hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
ＲＮＡ医薬のデリバリーを目的とした標的指向性ＲＮＡ封入エキソソームの開発

昨年度においては、プローブであるgaussia luciferase (gLuc)とlactadherin (LA)の融合タンパク質gLuc-LAをコードするプラスミドを遺伝子導入したマウスメラノーマ細胞株B16BL6細胞の培養上清に含まれる新規のナノ粒子(LCEP; Long Circulating Extracellular Particles)が高い血中滞留性をもつことを示すデータを得た。しかしトランスフェクションの操作による細胞への強い刺激により細胞から放出されている可能性など、生体内で細胞がLCEPを産生していない可能性が考えられた。そこでまず、gLuc-LAを安定発現するB16BL6細胞株を作製し、LCEPが回収可能であることを示した。また、gLuc-LAを発現しないB16BL6細胞を用いた場合にもLCEPと考えられるナノ粒子が回収可能であることが電子顕微鏡観察により確認された。これらの結果より、少なくともB16BL6細胞においては生理的条件でLCEPを放出している可能性が高いと考えられる。またB16BL6細胞以外の細胞についてもLCEPを放出していることを示唆するデータが得られている。同時に、LCEPの物性や組成についても検討を行った。物性については、粒子径、密度を測定した。組成については、LCEP中にリン脂質が含まれることを確認したとともに、網羅的にタンパク質を調査した。ただし組成やその構造については情報が不十分であり追って検討が必要である。以上のように、本研究においては、これまでに報告されていない血中滞留性の高いナノ粒子LCEPを発見しその回収方法を確立した。今後粒子の基礎的性質についてさらなる検討が必要であるが、LCEPの生体内での機能の解明や、疾患の診断およびドラッグデリバリーへの応用などにより、医療の進歩に寄与することが期待される。平成30年度が最終年度であるため、記入しない。エキソソームは直径100nm程度の細胞外粒子であり、内因性の核酸デリバリーキャリアであることから、ドラッグデリバリーシステムへの応用が期待される。しかしながらエキソソームの血中滞留性が低いことがその実現の妨げになっている。そこで本研究では血中滞留性の高いエキソソーム画分の探索を目的として、モデル細胞としてはマウスメラノーマ細胞株B16BL6細胞を用い、培養上清中の細胞外粒子を詳細に分画した。その結果、エキソソームとは異なる粒子を発見した。この粒子をマウスに静脈内投与した結果、エキソソームと比較して長期に血中に残存した。これらの結果より、エキソソームとは異なるナノ粒子が培養上清中に存在し、これがエキソソームと比較して高い血中滞留性を持つことを見出した。発見したナノ粒子について、基礎的な性質を評価した。脂質の存在を確認するため、表面にfluoresceinを結合させ、同時に脂溶性蛍光色素PKH26により染色した後サイズ排除クロマトグラフィーにより精製したサンプルを蛍光顕微鏡で観察した。その結果、それぞれの色素に由来する緑色と赤色の蛍光が共局在することが確認された。この結果から、ナノ粒子中に脂質が存在することが示された。また、ポリアクリルアミド電気泳動により粒子にタンパク質が含まれること、エキソソームとはタンパク質組成が異なることを確認した。核酸の存在やゼータ電位など、その他の組成や物性についても引き続き検討予定である。今年度においては血中滞留性の高いエキソソーム画分の分離を目的として、培養上清中の粒子を分画した。その結果、エキソソームと比較して投与後に血中から消失しにくい新規のナノサイズの粒子を分取することに成功した。この粒子はたんぱく質と脂質を含む粒子であることを示すデータを得ている。ただし細胞がこの粒子を分泌しているのかどうかについてはさらなる検討が必要である。最終目標であるドラッグデリバリーシステムへの応用についても、高い血中滞留性を持つ性質を利用することにより目的通り標的指向性を付与することができる可能性が期待できる。総じて、当初の研究計画とは予定を変更した部分もあるが、血中滞留性の高いキャリアとなりうる粒子を発見したことにより目的通り標的臓器へのデリバリーを実現できる可能性を示しており、期待通り研究が進展したと考える。

組成については、LCEP中にリン脂質が含まれることを確認したとともに、網羅的にタンパク質を調査した。ただし組成やその構造については情報が不十分であり追って検討が必要である。以上のように、本研究においては、これまでに報告されていない血中滞留性の高いナノ粒子LCEPを発見しその回収方法を確立した。今後粒子の基礎的性質についてさらなる検討が必要であるが、LCEPの生体内での機能の解明や、疾患の診断およびドラッグデリバリーへの応用などにより、医療の進歩に寄与することが期待される。これまで小粒子の回収に当たっては、細胞にストレスを与えるトランスフェクション、回収される粒子に物理的なストレスがかかる工程などを含む回収法を用いてきたが、回収される粒子の性質を正確に評価するためにはストレスの少ない方法による回収が望ましい。そのためにこうした工程をなくす、あるいはより温和な方法に切り替えても小粒子が回収可能か検討する。小粒子の性質について以下の項目について評価する。小粒子の物性についてはゼータ電位・粒子径測定を行う。タンパク質組成についてはすでにエキソソームとは異なることを確認しているが、さらにプロテオミクス解析によりタンパク質組成を明らかにする。また脂質についても脂質抽出を行い各種脂質の定量を行う。核酸については核酸抽出を行うことで存在を確認する。小粒子の体内動態についてもさらに検討する。具体的にはin vitroでは脂溶性蛍光色素PKH67を用いて各種細胞への取り込み能の評価を行い、in vivoでは昨年度と同様gLuc-LAタンパク質による修飾法を用い、血中滞留性に加えてイメージングによる体内動態解析を行う。また、デリバリーキャリアとしての利用を念頭に、核酸の搭載方法を検討する予定である。同時に粒子への標的指向性の付与を目的に、リガンドとしてはメラノーマに高発現しているmelanocortin-1受容体に結合するKPVペプチドを選択し、これの付加によるメラノーマへのターゲティングを試みる。平成30年度が最終年度であるため、記入しない。
切迫早産妊婦における絨毛膜羊膜炎と羊中水サイトカインに関する研究

