hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
圧力中での磁場角度分解比熱測定で解明する擬一次元超伝導体の秩序変数の変遷

本研究では、熱力学測定や圧力効果の実験によって、超伝導体の興味深い性質を引き出すことを目的とした。特に、自作の高感度の比熱・磁気熱量効果測定装置を用いて、従来の研究では見ることのできなかった現象の発見を目指した。最大の成果は、スピン三重項超伝導体Sr2RuO4の磁気熱量効果から、ある条件下では超伝導-常伝導相転移が一次相転移になっていることを初めて明らかにした点である。このことは、未知のメカニズムで超伝導が壊されていることを示している。他に、有機超伝導体(TMTSF)2ClO4の超伝導ギャップ構造を比熱測定から初めて明らかにしたり、ルテニウム酸化物への特異な一軸性歪み効果を明らかにしたりした。本年度は新しい熱容量計の作成とそれを用いた実験を進めた。特に、磁場を変化させた際に試料の温度が変化する磁気熱量効果の測定を行った。磁気熱量効果による温度変化はエントロピーの磁場微分に対応し、エントロピーの温度微分である熱容量測定とは相補的な手段になる。スピン三重項超伝導体の最有力候補である層状ルテニウム酸化物Sr2RuO4の微小な超純良単結晶についてこの磁気熱量効果を測定し、磁場がこの物質のab面に平行な場合に超伝導相転移が一次相転移になっていることを初めて見出した。この結果は、磁場と超伝導の相互作用に、これまでに知られていないものが存在している可能性を強く示唆している。本成果はPhysical ReviewLetters誌に論文として出版し、日刊工業新聞(2013年2月20日朝刊)、オンラインニュースサイト「マイナビニュース」、京都大学ホームページ等で紹介された。また招待講演1件を行った。また、擬一次元超伝導体(TMTSF)2ClO4の磁場角度分解熱容量測定に関して、Physical Review B誌のRapid Communicationに論文を出版した。特筆すべきは、熱容量の磁場方向依存性に、特異な変調を発見し、これが超伝導ギャップのゼロ点の存在に起因することを明らかにした点である。また、この変調を解析することによって、(TMTSF)2ClO4の超伝導ギャップ構造を推定した。擬一次元の超伝導体においてこのような詳細な実験的推定ができたのはこれが初めてである。この成果に関して、2件の国際会議における招待講演も行った。さらに、データの詳細な解析を進めた。この解析については論文1件が掲載決定済みで、論文をもう一件投稿準備中である。また、熱容量の温度依存性に擬一次元系に特有の強い揺らぎの影響がみられている可能性があり、現在その解析を進め、さらに再現性の確認を計画している。本研究計画の最終年度では、自作熱容量計を用いた研究をさらに進めた。昨年度報告した、ルテニウム酸化物超伝導体Sr2RuO4において磁場が結晶のab面に平行な場合に超伝導相転移が一次相転移になるという顕著な現象の解明を進めた。磁気熱量効果に加えて、比熱でも初めて明確な一次相転移性を観測することに成功した。また、一次相転移の現れ方は試料の質に非常に敏感であることも明らかにした。また、通常の二次相転移が起こる状況下では、超伝導の性質(例えば比熱や上部臨界磁場)が面内の磁場方向には依存しないのに対し、一次相転移が起こる条件下では、超伝導の性質に顕著な面内磁場異方性が現れることが分かった。このことは一次相転移の起源を決める上で非常に重要な情報であり、現在論文を投稿中である。また、H26年度に関連の招待講演2件が予定されている。他に、比熱の面内磁場方向依存性にも、低温では特異な依存性が現れることを見出した。また、有機物擬一次元超伝導体(TMTSF)2ClO4について、比熱の温度依存性の測定を進めた。この物質は、24ケルビン付近の冷却スピードによって物質内の有効的な不純物濃度を制御できるという特異な性質を持つ。このことを利用し、比熱の温度依存性が不純物濃度による変化を一つの試料を用いて系統的に研究した。また、比熱の磁場方向依存性の詳細な解析について論文1篇を出版した。研究期間全体を通じて、圧力下の測定に関しては進展が少なかったものの、常圧下での比熱および磁気熱量効果の測定で顕著な成果を上げた。特に、Sr2RuO4の超伝導一次相転移は、超伝導と磁場の未知の相互作用を明らかにした点で非常に意義がある。また、(TMTSF)2ClO4の研究でも、初めて超伝導ギャップ構造を比熱の磁場方向依存性から明らかにすることができ、この手法が擬一次元系にも適用できることを初めて明らかにした。本年度は、以下のような進展があった。

(1)これまでの(TMTSF)2ClO4に関する成果を、論文としてPhysical Review B誌(Rapid Communication)に発表し、国際学会で招待講演を行った。(2)圧力セルを導入し、圧力印加のテストを行った。特に、温度計を圧力セルに入れて圧力印加し、その特性を確認した。(3)圧力中比熱の測定に先立って、まずは常圧中で微小な試料の比熱を決めるための新しい比熱測定セルを開発した。このセルは、圧力セルで用いる予定の微小厚膜抵抗チップを温度計として用いているなど、圧力セル中での比熱測定も踏まえた設計をしている。また、これまで申請者らが用いてきた交流法に加えて、より熱容量の精度の高い緩和法を用いた測定も行えるのが特徴である。さらにこのセルの新しい点は、熱磁効果も併せて測定できるという点である。熱磁効果とは「外部磁場を変化させた際に試料の温度が変化する現象」のことであるが、この温度変化から試料のエントロピーの磁場微分を決めることができる。セルの作製に加え、比熱や熱磁効果の測定をほぼ全自動で行うためのプログラムも開発した。本年度はこれらの新しく開発した装置を用いて、スピン3重項超伝導体Sr2RuO4の熱磁効果測定および比熱測定を行ったので、その結果の詳細を述べる。驚くべきことに、磁場を結晶のab面に平行に印加した場合に、この物質の超伝導転移が低温高磁場で1次相転移になっていることを明らかにした。我々の結果はスピン3重項超伝導体において超伝導転移が1次相転移になっている例を初めて示したことになり、超伝導と磁場の相互作用にこれまでに知られなかった寄与が存在していることを強く示唆している。このことは、今後の超伝導研究に重要な影響を与えると考えられる。圧力中での実験が予定よりも進んでいないが、磁気熱量効果と熱容量の測定を併用した研究が予想以上の進展を見せており、Sr2RuO4の十年以上の未解決問題の真相に迫りつつある。また、TMTSF系に関しても、擬一次元系で初めてのギャップ構造の推定に成功し、回転磁場中での熱容量測定が擬一次元系においても適用可能であることを初めて示した。圧力中の実験がまだあまり着手できていないが、常圧中での比熱測定に関しては装置やプログラムも含めて強力な技術が確立できた。さらに、Sr2RuO4に関してはインパクトのある論文として出版が可能なデータをそろえることができた。圧力中の実験を進めるとともに、当初の対象物質である(TMTSF)2ClO4の常圧における比熱の詳細も非常に重要な意味を持っている可能性が出てきたため、常圧における研究も併せて行う。また、これまでのデータに関する解析結果について論文にまとめる。また、Sr2RuO4の熱測定についても非常に重要なデータが出てきているので、引き続いて行う。今年度の残額が6万円弱生じているが、これは寒剤のヘリウムの使用量が予想よりもわずかに少なかったためである。この残額は来年度のヘリウムの料金に回す予定である。特に、近年のヘリウムガスの値段の高騰により、京都大学でも液体ヘリウムの値段が2割程度値上げになる予定である。この残額は上昇分の補てんとして用いる。
大規模マイクロサテライトデータベースと自動解析処理システムの構築

