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ロケットエンジン噴射器流れにおける微粒化・燃焼統一解析モデル構築に関する研究

液体ロケットエンジン燃焼においては,燃料・酸化剤の混合過程が燃焼の安定性に直結する.その様子は燃焼圧力によって大きく異なるが,本研究では将来的に幅広い圧力範囲に適用可能な数値解析手法の構築を目的とした研究に取り組んだ.そのために必須となる燃焼反応モデル,熱物性等の詳細な検討を行うとともに,水素・酸素の混合や燃焼過程の圧力依存について検討し,今後の数値解析モデル構築へ向けた基礎となる多くの知見を得た.液体ロケットエンジン燃焼においては,燃料・酸化剤の混合過程が燃焼の安定性に直結する.その様子は燃焼圧力によって大きく異なるが,本研究では将来的に幅広い圧力範囲に適用可能な数値解析手法の構築を目的とした研究に取り組んだ.そのために必須となる燃焼反応モデル,熱物性等の詳細な検討を行うとともに,水素・酸素の混合や燃焼過程の圧力依存について検討し,今後の数値解析モデル構築へ向けた基礎となる多くの知見を得た.本研究は,ロケットエンジン燃焼の中でも,特に噴射器単体の燃焼現象を数値解析により詳細に把握することを目的に,将来的に亜臨界圧力燃焼・超臨界圧力燃焼の違いを区別することなく解析可能とすることを目指したものである.今年度の取り組みとして,セミラグランジュ形式に基づいた気液二相流解析手法を応用することで,超臨界圧力条件下での水素・酸素燃焼流れ解析を可能とするべく,実在流体効果・8化学種19反応を考慮した燃焼反応モデルを組み込み可能な解析手法の確立に取り組んだ.高温水素流れ中に置かれた低温酸素液滴の混合・蒸発に関する解析においては,酸素液滴の変形およびそのときの流線の様子から,水素の流速が大きいときには酸素液滴の変形も激しく,また液滴背後に大きな剥離領域が見られる一方で,水素の流速が低い場合には,計算初期に現れる剥離領域は消滅し,液滴の変形についても特に流れと垂直方向への伸び方に大きな差が見られることを確認した.噴射器流れに関するテスト解析からは,特徴的な渦構造や再循環領域などを再現する結果が得られている.これらは,過去に保存型のスキームを用いた解析によっても試みられておりそれと同様の結果を示している.このことから非保存型の本解析モデルでも混合や反応に関する解析が保存型の手法と遜色なく可能であることが示された.非保存型の手法は,状態方程式の組み込み,圧縮性・非圧縮性統一解析,界面張力の扱いなどに多くの利点を持ち,今後の亜臨界圧条件における燃焼流れ解析に繋がる知見を得ることができた.一方で,本年度は混合気体の熱物性値の扱いが若干厳密性に欠けており今後の課題として残っているが,混合気体用として提案されている状態方程式を用いることで解決可能と考えている.ロケットエンジンで想定されるような高圧条件下における水素酸素燃焼流解析について,液体酸素の蒸発を考慮可能な数値解析モデル開発を目的とした研究として,本年度は特に燃焼反応機構および反応過程の数値解析法に関連した項目について検討した.水素酸素詳細反応機構は古くから研究されており,反応機構の中でも最も詳しく理解されているものであるが,それでもなお,全ての条件に適用可能なモデルが存在するわけではない.特にロケットエンジンで想定されるような200気圧程度までの高圧条件に対して適用するためには,改良すべき点が多く残されている.特に高圧条件下での適用に問題があると思われる, 1.三体効果を伴う素反応の圧力依存, 2.複数の反応経路が考えられる素反応, 3.特殊な温度依存を示す素反応,について検討した.また,化学反応を伴う流れを数値的に解こうとした場合,非常にスティッフな系となることから生成項の時間積分法が問題となることが多い.これまでは主に流れ場の時間スケールと反応の時間スケールとが大きく異なるという観点で議論されることが多かったが,反応過程のみでもその時間スケールは温度・圧力などの条件により数桁も異なり,この傾向は生成速度が大きくなる高圧条件下ほど顕著となる.この問題を解決するための簡易的な手法として,流体・反応の時間積分を分離し部分段階法的に時間積分することを前提に,反応項の時間積分法として,異なる時間精度を有する手法を併用し,各ステップで局所誤差を評価することでそのステップ毎の時間積分安定性を判断し,時間刻み幅を可変とすることで効率的な時間積分を行う手法を提案した.その際,多変数の連立微分方程式系では局所誤差を判定する際に一般的には全変数を何らかの形で対象とする必要があるが,水素酸素反応の進行過程の特徴を考慮することでHO2化学種にのみ着目すれば十分であることを示した.ロケットエンジンで想定されるような高圧条件下における水素酸素燃焼流解析に関連して,液体酸素の蒸発を考慮可能な数値解析手法の確立を目的として本研究課題に取り組んだ.本年度は,解析に必要な要素技術として,燃焼反応機構および熱物性の高精度化に関する検討についての取り組み,ならびに,液滴解析手法の確立と液滴挙動に関する数値解析に取り組んだ.前年度からの継続的な取り組みでもある水素酸素詳細反応機構の確立については,特にロケットエンジンで想定されるような200気圧程度までの高圧条件および純水素酸素反応に対して適用可能なモデルとして一定精度を有する反応機構を提案した.熱物性の推算精度向上については,一般的に用いられているCubicタイプの状態方程式を水素・酸素に最適化することで高精度化を図るとともに,分子間ポテンシャルに基づいた物性推算手法に関する検討も行い,今後更なる高精度化に向けて基盤となる検討を実施した.液滴解析手法の確立については,気液二相流解析技術を発展させることで,ロケット燃焼条件における水素酸素燃焼流に適用可能な数値解析技術を確立し,亜臨界圧条件の二相流的な扱い,ならびに超臨界圧条件における単相流的な扱い,両者に適用可能な解析技術を確立した.

特に超臨界圧条件では,燃焼反応まで含めた解析にも取り組み,高圧条件下における水素流中に置かれた極低温酸素液滴の挙動を検討し,雰囲気圧力・水素流速・酸素液滴直径などが酸素液滴挙動に及ぼす影響について検討し,それらによって,流れ場・液滴挙動が大きく2つのパターンに分類されることを示した.亜臨界圧条件における酸素の蒸発まで考慮した燃焼流解析の手法を十分確立するまでには至らず今後の検討課題として残ったものの,現在の手法に組み入れることは十分可能であると考えており,今後継続的に取り組みたいと考えている.
酸化還元活性な四鉄-四炭素骨格を用いた新機軸触媒設計