周産期管理に於ける早産の病態を解明する目的で、絨毛膜羊膜炎との関係を検討した。平成2年10月から平成5年11月の間に妊娠32週以前の早産に終わった単胎妊婦23例に於いて、分娩前後に、母体発熱および破水の有無、白血球数および分画とCRP値の検索、尿培養、膣分泌物培養、外陰肛門皮膚培養の採取を行った。またこれら早産母体より出生した児の、白血球数および分画、CRP値の検討と羊水培養、血液培養を行なった。更に、分娩時に採取された胎盤、羊膜、臍帯を病理組織学的に検討した。早産の32例は、子宮頸管無力症など頸管因子が原因である群、破水に起因して母体および新生児に明らかに感染所見があり絨毛膜羊膜炎とみられた群、および破水を伴わず、母体の感染所見乏しいにもかかわらず新生児感染症を呈した群の3群に分類した。明らかな絨毛膜羊膜炎を伴う早産群に関して、陣痛発来・破水機序に各種のサイトカインが関与しているとの報告はすでになされているが、母体の感染所見が乏しいにもかかわらず新生児感染症を呈した群では、早産に至るメカニズムは解明されていない。これらは、急速に子宮口が開大し卵膜が膣腔内に脱出して分娩に至る経過を特徴としており、早産例の13.0%(3例)に認められた。3例のともに母体感染徴候は軽度で、いずれも白血球数10,10014,500/mm^3で、母体発熱、CRP上昇も軽度もしくは認められなかった。しかしながら出生新生児の2例は、敗血症による汎血球減少症および胎児循環遺残症を併発した。3例ともに出生早期は、CRP値の上昇は認めていない。これら3例の母体の分娩前後の膣分泌物または外陰部肛門皮膚培養より、いづれも新生児の周産期感染症の起炎菌であるstreptococcus agalactiaeが検出された。しかしながら、胎盤、羊膜、臍帯に於ける絨毛膜羊膜炎は、組織学的には認められなかった。以上の臨床成績より、母体感染所見と早産・新生児感染症所見の解離が、卵膜の局所感染によるものと推察された。現在、各種周産期感染症を惹起する細菌の卵膜への局所的な感染により、貧食細胞よりサイトカイン(IL-1,6)が産生され、コラ-ゲナーゼを刺激し、局所のコラーゲン組織を変化させ、卵膜の脆弱化を引き起こす過程を、基礎実験により検討中である。
放射線低抗性がんにおける転写調節因子NF-κBの不活性化による放射線感受化機構

放射線抵抗性脳腫瘍細胞(MO54)にNF-κBの阻害蛋白であるIκB-α遺伝子を変異型(非リン酸化型)として導入し、セリン変異型(MO54-S8)、チロシン変異型(MO54-Y2)、および両変異型(MO54-SY4)のクローンを単離し、以下の知見を得た。2.チロシンホスファターゼ阻害剤のpervanadate(100mM)処理後、X線照射によって親株の放射線感受性が増大したが、MO54-Y2ではほとんど変化が認められなかった。4.X線照射後1時間培養すると、親株において7053.5および49kDaのチロシンリン酸化タンパクの検出が認められたが、MO54-S8、MO54-Y2とMO54-SY4では認められなかった。5.X線照射後PBSで6時間培養して検討したPLDR(Potentially Lethal Damage Repair)は親株では認められたが、MO54-S8、MO54-Y2とMO54-SY4では認められなかった。6.X線照射後4時間培養を行うと、親株およびMO54-Y2においてp53の増加が認められたが、MO54-S8とMO54-SY4では変化が認められなかった。p53(^<15>Ser)については親株では著明な増加が認められられ、MO54-S8とMO54-Y2では少し増加したが、MO54-SY4では変化が認められなかった。
大脳皮質形成における多様なＧタンパク質シグナル制御機構の解析

大脳新皮質形成時の多様なGタンパク質シグナルの制御機能を解明するために、(1)神経幹細胞における新規非受容体型Gタンパク質活性化因子Ric-8のGタンパク質シグナルに対する機能を解析し、Ric-8A/Bが神経幹細胞の増殖に関与し、さらにRic-8BがGsシグナルを介した神経幹細胞遊走促進効果に寄与することを見出した。(2)神経前駆細胞に特異的に発現するオーファンGPCRであるGPR56に対する機能抗体の作製を行い、グリオーマ細胞の遊走を抑制する機能抗体を得ることに成功した。さらにヒトGPR56を介した遊走抑制効果はGq/Rhoを介することが解明された。(1) Ric-8の機能解析昨年度は培養神経前駆細胞においてRic-8Bの発現抑制が自己複製能および細胞遊走を阻害することを報告した。今年度は心筋細胞を用いてRic-8Bの機能を調べた。われわれは、心肥大病態モデルマウスの心臓においてユビキチン化が亢進していることに着目し、培養心筋細胞を用いて、GqシグナルがGαsタンパク質のユビキチン化を促進し、Gαs発現量の減少およびβアドレナリン作動性受容体刺激によるcAMPレスポンスを減弱させることを見いだした。さらにRic-8Bは、Gqシグナルのこれらの効果を抑制することがわかった。このことから、Ric-8BはGαsの量的変化によりシグナル伝達を制御していることが示唆された。この結果は論文および学会発表により報告した。脳におけるRic-8の機能については、Ric-8A及びRic-8Bをノックダウンした脳組織切片における細胞の動きを継時的に観察し、さらにRic-8をノックダウンした培養神経前駆細胞の遊走に対して誘因物質や忌避物質の効果を検討中である。(2)オーファンGPCRに対する機能抗体の作製ヒトGPR49の細胞外ドメイン(GPR49ECD)のリコンビナントタンパク質を大腸菌発現系を用いて精製した。その結果、2 Lの大腸菌培養から約100 μgのリコンビナントタンパク質を得ることができた。マウスに免疫を行い、ハイブリドーマを作製し、144のクローンを得ることができた。さらにELISAにより16の陽性クローンを得た。またGPR49は筋芽細胞C2C12において高発現していることを見いだし、筋分化に伴うGPR49の機能を解析した。この結果は学会発表により報告した。さらに急性骨髄性白血病細胞AML1におけるGPR56の機能解析を行うにあたり、研究課題において作製したGPR56に対する抗体を用い、論文として発表している。大脳皮質形成における新規Gタンパク質制御機構の機能解析大脳皮質形成におけるRic-8の機能を解析するために、内在性Ric-8AおよびRic-8BをノックダウンするためのshRNA発現アデノウィルスベクターの作製を行った。これを用いてマウス培養神経前駆細胞に対するRic-8AおよびBの機能解析を行った。神経前駆細胞の増殖に対する効果を検討したところ、Ric-8AおよびRic-8Bともにノックダウンすることにより、増殖能が減弱した。また、ボイデンチャンバー法を用いて細胞遊走能に対する効果を調べたところ、Ric-8Aのノックダウンは効果がなかったが、Ric-8Bのノックダウンにより神経前駆細胞の遊走能が減少した。われわれはGsシグナルが細胞遊走促進に働くこと、Ric-8BがGsシグナルを増強することを既に報告しているが、この結果から神経前駆細胞においてRic8BがGsシグナルによる細胞遊走促進活性に寄与していることが考えられた。オーファンGPCRに対する機能抗体の作製ヒトGPR56に対するモノクローナル抗体を作製し、機能抗体としてのスクリーニングを、細胞内Ca濃度上昇、U87グリオーマ遊走能を指標に行った。その結果、3種類のアゴニスト様抗体を得ることができた。また、これら機能抗体による効果は、Gq特異的阻害剤であるYM684790により阻害されたことから、Gqを介したシグナルが示唆された。一方、大脳皮質において発現しているGPR49(LGR5)およびlatrophilinに対する機能抗体を作製するために、Sf9/バキュロウィルスの発現系を用いて、細胞外ドメインのリコンビナントタンパク質の調製を試みた。しかしながら、抗原として用いるまでの収量および精製度に至っておらず、条件を検討している。ヒトGPR56に対するモノクローナル抗体を作製し、U87グリオーマの細胞遊走を抑制する機能抗体として17CC, 4C3, 11E9の3種類、機能は示さないがGPR56の細胞外領域を認識する非機能性抗体が数種類得られた。

