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無機－有機ハイブリッド型生体用セメントの創成と硬化機構の解明

リン酸カルシウム系セメントが骨欠損修復用に用いられているが,硬化体のヤング率が天然骨より高いため,周囲の骨の脆化をもたらす恐れがある。本研究では骨親和性に優れる成分を添加した有機-無機ハイブリッド型骨セメントを作製し,硬化挙動や機械的特性,骨融合性に及ぼす影響の解明を目的とした。歯科用グラスアイオノマーセメントにポリグルタミン酸を添加すると,生体環境で炭酸カルシウムを形成する良好な骨親和性セメントが得られた。またポリメチルメタクリレート系セメントに適切な量のリン酸系化合物及びカルシウム塩を添加すると,生体環境下でアパタイトを早期に形成し充分な機械的特性を併せ示す骨融合性セメントが得られた。前年度作製したポリグルタミン酸を添加した歯科用グラスアイオノマーセメントにおいて,フィラーとなるセラミックス粒子の焼成の影響について調べた。その結果,焼成温度の上昇に伴い,硬化速度が遅くなる傾向が認められた。これは硬化反応に寄与する水酸基の量の減少や,硬化の引き金となるフィラー表面の溶解速度が低下し,ポリグルタミン酸との架橋反応速度が低下したためと推察された。焼成による結晶化はフィラーの機械的強度上昇に寄与するので,今後これらの最適化によりグラスアイオノマーセメントの特性改善が期待できる。また,今年度はアクリル樹脂系骨セメントの骨親和性改善に取り組んだ。すなわち生体内で石灰化に寄与しているリン酸基と,重合基であるビニル基を含有するエステルを複数種選択し,従来型のポリメチルメタクリレート系骨セメントにカルシウム塩とともに添加してラジカル重合させた。カルシウム塩の添加は生体環境での石灰化の促進を図ったものである。その結果,適切な添加量であれば,生体用セメントして適切な硬化時間や機械的特性を示すことが分かった。また,生体環境を模擬した擬似体液中で旺盛な石灰化が認められた。但し,多量のエステルの添加は機械的強度や石灰化能力をむしろ低下させることが明らかとなった。以上のように,生体応用されているグラスアイオノマーセメントやポリメチルメタクリレート系骨セメントの骨組織親和性を向上させるための基礎的条件が,分子制御の観点から明らかになった。今年度はアルギン酸,ポリグルタミン酸などのアニオン性高分子粉末と,キトサンなどのカチオン性多糖類水溶液を成分としたセメント状材料の作製を試みた。その結果,混練により常温で硬化する材料が得られた。粉液比の増加に伴い,以下の傾向が認められた。(1)粉末と液体を練和したときに得られる試料の形態は,ペースト状からより水分の少ない粘土状に変化した。(2)硬化時間が短くなる傾向が見られた。(3)長軸方向のひずみが小さくなる傾向が見られ,より硬質の硬化体が得られることが分かった。但し,得られた硬化体は圧縮強度が10MPaに満たなかった。医用材料としての応用にはさらなる強度の向上が求められる。また,擬似体液環境下に置いたところ硬化体が膨潤し,崩壊する結果となった。そこでリン酸カルシウムセメントの主成分であるリン酸4カルシウムとリン酸水素カルシウム2水和物,ならびに生体吸収性セラミックスであるリン酸3カルシウムを添加したところ,圧縮強度が改善された。また,従来のリン酸カルシウム系骨セメントに比べて,骨に近いヤング率を有する試料が得られた。同セメントは擬似体液中でアパタイトを析出することが分かった。これは骨と結合する可能性があることを示している。本年度は有機ー無機ハイブリッドによる材料設計を適用して,人工関節の固定や脊椎損傷の修復に用いられているポリメチルメタクリレート系セメントの骨親和性の向上を試みた。骨接着性や石灰化能に優れるとされるリン酸基を含有する有機化合物ならびに,カルシウム塩を添加したセメントを作製した。カルシウム塩添加量の増大は,擬似体液中でのアパタイト形成を促進したものの,リン酸基含有化合物の多量の添加は,むしろアパタイト形成を抑制する傾向にあった。これはリン酸塩が溶出することにより擬似体液中のpHが大きく低下するためであると推測された。リン酸基含有化合物としてphosphoric acid 2-hydroxyethyl methacrylateester (Pa2hme)を用いた場合,擬似体液中におけるアパタイト形成は認められたものの,生体環境における強度の低下が著しかった。これに対して,bis[2-(methacryloyloxy)ethyl]phosphate (BisP)を添加物とした場合は,アパタイト形成が認められただけでなく,生体環境に置かれても,骨セメントについて定められたISO基準である70MPaを上回るセメントが得られた。

これはPa2hmeが1置換エステルであるのに対し,BisPが2置換エステルであり,BisPを添加した場合に擬似体液中での水和,膨潤が小さかったためであると考えられる。以上より適切なリン酸基含有化合物を用いてセメントの修飾を行うことで,機械的特性を維持しつつ骨融合性を付与できることが明らかになった。無機生体材料学有機高分子修飾によるデザインを用いれば,歯科用グラスアイオノマーセメントだけでなくポリメチルメタクリレート系骨セメントの骨親和性も向上できることが今年度の研究から明らかとなり,幅広い生体材料に応用可能である分子修飾に関する知見が得られる見込みが立ったため。本研究課題で提案した,イオン性高分子のポリイオンコンプレックスによる新規自己硬化性材料の創成について,予想通りの硬化特性を示す材料が得られており,材料設計としては順調に進展していると判断される。また生体環境下でのアパタイト形成も観察されており,生体親和性を付与できる可能性も見出されている。ただし,機械的強度について課題も明らかになっているので,次年度以降はこれらの点について改善を試みる予定である。今後はグラスアイオノマーセメントにおける体液環境下での反応機構をより詳細に解明すると共に,ポリメチルメタクリレート系骨セメントでの石灰化物質の結晶構造を詳細に調査し,生体適合性向上のための指針構築につなげたい。