hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
一分子計測による大自由度分子系の反応経路の多様性と遷移状態アンサンブルの直接観測

レーザー顕微鏡を用いた単一分子分光は,個々の分子の振る舞いを直接観察することができる強力な手段である.しかしながら,溶液中の分子はブラウン運動によって短時間のうちに観測領域から逃げ出すため,溶液中で1分子のみを長時間にわたり観察し続けることは一般的に困難である.我々は,溶質分子を1分子だけ含む単一微小液滴を安定に空間捕捉できれば,長時間にわたり溶液環境で一分子計測を行うことができる,という考えに基づき,その実現を目指して研究を進めている.最近,我々は,Schramaらによって原子イオンのレーザー冷却用に開発されたエンドキャップトラップを製作した.シンプルな構造を有するエンドキャップトラップは,対物レンズと液滴の間に障壁物が存在しないので,光捕集の立体角を大きくすることができる.よって,これを用いれば発光スペクトルの高感度観測が可能になる.本研究では,エンドキャップトラップを用いて単一微小液滴を空間捕捉し,励起光強度を十分弱くした実験条件で,同一の単一微小液滴からの発光スペクトルを長時間観測した.本研究では,蛍光色素であるローダミンB(RhB)を溶存させた単一微小液滴(RhBの濃度は10^ー5 M,溶媒はメタノール/グリセリン混合溶媒)を空間捕捉した.ピコ秒パルスレーザーで励起されたRhBからの蛍光を1秒間隔で測定したところ,ある特定の時間領域において,蛍光強度が著しく増大した.各スペクトルから液滴の直径を決定した結果,時間とともに溶媒が蒸発して液滴が小さくなっていることが分かった.また,液滴がある特定の大きさになったとき,励起光が液滴の共振モードと共鳴することで,液滴内部における実効的な励起光強度が増大し,観測される蛍光強度が増加することが分かった.本課題を実行するために自作したエンドキャップトラップは,以前の装置に比べて約50倍の感度向上を達成している.そのため,空間捕捉した単一微小液滴に溶存した色素分子の蛍光スペクトルを短い時間間隔で連続測定できるようになった.その結果,液滴を構成する溶媒分子の蒸発とそれに伴う液滴径の変化を十分な時間分解能で追跡できるようになった.得られたスペクトルを解析すると,ある特定の液滴径において蛍光強度が著しく増大していることが分かった.これは測定装置の感度向上によって初めて明確に確認できた現象であったが,実験当初はこのような現象が観測されることは予想していなかった.一方,観測される蛍光強度が増大することは,蛍光一分子測定にとっては極めて有利な状況であり,蛍光増強の原因を明確にすることが本課題を遂行する上で重要であると判断し,様々な実験条件を試しながら原因の究明を行った.そのため,当初の実験計画に比べて進捗状況に遅れが生じている.ある特定の液滴径で観測される蛍光が増強される原因は,励起光の波長が液滴の外周の長さと一致したとき,励起光が共鳴することによって実効的な励起光強度が増強するためであることが分かった.励起光の共鳴増強の程度は液滴径に依存しており,現状では4マイクロメートル弱の液滴径において約30倍の増強効果を観測している.励起光共鳴による蛍光増強を利用すれば,更なる高感度観測を達成できると予想している.現状では励起光源としてピコ秒パルスレーザーを用いているが,これまでの実験結果を考慮すると,ピコ秒レーザーを高分解能連続発振レーザーに置き換えることによって,更なる増強効果を得ることができるのではないかと考えている.今後は励起光源を連続発振レーザーに置き換えることによって装置の更なる高感度化を達成し,微小液滴に溶存した色素分子の一分子計測を行う予定である.遷移状態の概念を中心に据えた従来の化学反応論では,「化学反応には特定の経路が存在し,その経路に対する反応座標を一義的に定義できる」と考えている.しかしながら,内部自由度の大きな分子系がファネル形状の自由エネルギー曲面をもっている場合,「化学反応には特定の経路が存在する」という従来の考え方は破綻する可能性が高い.今後,単純な化学反応を超えて,大自由度分子系の化学反応を理解し制御するには,従来とは異なる概念が必要になる.従来の化学反応論の枠組では想定されていない,大自由度分子系における反応経路の多様性を直接実証するには,たとえば,タンパク質の折り畳み過程を1分子計測で追跡し,個々のタンパク質の構造変化経路をそれぞれ比較することで,その違いを明らかにすればよい.今年度は,タンパク質を含む微小液滴を捕捉するための3次元イオントラップを製作した.このイオントラップは,2本の細いワイヤーからなる電極とそれを取り巻く地絡電極から構成されており,エンドキャップトラップと呼んでいる.高電圧電源と高速パルススイッチによって整形した矩形波を細いワイヤー電極に印加することによって,ワイヤー間にトラップ電場を発生させている.このエンドキャップトラップは電極が極めて小さいため,トラップ電場の大きさと光捕集の立体角を大きくできる.我々が従来用いてきた平行平板型イオントラップと比較して,エンドキャップトラップを用いた場合は,光検出の感度が2桁以上向上することが分かった.今年度はイオン光学シミュレーションを行うことによって,新規に製作する3次元イオントラップ(エンドキャップトラップ)の電場分布を計算し,エンドキャップトラップの構造を変えたときに荷電粒子の捕捉力がどのように変化するか調査した.このシミュレーション結果に基づいて,エンドキャップトラップの最適構造を決定し,実機を製作した.2017年11月にはエンドキャップトラップと印加電圧系を構成する各要素技術の開発を終えた.以降,実機を自作の顕微分光システムに組み込むことによって試験運用を行った.