GPR56に対する機能抗体によるU87グリオーマの細胞遊走抑制活性は、Gq特異的阻害剤YM-254890により阻害されることから、Gqを介したシグナル伝達系が細胞遊走抑制活性に関与することが示唆された。また、機能抗体は細胞内Ca2+濃度を増加させ、この効果はYM-254890により阻害された。さらに機能抗体による遊走抑制活性は、Rhoキナーゼの阻害剤Y27632により抑制されたことから、GPR56シグナルは、Gq-Rhoシグナル系を介して細胞遊走を抑制していることが考えられた。この成果は、26年度日本細胞生物学会で口頭発表し、また論文として報告した。また、GPR49に対する機能抗体の作製は、Sf9/バキュロウィルス発現系を用いて作製を行ったが、収量および精製が進行しなかったため、大腸菌発現系を用いて行った。その結果、免疫に必要な量の抗原タンパク質を得ることに成功し、GPR49細胞外領域に対するモノクローナル抗体の作製を行った。一方、GPR49は筋芽細胞であるC2C12において発現が確認されたため、C2C12の増殖あるいは分化において機能していると考え、分化に伴うGPR49の発現変化を調べた。その結果、分化に伴いGPR49の発現量が増加することがわかった。さらに、GPR49の過剰発現による分化の促進、shRNAを用いたノックダウンによる分化の抑制がみられたことから、GPR49が筋芽細胞の分化に関与することが示唆された。C2C12細胞の分化に対するGPR49の機能は、GPR49に対する機能抗体をスクリーニングする手段として有効であり、今後、大脳皮質形成過程におけるGPR49の機能を調べる上でも役立つことが期待される。生化学、神経科学、細胞生物学神経前駆細胞における新規Gタンパク質調節因子Ric8の機能に関しては、昨年度の結果をさらに発展させ、Ric8をノックダウンさせることにより、各種誘因物質および忌避物質による細胞遊走に対して効果を見いだすことができた。この結果は、Ric-8をノックダウンさせるためのアデノウィルスを用いた脳切片培養系での細胞遊走促進効果を裏付ける結果となった。しかし、今後さらなる再現性、また細胞の動きなどを詳細に検討する必要がある。抗体作製に関しては、ヒトGPR56に続き、GPR49においてもリコンビナントタンパク質の調製に成功した。さらにlatrophilinに対する細胞外ドメインのリコンビナントタンパク質も、細胞外ドメインの一部分に限定して調製できるようになった。現在、latrophilinに対する抗体作製に関しても進行中である。神経前駆細胞における新規Gタンパク質調節因子Ric8の機能に関しては、ノックダウンさせることにより内在性の機能、特に増殖、細胞遊走に対する効果を見いだすことができた。またノックダウンさせるためのアデノウィルスを用いて脳切片培養系での詳細な細胞動態の検討を行いつつある。オーファンGPCRに対する機能抗体作製に関しては、ヒトGPR56に対する機能抗体を3種類得ることに成功した。これらの抗体を用いて、抗体認識部位の同定を行っているところである。しかしながら、予定していた脳に発現するオーファンGPCRであるGPR49およびlatrophilinに対する機能抗体の作製にあたり、抗原として用いるための細胞外ドメインのリコンビナントタンパク質をSf9/バキュロウィルス発現系を用いて作製を行ったが、収量および精製が進行しておらず、抗体作製までに至っていない状況である。
3次元閉じ込めによる超微粒子電子励起状態の変容と光応答の理論

1.前年度に引続き、量子ドット・ランダム格子系の光応答特性の理論的解析を行った。ゼオライトなど、現実のマトリックス中の超格子上にランダムに配列されたゼロ次元系(クラスター、超微粒子)を、2準位モデルで近似し、マトリックスの誘電率の効果と、励起状態のダンピングの効果を現象論的に取り込む。フォトン場のグリーン関数の連立方程式に対する自己無矛盾の近似(CPA)を適用し、充填率の関数として数値的に計算した。これから試料の誘電関数および垂直入射の反射率を求めた。飽和充填の近傍で、反射率の異常な増強が予言され、予備的実験結果を定性的に説明することが出来た。2.メゾスコピック系の示す著しい量子効果である量子トンネリングの概念を、励起子や2原子分子などの複合粒子に適用し、その特徴を理論的に明らかにした。複合粒子のサイズがポテンシャルバリアの空間的サイズに比して充分小さければ、実質的に1粒子のトンネリングに異ならないが、バリアの厚さが粒子サイズと同程度以下に薄くなると、内部自由度の効果が顕著になる。1次元2原子分子のモデルにより透過係数を計算し、たとえ単一バリアのトンネリングであっても、この効果により、著しい共鳴トンネリング現象が起こりうることを見いだした。同様の多自由度性に基づく共鳴トンネリング効果は、ワニア励起子の単一ヘテロバリアトンネリングにおいても起こりうること、また光応答の測定によりそれが観測可能であることを予言した。3.2重量子井戸構造に振動外場を印可して、トンネリング確率を制御できる。トンネリング系を2準位モデルで近似し、ランダウ・ゼナー型の多重準位交差に対して転送行列解析を行った。その結果、いわゆるトンネリングのコヒーレント抑制が遷移経路間の干渉効果で説明できることを示した。
パノスコピック形態制御された希土類系物質の電磁物性とその高次機能設計