遷移金属クラスターは、架橋配位子に応じて適切な位置に配置された複数の金属中心(多金属骨格)に由来する多段階酸化還元過程を示し、これは多金属骨格の特徴の一つといえる。また、導入する支持配位子に応じて、その電子状態を精密制御することが可能である。本年度はまず、電子豊富な四鉄-四炭素骨格を置換基としてもつリン配位子の電子的および立体的特性を、単結晶X線構造解析および各種分光学的測定値に基づき評価した。この結果、クラスターリン配位子は適度に嵩高く、極めて高い電子供与性を有することが明らかとなった。さらに、このリン配位子をパラジウム触媒を用いた鈴木-宮浦クロスカップリング反応へ適用したところ、ブロモベンゼンを基質に用いた系では十分高い触媒活性が得られたものの、クロロベンゼン系では穏和な条件では、クロスカップリング反応は進行しなかった。これは、リン配位子が錯形成した電子豊富なパラジウム(0)中心において、リン配位子の置換基において分子内炭素-水素結合活性化が併発し、触媒活性の低下が見られたと思われる。現在、リン配位子上の置換基を化学修飾することで、分子内炭素-水素結合が起こらない系を探索している。さらに、新しい試みとして、四鉄上においてブロモアセチレンを架橋配位させ、さらに強制的に臭化物イオンを引き抜くことで、カルボカチオンの発生に成功した。この化学種は極めて硬いルイス酸としての性質を示すことが期待され、ルイス酸触媒への応用など、今後の発展が期待される。これまでに電子豊富な[4Fe-4C]骨格は酸化還元に応答して、その骨格構造を可逆的に変換することが明らかになっている。この系では[4Fe-4C]骨格へ有機化学において確立された求核置換反応により、様々なLinkerあるいはspacerを導入できることから、この特性を活かした触媒など前例の無い様々な機能性分子への応用が期待される。本研究では電子豊富な[4Fe-4Cl骨格をバックボンに有し、2つのジエチルアミノ基を配位部位として有する二座キレート配位子の合成に成功した。その中性体および二電子酸化体の構造を各種分光学的データおよび単結晶X線構造解析により明らかにし、そのbite angleが酸化還元に応答する形で可逆的に変換できることを明らかにした。また、バタフライ型構造をとる電子豊富な四鉄上において、ブロモアセチレンフラグメントを創製し、さらに銀塩で臭化物イオンを強制的に引き抜くことで、ルイス酸触媒への応用が期待できる非平面型カルボカチオンを発生することに成功した。そのアセトニトリル付加体を合成単離し、単結晶X線構造解析により構造を明らかにした。アセトニトリル中、マレイミド陰イオン存在下では、アセトニトリルはカルボカチオンに配位した後、さらにマレイミドによる求核攻撃を受けることが明らかとなった。今後、非平面型カルボカチオンの特異な構造および電子状態に基づく、多機能型ルイス酸触媒への応用が期待される。
学習者の知識構造で制御する知的適応型学習システムの開発

本研究では,複雑な知識構造を有する学習項目を題材にした適応型学習システムに関する研究・開発を目的として,以下のような機能を有する知的教育システムに関する研究・開発を行った.1.システムは学習者に提示する問題を,この問題を解決するための知識構造として保存する.2.システムは学習者の提示された問題に対する解答状況から学習者の有する知識構造を推論する.3.システムの構造と学習者の構造とを比較し,その結果から次に出題する問題を決定する.4.システムの構造と学習者の構造とを比較し,内容的に適合したアドバイス文を自動的に生成する.具体的には,高校物理の力学を採用し,インターフェース部・問題解決エキスパートシステム部・出題最適化エキスパートシステム部から構成されUNLX上で動作する.また,人間が実際に力学問題を解答する場合の流れ「問題を読む→図を書きながら考える→方程式を立て,解く」に忠実に学習者を支援することを最大の特徴とする.そのため,問題解決エキスパートシステム部では,知識構造を定性的知識構造と定量的知識構造に分離し,それぞれの知識構造を学習者の入力する図形情報と数値情報から推定し,最終的に知識構造融合ユニットで緩やかに融合する.定性的知識構造の推定には定性推論の技術を,また定量的知識構造の推定には文字認識と知識ベースの管理技術を用いて,人間教師が学習者の理解状況を推定する過程をモデル化した.さらに,出題最適化エキスパートシステム部では,知識構造融合ユニットから受け取った学習者の知識構造から複数の特性値を抽出し,Fuzzy推論を用いて理解状況を定量化し次の問題を選択し,アドバイス文とともに提示する機能を実装した.以上より,記号論理の範疇の人工知能技術だけではなく,Fuzzy理論などとの融合,すなわちコネクショニズムの範疇に拡張した知的教育システムの研究の基礎的知見を得ることができた.今後も他の技術との融合を検討し,あらたな人工知能研究のパラダイムに関する検討を行う予定である.本研究では,複雑な知識構造を有する学習項目を題材にした適応型学習システムに関する研究・開発を目的として,以下のような機能を有する知的教育システムに関する研究・開発を行った.1.システムは学習者に提示する問題を,この問題を解決するための知識構造として保存する.2.システムは学習者の提示された問題に対する解答状況から学習者の有する知識構造を推論する.3.システムの構造と学習者の構造とを比較し,その結果から次に出題する問題を決定する.4.システムの構造と学習者の構造とを比較し,内容的に適合したアドバイス文を自動的に生成する.具体的には,高校物理の力学を採用し,インターフェース部・問題解決エキスパートシステム部・出題最適化エキスパートシステム部から構成されUNLX上で動作する.また,人間が実際に力学問題を解答する場合の流れ「問題を読む→図を書きながら考える→方程式を立て,解く」に忠実に学習者を支援することを最大の特徴とする.そのため,問題解決エキスパートシステム部では,知識構造を定性的知識構造と定量的知識構造に分離し,それぞれの知識構造を学習者の入力する図形情報と数値情報から推定し,最終的に知識構造融合ユニットで緩やかに融合する.定性的知識構造の推定には定性推論の技術を,また定量的知識構造の推定には文字認識と知識ベースの管理技術を用いて,人間教師が学習者の理解状況を推定する過程をモデル化した.さらに,出題最適化エキスパートシステム部では,知識構造融合ユニットから受け取った学習者の知識構造から複数の特性値を抽出し,Fuzzy推論を用いて理解状況を定量化し次の問題を選択し,アドバイス文とともに提示する機能を実装した.以上より,記号論理の範疇の人工知能技術だけではなく,Fuzzy理論などとの融合,すなわちコネクショニズムの範疇に拡張した知的教育システムの研究の基礎的知見を得ることができた.今後も他の技術との融合を検討し,あらたな人工知能研究のパラダイムに関する検討を行う予定である.
Hydrogen Richな新しいフリ-ラジカルの生成と検出に関する研究

