hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
光熱変換イメージングによるサブナノ粒子検出識別システムの開発

回折限界以下のナノ粒子を光熱変換効果および偏光解析法を用いて検出する手法を開発した.光熱変換方式では,単一ナノ粒子の検出を可能とした.ここでは,ナノ粒子が吸収した熱エネルギにより粒子周囲の媒質の屈折率が変化することで光学的に拡大した粒子として検出する.また,偏光解析法を用いた手法では,ナノ周期構造を用いて発声させたエバネセント光により集団的にトラップされたナノ粒子を検出した.回折限界以下のナノ粒子を光熱変換効果および偏光解析法を用いて検出する手法を開発した.光熱変換方式では,単一ナノ粒子の検出を可能とした.ここでは,ナノ粒子が吸収した熱エネルギにより粒子周囲の媒質の屈折率が変化することで光学的に拡大した粒子として検出する.また,偏光解析法を用いた手法では,ナノ周期構造を用いて発声させたエバネセント光により集団的にトラップされたナノ粒子を検出した.本研究の目的は,光学的にサブナノ粒子を遠隔操作するシステムを開発することである.サブナノ粒子を遠隔操作するシステムには,サブナノ粒手観察系とサブナノ粒子操作系が必要である.サブナノ粒子観察系では光エネルギを熱エネルギに変換する光熱変換効果を利用する.具体的には,高強度レーザをサブナノ粒子に照射することによりサブナノ粒子が光熱変換効果により温度が上昇する.熱は放熱するため媒質の温度が数度上昇することで屈折率がわずかに変化する.この屈折率変化もしくは位相の二次元分布を計測システムを作製する.また,サブナノ粒子を捕捉するために静磁場による反発力とエバネッセント揚による光放射圧を用いる.具体的には,数十nmのスリットが入ったプレパラートを作製し赤外光を入射させることでエバネッセント場を形成する.このエバネッセント場を利用することで多数のサブナノ粒子を効率的に捕捉できる.さらに,静磁場を利用することと補足粒子の垂直方向の位置が粒子の大きさに依存するのでサブナノ粒子の形状選別が可能となる.以上より,本課題では,高精度サブナノ粒子検出・職別年法を確立することを目的としている.平成22年度までに,サブナノ粒子を補足するための光トラップシステムの基本的な部分を構築した.ここでは,ナノ粒子の補足が可能な一般的な光トラップシステムである.また,検出方法として,対物レンズを介した偏光計測システムを構築しサンプルの異方位性の計測が可能なシステムとしている.また,光熱変換効果に必要な光源を選定し,YAG2倍波(波長532nm),出力2Wのレーザの購入が終了している.本研究の目的は,光学的にサブナノ粒子を遠隔操作するシステムを開発することである.サブナノ粒子を遠隔操作するシステムには,サブナノ粒子観察系とサブナノ粒子操作系が必要である.サブナノ粒子観察系では光エネルギを熱エネルギに変換する光熱変換効果を利用する.具体的には,高強度レーザ(YAG,二倍波,2W)を照射することにより生じるサブナノ粒子の光熱変換効果を利用する,熱変換効果により温度が上昇したサブナノ粒子からは周囲の媒質中に熱が放出される.放出された熱により温度が上昇した媒質の屈折率はわずかに変化する.この屈折率が変化する領域は100nm程度の大きさになるため顕微鏡等により検出することができる.しかしながら,屈折率の変化は微小であるため高S/N比の検出法が必要となる.ここでは,位相検出に着目し,位相の二次元分布が可能な計測システムを作製する.また,サブナノ粒子を捕捉するために静磁場による反発力とエバネッセント場による光放射圧を用いる.具体的には,500nmのスリットが入ったプレパラートを作製し赤外光(波長980nm)を入射させることでエバネッセント場を形成する.このエバネッセント場を利用することで多数のサブナノ粒子を効率的に捕捉できる.これまでに,数値計算(FDTD法)により微細周期構造の形状パラメータについて検討した.その結果,強度の強いエバネッセント場を形成する構造の条件を見いだした.また,作製した微細構造を用いて,粒径21nmの金γ三酸化二鉄粒子の捕捉に成功した.さらに,磁場による反発力である磁気浮上を捕捉に利用できるようになっている.一方で,当初申請していた計画から新たな機能が必要となり,単一のナノ粒子を検出できるようにするために,干渉計の導入を検討している.本研究の目的は,光学的にサブナノ粒子を遠隔操作するシステムを開発することである.サブナノ粒子を遠隔操作するシステムには,サブナノ粒子観察系とサブナノ粒子操作系が必要である.サブナノ粒子観察系では光エネルギを熱エネルギに変換する光熱変換効果を利用する.具体的には,高強度レーザ(YAG,二倍波,2W)を照射することにより生じるサブナノ粒子の光熱変換効果を利用する.熱変換効果により温度が上昇したサブナノ粒子からは周囲の媒質中に熱が放出され,放出された熱により温度が上昇した媒質の屈折率は粒子周辺部でわずかに変化する.この屈折率が変化を位相として検出し,偏光計測から位相の二次元分布が可能な計測システムを作製した.また,サブナノ粒子を捕捉するために500nmの格子で発生させたエバネッセント場による光放射圧を用いて捕捉した.これまでに,数値計算(FDTD法)により微細周期構造の形状パラメータについて検討および作製することで,粒径21nmの金γ三酸化二鉄粒子の捕捉および検出に成功した.さらに,磁場による反発力である磁気浮上を捕捉に利用できるようになっている.

一方で,当初申請していた計画から新たに単一で粒子を検出する機能が必要となったので干渉計を導入した.ここでは,ビームキューブスプリッタを斜め45度に配置することにより簡易かつ安定な干渉計を構築した.本干渉計は,単一光学素子で構成されているため振動や空気の揺らぎに強く,実際には,300分の1波長の精度の干渉計を構築した.さらに,フーリエ変換法を導入することでビデオレートでの検出が可能な光学系を構築した.新たに作製した干渉計を用いて,当該光学系の回折限界以下である2μmの黒鉛粒子が熱対流を起こしている様子をビデオレートで検出することに成功した.当初計画していたとおり,エバネッセント場発生のための微細構造を検討および作製し,ナノ粒子の捕捉や検出が可能になっているためである.また,磁場の粒子への影響も検討が終了しているので概ね順調に進展している.24年度が最終年度であるため、記入しない。研究の問題点はないが,単一ナノ粒子を検出できるようにすることも新たな目的として加わった.単一ナノ粒子の検出が可能になると生体顕微鏡等への応用が容易になる.これは,光熱変換効果を利用する手法があるが,当初計画のとおり現在作製しているシステムは光熱変換効果を容易に引き起こせるので,発展させることは難しくなく干渉計測と組み合わせることで対応している.24年度が最終年度であるため、記入しない。
ホヤ幼生-個体における神経活動イメージング

