hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
水文水利総合モデルによる流域水環境の評価に関する研究

環境保全型流域水管理を実現するには,流域の水文や水利用の状況と水管理の関係を十分把握しておく必要がある。とくに多量の水を使用する農業用水の管理と流況の関係,とりわけ渇水時のそれを定量的に検討することが重要である。本研究では,広域の水収支を解析する方法の1つである「複合タンクモデル」法を改良して,流域の農業用水利用と水循環構造・水環境の関係を把握する「水文水利総合モデル」にグレードアップすることを試み,上記の目的で琵琶湖流域洲川水系に適用した。モデルの適合性や実態の再現性を,実測の河川流量・農業取水量やダム貯水量を用いて行なった。モデルには,これらの細かな変動の再現性の点で問題が残っているが,基本的な流域の水の循環構造を把握することができた。これによって,流域で51に分割したブッロク毎の農地の水収支や用水の充足状況を詳細に分析できるようになり,河川流量中の農地通過水量の割合とか農地への取水量の内の河川への還元割合など,河川の流況との関わりを考察できるようになった。また,(1)管理用水率,(2)水田面積,(3)降雨量,(4)ダム貯水容量など,流域の水利・水文環境が変化した場合の,用水充足率や河川流況の変化予測も行った。さらに,汚濁物質の流出負荷を推定するルーチンをモデルに付加して,最下流(琵琶湖への流出地点)での窒素やリンの濃度・負荷量を推定し,管理や土地利用の変化の影響にも考察を加えた。こうした分析を通じて,多量に取水しても河川に還元され,さらに下流地域の農地で利用されるという,農業用水利用の特徴が確認された。また,こうした状況を把握した上で,流域の水管理,とくに渇水時の貯水池操作・管理を行うことに有効性も示した。農業用排水の需給分析を主目的に従来より開発・運用されてきた「複合タンクモデル」を改良修正し,流域の水循環構造をより現実的に再現評価するモデル(水文水利総合モデル)の開発を進めた。事例流域として,琵琶湖水系野洲川を選定した。踏査及び既存資料から,流域を50ブロックに分割して,水系ブロック構造を定めた。また,流域の水文気象資料(降雨量,蒸発量,流出量)ならびに農業水利資料(水利施設諸元,用水取水量,需要産)を収集・整理し,水系モデル内に取込んだ。こうして改良開発した「総合モデル」をとりあえず運用して,流域の農業用水を中心とする利水と河川流況との関係を分析して,用水需給の状況を時間的・空間的に考察した。また,農地や気象条件が変化した場合の,これらの状況変化を予測した。こうしたモデルの運用により,その有効性が確認されるとともに,水管理のモデリング,結果の検証方法についての課題も整理された。モデルの改良と併せて,モデル構造や結果に大きな影響を及ぼす山地流出量の推定精度向上のため,電子記録式の水位・雨量計を導入して,山地流出量の実測を行い,また,他の山地流出量記録の解析を行った。さらに,田用水需要量ならびに排水量の推定ル-チンの精度向上のために,安定した水源を有する地区の取水記録を用いて,その推定モデルの改良・開発を行った。以上のように,平成2年度は,「水文水利総合モデル」の基礎となる部分の構築・改良を行い,モデル全体の運用有効性と改良の課題整理を進めた。本年度は,開発してきた「水文水利総合モデル」に改良を加え,使用パラメ-タの修正作業を行った。

また,実測記録を用いモデルの適合性の検証を行い,得られた改良モデルを運用して,流域の水循環・水利用の実態と条件変化時の状況予測が定量評価できるようになった。以下に,本年度研究の主要な内容と成果を整理する。(1)「水文水利総合モデル」に,用排水管理ル-チンを付加し,水田圃場水管理を実態に近いものとし,管理用水量を評価できるように改良した(2)同様に,ダムや溜池での貯水・放水操作ル-チンを組み込み,貯水施設の基本的な管理操作を再現評価できるようにした。(3)山林地からの降雨流出量を推定するル-チンのパラメ-タを,事例流域や近傍流域での実測値から同定し,その推定精度を向上させた。(4)流域の水利用の大半を占める水田用水の,取水量の推定サブモデルの構造とパラメ-タを水田の物理条件に見合うものにした上で,その運用を水田管理の実態に近いものに改良した。(5)モデル流域の河川流量・取水量・ダム貯水量などの実測記録を収集整理し,モデルの適合性(実態の再現性)が良好であることを示した。(6)このモデルの運用により,モデル流域の河川流況,用水管理状況,農業用水需給,反復利用状況などを定量的に分析することができ,農業用水管理の河川流況に及ぼす影響が大きいことを示した。(7)気象や土地利用,施設機能等の条件を変化させた場合の,上記の条件変化を予想することも可能となった。以上のように「水文水利総合モデル」は水量関係部分は概ね開発を完了し,若干の修正や分析指標の選択整理が次年度の課題となっている。また,モデルを一般化・汎用化することと,水質などの環境要素を組み込むことも課題として残された。環境保全型流域水管理を実現するには,流域の水文や水利用の状況と水管理の関係を十分把握しておく必要がある。とくに多量の水を使用する農業用水の管理と流況の関係,とりわけ渇水時のそれを定量的に検討することが重要である。本研究では,広域の水収支を解析する方法の1つである「複合タンクモデル」法を改良して,流域の農業用水利用と水循環構造・水環境の関係を把握する「水文水利総合モデル」にグレードアップすることを試み,上記の目的で琵琶湖流域野洲川水系に適用した。モデルの適合性や実態の再現性を,実測の河川流量・農業取水量やダム貯水量を用いて行なった。モデルには,これらの細かな変動の再現性の点で問題が残っているが,基本的な流域の水の循環構造を把握することができた。これによって,流域で51に分割したブッロク毎の農地の水収支や用水の充足状況を詳細に分析できるようになり,河川流量中の農地通過水量の割合とか農地への取水量の内の河川への環元割合など,河川の流況との関わりを考察できるようになった。また,(1)管理用水率,(2)水田面積,(3)降雨量,(4)ダム貯水容量など,流域の水利・水文環境が変化した場合の,用水充足率や河川流況の変化予測も行った。さらに,汚濁物質の流出負荷を推定するルーチンをモデルに付加して,最下流(琵琶湖への流出地点)での窒素やリンの濃度・負荷量を推定し,管理や土地利用の変化の影響にも考察を加えた。こうした分析を通じて,多量に取水しても河川に還元され,さらに下流地域の農地で利用されるという,農業用水利用の特徴が確認された。また,こうした状況を把握した上で,流域の水管理,とくに渇水時の貯水池操作・管理を行うことの有効性も示した。
加圧により電子相関を制御した低次元ハバ-ド系の秩序過程の研究