1.希土類物性予測・解明・設計a)Nd_2Fe_14Bとα-Fe界面での交換相互作用の強度を,局所密度汎関数法に基づく電子状態の第一原理計算から計算し,界面の方位により交換相互作用の強度に差があることを見いだした。b)高濃度近藤化合物であるCeAu_2Si_2について,電気抵抗の温度変化を高圧下で評価した。電気抵抗は反強磁性転移点でピークを示し,ピーク値は圧力の増加と共に増加した。また,メタ磁性転移磁界は圧力と共に上昇した。c)RE添加したBi系熱電酸化物や希土類系高温超伝導について磁気異方性を評価し,磁化容易軸の方向については,REの4f電子のStevens因子で理解できることがわかった。同じ符号のStevens因子でも磁気異方性に与える影響は,REの種類によって大きく異なり,重希土類ほど磁気異方性増強効果が大きいことが見いだされた。d)Agについて,Y123溶融凝固バルク超伝導母相への効果を調べ,臨界温度がc軸成長が進むほど低下することから,Ag固溶度が成長とともに増加することがわかった。これに伴って,酸素アニール温度とTcの関係も変化した。格子定数の変化などからAgは1価で2配位として一次元鎖部に入る可能性が示唆され,キャリア注入の役割を果たす酸素イオンの導入を阻害していることが原因であると結論した。2.新・高機能の発現e)添加元素とパルス熱処理を組み合わせることにより,厚膜磁石の保磁力を著しく改善できることが見いだされた。これを利用することにより,(BH)_<max>が180kJ/m^3を超える異方性厚膜磁石を高速成膜することに成功した。また,超多周期積層型交換スプリング磁石については,軟磁性相としてα-Feを使用することにより,90kJ/m^3程度の(BH)_<max>を有する等方性交換厚膜磁石を得た。f)強磁場プロセッシングによるNd-Fe-B系焼結磁石の保磁力改善の機構,改善条件を明確にするために,Dy量,プロセッシング中の印加磁界強度等を変化させて改善効果を評価した。改善効果は印加磁場に比例して増加した。また,Dy増加と共に飛躍的に顕著となった。これらの結果は,粒界相粒子の磁場配向モデルで説明可能である。バルクReCo_5(Re:希土類元素)の磁気モーメントと交換相互作用エネルギーを密度汎関数法により評価し,実測値と良く一致することを示して原子レベルでの物性研究をスタートさせた。また,圧力誘起電子物性について研究し,CeAl_2における高圧下での電気抵抗率の測定から,高圧印加により量子臨界点が現れること発見した。さらに,強磁場下でNdFeB系磁石の焼結によりその保磁力が大幅に改善されることを見いだし,主相と粒界相との界面における原子レベルでの格子整合関係と関連してその起源を考察した。超磁歪材料については,Terfenol-Dの磁気・磁歪特性を計算機シミュレーションし,結晶粒径を限界値以下に微細化することにより,飽和磁歪値を損なうことなく軟磁性を飛躍的に改善できることを見いだした。材料開発は以下の様に進めた。磁石材料については,新しいPLD法による超多周期Nd_2Fe_<14>B/Fe_3B積相型交換スプリング磁石の作製に成功し,高い最大エネルギー積が得られることを示した。超伝導材料については,ErBa_2Cu_3O_y(Er123)へのCeO_2とPtの適量の共添加が溶融凝固体の臨界電流特性の向上に著しい効果を示すことを見いだすと共に,溶融凝固体のc軸方向の結晶成長部分が特に超伝導性・臨界電流特性に優れることを明らかにした。熱電材料については,さまざまなReを添加したCa_3Co_4O_9(Ca349)を作製し,Re=Y,Sm,Tb,HoのときCaサイトの約25%を置換することが可能であることを発見し,熱伝導率を焼結体試料で実用レベルの約5分の1まで向上させた。また,Tb添加量と共に磁気異方性が強まることを見いだした。以上の成果について,班会議(1月,長崎)で情報交換すると共に,全体成果報告会(2月,東京)開催時に来年度の計画打合せ会を開催した。希土類化合物の磁性を明らかにするために,局所密度汎関数法に基づく第一原理計算によりSm(Co_<1-x>Cu_x)_5の磁気モーメント,キュリー温度,ネール温度を計算した。また,La_<1.4>Sr_<1.6>Mn_2O_y化合物のMn価数及びMnO_6八面体構造を制御し,La327の強磁性磁気状態への変化を発見すると共に,La327系の本質的磁気抵抗効果の理解を進めた。さらに,マイクロマグネティクス理論に基づき磁歪,結晶磁気異方性と軟磁性の関係を解析し,磁歪をある一定値以上に大きくなることにより軟磁性を改善可能であることを示し,超磁歪・超軟磁性が併せ得られる材料条件を明らかにした。これらの研究を基礎として,層状構造,強磁界,極限環境を利用した高次機能電磁材料の開発を行った。層状構造の利用した,Nd-Fe-B系超多周期の硬・軟磁性複合交換厚膜磁石については,その高機能化と厚膜化に成功した。

また,層状化合物CeNiGe_2の単結晶育成に成功し,低温で巨大磁気抵抗が存在することを明らかにした。さらに,RE添加Bi系層状熱電酸化物について,層状構造のブロック層に着目し,c軸磁化容易軸をもつBi-Co-Oを開発した。強磁場プロセッシングでは,Nd-Fe-B磁石の高保磁力化に成功し,そのメカニズムを提案した。極限環境の利用については,新規なPLD法を用いてNd-Fe-B系異方性厚膜磁石の高性能化に成功した。また,Fe/Tb人工格子の作製に成功し,磁気相図を明らかにすると共に,高圧下の磁気抵抗の観測に成功した。REBa_2Cu_3O_y高温超伝導体については,溶融凝固過程の2種類の結晶成長に着目して大きなc-growth領域を有するバルク磁石を作製した。さらに,高圧合成によって得られたCeCu_6及びCeIn_3について,合成の条件により化合物中のf電子の電子状態を制御可能であることを明らかにした。1)機能予測・解明・設計a)R_2Fe_<14>B(R=Y)を取り上げ,密度汎関数法に基づく電子状態の第一原理計算から、バルク状態での磁気モーメントとモーメント間の交換相互作用エネルギーおよび結晶磁気異方性に関する評価を行うとともに,実験との比較より本手法の妥当性を確認した。b)(La,Sr)_3Mn_2O_y系巨大磁気抵抗酸化物について,酸素量制御により特性制御が可能であることを見出した。c)マイクロマグネティクス理論に基づき磁歪と結晶磁気異方性の関係を解析した結果,磁歪の小さな領域では磁歪は軟磁性を悪化させるが,磁歪をある一定以上に大きくすること或いは結晶粒は限界値より小さくすることにより,超軟磁性・超磁歪が達成されることが確認された。2)新・高機能の発現d)化学修飾により(Bi,Pb)Sr222の特性改善に成功した。(Bi,Pb)((Ca_<0.75>Sr_<0.25>)_<0.9>Dy_<0.1>)222は,Sr添加による導電率改善とDy添加による異方性増加により,低磁場配向においても高磁場配向(Bi,Pb)Sr222に勝る熱電特性を示した。e)Y123溶融バルク超伝導体において,キャリアの強いオーバードープ状態を達成することにより、磁場中においてJ_c特性が大きく向上し,不可逆磁場の改善にも成功した。3)極限環境の利用f)Nd-Fe-B系焼結磁石について,140kOeの強磁場中で低温熱処理を行ない,磁場中熱処理による保磁力の顕著な上昇が見られた。g)PLD法により作製した超多周期積層型硬・軟複合厚膜において,成膜速度を落とすことなく,膜表面に存在する粒子を抑制する新しいPLD法を開発した。h)希土類物質の高圧下での物性を研究し,常圧では合成できないα-CeCu_6の高圧合成に成功した。1.希土類物性予測・解明・設計a)Nd_2Fe_14Bとα-Fe界面での交換相互作用の強度を,局所密度汎関数法に基づく電子状態の第一原理計算から計算し,界面の方位により交換相互作用の強度に差があることを見いだした。b)高濃度近藤化合物であるCeAu_2Si_2について,電気抵抗の温度変化を高圧下で評価した。電気抵抗は反強磁性転移点でピークを示し,ピーク値は圧力の増加と共に増加した。また,メタ磁性転移磁界は圧力と共に上昇した。c)RE添加したBi系熱電酸化物や希土類系高温超伝導について磁気異方性を評価し,磁化容易軸の方向については,REの4f電子のStevens因子で理解できることがわかった。
新規オートファジーシステムにおける基質核酸の選択性とそのメカニズムの解明

