hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
蛋白質表面での人工光合成反応中心の構築:光合成型半合成酵素の化学的設計を目指して

ヘムなどの補欠分子を持った酵素では、化学修飾した補欠分子とアポ酵素との再構成がタンパク質表面に非天然分子を導入するために有効である。この手法を使うと、光増感剤や脂肪酸のような長鎖アルキル基、また人工の分子認識部位などを比較的自由にヘム蛋白質に導入することが可能である。得られた半合成タンパク質は、導入された非天然分子の機能に応じて、光スイッチ特性や、膜結合性のヘムタンパク質、あるいは特定ゲスト分子(糖類や金属イオンなど)に感受性をもつ分子へと機能変換されることが明らかとなった。本基盤研究ではこれらの研究をさらに飛躍発展させることを目的とし、超分子化学的なエンジニアリングについて特に光酵素構築に主眼を置いてその可能性について検討した。我々は、人工の光合成反応中心をミオグロビンの表面で部位特異的に組み立てることに成功した(I. Hamachi, et al., J. Am.Chem. Soc.,1999, 121, 5560. J. Am. Chem. Soc., 2000, 122, 231. Chem. Eur. J. 2000, 6, 1907.)。カテナン型の超分子構造を有する(ドナー・光増感剤・アクセプターのつながった)トライアッドを再構成によってアポミオグロビンやシトクロムに組み込むことにより、表面に増感剤とアクセプターを組み込んだハイブリッドタンパク質となる。この再構成人工蛋白質の光照射によって生成する電荷分離状態(光合成の初期過程)の寿命は、2ミリ秒を越える(正確な値を見積もれないくらい)ほど長く、あの複雑で巨大な天然の光合成反応中心とほぼ同等の値であった。様座な検討から、アポタンパク質によるラッピングの効果、それと連動するプロトン共役の電子移動などが長寿命化の主な要因であると推定された。(1)再構成法を用いた蛋白質表面での光合成反応中心の構築法の確立(九大:浜地、築地)ルテニウム錯体を光増感剤、ヘムを電子供与体、環状ビオロゲンを電子受容体としたカテナン型トライアッド分子の合成に成功し、アポミオグロビンと再構成することによって光合成反応中心を表面に構築した半合成ヘムタンパク質が調製できることを、CD,NMRなどで構造的にキャラクタリゼーションで確認した。(2)異なる蛋白質マトリックスへのトライアッド合成分子の組込み(九大:浜地、築地)蛋白質マトリックスの効果を明瞭に理解するためには、マトリックスのない系との比較だけでなく、異なる蛋白質マトリックスを利用することが重要である。我々が持っているシトクロムb562を利用するために、シトクロムb562でも再構成法が適用できることを明らかにした。(3)レーザーフォトリシスによる電荷分離過程および寿命の評価(北里大:大石、築地)光エネルギー変換効率に最も重要な電荷分離状態の観察は、時間分解レーザーフォトリシス(過渡吸収測定)実験で行い、(北里大:大石教授)光誘起電子移動過程、電荷分離寿命と量子収率に焦点を当てて、上記で半合成したヘム蛋白質類の機能評価ができる目途を付けた。(1)再構成法を用いた蛋白質表面での光合成反応中心の構築法の確立(九大:浜地)ルテニウム錯体を光増感剤、シクロデキストリンをペンダントしたヘムを電子供与体、疎水性ビオロゲンを電子受容体とした分子認識によって非共有結合でドナー・増感剤・アクセプタートライアッドの構築を再構成ミオグロビン表面で行うことが可能であることを、CD, NMRなどで構造的にキャラクタリゼーションすることによって確認した。これによって光合成反応中心を表面に構築した半合成ヘムタンパク質がかなりのバラエティで調製できると期待される。

(2)レーザーフォトリシスによる電荷分離過程および寿命の評価(北里大:大石)光エネルギー変換効率に最も重要な電荷分離状態の観察は、時間分解レーザーフォトリシス(過渡吸収測定)実験で行い(北里大:大石教授)、光誘起電子移動過程、電荷分離寿命と量子収率に焦点を当てて、上記で半合成したヘム蛋白質類の機能評価ができる目途を付けた。ヘムなどの補欠分子を持った酵素では、化学修飾した補欠分子とアポ酵素との再構成がタンパク質表面に非天然分子を導入するために有効である。この手法を使うと、光増感剤や脂肪酸のような長鎖アルキル基、また人工の分子認識部位などを比較的自由にヘム蛋白質に導入することが可能である。得られた半合成タンパク質は、導入された非天然分子の機能に応じて、光スイッチ特性や、膜結合性のヘムタンパク質、あるいは特定ゲスト分子(糖類や金属イオンなど)に感受性をもつ分子へと機能変換されることが明らかとなった。本基盤研究ではこれらの研究をさらに飛躍発展させることを目的とし、超分子化学的なエンジニアリングについて特に光酵素構築に主眼を置いてその可能性について検討した。我々は、人工の光合成反応中心をミオグロビンの表面で部位特異的に組み立てることに成功した(I. Hamachi, et al., J. Am. Chem. Soc., 1999,121,5560. J. Am. Chem. Soc., 2000,122,231. Chem. Eur. J. 2000,6,1907.)。カテナン型の超分子構造を有する(ドナー・光増感剤・アクセプターのつながった)トライアッドを再構成によってアポミオグロビンやシトクロムに組み込むことにより、表面に増感剤とアクセプターを組み込んだハイブリッドタンパク質となる。この再構成人工蛋白質の光照射によって生成する電荷分離状態(光合成の初期過程)の寿命は、2ミリ秒を越える(正確な値を見積もれないくらい)ほど長く、あの複雑で巨大な天然の光合成反応中心とほぼ同等の値であった。様座な検討から、アポタンパク質によるラッピングの効果、それと連動するプロトン共役の電子移動などが長寿命化の主な要因であると推定された。
重度障害者に対するコミュニケーション機器の開発

