hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
脳神経回路の同期の生成崩壊に基づく認知情報生成機構の解明

本研究ではそれら多重な階層でおきる同期非同期の遷移が脳の情報生成を可能にしていることを作業仮説として、ヒト認知課題の実験とデータ解析、理論的検証とを行った。記憶・知覚課題で脳波リズムの同期生成が力学モデルの振舞として理解できるだけでなく、認知機能を予見できること示した。また経頭蓋磁気刺激を与えて脳内大域的リズム回路が操作的に扱えることを示した。さらに2者間の時間的協調性の形成を伴う行動課題を開発し、2者の脳間で現れる脳波リズムの同期が行動・心理指標と相関を持つことを示した。さらにこれらの指標は自閉症スペクトラム症候群と健常者群の比較も可能にすることを示した。脳の大域回路の同期形成による認知機能の発現のしくみを理論と実験とから解明するために、次のようなアプローチを行う。大域的回路については脳波知見をもとに異なる周波数を適切に回路に導入し、リズム毎のモジュール間で現れる結合のダイナミクスを解析し、認知制御の原理をモデル上で検討することを目的としている。本年度は、シータのリズム回路の記憶特性についての定量的なモデル解析を行い、ラットからヒトへの一般化可能性、ヒトで見られる特徴的な階層構造の回路発現について報告した。また、作業記憶をリズム回路で表現するために、フリップフロープの状態遷移と振動成分をともにもつ連想記憶回路を提案し、その基本的特性としてミルナーアトラクターという不安定な固定点を持つため、多様なダイナミクスが現れることを報告した。これらの知見と作業記憶課題の脳波解析をもとに、シータとアルファの結合システムについて数理的検討を進めた。また、本プロジェクトでは脳波同期の因果性検証のために、経頭蓋磁気刺激(TMS)を用いる。ヒトの脳活動に干渉しながら脳波測定をすることで、局所部位、及び、部位間の同期の生成、崩壊ダイナミクスを操作し、認知機能との連関から文脈依存的な認知機能の脳回路ダイナミクスを因果的に解明する。本年度は実験系について、装置の設定、刺激条件などをほぼ確立し、予備データを取得した。データの解析方法について特に位相測定に関わる時間分解能を上げるための検討を進めた。本研究では脳高次機能におけるヘテロなリズム回路の同期原理を確立するために、ヒト脳波のモデル化による理論的検討を行い、さらに脳波同期を実験的に操作する手法を導入することを目的とした。方法として、一人の人間の脳内の同期についてまず定量的に解析し回路として理論化し、経頭蓋磁気刺激(TMS)を用いてヒトの脳活動に干渉しながら脳波測定をすることで、局所部位、及び、部位間の同期の生成、崩壊ダイナミクスを操作し、認知機能との連関から認知機能の脳回路ダイナミクスを因果的に解明する。さらにコミュニケーションする二人の脳についてもリズム回路の生成崩壊を解析し、コミュニケーション過程の情報生成を探る。得られた成果は次の通り。1.作業記憶課題では、記憶を保持するアルファの局所同期回路と、記憶を操作するシータリズムのグローバルな回路とが2対1の位相固定でつながることで、階層的な制御が可能になることを実験と理論モデルとから示した。2.弱い単発TMS印加での局所振動の位相反応曲線の解析、強いTMS印加での位相リセット、振幅変化の伝搬解析、さらには2連発TMSでの周波数特異的な制御可能性を検証し、TMS-脳波を用いた位相同期ネットワークへの干渉、解析方法論を整備することができた。3.二人交互のボタン押し課題について協力状態と非協力状態とを行動で分離した。脳波についてはボタン押しの前後の成分が自分と他者の場合で比較する指標の目処がたった。方法として、一人の人間の脳内の同期回路としての解明、経頭蓋磁気刺激(TMS)を用いてヒトの脳活動に干渉しながら脳波測定をすることで、同期の因果性を解明する手法とする。さらにコミュニケーションする二人の脳についてリズム回路の生成崩壊について解析してコミュニケーションの神経機構を解明する。1作業記憶課題では、記憶バッファー部位と前頭部とがアルファリズムとシータリズムの位相固定で動的にリンクするが、さらに金銭報酬による同期づけや刺激のカラーの嗜好により記憶要領が増大し、その増大をもたらす神経機構としてベータとシータの位相固定、シータの振幅増加が発生することを見いだした。全体として作業記憶回路のリズムによる階層的な制御機構が明らかになった。同期制御の理論モデルについても検討した。2弱い単発TMS印加での局所振動の位相反応曲線の解析、強いTMS印加での位相リセット、振幅変化の伝搬解析、さらには2連発TMSでの周波数特異的な制御可能性を検証した。

3二人交互のボタン押し課題について17組の実験を実施し、脳波を測定して、二人の間に協力的に生まれるリズムと、それに対応する脳波成分について解析した。リズム間隔が揃う場合と揃わない場合で、分けて脳波を解析したところ、揃う方では自分のタップ、相手のタップ双方にミュー波の脱同期が見られた。また、タッピングの時系列について、位相応答曲線を用いて解析したところ、二人の間でほぼ反転するリズムの位相固定が生じていることがわかった。間隔を揃えるためのミューリズムと行動リズムの間の関係を今後検討する。これまで脳の認知処理において、複数のプロセスを並列に進行する必要のある課題で、脳内部位の同期回路が過渡的に現れることを示してきた。本年度は作業記憶のデュアルタスクにて、複数のシータ同期回路の形成が確認でき、シータによる中央実行回路のスイッチ機能を担う仮説が支持された。また、視覚作業記憶課題において視覚刺激が出る以前のシータ波の活動がその後の記憶の主観的明瞭さに関わることを明らかにした。またヒトコミュニケーション課題として2者交互タッピング課題を実施し、健常者群とAutisitic Spectrum Disorder郡とでタッピングのパフォーマンスに差があることを発見した。さらに2者交互タッピング課題での行動を健常者について定量的に解析したところ、タッピングは相手のタッピングに対する位相応答曲線により特徴づけられて、2者の関係は同曲線を用いた結合振動子モデルで合理的に理解できることがわかった。さらに、作業記憶課題における脳の結合振動子系としての性質、および脳内のリズム活動波動伝搬特性の実験データー特性について、西浦班と協力して計算論モデル構築を行い、非線形力学系としての分岐特性が、脳の過渡的活動の生成に重要な役割をなすこと、それらの活動が認知機能と密接に結ぶ可能性があることを理論モデルにより提示した。以上より、2者間のコミュニケーションの神経機構として、脳内の自発リズムのダイナミクス、2者間での知覚刺激のリズム、そして行動のリズムをつなぐことで、コミュニケーションを構成する力学系を再構築して解析することが可能になり、力学系としてのコミュニケーションの解明への有効なてがかりを得た。1)ラットの海馬からのLFPの周波数解析に二次スペクトル解析と呼ばれる方法を導入したところ、シータの振幅のゆらぎが0、7ヘルツ程度の遅い振動周期を持ち、環境の場所特異性、課題の文脈依存性の情報をコードすることがわかった。海馬場所細胞の発火は、このシータ振幅の遅い振動の位相固定しており、その位相特異性が課題の文脈に依存することがわかった。海馬の場所細胞が行動の大きな時間スケールとしての文脈性を持つことは、世界で初めて得られた知見である。2)人の作業記憶の保持と操作がシータとアルプぁの大域的同期回路として表現されることをこれまでに我々のグループで示していたが、本年度は、作業記憶課題に色の好き嫌いの効果が入る場合の脳波の変化から、その回路生成と機能の関係の解析を試みた。結果として、色が好き嫌いで脳波のリズム成分に変化が見られ、この変化と作業記憶の成績の変化ともよい対応を持つことがわかった。
乳がん外科手術における切除断端部残存乳がん細胞検出のための術中画像診断技術の開発

