hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
細胞内分子数を定数解析するデバイスの開発－少数生体分子の計数化技術－

東大・野地Gは、フェムトリットルチャンバーを用いたデジタル計測法を開発し、高感度にターゲット分子を定量する手法を確立した。これにより超高感度なデジタルELISA法を開発した。またウイルスの絶対定量法も確立し、全ウイルス中のうち感染能を有するものが数%しか無いことを明らかとした。理研・渡邊Gは、生細胞中のタンパク質分子を1分子計測するための独自の超解像イメージング技術と、細胞状態を計測するためのプローブ開発を行った。その結果、多波長1分子イメージングや二次の非線形散乱光を用いた非標識型タンパク質構造状態イメージング技術、そして細胞内タンパク質濃度を決定する蛍光プローブタンパク質の開発に成功した。1細胞デジタルELISA昨年度の研究の結果、前立腺腫瘍マーカーであるPSAを標的としたデジタルELISAを行い、その反応条件の最適化を行ったところ、検出下限値がPSA濃度で56aMに達することが分かった。これは、通常のELISA法に比べ10万倍感度が向上している。しかしながら、biotin-avidinを用いたモデル反応系ではzMのオーダーに達しており、10倍100倍程度の感度向上が見込まれる。そこで本年度は、さらなる検出感度向上を目指し、検出下限値の向上に取り組む。具体的には、最適な抗体の探索や、非特異的吸着による擬陽性シグナルの排除を目的とした表面修飾法の検討を行う。さらに、より簡単な検出システムの開発を目指し、CCD素子とデジタルELISAデバイスを直接接合したデバイスの開発にも取り組む。高速超解像蛍光顕微鏡の開発本研究は、細胞内における分子を網羅的に観察することを目的として、目標値として30nm/30msを設定し、様々な方面からの超解像技術の開発を行う。方法論に捕らわれることなく、目標を達成しうるあらゆる開発手段を用いる。本年度も引き続き、以下の2種類の開発を試みる。波長分離型超解像法:我々がすでに開発した瞳変調超解像法による120nm/2msでの一分子計測法は、すでに確立できている。さらに、蛍光揺らぎによる超解像を合わせることで、85nm20msの時空間分解能は可能である。分子を標識する蛍光分子の色をN色にすることで、各色における標識濃度を減らすことができる。すなわち、検出分解能は向上する。その向上は、√N倍である。例えば、10色の蛍光色素で染色すれば、理論計算上27nmまで空間分解能が向上する。ベクトルビームによる高速超解像:照射するレーザーの位相を空間的に変調することで、回折限界を超える点光源による照射が可能である。上記は、光軸方向の分解能が低下することが問題とされているが、全反射証明法を応用することにより解決される。MEMSミラーを用いて、多数のベクトルビームを作成し、一斉操作を行うことで、空間分解能、時間分解能共に向上する。本計画研究は、1分子デジタルELISA法を利用した1細胞タンパク質計数法、超解像顕微鏡と2改変型蛍光タンパク質に基づいた1細胞タンパク質計数法、の2つの技術課題を中心に取り組む。1細胞単位のデジタルELISA法:昨年度はヒトU937細胞を用い、1細胞中のbeta-galactosidase数のカウンティングを実施し、1細胞当たり30万個のオーダーであることが分かった。また、これまでの研究から予測された、タンパク質数の各細胞間のばらつきよりも今回の実験では小さいことが分かった。また、今後の実験では大量のマイクロデバイスを消費することが予想されたため、96穴プレートをベースとしたドロップレットアレイデバイスを作成し、その検証を行った。高速超解像蛍光顕微鏡の開発:昨年度は分子を異なる複数の蛍光波長を持つ量子ドットで標識して波長軸上で分離・識別しながら観察する技術を開発した。具体的には、発光波長の異なる蛍光量子ドット7個が、回折限界内に存在していても、分離観察できることを確かめている。本計画研究は、1分子デジタルELISA法を応用した、デジタルバイオアッセイの開発と超解像顕微鏡と2改変型蛍光タンパク質に基づいた1細胞タンパク質計数法、の2つの技術課題を中心に取り組む。デジタルバイオアッセイの開発:新しいデジタルバイオアッセイとして、インフルエンザウイルス1粒子の検出法の開発に取り組んだ。インフルエンザウイルス表面にあるノイラミニダーゼの活性を指標にして、ドロップレット内のウイルス検出を行ったところ、1粒子ウイルスでも検出可能であることが分かった。また、本法の検出感度は、一般的に用いられている免疫抗体法に比べ10倍から100倍高いことが分かった。また、既存のデジタルアッセイの改良にも取り組んだ。検出用酵素として用いているアルカリフォスファターゼの基質について検討を行った。従来使用している4MUPはアルカリ性条件でしか強い蛍光を発しないため、他の酵素と同時にアッセイすることが困難であった。そこで今回、DiFMUPと言う中性域でも強い蛍光を発する基質を検討したところ、pH7でも十分観察可能な蛍光を得ることが出来た。これにより、βgalactosidaseのような他の酵素と同時にアッセイが可能になるため、マルチカラーデジタルELISAへ発展が可能となる。高速超解像蛍光顕微鏡の開発:波長分離型の超解像一分子イメージング法の分解能の評価および最適化に取り組み、30msの時間分解能で4nm程度の空間分解能を達成するに至った。筋肉ミオシンの協同的動態の観察に着手し、実験条件の最適化に取り組んだ。また、光スイッチング蛍光蛋白質を用いた走査型超解像イメージング法の開発にも取り組み、原理検証実験において、回折限界を超える空間分解能を達成できることを実験的に示した。

