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分光学的および動力学的手法による化学反応遷移状態の追求

この総合研究班は素反応の研究において現在もっとも活発な研究を行っている研究者が情報交換できる機会を持てるようにするために作られた研究班である.この分野における現在の最大の課題は,化学反応が起る際の遷移状態についての情報をどのように集めるかにある.班員はそれぞれ特長ある実験的および理論的手法を持っているので,その都度グループをつくり,連絡をとり合って,別に提出した報告書に示したような大きな成果を揚げることができた.以下その成果の概要を述べる.交叉分子線法を用いた正畠・宗像のグループでは,我が国における交差分子線法の確立をこの3年で行った.励起原子や電子線の衝突を利用して素反応を研究している近藤・綱島・辻のグループでは,次々に新しい反応を調べ上げ,欧米の研究と先を争っている.ラジカル反応を調べている小尾・幸田のグループは酸素原子の反応に関し,新しい知見を得て話題を集めている.芽・梶本の班では,各種の水銀原子クラスターとN_2Oの二量体について半反応の手法を確立し,この分野をリードしている.また秋元は固体酸素中において各種炭化水素ラジカルの反応を調べ,光酸化反応の遷移状態研究に新しい方法を提出した.イオン・分子反応の遷移状態を追求している小谷野らはCH_4^++CH_4→CH_5++CH_3などの反応について詳細な研究を行い,世界の注目を集めている.また桑田らは分子配向衝突装置を完成,話題になりつつある.理論グループである笛野は, NHラジカル反応の全体像を完成,加藤は無輻射遷移の機構について新しい取り扱いを提出した.また佐藤はトンネル効果について新しい知見をえ,新理論への手掛りを示した.この研究班の成果は,我が国における素反応研究のマイルストーンになると信ずる.この総合研究班は素反応の研究において現在もっとも活発な研究を行っている研究者が情報交換できる機会を持てるようにするために作られた研究班である.この分野における現在の最大の課題は,化学反応が起る際の遷移状態についての情報をどのように集めるかにある.班員はそれぞれ特長ある実験的および理論的手法を持っているので,その都度グループをつくり,連絡をとり合って,別に提出した報告書に示したような大きな成果を揚げることができた.以下その成果の概要を述べる.交叉分子線法を用いた正畠・宗像のグループでは,我が国における交差分子線法の確立をこの3年で行った.励起原子や電子線の衝突を利用して素反応を研究している近藤・綱島・辻のグループでは,次々に新しい反応を調べ上げ,欧米の研究と先を争っている.ラジカル反応を調べている小尾・幸田のグループは酸素原子の反応に関し,新しい知見を得て話題を集めている.芽・梶本の班では,各種の水銀原子クラスターとN_2Oの二量体について半反応の手法を確立し,この分野をリードしている.また秋元は固体酸素中において各種炭化水素ラジカルの反応を調べ,光酸化反応の遷移状態研究に新しい方法を提出した.イオン・分子反応の遷移状態を追求している小谷野らはCH_4^++CH_4→CH_5++CH_3などの反応について詳細な研究を行い,世界の注目を集めている.また桑田らは分子配向衝突装置を完成,話題になりつつある.理論グループである笛野は, NHラジカル反応の全体像を完成,加藤は無輻射遷移の機構について新しい取り扱いを提出した.また佐藤はトンネル効果について新しい知見をえ,新理論への手掛りを示した.この研究班の成果は,我が国における素反応研究のマイルストーンになると信ずる.本研究グループでは6班にわかれて研究し、その成果を総括するように計画しているので、2年目である本年度は、昨年度と同じく1月1921日に、本年度の成果を持ちよって研究会を開いた。以下に各班による本年度の成果を簡単に述べる。第1班では、分子交差法により、希ガスの励起状態Ar(【^3Po2】)とKr(【^3Po2】)のビームとN【H_3】のビームを衝突させ、NHの励起状態(【A^3】π)と(【C^1】π)を作り、これらの励起状態からの発光(【A^3】π→【X^3】π)(【C^1】π→【a^1】π)を調べて、反応による分岐比を希ガスの並進エネルギーの関数として測定したところ、ArとKrとでは著しい差のあることを見出した。現在、その理論的説明を探っている。第2班では、電子衝撃によって作った【N_2】(3【Σu!+】)励起分子を、表面に蒸着させておいたバイアセチルに衝突させ、バイアセチルからの燐光を観測し、量子収率【10^(-3)】を導いた。この方法は【N_2】(3【Σu!+】)の新しい検出法になると思われる。第3班では、O(【^3P】)とエチレンとの反応の初期過程によって生成するラジカルをマイクロ波分光によって検出し、2つの過程a)ビノキシラジカルと水素原子、b)C【H_3】とCHOとの全反応に対する割合が0.4±0.1:0.5±0.1となることを示した。この結果は、最近の他の研究者の測定値にほゞ等しい。第4班では、Hgの励起状態(【^3P1】)とXeとの作るファンデアワールス分子のポテンシャル曲線をレーザ誘起蛍光のスペクトルから描いた。

第5班では、TESICO法をさらに発展させ、C【H4!+】(υ)+C【H_4】→C【H5!+】+C【H_3】の反応における4つの分岐反応を振動量子数υの関数として測定した。その結果、【H^+】移動が0、7,H原子移動が0.2,電荷移動が01であることがわかった。第6班では、H+【H_2】反応の理論計算を絶対零度に至る低温に外挿し、その際顕著に現われる特徴が、実はウィグナーの閾値則と密接に関係のあることを示した。素反応の1つの極限形を示したものである。
システム挙動モデルを用いたシステム信頼性・安全性解析

