hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
新型結晶X線ウエーブガイドの開発

当研究は、動力学回折効果によって結晶の実質的な吸収係数を平均の吸収係数より著しく小さくなる現象を用い、薄い平行平板結晶をX線ウエーブガイドとして機能させることにある。Ge及びSiの220反射を用い、これら結晶がウエーブガイドとして機能することを確認した。また、この出力ビームにおいて得られる干渉縞を観測し、この干渉縞の生じる原因を追究してウエーブガイド内を伝播する屈折波の経路を明らかにすることができ、このウエーブガイドが多重ブッラグ・ラウエ(BB^mL)型干渉計として活用できることを明らかにした。今年度は、(1)結晶X線ウエーブガイド(CXW)の製作、(2)実験系の整備、(3)放射光実験、(4)理論的検討の4項目をあげて取り組んだ結果、いずれの項目も計画通りあるいは、それを上回る結果が得られた。(1)においては、Geの薄い完全結晶を用いてCXWを製作した。これは期待する性能を発揮できるほど結晶を薄く加工することは出来なかったが、動力学効果で実質的な吸収が消える入射角を選ぶことによって、この結晶がCXWとして機能し、基礎実験に役立つことが確認された。(2)の実験に必要な、非対称モノクロメータおよび位置敏感型スリットの製作では、実験の仕様を満足するものが製作できた。(3)の放射光実験は、高エネルギー加速器研究機構におけるKEK-PF BL15Cの放射光を用いて行った。CXWの結晶の側面からの出力ビームの発散角を測定した結果、それは1秒以下と非常に狭いことが判明した。またX線ビームの入射位置とCXW内を伝播し側面に到達した出力ビーム位置までの距離を変えることによって、出力ビームの干渉縞の間隔が大きく変わる様子を測定した。(4)の理論的検討においては、主にこの干渉縞の生じる原因を追究した。その結果、結晶内の屈折ビームの方向は、X線の透過方向からは非常に大きくずれ、結晶表面とほぼ平行な方向を向くこととなり、この結果、入射位置から直接側面に直接到達する屈折ビームと、それよりは幾分透過方向に角度を変えた屈折ビームが結晶の底面に到達し、反射して側面に到達するとした屈折ビームとの干渉による干渉縞を求めたところ、測定結果と良く一致した。このことは、CXWを伝播するX線のメカニズムがほぼ解明されたことを意味し、この屈折ビームの大きな角度変化は、新しい原理に基づくX線顕微鏡開発の研究に役立つことが期待される。さらにまた干渉縞の解析結果はCXWを用いた新しいX線干渉計開発の道を開いた。当研究は、新型結晶X線ウエーブガイド(CXW)の開発である。このCXWは、動力学回折効果で、結晶の実質的な吸収係数が平均の吸収係数より著しく小さくなる現象を用い、薄い平行平板結晶をウエーブガイドと機能させることにある。この研究を開始するにあたり、CXWの現象は、私どもの手でGeの結晶において観測され、またその出力ビームには干渉縞が観測されたが、しかし、そのX線の伝播のメカニズムが不明で、また干渉縞がなぜ生じるのかその原因も不明であった。この課題が採択された平成19年度においては、実験設備が整い、理論的研究も進み、X線の伝播の様子がほぼ解明できた。その結果、SiもCXWとして機能することが分り、それを平成20年度のKEK-PF及びSPring-8の実験で確認した。理論によると、人射X線の発散角が1秒以下であるにも関らずCXW内の屈折波の方向は、格子面に平行な方向から透過方向まで極端に変化する。このため、入射X線を1秒程度の発散角をもつ球面波とみなすと、入射点からCXWの出力面(側面)に直接届く屈折波と、屈折波が一旦底面で反射して側面に届く二つの屈折波の干渉で干渉縞が現れることが分った。さらに、CXWの屈折波の方向が非常に僅かな歪に敏感に変わることに着目し、歪の影響による干渉縞の変化を観測して、CXWが歪解析に有効であることを確認した(現在論文準備中)。さらに歪が一様に変化する場合は、屈折波の軌跡が放物線になるため、屈折波が再び入射面に戻り(蜃気楼効果)、その一部は回折して蜃気楼X線(二次回折線)となる。残りは再び反射して屈折波となり結晶内を伝播する。この蜃気楼効果をCXWで確認し、その上で、一次と二次の回折線を重ねることにより、CXWから強力なX線が得られることを実験的に確認した。よって、CXWは、X線を増幅する機能があることを発見した(現在論文準備中)。以上、当研究では、新型CXWを開発し、その働きを理論的に解明した。CXWの特性改善には、結晶を僅か曲げて蜃気楼効果を利用するのが得策である。この蜃気楼効果で、一次と二次の回折線の合成に成功し、X線レーザ用光学素子開発に新しい一歩を切り開いた。
ナノ秒電気パルスが癌細胞に誘起する新規ストレス反応を利用した新しい癌治療法の確立

