東京大学産学連携プロポーザル

近年、CFRPを代表とした複合材料構造の航空機や自動車等への適用が進んでいる。これにより大幅な軽量化が図れる一方で、その複雑な内部損傷の診断が課題となっている。そこでこの研究室では、小型・軽量・柔軟な超音波送受信素子を構造部材に組み込み、板状の複合材料構造に超音波ガイド波を伝播させることで、簡便かつリアルタイムで損傷の有無を診断する構造ヘルスモニタリング技術に関する研究を進めている。さらに、レーザー超音波を用いた非接触での非破壊検査法を複合材料構造に適用する研究も進めている。  

近年、消化器外科手術においては鏡視下手術およびロボット支援下手術などが導入され、その拡大視効果に伴う精緻な手術操作とともに低侵襲な手術が可能となってきており、先進施設を中心にして急速に普及してきている。また血管外科領域においてはAAAに対するステント手術といった低侵襲手術も同様に広く普及してきている。これらの手術が今後はより多くの施設で導入され、中心的な治療法となっていることが予想される。その際、これらの手術を一般の外科医が、より安全に、より確実に施行することが必要になってくるが、そのための手段として3D画像ナビゲーションによる診断・手術支援システムの構築は重要な位置を占めていると考えられる。 脳外科、整形外科、肝臓外科分野を中心に現在3D画像ナビゲーションの臨床応用が実用化されつつあるが、消化管手術、血管外科手術において術中3D画像ナビゲーションでの手術支援はまだ臨床応用されてはいない。この研究室（教授 渡邉聡明）では3D画像ナビゲーションを用いた診断・手術支援システムの構築を多方面から検討し、開発することを目的として研究を進めている。例えば、術前に得られたCT、MRI、PETなどの情報を元に腫瘍、血管等の位置関係を3D情報として再構築し、術中使用する３Dモニター上に表示する、更には、それを、患者の体位や体型を認識した上で、３Dモニター上の手術操作画面に重ね合わせリアルタイムに表示することで術中ナビゲーションを行うことを目指す。このプロジェクトの実現により、リアルタイムな個別の局所解剖認識に基づいた、安全かつ、的確で効率的な手術が可能となる。工学部とも連携のうえで、上記システムの構築を目指している。

我が国では、環境の保全上「健全な水循環」の確保が、環境政策の基本の一つとして謳われており、その実現にむけての様々な取り組みがなされている。さらに、地球規模の気候変動が水循環や流域環境に与える悪影響がますます懸念されるなか、特に影響の大きい東アジア諸国を含めて、持続可能な水利用システムの確保にむけた、緩和策や適応策の検討も急務の課題となっている。これらの問題の解決において、水循環や流域環境（物質循環、生態系）の状態を、できるだけ精確かつ簡便に評価することは、もっとも基本的な課題の一つであろう。これらの客観的な情報は、水資源や水環境の管理、利用、保全に関わる主体間での合意形成や、対策の立案、また、施策効果の評価のうえでの重要な判断材料となるからである。 新しい状況への対応や、複雑な流域システムの把握のため、従来から流域環境の評価に用いられてきた全リン、全窒素、BOD、CODといった水質指標や、各種の生物指標などに加えて先端的な技術を利用した、より詳細かつ効果的な流域環境評価手法の開拓が求められている。 以上のような背景をふまえ、本研究室では、先端的な安定同位体精密分析技術を駆使した、新しい流域環境評価手法の構築を提案した。環境中に存在する元素（炭素、窒素、酸素など）の安定同位体比には、水や物質の起源や、生態系の状態に関する情報が記録されている。そこで、我々は、流域圏の様々な構成要素がもつ各種安定同位体比を、先端的な技術を駆使して体系的に調べ、そこに刻み込まれた情報を解析するとともに、得られた知見の総合化を行った。

がん治療薬・診断薬には多くの研究リソースが投入されているが、がんの発症・進行メカニズムが複雑多様化している現状をみると、新規がん治療薬・診断薬の開発の重要性が益々重要である。 当研究室では、触媒化学の高度な知識とノウハウを結集し、生体への人工触媒反応の介入による新しい疾患治療パラダイム「触媒医療」の実現を目指している。 例えば、酵素による染色体タンパク質（ヒストン）のアシル化修飾は遺伝子の転写を促進するが、一部のがん細胞では酵素の機能が低下し、がん抑制遺伝子などの転写が抑制されていることが知られている。そこで我々は、化学修飾によってエピジェネティクスを制御する二種類の化学触媒システムを開発した。