本研究は低次元ハバ-ドモデルを具現する可能性を求めて低次元有機ラジカル結晶の加圧下・磁場下における磁性の研究を行った。(1).非局在不対電子をもつトリフェニルフェルダジル(TPV:T_N=1.70K)及び局在不対電子をもつタノ-ル(T_N=0.49K)の常圧下での比熱帯磁率の測定を行い、磁気的特徴を明らかにした。両物質ともに擬一次元ハイゼンベルグ反強磁性体(S=1/2)で近似できることが明らかになった。しかしながら、TPVは単なるハイゼンベルグモデルでは完全には記述できず、相互作用のフラストレ-ション効果、又は電子の非局在性を考慮しなければならぬことが判明した。(2).TPVについて6kbarまでの加圧下における磁気転移温度T_N(P)の変化を測定し、磁気相互作用J(P)の圧力依存性を調ベた:T_N(P)=T_N(O)(1+0.11P)となり、磁気的に無機化合物より一桁程度やわらかいことを見出した。T_N(P)×J(P)であり、Jは不対電子のオンサイトク-ロンポテンシャルUと波動関数のしみ出しにかかわる移動積分tと、J×t^2/Uで結ばれているので、ハバ-ドハミルトニアンのパラメ-タ-が有意に制御できる見通しを得た。しかし理論(例えば、斯波・高橋等)と、今回の実験との対応はまだ出来ていない。(3).その他の有機ラジカルの加圧下の実験として、PーClーBDPA,及びタノ-ルについても転移温度の圧力効果を調べ、電子の非局在性をねらったが、磁性そのものは変わらず、他の物性の発現までには到らなかった。しかし、加圧による波動関数の重なりの制御には充分な可能性を見出した。上述した試料は、いわゆるハ-フフィルドの電子密度を有する系であるが、非ハ-フフィルド系の試料は合成の途上にあり、今しばらくの時間が見込まれる。研究の成果は、ハ-フフィルド系についてとりまとめてある。局在電子系における相転移論は、低次元格子磁性体の実験的・理論的導入によりめざましい進展をみつゝある。しかし非局在電子系における秩序化過程の研究、とりわけハバ-ドハミルトニアンとの実験・理論上での対応は極めて少なかったが最近高温超伝導の研究で再び重要性が増してきた。今年度は、低次元ハバ-ドハミルトニアンを具現すると思われる有機ラジカルの探索からはじめた。二つの有機物結晶に対する常気圧下・極低温の磁気的・熱的性質の研究に重点を置いた。次の研究段階では、これらにホ-ルを導入したり加圧して電子相関を制御することを試みる。先ず今年度の成果のひとつは、タノ-ル(T_N=0.49K)の磁場中・低温における比熱・帯磁率測定を行ったことである。決論的には、常圧下でこの有機ラジカルは、S=1/2の量子系一次元反強磁性体(局在系)の典型的性質を示し、U/t→∞の極限に対応することを再確認した。以前の加圧下の実験で、この試料は、無機化合物に比して極めてやわらかく相互作用は加圧で大きく制御できるが、他の相への転移は示さないことを見出している。

第二の成果は、トリフェニルフェルダジルを用いて同様の実験を行い、1.70Kに反強磁性擬一次元素らしき転移をすることを見出した。この系が構造から予想されるように、局在系一次元量子系だけでは説明しきれないこともわかった。一次元・二次元局在モデル・一次元ハバ-ドモデルに基づく解析を行って、この系の非局在性を検討している。次年度は、この系の加圧による電子相関の制御から開始することになっている。一方局在型低次元系の特徴をとらえ、非局在系との比較・傍証用の試料として二次元磁性体物質M(HCOO)_2・2(NH_2)_2CO:(M:Mn,Co,Ni)の研究も同時に進行している。交付申請書に記載した項目に沿って概要を記す。1.多目的クライオスタットの完成と、加圧下,磁場下,極低温での実験:加圧手段については、前年までに確立したクランブ法で一応初期の圧力値まで発生できるようになった。その測定例として、今年はトリフェニルフェルダジル(TPV)の零磁場・加圧下の比熱測定を行い、有機ラジカル電子系の非局在化をねらった。結果的には、電子系の非局在は発生せず(6kbarまで)、磁気秩序に伴う比熱異常を確認した。しかし、その相互作用機構、磁気的やわらかさに関する新しい情報が得られ、現在そのとりまとめにかかっている。当初予定したNMR用のアベレ-ジャ-及びディジタィザ-は、研究の進展、特に磁場下での磁気測定の重要が先決であることにかんがみ、これらの購入を磁石(超伝導マグネット)に振り変えた。これにより、50kOeまでの磁場下の物性測定が可能となるように、装置系を調整中である。2.非ハ-フフィルド低次元ハバ-ド系への実験の展開。電子数・格子点数比が1より小さい有機ラジカル系の作製が困難であることを確悟しつつ様々な試を行っているが、まだ成功に到っていない。今年は非ハ-フフィルド系に近いラジカルpーceーBDPAの加圧下磁気転移点の変化を観測した(業積欄)。しかし、加圧が6kbarまででは、相転移点は圧力と伴に一次的に増加が見られるだけで、伝導現象の発現までには到ってない。とはいえ、急な磁気転移の増加は、無機物では見られず、有機ラジカルにおける波動関数又は重なり積分値の制御の可能性を充分に保証する決果が得られたのはひとつの成果である。平成3年度の交付申請書に記載した項目に沿って概要を記す。1.各種有機ラジカルの加圧下・磁場下・極低温の熱・磁気測定:昨年度に引き続き、本年度は非局在型不対電子系ラジカルのトリフェニル・フェルダジルの零磁場下での加圧下・磁場下での詳細な測定を行い、加圧による電子系のしみ出しに関する情報を得た。実験的には、一昨年のタノ-ルと同様に、磁気転移温度の加圧による急な上昇率を得た。圧力P(kbar)下の転移温度はT_N(P)=T_N(O)(1+0.11P)で与えられることがわかり、これはそのまゝ磁気相互作用の強さJの増加に対応させられる。Jはオンサイトク-ロンポテンシャルVと波動関数のしみ出しに係わる移動積分値tとJ∝t^2/Vで結びつけられるので、その値の評価を行っている段階である。その他のラジカルについても系統的にとりまとめにかかっている。2.ハ-フフィルド低次元ハバ-ド理論・及びフラストレ-トした量子系に対する理論と実験結果との対応:一次元系に対する理論は斯波・高橋等により求められている物理量が、我々の実験を再現し得るか否かの検討を行った。パラメ-タ-は(V/t)の値である。V→∞の場合が局在型S=1/2のハイゼンベルグモデルに対応させられる。上述したラジカルは、比熱・帯磁率ともに実験を再現するのは、残念ながら(V/t→∞)のパラメ-タ-(ただしJ∝t^2/Vは有限値)に対応する理論値であることがわかった。
光応答性超分子錯体の対称性と光誘起電子移動の配向制御

