hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
金属元素の気化過程に伴う同位体分別に基づく環境地球化学の新展開

これまでの研究で、人為起源鉄が特異的に低い鉄安定同位体比(δ56Fe (‰) = {(56Fe/54Fe)試料/ (56Fe/54Fe)標準-1} ×1000)を持ち、トレーサーとして用いることができるということを明らかにしたので、さらにその発生プロセスと海洋表層への寄与の評価を目標として研究を進めた。特に人為起源鉄の発生プロセスについて明らかにするため、排出源付近でのサンプリング、分析を行った。まず、千葉県内の製鉄所付近において、エアロゾル試料のサンプリングを実施した。採取した試料はSEM, TEM等による個別粒子観察のほか、X線吸収微細構造法(XAFS法)を用いた鉄化学種の解析、またμ-XRF-XAFS法による個別粒子ごとの鉄化学種解析、マルチコレクター型ICP質量分析計による鉄同位体の分析を行った。この結果については、現在論文を執筆中である。また電力中央研究所の協力のもと、同研究所内の火力発電燃焼試験設備での石炭燃焼時に発生する微小粒子のサンプリングを実施した。微小粒子の他、燃焼源の石炭なども入手し、今後上記製鉄所試料と同様に同位体や化学種の分析を行う予定である。さらに閉じられた系において人為起源鉄の発生プロセスを追うため、実験室において条件を管理して燃焼実験を行った。燃焼させる原料として、排出源の一つである野焼きに着目し、植物のヨシを使用した。温度等の条件管理が未確定であり、目的に合った試料はまだ得られていないが、今後更に条件を検討し、バイオマス燃焼に伴う鉄の同位体分別についてもさらに検討を進める。これまでの計画通り、人為的燃焼に伴う金属元素の揮発に伴う同位体分別について、様々な試料を採取し、その分別の程度を明らかにする研究を進めるができた。実際に鉄に関しては、予想通り燃焼に伴う同位体分別が観察されたため、今後定量的な考察を行う予定である。我々は、主に放射光XAFS法による化学種解析と重元素安定同位体比を用いて、様々な環境試料中の元素の分子レベルの情報を引き出し、より本質的な化学的情報に基づいて様々な元素循環の素過程や環境影響を調べてきた。特にエアロゾルについては、気候変動や健康影響と関連があり、越境汚染物質でもあることから環境地球化学的に最も重要な研究対象であると認識し、エアロゾルに関するXAFS法と安定同位体比を用いた研究を強力に推進している。このうちFeについて、特に黄砂の輸送過程でのFe化学種の変化やエアロゾル中の水溶性Feに占める人為起源のFeの割合の解明などを進めた。一方、本研究では、MC-ICP-MS(Neptune Plus)を用いて、鉄の安定同位体比を複合的に用いた研究を進めた。その取り組みの1つとして、エアロゾル中のFeの安定同位体比に人為起源Feの影響が反映されると予想していたが、本研究ではその予想通り、人為的燃焼起源のFeが大きな同位体分別を示すことを見出した(Kurisu et al., 2019a,b)。特に製鉄所近傍での継続的なサンプリングにおいて、製鉄所由来の風が卓越した場合、微細粒子中の鉄濃度が増加し、鉄安定同位体比が2ー3‰程度大きく減少することを見出した。また、人為的な燃焼起源のエアロゾル中の鉄安定同位体比の端成分として、ー4‰程度の値が妥当であることを提案した。この値を用いて、北太平洋上の海洋エアロゾルの鉄の起源について議論を行った。その結果、この海洋エアロゾルに含まれる同位体比分析から、この試料中のおおよそ50%以上が人為起源Feであると推定され、HNLC海域である北太平洋上のエアロゾルには人為由来の鉄が多く含まれていることが分かった(Kurisu et al., 2019a)。
動く映像の特徴抽出空間の構成

コンピュータグラフィクスによる映像は大きなデータが時間とともに変動するものであり、映像の全体の集合に何らかの空間構造を入れることができれば、その構造に基づいて映像の制御や制作に活かすことができると考えられる。3次元空間内に置かれた2次元の曲面の変形可能空間の座標構造を3次元の中で実現した場合と、2次元で内在的に記述した場合の比較を行い、内的な座標の変換測を見つけた。運動群や一般線形群における群の分解と分解を利用した補間に関して、計算速度や操作性を合わせた観点から、さまざまな編集手法の比較を行った。これらの群の作用する糖質空間の軌道の分類や有限性に関する研究を行った。この研究は動く映像の特徴を抽出する空間を構成し、解析・応用することを目指している。コンピュータグラフィクスによる映像は大きなデータが時間とともに動くものであり、それを点集合と考えて統制することはデータの大きさやデータの可視性、コントロール可能性のいずれの点からも現実的ではない。映像の全体の集合に何らかの空間構造を入れることができれば、その構造に基づいて映像の制御や制作に活かすことができる。本年度は計画の初年度にある、3次元空間内に置かれた2次元曲面の局所モデルを取り扱った。曲面の変形可能性空間の局所的な構成と、その座標構造を、3次元の中で実現した場合と、2次元で内在的に記述した場合の比較を行い、内的な座標の変換則を見つけた。運動群やそれの部分群である回転群、それを含む一般線形群における行列の分解と補完に関して、計算速度や操作性を合わせた観点から様々な編集手法の比較を行っている。これにあわせて、ユークリッド空間の運動群や回転群、一般線形群の作用する等質空間の軌道の分類や有限性に関する研究を行った。(西山享(青山学院大学)大島芳樹(東京大学)Xuhua He(香港科学技術大学)との共同研究。)これらの進展は、軌道全体が次元を持つ場合にはモジュライ空間的な記述を持つことと相まって、上記の局所モデルの構成につながっている。離散微分幾何的なアプローチは翌年度に行う計画であったが、本年度もDMBによる編集の関数空間による定式化を通じて、離散微分幾何的な意味を考察する作業を進めている。まず、3次元空間内に置かれた2次元曲面の局所モデルを取り扱った。運動群やそれの部分群である回転群、それを含む一般線形群における行列の分解と補間に関して、計算速度や操作性を合わせた観点から様々な編集手法の比較を行った。これらの業績の一部は、国際会議SIGGRAPH ASIA2013でコースを行うなど、広く公開した。これらの進展は、軌道全体が次元を持つ場合にはモジュライ空間的な記述を持つことと相まって、上記の局所モデルの構成につながっている。離散微分幾何的なアプローチとしてはDMB(Direct Manipulation Blendshape)による編集の関数空間による定式化を通じて、離散微分幾何的な意味を考察する作業を進めた。また、新しい着想として、曲線族のスプラインを用いた記述に使われている移動座標系に関して新たな見方を着想し、現在、その不変性や共変性と運動の記述可能性に関して研究を進めている。当初の研究計画にあげたいくつかの点に関して萌芽的な成果を挙げたと認識している。これは人間の顔の表面の変形(表情)のように、ある程度自由に動かすことができるが、まったく自由に動かせるわけではない曲面のモデルと考えているものである。

