hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
新規Hedgehogシグナル系制御療法開発のためのSmo転写活性化経路の解析

平成26年度は、DNAアレイ、蛋白チップを基本として網羅的に解析することにより、Smo転写活性制御関連候補遺伝子(分子)の選別を行い、さらに候補遺伝子の遺伝子導入、siRNAを基本としてSMO発現と機能変化(増殖能・浸潤能・造腫瘍能)を解析し、治療標的になりうる候補遺伝子(分子)の絞り込みを行うことを目的とした。まず、我々が低酸素環境下で6カ月間継代培養を続け樹立した慢性低酸素環境耐性膵癌細胞株と通常酸素環境下で培養を続けている親株とをDNAマイクロアレイで比較解析し、低酸素環境におけるHedgehog(Hh)シグナル系の活性化にHhシグナルと同じく形態形成シグナルであるNotchシグナルのtranslational regulatorが関与することが示唆された。さらに、2日間低酸素環境下で培養した急性低酸素膵癌細胞株と通常酸素環境下で培養を続けている親株とをDNAマイクロアレイ解析することにより、同定されたNotchシグナルのtranslational regulatorが急性低酸素の系でも低酸素環境におけるHhシグナル活性化に関与していることを確認した。次に、これらNotchシグナルのtranslational regulatorをsiRNAあるいは、plasmid導入により、抑制あるいは亢進する系を用いて、Notchシグナルのtranslational regulatorが、低酸素環境におけるSmo発現および、低酸素環境における膵癌増殖、浸潤に関与することを見出した。平成26年度の研究において、Smo転写活性制御関連候補遺伝子(分子)として、転写共役因子MAML3および転写因子RBPJを同定でき、それらが、低酸素環境におけるSmoの転写亢進活性化に関与していること、癌腫の増殖、浸潤に関与していること(in vitro)を検証した。平成27年度は、治療への応用を早めるため、生物学的意義検証として、平成28年度に予定していた免疫不全マウスを用いた治療実験を前倒しして実施した。免疫不全マウスにMAML3あるいはRBPJを抑制した(siRNAを使用)膵癌細胞は有意に腫瘍形成、腫瘍増殖が低下した。さらにRBPJを強制発現させるplasmidを作成し、免疫不全マウスに異種移植すると、腫瘍増殖は亢進した。これらの結果より、MAML3およびRBPJがSmo転写活性化を亢進させることで腫瘍の悪性度が亢進していることが示唆された。申請書に記載した単年度の予定実験は終了しており、順調に予定通り実験は遂行できていると考える。その後、さらに他に因子がないかを再度、通常酸素環境培養膵癌および低酸素環境培養膵癌を用いてマイクロアレイ解析を行い、新たに3因子を取り上げた。現在、これら遺伝子A,B,Cについて、遺伝子を抑制したり、強制発現させる系を作成して、これら遺伝子が、低酸素環境におけるSmo発現に関与しHedgehog signal活性化に関与しているのか、また、低酸素環境における膵癌の悪性形質誘導に関与しているのかを解析している。その中で、特に遺伝子Aに関しては、Smoとの密接な連関はまだ認められないが、低酸素という細胞にとっては厳しい環境の中で増殖を抑制することにより、細胞死を免れるような細胞周期チェックポイントシステムに関与している可能性が分かってきている。本年度の成果に記載したように、16カ月間継代培養を続け樹立した低酸素環境耐性膵癌細胞株を用いたマイクロアレイ解析により、低酸素環境におけるHedgehog(Hh)シグナル系の活性化にHhシグナルと同じく形態形成シグナルであるNotchシグナルのtranslational regulatorが関与することを見出した。22日間低酸素環境下で培養した急性低酸素膵癌細胞株を用いたマイクロアレイ解析により、1の結果を再確認した。3さらに、Notchシグナルのtranslational regulatorが、低酸素環境におけるSmo発現および、低酸素環境における膵癌増殖、浸潤に関与することを見出した。Smo転写活性制御関連候補遺伝子によるSmo遺伝子プロモーター解析を行う。具体的には、1)Smo遺伝子のプロモーター領域における、選別した候補分子の結合部位の同定、2)Smoプロモーター領域における選別した候補分子のDNA結合活性をEMSA法で解析、3)ルシフェラーゼレポーターアッセイ法により候補分子によるsmo遺伝子の転写活性制御を確認する。28年度が最終年度であるため、記入しない。臨床腫瘍学研究に使用した消耗品や培地などの使用が、予想より少なくして結果が得られたこと、および遺伝子プロモーター解析を今年度に先送りしたことにより、その分の費用が使用されなかったこと。マイクロアレイ解析で、複数(多く)の遺伝子(因子)をpick upする必要があると想定していたが、実際は、Notchシグナルのtranscriptional regulatorの2因子に、首尾よく絞ることができ解析中である。したがって、siRNAやplasmidの作成にかかる費用が軽減したため、次年度に回すことができた。今年度は、smo遺伝子プロモーター解析を行う予定であり、EMSAのプローブ作成や、ルシフェラーゼレポーター遺伝子コンストラクト作成を行うため、費用がかかるものと予想される。来年度はSmo転写活性制御関連候補分子によるSmo遺伝子プロモーター解析を行う予定である。さらに平成28年度計画であるヌードマウスを用いた治療実験を、前倒しして実施する予定としている。
原発腫瘍切除後の転移促進機序の解析とその免疫学的抑制