本年度は「マルチミックス蛍光抗体法を用いた切除断端部残存乳がん細胞補助検出技術の研究」と「術中迅速標本と永久診断用標本との比較による乳がん残存細胞検出アルゴリズムの検証」を実施した。術中遠隔病理診断における切除断端の確認においては肉眼的な所見に依存した悪性所見の確認が行われているが、微量の残存癌細胞の有無を高感度かつ定量的解析を行うため、乳がん細胞において発現が認められるバイオマーカーについて検討を行い、本診断技術に応用可能なマルチカクテル抗体組成を確立した。カクテル抗体組成はがん抑制遺伝子であるp53や細胞周期関連タンパクであるp21、p27などを50症例の乳がん症例において検討し、その結果切除断端と正常組織を判別するのに適したカクテル抗体として、細胞周期関連バイオマーカー蛋白を主とする組成を3種開発した。本抗体の有用性について残存乳がん細胞検出技術の診断精度を検証するため、過去の乳がん手術症例での術中迅速診断標本と術後永久診断標本を用いて検討を行った結果、術中迅速診断標本と永久診断標本との間での診断誤差は認められなかった。本技術について臨床実証評価を行うため、新たに乳がん術中迅速診断用標本スキャンニングシステムを開発した。本システムは標本スキャンニングによる画像取得と、化学発光による高感度検知を両立させた標本スキャンニングシステムである。前述のカクテル抗体に対し、化学発光標識を行うことによってフォトン(光子)量をカウントし、画像位置情報とフォトン検出量をリンクさせることを可能とした新たな診断システムである。本装置については平成30年度研究開発において最終臨床評価に供する予定である。本研究のコア技術となるマルチカクテル抗体組成の決定と術中迅速診断用スキャンシステムのプロトタイプと制御システムまで完成に至っており、当初目標を達成していることから、おおむね順調に進展していると思われる。化学発光スキャンニングシステムの臨床実証評価による感度検証試験結果によっては当初目標とした感度を達成できない可能性もあることから、遺伝子解析技術との結果比較によって充分な感度が得られなかった場合の症例については原因を特定するとともに、本システムの限界感度について明らかにする。残存乳がん細胞3次元画像処理アルゴリズムの研究と組織型マルチパラメータ解析技術の研究として、少数の細胞クラスターや個々の細胞レベルでの核内3次元構造解析により乳がん細胞特有の形態学的特徴を抽出する3次元画像処理アルゴリズムと得られた形態データを基に残存乳がん細胞の組織型を考慮して悪性度判定するマルチパラメータ解析技術の研究を行った。がん細胞の特徴である核内不均一性とDNA量について3次元パワースペクトル解析を行った結果、癌細胞と正常細胞との間においてスペクトル強度に有意差が認められた。また、細胞周期関連タンパクを指標として蛍光解析を行ったところ、癌細胞クラスターと正常細胞クラスター間において有意差が認められた。これら形態情報ならびに蛍光解析情報を統合することにより、切除断端部の残存癌細胞の評価が可能であることが示唆された。一方、高度異型細胞クラスターとの分類においてはカットオフの設定が困難であった。そのため、残存癌細胞の検出において、他のバイオマーカーの併用が課題であることが明らかとなった。本課題については次年度実施のマルチミックス蛍光抗体法を用いた切除断端部残存乳がん細胞補助検出技術の研究において解決を図る必要がある。また本研究結果を評価するため、癌細胞および正常細胞との比較を遺伝子レベルにて併せて評価したところ、癌抑制遺伝子およびmicroRNAの発現量に差異が認められたことから、切除断端部の残存癌細胞評価補助技術として併せて検証を行うことで高感度化かつ新技術としての開発可能性が示唆された。3次元画像解析レベルにおいて、正常細胞クラスターと癌細胞クラスターとのマルチパラメーターによるカットオフ値を設定し、残存癌細胞の有無を判定可能となることが判明し、当該研究テーマである残存乳がん細胞検出技術として有用であることが明らかとなったほか、基盤技術として確立されたことからおおむね順調に進展していると思われる。

本研究のコア技術となるマルチカクテル抗体組成の決定と術中迅速診断用スキャンシステムのプロトタイプと制御システムまで完成に至っており、当初目標を達成していることから、おおむね順調に進展していると思われる。残存乳がん細胞検出技術の確率においては微少癌細胞の残存や血管への浸潤の有無が問題として残っている。このことから血管やリンパ管等への浸潤についても検出可能な技術へと高感度化させる必要があり、新たに化学発光技術を用いるなど検証方法について検討を加える予定である。化学発光スキャンニングシステムの臨床実証評価による感度検証試験結果によっては当初目標とした感度を達成できない可能性もあることから、遺伝子解析技術との結果比較によって充分な感度が得られなかった場合の症例については原因を特定するとともに、本システムの限界感度について明らかにする。
二酸化炭素を用いるメタンからエタンの高選択的低温直接合成法の開発

