hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
レーザーコンプトン散乱による短パルス軟X線顕微鏡の実現

平成18年度は特に、全固体Nd : YLFレーザーの一層の高輝度化研究と軟X線発生システムの高度化による輝度増強とノイズ除去について集中的に研究を進めてきた。具体的には以下のような研究の発展を見た。我々はNd : YLFレーザーからのIR光を取り出した後更にマルチパスアンプを組み、レーザーパワーの増強を目指した。昨年度のIRレーザーのパワーは最大でも20mJ程度であったがなお一層の高輝度化を目指して、後置のNd : YLFレーザーロッドとフラッシュランプを用いた増幅器を複数回通すことで輝度増強を行った。結果、3パスアンプシステムを構築し、30mJを超えるIRパルスを安定的に得ることに成功した。一方軟X線発生システムの高度化のために、今年度は新たに次のコンセプトを実現するための新しい衝突チェンバーを導入した。すなわち、昨年度までは電子線を衝突点で収束することに伴い、衝突後にビームが発散し、ビームダクト等との相互作用により大きな制動X線によるノイズの影響を大きく受けていた、また衝突用レーザー光もチェンバー内での散乱によりX線計測システムに大きなバックグランドを与えていた、そこで今年度は、電子ビームおよびレーザー光の通過する空間を自由空間とし、電子ビームのハロー等に伴うX線発生を極限まで低減化し、またレーザーについても散乱による計測システムに対するノイズを非常に小さくすることに成功した。また更に、衝突角の自由度、衝突点のスキャンなど、軟X線顕微鏡開発の基礎データを極めて精度よく取得することに成功した。本研究では、早稲田大学・理工学総合研究センターが保有する、5MeVのピコ秒電子ビームと短パルスレーザービームの衝突による逆コンプトン散乱による高輝度X線発生と,それを用いた軟X線顕微鏡の実現を目指した研究を行っている。本年度は電子ビームの高品質化と診断システムの高度化、レーザー強度の向上に関する検討を行った。具体的には、電子ビームの発生についてきわめて詳細に検討を行い、従来から行っている斜め入射法を高度化した、電子発生用励起レーザーのプロファイル整形を通じ、電子ビームエミッタンスを従来の半分以下という良好な値とすることに成功した。まだ、同時に電子発生用のカソードに垂直にレーザーを照射する方法も試みたところ、プロファイル整形法とほぼ同等のエミッタンスを得られることが分かったが、この方法では、電子の電荷を十分に引き出すことが難しいことも分かった。これらの結果から、今後は電子発生用のレーザー入射は斜め方向から、プロファイルを整形して利用することとした。この一方でレーザーの高出力化についても後置アンプを巧みに利用し、10mJを超える値を達成する目処がたった。X線発生についても、電子ビームの高品質化に先立ち、レーザーパワーの増強による効果を見たところ、従来得られていた値を2.5倍上回る良好な結果を得ており、今後、高品質化した電子ビームを用いた衝突実験を通じさらに高輝度なX線発生を目指す。また、本年度はX線露光用のレジストの高感度化についても詳細に検討し、従来より一桁以上も、感度を上げることに成功した。本研究では早稲田大学・理工学総合研究センターが保有する5MeVのレーザーフォトカソードRF電子銃からの高品質電子ビームと高度に制御されたNd:YLFレーザーからの高輝度IR光を衝突させ、逆コンプトン散乱によるエネルギー370eVの単色・高輝度軟X線の発生実験の高度化を行った。今年度はこの軟X線の輝度増強のためまず、レーザー光の増幅実験を行った。この増幅のためには従来から設置されているNd:YLFレーザー装置から取り出されたIR光を後置のフラッシュランプ励起の増幅器を複数回通過させることで実施し、結果として20mJ/パルスという非常に高い出力のIR光を得ることに成功した。一方電子ビームについても昨年度試験的に行ったプロファイル整形をシステムに組み込み、安定的に数mmmradという極めて質の良いビームを得ることに成功した。これらにより今後の軟X線発生の輝度増強への目処が立った。

一方、X線のキャラクタリゼーションのためのレジストの高感度化実験については、UV光のプレ照射方という新しい方式を導入し、昨年来検討していた技術を確立し、従来のレジスト感度を安定して1桁以上向上させることに成功した。またX線の集光光学系としてのフレネルゾーンプレートの最適設計も実施し、来年度より実際の集光実験を行う準備が整った。なおこのゾーンプレートを導入するための多軸ゴニオ装置もすでに設計製作を完了し、動作確認を行った。またさらにX線CCDカメラの導入についても詳細な検討を加え、来年度予定するカソードの高量子効率化を通じて、X線像取得への目処をつけることができた。レーザーフォトカソードRF電子銃より得られる極めて品質の高い(超低エミッタンス)のピコ秒電子ビームと高度に安定化されたピコ秒Nd:YLFレーザーとの逆コンプトン散乱により生成される高輝度軟X線(370eV付近のエネルギー)の高輝度化とそれを用いた軟X線顕微鏡用のX線計測システムの構築を行った。この中で、2006年度に従来得られているX線の輝度をほぼ4倍(3E4Photon)に増強し、ノイズレベルも従来の1/10に低減化することに成功した。これはNd:YLFレーザーにマルチパスアンプシステムを導入し、衝突用レーザーのエネルギーを30mJにまで増強することができるようになったことと、衝突用チェンバーを徹底的に改良し、電子ビームによる制動X線の寄与を大きく減らすことに成功したことによる。また、電子ビームのエミッタンスについても電子発生用レーザー入射方法の改良により、3mm・mrad程度の値を得られるようになったことも大きな進歩である。このX線発生システムの安定性検証のため、レーザーの衝突タイミングをサブピコ秒のピッチで制御することで、電子ビームとレーザビームの時間プロファイルの計測が高精度で可能になっただけでなく、電子ビームのX方向及びY方向のサイズについてもレーザーの衝突位置を変化させることで、信頼に足る情報を得ることができた。(X方向250μm、Y方向約50μm)またX線集光工学系の設計も修了しX線顕微鏡としての準備はほぼ整った。
モーター駆動に伴う構造変化を感知するミオシン頭部疎水性ポケットの同定

ミオシン分子の頭部(S-1)は、ATPを加水分解して得た化学エネルギーを力学エネルギーに変換してアクチンフィラメント上を滑り運動するので「モータータンパク質」と言われている。現在では、S-1重鎖のC端側の軽鎖結合領域がレバーのアームのように働き、ATP加水分解に伴ってS-1は尻尾を振るような動きをしてアクチン上を滑ると考えられている。このようなS-1のモーター駆動には、レバーアーム部分やATPおよびアクチン結合部位以外の部位で起きる構造変化も重要な役割を担うことが示唆されている。ホウ酸誘導体の疎水性蛍光プローブである3-[4-(3-phenyl-2-pyrazolin-1-yl)benzene-1-sulfonylamido]phenylboronic acid(PPBA)のS-1上の結合部位は、ATPやアクチン結合部位とは異なる疎水性ポケットであることはわかっていたが、これがS-1上のどの部位であるのかは不明であった。これを明らかにするためにホウ酸化合物を特異的に結合することが知られているキモトリプシンの立体構造とS-1の立体構造を詳細に比較した。その結果S-1には一次構造だけではなく立体構造上もキモトリプシンの活性部位と高い相同性をもつ領域のあることがわかり、PPBAのホウ酸部分はSer181と反応することが明らかになった。さらに、結合したPPBAの蛍光団はp-ループ、スイッチ1、50kDa-リンカーと呼ばれる疎水性アミノ酸で成る3本のポリペプチド鎖に囲まれることから、この領域が問題とする疎水性ポケットであると同定した。
等質凸領域の研究とその応用