2018年2月には実機が蛍光1分子計測に耐えうる感度に到達したことを確認できており,当初の目標を達成している.よって,本研究課題はおおむね順調に進展していると判断した.レーザー顕微鏡を用いた単一分子分光は,個々の分子の振る舞いを直接観察することができる強力な手段である.しかしながら,溶液中の分子はブラウン運動によって短時間のうちに観測領域から逃げ出すため,溶液中で1分子のみを長時間にわたり観察し続けることは一般的に困難である.我々は,溶質分子を1分子だけ含む単一微小液滴を安定に空間捕捉できれば,長時間にわたり溶液環境で一分子計測を行うことができる,という考えに基づき,その実現を目指して研究を進めている.最近,我々は,Schramaらによって原子イオンのレーザー冷却用に開発されたエンドキャップトラップを製作した.シンプルな構造を有するエンドキャップトラップは,対物レンズと液滴の間に障壁物が存在しないので,光捕集の立体角を大きくすることができる.よって,これを用いれば発光スペクトルの高感度観測が可能になる.本研究では,エンドキャップトラップを用いて単一微小液滴を空間捕捉し,励起光強度を十分弱くした実験条件で,同一の単一微小液滴からの発光スペクトルを長時間観測した.本研究では,蛍光色素であるローダミンB(RhB)を溶存させた単一微小液滴(RhBの濃度は10^ー5 M,溶媒はメタノール/グリセリン混合溶媒)を空間捕捉した.ピコ秒パルスレーザーで励起されたRhBからの蛍光を1秒間隔で測定したところ,ある特定の時間領域において,蛍光強度が著しく増大した.各スペクトルから液滴の直径を決定した結果,時間とともに溶媒が蒸発して液滴が小さくなっていることが分かった.また,液滴がある特定の大きさになったとき,励起光が液滴の共振モードと共鳴することで,液滴内部における実効的な励起光強度が増大し,観測される蛍光強度が増加することが分かった.本課題を実行するために自作したエンドキャップトラップは,以前の装置に比べて約50倍の感度向上を達成している.そのため,空間捕捉した単一微小液滴に溶存した色素分子の蛍光スペクトルを短い時間間隔で連続測定できるようになった.その結果,液滴を構成する溶媒分子の蒸発とそれに伴う液滴径の変化を十分な時間分解能で追跡できるようになった.得られたスペクトルを解析すると,ある特定の液滴径において蛍光強度が著しく増大していることが分かった.これは測定装置の感度向上によって初めて明確に確認できた現象であったが,実験当初はこのような現象が観測されることは予想していなかった.一方,観測される蛍光強度が増大することは,蛍光一分子測定にとっては極めて有利な状況であり,蛍光増強の原因を明確にすることが本課題を遂行する上で重要であると判断し,様々な実験条件を試しながら原因の究明を行った.そのため,当初の実験計画に比べて進捗状況に遅れが生じている.平成29年度に開発した顕微分光システムを用いて,色素ラベルしたタンパク質の蛍光寿命測定を行う.まずピコ秒レーザーを用いて微小液滴中の色素ラベルしたタンパク質を励起し,検出される光子の2次相関関数を計算する.この解析によって光子のアンチバンチングが確認されれば,1分子計測が達成できていることになる.次に,ピコ秒レーザーを用いた時間相関
DMD遺伝子産物ジストロフィンの機能に関する免疫化学的解析

当該研究はジストロフィンの部位特異的抗体の調製を行い,その生理機能,病態発症上の意義を検討することを目的とした.1.アミノ酸の215-264(N端),10125-10138および10209-10229(C端側)の3つのペプチドを合成し,N端特異単クローン抗体AlC(IgG2a)の調製に成功した.しかし,C端特異抗体は調製できなかった.2.骨格筋上でのジストロフィン局在を詳細に検討した結果,筋形質膜以外に神経筋接合部と筋腱移行部に特に強く偏在し,特殊な機能に関与する可能性を示した.3.当初DMDではジストロフィンの欠損ないし著減,BMDでは正常サイズのジストロフィンが少量発現しているか,異常サイズのジストロフィンが発現していると考えられていた.しかしBMDは不確定であったのでBMD23例を解析.正常または/および異常サイズのジストロフィンがみられたが,20例で複数のジストロフィンが発現しており,splicing levelでの複雑さを証明した.4.ジストロフィンの発生過程と先天性筋疾患での変化を検討した結果ジストロフィンのupregulationと先天性筋緊張性ジストロフィーでの発現遅延をみつけた.5.ジストロフィンの二次元電気泳動でelectrofocusingい成功し,pI5.5がえられ弱い酸性蛋白である.6.ジストロフィンの単離精製をおこない,80%純度の標本がえられた.これのrotary shadowingでdumpbell型の長さ10nm,太さ3nmの分子が可視化された.antiparallel homodimerを支持する結果であったと同時に,ジストロフィン分子同士の端端吻合もしめされ,selfassemblyすることも判明した.当該研究はジストロフィンの部位特異的抗体の調製を行い,その生理機能,病態発症上の意義を検討することを目的とした.1.アミノ酸の215-264(N端),10125-10138および10209-10229(C端側)の3つのペプチドを合成し,N端特異単クローン抗体AlC(IgG2a)の調製に成功した.しかし,C端特異抗体は調製できなかった.2.骨格筋上でのジストロフィン局在を詳細に検討した結果,筋形質膜以外に神経筋接合部と筋腱移行部に特に強く偏在し,特殊な機能に関与する可能性を示した.3.当初DMDではジストロフィンの欠損ないし著減,BMDでは正常サイズのジストロフィンが少量発現しているか,異常サイズのジストロフィンが発現していると考えられていた.しかしBMDは不確定であったのでBMD23例を解析.正常または/および異常サイズのジストロフィンがみられたが,20例で複数のジストロフィンが発現しており,splicing levelでの複雑さを証明した.4.ジストロフィンの発生過程と先天性筋疾患での変化を検討した結果ジストロフィンのupregulationと先天性筋緊張性ジストロフィーでの発現遅延をみつけた.5.ジストロフィンの二次元電気泳動でelectrofocusingい成功し,pI5.5がえられ弱い酸性蛋白である.6.ジストロフィンの単離精製をおこない,80%純度の標本がえられた.これのrotary shadowingでdumpbell型の長さ10nm,太さ3nmの分子が可視化された.antiparallel homodimerを支持する結果であったと同時に,ジストロフィン分子同士の端端吻合もしめされ,selfassemblyすることも判明した.DMD遺伝子産物ジストロフィンは1)免疫組織学的に骨格筋・心筋の表面膜に局在する。2)平滑筋・神経系にも存在するが極めて微量である。3)デュシャンヌ型筋ジストロフィ-で完全に欠損し、良性のベッカ-型で異常なジストロフィンが少量発現されpatchyな分布をする。4)キャリア-では正常なジストロフィンが発現している筋線維と全く発表されていない筋線維とが混在している、などが知られてきている。他方ジストロフィンの整理機能を解明する研究もすこしずつなされ、部分精製と推定されるアミノ酸配列からN-,C-末端のglobular domainとその間の桿状構造が推定されている。私共は千葉大学理学部丸山工作教授との共同研究で(1)ジストロフィンの215-264ペプチド部分に対する単クロ-ン抗体を確立し(Proc.Jap.Acad.64;205-208、1988)(2)ウサギ骨格筋よりhydroxylapatite,DEAE-Toyopearl 650M,Asahipak GS-710をつかい変性した形で部分精製した(Proc.Jap.Acad.65;207-210,1989)。この過程で1kgより0.2ngがえられ、少なくとも2種の不純物と一緒に分離されてきているのでジストロフィンは生体内で何物かと強く結合して存在していることが予想される。変性ジストロフィンをロ-タリ-シャドウ法で電顕にて観察した所、両端球状の桿状物がみられ恐らくantiparallel homodimerと考えられる。さらに、nativeな形での単離を試みる。(3)ジストロフィンは筋形質膜に局在するが、もうすこしよく観察した所神経筋接合部と筋腱移行部に特に多く局在することがわかった(Biomed,Res.10;405-409、1989)。