本研究では、二酸化炭素を酸化剤として用いて、天然ガスの主成分であるメタンを、エタンならびにその二次的分解生成物であるエチレンに、低温で選択的に直接転換する方法の開発を目指した。さまざまなランタナイド酸化物を触媒とし、固定床石英製反応器中でCH_4とCO_2の反応を行ったところ、プラセオジムやテルビウムの酸化物上では、CH_4からC_2H_6への選択的変換が450650°Cの低温で極めて速やかに進行することを見いだした。W/Fの増加にともない、C_2H_6収率は増大し最大で8C-mol%に達したが、触媒活性はいずれも反応時間の経過とともに緩やかに低下した。これらの酸化物は上記の反応温度域では容易に酸素を放出するので、その過程で生成した格子欠陥が反応に関与しているものと推論される。次ぎに、耐久性のある高性能複合触媒の開発を目的として、酸化還元能を持つCe、Cr、またはMnの酸化物粉末を、塩基性のCaOを与えるCa硝酸塩水溶液に含浸して焼成したところ、いずれの二元系酸化物触媒も、C_2生成に対して相乗効果を示すことを見いだした。C_2炭化水素の選択率と収率はともにCO_2分圧の上昇に従い増加し、前者は70kPaの分圧で6575%に達した。これらの3種の触媒は、ガス流通時間が810hにおいても、安定な性能を示した。TPD、XRD、XPSを用いる触媒解析の結果より、CO_2はまずCa^<2+>サイトに吸着し、吸着CO_2は隣接するCe^<3+>、Cr^<3+>またはMn^<2+>のサイトで活性化されて表面酸素種を与え、この化学種がC_2炭化水素の選択的生成の酸化剤として機能することが明らかとなった。本研究で得られた成果は、多量のCO_2を含む低品位天然ガスの直接転換利用プロセスの発展に貢献するものと期待される。本研究では、天然ガス(メタン)を低温で選択的にエタンに転換できるプロセスの開発を目指して、従来研究されてきた酸素より低い反応性を持つ二酸化炭素の利用に着目し、研究代表者らが見出したランクメイド触媒の高性能化を目的としている。これまでの成果に基づき、本年度は、プラセオジム酸化物の触媒性能を検討した。まず、プラセオジム硝酸塩を熱分解した後、石英製反応管に充填して様々な条件で前処理することにより、酸素欠陥サイト量の異なる非量論酸化物を調製した。欠陥サイト量は酸素の昇温脱離実験結果より求めた。次に、これらの触媒上でメタンと二酸化炭素の反応を行ったところ、500650°Cの低温でエタンが90%の選択率で生成し、酸化物中の酸素欠陥濃度の増加とともにエタン収率が増加することを明らかにした。650°Cより高温では、プラセオジム触媒の活性が低下するという興味ある現象も観測された。さらに、最大の活性を示した酸化物を用いて、二酸化炭素分圧の影響を調べたところ、エタン収率はその分圧にほぼ比例することを見出した。炭化水素の部分酸化反応では、酸化剤分圧が大きくなると生成物収率が低下することが一般に受け入れられていたが、上記の結果はこのような通説を覆す発見となった。これらの結果は、酸素欠陥サイトにおける二酸化炭素の活性化過程が、エタン生成反応のキープロセスであることを示唆している。このような二酸化炭素活性化機構の解明は次年度の検討課題である。

酸化剤である二酸化炭素のソースに関するフィージイビリティ検討も行い、発電所排ガスからの二酸化炭素の回収は実際的ではないことが指摘された。本年度では、CO_2の活性化とC_2炭化水素の選択性制御の両方を可能にする多機能触媒の開発を行い、反応機構について検討した。レドックス能を持つ遷移金属酸化物と塩基性の酸化物からなる二元系触媒を用いて反応を実施した結果、CaO-CeO_2が好成績を示し、C_2炭化水素の収率と選択率はそれぞれ4%と60%に達した。両方の酸化物が存在すると、C_2生成に関して相乗効果が発現することを見出した。これらの酸化物を単独で用いた場合には、CO_2が無い時は初期に格子酸素によりCH_4が転化されるが、C_2の生成はほとんど見られず、H_2とCOが主に生成した。一方、CH_4とCO_2が共存すると、安定したC_2生成活性が得られ、C_2に関わる活性種はCO_2由来であることが明らかになった。また、C_2選択性はCO_2分圧に依存して著しく増加した。XRDとXPS測定結果より、反応定常状態ではCaとCeの酸化物固溶体が生成し、その表面のCeは還元状態で存在し、この還元サイトでCO_2が活性化されると推定した。さらに、CO_2-TPD結果より、触媒の塩基点でCO_2化学吸着が起こり、その吸着量はCO_2分圧に依存することが明らかになった。この吸着CO_2が格子酸素によるH_2とCOの生成反応を抑えC_2選択性の向上に寄与していると考えられる。触媒中の固溶体の生成は、塩基点でのCO_2の吸着と還元点でのCO_2の活性化を協奏的に進行させ、C_2選択生成を促進するものと推察した。昨年度は、塩基性を有する酸化物とレドックス能を持つ酸化物から成る複合触媒が、C_2炭化水素の選択性制御とCH_4・CO_2の活性化を同時に達成できることを明らかにした。本年度は、この触媒選択原理に基づき、アルカリ土類金属(Sr、Ba)と遷移金属(Cr、Mn、Zn)を組み合わせた二元系触媒を調製し、CH_4とCO_2の反応を行い、新規触媒を開発するとともに、活性点やメカニズムを解明した。遷移金属酸化物粉末をアルカリ土類金属硝酸塩水溶液に含浸し、蒸発乾固後に空気焼成した二元系酸化物の中では、Sr-MnとBa-Mn触媒が最も高いC_2収率を与え、特に、前者のC_2選択率は85%に達した。大変興味深いことには、昨年度に報告したCa-Ce触媒とは異なる速度論的挙動が認められ、これらのMn系触媒上では、C_2選択率がCO_2分圧にほとんど依存せず、低分圧下でも選択的にC_2炭化水素が生成した。この結果は、CO_2を含む低品位天然ガスの直接変換利用に発展すると予想され、実用的観点から非常に重要な知見である。Mn系触媒の結晶形態をXRDで調べたところ、反応前には、両者はともにペロブスカイト型酸化物で存在したが、定常状態での反応後には、おもに炭酸塩とMnOに変化した。後者の時点で、反応ガスを不活性ガスで置換すると、CO_2とCOが脱離すると同時にSrMnO_<2.5>またはBaMnO_<2.5>が生成し、さらに、XPS測定より表面種はMn^<2+>からMn^<3+>に変化することが明らかとなった。このような変化は、CH_4とCO_2との定常反応時に炭酸塩とMnOの界面で進行し、生成したMn^<3+>種(SrMnO_<2.5>またはBaMnO_<2.5>)がCH_4からC_2H_6への選択的変換に関与しているものと推論される。
三次元規則構造体の創製と高機能化による新規触媒担体の開発

