制御[1]は双方向の位置、力情報の伝送とロバストな加速度制御によって鮮明な力触覚伝達を利用し、(1)式で XD = 0 とすることで位置の追従，(2)式でFC = 0 とすることで作用力と反作用力の大きさの一致を可能とする。バイラテラル制御の制御目標は拡張可能であり、カメラで画像として得られる視覚情報を活用した実現する。さらに、(1)式または(2)式を拡張することで様々な機能をバイラテラル制御に付加することが可能とナビゲーションシステム[2]やモーションキャンセリング
システム[3]、拡張現実（AR: Augmented Reality）提示シなる。
バイラテラル制御における鮮明な力触覚伝達の実現に

ステム[4]が提案されている。

は位置と力の高精度な制御が必要であるため、外乱オブ
ザーバ（DOB: Disturbance Observer）[6]によるロバストな(1) 拡張現実を提示可能な遠隔操作システム

加速度制御をおこなう。また、力センサレスの遠隔操作ロボットを使用するため、力情報の取得には反力推定オ

本研究では、マスタ・スレーブ型遠隔操作ロボットと映像機器を組み合わせた遠隔操作システム（図１）において、仮想環境を介した実環境への接触を拡張現実におブザーバ（RFOB: Reaction Force Observer）[7]を用いる。

いて表現する手法を提案し、遠隔操作システムにおける拡張現実の応用範囲を拡張する[5]。図１のシステムにお(1)-2 視覚情報の提示
エンドエフェクタや環境等を含むスレーブ側視覚情報

いて、バイラテラル制御を実装した遠隔操作ロボットは
リニアモータの 1 自由度の動作で力触覚情報を伝達すの取得にはカメラを使用し、画像処理装置を介してディスプレイに提示する。システムの単純化のため、2 次元る。映像機器はカメラ、画像処理装置、ディスプレイで構成され、2 次元画像として得られる視覚情報の伝送と画像を視覚情報として扱う。画像処理装置では OpenCVによる環境情報抽出や画像加工をおこなう。また、遠隔処理をおこなう。

操作ロボットの制御装置との通信により、視覚情報に応じた力触覚拡張や、力触覚情報に応じた視覚拡張が可能(1)-1 力触覚情報の伝達となる。

1 自由度マスタ・スレーブ型遠隔操作ロボットにおいて、加速度制御に基づくバイラテラル制御[1]の制御目標は次式で与えられる。
𝑿𝑿𝐌𝐌 − 𝑿𝑿𝐒𝐒 = 𝑿𝑿𝐃𝐃

(2) 仮想環境を介した実環境への接触
拡張現実提示機能を備えた遠隔操作システムにおける

(1)
(2)

仮想環境に対する接触動作では、実環境に対する接触動作と同様にスレーブロボットによる仮想環境の移動や変X と F はモータの位置と力であり、下添え字の M、S、D、C はマスタ、スレーブ、差のモード、和のモードを形が可能であり、操作者の視覚および力触覚に提示できる。一方、拡張現実における実環境と仮想環境の接触に表す。ロボット間で双方向に伝送される位置、力情報をは制限が存在する。仮想環境の表現は実環境との位置関係や接触状況に応じた演算により変化させることが可能

𝑭𝑭𝐌𝐌 + 𝑭𝑭𝐒𝐒 = 𝑭𝑭𝐂𝐂

122

KISTEC研究報告2022

【研究開発部】次世代医療福祉ロボットである。しかし、仮想環境は実環境に力を加えることが

𝒔𝒔𝟐𝟐 𝑿𝑿𝐤𝐤 = 𝑴𝑴𝐜𝐜 −𝟏𝟏 �𝑭𝑭𝐒𝐒 − 𝑭𝑭𝐭𝐭𝐭𝐭 − 𝒌𝒌𝐜𝐜 𝑿𝑿𝐤𝐤 �

できず、仮想環境との関係性が実環境に変化を与えることが無い。したがって、実環境同士、または仮想環境同(5)

Mc、kc、Fth は仮想慣性、仮想剛性、接触動作の開始を検知するための力の閾値である。

士の接触と同様の表現が困難である。本研究では、かたさが剛性のみで表現される環境について、遠隔操作シス
テムによる仮想環境を介した実環境への接触を視覚および力触覚拡張で擬似的に表現する。

(2)-2 視覚の拡張
カメラで取得した 2 次元画像において、スレーブロボ
ットの代わりに仮想スレーブロボットのエンドエフェク(2)-1 力触覚の拡張

タと仮想環境を AR 画像として提示し、仮想環境を介した実環境への接触で得られる視覚情報を表現する。AR

スレーブ側エンドエフェクタ先端に仮想環境が付加された遠隔操作ロボット（図２）において、バイラテラル

画像の生成には接触動作前の実環境周辺画像とリアルタイム画像を使用する（図３）。

制御の位置の制御目標を拡張し、仮想環境を介した実環境への接触で得られる力触覚情報を表現する。提案手法
ではスレーブロボットの代わりに仮想スレーブロボットを使用して制御系を構築する。そして、実環境への接触
時にバイラテラル制御とコンプライアンス制御を組み合わせた力触覚伝達をおこない、操作者に環境のかたさを提示する。

図 3：仮想スレーブロボットによる視覚拡張
図 2：仮想スレーブロボットによる力触覚拡張

AR 画像に表示される仮想スレーブロボットのエンド
エフェクタと仮想環境はマスタ・スレーブシステムと同スレーブロボットの位置は次式により仮想スレーブロ

期して移動する。画像に表示する仮想環境の長さは次式で得られる。

ボットの位置に変換される。
𝑿𝑿𝐒𝐒𝐒𝐒 = 𝑿𝑿𝐒𝐒𝐒𝐒 − 𝑳𝑳

(3)

𝒑𝒑𝐄𝐄 = 𝑮𝑮𝐩𝐩𝐩𝐩 −𝟏𝟏 (𝑳𝑳 − 𝑿𝑿𝐃𝐃 )L はモータ可動部の移動方向の軸における仮想環境の長さ、下添え字の R と V はそれぞれ実空間と仮想空間を表す。位置の追従を表す(1)式の制御目標は次式となる。
𝑿𝑿𝐌𝐌𝐌𝐌 − 𝑿𝑿𝐒𝐒𝐒𝐒 = 𝑿𝑿𝐃𝐃

(6)

pE は画像座標系における仮想環境の長さを表す。Gpm はモータ座標系から画像座標系への位置情報の変換係数で

(4)

ある。

したがって、仮想環境の先端位置がマスタロボットの位置に追従することを目標とした制御となる。

2. 実験と結果

力触覚伝達下における遠隔操作ロボットの操作は自由動作と接触動作に分けられる。自由動作は環境に非接触

視覚と力触覚の拡張現実提示機能を備えた遠隔操作システム（図４）による接触動作で提案手法の評価をおこなった。

な状態における操作であり、(2)式と(4)式の制御目標を達成することで実行可能である。接触動作では接触した環境の剛性が伝達されるが、従来のバイラテラル制御は仮
想環境の剛性を表現できない。したがって、差のモード(1) 実験方法
マスタ・スレーブシステムを用いて仮想環境を介した実環境に対する押し込み動作をおこない、視覚および力を位置制御からコンプライアンス制御に切り替えること
で仮想環境の剛性を提示する。コンプライアンス制御器

触覚の拡張現実を提示した。スレーブロボットおよび仮想スレーブロボットのエンドエフェクタには赤色の樹脂において次式の加速度𝒔𝒔𝟐𝟐 𝑿𝑿𝐤𝐤 を計算し、差のモードの加速度参照値に加える。

製ロッドを使用した。実環境には緑色のスポンジを用いた。仮想環境は青色のバネとして提示し、画像上で 120

123

KISTEC研究報告2022

【研究開発部】次世代医療福祉ロボット

ピクセルとなる値に長さ L を設定した。提案手法では、御が切り替わったことでマスタロボットと仮想スレーブ

仮想環境の剛性を 500.0 N/m に設定した。提案手法と比較する従来手法では、(1)式、(2)式を制御目標とするバイロボットの位置に差が生じており、コンプライアンス制
御の効果が確認できる。

ラテラル制御を実装し、スレーブロボットの先端に仮想環境を表示した AR 画像を提示した。

(a) 位置応答

図 4：実験機器(2) 実験結果(b) 力応答

視覚拡張の結果を図５に示す。従来手法では(a)のリア

図 6：実験結果（従来手法、力触覚情報）

ルタイム画像を用いて(b)の AR 画像を生成した。仮想環
境は変形せず、実環境に重なって表示された。提案手法
では(c)のリアルタイム画像を用いて(d)の AR 画像を生成した。エンドエフェクタ先端の仮想環境が接触により変形し、同時に実環境も力を加えられたことで変形した。

(a) 位置応答(a) 従来手法加工前画像(b) 従来手法 AR 画像(b) 力応答(c) 提案手法加工前画像

図 7：実験結果（提案手法、力触覚情報）(d) 提案手法 AR 画像

図 5：実験結果（視覚情報）

3.

考察及び今後の展望

提案手法において操作者に提示される剛性 kE は実環境の剛性 kR と仮想環境の剛性 kV の合成により次式で表さ

力触覚拡張の結果を図６、図７に示す。従来手法の結果では仮想環境のみが実環境に接触しているため実環境には力が加わっておらず、自由動作と同じ結果となった

れる。
𝟏𝟏
𝟏𝟏
𝟏𝟏
=
+
𝒌𝒌𝑬𝑬 𝒌𝒌𝑹𝑹 𝒌𝒌𝑽𝑽

ことが確認できる。一方、提案手法の結果では仮想環境
が実環境に接触した際に、実際にはエンドエフェクタが接触しているため力が発生した。また、差のモードの制(7)

kE はマスタロボットにおける位置、力応答、kR はスレー

124

KISTEC研究報告2022

【研究開発部】次世代医療福祉ロボット

ブロボットにおける位置、力応答から推定可能である。
実験結果においてマスタ側の推定剛性は 0.3777 kN/m、ス
レーブ側の推定剛性は 1.420 kN/m であり、(7)式から求められる仮想環境の剛性は 0.5146 kN/m となる。したがって、コンプライアンス制御で設定した仮想環境の剛性が操作者に提示されたことが確認できる。
本研究ではシステムの単純化のために遠隔操作ロボッ
トの動作を 1 自由度に限定し、視覚情報は 2 次元画像としたが、実際には 6 自由度、視覚は 3 次元画像への拡張が必要である。また、エンドエフェクタ、仮想環境、実環境の形状がより複雑となる場合等についても今後の課題として検討が必要である。

【参考文献】
1. W. Iida and K. Ohnishi, Proceedings of the 8th IEEE
International Workshop on Advanced Motion Control, Mar.
2004, pp. 217–222.
2. M. H. Jamaluddin, T. Shimono, and N. Motoi, IEEJ Journalof Industry Applications, vol. 3, no. 3, pp. 227–235, 2014.
3. Y. Nakajima, T. Nozaki, and K. Ohnishi, IEEE Transactions
on Industrial Electronics, vol. 61, no. 7, pp. 3753–3764, Jul.
2014.
4. 松永卓也，下野誠通，大西公平，精密工学会誌，vol.
87, no. 4, pp. 380-387, Apr. 2021.
5. T. Matsunaga, T. Shimono and K. Ohnishi, Proceedings of2021 IEEE 30th International Symposium on Industrial
Electronics, June 2021, pp. 1-6.
6. K. Ohnishi, M. Shibata, and T. Murakami, IEEE/ASME
Transactions on Mechatronics, vol. 1, no. 1, pp. 56–67, Mar.
1996.
7. T. Murakami, F. Yu, and K. Ohnishi, IEEE Transactions on
Industrial Electronics, vol. 40, no. 2, pp. 259–265, Apr.
1993.

125

KISTEC研究報告2022

【研究開発部】次世代医療福祉ロボット

Dynamic programming マッチングを用いた吸入動作正誤判別「次世代医療福祉ロボット」グループ
高野 俊也

1. はじめに気管支喘息及び慢性閉塞性肺疾患の治療には、主に吸入器を用いた吸入薬治療が行われている。効果的な治療には吸入器を正しく、継続的に使用することが重要であるが、約 70%の患者が正しく使用できていないことが知られている[1,2]。その理由として、使用方法の理解不足
や時間経過により正しい使用方法を忘れてしまうこと等が挙げられる。そのため、治療効果が低減し治療の長期化を招いている。
現状、有効的な対策は医師や薬剤師による綿密な対面指導のみである。そのため、指導を行う医師や薬剤師の負担増大が問題となっている。その解決手法として、先行研究では吸入器に各種センサを搭載し、吸入手技をモ
ニタリングする手法が提案されている[3,4]。
本研究では、慣性計測装置(IMU: Inertial measurementunit)を搭載した吸入器により得られた患者の吸入手技の観測データに DP マッチング(DP: Dynamic programming)を

図 1：吸入動作モニタリングデバイス及びセンサ角速度用いることで吸入手技の自動判別を行う手法を提案する。

軸方向
表 1：エリプタの使用手順(1) 慣性計測装置を搭載した吸入動作モニタリングデバ
イス
本研究ではエリプタを用いて検証を行う。エリプタは一般的に使用されているドライパウダー吸入器(DPI: dry
powder inhaler)である。図 1 にエリプタに IMU を搭載した吸入動作モニタリングデバイスを示す。IMU は 3D プ
リンタにより作成したアタッチメント内に搭載し、エリプタの蓋に固定している。IMU は 3 軸の地磁気、加速度、角速度の測定が可能であり、図中の ωx、ωy、ωz は
IMU の角速度の軸方向を示す。吸入動作の観測には角速度を積分して得られた角度情報を用いる。

(2) DP マッチングアルゴリズム
吸入動作の自動正誤判別には予め用意した正常に吸引を行った際の波形(標準波形)に、測定により得られた波表 1 にエリプタの使用手順を示す。手順 1 の蓋を開ける動作及び、手順 3 の薬剤を吸入する動作については

形(入力波形)を重ね合わせることで評価を行う。しかし、吸入動作の速度やタイミングは毎回異なってしまう

IMU の Y、Z 軸の回転角度により観測が可能である。また、息吐き、息止めについては各動作のインターバルかため、そのまま重ね合わせてしまうと、時間軸方向にずれが生じてしまう。そのため、この時間のずれの影響をら観測可能である。図 2 に正常に吸入を行った際の Y、Z
軸角度の波形を示す。このデバイスにより得られた波形取り除く必要がある。その手法として DP マッチングを用いる。DP マッチングは主に筆跡鑑定や音声認識に用いを観測することにより、各手順が適切に行われていたかが判別可能となる。よって、吸入動作の正誤判別が可能

られるアルゴリズムであり、非線形データの伸縮を行う
ことで時間軸のずれを除外し、2 つの波形を重ね合わせ

となる。

126

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【研究開発部】次世代医療福祉ロボット

ることが可能となる。

形のサンプル数で割ることで求める。時間正規化距離が小さいほど 2 つの波形が類似していることを表す。DP マ
ッチングではこの時間正規化距離が最小となるように 2つの波形を重ね合わせる。

図 2：正常吸引時波形(標準波形)(a) 患者 A: 正常吸引(b)患者 B: エラー吸引(c)患者 C: 正常吸引(d)患者 D: エラー吸引

図 4 ：臨床試験データ

𝒈𝒈(𝒊𝒊 − 𝟏𝟏, 𝒋𝒋)
𝒈𝒈(𝒊𝒊, 𝒋𝒋) = 𝒅𝒅(𝒊𝒊, 𝒋𝒋) + 𝐦𝐦𝐦𝐦𝐦𝐦 �𝒈𝒈(𝒊𝒊 − 𝟏𝟏, 𝒋𝒋 − 𝟏𝟏)
𝒈𝒈(𝒊𝒊 − 𝟏𝟏, 𝒋𝒋 − 𝟐𝟐)
𝒈𝒈(𝟏𝟏, 𝟏𝟏) = 𝒅𝒅(𝟏𝟏, 𝟏𝟏)

図 3：DP マッチングイメージ

𝑳𝑳(𝒓𝒓, 𝒐𝒐) =式(1)、(2)に標準波形、入力波形の各サンプリングデー
タを表す。
𝒓𝒓(𝒊𝒊) = (𝜽𝜽𝒓𝒓𝒀𝒀 (𝒊𝒊), 𝜽𝜽𝒓𝒓𝒁𝒁 (𝒊𝒊)) (𝟏𝟏 ≤ 𝒊𝒊 ≤ 𝑰𝑰)𝒐𝒐(𝒋𝒋) = (𝜽𝜽𝒐𝒐𝒀𝒀 (𝒋𝒋), 𝜽𝜽𝒐𝒐𝒁𝒁 (𝒋𝒋)) (𝟏𝟏 ≤ 𝒋𝒋 ≤ 𝑱𝑱)
𝒅𝒅(𝒊𝒊, 𝒋𝒋) = �𝒓𝒓𝒊𝒊 − 𝒐𝒐𝒋𝒋 �

2.

(1)
(2)

𝒈𝒈(𝑰𝑰, 𝑱𝑱)
𝑰𝑰

(4)
(5)
(6)

実験と結果
DP マッチングにより測定データから吸入動作の正誤判定が可能か、臨床試験による検証を行った。

(3)(1) 実験方法

I、J は各データのサンプル数を表し、r(i)、o(j)は標準
波形及び入力波形の測定値を表す。θY、θZ は IMU より得

実験にはエリプタを使用している 4 名の入院患者の吸入動作を測定し、薬剤師による目視判定と DP マッチン
グにより得られた時間正規化距離との比較を行った。なられた Y 軸及び Z 軸回転角度を表す。よって式(1)の r(i)は、i 番目のサンプルにおける標準波形の Y、Z 角度を表

お、DP マッチングの標準波形には図 2 の波形を用いてマッチングを行った。また、この臨床試験は共同研究先のす。標準波形と入力波形間の距離は式(3)により表される。2 つの波形間の距離 d(i,j)の合計を小さくすることに慶應義塾大学医学部の倫理委員会の承認を得て実施した(承認番号 20190308)。

より、波形間の時間軸のずれを取り除くことが可能となる。
DP マッチングに用いられる漸化式を式(4)に表す。式(5)は DP マッチングの初期状態を表す。すなわち、2 つ(2) 実験結果
図 4 に 4 名の患者の測定結果を示す。薬剤師の判定では患者 A、C は正常に吸引を行ったが、患者 B、D は吸の波形の初期位置を一致させることを示す。図 3 に DP
マッチングのイメージ図を示す。横軸は標準波形の値を入前の息吐きが不十分であり、正常に吸引が行えていな
いエラー吸引となった。

示し、縦軸は入力波形の値を表している。3 本の線は式(4)の min を表している。もし 2 つの波形が完全に等しい

この各波形に DP マッチングを行った結果を図 5 に示す。また、表 1 に DP マッチングにより求めた時間正規場合、図 2 の線は直線を示す。
また、式(6)は時間正規化距離と呼ばれ、g(I,J)を標準波

化距離の結果を示す。結果から、正常に吸引を行った患

127

KISTEC研究報告2022

【研究開発部】次世代医療福祉ロボット

者 A、C においては時間正規化距離がそれぞれ 5.377、【参考文献】

10.345 と小さい値となったが、エラー吸引を行った患者

1. V. G. Press, V. M. Arora, L. M. Shah, S. L. Lewis, K. Ivy, J.
Charbeneau, S. Badlani, E. Naurekas, A. Mazurek, J. A.
Krishnan, “Misuse of respiratory inhalers in hospitalized
patients with asthma or COPD,” Journal of General Internal
Medicine, Vol. 26, pp. 635–642, 2011.
2. S. Schantz, N. Katajavuori, O. Antikainen, A. Juppo,“Evaluation of dry powder inhalers with a focus on ease ofuse and user preference in inhaler-na¨ıve individuals,”(a) 患者 A: 正常吸引International Journal of Pharmaceutics, Vol. 509, Issues 1–2,
pp. 50–58, Jul. 2016.

(b)患者 B: エラー吸引

3. T.Ezaki, K.Masaki, M.Nishie, H.Nakada, J.Hakamata,
S.Takano, K.Sunata, Y.Akiyama, M.Irie, S.Okuzumi,
T.Tanosaki, H.Kabata, T.Shimono, S.Tsuda, T.Aomori, andK.Fukunaga, “Accelerometer-equipped external attachments
to detect critical errors while using inhalation devices”,
American Thoracic Society 2021 International Conference,(c)患者 C: 正常吸引

ATS2021, May. 2021.
4. D. Baba, S. Uchida, H. Sakoe, “Predictive DP Matching for(d)患者 D: エラー吸引

On-Line Character Recognition,” Ninth International
Conference on Document Analysis and Recognition

図 5：DP マッチング結果(ICDAR 2007), pp. 674–678, 2007.

表 2：時間正規化距離算出結果

B、D においては時間正規化距離が 16.650、27.905 と比較的大きい結果となった。すなわち、時間正規化距離の大小と薬剤師の目視判定結果に相関があることを示している。よって、DP マッチングにより求めた時間正規化距離から正常吸引とエラーを含む吸引動作を識別可能である
ことを示すことができた。

3.

考察及び今後の展望
本研究では DP マッチングアルゴリズムを用いた、吸入動作の自動正誤判別について提案した。臨床試験による実験では、DP マッチングにより求めた時間正規化距離
が薬剤師の目視判定結果と一致した。これにより DP マ
ッチングアルゴリズムは吸入動作の正誤判別に有効であることが実証された。
現状では吸入動作にエラーがあったかどうかのみの判定しか示せていないため、今後はどのようなエラーが発生していたかについて詳細に判別可能なアルゴリズムを構築する。また、pMDI やタービュヘイラーといった他の各種吸入器においても同様に判別可能であることを検
証する。

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業 績【原著論文】

隔操作システム1. 松永卓也，下野誠通，大西公平
画像情報に基づく情報拡張機能を有するバイラテラル

画像ラボ, 32 (10), 11-15 (2021).
4. 下野誠通
力触覚を有する安全安心な整形外科ドリルの開発

遠隔制御システム
精密工学会誌, 87(4) , 380-387 (2021).

国立研究開発法人日本医療研究開発機構 2020 年度研究事業成果集, 16 (2022).

2. 西江美幸，正木克宜，中田英夫，袴田潤，江崎大航，
冨保紗希，笹原広太郎，浅岡雅人，砂田啓英也，秋山勇人，入江美聡，奥隅真一，田野崎貴絵，加畑宏樹，【口頭発表】

富樫信之，高野俊也，下野誠通，津田壮一郎，青森達，福永興壱1. 西江美幸，正木克宜，中田英夫，袴田潤，江崎大航，
冨保紗希，笹原広太郎，浅岡雅人，砂田啓英也，秋山

吸入手技エラー判別用慣性計測装置搭載アタッチメン
トの開発

勇人，入江美聡，奥隅真一，田野崎貴絵，加畑宏樹，富樫信之，高野俊也，下野誠通，津田壮一郎，青森

日本呼吸器学会誌, 10(増刊), 195 (2021).

達，福永興壱
吸入手技エラー判別用慣性計測装置搭載アタッチメン

3. Y. Moritoki, T. Furukawa, J. Sun, M. Yokoyama,T.Shimono,
T. Yamada, S. Nishiwaki, T. Kageyama, J. Fukuda, M.Mukai

トの開発
第 61 回日本呼吸器学会学術講演会, 2021 年 4 月, 東京

and S. Maruo
3D-Printed Micro-Tweezers with a Compliant Mechanism

2. T. Ezaki, K. Masaki, M. Nishie, H. Nakada, J. Hakamata,Designed Using Topology Optimization
Micromachines, 12( 5:579), 10 (2021).

S. Takano, K.Sunata, Y.Akiyama, M.Irie, S.Okuzumi, T.
Tanosaki, H. Kabata, T. Shimono, S. Tsuda, T. Aomori, and4. 三好優輝，下野誠通，大西公平，松永卓也，溝口貴弘，

K. Fukunaga
Accelerometer-equipped external attachments to detect

國分元樹，行形毅，宇井恵美
ハプティック超音波プローブを 用いた力触覚・画像のcritical errors while using inhalation devices
American Thoracic Society 2021 International Conference,

統合利用による二値分類精度の向上
日本ロボット学会誌, 39(8), 83-86 (2021).

2021 年 5 月, オンライン
3. T. Matsunaga, T. Shimono, and K. Ohnishi
A Method to Contact with Real Environment through Virtual

5. S. Takano, T. Shimono, K. Masaki, K. Fukunaga, H. Kabata,
M. Nishie, T. Ezaki, H. Nakada, J. Hakamata, and A.
Hasegawa

Object by Hidden End Effector in Teleoperation with
Augmented Reality

An Inhalation Device with Inertial Measurement Unit for
Monitoring Inhaler TechniqueInternational Symposium on Industrial Electronics, 2021 年
6 月, オンライン

IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, 採録決定
4. 下野誠通【総説】

リニアドライブ技術のヘルスケア機器応用
2021 年電気学会産業応用部門大会

1. 下野誠通，溝口貴弘，大西公平

2021 年 8 月, オンライン

遠隔医療に向けたリアルハプティクス
映像メディア学会誌, 75 (3), 330-333 (2021).

5. 土屋萌南，下野誠通
3D 映像の知覚奥行に合わせた遠隔操作のスケーリン

2. 桑原央明，國分元樹，溝口貴弘，下野誠通，大西公平
構造物の内部欠陥を検出する力センサレス打振検査デバイスの開発グ設計法
2021 年電気学会産業応用部門大会

検査技術, 26(6), 13-16 (2021).

2021 年 8 月, オンライン
6. 田村剛，松永卓也，下野誠通，大西公平，臼田慎，河奈裕正

3. 松永卓也，下野誠通，大西公平
映像機器と力触覚装置の連携により情報を拡張する遠129

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【研究開発部】次世代医療福祉ロボット

口腔外科手術ロボットの操作支援に向けた 3DCG イン
ターフェースの開発
2021 年電気学会産業応用部門大会
2021 年 8 月, オンライン
7. 下野誠通，松永卓也，高野俊也，大西公平，八木満，
中村雅也
リアルハプティクス技術の整形外科支援応用
第 29 回日本腰痛学会, 2021 年 10 月, 東京
8. 下野誠通
再生細胞医療支援に向けたリアルハプティクス
モノづくり企業のための細胞培養研修, 2021 年 12 月,
オンライン
9. 下野誠通
リアルハプティクスを援用した貫通検知・自動停止機
能を有する骨ドリルの開発
第 16 回 CAOS 研究会，2022 年 3 月，東京
10. A. Hasegawa, T. Shimono, S. Takano, K. Masaki,
H. Nakada, and M. Nishie
Inhaler Motion Evaluation by Weighted DP Matching
The 8th IEEJ International Workshop on Sensing
Actuation, Motion Control, and Optimization,2022 年 3 月,オンライン
11. G. Tamura, T. Matsunaga, T. Shimono, K. Ohnishi, S.
Usuda, and H. Kawana
Development of Operation Support System for Dental
Surgery Robot
The 8th IEEJ International Workshop on Sensing
Actuation, Motion Control, and Optimization
2022 年 3 月, オンライン
12. M. Tsuchiya, and T. Shimono
Scaling Method of Operation Distance Affected by
Perceived Depth During Image Zooming in Bilateral
Teleoperation
The 8th IEEJ International Workshop on Sensing
Actuation, Motion Control, and Optimization,
2022 年 3 月, オンライン

130

KISTEC研究報告2022

研究報告2022 目次【研究開発部】

実用化実証事業「腸内環境デザイン」グループ◆ 総括･･････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････ 132◆ 腸内細菌の単離・培養法の確立および腸内細菌特異的抗体の実用化に向けた評価･･････････････ 135◆ 腸内環境制御基盤技術の開発に向けた研究ツールの開発････････････････････････････････････ 138◆ 業績･･････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････ 140

131

KISTEC研究報告2022

【研究開発部】腸内環境デザイン

腸内環境デザイングループ
グループリーダー福田真嗣【基本構想】
本プロジェクトは、様々な疾患との関連が示唆されている腸内細菌叢を含む腸内環境を適切に制御することで、腸内環境のバランスの悪化が起因となる疾患の予防や治療に向けた基盤技術の構築を目的としている。ヒトの腸管内にはおよそ 1,000 種類、40 兆個にも及ぶとされる腸内細菌が生息している。正常なバ
ランスを保っている腸内細菌叢は外部から侵入する外来細菌の定着を防ぎ、宿主免疫系を活性化すること
で腸管内の恒常性を維持している。一方で、腸内細菌叢のバランスの乱れは大腸炎や大腸がんといった消化器関連疾患のみならず、代謝疾患やアレルギー疾患などの発症にも関連することが報告されている。遺伝子解析技術の進歩により、腸管内に生息する細菌叢の構成や種類については多くの情報が得られているが、生息する個々の腸内細菌が果たす役割、もしくはその培養法については研究途上である。また、腸内細菌来の代謝物質も宿主の健康維持や疾患に深く関与していることが示唆されてきたが、それらがどのような腸内細菌から産生されているかなど不明な点が多い。
腸内細菌叢をはじめとする腸内環境を適切に制御するには、個々の腸内細菌の特性を理解し、腸内細菌叢由来の代謝物質や菌体自身が宿主へ与える影響を知ることが重要となる。腸内細菌が主に生息する大腸は嫌気環境であり、腸内細菌叢を構成する細菌のほとんどは偏性嫌気性細菌に区分されている。これらの腸内細菌を培養するために、グローブボックスなどの嫌気環境を構築する装置や、これらを用いた嫌気培養による腸内細菌の単離培養法が構築され、腸内細菌の単離培養に使用する培地もいくつか市販されている。しかしながら、現段階の技術では培養できない難培養性腸内細菌も報告されるなど、腸内細菌の培養技術については改善の余地が数多く残されている。本プロジェクトの鍵となる腸内環境制御基盤技術の構築を行うためには、難培養性腸内細菌を含む腸内細菌を安定的に単離・培養することで、標的とする腸内細菌の特性を理解し、自在に操るためのツール開発が必要となる。そこで、本研究では、構築した嫌気培
養方法を用いた腸内細菌の単離および安定培養方法の確立、標的となる腸内細菌を選択的に取得するためのツール開発、およびその有用性の検証に取り組んだ。これらの課題に取り組むことで、腸内環境を適切に制御するための基盤技術を確立し、将来的には腸内環境の乱れが素因となるような疾患の新たな予防法
や治療法開発への貢献が期待できる。

1.

2021 年度の研究目的(2) ヒトもしくはマウス由来腸内細菌の単離・培養技術の確立

2021 年度は以下の各項目を重点項目として定めた。

(1) 腸内細菌基準株の安定的培養技術の確立
腸内細菌叢を構成する個々の腸内細菌を分離・培養するには二つの方法がある。一つ目は、ヒトやマウスの便に含まれる腸内細菌叢を寒天培地プレートで培養し、コロニーを形成させ、単離する方法である。二つ目は微生物バンクに登録されている腸内細菌基準株を入手し、培養する方法である。日本国内において腸内細菌を含む微生物基準株は
理化学研究所バイオリソースセンター（以下、理研 BRCと記載する）内の微生物材料開発室等に保管・登録されており、入手可能である(URL: http://jcm.brc.riken.jp/ja/)。プ
ロジェクト計画段階より蓄積してきたヒトおよびマウスの腸内細菌叢の解析データから、健康や疾患に関与することが想定される細菌種の基準株を理研 BRC より購入した。
入手した腸内細菌基準株は、次項以降に示す研究にて使用するため、嫌気チャンバー内にて安定的かつ容易に培養する方法を模索した。

ヒトやマウスの腸内細菌叢において主要な割合を占める菌は、基準株として単離されているものが多い。一方で、腸内細菌叢の中でその割合が低く、数が少ない菌の単離・培養は困難であり、単離・培養するための培地の工夫や既存の方法とは異なる新たな培養法の開発が必要不可欠である。多くの腸内細菌は偏性嫌気性細菌に分類され、単離・培養中に少量の酸素が混入するだけで死滅することもある。このような特徴を持つ腸内細菌を単離・培養するには、培養環境中の酸素を可能な限り除去することが必要である。加えて、われわれの体内には食物に由来する多くの栄養素や未消化物が存在しており、腸内細菌はそれらを栄養源として増殖している。これまでに開発した腸内細菌培
地や嫌気培養法を活用することによりヒトの便試料から腸内細菌の単離・培養を試みた。

(3) 標的腸内細菌を単離するためのツール開発およびその有効性の評価
腸内細菌叢を構成する腸内細菌の中には、ビフィズス菌

132

KISTEC研究報告2022

【研究開発部】腸内環境デザインや乳酸桿菌などに代表される宿主の健康維持や免疫系の亢進に作用する有用菌が存在する（参考文献 1-3）。その一方、病原性大腸菌などの消化器関連疾患や代謝疾患やアレ
ルギー疾患に関与する腸内細菌などが存在することも報告されている(参考文献 2-4)。多種多様な腸内細菌により構成される腸内細菌叢から特定の腸内細菌を単離・培養す
るには、便試料懸濁液を培地プレートに播種し、コロニーを形成させ単離する方法が採用されることが多い。選択培
地や培地に特定の物質を添加することにより、ある程度の選択は可能であるが、標的細菌のみを単離する効率は低い
ことが課題となっている。そこで、標的腸内細菌を効率よく単離するためのツールの開発を実施し、その有効性を評
価した。

2.

