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## ⑤ ヒトiPS細胞による再生医療と創薬

## ○i PS 細胞による再生医療の第一歩

平成26年9月12日、iPS細胞（人工多能性幹細胞：induced pluripotent stem cells）を使った再生医療の第一歩が踏み出された。

神戸市の公益財団法人先端医療振興財団先端医療センター病院で、滲出型加齢黄斑変性（加齢により網膜の中心部である黄斑に障害が生じ、見ようとするところが見えにくくなり、症状が進むと失明することもある目の難病）の患者に、自身の皮膚細胞から作成したiPS細胞を、目の細胞（網膜色素上皮シート）に分化させて移植するという手術が行われたのである。本研究は、科学技術振興機構

i PS細胞とは、京都大学の山中伸弥教授らが作製法を見いだした、体の様々な組織や臓器の細胞に分化し得る能力を人工的に誘導した幹細胞である。山中氏はこの功績により、平成24年10月8日に「成熟（分化）した細胞が初期化され多能性をもつことの発見」として、ノーベル生理学・医学賞を受賞した。

山中氏らは、皮膚の線維芽細胞に4つの遺伝子を導入する事によりiPS細胞を作製することに成功し、平成18年にマウスのiPS細胞の樹立を、平成19年にヒトのiPS細胞の樹立を報告した。

が実施している「再生医療実現拠点ネットワークプログラム」 $ ^{1} $ の成果を基に、理化学研究所多細胞システム形成研究センターの高橋政代プロジェクトリーダーらが、同病院と共に実施している臨床研究の一環として行ったものである。本臨床研究の主な目的は安全性の確認であり、大幅な視力改善などの効果を期待するものではないが、世界で初めてiPS細胞由来の細胞を患者の体内に移植したものとして、注目されている。

i P S 細胞

網膜色素上皮（RPE） 細胞を作製

移植用RPEシート

i P S 細胞由来網膜色素上皮（RPE）シートの作製 提供：理化学研究所

移植手術の方法

提供：理化学研究所

## ○ i P S 細胞に寄せられる期待

i PS細胞を用いた技術の実用化に寄せられる期待は、大きく二つある。

一つ目の期待として、再生医療への応用がある。再生医療とは、病気やけがで失われたり損傷したりした臓器や組織に、体外で培養した細胞等を移植し、失われた機能を補うものである。現在、上述の網膜色素上皮シートの移植のほかにも、臨床応用・実用化を見据えた研究が数多く実施されている。

例えば、平成24年5月、澤芳樹・大阪大学大学院医学系研究科教授らのグループは、ヒトのiPS細胞から作製したシート状の心臓組織を心筋梗塞のラットに移植し、心臓機能を改善させることに成功した。さらに、同教授らは、平成27年1月、iPS細胞から作った心筋細胞をラットの心臓に移植し、大型放射光施設（SPring-8）を利用して観察し、移植した心筋細胞が心臓の心筋細胞と一体化して動いていることを世界で初めて確認した。また、山下潤・京都大学
i PS 細胞研究所教授らは、心筋に加えて血管の細胞もヒトi PS 細胞から誘導して、心臓組織を模したシートを作製し、これを移植した心筋梗塞のラットにおいて、心臓機能の改善と移植細胞の高効率での残存を認めた。これらの研究は、今後、心不全の治療につながることが期待されている。

ほかにも、がん、脳梗塞、糖尿病、変形性膝関節症、脊髓損傷など、我が国において患者が多い疾患・障害や、パーキンソン病、筋ジストロフィー、炎症性腸疾患（潰瘍性大腸炎、クローン病）といった難病について、i PS細胞を再生医療に役立てるための研究が進んでいる。

二つ目の期待としては、i PS細胞の活用により、疾病の発症の仕組みに関する研究や、新しい薬の開発速度が加速するということが挙げられる。疾病の研究のためであっても、実際に患者の病变組織などを採って研究することは難しい。患者の皮膚や血液などから採った細胞からi PS細胞を作製し、病気の性質を持った細胞や組織に分化させ、それらを使って病気が起こる仕組みを解明したり、薬の候補物質の効果や安全性を確認したりすることができる。

また、こうした細胞や組織を使って、既に別の疾病の薬として安全性が確認され市場に流通しているものの中から、目的の疾患に効果のある薬を探し出すことも可能である。例えば、妻木範行・京都大学iPS細胞研究所教授らは、低身長を来す難病である軟骨無形成症の患者由来のiPS細胞を使って、既に流通している高コレステロール血症治療薬がこの難病にも有効である可能性を見いだした。

さらに、薬の候補物質が不整脈を引き起こすことがないかなどの安全性評価のため、京都大学の山下氏らは民間企業と共同で、新エネルギー・産業技術総合開発機構の支援を受けながら心筋細胞を大量培養する技術を開発している。ヒトi PS細胞から作った心筋細胞を用いて安全性を評価することにより、新薬開発の加速と低廉化に貢献することが期待されている。

