hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
相対論的量子モンテカルロ法の開発と内殻励起への応用

超並列計算機に適した電子状態計算理論である量子モンテカルロ法を二成分近似相対論に基づき、相対論的な拡張を行った。これまでに行ってきたZORA法に基づく拡張を、同じく標準近似に基づいたIORA法、FORA法に基づく拡張へ発展させた。また、スピン-軌道相互作用とエネルギーの核座標微分の計算プログラム開発を行い、開発した理論・プログラムによって一酸化炭素の内殻励起状態の量子モンテカルロ法での計算可能性を検証した。また、これらの理論、プログラムを組み合わせ、実際の現象へ適用するまでに解決すべき課題を検討した。平成25年度は、主にスピン-軌道相互作用の取り込みのためのプログラム修正、原子核に働く力を計算するためのエネルギー微分コードの導入を行った。スピン-軌道相互作用はspin-freeの項と異なり、二成分の複素波動関数をベースとする必要がある。所属研究チームで開発している分子軌道法プログラムとの接続の容易さから、基底関数は実数表現を用い、複素数の分子軌道係数を用いる方式で実装した。スピン-軌道相互作用の大きさは多くの場合、エネルギー全体に対してごくわずかであるため、高精度に見積もるためには精度の良い試行波動関数を用いる必要がある。このためのカスプ補正法として、電子成分にのみ、これまでに開発したZORAカスプ補正法をかけているが陽電子成分の大きな場所でスピン-軌道相互作用の局所値が大きくなり、統計が不安定になる。より詳細に局所エネルギー及びその中でのスピン-軌道相互作用項の振る舞いを調べるため、スピン変数まで考慮した局所エネルギー面をスキャンする機能を追加した。エネルギー微分に関しては、ZORA Hamiltonianに基づく式の導出を行うと共に、zero-variance principleに基づく非相対論的エネルギー微分コードの実装を行った。エネルギーの核座標微分は、核座標微分演算子の期待値であるHellmann-Feynman項と、波動関数の核座標微分に依存したPulay項からなり、計算の複雑さ、計算量的には後者が大部分を占める。本課題でのPulay項の実装では、核座標微分が多くの場合、多数存在する原子核全てに対して計算する必要があることを利用し、原子核ループを内側に寄せることで、LAPACKのDGEMVルーチンを利用できる形での効率的な実装を行った。平成26年度は主にZORA法より高次の相対論的Hamiltonianに基づくQMC法の検討と、内殻励起状態計算の検討を行った。高次相対論の取り込みは、四成分Dirac Hamiltonianに対する変換をどこで打ち切るかという問題に対応するが、高次のHamiltonianになるほど式的に複雑になる。特に実空間でのサンプリングを用いるQMC法では、平方根中の運動量演算子を取り扱う手法が問題となる。これまで扱っていたZORAHamiltonianではこの問題はなかったが、その拡張であるIORA(Infinite order regular approximation) Hamiltonianや、システマティックに高次相対論効果の取り込みが可能なDouglas-Kroll Hamiltonianに拡張するために、運動量演算子に対する近似を検討し、プログラム実装を行った。最も正確な取り扱いとしては、各サンプル点毎に運動量空間での複数回の積分を行う方法が考えられるが、QMC法自体のコストを考えると現実的ではない。そのため、各サンプル点での運動量演算子の局所値を用いて近似する方法を検討した。内殻励起状態の計算をQMC法で行うために、軽原子に対してHartree-Fock波動関数の分子軌道を調整した試行関数をベースとして、VMC法、DMC法の計算可能性の検討を行った。内殻軌道に電子を詰めない配置からのQMC計算の安定性についての知見が得られた。平成27年度初期は、所属機関の変更に伴う計算機環境の変更・整備を行った。昨年度に引き続き内殻励起状態への相対論的VMC,DMC計算の適用可能性の検討を行った。これまで開発したプログラムを利用して、一酸化炭素のHartree-Fock波動関数をもとに、酸素内殻に対応する軌道から非占有軌道へ置き換えた一重項・三重項の行列式を試行関数とし、量子モンテカルロ法でエネルギー期待値の計算を行った。現在の実装ではスピン-軌道相互作用を含んだ計算は、変分モンテカルロ法のみの対応であり、スピン変数のサンプリングが不安定であるため、相対論効果による軌道の変化のみ考慮する形で、スピン-軌道相互作用項を含まない、非相対論版に類似の方法をとった。一週間弱程度の短時間のZORAHamiltonianに基づく拡散モンテカルロ法では試行ごとのエネルギー期待値のばらつきが大きく、現在その原因を検討している。この原因として、内殻電子に対応した成分が取り除かれることにより参照となる電子密度に空白が生じることでサンプリングの不安定性が増加すること、Jastrow項の最適化が不十分である可能性、積分空間を探索するのに必要なウォーカー数・サンプリング時間の不足、電子密度に対応したドリフトとランダムな拡散がバランスする適切なタイムステップをとれていない可能性などが考えられるが、現在それぞれの場合に考えられるシミュレーション・数値の挙動を検討し、原因の特定を行っている。平成27年度に所属変更があり、教育業務が加わったため実施計画に遅れが生じた。現在教育業務を考慮した研究進捗計画に変更し、実施期間の延長を行った。平成28年度は、(1)内殻励起状態への相対論的VMC,DMC計算の適用可能性とそれに関わる問題の検討、(2)高次相対論効果を含む量子モンテカルロ法の開発を行った。

(1)内殻励起状態への適用性検討では、一酸化炭素を主な対象として、Hartree-Fock法によって得られた基底状態波動関数から軌道占有状態を変化させることによって内殻電子を非占有軌道に励起させた試行波動関数をつくり、そこからのVMC、DMC計算を行ってエネルギー期待値を調べた。特にDMC計算では、内殻の電子軌道に非占有な部分があるために、サンプリング時の時間刻みによって不安定な挙動を示すことがあったが、ウォーカー初期値の生成時に軌道占有状態を考慮し、十分に小さな時間刻みを用いることで十分な誤差精度でエネルギーが収束することが分かった。励起先の軌道が異なるいくつかの初期試行関数に対して異なるDMCのエネルギー期待値が出てきており、各初期電子状態での節構造が基底状態や低エネルギー励起状態への収束を起こさず、弁別可能な収束解へ落ちることが分かった。(2)標準近似系統の二成分近似相対論手法であるFORA法についての近似的な全電子波動方程式を導き、プログラム実装を行った。前年度に開発したIORA法の実装は、理論的な問題はないが、計量項の誤差の問題から実用的に不十分な点があったため、その問題を含まないFORA法を選択した。FORA法に基づく全電子方程式を導き、ZORA法との違いである付加項について古典近似を導入した。超並列計算機に適した電子状態計算理論である量子モンテカルロ法を二成分近似相対論に基づき、相対論的な拡張を行った。これまでに行ってきたZORA法に基づく拡張を、同じく標準近似に基づいたIORA法、FORA法に基づく拡張へ発展させた。また、スピン-軌道相互作用とエネルギーの核座標微分の計算プログラム開発を行い、開発した理論・プログラムによって一酸化炭素の内殻励起状態の量子モンテカルロ法での計算可能性を検証した。また、これらの理論、プログラムを組み合わせ、実際の現象へ適用するまでに解決すべき課題を検討した。平成26年度末に異動したため、応募準備などで当初の予定より研究時間が取れず、若干の遅れが生じた。研究内容としては、予定していたスピン変数を含んだ局所エネルギー面の解析などが不十分な状態であり、理論・プログラム開発の面では大きな問題はないが、現象の理解に対する知見が不十分である。局所エネルギー面解析などは、平成27年度初期の計画に振り替える。内殻励起状態を模した試行関数でのDMC計算の不安定性の原因究明を行う。想定される各原因についてその影響の検討・確認を行い、安定した計算を行うために必要な条件を明らかにする。スピン-軌道相互作用項の期待値は全エネルギーと比較して非常に小さいため、スピン-軌道相互作用を含まない計算の段階から計算結果のエラーバーを十分小さくする必要があるため、本課題の期間ではスピン-軌道相互作用項を含まない計算の安定化を目標とする。これと並行して、計算の安定性には現状大きな問題の見られない近似IORA QMC法については追加の計算を進め、独立に論文化することを目指す。物理化学異動に合わせて計算機環境に変化があったため、早急に計算機環境の整理を行う。スピン変数を含む
古生代から中生代の化石菌類の研究および植物との相互関係の解明