2021 度の研究成果

2021 年度は、以下に挙げる具体的な研究成果を得ることができた。実験方法、結果の詳細は各研究員からの報告書に記載しているため、本項では要点のみを示す。

図 1：ヒトもしくはマウス由来便試料からの腸内細菌の単離・安定培養法構築の流れ、疾患関連細菌 X の単離・安定培養法の構築
手順(1) 腸内細菌基準株の安定的培養法の確立
4 種類のグラム陰性菌の単離・培養に成功した。これらに加えて、疾患関連腸内細菌 2 種類の単離・安定培養法の確立に成功した。

プロジェクト計画段階およびプロジェクト中に蓄積したヒトおよびマウスの腸内細菌叢の解析データから独自に腸内細菌株をリスト化し、理研 BRC より入手可能な腸内細菌基準株を取得した。はじめに嫌気性細菌の一般的な培養に広く用いられている GAM ブイヨン培地（以下 GAM培地）を用いて寒天培地および液体培地を作製し、腸内細菌基準株の培養を実施した。GAM 培地により培養できなかったものについては本研究室で独自に調製した改良型
YCFA 培地（mYCFA）により培養することで安定的に培養可能とした。本年度は 15 種類の腸内細菌基準株の安定培養に成功した。表 1 はこれまでにグループ内にて安定培養法を検証した腸内細菌基準株の数および安定培養の可否をまとめたものである。

(3) 標的腸内細菌単離に向けたツールの開発とその応用利用法の検証

表 1：腸内細菌基準株の入手数および安定培養方法構築の可否をまとめたもの
基準株

培養

要培養条件

入手数

成功数

検討

グラム陽性菌52

50

2

グラム陰性菌25

214(2) ヒトもしくはマウス便由来の腸内細菌の単離・培養
これまで蓄積してきた嫌気培養法のノウハウを用いて、ヒト便試料からの腸内細菌の単離・培養を試みた。便試料に含まれる食物由来未消化物をフィルターにより除去し、残った腸内細菌叢懸濁液を様々な非選択培地/選択培地に播種し、嫌気チャンバー内にてコロニーを形成させた（図1）。プレートに形成されたコロニー群からシングルコロニーを釣菌し、液体培地内にて培養を継続した。認められたものから DNA を抽出し、その配列をシークエンス解析することで、菌種の同定を行った。本年度はヒト便試料より

133

多種多様の腸内細菌から構成される腸内細菌叢から標的となる細菌を単離・培養するには、選択培地や特定の基質を添加した培地による培養を経る必要がある。そこで、
より効率良く標的細菌のみを単離・濃縮する方法を検討するツールとして抗体に着目した。抗体は抗体産生細胞が産生する糖タンパク分子で、特定の分子を認識して結合する働きを担う。実際に生体内に侵入した外来抗原を認識し、排除する機構にも抗体は関与している。腸内細菌を認識す
る抗体の作製は過去にも報告はあるが、その特異性は低く
分類学的に類似の腸内細菌も認識してしまうなどの課題があった。このような課題を解決するために本プロジェク
ト独自の抗体作製法を用い、腸内細菌に対する抗体の作製を試みた。本年度は疾患に関連するグラム陰性菌に対する抗体の作製を行った。様々な腸内細菌との交差反応を検証
し、標的となるグラム陰性細菌特異的な結合がありながら、同種異株の腸内細菌には結合を示さない抗体を作出することに成功した。また、標的の疾患関連グラム陰性菌属に広く交差性を示す抗体も同時に取得できた。
次に、これまでに作製した腸内細菌特異的抗体についても有用性の検討を実施した。昨年度までに標的細菌を含む
腸内細菌混合液から図 2 に示す Magnetic-activated cellsorting 法の一つである MojoSort により標的細菌の濃縮に成功していた。本年度はより複雑な環境から標的細菌の分離を試みるため、ヒト便試料から夾雑物を除いた溶液に標的細菌を添加し、MojoSort を用いることで標的細菌を濃縮可能かどうかの検討を実施した。その結果、腸内細菌混合

KISTEC研究報告2022

【研究開発部】腸内環境デザイン

液よりは効率が落ちるものの、標的分画に細菌を濃縮できた。

細菌で構成される腸内細菌叢からの標的細菌の単離・濃縮法についても有効であることが示された。本結果は腸内細菌標的抗体を活用することで、標的となる細菌を効率良く単離・濃縮するための技術開発に繋がることが期待される。
本プロジェクトを通じて作製した抗体は、これまで作製されてきた既報・販売されている細菌に対する抗体とは異なり、標的細菌に対する特異性が高い。そのため、本プロジ
ェクトで使用した新規抗体作製法は標的細菌に特異性の高い抗体を作出する上で優れた方法であり、今後は、これまでに蓄積した腸内細菌の基礎データの中から、機能性食品開発への応用や創薬の標的として活用することができる腸内細菌に対する抗体の作製を引き続き進め、腸内環境制御基盤技術開発ツールとして活用する。
将来的には、プロジェクト実施中に蓄積したデータやツールを活用することで、腸内環境制御を目指した有用菌を用いたサプリメントや機能性食品の開発、病原性細菌や疾患に対する予防・治療薬の開発など、医療やヘルスケア産
業への応用を実施する。最終的には腸内環境を「意のままに」制御するための基盤技術を構築し、健康寿命の延伸を目指す。

図 2：MojoSort と作製した腸内細菌特異的抗体を用いた、便懸濁溶液からの標的細菌分離の概念図

3．

研究体制

本プロジェクトでは、研究を円滑に進めるために様々な研究機関との共同研究を実施した。共同研究先との綿密な連携はプロジェクトを推進する上で重要な項目となる。本
プロジェクトではオンラインを活用し、研究室同士を繋ぐ環境を構築していた。昨年度から続く COVID-19 による制限下においても、共同研究先と定期的に進捗状況を報告す
る機会を設け、プロジェクトの成果や課題の共有し、共同研究の進め方を議論することができた。

【参考文献】

4. 総括
本プロジェクトでは前身となる腸内細菌叢プロジェク
トから引き続き、 腸内環境制御基盤技術の構築への礎となる腸内細菌に関する新たな知見の取得、制御技術・ツールの開発を実施している。特に個々の腸内細菌の特性を理解するため、一つでも多くの腸内細菌を単離・培養するための手法の開発に注力し、その方法を活用することで腸内細菌の単離・安定培養法の確立を進めている。本年度は新たに 14 種類の腸内細菌基準株の安定培養に成功し、累計で 71 種類の腸内細菌基準株の安定的培養法を確立した。
嫌気チャンバー並びに様々な種類の選択培地や、市販の培地をベースとして独自に栄養素などを追加した培地である mYCFA を組み合わせることにより本年度はヒト腸内細菌を 6 種類単離することができた。安定的な培養法を確立した腸内細菌の中で有用性が示唆されるものについては、
腸内細菌単独定着マウスの構築や、腸内細菌の投与実験により、腸管常在細菌について検討を進める。一方で、本プ
ロジェクトでは数多くの腸内細菌基準株やヒト由来腸内細菌の単離・培養に成功したが、腸内細菌の特性や宿主に及ぼす影響の解析は動物試験を伴うため時間を要する。今後も、引き続き共同研究先と連携しつつ、重要性が高いと考えられる腸内細菌の腸内細菌単独定着マウスを構築し、代謝物質の網羅的解析、腸管上皮細胞や免疫細胞の変化を検討することで、腸内細菌の特性を理解し、腸内環境制御
基盤技術開発のための知見を深める。
腸内環境制御基盤技術構築に向けたツールの一つとして、腸内細菌特異的抗体の作製に着手し、独自に見出した作製法を利用することで、標的細菌に対して高い特異性を有する抗体の作製に成功した。本抗体は、多種多様な腸内134

1. Zheng, D., Liwinski, T., Elinav, E. Cell Res.
Jun;30(6):492-506. (2020)
2. Sanders, ME., Merenstein, DJ., Gibson, GR., Nat Rev
Gastroenterol. Oct; 16(10):605-616, (2019).
3. Fan, Y., Pedersen, O. Nat Rev Microbiol. Jan;19(1):55-71,(2021).
4. Chen, Y., Zhou, J., Wang, L. Front cell Infect MIcrobiol.
Mar 17;11:625913 (2021).

KISTEC研究報告2022

【研究開発部】腸内環境デザイン

腸内細菌の単離・培養法の確立および腸内細菌特異的抗体の実用化に向けた評価「腸内環境デザイン」グループ
中藤

学、大縄

悟志

1. はじめにヒトを含む哺乳類は、生後すぐに外部の環境に曝されることにより微生物との共生関係が始まる。体内にありながら外界とも繋がる消化管内も例外ではない。ヒトの腸管にはおよそ 1000 種類、40 兆個もの腸内細菌が生息しており、地球上のあらゆる環境の中で最も生息密度が高い場所の一つとなっている。腸内細菌同士は互いに生存競争を繰り広げたり、互いに支えあったりしながら一定のバランスを保つことで腸内細菌叢を形成している。食生活の変化が大
きい乳幼児期では腸内細菌叢の変動も大きくなるが、成人になると日々の食事や生活様式により多少の変動はある
ものの、腸内細菌叢は安定した状態となる（参考文献 1）。

(1) 腸内細菌叢が宿主に与える影響
宿主と共存関係を構築している腸内細菌叢は宿主に有益な効果をもたらしている。我々は呼吸や飲食などにより、常に外来抗原が体内へと侵入するリスクを抱えている。腸内細菌叢は消化管内に侵入してくるこれらの外来抗原の定着を防ぐ役割を果たしている。また、腸内細菌は食物由
来の未消化物を栄養源として発酵分解し、その際に代謝物質である低分子を菌体外に放出する。腸内細菌叢由来代謝物質は腸管上皮細胞のエネルギー源となるだけではなく、物理的バリアの構築に寄与し腸管上皮細胞の恒常性維持にも重要な役割を果たしている（参考文献 2）。更に、一部の腸内細菌由来代謝物質は宿主の免疫機能を活性化する。例えば、腸内細菌叢を構成する主要な細菌群の一種であるクロストリジウム目細菌群が食物繊維を代謝発酵し産生する酪酸は、炎症やアレルギーの起因となる過剰な免疫応答を抑制する細胞である制御性 T 細胞の分化誘導を促進するといった重要な役割を果たしている（参考文献 3、4）。
その一方で、ストレスや生活習慣の乱れにより腸内細菌
叢のバランスが崩れることが疾病につながることも知られている。実際に腸内細菌叢の乱れが大腸がんや大腸炎などの腸管関連疾患のみならず、糖尿病、動脈硬化、自閉症、アレルギー疾患など多岐にわたる疾患の発症にも関連することが報告されている（参考文献 5）。また、バランスの乱れた腸内細菌叢由来の代謝物質も、これらの疾患を引き起こす要因となっている（参考文献 6）。ゆえに、腸内細菌叢をはじめとする腸内環境を正常に保つことは健康維持にとって重要となる。

135(2) 個々の腸内細菌を対象とした研究の重要性と課題
これまでの研究から、各個人の腸内細菌叢の構成、種類
および経時的変化が明らかとなってきた。また、項目 1.1
で述べたように腸内細菌叢由来の代謝物質は宿主の健康維持に重要な要素となっているのみならず、各種疾患とも深く関わることが明らかになってきた。そのため個々の腸内細菌の特性や代謝物質を理解することが重要である。しかしながら、それらの代謝物質が腸内細菌叢を構成する腸内細菌由来によるものであるかについては、不明な点が多い。これらについての研究報告数が少ない一番の要因は、腸内細菌の培養法が十分に確立されていないことが挙げられる。腸内細菌の多くが偏性嫌気性細菌に分類されており、わずかな酸素の混入により生育が阻害されてしまう。
脱酸素剤などを利用した簡易嫌気環境の構築やグローブ
ボックスなどの嫌気培養装置を利用した腸内細菌の培養法の開発が進んでいるものの、依然として単離・培養が困
難な腸内細菌が数多く存在している。

(3) 腸内環境制御基盤技術の構築に向けて
腸内細菌叢を含む腸内環境を適切に制御する基盤技術の構築は、我々の健康維持や疾患予防に有効な手段となる。
このような基盤技術を構築するためには、以下に示す課題に取り組む必要がある。
1. 腸内細菌の安定的培養方法の確立
2. ヒトやマウスからの腸内細菌の単離
3. 単独腸内細菌定着マウスの作製や腸内細菌の投与が生体に与える影響の評価
4. 構築した腸内細菌研究ツールの評価
個々の腸内細菌についての基礎データやその培養方法のノウハウの蓄積は、腸内環境制御基盤技術に必要となる
創薬、栄養補助食品、機能性食品の開発にも直結するのみ
ならず基礎研究の発展にも大きな役割を果たすことが考えられる。

2. 実験と結果
本年度は腸内細菌基準株の安定培養法の構築、ヒト便試料からの腸内細菌の単離および培養方法の確立、本プロジ
ェクトにて作製した腸内細菌特異的抗体の実用化に向けた応用利用法の検討の 3 つの項目に取り組んだ。

KISTEC研究報告2022

【研究開発部】腸内環境デザイン(1) 腸内細菌基準株の安定培養方法の構築(3) 腸内細菌特異的抗体の有用性の検討

腸内細菌の特性を理解するために微生物バンクの一つである理化学研究所バイオリソースセンターより腸内細菌基準株 14 種類を新たに入手し安定培養法の検討を行った。嫌気性菌の培養に一般的に用いられている GAM ブイヨン培地（GAM、日水製薬株式会社）もしくは本プロジ
ェクト独自に改良を加えた改良型 YCFA 培地の寒天培地
および液体培地を作製し、嫌気チャンバー内にて本年度入手した 5 種類のグラム陽性菌および 9 種類のグラム陰性菌の培養を行った。その結果、全ての腸内細菌基準株については、GAM および mYCFA を使用し、嫌気環境下にて培養することで安定培養にできることを見出した(図 1)。

本プロジェクトにおいてこれまで腸内細菌特異的抗体を作製し、標的細菌を含む腸内細菌混合液から標的の腸内細菌を分離濃縮する方法を確立していた。しかしながら、カラムへの標的細菌以外の吸着が起こり、標的分画を調製する際にこれらの細菌が混入する課題があった。そこで本年度は類似した方法ではあるがカラムを使用しない
MojoSort を使用することでより純度を上げられるかどうか検討を行った。
MojoSort 後の各分画から DNA を抽出し、標的腸内細菌数を定量 PCR により検討した。その結果、抗体を含まない NA およびコントロール抗体の IgG では不要分画（Flow）にて標的細菌が検出されたが標的分画(Elu)ではほとんど細菌は検出されなかった(図 3)。一方で、作製した標的腸内細菌特異的抗体を用いると Flow でもわずかに検出されたが、標的分画においてほぼ全ての標的細菌が検出された、MojoSort により腸内細菌混合液から標的細菌の単離・濃縮の効率を上げることが明らかとなった(図3)。

図 1:安定培養法を確立した腸内細菌基準株グラム染色像(2) ヒト由来腸内細菌の単離・培養法の確立
これまでに引き続き、ヒト便試料からの腸内細菌の単離を試みた。これまでに蓄積した嫌気培養技術と選択培地を組み合わせることで、腸内環境制御基盤技術への応用が期待される腸内細菌の単離を実施した。
径の異なるフィルターを複数種類組み合わせ、そこに健常人由来の便懸濁液を通すことで夾雑物を除いたヒト腸内細菌叢溶液を調製した。ビタミンやミネラル成分が多く含まれる YCFA 培地に更に数種類の栄養素を添加した本グループ独自の改良型 YCFA 培地(mYCFA)を用いてヒト
腸内細菌叢溶液を嫌気環境下において 16 時間培養した。
前培養した培養液を様々な選択培地プレートに播種し、嫌気環境下でコロニーを形成させた。24-72 時間後に形成されたコロニー群から単コロニーを釣菌し、液体培地内にて培養を継続した。その中から増殖が認められたものはDNA を抽出し、その配列を 16S rRNA 遺伝子増幅用ユニバ
ーサルプライマーで遺伝子増幅した後にシークエンス解
析を実施し、菌種の同定を行った。その結果、本年度は 4
種類のグラム陽性菌の単離・培養に成功した（図 2）。

図 3：標的細菌を添加した腸内細菌混合液からの標的細菌の分離
NA は磁気ビーズのみ、IgG はコントロール、Ab は腸内細菌特異的抗体を示す。 ***p<0.001, ****p<0.0001

そこで次に標的細菌を含むヒト腸内細菌叢混合液から同手法を用いて、標的となる腸内細菌の単離・濃縮を検討した。分画したそれぞれのサンプルより DNA を抽出し、次世代シークエンサーにより各分画中に含まれる腸内細菌の割合を検討した。NA および IgG では標的画分（Elu）とフロースルー(Flow)において腸内細菌は同程度の割合で存在していた。一方で、腸内細菌特異的抗体（Ab）を使用すると標的分画において標的細菌を濃縮することに成功した（図 4）。

図 2：本年度ヒト便試料より単離した腸内細菌のグラム染色画像

136

KISTEC研究報告2022

【研究開発部】腸内環境デザイン

御礼申し上げます。
本研究は、文部科学省地域イノベーション・エコシステ
ム形成プログラム、神奈川県委託事業先進異分野融合プロ
ジェクト研究立案・推進事業により実施しました。

【参考文献】

図 4：標的細菌を添加したヒト腸内細菌叢混合液からの標的細菌の分離
NA は磁気ビーズのみ、IgG はコントロール抗体、Ab は腸内細菌
特異的抗体をそれぞれ示す。

3. 考察及び今後の展望
本年度新たに 14 種類の腸内細菌基準株の安定培養に成功し、累計 71 種類の腸内細菌基準株の安定的培養法を確立した。一方で、6 種類の腸内細菌基準株については増殖に必要な因子が足りていないことが予想された。これらの腸内細菌基準株については、培地の改良や二槽式透析培養器を用いた培養を続けることで安定培養法の構築をめざす。本年度はこれまでに培ってきた嫌気培養法を用い、ヒト便由来の 4 種類の腸内細菌を単離・培養することに成功した。これらの中には、有用な作用をもたらす細菌や疾患に関与する可能性のある細菌も含まれているため、引き続き単離できた細菌の詳細な機能解析を実施する。
これらに加え、作製した腸内細菌特異的抗体を用いた標的細菌の分離・濃縮法の改良、より複雑な環境からの標的細菌の分離を検討した。腸内細菌特異的抗体を用いること
で標的細菌を含む腸内細菌混合液からは高純度の標的細菌の分離に成功した。一方で、標的腸内細菌を含むヒト腸内細菌叢からの分離においては、標的分画において濃縮は見られたものの、標的以外の腸内細菌も含まれていた。今後は抗体と標的腸内細菌の非特異的な反応を抑える手法を検討し、精度を上げることに取り組む。
本プロジェクトでは数多くの腸内細菌基準株やヒト由来腸内細菌の単離・培養に成功した。今後は、これらの腸内細菌の機能や宿主に対してどのような影響を与えるのか検討することが重要となる。今後も共同研究先と連携しながら、一つでも多くの腸内細菌単独定着マウスを構築し、代謝物質の網羅的解析、腸管上皮細胞や免疫細胞の変化を検討することで腸内細菌の特性を理解する。またこれらの情報と作製している腸内細菌特異的抗体をうまく活用することで腸内環境制御基盤技術開発に繋げる。

1. Odamaki, T., Kato, K., Sugahara, H., Hashikura, N.,
Takahashi, S., Xiao, J.Z., Abe, F., Osawa, R., BMC
Microbiol. 25:16:90, (2016).
2. Okada, T., Fukuda, S., Hase, K., Nishiumi, S., Izumi, Y.,
Yoshida, M., Hagiwara, T., Kawashima, R., Yamazaki, M.,
Oshio, T., Otsubo, T., Inagaki, O. K., Kakimoto, K., Higuchi,
K., Kawamura, Y. I., Ohno, H., Dohi, T. Nat. Commun. 4:1654, (2013).
††††
3. Furusawa, Y., Obata, Y., *Fukuda, S. ( co-first and*corresponding author), Endo, T. A., Nakato, G., Takahashi,D., Nakanishi, Y., Uetake, C., Kato, K., Kato, T., Takahashi,M., Fukuda, N.N., Murakami, S., Miyauchi, E., Hino, S.,
Atarashi, K., Onawa, S., Fujimura, Y., Lockett, T., Clarke,
J.M., Topping, D.L., Tomita, M., Hori, S., Ohara, O., Morita,†T., Koseki, H., Kikuchi, J., Honda, K., * Hase, K., * Ohno,
H. Nature 504: 446-450, (2013).
4. Atarashi, K., Tanoue, T., Suda, W., Oshima, K., Nagano, Y.,
Nishikawa, H., Fukuda, S., Saito, T., Narushima, S., Hase,
K., Kim, S.W., Fritz, J.V., Wilmes, P., Ueha, S., Matsushima,K., Ohno, H., Olle, B., Sakaguchi, S., Taniguchi, T., Morita,
H., Hattori, M., Honda, K. Nature 500: 232-236, (2013).
5. Sekirov, I., Russell, S.L., Antunes, L.C., Finlay, B.B. Physiol
Rev. Jul;90(3):859-904. (2010).
6. Schulz, M.D., Atay, C., Heringer, J., Romrig, F.K.,
Schwitalla, S., Aydin, B., Ziegler, P.K., Varga, J., Reindl, W.,
Pommerenke, C., Salinas-Riester, G., Böck, A., Alpert, C.,
Blaut, M., Polson, S.C., Brandl, L., Kirchner, T., Greten,
F.R.,
Polson,S.W.,
Arkan,M.C.
Nature.
514(7523):508-12,(2014)

4. 謝辞
本実験の遂行にあたり、腸内細菌の分離、新規培養技術の構築では慶應義塾先端生命科学研究所の谷川直紀博士、楊佳約博士、筑波大学トランスボーダー医学センターの尾花望博士をはじめ多くの方々のご協力を賜りました。厚く137

KISTEC研究報告2022

【研究開発部】腸内環境デザイン

腸内環境制御基盤技術の開発に向けた研究ツールの開発「腸内環境デザイン」グループ
大縄

1. はじめに

悟志、中藤

学、井上

浄

タンパク質で、抗原と呼ばれる免疫応答を引き起こす物質に特異的に結合する能力を持つ。細菌も抗原としての性質を有しており、実際に特定の細菌を認識する抗体も報告されている。例えば、有用菌の一つである Bifidobacterium
longum (B. longum)に対する抗体作製の報告がある。本抗体
は B. longum を認識するものの、他の Bifidobacterium 属細菌にも広く交差性を示すため腸内細菌叢などの集団から標的となる B. longum のみを単離・濃縮するために利用することは困難であることが示唆される（参考文献 5）。B.
longum に対する抗体以外にも市販の細菌に対する抗体のヒトの腸管内に共生する腸内細菌は食物由来の未消化物を発酵分解することで代謝物質を産生し、腸管上皮細胞の恒常性維持や粘膜免疫系の構築に寄与している。中には腸内環境改善効果を有する細菌も存在しており、それらを含む製品や食品はプロバイオティクスと呼ばれ、腸内環境を整え、宿主に良い影響をもたらす。その一方で、生活習慣の乱れなどのストレスにより腸内細菌叢が撹乱されると、腸内細菌叢より産生される代謝物質が疾患の発症に関与することも知られている。機能性食品やプロバイオティ
クスの開発や、疾患に関連する腸内細菌を標的とした創薬を効率よく進めるには、標的となる腸内細菌を宿主の腸内細菌叢から効率よく分離するツールの開発が必要不可欠である。

多くが標的細菌以外の細菌に反応するという問題がある。
そのため、腸内細菌叢を構成する多種多様な腸内細菌の中から標的となる細菌のみを単離するには、より特異性の高い抗体の使用が求められる。

(1) 腸内環境を整える方法と課題
腸内細菌叢を含む腸内環境を整える方法として、ヨーグ
ルトや発酵食品等の機能性食品の摂取が一般に浸透しており、これは日常的に実施可能という観点から予防的アプ
ローチとして広く利用されている。注目すべきこととして、機能性食品を摂取している間は便中から機能性食品に含まれる有用菌が検出されるものの、摂取していない期間は体内から有用菌は検出されなくなるため（参考文献 1）、機能性食品の効果は一時的であることが示唆されている。
一方で、ヒトから分離した有用菌を人が摂取することで200 日間経過しても摂取した有用菌が検出されるという報告もある（参考文献 2）。また、臨床的面においては、潰瘍性大腸炎やクローン病などの特定疾患に指定されている炎症性腸疾患治療において「便微生物叢移植療法」が一定の効果を示すことが報告されている（参考文献 3、4）。
しかしながら、これらの方法は同一個人由来の細菌叢ではなく他人の細菌叢のため、投与した腸内細菌群が患者の腸内に定着できないなどの問題も残る。そこで腸内環境を整える一つの手法として、外来性細菌ではなく宿主由来の腸内細菌を利用し、再度体内に戻すことにより、持続的な腸内環境改善が期待できるのではないかと考えた。このような腸内環境制御基盤技術の開発を行うには宿主由来の特定の腸内細菌を多種多様な腸内細菌が存在する腸内細菌叢の中から効率よく単離するツールの開発が重要となってくる。

(3) 腸内環境制御基盤技術の構築のための研究ツー
ル作成
腸内細菌叢を含む腸内環境を適切に制御する基盤技術の構築は、我々の健康維持や疾患予防、治療もしくは診断への有効な手段となる可能性がある。これまで本プロジェ
クトにおいて、独自の抗体作製方法を構築し、複数の腸内細菌に対して特異性の高い抗体の作製に成功している。本
年度は疾病の新規診断法開発に向け、疾病に関与する腸内細菌に対する抗体の取得を試みた。

2. 実験と結果(1) 標的腸内細菌特異的抗体の作製
これまでに構築した独自の抗体作製方法を用いること
でグラム陽性菌およびグラム陰性菌に対する特異性が高い抗体作製に成功している。そこで本年度は、安定培養法を確立した腸内細菌の中から特定の疾病時に増加が認められる細菌(以下、細菌 X と表記する)を標的とした特異的抗体の作製を行った。はじめに一般的に使用されている抗体の作製方法（従来法）と本プロジェクト独自の抗体作製法（新規法）を比較した。抗原感作後における血清中に含まれる細菌 X に対する抗体価の上昇を ELISA 法により検討した。最終抗原感作が終了した時点で血清を採取し、抗体価を検討したところ、従来法に比べ、新規法では有意な差は認められなかったが高い傾向を示した。（図 1）。

(2) 標的細菌特異的抗体の作製意義
抗体は免疫細胞の一つである B 細胞から産生される糖138

KISTEC研究報告2022

【研究開発部】腸内環境デザイン

3. 考察及び今後の展望図 1：最終抗原感作後の血清中の細菌 X に対する抗体価の比較、
青は従来法、赤は新規法を示す。

(2) 細菌 X に対する特異的な抗体の選抜
血清中の細菌 X に対する抗体価の上昇が認められたマ
ウスの脾臓を用いて、抗体産生細胞（ハイブリドーマ）の構築を行なった。はじめに、細菌 X に対する特異性を検証するために、細菌 X および同属種の腸内細菌に対する反応性の検証を行なった。フローサイトメーターを用いて、各細菌との反応を検討したところ多くのハイブリドーマ
クローンは図 2A に示すように細菌 X に特異的な反応性を同種異株の細菌に対して反応性を示さなかった。一方で、ハイブリドーマの中には細菌 X のみならず同属菌にも幅広く交差反応を示すものも含まれていた（図 2B）。

腸内環境制御基盤技術の構築に向けたツールの一つとして腸内細菌特異的抗体の作製に着手し、新規法を利用することで標的細菌のみを認識する抗体の作製に成功した。
作製した抗体は既存の細菌に対する抗体とは異なり特異性が高いものであった。本結果は、プロジェクト独自の新規抗体作製法が、標的細菌に特異性の高い抗体を作出する
ための優れた方法であることを示唆するものであった。X
属細菌は一つの種類の腸内細菌のみならず、同属に含まれる細菌も同様に疾病への寄与が示唆されている。次の課題
としては、細菌 X に特異的抗体のみならず X 属細菌を広く認識する抗体の作製も行い、用途に応じた使い分けをできるようにする。また、これまでに蓄積した腸内細菌の基礎データの中から機能性食品開発への応用や創薬の標的として活用することができる腸内細菌に対する抗体の作製についても引き続き進めていく。

4. 謝辞
本実験の遂行にあたり、公益財団法人 実験動物中央研究所の高橋利一氏、小倉智幸氏、何裕遥氏、富山香代氏、
野津量子氏にご協力を賜りました。厚く御礼申し上げます。
本研究は、文部科学省地域イノベーション・エコシステ
ム形成プログラム、神奈川県委託事業先進異分野融合プロ
ジェクト研究立案・推進事業により実施しました。

【参考文献】
1. 1 Kim, S., Suda, W., Kim, S., Oshima, K., Fukuda, S., Ohno,
H., Morita, H., Hattori, M., DNA Res. Jun;20(3):241-53,(2013).
2. Maldonado-Gomez, M.X., Martinez, S., Bottacini, F.,
O’Callaghan, A., Ventura, M., van Sinderen, D., Hillmann,
B., Vangay, P., Knights, D., Hutkins , R.W., Walter, J. Cell
Host Microbe. Oct 12; 20(4):515-526, (2016).
3. Ishikawa, D., Sasaki, T., Osada, T., Kuwahara-Arai, K.,
Haga, K., Shibuya, T., Hiramatsu, K., Watanabe, S. Inflamm
Bowel Dis. Jan;23(1):116-125, (2017).
4. Paramsothy, S., Kamm, M.A., Kaakoush, N.O., Walsh, A.J.,
van den Bogaerde, J., Samuel, D., Leong, R.W.L., Connor,
S., Ng, W., Paramsothy, R., Xuan, W., Lin, E., Mitchell,
H.M., Borody, T.J. Lancet. Mar 25;389(10075):1218-1228(2017).

図 2：フローサイトメーターによる抗体と細菌 X および同属菌への結合の検証。赤色は細菌 X に対する抗体、青はアイソタイプコ
ントロール抗体をそれぞれ示している。

(3) ヒト便試料からの細菌 X 単離の検討
項目 2.の(2)で作製した抗体の交差反応性の検討や、他のX 属細菌に対する抗体作製に向け、ヒト便試料より X 属
細菌の単離を試みた。嫌気チャンバー内において本研究室
独自に調製した腸内細菌培養培地と細菌 X 属単離用のプレートを組み合わせることで、2 種類の X 属細菌の単離に成功した（図 3）。

図 3：ヒト便試料より単離した X 属細菌のグラム染色像

139

KISTEC研究報告2022

業 績【原著論文】

Kusada H, Tamaki H, Fukuda S, Arakawa K. Complete

1.

Ishihara S, Sato T, Fujikado N, Miyazaki H, Yoshimoto T,
Yamamoto H, Fukuda S, Katagiri K. Rap1 prevents

genome sequence of Atopobiaceae bacterium strain P1,
isolated from mouse feces. Microbiol. Resour. Announc.

colitogenic Th17 cell expansion and facilitates Treg celldifferentiation and distal TCR signaling. Commun. Biol.

10: e0062721, 2021.

5: 206, 2022
2.

10.

Jangid A, Fukuda S, Kato T, Seki M, Suzuki Y, Taylor TD,
Ohno
H,
PrakashT.
Impactofdietary

ecological communities across environmental gradients
Ecol. Monogr. 91: e01469, 2021.

fructooligosaccharides (FOS) on murine gut microbiota
and intestinal IgA secretion. 3Biotech 12: 56, 2022
3.

11.

Maruyama Y, Nishimoto Y, Umezawa K, Kawamata R,

Resour. Announc. 10: e0050721, 2021.

metabolome profiles of stimulated saliva, unstimulated
saliva, and mouth-rinsed water. Sci. Rep. 12: 689, 2022.

12.

*Furusawa C, Tanabe K, Ishii C, Kagata N, Tomita M,

Study. J. Psychiatr. Res. 140: 45-52, 2021.
13.

Yang Y, Kumrungsee T, Kato N, Fukuda S, Kuroda M,

Nishimoto Y, Nomaguchi T, Mori Y, Ito M, Nakamura Y,
Fujishima M, Murakami S, *Yamada T, *Fukuda S.

Yamaguchi S. Supplemental Aspergillus lipase andprotease preparations display powerful bifidogenic effects

Nutritional efficacy of Chlorella supplementation depends
on the individual gut environment: randomized control

and modulate the gut microbiota community of rats.
Fermentation 7: 294, 2021.

study. Front. Nutri. 8: 648073, 2021.
14.

6.

Connell S, Kawashima M, Nakamura S, Imada T,

Sato S, *Shimizu E, He J, Ogawa M, Asai K, Yazu H,
Rusch R, Yamane M, Yang F, *Fukuda S, Kawakami Y,

Yamamoto H, *Tsubota K, *Fukuda S. Lactoferrinameliorates dry eye disease potentially through*Tsubota K, Ogawa Y. Positive effects of oral antibiotic
administration in murine chronic graft-versus-host disease.

enhancement of short-chain fatty acid production by gut
microbiota in mice. Int. J. Mol. Sci. 22: 12384, 2021.

Int. J. Mol. Sci. 22: 3745, 2021.
15.

7.

8.

9.

Kurokawa S, Tomizawa Y, Miyaho K, Ishii D, Takamiya
A, Ishii C, Sanada K, Fukuda S, Mimura M, Kishimoto T.
Fecal Microbial and Metabolomic Change during
Treatment Course for Depression: An Observational*Fukuda S. Decoding gut microbiota by imaging analysisof fecal samples. iScience 24: 103481, 2021.
5.

Takahashi H, Yang J, Yamamoto H, Fukuda S, Arakawa K.
C Complete Genome Sequence of Adlercreutzia
equolifaciens subsp. celatus JCM 14811T Microbiol.

Ichiba Y, Tsutsumi K, Kimura M, Murakami S, Kakizawa
Y, Kumagai T, Yamada T, *Fukuda S. Comparison of oral

4.

Suzuki K, Nakaoka S, Fukuda S, Masuya H. Energy
landscape analysis elucidates the multistability of

Yokoyama Y, Shinohara K, Kitamura N, Nakamura A,

Nakamura A, Kurihara S, Takahashi D, Ohashi W,
Nakamura Y, Kimura S, Onuki M, Kume A, Sasazawa Y,

Onoue A, Tanaka K, Hirayama A, Aw W, Nakamura S,
Ogawa Y, Fukuda S, Tsubota K, Watanabe M. Metabolic

Furusawa Y, Obata Y, Fukuda S, Saiki S, Matsumoto M,
Hase K. Symbiotic polyamine metabolism regulates

effects of bee larva-derived protein in mice: Assessmentof an alternative protein source. Foods 10: 2642, 2021.

epithelial proliferation and macrophage differentiation in
the colon. Nat. Commun. 12: 2105, 2021.

Ejima R, Akiyama M, Sato H, Tomioka S, Yakabe K,

16.

Tomizawa Y, Kurokawa S, Ishii D, Miyaho K, Ishii C,

Kimizuka T, Seki N, Fujimura Y, Hirayama A, Fukuda S,
Hase K, Kim YG. Seaweed dietary fiber sodium alginate

Sanada K, Fukuda S, Mimura M, Kishimoto T. Effects of
Psychotropics on the Microbiome in Patients with

suppresses the migration of colonic inflammatory
monocytes and diet-induced metabolic syndrome via theDepression and Anxiety: Considerations in a Naturalistic
Clinical Setting. Int. J. Neuropsychopharmacol. 24:

gut microbiota. Nutrients 13: 2812, 2021.

97-107, 2021.

Watanabe Y, Takeuchi N, Yang J, Obana N, Morinaga K,

140

KISTEC研究報告2022

【招待講演・指定演者】

第 75 回日本栄養・食糧学会大会 2021 年 7 月 4 日（オン1. 福田真嗣
腸内細菌叢がもたらす宿主恒常性と疾患

ライン開催）

第 21 回日本分類学会連合公開シンポジウム
8 日（オンライン開催）

2022 年 1 月【特許】(1) 国内特許出願 1 件

2. 福田真嗣
腸内環境に基づく層別化医療・ヘルスケアがもたらす未来
第 73 回日本生物工学会 2021 年 10 月 28 日（オンライン開催）
3. 福田真嗣
腸内デザインによるがんの予防・治療
第 80 回日本癌学会学術総会 2021 年 10 月 2 日（オンライン開催）
4. 福田真嗣
腸内環境に基づく食の層別化がもたらす未来
日本食品科学工学会第 68 回大会 2021 年 8 月 27 日（オンライン開催）5. 福田真嗣
マウス腸内における大腸菌共生進化機構の解明
日本進化学会第 23 回大会 2021 年 8 月 20 日（オンライン開催）
6. 福田真嗣
ヒトマイクロバイオームがもたらす健康と疾患
第 48 回日本毒性学会学術年会 2021 年 7 月 9 日（オンライン開催）
7. 福田真嗣
腸内環境に基づく層別化医療・ヘルスケアがもたらす未来
第 25 回腸内細菌学会 2021 年 6 月 1 日（オンライン開催）
8. 福田真嗣
腸内細菌叢由来アミノ酸代謝物質がもたらす宿主恒常性と疾患
日本アミノ酸学会第 6 回産官学連携シンポジウム

2021

年 5 月 31 日（オンライン開催）【口頭発表】
1. 田中一己
米ぬか摂取による大腸炎抑制効果はトリプトファン代謝物質がもたらす第 1 回腸内デザイン学会年会 2021 年 11 月 18 日（オンライン開催）【ポスター発表】
1. 田中一己
米ぬか摂取による大腸炎抑制効果は腸内細菌叢由来トリ
プトファン代謝物質がもたらす

141

KISTEC研究報告2022

研究報告2022 目次【研究開発部】

国際評価技術サービス提供事業「食品機能性評価」グループ◆ 総括･･････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････ 143◆ 未病と食の脳活動評価試験法の確立･･････････････････････････････････････････････････････ 147◆ 業績･･････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････ 151

142

KISTEC研究報告2022

【研究開発部】食品機能性評価「食品機能性評価」グループ
グループリーダー

阿部啓子【基本構想】
食は健康な生体を築き上げ、それを維持する上で限りなく重要であり、適正な食生活は “quality oflife”(QOL)の向上に寄与し、生活習慣病を防ぎ、健康寿命を延ばす手段としても高い関心が寄せられている。わが国ではまもなく 65 歳以上の高齢者が人口の 30％に達すると予想されており、健康を保ち、エイジング（加齢）に伴う生活習慣病の発症や認知機能・運動機能の低下を遅らせる機能性食品の開発は国際的にも注目されている。本テーマの出口としては、科学的エビデンスに基づく商品を開発するための公的機能性評価システム機関を世界に先駆けて構築し、この日本発の領域を、学術的・産業的・社会的に発展させ世界に発信していくことにある。

1.

