hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
その場観察と計算科学を駆使したナノポーラス金属の孔径制御ダイナミクス解明

ナノポーラス金の孔径粗大化の高温その場透過電子顕微鏡観察を行った結果、同一試料中でも孔径が粗大化する部分と最初の孔径を保ったままの部分が存在した。スパッタリングで作製されるような均一性の高いナノポーラス金試料内でも不均一性が見られることから、加熱時間に対する孔径の変化を定式化するのは容易でないことが見出された。別途、孔径(表面積)を反映する指標として有機色素の分解に対するナノポーラス金の触媒特性を測定した結果、反応速度定数と表面積が必ずしも比例しなかった。第一原理計算により、ナノポーラス金特有の原子欠陥等が分解性能に影響していることが示唆された。透過電子顕微鏡(TEM)観察用ナノポーラス金属の創製プロセスを検討した。スパッタリングによりAu-Ag、Pd-Co、Ni-Mn等のナノポーラス金属の出発合金の薄膜を形成するにあたり、スパッタリング装置を導入し、まずはAu単体でのスパッタリング速度を測定・適宜調整した。これにより膜厚の測定がレーザ顕微鏡で大まかに行える見通しがついた。また、その場観察TEM試料の比較対象とするために、通常のバルク材で用いられるイオンミリング等でTEM試料を作製し、ナノポーラス金属のTEM写真を撮影した。さらにナノポーラス金属の熱処理による孔径粗大化の再現性の確認のために高温昇温炉を導入し、作動環境を整備した。その他、電気化学実験により、比較的新しい材料であるナノポーラスPdおよびナノポーラスNiの形成、および熱処理による孔径粗大化を確認した。上記とは別に、大規模第一原理計算および分子動力学計算に用いる計算環境の整備を整えた。京都大学化学研究所のスパコンシステムに効率よくアクセスする目的で第一原理計算ソフト・分子動力学計算ソフトを稼働するパソコンを準備し、ネットワークの整備、さらには金属表面における分子の吸着エネルギー計算など、一部の計算を開始した。予備計算の結果から、ナノポーラス金属特有の表面格子ひずみや残留元素の影響が分子の吸着エネルギーに大きく影響することが明らかとなった。これはナノポーラス金属の表面特異性が、触媒特性や電極特性など表面で起こる現象に端的に表れることを示唆する。ナノポーラス金の孔径粗大化の高温その場透過電子顕微鏡観察を実施した。スパッタリングで作製したナノポーラス金は透過電子顕微鏡でその気孔構造を良好に観察できるほど充分に薄かった。しかし、773 Kまでの温度で加熱その場観察を行った結果、同一の試料内でも孔径が粗大化する部分と最初の孔径を保ったままの部分が存在し、また場所によってはポーラス構造そのものが消失して粒状になる部分もあった。気孔率にもばらつきが見られた。当初は孔径・リガメント径の経時変化を追跡し、結晶粒成長の累乗則に倣って加熱時間tに対する孔径・リガメント径の依存性を示す指数nを求めること、ならびにその結果をもとに粗大化機構にかかわる拡散機構の特定を予定していたが、透過電子顕微鏡観察の視野範囲内でも組織の変化に著しい不均一が見られるため、指数nを今回のその場観察結果から求めるのは合理的でないと判断した。スパッタリングで作製したような均一性の高いナノポーラス金の膜試料でも孔径の粗大化が不均一に生じたことから、ナノポーラス金属の局所的な格子ひずみや原子欠陥等がポーラス構造の熱的安定性に大きく影響することが示唆された。また、前年度にはナノポーラス金属の表面特異性を端的に示す指標として有機色素分解反応特性を評価し、表面積と分解速度が必ずしも比例しないという結果を明らかにしたが、この結果はナノポーラス金属の原子オーダの欠陥が原因である可能性を示唆する。このため、本年度は原子欠陥を含む金表面の第一原理計算を行った。その結果、フェルミ準位近傍の電子状態が原子欠陥の導入により変化していることを見出した。この変化が有機色素の安定性(分解性)に影響していると推測された。昨年度検討した透過電子顕微鏡(TEM)観察用ナノポーラス金属の創製プロセスをより詳細に検討した。スパッタリングにより厚さ100 nm以下のAu-Ag、Pd-Co、Ni-Mn等のナノポーラス金属の出発合金の薄膜を形成させ、これを脱合金化処理(酸などによる選択的エッチング)に供した。これらの試料について、まずは利便性の観点から走査電子顕微鏡(SEM)で観察を行い、ナノポーラス構造が(薄膜でない)バルク状のナノポーラスAuと同様に形成されていること、また脱合金化処理の条件調製によって孔径を制御できることがわかった。また、ナノポーラス金属の表面積の効果を別の方法で顕在化することを目的に、ナノポーラスAu, Pd, Ni試料およびバルクAu, Pd, Ni試料を有機色素(メチルオレンジ)の水溶液中に浸漬し、その脱色速度を調査した。

バルクAu, Pd, Niを浸漬した場合には全く脱色されなかったが、ナノポーラスAu, Pd, Niについては脱色されることを確認した。ナノポーラス金属による脱色処理後溶液を詳細分析した結果、メチルオレンジのアゾ結合が切断されていることがわかった。また、表面積の異なるナノポーラスAuを浸漬した実験から、メチルオレンジの分解速度が表面積と必ずしも比例しないことがわかった。これらの結果と昨年度実施した第一原理計算・分子動力学計算の結果を考慮すると、表面格子ひずみあるいは残留元素などナノポーラス金属の表面特異性が、脱色触媒としての特性にクリティカルな影響を及ぼすことを意味する。すなわち、ナノポーラス金属の表面で起こる特性を最大化する際に、いたずらに孔径を縮小して表面積を拡大するだけでは不十分であり、表面格子ひずみ・残留元素等の状態の制御が重要であることが示唆された。1年目は装置・計算環境の整備や製膜速度等の基礎事項の把握を目的としており、それらはおおむね達成されている。25年度が最終年度であるため、記入しない。ナノポーラス金属の熱処理時の孔径粗大化過程を追跡するのは最終年度に回し、そのぶんのエフォートを脱色触媒特性の調査に充てた。ナノポーラス金属の応用を考える上で表面積よりも表面特異性(表面格子ひずみ等)の効果が重要であることを明らかにできた。第一原理計算によりナノポーラス金属表面の特異性が顕著であることが示唆されたため、研究計画の軽重を変更し、触媒特性等、ナノポーラス金属の表面特異性が端的に表れる特性についても検討する。当初の予定通り、ナノポーラス金属の熱処理時の孔径粗大化過程をその場電子顕微鏡観察する。
非線形応答を利用した化学情報変換システムの構築と超分子集合体への展開

