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弦理論の幾何学とその非摂動論的な効果

この3年間の研究の中心は、弦の場の理論によるDブレーンの解釈であった。まず平成13年度はVSFT(真空弦の場の理論)のアイディアに沿って、開弦の場の理論のスター積に関する射影演算子とDブレーンの対応について検討を始め、主に境界共形場の理論の方法により各種の射影演算子の比較検討を行った。代表的なものとしては恒等演算子、sliver演算子、butterfly演算子などが研究されていたがブレーンの張力の観点からは恒等演算子が一番もっともらしいものであるという結論を得た。次に平成14年度は、正規化を内包した弦の場の理論の構築に取りかかった。まず第1段階として開弦のスター積をより簡単化し非可換幾何学の基本的な概念であるMoyal積に帰着させる事を行った。このステップで上に述べた特異性が積の結合則め破れとして現れることを見た。無限自由度を使う限りこのアノマリーは取り去ることができないことも認識し、有限自由度への切断により正則化を行う定式化を構築した。この正則化が有効であることを、弦の質量殻外の振幅の計算やタキオン真空の具体的な構成などを通じて証明した。最後に平成15年度では、開弦ではなく閉弦の場の理論のスター積を使って、Dブレーンを代数的に特徴づけるプロジェクトを始めた。Dブレーンは境界状態と呼ばれる閉弦の状態により最も正確に記述されることがわかっているが、この境界状態が閉弦のスター積に対してべき等関係式を満たすことを証明した。この関係式は非常に簡潔な非線形方程式であるのにもかかわらず、境界状態のみを解に持つという著しい性質を持っている。弦理論の非摂動論的な概念として最も重要と思われる励起として、Dブレインというものが考えられている。Dブレインは共形場理論の立場からみると、開いた弦の可能な境界条件という特徴付けをすることができるが、それは摂動論的なみかたであって、より本質的な理解を行うためには場の理論の古典解としての解釈がどうしても必要である。最近この観点から弦の場の理論を用いてDブレインを説明しようとする試みがなされている。当研究の目的からみてもDブレインがどのような幾何学的な電荷を持つかというのは中心的な課題であり、弦の場の理論の古典解をその荷電でどのように特徴づけるかは、大変重要であると考えられる。本年の研究ではこの観点から、Rastelli, Sen, Zwiebachの提案についての研究を行った。具体的には彼らはDブレインを一種の射影演算子としてとらえることを提案しているが、私はその射影演算子が平坦な空間を仮定する特定の共形場理論に限定されるのではなく、一般の曲がって空間にも構成可能であることを議論した。また彼らはSliverと呼ばれる特定の射影演算子を用いているが恒等演算子を用いた構成がよりもっともらしい振る舞いを行うことを提案した。さらに彼らは物質場とghost場が分離する解のみを考えたが、そうでない別の形の解を用いた方が、ブレインの上で定義される開いた弦を記述する上ではより自然であることを提案した。より具体的な提案に向けてUSCのBars氏との共同研究を始めた。この共同研究では弦の場の理論を非可換幾何学として定式化を行うことを考えている。その最初のステップとして非可換幾何学と場の理論の食い違いの原因となるAssociativityの破れについて議論を行った。Dブレーンの生成消滅過程は弦理論の非摂動論的な現象の中で最も中心的なテーマの一つである。本研究では弦の場の理論という観点からこの過程の研究を行っている。本年度は非可換幾何学の最も基本的な定式化であるMoyal積の概念を用いてこの現象がどのように捉えられるのかについて、研究を行った。

まず米国USCのBars教授との共同研究で、弦の場の理論のMoyal積を用いた定式化を行う上で根本的な問題となる、基本行列の積に現れる結合則の破れを指摘した。この現象は基本行列が無限次元であることに付随して起こる特異な現象であるが、開弦の積には必然的に出てくるものであり、その取り扱いには非常な注意が必要となる。この研究では結合則が破れる代数を変形することにより、有限次元の行列でも表現可能なものになることを証明し、Moyal積を用いた定式化を厳密に定義した。次にこの構成法を用いて、弦理論を議論する上で本質的な役割を果たす共形代数の表現がどのようになるかを導いた。さらに通常の作用素形式で現れるNeumann行列がMoyal積を用いた定式化でも導くことが可能であることを証明した。Moyal積を用いた定式化は通常の作用素形式を用いたものに比べると、それ音同じ情報を含んでいながら、はるかに簡単な構造をしていることがわかった。特に開弦の積が自明な形に書けることが非常に大きな発見であった。このことによりブレーンの生成消滅のプロセスを記述する、弦の場の理論の運動方程式が厳密に解ける可能性があることが理解できてきた。次に同じくBars氏および東京大学理学部の研究員岸本勲氏との共同研究により、Moyal積の定式化を用いた弦の散乱振幅のあからさまな計算を行った。通常弦理論の高次の摂動振幅は高度な数学を用いて(リーマン面のモジュライ理論を用いる)計算するしかなかったが、この方法を用いると簡単な代数計算で導けてしまうことが大きな驚きであった。さらにこの方法を用いて弦の場の理論の運動方程式を書き換え、それが階数1の異常項を除いて完全に可解であることを証明した。運動方程式自体は非線形であるが、非可換幾何学のソリトンの概念を用いると全ての解があからさまな形で求まってしまうのは大きな驚きであった。また階数1の異常項自体もこれらの厳密解に対する補正項として導入可能であることがわかり、従来の研究の疑問点、すなわちどこまで非可換幾何学の手法が弦の場の理論に適用可能なのかをあからさまな形で明らかにした。本年度は昨年に引き続きDブレーンを弦の場の理論としてどのように解釈できるかというテーマで研究を進展させた。内容的には大きく2つに分けることができる。一つは開弦の弦の場の理論をMoyal型式で書き下し、その解析的な解を考えた点である。Moyal型式を用いた弦の場の理論の再定義はBars氏と私により開発されたものであるが、今年はこの解析にゴーストの寄与を入れて弦を構成する全ての自由度を用いて定式化を行うことに成功した。ゴーストはフェルミオン的な自由度であり対応するMoyal型式は非反可換空間を記述している。この方法を用いて例えば弦の場の理論から導かれると考えられる全ての量、弦の振幅や古典解など、を正則化された理論の元で定式化することができた。古典解の解析はタキオン真空の観点からは特に重要であるが、我々はそれを中点の補正に対する摂動展開として得ることができた。この補正は今まであからさまに議論されていなかったものであり、開弦の場の理論の計算において今後重要になるものと考えている。もう一つの研究の柱は閉弦の場の理論である。とくに新しい結果としては、ブレーンを記述する状態として知られている境界状態を、場の理論の運動方程式の解として得ることに成功した点である。
硬組織切削レーザーの歯科への臨床応用について

