【18-01】学業の飛躍を後押しした恩師の指導

2018年 2月16日

本稿は中国総合研究交流センター編『縁遇恩師　―藤嶋研から飛び立った中国の英才たち―』より転載したものである。

新入生の机の上に置いてあった30万円入りの封筒

　1994年、私は日本の文部省の奨学金を獲得した。当時、文部省と中国教育部の間には交流プロジェクトがあり、協定によって中国教育部が日本への研修を一括してアレンジしていた。一緒に日本へ行ったのは80人あまりの中国国内の研究者である。当時、私の所属していた研究室の主任は藤嶋昭先生の研究室から帰国したばかりで、藤嶋研究室の厳格な学術的雰囲気と藤嶋先生の専門的知識に大きな影響を受けていたため、私を藤嶋研究室に推薦したのである。私は無事に藤嶋研究室に到着し、スタッフに連れられて部屋に入ったが、席につくかつかないかのうちに、自分の机に封筒が置かれているのを見つけた。それは藤嶋先生が「新入生」の私のために用意した生活費30万円だった。自分はまだ何もしていないのに、こんな大金をもらってしまったという驚きで胸がいっぱいになった。私は大変感激した。藤嶋先生の学生に対する気遣いと面倒見のよさは、深い印象となって残った。

　藤嶋研究室は学術に対して厳しい中にも打ち解けた雰囲気だと感じた。みな研究に専念し、高い学術的素養を持ち、研究員同士が助け合い、中国と日本の学生も仲がよかった。特に弥田智一研究員、橋本和仁研究員は勉強面でも生活面でも私を助けてくれ、それは私にとって非常にプラスになった。

　留学中、私は藤嶋先生の人となりに大きな影響を受けた。藤嶋先生は中国の「よいことをすれば必ずよい報いがある」という道徳を信じており、いつも相手の立場に立ってものを考える人だった。当時日本では、中国からの留学生を簡単に受け入れているわけではなかった。しかし藤嶋先生は、中国人留学生を熱心に指導し、留学生たちの仕事や勉強に必要な条件を整え、日本で無事に学業を終えられるよう守ってくれた。私は、藤嶋先生が指導教員として研究を助けてくれたことだけでなく、その人となりや人との接し方が、科学研究と学術界で成果を上げられた大きな理由だと考えており、それをしっかり心に刻み、生涯その恩を受けることになった。

長所を学び短所を補い生まれた革新的発想

　私は日本に長く留学していたため、日本の研究体制が完備され、研究費が十分にあって、研究者が将来を心配せずに研究することができることをよく知っている。これが、日本がノーベル賞受賞者を多く出せる大きな原因だ。それに比べると、中国の科学研究は過度に論文数を重視し、研究成果が研究室を出て実用化されることに注意を払わない。

　そのため研究者は論文を発表することを目的とするようになり、しかも成果を急ぐこともある。一方、日本の研究体制にも欠点はある。それは比較的保守的で、中国の研究制度のように開放的ではないことだ。この点で、中国は若い才能のある研究者が頭角を現すのに有利である。私は両方の体制の影響を受け、異なる性質を併せ持ち、長所を学び短所を補い、両方を補完し合ってよい結果を生むことができた。

　革新的な発想によって研究過程で独創的アイデアを出し、順調に研究を進めた。とくに研究体制建設において私は日本から多くを学び、それは帰国後の研究を力強く支えることになった。

　2003年の帰国後、私は日本の研究体制に学び、研究室の目的を応用化学とし、大きな成果を上げている。藤嶋先生は卒業後の学生を常に気にかけてくれている。私は帰国後も恩師とつねに連絡を取り合って交流し、何度も学生の共同研修を行い、日中二国間シンポジウムを深化させ、その成果が次第に現れてきている。

たゆまぬ努力によって蓄積した研究業績

　私は現在、東南大学生物科学・医学工程学院院長、ＪＩＴＲＩ江蘇省産業技術研究院生物材料・医療器械研究所長である。院の研究生は全部で400人以上だ。私の率いる「バイオミメティクス材料・器官研究室」は帰国後に始動した。メンバーは当初私1人だったが13人まで増えた。そのうち教授が5人、准教授が6人、講師が2人（11人が海外留学経験者）である。また江蘇省傑出青年2人、国家自然科学基金優秀青年1人、全国優秀博士論文ノミネート1人、江蘇省優秀博士論文取得者1人、江蘇省優秀修士学位論文取得者4人、宝鋼教育賞受賞者3人を輩出している。博士修了者28人、修士修了者70人、博士号取得後に他へ移転した人は11人である。現在、顧忠沢研究室では毎年4〜5人の修士・博士を受け入れ、メンバーは約20人いる。学生は通常、卒業後に企業に入社し、企業と研究室との協力によって、技術の実用化を促進している。