少数性生物学研究では、細胞毎の個性や違いをつまびらかにする技術が必須となる。そこで、A01-1班では主として細胞毎の「個性」を解析する技術として、野地のグループがマイクロドロプレットアレイを用いたデジタル計数法を、研究分担の渡邊のグループが新しい細胞内1分子イメージング技術を主として開発した。前者は主として破壊的ではあるが遺伝的標識を必要とせず、後者は遺伝的標識を必要とするが非破壊的な解析を可能とする。野地のグループは、マイクロドロプレットアレイ技術に基づく1分子デジタルELISA法を確立し(Lab on a chip 2013)、ヒト由来の培養細胞が発現しているalkaline phosphataseの1細胞定量に成功した(unpublished data)。また、脂質膜でシールしたドロプレットアレイの開発にも成功し(Nat. Comm. 2014など)、細胞毎のトランスポーター計数も可能となった。さらに、バクテリア1細胞毎のATP量の計測とその細胞間分布の定量にも成功した(Sci. Rep. 2014)。また、公募班の大場グループと共同でインフルエンザ1粒子毎のデジタル計数にも成功し、全ウイルスのうち感染性の粒子の割合が数%しかないことを明らかにした(unpublished data)。渡邊のグループは、A01-2(永井班)が開発した光明滅を意図的に制御(スイッチング)できる蛍光蛋白質の特性を用いた超解像顕微鏡法、および、拡散イメージング法の開発を行った。また、A01-2(永井班)とA03-2班(今田班)細胞内の分子混雑具合により蛍光スペクトルが変化する新規蛍光タンパク質GimRETの開発にも成功した(Sci. Rep. 2016)。さらに、野地のグループと共同で、1細胞の分泌物質の網羅的解析技術も確立した(RSC Adv. 2015)。以上の通り、新学術領域のネットワークを活用しながら、当初目的を十二分に達成した。東大・野地Gは、フェムトリットルチャンバーを用いたデジタル計測法を開発し、高感度にターゲット分子を定量する手法を確立した。これにより超高感度なデジタルELISA法を開発した。またウイルスの絶対定量法も確立し、全ウイルス中のうち感染能を有するものが数%しか無いことを明らかとした。理研・渡邊Gは、生細胞中のタンパク質分子を1分子計測するための独自の超解像イメージング技術と、細胞状態を計測するためのプローブ開発を行った。その結果、多波長1分子イメージングや二次の非線形散乱光を用いた非標識型タンパク質構造状態イメージング技術、そして細胞内タンパク質濃度を決定する蛍光プローブタンパク質の開発に成功した。1細胞デジタルELISA昨年度の研究のにおいて、大腸菌1個体中に存在するβーgalactosidaseの直接計数を試みた。具体的には、大腸菌が1個体であることを顕微鏡下で確認し、溶菌処理を行った。
低金利・少子高齢化下での財政政策と物価への影響

。また、北海道大学で研究発表を行った。モデルでは、「物価水準の財政理論(Fiscal Theory of Price Level、以下FTPL)」を、人口動態と財政政策に着目しながら、2つの点で拡張した。第1に、世代重複モデルに変更した。若年・老年世代を明示的に分離し、人口動態が財政政策や物価に与える影響を考察するために、FTPLを世代重複モデルに応用した。第2に、財政政策を内生化した。既存のFTPLでは財政政策は外生とされているところであるが、本モデルでは、政治経済学的手法を用いて、政府は、若年と老年世代の効用の和を最大化するように、税金と国債発行額を内生的に決定するものとした。この際、政府は、自身の政策が物価に与える影響も考慮に入れる。モデルを通して、少子高齢化が財政政策を通じてデフレを生むことを示した。ただし、その結論は、少子高齢化の原因によって異なる。すなわち、寿命の伸びはデフレにつながる一方、出生率の低下はインフレにつながることが示された。翌年度、交付申請を辞退するため、記入しない。。
多職種による広域抗菌薬に対する抗菌薬スチュワードシッププログラムの長期効果

日本を含め、全世界的に多剤耐性菌の出現が医療現場で大きな問題であり、この問題に広域抗菌薬の過剰な使用が寄与していることが示唆されている。そのため多剤耐性菌が発生しないような対策が構築されることがより重要であり、病院レベルでの抗菌薬スチュワードシッププログラム(antimicrobial stewardship program)という概念は多剤耐性菌の発生を防ぐ感染症対策として提唱されている。本研究では日本の高次医療機関での抗菌薬スチュワードシッププログラムの根幹である、広域抗菌薬処方後の抗菌薬使用の監査の効果の評価とその抗菌薬スチュワードシッププログラムが及ぼす長期の臨床的なアウトカムについて評価、検討することが目的である。本研究ではカルバペネム系抗菌薬に加え、それ以外の抗緑膿菌作用を有する広域抗菌薬(ピペラシリン/タゾバクタム、セフェピム、フルオロキノロン系抗菌薬)における抗菌薬スチュワードシッププログラムの導入による効果を介入導入前後、本邦の高次医療機関における抗菌薬スチュワードシッププログラムの長期的な効果を評価することが今回の研究の期間中にあきらかにすることである。広域抗菌薬(カルバペネム系抗菌薬、ピペラシリン/タゾバクタム)の処方後監査を導入し、これらの対策導入後の広域抗菌薬の使用量の推移を評価する。さらにセフェピム、フルオロキノロンと上記広域抗菌薬よりも狭域抗菌薬の使用量の変化を評価する。これらの抗菌薬の使用量の評価は1,000 patient-daysあたりのday of therapy (DOT)という形で評価を行い、使用量の統計学的な評価は分割時系列解析という手法を用いて、時間軸に配慮した形での統計学的考察を行う。また患者関連アウトカムである、平均在院日数、院内死亡率、C. difficile感染症の発生率の経時的変化も評価する。すでに2編関連する論文が英語査読論文として出されており、さらには後に一論文提出している。さらには海外の学会にも発表を重ねており、順調に経過している。2019年4月に米国の医療疫学の学会で1演題の発表を終了しており、現在、論文投稿中である。その研究成果の終了をもって本研究は終了する予定である。日本を含め、全世界的に多剤耐性菌の出現が医療現場において大きな問題であり、この問題に広域抗菌薬の過剰な使用が寄与していることが示唆されている。本研究では日本の高次医療機関での抗菌薬スチュワードシッププログラムの根幹である、感染症コンサルテーションおよび広域抗菌薬処方後の抗菌薬使用の監査の効果の評価とその抗菌薬スチュワードシッププログラムが及ぼす長期の臨床的なアウトカムについて評価、検討することが目的である。本研究ではカルバペネム系抗菌薬に加え、それ以外の抗緑膿菌作用を有する広域抗菌薬(ピペラシリン/タゾバクタム、セフェピム、フルオロキノロン系抗菌薬)における抗菌薬スチュワードシッププログラムの導入による効果を介入導入前後、計5年間の評価を行い、本邦の高次医療機関における抗菌薬スチュワードシッププログラムの長期的な効果を評価することが今回の研究の期間中にあきらかにすることである。感染症コンサルテーションおよび、広域抗菌薬(カルバペネム系抗菌薬、ピペラシリン/タゾバクタム)の処方後監査を導入し、これらの対策導入後の広域抗菌薬の使用量の推移を評価する。さらにセフェピーム、フルオロキノロンと上記広域抗菌薬よりも狭域抗菌薬の使用量の変化を評価する。これらの抗菌薬の使用量の評価は1,000 patient-daysあたりのday of therapy (DOT)という形で評価を行い、使用量の統計学的な評価は分割時系列解析という手法を用いて、時間軸に配慮した形での統計学的考察を行うことを予定している。現在、広域抗菌薬の院内での使用状況を経時的に把握しており、データの蓄積を行っている。すでに当院で処方制限をかけているカルバペネム系抗菌薬は2014年からのデータ集積、piperacicllin/tazobactamに関しては2015年5月からの蓄積を行っており、今後、さらに一年程度の使用量のデータの蓄積を行い、解析に入る予定としている。また同時に処方制限のかかっていない広域抗菌薬(cefepimeなど)の使用量も経時的に行い、増減のモニタリングを行っている。また過去に遡り2012年、2013年の処方状況のデータの蓄積(介入前のデータとして重要)を行っている。広域抗菌薬使用後監査は毎週行われており、多種職チームで継続的に行われており、これも継続的な情報の蓄積を行っている。同時並行として今回、入院中の抗菌薬使用における状況をアジア・太平洋地域でどのように進捗しているかのmetaanalysisを今回の研究のさらなるアイデアの発掘及び、今後の当院での使用状況の効果の比重を見るために行い、それは今回、米国感染症学会の期間である、Clinical Infectious Diseasesにpublicationにこぎつけることができ、2017年4月に無事論文化された。(https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/28475777)日本を含め、全世界的に多剤耐性菌の出現が医療現場で大きな問題であり、この問題に広域抗菌薬の過剰な使用が寄与していることが示唆されている。