研究実績の概要で述べたように、等質開凸錐がQ構造を持つための必要十分条件をウェイト空間の基底を用いた形で与え、さらにその多変数ゼータ関数が完備化できるための一つの十分条件を得た。特に後者については、完備化可能な概均質空間に付随する多変数ゼータ関数を系統的に与えるものであり、これまではそのような考察はなされていなかった。交付申請書に記載した等質開凸錐に付随するゼータ関数の解析接続可能性については、完備化の問題を優先したために進展はしていないが、新たな現象を発見できたことを評価し、本研究はおおむね順調に進展していると考える。今後の研究は等質開凸錐に付随するゼータ関数の解析接続性に関する問題、その完備化に関する問題、および等質開凸錐と関連するランダム行列の固有値分布問題について、研究を進めていく。また、学会発表4を行った際に、東京大学の田中雄一郎氏と等質錐上の微分作用素に関する議論を行ない、報告者の以前の結果(既約な等質錐の基本相対不変式のラプラス変換が多項式の逆数になるのは対称錐に限る)とDuflo予想(既約ユニタリ表現の有限重複度性とある微分作用素環の多項式性との関係)との類似性を指摘された。等質錐に単純推移的に作用する分裂可解リー群は、可解リー群の中においてルート空間分解が可能であるなど非常に良い性質を持ったものであり、近年の伊師英之氏を始めとした野村隆昭氏や報告者による研究を活かして、具体的な計算を与えることは、より一般の可解リー群に対しての示唆に富んだ結果が得られることが期待される。次年度はこの方向への研究も行いたい。報告者はこれまで等質錐の基本相対不変公式の明示的公式やそれを用いた対称錐の特徴付けなど、等質錐の代数的性質を詳しく研究してきた。本年度はまず、等質開凸錐のQ構造について詳しく考察し、等質開凸錐がQ構造を持つための必要十分条件をウェイト空間の基底を用いた形で与えた。これは、3月に東北数学雑誌に受理された、等質開凸錐に付随する多変数ゼータ関数の関数等式に関する論文「Functional equations of zeta functions associated with homogeneous cones」で発表した。また、この論文の発展として、その多変数ゼータ関数が完備化できるための一つの十分条件を与えた。ここで注目すべき点は、一般に等質開凸錐に作用する群は可解リー群であり、簡約群ではないことである。この研究成果はすでに学術論文(2)「Completion of zeta functions associated witha certainclass of homogeneous cones」としてまとめており、投稿先を吟味している段階である。さらに、基本相対不変式の明示的公式の代数的な証明を与えた。以前は等質開凸錐上のリース超関数の緻密な解析を用いた証明であったが、これによってより一般の係数体上でも、実数体と同様の考察が可能となった。一方で、フランス・アンジェ大学のP. Graczyk氏のもとに3ヶ月滞在し、等質開凸錐と関連するランダム行列の固有値分布問題に関して共同研究を行った。そこでLetac--Massamによる「分裂可能グラフに関するWishart行列の固有値(The eigenvalues of a Wishart matrix for a decomposable graph)」という未発表の研究ノートの結果を一般化した。
小脳シナプス伝達におけるグリア型グルタミン酸トランスポーターの機能的役割の解明

本研究では、まず、小脳で高発現するグリア型グルタミン酸トランスポーター、GLASTの欠損マウスを用いて、グルタミン酸性興奮性シナプス伝達に生じる変化を解析し、シナプス伝達におけるグリア型グルタミン酸トランスポーターの機能的役割を明らかにすることを目指した。初年度の研究成果は、以下の通りである。1)興奮性シナプス伝達直後のグルタミン酸の回収は、GLAST欠損マウスにおいて遷延するプルキンエ細胞において、登上線維刺激にて生じるAMPA受容体を介した興奮性シナプス後電流を記録し、薬理学的にAMPA受容体の脱感作を抑制させると、GLAST欠損マウスにおいて興奮性シナプス後電流の延長が観察された。野生型マウスと比較し有意に延長することから、グリア型グルタミン酸トランスポーターが、シナプス伝達直後のグルタミン酸の回収に重要な役割を持つことが示された。2)野生型マウスでは少数派であるグリア型グルタミン酸トランスポーターのGLTが、GLAST欠損マウスではグルタミン酸の回収に代償的に機能し、シナプス伝達を維持している薬理学的に、すべてのグリア型グルタミン酸トランスポーターを抑制すると、GLAST欠損マウスにおける興奮性シナプス後電流の延長は、さらに強調された。このことから、小脳では少数派であるグリア型グルタミン酸トランスポーターのGLTが、GLAST欠損マウスにおいては、興奮性シナプス伝達に重要な役割を持つことが示された。
社会経済システムの成熟過程における合理的資源配分

昭和60年度に行った研究の実績を整理すれば以下の如くである。1企業関係パネルデータの作成は、次の2項目に分けられる。(1)日本興業銀行製財務データのうち、既に購入済の「東決算ファイルI」(金融・保険・証券を除く上場1638社分)の磁気テープをもとに本学大型計算機センターを利用して、パネルデータの試験的製作を試みた。これを用いた分析は続行中である。(2)自動車および電機の2大企業集団を対象に、中核会社、関連会社および協力会社集団にアンケートを行い、また当該集団の法人所得データ等を収集分析した。これは次のような理論的フレームワークを構築するためである。ア名部品の価格と生産量の市場での製品需要に対する変化。イ同一製品生産中における、系列企業の変化の条件。ウ同一製品の生産寿命を左右する要因。この研究実績は既に公表したが、更に詳細な分析を続行中である。2医療・環境関係のパネルデータの作成は大阪市西淀川区医師会の協力を得て呼吸器疾患者の定期検診の際に、下記の項目に関するアンケート収集を試験的に実施した。ア.医療保障関係、イ.社会保障関係、ウ.家計関係、エ.環境関係。この結果に基いた分析は現在続行中である。3パネルデータ解析における統計的諸問題を、1970年代から80年代にかけて米国の実証研究事例に即してサーベイした。その結果次のようなパネルデータ解析の意義を明示しえた。(1)個体特性影響を消去した片寄りのない回帰モデルが推定できる。(2)時系列回帰モデルにおいて多重共線性を回避できる。(3)時系列回帰モデルにおいて動学的な調整仮定を組みこむことができる。以上の理論的研究は、現在続行中である。
ドイツにおける教育行政の組織開発に関する研究