生命の設計図とも言われるDNAの塩基配列は、A・T・G・Cの4文字からなる文字列によって表現されている。その中には、「マイクロサテライト」と呼ばれる単純反復する領域(例えば、AGAGAG...)がいくつも存在しており、領域によっては系統や個体間で異なった反復数を示すことが知られている。そのため、農学・法科学においてDNAマーカー開発や個体識別技術、そのほか生態保全や遺伝資源を担保するアプリケーションとして役立つことにも期待される。そこで、本研究は、500種の生物を対象にマイクロサテライトを広範に解読し、そして誰もが手軽に利用できるデータベースおよび解析パイプラインを構築することで有用化を目指す。
内臓脂肪測定ゲノムバンクを用いた脂質異常症の遺伝マーカー開発へ向けた探索研究

健診受診者からインフォームド・コンセントを得たのち、内臓脂肪蓄積レベルを測定し、末梢血を約3000例収集した。この血液から抽出したDNAと、従来収集していた日本人2万1千人と世界各地域のDNAを用いて集団遺伝学的解析を行った結果、血中脂質の調節に関わる遺伝因子を複数同定した。また、内臓肥満に関わる新たな遺伝子を同定し、東アジア人の移動、進化に伴う自然淘汰の痕跡を見出した。自治医科大学健診センターにおいて健診受診者からインフォームド・コンセントを取得したのち、末梢血を、平成22年度までに約3000例収集した。採集は5000例を目標に現在も続行中であり、研究に同意を得られた参加者は、健診で得られる血液データや生活習慣のデータに加え、メタボリック症候群に伴う脂質レベルの変化を観察するために、X線を用いない完全非侵襲型の測定器を用いて内臓脂肪の蓄積を測定している。これまでの解析によって、血清トリグリセリドレベルはBMIよりも内臓脂肪レベルとより強く相関することが判明した。内臓脂肪蓄積が少ないにもかかわらず、血清トリグリセリドが著しい高値を示すグループ、ならびに内臓脂肪の過剰な蓄積を認めるにもかかわらず、血清トリグリセリドが低値を示すグループが存在することも明らかになり、各々に強力な遺伝因子の存在が示唆された。構築したゲノムバンクを利用することによって、低頻度であっても強い効果を示す遺伝子変異を探索することが可能になったと考えられ、今後は次世代シークエンサーを用いた大規模なリシークエンス解析を行う予定である。他民族における解析では、モンゴル人950人のゲノムパネルを用いて血清脂質レベルとの関連解析を行った。その結果、モンゴル人はLDLコレステロールの平均は12mg/dl、トリグリセリドレベルは24mg/dl、日本人と比べて低いことが明らかになった。さらに、ヨーロッパ人と日本人においてトリグリセリドレベルと強く関連するFABP1/2遺伝子多型は、モンゴル人ではLDLコレステロールと強い関連を示すことを明らかにし、報告した。このことから、遺伝子と環境要因(肉食)との相互作用は、今後解析していかなければならない重要な課題であることが示された。研究に同意を得られた参加者からは、健診で得られる血液データや生活習慣のデータに加え、X線を用いない完全非侵襲型の測定器を用いて内臓脂肪の蓄積データを取得している。血清トリグリセリド(TG)レベルは、BMIよりも内臓脂肪レベルとより強く相関し、内臓脂肪蓄積が少ないにもかかわらず血清TGが著しい高値を示すグループ、ならびに内臓脂肪の過剰な蓄積を認めるにもかかわらず血清TGが低値を示すグループが存在することも明らかになり、各々に強力な遺伝因子の存在が示唆された。次世代シークエンサーを用いた大規模なリシークエンス解析を行った結果、著しい高TG血症を示すグループにはApoA1遺伝子クラスターとLPL遺伝子に低頻度SNPを持つ者が多いことが明らかになった。他民族における解析では、女子栄養大学の香川靖雄副学長、久留米大学医学部の神田芳郎教授、筑波大学大学院生命システム医学大橋順教授らとの共同研究を推進し、東アジア6集団(本州、沖縄、北京、ウランバートル、バンコック、パラオ)合計約2千人、(ガーナ、南アフリカ白人、南アフリカ黒人、スリランカ、バングラデシュ、サモア、ウイグル、中国北部、中国南部、チベット、韓国、ネパール、インドネシア)合計約1400人の遺伝子多型の頻度解析を行った。その結果、中央アジアの民族ではMLXIPL遺伝子多型のアレル頻度に大きな違いが認められた。遺伝子と環境要因(肉食)との相互作用を示唆している。また、欧米人におけるGWASで同定された脂質関連新規遺伝子TRIB1の機能的解析を行った結果、マウスにおけるその過剰発現は血清TG値と血糖値の低下をもたらすことが明らかになりそのメカニズムの解明は、新たな血清脂質レベル調節パスウェイとして期待される。自治医科大学健診センターにおいて健診受診者からインフォームド・コンセントを取得したのち、末梢血からゲノムDNAを、平成22年度までに約3000例収集した。研究に同意を得られた参加者からは、健診で得られる血液データや生活習慣のデータに加え、X線を用いない完全非侵襲型の測定器を用いて内臓脂肪の蓄積データを取得した。内臓脂肪蓄積レベルに関連する遺伝子を検索した結果、TRIB2の遺伝子多型が強く関連することを発見し報告した。TRIB2は、キナーゼ様ドメインを持つシグナルモジュレーターであり、メカニズムはこれからの課題であるが、その後の報告でも心外膜の脂肪蓄積と強く関連することが明らかにされており、何らかのメカニズムで内臓脂肪蓄積を制御していると思われる。また、他民族における解析によって、内臓脂肪蓄積に働くリスクアレルは東アジア集団に高頻度であり、周辺の多型と合わせて考えると、正の自然選択が行われた可能性が示唆された。また、欧米人におけるGWASで同定された脂質関連新規遺伝子TRIB1の機能的解析をアデノウイルスベクター導入

