教員紹介
体内で自己細胞が浸潤し、無細胞化組織の実用化を目指した総合的基礎研究を推進しています。また、革新的医療機器の開発と臨床応用、安全な普及に寄与するため、(1) 市販前の安全性と性能、(2)市販後の実臨床での使用法、病変特性に対応したリスク低減方法と効果向上方法の提示につながる医工学評価法の開発を行っています。特に革新的医療機器の耐久性と抗血栓性の非臨床評価方法論を確立し、レギュラトリーサイエンスの発展に寄与することを目的としています。
ロボット、AI、IoTなどの先端技術は健康寿命を増進させる上で欠かせません。病変画像の自動検出による診断支援、装着感のない生体センサによる健康モニタリング、脳卒中患者に身体への気づきを高め脳の可塑性を高めるニューロ・リハビリテーション、再発・進行がんを根治可能な新たながん治療法の確立など、こうした社会の課題を解決するべく、本研究グループでは、医学や応用化学の専門家とも連携しつつ、次世代がん治療ロボット、妊婦エコー検査ロボット、随意操作が可能な第三の腕、生体計測極薄シートなどの研究開発を行っています。
再生医療、バイオファブリケーション、バイオエレクトロニクスなどの先進技術を利用し、人工臓器、生体モニタリングなどの再生医工学応用研究を行う。
本研究室では、画像処理と機械学習の医用工学、ロボット、スポーツシステム等への応用法に関する研究を行っています。医用工学に関しては、手術の工程や状況をビデオ画像から自動的に認識する方法の研究、心電図から心疾患の有無を機械学習を用いて判定する方法の研究、AR（複合現実感）技術を用いた血管への穿刺技術の研究等を遂行しています。 ロボットに関しては、極限環境用ロボット、環境モニタリングロボット、ガス管検査ロボット等の視覚機能の研究を遂行しています。 さらに、スポーツの自動指導システムの実現を目指し、様々な観点からスポーツ動作のビデオや筋電センサ等のデータ解析法の研究を進めています。
地球の生態系は進化の原理により環境とその変化に対して極めて高度な適応を実現しています。 特にヒトを中心に、その機能・効果をロボット技術に応用するという視点から2足歩行・走行ロボット、情動表出ロボット、医療教育用患者シミュレーションロボット、楽器演奏ロボット、生体計測システム、ウエアラブル運動訓練デバイス、災害救助用脚ロボット、自然モニタリング用ロボットなどを企業や海外研究機関とも連携しながら開発しています。 それらではヒト自身が設計対象の一部として包含されるため、その工学モデルの構築も重要になりますが、人間科学系・医学系の論文調査だけでは不充分なことも多く、例えば2足走行ロボットのように人間型ロボット自体を用いてヒトの走行時における上肢と下肢との連携動作のメカニズム解明など、実験的な検証を行うことも進めています。
われわれは、細胞運動のメカニズムを解明するため、アクチンをキーワードとした研究を行っています。 さてアクチンは、繊維に重合することによって伸長力を発生する一方、ミオシン分子モーターと相互作用することによって収縮力を発生し、これら二つの力発生機構は、細胞の前部と後部でそれぞれアメーバ運動を駆動しています。 アクチンはまた、細胞内の様々な機能とも密接に関連しており、同じアクチン繊維が細胞内の異所で同時に異なる機能を果たすメカニズムは大きな謎でした。 われわれは、アクチン繊維の協同的な構造多型性が機能分化に寄与すると考え、高速原子間力顕微鏡などの最新の研究手法を駆使した研究を進めています。ミオシンとの相互作用に基づく力発生は、ミオシン分子の形態変化に基づく、レバーアーム機構という機械的なモデルが有力視されています。 しかしわれわれは、アクチン繊維の構造変化もミオシンの力発生に必須であることを示し、レバーアーム機構の見直しも含めた研究も進めています。
分子を思い通りに構築するのが化学であるが、これは実際のところ簡単ではない。私は、必要な物質を必要量作る力が新しい科学を産み出す、と考えており、「思い通りに分子を作る」ことを目指して、有機合成化学による生物活性物質の合成研究を行っている。
目的物を速やかに作る合成ルートの確立
新しい物質によって科学をリードするためには、必要なものが速やかに得られる、効率的な合成経路の開発が不可欠である。目的物の構造の特徴をとらえて合成計画を立て、最短距離で合成を達成することを目指す。
目的物を速やかに作る反応の開発
標的分子が複雑な構造を持つ場合は必ずと言っていいほど、それまでの化学では解決できない問題につきあたる。そこで創意工夫によってその問題を乗り超える。それが新しい化学を産むことになるのである。また、合成途上で出会う物質の新規な構造にも興味を持ち、その官能基配列が潜在的にもつ化学反応性を引き出すことにより、新しい化学を開拓する。