本研究は、1990年代以降ドイツで展開されてきた学校開発論において、これまで十分に検証されてこなかった教育行政機関に着目し、そこにおける組織開発の理念、実態、課題について明らかにすることを目的としている。教育行政機関における組織開発の理論的基盤を明らかにするとともに、各州における教育行政改革を整理し、評価を基軸として進められている組織開発の実態について分析を行った。その結果、教育行政の果たす役割が十分に整理されておらず、機能上の欠如や重複が生じていること、学校と学校監督の間での「目標協定」制度が導入され、問題が一層複雑化していること等が明らかになった。本研究第1年目である本年度の研究成果は、2つに大別される。第一は、経営学、行政学、教育学領域における組織開発に関する内外の文献・資料の収集・分析であり、組織開発の理念、分析枠組み、視点等について深く掘り下げるとともに日本とドイツにおける組織開発への着目の経緯について明らかにした。経営領域において展開された組織開発が、行政領域を経て教育領域へ導入される過程について分析し、そこではどのように教育領域の固有性が認識されていたのかを明らかにした。第二は、ドイツ全州における教育行政改革動向の分析であり、全州のマクロ分析と教育行政改革において顕著な特徴が見られる州のミクロ分析を行い、各州における教育行政改革の「共通性」と「差異」について明らかにした。「組織開発」の視点は、近年各州で展開されている「新制御(Neue Steuerung)」と呼ばれる一連の政策の中に盛り込まれていることから、その構成要素として把握されている、(1)学校査察(Schulinspektion)と他の外部評価手続き、(2)中央修了試験(zentrale Abschlussprufung)、(3)教育スタンダード(Bildungsstandards)、(4)学習状況調査(Lernstandserhebung)、(5)学校プログラム(Schulprogramm)の各政策について分析を行った。中でも「学校査察と他の外部評価手続き」は、州によって多様な展開が見られ、これにより教育行政機能が大きく変容しつつあることが明らかになった。本研究第2年目である本年度の研究成果は、2つに大別される。第一は、経営学、行政学、教育学領域における組織開発に関する文献・資料の分析であり、経営領域において展開された組織開発が、行政領域を経て教育領域へ導入されるプロセスを追い、その背景にある「新制御(Neue Steuerung)」の理念について整理した。そして、教育領域における新制御モデルは、行政領域におけるモデルの亜流として構想され、そのままの形で実施されることはなかったものの、契約管理という考え方、分権的な責任体制、アウトプット制御への移行、という新制御の核となる理念は、教育政策上採り入れられ、教育領域において定着してきたことを明らかにした。第二は、ドイツ全州における教育行政改革動向の分析であり、本年度は特に、国家による学校監督機能と密接なかかわりを持つ外部評価(Externe Evaluation)に着目し、そのシステムの現状と課題について整理した。そして、「外部評価を担う組織」、「外部評価と学校監督との関係」においては州間で相当な多様性が存在しており、学校監督は、コントローラー、監督官、助言者のいずれなのか、あるいはすべての役割を兼ね備えるのか、制度上も研究上も十分に解明されていないことを提示した。さらに、現在導入されつつある学校と学校監督の間での「目標協定(Zielvereinbarung)」制度によって問題がいっそう複雑化しており、外部評価で得られた知見を今後の学校活動に活かすプロセスに密接に関わるこの制度により、学校監督システムがあらたな局面を迎えていることを明らかにした。本研究最終年度となる本年度の研究成果は、以下の2つに大別される。第一は、教育行政機関の果たす役割に対する認識とその変容の分析である。内的学校事項を扱う国家の学校監督については、その有効性をはじめとして、役割コンフリクトや負担過剰、任務の変動幅と多様性、教員との「構造的に妨げられた関係」等、以前から様々な問題が指摘されてきたが、個々の学校により多くの自律性と固有の責任が認められるのに対応し、任務の重点がコントロール・指示活動から、助言・協力的活動へと変化し、質の保証・開発の中心的な道具としての「評価」任務がいっそう重視されるに至っている。組織上も段階数が削減され、現在半数以上の州で2段階学校監督組織となっている。他方、外的学校事項を扱う地方自治体は、実際には、学校監督とかなり入り組んだ形で任務を分担しており、今日の「新制御」政策の進展により、学校設置者も協同で内容上の学校開発の責任を担うようになってきている。第二は、各州における教育行政改革動向の分析であり、本年度は、外部評価(Externe Evaluation)制度と連動し、国家の学校監督機能を特徴づけることとなる「目標協定(Zielvereinbarung)」制度に着目し、全州における制度の概要とノルトライン・ヴェストファーレン州における事例検討を行った。

大半の州において学校と学校監督の間での拘束力を有する目標協定手続きが存在しているが、その展開は多様であり、「相当な開発の必要性を伴う学校」または「標準以下の学校」のみ協定締結を課する州や、外部評価から独立した制度として構築されている州、学校を支援する活動として位置づけられている州など、制度的な幅が存在していることを明らかにした。
TGF-β産生抑制と宿主免疫増強を目的とした低用量癌化学療法の開発

低用量癌化学療法が担癌宿主の抗腫瘍免疫応答性を増強する機序を解析することにより、癌治療の完成と癌患者のQuality of life(QOL)の維持に資する基本概念を構築することを目的として研究した結果、次の成績を得た。1)可移植性肝細胞癌KDH-8担癌WKAHラットを階段希釈した各種抗癌剤で治療した結果に基づき、腫瘤の縮小と肺転移の抑制が見られたbleomycin(BLM, 5mg/kg, i.p.)を腫瘍移植後14日目に投与する条件で以下の免疫学的検索を実施した。2)非治療群では低下するTh1型サイトカイン(IL-2、IFN-γ、TNF-α)産生能がBLM治療により維持された。3)担癌21日目の腫瘍組織に検出されたTGF-βがBLM治療により有為に減弱していた。4)正常ラットの脾細胞のIL-2産生能または腹腔マクロファージ(MΦ)の腫瘍細胞傷害活性およびnitric oxide(NO)産生が非治療群腫瘍組織の粗抽出液によって抑制され、その抑制作用は抗TGF-β抗体添加により消失した。しいし、BLM治療群腫瘍組織の粗抽出液によっては抑制されなかった。5)KDH-8細胞培養上清中にTGF-βが検出され、上記免疫反応を抑制したが、培養眼細胞に損害を与えない程度の低用量のBLM(10μg/m1)6時間処理後24時間の培養上清のTGF-β量は抑制作用を示さないレベルまで減少した。6)ヒト培養大腸癌6株、肺癌2株、頭頚部扁平上皮癌2株の全株においてTGF-β産生が観察され、これらTGF-β産生が低用量のBLM処理により抑制されるという予備的実験結果を得た。また、大腸癌組織3例中1例でTGF-β1遺伝子の発現が観察された。以上の成果は、低用量癌化学療法が癌細胞のTGF-β産生を選択的に抑制することを介して、担癌により低下してくる抗腫瘍免疫応答性を回復させうることを示している。予備実験により示唆された様に、ヒトの癌細胞も高頻度にTGF-βを産生している可能性があり、本研究の成果を臨床に応用するためには、実際に低用量化学療法を受けた奨励の癌細胞のTGF-β遺伝子の発現の変化を検証する必要がある。
複合反射鏡を用いた面発光レーザに関する研究