そのため多剤耐性菌が発生しないような対策が構築されることがより重要であり、病院レベルでの抗菌薬スチュワードシッププログラム(antimicrobial stewardship program)という概念は多剤耐性菌の発生を防ぐ感染症対策として提唱されている。本研究では日本の高次医療機関での抗菌薬スチュワードシッププログラムの根幹である、広域抗菌薬処方後の抗菌薬使用の監査の効果の評価とその抗菌薬スチュワードシッププログラムが及ぼす長期の臨床的なアウトカムについて評価、検討することが目的である。本研究ではカルバペネム系抗菌薬に加え、それ以外の抗緑膿菌作用を有する広域抗菌薬(ピペラシリン/タゾバクタム、セフェピム、フルオロキノロン系抗菌薬)における抗菌薬スチュワードシッププログラムの導入による効果を介入導入前後、本邦の高次医療機関における抗菌薬スチュワードシッププログラムの長期的な効果を評価することが今回の研究の期間中にあきらかにすることである。広域抗菌薬(カルバペネム系抗菌薬、ピペラシリン/タゾバクタム)の処方後監査を導入し、これらの対策導入後の広域抗菌薬の使用量の推移を評価する。さらにセフェピーム、フルオロキノロンと上記広域抗菌薬よりも狭域抗菌薬の使用量の変化を評価する。これらの抗菌薬の使用量の評価は1,000 patient-daysあたりのday of therapy (DOT)という形で評価を行い、使用量の統計学的な評価は分割時系列解析という手法を用いて、時間軸に配慮した形での統計学的考察を行う。また患者関連アウトカムである、平均在院日数、院内死亡率、C. difficile感染症の発生率の経時的変化も評価する。現在、広域抗菌薬の院内での使用状況を経時的に把握しており、データの蓄積を行っている。すでに当院で処方制限をかけているカルバペネム系抗菌薬は2014年からのデータ集積、piperacicllin/tazobactamに関しては2015年5月からの蓄積を行っており、今後、さらに一年程度の使用量のデータの蓄積を行い、解析に入る予定としている。また同時に処方制限のかかっていない広域抗菌薬(cefepimeなど)の使用量も経時的に行い、増減のモニタリングを行っている。また過去に遡り2012年、2013年の処方状況のデータの蓄積(介入前のデータとして重要)を行っている。今回計画通り、2018年3月までのデータ蓄積で解析を行っている。日本を含め、全世界的に多剤耐性菌の出現が医療現場で大きな問題であり、この問題に広域抗菌薬の過剰な使用が寄与していることが示唆されている。
下水処理水の都市近郊林への散布による浄化処理に関する研究

下水処理水の都市近郊林への散布処理して有効資源を地域の物質循環系へ組み入れることを目的に処理水の散布法や森林ならびに周辺環境への影響についての基礎的データを得ることを目的として以下試験研究を行った。試験は岡山市南東部に位置するマツ二次林で行った。下水1次処理水はポンプで貯留タンクを経由して林地に設置した総延長150mの多孔パイプから12時間間隔で散布する試験システムを設置した行った。その結果、処理水中の主要イオンのうち、1価のカチオンが散布地点から比較的近い地点の土壌表層部分に蓄積するのに対して、2価のカチオンでは、散布開始後3ヶ月が経過した時点で、散布地点から斜面下方約20m付近の深さ40cm付近に高い濃度で蓄積する事実を明らかにした。これまでの研究から、2価のカチオンは一般に土壌溶液の電気的バランスを保つ働きがあることが知られているが、下水1次処理の散布にあたっても、含有窒素の硝化にともなう土壌溶液のアニオン過多にたいするバランスをとるために土壌溶液中に放出され移動したものと推測された。また、これら元素が土壌深部の斜面下方20m付近まで短期間に移動している事実は、下水処理水の林地への散布にともない、広範囲にわたり土壌交換態カチオン濃度が変動することを意味しており、その植生への影響を長期にわたりモニタリングする必要性が示唆された。しかし、安定同位体元素を用いた下水処理水中の無機態窒素動態解析から、窒素についてはその大半が散布地点付近の土壌粒子に吸着されており、散布水中の肥料成分の有効性は一定の狭い範囲に限定される事実が判明した。これらの成果から、下水1次処理水の散布に際しては、林地にある程度高い密度で散布システムを配置し、少量づつの散布が効果的であると考えられた。本年度は,下水処理水の都市近郊林への散布による浄化システムの試作運用とそれに伴う諸問題について検討を行う実証試験に着手した。すなわち,岡山市南西部に位置するマツ二次林において下水1次処理水をポンプで汲み上げ,林内に総延長約500mにわたり設置した多孔パイプから定期的に散布する試験を開始した。その結果,散布にともない土壌に付加されたカチオンのうち,いくつかは土壌の粗間隙を土壌水とともに移流・通過し,散布地点から斜面下方の土壌深部に高い濃度で集積する事実を確認した。しかし,これらカチオンの土壌系での集積は不規則であり,その移動形式については次年度さらに詳細な検討を行う必要があることが明らかになった。このように土壌へ付加された溶存イオンの移動は主に水の動きに支配されていることから,森林土壌系における水質浄化機能の定量的な解明には,土壌中での水と溶存イオンの挙動を同時に把握する必要がある。そこで,本研究では,水のトレーサーとして重水標識水を,また溶存物質のトレーサーとして重窒素標識アンモニュウムイオンを選び,野外から採取した非攪乱の土壌カラムへの人工散布試験に着手した。本年度は,人工散布試験装置と重水標識水の微量定量システムの作成ならびに予備試験を行い,土壌の養分保持・水質浄化機能が土壌自体の陽イオン交換能に加えて間隙の分布度合いや硬度などに大きく支配されている事実を明らかにした。下水道処理水の都市近郊林への散布処理して有効資源を地域の物質循環系へ組み入れることを目的に処理水の散布法や森林ならびに周辺環境への影響についての基礎的データを得ることを目的として以下試験研究を行った。

