中高生と“いのちの不思議”を考える─生命科学DOKIDOKI研究室

「サイエンスカフェ2016」レポート 細胞シートや模擬人工心臓づくりを 最先端の医工連携施設で体験

[2日目]最先端研究施設の見学と3つの実習で、将来の進路をイメージ

2日目は東京・新宿区河田町にあるTWInsでのプログラム。施設見学のあと、チームに分かれて3つの実習に挑戦した。

施設見学

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サイエンスカフェ2日目は、東京・新宿区河田町にあるTWIns(東京女子医科大学・早稲田大学連携先端生命医科学研究施設)で施設見学と実習。午前8時半過ぎ、みんな笑顔でTWInsに到着。

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ガイダンスのあと、班ごとに施設見学がスタート。

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冠動脈バイパス手術の訓練シミュレーター。冠動脈を再現したモデル血管と心臓の拍動を再現した装置からなるこのシミュレーターによって、縫合訓練が手軽にできるようになった。

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血管と心筋を模したモデルを実際に触ってみる。やわらかい!

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楽器演奏ロボット。人間の楽器演奏のメカニズムを工学的視点から徹底探究して開発。これはサキソフォン演奏ロボット。

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人間の口の息を吹き込む複雑な動きや指の動きを再現。

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組織臓器培養室は、細胞シート技術を用いて細胞から組織・臓器を作製する実験室。講義で聞いた細胞シートの実験室ということで、興味津々。

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組織培養を行うには無菌操作が重要であり、そのための装置がクリーンベンチ。周囲からの微生物の混入を避けるため、無菌状態で作業を行う。青い光は殺菌灯の働きをしているんだって。

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細胞シートを重ねて組織をつくる場合、シートの間に血管を通すことが重要になる。流路から1分間に数マイクロメートルずつ培養液を流す装置も開発している。

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再生治療に使われる細胞シートを作製しているのがCPC(細胞加工処理施設)。完全無菌を実現させるため、限られた人しか中に入れない。部屋の外からガラス越しにそっとのぞいてみる。

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化学分析室は、生命系の研究に欠かせない最先端の解析機器が並んでいる。この班の案内役は、前日「若手研究者に聞く」でレクチャーしてくれた宿輪さん。

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組織あるいは器官の組織学的観察を行うため、各組織の切片を作製する組織学実験室では、固定や染色といった手法でつくられた切片標本を観察したり、説明を受けたりした。

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3Dプリンターも活躍している。

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水棲動物実験室は生命系の研究に欠かせないイモリ、ゼブラフィッシュ、アフリカツメガエルなどの水棲動物を飼育中。

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アフリカツメガエルは、発生や四肢の再生、血液の研究などに有用な水棲動物だ。

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TWIns2階の早稲田大学生命医科学科は広々としたオープンラボ。10の研究室の教員や学生が集い学際的な研究を進めている。気軽に声をかけられるので、研究室の枠を超えたつながりを深められるのだとか。

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最先端の研究が行われている現場を見学することで、生徒たちは数年後の自分の姿を具体的にイメージできたようだった。

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大動物実験室見学・実習

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大動物実験室は清潔区域であるため、上下つなぎの保護服やネットキャップ、手袋、足カバーを着用して入室する。

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薄い手袋は手にぴったり貼りつくよう。

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まずは内視鏡(胃カメラ)を操作し、消化管を観察・撮影する実習。上部消化管の模型に内視鏡を挿入していくと、消化管の中の様子がモニター画面にあらわれる。

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内視鏡の太さは1㎝ほど。先端に小型カメラ(CCD)やレンズを内蔵し、手元のアングルノブを操作すれば上下左右自由に曲がる仕組みだ。

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消化管の模型はホンモノの食道、胃、十二指腸とそっくりそのまま。内壁にはポリープや潰瘍などがついていて、若手医師のトレーニング用だ。

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奥の方にある大きなポリープまでたどり着いたら、接近して写真を撮影。

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なかなか思い通りに進まない。「もうちょっと右に」画面を見ながら操作する手に力が入ってしまう。

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みんなもモニター画面をじっと見ている。

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検査の際にポリープが発見されると、内視鏡鉗子で切除することもある。小さなハサミがポリープに接近!