2021 年度の研究目的(1) 国際評価技術センター

グループ最終年度にあたる 2021 年度は、以下の各項目
を重点項目として実施した。これまでに精力的に取り組＜食品と未病＞
日本は超高齢社会を迎えて久しく、平均寿命が延伸しみ、築き上げてきた研究成果や開発した評価技術については、継続的にブラッシュアップし、新たな取り組みとたことに伴う健康寿命延伸への要求が高まっている。わ
が国の平均寿命と健康寿命の隔たりは平均で 10 歳以上とともに広く展開していくことを目指す。本稿においては、2021 年度の活動を中心に、過去の事例も一部再掲し

大きく、個人やその周囲の生活の質（QOL）の向上や、医療費の削減といった観点からも、平均寿命と健康寿命ながらご紹介する。

の差の短縮は喫緊の解決課題のひとつである。私たちの身体は、生体恒常性のはたらきから健康と疾病の手前

図 1：食品と未病の関係

143

KISTEC研究報告2022

【研究開発部】食品機能性評価（未病）を絶えず行き来しており、健康寿命延伸を見据に対してより鋭敏に反応する分子を解析する必要がある。

えると、疾病に至る前にこのバランスを調節することが重要であり、その調節には生活習慣、とりわけ食品や運我々はこれまで、未病マーカーとして mRNA 発現変化を解析対象とし、検討および検証を重ね、その成果を複数の動の寄与が期待される（図 1）。自身がどのような食品を摂取すると良いか判断するためには、食品やその含有成論文にて報告している。一方、mRNA の発現には様々な制御機構がある。2021 年度には、食品刺激により変動する

分がどのような生体機能性、作用メカニズムを持つかという情報が必要である。しかし食品は医薬品と異なり、エピジェネティックな調節の解明を組み合わせつつ、より健康に近い未病状態を想定した試験を実施し、新規の食品

生体調節作用の多くは健康から未病の範囲内のわずかな変化として現れ、さらに複数成分から構成されているこ

機能性評価用指標としての活用可能性を探った。

とからその作用点は単一ではない。これが機能性解明を難しくする要因であるため、食品摂取時の生体内の変化(2) 受託・共同研究

を捉えるには評価に適した未病状態を作り出し、より広く、より高感度に検出し、評価するための手法と組み合に確立してきた動物およびヒトを対象とするシームレス
評価として、メタボリックシンドロームに対する機能の評わせる必要がある。本グループでは、未病評価という観点から食品機能性の評価技術センター構想を描き、未価（生体ガス分析、トランスクリプトーム解析等）、脳活
動評価（トランスクリプトーム解析、脳波計測）を活用し病、食品機能性についての評価法開発を経て、産学官連
携で科学的エビデンスを取得する難事業に取り組んできつつ、依頼に基づき、新たな機能性探索のためのカスタマイズ研究にも随時対応をしている。対象は食品を中心とした。本稿では 2021 年度の実績を中心に、研究成果を紹介する。

ているが、新たに衣食住環境を包括した未病への作用という視点での試験依頼・相談も受けている。

企業との共同研究、受託研究を推進している。これまで(1)-1 食品機能性解明に向けた取り組み
食品には、長い食経験という歴史を持つものが多いが、昨今の研究開発により、特定の成分の高含有作物や、特定

2.

2021 年度の研究成果の成分を抽出したサプリメント食品等が普及し始めている。そのため、現在の食品の機能性評価においては安全性る。

の確認が必須条件であり、さらにその理解のためには作用メカニズムを明らかにすることが不可欠であることから、(1) 国際評価技術センター(1)-1 食品機能性解明に向けた取り組み

動物を対象とする非臨床研究を中心に進めてきた。一方で、2015 年に始まった食品の機能性表示制度においては、ヒ

当グループでは、動物を対象とする脳機能測定のための手法の高精度化を検討しており、食品摂取によるわずかなトにおける評価研究が求められることから、食品機能性評
価の臨床研究の需要も高まっている。安全性や機能性の確差の検出を試みている。これまでは主にメタボリックシン
ドロームへの作用についての研究を積み重ねてきた実績認や詳細なメカニズム解明を非臨床研究にて、ヒトでの科
学的エビデンスを臨床研究にて捉えるという両輪を回しがあるが、脳機能に関しても同様に動物を対象とする試験（主にメカニズム解明）とヒト試験（現象）とを組み合わていくことで、食品の機能性評価を推進している。

せ、両者を行き来しながら評価を進めていくことで、より効率的に、かつより詳細に食品の機能性を明らかにするこ(1)-2 脳機能への作用評価研究とができると考えている。

以下に挙げるのは、2021 年度の具体的な研究成果であ食品の機能性評価研究は、特定保健用食品（トクホ）に(1)-2 脳機能への作用評価研究(1)-2-1 脳波解析との組み合わせによる軽度の疲労・ストレス時の脳活動評価試験方法の確立：ヒト試験

おいてはメタボリックシンドロームに対する作用が中心であったが、機能性表示制度の対象が脳機能、運動機能（ロコモティブシンドローム）、2020 年に第一号が届出受理された免疫機能等、多岐に亘るようになった。本グループで2018 年度に、ヒトを対象とした試験において、食品のはメタボリックシンドロームに対する機能性解明・評価に加え、脳機能評価にも重点を置いて進めており、その成果

単回摂取で脳機能（計算テスト成績や疲労度）の差異を検出するための試験方法を確立し、脳機能に対する作用を明についても紹介する。
＜実施項目＞

らかにするためのヒト試験の基盤を、東海大学医学部、健康学部との連携により構築した。KISTEC での評価に適し(1)-2-1 脳波解析との組み合わせによる軽度の疲労・スト
レス時の脳活動評価試験方法の確立：ヒト試験

たタイムスケジュール、実行内容等のプロトコル作成を経て東海大学にて実行・検証し、完成させたものである。こ(1)-2-2 脳機能評価の展開：動物試験

れはプラセボ食と試験食との比較にて試験食の機能性を評価する試験方法であり、計算テストについては 3 種類を(1)-3 未病評価指標の活用例
食品の機能性評価研究においては、その作用の結果とし用意して評価を行ったが、食品によって成績に有意な差を生じる試験項目が異なるという結果を得ており、それぞれて生じるわずかな変化を検出する必要があり、生体内変化の機能性成分の特性に合わせて計算テストと組み合わせ

144

KISTEC研究報告2022

【研究開発部】食品機能性評価

ることの重要性が示されている。

これらの研究を通じて、計算テストと血液トランスクリ

この手法を駆使し、ポリフェノールの一種であるタキシ
フォリンを用いた研究を実施したところ、タキシフォリン

プトーム解析、さらに脳波計測とを組み合わせることにより、食品の機能性評価に適した比較的軽微な疲労、ストレ含有食品摂取は少なくとも女性の計算速度を上昇させる
ことが明らかとなり、主観的疲労を軽減させることが期待

ス負荷と、それに対する客観的指標に基づく評価方法を確立した。本試験方法は、ヒトを対象とした脳機能に対するVol.50, 93-107

食品の評価試験であり、既に企業からの依頼に基づいた評価試験も実施している。

される結果を得た（Jpn Pharmacol Ther
(2022)）。

一方、この方法では、計算テスト等を実行し、その成績
や Visual Analogue Scale（VAS）による主観的な疲労度の差(1)-2-2 脳機能評価の展開：動物試験

異から食品摂取に伴う脳機能の変化を捉えることに成功しているが、一方でストレス、疲労についての客観的指標

食品の機能性成分が脳機能に与える影響を評価する為、実験動物を用いた行動試験を導入している。実験動物を用には乏しい。そこで 2019 年度には、この試験方法に血液トランスクリプトーム解析を組み合わせ、計算テストに伴いた行動試験では認知、不安様行動をはじめとした様々な項目の脳機能評価が可能である。これまでに複数の検討をうストレス・疲労と、それに対する食品摂取の作用について客観的に捉える試みを実施した。その結果、計算テスト

経て、環境因子の変化が脳機能に及ぼす影響について複数の行動試験を組み合わせて評価し、差異の検出と、その機実施に伴いストレス、疲労に関連する遺伝子群が変化すること、また、計算テスト成績（正答率等）を上げる作用を序を説明するトランスクリプトーム解析結果を得るに至っていた。一方、行動試験については、その実施環境、実持つ食品を摂取した際には、このストレス、疲労関連遺伝
子群の変化が軽減されることが示された。

施者、実施手順等の違いにより、同じ試験ツールを用いても異なる結果が得られることが知られている。これまで開トランスクリプトーム解析から、計算テスト実行することによって生じた生体の変化（時間変化への応答も含む）、

発、検証してきた評価技術をより広く展開するために、
2021 年度は、これまでに確立した行動試験を他機関でも及びそれに対する食品による作用としての変化、また計算テストの成績の差異を有意な差をもって明確に捉えるこ

実施し、食餌条件の違いによる行動の差異を検出可能であるかを検証した。その結果、栄養素条件を調節した食餌摂とに成功したが、一方で、それらと相関すると考えられる
計算テスト実行中のリアルタイムな脳活動変化について

取により、広場テスト（不安様行動や活動性の評価とされる）等における差異を検出するに至った。動物の行動試験は未解明のままであった。そこで 2020 年度から 2021 年度にかけて。計算テスト実行に伴うリアルタイムの脳活動変は、評価する食品や評価したい事象により、都度、条件検討が必須であるが、本試験成果およびこれまでの検討成果化を捉えるべく、簡易型脳波計を用いた脳波計測を実施した。その結果、計算テスト実施中・実施前後での有意な差によって、研究を推進することが可能となった。

の検出や、周波数帯域ごとの変化の違いの検出に成功した（図 2）。この手法を活用し、食品介入を通じて、脳の活動(1)-3 未病評価指標の活用例

状態のリアルタイムな変化に対する作用を評価することが可能となる。

ィックな調節の解明を組み合わせつつ、より健康に近い未病状態を想定した試験を実施した。その結果、高脂肪は短動物を対象とし、食品刺激により変動するエピジェネテ

図 2：脳活動指標テストと脳波計測
図は KISTEC アニュアルレポート 2022 より

145

KISTEC研究報告2022

【研究開発部】食品機能性評価

期的な負荷であっても遺伝子発現を変動させること、発現は、(一財)バイオインダストリー協会（JBA）の機関誌、変動した遺伝子のなかには、特定の食品成分の摂取により変動がキャンセルされるものが複数含まれることを見出

バイオサイエンスとインダストリー(B&I）にて特集を組
み、2022 年 3 月号、5 月号、7 月号、11 月号（予定）にした。また、同様のエピジェネティックな変化も見出しており、未病のなかでもより健康に近い比較的初期の応答のて掲載している。

食品機能性評価用の新規の指標として利用できる可能性を示した。

(2) 受託・共同研究
企業や大学との共同研究、受託研究を推進している。
2021 年度には、得られた成果のうち一部にあたる 5 件が研究論文として掲載された他、現在投稿中の論文もある。
外部発表も積極的に進め、広く成果の発表に努めている。
また、特許出願 2 件の他、出願について検討を進めている案件もある。継続的に実施し、未病、食品の機能性評価の研究を広く推進していく。

(3) その他
平成 28 年 10 月 1 日から日本学術振興会（JSPS）先導的研究開発委員会「食による生体恒常性維持の指標となる未病マーカーの探索戦略」（委員長：阿部啓子）が発足し、活動を続けてきた。この活動の成果が評価され、令和 2 年
3 月に日本学術振興会 産学協力委員会において R021
「食と未病マーカー委員会」の採択が決まり、令和 2 年 4月より活動が開始された。未病マーカーの開発研究には、
本グループの研究員も参画し、全国の大学、企業との連携により、最新のマーカー探索に向けての情報共有、情報収集、開発研究を進めている。
また、平成 30 年 3 月に、本グループの研究手法を基盤とする「ワンストップ型食品機能性評価サービス」が神奈
川県 ME-BYO BRAND に認定された。これを受けたお問
い合わせもいただいているが、今後一層の周知を図り、評価センターでの食品機能性評価の受託あるいは共同研究拡大を目指し、得られた成果を広く還元し、国内外を問わず生活の質（QOL）の向上を目指していく。
2019 年 6 月から（一財）日本バイオインダストリー協会（JBA）会長に就任した。2021 年度、JBA では関東圏（東京都、神奈川県、千葉県、埼玉県。筑波）に Greater Tokyo
Biocommunity (GTB)構想を立ち上げ、国際的バイオコミュ
ニテイづくりを行った。この過程で、KISTEC など殿町地区の神奈川県の活動を高く評価する意見を述べた。

【最後に】本研究グループでは、旧 神奈川科学技術アカデミー
における研究プロジェクトから通算して 200 を超える論
文・外部発表、海外、国家、民間を問わない多くの競争的資金の獲得、産学官連携を継続的かつ精力的に行うことによって研究を推進してきた。築き上げてきた多くの研究成果や開発した評価技術については、継続的にブラッシュアップし、新たな取り組みとともに広く展開していくことを目指す。
なお、2017 年度以降の当グループの研究成果について

146

KISTEC研究報告2022

【研究開発部】食品機能性評価

未病と食の脳活動評価試験法の確立「食品機能性評価」グループ
亀井 飛鳥、篠﨑 文夏

1. はじめに意味を持つと考えられる。例えばわずかな変化の積み重

神奈川県立産業技術総合研究所では、これまでに食品機能性研究として、主に動物を対象とする評価を実施しねにより大きな変化となる、あるいはわずかな変化を繰り返すことにより、病気への進行を遅らせるといったこてきた。これらの研究成果や評価技術を応用し、現在はヒト試験、特に未病という観点から評価する研究へと展となどが期待される。
KISTEC ではこれまで、主にメタボリックシンドロー

開しつつある。これまでの研究対象の多くは、メタボリ
ックシンドロームの緩和・改善作用を期待し、その作用

ムやその予備軍を想定した条件下において、食品による改善作用とその作用メカニズムを明らかにしてきた。いメカニズム等を明らかにすることを目指すものであった。一方、昨今ではメタボリックシンドロームに加えずれもトランスクリプトーム解析（網羅的な遺伝子発現解析）により実施してきた。例えば、桑の葉の脂質代謝て、脳や運動機能、免疫機能に対する作用への期待も高まっている。例えば、機能性表示食品には、体脂肪等にに及ぼす作用 (1, 2)、サラシア属植物の免疫に及ぼす作
用 (3, 4)、ビフィズス菌の脂質代謝に及ぼす作用(5, 6)、

加えて記憶、ストレス、疲労、関節といったキーワードが並ぶ。食品の多岐に亘る機能性について少しずつ解明

短鎖フルクトオリゴ糖の脂質代謝に及ぼす作用 (7)、アミノ酸混合液の作用 (8)、栄養素の一つである鉄の摂取し、その情報を活用して生活に取り入れることで、健康寿命の延伸や生活の質（QOL）の向上に繋がると期待さ量の違いが身体に及ぼす作用 (9, 10)などである。さらに、食品の機能性成分について、その効果を発揮する至れる。本稿では、食品の機能性評価研究の一環として、
脳機能、なかでもストレスや疲労に対する作用を評価す

適な量があることも明らかにした。これはメープルシロ
ップの機能性評価研究において見出された（11, 12, 13）。

る試験と脳波計測技術とを融合させた評価方法の確立に向けての取り組みを紹介する。なお、本報告の一部は(3) 脳機能と食品

2020 年度の研究報告にて記した研究の結果を 2021 年度にさらに詳細に解析したものであり、研究概要説明のた

私たちは日常生活の中で様々なストレスを受けている。例えば厚生労働省の平成 28 年国民生活基礎調査の概め、2020 年度の報告内容を一部再掲載する。

況によると、世代に関わらず日本人の約半数がストレスを抱えながら生活をしているとあることからも、ストレ(1) 未病とその評価
未病は、病気ではないが、健康でもない状態であり、スは非常に身近にあり、認識されていることがわかる。
ストレスは必ずしも身体にとって負の影響を及ぼすもの

日本未病システム学会では「自覚症状はないが検査では異常がある状態」と「自覚症状はあるが検査では異常がではなく、うまく活用することで健康維持に貢献するものでもあるが、それを逸脱するような過度のストレスやない状態」とを合わせたものと定義している。健康状態
から病気に至るまで、身体の中は徐々に変化するが、こ継続的なストレス負荷によって健康を損なうものでもある。また、ストレスと密接な関係にある疲労についてものわずかな変化、すなわち病気に至る兆しを捉え、対策を講じることが病気の予防の一つであると考えられる。

2004 年の文部科学省の大阪地区を対象にした調査によれ
ば、半数以上が疲労を感じているという結果であった。

このわずかな変化は、既存の手法では検出が難しいため、未病を評価するにあたり新たなマーカー分子の探索

疲労は作業効率の低下やひいては病気の原因にもなり得る。すなわち、ストレスや疲労は脳の未病状態であり、が必須である。

その軽減は現代社会において急務である。そのためには
生活習慣の改善が不可避であり、そこには食が大いに貢(2) 未病と食品(1)にて述べたように、未病は病気に至る前の状態であ献すると期待される。
2018 年度には、2 つの食品素材（それぞれの対照食とる。そのため、医薬に頼る段階ではないが、未病から病気に至ることのないように講じるべき対策として、食品の比較）、PC 上で実施する 3 種類の脳活動指標テストを準備し、それぞれの組み合わせの合計 6 パターンをそれの機能性への期待が高い。食品にはそれぞれに様々な機能があるが、そのほとんどにおいて、摂取することによ

ぞれ実施した。その結果、脳活動指標テストの成績に食品によって成績に影響を及ぼす脳活動指標テストの種類

る身体の中の変化はわずかである。しかし食品は日常的に摂取するものであるため、そのわずかな変化が重要なが異なることが示され、報告した。一つの素材はテスト
成績の向上、主観的疲労蓄積の低下等の期待していた作147

KISTEC研究報告2022

【研究開発部】食品機能性評価用であり、もう一つの素材は、主観的疲労度には作用し年度に整理した内容について紹介する。

ないもののテスト成績に影響を及ぼすというものであった。2019 年度には、2018 年度に作成、実施した試験におなお、「(1) タキシフォリンの研究」は、次々世代イノ
ベーション開発、加齢・栄養研究所からの受託研究としいて疲労度回復に加えてより顕著な試験成績向上を示した組み合わせの食品素材＋脳活動指標テストにて再度試て実施し、その成果は Jpn Pharmacol Ther Vol.50,(2022)(14)に掲載された。本稿では、論文の概要につい験を実施するとともに、そこに血液トランスクリプトー
ム情報を組み込み、詳細な解析へと展開し、報告した。

て、図を一部改変しつつ記述する。

血液トランスクリプトーム解析では、疲労時に変動するとの報告のあるタンパク質への翻訳制御関連因子の動き(1) タキシフォリンの脳機能評価等が抽出され、早期疲労の変化を捉えたことが示された。

物が乏しくなる時期にカラマツの内樹皮等をおかゆやパンにして食べていた。カラマツの抽出物にはポリフェノ

このようにトランスクリプトーム解析から、計算テスト実行することによって生じた生体の変化（時間変化へールの一種であるタキシフォリンが多く含まれる。タキ
シフォリンは、マツの他にも果物、野菜、ワイン、茶、の応答も含む）、及びそれに対する食品による作用としての変化、また計算テストの成績の差異を有意な差をもっココアなどの植物由来の食物に含まれる植物フラボノイドである。植物に多く含まれるポリフェノールは強い抗て明確に捉えることに成功したが、一方で、それらと相関すると考えられる計算テスト実行中のリアルタイムな酸化作用を有し、炎症や免疫機能などに影響することが明らかとなっている。タキシフォリンについても抗酸

脳活動変化については未解明のままであった。そこで2020 年度は計算テスト実行に伴うリアルタイムの脳活動化、肝臓保護作用などが調べられており、多彩な機能があると考えられている。近年、ポリフェノールは脳機能変化を捉えるべく、簡易型脳波計を用いた脳波計測を実施した。

に対しても影響することが指摘されており、タキシフォ
リンについても脳血流量を増大作用等が報告されてい本稿では、食品の機能性について脳活動指標テストを用いて評価した研究事例に加え、脳活動指標テストと脳る。これらの背景をもとに、本研究では、健康な若年成人を対象に、カラマツ由来のタキシフォリン含有食品の波計測とを組み合わせた取り組みについて報告する。

単回摂取が脳活動指標テストのパフォーマンスに及ぼす影響について検討した。なお、本研究は、株式会社次々

2. 実験と結果

世代イノベーション開発、株式会社加齢・栄養研究所からの受託研究として実施した。

シベリア、北欧、北米などの人々はかつて、冬季の食(1)ではポリフェノールの一種であるタキシフォリンを例に食品の機能性について脳活動指標テストを用いた評価について、(2)では脳活動指標テストと脳波計測とを組(1)-1 方法

み合わせた取り組みのうち、2020 年度結果をもとに 2021

試験はランダム化プラセボ対照二重盲検クロスオーバ

図 1 脳活動指標試験の概要

148

KISTEC研究報告2022

【研究開発部】食品機能性評価

ー比較試験で、25 人の健康な若年成人に対してプラセボ

試験結果は、それぞれの脳活動指標テストの成績のほ

食品またはタキシフォリン（108 mg）を含む食品を単回摂取、その後、脳活動指標試験と「疲労」の視覚的アナか、繰り返し試験実施に伴う疲労度の変化を主観的 VAS
アンケートおよび脳波データを評価した。脳波の測定デログ尺度（VAS）アンケートとの組み合わせを 4 セット実施した（図 1））。なお、試験立案および解析は KISTEC

ータは、ノイズフィルター、フーリエ変換を経て周波数帯ごとのパワースペクトルを算出したものを解析に用いにて（KISTEC 倫理委員会 J-2019-03, S-2019-06, S-201907 承認）、ヒトを対象とする介入試験は東海大学にて実た。ここまでの脳波データの計算については PGV 株式会
社に委託し、以降は KISTEC にて実施した解析結果を示施した（東海大学医学部臨床研究審査委員会 19R-082
号承認）。本試験は、University Hospital lMedical

す。
なお、本研究は、神奈川県先進異分野融合プロジェク

Information Network Center（UMIN000038223）に登録した。

ト研究立案・推進事業により実施された。

(2)-2 結果

(1)-2 結果および考察

2020 年度報告では、脳活動指標テスト実行中の脳活動女性でタキシフォリン摂取時に計算問題における回答
および正答にかかる時間が短くなり、単回（初回）の脳変化を捉える目的で、周波数帯域毎のパワー値を算出した。脳活動指標テスト実行中のα波のパワー値の平均値

活動指標テスト実施後の主観的疲労度が軽減される傾向がみられた。

を比較したところ、大別して計算テストと押ボタンテス
トとで異なることが示されたことを紹介した。すなわち

以上より、タキシフォリン含有食品摂取は少なくとも女性の計算速度を上昇させることが明らかとなり、ま計算テスト実行中はα波が全体的に低値を示す傾向にあり、押ボタンテストにおいてはほぼ同程度の値に保たれた、主観的疲労を軽減させると期待された。
なお、本研究の詳細については、Shinozaki F, Kamei A,ており、テストの性質の違いが検出されることが示された。

et al. (2022) Single administration of taxifolin-rich extract toyoung adults improves their sequential performance- A

2021 年度には、2020 年度の結果を整理した成果として、テスト B の実行中における脳波の変化について解析

randomized, placebo- controlled, double- blind crossover trial.
Jpn Pharmacol Ther, 50, 93-107 を参照いただきたい。

結果を紹介する。テスト B は、① 単純な応答課題、②複数の情報の統合判断課題、③ 複数の情報の総合判断だ
が、②とは異なる条件による課題、の 3 つの小テストの組み合わせより構成しており、それを 6 回繰り返す設計(2) 脳活動指標テストと脳波計測(2)-1 方法としていた。6 回繰り返しにおける周波数帯ごとのパワー値の平均値の推移を観察したところ、α波において本試験では、PC を用いた 2 つの脳活動指標テストを選定して実施した。それぞれのテストは、次に示す 3 つの小テストを 1 単位とし、それを複数回実行することにより、疲労、ストレスを引き起こすものである。① テスト
A：引き算方式の小テスト 2 つ、押ボタン方式の小テス
ト 1 つで 1 単位を構成、② テスト B：異なるタイプの押ボタン方式の小テスト 3 つで 1 単位を構成、としている。テスト A は主に注意の持続性を、テスト B は思考セットの変換を評価する系であり、互いに試験の性質が大きく異なる。また、それぞれのテストでは、複数回の繰り返し実施に伴う疲労度を、主観的 VAS アンケートにより評価し、疲労蓄積を測定する。評価対象はそれぞれのテスト成績と疲労度 VAS アンケートの成績である。
試験方法については KISTEC 立案とし、実施機関は東海大学とする共同研究にて実施した。東海大学では、伊勢原キャンパスにて学生を対象に募集を行い、試験説明に同意を得た方 10 名（途中辞退があり、最終的には 8名）に参加いただいた。本試験は、2 つのテストのそれぞれの特徴を別々に抽出することを目指すものであるが、一方で脳波には個体差が大きいことから、今回は同一の方に、テスト A、テスト B をそれぞれ実行いただ

図 2：脳活動指標テスト実行時の脳波の周波数帯別変化

き、データを取得した。本試験を通して得られたデータ
を KISTEC にて集計し、東海大学の統計解析責任者を中

緑の枠内の数字は① 単純な応答課題、② 複数の情報の統心とする担当チームにて結論の確認を行った。

合判断課題、③ 複数の情報の総合判断を示す

149

KISTEC研究報告2022

【研究開発部】食品機能性評価

は、単純な応答課題では高値を示す一方で複雑な課題でMicrobiota by Salacia reticulata Extract Ingestion: A

は単純な応答課題実行時より必ず低値を示すこと、またそのパターンを繰り返すことが示された。一方、β波やRandomized Placebo-Controlled Trial. PLoS One
10:e0142909.

γ波ではα波のような規則性は見出されなかった（図2）。

4. Oda Y, Ueda F, Kamei A et al. (2011) Biochemical
investigation and gene expression analysis of the

α波は、脳波のうち 8〜13 Hz の成分であり、安静・覚醒・閉眼状態において出現すると言われている。また、

immunostimulatory functions of an edible Salacia extract in
rat small intestine. BioFactors 37:31-39

視覚情報処理との関係性も報告されている。本試験において、①は②や③に比べてより単純な応答を求める課題

5. Kondo S, Kamei A, Xiao JX et al. (2013) Bifidobacterium
breve B-3 exerts metabolic syndrome-sippressing effects in

であることから、心理的あるいは視覚情報処理状態として②、③とは異なることが推定され、それを反映した結the liver of diet-induced obese mice: a DNA microarray
analysis. Beneficial Microbes 4:247-251

果のひとつが α 波の推移であると推測される。2020 年度
報告のように試験の種類によって応答する周波数帯が異6. Kondo S, Xiao JZ, Satoh T et al. (2010) Antiobesity
effects of bifidobacterium breve strain B-3 supplementation

なることに加え、特に α 波の周波数帯域において、その変化が顕著であることが示されたことは興味深い。

in a mouse model with high-fat diet-induced obesity. Biosci
Biotechnol Biochem 74:1656-1661

3.

7. Fukasawa T, Kamei A, Watanabe Y et al. (2010) Short-chain
fructooligosaccharide regulates hepatic PPARa and FXR

考察及び今後の展望

本稿にて報告した研究により、食品の機能性評価系としての脳活動指標テストを確立したこと、さらに実行にtarget gene expression in rats. J Agric Food Chem 58:70077012

伴う疲労蓄積やストレス惹起に対する特定の食品の効果を検出する際に、リアルタイムで測定できる客観的指標

8. Shinozaki F, Abe T, Kamei A et al. (2016) Coordinatedregulation of hepatic and adipose tissue transcriptomes byのひとつとして脳波データが有効であることが示された。過去にも、血液トランスクリプトーム解析も客観的

the oral administration of an amino acid mixture simulating
the larval saliva of Vespa species. Genes Nutrition 11:21.

指標や作用メカニズム解明のために有効であることを示してきたが、それぞれに特徴があることから、食品の種

9. Kamei A, Watanabe Y, Kondo K et al. (2013) Influence of ashort-term iron-deficient diet on hepatic gene expression

類により、あるいは評価する対象により組み合わせを変えながら使い分けていくことが重要であると考えられ

profiles in rats. PLoS One 8:e65732
10.Kamei A, Watanabe Y, Ishijima T et al. (2010) Dietary ironる。なお、脳活動指標テストに血液トランスクリプトー
ム解析との組み合わせる評価方法については、既に企業

deficient anemia induces a variety of metabolic changes andeven apoptosis in rat liver: a DNA microarray study. Physiol

等からの評価依頼を受けて実施している。
当グループでは、動物を対象とする脳機能測定のため

Genomics 42:149-156.
11.Watanabe Y, Kamei A, Shinozaki F et al. (2011) Ingestedの手法の高精度化も実施し、食品摂取によるわずかな差の検出を進めてきた。これまでは主にメタボリックシン

Maple syrup evokes a possible liver-protecting effort －physiologic and genomic investigations with rats. Biosci
Biotechnol Biochem 75:2408-2410
12.Kamei A, Watanabe Y, Shinozaki F et al. (2015)

ドロームへの作用についての研究を積み重ねてきた実績があるが、脳機能に関しても同様に動物を対象とする試
験（主にメカニズム解明）とヒト試験（現象）とを組み合わせ、両者を行き来しながら評価を進めていくこと

Administration of a maple syrup extract to mitigate theirhepatic inflammation induced by a high-fat diet: a

で、より効率的に、より詳細に食品の機能性を明らかにすることを目指す。

transcriptome analysis. Biosci Biotechnol Biochem
79:1893-1897.
13.Kamei A, Watanabe Y, Shinozaki F et al. (2017)
Quantitative deviating effects of maple syrup extract【参考文献】
1. Kobayashi Y, Miyazawa M, Araki M et al. (2015) Effects ofMorus alba L. (Mulberry) Leaf Extract insupplementation on the hepatic gene expression of mice fed
a high-fat diet. Mol Nutr Food Res 61.

Hypercholesterolemic Mice on Suppression of Cholesterol
Synthesis. J Pharmacogn Nat Prod 1:113.

14.Shinozaki F, Kamei A, et al. (2022) Single administration of
taxifolin-rich extract to young adults improves their

2. Kobayashi Y, Miyazawa M, Kamei A et al. (2010)
Ameliorative effects of mulberry (Morus alba L.) leaves onsequential performance- A randomized, placebo- controlled,
double- blind crossover trial. Jpn Pharmacol Ther, 50, 93-

hyperlipidemia in rats fed a high-fat diet: induction of fatty
acid oxidation, inhibition of lipogenesis and suppression of107

oxidative stress. Biosci Biotechnol Biochem 74:2385-2395
3. Oda Y, Ueda F, Utsuyama M et al. (2015) Improvement in
Human Immune Function with Changes in Intestinal

150

KISTEC研究報告2022

【研究開発部】食品機能性評価

業 績【原著論文】
1. Satoshi Oukubo, Kaede Terauchi, Shinji Okada, Yoshikazu

5. 野原正勝、血液を用いた未病評価システムの開発、B

Saito, Takao Yamaura, Takumi Misaka, Ken-Ichiro
Nakajima, Keiko Abe, Tomiko Asakura. De novo

& I、vol.3 (2022) 掲載予定

transcriptome analysis and comparative expression profilingof genes associated with the taste-modifying protein【口頭発表】
1. 阿部啓子、2021 年食品基礎講座

neoculin in Curculigo latifolia and Curculigo capitulata
fruits. BMC Genomics Vol.22,（2021）

研究と沿革”、ロッテセミナー
30 日

食品化学とは埼玉

食の令和 3 年 6 月

2. Geethika S G Liyanage, Ryo Inoue, Mina Fujitani, Tomoko

2. 阿部啓子、はじめに・総括、日本学術振興会 R021 食と未病マーカー産学協力委員会 第４回定例研究会・

Ishijima, Taisei Shibutani, Keiko Abe, Taro Kishida, Shinji
Okada. Effects of Soy Isoflavones, Resistant Starch and総会（2021 年度第１回）東京大学（オンライン）
和 3 年 7 月 27 日

Antibiotics on Polycystic Ovary Syndrome (PCOS)-Like
Features in Letrozole- Treated Rats. Nutrients Vol.13,(2021)

3. 阿部啓子、はじめに・総括、日本学術振興会 R021 食と未病マーカー産学協力委員会 第５回定例研究会・

令

3. Yoichi Kasahara, Masataka Narukawa, Tomoya Nakagita,

総会（2021 年度第 2 回） 東京大学（オンライン）
令和 3 年 8 月 30 日

Keiko Abe, Takumi Misaka, Tomiko Asakura. Ibuprofen
inhibits oral NaCl response through transmembrane

4. 阿部啓子、はじめに・総括、日本学術振興会 R021「食と未病マーカー産学協力委員会」 栄養代謝分科会

channel-like 4.

