細胞の3次元（立体）培養によってつくられる細胞凝集体を「スフェロイド」といいます。スフェロイドは、（１）細胞がもつ本来の代謝・分泌機能、（２）臓器に備わる3次元的な微細構造、（３）疾患臓器の微小環境、などを再現することができます。したがって、基礎生物学的な研究にとどまらず、がんなどの病態研究や移植医療にも応用できるとされています。

横浜市立大学大学院生命ナノシステム科学研究科准教授の小島伸彦先生は、スフェロイド作製を通じた「臓器設計技術の開発」を研究テーマとしています。また、肝臓機能の一部を赤血球にもたせて投与するという「液体肝臓プロジェクト」を立ち上げ、クラウドファンディングで1,200万円を超える研究資金を集めることにも成功しました。

小島先生に、研究内容やクラウドファンディングについてお話を伺いました。

本物の臓器そっくりである必要はない

－現在の研究テーマを教えてください。
スフェロイド作製をはじめとする三次元培養について研究をしています。出身学部は大阪大学工学部応用生物工学科（当時）で、ハイブリッド型人工肝臓の研究をしていました。肝臓のドナー不足を解消する目的で、ブタ由来の正常肝細胞やヒト由来のがん化した肝細胞と足場などの人工材料を組み合わせたものをハイブリッド型人工肝臓と呼びます。患者の肝臓が再生するまで、あるいは肝移植の準備が整うまでの間、比較的短期的に使用する外付けタイプの臓器です。

ハイブリッド人工肝臓は基本的には体外で灌流するのですが、できれば体内に埋め込むことができる人工肝臓がつくれるとよいと思っていました。その理由は、研究室にいたスタッフですごくお酒に強い人がいて、その人の肝細胞を移植すれば自分もお酒に強くなれるのでは、と思ったからです（笑）。両親のゲノム配列によってお酒に強い・弱いが決まってしまうなんて、とても不公平だと思っていましたから。

その後、より本物らしい肝臓をつくりたいと思い、博士課程は東京大学大学院理学系研究科に移って肝臓そのものの発生について研究をしていました。学位を取った後、東京大学生産技術研究所に助手（当時）として着任し、マウス体内で異所的に肝臓を作るといった研究に取り組みました。ただ、臨床応用ということになると一人だけではできず、かなり大きな壁を感じるようになりました。

－そこから現在のスフェロイド研究に方針を決めた理由は何ですか。
2005年頃でしょうか。異分野交流的な発表会で、ある医学部の先生から「小島さんのつくる肝臓はいつになったら本物そっくりの肝臓になるのですか。5年後ですか、10年後ですか」と質問を受けました。ヒトの体内に埋め込める本物そっくりの肝臓を試験管の中でつくるとなると、その完成は少なくとも10年後ではなく、50年から100年はかかるだろうということは、みんなわかっているのです。しかし、臨床現場に立つ先生からするともどかしかったと思います。その研究を何十年と続けてもなんの役にも立たないのではないか？と言われたようにも感じました。

その先生の質問に対する答えは、すぐには見つかりませんでした。その後、留学して腎臓の再生医療に携わり、帰国してからは半導体加工技術とライフサイエンスとの融合研究にも参加しました。海外の文化や異分野の思考に触れ、「しぶとい」発想ができるようになり、大型の臓器をまるまる作るのではなく、「小さいけれど本物によく似た臓器をつくる」というアプローチに方針転換しました。大きなものを作るのは他の人に任せると（笑）。

実はスフェロイドはハイブリッド型人工肝臓の要素技術の一つで、私自身も作製した経験がありました。スフェロイドの内部構造をデザインするという研究テーマを見出し、2013年に現在の横浜市立大学で独立した研究室をもつことになりました。当時、Organs-on-a-chipやHuman-on-a-chipと呼ばれていた創薬支援デバイスのコンセプトが、Microphysiological Systems（MPS）としてより一般化され、スフェロイド作製技術も改めて注目され始めました。創薬支援に着眼したのはよかったのですが、当時はまだ「本物そっくり」であることが正しいと思い込んでいました。

