hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
体性細胞から成熟心筋細胞への分化誘導法の構築

miRNAを含むnon-coding RNA(ncRNA)は遺伝子発現制御に関わっており、miRNAを用いたiPS細胞への誘導が複数報、報告されてきた。我々はこの手法を応用した心筋分化を試みたが効率的なリプログラミング現象を再現できなかった。この原因としてホスト細胞のRNA環境が重要な意味を持つと予想し、この変化に着目した。この結果、リプログラミング誘導初期に発現が一過性に増加するncRNARNY1を発見した。このRNY1をsiRNAにてこの発現を抑制するとiPS細胞への誘導効率が低下した。この結果からRNA環境のコントロールすることでリプログラミング効率を向上できる可能性を示唆できた。本研究は、近年に複数報告されているmicroRNA(miRNA)によるリプログラミングを利用した体細胞の心筋分化誘導を目的としている(Lin SL. RNA. 2008, Miyoshi N. Cell stem cell. 2011, Anokye-Danso F. Cell stem cell. 2011)。初年度はレトロウィルスによるmiRNAの導入法を試みたが、その発現量が少なかったため、mature sequenceのmimicによるトランスフェクション法に切りかえた。導入したmiRNAは初年度と同じhsa-miR-302a, -302b, -302c, -302d, -367(Thermo Scientific Japan)の市販品を利用した。導入細胞はマウス胎児性線維芽細胞(MEF)を用いて、Miyoshiらの報告(Cell Stem Cell, 2011)を参考にRNAiMAX(Life Technologies)を用いたトランスフェクション法にて遺伝子導入した。導入したmiRNAは全種類の導入が確認され、一度の導入で2日間、発現していることが確認された。さらに2日に1回、同様の手順にて遺伝子導入した。8日目に遺伝子発現を定量的RT-PCR法にて解析したところ、リプログラミング時に観察されるSox2遺伝子発現は観察されなかった。このことから、現在のmiRNAの組合せではリプログラミングされていない可能性が示唆された。そこでnCounterシステム(NanoString Technologies)を用いて我々はヒトiPSCのmiRNAの発現変化を解析したところ、リプログラミング初期に有意に変化しているmiRNAの特定に成功した。これらは、リプログラミングに関与していることが報告されているmiRNAも存在しているため、今後の導入miRNAとして検討していく。本研究目的はmiRNAを用いたiPSCのリプログラミングを利用した心筋細胞への分化誘導である。そこでリプログラミングに重要なmiRNAの選択とその機構解明を一部試みている。現在、既に報告されているiPSCのリプログラミングに関連したmiRNAとしてmiR-302a, -302b, -302c, -302d, -367が挙げられている。これらを利用したiPSCへの分化誘導は既に報告されており、まずはこれらのmiRNAを用いたiPSCへの分化誘導系の構築を試みた。そこでこれらの強制発現させるレトロウィルスベクターを作製し、発現量の確認、内在性遺伝子の発現変化を確認した。この結果、miRNAのみ導入した細胞のiPSCへの誘導は確認されなかった。一方でmiRNAと山中4因子(OCT4, KLF4, SOX2, c-MYC)を導入することでiPSCへの誘導効率が増加することも明らかとなった。この結果から、miRNAを導入した細胞の発現量を検討したところ、発現を確認できたものの、その発現量が低いことも明らかとなった。これらのことからmiRNA単独でiPSCへの誘導に適当な発現量は得られない可能性が高い。そこで、今後はこれらの発現系について再度検討し、miRNAのmimicを直接トランスフェクションによって導入することも検討していく。また、これらの系の構築と共にiPSC過程における心筋細胞への分化誘導も試みているが再現性が低いため、安定した誘導系の確立も検討課題である。microRNA(miRNA)を含むnon-coding RNA(ncRNA)は細胞内の遺伝子発現制御に大きく関わっており、iPS細胞作製の際にも大きな影響を与えることが報告されている。その中でmiRNAを用いたiPS細胞への誘導が報告され、新たなリプログラミング因子としてmiRNAが注目されてきた。この原因としてホスト細胞のRNA環境が重要な意味を持つと予想し、我々はリプログラミング時に起きる細胞内のRNA環境の変化に着目した。この結果、リプログラミング誘導初期(72時間程度)に大きく発現が一過性に増加するncRNARNY1を発見した。RNY1は113 ntの小さなRNAで細胞質に多く存在し、リプログラミング因子を添加した際に発現量を一過性に大きく増加させる。siRNAにてこの発現を一過性に抑制するとネガティブコントロール群と比較すると有意にiPS細胞への誘導効率が低下することを明らかとした。

これの結果から細胞内のRNA環境のコントロールすることでリプログラミング効率を向上できる可能性を示唆することができた。再生医療初期リプログラミングに関連したmiRNAは複数報告されているものの、miRNAのみでのリプログラミングの報告しているチームは少ない。現在もリプログラミングに利用される因子は山中4因子(Oct4, Sox2, Klf4, c-Myc, OSKM)が世界的にも主流であり、複数のmiRNAのみを用いた誘導法はほとんど報告されていない。このことはmiRNAによるリプログラミングはOSKMと比べるとその誘導効率が低いことが原因であると推測される。そこでこれらの効率を向上させる、さらには誘導に適した因子を中心に解析していく必要がある。当初、予定していたmiRNA発現系レトロウィルスによるiPSCへの誘導効率が低そうなことから、再度新たなiPSCへの誘導戦略を構築し直す必要がある。そこで、強制発現系プラスミド、miRNAのmimicを用いたトランスフェクション法、もしくはエレクトロポレーション法による誘導系を構築する必要がある。また、これらの系の構築と共にiPSC過程における心筋細胞への分化誘導も試みているが再現性が低いため、安定した誘導系の確立も検討課題である。現在の課題として初期リプログラミングを誘導するmiRNAとそれを促進する因子の組合せを検討する。また初期リプログラミングとは別に、心筋分化に関連したmiRNAの選択もnCounterシステムにて特定していく。具体的にはiPS細胞から心筋細胞への誘導の際に有意に変化するmiRNA解析し、その導入を検討していく。またリプログラミングを促進するsiRNA(siMbd3)や効率的なmiRNA導入方法の利用も検討している。iPSCへの誘導過程におけるmiRNAの変化を解析することでiPSC誘導に重要な新たなmiRNAの選択も併せて行なっていく。更に安定した心筋細胞への分化誘導系も検討していく。主として細胞の購入、培養等の消耗品を中心に利用する。また東京への研究打合せへの移動費として利用する。50万円を超える物品の購入は予定していない。
新規糖尿病感受性遺伝子による脂肪蓄積制御機構の解明とエピゲノムの意義