原発腫瘍の外科的切除は転移巣の増大をもたらし、その背景には担癌宿主の抗腫瘍免疫活性の消長があると考えられる。本研究では異なる免疫原性腫瘍の多種の転移モデルを用いて、腫瘍切除後の転移促進現象の免疫学的機序とその防止策について検討した。用いた転移系は、C3H/MeJマウスのメチルコラントレン誘発(MCA)腫瘍の肺転移(MCAーF、MCAー2A、MCAーD)、リンパ節転移(MCAーSP)、腹膜転移、局所再発、およびC57BL/6マウスの大腫瘍癌MCー38の肝転移である。原発皮下腫瘍の外科的切除後の肺転移、肝転移増殖は促進し、腹膜転移も促進の傾向を示した。これに対し、リンパ節転移、皮下局所再発は原発巣切除による影響に対して抵抗性を示した。転移の促進は切除される原発巣の大きさと、担癌日数により影響をうけ、担癌日数の長い腫瘍量の大きな腫瘍切除でよリ強い転移増殖の促進がみられた。一方、原発腫瘍の免疫原性をみると、抗原性の比較的高い腫瘍でより強い転移促進がみられたのに対し、低免疫原性腫瘍では弱い影響をうけるのみであった。原発腫瘍切除前後の宿主に発現する抗腫瘍免疫活性をみると、原発腫瘍担癌の比較的早期には脾臓に腫瘍特異的転移抑制活性が出現した。その後、原発腫瘍の増大に伴い強い非特異的転移抑制活性が発現した。両者は腫瘍増殖に伴うconcomitant immunityとして、転移増殖を抑制していると考えられた。原発腫瘍切除によりこれらの抗腫瘍免疫活性が消失し、外科手術後の転移促進現象がひき起こされると考えられた。一方、原発腫瘍切除後の宿主脾には腫瘍特異的転移抑制活性sinecomitant immuntyが誘導されたが、その活性は小さかった。したがって、原発腫瘍切除後の転移再発の防止には、主として非特異的免疫療法によるconcomitant immunityの補充と、特異免疫療法によるsinecomitant immunityの強化の併用が必要であることが示された。原発腫瘍の外科的切除は転移巣の増大をもたらし、その背景には担癌宿主の抗腫瘍免疫活性の消長があるものと考えられている。本年度の研究では、異なる免疫原性腫瘍の多種の転移モデルを用いて、腫瘍切除後の転移促進現象の免疫学的機序とその対策につき検討した。用いた転移系として、C3H/HeJマウスのメチルコラントレン誘発(MCA)腫瘍の自発肺転移、自発リンパ節転移、腹膜転移、肝転移、およびC57BL/6マウスの大腸腺癌MC-38の肝転移系を使用した。原発皮下腫瘍の外科的切除後の肺転移増殖は促進し、また手術直後に接種した腹膜転移も促進の傾向を示した。これに対し、リンパ節転移、肝転移は原発腫瘍切除による影響をうけなかった。転移増殖の促進は切除される原発腫瘍の大きさと担癌日数により影響をうけ、担癌日数の長い腫瘍量の大きな腫瘍切除では、より強い転移増殖の促進がみられた。原発腫瘍切除前後の宿主に発現する抗腫瘍免疫活性をみると、原発腫瘍担癌の比較的早期には、脾に腫瘍特異的転移活性が出現し、原発腫瘍の増殖に伴い強い非特異的転移抑制活性(concomitant immunity)。原発腫瘍切除によりこれらの免疫活性が消失し、転移促進が引き起こされるものと考えられた。原発腫瘍切除後の宿主脾には腫瘍特異的移転抑制活性(sinecomitant immunity)が発現したが、その活性は弱く転移促進を抑止できなかった。免疫療法として、可溶性腫瘍抗原による特異能動免疫療法、サイクロフォスファマイドによる抑制性T細胞の抑制、IL-1、MTPによるマクロファ-ジ活性化、IL-2特続投与、CTL移入療法の組み合せによる治療実験の結果、原発腫瘍切除後転移の防止には、concomitant immunityの補充とsinecomitant immunityの強化の併用が必要であった。

原発腫瘍切除によりこれらの抗腫瘍免疫活性が消失し、外科手術後の転移促進現象がひき起こされると考えられた。一方、原発腫瘍切除後の宿主脾には腫瘍特異的転移抑制活性sinecomitant immuntyが誘導されたが、その活性は小さかった。したがって、原発腫瘍切除後の転移再発の防止には、主として非特異的免疫療法によるconcomitant immunityの補充と、特異免疫療法によるsinecomitant immunityの強化の併用が必要であることが示された。原発腫瘍の外科的切除は転移巣の増大をもたらし、癌治療にとり大きな問題の一つである。既に昨年度の研究成果で明らかにしたように、このような腫瘍切除後の転移促進機序として(1)原発腫瘍の増大に伴い宿主に誘導される転移抑制活性(concomitant immunity)が腫瘍切除により失活すること、(2)原発腫瘍切除後の宿主に存在する腫瘍特異的転移抑制活性(sinecomitant immunity)の力が弱いこと、があげられる。そこで、原発腫瘍切除後の転移、再発の防止策として、concomitant immunityの補充とsinecomitant immunityの強化が必要であると考えられる。本年度の研究では、肺、リンパ節、肝、腹膜転移と局所再発モデルを用いて、免疫療法効果について検討した。その結果、(1)可溶性腫瘍特異抗原(2.5%ブタノ-ル抽出、等電点電気泳動精製分画)とサイクロフォスファマイド(25mg/kg)の併用による特異能動免疫療法は腫瘍切除後宿主の腫瘍特異的細胞障害活性を増強し、転移、再発の抑制に有効であった。(2)この特異免疫療法は腫瘍切除の影響に対し抵抗性を示す低免疫原性腫瘍に対してもその転移、局所再発の増殖を抑制した。(3)しかしながら、可溶性腫瘍抗原とサイクロフォスファマイドによる特異免疫療法のみでは、その抗腫瘍効果には限界がみられた。(4)特異免疫療法にマクロファ-ジ活性化をもたらすMTP、種々のインタ-ロイキンのうちILー4とILー6、in vitroで誘導したCTLの移入などの第3の治療を付加することで強い転移抑制活性が誘導された。以上の結果をもとに、特異的あるいは非特異的免疫療法の最も効果的な組み合せと、ヒト癌に対しても応用可能か検討を進めている。
授業研究方法論の体系化に関する総合的研究

今年度は、前年度に引き続いて原資料を収集しながら、これまでにとられた授業研究方法論の系譜と関連性を体系的に構造化することを目的として研究を進めてきた。また、それぞれの研究グループの影響を色濃く反映している研究者を研究協力者として招き、研究会を実施することにより、原資料以外の情報を補填し、かつ授業研究上の各スタンスの確認を行うことを心がけた。その結果、仮説的に設定している4つの軸(1.授業記録の方法、2.授業記録の対象、3.授業分析の視点、4.方法論)の各カテゴリーを再検討し、新しい授業研究方法論の分析の枠組みを再構築することができた。今後の課題としては次の数点が挙げられる。まず、授業研究の方法論と教師教育、授業改善、新学力観など新しい教育課題との対応づけを図るために、過去の授業研究における諸アプローチを並置、検討するための比較枠組みを再構成することである。加えて、諸分野の新たな研究知見(認知科学、システム工学など)を、方法論としてどのように授業研究に位置づけるのかを検討することも必要となる。次に、授業分析・授業評価の側面については、“教授行動の代替案(選択行動)の評価"の観点から、授業研究の各アプローチの特質を明示する必要がある。その後、教師教育と授業研究方法との関連性(初任者の力量形成、イン・サービス・トレーニングのあり方など)の明確化や、ひいては授業シミュレーションのモデル構築へと、研究課題を展開しなければならない。本年度は、過去に授業研究に関してとられたいくつかのアプローチごとに、原資料を収集しながら、それらの系譜と関連性を探索していくことを試みてきた。特に、授業分析・授業評価の側面においては、“教授行動の代替案(選択行動)の評価"の観点から、授業研究の各アプローチの特質をあぶりだすとともに、それらの分析方法自体の有効性も検討してきた。また、日本教育工学会内でもにわかに注目を集めているように、教師教育と授業研究方法との関連性についても、初任者の力量形成をどう概念化してとらえるか、イン・サービス・トレーニングをどうプログラミングするか、などの課題を構成してきた。これらの他にも、研究分担者会議を複数回にわたって実施することにより、授業研究上の各スタンスの確認を行いながら、緊要性の高い研究課題を同定することを心がけた。当面の追究課題としては、授業研究の方法論を整理・体系化する際に、授業改善や教師の成長という文脈において有用性の高い方法とはどのようなものがあるのかを考慮しなければならない。次年度の研究計画としては以下のポイントを焦点化する必要がある。まず、過去数十年の授業研究の系譜について漠然とマッピングされているものを再整理しつつ、そこでの手続きを明確化すること(項目のたて方とリンクの結び方)。さらに、授業研究の方法論と教師教育、授業改善、新学力観など新しい教育課題との対応づけを図るために、過去の授業研究における諸アプローチを並置、検討するための比較枠組みを作成することである。まず、授業研究の方法論と教師教育、授業改善、新学力観など新しい教育過程との対応づけを図るために、過去の授業研究における諸アプローチを並置、検討するための比較枠組みを再構成することである。加えて、諸分野の新たな研究知見(認知科学、システム工学など)、方法論としてどのように授業研究に位置づけるかを検討することも必要となる。