ホヤは脊椎動物に最も近縁な動物で、その幼生は僅か2600の細胞からなる。本研究は、ホヤ幼生の神経及び筋肉の活動をイメージング法により計測することを目的とした。それらの興奮状態をCa^<2+>指示タンパク質カメレオンの蛍光変化(蛍光エネルギー移動(FRET))を用いてを用いて観測した。測定系構築の為、浜松ホトニクス社製カラー3CCDカメラを申請したが、予算減額のためそのカメラを購入できなかった。代替に高感度モノクロCCDカメラを購入しFRET計測を行った。しかし、様々なアーティファクトが考えられ、1波長の蛍光変化だけでCa^<2+>変化モニタすることは難しいと判断した。そこで、理研の宮脇博士の協力を得て、同研究室のカラー3CCDカメラを用いて実験を行なった。2波長計測により筋肉の活動に伴う一過的Ca^<2+>の上昇を捉えることができた。ホヤ幼生の筋肉は、脊椎動物の骨格筋と異なり細胞融合されていない。Ca^<2+>イメージングにより、最前方の筋細胞から後方へとCa^<2+>シグナルが伝達されていることが分かった。ギャップ結合阻害剤(octanol)によってCa^<2+>の伝搬に抑制された。ホヤ幼生の筋組織では、ギャップ結合を介してその活動が筋肉全般に伝搬していることを明らかにした。視細胞のCa^<2+>イメージングを行った。ホヤ視細胞では脊椎動物同様、光刺激に伴いCa^<2+>減少することが分かった。本結果は、初めての動物視細胞のin vivoでのCa^<2+>イメージングである。今後は、この測定系を用いて、薬物効果や遺伝子ノックダウン実験により視細胞内信号伝達系の解明を行いたい。カメレオンの神経細胞への適用を試みた。コリン作動性神経特異的に発現するプロモータを用いて、それらの神経の活動を計測した。運動神経節にある5対のコリン作動性神経のうち、前から3番目の神経が特に活発に発火していることが分かった。その神経がペースメーカ的な役割を担っていることを示唆された。原始的脊索動物ホヤのオタマジャクシ幼生は、100個程度の細胞から構築された神経系をもつ。単純な神経系ながら、基本構造や発生過程は脊椎動物のものと類似する。本研究では、その幼生の神経活動を一個体全体で計測することを目指している。神経の興奮状態は、神経細胞のCa^<2+>濃度上昇をカルシウム指示タンパク質カメレオンの蛍光変化(蛍光エネルギー移動(FRET))により観測する。まず、カメレオン遺伝子の上流に神経特異的及び、筋肉特異的プロモータをつないだコンストラクト作製し、それを受精卵に導入した。筋肉及び神経特異的にカメレオンが発現していることを確認した。より発現量を上げるために導入するDNA量を検討した。200μg/ml以上導入すると発現量が上がるものの奇形が生じやすいことが分かり、150μg/mlの量が適当であることが分かった。現有のカメラでイメージングを行ったが、現時点ではまだ有意な蛍光変化を観測できていない。

これは現有カメラの感度及び取り込みレートの低さによるものと思われる。浜松ホトニクス社製の3CCDカメラシステムの購入を申請していたが、予算減額のため購入できなかった。数多くのメーカに問い合わせ、低価格での同等品を検討したが、微弱蛍光のFRETを観測できるシステムはなかった。やむをえず高感度のモノクロCCDカメラ(高価なインターフェース不要)を購入し、フィルタの組み合わせでドナーもしくはアクセプタの蛍光を測定する系を構築中である。最近、宮脇博士らのグループは、従来に比べ、Ca濃度の変化に対して数倍感度の高い新型カメレオンを開発した。その遺伝子をプロモータと結合したプラスミドを作製した。今後はこのカメレオンを用いてCaイメージングを行っていく。本研究は、基本体制は脊椎動物のものとほぼ同じながら、僅か2600の細胞からなるホヤ幼生の神経及び筋肉の活動をイメージング法により計測することを目的としている。それらの興奮状態をCa^<2+>指示タンパク質カメレオンの蛍光変化(蛍光エネルギー移動(FRET))より観測した。測定系構築の為、浜松ホトニクス社製カラー3CCDカメラを申請したが、予算減額のためそのカメラを購入できなかった。代替に高感度モノクロCCDカメラを購入しFRET計測を行ったが、蛍光変化がCa^<2+>変化よるものなのか断定できなかった。そこで、理研の宮脇博士の協力を得て、同研究室のカラー3CCDカメラを用いて実験を行なった。2波長計測により筋肉の活動に伴うCa^<2+>の上昇を捉えることができた。さらに各細胞でのCa^<2+>変化を解析した結果、最前方の筋肉が神経からの刺激によって発火し、後方の筋細胞に伝わって行くことが示唆された。ホヤ幼生では筋細胞間のギャップ結合を介して活動信号が伝達されていると言われているが、実験的証拠はない。そこで、ギャップ結合阻害剤(octanol)による、筋組織におけるカルシウムシグナルへの影響について調べた。コントロールではCa^<2+>の変化が速やかに全筋肉に伝わっていくのに対して、阻害剤を添加した幼生では特定の筋細胞にCa^<2+>が蓄積し、それが伝搬しなかった。この結果は、ホヤ筋肉ではギャップ結合を介してCa^<2+>が筋肉全体に伝達していることを強く示唆する。次にカメレオンの神経細胞への適用を試みた。コリン作動性神経特異的に発現するプロモータを用いて、それらの神経の活動を、カメレオンを用いた系で調べた。尾部前方の運動神経節には、5対のコリン作動性神経が存在する。それらの神経が幼生の尾部運動に伴い発火することが分かった。さらに個々の神経の活動を調べると、前から3番目の神経が特に活発に発火していることが分かった。
炭素資源としての有効利用を志向した新規二酸化炭素固定化反応の開発と応用