本研究はナノ秒電気パルスを利用した新しい癌治療法の基盤確立を目的として実施された。まずナノ秒電気パルスによる細胞死誘導の条件検討や細胞死メカニズム解明を行った。その結果、ポリADPリボース化とよばれるタンパク質修飾を伴ったネクローシスが誘発され、それがカルシウムの有無によって増強・減弱できることが判明した。またタングステン針を用いた電極作製を行った。さらに腫瘍モデルであるスフェロイドを使用して、ナノ秒電気パルスの細胞死効果を確証した。以上の結果は、ナノ秒電気パルスを利用した新しい癌治療法の基盤確立に大きく寄与するものである。一千万分の一秒というきわめて短い時間に限局して強い電気的な力を作用させる技術であるナノ秒電気パルスは、熱を発生せずに強いインパクトを与えることができるユニークな新技術である。私はナノ秒電気パルスがヒト癌細胞に対して新しいタイプの細胞ストレスとして作用して細胞死を誘発することを明らかにしてきた。本研究では、ナノ秒電気パルスを用いた新しい癌治療法の基盤を確立することを目的とし、平成25年度はナノ秒電気パルスで細胞死を誘導するための至適条件の確立と分子機構の解明を行った。まずHeLa S3やJurkatといった複数のヒト培養細胞を様々な条件のナノ秒電気パルスで処理し、生存率をMTT法によって解析した。その結果、細胞株毎にナノ秒電気パルスに対する感受性が異なることが判明し、ナノ秒電気パルスで細胞死を誘導するための至適条件を各々の細胞株について確定した。次にナノ秒電気パルスで誘発される細胞死の分子機構を解明するため、アポトーシスとネクローシスの分子マーカーをウェスタンブロット法等で解析した。これまで主に欧米で行われた研究からナノ秒電気パルスによる細胞死はアポトーシスであることが長らく推測されてきたが、実際にはアポトーシスが生じるのは一部の細胞株のみであり、多くの癌細胞ではネクローシスが起こるという新知見を得た。さらにナノ秒電気パルスによって誘導されるネクローシスには持続性のポリADPリボース形成が伴っていること、ポリADPリボース形成には細胞外カルシウムの存在が必須であることを明らかにした。これらの知見は、ナノ秒電気パルスによって惹起される細胞外カルシウムの流入が細胞死誘導に重要な役割を果たしていることを示しており、ナノ秒電気パルスによる細胞死誘導の分子機構に関する新しい重要な知見であるといえる。本研究は、医療分野における新しい物理的手法として世界的に注目を集めつつあるナノ秒電気パルスを癌治療に応用するための基盤を確立することを目的としており、平成25年度においてはヒト由来培養細胞を用いてナノ秒電気パルスの至適条件の探索や細胞死メカニズムの解析を行った。それに引き続き平成26年度では、治療を視野に入れた新しい電極によるナノ秒電気パルスの印加を試みると共に、細胞死メカニズムのさらなる解析を行った。まず、従来の平板型電極に変わる電極として、タングステンカーバイド製の針を用いた電極を導入した。これを用いて細胞培養液中でナノ秒電気パルスを発生させたところ、50 kV/cmのナノ秒電気パルスの生成が達成できた。次に実際にこの電極によってナノ秒電気パルスヒト癌由来培養細胞に印加したところ、ブレッビングと呼ばれる細胞膜の構造変化を伴う細胞死を観察することができた。現在、電圧や電極間隔を変えた際の細胞応答についてさらに検討を行うと共に、ライブイメージングの手法で細胞応答を経時的に解析することにも取り組んでいる。さらに、ナノ秒電気パルスによる細胞死メカニズムについても新しい知見が得られた。昨年度、HeLa S3へナノ秒電気パルスを作用させるとポリADPリボース形成を伴うネクローシスが生じることを明らかにした。この反応には細胞外カルシウムの存在が必要であるが、細胞外カルシウムが存在しないと、細胞がナノ秒電気パルスに対して耐性となり、さらにナノ秒電気パルスの強度を上げるとネクローシスではなくアポトーシスが起こることを本年度に見出した。このことはナノ秒電気パルスによって生じるカルシウム流入が細胞死の様式を決めているということを強く示唆する新知見である。本研究はナノ秒電気パルスを用いた新しい癌治療法のための基盤を確立することを目的としたものである。昨年度は、ナノ秒電気パルスに対する細胞感受性と細胞死の様式の選択にはカルシウム依存性が見られ、ナノ秒電気パルスによって生じるカルシウム流入が細胞死の様式決定にも強い影響を与えている可能性を示した。そこで本年度はまずカルシウムによって影響される細胞内応答反応について解析を行った。その結果、ネクローシスに伴い生じるタンパク質ポリADPリボース化やAMPK活性化はカルシウム依存性を示す一方、カルシウムの有無はナノ秒電気パルスによるストレス応答活性化にほとんど影響を与えなかった。ナノ秒電気パルスで誘導されるストレス応答は生存率への影響が低い可能性が示され、ナノ秒電気パルスの癌治療効果のメカニズムを考える上で重要な知見を得た。続いてナノ秒電気パルスの癌治療効果を検証するため、ヒト癌細胞株による細胞塊(スフェロイド)の作製を試みた。ヒト大腸癌由来HCT116ならびに子宮頸癌HeLaを用いることで、培養条件下におけるモデル腫瘍として使用可能なスフェロイドを再現性良く得られるようになった。そこでナノ秒電気パルスをスフェロイドに印加しライブイメージングを行ったところ、細胞死に基づくと推察されるスフェロイド構造の崩壊が観察された。続いてスフェロイド中の総ATP量を測定することでスフェロイドを形成する細胞の生存率を解析したところ、ナノ秒電気パルスによる顕著なATP量低下が示され、スフェロイドにおいてもナノ秒電気パルスの細胞死誘導が発揮されることが明らかとなった。

まずナノ秒電気パルスによる細胞死誘導の条件検討や細胞死メカニズム解明を行った。その結果、ポリADPリボース化とよばれるタンパク質修飾を伴ったネクローシスが誘発され、それがカルシウムの有無によって増強・減弱できることが判明した。またタングステン針を用いた電極作製を行った。さらに腫瘍モデルであるスフェロイドを使用して、ナノ秒電気パルスの細胞死効果を確証した。以上の結果は、ナノ秒電気パルスを利用した新しい癌治療法の基盤確立に大きく寄与するものである。この分野における多くの研究では、キュベット型と呼ばれる平板電極が主に用いられてきた。平成26年度の本研究の目的の一つは、将来的な医療応用を視野に入れた針型電極の導入であり、これについてはタングステンカーバイド製の針型電極を用いることで十分な電界強度を達成することができた。さらにこれを使うことで実際に細胞死の誘発を観察することができた。またこの電極を用いたライブイメージング解析にも取り組んでいる。ナノ秒電気パルスの作用機序の理解についても進展があり、カルシウムが細胞死の様式を左右しているという新知見が得られた。細胞生物学タングステンカーバイド製の針型電極を用い、電極間隔や電圧を変化させた際の細胞応答を解析するとともに、腫瘍へのナノ秒電気パルスの印加に関する研究を実施する。ナノ秒電気パルスの生体作用の分子機構についても理解を深める。それによってナノ秒電気パルスの癌治療利用の基礎となる情報を得る。平成25年度の研究計画は、ヒト培養細胞を用いてナノ秒電気パルスが細胞死を誘導するための至適条件を決定するとともに、細胞死の分子機構を解明することである。ナノ秒電気パルスの至適条件の決定については、複数の培養細胞株を用いて実験を実施し、細胞株毎に感受性の違いが存在することを明らかにするとともに、個々の細胞株において細胞死を誘導するためのナノ秒電気パルス条件を決定することができた。次に細胞死の分子機構の解明においては、ウェスタンブロット法をはじめとする分子生物学的手法により、細胞死に関する様々な分子マーカーの解析を実施した。本研究分野においては、ナノ秒電気パルスが誘導する細胞死はアポトーシスであるという通説が長らく信じられてきたが、これをくつがえす新たな知見が得られた。すなわち細胞株毎に異なる様式の細胞死機構が誘起されており、多くの細胞株ではアポトーシスではなくネクローシスが生じていることを明らかにした。さらに細胞内タンパク質の翻訳後修飾であるポリADPリボース形成がネクローシスに伴っており、それには細胞外カルシウムの存在が必須であることを明らかにした。これまでの研究から細胞外カルシウムがナノ秒電気パルス処理後に細胞内へ流入することが知られていたが、その生理的意義は不明であった。本研究ではナノ秒電気パルス誘導性のカルシウム動態の変動と細胞死を結びつける新知見を得たと言える。
遅すぎず速すぎない爆燃現象を用いたマルチフラクチャー造成技術の構築