## ○ i P S 細胞の研究を支える政府支援

山中伸弥・京都大学iPS細胞研究所所長は、平成11年、奈良先端科学技術大学院大学の助教授として研究室を主宰した。山中氏が同大学で研究室を主宰する前年の平成10年、米国でヒトES細胞が樹立されたが、ES細胞は一人の人間に成長する可能性のある胚を壊さなければならないという倫理的な壁に突き当たる。そこで、山中氏は、体細胞からES細胞のような多能性幹細胞を作ることを研究室の目標に掲げ、研究に取り組んだ。この助教授時代に受けた科研費による研究成果が、iPS細胞樹立の基盤となった。山中氏は、ノーベル賞受賞後の記者会見で、「研究者は役に立つか分からないものを研究すべきだし、科研費のように海のものとも山のものともつかない研究を支援する仕組みが、国全体の技術力を維持する上で非常に大切」と語った。

その後、山中氏らは、平成15年からの科学技術振興機構が実施する戦略的創造研究推進事業（以下、「戦略創造事業」という。）のCREST $ ^{2} $ 事業及び文部科学省が実施する再生医療の実現化プロジェクト（第Ⅰ期）や、医薬基盤研究所の基礎研究推進事業等により、平成19年11月、ヒトのiPS細胞の樹立に成功した。山中氏は、「当時iPS細胞は実現可能性が低かったにもかかわらずCRESTに採択され、CRESTは科研費による基礎研究とその後の大規模な国家プロジェクトとの橋渡しとして極めて有効だった。科研費で得られたシーズ（種）は、国家プロジェクトに採用されなければ中断してしまう」と振り返る。
i P S 細胞の樹立後、政府はオールジャパン体制での国家プロジェクトを次々と立ち上げ、基礎研究から臨床応用まで、長期間にわたる支援を継続している。

i P S 細胞等幹細胞研究に対する主な国の支援について 資料：文部科学省

一方で、ヒトiPS細胞の樹立からわずか7年で、先述の網膜色素上皮シートのヒトへの移植が行われ、非常に短期間で臨床応用が可能となった背景には、ES細胞やその他の幹細胞等に関する長期にわたる研究開発によって得られた、細胞の分離・精製、培養、特定の細胞への分化誘導等の技術がiPS細胞にも応用できたからであることを忘れてはならない。例えば、大阪大学の澤氏らは、平成12年に、体性幹細胞（コラム1－1参照）から心筋細胞への分化誘導等に関する研究を開始した。そして、骨格筋の筋芽 $ ^{1} $ 細胞から細胞シートを作る研究を開始し、それを心臓へ移植するという臨床応用を行ってきた。先述のiPS細胞からの心筋シート作製は、その技術を活用したものである。骨格筋の細胞を使った研究の開始から数えれば、iPS細胞由来の心筋シートのヒトへの臨床応用開始まで、約20年を経ることとなる見込みである。

i P S細胞由来心筋細胞シートによる心筋再生治療開発

提供：大阪大学 澤芳樹教授

## ○普及を見据えた取組と課題

再生医療において、患者本人由来のiPS細胞を使って治療する方法は、拒絶反応のない治療が行えるというメリットがあるが、iPS細胞樹立から目的の細胞へ分化するまでのコストが高く、いわばオーダーメイドの高級車である。また、救急救命医療や、脅髄損傷（損傷から9日程
度での移植が適切との報告がある）の場合など、i PS細胞の移植が必要となってからその本人の細胞を採取し培養していては適切なタイミングで移植を行えないという課題もある。このため、様々なタイプ（免疫型）のヒトi PS細胞を保管しておく「再生医療用i PS細胞ストック」を構築し、多くの患者に対していつでも素早くセミオーダーメイドの治療を行うことを目指し、文部科学省、厚生労働省、経済産業省が連携しながら研究や検討を進めている。

また、我が国は再生医療に関する研究では世界トップレベルにあるが、欧米諸国に比べて実用化されている製品が少ない状況にある。厚生労働省は、「日本再興戦略」 $ ^{1} $ における「再生医療の実用化を促進するための環境整備を図る」との方針を受け、再生医療の実用化を促進するための仕組みを検討し、平成25年11月に制度的枠組み $ ^{2} $ が構築され、平成26年11月、施行された。これにより、提供する再生医療等のリスクに応じた審査手続を定めるとともに、細胞の培養・加工について医療機関から外部企業へ委託することを可能とした。また、個人差のある人の細胞を使うため品質が不均一になるという再生医療等製品の特性を踏まえ、一定数の限られた症例を基に有効性が推定され、安全性が確認されれば、条件・期限を付して特別に早期に承認し、市販後も有効性・安全性の検証を継続して最終的な承認を行うという仕組みを構築した。

今後 i P S 細胞の産業化を進める上で、欠かせない課題がある。それは、i P S 細胞が他の細胞に分化できる能力を獲得するメカニズムを更に研究し、品質及び安全性が高いi P S 細胞の作製方法を確立すること、さらに、腫瘍化のリスクなどに関する安全性評価の基準を定めることである。遺伝子は通常の加齢によっても変異するが、正常な細胞増殖に影響しないものがほとんどであり、i P S 細胞での変異がどこまで許容されるのかという物差しを作ることが求められる。