現在より圧縮強度を高めるため,ガラス粉末やリン酸カルシウム粉末などの添加などを試みる。またこれらフィラー粒子の微細化を行い,粉末の粒径との関連性を追究し,機械的強度向上のための基礎的条件確立を図っていく方針である。また,高分子のイオン架橋を利用した歯科用グラスアイオノマーセメントの硬化機構もあわせて導入し,生体環境下での安定性向上を図っていく予定である。予想していたよりも少ない実験条件で当初の目標としていた物性を得ることができたため。26年度は,機械的特性の精度・信頼性向上や,反応機構の解析に25年度よりも多数の試料作成が必要になると予測されるので,これらの解析等に使用する。本年度の研究においては,自己硬化性や,生体環境下でのアパタイト形成能を示す組成の探索が,想定していた実験条件数よりも少なくて済んだため,未使用額が発生したものである。本年度の研究において,機械的特性の改善に関する課題が明らかになっている。これらの解決を図るためには,固液比や無機フィラーの添加量,高分子の官能基密度などいくつかのパラメーターに沿って組成依存性を細かく調べる必要があり,また統計的信頼性を得るため多くの試料作成が必要になると予測される。次年度研究費は,未使用分も含め,主にこれらの試料作成,評価の項目に重点的に使用する予定である。
人間の関係性学習メカニズムに関する実験的考察

本研究は,動物を用いた古典的条件づけ分野における最近の研究から得られた知見をもとに,ヒトの関係性学習のメカニズムについての実験的考察を行うものである.大学生を対象とした複数の行動実験から,ヒトの関係性学習では,動物の古典的条件づけなど,単純な連合学習場面で観察される現象の一部が観察されないことが示唆された.これは人間の関係性学習メカニズムが,動物などの条件づけ研究で示唆されてきた連合形成などの単純なアルゴリズムのみでは説明できないものであることを示している.本研究は,動物を用いた古典的条件づけ分野における最近の研究から得られた知見をもとに,ヒトの関係性学習のメカニズムについての実験的考察を行うものである.大学生を対象とした複数の行動実験から,ヒトの関係性学習では,動物の古典的条件づけなど,単純な連合学習場面で観察される現象の一部が観察されないことが示唆された.これは人間の関係性学習メカニズムが,動物などの条件づけ研究で示唆されてきた連合形成などの単純なアルゴリズムのみでは説明できないものであることを示している.本研究の目的は、これまでの研究において明らかにされてきた、古典的条件づけ等の基本的学習過程とヒトの関係性学習の連続性に基づき、近年動物を対象とした古典的条件づけの分野で発見された、申請者自身によるものを含む最新の知見、特に、刺激競合という一連の現象に関する知見が、随伴性判断や因果推論などヒトの関係性学習場面にどの程度応用可能かを実験的に検証することを通じ、ヒトの学習の基礎メカニズムを明らかにすることである。19年度は、新しく赴任した北海道医療大学において、実験用コンピュータとプログラミング環境を整え、パイロット的に、超条件づけという動物の条件づけ場面においては既知の現象が、ヒトの随伴性判断課題おいて見られるかを検証する実験を行った。結果は、ヒトにおいてこの現象を報告した先行研究の結果を再現しつつ、その解釈の妥当性を疑問視する興味深いものであり、来年北海道大学で行われる日本心理学会大会で発表する予定である。また、刺激競合に関するもの、それ以外のものも含め、これまでの自らの研究成果を論文として刊行し、また国際学会において口頭発表を行った。本研究の目的は、これまでの研究において明らかにされてきた、古典的条件づけ等の基本的学習過程とヒトの関係性学習の連続性に基づき、近年動物を対象とした古典的条件づけの分野で発見された、申請者自身によるものを含む最新の知見、特に、刺激競合という一連の現象に関する知見が、随伴性判断や因果推論などヒトの関係性学習場面にどの程度応用可能かを実験的に検証することを通じ、ヒトの学習の基礎メカニズムを明らかにすることである。20年度は、昨年度整えた研究環境を利用し、これまで動物の古典的条件づけ場面においてのみ報告されている過剰予期効果という刺激競合現象がヒトの連合学習場面でも生じるかを検証する実験を二つ行った。この現象は、刺激競合に対する限定資源仮説に基づいたレスコーラ・ワグナー理論により最初に予測された現象であるが、実験の結果、二つの実験においてヒトではこの現象は見られないことが示唆された。この実験については、来年立命館大学で行われる日本心理学会大会で発表する予定である。また、刺激競合に関する、これまで自らが関わった研究成果に基づく二つの論文が国際査読誌に受理され、次年度刊行される運びとなった。本研究は、近年動物を対象とした古典的条件づけ分野で発見された、申請者自身によるものを含む最新の知見、特に、刺激競合という一連の現象に関する知見が、随伴性判断や因果推論などヒトの関係性学習場面にどの程度応用可能かを実験的に検証することを通じ、過去の研究において明らかとなった古典的条件づけのような基本的学習過程とヒトの関係性学習の連続性について,さらに検討を加えるものである.21年度は、過去二年間で整えた研究環境にて,これまでに動物の古典的条件づけ場面において発見されてきたいくつかの現象の追試を幅広く試みたところ,超学習や,相対的刺激妥当性からの回復など,いくつかの現象は人の連合学習場面では非常に観察され難いことが明らかになった.これらの成果については,22年度に開催される国際比較心理学会,オーストラリア学習学会にて発表する予定である.また、もうひとつの研究計画の柱である,刺激競合と刺激の持つ情動性の関係については,用いる刺激の持つ情動価の測定の困難さ,明確に情動価を伴った刺激を利用することに伴う倫理的問題など,いくつかの困難を克服するために時間がかかり,パイロット的な実験を行うに留まったため,実験データとしての明確な成果は残念ながら得られなかったが,一方で,このテーマについてのさらに踏み込んだ理論的考察を行い,行動科学学会において発表した.この内容は今後,同学会のもつ査読誌である「行動科学」において論文として掲載される予定である.