－本物そっくりでないことが正しいということがあるのですか。
はい、私はそう考えています。2016年に研究費が枯渇し（笑）、グラントの申請書を書きまくる日々の中で、ふとある考えが湧き上がってきたのです。創薬支援や移植医療で必要とされる臓器は「本物そっくりである必要が果たしてあるのか」と。確かに本物の臓器は100年近い寿命を可能とします。しかし、移植目的で40年維持できればいいのであれば別の形態だってあり得るはずです。5年しか持たない、でも非常にハイパフォーマンスな臓器だって状況によっては選択肢に入るでしょう。本物そっくりでないからこそ創薬や移植において役立つこともあるはずだと考え、目的に合致した構造や機能をもつ本物には似ていないスフェロイドの製作も模索しています。

「むしろ本物そっくりでない臓器が移植に役立つこともあり、試験管内で臓器を作製・デザインする技術開発は医療には欠かせない」。2005年に医学部の先生から受けた質問に対して、ようやくきちんと答えられるようになったと思いました。この答えにたどり着くまで結局10年以上かかってしまいましたが、研究室を支える重要なコンセプトになっています。もちろん、本物そっくりの臓器形状を再現する挑戦も続けていきます。

私たちの研究室では、メチルセルロースという高分子を分散させた培地を使って、細胞や粒状物質を強制的に凝集できることを発見しました。この培地の中に肝臓細胞と血管内皮細胞を入れると、肝臓細胞の中に血管内皮細胞が自然とネットワーク状の模様をつくるのです。比較的本物に似ているこのようなヘテロなスフェロイドは、肝細胞と血管内皮細胞との相互作用を研究するための系として使えます。一方、血管内皮細胞の代わりに、細胞と同じくらいのサイズのゲルビーズを入れると、ゲルビーズがスペーサーとなって細胞密度を低く抑えることができます。ブタ膵島を移植する際には免疫隔離膜で膵島を被覆しますが、これによって移植した膵島には血管は入りません。しかし、一手間加えて膵島を一旦バラバラの膵島細胞とし、ゲルビーズとともに再凝集させてハイブリッドなスフェロイド（人工的な膵島）を作れば、免疫隔離膜で覆った後でも、酸素や栄養素などの物質交換が担保できる可能性があります。だからこそゲルビーズで人工的にスペースを空けておくのです。本物そっくりではない臓器が医療の役に立つ可能性があるわけです。

『攻殻機動隊』から生まれた液体肝臓

－2020年にはクラウドファンディングで1200万円を超える研究費を集めたそうですが、その経緯を教えてください。
きっかけは「攻殻機動隊REALIZE PROJECT」というイベントです。『攻殻機動隊』はマンガが原作で、アニメ映画が1995年に公開されて当時夢中になった作品です。『攻殻機動隊』は2029年が舞台とされており、アニメ映画公開から20年経った2015年に「作品内のテクノロジーはどこまで実現したか」を問いかけたのが攻殻機動隊REALIZE PROJECTです。

『攻殻機動隊』では、義手や義足の延長線上に義体というものがあり、脳と脊髄の一部以外は人工物でできています。漫画の欄外には、肝臓や骨髄などをどうやって人工器官化するか検討もつかないという旨の記述があるのですが、ならば細胞でつくればいいと高校3年生のときに思って、今のスフェロイド研究に至っています。

攻殻機動隊REALIZE PROJECTには記念受験のつもりで「攻殻機動隊の義体を支える臓器設計技術」というテーマで応募しました。具体的には、肝細胞をスフェロイドにすることで細胞あたりの代謝活性が高くなり、背負うようなサイズではなく体内に埋め込めるようなサイズになること、データとともに発表しました。予想に反して予選を通過してしまい（笑）、2016年2月11日に開催された本大会で「攻殻コンテスト最優秀賞（グランプリ）」を受賞しました（図1）。