次に、授業分析・授業評価の側面については、“教授行動の代替案(選択行動)の評価"の観点から、授業研究の各アプローチの特質を明示する必要がある。その後、教師教育と授業研究方法との関連性(初任者の力量形成、イン・サービス・トレーニングのあり方など)の明確化や、ひいては授業シミュレーションのモデル構築へと、研究課題を展開しなければならない。
閉塞性脳血管障害に対する音響化学療法の開発に関する研究-経皮的集束超音波照射による選択的非侵襲的治療-

本研究では閉塞性脳血管障害、特に動脈硬化病変に対して選択的に集積する超音波増感物質を集束超音波(衝撃波)照射により励起し動脈硬化巣のみを消滅させようとする音響化学療法の基礎的研究及び臨床応用の可能性について検討した。基礎的研究としては昨年に引き続き、未だ解明されていない音響化学療法の機序解明のため、励起された超音波増感剤の発する微弱蛍光測定を行った。超音波増感剤の励起には集束超音波の引き起こすcavitationの関与、またその際のsonoluminescence及び一重項酸素をはじめとする酸素種ラジカルの関与を証明した。一方、音響化学療法の効果を動物モデルについて検討するにあたり、集束超音波による正常組織に対する損傷の閾値についての検討を行った。家兎モデルの正常動脈壁においては1w/cm2の出力までは組織損傷を認めず、集束超音波の安全な照射閾値と考えられた。また、集束方法、照射時間についても検討した。さらに現在、家兎動脈硬化モデルにおいて基礎実験で超音波増感剤としての可能性を証明したテトラサイクリン系抗生物質のドキシサイクリンを使用して集束超音波照射を行い、長期的な治療効果を検討中である。また、集束超音波(衝撃波)の臨床応用の一環として、マイクロバブルに衝撃波を照射した時に発生するジェットを利用して脳血栓症における血栓溶解の基礎的実験を試みた。先端に微小火薬を付着させた光ファイバーを、レーザー光を用いてバルーンカテーテル内で着火させ、衝撃波をマイクロバルブを付着させた人工血栓に作用させたところ、ジェットによる良好な血栓溶解作用が確認された。本研究は動脈硬化病変に選択的に集積する超音波増感物質を収束超音波(衝撃波)により励起し動脈硬化巣のみを消滅させようとする音響化学療法の臨床応用を検討するものであるが、その基礎実験として脳実質および血管壁の超音波特性ならびに収束超音波照射による組織障害を家兎、ラットなどの実験動物および手術摘出標本により組織学的に検討した。さらに、この超音波照射条件の検討結果より、正常組織を傷害しない範囲の収束超音波でも超音波増感物質を励起出来ることを微弱発光測定装置により証明した。また、超音波増感物質としてはヘマトポルフィリン誘導体およびテトラサイクリン誘導体のドキシサイクリンにおいて超音波照射により励起されることを微弱発光測定装置によりその励起蛍光を測定することにより証明した。現在、家兎動脈硬化モデルにおいて音響化学療法を行いその効果について検討を始めたところである。一方、組織中に酸素をはじめガスのマイクロバルブが存在するとき、これに衝撃波を照射するとジェットが発生し組織を損傷するとともに酸素バルブの場合、酸素種ラジカルが発生しそのラジカル反応がさらに超音波増感剤を励起する可能性が示唆され、そのメカニズムに関して現在検討中です。また、マイクロバルブに衝撃波を照射した時に発生するジェットを利用し脳塞栓症の栓子である血栓を溶解する試みを行ったところジェットは栓子を貫通しており、動物モデルに作成した人工血栓においてはtPA,UKなどの血栓溶解剤単独使用より有意に栓子を溶解し、より早期の血流再還流をもたらすことを証明し報告した。この衝撃波による脳塞栓症に対する血栓溶解療法も臨床応用を検討中です。本研究では閉塞性脳血管障害、特に動脈硬化病変に対して選択的に集積する超音波増感物質を集束超音波(衝撃波)照射により励起動脈硬化巣のみを消滅させようとする音響化学療法の基礎的研究及び臨床応用の可能性について検討した。

家兎モデルの正常動脈壁においては1w/cm^2の出力までは組織損傷を認めず、集束超音波波の安全な照射閾値と考えられた。また、集束方法、照射時間についても検討した。さらに現在、家兎動脈硬化モデルにおいて基礎実験で超音波増感剤としての可能性を証明したテトラサイクリン系抗生物質のドキシサイクリンを使用して集束超音波照射を行い、長期的な治療効果を検討中である。また、集束超音波(衝撃波)の臨床応用の一環として、マイクロバブルに衝撃波を照射した時に発生するけジェットを利用して脳血栓症における血栓溶解の基礎的実験を試みた。先端に微小火薬を付着させた光ファイバーを、レーザー光を用いてバルーンカテーテル内で着火させ、衝撃波をマイクロバブルを付着させた人工血栓に作用させたところ、ジェットによる良好な血栓溶解作用が確認された。
微細藻類によるポリアミン生産と消費

