知と好奇心が交わり、新境地へ

東京工業大学×東京医科歯科大学学生×学長

益一哉

東京工業大学学長

山崎雄大

東京工業大学

桐野桜

東京医科歯科大学

田中雄二郎

東京医科歯科大学学長

東京工業大学と東京医科歯科大学は2024年10月に統合し、東京科学大学へと生まれ変わる。理工学と医歯学の分野で両大学が積み上げてきた数々の実績と知。その「とがった研究」の発展を垣間見るべく、今回は両大学の学生が持ち寄る研究をテーマに両学長とのトークセッションを開催。学生によるプレゼンテーションからディスカッション、両学長によるサジェスチョンまで、刺激に満ちた対話の時間をレポートする。

プレゼンテーション1：次世代に向けた超高速半導体無線機の研究—山崎雄大
- ディスカッション
プレゼンテーション2：腸管上皮再生におけるRegenerative Stem Cell（再生期幹細胞）の起源の同定と再生メカニズムの解明—桐野桜
- ディスカッション
ダイアローグ：その「好奇心」が「最高峰」に続く

プレゼンテーション1：次世代に向けた超高速半導体無線機の研究

山崎雄大（東京工業大学工学院電気電子系博士後期課程1年）

誰も成し遂げていない未来をひらく

私は5Gや6Gといった次世代無線通信に向けた無線回路の研究を行っています。無線機といえば代表的なものがスマートフォンですが、その通信が使用する周波数はマイクロ波という電波で、主に6 GHz以下の周波数のものが使われています。将来的にさまざまなアプリケーションが増えれば、より速い無線が必要となりますし、現在のマイクロ波の周波数は既に多くの人が使っており、次第に逼迫してきています。そのことから、次世代無線通信研究の潮流となっているのが、「より高い周波数に目を向けるべきではないか」という考えです。

ミリ波帯（28～100 GHz）を用いるための「ミリ波帯フェーズドアレイ無線機」。

ミリ波帯（28～100 GHz）を用いるための「ミリ波帯フェーズドアレイ無線機」。信号に指向性を与え長距離通信を実現し、高速無線通信への期待が高まる。

周波数といってもあまりイメージがつかないと思いますが、私が研究しているのは、未来を見据えた高い周波数に関わる回路で、「ミリ波」と呼ばれる30 GHzから大体100 GHz程度の周波数です。研究の価値としては、高い周波数を使うことで、ますます速い無線通信ができるようになること。他の要素の影響は一旦度外視し、周波数だけで計算した場合、マイクロ波の5倍から10倍程度の周波数を使うと、無線の速さも5倍から10倍程度高速になりますので、それにより実現可能となることも増えると考えています。

今回は東京医科歯科大学のお二方にお聞きいただくので、医療に絡めて技術の可能性を解説します。5Gの通信により実現したことの一つに遠隔医療があります。地方に患者がおり、その地域に医師がいない場合、ウェブ会議ツールなどでオンライン問診を行っている例があるでしょう。ただ、ウェブ会議ツールではそれほど画質が高精度ではないので、できる治療は限定的です。5G通信にミリ波という高い周波数を使えば、より速い無線通信が可能となり、遠隔地にいる患者に対してできる治療が増えてくるのです。例えば「地方にロボットのアームだけがあり、東京にいる医師が手を動かすと、同様にロボットのアームが動く」という遠隔ロボット手術です。直接触診はできませんが、次世代の無線通信が実現すれば、患者さんの体に触れた感触を、ロボットアームを通じて医師に伝えることも可能になるでしょう。

私の研究においてターニングポイントがあるとすれば、それはまさに「今」かもしれません。博士後期課程に進んだことで、新しい研究に挑戦し始めたからです。先ほどミリ波の話をしましたが、次はそこからさらに進んだサブテラヘルツの無線通信研究を行います。耳慣れない単語かと思いますが、ミリ波が30～100 GHzだとすれば、サブテラ波は100 GHz以上。先ほどミリ波は現在の5倍から10倍程度の速さだとお話ししましたが、サブテラ波は10倍から50倍程度の速さを実現できるといわれています。

