−細胞培養系を用いて−

先端分子医学研究センター（FCAM）のキックオフレポート

−循環器・代謝疾患分子標的グループ：イオン・脂質膜輸送体の基盤研究から創薬開発へ−

循環器・代謝疾患分子標的グループリーダー 医学部教授 岩 本 隆 宏

はじめに

循環器・代謝疾患分子標的グループでは、高血圧 症、虚血性心疾患、動脈硬化症などにおけるイオン 輸送やコレステロール輸送の機能異常に着目し、そ の病態学的な役割を解明することにより、これらの 膜輸送体もしくは制御因子（会合蛋白質、転写因子 など）を分子標的とする創薬・生命科学研究を実施 する。具体的には、循環器病患者病理標本を用いた 膜輸送体群の発現・局在解析、遺伝子解析から開始 し、候補分子であるイオン輸送体およびコレステ ロール輸送体の機能単位や制御機構に関する基盤研 究を展開し、さらに、候補分子の遺伝子改変マウス やモデル細胞の樹立による病因・病態解析、創薬標 的分子の決定、そのハイスループットスクリーニン グ系の構築を経て、循環器・代謝疾患の新規治療薬 および先端的治療法の開発を目指す（図参照）。本 レポートでは、私たちの医学部薬理学教室が取り組 んでいるイオン輸送体を分子標的とした研究課題お よび朔啓二郎教授らの医学部心臓血管内科学教室

（循環器内科）が推進しているコレステロール輸送 体を分子標的とした研究課題について紹介する。

１．イオン輸送体異常に基づく心血管病の病態 解明とその創薬応用

医学部薬理学教室では、生体膜Ca^２＋輸送を担う 重要なトランスポーターであるNa^＋/Ca^２＋交換輸送 体（NCX）の研究を行っている。従来から、この 輸送体の異常（高発現）が高血圧や心不全に関連す る可能性が推定されてきたが、この実体はNCXが 持つ複雑な機能（両方向性輸送や基質イオンによる 活性制御）により未だ明確になっていない。そこで、

私たちは、NCX遺伝子改変マウス（KOマウス、

臓器特異的Tgマウス）および薬理学的ツールを開 発・応用することにより、この輸送体の生理機能や 病態学的な役割を明らかにし、循環器・代謝疾患に 対する新たな治療・予防法を確立したいと考えてい る。

これまでに、私たちは、特に血圧調節および血管 トーヌス制御における１型NCX（NCX1）の役割に 注目して研究を行い、血管平滑筋細胞のNCX1が Na^＋，K^＋‐ATPaseα２と機能連関してCa^２＋流入システ ムとして働くことにより、食塩感受性高血圧の発症 に重要な役割を果たすことを明らかにした（Nat.

Med．２００４）。また最近、NCX1は受容体活性化カチ オンチャネルTRPC3と膜輸送複合体を構成し、α１

受容体刺激時のCa^２＋流入増幅機構として機能する ことにより、交感神経刺激時の血管緊張亢進（血圧 上昇、血管攣縮の誘導）に関与することを見いだし た。さらに詳細な解析により、NCX1、TRPC3（TRPC 6）、α^１D受容体の三者がカベオラ分画に共存してい ることも明らかにした。これらの知見は、NCX1が 他の構成分子と共に特定の細胞膜ミクロドメイン

（ラフトやカベオラ等）へ集積し、様々な刺激や環 境に応じた膜輸送複合体を形成することで多様な生 理機能や様々な病態に密接に関わることを示唆して 研究機関近況

先端分子医学研究センター

―１２―

現在、NCX膜輸送複合体の機能発現の場となる 細胞膜ミクロドメインを同定し、その集積機構およ び制御機構を解明することを目指している。実験手 法として、蛍光標識したNCX膜輸送複合体の構成 分子（NCX1、TRPC3、Na^＋，K^＋‐ATPaseα２など）を 用いて、血管平滑筋細胞、心筋細胞および腎尿細管 細胞における各構成分子の局在を可視化することに より、細胞膜ミクロドメインへの集積機構（トラ フィック機構）の動的な解析を進めている。今後、

NCX膜輸送複合体の局在制御およびトラフィック 機構に関わる機能ドメインを同定するため、様々な 細胞内領域を欠損させたNCX1変異体の局在および 動態を解析する予定である。また、酵母Two-hybrid 法を用い、NCX膜輸送複合体の局在・動態に関わ る新たなアダプター・scaffold蛋白質の同定にも取 り組む予定である。そして最終的に、これらの基盤 研究から、NCXの生理機能および循環器・代謝疾 患における病態学的な役割を解明し、NCX輸送体 およびその制御蛋白質を分子標的とする新しい治療 薬の開発を目指したいと考えている。（薬理学・講 師 喜多紗斗美、同・教授 岩本隆宏）

