hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
粘膜感染防御におけるＭ細胞の生物学的重要性の解析

腸管粘膜上皮M細胞は、管腔内から細菌などの抗原を取り込む細胞である。これまでM細胞による抗原取り込みは、粘膜の特異的IgA抗体の産生(液性免疫)に重要であることが知られてきた。一方で、M細胞依存的な抗原取り込みがTh1細胞やTh17細胞に代表される細胞性免疫を誘導できるかについては不明であった。昨年度までの研究により、M細胞による抗原取り込みが大腸粘膜固有層の細胞性免疫誘導に貢献していることが示唆された。またM細胞を欠損するSpi-B欠損マウスは、大腸において細胞性免疫反応を引き起こすCitrobacter rodentium感染に対し、強い感受性を示した。この時、Spi-B欠損マウスでは、多くの細菌が感染初期から全身性に移行していることが分かった。つまり、M細胞は粘膜固有層における抗原特異的な細胞性免疫を誘導することにより、粘膜感染時のバリア機能強化に寄与していると考えられた。本年度は、これらのM細胞依存的な細胞性免疫が感染症に対して宿主防御的な作用を有しているのか、より詳細な検証を実施した。感染期間中の抗原特異的Th細胞の検出から、Spi-B欠損マウスの感染感受性の増加は、腸内細菌特異的なTh細胞によるものであると推測された。そこで野生型及びSpi-B欠損マウスの腸管から採取したCD4陽性細胞を、成熟したT細胞及びB細胞が存在しないRag1欠損マウスに移植して感染実験を行った。その結果、これらのマウスはドナーマウスのフェノタイプを再現した。つまり、病原体に対して特異的な免疫応答でなく、感染前に誘導されていた腸内細菌に対する細胞性免疫応答が、宿主防御に貢献していることが明らかになった。つまり、感染などの上皮バリア損傷において同時に宿主体内に侵入してくる腸内細菌などの抗原を認識して宿主バリア機能を高める免疫機構がM細胞の抗原取り込みによって形成されていることが示唆された。29年度が最終年度であるため、記入しない。腸管粘膜上皮M細胞は、管腔内から細菌などの抗原を取り込むユニークな細胞である。これまでM細胞による抗原取り込みは、粘膜において特異的IgA抗体の産生(液性免疫)に重要であることが知られてきた。加熱死菌や腸管内容物で刺激した樹状細胞と大腸から採取した細胞との共培養系を利用し、大腸粘膜固有層に存在する抗原特異的Th1及びTh17細胞を検出した。その結果、M細胞を欠失するSpi-B欠損マウスの大腸粘膜固有層では、腸管内容物の抗原に対して特異的に反応するTh1、Th17細胞が少ないことが分かった。この結果は、M細胞による抗原取り込みが大腸粘膜固有層の細胞性免疫に貢献していることを示唆している。またSpi-B欠損マウスは、大腸において細胞性免疫反応を引き起こすCitrobacter rodentium感染に対し、強い感受性を示した。つまり、M細胞は粘膜固有層における抗原特異的な細胞性免疫を誘導することにより、粘膜感染時のバリア機能強化に寄与していると考えられる。そこで、現在、M細胞依存的な細胞性免疫と粘膜のバリア機能の関係について詳細な解析を実施している。M細胞が大腸における細胞性免疫誘導に貢献していることを示した。概ね当初の計画通り順調に進行している。

今後は、Bacteria FISH(fluorescence in situ hybridization)法を用いて腸管管腔内の細菌を染色し、これらの細菌がSpi-B欠損マウスにおいてどれだけ上皮に接近しているかを調べる。さらに、大腸粘膜におけるマクロファージをソーティング(回収)し、サイトカインなどのエフェクター分子の発現を調査する。また、M細胞がいないことによって低下した細胞性免疫がC. rodentium感染に対する感受性増加に貢献しているのか調べる。具体的には、Spi-B欠損マウス由来の腸管リンパ球を成熟リンパ球が存在しないRag1欠損マウスに養子細胞移植し、C. rodentiumに対する感受性を確認する。29年度が最終年度であるため、記入しない。
組織滞在型マクロファージの起源の探索および人為的作製法の開発

これまで末梢組織の血液細胞は、成体骨髄に存在する造血幹細胞によってのみ、供給・維持されるものと考えられてきた。しかしながら近年、マクロファージ系譜については、胎生期において末梢組織に播種した単球・マクロファージ系譜の細胞が、組織滞在型細胞として生涯にわたって自己複製を行いながら、末梢組織のホメオスタシスに関わっていることが明らかとなってきた。そこで本研究課題では、この胎生期由来マクロファージの幹細胞学的起源を探るととともに、これらのマクロファージをリプログラミングによって人為的に作製する方法を開発することを目的としている。平成29年度の研究から、組織滞在型マクロファージは、胎仔型赤血球と共通の祖先細胞を持つことが示唆された。平成30年度は、組織滞在型マクロファージの分化メカニズム解明に向けた研究へ着手した。これまでに胎仔型赤血球の形成を促進する転写因子が、組織滞在型マクロファージの分化へ抑制的に関与すること、また逆に、胎仔型赤血球形成へ抑制的に働く転写因子が、組織滞在型マクロファージの分化を促進することを見出している。また組織滞在型マクロファージの分化をより可視的に、また生体に近い形で観察する目的で、マウス胎齢8日胚の2日間にわたる全胚培養系を確立し、顕微鏡下で組織滞在型マクロファージがde novoで発生してくる様子を観察することを可能にした。現在、この全胚培養系を使用し、低分子化合物などの分子阻害薬を用いて、組織滞在型マクロファージの分化機構をさらに詳細に調べている。組織滞在マクロファージの分化メカニズムについて、概ね明らかにできており、計画通りに進展している。今度、組織滞在マクロファージの分化メカニズムについてさらに精査するとともに、人為的にリプログラミングによって組織滞在型マクロファージを作製する技術の開発に努める。平成29年度は、マウス胚を用いて胎生期由来組織滞在型マクロファージの起源の探索を行った。まずマクロファージ前駆細胞に発現するCSF1受容体(M-CSF/IL-34受容体)を有する細胞が、胚発生期のいつ出現するのか検討を行ったところ、胎齢9日目の卵黄嚢において初めて検出された。これらの細胞はCD45、CD41共陽性分画に存在していた。またこれらのCSF1受容体陽性細胞は、胚発生期に出現する最初期の造血細胞であるCD45、AA4.1陰性CD41陽性分画から分化してくることも明らかとした。これらの細胞の存在時期は、予想されている組織滞在型マクロファージの出現時期と一致していた。このことは、組織滞在型マクロファージは、胎仔型赤血球などと共通の祖先細胞を持つことを示唆した。現在、これらのCSF1受容体陽性細胞が、生体内で長期間に渡って存在し続けるか、検証している。組織滞在型マクロファージの起源の探索について、おおむねその起源を特定できており、計画通りに進展している。組織滞在型マクロファージの起源については、さらに精査する。また組織滞在型マクロファージが、その前駆細胞から形成される過程における、分化経路、分子メカニズムについて研究を進める。