その結果、処理水中の主要イオンのうち、1価のカチオンが散布地点から比較的近い地点の土壌表層部分に蓄積するのに対して、2価のカチオンでは、散布開始後3ヶ月が経過した時点で、散布地点から斜面下方約20m付近の深さ40cm付近に高い濃度で蓄積する事実を明らかにした。これまでの研究から、2価のカチオンは一般に土壌溶液の電気的バランスを保つ働きがあることが知られているが、下水1次処理の散布にあたっても、含有窒素の硝化にともなう土壌溶液のアニオン過多にたいするバランスをとるために土壌溶液中に放出され移動したものと推測された。また、これら元素が土壌深部の斜面下方20m付近まで短期間に移動している事実は、下水処理水の林地への散布にともない、広範囲にわたり土壌交換態カチオン温度が変動することを意味しており、その植生への影響を長期にわたりモニタリングする必要性が示唆された。しかし、安定同位体元素を用いた下水処理水中の無機態窒素動態解析から、窒素についてはその大半が散布地点付近の土壌粒子に吸着されており、散布水中の肥料成分の有効性は一定の狭い範囲に限定される事実が判明した。これらの成果から、下水1次処理水の散布に際しては、林地にある程度高い密度で散布システムを配置し、少量づつの散布が効果的であると考えられた。
腕時計型ストレス・カロリー計の開発―若年者、中高年者、高齢者への応用―

ストレス・カロリー計は生活習慣や生活時間を可視化し客観評価するために開発された。また当機では脈拍と加速度と睡眠時基底心拍数より換算してエネルギー消費量も得られる。本研究では当機の年代別のエネルギー消費量の精度や最適換算係数、日常生活への応用法を検討した。被験者(1975歳)約90名は当機と精密代謝測定器を同時装着し統一活動で得た両者の測定値を照合された。年代やBMIで換算式の係数の細分化によりさらに精度が高まった。運動経験の係数化には課題が残るが、全体として当機は個別対応可能なツールに成り得ると推察された。また当機使用で得たストレス、運動、睡眠時間と生活習慣病指標との関係を示すことができた。生活習慣病や介護予防・改善のためには、個人の日常生活を客観的に把握し適切な休養や運動や栄養を摂ることが重要である。既存の携帯型簡易カロリー計は身体活動時の心拍変動をベースに消費カロリーが換算されるものが多いが、現代の日本人は安静活動が増えたため、精神活動時の消費カロリーもある程度の精度を有する装置を利用することが、実用的であると考えられる。本研究では精神活動時も対応させるために開発された腕時計型ストレスカロリー計の最適化を目指して、消費カロリー計のベースとなるライフステージ毎の換算式の係数の構築を行うことと、実際に当装置を利用する際の実用面での対応をはかることを目的とする。本年度は大学生30名を対象として24時間当装置を装着し睡眠時基底心拍数を得た後に、特定活動を実施し、精密代謝機と対応させる検証実験において、心拍変動から導出する際の消費カロリーへの適切な換算係数(基底心拍数、精神活動係数、身体活動係数など)を得たためこれを学術論文にまとめ学術誌に採択された。さらに対象を中高年者へと広げ実験を継続してきた。実験結果より中高年の最適な係数は、若年者とは異なることが考えられ、次年度にさらなる検証を重ねる。当装置を用いた応用法の検討では、学生と健常中高年者と生活習慣病患者の少数例(合計24名)の比較で、どの群も自己申告と測定値の誤差がみられ、また、患者では睡眠時無呼吸と思われる心拍変動の箇所が装置より観察されたためこれらを学会報告した。さらに生活習慣病患者30名を対象に当装置と血漿アミノ酸分析結果を組み合わせて保健指導を3ヶ月間実施したところ、対象者の60%が生活習慣の意識改善に効果を示し、52%が1日に10回以上カロリーを確認し、2kg以上の体重減少や生化学的検査値の改善がみられた者は19名となった。これらの結果も学会に発表した。中年者を対象とした腕時計型ストレスカロリー計の検証実験(睡眠時基底心拍数、精神活動時の消費カロリーの換算係数、身体活動時の換算係数を得る)は順調に進んでいる。同内容の大学生を対象とした実験は完了し、論文が採択をされ、現在出版の準備をしている。高校生や高齢者を対象とした実験は次年度より実施する予定で計画を立てており、対象施設や団体の協力を得ることができたため、今後は個別の承諾を得てスケジュール調整を行う予定となっている。装置を利用した応用研究については、第一調査である若年者、中高年者、生活習慣病の3者の少数例の比較において、自己申告と実測値の消費カロリーの差異や睡眠の質、睡眠時無呼吸の症例などを得たためこれらを学会報告した。また、第二調査である30名を対象とした保健指導における効果の検討も終了し、今年度に学会発表をおこなった。第三調査である生活習慣病患者約80名の生活習慣の詳細の評価についても終了したため、次年度の10月に学会発表を予定しており、現在は学会に電子申請および登録を終えた。これらの状況を考慮して上記(2)の判断をおこなった。生活習慣病対策やストレス評価、介護予防への利用を考慮して開発された腕時計型ストレス・カロリー計について、ライフステージ毎の精度の検証と応用法の検討を行うことが本研究の目的である。本年度は以下の実験および調査を行い、結果をまとめて学会および学術雑誌に報告した。健常中高年男性30名を対象に、ストレス・カロリー計を装着し睡眠時基底心拍数を得た後に、統一した活動(ストレス暗算、歩行等)を実施し、当機と既存の精密代謝機との精度の検証実験をおこなった。検証実験により得られた心拍数と加速度の変動から換算された消費カロリーは、既存の精密代謝器との間にある程度の高い精度が確認されため、換算式の各種係数(基底心拍数、精神活動係数、身体活動係数等)が当機に採用した既定値で適することを学会に報告した。さらに中高年男性92名を対象とした特定健診の結果とストレス・カロリー計から得た測定値との関係や厚労省ストレスチェック票との関係を調べた。ストレス・カロリー計の測定値は、生活習慣病関連の殆どの健診項目との間に有意な相関を示した。当内容を学会に発表し最優秀演題賞を得た。これら中高年を対象とした精度検証および検診結果との関係性をまとめて論文を作成し英文誌に採択された。また昨年度を中心に実施した若年男性を対象とした精度検証の研究成果が本年英文誌に掲載された。次年度は高齢者を対象とした実験を行うため、本年は予備実験を行い、高齢者の装置の仕様の留意点や特定活動の実験を行う場合の負荷量ついて確認した。

