hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
南海トラフ地域の標準年代モデルの構築とそれを利用した構造変形史の解明

本研究では,統合国際深海掘削計画(IODP)において南海トラフ地域で掘削されたExpedition 315のC0001,C0002および316のC0004のコア試料を用いて,後期中新世から後期更新世までの過去50Maの底生有孔虫化石群集を解析した.これらのコアの年代に関しては,石灰質ナノ化石の示準面とGloborotalia inflataの酸素同位体の層序により決定した.C0001コアでは,表層から130mまでの区間が,MIS7からMIS38の期間に相当することが明らかとなった.さらに,このコアでは200m付近に不整合が存在し,下底は後期中新世に至る.C0002コアは,石灰質ナノ化石より0.065Maから1.04Maの期間の堆積物であると思われる.一方,付加体であるC0004コアはUnit1とUnit4,Unit2とUnit3が同じ年代を示し,地層が何度も繰り返している.C0001のUnit1(斜面部)における古水深は,2.0Ma前後には10002000mで,時代が新しくなるにつれ,徐々に深化し,0.2Ma所後には20003000mに達したと推定される.C0001のUnit2の付加体の部分では,Nuttallides umbonideraが断続的に産出することから3500m以深で堆積したと考えられる.震災により2011年3月より半年以上,研究が停止した.また,試料等の散逸も生じ,再び研究資料を整備し直すのに時間がかかってしまった.しかし,出版予定が遅れているものの,予定したコア試料の解析はほぼ終了し,年代モデルの作成も終了した.1年間の遅れはあったものの,その目的はほぼ達成しつつある.今年度は,統合国際深海掘削(IODP)において南海トラフ地域で掘削されたExpedition315航海のC0001,C0002およびExpedition316航海のC0004のコア試料を用いて,後期中新世から後期更新世までのおよそ500万年間の底生有孔虫化石群集を解析した.底生有孔虫化石群集に関しては,C0001,C0002,C0004の465試料から101属267種の有孔虫を同定し,その群集組成からC0001を10の化石帯,C0002を4の化石帯,C0004を5つの化石帯に区分した.その結果,C0001およびC0002は連続的に堆積しているが,C0004は断層によって層序が分断され,数回同じ地層が繰り返していることが明らかとなった.古水深に関しては,底生有孔虫群集の解析結果より,C0001のUnit 1は2Ma前後に10002000mで,時代が新しくなるにつれ徐々に深くなり,0.2Ma前後には20003000mに達したと考えられる.C0001のUnit 2の付加体部分は,Nuttallides umboniferが断続的に産出することから,3500m以深で堆積したと考えられる.本研究では,統合国際深海掘削計画(IODP)において南海トラフ地域で掘削されたExpedition 315のC0001,C0002および316のC0004のコア試料を用いて,後期中新世から後期更新世までの過去50Maの底生有孔虫化石群集を解析した.これらのコアの年代に関しては,石灰質ナノ化石の示準面とGloborotalia inflataの酸素同位体の層序により決定した.C0001コアでは,表層から130mまでの区間が,MIS7からMIS38の期間に相当することが明らかとなった.さらに,このコアでは200m付近に不整合が存在し,下底は後期中新世に至る.C0002コアは,石灰質ナノ化石より0.065Maから1.04Maの期間の堆積物であると思われる.一方,付加体であるC0004コアはUnit1とUnit4,Unit2とUnit3が同じ年代を示し,地層が何度も繰り返している.C0001のUnit1(斜面部)における古水深は,2.0Ma前後には10002000mで,時代が新しくなるにつれ,徐々に深化し,0.2Ma所後には20003000mに達したと推定される.C0001のUnit2の付加体の部分では,Nuttallides umbonideraが断続的に産出することから3500m以深で堆積したと考えられる.震災により2011年3月より半年以上,研究が停止した.また,試料等の散逸も生じ,再び研究資料を整備し直すのに時間がかかってしまった.しかし,出版予定が遅れているものの,予定したコア試料の解析はほぼ終了し,年代モデルの作成も終了した.1年間の遅れはあったものの,その目的はほぼ達成しつつある.
クレアチン・アナログ投与がラット骨格筋のエネルギー代謝特性に及ぼす影響

骨格筋の収縮・代謝特性が、高エネルギーリン酸含有レベルにどのような影響を受けるのか、ラットを使って追求した。その結果、特に長指伸筋で顕著であったが、ヒラメ筋にもbeta-GPA投与に伴う更なる遅筋化が見られた。また、beta-GPA投与により、炭水化物代謝の抑制と脂質代謝の亢進が示唆された。日常の筋収縮活動レベルは減少しているにも関わらず、長期間のクレアチン枯渇による筋の有酸素能が改善されることを示すもので、基礎科学分野のみならず、運動トレーニング分野においても有意義な示唆を与えてくれるものと思われる。しかし、一時注目されていたクレアチン投与に対しては、顕著な効果は認められなかった。内容:骨格筋の収縮特性、代謝特性、形態的特性等は、各種の因子に応じて変化する可塑性を有している。従って、これらを改善するための運動トレーニングが実施されているが、顕著な効果は得られておらず、意図する効果を筋に誘発させる機構も必ずしも明らかではない。そこで、筋の収縮活動レベルに応じた機械的刺激とは無関係に、筋中高エネルギーリン酸レベルを変え、代謝的刺激を変えた場合の筋の可塑機構を追求しようとする研究を計画した。意義:beta-guanidinopropionic acid (GPA)およびクレアチン(Cr)投与に応じた筋の遅筋化および速筋化に伴った特異的な遺伝子およびタンパク質発現の反応が明らかになり、トレーニング処方のみならず、脂質・糖代謝に関連した医療分野や、基礎科学的にも大きな波及効果が期待される。重要性:たとえばスプリンターや持久性ランナーのトレーニング処方としては、一般的に競技特異的な筋運動が処方されてきている。しかし必ずしも収縮活動とは関係なく、筋のエネルギー代謝レベルを刺激することによる速筋化または遅筋化を誘発し、これらの変化を引き起こす機構の詳細を解明しようとするものである。方法:オスマウスを任意にGPA、Cr及びコントロール群に分け、GPA群には、粉末飼料にGPAを1%濃度で混入したエサ、Cr群には同様にCrを1%濃度で混入したエサ、コントロール群にはこれらを混入しない粉末飼料を同量ずつ与えて飼育した。約8週間後、後肢筋の収縮特性および生化学的特性を分析した。筋中高エネルギーリン酸含有量は、クレアチンまたはそのアナログであるbeta-guanidinopropionic acid (beta-GPA)の経口投与によって調節し、麻酔下での大腿部坐骨神経を介した右ヒラメ筋または左長指伸筋のin situ電気刺激に対する収縮特性と炭水化物および脂質代謝を追求した。また、5分間のtrain stimulation (10 Hz)直後の筋で分析した結果、コントロール食ラットでは顕著な乳酸の増加とクエン酸の減少が見られた。しかし、beta-GPA投与群ではマイナーであり、炭水化物代謝の抑制と脂質代謝の亢進が示唆された。また、ミトコンドリア酵素の活性化も誘発されており、収縮特性のみならず、ミトコンドリアにおける脂質代謝に改善が起こることが明らかとなった。日常生活における筋の収縮活動レベルは減少しているにも関わらず、長期間のクレアチン枯渇による筋の有酸素能が改善されることを示すもので、基礎科学分野のみならず、運動トレーニング分野においても有意義な示唆を与えてくれるものと思われる。各種指標の分析は現在も進行中であるが、研究期間内には完了できると確信している。神経・筋生理学平成27年度には一定頻度・強度・時間の等尺性収縮中の遅筋および速筋における炭水化物および脂質代謝の分析を行う。測定項目は、これらの代謝に関係した代謝産物含有量である。
化学反応の量子ダイナミックス