２．マクロファージのカルシウム輸送シグナル の解明とその活性化制御への応用

マクロファージの機能発現に細胞内Ca^２＋シグナ ルが関与していることは知られているが、その詳細 な分子機序はほとんど解っていない。そこで、本研 究では、まずマクロファージに発現するCa^２＋輸送 体（NCXフ ァ ミ リ ー、NCKXフ ァ ミ リ ー、TRPC ファミリー）の発現パターンをReal-time PCR法お よびWestern blot法により解析する。次に、マクロ ファージの機能発現におけるCa^２＋輸送体の発現・

局在と細胞内Ca^２＋シグナルの関係を明らかにする 目的で、蛍光ラベルしたCa^２＋輸送体（蛍光蛋白タ グ、蛍光標識細胞外抗体の応用）の膜局在をイメー ジング解析するとともに、蛍光イオンプローブを用 いて細胞内イオン濃度を画像解析する。

さらに、Ca^２＋輸送体の発現・機能制御がマクロ ファージ機能にどのように影響するかについて、in vivo、in vitroの双方において検討する。具体的には、

マクロファージの各種フェノタイプ発現（M１タイ

形成する構成分子群を同定し、その構成分子（イオ ン輸送体・チャネル）または制御因子（制御蛋白質・

活性因子）との間での分子間相互作用を解析する。

その研究手段としては、in vivo実験としてCa^２＋輸 送体のノックアウトマウスおよび臓器特異的トラン スジェニックマウスの開発・応用研究に加えて、

Ca^２＋輸送体特異的な阻害薬を用いた薬理学的解析、

またin vitro実験としてCa^２＋輸送体に対するshRNA のレンチウィルスベクターの応用研究を考えている。

これらの研究から、マクロファージの生理機能にお けるCa^２＋輸送シグナルの役割を明らかにしたい。

そして、これらの基礎的研究を基に、マクロファー ジが関わる各種病態機序の解明とその治療応用へと 発展させる。具体的には、マクロファージの機能異 常がトリガーとなる代表的疾患の１つである大動脈 瘤形成をターゲットとする。この疾患において、マ クロファージは 貪食異常による泡沫化 と メディ エーター産生によるプラークの崩壊 という初期と 末期双方の病態と密接に関わっている。そこで、大 動脈瘤形成モデルを用い、各種Ca^２＋輸送体研究ツー ルを応用することにより、マクロファージの応答異 常と各種Ca^２＋輸送体（Ca^２＋輸送シグナル）の関係を 明らかにしたい。in vivoでのマクロファージの細胞 内Ca^２＋シグナルのin vivo解析にはGCaMP2発現マ ウスを開発・応用する。これらの成果より、マクロ ファージの機能制御に基づく新たな治療戦略を創出 したい。（薬理学・助教 伊豫田拓也、同・准教授

山本信太郎、同・教授 岩本隆宏）

３．HDL治療の開発：コレステロール輸送体と アポA-I模倣ペプチドを標的とした創薬開発 低比重リポタンパク（LDL）は脂質蓄積を惹起し、

一方、高比重リポタンパク（HDL）は様々なコレ ステロール輸送体を介して細胞内脂質の引き抜き作 用を示す。心臓血管内科学教室では、HDLの機能 増加を標的とした創薬が動脈硬化治療戦略として成 立すると考えてきた。HDLの作用を増強させる治 療法として、アポA-IとそのリガンドであるABCA

1、ABCG1等の脂質輸送体との間で、様々なインター

ラクションを検証してきた。まず、合成HDLを作 製し、その作用を実験動物生体で検証した。下肢虚

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血動物モデルにおいて、合成HDLがendothelial pro- genitor cellsの分化を誘導し、血管新生を引き起こ すこと、スフィンゴシン１リン酸が含有された新規 合成HDLは、冠動脈内皮細胞の管腔形成促進作用 を確認し、血管新生療法としての可能性を明確にし た。ラット心筋虚血再潅流不整脈モデルでは、合成 HDLが心室細動や心室頻拍の持続時間を有意に抑 制し、その機序には、内皮細胞におけるAkt／ERK／

NO系の活性化が関与していること、ラット心筋梗 塞モデルでは、合成HDLにより梗塞後の心リモデ リングが抑制され、心筋細胞におけるERK活性化 を介した細胞死抑制作用が関与しており、また脂質

輸送体ABCA1過剰発現細胞では、より活性化が確

認されることなども報告した。合成HDLの新しい 開発として、新規にHDLの蛋白apoA-I模倣ペプチ ドを作製し、同様の効果のみならず、ウサギ動脈硬 化を退縮させた。このオリジナルペプチドは創薬に つながることから現在特許出願中である。また、本 ペプチドのデリバリー法に関しても様々な実験を 行っている。以上、一連のHDL機能増加に関する 研究を「HDL治療」として位置づけ、臨床研究に よる実用化の検討に入っている。（心臓血管内科学