非線形応答は、タンパク質が正確に情報伝達・変換を行う上で必要不可欠な機能である。人工系でも非線形応答を示す分子の開発が行われてきたが、「分子を認識した」という初期段階で止まっており、新たな機能の発現までには至っていない。そこで、本研究では非線形応答を利用して、π共役系高分子の配列制御を行った。π共役系高分子は単分子で光学的、電気化学的に優れた機能を示す反面、分子間で強いπ-π相互作用が働くため、ランダムな会合体を形成しやすく、十分な機能の発現ができないという問題点を有する。そのため機能の向上を目指して、π共役系高分子を規則的に配列させようとする試みがなされているが、それを達成した研究例というのは未だ皆無に等しい。そのような背景の下、我々はπ共役系高分子を規則的に配列させるための新たな方法論を開発した。その方法論は、π共役系高分子との相互作用部位を複数有する架橋分子(超分子)を用いるというものである。架橋分子を介して共役高分子を等間隔で規則的に配列させることが可能と考えられる。架橋部分が直線状のπ共役系高分子間を架橋して、ちょうどあみだくじのような会合体を形成すると考えられる。種々の分光学的測定および電子顕微鏡観察を行った結果、架橋分子が共役高分子を規則的に配列させていることが明らかとなった。人工系でも非線形応答を示す分子の開発か行われてきたが、「分子を認識した」という初期段階で止まっており、新たな機能の発現までには至っていない。そのような背景のもと本研究では、非線形応答を利用し、化学情報を多様な超分子集合体の発現へと変換する分子素子の開発を目指し、それによって、一次元および二次元に広がる超分子集合体の選択的構築・制御を目的としている。これまでに上に示した目的を結実させるために設計した環状化合物の合成を行い、4量体、5量体、6量体、7量体の環状化合物をそれぞれ単離することに成功した。それぞれについて、吸収、蛍光スパクトルを用いての物性の評価を行ったところ、環の数の違いによる物性の違いは観測されなかったが、いずれの環状化合物においても単量体と比較して共役が広がっているということが明らかとなった。実際に非線形応答を示すかどうか、5量体の環状化合物とフッ化物イオンとの錯化挙動の検討を吸収スペクトルを用いて行ったところ、2個、1個、2個の順にフッ化物イオンが錯化していることか明らかとなった。一般に認識部位であるホウ素を複数個有するホスト分子は、フッ化物イオンが錯化するにつれ会合定数が大きく減少するということが報告されている。しかしながら、我々の設計した環状化合物についてはそのような挙動は観測されず、非線形応答を示していることが明らかとなった。このことから、期待したような構造の伝搬が誘起され、それがフッ化物イオンとの錯形成に反映されているものと考えられる。そのような背景のもと本研究では、非線形応答を利用し、化学情報を多様な超分子集合体の発現へと変換する分子素子の開発を目指し、それによって、一次元および二次元に広がる超分子集合体の選択的構築・制御を自的としている。実際に非線形応答を示すかどうか、それぞれの環状化合物とフッ化物イオンとの錯化挙動の検討を吸収スペクトルを用いて行ったところ、どの化合物においても3種類の等吸収点が観察された。その変化を詳しく解析すると、4量体では1個、1個、2個、5量体では2個、1個、2個、6量体では2個、1個、3個の順にフッ化物イオンが錯化していることが明らかとなった。さらに、それぞれの化合物において一定の結合パターンでフッ化物イオンが錯化していることも明らかとなった。また、一般に認識部位であるホウ素を複数個有するホスト分子は、フッ化物イオンが錯化するにつれ会合定数が大きく減少するということが報告されている。しかしながら、我々の設計した環状化合物についてはそのような挙動は観測されなかった。このことから期待したような構造の伝搬が誘起されて、非線形応答を示しているものと考えられる。本系のように非線形応答であるにもかかわらず、一定の結合パターンを有してゲスト分子が結合する系というのは、これまでに報告例は皆無であり、非常に興味深い結果である。

そのため機能の向上を目指して、π共役系高分子を規則的に配列させようとする試みがなされているが、それを達成した研究例というのは未だ皆無に等しい。そのような背景の下、我々はπ共役系高分子を規則的に配列させるための新たな方法論を開発した。その方法論は、π共役系高分子との相互作用部位を複数有する架橋分子(超分子)を用いるというものである。架橋分子を介して共役高分子を等間隔で規則的に配列させることが可能と考えられる。架橋部分が直線状のπ共役系高分子間を架橋して、ちょうどあみだくじのような会合体を形成すると考えられる。種々の分光学的測定および電子顕微鏡観察を行った結果、架橋分子が共役高分子を規則的に配列させていることが明らかとなった。
J-PARCにおけるπ中間子ビームを用いたK中間子原子核の探索

大強度陽子加速器施設JrPARCにおいて、π^+中間子を液体重水素標的に照射することでK中間子原子核K-ppを生成するE27実験が予定されている。K中間子原子核とは、反K中間子が強い相互作用によって原子核中に束縛した状態のことであり、理論的にその存在が予想されている。K中間子原子核の生成断面積はバックグラウンドと比べて小さいと考えられるため、K中間子原子核とバックグラウンド過程を区別するための検出器としてレンジカウンターを製作した。申請者の先行研究によりK-pp状態はA粒子と陽子の2体に崩壊すると考えられるため、A粒子がさらに崩壊して出来る陽子と併せて2個の陽子をレンジカウンターで検出することとした。ただしバックグラウンド起因のπ中間子もレンジカウンターに入射するため、π中間子と陽子を高い精度で識別することが要求される。レンジカウンターはビームから見て左右それぞれ3ユニットから構成される。前年度のうちに検出器を完成させ、平成23年4月に予定されていたビームタイムに向けて検出器のインストール等を進めていたが、東日本大震災の影響によりJ-PARCの運転が平成24年1月まで休止された。そのため実験は平成25年度にずれ込むこととなった。震災後にレンジカウンターを構成するプラスティックシンチレータの健全性確認を行い、光電子増倍管との接着が外れている箇所について再接着を行った。平成24年2月に、π中間子ビームと液体水素標的を用いた予備測定を行い、時間分解能や粒子識別能力などの性能が震災以前と大きく変化していないことを確認することができた。一方、検出効率を高めるためにはさらなる検出器の増設が必要だと考え、平成23年度に製作したものとは異なる設計のレンジカウンターの設計、試作にも取りかかった。今後ビームを利用してデータを取得し、解析手法の確立を行っていく予定である。大強度陽子加速器施設J-PARCのE27実験では、液体重水素標的にπ^+中間子ビームを照射することによりK中間子原子核K^-ppの探索を行う。反K中間子と核子の間に働く強い引力により、反K中間子と原子核の束縛状態が存在することが理論的に予想されている。重陽子中の1核子が反応するバックグラウンドがK中間子原子核の生成と比べて非常に多いことが想定されるため、K中間子原子核のシグナルを捉えるためのレンジカウンターの設計、製作を行った。具体的には、K^-pp状態がΛ粒子と陽子に崩壊するモードに着目し、Λ粒子がさらに崩壊して出来る陽子と併せて2個の陽子を同時に検出する。バックグラウンド事象では陽子が高々1個しか放出されないがπ中間子も発生するため、π中間子と陽子を識別する必要がある。本年度は、期待される陽子の放出角度と運動量の相関を元に、レンジカウンターの構成をシミュレーションにより決定した。5層のプラスティックシンチレータを重ねたものを1ユニットとし、それをビームから見て左右それぞれに3ユニットずつ設置することとした。まずプロトタイプを製作し、11月にπ中間子ビームを用いたテスト実験を行った。飛行時間や各プラスティックシンチレータのエネルギー損失の大きさの情報を組み合わせることで、陽子とπ中間子を識別できることを示した。その結果を踏まえ、本実験に必要な6ユニットの検出器を完成させた。また、平成23年4月にE27実験を行うことが決まり、標的の周りに全検出器のインストールを行った。しかしながら3月1日に発生した東日本大震災によりJ-PARCも被害を受け、4月のビームタイムは取り止めとなった。3月末時点ではJ-PARCへの入構が制限されているため、翌年度にレンジカウンターを含め実験装置の健全性の確認を行い、J-PARCの運転再開後の実験実施に向けて改めて準備を進めていく予定である。
クライン群と複素力学系の研究

