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炉内へのトリチウムの蓄積と除去

核融合炉内トリチウム蓄積に関する実験的研究を行なうA01班「核融合炉内複雑環境におけるトリチウム蓄積挙動の実験的研究」と理論・シミュレーション研究を行なうA02班「核融合炉のトリチウム蓄積・排出評価のための理論およびシミュレーションコードの開発」をとりまとめ、これらの研究を有機的に進めるため、活動計画の策定や打合せ会合・研究会を行い、研究の進展に貢献した本調整班の活動では、核融合炉壁におけるトリチウム蓄積挙動の解明と除去法の開発を目的として、「核融合炉内複雑環境におけるトリチウム蓄積挙動の実験的研究」と「核融合炉のトリチウム蓄積・排出評価のための理論およびシミュレーションコードの開発」の2つの計画研究をとりまとめる。これらの研究成果から、トリチウムの炉壁材料中への蓄積挙動の解明、、炉内トリチウム量の制御方法の確立、及び炉内トリチウム量の最適な除去方法の確立を行う。核融合炉内トリチウム蓄積に関する実験的研究を行なうA01班「核融合炉内複雑環境におけるトリチウム蓄積挙動の実験的研究」と理論・シミュレーション研究を行なうA02班「核融合炉のトリチウム蓄積・排出評価のための理論およびシミュレーションコードの開発」をとりまとめ、これらの研究を有機的に進めるため、活動計画の策定や打合せ会合・研究会を行い、研究の進展に貢献した核融合炉内のトリチウム蓄積量の評価法を確立するためには、実験研究を通じてのデータベースの蓄積と現象の解明、及び適切なモデリングとシミュレーション研究が密接に連携しながら研究を進めることが必要である。特にトリチウムの蓄積現象については、現在存在しないITERあるいは原型炉の評価を行う必要があり、また、現有装置についてもその評価法が確立していないという状況を鑑みると、モデリングやシミュレーション研究のさらなる発展とその結果の妥当性を評価するためのベンチマーク実験、あるいは核融合炉内複雑環境における新たな知見の付加が非常に重要になってくる。本調整班の今年度の活動として、実験研究の現状とシミュレーションの現状の把握、及びこれらの協力関係の構築をまず最重点課題として掲げ、2月4日-5日に研究会を行った。ここでは、まずITERに関わるエッジプラズマあるいはプラズマ対向材料に関する研究の現状の俯瞰、及びそれらに対する日本の貢献の可能性を議論し、それを受けてA01班とA02班が現在の研究状況を説明し、それらをベースにして実験研究はシミュレーションとの連携、シミュレーション研究はベンチマーク実験や、基礎実験との連携を議論した。本会合には、特に日本でプラズマ壁相互作用の実験研究とシミュレーション研究を主導的に行っているグループが参加して議論を行ったため、今後の連携に向けての地ならしができたと考えている。来年度に向けて、具体的な連携の方策を絞り、ITERや原型炉への貢献のあり方を議論していくことが必要と考えている。核融合炉内のトリチウム蓄積量の評価法を確立するためには、実験研究を通じてのデータベースの蓄積と現象の解明、及び適切なモデリングとシミュレーション研究が密接に連携しながら研究を進めることが必要である。特にトリチウムの蓄積現象については、現在存在しないITERあるいは原型炉の評価を行う必要があり、モデリングやシミュレーション研究のさらなる発展とその結果の妥当性を評価するためのベンチマーク実験、あるいは核融合炉内複雑環境における新たな知見の付加が非常に重要になってくる。さらに、今年度は、ITERのダイバータ材料選択が緊急の課題となったため、その議論の場の提供も大きな目的となった。本調整班の今年度の活動として、まず4月15日に徳島大学にて次炭素タングステン混合層の形成に関して、実験とシミュレーションの打ち合わせを行った。5月2日は、ITERのダイバータ材料選択への対応を議論するための会合を核融合フォーラムと合同で行った。7月16日には、NIFS研究会と合同で、シミュレーション研究と実験研究の連携について議論した。7月17日には、慶応大学でトカマク内のタングステンの輸送について、実験とシミュレーションの対応について議論した。12月25日-26日には、NIFS研究会や核融合フォーラムの物理と炉工学と協力し、ITERのプラズマ対向材料選択に関する議論を、物理的な視点と炉工学的な視点から行った。さらに、2月4日には、最近のシミュレーションと実験の成果について情報交換を行い研究の進捗状況について議論した。これらの会合における議論を通じて、炭素堆積層の研究や、トカマク装置炉内のタングステンの輸送など、いくつかのテーマについて、具体的な研究の進展を見た。本調整班の今年度の活動は以下の通りである。4月27日に核融合研にて、ITERにおけるタングステン壁材料選択の課題抽出や日本の対応について議論を行ない、タングステンに関する必要な研究を続けると共に、炭素材の可能性についても最大限に追求していく必要があることを確認した。6月22日26日にフランスで行なわれたITER夏の学校にて、上田と大宅が、壁表面の混合層形成とそのトリチウム挙動に与える影響、及びPWIシミュレーション研究に関する講演を行なった。本講演の内容は書籍として出版される。8月34日に核融合科学研究所にて、物理・炉工学クラスターやNIFS研究会との合同会合を開催し、ITER計画の最近の情報交換を行なうと共に、5月のITPA会合の内容が紹介された。さらに、本特定領域研究で重要な研究課題であるタングステンR&Dの研究、ダストのダイナミクスとトリチウム吸蔵に与える影響、及びエッジプラズマやPWIのシミュレーション研究に関して、情報交換と議論を行なった。12月24日25日には、核融合研にて、8Hと同様の合同研究会が行なわれ、12月のITPA会合での議論が紹介されると共に、炉内トリチウム挙動やそれと深く関連するPWI研究の現状が紹介され、活発な議論が行なわれた。

