Science Park★バイオニクスが認知症を紐解く～生物工学が認知症ケアを科学する～★
21世紀は生物工学が世界の形を変えるといわれています。
生体工学(bionics)とは、自然に隠された優れた生物の秘密や謎の機能を科学的方法(scientific method)で人工的に再現(artificial reproduction)することで、そのメカニズムを解明し、そこから得られた新しい知見を応用しようというものです。
私達を地球規模で考えれば自然の摂理という大きなうねりの中にいるわけです。
そこで、今回は生物史を紐どきながら、認知症の対応について生物工学の視点から考えてみました。
まず、その前に生命の進化について見てみましょう。
生命の進化には、その世代(generation)の環境や状況に最も適応できずに立ち後れた“落ちこぼれ”の生物ほど、次世代を生き抜くための新機能を獲得して、複雑化し高度化してきたという摩訶不思議な事実があるのをご存知でしたか！
1859年のダーウィンの著書、生物の進化は自然淘汰によるものとした…生物進化論「種の起原」で、脊椎動物の進化を手繰ってみると、まず、バクテリアが海に誕生して魚類へと進化し、そして、魚類から両生類へと進化していったわけです。
ある学説によれば、その進化の陰にこんな事があったと記されています。
４億年前に海底深くにあった凍結層が地殻変動によりメタンを噴出し海水を酸性化した結果、酸素欠乏状態となった海にいた一部の魚が川を登ったというのです。
ところが、魚が海水から淡水に移るためには、大きな浸透圧の格差に適応しなくてはならなかったのです。
海水では濃いNaCl(塩化ナトリウム)濃度のために、体内にNa＋(ナトリウムイオン)が流入して浸透圧によって水が奪われてしまうのです。
また、淡水ではその逆でNa＋が体外に流出し、浸透圧によって水が体内に蓄積してしまうということです。
そこで、腎臓で希釈尿を排泄して体内に貯まっている水を体外に排泄する新機能を獲得して淡水でも生息できるようになったのです。
また、上陸するために鰓呼吸(皮膚呼吸)と肺の両方から酸素を取り込む複雑で高度な機能も獲得して、淡水から上陸したのが両生類なのです。
その後、同様に高度な機能を獲得しながら水辺から陸地に爬虫類が誕生していったわけです。
全ては、その世代の環境に適応できなくなった種が、新しい環境に適応しようとして進化していった結果ということです。
そうした、劣悪な自然環境に合わせるように適応できない生物種の一部がヘビやトカゲに、別の一部がカメやワニとなったことも分かりました。
そして、肉食系の恐竜が哺乳類や鳥類へと進化していったのです。
その進化の過程は、脳の発達を見ていくと分かってきます。
その脳とは、第三の目と言われる“松果体”です。松果体は大脳半球の間に位置する間脳の一部で内分泌器なのですが、生物工学的に見てみると、脊推動物の中には、松果体が目の光受容器に似ている動物(ニワトリ)などがいることから、松果体は進化の過程において、網膜の細胞と同じではないかと考えられているのです。
また、脊推動物のカメやワニなどは、皮膚のすぐ下に松果体があるので、光にさらされると松果体で酸素やメラトニンなどのホルモン、ニューロン受容体に連鎖反応を起こしていると言います。このことから、概日リズムの規則化を起こしているとも考えられます。
ヒトなどの哺乳類では、松果体は脳の奥深くにあるので光は直接届きません。ですから、概日リズムは松果体でなく、視床下部の一部である視交叉上核によって行われているわけです。
光のシグナルは目から入って、視交叉上核に伝わり、松果体が作るメラトニンをコントロールしているわけです。
そして、最近の研究でメラトニンが免疫系とも密接に結びついていることが分かってきました。癌細胞を攻撃するNK細胞の数を増やしたり、ウイルスを殺傷する食細胞の破壊力を高めたり、不眠や老化防止、そして認知症の進行を遅らせることが報告されています。
