hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
キメラ抗原受容体発現Ｔリンパ球を用いた難治性悪性リンパ腫に対する遺伝子治療法開発

難治性B細胞性悪性リンパ腫に対するキメラ抗原受容体(CAR)発現Tリンパ球を用いた遺伝子治療法の開発を以下のように行った。(1)CAR発現Tリンパ球の抗腫瘍効果増強のため、CD19-CARの他にIL-21を共発現させた。担癌マウスでの遺伝子治療実験では、IL-21共発現による治療効果増強はなかった。(2)安全対策として分子スイッチを作製し、CARシグナル特異的な遺伝子発現制御が可能であることを試験管内及び担癌マウスで示した。(3)患者由来末梢血からCAR発現Tリンパ球を調整し、Bリンパ腫細胞を殺傷することを確認した。(4)臨床研究実施計画書がIRB及び厚労省で承認され、患者登録を開始した。本研究は、再発・難治性B細胞性非ホジキンリンパ腫を対象に、CD19抗原を認識するキメラ抗原受容体(CAR)発現Tリンパ球を用いる養子免疫遺伝子療法を開発することを目的とした。本年度の基礎研究成果としては、1)CAR発現Tリンパ球の抗腫瘍効果増強のため、CDI9特異的CARとIL-21を共発現するレトロウイルスベクターを作製した。そのレトロウイルスベクターを用いて活1生化末梢血Tリンパ球に遺伝子導入を行い、CD19特異的CAR(±IL-21)発現Tリンパ球を樹立した。CDI9発現細胞(フィーダー細胞)と23週間の共培養後、両者の増殖効率(約100倍)やCARの発現効率(約70%)は、ほぼ同等であった。IL-21共発現型Tリンパ球の培養上清中には、有意なIL-21産生を認めた。また、CAR単独に比べて、IL-21共発現型Tリンパ球では、IL-21で誘導されるSTAT3のリン酸化が亢進していた。2)両遺伝子改変T細胞とも、CD19陽性ヒトBリンパ腫細胞株を効率良く試験管内で殺傷した。両者の殺細胞活性の効率に差は認められなかった。3)担癌免疫不全マウスに、各遺伝子改変T細胞を投与したところ、腫瘍増殖抑制効果が生体イメージングで認められた。これまでのところ、CAR単独とIL-21共発現型Tリンパ球の治療効果に有意な差は認められていない。再発・難治性B細胞性非ホジキンリンパ腫に対する養子免疫遺伝子療法の臨床研究に向けては、臨床研究実施計画書(CD19抗原特異的キメラ抗原受容体発現Tリンパ球を用いた難治性B細胞性悪性リンパ腫に対する遺伝子治療臨床研究)を作成し、自治医科大学附属病院遺伝子治療臨床研究審査委員会へ提出した。本年度の基礎研究成果としては、1)CAR発現Tリンパ球の抗腫瘍効果増強を目的として、CD19特異的CARの他にIL-21を発現させたTリンパ球を樹立した。CAR単独に比べて、IL-21共発現型Tリンパ球は有意にIL-21を産生し、IL-21の下流シグナルであるSTAT3のリン酸化の亢進が認められた。2)両遺伝子改変T細胞とも、CD19特異的なサイトカイン産生(IFN-γ)やヒトBリンパ腫細胞株に対する殺細胞効果を示した。両細胞の活性に差はなかった。3)担癌免疫不全マウスに遺伝子改変T細胞を投与したところ、腫瘍増殖抑制効果がin vivoイメージングで認められた。しかし、CAR単独とIL-21共発現型Tリンパ球の治療効果に有意な差は認められなかった。4)抗腫瘍サイトカインなどを併用した場合の安全対策として、腫瘍局所での発現を可能にする分子スイッチ(NF-AT誘導型プロモーター)を作製した。レポーター遺伝子を用いた解析から、本スイッチは、CARシグナル特異的な遺伝子発現制御が可能であった。再発・難治性B細胞性非ホジキンリンパ腫に対する養子免疫遺伝子療法の臨床研究に向けては、臨床研究実施計画書(CD19抗原特異的キメラ抗原受容体発現Tリンパ球を用いた難治性B細胞性悪性リンパ腫に対する遺伝子治療臨床研究)が自治医科大学附属病院遺伝子治療臨床研究審査委員会で承認され、さらに、厚生労働省厚生科学審議会でも承認された。本研究は、再発・難治性B細胞性非ホジキンリンパ腫を対象に、CD19抗原を認識するキメラ抗原受容体(CAR: chimeric antigen receptor)発現Tリンパ球を用いる養子免疫遺伝子療法を開発することを目的とした。研究成果は次の通りである。1) CAR発現Tリンパ球の抗腫瘍効果増強を目的に、CARの他にIL-21を発現させた。IL-21共

発現型Tリンパ球では、IL-21産生と下流シグナルのSTAT3のリン酸化亢進を認めた。2)抗原特異的IFN-γ産生やヒトBリンパ腫細胞株に対する殺細胞効果は、IL-21発現による増強効果を認めなかった。3)担癌免疫不全マウスへの遺伝子改変Tリンパ球の投与実験では、腫瘍増殖抑制効果が認められたが、CAR単独とIL-21共発現型Tリンパ球の治療効果に有意な差を認めなかった。4)抗腫瘍サイトカインなどを併用した場合の安全対策として、腫瘍局所での発現を可能にする分子スイッチ(転写因子NF-AT誘導型プロモーター)を作製した。レポーター遺伝子を用いた解析から、本スイッチを導入したCAR発現Tリンパ球では、CARシグナル特異的な遺伝子発現制御が可能であることが試験管内および担癌マウスモデルで明らかになった。5)臨床研究と同様な方法で遺伝子改変Tリンパ球の調整を施設内細胞プロセシング室で行った。患者(同意済み)Tリンパ球へのCD19特異的CAR遺伝子の導入と体外増幅が可能であることと、それらのBリンパ腫細胞株に対する細胞傷害活性を試験管内で確認した。再発・難治性B細胞性非ホジキンリンパ腫に対する養子免疫遺伝子療法の臨床研究については、遺伝子治療臨床研究「CD19抗原特異的キメラ抗原受容体発現Tリンパ球を用いた難治性B細胞性悪性リンパ腫に対する遺伝子治療臨床研究」が厚労省で承認された。臨床研究を開始し、患者登録を行っている。26年度が最終年度であるため、記入しない。遺伝子治療学、細胞治療学、血液内科学26年度が最終年度であるため、記入しない。CAR発現Tリンパ球の抗腫瘍効果の機能評価は、概ね計画通り進んでいるが、IL-21共発現型Tリンパ球の抗腫瘍効果増強は認められていない。遺伝子治療臨床研究に向けては、臨床研究実施計画書を作成し、施設内審査委員会に提出できた。遺伝子治療臨床研究に向けては、臨床研究実施計画書が施設内審査委員会及び国の審査において承認された。IL-21共発現によるCAR発現Tリンパ球の抗腫瘍効果増強効果について、マウスを用いた治療実験を継続して評価する。また、安全対策として、抗腫瘍性サイトカインを腫瘍局所で発現させることを可能にするスイッチ・システムの開発を行う。臨床研究の実施に向けては、申請書を厚労省に提出し、審査を受ける。また、安全対策として、抗腫瘍性サイトカインを腫瘍局所で発現させることを可能にするスイッチ・システムの開発及び機能評価を行う。臨床研究の実施に向けては、申請書が厚労省で承認されたため、臨床研究を開始する。各年度の配分額と研究内容を考慮し、平成24年度分の一部を平成25年度以降にまわすようにした。研究費は、Tリンパ球の培養に必要な経費や実験用動物関連の物品費、関連学会出席のための旅費などに使用する予定である。各年度の配分額と研究内容を考慮し、平成25年度分の一部を平成26年度以降にまわすようにした。
パーキンソン病の歩行障害に対して鍼治療は有効であるか？