組織滞在型マクロファージの探索が、当初の予測より順調に進展し、物品費を大きく削減できたとともに、当初予定していた学会参加を一件とりやめたため。これらによって生じた次年度使用額は、次年度に多大となる予想される網羅的遺伝子解析やその実験試薬などに使用する予定である。組織滞在マクロファージの分化メカニズムについて、当初の予測より順調に進展し、物品費を大きく削減できたとともに、当初予定していた国際学会一件、国内学会一件の参加を取りやめたため。これらによって生じた次年度使用額は、次年度、多大となると予想される網羅的遺伝子解析や実験試薬などへ充てる予定である。
極微量元素分析を可能とする超小型3D光学系蛍光X線分析装置開発と鉄鋼分析への応用

偏光光学系蛍光X線(XRF)分析は,偏光X線を励起光として用い,スペクトル中のバックグラウンドを低減することで高感度分析が可能な分析手法である.本研究の目的は,従来のXRF分析に匹敵する感度を有する,その場計測可能な小型偏光光学系XRF装置の開発とそれを用いた金属材料をはじめとする未知試料中微量元素の高定量分析の達成である.平成30年度は試作した装置を用いたステンレス鋼のスペクトル測定および高い偏光度を有するX線の簡便な生成手法に関する以下2点の成果を得た.1.アクリル製偏光素子を用いた偏光光学系XRFによるステンレス鋼材の定性・定量分析偏光素子にアクリル板を用いステンレス鋼SUS304およびSUS316LのXRFスペクトルを測定し,2鋼種の同定が可能かどうかを確かめた.昨年度は,試料台の金属製治具や検出器から生じる銅や亜鉛,ジルコニウムの特性X線が鋼材を測定する上で妨害ピークとなっていたが,試料台を3Dプリンタにより製作した樹脂製部品に置換しそれらの強度を低減することで,SUS304中に含まれるモリブデン(約0.2 mass%)を定量することができた.2. 3Dプリンタによる簡易X線偏光度測定装置の開発と偏光白色X線偏光度測定偏光光学系XRFによる未知試料中微量元素の高感度分析には,高い偏光度を有する白色X線が適している.我々のグループでは,X線が入射方向に対して90度方向にCompton散乱することで白色X線が偏光されることを見出した.そこで,偏光素子にアクリル板および鉛版を用いた際に得られる偏光X線の偏光度を,3Dプリンタ製の偏光度測定装置により測定した.その結果,Compton散乱強度の大きくなるアクリル板を用いた場合のX線の偏光度が鉛版を用いた場合に比して約3倍となることがわかった.平成30年度が最終年度であるため、記入しない。平成30年度が最終年度であるため、記入しない。偏光光学系蛍光X線(XRF)分析は,偏光X線を励起光として用い,スペクトル中のバックグラウンドを低減することで高感度分析が可能な分析手法である.本研究の目的は,従来のXRF分析に匹敵するppbオーダーの感度を有する,その場計測可能な小型偏光光学系XRF装置の開発とそれを用いた金属材料をはじめとする未知試料中微量元素の高定量分析の達成である.平成29年度は装置の幾何学的配置・材質に起因して生じるスペクトル変化の評価を行い,主として以下2点の成果を得た.1.装置の材質・配置の最適化と妨害ピーク・散乱線の低減微量元素の分析では,制動放射に伴うバックグラウンドに加え,装置から発生する特性X線や散乱X線も感度に影響する.特に,試料台由来の特性X線の影響は顕著でありその改善を行った.具体的には,試料台の金属製治具から生じる銅や亜鉛のK線が鋼材を測定する上で妨害ピークとなっていたが,試料台を3Dプリンタにより製作した樹脂製部品に置換し,それらの強度を著しく低減できた.また,コリメータの設置及びX線管・検出器位置の最適化を行い,散乱線の発生を抑制できた.2. XRFスペクトルへのCompton散乱の影響の解明未知試料分析には白色X線が励起光として適しており,X線がその入射方向に対して90度散乱することで白色X線を偏光できる.偏光素子にアクリル板と鉛板を用いステンレス鋼SUS316LのXRFスペクトルを測定した.X線の吸収を考慮し偏光素子の厚さを最適化し,WターゲットX線管を用いた際の比較によると,アクリル板を用いた際には鉛板に比べNi線強度が減少することを見出した.これは線源由来のW線が偏光素子上で90度方向にCompton散乱を起こし,Ni K吸収端より低エネルギー側にシフトしたことに起因するものであり,偏光光学系ではCompton散乱を定量値に影響を与えうる因子として扱う必要がある.平成29年度に予定していた,装置の幾何学的配置・材質に起因するXRFスペクトルに対するノイズ因子の評価については順調に進行しており,装置改良を行うことでノイズの原因である散乱線や妨害ピークの低減を達成できたため.また,従来バックグラウンドの低減という利点から用いられる偏光光学系XRFにおいて,偏光素子において生じるCompton散乱がXRFスペクトル自体の強度変化の原因になるという新たな知見を得ることができたため.偏光光学系蛍光X線(XRF)分析は,偏光X線を励起光として用い,スペクトル中のバックグラウンドを低減することで高感度分析が可能な分析手法である.本研究の目的は,従来のXRF分析に匹敵する感度を有する,その場計測可能な小型偏光光学系XRF装置の開発とそれを用いた金属材料をはじめとする未知試料中微量元素の高定量分析の達成である.平成30年度は試作した装置を用いたステンレス鋼のスペクトル測定および高い偏光度を有するX線の簡便な生成手法に関する以下2点の成果を得た.1.アクリル製偏光素子を用いた偏光光学系XRFによるステンレス鋼材の定性・定量分析偏光素子にアクリル板を用いステンレス鋼SUS304およびSUS316LのXRFスペクトルを測定し,2鋼種の同定が可能かどうかを確かめた.昨年度は,試料台の金属製治具や検出器から生じる銅や亜鉛,ジルコニウムの特性X線が鋼材を測定する上で妨害ピークとなっていたが,試料台を3Dプリンタにより製作した樹脂製部品に置換しそれらの強度を低減することで,SUS304中に含まれるモリブデン(約0.2 mass%)を定量することができた.