本研究では、主に(1)H_3^+の解離性電子付加反応の量子動力学、(2)H_2COの広域的ポテンシャル関数の構築とそれを用いた分子解離と異性化反応の量子動力学、(3)NOCl分子の基底及び励起状態のポテンシャル関数の構築と光吸収スペクトルとラマンスペクトルの形状についての量子動力学についての研究を行った。また、遷移金属原子と酸素分子の反応の典型例であるTi+O_2についてポテンシャル面とトラジェクトリー計算を行った。これらの研究を通して、Rydberg状態の量子動力学と記述する有効ハミルトニアンや累積反応確率を求める効率的な計算法の開発を行った。これらの研究の結果、これまで多くの実験研究がなされていたにも拘わらず明確な描像が得られていなかった反応過程に対して高精度の電子状態と量子動力学に基づいた信頼できる回答を与えることができた。今年度は、(1)積分方程式理論に基づく溶質分子の新しい電子状態理論の開発とその応用、(2)電荷の分極効果を考慮に入れた分子モデルの構築と水の赤外、ラマンスペクトルの理論計算、(3)RISM-SCF法に基づく溶液内の光化学過程の研究を主に行った。(1)では、溶質・溶媒間の相互作用ポテンシャルや相関関数を多重極展開する第一原理的な方法に基づいて溶質分子の電子状態を求める新しい理論的方法(molecular Ornstein-Zernike SCF法)の開発を行った。先ず、この方法のテストとして、水溶媒中の水分子とフォルムアルデヒド分子に対して計算を行ったが、得られた結果は良好であった。(2)では、CRKモデルを用いて、水分子に対して3site、5siteを作り、水の赤外とラマンスペクトルのシミュレーション計算を行った。結果は、3siteモデルでは水分子の面外方向の分極を考慮にいれることができないため、遠赤外、ラマンスペクトルの実験結果を再現することができないが、5siteモデルでは良く再現することが分かった。(3)では、N,N-ジメチルアミノベンゾニトリル(DMABN)の励起状態における分子内電荷移動反応について反応の自由エネルギー面の計算を行った。溶媒としては、アセトニトリルを選んだ。結果としては、基底状態、第一励起状態ともジメチルアミノの内部回転に対する自由エネルギー面は極めて平坦であり、電荷移動反応は溶媒の再配向により駆動されることなどが分かった。また、state averagedCASSCF法を用いて溶媒の再配向エネルギーを求める方法を考案した。今年度は、(1)H_3分子の緩和過程の量子動力学、(2)H_2COのポテンシャル面と解離ダイナミックス、(3)NOClのポテンシャル面と振動エネルギー準位についての研究を行った。(1)では、H_3^+イオンの解離性電子付着反応の機構を知る上で重要な、H_3の高いRydberg状態の過程を調べるため、Rydberg電子に対する有効ポテンシャルを求め、それを用いてRydberg電子とH_3^+イオンの運動を記述する有効ハミルトニアンを構築した。その際、2sA_1'状態から2pE'状態への非断熱遷移の効果をハミルトニアンに組み入れた。このハミルトニアンを用いて、約2000のRydberg状態のエネルギー準位と寿命を求めた。その結果、sとpのRydberg状態の寿命は数psから1nsの間にあり、主量子数に係わらず不規則に分布すること、dとfのRydberg状態の寿命はsp状態より長いことなどが分かった。(2)では、電子基底状態における分子解離と異性化反応を記述することができるポテンシャル面を構築し、古典トラジェクトリー法により解離反応に対する異性化反応の役割を調べた。(3)では、基底、励起状態のポテンシャル面を求め、基底状態の全振動エネルギー準位を求めた。これらの研究の他、遷移金属原子と酸素分子の反応の典型例であるTi+O_2についてポテンシャル面とトラジェクトリー計算を行った。今年度は、(1)H_2COの解離反応についての量子ダイナミックス計算および(2)NOCl分子の振動励起状態についての理論計算を行った。(1)では、昨年度に作成した解離および異性化のチャンネルを記述することができるポテンシャル関数を用い、各反応チヤンネルのcumulative reaction probabilityを量子力学的に求めるプログラムの作成を行った。現在、自由度を制限したモデルについての計算が終了し、全自由度を考慮した量子ダイナミックス計算を実行する準備を進めている。(2)では、電子基底状態に対して解離極限近くまでの約1,400の振動固有状態を求めた。赤外、ラマン分光により得られている低い励起状態のエネルギー準位は良く再現されており、それらは大きな遷移モーメントを持つことが分かった。

振動エネルギー準位に対して、最近接エネルギー間隔を調べると、解離極限近くまでregularな振動状態を持つことが分かった。この結果は、水素以外の重い原手から成る分子では、極めて特異的であると言うことができる。この高振動励起状態でのregularityの原因を調べるため、2次元モデルに対して古典トラジェクトリー法を用いて力学的特徴を調べたところ、解離極限近傍においても準周期的トラジェクトリーが存在することが明らかとなり、量子状態のregularityによく対応していることが分かった。更に、新しい研究課題として、No_3のポテンシャル面および新しい半古典トラジェクトリー法の開発を開始した。
特異なπ空間をもつ曲面状共役系化合物の構築と機能開拓