（循環器内科）・教授 朔 啓二郎、同・講師 上 原吉就、同・准教授 三浦伸一郎、同・助教 瀬川 波子、同・講師 西川宏明、同・講師 小川正浩、

同・助教 河村彰、同・助教 北島研）

おわりに

循環器・代謝疾患分子標的グループでは、イオン 輸送やコレステロール輸送の機能異常を伴う様々な 循環器・代謝疾患のモデル動物およびモデル細胞の 研究開発を行う。これらモデル動物・細胞は、イオ ン輸送体や脂質輸送体をターゲットにした研究のみ ならず、細胞内イオンや脂質分子に制御される各種 蛋白質やシグナル経路の研究にも有用なツールとし て応用可能である。そこで、当グループ内の研究協 力は元より、他のグループとの共同研究も積極的に 推進し、FCAMの発展に幅広く貢献したいと考え ている。

―１４―

インドネシア共和国ゴワ市との環境協力 MOU 締結とセミナー開催

資源循環・環境制御システム研究所長 樋 口 壯太郎

１．はじめに

福岡大学とインドネシア共和国南スラウエッシ州 ゴワ市は平成２１年１２月８日、環境技術協力に関する MOUを締結した。また併せて記念セミナ−を開催 したのでその概要について紹介する。

２．インドネシア共和国および南スラウエッシ 州ゴワ市について

インドネシア共和国は人口２億３０００万人、首都は ジャカルタで公用語はインドネシア語である。国土 はスマトラ島、ジャワ島、スラウエッシ島など大小 数多くの島から構成されておりその数は２万以上と いわれている。南スラウエッシ州ゴワ市は図−１に 示すところに位置している。ゴワ市の人口は６０万人、

主要産業はコーヒー、ココナツ、ココア、海藻類、

酪農で特にココア生産は世界第３位、海藻類は世界 第２位を誇っている。市長はイチサン・ヤシン・リ ンポ氏で今回のMOU締結およびセミナーのために 来日された。

３．MOU 概要

MOUの内容はゴワ市の廃棄物管理マスタープラ

ン策定に関する支援、ゴワ市廃棄物最終処分場建設 に係る技術支援、低炭素化社会に向けた技術支援お よびゴワ市の環境人材育成支援に関するものである。

人口増加と経済発展著しいインドネシアにおいては 増加する廃棄物問題に悩んでおり、ゴワ市において も悪臭や水質汚濁が深刻な状況となっている。その ような背景下、南スラウエッシ州のうちゴワ市と周 辺３市（マカッサル市、マロス市、タカラー市）が 共同でゴワ市のマミナサタに新処分場を建設するこ とが決定し、福岡大学が開発した準好気性埋立を取 り入れたいとの市長の強い要望でMOUを締結する こととした。MOUの協議過程において人材育成や マスタープランを含む技術協力を行うことが決定さ れた。MOU締結に先立ち資環研の武下研究開発室 長が現地調査を行った。写真−１に現在のゴワ市の 最終処分場写真を示したが、いわゆるオープンダン ピングの状態で下流の河川には汚水が流出しており、

早急な対策が必要であること、ごみ質から福岡大学 の準好気性埋立技術が有効であることなどを確認し た。

MOUは文系センター１４階で衛藤学長とリンポ市 長との間で締結された。（写真−２）

４．記念セミナー

MOU締結後、文系センター棟４階第４会議室に て記念セミナーを開催した。衛藤学長、木佐貫九州 経済産業局国際部長のあいさつのあと、リンポ市長 が「ゴワ市の環境行政について」講演、引き続き樋 口が「技術協力に至る経過と福岡大学資源循環・環 境制御システム研究所の環境技術紹介」を行った。

さらに工学部建築学科の黒瀬重幸教授が「インドネ シアの屋台とその背景」というタイトルで都市計画 から見たインドネシアマカッサル市の屋台について 資源循環・環境制御システム研究所

図−１．ゴワ市

―１５―

講演された。（写真−３）普段、インドネシアの文 化に接することの少ない我々にとって興味ある内容 であった。セミナーは盛況のうちに終了し、引き続 き１６階スカイラウンジにて交流会を開催した。交流 会には準好気性埋立の発明者である花嶋正孝名誉教 授にもご出席いただいた。（写真−４）

５．今後の展望

今回のMOU締結および最終処分場建設にかける ゴワ市の熱意は強く、市長はじめ関係者２３名が来日、

MOU締結の前日には北九州市エコタウン、資環研 および実証エリアの見学、北九州市表敬訪問を行い、

MOU締結の翌日は熊本県の最終処分場見学と精力 的に活動された。昨年末には資環研から武下研究開 発室長が現地を調査し、概況の把握を行った。今年 度はゴワ市との契約を締結し、マスタープラン策定 に向けての活動を行う予定である。インドネシアで はゴワ市の他、バンドン市においても最終処分場の 陥没および発生ガスにより百数十名の方が亡くなる など廃棄物問題が大きな社会問題となっており、早