本研究は、解析者の経験や主観的判断による解析結果の差異や誤りを防ぐため、システム信頼性・安全性解析の基礎となるシステム故障に関する知識をシステム挙動モデルから導出する方法の確立を目的とする。平成9年度は、設計仮定からシステム挙動モデルを合理的に得るために、物理的現象と要素モデルの対応が明確なボンドグラフ(BG)の利用を試みた。BGはエネルギー流に着目して、電気系、機械系や油圧系を統一的に表現する。またエネルギー貯蔵を表す状態変数、エネルギー供給を表す入力変数と各要素の特性関数で表されるシステム状態方程式でシステムの動的な挙動が表現される。要素故障は特性関数や入力関数の変化で表せば、故障影響度は各状態変数の偏差で評価できる。設計の初期段階では要素特性が定性的な情報でしか与えられないので、定常状態における制約条件を用いて状態変数の変化を定性的に評価する方法を開発した。平成10年度は、影響度解析をより効果的に行う方法を開発した。まず、BGから得られるシステム状態方程式をツリーグラフ(TG)で表現する:ノードはBGの各素子や状態変数や入力変数を、ノード間を結ぶ枝は要素間の入出力関係を表す。要素故障による偏差をTG上で伝播させて、各ノード出力の偏差を求めてその影響を評価する。ノードの特性関数は自由に設定できるので、多重故障も取り扱える。各ノード出力がシステム状態(圧力や流量等)に対応するので、TGから各システム状態への影響も評価できる。また、システム挙動に対する仮定が正しい限り解の妥当性が保証される。油圧システム等の解析に適用して本手法の有効性を確認した。さらに、要素故障発生直後の偏差も同様に求められる。故障影響解析結果は一種の故障診断表と考えられるので、故障診断への応用も検討した。なお、TGを用いた故障原因推定は、原因候補を効果的に絞り込むことができず、今後の検討課題となった。本研究は、システム信頼性・安全性解析の基礎となるシステム故障に関する知識をシステム挙動モデルから導出する方法の確立を目的とする。従来用いられているFMEAでの影響度評価やFTAでのシステム故障と要素故障の論理関係の導出はシステム解析者の経験や主観的判断に依存していたが、本研究では、設計仮定を表現する客観的なシステム挙動モデルを用いることにより解析者による解析結果の差異や誤りをなくすることを試みる。研究の初年度である本年度は、まず設計仮定からシステム挙動モデルを簡単に導出するために、物理的現象と要素モデルの対応が明確なボンドグラフ手法を用いることを試みた。ボンドグラフはシステム内を流れるエネルギーに着目したモデル化手法であるので、電気系、機械系や油圧系を統一的に表現でき、またエネルギー貯蔵量を表す状態変数、エネルギー供給を表す入力変数および各要素の特性関数で表されるシステム状態方程式でシステム挙動が表現できる。要素故障は特性関数の変化や入力関数の変化として表されるので、故障影響度は各状態変数の偏差として評価できる。要素特性が詳細に得られた段階では各要素の特性関数を明確に表現できるが、設計の初期段階では定性的な情報でしか要素特性が記述されていない。そこで、特性関数の入出力関係の増加/減少のような定性的に表された要素故障に対して状態変数の変化を定性的に評価する方法について検討した。定常状態における状態変数が満たすべき制約条件を用いて定常状態における変数変化を導出する方法を開発した。本年度は、昨年度のボンドグラフ(BG)を用いた故障影響度解析を効果的に行う方法を開発した。まず、BGから得られるシステム状態方程式をツリーグラフ(TG)の形で表現する:ノードはBGの各素子や状態変数や入力変数を、ノード間を結ぶ枝は要素間の入出力関係を表す。

要素故障はノードの特性関数の変化や入力変数の定性的偏差として表され、定常状態における拘束条件を用いて想定故障による偏差をTG上で伝播させて、各ノードの偏差を求めてその影響を評価する。ノードの特性関数は自由に設定できるので、多重故障の影響を評価できる。また、各TGの各ノード出力がBGで表現されるシステムの状態(圧力や流量など)に対応するので、各状態への影響も評価できる。また、故障影響解析は自動的に行われるので、システム挙動に対する仮定が正しい限り解の妥当性が保証される。タンクシステムや油圧システムの解析に適用して本手法の有効性を確認した。さらに、要素故障発生直後の偏差を求める方法も検討した。定常状態の場合と違い、故障により発生した偏差をTGの出力方向に伝播させると、その影響がシステムに新たな定常状態を生じるのか、あるいは発散拡大現象を生じるのかが判別でき、かつその初期偏差が得られる。これらの影響解析結果は一種の故障診断表と考えられるので、故障診断への応用も検討した。故障影響解析がTG上でBG素子に対応するノード特性を設定して状態変数を表すノードや枝を伝わる偏差を定めるが、故障原因解析はこの逆に枝やプラント状態の偏差(観測兆候)から素子を表すノードの状態を決定する。TGに基づく故障原因推定では原因候補数が非常に多くそれを絞り込む方法を導出するまでにいたらず、故障原因解析は今後の検討課題となった。解析システムに関しても、同様に原因解析部分ならびにBG入力部分を今後さらに開発する必要がある。
大陸棚－外洋間海水交換とその海洋循環への影響に関する数値モデリング研究

本研究課題で設定した3個の研究項目(1大陸棚海底付近・大陸棚縁の微小物理過程のモデリング手法開発、2外洋深層水の南極大陸棚上への貫入、3北極海の大陸棚過程)で得られた成果を反映した全球海洋大循環モデリングを実施し、大陸棚ー外洋間海水交換が全球海洋深層循環・物質循環におよぼす影響を評価した。特に、南極大陸棚とその外洋域の間の海水交換の結果として、南極大陸棚上で形成される高密度海水が全球海洋深層に行き渡る過程を定量化した。平成29年度が最終年度であるため、記入しない。以下の3項目について研究を実施した:1大陸棚海底付近・大陸棚縁の微小物理過程のモデリング手法開発、2外洋深層水の南極大陸棚上への貫入、3北極海の大陸棚過程。1では、超高解像度の3次元非静力学海洋モデルを用いて、理想化された設定のもとで大陸棚海底・大陸棚縁で生じる物理過程に対する個別のモデリングを実施した。潮流・沿岸波動・前線不安定といった大陸棚上/縁に典型的な小規模擾乱現象に起因する海水輸送・混合を仮想トレーサー実験等によって定量化した。また、大陸棚海底上堆積物の外洋への輸送を扱うために、3次元非静力学海洋モデルの中に懸濁粒子の捲き上げ・輸送・沈降過程を取り入れた。2では、南大洋の循環や温度・塩分構造を現実的に再現するのに十分な解像度の南大洋全域モデルと、大陸棚から大陸棚縁にかけての小規模な地形や擾乱を表現することができる南極沿岸モデルの設定や境界条件を作成した。また、南大洋全域モデルと南極沿岸モデルを双方向にネストして相互作用させながら計算する枠組みも整えた。これらのモデルを短期間実行する予備実験を行い、基本的な動作確認をするとともに、次年度以降の実験結果を解析するための基本的なツール群を整備した。3では、比較的高解像度の北極海モデルと比較的低解像度の北大西洋中高緯度モデルの2種類を構築し、双方向ネストする枠組みを整えた。また、太平洋水・大西洋水が流入する2箇所の大陸棚域(太平洋側:チュクチ海・カナダ沿岸、大西洋側:バレンツ・カラ・ラプテフ海)に対する高解像度局所モデルと、水平格子20 km程度の北極海全域モデルを双方向ネストする枠組みも整えた。3次元非静力学モデルに懸濁粒子過程を取り入れる際、当初予期しなかった困難が発生したため、本来は平成26年度中に終える予定であったモデル開発が翌年度にまでずれ込む結果となった(研究費の繰越を行った)。それ以外の点については概ね順調である。1では、海底堆積物輸送過程(捲き上げ・混合・輸送)を取り入れた海洋モデルを構築し、現実的な設定のもとで実行した。大陸棚上/縁のみを対象領域とした実験で、様々な要素の相対的重要性を定量化した。2では、外洋の条件を固定して南極沿岸モデルのみを計算する実験を行い、外洋深層水が南極大陸棚上へ貫入する過程を詳細に扱った。経年変動する風等を用いた10年以上のシミュレーションを通して、外洋深層水の上昇・貫入過程に関する南極大陸周囲全体にわたる統合的な描像を提示した。3では、局所高解像度化モデルを用いた数値実験により、太平洋・大西洋から流入する海水の大陸棚上での輸送・変質過程を定量化した。局所高解像度化領域とした大陸棚上での流入海水の変質(冷却、結氷に伴う高塩分化など)について、数多くの実験を行いながら理解・定量化し、それを現実的に再現するモデル設定を確立した。各研究項目におけるモデル開発および実験実施は順調であり、当初見込んだ成果を概ね達成している。1では、海底堆積物輸送過程(巻き上げ・混合・輸送)を取り入れた海洋モデルを構築し、丹後海という現実設定のもとで実行して、由良川の大量出水に起因する陸域起源物質の輸送・堆積過程を計算し、観測データを用いて検証した。2では、南大洋全域の高解像度数値モデリングにより、南極大陸棚上への外洋深層水の貫入とその高密度水への変質過程を定量化した。3では、北極海全域の高解像度数値モデリングにより、大西洋から北極海シベリア側大陸棚上に流入した海水の大陸棚上での変質過程および北極海外洋への流出過程を定量化した。研究実施計画と比べて、採用した手法や対象とした海域についての若干の変更はあったものの、想定していた成果が十分に得られた。また、それらをまとめた論文も出版できた。