水素原子が一つ多くついたフリ-ラジカルとして、ヒドロオキシアルキルラジアルとカルボキシルラジカルの検出にはじめて成功した。ヒドロキシアルキルラジカルはアルデヒドに一つ水素原子がついたラジカルであり、カルボキシルラジカルは二酸化炭素に一つ水素原子がついたラジカルである。これらのラジカルはその前駆体となる分子のパルスレ-ザ-光解離(主としてArFエキシマ-レ-ザ-光、193nm)により生成させることができた。例えばαーヒドロオキシエチルラジカル(CH_3CHOH)はアセトイン(CH_3COCH(OH)CH_3)の光解離により、βーヒドロオキシエチルラジカルは2ーブロモエタノ-ルの光解離により生成し、カルボキシルラジカル(HOCO)はアクリン酸の光解離により生成させた。生成したラジカルはパイレックス製ピンホ-ルを通して真空中にサンプリングし、キセノン(8.44ev)またはクリプトン(10.0.ev)の真空紫外光で光イオン化し、四重極マスフィルタを通した後イオンで検出された。ヒドロキシアルキルラジカルについては7種類のラジカルについて酸素分子や一散化窒素分子との反応速度が測定された。興味あることは、これらのラジカルのイオン化電圧と反応速度定数に非常によい相関が見出されたことである。また一般に反応速度はアルキルラジアルに比べて速く、これらのラジカルの不安定さが証明された。カルボキシルラジアルの場合はさらに不安定で、このラジカルが少し内部エネルギ-を持つと、水素原子と二酸化炭素に分解することが、その寿命の測定結果から示された。さらに重水素化したカルボキシルラジカルの測定によってこの分解過程がトンネル効果によるものと推定された。カルボキシルラジカルと酸素分子の反応は極めて速く、このラジカルがなかり不安定なラジカルであることも証明された。
法医解剖症例における胸腺リンパ体質と突然死の分子メカニズムの解析

【結果】RyR2-R420W miceのテレメトリー法による無麻酔下での心電図記録によると、カフェイン等の投与時に様々な不整脈が出現した。マウス臓器重量を測定した結果、RyR2-R420W miceでは、野生型マウスと比較して胸腺、脾臓で重量の増加が認められた。胸腺や脾臓などのリンパ組織において、リンパ球の分化やサイトカイン産生量を比較したが差異は認められなかった。胸腺、脾臓組織のmicroRNAを抽出し、マイクロアレイおよび定量RT-PCRを用いて解析した結果、mmu-miR-291b-5pの発現が変異マウスで減少する結果が得られた。当研究室では、突然死症例の遺伝子解析を行ってきた。対象遺伝子はCa2+放出シグナルを担うRyR2(ryanodine receptor 2)であり、解剖症例と同じ変異を持った遺伝子組み換えマウスを作製した。本研究では、実際の症例と遺伝子組み換えマウスや培養細胞を用いて、突然死と胸腺リンパ体質の関連性を分子レベルで明らかにする。これまでに、マウスホモ系統の飼育を行い遺伝子組換え動物の凍結胚の保存を行った。遺伝子組換えマウスでは、精子の活動量が低く、交配に時間がかかった。表現型解析として、胸腺と脾臓の肥大の他に腸管リンパ節もホモマウスで肥大していた。免疫学的解析を行ったが、胸腺リンパ球、脾臓リンパ球、骨髄細胞、リンパ節リンパ球で野生型とホモ型に大きな差異はなかった(用いた抗体:CD4, CD8, CD3, B220, CD69, CD62L, CD44, CD23, CD21, IgM, IgD, CD138, CD25, CD19, CD43)。胸腺リンパ球と脾臓リンパ球を初代培養し、サイトカイン産生の違いを測定した。その結果、脾臓ではインターフェロンγ、IL-2、IL-17を測定したが差異はなく、胸腺でのインターフェロンγにも差異はなかった。遺伝子レベルの解析では、mRNAおよびmiRNAアレイ解析を行った。mRNAでは、胸腺細胞増殖に関する遺伝子に違いは見られなかったが、カルシウム制御遺伝子は減少の傾向にあった。miRNAでは、胸腺と脾臓でともにmiRNAの1つが減少していた。定量-RT-PCRで結果の再現性を確認した。このmiRNAが胸腺肥大や脾臓に関係している可能性があり、今後解析を行う。RyR2-R420W miceを作成し、心電図解析、免疫学的機能解析、遺伝子発現解析を行った。RyR2-R420W miceのテレメトリー法による無麻酔下での心電図記録によると、カフェイン等の投与時に様々な不整脈が出現した。胸腺や脾臓などのリンパ組織において、リンパ球の分化、抗体産生量、サイトカイン産生量を比較したが差異は認められなかった。薬剤投与によってRyR2-R420W miceに多様な不整脈が誘発されることから、このマウスはCPVTもしくはARVCのモデル動物になりうることが示唆される。現在までに、ノックイン変異マウスの作成および凍結胚を作成し、新規の不整脈モデルRyR2変異マウスの系統維持に成功した。これまで免疫学的解析は終了し予定通りに推移している。また、今年度中には、ノックインモデルマウスの表現型等を解析したデータを論文発表および法医学会で発表する予定である。25年度が最終年度であるため、記入しない。今後は、なぜ胸腺、脾臓、リンパ節が肥大したのかmiRNAに着目して実験を行う。すでにマイクロアレイと定量-RT-PCRによる解析から候補miRNAは1つに絞れている。このmiRNAの機能解析をすることでRyR2変異による突然死のメカニズムが明らかになるのではないかと考える。また、カルシウムイメージング解析を予定している。実際のマウスの心筋細胞でカルシウム濃度が野生型と比較しホモ型でどのようになっているのか解析し、不整脈との関連について考察する。
根管内汚染の光学測定装置の開発

本研究の目的は、根管壁に白色光を照射して得られる反射光の解析をもとに根管壁の汚染を判定する機器を試作し、その有用性を検討することであった。まず、汚染根管壁および拡大根管壁に白色光を照射して得られる反射光のスペクトラムを比較した。その結果、拡大後の根管壁からは照射光のスペクトラムに近似したものが得られたのに対し、汚染根管壁からのそれは600nmよりも長波長域の成分を強調していた。次に、白色光を照射して得られる反射光の成分のうち560nmと650nmにおける光強度に着目し、これらの測定および比較を行った。その結果、これらの波長での絶対光量およびそれらの比に関して、拡大を行った根管壁からのものと汚染した歯質からのものとの間に違いを示した。更に、反射光色調測定装置を試作しその有用性を検討した。これは、採取した反射光を二分し、フォトダイオードを用いて560nmおよび650nmにおける反射光量を測定し、最終的に出力信号の極性及びその大きさによって、反射光の色調を表示するものであった。照射光源には白色光を用い、側方に光照射および採光を行なうように2本の光ファイバーを配した測定プローブを介して、白色、赤色、青色の標準色調板および抜去歯を対象として、測定を行った。その結果、健全歯質からは青色や白色の板と同様の極性の、汚染歯質からは赤色の板と同様の極性の出力が得られ、歯垢染色液で染色した試料からはより大きな出力が得られた。以上の研究結果から、試作した色調測定器は根管壁汚染の検出システムとして有用に展開する可能性を示した。また、照射光および反射光の波長域の設定、レーザー光の使用、比較方法、などの測定機器に関する改良、ならびに汚染資質の染色の併用などを含めたより感度の高い測定システムの構成が示唆された。本年度の研究計画は汚染した根管壁および健全根管壁から得られる反射光量の差が最大となる波長の組み合せを決定することであった。まず、必要な設備備品及び研究遂行に必要な消耗品を購入し、微弱反射光のスペクトラムパターン分析を可能とするための測定システムを構築した。光量を測定するための光電子増倍管、フォトンカウンターおよび冷却器、結果を演算し分析するためのパーソナルコンピュータ等を購入し、現在稼働している。反射光量の測定に関しては、まず健全象牙質を特定の色素を用いて染色し、これに白色光を照射した際得られる反射光スペクトラム特性を調べた。予め、ヒト抜去歯歯冠部のエナメル質を削除し、約3×5mmの健全象牙質面を準備し測定対象とした。象牙質面の一部を赤色、あるいは青色の歯垢検知液を用いて染色したもの、および染色しない場合について反射光スペクトラムを求め、その比較を行ったところ、スペクトラム強度が、染色液固有の色素の波長帯域において、特徴的に減少を示した。これは、反射光スペクトラムパターンが歯質の色調を反映したものであることを示している。また、このようなパターンの違いを検出するに当たっては、歯質の性状に関わらず強度が一定である波長域における反射光強度と、根管の汚染により変化が予想される波長域における反射光強度との比を求めることによって、検出がより容易になることが示唆された。現在、健全象牙質、齲蝕に罹患した象牙質、汚染した根管壁、および健全根管壁から得られる反射光スペクトラムパターンを求め、汚染した根管壁および健全根管壁から得られる反射光量の違いが最大となる波長の組み合せを決定しつつある。