目的:パーキンソン病の歩行障害に対する鍼治療効果を検討すること。方法:対象患者は27名であり、全患者が標準的な薬物治療を受療していた。鍼治療は先行研究を参考とした経穴に対して施術した。評価は、携帯型歩行計を用いて10m歩行を行い、床反力(歩行の力強さ)、歩幅、歩行速度を記録した。また、フェイススケールにより自覚的な歩行状態を聴取した。これらの評価を鍼治療の施術前後に行った。結果:鍼治療によって床反力、歩幅、歩行速度、フェイススケールの有意な改善がみられた。まとめ:本研究はパーキンソン病の歩行障害に対する短期的な鍼治療効果を示した。今後は症例数を増やし、長期間の鍼治療効果の検討が必要と考えた。本研究の目的は、これまで行われていなかったパーキンソン病の歩行障害を質の面から分類し詳細な鍼治療の効果を検討することである。本研究では、携帯型歩行計を用いて、歩行の力強さ、歩幅、歩行速度、歩行率を指標とし、パーキンソン病の歩行障害に対する鍼治療効果の有効性を検討するものである。また、これらの歩行機能とともにTimed Up and Go Testによる歩行バランス機能や、大腿四頭筋筋力、Functional Reach Testによる姿勢保持機能を測定し、歩行機能に対する鍼治療の効果を包括的に検討するものである。平成25年度よりパーキンソン病患者をリクルートし、鍼治療期間(12週間)とwashout期間(4週間)、無鍼治療期間(12週間)の条件反転法の研究デザインで行っている。平成25年度では、本研究を開始するにあたり、鍼治療によるパーキンソン病の歩行障害の改善を携帯型歩行計で捉えることが可能かどうかを事前に行った。その結果、パーキンソン病患者27名の鍼治療施術前後において、歩行機能を示す歩行の力強さや、歩幅、歩行速度の有意な改善が得られ、また、Face Scale法による自覚的な歩行状態の改善が認められた。鍼治療の施術直後に、現代医学の標準的薬物治療を受けているPD患者に鍼治療を行い、歩行機能および自覚的な歩行状態が改善したことは、PD患者の歩行障害に対する鍼治療が有用である可能性を示唆したものと考えられた。次年度は当初の予定通りに鍼治療期間とwashout期間、無鍼治療期間の前後を比較し、パーキンソン病の歩行機能に対する鍼治療効果の検討を行う。本研究では、携帯型歩行計を用いて、歩行の力強さ(平均歩行加速度)、歩幅、歩行速度、歩行率を指標とし、パーキンソン病の歩行障害に対する鍼治療効果の有効性を検討するものである。平成25年度よりパーキンソン病患者をリクルートし、鍼治療期間(12週間)とwashout期間(4週間)、鍼治療休止期間(12週間)の条件反転法による研究デザインを用いて、効果を比較した。本研究にパーキンソン病患者20例が参加したが、7例が薬物治療の変更や骨折などでdropoutし、13例の結果を解析した。鍼治療期間の前後において、歩行速度や歩行率の改善傾向がみられ、歩行バランス機能やFunctional Reach Test、大腿四頭筋筋力が有意に増加した。また、鍼治療休止期間の前後において、これらの運動機能が悪化し、交互作用がみられた。本研究で得られた結果から、標準的な薬物治療に鍼治療を併用した方が、標準的な薬物治療単独よりもパーキンソン病の運動機能及び歩行機能が向上することを客観的に示すことができた。現在、論文投稿の準備を行っている。パーキンソン病患者に対する鍼灸治療の啓蒙、当該臨床研究の告知、患者のリクルートを目的としてサイトを作成し活用した。本サイトを閲覧し、当該臨床研究に参加したパーキンソン病患者や問い合わせ等が複数件あり、効果があったと考えられた。鍼灸学今年度は研究計画通りにパーキンソン病患者のリクルートを遂行できた(20名の研究対象患者)。また、本研究は鍼治療期間(12週間)、washout期間(4週間)、無鍼治療期間(12週間)の条件反転法の研究デザインでパーキンソン病患者の歩行機能に対する鍼治療効果の検討であり、無鍼治療期間を設定することから臨床研究から脱落する患者が多いことが懸念されたが、予想よりも少数例(3例)であった。これらのことから、研究の進捗状況として、おおむね順調に進展している。来年度も、引き続きパーキンソン病患者のリクルートおよびその成果の継続的な発表をおこなっていく予定である。

また、論文の作成にも着手する。この研究計画上の課題等に関して現在のところ大きな障害や問題点はない。・一部の学会発表に他の助成金を使用して、旅費を使用しなかったため。・次年度は他の助成金を使用する予定は無く、また、予定していた学会とは異なる学会で発表することを計画しており、計画通り予算の支出を行う予定である。
フローサイトメトリーによる核酸代謝酵素欠損症診断法の基礎的検討