宇宙環境で光学異性体の偏りは実現可能か? 円偏光放射光による生命の起源の研究

通常の化学合成では,アミノ酸はL体とD体がほぼ等量混ざったラセミ体で生成するが,マーチソン隕石などいくつかの隕石の中からL体のアミノ酸がD体よりも多い状態で発見された.本研究では,円偏光をエネルギー源として生じる不斉分解反応によって隕石から発見されたアミノ酸の偏りが物理化学的に説明可能かを確かめることを目的に実験を行った.紫外線領域の円偏光をエネルギー源とした不斉分解実験は多数報告されてきた一方で,円偏光軟X線の寄与に関しては検討されておらず,物理化学的裏付けは十分ではなかった.そこで,われわれのグループでは,L体とD体の円偏光に対する光吸収断面積の差が不斉分解反応を引き起こす原因であることに着目し,不斉分解反応そのものではなく,円偏光に対する光吸収断面積の差(円二色性)を調べることで不斉分解の結果生じる偏りの大きさを予測することを試みた.軟X線領域の円二色性の測定は,大型放射光施設SPring-8のBL25SUにおいて行った.測定によって得られた4種類のアミノ酸の円二色性の値を用いて,不斉分解反応の結果生じる偏りを反応速度論に基づく理論式であるKaganの式により計算を行った.その結果,紫外線領域の円偏光によって得られる偏りと同程度の偏りが円偏光軟X線によっても生じ得ることがわかった.このことは,隕石に含まれていたアミノ酸は紫外,軟X線の区別なく,広いエネルギー範囲の円偏光を利用して不斉分解反応を起こし得ることを示しており,隕石から発見されたアミノ酸の偏りの起源を議論するうえで非常に重要なデータである.また,円偏光軟X線によって生じる不斉分解について言及を行ったのは本研究が初めてであり,今後の発展が期待される大きな成果を得ることができた.通常の化学合成では,アミノ酸はL体とD体がほぼ等量混ざったラセミ体(L/D=1)で生成するが,マーチソン隕石などいくつかの隕石の中からL体がD体よりも多い状態で発見された.本研究では,円偏光をエネルギー源として生じる不斉分解反応によって隕石から発見された偏りが物理化学的に説明可能かを確かめることを目的に実験を行った.不斉分解反応はアミノ酸が左右の円偏光に対して異なる吸収断面積を持つこと(自然円二色性)によって生じる.そこで効果的に不斉分解が起こるエネルギー領域を探るために,不斉分解反応の前提となる自然円二色性スペクトルを測定した.測定は大型放射光施設SPring-8のビームラインBL25SUにおいて行った.試料は真空蒸着法によって作成したアミノ酸の蒸着膜(固相)を用いた.蒸着膜に左右の円偏光を照射し,自然円二色性スペクトルを得た.一般に固相の自然円二色性スペクトル測定は,線二色性や線複屈折といった成分が自然円二色性に紛れ込んでしまうため非常に困難である.しかし,われわれは試料を回転させて測定したデータを平均することで,線二色性や線複屈折を除去することに成功し,アスパラギン酸の自然円二色性スペクトルを軟X線領域で測定することに世界で初めて成功した.不斉反応の起きやすさを決定する因子である異方性因子の大きさは,これまでに報告されているアミノ酸の異方性因子の425倍と極めて大きな値を示すことがわかった.本研究で測定した自然円二色性スペクトルを用いることで生体アミノ酸の円偏光による不斉反応を定量的に議論することが可能となり,仮説の検証に非常に重要なデータを取得することができた.通常の化学合成では,アミノ酸はL体とD体がほぼ等量混ざったラセミ体で生成するが,マーチソン隕石などいくつかの隕石の中からL体のアミノ酸がD体よりも多い状態で発見された.本研究では,円偏光をエネルギー源として生じる不斉分解反応によって隕石から発見されたアミノ酸の偏りが物理化学的に説明可能かを確かめることを目的に実験を行った.紫外線領域の円偏光をエネルギー源とした不斉分解実験は多数報告されてきた一方で,円偏光軟X線の寄与に関しては検討されておらず,物理化学的裏付けは十分ではなかった.そこで,われわれのグループでは,L体とD体の円偏光に対する光吸収断面積の差が不斉分解反応を引き起こす原因であることに着目し,不斉分解反応そのものではなく,円偏光に対する光吸収断面積の差(円二色性)を調べることで不斉分解の結果生じる偏りの大きさを予測することを試みた.軟X線領域の円二色性の測定は,大型放射光施設SPring-8のBL25SUにおいて行った.測定によって得られた4種類のアミノ酸の円二色性の値を用いて,不斉分解反応の結果生じる偏りを反応速度論に基づく理論式であるKaganの式により計算を行った.その結果,紫外線領域の円偏光によって得られる偏りと同程度の偏りが円偏光軟X線によっても生じ得ることがわかった.このことは,隕石に含まれていたアミノ酸は紫外,軟X線の区別なく,広いエネルギー範囲の円偏光を利用して不斉分解反応を起こし得ることを示しており,隕石から発見されたアミノ酸の偏りの起源を議論するうえで非常に重要なデータである.また,円偏光軟X線によって生じる不斉分解について言及を行ったのは本研究が初めてであり,今後の発展が期待される大きな成果を得ることができた.