若年者を対象とした精度の検証実験をまとめた論文が英文誌に掲載された。中高年を対象とした検証実験の成果は学会発表した。さらに測定結果と特定健診の検査結果を比較した研究は学会発表を経て受賞もした(日本臨床栄養学会最優秀演題賞)。さらに上記の中高年の検証実験および健診結果との比較を併せてまとめた論文は、英文誌にアクセプトされた。以上より、おおむね順調に進展していると判断した。ストレス・カロリー計は生活習慣や生活時間を可視化し客観評価するために開発された。また当機では脈拍と加速度と睡眠時基底心拍数より換算してエネルギー消費量も得られる。本研究では当機の年代別のエネルギー消費量の精度や最適換算係数、日常生活への応用法を検討した。被験者(1975歳)約90名は当機と精密代謝測定器を同時装着し統一活動で得た両者の測定値を照合された。年代やBMIで換算式の係数の細分化によりさらに精度が高まった。運動経験の係数化には課題が残るが、全体として当機は個別対応可能なツールに成り得ると推察された。また当機使用で得たストレス、運動、睡眠時間と生活習慣病指標との関係を示すことができた。平成28年度は、中高年の消費カロリーの換算式の構築に関わる検証実験を上半期で完了させて秋期にはまとめたのち、29年度の学会発表を目指し28年度中に申請をおこなう。当検証実験の残りについては、被験者のリクルートは完了しており、実験実施日について現在具体的な調整をおこなっている。高校生と高齢者を対象とした検証実験は下半期から具体的に実施し、29年度上半期で完了させる。高齢者の実験は研究分担者の協力のもと神奈川工科大学にて実施する。高校生の検証実験は研究分担者が中心になり米子を拠点として実施する。当装置を利用した生活習慣病患者や産業衛生におけるストレス管理に関する実験は、平成28年秋期に学会発表を計画しているほか、引き続き実験の継続については研究分担者を中心に実施し、これらのデータの取りまとめに関しても、研究分担者の協力を得て構築式などの検討を行う。平成29年度は、高齢者を対象としたストレス・カロリー計の精度の検証実験と、高齢者の健康診断結果との関係を調べる予定である。検証実験の実施にあたり、予備実験にて高齢者におけるストレス・カロリー計の装着時の留意点や活動負荷量の確認を終えたため、今後は神奈川工科大学周辺および横浜市立大学医学部の周辺の高齢者を対象として、両校において実験を行う。また、高齢者の健診結果との照合については、現在データを得つつあるため、今後は現在の研究を継続することと、データに関する詳細な統計解析をおこなう。臨床栄養学端数として残った。次年度に繰り越し、消耗品等の購入に充てる。
自由境界問題における定常球の多重存在とその安定性

活性因子・抑制因子モデルとよばれるモデルに現れる境界面を記述するステファン型の発展方程式について、定常状態にある球面の存在と安定性について研究を行ないました。得られた結果は以下の通りです。まず球面状の境界面をもつ定常状態は一般に複数個存在することがわかりました。その安定性を調べた結果、それら複数個の定常球は、4種類に分類できることを証明しました。第1のタイプは安定な場合であり、第2のタイプは球対称なある摂動にのみ不安定であるものです。第3のタイプは最不安定なある非対称モードをもつもので、第4のタイプは2重のゼロ固有値をものものです。この結果は化学反応において核の生成と成長に対して知見と示唆を与えるものと思われます。ある種の自由境界問題におけるステファン型の発展方程式で定常状態にある球面について、その存在と安定性を研究している。この方程式をR^N(N【greater than or equal】2)で考えると、そのような定常球は存在するのか、また存在するとすれば何個あるのかが問題となる。これについて調べたところ、方程式から得られる二本の曲線の交点と定常球が一対一で対応していることが分かった。これにより定常球の存在条件また存在する場合の個数について結果が得られた。さらに一つ一つの定常球の安定性について線形化固有値問題で調べた。その結果、安定・不安定の判定条件が得られた。また上記の二本の曲線の交点における微分係数の大小をもとにこれらの定常球は4個のクラスに分類されることが分活性因子・抑制因子モデルとよばれるモデルに現れる境界面を記述するステファン型の発展方程式について、定常状態にある球面の存在と安定性について研究を行ないました。
耐等能制御におけるIL-15の生理的意義の解明および治療への応用

IL-15は主に上皮、脂肪細胞、免疫細胞から産生され、NK細胞やCD8陽性T細胞などの免疫系細胞の発生や維持に重要なサイトカインである。しかしながら、定常状態の耐糖能制御や2型糖尿病における生理的意義は不明であった。本研究では耐糖能の制御機構においてIL-15がどのような役割を担っているのかについてをIL-15のシグナルを調節する因子であるアダプタータンパク質Lnk/sh2b3 (Lnk)を中心に明らかにする事を目的とした。定常状態においてIL-15欠損マウスのインスリン産生能および抵抗性は野生型と変わらないものの、ピルビン酸負荷時において野生型と比較して有意に血糖の上昇が抑制されている事を明らかにした。IL-15依存的免疫細胞集団の関与を明らかにするために、IL-15欠損マウスをドナーとした骨髄移植マウスを用いて糖負荷試験を行った。しかしながら、野生型を移植したマウスと比較して変化は認められないことより糖代謝については免疫細胞集団の関与は認められないという結論となった。また、定常状態において耐糖能の悪化が認められるLnk欠損マウスおよびLnk/IL-15二重欠損マウスにおいて高脂肪食負荷を行い、炎症状態、耐糖能およびについての評価を行った。その結果、肥満状態においては野生型と比較してLnk欠損マウスの炎症の増悪および耐糖能の悪化が認められた。一方で、Lnk/IL-15二重欠損マウスにおいては炎症および耐糖能の悪化がLnk欠損マウスと比較して抑制されていることが明らかとなった。以上の結果より、IL-15は肥満状態にある免疫細胞の調節因子であり、炎症および耐糖能の調節において重要であることが明らかとなった。我々はIL-15欠損マウスを用いて解析を行ったところ、定常状態および肥満状態においてIL-15欠損マウスの血糖値が野生型と比べて低く保たれる事を見出した。本研究では耐糖能の制御機構においてIL-15がどのような役割を担っているのかを明らかにする事、また肥満の初期においていかにして脂肪免疫細胞の増殖が誘導されるかに関してアダプタータンパク質Lnk/sh2b3 (Lnk)を中心に明らかにする事を目的とした。IL-15欠損マウスを用いて継続して解析を行ったところ、定常状態においてIL-15欠損マウスのインスリン産生能および抵抗性は野生型と変わらないものの、ピルビン酸負荷時において野生型と比較して有意に血糖の上昇が抑制されている事を明らかにした。一方で、IL-15依存的細胞集団の関与を明らかにするために、IL-15欠損マウスをドナーとした骨髄移植マウスを用いて糖負荷試験を行ったところ、野生型を移植したマウスと比較して変化は認められなかった。脂肪内免疫細胞の増殖がいかに誘導されるかに関しては、Lnkの発現をモニターできるノックインマウス由来の脾臓細胞と脂肪組織存在下/非存在下で共培養しLnkの発現低下が生じるかを検討した。種々の免疫細胞におけるLnk発現を調べたところ、NK細胞は脂肪組織存在下条件において非存在下条件と比較してLnk発現が減少する事を見出した。また、この現象はIL-15の添加によってNK細胞の生存、維持が保たれることによって安定化される事を明らかにした。研究当初は定常状態におけるIL-15欠損マウスの血糖値は野生型マウスと比較して低く保たれることより、脂肪内におけるIL-15依存的免疫細胞が脂肪内における炎症および恒常性を調節し、耐糖能を制御している事を予想していた。しかしながら骨髄移植による検討の結果、IL-15欠損マウスをドナーとしたマウスは耐糖能異常を呈さなかった。一方で、IL-15欠損マウスはピルビン酸負荷時に野生型と比較して有意に血糖値の上昇が抑制された。この結果はIL-15が脂肪、肝臓、筋肉などの代謝組織に直接作用し、ピルビン酸からの糖新生を制御している可能性を示唆するものである。当初の予想とは異なる結果であったが、本結果からの研究計画について計画書に記載しており、今後はどのようなメカニズムで直接的に作用しているかについて検討を行っていく予定である。脂肪内免疫細胞の増殖がいかに誘導されるかに関しては、in vitroにおいて脂肪組織との共培養がNK細胞におけるLnk発現減少を誘導する事を示した。以前我々は肥満状態における増殖時のNK細胞はLnkの発現が減少することをin vivoにおいて示してきたが、本研究結果と合わせて考えるとこの現象は脂肪細胞との相互作用によって誘導する可能性が高いことが予想された。今後は研究計画に従い、どのような因子が発現変化に関わるかを同定して行く予定である。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ている。