本研究室では、物理量を正確に測定することに主眼を置き、測定法の開発に注意を払いながら、ヒトを含む動物の生理機能全般についての研究を行っている。具体的には、 （１）超高感度測定法を駆使した感染症やがんに対する新たな診断法の開発、 （２）ヒトの情動ならびに痛みについての神経科学研究、 （３）光を用いたスローエイジングの生理学研究、 （４）無脊椎動物における学習・記憶の分子生物学研究、 （５）免疫細胞の体内動態と機能分化の制御メカニズムの免疫学研究などである。 国内外の大学や研究機関との共同研究ならびに交流を行っており、所属の院生もそれへの参加が期待されている。したがって、自ら進んで学び、最新の研究に参加し、そしてその成果を世界に発信しようという強い志をもったメンバーが集っている。 当研究室を希望する者は英語の能力を常に磨くことも要求される。
真核細胞の核には、長大なゲノムDNAが縺れることなく機能的に収納されていて、細胞分裂後の核内でもその状態は再現されます。 しかし、この現象を支える基本的な原理やメカニズムは、依然として謎に包まれています。 我々は今世紀になって、二本鎖DNAには配列の相同性を感知して同じものどうしが集合する性質があること（“DNAの自己集合”と命名）と、ヌクレオソームにもDNA配列の相同性を感知して同じものどうしが集合する性質があること（“ヌクレオソームの自己集合”と命名）を相次いで発見し、2007年と2013年にそれぞれ報告しました。 現在我々は、これらの現象がゲノムの折りたたみと核内収納を司る基本原理のひとつではないかと考え、それを証明するために様々な研究を展開しています。 また、これらの現象と液-液相分離を介したヘテロクロマチンドメイン形成との関係についても調べています。 この他、DNAの物性や高次構造に“印”された遺伝情報を解明するための研究や、生物の環境応答と遺伝子進化の関係に関する研究も行っています。
造血幹細胞から増殖・分化した血球は，血液循環中で一定の血球数に調節されます。血球機能や造血制御に関して，ヒトやマウスを対象にした多くの知見が蓄積されてきました。しかし，地球上の脊椎動物全般にわたる造血・血球の多様性や普遍性の理解は進んでおらず，数多くの謎があります。 私達は生命科学の新視点を拓きたい。 哺乳類以外ではツメガエル，メダカを取り入れ，OMICS，ゲノム編集，量子生命科学などの手法を取り入れた新しい造血解析モデル系を確立し，比較血液学的視点による未知の造血制御系の探索を進めています。課題を大別すると， 1) 造血の環境応答， 2) 造血因子／受容体の生物種特異的な構造と機能， 3) 組織特異的な造血能の偏向性， 4) 造血幹細胞の不均一性と臓器分布， 5) 造血系と内分泌系の連鎖， 6) マイクロRNAの発現と機能，などです。 共同研究の設定や，研究成果の共有の場は，基礎生物学と臨床医科学の双方の領域にまたがります。
地球の生態系は、物質的・エネルギー的に植物や藻類の光合成に依存している。 光合成の光エネルギー変換装置は98%を超す電荷分離の効率を持ち、人工光合成のモデルシステムとしても注目されているが、自然界における植物の光合成は、さまざまな環境要因によって制限され、光合成速度が理論的な最大速度に達する場合はないといってもよい。 そのような光合成と環境要因との関わりを通して、本研究室では、光合成のメカニズムと植物の生存戦略を追求している。 さらに、代謝的な側面から見た生命の進化の解明をもう一つの研究目的としている。 酸素発生型の光合成をおこなうシアノバクテリアの登場により地球上の物質循環は劇的に拡大した。 シアノバクテリアがどのように進化したのか、また、シアノバクテリアが細胞内に共生することにより葉緑体へと進化する過程で、代謝はどのような影響を被ったのか、そのような疑問に答えるべく研究を進めている。
自由に移動できる動物に対して，植物は根を下ろした場所から生涯動くことができません。根ざした環境下で生きていかなくてはならない植物にとって，周辺環境を検知し，それに見合った大きさや形に成長する仕組みは不可欠です。そのため植物は，動物にはない様々な環境応答機構を発達させてきました。 そのような植物の細胞内を顕微鏡でのぞいてみると「原形質流動」と呼ばれる非常に活発な細胞内運動が観察できます。原形質流動は細胞骨格（アクチン）の上をモータータンパク質（ミオシン）が運動することにより発生し，様々な植物機能の制御に関与していることが示唆されています。すなわち，植物特有の輸送システムは植物の成り立ちそのものを反映していると考えられます。 私たちの研究室では，細胞生物学・分子生物学・ライブイメージングなどの技術を駆使し，植物の細胞内輸送の仕組みを解明していきます。最終的には植物の成り立ちを，分子から個体レベルまで“統合的”に理解することを目指し研究を進めています。