また、今後、大域化する際に役立つと考えられる、貼り合わせ関数を不変式論的に取り扱う作業も進行中である。これにあわせて、ユークリッド空間の運動群や回転群、一般線形群の作用する等質空間の軌道の分類や有限性に関する研究を行った。西山享(青山学院大学)との共同研究。これらの進展は、軌道全体が次元を持つ場合にはモジュライ空間的な記述を持つことと相まって、上記の局所モデルの構成につながっている。離散微分幾何的なアプローチは翌年度に行う計画であったが、本年度もDMBによる編集の関数空間による定式化を通じて、離散微分幾何的な意味を考察する作業に着手した。ただしこれはまだ新しい結果を産んでいない。いくつかの知見を得ることができ、挑戦的萌芽研究の初年度としてはまずまずと言える。研究の方向性がついて、翌年度からの研究も滞りなく行えると思われる。当初の計画通り、局所から大域へ、連続から離散へ、モデルから制御へとそれぞれ進んでいく。本年の年度末に予定されていた外国人の来日がキャンセルになり、出張の予定が平成25年度に延期になった。その分の研究は平成25年度にまとめて行う。CGの研究者の在住する東京や札幌で研究打ち合わせをするなどの旅費にあわせて、成果の発表のために京都へ行くなどにも活用する。
パッシブデザインのための屋内外を連成した光・熱環境の設計支援ツールの開発

自然エネルギーを利用した建物の設計を支援するために、室内の昼光照度や表面温度分布が算出できるツールの開発を行った。屋外の地物などの影響を考慮した光環境・熱環境の数値解析アルゴリズムの開発や樹木の日射遮蔽モデルの作成を行い、計算アルゴリズムを構築した。その上で、一般の建築設計者が設計行為の延長で使用できるように、3D-CADを用いたプリ・ポスト処理の開発を行った。本年度では,屋内外における光環境・熱環境の予測・評価のために必須となる放射計算アルゴリズムの開発を行った。具体的には,光環境,熱環境を同時に評価できるように,同一の気象データを読み込み,照度分布,輝度画像や受熱日射量分布の算出が可能となるアルゴリズムを開発した。このアルゴリズムには,天空輝度分布の数値モデルが組み込まれており,特に影響が大きく出る壁面・窓面などの鉛直面が受ける天空光,天空日射の方位による違いを考慮することが可能となっている。放射エネルギーと照度分布を指標に,多重反射の回数やマルチレイトレーシング法を用いる際に射出する探査線の本数を計算精度と計算時間の観点から検討した。次に,設計者が用いるパッシブデザインの支援ツールとして重要な部分である,汎用3D-CADから室内の計算質点を取得するアルゴリズムの開発を行った。その結果,屋外と同様のザイズの質点の取得を行うと,室内の形状の再現精度が低下し,一方,室内に合わせた質点の取得を行うと,計算負荷が増加してしまう問題点があり,今後,屋内,屋外を分けて質点化するアルゴリズムの開発が必要であることがわかった。また,来年度行う熱伝導計算のアルゴリズム開発において,屋内と屋外の異なる質点を連成した伝熱計算の提案が課題となる。最後に,パッシブデザインの中で重要な手法の一つである樹木の日射遮蔽効果をモデル化するために,樹冠の日射透過率が木漏れ日の比率で表現できることを,実測を通して検討した上で,CGで再現した数種類の樹種の樹木モデルをもとに,樹冠の形態に関するパラメータとGPUを用いた詳細なレイトレーシング法で算出した木漏れ日の比率との関係の検討を行った。その結果,従来の樹木の日射透過モデルで用いられてきた葉面積密度や透過距離だけでは,樹種の違いなどが十分に再現できなことが示唆された。来年度では,この結果をもとに,樹木モデルの開発を行う予定である。本年度では、主に放射解析の計算アルゴリズムの精度の検討とアルゴリズムの再検討、樹木のモデル化のための数値実験を行った。熱・光環境を評価する上で重要となる放射解析に関して、様々な建物形状、条件で精度検証を行った。その結果、光環境を評価する上で十分な計算精度が得られなかったため、計算アルゴリズムの改良やマルチレイトレースを行う際の探査線の数、多重反射の考え方などの再検討を行い、設計支援として用いるには十分であると考えられる計算精度になるように検討を行った。また、三次元熱伝導に関してモデル化をおこなう予定であったが、研究代表者の所属変更にともない、本年度でのモデル化が困難となったため、次年度において、大型計算機を用いた数値解析を行いた精度検証を行いながら、モデル化に取り組む。さらに、設計支援ツールとして、設計者が使用できるよう3D-CADをベースとしたプリ処理の開発に取り組んだ。現状では、使いやすいインターフェイスとは言い難いため、来年度においてこのインターフェイスの精査を行う。パッシブ手法の重要な要素の一つである樹木に関して、夏季と冬季の日射調整(夏季においては日射遮蔽、冬季においては日射の取り込み)のモデル化を行うための数値実験を行った。前年度では、夏季のみの樹木の日射遮蔽に関する数値実験を行い、樹種ごとの特徴を考察したが、今年度は、落葉樹の冬季の日射遮蔽効果について数値実験を行なった。その結果、樹木種ごとに枝や幹の関係性が見られた。前年度、今年度を通して、パッシブ手法に必要となる夏季・冬季の樹木の日射調整効果の特性を把握したため、来年度は、この結果を基にモデル化を行う。最終年となる本年度では、昨年度までの成果を踏まえ、より汎用的な予測評価を行うための数値モデルの検討を進めると共に3D-CAD上で操作が可能となるインターフェイスの開発を行い、パッシブデザインのための設計支援ツールの構築を行った。まず、パッシブデザインを行う上で重要な要素となる樹木の日射遮蔽モデルについて、樹陰内にできる木漏れ日の分布の特徴を分析し、樹陰内の分布と太陽高度の関係等との分析を行った。その中で、樹種としての特徴が捉えられたプラタナスなどの樹種に関して、昨年度の季節毎の日射透過率の分析結果とあわせ、モデル化を行った。しかし、同一の樹種でも、複数の特徴がみられるものが存在したため、それらの樹種については、葉の分布や葉の角度等について、今後の課題として分析を進める。また、三次元熱伝導方程式については、設計支援で使用できるように、高速で計算負荷の少ないADI法の導入し、計算精度の検討を行った。しかし、時々刻々と変化する境界条件に対して、計算の安定性が確保できなかったため、本ツールでの3次元熱伝導方程式の導入は行わず、今後の課題とする。

これにより、局所的な熱伝導の影響は評価できないものの、総体的な評価としては十分な精度が得られると判断し、ツールの構築を行った。最後に、これまでの成果をもとに、パッシブデザインのための設計支援ツールの構築を行った。プリ処理では、オブジェクト指向の3D-CADを用いて、室内の形状と材料を入力するインターフェイスを構築すると共に、室内と屋外の影響を反映できるように計算質点の整合性を自動的に補正し、表面温度が算出できるプリ処理を開発した。またポスト処理としては、計算結果を3D-CAD上に貼り付け、屋外、屋内の光環境や熱環境の可視化を可能とした。
都市スケール移流拡散現象の素過程抽出と次世代乱流モデルの構築