塩分ストレス下での細胞内ポリアミン濃度変化を明らかにするため,種々の塩分下で培養を行った。珪藻Cylindrotheca fusiformis (NIES-2351)を1535 ‰の塩分で培養を行い,経時的に培養の一部を取り出して細胞内ポリアミンを定量し,タンパク質あたりのポリアミン量を求めた。その結果,何れの塩分条件下でも増殖に大きな差は見られなかったものの,細胞内ポリアミン量は大きく異なり,低塩分の培養でプトレシンとスペルミジンの蓄積が見られ,特にプトレシンの蓄積は著しく大きかった。このプトレシンの蓄積は保存培養を試験培養へ摂取した直後から見られ,1週間後には最大値に達した。これらのことから,低塩分刺激による本藻のプトレシンの合成は,刺激後極めて短時間に開始されると考えられた。一方,渦鞭毛藻Alexandrium catenellaを同様の塩分条件化で培養したところ,15 ‰では細胞が死滅したが,その他の塩分濃度では何れも良好に増殖した。A. catenellaでは高塩分条件下で細胞内ポリアミン濃度の上昇がみられ,特にノルスペルミンの蓄積が顕著であった。高塩分でのポリアミン蓄積は増殖が定常期に達した後に最大となり,珪藻で見られたような短期間での細胞内ポリアミン濃度上昇は見られなかった。以上のことから,珪藻では塩分ストレスに反応して細胞内ポリアミンが短期間に合成されるが,渦鞭毛藻での塩分刺激によるポリアミン合成は比較的遅いことが推定された。塩分刺激に対するポリアミン合成応答のこれらの違いが,環境中へのポリアミン排出の差の理由のひとつであると考えられた。至適条件下でのポリアミン添加実験を行ったが,用いた藻類および実施した濃度での有意なポリアミン取り込みが見られなかった。このためさらに高濃度のポリアミンを使用する,他種を用いる,あるいは,増殖制限下などでの取り込みを測定することが必要であると考えている。また,取り込み能の有無を明確にすることが必要である。ポリアミンは細胞の分裂・増殖に影響をおよぼすことが知られていることから,特に栄養塩制限などによる増殖制限下でのポリアミン取り込みと細胞内ポリアミン濃度の変化について明確にする。また,ポリアミン合成阻害剤を用いてポリアミン合成を停止し,増殖の停止がポリアミン合成停止によることを確認した後に,種々のポリアミンを添加して,増殖回復の有無および細胞内ポリアミンを定量する。これは特殊な条件下ではあるものの,藻類によるポリアミン取り込み能を明確にできると考えられる。ラフィド藻,渦鞭毛藻および珪藻の培養株計6株を用いて2槽培養を行い,培養液中の遊離ポリアミン濃度を測定した。なお,渦鞭毛藻の培養株のひとつとしてブルームによる被害が近年拡大傾向にあるCochlodinium属藻類培養株Cochlodinium sp.を用いた。まず,本藻の細胞内ポリアミンを誘導体化して質量分析を行ったところ,これまでに分析した渦鞭毛藻類のポリアミン組成と同様にノルスペルミンが主要ポリアミンとして検出された。また,細胞内ノルスペルミン濃度は対数増殖期に増加することを確認した。何れの藻類を用いた2槽培養でも初期培養液中に遊離ポリアミンは検出されなかったものの,ラフィド藻および珪藻では1週間後の培養液からはわずかに,2週間後の培養液からは細胞内成分と一致する遊離ポリアミンを著量に検出した。一方,渦鞭毛藻の培養液からは2週間の培養期間でも遊離ポリアミンが検出されなかった。これらのことから,ラフィド藻及び珪藻では,細胞内濃度の上昇する対数増殖期にポリアミンを排出するのではなく,細胞の破壊とともに放出される細胞内ポリアミンが海水環境に存在するポリアミンの一部であると推定された。一方,渦鞭毛藻類では培養期間を通じて遊離ポリアミンを排出することはないと考えられた。塩分濃度を変化させて培養した結果,特に塩分低下ストレスで珪藻の細胞内ポリアミン濃度の上昇と培地中ポリアミン濃度の上昇が検出された。このことはQianら(2016)の報告と類似した結果となった。至適条件化での細胞内外のポリアミン濃度の変化,および塩分濃度を変化させた場合の細胞内外のポリアミン濃度の変化に関する実験結果を得たことから,本年度の研究はほぼ順調に進展していると判断した。

A. catenellaでは高塩分条件下で細胞内ポリアミン濃度の上昇がみられ,特にノルスペルミンの蓄積が顕著であった。高塩分でのポリアミン蓄積は増殖が定常期に達した後に最大となり,珪藻で見られたような短期間での細胞内ポリアミン濃度上昇は見られなかった。以上のことから,珪藻では塩分ストレスに反応して細胞内ポリアミンが短期間に合成されるが,渦鞭毛藻での塩分刺激によるポリアミン合成は比較的遅いことが推定された。塩分刺激に対するポリアミン合成応答のこれらの違いが,環境中へのポリアミン排出の差の理由のひとつであると考えられた。至適条件下でのポリアミン添加実験を行ったが,用いた藻類および実施した濃度での有意なポリアミン取り込みが見られなかった。このためさらに高濃度のポリアミンを使用する,他種を用いる,あるいは,増殖制限下などでの取り込みを測定することが必要であると考えている。また,取り込み能の有無を明確にすることが必要である。当初の実験計画を予定通りに進める。すなわち,沿岸環境水中に検出されるポリアミンを中心に,ポリアミンの取り込みおよびその利用能を,栄養塩非制限下および栄養塩制限下,ならびに非至適培養条件で検討する。これらの条件下でポリアミンを添加して培養した藻類培地中のポリアミンの減少,細胞密度の変化と細胞内ポリアミン濃度の変化について実験を進める。このことによって,種々の培養条件化での藻類のポリアミン利用能を明らかにする予定である。これまでの研究で,培養条件下で検出されるポリアミン濃度範囲が明確になったことから,この濃度を参考に培地に添加するポリアミン濃度を決定する予定である。ポリアミンは細胞の分裂・増殖に影響をおよぼすことが知られていることから,特に栄養塩制限などによる増殖制限下でのポリアミン取り込みと細胞内ポリアミン濃度の変化について明確にする。また,ポリアミン合成阻害剤を用いてポリアミン合成を停止し,増殖の停止がポリアミン合成停止によることを確認した後に,種々のポリアミンを添加して,増殖回復の有無および細胞内ポリアミンを定量する。これは特殊な条件下ではあるものの,藻類によるポリアミン取り込み能を明確にできると考えられる。購入予定であった2槽培養容器よりも安価なものがあったこと,本研究費からの旅費支出がなかったことから未使用額が生じた。次年度はポリアミン合成阻害剤を用いた実験を計画しており,不足している試薬,実験器具等の購入費用にあてたいと考えている。
脳の定量的プロトン磁気共鳴スペクトロスコピー影像法の基礎的検討と臨床応用