本研究では、光機能性超分子ルテニウム(II)-金(I)複合錯体におけるエチニルフェナントロリン配位子骨格の違い(対称構造体と非対称構造体)により生じる光励起状態下の電子移動過程の差異について解明することを目的とした。そこで数種の超分子金属錯体の対称構造体と非対称構造体を新規に合成し、電気化学的及び光物理的測定を行い、超分子の構造と光誘起電子移動過程との相関性について解明した。本研究課題の目的は、我々が先に報告した対称型ルテニウム(II)-金(I)複合錯体と今回合成を目指す非対称型ルテニウム(II)-金(I)複合錯体の光物理過程における差異を解明し、非対称型に期待される一方向的な電子移動及び光励起電荷分離状態の存在を証明することにある。そのために必要な第一段階の研究計画として、20年度は以下に述べる置換位置の異なるRu(II)-Au(I)ヘテロ2核錯体及び非対称型Au(I)-Ru(II)-Au(I)複合錯体の合成と基本的な光物性測定を行った。具体的には5位及び3,6位にそれぞれエチニル置換基を持つフェナントロリンを含むルテニウム(II)ポリピリジル錯体と金(I)トリフェニルホスフィンクロライドから合成したルテニウム(II)-金(I)複合錯体を合成し、電子スペクトル及び発光スペクトルの測定結果より金(I)エチニルユニットの置換位置と吸収及び発光エネルギーレベルの帰属とその相関性について検討した。特に、77Kにおける複合錯体の発光測定結果とフランクコンドン解析による理論曲線との一致から置換位置の異なるRu(II)-Au(I)ヘテロ2核錯体ではほぼ同様の発光エネルギーレベルであり、金(I)エチニル錯体のみの場合に観測された大きなストークスシフトは起こらないことが判明した。しかし、Au(I)-Ru(II)-Au(I)複合錯体においては分子の対称性と発光エネルギーに明確な差異が確認できた。これらの事案に関してはその要因について今後明らかにして行く予定である。本研究課題の目的は、対称型ルテニウム(II)-金(I)複合錯体と非対称型ルテニウム(II)-金(I)複合錯体における光励起状態下の物理過程が大きく異なることを示し、非対称型に期待される一方向的な電子移動及び光励起電荷分離状態の存在を証明することにある。そこで平成20年度に続き、21年度は以下に述べる置換位置の異なるルテニウム(II)-金(I)2核錯体及び非対称型Au(I)-Ru(II)-Au(I)3核錯体の合成法の確立と電気化学測定及び光物性測定を行った。具体的には3位及び5位にエチニル置換基を持つフェナントロリンを含むルテニウムポリピリジル錯体と金(I)トリフェニルホスフィンクロライドから合成したルテニウム(II)-金(I)複合2核錯体と3,6位及び3,8位に二つのエチニル置換基を持つπ共役拡張型配位子を含むルテニウム(II)ポリピリジルユニットに二つの金(I)トリフェルホスフィンが有機金属結合したAu(I)-Ru(II)-Au(I)3核錯体を含む4つのルテニウム(II)-金(I)複合金属錯体をそれぞれ合成し、光物性を中心とした測定結果を解析して論文や国際会議等で報告した。特に、データ解析によって酸化還元電位のエネルギー差と発光スペクトルをフランクコンドン解析することにより得られた発光エネルギーとの間に非常に良い一次相関が存在することを示すことができた。又、ナノ秒からマイクロ秒オーダーのタイムスケールにおける吸収及び発光の時間分解スペクトルの結果より光励起状態下における複合錯体内の超分子的な電子移動過程を推定できる興味深い結果を得ることができた。本研究課題の目的は、ルテニウム(II)-金(I)超分子金属錯体におけるエチニルフェナントロリン配位子骨格の違いにより生じる光励起状態下の電子移動過程を中心とした物理過程の差異について解明することにある。そこで平成22年度はRu(II)-Au(I)-Ru(II)3核錯体の合成法及び精製法の確立と様々な光物性測定を中心に研究を行った。具体的には、3位と8位にエチニル置換基を持つジエチニルフェナントロリン配位子を含むルテニウムポリピリジル錯体と金(I)錯体から合成したルテニウム(II)-金(I)-ルテニウム(II)ポリピリジル3核錯体を合成し、様々な光物性の測定結果を解析し、その成果を国際会議等で報告した。特に、3,8-ジエチニルフェナントロリンを含むルテニウムポリピリジル錯体を含むすべてのルテニウム(II)-金(I)複合錯体について発光寿命及び過渡吸収スペクトル結果の解析を行った。

その結果として、これまで議論してきた光吸収後の準安定状態である三重項MLCT状態における電子移動がルテニウム中心からフェナントロリンに対して起きていることを明確にすることができた。又、4位にトリメチルシリルエチニル置換基を持つフェナントロリン配位子を含むルテニウム(II)ポリピリジル錯体を合成し、その光物性を評価した。この化合物は、他の研究者より最近報告されたとおりデュアルエミッションと言う発光特性を有することを確認した。この結果は、申請者がこれまで研究してきたルテニウム錯体群とは明らかに異なり、本研究で想定した光応答性超分子金属錯体の光誘起電子移動の配向制御と言うコンセプトには明らかに不向きな物性である。この結果も含めて、エチニル置換基のフェナントロリン配位子内での位置が本研究課題における超分子設計において如何に重要であるかが解明できた。
新規鉄輸送促進剤によるＨＩＦー１α抑制作用とその肝癌治療効果の解析

HIF-1alpha蛋白質は多くの癌において治療標的因子として注目されている。HIF-1alpha蛋白質は鉄と酸素の存在下において水酸化/分解される。本研究の目的は新規鉄輸送促進剤LS5-81の細胞への鉄輸送促進効果を利用してHIF-1alpha蛋白質を抑制することである。LS5-81の鉄輸送促進効果は細胞内におけるHIF-1alpha蛋白質の水酸化,分解を促進し抑制することが明らかとなった。さらに,肝癌モデルマウスにおいてLS5-81の輸送促進効果はHIF-1alpha蛋白質を抑制し腫瘍を縮小させた。これらの結果から,LS5-81が肝癌の治療に応用できることが期待される。本研究の目的は新規化合物LS5-81の細胞内への鉄運搬作用を利用してHIF-1αの発現を抑制し,肝癌細胞の増殖・進展を抑制することである。前年度に行ったヒト肝癌細胞株を用いた解析により,LS5-81の鉄運搬作用がHIF-1α蛋白質の発現を低下させることが明らかとなった。この結果を考慮し,当該年度はこの現象が,HIF-1α蛋白質の水酸化/分解を促進することによるのかを明らかにすることを研究目的とした。得られた細胞株をLS5-81と鉄の存在下で培養し,抗FLAG抗体を用いたウエスタンブロット法により導入された蛋白質の発現変動を評価した。その結果,LS5-81の鉄輸送効果で変異型HIF-1αの発現は低下したが,水酸化部位をもたない変異型HIF-1αの発現量は変化しなかった。これらのことからLS5-81の鉄輸送効果はHIF-1αの水酸化を促進することで発現を抑制するという分子機構が明らかとなった。低酸素誘導因子HIF-1αは発癌過程において血管新生,糖代謝を促進する因子として働くため多くの癌で治療標的因子として注目されている。HIF-1α蛋白質は酸素,鉄の存在下においてアミノ酸402番目,564番目のプロリン基が水酸化され分解されることが知られている。本研究では新規鉄輸送促進剤LS5-81の細胞への鉄の取り込みを促進するという作用を利用し,HIF-1α蛋白質を抑制し,それによる肝癌治療効果を検討した。ヒト肝癌細胞株Hep3BとHepG2をそれぞれLS5-81と鉄の存在下で培養するとHIF-1α蛋白質の発現が抑制されたがHIF-1αmRNAの発現は抑制されなかった。HIF-1αの水酸化部位であるプロリン基をアラニン基に置換した変異型HIF-1α蛋白質を発現する細胞を樹立し,LS5-81と鉄の存在下で培養すると変異型HIF-1α蛋白質の発現は抑制されなかった。これらの結果はL5-81による鉄吸収促進作用はHIF-1α蛋白質の水酸化を促進する事で発現を低下させることを示している。Hep3BとHepG2をLS5-81と鉄の存在下で培養すると細胞増殖が抑制された。さらに,免疫不全マウスにHep3Bを移植した移植肝癌モデルに対してLS5-81を投与すると腫瘍が出血を伴い退縮した。また,移植腫瘍におけるHIF-1α蛋白質の発現もLS5-81を投与することによって抑制された。これらの結果はLS5-81による鉄輸送促進効果がHIF-1α蛋白質の水酸化を促進することで発現を抑制し,抗腫瘍剤として機能する可能性を示唆している。多くの癌細胞において転写因子であるHIF-1α蛋白質の発現が亢進している。HIF-1αは通常の酸素濃度下においてはHIF prolyl-hydroxylases (PHDs)により水酸化され,速やかに分解されるが,低酸素下では安定化し,生体内での低酸素応答に役立っている。しかし,癌組織におけるHIF転写活性は血管新生,細胞増殖,浸潤・転移,薬剤・放射線抵抗性などを促進し,癌の進展や治療抵抗性に関与している。Deferoxamineなどの鉄キレート剤を培養液に加えて細胞を培養するとHIF-1αの発現が亢進することが知られている。これはHIF-1α蛋白質の分解を促進するPHDsの活性に必要な鉄が不足するためであると考えられている。このことは細胞内への鉄の取り込みを促進すればHIF-1α蛋白質の分解が亢進され,腫瘍の進展を抑制できる可能性を示唆している。当該年度は主にin vitroの実験により新規化合物LS5-81がHIF-1αの発現を抑制するかどうかを検討した。ヒト