レーザーによる硬組織の切削は、従来の回転器具による切削に比べ、独特の回転音や振動がなく、レーザー光による照射面の殺菌も期待できる。最近、口腔内でも臨床応用可能なかなり小さな照射チップも開発されており、今回は実際に臨床応用されているC400F(径=0.4mm)を用いた。本研究では、マイクロCT(精密X線断層撮影装置)を用いてEr:YAGレーザーによる窩洞形成された体積の測定を行った。OCT(光干渉断層撮影装置)は、照射した光の反射をセンサーで拾ってコンピューター解析することで、肉眼で確認できないレベルの細かな変化もリアルタイムで測定できることが最大の特徴である。この実験の目的は、保存修復処置における歯の窩洞形成・う蝕除去の際に、実際臨床応用可能な、SS-OCTによる測定で、形成した窩洞と歯髄腔の距離を測定することである。SS-OCTで測定することにより、過度な形成による露髄という偶発事故を防ぐことができる。この試作型SS-OCTは、専用のホルダーを用いることで実際に臨床応用して、チェアサイドでリアルタイムにモニターで確認することが可能であるので、本実験の基礎的データは、非常に有用であるといえる。また、現在Er:YAGレーザーを用いた根管洗浄(laser-activated irrigation)についても研究を進めており、これについても基礎的研究を積み重ねている段階である。Er:YAGレーザー装置は、モリタ社製Erwin advErlを用い、照射条件は100mJ,10ppsで照射チップC400F(径=0.4mm)にて10秒間照射を行った。ヒト下顎抜去前歯20本に注水下で10秒間照射を行い、術前・術後で窩洞形成された体積を測定した。また、実際に形成された3Dモデルもコンピューター上で構築し、比較も行った。その結果、実際のヒト抜去歯へのレーザーによる硬組織の切削は、0.441.69mmの深さで切削が可能であった。現在実際に臨床応用できる機械を開発中である。OCT(光干渉断層撮影装置)による実際の形成面の深さの測定では、リアルタイムに窩洞の深さを測定することができ、マイクロCTによる窩洞深さの測定深さと大きな誤差は見られなかった。走査型電子顕微鏡(SEM)による観察では、従来回転切削器具で見られるスメアー層の形成は見られなかったが、完全な象牙細管の開口も見られず、今後の検討課題となった。レーザーによる硬組織切削は、従来の回転機械切削に比べ、独特の回転音や振動がなく、レーザー光による照射面の殺菌も期待できる。最近口腔内でも、臨床応用可能な、かなり小さな照射チップも開発されており、今回は実際に臨床応用されているC400F(径=0.4mm)を用いた。本研究では、マイクロCT(精密X線断層撮影装置)を用いてEr:YAGレーザー装置は、モリタ社製Erwin advErLを用い、照射条件は100mJ,10ppsで照射チップC400F(径=0.4mm)にて10秒間照射を行った。その結果、実際のヒト抜去歯へのレーザーによる硬組織の切削は、0.441.69mmの深さで切削可能であった。OCT(光干渉断層撮影装置)は、照射した光の反射をセンサーが拾ってコンピューター解析することで、肉眼で解析できないレベルの細かな変化もリアルタイムで測定できることが最大の特徴である。OCT(光干渉断層撮影装置)による実際の形成面の深さの測定では、リアルタイムに窩洞の深さを測定することができ、マイクロCTによる窩洞深さの測定深さの測定深さと大きな誤差は見られなかった。走査型電子顕微鏡(SEM)による観察では、従来の回転切削器具で見られるスメアー層の形成は見られなかったが、完全な象牙細管の開口も見られず、今後の検討課題となった。研究テーマに関して、すでに論文発表や国内・海外での研究発表が済んでおり、データの処理・解析に関しても問題ないと判断したため。

Er:YAGレーザー装置は、モリタ社製Erwin advErlを用い、照射条件は100mJ,10ppsで照射チップC400F(径=0.4mm)にて10秒間照射を行った。ヒト下顎抜去前歯20本に注水下で10秒間照射を行い、術前・術後で窩洞形成された体積を測定した。また、実際に形成された3Dモデルもコンピューター上で構築し、比較も行った。その結果、実際のヒト抜去歯へのレーザーによる硬組織の切削は、0.441.69mmの深さで切削が可能であった。OCT(光干渉断層撮影装置)は、照射した光の反射をセンサーで拾ってコンピューター解析することで、肉眼で確認できないレベルの細かな変化もリアルタイムで測定できることが最大の特徴である。現在実際に臨床応用できる機械を開発中である。OCT(光干渉断層撮影装置)による実際の形成面の深さの測定では、リアルタイムに窩洞の深さを測定することができ、マイクロCTによる窩洞深さの測定深さと大きな誤差は見られなかった。走査型電子顕微鏡(SEM)による観察では、従来回転切削器具で見られるスメアー層の形成は見られなかったが、完全な象牙細管の開口も見られず、今後の検討課題となった。レーザーによる硬組織の切削は、従来の回転器具による切削に比べ、独特の回転音や振動がなく、レーザー光による照射面の殺菌も期待できる。最近、口腔内でも臨床応用可能なかなり小さな照射チップも開発されており、今回は実際に臨床応用されているC400F(径=0.4mm)を用いた。本研究では、マイクロCT(精密X線断層撮影装置)を用いてEr:YAGレーザーによる窩洞形成された体積の測定を行った。研究テーマに関して、順調に計画が進んでおり、データの処理・解析に関しても問題ないと判断したため。新しい知見が、改めて発見された時は、内容に関してデータ処理・解析を進める。歯内治療現在得られたデータに関して、海外での研究データの発表や論文投稿を検討している。本研究は、出来る限り既存の設備を用いて、SS-OCTも貸与で用いることで迅速にデータの収集と統計・解析を行うことが出来た。in vitroであるが、有効なデータを集めることに成功したので、研究の進捗状況としては順調と言って差し支えないと考える。Er:YAGレーザーを用いた根管洗浄(laser-activated irigation)に関して、新しい知見が得られる可能性があるため。学内の施設を利用したので、それほど経費が掛からなかったため。SS-OCT(波長走査型光干渉断層装置)の歯内療法学への臨床応用への研究については、研究発表という形で、一定の成果を得たと考える。今後論文の形でまとめることが必要と考える。現在研究テーマは、Er:YAGレーザーを用いた根管洗浄(laser-activated irrigation)の有効性の評価に移っており、それに関する研究を進めていく予定である。根尖部の根管の形態変化を起こさず、根尖に過度な圧力をかけずに洗浄を行うには、専用のコンタクトチップと適切な照射条件(エネルギー設定、根管との適合性)を見つけることが不可欠である。しかし、実際の臨床では根管の形態は様々であり、臨床に即した適切な条件を見つける事が課題となる。また、Er:YAGレーザーによる照射に形態学的変化についても評価が必要と考える。
心筋虚血耐性獲得におけるアデノシン産生酵素活性化の意義とその分子機構の解明