(4)さらに、ジストロフィンは幼若筋でもよく発現されているが、形質膜へのorganizationが不良であり、ヒトでは生後4ヶ月すぎてようやく成熟した状態になることなど判明した。DMD遺伝子産物ジストロフィン分子の構造と機能,臨床的意義を検討するためジストロフィンの4つのドメインに対する単クロ-ン抗体の確立をはかった。昭和6263年にかけてN末端ドメインに対する抗体A1Cを確立することができ,ジストロフィンが筋細胞膜に局在すること,DMDで欠損することを認めるとともに(Shimizu,T.et al ProcーJap Acad.64、205ー208,1988),神経筋・筋腱両接合部に特に高濃度に偏在するという新知見をうることができた。次いでこの抗体をマ-カ-としてジストロフィン分子の単離を千葉大理学部丸山教授と協同で試み,骨格筋200gより0.1mgの製品をうることに成功した。純度70%でrotary shadowingで観察した結果巾3nm,長さ100nmの双頭桿状構造が視覚化できた。これは予想された分子構造とよく一致しantiーpallel homodimerと考えられた。ジストロフィン桿状ドメイン,C端ドメインに対する抗体を調製途上,英国DaviesらがC端側に酸似する別のジストロフィン酷似蛋白(DRP)の存在が報告されたため,DRPとジストロフィン各々に特異的な抗体の調製をはかり,平成3年1月にDRPに対する抗体がえられ検討中である。他方英国Novocastra社よりC末端特異抗体(DYSー2)が作成されたため,A1C・DYSー2を使って多種類の神経筋疾患でのジストロフィン発現を検討しDMD/BMD以外に福山型と先天性筋緊張性ジストロフィ-で障害されていることを発見。前者では筋壊死に伴う二次的変化であるが後者では筋発生の遷延に伴う発現遅延であり発現障害因子の存在が強く示唆できた。又ジストロフィン欠損と筋細胞壊死との間に直接的因果関係のないことも証明できた。今後ジストロフィンのC末端ドメインの構造と機能に焦点をあてジストロフィンの機能解明に努力したい。
細胞周期に依存したMCM3及びMCM3の核移行活性の制御

DNA複製開始に必要とされるMCM蛋白質複合体は、様々なレベルでの活性制御を受けていると考えられているが、本研究においては細胞内局在の制御に焦点を当てて細胞周期との関連を調べている。MCM蛋白質複合体は、出芽酵母においては複製終了後、染色体から遊離した後に核外へ輸送されることが知られていたが、その他の真核細胞においてはそのような挙動は観察されていなかった。本研究において、分化刺激によって細胞増殖が停止したMEL細胞で、MCM蛋白質複合体のサブユニットが核から細胞外に局在を変え、その後に消失するのが観察された。近年、増殖に関わる蛋白質が核から細胞質に運ばれた後分解する例がいくつか知られており、MCM蛋白質も同様の過程を経ていることを示唆している。MCM蛋白質の局在変化がどのように制御されるかを調べるために、そのサブユニットのひとつMCM3の核移行活性について解析した。核移行活性はHeLa細胞核とアフリカツメガエル卵抽出液を用いたIn Vitro系を用いて測定した。MCM3はC末端付近に塩基性アミノ酸に富んだクラスターを2カ所有し、これが両極性の核移行シグナル(NLS)として働くと考えられていた。しかし、予想されるNLS付近の合成ペプチドを用いて調べた結果、N端側の塩基性アミノ酸クラスターのみでNLS活性を有することが明らかになった。さらに、完全長のMCM3組み換え蛋白質はNLSを有しているのにも関わらず、In Vitro核移行系でほとんど核内に濃縮されなかった。N末端約500アミノ酸を欠失させた組み換え蛋白質では、活発な核内移行が見られたことから、N末端にNLSの活性を制御する配列、もしくは核外移行を促すNELが存在することが示唆された。細胞を増殖が停止する条件下に長時間置くと、MCM蛋白質は細胞内より消失することが知られている。このとき、MCM蛋白質がどの様にして核より消失するかを調べるために、マウス血球系培養細胞MEL細胞を用いて、MCM蛋白質の細胞内分布の変化を調べた。MEL細胞は、DMSOなどによる刺激によって赤血球への分化が誘導されることが知られている。DMSO添加後、約3日で細胞の増殖は停止し、それに従って核内に存在するMCM3の量も減少した。抗MCM3抗体を用いた間接蛍光抗体法によって、MCM3は、分化刺激後、複製中の核から細胞質に移行することが見出された。このことから、MCM蛋白質のうち、少なくとも一部は核外に移行してから分解されると考えられる。分化刺激後約10日で、MCM3蛋白質はほとんど検出されなくなったが、DMSOを除くと、約12時間で速やかに核内に蓄積された。以上のことから、MCM蛋白質は、哺乳類細胞においても条件的な核輸送を示すと考えられる。そこで、MCM蛋白質の核輸送について更に詳しく調べるために、大腸菌でヒト組換えMCM3(hMCM3)蛋白質を発現させた。hMCM3は明らかな核移行配列(NLS)をそのC末端に有するが、HeLa細胞核への蓄積は見られなかった。しかしながら、アフリカツメガエル卵抽出液中で、精子核から形成させた核には活発な核移行を示すことから、組み換え蛋白質のNLSは活性であり、かつNLS受容体に認識されうる状態にあると考えられた。hMCM3をN末端より欠失させていくと、424アミノ酸の欠失では、全長と同様、核内への積極的な蓄積は見られなかったが、更に508アミノ酸まで欠失させると、一転して核内に効果的に蓄積された。以上の結果から、hMCM3は、424-508アミノ酸の間に核内への蓄積を阻害する配列、おそらく核外移行を促進するような配列が存在するものと考えられた。

N末端約500アミノ酸を欠失させた組み換え蛋白質では、活発な核内移行が見られたことから、N末端にNLSの活性を制御する配列、もしくは核外移行を促すNELが存在することが示唆された。
皮弁における受容体型チロシンキナーゼの発現と遺伝子治療