3月56日には、総括班主催の若手会合が行なわれ、その中でA班の研究の現状について情報交換と議論が行なわれ、これまでの研究を総括すると共に今後の研究の方向性についての議論も行なわれた。特に炉内トリチウム蓄積評価に関する会合を来年度の適当な時期に行なうことになった。本調整班の今年度の活動は、研究会の開催(3回)、及び総括班主催の若手研究会への協力、及びA01班、及びA02班の研究の円滑な遂行のための密接な情報交換である。1回目の研究会(6月25日)では、核融合炉の壁材料の最有力候補であるタングステンの最近の研究成果や今後の研究の進め方について、極限重層科学研究グループと合同で議論を行なった。ITERでタングステンを使用するための課題やダイバータ開発研究を概観した後、タングステンのヘリウムプラズマ影響やパルス熱負荷影響について、最近の研究成果の発表と議論を行なった。ダイバータにタングステンを適用するためには、表面損傷の形成メカニズムの解明とその材料健全性やトリチウム蓄積に与える影響を正しく評価する必要があることが認識された。2回目の研究会(7月21日)では、核融合炉材料のリテンションをテーマとして、タングステン中の水素同位体挙動、炉内トリチウム蓄積量評価、及び中性子照射損傷評価に関して発表と議論を行なった。タングステンの水素同位体挙動はまだ明らかでないことが多くあり、表面の影響、入射粒子の析出による欠陥形成、あるいはそれに伴う歪み場の影響など、今後まだ多くの課題が残されている。3回目の研究会(11月17日-18日)では、原型炉開発におけるプラズマ対向材料やプラズマ対向機器の研究開発の現状と今後の課題について議論を行なった。特にダイバータの冷却方式(水冷却、ガス冷却)がダイバータ設計や特性に与える影響について、研究の現状把握と議論が行なった。トリチウムの挙動についても、冷却材の違いが大きく影響を及ぼすことが認識された。本調整班の活動は、W-H研究会への協力、総括班主催の若手研究会への協力、及びAO1班、及びAO2班の研究の円滑な遂行のための密接な情報交換である。今年度は最終年度でも有り、これに加えて、国際学会にて総括的な発表を行なった。W-H研究会においては、W中の水素同位体挙動について、計画研究の垣根を越えて、情報交換や議論が行なわれた。A班からも混合イオンビーム照射がタングステン中の重水素挙動に与える影響について発表した。また若手研究会では、11件の発表がA班からなされた。その内容は、基礎実験、実機実験、及び理論、シミュレーションの多岐にわたり、多くの若手研究者が育っていることを示した。また、研究分担者とは、学会や研究会などで数回情報交換を行ない、本研究の総まとめの方向について議論を行なった。純粋なシミュレーションにより、材料混合の効果なども取り込んだ炉内リテンション量評価をAO2班が、タングステン中のトリチウム挙動の実験結果をベースとした解析をAO1班が行なった。
その場観察法によるSi多結晶の融液成長メカニズムの解明（国際共同研究強化）

最終年度は、Si多結晶の融液成長に関して、1.結晶粒界の移動方向、2.小角粒界と双晶界面の反応について、実験(東北大金研)と理論(IKZ)の両面から検討し、それらのメカニズムを明らかにすることが出来た。また、Si多結晶の融液成長実験を行っている東北大の博士学生2名もIKZを訪問することができ、IKZコロキウムにおいて招待講演を行った。さらに博士学生1名はドイツーポーランド結晶成長国際会議(ポーランド)において、本研究成果に関して招待講演を行った。このように、Si多結晶の融液成長メカニズムの国際共同研究を通して、結晶成長学の発展だけでなく若手研究者の育成においても有意義な成果が得られた。期間全体の成果としては、Si多結晶の融液成長に関して、双晶界面の形成メカニズム、粒界グルーブの形状と双晶界面形成の相関、結晶粒界の移動方向、小角粒界と双晶界面の反応、小角粒界と大角粒界の反応について実験的に明らかにすることが出来た。また、これらの理論的解釈も進み、フェーズフィールドシミュレーションによる現象のモデル化に着手することが出来た。さらに、共同研究先のIKZ(ドイツ)だけでなく、IM2NP(グルノーブル、フランス)や中国のSi結晶メーカーの研究グループとも有意義な議論ができ、今後、本研究をさらに国際的に発展させるためのネットワークを構築することが出来た。内定年度:2015研究目的:本国際共同研究は、以下の2つの目的を達成するために実施する。目的1)実験および理論的解析によるSi多結晶の融液成長メカニズムの体系化目的2)太陽電池用Si多結晶インゴットの高品質化成長技術の開発世界の太陽電池生産量の約6割を占めているSi多結晶太陽電池のエネルギー変換効率を飛躍的に向上させるために、一方向成長法により作製されるSi多結晶インゴットの「高品質化・高均質化」が希求されている。現状のSi多結晶インゴットを凌駕するインゴットを得るためには、一方向成長過程において、多結晶組織の制御、欠陥の低減、高純度化、および、不純物分布の制御が可能な新規の結晶成長技術を開発しなければならならず、これには固液界面で生じる現象の総合理解が不可欠である。本年度は、目的1)のSi多結晶の融液成長メカニズムの体系化を目的として研究をスタートさせた。東北大学金属材料研究所において、Si多結晶の一方向性腸過程における固液界面の直接観察実験を行った。粒界から固液界面不安定化が発生する様子や双晶界面が形成される様子を実験的に明らかにした。この実験結果をもって、研究連携先であるIKZに渡航し、W. Miller博士と実験結果について議論を行うとともに、これらの現象を理論的にどのように解釈するかを検討した。今後、固液界面近傍における温度場を実験的に測定し、それらの情報を基に理論解析を行っていく方針を定めた。本共同研究は、以下の手順に従い平成28年度-平成30年度の研究期間に実施する予定としている。1)申請者のグループで得られるSi多結晶の様々な固液界面現象の実験データをIKZのNumerical Modellingグループ(W. Miller博士)と共有する。特に、多結晶材料特有の現象である、結晶粒界部でのグルーブ形成と粒界性格の相関、結晶粒界部における不純物の局所偏析、多結晶の固液界面不安定化、固液界面における欠陥形成に関する情報を共有する。2)IKZにおいて、それぞれの現象に対して理論モデルを構築し、フェーズフィールド・カイネティック法などの計算機シミュレーションにより実験結果を再現する(第一の目的)。実験データが不足している場合は、東北大学金属材料研究所において適宜追加実験を行いデータを補充する。3)理論解析を基に、不純物偏析や欠陥形成を低減させるための制御パラメータを抽出し、太陽電池用Si多結晶インゴットの新規結晶成長技術を開発する。4)申請者のグループにおいて、高品質かつ高均質なSi多結晶インゴットの成長技術を確立する。本年度は、上記1.について実施し、この実験データをIKZと共有することができた。今後、2.および3.について共同研究を進めていく目途が立った。本共同研究は、Si多結晶の融液成長に関して2つの目的を設定している。1)東北大学金属材料研究所において固液界面の観察実験を行い固液界面現象を明らかにし、さらに、IKZ(ドイツ)において実験結果に基づいた計算機シミュレーションを実施し融液成長の諸現象を基礎的に解明することを第一の目的としている。2)太陽電池用Si多結晶インゴットの成長技術開発を行い、従来のSi多結晶インゴットよりも高品質なインゴットを実現することを第二の目的としている。これらの目的に対して、平成29年度は、Si多結晶の融液成長過程において固液界面の粒界部から双晶界面が形成するメカニズムについて明らかにした。また、固液界面における、粒界同士の反応、亜粒界と双晶界面の反応、亜粒界同士の反応に関する直接観察実験を開始し、従来知られていない固液界面現象の観察に成功した。特に、固液界面における小角粒界と双晶粒界の反応においては、小角粒界が双晶粒界を貫通するという太陽電池用Si多結晶の成長においても重要な知見が得られた。粒界同士の反応についてIKZのMiller博士と情報交換を行い、本現象のメカニズム解明に向けた共同研究を行っている。また、高品質Si多結晶インゴットの成長に関しては、ルツボとSi融液の反応が起こらないような成長条件の取得へ向けた研究を継続中である。Si多結晶の融液成長メカニズムの基礎研究に関しては、固液界面における双晶界面の形成メカニズムに関して明らかとなった。