核酸代謝酵素(以下MTAP)の欠損は種々の癌で高頻度に認められる。一方、正常細胞・組織では本酵素活性は正常であり、この違いを利用した選択的治療法の開発が期待されている。本研究では、簡便な診断方法として、フローサイトメトリー法(FCM)による酵素欠損の診断法についての基礎的検討を行った。更に、MTAPプロモーターメチル化診断のための高速液体クロマト法を開発した。本研究の対象となるプリン代謝酵素Methylthioadenosinephosphorylase(MTAP)は、全ての正常細胞及び正常組織では活性を認めるが、小児急性白血病、成人T細胞白血病、肺癌、脳腫瘍などで高頻度に欠損している。この酵素はプリン・サルベージ経路を介したアデニン・ヌクレオチドの供給に関与しているので、酵素欠損癌細胞では、プリン新生合成阻害剤に感受性である。一方、正常細胞は、癌患者血中に存在するMTAPの基質Methylthioadenosine (MTA)を利用してアデニン・ヌクレオチドを産生する。従って、癌細胞はプリン欠乏になり死滅するが、正常細胞は生き残る。本研究では、より簡便なフローサイトメトリー(FCM)による白血病での酵素欠損診断法を開発し、臨床応用のための基礎的検討を行うことを目的とする。昨年度実施した抗MTAP抗体のエピトープマッピングに続いて、FCMによる酵素欠損診断法の確立に取り組んだ。本酵素の主たる細胞内局在は細胞質であり、細胞表面抗原の検出に比してpermeabilization操作が必要であり、技術的な工夫を要する。当初の目的であるFCMを用いた白血病細胞のMTAP酵素欠損診断については、permeability試薬としてIntraPrep(Beckman Coulter)を用いて予備実験を実施したところ、抗MTAP抗体で染色される細胞集団と染色されない細胞集団を分離できた。酵素欠損の原因となるプロモーター・メチル化検出法についても検討し、高速液体クロマト法によるDNAメチル化検出法を確立し、特許申請した。本研究の成果は、分子標的治療とコンパニオン診断薬の一体化開発に繋がることが期待される。核酸代謝酵素(メチルチオアデノシンフォスフォリラーゼ、以下MTAP)の欠損は種々の癌で高頻度に認められる。本研究では、MTAP遺伝子診断より簡便な方法として、フローサイトメトリー法(FCM)による酵素欠損の診断法についての基礎的検討を行った。我々が作製した抗MTAP抗体を用いて実験では、FCMによって酵素欠損を診断できる場合とできない場合があった。原因としては、細胞内MTAPタンパク量の差が考えられる。そこで、他の方法として、プロモーターメチル化を簡便に診断する高速液体クロマト法を開発した。高速液体クロマト法によってメチル化DNAと非メチル化DNAを分離することが可能かどうか、まずC/Tの置換を1カ所有する合成オリゴを用いて検証した。その後、MTAPプロモーターがメチル化されている細胞とメチル化されていない細胞からDNAを抽出し、Bisufite処理した後にPCR増幅した。PCR産物は202塩基長であり、16個のCpGが含まれる。これらの産物は、高速クロマト法によって明瞭に分離することができた。202塩基中16塩基、即ち約8%の塩基置換があれば本法による分離は9分以内に可能であった。これらの結果より、MTAP酵素欠損の診断アルゴリズムは完成形に近づいたと思われる。FCMによる白血病の病型診断は日常診療でルーチン化しており、本学附属病院検査部でも実施している。本年度は抗MTAP抗体を用いた診断の開発のための基礎的検討を行った。MTAP蛋白の細胞内局在は細胞質および核で、細胞膜上には発現していない。従って、細胞の前処理(permeabilization)に工夫が必要であるが、従来から用いられている方法でなく市販の前処理試薬を用いた検討を行い、指摘なpermeabilization方を見つけた。次に、MTAP酵素欠損白血病細胞株をMTAP cDNA発現ベクターにより酵素陽性細胞に形質転換し、MTAP酵素タンパクを発現するtransfectomasを得た。これらの細胞のMTAP mRNAとタンパクの発現を、それぞれRT-PCR法とWestern blotting法により測定した。さらに、当研究室で作製した抗MTAPモノクローナル抗体のエピトープマッピングを行い、コドン268と269であることを特定した。この結果は、第8エクソンにエピトープが存在することを示すものである。MTAP酵素欠損癌では、プロモーター・メチル化による発現低下を示す例以外の全ての例で、第8エクソンが常に欠失していることを既に報告したが、この抗体がMTAP酵素欠損の診断に有用であることを改めて証明する結果であった。MTAP酵素の細胞内局在が細胞質であり、細胞表面抗原の検出に比してpermeabilization操作が必要である。最も肝要であるpermeability試薬を使って技術的課題をほぼ解決した。更に、酵素欠損機序の1つであるDNAメチル化の簡便な解析方法についても取組み、特許申請した。

本研究の目的の達成度を「おおむね順調に進展している」とした。その理由として、(1)抗MTAPモノクローナル抗体のエピトープマッピングを行い、FCMによる酵素欠損診断に用いる抗体として有用であることを証明した、(2)FCMの基礎的検討で、最適なpermeabilization法を確認した、(3)MTAP陽性transfectomaを作製し、酵素欠損親株を陰性コントロールとしてFCMに用いることを可能にした、という3点を挙げる。平成24年度に確認したpermeability試薬を用いて、FCMによる酵素欠損診断法を確立する。また、DNAメチル化機序による酵素欠損細胞を用いて、FCM法とDNAメチル化を相関させる予定である。対象となるプリン代謝酵素Methylthioadenosinephosphorylase(MTAP)は、全ての正常細胞及び正常組織では活性を認めるが、小児急性白血病、成人T細胞白血病、肺癌、脳腫瘍などで高頻度に欠損している。この酵素はプリン・サルベージ経路を介したアデニン・ヌクレオチドの供給に関与しているので、酵素欠損癌細胞では、プリン新生合成阻害剤に感受性である。一方、正常細胞は、癌患者血中に存在するMTAPの基質Methylthioadenosine (MTA)を利用してアデニン・ヌクレオチドを産生する。従って、癌細胞はプリン欠乏になり死滅するが、正常細胞は生き残る。平成24年度以降は、1)MTAP欠損親株細胞とMTAP陽性transfectomaを用いて、FCMによるMTAP酵素欠損診断法を確立すること、そして2)フローサイトメトリーによる診断法の汎用性の検討を計画している。最終年度の研究費予算は110万円である。その費目別内訳は、物品費50万円、旅費30万円、その他30万円である。物品費は、細胞培養用試薬類、プラスチック製品、そして、FCM用試薬類の購入に使用する。旅費は、国内学会出席・発表を計画しているので、その出張のための旅費である。その他は、論文作成のための費用として使用する。平成24年は予算は150万円である。その費目別内訳は、物品費80万円、旅費50万円、人件費・謝金15万円、その他15万円である。物品費は、細胞培養用試薬類、プラスチック製品類、そしてFCM用試薬類の購入に使用する。旅費は、国内学会および国際学会での発表を計画しているので、その出張のための旅費である。人件費・謝金は、FCMの専門的知識や技術指導のための謝金とする予定である。
高リスク前立腺癌におけるフコシル化タンパクの解析及び革新的治療法の開発

高リスク前立腺癌ではCore型フコシル化タンパクが高発現し、前立腺癌の浸潤、転移に重要な役割を果たしているが、その詳細なメカニズムについては未だ不明である。本研究ではCore型フコシル化糖鎖タンパクに着目し、高リスク前立腺癌に対する新規治療法およびバイオマーカーの開発を行うことを目的としている。前立腺癌疑いのため前立腺生検を施行した患者より、生検前に前立腺直腸診を行い、直腸審後の尿を採取した。生検結果で癌があった患者および陰性であった患者の尿からフコシル化タンパクをフコシル化に特異的に結合するレクチンカラムにより分離精製を行った。このタンパクを質量分析を行い、フコシル化している尿中タンパクのプロテオミクス解析を行ったところ、いくつかのタンパクで、前立腺癌で特異的に発現しているタンパクを同定した。これらのタンパクについて、現在別の患者コホートで検証を行っているところである。また同時に感度特異度の高いフコシル化PSAの測定法の開発を進めている。Core型フコシル化タンパクを特異的に捕捉するPhoSLレクチンカラムで、臨床検体および前立腺癌細胞の上清中及び細胞内のタンパクを抽出する。抽出したCore型フコシル化タンパクをiTRAQラベリングを行いLC-MS/MSにより網羅的定量質量分析を行い、低リスク前立腺癌および高リスク前立腺癌の間で比較した。いくつかのタンパクで、前立腺癌で特異的に発現しているタンパクを同定した。現在フコシル化転移酵素の中でCore型フコシル化を行うFut8酵素を前立腺癌細胞株に強制発現させている。Core型フコシル化転移酵素強制発現前立腺癌細胞株と親株の間でもタンパクをiTRAQ標識し、網羅的定量質量分析を行う予定である。またPSAは糖鎖タンパクであり、フコシル化されていることを我々は確認している。これに対する好感度の検査方法の開発のため、Core型フコシル化を認識する抗体の測定および、マイクロキャピラリー法を用いた高感度の測定系の開発をすすめる予定である。研究を進めていくうえで必要に応じて研究費を執行したため、当初の見込み額と執行金額が異なった。
完全統合解法を目指した分子動力学解法の研究