本研究課題では,未だ開拓の余地を多く残すCO2の「求電子性」を利用した新しい反応の開発を目指し検討を行い,1)ビスメタル試薬であるシリルスタナン及びフッ化セシウムによるイミン前駆体からのα-アミノ酸誘導体のワンポット合成法の開発,2)ビスメタル試薬としてシリルボランを用いた上記ワンポット合成法の改良,3)イミンへのシリルアニオンのエナンチオ選択的付加反応を経由する光学活性αーアミノ酸誘導体の触媒的不斉合成法の開発,4)イミン前駆体のマンガンによる一電子還元を利用したαーアミノマンガン種の生成及びCO2との反応によるαーアミノ酸誘導体の合成,を達成することができた.本研究課題では,未だ開拓の余地を多く残すCO2の「求電子性」を利用した新しい反応の開発を目指し検討を行い,1)ビスメタル試薬であるシリルスタナン及びフッ化セシウムによるイミン前駆体からのα-アミノ酸誘導体のワンポット合成法の開発,2)ビスメタル試薬としてシリルボランを用いた上記ワンポット合成法の改良,3)イミンへのシリルアニオンのエナンチオ選択的付加反応を経由する光学活性αーアミノ酸誘導体の触媒的不斉合成法の開発,4)イミン前駆体のマンガンによる一電子還元を利用したαーアミノマンガン種の生成及びCO2との反応によるαーアミノ酸誘導体の合成,を達成することができた.二酸化炭素(CO2)は大気中に豊富に存在することから「炭素資源」として重要である.本研究課題では,CO2が本来有する二つの性質(「求電子性」及び「多重結合性」)のうち,求電子性を利用した新しい反応の開発を目的としている.本年度の研究により,イミン前駆体をフッ化セシウム存在下,シリルスタナンを用い10気圧のCO2加圧下で反応させると,ワンポット一段階の反応で一挙にαーアミノ酸誘導体が得られることを見出した.また本反応の機構を解明すべく,中間体と想定されるαーアミノスタナンの新規合成法の確立,及びαーアミノスタナンとCO2との反応を詳細に検討し,本反応が,1)フッ化セシウムが塩基として作用し,イミン前駆体からのイミンの生成,2)フッ化セシウムがシリルスタナンを活性化し,スタニルアニオンの生成,3)スタニルアニオンのイミンへの付加,4)生じたαーアミノスタナンのフッ化セシウムによる再活性化,5)活性化されたαーアミノスタナンとCO2の付加,と多段階のステップを経て進行していることを明らかにした.イミンからのαーアミノ酸合成法としては,イミンへのシアン化物イオンの求核付加によるストレッカー反応が有名であるが,本反応では本来求電子性であるイミンを「求核剤」としてCO2に付加させていることから,「極性転換型ストレッカー反応」と見なすことができる.また,CO2を炭素源として用いているばかりではなく,1)不安定なイミンを取り出す必要はなく,イミン前駆体からのαーアミノ酸の合成が可能である,2)ストレッカー反応では反応後生じるニトリル体からαーアミノ酸へと変換するために強酸条件下での加水分解が必要であるが,本反応ではCO2との反応によって直接αーアミノ酸が生成するため不要である,点など既存のストレッカー反応にはない大きな利点がある.昨年度までの検討において,ビスメタル試薬であるシリルスタナン(Bu3SnSiMe3)とフッ化セシウム(CsF)の存在下,イミン前駆体と二酸化炭素(CO2)を反応させることにより,αーアミノ酸が一挙の合成できることを見出した.また,本反応の機構解明とともに,毒性の高いスズ化合物の使用を回避すべく検討を行い,シリルスタナンの替わりにシリルボランを利用することで,より効率の高いCO2を炭素源として利用したαーアミノ酸の合成法へと展開した.本反応は大変ユニークなものであるが,1)ビスメタル試薬は一般に調製が難しく,市販品は高価である,2)CO2加圧下で反応を行う必要がある,などまだ改良の余地があった.そこで,上述のCO2からのαーアミノ酸合成のプロセスをよりシンプル,且つより安価な試薬を利用したものに展開するため,イミン前駆体のマンガンによる還元を利用したαーアミノマンガン種の生成,引き続くCO2との反応によるαーアミノ酸の合成を検討した.その結果,N,O-アセタール化合物を出発原料とし,ルイス酸存在下生成するイミン種が容易にマンガンによる還元を受け,αーアミノマンガン種が効率よく生成できることを見出した.このαーアミノマンガン種は1気圧のCO2と0度でも反応し,種々のαーアミノ酸を生成する.本反応では量論量のマンガン及びルイス酸を必要とするものの,上述のαーアミノ酸合成反応で用いられていた比較的高価であったり調製が難しいビスメタル化試薬を用いる必要はなく,反応条件もより穏やかで非常にシンプルなαーアミノ酸の合成法の開発に成功した.

また,CO2の炭素ー酸素二重結合としての性質を利用し,ニッケル錯体存在下,アレナミドとCO2が位置選択的に反応し,ニッケララクトン中間体を生成することを見出した.本中間体を加水分解することにより,βーアミノアクリル酸誘導体へと変換可能である.昨年度までの検討によって,イミン前駆体をビスメタル試薬であるシリルスタナン(Bu3SnSiMe3)とフッ化セシウム(CsF)存在下,10気圧の二酸化炭素(CO2)と反応させることによりαーアミノ酸誘導体が生成することを見出し報告した.本反応では,CsFがまず塩基としてイミン前駆体に作用し反応系内でイミンが生成した後,更にCsFがシリルスタナンを活性化し,スズアニオンが生成する.このスズアニオンがイミンに付加し,αーアミノスズ化合物が生成し,このαーアミノスズ化合物のスズ基を更にCsFが活性化しカルバニオン等価体が生成し,これとCO2が反応し,最終的にαーアミノ酸が生成していると考えられた.すなわち,本反応ではCsFが,塩基,ビスメタル化試薬の活性化,αーアミノスズ化合物の活性化,という3つの役割を果たし,一挙にワンポットで3段階の反応が進行していることになる.本反応機構が正しいならば,CO2非存在下で反応を行えば,中間体であるαーアミノスズ化合物が単離できる可能性がある.そこで,同様の条件下,CO2非存在下で反応を行なったところ,実際にαーアミノスズ化合物が高収率で得られ,新しいαーアミノスズ化合物の合成法として確立することができた.また,本CO2からのαーアミノ酸合成反応の欠点として,毒性の高いスズ化合物の使用が必須であることが挙げられる.この点を解決すべく,ビスメタル化試薬としてスズを含まないシリルボラン(PhMe2SiBpin)を用いたところ,反応はシリルスタナンを用いた場合よりも温和な条件下,収率良く進行することを見出し,スズ化合物の使用を回避するとともに,本反応を大きく改良することができた.上述のように,二酸化炭素(CO2)の求電子性を活かした新規反応の開発に成功し,CO2を炭素源として用いたαーアミノ酸のワンポット一段階合成に成功した.この反応の反応機構の解明研究により,有機合成の中間体として有用なαーアミノスタナンの新規合成法の開発にも成功した.また,この新規合成法を利用し合成した種々のαーアミノスタナン誘導体を用い,その反応機構の解明にも成功した.25年度が最終年度であるため、記入しない。本研究課題の目標は,二酸化炭素の炭素資源としての有効利用を検討し,有用生物活性か某津への合成へと展開することである.申請者は,上述の通り二酸化炭素を利用したαーアミノ酸合成法の開発に成功し,またその欠点の克服にも成功しているため,概ね順調に進展していると言える.一方,生体内で利用されるαーアミノ酸は光学活性体であるため,今後光学活性体としての合成を達成するために,不斉合成法の開発が必要であるため,検討していく予定である.上記のイミン前駆体からの二酸化炭素(CO2)を炭素源とした「αーアミノ酸」合成は画期的な方法であると自負しているが,その欠点として1)反応条件が比較的過酷(10気圧のCO2,100°Cを必要とする)である,2)試薬として用いているシリルスタナンには,毒性が高いアルキルスズ基を含んでいる,などが挙げられる.そこで,次年度以降の検討では,シリルスタナンの代わりに様々なビスメタル試薬を用いることにより反応条件の緩和及びアルキルスズの使用回避を検討していきたいと考えている.また,本研究課題のもう一つの研究目的の柱である「C-H結合の活性化を経由したカルボキシル化反応」の検討も行っていきたい.25年度が最終年度であるため、記入しない。申請者は,上述の通り二酸化炭素を利用したαーアミノ酸合成法の開発に成功したが,生体内で利用されるαーアミノ酸は光学活性体であるため,今後不斉合成法の開発が必要である.これを実現する方策として,1)反応中間体であるαーアミノメタル種を光学活性体として合成する方法の開発,2)上の1)で合成した光学活性αーアミノメタル種とCO2との反応における不斉転写反応の確立,の二つの検討が必要である.
ウエーブレット変換,PODおよび条件付抽出法による乱流組織構造の比較研究