皮弁における受容体型チロシンキナーゼの発現を、まず皮弁生着に深く関与すると考えられる、表皮角化細胞、動脈血管内皮細胞、皮膚線維芽細胞及び、胎児性線維芽細胞を用いて検討した。胎児性線維芽細胞(Balb-3T3 clone A31)は、これまでの我々の基礎的実験から、白血病抑制因子(leukemia inhibitory factor, LIF)におり細胞制御(増殖性、分化能)されていた事実から、full-length mouse LIF cDNAを永久トラスフェクション法にて遺伝子導入し、ウェスタン法により継代後のLIFタンパク発現を確認の後、経時的な発現変化とVEGF(Vascular Endothelial Growth Factor)の用量依存性を確認したところ、LIF cDNA遺伝子永久トランスフェクション胎児性線維芽細胞は、VEGF 1,10,100 ngと増加するに従い、増殖に強く相関すると思われるリン酸化Erk p42/44 Mitogen-Activated Protein (MAP) kinase発現が添加後1分から30分まで(VEGF 10 ng添加時)と1分から60分まで(VEGF 100 ng添加時)認められた。LIFはゲッシ類において胎児性幹細胞(Embryonic Stem cell, ES cell)の維持に不可欠である事実から、ヒトにおける間葉系幹細胞とヒト表皮角化細胞、ヒト動脈血管内皮細胞、ヒト成人皮膚線維芽細胞戸の細胞相関と細胞融合(cell fusion)について詳細な検討を加えた。修正Boyden隔壁二重細胞培養法にて、通常はこれら細胞の通過できない径8μmの隔壁膜を用いて、下層に各種細胞、上層にヒト間葉系幹細胞を用いて、16時間培養観察し、膜通過細胞数を各プレート毎に計測したところ、表皮角化細胞は、動脈血管内皮細胞、皮膚線維芽細胞と比較して、有意な幹細胞の通過を認めた(345.0±61.60,36.2±14.45,63.8±24.81,p<0.01)。次いで、単層共培養法にて、間葉系幹細胞と表皮角化細胞を共培養後電顕像を含めて、検討したところ、両細胞の接着と細胞間の恐らく基底膜と考えられるタンパク分泌・接着を認めた。また、臨床で用いられている人工真皮を鋳型テンプレートとして、ヒト間葉系幹細胞を塩基性線維芽細胞増殖因子(basic fib roblast growth fator, bFGF)添加で治療すると、創傷治癒促進のみならず、術後42日までのヒト由来表皮角化細胞タンパク(pan-cytokeratin)発現を認めた。細胞の融合詳細な電顕観察で認められなかった事から、ヒト間葉系幹細胞が表皮成分現細胞へと分化したことが示唆された。更に、同様の創傷治癒実験系でLIF cDNA発現とVEGF用量添加ににより胎児線維芽細胞は治癒部位の表皮成分として重要なcollagen Iタンパク発現と血管内皮細胞マーカーであるCD34発現が確認された事から、Erk p42/44 MAP kinase経路を介した線維芽細胞増殖はゲッシ類で皮膚生着・皮弁延長効呆を有する事を示唆し、ヒト細胞ではヒト間葉系幹細胞が同様の機序で皮膚生着・皮弁延長効果を有するものと考えられた。また、LIFの情報系はgp130の中和抗体でラット浅腹壁皮弁生着域制御可能で、経血管的な抗体療法が可能であるが、幹細胞も同様に、結合織膜弁を用いた方法による経血管投与で著明な分化能を異所性骨形成で確認できた。

次いで、単層共培養法にて、間葉系幹細胞と表皮角化細胞を共培養後電顕像を含めて、検討したところ、両細胞の接着と細胞間の恐らく基底膜と考えられるタンパク分泌・接着を認めた。また、臨床で用いられている人工真皮を鋳型テンプレートとして、ヒト間葉系幹細胞を塩基性線維芽細胞増殖因子(basic fib roblast growth fator, bFGF)添加で治療すると、創傷治癒促進のみならず、術後42日までのヒト由来表皮角化細胞タンパク(pan-cytokeratin)発現を認めた。細胞の融合詳細な電顕観察で認められなかった事から、ヒト間葉系幹細胞が表皮成分現細胞へと分化したことが示唆された。更に、同様の創傷治癒実験系でLIF cDNA発現とVEGF用量添加ににより胎児線維芽細胞は治癒部位の表皮成分として重要なcollagen Iタンパク発現と血管内皮細胞マーカーであるCD34発現が確認された事から、Erk p42/44 MAP kinase経路を介した線維芽細胞増殖はゲッシ類で皮膚生着・皮弁延長効呆を有する事を示唆し、ヒト細胞ではヒト間葉系幹細胞が同様の機序で皮膚生着・皮弁延長効果を有するものと考えられた。また、LIFの情報系はgp130の中和抗体でラット浅腹壁皮弁生着域制御可能で、経血管的な抗体療法が可能であるが、幹細胞も同様に、結合織膜弁を用いた方法による経血管投与で著明な分化能を異所性骨形成で確認できた。創傷治癒障害のある部位の治療目的に、他の部位からの皮弁移植術は、単に血行を伴う組織移植である以上に、移植組織を遺伝子・抗体・細胞療法で改変し、レシピエントに必要な組織・器官の移植可能であると考えられる。特に、骨組織移植目的に、ヒト間葉系幹細胞(hMSC)と細胞にシグナルを伝え、分化を促進する増殖因子・サイトカインを用いて、異所性骨組織の再生を試みた。ヌードラット(F344/NJCl-run)下腹壁に4×4cm^2の筋膜皮弁を挙上し、ゼラチン・スポンジ(ゲルフォーム)を法m包埋の後、栄誉血管である浅腹壁動脈から、hMSC、細胞増殖因子として塩基性線維芽細胞増殖因子(bFGF)、骨組織への分化誘導因子としての骨形成因子(BMP-2)を30ゲージの歯科用シリンジにて注入10分間のインキュベーションの後、クランプ解除し、時間経過での、骨塩定量(Bone Mineral Density. BMD)変化、組織標本上の軟骨・骨組織の再生を観察した。骨塩量は、術後1週間かち、細胞・bFGF・BMP-2治療群で有意な増加を示し、2週、4週と増加していった。組織標本では4週目に治療群ではtrabecularパターンを示し、アルカリフォスファターゼ免疫組織も部分的ながら陽性となった。また、成熟骨組織マーカーであるオステオカルシン免疫染色も弱陽性となった。これらの結果から、経血管的に幹細胞を骨分化促進因子・幹細胞増殖因子の投与により、4週目までに骨形成を認めた。また、血管丙を異所性に移植可能であり、幹細胞による移植再生が可能である事を示した。更に詳細な、部位特異的、時間特異的な遺伝子(受容体型チロシンキナーゼ)の発現様式の確認を実施している。皮弁における受容体型
検出感度と定量精度を大きく向上させる，官能基別ESI増強重水素標識試薬の開発