1)北海道産の白亜紀石灰質ノジュール、及び、オーストラリア、クイーンズランド州産のペルム紀珪素泥炭から、多数の菌類化石を見いだすことができた。このうち、北海道産のものについては、不完全菌類の3新属3新種、Archephoma cycadeoidellae, Meniscicoideisporites cretacea, Palaeodiplodites yezoensisとしてIntenational Journla of Plant Researchに記載発表した。さらに、形態の異なるいくつかの菌類化石を見いだしており、今後も研究を継続する。保存良好な中生代の菌類化石を今回のようにまとめて記載した例はこれまで無く、菌類化石研究に大きく貢献した。2)ペルム紀の珪素泥炭中には植物破片が多く含まれるが、その植物組織や周囲の泥炭基質中に子嚢菌類や水カビ類を発見した。もとの珪素泥炭の保存があまり良好とはいえなかったために、正式な記載を行うにはさらに資料の検討が必要である。ペルム紀の菌類は木材腐朽菌などが南極から記載されているが、研究は少ないので、報告を続ける予定である。3)北海道から記載した菌類は腐生性とみられるものがほとんどであった。しかし、Archephomaに近縁な原生属Phomaには病原性のあるものがあり、白亜紀以降に被子植物主体の植生が確立してゆく中で、そのおうな種も含めた原生種の分枝系統が明らかにされれば、化石種の評価もより深まることが期待される。今回の研究成果も含めて化石菌類の研究は記載自体が少ないために、当初期待した生態学的な議論を行うのに充分な情報が得られたとはいえなかった。平成10年度は、主に北海道の白亜紀化石中に含まれる菌類化石の研究を行った。中生代だけの特異な絶滅裸子植物であるキカデオイデア類の両性生殖器官に付着侵入した不完全菌類について比較を行った結果,単一の生殖器官に複数の菌が同時に存在することがわかり,それぞれについて記載と現生の不完全菌類との比較ができた。それぞれ近縁な現生群があるが,化石であるためにまったく現生の分類群にあてはめることができないために,化石の新属新種として記載することとした。今回の研究は白亜紀の化石不完全菌を非常によい保存状態で同一のフロラから多数報告したはじめての例である。この結果はJoumal of Plant Scienceに論文“Cretaceous Deuteromycetesona Cycadeoidalean BisexualCone"として投稿中で,すでに印刷中であるが,出版は次年度となる。北海道への調査を予定していたが,九州天草の下部白亜紀層から良好な植物化石が産出することがわかり,その予備調査を行った。日本では2例目となる白亜紀の絶滅シダ,Tempskyaの産出が確認された。下部白亜紀産のものとしてはアジアではじめてである。今後菌類の探索を行う予定である。白亜紀初期は被子植物が分布を拡大した時期であるので,菌類がどのように変化したかを知るための好適な材料となろう。ペルム紀の化石菌類についてはオーストラリア産の珪化泥炭中にさまざまな菌類が存在することがわかってきたが,生殖器官などまだ充分な情報が得られたとはいえない。次年度に継続して観察を続ける。現在子嚢菌類やミズカビ類などがみつかっており,ペルム紀のゴンドワナ大陸に発達した氷河周辺の植生中で菌の果たす役割,とくに腐朽菌の生態を明らかにしてゆく。北海道産の白亜紀石灰質ノジュール、及び、オーストラリア、クイーンズランド州産のペルム紀硅化泥炭から、多数の菌類化石を見いだすことができた。このうち、北海道産のものについては、不完全菌類の3新属3新種、Archephoma cycadeoidellae,Journal of Plant Researchに記載発表した。

保存良好な中生代の菌類化石を今回のようにまとめて記載した例はこれまで無く、菌類化石研究に大きく貢献した。ペルム紀の硅化泥炭中には植物破片が多く含まれるが、その植物組織や周囲の泥炭基質中に子嚢菌類や水力ビ類を発見した。もとの硅化泥炭の保存があまり良好とはいえなかったために、正式な記載を行うにはさらに資料の検討が必要である。ペルム紀の菌類は木材腐朽菌などが南極から記載されているが、研究は少ないので、報告を続ける予定である。北海道から記載した菌類は腐生性とみられるものがほとんどであった。しかし、Archephomaに近縁な現生属Phomaには病原性のあるものがあり、白亜紀以降に被子植物主体の植生が確立してゆく中で、そのような種も出現したはずである。特に、種特異性のあるものは、分化した時代が新しいはずで、今後このような種を含めた現生種の分子系統が明らかにされれば、化石種の評価もより深まることが期待される。化石菌類の研究は記載自体がすくないために、今回の研究成果も含めて、当初期待した生態学的な論議を行うのに充分な情報が得られたとはいえない。
単一分散・球形(Y,Gd)2O3:Eu3+螢光体微粒子の合成、粒径制御と螢光特性