また、固液界面における現象においては、小角粒界がΣ3双晶界面を貫通していくという従来知られていなかった現象が明らかとなり、このメカニズムに関して現在研究を進めている。さらに、融液成長過程における粒界の発展メカニズムに関しても実験データが揃ってきており、このメカニズムの解明も進めている。このように、Si多結晶の融液成長メカニズムに関して新しい現象が次々と明らかになってきており、研究は順調に進行している。ただし、IKZにおけるコンピュータシミュレーションに関しては、現象が複雑であるためシミュレーションのプログラムを構築するために若干時間が必要である。最終年度は、Si多結晶の融液成長に関して、1.結晶粒界の移動方向、2.小角粒界と双晶界面の反応について、実験(東北大金研)と理論(IKZ)の両面から検討し、それらのメカニズムを明らかにすることが出来た。また、Si多結晶の融液成長実験を行っている東北大の博士学生2名もIKZを訪問することができ、IKZコロキウムにおいて招待講演を行った。さらに博士学生1名はドイツーポーランド結晶成長国際会議(ポーランド)において、本研究成果に関して招待講演を行った。このように、Si多結晶の融液成長メカニズムの国際共同研究を通して、結晶成長学の発展だけでなく若手研究者の育成においても有意義な成果が得られた。期間全体の成果としては、Si多結晶の融液成長に関して、双晶界面の形成メカニズム、粒界グルーブの形状と双晶界面形成の相関、結晶粒界の移動方向、小角粒界と双晶界面の反応、小角粒界と大角粒界の反応について実験的に明らかにすることが出来た。また、これらの理論的解釈も進み、フェーズフィールドシミュレーションによる現象のモデル化に着手することが出来た。さらに、共同研究先のIKZ(ドイツ)だけでなく、IM2NP(グルノーブル、フランス)や中国のSi結晶メーカーの研究グループとも有意義な議論ができ、今後、本研究をさらに国際的に発展させるためのネットワークを構築することが出来た。当初の計画通り、東北大学金属材料研究所において、Si多結晶の融液成長過程を直接観察することによって、実験的に現象を明らかにする。この実験結果に基づき融液成長の理論を構築していく。実験においては、東北大学の博士学生や修士学生も参画し、研究を加速していく。当初の予定通り、東北大学において固液界面現象の直接観察実験を行い、IKZにおいて理論解析を進める。昨年度より博士学生もこのプログラムに参加しており、本年度は博士学生とともにIKZを訪問し議論を深める。
黒麹菌フェノール酸脱炭酸酵素(PAD)の特性解析と古酒熟成を目指した育種研究

泡盛の香味成分であるバニリンは、原料米のフェルラ酸がフェノール酸脱炭酸酵素により4-ビニルグアヤコール(4-VG)へ変換された後、バニリンへ変化する。熟成3年後の泡盛古酒は、このバニリン濃度の高さを特徴とする。本研究では、香り高い(バニリン香)泡盛の製造法を提案した。泡盛は黒麹菌及び泡盛酵母の協働により発酵が進行する。本研究では、この芳香に関与する酵素(padC)を黒麹菌に見いだし、その機能を評価し、本酵素の潜在性を引き出すことで、バニリン香が強化された泡盛の製造が実現可能な研究を行い、通常よりも短期間に古酒の特性の付加を可能にし、熟成の効率化を導く提案を行った。既に解析済みのNBRC4314株ゲノム(データベース)情報からPAD遺伝子を見いだしコード領域の解析を行った。本酵素遺伝子は519bp、172アミノ酸、分子量19989.17、等電点(pI)5.01の特徴を有し、イントロンを含まない(エキソン部分のみ)ことが明らかとなった。本酵素のアミノ酸配列のBLAST解析では、白麹菌PADと完全に一致する結果を示した。またプロモーター(上流域)部分には基本転写因子結合部位が見いだされた。共同研究先の泡盛酒造所より泡盛もろみをサンプリングし、泡盛製造に用いられている黒麹菌の分離を試みた。実際の分離では黒麹菌以外に、泡盛酵母、その他の微生物(乳酸菌)の分離も同時に試み、目的微生物の分離が終了した。これら全ての微生物の同定を目的とし、現在rDNA遺伝子及びITS領域の塩基配列を指標として、分離された微生物の同定を試みている。また培養後のNBRC4314株細胞破砕画分に弱いPAD酵素活性(クマル酸からビニルフェノール酸への変換を指標)が検出された。これは酵素濃度の低さによるものと判断されたので、現在、本酵素遺伝子情報から発現ベクターを構築し、組換え体PAD酵素の精製を試みている。黒麹菌においてPAD遺伝子は「構成的に(常に)」発現しているのか?また誘導されているのか?の報告はない。従ってここではさらに、様々な組成の液体培地による黒麹菌の培養を試み、この疑問点を解決する実験準備を開始した。研究実績の概要で記載したように、平成27年度の研究計画は、まず第1に、黒麹菌(A. luchuensis)NBRC4314株のPhenolic Acid Decarboxylase(PAD)遺伝子の存在を明らかにし、そのコード領域及び上流域の構造解析を行うことであった。第2に、実際に酒造所で使用されている黒麹菌を泡盛もろみより分離、さらにPADの酵素活性の有無を確認することであった。これら研究計画の全てが実施され、当初の目的を達成した。共同研究先の泡盛酒造所由来のもろみから分離された微生物の多様性の結果は、今回の研究計画には記載しなかった新たな知見を示唆するに至った。黒麹菌及び泡盛酵母の2種の微生物に加え、複数種の微生物(外からの混入)がもろみ中から見いだされた。黒麹菌はクエン酸を生産しもろみ中への雑菌混入を防いでいるが、乳酸菌はこのクエン酸存在下でも生き延びる微生物の一つである。このことは、現実の泡盛もろみの発酵は黒麹菌と酵母のみではなく、第3の微生物が関与する複合的な発酵系といえるだろう。この乳酸菌にもPAD活性が見いだされ、泡盛もろみ中でのF→4-VG変換への寄与は、黒麹菌及び乳酸菌の両者が関与している可能性も同時に示唆した。今後はこの仮説の検証のため、泡盛もろみを、乳酸菌添加と未添加で作成しFA、4-VG、V濃度の測定が必要になると思われる。この結果は、外から混入した乳酸菌第3の微生物が関与する複合的な発酵系の泡盛芳香生成への寄与を示唆する。今後、泡盛製造においてこの乳酸菌群の積極的投入により、泡盛を特徴付ける芳香(バニリン←4-VG)豊かな泡盛製造方法の提案に向けて、複合系中の微生物相互作用やPADの発現誘導メカニズムなど、詳細な解析が望まれるかもしれない。平成28年度の研究計画は、共同研究先において使用されている2種の実用黒麹菌のゲノム配列のドラフト解析を行うことであった。実験室黒麹菌株NBRC4314株との比較ゲノムによりその共通点と相違点を、ゲノム・遺伝子構造と機能や発現の観点から解析を行うこととした。また本研究課題であるPAD遺伝子の発現誘導の機構を探るべく実験を行った。さらに泡盛発酵もろみ中に存在する黒麹菌・酵母に加え、その他(第3の)微生物の中でも、クエン酸存在下においても生き延びる乳酸菌の分離を試みた。2種の実用黒麹菌は各々異なる種であり、ひとつはAspergillus luchuensis (KBN2012株)、もうひとつはA. saitoi (KBN2024株)である。これら黒麹菌のドラフトゲノムについて次世代シーケンサーを用い、数億個の塩基配列断片を得た後アセンブルを行い、数百個のコンティグ配列を得た。実験室黒麹菌A. luchuensis NBRC4314株とKBN2012とのゲノム配列の比較では塩基配列の相違はほとんど見いだされず、KBN2024との比較では数%程度の違いが見いだされた。