これまで、コミュニケーション障害を有する重度身体障害者のための福祉機器に関するニード調査および機器開発を進めてきた。われわれが臨床的にこれらのコミュニケーション機器を応用した症例は、脳性麻痺、進行性筋ジストロフィー症、頸髄高位損傷であった。脳性麻痺症例は四肢体幹の不随意運動を伴う機能障害にあわせて、重度なる構音障害を合併し、一般の手段では書字・言語による表現が困難である症例が多い。進行性筋ジストロフィー症例や頸髄高位損傷例では、上肢の筋力低下または神経麻痺により運動機能は極限られた動作しか遂行し得ない。また、一部の症例では呼吸管理のため気管切開が施されていて、自発言語も不可能である。以上の症例は長期にわたり意志の伝達が意のままにならず、一方的かつ受動的なケアのもとにおかれることが多い。生活動作においては全面的なケアを受けながらも症例の精神活動は正常に働いているため、この精神活動を援助する手段を講じることはリハビリテーション医学の重要な課題と考えた。症例に意志表現手段に対するニードがある場合には、われわれがこれまで開発してきたコミュニケーション機器を利用することにより、十分対応できるに至っている。本機器の利用時に症例の残存能力を分析することが重要であり、残された機能を有効的に活用して入力装置を操作させるインターフェイスや入力装置の工夫が症例ごとに必要であった。臨床応用では、それぞれの障害を持った在宅症例や入院の症例に使用した。その結果、文作活動・コミュニケーション機能を援助し症例のQOLを高めて手段となり得ることがわかった。今年度は特に重度の脳原性疾患を有する症例に合併したコミュニケーション障害に対して取り組んだ。整形外科一般診療において脳原性障害を呈する代表的疾患は、脳性麻痺である。特に重度アテトーゼ型脳性麻痺例においては四肢体幹の重度な運動機能障害に合わせて構音障害による会話機能の喪失が合併している。これらの症例はわれわれの日常生活を営むうえで最も大切とされる書字や言語手段によるコミュニケーション機能が著しく障害され、症例に対するリハビリテーション遂行上重大な支障を生じてくる。われわれは症例が自らの残存機能を活用して使用し得るコミュニケーション機器を開発し、症例の持つ障害の軽減と残存能力の向上を図っている。今年度は症例の四肢または頸部の単純な運動を有効に利用すべく、従来より開発を進めていた文字列スキャンニング方式をさらに効率的に文章表現ができるよう、本機器のハード面ならびにソフト面を改良した。症例の残存能力を有効に活用するため非常に大切となる入力装置については、一本の指の屈伸または下顎の上下運動などの最も単純な一方向の運動で入力できる2段スイッチ方式を中心に臨床応用を行った。本コミュニケーションの基本システムは、まず症例の残存機能に直接関係し、個々の症例に適合させて作製される入力装置と、入力信号を処理するコンピューターおよびCRT上で文章を作成しプリントアウトするための出力装置より構成されている。現在前述の如き脳性麻痺症例を対象にしたシステムを開発してフィールドテストを行いながらリハビリテーションサービスの一端として役立てているが今後症例を増加させるとともに筋ジストロフィー症例や頸髄症例など各種の障害症例につき応用する計画である。社会生活の営みにおいて種々の手段によるコミュニケーション機能は非常に重要なものである.脳性麻痺症例を中心とする重度身体障害者は運動器の機能障害に合併して構音障害を有し,他の日常生活動作障害と重複して社会生活上重大なハンディキャップをこうむっている.

近年,障害者の能力開発面から従来主として運動機能面に向けられていた取り組みを,さらに知的・精神的能力の開発に向ける努力の必要性が主張されるようになってきた.施設入所症例を対象にわれわれが調査した重度障害者の実態においても,約半数の症例に日常生活中のコミュニケーション機能障害を認めた.各種のコミュニケーション手段が考えられるなかで,症例によっては機器の利用を必要とし,その利用により症例のニードを満たし飛躍的にQOLを高めることがわかった.これまで上記障害に対して,マイクロコンピューターを駆使した音声編集器ならびに書字介助器の開発を行い,症例の残存機能を活用させて言語および書字によるコミュニケーション機能が向上するよう研究を進めてきた.書字介助機器については症例の上肢・下肢・下顎などの粗大動作で入力し一般に普及しているワードプロセッサーが使用できるようにインターフェースおよびそのソフトを開発した.症例の残存能力に直接つながる入力方式は2個のスイッチを入力するスキャンニング方式と, 8個または12個のスイッチよりの2連の組み合わせ信号を入力する2方式を中心に臨床応用を進めて来ている.今年度は極重度症例用のスキャンニング方式につき単純な動作で能率的に文章を編集するように,一般のキー操作に相当するカーソルでの走査を4方向に行えるようなプログラムを開発した.コミュニケーションに関するハンディキャップを軽減する福祉機器は障害者のリハビリテーションの新しい手段となり得ることがわかった.日常生活に多面的な介助を必要とする重度脳性麻痺症例においては、言語障害や書字機能障害により人間の大切な機能であるコミュニケーション能力の障害を合併することが多い。しかし、これらの症例の中に知的能力が全く正常かまた特に優れているにもかかわらず、何らの福祉機器の利用によらなければその知的能力を導出することが困難な場合が多い。コミュニケーション障害に対するアプローチとして、1)音声編集機による会話機能に対する援助システム、2)特殊ワードプロセッサーの開発による書字機能に対する援助システムの2つのアプローチが考えられる。われわれは、両システムの開発を進め、臨床応用を行った。言語編集機は音声によるコミュニケーション障害者の実生活の中で意志伝達を行なうため利用価値が高いことを認め、書字介助システムは特に症例の文作活動を助け、創作能力を導出することに役立つことがわかった。これらの機器の開発には、コンピューターを利用した機器本体およびソフトウエアーの開発に合わせて、障害者の残存運動機能を働かせて入力装置を操作するためのインターフェイスおよび個別的な入力装置の工夫が重要であった。四肢体幹に重度の運動障害を有している症例に対して、従来のリハビリテーション手段では症例の能力開発に限界を生じていた。しかしコミュニケーション機器の利用により「コトバ」や「心理活動」の表現障害を改善し、これまで深刻であった人間相互のつながりを維持する能力の障害を克服することも可能となる。以上の如き表現機能の補助は重度障害者の精神的自立を促進し、本人の人権を保障するため重要であることが今回の研究を通して判明した。
水系の鼻を利用した微絨毛嗅細胞の機能研究