マウスを用いて行った結果、肝臓における過剰発現は、マウス血清TG、コレステロール、血糖値の低下をもたらすことが明らかになるとともに、肝臓における脂質とグリコーゲンの蓄積にも関与することが明らかになった。さらに、肝臓トランスクリプトーム解析を行った結果、脂質合成、解糖系、ならびにグリコーゲン合成に関わる遺伝子群の有意な発現変化を認めた。そして、それに関わる転写因子とMAPキナーゼ系シグナル伝達分子群タンパクの発現変化を明らかにした。また、ChREBPの発現変化はTRIB1タンパクとの分子間相互作用の結果であることが初めて明らかになった。この成果については、現在投稿中である。GWASの日本人での大規模な検証と民族間の比較解析は多くの成果をもたらしたが、高頻度SNPでは説明しきれない血清脂質レベルの分散に関わる低頻度アレルを見出すことには成功したとは言い難い。このためには更なる大規模なリシークエンスが必要であり、予算の範囲を超えてしまうため断念したが、その代わり、脂質関連新規遺伝子TRIB1の機能的解析から、新規パスウェイの手がかりを見出すことが出来た。24年度が最終年度であるため、記入しない。今年度は、TRIB1の機能的解析(発現制御機構、分子間相互作用0)スクリーニング、マウス肝臓における過剰発現とノックダウンによる発現プロファイル解析、など)を進め、新たな血清脂質レベル調節機構の同定を目指す。集団遺伝解析については、内臓脂肪測定ゲノムバンクを用いたGWASを2012年度のゲノム支援公募に応募して、可能性を探ってみたい。
初等中等教育における代数的思考とその表現に関するカリキュラムの開発と評価

初等中等教育段階において、文字a,xなどを用いた「文字の式」は一般性を表現できるが、数字を用いた「数字の式」ではそれができない、という思い込みがある。だが、数学史をみると、文字表記が充実する前では、一般性を含意して論を展開する際は「数字の式」を用いていた。本研究では、このような「数字の式」において一般性を含意している数を擬変数と命名している。本研究の目的は擬変数の機能に焦点をあて、新しい教材を開発し、同時に既存教材を擬変数の視点から精査・改良し、代数的思考と表現に関するカリキュラムを構築することである。そのために実態調査研究を行い、さらに小学校1年から中学校3年までを対象に授業実践を行い、授業後の児童生徒及び教師への総合的調査からカリキュラムの構築・評価を行うことである。本年度の研究実績の一つは、日本・米国及びカタール国を対象に実施した実態調査研究により、擬変数の使用実態が顕在化したことである。特に、擬変数を用いた式表現は少なく、米国・カタール国には出現していない。日本においても擬変数を用いた総合式の出現率は0.38%であり、擬変数を用いた分解式でも1.33%しかないことが判明した。この実態調査の結果を踏まえ擬変数の価値と役割・機能をより詳細に分析・考察する必要がある。今後、研究授業の授業者および参観者が擬変数の価値と役割・機能をどう捉えていたのかを明らかにしていくことで、擬変数の使用実態の背後にある要因を明らかにしていく手がかりが得られたと言える。日本・米国及びカタール国を対象に実態調査研究を実施し、学会誌に「数学的問題解決における日米共通調査再考-「マッチ棒の問題」の解決における式表現と擬変数に焦点を当てて-」として投稿し受理され、研究の成果を全国誌で公表することができた。次年度(2020年3月31日)は、日本・米国及びカタール国を対象に今年度実施した実態調査研究で顕在化した擬変数について、その役割・機能をより詳細に分析していく。また、擬変数の価値を具現化する授業課題を引き続き開発する。その際にこれまで連携研究者であった太田伸也氏、中村光一氏、西村圭一氏、清野辰彦氏、高橋昭彦氏、松田菜穂子氏を研究協力者として研究協議を行う。また、比較文化的視点を考慮して海外研究協力者として、本年度は特に米国デポール大学高橋昭彦と研究協議する機会をもつ。今年度の研究成果である論文「数学的問題解決における日米共通調査再考-「マッチ棒の問題」の解決における式表現と擬変数に焦点を当てて-」の中で考察の焦点となった擬変数の教授学的可能性について引き続き議論していく。なお、新しい授業課題の開発が当初計画どおりに進まない時の対応としては、デオファントスの『数論』に見出せる擬変数を教材化していく。すなわち、歴史上すでに擬変数が活用されている文脈に焦点をあて、その授業課題化を行う。さらに小学校1年から中学校3年までを対象に授業実践を行い、授業後の児童生徒及び教師への総合的調査からカリキュラム評価を行うことである。第一年目は、擬変数の視点から、これまでの「式に表す」「式をよむ」「式の形式的処理」の過程の指導を根底から再考してみた。すなわち、本研究では「式に表す」「式をよむ」「式の形式的処理」を数学的モデル化過程に対応させてとらえ直した。その結果「式に表す」「式をよむ」過程で根本的な発想の転換が必要となることが指摘できた。なぜなら、小学校の教師は、児童が「数字の式」の中に一般性をよみとることができない、と思い込んでいるからである。そこで、擬変数の役割と機能について理論的考察を深める一方で、さらに筆者が実施した擬変数に関する実態調査研究を精査し、擬変数を認識する契機についてまとめ、その成果を論文にまとめた。擬変数の役割と機能について理論的考察を深め、さらに筆者が実施した擬変数に関する実態調査研究を精査し、擬変数を認識する契機についてまとめ、その成果を論文にまとめた。

本年度の研究実績の一つは、日本・米国及びカタール国を対象に実施した実態調査研究により、擬変数の使用実態が顕在化したことである。特に、擬変数を用いた式表現は少なく、米国・カタール国には出現していない。日本においても擬変数を用いた総合式の出現率は0.38%であり、擬変数を用いた分解式でも1.33%しかないことが判明した。この実態調査の結果を踏まえ擬変数の価値と役割・機能をより詳細に分析・考察する必要がある。今後、研究授業の授業者および参観者が擬変数の価値と役割・機能をどう捉えていたのかを明らかにしていくことで、擬変数の使用実態の背後にある要因を明らかにしていく手がかりが得られたと言える。日本・米国及びカタール国を対象に実態調査研究を実施し、学会誌に「数学的問題解決における日米共通調査再考-「マッチ棒の問題」の解決における式表現と擬変数に焦点を当てて-」として投稿し受理され、研究の成果を全国誌で公表することができた。擬変数の役割と機能について理論的考察をさらに深め、さらに実際の授業において顕在化した擬変数の様相について整理する。このことにより、児童生徒が擬変数をどう扱い、どう活用するのかその実態を明らかにしていく。次年度(2020年3月31日)は、日本・米国及びカタール国を対象に今年度実施した実態調査研究で顕在化した擬変数について、その役割・機能をより詳細に分析していく。また、擬変数の価値を具現化する授業課題を引き続き開発する。その際にこれまで連携研究者であった太田伸也氏、中村光一氏、西村圭一氏、清野辰彦氏、高橋昭彦氏、松田菜穂子氏を研究協力者として研究協議を行う。また、比較文化的視点を考慮して海外研究協力者として、本年度は特に米国デポール大学高橋昭彦と研究協議する機会をもつ。今年度の研究成果である論文「数学的問題解決における日米共通調査再考-「マッチ棒の問題」の解決における式表現と擬変数に焦点を当てて-」の中で考察の焦点となった擬変数の教授学的可能性について引き続き議論していく。なお、新しい授業課題の開発が当初計画どおりに進まない時の対応としては、デオファントスの『数論』に見出せる擬変数を教材化していく。すなわち、歴史上すでに擬変数が活用されている文脈に焦点をあて、その授業課題化を行う。
量子化学・分子力学的手法を利用した抗ウイルス剤開発指向ドッキングスタディ