肝癌細胞株HepG2,Hep3Bをジメチルスルホオキシド(溶媒コントロール),LS5-81あるいはクエン酸鉄アンモニウム(FeAC)をそれぞれ単独,LS5-81とFeACを混合して培養液に加え培養を行った。それらの細胞から蛋白質を抽出してウェスタンブロット法によりHIF-1 alpha蛋白質の発現量を評価した。その結果,LS5-81とFeACを混合して加えた場合のみでHIF-1α蛋白質の発現量が低下した。この結果はLS5-81による細胞内への鉄運搬作用がHIF-1αの発現を抑制するということを示しており,この化合物が肝癌の治療薬として有効に働く可能性を示唆するものである。本研究の最終目標は新規化合物LS5-81の鉄輸送促進作用がHIF-1αの発現を抑制することで癌の増殖・進展を抑制するということをマウス肝癌モデルを用いて証明することである。これまでの解析結果により,LS5-81の鉄輸送促進作用がHIF-1αの発現を抑制すること,さらにその現象はHIF-1αの水酸化を促進するためであることが明らかとなった。一般的に新規化合物が細胞に対してどのような影響を与えるのかを分子レベルで証明するには数年を要することが多いが,2年間でHIF-1α蛋白質の抑制機構まで明らかにすることができ,おおむね順調に進展していると考える。本研究の目的は新規化合物LS5-81が肝癌の治療に利用できるかどうかを解析することである。研究期間の最終年度までには動物個体を用いて抗がん作用を解析する予定であるが,研究の開始年度である当該年度の目的は,培養細胞を用いた解析で治療標的分子の発現量がこの化合物により抑制できるかどうかを確認することであった。LS5-81による細胞内への鉄運搬作用が培養肝癌細胞株においてHIF-1αの発現を抑制することが明らかとなり,今後の実験に用いるLS5-81の至適濃度も把握できた。当該年度の結果により次年度以降の解析をスムーズに進めることが可能となるため,おおむね順調に進展していると考える。最終年度では,LS5-81の鉄輸送促進作用が肝癌細胞の増殖を抑制することを培養細胞を用いた実験で証明にするとともに,免疫不全マウスに肝癌細胞を移植した肝癌モデルに対してLS5-81を投与し,肝癌の進展を抑制できるかどうかを明らかにしたい。今後は主に,LS5-81によるHIF-1αの抑制機構と動物個体を用いた肝癌モデルにおいてLS5-81が治療効果を示すかどうかを明らかにしてゆきたい。HIF-1α蛋白質は常圧酸素環境下では速やかに分解されるが,この分解過程は水酸化酵素であるPHDsがHIF-1α蛋白質を水酸化することで活性化される。この水酸化反応には酸素と鉄が必要とされ,Desferoxamineなどの鉄キレート剤を培養液に加えて細胞への鉄の取り込みを抑制するとHIF-1αの分解が抑制されることが知られている。これらのことはLS5-81によるHIF-1αの抑制機構は,鉄の細胞内への取り込みが促進したことによってHIF-1αの水酸化が亢進することによるものであると予想される。そこで次年度以降は以下のように研究をすすめることとする。1.野生型HIF-1α発現ベクターとHIF-1αの水酸化部位を置換した変異型HIF-1α発現ベクターをそれぞれ肝癌細胞に遺伝子導入し細胞株を樹立する。それぞれのベクターは内在性のHIF-1αと区別するためにFLAG抗原で標識されるように構築しておく。細胞株をLS5-81と鉄の存在下で培養し,野生型HIF-1α,変異型HIF-1α蛋白質の発現量を抗FLAG抗体により検討する。
成長による変化を伴う生体テクスチャ認識システムの開発とその応用