本研究では微絨毛嗅細胞の機能を明らかにすることを目的として、水棲動物鼻腔内の嗅上皮における線毛嗅細胞と微絨毛嗅細胞の応答を計測・解析した。本研究を通じて、嗅上皮スライス標本からのホールセルパッチクランプ記録系およびリンガー液中に浸した状態での嗅電図記録系を確立し、それぞれの記録系で嗅細胞の応答を解析した。嗅電図記録では線毛嗅細胞と微絨毛嗅細胞の応答特性の差が明らかとなった。細胞先端部の構造が互いに異なる線毛嗅細胞と微絨毛嗅細胞は、異なる情報変換機構を備えると仮定されている。水棲動物において水環境へ直に接する嗅上皮には、これら2種の嗅細胞が共在する例が多い。本年度では線毛嗅細胞と微絨毛嗅細胞の機能特性を比較するために、水棲動物の水環境用嗅上皮から、(1)パッチクランプ記録及び(2)嗅電図(EOG)記録を行った。(1)ではアフリカツメガエル鼻腔中憩室の嗅上皮よりスライス切片を作成し、切断面表面の嗅細胞から全細胞記録下でアミノ酸溶液または3-isobutyl-1-methylxanthine(IBMX)溶液による刺激に対する細胞応答を記録する実験系を確立できた。パッチピペット溶液に蛍光色素ルシファーイエローを添加した場合は、細胞内に拡散した蛍光色素により細胞の形態を電気記録後に観察することができた。(2)では、アフリカツメガエル鼻腔中憩室の嗅上皮または、アカハライモリ嗅上皮を標本に用いて電磁弁により時間制御された溶液投与により、アミノ酸溶液またはIBMX溶液による刺激に対するEOG応答を記録する実験系を確立できた。この実験系ではアミノ酸刺激とIBMX刺激に対して交差順応試験を行った。これまでの結果では、連続した同種の溶液刺激では順応が確認されたのに対して、アミノ酸刺激とIBMX刺激との間にはほとんど交差順応がみられていない。対して(1)の全細胞パッチクランプ記録ではアミノ酸刺激とIBMX刺激の両方に応答する細胞がみられたので引き続き両応答を解析する予定をしている。嗅細胞のうち、それぞれの細胞先端部の構造が互いに異なる線毛嗅細胞と微絨毛嗅細胞は、異なった嗅覚情報変換機構を備えると考えられている。水棲動物のうちには水系の環境に接している嗅上皮においてこれら2タイプの嗅細胞両方をもつものが多い。本年度の研究では昨年度までのツメガエル、イモリを用いた記録系に加えて、(1)硬骨魚キンギョの嗅上皮スライス標本からのパッチクランプ記録系、(2)キンギョ魚体から分離させた嗅覚組織からのリンガー液中での嗅電図(electroolfactogram;EOG)を記録する実験系を初めて確立することができた。キンギョなどの硬骨魚の嗅細胞はアミノ酸などによく応答することが知られており、微絨毛嗅細胞からの記録がより効率的に行えることが期待される。実際に、(1)の記録系で全細胞記録時に蛍光色素を導入された嗅細胞に微絨毛嗅細胞様の形態をもつものが見られた。さらに、これまでは専ら真水環境下でのEOG記録が報告されていた淡水魚のEOGがリンガー液環塊で記録可能であることがわかったことにより、パッチクランプ記録での嗅応答データとEOG嗅応答データの相互比較が硬骨魚で可能となった。これにより、例えば、パッチクランプ記録にあたり、あらかじめEOGでどのような嗅物質や薬理学的試薬が数多くの嗅細胞に有効なのかを確認しておき、パッチクランプ記録では、実際に単一細胞からの応答を調べることで、細胞単位の応答特性を解析するなどのアプローチが、硬骨魚の嗅応答において新たに可能になった。嗅細胞は、匂いの感覚細胞であり、匂い物質による化学的刺激を細胞膜電位の変化による電気的信号へと情報変換する機能をもつ。嗅細胞には、細胞突起先端部で匂い物質を受容する部分の構造が互いに異なる、線毛嗅細胞と微絨毛嗅細胞があり、これらはそれぞれ異なる情報変換機構を有するとされる。水系環境に接して機能する嗅上皮をもつ水棲動物には、線毛・微絨毛嗅細胞の両方をもつものが多い。本研究では、水棲動物の水系の嗅上皮をもちいて、線毛嗅細胞と微絨毛嗅細胞の機能解析を行った。本年度は、昨年度までの研究で新たに確立できた嗅細胞記録系である、1硬骨魚キンギョの嗅上皮スライス標本からのパッチクランプ記録系、2キンギョ魚体から分離させた嗅覚組織からのリンガー液中での嗅電図(electroolfactogram; EOG)を記録する実験系を利用して、線毛嗅細胞と微絨毛嗅細胞の機能を解析し比較した。キンギョ嗅上皮のスライス標本からのホールセルパッチクランプでは、パッチ電極から細胞内に導入された蛍光色素による細胞形態が確認され、細胞の電位依存性電流の大きさと嗅細胞タイプとの間に関係性のある可能性が示された。リンガー液中でのEOG解析では、細胞外イオン組成条件を変化させることができることを利用して、キンギョ嗅

上皮とウシガエル嗅上皮での嗅応答の消失課程に対する細胞外Na+の影響を比較した。その結果、線毛嗅細胞が主に存在するウシガエルではNa+-Ca2+交換体が嗅応答消失に関与すると考えられたのに対して、キンギョ嗅上皮では、線毛嗅細胞と微絨毛嗅細胞の両方の嗅応答消失過程はNa+-Ca2+交換体に依存しないことが新たに示された。淡水環境下では細胞外Na+濃度が低く、Na+-Ca2+交換体をCa2+の汲み出しに利用できないが、脊椎動物が陸棲へと進化する過程において嗅粘膜上のNa+を利用するようになった可能性が考えられた。本年度に新たにキンギョ嗅上皮スライス標本からのパッチクランプ記録系が初めて確立できたことによって、アミノ酸応答や胆汁酸応答を示す嗅細胞の形態が蛍光色素の導入により観察できてきているので。24年度が最終年度であるため、記入しない。今後はEOGによる嗅上皮に存在する嗅細胞集団からの嗅応答記録とパッチクランプ記録から得られる単一嗅細胞からの嗅応答解析を組み合わせて効率的に嗅応答解析を進めていく。具体的には嗅応答の細胞外イオン性などについてもEOGで調べることで、嗅細胞集団としての応答を解析し、個々の細胞での関与に関してはパッチクランプ法での解析を行っていくことを予定している。
実験的小腸移植におけるグラフト関連リンパ組織の解析―免疫抑制剤下FK506/FTY720の免疫抑制効果