ブレイクポイントを用いないデバッグを可能とする捜査地図デバッガの実現

ソフトウェア開発の現場ではプログラムの実行を失敗させる記述上の誤り(不具合)を特定・修正するデバッグが不可欠である。一般にデバッグは多大な時間と労力を要する作業であるが、その状況の改善が遅々として進まない状況が何十年も続いている。ソフトウェア開発全体の効率化のためにもデバッグの効率化が必要とされている。デバッグの効率化が進まない根本的な原因は、ソフトウェアの複雑性に対して既存のデバッガ(バッグ支援ツール)とデバッグ手法が十分な解決手法を提供していない事にあると我々は考えている。本研究は特にJava言語を対象とした「全知デバッガ(Omniscient Debugger)」と呼ばれる新しデバッガとその用法を開発し、デバッグ作業の効率化に於ける効果を評価する事を目的としている。本デバッガは複雑生の問題に対処するために、プログラムの実行履歴(トレース)を「捜査地図」と呼ばれる新しい方式で可視化する点に大きな特徴を有している。全知デバッガは膨大なデータ量のプログラムトレース(プログラムの実行履歴)の処理が必要であるため、しばしばその実用性が疑問視される。また全知デバッガを用いる事による利点は必ずしも十分に明らかにされていない。本研究はこれらの疑問に答えるという意味で学問的な意義を有している。研究期間内ではデバッガ(特に「捜査地図」)の仕様策定と評価実験の準備のために現実のデバッグ作業の分析を実施すると共にデバッガの開発を実施した。捜査地図の一部(ソースコード中の式(expression)と実行を対応付ける表示)の実装で技術的な問題が発生したために研究期間内で全ての開発を完了する事が出来なかった。本報告書を提出する段階でこの問題を解決する目処は立っており、上述の実装のテストを実施している。今後は捜査地図の実装を完成させ、本デバッガの作業の効率化に於ける効果の検証を進めて行きたい。不具合(コード等に記述された誤り)が含まれたプログラムを実行すると障害(利用者が観測できる実行時の誤り)が発生する。障害を解消するためには不具合箇所を特定・修正する、デバッグと呼ばれる作業が必要となる。デバッグではしばしばプログラムの実行時の状態を調査する事が必要となる。この調査を支援するソフトウェア工学ツール(ソフトウェアの開発を支援するプログラム)をデバッガと呼ぶ。現在広く使われているデバッガは作業者が指定した時点の実行情報しか参照出来ない。そのため作業者は各時点の状態を頭の中で繋ぎ合わせ、点と線的な形で障害の発生原因を辿る作業に多大な労力と時間を費さざるを得ない。こうした問題を改善するために、本研究では作業者の知識や理解に合わせてプログラム実行を捜査地図として抽象化するデバッガを開発する。平成27年度では実際にプログラム開発現場で実行されたデバッグ作業を利用して予備実験を遂行した。本予備実験の目的は作業者がツールに対して操作を行う意図を分析し、その意図した内容をデバッガが効率的に実現出来るように操作地図の仕様を定める事にある。本予備実験の被験者は標準的な機能を有するデバッガを用いて自身の意図を発話しながら作業を遂行し、その発話と操作が動画として記録された。我々はその動画を再生しながら一連の操作に関する作業者の意図を分析した。分析に基づいてデバッガの仕様とアーキテクチャを決定し、現在開発を進めている。上記の予備実験の作業を遂行する中で我々はデバッガの新しい評価手法の着想を得るに至った。現在、デバッガやプログラム理解支援ツールは被験者が評価実験で実施した作業成績によって評価される。しかしながら作業結果の善し悪しの理由を客観的なデータに基づいて説明する事は困難である。予備実験を実施する中でこうした評価に関する問題を解決する端緒を得たと確信している。平成27年度ではデバッガの仕様を決定するための予備実験を実施する予定であった。予備実験は被験者を用いたデバッグ時の発話と作業を動画として記録し、作業直後に動画を再生しながら作業時の内面的な思考を分析する事になっていた。研究計画では分析によって明らかにされる項目が七つ挙げられていた。デバッグされるプログラムとして既存のオープンソース・ソフトウェアを利用する予定であった。予備実験そのものは当初予定していた以上の成果を挙げる事が出来た。事前に意図していたわけではないが、あるソフトウェア開発で発生した障害をデバッグする作業を動画として記録し、それを分析する機会を得る事が出来た。実験用の作り物ではない、我々自身も「正解」を知らない現実の問題を解決し、その過程を分析する経験から予想以上の成果を得る事が出来た。予備実験を実施した知見から最終年度に実施される予定のデバッガの評価実験を実施する上で注意すべき事項を得る事が出来た。本研究はその性格上デバッグ作業者の内面の分析が不可欠である。実証実験の公正さを担保するためには験者の答えを誘導する質問は当然許されない。しかしながら実際にデバッグを行った作業者は必ずしも自身の意図を意識しておらず、それを言語化する事は一般に困難である事が判明した。実験の公正さを保ちながら同時に被験者自身の意図の言語化を支援する実験遂行上の手法の開発が急務である事が判明した。上記の成功により、当初の予定より少ない回数の実験で期待された成果を得る事が出来た。しかしながら予備実験の結果、当初予想したよりも多くの機能をデバッガが実装すべきである事が判明した。このためデバッガの開発に要する期間が当初の予定を上回る可能性が発生した。