本年度は,本研究で開発する『爆燃現象に伴う高速載荷によって生じる岩質材料の複雑破壊過程』を解析可能な『爆燃破砕シミュレータ』の開発に取り組んだ.本シミュレータの開発は,GPGPU高速並列計算技術に基づいた独自開発の岩質材料の3次元複雑破壊過程解析法(以下DFPA)と爆燃過程解析法(以下Deflag)の両解析法の高度なカップリングを基礎とするものである.本研究開始前の段階ではDFPAを実験室規模の岩石の高速破砕現象のモデル化に適用して妥当性評価を実施するに留まっていたため,本年度はまず,既に実施したニトロメタンの爆燃圧計測の結果(Fukuda et al. 2013)に基づき独自に提唱した爆燃圧モデルをDFPAに組み込み,ニトロメタンを用いた爆燃破砕のプロトタイプ解析を実施するところから開始した.しかし,その過程で想定外の計算の不安定化が生じ,その原因究明が必要となった.その際,3次元解析ベースで検証を行う場合,GPU高速並列計算技術を用いても多大な計算時間を要し,あまりに効率が悪かったため,同様の不安定化が観測された2次元版のDFPAを有効に活用しながら検証を行った.この結果,大略100マイクロ秒で1GPaに達する高速爆燃載荷に伴う岩質材料の破砕解析では,実験室規模の岩石の高速破砕過程解析では考慮する必要がなかった解析安定化手法の導入が必要であることを明らかにし,その合理的な設定法を確立した.具体的な成果としては,爆燃破砕シミュレータの開発は計画より若干遅れているものの,査読付き国際学会Proceedings(3件)及び関連分野では最高位の国際誌の一つであるInt. J. Numer. Anal. Methods Geomech(1件)に採択される成果を生んだことからもわかるように,本研究遂行の意義・重要性は当該分野において極めて高いものであることが示せて来ている.【研究実績の概要】で述べたように,既に本研究から一流の国際誌に採択される成果を出すことに成功している.しかし,本研究で最も重要な課題である爆燃破砕シミュレータの開発が計画よりもやや遅れている.理由としては,研究実績の概要で述べたように,爆燃載荷モデルをDFPAに適用した場合,予測しなかった不安定化が生じてしまい,本年度はその原因究明・解決を最優先に取り組んだことから,そのために多くの時間を費やす結果になった点が挙げられる.なお,Hybrid FEM/DEM法ベースであるDFPAと粒子法ベースであるDeflagシミュレータのカップリングの進捗状況としては,両シミュレータともにカップリングに供するためのGPGPUベースのプロトタイプはほぼ完成し,本研究課題採択時と比較しても高度化は達成できていることから,現在の進捗状況が大幅に遅れているとは考えていない.現在は当該カップリングを実現するために,当初計画に従いカップリングアルゴリズムの実装に取り組んでいる.複数案のカップリングアルゴリズムを考えており,現在は,その中で最も実装が容易な案を検討している.具体的には,DFPAにおける岩質材料部に相当するHybrid FEM/DEM要素の力学的状態に等価な仮想個体粒子を用意し,これとDeflagにおける燃焼を表現する各粒子とを相互作用させ,他方,燃焼担当粒子の影響圏内に存在する岩質材料部に相当するHybrid FEM/DEM要素に対しては,当該燃焼担当粒子の燃焼圧をFEM/DEM法の枠組みで作用させる方法の実装に取り組んでいる.なお,これまで多くの開発時間を通してノウハウが十分に得られているDFPAと比較して,開発歴の短いDeflagについては,特に精度向上・ノウハウの蓄積が必要である.以上の理由から,研究は着実に進んでいるが,当初計画からはやや遅れていると結論した.爆燃破砕問題において,ニトロメタンの爆燃破砕以外については,現在も国内外問わず知見が得られていないため,当初の研究計画に従い2年目はニトロメタン以外の爆燃材に関する知見の集約を目指し,爆燃破砕に関する実験的な検証に取り組む.現時点では,Thermite反応を利用した爆燃材を主たる対象として考えており,本年度中に韓国のChonbuk National Universityにおいて各種測定や実験を進める.具体的にはThermite反応ベースの爆燃材を用いたコンクリートブロックの実証破砕実験の実施や各種力学物性値の取得,当該爆燃現象を特徴づける載荷特性について明らかにしていく。同時に,上記【研究実績の概要】及び【今後の研究の推進方策】で述べたように,当初計画より爆燃破砕シミュレータの開発(=DFPAとDeflagのカップリング)が遅れている現状を打破するため,本タスクについては特に重点的に取り組む.なお,本研究で取り組んでいるDFPAやDeflagといった個々の構成シミュレータ自体も極めて高度であるため,上述したDFPAの不安定化の解決に関する成果をまとめた内容ですら,本研究プロジェクト開始後1年目の段階においても当該分野で最高峰の国際誌で成果が採択されるという副産物的な成果を得ている.

同様に,当該カップリングの開発段階で想定外の自体が生じた場合も柔軟に取り組み,来年度以降も積極的に成果をまとめて著名な国際誌へ論文を投稿していきたいと考えている.また,3年目で実施予定の検証に必要な解析のプラットフォーム構築(Hybrid FEM/DEM法の枠組みにおける原位置応力のシミュレーション,シミュレートした原位置応力下で複雑亀裂進展過程の検証,そして,これに高度な爆燃シミュレータのカップリングにより加えた爆燃破砕シミュレーション)についても徐々に取り組んでいく予定である.本年度は,本研究で開発する『爆燃現象に伴う高速載荷によって生じる岩質材料の複雑破壊過程』を解析可能な『爆燃破砕シミュレータ』の開発に取り組んだ.本シミュレータの開発は,GPGPU高速並列計算技術に基づいた独自開発の岩質材料の3次元複雑破壊過程解析法(以下DFPA)と爆燃過程解析法(以下Deflag)の両解析法の高度なカップリングを基礎とするものである.本研究開始前の段階ではDFPAを実験室規模の岩石の高速破砕現象のモデル化に適用して妥当性評価を実施するに留まっていたため,本年度はまず,既に実施したニトロメタンの爆燃圧計測の結果(Fukuda et al. 2013)に基づき独自に提唱した爆燃圧モデルをDFPAに組み込み,ニトロメタンを用いた爆燃破砕のプロトタイプ解析を実施するところから開始した.しかし,その過程で想定外の計算の不安定化が生じ,その原因究明が必要となった.その際,3次元解析ベースで検証を行う場合,GPU高速並列計算技術を用いても多大な計算時間を要し,あまりに効率が悪かったため,同様の不安定化が観測された2次元版のDFPAを有効に活用しながら検証を行った.この結果,大略100マイクロ秒で1GPaに達する高速爆燃載荷に伴う岩質材料の破砕解析では,実験室規模の岩石の高速破砕過程解析では考慮する必要がなかった解析安定化手法の導入が必要であることを明らかにし,その合理的な設定法を確立した.具体的な成果としては,爆燃破砕シミュレータの開発は計画より若干遅れているものの,査読付き国際学会Proceedings(3件)及び関連分野では最高位の国際誌の一つであるInt. J. Numer. Anal. Methods Geomech(1件)に採択される成果を生んだことからもわかるように,本研究遂行の意義・重要性は当該分野において極めて高いものであることが示せて来ている.【研究実績の概要】で述べたように,既に本研究から一流の国際誌に採択される成果を出すことに成功している.しかし,本研究で最も重要な課題である爆燃破砕シミュレータの開発が計画よりもやや遅れている.理由としては,研究実績の概要で述べたように,爆燃載荷モデルをDFPAに適用した場合,予測しなかった不安定化が生じてしまい,本年度はその原因究明・解決を最優先に取り組んだことから,そのために多くの時間を費やす結果になった点が挙げられる.なお,Hybrid FEM/DEM法ベースであるDFPAと粒子法ベースであるDeflagシミュレータのカップリングの進捗状況としては,両シミュレータともにカップリングに供するためのGPGPUベースのプロトタイプはほぼ完成し,本研究課題採択時と比較しても高度化は達成できていることから,現在の進捗状況が大幅に遅れているとは考えていない.現在は当該カップリングを実現するために,当初計画に従いカップリングアルゴリズムの実装に取り組んでいる.複数案のカップリングアルゴリズムを考えており,現在は,その中で最も実装が容易な案を検討している.具体的には,DFPAにおける岩質材料部に相当するHybrid FEM/DEM要素の力学的状態に等価な仮想個体粒子を用意し,これとDeflagにおける燃焼を表現する各粒子とを相互作用させ,他方,燃焼担当粒子の影響圏内に存在する岩質材料部に相当するHybrid FEM/DEM要素に対しては,当該燃焼担当粒子の燃焼圧をFEM/DEM法の枠組みで作用させる方法の実装に取り組んでいる.
腎性貧血治療における鉄剤投与法と血管石灰化の関係