π電子に囲まれた空間、いわゆる“π空間"をもつ構造は、フラーレン類に限らず、カーボンナノチューブやカーボンナノホーンなど、ナノテクノロジーへの応用が期待される炭素新物質のもつ特異な構造である。申請者は、これまでの研究背景をもとに、これまでにない非平面状の“π空間"をもつ化合物を構築し、曲面状の共役系間に働く相互作用の本質を明らかにし、さらに機能性超分子システムへ展開することを目的として研究を行った。そのなかで、π拡張フルオレンの一種である非平面構造を持つテトラベンゾフルオレン(TBF)の17,17-ジアルキル体が固体(粉末)状態で高い青色蛍光発光特性(量子収率:R =n-pentyl 100%)を示すことを見出した。このジアルキルTBFは3,14位を選択に臭素化することができ、鈴木-宮浦カップリングにより種々のアリール基を導入することができた。このジアリール体はパラ位の官能基によって発光波長が変化し、いずれも強い蛍光発光を示した。特にジ-p-ニトロ体は溶媒を変えることで蛍光波長が青から赤まで変化し、フルカラーの蛍光を示した。また極性溶媒中では蛍光が消光されるが、含水THF中で水分量が70%を超えると橙色の蛍光が再生する特異なCrystallizationInduced Emissionを示した。有機EL素子として、単一物質での白色発光が期待され、今後検討する予定である。またTBFから17-位の酸化によるケトンの合成、フルバレン類の構築、t-ブチル化によりテトラ-t-ブチル体の合成などを行った。特に二量体構造をもつフルバレンを安定な青色固体として得ることができ、高い電子授受能力を持つことを電気化学的測定により確認した。Nー型有機半導体としての性質が期待される。24年度が最終年度であるため、記入しない。π電子に囲まれた空間、いわゆる"π空間"をもつ構造は、フラーレン類に限らず、カーボンナノチューブやカーボンナノホーンなど、ナノテクノロジーへの応用が期待される炭素新物質のもつ特異な構造である。申請者は、これまでの研究背景をもとに、これまでにない非平面状の"π空間"をもつ化合物を構築し、曲面状の共役系間に働く相互作用の本質を明らかにし、さらに機能性超分子システムへ展開することを目的として研究を行っている。そのなかで、π拡張フルオレンの一種であるテトラベンゾフルオレン(TBF)の17,17-ジアルキル体が固体(粉末)状態で高い青色蛍光発光特性(量子収率:R=n-pentyl100%)を示すことを見出した。また、ジアルキルTBFは3,14位を選択に臭素化することができ、鈴木-宮浦カップリングにより種々のアリール基を導入することができた。このジアリール体は強い蛍光発光を示し、またパラ位の官能基によって発光波長が変化した。特にジ-p-ニトロ体は溶媒を変えることでフルカラーの蛍光を示した。またニトロ体は極性溶媒中では蛍光が消光されるが、含水THF中で水分量が70%を超えると榿色の特異なCrystallizationInduced Emissionを示した。またジピリジル体は溶媒の酸性度により蛍光が青から黄色へと変化し、またポリマーフィルム中で温度変化に伴う蛍光変化(青→緑)が観測されるなどセンサーとしての機能も見出された。

これまでにない非平面状の"π空間"をもつ化合物である、テトラベンゾフルオレン誘導体の特異な発光特性を見出すことができた。さらに、その性質を検討することで、曲面状の共役系をもつペンタ-iso-ベンゾコラヌレンへの合成を視野に入れることが可能となった。24年度が最終年度であるため、記入しない。これまでほとんど研究されてこなかったテトラベンゾフルオレン(TBF)を基本骨格に、発光材料や有機半導体として有用な化合物を創出することを目的として研究を行う。TBF骨格をもとにさらに共役系の拡張を行い、現在注目されている5員環やヘテロ原子を含むナノグラフェン型化合物の構築へと展開する。TBF骨格をもつフルベン・フルバレン類は長波長に強い吸収を持つ色素であり、太陽電池素子への応用なども検討するとともに、脱水素閉環反応により5員環を含むナノグラフェン(ペンタベンゾコラヌレンなど)への変換も検討する。
高ＣＯ親和性超分子ヘムタンパク質モデル錯体を用いた細胞内ＣＯの機能探索

有毒ガスである一酸化炭素(CO)は、生体内においてはヘムの代謝過程において常時産生されており、重要な役割を担うと言われているが、その生理機能の全容は明らかになっていない。本研究では、COを選択的に捕捉できる超分子ヘムタンパク質モデルhemoCDを使って、生体内から選択的にCOを除去し、そのときの生体内反応を見る事によってCOの生理機能を探索することを試みた。その結果、マウス体内から内在性COを消去することに成功し、その際に欠乏したCOを補うようにフィードバック産生機構が働くことを明らかにした(J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 5417-5425).非常に高いCO親和性を有する超分子錯体hemoCDを用いて、生体内におけるCOの生理機能につき模索した。まずhemoCDを動物の血中に投与し、その際に肝臓内で起こる遺伝子発現状況についてRT-PCR法などにより検討した結果、hemoCDによって血管内のCOが欠乏すると、COを産生する酵素であるヘムオキシゲナーゼ1の発現が有意に誘導されることが明らかとなった。さらにその誘導機構には血中のCO-Hb濃度の一時的な低下が関与することを明らかにしており、本成果は2015年度中に公表する予定である。つぎにhemoCDを細胞内に導入し、細胞内COの選択的除去によるCOのシグナル分子としての機能探索を行った。hemoCD自体には細胞膜透過能がないために、hemoCDの分子骨格に膜透過性ペプチドを導入した。hemoCDはポルフィリン(Por)とシクロデキストリン(CD)の2成分から構成される超分子であり、Por側(Chem. Lett. 43, 2014, 1095)およびCD側(Chem. Commun. 2015, 51, 2421)のそれぞれにオリゴアルギニンを取り付けた系を構築した。それぞれの系において、超分子錯体のHeLa細胞内への取り込みが確認された。また細胞内へのhemoCD誘導体の導入によって、炎症系因子であるTNF-αの発現が誘導されることが明らかとなり、COが抗炎症作用を示すといった従来の知見をノックダウンの方面から支持する結果が得られた。一酸化炭素(CO)を選択的に捕捉する超分子錯体hemoCDを使って,動物体内および培養細胞内におけるCOの生理機能探索を行った.動物体内の系において, hemoCDのマウスへの腹腔投与により,血中の内因性COを捕捉する実験を行った.その結果, COの欠乏に伴って肝臓内で酵素ヘムオキシゲナーゼの発現が誘導され,遊離ヘムの代謝分解が促進されることにより,その副産物として新たにCOが産生した.すなわち,内因性COの欠乏を補うための生体内フィードバック機構が示唆された.このフィードバック機構の詳細を検討するために, CO欠乏時における血液成分の分析を行った結果,内因性COが低減すると血中でフリーヘムの濃度亢進が起こる事が明らかとなった.フリーヘムの濃度上昇によりヘムオキシゲナーゼが誘導され, COの恒常性が保たれるものと考えられる.本成果はJ. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 5417に印刷公表した.培養細胞の系にhemoCDを適用するために, hemoCDに膜透過性ペプチドを縮合したR8-hemoCDを合成した. R8-hemoCDのフリーベース体を用いて,細胞内導入について共焦点顕微鏡観察により検討した結果, R8-hemoCDの細胞内導入が確認された.細胞内COの捕捉効果について,免疫細胞をLPSで刺激し,サイトカイン産生量を見積もることにより証明を試みた.本成果については日本化学会春季年会などにて発表した.有毒ガスである一酸化炭素(CO)は、生体内においてはヘムの代謝過程において常時産生されており、重要な役割を担うと言われているが、その生理機能の全容は明らかになっていない。その結果、マウス体内から内在性COを消去することに成功し、その際に欠乏したCOを補うようにフィードバック産生機構が働くことを明らかにした(J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 5417-5425).動物体内および細胞内において、hemoCDを用いたCO除去のアッセイを確立し、その成果が出つつある。2015年度はその成果公表に力を注ぎたい。生体内超分子化学現在得られている研究成果を公表するとともに、細胞内シグナル伝達系や神経細胞系を専門に扱う研究者と協力し、まだ知られていない一酸化炭素の新しい生理機能をhemoCDによって明らかにすることをめざす。
高等植物におけるホスファチジルイノシトール3キナーゼ複合体の生理機能解析