2型糖尿病・肥満疾患感受性遺伝子としてゲノムワイド関連解析で同定されたCDKAL1は、その発現が脂肪細胞の分化や肥大化や肥満度により制御されており、脂肪蓄積の抑制因子であることを明らかにした。脂肪細胞のアディポネクチンの転写に関わるPPARγのリン酸化との明らかな関連を認めなかったが、PPARγや脂肪分化の抑制因子であるWnt、βカテニン経路を活性化した。肥満・脂肪細胞肥大におけるアディポネクチン低下に関わるプロモーター領域を同定した。その領域に転写因子Heb1が結合し、転写制御に関わることを明らかにした。肥満に伴う脂肪細胞内の代謝ストレスシグナルが、Heb1の発現を制御していた。肥満・脂肪細胞肥大におけるアディポネクチン(Ad)低下の原因転写因子として同定されたDeb1について、Adプロモーターにおいて、Deb1がAdの転写を制御する分子機構を、3T3-L1脂肪細胞の系でレトロウイルスによる過剰発現とRNAiによるノックダウン、ゲルシフト解析、ルシフェラーゼ解析、などで明らかにすることを試みた。過剰発現あるいはノックダウンによって、Adの発現が増減することが確認出来た条件下において、ゲルシフト解析ならびにルシフェラーゼ解析によりDeb1が結合して、Adの発現を制御する領域を同定した。また肥満に伴う脂肪細胞内の代謝ストレスシグナルやエネルギー代謝制御シグナルの変化が、Deb1の発現を制御していることを見出した。2型糖尿病疾患感受性遺伝子として同定されたCDKAL1の脂肪蓄積制御における役割を検討するために、CDKAL1を3T3-L1脂肪細胞に過剰発現させたところ、脂肪蓄積および脂肪細胞分化が強く抑制されることを見出した。逆にCDKAL1をノックダウンした細胞では脂肪細胞分化が促進した。さらにCDKAL1の過剰発現による脂肪分化抑制はC/EBPβ、C/EBPδ以降のC/EBPαおよびPPARγを発現上昇させる経路の抑制によることが示唆された。CDKAL1のどのドメインが脂肪細胞分化制御作用に重要かを検討するために、各種delition変異や点変異を作成し、N末側の機能ドメインがその役割に重要であることが示唆された。ヒストンアセチル化酵素CBPが高脂肪食に伴う脂肪蓄積を制御する分子メカニズムを転写・エピゲノム修飾のレベルで明らかにする基盤技術としてゲノム上のヒストン修飾やクロマチン構造を検出するChIP-seqやFAIRE-seqの解析技術を確立し、脂肪細胞特異的な転写制御領域の同定と解析を行った。脂肪細胞肥大化の系を用いて肥大化に伴い活性が減少するアディポネクチンのプロモーター近傍の転写制御領域を同定し、この領域に結合しアディポネクチン転写を制御する因子としてHeb1を見出した。レトロウイルスによる過剰発現とRNAiによるノックダウン解析、ゲルシフト解析、ルシフェラーゼ解析から、Heb1の発現はin vitroや肥満モデルマウスの肥大化脂肪細胞において減少し、肥大化に伴う脂肪細胞内の代謝シグナルの変化が、Heb1の発現を制御していることが示唆された。2型糖尿病の疾患感受性遺伝子として同定されたCDKAL1は3T3-L1脂肪細胞において脂肪蓄積および脂肪細胞分化に対して抑制性に作用することを見出した。Deletion変異や点変異の検討から、N末側の機能ドメインがその作用に重要な役割を果たすことが示唆された。CDKAL1の過剰発現による脂肪細胞分化抑制作用は、PPARgを抑制するβカテニン蛋白量や標的遺伝子の転写が増加することから、Wnt経路の活性化を介している可能性が示唆された。脂肪組織のCDKAL1の全身のエネルギー代謝、糖脂質代謝における役割を検討するために作成した脂肪細胞におけるCDKAL1のトランスジェニックマウスの作成では複数のラインが得られ、現在解析を行っている。エピゲノムによる脂肪蓄積の制御の分子メカニズムの検討では、ゲノム上のヒストン修飾やクロマチン構造を検出するChIP-seqやFAIRE-seqによりゲノム上の脂肪細胞特異的な転写制御領域の同定と解析を行った。脂肪細胞肥大化の系を用いて肥大化に伴い活性が減少するアディポネクチンのプロモーター近傍の転写制御領域に結合するHeb1は、in vitro, in vivoの機能解析の結果から、肥大化に伴う代謝シグナルによる制御を受け、アディポネクチン転写を制御することが示唆された。2型糖尿病の疾患感受性遺伝子であるCDKAL1は、脂肪組織における発現がBMIと逆相関しており、脂肪蓄積および脂肪細胞分化に対して抑制性に作用することを見出した。N末側の機能ドメインがその作用に重要であり、3T3-L1の分化系のC/EBPβやC/EBPδ以降のPPARγやC/EBPαの転写カスケードに作用する経路の中で、PPARγに抑制性に作用するWnt経路をCDKAL1が活性する作用を認めた。Wnt経路ではβカテニンの活性化と核移行が増強されていた。aP2プロモーターによる過剰発現では脂肪萎縮や脂肪量減少は認めなかった。

エピゲノムによる脂肪蓄積の制御の分子メカニズムの検討では、ゲノム上のヒストン就職やクロマチン構造を検出するChIP-seqやFAIRE-seqを施行し、白色・褐色脂肪特異的な転写制御領域とその制御因子の解析を行い、細胞特異的な転写メカニズムを明らかにした。脂肪細胞肥大化の系を用いて肥大化に伴い活性が減少するAdプロモーター領域の探索を施行し、レトロウイルスによる過剰発現とRNAiによるノックダウン解析、ゲルシフト解析、ルシフェラーゼ解析から、この領域に結合しAd転写を制御する因子としてHeb1を見出した。Heb1の発現はin vitroや肥満モデルマウスの肥大化脂肪細胞において減少しており肥満に伴う脂肪細胞内の代謝ストレスシグナルやエネルギー代謝制御シグナルの変化が、Heb1の発現を制御していることが示唆された。2型糖尿病疾患感受性遺伝子として同定されたCDKAL1は3T3-L1脂肪細胞において脂肪蓄積および脂肪細胞分化に抑制性に作用することを見出した。Deletion変異や点変異の検討から、N末側の機能ドメインがその役割に重要であることが示唆された。CDKAL1の過剰発現による脂肪分化抑制作用は、PPARγを抑制するWnt経路のβカテニンのタンパク量増加および下流の標的遺伝子の活性化によることが示唆された。ヒストンアセチル化酵素CBPが高脂肪食に伴う脂肪蓄積を制御する分子メカニズムを転写・エピゲノム修飾のレベルで明らかにする基盤技術としてゲノム上のヒストン修飾やクロマチン構造を検出するChIP-seqやFAIRE-seqの解析技術を確立し、脂肪細胞特異的な転写制御領域の同定と解析を行った。研究計画に基づいて、Heb1発現の脂肪細胞内の代謝性ストレスによる制御御の検討、CDKAL1の脂肪蓄積・分化抑制作用における作用メカニズムの検討、CDKAL1トランスジェニックマウスの作成、脂肪細胞特異的な転写制御領域の同定など各プロジェクトともおおむね計画通りに進展している。26年度が最終年度であるため、記入しない。前年度の結果に基づき、引き続き当初の研究計画に基づいて研究を遂行する。糖尿病・代謝内科26年度が最終年度であるため、記入しない。研究計画に基づいて、各プロジェクトともおおむね計画通りに進展している。研究計画に基づいて、Heb1発現の転写制御の検討、CDKAL1の脂肪蓄積・分化制御作用における作用メカニズムの検討、CDKAL1トランスジェニックの作成、脂肪細胞特異的な転写制御領域の同定などおおむね計画通りに進展している。初年度の結果に基づき、引き続き当初の研究計画に基づいて研究を遂行する。前年度の研究結果をもとに、当初の研究計画に基づいて研究を遂行する。
AFPレクチン結合性分画比の胎児染色体異常症診断への応用