本研究では、分子レベルから連続体レベルまでの全てのレベルの流動現象を自己完結的にシミュレーション可能な完全統合(オールインワン)解法の開発を目指して、現在完成しつつあるボルツマン/ナビエ・ストークス統合解法(続体レベルから分子の平均自由行程レベルまでの流動現象を自己完結的にシミュレーション可能な解法)と強結合可能な分子動力学解法を新たに研究開発し、近い将来に自己完結的な分子動力学/ボルツマン/ナビエ・ストークス完全統合解法を構築するための確固たる礎を築くことを目的として研究を行ってきた。平成20年度は、特に、時刻や場所ごとに適用される解法が自動選択される方法の研究と計算時間の短縮を目指したデカルト格子標位セル法の研究を主に行った。その結果、デカルト格子標位セル法は、従来法と比べて70%以上の計算効率の改善が達成され、計算負荷の削減が大きな課題である分子動力学法では非常に有効であることが確認出来た。また、デカルト格子標位セル法は解法の自動選択や分子速度分布関数から粒子(分子)群を生成する際や粒子(分子)群から分子速度分布関数を形成する際にも利用できることが確認出来た。しかしながら、分子動力学法の計算負荷は、依然としてボルツマン/ナビエ・ストークス統合解法の計算負荷と比較して多大であり、分子動力学/ボルツマン/ナビエ・ストークス完全統合解法の実用化には更なる研究が必要であることも確認された。平成18年度は、次の2項目の研究を主に行った。1)分子速度分布関数から粒子(分子)群を生成す方法の研究一般に、分子レベルと連続体レベルの間には中間レベル(分子の平均自由行程レベル)が存在するので、実際のシミュレーション過程では分子動力学解法はボルツマン解法と結合することになる。ボルツマン解法は分子速度分布関数を未知数とする偏微分方程式解法であるが、分子動力学解法は分子の運動を追跡する粒子法であるため、ボルツマン解法より求める分子速度分布関数から効率良く粒子(分子)群を生成し分子動力学解法へ受け渡す手法の研究を行った。最初に、セル内に分布関数と同じ確立密度を持つ粒子群を乱数を用いて生成する方法を確立し、次に、分布関数からセル境界を通過する分子流束密度を求め流入粒子群を決定する手法についても検討した。2)異なる解法間での計算負荷を考慮した並列計算法の研究完全統合解法の実用化においては並列計算による負荷分散は不可欠である。その際、ボルツマン解法や分子動力学解法など異なる計算負荷の解法が並走するため、解法問の計算負荷の差異を総合的に相殺出来るような並列計算法の研究を行う必要がある。そこで、模擬的な粒子法コードと偏微分方程式解法コードを作成し、異なる解法間での計算負荷の差異を総合的に相殺出来る並列計算アルゴリズムやそれを可能にするデータ構造について研究を行った。平成19年度は主に次の2項目の研究に取り組んだ。1)粒子(分子)群から分子速度分布関数を形成する方法分子レベルの流動現象を取り扱う分子動力学解法と、分子の平均自由行程レベルから連続体レベルまでの流動現象が取り扱い可能なボルツマン/ナビエ・ストークス統合解法とを結合するためには、分子動力学解法より求まる有限個の粒子(分子)群から分子速度分布関数を形成してボルツマン解法へ受け渡す方法と、逆に分子速度分布関数から有限個の粒子群を形成する方法の研究開発が必要である。そこで、今年度は有限個の粒子群から分布関数を形成する方法を取り上げ、マルチタイムスケールを用いた集積化、代表粒子を用いた粗視化、数値積分を用いた平滑化、予め作成したデータベースを用いるモデル化など、様々な手法の考案および検討を行った。2)マルチタイムスケール時間進行法ナビエ・ストークス解法にボルツマン解法および分子動力学解法を結合する完全統合解法においては、物理空間スケールおよび時間スケールが大きく異なる解法を並列して同時に使用するので、計算効率の点では、逆に大きく異なる物理空間スケールや時間スケールを有効に利用する方策を研究開発することが重要である。そこで、今年度は大きく異なる時間スケールに着目し、異なる時間スケールの解法を並走させるマルチタイムスケール時間進行法や、異なる空間スケールにも着目した時間-空間マルチスケール進行法、予め作成したデータベースを用いて発展過程のショートカットを目指した飛び進行法など、様々な手法の考案および検討を行った。

しかしながら、分子動力学法の計算負荷は、依然としてボルツマン/ナビエ・ストークス統合解法の計算負荷と比較して多大であり、分子動力学/ボルツマン/ナビエ・ストークス完全統合解法の実用化には更なる研究が必要であることも確認された。
チミン酸化損傷5-ホルミルウラシルに対する生体内修復機構FOシステムの全容解明