麻酔開胸犬において冠動脈の短時間結紮(5分間・4回)しIP、その後心筋に不可逆性障害を生じる程度の虚血(90分間冠動脈結紮)を惹起した。再灌流中のアデノシン遊出量及び90分間虚血前・後の心筋ecto-5'-nucleotidase(アデノシン産生の律速酵素)はIP操作を行わなかった対照群に比し有意に増加した。ecto-5'-nucleotidase阻害剤(α・βmethylencadenosine 5'-diphospate)投与下に同様の検討を行ったところ、IPによるアデノシン遊出増加作用・心筋壊死縮小効果は抑制された。このことから、IPによりecto-5'-nucleotidase活性化・アデノシン遊出増加が生じ、その結果心筋壊死縮小効果をもたらすことが明らかとなった。さらにα_1アドレナリン受容体刺激剤であるメトキサミンやprotein kinase C賦活剤であるPMAを投与するとIPと同様の現象が生じたことより、ischemic preconditioningの心筋保護作用はα_1アドレナリン受容体刺激・protein kinase C活性化を介するecto-5'-nucleotidase活性化が重要であることが示された。2. α_1アドレナリン受容体刺激によるecto-5'-nucleotidase活性化の細胞メカニズムIPによるecto-5'-nucleotidase活性化の細胞内メカニズムを検討するために麻酔開胸犬において冠動脈の短時間結紮(5分間・4回)によりIPを作成し、心筋組織をホモジナイズ後ecto-5'-nucleotidaseを含む膜分画を精製した。まずprotein kinase C (PKC)アイソザイムに対するモノクローナル抗体によりimmunoblottingを行い、PKCアイソザイムを5'-nucleotidase活性の連関を検討した。その結果、α-PKCアイソザイムの膜分画蛋白量増加とともにecto-5'-nucleotidase活性上昇が認められた。次にecto-5'-nucleotidaseモノクローナル抗体で免疫沈降後、リン酸化抗体によりimmunoblotingを行い、ecto-5'-nucleotidaseリン酸化とecto-5'-nucleotidase活性増加について同様の検討を行った。その結果PKCの活性化を介してecto-5'-nucleotidaseのセリン-スレオニン残基がリン酸化を受けecto-5'-nucleotidaseが活性化されている可能性が示された。さらに、PKC賦活剤であるPMAで同様な検討を行ったところIPと同じ結果が得られた。またPKC阻害剤(GF109203X)を用いるとecto-5'-nucleotidaseのリン酸化は抑制された。以上の結果より、IPにより活性化・5'-nucleotidaseリン酸化を介した活性化が生じることが示された。今後は、protein kinase Cによる5'-nucleotidaseリン酸化部位を同定し、ecto-5'-nucleotidaseの活性中心部との連関を解析する予定である。

さらに、PKC賦活剤であるPMAで同様な検討を行ったところIPと同じ結果が得られた。またPKC阻害剤(GF109203X)を用いるとecto-5'-nucleotidaseのリン酸化は抑制された。以上の結果より、IPにより活性化・5'-nucleotidaseリン酸化を介した活性化が生じることが示された。今後は、protein kinase Cによる5'-nucleotidaseリン酸化部位を同定し、ecto-5'-nucleotidaseの活性中心部との連関を解析する予定である。1.5′-nucleotidase活性化及びアデノシン産生増加と心筋壊死縮小作用との連関とprotein kinase C活性化の役割麻酔開胸犬において冠動脈の短時間結紮(5分間・4回)によりischemic preconditioningを作成しその後心筋障害虚血(90分間冠動脈結紮)を惹起した。その結果再潅流中のアデノシン遊出量及び90分間虚血前・後の心筋5′-nucleotidase(アデノシン産生の律速酵素)活性は増加した。ついで5′-nucleotidase阻害剤(α・β-methyleneadenosine 5′-diphoshate)投与下に同様の検討を行った。5′-nucleotidase阻害剤にてiscemic preconditioningによるアデノシン遊出増加作用・心筋壊死縮小効果は大きく抑制されたことから、5′-nucleotidese活性化・アデノシン遊出増加が心筋壊死縮小効果をもたらすことが明らかになった。さらにα_1受容体刺激剤であるメトキサミンやprotein kinase C賦活剤であるPMAを投与することにより同様の検討を行った。α_1アドレナリン受容体刺激によりprotein kinase Cの活性化を伴い、膜5′-nucleotidase活性は上昇し、心筋保護作用を生じた。protein kinase Cの刺激剤であるPMAによっても膜5′-nucleotidase活性が上昇し、心筋保護作用を生じた。以上より、α_1アドレナリン受容体・刺激によりprotein kinase C活性化を介する5′-nucleotidase活性化が心筋保護のメカニズムであることが示された。ischemic preconditioningにおける5'-Nucleotidase活性化の細胞内メカニズム麻酔開胸犬において冠動脈の短時間結紮(5分間・4回)によりIPを作成し、犬心筋細胞をホモジナイズ後5'-nucleotidaseを含む膜分画を精製した。まずprotein kinase C(PKC)アイソザイムに対するモノクローナル抗体によりimmunoblottingを行った、α-PKCアイソザイムの活性化とともに5'-nucleotidase活性上昇が認められた。次に5'-nucleotidaseモノクローナル抗体で免疫沈降後、リン酸化抗体によりimmunoblotingを行い、5'-nucleotidaseリン酸化と5'-nucleotidase活性増加について同様の検討を行った。
ラン藻の溶原性ファージの溶原化の分子機構と海洋環境における役割

近年海洋の食物連鎖においてウィルスが大きく関与していることが明らかになってきた。海洋の重要な一次生産者である原核微細藻類のラン藻(シアノバクテリア)に感染死滅させるウイルス(シアノファージ)が汚染した沿岸海水だけでなく外洋水からも多数見つかり、ラン藻の現存量や基礎生産の重要な制御因子と見なされるようになってきている。しかし現在まで海水から発見されたシアノファージのほとんど全てが毒性ファージで、ファージに感染したラン藻細胞はただちに溶菌され死滅してしまう。我々はシアノファージの安定な溶原化が海産のPhormidium persicinum Provasoli株に成立していることを見いだし、マイトマイシンC処理などによりこの溶原性ファージが溶菌サイクルに入り宿主を溶菌死滅させることを見いだした。しかし、現在海洋でラン藻の現存量や基礎生産のウイルスによる制御を見積もる場合溶原性ファージの関与は全く考慮されていない。本研究では海洋における溶原性シアノファージのラン藻の現存量や一次生産量制御の解析に必要となる基本情報を得ることを主な目的として、(1)溶原性ファージを保持していることが明らかになったP. Persicinum Provasoli株の溶菌による現存量の制御の解析、(2)海産ラン藻における溶原性シアノファージの分布の検討、(3)外洋で大量発生と急速な消滅を繰り返す窒素固定ラン藻Trichodesmiumの急速な消滅のシアノファージが関与している可能性について培養株と予備的なフィールド調査を主として行い、(A)溶原化したシアノファージを保持しているラン藻集団では、すべてのプロファージが同時に溶菌サイクルにはいるような大きな変化を受けなくても、常に一部の細胞がファージにより死滅する制御を受けている、(B)溶原化したシアノファージを保持しているラン藻は少なくともSection IIIに属するラン藻では大きな割合を占めていること、(C)ラン藻に溶原化しているシアノファージは多様であること、(D)熱帯、亜熱帯外洋で大発生した後急速に消滅することがよく知られているTrichodesmium属ラン藻の培養株に溶原化したファージが存在すること、(E)カリブ海で行った予備的なフィールド調査から、海洋本種の急速な消滅の原因に溶原化したシアノファージが関与している可能性が高いことを明らかにした。(1)沿岸から外洋まで多くの種の分布が知られているLPPグループのPhormidium属ラン藻に溶原性ファージが感染している可能性を溶原性ファージの溶菌サイクルを人工的に誘起する方法で検討し、異なった海域から分離した25株の60%に当たる16株が溶原ファージに感染している可能性を示した。5株については電子顕微鏡を用い溶菌過程の細胞中にファージ粒子が出現することを確認した。細胞溶解液から分離したファージは形態からCyanomyoviridae科とCyanostyloviridae科に属するファージと考えられ、同属のラン藻を宿主に多様なファージが溶原化していることが明らかになった。Phormidium属を宿主とするファージの多様性は、免疫学的手法とDNAハイブリダイゼーション法によっても確認された。分離ファージの他種