現在,固体高分子形燃料電池用電極触媒には,触媒粒子であるPtの利用率と耐久性の向上が検討課題として挙げられている。そこで,本研究では,物質拡散性に優れた球形の規則構造体に着目し,Pt利用率の向上を試み,触媒耐久性を向上させるために表面官能基が少ないグラファイトオキサイド(GO)を構造体壁として利用した。触媒担体として用いる規則構造体の合成は,球状の高分子材料表面にLayer by Layer法を用いてGOを積層することにより行った。触媒であるPt粒子は,含浸法により合成したGO被覆球状構造体に坦持した。その結果,球状構造体状に5-10 nmのPt粒子を坦持した新規触媒を合成した。当該年度では,酸化黒鉛を層はく離することで得られる酸化黒鉛ナノシートを高分子球体上に任意の積層数で積層した三次元規則構造を有する炭素複合材料を合成した。熱処理を行なうことで,鋳型として用いていた高分子球体を除去し,合成した三次元規則を有する炭素複合材料の多孔化も行なった。このときの熱処理温度および保持時間を変更することで,構造体の形状を選択できる可能性があることを見出した。また,焼成後には酸化黒鉛ナノシートは,還元され,表面官能基および酸化種が減少していることを確認している。したがって,燃料電池用電極触媒の担体として用いた場合に一般に用いられている担体よりも触媒耐久性が向上すると期待される。加えて,合成した三次元規則構造を有する炭素複合材料に含浸法により白金ナノ粒子を担持した新規三次元構造体触媒も調製した。透過型電子顕微鏡および走査型電子顕微鏡により,白金ナノ粒子が2nmから10nmと幅広い粒径で担持されていることが確認された。白金ナノ粒子の還元処理温度と鋳型として用いている球状高分子材料の分解が密接に関係しており,白金錯体の還元処理が担体の形状に大きく影響を与えていた。白金ナノ粒子を担持した三次元構造体触媒に対して電気化学測定を行なった結果,調製した触媒が酸素還元能を有していることも確認している。最後にin-situ XAFS用の燃料電池セルを設計し,作製を行なった。当該年度では,X線が透過することを確認するに留まった。鋳型として用いている高分子球の分解除去手法を確定させる作業時間を非常に多くの時間を費やした。完全な除去が困難であり,白金ナノ粒子を覆ってしまうこともあった。また,白金ナノ粒子の有無で高分子球の分解温度が大きく異なったことも遅延している要因の1つである。加えて酸化ルテニムナノシートの合成に失敗している。合成条件の見直し等を数多く行なった結果,おそらくガス純度が原因でなかろうかと推測している。現在,固体高分子形燃料電池(PEFC)用電極触媒には,触媒粒子であるPtの利用率と耐久性の向上が検討課題として挙げられている。そこで本研究では,Pt利用率の向上を実現するために物質拡散に優れた規則構造体に注目し,触媒耐久性を向上させるために官能基の少ない還元性酸化黒鉛ナノシートを利用した。具体的には,球体により構成されるオパール構造に着目し,還元性酸化黒鉛ナノシートで表面が構成されている球形構造体を触媒担体とする燃料電池用電極触媒の合成を目指した。また,PEFC触媒層においてオパール構造を構築することで,球体粒子の間隙により形成されたマクロ孔と,球体表面に酸化物ナノシートを積層させることで形成したメソ孔により,物質拡散に優れたマクローメソ多孔体となることが期待される。球状構造体は,コア材に粒子径が数μmのPMMAからなる高分子球体を用い,Layer by Layer法により酸化黒鉛ナノシートをPMMAコア上に積層することで得た。酸化黒鉛ナノシートを所定の回数積層することで,表面に凹凸を有する球状構造体が形成されていることをSEMにより観察した。Ptナノ粒子の規則構造体への担持は,Pt錯体を用いて液相中にて行い,その後に還元処理を行った。また,Pt錯体からPt0に還元する際に,担体表面に存在する酸化黒鉛ナノシートも同時に還元されることもXPSにより確認している。電気化学測定の結果からも合成した新規触媒の導電性が必要十分であることを確認した。しかしながら,担持後のPt粒子のサイズは,1215 nmと粗大な粒径となってしまった。酸化黒鉛ナノシートを用いた触媒合成は,高分子球の除去方法および含浸処理後の還元方法について一定の知見が得られたため,今後は電気化学測定に主体を置き,触媒活性および触媒耐久性について検討を行なっていく。さらに,再現性が十分に確認されたら膜電極接合体を作製し,in-stiu XAFS測定も含む単セルでの評価に移行していく。酸化ルテニムナノシートを構造体壁とする三次元構造体の構築は,酸化ルテニウムナノシートが出来次第に合成し,電気化学キャパシタとしての評価を行なう。

酸化ルテニウムナノシートが夏までに合成できなければ,既に合成してある酸化チタンナノシートを使用し,直ちに三次元構造体を構築する。その後,白金ナノ粒子を担持し触媒活性および触媒耐久性を評価する。電極触媒本研究を遂行するに当たり,直接経費の範囲で支払いが適当な物品・消耗品の合計が402円分,当該年度支出予定額に満たなかったため。消耗品費に使用する。
極度の熱力学的非平衡状態にある超音速反応性プラズマ流を用いた溶射法の研究

非平衡状態の電磁加速プラズマジェット発生装置は通常の熱プラズマジェット装置と同様の同軸電極構造をもち、キロアンペアオーダーの放電電流とそれに伴う自己誘起磁場の相互作用によって作動ガスが電磁力学的に加速されるので、他のプラズマ熱源に比べて高速で高温・高密度の大面積プラズマを生成することができる。そのため、各種のプラズマ材料プロセシングへの応用が期待される。本研究では、セラミックス溶射用に2種類の電磁加速プラズマジェット装置を開発した。一つは陰極周りにムライトもしくはジルコニア製のカバーを備えた装置であり、もう一つはチタニウム製の陰極を備えたものである。前者ではアルゴンガスを用いた大電流アーク放電による陰極周りのセラミックスカバーの溶融によりムライトもしくはジルコニアの溶射が行われる。後者では窒素ガスを用いて、溶融された陰極のチタン粒子と窒素プラズマの化学反応により窒化チタンが生成される。2種類の装置を用いたセラミックス成膜実験の結果、緻密で、一様な硬い皮膜の製作に成功した。窒化チタンの反応性溶射では、そのプラズマ特性を明らかにするためにプラズマ診断測定と流れ場の数値計算が行われた。プラズマ発生装置から大量の窒素原子と窒素イオンが高速で噴出していることが推定された。電子温度と電子数密度は減圧プラズマ溶射のそれらに比べて基板の位置で高く維持されていた。窒素イオン、チタン原子、チタン一価イオン、チタン二価イオンを含む化学的に活性なプラズマが高品質の窒化チタン皮膜の生成に寄与していると推測された。こうして、電磁加速プラズマ発生装置がセラミックス溶射のために高い性能をもっていることがわかった。本研究では、反応性窒化処理プロセスにおける、基板近傍のプラズマ状態をプラズマ発光分光法と静電探針法を用いて調べ、さらにチタン基材への熱流束を測定した。10kW級超音速プラズマジェット装置は作動ガス流量0.21g/s一定、放電電流150A一定のもとに運転される。タンク内の圧力は34から210Paである。基材がノズル出口から下流160mmの位置に置かれた時、その直前の電子温度はガスの種類に関わらず、径方向の変化は少ない。窒素のみの場合、電子密度がもっとも大きくなり、径方向にほぼ一定である。これは、窒素のみの場合、タンク内の圧力が最も小さく、再結合反応力抑制されるためと推測される。すなわち、窒素のみのプラズマ流は径方向外側に大きく広がり、高電離状態で径方向には比較的一様なプラズマが形成されると考えられる。アンモニアと窒素・水素混合ガスの場合、タンク内の圧力が高く電子密度は窒素のみの場合より小さいが、混合ガスでは水素の混合比の増加と共に電子密度は大きくなる。すなわち、ガスの場合はタンク圧力の上昇に伴い、投入電力の増加と熱ピンチ効果により電子密度が上昇すると推定される。アンモニアの電子密度が最も小さく、アンモニア模擬ガスのそれに比べて3分の1程度である。これはアンモニアでは重いイオンの再結合反応が激しく起こるためと予想される。また、窒素のみを除くガスの電子密度は径方向に単調に減少し、半径50mmでは大きな差は見られない。すべてのガス種において、熱流束は径方向外側に単調に減少していく。アンモニアの熱流束が最も大きく、混合ガスでは水素混合比の増加と共にそれは大きくなる。窒素のみの場合、最も熱流束は小さい。しかしながら、半径40mm以上では熱流束はガス種に依存せずほぼ一定になる。以上の熱流束特性はタンク内の圧力特性に対応し、当然基材の温度も熱流束特性と同様の特性を示すと考えられる。
ポリマー光ファイバー増巾器の基礎的研究

