使用小巧易用的显微镜提高研究效率

使用细胞作为组件的生产。旨在通过生物材料的工业应用，创建一个新的产业

东京大学生物混合系统实验室(Biohybrid Systems Laboratory of the University of Tokyo)的Shoji Takeuchi博士正致力于将难以处理的生物材料转化为工业部件等易于处理的材料的研究。他以“生物与机械工程的混合”为主题，试图开拓生产领域的新领域。在纳米生物技术领域，他取得了多项创新研究成果，如人工脂质双层膜的形成。最近，通过提出水凝胶作为生物相容性材料的微结构，他探索了新的领域，如植入设备和细胞的3D组装。这项研究将为开发人造细胞奠定基础。他希望通过这种发展，在医疗领域做出贡献，创造一个新的产业。为了进一步实现这一目标，除了基础研究外，他还积极参与商学合作的应用研究。

01.他在本科学习昆虫生物力学

他的实验室位于东京大学生物混合系统实验室，座右铭是“思考混合”。这句格言的意思是“通过混合不同的研究领域来创造新的东西”。从机器人、电力工程、信息系统、生物、化学、材料等领域的年轻研究人员到媒体艺术家，实验室的每一个成员都在推动先进的研究和与社会的互动。

竹内博士对生物和机械工程的混合研究始于他在大学期间开始开发一种模拟昆虫运动的机器人。当时，他进行了将电极插入昆虫的腿上，以传递电信号，使其扩张和收缩的实验。在研究生阶段的后期，他在昆虫身上安装了控制它们运动的装置。通过这些实验，他产生了一个想法，将生物的最佳功能应用到机器上，创造出一种全新的设备。后来，他对制造微型机器的MEMS技术产生了兴趣。

他的想法之所以突出，是因为他的目标是在机械领域之外利用MEMS，并积极采用生物相容性材料，在细胞或蛋白质水平上制造机器。他的目的是创造一种“能与活人互动的机器”，或者“能在基因层面工作的机器”。以此为目标，努力在10年或20年后在医学领域做出贡献。他还认为自己有一个重要的使命，那就是通过创新技术影响制造业。
“传统上，机器通常由硅、金属和塑料制成。然而，我们的实验室正在研究如何使用细胞和蛋白质作为机械材料。我们目前的挑战是建立一种设计和处理方法来实现这一点，”Takeuchi博士说。

02.成功人工培养神经细胞并将其与大脑结合

在现有的各种细胞中，竹内溥从一开始就把神经细胞作为研究重点。他的目标是通过工程方法培养大量的神经细胞，以便它们将有助于脊髓损伤治疗和其他神经功能的恢复。

传统的再生神经的治疗方法是将神经干细胞注射到人体内，这样这些细胞就会自发增加，这种现象被称为自发愈合。相比之下，我们实验室的目标是精确控制神经细胞的行为，帮助神经网络的恢复。”

竹内博士领导的研究小组在老鼠身上进行的实验中，通过培养神经细胞，制造出了3D神经组织。此外，该团队成功地将这些3D神经组织植入大脑表面，使培养的神经细胞的树突与小鼠大脑结合。该研究于2010年发表在《生物材料》(Biomaterials)杂志上，随后被日本主要电视频道和报纸报道，称其具有巨大的再生医学潜力。

Takeuchi博士表示，与脑神经再生相关的研究分为两种:一种是接收来自大脑外部的电信号的非接触式方法，另一种是将电极插入脑神经，直接读取脑神经电信号的侵入式方法。非接触式方法确保了更好的安全性，但读取信号的灵敏度较低。另一方面，侵入性方法引起了人们对直接将人工材料插入细胞对生物体的影响的关注。

竹内博士的方法介于这两者之间。他打算用生物材料制造人造细胞，并将它们作为电极植入大脑神经组织。这种方法确保了人造细胞作为电极的安全性，也确保了对神经的更高控制。Takeuchi博士称由生物材料制成的电极为“混合电极”。

03.旨在开发大量生产细胞的技术，比如肥皂泡

目前，竹内溥的实验室正试图利用生物材料开发人工神经和其他细胞。不用说，在人工制造自然界中发现的细胞之前，仍有许多挑战需要克服。该实验室正在研究一种方法，通过MEMS技术大量生产细胞膜，或细胞容器，如“肥皂泡”。

“在开发出细胞胶囊技术后，我认为有可能在未来大规模生产医疗领域所需的细胞，然后将它们三维组装成医疗所需的器官。随着人工细胞研究的进展，我们将能够灵活地设计细胞，帮助开发新药或利用微生物生产石油。”我不认为这些活动是幻想。”

Takeuchi博士期待日本以其生产技术的优势成为世界生命科学的领导者。他认为，通过微机电系统(MEMS)和医学等各领域的合作，日本将形成一个对医疗保健事业做出贡献的新产业。