ラン藻への感染は調べた範囲では全く起こらず、溶原性シアノファージは宿主特異性が高い可能性が示唆された。(2)熱帯、亜熱帯外洋に普遍的に生息し現存量が大きく窒素固定能を持つラン藻Trichodesmiumsp.の海洋における現存量の調節に溶原性ファージが関与している可能性を培養系を及び1996年5月にカリブ海(ベリ-ズ共和国)で採取したTrichodesmium試料を用いて検討した。培養系Trichodesmium(NIBB1067株)は人工的に溶菌サイクルを誘起する方法で細胞溶解が観察され、溶菌過程ファージ類似粒子が出現すること、溶菌液からCyanopodoviridae科に属する形態を持った粒子が分離されたことから本株が溶原性ファージに感染していると考えられた。電子顕微鏡を用いた予備的な調査ではあるがカリブ海で採取した細胞にも溶原性ファージが感染している可能性が観察された。これらの結果からはしばしば海洋で観察されるTrichodesmiumの急速な消滅の原因に溶原性ファージの関与が考えられ、Trichodesmiumを含む食物連鎖にファージが重要な役割を果たしている可能性の高いことを示している。本研究で得られた成果の一部は原核光合成生物に関する国際シンポジウム(1997年9月於ウィーン)、第1回海産シアノバクテリアと関連生物に関する国際シンポジウム(1997年11月於パリ)で発表した。(1)平成9年度に人工的に溶原化しているファージの溶菌サイクルを誘導する方法でスクリーニングしさらに電子顕微鏡によりファージ粒子の存在が確認されたLPPグループラン藻の海産Phormidium属培養株を用い、溶菌課程の詳細を電子顕微鏡を用いて観察した。P.persicinunでは溶菌の誘導を行った細胞集団でほぼ100%の細胞で同時期に細胞中にファージ粒子が出現しその後溶菌が起こったことから細胞のほとんどが溶原性ファージに感染していると考えられた。一方他の2株(Phormidiumsp.NIBB1044,NIBB1051株)では、細胞集団の一部の細胞でファージ粒子の出現とそれに引き続く溶菌がまず起こり、その後残りの細胞の溶菌が観察された。遅れて溶菌した細胞の表面には最初の溶菌により放出されたと見られるファージ粒子が多数付着しているのが観察された。このことはこれらの株では細胞集団の一部細胞が溶原性ファージに感染している可能性が考えられた。(2)熱帯・亜熱帯外洋に普遍的に生息し現存量が大きくしかも窒素固定を好気条件で行うラン藻Trichodesmium sp.の海洋における現存量の調節に溶原性ファージが関与している可能性の培養系を用いた検討を平成9年度に続き行った。人工的に溶菌サイクルを誘起して得た溶菌液から蔗糖密度勾配法を用いて多量のファージ粒子分画を集めDNAとたん自分画をP.persidnumに感染したシアノファージと比較したが、両者はDNA、たん白いずれのレベルでも異なっていた。本研究で得られた成果の一部は98年6月ノルウェイのベンゲンで行われた藻類のウィルスに関する国際ワークショップで発表した。
金属材料における強度と延性の両立への挑戦

金属材料において高強度と十分な延性を獲得するための材料組織制御法に関し、重要な基礎的知見が得られた。多くの場合、材料の延性は塑性不安定により規定されるため、材料の加工硬化能を向上させることが第一に重要である。「微細粒子分散組織」は、特に非鉄合金において強度と延性を両立するために有益な組織であるが、析出強化は第一義的に降伏応力を大きく向上させるため、加工硬化能に限りがあるという問題点も明らかとなった。硬質相と軟質相からなる「二相分散組織」は、加工硬化を向上させ、強度と延性を両立させるために最も有力な組織である。「バイモーダル組織」では、過去に論文で示されている顕著な加工硬化は得られなかった。金属材料において、強度と延性(加工性・靱性)は、片方を高めようとするともう一方が犠牲になるトレードオフの関係にあり、強度と延性の両立は、目標ではあっても現実味がなかった。しかし近年、研究代表者は超微細結晶粒材料に関する研究を通じ、強度と延性の両立を可能とする指導原理の一端をつかんだ。本研究は、こうした知見を超微細粒材に限らず金属材料一般に普遍化することが可能かどうかを、(1)微細粒子分散組織、(2)硬質相と軟質相の二相混合組織、(3)バイモーダル組織という3種類の異なる材料組織を対象に、鉄系および非鉄系合金を用いて広範囲の粒径に対して実験的に明らかにし、強度と延性を両立させた夢の構造材料の実現のための基礎的学理(強度・延性両立のための材料組織制御原理)を構築しようとするものである。平成25(2013)年度は、前年度に引き続き、マトリクス粒径を広範囲に変化させた微細粒子分散組織、二相混合組織、バイモーダル組織を、マルテンサイト法、ARB法と熱処理を最適に組み合わせたプロセスを用いて、広範囲の加工熱処理条件のもと創製した。それらの材料組織を、FE-SEM/EBSD法、TEM等の手法により定量化した。また分散状態を変化させた「二相混合組織」(フェライト+マルテンサイト二相鋼)の力学試験を系統的に行った。さらに、複数のAl合金の溶体化材に巨大ひずみ加工を施して超微細粒マトリクス組織を作製した後、時効熱処理を行って、超微細粒内に微細析出物を分散させた「微細粒子分散組織」に対しても、同様の力学特性解析を行い、組織と力学特性の相関を明らかにした。特筆すべき成果として、複数の合金において、完全再結晶組織で粒径が1μm以下であるナノ組織を作製することに成功し、それらが優れた強度・延性バランスを有することを見いだした。本年度の研究の第一の目的は、塑性不安定現象により均一延性が規定されるという理解のもと、強度と均一伸びの両立を、鉄系及び非鉄系合金の「微細粒子分散組織」「二相混合組織」「バイモーダル組織」という3種類の組織において、幅広いマトリクス粒径で系統的に明らかにし、強度・均一伸び両立のための指導原理を獲得することである。また、局部伸びにも注目し、強度・局部伸び両立のための指導原理を獲得することを第二の目的とする。こうした目的の下、以下の研究成果を得た。マトリクス粒径を広範囲に変化させた微細粒子分散組織、二相混合組織、バイモーダル組織を、マルテンサイト法、ARB法と熱処理を最適に組み合わせたプロセスを用いて創製した。一方、種々の材料組織を、FE-SEM/EBSD法、STEMおよびXRDによる転位密度測定、SEM, TEM等の手法により定量化した。一部の試料に対して力学特性を測定し始めるとともに、すでに研究室で開発済みの3次元くびれ解析システムと光学的全視野ひずみ測定解析プログラムの高度化を行った。