　研究室の主な研究テーマは周期性のあるマイクロナノ構造機能材料、生体機能チップである。主管する、もしくは研究中のテーマには日本の重大研究計画、国家科学技術難関攻略計画、８６３ハイテク研究発展計画、教育部イノベーションチーム発展計画、国家重大科学研究機器研究専門サブテーマなど、多くのプロジェクトがある。

　またChem. Soc. Rev., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed.,Phys. Rev. Lett., Adv. Mater. などの世界の著名雑誌に発表した論文は約300本、h指数は46である。特許申請は100以上で、権利取得40以上、権利移転7である。

　現在、８６３テーマ専門家メンバー、国家重大科学技術専門家メンバー、軍委員会科学技術委員会イノベーション局バイオ材料分野専門家メンバーとなっている。その成果は教育部自然科学一等賞（2010、順位1／3）、中華医学会医学科学技術二等賞（2011、順位3／10）、江蘇省科学技術一等賞（2013、順位3／11）、ジュネーブ発明博覧会特別金賞（2014、順位1／2）、教育部科学技術進歩二等賞（2015、順位3／9）などを受賞している。

私と研究室の主な研究成果

　顧忠沢研究室は、主にフォトニック結晶の科学的・生物科学的分析、および脳波の情緒分析に基づいて研究を行っており、主にフォトニック結晶エンコードサスペンションアレイ、フォトニック結晶非標識センサー、生体機能チップなどに関わる。

研究内容　1 自己集合化フォトニック結晶

　周期性のあるマイクロナノ構造材料とは、その構造ユニットがナノメートルからマイクロメートルスケールで周期的に分布する機能材料で、その代表的なものがフォトニック結晶である。この種の材料は、自身のマイクロナノ構造を利用して光と相互作用を起こし、光の伝搬特性の制御を実現することができる。自己集合化フォトニック結晶の研究において、メソポーラスシリカビーズ、高機能フレキシブルビーズなどのマイクロナノ構造のユニットを開発し、インクジェット印刷によるフォトニック結晶作製技術に発展させ、さらにフォトニック結晶をディスプレイ、セキュリティ、検査、センサーなどの分野に拡大応用している。

⑴  インクジェット印刷法によるフォトニック結晶作製

　フォトニック結晶デバイスを実用化する際、しばしば材料を図案化したり加工する必要がある。インクジェット印刷は高解像度、低エネルギー消費、低汚染などの長所があり、それをコロイド結晶の自己集合化技術と組み合わせると、コロイド粒子を非常に狭い空間で集合化させ、精度の高い個別の図案をスピーディに作製することが可能になる。

　この技術の難点は、印刷インクとなる水滴内に含まれるコロイド粒子を基板材料に集合化させる過程の制御である。我々は基板の親水性、インクの化学成分、水滴の揮発スピードなどを最適化し、酸化ケイ素コロイドインクの印刷技術を発展させた。また電気流体力学によるインクジェット印刷技術を発展させ、異なるタイプの高圧電場をノズルに利用して水滴化と連続噴射を実現し、これによって点状・リング状・連続線のフォトニック結晶構造を実現した。この電気流体力学の応用は、印刷精度のスケールを1桁高め、またノズル詰まりの問題を解決した。

⑵  光ガスセンサー

　フォトニック結晶を使った重要な応用例の一つがガスセンシングである。ガス分子をサブミクロンビーズの表面や隙間に吸着し、等価屈折率の変化を起こし、それによってフォトニック結晶の反射のピークを変位させる。ガス吸着量と変位量の間には一定の関係があるため、フォトニック結晶を高感度ガスセンサーとして、さらに定量検査に使うことができる。

　我々は一種のフォトニック結晶チップを発展させ、チップの異なる格子点を異なる種類のガスと対応させ、スペクトルシフトもしくは蛍光強度の変化として表し、測定結果間の違いの大きさに基づいてクラスター分析により樹状図を作成し、ロット間の冗長データに基づいて主成分の分析をして、ガスに対する識別を行った。