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さて、話は戻しますが、自然環境の激変から多くの生物種が絶滅し、その際に新環境に適応する機能を奇跡的に生み出した新種が生き延びたということは理化して頂けたと思います。
では、この環境変化をもたらす一つが、実は、地球環境それ自体の激変だということなのです。
いっけん安定的に見える地球環境ですが、マントルの活動の変化や火山の爆発などにより、高熱化、氷結、酸素濃度の著しい変化、生物史上度々災難を生命にもたらしていたのです。
もしも、生物が環境に適応していれば、それ以上適応する必要が無いので、変化や進化に応じる必然は無かったはずだからです。
そして、もう一つが淘汰圧(selection pressure)という考え方の進化です。
淘汰圧とは、自然淘汰による進化を促す方向に罹る自然の圧力のことで、例えば、虫を食べる鳥は、虫にとっての淘汰圧と言えるのです。
簡単に言えば、虫の保護色や擬態は、全て食べられないように進化した結果ということなのです。
また、孔雀などは、交尾の機会が少ないため異性をめぐる競争の結果、雄が著しく色彩や形態に異なった淘汰圧が加わった結果(性淘汰)ということです。
現にヒトも猿と共通の先祖から変化してきていますが、環境や食物の変化などに起因して骨格や体格、能力も淘汰の結果、変化してきたのです。
ですから、猿からヒトへ変化したのも、次の段階へ進化する生物も、それまで適応できていた安住の地を追われ、新たな環境に挑戦しなくてはならなかった進化の淘汰圧がかかり最適化してきた生物種だと言えるのです。
これらの、淘汰圧による優れたメカニズムを人工的に再現し、進化したがゆえに発症した認知症の対応に応用しようというのです。
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生物工学で、ハス科の植物の表面を研究することにより、ロータス効果と言われる撥水加工技術が生まれたことはご存知の人も多いと思います。
現代の船体構造はイルカの肌を模倣した効率的な船殻になっています。
コウモリの反響定位を模倣したソナーやレーダー、医療超音波画像などは生体工学から生まれたものです。
コンピュータの分野では、生体工学の研究から人工神経や「全脳アーキテクチャ」と呼ばれる脳型AIニューラルネットワークがあります。
そして、鳥や昆虫の群れに見られるように、簡単なコミュニケーション方法や集団としての高度な動きを模倣した郡知能(swarm intelligence)などが生まれていまするのです。
材料になるのは生きた組織や細胞です。
それらを様々に組み合わせ生物の設計図を自由に組み合わせて特定の役目を行わせるようになります。
命をデザインする幕開けです。
カリフォルニア工科大学とハーバード大学では、生きた組織に手を加えて生物学的な存在を生み出す研究が行われています。
メディウスソイドと呼ばれるもので、生物組織と合成物質を組み合わせて生み出されました。
人間の心臓をゼロから作る足掛かりになるものです。
現時点のメディウスソイドは、ロボットと人口組織を合わせたものといえます。
メディウスソイドの研究は、クラゲが一定のリズムで泳ぐ様子と人間の心臓が脈打つ様子が驚くほど似ていることに着想して始まりました。
科学者たちは完全な人口クラゲを生み出せれば、その仕組みを利用して電源のいらないペースメーカーを作れるのではないかと考えたのです。
さらには人工心臓までも・・・
メディウスソイドを構成しているのはシリコン製のベースとラットの心臓の細胞です。
シリコンのベースは、100％化学合成物質で、そして一方、心臓の細胞は本物のラットから採取したものです。
研究チームはシリコンをラットの心筋細胞で多い、メディウスソイドを生み出しました。
心筋細胞は規則的に収縮するよう遺伝子的にプログラムされています。
その動きでメディウスソイドを動かそうというのです。
問題は細胞の収縮をどうやって起こすか、そして各細胞をいかに同じリズムで収縮させるかです。