本研究では、リマーン球面上の正則函数の力学系を扱う複素力学系の理論のうち、正則自己同相離散群(クライン群)を中心にとりあげ、擬等角写像の理論、タイヒミュラー空間論、双曲幾何学を使いながら、軌道の集積集合である極限集合に現われる自己相似的機構(フラクタル)のトポロジーとハウスドルフ次元の解析を行なった。BishopとJonesは有限生成クライン群の極限集合のハウスドルフ次元が2であるための必要十分条件は、クライン群が幾何学的有限ではないことであることを証明したが、そこでは、双曲的多様体のラプラシアンの最小固有値とポアンカレ級数の収束指数との関係、さらに等周不等式やCheeger定数、ブラウン運動の衝突確率など、群に対応する幾何学的対象上での微分幾何が有力であることがでは再認識された。本研究では彼らの方法を踏襲しながら逆に、無限型n次元双曲的離散群の極限集合のハウスドルフ次元がnより小さいための条件を、対応する双曲的多様体の幾何学的性質で記述した。具体的には、多様体の凸核のその境界からの距離によりハウスドルフ次元が評価できることを証明した。また凸核内に、境界から遠くても無視できる領域が設定できることがわかり、より精密な評価と、適用できる範囲が広がった。今後は、このような幾何学的量はクライン群の幾何学的収束に関し連続に変化するので、その評価を精密にし、系に摂動を与えたときの極限集合のハウスドルフ次元の変化を調べる予定である。
虚弱高齢者のクオリティ・オブ・ライフに及ぼす教室型・通信型運動プログラムの有効性

高頻度の教室介入を実施しなくても、本研究で考案した運動プログラムによって特定高齢者の身体機能・体力に効果をもたらす可能性が示唆された。また、このプログラムは「通信型プログラム」としても活用可能であることが示唆された。介護が必要になる可能性の高い特定高齢者にとって、自宅で運動を実施できることは介護予防のためにも重要である。今後は、注意機能やQOL改善のための内容を加えるとともに対象者数を増やして効果を検証していくことが必要である。本研究では虚弱高齢者向けの教室型運動プログラムを作成するとともに、教室に参加できない者に向けた「通信型」プログラムも作成し、より多くの虚弱高齢者の運動実践を促すシステムを構築することを目的とした。さらに、それらのプログラムが体力やメンタルヘルス、ソーシャルサポートといったクオリティ・オブ・ライフ(QOL)にどのような効果をもたらすかについても検証することとした。本年度では、前年度までの実績を踏まえて特定高齢者向けの運動プログラムを作成した。次に、特定高齢者39名を教室群(月2回群と月4回群)に配置し、同プログラムを3ヶ月間提供した。その結果、両群とも体力とQOLに効果を得たことを確認できた。つまり、介入頻度を低くしても、本研究のプログラムによって一定の効果を得られることが示唆された。本研究では、体力としてタンデムバランス保持時間(最高30秒間)と5回イス立ち上がり所要時間、長座位体前屈距離の3項目を測定した。QOLではSF-36を用いた。次に、通信群を設定して同じプログラムを提供した。そして、一定の効果が得られることを確認した。研究協力者と協議し、また、関連学会で発表・討議したことにより、介入終了後の継続支援の必要性が浮き彫りになった。このような検討は(1)虚弱高齢者を対象としたプログラムを開発できる、(2)教室に参加しない虚弱高齢者の「掘り起こし」が可能になる、(3)全人的な評価視点からプログラムの良否を判断できる、等から今日の高齢社会において意義深いと思われる。内容:昨年度に三重県津市で作成した運動プログラムが他市町に受け入れられるかという可能性と、プログラムの有効性について検討した。対象市町:三重県下29市町に運動プログラムについて説明し、運動プログラムの実施について打診した。その結果、10市町(34.5%)が実施を受け入れた。対象者:運動プログラムを受け入れてくれた10市町に在住する、特定高齢者241名。その内訳は、隔週に教室で介入する隔週群51名、毎週に教室で介入する毎週群190名である。アウトカム:自宅での運動実践率(提出した日誌に記載されていた日数のうち、運動を自宅で実践した日数を%で表示)、体力、クオリティ・オブ・ライフ(QOL)。運動プログラム:安全に実践できる筋力トレーニングとストレッチング(計10種類)を、自宅でおこなえるように3か月間の教室で指導した。また、教室では自宅での運動実践を促すための行動変容教育も含めた。結果:1)自宅での運動実践率は隔週群80.1%、毎週群80.9%で、群間差は有意でなかった。2)タンデムバランス、5回椅子立ち上がり時間、長座位体前屈といった体力は両群とも改善した。また、隔週群の5回椅子立ち上がり時間の短縮は毎週群の短縮よりも有意に大きかった。また、QOLの側面である身体機能、全体的健康感、活力、日常役割機能(精神)、心の健康は両群で改善した。身体機能と社会生活機能の改善度は、毎週群の方が有意に大きかった。結論:以上のことから、介入頻度が隔週であっても自宅での運動実践を促すことができ、その効果は毎週介入と同程度であった。また、隔週の介入でも体力やQOLを向上させられることが認められた。ただしQOL(身体機能と社会生活機能)をより改善したい場合は毎週介入する必要性が示唆された。
プロテアソーム阻害剤を用いたポンペ病の新規治療法開発