インフルエンザウイルスに対するノイラミニダーゼ(NA)阻害剤として、ザナミビルやオゼルタミビルが市販されているが、RNAウイルスは変異が速く、耐性ウイルスの出現が常に危惧されており、既に出現しているものもある。そこで、我々は分子動力学法を用いて耐性NAの変異体構造を構築し、これと既知薬剤とのドッキングスタディを行い、薬剤耐性を評価することで、将来生じうる新たな変異NAに対しても薬剤耐性の有無を判断できると考え、研究を行った。オゼルタミビル耐性NAの構造は、H5N1亜型2HU4.pdbの結晶構造を元に該当部位を変異し、さらに一般化ボルン溶媒モデル中での5ns分子動力学計算を行った後の最安定構造を用いた。今回は4種の耐性NA(H274Y、N294S、R292K、V116A)と、耐性変異のないNA(2HU4.pdb)の構造を用い、低分子化合物としてシアル酸のほか、NA阻害剤としてザナミビル、オゼルタミビル、ペラミビルを用いた。ドッキングスタディにおける最高スコアを比較したところ、2HU4.pdbでは、シアル酸よりも他の3化合物が高スコアを示し、薬剤親和性を有することが示唆された。一方耐性変異(H274Y、R292K、V116A)を有するNAでは、オゼルタミビルはシアル酸よりも低スコアとなり、これらの蛋白質では分子動力学法とドッキングスタディを組み合わせることでオゼルタミビル耐性を評価することができた。また、ホモロジーモデリングにより構築した変異NAでは、実験事実に反する結果が得られた。すなわち本研究において、分子動力学法による耐性NA構造最適化が重要であることが示された。なお、以上の研究は全てMOEを用いて行った。今後はこれらの研究結果を踏まえて、将来的に生じる可能性のある耐性変異の推定や、これら耐性変異にも有効な阻害剤の設計を行いたい。今回の研究ではまず、H1N1およびH5N1のノイラミニダーゼ(NA)における変異情報を取得するため、NCBIのInfluenza Virus Resourceより取得したヒトのH1N1およびH5N1のノイラミニダーゼ(NA)配列それぞれ415本、132本を用いて配列解析を行った。ここでは、H5N1-NAには、H1N1-NAには稀な19残基の欠失を確認した。H5N1-NAではH1N1に比べ、赤血球からのウイルス溶出能が減少している可能性があると考えられていることから、この欠失の意味に関して、引き続き三次元構造から精査する予定である。続いて、統合計算化学ソフトウェアmoeを用いて、H5N1-NAのPDBファイル(2HU0.pdb)を読み込み、この構造に対し、水素原子の付加と重原子の位置を固定して構造最適化を行った。この最適化した構造を用いて、リン酸オゼルタミビルから10Åの範囲内にある残基を抽出し、非保存部位に関する情報を取得した。H5N1-NAではこの非保存部位は24存在し、そのうち8つは、NAのリン酸オゼルタミビル結合部位から5Åの範囲内にあることを確認した。今後、この非保存部位の解析から今後起こりうる変異を予測し、そこから推測される蛋白質の配列を用いて、ホモロジーモデリングによるNAの構造予測を行う。また、この予測した蛋白質を用いて既知阻害剤とのドッキングスタディを行い、どのような変異が阻害剤の活性に影響するかを精査する。また最近、リン酸オゼルタミビル耐性のH5N1-NAを用いたホモロジーモデリングが報告されており、そこではリン酸オゼルタミビルのアルキル側鎖部分と結合するNA残基が親水性から疎水性へと変化したことにより、阻害剤の活性が低下していると推測されている。このような文献情報と、実際の計算による情報とを組み合わせ、新たな阻害剤設計への道筋を提示したい。

すなわち本研究において、分子動力学法による耐性NA構造最適化が重要であることが示された。なお、以上の研究は全てMOEを用いて行った。今後はこれらの研究結果を踏まえて、将来的に生じる可能性のある耐性変異の推定や、これら耐性変異にも有効な阻害剤の設計を行いたい。
アレルギー性鼻炎局所でのIgE産生:DEPによるアレルギー性炎症の増悪の機序

I型のアレルギー反応は、抗原特異的lgEの産生、lgEの肥満細胞上の高親和性lgEレセプター(FcRl)への結合、FcRlに結合した抗体が抗原によって架橋され、レセプターが凝集し、結果として肥満細胞から各種のメディエーターが放出されることによりおこる。したがって肥満細胞上のFcRlの発現やlgE産生はI型アレルギー反応にとって必須であると考えられる。さらに通年性アレルギー性鼻炎患者の鼻粘膜肥満細胞はB細胞にlgE産生を誘導する能力をもち、lgEが鼻粘膜局所で産生することが報告されている(Pawankar, J. Clin. lnv 1997, Am JRhinol 2000)。また疫学的調査で、DEP(Diesel exhaust particles)などの大気汚染物質はアレルギー性疾患の増加や重症化に関与している可能性が示唆されているか、アレルギー性炎症の慢性化にどのように関与しているか、などいまだ明らかでない。通年性アレルギー性鼻炎患者鼻粘膜肥満細胞のFcRlの発現に対するDEPの影響を検討しました。アレルギー性鼻炎患者の鼻粘膜から肥満細胞を単離し、肥満細胞をDerfllとDEPの存在下に、72時間培養し、肥満細胞のFcRlの発現をFACSにて検討しました。FcRlα鎖の発言が増加しました。次に、鼻粘膜肥満細胞のデディエーター放出に対するDEPの影響を検討しました。鼻粘膜から肥満細胞を単離し、肥満細胞をDerfllとDEPの存在下にlL-4,lL-6,lL-13の産生が増加しました。γδT細胞のサイトカイン産生もDerfllとDEPの存在下に、24時間培養し、ELlSA法にて培養上清中のサイトカインを検討しました。DerfllとDEPの存在下にlL-4,lL-6,lL-13の産生が増加しました。また、鼻粘膜局所のlgE産生に対するDEPの影響を検討しました。切断された下鼻甲介をorgan cultureしDerfllのみ、あるいはDerfllとDEPで24時間刺激し、RT-PCRとELlSA法でlgEの産生を検討しました。DEPの存在下にlgEのmRNAの発言とlgE産生が増加しました。そこで今回の結果から、DEPがアレルギー性鼻炎患者の鼻粘膜肥満細胞の活1生化を増加しアレルギー性炎症を増加することを明らかにした。I型のアレルギー反応は、抗原特異的IgEの産生、IgEの肥満細胞上の高親和性IgEレセプター(FcεRI)への結合、FcεRIに結合した抗体が抗原によって架橋され、レセプターが凝集し、結果として肥満細胞から各種のメデイエーターが放出させることによりおこる。したがって肥満細胞上のFcεRIの発現やIgE産生はI型アレルギー反応にとって必須であると考えられる。我々は通年性アレルギー性鼻炎患者の鼻粘膜肥満細胞上のFcεRIの発現が増強しており、これが血中IgE値と相関していることや、IL-4やIgE自身が肥満細胞上のFcεRIの発現を増強させうることを報告した。さらに通年性アレルギー性鼻炎患者の鼻粘膜