また本研究課題であるPAD遺伝子の発現誘導実験においては、米ぬかなど複数の誘導物質の添加により本遺伝子発現が調節されていることも明らかとなった。泡盛発酵もろみから分離された第3の微生物-乳酸菌-は、16SrDNAの解析の結果、Lactobacillus plantarumであることが明らかとなった。これは典型的な植物乳酸菌であり、泡盛もろみの原材料が米であることから当然の結果であると判断される。また本微生物のゲノム上にもPAD遺伝子が見いだされ、フェルラ酸アナログにより発現誘導が見いだされた。平成28年度の研究実績の概要で説明したように、研究計画は、2種の実用黒麹菌のゲノム配列のドラフト解析を行うことであった。実験室黒麹菌株NBRC4314株との比較ゲノムによりその共通点と相違点を明らかにすること。また本研究課題であるPAD遺伝子の発現誘導の機構を探ること、さらに泡盛発酵もろみ中に存在する第3の微生物-乳酸菌-の分離を試みることであった。平成28年度においては、これら研究計画が全て実施され、当初の目的が達成された。泡盛発酵もろみから新たに分離された乳酸菌L. plantarum N4株は、これまで泡盛もろみから分離されたという報告例がない。ここでは同種の基準株NBRC15891株との増殖、糖資化性、酵素の有無などの種々の比較を行った。増殖比較においては、N4株の方がクエン酸存在下でも良好に増殖する傾向が観察された。糖資化性においては、乳酸菌の特徴である「乳糖」の資化性が欠落し、またβ-ガラクトシダーゼの活性も見いだされなかった。この結果は、分離された乳酸菌N4株は、泡盛もろみ中にたまたま存在した微生物ではなく、泡盛もろみに特有な乳酸菌であることを示唆している。N4株ゲノム上のPAD遺伝子がフェルラ酸アナログにより発現誘導されることより、発酵過程における4-VG生産のための本菌株の積極的利用も考えられる。泡盛の香味成分であるバニリンは、原料米のフェルラ酸がフェノール酸脱炭酸酵素により4-ビニルグアヤコール(4-VG)へ変換された後、バニリンへ変化する。熟成3年後の泡盛古酒は、このバニリン濃度の高さを特徴とする。本研究では、香り高い(バニリン香)泡盛の製造法を提案した。泡盛は黒麹菌及び泡盛酵母の協働により発酵が進行する。本研究では、この芳香に関与する酵素(padC)を黒麹菌に見いだし、その機能を評価し、本酵素の潜在性を引き出すことで、バニリン香が強化された泡盛の製造が実現可能な研究を行い、通常よりも短期間に古酒の特性の付加を可能にし、熟成の効率化を導く提案を行った。平成29年度の研究計画は、過去2年間の研究結果に基づき、2種の実用黒麹菌のゲノム情報に基づく育種技術の確立を試みることであった。過去2年間の研究結果に基づき、2種の実用黒麹菌pad遺伝子発現に関与する転写因子群の探索を行うことを最終年度の主目的とした。米ぬかなどの誘導物質を用いた、2種の黒麹菌におけるpad遺伝子発現(RT-PCR等)結果に基づき、NGSによるRNseq解析を行ったところ、数十種類以上のDNA結合性タンパク質の変動が観察され、pad遺伝子発現に関与しうる転写因子候補群のリストアップを行った。次にこれら因子候補群の遺伝子破壊を最終目的として、相同組み換え・CRISPR技術により、種々の栄養要求性株(pyrG, niaD, sC等)を構築した。これら栄養要求性株の構築によって、上記転写因子遺伝子群を候補とした遺伝子破壊が可能となる基盤が構築された。
重ね合わせ原理による工作機械構造の熱変形量リアルタイム補正