ホスファチジルイノシトール3リン酸(PI3P)と呼ばれるイノシトールリン脂質はホスファチジルイノシトール3キナーゼ(PI3キナーゼ)によって合成され、脂質メッセンジャー分子として生体内の様々な生命現象に関わっている。植物ではPI3キナーゼの欠損株が雄性不稔となることもあり、逆遺伝学を用いた生理機能解明は進んでいない。私はPI3キナーゼの活性調節因子Atg6を使って雄性不稔を回避する遺伝子操作を施し、PI3キナーゼ活性が著しく低下したatg6変異体植物個体を作出することに成功した。本研究では、この手法によって得られたatg6変異体の表現型解析を通して高等植物におけるPI3キナーゼ複合体の明らかな生理機能が明らかになってきた。Atg6はホスファチジルイノシトール3キナーゼ(PI3K)と複合体を構成して、オートファジーやエンドサイトーシスなど多様な膜動態に関わっている。シロイヌナズナのAtATG6遺伝子は花粉発芽に必須であり、これまで逆遺伝学による解析は進んでいない。本研究ではatatg6の雄性不稔を回避することで、PI3K複合体の遺伝子破壊株を植物個体として得る系を活用することにした。得られたatatg6変異体はオートファジー能を欠損するだけでなく、液胞形態の異常や生育阻害など多面的な表現型が見られた。マイクロアレイ解析により様々な遺伝子発現がatatg6変異体で誘導されることが予想されていたので、幾つかのカテゴリーに分けて順次RT-PCR解析を進めている。本年度はSAG12やDIN2などの老化関連遺伝子、細胞周期関連遺伝子、リン酸トランスポーターやWBCトランスポーターなどの発現パターンを確認した。このうち、サイクリンについてプロモーターGUSをatatg6に発現させたトランスジェニックを作製した。またオーキシン輸送の異常を調べるため、DR5やPIN1などのマーカー遺伝子をatatg6変異体に導入した形質転換植物を作出したので、次年度に解析予定である。同様に、AtAtg6結合因子の遺伝子破壊株でもマイクロアレイ解析を実施した結果、atatg6変異体と共通した遺伝子発現の変動が多く見られた。これらの機能解析を通して、植物のPI3キナーゼが担う高次機能の一端が明らかになることが期待される。Atg6はホスファチジルイノシトール3キナーゼ複合体を構成して、オートファジーや液胞タンパク質輸送など様々な膜動態を制御している。本研究ではシロイヌナズナatatg6変異体を用いた逆遺伝学解析を進め、オートファジー能の欠損や、液胞形態の異常、生育阻害など多面的な表現型を確認した。Atg6がこのように多様な生命現象を制御するには、様々な機能調節因子・エフェクターが関与していることが予想される。本年度は、GST,FLAG、6xMycなどのタグを付加したAtg6過剰発現株の作成を試み、多数のT1トランスジェニック植物を得た。次年度にホモライン化を継続し、アフィニティ精製によりAtg6の新規結合タンパク質の同定を行う予定である。Atg6の主要な機能であるオートファジーの生理的意義を明らかにするために、atatg2変異体を用いてオートファジー変異体の新たな表現型を探す試みも行った。特に脂質(生体膜)のターンオーバーにおけるオートファジーの働きに関心を持ち、atatg2変異体から脂質を抽出し、野生株と比較した。通常の生育条件下では目立った違いは見られなかったが、今後、飢餓条件下での脂質組成を調べる予定である。また、二酸化炭素濃度の調整可能な人工気象器を導入したので、高二酸化炭素条件下におけるオートファジー変異体の挙動についても観察を行ってきた。二酸化炭素濃度の違いによる劇的な表現型の変化はないが、RT-PCR解析により、幾つかの遺伝子発現に変化が見られた。
非周期ドメイン反転構造を有する非線形光学結晶を用いたフェムト秒光パルスの時空間制御

周期分極反転ニオブ酸リチウム(PPLN)による擬似位相整合(QPM)素子を用いた、2次カスケーディング非線形効果による、フェムト秒パルスの断熱ソリトン圧縮の実験及び理論的研究を行った。中心波長1560nm付近で100フェムト秒程度のパルスを40fs程度に、エネルギーロスなく、断熱的に圧縮することを目標としている。一定周期のQPMデバイスを用いた場合はパルスの前後に副次的なピーク(ペデスタル)が現れ、その分のエネルギーがロスとなるが、周期を変調したQPM素子によりベデスタルを減少させることができ、断熱的なパルス圧縮が可能となる。また、2次カスケーディング非線形光学効果を用いた圧縮法では、基本波のみの入力で、第二高調波と基本波の両方がソリトン圧縮される。今年度は、数値シミュレーションにより、周期が一定のQPM、一次関数及び二次関数的に周期を変化させたQPMによる断熱圧縮のシミュレーションを行い、いっそうのデバイスパラメータの最適化を行った結果、長さ50mmのニオブ酸リチウムQPMデバイスでほぼ断熱的な圧縮が可能であることを示した。またシミュレーションにより、QPMデバイス中を伝播中の基本波及び第2高調波の空間波形・時間波形の変化を明らかにした。現在設計したデバイスの製作が終了し、実証実験を行った。以上に加えて、傾斜QPM素子を用いた群速度整合法と2次カスケーディング非線形光学効果を組み合わせたソリトン圧縮法も検討した。数値シミュレーションによりソリトンパルス圧縮が可能であることを示すと同時に、系の最適化によるデバイスの設計を行った。この方法により長さわずか13mmのデバイスにより、100fsの基本波入力から、40fsの基本波及び第二高調波出力が得られることを明らかにした。以上の結果は、Optics Express誌に原著論文として掲載された。
電子・陽電子コライダーにおけるトップクォーク物理の国際的展開