金属材料において、強度と延性(加工性・靱性)は、片方を高めようとするともう一方が犠牲になるトレードオフの関係にあり、強度と延性の両立は、目標ではあっても現実味がなかった。本研究は、研究代表者が超微細粒材で最近得た強度・延性両立のための指針を超微細粒材に限らず金属材料一般に普遍化することが可能かどうかを、(1)微細粒子分散組織、(2)硬質相と軟質相の二相混合組織、(3)バイモーダル組織という3種類の異なる材料組織を対象に、鉄系および非鉄系合金を用いて広範囲の粒径に対して実験的に明らかにし、強度と延性を両立させた夢の構造材料の実現のための基礎的学理(強度・延性両立のための材料組織制御原理)を構築しようとするものである。本研究により、高強度材における引張延性の低下は、多くの場合塑性不安定の早期発現により説明でき、従って材料の加工硬化能を向上させることが重要である点が、確認された。金属材料の強度と延性の両立のために以下の方策が有効であることが明らかとなった。(1) Al-Ag, Al-Cu, Al-Mg-Si合金などのアルミニウム合金を用いた研究により、強加工によるマトリクスの微細化にナノ析出物を重畳させることによって、マトリクスの加工硬化が促進され、延性を向上させることが可能であることが判明した。(2)軟質相と硬質相からなる二相混合組織は、高強度と大延性の両立に極めて効果的であることが明らかとなった。その典型例はフェライト+マルテンサイト二相鋼であり、硬質相であるマルテンサイトをネットワーク状に配置させることが重要であることを、DIC解析などにより見出した。(3)銅合金に加工熱処理を施してバイモーダル微細粒組織を作り込むことに成功し、そうした試料が高い強度と比較的大きな延性を両立させることを見出した。26年度が最終年度であるため、記入しない。金属材料学、材料強度学、材料組織学26年度が最終年度であるため、記入しない。当初の予定以上の研究が進展し、Al合金において、適切な強加工後に時効析出を行うと、優れた強度と延性が両立できることが明らかとなった。また、前年度Fe-Mn系合金において、平均粒径400nmの完全再結晶組織を得ることに成功したが、その手法を拡張して、複数の合金で強度と延性に優れた完全再結晶ナノ組織合金を得ることに成功した。当初の予定以上の研究が進展し、フェライト+マルテンサイト二相鋼において、強度と延性を両立させるために最適な組織分布形態が明らかになった。また、Fe-Mn系合金において、平均粒径400nmの完全再結晶組織を得ることに成功し、またその材料が、単相超微細粒組織であるにもかかわらず高い強度と大きな延性を両立するという、予想外の優れた結果を得た。今後は、特に二相混合組織とバイモーダル組織の引張変形中の光学的全視野ひずみ測定(DIC)を重点的に行い、強度と延性両立の機構を明らかにする。さらに3年間の研究成果を総括し、強度と延性両立のための学理を明確にする。前年度に引き続き、マトリクス粒径を広範囲に変化させた微細粒子分散組織、二相混合組織、バイモーダル組織を、マルテンサイト法、ARB法と熱処理を最適に組み合わせたプロセスを用いて、広範囲の加工熱処理条件の下創製する。、それらの材料組織を、FE-SEM/EBSD法、STEMおよびXRDによる転位密度測定、SEM, TEM等の手法により定量化していく。平成25年度は、分散状態を変化させた「二相混合組織」(フェライト+マルテンサイト二相鋼)の力学試験を系統的に行うとともに、昨年度高度化を行った3次元くびれ解析システムと光学的全視野ひずみ測定解析システムを用いた変形解析を実施する。
薬剤師と看護師の職種間に介在する薬剤インシデント発生メカニズムの究明と比較

【目的】これまでの調剤エラー(インシデント)に関する研究報告は、薬剤師の立場に基づいたものがほとんどであり、他職種については検討されていなかった。そこで本研究は、薬剤師と看護師の職種間に介在する調剤エラーの発生メカニズムの違いを明らかにすることを目的に行った。【方法】2006年度からの8年間で発生した入院内服薬調剤のエラーを調査対象とした。また、本研究での調剤エラー(インシデント)の患者影響レベルについては、病棟への交付に至ったエラーを「レベル0以上」、患者服用に至ったエラーを「レベル1以上」、服用後に一過性の障害が発生したエラーを「レベル2以上」と定義した。また、薬剤師と看護師のミス傾向の違いを薬名の類似性としての観点から解明するために、「規格間違い」と「薬名間違い」に含まれる文字の連続表記としての共通性(≦2文字、>2文字)に応じて、「名称類似性(-)群」と「名称類似性(+)群」のエラー2群に分類することで、両職種間のミス率の違いを2群間で比較した。【成果】「名称類似性(-)群」、「名称類似性(+)群」の薬剤師の鑑査ミス率はそれぞれ11.8%(68/576)、9.2%(43/466)であり、両群間に有意差はなかった。一方、看護師の確認ミス率はそれぞれ8.8%(6/68)、20.9%(9/43)と有意な傾向があった(p=0.0691)。また、「名称類似性(-)群」における両職種間の鑑査ミス率、確認ミス率に有意差はなかったが、「名称類似性(+)群」における両職種間のミス率には有意差があった(p<0.05)。これらのことから、看護師は薬剤師と比較して名称類似性の影響を受けやすいことが示され、これらのミス傾向の差は、名称類似性に対する両職種間の認識の違いであることが明らかとなった。本研究で得られた成果は医療安全の向上に役立つことが期待できる。さらに、本研究を含むこれまでの複数の研究成果に関する総合的な解析も行っている(12.備考)。
CD133陽性・陰性口腔癌細胞の細胞接着分子の発現差異とそれを標的とした診断治療