世界の市場に流通する再生医療品

資料：経済産業省「原料細胞の入手等に関する調査報告書」
さらに、iPS細胞を含めた再生医療の効果とリスクに関する国民の理解醸成、細胞を提供した人の個人情報（遺伝情報）の保護、倫理的問題に関する指針作りなど、研究開発以外での対応も求められている。

## 幹細胞とは何か

幹細胞の一番の特徴は、他の種類の細胞を生み出すことができるということである。受精卵は分裂により体のあらゆる細胞を生み出すが、分裂して増えていく過程でいろいろな細胞に分化し、出生時にはほとんどの細胞は分化を終え、特定の機能を持って働くようになる（図1）。

しかし、体内の細胞の中には、幹細胞として働き続けているものがある。これらは「体性幹細胞」と呼ばれ、体の中の決まった場所で限られた種類の他の細胞を生み出す。例えば、骨髓や末梢血にある「造血幹細胞」は、赤血球や白血球など10種類程度の血液細胞を作る。ほかにも肝臓の細胞を作る肝臓幹細胞、神経細胞を作る神経幹細胞などがある（図2）。

上記は自然に体内に存在する幹細胞であるが、一方、人工的に作られる幹細胞もある。代表的なものは、ES細胞（胚性幹細胞）、iPS細胞（人工多能性幹細胞）である。これらは、

体の中のどんな細胞にも分化できる能力を持っているため、「多能性幹細胞」と呼ばれている。ES細胞は、胚から作られ、iPS細胞は体細胞から作られる（図3）。この二つの細胞は、元になる細胞が違うことを除けば性質が近く、より古くから研究されているES細胞での研究データは、iPS細胞にも応用できる可能性がある。

提供：京都大学 i P S 細胞研究所

イラスト：奈良島知行
## 6 緊急地震速報

「安全そうな場所に走って行った。速報前にいた場所には老朽化した煙突が倒れていた」

「エレベーターへの乗車を見合わせた」

「料理の火を消すことができた」

「大事な薬を手元にまとめることができた」「夜間目が覚めて、停電になる前に、懐中電灯を手に取り子供を抱くことができた」

「社内のオートロック扉を開け、避難路を確保できた」

これらは、テレビや携帯電話から流れる緊急地震速報を受けた人々がとった行動の例である $ ^{1} $ 。

我が国は、世界で発生している大地震の約2割 $ ^{2} $ を占める地震の多発国であることから、様々な地震対策に関わる研究開発が進められ、平成19年（2007年）10月、気象庁による「緊急地震速報」の運用が開始された。

緊急地震速報に活用している地震観測点（平成25年4月1日現在）

提供：気象庁

平成25年4月1日現在、緊急地震速報は、全国約1,020か所 $ ^{3} $ に上る地震観測施設を利用して運用がなされている。

## ○緊急地震速報の仕組み

緊急地震速報は、地震の発生直後に、各地での強い揺れの到達時刻や震度を予想し、震度5弱以上と予想された場合に、テレビ、ラジオ、携帯電話等を通じて人々に可能な限り素早く知らせる情報のことである。

緊急地震速報は、地震の発生により震源から地下を伝わっていく地震波を利用している。地震波にはP波 $ ^{4} $ とS波 $ ^{5} $ があり、P波の方がS波より速く伝わる性質がある一方、強い揺れによる被害をもたらすのは主に後から伝わってくるS

緊急地震速報のしくみ

気象庁リーフレット「緊急地震速報～10月より～」(平成18年10月)

波である。このため、先に伝わるP波を検知した段階で、S波が伝わってくる前に危険が迫って
いることを知らせることが可能となる。地震が発生した際、P波が到達した観測地点から、P波の到達時間と大きさに関するデータが瞬時に気象庁に伝送される。気象庁ではこれらのデータを即時に解析し、震源と地震の規模（マグニチュード）を推定する。さらに、この結果を基に各地で予想される揺れの強さ（震度）を推定して緊急地震速報を発表している。

緊急地震速報は、地震発生直後の震源近くで観測されたP波を瞬時に解析し、地震波の速さと競争して情報を伝達するものであるため、予測された震度に誤差を伴う、速報から強い揺れの到達までは長くても数十秒であり、震源に近いところでは速報が間に合わない、又は速報直後に強い揺れが来ることもある、といった原理的な限界がある。気象庁では、リーフレットの配布や講演会などを通じてこのような限界について積極的に説明を行い、緊急地震速報の有無にかかわらず揺れを感じたら身を守る、日頃から速報が鳴った時の行動をイメージしておく等、国民が効果的に速報を利活用できるよう取り組んでいる。

## ○緊急地震速報の開発

1970年代以降、気象庁や大学・研究機関等は、地震観測網の拡充及び高感度化等を進めてきた。地震発生時に即時に揺れを予測する技術については、1980年代に、高速で走行する新幹線の安全を確保する目的で、鉄道総合技術研究所（旧日本国有鉄道の鉄道技術研究所）が先駆的な研究開発を始めた。その後、気象庁と鉄道総合技術研究所、そして防災科学技術研究所が研究開発を進め、揺れを予測するために必要な知見を蓄積していった。