本研究では、半導体多層膜と誘電体多層膜の2つの反射鏡の長所を持った複合反射鏡の研究を行った。そこで、複合反射鏡を持つ面発光レーザを実現するために、複合反射鏡の反射率の理論検討と実際にMOCVD装置と電子ビーム蒸着装置により高反射率の反射鏡の製作と反射率測定系によりその評価を行った。理論検討を行った結果には、AlAs/Ga_<0.9>Al_<0.1>As半導体多層膜反射鏡とSiO_2/TiO_2誘電体多層膜反射鏡を用い、レーザの発振波長(lambda=0.88mum)に反射率のピークがくるよう設計を行った。誘電体多層膜反射鏡のみのピーク反射率は、99.8%で、複合反射鏡のピーク反射率は、99.9%である。この二つの反射率の差は、あまり無いようだが、レーザの特性であるしきい値電流に置き換えると4%の違いにあたる。また、実際にMOCVD装置によるAlAs/Ga_<0.9>Al_<0.1>As半導体多層膜反射鏡を製作し、理論通りのピーク反射率99%が得られた。そして、光学モニター法により制御する電子ビーム蒸着装置によるSiO_2/TiO_2誘電体多層膜反射鏡の製作を行い、ピーク反射率99%が得られた。この二つの反射鏡を用いた複合反射鏡を持つ面発光レーザを製作したところ、以前の面発光レーザよりしきい値の低減が得られた。これにより複合反射鏡の有効性が示されたと考える。しかし、誘電体には電流が流れず、p形半導体多層膜反射鏡の抵抗が高いので、今後レーザ構造などを検討する必要がある。
インプラント表面処理層および骨結合界面の深さ分解ＸＡＦＳ解析

材料の表面状態や生体組織界面の状態、金属材料から生体組織中への微量金属元素の溶出、蓄積は種々の歯科・生体材料の生体親和性に大きく影響する。本研究ではX線マイクロビームを用いた位置特異的な元素分布・状態分析技術を用いて、歯科用合金に隣接した粘膜中に含まれる微量金属元素の分析を行い、歯科用合金からの粘膜中への合金積分の蓄積を確認した。またXAFSによる表面処理インプラント表層のチタンの状態解析を行い、深さ方向による酸化チタンの構造変化が確認された。XAFSはX線吸収スペクトルの精密測定により、他元素の妨害なしに対象元素の化学状態と近傍構造が推定できる手法である。本年度は陽極酸化インプラント表面、同インプラント表面に付着した骨、および各種水溶液による処理を行った歯質表面のXAFS測定を行った。測定は蛍光法および転換電子収量法により行った。前者は比較的厚い表層(数ミクロン以上)の情報を、後者は数十数百nmと表面近傍のみの情報を与えることから、両者を比較することで深さ方向の情報を知ることが出来る。陽極酸化した表面のTiK吸収端のXANESスペクトルは転換電子収量法で測定するとアモルファスTiO_2様を示し、蛍光法で測定するとアナターゼ型TiO_2様を示した。転換電子収量法の測定深さは高々2300nmであり、蛍光法のそれは数μmに及ぶことから、同表面の極表層は非晶質で内部が結晶化していると推測された。また同表面に付着していた骨中のチタンからはルチル型TiO_2が極めて微量検出された。フィクスチャー表面はアモルファスかアナターゼ型のTiO_2であり、ルチル型は含まれないことから、骨中の微量チタンはフィクスチャーから溶出し、再析出する過程で生成した可能性が示唆された。またフッ素含有溶液で処理した歯質表面についても、同様に表面敏感なXAFS測定法による評価を行い、フッ素濃度の変化により表面のCaの化学状態が変化する可能性が示唆された。本年度は軟組織試料の元素分布の面分析および位置依存的なXAFS測定を目的として、歯科用金属材料に近接し、微量の合金成分元素を含有する軟組織標本を通法に従って薄切した試験片を用意し、これを放射光蛍光X線分析(SR-XRF)で微量金属元素の分布状態を二次元的に分析すると共に、金属局在部のX線吸収微細構造(XAFS)測定を行って、微小領域での金属の化学状態の評価を試みた。その結果、厚さ数ミクロン程度の薄い試験片に含まれる、数数十ppmレベルの低濃度の金属でもSR-XRFで十分可視化可能であり、局在金属のXAFSスペクトルからこれら金属元素が水和イオンもしくは酸化物などの反応生成物であることから、金属の溶出が合金からの溶出物であることが判明した。また一部の口腔粘膜疾患(口腔扁平苔癬など)では金属修復物との相関が指摘されているが、これまで組織中への金属元素の吸収・局在を調べた研究は無く、推測に過ぎなかった。病理組織標本は貴重な試料で有り、破壊を伴う通常の微量分析法(例えばICP-AESやICP-MSなど)は適用困難で有り、非破壊で微量元素を分析する必要がある。本研究で用いているSR-XRFと蛍光XAFS法は、試料に損傷を与えず微量分析を可能にする点で、病理標本分析に適している。本研究では金属修復物に近接する粘膜疾患の病変部から、本研究手法で歯科用合金成分が検出され、他方、金属修復物に接していない組織や別の疾患では金属が検出されないことから、溶出金属元素と病変との関係が示唆された。本年度は各種表面処理チタン上でのアパタイト生成過程を調査する目的で、表面のチタンの化学状態と生成リン酸カルシウム層の状態をXAFSおよびXPS、XRD測定により評価した。測定はカリウムまたはカルシウム塩を溶解させた電解質溶液中で表面処理を施したチタン板を制作し、その一部を疑似体液などへの浸漬により、リン酸カルシウム様化合物層を析出させ、電子収量および蛍光XAFS測定、XPS測定、XRD測定により、表面のチタンおよびカルシウムなどの状態解析を行った。その結果、チタンの表面酸化層はXRDでは非晶質の二酸化チタンが主であり、XAFSでは非晶質と結晶質の二酸化チタンの双方が検出され、表面層は両者の微細な複合状態になっていることが推測された。また表面に生成したリン酸カルシウム様の析出物については、結晶性が低く、ヒドロキシアパタイト様であることは確認できたが、更なる解析が必要と考えられた。加えて、微小領域分析を可能にするためのX線集光光学系についても検討を行い、ポリキャピラリーを用いて、最小50μm程度まで集光でき、二次元的なXAFSマッピングデータを得られるようになった。これにより、今後の更なる光学系の調整によって表面を石灰化させた表面処理チタン(あるいは骨結合したチタン)などの断面を深さ方向に連続的にXAFS解析を行える可能性が見いだされた。