急な衛生埋立技術の移転ならびに環境人材の育成が 求められている。このような背景下、今回のゴワ市 とのMOU締結は福岡大学の環境技術がインドネシ アの環境保全に寄与する第一歩であり、国際産学官 連携をさらに推進していきたい。

写真−３．黒瀬教授の講演 写真−１．現在のゴワ市の処分場

写真−４．ゴワ市との交流会 写真−２．ゴワ市長と学長による MOU 締結

―１６―

表−１

アイスプラント（Mesembryanthemum crystallinum）

オクラ（Abelmoschus esculentus）

ザクロ（Punica granatum）

シカクマメ（Psophocarpus tetragonolobus） 乾燥ソバ（Fagopyrum esculentum）

ソバ殻（Fagopyrum esculentum）

ディル（Anethum graveolens）

乾燥ビワ（Eriobotrya japonica） マンリョウ（Ardisia crenata） ミョウガ（Zingiber mioga）

ローズマリー（Rosmarinus officinalis）

乾燥あおさ（Monostroma nitidum）

アボカド（Persea americana）

抗起炎症性天然物質の探索

−細胞培養系を用いて−

高機能物質研究所 薬学部教授 中 島 学

免疫・分子治療学分野 逸 見 知 里

免疫・分子治療学分野 安 森 奈緒子

免疫・分子治療学分野 原 田 晃 典

免疫・分子治療学分野 柴 田 早百合

!

生体内に細菌が侵入したり、毒素が産生されたり すると、侵入局所において血管透過性亢進や白血球 浸出、防御因子漏出、血液凝固促進、血管内閉塞、

局所の酸素濃度低下などを引き起こすことで、病原 体の増殖を抑制し、全身への毒素などの拡散を予防 する一連の反応が起こる。この反応は一般に炎症と いわれている。

炎症は、本来生体の防御反応だが、過剰な炎症反 応は生体の自己組織の損傷をもたらすと考えられて いる。

つまり、細菌やウイルスなどに感染すると、それ らを体内から迅速に排除するため生体内の防御機構 が活性化される。免疫システムがひとたび病原体の 感染を感知すると、免疫応答に必須な炎症性サイト カインなどを産生することで、炎症を引き起こす。

また、なんらかの原因によりこれらの防御反応が 異常に亢進すると、アレルギーや自己免疫疾患など の発症や増悪因子にもなる。特に、マクロファージ は炎症のすべての段階において不可欠であり、病原 体を感知すると迅速に応答する。このようなマクロ ファージは病原体をパターン認識受容体（PRRs:pat- tern recognition receptors）の１種であるTLR（Toll-like receptor）ファミリーを通して認識し、炎症促進性 サイトカインの放出を導く。さらに、過剰なNO産 生やROS産生は炎症反応の強力な誘導剤となり、

組織損傷や細胞傷害を起こす。

このように、生体の局所にて常に起こっている微 小炎症の拡大を日常的に抑制し、アレルギー性疾患 や自己免疫性疾患などの発症予防や進行抑制が期待

できる抗起炎症効果を持つ機能性天然物質や一般食 品を探索することで「食」による疾患の発症予防お よび進行抑制方法の確立が期待できる。

そこで、本研究では、細胞培養系を用いた抗起炎 症候補物質のスクリーニングと抗起炎症性有効成分 の同定を試みている。

研究概要

!In Vitro炎症実験系の確立

マウス単球系細胞株（RAW２６４．７）細胞をLPSお よびIFNγにて共刺激することで培養上清中に分泌 されるNOを測定する系を確立した。

"候補天然物質として、主に国産食用植物を中心 に表−１に示した材料から純水を用いて低温（４ 度）と高温（１２０度）処理にて試料を抽出した。

高機能物質研究所

―１７―

表−２ 天然物名 NO産生

抑制率^＊

NO産生 誘導能

細胞増殖

（WST‐１）

アイスプラント ＋＋＋ − 抑制 乾燥あおさ ＋＋＋ ＋ 促進 アボカド（果皮） − ＋ NT アボカド（果肉） ＋＋＋ ＋ NT アボカド（種） − ＋ NT オクラ（種） − − NT ザクロ（果皮） ＋＋＋ − − ザクロ（果実） ＋＋＋ ＋ NT シカクマメ（莢） − ＋ NT シカクマメ（種） − ＋ NT 乾燥ソバ（実） ＋ ＋ 抑制

ソバ殻 ＋＋＋ − NT

ディル（葉） ＋＋ ＋ 促進 乾燥ビワ（葉） ＋＋＋ ＋ NT マンリョウ（葉） ＋＋＋ ＋ NT

ミョウガ ＋＋＋ − −

ローズマリー ＋ ＋ NT

25 20 15 10 5 0

Nitrite（μM）

control ①1000倍

希釈 ①10000倍 希釈 ②1000倍

希釈 ②10000倍 希釈

①低温抽出

②高温抽出

＊ ＊ ＊

Dilution(X) %inhibition of control on NO production Low Temp. １，０００ ２１．３

１０，０００ ９．９

High Temp. １，０００ ３３．９ １０，０００ １．８

!候補天然物質試料の探索結果

各種エキスを確立したIn Vitro実験系にてNO産 生抑制率、NO産生誘導能および細胞刺激能を検討 した。低温抽出エキスの結果を表−２、 ザクロ果 皮 のNO抑制効果を図−１に示している。