緊急地震速報の運用を開始する段階に当たっての最大の課題の一つは、より精度の高い情報を少しでも早く国民に提供するということであったが、速報の「精度」と「早さ」は、互いに相容れない要素であった。早さを追求するためには、P波がまだ少数の観測地点にしか到達していない段階でデータを解析する必要がある。一方、観測地点から送られてくる観測データには、地震以外の人為的な揺れ（ノイズ）等が混入したり、同時に発生した二つの地震に関するデータが含まれることがあり、僅かな観測点からのデータのみを使った解析では、時に地震ではないのに地震であると判断したり、震源を間違って決定したりするおそれがあった。

このため、文部科学省が平成15年度から平成19年度まで実施した「高度即時的地震情報伝達網実用化プロジェクト」において、防災科学技術研究所は、誤ったデータを除去するための手法である着未着法 $ ^{2} $ を開発した。また、同プロジェクトにおいて、気象庁は、鉄道総合技術研究所と気象庁が共同開発した単独観測点処理法 $ ^{3} $ 、気象庁が開発した複数観測点処理法 $ ^{4} $ 及び着未着法の結果を統合するための手法を開発した。防災科学技術研究所及び気象庁は、これらの自動的に行われる処理が、実際の観測データを用いて精度よく動作するか否かを、手作業による処理結果と比較することによって4年間にわたり検証した。そして、正しい処理ができなかった場合にはその都度原因を追及してソフトウェアの改良を行った。

さらにこれと並行し、平成18年11月から、気象庁が特定地域の住民を対象としたモデル実験を行うとともに、平成19年3月から、「緊急地震速報の周知・広報及び利活用推進関係省庁連絡会議」（内閣府）等が緊急地震速報の利点と限界について広く一般への周知啓発を進めた。

こうしたことの結果、平成19年10月1日から、緊急地震速報の一般向け提供を開始することが
可能となった。

緊急地震速報は、こうした信頼性の高い観測網の整備や地道な研究の成果に、情報通信技術の発展やコンピュータの小型化、通信費の低廉化、そして社会の受容が伴って、初めて実現したものと言える。

## ○今後の展望

気象庁、防災科学技術研究所及び海洋研究開発機構は、僅かでも早く緊急地震速報を発表することを目指し、巨大地震の発生が懸念される南海トラフの周辺や、できるだけ震源に近い地下深くに地震計を設置し、観測を行っている。また、東日本大震災の発生を受け、防災科学技術研究所は、平成27年度の観測開始に向けて、太平洋にある日本海溝の周辺において海底地震計の設置作業を進めている。

平成27年3月末、気象庁は、南海トラフや首都圏の地下深くの地震計による観測データ

日本海溝海底地震津波観測網について 資料：文部科学省作成

の一部について、緊急地震速報への活用を開始した。今後、これらの地震計による観測データの緊急地震速報への活用が進むことにより、従来の観測データによる予測に比べ、大地震が発生する可能性のある地域における緊急地震速報の迅速化と精度向上が図られるものと考えられる。

## 緊急地震速報のチャイム音

テレビ等から鳴り響く緊急地震速報のチャイム音は、福祉工学の専門家である、伊福部達・東京大学名誉教授の監修によって作成されたものである。身の回りの既存の効果音やチャイム音と似ておらず、人の注意を喚起し、緊急性が高く感じられ、また、すぐに行動したくなるが、怖すぎて動けなくなってしまわないといった条件のほか、特にできる限り多くの聴覚障害者にも聴こえるという点に配慮されている。視覚障害者や聴覚障害者を支援するための装置を製作する福祉工学の専門家ならではの配慮である。

## ⑦ 高コレステロール血症治療薬

## 研究開発の経緯等

我が国では、心筋梗塞などの冠動脈疾患を含む心疾患による死亡者数が悪性新生物（がん）に次いで死亡者数が多い（第1-1-3図）。血中コレステロールが高いと冠動脈疾患に罹患しやすいことが、昭和36年頃までに米国における疫学調査等で強く提唱されており、その後数年の間に血中コレステロールを下げるための薬剤が数種類開発された。しかし、その当時は、薬効が不十分で、副作用が強いといった問題があった。
■第1-1-3図／主な死因別にみた死亡率の年次推移

資料：厚生労働省「平成25年 人口動態統計月報年計（概数）の概況」

このような中で、昭和46年、「肝臓のコレステロール合成を阻害すれば、食事から摂取するコレステロールの吸収を抑えるよりも、はるかに有効に血中コレステロールを下げることができる」、「微生物生産物の中にはコレステロール合成阻害物質が存在する」という二つの仮説を立て、微生物培養液からコレステロール合成阻害剤を探す研究を始めたのが、三共株式会社（現第一三共株式会社）醸酵研究所の研究チームであり、当時の担当者は本プロジェクトの発案者でもある遠藤章研究員（現東京農工大学特別栄誉教授）であった。そして、6,000株の微生物を調べ終えた昭和48年夏に、青力ビの1株から目的の阻害剤の第1号となるML-236B（「コンパクチン」）を発見した。この物質の単離後、コンパクチンの標的は、コレステロール合成の律速酵素であるHMG-C $ _{0} $ A還元酵素であることも明らかにされた。