現在、苦労しているのは、新たな領域だからこそ初めから積み上げていかなければならないところです。これまでは周波数30 GHz程度のミリ波で研究していましたが、それくらいの周波数であればこれまで研究室の先輩が積み上げてきた試作品や実験データが多く残されていて、それを元に精度の高い回路を作ることができました。今後は全く違う周波数にチャレンジすることになったため前例がなく、一から自分で積み上げなくてはなりません。回路を作るにはまずトランジスタの高周波特性などの基礎データが必要で、その設計環境の構築から自分で頑張っています。その上でさらに搭載する無線の回路も作るわけで、結構チャレンジングなことをやっていると改めて感じます。

今後の展望としては、東京医科歯科大学との統合で、自分の研究の幅をより広げたいと考えています。私の専門は無線機の回路ですが、周りの友人たちも同じように技術に関わる人ばかりですので、やはり自分自身の世界が少し狭いと感じています。ですが、新大学であれば医療や歯科という全く知らない分野の方々と交流できるようになります。今回のセッションもそうですが、互いに研究室を見学し合ったりコミュニケーションしたりすることで、知見を深めることができ、さらには自分の研究に生かせるのではないかと期待しています。

ディスカッション

桐野：情報技術はこれまでもこれからも世界を良くしてくれる技術なんだなと、発表をお聞きしていてうれしく思っていました。私も自身の専門との組み合わせを考えて、山崎さんが仰ったロボット手術との親和性が高そうだと感じます。海外などにも日本の医療を発信していけますね。ロボット手術はやればやるほど上手になりますから、医療レベルもどんどん上がっていくでしょうし、すごく魅力的です。

山崎：ありがとうございます。ロボット手術には私も興味を持っており、自分の研究がまさに生かせるところではないかと思っています。ところで、手術室での無線利用は可能でしょうか。電波に弱い機器があるので、スマートフォンは使えないと聞いたことがあるのですが。

田中：現在はそうとは限りません。手術室にいる医師とスマートフォンで話すこともありますからね。

山崎：そうなんですね。実は、手術室は高速通信を使う環境として理想的だと考えています。なぜかといいますと周波数が高くなれば高くなるほど、通信距離は伸びなくなるからです。100 GHz以上の周波数だと、どんなに頑張って飛ばしても100～200メートルくらいしか届きません。100メートル置きにポールを立てるという未来像もあるにはあるのですが、最初の段階としては「限定された部屋の中の、速い通信が必要なものに対して、高い周波数を使う」ことを目指すべきではないかと考え、手術室は高い周波数向きの場所として想定していました。手術室で無線が使えるという田中学長のお話にとても希望が持てました。

田中：100メートルぐらいの距離なら、災害時にも役立ちそうですね。「災害でケーブルは使えない、けれど100メートル以内に患者さんがたくさんいる」といった状況の時、——今まさにパレスチナのガザ地区がそんな状況だと思いますが、1人の医師がそれほど移動せず、多くの患者を一度に診ることができます。患者さんも医師も動けない状況で、理想的な方法だと感じました。

プレゼンテーション2：腸管上皮再生におけるRegenerative Stem Cell（再生期幹細胞）の起源の同定と再生メカニズムの解明

桐野桜（東京医科歯科大学医歯学総合研究科消化器病態学博士課程2年）

患者を想い、細胞のメカニズムを究める

私が研究しているのは、腸管上皮の再生に関する細胞のメカニズムです。近年、潰瘍性大腸炎やクローン病などの炎症性の腸炎が増加しているのですが、炎症によって細胞にどんなことが起きているのか、どのように腸管上皮が再生しているのかを研究しています。