慢性腎臓病患者において、動脈中膜にみられる血管石灰化は循環器系合併症の重要な促進因子であり、リン・カルシウム代謝異常が関与している。リンの厳密な管理が推奨されているが、その発現メカニズムにおいては高リン血症だけでなく他の多くの因子が関与しているため、その一部しか制御できない。酸化ストレスとの強い関連性が報告されているが、鉄が酸化ストレスの重要な因子であることを鑑みると、鉄代謝が石灰化に影響を与える可能性が高い。すでに臨床的には、鉄調節ホルモン「hepcidin」と血管石灰化の関係、培養細胞系において培養液中のtransferrin (Tf)結合鉄が血管石灰化を促進することを報告している。本研究ではSDラットにおいてアデニン(摂餌中0.75%)による腎不全を惹起し、さらに経口でリン(摂餌中1.2%)を負荷し大動脈石灰化の検討を行っている。さらに鉄の影響を観察するため鉄剤の経口および腹腔内投与に関しても予備検討を開始している。4週間のアデニンによる腎不全状態を作成後、4週間鉄剤の経口および経腹腔内投与による影響を観察している。血液検査ではBUN Creの数倍の上昇およびリンも軽度の上昇をみとめ、代謝性アシドーシスをともない腎不全状態ができるようになった。現在採取した大動脈をvon Kossa染色により血管石灰化を観察中である。現在の解決すべき問題としては、同じ条件で検討しても早期に死亡するラットと、食事量が増加して体重も増加するラットがいること、摂餌量などにより血管石灰化にばらつきがあり、各条件毎(鉄剤投与)の影響が明らかにできていない点があげられる。そのため、現在の実験条件では腎不全状態に大きなばらつきが認められることが考えられ、アデニン投与期間と鉄剤投与期間の関係を変化させ各群の差を明らかにできるような投与方法を検討している。兵庫医科大学の動物実験施設が2017年10月より約6ヶ月間閉鎖されており、飼育が困難な状況にあったため動物の購入・腎不全状態負荷が継続して実施できていなかった。さらに2018年再開時に研究代表者が非常勤勤務となり、一時的に持続して研究を続けられなくなったので進捗が遅れていた。アデニン投与腎不全ラットに高リン食の負荷を行った条件の下で、経口および腹腔内鉄投与を行い、1血清鉄、ferritin、TSAT、hepcidinおよび炎症性サイトカインTNFα測定、2大動脈の組織染色により血管石灰化および酸化ストレス状態、3原子吸光法によるカルシウム・鉄含量の測定、4血管壁・心筋での鉄輸送蛋白(DMT-1 TfR)および貯蔵蛋白発現(H型・L型ferritin)発現、5血管壁・心筋でのRT-PCRによるmTOR signalおよびH型ferritin発現を検討する.さらに、同モデルにおいて、rapamycin, diltiazemおよびヘプシジン・TNFαを低下させると考えられるESAや今後実臨床に供されるHIF stabilizerを投与することにより、血管石灰化が変化するかどうか検討する。現在アデニン投与と鉄投与の期間およびそのタイミングの関係を見直す検討を進めている。慢性腎臓病(CKD)患者において、動脈中膜にみられる血管石灰化は循環器系合併症の重要な促進因子であり、リン・カルシウム代謝異常が関与している。リンの厳密な管理が推奨されているが、その発現メカニズムにおいては高リン血症だけでなく他の多くの因子が関与している。すでに臨床的に、細胞内への鉄の蓄積を亢進させる鉄調節ホルモン「hepcidin」及び炎症性サイトカインと血管硬度と関連する脈波伝播速度の関係を報告している。また、基礎的研究では培養細胞系において培養液中のtransferrin (Tf)結合鉄が血管石灰化を促進することを報告しているが、鉄が酸化ストレスの重要な因子であることを鑑みると、鉄代謝が石灰化に影響を与える可能性が高い。本研究の特色や独創的な点としてCKD患者が高頻度に合併し治療を受けている腎性貧血治療の方法(ESA及び経口または経静脈的鉄剤投与)と血管石灰化との関係を明らかにする事が挙げられる。本研究では、SDラットの摂餌中にアデニン(0.75%)を添加することにより腎不全状態を惹起し、さらに同摂餌中でリン(1.2%)を負荷し大動脈石灰化の検討を行なった。これを増幅する因子として鉄剤の腹腔内投与に関しても至適量の検討を行なった。アデニンおよびリンの負荷により、生化学検査ではBUN Creの数倍の上昇を観測し、全血検査ではイオン化カルシウムの低下も認め、安定して腎不全状態ができるようになった。採取した大動脈をvon Kossa染色とその画像解析により血管石灰化の定量化を行なった。兵庫医科大学の動物実験施設が昨年10月より閉鎖されており、飼育が困難な状況にあったため動物の購入・腎不全状態負荷が継続して実施できていなかったため。