本研究では耐糖能の制御機構においてIL-15がどのような役割を担っているのかについてをIL-15のシグナルを調節する因子であるアダプタータンパク質Lnk/sh2b3 (Lnk)を中心に明らかにする事を目的とした。定常状態においてIL-15欠損マウスのインスリン産生能および抵抗性は野生型と変わらないものの、ピルビン酸負荷時において野生型と比較して有意に血糖の上昇が抑制されている事を明らかにした。IL-15依存的免疫細胞集団の関与を明らかにするために、IL-15欠損マウスをドナーとした骨髄移植マウスを用いて糖負荷試験を行った。しかしながら、野生型を移植したマウスと比較して変化は認められないことより糖代謝については免疫細胞集団の関与は認められないという結論となった。また、定常状態において耐糖能の悪化が認められるLnk欠損マウスおよびLnk/IL-15二重欠損マウスにおいて高脂肪食負荷を行い、炎症状態、耐糖能およびについての評価を行った。その結果、肥満状態においては野生型と比較してLnk欠損マウスの炎症の増悪および耐糖能の悪化が認められた。一方で、Lnk/IL-15二重欠損マウスにおいては炎症および耐糖能の悪化がLnk欠損マウスと比較して抑制されていることが明らかとなった。以上の結果より、IL-15は肥満状態にある免疫細胞の調節因子であり、炎症および耐糖能の調節において重要であることが明らかとなった。現在までの検討によりIL-15が耐糖能制御において免疫細胞を介さず、直接的に働く事を示してきた。今後はどのようなメカニズムで作用しているのかを調べて行く予定である。血清中におけるアディポサイトカインの量をELISAで定量する。酸素消費量およびエネルギー消費量を測定し、脂肪細胞における熱産生や代謝に関連する遺伝子の発現を解析する。また、IL-15の下流シグナルであるJAK-STAT経路を阻害する事で肥満マウスの耐糖能が制御できるかどうかを検討する予定であり、JAKインヒビターを封入したカプセルを肥満マウスに埋め込み一定量が作用するシステムを用いて経時的に動態を解析していく。造血時においてLnkの発現が低下し幹細胞の増殖を促進させる機構があるように、Lnkは高脂肪食負荷時に脂肪内の免疫細胞が増大する際の制御因子となっていることが考えられる。この機構が明らかになれば、肥満による脂肪内炎症を制御できるかもしれない。本研究によって、脂肪細胞由来の因子によってNK細胞におけるLnkの発現低下を誘導することが示された。今後は脂肪細胞の培養上清と共培養をおこない、液性因子が発現の変動を誘導しているのか脂肪細胞との相互作用なのかを判断する。さらにどのような遺伝子群が変動しているかについて網羅的遺伝子解析を行う。液性因子の影響と判断できた場合、培養上清をアミノ酸シーケンスあるいはHPLC等で発現を変動させる因子を同定し、in vivoにおいて再現されるかについて解析して行く予定である。
介護福祉施設のストレス対策のための相談体制づくり

本研究では、介護福祉施設の管理者及び職員を対象に職業性ストレスとメンタルヘルス対策の現状を明らかにすることを目的とした。大半の施設ではケースバイケースで対応し相談体制は整っていなかった。男性、女性職員ともにストレス要因は全国労働者のストレス調査による、高ストレスカテゴリー割合の標準値より高い値を示していた。男性職員と女性職員では仕事の要求度と仕事のコントロール度のバランスが異なることも明らかとなった。メンタルヘルスを維持向上するための職場における取り組みは、性別を考慮した取り組みが求められる。本研究の目的は,ストレスの高い介護職員向けのセルフケアを中心としたストレスマネジメントマニュアルを作成すると共に,組織内での管理者の役割や介護職同士の相談体制や外部機関との連携モデルを作成し,その効果評価を測定することである。初年度は,介護福祉施設及び介護職員のストレス調査を実施した。調査項目は,対象者の特性(年齢,性別,婚姻状況,職種,就業年限,雇用形態,交替勤務の状況)と「職業性ストレス簡易調査票」と「Negative Acts Questionnaire(NAQ)の日本語版」を用いた。調査対象は,A県のB地区にある特別養護老人ホーム38施設中35施設の医師を除く全従業員1642名(回収率85%)から回答を得た。調査項目に欠損値のない1277名(66.1%)を分析対象とした。男性は300人,.平均年齢31.6(0±8.7)歳、女性は977人39.1(±12.5)歳であった。男性の78.0%、女性の71.0%が介護職を占めていた。その他の職種では男性はケアマネージャー9.7%、事務職が9.0%で、女性は看護職が12.4%、栄養職が6.8%であった。ストレス判定図に基づいた仕事の量的負担とコントロール度から判定される健康リスク100以下は4施設のみであった。本分析では簡易測定法を用いて得点を算出した。職員のストレス反応に関連する要因を明らかにするために,従属変数を心理的・身体的ストレス反応とし,各要因との関連を単変量ロジスティック回帰分析により男女別に行った。身体的ストレス反応は,男性は健康状態のみに関連し,女性では年齢,婚姻状況,雇用形態,職場のストレス,健康状態に関連がみられた。心理的ストレス反応に影響する要因には,男性は仕事のいじめと健康状況に,女性は個人的ないじめと年齢,雇用形態,交代勤務に関連がみられた。次年度は,施設管理者からストレス対策についての実施状況や,内容およびニーズを把握するためのヒアリング調査を実施する予定である。平成22年度は,介護福祉施設の相談体制の現状を面接調査した。調査方法は,平成21年度に調査協力が得られた33施設の施設管理者及び施設管理者が指定した人事担当者に面接調査への協力を依頼した。衛生委員会等のメンタルヘルス対策を審議する場の有無施設における実態の把握,心の健康づくり計画の策定,施設内体制の整備,教育研修の実施,メンタルヘルス不調者の早期発見と対応,メンタル不調で休業した人の職場復帰支援プログラムや従業員の中で精神的な問題が起きたときの体験や管理者として従業員が生き生き働けるような工夫について核になる質問をもとに自由に語ってもらう「半構造化面接」を実施した。面接内容は許可を得て録音した。3施設が施設外資源(相談機関)を活用し,相談窓口を設けていたが,大半の施設はケースバイケースで対応していた。話しやすい雰囲気作りを作っているので,相談体制は必要ない,直属の上司が相談相手となっている,職場として決まった相談体制の必要性を感じないといった意見が多かった。施設内では従業員を対象にした多くの研修が設定されているが,利用者のためのケアの質を向上するための研修が主で,従業員のメンタルヘルスを対象とした研修は少ない。次年度は,ストレスマネジメントプログラムを提供し,その効果評価を測定する予定である。平成22年度に実施した介護老人福祉施設の相談体制の現状把握及びストレスマネジメント紹介後の従業員の職業性ストレス及び対人関係を把握することを目的とし、平成21年度に使用した質問紙調査を実施した。調査項目は、対象者の特性、職業性ストレス簡易調査票とNegative Acts Questionnaire(NAQ)の日本語版である。2回共回答が得られた746名のリンケージ後の介護職は男性146名、女性462名であった。調査項目の記入不備を除いた4n名(男性114名、女性297名)を分析対象とした。分析は、各変数の基礎統計を算出後,初回調査時と2年後調査時のストレス要因,ストレス反応,対人関係の経年的変化は対応のあるt検定を行った。