ATP依存的にリソソームがRNA/DNAをリソソーム内部に直接取り込み、分解するという新たなRNA/DNA分解システムが2013年に発見され、それぞれRNautophagy/DNautophagy (以下RDAと略)と名付けられた。さらに、1回膜貫通型リソソームタンパク質であるLAMP2のスプライスバリアントの1つとして知られているLAMP2Cが、細胞質側において核酸と結合し、これらのシステムにおける核酸受容体の1つとして機能することも明らかにされている。本研究によって、LAMP2Cの核酸結合ドメインはpoly-dA/A、poly-dC/C、poly-dT、poly-Uと結合しない一方、poly-dG/Gとは結合したことから、少なくともin vitroにおいてLAMP2Cの核酸結合活性はある程度の選択性を有することを見出した。特に、LAMP2Cと結合しない核酸を具体的に示したのは、本研究が初の成果である。さらに、LAMP2Cと結合する核酸はRDAの基質となる一方で、LAMP2Cと結合しない核酸はRDAの基質とならないということも示した。これらの結果から、RDAにおいて核酸のリソソーム内腔への取り込みには細胞質側でリソソーム膜タンパク質と核酸との結合が必要であることが考えられた。また、本研究によって、リソソーム関連タンパク質が核酸結合活性を有することも明らかとなった。それに加えて、このリソソーム関連タンパク質の核酸結合活性に重要な役割を果たすアミノ酸残基の同定についても成功した。本研究課題は、RDAの分子メカニズムを解析することにより、細胞内核酸分解システムの解明に貢献するものであると考えている。29年度が最終年度であるため、記入しない。最近、RNautophagy/DNautophagy (RDAと略)というリソソームがATP依存的にRNA/DNAを直接取り込み、分解するという新規RNA/DNA分解システムが発見された。さらに、これらのシステムにおいて、リソソーム膜タンパク質であるLAMP2Cが核酸受容体の1つとして機能することも明らかにされた。しかし、これらのシステムにおいて基質RNA/DNAの選択性が存在するのかどうかは不明であった。よって、今年度は主に、RDAの基質となるRNA/DNAの特徴の解析を行った。まず、LAMP2Cの核酸結合ドメインのペプチド(LAMP2Cペプチドと略)と単一の塩基からなる4種類の1本鎖RNAを用いてプルダウンアッセイを行った。その結果、LAMP2Cペプチドはpoly-A、poly-U、poly-Cと結合しないという一方で、poly-Gとは結合した。DNAにおいても同様の実験を行ったところ、RNAと同様に、LAMP2Cペプチドは選択的にpoly-dGと結合した。続いて、LAMP2Cペプチドと結合したRNA/DNAが実際にRDAの基質となるのか解析した。マウスからリソソームを単離し、RDAによる核酸取り込み実験を行ったところ、結合実験の結果と一致して、RDAはpoly-G/dGを選択的に取り込んだ。さらに、電子顕微鏡を用いた解析を行い、poly-Gがリソソームの内側に取り込まれていることを確認した。以上のことより、RDAの受容体であるLAMP2Cがある程度の選択性を有し、同様の選択性をRDAにおいても有するということがわかった。以上のことを論文にまとめ、報告を行った。RNautophagy/DNautophagyがある程度の選択性を有することを示し、論文として報告することができたので、上記の判定とした。核酸がATP依存的にリソソームによって直接取り込まれ、分解されるという新たなRNA/DNA分解システムが2013年に報告された。それらは、それぞれRNautophagy/DNautophagyと名付けられた。これらのシステムは細胞質中のRNA/DNAを分解するシステムの1つであり、リソソームによる分解システムであるオートファジーの一種であると考えられる。さらに、リソソームメンブレンプロテインであるLAMP2Cがこれらのシステムにおいて核酸受容体の1つとして機能するということについても報告されている。しかし、その一方で、LAMP2Cが欠損している(発現していない)リソソームにおいてもRNautophagy/DNautophagyの活性が残存している、つまり、RNautophagy/DNautophagyにはLAMP2C非依存的な経路が存在するということがわかっているが、その詳細はわかっていない。そこで、平成28年度は主にRNautophagy/DNautophagyのLAMP2C非依存的な経路の解析を行った。その結果、数種類のリソソーム関連タンパク質はRNA/DNAともに結合することがわかった。さらにこのRNA/DNA結合能はin vitroにおいて、ある程度の選択性を有することを見出した。この選択性は、本研究課題において平成27年度に見出した、RNautophagy/DNautophagyにおける核酸受容体の1つであるLAMP2Cの選択性と同様のものであった。以上の結果は、これらの数種類のリソソーム関連タンパク質はRDAにおけるLAMP2C非依存的な経路の受容体として機能する可能性を示唆している。数種類のリソソーム関連タンパク質が核酸と結合することを発見することができたので、上記の判定とした。

さらに、1回膜貫通型リソソームタンパク質であるLAMP2のスプライスバリアントの1つとして知られているLAMP2Cが、細胞質側において核酸と結合し、これらのシステムにおける核酸受容体の1つとして機能することも明らかにされている。本研究によって、LAMP2Cの核酸結合ドメインはpoly-dA/A、poly-dC/C、poly-dT、poly-Uと結合しない一方、poly-dG/Gとは結合したことから、少なくともin vitroにおいてLAMP2Cの核酸結合活性はある程度の選択性を有することを見出した。特に、LAMP2Cと結合しない核酸を具体的に示したのは、本研究が初の成果である。さらに、LAMP2Cと結合する核酸はRDAの基質となる一方で、LAMP2Cと結合しない核酸はRDAの基質とならないということも示した。これらの結果から、RDAにおいて核酸のリソソーム内腔への取り込みには細胞質側でリソソーム膜タンパク質と核酸との結合が必要であることが考えられた。また、本研究によって、リソソーム関連タンパク質が核酸結合活性を有することも明らかとなった。それに加えて、このリソソーム関連タンパク質の核酸結合活性に重要な役割を果たすアミノ酸残基の同定についても成功した。本研究課題は、RDAの分子メカニズムを解析することにより、細胞内核酸分解システムの解明に貢献するものであると考えている。核酸との結合を解析する生化学的実験などを実施し、課題の達成を目指す。核酸の結合能を生化学的実験などを行うことによって、課題達成に向けて研究を行っていく。29年度が最終年度であるため、記入しない。
高速応答位相共役鏡共振器におけるセルフポンプ発振の研究