図−１

"おわりに

今回の探索において、候補天然物質としてザクロ

（果皮）、ミョウガおよびソバ殻の低温および高温 抽出エキスは、共にNO産生抑制効果を示す成分を 含む可能性が示唆された。今後、さらに天然物質抽 出液を調整するとともに、本実験にて有効成分の含 有が示された抽出液より有効成分の濃縮・精製を試 みたい。

―１８―

研究の報告と次年度の計画

環境科学技術研究所長 中 野 勝 之

工学部化学システム工学科助教 加 藤 勝 美

助教 東 英 子

取組みの概要

環境科学技術研究所は、地域の企業、福岡県、北 九州市、経済産業省（九州経済産業局）などの公的 機関から提供される資金で運営する研究所として発 足した。従って、研究テーマごとに、学内外の専門 家、研究者を運営委員に加え、研究活動を展開して きた。研究費提供先もさることながら、参加した研 究者は多様な領域に分布しており、工学はもとより、

医学、薬学、農学、環境科学に及ぶ。さらに国家プ ロジェクトの他、県や市のプロジェクト、アメリカ 合衆国や中国との連携プロジェクトも手がけた。学 内との連携では、教育プログラムにおいては、エク ステンションセンターや環境保全センター、研究開 発では薬学部、医学部、資源循環・環境工学専攻、

資源循環・環境制御システム研究所と連携して取り 組んでいる。研究テーマとしては、光触媒、発泡材 などの材料開発、プラスチック油化、水処理、排液 の脱色、水の殺菌などのプロセス開発がある。これ らに関する具体的内容の点検と評価に関しては、自 己点検評価報告書に詳細を書いたのでここでは省略 する。現在の中心課題は、トヨタ自動車九州㈱との

「塗装工程管理」、!北九州産業学術推進機構（通 称：FAIS）との「半導体応用技術の開発」などで ある^１）。

平成２２年度事業計画

継続的に本学の事業計画に取り上げられている光 触媒応用技術の開発が中心課題である。これに関し ては、所長が代表者を務める大学発ベンチャーであ る「チタニア総合科学技術有限責任事業組合（以後、

チタニアLLP）」の事業を活発化することにより、

研究内容の充実を図りたい。具体的には、チタニア LLPに付随するコンソーシアムに結集する企業あ

るいはチタニアLLPに参画してチタニア−シリカ 水溶液を製造する企業から得る支援金（共同研究費 あるいは研究助成寄付金）で、研究員を自前で採用 し、研究活動の活発化を図りたいと考えている。結 局、研究は人なしにできないからである。福岡大学 では、教育に関わる時間が優先されるため、研究活 動に費やす時間はほとんどなく、その分を研究員に 任せるしかない。このような観点から、是非実現に 向けて努力したい。もちろん、その代償として企業 や機関からの研究を請け負う必要がある。委託を引 受けるテーマのひとつとしては、チタニアLLPと の共同研究「光触媒チタニア−シリカの構造解析と 触媒性能の評価」^２）がある。スプリング８を活用し、

結晶構造の同定と性能評価を進める予定である。す でにナノチタニアに関しては、アメリカ合衆国シカ ゴ郊外にあるノースウェスタン大学のグレイ教授と の共同研究（ジェトロ北九州と北九州市の支援で 行った）において、USエネルギー省のアーゴン研 究所の加速器（写真１）を使ったデータがあるので、

環境科学技術研究所

写真１ US エネルギー省のアーゴン研究所の加速器

（この加速器を利用し、EPR 法と呼ばれる分析法で 福岡大学発のナノチタニアの高い可視光機能が実証 された。次年度には、兵庫県にあるスプリング８加 速器を利用して新たに機能改善されたナノチタニア

−シリカの性能評価が行われる。）

―１９―

今回はチタニアLLPが製造法を改善したナノチタ ニア−シリカに関してスプリング８加速器を使用し ての構造解析に挑戦したい。支援者は、大塚化学! 代表取締役副会長の谷口正俊博士（福岡大学環境未 来オフィス客員教授）などである。

この他に、トヨタ自動車九州!からの寄付金によ る研究課題、プラスチック油化や廃木材（杉など）

の有効利用に関するテーマ、特殊用途の塗料開発な どに関して技術相談および共同研究依頼がきている。

これらについては別の機会にお話ししたい。次年度 には、旭化成ケミカルズ!、産業技術総合研究所（産 総研）、東京大学などが参加して安全工学に関する 共同研究も展開されるが、これに関しては前報で詳 細が述べられている。