本研究では,工作機械の熱変形量を重ね合わせ原理を用いてリアルタイムで推定する方法について研究を行った.その結果,以下のような有用な結論が得られた.(1)工作機械コラム表面の熱伝達率を測定する方法として,(1)構造物表面にステンレス箔を貼り付け,箔の先端と根元の温度,空気温度を測定することにより熱伝達率を逆算する方法,(2)構造物表面に厚さ1mmの断熱材を貼り付け,断熱材の上面と下面の温度,空気温度を測定することにより熱伝達率を逆算する方法(3)ステンレス箔の根元にヒータを貼り付け,ヒータの温度を正弦波状に変動させ,そのときの箔の先端の温度振幅比を測定することにより熱伝達率を逆算する方法の3通りの方法についてその有効性について検討した結果,温度を0.01°C,あるいは温度振幅比を0.01の精度まで測定することにより精度よく熱伝達率を測定できることが明らかとなった.(2)超音波を接触面に投射する事によって,接触面の表面あらさによらず接触熱抵抗を超音波で測定できる事が分かった.(3)熱源に流入する熱流束は,熱源にパルス状に熱流束が流入した場合のパルス応答を予め求めてデータベース化し,重ね合わせの原理を逆に利用することによって,流入熱流束を求められることが明らかとなった.(4)工作機械にパルス状に熱流束が流入した場合の熱変形挙動(パルス応答)を予め求めてデータベース化し,そのデータベースを重ね合わせることによって流入熱流束が変化する場合の熱変形量を精度良く推定できることが明らかとなった.また流入熱流束以外の熱的境界条件(熱伝達率,接触熱抵抗など)が変化した場合には,その境界条件下で求めたデータベース(パルス応答)を利用して重ね合わせを行う事によって,熱変形量を推定できる事が明らかとなった.本研究では,工作機械の熱変形量を重ね合わせ原理を用いてリアルタイムで推定する方法について研究を行った.その結果,以下のような有用な結論が得られた.(1)工作機械コラム表面の熱伝達率を測定する方法として,(1)構造物表面にステンレス箔を貼り付け,箔の先端と根元の温度,空気温度を測定することにより熱伝達率を逆算する方法,(2)構造物表面に厚さ1mmの断熱材を貼り付け,断熱材の上面と下面の温度,空気温度を測定することにより熱伝達率を逆算する方法(3)ステンレス箔の根元にヒータを貼り付け,ヒータの温度を正弦波状に変動させ,そのときの箔の先端の温度振幅比を測定することにより熱伝達率を逆算する方法の3通りの方法についてその有効性について検討した結果,温度を0.01°C,あるいは温度振幅比を0.01の精度まで測定することにより精度よく熱伝達率を測定できることが明らかとなった.(2)超音波を接触面に投射する事によって,接触面の表面あらさによらず接触熱抵抗を超音波で測定できる事が分かった.(3)熱源に流入する熱流束は,熱源にパルス状に熱流束が流入した場合のパルス応答を予め求めてデータベース化し,重ね合わせの原理を逆に利用することによって,流入熱流束を求められることが明らかとなった.(4)工作機械にパルス状に熱流束が流入した場合の熱変形挙動(パルス応答)を予め求めてデータベース化し,そのデータベースを重ね合わせることによって流入熱流束が変化する場合の熱変形量を精度良く推定できることが明らかとなった.また流入熱流束以外の熱的境界条件(熱伝達率,接触熱抵抗など)が変化した場合には,その境界条件下で求めたデータベース(パルス応答)を利用して重ね合わせを行う事によって,熱変形量を推定できる事が明らかとなった.工作機械構造へ流入する単位熱量当りの熱変形挙動を予め解析して置き,その解析結果を重ね合わせることにより,実際の熱変形挙動を予測する手法を確立するため,平成4年度は(1)主軸ヘッドからコラムに単位熱量が流入したときの各位置における熱変形挙動を有限要素法で解析する,(2)コラム表面における熱的境界条件が必要であるので,熱流束計を自作し,実際のマシニングセンタ表面へ張り付けて,コラム表面の熱伝達率を求め,得られた値を中心にその前後の値を標準的な熱伝達率の値として計算に用いる,(3)コラムへ実際に流入する熱量を測定する手法を開発する,などの研究を行った。その結果,以下のような種々の有用な結果がえられた。(1)現有の縦型マシニングセンターのコラム部分に主軸ヘッドからコラムへ単位熱量が流入したときの各位置における変形挙動を有限要素法を用いて解析した結果,1000W/^2の熱流速がステップ状に流入した場合には,主軸ヘッド側のコラム側壁が大きく熱変形することが分かった。更に,パルス状に熱流速が流入した場合についても解析を行った。(2)コラム表面に厚さ1mmの断熱材を貼り付け,断熱材の上面と下面の温度,空気温度を測定することによりコラム表面の熱伝達率を測定できる。(3)熱源の温度やコラムに流入する熱量が変動する場合には,コラム内の温度を6点以上測定することにより熱源の位置やその熱量を求めることができる。工作機械構造へ流入する単位熱量あたりの熱変形挙動を予め解析してデータベース化しておき,その解析結果を重ね合わせることにより,実際の熱変形挙動を予測する手法を確立するために,へいせい5年度は以下のような研究を行った.(1)コラムへ時間的に変化する熱量を流入させる.(2)その熱量をコラムに取り付けた熱伝対で測定し,特性曲線を求める.

(3)得られた特性曲線に応じて,予めデータベース化されている熱変形挙動のデータベースをリアルタイムで重ね合わせて熱変形量を求める.(4)工作機械周囲の熱的境界条件が変化した場合や熱源が複数ある場合について,重ね合わせによる工作機械の熱変形量を予測する.その結果以下のような種々の有用な結論が得られた.(1)工作機械構造へ流入する単位熱量あたりの熱変形挙動を予め解析してデータベース化しておき,その解析結果を重ね合わせることにより,実際の熱変形挙動を予測することができる.(2)熱変形量の予測は温度測定精度の影響を受ける.精度よく熱変形量を予測するためには,フーリエ数が1以上となる位置に温度測定点を設ける必要がある.(3)周囲の空気温度,工作機械表面の熱伝達率,工作機械内部のすべり案内面の接触熱抵抗などが変化した場合には,予めそれらの熱的境界条件かで単位熱量あたりの熱変形挙動を解析してデータベース化しておき,境界条件の変化に応じたデータベースを使えば重ね合わせによって熱変形量を予測できる.(4)複数の熱源がある場合には,各熱源が単独に発熱したときの熱変形量を求めて重ね合わせることにより熱変形量を推定することができる.
半寄生植物ツクバネの果実散布と寄主選好性

ツクバネのホスト選好性を明らかにするため、昨年度新たに開発したDNAバーコーディングの手法によらないホスト特定方法を利用し、根の抽出液の吸収スペクトルの特性によって、ツクバネのホスト選好性を明らかにした。ツクバネの根系を掘り出し、ホスト候補木の樹種ごとの根の存在比と、ツクバネの樹種別の寄生箇所数を比較することで、ホスト選好性を定量的に評価した。ヒノキーツブラジイ林に生育するツクバネ4個体の根とホスト候補木根を土壌ごと採取し、ホスト根に固着した状態の寄生根約800個を得た。DNAバーコーディングおよび根抽出液の吸光度によりホスト樹種を特定した。細根の寄生箇所数は、ツクバネ3個体はヒノキに、1個体はツブラジイに有意に偏っていた。ツクバネは個体サイズに関わらず、細根に小さな寄生根を形成している場合が多く、極端に太いホスト根に寄生根が固着している様子はほとんど観察されなかった。昨年度まで実施してきた目視やナイトビジョンゴーグルを用いたツクバネの果実にマーキングした果実散布距離の探索方法の有効性を検討するため、人工的な環境で、目視でマーキングした果実の発見率と、マーキングしなかった果実の発見率を比較したところ、マーキングした果実の発見率は90%を超えたのに対してマーキングしなかった果実のそれは40%弱であった。夜間にブラックライトを用いて実施してきた果実の散布距離の測定方法の高い有効性が確認された。また、果実の二次散布の可能性について検討するため、自動撮影装置によって動物による果実の持ち去りについて調査を行ったが、果実の移動は確認されなかった。果実の散布に有効な風速を明らかにするため、実験的に果実に風をあて、果実が枝から離脱するのに必要な風速を測定し、平均で4.6m/sの強さが必要であること確かめた。これにより、果実散布には一定程度の強い風が必要であることがわかった。ツブラジイ林(岐阜市金華山)に30m×30mの調査区を設けた。半寄生植物ツクバネと上木の毎木調査を行った。ツクバネは萌芽によって株立ちするため、地際から分かれているものを幹、幹同士が目視で連結しているとみなした複数の幹を個体とした。ツクバネは、樹幹長30cm以上または樹高10cm以上の幹について、根元直径、樹高、樹幹長、立木位置を測定した。また、開花幹については、雌雄の判別を行った。上木は樹幹長2m以上かつ胸高直径1cm以上の個体を対象として樹種を記録し、DBHを測定した。下層の相対光量子束密度を曇天時に地上高2m、調査区の2.5m間隔の格子169点で測定した。調査区には306幹、105個体のツクバネが分布していた。雄株に比べ雌株の樹幹長は短い傾向があった。分布関数を用いて立木位置を解析したところ、ツクバネは集中分布しており、雄株、雌株とも同所的に集中分布していた。ツクバネの分布には全上木の分布との間に同所性はなく、樹種によっても同所性のあるものは確認されなかった。また、上木のサイズクラスによっても、同所性のあるサイズは存在しなかった。相対光量子束密度でツクバネの分布を解析したところ、ツクバネは明るい場所に偏って分布していた。ツクバネは明るい場所に局所的に独占分布しており、競争関係にある下層の他樹種をツクバネが衰弱枯死させる、あるいは、寄生しなければ下層木として生存が困難な立地環境にツクバネが分布していることが示唆される結果を得た。ツクバネの空間分布に関する調査については研究計画より進展しているが、ツクバネのホスト樹種のDNAバーコーディングによる特定作業に遅れが生じている。今年度、新たにツクバネのホスト選好性を明らかにするためのヒノキ・ツブラジイ林調査地(岐阜市石谷)を設けた。調査地内の3地点から、土壌ブロック(30cm×30cm×10cm)を切り出し、ブロック内に含まれるツクバネの根の寄生箇所やホスト根の直径を調べた。また、根のホスト樹種またはホスト候補木樹種を、根の試料からDNAのmatKとrbcL領域を用いて、DNAバーコーディングの手法により特定した。ツクバネは、細い根により多く寄生しており、ホスト候補木の細根の重要性が示唆された。DNAバーコーディングの結果、一部樹種が特定できなかったホスト根があったが、ホスト樹種はツブラジイとヒノキで90%以上を占めていた。ホスト樹種とホスト候補木の重量や表面積から、ツクバネのホスト選好性を検討した結果、ヒノキとツブラジイへの寄生に関してホスト選好性は認められないという結果を得た。次年度に採取する土壌ブロックを増やし、選好性の有無をより正確なものにしたい。昨年度のツブラジイ林(岐阜市金華山)の追加調査として、ツクバネの空間分布に対する光環境の影響をさらに評価するための全天写真撮影を行った。現在、直射光が空間分布に与える影響について解析を行っている。また、ツクバネ分布地には他樹種下層木が少ないことから、種子発芽によるツクバネの根のアレロパシー試験をおこなった。オニグルミと比較してアレロパシーの存在は極めて小さいか、無いと考えられる結果を得た。ツクバネの空間分布の調査、DNAバーコーディングによるホスト選好性の解析、野外での果実散布距離のデータの収集はきわめて順調である。