都市エネルギー消費問題に対処するための基盤技術として,熱や有害ガス,浮遊粒子状物質などの移流拡散過程を正しく予測・評価できる熱流体解析法(乱流モデル)の確立が強く要請されている。そのため,移流拡散現象の解析法として十分な実績がある工学乱流モデルを基軸として,都市スケール移流拡散現象の予測・評価に適用できる次世代乱流モデルを構築した。本研究の具体的な目標は,1)都市スケールの熱・物質移流拡散現象を工学的な視点から解明し,素過程を抽出する;2)移流拡散現象を再現できる信頼性の高い素過程乱流モデルを開発し,それを統合することにより次世代乱流モデルを構築する,ことである。計画全体は,「素過程の抽出と乱流モデルの統合」,「検証用データの蓄積と整備」という互いに強く連携する2つの計画で構成される。本年度は当初の研究実施計画に基づき以下の成果が得られた。1.ミクロスケール(機器スケール)からメゾスケール(都市スケール)にわたる熱・物質輸送現象の素過程(運動量輸送,対流・拡散・輻射,物質輸送)と境界条件(流れの曲り・衝突,剥離・再付着,密度成層など)を考慮してそれぞれの数理モデルを検討した。2.衝突噴流乱流熱伝達および浮力や圧力こう配を伴う乱流境界層の直接数値計算(DNS)により,地表面および構造物が移流拡散過程に及ぼす影響を調べた。これにより,様々な諸因子が都市スケール輸送現象に及ぼす影響と相互作用を解析し評価した。3.装置実験的手法により,都市構成要素周りの速度場素過程と熱の移流拡散過程を解明するために,成層風洞を製作した。レーザ流速計2次元システムによる複雑流れの測定および可視化などの予備実験を行い,データ取得に成功した。また,多点同時測定用の熱線・冷線プローブを開発し,圧力こう配流れにおける速度場・温度場の時空間構造を明らかにした。4.ハイブリッドRANS/LES手法で利用するために,計算負荷を低減しかつ数値計算上の安定性を保ちつつ,複雑乱流の壁面漸近挙動を正確に予測可能な新しい低レイノルズ数型1方程式乱流モデルを開発した。これにより,都市スケール輸送現象の局所的・時間的変化をリアルタイムで予測する技術が大幅に向上した。当初の研究実施計画に基づき,本年度は以下の成果が得られた。1.地表面上の流れを考える場合,壁面曲がりの境界層への影響が問題となる。曲がり効果は回転効果と相似性があるため,任意回転軸を持つ流れ場を予測できる乱流モデルの開発に世界で初めて成功した。次に,浮力乱流場を予測する乱流モデルを構築し,浮力乱流に対するモデリングの指針を打ち立てると共に,ミクロスケールの予測性能を格段に進歩させた。しかし,メゾスケール場に近い乱流の直接数値シミュレーションを行い,新モデルを含む既存の代表的モデルを評価したところ,安定成層下の都市環境の予測ができないことが判明し,モデル構築に対する新たな提言を行った。2.直接数値シミュレーションにより,まず大気の安定・不安定成層下で生じる乱流構造の変化を調べた。この都市スケール移流拡散現象を解明するために実施した成層乱流境界層のDNSは,本研究が世界で始めてであり,例えば強安定成層が形成される乱流境界層では,乱流構造が地表面近くでも消失することを明らかにした。更に,物質の大気拡散を妨げる逆勾配拡散現象が生じることも明らかにした.これらのデータは,本研究における次世代乱流モデル構築にも有効に利用している。3.速度場と温度場の可視化計測:レーザ流速計(LDV)と画像処理流速計(PIV)システムを併用して,2次元丘周りの非定常複雑乱流場の挙動を精確に捉えることに成功した。また,日射・火災の局所的な効果を知るために,丘の上流側および下流側表面を分離加熱する模擬実験を行った。その結果,主流と剥離域における温度場特性は明確な2重構造を示し,特に下流側表面の熱的境界条件に支配されて,剥離域には高温部が形成されることが明らかとなった。この知見は,熱や汚染物質の滞留と関連して非常に重要である。これによる熱輸送現象を捉えるために,2次元変動温度場計測法を開発した。1.複雑乱流場における熱・物質移流拡散過程の解明(1)物質輸送過程の風洞実験:空気と密度がほぼ等しいエチレンを平板乱流境界層や2次元丘周りの様々な点から導入し,その下流に形成される平均濃度場の挙動から汚染物質の拡散過程の特性を明らかにした。(2)直接シミュレーション(DNS)による詳細な解析:パーソナルスーパーコンピューターと大型計算機センターのスーパーコンピューターを併用し,都市環境における乱流熱・物質伝達の素過程が顕在化する以下のDNSを実施し,統計的な性質と乱流構造を詳細に解析した。・大気の安定成層または不安定成層を要因とする温度成層乱流境界層・地形の急激な変化を要因とする前向きステップを通過する温度成層乱流境界層・都市やその周囲の地形を模擬する

2次元丘(曲壁)を通過する熱対流を伴う乱流境界層・汚染物質の拡散を要因とする温度成層乱流境界層内の濃度場・建造物を模擬する2次元矩形ブロックを通過する乱流境界層の熱輸送と濃度拡散・建造物に囲まれた空間の熱伝達と遠心力の効果を要因とする回転矩形管内の乱流熱伝達2.都市スケール輸送現象の素過程のモデリングと乱流モデルの統合上記の実験とDNSにより得られたデータを用い,都市スケール輸送現象の素過程モデルの開発と検証を進めた。3.統合乱流モデルを用いたリアルタイムシミュレータの開発リアルタイムシミュレーションには,適切な素過程モデル,複雑地形や建造物など複雑な境界条件の表現,効率的な非定常計算法,が要求される。これらを考慮してリアルタイムシミュレータの開発を進めた。4.データベースの作成実験および直接シミュレーションの結果を順次データベースに登録・整備して,乱流モデルの開発および検証に利用した。当初の研究実施計画に基づき,本年度は以下の成果が得られた。1.複雑乱流場における熱・物質移流拡散過程の解明(1)速度場と温度場の可視化計測:2次元丘を通過する乱流境界層の速度場と温度場をレーザ流速計(LDV),画像処理流速計(PIV),線径0.63μm冷線等を用いて測定した。丘上流の境界層厚さが背面に形成される剥離・再循環域の形成に多大な影響を及ぼすことなど,そこで生起する現象の理解に必須の知見を得た。(2)物質輸送過程の風洞実験:汚染物質の拡散過程を知るために,2次元丘上流の一点からエチレンを放出し,丘下流の剥離域における濃度場の特性を調べた。丘の存在が濃度拡散過程に非常に強く作用して,分布を急拡大させることが明らかとなった。2.都市スケール輸送現象の素過程のモデリングと乱流モデルの統合本研究で実施したDNSと実験のデータベースを用いて,代表的なLES,RANSモデル,新規に開発した乱流モデルとLES用SGSモデルの予測性能を評価した。本研究で開発した低負荷RANSモデルは,複雑地形に対応し最良の予測値を与えた。都市環境における流れの非定常性と多様な壁面の存在を考慮すれば, LESとRANSモデルそれぞれの特長を最大限まで活用する数理モデルが,次世代乱流モデルの基礎であるとの結論に達した。3.統合乱流モデルを用いたリアルタイムシミュレータの開発境界埋込み法と境界適合法を適用した複雑境界・非定常解析スキームを完成させるともに,ハイブリッドLES/RANSシミュレーション(HLR)法を確立し,リアルタイムシミュレーションの基盤を構築した.HLR法は計算負荷が極めて小さいにも拘わらず,丘下流の複雑な速度場がDNSと同程度の精度で予測できた。4.データベースの作成実験およびDNSの結果をデータベースに登録・整備して,乱流モデルの開発および検証に利用した。また,作成されたデータベースは広く利用されるようにしている。
中生代における宇宙塵の降下量変動