図1：授賞式のシーン

授賞式のときに関係者から「いよいよ本気で社会実装ですね」と言われたのですが、ここでふと、「スフェロイドをお腹の中に入れるのはちょっと嫌だな」と思ったのです。なぜなら、他人の肝細胞を移植するということは、原則的に免疫抑制剤を投与することになるからです。学生の頃に思っていたお酒に強くなりたいという動機だけで肝細胞とともに免疫抑制剤を投与するのはやはりナンセンスです。肝移植というのは、生きるか死ぬかの状態になって初めて選択されるものであって、免疫抑制剤による副作用などを考えると、他の治療法が選択されることになります。ハイブリッド人工肝臓などの開発の動機の一つはドナー不足ですが、ドナーが確保できても肝移植が選択されないことがあると知って驚きました。ドナー不足の解消とともに、気軽に移植を選択できる方法、すなわち免疫抑制剤の必要のない移植法を作り出すことも重要だと感じたわけです。

免疫抑制剤なしで細胞を移植する方法を考えていた中で思いついたのが輸血です。赤血球を輸血するときには血液型を合わせれば免疫抑制剤が必要ありません。また、代謝疾患に対する治療法の中には、酵素を静脈から注入する酵素補充療法というものがあります。肝臓で代謝できない基質は血液中に溢れてくることがあります。その場合は、肝臓でなく血液中で基質を代謝すればよいわけです。例えば、お酒に弱い人がアルコールを摂取すると、代謝しきれないアセトアルデヒドが身体中を巡ります。それが顔が赤くなったり頭が痛くなる原因なのですが、このアセトアルデヒドを血液中で酢酸に代謝すればよいのです。肝臓にある代謝酵素を赤血球の中に入れ、その赤血球を静脈注入すればいいというわけです。それを「液体肝臓」と名付けました。

－液体肝臓プロジェクトではフェニルケトン尿症をターゲットとしています。その理由は何ですか。
フェニルケトン尿症は、フェニルアラニン水酸化酵素（PAH）の遺伝子が先天的に欠損することでフェニルアラニンがチロシンに代謝されないことが原因となる疾患です。フェニルアラニンが蓄積すると脳の発達障害につながります。大人になってからもフェニルアラニンの蓄積が精神疾患を引き起こします。フェニルアラニンはタンパク質を構成するアミノ酸の一種ですから、患者さんはお肉や乳製品といったタンパク質を含む食品を、一生にわたってほとんど食べてはいけないといった、かなり強い食事制限を受けます。

フェニルケトン尿症は国内に約500人いると推定されていますが、代謝異常症の中では多いほうです。また、フェニルアラニンもチロシンも赤血球の膜を通過することが先行研究からわかっていて、血中のフェニルアラニンとチロシンを測定すれば効果がわかるという評価のしやすさも、ターゲットにした理由です。

－研究費を競争的資金で得るのではなくクラウドファンディングで募ったのはなぜですか。
実は赤血球に酵素を封入する方法は50年ほど前から存在していて、海外のスタートアップ企業の中には同じ原理で開発しているところもあります。技術レベルとしてはさほど難しくないので、学術的な新しさはゼロで基礎研究として成り立たないのです。

でも実用化を考えると「枯れた技術」のほうが適切ということもあります。どうしようかと考えていたときにクラウドファンディングの提案があり、チャレンジすることにしました（図2）。当時、細胞を使ったものづくりを学びたいと、たまたま研究室に所属していた私より年上の研究生の方が、液体肝臓プロジェクトのことをいろんな中小企業の社長に紹介してくださって大口の寄付を集められたことや、患者さん自身がプロジェクトについて宣伝活動をしてくださったことが、成功の要因と感じています。非常に一体感がありました。

図2：クラウドファンディングのウェブページ

患者さんからは、代謝異常症を取り上げてくれただけで嬉しいというお声を多く聞きました。希少疾患ということで認知度がどうしても低く、それだけでも社会から孤立している、取り残されているという感覚があるのだと思います。患者数が少なく利益が見込めないからやらないのではなく、社会全体として必ず生まれ、必ず一定数が存在する先天代謝異常の患者さんをどうやってケアするのか。クラウドファンディングのような活動をやっていかないと世の中は変わらないのだろうと実感しました。