1.しきい値領域におけるトップクォークの物理(グループA):最適化と実装したしきい値領域におけるトップクォーク対ジェネレータを用いて、実際のILC環境におけるILD測定器のシミュレーションを行った。とくにトップクォークの運動量分布の測定に重点を置き、測定器のフルシミュレーションをトップ崩壊幅およQCD結合係数alpha_sを変えて行って多くの運動量分布のサンプルを生成して、それをつかって実際に測定された運動量分布をフィットする「テンプレート法」を確立した。その結果、運動量分布のみからトップ崩壊幅およQCD結合係数alpha_sの両方を同時に決定できることがわかった。この解析で修士の学生が修士論文を完成した。2.オープントップ領域におけるトップクォークの物理(グループB):重心エネルギー500 GeVにおけるトップクォークの対生成を使った行列要素法の経験に基づき、測定器分解能の効果や背景事象を適切に考慮したmaximum likelihoodを適用した解析を完成させた。統計誤差は、測定器分解能の効果や背景事象を無視した行列要素法に少々劣るものの、十分に意義のある結果が得られた。理論面では、電子・陽電子散乱によるトップ・クォーク対生成断面積の、入射ビームのスピン偏極を含めた電弱相互作用によるループ補正計算を行い、論文に発表した。また、その結果を、二つの国際会議において発表した。さらに、より精密なトップ・クォーク対生成断面積の計算のために、電子・陽電子の多重光子輻射効果の計算を行った。国際ILCグループ全体の方針として、ILCの重点が重心エネルギー250 GeVのヒッグスファクトリーとなったため、ILCにおけるトップクォークの物理は若干中心的位置からははずれる傾向が現れたが、その物理的意義と重要性に変わりはない。2018年5月には東北大学において国際会議「Top at LC 2018」を開催して世界からリニアこライダーにおけるトップクォーク研究のexpertたちが役70名終結し、成功裏に終わった。トップクォーク対生成閾値の350GeVでの運転を当初計画としているCLICグループに参入し連携を強化する。*しきい値領域におけるトップクォーク物理(グループA)イベント・ジェネレータに関しては、しきい値領域でのシミュレーション研究、特に全断面積測定、運動量分布、及び生成角分布等の微分断面積測定のため、QCD束縛状態効果を取り入れたのプログラムを整備した。また、より現実的なジェネレータとするため、S波共鳴に加えてP波共鳴の効果を含めた。また、トップ・反トップ間のヒッグス交換の効果を利用したトップ湯川結合の間接測定の戦略検討を進めた。このように開発されたジェネレータを使って測定器のフルシミュレーションを開始した。微分断面積と全断面積同時にフィットするためのツールの整備を開始した。シミュレーション研究と対応する理論の不定性の評価した。*オープン・トップ領域におけるトップクォーク物理(グループB)トップ異常結合の研究をフランスのLALオルセイ研究所のRoman Poeschl教授および同研究所のFrancois LeDiberder教授との共同研究として組織し、隔週程度の定期的なビデオ会議を開始した。トップ異常結合探索のための行列要素法を用いたツールを開発をFrancois Lediberder教授との緊密な連携によって開発した。ISR (Initial State Radiation)とBeamstrahlungを含めた測定器のフルシミュレーションを整備し、それらの影響の評価を開始した。共同研究をより緊密なものとし、効率良く進展させるため、修士の学生(佐藤)をフランスのぁLオルセイ研究所に一ヶ月間送った。*しきい値領域では、修士の学生一人(小澤)が研究テーマとして採用し、トップクォーク再構成におけるクォークジェットの研究を詳細に行った。具体的には、トップクォークの崩壊におけるジェットの組違えの原因を特定して改良方をあみだし、運動量測定の手法を大幅に進展させた。理論面では、しきい値領域における反応断面積の理論予想の精度を評価した。*オープントップ領域におけるトップとゲージ粒子の異常結合は、修士の学生一人(佐藤)が修士論文のテーマとして、フランスのオルセイ研究所のRoman Poeschl教授(この研究計画の共同研究者)及び「行列要素法」をトップクォーク生成に初めて適用したFrancois LeDiberder教授との共同研究を本格的に開始した。しきい値領域における物理研究では、平成28年度に開始した測定器のフルシミュレーションによるトップクォーク運動量分布の解析のトップクォーク崩壊幅の抽出法を発展させた。この解析は、H28年度卒業の小澤清明君からH30年度卒業の江田優人君へと引き継がれた。理論面では、強い相互作用の結合定数αsの高精度決定のための新しい方法を開発し、これを応用してQCDポテンシャルを用いてつい相互作用の反応係数を良い精度で決めた。この応用については今後の課題となるのでのちの項目で述べる。また、しきい値領域の理論的不確定性がコントロールされ、それは実験家と共有された。オープントップ領域における物理研究では、重心エネルギー500 GeVにおけるトップクォークの対生成におけるトップの異常結合解析において、フルシミュレーションを使ってInitial-stateradiationやbeamstrahlungを加えた解析を行ったが、測定器分解能の効果や背景事象を適切に考慮するためには、「行列要素法」のみではなく、maximum likelihoodを適用することが望ましいことが判明した。この解析は佐藤瑶君の修士論文となったが、その研究の過程で3度フランスに渡り、それぞれ一ヶ月間共同研究を行った。また、フランスからも教授一人が東北大学を3週間にわたっで訪問し、共同研究をおこなった。加えて、分担者の隅野はParticle Data Groupのトップクォーク部門の担当として現在のトップクォークのあらゆる実験データのコンパイルを行なった。