その後の開発経過は国際的に注目を集め、世界中で全合成物質を含むコンパクチンの類似物質の探索が行われるようになり、三共株式会社によるスタチン $ ^{2} $ 開発に当初から強い関心を寄せていた米国メルク社が昭和62年（1987年）に米国においてスタチンの製品化に初めて成功した。我が国では、それから遅れること2年、平成元年（1989年）にコンパクチンの化学構造に水酸基を加えた「プラバスタチン」で製品化を果たすことができた。

現在、スタチンは高コレステロール血症の第一選択薬として、毎日世界で4,000万人近い患者に投与されていると言われ、冠動脈疾患と脳卒中の予防に大きく貢献しており、同じ青力ビから発見されたペニシリンと並ぶ奇跡の薬と呼ばれている。また、生まれつきＬＤＬ－コレステロール値が高い家族性高コレステロール血症患者は、若年で冠動脈疾患を発症することが多いが、スタチン投与により数多くの人の命が救われている。

## ○政府の果たした役割

高コレステロール血症治療薬の開発・普及において、政府が果たした大きな役割の一つとして、
平成5年から、安全・効果的な治療のために、大規模臨床試験MEGA $ ^{1} $ Studyを開始したことが挙げられる。この大規模臨床試験は、当時、欧米の臨床試験において脂質低下療法が心臓発作のリスクを減少させるという結果が出ていたものの、日本人は冠動脈疾患死亡率、出血性脳卒中、血中コレステロール値、食生活、体型などが欧米人と異なるため、日本の高コレステロール血症患者においてもこの治療方法が適用可能かどうか定かではなかったことから、これを調べることを目的に、厚生労働省（当時は厚生省）の委託研究事業として実施したものである。本試験は、高コレステロール血症の患者を対象として我が国で初めて行われた試験であり、冠動脈疾患の既往がなく、総コレステロール値が220～270mg/dLに相当する軽度から中等度の日本の高脂血症患者8,214名を対象 $ ^{2} $ に、食事療法単独群と食事療法と高脂血症治療薬であるプラバスタチン併用群との比較を行った。結果、プラバスタチン併用群で、冠動脈疾患と脳梗塞の発症が有意に抑制され、また、安全性についても、発がん等の有害事象に有意な差は見られなかった。

大規模臨床試験は、世界的には豊富な資金力などを背景に、欧米人を対象とするものが多いが、MEGA Studyは、我が国のみならずアジアで初めてのスタチン療法による大規模臨床試験の例であった。日本人は、欧米人と比較してLDL-コレステロール値や冠動脈疾患発症率が低いなど、欧米人とは異なる体質にあるため、MEGA Studyのような大規模臨床試験による日本人独自のデータの蓄積は、日本人に対する様々な疾患に対する安全な投薬治療につながるものであり、官民が連携した成功例の一つと言える。

## 重粒子線がん治療

昭和58年、中曾根内閣で決定された「対がん10カ年総合戦略」において、重点研究課題として、「放射線治療の先端的技術の開発と応用に関する研究」が盛り込まれた。これを受け、放射線医学総合研究所は、昭和62年から、HI MAC（ハイマック：Heavy Ion Medical Accelerator in Chiba）の開発に取り組み、平成6年6月に、世界で初めて炭素線を用いた重粒子線がん治療の臨床試験を開始した。以降、これまで20年の間に、9,000例を超える治療を行っている。

また、放射線医学総合研究所では、臨床試験開始以降も、小型普及機の開発、重粒子線回転ガントリー $ ^{4} $ の開発など、様々な技術的改良も併せて進めてきた。このような研究開発を通じて、現在、兵庫県、群馬県、佐賀県に重粒子線がん治療施設が建設され、治療実績が重ねられている。これらの施設を通じて、重粒子線がん治療がより多くの患者にとって身近なものとなるよう、今後も、有効性・安全性等の実証や、担い手たる人材の育成も併せて、取組を進めていくこととしている。

重粒子線治療装置 HIMAC

重粒子線がん治療の様子（イメージ）

提供：放射線医学総合研究所
## 8 リニアモーターカーの開発

# ○超電導リニアによる中央新幹線の開業に向けて

平成9年4月から、山梨リニア実験線においてリニアモーターカーの走行試験が開始された $ ^{1} $ 。その様子は山梨県立リニア見学センターで見学することができる。これに対する国民の関心は強く、平成26年11月及び12月に計8日間実施された体験乗車では、約11万8,000件の応募があり、平均倍率は約125倍であった。

リニアモーターカーは、昭和45年に開催された日本万国博覧会において、その模型が展示されたことで、21世紀の夢の超特急として国民にも広く知られることとなった。リニアモーターカーとは、回転式のモーターを直線状に引き延ばしたリニアモーターで駆動する鉄道車両のことを言い、形態により大きく「超電導磁気浮上方式」、「常電導磁気浮上方式²」、「鉄輪方式³」の3種類に分けることができ

