理化学研究所（理研）環境資源科学研究センター 環境代謝分析研究チームの菊地 淳 チームディレクター、生命医科学研究センター 粘膜システム研究チームの大野 博司 チームディレクター、宮本 浩邦 客員主管研究員、バイオリソース研究センター 統合情報開発室の鈴木 健大 研究員、北里大学 医療衛生学部 血液学研究室の佐藤 隆司 講師らの共同研究グループは、医工学分野で活用される画像診断のための計算手法を応用し、魚体の画像を用いて非侵襲的に健康状態を評価する技術を開発しました。本開発技術の検証では、マダイの感染症発症と高温発酵飼料（好熱菌^[1]群を活用したリサイクル発酵飼料）の関係性を対象とし、画像診断イメージング^[2]により、環境保全型の養殖を目指した飼料機能性の迅速な評価・診断に役立つ可能性があることを明らかにしました。

2030年までに生物多様性を損失から回復傾向へと向かわせる「ネイチャー・ポジティブ^[3]」の遂行が国際目標として掲げられています。一方、人畜共通の感染症や薬剤耐性菌のまん延を防ぐために、抗菌薬の使用を低減する「薬剤耐性（AMR： Antimicrobial Resistance）対策」も世界的な課題であり、関連して「人」と「動物」と「環境」を包括的に捉えて守る「One Health（ワンヘルス^[4]）」という概念も提唱されています。このような国際的な趨勢（すうせい）の中で、生態系の多様性を守り、抗菌薬の使用低減につながる環境保全型のイノベーション技術の迅速な普及が求められています。

本研究の成果は、質の高いリサイクル発酵飼料の活用で、抗菌薬の使用量の低減につながり得ることを示す成果であるとともに、その影響を非侵襲的な画像イメージングを介して迅速に診断し、環境保全型の社会構築に貢献できる可能性を示唆しています。

本研究は、科学雑誌『The Innovation Life』オンライン版（8月20日付）に掲載されました。

背景

2009年に地球上での人類の生存の限界を示す「プラネタリーバウンダリー」という概念が提唱されましたが、窒素・リン循環や、抗菌薬などの新規化学物質の過剰な流入、それらに続く生物多様性の損失などは、すでに惑星としての地球の限界点を超えています。

これらの課題を解決するためには、科学技術を喫緊の社会課題と融合させた包括的なアプローチが必要です。例えば、窒素やリンを有効活用するためには、堆肥や飼料再利用のような環境低負荷型のリサイクル技術が重要です。しかし、窒素やリンの堆肥再利用を促進するためには、その機能性を迅速に評価する必要がありますが、これまで堆肥の迅速な機能性評価は実現できていません。また、一部地域で畜産・水産飼料に添加される抗菌薬の使用は耐性菌のまん延につながる可能性があり、適切な使用制限の必要性が指摘されています^注1）。さらに、新たな抗菌薬使用の代替技術が開発されたとしても、動植物の健全性評価には詳細な解析が必要であり、一般的には高額で時間がかかります。従って、たとえ環境保全に有効な機能性の高い資材があったとしても、持続可能な社会への技術普及のためには、簡便かつ迅速な包括的評価手法が必要となります。

そんな中で、好熱性のバシラス科（Bacillaceae）を含む好熱菌群を用いた閉鎖系のバイオリアクター（生体触媒を用いて生化学反応を行う装置）を活用することで、未利用海産資源から植物の肥料や動物の飼料として有効な発酵物を持続的にリサイクル生産できることが報告されています^注2）。これらの機能性は、理研内外のさまざまな共同研究の連携によって徐々に明らかになりつつあります。肥料として使用した場合は、空気中の窒素を固定して生産性に貢献しつつ、温室効果ガスである一酸化二窒素の発生を抑制する傾向があります。さらに、この肥料を使用した土壌微生物叢（そう）では病原性真菌やセンチュウなどによる被害が出にくい傾向も確認されました^注3）。

また、水産用の飼料の一部として少量添加することによって、養殖の生産性の向上のみならず、その養殖場の近海での海草繁茂（ブルーカーボンへの貢献）をもたらす可能性があることを明らかにしました^注4）。さらに昆虫や家畜の共生細菌叢を改善し^注5）、とりわけ好熱菌の一つとしてカルディバシラス・ヒサシイ（Caldibacillus hisashii）が、家畜（ウシ）からの温室効果ガスの排出に関わる腸内のメタン産生菌を減らす傾向があることを示しました^注6）。