無血清浮遊培養系にて口腔癌由来CD133陽性細胞はsphere形成能を有していたが,陰性細胞のみではsphereを形成しなかった.CD133陽性・陰性細胞を各々浮遊培養後,ヌードマウス背部皮下に移植し,造腫瘍能を比較した結果,CD133陽性細胞を含むsphere形成細胞は腫瘍を形成したが,CD133陰性細胞のみでは腫瘍は形成できなかった.また,一部の口腔扁平上皮癌細胞株で発現しているインテグリンαvβ8の口腔癌由来CD133陽性・陰性細胞における役割について明らかにするため,テトラサイクリン(Tet)発現誘導システムにより作成したSCCmock/β8TOまたはSCCαv/β8TOをTet非存在下または存在下で培養し,β8蛋白発現を検討した.その結果,各細胞はTet処理により,β8蛋白発現が誘導された.各細胞をTet存在下で24時間培養した後,Tet非存在下で培養した時のβ8蛋白発現を解析した.Tet非存在下で培養することにより,SCCmock/β8TOでは,β8蛋白発現は経時的に低下し,12時間後にはほぼ消失した.一方,SCCαv/β8TOでは,Tet非存在下で培養してもβ8蛋白発現が維持された.β8蛋白の安定発現には,αvとの二量体形成が必須であることが示唆された.さらにTet存在下または非存在下で,各種細胞外基質蛋白上でのSCCαv/β8TOの運動能を検討した.αvβ8発現細胞は,ラミニン以外の細胞外基質蛋白上での細胞遊走能が亢進した.αvβ8は口腔癌細胞の運動能を促進することで,がん浸潤に関与している可能性が示唆された.本研究より,CD133陽性細胞は口腔癌幹細胞としての特性を有し,インテグリンαvβ8の発現が口腔癌の浸潤能に関与している可能性が考えられた.したがって、口腔癌治療においてこれらを標的とした診断治療の有用性が示唆された.癌幹細胞は癌の発生・進展のみならず再発,転移および治療抵抗性にも深く関与しており, CD133は癌幹細胞の有力なマーカーとして考えられている.本研究では,CD133陽性・陰性口腔癌細胞の細胞接着分子の発現・機能を明らかにし,口腔癌に対する新たな診断・治療標的を探索することを目的とする.本年度は,ヒト口腔扁平上皮癌由来細胞株を抗CD133抗体を用いてCD133陽性細胞を分離した.CD133蛋白の発現を免疫組織学的に検討し,本分離方法によりCD133陽性細胞が再現性よく分離され,さらにCD133陽性細胞の全細胞中に占める細胞数の比率はわずか約0.5%であることを明らかにした.無血清単層培養系では,CD133陽性細胞の増殖能は陰性細胞と比較し低下していた.一方,無血清浮遊培養系では,CD133陽性細胞はsphereを形成したが,CD133陰性細胞は形成できなかった.しかし培養開始時に,CD133陰性細胞にCD133陽性細胞を加えることでsphere形成能を獲得し,その大きさや数は、CD133陽性細胞の割合が0.5%でほぼプラトーに達した.さらに,一部の口腔扁平上皮癌細胞株はインテグリンαvβ8を高発現していた.そこで口腔癌由来CD133陽性・陰性細胞におけるインテグリンαvβ8の役割について明らかにするため,扁平上皮癌細胞株に,哺乳動物発現ベクターまたはインテグリンαv発現ベクターを導入することで,それぞれSCCmockまたはSCCαvを作成した.さらに,インテグリンβ8蛋白の一過性発現のために,テトラサイクリン(Tet)発現誘導システムを用いてSCCmock/β8TOまたはSCCαv/β8TOを分離した.sphere形成にはCD133陽性細胞が必要であり、CD133陽性細胞がCD133陰性細胞と凝集することでsphere形成が開始されることが明らかとなった.しかし,CD133陽性細胞が全細胞中に0.5%しか存在せず,in vivo研究における細胞の供給,選別に時間を要しており,今後手法の改善に取り組む必要がある.無血清浮遊培養系にて口腔癌由来CD133陽性細胞はsphere形成能を有していたが,陰性細胞のみではsphereを形成しなかった.CD133陽性・陰性細胞を各々浮遊培養後,ヌードマウス背部皮下に移植し,造腫瘍能を比較した結果,CD133陽性細胞を含むsphere形成細胞は腫瘍を形成したが,CD133陰性細胞のみでは腫瘍は形成できなかった.また,一部の口腔扁平上皮癌細胞株で発現しているインテグリンαvβ8の口腔癌由来CD133陽性・陰性細胞における役割について明らかにするため,テトラサイクリン(Tet)発現誘導システムにより作成したSCCmock/β8TOまたはSCCαv/β8TOをTet非存在下または存在下で培養し,β8蛋白発現を検討した.その結果,各細胞はTet処理により,β8蛋白発現が誘導された.各細胞をTet存在下で24時間培養した後,Tet非存在下で培養した時のβ8蛋白発現を解析した.Tet非存在下で培養することにより,SCCmock/β8TOでは,β8蛋白発現は経時的に低下し,12時間後にはほぼ消失した.一方,SCCαv/β8TOでは,Tet非存在下で培養してもβ8蛋白発現が維持された.β8蛋白の安定発現には,αvとの二量体形成が必須であることが示唆された.

さらにTet存在下または非存在下で,各種細胞外基質蛋白上でのSCCαv/β8TOの運動能を検討した.αvβ8発現細胞は,ラミニン以外の細胞外基質蛋白上での細胞遊走能が亢進した.αvβ8は口腔癌細胞の運動能を促進することで,がん浸潤に関与している可能性が示唆された.本研究より,CD133陽性細胞は口腔癌幹細胞としての特性を有し,インテグリンαvβ8の発現が口腔癌の浸潤能に関与している可能性が考えられた.したがって、口腔癌治療においてこれらを標的とした診断治療の有用性が示唆された.今後は,テトラサイクリン発現誘導システムを用いて一過性に,SCCmock/β8TOまたはSCCαv/β8TOのβ8蛋白を強制発現させ,それぞれの細胞におけるβ8蛋白発現の変化を経時的に解析する.また,インテグリンαvβ8発現が口腔癌細胞の増殖,遊走能,sphere形成能に与える影響を検討する.次にCD133陽性細胞とCD133陰性細胞を各々浮遊培養後,ヌードマウス背部皮下に移植し,in vivoにおける造腫瘍能を比較する.予定していた研究が当初の計画より遅れたため、実際の使用金額が使用予定金額を下回った。次年度の研究遂行のために必要な試薬、器具、消耗品の購入等に使用する予定である。
冠血流予備能を直接評価するための負荷心筋血流シンチグラフィの新しい検査法の開発

健常部位を参照して相対的に心筋血流を評価する負荷心筋血流シンチグラフィの欠点として、多枝病変で重症度の低い領域の診断が困難であることがあげられる。この問題点を解消し、かつ短時間で検査を完了することのできる新しい検査プロトコールを考案した。Tc-99m-tetrofosminによる1日法(安静/負荷法、投与量1:3-4、投与間隔1時間)を行った。通常の2回のSPECT撮像に加え、経時的に6回のプラナー撮像の施行と実投与量の測定を行った。各SPECT像についてはBull's eye map(マップ)を作成した。安静、負荷時のマップに対して、プラナー像の心筋全体の経時的なカウント変化から推定した係数を乗算し、安静時と負荷時の投与5分後における推定カウントマップを作った。さらに安静時のマップにプラナー像から推定した係数を乗じて、負荷時投与5分後における安静時検査の残存カウントのマップを作成し、これを負荷時投与5分後のマップから減算して同時刻での負荷時に投与したRIのみに起因するカウントのマップを求めた(純負荷マップ)。安静時マップ(投与5分後)と純負荷マップをそれぞれ安静時と負荷時の投与量で除した投与量補正マップを求め、純負荷投与量補正マップを安静時投与量補正マップで除して心筋局所ごとの増加率マップを得た。40例で検討したところ、増加率は非梗塞部位で狭窄度75%以下と90%以上の間で有意差を認めた。多枝病変例、心筋症例ではびまん性の増加率低下を生じた。ただし冠血流予備能の理論値よりも増加率は低く、トレーサの集積量と心筋血流の関係が直線的ではないことなどによるものと考えられた。本法は短時間で検査が完了し(100-120分程度)、診断の補助となる増加率が求まる点が有用と考えられた。
歴史的な漆工芸品の保存修復のための自然乾燥性漆液の調製