本研究ではプラスチック光ファイバー増幅器の理論的解析を手始めに基本的問題に取り組んだ点が強調出来る.即ち,有機色素を低濃度で固体プラスチック中にドープした場合のポンピング光の吸収断面積および誘導放出断面積を測定より推定し,これによりレート方程式を解析した.結果として例えばロ-ダミンB,Gの2種の蛍光色素の場合に理論的には信号光を540-600nmの波長域で100倍から約2000倍程度の増幅が期待できることが分かった.次にファイバー中にグレーテングを作り付けこれにより同調機能を付与して発振器プラス増幅器の一体化を考えた.これについて基礎的な実験を試みている.既に一部に完全ではないが周期的構造を実現できファイバー端からにスペクトルの狭まりを観測している.現在,欧米ではシリカファイバに様々な方法により周期構造を作り付ける研究が激しく展開されているのに対し我々の研究は独特の位置つけになっている.導波路型リングレーザの基礎実験ではクマリン色素をポリビニルアルコールにドープして窒素レーザでポンピングし短距離リング共振器からの出力に特有のスパイク構造発振を観測した.今年度に新たに医療関係へのレーザ応用に結びつく可能性を考慮してプラスチックファイバ光増幅器の生体特に癌組織の診断・治療に適用出来るかどうか検討している.現在これらの目的に考えられている装置は高価で取り扱いにくいものが多くこの点からも今後期待できる.本研究ではプラスチック光ファイバー増幅器の理論的解析を手始めに基本的問題に取り組んだ点が強調出来る.即ち,有機色素を低濃度で固体プラスチック中にドープした場合のポンピング光の吸収断面積および誘導放出断面積を測定より推定し,これによりレート方程式を解析した.結果として例えばロ-ダミンB,Gの2種の蛍光色素の場合に理論的には信号光を540-600nmの波長域で100倍から約2000倍程度の増幅が期待できることが分かった.次にファイバー中にグレーテングを作り付けこれにより同調機能を付与して発振器プラス増幅器の一体化を考えた.これについて基礎的な実験を試みている.既に一部に完全ではないが周期的構造を実現できファイバー端からにスペクトルの狭まりを観測している.現在,欧米ではシリカファイバに様々な方法により周期構造を作り付ける研究が激しく展開されているのに対し我々の研究は独特の位置つけになっている.導波路型リングレーザの基礎実験ではクマリン色素をポリビニルアルコールにドープして窒素レーザでポンピングし短距離リング共振器からの出力に特有のスパイク構造発振を観測した.今年度に新たに医療関係へのレーザ応用に結びつく可能性を考慮してプラスチックファイバ光増幅器の生体特に癌組織の診断・治療に適用出来るかどうか検討している.現在これらの目的に考えられている装置は高価で取り扱いにくいものが多くこの点からも今後期待できる.平成5年度に於てポリマー光ファイバー増幅器の設計作成が軌道に乗り,基礎特性について評価を行なった.増幅のための活性色素としてローダミンB,ローダミン6G,ペリレンレッドを用いてパルス信号波の忠実な増幅波形を得た.Nd:YAGレーザの第2高調波543nmを励起光源としてローダミンBドープのファイバー長さ約50cmにおいて1Wの入力信号を600W以上に増幅した.この場合,信号光波長は591nmであった.通常,レーザ用色素は数百ppm以上の高い濃度で使用されブリーチングによる劣化が問題となるが我々の場合は1乃至10ppm程度の低濃度ドープによるこの難点を解決し,長時間安定な増幅機能を保持出来ることを確認した.一方,この増幅器システムの理論的な性能評価を行なうために固体ポリマー中の色素分子の励起光吸収およびその誘導放出に関する断面積を実験的に求め本増幅器の高い増幅利得の根源を定性的に説明できる結果を得た.現在これを基にシミュレーションにより理論的検討を加えている.この大口径ファイバー増幅器は高エネルギーレベルの増幅が可能であるため可変波長単色コヒーレント光源として各研究分野において広い応用が考えられる.本年度はプラスチック光ファイバー増幅器の理論的解析を手始めに基本的問題に取り組んだ点が強調出来る.即ち,有機色素を低濃度で個体プラスチック中にドープした場合のポンピング光の吸収断面積および誘導放出断面積を測定より推定し,これによりレート方程式を解析した.結果として例えばロ-ダミンB,Gの2種の蛍光色素の場合に理論的には信号光を540-600nmの波長域で100倍から約2000倍程度の増幅が期待できることが分かった.次にファイバー中にグレーテングを作り付けこれにより同調機能を付与して発振器プラス増幅器の一体化を考えた.これについて基礎的な実験を試みている.既に一部に完全ではないが周期的構造を実現できファイバー端からにスペクトルの狭まりを観測している.現在,欧米ではシリカファイバに様々な方法により周期構造を作り付ける研究が激しく展開されているのに対し我々の研究は独特の位置つけになっている.導波路型リングレーザの基礎実験ではクマリン色素をポリビニルアルコールにドープして窒素レーザでポンピングし短距離リング共振器からの出力に特有のスパイク構造発振を観測した.今年度に新たに医療関係へのレーザ応用に結びつく可能性を考慮してプラスチックファイバ光増幅器の生体特に癌組織の診断・治療に適用出来るかどうか検討している.現在これらの目的に考えられている装置は高価で取り扱いにくいものが多くこの点からも今後期待できる.
電力回生制御車と饋電システムとの協調設計・制御に関する基礎研究