本研究では、このような環境改善機能を幅広く有する、好熱菌によって生産された高温発酵飼料（国際寄託済み好熱菌群を用いた発酵混合飼料）の希釈溶液を基本飼料（動物の成長に必要な栄養成分組成のバランスが整ったベースとなる飼料）に少量添加するモデル実験系において、魚体に対する病死率の低減効果を評価するとともに、その効果を非侵襲的に評価できる画像診断技術の開発を目的としました。

• 注1）2023年4月28日プレスリリース「抗菌薬に依存しない仔牛の飼養管理」
• 注2）宮本浩邦、宮本久、田代幸寛、酒井謙二、児玉浩明 日本生物工学会・生物工学技術賞受賞論文「好熱性微生物を活用した未利用バイオマス資源からの高機能性発酵製品の製造と学術的解明（PDF）」生物工学会誌、第96巻、第2号 p.56-63（2018）
• 注3）2023年4月12日プレスリリース「持続可能な農業のための堆肥-土壌-植物相互作用モデル」
• 注4）2023年1月12日プレスリリース「ブルーカーボンのための海草底泥の共生環境を予測」
• 注5）2022年5月18日プレスリリース「炭素・窒素循環を担う昆虫共生細菌系の因果構造」
• 注6）2022年3月25日プレスリリース「好熱菌を黒毛和種仔牛に投与!」

研究手法と成果

本研究では、まず病原菌エドワジエラ・タルダ（以下、エドワジエラ）に対する抗病性を評価する試験系（魚体モデル：マダイ）を設定しました。エドワジエラに感染させる2カ月前に、高温発酵飼料の100倍希釈溶液をあらかじめ添加した群（1％添加群と5％添加群）と非添加群を設け、エドワジエラを腹腔内に注射し、その後の病死魚率への影響をカプランマイヤー法による生存曲線^[5]によって統計的に評価しました（図1）。その結果、非添加群では60％の致死率であるのに対して、添加群では20％以下の致死率となりました。エドワジエラの腹腔内注射の直前の血中の補体活性^[6]は、添加群で増加する傾向があり、また麻酔からの蘇生時間も若干短くなる傾向がありました。これらの結果から、高温発酵飼料の希釈溶液は抗病性機能を有することが明らかになりました。

一方で、当該試験系の予備飼育期間において、魚体の表面において色合いや光沢などに差異が認められました。そこで、試験現場の撮影写真を活用した画像診断を試みました。

本研究では、三つの視点で半自動解析技術の開発を進めました。一つ目は体長の比率を計算する解析方法（体長比率解析）、二つ目は魚体の画像の滑らかさを定量評価する解析方法（テクスチャー解析^[7]）、三つ目は画像の色彩を定量評価するために色抽出をする解析方法（色抽出解析（HSV解析^[8]））です（図2）。

体長比率解析では、添加群である2群に共通する特徴的な変化は認められませんでした。

テクスチャー解析では、機械学習アルゴリズム^[9]を用いた重要因子の抽出を活用し、結果として、四つの滑らかさ（テクスチャー）の指標が選抜されました。それらのデータをROC曲線^[10]によって診断した結果、GLSZMゾーンエントロピー^[11]などが、オリジナル画像とガウシアン画像の双方において重要因子として選抜されました（図3）。ガウシアン画像は、画像自体にぼやける処理をしていますが、当該水産現場の実験条件における結果として鮮明でない魚体表面の写真からでもテクスチャーを読み取れるという普遍性の高い指標であることが確認されました。

次に、色抽出解析としてHSV解析を実施しました。その結果、画像の明るさの影響を受けにくい色相（Hue、H）において統計的な有意差が確認されました。

これらの結果は、水産現場の野外写真を活用することによって、非侵襲的な画像イメージングが適用可能である可能性を示唆するものでした（図3）。

今後の期待

本研究では、未利用海産資源を好熱性バシラス群などによって70～80℃で高温発酵させたリサイクル発酵飼料の投与が、魚の病死率を低減する傾向があることをモデル実験によって明らかにしました。同時に、魚体表面における定性的な差異が観察されたため、医工学分野で活用される画像診断技術のうち、滑らかさや色彩の評価に用いられる指標などを活用し、撮影写真から魚体の健全性を迅速に定量評価できる計算科学的フレームワークの開発に成功しました。