漆の乾燥硬化は高い湿度に調節した特異な環境下で行われるが、湿度や温度の与え方が微妙で適切な管理が必要である。これは漆液の中のラッカーゼ酵素が脂質のウルシオールを酸化するために必要な条件で有る。そのあとは空気中の酸素による自動酸化により硬い塗膜が得られる。このように漆液の初期の乾燥硬化には湿度が大変重要である。湿度が高すぎると塗膜表面がチジミを起こし、逆に湿度が低いと乾燥不良になり乾かない場合が有る。この漆の特殊性が漆塗料の汎用化を阻む要因にもなっている。その要因は、希少性と採取法に裏打ちされる高価格と気触れ対策や、高湿度雰囲気を維持しなければならない乾燥管理の難しさに他ならない。本研究では、低湿度環境で自然乾燥性を持つ重合漆塗料の開発を目的として、漆液が恒温恒湿乾燥器(漆室)中でラッカーゼ酵素の酸化によって重合し、自動酸化反応を経て乾燥する過程の経時変化を調べた。生漆および素クロメ漆膜の乾燥過程におけるIR(赤外線吸収)スペクトルと抗酸化性の変化から、酵素重合が進行した漆液ほど側鎖の自動酸化が起こり易くなると推論した。そして漆塗膜と漆液薄相の乾燥性と重合度の経時変化を調べた結果、低湿度環境で自然乾燥性を発現するときの分子量分布は、ウルシオールモノマーが27%以下に減少していることが認められた。そこで低湿度環境で自然乾燥性を持つ重合漆を調製する目的で、反応容器中で生漆を反復「クロメ」を行った。すなわち簡易な実験用漆重合装置を試作し、「クロメ」処理を繰り返すことによって生漆を重合させ、漆液中のウルシオールの変化と低湿度環境(20-25°C、45-55%RH)での乾燥性を調べた。生漆は反復「クロメ」によって酵素酸化が進行し、この中に含まれるウルシオールモノマーが減少する。さらに、これらの変化に伴い,ヒドロキシル基価と抗酸化力が低下して側鎖の自動酸化が起こり易くなり、低湿度環境での自然乾燥性が発現することを見いだした。漆液を乾燥させるには塗装後2時間以内に高湿度の環境、好ましくは20°C、70%RHの条件下におかなければならない。これは漆液中に含まれるラッカ-ゼ酵素の活性維持と作用機構に基づくものであり、漆液の中のウルシオ-ルの酸化に伴い還元された酵素の酸化のために不可欠な要素である。このように低湿度では酸化が進まなく酸化の停止により乾燥が難しくなる。そのため湿度の管理や調整に細心の注意が必要になる。そこで乾燥方法の簡素化と自然乾燥性の、すなわち自動酸化型漆塗料の開発が求められてきた。本研究では恒温恒湿乾燥器内に静置した漆塗膜の経時変化を追跡し、漆液が乾燥硬化する過程の重合形態とメカニズムを系統だてて調べた。その結果低湿度環境で乾燥硬化する自然乾燥性重合塗料の開発に有効な基礎的なデーターを得ることができた。すなわち生漆および透スグロメ漆の塗膜の乾燥過程における赤外線吸収スペクトルと抗酸化性の変化から酵素重合が進行した漆液ほど側鎖の自動酸化が起こりやすくなっていることを確認した。

そして漆塗膜と漆液の薄相の乾燥性と重合度の経時変化を調べた結果、低湿度環境で自然乾燥性を発現するときの分子量分布はウルシオールモノマーが27%以下に減少していることが認められた。このことから低湿度環境で自然乾燥する重合漆は底面積が広く底の浅い容器内で生漆に給水しながらこねて攪拌することでウルシオールを重合させ、ウルシオールモノマーを減少させることにより得られる可能性を見い出した。そこで反復くろめを、試作した簡易漆液の重合装置で、くり返すことで重合させ漆液中のウルシオールの変化と低湿度環境での乾燥硬化を調べている。またウルシオールの変化と抗酸化性、ヒドロキシ基価の関係についても調べている。漆液は高い湿度の下で乾燥硬化する特殊な塗料である。これは漆液中に含まれるラッカーゼ酵素の活性維持と作用機構に基づくものであり、漆液の中のウルシオールの酸化に伴い還元された酵素の酸化のために不可欠な要素である。このように低湿度では酸化が進まなく酸化の停止により乾燥硬化が難しくなる。そのため湿度の管理や調整に細心の注意が必要になる。そこで乾燥方法の簡素化と自然乾燥性の発現、すなわち自動酸化型漆塗料の開発が求められてきた。本研究では恒温恒湿乾燥器内に静置した漆液の経時変化を追跡し、漆液が乾燥硬化する過程の重合形態とメカニズムを系統立てて調べた。その結果低湿度環境で乾燥硬化する自然乾燥性重合塗料の開発に有効な基礎的なデーターを得ることができた。すなわち生漆および透スグロメ漆の塗膜の乾燥過程における赤外線吸収スペクトルと抗酸化性の変化から酵素重合が進行した漆液ほど側鎖の自動酸化が起こりやすくなっていることを確認した。そして漆塗膜と漆液の薄相の乾燥性と重合度の経時変化を粘度とGPCによる分子量変化を調べた結果・低湿度環境で自然乾燥性を発現するときの分子量分布はウルシオールモノマーが27%以下に減少していることが認められた。このことから低湿度環境で自然乾燥する重合漆は底面積が広く底の浅い容器内で生漆に給水しながら捏ねて攪拌することでウルシオールを酵素重合させ、ウルシオールモノマーを減少させることにより得られる可能性を見い出した。そこで反復くろめを試作した簡易漆液の重合装置でくり返すことで重合させ漆液中のウルシオールの変化と低湿度環境での乾燥硬化を低湿度の除湿装置の中で乾燥硬化することを確かめた。またウルシオールの変化と抗酸化性、ヒドロキシ基価の関係を調べ、それぞれ誘導期が168時間以下、461であることが分かった。その結果から生漆の反復くろめにより低湿度環境で自然乾燥する漆が調製可能であることが分かった。
キノリンおよびイソキノリンを基盤とする蛍光性配位子の機能拡張