特に、南極大陸棚とその外洋域の間の海水交換の結果として、南極大陸棚上で形成される高密度海水が全球海洋深層に行き渡る過程を定量化した。モデル開発の遅れは概ね取り戻しており、今後は当初計画通りに順調に研究を推進することができる見込みである。当初計画の通り、各研究項目においてより現実的な設定やより広範囲にわたる設定のもとで数値実験を行い、大陸棚ー外洋間海水交換過程についての知見を得る。ここまでの進捗が順調であるので、当初計画通りに最終年度のとりまとめを遂行する。平成29年度が最終年度であるため、記入しない。
マルチスケールシミュレーションによる核酸立体構造予測

RNA1塩基を3つの球(P:リン、S:糖鎖、B:塩基)で表現する粗視化モデルを構築した。このモデルを用いて分子動力学シミュレーションを行ったところ、初期構造に依らず、天然状態における立体構造に正しく巻き戻った。H23年度は、RNAを表現する粗視化モデルの構築を行った。具体的には、球間の距離・角度・ねじれ角を拘束するばね、静電相互作用、vdW相互作用に関するパラメーターの最適化を行い、一定の成果を上げた。この内容で、論文を投稿する予定であったが、他研究者によるRNA立体構造予測を行う研究がいくつか発表されたため、(例:Irina Tuszynska and Janusz M Bujnicki; 2011, BMC Bioinfo)、H24年度では、現在のモデルの性能をさらに向上させてから発表をすることにした。具体的には、当初の予定よりもさらに多数のRNAに対して(100個程度)予測を行い成功させることを目標とした。そのために、H23年度とは異なったアプローチで粗視化モデルの最適化を行った。具体的には、PDBに登録されているRNA立体構造を多数集め、統計データベースを作成し、そこから結合長などの平均値・分散を抽出し、モデル構築を試みた。さらに、世界一の予測精度を持つRNA二次構造予測ソフトCentroidFold(東大・浜田道昭准教授・浅井潔教授)で用いられている、塩基対形成確率モデル(ContraFoldなど)を相互作用エネルギーとしてモデルに取り込み、立体構造予測を行った。新モデルは一定の成果は上げてはいるが、多数(100個)のRNAに対して成功するレベルまでは到達していないため、現在改良を続けている。また、モデル作成の過程で、塩基対ペア形成確率の値が低ければ、そのRNA塩基が他の分子(蛋白質)と相互作用している場合が多いことを発見した。つまり、ContraFoldなどの塩基対形成確率モデルは、RNA単体の構造予測のみならず、RNA-蛋白質複合体の構造予測にも用いることができることを示した。本内容に関して論文を執筆し、現在投稿中である。本研究では、粗視化モデルによるMDシミュレーションと、その結果をもとにした全原子モデルによるMDシミュレーションからなるマルチスケールシミュレーションを用いて、RNAの立体構造予測を行う。H23年度は、このうち粗視化モデルの構築を行った。すでに申請時に1塩基を3球(リン酸・糖・塩基)で表現することなど、モデル構築はある程度進んでいたが、本年度は、球間の距離・角度・ねじれ角を拘束するばねの強度、および球間に働く静電相互作用、vdW相互作用の強度に関するパラメーターの最適化を行った。すでに立体構造が解かれているRNAに対して構造予測することで、これらのパラメーターの検証を行った。検証の結果、短めのRNA配列(<40塩基)であれば、ほとんどの場合、その立体構造を当てることができることがわかった。その立体構造を当てることができることがわかった。また、予測にかかる計算時間は、CPU1コアを用いた計算で、10分以内に終了することがわかった。最近RNAの立体構造を予測するコンテストが開かれたが(CruzJAetal; RNA-Puzzles:そこで出題された問題(5'-CCGCCGCGCCAUGCCUGUGGCGG-3'のdimer)に対して、本申請で開発した粗視化モデルを適用したところ、正解構造を予測することに成功した。構造予測の分野でこれまで用いられてきた、二次構造予測プログラムは、今回の問題のような多量体に対する予測は行うことができない。つまり、本申請で開発したモデルを用いれば、これまでの技術では構造を予測することが困難な問題に対しても、有効であることが示された。現在、粗視化モデルに関する結果をもとに、論文を執筆中である。東日本大震災によって、関東地区は節電する必要に迫られ、春・夏期に研究用計算機システムを長期間停止する必要があった。また、所属するセンターは理論系のみからなり、すべての研究を計算機を用いて行うため、優先的に電力を制限しなければならない施設に指定されているため、夏期に特に大規模な節電(15%以上)をする必要があり、停止する機器を決定するための調査業務に時間を取られた。また、来年度(H24年度)も節電する可能性が高いため、新たな計算機システムを導入することできない状況になっていることも研究が遅れている要因の一つである。今年度も夏季の節電対策のために、計算機システムを停止させる可能性が高いため、節電対策の影響を受けにくい外部の計算機センターの計算機資源を利用することで、研究が継続するように努めたい。外部の大学・研究所の計算機センターの使用料に充てる。また、電力状況が安定することが確実になった場合、計算機システムの導入に使用する。
膀胱癌患者における膿尿発現の機序解明とBCG抵抗性克服に向けた治療戦略