ナノプローブでは、微細構造の幾何学的形状情報ばかりではなく物性的情報を得ることが可能である。この研究室では、ナノプローブを光照射下にて動作させることによって、被測定試料の光学的特性を可視化・計測する研究に取り組んでいる。このような手法を応用して、太陽電池素子等を解析・診断する技術および装置の開発を行いたい。 ケルビンプローブフォース顕微鏡（KFM）は原子間力顕微鏡（AFM）をベースとした顕微鏡の一種であり、試料の表面形状とポテンシャル像を同時に得ることができる。このKFMを光照射下で用いれば、光起電力特性の計測や、その空間分布の観測が可能となる。図1は、光援用KFMで観察したCu(In,Ga)Se2化合物半導体太陽電池における(a)表面形状像と(b)暗状態での表面電位像、(c)光起電力像である。1mm程度の結晶粒やその粒界付近での光起電力分布が可視化されていることが見て取れる。また、光起電力測定の応用によって、太陽電池材料における重要な特性指標である少数キャリアの寿命や拡散長などの局所的計測にも成功している。一方、光照射に伴う被測定試料の熱膨張量をAFMにて観測する光熱分光計測の開発にも取り組んでいる。図2は、多結晶Si太陽電池上で観測した(a)表面形状像と(b)光熱信号像である。特定の結晶粒界近傍で、光熱信号が増大していることがわかる。これは、この粒界付近で、太陽電池での損失に対応する光励起キャリアの非発光再結合が促進されていることを示している。

脂質は生体における最大のエネルギー源であり、細胞膜を構成する主要成分であり、シグナル分子としても働く。また脂質は食品から摂取される環境栄養因子であると同時に、適宜代謝を受けて時空間的に生体応答を制御する組織環境調節因子でもある。 本研究室では、脂質ならびにその代謝産物が関与する脂質ネットワークにフォーカスを当て、脂質代謝に関わる酵素（特にホスホリパーゼA2分子群）や受容体の遺伝子改変マウスに脂質の網羅的分析（リピドミクス）を展開することで、多様な疾患の分子病態を解明し、これを基盤に、脂質代謝の変容が関わる疾患の診断・予防・治療に向けた臨床展開を目指している。具体的には、脂質代謝関連の遺伝子改変マウスにおける疾患関連の表現型を精査するとともに、組織・細胞から抽出した脂質をリピドミクス解析して当該疾患における脂質の量的・質的な変動を調べることで、疾患と相関する新規脂質経路を同定する。特定の脂質経路の異常は、代謝疾患・免疫アレルギー疾患・循環器疾患・皮膚疾患・神経疾患・不妊症などの多岐に渡る疾患と密接に関連している。このことから、疾患と結びつく脂質分子やその産生に関わる代謝酵素を標的とした創薬は、疾患の新規治療法やバイオマーカーの開発に結びつくポテンシャルを秘めている。

ナノプローブを用いて微細構造の幾何学的形状情報ばかりではなく物性的情報（電気的、光学的情報等）を得るための研究を進めている。特長は、ナノプローブの持つ高い空間分解能を生かして、形状情報と同時に各種物性的情報を検知できることにあり、非破壊での評価、大気圧中での評価も可能である。これらの研究を応用して、LSI等、微細構造を有する電子デバイスに関する不良解析・診断技術の開発および装置の開発を行いたい。 磁気力顕微鏡（MFM）を用いて電流誘起磁場を観測する研究において、サブmm幅の微細金属電流路に1mA程度以下の電流を流したときの表面形状像、磁気力信号の振幅、位相成分の観測を通じて、磁気力信号強度と電流値との間によい比例関係があること、位相情報を利用して電流の向きを同定できること、などを確認している。また、カーボンナノチューブをチャネルとする電界効果トランジスタに同様の手法を適用している。図(a)、(b)は、それぞれ、ナノチューブチャネル周囲で観測した形状像と磁気力信号像であり、ナノチューブ近傍での磁気力信号の明瞭な変化が捉えられている。また、図(c)は、様々なバイアス条件に対する磁気力信号強度の依存性であり、トランジスタの電流-電圧特性に相当する。このように、個別ナノチューブチャネルにおける閾値電圧や伝達コンダクタンス特性などの解析が可能である。さらに、ネットワーク状のナノチューブチャネルの中から主たる電流経路の同定にも成功している。