平成２１年度事業報告

平成２０年度に研究推進部の坂本弘明コーディネー ターを介して技術相談に応じた課題「排気処理装置

／スカバンジャーの共同研究開発」（写真２）につ いて、修論テーマに組込み取組んだが、２１年度には その研究課題の延長として関連の卒論を実施した。

指導には東英子助教があたった。この研究に関して、

"北九州産業学術推進機構 半導体技術センターか

らのヒアリングが入った。光触媒による有害有機物 含有排ガスの処理技術に関する卒論の成果が、半導 体実装工程用リフロー炉からの排ガス処理へ応用で きるか、実用可能かについて聴き取り、技術として

有用と判断した場合には報告書の作成が依頼され、

報告書納入後に研究経費が支払われるというもので ある。結果として、この卒論の成果に対して約２００ 万円の研究費が納入されることになった。このよう な外部資金を、関連研究室（これまでに、５研究室 が共同研究に参加した）の学生インターンシップ経 費や学会旅費など、教育研究高度化のための経費と したい。修論や卒論が売れるケースとしては、卒論 の成果が特許として申請可能かのヒアリングがあり、

出願可能な内容であれば、その対価として企業から 研究助成金が納入されたケース（経費先払い）が多 かった。今回のように研究内容のヒアリングと報告 書の評価に対して契約されるケース（経費後払い）

は初めての体験である。今回の成果を得て、さらに 関連テーマに関して委託を考えたいとのことであっ た。

この他、チタニアLLPのもとに、チタニア応用 技術に関するコンソーシアムが発足し、１０社以上の 企業が参加するなどの進展があった。これについて は、成果をまとめるには時期尚早であり、今回は２１ 年度の事業計画に示した「光触媒応用技術研究の高 度化を促し、教育研究施設としての充実を図る」に 関して一例を記すにとどめておきたい。

本報中の研究題目

１）加熱フラックスガス有機成分分解技術に係る可 能性調査

２）可視光・紫外光兼用応答型分子結合チタニアシ リカ光触媒の活性発現機構の調査・解明

写真２ リフロー炉と排気処理装置スカバンジャー

（RoHS などに対応した鉛フリーはんだを使用する とはんだの融点が上がるため、炉の制御温度も高温 に設定する必要がある。これに伴い、排気の成分も 変わる可能性があり、これを無害化処理するために、

光 触 媒 を 用 い た 排 気 処 理 装 置 の 開 発 を 行 っ て い る。）

―２０―

ヒトまるごとのエネルギー代謝を正確に評価できる メタボリックチャンバー

スポーツ科学部助教 熊 原 秀 晃

鹿屋体育大学体育学部教授 身体活動研究所プロジェクトメンバー 吉 武 裕

スポーツ科学部教授 身体活動研究所長 田 中 宏 暁

はじめに

身体活動に関連する研究においては、身体活動量 をはじめとした種々の状態のエネルギー消費量を知 ることが重要となる。例えば、生活習慣病の要因の 一つである肥満は、摂取と消費エネルギーの慢性的 なアンバランス、つまり摂取エネルギーの過多が長 期間続き、過剰のエネルギーが体内に蓄積されるこ とで引き起こされる。その為、栄養学的知見から肥 満の予防を考えた場合、日常生活で消費されるエネ ルギー量を把握した上で目的に応じたエネルギー摂 取量を設定することが必要であり、この点において エネルギー消費量の測定は重要な意味を持っている。

本研究所は、ヒトのエネルギー代謝を高い精度で評 価できる安定同位体比質量分析計（Research. Vol．１４ No．４に概要を記した）とルームカロリメータ法と いうユニークな装置を整備できた。ルームカロリ メータは、メタボリックチャンバーあるいはヒュー マンカロリメータなどとも呼ばれる。これらは、特 にスポーツ医科学や栄養学分野の教育研究において 貴重なテクニックであり、両法を有する研究所は国 際的にも珍しい。本稿では、本年度設置された本研 究所オリジナルデザインのメタボリックチャンバー を紹介する。

メタボリックチャンバー（Metabolic Chamber: MC）

とは

ヒトのエネルギー消費量を測定しようという興味 は、１９世紀後半に栄養科学の父といわれる米国の

W.O.Atwater博士が身体活動量と見合わない食事の

摂取過多がヒトの健康に負の影響を与える可能性を 留意したところからはじまったといえよう。エネル ギー消費量の測定法には、非常に狭いスペースで体

からの熱放散量を直接的に測定する直接法と、呼気 ガスにより測定する間接法がある。前者は、装置が より高額かつ煩雑であること、発汗とそれによる体 重減少がバイアスとなり（特に運動中）、正しくエ ネルギー量を測定できない場合があるなどの短所が ある。そのため、現在は、ほとんど用いられること がなくなった。一方、間接法は、ヒトの呼気ガスを 採取し、酸素摂取量と二酸化炭素排出量を測定する ことにより直接法と比しても遜色なくエネルギー消 費量を正確に測定できる方法である。さらに、両者 の比（呼吸商）からエネルギー基質代謝の情報（脂 質と糖質、あるいはタンパク質の燃焼比）も得るこ とができる。