FTY720を用い移植片の生着が困難な小腸移植におけるグラフト浸潤細胞に着目し、移植片局所免疫応答の解析をリンパ球分布動態から検討した実験である。同種異系雄性ラット間,(DA→LEW)の移植片を摘出し、パイエル板、腸間膜リンパ節、小腸上皮、粘膜固有層からリンパ球を採取した後に表面抗原を標識しフローサイトメトリーで解析した。FTY720投与群(1mg/kg/dayx 5days)では拒絶例と比し、組織学的に拒絶反応を認めず、血中リンパ球は低値であった。またリンパ球サブセツトは拒絶例に比し(1)IEL、LPLでCD4+細胞が高値であった(2)PP、MLN、IEL、LPLでCD8+細胞が低値であった(3)PP、LPLでIL-2レセプターが低値であった(4)B細胞はPPで高値、MLN、LPLで低値であった、という特徴が明らかになった。すなわちFTY720は細胞障害性リンパ球の浸潤抑制、IL-2レセプターの発現率の低下が免疫抑制の主体であることを示唆するものと考えられた。腸管関連リンパ組織が豊富な小腸は免疫原性が強いため、移植片生着が困難な臓器である。われわれの研究は、移植片が最終的に拒絶されるか生着するかに関わる免疫応答のなかでも、移植片の腸管壁ことに粘膜固有層を中心とする局所の免疫応答が、最終的な方向決定に最も重要な意義を持つとの観点からの実験である。同種異系雄性ラット間(DA→PVG)で小腸移植を行い、術後一定期間(14日)免疫抑制剤を投与したのち犠死せしめ、移植片を採取した。移植片はHE染色検鏡にて拒絶度の組織学的評価をしたのち細切し、既に確立した方法により粘膜固有層浸潤リンパ球を採取した。さらに免疫学的手法とフロー・サイトメトリーにより、それらリンパ球の各サブセット分布の特徴、ならびに活性化状況(IL-2レセプター発現率)を検討した。結果は、FK506投与下(0.3mg/kg/day)の移植片では、浸潤リンパ球は拒絶群に比して少数で(ただしレシピエント/ドナー比は同率)、そのなかでもCD8αβ陽性サブセットが、拒絶群に比し細胞数、分布率ともに低値、しかしIL-2レセプターの発現自身は低下していない、という有意な相違が得られた。つまりFK506による免疫制御では、レシピエントリンパ球の移植片への浸潤抑制が主体であることを示唆された。一方FTY720投与群においては、当初設定した投与量である0.5mg/kg/dayでの安定した免疫抑制効果が得られないのが現状で、投与量・投与方法を再考している段階である。次年度の実験では、臨床上の効果が実証されているIL-2RアンタゴニストDaclizumab(Zenapax^<TM>)投与下で、分布・機能面から見た浸潤リンパ球の評価に発展させることを検討中である。移植片生着が困難な臓器である腸管が、免疫抑制剤投与下に生着した場合、移植片局所免疫応答はいかなる特徴を示すか、用いる免疫抑制剤の種類でどのような相違があるか、ラット小腸移植モデルを作成し、移植片粘膜固有層に浸潤したリンパ球の分布動態につき比較検討を行った。体重150-200gの同種異系雄性ラット間(DA→PVG)で上部空腸15cmを移植し、術後一定期間免疫抑制剤を投与した。RegimenとしてはFK506投与群;0.3mg/kg/day×14days、FTY720投与群:0.5mg/kg/day×14daysと設定した。投与期間終了後、犠死にて移植片を採取し、HE染色検鏡にて拒絶度の組織学的評価をしたのち細切し、既に確立した方法により粘膜固有層浸潤リンパ球を採取した。リンパ球表面抗原を標識してフロー・サイトメトリー解析し、サブセット分布状況と活性化状況(IL-2レセプター発現率)を検討した。FK506投与群の移植片では、拒絶例に比して(1)浸潤リンパ球数は少数(2)CD8αβ陽性サブセットが数・分布率ともに低値(3)しかしIL-

2レセプターの発現率は低下していない、という明確な特徴が得られた。つまりFK506投与では、細胞障害性リンパ球の浸潤抑制が免疫抑制の主体であることを示唆する。一方FTY720投与群においては、浸潤リンパ球数、サブセット数ならびに分布率、IL-2レセプターの発現率に、統計上の有意性をもった一定の傾向がみられなかった。投与量、投与期間を増減して検討しても同様であった。これは、FTY720単独投与では安定した移植片生着が、われわれのモデルでは最終的に得られなかった要因が大きい。今後は併用療法など更なる検討が必要と思われる。
強震で損傷した鋼橋の的確な早期復旧を可能とするハイブリッド補強設計法の研究

本研究は地震で支承部が損傷した既設鋼橋の桁端部に対して,橋の機能を回復する過程をI桁模型実験によって再現し,提案するハイブリッド補強設計法の有用性を検証することである.既往の検討によれば,桁の損傷を回復させるために橋梁の上部構造に対してジャッキアップを伴う場合は,「補強後の構造が常時に対する設計や耐久性の観点に留意して検討する必要がある」と示されている.提案する設計法は損傷した橋梁の応力を効果的に計測し,解析と連携するシステムによって,補強後の復旧断面に作用する断面力情報を把握し,応力集中などの損傷要因の回避や耐力の推定などの有用な情報を把握することを目的としている.本研究は地震で支承部が損傷した既設鋼橋の桁端部に対して,橋の機能を回復する過程をI桁模型実験によって再現し,提案するハイブリッド補強設計法の有用性を検証することである.既往の検討によれば,桁の損傷を回復させるために橋梁の上部構造に対してジャッキアップを伴う場合は,「補強後の構造が常時に対する設計や耐久性の観点に留意して検討する必要がある」と示されている.提案する設計法は損傷した橋梁の応力を効果的に計測し,解析と連携するシステムによって,補強後の復旧断面に作用する断面力情報を把握し,応力集中などの損傷要因の回避や耐力の推定などの有用な情報を把握することを目的としている.
地震時における地盤振動の建築構造物に与える荷重効果評価手法の研究

本研究では,地震動の建築構造物に及ぼす荷重効果の定量的な把握を目的として,基礎-構造物模型を実地盤上に設置し(1)実地震波の観測,(2)起振機実験と数値シミュレーション,(3)繰り返し順静的載荷実験とオンライン応答実験, (4)繰り返し荷重による基礎底部と側壁の応力分布,(5)起振機拓振による骨組への入力エネルギーと実地震波による入力エネルギーの数値シミュレーション等を実施したもので,内容の要約は以下のようになる.1.昭和61年6月24日千葉実験所で記録された地震-基礎-骨組系の応答に関する良好な観測データが得られた.また,この観測模型の上部骨組の剛性と質量を用いて基礎の質量を無視した1質点系オンライン応答実験を行ったところ,上部骨組の質量が重く,剛性が高い場合(相互作用の影響が大)にも,上部骨組の観測卓越周期を現わすことができ,オンライン応答実験が十分適用可能であることが判明した.2.従来,根入れをもつ基礎構造物の波動論に基づく簡便な解析手法の多くは,ロッキッグモードの仮定による剛性評価が行われた.本研究では,かなり大胆な仮定のもとで,基礎重心の水平度位モードと回転モードの2つに分け,基礎の変位モードをその和で表現する方法によって剛性評価を行った.共振曲線に関する数値シミュレーションによって結果の一致を得た.3.半無限地盤上に設置された基礎-構造物系(根入れのない場合と根入れのある場合を含む)の振動解析モデルを考案し,地震波を入力したいときに地盤の波動散逸減衰と地盤自身がもつ内部減衰の影響を考慮することが可能な実用的解析手法について述べた.以上のような研究成果をふまえ,構造物の損傷(被害)に直接関係づけられると思われる地盤との連成を考慮した骨組系への有効入力エネルギーを定量的に評価する方法を提案した.本研究では,地震動の建築構造物に及ぼす荷重効果の定量的な把握を目的として,基礎-構造物模型を実地盤上に設置し(1)実地震波の観測,(2)起振機実験と数値シミュレーション,(3)繰り返し順静的載荷実験とオンライン応答実験, (4)繰り返し荷重による基礎底部と側壁の応力分布,(5)起振機拓振による骨組への入力エネルギーと実地震波による入力エネルギーの数値シミュレーション等を実施したもので,内容の要約は以下のようになる.1.昭和61年6月24日千葉実験所で記録された地震-基礎-骨組系の応答に関する良好な観測データが得られた.また,この観測模型の上部骨組の剛性と質量を用いて基礎の質量を無視した1質点系オンライン応答実験を行ったところ,上部骨組の質量が重く,剛性が高い場合(相互作用の影響が大)にも,上部骨組の観測卓越周期を現わすことができ,オンライン応答実験が十分適用可能であることが判明した.2.従来,根入れをもつ基礎構造物の波動論に基づく簡便な解析手法の多くは,ロッキッグモードの仮定による剛性評価が行われた.本研究では,かなり大胆な仮定のもとで,基礎重心の水平度位モードと回転モードの2つに分け,基礎の変位モードをその和で表現する方法によって剛性評価を行った.共振曲線に関する数値シミュレーションによって結果の一致を得た.3.半無限地盤上に設置された基礎-構造物系(根入れのない場合と根入れのある場合を含む)の振動解析モデルを考案し,地震波を入力したいときに地盤の波動散逸減衰と地盤自身がもつ内部減衰の影響を考慮することが可能な実用的解析手法について述べた.以上のような研究成果をふまえ,構造物の損傷(被害)に直接関係づけられると思われる地盤との連成を考慮した骨組系への有効入力エネルギーを定量的に評価する方法を提案した.本研究は、地震動の建築構造物におよぼす荷重効果の定量的な把握を目的として、基礎一構造物模型を実地盤上に設置し、起振器実験、静的載荷実験、オンライン応答実験を実施した上で、自然地震による応答観測を長期間実施しようとするものである。1.これまで、実地盤上に強度の低い構造物モデルを設置して、これらの地然地震に対する応答を観測してきている。初年度はまず今まで蓄積した観測データを整理して、地震動による地盤の振動性状、構造物モデルの応答を分析し、地盤と構造物との相互作用、例えば、加速度応答におけるレステムゲイン等を求め、基礎一構造物の応答を解明した。この結果を参考にして新らたに基礎一構造物模型を設計、実地盤上に設置し、計測システムを整備した。2.今回設置した基礎一構造物模型の動特性を把握するため、初年度に購入した起振器を用いて加振実験を行ない、加速度応答倍率曲線などを求めた。これによって、上記模型の固有振動数など動特性を知ることができた。3.実験の範囲は限られた範囲にあるので、一般的な結論を導びくためには有効な解析手法を開発する必要がある。このため、現在、無限地盤上に置かれた長方形基礎一構造物系の振動解析を実施している。実測した地盤係数を用いて求めた加速度応答曲線などは、先きの起振器実験の結果と比較されて、解析手法の有用性の検討が行われている。以上のような初年度の研究成果をふまえ、次年度では、基礎一構造物模型のオンライン応答実験を実施して、この実験手法の適用範囲を拡大すると共にこれまでの観測データや実験データと比較検討する。最後に、まとめとしてこれらのデータを基に荷重効果の評価手法を開発し提案する。
木質接合部および耐力壁の耐久性評価技術の開発