本年度の研究計画は汚染した根管壁および健全な根管壁に白色光を照射した際得られる反射光強度スペクトラムをもとめ、それらにおける強度の違いが最大となる波長の組み合せ(山岸(1988)の報告によれば560nmと620nm)を求めることであった。本研究では、測定システムの将来の展望として、ビームスプリッターを用いて反射光を2分し、相応する波長域に感応なフォトダイオードによって光量を検知するような、臨床使用に適した安価な検出機器を試作することを目的としている。そこで今年度は、既に市販されている、感応帯域の狭い(約10nm)フォトダイオードの中で、前述の波長に等しいかあるいは近接した波長のものを用いて、測定を試みた。測定対象としては、健全象牙質面、象牙質面の一部を赤色、あるいは青色の歯垢検知液を用いて染色したもの、汚染象牙質面、歯石の沈着した部分などである。その結果、反射光量は象牙質面の性状よりもむしろ歯面と反射光採取用の光ファイバーの先端との距離に強く影響されるため、それぞれの波長における光量の差を求めても必ずしも歯面の性状を反映した結果が得られないこと、一方、それぞれの波長における光量の比を求めることによって、歯面と光ファイバーの先端との距離に関わらず、むしろ歯面の性状を反映した測定結果が得られることが示唆された。現在、診療室で使用可能な測定システムを試作中であり、健全象牙質、齲蝕に罹患した象牙質、汚染した根管壁、および健全根管壁などについて測定を行い、臨床応用のための基礎データを採取しつつある。反射光色調測定装置を試作し、その有用性を検討した。装置は、採取した反射光を内蔵するビームスプリッタにより二分し、それぞれの光強度を560nmおよび650nmに感応ピークを持つフォトダイオードによって光電変換し、それらの短絡電流を増幅(l_1およびl_2)、さらに対数変換し(log1_1およびlogl_2)、それを差動増幅することによって(logl_1-logl_2=log(l_1/l_2))l_1とl_2の比、すなわち、560nmおよび650nmにおける反射光の強度の比を、出力信号の極性及びその大きさによって、表示するものであった。照射光源には白色光を用い、長軸に対して側方に光照射および採光を行えるように2本の光ファイバーを配した測定プローブを介して、光照射および反射光の採取を行った。白色、赤色、青色のプラスチック板を対象に測定を行なった結果、試作器はそれぞれの色調に対応した極性の出力を示した。健全歯質(エナメル質、象牙質、十分に拡大を行った根管壁)および汚染歯質(齲蝕象牙質、感染根管壁)を有する抜去歯と、さらにそれらを歯垢染色液を用いて赤色に染色した歯質を対象に測定を行った結果、健全歯質からは青色や白色の板と同様の極性の、汚染歯質からは赤色の板と同様の極性の出力が得られた。歯垢染色液で染色したものからはより大きな出力が得られた。本年度の研究結果から、試作した色調測定器は根管壁汚染の検出システムとして有用に展開する可能性を示した。また、照射光および反射光の波長域の設定、レーザー光の使用、演算方法、などの測定システムの改良、汚染歯質の染色の併用、などを含めたより感度の高い測定システムの構成が示唆された。
分子歪みが誘起する新たな結晶の素構造と固体物性に関する研究

有機分子性結晶では構成分子は中心対称(Ci)を持つものが多く、“杉綾模様"(herringbone)と呼ばれる積層構造を取る事が圧倒的に多い。しかし、分子性結晶の中でも、分子が溶液から結晶化する際に分子の対称性が崩れ、シアニン色素のJ-会合体に似た分子配列(“レンガ塀のレンガ":bricks in a brick wall)を取るものが見つかっている。このような素構造を取ると、同じ分子であっても、光学吸収の長波長化、更に、光電導ならびに蛍光の著しい増加が認められる事が多い。筆者は、この素構造の発現の原因は分子が歪む際に誘起される双極子モーメントにあると考え、中心対称が崩れ易いビス(4-t-ブチルフェニル)ジケトピロロピロール。この分子では嵩高いtert-ブチル基の付いたベンゼン環がピロロピロール発色団に単結合で結合したものである。この為、単結合の回転角度が発色団の両側で異なると言うだけで、対称性がC_iからC_lに降下する。2ゾーン式の単結晶育成装置を作製し,アルゴンをキャリヤ-・ガスとしてビス(4-t-プチルフェニル)ジケトピロロピロールの単結晶を育成した。構造解析の結果、ベンゼン環はピロロピロール発色団(heterocyclic ring)に対し、プロペラ型でそれぞれ4.9゚,8.0゚の角度をなし、対称中心が消失した構造である事が判明した。従って、結晶を構成する分子は電気双極子モーメントを有し、予測した素構造(“レンガ塀のレンガ")を取っている事も確かめられた。今後は本化合物の電子構造を早急に解明し、新規な素構造が誘起する光電導ならびに蛍光等の固体物性を明らかにする。
イオン液体系電気化学キャパシタ用カーボン電極の開発と評価