LC/ESI-MS/MSによる微量定量分析では,「検出感度改善」と「精度・正確度を確保するための内標準物質(IS)の入手」が常に大きな課題となる.本研究ではこれらを一気に解決する独自の化学ツールとしてESI増強重水素標識(EEDL)誘導体化法を提案し,カルボキシ基用,共役ジエン用など官能基・特異的構造別のEEDL試薬の開発とその実用性の評価を行った.申請者が開発したEEDL試薬を用いることで,これまで最適なISが入手困難であった化合物でも本誘導体化により,高感度かつ精密定量が可能となるため,今後,多くの微量化合物の分析への応用が期待される.先に,申請者は,光学活性カルボン酸に対し,通常の逆相分配での対掌体分離,ESI-MS/MS応答性を大幅に向上させる新規誘導体化試薬としてDAPAPを合成した.本試薬はESI増強原子団であるジメチルアミノ安息香酸(DAB)と,カルボン酸に対する反応活性基及び分子不斉性を有する(S)-3-アミノピロリジンの縮合により調製される.そこで申請者は本年度の研究計画として,DAPAPの重水素標識アナログ(d-DAPAP)の合成を試みた.アミノ安息香酸(AB)を原料として種々の重水素導入法を検討したところ,重水素標識ホルムアルデヒドを用いる還元的アミノ化反応によりABのアミノ基にd2-メチル基が2つ導入されたd4-DABが高収率で得られたことから,これを鍵中間体としてd-DAPAPの合成を達した.さらに,IBU-DAPAPとIBU-d4-DAPAPのLC/ESI-MS/MS挙動を比較したところ,両誘導体のLC/ESI-MS/MS挙動は同様の挙動を示したことから,d4-DAPAPはDAPAPの重水素アナログとして好適であると評価した.得られた誘導体化試薬の実用性を評価するために, DAPAP,d-DAPAPのペアを用いたIsotope-coded derivatization (ICD)を基盤とする唾液中IBU定量法の開発を試みたところ,その検量線は良好な直線性を示し,精度・正確度ともに満足しうるものであった.一方,d-DAPAPを用いないDAPAP誘導体のみで絶対検量線を作成した場合と比較して,開発した定量法では検量線の精度・正確度が大幅に向上することも確認した.最後に本法をIBU服用健常人唾液を用いた唾液中IBUの対掌体弁別定量に応用し,キラル反転や濃度推移など,血液分析と同等の情報が得られることが判明した.前年度に引き続き,官能基別の官能基別ESI増強重水素標識(ESI-Enhancing and Deuterium-Labeling: EEDL)試薬の開発とその実用性の評価を行った.平成27年度は主にカルボン酸用のEEDL試薬として4-ジエチルアミノフェニルカルボニルエチレンジアミン(DEAPED)とその重水素標識アナログとして重水素導入数の異なるd6-DEAPED及びd3-DEAPEDを合成した.開発した試薬の評価にはモデルカルボン酸として抗酸化作用などの活性が知られているフェルラ酸を用いた.DEAPED誘導体化により,誘導体化前と比較して1400倍もの感度向上が達成された.ところで,水素は同位体効果が最も大きいことから,申請者はEEDL試薬を開発する上で,誘導体化試薬への重水素導入数の違いによるLC/ESI-MS/MSでの保持時間(tR)のずれを精査する必要があると考えた.そこで,これら3種DEAPED誘導体のLCS挙動を精査した所,DEAPED誘導体を基準として,d6-DEAPED誘導体では大きな同位体効果が観察されたが,d3-DEAPED誘導体ではtRの減少は0.3 minで,実用上問題のない程度であった.次いで,DEAPEDとd3-DEAPEDのペアを用いてケイ皮酸誘導体であるフェルラ酸,カフェ酸,p-クマル酸,シナピン酸の4種とヒドロキシ安息香酸誘導体であるプロトカテク酸,シリンガ酸の2種の計6種のカルボン酸の同時定量法の開発を試みた.すなわち6種のカルボン酸のd3-DEAPED誘導体を一定量調製し,これを内部標準物質の代わりに用いることで,入手が困難なこれら6種のカルボン酸の安定同位体アナログを用いなくても良好な直線性を有する検量線が作成できた.開発した定量法を玄米食品中のこれら6種のカルボン酸の定量にも適用し,その実用性も明らかにした.LC/ESI-MS/MSによる微量定量分析では,「検出感度改善」と「精度・正確度を確保するための内標準物質(IS)の入手」が常に大きな課題となる.本研究ではこれらを一気に解決する独自の化学ツールとしてESI増強重水素標識(EEDL)誘導体化法を提案し,カルボキシ基用,共役ジエン用など官能基・特異的構造別のEEDL試薬の開発とその実用性の評価を行った.申請者が開発したEEDL試薬を用いることで,これまで最適なISが入手困難であった化合物でも本誘導体化により,高感度かつ精密定量が可能となるため,今後,多くの微量化合物の分析への応用が期待される.研究実績の概要に記載してある通り,本年度は申請者が先に合成した光学活性カルボン酸用の誘導体化試薬(DAPAP)の重水素標識アナログ(d4-DAPAP)の合成を達成することができた.

DAPAPとd4-DAPAPのペアを用いてICDに基づく唾液中IBUの定量を行い,その実用性を評価した.本法を用いることで,入手・合成が困難なIBUの安定同位体標識ISを用いなくても精密な定量を可能にし,申請者の提案するESI活性重水素標識試薬を用いた「高感度検出」と「測定対象の安定同位体標識ISなしでの高精度定量」を同時に達成する新コンセプトの誘導体化試薬の有効性を示すことができた.現在,カルボキシ基以外の官能基用のESI増強試薬並びにその重水素標識アナログの合成にも着手しはじめている.以上のとおり,研究はおおむね順調に進行しており、平成27年度ついても特に問題なく進行可能であると考えられる.物理系薬学今後の研究の推進方策としては,本法の適応拡大を図る.すなわちカルボン酸用ESI増強重水素標識試薬のみならず,ヒドロキシ基・アミノ基あるいはオキソ基に対するESI増強重水素標識試薬の開発を行う.例えば,オキソ基用のESI増強試薬としてはヒドラジノピリジン(HP)が有効と考えられ,HPの重水素標識アナログの合成には芳香環への重水素導入が必須であると考えられる.そこで,パラジウム炭素担持触媒を利用した重水による重水素導入,または三フッ化ホウ素重リン酸錯体による重水素導入を検討する.合成した官能基別ESI増強周水素標識試薬は唾液中マーカーステロイドの分析に適用し,その実用性についても評価する.例えば,オキソ基用の誘導体化試薬の評価には加齢男性性腺機能低下症候群マーカーであるテストステロン及びデヒドロエピアンドロステロン分析への適用を考えており,ヒドロキシ基用の誘導体化試薬の評価にはアルツハイマー病マーカーである24S-ヒドロキシコレステロール分析を試みる予定である.本年度の成果でも報告した通り,DAPAPの重水素標識アナログ,d-DAPAPの合成が比較的スムーズに達成されたため,当初,重水素標識用試薬購入用に計上していた金額よりも少ない金額で平成26年度の研究が遂行できた.加えて,平成26年度は国際学会(APCE 2014)に参加し,研究成果を報告したが,国内(京都)で開催されたため,旅費についても予定していた金額より安価であったため,実施出額が当初の計上額よりも実際の使用額が低くなったものと考えられる.平成27年度も平成26年度に引き続き,官能基別のESI増強重水素標識試薬の合成を行うために,次年度使用額は平成27年度の直接経費と合わせてESI増強誘導体化試薬合成用試薬類や重水素標識用試薬などの消耗品あるいは溶媒などにその大半を使用する予定である.直接経費の消耗品費以外の使途として,学会参加のための旅費,論文投稿の際の英文校閲費や投稿料として一部を使用する予定である.
脳血管疾患患者の移乗時見守りから自立へのプロセスを支援するケアプロトコルの開発