癌・感染症等の疾患においては、個々の疾患研究における詳細なメカニズムの解析を通して多くの疾患標的タンパク質が発見されてきており、これらの生体物質が実際に細胞中で機能を担う際の微細な構造あるいは動態変化を精密に捉えることが理論的な薬剤の創出や根本的な治療への実質的な展開に向けて強力な決め手となる。 タンパク質に関して包括的な解析を行うプロテオミクス研究においては、分析技術の大幅な高感度化・高精度化による技術革新により、従来の技術では検出が不可能であった疾患関連因子群の微細なアミノ酸修飾構造の変化や相互作用する因子群の動態変化を精密かつ網羅的に計測することが可能な時代に突入しつつある。 この研究室では現在、ショットガンプロテオーム解析技術を基盤として癌や感染現象における疾患関連分子群の包括的な同定を行うと共に、計測される分子群の経時変化を網羅的かつ定量的に計測する精密分析技術や、取得したプロテオーム・ビッグデータに関する数理科学・統計科学的な解析手法の開発を通して、診断・薬剤効果の指標を担う疾患バイオマーカーの体系的な探索・評価基盤の構築を進めている。  

当研究室では、医学・心理学・教育学を組み合わせた「新しい生物・心理・社会的アプローチ」を用い、子どもから成人へ至る一生涯を通じた心身の健康・Well-beingの保持増進・疾病予防のメカニズムを目に見える形で実証的に明らかにし、家庭・学校・職場などの社会環境の現場における予防教育的介入の効果検証を目指している。 これまで医師として病気をもつ方々の診療にあたってきたが、「病院に来ようとする前に何かできなかったか」と考えさせられる日々であった。そこで、新しくできた当研究室では、一般に日常生活を送る人々に対して病気に至る前（未病）の段階で発症予防を目指すアプローチで、「病院に来ようとする前」にフォーカスして、目に見えないと思われてきたはずのその予兆を＜見える化＞するという全く新しい挑戦的な検討を行っている。 そのため、「簡便・小型・非侵襲性・移動可能性」を特徴とするテクノロジー（科学技術）を用いて、日常生活の中で心身の健康情報や生体情報の測定を行い、臨床（保健・医療・福祉）や学校・教育や産業・労働の【現場で役立つ客観的なバイオマーカー（生物学的指標）を開発】しようと試みている。将来的には、これらの中でいくつかが「一般健康診断」にまで取り入れられることを目指す。 例えば、脳機能（前頭葉機能）測定、心拍変動計や電子瞳孔計、唾液計測（内分泌・免疫・炎症指標など）への取り組みをすでに始めているが、大規模な実証的研究を進めるためには、さらなる協力体制や研究の加速が必要である。 こうした簡便なバイオマーカーやICT/IoT技術を用いることで、日常生活の健康情報や生体情報や心理行動情報を把握しやすくなってきており、さらにその情報を適切に本人へフィードバックすることで、認知行動療法に基づいた心理行動的介入も応用しながら、さらなる健康行動を促す予防教育的介入へ繋げていくことができると考えている。

構造材料に損傷が発生すると、それに伴って超音波AE信号が発生する。そこで、このAE信号を計測することで、構造材料の健全性を診断することができる。しかし従来の圧電素子によるAEセンサでは、電気を使用しているため危険な場所での使用ができず、また、使用可能な温度域に制限がある。 当研究室では、これまでに、優れた感度と広帯域応答性を有する光ファイバ超音波センサの開発に成功し、これにより微弱なAE信号も計測できている。しかも、光ファイバの耐環境性と柔軟性を生かし、図のように光ファイバ自身を超音波のウェーブガイドに利用することで、1000℃レベルの高温環境下で発生するAE信号の遠隔計測も可能になった。さらに、AE信号の正確なひずみ波形を取得できるため、その発生源となる損傷の形態を識別しやすい。よって本システムは、特殊な極限環境下における構造材料の破壊プロセスの解明に、貢献することが期待できる。