正常群2,040例における母体血清log AFPをy軸に,妊娠日をx軸に設定しグラフを作製すると,回帰直線はy=0.0093x+0.6(r=0.430,p<0.001)となった.また正常群2,054例における母体血清AFP-L3%をy軸に,妊娠日をx軸に設定しグラフを作製すると,回帰直線はy=-0.1321x+41.77(r=-0.147,p<0.001)となった.これらの回帰直線から算出した正常群のAFP MoMの中央値は1.0(範囲;0.6-1.5),またAFP-L3%MoMの中央値は1.0(範囲;0.0-2.4)で,21トリソミーにおけるAFP MoMの中央値は0.9(0.3-1.2),またAFP-L3% MoMの中央値は1.7(1.1-2.1)であり,AFP MoMにおいては,21トリソミー群は正常群に比較し有意(p=0.0003)に低値を示し,AFP-L3% MoMにおいては,21トリソミー群は正常群こ比較し有意(p<0.0001)に高値を示した.ROC曲線を用いた21トリソミーの検出法としての有用性の検討では,AFP MoMとAFP-L3% MoMのAUCはそれぞれ0.709と0.937であり,AFP-L3% MoMのAUCが有意(p<0.000024)に高値を示した.またそれぞれの偽陽性率を5%に固定すると,AFP MoMのカットオフは0.85>となり感度は24%,またAFP-L3% MoMのカットオフは1.50<となり感度は66%であった.AFP-L3% MoM,AFP MoM,hCG MoM,uE3 MoMの4種の母体血清マーカーを組み合わせスコア化により検討すると,21トリソミーの診断における感度は85.2%,偽陽性率は3.0%であった.またこの場合のpositive predictive valueは65.8%であった.以上の結果,レクチンと抗AFPモノクローナル抗体の競合反応を応用したliquid-phase binding assayを用いて正常妊娠婦人の母体血清AFP-L3%を測定することにより,個々のAFP-L3%をMoM値で評価することが可能となった.AFP-L3% MoMは21トリソミーの出生前診断において,単一の母体血清マーカーとしても診断効率の上昇をもたらすことが初めて証明され,またAFP-L3% MoMを他の母体血清マーカーと組み合わせることで,従来のトリプルマーカーテストに比較し著明な感度の改善が得られることが示唆された.19891998年の間において胎児21トリソミーと診断された妊婦(胎児21トリソミー群)18例と、染色体核型が正常と診断された妊婦(ハイリスク正常群)50例から、母体血清および羊水を採取した。また特別な異常を認めなかった妊婦(正常コントロール群)20例から、母体血清を採取した。胎児21トリソミー群およびハイリスク正常群は、年齢においてそれぞれ正常コントロール群と比較し有意に高齢であったが、検査時における妊娠週数には差を認めなかった。胎児21トリソミー群、ハイリスク正常群、正常コントロール群の母体血清AFPの中央値はそれぞれ34.5、48.0および39.0ng/ml、母体血清AFP MoMはそれぞれ0.75、0.95および0.98、また母体血清AFP L3分画の中央値は41.4、34.8および32.2%であった。胎児21トリソミー群、ハイリスク正常群の羊水AFPの中央値は10868.9および14598.0ng/ml、また羊水AFP L3分画の中央値は49.2および41.5%であった。胎児21トリソミー群とハイリスク正常群との間には、母体血清AFP値・母体血清AFP MoM・羊水AFP値・母体血清AFP L3分画・羊水AFP L3分画に有意差を認めた。さらに胎児21トリソミー群と正常コントロール群との間には、母体血清AFP L3分画においても有意差を認めた。ハイリスク正常群および正常コントロール群の2群においては、母体血清AFP値、および母体血清AFP L3分画に有意差を認めなかった。ROC曲線における母体血清AFP MoMおよびAFP L3分画のAUCは、それぞれ0.700および0.835とAFP L3分画に大きい傾向が認められたものの、有意差を認めなかった。以上のことより妊娠のsecond trimesterにおいて母体血清AFP L3分画を分析することが胎児21トリソミー妊娠と正常妊娠とを臨床的に区別しうる可能性が示唆された。正常群2,040例における母体血清log AFPをy軸に,妊娠日をx軸に設定しグラフを作製すると,回帰直線はy=0.0093x+0.6(r=0.430,p<0.001)となった.また正常群2,054例における母体血清AFP-L3%をy軸に,妊娠日をx軸に設定しグラフを作製すると,回帰直線はy=-0.1321x+41.77(r=-0.147,p<0.001)となった.

これらの回帰直線から算出した正常群のAFP MoMの中央値は1.0(範囲;0.6-1.5),またAFP-L3%MoMの中央値は1.0(範囲;0.0-2.4)で,21トリソミーにおけるAFP MoMの中央値は0.9(0.3-1.2),またAFP-L3% MoMの中央値は1.7(1.1-2.1)であり,AFP MoMにおいては,21トリソミー群は正常群に比較し有意(p=0.0003)に低値を示し,AFP-L3% MoMにおいては,21トリソミー群は正常群こ比較し有意(p<0.0001)に高値を示した.ROC曲線を用いた21トリソミーの検出法としての有用性の検討では,AFP MoMとAFP-L3% MoMのAUCはそれぞれ0.709と0.937であり,AFP-L3% MoMのAUCが有意(p<0.000024)に高値を示した.またそれぞれの偽陽性率を5%に固定すると,AFP MoMのカットオフは0.85>となり感度は24%,またAFP-L3% MoMのカットオフは1.50<となり感度は66%であった.AFP-L3% MoM,AFP MoM,hCG MoM,uE3 MoMの4種の母体血清マーカーを組み合わせスコア化により検討すると,21トリソミーの診断における感度は85.2%,偽陽性率は3.0%であった.またこの場合のpositive predictive valueは65.8%であった.以上の結果,レクチンと抗AFPモノクローナル抗体の競合反応を応用したliquid-phase binding assayを用いて正常妊娠婦人の母体血清AFP-L3%を測定することにより,個々のAFP-L3%をMoM値で評価することが可能となった.AFP-L3% MoMは21トリソミーの出生前診断において,単一の母体血清マーカーとしても診断効率の上昇をもたらすことが初めて証明され,またAFP-L3% MoMを他の母体血清マーカーと組み合わせることで,従来のトリプルマーカーテストに比較し著明な感度の改善が得られることが示唆された.
ナノ構造に基づく多機能センサアレイの創成とハイスループットバイオ分子解析への展開