　未知のガスを検知し、測定結果が既知のクラスターに位置すれば、その未知のガスとクラスター内にあるガスは一致していると見なすことができる。これをベースに、さらに多孔性基板に染料アレイを作製してチップに封入し、スマートフォンのカメラで染料アレイがガスに反応する前後の色の変化を記録し、独自のスマートフォンアプリで未知のガスのモデル識別を行うことが可能だ。この技術はセキュリティチェック、麻薬取り締まりなどの重要分野において、現場ですばやくガス検査のできる携帯型ソリューションを提供し、さらに一定程度の定量検査結果を出すことができる。

⑶  コンタクトレンズ

　現在、カラーコンタクトレンズ（角膜接触鏡）は一般にサンドイッチ構造を採用し、染料を2層のハイドロゲルの間にはさんでおり、染料が浸出するリスクがある。我々はフォトニック結晶マイクロ構造と光の相互作用による発色（虹色）の基本原理に基づき、虹色コンタクトレンズの概念を打ち出した。

　コーヒーリング効果の原理に基づき、酸化ケイ素粒子を使って真ん中に穴（瞳孔部）のある細密充填コロイドのフォトニック結晶構造を一段階法で作り、その後酸化ケイ素のテンプレートを取り除くとハイドロゲル成分のみのカラーコンタクトレンズを作ることができる。この技術は、染料が浸出するという従来の問題を回避し、また多くの空隙によって酸素含有量を増やし、目の乾燥を軽減することができる。

⑷  フォトニック結晶ペーパーデバイスによるＰＯＣＴ

　ペーパーデバイスによるポイントオブケアテスト（ＰＯＣＴ）は簡単に使えてコストが安く、携帯に便利で使い捨てできるなどの特徴がある。我々はフォトニック結晶の周期性構造をマイクロ流体ペーパー分析デバイスの設計に取り入れ、その光学的性質とナノ構造の特性と各種の生化学検査に応用した。

　折り紙の技術とマイクロ流体ペーパーの技術を組み合わせ、３Ｄフォトニック結晶の折り紙デバイスを開発した。作製方法は簡単で、特殊な光学的性質を持ち、一般的な方法で検査デバイスを改良しただけでなく、より高感度の定量分析能力を持つようになると期待されている。

研究内容　2 生体機能チップ

　生体機能チップはバイオチップともいい、医薬品評価と疾病モデルに使われる、ここ数年で提案されたバイオ医学研究の新たな実験方法である。ヒトの器官レベルのマイクロ構造、微小環境、機能などの特性のシミュレート、ヒト由来細胞組織の疾病モデルの構築ができ、個別医療への応用の可能性を持ち、実験用動物の代替として、長期的で難しく、コストの高いスクリーニングに応用できると期待されて、世界から広く注目されている。

⑴  マイクロフルイディクスバイオ毛細血管

　マイクロフルイディクスは物理・化学・工学・微細加工・バイオ技術をベースに発展してきたマイクロスケール構造でマイクロスケールの液体を操作する科学技術である。マイクロスケールの流体を正確に操作・処理・制御できるため、マイクロフルイディクスは機能化・構造化されたマイクロスケール材料の製造において、近年突出した大きな優位性を持つようになった。

　我々は毛細血管の構築方法によって、３Ｄコーフロー式ガラス毛細血管マイクロフルイディクス装置を設計、作製した。アルギン酸ナトリウム溶液を内相、塩化カルシウム溶液を外相とし、ぜん動ポンプによって安定した二つの層流の界面を作り、アルギン酸ナトリウム溶液と塩化カルシウム溶液がコーフローの出入り口でアルギン酸カルシウムマイクロ繊維のゲル化反応を起こすことを利用し、サイズが制御可能な連続したアルギン酸カルシウムマイクロ繊維を作製した。

　上記の研究に基づき、肝臓血管と肝細胞索など繊維状の３Ｄ組織の原型によって、さらに拡張可能なマイクロチャネル構造のマイクロフルイディクス装置を作製し、また複雑な空間構造を持ち、成分が制御可能なアルギン酸カルシウムバイオ中空糸の作製を実現した。同時に、細胞をアルギン酸カルシウム溶液中に分散させ、一段階法で細胞担持繊維を作製した。実験結果によると、細胞は繊維中において比較的よいバイオ活性と細胞集合体の成長を示した。