1960年代末以降民鉄各社は相次いで電力回生ブレーキを用いた車両を導入し、現在ではJRを含めて新造車のほとんどが回生車となっている。この変化に合わせて、饋電システムの設計・回生車の制御を見直したのが本研究で内容的に直流饋電システムと交流饋電システムとに分けて記述する。1.直流饋電システムの回生車運転線区向け設計・制御回生失効確率を減らすための有効な方策として、変電所無負荷送出電圧の低減または電車線許容最高電圧の増加、変電所の電圧変動率の低減または定電圧制御、饋電線抵抗の低減を明らかにした。回生余剰エネルギーの吸収設備として変電所等へのインバータ・抵抗・蓄積装置等の導入は、これらの設備が有効に活用できる条件が複雑で、必ずしも一般性がないことも明らかにした。2.回生車を導入する線区向けの交流饋電システムのあり方直流饋電システムは原則として全部並列饋電されるので停電はないが、交流では横流防止、保護上の観点から単独饋電となり、異電源セクションで停電することが多い。この場合回生車のセクション通過を可能とするために、多くの可能性の中から、以下の方式有望なものとして選定し、開発を進めた。セクション制御方式としては(1)微小並列切替え方式、(2)瞬時切替方式、(3)微小時間切替方式、(4)抵抗セクション方式、これらに対応する車両の制御としては、(5)、(1)(3)に対応する架線側PWM制御変換回路の主変圧器偏磁防止機能付制御、(6)(4)に対応する自励回生電圧位相制御3.PWM制御交流回生車のビート・トルクリプル抑制制御将来の交流回生車の主流となる標記の方式の実用上の最大の妨げである、複変換器間干渉を除去し、トルクリプルを低減する制御方式を開発した。全体として車両技術と特性の調査および既存の饋電システムの構成に関する調査を行い,これらをもとに問題点と改善の方向を論じた上で,開発すべき諸方式の洗い出しを進めた.以下,内容がかなり異なる直流饋電システム・直流回生車両と交流饋電システム・交流回生車両にわけて記す.直流システムでは,申請書に記載の各種回生車両に加えて,今後いくつかの自治体で採用が見込まれているリニアモータ駆動小型地下鉄車両についても特性を調査し,饋電システムの主要パラメータと全体特性との関係をシミュレーションにより調査した.この結果,回生能力の高い車両を用いる場合ほど饋電回路抵抗を小さくしたり,余剰エネルギー吸収設備を設ける必要性が高いという,従来から定性的には知られていた内容に関し,いくつかの定量的に重要な知見が得られた.交流システムは,これまでのところ抑速用他励回生方式が実用されている唯一のものであるが,インバータ制御車の開発普及が進につれて,交流車両にも自励複交換による停止用回生車が実用に近づきつつある.このような状況の下で,車両特性を把握するためにはまず実用に耐え得る特性を実現しなければならず,開発の現段階において問題となっている直流中間回路電圧の脈動に起因するインバータ出力電流のビートを除去する方法に関し理論的検討を進め,見とおしを得,シミュレーションによるチェックの後実験による確認の準備を進めている.車両の変圧器の直流偏磁現象についても,その原因の一つを解明し,変換器の制御による有効な対策を検討している.交流回生車が異電源境界をブレーキモードで通過する場合の可能性ある方式を網羅的に調査し,車両側9種,饋電側7種の方式の組合せの中から,在来技術で可能なものと技術開発を要するがより良い特性が期待できるものを抽出し後者についての開発研究を開始した.本年度は計画調書に記載した計画に従い、主として交流回生車が異電源境界を回生モードで通過することを可能とする各種方式の調査、整理比較と、このための研究開発を下記のように進めた。

1.過年度に網羅的に調査した車両側9種、饋電側7種の方式の中から、技術的可能性が高く、システム全体としての評価が高くなる可能性の大きい下記の方式を選定し、それぞれについての検討を進めた。饋電側としては、(1)微小並列切替方式:A,B両電源を微小時間並列饋電するもの(2)瞬時切替方式:実質的に瞬時に電源切替を行うもの(3)微小時間切替方式:従来の新幹線型の切替セクションで、停電時間を数ms程度以下に抑えたもの(4)抵抗セクション方式:回生電力吸収用抵抗をセクション部の地上に配置するものの4種を選び、これに対応する車両の制御として、(5)上記(1)(3)に対応する架線側PWM制御変換回路の制御方式の研究を進め、車両の主変圧器の偏磁を防止する観点から、地上・車上協調位相制御の基本的な考え方を確立した。さらに(6)上記(4)に対応する車両として、抵抗セクション区間を走行中に車上でA電源からB電源への滑らかな移行ができるような位相制御を行う新方式の提案を行った。2.PWM制御交流回生車の問題点として、実用化の最大の妨げになった中間直流回路のリプル(電源周波数の2倍)とインバータとの干渉を除去するPWM制御方式を提案し、理論・シミュレーション両面からこの方式の有効性を確認し、非干渉化とトルクリプル低減の両方の観点からの最適化を行った。
自己骨髄および脂肪由来幹細胞を利用した、組織再生医療法の獣医臨床応用研究

【in vitro】実験用ビーグル成犬の上腕骨近位より骨髄液を穿刺・採取し、比重液を用いた遠心分離の後、Dexter法を用いて骨髄由来間葉系幹細胞(BMSC)を培養した。10%FCS添加DMEM培地を使用した増殖培養では、BMSCの良好な増殖が認められ、7日14日の培養期間で約10^7個のBMSCを回収することが可能であった。同一個体の鼠径部から皮下脂肪を採取し、TypeIコラゲナーゼにて処理した後、培養皿底面に接着する脂肪由来幹細胞(ASC)をBMSCと同様の培養液を用いて培養し、増殖能の比較を行ったところ、ASCの増殖能力はBMSCに比較して優位に高いことが認められた。さらに、同様の細胞に対して骨分化誘導培養(骨誘導培養液:DMEM+10nM Dexamethasone+0.05mM L-ascorbic acid+10mMβ-Glycerophosphate)を行い、同一個体から採取したBMSCとASCの骨分化能を比較したところ、BMSC群の方がFast Red染色に陽性を示すコロニーが多く認められた。【in vivo】ビーグル犬の脛骨骨幹部中央にサジタルソーを用いた骨切りおよび内固定ピンを用いた整復を行い、骨折モデルを作成した。増殖させたASCをこの骨切部周囲に移植し術後仮骨形成の変化をX線学的に評価した。仮骨量に関してはコントロール群に比較して有意な差は認められなかったものの、仮骨横径が最大になる時期はASC群の方が早い傾向が認められた。【臨床応用】犬・猫の骨癒合不全症例(癒合遅延症例)に対して、BMSCを用いた骨再生治療を行った。骨癒合遅延症例に対しては再手術時以降、骨折部周囲にBMSCを注入移植することで良好な治癒が認められた。骨癒合不全症例に対しては人工骨セラミックスへBMSCを播種したバイオ人工骨を作製し骨欠損部の補填を行った。1.研究用設備の拡充冷却遠心分離機、倒立型顕微鏡、振盪式恒温槽、小型クリーンベンチを購入し、移動式架台に設置した。このようなユニットにより骨髄および脂肪から採取した細胞の処理が手術室内でも実施できるように体制が整備できた。2.細胞の回収に関する技術習得実験動物(ビーグル犬)を用いて骨髄および脂肪の採取部位について検討を行った。骨髄液を上腕骨近位、大腿骨近位、脛骨近位から採取し、一定期間培養した後に培養シャーレ上に接着している間葉系細胞の細胞数を比較したが、差は認められなかった。そのため、臨床的にも海綿質骨移植に利用する機会の多い上腕骨近位を採取部位と特定することとした。脂肪細胞は肩部、腹部、臀部皮下組織から採取し、前述同様の接着系細胞の細胞数を比較したが、差は認められなかった。そのため、臨床的に採取する機会の多い腹部皮下を採取部位と特定することとした。3.細胞培養に関する技術習得実験動物(ビーグル犬)から骨髄および脂肪組織を無菌的に採取し、間葉系細胞の培養を試みた。10%FCS添加DMEM培地を用いた培養法で、各細胞の良好な増殖を確認した。現在までに3頭の実験犬から採取した細胞の比較を行っているが、いずれにおいても脂肪由来間葉系細胞の方が骨髄由来の細胞に比較して増殖速度の速い傾向が認められるため、今後定量的な評価が必要と考えられる。4.測定機器に関する技術習得移植や実験に使用する間葉系細胞の特性を捕らえる一環として、フローサイトメトリーを使用する。今年度我々はフローサイトメトリーの操作技術を習得し、培養細胞がCD44に陽性の反応を示すことを確認した。実験用ビーグル犬の上腕骨から骨髄液を、鼠径部から脂肪組織を採取し、各組織由来間葉系幹細胞の培養を開始した。現在までに、幹細胞の回収方法、増殖用培養液および骨誘導培養液に関する至適条件を確認し、そのプロトコールを作成した。現在、脂肪由来の幹細胞と骨髄由来の幹細胞の特性を比較検討するために、増殖能力(DNA量の測定)および分化能力(カルシウム量の測定)の評価を行っている。特に、同一個体から採取した各細胞の比較を行い、検討を重ねている。脂肪由来幹細胞の骨癒合促進能力に関する検討を行った。実験用ビーグル犬の脛骨を利用した骨切モデルを作成し、右側肢骨切部周囲にはコラーゲンゲルに播種した脂肪由来幹細胞を移植し、左側肢にはコラーゲンゲルのみを移植した。X線検査を2週間隔で撮影し、外仮骨の形成を評価した。その結果、細胞を移植した側のほうが、より早期に外仮骨が形成され、より早期にリモデリングへ移行する傾向が認められた。今後は臨床的に重要となる骨欠損モデルに対して、人工骨とともに移植する実験を行い、臨床的な効果に関して評価する予定である。3.臨床的研究骨癒合遅延の認められた動物症例(犬および猫)に対して、骨髄由来幹細胞を利用した再生治療を実施した。各動物は以前に骨折・整復手術した部位に癒合遅延が認められた症例であり、再手術の際に採取した骨髄由来幹細胞を術後数回に分けて骨折部周囲に注入移植した。その結果、各症例は良好な骨修復を示し、その成果の一部を獣医麻酔外科学会にて発表した。