平成22年度は,中部トリアス系チャート試料からみつかった宇宙塵について,電子プローブマイクロアナライザー(EPMA)による化学組成の定量分析を行った.また微化石年代から決定した堆積速度とチャート試料中のスフェルール含有量をもとに,今から2億4千万年前の地球に降下した鉄質スフェルールのフラックスを求めた研究の結果,秩父帯の中部トリアス系チャート77試料からみつかった258個の溶融宇宙塵(スフェルール)と2個の非溶融宇宙塵を発見した.このうちスフェルールは,深海底堆積物や南極氷床から報告されているものと同様に,鉄質(I type),石質(S type),マグネタイトを含むガラス質(G type)スフェルールに分類できることが明らかになった.このうちIタイプスフェルールは,全体の94%と大部分の割合を占める.EPMAによる化学組成分析をおこなった結果,これらのスフェルールは南極氷床から報告されているスフェルールに比較できることが明らかになった,特にSタイプスフェルールと非溶融宇宙塵は,コンドライト的な組成を持ち,チャート中では宇宙塵のもとの化学組成が比較的よく保存されていることが示された.スフェルールの含有量とチャートの堆積速度からは,トリアス紀中期アニシアンにおけるIタイプスフェルールのフラックスが求められた.研究の結果,当時のIタイプスフェルールの降下量として,25±8ton/yearという値を得た.またスフェルールの含有量からは,トリアス紀中期アニシアンの最後期に一時的なスフェルール降下量の増加が起こったことが明らかになった.以上の研究の成果は,米科学誌「Geology」に投稿し,2011年2月に受理された平成20年度は,美濃帯の下部ジュラ系チャート(岐阜県木曽川中流域)および秩父帯の中部三畳系チャート(大分県津久見市)について野外調査を行い,研究試料を採取した.採取した試料から,宇宙塵候補である磁性スフェルールを分離・抽出し,同時に放散虫化石を用いて採取試料の正確な年代決定を行った.研究の結果,美濃帯の下部ジュラ系チャートから59個の,秩父帯の中部トリアス系チャートからは107個の磁性スフェルールを発見した.本研究では,これらのスフェルールについて,顕微鏡,SEMによる表面組織の観察,EDSによる化学組成分析をおこなった.発見したスフェルールは,50μm以下のサイズが多く,最大は220μmである,EDSの定性分析からは,Niを数%-25%含みFeの強いピークが検出されるタイプと,コンドライトのスペクトルに類似したMg,Al,Si,Feのピークを持ち,ほかにCa,Niがみられるタイプが識別された.これらのタイプは南極氷床や深海底堆積物から報告されている,マグネタイトの殻からなる鉄質タイプ(Iタイプ)と,シリケイト質の石質タイプ(Sタイプ)のコズミックスフェルールにそれぞれ比較できる.しかし今回発見したスフェルールの表面は南極宇宙塵の組成と比較すると,Mg,Caに乏しく,Al,Siに富む傾向が認められた.この組成の違いは,変質によるMg,Caの溶脱とチャートからのAl,Siの吸着によると考えられる.本研究の重要な成果として,付加体のチャートから過去の地球に降下した宇宙物質を直接回収することが可能であることを明らかにした点があげられる,今後,地質時代の宇宙塵を数千万年オーダーで連続して研究することで,過去の地球に流入した宇宙物質のフラックスや構成などが明らかにされると考えられる.平成21年度は,チャート試料からみつかった宇宙塵について,(1)微化石に基づく堆積年代の決定,(2)電子プローブマイクロアナライザー(EPMA)による化学組成の定量分析を行った.これらの実験に加え本年度は,九州大学大学院理学府の中村智樹博士の協力を得て,高エネルギー加速器研究機構のビームライン3Aを用いて,(3)宇宙塵の放射光X線回折分析(XRD)を行った.研究の結果,秩父帯の中部トリアス系チャートからは152個の溶融宇宙塵(スフェルール)と2個の非溶融宇宙塵を発見した.このうち特にコンドライト的な組成を持つ石質スフェルールと非溶融宇宙塵は,これまで堆積岩から知られている宇宙塵のうち最古のものである.これらの宇宙塵について,EPMAによる化学組成分析をおこなった結果,南極氷床から報告されているスフェルールによく比較できることが明らかになった.放射光XRDの分析結果からは,みつかったスフェルールが,かんらん石,カルシウムに乏しい輝石,ウスタイト,鉄-ニッケル金属などの宇宙塵に特徴的な鉱物組成を持つことが明らかになった.また微化石年代から決定した堆積速度とチャート試料中のスフェルール含有量をもとに,今から2億4千万年前の地球に降下した鉄質スフェルールのフラックスを求めた結果,760±140ton/yearと現在とそれほど変わらないことが明らかになった.しかしこの時期に地球に流入したスフェルールは,現在のものに比べて約1/3から1/4と小さいため,大気圏突入時の速度が大きく蒸発量が多かかったと考えられる.平成22年度は,中部トリアス系チャート試料からみつかった宇宙塵について,電子プローブマイクロアナライザー(EPMA)による化学組成の定量分析を行った.また微化石年代から決定した堆積速度とチャート試料中のスフェルール含有量をもとに,今から2億4千万年前の地球に降下した鉄質スフェルールのフラックスを求めた研究の結果,秩父帯の中部トリアス系チャート77試料からみつかった258個の溶融宇宙塵(スフェルール)と2個の非溶融宇宙塵を発見した.