健康な状態だと、腸管上皮は3日程度の短い周期でターンオーバー（細胞の脱落と再生）をしており、新しい上皮ができて古いものが剥がれ落ちるサイクルをどんどん繰り返しています。ヒトの便の約7%が剥がれ落ちた腸管上皮だといわれているほどです。ですが、炎症が強すぎると通常のターンオーバー機構が破綻し、新しい上皮をつくり出せなくなります。細胞にとっては危機的状況となるわけですが、その状況をなんとか改善しようと、体内でいろんな再生のメカニズムが働くことが近年分かってきました。

腸管幹細胞は分化細胞を供給しながら自己複製を行う。

腸管幹細胞は分化細胞を供給しながら自己複製を行う。炎症期には腸管幹細胞が損傷し、自己複製機能が低下。そのため、分化細胞を脱分化し、再生期幹細胞に戻そうとする機構が働く。

腸の一番底にはさまざまな細胞になる能力を持つ幹細胞があり、そこから上部にさまざまな細胞を供給しています。供給される細胞は幹細胞より少し分化していて、それぞれの役割を持った腸の細胞になります。炎症が起きて幹細胞が少なくなったりダメージを受けたりしてターンオーバーができなくなると、幹細胞から分化した細胞が若返って幹細胞寄りの細胞になり、幹細胞の代わりに再生を補うという現象が起きます。最近の医療業界では、京都大学の山中伸弥教授のiPS細胞にもあるリプログラミングのように、細胞が若返るような遺伝子を強制的に発現させて、いろいろな役割を持つ細胞を獲得しています。これは人為的に発現させているわけですが、同じような分化から逆方向に向かうメカニズムが、実は体内でも自然に起きているということなんです。しかし、現象があることが分かってきただけで、それが実際どのような病態に関与しているのか、どういった細胞が一番重要なのかに関しては、まだ完全には解明されていません。

私が所属する研究室は、伝統的に腸上皮の3D培養技術が非常に進んでおり、世界的にも有数です。自分たちが今まで培ってきた強みである培養技術を用いて、マウスやヒトの細胞で、細胞のリプログラミングのメカニズムや病態との関与を研究しています。

培養で細胞の状態を調べる場合、これまではフラットな平面に培地をつくり、そこに細胞をまいて実験するのが一般的でしたが、腸上皮のように立体的なものの中で何が起こっているかを調べるには、培養自体を腸上皮の形状において再現しなければなりません。そこで、腸上皮の形状を再現したミニ臓器のオルガノイド（臓器・組織を模倣した3次元の構造体）に培養します。そうすることでリアルな腸管に近い培養地をつくり、いろんな条件が調べられるのです。

具体的に行っていることとしては、病気の腸上皮をオルガノイド上で再現し、いろんな細胞の種類に分けて色を付けて、「この細胞はこういう培養の条件下ではこういう振る舞いをする」とか、「こういう炎症の中では、子孫細胞がこの辺にいる」など、一つ一つの様子や変化の様子をつぶさに追いかけて観察しています。

東京医科歯科大学発のオルガノイド培養技術の活用により、炎症と再⽣の可塑性を再現した。

最近、バイオの分野でとても勢いのある技術の一つに、シングルセル解析というものがあります。今まで主流だった解析方法では、調べたい部位を採取し、ならして遺伝子を見ていったのですが、シングルセル解析では細胞一つ一つの遺伝子を見ることができます。同じ種や組織として分類される細胞でもタンパク質やRNAには微妙に違いがあり、それにより発現する機能や性質が異なることが分かってきています。パソコンで処理をし、実際にどういった細胞がどういう遺伝子発現^※をしているかを色分けして見ることができるので、そういった技術も使って、マウスやヒトの細胞を観察しています。

まだデータとして数多く出ているわけではありませんが、分化した細胞でも元々の幹細胞でも、炎症化した時は再生を補うリプログラミング現象が起きている可能性があります。今後もこういった視点で研究を進めたいと思っています。