本研究の目的は、脳代謝物を半定量的に解析する我々の簡便法の正確さを評価すること、およびプロトンMRSの脳疾患における臨床使用の可能性を評価することであった。三次元化学シフト映像法(CSI)のデータ収集をPRESSシークェンス(繰り返し時間2000msec、エコー時間30msec、データポイント数2048、スペクトル幅2500Hz、位相ステップ24x24、視野24cm、繰り返し回数1、スライス厚20mm、収集時間19.3分)を用いて行い、水抑制なしのデータを引き続いて同じPRESSシークエンスで収集した(繰り返し時間2000msec、エコー時間30msec、データポイント数2048、スペクトル幅2500Hz、位相ステップ8x8、視野24cm、繰り返し回数1、スライス厚20mm、収集時間2.01分)。水抑制なしで収集時間の短い三次元CSIデータをB0およびB1フィールドの不均一性の補正に用いた。抑制なしの水のスペクトルのピークと信号強度を、それぞれB0とB1フィールドの補正に用いた。位相補正は、水のスペクトルのピークの化学シフトを用いて自動的に行った。B0およびB1の不均一性および位相シフトの補正のための抑制なしの水画像を用いて、健常志願者および脳疾患患者の高度に正確な定量的脳プロトン三次元CSIを収集することが可能であった。しかし、定量的プロトンCSIを臨床検査に適用するためには、高速CSI技術や脳代謝物定量解析ソフトウェアの更なる開発が期待された。繰り返し時間の延長による撮像時間の延長、フリップ角の縮小による低い信号雑音比の低下のために、代謝物のT1値に対する補正が特に困難であった。1)ファントムの作成2)位相補正の自動化の検討上記ファントムを利用して単位体積あたりの水スペクトルの化学シフトからpeak fitting法を利用して位相補正の自動化を行った.通常のCSI検査に続けて,水抑制なしのCSI検査を行って得られる同一ボクセルにおける水スペクトルを利用した.(3)静磁場(B0)とラジオ周波数磁場(B1)の不均一性の補正上記ファントムを利用して単位体積あたりの水スペクトルの信号を利用してB0やB1の不均一性による影響の補正を検討した.B1補正は水スペクトルの信号強度を用いて,B0補正は水スペクトルのpeak registration法を用いて行った.CSIの再構成は分散モードによりある一定幅の水の積分で信号を補正して,256×256の表示マトリックスにフーリエ変換法で補間拡大した.4)脳代謝基質のT2緩和時間の補正脳代謝基質のT2緩和時間の影響を補正した.繰返し時間(TR)を5秒以上の一定値に設定して,エコー時間(echo time;TE)を変化させて各代謝基質のT2緩和時間を計測し,ファントムにおける代謝基質の定量化への影響を検討した.5)脳代謝基質のT1緩和時間(スピン・スピン緩和時間)の補正脳代謝基質のT1緩和時間の影響を補正した.各代謝基質のT1緩和時間を計測し,ファントムにおける代謝基質の定量化への影響を検討した.装置は東京大学医科学研究所附属病院放射線科が現有の米国GE社製Signa Horizon 5.7 version(1.5T)を用い、データの解析にはシリコングラフィックス社製ワークステーションを使用した.1)ファントムによる脳代謝基質量定量の補正昨年度に作成したファントム(NAA,Cr,Cho,ml,Lac,Glx,Gluを50mM濃度で、PHを7.1に調整)を使用して、それぞれの代謝基質のピークを足し合わせた標準ファントムデータを作成した。高信号強度のファントムデータ測定は37°Cで行った。この標準ファントムデータを用いて実際のヒトでの脳のスペクトルデータのfittingを行うことで、化学シフト値及び定量化の精度の亢進が達成された。来年度はこの手法で臨床データの補正を行っていく予定である。2)プロトンスペクトロスコピー映像法の組織分画正常脳における灰白質と白質、脳脊髄液の組織分画を行った。

使用した撮像法は3次元T1強調SPGR法(スライス厚=1mm)および高速スピンエコー法によるT2強調画像(スライス厚=2mm)、プロトン密度強調画像(スライス厚=2mm)で、後2者から測定したT1計算画像と計算画像(スライス厚=2mm)も使用した。この手法で正常脳のプロトンスペクトロスコピー映像法おいて組織分画が可能で、各組織における代謝物の定量化が行えた。今後、これらの精度を向上させていくことと検査時間の短縮を達成していくことが必要である。前年度に検討したように単位体積あたりの水スペクトルの信号を利用してB0やB1の不均一性による影響の補正を検討した.B1補正は水スペクトルの信号強度を用いて,B0補正は水スペクトルのpeak registration法を用いて行った.CSlの再構成は分散モードによりある一定幅の水の積分で信号を補正して,256×256の表示マトリックスにフーリエ変換法で補間拡大した.装置は東京大学医科学研究所附属病院放射線科が現有の米国GE社製Signa Horizon 8.25version(1.5T)を用い、データの解析にはシリコングラフィックス社製ワークステーションを使用した.本研究では、脳に対するプロトン磁気共鳴スペクトロスコピー映像法(chemical shift imaging; CSI)の臨床的有用性を高めるために,その定量性の精度向上の検討を目標としている.(1)昨年度来開発を進めている正常脳における組織分画法についてその再現性の検討を行った。結果として得られたのは、関心領域の中央部での再現性は比較的高く,頭蓋骨に隣接する周辺部での再現性は低いことであった.周辺部での再現性の低さは静磁場,変動磁場の不均一性から生じる現象であるため、今後,補正法の更なる改善を必要とする.また今後の装置を含めたハードウエアの改善が強く望まれる.(2)昨年度に脳内代謝物のファントムからのスペクトルを得たが、本年はこの結果を踏まえて実際の正常脳でのスペクトルデータのfittingを行い,定量化の精度向上を検討した.市販のSAGE/IDLプログラムによるスペクトルデータは、個々の代謝物ピークを用いることによって定量化の精度の向上が得られた.将来的には今回ファントムとして測定した代謝物以外の信号への対処法の検討が、今後の課題となると考えられた.(3)臨床応用への前段階として、臨床で撮像される画像データ、すなわちCSIデータと角度が異なり、しかもスライス問隔を有するデータでの組織分画の解析法と病巣部のより精度の高い組織分画法の検討を行った.ピクセル毎の1:1対応のlinearinterpolation法を用いることにより、スライス間隔を有する空間分解能の低い2次元画像データから良好な連続データを得ることが可能であったが,高分解能の3次元画像データからの結果と比較すると遜色が見られ,今後の改善を必要とした.病巣部の組織分画では臨床で用いられている種々の撮像法によって得られるコントラストを組み合わせることによって正常組織と病巣部の精度の高い組織分画が可能であった.
偏光Ｘ線・多波長観測を駆使した特異Ｘ線天体のマグネター仮説の検証