肥満細胞はB細胞に対してIgE産生を誘導する能力をもつことを報告した。今回の研究でIgEが実際に鼻粘膜局所で産生されるかどうか、またその抗原特異性の有無について検討した。さらに鼻粘膜局所で産生されたIgEをアデノイドや扁桃で産生されたIgEと比較し検討した。また鼻粘膜局所でのIgE産生における肥満細胞とT細胞の役割を比較検討した。まず切除された下鼻甲介をorgan cutureしダニ抗原(Deaf II)で24時間刺激する。そしてIL-4,IL-13,IgE mRNAの発現をRT-PCR法で、IL-4,IL-13,IgEの産生をELISA法にて検討した。その結果、鼻粘膜organ culturebiopsy sampleでのIL-4,IL-13,IgEのmRNAの発現、および蛋白の産生はDerf IIの刺激によって増加した。次に鼻粘膜とアデノイドでIgE陽性B細胞の総数に対する抗原特異的IgE陽性B細胞の割合について免疫組織化学にて検討しました。その結果、鼻粘膜ではアデノイドと比較してして抗原特異的IgE陽性B細胞の割合が増加していた。また鼻粘膜肥満細胞を介したIgE産生はT細胞と異なり、MHC非拘束性であった。I型のアレルギー反応は、抗原特異的IgEの産生、IgEの肥満細胞上の高親和性IgEレセプター(FcεRI)への結合、FcεRIに結合した抗体が抗原によって架橋され、レセプターが凝集し、結果として肥満細胞から各種のメデイエーターが放出されることによりおこる。したがって肥満細胞上のFcεRIの発現やIgE産生はI型アレルギー反応にとって必須であると考えられる。さらに通年性アレルギー性鼻炎患者の鼻粘膜肥満細胞はB細胞にIgE産生を誘導する能力をもち、IgEが鼻粘膜局所で産生することが報告されている(Pawankar,J.Clin.Inv1997Am J Rhinol2000)。また疫学的調査で、DEP(Diesel exhaust particles)などの大気汚染物質はアレルギー性疾患の増加や重症化に関与している可能性が示唆されているか、アレルギー性炎症の慢性化にどのように関与しているか、など今だ明らかでない。通年性アレルギー性鼻炎患者の鼻粘膜肥満細胞のFcεRIの発現に対するDEPの影響を検討しました:アレルギー性鼻炎患者の鼻粘膜から肥満細胞を単離し、肥満細胞をDerfIIとDEPの存在下に、72時間培養し、肥満細胞のFcεRIの発現をFACSにて検討しました。FcεRIα鎖の発現が増加しました。次に、鼻粘膜肥満細胞のメデイエーター放出に対するDEPの影響を検討しました:鼻粘膜から肥満細胞を単離し、肥満細胞をDerfIIとDEPの存在下に、24時間培養し、ELISA法にて培養上清中のサイトカインを検討しました。DerfIIとDEPの存在下にIL-4,IL-6,IL-13の産生が増加しました。γδT細胞のサイトカイン産生もDerfIIとDEPの存在下にIL-4,IL-6,IL-13の産生が増加しました。また、鼻粘膜局所のIgE産生に対するDEPの影響を検討しました:切除された下鼻
道路ネットワーク構成に着目した高度交通情報システムの効果測定に関する国際比較研究