電気化学水晶振動子マイクロバランス(EQCM)法は、水晶振動子電極の共振周波数変化が電極重量変化に比例することを利用して、電気化学測定と同時にナノグラムオーダーの電極質量変化を測定する手法である。EQCMを用いれば、電極表面での電解質イオンの吸脱着挙動を調べることができる。これまでに、研究代表者らは活性炭ナノ繊維(ACNF : Activated Carbon NanoFiber, BET比表面積:約2100m^2g^<-1>)を塗布した水晶振動子を用いて、分極によるイオン吸脱着に伴う活性炭電極の重量変化について報告してきた。しかしながら、水晶振動子の共振周波数は付着した物質の粘弾性や表面粗度にも影響を受けるので、共振周波数変化から電極重量変化への変換について慎重に議論する必要があった。電極における粘弾性や表面粗度の変化は共振抵抗の変化として検出できることが知られている。そこで本年度は、他励式EQCM装%を用いて、電気二重層キャパシタ用の典型的な有機系電解液ならびにイオン液体(エチルメチルイミダゾリウムテトラフルオロボレート)中でのACNF電極の重量変化と共振抵抗変化の測定を行った。その結果、測定した電位範囲では、いずれの場合でも共振抵抗はほとんど変化しないことが明らかになった。したがって、観測された重量変化は、粘弾性や表面粗度の変化ではなく、電解質イオンの吸脱着によるものだと言える。このことを踏まえ、イオン液体中ではカチオンとアニオンが活性炭のミクロ孔に同時に吸脱着するという機構を提唱した。この機構に従えば、イオン液体を電解液に用いると電気二重層キャパシタの充電による電解質の枯渇は起こりにくく、使用する電解液を絞ることができる。このことは、イオン液体がキャパシタのエネルギー密度の向上に効果的であることを示しており、次世代キャパシタの設計指針となる。電気化学水晶振動子マイクロバランス法(EQCM)は、水晶振動子電極の共振周波数変化が電極重量変化に比例することを利用して、電気化学測定と同時にナノグラムオーダーの電極質量変化を測定する手法である。これまでに、当研究室では活性炭ナノ繊維(ACNF : Activaed Carbon Nano Fiber, BET比表面積:約2100m^2g^<-1>)を塗布した水晶振動子を用いて、イオン吸脱着による活性炭電極の重量変化について報告した。有機溶媒共存下でのエチルメチルイミダゾリウムテトラフルオロボレート(EMImBF_4)中においては、EMI^+カチオンならびにBF_4アニオンの吸脱着による電極重量変化が観察されるが、純粋なEMImBF_4、すなわちイオン液体中では重量変化は極めて小さいことが明らかになった。このことは、純粋なEMImBF_4中では分極前に既に電極に吸着しているイオンが多く、幅広い電位範囲においてカチオンとアニオンの同時吸脱着が進行することを示唆している。しかしながら、水晶振動子の共振周波数は付着した物質の粘弾性や表面粗度にも影響を受けるので、共振周波数変化から電極重量変化への変換については厳密な議論が必要である。他励式のEQCMを用いれば、粘弾性や表面粗度の変化は共振抵抗の変化として検出できる.そこで本年度では、他励式EQCM装置を用いて、EDLC用の典型的な有機系電解液, ((C_2H_5)_4NBF_4のプロピレンカーボネート溶液(TEABF_4/PC))中でのACNF電極の共振抵抗変化の測定を試みた。その結果、測定電位範囲内では、共振抵抗はほとんど変化しないことが明らかになった。従って、観測された重量変化は、粘弾性や表面粗度の変化ではなく、電解質イオンの吸脱着によるものだと考えられる。
注意が体性感覚情報と運動学習に及ぼす影響

体性感覚情報に注意を向けることにより,その情報の脳内処理がどのような影響を受けるのか,そのような実験的な注意課題を反復練習することにより,脳や行動にいかなる変化が起こるのか検討した.指標には,脳のニューロンの電気活動から生じる事象関連電位(Event-related brain potentials : ERPs)を用いた.体性感覚刺激によって誘発されるERPは,その刺激に注意を向けたときに増大した.つまり,注意により,体性感覚情報の処理に関わるニューロン活動は促進された.また,より多くの注意を向けるほど,ERPは増大した.しかし,注意の量によって変化を示さないERPも認められた.この注意課題の反復練習の結果,まず体性感覚刺激にのみ注意を向けて行った場合,課題の反復によってERPは低下していった.これはいわゆる慣れ(habituation)といわれる現象である.これに対し,体性感覚刺激を使った注意課題と視覚運動性の課題を同時遂行したとき(二重課題),ERPは課題の反復に伴い複雑な変動を示した.まず,ERPは増大し,次に低下し(慣れ),最後に増大した.最後にERPが増大するよりも先に,視覚運動性の課題でパフォーマンスの改善が認められた.最後のERP増大は,視覚運動性課題の習熟に伴い不必要になった注意処理資源が体性感覚課題に配分されたためと考えられた.本研究から,注意は感覚の種類を超えて配分されうること,運動学習には慣れや感覚モダリティを超えて配分される注意量が関係することが明らかとなった.本年度は,注意処理資源量と体性感覚情報処理との関係に焦点をあてて研究を行った.本研究では,処理資源量を操作するための手法として,二重課題法(視覚性追跡課題と体性感覚性オッドボール課題を同時に遂行する手法)を用いた.被験者が二重課題を遂行しているときに,体性感覚刺激を用いたオッドボール課題において誘発される事象関連電位(Event-related brain potential : ERP)を記録した.ERPは体性感覚情報の処理を反映する.まず,ERPのP300成分の振幅は,オッドボール課題を単独で行ったときと比較して,ふたつの課題を同時に行ったときに低下した.次に,二重課題中の視覚性追跡課題において追跡速度を操作したところ,P300振幅に変化は認められなかったが,RTは遅延した.一方,追跡の予測性を操作したところ,P300振幅は低下したたが,RTは変化しなかった.また,P300成分よりも早く出現するN140成分は,P300成分とは異なる変化を示した.これらの結果から,P300成分,N140成分,RTの変化に関わる処理資源はそれぞれ異なる機能的意義を持つと考えられた.つまり,処理資源は単一ではなく,いくつかの異なる型から成り立つと考えられた(多重処理資源仮説).本研究の独自性は,この仮説が体性感覚情報の処理に適用できることを初めて示した点と,視覚性追跡課題の課題困難度が体性感覚情報の処理に影響すること(つまり単一の感覚種を超えた影響)を初めて示した点にある.これらのデータは,日本体力医学会(9月)にて発表し,現在,国際誌に投稿中である.また,選択的注意に関する論文と受動的注意に関する論文が,国際雑誌に掲載された.体性感覚情報に注意を向けることにより,その情報の脳内処理がどのような影響を受けるのか,そのような実験的な注意課題を反復練習することにより,脳や行動にいかなる変化が起こるのか検討した.指標には,脳のニューロンの電気活動から生じる事象関連電位(Event-related brain potentials : ERPs)を用いた.体性感覚刺激によって誘発されるERPは,その刺激に注意を向けたときに増大した.つまり,注意により,体性感覚情報の処理に関わるニューロン活動は促進された.また,より多くの注意を向けるほど,ERPは増大した.しかし,注意の量によって変化を示さないERPも認められた.この注意課題の反復練習の結果,まず体性感覚刺激にのみ注意を向けて行った場合,課題の反復によってERPは低下していった.これはいわゆる慣れ(habituation)といわれる現象である.これに対し,体性感覚刺激を使った注意課題と視覚運動性の課題を同時遂行したとき(二重課題),ERPは課題の反復に伴い複雑な変動を示した.まず,ERPは増大し,次に低下し(慣れ),最後に増大した.最後にERPが増大するよりも先に,視覚運動性の課題でパフォーマンスの改善が認められた.最後のERP増大は,視覚運動性課題の習熟に伴い不必要になった注意処理資源が体性感覚課題に配分されたためと考えられた.本研究から,注意は感覚の種類を超えて配分されうること,運動学習には慣れや感覚モダリティを超えて配分される注意量が関係することが明らかとなった.
測路レーダーとGPSを併用した走行車両群のリアルタイム挙動把握