本年度においては,前年度までの成果を踏まえて研究を推進することで,生体テクスチャ認識システムにおける牛鼻紋照合部の認識性能を大幅に改善することができ,その結果,かなり実用的な鼻紋認識システムを実現することができた。具体的には,(1)認識アルゴリズムの性能改善,(2)対応プラットフォームの拡大,の二つに特に主眼を置いて研究開発を進めた。まず(1)については,鼻紋パターンのもつ領域情報(特に,閉路情報)に着目し,横型探索を主体としたグラフマッチングにハフ変換的な探索開始閉路対決定処理と未探索閉路領域の統合処理を取り入れて処理の効率化を図った鼻紋認識アルゴリズムを新たに開発した。更に,この手法と,前年度までに開発済みの「枝の先読み」処理を取り入れた縦型探索主体のアルゴリズムを融合させた形の新しい鼻紋認識アルゴリズムも開発した。これらの手法は,従来手法だけでは対処が困難であった成長変形の激しい鼻紋対に対しても適用が可能であり,認識のロバスト性も格段に向上している。現在,畜産業界では牛の鼻紋による個体識別作業が人手で行われているが,本研究で開発したシステムはその自動化のための手助けになり得るものと確信している。そして(2)については,昨年度までにPC-UNIX上で開発済みであった統合認識システムを,cygwin(http://www.cygwin.com/)をベースとしたGUIシステムとしてMicrosoft Windows上で実現させた。なお,Windows上での利用が可能となったことで利用者層が大幅に拡がると考えられるので,本システムは鼻紋入力から認識処理までの一連の処理を,専門家でなくとも手軽に実行できるように配慮した形で構築されている。今後は,今回達成できなかった実験データ(鼻紋データ)のデータベース化や他の生体テクスチャ(鯨のヒレの斑紋など)への応用等にも取り組み,本システムの一層の実利用化を図っていきたいと考えている。本年度は,現在開発中の「生体テクスチャ認識システム」における鼻紋認識部の実用化に主眼をおいて,主に次の二項目に関して検討を進めた。(1)多数の鼻紋照合実験を踏まえた認識アルゴリズムの性能改善従来の鼻紋認識アルゴリズムは縦型探索を基本とした「枝の先読み処理」によって実現されていたが,鼻紋の採取状況によっては枝が途中で途切れ,うまく認識されない場合もあることが改めて確認された。そこで本年度は,鼻紋を構成している枝だけではなく個々の閉路にも着目し,その閉路情報をも積極的に利用した形の新しい鼻紋認識手法を開発した。この手法では,認識処理のロバスト性を改善するために,ハフ変換的な手法が取り入れられている。現在,多くの鼻紋パターンに対して本手法を適用し,その効果を検証している段階である。現在までに開発済みの(鼻紋パターンの入力から認識・照合までの一連の)処理モジュールをTcl/Tkというコンピュータ言語を用いて統合化し,ユーザ・フレンドリーなシステムとして実現させた。このシステムはGUI(グラフィカルユーザインタフェース)による直感的操作が可能となっている。また,本システムはPC-Unix上での利用を想定して作成されたものであるが,高い移植性をもった形で設計されているので,将来はWindows等のOS上でも利用可能となる予定である。
アルミニウム内部のヘテロ構造制御による新しい機能性の発現

板試料の表面を改質することで水素吸蔵によって曲げ変形を生じる現象(水素誘起変形)が純アルミニウムにおいても生じることが明らかになった。水素吸蔵特性を高めるためには、純アルミニウム表面への無電解パラジウムめっき層の形成状況がその後の水素誘起変形特性に特に重要であることが示された。またこの純アルミニウムでみられる水素誘起変形は、表面のパラジウム層の厚さや、水素吸蔵量に依存して大きくなることも見いだされた。また,水素誘起変形を生じたPdめっきアルミニウムを加熱することで,形状回復が生じることも明らかになった。板状の純アルミニウムの表面改質によって,これまでにTiNi合金やZrNi合金で示されているような,水素吸蔵による自発的な変形(水素誘起変形)が生じるかどうか,H23年度に調査した。純アルミニウムの表面は元々強固な酸化膜で覆われているために,その酸化膜を除去した上で表面改質を行う必要がある。そこで,あらかじめアルカリ脱脂処理とピックリング処理を行った。その後,純アルミニウム表面に対して,Ni-Pめっきを行う前処理として,表層にZnを付着させるジンケート処理を2回実施した。その後,無電解でNi-Pめっきを行った。さらにそのNi-Pめっき膜の表面に無電解Pdメッキを付着させた。Pdめっき膜の厚さは,無電解溶液に浸漬する時間で調整を行った。Pdめっきで表面改質を行った板状の純アルミニウム試験片表面の片側のみのPdめっき層を研磨により除去したものを水素吸蔵変形前の試料とした。その後,電解水素チャージ法により材料内部に水素を吸蔵させたときの変形の様子を外部から連続的にモニタリングした。その結果,純アルミニウムにおいても片側表面のみのPdめっき層の生成によって,水素誘起変形が生じることが初めて明らかになった。しかしながら,予め生成させるPdめっき膜が薄い場合には,水素誘起変形の応答が顕著に遅くなることも明らかになった。これまでに報告してきたTiNi合金板やZrNi合金板でみられる水素誘起変形と比べると,全体的に変形速度が小さいことが明らかになった。顕著な形状回復が生じる温度(約130°C)は,別な試験片で調査した,昇温水素脱離分析で検出される水素放出ピーク温度と一致した。構造金属であり安価なアルミニウム材料に対するPd表面改質で,水素誘起変形を生じさせることが可能であることが本研究において初めて示された。
環境化学物質によるヒト健康リスクの予見的評価法の開発と事例研究

農薬エンドサルファンは、マレーシア等の熱帯・亜熱帯件の果樹園等において害虫駆除に多用される農薬であり、わが国においても使用されている。その環境試料中や食品試料中での残留が環境モニタリング等により確認されており、ヒトへの曝露が確実な農薬である。しかし、ヒトの健康リスクを評価するためのモデルや毒性データが十分に開発されていない。エンドサルファンによる神経影響を評価するために、その脳-血液関門透過性を実験的に把握し、エンドサルファンが脳-血液関門を透過すること、また神経細胞に対して毒性を示すこと等をin-vitro実験により確認した。さらにエンドサルファンの中枢神経系への毒性を評価するために、神経モデル細胞であるPC12細胞を用いて、神経伝達物質であるグルタミン酸の取り込みを評価した。その結果、高濃度曝露においてエンドサルファンの取り込みが増加することを確認し、エンドサルファンの曝露によって神経伝達が更新される可能性を示した。さらに、別の神経伝達物質であるアセチルコリンを速やかに代謝するアセチルコリンエステラーゼについては変化が見られなかった。また神経毒性の指標を適切に設定し、PBPKモデル等を利用することで神経毒性リスクを評価する方法を提案した。内分泌攪乱物質を対象にして研究代表者等が開発した予見的ヒト健康リスク評価の枠組みを、対象物質を農薬エンドサルファンに変更して適用する枠組み(モデル構成)について検討した。この枠組みを適用してヒト健康リスクを評価する場合に最初に必要になる、エンドサルファンの環境内動態を評価するフガシティ・モデルを構築し、日本における環境・食品中モニタリングデータに照らしてその妥当性を検討した。得られた主要な成果は以下の通りである。すなわち、(1)環境微量汚染物質の生産・消費量と平均的な日本人が被る健康リスクとを環境を介して関連づける予見的健康リスク評価の枠組みを、農薬エンドサルファン(ベンゾエピン)に適用する上でのサブモデルとその構成を明らかにした。(2)わが国におけるエンドサルファンの生産・消費量から、その環境構成要素並びに食品中の濃度を推定評価するためのフガシティ・モデルを開発し、その数値シミュレーション手順を確定した。(3)わが国の環境構成要素並びに食品中のエンドサルファン濃度の環境モニタリングデータを衛生公害研究所報告書などから探索し、モデルの検証データベースを準備した。(4)エンドサルファンの物理化学特性値などを参照して、食品中濃度を算定するためのパラメータ値を設定し、わが国環境中でのエンドサルファンの動態を推定するための予備フガシティ・モデルを得た。(5)平均的な日本人の食習慣の経年変化データを収集し、日本人のエンドサルファンへの経口曝露量を評価するための準備を整える共に、エンドサルファンの神経毒性を評価する実験系について検討した。有害化学物質、とりわけ農薬エンドサルファンに注目し、その使用により環境中に残留するエンドサルファンおよびその代謝生成物質がヒトの健康に及ぼすリスクを予見的に評価する枠組み構築に取り組んだ。比較リスクの事例研究を行うため、日本におけるエンドサルファン使用状況に関する環境データを収集し、事例解析をおこない、マレーシアについても必要データの収集を行っている。以下に具体的な研究内容を示す。(1)ヒトの集団に健康影響が確認される前に、健康リスクを予見的に評価する枠組み構築の開発。(2)エンドサルファンの環境内動態を評価するFugacityModelを構築し環境データに照らしてその妥当性を検討した。(3)エンドサルファンが有する神経毒性に注目し、その用量-反応関係を把握した。(4)経口・経気道摂取されるエンドサルファンの体内動態を評価するヒトPBPK(生理学的薬動力学)モデルを適用して、脳や生殖器官等への移行・蓄積を評価した。
トロンビン受容体の活性化制御による新生児脳障害の治療に関する研究

