1月8日号

ReportScience 08 January 2016: Vol. 351, Issue 6269, pp. 176-180
DOI: 10.1126/science.aad0084

1月22日号

胎生期肝臓におけるportal vessel 周囲の造血幹細胞ニッチ
Fetal liver hematopoietic stem cell niches associate with portal vessels

ReportScience 22 January 2016: Vol. 351, Issue 6271, pp. 361-365
DOI: 10.1126/science.aad0832

モデル触媒で解明した酸素還元反応に対する窒素ドープ炭素材料の活性点
Active sites of nitrogen-doped carbon materials for oxygen reduction reaction
clarified using model catalysts

國崎 祐哉 Yuya Kunisaki

中村 潤児 Junji Nakamura

Ruth L. and David S. Gottesman Institute for Stem Cell and Regenerative Medicine Research. Albert Einstein
College of Medicine（現 九州大学大学院 医学研究院 応用幹細胞医科学部門 がん幹細胞医学分野 助教）

筑波大学 数理物質系 物質工学域 教授
筑波大学 学際物質科学研究センターおよび数理物質融合科学センター 教授

近藤 剛弘 Takahiro Kondo

Jalal A. Khan1,2,5 Avital Mendelson1,2 Alexander Birbrair1,2 Yan Kou6
1,2
Sandra Pinho1,2 Paul Ciero1 中原 史雄 1,2 Avi Ma'ayan6
Anna Arnal-Estape45
1,2,3Aviv Bergman Miriam Merad Paul S. Frenette
Ruth L. and David S. Gottesman Institute for Stem Cell and Regenerative Medicine Research. Albert Einstein College of Medicine
2Department of Cell Biology, Albert Einstein College of Medicine
3
Department of Medicine, Albert Einstein College of Medicine
4
Department of System and Computational Biology, Albert Einstein College of Medicine
5
Department of Oncological Sciences, Icahn School of Medicine at Mount Sinai
6
Department of Pharmacology and System Therapeutics, Icahn School of Medicine at Mount Sinai
1

Contact

E-mail：kunisaki@cancer.med.kyushu-u.ac.jp
所在地：812-8582 福岡県福岡市東区馬出 3-1-1

Figure and Note
図 1：胎児肝臓における流入（門脈系）、流出（静脈系）
血管の3 次元再構築

胎生期造血幹細胞を支持する門脈性ニッチ
骨髄における造血幹細胞ニッチ構成細胞は明らかになってきつつあるが、胎児肝臓におけるニッチの正体は不明であった。この研究において我々は、胎児肝臓においてNestin 及び NG2を発現する間葉系細胞が門脈系血管周囲に存在し、造血幹細胞の増殖を促進するニッチを構成していることを明らかにした。このNestin/NG2 陽性細胞と造血幹細胞は、臍帯静脈の分枝である門脈系血管がフラクタルパターンに枝分かれしながら胎児肝臓内で発達するのに比例して増加する（図 1）。生後、臍帯静脈からの血流の流入が閉ざされると、門脈系血管はNuropilin 陽性 Ephrin-B2 陽性の動脈型からEphrinB4 陽性の静脈型にその表現系が変化する（図 2）。この変化は、その周囲に存在するNestin/NG2 陽性細胞の消失を引き起こし、その結果、造血幹細胞は、門脈より遠くへとその分布を変化させる。これらのデータは、造血幹細胞の数が、胎生期特異的な胎盤循環系を介してフラクタルパターンを示す門脈周囲血管ニッチによって規定される、という新しいニッチモデルを提唱するものである。

胎生 12日、13日、14日の胎児肝において門脈血管（赤）は、フラクタルパターンに枝分かれしながら肝臓全体に広がる。造血幹細胞及び Nestin/NG2 陽性ニッチ
細胞の数は、この広がりと比例して増加する。

図 2：胎児肝循環とその生後変化
胎生期、門脈血管には臍帯静脈からの酸素分圧の高い動脈血が流入している。
生後臍帯静脈の閉塞に伴って門脈血管は、主に消化管からの栄養を吸収した血液を門脈管を介して受けるように変化する。

筑波大学 数理物質系 物質工学域 准教授
筑波大学 学際物質科学研究センターおよび数理物質融合科学センター 准教授

郭 東輝 1 渋谷 陸 2 秋葉 千聖 2 佐治 俊輔 2
手前：中村 潤児、後列左から郭 東輝、近藤 剛弘

Contact1

筑波大学 数理物質系 物質工学域

中村 潤児 E-mail：nakamura@ims.tsukuba.ac.jp
所在地：305-8573 茨城県つくば市天王台 1-1-1
U R L：http://www.ims.tsukuba.ac.jp/~nakamura_lab/