木質構造物が長期にわたって使用される中で、様々な環境下での劣化の進行による耐力低下や変形性能の低下が起こる可能性がある。本研究では、面材張り耐力壁とその釘接合部に着目し、水分の進入による劣化を焦点に実験的検討を行った。その結果、木質系面材料の種類により耐力残存率が異なること、促進劣化手法と試験方法によりその大小が変化すること、耐力壁の評価には接合部試験結果のみでは不十分であり、より正確な評価法の提案が必要であること等が明らかとなった。近年の木質構造研究の進展により、木質構造物の耐震性は極めて希に起こる大地震に対しても倒壊しないレベルにまで十分高められた。しかしながら、木質構造物が長期にわたって使用される中で、様々な使用環境下での劣化の進行による耐力低下や変形性能の低下などは不明な点が多い。そこで本研究では、木質構造の耐震性に深く関わる面材張り耐力壁とその釘接合部に着目し、水分の進入による劣化を焦点に、長期使用下における耐久性評価と、事故的に起こる水掛かりによる耐力低下に関する研究を行うこととした。平成22年度は、木質構造物の耐力壁に最も一般的に使用されている面材料である構造用合板を対象に研究を行った。まず、国内外で木質材料や接合部等の耐久性評価に用いられている試験・評価法を整理した。次に、単板構成の異なる構造用合板と2種類の釘を用いて釘接合部試験体を作成し、乾湿繰り返し処理(耐久性評価)及び水中浸漬処理(事故的水掛かり評価)を施し、無処理の試験体と共に接合部の加力試験を行った。得られた試験結果より耐力の残存率を実験的に求めた結果、合板の単板構成や釘種類の違いにより多少の変動はあるものの、乾湿繰り返し処理で平均0.98、水中浸漬処理で平均0.99と高い残存率を示した。平成22年度は試験・評価方法の検討と基本的な実験データの取得が中心であったため、学会発表や論文投稿まで到達できなかったが、次年度には今年度の成果を取り纏め、学会発表等を行う予定である。木質構造物が長期にわたって使用される中で、様々な使用環境下での劣化の進行による耐力低下や変形性能の低下が起こる可能性はある。本研究では、木質構造の耐震性に深く関わる面材張り耐力壁とその釘接合部に着目し、水分の進入による劣化を焦点に、長期使用下における耐久性評価と、事故的に起こる水掛かりによる耐力低下に関する研究を行い、材料の違いによる傾向を把握すると共に、試験・評価法の妥当性の検証を行うことを目的としている。平成23年度は、木質構造物の耐力壁に一般的に使用されている面材料4つ(合板、OSB、PB、MDF。樹種や層構成、規格の違いにより、合計12種類の面材料を使用。)を対象に研究を行った。12種類の面材料と釘(CN50)を用いて釘接合部試験体を作成し、水中浸漬処理(事故的な水掛かりに対する評価)を施し、無処理の試験体と共に接合部の加力試験を行った。得られた試験結果より耐力の残存率を実験的に求めた結果、単板構成の違いにより多少の変動はあるものの合板では0.90.95程度、OSB、PB、MDFといった木質材料で0.80.9程度と、原材料の違いや製造方法の違いにより残存率の傾向が異なった。また、加力方向による明確な傾向の違いは現れなかった。同じく12種類の面材料を用いて耐力壁試験体を作成し、接合部と同様の促進劣化処理を施して耐力残存率を求める予定であったが、面材料が緊結される軸組部分の促進劣化の影響をまず始めに把握する必要があると判断し、軸組部分の促進劣化処理と耐力確認試験を先行して実施した。また、無処理状態の耐力壁の性能確認を行った。木質構造物が長期にわたって使用される中で、様々な使用環境下での劣化の進行による耐力低下や変形性能の低下が起こる可能性がある。平成24年度は、12種類の構造用面材料(厚さ12mm)を用い、耐久性に対する低減係数を求めるための試験(釘側面抵抗試験、釘頭貫通試験)を実施した。釘はCN50とし、調湿した無処理試験体と、乾湿繰り返し処理を施した試験体に対して加力試験を実施した結果、同一仕様内でのバラツキが大きいものがあるものの、構造用合板と合板以外の面材料とで括ると概ね一定の傾向が現れる結果となった。