均一沈殿法を用い、化学成分Ln(OH)CO3・nH2O (Ln=Y,Gd,Eu)を有する単一分散・球形微粒子の合成と粒径制御に成功した。また、球形微粒子の生成範囲を確定した。有機溶媒が各種希土類イオンの同時沈殿を促進することがわかった。塩基性炭酸塩前駆体の仮焼工程で単一分散・球形特徴を有する(Y,Gd)2O3:Eu3+蛍光体微粒子を得た。Gd3+からEu3+へのエネルギー移転を利用し、微粒子の蛍光強度を改善した。細かい蛍光体粒子はより強い蛍光を示すことが分かった。Gd3+の電気陰度性はY3+より低いため、Gd3+の含有量が増えると蛍光体の電荷移動遷移励起帯の中心はより長い波長に位置する。蛍光体微粒子の蛍光寿命はGd3+の含有量に関係なく、約1.5 msであることが分かった。水熱合成法を用い、(Gd,Eu)(OH)_3ナノロッドとナノチュウブの合成に成功した。合成条件(pHと温度)の調整によって産物の形態制御ができた。高い合成温度(>120°C)と高いpH(>9)はナノロッドの結晶を促進する。多結晶である水酸化物前駆体を600°Cで仮焼すると単結晶(Gd,Eu)_2O_3ナノロッドとナノチュウブが得られる。254nmで励起すると、ナノチュウブがより良い蛍光強度を示す。水熱合成法を用い、温度100-160°CとpH7の範囲で新型層状化合物である(Y_<1-x>Eu_x)_2(OH)_5NO_3・nH_2O(x=0-1)の六角形ナノ粒子(厚み:約90nm、辺長:約1μm)を得た。Euの量が増えると結晶水の量(η)が少なくなる。従って、Euの配位はC_<4v>からC_1へ変化する。結晶構造の変化から希土類層状化合物の螢光機構を初めて解明した。600°Cで仮焼すると、前駆体粒子の形態を有する(Y_<1-x>Eu_x)_2O_3螢光体微粒子が得られる。Euの最適含有量は5-10at%である。均一沈殿法を用い、単一分散・球形の特徴を有する水酸化炭酸塩(Y,RE)(OH)CO_3・nH_2O(n=2-3,Ln=Sm,Eu,Tb,Dy,Ho,Er,Tm)微粒子の合成に成功した。同じRE^<3+>含有量でも、粒子の平均サイズがREの種類によって異なる(200-500nm)。その炭酸塩前駆体を600°Cで仮焼すると、様々な螢光色を示す(Y,RE)_2O_3の球形螢光体微粒子が得られた。沈殿過程の元素分析による粒径への組成の影響が分かりました。単一分散・球形特徴を有する塩基性炭酸塩(Y,Eu)(OH)CO3・nH20(n=2-3)微粒子の均一沈殿合成における反応物濃度の影響を調べた。希土類(RE)硝酸塩の濃度が0.02mol/Lを超えると球形微粒子は単一分散性無くなり、凝集体になる。一方、尿素/REのモール比は単一分散・球形微粒子の合成に重要であることが分かった。その比が120以上になると塩基性炭酸塩の球形粒子ではなく、板状炭酸塩粒子が得られる。この研究により、単一分散された球形微粒子が得られる合成条件の範囲を確立した。同じ均一沈殿法を用いた(Gd,Eu>(OH)CO3・nH20(n=2-3)球形微粒子の合成を行い、粒径に及ぼす様々な有機溶媒の影響を調べた。有機溶媒の添加により、塩基性炭酸塩の溶解度が低くなり、より小さい球形粒子が得られることが分かった。調べた有機溶媒(ethylene glycol、1-butanol、1-propanol、2-propanol)の中で1-butanolは最も有効である。有機溶媒の含有量を0vol%から60vol%まであげると平均粒径は小さくなる。有機溶媒の効果により、粒径を50-500nmの広い範囲で制御することが出来た。有機溶媒は組成希土類イオンの同時沈殿を促すことも分かった。

有機溶媒の効果で組成の均一性が高くなるため、塩基性炭酸塩前駆体をより低い温度で(800度、通常1000度)仮焼すると均一な組成を有する酸化物球形微粒子が得られる。酸化物蛍光体の性能に及ぼす平均粒径の影響を調べた。粒子が小さくなると粒子内の粒界欠陥の濃度が低くなり、蛍光強度が強くなることが分かった。水熱合成を用い、温度120度とpH7の条件で新型層状化合物である(Y1-xEux)2(OH)5NO3・nH20(x=0-1)の合成を行い、粒形に及ぼす沈殿剤の影響を調べた。アンモニア水を沈殿剤とした場合産物は六角形のナノ粒子(厚み:約90nm、辺長:約1μm)でしたが、tetra butyl ammonium hydroxide沈殿剤で薄いナノシート(4-9nm)を得た。このナノシートのコロイドを原料とし、高度な[111]結晶配向を有する透明蛍光膜(60nm)を作った。配向の効果て薄膜の蛍光強度は無配向粉体の約4倍であることが分かった。単一分散かつ球形特徴を有する(Y,Gd)2O3:Eu3+三元系紅色蛍光体微粒子の開発に成功した。より小さいY3+イオンの添加効果でGd2O3:Eu3+二元系材料の相変態(立方晶から斜方晶へ)が抑制され、1300度以上も立方構造を持つ、良い蛍光特性を示す(Y,Gd)2O3:Eu3+蛍光体を得た。蛍光強度における仮焼温度の影響を調べし、最適温度は1300度であることが分かった。これ以上仮焼すると、蛍光体微粒子は球形特徴を失って急激に凝集する。同時に、蛍光体の光散乱が強くなるため、蛍光強度は低下する。水熱法を用い、Y/Gd/Eu三元系層状化合物(Y1-xGdxEu0.05)2(OH)5NO3・nH2O (x=0-0.95)の合成に成功し、結晶構造や蛍光特性に及ぼすGdドープの影響を調べた。Gd3+イオンはY3+より大きいため、Gdの量が増えると結晶構造のab面は膨張することが分かった。同時に、Gd3+の添加効果で分子構造中の結晶水の数が少なくなるため、結晶の層間距離は短くなる。Gd3+イオンは材料の蛍光励起と蛍光特性に大きい影響を与えることが分かった。特に、Gd3+イオン含有試料は254ナノ中心に新たな電荷移転励起帯があり、254ナノで励起するとより強い蛍光を示す。材料の蛍光励起や蛍光特性を詳しく調べし、Gd3+イオンはC1格位にあるEu3+の発光を優先的に敏化することが分かった。本年度中に論文二報が掲載された。薄いナノシートの無剥離・一歩合成技術も確立した。特定結晶配向を利用し、優れた蛍光性能を有する透明蛍光薄膜の作る技術を開発した。24年度が最終年度であるため、記入しない。蛍光強度や結晶構造などへの仮焼温度の影響。仮焼工程の最適化。(Gd,Eu)203系蛍光体の相変態を抑制する技術の開発24年度が最終年度であるため、記入しない。
肝細胞増殖因子の門脈内持続投与モデルを用いたラット肝切除後肝再生促進効果の検討