アメリカ合衆国ワシントンDCの近郊にあるNASAゴダード宇宙飛行センターに長期滞在し、中性子星の内部の高密度状態方程式の解明を主目的にし、2016年に国際宇宙ステーションへの設置をめざすNICER (The Neutron star Interior Composition ExploreR)プロジェクトに参加した。サイエンス検討に加え、X線集光系の基礎性能の研究やフライト品の有効面積や集光率の測定などを進めた。また、X線偏光の観測衛星計画PRAXySのサイエンス検討や、日本を中核にした次期X線天文衛星ASTRO-Hでは、高エネルギー分解能での観測を見越した科学資料集ASTRO-H CookBookの執筆・編集も進めた。「すざく」衛星で観測した自転周期がきわめて長いX線パルサー4U 1954+319が、古典的なパルサー分類には当てはまらない新しい種族Symbiotic X-ray Binaryとして、通常考えられるよりも磁場が強い可能性を指摘し(Enoto et al., Astrophysical Journal, 2014)、欧州での学会発表したり、理研の広報で紹介された。マグネター内部磁場を星の自由歳差運動から検出する論文や、ニュートリノとトロイダル磁場の相互作用を論じた論文に共著として参加した。さらに、これまでに「すざく」衛星で蓄積したマグネター観測の成果をもとに、硬X線の撮像観測を実現したNuSTARの第一期公募観測に応募し、80 ksの優先観測(Priority-A)が採択された。また、NASAゴダード宇宙飛行センターに滞在しての研究中にNHKの取材を受け、BSの人気シリーズ「コズミックフロント」のうち「宇宙でイチバン!驚異の天体最も熱く速い星」(2014年7月17日に放映)で研究を紹介された。26年度が最終年度であるため、記入しない。本研究は「銀河系内に次々と見つかっている特異なX線パルサーが、通常の中性子星の磁場を2桁以上も上回る超強磁場を持ち、磁気活動で輝く天体である」というマグネター仮説を検証し、強磁場の物理現象を突き止めることである。本年度は、X線天文衛星「すざく」を用い、マグネターIE 1547.0-5408で発生したバースト現象のスペクトル解析を行ったところ、微弱なバーストを重ね合わせたX線スペクトルが定常X線に類似する兆候を確認できた。これは、マグネターの定常放射が微弱なバーストの重ね合わせの可能性も示唆し、マグネター内で多数発生する星の地震(星震)で磁場エネルギーが解放され星表面でバースト現象になっている可能性も示唆している。今後Swift衛星などの解析も進める。また、本年度は精力的に研究会、シンポジウムに参加した。インドで開催されたCOSPAR会議、韓国のAPCTP会議、国内では京都大学、高エネルギー加速器研究機構などでの招待講演を行い、関連する研究者との議論を進めた。また、中性子星の内部物理に関する大家である柴崎徳明教授の退官を記念する立教大学のシンポジウム「Current Understanding and Future Study of Magnetars」で科学面の実行委員(SOC)の一員を担当した。さらに、理化学研究所の博士学生のマグネター1E 1547.0-5408の2回目の公募観測のデータ解析に協力し投稿論文にまとめた。将来ミッションとしてX線偏光のチームにも本年度から参加し、NASAゴダード宇宙飛行センターでの長期滞在も実施し、検出器に使用するガス圧に代表される各種パラメータを最適化するためのツールなどを作成し、次期ロケット実験の公募提案に貢献した。また、2013年4月に予定されているブルックヘブン国立研究所での検出器の性能試験や次期ロケット実験の研究提案に向けた実験にも参加している。(1)マグネターが超強磁場の中性子星であることの直接的な観測証拠のひとつは、そのような環境下で磁力線に強く束縛された電子雲の中を伝搬するX線が、強く偏光している証拠を見つけることである。NASAと理化学研究所で共同開発を続けてきた、電子飛跡を用いたガス偏光検出器の性能を評価するため、4月1622日にかけてニューヨーク近郊のブルックヘブン国立研究所にてビーム試験を行った。榎戸はその全日程に参加するとともに試験後の詳細解析を担当し、検出器中でのX線の相互作用位置に由来する偏光感度の違いをエネルギーごとに定量化した。さらにこの検出器の系統誤差を押さえ込む補正方法を見いだした。これらの結果に基づき、偏光計の改良が進んでいる。(2)また観測研究については、これまでのX線宇宙観測衛星「すざく」によるマグネターの研究結果について、米国モンタナ州立大学での招待講演を皮切りに、京都大学基礎物理学研究所の滞在型研究会、イェール大学のASTRO-Hのサイエンス会議、新学術領域研究が主催する中性子星ウィンタースクールなど、8件の招待講演に呼ばれた。この他、早稲田大学、青山学院大学などのセミナーに呼ばれ、活発な議論を行った。それと同時に、連星系の中にマグネターに準じる強磁場の中性子が存在するかという疑問に答えるため、磁場が強いことにより中性子星の自転が極めて遅くなった可能性のある、最も自転周期の短いX線パルサー4U 1954+319のすざく解析を完了し、磁場強度が10^13Gに近い可能性を指摘する論文をAstrophysical Journalに投稿した。第二著者としてPhysical Review Letterへの投稿も行った。(3)中性子星の研究のもうひとつの切り口は、大きな有効面積と高い時間分解能を持つ観測装置の開発であり、NASAが主導するNICERミッションはまさにうってつけである。

ゴダード宇宙飛行センター滞在時に、X線集光系の性能評価作業に参加し、ミッションに必要な有効面積の評価作業を確立するとともに、打ち上げ用の詳細設計に参加した。アメリカ合衆国ワシントンDCの近郊にあるNASAゴダード宇宙飛行センターに長期滞在し、中性子星の内部の高密度状態方程式の解明を主目的にし、2016年に国際宇宙ステーションへの設置をめざすNICER (The Neutron star Interior Composition ExploreR)プロジェクトに参加した。サイエンス検討に加え、X線集光系の基礎性能の研究やフライト品の有効面積や集光率の測定などを進めた。また、X線偏光の観測衛星計画PRAXySのサイエンス検討や、日本を中核にした次期X線天文衛星ASTRO-Hでは、高エネルギー分解能での観測を見越した科学資料集ASTRO-H CookBookの執筆・編集も進めた。「すざく」衛星で観測した自転周期がきわめて長いX線パルサー4U 1954+319が、古典的なパルサー分類には当てはまらない新しい種族Symbiotic X-ray Binaryとして、通常考えられるよりも磁場が強い可能性を指摘し(Enoto et al., Astrophysical Journal, 2014)、欧州での学会発表したり、理研の広報で紹介された。マグネター内部磁場を星の自由歳差運動から検出する論文や、ニュートリノとトロイダル磁場の相互作用を論じた論文に共著として参加した。さらに、これまでに「すざく」衛星で蓄積したマグネター観測の成果をもとに、硬X線の撮像観測を実現したNuSTARの第一期公募観測に応募し、80 ksの優先観測(Priority-A)が採択された。また、NASAゴダード宇宙飛行センターに滞在しての研究中にNHKの取材を受け、BSの人気シリーズ「コズミックフロント」のうち「宇宙でイチバン!驚異の天体最も熱く速い星」(2014年7月17日に放映)で研究を紹介された。26年度が最終年度であるため、記入しない。米国を中心に開発されてきたX線偏光専門の観測衛星GEMSが予算の関係から中止になり、日米協力のもと再提案に移行するなど、当初の将来計画には変更を余儀なくされる箇所も出てきたものの、一方で既存の「すざく」衛星等のデータ解析は順調に展開し、本年度はMNRAS誌に論文を1本発表するとともに、X線パルスを用いてマグネター内部に閉じ込められたトロイダル磁場を検証する方法を開拓するなどの予期せぬ進捗を得た。強磁場測定の切り札となる偏光計の理解、改良作業は着々と進行しており、これまでに観測された「すざく」衛星のデータ解析も論文投稿ができた。また、「すざく」衛星とSwift衛星を用いた、マグネター総解析も論文投稿が見えて来ている。さらに、マグネター4U 0142+61のパルス時刻解析から、内部に巨大なトロイダル磁場をもつ可能性を指摘する論文を、第二著者としてPhysical Review Letterに投稿した。
水生植物による水質浄化の定量的機能評価に関する研究