ポンペ病は酸性αグルコシダーゼ(GAA)の異常により生じる常染色体劣性遺伝病であり、進行性の筋病変を特徴とする。本研究は、プロテアソーム阻害剤がポンペ病の新規治療薬として有効であるかについて検討した。本研究の結果、プロテアソーム阻害剤であるボルテゾミブは、既存の低分子化合物では機能が改善できない一部の変異型GAAについても効果を示すことが明らかとなった。また、本研究では新しいポンペ病モデルマウスを作出し、ボルテゾミブが同マウスの心臓におけるGAA機能の改善に寄与する可能性があることを明らかにした。今年度も昨年度に引き続き、プロテアソーム阻害剤であるボルテゾミブに応答する酸性α-グルコシダーゼ(GAA)の遺伝子変異について培養細胞を用いて解析を行った。さらに今年度は、生体に対するボルテゾミブの有効性を確認するために必要となるポンペ病モデルマウスを作成するため、変異を導入したヒトGAAを発現するトランスジェニックマウスの作成を行った。(1)M519V変異を有するポンペ病患者由来線維芽細胞では、ボルテゾミブの投与によりGAA活性が上昇することが確認され、免疫細胞化学染色解析により患者GAAのライソゾームへの細胞内局在が改善すること、Western blot解析により同タンパク質の成熟化が促進されることが明らかとなった。(2)正常ヒトGAA遺伝子にM519V変異を導入した変異体(hGAA-M519V)を一過性に発現させたHEK293T細胞では、ボルテゾミブを投与することによりGAA活性が上昇することが明らかとなった。(3) hGAA-M519VをC57BL/6系統由来の前核期受精卵へとインジェクションし、目的遺伝子を発現するトランスジェニックマウスを得た。以上の結果は、M519V変異を有するGAAはボルテゾミブの投与により機能が改善されることを示す。来年度は、今年度作成したトランスジェニックマウスをもとにhGAA-M519V発現ポンペ病モデルマウスを作成し、ボルテゾミブの効果について解析を行う予定である。ポンペ病は酸性α-グルコシダーゼ(GAA)遺伝子の異常により生じる常染色体劣性遺伝病である。近年、ポンペ病の新規治療法として、低分子化合物を用いて変異GAAタンパク質の安定化及び機能回復を行うケミカルシャペロン療法の研究が進められているが、現在同定されている化合物は有効性を示す変異が限定的であることが知られる。その一方で、これまでに我々は、従来の化合物に加えてプロテアソーム阻害剤が一部の変異GAAの機能を改善し得ることを見出していた。そこで本年度は、プロテアソーム阻害剤であるボルテゾミブが有効性を示すGAA変異について探索を行った。ヒトの正常GAA cDNAに対して各種のミスセンス変異を導入した発現ベクターを構築し、一過性にHEK293T細胞に発現させた後にボルテゾミブを投与することで効果の解析を行った。また、遺伝子変異が明らかとなっている患者由来細胞についてもボルテゾミブを投与し同様の解析を行った。その結果、従来のシャペロン化合物が有効な変異に加えて、有効性が認められない一部変異についてもボルテゾミブ投与により酵素活性が改善することが判明した。さらに、活性の上昇が認められた変異では、酵素タンパク質の成熟化やライソゾームへの局在も確認された。これらの結果は、ボルテゾミブは従来の化合物よりも広範なGAA変異に有効性を示す可能性を示唆する。来年度は、ボルテゾミブが有効なGAA変異の探索をさらに進めると共に、有効性が認められた変異を導入したヒト型変異GAAを発現するポンペ病モデルマウスの作成を行う予定である。ポンペ病は酸性αグルコシダーゼの欠損により生じるライソゾーム蓄積症の1つである。本研究は、プロテアソーム阻害剤であるボルテゾミブを用いたポンペ病の新規治療法の開発を目的とする。今年度は、昨年度作成したヒト変異GAAを発現するトランスジェニックマウス(hGAA-M519Vマウス)とGAAノックアウトマウスをもとに、hGAA-M519V発現ポンペ病モデルマウスの作成を行った。さらに、同マウスを対象にボルテゾミブの有効性を解析することを目標に研究を進めた。以下に研究結果を示す。(1)昨年度得られたトランスジェニックマウス4匹についてC57BL/6マウスと交配し、全てのマウスでトランスジーンが次世代に遺伝することを確認した。(2)4ライン中、適切なトランスジーンを有する3ラインについてGAAノックアウトマウスと交配し、マウスGAAを欠損しつつヒト変異GAAを発現するhGAA-M519V発現ポンペ病モデルマウスを2ライン得た。残りの1ラインについても交配を継続中である。(3)得られたhGAA-M519V発現ポンペ病モデルマウスについて解析を行った結果、骨格筋や心臓等において変異型GAAのタンパク質レベルでの発現が確認され、各臓器において極めて低いGAA活性が認められた。ポンペ病モデルマウスとしてのさらなる特徴付けを現在進めている。ポンペ病は酸性α-グルコシダーゼ(GAA)遺伝子の異常により生じる常染色体劣性遺伝病であり、グリコーゲンの蓄積を伴った進行性の筋病変を生じることを特徴とする。

本研究の目的は、プロテアソーム阻害剤であるボルテゾミブが有効性を示すGAA遺伝子変異を探索すると共に、同遺伝子変異を有する動物モデルへの有効性解析を行うことで、ポンペ病に対する新規治療薬としてのプロテアソーム阻害剤の検討を行うこととし、以下の結果を得た。(1)GAAのミスセンス変異のうち、残存酵素活性の高い変異のみならず、残存活性の低い変異の一部についてもボルテゾミブは活性改善を促すことが明らかとなった。さらに、活性の上昇が確認された変異GAAについては、細胞内の局在性についても改善していることが確認された。(2)ポンペ病のミスセンス変異型モデルマウスとして、M519V変異を導入したヒトGAA(hGAA-M519V)を発現するマウスGAAノックアウトマウスを作製した。同マウスでは、骨格筋や心臓といった主たる病変部位においてhGAA-M519Vの発現が認められ、極めて低いGAA活性が検出された。さらに、グリコーゲンの蓄積やオートファゴソームの蓄積といったポンペ病に特徴的な病変が確認された。(3)hGAA-M519V発現マウスに対してボルテゾミブを投与した結果、心臓においてhGAA-M519Vタンパク質の安定化及び成熟化の促進、酵素活性の上昇が認められた。一方で、骨格筋についてはこれらの効果は認められず、骨格筋は心筋よりもボルテゾミブに対する感受性が低いことが示唆された。ポンペ病は酸性αグルコシダーゼ(GAA)の異常により生じる常染色体劣性遺伝病であり、進行性の筋病変を特徴とする。本研究は、プロテアソーム阻害剤がポンペ病の新規治療薬として有効であるかについて検討した。本研究の結果、プロテアソーム阻害剤であるボルテゾミブは、既存の低分子化合物では機能が改善できない一部の変異型GAAについても効果を示すことが明らかとなった。また、本研究では新しいポンペ病モデルマウスを作出し、ボルテゾミブが同マウスの心臓におけるGAA機能の改善に寄与する可能性があることを明らかにした。hGAA-M519VトランスジェニックマウスとGAAノックアウトマウスの交配から、目的のマウスであるhGAA-M519V発現ポンペ病モデルマウスを作成することに時間がかかったため。生化学今年度樹立したhGAA-M519V発現ポンペ病モデルマウスを対象にボルテゾミブ投与を行い、その効果について解析を進める。また、ポンペ病の新規モデルマウスとしてのさらなる特徴付けも同時に進める。ポンペ病モデルマウス作成に必要となるトランスジェニックマウスの作成に想定以上の時間を要したため。平成24年度については、ボルテゾミブが有効なGAA変異の探索を進めた。平成24年度内に解析が終了しなかった変異が多少残されてはいるものの、有効な変異を複数同定し、その特徴が明らかとなりつつある。おおむね順調に進展している。今年度作成したhGAA-M519V発現ポンペ病モデルマウスの疾患モデルとしての特徴付けや、同マウスを用いたボルテゾミブの有効性の解析に着手することはできたが、モデル動物の作成に時間を要したため、それらの解析が完了しておらず、次年度使用額が生じた。今年度作成したトランスジェニックマウスをもとにM519V変異を導入したヒトGAAを発現するポンペ病モデルマウスを作成する。その後、同マウスを対象にボルテゾミブの有効性について解析する。
大深度立坑を利用した実スケール雲化学実験に関する基礎的検討