昨年度より引き続きモデル作成、およびHGF投与による肝再生促進効果を検討した。体重250g前後のWister系ラットに対して、静脈麻酔下に開腹、Higgins&Andersonの方法にしたがって70%肝切除を施行した。上腸間膜静脈末梢枝に2ml浸透圧ポンプと接続したカテーテルを挿入、ポンプは腹腔内に留置した。30時間後に再開腹し、腹腔内を検索したが肝膿瘍、腸管壊死などの合併症は生じていなかった。また投与ルートの開存性についても問題はなかった。HGF投与群で、肝再生の評価を目的として肝重量、組織中DNA含有量、蛋白含有量、PCNA集色陽性率、c-fos,c-junの発現を調べた。今回測定したパラメータ上ではHGF投与群と非投与群の間に有意な差を得ることができなかった。その可能性として、正常肝においては70%肝切除後残肝は急速に再生を開始するが、本モデルにおいては肝再生が最大限行われておりHGFの投与によってもさらなる肝再生促進は得られなかったことが考えられる。また、過去に行われた実験ではHGFの大量投与が行われており、外来性のサイトカイン投与では大量投与が必要になる可能性も考えられた。臨床応用を考えた場合、正常肝での肝切除において術後肝再生遅延のため肝不全を惹起する可能性はほとんどなく、肝硬変、慢性肝炎などの病的肝での肝切除後に様々な問題が生じる。今後はHGF投与の薬量の再検討および、肝硬変、黄疸肝等の障害肝モデルを用いた実験での評価が必要となると思われた。またHGF産生遺伝子導入などによる内因性HGFを増加させる方法についても検討すべきであると思われた。門脈内持続投与モデルの作製を目的として以下の実験を行った.今回の実験ではラットに肝膿瘍や壊死は生じなかった.カテーテルの開通状況については実験開始当初には閉塞を生じたがカニュレーション部位の選定とカテーテルを直線化して留置することにより閉塞の発生は減少した.肝再生の評価として肝重量,肝組織中の蛋白含有量およびDNA含有量,血中HGF濃度を測定,肝細胞中のc-fos,c-myc,c-junの発現,肝組織PCNA染色陽性率をを調べた.これらの値はコントロール値として用いる予定である.今後は今回の実験で作製した同モデルを用いて門脈内HGF持続投与(HGF 1μg/kg,4μg/kg,8μg/kgの3群を設定)を施行,その肝再生に及ぼす効果を検討する予定である.昨年度より引き続きモデル作成、およびHGF投与による肝再生促進効果を検討した。
炎症性骨代謝に対する糖尿病の影響の解明

糖尿病の局所歯周病に与える影響に関する詳細なメカニズムについては,未だ推論の域を出ていない。今回の研究において、低濃度の終末糖化産物(AGE)は,骨芽細胞の分化を促進すること,またRANKL誘導性の破骨細胞分化を促進することが明らかとなった。一方,高濃度のAGEは,破骨細胞前駆細胞に細胞毒性をもたらした。本研究の結果より,糖尿病患者において増加しているAGEは,高回転型の骨代謝を誘導している可能性が考えられる。このことは,糖尿病の歯周病局所への影響を示唆しており,両疾患の関連の機序の一端を表すものであると考えられる。糖尿病は歯周疾患の発症および進行に影響を及ぼすと考えられているが、両疾患の関与に関する詳細なメカニズムは、推論の域を出ていない。高血糖状態は炎症誘発性である終末糖化産物(AGE)の産生を引き起こしており、II型糖尿病患者において、血清中のAGE濃度と歯周病の重症度は有為に相関している。今回、マウス骨芽細胞と破骨細胞に歯周病原細菌菌体成分とAGEを添加し、糖尿病環境下における炎症性骨代謝の機序に関して、検討した。1.マウス骨芽細胞よりtotalRNAをグアニジンを用いて抽出し、Real-timePCR法を用いて骨代謝に関連するアルカリフォスファターゼ、オステオカルシン、オステオポンチン、骨シアロタンパク、I型コラーゲン、RUNX2の遺伝子発現を調べた。AGEおよびLPSの単独刺激は、刺激3日後においてこれら遺伝子発現の増加を誘導した。一方、AGEとLPSの共刺激は、これら遺伝子発現への影響を認めなかった。2.マウス破骨細胞前駆細胞であるRAW264.7細胞にTRAP染色を行い、多核の破骨細胞形成数を測定した。AGEおよびRANKLの単独刺激は、刺激5日後において多核の破骨細胞形成数を増加させた。一方、AGEとRANKLの共刺激は、単独刺激と比較して、破骨細胞形成数の増加の割合が小さかった。以上から、AGEと歯周病原細菌菌体成分は、骨代謝を高回転型へと誘導するが、両者の共存は、低回転型の骨代謝を引き起こす可能性が示唆された。糖尿病は歯周疾患の発症及び進行に影響を及ぼすと考えられている。しかし,両疾患の関与機序に関する詳細なメカニズムは,推論の域を出ていない。今回,高血糖状態が歯周組織における炎症反応を調節し,歯槽骨破壊を促進していると考えた。そこでII型糖尿病モデルマウス(ob/obマウス)由来骨芽細胞を高血糖状態で歯周病原細菌菌体成分と培養し,炎症性骨代謝の機序に関して検討した。骨芽細胞よりtotalRNAをグアニジンを用いて抽出し,Real-time PCR法を用いて骨吸収に関連するIL-1, IL-6, TNF-a, INF-gamma,M-CSF,RANKL, RANK, OPGの遺伝子発現量の測定を行った。また,骨分化マーカーであるアルカリフォスファターゼ,オステオカルシン,オステオポンチン,骨シアロタンパク(BSP)の遺伝子発現量の測定を行った。さらに,骨芽細胞の形成に重要な転写因子であるcbfa-1の遺伝子発現量の測定を行った。これら遺伝子の中で、TNF-aの発現増加傾向とOPGの発現低下傾向を高血糖下ob/obマウス由来骨芽細胞に認めた。ELISA法を用いて,骨芽細胞培養上清中の骨吸収に関連するIL-1, IL-6, TNF-a, INF-g,M-CSF,OPGのタンパク産生量の測定を行った。また,骨分化マーカーであるアルカリフォスファターゼ,オステオカルシン,オステオポンチン,骨シアロタンパク(BSP)のタンパク産生量の測定を行った。これら因子の中で、TNF-aの産生増加傾向とOPGの産生低下傾向を高血糖下ob/obマウス由来骨芽細胞に認めた。以上から,高血糖状態は、骨芽細胞に影響を与え、歯周病原細菌菌体成分に対する反応性を調節している可能性が示唆された.糖尿病は歯周疾患の発症および進行に影響を与えると考えられているが、両疾患の関与に関する詳細なメカニズムは、未だ不明な点が多い。高血糖状態は、炎症誘発物質である終末糖化産物(AGE)の産生および組織への蓄積を誘発しており、II型糖尿病患者において、血清中のAGE濃度と歯周病の重症度は、有意に相関している。今回、マウス由来骨芽細胞と破骨細胞にAGEおよび歯周病原細菌由来LPSを添加し、糖尿病環境下における炎症性骨代謝の機序に関して、検討した。1.マウス骨芽細胞に0.01nMから10nMの濃度範囲に調整したAGEと10ng/mlのLPSを添加し、分化誘導培地下で三日間培養した。