平成30年度は29年度の続きで膀胱癌切除標本の選定を行い、HE染色にて腫瘍細胞の評価が客観的に可能な検体を選定したうえで、腫瘍周囲に存在する腫瘍関連好中球の評価を行った。CD66b抗体を用いて、好中球の染色を行い尿中白血球と腫瘍関連好中球との発現の関連を検討した。まだ明らかな発現の関連性は示せていないが、症例数を重ねていく予定である。また29年度に引き続き選定した標本の未染検体を作成し、抗CD14抗体、抗CD33抗体、抗CD16抗体、抗CD66b抗体、抗CD11b抗体、Arginaseによる免疫染色を行った。本研究は腫瘍関連好中球、PDL1抗体の確認を目的としており、それらの発現の関連について考察検討するものであるため、免疫染色による評価を行った。当初、多重染色によりこれらの発現の関連を示せる計画であったが、統計学的にはまだ症例数が不足しており、今後症例を重ねていく予定である。また腫瘍関連好中球、PDL抗体の発現と臨床データを比較して、検討を続けていく予定である。腫瘍関連好中球の発現の評価のための抗体の選定がはかどらなかったため。尿中白血球、腫瘍関連好中球、PDL1の発現の関連の解析のために症例数を積み重ねる必要があるため。平成31年度は腫瘍関連好中球、PDL1の発現関連についてのさらなる症例数において解析、臨床データとの比較解析を行う予定である。平成29年度はまず膀胱癌切除標本の選定を行い、HE染色にて腫瘍細胞の評価が客観的に可能な検体を選定したうえで、腫瘍周囲に存在する腫瘍関連好中球の評価を行った。次に選定した標本の未染検体を作成し、抗CD14抗体、抗CD33抗体、抗CD16抗体、抗CD66b抗体、抗CD11b抗体、Arginaseによる免疫染色を行った。当初、それぞれの発現の関連の評価が昔買ったため、多重免疫染色による評価を行った。今後、発現の関連については症例数を重ねている段階である。また腫瘍関連好中球、PDL抗体の発現と臨床データを比較して、検討を重ねている段階である。腫瘍関連好中球の発現の評価のための抗体の選定に時間を費やしてしまったため。腫瘍関連好中球、PDL1の発現の関連の評価の手法の検索に試行錯誤を重ねたため、時間を費やしてしまったため。平成30年度は腫瘍関連好中球、PDL1の発現関連についての解析、臨床データとの比較解析を行う予定である。腫瘍関連好中球の発現の評価のための抗体の選定や、腫瘍関連好中球、PDL1の発現の関連の評価の手法の検索に試行錯誤を重ねたため、時間を費やしてしまったため、当初初年度に予定していた尿中IL-2,IL-8,IL-10や免疫染色の試薬の購入の段階まで研究が進まず、次年度使用額が生じた。平成30年度はこれら試薬の購入の費用に充てる予定である。腫瘍関連好中球の発現の評価のための抗体の選定や、腫瘍関連好中球、PDL1の発現の関連の評価の手法の検索に試行錯誤を重ねたため、時間を費やしてしまったとともに、更なる症例数における解析、研究が必要であった。そのため、当初初年度に予定していた尿中IL-2,IL-8,IL-10や免疫染色の試薬の購入の段階まで研究が進まず、次年度使用額が生じた。平成31年度はこれら試薬の購入の費用に充てる予定である。
軟骨細胞と骨髄由来間葉系細胞の2層培養による移植用骨軟骨複合体の作成

本研究の目的は、軟骨細胞と骨髄由来間葉系細胞を層状に共培養することにより、移植用の骨軟骨複合体を作成することである。In vitroでの軟骨組織の作成には、従来コラーゲンゲルや3次元構造ポリマーなどの足場材料(scaffold)が利用されているが、本研究ではこうした足場材料を用いない方法であるAlginate-recovered-chondrocyte法(ARC法)を用いた。ウサギ骨髄由来間葉系細胞を培養インサート上に種々の濃度で高密度培養し、その上にARC法により軟骨組織を作製した。播種する骨髄由来間葉系細胞の数を増やすことにより、軟骨組織中のコラーゲン含有量は変化しなかったが、プロテオグリカン含有量は有意に低下した。作製された組織は、4週目以降ピンセットで保持するのに十分な強度を有し、軟骨層はII型コラーゲンに対する免疫染色にて染色された。軟骨細胞と骨髄由来間葉系細胞で層状に作製した組織は、軟骨細胞のみで作製した組織よりも高い力学的強度を有していた。これらの組織をヌードマウスの皮下に移植したところ、4週の時点で明らかな2層構造が保たれていたが、骨髄細胞層の骨化は確認されなかった。本研究により、足場材料を使用せずに、軟骨細胞および骨髄由来間葉系細胞からなる2層性組織を作製できることが明らかとなった。この組織は骨軟骨欠損へ移植するのに十分な強度を有し、自家組織移植術への応用が可能と思われた。今後は骨髄細胞層を骨化させるためのさらなる条件検討が必要と考えられた。本年度は、軟骨細胞と骨髄由来間葉系細胞を層状に共培養することにより、自家移植用の骨軟骨複合体を作成することを目的とした実験を行った。白色家兎の脛骨および大腿骨より骨髄液を、肩関節、股関節、膝関節より軟骨組織を採取した。骨髄液をウシ胎児血清添加培養液と混合して培養用シャーレに播種し、シャーレに接着して増殖した細胞(骨髄由来間葉系細胞)を単層培養した。1週間後に、骨髄由来間葉系細胞を培養インサート上に種々の細胞密度で播種して、さらに1週間培養を行った。一方、関節軟骨組織から酵素処理により得られた軟骨細胞は、Alginate Beads内で3次元培養を行い、2週間後に細胞周囲に形成された基質とともに細胞を遊離した。これらを先に準備した骨髄細胞層の上に移してさらに数週間培養し、シート状の軟骨組織を作成することに成功した。骨髄由来間葉系細胞および軟骨細胞は、前述の条件で2週、4週、8週、12週の時期の組織を作成し、至適条件を決定した。培養に際しては、軟骨に至適の条件、また、骨誘導に至適の条件の2条件を設定した。組織学的検討としては、HE、トルイジンブルー、サフラニン0、アリザリンレッド、アルカリフォスフォターゼ染色を行い、軟骨層および骨髄細胞層の細胞外基質の評価を行った。生化学的には、各層の水分含量(湿重量-乾燥重量)、DNA量(ヘキストダイによる定量)、プロテオグリカン含有量(DMMB法)、コンドロイチン硫酸及びケタラン硫酸量(ELISA法)、コラーゲンタイピング(SDSゲルおよび、I,II型コラーゲンに対するウェスタンブロッティング法)、コラーゲンクロスリンク量(HPLC法)を検討することにより上記至適条件を決定した。本研究の目的は、軟骨細胞と骨髄由来間葉系細胞を層状に共培養することにより、移植用の骨軟骨複合体を形成することである。In vitroでの軟骨組織の形成には、従来コラーゲンゲルや3次元構造ポリマーなどの足場材料(scaffold)が利用されているが、本研究ではこうした足場材料を用いない方法であるAlginate-recovered-chondrocyte法(ARC法)を用いた。播種する骨髄