J.BBRC Vol.573,(2021)

キックオフ会議
月 29 日東京大学（オンライン）令和 3 年 9

4. Fumika Shinozaki, Asuka Kamei, Kousuke Shimada,Hiroshi Matsuura, Takeo Shibata, Mayumi Ikeuchi, Kayo

5. 阿部啓子、食品を取りまく世界のトレンド-2 Global
な食品研究の未来像、天野エンザイム株式会社 セミ

Yasuda, Takashige Oroguchi, Noriaki Kishimoto, Shinji
Takashimizu, Yasuhiro Nishizaki, Keiko Abe. Single

ナー 東京大学（オンライン）令和 3 年 9 月 30 日
6. 阿部啓子、食と未病マーカー、太陽化学株式会社セミadministration of taxifolin-rich extract to young adults
improves their sequential performance- A randomized,

ナー 東京大学（オンライン）令和 3 年 10 月 1 日
7. ・阿部啓子、食によるヒトの健康状態を計測するデー

placebo- controlled, double- blind crossover trial-.
Pharmacol Ther Vol.50, 93-107 (2022)

Jpn

タサイエンス～いま注目の先端バイオ技術、食品ニュ
ーテクノロジー研究会 10 月例会
東京大学（オン

5. Kiyomi Ohmori, Asuka Kamei, Yuki Watanabe and Keikoライン）令和 3 年 10 月 19 日
8. 阿部啓子、食品を取りまく世界のトレンド Global な

Abe. Changes in gene expression over time during celltransformation due to TPA treatment of Bhas 42 cells. Int J

食品研究の未来像、同志社大学 サイエンスナウ 東
京サテライトキャンパス中央区京橋 令和 3 年 10 月

Mol Sci

Vol.23, 3216 (2022)

25 日
9. 阿部啓子、栄養代謝分科会報告、日本学術振興会 R021

【総説】

「食と未病マーカー産学協力委員会」第６回定例研究会・総会 東京大学（オンライン）令和 3 年 11 月 2

1. 阿部啓子、神奈川県の“食品機能性”国際評価技術センターの特徴、B & I、vol.2 (2022)日
10.・阿部啓子、栄養代謝分科会報告、日本学術振興会

2. 亀井飛鳥、未病と食品機能性の評価システムの確立への挑戦、B & I、vol.2 (2022)

R021「食と未病マーカー産学協力委員会」第 7 回定例
研究会・総会
東京大学（オンライン）令和 3 年 12

3. 篠﨑文夏、基礎研究・ヒト介入試験とトランスクリプ

月 15 日
11.阿部啓子、味の不思議 ― その謎を解く、日本農芸化

トーム、B & I、vol.3 (2022) 掲載予定

*研究報告

学会出前授業 東京都立農芸高等学校
3 年 12 月 23 日

4. 嶋田耕育、機能性食品評価のための脳機能評価系導入と確立に向けて、B & I、vol.3 (2022) 掲載予定 *東京都、令和12.阿部啓子、はじめに・総括、日本学術振興会 R021 食と未病マーカー産学協力委員会 第５回定例研究会・総会（2021 年度第 8 回） 分科会報告

研究報告

151

東京大学（オ

KISTEC研究報告2022

【研究開発部】食品機能性評価

ンライン）

令和 4 年 3 月 9 日【特許】(1)国内特許出願(2)国際特許出願

2件
0件

152

KISTEC研究報告2022

研究報告2022 目次【研究開発部】

国際評価技術サービス提供事業「抗菌・抗ウイルス研究」グループ◆ 総括･･････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････ 154◆ 新型コロナウイルスを用いた性能評価の取り組み･･････････････････････････････････････････ 156◆ 抗菌・抗ウイルス性能評価の提供について････････････････････････････････････････････････ 159◆ 金属酸化物の新型コロナウイルスに対する抗ウイルス活性･･････････････････････････････････ 162◆ 光触媒による防藻性能評価実証試験･･････････････････････････････････････････････････････ 165◆ 業績･･････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････ 168

153

KISTEC研究報告2022

【研究開発部】抗菌・抗ウイルス研究

光触媒グループ

抗菌・抗ウイルス研究グループ
グループリーダー

藤嶋昭【基本構想】
本プロジェクトでは、光触媒加工品やその他抗菌・抗ウイルス加工品による性能評価の提供を通じて、様々な企業や研究機関による抗菌・抗ウイルス加工品の研究開発を推進することを目的に活動している。
提供する性能評価方法は JIS/ISO として制定されている方法に加えて、標準規格で対応できない形状や性質の加工品についてもオーダーメードの性能評価方法を提供している。また、抗菌分野(JIS Z 2801)の ISO
17025 を取得し、光触媒工業会や(一社)抗菌製品技術協議会が定めている認証マークの取得に向けた試験結果の提供を可能としている。その他、共同研究や自主研究を行うことで、新しい評価方法の開発や抗菌・抗ウイルス効果を持つ新規物質の探索等に取り組んでいる。

1.

2021 年度の研究目的

際の環境下における光触媒の防藻性能の実証試験をおこ

我々は様々な研究を行っているが、本年度については、下記の取り組みに注力して行ってきた。

なうと共に、ISO や JIS の性能評価方法との関連性について、検討を行った。

(1) 抗菌・抗ウイルス性能評価の提供について(4) 新規機能材料の探索

これまでに、数多くの抗菌・抗ウイルス性能評価の提供を通して、様々な企業や研究機関の抗菌・抗ウイルス

我々はこれまでに、持続性を持つ抗ウイルス剤として、金属酸化物に注目し、研究を行ってきた。本年度

加工製品の製品開発を促進している。また、試験方法として確立されている JIS や ISO 等の試験方法では対応では、我々が国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構(NEDO)の「循環社会構築型光触媒産業創成プ

きない形状や性質の加工品に関しても、オーダーメードの試験方法を提案することで対応している。本年度につロジェクト」(PL：橋本和仁教授(現 JST 理事長))の中で開発した可視光応答型光触媒材料 CuxO/TiO2 可視光応答形

いても、引き続き性能評価試験の提供を続けた。

光触媒及び東京工業大学、中島研究室で開発された希土類を含む複合酸化物(γ-Ce2Mo3O13、CMO)の新型コロナウ(2) 新型コロナウイルスを用いた性能評価の提供

イルスに対する抗ウイルス活性を奈良県立医科大学との共に評価した。

新型コロナウイルスの感染拡大により、数多くの抗ウイルス製品の研究開発が進められている。これまで評価
対象ウイルスとして、インフルエンザウイルス及びネコ

2. 2021 年度の研究成果(1) 抗菌・抗ウイルス性能評価の提供について

カリシウイルスが主要なものとして使用されてきた。一方で、実際の標的とするウイルスを用いた性能評価を行

本年度についても、非常に多くの抗菌・抗ウイルス加うことが、製品開発では重要である。そこで、2020 年度に新型コロナウイルスを取り扱うための BSL3 を整備

工製品の性能評価を行った。

し、2021 年に新型コロナウイルスを用いた性能評価の提供を開始した。また、基材や光照射による新型コロナウ
イルスへの影響について、検討を行った。

(3) 光触媒による防藻性能評価試験
光触媒反応を応用した防藻性能評価方法として、ISO19635 が制定されており、また国内では 2022 年に JIS R
1712 が制定された。これらの評価方法を活用すること
で、光触媒による防藻性能を評価することが可能となっている一方、実際の環境下における防藻性能を確認することも製品開発をするために重要である。
本研究では、光触媒工業会との共同研究を通じて、実

図 1：性能評価提供件数の推移

154

KISTEC研究報告2022

【研究開発部】抗菌・抗ウイルス研究

図 1 にこれまでの評価件数の推移を示す。図にあるよう

実際に新型コロナウイルスに対する性能を評価した結果が、図 3 であるに、毎年度、その評価件数が増加しており、特に新型コロナウイルスの感染拡大に伴い、数多くの抗ウイルス加工製品の研究開発が加速したと思われる。

(2) 新型コロナウイルスを用いた性能評価の提供
2021 年度は平板状及び繊維状の抗ウイルス加工品を対象に、新型コロナウイルスを用いた性能評価を提供した。その内訳としては、75%が平板状の加工品であった。また、性能評価を行った中で 65%が光触媒による抗ウイルス加工品であった。
また、光照射による影響などを確認したところ、新型
コロナウイルスは紫外光に対して、抵抗性が低いことを明らかとした。

(3) 光触媒による防藻性能評価試験
光触媒を塗布したサンプル及びブランクを海老名本部

図 3：新型コロナウイルスに対する効果

及び溝の口支所に設置し、防藻性能の評価を行ったとこ
ろ、ブランクと比較して、光触媒塗布サンプルでは汚れ

図 3 に示す通り、暗所または光照射をおこなうことで、
新型コロナウイルスの不活化が起こることを明らかとした。

や藻類の付着量が抑制されていることが明らかとなった(図 2)。

希土類を含む複合酸化物である CMO に関しても、同様に新型コロナウイルスに対する効果を確認したところ、図 4 に示す通り、新型コロナウイルスを不活化する
ことが明らかとなった。

図 2：光触媒による防藻性能実証試験結果
左から順番に 4 枚がブランク、8 枚が光触媒塗布サンプル

また、実証試験で用いた各サンプルについて ISO 19635
による性能評価を行った結果、高いメチレンブルー分解
活性を持つ光触媒サンプルは防藻性能についても、高い

図 4：CMO による新型コロナウイルスに対する効果

以上のように、我々は抗菌・抗ウイルス性能評価の提効果を持つことが明らかとなった。

供と共に新しい評価方法の開発や新規機能材料の探索により、より良い生活環境の構築に向けて取り組んでい(4) 新規機能材料の探索る。また、食品機能性評価グループと共に 2022 年度から
は新たに「次世代ライフサイエンス技術開発プロジェク

本研究で用いた可視光応答形光触媒、CuxO/TiO2 に含まれる Cu は 1<x<2 の価数を持ち、1 価が暗所においても高い抗ウイルス性能を示し、2 価が可視光照射による光触ト」として、抗菌・抗ウイルスだけではなく、未病改善に向けた取り組みや再生・細胞医療の評価方法開発に向媒反応に寄与する。また、本材料の特徴的な反応として、環境中において容易に 1 価の Cu が酸化され、2 価にけた研究活動を開始する予定である。

なる状況を可視光の照射を行う事により、1 価に戻すことが可能である。このことから、暗所及び、可視光照射下のいずれにおいても、高い抗ウイルス活性を保持することが可能な材料と考えられた。

155

KISTEC研究報告2022

【研究開発部】抗菌・抗ウイルス研究

新型コロナウイルスを用いた性能評価の取り組み「抗菌・抗ウイルス研究」グループ
永井

１.

武

はじめに

2019 年 末 に 中 国 の 武 漢 で 、 新 型 の コ ロ ナ ウ イ ル ス（SARS-CoV-2）による感染事例が報告され、その後、瞬く間に世界中に拡散された。そして、2020 年 3 月 11 日、
WHO が世界的な流行であるパンデミック宣言を出すに至った。日本でも、感染が拡大し、2020 年 4 月 7 日に一回目の緊急事態宣言が出された。2021 年度は、第 4 波（4 月～5 月）、第 5 波（6 月～10 月）及び第 6 波（1 月より）に見舞われ、全く収束する気配を見せない。感染拡大初期に比べ、消毒薬及びマスクの品不足は解消されてきたが、今後のウイズコロナの生活において、抗菌抗ウイルス製品は、欠かすことのできない物となっている。そして、市場が急拡大したため、新たな製品が次々と発売されている。しかしながら、市販の抗菌・抗ウイルス製品の多くは、「雑品」の扱いとなり、医薬品医療機器等法の適用範囲外であることから、中には抗ウイルス効果の低い、もしくは疑わしい製品も販売されている。そこで、抗ウイルス効果を謳う製品について、適切に性能評価を行える試験機関の重要性が高まりつつある。
我々は、2016 年より、インフルエンザウイルス及びネコ
カリシウイルス（ノロウイルスの代替）を用いた抗ウイルス試験を開始しており、平板、繊維、光触媒及び液体など

図 1：新型コロナウイルス評価の試験品の内訳の様々な素材の試験品について抗菌・抗ウイルス性能評価を行ってきた。また、新型コロナウイルスの感染拡大に伴い、2020 年初旬より、抗菌・抗ウイルス製品を扱う企業からの評価依頼が急増した。さらに、これらの企業の多くが(2) 評価方法について
SARS-CoV-2 を用いた試験規格がないため、試験方法は、

SARS-CoV-2 での評価を要望していた。そのため、2020 年
度に、SARS-CoV-2 を用いた抗ウイルス性能評価を立ち上下記に示す既存の抗ウイルス試験規格を準用する形で行った。

げるため、急遽 BSL3 実験室の整備を行い、平板状及び繊維状サンプルについての評価系を構築した。そして、2021・ISO 21702（平板製品）1
・JIS R 1706（紫外光応答型、平板及び繊維）2

年度より、正式に抗ウイルス評価の受付を開始することができたので、これらについて下記の通り報告する。

・JIS R 1756（可視光応答型、平板及び繊維）3・JIS L 1922（繊維状製品）4・試験ウイルス：SARS-CoV-2/Hu/KngFJ/232RD5（神奈川衛生研究所より分与されたもの）(1) 新型コロナウイルス評価の内訳
2021 年度に新型コロナウイルスを用いた抗ウイルス性評価を行ったときの試験品の内訳を図１に示す。75％が平宿主細胞：Vero 細胞（ATCC CCL-81）
・感染価の測定方法：プラーク法

板状製品で、残る 25％が繊維状製品であった。平板製品においては、フィルム、鋼板、内装材及びガラスなど、製品の基材はさまざまであった。繊維状製品についても、カー
テン生地、フィルター及び化学繊維などであった。また、全体の 65％が光触媒加工製品であり、紫外光応答型よりも可視光応答型の方が多かった。抗ウイルス製品の多くは、室内での使用が想定されるため、可視光応答型の製品が多かったと思われる。

各試験規格と異なる点は、下記の通りである
・SARS-CoV-2 を用いている。
・ウイルス感染価が約 2.0×107 pfu/ml（ISO 21702 では、1.0×108 pfu/ml～5.0×108 pfu/ml）
・平板製品の場合、ウイルス回収時の SCDLP の量を合計
1 ml で行う。

156

KISTEC研究報告2022

【研究開発部】抗菌・抗ウイルス研究

・光触媒抗ウイルス試験規格では、バクテリオファージ Qβ

していた OHP フィルムのデータを経時的にグラフ化した。

を使用しているため、光触媒規格と ISO21702 または JIS L
1922 を組み合わせた方法で行う。

（図 3）
OHP フィルムにウイルス液を接種後、同様の OHP フィ

一方、抗ウイルス活性値に直接影響を与えると考えられルムで密着した後、暗所または可視光 1000 lx 照射し、SARS-CoV-2 のウイルス感染価を測定した。その結果、ウている、試験ウイルス液の調製方法は、既存の規格と同様にし、ウイルス原液を滅菌水で 10 倍希釈したものを使用

イルス原液を作成してからおおよそ 5 か月程度で一桁以上の減少が見られた。しかしながら、試験ウイルス液自体する。その他、作用時間、照射強度、照射時間などの作用条件は、既存の規格に準じて行った。
（顧客からの要望で、の濃度の低下は見られていない。おそらく何らかの理由で、時間が経つにつれ、OHP フィルム上での安定性が低下しこれらから逸脱した条件で評価を行った事例もある）
光触媒試験の概要図を図２に示す。

ているのではないかと推測される。今後、同様の現象が起きることが考えられるため、定期的にチェックを行い、必要に応じてウイルスのストックを更新する必要があると考えられる。

(2) SARS-CoV-2 の光照射に対する安定性について
SARS-CoV-2 を用いた評価を行っていると、紫外線照射
だけでも感染価の低下が見られる事例があった。そこで、フィルムやガラス板上での光照射に対する安定性を確認した。ガラス板は SLG（ソーダライムガラス）、フィルム
は OHP フィルムを用いて、その上にウイルス液を接種し、OHP フィルムで密着させそれぞれ暗所もしくは光照射（紫外光・可視光）し、6 時間後ウイルスの感染価を測定した（図４）
図 2：光触媒サンプルによる抗ウイルス性評価の流れ

２. 実験と結果(1) SARS-CoV-2 のフィルム上での安定性について
SARS-CoV-2 を用いた抗ウイルス性能評価を行うなかで、評価毎に試験ウイルス液の感染価を測定する。この時の感染価については、ウイルスのストック液を作成後、半年以上経過しても、特に変化はなかった。しかしながら、無加工品の作用後の感染価が減少してくる印象があった。そこ

図 4：光照射したときのウイルスの安定性

その結果、特にガラス板上での紫外線照射（0.25 mW/cm2）
は、検出限界まで低下してしまうことが明らかになった。
また、フィルム上でも、二桁程度の減少が見られた。一方、
可視光（1000 lx）では、あまり大きな減少は見られなかった。つまり、SARS-CoV-2 は、紫外線自体に対して他のウ
イルスよりも抵抗性が低く、さらに、ガラス板上ではより感染価が減少してしまうということが明らかとなった。今後、試験品の基材の選定や、評価を行う上でも注意が必要となる。
図 3：OHP フィルム上でのウイルスの安定性で、コントロールとして測定（暗所及び 1000 lx 24 時間）

157

3. 考察及び今後の展望
新型コロナウイルスを用いた性能評価については、上KISTEC研究報告2022

【研究開発部】抗菌・抗ウイルス研究

記のように個別に対応しながら進めることができた。
SARS-CoV-2 は新しいウイルスのため、まだ、その性質や感受性などについては、不明な点が多いと思われる。
また、試験規格では、材料、条件及び方法が詳細に記載されている一方、取り扱う試験品は多種多様であるため、注意深くそれぞれの評価を観察していく必要性がある。今後、平板状または繊維状以外のサンプル（例えば、吸湿性素材、紙、フィルター及びそれらの光触媒製品など）にも対応できるように検討していく。このような検討には、インフルエンザウイルスやネコカリシウイ
ルスでの試験の経験を生かしていくのも重要であると考えられる。このように、ウイルス種や試験品の素材についての様々な情報を集約させることで、試験所としての経験値を上げ、より信頼性の高い評価サービスを提供できるように整備していくことが重要である。
2022 年度は、液体サンプルにも対応できるように、評価方法を整備していく予定である。液体サンプルの種類
としては、無機系、有機系、塩素系及びアルコール系などが一般的であるが、これら以外のサンプルや組成非開示の場合も考えられる。特に、液体サンプルの場合、作用時間が短いため、適切な中和剤の選定が非常に重要となる。例えば、塩素系であれば、中和剤にはチオ硫酸ナ
トリウム水溶液、有機系（界面活性剤系）であれば、吸着ビーズ処理、組成非開示の場合は、汎用性の高い
SCDLP 培地などが有効であると考えられる。次年度、上記の項目について、新型コロナウイルスを用いた性能評
価サービスを提供していく予定である。

【参考文献】
1. ISO 21702 (2019) “Measurement of antiviral activity on
plastics and other non-porous surfaces.”
2. JIS R 1706 (2020) “ファインセラミックス―光触媒材料の抗ウイルス性試験方法―バクテリオファージＱβ を用いる方法”
3. JIS R 1756 (2020) ”ファインセラミックス―可視光応答
形光触媒材料の抗ウイルス性試験方法―バクテリオフ
ァージＱβ を用いる方法”
4. JIS L 1922 (2016)“繊維製品の抗ウイルス試験方法”

158

KISTEC研究報告2022

【研究開発部】抗菌・抗ウイルス研究

抗菌・抗ウイルス性能評価の提供について「抗菌・抗ウイルス研究」グループ
畑山 靖佳
1. はじめにガラス板で蓋をすること、暗幕内で光を照射するため、本研究テーマでは、光触媒加工品やその他の抗菌・抗ウイルス加工品の性能評価を行い、様々な企業や研究機

後述する光触媒加工品の性能評価とは異なり、室温で反応させること、などいくつかの点で光触媒加工品独自の関による研究開発の推進させることを目的として、活動をおこなっている。具体的に用いる方法としては、ISO方法をとっている(図 2)。

や JIS 規格等の標準方法であるが、その一方で、ISO や
JIS では対応できない形状の加工品が様々開発されている。我々はそのような加工品に対しても、可能な限り対応するために、最適な評価方法をオーダーメードで提案
し、提供を行っている。ここでは、抗菌・抗ウイルス性能評価としての、JIS や ISO について説明しながら、我々が行ってきた評価の内容について、報告する。

(1) 光触媒加工品に対する性能評価方法
以前より光触媒加工品による抗菌・抗ウイルス性能評
価方法の確立に向けた研究活動をおこなっており、その成果として、紫外光応答形光触媒及び可視光応答形光触図 1：光触媒加工品のサンプルの設置方法

媒を用いた光触媒加工品による抗菌・抗ウイルス性能評
価試験方法が規格として制定されており 1)-4)、これらの*菌液の代わりに色を付けた水をのせてあります。

規格は定期的に内容の見直しもおこなわれている。これ
らの規格で対象となる形状の加工品は平板状又は繊維状の 2 種類となっている。
更に、これまでに得られた研究結果より、既に制定されている JIS や ISO を用いた評価結果は実環境で使用した際の抗菌効果を十分に反映していない可能性が明らかとなってきた。そこで、実環境を想定した条件による抗菌性能評価方法の確立に向けて取り組みがなされ、2020
年に ISO 22551 として制定された 5)。その他にも、2022
年には光触媒加工品による防藻性能評価方法である JIS R
1712 が制定されているが 6)、いずれについても平板状の形状を対象としている。なお、これらの新しい規格についても性能評価の提供をすでに開始している。

(1)-1 光触媒加工品の抗菌・抗ウイルス方法概要
光触媒加工品が抗菌・抗ウイルス効果を発揮するためには、光を当てる必要あるため、図 1 に示すように、シャーレの内部に試験片を設置、試験菌液を接種した光触媒加工品に対して、上からフィルムをのせて菌液をと試
験品を密着させたものを準備し、上部より光照射をおこなう。その後、一定時間経過した接種菌・ウイルス液を回収し、その生菌数や感染価を測定する方法となってい図 2：光照射で用いる暗幕の例る。また、接種液の乾燥を防ぐために、シャーレ内に水で湿らせたろ紙を設置していること、また光を透過させまた、光触媒加工品のうち、繊維状の形状に関してる必要があるために、上部をシャーレのふたではなく、は、ガラス状に評価をおこなう光触媒加工品をのせ、フ

159

KISTEC研究報告2022

【研究開発部】抗菌・抗ウイルス研究ィルムで密着させるのではなく、ガラス板によって密着させることとなっている。この方法は光触媒加工品以外の抗菌・抗ウイルス加工品と大きく異なる点である。

(2) 光触媒加工品以外に対する性能評価方法
光触媒加工品以外に対する抗菌・抗ウイルス性能評価
方法に関しても、平板状と繊維状の 2 種類の形状に対して、JIS や ISO が制定されている。光触媒加工品とは異なり、平板状と繊維状の規格が別々に存在している。平
板状の加工品では、抗菌性能評価方法(JIS Z 2801) 7)及び抗ウイルス性能評価方法(ISO 21702) 8)があり、繊維状については抗菌製品評価方法(JIS L 1902) 9)及び抗ウイルス
性能評価方法(JIS L 1922) 10)がある。このうち、我々は

図 3：性能評価提供件数の推移

JIS Z 2801 について、JNLA の登録試験所認定を取得している。これにより、光触媒工業会や一般社団法人抗菌製品技術協議会が認証しているマーク申請に必要なデータを提供することが可能となっている。

(2)-1 光触媒加工品以外に対する性能評価方法概要
光触媒以外の加工品による性能評価方法は平板状については、ほとんどの点で光触媒加工品の性能評価方法と同様の流れとなっており、異なる点は光照射が不要であることや試験時の温度を 35℃に保つこと、などの違いである。
繊維状の抗菌・抗ウイルス加工品については、光触媒
加工品とは大きく異なっており、0.4 g 程度に裁断した抗菌・抗ウイルス加工品をバイアル瓶にいれ、菌液・ウイ

図 4：性能評価提供件数の内容

ルス液を接種し、培養器に入れて、一定時間反応させる方法である。

ら、利用件数が増加を続けてきている。特に、新型コロ

平板状、繊維状どちらも、一定時間の反応時間が経過後、接種液を回収し、生菌数や感染価を測定する点は光

ナウイルスの感染拡大に伴い、2020 年度より大幅な件数の増加が認められ、特にウイルスを対象とした研究開発

触媒加工品の性能評価と同様である。

目的が最も多い利用目的であった。このことから、新型
コロナウイルス感染の拡大を防ぐために、この数年で数2. 実験と結果
我々が、これまでに提供してきた性能評価件数の推移

多くの企業や研究機関が抗ウイルス加工品の研究開発を加速させていると考えられる。

を図 3 に示す。機器の共用化として、抗菌性能評価の提供を開始してから、毎年、利用件数が増加してきた。特光触媒に関しては、90%超が可視光応答形を対象とした抗ウイルス性能評価試験であったが、細菌やウイルスに、2020 年は新型コロナウイルスの感染拡大により、大幅な利用件数の増加があり、その傾向は、2021 年度も続の感染予防に関しては、特に室内環境などの生活空間で使用されることを念頭に置いた研究開発が進められていいていた。
2021 年度の利用件数の状況を図 4 に示す。図 4 で明らると考えられる。また、可視光応答形光触媒は光があたらない場所でも抗菌・抗ウイルス性能が発揮されるハイ

かなように、利用件数の内、標的をウイルスとしたもの
が 80%という内容であった。また、その目的に関して

ブリッド形と呼ばれるものが開発されている。これにより、暗所においても抗菌・抗ウイルス効果を発揮し、まは、研究開発だけではなく、最終製品の評価や材料の探索といった目的での利用が主であった。

た光が当たる環境下で、その効果が更に高まるような製品開発が進められていると思われる。

光触媒加工品の抗ウイルス性能評価に関しては、紫外
光応答形と可視光応答形の 2 種類の光触媒材料の内、残念ながら、現在も新型コロナウイルスは変異を続けながら、依然として感染が続いている。一方で、人々の90%超が可視光応答形光触媒を用いた光触媒加工品の利用であった。

生活は、新型コロナウイルスの感染拡大前の生活に近づ
くように多くの試みや試行が続けられている。その中の3.

ツールの一つとして、抗ウイルス加工品の研究開発が進められていくことは非常に重要なことと考えられる。

考察及び今後の展望

抗菌加工製品や抗ウイルス加工製品の大きな課題とし結果に示したように、性能評価の受託を開始してか

160

KISTEC研究報告2022

【研究開発部】抗菌・抗ウイルス研究

10.JIS L 1922. 繊維製品の抗ウイルス性試験方法. 一般財て、対照としている微生物である細菌やウイルスなどを通常の生活環境で目に見たり感じたりすることが難しいことである。そのため、抗菌・抗ウイルス効果を実感す

団法人日本規格協会.

ることが難しく、消費者にとって、本当に効果が出ているかの判断をすることが出来ない点である。そのような課題に対し、これまでに制定されてきた JIS や ISO を始め、その他我々が行っているオーダーメードの性能評価を利用していただくことで、抗菌・抗ウイルス効果が確実に発揮されている加工品であることを数値として確認することは非常に有効な手段である。是非、今後も皆様には抗菌・抗ウイルス加工品の研究開発をおこなう中で、KISTEC の性能評価を利用していただき、良い抗菌・抗ウイルス製品の開発につなげていっていただきたい。

【参考文献】
1.JIS R 1702:2020. ファインセラミックス−光触媒抗菌加工材料の抗菌性試験方法及び抗菌効果. 一般財団法人日本規格協会.
2.JIS R 1752 ファインセラミックス−可視光応答形光触媒
抗菌加工材料の抗菌性試験方法及び抗菌効果. 一般財団
法人日本規格協会.
3.JIS R 1706:2020. ファインセラミックス−光触媒材料の抗ウイルス性試験方法−バクテリオファージ Qβ を用いる方法. 一般財団法人日本規格協会.
4.JIS R 1756 ファインセラミックス−可視光応答形光触媒
材料の抗ウイルス性試験方法−バクテリオファージ Qβを用いる方法. 一般財団法人日本規格協会.
5.ISO 22551:2020. Fine ceramics (advanced ceramics,
advanced technical ceramics) — Determination of bacterial
reduction rate by semiconducting photocatalytic materials
under indoor lighting environment — Semi-dry method for
estimating antibacterial activity on the actual environmental
bacteria contamination surface.
6.JIS R 1712:2022. ファインセラミックス−光触媒材料の防藻性試験方法. 一般財団法人日本規格協会.
7.JIS Z 2801:2012. 抗菌加工製品−抗菌性試験方法・抗菌効果. 一般財団法人日本規格協会.
8.ISO 21702:2019. Measurement of antiviral activity on
plastics and other non-porous surfaces.
9.JIS L 1902:2015. 繊維製品の抗菌性試験方法及び抗菌効
果. 一般財団法人日本規格協会.

161

KISTEC研究報告2022

【研究開発部】抗菌・抗ウイルス研究

金属酸化物の新型コロナウイルスに対する抗ウイルス活性「抗菌・抗ウイルス研究」グループ
砂田

1.

香矢乃、畑山

靖佳、永井

武、石黒

斉

はじめに
2. 実験と結果(1) 可視光応答型光触媒 CuxO/TiO2 の抗ウイルス活性2020 年から新型コロナウイルスによる感染症が世界中で蔓延しパンデミックとなってから、すでに 2 年以上が経過している。このパンデミックが長引いている原因の一つ
は、変異株が次々に生まれ、ワクチン接種の効果が低下し

CuxO/TiO2 は、NEDO プロジェクトで合成したものを使てしまう点にある。
我々はこれまで、持続性のある抗ウイルス剤として金属

い、その粉体をソーダライムガラスに担持して、抗ウイル
ス評価に供した。新型コロナウイルスに対する抗ウイルス

酸化物を中心とした材料について開発を行い、抗ウイルス活性を評価してきた。本稿では、奈良県立医科大学、東京

活性は奈良県立医科大学で行われ、JIS R 1756 並びに ISO
21702 を参考に野生株だけでなく、変異株であるアルファ

工業大学と三者での共同研究で行った金属酸化物材料の新型コロナウイルスに対する抗ウイルス活性について、新株、ベータ株、ガンマ株、デルタ株を使って評価された。
可 視 光 照 射 は 、 光 源 と し て 白 色 蛍 光 灯 (FL20SSW/18,

型コロナウイルスの野生株だけでなく、その変異株に対する効果もふくめて報告する 1), 2)。

MITSUBISHI)を用いて、Type A filter(400 nm 以下の波長をカット)のもとで照射し、1000 lx の照度で行った。

(1) 可視光応答型光触媒材料
奈良県立医科大学と東京工業大学宮内研究室との共同研究で扱った材料は、2007～2012 年度に東京大学を中心に行われていた国立研究開発法人新エネルギー・産業技術
総合開発機構(NEDO)の「循環社会構築型光触媒産業創成
プロジェクト」(PL：橋本和仁教授(現 JST 理事長))の中で創製された可視光応答型光触媒材料 CuxO/TiO2 である 3)。
本材料は、酸化銅と二酸化チタンの複合体で、大きさが数
ナノメートルの CuxO が TiO2 粒子表面に分散して担持されている。CuxO の x は、1<x<2 の範囲をとり、銅の 1 価と 2 価が混合状態で存在し、1 価の銅は暗所での抗ウイル
ス効果、
2 価の銅は可視光照射下で光触媒反応に寄与する。
すなわち、暗所においても高い抗ウイルス活性を示し、室内光などの可視光が照射されれば、さらに高い抗ウイルス活性を発揮する。この材料について、新型コロナウイルスの野生株だけでなく、変異株であるアルファ株、ベータ株、
ガンマ株、デルタ株に対する抗ウイルス活性を調べた。

(2) 希土類を含んだ酸化物材料
もう一つの材料として、東京工業大学中島研究室で創製された希土類を含んだ酸化物材料であるセリウムとモリ
ブデンの複合酸化物(γ-Ce2Mo3O13、以下 CMO)の新型コロ
ナウイルスに対する抗ウイルス活性を評価した。中島研究室では、CMO 以外にもランタンとモリブデン、セリウムとランタンなど希土類を含んだ酸化物、たとえば
La2Mo2O9 や Ce0.8La0.2O2-δ などが種々合成され、水中での有機物分解やバクテリオファージを対象とした抗ウイル

図 1：CuxO/TiO2 の新型コロナウイルス変異株に対する抗ウイルス活性(上図：アルファ、ベータ、ガンマのそれぞれの変異株にス活性が調べられてきた 4),5)。希土類を含んだ化合物の抗ウイルス活性は、これまでほとんど調べられていなかった

対する可視光下での抗ウイルス活性、下図：デルタ株に対して暗所と光照射下での抗ウイルス活性)ので、新規でオリジナリティのある研究となっている。

162

KISTEC研究報告2022

【研究開発部】抗菌・抗ウイルス研究

評価結果を図 1 に示したが、CuxO/TiO2 は、イギリス型

しての抗ウイルス活性を調べたところ、エンベロープをも変異株として知られるアルファ株、南アフリカ型変異株のベータ株、ブラジル型変異株のガンマ株のそれぞれに対したないバクテリオファージ Qβ に対しては高い抗ウイルス活性を示したものの、新型コロナウイルスやインフルエンて、2 時間の可視光照射で、ウイルスの感染価を検出限界
以下まで不活化できることが明らかとなった。また、日本

ザウイルスと同様のエンベロープをもつバクテリオファージ Φ6 に対しては、バクテリオファージ Qβ ほど、高いでも流行のメインとなったデルタ株に対しても、
CuxO/TiO2 は、可視光下 2 時間で、暗所下でも 3 時間で、活性を示さなかった 4)。そこで、中島研究室では、ランタ
ン(La)をセリウム(Ce)に置換し、モリブデン(Mo)と複合さ感染価が検出限界となり、可視光照射下だけでなく、暗所でも高い抗ウイルス活性を発揮することが示された。

せた酸化物である CMO を水熱法により合成し、単相のCMO を創製することに成功した。

この抗ウイルス活性がどのように発揮されるかを明らかにするために、新型コロナウイルスの表面にある感染にこの CMO の抗ウイルス活性を、まずはバクテリオファージ Φ6 について調べたところ、LMO よりも高い抗ウイ関与するスパイクタンパク質(S1)の変性を、抗原抗体反応を利用してタンパク質定量を行う ELISA 法によって調べ

ルス活性を示し、La を Ce に変えることによりエンベロー
プをもつウイルスに対しても高い活性を示すことが明らた。結果を図 2 に示した。図 1 の感染価減少と同様に、暗所でも光照射下でも 1 時間から 2 時間で CuxO/TiO2 上のスかとなった 2)。
次に、奈良県立医科大学で野生株の新型コロナウイルス

パイクタンパク質(S1)の濃度が急激に減少した。この結果
から、新型コロナウイルスがヒトの細胞に感染する際に必に対する CMO の抗ウイルス活性を評価し、結果を図 3 に示した。CMO は、暗所で 4 時間作用させると、感染価が要なタンパク質であるスパイクタンパク質を CuxO/TiO2 が変性させることによって、その抗ウイルス活性が発揮され検出限界となる高い抗ウイルス活性を示した。一方、Ce と複合していない MoO3 単独では、CMO より遅い 6 時間でると示唆された。
また、新型コロナウイルス表面のスパイクタンパク質だ

検出限界となり、LMO の La の一部のみ Ce に置換している LCMO では、6 時間の作用でコントロールのガラス上けでなくウイルスが持つ RNA 量についても RT-qPCR 法で測定した。その結果、暗所でも RNA が断片化し、RNAのウイルスに比較して 1 桁感染価が低下したのみの低い
抗ウイルス活性を示した。この結果より、LMO の La の一量は減少したが、可視光照射下では、暗所下よりも RNA
量の減少度合いが大きく、可視光での光触媒反応により、部ではなく、すべて Ce に置換した CMO が、新型コロナウイルスに対して、一番高い抗ウイルス活性を発揮するこRNA の酸化分解が起こっていると考えられた。この RNAの分解も CuxO/TiO2 の抗ウイルス活性をもたらしているメとが明らかとなった。

カニズムの一つと考えている。

図 3：CMO の新型コロナウイルスに対する抗ウイルス活性
図 2：新型コロナウイルス表面のスパイクタンパク質(S1)の変

3.