細胞よりtotalRNAをグアニジンを用いて抽出し、Real-timePCR法を用いて骨代謝に関連するアルカリフォスファターゼ、オステオカルシン、オステオポンチン、骨シアロタンパク、1型コラーゲン、RUNX2の遺伝子発現を調べたところ、0.05nMのAGE刺激は、これら遺伝子発現の増加を誘導した。一方、LPSは、これら遺伝子発現への影響を与えなかった。2.マウス破骨細胞前駆細胞であるRAW264細胞に0.01nMから10nMの濃度範囲に調整したAGEと25ng/mlのRANKLを添加し、五日間培養した。その後、TRAP染色を行い、多核の破骨細胞数を測定した。0.3nMまでのAGE刺激は、RANKL誘導性破骨細胞形成を促進した。一方、1nM以上のAGE刺激は、影響を与えなかった。以上の事から、AGEは、骨代謝を高回転型へと誘導し、糖尿病性骨粗鬆症や歯周炎による歯槽骨破壊に影響を与える可能性が示唆された。歯周病学糖尿病の状態を細胞培養に反映するために、当初は培地中の血糖量を調節して実験を行っていた。しかし、実験結果にばらつきが出たため、計画を変更し、終末糖化産物(AGE)を使用して、現在研究を行っている。糖尿病の状態を細胞培養条件に反映するため、培地中の血糖量を調節して実験を行っている。しかし、血糖量の違いを極端にすると結果に差は出易いと思われるが、生体の状態を反映するのが困難になる。設定値を見直しながら実験を進めている。また、終末糖化産物(AGE)の添加による糖尿病状態の反映を模索しながら、実験条件の適正化を行っている。終末糖化産物の使用により、研究データが安定してきたため、引き続き計画を遂行していく。また、同学内科学講座と適宜連携し、実験計画および結果について意見を仰ぎ、必要に応じて研究計画の修正を加える。実験の遂行に関しては、当講座の大学院生より協力を得ている。高血糖状態の設定に関し,必要あれば血糖量の再設定を行う。同時に,終末糖化産物(AGE)を使用し、高血糖患者で増加しているAGEの存在下でのLPS刺激による反応性の違いについて検討する。また,同学内科学講座と連携し,実験結果について意見を仰ぎ,必要に応じて実験計画の修正を加える。実験の遂行に関しては当講座の大学院生より協力を得ている。平成25年度に、高血糖状態でのLPS刺激による破骨細胞の分化・活性化に関する検討を行い、学会にて発表する予定であった。しかし、血糖量の設定によりデータにばらつきを認めたため、計画を変更し、終末糖化産物(AGE)を使用してLPSやRANKL刺激による炎症性骨代謝に関する検討を行うこととし、現在も実験計画を遂行中である。そのため、次年度使用額が生じた。終末糖化産物(AGE)を使用してLPSやRANKL刺激による炎症性骨代謝に関する検討を行い、結果を纏めた学会発表および論文発表を行う。高血糖状態でのLPS刺激による破骨細胞の分化,活性化に関する検討を行う。8週齢のob/obマウスの長管骨より骨髄細胞を取り出し,同マウス頭頂骨より採取した骨芽細胞と6日間LPS刺激にて共培養する。培養条件を二群に分け,高血糖量と通常血糖量を含んだ細胞培養液でそれぞれ培養する。歯周病原細菌A.a, P.g由来LPSにて刺激を行い,反応性を検討する。共培養終了後,TRAP染色にて多核の破骨細胞形成数を測定する。ELISA法を用いて,共培養3日目,6日目の培養上清中の破骨細胞形成に関与するIL-
潰瘍性大腸炎における一酸化窒素の変動と薬剤抵抗

潰瘍性大腸炎(UC)の原因として、Tリンパ球やマクロファージを中心とする免疫系の活性化、さらに直接大腸粘膜に作用し障害を起こす一酸化窒素(nitric oxide,NO)や活性酸素の上昇が報告されている。本研究ではUC患者治療中の血中および尿中のNOを最終産物であるNO_2、NO_3として、さらに血中の炎症性サイトカインを測定し、それらの変動から治療効果と病期決定について検討した。NOは活動期に有意に高値を示し、健常人の約25倍であった。ステロイド剤投与後、NOは低下したが、NO_2の優位な上昇がみられ、これはUC粘膜ではpHが低下しNOからより強力な細胞障害を起こすパーオキシナイトライトやOH^-の産生亢進を示している。寛解期ではNO_3、NO_2ともに低下した。活動期の血中サイトカインはTNF-α、IL-2,IL-3,IL-6の上昇がみられ、UC粘膜における免疫系の活性化、すなわちヘルパー・1T細胞優位であることが考えられた。寛解期ではこれらのサイトカインは検出されず、ステロイドは炎症細胞、および上皮細胞のサイトカン、NOの産生を抑制する効果を示した。一方、ステロイド耐性例では、NOは高値を持続し、NO産生酵素の活性化に違いのあることが示唆された。最近の知見で活動期UC患者の血清から抽出したDNAはアガロースゲルを用いた電気泳動で断片化を示し、血中のサイトカインも上昇することから、潰瘍形成はNOやフリーラジカルによる上皮細胞のアポトーシスであることが考えられた。今後UC粘膜における免疫系の活性化、NOなどのフリーラジカルの産生上昇と上皮細胞のアポトーシスとの関連の解明が望まれる。未治療の急性期潰瘍性大腸炎(UC)患者の一酸化窒素(NO)として尿中のNO_3,NO_2を測定した.UC患者の活動期でNO_3は,健常人に比べ有意に高値を示した.ステロイド,サラゾピリンの投与によりNO_3は低下,NO_2の上昇を認めた.約3ヶ月後の治癒期では,NO_3,NO_2の低下とともに潰瘍の治癒および臨床症状も改善した.しかし,薬剤抵抗例ではNO_2,NO_2ともに高値を持続した.血中のサイトカインは,インターロイキン-3,6,TNF-αが健常人では全く検出されないのに対し,活動期のみ約60%に認められた.さらに薬剤抵抗例では,これらのサイトカインは各病期で検出されなかった.非活動期観察例においても,大腸ファイバー所見,臨床症状のよる再発の前に,尿中のNO_3,NO_2の上昇が観察された.最近,中毒性巨大結腸症を起こす症例の原因として粘膜の誘導型の一酸化窒素合成酵素(iNOS)に比べ筋層の構成型(cNOS)活性の上昇が関与すると報告された.以上の事実は,UCの発生には,粘膜中のマクロファージによるTNF-αなどのサイトカイン産生が亢進し,Tーリンパ球,好中球が活性化されNO,活性酸素により細胞障害を起こすと思われた.さらに薬剤抵抗例では,サイトカインにより誘導されるiNOS活性ではなくcNOSあるいは神経型(nNOS)の活性の上昇が示唆された.現在,生検材料を用い薬剤抵抗例におけるcNOS,nNOSの検出,発現について検討中である.さらに,in vitroでのcNOS,nNOSのインヒビターの検出,発見は,薬剤抵抗例における治療薬として効果が期待される.潰瘍性大腸炎(UC)の原因として、Tリンパ球やマクロファージを中心とする免疫系の活性化、さらに直接大腸粘膜に作用し障害を起こす一酸化窒素(nitric oxide,NO)や活性酸素の上昇が報告されている。

本研究ではUC患者治療中の血中および尿中のNOを最終産物であるNO_2、NO_3として、さらに血中の炎症性サイトカインを測定し、それらの変動から治療効果と病期決定について検討した。NOは活動期に有意に高値を示し、健常人の約25倍であった。ステロイド剤投与後、NOは低下したが、NO_2の優位な上昇がみられ、これはUC粘膜ではpHが低下しNOからより強力な細胞障害を起こすパーオキシナイトライトやOH^-の産生亢進を示している。寛解期ではNO_3、NO_2ともに低下した。活動期の血中サイトカインはTNF-α、IL-2,IL-3,IL-6の上昇がみられ、UC粘膜における免疫系の活性化、すなわちヘルパー・1T細胞優位であることが考えられた。寛解期ではこれらのサイトカインは検出されず、ステロイドは炎症細胞、および上皮細胞のサイトカイン、NOの産生を抑制する効果を示した。一方、ステロイド耐性例では、NOは高値を持続し、NO産生酵素の活性化に違いのあることが示唆された。最近の知見で活動期UC患者の血清から抽出したDNAはアガロースゲルを用いた電気泳動で断片化を示し、血中のサイトカインも上昇することから、潰瘍形成はNOやフリーラジカルによる上皮細胞のアポトーシスであることが考えられた。今後UC粘膜における免疫系の活性化、NOなどのフリーラジカルの産生上昇と上皮細胞のアポトーシスとの関連の解明が望まれる。
超臨界流体中でのグラフェン量子ドットの作製と光電変換フィルムへの応用