－液体肝臓プロジェクトは現在どこまで進んでいますか。
今年（2022年）3月までに、赤血球にPAHを封入してin vitroでの酵素活性を評価しました。確かにフェニルアラニンは代謝されたのですが、さらなる効率を目指して封入時の条件検討を行っているところです。来年度（2023年度）には、フェニルケトン尿症のモデルマウスに投与する実験をできればと考えています。

これとは別に、PAHとは違う代謝酵素をラットの赤血球に封入したときには、赤血球内で2週間くらい酵素活性を維持することがわかりました（図3）。もう少し酵素活性が持続するよう、こちらも条件検討が重要だと思います。

開発は遅れ気味ですが、せっかく寄付していただいたお金を無駄遣いすることなく、大切に使いたいと思っています。また、開発環境についての追い風を待っているという状態でもあります。急ぎたいのですが、空回りしても仕方がありません。

図3：赤血球に封入したモデル代謝酵素の活性

－今後クラウドファンディングを検討している方に伝えたいことはありますか。
担当者からは、易しく伝えることを強く要求されました。また、「フェニルケトン尿症の治療に使う」と言うのではなく、「フェニルケトン尿症の患者さんが家族や友人と同じものを食べる」とするなど、表現にはかなり気を遣いました。実際に、食卓で同じものを食べるという行為は、栄養を摂ること以上の意味合いがあることは皆さんご存知です。それが叶わない病気があることを訴えました。

始めてから気づいたこととして、「毎日のように情報を更新する、そのためのネタを用意しておく」ことです。頻繁に更新することで繰り返し見てくれる人が多くなり、それが寄付につながるようです。自分の研究をどう表現するか、いろんな角度から見せる工夫も必要です。これらの点について私はあまりにも不勉強でしたので、もしちゃんと準備していたらもう少し金額が伸びたのかもしれません。金額というと少し下品に聞こえるかもしれませんが、途中からは患者さんや支援者と一緒にクラウドファンディングに取り組んでいるという意識が芽生えてきたので、やはり少しでも寄付を集めて大きな達成感を共有したいと思うようになりました。金額が高くなると、注目度も上がります。寄付が伴わなくても、疾患や取り組みについて知ってくれる人が増えるのです。

クラウドファンディングは、社会的な課題があって多くの人を巻き込みたいときには有効だと思います。ただ、サイトを作ってあとは待っていれば良いというものではありません。事前に多くの準備をして、募集期間中はずっとあの手この手の作戦を考えたり、ダイレクトメールを送ったり、寄付者との交流を行う必要があるので、効率という意味では決して高いとは言えません。「お金が簡単に集まりそうだ」という考え方はやめたほうがいいと思います。

－「多くの人を巻き込む」となると、あまりイメージしにくい基礎研究には向かないのでしょうか。
そこはやり方次第だと思います。どんな方を対象にするのか、どうアピールするのか、知恵を出せば寄付は集まると思います。クラウドファンディングサイトは複数あるので、比較して自分の研究分野や内容に合ったものを選ぶのがいいと思います。科研費などと違って寄付者の顔がみえますので、研究費の使い方も慎重になりますし、基礎研究とはいえども得られた成果を社会還元することを考える機会が増えると思います。思いもよらない応用方法に気がつくかもしれません。クラウドファンディングは基礎研究にこそ必要なシステムなのかもしれませんね。ただ、アイデアを秘匿したい場合や知財に関する問題は気をつける必要があります。