中央新幹線の路線の概要

提供：JR東海

リニアモーターの仕組み

提供：JR東海

る。このうち、超電導浮上磁気方式、すなわち超電導リニアの技術を採用する中央新幹線の計画が、東海旅客鉄道株式会社（以下、「JR東海」という。）によって進められている。超電導リニアによる中央新幹線は、開業50年を迎えた東海道新幹線の将来の経年劣化と大規模災害に対する抜本的な備えとして、首都圏～中京圏～近畿圏を結ぶ日本の大動脈輸送を二重系化することを目的とした路線である。昭和45年の日本万国博覧会から40年以上の時を経て、平成26年12月から第一段階として進める品川～名古屋間の工事が開始されており、平成39年の開業が予定されている。

品川～名古屋間が開業すれば、最速40分で品川から名古屋に移動することが可能となる。東海道新幹線「のぞみ」での移動の半分以下の時間で東京都内から名古屋市内に行くことができるようになり、大都市間の移動時間が劇的に短縮され、両都市が日帰り圏から通勤圏に変わる。また、平成57年をめどに全線開通を予定しており、東京～大阪間を最速67分で結ぶ予定である。その圧
倒的な時間短縮効果から、日本の人口の約半数が含まれる巨大都市圏が誕生し、経済や社会活動の活性化が期待される。

国土交通省の交通政策審議会の分析によると、東京～大阪間の全線開業による便益は、年間で7,100億円に及び、生産額は年間8,700億円増加すると予想されている。

## ○超電導リニアの開発経緯

中央新幹線で用いる超電導リニアで採用される「超電導」とは、ある種の金属・合金・酸化物の温度が一定以下になると電気抵抗がゼロになる現象のことを指し、超電導状態となったコイルに電流を流すと、強力な磁界が発生する。このような電磁石は「超電導磁石」と呼ばれており、超電導リニアは、この磁界の力によって浮上し超高速で走行する。

超電導リニアの研究開発は、旧日本国有鉄道の鉄道技術研究所により昭和37年から開始され、日本国有鉄道の分割民営化後は、JR東海及び鉄道総合技術研究所により進められた。国土交通省はこの研究開発を技術評価や資金面で支援した。平成21年7月には、国土交通省の超電導磁気浮上式鉄道実用技術評価委員会において、既に営業運転に支障の無い技術レベルに到達されたことが確認されたほか、平成23年12月及び平成24年8月には、国土交通大臣から超電導リニアに関する技術基準が制定された。平成27年4月には鉄道の有人走行世界最高速度の603km/hを記録したが、超電導リニアの研究開発には、様々な最新技術が導入され、試行錯誤が行われてきた。

例えば、高速で走る列車がトンネルを通過する際には、列車によってトンネル内の空気が押し出され、出口側に圧力波（微気圧波）が発生して衝撃音や振動につながる。このような空力特性を改善するため、超電導リニアの先頭車両の設計において、宇宙航空研究開発機構が開発した爆風伝播シミュレーション（平成11年及び12年に実施された同名プログラムにより研究開発を実施）が使われている。

この技術は、ロケット打上げ時の万が一の事故に備え、事故が起こった場合の爆風の強度が距離によってどの程度減衰するのか、地形の影響も含めてシミュレーションを行

山梨実験線を走る超電導リニア 提供：JR東海

うことで、ロケット打ち上げ時の保安距離の算定に役立てるものであり、西日本旅客鉄道株式会社が行っていた「500系新幹線」の開発にもこのシミュレーションが適用されている。現在の超電導リニアの先頭車両は、このシミュレーション結果を踏まえて設計されており、空気抵抗を少なくして空気を出口側に極力押し出さないようにすることで、微気圧波を減少させている。

平成27年4月に累積走行距離が123万kmを超えた山梨リニア実験線では、実用技術として完成した超電導リニア技術の更なる改良等に取り組んでいる。国土交通省は、これら実験線の施設整備や試験走行を資金面で支援するとともに、技術的な評価を行っている。

## ○高温超電導磁石の技術開発

現在、実験線車両では、超電導物質としてニオブチタン合金を非常に低い温度（-269度）に冷却して使用しているが、より高温で超電導状態となる超電導物質を利用した超電導磁石の研究開発が進められている。このようないわゆる高温超電導物質であれば、液体ヘリウムを使用せず、
超電導磁石を直接冷凍機によって冷却することができるため、超電導磁石や冷却構造の簡素化とコストダウンを図ることができる。我が国では、物質・材料研究機構によって、昭和63年に、ニオブチタン合金より超電導状態になる温度が100度高いビスマス系の超電導物質が発見されたことをはじめ、多くの超電導物質が発見された。

JR東海は、ビスマス系の超電導物質を用いた超電導磁石の研究開発を進め、平成17年にはこの磁石を装着した試験車両を使用し、走行を成功させている。また、鉄道総合技術研究所は、国土交通省の支援を受けながら、それとは別のイットリウム系の超電導物質を用いた超電導磁石の開発を進めている。

このように、超電導リニアが、更なる技術的な改良をされ、我が国の大都市間を走行し、我が国の発展に寄与していくことが期待されている。

## 医療現場等での超電導技術の利用

超電導リニアに使用されている超電導技術は、病院の精密検査などで使われているMRI $ ^{1} $ にも利用されている。MRIを高性能化するためには、高磁場化させる必要があるため、超電導技術が使用されている。