硝化・脱窒作用を抑制した水耕栽培装置によって、二種類の水生植物、マコモとヨシを栽培した。二週間に一度の割合で栽培液を交換し、その時、栽培液量、栽培液中窒素・リン濃度を測定し、この間の吸収量を求めた。この吸収量を積算し、生育期間全体(7月下旬11月)での窒素・リン吸収量を評価した。得られた結果は以下のようにまとめられる。◆全無機態窒素(TIN)の積算吸収量は、マコモ:1077mg、ヨシ:1641mgで、マコモ:ヨシ=10:15であった。◆リン酸態リン(PO_4-P)の積算吸収量は、マコモ:201mg、ヨシ:360mgで、マコモ:ヨシ=10:18であった。◆吸収ポテンシャル(単位湿重量当り吸収量)は、窒素・リン共に生育期間前半(7月下旬9月)でヨシ>マコモ、後半(10月11月)でヨシ≒マコモであった。◆以上のような積算吸収量の差は、それぞれの植物体の生長量(重量)の違いによるものであった。特に、生育期間前半(7月中旬9月中旬)の吸収ポテンシャルの違いが生長量に大きく影響した。◆TIN吸収の内訳は、マコモではNH4-N:NO3-N=3:7から9:1へと経時的に変化したが、ヨシでは期間中ほぼ5:5で推移した。積算吸収量の内訳は、マコモ、ヨシで10:6、10:9であった。◆吸収量のN/Pは、マコモは7月には10.5であったが、その後10月中旬まで3.54.5で推移し、その後は約68であった。一方ヨシは、期間中45でほぼ一定であった。また、マコモの単位重量あたり窒素・リン吸収量の生育期間中の変化は、年に寄らず類似する傾向を示した。水生植物による水質浄化で、窒素・りんの除去は、植物による吸収のほか、根圏における吸着と微生物の作用による硝化・脱窒反応によって主に行われる。本年度は、これらのメカニズムのうち、植物による吸収を取り上げ、水生植物(マコモ)を取り上げ、これによる窒素・りん除去量を、水生植物の生育期間全体を通して定量的に評価することを目的とした。このためには、他の要因による窒素・りんの除去をなくすことが必要であるが、それを、水耕栽培技術の確立と、硝化抑制剤の使用、曝気の実施によって可能にした。さらに、この吸収量に対する窒素濃度の影響を検討するため、水耕栽培の栽培液窒素濃度を4条件設定して実験を行った。実験によって得られた知見は、以下のとおりである。◆5月9日より12月19日までの32週間で、吸収された窒素量は、各栽培液窒素濃度条件で次の通りであった。「栽培液初期窒素濃度(mg/L)」:「全無機窒素吸収量(g/32weeks)」、「14」:「24.9」、「28」:「31.5」、「42」:「22.3」、「56」:「28.6」。◆この間の水生植物(マコモ)の生長量は、湿潤重量で評価すると次の通りであった。「栽培液初期窒素濃度(mg/L)」:「湿潤重量増加量(g/32weeks)」、「14」:「525」、「28」:「636」、「42」:「411」、「56」:「501」。

◆以上の結果より、増加湿潤重量100g当たりで吸収量を評価すると次の通りであった。「栽培液初期窒素濃度(mg/L)」:「全無機窒素吸収量(g/100g:132weeks)」、「14」:「0.377」、「28」:「0.498」、「42」:「0.352」、「56」:「0.452」。水質浄化に用いられる水生植物には幾つかの種類があるが、代表的なものとして、ヨシがある。このヨシと同じ抽水植物にマコモがある。筆者らは、これまでマコモの水質浄化機能の定量的評価諏り組んできた。14年度は、二っの代表的抽水植物である、ヨシとマコモの水質浄化機能を評価することを目的として実験を行った。考察対象とする水質浄化機能を、富栄養化原因物質である、窒素とリンとし、これらの吸収量を評価するため、実験はこれまでと同様に水耕栽培で行った。これは、植物による水質浄化機能を利用した窒素とリンの植生浄化法において、主要な浄化機構である植物による吸収、土壊粒子への吸着、硝化脱窒のうち、植物による吸収だけを取り上げて評価することを意図しているためである。◆7月上旬から11月下旬までの20週間(140日間)の窒素、リンの吸収量は以下の通りに評価された。これらのデータより、窒素・リンの吸収量は、マコモの方が大きい値となった。しかし、2種類の植物ともに、今回の実験における植物の生育量は、病害虫の発生やヨシの水耕栽培が困難であることによって通常より小さくなっており、この結果だけから評価を決定するのは問題があると考えている。◆ヨシ、マコモの吸収した窒素の形態別の評価は以下の通りである。(中央値)このように、どちらもアンモニア性窒素の吸収量の方が、硝酸性窒素吸収量よりはる加こ大きいことが明らかとなった。なお、今後、ヨシの水耕栽培技術の確立なども検討して、それぞれの植物の浄化機能を比較検討していくことが課題である。2種類の水生植物(マコモとヨシ)をポット栽培した。そのポットに上向流で栽培液を流し、ポット流入部と根圏付近の各態窒素・リン濃度および流入部と流出部の流量を測定し、窒素・リン減少量を求めた。このようにして求めた減少量について、8,9,10月の各月に、マコモとヨシを比較した。得られた結果は以下のようにまとめられる。◆まず、植物体の生育状況について比較する。マコモの茎の高さは、8月には10cmから200cm程度のものが数本から78本同程度に存在していたが、9月には10cm台の茎が30数本で最多となり、10月はそれが生長して20cm台となり最多となった。一方ヨシの茎高は、8月はマコモと同様の分布であったが、9月には100cmから150cmのものが数を増やし、10本以上となった。そして10月には10cm以下の新しい茎が40本出てきた。◆上記のような生育状況の下で、マコモとヨシの窒素・リン減少量を8,9,10月通して比較すると以下のような結果となった。NH_4-N:ヨシ;368mg、マコモ;430mg NO_3-N:ヨシ;12.5mg、マコモ;20.9mgTIN:ヨシ;401mg、マコモ;457mg PO_4-P:ヨシ;43.4mg、マコモ;51.2mg◆以上の結果から、本実験条件では窒素・リン減少量はいずれの成分もマコモの方が大きく、根圏を通過することによる水質浄化能力はマコモの方が大きいことが明らかとなった。また、成分ごとにマコモとヨシの違いが大きくなる時期に差があり、NH_4-Nでは10月の差が大きく、NO_3-Nでは8月の差が大きく、TINはNH_4-Nの影響で10月の差が大きくなった。一方、PO_4-Pでは9月の差が大きかった。硝化・脱窒作用を抑制した水耕栽培装置によって、二種類の水生植物、マコモとヨシを栽培した。二週間に一度の割合で栽培液を交換し、その時、栽培液量、栽培液中窒素・リン濃度を測定し、この間の吸収量を求めた。この吸収量を積算し、生育期間全体(7月下旬11月)での窒素・リン吸収量を評価した。
偏光双安定VCSELを用いた全光型JKフリップ・フロップの実現