また、昨年度に実施した72時間浸漬処理について、同様の処理を面材張り耐力壁についても実施し、面内せん断性能に及ぼす促進劣化処理の影響を検討した結果、面材料の種類によっては無処理時の性能を上回る結果が得られた。これは、釘接合部において釘がわずかに錆びることによって投錨効果が発揮され、釘接合部のせん断性能が一時的に向上したためと考えられたが、長期間の使用による錆の進行によっては耐力が低下してくる可能性も十分考えられた。接合部単体での促進劣化処理と実際の耐力壁での劣化の進行状況には差異が見られたことから、現行の試験・評価方法についても再度検討し直す必要があると結論づけられた。耐力壁試験体を作成し、接合部と同様の促進劣化処理を施して耐力残存率を求める予定であったが、面材料が緊結される軸組部分の促進劣化の影響をまず始めに把握する必要があると判断し、軸組部分の促進劣化処理と耐力確認試験を先行して実施し、面材を張った耐力壁試験体の促進劣化処理まで実施することができなかった。24年度が最終年度であるため、記入しない。軸組の影響は確認できたので、24年度当初より耐力壁の浸漬処理および耐力残存率確認試験を開始することができる。よって、研究の遅れは早期に解消される見通しである。また、耐力壁と接合部の試験結果の比較より、接合部を用いた促進劣化処理方法の改良案を提示し、その手法による促進劣化試験を実施する予定である。以上より、概ね当初予定通りの成果が得られると判断している。
古代魚の比較染色体マッピングによる脊椎動物のゲノム・染色体進化過程の解析

マイクロ染色体の起源を含めた脊椎動物におけるゲノム・染色体進化過程を推定するため、条鰭類の中で最も初期に分岐した、マイクロ染色体をもたないポリプテルスにおいて、FISHマッピングを用いてニワトリマイクロ染色体連鎖遺伝子92個を含む210個の遺伝子からなる染色体地図を作製した。その結果、ニワトリのマイクロ染色体に相同な18個の遺伝連鎖群すべては、ポリプテルスの染色体上に高度に保存されていた。さらに、他の脊椎動物種との染色体シンテニーの比較を行った結果、四肢動物の祖先核型と条鰭類の祖先核型はニワトリのマイクロ染色体と相同な多数のマイクロ染色体を保持していたことが示唆された。ポリプテルス・セネガルスの成体からヒレや腎臓、心臓を採取して細胞培養を行い、複製R-分染染色体標本を作製した。その結果、ポリプテルスは先行研究と同様に2n=36の染色体構成をしており、複製R-分染バンドにより18対のすべての染色体を識別することが可能になった。ポリプテルスのFISHマッピングには、申請者の先行研究であるネッタイツメガエルの染色体地図情報やすでに公開されているニワトリやネッタイツメガエルのゲノム情報に基づいて、ツメガエルやニワトリの染色体全域をカバーできる120個の遺伝子を選抜した。FISHマッピングによりそれらの遺伝子のポリプテルスにおける染色体上の位置を決定したのち、得られた染色体地図と他の脊椎動物のゲノム・染色体地図との比較解析を行った。その結果、ニワトリのマイクロ染色体に相同な遺伝連鎖群のほとんどは、マイクロ染色体をもたないポリプテルスでも高度に保存されていた。またニワトリのマクロ染色体に相同な遺伝連鎖群は、11個のうち7個がポリプテルスでも高度に保存されていた。これらの結果、四肢動物の共通祖先は、ニワトリと少なくとも11個のマクロ染色体連鎖群と多数のマイクロ染色体を保持していた可能性が強く示唆され、多数のマイクロ染色体を有する爬虫類、鳥類のゲノム・染色体構造は、羊膜類の共通祖先だけでなく四肢動物の共通祖先ですでに獲得されていたことが示唆された。平成26年度に引き続き、複製R-分染染色体標本を用いた条鰭類のポリプテルスにおけるFISHマッピングを行った。FISHに用いた遺伝子は、申請者の先行研究であるネッタイツメガエルの染色体地図や、すでに公開されているニワトリやネッタイツメガエルのゲノム情報に基づき選抜したものである。最終的に210個の遺伝子のポリプテルスにおける染色体上の位置を特定し、得られた染色体地図よりニワトリやネッタイツメガエルのすべての染色体領域との相同領域が明らかとなった。その結果、ニワトリのマイクロ染色体に相同な21個の遺伝連鎖群は、マイクロ染色体をもたないポリプテルスでも高度に保存されており、ニワトリマクロ染色体に相同な遺伝連鎖群においては、10個のうち5個がポリプテルスのそれぞれ1対の染色体に、残りの5個はそれぞれ2対の染色体に保存されていた。さらに今年度にアメリカのグループによって報告された条鰭類のガーの全ゲノム情報を含めて遺伝連鎖群の比較を行った結果、ガーとポリプテルス、ネッタイツメガエルはそれぞれ大きく異なる遺伝連鎖群をもつことが明らかになった。したがって四肢動物の共通祖先や条鰭類の共通祖先は、ニワトリ染色体連鎖群と高度に保存された9対以上のマクロ染色体と18対のマイクロ染色体を保持していた可能性が強く示唆され、ガーやポリプテルス、ネッタイツメガエルでは染色体融合によりマイクロ染色体の消失および減少がそれぞれ独自に起きたことが示唆された。平成27年度では当初の予定どおり、FISH法を用いたポリプテルスの高精度な染色体地図を得ることができ、それにより四肢動物と条鰭類におけるマイクロ染色体の起源を含む染色体進化の全貌が明らかとなった。前年度では、複製R-分染染色体標本を用いた条鰭類のポリプテルスにおけるFISHマッピングを行うことで、ポリプテルスの染色体地図を作製し、ゲノム情報が公開されている他の脊椎動物種である魚類のメダカやガー、四肢動物のネッタイツメガエルやニワトリ、ヒトのゲノム・染色体情報と比較することで、ポリプテルスと他の脊椎動物種間の相同染色体領域を同定し、脊椎動物の共通祖先から羊膜類に至るマイクロ染色体の進化過程の推定を行った。本年度では、ポリプテルスの染色体地図を、遺伝連鎖地図が最近報告された有尾両生類であるメキシコサンショウウオとブチイモリのゲノム・染色体情報と詳細な比較を行うことで、四肢動物と条鰭類の共通祖先の核型を推定し、マクロ染色体を中心に核型進化過程の考察を行った。その結果、四肢動物の共通祖先や条鰭類の共通祖先は、ニワトリのマイクロ染色体に相同な14個の遺伝連鎖群と相同なマイクロ染色体をもつだけでなく、ニワトリのマクロ染色体に相同な9個の遺伝連鎖群も保持されていた。そのうち、ニワトリ4番染色体長腕とZ染色体連鎖群が融合した1対の大きなマクロ染色体(4q/Z)を保持していた可能性が強く示唆された。