本研究の目的は、パルスレーザーアブレーション法を用いて機能性ナノ構造体を作製し、得られたナノ構造体を高分子フィルムに混合してフィルムの光電変換機能を向上させることである。グラフェン骨格を有する量子ドットの作製と応用を目指している。平成30年度は、種々材料を用いて凝縮相中のナノ粒子作製条件を探索し、溶液中で凝集せずに安定に保存できるナノ粒子の作製法が見出された。このナノ粒子の構造解析や生成メカニズムの計算シミュレーションの結果、コロイド溶液として安定に保存できるナノ粒子について粒子サイズ、表面修飾基、ゼータポテンシャル、レーザー照射時の温度変化、溶液中でのポテンシャルエネルギー等の観点から知見が得られた。構造解析の詳細は、動的光散乱による溶液中の粒径分布解析、振動分光、光吸収・発光スペクトル、発光寿命、光電子分光測定、電子顕微鏡観察等である。作製したナノ粒子を導電性高分子フィルムに混合すると、従来より5倍高い電荷密度を示す光電変換ハイブリッドフィルムが得られた。導電性高分子フィルム自体の機能向上も並行して実施し、フィルム構造と電気特性・光物性の関係を調べた。その結果、フィルム作製時の乾燥過程や下地基板の種類がフィルム中の凝集・配向構造に影響し、高効率電荷分離や異方的光物性の発現に寄与することが分かった。添加物を加えることでフィルムの電気特性向上も観察された。得られた知見は、国内学会、国際学会、投稿論文で発表された。実施計画に沿って研究を開始し、得られた結果に基づいて研究に取り組むことができたためである。平成30年度は研究遂行に必要な実験用試薬、材料、器具、ガス、部品等を順次購入し、粒子とフィルムの作製条件探索と構造評価が進められた。作製条件については、粒子を混ぜる高分子フィルムの構造・物性評価が重点的に行われ、高分子試薬、添加剤、溶媒等を購入して凝集・配向構造と電気・光物性の関係が調べられた。構造評価では、生成した粒子のX線回折や、分光法を用いたフィルムの凝集・配向構造解析が実施された。光吸収・発光スペクトルの測定・解析に必要な光学部品を順次購入し、光機能性フィルム開発の推進、得られた結果の国内・国外学会発表、次年度に繋がる知見の蓄積が進められた。研究実施計画並びにこれまでに得られた知見に基づき、引き続き機能性粒子・光電変換フィルムの作製法の開発を進める予定である。特にフィルムに粒子を混ぜた時に高効率光電変換を示す粒子表面構造の知見を平成30年度に得ており、この知見を発展させて粒子・フィルムの作製条件を検討、光機能性ハイブリッドフィルム開発を推進する。時間の許す限り、粒子生成・フィルム作製条件を探索し、構造と物性の関係の解析に取り組み、光機能性フレキシブルハイブリッドフィルムの機能向上に向けた研究を進めていく予定である。本研究の目的は、グラフェン基本構造を有する機能性量子ドットの作製と光電変換フィルムの開発である。初年度の平成29年度は、研究実施計画に沿って、実験に必要な試薬、材料、器具、ガス、部品等を購入し、量子ドット生成法とフィルム作製法を検討した。量子ドット生成法では、パルスレーザーアブレーション法を用いて反応場や照射レーザー等の生成条件を検討し、生成したカーボン系ナノ粒子の構造解析と光物性評価を進めた。フィルム作製法では、ソフトエレクトロニクス向けフレキシブル有機フィルム開発に向けた導電性高分子フィルム作製法を探索した。その結果、種々のナノ構造体の生成が確認され、溶液中での安定性や、高分子フィルムに混合した際の高分子構造の変化、光伝導性への影響、電荷移動度の増減、フィルム配向による異方性の発現等の知見が得られた。得られた知見の一部は、春季の国内学会・国外学会でそれぞれ発表し、発表内容は流体の流れがフィルム構造に影響し光電変換性能を向上させるものである。塗布法で簡便に薄くて軽い導電性フィルムを常温大気中で形成できる新たな手法の一つであり、液滴内部の溶媒流動で溶質分子のπ-πスタッキング構造とフィルムの導電性が変化する。これら初年度に得られた知見や要素技術に基づき、次年度以降も機能性量子ドット・ナノ粒子の創製とそれを用いたハイブリッドフィルム・スマートマテリアルの研究を進め、研究成果を順次発表する予定である。実施計画に沿って実行できたためである。研究期間初年度の平成29年度は、研究遂行に必要な実験用試薬、材料、器具、ガス、部品等を順次購入し、粒子生成の立ち上げ、生成物評価、フィルム作製法開発を進めた。粒子生成では、炭素材料を原料としたグラフェン量子ドット・ナノ粒子の作製法を検討し、反応場、熱物性、熱力学条件、レーザー、原料等の生成条件を探索した。生成物評価では、顕微鏡観察や分光測定を中心とした構造解析と物性確認を行った。その結果、生成物の光物性、電子状態、サイズ、形状、表面、液体中安定性等について種々知見が得られた。また、粒子生成と両輪で本研究遂行に大事な要素として、光電変換フィルム応用へ向けたフィルム作製法の開発がある。このことについて、新たなフィルム作製法として、塗布法でフィルム作製する際に蒸発過程で凝集構造が大幅変化する現象を見出した。これは太陽電池用固体フィルムの導電性増加の発見にも繋がり、年度末の春季国内学会・国外学会で発表した。以上、粒子生成とフィルム作製のそれぞれで要素技術の進展があり、得られた知見を次年度以降の研究に繋げていく予定である。