このうちスフェルールは,深海底堆積物や南極氷床から報告されているものと同様に,鉄質(I type),石質(S type),マグネタイトを含むガラス質(G type)スフェルールに分類できることが明らかになった.このうちIタイプスフェルールは,全体の94%と大部分の割合を占める.EPMAによる化学組成分析をおこなった結果,これらのスフェルールは南極氷床から報告されているスフェルールに比較できることが明らかになった,特にSタイプスフェルールと非溶融宇宙塵は,コンドライト的な組成を持ち,チャート中では宇宙塵のもとの化学組成が比較的よく保存されていることが示された.スフェルールの含有量とチャートの堆積速度からは,トリアス紀中期アニシアンにおけるIタイプスフェルールのフラックスが求められた.研究の結果,当時のIタイプスフェルールの降下量として,25±8ton/yearという値を得た.またスフェルールの含有量からは,トリアス紀中期アニシアンの最後期に一時的なスフェルール降下量の増加が起こったことが明らかになった.以上の研究の成果は,米科学誌「Geology」に投稿し,2011年2月に受理された
日本の伝統と和歌山の文化を主とする"和"体験カリキュラムの開発と教育効果の研究

日本の伝統,また和歌山の文化に関わる"和"体験カリキュラムとして,主として次の4つの教材を中心に取り組んだ。一つめは,国文科から百人一首に関わるカリキュラムで,百人一首のカルタを4セット準備し,競技カルタの漫画を導入に,小学校3・4・5・6年生で23時間ずつカルタ取りを行うことで,興味・関心を高められるよう試みた。発達段階に則し,3・4年生は厳選10首程度から,高学年でも15首以下から始めることで,抵抗感なく親しめた。二つめは,伝統音楽からは和太鼓に関わるカリキュラムで,まずは県内のプロ太鼓演奏者を招聘して全校児童向けにコンサートを開催した。通常の和太鼓に加え,締太鼓・担ぎ太鼓も演奏していただいたことで,未知の日本文化を体感できた。特に印象的な感想が,演奏者の腕や上半身の筋肉に関する内容で,演奏者の真剣さや日頃の鍛錬にまで気づくことができた。その後は高学年児童が締太鼓・和太鼓を実際に演奏にした。鑑賞があったからこそ簡単に見えて難しい和太鼓の世界を体験できた。次年度は三味線にも親しみたい。三つめは,茶道体験活動で,2年生児童が,おひな祭り茶会として抹茶の入れ方や出し方,いただき方,また畳の上の歩き方など,特に作法やマナーに留意できるよう指導していただいた。常に相手のことを優先して振る舞う「おもてなしの心」の大切さと,それが日本の伝統的な文化様式の根底に流れていることを身をもって学ぶことができた。四つめは1年生児童を対象とした和菓子作り体験で,味わいのみならず色合いや見た目の優しさ,温かさ,季節感などにもこだわる繊細な心と技のすばらしさを体験できた。そして,百人一首以外は,希望する保護者も巻き込んで展開できた。日本の伝統文化の奥深さ・繊細さ・温かさ等,子どもと共に体感できた喜びをたくさん聴くことができた。
心筋細胞バイオマクロアクチュエータの創成

近年、数cm角のガラス基板に刻んだμmオーダーの流路中に化学プロセスを集積化する研究が注目されており、微小空間の物理特性効果を利用した分析、合成、細胞実験などの高効率なマイクロ化学プロセスが実現されてきた。このうち、細胞実験に関する研究は近年非常に多く報告されているが、ほとんどはマイクロ空間特性を利用した細胞実験システムである。これに対し、本研究では、心臓および血管の流体駆動・制御機能に着目し、心筋細胞および血管細胞とマイクロデバイスを融合した、電力不用の新原理の流体デバイスを実現することを着想した。以上をふまえ、本研究の目的は、心血管細胞の機能を利用したバイオマイクロデバイスの創成とした。今年度は血管平滑筋細胞を用いたマイクロ流体制御デバイス開発のための基礎検討という課題に取り組んだ。血管は、平滑筋細胞の内側を内皮細胞が覆っており、内皮細胞が血液中の化学・力学刺激を感知して様々なシグナル物質を放出し、これが平滑筋細胞に作用して血管を弛緩・収縮させ、血流を制御している。血管細胞機能の利用により、マイクロデバイスに流体制御機能を付与できると考えた。血管平滑筋細胞駆動型マイクロデバイスの原理を検証するために、柔軟な材料で作製したチューブの周りに平滑筋細胞を接着させ、これを刺激によって収縮させ、チューブを変形させ、流量制御デバイスとして使用可能であることを実証することを着想した。そのために、柔軟で生体適合材料であるポリジメチルシロキサン(PDMS)で内径1mm、外径1.4mmのチューブを作製し、この周りにラット大動脈平滑筋細胞を培養・接着させ、その生存を確認した。この細胞を、内皮細胞由来平滑筋収縮物質エンドセリン-1で刺激したところ、細胞・チューブの動きは確認できなかったが、血管平滑筋細胞に関する血管デバイス作製のための基礎的知見が得られた。近年、微小空間への化学プロセスの集積化の研究が世界的に注目されている。当研究室では、微小空間の物理特性効果を利用した分析、合成、細胞実験などの高効率なマイクロ化学プロセスを実現してきた。このうち、細胞実験に関する研究は世界的にも近年非常に多く報告されているが、ほとんどはマイクロ空間特性を利用した細胞実験システムであるといえる。これに対し、本研究では、心臓および血管の流体駆動・制御機能に着目し、心筋細胞および血管細胞とマイクロデバイスを融合した、電力不用の新原理のマイクロ流体デバイスを実現することを着想した。今年度は血管細胞マイクロ流体制御デバイス開発のための基礎検討という課題に取り組んだ。まず、血管内皮細胞をマイクロデバイスへ組み込んだ。ヒト大動脈血管内皮細胞のマイクロチャネル内培養法を確立し、さらに、炎症発生時の白血球接着機能を実証した。以上より、内皮細胞に関する血管デバイスの基礎的技術を確立できた。次に、血管平滑筋細胞駆動型マイクロデバイスの原理を検証した。平滑筋細胞のマイクロデバイスの組み込みにあたり、化学刺激による細胞の駆動性能を評価した。マイクロピラー上にラット大動脈平滑筋細胞を培養し、内皮細胞由来平滑筋収縮物質エンドセリン-1および平滑筋弛緩物質Y27632で刺激したところ、細胞が接着したピラーの駆動が観測され、収縮・弛緩両方を実証でき、血管平滑筋細胞に関する血管デバイス作製のための基礎的知見が得られた。
歯槽骨を三次元的に増生する生体吸収性マイクロデバイスの開発

本研究では、熱可塑性を有することで、三次元的に賦形することができるナノコンポジットでできた生体吸収性マイクロデバイスを開発し、歯槽骨を増生する際に求められるデバイスの機械的特性および歯槽骨の増生の機序を追求することが目的である。具体的には、骨補填材として認可を受けているリン酸三カルシウムと医療材料として既認可の乳酸とグリコール酸およびカプロラクトンを共重合させてできたポリ乳酸共重合体を加熱して練和することで複合化させた生体吸収性材料をマイクロデバイスとして開発した。そして、理想的な歯槽骨の形態となるように三次元的に賦形したマイクロデバイスを骨切り部もしくは骨欠損部に適用して、骨組織の増生を図る。平成17年度は、厚さ0.2mmの膜状の生体吸収性デバイスを直径1.5mm,長さ2.5mmのリベット状の生体吸収性マイクロデバイスを作製してその効果について検討を行った。具体的には、リベット状の生体吸収性マイクロデバイスの骨への固定性を引抜試験などによって確認した。また開窓または骨欠損を膜状の生体吸収性デバイスで覆った後にリベット状の生体吸収性マイクロデバイスで膜を固定し、その有効性について検討を行った。その結果、リベット状の生体吸収性マイクロデバイスは、膜状の生体吸収性デバイスを確実に固定できる固定力をもっていることが確認された。このようなリベット状の生体吸収性マイクロデバイスは、これまで臨床応用はされていないことから、本結果は歯槽骨増生に大きく寄与するものと考えられる。さらに現在、歯槽骨を増生する際、リベット状の生体吸収性マイクロデバイスで生体吸収性マイクロデバイスを固定する前に使用する仮着材(乳酸とグリコール酸およびカプロラクトンを共重合させてできたポリ乳酸共重合体)の開発を行っている。本研究では、熱可塑性を有することで、三次元的に賦形することができるナノコンポジットでできた生体吸収性マイクロデバイスを開発し、歯槽骨を増生する際に求められるデバイスの機械的特性および歯槽骨の増生の機序を追及することが目的である。