MCは、構造的に密閉性が確保されている部屋内 全体の空気を連続して測定する間接法である。管か ら取り入れられた外気は、部屋内で十分に混合され た後、排出管から一定量吸引され、排出口に取り付 けられたガス分析センサーと流量計にて測定される。

なお、室内への空気の流入量と排出量は同じになる ようにコントロールされている。各種身体活動のエ ネルギー消費量は、ダグラスバック法やポータブル 型呼気ガス分析装置を用いて正確に測定できるが、

採気マスクの着用などにより少なからずとも身体活 動が制限されることが欠点である。MC法は、一つ の部屋に拘束されるという不便はあるものの、室内 にて自由にあるいは実験計画に従って過ごしながら 睡眠時代謝、基礎代謝、食事誘発性体熱産生、身体 活動の各々のエネルギー消費量を最も正確に評価で きるので（図１）、一日あるいはそれ以上の長期間 にわたるヒトの全身のエネルギー消費量測定のゴー ルドスタンダードといわれている。本法の元祖は、

１９世紀の終わりにW.O.Atwater博士らのグ ル ー プ 身体活動研究所

―２１―

（米 国Wesleyan大 学）が 開 発 し たAtwater-Rosa- Benedict Calorimeterであり、その後、様々な施設で 工夫をされながら現在のモデルとなった。

MC内は、人が数時間〜数日生活できるようベッ ド、机、テレビ、電話、トイレ、洗面台といった設 備が揃っており、居住性を高めるための工夫がされ ている。身体活動は、スペースが限られた環境であ るため制限されることが危惧されるが、トレッドミ ルや自転車エルゴメータを配置することでコント ロールできる。最近の研究で、MC内で測定された 身体活動量は日常生活下の活動と関連することが分 かってきており、肥満と身体活動に関する研究への 応用例もある。また、身体活動各々のエネルギー消 費量を任意の時間スパンで個別に評価できることは、

日常生活下の測定に優れる二重標識水法にはない利 点の一つである。

我が国におけるメタボリックチャンバーの導入 経緯

我々は、１９９９年に本邦初の日本人を対象とした MCを用いた実験を行っている^{１，２，３）}。当時はまだ本 邦にMCが存在しなかったので、現代モデルのMC の元祖の一つであるスイス連邦Lausanne大学生理 学研究所の施設にて現地在住の日本人を対象として、

厚生科学研究費補助金を受け、筑波大 学（故 齋藤慎一教授）グループと国 立健康・栄養研究所（吉武裕現・鹿屋 体育大学教授）グループと福岡大学運 動生理学研究室の共同研究として行っ たものであった。これを機に国立健 康・栄養研究所に我が国で初めてMC が設置された^１）。その後、筑波大学、

花王株式会社、仙台大学、同志社大学

（導入順）に設置され、念願叶ってよ うやく本学にも導入されたところであ る。ちなみに、二重標識水法が本邦に 初めて取り入れられたのもこのプロ ジェクトがきっかけであり、これは、

故斎藤先生の多大なご尽力によるもの であった^４，５）。Research. Vol．１４No．４で 紹介した本研究所の二重標識水法の分 析システムの確立に、斎藤先生のお弟 子さんである海老根直之 同志社大学スポーツ健康 科学部講師に共同研究者としてご助力をいただいて いるのも運命的かつ必然的な縁を感じるところであ る。

本研究所のメタボリックチャンバーの特徴と設 置経過

本装置（富士医科産業社製）は、建物の設計と付 帯装置の両方がオーダーメイドであり、本研究所独 自のアイデアが反映されたデザインとなっている。

部屋のサイズは、拘束的な空間を軽減したいという 意図で、国内の他施設よりも大きめに設計した（図

２：９．３!、２４．１"）。出入り口とは別に、不用意な

空気の流入出を防ぐ設計がされた室内外を繋ぐボッ クスが設置されているので、安定した測定を続けな がら、食事などの物品受け渡しや採血が行える。世 界トップクラスの解析精度を誇るガス分析システム

（英国Thermo Scientific社質量分析計と瑞西ABB 社ガス分析計を併用）は、３０秒程度の測定スパンが あれば分析の信頼性を確保できる見込みである（現 在調整中）。また、質量分析計は、種々のガスを分 析できるので、通常の呼気ガス分析以外にも例えば 安定同位体を併用した実験によりエネルギー代謝に 関する基礎的研究にも応用できる。また、室内温度 図１．メタボリックチャンバー法によるエネルギー代謝の測定例