生体組織中で微小領域に局在した微量金属元素の状態を微小部蛍光X線分析と微小部XAFS分析を併用して検出する試みを前年度より継続して行った。口腔粘膜疾患のなかで金属修復物からの微量溶出金属元素が原因とされるものの一つに口腔扁平苔癬様疾患(OLL)がある。金属を原因とするOLLは原因金属修復物を除去することで根治できるはずであるが、これまではそのような微量金属元素の検出が困難で根治的治療は困難であった。当分野では極めて高感度な放射光蛍光X線分析などを用いて、口腔粘膜の病理組織標本中での極微量溶出金属元素の分布・状態を解明することに成功した。本手法は粘膜中に蓄積した金属元素の種類、集積部位、化学状態が明らかとなり、原因金属修復物の特定や、歯科用合金の新たな安全性、耐食性評価を行う新規の手法と期待される。このような生体組織中の外来由来の微量金属元素分析は放射光X線分析により初めて可能になるばかりで無く、蓄積した金属元素の状態を蛍光XAFS測定により同定することで、微量金属が生体に及ぼす影響をより正確に評価することが可能となった。また同方法を応用することにより、金属アレルギーパッチテストを施行した皮膚への対象金属イオンの浸透の深さ方向の分布を可視化すると共に、新規のパッチテスト試薬の開発も行った。現行の金属アレルギーテスト試薬は高濃度の金属塩水溶液を貼付するため、高濃度金属イオンによる急性症状、酸性pHやカウンターイオンによる皮膚刺激が原因で、判定精度が低下する懸念がある。本研究では現行の金属アレルギー検査パッチを貼付した動物皮膚での金属イオンの深さ分布を放射光蛍光X線分析により評価した。26年度が最終年度であるため、記入しない。歯科理工学26年度が最終年度であるため、記入しない。歯科用インプラント表面のチタンおよびカルシウムなどの状態変化を深さ方向の変化と共に評価するという目的に対し、深さ分解的にXAFS測定を行う条件が概ね推定され、今後はより詳細な分析が可能となっている。微量元素の蛍光X線による分布分析と、微小部XAFS解析については、微量元素に関しても安定した計測が可能な条件が確立された。現在はこれを3次元に拡大するための手法について検討を行っている。以上より、本研究について概ね順調に進展していると自己評価した。表面処理チタンの作成条件については、研究分担者との連携によって、安定した条件が見いだされている。また深さ分解XAFSについては、内部分析の際の表面析出物の影響を避けるため、通法に則った断面形成を行い、断面を微小部分析することで正確な分析を試みており、その微小部分析の手段が概ね確立された。インプラント表面処理の種類を増やし、系統的に最適な表面処理と表面構造の関係を模索すると共に、微小部XAFS法などを併用して、深さ分解能の精度を高める。今後は断面微小部XAFS分析および深さ分解XAFS分析手法を用いて、金属/骨や金属/軟組織界面の組成・構造変化の評価を中心に研究を遂行する。今後は断面微小部XAFS分析および深さ分解XAFS分析手法を用いて、表面処理チタンと石灰化物(骨)との結合界面の微細構造変化の評価を中心に研究を遂行する。
味覚神経系の成熟・維持における味覚性入力の役割の解析

本研究は発達初期の延髄味覚神経回路の構築についてシナプス関連タンパク質の発現を経時的に観察することにより明らかにするものであった。過去に発表された解剖学的研究から孤束核ニューロンの誕生は胎生12日が最大であること、また電気生理学的実験から遅くとも胎生16日目には求心性神経線維と吻側孤束核のニューロンはシナプス結合していることが明らかであったので、胎生13日から16日目まで孤束核内のシナプス関連タンパク質の発現を蛍光免疫組織化学により観察した。胎生13日、孤束の走行に一致したneurofilament陽性線維が観察された。胎生14日、少数のneurofilament陽性線維が孤束から分枝して正中方向(第4脳室)に向かって伸長し始めた。Syntaxin陽性線維とbassoon陽性線維も孤束から正中方向に走行しているのが観察された。胎生15日、孤束の走行に一致したsynaptophysin陽性線維とsynaptobrevin陽性線維が明瞭に観察された。胎生16日、孤束から分枝したneurofilament陽性線維は第4脳室の縁まで到達していた。またこの線維はさらに分枝して幼若孤束核内で複雑な神経網を形成していた。幼若孤束核内でsyntaxin、bassoon、synaptophysin陽性線維も明瞭に観察されたが、抗synaptobrevin免疫反応は不明瞭であった。以上の結果から、胎生14日から16日の間に求心性線維の孤束から幼若孤束核内への伸長に伴い、まずシナプス前末端の構築に重要なsyntaxinとbassoonが求心性線維の先端に輸送され、これに遅れてシナプス小胞の形成に重要なsynaptophysinが伸長した求心性線維に発現し、延髄味覚神経回路が構築されていくことが明らかとなった。
RNAの酸化損傷の抑制と酸化RNA排除機構