心理的ストレス反応、身体的ストレス反応の初回調査時得点の中央値以上を高ストレス反応群、以下を低ストレス反応群とし、2年後調査時のストレス反応の変化・維持を低ストレス維持群(低→低)、ストレス低下群(高→低)、高ストレス維持群(高→高)、高ストレス変化群(低→高)に分類した。各ストレス要因については、2年後の各ストレス要因から初回調査の差を求め、各ストレス群の平均値を比較するために一元配置分散分析を行った。カテゴリ変数はχ2検定を用いた。ストレス反応に関連する要因を抽出するために、初回のストレス低群及び高ストレス反応群別に、群間で有意差が認められた項目を独立変数にした多重ロジスティック回帰分析を行った。結果、ストレス反応の変化・維持は身体的ストレス反応に有意差(p=0.006)が認められ、女性に高ストレス維持群の割合が高かった。群別にみたストレス反応に関連する要因としては、身体的ストレス反応高群には、人間関係(オッズ比(OR)=1.08,95%信頼区間(CI)=1.011.13)、心理的ストレス反応高群には人間関係、仕事の適性度、心理的な仕事の量的負担が有意に関連していた。介護福祉施設ではストレス対策のための相談体制が一般化されていない現状でのストレス対策が急がれる。引き続き介入調査を行う予定である。
超高効率低価格化合物半導体/Siタンデム型太陽電池に関する研究

化合物半導体とシリコンを積層したタンデム太陽電池は変換効率が30%を越える超高効率、低価格太陽電池として注目される。本研究ではSi基板上GaAsの転位密度と応力の低減、及びGaAs/SiとAlGaAs/Siタンデム太陽電池の高効率化について研究した。結晶成長は有機金属気相成長法(MOCVD)を用いた2段階成長法を用いた。転位密度の低減には結晶成長途中の熱サイクルアニール(TCA)を、応力低減にはGaSbを用いてYAGレーザ照射を行った。TCA温度を上げると少数キャリアの寿命は長くなり、1000°Cアニールでは3.36nsと長い寿命が得られた。InGaAs/GaAs歪超格子を中間層に用いることにより少数キャリア寿命は2.82nsから2.92nsに向上し、断面透過電子顕微鏡写真から転位が歪超格子で横に曲げられていることが確認できた。転位密度もTCA温度の増加と共に減少し、1000°Cのアニールでは9×10^6cm^<-2>となった。YAGレーザ照射のレーザ出力、パルス幅、照射回数を最適化することにより応力を零とすることができた。得られた高品質の結晶を用いてAlGaAs/SiとGaAs/Siタンデム太陽電池を作製した。太陽電池の変換効率は組成傾斜エミッタ層を用いることによって向上した。Al_<0.15>Ga_<0.85>As/Siタンデム太陽電池ではAlGaAsセルとSiセルの電流が整合し、2端子出力で21.2%の効率が得られた。また、GaAs/Siタンデム太陽電池では3端子出力で22.1%(トップセル: 17.7%、ボトムセル: 4.4%)の変換効率が得られた。この値はモノリシック型化合物半導体/シリコン太陽電池では世界最高値である。本研究は安価なシリコン(si)基板上にレーザー照射により有機金属気相成長法(MOCVD)で転位密度と応力が少なく、高品質のガリウムの砒素(GaAs)やアルミニウムガリウム砒素(AlGaAs)半導体を結晶成長し、その結晶を用いて効率30%以上の高効率タンデム型太陽電池を作製することを目的としている。昨年度まではAlGaAs/Siタンデム太陽電池で効率17.1%が得られていたが、効率の低い大きな原因はSi基板上に結晶成長したGaAsの転位密度が多く、応力がかかっているためである。Si基板上に成長したGaAsの転位は結晶成長後の冷却過程に導入されるということが明らかになっている。そこで、我々は中間層の禁制帯幅を上層のそれより小さくすることにより上層には影響を与えず、中間層だけをレーザーを励起できる構造を成長することによって、熱応力の発生を抑え、転位を低減する方法を用い、低転位で歪の無い化合物半導体が成長を行った。Si基板上にGaSbを中間層としてGaAsを結晶成長し、YAGレーザ照射を行った。レーザ出力、パルス幅、照射回数を最適化することにより、GaAsの応力を零にすることが可能となった。また、AsH_3雰囲気中で熱アニールを行うことにより、さらに転位密度を低減できることができ、10^6cm^<-2>台の転位密度が得られた。次にGaAs/Siの3端子タンデム太陽電池とAlGaAs/Si2端子(4端子)タンデム太陽電池の高効率化を行った。