実験は、スイス連邦 Lausanne 大学生物・医学部生理学研究所にて行われた。

被検者は、１１名（女性７、男性４名：年齢＝３６±１０歳、body mass index＝２２．７

±４．１"／!）であった。データは、１５分ごとに平均した値であり、平均値±

標準誤差で示した。このように、運動や食事、睡眠など、身体活動の種類やイ ベントに応じたエネルギー消費量および呼吸商の変動が観察できる。

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は、１５度〜３５度の範囲で任意に設定でき、さらに、

低酸素状態にもでき１５００!〜５０００!級の高度の環境 を創出できるようにしているので（常圧環境で外気 の窒素流入量を調整することで、酸素濃度を２０．９〜

１３％の範囲で制御）、環境と生体の関連性の研究が 可能になる。このように、運動生理学およびスポー ツ科学、栄養学、環境科学の研究領域に対応し、従 来の個別の研究が ヒトまるごと に総合的に行え る画期的なスポーツ科学研究施設を目指した。

MCの設置工事は２００９年末に完了したところであ り、分析の正確度の信頼性を確保するための機械的 な環境のセットアップを行っている段階である。本 法は、室内のガス濃度の変動を測定するという理論 的には単純な発想に基づいているが、実際は、部屋 の構造や室内の備品といった空気循環への干渉やヒ トの呼吸などの様々な要因で、広い空間における微 量の濃度変化を測定するのに工夫が必要となる。具 体的には、数度にわたるアルコール燃焼試験を実施 し、ガス分析装置および室内空気の循環装置を調整 する作業を進めている。現在のアルコール回収率（ア ルコールランプを燃やすことによる室内のガス濃度 の変化より燃焼アルコール量の理論値を算出し、実 際の燃焼量と比較をする）は１０５％〜１０７％程度であ り、正確な測定環境を実現するためには、もう一歩 のところである。加えて、外気濃度変動の測定も随 時行っており、実際に２４時間以上の測定を行う際の 外気濃度の変化の影響を調査している。

このような測定法の確立には、高度の知識と経験 が必要であるが、幸い、他施設にて設置作業を行っ てきた専門の技術者に積極的に携わっていただいて いる。また、本装置を用いた研究を国際的にリード

しているにスイス連邦Lausanne大学のYves Schutz 博士と米国Colorado Denver大学のEdward L Melan- son博士に装置運用に関するアドバイスを受けつつ、

共同研究の計画を進めている。

おわりに

本法は、測定の正確性が確約されているが故にコ スト面や技術面に制限があり、限られた施設でしか 実施されておらず、本邦では本学を含めてわずか６ 施設で稼動しているのみである。将来は、産学連携 により、本装置をより安価にする工夫（高額となる 呼気ガス分析装置の選択やシステムの改良）を行い、

他施設でも導入しやすい装置にし、我が国のエネル ギー代謝に関する研究に活用していただき、当該分 野の教育研究に資いることができればとの願いもあ る。

我が国のMCを用いた研究成果は、十数編の原 著論文を散見するが（二重標識水法を用いたものも 同程度）、このようなテクニックを用いた我が国の 研究は始まったばかりといえる。ヒト、特に日本人 の全身のエネルギー代謝に関して、身体活動ならび に栄養摂取の両面から本法を活用し探求すべき課題 は多岐に亘ると考えられる。幸い、本研究所では、

二重標識水法を併用した実験が可能となる。本研究 所では、装置のセットアップの段階より国内外の研 究者および技術者と共同して装置の運用・研究を推 進しているが、「身体活動の健康科学」に関する国 際的研究拠点として、さらに他施設の研究者と広く 連携を組める体制を創っていくことも本研究所の使 命と考えている。

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参考文献

１．Yoshitake Y, Oka J, Hirota K, Tsuboyama-Kasaoka N, Takimoto H, Ishikawa K, Ikemoto S, Sugiyama M, Matsumura Y, Nishimuta M, Higuchi M, Sawa H.

Respiratory chamber in Japan. Calorimetry 2000- symposium on Energy Regulation Research, Mas- tricht, The Netherland. 2000.11

２．吉武 裕，島田美恵子，海老根直之，齊藤愼一，

田中宏暁．ヒューマン・カロリーメータ．栄養 学雑誌５８：１８５‐１９４．２０００

３．Kumahara H, Schutz Y, Ayabe M, Yoshioka M, Yoshitake Y, Shindo M, Ishii K, Tanaka H. The use of uniaxial accelerometry for the assessment of physical-activity-related energy expenditure: a vali- dation study against whole-body indirect calorime- try.Br J Nutr 91: 235-243. 2004

４．齊藤愼一，海老根直之，島田美恵子，吉武 裕，

田中宏暁．二重標識水法によるエネルギー消費 量測定の原理とその応用：生活習慣病対策から トップスポーツ選手の栄養処方まで．栄養学雑 誌５７：３１７‐３３２．１９９９

５．Ebine N, Feng JY, Homma M, Saitoh S, Jones PJ.

Total energy expenditure of elite synchronized swimmers measured by the doubly labeled water method. Eur J Appl Physiol 83: 1-6. 2000

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