剪断乱流の組織構造(大規模渦構造)は低周波数変調とよばれるゆらぎをもっている。これまで組織構造の研究には、条件付き抽出法が広く用いられてきたが、これにはあらかじめ条件そのものを設定するという問題点がある。条件を設定しないで組織構造を抽出する方法として、最適直交関数展開法や線形統計推定法などがあるが、最近ではウエーブレット変換が注目されている。本研究は、剪断乱流の代表的なものとして、乱流混合層および乱流後流をとりあげ、その組織構造と低周波数変調を最適直交関数展開法およびウエーブレット変換によって実験的に明らかにしたものである。あわせて組織構造の抽出におけるこれら二つの方法の特徴を明らかにしている。主要な成果は次の点に要約される。〔1〕乱流自由混合層における組織構造の基本的特性が、最適直交関数展開法における第一固有関数によって表現できる。〔2〕乱流自由混合層の中心領域では、最適直交関数展開法は組織構造による速度変動の組織性を表現できないのに対し、ウエーブレット変換はこの領域における速度変動の組織性を明確に抽出できる。これにより最適直交関数展開法では、最初の数個の固有値が他のものに比べて特に大きくないときには、組織構造を抽出できないことがわかる。〔3〕乱流自由混合層の組織構造は、その通過周波数の約1/6の周波数で変調を受けていることをウエーブレット変換によって明らかにした。〔4〕乱流後流の組織構造であるカルマン渦列中の渦が、レイノルズ数の広い範囲にわたって、その通過周波数の約1/25の周波数で変調を受けていることを、ウエーブレット変換によって明らかにした。(1)研究代表者の実験室に既存の低乱流風洞内に、2次元円柱を設置し、近傍後流、中間後流、遠方後流の代表的な位置における速度変動のデータベースを構築した。(2)データベース解析のためのウエーブレット変換およびPOD(Proper Orthogonal Decomposition)解析のためのソフトウエアを構築した。また、ウエーブレット変換から相互相関、スペクトル、およびエネルギーなどを計算するソフトウエアを構築した。(3)Mexican-hat wavelet,Antisymmetric wavelet,Morlet waveletの3種類のウエーブレット変換パターンを比較検討し、適当な座標軸の平行移動をすれば、これらのウエーブレットがほぼ同じパターンを与えることを明らかにした。また、3種類のウエーブレットのなかで、Morlet waveletが最も多くの情報を与える点で有利であることを示した。(4)2次元円柱の中間後流領域における速度変動を、構築したソフトウエアによって解析した。この結果、(i)乱流状態のカルマン渦が引き起こす周期的な速度変動には、低周波数の振幅変調があること;(ii)振幅変調の中心周波数は、カルマン渦の周波数の15分の1程度であること;(iii)この中心周波数はWilliamson(Cornell大学)、亀井ら(横浜国大)、羽二生ら(北見工大)らによって、300以下の低いレイノルズ数の流れについて求められている値に一致すること;(iv)低周波の振幅変調は、カルマン渦列のスパン方向の大規模な3次元構造によって引き起こされることが明らかになった。(5)ウエーブレット変換およびPODによる、乱流混合層のデータベースの解析を行ない、構築したソフトウエアがこの流れにも有効であることを確認した。

本研究は、剪断乱流の代表的なものとして、乱流混合層および乱流後流をとりあげ、その組織構造と低周波数変調を最適直交関数展開法およびウエーブレットによって実験的に明らかにしたものである。あわせて組織構造の抽出におけるこれら二つの方法の特徴を明らかにしている。主要な成果は次の点に要約される。[1]乱流自由混合層における組織構造の基本的特性が、最適直交関数展開法における第一固有関数によって表現できる。[2]乱流自由混合層の中心領域では、最適直交関数展開法は組織構造による速度変動の組織性を表現できないのに対し、ウエーブレット変換はこの領域における速度変動の組織性を明確に抽出できる。これにより最適直交関数展開法では、最初の数個の固有値が他のものに比べて特に大きくないときには、組織構造を抽出できないことがわかる。[3]乱流自由混合層の組織構造は、その通過周波数の約1/6の周波数で変調を受けていることをウエーブレット変換によって明らかにした。[4]乱流後流の組織構造であるカルマン渦列中の渦が、レイノルズ数の広い範囲にわたって、その通過周波数の約1/25の周波数で変調を受けていることを、ウエーブレット変換によって明らかにした。
災害時相互応援協定の自治体マッチングの実証的・数理的研究

我が国では,地震を始めとして台風や火山の噴火など様々な自然災害が発生する.被災自治体は通常時を上回る量の多種多様な業務に対し,通常時を下回る人員で応じ,必要があれば国や県,他自治体から支援を受ける.自治体は,いつかくる災害に対して個々で備えるとともに,相互応援協定により支援を行う・受ける相手を予め定めている.本研究では,相互応援協定を始めとする自治体間連携の現状を整理し,そこで求められる枠組みの整理を行う.また,これに基づき協定を締結する自治体パートナシップ体制の提案を行う.我が国では,地震を始めとして台風や火山の噴火など様々な自然災害が発生する.被災自治体は通常時を上回る量の多種多様な業務に対し,通常時を下回る人員で応じ,必要があれば国や県,他自治体から支援を受ける.自治体は,いつかくる災害に対して個々で備えるとともに,相互応援協定により支援を行う・受ける相手を予め定めている.本研究では,相互応援協定を始めとする自治体間連携の現状を整理し,そこで求められる枠組みの整理を行う.また,これに基づき協定を締結する自治体パートナシップ体制の提案を行う.
メサンギウム細胞機能の制御破綻と糸球体硬化病変形成