結果として予備実験の成功を開発期間の延長が相殺する結果となった。ソフトウェア開発ではプログラムの不具合を特定・修正するデバッグ作業が不可欠である。デバッグは多大な労力と時間を費す作業であるため、その効率化に向けた支援の実現とその効果の評価は非常に重要である。本研究では作業者の知識や視点に合わせた表示によってデバッグを支援する新しいデバッガ(デバッグ支援を目的としたソフトウェア工学ツール)を開発・評価する。本デバッガはプログラムのトレース(実行履歴)を用いて任意の実行時点の参照を可能とする、逆回しデバッガ(Back-In-Time Debugger)の一種である。平成28年度では本デバッガによる抽象化の仕様を決定するため、前年度(27年度)に実施した予備実験の内容を論文にまとめて国際会議(平成28年度発表確定報告済み)と国内の研究会で発表した。これらの成果はデバッグ作業者の内面の分析に関するものであり、東京大学、神戸大学、甲南大学の研究者、さらに民間のソフトウェア開発技術者(いずれも発表論文の共著者)の協力によって得られた。さらにグラフデータベースの導入によるトレース処理の効率化を確認し、その結果を国際会議と国内の研究会で発表した。これらの成果は同志社大学のデータ工学研究者(発表論文の共著者)の協力によって得られた。一般に多くのソフトウェア工学ツールの評価実験では被験者が実施した作業の外形的なデータ(作業成績や消費時間)が評価に用いられる。外形的なデータに基づく評価では「何故作業の結果が向上したのか(被験者の能力が高いからではないか?)」という重要な疑問の解決が困難である。作業時の被験者の内面の分析はこの従来の評価方式の限界を突破する上で大きな役割を果たす。逆回しデバッガは扱うトレースのデータ量の大きさ故にその実用性が疑問視される事が多い。グラフデタータベースによる効率化は実用化の可能性を示す上で大きな意義を有している。平成28年度では評価実験の環境構築とデバッガの開発を実施していた。実験を支援する環境に当初予想していなかった機能が必要である事が判明した。そのために環境構築に遅延が発生している状況である。またデバッガの開発に関しても技術的な問題によって遅延が発生している。我々の当初の計画では同時発話法を適用して被験者の内面表出を実現する予定であった。しかしながら前年度に実施した予備実験の結果より、デバッグ時の作業者の思考が極めて複雑かつ断片的なものであるために、通常の同時発話法では内面分析に必要な質の高いデータの採取が困難である事が判明した。我々は被験者の発話と発話時に参照している表示の内容を関連付ける事によってデータの質を向上させられると考えている。現在データの質を高めるための関連付け機能を新規に開発中である。この当初予期していなかった作業のために環境構築工程の遅延が発生している。本デバッガではトレース処理の結果が、作業者の知識や視点に合わせる形でソースコードの表示に反映される。この表示を実現するためにはJavaのソースコードの構文要素をトレース内のバイトコード実行と対応させる必要が有る。
インターカレーション-反応場の制御と構築-

インターカレションは自然現象として、あるいは人工的に制御、構築された固体物質のなかでトポタクティック反応により、ホスト構造体とゲスト分子あるいはゲストイオンとの間で種々の相互作用やイオン移動、電荷移動を伴い、固溶体生成や相転移現象あるいは触媒機能が見いだされる。本研究では反応場の制御と構築という本質的立場から、各種の新機能を発現するインターカレーション物質を設計し合成していくための基礎研究として各分野の専門家が集まり総合討論を行った。総合討論会は平成8年12月26-27日、KKR沼津保養所「はまゆう」にて、27名のメンバーが集まって行われた。ここでは、イオン-電子混合伝導体中での電子輸送現象、メスバウワ測定によるデインターカレーションの際の鉄の電子状態の変化、固体電解質のヘテロ接合のセンサーへの応用、強電子相関系へのインターカレーションの試み、層状ペロブスカイト型複合酸化物の光触媒効果、メカニカルアロイング法による低次元カルコゲナイドの合成、カーボンへの水素およびリチウムインターカレーション、スピネル酸化物中でのリチウムイオン拡散、リチウムインターカレートしたグラファイト表面のSTM観察、リチウム遷移金属窒素化合物へのインターカレーション機構、リチウムマンガンスピネルをベースとする新規正極材料、リチウム含有鉄酸化物およびニッケル酸化物の構造と電気化学的特性、といった問題が広く議論され、各テーマの問題点のうち、特にそれらの間の相互の関係が多く指摘された。さらに未解決の問題も提起され、この種の総合研究の重要性が明らかにされた。本研究では反応場の制御と構築という本質的立場から、各種の新機能を発現するインターカレーション物質を設計し合成して行くための基礎研究として各分野の専門家が集まり総合討論を行った。ここでは、イオン-電子混合伝導体中での電子輸送現象、メスバウワ測定によるデインターカレーションの際の鉄の電子状態の変化、固体電解質のヘテロ接合のセンサーへの応用、強電子相関系へのインターカレーションの試み、層状ペロブスカイト型複合酸化物の光触媒効果、メカニカルアロイング法による低次元カルコゲナイドの合成、カーボンへの水素およびリチウムインターカレーション、スピネル酸化物中でのリチウムイオン拡散、リチウムインターカレートしたグラファイト表面のSTM観察、リチウム遷移金属窒素化合物へのインターカレション機構、リチウムマンガンスピネルをベースとする新規正極材料、リチウム含有鉄酸化物およびニッケル酸化物の構造と電気化学的特性、といった問題が広く議論され、各テーマの問題点のうち、特にそれらの間の相互の関係多く指摘された。
法の情報分析試論

平成17年度においては、前年度の研究成果を踏まえて、法現象を情報の収集・加工・発信のプロセスの連鎖として捉え直すことを基盤とする「法の情報分析」の基礎理論のとりまとめと、その理論の具体的場面への適用を行った。基礎理論としては、(1)事実情報の収集・加工を中核とする法的意思決定のモデル化を行い、交渉や訴訟の場面についての分析枠組みを形成した。また、(2)利害関係者や国民一般の合意にかかる情報についても、その分析枠組みに加えることによって、行政上の法的仕組みについてもその分析枠組みの適用を可能とすることに成功した。さらに、(3)法規範情報については、その発展と伝播についても枠組みに加えることとした。そして、(4)以上の分析枠組みに、効率性と正統性の契機を併せることで、十分な理論枠組みが形成されることを示した。