本研究では、ミリ波レーダーなどの測路デバイスとGPS機能付カーナビゲーションシステムを搭載する走行車両群の時々刻々と変化する走行位置を各車両群が自律的且つリアルタイムに推定するための車車間通信プロトコルを考案し、現実的な車両モビリティの下でその精度を精査し、車両密度とその位置推定精度などの関係を明確にすることを目的としている。一般に、すべての車両が測路レーダーとカーナビを保持していると仮定できないので、提案プロトコルでは、カーナビやミリ波レーダーを保持している車両が非保持車両の位置を推定しながら保持車両間で推定位置情報を交換することで、走行車両群全体の移動履歴を高精度且つリアルタイムで推定する方法を考案した。提案手法を交通流シミュレータと無線ネットワークシミュレーターを併用して評価し、その位置測定精度と車両密度、カーナビ・ミリ波レーダーの搭載率などとの関係を明らかにしている。様々な評価実験により、カーナビやミリ波レーダーを保持している車両の割合が30%程度でも、周辺車両のリアルタイムな位置が1メータ以内の誤差で推定できること(10%でも誤差は1. 4メートル以内)などを示すことで、提案手法の有効性を評価している。本研究では,ミリ波レーダーなどの測路デバイスとGPS機能付カーナビゲーションシステムを搭載する走行車両群の時々刻々と変化する走行位置を各車両群が自律的且つリアルタイムに推定するための車車間通信プロトコルを考案し,現実的な車両モビリティの下でその精度を精査し,車両密度とその位置推定精度などの関係を明確にすることを目的とする.一般に,すべての車両が測路レーダーとカーナビを保持していると仮定できないので,提案プロトコルでは,50-60%程度の車両がカーナビを保持し,20-30%程度の車両がミリ波レーダーを保持しているような状況を想定し,ミリ波レーダーやカーナビを保持する車両が非保車両の位置を推定し,パケット衝突を回避しながら車両間で推定位置情報を交換することで,走行車両群全体の移動履歴を高精度且つリアルタイムで推定する方法を考案することを目的とする.今年度は,まずミリ波レーダーやGPSなどの測路デバイスの誤差分布をできるだけ正確に把握するため,ミリ波レーダーモジュールとGPS付カーナビから測路デバイスの誤差分布のデータを収集・分析・評価すると共に,時々刻々と変化する各走行車両の推定位置を周辺車両間で自律的に交換しながら周辺車両群の走行状況をリアルタイムに把握するための車車間通信プロトコルを考案した.一般に,他車両からの推定位置情報や自車両のGPS情報には誤差が含まれているが,提案手法では複数の車両の推定位置情報を重ね合わせることで,その精度を高めている.これらの研究成果の一部を情報処理学会第56回モバイルコンピューティングとユビキタス通信(MBL)研究会で発表し,優秀発表賞を受賞した.本研究では、ミリ波レーダーなどの測路デバイスとGPS機能付カーナビゲーションシステムを搭載する走行車両群の時々刻々と変化する走行位置を各車両群が自律的且つリアルタイムに推定するための車車間通信プロトコルを考案し、現実的な車両モビリティの下でその精度を精査し、車両密度とその位置推定精度などの関係を明確にすることを目的としている。一般に、すべての車両が測路レーダーとカーナビを保持していると仮定できないので、提案プロトコルでは、カーナビやミリ波レーダーを保持している車両の割合を10100%に変化させ、ミリ波レーダーやカーナビを保持する車両が非保持車両の位置を推定しながら保持車両間で推定位置情報を交換することで、走行車両群全体の移動履歴を高精度且つリアルタイムで推定する方法を考案した。提案手法を交通流シミュレータと無線ネットワークシミュレータを併用して評価し、その位置測定精度と車両密度、カーナビ・ミリ波レーダーの搭載率などとの関係を明らかにしている。様々な評価実験により、GPSの単独使用と比較して85%程度位置推定精度が向上すること、カーナビやミリ波レーダーを保持している車両の割合が30%程度でも、周辺車両のリアルタイムな位置が1メータ以内の誤差で推定できること(10%でも誤差は1.4メートル以内)などを示すことで、提案手法の有効性を評価している。
音楽美評価システムおよび音楽理論学習システムの構築