血管内皮細胞とメサンギウム細胞の細胞間相互作用を検討するには、私どもはヒト臍帯静脈内皮細胞とヒトないしラット・メサンギウム細胞を用いてきた(Am J Pathol 139 : 949,1991)。平成6年度の科研費の補助により、ラット大動脈内皮細胞培養法を確立(Microvasc Res 50 : 113,1995)し,同種の細胞を使っての混合培養が可能となり,実験レベルで細胞機能の制御機構を検索できるようになった意義は大きい。メサンギウム細胞は動脈系血管の周細胞的性格を強く持つことも有利である平成7年度は(1)内皮細胞との接触面に局在する細胞膜蛋白(特異的なエピトープを持つ)を培義メサンギウム細胞表面に証明した(Oite T et al RecentAdvances in Molecular Nephrology,ed.ArakawaM and Nakagawa,Kohko-Do,p98,1995。Oite T etal Aspecific Thy-1 molecular epitope expressed on rat mesangial cells. Exp Nephrol 1996,印刷中)。(2) cDNAのCOS細胞内導入により,この特異エピトープを含む蛋白分子(Thy-1.1関連抗原)を発現できる系が確立し,この特異エピトープの組成決定が可能となった。(3)この特異エピトープを単クローン抗体により刺激する実験から,このエピトープが細胞内への情報伝達機構に直接関与していることが判明した(論文投稿中)。(4)片腎摘除ラットに上述の単クローン抗体を投与すると糸球体硬化性病変が早く形成される(Cheng QL et.al Clin exp Immunol 102 : 181,1995)。(5)このような硬化病変を呈してくる糸球体では間質系コラーゲン(タイプI,III)の発現が遺伝子レベル,蛋白レベルで亢進している(論文作制中)。この研究成果は共焦点がレザー顕微鏡,超高圧電子顕微鏡(国立生理研,岡崎)による免疫組織学的手法,cDNAを用いた遺伝子工学的手法,Kinase assayや細胞内Ca^<++>測定による細胞機能学的手法を合せ用いることにより可能となった。メサンギウム細胞の機能を制御する因子のうち血管内皮細胞と細胞外基質に焦点を当てて研究を進めてきた。前者についてはラット大動脈内皮細胞の培養法を確立し、ラット腎糸球体メサンギウム細胞との混合培養系で検討している。その結果、血管内皮細胞がメサンギウム細胞増殖を制御(抑制)しており、両細胞間の物理的接触が必要であることが再確認された。またラット・メサンギウム細胞表面上に存在するThy-1分子が、一種の接着分子(細胞間、細胞-基質間)であるという証拠が蓄積しつつある。またThy-1分子を認識する2種の単クローン抗体によりその分子の細胞上の分布、この分子を介するシグナル伝達機構についても明らかになりつつある(論文投稿中)。細胞外基質に関する研究では、コラーゲン・タイプI,III,IV,Vの相補的DNA(cDNA)を合成し、mRNAレベルでの各種コラーゲンの発現を検討できる段階にある。

血管内皮細胞とメサンギウム細胞の細胞間相互作用を検討するにはヒト臍帯静脈内皮細胞とラット・メサンギウム細胞を用いてきた(Am.J.Pathol.139:949,1991)。同種の細胞を使用するのが理想的であり、昨年度までの本科学研究費の補助によりラット大動脈内皮細胞の培養法を確立した意義は大きい(論文印刷中)。腎糸球体血管内皮細胞は器質的に動脈系の性状を保有している。ラット腎糸球血管内皮細胞の培養法は見つかっていないので、この細胞を用いより良い実験系が組める。またメサンギム細胞の接着分子については、細胞外基質との関連で報告されているが我々以外に内皮細胞との接着について注目した仕事は少ない(論文作製中)。慢性腎不全に至る糸球体硬化病変は、微小循環系における異常な細胞基質産生及び沈着の結果である。本研究は血管内皮細胞-メサンギウム細胞間、メサンギウム細胞-メサンギウム基質間の生理的相互作用の破綻が糸球体硬化病変形成の主因であるという作業仮説を立て、その是非をin vitro, in vivoで確認することである。平成7年度では前年度の成果、すなわちラット血管内皮細胞の培養法の確立(Oite T et. al. Microvasc Res 50:113,1995)、コラーゲン・タイプI,III,IVの相補的DNA(cDNA)の合成、に基づき次に述べる成果をあげた。
ボルデテラ属細菌の新規エフェクターの同定と機能解析

百日咳菌(Bordetella pertussis)に代表されるボルデテラ属細菌は、多くのグラム陰性病原菌と同様に、III型分泌装置依存的に宿主細胞内に注入される機能性タンパク質、エフェクター、が感染に重要な役割を果たしている。本研究ではボルデテラ属細菌の感染機構を明らかにするために、気管支敗血症菌(B. bronchiseptica)を材料として新規III型エフェクターの同定とその機能解析を行なった。iTRAQ法を用いた相対定量プロテオミクス解析により、気管支敗血症菌の野生株とIII型分泌装置欠損株の分泌タンパク質を網羅的に解析した結果、新規III型分泌タンパク質BspR(Bordetella secreted protein regulator)を同定した。TEM1 βラクタマーゼと蛍光レポーターを利用して宿主細胞内移行能を調べた結果、BspRはエフェクターとして宿主細胞内に移行することを明らかにした。気管支敗血症菌のBspR欠損株を構築し、野生株との比較解析を行なったところ、BspR欠損株では野生株に比べてIII型分泌タンパク質の菌体外分泌と遺伝子発現の顕著な亢進が認められた。一方、BspR欠損株では野生株と比べて、繊維状赤血球凝集素、パータクチンなどの付着因子やアデニレートシクラーゼ毒素において発現の減少・消失が認められた。さらに、野生株及びBspR欠損株をマウスに経鼻感染させたところ、野生株感染群では5日後に死亡したのに対して、BspR欠損株感染群では全ての個体が8日間以上生存したことから、BspRはin vivoの感染における主要な病原因子であることが強く示唆された。以上の研究結果より、新規III型分泌タンパク質BspRはIII型分泌装置依存的に菌体外に分泌される一方、様々な病原因子の発現制御に関与する因子であることを明らかにした。
光励起に同調した超高速複素屈折率変化に基づく分子フォトニクスデバイスの構築