(1)酸化RNA排除機構の解明の為、酸化RNAに特異的に結合するタンパクをヒト細胞抽出液から網羅的に検索するシステムを開発した(2)上記のシステムを用い、HeLa細胞抽出液から4つの酸化RNA結合タンパクを同定した。その中でも特にHNRNPD(Auf1)タンパク質は拮抗阻害試験により、酸化RNAにより選択的に結合することが明らかとなった。(3)これら4つのタンパクをsiRNAによりノックダウンする実験をおこなったところ、HNRNPD(Auf1)に加え、HNRNPCタンパクのノックダウンが過酸化水素水やメナディオンの酸化ストレスにたいし細胞の抵抗性を低下させることが明らかとなり、この2つのタンパク質が酸化ストレス感受性に関与していることが結論できた。(4)また、HNRNPDタンパクは細胞を酸化ストレス下に晒すと、細胞内での含量が急速に低下することが明らかとなった。一方HNRNPCタンパクについては変動がなかった。(5)さらにダブルノックダウンの実験では、酸化ストレス感受性の低下はシングルノックダウンの時とかわらず、2つのタンパクは同じ経路に働いていることが示唆された。平成20年度の研究計画でのべた項目について、以下それぞれについて述べる。1遺伝子欠損マウスの作出と解析;酸化ヌクレオチドを排除する大腸菌のMutTホモログの1つを欠損するマウスを構築するため、ES細胞でのノックアウトが現在進行中である。2複合体の検出とそれを構成するタンパク質の同定;酸化RNAを認識する複合体を検出し、新たな機能分子を同定するため。先に同定したPNPタンパクに対する抗体を用い、複合体の検出を現在検討中である。3新規遺伝子の同定;大腸菌で発現可能なヒトcDNAライブラリーを目下作成中である。宿主としては大腸菌のmutT,lacZ^<amber>の系を用い、mutT変異を相補するcDNAクローンを分離することで新規遺伝子の同定をおこなおうとするものである。現在までにマウスのMTH1やNUDT5を含む比較的良好なcDNAライブラリーが構築されたことが予備的実験の結果あきらかとなっている。遺伝情報はDNA⇔RNA→蛋白と伝わり、最終的には蛋白、あるいは機能性RNAとして生体反応を司っている。この過程で遺伝情報は正確に伝わる必があり、そこでエラーが生じると突然変異や異常蛋白の生成を引き起こす。これはヒトでは癌や異常蛋白の蓄積を伴う各種神経変性疾患、さらには老化の原因になっていると考えられている。本研究は正確な遺伝情報の伝達を保証する仕組みを明らかにしようとするもので、とりわけDNA以降、RNAから蛋白に遺伝情報が伝達される過程に注目して研究を進めた。<酸化RNAに結合する蛋白を網羅的に検索する実験法を開発した>酸化RNAと正常RNAをビーズに結合させた後、ヒト細胞の粗抽出液と2時間インキュベイトした。その後、十分量の塩溶液でRNAビーズを洗浄し、それぞれのビーズに結合したタンパク質をSDS溶液で遊離させた。全遊離タンパクを電気泳動し、酸化RNAに選択的に結合するタンパク質がないか比較検討した。<結果>この方法を用いそれぞれ200個の蛋白を質量分析で同定し、そのうち酸化RNAに強固に結合する蛋白を4個を同定することが出来た。このうちの1つは、阻害実験により酸化RNAにより選択的に結合することが明らかとなった。さらに細胞を酸化ストレス下に晒すとこのタンパクの細胞内での量が急速に低下することが判った。さらにsiRNAを導入し遺伝子発現を低下させると、細胞増殖が抑制されることが判った。(1)酸化RNA排除機構の解明の為、酸化RNAに特異的に結合するタンパク質をヒト細胞抽出液から網羅的に検索するシステムを開発した。(2)上記のシステムを用い、HeLa細胞抽出液から4つの酸化RNA結合タンパク質を同定した。その中でも特にHNRNPD(Auf1)タンパク質は拮抗阻害試験により酸化RNAより選択的に結合することが明らかとなった。(3)これら4つのタンパク質をsiRNAによりノックダウンする実験をおこなったところ、HNRNPD(Auf1)に加え、HNRNPCタンパク質のノックダウンが過酸化水素水やメナディオンの酸化ストレスにたいし細胞の抵抗性を低下させることが明らかとなり、この2つのタンパク質が酸化ストレス感受性に関与していることが結論できた。(4)また、HNRNPDタンパク質は細胞を酸化ストレス下に晒すと、細胞内での含量が急速に低下することが明らかとなった。一方HNRNPCタンパク質については変動がなかった。
微小繊維と短繊維を混合したハイブリッド・ファイバー・コンクリートの拘束変形特性

微細ひび割れ発生を積極的に抑制することで,破壊局所化を抑え込み,巨視ひび割れ発生を制御させることを考え,収縮ひび割れ抵抗性の向上のために,微細ひび割れ抑制を長さ10mm未満の微小繊維で,巨視ひび割れ抑制をそれ以上の長さの短繊維で対応させる高性能ハイブリッド・ファイバー・コンクリート(HFC)の開発コンセプトの着想を得た。本研究は,PVA微小繊維とPVA短繊維を使用したHFCについて,拘束時の拘束応力発生源となる収縮変形挙動に対するハイブリッド・ファイバー補強効果を,粗骨材の混合有無に対する影響も考慮し,理論及び擬似完全拘束実験から検討し,HFCの収縮ひび割れ抵抗性の向上メカニズムを考察し,新たに有用な材料設計手法を提案した。その結果,次のことを示すことができた。(1)モルタルをマトリクスとしたハイブリッド・ファイバー補強効果を,モルタルのクリープを考慮した有効弾性率発現に基づき,繊維寸法と余剰モルタルとシアラグと2相並列・直列の混合モデルによる円柱体単位セルで定量化できた。(2)ハイブリッド・ファイバー補強による単位セルの収縮力学挙動は,構成材体積率に基づき3相直列モデルで定量化でき,モルタルベースのHFCmに粗骨材を混合したHFCcについても,2相直列モデルで定量化でき,HFCの若材齢からの完全拘束収縮挙動の定量評価方法を提案できた。(3)提案手法によるHFCの拘束収縮挙動のパラメトリック解析結果から,繊維ヤング率のみ変えると,拘束応力よりも収縮歪が大きく変化し,モルタルヤング率のみ変えると,収縮歪よりも拘束応力が大きく変化していることが明らかになった。これらのことは,タイル等の建築仕上材への左官材料にHFC利用を考えると,仕上材の浮き剥落しないように,HFC中の繊維ヤング率をパラメータとして,収縮歪を制御する材料設計が有用であり,また,構造躯体の収縮ひび割れ抑制には,HFC中のマトリクスのヤング率をパラメータとして,拘束応力を制御する材料設計が有用であることが把握できた。コンクリート構造物の収縮ひび割れ抑制対策の社会的関心が高まり,有益な収縮ひび割れ制御及び抑制技術が望まれている。収縮ひび割れを低減する一方法として,高性能な繊維補強コンクリートの利用が考える。本年度は,PVAの微小繊維と短繊維を高混入率で組み合わせ混入したハイブリッド・ファイバー・コンクリートについて,導入した恒温恒湿装置を既設置の拘束変形試験装置に組み込み稼働調整を行い,収縮変形に対するハイブリッド・ファイバー補強効果を,理論及び乾燥条件を変えた完全拘束実験から基礎的に検討した。理論検討では,繊維とマトリクスの複合領域を繊維拘束ゾーンとすることで,繊維補強の拘束効果によってマトリクスの収縮変形を抑制する場合,マトリクスが一様に収縮した状態を基準にして,繊維拘束ゾーンがマトリクスの収縮に伴って作用する拘束引張力で,マトリクス全体を引き伸ばしていると考える。その結果,繊維をハイブリッド状態として,余剰マトリクスモデルに基づく厳密な繊維間分散距離とシアラグ理論を応用した収縮変形力学モデルを構築・提案し,ハイブリッド・ファイバー補強が及ぼす収縮抑制を定量化できた。また,完全拘束実験については,導入した恒温恒湿装置の正常稼働するよう予備実験的調整を多数行い,温湿度一定条件での拘束率100%の完全拘束試験を実施し,収縮ひび割れ特性を検討した結果,今回のハイブリッド時の繊維補強分の拘束効果自体はかなり強い拘束で,乾燥が及ぼす影響は少なかったことを明らかにした。さらに,収縮に伴う拘束変形時の収縮応力やひび割れ抵抗性について,拘束特性,自由収縮経時変化,引張強度発現,ヤング係数発現,クリープ係数,引張軟化曲線の各種材料物性を実験的に明らかにし,ハイブリッド・ファイバー補強が及ぼす乾燥に伴う収縮ひび割れ抵抗性向上の基礎データを蓄積できた。
チタン鋳造における埋没材の通気性の適正化に関する研究