しかしながら、風洞による果実上昇試験において果実の回転が安定しないケースがあるため、実験の安定性や再現性を高める必要がある。昨年度でデータ収集が終了したツブラジイ林(岐阜市金華山)でのツクバネの空間分布に対する光環境の影響について明らかにするため、ZIPモデルを組み込んで解析を行った。解析の結果、直射光が分布に対して正の影響をもつのに対して、散乱光は説明変数として有効でないという結論を得た。今年度、新たにツクバネのホスト選好性を明らかにするため、ヒノキ・ツブラジイ林調査地(岐阜市石谷)から採取した根を、DNAバーコーディングの手法によらないホスト特定方法の開発を試みた。本調査地でのホスト候補木が、ツブラジイとヒノキのみの場所を選び、根の抽出液の吸収スペクトルの特性が、ホスト樹種2種で異なることを利用して、ホストとホスト候補木の比率の決定を行った。この方法による解析結果では、サンプル数が少ないもののヒノキに選好性があるとの結果を得た。ツクバネの果実にマーキングし、自然条件での果実散布距離を昨年同様測定したところ、昨年に比べツブラジイ林(岐阜市金華山)では、1mほど平均散布距離が伸び、ツブラジイ・ヒノキ林(岐阜市石谷)では30cmほど短くなった。しかしながら、平均散布距離は、3mを越えておらず、ツクバネ果実の散布距離が非常に短いことが明らかとなった。また、今年度より、ツクバネ果実の散布距離を実験的な方法で確かめる野外散布実験を行った。平坦地や、風が吹き上がる斜面地などの条件で調査を行ったが、その散布距離は、平均で1.0mとなった。森林内のような立木といった障害物がない場合でも、散布距離が非常に制限されていることがわかった。ツクバネの空間分布の調査、野外での果実散布距離のデータの収集は順調である。しかしながら、ホスト選好性の調査地が、私有地であり、その一部が伐採されたため、新たな調査データの収集を行う予定である。ツクバネのホスト選好性を明らかにするため、昨年度新たに開発したDNAバーコーディングの手法によらないホスト特定方法を利用し、根の抽出液の吸収スペクトルの特性によって、ツクバネのホスト選好性を明らかにした。ツクバネの根系を掘り出し、ホスト候補木の樹種ごとの根の存在比と、ツクバネの樹種別の寄生箇所数を比較することで、ホスト選好性を定量的に評価した。ヒノキーツブラジイ林に生育するツクバネ4個体の根とホスト候補木根を土壌ごと採取し、ホスト根に固着した状態の寄生根約800個を得た。DNAバーコーディングおよび根抽出液の吸光度によりホスト樹種を特定した。細根の寄生箇所数は、ツクバネ3個体はヒノキに、1個体はツブラジイに有意に偏っていた。ツクバネは個体サイズに関わらず、細根に小さな寄生根を形成している場合が多く、極端に太いホスト根に寄生根が固着している様子はほとんど観察されなかった。昨年度まで実施してきた目視やナイトビジョンゴーグルを用いたツクバネの果実にマーキングした果実散布距離の探索方法の有効性を検討するため、人工的な環境で、目視でマーキングした果実の発見率と、マーキングしなかった果実の発見率を比較したところ、マーキングした果実の発見率は90%を超えたのに対してマーキングしなかった果実のそれは40%弱であった。夜間にブラックライトを用いて実施してきた果実の散布距離の測定方法の高い有効性が確認された。また、果実の二次散布の可能性について検討するため、自動撮影装置によって動物による果実の持ち去りについて調査を行ったが、果実の移動は確認されなかった。
成長ホルモンの功罪に関する機序の解明:シグナル下流関連遺伝子の同定の解析