性のようす

考察及び今後の展望以上、新型コロナウイルスに対して高い抗ウイルス活性(2) 希土類を含んだ酸化物の抗ウイルス活性を示す 2 種類の材料について報告した。一つ目の可視光応
答型光触媒材料である CuxO/TiO2 は、1 価と 2 価の銅が酸前述した通り、中島研究室では、希土類を含む種々の酸化物が創製されているが、はじめは、自己撥水性が報告さ化チタン表面にナノクラスターで担持されていることで、1 価の銅が暗所でも抗ウイルス活性を発揮し、可視光が照れていた酸化ランタンと、抗菌活性が報告されていた酸化モリブデンを組み合わせた複合酸化物である La2Mo2O9射されれば、さらに高い抗ウイルス活性を発揮するという特徴を持つ。一方で、1 価の銅は、空気中の水分などで自(以下 LMO)の粉体合成がきっかけとなっている。LMO の大腸菌と黄色ブドウ球菌に対する抗菌活性を調べたとこ

然に酸化され 2 価になってしまうため、暗所での活性は持続性がないとも考えられる。しかし、この CuxO/TiO2 は、ろ、高い活性を示した。一方で、バクテリオファージに対163

KISTEC研究報告2022

【研究開発部】抗菌・抗ウイルス研究

JCS- Japan, 129, 607-615 (2021).

光触媒材料であるため、可視光が照射されれば、銅のナノクラスターに電子が励起され、酸化した 2 価の銅は 1 価に戻ることができるのである 3)。このことも、CuxO/TiO2 の大きな特徴であり、非常に持続性のある抗ウイルス剤であると言える。また、この材料は、すでに安全性も調べられており、感染リスクを低減できる製品に応用されはじめている。
二つ目の希土類を含む酸化物の抗菌･抗ウイルス活性については注目されはじめているため、CMO より高い抗ウ
イルス活性を発揮する新しい材料が今後も合成されてくると思われる。それらの材料の抗ウイルス活性と希土類を含む複合化合物の電子配置との関係性を明らかにすることが、今後の新規な抗菌・抗ウイルス材料創製にとって、重要と考えている。
本稿での新型コロナウイルスに対する抗ウイルス評価は、奈良県立医科大学で行われたが、昨年度から弊所でも新型コロナウイルスに対する抗ウイルス評価は、可能となっている。抗ウイルス材料を開発されている方々にぜひ利用して頂ければと思っている。
最後になりましたが、共同研究を一緒に進めて頂きました奈良県立医科大学 中野竜一准教授、東京工業大学 中
島 章教授、同じく東京工業大学 宮内雅浩教授をはじめ、関係者各位に深謝申し上げます。

【参考文献】
1. R. Nakano, A. Yamaguchi, K. Sunada, T. Nagai, A. Nakano,Y. Suzuki, H. Yano, H. Ishiguro, M. Miyauchi, Scientific
Reports 12, 1-10 (2022).
2. T. Ito, K. Sunada, T. Nagai, H. Ishiguro, A. Nakajima et al.,Materials Letters. 290, 129510 (2021).
3. M. Miyauchi, K. Sunada, K. Hashimoto, Catalysts 10(9),1093 (2020).
4. T. Matsumoto, K. Sunada, T. Nagai, H. Ishiguro, A. Nakajima,
et al., J. Hazard. Mater., 378, 120610 (2019).
5. C. Kato, K. Sunada, T. Nagai, H. Ishiguro, A. Nakajima, et al.,164

KISTEC研究報告2022

【研究開発部】抗菌・抗ウイルス研究

光触媒による防藻性能評価実証試験「抗菌・抗ウイルス研究」グループ
石黒 斉
1. はじめに媒を塗装したものとした。光触媒塗装については、光触

光触媒とは酸化チタンを始めとした物質に対して、太陽光などの光があたる事により、酸化還元反応や超親水媒反応による効果の違いを確認するため、メチレンブル
ーの分解活性をあらかじめ確認したものを準備した。ま性を発揮する物質である。この光触媒反応を利用することで、防汚、防曇、空気浄化、抗菌や抗ウイルス性能等

た、サンプル表面については、平滑な表面だけでなく、リシン処理をすることでざらつきを持たせたサンプルをの様々な機能を発揮することが可能となることから、光触媒を用いた様々な製品開発が進められている。その一作成した。

つとして、外壁や住宅の汚れを抑えるために用いるコー
ティング剤の開発が挙げられる。

(1)-2 実証試験結果

外壁や住宅の汚れには土埃などに起因される物質的な汚染だけでなく、藻類の付着や繁殖による生物的な汚染

験サンプルの状態を示す。

図 1 に溝の口支所にて、2019 年より曝露を開始した試が挙げられる。特に藻類の付着は日当たりの悪い面で多く見られる汚れであり、このことが景観の悪化につながっており、大変大きな問題となっている。
この問題を解消するために、光触媒反応を用いた防藻性能を発揮する製品開発が進められており、その評価方
法として、2016 年に ISO 19635(1 が国際標準規格として制定された。更に、光触媒工業会を中心に国内標準化が進められ、2022 年に JIS R 1712(2 が制定、試験機関における運用が開始されている。
一方で、上記 ISO や JIS による性能評価方法に関して、実際の環境下における性能との比較はなされておらず、この両者の相関性を知ることは製品開発をおこなう
上で、非常に重要な課題である。
そこで、光触媒工業会と共に、2018 年度より防藻性能

図 1：斜面に設置した試験サンプルの様子

評価の実証試験について検討を開始し、実際に光触媒を塗布した基材を外部環境に設置し、藻類の付着状況を検図 1 の左より順に、平滑面エナメル処理、リシンエナメ
ル処理、平滑面親水処理、リシン親水処理のブランクサ
ンプルを設置しており、その隣から平滑面光触媒 1、リ討している。その中から、本年度の成果について、報告する。

シン光触媒 1、平滑面光触媒 2、リシン光触媒 2、平滑面
光触媒 3、リシン光触媒 3、平滑面光触媒 4、リシン光触2. 実験と結果

媒 4 のサンプルを設置した。光触媒サンプルの 1-4 の違いについては、１が最も光触媒活性が強く、数字が大き

本実験では、KISTEC 海老名本部及び溝の口支所に架台を設置し、藻類の付着状況の確認と実験室内でおこな

くなるほど、光触媒のメチレンブルー分解活性を低く設定したサンプルとなっている。図 1 に示されるように、った防藻性能評価の結果との関連について、検討をおこなった。

最も汚れが目立っている試験サンプルはリシン処理をした親水性の試験サンプル(左から 4 番目に設置)であっ(1) 外部環境における藻類付着についての実証試験(1)-1 方法た。また、すべての光触媒サンプルに付着した汚れ、藻類の付着量はブランクサンプルと比較すると少ない状況

300 mm×1000 mm のブランク及び光触媒塗布試験サンであった。
海老名本部に関しては、8 月に新たに試験サンプルを

プルを斜面または垂直に設置し、外部環境にさらした状
態で保持し、藻類や汚れの付着状況を確認した。ブラン

設置しており、その状況については 2022 年度に検証する
予定としている。

クについては、表面をエナメル処理したもの及びクリア
塗装後に親水化剤を塗装したものとした。光触媒塗布サ
ンプルについては、エナメル処理を施した表面に、光触165

KISTEC研究報告2022

【研究開発部】抗菌・抗ウイルス研究(2) ISO 19635 を用いた光触媒加工品の防藻性能試
験(2)-1 方法て、式(3)によって光触媒の防藻活性値を算出した。
式(3)Rs=(1- Wpeak)/Wpeak(0h))×100

この検討では、外部環境における藻類付着の状況を確認しているサンプルと同等のブランク及び光触媒塗布サ(2)-2 防藻性能評価結果

ンプルを用いて、ISO 19635 を参考とした防藻性能評価を行った。具体的な方法として、始めに Chlorella vulgaris

評価をおこなった結果は、表 2 に示す通りメチレンブ
ルー活性が高いほど、防藻活性値も高くなる傾向が認め(NIES-227)を蛍光灯下におき、液体培地内で 1 週間増殖させた。培養した液は遠心により、Chlorella vulgaris を回られた。一方で、回収方法に関しては、Chlorella vulgarisを回収できていない可能性があったため、従来の ISO

収してから、水で洗浄した後、濃縮して、約 106 個/ml 程度の Chlorella vulgaris を液体培地中に入れて、再度培養

19635 で用いられる歯ブラシによる回収方法を試みたが、特にスレートを基材としたサンプルでは防藻活性値を行った。1 週間経過後に、Chlorella vulgaris を遠心により回収した後、洗浄、濃縮を行い、108 個/ml 程度の濃度を計算できる吸光度を取得することが出来なかった。

表2 各サンプルの防藻活性値
光触媒加工品(活性低)ガラス 光触媒加工品(活性中)光触媒加工品(活性高)基材
光触媒加工品(活性低)スレート 光触媒加工品(活性中)光触媒加工品(活性高)にしたものを試験液とした。試験サンプルは 50 mm×50
mm のサイズとし、それぞれ 1 水準につき 3 枚を使用した。表 1 に水準表を示す。また、基材として、実証試験で用いているスレートだけでなく、ガラス板にスレートと同様の塗布をしたサンプルの評価もおこなった。
表1 試験水準表
時間0時間
光照射の有無ブランク〇
光触媒加工品(活性低)ガラス
光触媒加工品(活性中)光触媒加工品(活性高)
基材
ブランク
〇
光触媒加工品(活性低)スレート
光触媒加工品(活性中)光触媒加工品(活性高)
-

37.3%
90.6%
89.5%
9.3%
92.5%
96.6%

6時間
0.0 mW/cm2 1.0 mW/cm2
〇
〇
〇
〇
〇
〇
〇
〇
〇
〇
〇
〇
〇
〇
〇
〇

3. 考察及び今後の展望
以上、実環境下に暴露した藻類の付着状況の確認と試験室内でおこなった光触媒による防藻性能評価の検討を行った。その考察及び今後の展望について述べる。

(1) 外部環境における藻類付着の実証試験結果について

光照射方法は湿らせたろ紙を入れたシャーレ内にガラ

藻類の付着が起こると考えられた場所に試験サンプルを設置し、長期間外部環境に暴露した結果、光触媒サンス管を入れ、その上にサンプルを設置した後、試験液を0.1 ml 接種し、密着フィルムをかぶせてからガラス板でプルとブランクサンプルの間に顕著な汚染の違いがみられた。このことから、光触媒を塗布したサンプルには防蓋をし、目的の紫外光強度(1.0 mW/cm2)となる箇所に設置した。また、同時に紫外光を照射しない群も準備し、汚だけでなく、防藻性能を発揮することが可能と考えられた。一方で、光触媒のメチレンブルー分解活性の違い設置した。紫外光の照射時間は 6 時間とした。
6 時間経過後、サンプルを取り出し、密着フィルムをと防藻効果の違いについては、大きな相関は認められなかった。この原因として、長期間に渡る風雨や日照状況

はがした後、5 ml の洗い出し液を用いて、ピペッティン
グによるかけ流しで、回収した。回収した試験液の吸光など外的な要因が大きいと考えられる。更に、サンプルの設置場所に関しても、設置時に水分が非常に多い場所

度(660 nm、692 nm 及び 750 nm)を測定し、以下の式によって、防藻活性値を算出した。始めに式(1)を用いて、波を選定していたが、周囲環境の状況が変わり、水分がほ
とんどない状況となってしまったため、より負荷が高い

長 660 nm と波長 750 nm の吸光度の値(W660 及び W750)を結んだラインをベースラインとしたときの 692 nm の吸光環境下に設置した場合に、光触媒のメチレンブルー活性の違いが顕著に表れると考えている。

度(Wbase692)を求めた。続いて、式(2)により、692 nm の吸光度の値(W692)から Wbase692 を差し引くことで、各サンプ
ルより回収した試験液の波長 692 nm の吸光度を補正した値(Wpeak)を算出した。また、接種直後に試験液を回収し(2) ISO 19635 を用いた光触媒加工品の防藻性能試
験結果についてた試験液の波長 692 nm の吸光度を補正した値は、Wpeak(0h)としている。
式(1)Wbase692=W660+(W750-W660)/(750-660)×(692-660)

式(2)Wpeak=W692-Wbase692

本検討結果から、光触媒による防藻性能とメチレンブ
ルー分解活性には相関関係があると考えられる。一方、今回の試験では ISO 19635 では規定されていないピペッ
ティングによる回収をおこなった。その理由として、以前の研究結果より、基材や光触媒の組み合わせによっては、正確な吸光度を測定することが困難であることを示
唆するデータが得られている。そのため、ピペッティン

すべてのサンプルの Wpeak を算出、その平均値を用い

166

KISTEC研究報告2022

【研究開発部】抗菌・抗ウイルス研究グによる回収方法をおこなったが、歯ブラシによる回収方法とは異なり、基材に Chlorella vulgaris が残ってしまう現象を認めた。そのため、残った Chlorella vulgaris を歯ブラシによって回収したところ、予想通りに吸光度の測定が出来ないという結果となった。このことから、今後新しい回収方法を作成することが重要と考える。

(3) 今後の展望
光触媒による防藻性能を応用することで、生活環境の景観を悪化させない製品の開発に関しては、日本国内に留まらず、広くアジア圏の各国においても非常に期待されているところである。また、光触媒は防藻剤などの薬剤とは異なり、セルフクリーニング性能と複合的に働き美観を損ねないこと、感染症のリスク低減として抗菌・抗ウイルス性能を発揮するなど非常に有用な技術である。そのため、今後更に光触媒を使用した製品開発が進んでいくことを期待している。
光触媒の性能評価方法の観点からは、抗菌・抗ウイルス性能評価では平板状に加えて、繊維状のサンプルを対象とした評価方法となっているが、その他の形状や対象外の性質を持つサンプルに対しては、標準的な評価方法がない状況である。防藻性能試験に関しても同様に ISO
19635 では対応できないサンプルが多数あると考えられる。そのため、そのようなサンプルに対する評価方法の開発も今後は大きな課題と考えている。その点で、我々は日常から様々なサンプルを扱い、サンプルの形状や性質に合わせた抗菌・抗ウイルス性能評価をおこなっている。この知見を応用した防藻性能評価方法の開発につなげていく予定である。
最後に、本検討をおこなう上で、光触媒工業会には多大なるご協力を頂いており、ここに感謝いたします。

【参考文献】
1. ISO 19635:2016 Fine ceramics (advanced ceramics,
advanced technical ceramics) — Test method for antialgal
activity of semiconducting photocatalytic materials.
2. JIS R 1712:2022. ファインセラミックス―光触媒材料の防藻性試験方法. 一般財団法人日本規格協会.

167

KISTEC研究報告2022

【研究開発部】抗菌・抗ウイルス研究業 績

1. Kato C, Otsuka N, Sunada K, Isobe T, Matsudhita S, Nagai

3. 石黒 斉. 第１１章 抗菌・抗ウイルス性能評価 ４
光触媒素材の抗ウイルス試験法と性能評価. 抗菌・抗T, Ishiguro H, Nakajima A.
Decomposition of 2-naphthol in water and antiviral activity

ウイルス剤の最新動向. CMC 出版．2121 年 5 月 10 日
発刊. 321-326.

【原著論文】by CoOx modified (Ce0.8,Bi0.2)O2−δ and (Ce0.8,La0.2)O2−δ inthe dark or under visible light.

4. 砂田 香矢乃. 第６章

Journal of the Ceramic Society of Japan. 129: 607-615,
2021.

銅や銀を用いた抗菌・抗ウイル

ス剤 ３．金属酸化物の抗菌･抗ウイルス活性とその評価. 抗菌・抗ウイルス剤の最新動向. CMC 出版．
2121 年 5 月 10 日発刊. 128-135.

2. Saruwatari A, Sunada K, Isobe T, Matsushita S, Nagai T,
Ishiguro H, Nakajima A.
Transparent porous La2Mo2O9 thin film preparation and5. 宮内 雅浩、砂田 香矢乃. 可視光型光触媒による抗菌・抗ウイルス. 抗菌・抗ウイルス剤の最新動向.

antibacterial and antiviral activities.
Journal of the Ceramic Society of Japan. 129: 485-488,

CMC 出版．2121 年 5 月 10 日発刊. 157-163.

2021.

6. 砂田 香矢乃、宮内 雅浩．第 2 編 第 1 章 第 2 節 紫
外光型・可視光型光触媒材料の抗菌・抗ウイルス効【総説】

果．書籍. 抗ウイルス・抗菌製品開発 基礎、作用メカニズムから評価、認証、商品化まで. 株式会社 NTS.

1. 宮内 雅浩、砂田 香矢乃. 第 2 章 6 節 可視光応答形

2021 年 3 月 31 日発刊.

光触媒とその抗菌・抗ウイルス機能、書籍. 抗菌・抗ウイルス技術の開発・評価と 樹脂、繊維、塗料、フィルム等への製品応用. AndTech.2021 年 1 月 13 日発刊.

7. 石黒 斉. 光触媒材料による抗ウイルス性能評価方法.
書籍. 抗ウイルス・抗菌製品開発 基礎、作用メカニズ

2. 砂田 香矢乃、永井 武、中島 章、石黒 斉. 感染リス

ムから評価、認証、商品化まで. 株式会社 NTS. 2021
年 3 月 31 日発刊.

クの低減をめざした金属酸化物の抗ウイルス活性について. 無機マテリアル Vol.28, 146-151, 2021.

【口頭発表】

3. 砂田 香矢乃、宮内 雅浩. ウイルスフリーで安心・安

1. 岩倉 俊太、望月 泰英、磯部 敏宏、松下 祥子、中島章、砂田 香矢乃、永井 武、石黒 斉.

全な生活空間の創出 ～光触媒による抗ウイルス材料の新展開～. 日本能率協会総合研究所（JMAR）『2020

固体表面の静的撥水性とモリブデン酸セリウムの漏出イオンが抗ウイルス活性に及ぼす影響.

年度 MDB 技術予測レポート』

日本セラミックス協会 2021 年会. 2022 年 3 月、オンラ
イン.

4. 砂田 香矢乃、宮内 雅浩. 銅担持酸化チタン光触媒材
料の抗ウイルス活性とその評価．雑誌『研究開発リー2. 猿渡 輝良、磯部 敏宏、松下 祥子、中島 章、砂田

ダー』Vol.18, 18-21, 2021. 技術情報協会.

香矢乃、永井 武、石黒 斉.
希土類モリブデン酸複合酸化物薄膜の作製とその抗ウ【書籍】
1. 石黒 斉. 第 1 節

イルス活性.
日本セラミックス協会 2021 年会. 2022 年 3 月、オンラ

光触媒素材の抗菌・抗ウイルス性能

評価. 抗菌・抗ウイルス性能の材料への付与、加工技術と評価. 技術情報協会. 2021 年 3 月 31 日発刊. 527-

イン.

532.

3. 伊藤 拓朗、望月 泰英、磯部 敏宏、松下 祥子、中島章、砂田 香矢乃、永井 武、石黒 斉.

2. 砂田 香矢乃、宮内 雅浩．第 4 章 第１節 光触媒材
料の抗菌・抗ウイルス活性とそのメカニズム. 書籍.

モリブデン酸セリウム（γ-Ce2Mo3O13）の作製とその抗ウイルス活性.
日本セラミックス協会 2021 年会. 2022 年 3 月.

抗菌・抗ウイルス性能の材料への付与、加工技術と評
価. 技術情報協会．2021 年 3 月 31 日発刊.

4. 砂田 香矢乃、畑山 靖佳、永井 武、中島 章、石黒168

KISTEC研究報告2022

【研究開発部】抗菌・抗ウイルス研究

斉. 実環境下での酸化モリブデン担持酸化チタンの抗CoOx 担持 Ce0.8Bi0.2O2-δ, Ce0.8La0.2O2-δ による水中 2-ナウイルス効果について.
第 26 回シンポジウム「光触媒反応の最近の展開」.

フトール分解および抗ウイルス活性.
日本セラミックス協会 2021 年会. 2021 年 3 月オンライ

2022 年 3 月、オンライン.

ン.

5. 砂田 香矢乃.可視光応答形光触媒材料の抗菌・抗ウイルス効果～新型コロナウイルスに対しての効果～.

14.伊東 拓朗、磯部 敏宏、松下 祥子、中島 章、砂田
香矢乃、石黒 斉、永井 武.

建築建材展 2022(光触媒工業会セミナー). 2022 年 3月、東京.

モリブデン酸セリウムの作製とその抗ウイルス活性.
日本セラミックス協会 2021 年会. 2021 年 3 月、オンライン.

6. 砂田 香矢乃. 銅を中心とした金属酸化物の抗菌・抗ウ【特許】

イルス活性とそのメカニズム.
一般社団法人日本繊維機械学会. 2021 年 10 月.

(1)国内特許出願

3件(2)国際特許出願

1件

7. 本村 瞳、尾崎 綾栞、多森 翔馬、野崎 優香、高澤涼子、佐々木 和教、石黒 斉、宮城 洋平、長嶋 洋
治、田沼 靖一、大野 茂男、秋本 和憲.
Glyoxalase 1 and protein kinase Cλ as potential therapeutictargets for late-stage breast cancer.
第 80 回日本癌学会学術総会. 2021 年 10 月、横浜.
8. 石黒 斉. 抗菌剤の性能評価方法（公的試験規格の種類と概要）.
日本防菌防黴学会第 48 回年次大会. 2021 年 9 月、オンライン.
9. 砂田 香矢乃、畑山 靖佳、永井 武、中島 章、石黒斉.
モリブデン酸化物と酸化チタンを組み合わせた材料の抗ウイルス活性について.
日本防菌防黴学会第 48 回年次大会. 2021 年 9 月、オンライン.
10.石黒 斉.
抗微生物材料とその性能評価. 高分子学会講演会. 2021
年 7 月、オンライン.
11.中野 竜一、鈴木 由希、中野 章代、矢野 寿一（会員外共同研究者：宮内 雅浩、砂田 香矢乃、石黒 斉）.
可視光応答形光触媒による新型コロナウイルス不活化
効果の検証.
第 95 回日本感染症学会学術講演会. 第 69 回日本化学療法学会総会 合同学会. 2021 年 5 月、横浜.
12.中島 章、砂田 香矢乃、石黒 斉、永井 武.
撥水性と抗ウイルス活性を併せ持つ新規セラミックス
材料.
日本セラミックス協会 2021 年会. 2021 年 3 月、オンライン.
13.加藤 千尋、磯部 敏宏、松下 祥子、中島 章、砂田
香矢乃、石黒 斉、永井 武.

169

KISTEC研究報告2022

研究報告2022 目次【研究開発部】

戦略的研究シーズ育成事業
研究テーマ：光操作に基づく医療技術の創出◆ 総括・業績････････････････････････････････････････････････････････････････････････････ 171研究テーマ：貴金属フリー新規触媒技術の開発◆ 総括・業績････････････････････････････････････････････････････････････････････････････ 178研究テーマ：超高空間分解を実現するナノカーボン光分析装置◆ 総括・業績････････････････････････････････････････････････････････････････････････････ 183研究テーマ：光技術を用いた超広帯域テラヘルツオシロスコープの開発◆ 総括・業績････････････････････････････････････････････････････････････････････････････ 189研究テーマ：ゲノム構築技術による創薬研究基盤の開発◆ 総括・業績････････････････････････････････････････････････････････････････････････････ 195

研究テーマ：化学ボロフェンによるフレキシブル素子の開発◆ 総括・業績････････････････････････････････････････････････････････････････････････････ 201

170

KISTEC研究報告2022

【研究開発部】戦略的研究シーズ育成事業

光操作に基づく医療技術の創出
研究代表者：東京大学

佐藤守俊【基本構想】
本プロジェクトは、光操作に基づいて新たな医療技術を創出することを目的としている（図 1）。医薬品として用いられる分子（化合物、ペプチド、抗体、酵素など）や細胞、ウィルス等は、いったん生体の中に入ってしまうと、その働きを生体の外からコントロールするのが極めて困難である。このことが、薬効が高く副作用が低い優れた医薬品を開発する上での大きなハードルとなっている。本プロジェクトでは、乗用車に取り付けられたアクセルやブレーキのように、生体の中に入った医薬品の働きを光で、特に、生体組織の透過性が極めて高い長波長の光で自由自在に操作するための、一般性・汎用性の高い基盤技術を開発する。さらに、この基盤技術を用いて、ゲノムの働きを光刺激でコントロールしたり、がん細胞を光刺激で破壊することで、革新的なゲノム治療やがん治療を実現する新たな技術を開発する。ゲノム治療については、生体組織に光を照射して変異遺伝子の塩基配列を正確に書き換えることができるようになったり、生体組織の遺伝子の発現を自由自在に光照射でコントロールできるようになれば、今までに治療法がなかった様々な難病（遺伝子疾患）の治療に大きく貢献し、アンメット・メディカル・ニーズに応えることが可能になる。DNA を標的とした光操作技術に加えて、RNA を標的とした光操作技術（RNA の転写レベルの光操作技術）を開発できれば、ゲノム治療の安全性をさらに高めるだけでなく、ゲノム治療の適用範囲を大幅に拡張できる。このような生体（in vivo）におけるゲノムの光操作だけでなく、例えば、人工多能性幹細胞（iPS 細胞）のゲノム DNA の塩基配列を、光で正確に書き換えることができるようになれば、遺伝子疾患を有する患者への再生医療にも大きく貢献できると考えている。またがん治療についても、本プロジ
ェクトで開発する技術は、光照射を施した部位でのみ薬効を発揮させることができるため、従来のがん治療技術よりも大幅に薬効を高めるためのアイディアを導入しても安全性を担保できるのが大きな特長である。本プロジェクトで開発する技術により、今まで治療法がなかった難病の治療に加えて、長波長の光照
射による革新的ながん治療が実現すれば、医療分野へのインパクトは非常に大きく、関連産業の振興に大きく貢献することが期待される。

１.

研究目的

っている。光受容体は、光を吸収すると大きく構造変化し蛍光タンパク質の実用化を契機として、1990 年代以降、光を使ったバイオイメージング技術が世界中の研究室でたり、別のタンパク質と結合したりすることにより情報を伝えている。つまり光受容体は、光による入力をタンパク利用されるようになった。しかし、ライフサイエンスにおける光技術の将来は、必ずしもバイオイメージングに限定

質の構造変化や結合といった力学的シグナルとして出力できるのだ。しかし、野生型の光受容体は、反応速度が遅されない。光を使って生命現象を「見る」だけでなく、それらを光で「操る」ことができるとしたら、ライフサイエ

いなどの問題を抱えていることが多い。研究代表者らは糸状菌の一種であるアカパンカビ（Neurospora crassa）が持ンスや医療はどうなるだろう？例えば、細胞内シグナル伝
達を光で操作できるようになれば、代謝、分泌、細胞増殖、っている光受容体に着目し、これに対して様々なアミノ酸変異を導入してその性質を大幅に改良したり、新しい機能

細胞分化、細胞死等の生命機能を自由自在にコントロールできるようになるかもしれない。ゲノムの塩基配列を光でを付与したりするなどして、Magnet システムと名付けた
光スイッチタンパク質を開発した（図 2）（参考文献 1）。

自由自在に書き換えたり、遺伝子のはたらきを自由自在に制御できるようになったらどうだろう？光が得意とする

Magnet システムは、青色の光を照射すると互いに結合し、光照射をやめると解離するタンパク質のペアである。

高い時間・空間制御能をもってすれば、狙った time window
でのみ、狙った生体部位でのみ、生命現象をコントロール
できるかもしれない。さらには、疾患の新しい治療法として役立つかもしれない。このような未来を実現すべく、研究代表者らは新技術の開発を行ってきた。
生命現象の光操作を実現する上で、研究代表者らが最も重要と考えたのは、操り人形で言えばヒモとか棒に相当す
る基盤技術の開発である。植物や菌類のように光を利用し

図 1：光操作に基づく医療技術の概念図。

て生きている生物は、光受容体と呼ばれるタンパク質を持

171

KISTEC研究報告2022

【研究開発部】戦略的研究シーズ育成事業

作可能な部位は皮膚や筋肉、肝臓の腹側など、生体表面から近い組織・器官に限定されてしまい、青色光が届きにく
い生体深部に位置する臓器や骨の中の骨髄、頭蓋骨に覆われた脳などの操作が困難なことが明らかになりつつある。
このような Magnet システムの特性は、光操作技術を次世代の治療技術として応用する上での大きな制約となると考えられる。従って、本プロジェクトでは、Magnet システムに代わる新たな基盤技術として、生体組織透過性が極めて高い長波長の光照射でコントロール可能な光スイッチ
図 2：研究代表者が先行研究で開発した青色光スイッチタン
パク質“Magnet システム”。青色光に応答して二量体を形成し、暗所に戻すと単量体に戻る。任意のタンパク質 A・B を連結することにより、その結合・解離を光照射の ON/OFF でコントロールできる。

タンパク質を創出し、これを新たなゲノム治療技術とがん治療技術に展開することを目的とする。プロジェクト 2 年目となる 2021 年度は、以下の各項目を重点項目として開発研究を実施した。

Magnet システムにタンパク質 A とタンパク質 B を連結す

(1) 光合成細菌の相互作用タンパク質に基づく長波長の光スイッチタンパク質の開発

れば、A と B の結合・解離を青色光のオン・オフでコントロールすることができる。この Magnet システムの特長を(2) 進化分子光学的手法に基づく長波長の光スイッチタ
ンパク質の開発

利用することで、光で指令を与えて、酵素などのあらゆるタンパク質の働きを私たちの意のままに操作できるよう

2.

になった。
例えば、Magnet システムを様々なゲノムエンジニアリ

研究成果

以下に挙げるのは、2021 年度の具体的な研究成果である。

ングツール（ゲノム編集で利用される CRISPR-Cas9 シス
テムなど）と組み合わせて、多様な光操作技術を開発して(1) 光合成細菌の相互作用タンパク質に基づく長波長の光スイッチタンパク質の開発きた。これにより、光が得意とする高い空間・時間制御能に基づいて、生体組織の中の狙った部位や狙ったタイミン

上述のように、青色光はヘモグロビンに吸収されてしまうため、生体組織での透過性が低い。一方、650 nm から

グで、ゲノム DNA の塩基配列を書き換えたり（参考文献
2、 3）、ゲノムにコードされた遺伝子の組換えを実行した

800 nm の光はヘモグロビンに吸収されず、生体組織透過性が高いことが知られている。このため、この波長領域でり（参考文献 4、5、6、7）、ゲノム遺伝子の発現を自由自在に操作できるようになった（参考文献 8）。さらに最近利用できる光スイッチタンパク質の開発ニーズは極めて高い。この観点から、光合成細菌が有する近赤外光受容体

では、ゲノムエンジニアリングツールに限らず、がん治療に応用可能なタンパク質の光操作にも Magnet システムをとその結合タンパク質が、近赤外光スイッチタンパク質として注目を集めている。研究代表者らは、前述のゲノム遺展開している。例えば、腫瘍溶解性ウィルスのゲノム RNA
を複製する RNA ポリメラーゼに Magnet システムを組み伝子の光活性化システム（参考文献 8）において、Magnet
システムをこの近赤外光スイッチタンパク質で置き換え

込んで、光照射でウィルスの増殖を自由自在に光操作することにより、生体内で効率よくかつ安全にがん細胞を破壊てみた。その結果、この近赤外光スイッチタンパク質には致命的な欠点があることが明らかになった。その詳細を以できる光駆動型の腫瘍溶解性ウィルスを開発した（参考文
献 9）。がん以外にも、上述のゲノム編集の光操作技術を下に述べる。
研究代表者らは、近赤外光スイッチタンパク質を導入し着床の光操作に応用するなど、光操作技術の応用を進めている（参考文献 10）。このような研究代表者の一連の研究

た遺伝子活性化システムを用いて、光照射依存的に遺伝子の活性化を誘起できるかを調べた。その結果、光照射を行は、基礎生命科学を革新する強力なリサーチツールを提供するとともに、既存の治療技術とは全く異なる、次世代のなった場合のみならず、暗所に保持した場合においても遺伝子活性化を誘起してしまうことが明らかになった。この治療技術（ゲノム治療、がん治療など）につながる可能性を秘めている。

暗所での活性化の程度は非常に高いため、光照射を行なっても、僅かに 1.6 倍しか遺伝子活性化を誘起できない。

上述のゲノムの光操作技術や光駆動型の腫瘍溶解性ウィルスはいずれも、研究代表者が開発した光スイッチタン

Magnet システムを利用した場合にはこの暗所での活性化は観察されなかったことから、近赤外光スイッチタンパク

パク質“Magnet システム”に立脚している。Magnet シス
テムは、光操作のためのツールを我々が制御するための質を導入した場合に観察された活性化は、近赤外光スイッ
チタンパク質の暗所での結合活性（リーク活性）に原因が「アクセル」や「ブレーキ」であり、様々な生命現象の光操作を実現する極めて汎用性の高い基盤技術として位置あると考えられる。そこで研究代表者らは、この暗所リー
ク活性について、さらに追求した。その結果、この近赤外付けることができる。しかし、Magnet システムは生体組
織透過性が比較的低い青色光を使って制御する光スイッ

光スイッチタンパク質は、細胞内で発現させた際に、不完全な形態のものが混ざっていることがわかった。一般に、

チタンパク質である。このため、Magnet システムを組み込んだ光操作技術では、生体外からの光照射で効率よく操光スイッチタンパク質は光を受容する部分として補因子

172

KISTEC研究報告2022

【研究開発部】戦略的研究シーズ育成事業と呼ばれる小分子を、そのタンパク質内部に持っている。

活性化を起こせることがわかった。

この近赤外光スイッチタンパク質の場合は、ビリベルジンと呼ばれる小分子が補因子にあたる。細胞内で近赤外光ス

次に研究代表者らは、NIR-CPTS を用いてマウスの生体（in vivo）でゲノム遺伝子の活性化を制御できるかどうか

イッチタンパク質が発現すると、まずは補因子を含まない
タンパク質（アポタンパク質という）として生成する。そ調べた。マウスの肝臓に Hydrodynamic tail vein injection 法
で NIR-CPTS を導入して、生体外から LED パネルを使っの後、ビリベルジンが取り込まれて、完成品のタンパク質（ホロタンパク質という）ができあがる。研究代表者らは、て光照射を行った。その結果、NIR-CPTS を用いて、マウスのゲノムにコードされた遺伝子（ASCL1 を例に）を非侵細胞内には近赤外光スイッチのアポタンパク質が少なからず存在してしまっており、さらに悪いことに、このアポ襲的な光照射で活性化できることが明らかになった。このように、研究代表者らは、開発した近赤外光スイッチタン

タンパク質が高い結合活性を持っていることを明らかにした。すなわち、これを乗用車に例えると、アクセルやブパク質の改良版の特性を、NIR-CPTS というゲノム遺伝子の活性化技術として評価した。その結果、近赤外光スイッ

レーキといった制動装置を付け忘れた不良品であり、しかも常に全速力で暴走しているということである。この性質

チタンパク質の改良版は生体内でも光操作の基盤技術として利用できることがわかった。

は光操作の基盤技術としては致命的な欠点である。
そこで、研究代表者らは近赤外光スイッチタンパク質に(2) 進化分子光学的手法に基づく長波長の光スイッ
チタンパク質の開発

アミノ酸変異を導入することで暗所でのリーク活性を低減させることを目的に研究を行なった。さまざまな変異体

研究項目（1）の光スイッチタンパク質は、光合成細菌を作製し、それぞれの変異体をゲノム遺伝子の光活性化システムに導入して、光照射条件と暗所条件での比較を行っの細胞の中で実際に使われている天然のタンパク質を改変して開発する光スイッチタンパク質である。研究項目（2）た。その結果、暗所リーク活性を大幅に低減させることに成功している。このように近赤外光スイッチタンパク質のでは、研究項目（1）とは全く異なり、進化分子工学的手法に基づいて、全く新しい長波長の光スイッチタンパク質