また、四肢動物の共通祖先では、ニワトリ2番染色体と3番染色体の遺伝子連鎖群に相同な2対のマクロ染色体(2, 3)を保持していたが、条鰭類の祖先ではこの2つのニワトリ連鎖群がそれぞれ2対の染色体対(2a, 2b, 3a, 3b)として保存されていたことが新たに示唆された。平成28年度に実施予定であったハイギョの解析を進行中であるが、実験方法の確立のための条件検討がうまくいっておらず、いまだハイギョにおける効率の良い染色体標本作製方法が確立されていないため。これまで実施したポリプテルスにおける染色体マッピングを継続し、この種におけるより詳細な染色体地図を作製した。得られたポリプテルスの染色体地図とすでに公開されている条鰭類のガーや両生類の全ゲノム情報を含めた遺伝連鎖群の比較を行った結果、ポリプテルスやガー、両生類では、ニワトリ1番染色体と5番染色体に相同な遺伝連鎖群はそれぞれ2つの連鎖群(1番染色体長腕に相同な領域と短腕に相同な領域、5番染色体動原体周辺に相同な領域とそれ以外の領域)として異なる染色体上に保存されていた。この2対のニワトリ染色体に相同な遺伝連鎖群のbreakpoint周辺領域に位置する遺伝子シンテニーを比較した結果、ポリプテルスやガーだけでなく、両生類でも同一のbreakpointであったことから、これら4つの遺伝連鎖群は、条鰭類と四肢動物の共通祖先だけでなく顎口類の共通祖先でも異なる連鎖群として保持されていた可能性が示唆された。また前年度に明らかにした、四肢動物の共通祖先や条鰭類の共通祖先が保持していたと考えられたニワトリ4番染色体長腕とZ染色体が融合した遺伝連鎖群(4q/Z)についても同様に、ポリプテルスやガー、ニワトリにおけるbreakpointの遺伝子シンテニーも比較を行った。その結果、これら3種では異なるbreakpointで分離していたことから、共通祖先で保持されていた4q/Zは、両生類ではそのまま保持されてきたが、羊膜類や条鰭類ではそれぞれ独自に染色体分離が生じたと考えられた。マイクロ染色体の起源を含めた脊椎動物におけるゲノム・染色体進化過程を推定するため、条鰭類の中で最も初期に分岐した、マイクロ染色体をもたないポリプテルスにおいて、FISHマッピングを用いてニワトリマイクロ染色体連鎖遺伝子92個を含む210個の遺伝子からなる染色体地図を作製した。その結果、ニワトリのマイクロ染色体に相同な18個の遺伝連鎖群すべては、ポリプテルスの染色体上に高度に保存されていた。さらに、他の脊椎動物種との染色体シンテニーの比較を行った結果、四肢動物の祖先核型と条鰭類の祖先核型はニワトリのマイクロ染色体と相同な多数のマイクロ染色体を保持していたことが示唆された。平成26年度は、予定していたより多くの遺伝子についてFISHを用いてポリプテルスの染色体上の位置を決めることが可能となり、その結果により四肢動物の祖先核型の推定とマイクロ染色体の起源について新たな知見を得ることができた。しかしながらまだ詳細な比較解析をするためには、ポリプテルスにおいてより多くの遺伝子の染色体上の位置情報が必要である。平成28年度では、研究計画どおりにイギョを用いた解析を行うことで、ハイギョの遺伝連鎖群やゲノム染色体構造を明らかにし、ポリプテルスの比較染色体地図により推定された四肢動物の祖先核型の妥当性を検証する。平成29年度では、ハイギョを用いた解析を行い、この種における染色体標本作製方法の確立を行うことで、ハイギョの遺伝連鎖群やゲノム染色体構造を明らかにし、ポリプテルスの比較染色体地図により推定された四肢動物の祖先核型の妥当性を検証する。進化学平成27年度では、研究計画どおりに条鰭類のガーを中心とした解析を行う。ガーの染色体地図の作製を行い、得られた染色体地図において他の脊椎動物のゲノム・染色体地図との比較解析を行う。すでに多くの染色体標本を作製し終えているため、速やかに染色体マッピングを進めることが可能である。
次世代透明光学デバイス用ナノクリスタル蛍光体の低温液相合成と特性評価

昨年度の研究において、配位能力のあるグリコール溶媒を用いて圧力容器中でナノ粒子を合成可能なグリコサーマル合成によって、青色→赤色変換可能なシーライト型LiEuW_2O_8(LEW)蛍光体が得られることを報告した。この合成試料を室温で1日保管した後にX線回折測定(XRD)を行ったところ、第二相に由来する回折ピークが観測された。内部標準物質を試料に添加してXRDプロファイルを分析した結果、第二相は試料に含まれる非晶質部分から結晶化することがわかった。この問題を回避する目的で、シーライト型以外に多形をもたないシーライト型NaEuW_2O_8(NEW)結晶のグリコサーマル合成を検討した。得られた試料のXRDプロファイルによると、200300°Cでのオートクレープ処理を行った場合にシーライト型NEW結晶が単相で得られた。200300°Cで合成した試料は、いずれも5ケ月間の室温保管を経た後も単相を維持できることを明らかにした。熱重量分析の結果によると、オートクレーブ処理温度を低下するほど有機物の含有量は増大した。また、200°Cで合成した試料を透過型電子顕微鏡により観察したところ、約25nmの一次粒子が観測された。この値は透明分散が可能な粒子径、50nmよりも小さいことから、媒体中に透明分散して光散乱損失を抑制できると考えられる。さらに、得られたシーライト型NEW結晶はEu^<3+>の4f-4f遷移に帰属される励起・発光を示した。オートクレーブ処理温度を低下すると発光強度が増大したことから、グリコール溶媒などの有機物によって粒子表面が不動態化され、欠陥サイトへのエネルギー失活が抑制できたものと考えられる。筆者らは配位溶媒であるグリコールを入れた圧力容器中でのグリコサーマル反応によって青色→緑色変換YAG : Ce^<3+>ナノ蛍光体を合成できることをすでに見いだしている。本研究では、同法によって青色→赤色変換LiEuW_2O_8(LEW)ナノ蛍光体の合成の可能性を検討した。溶媒にはYAG : Ce^<3+>の場合と同様に1,4-ブチレングリコールを用い、原料に金属酢酸塩およびリンタングステン酸を圧力容器に投入して250300°Cで2時間熟成を行った後、洗浄・乾燥過程を経て粒子を回収した。TEM観察から一次粒子径は熟成温度の増大とともに増加し、300°C熟成では約50nmの一次粒子がネックを形成して合していた。X線回折測定によると300°C熟成によりシーライト型LEW結晶が生成した。しかし、合成から数時間が経過すると、擬シーライト型LEWに帰属される回折ピークが新たに観測された。相図によると、擬シーライト型はシーライト型よりも低温域で安定に存在する。このため、生成物を25°Cで静置し、経過時間に対して各相の組成変化をX線回折測定から追跡した。この結果、シーライト相に由来するピーク面積は変化しない一方、擬シーライト相ではピーク面積の増大が認められた。粒子中に含まれる非晶質が擬シーライト相へ結晶化することが明らかになった。擬シーライト相の生成を抑制するため、加熱処理により非晶質からシーライト相への結晶化を促進することを試みた。600°Cで2時間焼成を行ったサンプルと行っていないサンプルを比較したところ、擬シーライト相の刑事変化は加熱処理によって抑制された。しかし常温下で同相の生成を完全に抑制することは困難であるため、今後はシーライト相以外に多形をもたないNaEuW_2O_8などを検討する予定である。
電流による核磁気緩和促進効果に関する研究