1)目的歯科材料の生体親和性が問われ、Ni-Cr合金などに代表される金属アレルギーが問題視される中、チタンはその優れた生体親和性、耐蝕性、経済性などの利点から歯科での応用が進んでいる。しかしながらチタンは鋳造を行う上で数々の問題点を有し、困難であるとされている。そこでチタン鋳造の成功率を向上する事を目的として鋳型材の通気性が鋳入率に及ぼす影響についてパターンからリング底面の距離を変化させメッシュパターンを用いて各条件の鋳入率の測定を行い比較検討した。結果実験1)吸引加圧型チタン鋳造機を用いて、鋳入率を求め、その結果と各種埋没材の通気性を比較検討したところ、通気性が良好であれば高い鋳入率が得られることが判明した。実験2)実験1から得られた結果を基にして、異なった埋没材を用いて鋳入率を求め、実験に用いた埋没材の通気性を測定したところ、実験1と同様に通気性が良好な埋没材によって高い鋳入率が得られることを確認した。実験3)更に、実験1、2の結果が、鋳造方法が異なった場合、同様な傾向が得られるかを検討するため、全方向加圧型鋳造機を用いて加圧吸引型鋳造の実験と同様に、パターンからリング底面の距離を変化させ検討を行ったところ吸引加圧型鋳造機とは異なった傾向を示し、通気性の変化が鋳入率に及ぼす影響が低い結果を得た。一連の実験結果から加圧吸引型鋳造機を用いた場合では従来から検討が行われてきた歯科鋳造用合金と同様に通気性が良好なほど高い鋳入率が得られ、また、鋳込みを良好にするためには通気性の高い埋没材を用いることで対処できることが考えられる。しかしながら、鋳造方法の違いによって通気性が鋳入率に及ぼす影響が異なることについては更に実験条件を加え原因を究明する必要性があり、その結果からチタン鋳造においての埋没材の通気性の因子の重要性が得られると思われる。
Rac活性化を担うCDMファミリー分子群の生体機能とその制御機構

本研究では、Rac活性化を担うCDMファミリー分子の機能や制御機構につき、解析を行った。その結果、1)DOCK1が血管内皮細胞においてCXCR4の下流で機能し、心血管形成に重要な役割を演じること、2)DOCK2がNK細胞の細胞障害活性を制御すること、3)DOCK5が破骨細胞の機能発現に重要であること4)DOCK1がPDGF刺激によるdorsal ruffle形成に必要であること、5)DOCK5と異なり、DOCK1やDOCK2はホスファチジン酸と会合すること等、重要な知見を得た。本研究は、Rac活性化を担うCDMファミリー分子群に焦点を当て、その遺伝子改変マウスを駆使して、「心血管系・神経系・免疫系といった生命高次複雑系の構築や恒常性維持、機能発現におけるこれら分子の役割」を明らかにすると共に、その構造、シグナルネットワーク、細胞内動態に関する包括的な解析を行うことで、「各種受容体からRac活性化に至るシグナル伝達経路の全貌」を解明することを目的としている。このため本年度は、コンディショナルKOマウスを用いて、DOCK1の生理的機能を解析した。すべての細胞系譜でDOCK1を欠損させたマウスは全例、心室中隔欠損(VSD)と両大血管右室起始症(DORV)を呈し、全身の浮腫を伴い胎生後期に死亡した。同様の所見は、Tie Creマウスを用いて、DOCK1の発現を血管内皮細胞特異的に欠損させた場合も認められた。また、DOCK1欠損マウス胎児ではmidgutにおける血管形成に異常が生じることを見いだした。これらの表現型はケモカイン受容体CXCR4の欠損マウスのそれと類似していることから、DOCK1 KOマウスから血管内皮細胞を単離し、CXCL12で刺激したところ、Rac活性化およびラッフル膜形成が顕著に障害されていた。以上より、DOCK1が血管内皮細胞においてCXCR4の下流で機能するRac活性化のマスター分子であり、心血管形成に重要な役割を演じることを明らかとなった。また、LysM Creのシステムを用いて、マクロファージにおいてDOCK1、DOCK2、DOCK5の発現を欠くマウスを樹立し、免疫細胞におけるこれらCDMファミリー分子の機能解析にも着手した。本研究は、Rac活性化を担うCDMファミリー分子群に焦点を当て、その遺伝子改変マウスを駆使して、「生命高次複雑系の構築や恒常性維持、機能発現におけるこれら分子の役割」を明らかにすると共に、その構造、シグナルネットワーク、細胞内動態に関する包括的な解析を行うことで、「各種受容体からRac活性化に至るシグナル伝達経路の全貌」を解明することを目的としている。本年度は4つの項目に関して研究を行い、以下のような成果を得ると共に、これら分子の構造決定や制御化合物の同定に成功する等、大きな進展があった。1)心血管形成におけるDOCK1の役割とその制御機構DOCK1 KOマウスでは出血傾向を示す。このため、血管平滑筋細胞と内皮細胞の接着応答を検討したところ、内皮細胞でDOCK1やRacをノックダウンすると、平滑筋細胞との接着が顕著に抑制されることを見いだした。両者の接着にNカドヘリンが重要な役割を演じることが知られているが、DOCK1 KOマウスでは、Nカドヘリンの局在が異常であった。このことから、、DOCK18-Racシグナルは、Nカドヘリンの局在制御に関わっていることが示唆された。2)破骨細胞の分化・活性化におけるDOCK5の役割とその制御機構破骨細胞の形態や多核化、骨吸収能につき解析した結果、DOCK5 KOマウスではこれらの機能が障害されていることを見いだした。この機能発現に重要なDOCK5のドメインを同定するため、アデノウイルスを用いて、破骨細胞に、欠失変異DOCK5を発現させる実験系を構築した。3)NK細胞の遊走・活性化におけるDOCK2/DOCK5の役割とその制御機構T細胞株であるEL4にGFPを融合させたGPIアンカー型のRae1を発現させ、NK受容体NKD2Dの局在をリアルタイムでモニターできる実験系を構築し、NKシナプス形成におけるDOCK2とDOCK5の機能解析を行った。4)生体の恒常性維持におけるDOCK1/DOCK2/DOCK5の役割とその制御機構マクロファージ、ミクログリア、好中球特異的にDOCK1、DOCK2、DOCK5の発現を欠くTKOマウスを用いて、貪食、遊走、インフラマソームの活性化につき、機能的および生化学的に解析した。本研究は、Rac活性化を担うCDMファミリー分子群に焦点を当て、その遺伝子改変マウスを駆使して、「生命高次複雑系におけるこれら分子の役割」を明らかにすると共に、「各種受容体からRac活性化に至るシグナル伝達経路の全貌」を解明することを目的としている。