2. 3Dプリンタによる簡易X線偏光度測定装置の開発と偏光白色X線偏光度測定偏光光学系XRFによる未知試料中微量元素の高感度分析には,高い偏光度を有する白色X線が適している.我々のグループでは,X線が入射方向に対して90度方向にCompton散乱することで白色X線が偏光されることを見出した.そこで,偏光素子にアクリル板および鉛版を用いた際に得られる偏光X線の偏光度を,3Dプリンタ製の偏光度測定装置により測定した.その結果,Compton散乱強度の大きくなるアクリル板を用いた場合のX線の偏光度が鉛版を用いた場合に比して約3倍となることがわかった.更なるバックグラウンドの低減のためには,偏光度の高いX線の生成が必要である.現在,散乱現象を利用したX線偏光度測定装置を製作しており,それを用いることで,種々の偏光素子により生じた偏光X線の偏光度評価を行う予定である.また,単色X線ではあるが,45度Bragg回折を起こすことで高い偏光度を有するX線の生成が可能である.現在所有しているX線管から生じる特性X線波長に対し45度回折可能な分光結晶を用いた偏光生成も行い,測定対象元素に応じて散乱による偏光生成と併用することで,装置の実用化につなげる.また,改良したXRF分析装置を環境試料や鉄鋼材料など具体的な材料系に適用して,その実用性の評価を行う予定である.平成30年度が最終年度であるため、記入しない。平成30年度が最終年度であるため、記入しない。
フタル酸による精子形成障害へのテトラヒドロビオプテリンによる予防と治療の試み

2006、2007年度に、内分泌かく乱物質であるフタル酸エステル(DEHP:オリエンタル社)の投与濃度による精子形成への影響を観察した。また、精子形成障害に対するテトラヒドロビオプテリン(BH4:第一アスビオファーマ社)の治療効果を検討するために、BH4の投与時期や投与方法、使用マウス種の条件検討をした。その結果、高DEHP濃度(1.5%、1.0%DEHP)の長期間投与すると精巣にリンパ球浸潤が認められる事がわかった。また、低DEHP濃度においてA/Jマウスは感受性に個体差が少なかった。以上の結果から2008年度は(1)A/Jマウスに低濃度である0.5%DEHP食餌とBH4水(20mg/kg・BH4を給水に混ぜ自由摂取)を同時投与し、投与後のBH4の予防効果を組織学的に検討した。(2)A/Jマウスに0.5%DEHP暴露による精子形成障害後にBH4水を1週間与え、BH4による障害に対する治療効果を組織学的に検討した。(1)および(2)の結果として、DEHP+BH4水投与群およびDEHPのみ投与群を比較し、両群ともに肉眼的に変化はなかったが、(1)光学顕微鏡下ではDEHP群に比べDEHP+BH4投与群は精細管内の細胞脱落および多少の精子形成障害の改善傾向を認めたが、有意差は得られなかった。(2)光学顕微鏡下ではDEHP群に比べDEHP+BH4投与群は精細管内の細胞脱落の改善傾向を認めたが、有意差は得られなかった。今後、実験条件を改善する事で、DEHP暴露による精子形成障害についてBH4が予防や治療効果を示す可能性があると思われる。本研究科研費で購入した内分泌かく乱物質であるフタル酸エステル(DEHP:オリエンタル社)投与マウスにテトラヒドロビオプテリン(BH4:第一アスビオファーマ社)を投与する前段階として、DEHP投与量とBH4投与時期を検討した。まず、8週齢ICRマウスの雄に0.1、0.5、1.0、1.5%DEHP含有食餌を与え、摘出した精巣と精巣上体をテクノビット包埋(Heraeus Kulzer社)し、ヘマトキシリンエオジン染色で投与開始から2週、4週、6週、8週、10週後における経時的精子形成障害変化を光学顕微鏡下で観察した。0.1%DEHP投与2週目は軽度精子形成障害を発症したが、4週目は精子形成障害を発症していなかった。また、投与期間においても精子形成障害程度に多少のバラツキが見られた。全体的にはDEHP投与量・期間に対して濃度依存的に障害が増悪する傾向にあるものの、低濃度ほどマウスによって毒性感受性に違いがあり、個体差が影響している事が明らかになった。また、DEHPの長期投与では精子形成障害における精細管の破壊に伴うリンパ球浸潤が見られた。以上の事から、マウスの系統を個体差の少ない、A/Jマウスに変更し、BH4投与時期を精細管が破壊され、リンパ球浸潤が見られる前に投与する事に決定した。さらに、連日の口腔投与では身体的ストレスが予想され、そのストレスによる身体的負担の軽減の為、1.5%DEHP含有食餌およびBH4を同時期に腹腔内投与する事を試みた。しかし、精子形成障害の改善は見られず、口腔投与に変更する事になった。以上、本年度でフタル酸エステルにおけるBH4の投与時期、使用マウス種、投与方法が決定した。前年度において内分泌かく乱物質であるフタル酸エステル(DEHP:オリエンタル社)

投与量、使用マウス種(ICRマウス)および投与方法(腹腔内投与)を検討し、低濃度ほど精子形成障害の障害程度に個体差が大きいこと、高濃度で長時間投与では精細管周囲にリンパ球浸潤が誘導されることおよび腹腔内投与ではBH4の抗酸化作用が得られなかったことを報告した。今年度は使用マウス種(A/Jマウス)、投与方法(口腔投与)および投与時期(リンパ球浸潤)について検討した。まず、毒性感受性の個体差を軽減するため、近交系の8週齢A/Jマウスの雄に0.1、0.5、1.0、1.5%DEHP含有食餌を与え、投与開始から2週、4週、6週、8週、10週後に摘出した精巣と精巣上体の経時的変化を光学顕微鏡下で観察し、投与方法については口腔投与を正常のA/Jマウスに試みた。また、投与時期についてBH4の抗酸化作用におけるリンパ球浸潤に対する影響を検討するため、リンパ球浸潤と精細管の委縮の病態を主とする実験的自己免疫性精巣炎(EAO)においてBH4を投与した。その結果、口腔投与では身体的ストレスがかかり体重の減少が見られ、DEHP投与マウスも暴露期間において著明な体重減少が見られる事がわかっており、体重減少の要因が複数存在してしまう為、他の方法として正常マウスに筋肉注射する事で口腔投与後より著明な体重減少が軽減した。A/Jマウスの精子形成障害ではDEHP投与量・期間に対して濃度依存的に増悪する傾向が見られた。6週目以降に0.51.5%DEHP投与において精細管周囲にリンパ球浸潤が見られた。0.1%DEHP投与で6週目10週目にかけて精子形成障害を発症する個体と発症しない個体が見られたが、リンパ球浸潤に関しては0.1%DEHP投与では観察されなかった。また、BH4投与しない群に比べBH4投与群ではEAOの病態が若干軽減したが、有意な差はなかった。以上、今年度は使用マウス種(A/Jマウス)、投与方法(筋肉注射)および投与時期・濃度(リンパ球浸潤のない0.1%DEHP)に決定した。2006、2007年度に、内分泌かく乱物質であるフタル酸エステル(DEHP :オリエンタル社)の投与濃度による精子形成への影響を観察した。また、精子形成障害に対するテトラヒドロビオプテリン(BH4 :第一アスビオファーマ社)の治療効果を検討するために、BH4の投与時期や投与方法、使用マウス種の条件検討をした。その結果、高DEHP濃度の長期間投与すると精巣にリンパ球浸潤が認められる事がわかった。また、低DEHP濃度においてA/Jマウスは感受性に個体差が少なかった。以上の結果から2008年度はA/Jマウスに(1)0.1%DEHP食餌とBH4(10mg/kg・筋肉内注射で連日投与)を長期同時投与し、投与後6週目での治療効果、および(2)0.5%DEHP食餌とBH4(20mg/kg・BH4を給水に混ぜ自由摂取)を同時投与し、投与後2週目で治療効果を検討した。(1)DEHP+BH4投与群およびDEHPのみ投与群との比較において、両群ともに肉眼的に変化はなかった。また、光学顕微鏡下で両群ともに同程度の精子形成障害が認められ、BH4の治療効果は確認できなかった。その原因として、精子形成障害の程度に差が認められ難い程にDEHP投与量が少なかったこと、BH4の投与方法(筋肉内注射)に問題があると考えられた。(2)DEHP+BH4水投与群およびDEHPのみ投与群を比較し、両群ともに肉眼的に変化はなかったが、光学顕微鏡下ではDEHP+BH4投与群に多少の精子形成障害の改善を認めた。今後、実験条件を改善する事で、DEHP暴露による精子形成障害についてBH4が治療効果を示す可能性があると思われる。
認知症における摂食障害発生機序の革新的研究：原始反射と脳機能の解明と治療法開発