本研究は主要なチミン酸化損傷5-ホルミルウラシル(5-foU)の生体内修復機構の全容解明を目的として行った。ここで想定する5-foU修復システム(FOシステム)は(1)非誤対合性5-foUの除去修復、(2)誤対合5-foU誘発突然変異の抑制機構、(3)5-fodUTP分解によるヌクレオチドプール浄化である。本研究の結果、5-foU修復機構の全貌解明の端緒が開かれるとともに、関連した損傷分析技術の開発による分析化学的成果が得られた。本研究の目的は、主要なチミン酸化損傷の一つ5-ホルミルウラシル(5-foU)の生体内修復機構の全容解明である。5-foUは最も生成収率の高いチミン酸化塩基損傷の一つであり、誤対合性ならびに二次的付加損傷生成を示す。本研究では、5-foUに対する修復システムをFOシステムと名付け、その未解明のロストピースを見出し,5-foU修復の全容を明らかにしていく。ここで提案するFOシステムは,(1)非誤対合性5-foUの除去(AlkA/SMUG1,TDG,MBD4),(2)誤対合5-foU誘発突然変異の抑制(MutSLH/?),(3)5-fodUTPの分解(?/?)であり、?の部分が未だ明らかとなっていないロストピースである。本年度は研究計画初年度として「DNA中に取り込まれた5-foU除去修復酵素活性の比較検討によるその役割分担の明確化」を中心に検討を行い、5-foU除去修復に関連すると考えられるDNAグリコシラーゼである大腸菌AlkA (J. Biol. Chem. 274:25136,1999)およびMug、ヒトSMUG1、UDG1、UDG2、TDG、MBD4の遺伝子クローニングを行った。またクローニングした各遺伝子を大腸菌蛋白発現用ベクターに導入し、大量発現系の構築を行い、それらを用いて、各酵素タンパクを調製した。同時に、5-foU特異的含有オリゴヌクレオチド基質を合成し、ニッキングアッセイにて、前述の酵素活性を検討するための条件を整えることに成功した(J. Biol. Chem. 274:25136,1999他)。来年度はこれら酵素タンパク質と損傷オリゴヌクレオチド基質を用いて、順次5-foU修復活性の比較検討を行っていく予定である。ここで提案するFOシステムは,(1)非誤対合性5-foUの除去(AlkA/SMUGI,TDG,MBD4),(2)誤対合5-foU誘発突然変異の抑制(MutSLH/?),(3)5-fodUTPの分解(?/?)であり、?の部分が未だ明らかとなっていないロストピースである。本年度は研究計画二年目として、一年目に引き続き「DNA中に取り込まれた5-fbU除去修復酵素活性の比較検討によるその役割分担の明確化」を中心に検討を行い、5.foU除去修復に関連すると考えられるDNAグリコシラーゼである大腸菌AlkA(J.Biol.Chem.274:25136,1999)およびMug、ヒトSMUG1、UDG1、UPG2、TDG、MBD4の遺伝子クローニングを行い、大腸菌蛋白大量発現系を用いて、各酵素タンパクを調製した。同時に、5-foU特異的含有オリゴヌクレオチド基質を合成し、ニッキングアッセイにて、順次5-fou修復活性の比較検討を行っていった。ここで提案するFOシステムは,(1)非誤対合性5-foUの除去(AlkA/SMUG1, TDG, MBD4),(2)誤対合5-foU誘発突然変異の抑制(MutSLH/?),(3)5-fodUTPの分解(?/?)であり、?の部分が未だ明らかとなっていないロストピースである。

本年度は研究計画最終年度として、前二年に引き続き、(1)の中心テーマである「DNA中に取り込まれた5-foU除去修復酵素活性の比較検討によるその役割分担の明確化」の検討を行った。その具体的内容は、以下の通りである。まず、5-foU除去修復に関連すると考えられるDNAグリコシラーゼである大腸菌AlkA(J. Biol. Chem. 274: 25136, 1999)およびMug、ヒトSMUG1、UDG1、UDG2、TDG、MBD4の遺伝子クローニングを行い、大腸菌蛋白大量発現系を用いて、各酵素タンパクを調製した。同時に、5-foU特異的含有オリゴヌクレオチド基質を合成し、ニッキングアッセイにて、順次5-foU修復活性の比較検討を行った。また、(3)のテーマに対して、細胞内ヌクレオチドプール中における5-fodUTPの存在比の分析をLC-MS/MSで行う系を確立するとともに、5-fodUTPase活性のアッセイ系確立のため、放射性ラベル5-fodUTPの合成系を確立した。本研究の最も困難な実験ステップである修復酵素タンパク質の調製ならびに損傷基質オリゴヌクレオチドの調製が完了したことが評価できる。24年度が最終年度であるため、記入しない。最終年度は前述したように、これまでに調製した修復酵素タンパク質なうびに損傷基質オリゴヌクレオチドを用いて、FOシステムのうち除去修復系の検討を行うとともに、当初予定であるヌクレオチドプール清浄系の検討を行なっていかく。
ロボットリテラシー教育の基礎構築と教材の開発

本研究では,将来出現することが予想される「ロボットネイティブ」世代を対象としたリテラシー教育教材開発のための基礎研究として,子ども達のロボットに対する意識の現状を調査し,それに基づいたロボットリテラシー教育教材を試作,評価した.ロボットネイティブとは,ものごころがついた頃から家庭用ロボットと身近に接しているような世代を指す.これらの世代は,幼い頃からインターネットなどのデジタルメディアに接しているデジタルネイティブ世代と同様,それ以前の世代とは違う価値観を持ち,行動する可能性がある.本研究の成果は,将来のロボットネイティブ世代が家庭用ロボットと望ましい関係を築くことに貢献すると期待できる.本年度の研究計画に従って,ロボットに対する意識や捉え方を効率的に収集するためのシステムを開発した.開発したシステムは,災害時教育やモラル教育の現場で実績のある「クロスロードゲーム」をベースとしたウェブサイト上で参加できる簡単なコミュニケーション・ゲームである.参加者はウェブ・ブラウザやスマートフォンなどの携帯端末を用いて,画面上に表示される設問に「はい」もしくは「いいえ」で答える.表示される設問はロボット・リテラシーにかかわるさまざまなジレンマである.各プレイヤーが回答後,投票結果が開示される.その際,多数派だったプレイヤーが得点する.参加者は他者の立場を推測しつつ自らの立場を明らかにすることになる.ゲームの結果はサーバ上のデータベースに自動的に蓄積される仕組みになっている.また昨年度に引き続き,室蘭工業大学に設置されたロボット工学教育施設「ロボットアリーナ」を活用した児童,生徒向けの公開講座(子供向けメカトロ教室「簡単!電子工作」やロボットスクール2012「サッカーコンテスト編」など)を多数開催してアンケートなどによってデータを蓄積した.電気回路などの工作を行った参加者の多くがロボット工学への興味を示したことから,これらの経験がロボットについて考える機会になっているとが確認できた.また本年度から,人工物と人との境界に対する意識を検証するために,義手のデザインとその印象評価を研究テーマに追加した.本年度は違和感を感じさせない義手の在り方についていくつかの設計案を作成して検証した.プロジェクト最終年度の本年は,ロボットリテラシーのためのゲーム教材を試作し,その評価実験を実施した.開発した教材は,学習者の興味を惹き,高いモチベーションを保つために,カードゲームおよびボードゲームの形態とした.開発したカードゲームは,教育用ゲームの開発手法の一つであるTransformation modeling protocolに従って設計し,被験者実験を行ってその効果を確認した.またボードゲームは,カードゲームの被験者実験の結果を考察してより低年齢層の学習者に向けて設計した.ロボットリテラシー教育のためワークショップとして,青少年向けのロボット教室(期待の作成およびプログラミング)を実施した.ロボットの5大構成要素として,a)機構,b)エネルギー,c)アクチュエータ,d)センサ,e)コンピュータがある.それぞれのロボット教室では,これらのいくつかを題材に取り上げ,教室の導入とまとめにおいて,取り上げた要素について受講者に説明を加えた.例えば機構を教える教室では,機構が異なるいくつかの四足歩行ロボットを製作し,歩行速度を競わせる競技を行った.機構の違いが性能の差になって表れることを体感的に学ぶ機会を提供した.プログラミングをする教室では,作成したプログラムの流れ図とロボットの動作を対応づけて学ぶことができた.またロボット教育とメディアリテラシー教育との関係性をより明確にするために,メディアリテラシー教育を目的とするワークショップを実施して事例を収集した.具体的には,三笠市ジオパーク(北海道)のサインデザインプロジェクトを,サインの制作のプロセス自体がメディアリテラシー教育として機能するように設計して実施した.そしてこの過程から得られた参加者のメディアリテラシーへの意識に関するデータを,ロボットリテラシー教育に反映させるために分析・整理した.本研究では,将来出現することが予想される「ロボットネイティブ」世代を対象としたリテラシー教育教材開発のための基礎研究として,子ども達のロボットに対する意識の現状を調査し,それに基づいたロボットリテラシー教育教材を試作,評価した.ロボットネイティブとは,ものごころがついた頃から家庭用ロボットと身近に接しているような世代を指す.これらの世代は,幼い頃からインターネットなどのデジタルメディアに接しているデジタルネイティブ世代と同様,それ以前の世代とは違う価値観を持ち,行動する可能性がある.本研究の成果は,将来のロボットネイティブ世代が家庭用ロボットと望ましい関係を築くことに貢献すると期待できる.本年度の実施計画は(1)メディアリテラシー教育の分析,(2)ロボットリテラシー実態調査,(3)ロボットワークショップの実施の3項目であった.それぞれについて以下の通り予定通り実施した.(1)メディアリテラシー教育の分析:まず初めにメディアリテラシー教育で用いられるメディアリテラシー調査の手法を詳細に調べ,ロボットを「物理的なインタフェースを有するメディア」と捉えた場合に重要になる要素を抽出した.とくにメディア分析モデルで用いられる「メディア・テクスト」「オーディアンス」「メディアの制作・生産」がそれぞれ「ロボットの機能」「利用者」「ロボットの企画・生産」に対応することを確認してロボットリテラシー分析モデルを定義した.(2)ロボットリテラシー実態調査:(1)で定義したロボットリテラシー分析モデルに基づいて,「ロボットの機能」「利用者」「ロボットの企画・生産」の各軸に対応する問題事例をブレインストーミングの手法で収集した.調査対象となる小学校児童にも容易に回答できるよう,収集した事例を「はい」「いいえ」の二択で答えることができる問題に加工して調査シートを作成した.調査は次で述べるワークショップと併せて実施した.