※: 遺伝子が持つ情報が実際に利用可能な形に変換され、生物体内で機能するプロセス。

ディスカッション

山崎：先ほどの桐野さんのお話を聞いて、腸の中で非常に早いスピードで細胞が再生されていることに驚きました。「筋肉の炎症と腸の炎症は何が違うんだろう」と疑問に思っていたのですが、ターンオーバーが早いからこそ研究する価値があるのだと感じました。

桐野：腸管は幹細胞システムがかなりきれいに構築されている臓器ですので、筋肉より病態との関連性が見やすいと思います。これは医療者的な視線ですが、消化器内科医としてかなり多くの潰瘍性大腸炎患者さんに出会ってきたので、「その人たちをなんとか治してあげたい」という思いがあります。困っている人を助けられるということが、私が最も研究の価値を感じている部分ですね。

山崎：幹細胞のリプログラミングという点も気になりました。腸を通じて解明することで、iPS細胞の話ではありませんが、人工皮膚や網膜の再生にも影響する部分はありますか。

桐野：私たちの研究室では、オルガノイドを人の治療に使う臨床研究も行っているほどですので、人の役に立つ技術に応用していけると思います。

益：シングルセル解析で見える細胞の大きさとはどの程度なのでしょうか。

桐野：細胞種によりますが、数十マイクロメートル程度です。

益：例えば、数百マイクロメートルほど細胞が並んでいたとして、それぞれの違いを観察したり、制御したりできるということですね。材料工学の世界においても、最近はマイクロメートル、ナノレベルで分析をしています。クライオ電子顕微鏡もそうで、今や構造解析やバイオ関連で使います。そういった分析の観点で合致する部分がありそうです。

桐野：こうした研究は日進月歩なので、まだ研究室の中で行ったことがない実験もたくさんあり、自分で新しく立ち上げることも少なくありません。例えばコンピューターサイエンス領域など、研究室外の詳しい先生方や研究者とコミュニケーションを取り、うまく実験を進めていくのが大事だとまさに考えていました。

ダイアローグ：その「好奇心」が「最高峰」に続く

最先端の研究だからこそ大切になるネットワーク

田中：お二人の話で似ていると感じるのは、「従来のやり方とは違うものをやらなければいけないけれど、相談する人がいない」という点でした。“カッティングエッジ（最先端）”という言葉がありますが、2人ともそれに取り組んでいるからこそ、相談できる相手が少ないのですね。

山崎：確かに、高い周波数の集積回路に取り組んでいる研究室は、日本国内にはあまり存在していません。高い周波数では恐らく日本で最先端を行く研究室なので、自分たちで開拓するしかない状態ですね。

益学長

益：数が少ないのは確かですね。しかしゼロではないので、コネクションをつくる必要があります。研究者はディープな部分を相談できるネットワークをつくらないといけませんよ。先生同士は当然やっていらっしゃるし、外国の研究者ともネットワークを持っています。いろんな場に出て行って、見学したり人と話したりするのは本当に大事なことです。知見のある先生のもとに直接飛び込んで話をすると、意外と受け入れられるものです。そういった先生は、若い学生から相談が来るとうれしいんですよ。自分からあいさつして研究のことを話せば、きっと「うちにこういう人がいるから会ってみたら」などと教えてくれるでしょう。

山崎：はい。こちらから積極的に飛び込もうと思います。自身の研究を進めていく上では、「速い無線機をどこで実装するか」が一番の悩みどころです。いろんな研究者に話を聞くのですが、5Gでも6Gでも「無線を速くして具体的にどこで使うか」という点に頭を悩ませています。無線の回路の研究をとことんやるのはもちろんなのですが、技術を生かせる分野に切り込んで話を聞いたりするのが、今の私には大事なことなのかもしれません。ですから、今回の大学の統合は、ネットワークづくりのチャンスになると思っています。医療現場の具体的なアプリケーションとして無線通信で何か貢献できるのではないか、もしくはお互いにディスカッションすれば、課題点や無線を利用した解決策が見つかるかもしれないと期待しているところです。