広ストライプ半導体レーザへの斜め光フィードバックにより高速応答の位相共役鏡を構成したが、その位相共役反射率は最大でも80%にとどまり、セルフポンプ位相共役共振器での自励発振をまだ実現できていない。自励発振前の現状での光スペクトルは、多数の素子モードが存在していたため、反射鏡に回折格子を用いて素子モードを単一化することにより、外部鏡モードも同時に単一化されることを明らかにした。遅延自己ヘテロダイン法を用いてその線幅を測定し、210kHzを実測した。発散球面波を用いた斜め光フィードバック実験で、共振器長Lを短縮化することによりフィードバックパワーを増大させ、位相共役反射率の増大を追及したが、共振器長をL=10cm以下に減少させると位相共役反射率の増大が飽和の傾向を示した。これはLの短縮化に伴いフィードバックされる角度成分が増加し、活性層内で形成されるキャリア密度の空間的回折格子の周期に、多数の周期の異なる成分が含まれるようになり、空間的回折格子の実効長が減少したためと考えられる。広ストライプ半導体レーザの発振スペクトルを観測した結果、発振しきい値以上の注入電流では、垂直および斜め光フィードバック時の両方で、多数の素子モードで発振していることが明らかになった。位相共役鏡共振器の自励発振に成功した場合にその発振線幅を実験的に検証するための遅延自己ヘテロダイン測定系を既に立ち上げており、7kmのファイバ遅延線長から決まる計測分解能は約14kHzである。1.広ストライプ半導体レーザの発振スペクトルが、発振しきい値以上の注入電流では、垂直および斜め光フィードバック時の両方で、多数の素子モードで発振していることを前年度観測していたため、今年度は位相共役共振器内を周回する光のスペクトルを、素子モードと外部共振器モードに区別して観測し、縦モードの単一化を図った。平面反射鏡からのθ=5°の斜めフィードバック実験では34本の素子モードが発振していたが、ブレーズド回折格子に11倍のビームエクスパンダを組み合わせた斜めフィードバック実験により、サイドモード抑圧比15dB以上で素子モードを単一化できることを明らかにした。2.更に、3GHzの自由スペクトル間隔(FSR)を持つファブリ・ペロ分光器を用いたより詳細な外部鏡モード(モード間隔0.27GHz)の観測では、θ=0°の垂直フィードバック時には約10本の外部鏡モードが発振しているが、θ=5°の斜めフィードバックに移行するだけで、単一の外部共振器モードで動作することを初めて実証した。これは、斜めフィードバック実験でのみ実装される位相共役共振器の効果であると考えられる。なお、この斜めフィードバックにおける外部鏡モードスペクトルの観測では、位相共役共振器に特徴的なc/4L(0.135GHz)のスペクトル間隔も観測している。3.従来は多数素子モードのスペクトル状態で位相共役反射率Rpcを測定し、Rpc=40%80%の実測値を得てきたが、単一素子モード条件下で位相共役反射率を実測してもほぼ同等の値が得られた。これは光波を斜め方向からフィードバックし空間的回折格子を形成することが位相共役鏡の核心部であり、この光波に複数の波長成分が含まれていてもその波長差が中心波長の1%以下では空間回折格子の周期にほとんど差を生じないためである。1.前面側15%、裏面側95%の反射率構造を持つ長さ250μm、幅50μmの広ストライプ半導体レーザを用いたセルフポンプ型位相共役反射率の実測値は40%80%にとどまっており、共振器自励発振の目安である100%を越える位相共役反射率を実現できていない。平面反射鏡の代わりにブレーズド回折格子とビームエクスパンダを組み合わせたθ=5°の斜めフィードバック実験により、素子モードと外部鏡モードを同時に単一化できることを見出し、現状のセルフポンプ型位相共役フィードバックで動作する単一外部共振器モードの発振スペクトル線幅を遅延自己ヘテロダイン法を用いて測定したところ、7km遅延ファイバ(分解能14kHz)を用いて210kHzのスペクトル線幅を実測した。この線幅は測定分解能よりも十分大きく、本研究で狙った輝線スペクトルに近い狭線幅に到達していないのは、セルフポンプ型の自励発振が実現されていないためと考えている。2.位相共役反射率の構造定数依存性を検討するため、前面側4%、裏面側98%の反射率構造を持つ長さ2000μm、幅50μmの広ストライプ半導体レーザの位相共役反射率を実測すると、最適の斜めフィードバック角はθ=0.6°で、位相共役反射率も10%20%程度まで減少した。これは、レーザ長の増加に伴って、両端面間でストライプ幅内を斜め方向に伝搬できる自然放出光の入射角度が減少すると共に、利得狭窄の効果で遠視野増の広がりが更に狭まるためである。3.逆に、レーザ長をより短縮化し、ストライプ幅を100μmまで広げると、斜めフィードバック角θを大きく出来るためストライプ幅内に形成できる空間回折格子本数を倍増できることになり、自励発振に必要な位相共役反射率を実現できる見込みがある。その際、前面側反射率を0.1%程度まで抑圧して、共振器方向の通常のレーザ発振を抑圧することが望ましい。