申請者の有する技術である金キャップナノ微粒子構造型LSPRバイオセンサーの利点として、非標識(ラベルフリー)に抗原抗体反応やDNAハイブリダイゼーション検出が可能であり、簡易な光学システムのみで気・液中共に明瞭な吸収スペクトルを示し、またその構造体はバラエティーに富んだフォーマット上に作製が可能である。本研究では、この利点を活かし、高機能型光学センサーアレイプラットフォームの構築、つまり、ナノ構造表面、マイクロ流体システムを集積した高機能型光学バイオセンサーアレイのプラットフォームの構築を検討した。具体的には、局在プラズモン共鳴(localized surface plasmon resonance, LSPR)技術を活用し、高感度・多機能フォトニックデバイスの検討のため、次の3点、(a)LSPR感度の向上手法の調査、(b)多機能計測の可能性、(c)多検体測定に向けた高感度LSPRチップのMEMSアレイ化の構築、について検討した。その結果、1年間の研究機関において、以下の光学ナノバイオセンサーの開発に成功した。(A)PCR増幅のラベルフリーなリアルタイム光学検出のためのナノ構造バイオチップを構築し、迅速なオンチップリアルタイム光学測定により、迅速な目的DNAの増幅と検出に成功した。(B)ラベルフリーな抗原抗体反応の光学計測のためのチオール化RNAアプタマーを固定化した金キャップなの構造基板を作製し、0.1ng/mLフィブリノゲンの高感度計測に成功した。(c)SiO2/Siおよび金ナノ粒子からなる多層フォトニック構造に基づく干渉-プラズモンカップリング光学バイオセンサーを構築し、ビオチン-アビジン反応のリアルタイム計測に成功した。
エイズの遺伝子治療に有効な導入遺伝子開発の基礎的研究

HIVなどレトロウイルス感染症に対する遺伝子治療は、原因が外来性因子のウイルスであるのでウイルスの増殖阻止を狙った方法で可能と考えられる。レトロウイルス感染患者の発症阻止を目的とした遺伝子治療において、有効な導入遺伝子の基礎的研究を自然界に存在する抵抗性遺伝子をモデルにして作った。レトロウイルス感染に対し、抵抗性の遺伝子として知られているFv-4は、その作用機構として、レセプターの競合が考えられるが、不明なところが多く、これまでに考えられているFv-4の遺伝子産物以外の因子の関与が考えられている。Fv-4 gene productとレセプターが直接に結合していることを示すデータがないことより、他の作用機構の存在も考えられる。Fv-4遺伝子の作用が、in vivoとin vitroで異なることより、Fv-4遺伝子の作用に免疫の関与を考え、Fv-4遺伝子をヌードマウスに導入し、ヌードマウス中でのFv-4の作用を検討した。Fv-4のヌードマウスへの導入は、交配により行った。まず、Fv-4 congenic BALB/cヌードマウスとの交配でF1マウスを得、このF1マウス同士を交配することで、F2マウスを得た。F2マウスのFriendウイルスに対する感受性を調べたところ、Fv-4ヘテロのマウスも、ウイルスに強い感受性を示した。Flow cytometryの観察で、Fv-4遺伝子を有するヌードマウスは、ホモ・ヘテロに関わらずFv-4 gene prodectの発現が確認された。BALB/cマウスではFv-4はヘテロであってもマウス白血病ウイルスに対して完全な抵抗性であるとされてきたが、免疫機能、特に細胞性免疫機能が欠如しているヌードマウスでは、Fv-4ヘテロの場合、感受性であることが判明し、Fv-4が担う抵抗性野発現に、免疫系が関与していることが示唆された。
アルコール燃料の噴霧混合気形成および自己着火現象に関する基礎研究

H19年度に実施した噴霧可視化実験結果より「アルコール噴霧の自己着火現象を支配する内部要因が理論空燃比と蒸発潜熱である」ことを基礎現象の観点から実証した。H20年度は自己着火に及ぼす外部要因の影響を調べるため、定容燃焼炉内のガス圧力および温度をパラメータとした基礎実験を行った。その結果、「アルコール噴霧の自着火現象は内部要因と外部要因に依存するが,周囲ガス圧力および温度が高くなるほど外部要因が支配的となる」ことが明らかとなり、物理学的基礎現象解明への重要な知見を得るに至った。世界規模で深刻化する石油資源枯渇および地球温暖化等のエネルギー・環境問題。これら諸問題の根本的解決には石油依存社会からの脱却が必要であるとの考えから、本研究では植物バイオマスベースのアルコールをエネルギー源とした熱サイクル論的にも高効率な圧縮自着火噴霧燃焼エンジンシステムの確立を目指している。本研究は上記システム実現のキー技術である着火燃焼制御法の確立に向け、アルコールの噴霧混合気形成・自己着火・燃焼という一連の物理化学メカニズムの解明を目的としている。これまで本研究で行ってきた理論検討および実機関を用いた着火・燃焼特性試験結果から自己着火現象を支配する要因には燃料の熱物性・特性に関る内部要因(特に理論空燃比と蒸発潜熱)と噴霧を形成する際の周囲ガス状態(圧力、温度、酸素濃度)に関る外部要因があることはわかっていた。そこでH19年度は先ず自己着火に及ぼす内部要因の影響を調べるため、エタノールに溶解性が良好で且つエタノールと燃料物性の異なるジエチルエーテル(エタノールに比べ理論空燃比が大きく蒸発潜熱が小さい)を混合し、その混合割合を変化させた燃料を用いて噴霧可視化実験を行った。その結果、ジエチルエーテルの混合割合が大きいほど、つまり燃料の理論空燃比が大きく蒸発潜熱が小さくなるほど、着火遅れ(燃料噴射開始から自己着火するまでの時間)が短くなることを確認した。この結果は実機関を用いた実験結果と同様の傾向を示しており、「アルコール噴霧の自己着火現象を支配する内部要因が理論空燃比と蒸発潜熱である」ことを基礎現象の観点からも実証した。以上の成果は第45回燃焼シンポジウムおよび第16回微粒化シンポジウムにて発表済みであり、現在日本機械学会論文集への掲載に向け執筆中である。深刻化する石油資源枯渇および地球温暖化等のエネルギー・環境問題の根本的解決には再生循環型社会構築が必要であるとの考えから、本研究では植物バイオマスベースのアルコールをエネルギー源とした熱サイクル論的にも高効率な圧縮自着火噴霧燃焼エンジンシステムの確立を目指している。そこでH19年度は先ず自己着火に及ぼす内部要因の影響を調べるため、エタノールにジエチルエーテル(エタノールに比べ理論空燃比が大きく蒸発潜熱が小さい)を混合した燃料を用いて噴霧可視化実験を行った。その結果、「アルコール噴霧の自己着火現象を支配する内部要因が理論空燃比と蒸発潜熱である」ことを基礎現象の観点からも実証した。その結果、「アルコール噴霧の自着火現象は内部要因と外部要因に依存するが,周囲ガス圧力および温度が高くなるほど外部要因が支配的となる」ことが明らかとなった。現在はH20年度に得られた実験結果を基に、噴霧混合気形成過程に及ぼす周囲ガス圧力および温度の影響について更に解析を進めている。また、以上の成果はSAE2009 International Power-trains, Fuels and Lubricants Meetingにて発表を予定しており、現在日本機械学会論文集への掲載に向け執筆中である。
魚摂取によるメチル水銀ばく露と不飽和脂肪酸摂取のリスク・ベネフィット解析