本研究は平成56年度の一般研究Bとして行われたものであるが、当初使用していた北海道上砂川町三井石炭鉱業南部立坑の閉鎖によりこれに代わる立坑を探す必要が生じ、平成6年11月岩手県釜石鉱山立坑の使用に関する了解が得られたものの、坑内整備と予備調査に平成7年3月までを要したため、予定期限の平成6年度末に研究を終了させることが不可能となった。しかし同年4月に第1回、10月に第2回の実験を行い、最初の目標に沿う成果が得られた。いずれの実験でも坑底から十数ないし数十mの高さで雲の発生が認められた。坑底で二酸化硫黄を約1l/分で放出し、雲底下の雲のない部分と立坑最上部の雲頂に相当する部分において、二酸化硫黄と硫酸塩粒子の濃度、さらに後者においては雲水中の硫黄含量も測定した。その結果、少なくとも雲底直下と直上では全硫黄量がほぼ保存されていること、二酸化硫黄は雲頂に至るまでにほとんどすべてが雲粒に取り込まれることがわかった。第2回の実験ではエレベータに搭載した二酸化硫黄計により、濃度の鉛直分布の測定に成功した。濃度分布は雲底を境界として減衰定数が異なる2つの指数関数で表現され、それぞれの値から雲底下における坑壁への拡散の効果と雲中での水滴への取り込みすなわちレインアウトの効果を評価することができた。後者に対応する減衰の半減期は80sで、二酸化硫黄は速いin-cloud過程により気相から失われることが明らかとなった。また、立坑最上部で熱線式水滴径測定装置により雲粒の粒径分布を観測したところ、基本的には9μm付近に極大をもつ一山型の分布であったが、間欠的に30μm近くに第二の極大が現れることが認められた。このような大粒径水滴の出現は熱線法とは独立にウォーターブルー法によっても確認された。この水滴の個数濃度は小さいが、雲水量には大きな寄与を持つので、降雨過程との関連も含めて今後の検討が必要である。平成5年7月、立坑の現地視察を行い、坑道の大きさ、気温、湿度、風速等の基本データを得、また既設の測定用エレベーターについて、測定器設置のために利用し得る空間的寸法、電源容量を調べた。さらに坑底および坑道排気口における固定測定点を確認し、坑道内への機材の搬入方法、エレベーターの運転方法、坑内外の通信方法等についての打ち合せを行なった。また搭載機器の一つとして、サイクロンにより水滴を分離したのち含浸フィルター法でガス(二酸化硫黄およびアンモニア)および粒子を捕集する装置の設計・製作を行なった。ついで、その他のもの(熱線式水滴径測定装置、二酸化硫黄濃度計)を含めた測定装置の搭載に必要な器具を製作した。8月9日から約1週間にわたって行なわれた観測には準備の都合上直接の参加はできなかったが、このときに採取された雲水、地下水試料の提供を受けてイオンクロマトグラフによる化学分析を行い、硫酸イオン、塩素イオンおよび硝酸イオンの濃度を定量した。これにより坑内に生成する雲水のバックグラウンド組成に関する知見が得られ、塩素イオンがきわめて高濃度で存在すること、硫酸イオンも雲水内反応の追跡に妨害となりうる程度の濃度であること、これに対して硝酸イオンは微量であることが判明した。

ひきつづき9月中旬、熱線式水滴径測底装置を用いた霧の野外観測を行い、装置の安定性やデータ処理系の動作性能を試験した。その結果に基づいてデータ処理プログラムを改良し、また水滴径分布の画像表示プログラムを新たに作成した。さらに、熱線に印加されるベースライン電圧の変動を記録していない、サンプリング効率が悪い、の2点で現有測定系には改良の余地があることが明らかになったので、AD変換ボードを通して印加電圧の全体値をほぼすべてのパルスにわたって直接パーソナルコンピュータに取り込む処理系の製作と試験を行なった。本研究は北海道上砂川町にある三井炭坑南部排気立坑を実験場所としてスタートしたが、平成5年9月、炭坑所有者である三井石炭鉱業(株)の経営上の方針変更により南部立坑は閉鎖された。そこで同じ鉱山内の第一立坑を用いる実験計画を検討した。しかしこの立坑は人員輸送エレベータ-用のものであるため、測定機器類すべてに防爆設備の取り付けが要求されること、二酸化硫黄のような有毒ガスの放出が極めて厳しく制限されること、同じ鉱山で進行中の他の実験(無重力落下や圧縮空気発電)との関連でエレベータ-使用に制約が生ずること等の理由により実際上実験は不可能との結論に達した。次に代わりとなり得る立坑を探す努力を開始し、炭坑に比べて坑内での電力、火気、ガス使用に関する制約がはるかに少ない金属鉱山に目標を絞って候補地を選び、平成6年4月岐阜県神岡鉱山、7月岩手県釜石鉱山を視察した。前者には約550mの立坑があるので三井炭坑とほぼ同規模の実験ができることを期待したが、視察したところ坑内湧水が著しく坑底では降水が土砂降り状態であることが判明して、ここでの実験は断念せざるを得なかった。一方後者では立坑の使用可能部分の長さが430mと実験スケールの点でやや不満はあるものの、湧水や地底ガス放出の心配はなく、実験に適していると判断した。その後所有者である釜石鉱山(株)との交渉を重ね11月に人工雲実験のための立坑使用に関する合意に達した。次いで12月より崩落箇所の補修等の坑内整備作業を開始し、坑道コンクリート枠、観測用ケージガイド、電源設備が出来上がった段階の平成7年2月下旬に第一回の予備的な実験を行い、機器の動作試験と坑内環境条件の測定を行なうこととした。引き続き立坑通気設備、横坑通気の遮断、坑内連絡設備の設置等の作業を進めこれらが終了した後の3月下旬にガス放出を伴う第二回の実験時期を設定した。
難治性中耳炎モデルを用いた手術治療の検討