我が国では、平成21年現在で約6,150台のMRIが稼動しているが、そのうち約4,100台に超電導磁石が用いられており、従来のMRIと比べはっきりと体内の状況が分かる画像を提供している。

このほかにも、超電導ケーブル、超電導技術を用いた電力貯蔵装置（超電導フライホイールやSMES $ ^{2} $ ）など、高温超電導技術を利用した様々な製品の研究開発が進められており、これらが実用化され、社会生活の一層の充実が図られることが期待されている。

1.5 テスラの超電導MRI 提供：地域医療機能推進機構
## 自動車衝突防止用ミリ波レーダ

近年、市販車への「自動プレーキ」の搭載が増えてきている。自動プレーキは、自動車の前方に取り付けたセンサにより周囲にある物体を認識して、自車にとって危険と判断すれば自動的にプレーキをかけ、減速あるいは停止するシステムである。自動プレーキは、単に便利な道具というだけではなく、交通事故の低減とそれに伴う渋滯緩和や燃料消費の改善など、社会的、経済的にも大きな効果を期待されている。

このセンサは人間に例えれば目の役割をするもので、76GHz帯の周波数を用いる「ミリ波レーダ」が使われている。他のセンサとしてはカメラや赤外線レーザーレーダなどがあるが、ミリ波レーダの特長は、電波を使っているため、他のセンサと比べて夜間や濃霧などの影響を受けづらく、100m以上の長距離を見るのに適しているという点である。

企業がミリ波レーダを車の自動ブレーキとして実用化するに当たっては、防衛省が戦闘機搭載用の高性能レーダの開発を行った際に培われた、非常に高い周波数で動作可能な半導体や電子制御式アンテナ $ ^{2} $ 等の技術の要素が、大きな役割を果たしている。これは、防衛省が長年にわたって高性能レーダの研究開発に取り組んできた過程で、レーダの設計や製造に関する基本的な技術が参画した企業に蓄積されたことによる。

また、電波関係の制度整備を担当する総務省では、平成11年に国内で76GHz帯のミリ波レーダの使用を可能とするための制度改正 $ ^{3} $ を行った。さらに、平成24年に79GHz帯高分解能レーダ $ ^{4} $ の技術基準の整備を行った。 $ ^{5} $

レーダは、歴史的には第二次世界大戦中に米国、欧州などで軍事用に実用化されて以来、今日に至るまで、科学技術の進歩に伴い大きく発展してきた。我が国でも主要な防衛技術の一つとして、防衛省が継続した研究開発を行ってきている。また、人工衛星に搭載され、宇宙分野でも活用されている。さらに、総務省においても、現在、交差点内の歩行者検知等にむけ79GHz帯高分解能レーダの道路側設備への応用のための研究開発や、粉じんの中での建設機械の自動化等を見据え、更に小さい物体の3次元検知を可能とする140GHz帯高性能レーダの研究開発を行っている。

今後、ミリ波レーダなどの電波センサ技術は、防衛・宇宙分野を中心に更なる高性能化が図られる一方で、民間企業により自動車分野での活用が進むことにより、自動走行システムなどの安心・安全な交通社会の実現に寄与するものと期待される。

図 ミリ波レーダの機能

ミリ波レーダの機能

ミリ波送信信号と受信信号（反射波）から、物体（先行車）との距離・相対速度・方位を検知する。
## Section 4 Science

### I. OVERALL OBJECTIVES

To enable pupils to become familiar with nature and to carry out observations and experiments with their own prospectus, as well as to develop their problem-solving abilities and nurture hearts and minds that are filled with an affection for the natural world, and at the same time, to develop a realistic understanding of natural phenomena, and to foster scientific perspectives and ideas.

### I I. OBJECTIVES AND CONTENT FOR EACH GRADE

## [Grade 3]

### 1. Objectives

(1) To develop perspectives and ideas about the properties and functions of weight, wind, force of rubber, light, and magnets and electricity through investigation comparing phenomena involving these matters, and through probing the identified problem and making learning material with interest.

(2) To foster an attitude of loving and protecting living things and to develop perspectives and ideas about the relationship between living things and the environment, the relationship between the sun and its effects on conditions on earth, through investigation comparing familiar animals and plants, and sunny and shady spots, as well as through probing the identified problems with interest.

### 2. Content

### A. Matter/Energy

(1) Object and weight

To develop pupils' ideas about properties of objects by examining the weights and volumes, using objects such as clay.

a. The weight of an object remains unchanged even when the shape changes.

b. Objects with the same volume may differ in weight.

## (2) Function of wind and force of rubber

To develop pupils' ideas about wind and rubber by examining the phenomenon of wind and rubber moving objects.

a. The power of wind can move an object.
b. The force of rubber can move an object.

## (3) Properties of light

To develop pupils' ideas about the nature of light by using mirrors and other devices and by exploring the way light travels and its brightness and warmth when it strikes an object.

a. Sunlight can be collected and reflected.

b. The brightness and warmth of sunlight changes when it strikes an object.