しきい値領域では、トップクォークの再構成と運動量測定の手法がほぼ確立し修士論文として一応の完成を見たがそれ解析はもう一人の修士の学生にスムースに引き継がれた。オップントップ領域ではトップクォークの異常結合の解析が「行列要素法」を使った解析としての完成をみた。その改良版として、Maximum likelihoodをつかって測定器の分解能などの効果や背景事象を考慮に入れる解析を始め、その目処がたった。海外の研究者との共同研究も緊密に行われ、特にフランスのオルセイ研究所のRoman Poeschl教授(この研究計画の共同研究者)及び「行列要素法」をトップクォーク対生成に初めて適用したFrancois LeDiberder教授との共同研究は、修士の学生が3度にわたりオルセイ研究所を訪問してそれぞれ1ヶ月間集中的に共同研究するなど、実り多いものとなった。この経験がきっかけとなって、Roman Poeschl教授が3週間にわたって3月に東北大学に滞在することとなり、トップクォーク再構成の研究をさらもう一人の学生(奥川祐元)と始めた。理論的にも、しきい値領域の理論的不確定性がコントロールされるに至っただけでなく、QCD反応係数の抽出やヒッグスポータルモデルの探索におけるトップクォークを使った解析方法の開発など、当初予定されなかった成果も得られた。1.しきい値領域におけるトップクォークの物理(グループA):最適化と実装したしきい値領域におけるトップクォーク対ジェネレータを用いて、実際のILC環境におけるILD測定器のシミュレーションを行った。とくにトップクォークの運動量分布の測定に重点を置き、測定器のフルシミュレーションをトップ崩壊幅およQCD結合係数alpha_sを変えて行って多くの運動量分布のサンプルを生成して、それをつかって実際に測定された運動量分布をフィットする「テンプレート法」を確立した。その結果、運動量分布のみからトップ崩壊幅およQCD結合係数alpha_sの両方を同時に決定できることがわかった。この解析で修士の学生が修士論文を完成した。2.オープントップ領域におけるトップクォークの物理(グループB):重心エネルギー500 GeVにおけるトップクォークの対生成を使った行列要素法の経験に基づき、測定器分解能の効果や背景事象を適切に考慮したmaximum likelihoodを適用した解析を完成させた。統計誤差は、測定器分解能の効果や背景事象を無視した行列要素法に少々劣るものの、十分に意義のある結果が得られた。理論面では、電子・陽電子散乱によるトップ・クォーク対生成断面積の、入射ビームのスピン偏極を含めた電弱相互作用によるループ補正計算を行い、論文に発表した。また、その結果を、二つの国際会議において発表した。
起状および旋回同時操作時のトラッククレーンの振動制御に関する研究

トラッククレーンの作業の効率化、容易化および安全性の向上を目的としている。昨年度に引き続きLMI(線形行列不等式)を用いたH_∞制御を行ってきた。旋回・起伏の同時操作を行うことを目的としているが、起伏操作における動特性の変化を取り扱うためにゲインスケジューリング(GS)制御の適用を行った。さらに、ワイヤロープの巻き上げ動作についても本手法が適用できるので、起伏操作と巻き上げ・下げの操作についてGS制御を適用した。GSH_∞はパラメータの変動を外乱として制御器を構築しその値により制御器を切り換えて行くものである。ここでは、長さ1mのブームを持つモデルのブーム起伏角30度から70度まで変化させた場合とワイヤロープを0.4mからl.0mまで変化させた場合のつり荷の振れの制御を行った。操作量に対応する範囲でLMIを用いて構築したGSH_∞制御器は通常のパラメータを固定して得られたH_∞制御器およびLQ制御による手法よりも良好な振れ止め制御の結果を得ることができた。しかし、実際のモデルを用いての実験による検証を行うこ課題が残った。また、本研究を行う際に常に問題となるシミュレーションに用いるクレーンモデルの妥当性という課題があるため、今年どは振れ止め制御に用いるクレーンの数値モデルの改良も併せて行った。実際に運動中のクレーンおよびつり荷の挙動を正確に表すことは重要なことであるが、つり荷に働く遠心力やコリオリの力など複雑な影響を受けており、これまで本研究で用いてきた構造振動中心の考え方では十分にその特性を表すことができない。そこで、クレーンモデルを開ループリンク機構であると考えロボットの運動解析に用いる手法を適用した解析法を考えた。今年度では、ブーム・ワイヤロープを剛体とした場合の解析ができるようになった。今後の課題として、弾性を持つクレーンモデルを構築し、それをもとに同時操作時の制御について考察して行く。近年、各種機械の省力化・操作の簡便性が重視されており、建設機械も例外ではない。従来よりトラククレーンのクレーン操作時の動特性解析の研究が数多く行われている。しかしながら、旋回・起伏・巻き上げ等の個々の操作を扱うものが大部分であり、各操作を複合的に扱うことが、荷役作業の効率化からも必要になる。従って、つり荷の振れを制御するためには、旋回および起伏の複合的な操作を行う必要がある。特に、起伏操作ではブームの起伏角度により時々刻々とその動特性が変化して行くために、吊り荷の振れ止めを行う際にも制御器の設計が困難になる。これは、起伏運動におけるクレーンの動特性が、ブームの自重およびつり荷の影響により変化する非線形(姿勢依存)系になるために、制御が困難になるためであると思われる。そこで、従来より行ってきた多重ファジィ制御による振れ止めに加え、LMI(線形行列不等式)をもとにしたH_∞制御によりゲインスケジューリング制御法についても研究を行うものとする。本年度は、多重ファジィ制御を適用した方法をまとめた後、LMIを用いるH_∞制御をクレーンモデルに適用することを目的に研究を行った。多重ファジィ制御による手法は、起伏および旋回同時操作においても吊り荷の振れを抑え、位置決めについても精度良く行えることが数値シミュレーションに加え模型実験でも確認することができた。LMIによる制御法の適用については、まだ十分とはいえないが、起伏角度を固定した状態の制御については成功しており、次年度以降の課題として同時操作時の制御について行ってゆく。
放射線治療抵抗性子宮頸癌におけるPTEN遺伝子変異の関与

PTEV遺伝子は染色体10番染色体長腕(10q23.3)に局在し、phosphotase domainとTensinとのhomologyを有する領域をもち、phosphotaseの作用により、リン酸化チロシンの脱リン酸化に関与する可能性があり、この点で細胞制御に関与していると考えられている。また、アクチンフィラメントに結合するとされているTensinとhomologyがあり、細胞接着に関連した機能をもつ可能性が示唆されている。PTEN遺伝子は癌抑制遺伝子として1997年に単離されて以来、1998年に子宮内膜癌、脳腫瘍、乳癌、前立腺癌など、多くのヒトの癌でPTEN遺伝子変異が報告されているが、子宮頸癌では発現率が02%と低い。そこで今回、我々は進行期子宮頸癌にもPTEN遺伝子変異が関与するとの仮説をたて、その発現の有無を検討した。さらに、変異と放射線治療の感受性との関連を検討した。IIIB期、IVA期の子宮頸癌患者50例を対象とし、初診時に生検を行い、-80°Cに速やかに保存した。生検癌組織からDNAを抽出し、PTEV遺伝子の塩基配列の異常をSSCP、ダイレクトシークエンス法によって検討した。その結果、PTEN遺伝子変異はExonl non-codingregionに4例、Intron7に3例、Exon5に1例の計8例(16%)に見られた。変異はIIIB期2例、IVA期6例に見られ、IVA期に有意に多く認めた(P=0.002)。変異(+)の症例の平均腫瘍径は8.5±2cmであったのに対して、変異(-)では6±2.1cmで、有意に変異(+)の症例の腫瘍径が大きかった(P=0.009)。変異(+)の症例の予後は変異(-)よりも不良であった(P=0.009)。したがって、PTEN遺伝子変異は腫瘍の進行と予後に関与し、進行期子宮頸癌の放射線治療による治癒率を向上させるための標的遺伝子の1つとなる可能性がある。平成11年度の研究の評価(2)10q23.3LOHの検討:PTEN遺伝子が存在している10q23.3LOHについて、癌組織と新鮮な血液からDNAを抽出し、マイクロサテライトマーカーを用いてPCR (polymerase chain reaction)を行い、その産物の量を比較してLOHを解析した。-80°Cに保存した癌組織と新鮮な血液からDNAを抽出した。各々の領域に存在するマイクロサテライトマーカーに設定した特異的な蛍光標識プライマー(ファルマシア社製)を用いて、ExpandTM High Fidelity PCR Kit(ベーリンガー社製)でDNAを増幅させた。10q23.3遺伝子に存在するマイクロサテライトマーカーの特異的なプライマーはD10S215,D10S541,D10S608,D10S610,D10S169を用いた。PCR産物を熱変性にて一本鎖にし、オートシークエンサー(ファルマシア社製)で電気泳動を行った。現在、10q23.3LOHの検討は3例に行い、今後、検討する予定である。PTEN