凝固系蛋白であるトロンビンは、前駆体であるプロトロンビンとその受容体の両者が中枢神経系において発現していることが確認され、神経系の分化やアポトーシス、可塑性への関与が注目されている。実際にラット脳におけるトロンビン機能的受容体(Protease-activated Receptor-1,PAR-1)の発現が、神経グリア細胞の増殖・遊走時期(分化前段階)である出生日齢15において豊富であることを確認した。生体への展開として、幼若ラットの脳室内へPAR-1の人工リガンドペプチドであるThrombin Receptor Activating Peptide (TRAP)を注入後、低酸素虚血負荷をかけ、負荷後7日目に組織障害評価を行った。海馬CA1神経細胞の残存率(平均±SD)は、生食群66.7±12.8%、TRAP少量投与群(0.5μg)98.4±3.6%、TRAP大量投与群(50μg)60.7±27.8%であり、TRAP少量投与ではほぼ完壁に細胞死を阻止したが、TRAP大量投与では細胞防護効果は認められなかった。アポトーシスの解析では、生食群とTRAP大量投与群でのみ、海馬組織DNAの解析にて明瞭なDNA ladder bandsが認められ、アポトーシスを起こした細胞に有意に認められる抗single-stranded DNA抗体に対する染色性を示した。PAR-1の至適な活性化が低酸素虚血障害による海馬神経細胞死を抑制することが認められ、PAR-1の活性化により神経細胞の障害への閾値が上昇することが示唆された。また、この機序に関わる候補シグナル系として、血小板由来成長因子(PDGF)α受容体の発現がPAR-1活性化により増強されることを確認した。トロンビン受容体の一つであるProtease-activated receptor-1(PAR-1)の活性化は、培養系のグリア細胞を細胞障害性ストレスから防御し、幼若ラットにおいても海馬神経細胞を低酸素虚血障害から防護することを明らかにしてきた。この防護機序は、本来のグリア・神経細胞の分化現象を抑制し、より未分化な状態に留めることで発揮されると考えられる。そこで、髄鞘形成を担うオリゴデンドロサイトの前駆細胞の分化を抑制し、その増殖を促す血小板由来成長因子(PDGF)系に着目した。その主役であるPDGF-α受容体の発現と脳障害、さらにPAR-1との関連を検討した。ラットグリオーマC6細胞の分化モデルにおいては、cAMP 1mMの添加によりアストロサイトへの分化が促進されるが、この時PDGFα受容体mRNA発現量は急激に減少し、24時間後にはほとんど検出できなくなった。一方、オリゴデンドロサイトへの分化をレチノイン酸5μg/mlの添加にて促進させると、PDGFα受容体mRNAの発現量は増加した。レチノイン酸はPDGFα受容体とともにプロテオリピッド蛋白の発現も増加させ、オリゴデンドロサイトの生存自体を促進させると考えられる。PAR-1の活性化はC6細胞の分化を抑制するが、PAR-1のリガンドであるTRAP 1μM、10μMの2種の濃度の添加実験において、一時的にPDGFα受容体の発現は抑制されるが、24時間後にはその発現は強く促進された。このように、C6細胞の系において観察されるPAR-1活性化によるダリア分化の抑制作用が、PDGFα受容体の発現増強という機序を介することがその一因であることが示唆された。幼若ラットの低酸素虚血脳障害モデルの大脳皮質においても、脳細胞を防護するために、PDGFα受容体の発現が障害発生後早期に、一時的に増強することを確認した。トロンビン受容体(PAR-1)の活性化により、血小板由来成長因子(platelet-derived growthfactor : PDGF)

α型受容体のmRNA発現増強が促されることが培養細胞において確認できたことから、PAR-1による分化抑制効果がPDGFの系を介している可能性が示唆された。そこで本年度は、PDGF-α型受容体と脳障害の関係を検討した。発達期脳において髄鞘形成を担うべきオリゴデンドロサイト(oligodendrocyte : OL)の分化を制御する因子としてPDGF-α型受容体が重要であり、その活性化はOL前駆細胞の分化を抑制し、その増殖を促すと考えられている。すなわちPDGF-α型受容体を活性化することで、OLの分化を抑制して障害への閾値を高め、低酸素虚血障害におけるダメージを軽減させる可能性があることを意味する。PDGF-α型受容体はOL前駆細胞にのみ発現する分化マーカーであり、ラット大脳正常発達における検討では、出生時が最も豊富に発現しており、生後15日目から成獣にかけて減少していった。低酸素虚血負荷(左頚動脈結紮+8%酸素2時間負荷)により、PDGF-α型受容体のmRNAは負荷後30分で増加し、蛋白は負荷後7296時間後に一過性に有意に増加した。免疫組織染色では、低酸素虚血負荷側の障害を受けた大脳皮質にのみ染色性を認め、負荷後14日目まで染色性が持続した。このことは、障害部位でのOL前駆細胞の相対的増加を意味するものであり、障害時にOLの分化を抑制して前駆細胞レベルに維持し、かつその増殖を促して、髄鞘化のソースであるOL前駆細胞を維持しようとする現象と考えられた。このことは、幼若脳の障害部位に見られる組織学的hyper-myelination現象を分子生物学的に捉えたものと考えられる。
実験老化モデルを基盤とした加齢関連因子の臨床的検証