1.和声学(1)音楽美評価システム"MAESTRO"の構築和声学専門家による音楽美評価項目を抽出し,それらに対する相対重みを専門家による評価スコアに基づき最小二乗法で推定することで和声学許容解に対する音楽美を評価することのできる"MAESTRO"を構築した.本論文は日本音響学会誌に掲載された.(2)バス課題回答に対する評価システム"VISAGE'"の構築和声学学習におけるバス課題について,学習者の回答に含まれるルール違反をチェックするシステム"VISAGE"を構築した.現在はVISAGEを応用として,和声法通信教育システムの実現に向けて検討している.(3)和声法教育システムの設計和声法教育システム全体の設計を行い,そのサブシステムである「バス課題自動生成システム」について検討した.具体的にはカデンツ型・和音進行・音高の各レベルにおける遷移をマルコフモデルにより特徴抽出を試みた.2.音楽心理(1)オクターブ知覚の検討被験者に絶対音感保持者を用いてオクターブ知覚判断を行なった.その結果,オクターブ知覚は従来の知見「物理的な周波数比よりもやや広い方がオクターブと感じやすい」は先行聴取音の有無によって異なる可能性があることが示唆された.3.音楽認知情報処理(1)ギタリストの押弦位置決定システム初心者のギタリストを対象とし,ギター演奏練習において効果的な練習課題を提供するシステム"S2T"を開発した.S2Tは手首の移動をなるべく行なわない,すなわち演奏不可を軽減した左手運指を生成することができる.S2Tは電子情報通信学会論文誌に掲載予定である.2)ギタリストの押弦戦略推定法の開発ギタリストの運指決定における個性を記述するために,ギターの指板の部分的領域から構成される"UPR"を提案し,ギター演奏者の運指構造をUPRで記述することを提案し,押弦戦略のギター演奏者間での共通性・非共通性の記述に成功した.なお,申請時の項目「和声学における経験則の評価」は1-(2),1-(3)に含み,「リズム知覚」「音高知覚と方向近くの処理順序」2-(1)に変更・統合し,3-(2)は3-(1)の延長として実施した.1.和声学(1)音楽美評価システム"MAESTRO"の構築和声学専門家による音楽美評価項目を抽出し,それらに対する相対重みを専門家による評価スコアに基づき最小二乗法で推定することで和声学許容解に対する音楽美を評価することのできる"MAESTRO"を構築した.本論文は日本音響学会誌に掲載された.(2)バス課題回答に対する評価システム"VISAGE'"の構築和声学学習におけるバス課題について,学習者の回答に含まれるルール違反をチェックするシステム"VISAGE"を構築した.現在はVISAGEを応用として,和声法通信教育システムの実現に向けて検討している.(3)和声法教育システムの設計和声法教育システム全体の設計を行い,そのサブシステムである「バス課題自動生成システム」について検討した.具体的にはカデンツ型・和音進行・音高の各レベルにおける遷移をマルコフモデルにより特徴抽出を試みた.2.音楽心理(1)オクターブ知覚の検討被験者に絶対音感保持者を用いてオクターブ知覚判断を行なった.その結果,オクターブ知覚は従来の知見「物理的な周波数比よりもやや広い方がオクターブと感じやすい」は先行聴取音の有無によって異なる可能性があることが示唆された.3.音楽認知情報処理(1)ギタリストの押弦位置決定システム初心者のギタリストを対象とし,ギター演奏練習において効果的な練習課題を提供するシステム"S2T"を開発した.S2Tは手首の移動をなるべく行なわない,すなわち演奏不可を軽減した左手運指を生成することができる.S2Tは電子情報通信学会論文誌に掲載予定である.2)ギタリストの押弦戦略推定法の開発ギタリストの運指決定における個性を記述するために,ギターの指板の部分的領域から構成される"UPR"を提案し,ギター演奏者の運指構造をUPRで記述することを提案し,押弦戦略のギター演奏者間での共通性・非共通性の記述に成功した.なお,申請時の項目「和声学における経験則の評価」は1-(2),1-(3)に含み,「リズム知覚」「音高知覚と方向近くの処理順序」2-(1)に変更・統合し,3-(2)は3-(1)の延長として実施した.
シトクロムcの翻訳後修飾を行うタンパク質システムの作用機構の解明

本研究は、シトクロムcという原核生物から真核生物までほぼすべての生物が有するタンパク質の成熟化を行うタンパク質群であるCcm(Cytochrome c maturation)の作用機構を明らかにすることを目的としている。シトクロムcはミトコンドリアの呼吸鎖における電子伝達タンパク質と機能する他、細胞死であるアポトーシスの引き金となるタンパク質であることから、生成及びその品質管理を理解することは重要であると共に、CcmはC型ヘムを有するタンパク質を大腸菌や無細胞系で発現させる時には必須である、その効率の点で未解明な部分が多く、Ccmの理解はタンパク質工学的にも重要な課題の一つである。本研究の共同研究者であるOxford大学のFerguson教授らの研究により、8個存在するCcmタンパク質の中でもCcmEがヘムをシトクロムcに引き渡し、チオエーテル結合の形成という翻訳後修飾を行うことが生化学的に報告されていた。我々はこの機構を詳細に検討することを試みた。Ferguson教授らは細菌(Hydrogenobacter thermophilus)由来のシトクロムcを用いていたが、今回、ホ乳類であるウマ、及び酵母であるSaccharomyces cerevisiae由来のシトクロムcを用い、翻訳後修飾過程を検討したが、翻訳後修飾は形成されなかった。これは、CcmEによるシトクロムcの選択性を表している。CcmEとこれらのシトクロムcの相互作用を表面プラズモン共鳴装置により解析したが、全く相互作用しなかった。以上のことから、CcmEはシトクロムcのある特定の部位を認識し、ヘムの受け渡しを行っていることがわかった。今後はH. thermophilus由来のシトクロムcの認識部位を明らかにすることを試みる。それにより、CcmEを利用したより広汎なC型ヘムをもつタンパク質の翻訳後修飾につながり、外来タンパク質の発現における有用な情報が得られると期待される。シトクロムcは電子伝達蛋白質であり、原核生物から真核生物までほぼすべての生物が有する蛋白質である。補酵素としてヘムを有し、そのヘムはシトクロムcのCysとチオエーテル結合を形成している。このチオエーテル結合の形成は自発的には不可能で、大腸菌の場合、Cytochrome c Maturationと呼ばれる8個以上の蛋白質(CcmACcmH)からなる非常に精巧な分子機械が行う。in vitroの実験において、CcmEがヘムの挿入とチオエーテル結合の形成が可能である、という報告があるが、その詳細は明らかではない。そこで本研究は、CcmEによるシトクロムcの過程を分光学的手法を用い、明らかにすることを目的とした。初めに、CcmEの発現、精製系の最適化を行った。培養条件による発現量の変化が大きく、培養する容器の大きさや蛋白質の発現誘導物質を加えるタイミング、誘導後の培養時間、回転数などを細かく検討し、最適な発現条件を見出した。精製したCcmEに、酢酸中、塩化銀で処理し、ヘムを除去したシトクロムcを加え、窒素置換後、ジチオナイト、DTTを各2mMに加え、その後、吸収スペクトルを観測した。反応開始と共にCcmE由来の400nmのピークが消失し、2時間後に415nmに新たなピークが現れた。このピークの位置は還元型のシトクロムcのピークの位置に近いが、Qバンド(500-550nm)と呼ばれるは還元型のシトクロムcに特徴的な吸収帯の形が全く異なっていた。また、還元型のCcmEとも異なるスペクトルであった。つまり、今回観測された415nmに吸収をもつものはCcmEでもシトクロムcでもなく、ヘムが引き渡される際に現れる中間体と思われる。以上のことから、ヘムはCcmEから完全に解離した後、シトクロムcに移動するのではなく、CcmE、ヘム、シトクロムcの三者による複合体を形成し、輸送されることが初めて示すことができた。今後はH. thermophilus

由来のシトクロムcの認識部位を明らかにすることを試みる。それにより、CcmEを利用したより広汎なC型ヘムをもつタンパク質の翻訳後修飾につながり、外来タンパク質の発現における有用な情報が得られると期待される。
腫瘍集積型光触媒ナノ粒子の創製と超音波力学的がん治療