(3)ロボットワークショップの実施:室蘭工業大学に設置されているロボットアリーナを利用して小中学生を対象としたロボットワークショップを実施した.ワークショップではまず初めに生活の中で活躍している身近なロボットについて説明した後,リモコン操作でサッカーゲームを行うロボットの作成実習を行った.実習の前後で(2)で作成した調査シートを用いたロボットリテラシー調査を実施した.調査結果を分析したところ,実習後にはロボットに対するクリティカルな視点が若干増加していることが分かった.本年度の計画は,ロボットリテラシーについての実態調査結果の分析とロボットリテラシー教育教材の試作であった.計画通りロボット工学に関するワークショップの中で実施したアンケート結果を分析して,その傾向を確認することができた.またロボットリテラシー教材として,ウェブベースのコミュニケーションゲームを開発してその動作を確認した.研究については当初計画通りの進捗である.会期スケジュールの関係で,予定していた研究成果発表が行えなかった.これについては2012年度前半に行う予定である.昨年度開発したコミュニケーション・システムを児童,生徒向けワークショップの中で実施して,以下の2点について確認する.(1)システムの有効性:実際に児童・生徒向けのワークショップで提案システムを用いた場合,有効なデータを十分数得ることができるかどうかについて検証を行う.もし十分な結果が得られなかった場合にはユーザインタフェースに改良を加えて再度確認を行う.(2)ワークショップの有効性:データベースに蓄積されたデータを分析して,ワークショップの前後で受講者のロボットに対する認識にどのような変化があったかについて検証する.またワークショップの内容を細かく分析することで,どの要素がその変化を引き起こしたのかについて確認する.「人工物」としての違和感を感じさせない義手のデザインについても検討を進める.いくつかのプロトタイプを作成して印象評価実験を実施し,デザイン要素とその印象との関係について調べる.これによって,人が「人工物」として認識する特徴を明らかにし,ワークショップ教材に反映させる.ロボットリテラシーについての調査を行った結果,ロボットに対する意識やその捉え方は年齢や個人による差が非常に大きいことが明らかになった.これらの中から傾向を見つけるためにはより多くのデータが必要になる.
中学校における理科と音楽を融合した新しいカリキュラム開発の研究

音楽を通して音や振動に関する中学校向けの理科学習教材や授業カリキュラムを開発した.鍵盤ハーモニカや木琴といった中学校において身近な楽器のしくみを探る実践授業を複数回行い,この授業が理科学習にとって理解度,興味度ともに向上させることがわかった.作成した教材,カリキュラムをもとにHPを作成し,インターネットを通じて学校現場へ発信した。本研究では音楽を通して音や振動に関する中学校向けの理科学習教材や授業カリキュラムの開発を進めている。これまで楽器や身の回りの音を取り入れた理科教材は数多く見受けられるが学校での音楽学習に密着した理科教材や学習カリキュラムはあまり見られない。実際に小学校で扱う鍵盤ハーモニカやリコーダのしくみ、音楽のもつ音階や響きを含んだ音楽を取り入れた理科学習がこの研究のねらいである。理科と音楽を総合的に学ぶことは理科を役に立つ教科として実感し興味関心や理解の向上に有効であると同時に音楽学習の中にも考える視点を持たせることができる。これまでに実践した授業例<鍵盤ハーモニカはどうして鳴るの?>鍵盤ハーモニカは小学校のとき必ず学習する楽器であるがその原理はほとんどの生徒が知らない。パイプを吹くので管楽器のイメージをもつものが多い。使わなくなった鍵盤ハーモニカを持ってこさせて中を分解してその原理を探ると非常に興味を持つ。簡単に分解でき比較的わかりやすいしくみであることから、分解しながら調べてしくみを理解するのに適した教材である。さらにハーモニカ(吹くと吸う)を調べることでより理解が進み興味も増す。1. 19年度に開発した理科教材、理科学習の有効性を測るためを中学校で授業実践を行った。○身近な楽器のしくみを知ろう。鍵盤ハーモニカを分解し、リードの振動する様子を調べる。応用としてハーモニカも分解して調べる。ストロー笛に風船を付けたストロー風船を使って振動の様子を観察する。高速撮影カメラを使った映像も見せる。○木琴の共鳴管の役割を知る。いろいろな長さの塩ビパイプを用い、どの音にどの長さのパイプが響くかを実験する。筒の中にできるふしとはらの様子を知る。複数の中学校・クラスで実践したがいずれも8割の生徒が学習前より音分野の理解が上がったと答えた。2.京都教育大学において小学校教師をめざす学生に必修の小学校教員免許科目で上記鍵盤ハーモニカ学習、ストロー笛学習などを行い学生の評価について集計、分析した。約250名の受講生のうち9割がわかった、面白かったと答え、8割が教師になったら授業に取り入れてみたいと答えた。3.教材HPを作成し学校現場へ提供した。4.報告書を作成した。
骨格筋細胞の分化増殖過程における細胞周期制御機構