研究代表者らが現在までに行った研究により,サンプル中に直流または低周波交流電流を流すと,電流密度に応じて核磁気緩和時間が短縮すること,その効果により磁気共鳴画像上で電流の流れている部分は信号強度が変化することが明らかとなった.本研究の目的は,この現象のさらなる解明を理論と実験の両面から進めること,さらにこの現象を応用して生体の電流密度分布や導電率分布,脳神経活動のイメージングのための新しい手法を確立する事である.画像上の信号強度の変化は電流密度に依存するため,サンプル各部の信号強度の変化を測定すれば,電流密度を推定する事が可能である.この手法の適用例として,本研究では新しい浮腫の検出法の開発を試みた,生体組織中に形成された浮腫は正常な組織より導電率が小さく,組織に電流を流すと浮腫が形成された部位は電流密度が周囲より小さくなる.電流密度画像は従来の画像診断法より早期かつ高感度での浮腫の検出を可能にする事が期待できる.評価実験として人工的に脳梗塞を生じさせたラットを用い,従来の画像診断法と診断能を比較した.脳の活動部位では神経細胞の集団が電流ダイポールを形成する.頭部を模したファントムの中央により線対または同軸ケーブルを挿入し,先端に微小な電流ダイポールを形成させる.電流を流した状態で電流分布画像を取得し,画像から電流ダイポールの検出を行った.また微弱なダイポールに対する感度限界を評価した.ラットおよび人体に微弱な電気刺激を与え,それと同時に脳断面の電流密度分布画像を撮像した.感覚に対応する脳の部位(体制感覚野)に信号強度の変化が現れることを確認した.T1,T2緩和時間は,物質の重要な特性値であるが,これらの緩和時間と電流との関係を報告した例はない.本研究では,水分子中のプロトンのT1,T2緩和時間がサンプル中の微小な電流により変化し得ることを見出したので報告し、あわせてその応用例について述べる.実験は主磁場7.05Tの動物用MRI装置で行った.円柱形ファントムに生理食塩水を満たし,両端の白金電極から主磁場に対して平行に直流電流を供給した.プロトンのT1,T2緩和時間をIR法,CPMG法でそれぞれ測定した.不飽和スピンの流れ込みによりT1緩和時間が見かけ上短縮するのを防ぐため,RFパルス印加時にスライス選択を行わず,ファントム全体のスピンを一様に励起した.またファントムのT1,T2強調像を撮像し,緩和時間の変化が画像の信号強度に反映されることを確認した.さらに同様の効果が生体組織でも現れることを確認するため,ラットの頚部上下2ヶ所に電極を固定し,麻酔下で7mAの直流電流を流しながら撮像を行った.ファントム中の電流密度の増加にしたがって,T1,T2緩和時間とも顕著に短縮した.実験の間,食塩水の濃度変化やジュール熱の発生,磁場の歪みは無視できるほど小さかった.電流の印加中,画像の信号強度はT1強調像において増加し,T2強調像において減少した.またラットを用いた実験でも,同様の変化が確認された.T1緩和時間が短縮すれば励起間隔(TR)を短く設定できるため,撮像時間の短縮が可能となる.この緩和時間の短縮は常磁性造影剤と同様の効果をもたらすものである.さらに緩和時間の変化は電流密度に依存するため,電流印加時と非印加時の信号強度を比較することによって、組織中の電流密度を評価できることを確認した.電流は必ずしも外部から印加する必要はなく,脳神経活動にともなう内部電流を画像化できる可能性がある.生体内に多量に存在するプロトンのスピン-格子(T1)緩和時間およびスピン-スピン(T2)緩和時間は各組織において異なる値をとり,磁気共鳴画像(MRI)のコントラストは各組織の緩和時間の差を利用して形成されることが多い.本研究員のこれまでの研究により,サンプル中に直流または低周波交流電流を流すと,電流密度に応じて緩和時間が短縮すること,その効果により画像上で電流の流れている部分は信号強度が変化することが明らかになった.本年度は,この今まで知られていなかった現象自体のさらなる解明を理論と実験の両面から進めること,さらにこの現象を応用して生体の電流密度分布や導電率分布,脳神経活動のイメージングのための新しい手法を確立することを目的として研究を実施した.画像上の信号強度の変化は電流密度に依存するため,サンプル各部の信号強度の変化を測定すれば,逆に電流密度を推定することが可能である.そこで,生理食塩水を満たしたファントムに一対の電極を挿入し,電極間に電流を流した場合と流さない場合について各々画像を取得して両者を比較し,各画素について信号強度変化を計算した.続いて電流密度と信号強度変化の関係を元に電流密度分布画像を生成した.さらに本手法の評価を行うため,ファントム中の電流分布を数値計算により解析し,実験結果と比較した.上記の手法の適用例として,新しい浮腫の検出法の開発を試みた.生体組織中に形成された浮腫は正常な組織より導電率が小さく,組織に電流を流すと浮腫が形成された部位は電流密度が周囲より小さくなる.電流密度画像は従来の画像診断法より早期かつ高感度での浮腫の検出を可能にすることが期待できる.評価実験として人工的に脳梗塞を生じさせたラットを用い,従来の画像診断法と診断能を比較を進めている.研究代表者らが現在までに行った研究により,サンプル中に直流または低周波交流電流を流すと,電流密度に応じて核磁気緩和時間が短縮すること,その効果により磁気共鳴画像上で電流の流れている部分は信号強度が変化することが明らかとなった.

本研究の目的は,この現象のさらなる解明を理論と実験の両面から進めること,さらにこの現象を応用して生体の電流密度分布や導電率分布,脳神経活動のイメージングのための新しい手法を確立する事である.画像上の信号強度の変化は電流密度に依存するため,サンプル各部の信号強度の変化を測定すれば,電流密度を推定する事が可能である.この手法の適用例として,本研究では新しい浮腫の検出法の開発を試みた,生体組織中に形成された浮腫は正常な組織より導電率が小さく,組織に電流を流すと浮腫が形成された部位は電流密度が周囲より小さくなる.電流密度画像は従来の画像診断法より早期かつ高感度での浮腫の検出を可能にする事が期待できる.評価実験として人工的に脳梗塞を生じさせたラットを用い,従来の画像診断法と診断能を比較した.脳の活動部位では神経細胞の集団が電流ダイポールを形成する.頭部を模したファントムの中央により線対または同軸ケーブルを挿入し,先端に微小な電流ダイポールを形成させる.電流を流した状態で電流分布画像を取得し,画像から電流ダイポールの検出を行った.また微弱なダイポールに対する感度限界を評価した.ラットおよび人体に微弱な電気刺激を与え,それと同時に脳断面の電流密度分布画像を撮像した.感覚に対応する脳の部位(体制感覚野)に信号強度の変化が現れることを確認した.