ITS(高度交通情報システム)の発展に伴い,この10年間の間で多くの国々で多くのシステムが実装されるに至っている.ITSが交通状況にどのような影響を及ぼしているのか,その評価を行うことは非常に重要であり,また,興味深い研究テーマとなる.特に,利用者への高度情報提供システムはITSの代表的なシステムの1つであり,道路ネットワーク上における情報提供が利用者に与える影響を評価することはより研究すべき課題であるといえる.このような効果は道路ネットワークの特性,たとえば幾何的な構造など,に依存すると考えられる.この研究プロジェクトでは,道路ネットワークにおけるドライバーの行動変化の効果を測定する基本的ツールを開発することを目指した.この研究の成果としては,「旅行時間収集技術」「利用者の行動特性の解析理論および手法」「道路ネットワークシミュレーションモデル」が含まれる.移動体コミュニケーションデバイスやコンピュータによる調査手法を用いてどのように詳細な調査データを収集するかについて議論された.これらのデータを活かすため,データマイニング手法を含むデータオリエンテッド手法による利用者の交通行動のモデルについて研究された.また,交通行動および交通流の理論的研究をベースとし,ミクロ的な交通ネットワークシミュレーションモデルを開発した.そしてそれを用いて情報提供がおよぼす影響について推測を行った.この研究の成果により,異なった特性を持つネットワークにおける情報提供システムの影響を比較することが可能になる.また,情報提供システムの国際標準を策定する助けになることも期待される.情報提供システムの効果についてより一般的な理解を得るためには,より異なった国々でのより異なったケースにおける分析を行うことが必要であろう.ITS(高度交通情報システム)の発展に伴い,この10年間の間で多くの国々で多くのシステムが実装されるに至っている.ITSが交通状況にどのような影響を及ぼしているのか,その評価を行うことは非常に重要であり,また,興味深い研究テーマとなる.特に,利用者への高度情報提供システムはITSの代表的なシステムの1つであり,道路ネットワーク上における情報提供が利用者に与える影響を評価することはより研究すべき課題であるといえる.このような効果は道路ネットワークの特性,たとえば幾何的な構造など,に依存すると考えられる.この研究プロジェクトでは,道路ネットワークにおけるドライバーの行動変化の効果を測定する基本的ツールを開発することを目指した.この研究の成果としては,「旅行時間収集技術」「利用者の行動特性の解析理論および手法」「道路ネットワークシミュレーションモデル」が含まれる.移動体コミュニケーションデバイスやコンピュータによる調査手法を用いてどのように詳細な調査データを収集するかについて議論された.これらのデータを活かすため,データマイニング手法を含むデータオリエンテッド手法による利用者の交通行動のモデルについて研究された.また,交通行動および交通流の理論的研究をベースとし,ミクロ的な交通ネットワークシミュレーションモデルを開発した.そしてそれを用いて情報提供がおよぼす影響について推測を行った.この研究の成果により,異なった特性を持つネットワークにおける情報提供システムの影響を比較することが可能になる.また,情報提供システムの国際標準を策定する助けになることも期待される.情報提供システムの効果についてより一般的な理解を得るためには,より異なった国々でのより異なったケースにおける分析を行うことが必要であろう.先進諸国では高度道路交通システム(ITS, Intelligent Transport Systems)の研究開発が進んでおり,さまざまなシステムが実用化されるようになってきた.ITSのシステム開発では効果の正確な計測と評価が必要であるが,そのためには利用者の行動,とりわけ道路ネットワーク上でのドライバーの情報利用行動と経路選択行動を把握するとともに,効果計測のためのネットワークシミュレーションモデルの開発が必要である.本研究の目的は,トポロジカルな構成や機能といったネットワーク特性の異なる複数の国々と地域においてドライバーの交通情報利用,経路選択行動を比較検討し,ネットワーク特性や利用者特性を考慮した交通情報提供のあり方を検討するための知見を得ることにある.平成14年度は以下の手順で研究を進めた.(1)ITS効果計測に関する既存研究の国際比較と体系的整理:ITSの効果計測手法に関して,我が国および海外諸国(英国,豪州,伯国,米国等)における既存の研究動向を調査し,国際比較を行うとともにそれらを体系的に取りまとめた.(2)道路ネットワーク特性の異なる地域での経路選択行動調査の計画と予備調査:仮想的なネットワークと交通条件の下での経路選択行動および実ネットワークでの経路選択行動に関する基礎データ収集の調査用プログラムを開発し,調査計画を策定するとともに,豪州・英国での予備調査を実施した.(3)交通情報を提供されたドライバーの情報認識と経路選択行動に関する調査の計画:異なったネットワーク上で提供される多様な交通情報に対するドライバーの認識・評価および情報の利用と,情報の有無による経路選択の相違を分析・モデル化するための調査実施計画を策定した.わが国をはじめ先進諸国では高度道路情報システム(ITS, Intelligent Transport Systems)の研究開発が進んでいる.ITSのシステム開発では効果の正確な計測と評価が必要である.そのためには利用者の行動についての情報を知る必要がある.特に,道路ネットワーク上でのドライバーの情報利用行動と経路選択行動を把握すること,また,効果計測のためのネットワークシミュレーションモデルの開発が必要となってくる.本研究の目的は,トポロジカルな構成や機能といったネットワーク特性の異なる複数の国々と地域においてドライバーの交通情報利用,経路選択行動を比較検討し,ネットワーク特性や利用者特性を考慮した交通情報提供のあり方を検討するための知見を得ることにある.平成15年度は以下の手順で研究を進めた(1)経路選択行動の比較検討のモデル化のための理論およびシミュレーション構築実測された経路選択行動を解釈するために,経路選択行動の理論を整理した上で解釈のためのモデルを作成し,モデルを運用するためのシミュレーションを作成した.(2)日本における経路選択行動実験の実施

日本国内においてネットワーク上における経路選択行動の測定を行った.道路建設によりネットワークが更新された前と後において同様の測定を行うことにより,ネットワーク特性における変動による利用者行動の変化についても測定している.(3)海外における調査の実施海外におけるドライバーの経路選択行動について調査を行い,その結果についてわが国における結果との比較を行った.
ノックアウトマウスを用いたダイオキシン類の甲状腺ホルモン抑制機構の解明

2,3,7,8-TCDD(TCDD)はAhレセプター(AhR)を介して肝のUDP-glucronosyltransferase(UGT1)を誘導し、グルクロン酸抱合によりサイロキシン(T4)の排泄促進によりT4の低下を引き起こすこと、一方、PCB77(3,3',4,4'-tetraCB)は、その水酸化代謝物がT4輸送タンパクであるTTR(トランスサイレチン)との競争的結合によりT4低下に関与していることをAhRノックアウトマウス、TTRノックアウトマウスを用いて明らかにした。さらにPCB126(3,3',4,4',5-pentaCB)、PCB153(2,2',4,4',5,5'-hexaCB)のT4低下作用のメカニズムについてTTRノックアウトマウスを用いて検討した。血清中トータルT4(TT4)は、TTR(+/+)、TTR(-/-)マウスのいずれにおいても対照に比べ減少した。PCB126投与では肝臓のCYP1A1、CYP1A2、UGT1A6 mRNAの誘導が見られたが、PCB153投与群ではこれらAhR応答遺伝子の誘導が見られなかった。以上のことから、PCB126によるTT4の低下にはAhRを介したUGT1A6の誘導による胆汁へのT4の排泄促進がその主要なメカニズムと考えられた。一方、PCB153は、TTRと親和性の高い水酸化体を生成しにくいことから、AhR、TTR以外のメカニズムの関与が示唆された。Ahレセプターヘテロマウス(AhR+/-)同士を交配し、妊娠12.5日にTCDD 10ug/kgを一回経口投与した。対照には、コーン油を投与した。生後21日に解剖し、血清中トータルT4(TT4)、肝におけるCYP1A1、UGT1A6 mRNAの発現、CYP1A1の免疫組織化学的解析を行った。AhRノックアウトマウス(AhR-/-)では、TCDDによる血清中TT4の低下は認められなかったが、(AhR+/-)マウスでは、対照に比べ有意なTT4の低下が認められた。また、(AhR+/-)マウスでは、肝におけるCYP1A1、UGT1A6の誘導が認められたが、(AhR-/-)マウスでは認められなかつた。以上のことから、TCDDによるTT4の低下にはAhRを介したUGT1A6の誘導による胆汁へのT4の排泄促進がその主要なメカニズムと考えられた。13週令の雌TTR(トランスサイレチン)野生型マウス(TTR+/+)とTTR欠損マウス(TTR-/-)にTCDD20ug/kgまたはPCB77 50mg/kgを一回経口投与した。7日後に解剖し、AhRノックアウトマウスと同様の検討を行った。(TTR-/-)マウスでは、血清TT4レベルは野生型の約50%に低下していた。血清TT4レベルは、野生型では、TCDD、PCB77投与により対照に比べ有意に低下した。PCB77による低下はTCDDよりも大きかった。これと対照的に(TTR-/-)マウスでは、血清TT4はTCDD投与によって対照の10%程度まで減少したのに対し、PCB77投与では対照の約70%にとどまった。一方、CYP1A1、UGT1A6 mRNAの誘導は、TCDDでは見られたがPCB77では見られなかった。以上のことから、PCB77投与によるTT4の低下は、AhRを介したUGT1A6の誘導を伴ったものでなく、TTRの関与が示唆された。