脳血管疾患患者のベッド・車椅子間の移乗時見守りから自立へのプロセスを支援するケアプロトコル開発に向け、最終年度は平成29年度に実施したベッド・車椅子間移乗に伴う布団操作の指導状況に関する実態調査の分析を進めた。掛け布団の枚数が多くなる冬期間に、比較的気温の低い東日本を中心とした回復期リハビリテーション病棟902病棟でリーダー業務を担う看護師を対象に質問紙調査を行い、有効回答290名(有効回答率32.2%)であった。「布団かけ・布団はぎの両方とも指導していない」と回答した看護師が約半数を占め、指導していない理由としては、当該病棟の入院患者のADLレベルにより指導する必要がないことが最多であった。次いで、布団操作自立支援に対する看護師の意識や人員不足も理由として挙げられていた。ベッド・車椅子間移乗に伴う布団操作の指導状況には、入院患者のADLレベルだけではなく、布団操作自立に対する看護師の意識も関係しており、移乗に伴う周辺動作として布団操作の自立にも目を向けていく重要性が示唆され、ケアプロトコルに取り入れることが適切と考えた。移乗時見守りから自立へのプロセスの中で、転倒が発生することもありうる。以前の移乗時見守り解除後の追跡調査において、転倒を発生した患者が数名いたが、転倒後に見守りレベルへと自立度が差し戻しとなった事例はなかった。転倒した患者の移乗自立度をどのように判断し対応すべきかをケアプロトコルに反映していく必要があると考え、その計画に着手し、今後検討していく予定である。平成26年度は、移乗時見守りから自立に向けた援助の一つとして遠位見守りの活用状況を把握することを目的に実態調査を行った。回復期リハビリテーション病棟を有し、脳血管疾患等リハビリIを取得している全国の病院のうち、昨年度行った調査に協力が得られた437施設に調査票を送付し、回復期リハビリテーション病棟にてリーダー業務を行っている看護師1名に回答を依頼した。有効回答は329部であった。脳血管疾患患者のベッド・車椅子間移乗において、遠位見守りを取り入れていると回答した看護師は166名であり、約半数の病棟で見守り移乗自立への過程において遠位見守りを用いていた。用いていないと回答した看護師も163名おり、取り入れていない理由は「遠位見守りでは転倒等の危険が回避できない」「見守るスタッフが常にいるとは限らず、責任の所在が不明確」「近位見守りで自立に移行してよいかどうかの判断は可能」であった。遠位見守りを取り入れている病棟看護師が遠位見守りを解除してよいと意思決定する視点として、【病棟生活を支援するスタッフ間の意見の一致】【転倒につながる危険な動作の消失】【車椅子ブレーキ・フットレスト操作の定着】の3点が抽出された平成27年度は、患者が見守りから移乗自立への過程で得た経験知を明らかにする目的で移乗時の見守りから移乗自立に至った脳血管疾患患者へのインタビューを行った。12名の患者の参加が得られ、現在、データ分析中である。この研究成果をケアプロトコール試案に反映させていく予定である。平成26年度に実施予定であった「移乗時の見守りから移乗自立に至った患者の経験から得たコツや学びの抽出」において、対象条件に合致する患者が少なく、フィールド拡大を余儀なくされた。そのため、当初よりも研究期間を延長する結果となった。平成28年度は平成27年度に収集した移乗見守りから自立と至った脳血管疾患患者のインタビューデータの逐語録作成ならびに分析作業を進めた。それと並行して関連文献の検討を継続し、上記の収集データと合わせ、患者側からみた実践知や経験を補完していった。今後、平成26年度に行った回復期リハビリテーション病棟看護師を対象とした遠位見守りの実態調査結果と統合して、ケアプロトコール試案に上記を反映させていく。移乗時の見守りから自立に至った患者のインタビューデータの分析に時間を要し、当初予定したケアプロトコール試案作成まで至らなかった。平成29年度は、平成27年度にデータ収集した回復期脳血管疾患患者が見守りから移乗自立への過程で得た経験知について、平成28年度に引き続き、分析及び論文作成を行った。その結果、回復期脳血管疾患患者がベッド・車椅子間移乗の見守り支援から自立へと至る過程で捉えた経験知として、《車椅子のブレーキ操作の定着が移乗自立の絶対条件と心得る》《転倒リスクは皆無にできないことを認識する》《障害による身体特性を意識して動く》《移乗の各局面における自分なりのポイントをつかむ》《確実な移乗手順を遂行するために時間の余裕を確保する》《医療者の判断を受け入れる》《訓練室とは異なる環境での移乗に折り合いをつける》の7カテゴリーが抽出された。この中で、カテゴリー《訓練室とは異なる環境での移乗に折り合いをつける》において、患者は実際の移乗前後での布団操作を苦慮し、看護師の支援の下で工夫を重ね自立していったことが複数の対象から語られていた。移乗に伴う布団操作の自立支援は、看護師からみた移乗自立支援では見いだせなかった内容であり、ケアプロトコールにどのように入れ込むべきか、その実態から解明していく必要が生じた。そのため、布団などの掛物が特に必要となる冬期間に、回復期リハビリテーション病棟でリーダー業務を担う看護師を対象とした実態調査を実施した。現在、データ分析を行っており、その成果をケアプロトコールに反映させていく予定である。

移乗時の見守りから自立に至った患者のインタビューデータの分析に時間を要したことに加え、この分析過程の中で移乗前後での布団操作といった新たな検討課題が浮上した。片麻痺患者の布団操作自立支援に関する先行研究はほぼない状態であり、ケアプロトコール試案作成のためには上記の実態調査から着手せざるを得なかった。脳血管疾患患者のベッド・車椅子間の移乗時見守りから自立へのプロセスを支援するケアプロトコル開発に向け、最終年度は平成29年度に実施したベッド・車椅子間移乗に伴う布団操作の指導状況に関する実態調査の分析を進めた。掛け布団の枚数が多くなる冬期間に、比較的気温の低い東日本を中心とした回復期リハビリテーション病棟902病棟でリーダー業務を担う看護師を対象に質問紙調査を行い、有効回答290名(有効回答率32.2%)であった。「布団かけ・布団はぎの両方とも指導していない」と回答した看護師が約半数を占め、指導していない理由としては、当該病棟の入院患者のADLレベルにより指導する必要がないことが最多であった。次いで、布団操作自立支援に対する看護師の意識や人員不足も理由として挙げられていた。ベッド・車椅子間移乗に伴う布団操作の指導状況には、入院患者のADLレベルだけではなく、布団操作自立に対する看護師の意識も関係しており、移乗に伴う周辺動作として布団操作の自立にも目を向けていく重要性が示唆され、ケアプロトコルに取り入れることが適切と考えた。移乗時見守りから自立へのプロセスの中で、転倒が発生することもありうる。以前の移乗時見守り解除後の追跡調査において、転倒を発生した患者が数名いたが、転倒後に見守りレベルへと自立度が差し戻しとなった事例はなかった。転倒した患者の移乗自立度をどのように判断し対応すべきかをケアプロトコルに反映していく必要があると考え、その計画に着手し、今後検討していく予定である。遠位見守りの実態調査の実施・分析に予定よりも時間を要し、上記の調査後に計画していた患者を対象としたデータ収集に着手できなかった。平成27年度に収集したインタビューデータの分析を進め、平成26年度に行った遠位見守りの適用に関する看護師への調査結果と統合し、ケアプロトコール試案を作成する今まで行った看護師への調査と患者への調査結果を統合して、移乗見守りから自立へのケアプロトコール試案を作成する。次いで、自立事例と照合して試案の修正を行う。上記の修正を経たケアプロトコールの看護実践への適用可能性を検討するために回復期リハビリテーション看護師への調査を実施する。平成29年度に行った移乗前後の布団操作自立支援の実態調査の分析を進め、その結果を参考にケアプロトコール試案を作成する。次いで、看護実践への適用可能性を検討するために、専門家会議および回復期リハビリテーション病棟看護師への調査を実施する。患者側からみた移乗自立への経験知を明らかにし、平成26年度の看護師への調査結果と照らし合わせ、ケアプロトコル試案の作成を目指す。当初は平成26年度に実施予定であった研究の一部が平成27年度にずれ込んでしまい、ケアプロトコール試案の作成まで行えなかった。そのための使用額が平成28年度分に持ち越す形になった。平成27年度に収集したインタビューデータの分析作業に計画よりも時間を要したため、当該年度に予定していた学会発表を行うことができなかった。
多環芳香族炭化水素とその誘導体の環境汚染実態および毒性影響評価