改良版を導入した遺伝子活性化システムを NIR-CPTS（ CRISPR–Cas9-based photoactivatable transcription systemを開発することを目標とする。進化分子工学的手法に基づいて、全く新しいタンパク質相互作用に基づいて光スイッ

by near-infrared light）と名付けた。
研究代表者らはまず NIR-CPTS が培養細胞で使用可能

チタンパク質を開発することにより、天然のタンパク質相
互作用のデメリットを克服するような、新たな光スイッチ

かどうかを検討した。その結果、ヒト ASCL1 遺伝子をターゲットしたガイド RNA を用いたところ、NIR-CPTS は、タンパク質が開発できるとの期待を持ってこの研究項目（2）を遂行している。光スイッチタンパク質は、様々な暗所でのリーク活性がほとんど見られず、光照射によって193 倍の遺伝子活性化を誘導できることがわかった。ガイ

光操作技術を開発する上での基盤技術となる。研究項目（1）（2）により、質の高い長波長の光スイッチタンパク質をド RNA としてヒト HBG1 遺伝子をターゲットした場合も、暗所でのリーク活性が見られず、光照射によって 1,366 倍

開発することが、光操作に基づく医療技術を創出する上での鍵となる。

もの遺伝子活性化を誘導できることがわかった。このように、近赤外光スイッチタンパク質の改良版を用いた NIR-

研究項目（2）では、進化分子工学的手法に基づいて、全く新しい長波長の光スイッチタンパク質の開発を行な

CPTS は、光照射依存的に非常に効率よくゲノム遺伝子の

図 4：MagRed を用いて開発した赤色光による遺伝子発現の光操作技術“Red-CPTS”。ゲノム上の狙った遺伝子の発現を操作するために、変異を加えて DNA 切断活性を失わせた
Cas9（dCas9）を用いる。dCas9 を DNA に結合させるための案内役となるガイド RNA として、MS2 RNA アプタマーを挿入したものを用いる。MS2 タンパク質と転写活性化ドメイン（p65-HSF1）には MagRed を連結しておく。赤色光を照射すると MagRed が結合し、dCas9 が結合している遺伝子領域に転写活性化ドメインが呼び寄せられるため、当該遺伝子の発現を狙って活性化できる。

図 3：本研究で開発した赤色光スイッチタンパク質“MagRed”（マグレッド）。MagRed は放射線抵抗性細菌が持つ赤色光受容体（DrBphP）とその結合タンパク質（アフィボディ）からなる。DrBphP（Pr 型、暗状態）は赤色光（~ 660 nm）を吸収すると構造変化して Pfr 型（明状態）となりアフィボディと結合する。ここで 800 nm の光を照射することや、暗環境下に放置することで、DrBphP が元の構造（Pr 型、暗状態）に戻り、アフィボディは解離する。

173

KISTEC研究報告2022

【研究開発部】戦略的研究シーズ育成事業

図 6：MagRed を用いて開発した赤色光による DNA 組換え反応の光操作技術“RedPA-Cre”。Cre リコンビナーゼを 2 つに分割・不活性化して作製した split-Cre に MagRed を連結する
ことで、赤色によって会合し、DNA 組換え活性が出現する酵素（RedPA-Cre）を開発した。赤色光で活性化した RedPA-Cre
は、loxP と呼ばれる 34 塩基の配列で挟まれた塩基配列（遺伝子など）をゲノムから削除することができる。この DNA 組換え反応を使って、赤色光で狙って遺伝子をノックアウトすることや、遺伝子を活性化することが可能になった。

図 5：MagRed を用いた Red-CPTS は暗環境下ではほとんど
遺伝子発現活性を持たず、赤色光の照射強度に応答して高い遺伝子発現活性を示すことを生物発光レポーターを用いて示した。

触媒する Cre リコンビナーゼは、狙った遺伝子の塩基配列っている。さまざまなバクテリアが持つ赤色光受容体タン
パク質のバクテリオフィトクロム（BphP）の中で、特に放をゲノムからノックアウト（削除）するための酵素として世界中の研究室で広く利用されている。そこで Cre リコン

射線抵抗性細菌（Deinococcus radiodurans）が有する BphP（DrBphP）に着目した。DrBphP は哺乳類細胞に内在するビナーゼを 2 つに分割して不活性化し、この分割体（splitCre）に MagRed を連結することで、暗環境下では DNA 組

色素のビリベルジン（BV）を補因子として結合し、赤色光（~ 660 nm）に応答して構造が大きく変化する性質を持

換え活性を持たず、赤色光照射によって高い活性が出現す
る DNA 組換え酵素（RedPA-Cre）を開発した（図 6）。赤っている。この DrBphP の構造変化を認識して結合するタンパク質（以下、バインダー）を開発することで、赤色光色光で制御する 4 種類の従来技術と今回開発した RedPACre を比較したところ、RedPA-Cre の方がはるかに効率良

スイッチタンパク質を開発できると考えた（図 1）。抗体様分子であるアフィボディの変異体ライブラリを作製し、く DNA 組換え反応を光操作できることがわかった（赤色
光と暗環境下での応答の比率を比べると、RedPA-Cre は既リボソームディスプレイ法を用いて、赤色光を照射した条件でのみ DrBphP と結合するアフィボディをバインダー候

存の技術よりも 27 倍から 46 倍効率良く DNA 組換え反応

補として単離した。この進化分子工学的アプローチで得られたバインダー候補に対してアミノ酸変異や末端のアミノ酸の削除といった改変を加えることで、赤色光照射時の結合効率を改善したバインダーの開発に成功した。このDrBphP とアフィボディ（バインダー）からなる光スイッ
チタンパク質は、本研究グループが先行研究で開発した青色光スイッチタンパク質“Magnet”（マグネット）（図 2）の赤色バージョンという意味を込めて“MagRed”（マグレッド）と名付けた（図 3）。
次に、遺伝子発現の光操作技術（CPTS、参考文献 8）への MagRed の応用を検討した（図 4）。CPTS は本研究グループが先行研究で、青色光スイッチタンパク質と CRISPRCas9 システムを用いて報告した遺伝子発現の光操作技術である。MagRed を用いた CPTS（Red-CPTS）は、暗環境

図 7：RedPA-Cre を用いて、マウスの生体深部（肝臓）で DNA
組換え反応を光操作。
（a）LED でマウスの生体外から非侵襲的に赤色光を照射している様子。
（b）肝臓に RedPA-Cre と生物発光レポーター（活性化した
RedPA-Cre と反応し、生物発光を生起するレポーター）を導入したマウスは、生体外からの赤色光照射によって肝臓からの生物発光シグナルが観察された。この結果は、生体外からの光照射であってもマウスの生体深部において、RedPA-Cre
が高い効率で DNA 組換え反応を誘導できることを示している。図中の「P」は P 値を示す。「N.S.」は有意差が無いことを示す。

下で遺伝子発現の活性がほとんど検出されず、赤色光照射
で非常に効率良く遺伝子発現を誘導できることから、
MagRed が極めて高い光制御能を有することがわかった（図 5）。また Red-CPTS を用いることで、赤色光照射によってゲノムにコードされた複数の内在性遺伝子でも同時に活性化することに成功した（赤色光照射によって内在性遺伝子の発現を最大で 378 倍活性化）。
さらに、MagRed を用いた赤色光による DNA 組換え反応の光操作技術への応用も検討した。DNA 組換え反応を

174

KISTEC研究報告2022

【研究開発部】戦略的研究シーズ育成事業

なり得ることである。研究代表者は、光スイッチタンパク質によって、幅広い創薬モダリティを大きく革新できると考えている。この観点から、戦略的研究シーズ育成事業の開始と共に、様々な研究グループと共同で、様々な創薬モダリティに光操作技術を導入するための研究を実施している。その範囲は、ゲノム編集医療や遺伝子治療、腫瘍溶
解性ウイルス療法のような「遺伝子医薬」に限定されない。
2022 年度以降は、この様に幅広く展開する探索研究の結果を踏まえて、事業としてより大きな価値を持つ医療技術と光操作技術を組み合わせて、社会実装に向けて非臨床研
究、臨床研究を進めていくことが重要と考えている。さらに、光スイッチタンパク質は、医療技術としてのみならず、
幅広い分野に応用可能と考えているため、光スイッチタン
パク質を用いたさらなる応用展開についても開拓したいと考えている。
図 8：Red-CPTS を用いて、マウスの生体深部（肝臓）で遺伝子の発現を光操作。
（a）肝臓に Red-CPTS と生物発光レポーター（GAL4UAS：活性化した Red-CPTS と反応し、生物発光を生起するレポーター）を導入したマウスは暗環境下では生物発光シグナルを示さないが、生体外から非侵襲的に赤色光を照射すると当該マウスの肝臓から生物発光シグナルが観察された。
（b）（a）の実験で得られた画像データを数値データとして示
し、統計的処理を加えた。生物発光レポーター（GAL4UAS）の代わりに空のベクター（Empty）を用いたコントロール実
験の結果も示す。暗環境下での生物発光シグナルとコントロール実験の生物発光シグナルに有意差がないことから、RedCPTS には暗環境下での活性がほとんどなく、マウスの生体（in vivo）でも高い光制御能を有することが示された。
（c）Red-CPTS を用いてマウスの肝臓のゲノムにコードされた内在性遺伝子（mASCL1 を例に）の発現を生体外からの非侵襲的な赤色光照射で光操作できることを示した。

【参考文献】
1. F. Kawano, H. Suzuki, A. Furuya and M. Sato, “Engineered
pairs of distinct photoswitches for optogenetic control ofcellular proteins” Nat. Commun., 6, 6256 (2015).
2. Y. Nihongaki, F. Kawano, T. Nakajima and M. Sato,“Photoactivatable CRISPR-Cas9 for optogenetic genome
editing” Nat. Biotechnol., 33, 755-760 (2015).
3. Y. Nihongaki, T. Otabe, Y. Ueda and M. Sato, “A split
CRISPR–Cpf1 platform for inducible genome editing andgene activation” Nat. Chem. Biol., 15, 882-888 (2019).
4. F. Kawano, R. Okazaki, M. Yazawa and M. Sato, “A
photoactivatable Cre–loxP recombination system for
optogenetic genome engineering” Nat. Chem. Biol., 12,1059-1064 (2016).
5. T. Takao, Y. Hiraoka, K. Kawabe, D. Yamada, L. Ming, K.

を操作できた）。さらに、RedPA-Cre と上述の Red-CPTS を

Tanaka, M. Sato and T. Takarada, “Establishment of a tTAdependent photoactivatable Cre recombinase knock-in mouse

それぞれマウスの肝臓に導入し、生体外から非侵襲的に赤色光を照射することで、いずれも当該臓器において遺伝子

model for optogenetic genome engineering” Biochem.
Biophys. Res. Commun., 526, 213-217 (2020).

の働きを効率良く操作できることを明らかにした（図 7、
図 8）。

6. K. Morikawa, K. Furuhashi, C. de Sena-Tomas, A. L. GarciaGarcia, R. Bekdash, A. D. Klein, N. Gallerani, H. E.

上述のように、赤色光による生命現象の光操作の基盤技術（プラットホーム・テクノロジー）として、赤色光に応

Yamamoto, S.-H. E. Park, G. S. Collins, F. Kawano, M. Sato,
C.-S. Lin, K. L. Targoff, E. Au, M. Salling and M. Yazawa,

答する光スイッチタンパク質“MagRed”を開発するとともに、MagRed を応用した遺伝子発現の光操作技術“Red-“Photoactivatable Cre recombinase 3.0 for in vivo mouse

CPTS”と DNA 組換え反応の光操作技術“RedPA-Cre”の開発に成功した。本成果は、生体深部における生命現象の解

applications” Nat. Commun., 11, 2141 (2020).
7. K. Yoshimi, Y. Yamauchi, T. Tanaka, T. Shimada, M. Sato and明や、遺伝子疾患や細胞治療など生命科学・医学分野を含む幅広い研究分野において役立つことが期待される。

3.

T. Mashimo, “Photoactivatable Cre knock-in mice forspatiotemporal control of genetic engineering in vivo” Lab.
Invest., 101, 125-135 (2021).

今後の展望

8. Y. Nihongaki, Y. Furuhata, T. Otabe, S. Hasegawa, K.

上述のように、2021 年度までの研究によって、研究項
目（1）および研究項目（2）の新たな光スイッチタンパク

Yoshimoto
and
M.
Sato,
“CRISPR-Cas9-based
photoactivatable transcription systems to induce neuronal質を開発することができた。最も重要なのは、光スイッチ
タンパク質が極めて一般性が高く、様々な光操作技術を実

differentiation” Nat. Methods, 14, 963-966 (2017).
9. M. Tahara, Y. Takishima, S. Miyamoto, Y. Nakatsu, K.

現できる基盤技術（core technology/platform technology）に175

KISTEC研究報告2022

【研究開発部】戦略的研究シーズ育成事業

Someya, M. Sato, K. Tani and M. Takeda, “Photocontrollable
mononegaviruses” Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 116, 1158711589 (2019).
10.T. Takao, M. Sato and T. Maruyama, “Optogenetic regulationof embryo implantation in mice using photoactivatable
CRISPR–Cas9” Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 117, 2857928581 (2020).

176

KISTEC研究報告2022

【研究開発部】戦略的研究シーズ育成事業

業 績【口頭発表】
1. 中嶋隆浩，佐藤守俊「近赤外光作動型のゲノム遺伝子
活性化システムの開発」，日本分析化学会第 70 年会，
2021 年 9 月 23 日
2. 中嶋隆浩，佐藤守俊「近赤外によってゲノム上の遺伝子を活性化する光操作ツール」，第 94 回日本生化学大会，2021 年 11 月 4 日
3. 佐藤守俊「生命現象の光操作技術の創出」，北海道大学ニコンイメージングセンター学術講演会，2021 年 11月 29 日4. 佐藤守俊「生命現象の光操作技術の創出」，北海道大学ニコンイメージングセンター学術講演会，2021 年 11月 29 日
5. 中嶋隆浩，佐藤守俊「CRISPR-Cas9 技術を基盤とした近赤外光作動型のゲノム遺伝子活性化ツール」，第 44 回
日本分子生物学会年会，2021 年 12 月 1 日，2 日
6. 佐藤守俊「生命現象の光操作技術の創出」，日本分子生物学会，2021 年 12 月 3 日
7. Moritoshi Sato, “Manipulating living systems bylight”, Pacifichem 2021, 2021 年 12 月 21 日
8. 佐藤守俊「生命現象の光操作技術の創出」，大阪大学・
ニコンイメージングセンター シリーズセミナー，
2022 年 2 月 16 日
9. 佐藤守俊「生命現象の光操作技術の創出」，日本再生医療学会，2022 年 3 月 17 日

【特許】(1) 国内特許出願

1件(2) 国外特許出願

0件

177

KISTEC研究報告2022

【研究開発部】戦略的研究シーズ育成事業

貴金属フリー新規触媒技術の開発
研究代表者：東京大学 砂田祐輔【基本構想】
現在の科学技術では、工業的な化成品の触媒的合成や、燃料電池などにおけるエネルギー活用技術など、多くのプロセスにおいて貴金属触媒が活用されている。しかし、これら貴金属類は希少資源であり高価であることに加え、触媒用途以外の他分野からも多くのニーズがあることなどから、貴金属の活用を必要としない貴金属フリーの触媒技術の開発が求められている。そこで本研究では、地球上に豊富に存在するた
め安価で入手可能な普遍金属のみから構成される独自の触媒合成技術に立脚し、貴金属を使用しない新規触媒技術を開発し、貴金属フリーな物質変換・化成品合成・エネルギー活用技術の開発を行うことを目的とした研究を行った。

1.

（R3Si-H）における”Si-H”結合の切断と、引き続く不飽和研究目的

工業的な化成品の触媒的合成や、燃料電池などにおける
水素エネルギー活用技術など、触媒は様々な科学技術にお有機基質への付加反応において、研究代表者らが開発した、
鉄―ケイ素複合型分子触媒は、非常に高い触媒活性を示す

いて機能発現の鍵を担っている。これらの触媒技術において、多くの場合、貴金属化合物が必須の触媒として活用さことを見いだしている。これは、鉄―ケイ素複合型触媒における、“鉄―ケイ素結合”が、”Si-H”結合の捕捉と活性化れている。しかし貴金属類は希少資源であるため高価であり、地殻中での偏在性も高い元素である。さらに貴金属類を可能にするためであることが、これまでの研究により示唆されている。

は、自動車の排ガス分解用触媒に代表されるように、化成品合成やエネルギー活用以外の多用途でも広く用いられこれらの研究基盤を基に本年度は、水素分子の効率的な活用を可能にする貴金属フリー触媒の開発を指向し、鉄―るため、将来に渡って安定的な供給が可能な触媒材料であるとは言い難い。そのため、貴金属に依存しない持続可能ケイ素複合型触媒の開発と、炭素―炭素二重結合への付加反応による、触媒活性評価を行うことを目的とした研究をな次世代の科学技術の開発に向けて、貴金属代替となる新触媒の開発が強く望まれている。

行った。さらに、この知見を、水素の新しい貯蔵・運搬法として注目を集めている有機ハイドライド法の開発へと一方、鉄に代表される普遍金属は、地殻中に豊富に存在するため安価で容易に入手可能であり、かつ地球上に普遍展開し、新しい水素キャリアおよび貴金属フリー触媒の合成を行うことで効率的に水素貯蔵・発生が可能な手法の開的に存在するため、貴金属代替として最も有望な元素であると位置づけられる。そのため近年、鉄などの普遍金属か発へも展開した。

ら構成される化合物の合成と、貴金属代替触媒としての活用に関する研究が世界的に活発に行われている。しかし現

本プロジェクトを遂行するにあたって、令和 3 年度は、
以下の各項目を重点項目として行った。

在まで、貴金属触媒を真に代替する機能を発現する普遍金属触媒の開発は未踏である。その理由の一つとして、鉄な(1) 鉄・ケイ素複合型触媒による水素活用(2) 独自の水素キャリアと貴金属フリー触媒の活用によ

どの普遍金属から構成される化合物の多くは、貴金属化合物と異なり、反応基質の捕捉と活性化に対し低活性である

る新しい有機ハイドライド法の開発

ことが挙げられる。
化成品合成や水素活用技術においては、貴金属は反応基まず(1)については、研究代表者はこれまでの均一系触媒開発に関連する研究において、鉄などの普遍金属上に、質における化学結合や、水素分子における水素―水素結合を効果的に捕捉・活性化可能である。そのため、貴金属化

立体的にかさ高く、電子供与性の高いケイ素部位を配位子として導入した分子状錯体を開発した。この触媒は、鉄中合物はこれらの用途において高機能性触媒として機能する。一方、鉄に代表される普遍金属類は一般に、化学結合

心に十分な基質捕捉部位を有するため、水素分子の活性化
や、引き続くアルケンへの水素付加に対し、高い活性を示の捕捉と活性化能が低いため、貴金属触媒と類似もしくはこれらを凌駕する機能を有し、貴金属触媒を代替しうる普しうると着想した。
一方、(2)としては、新しい水素貯蔵・運搬法の開発を

遍金属触媒の開発は困難であるとされてきた。一方、研究代表者は最近、独自に合成した鉄とケイ素の複合型構造を指向し、独自の水素キャリアの開発を行った。さらに、貴金属フリー触媒の合成も行うことで、貴金属フリーで水素持つ錯体分子が、貴金属化合物と同等もしくはそれ以上の触媒性能を示すことを見出してきた。例えば、水素分子とを貯蔵および発生することができる、新しい有機ハイドラ
イド法の開発を行った。

等電子構造を有することが知られている、ヒドロシラン

178

KISTEC研究報告2022

【研究開発部】戦略的研究シーズ育成事業2.

応時間 20 時間後において、目的とする生成物のみを定量

研究成果

以下に挙げるのは、令和 3 年度の具体的な研究成果である。

的に与えることも併せて見いだした。

(1) 鉄・ケイ素複合型触媒による水素活用

表 1：鉄触媒 1 を用いた各種末端アルケンの水素化

本研究では、これまでの研究代表者の研究基盤を基に、鉄・ケイ素複合型の分子触媒の開発と、水素分子の活性化を経由したアルケンの触媒的水素化反応の開発に立脚しentry

た研究を行う。まず、かさ高いケイ素配位子として-Si(SiMe3)3 に注目し、この配位子を鉄上に 2 つ有する鉄・

1

ケイ素複合型錯体触媒 1 を図 1 に示す反応に従い、単離収率 89%で合成した。

2

Temp (oC)time (h)Yield (%)

Ph

80

1

>99

Ph

r.t

20

80

80

1

>99

r.t

20

>99

80

20

>99

80

1

>99

80

20

0

80

20

0

r.t.

20

0

r.t.

20

0

r.t.

20

0

r.t.

20

0

Substrate

3

7

4

7

図 1：.鉄・ケイ素複合型錯体触媒 1 の合成

5

研究代表者はこれまでの研究において、鉄中心に 2 つのケイ素部位を配位子として導入することで、貴金属触媒と類似の触媒機能を発現することを見出している。例えば、
図 1 に示す反応から得られる鉄・ケイ素複合型分子 1 は、
ヒドロシランにおける”H-Si”基を効率的に活性化し、カル
ボニル化合物のヒドロシリル化に対し、貴金属触媒と同程度の高活性を示す触媒として機能する。この成果は、普遍

Si

6

Me3Si

7

Ph

O

Si

O
4

O
O

金属中心に対しケイ素部位を導入することで、ヒドロシラ
ンにおける”H-Si”部位を活性化しうる触媒として機能しうることを示唆している。そこで本研究ではまず、この錯
体 1 を触媒として活用し、ヒドロシランにおける”Si-H”結合と等電子構造である”H-H”結合の活性化を経由した、アルケンの触媒的水素化反応の開発を行った。

8

O

9

N

10

まず、アルケンとして末端アルケンである syrene を用いて、鉄触媒 1 による水素化を、トルエン中、80 度の条

11

件下で行った。その結果、1 気圧の水素圧雰囲気下、鉄触媒 1 mol%の存在下においても反応は速やかに進行し、対12応する水素化体である ethylbenzene を選択的かつ定量的に与えることを見いだした。さらにこの反応についてより詳

O 2N

Cl

Br

8

これらの結果より、鉄・ケイ素複合型触媒 1 は、アルケ

細に検討を行ったところ、反応は室温下でも高効率的に進行し、ethylbenzene のみを選択的に高収率で与えることをンの触媒的水素化に対し、高活性を示すことが明らかとなった。そこで次に、他の末端アルケンを活用した検討を行明らかにした。

った。まず両末端にアルケン部位をもつシロキサンを用いた検討を行った（Table 1, entry 5）。その結果、1 気圧の水
素雰囲気下において、反応温度 80 度、反応時間 20 時間で反応は完結し、目的とする水素化体が定量的に得られることを見いだした。この際、2 つのアルケン部位はいずれも水素化された生成物のみが得られる。さらに、シリルエー

図 2：鉄触媒 1 によるアルケンの触媒的水素化の一般式

テル部位をもつ末端アルケンを基質として活用した検討を行ったところ、この場合においても 1 気圧の水素雰囲気

次に、同様に末端アルケンである 1-decene を用いた反応開発へと展開したところ、styrene を基質とした場合と下において反応は速やかに進行し、反応温度 80 度、反応
時間 1 時間で反応は完結し、所望の水素化物のみが定量的

同様に、80 度の条件下において水素化は速やかに進行し、1 時間後において、生成物である n-decane のみを選択的にに得られることを確認した（entry 6）。一方、類似のエーテル構造をもつ末端アルケンを基質として用いた場合に与えた。またこの反応も室温下でも高効率的に進行し、反179

KISTEC研究報告2022

【研究開発部】戦略的研究シーズ育成事業

は、反応は全く進行しなかった（entry 7）。さらに、基質用が必要であったり、Al ヒドリド還元剤などの発火性のとして、pyridyl 基をもつものや、NO2, Cl, Br 基を持つものを用いて、同様の条件下で、触媒 1 による水素化反応をある還元剤の活用が必要であるなど、合成・操作性上の観点から、課題が残されている。これらの現状を鑑み、本研検討したところ、いずれの場合においても水素化反応の進行は見られなかった。これらの結果は、非共有電子対を基

究では、容易に合成・取り扱い可能な鉄触媒 1 を用いて、3, 4 置換アルケンの触媒的水素化の反応開発へと展開し質内に有するもの、換言すると鉄中心への配位性を示す基質を用いた場合は、反応が進行しないことを示唆している。

た。

一方、entry 5, 6 で用いたシロキサンもしくはシリルエーテ
ルにおいては、酸素官能基に隣接したかさだかいシリル基

表 2：鉄触媒 1 を用いた各種多置換アルケンの水素化を有するため、酸素部位からの鉄への配位が阻害されるため、触媒反応が進行したものと考えられる。

entry

これまでの結果より、今回用いた鉄触媒 1 は、配位性部
位を分子内に有しない末端アルケンの水素化に対し、良好

1な触媒活性を示すことが明らかとなった。そこで次に、基質適用範囲の拡大を指向し、多置換アルケンの水素化へと2展開し た。まず、基質と して 2 置換アルケ ンである
trans-stilbene を用いた検討を行ったところ、5 mol%の触媒
1 存在下、1 気圧の水素雰囲気下において、80 度 2 時間の反応条件下で反応は完結し、目的とする水素化体である
dibenzyl のみが定量的に得られた。同様に、基質として
cis-stilebene を用いても、同様の条件下、1 時間で反応は完

Temp (oC)time (h)Yield (%)

Ph

5

2

>99

Ph

5

1

>99

3

5

2

>99

4

5

20

>99

5

2

>99

1

2

>99

7

5

20

>99

8

5

20

19

9

5

20

50

Substrate

Ph

Ph

Ph

結し、生成物である dibenzyl のみを定量的に与える。さらに、2 置換アルケンとして cyclohexene を用いても、

5trans-stilbene と 同 様 の 反 応 条 件 下 で 反 応 は 完 結 し 、cyclohexane を生成物として定量的に与えた。これら一連6の結果より、鉄触媒 1 は 2 置換アルケンの水素化に対しても、高活性を示すことが見いだされた。
そこで次に、より困難であることが知られている 3 置換
アルケンへの本反応の適用を指向した検討を行った。一般にアルケンの触媒的水素化は、アルケンの置換数が増える
ほど困難になることが知られている。中でも、3 置換もし
くは 4 置換アルケンは、水素化が困難な基質であることが知られており、従来法においては、Rh や Ir などの貴金属

PhPh

触媒を用いることで、これらの水素化は達成されてきた。
しかし、これら貴金属触媒を用いても、多くの場合反応効

まず、3 置換アルケンとして、1-methylcyclohexene を用

率が低いことや、触媒活性種が反応途中で失活するなどの課題が残されてる。例えば、末端アルケンの水素化に対しいた検討を行った。その結果、5 mol%の鉄触媒 1 存在下、1 気圧の水素雰囲気、80 度、20 時間の反応条件下で反応高活性を示すため、アルケンの触媒的水素化に有効な均一系触媒として代表的なものとして知られている wilkinson

は定量的に進行し、目的とする 1-methylcyclohexane のみ
を選択的に与えた。本反応は 1 気圧の水素化という非常に触媒 Rh(PPh3)3Cl は、3 置換アルケンの触媒的水素化に対しては低活性を示すのみである。さらに 4 置換アルケンの温和な条件下で進行する点が特徴的である。さらに、他の3 置換アルケンとして、1-phenylcyclohexene を用いた場合、触媒的水素化用触媒として最も汎用される Crabtree 触媒[(cod)Ir(PCy3)(pyridine)]+ (cod = 1,5-cyclooctadine, Cy =1-methylcyclohexene を用いた反応よりも短時間で反応は完結し、目的とする水素化体のみを定量的に与えることを

cyclohexyl)は、4 置換アルケンである 2,3-dimethyl-2-buteneの水素化に対して触媒活性を示すが、触媒反応中に活性種見いだした。さらに、trans--methylstilbene を用いた場合
においては、1 mol%という少ない触媒量においても反応の失活が併発するため、基質の転化率が 40%程度で反応がとまってしまうことが知られている。これらの背景を勘案は進行し、さらに反応時間 2 時間で反応は関係することを明らかにした。これらの結果をふまえて、次に分子内に 2すると、貴金属触媒を用いた場合においても, 3, 4 置換の多置換アルケンの水素化は課題が残されていると位置づ

置換アルケン部位と 3 置換アルケン部位の両方を有する基質を用いた水素化反応を検討したところ、両方アルケン

けることができる。一方、貴金属フリー触媒として、これまでに多置換アルカンの水素化に対して良好な触媒活性部位の効率的な水素化が進行し、5 mol%の触媒存在下、80 度、20 時間の反応条件において、単一生成物を定量的を示す鉄触媒が開発されているが、特殊な補助配位子の活に与えた。この結果は、鉄触媒 1 が多置換アルケンの水素180

KISTEC研究報告2022

【研究開発部】戦略的研究シーズ育成事業た。

化に対して高活性をしめすことを裏付けたものである。さ
らに、より多置換なアルケンとして 4 置換アルケンである
2,3-dimethyl-2-butene を基質として用いた反応を行った。

(2) 独自の水素キャリアの開発に立脚した新しい有機ハイドライド法の開発

その結果、1 気圧の水素雰囲気下の条件においても、原料の転化率 19%で反応が進行し、さらに 10 気圧の水素雰囲

持続可能な未来社会の実現に向けて、石油・石炭等の化気下で反応を行ったところ、転化率 50%で反応が進行する
ことが確認された。以上の結果より、鉄触媒 1 は、多置換

石燃料以外のエネルギー源の、安価で高効率的な活用法の開発は、現代科学における最重要課題の一つである。水素アルケンも含めた多様なアルケンの触媒的水素化に対し、高活性を示すことを明らかにした。

は、低炭素社会の構築を実現するクリーンなエネルギーであり、また多様な一次エネルギーから作り出せるため、資源・環境問題の無い未来社会の実現を可能にするエネルギ
ー源として最も有望であると考えられている。そのため現
在、水素社会の構築に向けた、効率的な水素の貯蔵・運搬に関する技術の開発や、燃料電池に代表される水素のエネルギーとしての活用に関する技術の開発と高度化に関する研究が、世界的に活発に行われている。水素エネルギーの一般社会への広範な普及には、安価で高効率的な水素運搬技術が必要とされる。しかし現状では、現状の水素運搬

図 3：系中で発生させた触媒による水素化反応

以上より、鉄触媒 1 は良好な水素化活性を示すことを確技術が高コストであることが指摘されている
そこで近年、メチルシクロヘキサン（MCH）やアンモ認した。一方、鉄触媒 1 は空気中の酸素および水に対して不安定であるため、取り扱いが困難であるという課題を有ニアなどを水素キャリアとして活用する手法が開発され、注目を集めている。これらの手法は、多量の水素を効率的している。そこで、より取り扱いおよび操作性に優れた触媒系の開発を指向した検討を行った。

に貯蔵・運搬が可能であり、特に大規模な水素貯蔵・運搬において優位性がある。MCH を用いた化学的水素貯蔵・

図 1 でも示した通り、鉄触媒 1 は、FeBr2 と 2 当量のKSi(SiMe3)3 との反応から合成される。さらに、KSi(SiMe3)3

運搬法は、有機ハイドライド法と呼称され、様々な研究が行われているが、多くは、水素発生過程などにおいて多くは、Si(SiMe3)4 と KOtBu との反応から調整される。これらの合成反応は、いずれもほぼ定量的に、かつ室温下・短時のエネルギーが必要とされるという課題を有する。そこで本研究では、次世代エネルギーとして注目を集めている水間では進行することが、これまでの研究代表者らの検討で明らかとなっている。そこで我々は、鉄触媒 1 の原料であ素の効率的な貯蔵・運搬法の開発を指向し、新しい有機ハ
イドライド法の開発も併行して行ってきた。この際の達成

る、FeBr2, Si(SiMe3)4, KOtBu を混合することで、反応系中
で鉄触媒 1 を発生させ、これを触媒として活用することが目標として、1) 貴金属フリー触媒により作動すること、
2) 省エネルギーな条件で高効率に作動すること、を挙げ

可能ではないか、と着想した。
そこで、アルケンとして styrene を用い、5 mol%の FeBr2、研究を行ってきた。
本研究では、2 種の水素キャリア A, B の開発を行った。

10mol%の Si(SiMe3)4、10mol%の KOtBu を混合させ、1 気
圧の水素雰囲気下で水素化反応を行ったところ、80 度、

これらはいずれも常温・常圧で液体であり、輸送性に優れるのに加え、毒性がなく安全、安定性が高く長期保管が可

20 時間で反応は完結し、ethylbenene が定量的に得られることを見いだした。対照的に、FeBr2 のみ、もしくは FeBr2能であるという特徴を有する。水素キャリア A を用いた
場合、ある種の鉄触媒存在下において、温和な条件下で水と KOtBu の混合物、Si(SiMe3)4 と KOtBu の混合物、を触媒として用いた場合には、水素化反応はほとんど進行しな

素発生・吸着が可能であることを見いだした。特に水素発生においては、100 度程度で作動することから、従来法でいことから、FeBr2、Si(SiMe3)4、KOtBu の 3 種を混合する
ことが、反応の進行のためには必須であることが示唆されある MCH を用いた手法と比較しても、省エネルギー性に優れる。

た。すなわち、これらを混合することで、反応系中で触媒1 が発生することで、本反応が達成されたと考えられる。

一方、キャリア B を用いた場合は、ニッケル触媒を用いることで、水素発生・貯蔵が可能である。こちらは、150

この styrene の水素化と同様に、1-decene を基質として用いた場合においても、FeBr2、Si(SiMe3)4、KOtBu の 3 種を度・10 気圧程度での水素吸蔵が可能であるという特徴を有する。さらに、不揮発性であることから、高純度水素の混合した触媒を用いて、1 気圧の水素雰囲気下、80 度、20
時間の反応条件において、反応は定量的に進行することを効率的な活用観点から、優位性のある技術であると位置づけられる。これらの新たに開発した技術について、キャリ確認している。FeBr2、Si(SiMe3)4、KOtBu は、いずれも市販品として入手可能であり、また安定性も高く取り扱い易

ア A を用いた水素貯蔵技術は特願 2022- 23080 として、キャリア B を用いた水素貯蔵技術は特願 2021- 203630 としいものである。すなわち本研究では、取り扱い容易な試薬のみを用いて、アルケンの触媒的水素化反応を開発するこて、いずれも特許出願済みである。

とに成功し、実用性の高い触媒系を構築することを達成し

181

KISTEC研究報告2022

【研究開発部】戦略的研究シーズ育成事業

業 績【原著論文】【特許】

1. Kobayashi, Y., Sunada Y, Iron Disilyl Complex as an(1)国内特許出願

2件(2)国際特許出願

1件

Effective Catalyst for Hydrogenation of Unfunctionalized
Multisubstituted Alkenes, ACS Sustain. Chem. Eng., 10,1078-1082 (2022).