田中：本学にC棟という建物があるのですが、そこは手術室や集中治療室などが新しくつくられたところで、まさに日本で最先端の環境です。手術室は無菌なので入れませんが、4Kのモニターがあり、本学の学生であれば、手術の様子だけでなく手術室全体も見ることができますので、是非いらしてください。実際に見ることで気付きがあると思います。医療現場は医療現場で困りごとがありますので、工学者に一緒に考えていただけるとすごく良いと思いますね。医工連携は、受注と発注の関係になりがちですが、医師が「こういう技術をお願いします」というのでもなく、工学者が「こういう技術ができたので使いませんか」というのでもなく、もっと開発段階からインタラクションを持って進んでいく方が良いと思っています。

それぞれの好奇心を大切に一緒にできることに取り組む

山崎：本日のセッションで医療の話を聞けたのも興味深かったですし、田中学長から「手術室を見にいらっしゃい」と言っていただけたのもすごくうれしかったです。あとは全然違う分野の方に自身の研究を紹介する難しさといいますか、言葉の足らなさを痛感しました。そういう意味でも、とても勉強になりました。

桐野：私も今日は非常に面白かったです。山崎さんから具体的に「自分の研究はこのように応用できます」とご提案いただいたのが印象に残っています。自分たちの研究室が世界のトップクラスだと仰ったことにも感動しました。そういった最先端の研究室を持つ大学と一緒に仕事をしていけることが楽しみです。せっかくだから何か一緒にやれるといいですね。

山崎：うれしいですね。今後研究の中で「手術室での速い無線通信をやりたい」となった時に、気軽に手術室に伺ったり、一緒に議論をしていただけたりする関係性を築ければと思います。

桐野：普段から感じているのですが、東京医科歯科大学は、東工大との統合をすごく楽しみにしているんですよ。学内の研究者のSNSグループなどでは、「東工大との統合でできそうなこと」といった話題が頻繁に上がっていますね。今日は、東工大側からも楽しみにしてもらえていると知れて良かったです。

田中学長

田中：このように交わる機会をもっとたくさんつくっていきたいですね。せっかくの統合ですから、交わることへのインセンティブがあった方がいい。既に少し試みてはいますが、両大学の学部・大学院の垣根を超えて研究費を支給する仕組みなどが必要だと思っています。

益：本当にそうですね。それとやはり、学生にはまず自分のやりたいことに集中してほしいですね。研究成果をどのように社会に実装するかを考える視点は持っていなければなりませんが、その前に自分のやりたいことを十分追究することも大切です。私もやっていたから分かるのですが、集積回路の研究はすごく楽しい。「今までできなかったことが、ここをこうやって設計したらできた」など、それだけで喜びを感じてしまうものです。そういった好奇心があるからこそ、卓越したレベルに到達できます。研究者の卵のうちは研究に集中し、思う存分楽しんでほしいですね。私のように指導する立場の人間こそが、社会実装や技術の生かし方について、しっかり考えなければいけませんね。

山崎：仰るように、私の根本にあるのは、やはり回路を作るのが楽しいという思いです。その次の段階として、どこに生かせるかを考えなければいけないのですが。

益：「研究は社会に貢献できるよう、社会課題に向かい合って」といいますが、まずはCuriosity Drivenの研究をやってほしい。その好奇心が必ず道をつくります。「隣の芝はいつも青い。己の決断を信じて、自分の道を切りひらこう」と学生さんたちに伝えたいですね。

田中：確かにその両方が欠かせませんね。科学技術立国の最高峰を目指す大学で、志高く頑張ってほしい。夢を大切に、一緒に道をひらいていきましょう。