2,3,7,8-TCDD(TcDD)はAhレセプター(AhR)を介して肝のUDP-glucronosyltransferase(UGT1)を誘導し、グルクロン酸抱合によりサイロキシン(T4)の排泄促進によりT4の低下を引き起こすこと、一方、PCB77(3,3',4,4'-tetraCB)は、その水酸化代謝物がT4輸送タンパクであるTTR(トランスサイレチン)との競争的結合によりT4低下に関与していることをAhRノックアウトマウス、TTRノックアウトマウスを用いて明らかにしてきた。今年度は、TTRノックアウトマウスを用いてPCB126<3,3',4,4',5-pentaCB)、PCB153(2,2',4,4',5,5'-hexaCB)のT4低下作用のメカニズムを検討した。13週齢のTTR(+/+)マウスとTTR(-/-)マウスにPCB126 1.0mg/kg、PCB153 200mg/kgを経口投与し、7日後に血清と肝臓を採取した。血清中トータルT4(TT4)は、TTR(+/+)、TTR(-/-)マウスのいずれにおいても対照に比べ減少した。PCB126投与では肝臓のCYP1A1、CYP1A2、UGT1A6 mRNAの誘導が見られたが、PCB153投与群ではこれらAhR応答遺伝子の誘導が見られなかった。PCB126による血清T4の低下はAhRを介した作用であり、PCB153よる血清T4の低下はAhR、TTR以外の、メカニズムの関与が示唆された。
極低温ヘリウム原子用精密反射鏡の開発

本プロジェクトの目的は、極低温準安定状態ヘリウム用の精密な原子反射鏡を開発することである。このために、まず超低速準安定状態ヘリウム原子ビームの固体表面における量子反射の研究を行うが、今年度は主に超低速準安定状態ヘリウム原子ビーム生成実験を行った。準安定状態ヘリウム原子をゼーマン法によりレーザー冷却し、磁気光学トラップ(MOT)に捕獲する。捕獲された原子をMOTから解放し自由落下させ固体表面における反射を測定する。下記の点について実験、製作、改善を行った。1.原子ビームコリメーターを導入する事により原子ビーム強度が1桁向上し、トラップ原子数が大幅に増加した。トラップ容器内の真空度の向上を計った。2.トラップ用レーザーは半導体レーザーを用い、マスター発振器とファイバーアンプから構成されている。レーザーの発振周波数を、ヘリウム放電管を用いてトラップ遷移周波数にロックし安定化を行い、周波数の離調をコントロールするためには音響光学素子を導入した。原子をMOTから解放するためには、トラップの上方からレーザー光を入射し原子を下方に押し出す方法を用いるが、このためのレーザーをトラップレーザーとは独立に準備した。3.実験のコントロールとデーター収集・解析のためのコンピューターシステムを製作した。トラップ光のオン・オフ、プッシュ光のオン・オフの精密なコントロールが任意のタイミングで可能となった。固体表面で反射した原子の位置を蛍光板付きマイクロチャンネルプレートで検出するが、CCDカメラで2次元画像を記録し、ビデオキャプチャーボードからコンピューターに取り込み解析するプログラムを作成した。
イメージングマススペクトロメトリーを用いた皮膚内代謝物可視化法の確立

表皮特異的な脂質であるセラミドは、皮膚のバリア機能や免疫に関与していると考えられている。セラミドには複数の分子種が存在しており、各々が異なる生理活性を持つと考えられているが、それらを個々に局在可視化する手法はこれまで存在しなかった。本研究はイメージングマススペクトロメトリーの手法を用いて、皮膚組織におけるセラミド及びその関連代謝物の空間的な分布を分子種レベルで明らかにする事である。マウスの足底皮膚を試料とし、各種分析条件の最適化を行ったところ、セラミド及びその前駆体であるグルコシルセラミドや代謝物であるセラミド1リン酸の脂肪酸鎖長による特徴的な局在変化を可視化することに成功した。本研究の目的は皮膚組織における脂質代謝物の空間的な分布を明らかにする事である。セラミドには複数の分子種が存在しているが、それらを個々に局在可視化する手法はこれまで存在せず、分子種ごとの性質・機能などの詳細な解析が困難であった。本研究では脂質の局在可視化法として注目されているイメージングマススペクトロメトリーの手法を用いて、皮膚組織内代謝物、特にセラミドの局在可視化法の確立を試みることを目的とする。二年目である本年は、初年度に確立したマウス表皮角層の測定手法を用いて、さまざまなモデルマウスへの応用を検討した。その結果、ある種の遺伝子改変マウスの表皮において、セラミドが減少しているという表現型を得ることができた。この解析結果については論文として報告した。さらなる高解像度イメージングを試みるために、レーザー系を10ミクロンから5ミクロンに収束させた系での解析も行ったところ、感度がやや劣るものの、詳細な角層の構造を可視化することができた。この確立した手法を広く皮膚科学の分野に広めるために、学会・セミナー等での発表を積極的に行い、現時点で共同研究として発展したものもいくつかある。これらについては、最終年度にその結果を報告できるよう、解析を進める予定である。初年度である本年は、マウス表皮、特に角層の形態を保持した状態で凍結切片を薄切する条件を検討した。IMSでは従来のOCTコンパウンドによる包埋は、ポリマー由来のピークがバックグラウンドとなり不可能である。そのため、アガロースゲル、カルボキシメチルセルロースなどの他の封入剤の検討を行った。その結果、カルボキシメチルセルロースで包埋することにより、形態を保ったままIMS用の切片を作成することに成功した。次に、様々なマトリクスを用いて、皮膚組織に最適なマトリクスの検討を行い、セラミドに最適なマトリクスを選択し、これらの手法の確立の結果を論文として発表した。本年度の検討により、主要なセラミド成分であれば検出することが可能となり、共同研究において各種皮膚代謝疾患異常マウスを用いたセラミドの局在解析についても検討を行い、セラミドの可視化を行った。次年度以降には、さらなる技術開発を行い、微量脂質の検出も可能にする予定である。当初の予定では本年度が最終年度であったが、昨年度の11月より出産及び育児によって事業を中断した。本年度の12月より復帰したものの、当初の予定の事業を遂行できなかったため、来年度まで研究期間を延長することとした。復職後はこれまでの研究データをまとめ、さらにこれまでのマウスの実験では検出できなかったヒト型セラミドを可視化するためのモデル構築を行う条件検討を行った。本研究では脂質の局在可視化法として注目されているイメージングマススペクトロメトリーの手法を用いて、皮膚組織内代謝物、特にセラミドの局在可視化法の確立を試みることを目的とした。まず初年度はモデル動物としてマウスの背側皮膚、並びに足底皮膚をサンプリングし、それぞれの切片を作成した。