がん細胞を特異的に認識・結合する生体分子(DNAアプタマー、アビジン)とポリアクリル酸を固定化した溶液分散型二酸化チタン(TiO2)ナノ粒子を作製した。TiO2に超音波を照射することにより生成するOHラジカルの培養がん細胞に対する細胞傷害効果を検討した。その結果、がん細胞がOHラジカルなどの化学種の強力な酸化作用により有意に損傷を受け、アポトーシスを誘導し細胞死に至ることを確認した。本年度は以下の項目について取り組んだ。(1)水中に超音波を照射した際に生じるOHラジカルの生成量について、超音波強度と周波数(1001000kHz)の影響を検討した。低エネルギー領域(03W)では300kHz、高エネルギー領域(46W)では1000kHzで最もOHラジカルの生成量が多いという結果が得られた。また100kHzでは、超音波エネルギーの高低に関係なく、OHラジカルの生成量は少なかった。(2)ヒト肝がん細胞であるHepG2細胞を特異的に認識するDNAアプタマーの獲得を目的としてCell-SELEX法によりDNAアプタマーの選抜を行った。Cell-SELEXを11Round、正常ヒト肝細胞によるカウンターセレクションを4回行うことで、HepG2細胞を特異的に認識するDNAアプタマーの候補を選抜し、その塩基配列を決定した。二次構造により6種類に分類し、その内の5種類について機能評価を行った。その結果HepG2細胞を特異的に認識するDNAアプタマーを得ることができた。獲得したDNAアプタマーについて、モデル肝がん細胞HepG2に対する結合能を評価した結果、そのK_dは約10^<-8>Mであった。(3)リポソームからの薬剤放出を制御する外部刺激として超音波を、リポソームを腫瘍部位に集積させるがん細胞認識分子として、DNAアプタマー、あるいは葉酸(Fohc acid)を用いた新規リポソームの構築を行った。温度感受性高分子(2C_<12>-poly (NIPMAM-co-NIPAM)修飾リボソームは、超音波照射により高効率で内包物を放出した。アプタマー修飾リポソームのがん細胞への結合は確認できなかったが、この原因として、アプタマーの添加量が少なかったことが考えられる。一方、葉酸-温度感受性高分子修飾リポソームのがん細胞への有意な結合が確認できた。本研究の目的は「腫瘍細胞を認識し、がん病巣に特異的に集積する機能性光触媒ナノ粒子」と「超音波触媒法」とを融合した、非侵襲的かつ臓器機能温存型の「新規がん治療法」を確立することである。このため本年度は以下の点に焦点を合わせて研究を行い、以下の成果を得た。「二酸化チタンナノ粒子のターゲティング技術」に関しては悪性度が高くがん幹細胞のモデル細胞株として知られるヒト乳腺がん細胞株MDA-MB-231をターゲット細胞として、Cell-SELEX法を用いたDNA aptamerの選抜を行った。その結果MDA-MB-231に結合するDNA aptamerの候補を絞り込むことができ、対照がん細胞株としてヒト乳腺がん細胞株MCF-7によるカウンターセレクションを行ことでMDA-MB-231とMCF-7を識別するDNA aptamerを選抜することができた。さらにDNA aptamer 5'末端に修飾したアミノ基とTiO_2ナノ粒子に修飾したカルボキシル基のアミノカップリング反応により、DNA aptamerのTiO_2ナノ粒子への固定化技術を確立した。また「二酸化チタン・超音波触媒法によるがん細胞損傷」に関して、500kHzと1000kHzの超音波を同時照射するTiO_2/Dual-US法を用いたがん治療を検討した。これにはヒドロキシル(OH)ラジカルの生成量、温度上昇率の測定、がん細胞損傷効果の評価を行った。その結果TiO_2添加によるOHラジカル生成量の相乗効果が高い、最適な超音波照射条件を決定できた。また培養がん細胞にTiO_2/Dual-US法を適用すると、高い増殖抑制効果がみられることも確認した。さらにキャビテーション気泡の効果的生成技術として超音波照射で誘引可能な新規DNAアプタマー修飾バブルナノミセルの作製技術を開発し、これが有意なOHラジカル生成能を有することを確認した。本研究目的は「がん病巣に特異的に集積する機能性光触媒ナノ粒子」と「二酸化チタン超音波触媒法(TiO2/U.S.法)」を融合した、臓器機能温存型の「新規がん治療法」を確立することであり、以下の成果を得た。1.腫瘍細胞に特異的に結合するタンパク質としてアビジンに着目し、アビジン修飾TiO2ナノ粒子(avi-TiO2)の作製と、それを用いたTiO2/U.S.法によるがん細胞増殖抑制効果を評価した。アミノカップリング法を用いたアビジンのTiO2表面への固定化により、二酸化チタンナノ粒子1個あたりに約2150分子のアビジンが修飾されたavi-TiO2を作製することができた。正常細胞HMECよりもがん細胞MCF-7に多くのavi-TiO2が結合した。

0.1 W/cm2、30 s間の条件でTiO2/U.S.法を適用したMCF-7は超音波照射後48 hから徐々に細胞増殖抑制効果が現れ始め、その効果は時間経過と共に大きくなった。この効果は細胞膜が超音波照射によって生成したOHラジカルなどの化学種の酸化作用により損傷を受け、アポトーシスを誘導したためと考えられる。2.HepG2細胞を認識するDNAアプタマーについて細胞認識に必要な配列の探索とDNAアプタマーのダウンサイジングを行った。その結果(1)HepG2細胞を認識するDNAアプタマーは推定二次構造の違いによりA-Gの7種類のカテゴリーに分類できた。(2)その中で、C2 cloneが最も結合力が高く(Kd=7.19±1.00×10-8 M)、カテゴリーCにKdが10-8 Mオーダーとなる結合力の高いDNAアプタマーが多かった。(3)stem-loop構造においてstemが長くなると構造が安定し結合力が増加するが、一定以上の長さでは構造が大きくなり結合の妨げになる。最も適切なstemの長さは5 bpであった。本研究の主目的は、研究代表者らが従来光触媒として知られる酸化チタンに超音波を照射するときわめて酸化力の強いOHラジカルが生成することを見出したことから、「腫瘍細胞を認識し、がん病巣に特異的に集積する機能性光触媒ナノ粒子の創製」と「光触媒・超音波触媒法によるがん細胞損傷技術の開発」である。前者に関しては肝がん細胞HepG2および悪性度が高くがん幹細胞のモデル細胞株のMDA-MB 231に特異的に結合するDNA aptamerの取得に成功し、酸化チタンナノ粒子表面に修飾後in vitroでのがん細胞への特異的結合を確認している。後者に関しては500kHzと1000kHzの超音波を同時照射するTiO_2/Dual-US法を開発し、その有効性が確認できた。従って当初計画した研究計画はおおむね順調に進展していると考えられる。24年度が最終年度であるため、記入しない。本研究申請時当初の計画には予定していなかったが、「二酸化チタン・超音波触媒法」による「がん幹細胞」の傷害評価を行う。がん組織の中には"がん幹細胞"とよばれる少数の細胞が存在し、がん組織の大部分を占めるすでに"分化"したがん細胞を殺傷しても、このがん幹細胞が生き残っている限り、がんは再発すると言われている。このがん細胞には、薬剤耐性を獲得しているものがあることも指摘されている。そこで、超音波触媒法で発生する耐性のないラジカルによるがん傷害効果が、がん幹細胞へも適応可能かを調べる。がん幹細胞のモデル細胞株のMDA-MB 231に特異的に結合するDNA aptamerを結合した酸化チタンナノ粒子あるいは超音波照射でバブル誘引可能なナノミセルの作用を検討する。本研究を遂行する上での問題点はない。