本研究の目的は、難治性中耳炎と言われる癒着性中耳炎や真珠腫性中耳炎の手術に際して、骨削開時の骨粉を板状としたもの、いわゆるbone pate plateを外耳道再建や充填乳突腔の充填することで、中耳腔を正常に近い形態にもどし、中耳炎の再発を予防することができるかということである。実際の臨床症例において、難治性中耳炎に対する今までの手術方法では、術後数%に再発を認めてきた。今回はよりヒトに類似した構造を持つブタにおいて中耳炎モデルを作成し、実際の手術手技と同様に治療した後経過観察を行うこととした。本年度は、ブタの左鼓室内に10%水酸化ナトリウムを注入し、炎症を惹起させ、中耳炎モデルを作成した。その後頬骨弓より骨粉を採取、骨粉を固定しbone pate plateを形成した。次に外切開にて左含気蜂巣を削開し、中耳骨胞を開放、購入した光源装置CLV-U40Dを使用し、内視鏡下に骨胞内の削開腔にbone pate plateを充填し、中耳炎の再発の有無ついて観察することとし、処置後1、3カ月で断頭、内視鏡下に鼓膜を観察し、再発の有無と組織学的変化ついて検討した。1例にのみ感染が生じ、作成したbone pate plateが消失していた。しかしその他は内視鏡下に再発を認めていなかった。組織学的には症例により作成したbone pate plateが骨組織を再形成しているものから線維組織に置き換わっているものまでとやや異なるため、症例を増やしてさらに検討していく予定である。
関節軟骨細胞のライフサイクルとその制御機構の解明

まず最表層細胞、中間層・深層細胞のサブセット解析として、Prg4-GFP-CreERT2マウスの膝関節からコラゲナーゼ、トリプシンなどのタンパク分解酵素処理を組み合わせ、初代培養細胞を採取し、FACS(fluorescence activated cell sorting)にてPrg4陽性、陰性の細胞に分離した。次にPrg4陽性細胞群についてシングルセル解析を行い、複数のクラスターに分類されることは判明したが、各群でFASCに堪えうる特異的なマーカーを同定することは困難であった。その原因として、現行のシングルセル解析では発現コピー数が極端に大きい遺伝子しか検出できないことが考えられた。そこで培養増幅を十分に行ってからRNAシーケンスを行い、マーカー遺伝子を3つ選出した。そのうちの1つについてはCreマウスを作出し、Rosa26-tdTomatoと交配させて検討したが、部位特異的な組み換えが確認された。また発現遺伝子の差異から、Wntシグナル、Notchシグナルのほか、NF-kappaBシグナルが最表層細胞の表現型の決定に重要であることが確認され、それぞれのfloxマウスをPrg4-GFP-CreERT2マウスと交配させ、最表層特異的な機能喪失マウスを作出し、検討を行っている。またWnt、Notchについては表層特異的なノックアウトによって関節機能に関して強い表現型が得られた。またin vitroでもそれぞれの遺伝子の機能解析を開始しており、最表層細胞と中間層・深層細胞の制御にどのように関係するかを、細胞増殖、未分化性の維持、成熟、肥大化など分化過程、細胞老化など現象ごとに解析を実施している最中である。層特異的なCreマウスも新たに作出でき、また層特異的シグナル解析も順調に進行しているなど、ほぼ計画通りの進捗である。セルトラッキングによる関節軟骨細胞のライフサイクルの検証として、作出したCreマウスとRosa26-tdTomatoなどのレポーターマウスと交配させた系統につき、引き続きセルトラッキングで追跡する。またRosa26-DTAマウスと交配させて細胞死を誘導し、当該細胞の機能喪失実験を継続する。Progenitorの細胞培養系と関節軟骨細胞への分化系の確立についても継続して実験を行う。特にin vivoで表現型が得られたWntシグナル、Notchシグナルの関与について重点的に検討を行う。この2つのシグナルについては引き続き生体レベルでの解析も深めていく。そこで細胞増殖能の高い細胞を選別すべく、Prg4陽性細胞を低密度播種し、複数クローンを増幅して発現解析を行い、中間層・深層細胞と比して有用性が期待できるマーカー遺伝子を3つ選出した。これらについては、次年度以降Creマウスを入手もしくは作出する計画である。また発現遺伝子の差異から、Wntシグナル、Notchシグナルのほか、NF-kappaBシグナルが最表層細胞の表現型の決定に重要であることが予想された。そこでこれらのシグナル群に関する重要分子を複数選び、それぞれのfloxマウスを入手、順次Prg4-GFP-CreERT2マウスとの交配を開始している。最表層細胞、中間層・深層細胞のサブセット解析にシングルセル解析は有効ではあったが、解析する細胞の数とリード数との兼ね合いから、そのまま発現解析とマーカー探索に繋げることは困難であった。しかしながらクローナルに増殖させて解析を行うことでこの問題をクリアすることができ、ほぼ計画通りの進捗を得るに至った。

またin vitroでもそれぞれの遺伝子の機能解析を開始しており、最表層細胞と中間層・深層細胞の制御にどのように関係するかを、細胞増殖、未分化性の維持、成熟、肥大化など分化過程、細胞老化など現象ごとに解析を実施している最中である。層特異的なCreマウスも新たに作出でき、また層特異的シグナル解析も順調に進行しているなど、ほぼ計画通りの進捗である。以下に分けて研究を推進する。・セルトラッキングによる関節軟骨細胞のライフサイクルの検証:初年度に同定した3つのマーカー遺伝子につき、それぞれのCreマウスを入手もしくは作成する。Rosa26-tdTomatoなどのレポーターマウスと交配させ、セルトラッキングで追跡するとともに、Rosa26-DTAマウスと交配させて細胞死を誘導し、当該細胞の機能喪失実験を行う。・遺伝子発現プロファイルを用いたupstream解析による関節軟骨細胞制御シグナル予測:初年度の実験結果から、遺伝子発現プロファイルでは、Wntシグナル、Notchシグナルのほか、NK-kappaBシグナルが上流制御に関わることが強く示唆された。3のCreマウス、およびこれらのシグナルのfloxマウス、あるいはトランスジェニックマウスを交配させて、それぞれのシグナルの影響について精査する。・候補シグナル群の層別の活性評価:現状のシングルセル解析の技術水準では、各細胞におけるマーカー遺伝子の発現レベルを定量的に判断するのは困難であることが分かったため、経験の蓄積があるレーザーマイクロダイセクション法とRNAシーケンスを合わせた解析手法を用いて詳細な解析を行う。同時に免疫染色法も駆使して組織切片上での発現の空間的広がりについても解析する。セルトラッキングによる関節軟骨細胞のライフサイクルの検証として、作出したCreマウスとRosa26-tdTomatoなどのレポーターマウスと交配させた系統につき、引き続きセルトラッキングで追跡する。またRosa26-DTAマウスと交配させて細胞死を誘導し、当該細胞の機能喪失実験を継続する。Progenitorの細胞培養系と関節軟骨細胞への分化系の確立についても継続して実験を行う。特にin vivoで表現型が得られたWntシグナル、Notchシグナルの関与について重点的に検討を行う。この2つのシグナルについては引き続き生体レベルでの解析も深めていく。
高線量分解能ポリマーゲル線量計の開発