有機化合物では光励起によりフェムト秒オーダーで電子状態が大きく変わり、それと同調して吸収スペクトル、屈折率などが変化する。このような特性を最大限に並列光情報処理に活用するため、我々は最近、プリズム・ガラス・金属・色素ドープ高分子膜からなる導波モード薄膜の光励起あるいは光反応による複素屈折率変化を空間光変調や並列光スイッチングに用いる新しい方式を提案した。これは導波モード条件が複素屈折率変化に非常に敏感に依存することを用いて、書込光に同期して読み出し光の反射強度あるいは位相を二次元的に超高速制御できる新しい方式である。本年度は、光誘起電子移動やフォトクロミズムに基づくさらに速い応答を実現すべく、フェムト秒レーザーをポンプ光およびプローブ光とする測定系の改良と新しい超高速応答材料の開発を行った。光応答性高分子膜に銀薄膜を介してプリズムと結合した導波モード薄膜をフェムト秒Ti:サファイアレーザーの2倍波(400nm)により励起し、基本波を重水/水に集光して得られるフェムト秒白色光をプローブ光として、反射率スペクトルをマルチチャンネルフォトダイオードアレイで計測した。導波モード薄膜では入射角に依存した波長で白色光スペクトルにディップが見られ、入射角に依存して大きく変化した。スピロピランを含む高分子膜を用いるとポンプ光の照射によって、そのフォトクロミズムに対応した反射率、ディップ波長の可逆的変化が観測された。さらに一時的応答材料として、光誘起電子移動と逆反応によって超高速応答を示し、400nmに強い吸収をもつと期待される4,4'-ビピリジニウム高分子のパイラニンやペリレンスルホン酸との塩を開発した。フェムト秒レーザー励起により400-700nmに過渡吸収が観測された。パイラニン励起一重項寿命は溶液中に比べ3桁短くなり、電子移動による600nm付近のラジカル吸収も観測され、薄膜の超高速応答性が確認できた。新しい構造の超高速変調デバイスについても検討した。有機化合物では光励起によりフェムト秒オーダーで電子状態が大きく変わり、それと同調して吸収スペクトル・屈折率などが変化する。このような特性を最大限に並列光情報処理に活用するため、我々は最近、プリズム・ガラス・金属・色素ドーブ高分子膜からなる導波モード薄膜の光励起あるいは光反応による複素屈折率変化を空間光変調や並列光スイッチングに用いる新しい方式を提案した。本年度は、光誘起電子移動やフォトクロミズムに基づくさらに速い応答を実現すべく、フェムト秒レーザーをポンプ光およびプローブ光とする測定系の構築をまず行った。フォトクロミックスピロピランを高分子膜に分散して銀薄膜を介してプリズムと結合した導波モード薄膜をフェムト秒Ti:サファイアレーザーの2倍波(400nm)により励起し、基本波を重水/水に集光して得られるフェムト秒白色光をプローブ光として、反射率スペクトルをマルチチャンネルフォトダイオードアレイで計測した。入射角に依存した波長で白色光スペクトルに反射強度の低下が見られ、これが導波モードのディップに対応することがわかった。例えば入射角53.0度では、561nmにディップ見られるが、ポンプ光の照射によって着色体のフォトメロシアニンが生成すると短波長側にシフトし、同時に反射強度が増加した。543.5nmのCW He-Neレーザー照射によって無色のスピロピラン体に戻ると長波長シフトと反射強度低下がみられた。他の入射角(波長)では、スピロピラン薄膜のフォトクロミズムによる複素屈折率変化によく対応した応答が観測された。

パイラニン励起一重項寿命は溶液中に比べ3桁短くなり、電子移動による600nm付近のラジカル吸収も観測され、薄膜の超高速応答性が確認できた。新しい構造の超高速変調デバイスについても検討した。
新しいヒト熱ショック転写因子HSF4,ストレス応答における役割

申請者は、ヒトの第4番目のHSF、HSF4のcDNAの単離に成功した。本年度は、全長をもつHSF4cDNAの単離を行ったうえでHSF4の性質について解析し、その機能にアプローチすることを目標とした。新しく単離したcDNAクローンphHSF4-7は1555の塩基配列からなり、463アミノ酸をコードすると予測される。予測される産物hHSF4は、既知のHSFと比較してDNA結合ドメイン、オリゴマー形成ドメインに高い相同性がある。DNA結合ドメインを比較するとhHSF4はhHSF1と76%の相同性をもち、cHSF1、cHSF2、そしてcHSF3とは73%、66%、そして56%の相同性をもつ。HSF1、HSF2,そしてHSF3の全てにカルボキシル基末端側にはロイシンジッパー様構造が存在し、DNA結合能を負に調節している。興味深いのは、hHSF4にはこの構造が存在しない。実際、in vitroでhHSF4を合成すると、構成的にDNAへの結合能をもち、熱ショックを与えるとDNA非結合型になる。hHSF4の発現をmRNAのレベルで調べると、心臓、骨格筋で2.5kbのmRNAが、また、すい臓で4.5kbのmRNAが強く発現していた。HSF4は転写活性化能をもたない。HeLa細胞にHSF4を強発現したstable lineを5つ単離して、ターゲットであるストレス蛋白質の発現量を調べた。その結果、hsp90とhs2p7は例外なく発現量が低下していた。hsp70についてはほとんど変化なかった。以上の結果は、hHSF4が構成的なストレス蛋白質の発現を組織特異的に負に調節している可能性を示唆していた。
ハイパースペクトルセンサによるナラ枯れ被害早期予測手法

森林衰退の被害モデルを人工的に発生させ、枯れ発生以前の害虫侵入直後の状態から単木単位の分光スペクトル特性を測定し、目視では確認できない潜在的な被害を受けている段階の分光スペクトル特性に現れる特異的な変化を解析しリモートセンシングで広域の被害を早期に予測する技術の開発を行った。分光スペクトルの微細な変化を捉えるためには野外における日照条件による変化を考慮する必要があり、そのための補正手法を開発し分光スペクトルの解析を可能とした。また、より広域のモニタリングを可能にするためにドローン搭載型の分光スペクトルセンサによる観測手法についても検討を行い解析手法を開発した。世界的に気候変動や外来生物により森林衰退が広がっており、その防除のために森林衰退を早期予測する技術が必要とされている。日本でも全国的にナラ類大量枯損被害や松枯れによる森林衰退が広がっており問題視されている。本研究ではこれらの枯損被害をケーススタディとして、森林衰退の早期予測技術を確立することを目的としている。研究の計画段階ではナラ類大量枯損被害を対象に観測と分析を行う予定であったが、ナラ類大量枯損被害は被害が発生が一段落しており定期的な試験地を決定することが困難であったため、松枯れを対象とした観測と分析をおこなうこととした。今年度はハイパースペクトルカメラを導入し、本学周辺の森林の撮影を行うことにより観測方法の修得とデータの検証を行った。既存の観測機器との連携についても検討も行い、ハイパースペクトルカメラによる観測の精度向上を行う体制を整えた。また、地元の森林関係者と研究計画について検討を行い、対象とする試験地の選定を行った。対象とする試験地は松枯れの自然発生が予想される地区と、松枯れを人工的に発生させる計画のある地区の2カ所で行うこととした。この2地区を対象に次年度以降の観測と分析を行い、森林衰退の早期発見手法の開発を行うこととした。今年度は松枯れを人工的に発生させる試験地にハイパースペクトルカメラを持ち込み実際に松林の撮影を行い観測を行った。松林の観測ではあわせてスペクトルメータにて同時に観測を行い、ハイパースペクトルカメラによる観測の精度向上について技術開発をおこなった。また、研究室内での室内観測による機器の検証も行い、精度の検証もおこなった。来年度についても、松枯れの自然発生が予想される地区と、松枯れを人工的に発生させる計画のある地区の2カ所で観測と分析を行い、森林衰退の早期発見手法の開発を行う。前年度に引き続き,野外における森林衰退モニタリングを目的として,ハイパースペクトルカメラによる観測手法の開発を継続しつつ,広域モニタリングを目的としてドローンへの搭載が可能な小型マルチスペクトルカメラの導入を行い,その観測手法の開発を行った。森林衰退のモニタリングにおいては継続的な観測が必要となるが,いずれの機器においても観測データをそのまま活用すると同じ観測対象であっても日照条件等の環境によって異なる解析結果が算出されてしまうという課題が発生していた。これを解決するために,日照の異なる観測条件でも観測が可能なように,スペクトルセンサーにおけるキャリブレーションと同様に標準となる観測物を設定・観測し,ハイパースペクトルカメラとマルチスペクトルカメラそれぞれで異なる日照条件でも同じ観測結果を収集できる観測体制を整えることができ,これにより森林衰退の長期モニタリングを実現することができた。また,森林衰退の広域モニタリングに対応するためにドローン搭載のカメラによる画像をつなぎ合わせるモザイク処理技術についても開発を行った。ドローン搭載カメラはもともと広角レンズを搭載したものが多く,樽型歪みが含まれているため,これを補正し,さらにSIFTおよびSURFと呼ばれる画像特徴量を利用して複数画像の共通の特徴点を抽出し,画像をつなぎ合わせる技術の開発を行った。本研究で得られた技術を用いることで広域の森林衰退モニタリングが可能となった。本研究では松の枯死を対象として技術開発を行ってきたが,今後は本技術を用いて多種の森林衰退モニタリングを実施する計画を立案中である。今年度は昨年度導入したハイパースペクトルカメラを初めて本格的に運用した。夏ごろに松林へ媒介生物の接種が行われ、夏から秋にかけて月に2回程度観測を行った。機器の操作トラブルにより正常にデータを取得できない状況が見られたが設定を見直し正常にデータが取得できるようになった。