【口頭発表】
1. 伊藤龍好、砂田祐輔、ポリシラン担持コバルト触媒によるアルケンのヒドロシリル化反応、第 67 回有機金
属化学討論会、発表日 2021 年 9 月 7 日
2. 石井玲音、砂田祐輔、ベースメタルを導入した有機ケ
イ素化合物の合成、第 67 回有機金属化学討論会、発表日 2021 年 9 月 7 日
3. 中川峰里、砂田祐輔、配位不飽和鉄(II)錯体における配位子交換、錯体化学会第 71 回討論会、発表日 2021
年 9 月 16 日
4. 伊藤龍好、砂田祐輔、ポリシラン担持コバルト触媒によるアルケンのヒドロシリル化、第 128 回触媒討論会、発表日 2021 年 9 月 17 日
5. 中川峰里、砂田祐輔、配位不飽和鉄(II)ジシリル錯体
における配位子交換、第 9 回 CSJ 化学フェスタ
2021、発表日 2021 年 10 月 19 日
6. 佐藤太一、砂田祐輔、 コバルトジシリル錯体の合成と触媒機能開拓、第 9 回 CSJ 化学フェスタ 2021、発
表日 2021 年 10 月 19 日
7. 小林 由尚、砂田祐輔、鉄触媒を用いた第 14 族水素化
物の脱水素カップリング、第 9 回 CSJ 化学フェスタ
2021、発表日 2021 年 10 月 20 日
8. 伊藤龍好、砂田祐輔、ポリシラン担持コバルト触媒の開発とアルケンのヒドロシリル化への応用、第 24 回
ケイ素化学協会シンポジウム、発表日 2021 年 10 月 28
日
9. 小林 由尚、砂田祐輔、14 族元素配位子を持つ鉄錯体を鍵とする水素化・脱水素化反応の開発、日本化学会
第 102 春季年会、発表日 2022 年 3 月 24 日
10.佐藤太一、砂田祐輔、コバルトジシリル錯体の合成と触媒的ヒドロシリル化への応用、日本化学会 第 102
春季年会、発表日 2022 年 3 月 25 日

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【研究開発部】戦略的研究シーズ育成事業

超高空間分解を実現するナノカーボン光分析装置
研究代表者：慶應義塾大学

牧英之【基本構想】
カーボンナノチューブやグラフェンを用いた光源は、超小型で超高速な光源をシリコンなどのあらゆるチップ上に集積化できることから、本光源を用いることで、従来の電球や半導体光源では実現できない新たな分析装置を開発することができる。本プロジェクトでは、ナノカーボン材料のナノ構造に注目し、従来の光分析での空間分解能の壁を打ち破る、全く新しい高空間分解能の光分析装置を開発する。このような全く新しい高分解能の光分析装置を実現することにより、従来の光分析装置では困難であった微小領域の分析や高分解能のイメージング装置を開発することが可能となることから、化学、物理、材料、バイオ領域といった幅広い分野で利用可能な新しい光分析技術を構築する。令和 3 年度は、多層グラフェン光源チ
ップによる新しい原理の赤外分析技術を開発し、グラフェン光源チップを用いたことで安価かつ小型な赤外分析を可能とするだけでなく、従来のフーリエ変換赤外線分光装置（FT-IR）の空間分解能や理論限界の「回折限界」を超える、極めて高い空間分解能の赤外イメージングを実現した。

１．研究目的
カーボンナノチューブやグラフェンといったナノカー

ェン成長に成功するとともに、それらをシリコン基板上に直接パターニング成長させる方法の開発にも成功してきボン材料を用いたナノカーボン光源は、シリコン基板上に集積可能な、超小型で超高速な光源として期待されている。

た。さらに、量産可能なグラフェンを用いた発光素子のデモンストレーションにも成功するなど、基礎研究から応用

これまでに我々は、カーボンナノチューブやグラフェンを用いた超小型黒体放射発光素子の作製や、これらの発光メ研究まで幅広く光源開発を進めてきた。これらの成果を踏
まえ、令和 3 年度は、多層グラフェン光源チップによる新カニズムの起因の解明に成功するなど、世界に先駆けてナノカーボン材料を用いた光源の開発に成功してきた。特に、しい原理の赤外分析技術を開発し、グラフェン光源チップを用いたことで安価かつ小型な赤外分析を可能とするだ

ナノカーボン光源は、従来の半導体光源や電球などとは異なり、シリコンチップ上にダイレクトに集積できることか

けでなく、従来のフーリエ変換赤外線分光装置（FTIR）の空間分解能や理論限界の「回折限界」（顕微鏡などにおら、従来の光源では実現できない新しい原理や構造の光デバイスやその応用を展開可能である。また、ナノカーボン

いて、光の回折現象によって生じる空間分解能の理論限界。
光の波長に比例することから、波長の長い赤外光では、回

光源は、最高で 1 GHz 以上の超高速変調が可能であることが示されており、これは、従来の熱光源と比べて 100

折限界によって空間分解能が下がる）を超える、極めて高い空間分解能の赤外イメージングを実現した。これらの成万倍以上も高速であることから、従来の熱光源では実現できない新たな機能や原理による光デバイス応用が実現で果に関して、下記に簡単に報告する。

きる。本戦略シーズ育成事業においては、研究代表者が独自に開発してきたこれらのナノカーボン発光素子を用い２．研究成果(1) グラフェン光源による赤外分析技術て、従来のマクロな光源では実現できない全く新しい原理に基づく分析装置の開発を行う。ここでは、新しい分析技

鉛筆の芯などの原料であるグラファイトの一層はグラ術に最適化した構造や性能の光源開発を進めるとともに、それらの実用化も視野に入れ、ナノカーボン発光素子の量フェンと呼ばれ、本研究では、これが多層に積層した多層グラフェンを用いて赤外光源を作製している。ハロゲンラ

産技術の構築を行う。さらに、これまでのナノカーボン光源とは異なる、オリジナリティの高い新たなナノカーボン

ンプなどの赤外光源と違い、半導体リソグラフィー技術を使って、シリコンや石英チップ上に高集積に作製すること

光源の開発も平行して進めることで、全く新しい原理の分析応用を実現する光源技術の開発も進める。

が可能である。今回、新たな赤外分析技術として、サブミ
クロンオーダーの超微小なグラフェン光源チップを開発

本研究に関連し、これまでに我々は、様々なナノカーボ
ン光源の開発やそのメカニズム解明に加えて、最近では、するとともに、この光源を利用した新しい原理の赤外分析により、理論的な回折限界を超える高い空間分解能を有す

高空間分解能分析に向けた超小型グラフェン発光素子の開発にも成功してきた。さらに、光源の量産化に向けた研る赤外分析システムの開発に成功した（図 1-3）。

究としては、従来に比べて少ない工程で安価に量産可能なグラフェン成長法として、固体炭素源による多結晶グラフ

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KISTEC研究報告2022

【研究開発部】戦略的研究シーズ育成事業

図 3：開発した赤外分析装置。本図は、American Chemical Soceitry
からの承諾を得て転載した。

(2) グラフェン光源を用いた赤外吸収スペクトル測
定
グラフェン光源チップは、小型・高速・安価なチップ上の全く新しい赤外光源として、2018 年の Nature
Communications 誌に掲載されるなど、本研究グループが独

図 1：開発したグラフェン光源チップ。本図は、American Chemical
Soceitry からの承諾を得て転載した。

自に開発を続けている新しい赤外光源である。本研究では、最小で 500 nm 角の超小型なグラフェン光源チップを新たに開発した。さらに、この光源に対して測定サンプルを近接させることにより、微小なグラフェン光源チップからの赤外光を利用した新しい赤外分析システムを実現した。多層グラフェン光源は、従来の FTIR でも用いられている赤外熱光源と比べて数千倍も高速に直接変調が可能（１秒間に 10 万回点滅が可能）なことから、本分析システムでは、
グラフェン光源を変調させて赤外分析を行うことにより、高感度分析を実現した。これにより、グラフェン光源は、従来の赤外光源と比べて 100 万分の 1 程度の超微小な光源であるにもかかわらず、現行の FT-IR と同様の赤外分析が可能であることを示した（図 4）。

図 2：グラフェン光源チップを用いた赤外分析技術の概念図。本図は、American Chemical Soceitry からの承諾を得て転載した。

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KISTEC研究報告2022

【研究開発部】戦略的研究シーズ育成事業

図 5：市販の FTIR とグラフェン光源を用いた 2 μm 幅の「5」の形状の Ni パターンの二次元赤外イメージング。本図は、American
Chemical Soceitry からの承諾を得て転載した。
図 4：市販の FTIR とグラフェン光源を用いたポリスチレンの赤(4) グラフェン光源を用いた二次元化学イメージン
グ

外吸収スペクトル測定。本図は、American Chemical Soceitry からの承諾を得て転載した。

特定の化学構造（官能基）に特有の波長でイメージングを行ったところ、物質の化学構造の空間分布を示す化学イ(3) グラフェン光源を用いた二次元赤外イメージン
グ

メージング観測にも成功した（図 6）。

サンプルをスキャンすることで赤外イメージング測定を行ったところ、従来の FT-IR の空間分解能をはるかに超３．まとめと今後の展望える高空間分解能（1 μm）の赤外イメージングも実証した。
また、この高空間分解能は、グラフェン光源自体に生じる本技術は、高空間分解能分析技術である走査型近接場光学顕微（SNOM）とは異なり、高価で大型な波長可変レー近接場（物体表面において波長に比べて十分近い距離に発生する非伝搬光。物質表面に局在するとともに、そのサイザーなどの外部光源やプローブを一切用いることなく、光源自体に生じる近接場を直接用いることで高空間分解能

ズが物体の寸法程度であることから、プローブ先端へのレーザー照射などによって発生させて、光の回折限界を超えを実現しており、新しい原理に基づいた赤外分析技術になる。本技術を用いることにより、可視光並みのイメージン

た顕微鏡技術に応用されている）によって、理論的な限界である回折限界を超える空間分解能が実現されているこグや微小・微量分析を、赤外領域でも安価で簡便に利用できるようになることから、これまで赤外光が利用できなかとも明らかとなった（図 5）。本技術では、グラフェンを用いることで、光源に直接発生する近接場を用いており、った新しい分野で赤外分析が適用できるようになり、全く新しい赤外分析技術を創出することが可能となる。

新しい原理の分析・イメージング技術となる。

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KISTEC研究報告2022

【研究開発部】戦略的研究シーズ育成事業

図 6：グラフェン光源を用いた 50 μm 幅の「6」の形状のフォト
レジストパターンの二次元化学イメージング。本図は、American
Chemical Soceitry からの承諾を得て転載した。

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KISTEC研究報告2022

【研究開発部】戦略的研究シーズ育成事業

業 績
Yutaka Maeda, Kenta Nakagawa & Hideyuki Maki, “Pureand Efficient Single-Photon Sources by Shortening and【原著論文】
1. K. Shimomura, K. Imai, K. Nakagawa, A. Kawai, K.
Hashimoto, T. Ideguchi & H. Maki, “Graphene
photodetectors with asymmetric device structures on silicon

Functionalizing Air-Suspended Carbon Nanotubes”, 第 61回 フラーレン・ナノチューブ・グラフェン総合シンポ

chips”, Carbon Trends, 5, 100100 (2021).

ジウム, On-line, 2021 年 9 月 1 日.

2. Shoma Nakamura, Kota Sekiya, Shinichiro Matano, Yui
Shimura, Yuuki Nakade, Kenta Nakagawa, Yasuaki Monnai,

3. Ryohei Imafuku, Naoto Higuchi, Hiroto Niiyama, Kenta
Nakagawa & Hideyuki Maki, “Efficient and

Hideyuki Maki, “High-Speed and On-Chip Optical Switch
Based on a Graphene Microheater”, ACS Nano, 16,

Narrow-Linewidth Photoluminescence Devices Based onSingle-Walled Carbon Nanotubes and Silicon Photonics”,

2690-2698 (2022).

第 61 回 フラーレン・ナノチューブ・グラフェン総合
シンポジウム, On-line, 2021 年 9 月 1 日.

3. Shinichiro Matano, Hidenori Takahashi, Natsumi Komatsu,
Yui Shimura, Kenta Nakagawa, Junichiro Kono, Hideyuki

4. K. Nakagawa, H. Takahashi, Y. Shimura & H. Maki, “A

Maki, “Electrical Generation of Polarized Broadband
Radiation from an On-Chip Aligned Carbon Nanotube

light emitter based on polycrystalline graphene patterned
directly on silicon substrates from a solid-state carbon

Film”, ACS Materials Letters 626-633 (2022).

source”, RPGR2021 (The 12th Recent Progress in Graphene
and Two-dimensional Materials Research Conference),

4. 牧英之，中川鉄馬，“ナノカーボン材料を用いた光電子
デバイス開発”，炭素材料の研究開発動向 2021，58-69，

On-line, 2021 年 10 月 12 日.

2021 年 6 月.

5. S. Matano, H. Takahashi, N. Komatsu, Y. Shimura, K.
Nakagawa, J. Kono, and H. Maki, “Electrically Driven

5. 牧英之，中川鉄馬，“チップ上光電子デバイスに向けた
ナノカーボン材料”，Nanofiber，第 12 巻 1・2 合冊号，

Broadband Emitter with A Macroscopically Aligned Carbon
Nanotube Film on Silicon Chips”, MNC (Micro Nano

31-36，2021 年 7 月．

Conference) 2021, On-line, 2021 年 10 月 26-29 日.

6. 牧英之，志村惟，中川鉄馬，“ナノカーボン材料を用いたシリコンチップ上光電子デバイス”，光学，第 50 巻

6. 中川鉄馬，高橋英統，志村惟，牧英之，“シリコン基板
上の多結晶グラフェン直接パターニング成長と発光素

第 9 号，379-385，2021 年 9 月.

子化”，第 48 回炭素材料学会年会，On-line，2021 年 12
月 1-3 日.

7. 牧英之，志村惟，中川鉄馬，“シリコンチップ上ナノカ
ーボン光デバイス”，応用物理，第 91 巻第 2 号，86-90，

7. 俣野眞一朗，高橋英統，小松夏実，志村惟，中川鉄馬，

2022 年 2 月.

河野淳一郎，牧英之，“カーボンナノチューブ配向膜を用いた黒体放射光源の開発”，第 48 回炭素材料学会年

8. 大矢秀真，牧英之，中川鉄馬，“カーボンナノチューブ
室温・通信波長単一光子源とチップ上光素子への展望”，
光アライアンス 第 33 巻第 3 号， 25-28，2022 年 3 月

会，On-line，2021 年 12 月 1-3 日.
8. 大矢秀真，河部倫太郎，高木宏，井樋孝行，前田優，
中川鉄馬，牧英之，“カーボンナノチューブを用いた高1. K. Nakagawa, H. Takahashi, Y. Shimura & H. Maki, “A

純度高効率単一光子源の開発”，第 48 回炭素材料学会
年会，On-line，2021 年 12 月 1-3 日.

light emitter based on polycrystalline graphene patterned
directly on silicon substrates from a solid-state carbon

9. 今福諒平，樋口直人，新山央人，中川鉄馬，牧英之，“シsource”, International Conference on the Science andApplication of Nanotubes and Low-Dimensional Materials

リコンフォトニクスを用いた高効率・狭線幅カーボン
ナノチューブ発光素子の開発”，第 48 回炭素材料学会(NT21), On-line, 2021 年 6 月 8-10 日.

年会，On-line，2021 年 12 月 1-3 日.

【口頭発表】

10.S. Matano, H. Takahashi, N. Komatsu, Y. Shimura, K.

2. Shuma Oya, Rintaro Kawabe, Hiroshi Takaki, Takayuki Ibi,

187

KISTEC研究報告2022

【研究開発部】戦略的研究シーズ育成事業

Nakagawa, J. Kono, and H. Maki, “Electrically Driven
On-Chip Broadband Emitter with A Macroscopically
Aligned Carbon Nanotube Film”, MRM 2021 (Materials
Research Meeting 2021), Pacifico Yokohama, Yokohama,Japan, 2021 年 12 月 13-17 日.

188

KISTEC研究報告2022

【研究開発部】戦略的研究シーズ育成事業

光技術を用いた超広帯域テラヘルツオシロスコープの開発
研究代表者：横浜国立大学

片山

郁文【基本構想】
テラヘルツ領域はエレクトロニクスとフォトニクスのそれぞれ得意とする周波数領域のちょうど中間に位置しており、大容量高速通信を担う周波数として注目を集めている。しかしながらこの領域の電磁波は非常に速い速度で変化するために、その電場波形を計測することはこれまでは難しかった。電場波形計測
は、材料の誘電率計測などの物性評価に有用なだけではなく、様々なテラヘルツデバイスの位相雑音評価
や、テラヘルツ領域のダイナミクスの評価、高速なイメージング等に必要である。そこで本プロジェクトでは、このようなテラヘルツ領域の電磁波の波形を、超短パルスレーザーを用いた光技術を活用することによってリアルタイムに計測する技術を確立し、それをファイバー技術と融合することによって、堅牢で高精度・広帯域・高感度なテラヘルツ波形検出技術を開発することを目指している。本稿では、令和 3 年度の成果として、高精度・広帯域なテラヘルツ波形検出の実証に成功したので報告する。

1.

研究目的

することである。そのために、著者らを含めて様々な研

テラヘルツ領域とは、周波数 1012 Hz 程度の電磁波の総称であり、近年科学技術振興機構の戦略プロポーザル[1]究グループが開発してきたシングルショット分光法を改良することによって、高精度・広帯域なテラヘルツ電場

や、総務省の戦略文書[2]などで取り上げられる等、注目を集めている。例えば、光通信分野では、次世代大容量波形計測を実現することを目的とした。さらに、開発した光学系をファイバー化することによって、堅牢なリア通信に用いる周波数として、100 GHz (0.1 THz)や、300
GHz (0.3 THz)などの利用が検討されており、様々なデバ

ルタイムテラヘルツ時間領域分光計を開発し、様々な応用が可能なテラヘルツ領域のリアルタイムオシロスコー

イス技術の開発や、材料特性の評価、応用などが研究されている。また、テラヘルツ領域の電磁波は多くの材質

プを実現することを目指す。本稿ではこれらの取組のうち、令和３年度に実証実験に成功した高帯域・高精度なを透過することから、新たなイメージング周波数領域としても期待されている[3,4]。

シングルショットテラヘルツ検出技術について報告する。

一方で、デバイス開発や分光応用には、電場波形の計測できるオシロスコープのようなシステムが極めて有効

2.

であるが、テラヘルツ領域は極めて高周波数であるた
め、汎用のオシロスコープが存在しないのが現状であレーザーパルス 1 パルスでテラヘルツ領域の時間領域信号を計測する技術は、図 1 に示したように、主に三つ

リアルタイム波形検出技術る。一方で超短パルスレーザーを用いた分光技術はテラヘルツ
領域の電磁波計測を容易にし、現在では、テラヘルツ分光測定技術として、計測器が市販される状況になっている[4]。しかしながら、通常のテラヘルツ時間
領域分光技術では、電場波形の計測に繰り返し測定が必要となるため、不可逆な現象や、突発的な現象をリアルタイムに計測することはできなかった。
本プロジェクトの目的は、このような超短パルスレーザーを用いた時間領域テラヘルツ分光法を高度化し、レーザーパルス
１パルスで、テラヘルツ電場波
形を計測できるシステムを開発

図 1：シングルショット波形検出技術：(a) 斜め交差型。(b) 階段状光学素子を利用する技術。
(c) チャープパルスを利用する技術。

189

KISTEC研究報告2022

【研究開発部】戦略的研究シーズ育成事業

図 2：歪み補正チャープパルスシングルショット波形検出技術：チャープパルスに変調波形を書き込んだ後、位相補償を行ったうえで
チャープパルスとの和周波発生によってスペクトルを読み出すことで、元の変調波形に対応した波形を得ることができる。

の種類が存在する。一つは、図 1(a)のようにテラヘルツ

ペクトルに書き込んだ時間波形が実際の波形から大きく領域の電磁波に対して、斜め、もしくは垂直にプローブ
光を交差させ、テラヘルツの電場によって電気光学結晶

ゆがんでしまう点があった[9]。
そこで本研究では、チャープパルス検出法においても内に生じる屈折率の変化を空間的に検出するものである[5]。この場合、テラヘルツ波とプローブ光との時間差は波形ゆがみなくテラヘルツ波形を書き込める手法を開発し、さらに、ファイバベースの技術の組み合わせを進め

場所ごとに異なることになるので、生じた屈折率変化をカメラに結像させれば、結晶上の位置が時間情報を与えることによって、リアルタイムのテラヘルツ波形検出技
術を実証することを目指した。

ることになる。この手法は、結晶の大きさが時間窓の長さに対応することになるため、あまり長い時間の情報を3.

得ることができない点と、テラヘルツ波を広げたまま電磁波の波形を計測するため、電場強度をかせぐことが難チャープパルス検出法における波形歪みを解消するた
めに、今回提案するチャープパルス検出法の原理を図 2しい点が問題であった。
次に図 1(b)のような、階段状の光学素子を用いる手法にまとめた。通常のチャープパルス検出法では、チャープパルスに直接波形を書き込むため、書き込み過程で生が提案された[6,7]。この手法では、階段状のプリズム、もしくはミラーを透過したプローブ光を電気光学結晶にじたチャープパルスと信号の和周波成分、差周波成分が元のチャープパルスと同じ周波数領域に発生する。この集光し、生じた屈折率変化を検出する。この手法では、
プローブ光を比較的小さく集光することができるため、ため、信号と元のチャープパルスとの干渉が発生し、これによってスペクトルに干渉パターンがのるのが問題で計測したいテラヘルツ波を集光することが可能であり、比較的大きな信号を計測することが可能である。しかしあった。これを解消するために、我々は波形の書き込み過程と読み出し過程を分離し、信号の書き込み直後に位この場合も階段状光学素子の画像をカメラに結像させ、フーリエ面に電気光学結晶を置く必要があることから、

相補正を行い、その後、プローブ光と同様のチャープパ
ルスとの和周波発生スペクトルを検出することで波形歪光学系の精密な調整が必要な点が課題であった。
一方で本研究では、図 1(c)にあるような、チャープパ

みのない変調波形を得ることができる技術[10]をテラヘ
ルツ測定に適用することを提案した。このように二段階ルスを用いる手法を研究している[8]。この手法では、波長ごとに到達時間の異なるチャープパルスと呼ばれるパの変調過程を利用することによって、もともと周波数領域に広がっていた変調成分が、時間領域に広がる形にマルスを用いて、時間情報を波長にマッピングする。これによって、プローブ光のスペクトルを観測すれば、時間

ッピングされており、実際に観測される波形も歪みのな
いものとなる。

情報をシングルショットで計測することができるようになる。この手法の特徴は、波長という光の内部自由度で

図 3 に今回構築した実験系の概略図を示す。光源としては、パルス幅 150 fs、繰り返し周波数 1 kHz、出力 1.9

時間情報を検出することから、回折限界まで集光可能であること、時間窓幅を、チャープ量を変えることで可変

W、波長 800 nm の Ti: sapphire 再生増幅レーザーを用いた。用いたレーザーの出力は、ポンプ光とプローブ光ににできること、また、ファイバー技術などと融合することにより、高速なスペクトル読み出しが可能であること分けられ、ポンプ光はテラヘルツ波発生用の有機非線形
結晶 BNA に照射し、テラヘルツを発生させた。プローなどがある。一方で本手法の重大な問題点としては、ス

ブ光は、回折格子対を用いたパルス幅伸長器を通し、正190

テラヘルツ波形検出の原理

KISTEC研究報告2022

【研究開発部】戦略的研究シーズ育成事業

図 3：歪み補正チャープパルスシングルショット波形検出実験系：分散補償には、回折格子対を用いた位相制御技術を用いた。

の分散を付与し、試料位置で光やテラヘルツ波による変測したテラヘルツ波形と、シングルショットではなく通調を可能とした。書き込み（変調）後に波形歪みが生じないように負分散を持つ回折格子対で位相を制御したう

常のステージ掃引を用いる手法で測定したテラヘルツ波
形の測定結果についても示した。図 4 を見ると明らかなえで、読み出し用のチャープパルスとの和周波発生を行い、得られたスペクトルから波形を検出した。和周波発

ように、従来の手法では大きな波形歪みが観測されており、通常のステージスキャン法と全く異なる波形が得ら

生には、BBO を用いた。スペクトルは 50 cm の分光器で波長を分散させ高速リニアセンサで検出した。

れてしまっている。一方で、我々の提案した書き込み過程と読み出し過程を分離し、位相補正を行う手法においまた、今回の測定では、検出感度を高めるために、EO
結晶の前後に偏光子を設置し、クロスニコル配置とし、ては、観測されるテラヘルツ波形は、ステージ掃引を用いる方法とほぼ同等であることがわかる。このように、その間に挟んだλ/4 を微小に回転させることで、検出感度を最大限向上させる試みも行った。このような手法は

本提案技術は、テラヘルツ領域の電磁波の可視化に極めて有望な技術であると言える。

位相オフセット法と呼ばれているが、これによって、テラヘルツ波形検出系を高感度化することができる。

4.

図 4 に典型的に得られた、テラヘルツ電場波形計測結果を示す。参考までに従来の波形補正をしない手法で計3 章で述べたように、位相オフセット法を用いることによって、高感度なテラヘルツ波形検出が可能となっ窓幅可変性・検出帯域

図 4：位相補正シングルショット波形検出技術実証結果：(a) 位相補正を行ったテラヘルツは検出波形。四半波長板(QWP)の角度を±3°に設定した際の波形を示した。(b) 位相補正を行わない、従来のテラヘルツ検出波形。(c) 正負の波形の差分を取った波形。(d) 通常のステージ掃引法で得られた波形との比較。(e) 検出された波形のフーリエスペクトル。

191

KISTEC研究報告2022

【研究開発部】戦略的研究シーズ育成事業するポンプ光・プローブ光の偏光配置によって、3
THz から 4 THz 程度のポラ
リトン振動が観測されることが分かっている。
図 5(c), (d)は、観測された、ポラリトン振動の振動波形とスペクトルを示している。まず振動波形を見るとわかるように、ポンプパ
ルスが入射すると、偏光の変化が誘起され、その時間波形には振動する成分が観測されることがわかった。
この時間波形から、時間原点近傍の成分を差し引きフーリエ変換したところ、偏光配置によって観測された
信号は 3 THz、4 THz のフォノンポラリトンであることが分かった。このこと
図 5：LiNbO3 単結晶における光誘起偏光回転の測定結果：(a) 窓幅 8 ps の場合の時間波形。位相補正を行った場合と行わなかった場合の波形を示した。(b) 窓幅 20 ps の場合の測定結果。位相補正することで、窓幅に関わらず歪みのない波形が得られている。斜め交差型。(c) 結晶軸に対して偏光配置を変えて測定した結果。偏光によって波形が異なることがわかる。(d) (c)で得られた結果のフーリ
エスペクトル。

は、今回構築した波形補正の技術が少なくとも数 THzの周波数領域にまで適用可能であることを示唆している。したがって、本提案技
術は、高感度かつ広帯域にた。一方で、シングルショットのテラヘルツ分光技術が実応用を見出すためには、その特徴である、窓幅可変性

テラヘルツ領域の波形検出を実現できることがわかる。

やファイバー技術との融合についても調べていく必要がある。そのためにまず、書き込み・読み出し用のチャー

5.

プパルスと位相補正用の回折格子対、などの分散を変えながら、変調信号の現れ方を調べた。

ングルショットテラヘルツ検出技術（図 1(b)）を用いた
リアルタイム波形検出の応用について紹介する。実験で

図 5(a), (b)にその結果を示す。ここでは、光励起によって生じる偏光回転を測定する実験配置を取った。この実は、反射型エシェロンと呼ばれる階段状の光学素子を用いた図 6(a)のような光学系を用いた。この実験では、レ

験では、チャープパルスのチャープ量、すなわち窓幅を変更した場合、位相補正においてもチャープ量を変化さーザー加工の初期過程において重要な寄与をもたらすと考えられる電荷分離過程から生じるテラヘルツ波の検出せる必要があるため、これらの調整に時間がかかり、二つの実験で完全に同じ実験条件とすることが難しい。こを試みた。レーザー加工では、光パルスの照射と共に、表面の形状が変化していくため、レーザー1 パルスごとのため、これらの観測される波形には微妙に違いが見られるが、おおむね同様の信号が異なる窓幅でも観測できの波形を検出することが極めて重要となる。一方で、レーザー加工初期過程からのテラヘルツ波は電場強度が小ていることがわかる。これはチャープパルスを用いた検出法が広い窓幅範囲を連続的に調べることのできる手法

さいため、感度を向上させるために、前節でも用いた位
相オフセット法を採用した。

であることを示している。
次に、今回提案しているシングルショット検出手法のフェムト秒レーザー加工は、フェムト秒レーザーの応用として最も重要なものの一つであり、非接触に高い精

広帯域性の実証を目指した。現状のテラヘルツ検出では、検出帯域が電気光学結晶として用いている ZnTe で度で加工することが可能であり、加工対象を選ばず、高精度な加工が実現できることから、筐体などの加工か制限されてしまうため、図 5(a), (b)と同様に、光パルスを照射した際に生じる偏光回転を検出する実験系を用い、ら、インフラの塗装や錆の除去、表面改質による機能性の付与や性能改善など、様々な応用が盛んに研究され、その時間波形を計測することを試みた。試料としては高周波数にポラリトン分枝を持つことが知られている

有効性が実証されている。これらの応用には高精度かつ高効率な加工が重要であるが、現状のレーザー加工で

LiNiO3 単結晶を用いた[11]。この結晶においては、入射は、加工深さの制御や、加工効率（スループット）の向

リアルタイム波形検出の応用
最後に、今回開発した技術ではないが、一世代前のシ

192

KISTEC研究報告2022

【研究開発部】戦略的研究シーズ育成事業

図 6：LiNbO3 単結晶における光誘起偏光回転の測定結果：(a) 窓幅 8 ps の場合の時間波形。位相補正を行った場合と行わなかった場
合の波形を示した。(b) 窓幅 20 ps の場合の測定結果。位相補正することで、窓幅に関わらず歪みのない波形が得られている。斜め交差型。(c) 結晶軸に対して偏光配置を変えて測定した結果。偏光によって波形が異なることがわかる。(d) (c)で得られた結果のフーリ
エスペクトル。[12] Copyright 2022, Optica Publishing Group. All right reserved.

上が課題であった。これらを実現するためには、加工プ

度でテラヘルツ波形を得ることができることを示した。

ロセスをモニタリングし、かつメカニズムを理解した上で、パルスごとに加工を制御する必要がある。そこでまた、リアルタイムテラヘルツ波形計測が、レーザー加工の初期過程のモニタリングに応用可能であることが分

我々は、テラヘルツ波の検出がフェムト秒レーザー加工の初期過程の理解に重要であるとの観点から、レーザー

かった。今後は、本技術の高度化を進めるとともに、シングルショット技術の応用展開をさらに進め、テラヘル

加工時のテラヘルツ波をパルスごとに検出することを試みた[12]。

ツオシロスコープ技術の確立を目指したい。

フェムト秒レーザー加工時に発生するテラヘルツ波については、すでに報告があるが[13]、パルスごとの計測【参考文献】

はこれまでに実現されていない。図 6(b)は実際に今回の測定系で計測したテラヘルツパルスの電場波形である。

度化に向けた無線・光融合基盤技術」、2022 年 3 月。
2. 総務省、「Beyond 5G 推進戦略 －6G へのロードマップ

これはレーザー１パルスで測定したものであるが、高い
信号雑音比で波形検出が行えていることがわかる。(c)は－」、2020 年 6 月。
3. E. Castro-Camus et al., Appl. Phys. B 128, 12 (2022).

この信号をフーリエ変換したものであるが、数 THz までの帯域の信号が得られている。さらに、このテラヘルツ

4. 斗内政吉編、「テラヘルツ波産業創成の課題と展望」、
シーエムシー出版、2022。

波形の励起密度依存性やパルス数依存性を測定すること
で、放射テラヘルツ波の電場波形が徐々に変化してお5. M. Bonn et al., Opt. Lett. 25, 426 (2000).
6. G. P. Wakeham et al., Opt. Lett. 25 505 (2000).

り、その形状がレーザー加工量との相関を持つことも分かった。これらのことは、リアルタイムのテラヘルツ計

7. Y. Minami et al., Appl. Phys. Lett. 103, 051103 (2007).
8. Z. Jiang et al., Opt. Lett. 23, 1114 (1998).

測がレーザー加工のモニタリングに有効であることを示す結果である[12]。

9. I. A. Shkrob, et al., J. Appl. Phys. 96, 25 (2004).
10.P. Suret et al., Nat. Commun. 7, 13136 (2016).

6.

11.T. Kuribayashi et al., J. Appl. Phys. 123, 174103 (2018).
12.R. Tamaki et al., Opt. Exp. 30, 23622 (2022).

1. JST CRDS、戦略プロポーザル「次世代通信技術の高まとめ

13.S. Tani et al., Proc. SPIE 10252, 102520H (2017).