魚介類摂取は、メチル水銀などの化学物質曝露を伴う一方で、DHAなどn-3系不飽和脂肪酸など子どもの成長と発達に有用と考えられ、リスクとベネフィットの両面性を有する。魚介類摂取の総合的評価を意図し、生後7及び24ヶ月の発達指数をアウトカムとし、臍帯血DHAと母親毛髪総水銀の関連性を比較した。臍帯血プロゲステロンがDHAと関連したため共変量とした。重回帰分析より、DHAと7ヶ月の発達指標との間に正の関連性が示され、DHAの栄養学的ベネフィットが確認された。一方で、メチル水銀の影響については一貫性が確認できなかった。メチル水銀の曝露を回避しながら魚介類摂取量を維持することが有用と示唆された。魚介類摂取は、メチル水銀やPCBなどの化学物質の曝露を伴うとともに、オメガ3脂肪酸の摂取に重要な役割を有しており、魚介類摂取のリスクとベネフィットの統合的評価が必要である。このため環境省が進めている「こどもの健康と環境に関する全国調査(エコチル調査)」に追加して出生コホート調査を実施し、子どもたちの成長と発達と、化学物質曝露およびオメガ3脂肪酸摂取との関係を明らかにする疫学調査を進めた。本年度は生後7および24ヶ月の成長と発達を新版K式発達検査により観察するとともに、交絡要因として考えられるオメガ3脂肪酸の代謝に関わるゲノム解析の同意取得を行った。メチル水銀の曝露評価は母親毛髪総水銀を指標としてすでに解析済みであり、PCBなどの化学物質もエコチル調査で分析される結果を利用する計画である。出生コホートは次年度も継続医のため、まだ化学物質と子どもの成長と発達に関する統計解析は実施していないものの、これまでに母親末梢血、臍帯血の赤血球オメガ3脂肪酸のレベルと、出生体重および在胎期間との関連性を検討し、日本人でもオメガ3脂肪酸のレベルが増加すると在胎期間が延長することを示すことができ、オメガ3脂肪酸の栄養学的な意義の一つと考えられた。魚介類摂取は、環境由来の化学物質であるメチル水銀やPCBなどの化学物質の曝露を伴う一方で、オメガ3脂肪酸など小児の成長と発達に有用と考えられる栄養素を取り込むこととなり、リスクとベネフィットの両面性を有し、このため魚介類摂取に関する総合的な評価が必要である。このため環境省が進めている「こどもの健康と環境に関する全国調査(エコチル調査)」の機会を利用し、エコチル調査に追加して出生コホート調査を進め、子ども達の成長と発達と、化学物質曝露とオメガ3脂肪酸摂取の関連性を明らかにする疫学調査を進めた。本年度は生後24ヶ月に新版K式発達検査を継続し、データベース化を進めた。また、生後36ヶ月では知能検査をK-ABCにて開始した。交絡要因として、オメガ3脂肪酸の代謝に関わるゲノム解析を追加した。メチル水銀の曝露評価は母親毛髪総水銀を指標とした。オメガ3脂肪酸は母体血および臍帯血赤血球膜脂質中の脂肪酸分析によった。これまでに赤血球オメガ3脂肪酸指標と出生体重および在胎期間との関連性を検討し、日本人でもオメガ3脂肪酸のレベルが増加すると、在胎期間が延長することが確認されており、日本人のオメガ3脂肪酸レベルは欧米に比べて値が高いものの、そのレベルでもオメガ3脂肪酸は生物学的にもなんらかの影響を及ぼしていることが確認された。本年度は、a)生後24ヶ月の発達検査を継続し、b)そのデータベース化を行うとともに、c)生後36ヶ月の知能検査を開始することとした。さらに、d)脂肪酸代謝に関する同意取得を目指した。b)以外は概ね順調に進んでおり、b)についてもデータベース化を行って解析を進められる体制が整いつつある。魚介類摂取は、環境由来の化学物質であるメチル水銀やポリ塩化ビフェニルなどの化学物質曝露を伴う一方で、DHAなどオメガ3脂肪酸といった児の成長と発達に有用と考えられる栄養素を取り込むこととなり、リスクとベネフィットの両面性を有すると考えられる。このため魚介類摂取の総合的な評価が必要と考えられ、生後7及び24ヶ月の子どもの発達指数をアウトカムとし、臍帯血DHAと出産時母親毛髪総水銀との関連性を比較した。対象者は、環境省が進めている子どもの健康と環境に関する全国調査(エコチル調査)のフィールドを活用し、その追加調査として実施した。母親IQ、学歴、収入などの社会経済的条件、母親の喫煙習慣、飲酒習慣、母年齢、妊娠前BMI、出生体重、出産順位、児の性別、検査テスターなどの共変量を考慮した多変量解析の結果、DHAと発達指標との間に正の相関関係が観察され、臍帯血DHAが増えていくと、対象児の発達指数が高くなった。重回帰モデルに毛髪水銀を変数として加えると、メチル水銀曝露自体の負の影響は認められなかったものの、DHAと発達指標との関連性はさらに強くなる現象が観察された。一方で、3歳半でK-ABC IIを用いて実施したIQ検査では、臍帯血DHAや毛髪水銀値との間に統計学的な関連性は観察されなかった。以上から、DHAの栄養学的利点として、乳幼児の発達指標に対するDHAの栄養学的なベネフィットが示された。DHAの周産期における栄養学的な利点はこれまでにも海外で報告があり、日本人でもその知見が有効であると考えられた。今回の解析対象ではメチル水銀の負の影響は認められなかたものの、メチル水銀の高濃度曝露では負の影響もあると考えられるため、メチル水銀の汚染度が高い魚介類の摂取を避けつつ、DHAを摂取するため魚介類をうまく活用することが大切と結論された。