3次元培養が当たり前の社会をつくる

－2022年7月には横浜市立大学発のスタートアップ企業としてエコセル株式会社を設立されたと聞きました。どのような事業を行っているのですか。
カスタムスフェロイドの製作やそれを用いた評価系構築など行っています。日本医療研究開発機構（AMED）が2017年度から行っている「再生医療・遺伝子治療の産業化に向けた基盤技術開発事業」に採択されてから、スフェロイドに関する共同研究や企業の依頼が多く舞い込むようになりました。しかし、横浜市立大学の理学部は、研究室に正規のスタッフは1名しかいません。たとえ教授であっても購入した物品の伝票の処理から研究室に所属する学生の指導まで、すべて一人で担当することになります。実験補佐員やポスドクなどはすべて自分が獲得した競争的資金で賄うことになるのですが、その競争的資金の獲得にも波があり、共同研究が増えたからといって研究室のスタッフを急に増やすこともできません。企業側も相手が大学という立場では人件費や設備維持費を考慮した研究費を用意しづらいという背景があるようでした。それならば、企業の体にするしかないという結論に達しました。そうして設立したのがエコセルです。

今は社員が2名で、10年来の知人にCEOを務めてもらっています。7月に登記し、銀行口座の準備が整ったのが10月。翌月には初めての売り上げがあり、来年の見通しが立ってきまして、1名社員を増やそうとしています。大学発ベンチャーというと、セオリーはベンチャーキャピタルから投資を受けて活動を加速するというものだと思います。しかし、複数のベンチャーキャピタルの担当者とお話をしてみると、「再生医療に注力したほうがよい。金額の小さな取引はしないほうがよい」とアドバイスを受けました。それは投資をする側にとって魅力的な会社の姿であって、現在のクライアントが我々に期待する会社の姿ではないような気がするのです。私たちは大学発ベンチャーという立場から、３次元培養をより普及させるために社会貢献したいと考えています。たくさんの会社で３次元培養を行っていただけるよう、小さなことでも幅広くサポートしたいのです。3次元培養が当たり前の社会をつくっていけば、自ずと評価がついてきて、会社も少しずつ大きくできると信じています。

－研究室やエコセルでスフェロイドを作製するときに希望する製品などがあれば教えてください。
3次元培養専用培地があると、一般の研究者にも「ついにこういうものが出たか」というインパクトを与えられると思います。使う人が増え、価格が下がっていくと、自然と私たちの仕事が増えるのではないかと期待しています。

また、細胞外マトリックスについては、今はウシやブタ由来のものが多いのですが、化学合成されたものに置き換えることができればいいと思っています。エコセルはスフェロイドの内部に細胞外マトリックスを薄膜状に充填するという特許技術の使用許諾を横浜市立大学から受けています。スフェロイドの内部に充填する細胞外マトリックスによって、正常臓器モデルや疾患臓器モデルを自在に作り分けられるようになれば、スフェロイドを活用した研究がより浸透するかもしれません。

－所属する学生さんにとっても、基礎研究から医療応用、そしてスタートアップ企業の発展を間近で見ることができる、素晴らしい研究室ですね。本日はありがとうございました。

プロフィール
横浜市立大学大学院 生命ナノシステム科学研究科 再生生物学研究室 准教授 （研究室主宰）。 大阪府寝屋川市生まれ、小学校入学から高校卒業までを滋賀県高島市で過ごす。1998年大阪大学大学院工学研究科修士課程修了（ハイブリッド人工肝臓）、2001年東京大学大学院理学系研究科博士課程修了（肝臓発生の分子メカニズム）。KAST宮島「幹細胞」制御プロジェクト常勤研究員、2003年東京大学生産技術研究所酒井康行研究室助手、2007年UCLAおよびロサンゼルス退役軍人医療センター上級研究員、2009年東京大学生産技術研究所BEANSプロジェクト特任助教を経て、2013年より横浜市立大学准教授。2016年攻殻機動隊REALIZE PROJECT the AWARD攻殻コンテスト最優秀賞（グランプリ）受賞。2017年〜2021年AMED生体模倣システム事業に参画。2020年クラウドファンディング「液体肝臓で、フェニルケトン尿症の患者さんに食の楽しみを！」にて当初目標の倍を超える12,394,000円の寄付を達成。2022年大学発ベンチャーとしてエコセル株式会社を設立。