平成23年度において、原始反射の出現と摂食嚥下機能および口腔ケアリスクとの関連が示された。平成24年度において、健康成人において外部からの働きかけによって、脳機能の活性が見られることが示された。平成25年度には、健康高齢者において視覚情報の有無によらず、声掛けによって前頭葉部の脳機能の活性が高まることが示された。また、認知症高齢者においても、外部からの働きかけによって、脳の機能に変化が見られることが示された。今回の研究成果から、視覚情報や声掛けによって脳機能の活性に違いが生じた。このことより、介助者の呼びかけや食環境整備が脳の活性を高め、安全な摂食・嚥下を行うために重要であることを示している。目的】摂食・嚥下の過程の中の先行期における食物認知の違いが脳の活性に与える影響を調べる【対象と方法】、スペクトラテック社製OEG-16を用いて、神経・筋疾患を持たない健常成人6名(平均年齢31.5±7.3歳)を対象として、安静時および他3つの条件における脳血流の測定を行った。条件1では、被験者は開眼した状態で、介助者が声掛けを行いながらゼリーを摂取させた。条件2では、被験者は閉眼した状態で、介助者は条件1と同様の声掛けを行い、ゼリーを摂取させた。条件3では、被験者は条件2と同様に閉眼し、介助者は声掛けを行わずに、スプーンを被験者の下唇に触れさせることで開口・ゼリーを摂取させる合図とした。すべての条件で、課題開始時より脳血流量の増加がピークに達するまでの時間を求めた。【結果】課題開始時から各チャンネルにおいて、脳血流の相対的増加量を測定し、そのピーク値を得る秒数を比較したところ、各被験者間で、被験者全員平均では有意な差は得られなかった。しかし個人内比較では、条件1、2間で6名中3名に有意な差が認められた(p<0.05)。3名の内訳は、条件2より条件1でピークに達するまでの時間が短いものが2名、条件1より条件2で短いものが1名であった。【考察】同じ声掛けを行った条件で、閉眼時より開眼時でより早い増加を見られた2名では、視覚情報により行動への準備が行われ、スムーズな反応の立ち上がりが得られたものと考えられる。また、条件1より条件2において速い増加が見られた1名では、視覚情報のない環境下での声掛けの重要性が示唆された。今回、有意差は得られなかったものの、個人間内において各条件でピーク値への時間の違いが見られ、外部情報の量により脳機能の活性に違いが生じた。このことより、介助者の食事介助方法や食環境整備が安全な摂食・嚥下を行うためには重要であることを示している。平成24年度に行った、若年健常者での脳血流量の測定方法をもとに、健康高齢者を対象とした測定、検討を行った。日本歯科大学多摩クリニックにて行った介護予防事業に参加した健康高齢者のうち、研究への協力の同意を得た23名(男性2名、女性21名、平均年齢75.3±4.2歳)を対象に測定を行った。測定にはスペクトラテック社製OEG-16を用い、被験者23名全員の前額部に近赤外光送光部と受光部センサーが2行6列で交互に3cm間隔で配置したセンターバンドを装着し、安静時の他4つの条件において脳血流の測定を行った(計16チャンネル)。測定する課題は前年度から一部変更し、条件1では、被験者は開眼した状態で、介助者が声掛けを行いながらゼリーを摂取させた。条件2では、被験者は開眼した状態で、介助者は条件1と異なり声掛けを行わず、ゼリーを摂取させた。条件3では、被験者に閉眼させ、介助者は条件1と同様に声掛けを行い、ゼリーを摂取させた。条件4では、条件3と同様に被験者に閉眼させ、スプーンを被験者の下唇に触れさせることで開口・ゼリーを摂取させる合図とした。また、山梨県にある特別養護老人ホームに入居中の認知症高齢者3名に対し、脳血流量の測定を行った。測定場所はそれぞれの施設内において可及的に静かな部屋とし、健康高齢者での測定と同様にゼリーを介助にて摂取中に測定を行った。今回の測定において、一部被験者では測定に対する緊張感の高まりからか、意図せぬ脳血流量の増加が測定時間内全般にわたり見られたケース、また逆に課題が進むにつれ「慣れ」が生じたことによる影響が見られたケースが認められた。