近年、我が国の廃棄物対策は生産物の生産から流通、消費を経て廃棄あるいは再資源化に至るライフサイクル全体を制御する資源循環型社会の構築へ転換してきている。しかし、リサイクル社会が進展してきたとはいえ、依然、我が国における廃棄物の排出量は増加し続けており、その大半が焼却処分されているのが現状である。2000年1月から「ダイオキシン類対策特別措置法」が施行され、社会問題となったダイオキシン類は収束の方向へと向かっているが、廃棄物処理の大半が焼却されている現状を考慮した場合、無数の有害化学物質の生成が推定され、さらに廃棄物の組成や燃焼条件によってダイオキシン類と同レベルあるいはそれ以上の毒性を持つ芳香族炭化水素(PAHs)およびその誘導体の生成が十分に予想された。そこで研究代表者はこれら新規有害化学物質の汚染実態を解明し、また、毒性試験等を駆使することにより、複合的な環境負荷ならびに人体汚染に伴う健康影響評価を行うことを目的とした。これまでの研究成果よりPAHsおよびその構造中にニトロ基を1つ有する化合物の分析法を開発し、その汚染実態を実証してきた。また、平成14年度は焼却施設からの排ガス中においてPAHsに塩素が置換したハロゲン化PAHsの同定に成功し、焼却施設からの排出状況および周辺環境への汚染を実証する基礎的資料を報告した。本年度は、(1)極めて高度な分析技術を必要とするニトロ基を2つ有するPAHsの分析法の開発および(2)ダイオキシン類の酸素原子が硫黄原子に置換したポリ塩素化ダイベンゾチオフェンに関する研究の2つの研究において成果が得られた。(1)では誘導体化を利用したGC-MS法によりこれまで未知の領域であったサブフェムトオーダーでの定量を可能とした。(2)では廃棄物焼却施設から極めて強毒性である塩素化ダイベンゾチオフェンが検出され、我が国で初めて存在が確認される結果となった。廃棄物処理という大きな社会問題を抱えている我が日本では、2000年にダイオキシン類対策特別措置法により焼却施設からの排出量が規制を受けることとなった。焼却施設が規制を受ける一方、廃棄物は増加するという非常に困難な問題が発生している。これに伴い焼却施設の高精度処理化(焼却炉の大型化、焼却温度の高温化、焼却の連続化等)が進み、ダイオキシン類の排出量が削減できた反面、本研究で問題にあげた多環芳香族炭化水素(PAH)とそれら誘導体の発生量の増加が懸念された。発生量の調査を行ったところ、ダイオキシン類の生成量と比較して、PAHの発生量はその数千倍にもおよぶこと、また、変異原性や細胞毒性等のデータを根拠に毒性等量に換算するとダイオキシン類に匹敵する濃度で我々の周辺環境を汚染していることを明らかにした。さらに、これらPAHと同様に強変異原性を示す。ニトロ化PAH(NO_2-PAH)の生成実態について、ダイオキシン類の生成量とは対照的であり、PAH濃度と非常に相関性のあることを解明した。ダイオキシン類と構造あるいは安定性等の物理化学的性質が非常に近似する塩素化PAH(Cl-PAH)についても、同定を行った。その結果、ダイオキシン類濃度が高濃度である焼却施設からピコナノレベルで検出された。このCl-PAHはPAHやNO_2-PAHと同様、変異原性をはじめとする非常に強力な毒性を有することが知られている。したがって、本研究成果はこれらハロゲン化PAHによる焼却施設からの排出あるいはその周辺環境への汚染を実証する基礎的資料であると考えられた。今後、その実態を究明することが非常に重要な位置づけにあると判断した。
磁性分子マシンに向けたスピンによる動力の生成と制御に関する理論的研究