　この方法は細胞集合体の培養に新たな発想を提供し、腫瘍細胞研究に大きな意義を持つ。多種の細胞を多相のアルギン酸ナトリウム溶液に分散させ、繊維中において細胞の空間分布を制御可能にし、毛細血管構造に似た繊維組織と器官を作ることができた。実験結果によると、細胞は毛細血管状の繊維において高い生存率と生物活性を示し、これは主に毛細血管が細胞に外界との物質交換と代謝排出の機会をより多く提供することによるものである。

　この研究は、３Ｄ空間において多種の細胞を担持した複雑な構造で成分制御が可能なマイクロ繊維の作製を実現し、体外に人工血管やその他の細胞の3Ｄ組織構造を構築するための新たな方法を提案するものである。

⑵  フォトニック結晶細胞検査チップ

　マイクロフルイディクスによって作製され、自身が安定的にエンコーディングされたフォトニック結晶ビーズのサスペンションアレイは、細胞の単層培養とバイオエンコーディングの2つの要求に応える。ビーズのサイズは制御可能で、その範囲はマイクロキャリア細胞の塗布と培養に適している。

　二酸化ケイ素材料に細胞毒性はなく、適切な表面改質と表面官能基の修飾により、高い生物相容性を持つ多機能な表面で高密度の細胞塗布と培養が可能になる。循環腫瘍細胞をターゲットとして捉え、また細胞の機能や代謝物などの多元的な分析を行い、さらに細胞をサスペンションアレイの表面に付着させた後のスペクトルデータは安定して変化しない。同時に流動するサスペンションエンコードの基板となり、エンコードの方式には柔軟性があり、細胞培養と細胞捕集を行う際により主体性がある。

　このため、この種のサスペンションアレイは３Ｄ細胞培養、多種細胞捕集、細胞の多元的検査を一体化した新しいマイクロデバイスであり、生物や細胞の多元的検査と分析を可能にする。我々はフォトニック結晶サスペンションアレイを元に循環腫瘍細胞（ＣＴＣ）捕集アレイを作製し、フォトニック結晶の安定的な虹色を利用してエンコードを行い、その表面に細胞偽足を捕集、粘着するナノ図案を作製し、合わせて樹枝状の分子表面官能基の増幅効果を利用してターゲットとする特異的ＤＮＡアプタマー・プローブの密度を高めた。

　そこからアプタマーと細胞表面レセプターの特異な結合を増やし、主体的に特異性の識別と異なる種類のＣＴＣ捕集を行って、最終的には多種類のＣＴＣの捕集・検査・分離・放出など多くの機能を実現した。これは多元的細胞捕集分離の評価分析の基礎を構築した。

⑶  ３Ｄ組織培養チップ

　マイクロフルイディクスバイオ材料の作製とフォトニック結晶サスペンションアレイをベースに、我々は血管バイオシステム、肝細胞3Ｄ初代培養システム、多細胞共同培養システム、栄養濃度段階分離構造、毛細胆管のディッセ腔構造の肝小葉組織バイオチップを開発した。

　このチップは肝臓内部の豊富な血管微細構造と微小環境をシミュレートし、肝細胞の長期的な高活性高機能培養を実現し、肝細胞のアルブミン分泌、尿素合成、P４５０酵素活性などの機能による検査と、アセトアミノフェンの初代培養肝細胞に対する短期・長期的な薬物毒性作用の分析を行う。これは肝臓疾患モデルの構築と医薬品スクリーニングへの応用が期待できる。

　このほか、我々は血管擬態の細胞組織培養により、３Ｄ状態での肝細胞侵襲実験モデルの構築に成功した。組織内部の遠隔疑似血管の部分に円形腫瘍細胞組織が発生成長した。疑似血管に近い位置には楕円形の細胞のコロニーが形成され、組織の弱い部分に出芽侵襲が見られた。楕円形の腫瘍組織の両極は次第に組織の制約を破り、疑似血管組織の層構造を通過して、急速な増殖と侵襲の遺伝子座を形成し、腫瘍細胞はまとまりのなくなった肝臓がん組織を離れて、循環肝臓がんを転移させた。

　この３Ｄ血管肝臓がん組織転移モデルは、マイクロフルイディクスに基づき３Ｄ血管腫瘍組織レベルにおいて腫瘍の侵襲・転移・捕集の研究と腫瘍薬評価のために新たなモデルを提供した。

日本語版編集：馬場錬成（特定非営利活動法人21世紀構想研究会理事長、科学ジャーナリスト）

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日本語版「縁遇恩師　―藤嶋研から飛び立った中国の英才たち―」（ 3.08MB )