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続いて手術用器具を使って傷口を縫う縫合手技の体験にチャレンジする。使用するのは人間の皮膚を模した疑似モデルと持針器(じしんき)、摂子(せっし=ピンセットのこと)、それにハサミだ。

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実際の手術のときと同じ手術用縫合糸で結紮(けっさつ=糸結び)をやってみる。縫合糸は髪の毛程度の細さ。先に先生が見本を見せる。すいすいと簡単そうなんだけど・・・

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持針器は針を持つための器具。裁縫の針は手で持つが、手術のときの針はこの持針器を使って持つ。持針器で皮膚を軽くすくうように針を通す。

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頭でわかっていても、最初はなかなかうまくいかない

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みんな真剣!

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持針器で針を刺し、摂子で引っ張る。糸を結ぶのも手でやるのでなく器具を使って結ぶからムズカシイ。うまく糸結びができたら先の曲がったハサミでパチンと切って、結べたーッ!

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針を刺す間隔はこれくらいでいいのかな? 先生が適宜アドバイスをしてくれる。

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傷口がきれいに塞がれば合格。よくできましたー! 縫った擬似皮膚は記念に持ち帰った。

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簡易型人工心臓の作製

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簡易型の人工心臓を作る実習にチャレンジ。メインの材料はなんと、オモチャ屋さんの店先で見るガシャポンのカプセル。これで人工心臓が作れるの?

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まずは心臓の働きやその仕組みについて教えてもらう。

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実際に使われている補助人工心臓。今回つくるのは、これと同じ原理というから驚きだ。

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人工心臓の技術は最先端の技術だが、血液ポンプとして働く原理自体は実に単純。ポンプは血液が入る部屋と空気が入る部屋がダイアフラム(空気圧で作動する調整弁)で隔てられていて、血液が入る部屋には、入口と出口それぞれに一方向だけに動く人工弁を取り付ける。駆動装置で空気圧を制御することでダイアフラムを動かし、血液を送り出す。

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ガシャポン型人工心臓では、ガシャポンの中にはさんだビニールの膜がダイアフラムの役目をする。シリンジを操作して空気を送り込み、血液(実験では水)を身長の高さまで送り出す。この心臓のポンプの役割を学ぶのだ。

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こちらは体内埋込型の人工心臓。血液ポンプの駆動装置やバッテリーはバッグで持ち運ぶ仕組みだが、装置はかなり重い。

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日本の人工心臓研究の第一人者である早稲田大学先端生命医科学センター・梅津光生教授も実習の様子を見守っている。

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塩ビ管の先端にゴム板を接着して逆流を防ぐ逆止弁を作り、水の流れる向きに注意してガシャポンに取り付ける。

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作業中も会話が弾む。

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水漏れを防ぐため、ビニールテープや結束バンドでしっかりと固定。

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ガシャポンのお尻にシリンジを取り付ければ完成!

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自分が作った人工心臓がどこまで人間の心臓に近い働きをしてくれるか、水を使って実験開始。

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シリンジを動かして空気を送り込んで、1分間に送り出した水の量を計測する。空気漏れがあったりするとなかなかうまくいかない。

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人間の心臓は1分間に4.5ℓの水を160㎝の高さまで持ち上げる力がある。めざせ、流量4.5!