冬季にさらなるデータを取得する計画であったが、天候不順のため機器を屋外で用いる事が出来なかったため、観測がほとんど不可能であったため、データに欠落を生じる事となった。来年度早々に観測を再開し、データの取得を行う予定である。リモートセンシング今年度に引き続き、来年度もハイパースペクトルカメラによる観測を継続する。今年度のノウハウを生かし確実なデータの収集につとめる。今年度は悪天候のため野外観測の回数を減らす事態となったため、悪天候に対応できる観測体制について検討する。また、松枯れの研究者との連携体制を築き、スペクトル情報に基づいた早期発見手法の確立と被害の拡大防止方法の検討を行う。さらに、広範囲のデータを収集するために上空からのマルチスペクトル情報の収集についても検討をおこなう。計画当初は順調であれば本年度から試験地で観測を行うこととしていたが、観測対象とする森林衰退をナラ類大量枯損被害から松枯れに変更したことと、ハイパースペクトルカメラの導入に関わる費用が大きく現地調査費用を捻出することができなかったため、研究計画の再検討が必要と成ったため来年度より観測を行うこととなった。以上のように当初計画よりもやや遅れているが、計画でも初年度は試験運用を予定していたため、次年度に早めに試験運用を行うことにより遅れをカバーできると思われる。昨年度の実績をもとに成果発表を行う計画であったが、昨年度は予算の関係上、機器の導入にとどまり成果発表旅費を使用したかったためである。試験地を設定し、ハイパースペクトルカメラによる観測を開始する。6月初めより観測を行い、松枯れは10月、11月頃に発生するため、8月頃から本格的な観測を行い、次の松枯れシーズンまで継続して観測を行い、被害発生前、被害進行中、被害終了までのスペクトルの変化を観測する。また松枯れの研究者との連携体制を築き、スペクトル情報に基づいた早期発見手法の確立と被害の拡大防止方法の検討を行う。さらに他の樹木についての本観測手法の応用も検討する。当初計画になかった観測機器の悪天候での使用に対応するため活用する計画である。計画時に計上していた金額より減額が行われたため、必要機材を購入のみでほぼ交付額となってしまい、調査旅費が不足したため、今年度の旅費を伴う調査を取りやめたため。本年度の調査旅費を充実させ、試験地の観測を充実させる予定である。
白血球と活性酸素生成と細菌感染防御

白血球(好中球などの食細胞)は、貪食に伴って急激に酸素を消費する。この消費した酸素はスーパーオキシド(O_2)に変えられて殺菌作用に利用される。このO_2生成系は細胞膜に局在する因子(b型ヘムとFAD)と細胞質因子(p47,p67,低分子G-蛋白質)で構成される。好中球を刺激すると、これらの細胞質因子が会合し、膜因子に結合してNADPHを基質としてO_2を生成し、膜外へ遊離する。我々は、この膜系の電子伝達因子の基礎研究(I)を行うと共に、O_2生成系の異常症の研究(II)を行った。1.この膜因子の中で重要な役割を担っているシトクロムb-558のヘム鉄の性質を明らかにするために、電子スピン共鳴(ESR)のシグナルを測定した。その結果、ミクロソームのシトクロムbとは異なるg値=3.2の特有な低スピン型ヘム鉄であることを明らかにした。一方、膜成分中、フラビンとしてFADが関与し、FMNは殆んど存在しないこと、細胞質因子はFAD蛋白質ではなく、活性化に関与する因子であることなどを明らかにした。II.我々は、今日まで東京及び近県の国公立病院より、重症感染症患者の好中球機能検査を依頼され、かなりの高率で好中球のO_2生成異常症(慢性肉芽腫症,Chronic granulomatous disease:CGD)の患者を発見してきた。これらのCGD患者は、O_2生成機能欠損という同一の表現型でも、遺伝的には複数のタイプが存在する。現在遺伝子解析中である。白血球膜に局在する活性酸素(スーパーオキシド;0_2^-)生成系のNADPH酸化酵素系は,膜因子のb型シトクロム(cyt b-558)及びFAD蛋白,細胞質因子のp47,p67,低分子G-タンパク質よりなる一種の電子伝達系である。今年度は,その中で特に0_2^-生成サイトと考えられている重要なcyt b-558のヘム鉄の性質を明らかにするために,電子スピン共鳴(ESR)を用いて解析した。白血球はブタ血液から顆粒球を分離した。好中球膜から塩処理により,ペルオキシダーゼ画分を分離して分光スペクトルを測定したところ,この画分にはミエロペルオキシダーゼ以外に好酸球のエオジノフィルペルオキシダーゼが見出された。このESRスペクトルは,g値が2.86に低スピン型シグナルが現われ,このシグナルは東大医科研,金ヶ崎グループがcyt b-558であると報告したシグナルと一致した。我々の結果は,彼らの報告したシグナルは測定試料に混在した好酸球のペルオキシダーゼによるものであることを明らかにした。以上の結果より,ペルオキシダーゼを十分に除去した膜画分から,シトクロムbを可溶化し,DEAE-Sepharose,Heparine-Sepharoseによりシトロクムbを精製した。この標品にはα,β両サブユニットが含まれ一酸化炭素は結合せず,また再構成系で0_2^-産生が顕著に起きるので,膜内に存在する時の性質を維持している未変性のヘム鉄が確認できた。この標品を85μMまで濃縮してESRスペクトルを測定した(条件,510k,Xバンド)。g値が3.26に低スピン型のヘム鉄のシグナルが観測された。このESRシグナルは,2mMシアンの添加で変化せず,dithioniteで還元すると消失し,また,シトクロムbの濃度依存性があることなどから,g_1値が3.26のESRシグナルが,シトクロムb-558の低スピン型ヘム鉄のシグナルであると帰属することができた(Fujii and Kakinuma,B.B.A.,1992,Miki et al.J.Biol,Chem.1992)。