在工业领域，很少有人想到用细胞和其他生物作为生产材料。这主要是因为它们很难处理。然而，一旦细胞被标准化，可以像处理机械部件一样处理，就有可能将生物材料用于工业应用。例如，将有可能大规模生产电池，并将它们作为块供应给制造商，然后制造商将它们组装成各种产品。”

人造细胞听起来像是人类的梦想，但它们也提出了许多伦理问题。竹内博士本人也承认，他的研究对社会产生了巨大的影响。在这种认识下，他从一开始就与各个科学领域的研究人员进行合作研究，并多次与哲学家讨论他的研究。他的实验室还有媒体艺术家，他们通过可视化的方式宣传实验室的研究。

“例如，如果研究与基因操纵有关，社会可能会认为这有点可怕。为了消除这种恐惧，重要的是我们要在参与研究的同时，正确地向社会传达我们的活动。”

04.与不同领域的研究人员互动取得突破

竹内博士称他的各个领域的员工为“异性(复合)群体”。现在，这些异质成员之间的互动正在迅速扩大他们的研究范围。除了担任生物/纳米混合过程合作研究中心主任，Takeuchi博士目前担任ERATO生物混合创新项目的研究主任和KAST创建/开发项目Bio Microsystem的负责人。在生物混合系统实验室，他有4个实验室，包括一个正在安装的实验室，大约20名研究人员在各自的研究领域进行研究，有些人同时研究8个以上的领域。

竹内溥是如何扩大研究范围的?“学习风格不应该有对错之分，”他说。“有些人可能会深入研究自己的主题，而另一些人可能会在小组中通过大量讨论研究各种主题，就像我们在实验室做的那样。与其限制主题，我建议每个人在思考想法后，将其付诸行动，而不是仅仅将其作为想法。我认为每个研究人员都可以通过积极参与他们感兴趣的主题来扩大他们的研究范围。当然，这需要与不同领域的研究人员进行互动，而人类合作对于促进互动非常重要。因为我的实验室是由各种各样的研究人员组成的，他们不仅需要一起讨论他们的研究主题，而且需要与不同性格的人进行适当的合作。”

05.促进更有效的研究与紧凑，用户友好的显微镜

竹内溥博士的实验室以其创新的研究成果受到了日本和国外的广泛关注。作为一个旨在创造“生物体和机器的混合体”的实验室，他的实验室除了光学显微镜之外，还配备了荧光显微镜和扫描电子显微镜。其中，KEYENCE VHX显微镜最常用于微加工元件原型的形状观察和尺寸测量。

BZ系列荧光显微镜也常用于观察活细胞和原型细胞膜。由于经常需要观察，目前实验室安装了两台BZ系列显微镜。实验室还以一种独特的方式使用这些显微镜，在不同条件下培养的细胞分别设置在每个BZ系列上，用两个监视器同时观察。

生物医学和材料工程研究员栗林香织(Kaori Kuribayashi)是实验室中BZ系列显微镜的用户之一。她正在研究开发适用于利用MEMS技术的下一代再生医疗设备的细胞三维结构。2009年,她的主题是“灵活的多功能微型装置,卫生保健和医疗应用程序”是采用日本科学技术振兴机构作为一个年轻的研究人员创建和推广项目的合资公司,所以她正准备建立一个公司除了进行她的研究。

当被问及对KEYENCE显微镜有何评论时，Takeuchi博士回答道:

“最重要的是，我喜欢它的易用性。另外，我很欣赏每一款产品小巧的体积。对于空间有限的实验室来说，紧凑的尺寸和高通用性是购买显微镜的重要条件。”

竹内博士的实验室目前正在向每个房间引进VHX显微镜和BZ系列荧光显微镜。其目的是通过即时观察基于mems的原型和培养细胞来简化和加速研究活动。

该实验室的助理教授小野弘明(Hiroaki Onoe)也是使用VHX和BZ系列显微镜的研究人员之一。他目前的研究包括dna功能化水凝胶微结构的自组装。在他未来的研究中，Onoe先生希望新引入的VHX-D500深度多角度镜头能够减少确认mems设备是如何完成的时间，因为这些镜头不仅可以直接从上方观察，还可以从一个角度或侧面观察。

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06.用3D细胞人工创造生物体的功能

在加快生物材料生产的基础研究的同时，竹内博士还计划通过产学研合作，促进未来的商业化研究。他认为医学和环境领域的潜力特别大。从长远来看，他希望通过生物和机器的杂交建立系统的设计和加工。

“在开发出大规模生产细胞容器的技术后，我将开始一个新的挑战，使用生物材料来制造从传感器到驱动器和处理器的一切。我现在正在努力尽快建立细胞的3D结构。”

(截至2011年2月)