具体的な場面への適用としては、(1)いわゆる予防原則・予防的介入をめぐる論点について上記の基礎理論によって合理的な説明が可能であること、むしろ「予防的介入」概念自体が極めて不明確であることを示した、(2)安全に関して、JR西日本の事故・耐震偽装問題について、上記基礎理論から示唆される原因の特定と再発防止策の提言をまとめた、(3)情報自体の情報分析として、情報公開法・情報公開条例の伝播とその下での事実情報の流通分析によって開示請求対象の特定についての解釈論を提示した他、個人情報保護についても情報と対象の対応性に即した立法と解釈が必要となることを示した。本研究は、法現象を情報の収集・加工・発信のプロセスの連鎖として捉え直すことにより、多様な法現象を一括して分析する手法を開発し、現代的法分野に広く適用可能な新たな基礎理論を構築することを目指すものである。本年度においては、研究の初年度として、以下の研究を遂行し、所要の成果を上げた。(1)法現象を情報の流れとして捉えた既存研究の網羅的検討法現象を情報の連鎖として捉えた既存研究は、「法と経済学」の分野において「情報の経済学」の成果を取り入れようとする試みを除けば、極めて抽象的な基礎理論に関する研究と、特定の問題の解決を目指す研究において、必要な限りにおいて行われているにとどまり、十分な蓄積はなされていないことが明らかとなった。(2)情報・議論・法現象に関わる基礎理論とその応用議論の可視化や法解釈の自動化を目指す上では、情報・議論・法現象に関する各種の基礎理論を高度に発展させた上で、必要な科学技術を発見・発展させる必要が生じる。太田(研究分担者)及び堀田(研究分担者)は、これらの試みの中で、法現象を従来扱ってきた法学の科学としての特殊性や公共プロジェクトをめぐる決定や紛争マネジメントに関する研究成果を挙げ、本年度中に公表した。(3)具体的法現象の情報分析とその可視化法現象を情報の流れとして捉えることは、法の対象自体が情報である分野においては不可避である。本年度においては、そのような分野の一つとして、情報公開と個人情報保護について取り上げ、遺伝子情報の保護について具体的な研究成果を挙げてこれを公表した。
グラム陰性細菌のシグナルペプチド非依存型酵素分泌装置の解析と大量分泌への応用

グラム陰性細菌におけるタンパク質や酵素の分泌には、シグナルペプチドとSecタンパク質が関与するGeneral Secretory Pathway(GSP)機構とシグナルペプチド非依存性の分泌機構が報告されている。Erwinia属細菌やPseudomonas属細菌のシグナルペプチド非依存型のアルカリ性プロテアーゼは、ABCトランスポーターと呼ばれる細胞内膜と細胞外膜に形成されたチャンネルを経て、ペリプラズム空間に留まることなく細胞外に分泌される。本研究は、複雑な膜構造をもつグラム陰性細菌であるZymomonas mobilisから酵素分泌装置構成タンパク遺伝子をクローン化して、その構造と機能の相関を解析することにより、シグナルペプチド非依存型分泌機構の解明を目的としている。先ず、Z.mobilisが菌自体外に生産する2種のスクロース分解酵素、レバンスクラーゼ(SucZE2)とインベルターゼ(SucZE3)の蛋白質化学的および遺伝子解析から、両酵素は分泌性酵素であるにも関わらず、そのN末領域に分泌シグナル領域をもたないことを見出し、Z.mobilisにGSP機構とは異なる膜透過装置の存在を明らかにした。次に、酵素分泌能が欠損したZ.mobilis変異株を宿主として、sucZE2とsucZE3のtranscriptional activator(zliE)と両酵素の分泌を促進する遺伝子(zliS)をクローン化した。zliSの機能を大腸菌とZ.mobilis内で解析した結果、zliSが分泌装置の一部を構成し、細胞表層からのSucZE2とSucZE3の遊離に働くと推定した。現在、zliEとzliS近傍の詳細な解析と様々な分泌能欠損変異株を用いた相補試験を行っており、完全な分泌装置遺伝子クラスターの取得と分泌機構の解明が課題である。本研究は,複雑な膜構造をもつグラム陰性細菌,Zymomonas mobilisのシグナルペプチド非依存型酵素分泌機構を明らかにするとともに,この酵素分泌機構を利用した有用酵素大量分泌系の構築を目的としている.本年度の成果を以下にまとめた。1)菌体外酵素分泌促進遺伝子(zliS)の機能解析:既にZ.mobilisの酵素分泌能欠損株を宿主として、分泌性を相補する遺伝子、zliSをクローン化している。先ず、他のグラム陰性細菌におけるzliSの機能発現の有無を大腸菌を用いて検討した。zliSはtacプロモタ-制御下で発現して、その大部分が大腸菌細胞膜に局在した。次に、zliS発現によるZ.mobilis由来のシグナルペプチド非依存型分泌酵素であるFructosyltransferase(FTase)やInvertase(IVase)遺伝子と共存させることによる分泌促進効果を検討した.FTaseやIVaseは大腸菌細胞内では分泌されないが、zliSの共発現により分泌促進が観察され、zliSが細胞膜に局在し、エキスポーターとして機能することが明らかとなった。2)分泌チャネル構成遺伝子のクローニング:既報の分泌チャンネル構成遺伝子はクラスターとしてコードされている。そのため、zliSはチャンネル遺伝子近傍にコードされていると考えられることから、現在、Z.mobilisのゲノムライブラリーに対し、zliSをプローブとして用いたスクリーニングを行なっている。本研究は、醸造用細菌であるダラム陰性のZymomonas mobilisのシグナルペプチド非依存型分泌機構を解明することにより、本菌を用いた高効率なタンパク質の分泌生産を目的としている。昨年度までに、Z.mobilisが菌体外に分泌する2種のスクロース分解酵素遺伝子を転写活性化する遺伝子(zliE)とそれらの酵素の分泌を促進する遺伝子(zliS)をクローン化して遺伝子解析を行った。本年度は、zliSの機能をグラム陰性細菌である大腸菌とZ.mobilis細胞を用いて解析した。大腸菌内でのzliSの発現は致死的に作用することなく、zliSタンパク質は細胞膜に局在することにより膜構造を緩め、細胞質膜および細胞質内からの酵素の漏出を促進することを見出した。