自励発振前の現状での光スペクトルは、多数の素子モードが存在していたため、反射鏡に回折格子を用いて素子モードを単一化することにより、外部鏡モードも同時に単一化されることを明らかにした。遅延自己ヘテロダイン法を用いてその線幅を測定し、210kHzを実測した。1.位相共役反射率の実測値は40%80%まで向上したが、位相共役鏡共振器の自励発振の目安である100%を越える反射率の実現までにはあと少しである。前面反射率の更なる低減やより高精度な反射防止膜の可能性を追求し、位相共役鏡共振器の自励発振の実現を早急に図る必要がある。2.外部反射鏡に波長選択機能を付加することにより、位相共役共振器内を周回する光のスペクトルを、素子モードと外部鏡モードが共にシングルとなる状況を実現することができた。これにより、本来のターゲットである発振線幅狭窄化の実証実験を、今後開始することが可能となった。光エレクトロニクス、量子エレクトロニクス1.ブレーズド回折格子からの斜め光フィードバック実験により素子モードと外部鏡モードを共に単一モードとすることができたため、この条件下で、1外部鏡共振器長Lを波長程度変化させても位相共役共振器の効果により光出力に変動が生じないことの実験的検証、2単一の外部鏡モード状態でのスペクトル線幅を、(A)遅延自己ヘテロダイン測定法と(B)独立した2台の位相共役共振器からの光によるヘテロダイン測定法の両者を用いて実験的に明らかにする。2.現状の広ストライプ半導体レーザは前面側15%、裏面側95%の反射率構造を持つため、位相共役鏡共振器の自励発振の前に、広ストライプ半導体レーザの前面と裏面反射鏡の間で通常のレーザ発振が生じてしまっており、この発振光の存在により利得が飽和した条件下での光非線形動作となっている。前面反射率3.75%の広ストライプ半導体レーザを入手したため、発振しきい値の上昇に伴うしきい値での増幅利得の増加による位相共役反射率の向上が期待できる。更に広ストライプ半導体レーザの前面側反射率を0.1%程度まで低減できれば、通常のレーザ発振が起こる前に活性層内で形成されるキャリア密度の空間的回折格子に基づく位相共役鏡共振器の自励発振が立ち上がる可能性があり、その場合には未飽和利得に近い光非線形動作を実現できる可能性がある。位相共役反射率の実測値は40%80%まで向上したが、位相共役鏡共振器の自励発振の目安である100%を越える反射率の実現までにはあと少しであり、更なる工夫が必要である。垂直および斜め光フィードバック時の広ストライプ半導体レーザの発振スペクトルは、素子モードと外部共振器モードの両方で多モード発振しているように見受けられ、位相共役鏡共振器が自励発振した場合の発振線幅測定の前提となるスペクトル特性が、素子モードと外部鏡モードが共にシングルであるような状況に近づける工夫が必要である。今後、平面鏡に替えて、波長選択特性を持つ回折格子からの垂直および斜め光フィードバック実験を行い、単一素子モード発振条件下での、高分解能ファブリペロ分光器を用いた外部鏡モード特性の観測を通じて、素子モードと外部鏡モードが共にシングルである実験条件下で、外部鏡共振器長Lを波長程度変化させても位相共役共振器の効果により光出力に変動が生じないことを実験で確かめたい。現状の広ストライプ半導体レーザは前面側15%、裏面側90%の反射率構造を持つため、位相共役鏡共振器の自励発振の前に、広ストライプ半導体レーザの前面と裏面反射鏡の間で通常のレーザ発振が生じてしまっており、この発振光の存在により利得が飽和した条件下での光非線形動作となっている。
３次元フォノニック結晶を利用した高性能くさび型音響導波路の設計

我々は、無フォノン環境を可能にする3次元フォノニック結晶と、厚さが冪関数で変化するくさび型導波路における音響波エッジモードの解析を行った。3次元フォノニック結晶は、面心立方構造と六方最密構造をもつ人工オパールを想定し、FDTD法を用いて分散関係を計算した。その結果、どちらの構造においても、バンドギャップが出現した。しかし、オパールを形成するシリカ球同士の結合度合を大きくすると、そのギャップは消失する。厚さが冪関数で変化する楔型導波路においては、冪の増加とともに、弾性波が楔の先端部分に強く局在するようになり、その滞在時間が増加する。この結果は、高効率の導波路モード実現のためには有効な情報である。前年度は、主として導波路を設置するための基板である3次元フォノニック結晶中を伝播する弾性波に対するバンド構造の計算を行ったが、本年度は、高効率くさび型導波路の設計において、もう一つの柱となる厚さが先端からの距離のべき関数として変化するくさび型導波路における先端近傍にエネルギーを集中させながら伝播する導波路モードの研究をおこなった。楔の先端が有限の幅を持つ場合、導波路モードは有限の時間だけ近傍にとどまることができるが、その滞在時間(位相時間)を、Timoshenkoモデルを用いて評価した。その結果、べきの数が大きくなるにしたがって、滞在時間は長くなることを見出した。また、先端の有限幅の大きさに対しても滞在時間が大きく依存することを示した。さらに、3次元空間における弾性体の運動方程式を、時間領域有限差分法(FDTD法)を用いて正確なシミュレーションを行うことによって、先端部分での変位ベクトルの周波数スペクトルを求め、スペクトルピークの位置と幅から固有振動数とその寿命の見積もりをおこなった。その場合においてもTimoshenkoモデルと同様に、べきの数が大きくなるに従い、固有振動数が低周波数側にシフトし、寿命が長くなることを見出した。FDTD法を用いた計算においては、縦波や横波などすべての励起可能なモードが計算に含まれているが、その中で導波路モードになる可能性をもつモードが、低周波数領域において、たわみモードのみであることを見出した。Timoshenkoモデルにおいては、近似のため、たわみモードしか考慮されていない。また、伝播方向の波数ベクトル依存性を見ると、固有振動モードは波数ベクトルの大きさが大きくなるに従い、くさびの先端にエネルギーを集中させ、長い寿命を持つことが見出された。これらの結果は、導波路の設計の際に有用になると期待される。本年度は、3次元フォノニック結晶が実際に人工オパールであることを想定し、粘性をもつ液体(水やグリセリンを想定)中に並べられたシリカ球に対するバンド計算を実施した。粘性は、近似的に弾性定数を複素数に拡張することで取り込むことができる。この際、その虚数部分は周波数に比例すると仮定する(粘性抵抗力のはたらく流体モデル)。使用した方法は、平面波展開法であり、弾性定数が周波数に依存するために、得られた固有値方程式は、周波数について二次の非線形方程式となる。得られた結果は、粘性率が比較的小さい場合、バンド構造中にバンドギャップが出現したが、粘性率を大きくするに従って、バンド構造中に不安定なバンドが出現し、周波数ゼロ近傍に多くのバンドが現れた。また、方程式を解くことによって得られた周波数は、複素数となるが、その虚数部分は、弾性波の減衰率を表す。結果として得られた減衰率は、周波数が大きいほど大きな値をとり、この系を伝播する弾性波は、時間とともに急激に消失してしまうことがわかる。この結果は、導波路の基板となるフォノニック結晶を比較的粘性の大きい液体(グリセリン等)を用いて作製した場合、導波路から漏れ出した弾性波はすぐに減衰してしまうので,高性能な導波路の作製には適さないことがわかる。水のような粘性の小さな液体に関しては、依然としてバンドギャップが存在するので、その周波数帯からなる導波路中の弾性波は、たとえ漏れ出たとしても、基板であるフォノニック結晶に形成したバンドギャップにより減衰が抑えられることになる。これは、高性能な導波路の形成を意味する。高効率くさび形導波路の設計の柱となるのが、3次元フォノニック結晶において大きなバンドギャップを得ることと、厚さが先端からの距離の冪関数で変化するくさび型音響導波路にどのような導波路モードが励起可能かを調べることである。本年度は、3次元フォノニック結晶としてオパールを想定し、音響波に対するバンド計算を行い、バンドギャップが大きくなるように物質パラメータの最適化を行った。オパールは球状の二酸化シリコンが最密構造(面心立方格子)をとるように積み重なって形成される物質であり、3次元フォノニック結晶を構成する。