レアメタル白金に代わる燃料電池触媒開発への大きな発見
これまで窒素ドープ炭素材料が、燃料電池のカソード電極反応である酸素還元反応に対して高い触媒性能を示すことは広く知られていたが、どの部位で触媒反応が起きているかという触媒活性点については様々な提案が出されており、明らかにはされていなかった。本研究では特定の窒素種だけを持つモデル触媒を複数調製し、それらの触媒特性を比較・解析することにより、触媒活性点を形成する窒素種がピリジン型窒素と呼ばれる窒素種であることを特定した。また、ピリジン型窒素が炭素材料に導入されると、ピリジン型窒素の隣のπ共役系を形成している炭素原子に局在化した電子準位が形成され、これがルイス塩基として機能するようになることが、二酸化炭素の吸着実験などから示された。以上の結果
より、窒素ドープ炭素材料の酸素還元反応に対する触媒活性点は、ピリジン型窒素の隣のルイス塩基となっている炭素原子であると結論付けられた。触媒特性をもたらす窒素種を特定したことで、安価で豊富なグラファイト系炭素材料を用いた燃料電池電極触媒の設計指針が明確になった。これは、高価で希少な白金を代替する触媒開発の道筋が切り拓かれたことを意味しており、今後の燃料電池の本格普及に大きく貢献することが期待される。

2

筑波大学大学院 数理物質科学研究科

近藤 剛弘 E-mail：takahiro@ims.tsukuba.ac.jp

Figure and Note

図 1：レアメタル白金に代わる燃料電池炭素触媒の活性点を形成する窒素種を特定
現在、燃料電池のカソード電極触媒材料には高価で希少な白金が使用されている。白金の代替材料として窒素をドープしたグラファイト系炭素材料が有力な候補であるが、活性点を形成する窒素の種類が明らかとなっておらず論争となっていた。本研究によって触媒活性点を形成する窒素種がピリジン型窒素と呼ばれる窒素種であることが特定されたため、白金を代替する触媒開発の道が切り拓かれた。今後の燃料電池の本格的な普及に大きく貢献することが期待される。
図 2：窒素ドープグラファイトモデル触媒の構造と電子状態および酸素還元反応特性（A）
エッジパターンをしたグラファイトモデ
ル触媒の光学電子顕微鏡像、（B）原子間力顕微鏡像、（C）
3D 表示図、（D）断面形状。
（E）
X 線光電子分光のN1sコア
レベルスペクトル（pyri-HOPG：ピリジン型窒素をエッジにドープしたグラファイト、
grap-HOPG：グラファイト型窒素をドープしたグラファイト、edge-HOPG：エッジだけを導入したグラファイト、clean-HOPG：清浄なグラファイト）。
（F）酸素還元反応試験結果。

イメージングを用いた幹細胞研究
ニューヨーク、アルバートアインシュタイン医科大学のPual S.Frenette 研究室で主にイメージングを用いた造血幹細胞ニッチの研究を行って参りました。そこでは、骨髄だけでなく、様々な臓器をin vivo、ex vivoでマクロからミクロまで観察する技術を持ったエキスパートが研究を行っており、当時の仲間たちもスペイン、ドイツ、イギリスなど世界中で自分の研究室を主宰し、独自のイメージング技術を発展させ素晴らしい研究成果をあげています。私も九州大学大学院医学研究院 がん幹細胞医学分野で、最先端のイメージング技術をがん研究へ応用すべく日々研究を行っています。

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表面基礎化学と触媒開発の融合で社会に貢献
中村・近藤研究室では表面化学（科学）と触媒開発（技術）を融合し、社会的ニーズの高い環境エネルギー技術に貢献する研究を行っています。カーボンナノチューブやグラフェンなどの新しい炭素材料を用いて、二酸化炭素からメタノールに室温で変換する触媒の開発や固体高分子形燃料電池の白金代替触媒の開発に挑戦しています。表面化学においては、原子分解能での顕微鏡観察や電子分光計測など最先端計測を駆使して、炭素の化学的性質を原子レベルで調べています。これは新しい化学分野の開拓です。未来の環境に調和する社会に大きく役立つと考えています。

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