遺伝子は染色体10番染色体長腕(10q23.3)に局在し、phosphotase domainとTensinとのhomologyを有する領域をもち、phosphotaseの作用により、リン酸化チロシンの脱リン酸化に関与する可能性があり、この点で細胞制御に関与していると考えられている。また、アクチンフィラメントに結合するとされているTensinとhomologyがあり、細胞接着に関連した機能をもつ可能性が示唆されている。PTEN遺伝子は癌抑制遺伝子として1997年に単離されて以来、1998年に子宮内膜癌、脳腫瘍、乳癌、前立腺癌など、多くのヒトの癌でPTEN遺伝子変異が報告されているが、子宮頸癌では発現率が02%と低い。そこで今回、我々は進行期子宮頸癌にもPTEN遺伝子変異が関与するとの仮説をたて、その発現の有無を検討した。さらに、変異と放射線治療の感受性との関連を検討した。IIIB期、IVA期の子宮頸癌患者50例を対象とし、初診時に生検を行い、-80°Cに速やかに保存した。生検癌組織からDNAを抽出し、PTEN遺伝子の塩基配列の異常をSSCP、ダイレクトシークエンス法によって検討した。その結果、PTEN遺伝子変異はExon1 non-codingregionに4例、Intron7に3例、Exon5に1例の計8例(16%)に見られた。変異はIIIB期2例、IVA期6例に見られ、IVA期に有意に多く認めた(P=0.002)。変異(+)の症例の平均腫瘍径は8.5±2cmであったのに対して、変異(-)では6±2.1cmで、有意に変異(+)の症例の腫瘍径が大きかった(P=0.009)。変異(+)の症例の予後は変異(-)よりも不良であった(P=0.009)。したがって、PTEN遺伝子変異は腫瘍の進行と予後に関与し、進行期子宮頸癌の放射線治療による治癒率を向上させるための標的遺伝子の1つとなる可能性がある。
近赤外分光法による身体負担の少ない筋有酸素能測定法の確立

筋有酸素能の評価は、多大な身体的負荷を伴う。本研究では、身体負担の少ない運動での筋有酸素能測定方法を確立するために、活動筋の最高酸素消費量と身体負担の少ない負荷での運動後の筋酸素化レベル回復時間との関係を調査した。その結果、換気性作業閾値に相当する運動負荷後の筋酸素化レベル回復時間と活動筋最高酸素消費量との間に関連がみられた。つまり、少ない身体負担の運動にて、筋有酸素能を評価できる可能性が示唆された。従来、近赤外分光法を用いて、運動後の回復時間から筋有酸素能を評価するためには、測定対象者に最大全身運動を行わせる必要があり、多大な身体的負荷を課すことになる。このため、高齢者や有疾患者などの大きな身体的負担を課すことの出来ない測定対象者の骨格筋有酸素能を評価することは困難である。そこで、本年度では、身体的負担の少ない骨格筋有酸素能評価の方法を確立するために、全身運動である自転車運動より身体負担が少ない局所運動である膝伸展運動を用いて、最大努力動的膝伸展運動(大筋群を用いた局所運動)後の外側広筋部の最大酸素消費量と酸素化ヘモグロビン回復時間との関係を明らかにすることを目的とした。健常成人男性6名が0.4kpから0.2kpずつ負荷が漸増する多段階漸増負荷動的膝伸展運動を疲労困憊になるまで行った。運動頻度は1秒に1回であった。各負荷での運動時間は3分間であり、続いて3分間の休息期間が設けられた。動的膝伸展運動時には、酸素摂取量(VO_2)と近赤外分光法装置を用いて外側広筋部の筋酸素消費量(mVO_2)および酸素化ヘモグロビンの1/2回復時間(T1/2reoxy)が測定された。mVO_2、T1/2reoxyともに安静時の値に対する相対値で表した。VO_2peak、mVO2は、それぞれ1320.4±327.6ml/min、15.06±4.93であった。T1/2reoxyの最大値は2.25±0.58であった。VO_2peakとmVO_2peakの間には、正の相関傾向がみられた(r=0.732,p=0.09)。さらに、VO_2peakとT1/2reoxy(r=0.795,p<0.05)およびmVO_2peakとT1/2reoxy(r=-966,p<0.01)との間にそれぞれ有意な負の相関関係が認められた。以上のことから、最大努力動的膝伸展運動後のT1/2reoxyが速いほど、VO_2peakおよびmVO_2peakが高くなることが示唆された。つまり、身体負担の少ない局所運動である動的膝伸展運動後の酸素化ヘモグロビン回復時間で骨格筋有酸素能を評価することが可能であることが明らかになった。筋酸素化レベルの回復時間を用いた筋有酸素能評価法では、測定対象者に最大全身運動を行わせる必要があり、多大な身体的負荷を伴う。本研究では、身体的負担の少ない運動での筋有酸素能測定方法を確立するために、動的膝伸展運動および自転車運動を用いて、最大下負荷での運動後の筋酸素化レベル1/2回復時間(T1/2reoxy)と各運動での肺最高酸素摂取量(pVO_2peak)および活動筋最高酸素消費量(mVO_2peak)との関係を明らかにすることを目的とした。成人男性7名が多段階漸増負荷での動的膝伸展運動および自転車運動を行った。動的膝伸展運動では、負荷を24wattから12wattずつ、自転車運動では、60wattから30wattずつ負荷を漸増させ、各運動ともに各負荷にて3分間の運動後3分間休息を設けられ、疲労困憊になるまで行われた。測定項目は、酸素摂取量、二酸化炭素排出量と近赤外分光法を用いた外側広筋部筋酸素化動態であり、外側広筋部の筋酸素消費量(mVO_2)および休息期間にT1/2reoxyが評価された。膝伸展運動では、mVO_2peakと63%pVO_2peak強度運動後のT1/2reoxyの間に欄傾向(r=-0.726, p=0.06)が認められた。自転車運動では、無酸素性作業域値(VT)がみられた運動負荷強度後のT1/2reoxyとpVO_2peak(r=-.930, p<0.01)およびmVO_2peak(r=-823, p<0.01)との間にそれぞれ有意な負の相関関係が認められた。以上のことから、動的膝伸展運動および自転車運動共に、VT強度に相当する最大下負荷運動後に評価されたT1/2reoxyは、pVO_2peakおよびmVO_2peakとの間に関係があること明らかになった。
運動系における情報伝達