古来より、魚体表面の変化は、魚体の健康状態やおいしさの指標の一つであることが感覚的に知られています。本研究は、こうした感覚的な評価を定量的に評価し、その計算の半自動化を可能とするアプローチです。また、本研究の手法の一部は、画像診断全般において活用可能なコマンドを開発していることから、当該分野にとどまらず、他の分野にも応用可能であることが期待されます。

これまでに、共同研究グループでは好熱菌群がさまざまな動物種に対して、病死率を減少させる傾向を確認し、その作用機序の探索を試みてきましたが、非侵襲的な画像解析によって、健康状態を評価できることを示した本研究成果は画期的であるといえます。病原性微生物に対する抗菌薬の使用は環境負荷を考慮したときに制限される必要があり、そのための指標、ならびに迅速な診断は極めて重要です。さらに、本研究は質の高い持続可能な一次産業の創成にもつながる成果であることから、ネイチャー・ポジティブへの貢献につながることが期待されます（図4）。また、本手法は、画像解析の迅速診断が必要な他の分野へのイノベーションも併せて期待されるため、「人」と「動物」と「環境」を包括的に捉えて守るワンヘルスへの取り組みにも資すると考えられます。

本研究成果は国際連合が定めた17の目標「持続可能な開発目標（SDGs）^[12]」のうち、イノベーションに関わる「9.産業と技術革新の基盤をつくろう」、リサイクルに関わる「12. つくる責任つかう責任」、ネイチャー・ポジティブに関わる「14. 海の豊かさを守ろう」への貢献につながるものです。

補足説明

• 1.好熱菌
  50℃以上で増殖能を有する細菌群の総称。温泉や海底熱鉱床などに生息する。
• 2.画像診断イメージング
  一般的には、医療用画像診断装置を用いて、体内の画像情報を基に病気の診断や治療方針などに役立てる試みをいう。ここでは巨視的な視点にて魚体の撮影写真から画像情報を抽出し、計算科学的に解釈する試みを指している。
• 3.ネイチャー・ポジティブ
  生物の多様性の損失を食い止め、回復させる自然共生型社会を実現する取り組みを指す。
• 4.ワンヘルス
  人や動物・環境諸因子全体を、健康のための対象として捉えて、一体的に守る考え方を指す。
• 5.カプランマイヤー法による生存曲線
  生存時間分析として生存率を統計的に評価する手法として用いられることが多い。死亡や事故などの発生する割合を視覚的に把握できるとともに、統計的な有意性の評価が可能となる。
• 6.補体活性
  体内に侵入した病原体などを排除するために生体防御機構の一つとして重要な役割を果たす生理的な反応。病原体を貪食細胞が捕食する制御をしたり、白血球を炎症部位に集めたり、病原体の細胞膜に穴を開けて溶解させたりする反応などが知られている。
• 7.テクスチャー解析
  画像内のパターンを数値情報として計算した、いわゆるテクスチャー情報を抽出し、その特徴を解析する手法。
• 8.HSV解析
  画像情報から、HSV（色相：Hue、彩度：Saturation、明度：Value）を抽出して解析する方法。RGB解析とは異なり、人間の色の認識に近い形で色の表現を定量的に評価できる。
• 9.機械学習アルゴリズム
  学習により自動で改善するコンピュータアルゴリズム。本研究では、ランダムフォレスト（RF）、XGBoost、LightGBMを用いた。ランダムフォレスト、XGBoost、LightGBMは、それぞれバギング法あるいはブースティング法の一つであり、複数の観測された実測値データを用いて、それらの中の特徴量を算出することが可能なアルゴリズムである。
• 10.ROC曲線
  分類モデルの性能を評価する曲線グラフを計算によって算出する。当該曲線の下の面積（AUC）の数値が性能の高さを示す指標となる。ROCはreceiver operating characteristicの略。
• 11.GLSZMゾーンエントロピー
  画像の中にどれだけ複雑でバラバラなテクスチャーがあるかを示す指標であり、画像が単調ではないことを暗示している数値指標になる。ここでの魚体の画像の場合、高温発酵飼料投与群の写真の方が、非投与群のよりも、単調ではないことが、視覚的には捉えられるが、その違いの一つが定量的に示されていると想定される。GLSZMはgray level size zone matrixの略。
• 12.持続可能な開発目標（SDGs）
  2015年9月の国連サミットで採択された「持続可能な開発のための2030アジェンダ」にて記載された2016年から2030年までの国際目標。持続可能な世界を実現するための17の目標、169のターゲットから構成され、発展途上国のみならず、先進国自身が取り組むユニバーサル（普遍的）なものであり、日本としても積極的に取り組んでいる（外務省ホームページから一部改変して転載）。