成長ホルモン(以下GH)の抗老化作用について検討するため、各種GH標的細胞を用いて、GH刺激後誘導されてくる遺伝子または抑制される遺伝子を包括的かつ網羅的に探策した。GH刺激により発現が変動することが確認されたものについては、in vitro,in vivoで機能解析をした.GHの標的臓器である血管平滑筋細胞、脂肪細胞、肝細胞、筋細胞のモデルを用いてGH刺激し、DNAマイクロアレイおよびDifferential Display法を使用し、GH刺激前後で発現が変化する遺伝子群をスクリーニングしたところ、血管平滑筋細胞ではミトコンドリアDNAがコードしているチトクローム酸化酵素および未知の数個の遺伝子が単離されてきた。このミトコンドリア遺伝子発現の増加は、ミトコンドリア遺伝子の転写および複製を制御する転写因子であるmtTF-1遺伝子発現がGHによって促進された結果であることを見出した。さらに、このmtTF-1の発現促進にはGHの細胞内シグナルに重要なJAK2を介するシグナルカスケードが関与することを明らかにした。この結果は、GHの抗老化作用と、老化と密接に関わっているミトコンドリア遺伝子の発現調節機構との間に、GH作用特異的なシグナルからミトコンドリア遺伝子発現を介した経路が関与するという新たな視点を提供した点で意義深い。現在mtTF-1遺伝子発現に対するGHの調節機構についてさらに詳しく検討を進めている。脂肪細胞では脂肪酸合成酵素および未知の十数個の遺伝子が単離された。これらの遺伝子の中には、脂肪細胞の分化とともにその発現が変化する未知の遺伝子がいくつか含まれていた。得られた未知の遺伝子の機能解析についても順次進めている。現在、既知・未知を問わず重要性が推測される分子については、ノックアウトマウスの作製に者手し、その分子の生理的機能の解析をめざしている。加齢に伴い成長ホルモン(GH)分泌は減少し、筋力低下、骨粗鬆症、高脂血症、動脈硬化の早期発症、その進展に伴う心血管合併症の増加などの諸症状、所見を引き起こす可能性が最近指摘されている。一方、末端巨大症患者では耐糖能低下、心血管系の異常などをきたし生命予後やQOLはかえって損なわれている。これは、GHの標的臓器が多岐にわたること、また同一標的臓器に対しても濃度によってGHは異なった作用を示すことによると想像されているが、実際に個々の細胞に対してGHはどのような効果を発揮し、種々の相違する作用を示すのか明確ではない。そこで、本研究では、種々の臓器でGHによって発現が変動する遺伝子を同定し、GHの作用を明確にすることを目的に、次の検討を行なった。I.GHによって発現が制御される遺伝子のDifferential displayによる同定ラット血管平滑筋初代培養細胞からtotal RNAを抽出、これをもとにcDNAを作製、Differential displayを行なった。いくつかの既知、および未知の遺伝子発現がGHによって制御されることが明らかとなった。そのうちの1つはミトコンドリア遺伝子にコードされたmitochondrial cytochrome oxidase subunit II/IIIであり、GHはミトコンドリア遺伝子に対する転写因子であるmtTF1発現を増加させることにより、この遺伝子発現を活性化きせることが明らかとなった。この成績はGHが平滑筋のエネルギー代謝に関与する可能性を示唆するものである。心筋からmRNAを抽出し、これをもとにcDNAを作製、GH刺激によって増減する既知の遺伝子を網羅的に検索した。トロポニン、ミオシン、アルドステロン受容体などの発現減少が観察された。今後、肝、骨格筋、脂肪などGHの他の標的臓器についても同様の検討をおこない、ついでmRNAだけでなく、蛋白レベルでもこれらの遺伝子がGHにより変動するのか確認する予定である。さらにその変動の生理的意義を種々のin vito, in vivo系で評価したい。

成長ホルモン(以下GH)の抗老化作用について検討するため、各種GH標的細胞を用いて、GH刺激後誘導されてくる遺伝子または抑制される遺伝子を包括的かつ網羅的に探策した。GH刺激により発現が変動することが確認されたものについては、in vitro,in vivoで機能解析をした.GHの標的臓器である血管平滑筋細胞、脂肪細胞、肝細胞、筋細胞のモデルを用いてGH刺激し、DNAマイクロアレイおよびDifferential Display法を使用し、GH刺激前後で発現が変化する遺伝子群をスクリーニングしたところ、血管平滑筋細胞ではミトコンドリアDNAがコードしているチトクローム酸化酵素および未知の数個の遺伝子が単離されてきた。このミトコンドリア遺伝子発現の増加は、ミトコンドリア遺伝子の転写および複製を制御する転写因子であるmtTF-1遺伝子発現がGHによって促進された結果であることを見出した。さらに、このmtTF-1の発現促進にはGHの細胞内シグナルに重要なJAK2を介するシグナルカスケードが関与することを明らかにした。この結果は、GHの抗老化作用と、老化と密接に関わっているミトコンドリア遺伝子の発現調節機構との間に、GH作用特異的なシグナルからミトコンドリア遺伝子発現を介した経路が関与するという新たな視点を提供した点で意義深い。現在mtTF-1遺伝子発現に対するGHの調節機構についてさらに詳しく検討を進めている。脂肪細胞では脂肪酸合成酵素および未知の十数個の遺伝子が単離された。これらの遺伝子の中には、脂肪細胞の分化とともにその発現が変化する未知の遺伝子がいくつか含まれていた。得られた未知の遺伝子の機能解析についても順次進めている。現在、既知・未知を問わず重要性が推測される分子については、ノックアウトマウスの作製に者手し、その分子の生理的機能の解析をめざしている。
原子層MOCVD法による超低〜超高誘電体多層超格子酸化膜の作製

1.酸化物多層超格子の誘電特性のシミュレーション:歪超格子構造による原子配列の変位に対応する誘電特性の変化を予想する目的で、分子軌道法による計算機シミュレーション法を開発した。ペロブスカイト型酸化物に対するクラスターモデルを作製し、DV-Xα法により電子状態を求め、電界印加時の電子波動関数の重心位置のずれを計算して原子の分極を求めた。2.原子層制御MOCVD酸化物多層超格子誘電体薄膜製造装置の製作:予備実験に使用したMOCVD装置を改造して、原料供給機構と超音波式原料供給モニターを装備した。3.原子層MOCVD法によるSrTiO_3薄膜の堆積:原料同時供給法と比較して、原料を交互に供給する原子層制御MOCVD法は原子のマイグレーションが促進されるので、表面モフォロジーの平滑な薄膜を堆積できることを、原子間力顕微鏡観察により確かめた。4.歪による原子配列の変位:格子定数の異なる基板上への超薄膜の堆積により、原子配列に歪を与えて自然の場合とは格子間隔の異なる結晶を作製できることを、X線回折により確かめた。5.シリコン基板上への酸化物薄膜堆積:酸化剤を間欠的に供給する方法により、シリコン基板が酸化されてアモルファス層を形成することを極力抑えて結晶性酸化物薄膜を堆積することができることを明らかにした。6.誘電体薄膜の電気特性:シリコン基板上に蒸着した白金電極上に、SrTiO_3薄膜を50ナノメートル堆積し、その上に金電極を蒸着して、電気特性を測定した。誘電率は1KHzから5MHzにわたって一定で80であった。
エクスプラント心由来の自己幹細胞移植による拒絶緩和と膜組織作成法の開発