10%FCS添加DMEM培地を使用した増殖培養では、BMSCの良好な増殖が認められ、7日14日の培養期間で約10^7個のBMSCを回収することが可能であった。同一個体の鼠径部から皮下脂肪を採取し、TypeIコラゲナーゼにて処理した後、培養皿底面に接着する脂肪由来幹細胞(ASC)をBMSCと同様の培養液を用いて培養し、増殖能の比較を行ったところ、ASCの増殖能力はBMSCに比較して優位に高いことが認められた。さらに、同様の細胞に対して骨分化誘導培養(骨誘導培養液:DMEM+10nM Dexamethasone+0.05mM L-ascorbic acid+10mMβ-Glycerophosphate)を行い、同一個体から採取したBMSCとASCの骨分化能を比較したところ、BMSC群の方がFast Red染色に陽性を示すコロニーが多く認められた。【in vivo】ビーグル犬の脛骨骨幹部中央にサジタルソーを用いた骨切りおよび内固定ピンを用いた整復を行い、骨折モデルを作成した。増殖させたASCをこの骨切部周囲に移植し術後仮骨形成の変化をX線学的に評価した。仮骨量に関してはコントロール群に比較して有意な差は認められなかったものの、仮骨横径が最大になる時期はASC群の方が早い傾向が認められた。【臨床応用】犬・猫の骨癒合不全症例(癒合遅延症例)に対して、BMSCを用いた骨再生治療を行った。骨癒合遅延症例に対しては再手術時以降、骨折部周囲にBMSCを注入移植することで良好な治癒が認められた。骨癒合不全症例に対しては人工骨セラミックスへBMSCを播種したバイオ人工骨を作製し骨欠損部の補填を行った。
ドイツのパブリック・ディプロマシー:過去の克服と連邦軍の海外派遣

ポスト9.11期のドイツは、連邦軍の国際協調活動に関して、外交・安全保障政策の政策概念である「包括的アプローチ(die vernetzte Sicherheit)」を発表し、国内外の理解を得るべく努力を重ね、広報外交の重要な柱としてきた。軍事的任務だけでなく、民生活動も合わせ実施するこのアプローチが重要だと国際社会に訴え、優れて軍事的な任務の引き受けを回避しつつ、民生活動を進めることで、国内世論に根強い不戦の原則に配慮しながら、単独主義を避けることができるため、国際世論にも国内世論にも一定の説得力を持つという点で広報外交上一定の有効性が認められる。本プロジェクトは三年計画であり、その初年度に当たる平成22年度は、研究計画に従い、ドイツのパブリック・ディプロマシーに関連する学術図書、学術論文のほか、関係文献の収集・分析に努めた。国内の関係機関のみならず、平成23年3月に実施したドイツ国内における現地調査においても入手に努めた。ドイツにおける現地調査にあたっては、在日ドイツ大使館の全面的な協力を得た上で、ドイツの関連諸機関を訪問し、聞き取り調査を実施し、各種公文書館・図書館にて文献収集に当たった。具体的には、ドイツ外務省政治文書館(Pohtische Archiv,Auswaertiges Amt)、州立図書館(Staatsbibliothek)、ウィリー・ブラント財団(Willy-Brandt Stiftung)などを訪問し、関係文献の複写や提供を受けたほか、公文書、関連文献の複写などを実施した。1週間にわたる現地調査ではまた、調査票を作成した上で、ドイツ外務省、首相府、新聞情報庁、国防省、公共放送「ドイッチェ・ヴェレ」(Deutsche Welle)において担当係官の聞き取り調査を実施し、公文書などの提供も受けた。これまでに入手し、あるいは提供を受けた公文書や関連文献、学術論文などについては順次読み込みと分析の作業を開始した。その一方で、平成23年度に関連シンポジウムの開催を予定していることから、その準備にも着手した。シンポジウムの立案策定、講演者の選択などの作業を実施している。本プロジェクトは三年計画であり、その二年目に当たる平成23年は、初年度の平成22年の文献収集実績を踏まえて、収集済み学術図書・論文・政府文書などの分析を務める一方で、平成23年3月にドイツ国内における聞き取り調査を実施した。具体的には、ドイツ外務省、首相府、新聞情報庁、国防省、公共放送「ドイッチェ・ヴェレ」(Deutsche Welle)において担当係官の聞き取り調査を実施し、公文書などの提供も受けた。こうした調査の傍ら、これまでに入手した公文書や関連文献、学術論文などについては順次読み込みと分析の作業を並行して実施している。さらに平成23年度末から24年度初めにかけて、広報外交に関する研究において先進的な取り組みで定評のある米国の南カリフォルニア大学広報外交研究センターなどを訪問し、聞き取り調査を行ったほか、米国で開催された国際関係学会(ISA)年次大会において最新の研究資料を入手した。3年計画である本プロジェクトの最終年度に当たる平成24年度は、初年度の平成22年と23年度に実施した、ドイツ外務省政治文書館(Politische Archiv, Auswaertiges Amt)、州立図書館(Staatsbibliothek)、ウィリー・ブラント財団(Willy-Brandt Stiftung)などにおける文献調査と、ドイツ外務省、首相府、新聞情報庁、国防省、公共放送「ドイッチェ・ヴェレ」(Deutsche Welle)における聞き取り調査の分析を踏まえて、次の研究成果を発表した。平成24年度日本国際政治学会年次大会(平成24年10月19-21日、於名古屋国際会議場)において、『ドイツ連邦軍の国際協調活動と広報外交』と題した研究発表を行った。また、平成25年2月1日には、防衛省防衛研究所(東京)において開催された同研究所研究会の招聘を受け、本科研費による研究成果の一部として『ドイツ連邦軍の国際活動と国内世論』と題した講演を行った。これらの学会発表については、学術論文として発表する予定である。一部に入手が困難な資料もあるが、平成24年度の研究成果発表に向けて、準備はおおむね予定通りに進んでいる。24年度が最終年度であるため、記入しない。当初の計画通り、平成24年度中における学会発表に向けて、準備を進めている。
遺伝子発現様相に基づく口腔扁平上皮癌の転移性診断法の開発と臨床応用の検討