すなわち、zliS発現を制御することにより大腸菌細胞を宿主とした酵素の菌体外生産が可能であることが示唆された。Z.mobilis内でのzliS発現はZ.mobilisの細胞表層に局在するシグナルペプチド非依存型分泌酵素である2種のスクロース分解酵素の遊離に働き、大腸菌細胞内での機能とは異なることが明らかになった。さらに、菌体外スクロース分解酵素遺伝子近傍のgene walking解析から、Z.mobilisにおける分泌酵素が既報のシグナルペプチド非依存型分泌機構(ABCエキスポーター)とは異なる機構で菌体外に生産されていることを推定した。現在、分泌に関与する因子を検索するために、分泌促進に機能するzliS近傍のgenewalkingを行っている。昨年度までの研究において、醸造用細菌であるグラム陰性のZ.mobilisが菌体外に生産する2種のスクロース分解酵素、レバンスクラーゼ(SucZE2)とインベルターゼ(SucZE3)はN末領域に分泌シグナル様配列や疎水性アミノ酸領域をもたないことを明らかにした。すなわち、Z.mobilis細胞にはGSP機構とは異なる膜透過装置が存在していると推定し、レバンスクラーゼおよびインベルターゼの分泌生産能が低下した変異株(Z6C suc)を宿主として、これら酵素の分泌生産を相補する約1.7kbのEcoRV断片をZ.mobilis由来染色体DNAからクローニングした。このDNA断片上にはzliEとzliSと称した2つのORFが存在しており、zliEはレバンスクラーゼとインベルターゼの遺伝子の転写を活性化する因子(Transcriptional activator)であることを明らかにした。その解析過程で、1.7kb断片上のzliS領域が欠損することにより、レバンスクラーゼとインベルターゼがZ6C S2細胞内に蓄積される現象が観察された。これらの結果から、zliSはシグナルペプチド非依存型分泌酵素であるレバンスクラーゼとインベルターゼの分泌を促進する機能をもつと推定した。本年度は、(1)大腸菌内におけるzliSの機能解析、(2)Z.mobilis内におけるzliSの機能解析、(3)SucZE2およびSucZE3の分泌に関与する他の因子の検索、について検討した。
ケモメトリックスによる有機化合物の構造-活性相関

有機化合物の化学構造と活性の間に存在する数学的モデルを得るために、ケモメトリックスの手法であるPLS(Partial Least Squares)法と非線形データ解析のためのニューラルネットワーク(NN)を適用した。アゾキシ化合物は抗菌作用を示すことが知られている。この抗菌活性のモデリングをおこなうために各化合物の3つの置換基を疎水性、立体性、電子的性質を表わすZスケールで表現した。PLS法を用いて得られたモデルは7つのPLS成分であり十分な予測性を示さなかった。そこでNNを用いて、バックプロパゲーション法により最適なネットワークを構築した。NNによるモデルは予測的相関係数が0.814と十分に有意なものであった。またNNの入出力の間の関係を多項式で表わす方法を開発した。この方法でNNのモデルを表わすと、PLS法の係数との対応がついてNNは妥当な結果を与えていることが明らかとなった。次に非線形のモデリングの検討のためにハロメタンのC-13NMR化学シフトのモデリングをおこなった。35種類のハロメタンの化学構造を表わすためにF、Cl、Br、I原子の数を入力して線形PLS法と2次PLS法を適用した。しかしデータの非線形性のために有意なモデル式は得られなかった。そこでNNによるモデリングをおこなった。最適な中間層ニューロン数を決めるためにleave-one-out法によって予測的相関係数を尺度とし、中間層のニューロン数を3とした。このネットワークがどの程度テストデータに対し予測力を持つかを評価するために、6つの市販のハロメタンを入手し、NMRの測定値を得た。6つの化合物のC-13NMR化学シフトの実測値と予測値の差から求まる標準偏差は2ppmと非常に良好であった。以上の様に、PLS法とNNを併用することで構造-活性相関のモデリングが効率良くおこなわれることが示された。有機化合物の化学構造とその活性との関係をモデリングするために新しいケモメトリックスの手法であるPLS(Partial Least Squares)法とニューラルネットワーク法のプログラム開発をおこない,以下の活性データの解析をおこなった。まずジペプチドの構造一苦味相関のモデリングのために線形PLS法による解析をおこない相関係数が0.8以上のモデル式を得た。しかし誤差標準偏差が大きな値なので更に非線形モデリング法であるニューラルネットワークを利用した解析をおこなった。その結果相関係数が0.961誤差標準偏差が0.1の良好なモデルが得られた。またこのモデルによって苦味を増大させるためのジペプチドに対する構造要求性を明らかにすることができた。次に血中のコレステロール濃度を減少させるための薬剤として注目されているHMG-CoA還元酵素阻害剤の3次元構造一活性相関をPLS法に基づくCoMFA(Comparative Molecular Field Analysis)法で解析した。各々の分子に対して立体、電子および疎水的因子を表わすFieldパラメータを計算した。次にこれらのFieldを用いてPLS解析をおこなって活性のモデル式を評価した。その結果立体的因子が阻害活性に最も大きな寄与をしていることが明らかとなった。またPLSモデル式から化合物のどの位置が立体的相互作用として重要なのかを図示し、3次元的構造要求性を視覚でとらえることが可能となった。この3次元情報は新しい高活性の阻害剤のデザインに有効である。現在、非線形PLS法の開発をおこなっており、非線形データ解析に対するニューラルネットワークの結果との比較検討を開始した。非線形モデリングとしてハロメタンの化学シフト予測の問題に着手し、新しい研究を展開している。