純系ラットを用いた異所性心移植慢性期生存モデルによる自己幹細胞移植評価を実施した。その結果細胞投与群は細胞非投与群に比較してグラフト生着期間の延長と心機能の改善傾向がみられ現在統計学的解析などの評価を行っている。さらに移植心内の細胞由来を追跡調査した。これにより、心機能の改善が幹細胞由来細胞生着と増殖によるものか、いわゆるパラクリン作用による移植心の細胞の増殖、機能改善によるものかを特定することを目指している。現状ではその混在の割合が圧倒的優位性を持っている状態とは言い難いため、作用機序特定のためには多様な内分泌、化学的伝達物質などの評価を要する可能性がある。純系ラットを用いた異所性心移植をOno-Lindsey法(上行大動脈・腹部大動脈端側吻合および肺動脈・下大静脈端側吻合)により行い約60%の手術生存を得ているがまだ安定した手術成績とはなっていない。レシピエントにはFisher rat(F344)のオスをドナーとしてLewis ratのメスを用いる。また同時にFisher ratより、連携研究者が開発した方法で自己心臓内幹細胞の純化精製及び培養を行っており幹細胞の分離培養は安定した成績を得られるようになった。さらに手術生存例への免疫抑制療法は現在も早期死亡が頻発し、安定した評価可能な生着を十分に得ることができていない。Sprague-Dawleyラット心臓を、0.02%トリプシン、1% SDS、3% Triton-Xおよび4%デオキシコール酸を用い、心組織全体を脱細胞化しその房室弁組織部分を採取している。その弁膜組織にどのように誘導した幹細胞を移植すれば弁膜組織に分化するかを検討しているが安定した骨格の広範囲への生着は得られていない。どのように誘導すれば、線維芽細胞、弁膜組織に分化して行くかを現在検討中である。脱細胞骨格への心筋由来幹細胞を移植し、自己組織を再生する実験系において幹細胞の生着率が想定よりも低く、自己幹細胞由来組織として外科的修復に使用可能となるような安定した組織の作成が困難であるため。また異所性心移植モデルにおいては移植手術手技は次第に安定しているが免疫抑制剤投与群において予定の長期生存の達成率が低いため。純系ラットを用いた異所性心移植をOno-Lindsey法(上行大動脈・腹部大動脈端側吻合および肺動脈・下大静脈端側吻合)により実施し連携研究者が開発した方法で自己心臓内幹細胞の純化精製及び培養を行ってきた。この組み合わせMajor Histocompatibilityのminor mismatchにより、比較的軽度の急性拒絶反応と慢性期にグラフト冠動脈病変(慢性拒絶反応)を来すことが知られており慢性期生存例による評価を予定していた。さらに、レシピエントおよび心筋内幹細胞をオスとすることによりY染色体の免疫染色により、細胞由来を追跡調査することにより心筋細胞が移植心由来か幹細胞由来かを特定することにより、心機能の改善が幹細胞由来細胞生着と増殖によるものか、いわゆるパラクリン作用による移植心の細胞の増殖、機能改善によるものかを特定することを目指している。現在移植手技および細胞培養手技の確立は達成されており、心筋由来幹細胞のグラフトへの選択的投与手技の安定的実施をめざし、生着後の評価をめざしていたが、平成28年度は使用していた実験施設が急遽使用できなくなったため予定していた慢性期生存の研究ができなかった。平行して実施している臨床治験での再生医療治療は良好な成績を上げておりCirculationresearchへの論文掲載となった。この成果の基礎的裏付けとなる当研究は、平成29年度は施設使用が再開できることとなっており、慢性期生存を含めた研究再開の準備を進めた。平成28年度は使用していた実験施設が急遽使用できなくなったため予定していたラットでの異所性心臓移植と心筋由来幹細胞投与後の慢性期生存評価の研究が実施できなかった。なお平成29年度は施設使用が再開できることとなっており、それに向けて研究再開の準備をすすめた。この組み合わせMajor Histocompatibilityのminor mismatchにより、比較的軽度の急性拒絶反応と慢性期にグラフト冠動脈病変(慢性拒絶反応)を来すことが知られており慢性期生存例による評価を実施した。その結果細胞投与群は細胞非投与群に比較してグラフト生着期間の延長と心機能の改善傾向がみられており、現在統計学的解析などの評価を行っている。さらに、レシピエントおよび心筋内幹細胞をオスとすることによりY染色体の免疫染色により、細胞由来を追跡調査した。心筋細胞が移植心由来か幹細胞由来かを特定することにより、心機能の改善が幹細胞由来細胞生着と増殖によるものか、いわゆるパラクリン作用による移植心の細胞の増殖、機能改善によるものかを特定することを目指している。現時点までの解析では異色グラフト心臓内では幹細胞とグラフト心筋細胞が混在しており、治療効果発現の作用機序の特定をどのように形態学的指標のみで評価するのが適切か検討中である。しかし現状ではその混在の割合が圧倒的優位性を持っている状態とは言い難いため、作用機序特定のためには多様な内分泌、化学的伝達物質などの評価を要する可能性がある。このため新たな指標を導入した追加実験の可能性も含めて評価検討を継続している。平行して実施している臨床治験での再生医療治療は良好な成績を上げておりCirculation

researchへの論文掲載となった。心筋由来幹細胞治療の臨床治験も進行中であり本研究の最終成果がその作用機序解明と移植への適応拡大に寄与する事が期待される。純系ラットを用いた異所性心移植慢性期生存モデルによる自己幹細胞移植評価を実施した。その結果細胞投与群は細胞非投与群に比較してグラフト生着期間の延長と心機能の改善傾向がみられ現在統計学的解析などの評価を行っている。さらに移植心内の細胞由来を追跡調査した。これにより、心機能の改善が幹細胞由来細胞生着と増殖によるものか、いわゆるパラクリン作用による移植心の細胞の増殖、機能改善によるものかを特定することを目指している。現状ではその混在の割合が圧倒的優位性を持っている状態とは言い難いため、作用機序特定のためには多様な内分泌、化学的伝達物質などの評価を要する可能性がある。脱細胞骨格による自己心筋由来幹細胞再生組織の作成においては、より細胞生着率の高くなる方策を検討する必要がある。適切な生着を得るのが困難な場合はこの実験系による組織作成が不可能となる可能性がある。この場合、幹細胞治療が組織再生よりもParacrine mechanismによる作用機序が中心となるという新たな仮説の策定と検討が必要となる可能性がある。異所性心移植モデルにおいては引き続き手術生存率の改善を図る必要がある。また長期生存可能な適正な免疫抑制療法を検討し、現在の免疫抑制剤以外による治療を行うなどの方策で生存率を改善する必要がある。研究施設使用再開を受けて、ラット異所性心移植手術を急ぎ実施して生存個体からの心グラフト評価を継続する。残り期間1年のため再生医療研究を実施している大学院生などにも手術、細胞培養、組織評価の指導を継続して実験実施の効率をあげ成果を達成する。心臓血管外科平成28年度は使用していた実験施設が急遽使用できなくなったため予定していたラットでの異所性心臓移植と心筋由来幹細胞投与後の慢性期生存評価の研究が実施できなかったため。実験施設使用再開後に可能な限り実験実施回数を増加させて、遅滞を取り戻すように実験を推進する。