由来間葉系細胞の数を増やすことにより、軟骨組織中のコラーゲン含有量は変化しなかったが、プロテオグリカン含有量は有意に低下した。作成された組織は、4週間以降ピンセットで保持するのに十分な強度を有し、軟骨層はII型コラーゲンに対する免疫染色にて染色された。軟骨細胞と骨髄由来間葉系細胞で層状に作製した組織は、軟骨細胞のみで作製した組織よりも高い力学的強度を有していた。これらの組織をヌードマウスの皮下に移植したところ、4週の時点で明らかな2層構造が保たれていたが、骨髄細胞層の骨化は確認されなかった。本研究により、足場材料を使用せずに、軟骨細胞および骨髄由来間葉系細胞からなる2層性組織を作成できることが明らかとなった。この組織は骨軟骨欠損へ移植するのに十分な強度を有し、自家組織移植術への応用が可能と思われた。今後は骨髄細胞層を骨化させるためのさらなる条件検討が必要と考えられた。
細胞増殖因子の心筋内投与による心筋梗塞の血管新生療法の研究

虚血性心疾患に対する細胞増殖因子を用いた冠血管新生療法の開発を目的として,急性心筋梗塞モデルを用いて,塩基性線維芽細胞増殖因子(bFGF)を心筋内に投与し,局所心筋血流量,心機能,梗塞後左室形態,血管新生,心筋細胞アポトーシスに及ぼす影響を検討した.成犬で左冠状動脈前下行枝を結紮し急性心筋梗塞モデルを作成し,bFGF100μgを心筋梗塞および梗塞境界領域の心筋内に分散注入した.対照群では生理食塩水を心筋内に注入した.冠状動脈結紮前,直後,1週、2週,4週後に左心耳からカラーマイクロスフェアーを注入し,4週後に心臓を摘出した.左室心筋層を輪状に切除し,梗塞領域,梗塞境界領域および正常領域に分け,局所心筋血流量を測定した.冠状動脈結紮前,3日,1週,2週,4週後に超音波法で心機能を計測した.摘出心で左室壁菲薄化率を計測し,梗塞後左室再構築を定量化した.血管内皮細胞をvon Willebrand因子の免疫組織化学染色を用い同定し,毛細血管と細動脈レベルで血管新生像を評価した.梗塞境界領域心筋のTunnel染色とp53染色を行いアポトーシスを検討した.対照群では2週まで血流は回復しなかったが,bFGF群では3日から血流が回復し始めた.対照群では2週まで心機能は回復しなかったが,bFGF群では1週で回復し始めた.梗塞境界領域ではbFGF群で毛細血管数ならびに細動脈数が多かった.bFGF群で心筋アポトーシスが少ない傾向を示した.心筋梗塞モデルにおいて,心筋内に投与したbFGFは左室再構築過程で壁菲薄化を抑制し,心機能の回復を促進した.その要因としてbFGFによる血管新生に基づく局所心筋血流量の増加と心筋アポトーシスの抑制が考えられた.bFGFを用いた血管新生療法は虚血性心疾患に対する新しい治療法として臨床応用が期待される.虚血性心疾患に対する細胞増殖因子を用いた冠血管新生療法の開発を目的として,急性心筋梗塞モデルを用いて,塩基性線維芽細胞増殖因子(bFGF)を心筋内に投与し,局所心筋血流量,心機能,梗塞後左室形態,血管新生,心筋細胞アポトーシスに及ぼす影響を検討した.成犬で左冠状動脈前下行枝を結紮し急性心筋梗塞モデルを作成し,bFGF100μgを心筋梗塞および梗塞境界領域の心筋内に分散注入した.対照群では生理食塩水を心筋内に注入した.冠状動脈結紮前,直後,1週、2週,4週後に左心耳からカラーマイクロスフェアーを注入し,4週後に心臓を摘出した.左室心筋層を輪状に切除し,梗塞領域,梗塞境界領域および正常領域に分け,局所心筋血流量を測定した.冠状動脈結紮前,3日,1週,2週,4週後に超音波法で心機能を計測した.摘出心で左室壁菲薄化率を計測し,梗塞後左室再構築を定量化した.血管内皮細胞をvon Willebrand因子の免疫組織化学染色を用い同定し,毛細血管と細動脈レベルで血管新生像を評価した.梗塞境界領域心筋のTunnel染色とp53染色を行いアポトーシスを検討した.対照群では2週まで血流は回復しなかったが,bFGF群では3日から血流が回復し始めた.対照群では2週まで心機能は回復しなかったが,bFGF群では1週で回復し始めた.梗塞境界領域ではbFGF群で毛細血管数ならびに細動脈数が多かった.bFGF群で心筋アポトーシスが少ない傾向を示した.心筋梗塞モデルにおいて,心筋内に投与したbFGFは左室再構築過程で壁菲薄化を抑制し,心機能の回復を促進した.その要因としてbFGFによる血管新生に基づく局所心筋血流量の増加と心筋アポトーシスの抑制が考えられた.bFGFを用いた血管新生療法は虚血性心疾患に対する新しい治療法として臨床応用が期待される.心筋梗塞に対する細胞増殖因子を用いた血管新生療法の可能性を探ることを目的として,急性心筋梗塞モデルを用いて塩基性線維芽細胞増殖因子(bFGF)を心筋内に投与し,血管新生,心筋血流量,心機能,梗塞後左室形態に及ぼす影響を検討した.成犬で左冠状動脈前下行枝を結紮し心筋梗塞モデルを作成した.実験動物を2群に分け,bFGF投与群と対照群とした.bFGF投与群ではbFGF100μgを心筋梗塞領域ならびに梗塞境界領域の心筋内に分散注入し,対照群では同様に生理食塩水を心筋内投与した.冠状動脈結紮前,直後,3日,1週,2週,4週後に左心耳からカラーマイクロスフェアーを注入し,4週後に心臓を摘出し,左室心筋層を輪状に切除し,梗塞領域,梗塞境界領域および正常領域に分け,カラーマイクロスフェアー数を計測し,局所心筋血流量を測定した.また同時期に左室壁運動と心機能を計測した.摘出心で,左室壁菲薄化率と左室拡大指数を計測し,梗塞後左室再構築を定量化した.血管内皮細胞のマーカーであるvon Willebrand因子の免疫組織化学染色を行い、血管新生像を評価した.対照群では2週から血流回復が見られたが,bFGF群では3日から血流回復が認められた.対照群に比し,bFGF群で7日の左室駆出率の回復が良好であった.