(4) Properties of magnet

To develop pupils' ideas about the properties of magnets, by exploring their functions and the objects that are attracted to them.

a. Some objects are attracted to a magnet and others aren't. Among those attracted to a magnet, some become magnetic when they are attached to a magnet.

b. Opposite poles of a magnet attract each other, whereas like poles repel each other.

(5) Pathway of electricity

To develop pupils' ideas about electric circuits by connecting a small bulb to a dry battery, and by exploring the connection path and the materials through which the electricity travels.

a. There are patterns of circuit connections that conduct electricity and others that don't.

b. There are materials that conduct electricity and others that don’t.

### B. Life/the Earth

## (1) Insects and plants

To develop pupils' ideas about growth patterns and body structures by finding and raising familiar insects and plants, and by exploring the processes of their growth and body structure:

a. Insects grow in accordance with a fixed order of growth, and their body parts consist of the head, thorax and abdomen.

b. Plants grow in accordance with a fixed order of growth, and their body parts consist of roots, stems and leaves.

(2) Observation of familiar environment

To develop pupils' ideas about the relationship between living things and their surrounding environment through the
explorations of the conditions of familiar living things.

a. Living things are different in appearance, such as color, shape and size, etc.

b. Living things interact with their surrounding environment.

(3) The sun and the ground

To develop pupils' ideas about the sun and ground through the exploration of the changes in the position of shady spots and the difference between sunny and shady spot.

a. Shade is created by blocking sunlight, and the position of shady spots moves as the sun moves.

b. The sun warms the ground and there are differences in warmth and dampness between the sunny and shady spots.

### 3. Handling the Content

(1) In teaching “A. Matter/Energy” in the Content, pupils must make at least three kinds of learning materials.

(2) With regard to item (1) in “B. Life/the Earth” in the Content, special consideration should be made as follows:

a. With regard to items a and b pupils must raise insects and grow plants.

b. With regard to item b, “Growth of Plants,” only summer annual dicotyledonous plants should be used.

(3) With regard to item (3)-a, “movement of the sun” in “B. Life/the Earth,” it should be regarded that the sun moves from east to west. In addition, the four directions: east, west, north, and south are dealt with when exploring the movement of the sun.

## [Grade 4]

### 1. Objectives

(1) To develop perspectives and ideas about the properties and functions of objects, by investigating air, water, changes in the state of an object, and electrical phenomena, in relation to the functions of power, heat and electricity, and through probing the identified problem and making learning materials with interest.

(2) To foster an attitude to love and protect living things and to develop perspectives and ideas about the structure of the human body, the activities of animals/growth of plants, meteorology, and movement of
the moon and stars, by investigating them in relation to movement, seasons, temperature and time, through probing the identified problems with interest.

### 2. Content

### A. Matter/Energy

## (1) Properties of air and water

To develop pupils' ideas about the properties of air and water by exploring the changes in their volume and pressure in compressing air and water in a closed space.

a. When air is compressed in a closed space, the volume decreases and the pressure increases.

b. Air in a closed space can be compressed, but water cannot be compressed.

## (2) Metal, water, air and temperature

To develop pupils' ideas about the properties of metals, water and air, by exploring the changes in warming and cooling metals, water and air.

a. The volume of metals, water or air changes when heated or cooled.

b. The temperature of metals goes up gradually, spreading from the point being heated, but heated air and water move, raising the temperature of the whole.

c. The form of water changes into vapor or ice depending on temperature. When water becomes ice, its volume increases.

## (3) Function of electricity

To develop pupils' ideas about the functions of electricity, by exploring the functions of the dry battery and photocell in attaching them to small bulbs and motors.

a. The brightness and the rotation of a motor change as the number of circuit of dry batteries changes.

b. A photocell can rotate a motor.

### B. Life/the Earth

(1) Structure and movement of the human body

To develop pupils' ideas about the relationship between the structure and movement of the human body, by exploring the movement of bones and muscles and by observing the movement of
humans and other animals or by using teaching materials.

a. The human body has bones and muscles.

b. The human body can move due to the functions of bones and muscles.

## (2) Seasons and living things

To develop pupils' ideas about the relationship between seasons and animal activities and plant growth by finding and raising familiar animals and plants, and by exploring the activities of animals and the growth of plants in different seasons.

a. The activities of animals change depending on the season (warm/cold).

b. The growth of plants changes depending on the season (warm/cold).

## (3) Weather conditions

To develop pupils' ideas about weather conditions and the change of water in natural world, by observing changes in temperature in a day and the process of the change from water to vapor, and by exploring changes in weather and temperature and the relationship between water and vapor.

a. The change in temperature in a day is different depending on weather.

b. Water evaporates from the surface of water or the ground and turns into vapor in the air. In addition, vapor in the air may turn back into water drops (condensation).

## (4) The moon and stars

To develop pupils' ideas about the characteristics and movement of the moon and stars, by observing the moon and stars, and by exploring the position of the moon and the color, brightness and position of stars.

a. The shape of the moon appears to change day to day, and its position changes throughout the day.

b. There are stars in the sky with different levels of brightness and colors.

c. The alignment of a cluster of stars does not change but the position of the cluster changes throughout the day.

### 3. Handling the Content