光通信に光電変換を用いない全光化は、高速化、低消費電力化のために不可欠であり、全光型フリップ・フロップ素子が多数研究されているが、そのほとんどはRS型であり、JK型の実現は遷移回路の簡単化が容易になるため集積化に課題の多い光素子で回路を構築する際に、素子数が低減できメリットとなる。偏光双安定VCSELに帰還光学系を組み合わせることでJKフリップ・フロップ動作が可能であることを提案し、帰還光学系や異波長光パルス入力による信号処理など要素技術の研究を行った。平成27年度は以下の研究で成果をあげた。1.偏光自己変調: VCSELの発振光を、偏光、強度、遅延時間などを調整して元のVCSELに戻す帰還光学系は本研究の基本となる光学系である。ボールレンズを加工した自己集光機能を持つ半球ハーフミラーで外部共振器を構成し、共振器内に偏光を90度回転させるために1/4波長板を挿入し、VCSELの発振光を自己変調させる研究を行った。半径3 mmのボールレンズで最高15.3 GHzの変調出力を得られ、変調は2つの外部共振器モードのビートによるものであることが分かった。2.波長の異なる光パルスによるANDゲート動作:これまでの光ANDゲート機能を用いたフリップ・フロップ動作では、セット光とデータ光パルスを同一波長に設定していたため、位相と波長の制御が必要でありシステムが複雑化する。そこで、波長の異なる2つの光パルスによるANDゲート動作を用いた光フリップ・フロップ動作を行った。1 ns幅のデータ光パルスの後半に500 ps幅のセット光パルスを重畳した場合、光の周波数差が2.0 4.0 GHzの間でフリップ・フロップ動作が可能であった。また、波長差を大きくすると大きな入力光パワーが必要となったが、偏光スイッチングのタイミングジッタが小さくなった。この方法を用いることにより、システムの構成を簡便にできる可能性がある。3.並列化による2ビットヘッダー識別:光論理回路の拡張性を確認するため、偏光双安定VCSELを2個並列に用い4ビット500 Mb/s RZのヘッダー信号列中の2ビットに対してANDゲート動作を行い、その識別結果信号によって光スイッチを制御して40 Gb/s 11段PRBS NRZ信号のパケットスイッチングを行った。4つの光出力ポートのうち、ヘッダーの宛先が示すポートへペイロードを出力することに成功した。1.偏光自己変調: VCSELの発振光を偏光、強度、遅延時間などを調節して元のVCSELに戻す帰還光学系は、本研究の基本となる光学系である。前年度の実験結果をもとに、偏光分離したレート方程式に帰還光学系の項を加えて偏光自己変調動作を数値解析した。その結果、駆動電流を増加し、レーザの緩和振動周波数を増加すると偏光自己変調動作が可能な周波数が増加することが分かった。2. VCSELアレイを用いた光信号処理: VCSELは作製時にアレイ形状をとっているため集積システムに適している。しかし、これまでのVCSELの偏光双安定動作は、駆動電流、デバイス温度などの動作条件が限られているため、デバイスの動作温度を個別に制御する必要があり、集積化されたVCSELアレイでの偏光双安定動作は確認されていなかった。デバイス温度でVCSELの発振波長を大まかに設定し、駆動電流で個々の発振波長を精密に調整することで、アレイ内の複数の素子で偏光双安定状態を実現した。さらに、アレイ内のある素子の光出力を別の素子へ入力して偏光スイッチングを行い、アレイ内で全光型シフトレジスタ動作を実現した。本年度は、本研究に必要不可欠な現有装置である4チャンネル・パルス・パターン・ジェネレータの動作が不安定となったため、光学実験の進捗が停滞した。修理業者に修理を依頼したが、当方では発生するにも関わらず、業者では不具合が発生しなという状況であったため問題解決に時間がかかった。そのため本研究の後半で行う予定であった偏光自己変調の数値解析による理論的検討を予定より先行して行った。平成28年度は以下の研究で成果をあげた。1. VCSELアレイを用いた光信号処理: VCSELは作製時にアレイ形状をとっているため集積システムに適している。JKフリップフロップは複数のVCSELを組み合わせて実現されるため、アレイ集積化の技術とアレイ内のVCSELを光学的に接続する技術は重要である。前年度の研究成果を元に、12素子中の2素子で実現したシフトレジスタを、他の素子の組み合わせでも同様の調整方法で実現した。2.導波路を結合した高屈折率差サブ波長回折格子(HCG):先に述べた通り複数のVCSELを用いるJKフリップフロップでは、同一基板上のVCSEL素子を光学的に接続することと、その光を偏光状態を保持したまま効率よく取り出すことは重要である。この光導波路結合型HCGをVCSELの反射鏡として用い、導波路でアレイ内のVCSEL素子を接続する方法を提案している。矩形の偏光無依存HCGとそれに直交して接続する2つの光導波路をSilicon-on-insulator (SOI)基板上に作製し、HCGへ入射する光の偏光により出力導波路を切り換えることができることを実験的に明らかにした。さらに、光導波路結合型高屈折率差サブ波長回折格子面発光半導体レーザ(HCG-VCSEL)が持つ、VCSELの発振偏光のスイッチにより光出力導波路を切り換えることができるという新機能の原理実証を行った。