bFGF群で梗塞部左室壁菲薄化と左室拡大が抑制された.境界領域でbFGF群の毛細血管数と細動脈数が多かった。心筋梗塞モデルにおけるbFGFの心筋内投与は血管新生によって局所心筋血流を増加させ,左室再構築過程で心機能を改善した.bFGGを用いた血管新生療法は現在の虚血性心疾患に対する治療法を補うものとして臨床応用が期待される.虚血性心疾患に対する細胞増殖因子を用いた冠血管新生療法の開発を目的として,急性心筋梗塞モデルを用いて,塩基性線維芽細胞増殖因子(bFGF)を心筋内に投与し,局所心筋血流量,心機能,梗塞後左室形態,血管新生,心筋細胞アポトーシスに及ぼす影響を検討した.成犬で左冠状動脈前下行枝を結紮し急性心筋梗塞モデルを作成し,bFGF100μgを心筋梗塞および梗塞境界領域の心筋内に分散注入した.対照群では生理食塩水を心筋内に注入した.冠状動脈結紮前,直後,1週,2週,4週後に左心耳からカラーマイクロスフェアーを注入し,4週後に心臓を摘出した.左室心筋層を輪状に切除し,梗塞領域,梗塞境界領域および正常領域に分け,局所心筋血流量を測定した.冠状動脈結紮前,3日,1週,2週,4週後に超音波法で心機能を計測した.摘出心で左室壁菲薄化率を計測し,梗塞後左室再構築を定量化した.血管内皮細胞をvon Willebrand因子の免疫組織化学染色を用い同定し,毛細血管と細動脈レベルで血管新生像を評価した.梗塞境界領域心筋のTunnel染色とp53染色を行いアポトーシスを検討した.対照群では2週まで血流は回復しなかったが,bFGF群では3日から血流が回復し始めた.対照群では2週まで心機能は回復しなかったが,bFGF群では1週で回復し始めた.梗塞境界領域ではbFGF群で毛細血管数ならびに細動脈数が多かった.bFGF群で心筋アポトーシスが少ない傾向を示した.心筋梗塞モデルにおいて,心筋内に投与したbFGFは左室再構築過程で壁菲薄化を抑制し,心機能の回復を促進した.その要因としてbFGFによる血管新生に基づく局所心筋血流量の増加と心筋アポトーシスの抑制が考えられた.bFGFを用いた血管新生療法は虚血性心疾患に対する新しい治療法として臨床応用が期待される.
ＢＣＲとＢＡＦＦ－ＲからのＢ細胞生存シグナルによる成熟Ｂ細胞分化決定機構の解明

BCRとBAFF-Rからのシグナルは成熟B細胞の生存だけでなく分化も制御している。BCRとBAFF-Rからのシグナルが成熟B細胞の分化における役割を解析し、BCRからの生存シグナルであるPI3キナーゼ下流の分子の1つAktがB1細胞の発生に重要である事、古典的NF-κB経路は非古典的経路の活性を調節することでB2、MZ B細胞の発生を制御していることを明らかにした。さらに、新規ユビキチンリガーゼLUBACがB1細胞の発生、抗体反応に必須の機能を持つ事、CD40やTACI刺激による古典的NF-κBの活性化には必要であるが、BCR刺激による古典的NF-κBの活性化には必要ない事も明らかにした。成熟B細胞の生存はBAFF-RとBCRという2種類の受容体からNF-κB経路とPI3キナーゼ経路という異なった2種類の経路によって制御されている。しかしこれらの経路は、B2, B1, MZ B細胞という3種類存在する成熟B細胞への分化の方向決定にも重要な役割を担っている。本研究課題ではBCRとBAFF-Rからの生存シグナルの成熟B細胞の分化決定における役割を解析することを目的としている。NF-κB経路は古典的もしくは非古典的活性化経路によって活性化される。BAFF-Rの下流においては非古典的経路が重要な機能を持っている。古典的NF-κB活性化経路も成熟B細胞の発生・生存に重要な役割を担っていることが報告されているが、この二つの経路の関係については不明な点が多い。そこで、この二つのNF-κB活性化経路の成熟B細胞の発生・生存における関係について解析をした。非古典的経路では、主にp52/RelBからなるヘテロダイマーが活性化される。p52はその前駆体p100のプロセシングによって生成される。p100が古典的NF-κB経路の標的遺伝子であることが報告されていたことから、B細胞特異的にp100を発現するトランスジェニックマウスを作製し、B細胞特異的にNEMOを欠損させることでB細胞特異的に古典的NF-κB経路を欠失させたマウスと交配を行いB細胞の発生・生存に与える影響について検討した。B細胞特異的にNEMOを欠損させたマウスではすべての成熟B細胞の数が減少しているが、p100を発現させることによってB2、MZ B細胞の数が野生型マウスとほぼ同程度まで回復されるがB1細胞数は回復しないことが明らかとなった。同様の結果はp52の発現によっても得られたことから、古典的経路は非古典的経路の活性量を調節することでB2、MZ B細胞の発生・生存を制御していることが明らかとなった。これらの経路は、B2, B1, MZ B細胞という成熟B細胞への分化の方向決定にも重要な役割を担っている。本研究課題ではBCRとBAFF-Rからの生存シグナルの成熟B細胞の分化決定における役割の解析を目的として研究を行った。両経路共に成熟B細胞の発生・生存に重要な役割を担っているが、この二つの経路の関係については不明な点が多い。そこで、この二つのNF-κB活性化経路の成熟B細胞の発生・生存における関係について解析した。p52の前駆体p100が古典的NF-κB経路の標的遺伝子であることが報告されていたことから、B細胞特異的にp100を発現するトランスジェニックマウスを作製し、B細胞特異的に古典的NF-κB経路を欠失させたマウスと交配を行いB細胞の発生・生存に与える影響について検討した。B細胞特異的に古典的NF-κB経路を欠損するマウスではすべての成熟B細胞の数が減少しているが、p100を発現させることによってB2、MZ B細胞の数が野生型マウスとほぼ同程度まで回復したがB1細胞数は回復しなかった。このことから、古典的経路は非古典的経路の活性量を調節することでB2、MZ B細胞の発生・生存を制御していることを明らかにした。さらに、最近古典的NF-κB経路の活性化に関与する事が報告された新規ユビキチンリガーゼLUIBACのB細胞における役割について解析を行った結果、LUBACがB1細胞の発生、TD、TI-II抗原両方に対する抗体反応に必須の機能を持つ事、CD40やTACI等のTNFRスーパーファミリーに属する分子の下流における古典的NF-κBの活性化には必要であるが、BCRの下流における古典的NF-κBの活性化には必要ない事を明らかにした。