現在、放射線治療の照射技術の進歩により高精度な照射が可能になっている。ポリマーゲル線量計は3次元の線量分布の測定が可能とされているが、様々な特性があり、現在のところ臨床では積極的な使用には至っていない。本研究では線量をより正確に測定するため、ポリマーゲル線量計の測定可能な最小線量差について調査しより感度の高いポリマーゲル線量計の試作、評価を行った。また、解析用ソフトウェアを開発し容易に線量マップ表示できるようにした。今年度は、ポリマーゲル線量計の増感作用を持つ添加物を加え、その添加物がポリマーゲル線量計の空間的安定性、線量依存性、線量加算効果(分割照射によるレスポンス)に与える影響などを調べた。ポリマーゲル線量計はゼラチンなどのゲルマトリックス内に放射線照射により発生するラジカルによって反応を起こす有機モノマーを配合している線量計であり、多くのポリマーゲル線量計は水が重量比で80%以上であることから、生体等価な放射線特性を持つ。添加物の影響により、ゼラチンの融点が下がることや、大量の添加物により、実効原子番号が高くなり、深部線量の測定において、水等価性からの乖離が生じた。このため現在、少量の添加剤でポリマーゲル線量計の感度増感作用をもつ添加剤について調査している。今年度は、この欠点を克服するため、少量の添加剤で増感作用が生じる添加物について調査をしている。再現性は今のところ十分とは言えないが、従来の重量比で数%の添加物を加える方法に比べ、現在調査中の添加物はより少なくてすむ可能性が大いにあり、もともとポリマーゲル線量計のもつ、生体等価な放射線特性を十分に保持できると期待できる。本研究では線量評価を行うため、MRI撮像から特性曲線の取得、特性曲線から、線量変換を行う必要があるが、MRI画像を線量画像に変換するソフトウェアは今年度開発済みである。また、実験を簡便に行うために、紫外線ランプを導入し、紫外線によるラジカル重合反応を起こすことにより、ポリマーゲル線量計の基礎データを取得している。これにより、従来に比べ効率的に基礎データの収集ができるようになった。放射線治療において照射位置精度の管理ツールとして3次元吸収線量を計測できるポリマーゲル線量計がある.しかし国内において十分な普及には至っていない.その主な理由として以下のような原因が挙げられる.ゲル化剤としてのゼラチンの融点が常温付近であり,線量計自体の線量応答特性が温度に左右される.特に温度によりゼラチンが溶けてしまうと線量測定の精度が劣化してしまう.また低線量領域の線量感度が低く,放射線治療でよく使用される23 Gy程度の吸収線量の線量分布を評価することが難しい問題があった.本研究ではポリマーゲル線量計の感度に関する研究を行い,線量計の組成を見直すことで線量計自体の改善を行った.従来のポリマーゲル線量計の感度を上げることにより,より小さな線量差を表現できるよう線量計の改良を試みた.放射線照射では放射線治療で使用される医療加速器を用いて高エネルギーX線を照射し実験を行い,臨床で使用されているMRI(magnetic resonance imaging)装置を使用して応答特性を調査した.また,ポリマーゲル線量計の応答特性を容易に評価するため,従来から作成していた評価用ソフトウェアの改良を行い,MRIから容易に線量に変換するシステムを構築した.本研究の結果より,改良されたポリマーゲル線量計は低線量域で感度の上昇が認められた.これはより小さな線量差を評価可能できると考えられる.温度特性については従来のポリマーゲル線量計とほぼ同等であった.よってポリマーゲル線量計の組成を見直すことでより小さな線量差が評価可能であることを示唆し,また開発ソフトウェアにより,より臨床で使用可能なポリマーゲル線量計の評価システムを構築したと考える.現在、放射線治療の照射技術の進歩により高精度な照射が可能になっている。本研究の目的は、放射線治療領域で使用が試みられている3次元線量分布測定器であるポリマーゲル線量計の線量分解能を向上させることである。ここで、線量分解能とは線量応答特性と測定誤差に依存し、異なる線量差を見分けられる最小の線量であり、線量分解能の値が小さいほど、より高精度に線量測定をすることができる。また、ポリマーゲル線量計は、放射線照射による有機モノマーのラジカル重合反応に起因するゲルマトリックス内の環境変化を定量的に測定し、3次元線量分布の取得を可能とする水等価性の測定器である。平成23年度は、既存のポリマーゲル線量計に様々な試薬を添加することや、反応に直接関わる複数の有機モノマーの配合比を調整することにより、線量応答特性の調査を行った。サンプルを試験管に封入し、医療用リニアック装置を使用し放射線照射を行った。また線量率依存性を調査するために、線量率を変えた照射も行った。医療用MRI装置により、スピンエコー法で撮像された複数の画像からR2画像を算出し、その値を線量応答値とした。

組成の変化により、線量応答特性が改良するものの、ゲル化剤としてのゼラチンの融点が下がることがあり線量分布の経時安定性の低下や線量率依存性が生じることを確認した。また、組成の変化に伴う、ポリマーゲル線量計の水等価性の変化を抑えるために、溶媒を水のみでなく、アルコール-水の共溶媒にすることで密度調整を行う工夫をした。融点の低下や線量率依存性の結果は、線量計の特性としては欠点にあたり、改善が今後の課題である。交付申請時の平成24年度研究目的は開発するポリマーゲル線量計の経時的安定性などを調査を行うとしている。また、特性の劣化がみられた場合はさらなるポリマーゲル線量計の開発・改良を行うとしている。今年度は主に上記で挙げた調査を行っており、おおむね計画通りに行えていると考える。開発したポリマーゲル線量計の基礎特性調査は主に試験管に封入した、小さなサンプルで行っているが、ポリマーゲル線量計の利点である3次元空間線量分布の測定を行うため、次年度の研究目的に挙げている、人体を想定した大きさのポリマーゲル線量計の調査も行い始め、具体的な容器の種類やサイズなどの検討や容器を大きくしたときに空間線量分布を経時的に保持できるかの検討を行っている。ポリマーゲル線量計の容積が大きくなったときの問題点なども調査にしている。また得られたMRIでの測定値から、特性曲線を直線近似や最小二乗法によるカーブフィットするソフトウエアを作成し、その得られた特性曲線から線量変換を行うソフトウェアを開発した。現在、X線照射のパラメータやMRI撮像のパラメータはおおむね決定している。MRI撮像によるポリマーゲル線量計の評価を中心に行っているが、光学特性調査については、開発するポリマーゲル線量計の組成が完全には定まっていないこともあり、この点については順調に進展しているとは言えない部分がある。測定パラメータの検討などを行っており、組成が完全には定まってから光学的な評価を行う。ポリマーゲル線量計は放射線治療分野での3次元の測定器として、大きな可能性を秘めているものの、その測定再現性や経時的な測定値の変動、測定精度の不足があげられる。これらの欠点を改善することが、本研究においてポリマーゲル線量計の開発を行う目的である。本研究の添加物を使った線量応答特性の改良やそれに起因して生じる欠点を明らかにしてきたことは、高線量分解能かつ安定したポリマーゲル線量計の開発のために基盤となる有用なデータになると考えられる。また、これらを達成するために最適なポリマーゲル線量計の組成の候補が絞られた。現在調査中ではあるが、組成によってはポリマーゲル線量計のゲル化剤のゼラチンの融点が下がることがあった。しかし、ホルムアルデヒドによりMAGICタイプのポリマーゲル線量計の融点が上昇すると以前に報告されている方法を、試作しているポリマーゲル線量計においても、その組成によっては適用可能であることは確認できている。また、線量率依存性についても、有機モノマーの配合比によって大きく変化することが本研究でわかったため、適切な添加物を決定後、これらの配合比を調整することで、線量率依存性を抑えることができると考えられる。実験を通して、欠点や改善点が生じることはあるが、現在のところ、その対処法は交付申請書に記載した「研究の目的」にそって行っている。また、紫外可視分光光度計を設置し、ポリマーゲル線量計の線量ー光学応答特性も測定できる準備を行った。
宇宙太陽発電衛星の実用発電送電パネルの開発とハワイでの実証マイクロ波無線送電実験