本研究ではSDラットにおいてアデニン(摂餌中0.75%)による腎不全を惹起し、さらに経口でリン(摂餌中1.2%)を負荷し大動脈石灰化の検討を行っている。さらに鉄の影響を観察するため鉄剤の経口および腹腔内投与に関しても予備検討を開始している。4週間のアデニンによる腎不全状態を作成後、4週間鉄剤の経口および経腹腔内投与による影響を観察している。血液検査ではBUN Creの数倍の上昇およびリンも軽度の上昇をみとめ、代謝性アシドーシスをともない腎不全状態ができるようになった。現在採取した大動脈をvon Kossa染色により血管石灰化を観察中である。現在の解決すべき問題としては、同じ条件で検討しても早期に死亡するラットと、食事量が増加して体重も増加するラットがいること、摂餌量などにより血管石灰化にばらつきがあり、各条件毎(鉄剤投与)の影響が明らかにできていない点があげられる。そのため、現在の実験条件では腎不全状態に大きなばらつきが認められることが考えられ、アデニン投与期間と鉄剤投与期間の関係を変化させ各群の差を明らかにできるような投与方法を検討している。兵庫医科大学の動物実験施設が2017年10月より約6ヶ月間閉鎖されており、飼育が困難な状況にあったため動物の購入・腎不全状態負荷が継続して実施できていなかった。さらに2018年再開時に研究代表者が非常勤勤務となり、一時的に持続して研究を続けられなくなったので進捗が遅れていた。アデニン投与腎不全ラットに高リン食の負荷を行った条件の下で、経口および腹腔内鉄投与を行い、1血清鉄、ferritin、TSAT、hepcidinおよび炎症性サイトカインTNFα測定、2大動脈の組織染色により血管石灰化および酸化ストレス状態、3原子吸光法によるカルシウム・鉄含量の測定、4血管壁・心筋での鉄輸送蛋白(DMT-1 TfR)および貯蔵蛋白発現(H型・L型ferritin)発現、5血管壁・心筋でのRT-PCRによるmTOR signalおよびH型ferritin発現を検討する.次年度以降、同モデルにおいて、rapamycin, diltiazemおよびヘプシジン・TNFαを低下させると考えられるESAや今後実臨床に供されるHIF stabilizerを投与することにより、血管石灰化が変化するかどうか検討する。アデニン投与腎不全ラットに高リン食の負荷を行った条件の下で、経口および腹腔内鉄投与を行い、1血清鉄、ferritin、TSAT、hepcidinおよび炎症性サイトカインTNFα測定、2大動脈の組織染色により血管石灰化および酸化ストレス状態、3原子吸光法によるカルシウム・鉄含量の測定、4血管壁・心筋での鉄輸送蛋白(DMT-1 TfR)および貯蔵蛋白発現(H型・L型ferritin)発現、5血管壁・心筋でのRT-PCRによるmTOR signalおよびH型ferritin発現を検討する.さらに、同モデルにおいて、rapamycin, diltiazemおよびヘプシジン・TNFαを低下させると考えられるESAや今後実臨床に供されるHIF stabilizerを投与することにより、血管石灰化が変化するかどうか検討する。現在アデニン投与と鉄投与の期間およびそのタイミングの関係を見直す検討を進めている。動物実験施設が移転に伴い約半年間利用できなかったため、次年度使用が生じた。
アジア地域におけるハブ空港・港湾に立地選定に関する研究-新しい都市システムの再編・構築に向けて-

今年度は、「アジア地域におけるハブ空港・港湾の立地選定に関する研究-新しい都市システムの再編・構築に向けて-」という研究課題において、幾つかの事例研究を行った。特に、日本・ソウル間の航空ネットワークに注目し、国際航空分野におけるハブ・アンド・スポークシステム(HASS)について検討を行った。そしてこの研究成果を『国際航空分野におけるハブ・アンド・スポークシステム-日本ソウル間の航空ネットワークからの考察を中心に-(交通学研究、平成13年度刊行予定)』としてまとめた。この中では、(1)日本の諸都市とソウル間の航空ネットワークの構造と特徴の把握、(2)韓国系航空企業の日本路線における変遷の概観、(3)日本発国際航空旅客のソウルでの乗り継ぎ状況に着目した上での韓国系航空企業によるHASSの展開に対する考察、(4)東京におけるノースウェスト航空のハブ化戦略、及び(5)イギリス・アムステルダム間の航空ネットワーク、について具体的に検討した。そして、1.現在の国際航空輸送体制下での国際航空市場におけるHASS構築のケースを分類し、散見される事例をその分類に従って整理した。2.韓国系航空企業が構築した日本・ソウル間の航空ネットワークを詳細に分析し、日本の立場を認識した上で、今後の国際航空・空港政策について検討した。という2点が、今年度の研究成果として挙げられる。当初申請した研究目的・研究実施計画の中で、「ハブ形成原理の解析的・数学的分析」については時間的制約で十分にはできなかった。今後はこのテーマについて継続して取り組んでいきたい。今年度は、ハブ誘致のための政策として、「価格メカニズムによる空港発着枠配分」問題を中心に研究を進めた。これは「アジア地域におけるハブ空港・港湾の立地選定に関する研究-新しい都市システムの再編・構築に向けて-」という研究課題の中で、空港経営・運営のソフト面からのアプローチであると位置付けられる.そしてこの研究成果を『交通混雑の経済分析-第13章空港の混雑問題-(平成12年度刊行予定)』としてまとめた。この中では、(1)空港混雑の現状の把握(2)空港における混雑費用の考え方(3)現行の空港料金システムとその問題点(4)滑走路の混雑に対する短期的解決策(5)世界各国(空港)における実際の取り組みと課題について具体的に検討し、特に空港料金政策として混雑料金(ピークロードプライシング)導入やスロットの配分方式(特に評価システム)について研究を行った。現在、羽田空港における新規発着枠配分に関してさかんに議論されており、まさに時機を得た課題であった。そして、1.混雑料金に関する研究蓄積が多い自動車交通の事例を参考にしながら、空港(滑走路)に適用・拡張して考えた。2.イギリスにおける空港料金政策、およびアメリカにおけるスロット配分戦略を中心に、空渚問題に関する世界の先進的な事例をもとに検討した。という2点が、今年度の研究成果としてあげられる。次年度は、今年度の研究成果を踏まえつつ、ハブ形成原理の解析的・数学的分析、およびアジア地域におけるハブ空港・港湾立地問題に拡張していくつもりである。
ホームケージ用摂水摂餌量連続計測装置の開発

実験動物の摂水摂餌量を計測することは、動物実験において一般状態観察における基本事項の一つであり、通常は代謝ケージを用いて計測されている。しかし、代謝ケージでは、多数の動物を用いたスクリーニングや行動解析実験に使用するには煩雑すぎ、単位時間当たりの摂水摂餌量を長期間にわたって連続的に測定出来ない。そこで、本研究費補助金により摂水量および摂餌量の同時連続測定を可能にした装置を試作した。なお、この装置は、マウスの行動解析に用いられるホームケージ内活動量社会的行動測定システムに組み込むことを目的としている。試作した装置は、ケージの左側面からハイドロパックにより給水を行い、右側面から給餌を行う。給水器および給餌器は、ケージ等に接することなく設置されており、その重量は電子天秤により連続的に計測が可能である。なお、ハイドロパックを用いることにより、摂水時の飲みこぼしはほとんど発生せず、給餌器からの食べこぼしは、電子天秤上に落下するため、計測への影響は少ない。電子天秤の計測データは、RS232C→USBと変換され、計算機へ取り込まれる。データの取り込みは、Windows上で動作するACCESSとVBAを用いたプログラムで制御している。VBAのみでは、通信ポートの制御が困難であるため、EasyCommをインポートして使用した。試作後の実験により、4週間にわたる連続計測が行え、十分な性能であることが判った。その間のデータの欠落も発生しなかった。床敷きおよび糞の掻き出しがあり、摂餌量計測に誤差が生じる箇所が発生したが、給餌口の形状を変更することで対処可能である。また、摂水摂餌量の計測と同時に24時間連続のビデオ撮影も行えたことから、ホームケージ内活動量&社会的行動測定システムと併せて使用可能である。
高温撹拌法・浮遊帯域法による無機キラル磁性体の普遍的な不斉合成手法の確立