様々な刺激によって誘導された血管内皮細胞老化のアレイデータから共通に誘導される分泌因子や細胞表面分子を抽出することによって、血管老化に伴って特異的に発現が亢進する11種類の候補分子を同定した。そのなかで、SAGPの発現はApoE欠失マウスや高齢マウスの動脈硬化組織においてその発現が亢進すること、動脈硬化患者の末梢白血球においても発現の亢進が認められた。興味深いことに、sh-SAGPレンチウイルスによるSAGPの欠失は、分裂寿命を短縮させていたことから、SAGPは細胞老化の進展とともに発現が亢進し、血管や脂肪組織に蓄積する老化細胞の生存に対して保護的に働いている可能性が示唆される。様々な医薬品の開発等による治療法の発展にも関わらず、血管老化・動脈硬化を基盤とした脳心血管死は高齢者の死亡原因の大半を占めており、平均寿命と健康寿命の乖離に大きく関与している。健康長寿の実現のためには、病的老化の進展した集団をいち早く抽出し、老化を標的とした先制医療を実践する必要がある。しかしながら、これまで病的老化の進展を評価・予測する方法の開発はなされていない。我々は以前より、様々な加齢促進ストレスによって組織における老化細胞の蓄積が加速され、臓器・組織機能不全(老化)を促進することで加齢関連疾患発症・進展に関与していることを示してきた。そこで本研究では、ヒト血管内皮細胞老化モデルや長寿・老化マウスモデルを用いて加齢関連因子を抽出し、さらに臨床的検証を加えることで、新たな老化マーカー・治療標的を同定することを目指す。そこで、本研究では研究期間内に以下について明らかにする。(1)ヒト血管内皮細胞老化モデルを用いて、血管老化に伴って分泌が変化する因子を抽出する。(2)長寿・老化マウスモデルにおいて寿命と関連がある可能性のある分泌因子を抽出する。(3)佐渡研究の血液サンプルにおいて、(1)(2)で抽出された分泌因子を検証し、加齢に伴って変化する血液中の因子を明らかにする。(4)同様に佐渡研究の血液サンプルにおいて、(1)(2)で抽出された分泌因子を検証し、加齢関連疾患の有病率と相関する因子や、健康長寿と相関の高い血液中の因子を明らかにする。(5)上記で検証された候補因子について遺伝子改変マウスモデルを作製し、老化や加齢関連疾患、寿命との因果関係について検証する。これまでの我々の研究から、老化した細胞が様々な炎症惹起分子を分泌し、生活習慣病をはじめとした加齢関連疾患の病態基盤となっている慢性炎症に関与していることが示されている。近年このような現象は、Senescence-associated Secretory Phenotype (SASP)として報告されるようになっており、生活習慣病のほか、がん発症にも関わっていることが示唆されている。一方、血管内皮細胞は、最大の内分泌組織であることも知られており、血管から分泌される分子が生活習慣病に対する血中マーカーとなること、さらに、様々な加齢関連疾患の病態生理にも影響することが示唆されている。これまでの我々の研究から、血管老化には、細胞分裂に伴うテロメアの短縮のほか、生活習慣病に伴うメタボリックストレスが関与していることがわかっている。そこでこれらの老化シグナルによるストレスを総合的に評価するため、分裂に伴う老化のほか、DNA損傷反応を直接活性化するストレスや遺伝子導入による老化を誘導した血管内皮細胞の遺伝子発現データをバイオインフォマティクスの手法を用いて解析した。パブリックデータベースに登録されている老化を誘導した血管内皮細胞の遺伝子発現データについてもメタ解析を行った。様々な老化誘導の系で共通して変化する遺伝子のうち、特に分泌因子を抽出した。実際このようなストラテジーによって、既にいくつかの候補因子の同定に成功した。その一つであるGPNMBは、血管内皮細胞の老化に伴い発現の増加が認められること、ノックダウンにより血管内皮細胞のviabilityが低下することなどから、老化抑制因子として働く可能性が示唆されている。以上の結果より、本研究はおおむね順調に進展していると考えられる。本年度は、さまざまな刺激によって老化した細胞のアレイデータから、新たに老化細胞特異的に発現する細胞表面分子SAGPを同定した。SAGPは分裂老化に伴ってその発現が増加していることが確認された。動脈硬化モデルマウスの血管や加齢マウスの血管においても、SAGPの発現の亢進を認めた。さらにヒト動脈硬化患者の血液サンプルにおいても、その発現の亢進が確認できた。sh-RNAベクターによってその発現を低下させると、早期老化が起こった。SAGPの発現低下による早期老化には、ミトファジーの低下が関与していた。SAGP欠質マウスにおいては、血管機能障害等の形質も認めた。

以上より、SAGPは細胞老化に伴って発現の亢進する細胞表面分子であり、ミトファジーを正に制御することで老化細胞に対して保護的に働くことが明らかとなった。様々な刺激によって誘導された血管内皮細胞老化のアレイデータから共通に誘導される分泌因子や細胞表面分子を抽出することによって、血管老化に伴って特異的に発現が亢進する11種類の候補分子を同定した。そのなかで、SAGPの発現はApoE欠失マウスや高齢マウスの動脈硬化組織においてその発現が亢進すること、動脈硬化患者の末梢白血球においても発現の亢進が認められた。興味深いことに、sh-SAGPレンチウイルスによるSAGPの欠失は、分裂寿命を短縮させていたことから、SAGPは細胞老化の進展とともに発現が亢進し、血管や脂肪組織に蓄積する老化細胞の生存に対して保護的に働いている可能性が示唆される。今年度は老化関連マーカーとしてのGPNMBの有用性の検証と加齢関連疾患におけるその役割について検討する。具体的には、ヒト疾患の血液サンプルでその発現を検討するとともに、GPNMB欠失マウスや過剰発現マウスにおいて、血管機能(拡張反応や血管新生能)を調べることによって、加齢関連疾患における病態生理学的意義について解明していく。老化消耗品費用として使用予定であったが、納品が遅れたため。予定通り消耗品費用として使用する。
運動習慣は動脈硬化を予防、改善するか

本研究は、動脈硬化の予防に及ぼす運動習慣の影響を実験的に検証することを目的とする。これまで、様々な動脈硬化評価指標が提案されてきたが、非侵襲的かつ易操作性で、再現性の高い測定方法は確立していない。そこで本研究では、簡便かつ再現性も高く、局所の測定も可能な動脈評価方法の確立を目指した。具体的には、(1)超音波ドップラー装置を(DVM4300,林電気)を2チャンネル同時測定用に改良し、2箇所で測定された流速信号の位相差から脈波伝播速度(PWV)を計測するシステムを構築した(平成13年度)。(2)超音波エコー装置(HS3000,本多電子)を、2cm離れた総頸動脈の管径変化を追尾可能な装置に改良し、管径変化の位相差からPWVを計測するシステムを構築した(平成14年度)。(3)(2)で構築した装置で測定した管径変化と橈骨動脈上で測定される圧力波から応力-ひずみ関係を求めるシステムを構築した(平成15年度)。(4)上記測定システムの精度検証のために、人工拍動流装置を設計製作した(平成15年度)。同時にこれらの装置を用いて、総頸動脈上の2cm離れた2点間、総頸動脈-大腿動脈間、大腿動脈-前脛骨動脈間のPWV測定を行った。総頸動脈を対象としたPWV測定結果は、不安定で、再現牲も低いことが明らかになった。一方、総頸動脈-大腿動脈、大腿動脈-前脛骨動脈間のPWV測定結果は、再現性も高く安定した結果が得られた。男子大学生と中年男性のこれらの値には有意の差が認められた。男子大学生を対象とした8週間の持久性トレーニングは、PWV値の有意な改善をもたらさなかった。(3)で開発した装置を用いた総頸動脈の応力-ひずみ関係には、若年者と中年男性間に明らかな差を認めた。これらの結果は、本研究で開発した各装置の有用性を示すものと考えられる。本研究は、動脈硬化の予防に及ぼす運動習慣の影響を検討することを目的とする。そのためには、まず動脈硬化の定量的な評価方法の確立が必要である。これまで、さまざまな動脈硬化の評価指標が提案されてきたが、非侵襲的かつ易操作性で、再現性の高い測定方法は今のところ確立していない。そこで本研究では、動脈硬化の定量的評価に向け、簡便かつ再現性の高い測定法の開発を目指した。まず、市販の超音波ドップラー血流計(DVM-4300、林電気)を改良し、一音源同時2チャンネル測定可能な装置として開発した。また出力信号としては、通常の流速信号(合成波)、およびその正、負分を分離した信号、さらにはドップラー信号が直接出力されるように改良を行った。得られた2チャンネルの流速信号から相互相関法により位相時間を検出するソフトウエアーの開発を、またドップラー信号の場合には、周波数伝達関数およびコヒーレンスによる位相時間検出のためのソフトウエアーの開発を試みた。前者については、2cm以上離れた表在血管において再現性の高い解析が可能であることが明らかとなった。しかしながら、後者においては、予想した解析が難しく、根本的な改良が必要とされる。一方、超音波エコー診断装置を用いた血管壁変動の位相差から脈波伝播速度を算出するシステムの開発に関しては、地元企業と連携し、10MHzのリニアープローブの2cm離れた2点から250μsごとにパルスを発生させ、その受信波から壁運動を追尾するシステムの開発を完了した。