本研究の目的は、パルスレーザーアブレーション法を用いて機能性ナノ構造体を作製し、得られたナノ構造体を高分子フィルムに混合してフィルムの光電変換機能を向上させることである。グラフェン骨格を有する量子ドットの作製と応用を目指している。平成30年度は、種々材料を用いて凝縮相中のナノ粒子作製条件を探索し、溶液中で凝集せずに安定に保存できるナノ粒子の作製法が見出された。このナノ粒子の構造解析や生成メカニズムの計算シミュレーションの結果、コロイド溶液として安定に保存できるナノ粒子について粒子サイズ、表面修飾基、ゼータポテンシャル、レーザー照射時の温度変化、溶液中でのポテンシャルエネルギー等の観点から知見が得られた。構造解析の詳細は、動的光散乱による溶液中の粒径分布解析、振動分光、光吸収・発光スペクトル、発光寿命、光電子分光測定、電子顕微鏡観察等である。作製したナノ粒子を導電性高分子フィルムに混合すると、従来より5倍高い電荷密度を示す光電変換ハイブリッドフィルムが得られた。導電性高分子フィルム自体の機能向上も並行して実施し、フィルム構造と電気特性・光物性の関係を調べた。その結果、フィルム作製時の乾燥過程や下地基板の種類がフィルム中の凝集・配向構造に影響し、高効率電荷分離や異方的光物性の発現に寄与することが分かった。添加物を加えることでフィルムの電気特性向上も観察された。得られた知見は、国内学会、国際学会、投稿論文で発表された。実施計画に沿って研究を開始し、得られた結果に基づいて研究に取り組むことができたためである。平成30年度は研究遂行に必要な実験用試薬、材料、器具、ガス、部品等を順次購入し、粒子とフィルムの作製条件探索と構造評価が進められた。作製条件については、粒子を混ぜる高分子フィルムの構造・物性評価が重点的に行われ、高分子試薬、添加剤、溶媒等を購入して凝集・配向構造と電気・光物性の関係が調べられた。構造評価では、生成した粒子のX線回折や、分光法を用いたフィルムの凝集・配向構造解析が実施された。光吸収・発光スペクトルの測定・解析に必要な光学部品を順次購入し、光機能性フィルム開発の推進、得られた結果の国内・国外学会発表、次年度に繋がる知見の蓄積が進められた。申請書の研究実施計画並びに平成29年度に得られた知見に基づき、今後も機能性量子ドット・ナノ物質の創製と光電変換フィルムの開発を進めていく。特に精密構造解析や電荷輸送特性評価に重点的に取り組み、粒子生成メカニズムや光電変換過程を考察する。量子ドット生成では実験結果を生成法にフィードバックして実験条件を変え、生成物のスペクトル測定や顕微鏡観察を行う。フィルム開発では導電性高分子と量子ドットの混合方法を検討し、電荷輸送特性評価では複数の測定手法を組み合わせた多次元評価に取り掛かる。フィルム配向による性能向上も図り、得られた結果を発表する。以上、今後も粒子生成法と光電変換フィルム作製法の研究を発展させる方向に進めていく予定である。研究実施計画並びにこれまでに得られた知見に基づき、引き続き機能性粒子・光電変換フィルムの作製法の開発を進める予定である。特にフィルムに粒子を混ぜた時に高効率光電変換を示す粒子表面構造の知見を平成30年度に得ており、この知見を発展させて粒子・フィルムの作製条件を検討、光機能性ハイブリッドフィルム開発を推進する。
ＬＨＤ周辺領域のグローバルシミュレーションによる不純物輸送機構の解明

核融合科学研究所にある大型ヘリカル装置(LHD)プラズマにおける、周辺領域の不純物輸送の解析実現のため、EMC3-EIRENEコードを用いたモデル開発を行った。ダイバータ部の形状変更(開から閉)によって、リサイクリング(水素イオンと水素ガスの循環)が増加すること、それにともなってダイバータ部でプラズマ密度と炭素不純物密度がともに増加することがわかった。ただし、高密度プラズマ条件では不純物スクリーニング(プラズマの流れによる吐き出し)が優位になり、開/閉で不純物量の違いが小さいことがわかった。本研究計画の一つの目的は閉構造ダイバータの影響評価シミュレーションの実現であり、近年ほぼLHD全体に渡って導入された閉構造のプラズマや中性ガスへの影響がどのような形で現れ、計測できるかを知ることは非常に重要な課題である。これを実現させるため、平成25年度の実施計画に従い、EMC3-EIRENEコードに閉ダイバータを含めるための開発を行った。CADに基づく閉ダイバータ構造をシミュレーション領域であるトロイダル角度18°で切り出し、周期性と対象性によってLHD全体を模擬できる壁構造データの作成を行った。そして、これによって、従来の開構造と新しい閉構造の両方を同一の計算メッシュで形状のみを切り替えてシミュレートすることが可能になった。平成24年度に作成した計算メッシュの解像度を2倍にする改良を行い、開/閉両方の形状でシミュレーションを行ったところ、閉構造のドーム下部における中性ガス圧力は開構造時と比較して10-20倍の圧力になった。これは計測で得られた比率とよく一致する。また、一定加熱パワーでの放電立ち上げを模擬した電子密度スキャンを行ったところ、電子密度に対する中性ガスの変化についても、開/閉の両構造に対して計測とよく一致するスケーリングを得た。また、中性粒子の輸送がプラズマの及ぼす影響についての解析を行った。平成24年度の実施計画の通り、大型ヘリカル装置(LHD)の周辺プラズマ分布を一体として解くためのEMC3-EIRENE計算領域の拡張を行った。具体的には、以前からあるエルゴディック(エッジ/SOL)領域の計算メッシュに加えてダイバータレグ領域のメッシュを作成した。メッシュ作成のための技術的問題解決のために、LHD形状に特化したメッシュ生成ツールが必要となるが、メッシュは人の手で逐一作るには複雑すぎるので半自動生成する手法開発を行った。エルゴディック領域・レグ領域(4ヶ所)のプラズマ領域と、それ以外の真空領域に分けてメッシュを作成し、境界で結合した。ダイバータレグに対しては、基準となるポロイダル断面のみ手作業でメッシュ外形を与え、他のトロイダル角の断面については磁力線を追跡することで自動的に生成できる。真空領域については磁場と無関係に作れるので、境界線に仮想のポテンシャルを仮定してポアッソン方程式を解くことで等ポテンシャル線としてメッシュを与える方法と、初等的な幾何学的手法を使い分け、自動化を行った。以上の開発を経て、エルゴディック領域とダイバータレグ領域のプラズマ分布の定常解が得られることを、核融合科学研究所のスーパーコンピュータで確認した。これらの成果によって、EMC3-EIRENEがLHDで周辺プラズマ解析に適用可能であることが実証され、また今年度用いた内寄せ磁場配位だけでなく、標準、外寄配位に対してもメッシュ作成できる見通しが立った。これは、25年度から計画しているEMC3-EIRENEを用いた解析の準備が概ね整ったことを意味し、物理研究や工学的応用へ道筋をつけた。本研究計画の主な開発課題である大型ヘリカル装置(LHD)の炉心周囲およびダイバータレグ領域のEMC3-EIRENEコード用計算メッシュ開発を平成24-25年度で終え、開ダイバータおよび閉ダイバータ配位に対する輸送解析が可能になった。平成26年度は、燃料ガスである水素の供給/排気に関連する解析を行った。計算領域内の水素(分子+原子+イオン)の総量は一定であるので、排気と同量の供給を模擬するコード拡張を行った。具体的には、閉ダイバータのドーム構造下部のクライオポンプを模擬する粒子吸収条件を設定し、次の2種類の粒子供給方法を仮定した。一つは、ガスパフを模擬するためにダイバータ板のリサイクリングによる中性ガス供給を増加させる場合で、もう一つは、ペレット入射や中性ビーム入射等による炉心粒子供給を模擬するために炉心境界からの水素イオンの径方向輸送を増加させる場合である。計算の結果、ガスパフを模擬した場合には、ポンプ設置位置周囲を除き、プラズマ密度・温度、および中性ガス密度に大きな違いが見られなかった一方、炉心供給を模擬した場合、ダイバータ領域のプラズマ密度の減少、中性ガス密度の全体的な減少が顕著に見られた。この変化は、開から閉構造への変更時に意図していた変化である。グローバルな粒子バランスがプラズマ分布に対して非常に重要であることを示している。実験ではこれと直接比較可能な違いは計測されていないが、ガス排気装置の増強が平成27年度に計画されており、実験とシミュレーションの双方向の研究が可能になると期待される。