本研究における目的は、“無機キラル化合物の結晶構造キラリティを制御出来る新規不斉結晶育成手法の開発"と、“キラル磁性体における結晶と磁気構造のキラリティ結合の実験的検証"である。平成30年度において得られた成果は以下の通りである。(a)無機キラル化合物の不斉結晶育成手法の開発ラセミ双晶結晶が生成される水に不溶なキラル化合物については、撹拌法を高温で実施する為の電気炉の構築・改善、また、単結晶育成のコンピューターシミュレーションを行う為の環境整備を行った。さらに、自発的に結晶キラリティが偏る物質においては、レーザー浮遊帯域炉による浮遊帯域法による無機キラル磁性体TSi (T:遷移金属元素)の大型単結晶育成に成功した。これら構築した結晶育成環境を引き続き活用して、キラル化合物の不斉単結晶育成手法の確立及びその不斉単結晶の大型化を目指す予定である。(b)キラル磁性体における結晶と磁気構造のキラリティ結合の実験的検証無機キラル磁性体TSiの磁化測定及び中性子散乱測定を実施し、本物質群における詳細な磁気相図の作成を行った。また、無機キラル磁性体CsCuCl3において、高圧・強磁場下における中性子散乱測定を実施し、高圧及び強磁場下においてのみ観測される新たな磁気秩序相の観測に成功した。今後、非弾性中性子散乱法によるキラル磁性体のスピン分散曲線の観測を視野に入れた研究を行っていく予定である。TSiの大型単結晶育成に成功したことと、結晶育成環境を改善することが出来た為、引き続き、水に不溶なキラル化合物の不斉結晶育成を目指す。今後も当初の計画に基づいて研究を推進する予定である。引き続き、整備した環境を用い、無機キラル化合物の結晶育成を行う。また、得られた不斉単結晶試料による中性子散乱測定も行う予定である。平成29年度において得られた成果は以下の通りである。(a)無機キラル化合物の不斉結晶育成手法の開発水溶性キラル化合物の不斉結晶育成手法である撹拌法をより発展させることで、水溶性無機キラル磁性体CsCuCl3のcmオーダーの大きさを有する大型不斉単結晶の育成に成功した。単結晶育成環境の根本的な見直しと単結晶育成条件のさらなる最適化により、単結晶サイズの大型化及び結晶モザイクの大幅な改善が達成された。また、ラセミ双晶結晶が生成される水に不溶なキラル化合物については、撹拌法を高温で実施する為の電気炉の構築及びその周辺環境の整備を行った。さらに、自発的に結晶キラリティが偏る物質においては、レーザー浮遊帯域炉による浮遊帯域法により無機キラル磁性体FeSi, CoSi,(Fe,Co)Siの大型単結晶育成に成功した。今後、これら構築した結晶育成環境を引き続き活用して、水に不溶なキラル化合物の不斉単結晶育成手法の確立及びその不斉単結晶の大型化を目指す。(b)キラル磁性体における結晶と磁気構造のキラリティ結合の実験的検証無機キラル磁性体の物性測定を実施し、本物質群における詳細な磁気相図の作成を行った。また、中性子散乱測定に向けてキラル磁性体におけるスピン分散曲線の理論計算を行った。研究は当初の計画通りに進められている。まず、水溶性無機キラル化合物CsCuCl3のcmオーダーの良質な不斉単結晶試料の育成に成功した。水に不溶なキラル化合物の不斉結晶育成についても、FeSi, CoSi,(Fe,Co)Siの大型単結晶育成に成功したことと結晶育成環境の整備を完了することが出来た為、引き続き、水に不溶なキラル化合物の不斉結晶育成を目指す。

今後も当初の計画に基づいて研究を推進する予定である。水に不溶なキラル化合物の不斉結晶育成手法を確立する為、整備した環境を用いた無機キラル化合物の結晶育成を行う。また、得られた不斉単結晶試料による中性子散乱測定も行う予定である。引き続き、整備した環境を用い、無機キラル化合物の結晶育成を行う。
疾病別社会的負担推計による地域医療構想の効果測定に関する研究