本研究では、熱可塑性を有することで、三次元的に賦形することができるナノコンポジットでできた生体吸収性マイクロデバイスを開発し、歯槽骨を増生する際に求められるデバイスの機械的特性および歯槽骨の増生の機序を追求することが目的である。具体的には、骨補填材として認可を受けているリン酸三カルシウムと医療材料として既認可の乳酸とグリコール酸およびカプロラクトンを共重合させてできたポリ乳酸共重合体を加熱して練和することで複合化させた生体吸収性材料をマイクロデバイスとして開発した。そして、理想的な歯槽骨の形態となるように三次元的に賦形したマイクロデバイスを骨切り部もしくは骨欠損部に適用して、骨組織の増生を図る。平成18年度は、厚さ0.2mmの膜状の生体吸収性デバイスと直径1.5mm,長さ2.5mmのリベット状の生体吸収性マイクロデバイスのin vivoにおける有効性について検討を行った。具体的には、比較的大きな骨欠損を膜材料で覆い、リベットで膜材料を固定した。その結果、膜状生体吸収性マイクロデバイスについては、骨再生に適した環境を構築することができる機械的特性を有していることがin vivoで確認された。またリベット状の生体吸収性マイクロデバイスについては、膜状材料を確実に固定できる固定力をもっていることが確認された。このような生体吸収性マイクロデバイスシステムは、これまで臨床応用はされていないことから、本結果は歯槽骨増生または顎顔面骨の再建に大きく寄与するものと考えられる。本研究では、さらに歯槽骨を増生する際、リベット状の生体吸収性マイクロデバイスで生体吸収性マイクロデバイスを固定する前に使用する仮着材(乳酸とグリコール酸およびカプロラクトンを共重合させてできたポリ乳酸共重合体)の開発を行っているが、この仮着剤についても骨面との固着についての問題は残るものの、およその効果は確認することができた。
骨髄移植モデルを用いたGVHDおよび接触皮膚炎の病態解明

遺伝子改変マウスと骨髄移植テクニックの組み合わせにより、任意のタイミングで皮膚樹状細胞をサブセット毎に除去可能なマウスモデルを作成した。本モデルを用いて接触皮膚炎惹起に皮膚樹状細胞が不可欠であること、および、ランゲルハンス細胞が抑制的な役割を持つこと明らかにした。また、移植片対宿主病(GVHD)研究の新たなマウスモデルとなるInvolucrin-mOVAマウスを作成した。表皮に存在するランゲルハンス細胞は、抗原提不細胞として様々な皮層免疫反応に関わる。従来、接触過敏反応における経皮感作の成立に必須の存在であると考えられてきたが、近年の研究では、ランゲルハンス細胞を除去しても経皮感作が成立すること、また、移植片対宿主反応(GVHR)においては、ランゲルハンス細胞がドナーT細胞のターゲットになっていると報告された。本研究では、これらの皮膚免疫反応におけるランゲルハンス細胞の役割をマウスの骨髄移植モデルを用いて検討した.ジフテリアトキシン(DT)の投与により、任意のタイミングでランゲルハンス細胞や樹状細胞を除去可能な遺伝子改変マウス(Langerin-DTRマウス、CD11c-DTRマウス)を用いた。これらのマウスをドナーとし、野生型のマウスをレシピエントとして骨髄移植を行った。ランゲルハンス細胞は放射線照射に耐性であることから、骨髄移植後もドナー由来のランゲルハンス細胞が皮膚に残存する。この特徴を利用し、種々の組み合わせで骨髄移植を行うことで、ランゲルハンス細胞のみを除去可能なマウス、真皮樹状細胞のみを除去可能なマウス、皮膚の樹状細胞全てを除去可能なマウスをそれぞれ作製した。これらのマウスを用いてT細胞の養子移植による接触過敏反応を検討した結果、全ての皮膚樹状細胞が存在しない場合には接触皮膚炎の惹起が著明に抑制され、一方でランゲルハンス細胞のみを除去した場合には皮膚炎が遷延した。これによりランゲルハンス細胞が接触皮膚炎の惹起に対して抑制的に働いている可能性が示唆された。また、皮膚に異種タンパクを発現するマウス(Inv-mOVAマウス)を新たに作成し、これにLangerin-DTRマウスを掛け合わせることでGVHRにおけるランゲルハンス細胞の役割を解析する新たな実験モデルを樹立した。これらの成果により、ランゲルハンス細胞による皮膚免疫制御機構の新たな一面が明らかとなった。表皮に存在するランゲルハンス細胞は、抗原提示細胞として様々な皮膚免疫反応に関わる。本研究では、これらの皮膚免疫反応におけるランゲルハンス細胞の役割をマウスの骨髄移植モデルを用いて検討した。ジフテリアトキシン(DT)の投与により、任意のタイミングでランゲルハンス細胞や樹状細胞を除去可能な遺伝子改変マウス(Langerin-DTRマウス、CD11c-DTRマウス)を用いた。
リボザイムを用いた血管作動性ペプチド遺伝子"knock down"マウスの開発-テトラサイクリン誘導遺伝子発現システムのin vivoへの応用