【目的】健常者を対象に先行期の食物認知が脳活性に及ぼす影響を、fNIRSを用いて測定する。【対象と方法】精神・神経疾患の既往を持たない健常成人6名(平均年齢31.5±7.3歳)を対象として行った。測定にはスペクトラテック社製OEG-16を用い、被験者6名全員の前額部にバンドを装着し、安静時及び3つの条件で脳血流の測定を行った(計16チャンネル)。条件1では、被験者は開眼した状態で、介助者が声かけを行いながらゼリーを摂取させた。条件2では、被験者は閉眼した状態で、介助者は条件1と同様の声かけを行い、ゼリーを摂取させた。条件3では、被験者は条件2と同様に閉眼し、介助者は声かけを行わずに、スプーンを被験者の下唇に触れさせることで開口・ゼリーを摂取させる合図とした。【結果】安静時とすべての条件においてチャンネル間の脳血流量の相対的な増加量を比較したところ、前額部の左右において有意な差は認められなかった。条件1、2、3において、それぞれを安静時と比較したとき16チャンネル中15チャンネルで脳血流量の増加が有意に認められた(p<0.05)。条件1、2で比較を行ったところ有意な差は見られず、左右差も認められなかった。条件2、3での脳血流の増加を比較したところ、16チャンネル中13チャンネルで有意な増加を認めた(p<0.05)。その中でもチャンネル1において7.83倍の増加であった。【考察】本研究では先行期において視覚での認知と声かけによって、食物への準備が行われ、それに伴い脳もより活性化すると仮定した。視覚から情報の有無による有意な差異はこの研究において観察することはできなかったものの、声かけによって脳活性は向上することが明らかとなった。これは、介助者の適切な声かけが、被介助者の脳を活性化させ、摂食・嚥下に対する覚醒や姿勢を整え、安全な摂食・嚥下を行うために有用であることを示している。高齢者での測定を行うに当たり、常者での測定結果を基に、測定時プロトコールの調整を行っていたが、測定環境等の調整に時間がかかったため。初年度の計画においては、認知症高齢者の摂食・嚥下機能のスクリーニング調査を台東区介護老人福祉施設にて行い、原始反射のスクリーニング調査や関連要因となる全身状態の調査を行うことができたが、健常者と認知症高齢者を対象とした脳機能測定が不十分であり、平成24年度以降継続して行っていく予定である。平成25年度は、前年度までの測定結果を基に、同意の得られた認知症高齢者に対して、脳機能測定を行い、原始反射の発現状況に伴う脳機能活性部位の変化、活性の表出の仕方の変化を計測する。その後、原始反射やマンチング発現状況による摂食困難に対する、摂食方法や介助方法の検討を行う。最終年度であるため、それまでのデータをまとめ、報告書を作成し、3年間の研究で得られた成果を学会にて報告、論文発表する。初年度に引き続き、健常成人の脳機能測定を行っていく。健常成人に対して行った測定プロトコールを再検討した後、初年度スクリーニング検査を行った認知症高齢者から同意の得られたものに対して、脳機能測定を行い、原始反射の発現状況に伴う脳機能変化部位と変化内容を計測する。その後最終年度にかけて、原始反射やマンチング出現症状による摂食困難に対する、摂食方法や介助方法の検討を行う。1.原始反射やマンチングが出現していない認知症高齢者を対象とした介入研究予防介入群とコントロール群:認知症高齢者30名ずつに対して、口腔関連器官に対する間接訓練を4か月間行い、原始反射、マンチングの出現状況を観察する。2.原始反射やマンチングの出現している認知症高齢者を対象とした介入研究摂食指導介入群とコントロール群:認知症高齢者
食細胞による高分子微小球の貪食に及ぼす諸因子の研究

異物粒子として表面にアミノ基を持つ粒径約500nmのラテックス粒子を主に使用し、シアノメチルグルコシド誘導体としたグルコ-ス(GLU)、マンノ-ス(Man)、ラムノ-ス(Rham)、グルクロン酸(GluA)、およびNーアセチルニュ-ラミン酸(NANA)のおのおのをラテックス粒子表面のアミノ基に結合させた。食細胞はモルモット多形核白血球を用い、貪食の評価は食細胞による酸素消費速度測定と、ケミルミネッセンス測定により行った。GluあるいはManを結合したラテックス粒子の白血球による貪食の度合いは糖を結合していないラテックス粒子の場合と大きな差はないが、Rham結合ラテックス、GlucA結合ラテックスおよびNANA結合ラテックス粒子の貪食の度合いは糖結合のないラテックス粒子の貪食の度合いよりかなり小さく有意の差が認められた。以前に得られた知見、すなわちラテックス粒子表面の電位が多形核白血球の電位から離れるにつれ貪食されやすい事を考慮すれば、Glu,ManおよびRham結合ラテックスの多形核白血球による貪食において、糖の貪食抑制効果はないと判定された。これに対して、GlucA結合ラテックスとNANA結合ラテックスの場合はそのZeta電位の絶対値はずっと大きく、これと同程度のZeta電位を持つポリスチレンラテックスの白血球による貪食の度合いと比べてはるかに貪食されにくい事が分かった。したがって、これらのラテックスに結合しているGlucAとNANAは多形核白血球による貪食を特異的に抑制する効果があると結論された。
ゲストの捕捉および放出を制御できる刺激応答性シクロファン型ホスト多量体の開発

本研究では、ゲストを強く捕捉するために複数個のシクロファンを集積したホストを分子設計した。クリック反応を利用してシクロファン5量体などのホストを合成した。これらシクロファン多量体は単量体と比較してゲスト捕捉能が飛躍的に向上することがわかった。さらに、外部刺激に応じてゲストに対する捕捉能が制御できる新規ホストとして、分子骨格内にジスルフィド結合を有するアニオン性ホストも開発した。このアニオン性ホストは抗がん剤(ダウノルビシンなど)などをゲストとして取り込むことができること、さらに還元剤の添加によりシクロファン骨格が解裂しゲストを放出できることがわかった。効果的な薬物送達システムを開発するためには、刺激応答型の薬物放出システムが有効であることから、外部刺激に応じてゲストに対する捕捉能が制御できる新規ホスト分子の開発を行った。具体的には、分子骨格内にジスルフィド結合を有するカチオン性とアニオン性のシクロファン(1と2)を合成した。これらシクロファンは環骨格のサイズが従来のホスト分子と比べて大きいために、分子サイズがより大きいBis-ANS、ピレン酪酸(PA)、ピレンメチルアミン(PMA)などをゲストとして検討した。Jobプロット法から、これらシクロファンとBis-ANS、PA、PMAとの結合定数は数千程度であることが蛍光滴定実験からわかった。また、抗がん剤であるDOXなどをゲストとして用いた場合、カチオン性の1よりもアニオン性の2の方が抗がん剤をより強く捕捉することもわかった。塩酸塩であるDOXは、アニオン性の2とより強く静電相互作用するためと考えられる。さらに2は、ジチオトレイトールなどの還元剤の添加により、ジスルフィド結合が開裂することでシクロファンが分解し、ゲスト分子が放出できることもわかった。一方、蛍光消光性のダブシル基を導入したシクロファンも合成した。ダブシル基を有するこのシクロファンを用いると蛍光性ゲストの捕捉に伴って、蛍光が消光することがわかった。この場合にも、ホストとゲストの静電荷の組み合わせが重要であることが示された。ゲストに対する捕捉力が飛躍的に向上するクラスター効果の概念をホストの分子設計に取り入れて、複数個のシクロファンを集積した新規ホストを開発し、細胞への薬物送達のための効果的なキャリアーとしての可能性を探索した。クリック反応を採用することにより、複数個のシクロファンを集積した新規ホストを高収率で合成することに成功した。さらに、ペプチド合成法を利用してシクロファン2量体から5量体までのホストも合成した。これら多量体ホストのゲストに対する捕捉能は単環性ホストと比較して飛躍的に向上した。また、ジスルフィド結合で連結したシクロファン2量体を合成し、外部刺激によって単量体へ解裂し、包接ゲストを放出できることがわかった。・最終年度に実施した研究成果効果的な薬物送達システムを開発するためには、刺激応答型の薬物放出システムが有効であることから、外部刺激に応じてゲストに対する捕捉能が制御できる新規ホストの開発を目指した。本年度は、より速やかなゲスト放出が可能なホストとしてシスチンを連結部位にもつシクロファン2量体を開発した。このホストはクラスター効果に起因してゲストを強く捕捉できること、さらに還元剤の添加により速やかにシクロファン単量体へ解裂しゲストを放出できることがわかった。・研究機関全体を通じて実施した研究成果初年度は、ゲストを強く捕捉するために、クラスター効果の概念を分子設計に取り入れて複数個のシクロファンを集積したホストを開発した。具体的にはクリック反応を利用してシクロファン5量体を効率的に合成することに成功した。二年目には、外部刺激に応じてゲストに対する捕捉能が制御できる新規ホストとして、分子骨格内にジスルフィド結合を有するアニオン性ホストを開発した。このアニオン性ホストは抗がん剤であるDOXなどをゲストとして取り込むことができること、さらに還元剤の添加によりシクロファン骨格が解裂しゲストを放出できることがわかった。最終年度は、より速やかなゲスト放出が可能なホストとしてシスチンを連結部位にもつシクロファン2量体を開発した。ゲスト薬剤を強く捕捉でき、刺激に応答して捕捉したゲストを放出できるホストの開発に成功した。本研究によって、効果的な薬物送達システムを開発するうえでの重要な基礎的知見が得られた。ホストゲスト化学分子骨格内にジスルフィド結合を組み込んだカチオン性とアニオン性のシクロファンの合成も順調に進行した。また、アニオン性のシクロファンが抗がん剤であるDOXなどのゲストを捕捉できること、さらに還元剤の添加によってゲストの放出に成功したことから、おおむね順調に進展していると考えている。ゲストに対する捕捉力が飛躍的に向上するクラスター効果の概念をホストの分子設計に取り入れて、複数個のシクロファンを集積した新規ホストを開発した。