少数の幹細胞から多様な細胞が生み出され、器官が形成されていく過程を分子、細胞、組織の多階層間で解析することで、発生プログラムを担う新たな機構を探索し、その動作原理を明らかにする。
炭素や窒素は生物にとって非常に重要な元素です。陸域生態系ではこれらの元素は生物と外部環境の間で形態を変えながら行き来し、循環しています。 私たちは陸上生態系を対象として、実際の野外調査を通してこれらの循環過程を観測・記述し、さらに室内実験も併用することでそれらのプロセスの時間的・空間的変動のメカニズムを解き明かすことを目的として研究を行っています。また、炭素・窒素循環過程の解明における不確実性の多くは我々の足元、つまり土壌圏にあると考えられます。そこで我々の研究室では、土壌圏に生息する微生物群集の機能に着目した研究を展開しています。 また、我々の研究室では、増えすぎた大気CO2の炭素を効率的に隔離する技術の１つとして有望視されている、生態系へのバイオチャー施用に関する研究も行っています。実際の森林生態系に有機物の低温炭化物であるバイオチャーを施用し、生態系の様々な応答を調べています。
生命は、核酸、タンパク質などの生体高分子から構成されたMolecular Machineである。生命の基幹プロセスである転写翻訳システムを、精製した分子から再構築することに成功した（PURE system）。 さらに細胞分裂装置、物質輸送システム、エネルギー生産システムなどの生命のサブシステムを、遺伝子からPURE systemで発現させることで作製した。これらのシステムを統合して自己増殖する「人工細胞」を実験室内で構築を目指している。さらに環境に対応して進化する生命システムの創出に、挑戦している。また、生命の起源のおける遺伝暗号成立は最大の謎（鶏と卵問題）であるが、その解明に向けて立体化学説の立場から取り組んでいる。
近年、大動脈弁や大動脈疾患に対し、カテーテル人工弁やステントグラフトなど多くの低侵襲治療用機器が開発されています。これらの多くは高齢者などの高リスク患者さんを対象としており、より安全に効果が得られるような治療機器の開発・改良が求められます。我々は、大動脈弁、大動脈疾患の病態模擬モデルを開発し、各疾患がもたらす血行動態を4D-flow MRI で評価する試験システムの開発に取り組んでいます。この試験システムが新しい治療機器の開発研究に活用され、安全で有効な治療機器を患者さんへ提供するための環境づくりに活かされることを期待しています。
この研究室の目的は、Society 5.0に向けて人間と機械の自然でシームレスな統合を可能にすることです。制定パラダイムは、認知科学に端を発する古典的な心の計算理論（CTM）に代わるものを提供します。イナクションは、認知を、生物とその環境との間の相互作用の感覚運動ダイナミクスに基づいていると見なしています。したがって、世界の生物モデルは、その感覚運動能力と環境の間の相互作用の結果であり、生物の認知モデルとその進化を理解するため、生物行動分析は基本です。 このため、自然な人間とロボットのインターフェースの開発は、人間のパフォーマンスと行動の分析や決定論的および非決定論的AIアルゴリズムによる機械の相互作用能力の最適化に基づいています。
脳動脈瘤の発症・進展・破裂には血流が関与しています。悪性の血流を特定できれば、脳動脈瘤の診断・治療イノベーションが期待できます。現代の医学では、脳動脈瘤の破裂危険度は、破裂した瘤の部位や形状を統計分析することでしか判断できません。当研究では、脳動脈瘤の病理を工学するという観点から瘤の発症・進展・破裂に関する因果論を明らかにします。
福祉工学では、単にモノづくりのためのツールとしての工学的な知識だけではなく、支援する対象であるヒトの諸機能に関する知見も必要となります。そこで本研究室では、実験や関連資料、現場での体験等を通じて、福祉工学の各論を構成する以下の事柄に関する研究・調査に取り組んでいます。 また、人の機能を補完して環境との円滑なインタラクションを目指した適切なインターフェースに関する具体的な課題に取り組んでいます。その際には、身体諸機能の機序の解明を目指した基礎研究と、同時にそれらの知見に基づいて実用化を目指した応用研究の両方の視点からのアプローチを想定しています。特に応用研究については、広義の福祉機器として、ユーザを障害者や高齢者に限定せずに全ての人々にとって有用となるようなユニバーサルデザインのモノづくりのコンセプトも重視しています。
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