1.TGF-βは、アンジオテンシンII等血管作動性ペプチドにより遺伝子発現が制御され、それら血管作動性ペプチドの血管平滑筋細胞増殖調節に関与する。TGF-βのmRNAに対する2種類の1本鎖ハンマーヘッド型リボザイムを構築し、更に、通商産業省工業技術院多比良博士との共同研究により得た、リボザイム大量発現ベクター(細胞質内での分解を防ぐため細胞内で安定であるtransfer RNA構造の中にリボザイムを組み込む)に組み換え、これを用いてin vitroでTGF-βmRNAを高率に切断させることに成功した。2.我々が報告した新しい内皮由来血管弛緩ペプチドであるC型ナトリウム利尿ペプチド(CNP)cDNAをアデノウィルスに組み込み培養血管平滑筋細胞(VSMC)に感染させCNPを過剰発現させることで、cGMPカスケードが活性化されVSMCがG1期増殖抑制を受けることを明らかにした。更に、ラビット大腿動脈にCNP遺伝子組み換えアデノウィルスを感染させ、生体血管壁へCNP遺伝子を導入することにより、バルーンカテーテルを用いた血管壁損傷後の新生内膜増殖が著明に抑制されることを明らかにした。3.CNP過剰発現によるcGMPカスケードの活性化により、新しい心血管系特異的ホメオボックス遺伝子であるGax(Growth Arrest-specific Homeobox)遺伝子が活性化されることを明らかにした。更に、Gax mRNAに対するアンチセンスオリゴヌクレオチドを作成し、培養VSMCにtransfectionさせることにより、Gaxの遺伝子発現を特異的に抑制すると、cGMPカスケードによるVSMC増殖抑制がほぼ完全にブロックされることを明らかにした。4.cGMPカスケードによる細胞増殖抑制作用のメディエーターであるヒトcGMP依存性プロティンキナーゼ(Gキナーゼ)タイプI αcDNA全長のクローニングに成功した。更に、Gキナーゼ大量発現ベクターを構築し、細胞増殖抑制効果を確認した。更に、Gキナーゼ過剰発現トランスジェニックマウスを開発中である。5.現在、2-4で得た知見をもとに、1で得たリボザイムに関する実験手技をもとに、CNP、Gキナーゼ及びGax mRNAに対するリボザイムを構築し、テトラサイクリン誘導型ベクターへ組み込みそのVSMC増殖に対する効果を検討中である。更に、4で得た発生工学的手法をもとに、テトラサイクリン誘導発現システムを用いたcGMPカスケード遺伝子の"knock down"マウスの開発を計画している。
地域のダイバーシティ推進に関する現場生成型研究

ダイバーシティ推進の条例化をめざす東京都中野区をフィールドにして、ダイバーシティ施策実現のプロセスとダイナミズムを分析することで、地域におけるダイバーシティ施策の実践・研究モデルを構築する現場生成型研究である。焦点を当てるのは、ダイバーシティ条例の実質化にかかわるステークホルダー間の葛藤や対立がどう生起するのか、その是正のために効果的な施策は何かを調べて、現場生成型研究の手法で実践に結びつけていく。そのため、ベストプラクティス事例の調査、授業と連携したアクティブラーニングやアクションリサーチ、そして政策提言などを、関係するステークホルダーを巻き込んで実施していく。
レビ過程に基づく新しい宇宙プラズマ物理のパラダイムの構築

宇宙プラズマ中ではプラズマと電磁場のマクロな揺らぎを介した相互作用が重要である。特に高エネルギー粒子では、軌道は通常のブラウン運動ではなく、一つの場所に停滞したり、長距離をほぼ直線的に移動したりするような「レビ過程」として記述できる。このような粒子集団の拡散は通常の古典拡散方程式ではなく、フラクショナル微分(非整数階微分)を含むフラクショナル拡散方程式となる。この方程式の数値計算と理論解析をもとに、レビ過程に基づく新しい宇宙プラズマ物理のパラダイムを構築する。
睡眠負債と社会的ジェットラグがリプロダクティブヘルスに及ぼす影響

体内時計と女性の生殖機能との相互作用に関してこれまで多くの経験則が報告され、また動物実験の結果からは、内因的な体内時計の周期と外環境の乖離が生殖機能の低下を引き起こすことが示されているが、ヒトにおける実態とメカニズムは明らかにされていない。本研究では、日本人に広く蔓延する睡眠負債・社会的ジェットラグと、女性ホルモン分泌動態との関連、月経症状や妊孕性などリプロダクティブヘルスへの影響を明らかにすることを目的として、生物学的側面・社会学的側面を考慮に入れた一連の研究を実施する。
分子の表面電荷と異方性構造を利用したタンパク質薬細胞内送達担体の創製

研究代表者らが、開発した剛直で異方性の高い構造を持つカチオン性の人工タンパク質CCPC 140は、既知のCPPと比べ100-1000倍にも達する優れた細胞内薬物送達活性を有する。しかしながらCPPと異なり、その立体構造依存的な細胞透過活性が原因で、タンパク質の細胞内デリバリーにおいて、CCPC 140-標的タンパク質からなる融合タンパク質の発現に、立体障害の問題が残る。平成30年度は、前年度に引き続き単量体で高いビオチン結合能を持つストレプトアビジン変異体をリンカー配列を介して融合した、CCPC 140-mSAの再設計および、CCOC 140の細胞透過メカニズムの解明に向けた研究を進めた。CCPC 140-融合タンパク質のフォールディング障害に置ける問題の一つに、CCPC 140が二本鎖平行coiled-coil構造を形成していることが挙げられる。そのため、分子設計を白紙から行うこととした。まず、Protein Data Bankから1本鎖逆平行coiled-coil構造を形成する分子を探索した。次に、これらのタンパク質のうち、coiled-coil構造の全長が9 nmを超えるものを選んだ。これは、前年度までの本研究成果から得られた高い細胞透過活性を示すのに必要な分子長が9 nmであったことからこのように設定した。そして、分子表面がカチオン性になるように分子設計を施した人工遺伝子を合成、発現し、機能評価を進めた。残念ながら、高い細胞透過能に重要な37°Cでの構造安定性に欠いたため、分子の再設計を進めている。また、CCPC 140の細胞透過メカニズムの解明に向けたBioID法による網羅的な相互作用タンパク質の探索を試みた。研究代表者らが、分子設計・開発した細胞内薬物送達キャリアCCPC 140は、剛直で異方性の高い構造を基本骨格とするカチオン性人工タンパク質であり、既知の細胞透過性ペプチドと比較して、100-1000倍の極めて高い細胞透過能を示す。平成28年度は、このCCPC 140の高い細胞透過能が何に由来するのか、を明らかにすることを目指した。CCPC 140の細胞への取込みは、主に広義のエンドサイトーシス経路で進むことはこれまでの研究からも分っていたが、新たに主にマクロピノサイトーシス経路で取込まれることが明らかになった。しかしながら、CCPC 140にGFPを融合したタンパク質の細胞内導入実験の結果からは、驚くべきことが明らかになった。本研究で用いたGFPは、pH感受性が極めて高い。そのため、エンドサイトーシス経路で細胞内に導入された際には、エンドソーム内のpH低下に伴い、その蛍光が見られなくなることが予想される。それに対して、CCPC 140-GFPの細胞内取込み実験の結果から、24時間に渡るGFP由来の蛍光が観察された。これは、エンドサイトーシス経路ではなく、ナノペネトレーションなど他の機構により細胞内に取込まれていることを示唆する。またエンドサイトーシスの阻害剤を用いた実験からは、細胞内への取込み阻害は見られるものの、GFPを融合していないCCPC 140と比べ非エンドサイトーシス経路による細胞内導入がより高い頻度でおこることが分かった。さらに、細胞膜へのGFP由来の蛍光の蓄積が、GFPを融合していないCCPC 140と比べて長時間観察されていることからも、レセプター依存的なエンドサイトーシスの活性化が抑制されていることが分かった。これらの結果は、本研究の目的であるタンパク質薬の細胞内送達システムの確立において極めて重要な知見を与える。当初計画していたエンドサイトーシスの各種阻害剤を用いた実験は、概ね順調に進んでいる。一部、申請時に予想していた結果と大きく異なる結果が得られたものの、CCPC 140のタンパク質薬の細胞内薬物送達キャリアとしての新たな有効性を示すものであったため特に大きな問題とはならない。さらに分子の構造異方性の細胞内デリバリーへの影響についても、定性的な評価実験の結果が出ているなど、概ね順調に進んでいる。研究成果の一部は、日本生化学会、高分子討論会、ASIA Nano 2016、バイオナノシステムズ研究会での発表の他、日本化学会Chemistry Letters誌への掲載が決まっている。これらのことから本研究課題は、おおむね順調に進展しているとした。研究代表者らが、開発したCCPC 140は、剛直で異方性の高い構造を持つカチオン性の人工タンパク質であり、優れた細胞内薬物送達担体となると考え、研究を進めている。平成29年度は、前年度に引き続き、モデル高分子薬の細胞内DDSとしての可能性を検討した。前年度の知見から、レセプター依存性のエンドサイトーシス経路が、融合したタンパク質(GFP)によって抑制されたことから、別のタンパク質でも同様の現象が見られるか検討した。将来的な細胞内薬物送達担体としての応用も視野に入れ、単量体で高いビオチン結合能を持つストレプトアビジン変異体をリンカー配列を介して融合した、CCPC 140-mSAを作成した。ビオチン化蛍光色素と混合し、遊離の色素を取り除いた後、CCPC 140-mSAを培養細胞に与えたところ、CCPC 140-GFPと同様の細胞透過能を示す一方で、CCPC 140-GFPで顕著であった細胞膜への蓄積は、それほど長時間観察されなかった。これらの結果から、レセプター依存的なエンドサイトーシスの抑制は、CCPC 140と融合する分子の性質によって異なる可能性が示唆された。