バンドギャップの大きさを決定するパラメータは、二酸化シリコン球同士の接触具合(焼結パラメータと呼ぶ)であり、これを連続的に変化させることによって、バンドギャップの大きさを計算した。得られた結果は、焼結パラメータが小さければ第一バンドギャップは単調に大きくなり、完全バンドギャップを形成することを見出した。また、六方最密構造をとった場合の計算も行ったが、これも同様に、焼結パラメータを小さくすることによって、単調に大きくなるバンドギャップを得ることに成功した。また、厚さが先端からの距離の冪関数で変化するくさび型の導波路における局在モードの固有振動数の計算も行った。以前、他の研究グループで扱われたTimoshenkoモデルを用いた近似を使用せず、時間領域有限差分法(FDTD法)を用いることによって、より正確な方程式を数値的に解き、局在モードの固有振動数を見い出した。その局在モードの固有振動数は、くさびの先端の厚さに大きく依存することを示した。加えて、3次元フォノニック結晶の代わりに、2次元フォノニック結晶を使用できるかどうかの検討を行うために、2次元フォノニック結晶層に局在するフォノンモードおよびバンド計算も行った。前年に引き続き、3次元フォノニック結晶のバンド計算を精度よく計算することを試みたが、FDTD法においては、使用メモリーが膨大になり、高精度計算は達成されなかった。より少ないグリッド数で実行できるように、差分法を4次の精度まで上げたFDTD法を用いて計算を行ったが、未だに改善された結果は得ていない。また、今年度は、くさび型導波路と3次元フォノニック結晶を結合した系を取り扱う計画だったが、上記のように3次元フォノニック結晶のバンド計算に予想以上に時間を費やしてしまい、結合した系の計算をまだ実施していない。昨年は北海道大学に設置してあるスーパーコンピュータが新システム導入のために、10月まで使用不可能だったので、大規模な数値計算を必要とする音響波に対する3次元フォノニック結晶のバンド計算の進捗に遅れが生じた。それを補うために、当初の計画では1台購入する予定のワークステーションを、2台分増設して購入した(大型計算機使用料をワークテーション購入費に充てた)。それらを使用して、2次元フォノニック結晶および3次元フォノニック結晶のバンド計算を行った。また、次年度に主として行う予定だった、厚さが先端からの距離の冪関数で変化するくさび型音響導波路における局在モードの固有振動数の計算を行い、本年度の遅れを取り戻した。前年度の続きの課題として、3次元フォノニック結晶における音響波バンド計算を、改良したFDTD法を用いて、さらに良い精度で実行する。前年度において、厚さが冪関数で変化するくさび型導波路の導波路モードの解析はほぼ終えたので、その結果を踏まえて、無フォノン環境を形成する3次元フォノニック結晶を基板とした高性能くさび型導波路の設計を試みる。設計にあたり重要な点は、(A)くさび型導波路をどのようにフォノニック結晶基板に取り付けるか、(B)くさび型導波路の大きさとフォノニック結晶の周期の関係はどうすべきかの3つの項目があげられる。特に、(B)は重要な要素で、くさび型導波路の形状と、フォノニック結晶の周期長(周波数ギャップの位置)との関係を見いだす必要がある。
顎顔面形態の順調な発育を目的とした下顎頭の成長能力の検討

【目的】成長期の下顎頭の炎症や損傷、顎関節内障や変形性顎関節症などの顎関節症により、患側下顎骨の発育不全や顎運動障害が起こり、その結果小下顎症や下顎骨側方偏位を生じることがある。その治療には機能的矯正装置が用いられることがあるが、その効果については不明である。本研究では、成長期マウスに片側下顎頭切除術を施し、下顎骨成長に対する影響を検討するとともに、機能的矯正装置の治療効果を形態計測学的、組織学的に解明することを目的とした。【試料および方法】生後3週齢のC57BL/6J雄性マウス90匹を、片側下顎頭切除術を施した切除群、切除後に下顎骨前方誘導装置を装着した装置群、sham opeを施した対照群の3群に等分した。術後4週時に背腹側方向および側面頭部X線規格写真撮影による形態計測学的検討を行った。また、切除部におけるII型、X型コラーゲン、Sox9の発現を免疫組織化学的に検討した。【結果】切除群において患側下顎骨は健側および対照群と比較して劣成長を呈し、患側への有意な側方偏位が認められた。一方、装置群では患側下顎骨が健側と同等に成長促進され、下顎骨側方偏位は改善された。切除部の組織学的所見として、切除群では不規則な形態の下顎頭が、装置群では対照群に近い形態の下顎頭の再生が認められた。また、切除部の免疫組織化学的染色により、切除群ではII型、X型コラーゲン、Sox9の発現低下が明らかとなったが、装置群は対照群と同程度の発現が認められた。【結論】下顎頭の損傷に起因した下顎骨の劣成長は、機能的矯正装置による良好な下顎頭の再生と、これに続く下顎頭成長能力の賦活化によって補償され得ることが明らかとなった。【目的】下顎頭は下顎骨の成長中心と言われているが、下顎骨の成長にどの程度関与しているかは明らかでない。また、機能的矯正装置による下顎骨成長促進効果についても賛否の分かれるところである。本研究では成長期マウスを用いて、下顎頭成長能力が下顎骨の成長にいかなる影響を及ぼしているのかを形態計測学的に明らかにした。さらに、器官培養にて機能的因子を排除した状態での下顎頭成長能力についても検討した。【試料および方法】生後2週齢C57BL/6Jマウス40匹に片側下顎頭切除を施し、下顎前方誘導装置の装着群と非装着群とに等分した。術後4週時に側面および背腹側方向の頭部x線規格写真を撮影し、Kiliaridisらの方法に従い形態計測学的分析を行った。次いで、生後2日齢マウス10匹の下顎骨を摘出し、正中で左右に分割した。分割片の一側の下顎頭を切除した下顎頭切除群と非切除群に分け、3週間器官培養後側面頭部x線規格写真を撮影し、同様に形態計測学的分析を行った。【結果および考察】片側下顎頭切除後、非切除側と比較して切除側下顎骨の骨体長は有意に小さかった。一方、片側下顎頭切除後、装着群においては切除側、非切除側ともに骨体長に有意差は認められなかった。また、器官培養にて咀嚼や筋活動に起因したあらゆる機能的因子を除去した場合でも非切除群と比較し切除群の骨体長は有意に小さく、下顎頭は下顎骨の成長に重要な部位であることが確認された。【結論】切除側下顎骨では前後方向の成長抑制が明らかとなった。また、下顎頭切除による成長抑制は下顎前方誘導により補償されることが明らかとなった。このことから、下顎頭は下顎骨の成長に重要な部位であるが、必ずしも不可欠な因子ではないことが強く示唆された。また、切除部の免疫組織化学的

染色により、切除群ではII型、X型コラーゲン、Sox9の発現低下が明らかとなったが、装置群は対照群と同程度の発現が認められた。【結論】下顎頭の損傷に起因した下顎骨の劣成長は、機能的矯正装置による良好な下顎頭の再生と、これに続く下顎頭成長能力の賦活化によって補償され得ることが明らかとなった。