本研究では特に、キノリンの特性を活用した特異的蛍光センサーについて研究を行い、カドミウムイオン、亜鉛イオン、およびリン酸を厳密に区別できる化合物を開発した。連結鎖長、連結鎖に存在する配位原子の種類および数、キノリン環に存在する置換基の種類及び数、キノリンからイソキノリンへの変換等により、特定金属イオンおよびアニオンへの特異性を向上させることができた。また、その特異性発現のメカニズムをX線結晶構造解析および理論計算から明らかにした。本年度の研究により,アセトアルデヒドアンモニアトリマーを用いたC3対称型三脚アミンの新規簡便合成法を開発した。これによって得られたいくつかのキノリン誘導体について金属錯体の蛍光スペクトルのスクリーニングを行ったところ,8-MeOTQAの亜鉛錯体が極めて高い量子収率を有することを見いだした。この理由は,亜鉛錯体の結晶構造を精査することにより明らかにされた。チオエーテル連結鎖を有するビスキノリン誘導体(BQET, 6-MeOBQET, TriMeOBQET)の水銀(II)および鉄(III)イオンに対する蛍光応答を詳しく調べ,BQETは水銀(II)および鉄(III)イオンを添加することで蛍光増大を示すOFF-ON型,メトキシ基を1つ導入した6-MeOBQETは波長移動(レシオ)型,またメトキシ基を3つ導入したTriMeOBQETはON-OFF型のセンサーとなることが分かった。置換基効果と骨格効果の相乗作用によりさらなる選択性の向上を目指すために,連結鎖長,硫黄原子数,蛍光団の最適化を行い,高い感度と金属選択性を示す化合物を開発した。キノリンおよびイソキノリンを基盤とする非常に単純な構造を有する化合物の探索から研究をスタートさせ,亜鉛イオンに対する選択性に優れた蛍光センサー8-MeOTQAの開発に至った。また,チオエーテル連結鎖を有するビスキノリンの構造を基盤とし,連結鎖長,硫黄原子数,蛍光団の最適化を行い,高い感度と水銀(II)および鉄(III)選択性に優れた化合物を開発した。本年度の研究により、以下の3つの成果が得られた。(1)蛍光により亜鉛イオンを定量検出するためのプローブを開発した。1-isoHTQHPNはほとんど蛍光を発しないが、1当量の亜鉛イオンの添加により475 nmにおいて蛍光増大を示した。さらに亜鉛イオンを添加すると蛍光強度の減少が見られ、合計2当量の亜鉛イオン存在下でほとんど蛍光を発しなくなった。1-isoHTQHPNが蛍光性の亜鉛単核錯体を経て、非蛍光性の亜鉛二核錯体へと変化していることを結晶構造より明らかとし、濃度既知の1-isoHTQHPNを用いることにより、蛍光強度の増大による鋭敏な亜鉛イオンの濃度の定量が可能であることを示した。(2)リン酸イオンを蛍光で検出するプローブを開発した。HT(6-MeO8Q)HPNは亜鉛イオンと結合し、蛍光性二核錯体を形成するが、金属イオンとの親和性が低く、2当量の亜鉛イオン存在下において錯形成割合は50%程度であり、蛍光強度もそれほど高くない。そこへモノリン酸イオンを添加すると、蛍光強度が2倍になることを見いだした。ESI-MS測定およびX線結晶構造解析により、モノリン酸添加時に亜鉛四核錯体([Zn4(T(6-MeO8Q)HPN)2(μ4-PO4)]3+)を形成していることが明らかとなった。(3)テトラキスキノリン誘導体TQLNが亜鉛イオンに特異的な蛍光センサーとして機能することを見いだした。さらに、TQLNの4つのキノリンを全てイソキノリンに置き換えた1-isoTQLNがカドミウムイオンに特異的な蛍光センサーとなることを見いだした。キノリンおよびイソキノリンを基盤とする非常に単純な構造を有する化合物の探索から研究をスタートさせ、亜鉛イオンに対する選択性に優れた蛍光センサー1-isoHTQHPNの開発に至った。1-isoHTQHPNが蛍光性の亜鉛単核錯体を経て、非蛍光性の亜鉛二核錯体へと変化することを利用し、蛍光強度の増大による鋭敏な亜鉛イオンの濃度の定量が可能であることを示した。また、類似の二核化配位子HT(6-MeO8Q)HPNが、2当量の亜鉛イオン存在下において、リン酸イオンに応答し、蛍光増大を示すプローブとなることを示し、リン酸を含む亜鉛四核錯体を形成することをX線結晶構造解析から明らかにした。これは(μ4-PO4)骨格を有する亜鉛四核錯体としては初めての例である。さらに、TQLNのキノリンをイソキノリンに置き換えることにより、亜鉛イオンセンサーがカドミウムイオンセンサーに変化するという興味深い現象を見いだした。この選択性逆転は、錯形成比およびエキシマー形成効率の変化によりもたらされることを明らかにした。本年度の研究により、以下の成果が得られた。(2)TQOPEN、TQNPEN、TQSPENは細胞に取り込まれにくく、細胞内のカドミウムイオンの検出には適していなかった.そこで、TQNPENの中心に存在する窒素原子にリンカーを介して糖分子を連結した誘導体を合成し、それらを用いることによりHeLa細胞中におけるカドミウムイオンの蛍光イメージングに成功した。研究期間全体を通じて、環境中および生体中に存在する金属イオンおよびアニオン種を検出する手法の開発を研究してきた。本研究では特に、キノリンの特性を活用した特異的蛍光センサーについて研究を行い、カドミウムイオン、亜鉛イオン、リン酸を厳密に区別できる化合物をいくつか開発した。

連結鎖長、連結鎖に存在する配位原子の種類および数、キノリン環に存在する置換基の種類及び数、キノリンからイソキノリンへの変換等により、特定金属イオンおよびアニオンへの特異性を向上させることができた。また、その特異性発現のメカニズムをX線結晶構造解析および理論計算から明らかにした。本研究では特に、キノリンの特性を活用した特異的蛍光センサーについて研究を行い、カドミウムイオン、亜鉛イオン、およびリン酸を厳密に区別できる化合物を開発した。キノリンおよびイソキノリンを基盤とする単純な構造を有する化合物をもとに,カドミウムイオンに対する選択的蛍光センサーの開発に望む。また並行して,キノリン部位を有する亜鉛二核錯体によるピロリン酸の蛍光定量を目指す。さらに,キノリン部位を有する亜鉛二核錯体によるリン酸蛍光センサーの開発にも着手する。キノリンおよびイソキノリンを基盤とする非常に単純な構造を有する化合物を発展させ、金属イオンおよびアニオン種を検出する蛍光センサーの開発を行う。特に、亜鉛イオンとカドミウムイオンの識別は重要課題であるため、TQLNの構造をヒントに更なる展開を目指す。生物無機化学教育に使用した試薬の伝票を誤って科学研究費から執行したことが判明したため、後日修正した結果残額が生じた。残額は少額であり、翌年度分の助成金と合わせて予定通り執行する。