皮膚の角層構造を維持して切片を作成するために、カルボキシメチルセルロースを包埋材として用いて凍結切片を作成したところ、皮膚の各層構造を保持したままイメージング用の試料を作成することに成功した。背側の皮膚の角層は非常に薄く、中性脂質であるトリアシルグリセロールが豊富に含まれていることが分かった。一方、足底皮膚は比較的角層が厚く、セラミド並びにその前駆体であるガラクトシルセラミドが局在していることを明らかにした。次年度は、初年度に確立したマウス表皮角層の測定手法を用いて、さまざまなモデルマウスへの応用を検討した。その結果、ある種の遺伝子改変マウスの表皮において、特徴的なセラミド分子種が減少しているという表現型を得ることができた。そして本法をヒト試料に応用し、その中でも特に、Dorfman-Chanarin症候群の患者皮膚切片からセラミドの可視化を試み、その局在を明らかにできた。さらにこれまでのマウスの実験では検出できなかったヒト型セラミドを可視化するためのモデル構築を行う条件検討を行った。表皮特異的な脂質であるセラミドは、皮膚のバリア機能や免疫に関与していると考えられている。セラミドには複数の分子種が存在しており、各々が異なる生理活性を持つと考えられているが、それらを個々に局在可視化する手法はこれまで存在しなかった。本研究はイメージングマススペクトロメトリーの手法を用いて、皮膚組織におけるセラミド及びその関連代謝物の空間的な分布を分子種レベルで明らかにする事である。マウスの足底皮膚を試料とし、各種分析条件の最適化を行ったところ、セラミド及びその前駆体であるグルコシルセラミドや代謝物であるセラミド1リン酸の脂肪酸鎖長による特徴的な局在変化を可視化することに成功した。出産及び育児休暇を取得したため、研究を1年休止した。分析化学来年度は最終年度となる。最終年度は今年度までに確立した技術の応用範囲を広げて、問題点などを挙げられるよう手法のブラッシュアップを行う。また、豚の表皮を用いてヒト型セラミドの可視化を検討する。広く皮膚科学の分野に本法を広めるための学会・セミナー発表を積極的に行う予定である。また、共同研究等で頂いた実際の試料の測定を進め、成果として報告していくことを目標とする。初年度に動物実験まで着手することに成功していたため、今年度はゆとりをもって実験を進めることができ、達成したいと思っていた高解像度イメージングの応用も進めることができた。次年度以降に計画していた、実際の動物試料を用いた解析についてもすでに着手しており、主要なセラミドについて、さまざまな皮膚切片を用いた解析が可能になっていることから、当初の計画よりも進展していると考えている。昨年度の11月より出産及び育児によって事業を中断した。本年度の12月より復帰したものの、当初の予定の事業を遂行できなかったため。最終年度は今年度に確立した技術の応用範囲を広げて、問題点などを挙げられるよう手法のブラッシュアップを行う。尚、10月末から産休を取得し、一時研究を中断することとしたため、研究費の繰り越しを行った。現時点では来年度の予定であるヒト試料への応用まで研究が順調に進んでいることから、特に研究機関を延長することなく、来年度までの予定とし、残りの研究課題については育児休業から復帰後に行う予定である。
強くねじれた光場中でのキラル核形成による結晶キラリティ制御

本研究は、キラルな表面プラズモン近接場中で水溶液からのキラル結晶化を誘起し結晶キラリティを制御することを目的として実施された。金属ナノ構造体の表面プラズモン近接場より生じる電場勾配力により分子を捕捉することで結晶化を誘起するプラズモニック光学捕捉誘起結晶化を有機低分子で達成し、近接場中での核形成が可能であることを示した。再現性の確認を要するが、現段階においてキラルプラズモン励起下でNaClO3キラル結晶化を誘起することで僅かに両鏡像体の晶出確率に偏りを観測した。レーザーをナノ構造体に照射しバブルを発生させNaClO3キラル結晶化を誘起すると著しいキラリティの偏りが見られることを明らかにした。本研究では、キラルなナノ構造体への円偏光照射により励起される強く捻れた表面プラズモン近接場中でキラル結晶化を誘起することで円偏光よりも効率的に結晶鏡像異性過剰を誘起し、鏡像異性過剰現象をOptical Chirality(OC)という光の螺旋ピッチの小ささに相当する量を基に解明することを目的としている。本年度の計画では、(1)電子線描画による卍型キラル金属ナノ構造体の作成(前例あり)(2)NaClO3水溶液に浸漬したキラル金属ナノ構造体への光照射によるプラズモニック光学捕捉誘起キラル結晶化の実現(前例なし)と結果得られる鏡像異性過剰率の評価(前例なし)(3)FDTD電磁場解析によるナノ構造体のOCの評価方法の確立(前例あり)と構造体の最適化を目標とした。初めに計画(1)に取り組みこれを完了し、次に計画(2)に取り組んだ。その結果、キラル金属ナノ構造体に波長532nmの集光円偏光を照射すると、自然結晶化では得られない準安定相が集光点近傍で結晶化することが明らかとなった。晶出後、準安定相は母液の濃度に応じて、溶解するかもしくはオストワルドの段階則に従い安定相であるキラル結晶へ多形転移することが明らかとなった。また、合計120回の結晶化実験を行い、結晶鏡像異性過剰を調べたところ、統計的に有意なキラリティの偏りが見られることが明らかとなった。結晶化実験と並行して計画(3)に取り組み、FDTD電場解析ソフトPoynting for Optics(富士通)の電場解析データをもとにOCの二次元空間分布を計算するソルバーを開発した。今後は、計画(2)における表面プラズモン励起波長の最適化、OCを媒介変数としたナノ構造の最適化、OCの値を結晶鏡像異性過剰率の関係の調査、キラル分子の結晶化へ本手法の適用を実施していく予定である。本年度で計画していた(1)電子線描画による卍型キラル金属ナノ構造体の作成(2)NaClO3水溶液に浸漬したキラル金属ナノ構造体への光照射によるプラズモニック光学捕捉誘起キラル結晶化の実現と結果得られる鏡像異性過剰率の評価(3)FDTD電磁場解析によるナノ構造体のOCの評価方法の確立と構造体の最適化の内、計画(1)及び(3)におけるOC評価方法の確立に関しては完了し、計画(2)に関しては、ナノ構造への数十ミリワットの低出力光照射によりキラル結晶化を誘起することに成功し、また、再現実験の必要があるものの本研究の主要目的であるキラリティの偏りの誘起に成功した。加えて、ナノ構造への光照射により冷却法等の自然結晶化では成しえない、未飽和母液中での局所的な過飽和状態形成に伴う準安定相結晶化等の諸現象の誘起に成功した。この結果は、結晶化の時空間制御だけでなく多形制御法開発に貢献する実験結果である。この結晶化は、当初計画していたプラズモニック光学捕捉とは異なる機構で誘起されるものである可能性が高く、予想外の発見でもある。これは、今後プラズモニック光学捕捉による結晶化実現と今回観察された予想外の結晶化機構の解明という二つの異なる結晶化機構開拓の道筋を示すものであり、光による結晶化誘起法開拓研究の自由度を広げるものである。以上のことから、本研究はおおむね順調に進展していると判断した。本研究では、キラルな金属ナノ構造体への円偏光照射により励起される強く捻れた表面プラズモン近接場中でキラル結晶化を誘起することで円偏光よりも効率的に結晶鏡像異性過剰を誘起し、鏡像異性過剰現象をOptical Chirality(OC)という電磁場のキラリティの尺度を表す量を基に解明することを目的としている。