運動系における情報伝達は、ドパミンなどのアミン系伝達物質、ガンマアミノ酪酸のようなアミノ酸系伝達物質、多種の神経ペプチドによって制御されている。63年度の研究で、シナプス前部神経伝達物質とシナプス後部の情報受容変換機構の分子レベルよりの解明を続け次の新知見を得た。パーキンソン病発症の原因候補内因物質のテトラヒドロイソキノリンの食品中存在とサルの血液脳関門の通過(吉田、永津)チロシン水酸化酵素の組替えDNAによる非神経細胞での活性の発現と脳組織移植への応用(高坂、永津)、ドパミン合成のヒトチロシン水酸化酵素の遺伝子クローニングとアドレナリン合成のヒトフェニルエタノールアミンNメチル転移酵素のcDNAクローニングと染色体17番の局在決定(黒沢、永津)、世界最高感度のアセチルコリンのラジオイムノアッセイによる脳アセチルコリン動態解明(川島)、神経ペプチドガラニンのインスリン放出抑制作用の発見(矢内原)、カルシニューリンの脳内の特徴的局在の発見と大脳基底核疾患との関連(宮本)、Ca依存性蛋白リン酸化酵素群(ミオシン軽鎖キナーゼ、Cキナーゼのアイソザイムのモノクローナル抗体による免疫組織化学を利用した脳内分布の解明(日高)、GABA系、カテコールアミン系とアセチルコリン系の共存の新しい知見(小坂)、大脳皮質ニューロンの培養細胞系の開発とシナプス形成(黒田)、MPTPパーキンソン病モデルマウス脳とパーキンソン病死後脳のチロシン水酸化酵素の変化の比較(永津)、妊娠マウスへのMPTP投与の仔マウスと母マウスのドパミンニューロンへの影響の比較とMPTPの経胎盤による胎児脳への移行の発見(永津郁子)、イミノジプロピルニトリンによるラットジスキネジアモデルの脳伝達物質と受容体の変化(小川)。以上の生理病理における運動系関連伝達物質の新しい知見は、パーキンソン病などの運動系疾患の情報伝達の異常の分子機構解明に重要な手がかりを与えた。
脳神経外科手術用止血剤の開発に向けた組織接着性ハイドロゲルの安全性評価研究

外科手術において止血や接着の目的で特定生物由来製品であるフィブリン製剤が使用されている。しかし、ヒトもしくは動物由来材料には感染症に対する懸念がある。我々は、生分解性・生体適合性を有する食品添加物や医薬品として使用実績のある天然高分子を用いて、安全でゲル強度の高い組織接着効果を開発した。すなわち、β-1,3-グルカン(黒酵母産生物)由来のポリアルデヒドとε-PLL(放線菌産生物)を架橋剤により高分子量化したポリアミンからシッフ塩基結合形成による架橋反応によって形成するハイドロゲルを用い、高い安全性と機能性を有する手術用止血剤を開発し、有効性と安全性を確立した。本課題の目標は、大阪市立大学工学部と大阪市立大学医学部が、医工連携で外科手術用のハイドロゲル止血接着剤を作成することである。工学部では、ハイドロゲルの成分であるε-PLLとポリアルデヒドの生成条件を変えることにより、ポリアミン、ポリアルデヒドの分子量、側鎖の反応性等を改善させ、ハイドロゲルのゲル強度、組織接着性を最適化させるようにしている。具体的には、本化合物がゲル化速度1秒以内を達成し、1000秒以内に6000Paのゲル化強度を有していることが確認された。医学部では、実験動物を用いた組織出血モデルを作成している。マウス、ラットで腹腔内の腹腔動脈、腹腔静脈、肝臓からの出血を、実験出血モデルとして確立しハイドロゲルの止血能、組織接着性、安全性を評価している。現在までの成果として、SDラット肝臓に生検用ポンチを使用した作成した出血モデルが、簡便性、再現性のある出血モデルとして優れているということがわかった。これらの実験結果は大阪市立大学工学部重点研究「バイオインターフェース先端マテリアルの創生」シンポジウムにおいて詳細に報告し、大阪市立大学医工連携のモデルとして展開している。本研究ではハイドロゲルを用い、高い安全性と機能性を有する脳神経外科手術用止血剤の開発を目指している。β-1,3-グルカン(ダイソー社製、黒酵母Aureobasidium pullulans産生物)由来のポリアルデヒドアクアβポリアルデヒド(Aquaβ-CHO)とε-PLL(チッソ社製、放線菌Streptomyces albulus産生物)を架橋剤により高分子量化した高分子量化εポリリジン(23EG-PLL)からなる組織接着性ハイドロゲル外科用止血材料をC57BL6Jマウス11週齢・雌雄に単回経口投与し、投与後4日後までの観察結果および血中炎症サイトカイン及び肝機能パラメータ測定からハイドロゲル材料およびその原料成分の急性毒性を検討した。Aquaβ-CHO 600 mg/kg投与群において投与30-60分の間に自発運動の減少が特に雌において認められた。また、削痩が明白であった。しかしハイドロゲル5102050 mg/kg、Aquaβ-CHO 600 mg/kg、23EG-PLL 3500 mg/kg投与群においていずれにおいても腹臥姿勢、流涙、呼吸粗大、立毛などは認められず、脱落も皆無であった。血中炎症サイトカイン(TNFα, IFNγ, IL-6, IL-1β)、酸化ストレス・炎症パラメータ(NOx)及び肝機能パラメータ(GGT, ALT)の測定結果からはハイドロゲル5102050 mg/kg、Aquaβ-CHO 600 mg/kg、23EG-PLL 3500 mg/kg投与群においていずれにおいても炎症は惹起されないことが明らかとなった。しかし、ハイドロゲル最大量2050 mg/kg、Aquaβ-CHO 600 mg/kg、23EG-PLL 3500 mg/kg投与群において統計学的有意性は低いもののGGT, ALTの血中量が比較群より高い値を示し肝機能に影響を与えることが判明した。ただし、ハイドロゲル最大量2050 mg/kg投与群はAquaβ-CHO 600 mg/kgおよび23EG-PLL 3500 mg/kg投与群より血中量が低い傾向があり、ゲル化によりAquaβ-CHOおよび23EG-PLLの肝機能傷害性が低下することが示唆された。工学部にてハイドロゲルの生成条件の調整を行い、医学部脳神経外科にて動物実験と臨床試験を行う計画である。