本研究では、生体筋組織における骨格筋細胞の増殖・分化機構の解析を通じて、骨格筋転写因子と細胞周期調節因子との相互作用とこれらに対する各種プロテアーゼの役割を明らかにすることを目的としている。今年度の研究で、代表者らは、マトリックスメタロプロテイナーゼ-9(MMP-9)の遺伝子欠損マウスとその野生型で、マウスの大腿動静脈の結紮による虚血肢モデルを作製したところ、遺伝子欠損マウスでは、虚血壊死筋組織中のストローマ細胞の集籏が野生型と比較して有意に遅延すること、筋サテライト細胞の増殖因子と考えられているHGF、IGF等の細胞外ドメイン分泌に障害を有することを明らかにした。また、この時MMP-9遺伝子欠損マウスでは骨格筋転写因子MyoDの発現、さらにcyclinD1、cydin D3等の細胞周期調節因子の発現増加も認められた。MMPは、潜在型酵素ProMMPから活性型MMPへの変換によって活性化されるが、近年、血液線維素溶解系因子に属するプラスミノーゲンの活性化により生成するプラスミンが、MMPの活性化を制御していることが明らかとなっている。代表者らは、組織型プラスミノーゲンアクチベータ(tPA)を虚血肢モデルに投与することにより、虚血壊死筋組織中のストローマ細胞の増加、そしてMMPの活性化、Kit-ligand、HGF及びIGFの分泌促進等を介して虚血壊死筋組織の再生を促進することに成功した。またtPAの投与は、虚血壊死筋の骨格筋転写調節因子、細胞周期調節因子の発現を増加させることから、筋サテライト細胞からの分化、細胞周期移行を促進しているものと考えられた。本研究は、MMPや線溶系酵素等の各種プロテアーゼの活性と骨格筋系細胞の細胞周期制御及び分化・増殖制御機構との密接な関連性を示唆しており、骨格筋細胞の分化相と増殖相のバランス基盤の理解に重要な一端を明らかにしたと言える。血液凝固・線維素溶解系やMMPに代表されるプロテアーゼ活性と骨格筋分化決定因子、細胞周期調節因子との関連性、相互作用を見出しただけでなく、筋組織再生におけるプロテアーゼ活性の意義ついてある程度の考察がなしえたこと、さらにこれらに関する論文報告も出来たことから。1.生体内では、プロテアーゼ活性が、増殖因子を介して骨格筋細胞の分化相と増殖相の移行に関与していることは明らかとなったが、分化相と増殖相のバランスを調節するメカニズムにおけるプロテアーゼ、増殖因子の果たす役割の詳細を明らかにする。2.本研究成果を基礎として、骨格筋細胞の分化・増殖、細胞周期移行の促進を誘導している可能性が見出されたtPAやこれに類する薬剤については、組織再生促進療法への応用の期待も掛かる。今後、その有用性、安全性について創薬、トランスレーショナルリサーチからの観点で研究を進める。本研究では、生体筋組織における骨格筋細胞の増殖・分化機構の解析を通じて、筋分化決定因子と細胞周期調節因子との相互作用を明らかにすることを目的とし、特に骨格筋幹細胞(筋サテライト細胞)の生体内分化過程における細胞周期制御機構の解明をその焦点とする。また筋サテライト細胞の増殖・分化、またはそのニッチから損傷組織への動員といった生体内動態の把握、筋サテライト細胞をはじめとする未分化骨格筋細胞の生体内動態制御因子、シグナル分子の解明も本研究の遂行上、重要な関連課題と考えられ、これらを総括した骨格筋細胞の増殖相と分化相、そして両相間の移行制御機構おける細胞周期制御因子群の機能の解明を目指すものとする。今年度の研究で、研究代表者らは、マウスの大腿動静脈の結紮により主に腓腹筋を中心とした虚血壊死組織の形成、そしてその再生過程を病理組織あるいは超音波ドップラー法によって精査する虚血肢モデルを確立した。またこの虚血肢モデルをマトリックスメタロプロテイナーゼ-9、あるいは血液線維素溶解系因子プラスミノーゲン等の各種プロテアーゼ遺伝子欠損マウスで作製すると、虚血壊死組織の再生が有意に遅延することが判明した。これらの遺伝子欠損マウスの骨髄中の組織幹細胞の分画では、組織再生過程におけるS期への移行が有意に阻害され、細胞周期制御機構における各種プロテアーゼ活性の関与が示唆された。なお代表者らは組織型プラスミノーゲンアクチベータの投与により、これらのプロテアーゼの活性化を誘導することによって、骨髄細胞ではS期への移行が有意に促進され、虚血壊死組織の再生も促進されることも報告した。現在、これらの各種プロテアーゼ遺伝子欠損マウスの筋肉組織再生過程における筋サテライト細胞、筋肉細胞の細胞周期及び骨格筋転写、筋分化決定因子群の発現解析を通じて、これら因子の相互作用の存在について精査中である。

MMPは、潜在型酵素ProMMPから活性型MMPへの変換によって活性化されるが、近年、血液線維素溶解系因子に属するプラスミノーゲンの活性化により生成するプラスミンが、MMPの活性化を制御していることが明らかとなっている。代表者らは、組織型プラスミノーゲンアクチベータ(tPA)を虚血肢モデルに投与することにより、虚血壊死筋組織中のストローマ細胞の増加、そしてMMPの活性化、Kit-ligand、HGF及びIGFの分泌促進等を介して虚血壊死筋組織の再生を促進することに成功した。またtPAの投与は、虚血壊死筋の骨格筋転写調節因子、細胞周期調節因子の発現を増加させることから、筋サテライト細胞からの分化、細胞周期移行を促進しているものと考えられた。本研究は、MMPや線溶系酵素等の各種プロテアーゼの活性と骨格筋系細胞の細胞周期制御及び分化・増殖制御機構との密接な関連性を示唆しており、骨格筋細胞の分化相と増殖相のバランス基盤の理解に重要な一端を明らかにしたと言える。血液凝固・線維素溶解系やMMPに代表されるプロテアーゼ活性と骨格筋分化決定因子、細胞周期調節因子との関連性、相互作用を見出しただけでなく、筋組織再生におけるプロテアーゼ活性の意義ついてある程度の考察がなしえたこと、さらにこれらに関する論文報告も出来たことから。1.生体内では、プロテアーゼ活性が、増殖因子を介して骨格筋細胞の分化相と増殖相の移行に関与していることは明らかとなったが、分化相と増殖相のバランスを調節するメカニズムにおけるプロテアーゼ、増殖因子の果たす役割の詳細を明らかにする。2.本研究成果を基礎として、骨格筋細胞の分化・増殖、細胞周期移行の促進を誘導している可能性が見出されたtPAやこれに類する薬剤については、組織再生促進療法への応用の期待も掛かる。今後、その有用性、安全性について創薬、トランスレーショナルリサーチからの観点で研究を進める。
テラビット級高速磁性不揮発メモリの開発