魚介類摂取は、メチル水銀などの化学物質曝露を伴う一方で、DHAなどn-3系不飽和脂肪酸など子どもの成長と発達に有用と考えられ、リスクとベネフィットの両面性を有する。魚介類摂取の総合的評価を意図し、生後7及び24ヶ月の発達指数をアウトカムとし、臍帯血DHAと母親毛髪総水銀の関連性を比較した。臍帯血プロゲステロンがDHAと関連したため共変量とした。重回帰分析より、DHAと7ヶ月の発達指標との間に正の関連性が示され、DHAの栄養学的ベネフィットが確認された。一方で、メチル水銀の影響については一貫性が確認できなかった。メチル水銀の曝露を回避しながら魚介類摂取量を維持することが有用と示唆された。本年度は、a)コホート調査の実施とコホート確立(エコチル調査との連携)、b)生後7および24ヶ月における発達検査の実施、c)曝露指標の実施、d)脂肪酸代謝に関するゲノム解析の同意取得、e)母乳試料の解析と脂肪酸分析、などを目標として取り組んできた。対象児の全てで7ヶ月調査を終了し、成長とともに24ヶ月調査を開始した。曝露指標の解析も終了しており、調査計画に従って順調に進展していると判断された。一方で、曝露指標と児の発達指標との統計解析を今後実施する必要がある。今後とも、児の成長と合わせて引き続きコホート調査を進め、36ヶ月の知能検査を行うとともに、曝露指標と発達指標について統計解析を進める必要が有る。そのために、各種共変量を含めてデータベースの構築が急がれる。また、ゲノム解析結果を調査協力者に報告する予定であり、報告と説明会を開催する必要がある。28年度が最終年度であるため、記入しない。環境衛生学対象児の成長に合わせて、引続きコホート調査を進め、特に生後36ヶ月でのフォローアップ(主に知能検査)を平成27年夏より開始する。また、ゲノム解析の同意が得られた方でのゲノム解析を開始するとともに、その解析結果の報告を希望する養育者に、結果報告を準備する。その際に、ゲノム情報に加え、オメガ3脂肪酸の栄養学的利点、化学物質曝露のリスクについても合わせてコミュニケーションを試みることが重要と考え、そのためのコンテンツ作りを目指す。疫学調査を進めるためのリサーチコーディネーター(RC)の雇用を計画していたが、同じ地域で別の化学物質(有機リン系農薬)に関する経学調査がエコチル調査と連携で開始され、本研究ではRC人件費の支出を控え、本研究分の調査を研究者自身が担当することで調査を進めたことによる。また、ゲノム解析を進めたが、同意書取得が年後半になったためにまだ未分析の試料があり、そ二分の消耗品の支出を次年度以降とした。疫学調査を進めるためのリサートコーディネーター(RC)の雇用を計画していたが、同じ地域にて有機リン系農薬曝露に関する疫学調査がエコチル調査との連携で始まることとなり、RC人件費の支出を控え、本研究分は研究者自身が研究事務を担当することで調査を実施することができた。また、脂肪酸代謝に関するゲノム解析について、解析の同意書がまとまるのを待っていたため、ゲノム解析に関わる消耗品の支出が次年度繰り越しとなった。RC人件費については、次年度は本研究で支出することとなるため、計画通りの支出を行う予定である。
肺動脈性肺高血圧症におけるToll like receptorの役割について

肺動脈性肺高血圧症の病態に炎症および免疫反応が関連していると予測し、Toll like receptor-2ノックアウトマウスに対してモノクロタリンを投与して肺高血圧モデルを作成し、肺高血圧の程度、炎症性サイトカインの変化について組織学的検討および分子機序を検討した。Toll like receptorがその病態に関与していることが判明すれば、肺高血圧症の新たな治療のターゲットになると考えられる。特発性肺動脈性肺高血圧(PAH)は極めて予後不良の疾患であり、詳細な病因、病態は不明な点がいまだ多く有効な治療法も少ない。PAH患者の血中のIL-1βやIL-6などの炎症性サイトカインが上昇していること、肺小動脈において炎症細胞の浸潤が観察されること、ステロイドや免疫抑制剤によって血行動態が改善する症例があることなどから膠原病性肺高血圧や一部の原発性肺高血圧症の発症・進展機序には、免疫異常が関与している可能性が高い。Toll like receptor(TLR)は病原体の菌体成分を特異的に認識し、炎症性サイトカインなどの自然免疫系の活性化に関与しており、PAHの病態に深く関わっている重要な因子であると予測した。今回、TLR-2ノックデウトマウスを用いて、肺高血圧モデルを作成することを試みた。モノクロタリンを腹腔内へ投与したのち、8週後に右室へMicro-Tipカテーテルを穿刺し右室内圧を測定した。しかし、右室圧はwild typeにおいても有意な肺高血圧の所見なく、一方、TLR-2ノックアウトマウスとの差も得られなかった。よって今後は低酸素(10%酸素)による肺高血圧モデルの作成を試みることとし、作成された肺高血圧モデルにおける肺動脈の組織学的な検討、炎症マーカーなどの血清生化学的な検討を加えていく予定である。TLR-2ノックアウトマウスに対してモノクロタリンを投与して肺高血圧モデルを作成し、肺高血圧の程度、炎症性サイトカインの差異について組織学的検討および分子機序を検討することが目的である。生後4週目のTLR-2ノックアウトマウス、wild typeの雄マウスに、週1回モノクロタリン(600mg/kg/week)を皮下注する。8週後に肺高血圧の程度を検討するために、ペントバルビタールを腹腔内投与にて麻酔、人口呼吸管理をおこなったうえで開胸し、Micro-Tipカテーテルを用いて右室内圧を測定する。その後、右室、左室重量を測定し、wildtypeとノックアウトマウス間の肺高血圧および右室肥大の相違の有無を検討する。組織学的検討項目として、モノクロタリン投与8週後に肺を摘出し、ヘマトキシリン-エオジン染色を行い、PAHに特徴的である肺小動脈におけるplexiform lesionの出現の差異ついて検討する。同時に(1)抗Ki-67抗体を用いた血管内皮増殖の程度(2)抗ED1抗体を用いた単球/マクロファージの浸潤の程度を観察する。血中の炎症性サイトカインとしてtumor necrosis factor-α、interleukin-1β、interleukin-6の血中濃度をELISA法を用いて測定する。上記ノックアウトマウスとwild typeマウス間において生存率に差があるのかを検討する。肺動脈性肺高血圧症の病態進展に炎症および免疫反応が関連していると予測されるが、詳細はいまだ不明な点が多い。免疫応答に重要な役割を果たしているtoll like receptorがその病態に関与していることが判明すれば、肺高血圧症の新たな治療のターゲットになると考えられる。
c-Ha-rasトランスジェニックラットの発がん感受性の解析