この壁変動の微分波から、壁運動速度を検出し、2点間の位相差を相互相関関数から求める予定であるが、現在その解析プログラムを開発中である。平成14年度は、未完成となっている測定システムの早期の完成と、ファントムを用いたその精度検証テスト、さらには人を対象とした実験データの蓄積を図る計画である。本研究の目的は、動脈硬化の予防に及ぼす運動習慣の影響を検討することにある。そのためにはまず、動脈硬化の定量的かつ信頼性の高い評価方法の確立や装置の開発が必要となる。そこで平成13年度および平成14年度においては、超音波ドップラー装置および超音波エコー装置を用い、血管局所の脈波伝播速度を高精度に測定する装置開発を行ってきた。平成14年度における取組内容とその成果については以下の通りである。(1)平成13年度において超音波ドップラー装置(林電気DVM-4300)を2チャンネル同時測定用に改良し、2点で測定した流速波形間の位相差から脈波伝播速度を測定・解析するシステムを開発したが、本年度はこの装置を用い、総動脈上の2cm離れた2点間、総頸動脈-大腿動脈間、大腿動脈-頸骨動脈間の3箇所の脈波伝播速度を男子学生、中年男性を対象として測定を行った。その結果、総頸動脈-大腿動脈間、大腿動脈-頚骨動脈間には両群あいだに有意の差があることを明らかにし、方法論の有効性を実証した。(2)(1)で開発した装置を用い、2点で測定されたドップラー信号間の周波数伝達関数、コヒーレンス関数から脈波伝播速度を解析するシステムの開発を行った。しかしながら、総頸動脈および橈骨動脈を対象として測定した結果では、データが不安定で、信頼性の高い結果を得るに至っていない。(3)超音波エコー装置を改良し、総頸動脈上の2cm離れた2点の血管壁変動の位相差から脈波伝播速度を測定する装置と解析ツールの開発を完了した。すでに人工拍動流装置(ファントム)を用いた精度検証実験を行い、理想的な条件下では信頼性の高い結果を得ている。しかしながらヒトを対象とした実験では、プローブ操作やノイズなどの問題もあり、改善策を検討中にある(これに関する研究成果は本学紀要に掲載)。本研究は、動脈硬化の予防に及ぼす運動習慣の影響を実験的に検証することを目的とする。これまで、様々な動脈硬化評価指標が提案されてきたが、非侵襲的かつ易操作性で、再現性の高い測定方法は確立していない。本研究では、まず簡便かつ再現性も高く、同時に局所の測定も可能な動脈硬化評価方法の確立を目指した。具体的には、(1)、超音波ドップラー装置(DVM-4300,林電気)を2チャンネル同時測定用に改良し、測定された流速信号間の位相差から脈波伝播速度(PWV)を計測するシステムを構築した(平成13年度)。(2)、続いて超音波エコー装置(HS3000,本多電子)を、2cm離れた総頸動脈の管径変化を追尾可能な装置に改良し、管径変化の位相差からPWVを計測するシステムを構築した(平成14年度)。(3)、(2)で構築した装置から得られる管径変化と橈骨動脈上で測定される圧力波から応力-ひずみ関係を求めるシステムを構築した(平成15年度)。(4)、上記測定システムの精度の検証のために、人工拍動流装置(ファントム)を設計、製作した(平成15年度)。同時に、これらの装置を用いて、ヒトの血管を対象としてその力学特性評価を行った。まず、(1)の装置を用い、総頸動脈上の2cm離れた2点間、総頸動脈-大腿動脈間、大腿動脈-前脛骨動脈間のPWV測定と、(2)で開発した装置を用いた総頸動脈のPWV測定を行った。
多糖ハイドロゲルにおける異方性構造の発現

海藻多糖の寒天(主成分はアガロ-ス)、アルギン酸は古くから食用に供せられるものとしてよく知られている。本研究では、これらポリマ-ゲルの一軸凍結または溶液の流動ゲル化の方法により光学的に明確な異方性ゲルを得ることができた。これらゲルは学術的にも応用面からも興味ある対象である。その構造・形態の検討結果の概要を延べる。寒天またはアガロ-スの熱水溶液を放冷して一旦ゲル化させそれを温度勾配下に一軸的に凍結すると、成長する氷晶のまわりに分離したポリマ-が蜂の巣状のゲル相を形成する。このゲル相が強い複屈折を示す。光学ならびにX線回折両法から、アガロ-ス分子はこのゲル壁に沿って強く面配向し同時に温度勾配に沿ってわずかにC軸配向していることが明らかとなった。類似の現象がK-カラゲナン、アルギン酸等のゲル化能の高い他の多糖の場合でも認められた。寒天の熱水溶液を流動中あるいは流動後ゲル化させることにより、分子鎖が全体としては流動方向に配向したゲルが得られた。この時、流動距離とともにまたせん断速度が増すと配向度は上昇した。高度に配向したゲルが得られる条件の検討が残されている。アルギン酸ソ-ダの水溶液を細管より塩化カルシウム水溶液等の2価金属イオンのゲル化媒体に押し出して得られるゲルは凡乾によりX線的に繊維配向を示すことはよく知られている。ここでは、凡乾前のできたままのゲルの光学的性質とこのような分子配向機構との関係を、M/G比、ポリマ-濃度、塩濃度、流動速度等のパラメ-タ-を変えて検討した。ここで見られた異方性ゲル構造の発現は、これら多糖がランダムポリマ-と異なり、その大きな緩和時間のため、せん断場あるいは流動場で延伸鎖への転移が比較的容易であることに基づくものと推察される。