これまでに行ったcDNAマイクロアレイによる15症例の結果をU検定、SAM法により解析した。MMP遺伝子群とインテグリン遺伝子群の発現が転移性を反映することが示唆された。国内外の研究協力者とともに口腔扁平上皮癌(OSCC)の臨床検体を収集した。現時点で約140症例の検体が集まり、口腔内の原発部位に分類し解析に用いている。解析法は定量的リアルタイムPCR(R-PCR)による遺伝子発現解析を行っている。これまでにMMPファミリーおよびインヒビター、計14遺伝子の癌組織内発現をR-PCRにより定量し、頚部リンパ節転移のバイオマーカーとしての有用性を検討した。リンパ節転移を有する20例と有しない20例からなる舌扁平上皮癌40症例を用いた比較の結果、MMP-1、MMP-7、MMP-11、MMP-13の遺伝子発現レベル(ACTB比)がリンパ節転移陽性群で有意に高値を示した(Mann-Whitney test, p<0.05)。さらに実用性の高いバイオマーカーを検索するため、MMP/MMPインヒビター比(MMPs/TIMPs or RECK)について検討した。この方式では有意差はMMP-1 or MMP-7/TIMP1 or TIMP2に検出されたのみであったが、臨床的に高転移性と予後不良症例においてこれらが高値を示した。さまざまな細胞から構成されている全腫瘍組織の遺伝子発現定量では採取条件により結果が変動するが、MMP-1、MMP-7遺伝子が示した安定した有意性はそれらの遺伝子のリンパ節転移バイオマーカーとしての臨床的実用性を示唆している。今年度はこれまでの研究結果から、頚部リンパ節転移と強い関連が示唆されたMMP-1について、リアルタイムPCR法による発現定量を行い、転移予測因子としての有用性を検討した。これまでの検体収集に引き続き、生検時あるいは手術時に切除したOSCC組織からtotalRNAを抽出し、逆転写反応によってcDNAを合成した。これを鋳型としてMMP-1およびβ-actinに特異的なプライマーを用い相対的定量を行い、リンパ節転移との関連を検討した。これまでに、頬粘膜癌11症例、舌癌34症例、口底癌5例、下顎歯肉23症例、上顎歯肉6症例について、MMP-1遺伝子発現レベルの定量を行った。MMP-1遺伝子発現レベルはT1-T2非進行舌-口底-頬粘膜癌で、頸部リンパ節転移を伴う癌において有意に高い値を示し(P<0.001)、リンパ節転移予測マーカーとしての臨床的有用性が示唆された。一方、T1-T2非進行上下歯肉癌では多様なパターンが確認され、MMP-1単一では転移マーカーとして不十分であることが示唆された。一般にT3-T4進行癌症例ではMMP-1が低値の場合にもリンパ節転移を生じており、転移に関し有意差は示されなかった。しかし、予後について検討すると、後発転移、リンパ節多発転移、局所再発、死亡症例などの予後不良症例にMMP-1の高値が観察された。これらの結果から、進行癌においては、全般的な予後判定因子としての可能性が示された。本年度は検体の収集、MMP-1発現レベルの検出について計画を実行した。この過程で、(1)検体の採取方法、(2)RNA抽出法、(3)RNAの品質検定、(4)リアルタイムPCR法による遺伝子発現定量法、(5)結果の統計解析法について検討した結果、検体の採取条件、遺伝子抽出法、発現定量法によりデータに変動が見られることが判明した。それに基づき、現在、安定した結果が得られるプロトコール作成を進めている。これまでに行ったマイクロアレイ遺伝子発現解析の結果にもとづきMMPファミリーおよびインヒビター、計14遺伝子の癌組織内発現をR-PCRにより定量し、頚部リンパ節転移のバイオマーカーとしての有用性を検討した。対象としてリンパ節転移を有する20例と有しない20例からなる舌扁平上皮癌40症例を用いた。

その結果、MMP-1、MMP-7、MMP-11、MMP-13の遺伝子発現レベル(ACTB比)がリンパ節転移陽性群で有意に高値を示した(Mann-Whitney test, p<0.05)。さらに実用性の高いバイオマーカーを検索するため、MMP/MMPインヒビター比(MMPs/TIMPs or RECK)について検討した。この方式では有意差はMMP-1 or -7/TIMP1or 2ratiosに検出されたのみであったが、臨床的に高転移性と予後不良症例においてMMP-1 or -7/TIMP1 or 2ratiosが高値を示した。MMP-1/TIMP2についてその臨床的有用性について検討をおこなった。転移陰性症例においてMMP-1/TIMP2は1以下を示していた。一方、転移陽性症例群においてはMMP-1/TIMP2値は高値から低値に広く分布した。1以下の値を示す症例も多く認められたため、腫瘍の転移マーカーとしては高転移性癌の一因子を示しているに過ぎないと考えられた。しかし、MMP-1/TIMP2が1以上の高値を示した症例群は死亡や多発転移を結果した高悪性度症例に一致し、悪性度を示すバイオマーカーとして鋭敏かつ有用である可能性が示唆された。さまざまな細胞からなる全腫瘍組織の遺伝子発現定量では原発部や採取条件により結果が変動するが、MMP-1、MMP-7遺伝子が示した安定した有意性はそれらの遺伝子のリンパ節転移バイオマーカーとしての臨床的実用性を示唆していると考えられた。本年度の研究の展開としてこれまでの2施設の症例収集から、新たに海外研究協力を含む2施設における検体収集を加えて開始し、口腔扁平上皮癌の約150症例の検体を収集している。これらをもとに多数症例を基礎にしたバイオマーカーの同定を検討し、取り組んでいくものである。