共同研究グループ

理化学研究所
環境資源科学研究センター 環境代謝分析研究チーム
チームディレクター 菊地 淳（キクチ・ジュン）
生命医科学研究センター 粘膜システム研究チーム
チームディレクター 大野 博司（オオノ・ヒロシ）
客員主管研究員 宮本 浩邦（ミヤモト・ヒロクニ）
（千葉大学 大学院園芸学研究院 連携客員教授、横浜市立大学 客員教授、株式会社サーマス、日環科学株式会社）
バイオリソース研究センター 統合情報開発室
研究員 鈴木 健大（スズキ・ケンタ）
（横浜国立大学 総合学術高等研究院 客員准教授）

北里大学 医療衛生学部 血液学研究室
講師 佐藤 隆司（サトウ・タカシ）

千葉大学 大学院工学研究院
修士2年（研究当時）田町 臣悟（タマチ・シンゴ）
修士2年（研究当時）山田 至恩（ヤマダ・シオン）

中部飼料株式会社
研究員（研究当時）井藤 俊亮（イトウ・シュンスケ）

京葉ガスエナジーソリューション株式会社
バイオ事業室室長・部長（研究当時）宇田川 元章（ウダガワ・モトアキ）

株式会社サーマス
技術顧問 永塚 孝幸（ナガツカ・タカユキ）
（日環科学株式会社）

株式会社三六九
代表取締役 宮本 久（ミヤモト・ヒサシ）

原論文情報

• Hirokuni Miyamoto*, Shunsuke Ito, Kenta Suzuki, Shingo Tamachi, Shion Yamada, Takayuki Nagatsuka, Takashi Satoh, Motoaki Udagawa, Hisashi Miyamoto, Hiroshi Ohno, and Jun Kikuchi*（*共同責任著者）, "A putative research model for sustainable fisheries driven by noninvasive diagnostic imaging", The Innovation Life, 10.59717/j.xinn-life.2025.100155

発表者

理化学研究所
環境資源科学研究センター 環境代謝分析研究チーム
チームディレクター 菊地 淳（キクチ・ジュン）
生命医科学研究センター 粘膜システム研究チーム
チームディレクター 大野 博司（オオノ・ヒロシ）
客員主管研究員 宮本 浩邦（ミヤモト・ヒロクニ）
バイオリソース研究センター 統合情報開発室
研究員 鈴木 健大（スズキ・ケンタ）

北里大学 医療衛生学部 血液学研究室
講師 佐藤 隆司（サトウ・タカシ）

発表者のコメント

動物の健康状態は、感覚的に見た目で判断できる場合がありますが、定性的な評価を定量的に扱うことはなかなか難しい側面があります。今回の研究対象は魚ですが、高温発酵飼料（好熱菌発酵物）を投与した後の魚体の表面の光沢に差異を確認することができたため、医工学分野の技術を応用して評価することはできないか、模索を続けてきました。ありがたいことに、優秀な大学院生（田町、山田両氏）との出会いにも恵まれ、技術開発に成功しました。特に、魚体を撮影した写真から、視覚的に捉えられる違いを数値を用いて定量的に評価することが可能となっただけでなく、現場ではなかなかきれいに写真を撮影できないことが多いわけですが、そのような画像からも評価できる可能性を示すことができました。これまで環境保全を考慮に入れた好熱菌利用研究を進めてきましたが、質の高い技術をより早く普及するためには、生化学的アプローチだけでは時間がかかります。今回のような異分野の視点を活用したアプローチも踏まえて、効率的により良い社会貢献につながる研究を進めたく思っています。（宮本 浩邦）

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