発がん機構の解析や発がん物質の効率的な検索を可能にする発がん高感受性動物の作出を目的にヒトプロト型c-Ha-rasトランスジェニック(Tg)ラットを作出した。このTgラットはMNUおよびDMBAにより乳腺発がん高感受性形質を示した。MNU投与後8週の雌Tgラットに発生した乳腺腫瘍組織の導入遺伝子変異についてclevge resistant bandをRFLPにて解析したところ, codon12に86.8%の頻度で変異が見い出され,codon61には変異の無いことが分かった。また,DMBA投予後16週の乳腺がんでは,codon12に25%の頻度で変異が,codon61では35%に変異の有ることが分かった。しかし,一腫瘍DNAのサブクローニング法とRFLPによる変異シグナルの強度の解析により,がん組織中の変異を持つ細胞の割合は少ないことを明らかにした。さらに,乳腺を標的とする食品中の発がん物質であるPhIPの投与では,投予後8週のTgラットのすべてに乳腺がんの発生が認められたが,野生型ラットには全く認められなかった。発生した乳腺がん組織における導入遺伝子では,codon12に385%で,codon61では23.1%に変異があった。しかし変異を持つ細胞の割合はMNU投与の場合と同様に少なかった。従って,乳腺発がん高感受性形質には導入遺伝子の変異以外に別の機序が関与していることが示唆された。TgラットにNMBAを投与したところ,顕著な食道腫瘍の増加が認められ,食道においても発がん高感受性形質であることも明らかとなった。食道腫瘍における遺伝子変異を検索した結果,導入遺伝子のcodon12の76%に変異があったが,codon61には変異の無いことが明らかとなった。また,食道腫瘍では変異を持つ細胞の割合が多いことが明らかになった。
縄文系および弥生系日本人における高血圧の遺伝的素因の特徴と標準化への応用

遺伝子多型の分布には人種差があり高血圧連鎖連関研究への影響が無視できない。すなわち、研究対象によりその病態的意義が異なる可能性がある。その理由として遺伝子・遺伝子や遺伝子・生活習慣の間の相互関係の差の関与が推察されているが、この問題にいかにアプローチしていくかについてこれまで明確な方向性は打ち出されていない。一方、分子人類学におけるヒト系統樹マーカーの研究が進んでいる。特にミトコンドリアとY染色体の多型が各々母系と父系のマーカーとして重視されている。本邦においてはY染色体Alu反復多型(YAP)Alu挿入が縄文系由来を、Alu欠失が弥生系由来を示唆すると考えられている。ある集団のある遺伝子多型に片寄りを認める場合、ヒト系統樹マーカーと連鎖している可能性が仮定できる。そこで本研究では青森県下16市町村より無作為に抽出し本研究に同意の得られた男性303例を対象とし、この仮説を検証した。YAP Alu挿入型は対象の約38%で、本州の他の地域の報告と差は認められなかった。高血圧感受性マーカーとして重要な遺伝子多型とYAPの連鎖の有無について検討したところ、YAPのAlu挿入型とAlu欠失型において、15遺伝子多型中3遺伝子多型(内皮型一酸化窒素合成酵素4b/a多型、アルデヒド脱水素酵素-2 Glu487Lys多型、ミトコンドリアC16223T多型)の遺伝子型で分布の差が認められた。さらに、香港大学との協同研究を行い、香港男性ではYAPのAlu欠失型が殆どであることと、内皮型一酸化窒素合成酵素4b/a多型のa対立遺伝子が偏在していることを確認した。また、YAP自体と高血圧とは連関を認めなかったが、内皮型一酸化窒素合成酵素4b/a多型とはYAPのAlu挿入型でのみ連関を示した。今回の研究では3つの遺伝子多型がYAPと連鎖不平衡を示した。これらの多型は、YAPが出現した以降に発生しYAPと歩みを共にしてきた可能性が示唆される。また、ヒト系統樹マーカーによる対象集団の層別化が実現すると、連鎖連関研究の臨床的意義が一層明確になる可能性が期待される。本年度の研究実施計画本年度は青森県下16市町村より無作為に抽出し本研究に同意の得られた1000名を対象とした。高血圧群は、1)薬物治療中、2)血圧が収縮期160mmHg以上、拡張期95HmmHgのいずれかあるいは、両方を満たす者とし183例(男性83例、女性100例)が抽出された。同時に、年令および性をマッチさせた高血圧歴のない正常血圧群193例(男性67例、女性126例)が抽出された。以上の2群において母系由来のミトコンドリアDNA(mtDNA)多型と父系由来のY染色体Alu反復多型(YAP)の分布を検討し、高血圧との連関解析を行なった。【方法と結果】予備的な検討として、正常血圧者20例と高血圧者20例においてPolymerase chain reaction (PCR)direct sequence法を用いてmtDNAのDループ領域の変異解析を行った。

その結果16223番塩基のシトシンからチミンへの変異(C16223T)と16362番塩基のチミンからシトシンへの変異(T16362C)において有意差が認められた。そこで全例においてこの二つの変異をAllele specific amplification法(ASA法)を用いて遺伝子型を判定した。正常血圧群において野生型であるC16223は26例(13.5%)、変異型である16223Tは167例(86.5%)であるのに対し、高血圧群ではC16223Cは48例(26.2%)、16223Tは135例(73.8%)で、有意の差が認められた(P<0.01)。一方、T16362C多型については正常血圧群と高血圧群との間に差は認められなかった。対象は成人男性278例である。特異的プライマーを用いたPCR増幅産物の泳動距離の差によりAlu反復の有無を決定した。278例中95例がYAP(+)で183例がYAP(-)であった。YAP(+)群では36例(37.9%)、YAP(-)群では67例(36.6%)において高血圧を認めたが、その分布には有意の差は認められなかった。【結論】mtDNA多型は糖尿病においてその病態的意義が注目されていたが、これまで高血圧における役割については注目されていなかった。今回の検討ではmtDNAのC16223T多型と高血圧との間に連関が認められ、高血圧におけるmtDNA異常と母系遺伝の重要性を示唆する結果と考えられる。他方、YAPは高血圧とは連関が認められなかったが、YAP(+)の頻度は青森県においても本州中央と差がなく縄文系の比率に差のない可能性が示唆された。次年度はmtDNA多型解析の対象を広げハプロタイプから縄文系と弥生系を分析を行ないたい。本年度の研究実施計画Y染色体多型はヒト系統樹研究における遺伝子マーカーとして汎用されており、特にAlu反復多型(YAP)の存在は縄文系由来をその欠失は弥生系由来を示唆するという。また、遺伝子多型の分布には民族差があり、病態的意義も異なることが指摘されている。我々はすでに、アルデヒド脱水素酵素(ALDH-2)遺伝子Glu487Lys多型が糖尿病性腎症の遺伝子マーカーとなりうる可能性を報告した。今回はALDH-2遺伝子多型とYAPの連鎖の有無について検討した。【方法】対象は無作為に抽出された成人男性303例である。各人の末梢血液よりDNAを抽出し、YAPおよびALDH-2 Glu487Lys多型における遺伝子型をPCR法またはASA法により決定した。遺伝子多型の分布をx二乗法により検定した。【結果】303例中102例がYAP(+)、201例がYAP(-)であった。ALDH-2の対立遺伝子は、YAP(+)群でD対立遺伝子が17.2%、N対立遺伝子が82.8%で、YAP(-)群と差を認めなかった(p=0.5494)。しかし、ALDH-2の遺伝子型は、YAP(+)群ではD/D型7例、D/N型21例、N/N型74例、YAP(-)群ではD/D型5例、D/N型67例、N/N型129例で有意の分布の差が認められた(p=0.0206)。【結論】ALDH-2遺伝子Glu487Lys多型はYAPを指標とした縄文系と弥生系間において分布に特徴が認められ生活様式や疾患感受性に差のある可能性が示唆された。縄文系と弥生系における糖尿病性腎症の遺伝子マーカーとしての意義が注目される。
ウラン超伝導化合物における磁気励起子の研究