さらに、新規ユビキチンリガーゼLUBACがB1細胞の発生、抗体反応に必須の機能を持つ事、CD40やTACI刺激による古典的NF-κBの活性化には必要であるが、BCR刺激による古典的NF-κBの活性化には必要ない事も明らかにした。成熟B細胞の生存はBAFF-RとBCRという2種類の受容体からNF-κB経路とPI3キナーゼ経路という異なった2種類の経路によって制御されている。しかしこれらの経路は、B2, B1, MZ B細胞という3種類存在する成熟B細胞への分化の方向決定にも重要な役割を担っている。そこで本研究課題ではBCRとBAFF-Rからの生存シグナルの成熟B細胞の分化決定における役割を解析した。PI3キナーゼ下流のどの分子がB細胞の分化決定に重要な役割を担っているか明らかにするために、活性化型PI3キナーゼ及びPI3キナーゼの下流において活性化される分子Akt、MEK1の活性化型変異体を誘導的に発現可能なトランスジェニックマウスの作製を行った。CD19はBCR刺激によるPI3キナーゼの活性化に関与するBCRの共受容体のであり、そのノックアウトマウスにおいてはMZ B細胞、B1細胞共に欠損している。そこでこれらのトランスジェニックマウスをCD19ノックアウトマウスと交配し、どのPI3キナーゼ下流分子の活性化がCD19欠損マウスにおいてMZ B細胞やB1細胞発生を回復できるか検討を行った。予想通り、CD19欠損B細胞においてPI3キナーゼそのものを活性化させた場合にはMZ B細胞、B1細胞両方ともその発生の回復が認められた。一方PI3キナーゼ下流分子については、MEK1の活性化ではCD19を欠損するMZ B細胞、B1細胞共に回復が認められなかったが、Akt1の活性化ではCD19を欠損するB1細胞のみ回復が認められた。これらの結果はPI3キナーゼの下流においてB1細胞の発生にはAkt1の活性化が重要であり、MZ B細胞の発生にはAkt1では無い他の経路が重要であるかもしくはAkt1に加えて別の分子の活性化も必要である可能性を意味している。本研究課題ではBCRとBAFF-Rからの生存シグナルの成熟B細胞の分化決定における役割の解明を目的としているが、平成24年度においては、古典的NF-κB経路が、成熟B細胞のうちB2細胞、MZ B細胞の発生・生存をp100の発現量を維持することによってBAFF-R下流の非古典的経路NF-κB経路の活性量をコントロールすることで制御していることを明らかにした。このように昨年度に引き続き成熟B細胞の分化方向の決定に重要な機構を明らかにしたことから研究をおおむね順調に進展していると言える。本研究課題ではBCRとBAFF-Rからの生存シグナルの成熟B細胞の分化決定における役割の解明を目的としているが、平成23年度においては、BCRからの生存シグナルとして機能するPI3キナーゼ経路の分子の中でAktがB1細胞の分化に重要であることを発見した。このように初年度においてすでに成熟B細胞の分化方向の決定に重要な経路を同定したことから研究をおおむね順調に進展していると言える。これまでにBCRからの生存シグナルとして機能するPI3キナーゼ経路の分子の中でAktがB1細胞の分化に重要であること、古典的NF-κB経路が、成熟B細胞のうちB2細胞、MZ B細胞の発生・生存をp100の発現量を維持することによってBAFF-R下流の非古典的経路NF-κB経路の活性量をコントロールすることで制御していることを明らかにしている。
幼児を対象とした環境汚染物質の神経毒性リスク評価方法の開発

3週齢の幼若ラットに経口摂取で鉛を投与し、採取した血液と脳に含まれる鉛を定量し、血中鉛濃度と脳内鉛濃度がほぼ同程度であることを確認した。0-1.0 microMの範囲で酢酸鉛をモデル神経細胞PC12に曝露し、タンパク質の発現変動を調べたところ、脳において発現量の多いhemeoxygenase 2(HO-2)について、0.5 microM以上で発現量が減少することを確認した。HO-2は鉛の神経毒性の分子ターゲットであり、またこれを指標としてリスク評価できる可能性が示唆された。鉛は中枢神経系に有害で、精神遅滞や学習障害を引き起こすことが知られている。血中濃度とIQの低下には強い相関が見られることが知られているが、U.S. EPAは、鉛は骨組織への蓄積といった特徴があり、年齢による体内動態のため、従来のリスク評価手法では、リスク値を正当に評価できないとして、リスク値やRfD(参照用量)を公表していない。また神経毒性については、リスク評価手法が未だ確立されていない。しかしながら、そのメカニズムは解明されておらず、リスク評価方法は未だ確立されていない。これらタンパク質のなかで、脳において発現量の多いhemeoxygenase 2(HO-2)について、その発現量を調べた。HO-2は学習能力の低下などに関連するとされるタンパク質である。酢酸鉛0.5microM以上で発現量が減少することを確認した。一方でPC12細胞の樹状突起の伸長量と酢酸鉛との用量反応関係を確認したところ、10microM以上20倍以上高い濃度でしか伸長量の減少を確認することができなかった。この結果は、神経突起の伸長量にHO-2が先んじて発現量を変化させている可能性が示唆される。以上の結果から、HO-2は鉛の神経毒性の分子ターゲットであり、またこれを指標としてリスク評価できる可能性が示唆された。現在、HO-2の詳細な用量反応関係の把握を行っている。また他のタンパク質についても解析を行っているところである。中枢神経系には血液脳関門という防御システムが存在するが、胎児・幼児は成人と比べ、この血液脳関門が未発達であるとされている。本年度は、こどもの血中鉛が脳へ移行し、神経細胞が曝露される鉛の量を推定、昨年度まで行ってきたin vitro試験の曝露濃度の妥当性を検討することを目的とした。具体的には、3週齢の幼若ラットに経口摂取で鉛を投与し、採取した血液と脳に含まれる鉛をICP-MS測定法を用いて定量し、血中鉛濃度と脳内鉛濃度との関係を把握し、ヒトの血中鉛濃度と比較検討を行った。投与量100mg/kg BW/dayのラットでは、血中鉛濃度および脳中鉛濃度の測定結果は、それぞれ平均値で20.95μg/dL、0.213μg Pb/g brainとなった。1991年から2006年にかけて欧州諸国で調査された子どもの血中鉛濃度は、ブルガリアで最も高く、25μg/dLを越えることが報告されている。ラットとヒトにおける体内動態の差異については検討する必要があるが、血中鉛濃度20.95μg/dLという値は、現実的に起こりうるレベルである。また、脳の密度は約1であるので、0.213μg Pb/g brainはおよそ鉛1μM(207μg/L=0.207μg/g)に相当する。脳組織において鉛の特徴的な局在はなく、一様に分布していると報告されていることから、脳における神経細胞も同程度の鉛の曝露を受けていると推察される。昨年度までの研究では0-1.0μMの範囲で酢酸鉛を神経細胞に曝露し、タンパク質の発現変動を調べたが、この曝露濃度範囲は一般環境における脳中鉛濃度として現実的なレベルであり、妥当な濃度設定であったことが確認できた。
粘土層間での光二量化の反応性向上とその発現機構について