具体的には、クリック反応により、複数個のシクロファンを集積した新規ホストを高収率で合成することに成功した。さらに、ペプチド合成法を利用してシクロファン2量体から5量体までのホストの合成にも成功した。一方、動的共有結合として知られるある種の結合では、酸化還元や熱などの外部刺激によってその結合の解離・付加を可逆的に制御することができる。そこで、外部刺激に応じてシクロファン多量体をシクロファン単量体へ解裂させることをねらって、動的共有結合を取り入れたシクロファン多量体を開発することにした。具体的には、動的共有結合であるジスルフィド結合で2つのシクロファン誘導体を連結したシクロファン2量体(S2)を分子設計し、合成した。まず、S2のゲスト捕捉におけるクラスター効果を蛍光プローブ法から評価したところ、S2のTNSに対するK (73,000 (1/M))はS1が示す値と比較して8倍の向上があり、クラスター効果を発現することが確かめられた。次に、S2とTNSからなるホスト-ゲスト複合体を含むHEPES緩衝液に還元剤であるジチオトレイトール(DTT)を添加したところ、包接されたTNSに由来する蛍光強度が徐々に減少していき、最終的にはおよそ90%のゲストがバルク水中に放出された。この結果から、還元剤による刺激によってシクロファン2量体がシクロファン単量体へ解裂し、クラスター効果の解消を伴った包接ゲストの放出が実現できたものと考える。最終年度は、より効果的なゲスト放出能が期待できるホスト分子を設計し、合成する。また、蛍光消光性基などを導入したホストに対しても、ゲスト放出能を賦与した設計を行う。効果的な薬物送達システムを開発するためには、刺激応答型の薬物放出システムが有効である。本研究は、「クラスター効果」に基づいてゲスト(薬物)を強く捕捉し、さらに「動的共有結合」の考えに基づきクラスター効果を解消してゲストを放出制御できる刺激応答性分子システムを確立する。すなわち、ホストとしてジスルフィド結合などの動的共有結合でシクロファンを互いに連結したシクロファン多量体を開発し、細胞内などの還元的雰囲気においてシクロファン多量体がシクロファン単量体に解離することで、クラスター効果の解消とともにゲスト捕捉力が劇的に低下してゲストを放出する分子システムを構築する。物品費として1,000,000円、旅費として300,000円、人件費・謝金に100,000円、その他に100,000円を予定している。50万円を超える物品の購入予定はない。
Two-hybrid systemを用いたタイラーウイルスの脱髄発症機構の解析

タイラーウイルスのDA株による持続感染・脱髄にはポリ蛋白の量もN末端に位置するL蛋白とL蛋白の翻訳領域と重複して翻訳されるL^*蛋白が重要な役割を担っていると考えられている。L及びL^*蛋白は合成後、ウイルス粒子には取り込まれず宿主細胞内に残存する。そこで本研究では、two-hybrid systemを用いてL及びL^*蛋白と相互作用する宿主因子の検索を行った。L蛋白を用いた検索の結果、脳及び脾臓由来のcDNAライブラリーから32と132個の陽性クローンがそれぞれ得られた。同様に、L^*蛋白を用いた検索の結果、32と224個の陽性クローンがそれぞれ得られた。異なる2種類のcDNAライブラリー間で重複するクローンを検索した結果、L蛋白からはclathrin-associated protein AP50(AP50)が同定された。また、L^*蛋白からはcathepsin Bが同定された。L蛋白とAP50蛋白を用いたfar-Western blottingによるin vitro解析から両蛋白間の会合が確認された。また、293T細胞を用いたmammalian two-hybrid systemによるin vivo解析からもL蛋白とAP50の会合を示す結果が得られた。このAP50は会合標的分子内のチロシンモチーフを認識して会合することから、L蛋白内の2箇所のチロシンモチーフYPDVとYLLLをHPDVとHLLLにそれぞれ変異させたL蛋白を用いて会合を検討した。その結果、変異導入したL蛋白は野生型L蛋白よりもAP50との会合が低下した。このことから、L蛋白とAP50は真核細胞内で確実に会合することが明らかとなった。一方、L^*蛋白は不溶性蛋白として発現したことから、L蛋白と同様の確認実験を行うことができなかった。L蛋白と相互作用を示したAP50はclathrin被覆小胞を形成するAP-2複合体の構成要素であり、最近の研究からT細胞の負の調節因子であるCTLA-4(cytotoxic T lymphocyte antigen-4)のエンドサイトーシスに関与すると報告されている。すなわち、L蛋白はclathrin-associated protein AP50と会合することにより、CTLA-4のエンドサイトーシスを阻害し、持続的にCTLA-4を発現させると考えられる。CTLA-4の持続的発現は感染防御反応の抑制につながり、タイラーウイルスの持続感染に有利に働くと考えられる。タイラーウイルスの慢性亜群DA株による持続感染・脱髄にはポリ蛋白の最もN末端に位置するL蛋白とL蛋白の13塩基下流にL蛋白の翻訳領域と重複するout-of-frameのもう一つの開始コドンから翻訳されるL^*と呼ばれる蛋白が重要な役割を担っていると考えられている。LおよびL^*蛋白は合成後、ウイルス粒子には取り込まれず宿主細胞内に残存する。しかしながら、LおよびL^*蛋白と相互作用する宿主因子を同定するに至っていない。以上の結果から、LおよびL^*蛋白と相互作用を示す蛋白の遺伝子がクローニングされた。
測度理論の基礎的研究