結晶成長条件、構造を最適化することにより、3端子GaAs/Si太陽電池では19.5%、4端子AlGaAS/Si太陽電池では変換効率20.6%を達成した。この値は化合物半導体/シリコンモノリシックタンデム太陽電池では世界最高値である。本研究は安価なシリコン(Si)基板上にレーザー照射法などを用いて転位密度と応力が少なく、高品質のガリウム砒素(GaAs)やアルミニウムガリウム砒素(AlGaAs)半導体を結晶成長し、効率30%以上の高効率タンデム型太陽電池を作製することを目的としている。昨年度まではAlGaAs/Siタンデム太陽電池で効率20.6%が得られていたが、さらに変換効率を向上させるためにはSi基板上に結晶成長したGaAsの転位密度と応力を低減する必要がある。そのために、熱サイクルアニール温度の最適化とレーザ照射による応力低減を行い、結晶評価を行った。Si基板上に禁制帯幅の小さいGaSbを中間層としてGaAsを結晶成長し、YAGレーザ照射を行った。試料の大きさがレーザの径より小さい時、レーザ出力、パルス幅、照射回数を最適化することにより、GaAsの応力を零にすることが可能となった。また、AsH_3雰囲気中で熱アニールを行うことにより、さらに転位密度を低減できることができ、10^6cm^<-2>台の転位密度が得られた。熱サイクルアニール温度を変化させたところ、9501000°Cあたりで良質の結晶が得られた。次に最も良質の結晶を用いてGaAs/Siの3端子タンデム太陽電池とAlGaAs/Si2端子(4端子)タンデム太陽電池を作製した。組成傾斜層エミッタ層用いることにより、変換効率は4端子AlGaAs/Si太陽電池では変換効率21.4%を達成した。化合物半導体とシリコンを積層した太陽電池は変換効率が30%を越える超高効率、低価格太陽電池として注目される。GaAs/Si3端子出力型タンデム太陽電池はトップセルとボトムセルの電流整合させることなく高い変換効率が得られる。本年度はSi基板上GaAs結晶性の改善とGaAs/Si3端子タンデム太陽電池を作製した。本研究では有機金属気相成長法(MOCVD)でSi基板上にGaAsを低温で堆積した後、通常の温度で太陽電池を作製した。結晶性を改善するために結晶成長途中に熱サイクルアニール(TCA)を行ない、TCAの温度を900°Cから1000°Cまで変化させた。時間分解フォトルミネセンス測定からTCA温度を上げると少数キャリアの寿命は長くなり、1000°Cアニールでは3.36nsと長い寿命が得られた。転位密度もTCA温度の増加と共に減少し、1000°Cのアニールでは9×10^6cm^<-2>となった。さらに結晶性を改善するためにInGaAs/GaAs歪超格子を中間層に用いた。900°CのTCAでは歪超格子を中間層に用いることにより少数キャリア寿命は2.82nsから2.92nsに向上し、断面透過電子顕微鏡写真から転位が歪超格子で横に曲げられていることが確認できた。高いTCA温度(1000°C)、MgF_2/ZnSで構成される最適な長さの反射防止膜を用いてGaAs太陽電池を作製することによってトップセルの変換効率は向上し、3端子出力で22.1%(トップセル:17.7%、ボトムセル:4.4%)が得られた。この値はモノリシック型化合物半導体/シリコン太陽電池では世界最高値である。
氷-水界面にある活性不凍化タンパク質の分子レベルの測定と数値シミュレーション

極海に生息する魚から抽出される不凍化タンパク質タイプIの主要成分であるHPLC6に注目し、氷-水界面近傍にあるHPLC6の影響に関するナノレベルの測定と数値シミュレーションを行った。測定に関しては、HPLC6を合成して、その特定のアミノ基に蛍光試薬を標識した。間隔約50ミクロンのカバーガラスにはさまれたHPLC6の水溶液を冷却し、一方向に氷結晶を成長させた。このときの微小領域における蛍光強度、温度、界面位置を高精度で計測した。その結果、(1)低い氷結晶成長速度では、タンパク質濃度が高いほど成長速度が低下すること、(2)氷の成長によりタンパク質は氷表面に集中するが、氷の融解時には表面から離脱すること、(3)結晶中に現れる筋状の不凍部はHPLC6により形成された液相領域であること、などが明らかになった。他方、数値シミュレーションに関しては、HPLC6の一部である9個のアラニン残基、2個のトレオニン残基、1個のアスパラギン残基からなるポリペプチドモデルを作成した。またトレオニンをバリンに置き換えた変異体モデルも作成した。これらを含む水、あるいは氷-水混合系に関する分子動力学解析を行った。平均二乗変位、回転相関関数、角度分布関数、二面角分布関数、水素結合相関関数などの統計量を比較し、ポリペプチドモデルの側鎖サイトがその周辺の水分子へ及ぼす影響について検証した。計算結果より、アスパラギン残基近いトレオニン残基が水素結合により氷結晶のプリズム面に近づくこと、アラニン残基のみならずトレオニン残基にも含まれるメチル基が疎水性水和構造の形成を誘起すること、この構造が氷成長を阻害すること、複数のモデルが接近しているときにはこの構造が優勢であること、などを示した。極海に生息する魚から抽出される不凍化タンパク質タイプIの主要成分であるHPLC6に注目し、これを合成して、特定のアミノ基に蛍光試薬を標識した。このHPLC6の水溶液において、ゆっくりと成長する氷結晶界面近傍におけるHPLC6の位置、温度変化、氷結晶変化の計測を行った。この目的のため、微小領域の蛍光強度、温度、界面位置を高精度で計測できるシステムを製作し、緩やかな冷却を可能とする装置と組み合わせ、現有の高性能顕微鏡のステージに設置した。測定の結果、冷却板、温度計測用極細熱電対、観察画像の処理などが妥当であることを確認した。さらに、HPLC6に特有の凝固点降下を得た。また、氷結晶の成長とともに、界面付近ではHPLC6が界面に拘束され集中していること、結晶中に筋状の不凍部が現れることを示した。これらの非一様性が、不凍化のメカニズムに関連する可能性を示した。一方、HPLC6の一部である4個のアラニン残基を含むポリペプチドモデルと、3個のアラニン残基と1つのトレオニン残基からなるポリペプチドモデルを作成し、これらを含む水、あるいは氷-水混合系に関する分子動力学シミュレーションを行った。自己拡散関数、動径分布関数、角度分布関数などの統計量を比較し、ポリペプチドモデルの側鎖サイトがその周辺の水分子へ及ぼす影響について検証した。計算結果より、各モデルの極性サイト(酸素原子や水素原子など)の周りでは、水中の水分子との水素結合による結びつきが顕著に表れる事を確認した。また、極性サイトは氷中の水分子との水素結合にも貢献すること、このとき非極性サイトが水中の水分子の氷表面への接近、すなわち凝固を阻害する可能性があること、を示した。測定の結果、冷却板、温度計測用薄膜熱電対、観察画像の処理などが妥当であることを確認した。さらに、HPLC6に特有の凝固点降下、界面速度および室温の関係を得た。また、氷結晶の成長とともに、界面付近ではHPLC6が界面近傍を移動すること、および結晶中に現れる筋状の不凍部は凝集したHPLC6によることを示した。一方、HPLC6の一部である9個のアラニン残基、2個のトレオニン残基、1個のアスパラギン残基からなるポリペプチドモデルを作成し、これを含む水、あるいは氷-水混合系に関する分子動力学シミュレーションを行った。計算結果より、各モデルの極性サイト(酸素原子、水素原子、ヒドロキシル基、アミド基のカルボニル部など)の周りでは、水中の水分子との水素結合による結びつきが顕著に表れる事を確認した。また、極性サイトは氷中の水分子との水素結合にも貢献すること、このとき、非極性サイト(メチル基)が水中の水分子の氷表面への接近、すなわち凝固を阻害する可能性があること、を示した。