白血球(好中球などの食細胞)は、貪食に伴って急激に酸素を消費する。この消費した酸素はスーパーオキシド(O^-_2)に変えられて殺菌作用に利用される。このO^-_2生成系は細胞膜に局在する因子(b型ヘムとFAD)と細胞質因子(p47,p67,低分子G-蛋白質)で構成される。好中球を刺激すると、これらの細胞質因子が会合し、膜因子に結合してNADPHを基質としてO^-_2を生成し、膜外へ遊離する。我々は、この膜系の電子伝達因子の基礎研究(I)を行うと共に、O^-_2成系の異常症の研究(II)を行っていた。I .この膜因子の中で重要な役割を担っているシトクロムb-558のヘム鉄の性質を明らかにするために、電子スピン共鳴(ESR)のシグナルを測定した。その結果、ミクロソームのシトクロムbとは異なるg値=3.2の特有な低スピン型ヘム鉄であることを明らかにした。一方、膜成分中、フラビンとしてFADが関与し、FMNは殆ど存在しないこと、細胞質因子はFAD蛋白質ではなく、活性化に関与する因子であることなどを明らかにした。II.我々は、今日まで東京及び近県の国公立病院より、重症感染症患者の好中球機能検査を依頼され、かなりの高率で好中球のO^-_2生成異常症(慢性肉芽腫症,Chronic granulomatous disease:CGD)の患者を発見してきた。これらのCGD患者は、O^-_2生成機能欠損という同一の表現型でも、遺伝的には複数のタイプが存在する。現在遺伝子解析中である。
慢性期の口腔ケアの効果は、どうして遅延するのか

本研究は,慢性期の口腔ケアの効果が遅延する原因を明らかすることを試み,口腔ケアの意義を再認識し,効果的な口腔ケア法を探ることにある.そのために,文献考察,光トポグラフィーを用いた口腔および四肢への刺激が前頭前野の脳血流量に及ぼす影響,マウスへの口腔刺激が行動パターン(不安感誘発)および免疫機能に及ぼす影響,口腔ケア状態の簡易計測法に関する研究を行った.その結果,ヒトに対する口腔への刺激が他部位への刺激と比較して脳機能に及ぼす影響まで見いだすことができたが,免疫機能については見いだすことができなかった.この遅延,逆に言えば効果は,多因子的な要素が強いことが示唆された。本研究は、慢性期の口腔ケアの効果が遅延する原因を、多面的な面から明らかすることあり、口腔ケアの意義を再認識し、効果的な口腔ケア法を探ることにある。本年度は、口腔ケアの遅延に関する文献検索を進め、“Oral care"and“Assessment"で263件、“effects"で19件がヒットしたものの、閲覧が可能で関連があるものは4件、参考文献で有用の可能性が高いもの13件に次ぎなかった。命題である慢性期の口腔ケアの効果の時期について言及したのはなかった。仮説は、「口腔ケアの効果は直接的な口腔微生物の量的減少だけでなく、口腔への刺激によって、脳活動に影響を与え、それによって免疫能が向上する、あるいは、口腔運動自体が活発になり微生物叢の量的質的な変化が生じる」として検討を進めた。口腔運動における脳活動への影響については、口腔運動と他の機能(四肢をコントロール)を比較し、脳機能賦活への影響を光トポグラフィーによって検討するシステムを考案した。口への刺激が、前頭前野に及ぼす影響について検討を開始し、影響のある端緒がうかがわれ、今後さらに検討を進め、口への刺激が脳活動を介しての免疫系へ関与するかどうかを探る予定である。唾液流量については、正常者を対象に、口腔顎顔面の温熱刺激による唾液流量の変化について調査し、顎下部の温熱刺激によって唾液流量が上昇することを見いだした。さらに昨年度考案したATPがルシフェリンと酸素の存在下で、ルシフェラーゼ(酵素)を反応させることによりAMPに変化し、その際の光エネルギーを図る方法で口腔や義歯の汚れを測定する方法で評価した結果、容易に汚れが取れないことを確認した。口腔観察法として、小型口腔カメラによる方法について検討を行った。マウスへの口腔刺激法を確立し、実験動物での慢性期の口腔ケアの効果の遅延について検討する予定である。口腔刺激が四肢刺激と比較し,免疫系や脳活動に何らかの異なる影響を与えるという作業仮説をもとに2つの実験を行った。口腔への刺激と四肢への刺激が脳活動に及ぼす影響の違いを、ヒトを対象として前頭前野の脳血流量を光トポグラフィーによって測定することで検討した。被験者は,健常有歯顎者5人とし、近赤外光脳計測装置(光トポグラフィー)を用いて前頭前野の脳血流量を,防音室内で椅座位にて測定した.振動刺激には,小型円板状バイブレータを皮膚表面(合谷,心包区,内踝)に貼付,指先(親指・示指),両口唇,上下顎前歯,上下顎臼歯で挟む計7条件とした.被験者全体における刺激の種類に関して,脳血流量の変化に有意な違いは認められなかったものの、個人で比較すると刺激の種類に応じて脳血流量は一定の増減パターンを示した.マウスへの口腔刺激法を確立し、免疫学的検査とマウスの行動解析によって、口腔刺激の影響を検討した。C57BL/6J雌12週齢を用いて、口腔刺激(前肢・頬部付近)および後肢刺激をそれぞれ6週間与え後、無刺激を含めた3群について、十次迷路を用いた行動解析とT細胞、B細胞増殖能をMTT assayで測定した。口腔刺激のマウスが最も不安感の強い傾向を示したものの、T細胞、B細胞増殖能には各群に差を認めなかった。口腔刺激が四肢刺激と比較し,免疫系や脳活動に一定の有意な差は認められなかったが、口腔刺激が何らかの異なった効果があることは示唆された。口腔ケアの有用性はYoneyamaらの報告(Lancet,1999)以来、医療関係者に広く認められるようになり、多くの施設で実践されている。Yoneyamaらの報告以外にも、口腔ケアの有効性を間接的および直接的に支持する数多くの基礎データあるいは臨床報告がなされている。