本研究について、2014年10月に行われたIAEA Fusion Energy Conferenceでポスター発表(TH/P6-39)を行った。また、2015年9月に行われるPlasma EdgeTheory国際会議で本研究に関連する招待講演を予定している。核融合プラズマシミュレーション24年度から持ち越していた課題である閉ダイバータ構造に対するシミュレーションを実現させ、計測との比較による検証を行った。25年度に予定していたプラズマと中性粒子の相互作用をグローバルな視点で解析する計画を達成した。すなわち、ダイバータ板で表面再結合することで水素イオンが中性ガスとなるが、開から閉への形状変更によって、よりプラズマに戻りやすくなり、それらがプラズマソースの増加を引き起こし、プラズマ密度の上昇と温度の低下を引き起こすことを示した。中性ガス圧の計測との比較で、プラズマ・中性ガス相互作用シミュレーションの検証を行ったことで、周辺プラズマの輸送解析へのコード基盤を築き、国際会議と論文で主著論文として成果発表したことは計画に沿った着実な前進である。最終年度の計画にある不純物輸送に関する解析の準備を整えたという点は当初の計画通りの進展である。プラズマおよび中性ガスの装置内3次元分布は輸送を理解する基礎的情報であるとともに計測データの解析にも有用な情報であり、成果が共著者として共同研究を推進できた点は当初の計画を上回っていると考えている。交付申請書では24年度の計画として、計算領域の拡張とそれを用いた解析、閉ダイバータ構造への対応を主な計画としてあげた。計算領域の拡張については、周辺プラズマ全体を覆う計算メッシュ生成手法とツールを開発し、内寄せ配位に対して実際にグリッドを作成した。そしてその計算を行い、プラズマ中の中性粒子電離によるイオンソース分布が実験観測と定性的に矛盾しないことを確認した。妥当性の検証には実際の放電で計測した密度や温度の分布をもとに比較をする必要があるものの、これまでに部分的な領域の計算ではあるがそのような検証を経ているEMC3-EIRENEコードを用いていることを考えに入れると、おおむね達成しつつあると言え、25年度に行う実際の解析を通して妥当性を確かな物にすることができると考えている。また、閉構造ダイバータへの対応は現在進めているところであり、正確な壁形状を用いるには技術的課題が残っているものの、装置壁を小さく設定した仮形状での計算は正しく行えている。それによって、開構造と比べて中性粒子の電離が増えたためにリサイクリングフラックスが増加し、主にダイバータ領域での電子密度の上昇と電子温度の低下が示唆された。これは以前行った1次元による解析でリサイクリング率を増加させたときと同様の変化であることから、定性的には妥当な結果と考えている。閉ダイバータ構造の正確な壁形状を用いるための研究開発は次年度に持ち越しているものの、コードの有用性を示すことができ、大きな問題なく研究が進んでいると考えている。
RNA結合タンパク質Arid5aの肺高血圧症病態における役割の解明

肺高血圧症は、血管内膜および中膜が肥厚するで肺循環障害に至る難治性疾患である。近年は慢性炎症や免疫異常が病態形成に関与していることが示唆されている。他方、慢性炎症や免疫異常は、mRNAの転写後調節における異常が原因となりえることが示唆されている。Arid5aはサイトカインや転写因子のmRNAに結合して安定化に寄与する蛋白質であり免疫細胞の分化・機能に影響を与えている。以上のことから、本研究は肺高血圧症に対するArid5aの役割を解明し、慢性炎症・免疫異常の病態に対する理解が深めることを目的に行った。VEGFR阻害剤として知られるSU5416の投与と低酸素刺激を組み合わせて作製する肺高血圧症誘導モデルを用いてArid5a欠損型マウスと野生型マウスを比較すると、肺動脈の血行動態を示す右室収縮期圧や、血管リモデリングを示す中膜肥厚の改善が認められていた。次に、どのような分子機構によってArid5a欠損状態が肺高血圧症病態の改善に繋がるのかを解明していくため、免疫細胞と非免疫細胞(血管構成細胞)に分け解析を行った。具体的には、免疫細胞では、フローサイトメトリーを用いて各細胞の比率を確認し、qRT-PCRにより発現状態の変化を確認した。各細胞の比率に明らかな変化は認めなかったが、野生型と欠損型で遺伝子発現に変化があった。一方で、血管構成細胞に関しては、フローサイトメトリーやレーザーマイクロダイセクションを用いて、内皮細胞の比率や、各種細胞の遺伝子発現変化を確認した。内皮細胞数は野生型と欠損型で差が認められなかったが、レーザーマイクロダイセクションを用いて回収した肺動脈周辺のサンプルでは血管新生などに関与する遺伝子に野生型と欠損型で変化が見られた。免疫細胞と非免疫細胞(血管構成細胞)に分けて研究を進めた。ある免疫細胞のレパトアにおいてフローサイトメトリーに用いる細胞内染色が困難だったため時間を要したが、染色方法などを変え解析ができるようになった。i)血管構成細胞におけるArid5aの役割:Arid5aコンディショナルノックアウトマウスを用いて、血管内皮、血管平滑筋、線維芽細胞特異的にノックアウトし、血行動態の変化を確認する。レーザーマイクロダイセクションの結果から注目した遺伝子に関し免疫組織染色による発現の確認を行う。肺動脈内皮細胞および平滑筋細胞の培養実験により同様の変化が認められるか確認する。Arid5aが目的遺伝子を転写後調節しているかを確認する。ii)免疫細胞におけるArid5aの役割:Arid5aコンディショナルノックアウトマウスを用いて、各種免疫細胞特異的にArid5aをノックアウトし、血行動態の変化を確認する。フローサイトメトリーを用いて注目する免疫細胞をソーティングし機能変化を確認する。iv)肺高血圧症患者肺におけるArid5aおよび関連分子の発現を解析する。申請者が所属している部が共同研究を行っている大阪大学医学系研究科呼吸器外科で肺移植を受けた肺高血圧症患者のレシピエント肺を用いて、Arid5aおよび関連が判明した分子の発現を解析する。

ii)免疫細胞におけるArid5aの役割:Arid5aコンディショナルノックアウトマウスを用いて、各種免疫細胞特異的にArid5aをノックアウトし、血行動態の変化を確認する。フローサイトメトリーを用いて注目する免疫細胞をソーティングし機能変化を確認する。Arid5aが目的遺伝子を転写後調節しているかを確認する。iv)肺高血圧症患者肺におけるArid5aおよび関連分子の発現を解析する。申請者が所属している部が共同研究を行っている大阪大学医学系研究科呼吸器外科で肺移植を受けた肺高血圧症患者のレシピエント肺を用いて、Arid5aおよび関連が判明した分子の発現を解析する。年度内の使用金額を超えないように利用していたためにわずかながら繰越金額が生じた。2018年度の研究の進捗が比較的良い状況の為、研究の発展が見込まれ、前述した2019年度計画の実験内容の一部に充てる予定としている。