1.UPd_2Al_3における磁気励起子媒介超伝導これは研究課題名にもあるように、本研究の中心的課題である。我々は良質な単結晶を育成し、種々の物性測定を行うことにより、磁性と超伝導に関する基礎的情報を得た。次にこれら二つの長距離秩序間の相互作用を明らかにすべく、中性子非弾性散乱実験を行い、高エネルギー位置に現れるピークのほかに、低エネルギー領域にも励起が存在することを発見した。後者は超伝導転移温度の上下で大きく温度変化することから、重い準粒子励起に対応するものと同定された。これらの実験結果をもとに、「5f電子の遍歴・局在2重性」モデルを用いて解析を行い、(1)上記の高エネルギー成分が磁気励起子(局在成分)に対応すること、および(2)それが重い準粒子(遍歴的成分)間に引力をもたらすこと、を示した。これにより、反強磁性。秩序状態における磁気的作用によって超伝導が誘起される初めての例を示した。この成果は、Nature,410(2001)340-343.に掲載された。UNi_2Al_3はUPd_2Al_3と同型の結晶構造をもち、反強磁性と超伝導が共存するなどの共通する側面をもつ一方、一様磁化率における異方性には大きな違いが見られていた。我々は、磁気秩序構造を詳細に決定し、さらにトリプレット・クーパー対が形成されていることを示した。UPd_2Al_3と比較した場合、磁気秩序状態の相違が超伝導クーパー対の対称性の相違につながっているものとの推測を行ったが、それを実験的に明らかにするまでには至らなかった。3.UGe_2およびURu_2Si_2における磁性と超伝導の相関ごく最近、UGe_2において強磁性と超伝導との共存が発見され、大きな話題となっている。我々は単結晶育成と高圧下における磁化測定とを行い、強磁性と超伝導が競合的に共存している可能性を指摘した。これは欧米等の他の研究グループの見解とは異なるものであり、今後詳細な研究をすすめていく必要がある。後者に関して、高圧下熱膨張測定により新しい相転移に伴う異常を発見し、圧力対温度空間における磁気相図をはじめて完成した。低圧相の秩序パラメータの正体を明らかにするためには理論研究が必要であるが、それらの理論モデルは、上記相図を再現できるかどうかで、その成否が決定されよう。本研究で対象とするウラン3元化合物UPd_2Al_3、UNi_2Al_3及びURu_2Si_2は、局在的反強磁性を示すのみならず、遍歴性の顕著な現れである超伝導をも示す。これら2つの長距離秩序状態の共存こそが、この系を際だたせる特徴となっている。この系の最大の興味・問題は、「反強磁性は超伝導発現をアシストしているのか、あるいは逆にクーパー対を破壊しているのか」であり、これに解を与えようとするのが本研究の目的である。

トリアーク炉によってUPd_2Al_3の良質の単結晶を育成し中性子散乱実験を行ったところ、超伝導と磁性が強く相関していることが見いだされた。この結果を現象論的なモデルで解析した結果、局在磁気モーメントが超伝導を媒介するとして良く説明されることが明らかとなった。この成果はNature誌に掲載予定である。一方、上記のモデルは5f電子がシングレット基底状態の仮定の上に成立している。5f電子系を直接研究する前段階として、対応する4f電子系の研究を行うため、同様にトリアーク炉によってPrPd_2Al_3の単結晶を育成した。大型の結晶は未だ育成されていないが、熱力学的物理量の測定には充分なものが育成された。これを本年度購入した加熱装置を用いて熱処理を行った結果、残留抵抗比に改善が見られた。この試料を用いて、磁化および比熱測定を行い結晶場解析を行ったところ、シングレット基底状態が実現していることが判明した。また、URu_2Si_2の良質の単結晶を育成し高圧下での磁化の測定を行い、UPd_2Al_3と同様の負のモード結合を示すことも見いだした。このことから、URu_2Si_2の磁性及び超伝導もUPd_2Al_3と同様に理解することが可能かも知れない。次年度は、PrPd_2Al_3の中性子散乱実験を行い、磁気励起子の直接的観測を試みる予定である。本研究課題で対象としていた主要なウラン超伝導化合物はUPd_2Al_3とUNi_2Al_3であったが、研究遂行中に、UGe_2という極めて興味ある物質が発見・報告されたため、これをも研究対象に含めた。今年度、これら全てについて以下のような成果を得ることができた。1.UPd_2Al_3 UPd_2Al_3は反強磁性と超伝導が共存する典型化合物であり、本研究課題の中心的物質である。その超伝導のメカニズムに対して、磁気励起子が超伝導引力相互作用を媒介していることを示すことに成功した。これは、局在磁気モーメントが超伝導ペアー相互作用を媒介するというものであり、これまでにない全く新しいタイプのものである。この成果はNature誌に掲載され、また、新聞報道も為された。また、超強磁場下における比熱および磁化の測定を行い、磁気相図を完成させた。これにより、UPd_2Al_3の5f電子の状態を温度・磁場の関数として決定した。2.UNi_2Al_3 UPd_2Al_3と同型の結晶構造を持ち、また、反強磁性と超伝導の共存を示すUNi_2Al_3も実に興味ある化合物である。これに対し、反強磁性秩序状態における磁気構造を完全に決定した。また、この磁気構造が超伝導転移に際し変化しないことも明らかにした。3.UGe_2上記2物質と同様に、磁性と超伝導のいずれもウラン原子の5f電子によって担われていると考えられている。本質的に異なるのは、超伝導と共存するのは反強磁性ではなく、強磁性である点である。このような物質は未だかつて発見されたことはなく、現在、世界的なトピックスとなっている。しかし、良質の(単)結晶でのみ超伝導が発現するとされ、また、10キロバール以上の極めて高い圧力下でのみ超伝導が観測されるため、この研究を行っているグループは世界的にみてもごく少数である。我々はこれらの困難な実験条件を全てクリアーし、次のことを明らかにした。即ち、強磁性も超伝導も空間的に一様ではなく、相分離している可能性がある。次年度は、これを中性子散乱実験等のミクロな実験手段を用い、より詳細な研究を進めていく予定である。平成12年度からの3年間により次の成果を得た。