記録情報の安定保持を担う記録層と低磁界での磁化反転を担う駆動層を、複数の磁性層により構成し、これらを磁気的に結合した機能分担型磁性不揮発メモリについて、材料探索、評価素子試作、動作実験、機能動作解析等の研究を総合的に行い、テラビット級高速磁性不揮発メモリの実現に資する以下の成果を得た。1)記録層と駆動層の結合機構として、パターン端部磁極間静磁気結合と界面交換結合を利用する2方式についてシミュレーションによる比較検討を行った結果、駆動層から記録層へのトルク伝達性に優れた後者が、微小セルにおいても良好な機能分担特性を実現できることを明らかにした。2)上層の機能動作用導体パターンをマスクとして下層の磁性多層膜細線をドライエッチングする自己整合型プロセスを開発し、最小パターン幅200nmのクロスポイント(CP)メモリ素子を試作した。素子の磁気抵抗測定より、静磁気結合に起因する特徴的な磁化反転特性を検証し、同結合が記録層の磁化反転磁界を著しく低減可能であることを明らかにした。3)軟磁性CoFe層(駆動層)と硬磁性TbFe層(記録層)を交換結合させたメモリセルの基本動作実験を行い、導体パターンからのジュール加熱によるTbFe層の磁気異方性低減効果により磁化反転磁界が顕著に低減されることを実証した。また、高速動作評価として集束レーザビーム照射によるパルス熱励起を試み、同様の反転磁界低減効果を検証した。4)マクロスケールモデルを導入した有限温度磁化過程解析プログラムを新たに開発して、熱アシスト磁化反転過程の詳細を明らかにし、効果的な機能分担機能を発現するための各層磁気特性、層構成、層間交換結合強度等に関する設計指針を確立した。また、100nmサイズの機能分担型垂直磁化記憶セルの設計及び動作シミュレーションを行い、実用的な情報安定性と低電力性を検証した。低電力機能動作と記録情報の安定性を併せ持つ機能分担型メモリセルの構成材料について探索するととに,極限的なセル微細化のための自己整合型プロセスを確立して評価素子の試作及び基本動作の検証実験を行い,以下のような成果を得た.1)非磁性層を介してソフト磁性体とハード磁性体を静磁気的に結合させた複合膜パターン(0.1μm×0.1μm)について、計算機シミュレーションによりその磁化反転特性を調べた。その結果、ソフト磁性体またはハード磁性体の単層膜パターンに比べて同等の熱安定性を確保しながら、40%程度も磁化反転磁界を低減可能なことがわかった。この磁化反転磁界の低減は、MRAMにおける情報書き込み、読み出し時の消費電力の抑制につながる重要な結果と考える。2)ソフト磁性体であるFe-Coとキュリー温度が低く温度による磁性制御が容易なハード磁性体であるTb-Feを交換結合させた複合膜パターン(4μm×16μm)を作製し、熱アシスト磁化反転に関する基本動作実験を行った。3)上層の機能動作用導体パターンをマスクとして下層の磁性多層膜細線をミリングする自己整合型プロセスを開発し,最小パターン幅200nmのクロスポイント構造メモリセル(CPセル)の試作に成功した.CoFe/Cu, NiFe/Cu等の磁性多層膜からなるCPセルの磁気抵抗測定結果より,パターン端部表出磁極間に作用する静磁気結合が,その磁化過程に有効に機能し,各磁性層の分担機能を統合する機構として利用できることを明らかにした.

4)メモリセルアレイにおける磁気特性のアンサンブル平均を効率的に評価可能な試料として,磁性多層膜の最上層のみに微細加工を施したレリーフ型磁性ドットアレイを作製し,その磁気抵抗の温度依存性から,磁化反転過程における活性化エネルギーのパターンサイズ依存性及び膜厚依存性を評価した.低電力機能動作と記録情報の安定性を併せ持つ機能分担型メモリセルの構成材料について探索すると共に,極限的なセル微細化のための自己整合型プロセスを確立して評価素子の試作、基本動作の検証実験、数値計算シミュレーションによる機能動作解析を行い,以下のような成果を得た.1)軟磁性CoFe層と硬磁性TbFe層を交換結合させた機能分担型メモリセルの試作及び基本動作実験を行ない、熱励起下でのTbFe層の磁気特性変調効果により両磁性層の機能分担が効果的に統合出来ることを実証した。また、集束レーザビーム照射によるパルス熱励起においても同様の効果を検証し、高速動作性についての見通しを得た。2)磁気特性の温度依存性と磁化の熱揺動をモデル化した有限温度磁化過程解析プログラムを新たに作成し、熱アシスト磁化反転過程の計算機シミュレーションを行った。これにより、交換結合膜におけるエネルギー障壁離脱過程の詳細を明らかにすると共に、効果的な機能分担機能を実現するための各磁性層磁気特性の設計指針を確立した。3)上層の機能動作用導体パターンをマスクとして下層の磁性多層膜細線をミリングする独自の自己整合型プロセスにより,種々の層構成を有するサブμmサイズのクロスポイント構造メモリセル(CPセル)を作製し、磁気抵抗特性評価実験を行った。マイクロマグネティクス理論に基く計算機シミュレーションと上記実験結果との比較解析により、CPセルを構成する磁性層間の静磁気結合力を定量的に見積もり、各磁性層の分担機能を効果的統合するためのセル設計に供した。4)記録情報の安定保持に不可欠な膜面内一軸磁気異方性付与方法として、基板傾斜スパッタリング成膜が有効であることを示し、磁気異方性の大きさ、異方性軸の配向度、熱安定性等の特性に関し、種々の成膜条件に対する依存性を明らかにした。記録情報の安定保持を担う記録層と低磁界での磁化反転を担う駆動層を、複数の磁性層により構成し、これらを磁気的に結合した機能分担型磁性不揮発メモリの基礎実験並びに動作シミュレーションを行い以下の成果を得た。1)種々の希土類(Nd,Tb,Sm)-遷移金属(Co,Fe,Ni)合金薄膜について、記録層構成材料としての比較検討を行った結果、TbFe非晶質薄膜において、単位温度上昇あたりの垂直磁気異方性低減率が最大となることを明らかにした。また、駆動層としてNiFe膜を積層したTbFe/NiFe交換結合膜において100°C以下の温度上昇による顕著な磁化方向スイッチング磁界の低減効果を確認し、面内磁化軟磁性層と垂直磁化硬磁性層を交換結合したMRAM記憶セルにおける熱アシスト型機能分担機能を実証した。2)交換結合2層膜における磁化過程の温度依存性と計算機シミュレーション結果との比較対応を行い、磁気異方性定数、交換定数について、各々、飽和磁化の3乗、2乗に比例した温度依存性を仮定することにより実験結果との良好な一致を得た。また磁化反転磁界低減と双安定磁化状態間のエネルギー障壁増大の相反要求充足の観点から、材料磁気特性と各層厚の最適設計を行った。さらに、層間交換結合強度の制御が各層機能の効果的分担に有効であることを示し、評価実験によりその効果を検証した。3)才差モード磁化反転や強磁性共鳴現象を利用した新規書き込み方式について基礎的検討を行った。