CCPC 140の細胞透過プロセスは、まずCCPC 140と細胞膜表面との静電相互作用によって細胞膜への吸着が起こり、次にCCPC 140がレセプター依存性のエンドサイトーシスを誘導すると考えてきた。近年、細胞膜のパータベーションによる細胞内への低分子薬の導入の試みが盛んに行われるようになってきた。これらの報告を併せて考えると、CCPC 140の構造異方性が細胞膜のパータベーションを惹起し、その結果、何らかの形でCCPC 140の細胞への取り込みを促進する可能性が高い。今年度、並行して実施した分子長を変えたCCPC 140の派生体の細胞透過能の解析結果からもこの可能性を検討する必要があることが強く示唆された。当初計画していたCCPC 140が誘起するレセプター依存性エンドサイトーシスのターゲット分子の同定は、上手くできていない。しかしながら、最近の他の研究者からの報告と本研究によって、レセプター依存性エンドサイトーシスと考えてきた部分のかなりの部分が、CCPC 140が惹起する細胞膜のパータベーションによる細胞膜裏打ち構造への物理刺激とそれに伴って誘起されるエンドサイトーシスを含む何らかのプロセスによって、CCPC 140が細胞に取り込まれる可能性が高いことがわかって来た。イオンチャネルなどでも、リガンド結合による開閉だけでなく、物理刺激によっても開閉するものが知られている。CCPC 140は、レセプター依存性エンドサイトーシスでも同様のことが起こるのかを調べる格好の材料であり、極めて興味深い発見であることは間違いない。またCCPC 140の派生体の解析から、高い細胞透過活性に必要な分子長を明らかにすることができたなど(論文執筆中)、十分な研究成果も出ている。研究成果の一部は、ACS National Meetingにおいて発表した。これらのことから本研究課題は、おおむね順調に進展しているとした。研究代表者らが、開発した剛直で異方性の高い構造を持つカチオン性の人工タンパク質CCPC 140は、既知のCPPと比べ100-1000倍にも達する優れた細胞内薬物送達活性を有する。しかしながらCPPと異なり、その立体構造依存的な細胞透過活性が原因で、タンパク質の細胞内デリバリーにおいて、CCPC 140-標的タンパク質からなる融合タンパク質の発現に、立体障害の問題が残る。平成30年度は、前年度に引き続き単量体で高いビオチン結合能を持つストレプトアビジン変異体をリンカー配列を介して融合した、CCPC 140-mSAの再設計および、CCOC 140の細胞透過メカニズムの解明に向けた研究を進めた。CCPC 140-融合タンパク質のフォールディング障害に置ける問題の一つに、CCPC 140が二本鎖平行coiled-coil構造を形成していることが挙げられる。そのため、分子設計を白紙から行うこととした。まず、Protein Data Bankから1本鎖逆平行coiled-coil構造を形成する分子を探索した。次に、これらのタンパク質のうち、coiled-coil構造の全長が9 nmを超えるものを選んだ。これは、前年度までの本研究成果から得られた高い細胞透過活性を示すのに必要な分子長が9 nmであったことからこのように設定した。
腹部内臓循環の研究(腹腔動脈支配領域の血流調節機序)

腹部内臓循環、特に腹腔動脈流域の血流調節を明らかにするため、摂食時の血流増加機序および血流増加因子の検索を行なっ。ビ-グル犬を用い、エ-テル麻酔下に腹腔動脈および上腸間膜動脈(13頭)または左胃動脈(11頭)に電磁血流計の慢性埋め込み型プロ-ブを装着した。さらに5頭の犬には門脈血を採取するため門脈にカテ-テルを留置した。実験は1週間以上の術後回復機期を置いた後、意識下に血流の測定を行なった。1.牛乳300mlの経口投与により、腹腔動脈血流は空腹時値の180%に、左胃動脈血流は270%に一過性に上昇した。胃をゴム風船(300ml)により伸展させることにより、牛乳の約50%の一過性の増加反応が得られた。2.摂食および胃伸展に対するこれらの反応は、節遮断剤ヘキサメソニウムおよび粘膜麻酔剤オキセサゼインにより抑制されたが、アトロピン、フェノオキシベンザミン、プロプラノ-ルにより抑制されなかった。3.ペンタガストリン(酸分泌に関する50%有効量)による左胃動脈血流の増加は僅か10%であった。腹腔動脈血流は膵外分泌を刺激するセクレチンおよびコレシストキニン(CCK8)により有意の増加を示さなかった。4.門脈血中vasoactive intestinal peptide(VIP)は摂食後、一過性に上昇し、腹腔動脈および左胃動脈血流と同様のパタ-ンを示した。また静脈より合成VIPを投与すると、腹腔動脈および左胃動脈の血流は増加したが、上腸間膜動脈の血流は有意に変化しなかった。結論:1)摂食後の腹腔動脈血流の増加は、食物による化学的、機械的刺激による胃動脈血流の増加に一部起因する。2)この増加反応には非アドレナリン・非コリン作動性神経反射が関与している。3)この血管作動性神経伝達物質として、VIP等の神経ペプチドの関与が示唆される。4)摂食により放出される消化管ホルモン(ガストリン、セクレチン、CCK)の関与は定量的にには小さい。