本研究は、医療計画の中で取り上げられる5疾病(がん、脳卒中、急性心筋梗塞、糖尿病、精神疾患)を中心として、各疾病の社会的負担をCOI法を用いて都道府県別に推計し、今後の医療資源配分に関連する意思決定の基礎資料を提示することを目的とした。COIは、社会における疾病負担を貨幣タームで示す代表的な方法である。直接的な経済負担(医療費)に加え、罹病に伴う生産性の損失といった間接的な負担も測定するのが特徴である。COIは、人院、外来診療等に係る直接費用、治療によって失われた労働の対価である罹病費用、死亡に伴う人的資本の喪失である死亡費用から構成される。算出にあたり、割引率は3%とし、推計対象年は2014年とした。胃、大腸、肺の各がんについて都道府県別の人口当たりのCOIをみると、平均で胃がん7,400円、大腸がん9,600円、肺がん10,000円と肺がんが最も高かった。脳血管疾患では、全国の人口当たりCOIは平均28,540±5,365円であり、最大は鹿児島県の44,507円、最小は滋賀県の20,419円、変動係数(CV)は0.188であった。人口当たりのCOI各要素と病床数および医師数との相関をみたところ、都道府県別病床数と一人当たりCOI、直接費用、罹病費用との間にそれぞれ正の相関が認められた。また、虚血性心疾患では、人口当たりCOIの平均値は11,439±3,048円であった(最大20,823円(高知県)、最小6,684円(佐賀県)、CV0.266)。人口当たりCOIの各項目と1人当たり医療施設従事医師数との関係をみたところ、人口当たり罹病費用では有意な正の相関がみられた(r=0.340、p=0.019)。2014年の医療法改正により、都道府県は地域医療構想を策定することになった。これは2025年の医療ニーズの将来予測を行うとともに、それに対応した病床数の収束を都道府県のリーダーシップの下、調整会議により図ろうとするものである。現在の地域医療構想では、高度急性期、急性期等、病床機能区分別の医療ニーズは明らかにされるものの、当該地域での疾患別の社会的負担は明らかにされない。本研究は、医療計画の中で取り上げられる5疾病(がん、脳卒中、急性心筋梗塞、糖尿病、精神疾患)に関して、各疾病の社会的負担を疾病費用(Cost of illness: COI)法を使って都道府県別に推計し、時系列で明らかにするとともに、2025年における社会的負担の将来予測を行い、今後の医療資源配分に関連する意思決定の基礎資料を提示することを目的とする。COI法は傷病にかかる費用を直接費用、罹病費用、死亡に係る費用に分類する。直接費用には傷病によって直接生じる外来治療費、入院費、検査、薬剤等にかかる医療費が含まれ、罹病費用には傷病によって入院したり、治療をしたりすることによって失われる機会費用が含まれる。そして死亡に係る費用は、死亡に伴う人的資本の損失額として推計される。本研究では、先行研究で得られた知見に基づき、負担の様態が異なる5疾患の社会的負担の評価を可能にする。都道府県別の疾患別社会的負担の将来推計を明らかにすることにより、優先的に取り組むべき課題が明確になり、医療政策において合理的な意思決定を促進し、医療計画、地域医療構想の内容をより充実したものとすることが期待される。カナダ等では、疾病別社会的負担の推計結果を医療政策策定に活用している。このように社会的負担の推計結果を医療政策に活用している海外事例に関する文献レビューを進めた。カナダにおける2008年の疾病別社会的負担推計結果では、精神神経疾患の社会的負担が最も多く、次いで心血管疾患、傷害、筋骨格系疾患であることが示されている。都道府県別に疾病別社会的負担をCOI法により算出するためのデータソースの整備とロジック構築を進めた。社会的負担推計に必要となるデータは、性年齢階級別の死亡数、退院回数、平均在院日数、外来回数、及び診療報酬点数等の健康関連データであるが、これらについて都道府県別データが得られない場合、適切な係数等を用いて推計する必要がある。例えば、都道府県別の疾患別医療費については、厚生労働省が公表している医療費水準の地域差分析結果における一人一日あたり医療費における都道府県別の係数(全国平均を1.0として指数化したもの)と社会医療診療行為別調査結果の一人一日あたり医療費を組み合わせることにより推計できる可能性が示唆された。また、国内の地域医療構想に関する文献をレビューし、策定とその評価に伴う論点を整理した。地域医療構想では、2025年の必要病床数が示されるが、その算定過程では人口構造の変化しか考慮されず、将来の医療需要に影響を及ぼす入院受療率等の動向は考慮されない。入院受療率の19992014年の推移に基づく近似式を用いて将来推計値を算出し、必要病床数(一般病床)の将来推計を試みた。

本研究は、医療計画の中で取り上げられる5疾病(がん、脳卒中、急性心筋梗塞、糖尿病、精神疾患)に関して、各疾病の社会的負担を疾病費用(Cost of illness: COI)法を使って都道府県別に推計し、時系列で明らかにするとともに、2025年における社会的負担の将来予測を行い、今後の医療資源配分に関連する意思決定の基礎資料を提示することを目的とする。COI法は傷病にかかる費用を直接費用、罹病費用、死亡費用に分類する。直接費用には傷病によって直接生じる外来治療、入院等にかかる医療費が含まれ、罹病費用には傷病によって入院したり、治療をしたりすることによって失われる機会費用が含まれる。そして死亡費用は、死亡に伴う人的資本の損失額として推計される。本研究では、先行研究で得られた知見に基づき、負担の様態が異なる疾患の社会的負担の評価を可能にする。都道府県別の疾患別社会的負担の将来推計を明らかにすることにより、優先的に取り組むべき課題が明確になり、医療政策において合理的な意思決定を促進し、医療計画、地域医療構想の内容をより充実したものとすることが期待される。都道府県別に疾病別社会的負担(Cost of illness; COI)を算出するためのデータセットの整備と前年度研究で構築した算出ロジックの検証をすすめた。直接費用の推計には社会医療診療行為別調査、医療費の地域差分析等、罹病費用の推計には患者調査、労働力調査等、死亡費用の推計には賃金構造基本統計調査等を用いた。都道府県別の値か得られない場合は、全国値を元に算出した。例えば都道府県別医療費は医療費の地域差分析から得た係数を全国値に乗じて求めた。2014年における一人あたりのCOIは、胃がん7,434±1,296円、大腸がん9,592±1,697円、肺がん10,005±1,844円、脳血管疾患28,540±5,365円、虚血性心疾患11,439±3,048円、糖尿病10,375±1,791円、精神及び行動の障害28,288±7,928円であった。COIの構成要素別に変動係数をみると、直接費用では肺がん(0.47)、虚血性心疾患(0.42)の順に高かった。罹病費用でも肺がん(0.42)、虚血性心疾患(0.38)の順であった。死亡費用では虚血性心疾患(0.34)、精神及び行動の障害(0.27)、糖尿病(0.26)の順であった。都道府県別の平均在院日数、外来患者数の変動係数をみると、平均在院日数では肺がん(0.78)、外来患者数では胃がん、大腸がんで高かった(それぞれ0.41、0.40)。本研究は、医療計画の中で取り上げられる5疾病(がん、脳卒中、急性心筋梗塞、糖尿病、精神疾患)を中心として、各疾病の社会的負担をCOI法を用いて都道府県別に推計し、今後の医療資源配分に関連する意思決定の基礎資料を提示することを目的とした。COIは、社会における疾病負担を貨幣タームで示す代表的な方法である。直接的な経済負担(医療費)に加え、罹病に伴う生産性の損失といった間接的な負担も測定するのが特徴である。COIは、人院、外来診療等に係る直接費用、治療によって失われた労働の対価である罹病費用、死亡に伴う人的資本の喪失である死亡費用から構成される。算出にあたり、割引率は3%とし、推計対象年は2014年とした。胃、大腸、肺の各がんについて都道府県別の人口当たりのCOIをみると、平均で胃がん7,400円、大腸がん9,600円、肺がん10,000円と肺がんが最も高かった。
スペクトル拡散方式に基づく 移動通信と交通のシステムに関する研究