以上のように、位相補正も加えた新たなシングルショ
ットテラヘルツ時間領域分技術の開発に成功し、高い精193

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業 績【口頭発表】
1. 笠井 達基、玉置 亮、浅井 岳、秦 大樹、久保 肇、
片山 郁文、「光加工プロセスにおけるテラヘルツ放射のシングルショット計測」、応用物理学会秋季学術講演会（2021 年 9 月、オンライン）
2. 玉置 亮、笠井 達基、浅井 岳、秦 大樹、久保 肇、
片山 郁文、「フェムト秒レーザー加工におけるテラヘ
ルツ放射計測」、OPJ 日本光学会年次学術講演会（2021 年 10 月、東京）
3. 玉置 亮、笠井 達基、浅井 岳、秦 大樹、久保 肇、瀧川 雄一、片山 郁文、「フェムト秒レーザー加工におけるテラヘルツ放射の CEP 解析」、日本物理学会年
次大会（2022 年 3 月、オンライン）
4. 笠井 達基、玉置 亮、浅井 岳、秦 大樹、久保 肇、瀧川 雄一、武田 淳、片山 郁文、「テラヘルツ波放射を用いたレーザーアブレーション初期過程における電荷分離ダイナミクスの可視化」、応用物理学会春季学術講演会（2022 年 3 月、相模原）
5. 玉置 亮、鈴木 雅史、武田 淳、片山 郁文、「分散補
償チャープパルス分光法によるシングルショット超高速応答計測」、応用物理学会春季学術講演会（2022 年
3 月、相模原）
6. 鈴木 雅史、玉置 亮、武田 淳、片山 郁文、「分散補
償チャープパルス分光法による強誘電体フォノンポラ
リトンの観測」、応用物理学会春季学術講演会（2022
年 3 月、相模原）
7. 片山 郁文（招待講演）、「フェムト秒レーザー加工初期過程におけるテラヘルツ放射」、多元技術融合光プ
ロセス研究会（2022 年 3 月、オンライン）【特許】(1)国内特許出願

１件(2)国際特許出願

０件

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ゲノム構築技術による創薬研究基盤の開発
研究代表者：東京工業大学 相澤康則【基本構想】
相澤研究室では世界に先駆けて、ヒトゲノムを大規模に改変できる技術を開発している。このゲノム工学技術は、ノーベル賞を受賞したゲノム編集技術単独では不可能なヒトゲノム改変を可能とすることから、
本新法を使って創出されるヒト細胞は画期的な創薬研究の基盤となると期待されている。また相澤研は、世界で初となる真核生物ゲノムの全合成プロジェクトに日本から唯一に参加し、世界水準のゲノム合成技術を培ってきている。本研究プロジェクトでは、これらゲノム工学技術を活用して、２つの新しい創薬プ
ラットフォームの構築を目指している。１つめは疾患モデル iPS 細胞の開発である。健常者 iPS 細胞のゲノムを改変し、疾患原因遺伝子に実際の患者に見られる変異を導入した iPS 細胞を人工的に作るプロジェ
クトである。疾患に見られるゲノム変異を導入した人工ヒト細胞は疾患原因解明や新薬探索に活用できる。
本研究では、ある神経性疾患のモデル iPS 細胞の作成を通して本実験系を開発する。２つめは新型コロナウイルスに対する創薬基盤技術の開発である。相澤研の長鎖 DNA 合成技術を活用して SARS-CoV-2 人工ゲノムを構築し、来るべきウイルスパンデミックに備えるために本感染症に対する高速並列型の新薬探索シ
ステムにつながる基盤技術を開発する。本研究によって県内の創薬研究開発をさらに活性化させ、バイオ
スタートアップ企業が神奈川から次々と生まれる未来創造に貢献する。

１. 研究目的景の差異は大きく軽減される。そのため疾患モデル細胞は、遺伝子変異の影響を調べる上で便利な細胞となり、疾患原

本研究では、ヒトゲノム大規模改変技術を活用して、２因解明や新薬探索を加速させるメリットがある。本研究では相澤研が開発した大規模ゲノム改変技術（Universal

つの創薬プラットフォームを構築している（図１）。

Knock-in System 法；UKiS 法；図２；7 月 13 日に Nature
Communications 誌への正式な論文受理）を活用し、遺伝性疾患のモデル iPS 細胞を開発している１。
２つめの創薬プラットフォーム開発では、新型コロナウ
イルス感染症に対する創薬技術の開発を目標としている。
依然として収束が見えないコロナ禍における社会貢献だ
けでなく、今後世界を再び混乱に陥れるような別種ウイル
スによる感染症に対する迅速な技術的対応を可能にすべく、本プロジェクトではコロナウイルス人工ゲノム構築のルーチン化を目指している。ウイルスゲノム全合成の基盤技術を確立することで、ウイルス全般による感染症に対する創薬技術基盤の確立を目指している。
図 1：本研究プロジェクトの概要。

プロジェクト１年目となる 2021 年度は、以下の３つの研究項目を推進した：

１つめは疾患モデル細胞の開発である。疾患モデル細胞(1) ゲノム構築技術を活用した疾患モデル iPS 細胞の作製とは、健常者由来細胞のゲノムを改変し、遺伝性患者に実際に見られる変異をゲノムに導入したヒト細胞株を指す。

本年度は、ある脳神経系の遺伝性疾患（以下、疾患 X；）

現在 iPS 細胞を活用した創薬研究が成果を出し始めているものの、健常者由来 iPS 細胞と患者由来 iPS 細胞は遺伝の患者によく見られるゲノム変異をもつ iPS 細胞の作成を目指した。疾患 X の原因遺伝子として知られている遺的背景が異なるため、それらの比較による創薬探索には元々困難なものであり、それを克服するために、多くの iPS
細胞検体を用意する必要がある。しかし疾患モデル細胞は、健常者細胞に注目する遺伝子変異を導入するものである
ため、それ以外のゲノム領域は完全同一であり、遺伝的背伝子 Y の部位に特異的に、疾患特異的な変異の導入を試みた。（なお、特許出願前のため疾患名および遺伝子名を伏せておく）(2) 疾患 iPS モデル細胞の神経前駆細胞への分化(1)で作成する疾患モデル iPS 細胞の機能特性を評価する

195

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【研究開発部】戦略的研究シーズ育成事業

ための実験系の確立を目的とし、コントロールとなる健常

本ゲノム合成では、相澤研ですでに確立している長鎖者由来 iPS 細胞の神経細胞への分化を実施した。

(3) 新型コロナウイルス人工ゲノムの構築

DNA 合成技術を活用する。相澤研は、約 1,200 万塩基対もの長さの出芽酵母ゲノムの全合成を推進している国際

コロナウイルス SARS-CoV-2（武漢型）を対象に、その一部を改変した人工ゲノムの合成を目標とした（図３）。

コンソーシアム Sc2.0 に日本から唯一参加している研究グ
ループであり、これまでに出芽酵母の最も長い第４染色体

本改変を施すことで、本ゲノムをヒト細胞に導入しても最終的にウイルス粒子を作らないため、この人工ゲノムを使（150 万塩基対）の全合成を米国グループの共同で完了している。この国際共同研究で培った長鎖 DNA 合成技術のった感染経路の解明研究や治療薬の開発には、バイオセー
フティーレベル 3 の施設を使う必要がなく、より多くのユ

一つ、ギャップリペアークローニングを全長 3 万塩基対のコロナウイルスゲノム全合成においても活用する（図４）。

ーザーの使用が可能となる。

２. 研究成果
以下に挙げるのは、令和３年度の具体的な研究成果である。ほぼ計画通り順調に進んでいる。

(1) ゲノム構築技術を活用した疾患モデル iPS 細胞の作製
図 2 に示した UKiS 法を用いて、健常者由来 iPS 細胞に対して２段階の相同組換えを介して、遺伝子 Y への変異導入を試みた。UKiS 法の２段階目で実施したセルソート
後に得られた iPS 細胞クローンをそれぞれ拡大培養した
のち、それぞれのクローンからゲノム DNA を抽出した。
これらゲノム DNA を鋳型に、今回変異を導入したゲノム部位を挟むように PCR を実施して、期待する変異が入っているかどうかを検証した。得られた４クローン細胞に対

図 2：UKiS 法の概要１。２段階の相同組換えによって、狙ったゲノム領域の両アリルを好きな配列に置換が可能である。

する PCR の結果を図５に示す。

図 3：本研究対象のコロナウイルスゲノムの概略図。実際は、一部のゲノム部位を改変したゲノムの全合成を進めている。

図 5：４種類の iPS 細胞クローン（#4、#6、#9、#16）と、改変前の iPS 細胞から抽出されたゲノム DNA に対する PCR の結果。

左と真ん中のゲルで電気泳動したサンプルは、改変前のiPS 細胞ゲノムを用いた場合に増幅が起こる PCR 産物であり、これらゲル上では、改変前 iPS 細胞に相当するレーンでのみ増幅が起きている。一方、右のゲルでは、期待する変異導入に成功していることを示す 1,400 塩基対くらいの PCR 産物が確認できていた。この結果から、本年度の実験により、疾患 X のモデル細胞が４クローン得られたことになる。
この疾患 X モデル細胞開発の過程では、UKiS 法でもちいるプロモーターの最適化も実施した。UKiS 法の１段階
目でターゲットゲノム部位に挿入する UKiS マーカー遺伝
子がより安定に発現するように、新しいプロモーターを今

図 4：本研究で用いる長鎖 DNA 合成法（ギャップリペアーク
ローニング）の概略図。末端が同じ配列を持つ 9 本前後の DNA
断片と、YAC-BAC ベクターを同時に酵母に導入することで、一気に全 DNA 断片が連結される。連結されたベクターは大腸菌に形質転換して大量調製するスキームである。

回開発した。
これまで使っていた全長約 210 塩基対のプロモーターの代わりに、
全長約 2,500 塩基対のプロモーターを使って、

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KISTEC研究報告2022

【研究開発部】戦略的研究シーズ育成事業

遺伝子 Y のターゲット領域の両アリルを UKiS マーカー遺カー遺伝子（POU5F1 および NANOG）の発現は７日後細伝子に置換した iPS 細胞を薬剤選択により得た。これら細胞を 13 日間連続で培養し、その結果マーカー遺伝子であ胞では失われた一方、４種類の NPC マーカー遺伝子（NES、PAX6、SOX1、SOX2）の発現は７日後に顕著に増加している GFP および RFP の発現を消失した細胞の割合をセルソーターで解析した（図６）。その結果、期待通りに新しいることが、確認された。
令和４年度では、NPC をさらにニューロンやアストロ

プロモーターで転写されるマーカー遺伝子は両アリルにおいて、13 日後もほぼ 100%安定に発現していることが確

サイトに分化させるプロトコールも導入し、本研究で作成する疾患 X モデル細胞の活用事例を増やし、創薬研究で認された。これまでの 210 塩基対のプロモーターでは、13日後には 50%以上の細胞で GFP マーカー遺伝子の発現がの有用性を示せるようなデータの蓄積を計画している。

優位に消失してしまっていたことから、このプロモーターの有用性は顕著であった。

(3)新型コロナウイルス人工ゲノムの構築
本プロジェクトで合成するコロナウイルスゲノムは武漢型の塩基配列を有するものをベースに設計されている（図８）。上述のように、バイオセーフティーレベル 2 の施設でも本ゲノムを使った研究開発が可能になるように、ヒト細胞の感染に不可欠なスパイクタンパク質部分を改変し、その安全性を下げる工夫がされている。また、実際のコロナウイルスは RNA ゲノムを有するため、本プロジ
ェクトでは、コロナウイルスの塩基配列を有する長鎖DNA を合成した上で、それをインビトロ転写することでゲノム RNA を調製する実験系の構築を進めている。

図 6：UKiS マーカー遺伝子を発現させるためのプロモーターの最適化。FACS によって、マーカー遺伝子である GFP および
RFP を発現している細胞比の変化を解析した。

(2) 疾患 iPS モデル細胞の神経前駆細胞への分化
本年度開発できた疾患 iPS 細胞の有用性を評価する実験の準備として、未分化 iPS 細胞を神経前駆細胞（NPC）

図 8：コロナウイルスゲノム合成のスキーム。約 50 種類の数百
塩基対の DNA 断片を３段階で連結し、全長ゲノム断片を得る。
図の一部を伏せてある。

に分化させる実験系の導入を行った。専用培地に交換後、７日間毎日培地交換を行った後、細胞から全 RNA を抽出

以上のようなコンセプトで設計された人工コロナウイ
ルスゲノム DNA は図８に示すように、短い DNA 断片をし、６種類の遺伝子に対する定量 RT-PCR を実施した。その結果図７に示すように、期待通りに２種類の未分化マー

３ステップで段階的に連結することで合成するスキームを採用した：①：ウイルスゲノムの DNA 断片（300-900 塩基対長）
を 2 本あるいは 3 本ずつ混ぜ、オーバーラップ PCR によって連結させた。これら短い DNA 断片は、ウイルスゲノ
ム上では隣り合った配列に相当しているため、連結によって 1,000-2,000 塩基対長のウイルスゲノム断片が得られた。
得られた連結 DNA は全てクローニング後、配列確認して期待するウイルスゲノム配列であることを確認している。
②：第１段階で得られた断片のうちウイルスゲノム上で隣り合ったものを 2 本ずつ混ぜ、さらなるオーバーラップ
PCR によって連結を試みた。その結果、全ての PCR 後に期待する長さの DNA 断片が得られたため（図９）、それらをプラズミドにクローニングし、配列確認を行った。

図 7：定量 RT-PCR による iPS 細胞の神経前駆細胞への分化評
価実験。

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KISTEC研究報告2022

【研究開発部】戦略的研究シーズ育成事業

図 9：第２段階後に得られた 11 本の DNA 断片をアガロース電
気泳動解析の結果。

めている。
その結果、前ページの図中で三角括弧（<>）内に示す

図 10：ジャンクション PCR による DNA 断片連結評価実験。
３つのクローンで９つのジャンクションで期待する連結が起きていることが確認された。図の一部を伏せてある。

塩基数で、コロナウイルスゲノム配列（武漢型）と異なる塩基がそれぞれの DNA 断片で確認された。そのため、これら塩基対は全てプラズミド上で塩基置換法によって改変し、全て武漢型の配列へと修正を行った。
③：第２段階で配列修正を完了した DNA 断片を、
YAC-BAC ベクターと共に出芽酵母に細胞導入することで３. 今後の展望
開発項目①： ゲノム構築技術を活用した疾患モデル
iPS 細胞の創出とその活用

ギャップリペアークローニング法によって全 11 種類のDNA 断片を同時に連結させ、最終目的である人工ウイル

疾患 X に見られる遺伝子変異は多種多様であるため、スゲノム（SARS-COV-2_ver1.0）の作成を試みた。このゲノムの上流下流にはそれぞれプロモーターとポリ A 付加

令和４年度は、３年度に確立した技術基盤を活用し、別のタイプの疾患 X モデル iPS 細胞株を作製し、疾患 X でのシグナルがつくように YAC-BAC ベクターを加工してある。YAC-BAC ベクターのバックボーンにあるカナマイシ

創薬研究開発での細胞株レパートリーを充実させる。これまでのところ最低合計７種類の細胞株を作製する。

ン耐性遺伝子によって薬剤選択を行い、66 個のコロニーが得られた。

一方で、疾患 X が脳神経系疾患であることから、モデル iPS 細胞を様々な神経細胞へ分化させて、その細胞機能

これら全コロニーに対して、ジャンクション PCR を実施し、第３段階目で YAC-BAC ベクターと混ぜた 11 種類を調べることも計画している。仮説通りであれば、疾患 X
発症の原因だと考えられている変異を導入した iPS 細胞の DNA 断片全てが正しい方向で連結しているクローンの選別を実施した。まずはゲノム配列に中央に相当する#5では、疾患 X から予想される表現型を示すことになる。
もしそうなれば、本疾患モデル細胞は直ちに疾患発症メカと#6 の DNA 断片の境界を増やす PCR をまずは行ったと
ころ、66 クローンのうち８クローンで期待する長さのニズムの解明に向けた研究での貴重な資源であることの証明となる。

PCR 増幅が確認された。そこでこれら８クローンに対して、残りの 9 境界に対する PCR 増幅テスト（ジャンクシ

そこでこの実証に向けて研究を加速させるために、細胞の機能解析を多角的に実施し、本疾患モデル iPS 細胞の学

ョン PCR）を実施し、1 断片全てが設計通りの順番で連結しているかどうかを調べたところ、３クローンで PCR 増術的優位性と産業的有用性を実証するための共同研究を加速させる。現時点では３大学との共同研究実施に向け協幅が確認されたことから、これら３クローンでは 11 種類の DNA 断片が全て期待する順番で連結している可能性が議を開始している。各大学とはそれぞれ異なる観点から、疾患 X モデル細胞に対する解析を実施できることから、示された（図９）。
以上の結果から、SARS-CoV-2 ゲノム全合成を本年度中

本細胞の新しい有用性を明らかにできると期待される。

に完了することができた。
その後令和３年度ではさらに、得られた YAC-BAC ベク

開発項目②：新型コロナウイルスに対する創薬スクリーニング系の開発

ターを大量調製する実験系の構築に進んでいる。これまでの結果から、図 4 に示したように酵母で作った YAC-BAC

上述のように、当初予期していなかった「コロナウイル
スベクターの大量調製の失敗」は、新しい知財獲得に繋がベクターを大腸菌で大量調製することを試みたが、定法では不可能であることが判明した。その後、様々なアイデア

りつつある。ここで得られた新しいゲノム DNA 調製のための方法論は、コロナウイルスゲノムの合成のためだけのを試し現時点ではその最適実験スキームの確立に成功しているため現在、特許出願に向けた実験データの取得を進ものではなく、他の数万塩基対長のウイルスゲノムの合成にも優となる可能性を秘めている。すなわちこの知財は、

198

KISTEC研究報告2022

【研究開発部】戦略的研究シーズ育成事業

今後また起こるであろうウイルスパンデミックに備えるための重要な知財となる可能性がある。そのため当初の計画にはない項目ではあるが、このウイルスベクター大量調製のための方法の特許出願にむけた実験実施にも注力していく予定である。
この実験と並行して、合成したコロナウイルス人工ゲノ
ムを実際にヒト細胞に導入し、コロナウイルスの感染プロ
セスが実際に誘発されるかどうかという、本来計画していた検証実験も進める。感染プロセスの一部でも誘発される
ようであれば、そのプロセスを阻害する薬剤スクリーニン
グに活用するための研究開発も予定通り進める。

【参考文献】
１.Tomoyuki Ohno, Taichi Akase, Shunya Kono, Hikaru
Kurasawa, Takuto Takashima, Shinya Kaneko and Yasunori
Aizawa. Nature. Communications., In press.

199

KISTEC研究報告2022

【研究開発部】戦略的研究シーズ育成事業

業 績【口頭発表】
1. （招待講演）相澤康則
ゲノム構築技術開発のロードマップ
JBA「発酵と代謝」研究会、2021 年 7 月 21 日、
オンライン
2. （招待講演）相澤康則
ヒトゲノム大規模改変プラットフォームの開発
第 12 回中分子創薬に関わる次世代産業研究会、2021
年 8 月 27 日、オンライン
3. （招待講演）相澤康則「アーキテクツゲノム」を活用した再生・細胞医療破
壊的イノベーション！
BioJapan 2021、2021 年 10 月 13 日、パシフィコ横浜
4. 相澤康則、大野知幸、倉澤光
ヒト染色体上でのレトロエレメント欠損解析
日本人類遺伝学会第 66 回大会、2021 年 10 月 16 日、パシフィコ横浜
5. 相澤康則、大野知幸、倉澤光
ヒト細胞ゲノム大規模改変技術の開発とその応用
第 73 回 日本生物工学会大会、2021 年 10 月 26 日、オンライン
6.

Yasunori Aizawa
Pilot Project Update 2021
GP-write 5.0、2021 年 10 月 21 日、On-line

7. 倉澤光、石津由紀、駒崎里奈、宇野愛海、冨塚一磨、鈴木輝彦、大亀祐介、高田修汰、相澤康則
染色体工学技術応用（21）：細胞増殖に必須なゲノム領域の定量探索法とそのヒト iPS 細胞への応用
第 44 回日本分子生物学会、2021 年 12 月 3 日、パシフィコ横浜

200

KISTEC研究報告2022

【研究開発部】戦略的研究シーズ育成事業

化学ボロフェンによるフレキシブル素子の開発
研究代表者：東京工業大学 神戸徹也【基本構想】
本プロジェクトは、ホウ素単原子層かららなる材料「化学ボロフェン」の応用展開を開拓することで既存の二次元材料を凌駕する機能およびデバイスの創製を目標としている。
ホウ素は多彩な化学構造を取り得る元素として魅力的である。なかでも単原子層からなる物質（ボロフェン）はグラフェンには無い二次元機能が発現できる新材料として期待されている。本研究ではこのボロ
フェンに相当する新物質およびその類縁体(化学ボロフェン)の液相での合成法を開発し、二次元構造に基づく特殊な機能を発現できる新材料として提案することを目指す。
この研究において化学ボロフェンは液相で分子から合成する。これにより元素種の変更などによるバリ
エーション構築し物性のチューニングや機能の付与を行う。化学ボロフェンによる液晶機能について特に着目して研究する。これは二次元の単層ホウ素構造が発現できる物性であり、無機物として初の熱駆動できる液晶としての特性を有する。これを活かした新規デバイスの構築を目指す。

1.

(2) 化学ボロフェン類縁体バリエーションの開発

研究目的

炭素の単原子層からなる物質はグラフェンとよばれ、極めて高い物理強度やディラック電子系に基づいた特異物(3) 化学ボロフェンと低分子との複合性から基礎科学だけでなく応用分野でも注目されてきた。
近年になり構成元素を変えた単原子層物質が Xenes と(1)は本研究の基礎となる化学ボロフェン結晶の合成手法を確立し、化学ボロフェンによる液晶機能の発現を目指して報告され始めている。これは 13-16 族の元素を用いた合成が可能であり、ケイ素によるシリセン、ゲルマニウム

したものである。(2)は化学ボロフェン積層結晶のバリエー
ションを層間の金属を変更することで増やすものである。

によるゲルマネン、スズによるスタネンなどが有名である。
これらは完全な平面構造ではなく屈曲した構造を有して(3)は本研究で開発した化学ボロフェン液晶に低分子を反応させることで、液晶相の低温化を可能にしたものである。

いる。こうした Xenes の中でホウ素からなる単層物質がボロフェンとよばれている。炭素と異なりホウ素は sp2 混成2.

軌道において電子が不足しているため、単原子層の構築において 3 中心 2 電子結合などの結合状態が存在し、そのた以下に挙げるのは、2021 年度の具体的な研究成果である。

め二次元材料に空孔が存在するなど、グラフェンには無い
物理特性が研究されてきた。しかしながら気相蒸着等で合(1) 化学ボロフェン液晶の合成成されるボロフェンは不安定であり、材料としての利用は見込めないとされていた。

素-ホウ素結合生成反応と結晶化とを同時に行うことでホ
ウ素ネットワーク構造を有する結晶を合成した。この結晶

我々の研究グループはこれまでボロフェンに相当する
ホウ素ネットワークを有する単層構造を結晶で合成できはホウ素と酸素からなる単層の構造とカリウムカチオンとが交互に単層で積層した構造を有している。このホウ素ることを見出した。これは酸素によりホウ素ネットワーク
が安定化されており、単層材料とカリウムカチオンとが交のネットワーク構造はボロフェンに相当するものであり、シート面内での強い電子的な相互作用が期待できる。実際互に積層した構造を有しているものである。
本プロジェクトでは化学ボロフェンの合成手法を確立に電気伝導特性における活性化エネルギーは、面内において殆どゼロに近い値となることを見出しており、高いモビ

し、バリエーションを増やすとともに、次世代のデバイス構築を可能にする二次元ホウ素材料の新規機能の発現をリティ特性の発現が期待できる。
図１は合成した化学ボロフェン積層結晶の写真である。

目指す。特に化学ボロフェンからなる液晶は、無機物のみからなる初の液晶であり、有機物には無い安定性や高耐久

この結晶合成法を確立することが、続く液晶化に対して重要である。純度の評価法として赤外分光測定と粉末Ｘ線回性を兼ね備えた新規液晶材料となり得る。

折が利用できることが分かった。それぞれのデータを図２に示す。これを基準として結晶合成を行うことが可能とな

プロジェクト 1 年目となる 2021 年度は、以下の各項目
を重点項目として研究した。

った。

研究成果

水素化ホウ素カリウムを原料として有機溶媒中でホウ(1) 化学ボロフェンからなる結晶および液晶の合成

201

KISTEC研究報告2022

【研究開発部】戦略的研究シーズ育成事業

端部位の脱水反応により平面性が阻害され、化学ボロフェンに流動性が生じたと考えられる。

(2) 化学ボロフェンのバリエーションの開発
化学ボロフェンのバリエーションの開発を層間に導入されているカチオンを変更することで行った。ホウ素と酸素からなる化学ボロフェンに相当する骨格は酸化ボロフ
ェンとみなすことができるため、その結晶をBorophene-oxide crystal (BoC)と表記する。カリウムカチオンを有する結晶(K-BoC)他に、リチウム(Li-BoC)、ナトリ
ウム(Na-BoC)、ルビジウム(Rb-BoC)、セシウム(Cs-BoC)
およびマグネシウム(Mg-BoC)をカチオンとして導入した
化学ボロフェン積層結晶を合成した。また、アルカリ金属
カチオンがクラウンエーテルに強く内包される特性を活

図 1：化学ボロフェン積層結晶の写真

かして、カチオン内包錯体を有する化学ボロフェンも合成した。これらはボロフェン間の相互作用を弱くすることが期待されるため、液晶特性を変化できることが期待される。
こうしたバリエーションについて得られた結晶を図３にまとめた。Rb-BoC の熱分析の結果を図４に示したが、K-BoC の場合と同様に脱水反応による質量減少が確認されており、液晶への変化が示唆された。このように、これら類縁体も K-BoC の場合と同様に液晶化することが期待される。

図 3：新たに合成した化学ボロフェンのバリエーション

図 2：化学ボロフェンの a)赤外分光スペクトルと b) 粉末
Ｘ線回折ピーク

この化学ボロフェンを加熱処理することで液晶へと変化した。熱分析測定により１００から１３０℃付近で質量の減少が確認され、質量分析のより水(H2O)が脱離していることが明らかとなった。
赤外分光測定によりＢＯ-Ｈの伸縮振動のピークが消失していることから、化学ボロフェン末端部位に存在するＢ-ＯＨから脱水反応が生じていることが示された。さらに、液晶化後の構造解析をＸ線回折から行った結果、層間の距離がわずかに広がっていることが示された。この変化は末

図 4：K-BoC および Rb-BoC の熱分析結果

202

KISTEC研究報告2022

【研究開発部】戦略的研究シーズ育成事業(3) 化学ボロフェンと低分子との複合
化学ボロフェンと低分子との複合によるホウ素液晶の流動性の向上を検討した。エタノールを化学ボロフェン結晶と反応させ、その後液晶化させた。その結果、化学ボロ
フェンの流動性の高い液晶相を室温付近でも保持できることを見出した。エタノールと複合させた液晶の写真を図５に示す。この成果は 2022 年 2 月に掲載された Nature
Communications の中で報告しており、室温駆動できる無機
液晶の実現につながるものである。

図 5：エタノールと反応させた K-BoC からなる化学ボロフ
ェン液晶の温度変化を示す偏光顕微鏡像．室温付近まで液晶相が保持されていることがわかる

203

KISTEC研究報告2022

【研究開発部】戦略的研究シーズ育成事業

業 績【原著論文】
1. T. Kambe, S. Imaoka, M. Shimizu, R. Hosono, D. Yan, H.
Taya, M. Katakura, H. Nakamura, S. Kubo, A. Shishido, K.
Yamamoto
Liquid crystalline 2D borophene oxide for inorganic opticaldevicesNature Commun. 13, 1037 (2022). (Editors’ Highlights)【口頭発表】
1. M. Katakura, T. Kambe, D. Yan, H. Taya, K. Yamamoto
Solubility and thin film formation of a chemicallysynthesized boron sheet
Pacifichem 2021: A Creative Vision for the Future, 2021 年
12 月, オンライン
2. 神戸徹也, Dongwan Yan, 山元公寿
ホウ素二次元構造体の合成と特性
第 48 回有機典型元素化学討論会, 2021 年 12 月,
オンライン
3. 片倉 聖大, 神戸 徹也, Yan Dongwan, 山元 公寿
液相合成したホウ素二次元シートの電気電子物性
第 11 回 CSJ 化学フェスタ, 2021 年 10 月, オンライン
4. Dongwan Yan, Tetsuya Kambe, Masahiro Katakura, Hinayo
Taya, Kimihisa Yamamoto
Solution phase synthesis of borophene analogs
第 15 回分子科学討論会, 2021 年 9 月, オンライン
5. 片倉聖大, 神戸徹也, Yan Dongwan, 山元公寿
ボロフェン類縁体の液相合成と物性
第 70 回高分子討論会, 2021 年 9 月, オンライン
6. 片倉聖大，神戸徹也，閆冬婉，山元公寿
ボロフェン類縁体の液相合成と誘電的性質
第 102 回春季化学年会, 2022 年 3 月, オンライン
7. 閆冬婉、神戸徹也、山元公寿
ボロフェン類縁体の液相合成と誘電的性質
第 102 回春季化学年会, 2022 年 3 月, オンライン

204

KISTEC研究報告2022

研究報告2022 目次【研究開発部】

政策課題受託研究「グローバルヘルスリサーチコーディネーティングセンター（GHRCC）」プロジェクト･･･････････

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KISTEC研究報告2022

【研究開発部】グローバルヘルスリサーチコーディネーティングセンター「グローバルヘルスリサーチコーディネーティング
センター（GHRCC）」プロジェクト
ディレクター

毛利光子【基本構想】
GHRCC プロジェクトは、臨床研究の実施により得られる「知」と患者・家族・一般市民（コミュニティ）の「生活」を融合することにより、“神奈川県から” 医療の発展と世界の人々のより健康な暮らしに貢献するという理念のもと、平成 15 年から 7 年間の研究活動を継続した。活動の基本方針は「臨床研究のマネ
ジメント支援」「わが国におけるグローバル臨床研究の推進」「未病の知識と対応の普及」「臨床研究のコ
ンサルテーション」「臨床研究専門職の人材育成」「臨床研究方法論に関する研究活動」の 6 つである。

1. 2021 年度の研究目的

プロジェクト 7 年目は、6 つの基本方針に基づく研究活
動を継続した。加えて、プロジェクトの最終年度として、
これまでの 7 年間の活動や成果を総括・整理・記録し、次のプロジェクトへ繋がる活動とすることを心掛けた。

2. 2021 年度の研究成果

2021 年度の具体的な研究成果を基本方針にそって報告する。

(1) 臨床研究のマネジメント支援

GHRCC は、重点的に臨床研究マネジメントを支援する
領域を「希少がん」「精神・神経難病」「再生医療」としている。これらの領域はマネジメント支援が必要であっても、営利企業は採算性の問題から参入に消極的な分野であり、規模は小さいが細やかなマネジメントを身上とする
GHRCC に適していると考えられる。
7 年間に GHRCC が試験調整事務局を担った試験一覧を
図 1 に示す。2021 年度は、婦人科がん、小児がん領域の治験・特定臨床研究・臨床試験あわせて 13 試験の多施設
共同試験のマネジメントを行った。13 試験のうち 11 試験
は、国際共同試験である。国際共同試験の比重の大きさは研究室の特徴をよく表している。2021 年度に新規案件として調整事務局業務を開始した国際共同試験が 3 試験あり、米国 National Cancer Institute（NCI）がスポンサーとなる 2 本の医師主導治験は 2021 年度に治験計画届を提出し、ドイツの婦人科腫瘍グループがスポンサーとなる医師主導臨床試験は、新指針下で倫理審査委員会承認を得て試験を開始した。
これら国際共同試験に対する GHRCC の支援体制を図 2に示す。 承認申請を見据えた国際製薬企業との調整、海外規制にも準拠した安全性情報の取扱い、海外から届けられる治験薬の通関調整、海外への検体発送など支援範囲は多岐にわたり、社会情勢や規制の変化にも柔軟に対応すべく活動している。
フランスの婦人科癌臨床試験グループ
ARCAGY-RESEARCH がリードし国際共同で実施している「PAOLA-1」試験、アメリカ国立がん研究所 National
Cancer Institute（NCI）の主導する「NRG-GY004」試験、および「NRG-GY005」試験はいずれも卵巣がん患者を対象とし、日本では医師主導治験として実施しているが、日本における症例登録を無事に完了した。これら試験の成果206をうけて、子宮頸がん患者を対象とした「SENTICOLⅢ」
試験、子宮体癌患者を対象とした国際共同・医師主導治験「NRG-GY018」試験、ドイツの婦人科腫瘍グループが主導する国際共同・臨床試験「ECLAT」試験を開始した。また新しく呼吸器癌領域の臨床研究グループが組織化され、国際共同・医師主導治験として実施する「NRG-LU005」
試験の調整業務も開始した。
再生医療製品は、早期開発段階であることが多く、GHRCC が開発の後期フェーズを得意とすることも相まって具体的な受託実績には至らなかったが、基礎研究者との情報交換を重ねている。
NRG Oncology-Japan（米国がん臨床研究グループの日本側コンタクト組織）、GOTIC（婦人科悪性腫瘍がんコンソーシアム）という 2 つの研究者グループの専属コーディネーティングセンターの受託は今後も継続する。加えて、小児領域、神経難病領域の試験支援も継続する意向である。
医師主導治験は、承認申請のために実施され出口戦略が明確である。今後、GHRCC の社会貢献が見える形になるものと期待できる。国際共同で実施する医師主導臨試験の経験は、医師研究者のみならず、臨床研究を支援する者にとってもニッチを知り国際標準を学ぶ貴重な場となっている。
国内臨床研究グループが主導する 2 試験は、2018 年 4月の臨床研究法の施行に伴い、多施設共同医師主導臨床試
験から積み替えた特定臨床研究「GOTIC-VTE」試験、および初発の子宮頸癌患者に対し化学放射線療法に免疫チェックポイント阻害剤のオプジーボを併用する「GOTIC-018」医師主導治験である。いずれも支援業務を順調に継続している。

(2) わが国におけるグローバル臨床研究の推進
研究者および医療スタッフが国際共同研究に参画しモチベーションを高める活動を継続した。国内外の研究機関
や製薬企業/医療機器企業に対して、学会発表、セミナー
あるいは面談を通じ、米国 NCI 傘下の NRG Oncology とChildren Oncology Group の 2 つの臨床研究グループに対する支援活動の実際を紹介した。
「国際的な研究ネットワー
ク」が企画運営する国際共同試験を医師主導治験として実施し、国内での新薬承認や適応拡大へと発展させる意義や、そのメリットを強調したい。前年に続き、COVID-19 影響
下で、GHRCC 研究員が米国 NRG Oncology や欧州 GCIGの研究グループ会議に出張することはかなわなかったけ

KISTEC研究報告2022

【研究開発部】グローバルヘルスリサーチコーディネーティングセンター

れども、Virtual 開催となった国際会議には積極的に参加し、最新情報の入手に努めている。

(3) 未病の知識と対応の普及
未病の知識、すなわち正しい疾患情報や予防・治療方法を届けるべく、一般市民を対象として「臨床研究おしゃべりサロン」と題した講演会を 2015 年度から継続開催した。
2021 年度も前年に続き COVID-19 の影響があり集合形式の開催を避け、WEB 会議システムを用いたサロンを開催した。7 年間で 16 回開催した。

外部委託

検査会社

データセンター・Tissue Bankなど
治験薬輸入保管配送会社

スタディコーディネーション
クオリティマネジメント-製薬会社-

調整(4) 臨床研究のコンサルテーション

GHRCC では、研究者や企業からの臨床試験実施上の問
題点や研究実施体制整備と必要な準備、確認すべき規制要件、品質管理方法等の実務的側面からの相談を受け付け、コンサルテーションを行っている。相談者は、製薬企業や研究者・臨床研究グループだった。企業立の医療機関から検診研究のデザインについて複数回の相談をうけた。臨床に近い環境で、研究デザインを相談する場に乏しいであろうことを想像した。

-海外規制当局FDA・EMA

海外研究グループ-国内規制当局PMDA・厚生労働省

国内医療機関監査・総括報告書作成など

図2：国際共同試験の支援体制図(5) 臨床研究専門職の人材育成
本邦における臨床研究の実務を支援し、品質向上をおこなうにあたり必要な人材の育成を目指し、GHRCC の経験を学会やセミナーを通じて紹介した。臨床試験を実際に行っている医師および支援組織のリーダーを講師として迎え、研究室セミナーを行った。国際共同試験に関わる人材の育成方法として、環境が許せば、将来的にはインターンの受け入れ検討も開始したい。

(6) 臨床研究方法論に関する研究活動
承認取得までのプロセスを鑑みたレギュラトリーサイ
エンス研究は、ますますその重要性を増している。7 年間の論文数は 13、
学会や研究会等での発表数は 36 であった。
日本臨床試験学会、日本レギュラトリーサイエンス学会
を軸として GHRCC から発信する場を持ち続けたいと考
えている。
以上

図1：GHRCCで支援している試験一覧

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KISTEC研究報告2022

【研究開発部】グローバルヘルスリサーチコーディネーティングセンター

業 績【口頭発表】
1. 毛利光子，橋爪智恵
National Cancer Institute の求める倫理審査についての検討
生体医工学会第 23 回レギュラトリーサイエンス研究会，2021 年 2 月，東京
2. 松川深玲, 毛利光子，林聖子，橋爪智恵，押切由美
PAOLA-1 試験での日本の規制当局によるリモート査察の経験についてGynecologic Cancer Intergroup meeting，2021 年 5 月
Virtual
3. 松川深玲,
Gynecologic Cancer Intergroup 参加報告, GOTIC 教育セ
ミナー，2021 年 6 月，Virtual
4. 松川深玲,
Gynecologic Cancer Intergroup 参加報告, GOTIC 教育セ
ミナー，2022 年 2 月，Virtual

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KISTEC研究報告2022

研 究 報 告 2022
２０２２年９月３０日発行

発 行 地方独立行政法人
神奈川県立産業技術総合研究所（KISTEC）
事業化支援部橋渡し支援課
海老名市下今泉705-1 ／〒 243-0435
TEL（046 ） 236 － 1500

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