そこで、ベースとなるシリコンの膜をあるタンパク質フィブロネクチンでコーティングしました。
心臓の表面に存在しているフィブロネクチンにはバラバラの細胞を並べ接着する働きがあります。
細胞が定着したら残るステップは一つ、メディウスソイドに息を吹き込むのです。
その方法が電気ショックです。
電気を流すと細胞は一斉に同じリズムで収縮を開始、メディウスソイドは、本物のクラゲのような動きで動き始めます。
この人工クラゲが刻む鼓動こそ完全な心臓を作るための第一歩です。実現すれば、ラットではなく本人の幹細胞を採取し遺伝子的にも完全に一致したオーダーメイドの心臓が出来るでしょう！
筋肉細胞一つの中にも、生命体と考えておかしくない要素が複数存在しています。
問題はそれらを組み合わせて生きていると判断できる実態が形作れるかどうかだということです。
ここで、認知症に関係するもう一つの生物の創造.があります。
オクトジェネティクスです。
認知症の歴史は、「あらゆる精神機能の老廃した状態」知われていました。
今回、精神性不全症として捉えたのには環境による淘汰圧が関係していると考えたからです。
その後、認知症は脳の器質性疾患とされ、分類されてきました。
・1822年に梅毒スピロヘータによる進行性の認知症を進行麻痺と呼び、最初の器質性認知症とされました。
この当時1816年頃から、北ヨーロッパやアメリカの北東部においてマウンダー小氷期(1645～1715年)を思わせる異常気象(冷夏)が発生、太陽活動の低下と数年間に渡って大火山の噴火が続いていました。
大阪大学の桃木至朗博士によれば、当時のヨーロッパは農業生産の減少により、栄養状態の悪化、伝染病の流行、人口減少などの悪循環で度々苦しんでいたと言っています。
1815年のインドネシア中南部、スンパワ島のタンポラ火山の噴火は過去1600年で最大規模と記録されています。
また、この時代は整容において最期で最大の危機とまで呼ばれていたのです。
1816年の異常気象で植物の大部分が壊滅的な被害を受け細胞壁が破壊されたと記録されている。
まして土壌が雪で覆われてしまえばなおさら、餓死や伝染病が発生し死亡率が急増していたのです。人々は体を寄せ合い、温めあったと言われています。
その結果が、梅毒スピロヘータによる進行麻痺だとしたら淘汰圧として発生した病態なのかもしれません。
その後、進行麻痺と老年性痴呆の2つに分類されたのです。
また、感染症の歴史を見てもフランスのルイ・パスツールは、病気は病原体によって生じることを証明して狂犬病のワクチンを当時開発しています。
それは当時、飢えと寒さに飼い犬も精神機能が老廃し攻撃的に噛んだことが推測されます。なぜならば、狂犬病になる人が多かったことが裏付けているからです。
1838年頃にはバクテリア(細菌)もいろいろ見つかって来ました。
1875年にドイツのロベルト・コッホによって発見された炭疽菌を始め、ノルウェーのアルマウェル・ハンセンによってハンセン病、
1880年にはマラリアや腸チフス、1882年には結核、1883年にはコレラが発見されています。
当時の自然環境がいかに異常であったかが、全ての進化に繋がって来ていると考えることが出来るのです。
・1891年フランスの医師M.klippelが進行性麻痺を3群に分類し、その中の一つが脳血管性認知症となったのです。
・さらに、1894年イエーナ大学のO.Binswanger博士が、進行麻痺と区別したビンズワンガー病を発表しました。
・翌年の1892年には、プラハ大学のA.Pick博士によって老人性認知症の中に血管障害によらない前頭葉と側頭の限局性の脳萎縮を発見、1926年にピック病と称され現在では前頭側頭型認知症となったのです。
・1906年にミュンヘン大学のAlzheimer博士によってアルツハイマー病が報告されたのです。
1902年西インド諸島で火山が噴火し、サン・ピエールで死者3万人が出ています。
その翌年からヨーロッパ各地で地震が相次ぎ、1906年エクアドル沖で巨大地震(M8.8)が発生しています。