耐干渉能力と秘話・秘匿能力を合わせ持ち、通信と測距を同時に実現できるスペクトル拡散通信方式を中心に、多重伝搬路に伴うフェージング、利用可能な周波数帯域の制限などの問題を解消するために、これまで独自に研究されてきた誤り制御、ディジタル変復調、適応等化、アレーアンテナなどの要素技術を組み合わせた統合技術を考案し、システム全体の性能改善を図り、移動通信と交通の総合システムについて研究を行なった。具体的には、(1)CDMAセルラーと移動体衛星システムの周波数利用効率改善方式の考案:次世代の陸上移動通信システムとして注目されているCDMAセルラーシステムと移動体衛星システムについて、干渉除去方式やセルサイズ制御方式などの周波数利用効率を向上する方式を考案した。(2)スペクトル拡散技術による高精度位置測距方式の考案:移動通信に用いる周波数資源を損なうことなく、スペクトル拡張信号を用いて移動局間や移動局・基地局間の正確な測距を実現するために、相関特性が優れ、高速な同期捕捉が可能な拡散符号や、距離分解能向上方式を考案した。(3)移動通信と測距の要素技術の適応制御に基づく融合技術の検討:移動通信におけるフェージング対策の各要素技術および、測位・測距の要素技術を適応制御の観点から組み合わせた融合技術を検討した。具体的には、移動通信に適した符号化スペクトル拡散変調方式や、誤り訂正符号の復号と適応等化の一体化方式、移動体の通信と測位・測距を同時に実現するアレイアンテナとディジタルフィルタの一体化による時間・空間フィルタの構成と適応制御方式などを検討した。(4)交通網と通信網の統合管理システムに関する理論検討:スペクトル拡散技術による正確な測位方式の導入による交通量観測に基づく交通網のトラヒック制御と同時に、スペクトル拡散技術による移動通信網のトラヒック制御を行うための総合的な評価基準を導出した。これに基づく最適化により、交通網と通信網の統合管理システムを検討した。(5)実験系の試作と理論解析:上記(1)(4)の具体的な方式をコンピュータ上で実験システムを試作し、トラヒック理論と信号処理理論の立場から評価、解析した。これを通じて、本研究の実現性と発展性を検討した。(6)総合評価と研究発表:上記(1)(5)に基づき、本方式の特長と問題点を明かにし、問題点を克服する方式を研究した。また、本研究を通じて得られた成果をまとめ、学会において報告した。
TEMPO酸化によるセルロースミクロフィブリルの構造解析

近年の環境意織の高まりにより、材料設計では常に環境への配慮を心がけなければならない。セルロースを基盤材料に選択することは、有力な手段の一つである。その中でもセルロースミクロフィブリルは高アスペクト比の高結晶ナノファイバーであり、ガラス繊維・アラミド繊維に匹敵する弾性率を持ち、その太さは由来により320nm程度と人造の物より遙かに細く、これを材料として利用する応用研究に注目が集まっている。当研究室でTEMPO触媒酸化によって天然セルロース繊維をミクロフィブリル単位で水に分散させる手法が新たに見出された。セルロースナノファイバーは上記のように、有望な材料ではあるが、従来では水中にしか分散することが不可能であったため、その利用に制限があった。セルロースナノファイバー表面に存在するカルボキシル基の対イオンを調整し、有機溶媒との親和性を改善することに成功し、セルロースナノファイバーを汎用有機溶媒中へ分散させることが可能となった。この手段を用いることで他の素材と複合化ができる。ミクロフィブリル構造解析では、酸化ミクロフィブリルの表面を選択的に剥離することが可能となった。この現象を利用することでミクロフィブリル表面のLayer-by-layer剥離手法を確立できた。この手法ではミクロフィブリルの太さを1nmごとに減少させることができ、これによって作成したサンプルを用いることでセルロース諸物性のミクロフィブリル太さ依存性を調べることができる。近年の環境意識の高まりにより、材料設計では常に環境への配慮を心がけなければならない。セルロースミクロフィブリルの利用検討の前提として、個々のミクロフィブリルに対する分析が必要とされているため、上記の手法を用いてその知見を得ることを目的とした。もっとも豊富なバイオマスは木材である。木材のミクロフィブリルを解析する試料としてはアルカリ蒸解等のパルプ化処理を経た物よりも機械パルプ等の木材と組成が同じサンプルを用いる方が望ましい。今年度、機械パルプのTEMPO触媒酸化機構の解析が終了し、機械パルプからのナノファイバー調製に成功した。このナノファイバーはリグニン・ヘミセルロース等の非セルロース物質がTEMPO酸化中に全て可溶化しているため、木材ミクロフィブリルの解析材料として最も望ましい試料であると言える。その後、リグニン・ヘミセルロースを含んだ未化学処理の機械パルプから直接のナノファイバーを調整できることが明らかにされた。

ミクロフィブリル構造解析では、酸化ミクロフィブリルの表面を選択的に剥離することが可能となった。この現象を利用することでミクロフィブリル表面のLayer-by-layer剥離手法を確立できた。この手法ではミクロフィブリルの太さを1nmごとに減少させることができ、これによって作成したサンプルを用いることでセルロース諸物性のミクロフィブリル太さ依存性を調べることができる。
内向き整流性ポタシウムの内向き整流性を決定する分子基盤の解明

内向き整流性K^+チャネルは、種々の外液K^+濃度下において、おおよそK^+の平衡電位(Ek)以下で内向き電流を通し、Ek以上ではあまり外向き電流を通さず、結果として内向き整流性を示す。本研究では、その機構を知るための第一歩として、細胞内外のK^+濃度を変える実験を行い、このチャネルが感知するのがよく言われているようにEkからのずれ(いいかえればnet flowの方向)ではなくて、細胞外K^+濃度と膜電位のコンビネーションであることを明かにした。さらに、このことから、細胞外K^+を感知する部位の存在を想定し、その部位を同定するために、チャネルの細胞外領域に近い部分に種々の点変異を導入した。その変異体のひとつ(変異体26)は、活性化(ポリアミンのはずれていく速さ9の遅延とg-Vカーブの過分極方向へのシフトを引き起こした(図1)ことから、このsiteが細胞外K^+がこのチャネルの活性に影響を及ぼすsiteであること、このsiteへの細胞外K^+の結合の有無により、Mg^<2+>やポリアミンなどのブロッカーのM2Asp残基への結合が調節されること、変異体26では、そのsiteの変異により細胞外K^+の活性化能が減弱していること、が推測された。
溶液中の色素分子近傍における溶媒構造の研究

1.代表的なシアニン色素およびメロシアニン色素について,電子吸収スペクトル,共鳴ラマンスペクトル,蛍光スペクトル,赤外吸収スペクトルを種々の溶媒中や低温希ガスマトリックス単離された状態で測定し,色素分子と溶媒分子の間に働く相互作用や,溶液中で溶媒分子が色素の周辺に作る構造について検討した。その結果,メロシアニン色素では,基底電子状態,電子励起状態のいずれもが溶媒と強い相互作用をしていて,電子励起状態での相互作用のほうが大きいことがわかった。一方,シアニン色素は電子励起状態でのみ溶媒分子と大きな相互作用をしていていることがわかった。また,今回の実験結果の範囲内では,これらの色素に関して,色素周辺に溶媒分子が構造を作っていることの証拠を得ることはできなかった。2.無極性溶媒に溶けず,希ガスマトリックス単離もすることができないシアニン色素を,低温の液体キセノンに溶かし,電子吸収スペクトル,赤外吸収スペクトルを測定した。シアニン色素のような大きな色素分子を液体希ガスに溶かした例は,今までに無い。得られた結果は,有機溶媒中で得られた結果(基底電子状態は溶媒分子との相互作用が小さく,励起電子状態では大きい)を支持するものであった。3.設備備品として購入したポンプ類,ゲートバルブを用いて,分子線用の真空槽を製作した。この装置を用いて,メロシアニン色素のLIF励起スペクトルの測定を試みた。孤立分子状態と会合体形成時のスペクトルの変化を調べることが目的である。現在までのところ,スペクトルは得られていない。ノズル条件,レーザー光強度の条件などに問題があると考えられ,現在検討中である。