・自然数全体N上のfunction達のなす構造に関して:自然数上のfunction達のなす添字集合である性質を満たすものを、almost coinciding familyと呼ぶ。almost coincidingfamilyの存在/非存在は、通常の数学の公理系からは決定できない。その存在は、ハワイアンイアリング上のstrongly homotopyの存在と一致するものである。almost coinciding familyの存在/非存在に関して次の結果を得た。定理Pをw_2個のCohen realsを付加するforcing notionとすると得られたgeneric model内にはnon-trinialなAlmost coincidingfamilyは存在しない。・ルベーグ測度0となる実数Rの部分集合のなすideallに関して:イデアルlに関する直接の結果を得ることはできなかった。しかし、無限ゲームから定まるイデアル達Pn,@n(一般にミシルスキイデアルと呼ばれる)に関して、lとの関係を含むいくつかの結果を得た。定理lに属するAで、いかなるミシルスキイデアルにも属さないものが存在する。
人工生命技術による海藻の物理特性シミュレーション法の確立と流動制御

火力発電所は大量のCO2を生成する.この廃棄物を海水に高濃度に溶融し,藻類海藻による光合成を利用することにより,CO2の軽減とバイオエタノールの生成をできる.しかし,水槽中の海藻は成長にともないその密度が増大し,そのためにちぎれやねじれが生じ,枯れ死する場合がある.本研究は,水槽中で成長する海藻の運動物理特性を再現するシミュレーションモデルを人工生命技術に基づいて提案した.また,このシミュレーションモデルの海水の流動を実現する流れの計算法を導入し,水流の運動を実現した.この海水の流動を制御することにより,ちぎれやねじれを防ぐための海水の流動による海藻運動の制御モデル法の確立を行なった.本研究の目的は,火力発電所等から発生する大量のCO2を利用した海藻培養おける海藻の成長にともなうからみやちぎれの現象を,人工生命技術である物理モデリングに基づくシミュレーションによって明らかにし,海藻内に循環させる水流の制御によって,そうしたからみやちぎれを防止する技術を開発することにある.そのために具体的に以下のような内容の研究を実施し,成果を得た.[海藻の物理特性の測定]バイオマス海草であるホソエダアオノリと近い性質を持つカモンバを旭川高専の協力の下で引っぱり試験を行い,その機械性質を計測した.計測結果,カモンバは上に凸な弾性曲線を持ち,塑性変形領域を持たず,約0.5kg重で破断するのが明らかとなった.この機械特性をちぎれのモデリングを行なう上で不可欠な特性である.[海藻の幾何モデリング]申請時においては,海藻の成長する幾何モデルをL-システムで実施していた.しかし,海藻が成長し密集するにともなって,L-システムによるモデルでは枝の生長空間が他の海藻によって占有され,海藻自体を成長させられないことが判明した.従って,新たに生長の幾何モデルを検討し,確率的生長モデルを開発した.このモデルにより,海藻は,自律的に枝を伸ばせる空間を見つけ出し,生長できるモデルとなることを確認した.本成果は,特に成長後期の密集した海藻の中での成長をモデル化できる点で,重要な成果である.[水流モデルの確立]水流モデルとしては,粒子群法と格子ボルツマン法を検討した.その結果,格子ボルツマン法が,シミュレーションによって,実時間の物理モデリングを実施する上では優れていることが明らかとなった.実際に,海藻培養水槽を物理モデル化し,水中において仮想粒子の流れの可視化シミュレーションを行なった所,きわめて良好な水流モデルを実現できることが判明した.本研究の目的は,海藻培養おける海藻の成長にともなうからみやちぎれの現象を,人工生命技術である物理モデリングに基づくシミュレーションに基づく水槽内に循環させる水流によって解明し,からみやちぎれを防止する技術を開発することにある.そのために初年度の研究に基づき以下のような内容の研究を実施し,成果を得た.[海藻のちぎれ,粘着力及びからみのモデル化]海藻のモデル化として,昨年度はカプセル形状を連結し,カプセル形状から確率的に枝を生成する方法を開発した.このモデルを水中に設定し,海藻の流動シミュレーションを実施すると,海藻のちぎれを引き起こす最も大きな要因はからみであることが分かる.このためシミュレーション中に生じているからみの現象を自動的に同定する必要性が生じた.そのために,からみを同定する方法論とした2個体の海藻に於けるからみの状態を判定する状態変数をあらたに導入した.この状態変数としては,一定時間内に於ける2個体の海藻間の接触カプセル数,2個体の海藻の重心の距離,2個体の海藻の接触時間,を定義した.シミュレーションから種々のからみ状態を視認し,からみが生じている時の状態変数のセットを獲得することが可能となった.これらの状態変数のセットは,機械学習の方法を用いてからみを同定する学習データとなり,今後,自動的にからみを同定する方法論の見通しを可能とした.[海藻水中環境の構築と制御]水流モデルとしては,粒子群法と格子ボルツマン法を検討していたが,実際にシミュレーションプログラムを作成し,水流のシミュレーションによる確認を実施した.環境としては,円筒型の水槽をモデル化し,その中の水流を格子ボルツマン法によって計算し,視覚化した.その結果,高速に実際の水流に近い水流を実現できることが判明した.また,渦水流が生じることもシミュレーションによって確認できた.本研究の目的は,海藻培養に於ける海藻の成長にともなうからみやちぎれの現象を,情報科学の視点から解明することにある.そのために人工生命の技術である物理モデリング・シミュレーションを採用し,からみやちぎれの現象を再現し,同定すると共に,それらを防止する海藻培養プールに於ける水流の制御技術と開発することにあり,これまでの2526年度の研究成果に基づき以下のような内容を実施し,成果を得た.[海藻のからみ,粘着力,ちぎれのモデル化]海藻のモデル化とその培養槽内での流動シミュレーション方法を,26年度迄に実現してきた.27年度は特にちぎれの主な主原因であるからみの現象について,一定時間内での海藻モデルプリミティブ間の接触数,2個体の海藻の重心距離,2個体の海藻の接触時間を状態変数として定義し,シミュレーションによってそれらを同定し,観測する方法論を開発した.また,このようにして収集された状態変数のセットを使用して学習器(SVM)に与えることで,自動的にからみを検出する方法の開発を行なった.[海藻水中環境の構築と制御]