(緒言)光反応の特徴は、基質選択的活性化が可能であると同時に、温度、位置、時間などを極限条件下で行いうる点にある。この特異性を生かすには、基質を適当な反応場に配向させて幾何学的な規則性を持つ分子集合体を形成させ、集合化に基づく新規な光化学反応性を探索することが必要である。この観点から筆者は反応場として粘土層間を取り上げ層間に配向・吸着したオレフィンの光シクロ二量化を検討した。(結果と考察)基質オレフィンとして、カチオン性とアニオン性のスチルバゾ-ル塩(1)、桂皮酸塩(2)を用い、各々の交換能をもつサポナイト系、ハイドロタルサイト系粘土に吸着させた。いずれも定量的な吸着が見られた。オレフィン吸着粘土は水分散状態で光照射し、生成物は単離後各種スペクトル分析により同定した。この粘土系の特長は、溶液反応に比べて生成二量体の立体選択性および生成効率が格段に向上したことであり、合成化学的にも重要な知見を得た。又、(1)からはheadーtail型が、(2)からはheadーhead型二量体が得られ、X線回折法による層間距離の測定と相まって、前者ではオレフィンがアンチパラレルに、後者ではパラレルに配向・吸着していることを認めた。また、層間に吸着された基質のケイ光スペクトルから、配向オレフィン分子はクラスタ-化した状態であり、オレフィンの吸着率とは無関係であることを認めた。(結語)粘土層表面上での光反応は、分子集合体としての特長をもった反応系として分類され、立体選択的で、かつ高効率反応が達成される有望な系である。さらに、選択的合成反応場としてばかりでなく光機能性材料の観点からも今後の発展が期待される。例えば、ここに示したオレフィンの中には、この系で非線形光学機能を示す予備的結果も得られている。
改良型電子ビーム浮遊帯域溶融精製法による希土類金属の高純度化

高真空電子ビーム浮遊帯域溶融法(EBFZMと略す)を用い、希土類金属のネオジム(Nd)、ランタン(La)の高純度化を図った。Ndの場合、若干の酸素、窒素の減少は可能であったが、顕著な低減は困難であった。これに対し、炭素はゾーン偏析により終端側で半減し、炭素の低減に有用なことが確認された。また高蒸気圧のCa,Mgは迅速に蒸発除去され容易に5ppm以下に減じられた。一方、蒸気圧が低いFe,Cu等の蒸発除去は困難であったが、ゾーン偏析により始端側での低減が確認され、低移動速度・多重回パスにより低濃度まで低減可能なことが明らかにされた。次にLaの場合、酸素、窒素の減少は困難であったが、炭素、硫黄は偏析により始端側で低減可能なことが判った。金属不純物に関しては、Ca等の蒸発除去が可能であり、また偏析による始端側でSi低減が認められた。以上の各不純物の低減化に伴い、EBFZM後のNd,Laの残留抵抗比はともに約2倍ほど向上し、EBFZMが希土類金属の高純度化に有用なことが確認された。次に、新規な改良型EBFZM法として、極低圧水素雰囲気中(水素分圧10^<-2>10^<-5>Pa)でのEBFZM、および試料ロッドに電流密度5001000A/cm^2程度の範囲内で直流を流しエレクトロマイグレーション効果を重畳したEBFZMを実施し、Nd,Laからの酸素、窒素等非金属不純物および蒸気圧の低い金属不純物の一層の低減化を検討した。極低圧水素雰囲気中EBFZMでは酸素、窒素の低減傾向が認められたが、水素分圧を増すに従い電子ビームが不安定となる問題点が明かとなった。エレクトロマイグレーションEBFZMでは、試料電流ノイズにより安定した電子ビーム発生が困難となることが確認されたが、今後両者のマッチングを図ることで、同法は希土類金属の高純度化に有効と期待される。希土類金属のNd,Laを対象に高真空電子ビーム浮遊帯域溶融(以後、EBFZMと略す)を実施し、各不純物がどの程度まで低減可能かなど、次年度実施予定の改良型EBFZMと比較するための基本データを得た。また、現有のEBFZM装置に電流導入端子、バリアブルリークバルブ等を付設し、改良型EBFZM(エレクトロマイグレーションを重畳したEBFZM、極低圧水素雰囲気中でのEBFZMなど他の精製法を付加したEBFZM法)行うための準備を行った。本年度実施した通常のEBFZM法によるNd,Laの高純度化研究からは、以下の知見を得た。Ndの場合、非金属不純物の酸素、窒素の低減は認められなかったが、炭素に関しては偏析により始端側に濃集し、終端側で半減することができた。金属不純物では、高蒸気圧のCa,Mgは迅速に蒸発除去され容易に5ppm以下に減じられた。一方、蒸気圧が低いFe,Cu等の蒸発除去は困難であったが、偏析により始端側での低減が確認された。ただし、低濃度まで減じるには低移動速度で多重回パスが必要と結論された。

他方Laの場合も、酸素、窒素の減少は殆ど認められなかったが、炭素、硫黄は偏析により始端側で減少することが確認された。金属不純物に関しては、Ca等の蒸発除去が確認され、また偏析により始端側でSiの低減が確認された。しかし、Fe,Cu等の金属不純物の蒸発除去は認められず、また偏析効果も僅かであった。以上の結果、EBFZMを経たNd,Laともに残留抵抗比は向上したが、各不純物の低減化率が小さいことから顕著な残留抵抗比の増加は認められなかった。従って、次年度は改良型EBFZM法を活用し、酸素、窒素等の非金属不純物および蒸気圧の低い金属不純物の低減化を追求し、Nd.Laの一層の高純度化を図る。高真空電子ビーム浮遊帯域溶融法(EBFZMと略す)を用い、希土類金属のネオジム(Nd)、ランタン(La)の高純度化を図った。Ndの場合、若干の酸素、窒素の減少は可能であったが、顕著な低減は困難であった。これに対し、炭素はゾーン偏析により終端側で半減し、炭素の低減に有用なことが確認された。また高蒸気圧のCa,Mgは迅速に蒸発除去され容易に5ppm以下に減じられた。一方、蒸気圧が低いFe,Cu等の蒸発除去は困難であったが、ゾーン偏析により始端側での低減が確認され、低移動速度・多重回パスにより低濃度まで低減可能なことが明らかにされた。次にLaの場合、酸素、窒素の減少は困難であったが、炭素、硫黄は偏析により始端側で低減可能なことが判った。金属不純物に関しては、Ca等の蒸発除去が可能であり、また偏析による始端側でSi低減が認められた。以上の各不純物の低減化に伴い、EBFZM後のNd,Laの残留抵抗比はともに約2倍ほど向上し、EBFZMが希土類金属の高純度化に有用なことが確認された。次に、新規な改良型EBFZM法として、極低圧水素雰囲気中(水素分圧10^<-2>10^<-5>Pa)でのEBFZM、および試料ロッドに電流密度5001000A/cm^2程度の範囲内で直流を流しエレクトロマイグレーション効果を重畳したEBFZMを実施し、Nd,Laからの酸素、窒素等非金属不純物および蒸気圧の低い金属不純物の一層の低減化を検討した。極低圧水素雰囲気中EBFZMでは酸素、窒素の低減傾向が認められたが、水素分圧を増すに従い電子ビームが不安定となる問題点が明かとなった。エレクトロマイグレーションEBFZMでは、試料電流ノイズにより安定した電子ビーム発生が困難となることが確認されたが、今後両者のマッチングを図ることで、同法は希土類金属の高純度化に有効と期待される。