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必死にシリンジを動かすが、4.5ℓにはなかなか届かない。一人ずつ交代でチャレンジ。人間の心臓のすごさにナットクした実習となった。

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温度応答性材料と細胞シート

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再生医療の分野で注目されている細胞シートの原理と細胞の培養操作を学ぶ実習は、まず細胞シートをつくる培養皿の表面に使われている温度応答性高分子の秘密を知ることからスタート。

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温度によって状態がかわる高分子の変化を観察。室温では液状だが、手の中に入れて握ってあたためると色が白くなる高分子や、温度が低下するとゲルに変化する別の高分子について学んだ。室温で液状のこの溶液を体温で温めると・・・

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粘性が出て逆さにしても液が落ちてこない!

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お次は海藻由来の天然高分子「アルギン酸ナトリウム」を使った実験。色素を含んだアルギン酸ナトリウム溶液をピペットで2%塩化カルシウム溶液に落とすと、瞬時にゲルカプセルになってカラフルな玉がいっぱいできてきた。

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なんと、人工イクラもこの原理で作られるんだって。イクラのかわりに細胞や薬剤を封入したゲルカプセルを作れば、医療にも応用できる、というわけ。

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次に、細胞を培養し、増殖した細胞を新たな培養皿へ移し替える細胞の継代操作にトライ。まずは皮膚の線維芽細胞を顕微鏡で観察。

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ピペットや電動ピペッターを使って、培養液を加えたり、洗浄のために緩衝液を加えたり。慣れないピペット操作に最初は四苦八苦。

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目盛りとにらめっこしながらのピペット操作だ。

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細胞を遠心管に入れ、3分間遠心処理を行うと、遠心管の底に細胞が沈殿する、ピペットで上澄み液を除去し、培養液を加えて細胞を分散させ・・・と、継代操作ひとつとってもいろいろな作業が必要だ。

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最後に温度応答性培養皿上に培養されている細胞を使って、模擬移植の体験。培養皿を冷やすと、次第に細胞シートが剥離してくる。

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「なかなかうまくいかない!」という声が上がると、先生が助っ人に・・・。

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支持膜をピンセットでつまみ、細胞シートの上に乗せる。

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ピンセットで支持膜の端をつまみ上げると、細胞シートは支持膜に張りついて回収できる。

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ほら、ここ傷ついた場所だよ! 細胞シートを、支持膜ごとゴム手袋をつけた手の甲の上に乗せる。

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支持膜をゆっくりと剥がすと、残ったのは細胞シートだけ。これで移植完了!

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「移植できた!」 あちこちから歓声が上がった。

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ディスカッション〜修了証から記念撮影

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実習を終えたあとは、1日目に講義をしてくれた清水達也教授や、梅津光生教授、実習を指導してくださった先生もまじえての自由討論。司会役は梅津研の坂口勝久准教授だ。

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高校生から活発な質問が相次いだ。

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「実習で使った人工イクラをつくれるアルギン酸ゲルの他の用途は?」「細胞シートはどれくらい大きな面積のものがつくれる?」「細胞シートは手作業で重ねていくのですか?」など、積極的に質問する生徒たち。

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「胃カメラを操作して自分の不器用さにショックを受けた。不器用でも務まりますか?」という質問には、「慣れるものだし、むしろ不器用な人のほうが、自分のやりにくかったところを伝えられて、機器の改良に役立ったり、人を指導するときに適切なアドバイスができる」と先生。

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人工心臓にはさまざまな質問が相次いだ。「生涯にわたって使える人工心臓はつくれますか?」「人工心臓でも運動すると脈が速くなるの?」「1000万円~2000万円もする人工心臓をもっと安価に提供できる?」。日本の人工心臓の開発をリードしてきた梅津先生が一つひとつ丁寧に答えてくれる。「人工心臓に2000万円かかったとしても、患者さんが回復して人間らしい生き方ができて、税金を払うことができるようになるとしたらどうだろう。コストとベネフィットをどう考えるかだが、技術を開発することで患者さんや健康や厚生政策の選択肢を増やしていくことも研究者の大切な仕事」という言葉に、生徒たちは大きく頷いていた。

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梅津先生から修了証を授与される。

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TWInsの正面玄関前で記念撮影をして、1泊2日のプログラムが終わった。

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