本年度は以下の様な成果を得た。1) DOCK1/DOCK5欠損MEFを用いて、PDGF刺激によるperipheral ruffle形成がDOCK1とDOCK5により協調的に制御されているのに対し、DOCK1単独欠損によりdorsal ruffle形成が障害されることを見出した。DOCK1はDOCK5と異なり、C末の領域を介してphosphatidic acid(PA)と結合し、dorsal ruffle膜へ局在した。また,PA産生を触媒する酵素であるPLDの活性化をブロックしたところ、dorsal ruffleの形成は顕著に抑制された。以上より、PDGF受容体の下流でPLDが活性化し、PAの産生を介してDOCK1の局在をコントロールすることで、dorsal ruffle形成を選択的に制御していることが明らかとなった。2) DHR-2ドメインは3つの保存された構造小単位からなり、lobe Bとlobe Cを介してRacと会合する。一方lobe Aは、2量体形成に関わっているが、その機能的意義は不明である。この点を明らかにするため、DOCK2を欠損した胸腺腫細胞株に野生型のDOCK2およびlobe A欠損するDOCK2変異体を発現させた。その結果、lobe Aを欠損した変異体では運動性の回復が認められず、Rac活性化も障害されており、lobe Aを介した2量体形成の機能的重要性が明らかとなった。3) B細胞やマスト細胞を対象にノックアウトマウスを用いた機能解析を実施し、それぞれにおいてkeyとなる分子の同定に成功した。DOCK1が血管内皮細胞においてCXCR4の下流で機能するRac活性化のマスター分子であり、心血管形成に重要な役割を演じることを明らかにした(Circ.Res.2010)。その他の項目に関しても研究は順調に進行しており、本年度中に論文発表を行う予定である。また、複合体の構造決定や制御化合物の同定に成功する等、このシグナル系の包括的理解に向け、計画以上の進展がある。24年度が最終年度であるため、記入しない。研究は順調に進行しており、多くの成果が得られている。次年度は最終年度であるため、この成果をできるだけ早くまとめて論文発表を行うと共に、特に重要な成果に関しては、HPやマスメディア等を利用して広く国民に発信し、説明責任を果たしたい。
水中衝撃波を利用した血流内薬物搬送用含気マイクロカプセルの破壊・制御技術の開発

本研究では超音波による含気マイクロカプセル破壊型DDSの欠点を補うため,衝撃波をこのカプセル破壊に利用して,位置制御ならびに薬物導入の向上に関する基礎的研究を行う.衝撃波は単発で圧縮波が先行する立ち上がり周波数の高い波であるが,その持続時間は短く持続する超音波に比べ単発でのエネルギーは小さい.この立ち上がり周波数(数ナノ秒と言われている)が高く,数百MPaの高い圧力レベルの衝撃波を使って効率よくカプセルを破壊し,エネルギーが小さいことで超音波を用いた場合に比べて生体組織が損傷をうけることが小さくなるというのが本研究のポイントとなる.このために把握しておくべき基礎的な現象として,(1)水中内で静止した含気マイクロカプセルに衝撃波が作用したときの変形挙動の解析とその破壊現象,(2)水中内で移動(並進・回転運動)している含気マイクロカプセルに衝撃波が作用したときの変形挙動の解析とその破壊現象,の2つが挙げられる.そのため,衝撃波管または超音波素子で発生させた平面衝撃波を水中内の静止・移動している含気マイクロカプセルに作用させ,その変形挙動ならびに破壊挙動の観察をストリーク・高速度カメラを用いて解析し,同時に既に開発した衝撃波作用時の細胞の変形挙動の数理モデルを用いてマイクロカプセルの変形挙動の解析を行う.また,効率的カプセル破壊のための最適な圧力レベルや衝撃マッハ数などの条件を理論的・実験的に探り,実用にむけた実験条件の比較・検討を行った.その結果,以下の2点が大きな成果としてあげられる(1)気泡内包マイクロカプセルの生成手法の確立これは,ドラッグデリバリーシステムに用いる際のカプセルを試作し,その内部にガスを封入する際の条件を調べたものであり,この結果と前年度までに得られた気泡と弾性壁の相互作用を考慮することで,カプセル壁の弾性率を決定することができる.したがって,本年度のカプセル生成手法(弾性率などの材料的性質の決定)が,破壊用カプセルの決定的な条件となりえた.(2)圧電素子による衝撃波生成法の確立カプセル内部での気泡変形挙動を観察するため,装置内部での微小な領域での観察が必要になると考えられ,そのための衝撃波発生装置として,圧電素子を用いた.電圧波形の制御を行うことにより,正の波を生成することができ,これを用いて,顕微鏡下のカプセルに作用させることができた.本年度の研究では,作用する圧力レベルが0.05MPa程度と低いため,内部で圧力波が弱められて,マイクロジェットが生成せず,破壊には至っていないが,圧力レベルを上昇,またはカプセル強度を落とすことによりそのシステムを確立していく方向性を得ることができた.本研究では超音波による含気マイクロカプセル破壊型DDSの欠点を補うため,衝撃波をこのカプセル破壊に利用して,位置制御ならびに薬物導入の向上に関する基礎的研究を行う.衝撃波は単発で圧縮波が先行する立ち上がり周波数の高い波であるが,その持続時間は短く持続する超音波に比べ単発でのエネルギーは小さい.この立ち上がり周波数(数ナノ秒と言われている)が高く,数百MPaの高い圧力レベルの衝撃波を使って効率よくカプセルを破壊し,エネルギーが小さいことで超音波を用いた場合に比べて生体組織が損傷をうけることが小さくなるというのが本研究のポイントとなる.このために把握しておくべき基礎的な現象として,(1)水中内で静止した含気マイクロカプセルに衝撃波が作用したときの変形挙動の解析とその破壊現象,(2)水中内で移動(並進・回転運動)している含気マイクロカプセルに衝撃波が作用したときの変形挙動の解析とその破壊現象,の2つが挙げられる.そのため,衝撃波管または超音波素子で発生させた平面衝撃波を水中内の静止・移動している含気マイクロカプセルに作用させ,その変形挙動ならびに破壊挙動の観察をストリーク・高速度カメラを用いて解析し,同時に既に開発した衝撃波作用時の細胞の変形挙動の数理モデルを用いてマイクロカプセルの変形挙動の解析を行う.また,効率的カプセル破壊のための最適な圧力レベルや衝撃マッハ数などの条件を理論的・実験的に探り,実用にむけた実験条件の比較・検討を行った.その結果,以下の2点が大きな成果としてあげられる(1)気泡内包マイクロカプセルの生成手法の確立これは,ドラッグデリバリーシステムに用いる際のカプセルを試作し,その内部にガスを封入する際の条件を調べたものであり,この結果と前年度までに得られた気泡と弾性壁の相互作用を考慮することで,カプセル壁の弾性率を決定することができる.したがって,本年度のカプセル生成手法(弾性率などの材料的性質の決定)が,破壊用カプセルの決定的な条件となりえた.(2)圧電素子による衝撃波生成法の確立カプセル内部での気泡変形挙動を観察するため,装置内部での微小な領域での観察が必要になると考えられ,そのための衝撃波発生装置として,圧電素子を用いた.電圧波形の制御を行うことにより,正の波を生成することができ,これを用いて,顕微鏡下のカプセルに作用させることができた.本年度の研究では,作用する圧力レベルが0.05MPa程度と低いため,内部で圧力波が弱められて,マイクロジェットが生成せず,破壊には至っていないが,圧力レベルを上昇,またはカプセル強度を落とすことによりそのシステムを確立していく方向性を得ることができた.(1)衝撃波管を用いた平面衝撃波による曲率弾性壁近傍でのバブル変形の挙動の観察