シミュレーションを実施する水流モデルとして格子ボルツマン法の技術を確定していたが,実際に有効であるかの検証を実実験と比較して実施した.実実験では,回転板上にビーカを固定し,DCモータにより回転板の回転速度を制御し,その中での海藻の運動(遊動)をビデオで撮影し検討した.ついで,その結果をシミュレーション結果と比較検討し,シミュレーションモデルが実用的な誤差範囲で,海藻の流動を実現していることが検証された.火力発電所は大量のCO2を生成する.この廃棄物を海水に高濃度に溶融し,藻類海藻による光合成を利用することにより,CO2の軽減とバイオエタノールの生成をできる.しかし,水槽中の海藻は成長にともないその密度が増大し,そのためにちぎれやねじれが生じ,枯れ死する場合がある.本研究は,水槽中で成長する海藻の運動物理特性を再現するシミュレーションモデルを人工生命技術に基づいて提案した.また,このシミュレーションモデルの海水の流動を実現する流れの計算法を導入し,水流の運動を実現した.この海水の流動を制御することにより,ちぎれやねじれを防ぐための海水の流動による海藻運動の制御モデル法の確立を行なった.今年度は主に以下の2点を目標とした.それらの達成度を以下に述べる.[海藻のちぎれ,粘着力及びからみのモデル化]からみのシミュレーションによる実現は,初年度に達成している.シミュレーションを実施して判明したのは,からみ状態を自動的に同定する必要性であった.このためにからみの状態を記述できる状態変数として,一定時間内に於ける2個体の海藻間の接触カプセル数,2個体の海藻の重心の距離,2個体の海藻の接触時間,を導入した.2個体の海藻モデルを円筒型の水中環境に設定し,これら3状態変数を観測し,それらがからみ状態かどうかを視認することで,50のからみ状態のパターンを状態変数のデータセットとして得ることができた.これらを学習セットとして機械学習を行なわせることで,からみの状態を自動的に判別できる.すでにサポート・ベクター・マシンと呼ばれる機械学習方法でからみの自動判定が行なわれるかどうかを調べる実験を行ないつつあり,からみを同定できる技術を確立しつつある.[海藻の流動シミュレーションの実現]格子ボルツマン法によって水流をシミュレーションできることを確認した.また,このシミュレーションによって渦水流を含む種々のパターンの水流作成も達成できた.今後は,洗濯機の水流にヒントを得て,周期的な水流によるからみの生じない水流の制御技術を確定する予定である.知能機械[海藻のちぎれ,粘着力及びからみのモデル化]今年度は,2個体のからみの状態を同定する技術を開発した.しかし,密集した密度の高いからみを同定するには至っていない.これを解決する方法として,複雑ネットワークで用いられるネットワークのリンク関係から得られるネットワークの複雑さを同定する方法を導入する予定である.
ナノインプリント・シーディングによる単結晶シリコン薄膜の形成に関する研究

ナノインプリント技術を応用して非晶質シリコン薄膜表面の極微領域に転写した金属の触媒作用による固相結晶化過程の促進、金属誘起固相結晶化過程に優先配向性を利用して結晶核を所望の位置に配列して発生させ、その結晶核をレーザー照射で大結晶へと拡大成長させ技術を開発した。これにより、従来の方法では不可能であった、結晶方位を揃えた擬似単結晶シリコン薄膜をガラス基板上に形成する新しい技術を開発した。本研究は、金属ナノインプリントによる結晶シーディングを用いた大粒経のシリコン単一結晶育成技術を、産業用途を目指してレーザー照射溶融による再結晶化へと発展させ、結晶方位も制御した高品質の単結晶シリコン薄膜を非晶質基板上に生成する技術を創造することを目的としている。先ず、レーザーアニールにおいてシーディングの概念が成り立つか否かを調査するため、絶縁膜(二酸化シリコン膜)上に単結晶シリコン薄膜を形成した半導体基板(SOI基板)を利用して、大きさ100nm以下の単結晶シリコン種結晶を作製する技術を開発し、それを被覆するように堆積した非晶質シリコン薄膜に塩化キセノンエキシマレーザーを照射した場合に形成されるシリコン結晶の結晶方位を調査した結果、レーザーアニールによってもシーディングの概念が成り立つことがわかった。ニッケルを触媒金属としてナノインプリントし、非晶質シリコン薄膜を600°C未満で熱処理して金属誘起固相結晶化現象で所望の位置に発生させた結晶粒は基板面垂直方向に<111>結晶軸をもって配向する。この現象を利用して大きさが数十ナノメートルと見積もられる種結晶をアレイ状に配置し、そこにエキシマレーザーを照射した結果、レーザーアニールによる溶融段階で種結晶までもが完全溶融し、シーディングが行えないことがわかった。これは、種結晶がシリコン薄膜の表面に存在するために、レーザーアニールにより、種結晶までもが融解してしまうためであることがわかった。ナノインプリントにおいてもシーディングの概念を成り立たせるために、シリコン薄膜二層構造プロセスを新たに考案した。一層目のシリコン層に対してナノインプリントで種結晶を育成し、それを覆うように二層目の非晶質シリコン薄膜を堆積してレーザー照射を行うものである。この方法で、全ての結晶粒を<111>方向に配向して成長させることに成功した。触媒金属の微小量配置法として、ニッケルナノ粒子のインクジェット法を調査した結果、所望の位置に単一の結晶粒を配置できることも実験で示した。・前年度に成功したナノインプリント・シーディングによる基板面垂直方向の結晶方位制御技術に関してさらに調査を進めた。各結晶粒がもつ結晶軸方位のゆらぎを電子線後方散乱によって詳細に調査した結果、単結晶を種結晶として成長させた場合に比べて方位ゆらぎが大きいことがわかった。ゆらぎの発生はレーザーアニールの段階でも起こるが、ナノインプリントによる種結晶がもつゆらぎの方が相対的には大きいことがわかった。・基板面内回転方向の結晶方位を制御するため、紫外線照射型ナノインプリントリソグラフィーによる微細パターンの形成を行い、100nmのラインアンドスペースを形成する手法をほぼ確立した。・薄膜トランジスタを作製するプロセスを立ち上げた。レーザーアニールによって形成した石英基板上の多結晶Si薄膜に、高温プロセスで薄膜トランジスタを作製し、結晶粒界が相補型回路(CMOS)向けトランジスタ特性に及ぼす影響を詳細に調査した。冷却温度下での動作解析等の結果、負極(n)型トランジスタ中のキャリヤに対する電位障壁は、正極(p)型トランジスタ中のキャリヤに対する電位障壁に比べ大きいこと、そのため、トランジスタ特性のバラツキは負極型トランジスタの方が大きく現れることなどを明らかにした。・ナノインプリントと同様の種結晶を作製できる可能性のある方法として、静電型液滴ジェットによる微小席適の吐出を試み、それを用いてニッケルナノ粒子を非晶質シリコン膜上に配置して触媒金属として利用し、単一の結晶粒を作製できる条件を明らかにした。・ナノインプリント・シーディングしたシリコン薄膜種結晶からエキシマレーザー照射溶融再結晶化成長させることで単結晶粒の成長は可能であることを実証した。・金属誘起横方向固相結晶化との併用で、基板面内回転方向の結晶方位も揃えられることを示した。・紫外線照射型ナノインプリントリソグラフィーにより薄膜をナノワイヤー状にした構造に金属誘起固相結晶化法を適用することで、単結晶シリコンナノワイヤーを形成できることを示した。・レーザーアニールによって形成したガラス基板上に、単結晶シリコントランジスタと同等の電流駆動力をもつ薄膜トランジスタを作製できることを示した。