磁性分子マシンの動力「分子の振動と回転」の生成と遠隔操作に向けて,我々は励起スピンの緩和に関する理論的研究を行った.ここで,緩和はスピンー動力(分子の振動・回転)間相互作用Vを通して起こるとする.このVに対しては「結晶場エネルギーとスピン軌道(SO)相互作用を持つ3d軌道のスピン方向依存性」が重要な役割を担う.また,このような依存性を観測する現象として異方性磁気抵抗(AMR)効果がある.今回我々は3d軌道のスピン方向依存性とAMR効果を理論的に調べた.その結果,3d軌道の形状のスピン方向依存性とAMR比の結晶場効果について新しい知見を得ることができた.本研究は励起スピンの緩和に関する理論的研究である。ここでの緩和はスピンー原子振動相互作用によって生じるとする。今年度はこの相互作用の導出の際に重要な役割を担う“交換分裂エネルギー(Eex)とスピン軌道(SO)相互作用を持つ3d軌道"に注目した。特に「1. 3d軌道におけるSO相互作用の影響」と「2.異方性磁気抵抗(AMR)効果」について研究を行った。それぞれの詳細は次の通りである。1. 3d軌道におけるSO相互作用の影響結晶場を無視した系に対して、Eexを無摂動、SO相互作用を摂動として摂動理論により3d軌道を求めた。得られた軌道は、SO相互作用が無い系の軌道と比べて磁化(M)方向に歪んだ形になった。例えばupスピンのd軌道に注目するとき、upスピンの軌道(支配的成分)はM方向に縮み、僅かに混じってきたdownスピンの軌道(混成成分)はM方向に伸びた形になった。電子雲の概略図で言うと、支配的成分はM方向を短軸とする大きな楕円、混成成分はM方向を長軸とする小さな楕円として表された。2. AMR効果3d軌道におけるSO相互作用の影響を調べるための代表的な現象はAMR効果である。この効果は抵抗率がM方向に依存する現象であるが、電子雲を用いた説明はこれまで報告されてこなかった。今回、本現象は次の(1)、(2)を用いて説明されることを示した。ここで「(1)M方向//軌道z方向」、「(2)抵抗率はフェルミ準位上の3d軌道(電子雲)の電流方向の大きさに依存」である。例えばupスピン側が金属的なハーフメタルの場合、upスピンの電子雲は、1よりM方向を短軸とする楕円として表される。Mを回転させるとき、電子雲(楕円)は(1)よりMとともに回転する。電流方向を固定した上でMを回転させるときは、電子雲(楕円)の電流方向の大きさが変化することになる。従って、(2)より抵抗率はM方向に依存する。本研究は励起スピンの緩和に関する理論的研究である。この相互作用ではスピン軌道(SO)相互作用を持つ3d軌道が重要な役割を果す。前年度は結晶場を無視した3d軌道に対してSO相互作用が及ぼす影響を調べた。今年度はSO相互互作用と結晶場を考慮に入れた3d軌道の磁化方向依存性を調べた。特に「1. 3d軌道のφ依存性」と「2.強磁性体の異方性磁気抵抗(AMR)比のφ依存性」に取り組んだ。ただし、φは磁化(xy面内)とx軸の間の相対角である。詳細は以下の通りである。1. 3d軌道のφ依存性結晶場エネルギーΔ、交換分裂エネルギーH、SO相互作用(結合定数はλ)から成る3d電子のハミルトニアンに対して摂動理論により波動関数を求めた。その波動関数では、注目しているある軌道に別の軌道(混成軌道)が僅かに混ざってくるが、その混成軌道の確率振幅はcos2φまたはsin2φを含むことを示した。2.強磁性体のAMR比のφ依存性3d軌道のφ依存性を調べるための代表的な現象はAMR効果である。この効果の効率AMR(φ)は[(φでの抵抗率)-(φ=π/2での抵抗率)]/(φ=π/2での抵抗率)として定義される。電流方向をx方向とするとき、結晶場を無視した系ではAMR(φ)=C0+C2cos2φになり、正方対称結晶場を考慮に入れた系ではAMR(φ)=C0+C2cos2φ+C4cos4φになることを伝導理論により示した。ここでC0、C2、C4はΔ、H、λで表され、C2cos2φ項は混成軌道の確率振幅の実部、C4cos4φ項は混成軌道の確率に関係付けられた。さらに正方対称結晶場ではC4≠0、立方対称結晶場ではC4=0になった。なお、このC4cos4φ項はFe4Nなどの強磁性体のAMR実験で観測されている。本研究は励起スピンの緩和に関する理論的研究である.ここでの緩和はスピンー原子振動相互作用によって生じるとする.この相互作用ではスピン軌道(SO)相互作用を持つ3d軌道が重要な役割を果す.前年度はSO相互作用と結晶場を考慮に入れた3d軌道を解析的に求め,その3d軌道の磁化方向依存性を調べた.今年度は,前年度に開発した理論を用いて実材料のFe4Nの「1.3d軌道の磁化方向依存性」と「2.異方性磁気抵抗(AMR)比の温度依存性」を調べた.詳細は以下の通りである.

1.結晶場エネルギー,交換分裂エネルギー,SO相互作用から成る3d電子のハミルトニアンに摂動理論を適用することで波動関数を求めた.Fermi準位近傍の波動関数は,支配的成分のダウンスピン状態とわずかに混ざったアップスピン状態(混成軌道)からなり,その混成軌道の確率振幅はcos2φまたはsin2φを含むことを示した.ただし,φは磁化(xy面内)とx軸の間の相対角である.2.3d軌道のφ依存性を調べるための代表的な現象はAMR効果である.その効果の効率“AMR比"はAMR(φ)=[(φでの抵抗率)-(φ=π/2での抵抗率)]/(φ=π/2での抵抗率)として定義される.このAMR(φ)はC0+C2cos2φ+C4cos4φ(ただしC0=C2-C4)として表され,昨年,係数C2, C4の一般式を解析的に求めた.今年度はこの一般式と1の3d軌道をもとに,Fe4Nの係数C2, C4を求めた.その結果,C2はdε軌道とdγ軌道の部分状態密度の差に比例し,C4はdε軌道内の部分状態密度の差に比例することがわかった.さらに,これらの係数を用いて,Fe4NのC2とC4の温度依存性の実験結果(温度低下とともに|C2|とC4が増大)を解析した.その結果,温度低下とともに正方歪みが増大するとき実験結果を再現できることがわかった.(2)おおむね順調に進展している.1.スピン緩和に重要な働きをする“スピン軌道相互作用と結晶場エネルギーを持つ3d軌道"を解析的に求め,その磁化方向依存性について詳しく調べた.2.3d軌道におけるスピン軌道相互作用の影響を調べるため,異方性磁気抵抗(AMR)効果に注目し,AMR効果の一般理論を構築した.3.2の理論を用いて,Fe4NのAMR効果の実験結果(AMR比が低温で増大)を解析した.その結果,温度低下とともに正方歪みが増大するとき実験結果を再現できることが確認された.本研究は「励起スピンの緩和の磁場による制御」に関する理論的研究である.ここでの緩和はスピンー原子振動相互作用Vによって生じるとする.このVは3d軌道の形状に強く依存し,その形状は交換分裂磁場H(∝磁化)とスピン軌道相互作用V_soに依る.我々はこれまでに,HとV_soを持つ3d軌道を解析的に求め,3d軌道の磁化方向依存性を調べてきた.さらにその磁化方向依存性を直接調べ得る異方性磁気抵抗(AMR)効果についても研究を行ってきた.今年度は,Hと関係づけられるフェルミ準位上の状態密度のスピン分極率P_Dと抵抗率のスピン分極率P_rに注目し,これらをAMR比から評価する手法の開発に取り組んだ.この手法が確立するとAMR比(測定は容易)からP_DとP_rを評価できるようになる.今回我々は,「1.ハーフメタルに近い強磁性体のP_DとAMR比の間の関係式およびP_rとAMR比の間の関係式の導出」と「2.ホイスラー合金Co2FeGa0.5Ge0.5(CFGG)のP_DとP_rの評価」を行った.詳細は以下の通りである.1. AMR比とP_Dの間とAMR比とP_rの間に正の相関が確認された.この結果は,CFGGのAMR効果とCFGG/金属/CFGG接合の巨大磁気抵抗効果で観測された正の相関(実験結果)を定性的に説明する.なおここでは,ボルツマン理論を用いて抵抗率の計算を行った.電子の散乱過程は,自由電子から自由電子へのフォノンまたは不純物による散乱,自由電子から3d軌道への不純物による散乱である.