宇宙からクリーンで無尽蔵な電力を供給することができる宇宙太陽発電衛星を実現するための開発研究である。実用発電送電パネルは、片面に太陽電池で発電し、他面から電力をマイクロ波に変換して地上に送電するためのアクティブ・フェイズド・アンテナで構成される。本研究で、新しいアンテナ素子の開発と電力からマイクロ波に変換する高効率のGaNのFET増幅器の開発に成功した。また、ハワイでの長距離送電実験と静止衛星からの電波による実験で地上に送電されるマイクロ波への影響を実験し、実用面でのデータ取得に成功した。本研究の目的は、宇宙太陽発電衛星の実用に向けた本格的な発送電パネルを完成させることである。そのためには発送電パネルに必要な機能や仕様を明確化し、その要求を満たす性能を実現する。まず第1回目のハワイ実験で用いたマイクロ波無線送電システムの改良をおこなった。レトロディレクティブ方式によるマイクロ波ビーム制御システムを有する送電パネルを完成させ、2009年9月にトロントで開催されたInternational Symposium on Solar Energy fromSpaceでデモンストレーションに成功した。送電パネル1枚あたり20Wの電力を2.45GHzのマイクロ波で放射する。送電パネルを9枚並べて設置し、送電パネルから13m離れた位置にレクテナ付ローバーに送電する。パイロット信号送信機から送電パネルに向けて1.225GHzのパイロット信号を送信し、パイロット信号を受信した各送電パネルはレトロディレクティブ制御を行った上で、パイロット信号送信機に向けてマイクロ波ビームを集中させる。レトロディレクティブ制御の時は、パイロット信号送信機の場所に関わらずマイクロ波ビームは常にパイロット信号送信機に集中する。パイロット信号送信機をレクテナ付ローバーに近づけると、レクテナがマイクロ波ビームを受電する。レクテナは受電したマイクロ波を直流電力に変換し、ローバーのモーターを駆動する。また、ローバーの他LEDを接続したレクテナを使用し、パイロット信号送信機を近づける・離す・同時に移動することでLEDを点灯・消灯させた。レトロディレクティブ方式によるマイクロ波のビーム制御の有効性が実証できたので、ハワイでの超長距離無線送電実験を計画している。ハワイのマウイ島ハレアカラ山とハワイ島マウナロア山の間で、静止軌道36000kmの伝送に相当するレベルでの実験を次年度に実施する予定である。そのために発送電パネルに必要な機能や仕様を明確化し、その要求を満たす発送電パネルを実現する。前年度に、レトロディレクティブ方式によるマイクロ波ビーム制御システムを有する送電パネルを完成させ、2009年9月にトロントで開催されたInternational Symposium on Solar Energy fromSpaceでデモンストレーションに成功した。このデモンストレーションに用いた9枚のパネルをハワイ島のマウナロア山に設置して、マウイ島のハレアカラ山との間でのマイクロ波ビーム制御実験を2010年7月に実施し、多くの有用なデータを取得した。160km離れたマウナロア山とハレアカラ山とのマイクロ波ビーム制御実験では、パイロット信号および送電用マイクロ波の受信レベルと位相変化を測定した。その結果、受信レベルが不安定で、マイクロ波送電には使用できない状態であることが判明した。その原因として大気によるスキャッタリング、海面からの反射、建物などのマルチパスなど多くの原因が想定され、実験後に検討を開始した。また、実用宇宙太陽発電衛星の場合、160kmに及び地上送電と異なり、大気層は10kmぐらいの厚さである。大気による影響は大きく異なることが予想される。この静止軌道の宇宙太陽発電衛星と地上との送電状況を実験するため、通信実験のために2006年12月に静止軌道に打ち上げられた技術試験衛星VIII型「きく8号」からの電波を用いて、大気の影響の測定を開始した。最終目的である実用発送電パネルの実現のため、現在までに高効率増幅器を実現し、放熱効率の良いスロットアンテナの最適設計を進めている。次年度には完成させる予定である。そのために発送電パネルに必要な機能や仕様を明確化し、その要求を満たす発送電パネルの実現を目指す。トロントの国際会議でデモンストレーションに成功したレトロディレクティプアンテナによる送電パネルを用いて、昨年度は、7月にハワイ島マウナ・ロア山とマウイ島ハレアカラ山の間の地上送電実験を行った。その結果、海面からの反射や大気等の減衰が予想以上に大きかった。そこで、今年度は静止軌道にある試験衛星ETS-8からの信号を用いて、大気層や電離層に垂直に入射された場合の影響を集中的に測定評価した。その結果、大気を水平に伝搬する地上間マイクロ波送電では減衰が大きく問題になるが、垂直入射なら大気層が薄いことから宇宙太陽発電衛星から地上へのマイクロ波無線送電には影響がないことが判明した。

この観測により、実用宇宙太陽発電衛星の開発に向けた重要なデータを収得した。トロントのデモンストレーションにより、宇宙太陽発電衛星用発送電パネルの機能が確立されたと考える。この機能を最大限に生かせる構造の検討を進めた。その結果、今まで開発していたスロット・アンテナでは、反対方向への放射を抑えるためのキャビティーが大きく、増幅器や分配器を入れるためには多層構造となり、重量の増加となる。新たに逆Fアンテナの開発に取り込み、さらに発展させて排熱効率の高い幅広い逆Fアンテナを開発することができた。パイロット信号用のアンテナも発送電アンテナ全面を反射鏡として利用するパラボラ・アンテナとした。このような改良により、発送電パネルの構造や配線が非常に単純化され、信頼性が高く、非常に軽量なパネルが実現した。これらの研究成果から、次の軌道実験への計画へと進める。この軌道実験が実用宇宙太陽発電衛星への大きなステップになると信じる。