有機化合物の化学構造と活性の間に存在する数学的モデルを得るために、ケモメトリックスの手法であるPLS(Partial Least Squares)法と非線形データ解析のためのニューラルネットワーク(NN)を適用した。アゾキシ化合物は抗菌作用を示すことが知られている。この抗菌活性のモデリングをおこなうために各化合物の3つの置換基を疎水性、立体性、電子的性質を表わすZスケールで表現した。PLS法を用いて得られたモデルは7つのPLS成分であり十分な予測性を示さなかった。そこでNNを用いて、バックプロパゲーション法により最適なネットワークを構築した。NNによるモデルは予測的相関係数が0.814と十分に有意なものであった。またNNの入出力の間の関係を多項式で表わす方法を開発した。この方法でNNのモデルを表わすと、PLS法の係数との対応がついてNNは妥当な結果を与えていることが明らかとなった。次に非線形のモデリングの検討のためにハロメタンのC-13NMR化学シフトのモデリングをおこなった。35種類のハロメタンの化学構造を表わすためにF、Cl、Br、I原子の数を入力して線形PLS法と2次PLS法を適用した。しかしデータの非線形性のために有意なモデル式は得られなかった。そこでNNによるモデリングをおこなった。最適な中間層ニューロン数を決めるためにleave-one-out法によって予測的相関係数を尺度とし、中間層のニューロン数を3とした。このネットワークがどの程度テストデータに対し予測力を持つかを評価するために、6つの市販のハロメタンを入手し、NMRの測定値を得た。6つの化合物のC-13NMR化学シフトの実測値と予測値との差から求まる標準偏値差は2ppmと非常に良好であった。以上の様に、PLS法とNNを併用することで構造-活性相関のモデリングが効率良くおこなわれることが示された。
発癌におけるオートファジー様細胞死の役割とそれを応用した分子標的治療法の開発

細胞の癌化には、細胞死機構の破綻が関与していると考えられている。細胞死の形態には、アポトーシスとオートファジー様細胞死がある。アポトーシスに関しては今までに多くの知見が存在するが、オートファジー様細胞死に関しては、ほとんど解析されていない。本研究は、発癌および癌の進展におけるオートファジー様細胞死の役割を解析することにより、癌細胞での細胞死シグナル伝達機構の破綻部を明らかすることである。癌切除検体から初代培養細胞系を作成。この培養系に細胞死誘導因子である抗癌剤(VP-16)およびスタウロスポリン(STS)の投与を行い、これに対する細胞死シグナル伝達阻害剤であるZ-VAD(アポトーシス阻害剤)および3-methladenine(3-MA,オートファジー様細胞死阻害剤)の効果を評価した。この実験系を用い、初代培養系における細胞死シグナル伝達機構の解析を行った。この結果VP-16およびSTSで誘導される細胞死は、3-MAにより抑制されたが、Z-VADによる細胞死抑制効果は認められなかった。この初代培養系では、アポトーシスのシグナル伝達機構の破綻が存在するとこが示唆された。癌切除検体において、被癌部と正常組織中のアポトーシスおよびオートファジー関連蛋白の発現様式をウエスタンブロットにより検討した。その結果ATG5、Becline1とBclXLの発現量に被癌部と正常組織間で差が認められた。
腸管におけるKイオンの吸収分泌の細胞機序とその調節機序

本研究の目的は、腸管におけるK輸送の細胞機序やその膜輸送分子実体をさらに明らかにするとともに、その輸送活性調節機序を明らかにすることである。まず、ヒトにおけるカリウム投与後の血清中及び尿中の電解質変化を検討した。その結果、カリウムを投与すると速やかに血清中のカリウム濃度が上昇し、尿中へのカリウム、ナトリウムおよび塩化物イオン排泄が同時に亢進されることが明らかになった。「予測制御」の存在は肯定されなかった。次に、ラット腸管K吸収に関し、非吸収性マーカーのポリエチレングリコールを用い検討した。その結果、摂取したKの大部分は小腸上部で吸収iされた。吸収は主として濃度勾配の依存しており、小腸に顕著なK吸収調節機序があるようには見えなかった。次に、マウス回腸におけるK輸送をUssing chamberを用い検討した。吸収方向のKフラックスは分泌方向のカリウムフラックスより大きく、能動輸送による吸収機序の存在が示唆された。さらに、マウス遠位大腸のK輸送もUssing chamber法で検討した。ouabain感受性のK吸収機序と、管腔側TEAと漿膜側bumetanideで抑制されるK分泌機序が存在することが示された。β受容体刺激薬や高K食でK分泌は増大することが示された。次に、モルモット遠位大腸管腔側膜H^+,K^+-ATPase,漿膜側Na^+,K^+-ATPaseのOuabain用物質に対する感受性の比較を行ったところ、ouabainは両者を同程度の抑制した。その他の物質は何れもH^+,K^+-ATPase活性をNa^+,K^+-ATPase活性より、より低濃度で抑制した。最後に、ラット遠位大腸をUssing chamberに装着し、aldosteroneを投与したところ、K分泌を表すTEA感受性の短絡電流は4時間後から有意に増大し、Na吸収を表すBenzamil感受性の短絡電流も4時間後から増大した。本研究の目的は、大腸におけるKイオンの吸収と分泌の細胞機序やその膜輸送分子実体をさらに明らかにするとともに、小腸にも同様のKイオンの吸収と分泌機序が存在することを確認する事である。今年度は主として小腸のK吸収について検討した。まず、マウス回腸のK吸収をUssing chamber系で測定した。一側にはKを、もう一側にはRbをそれぞれ含むリンゲル液を加え、反対側への流出速度より、一方向性フラックスを決定した。管腔側から漿膜側方向へのK(Rb)フラックスはその反対方向へのK(Rb)フラックスより大きかった。メジウムから重炭酸イオンを除いてもK(Rb)の正味の吸収は変化しなかった。代謝阻害剤は正味のK(Rb)吸収を抑制する傾向があった。Forskolinは正味のK(Rb)吸収を抑制した。以上のことから、小腸にK吸収機序があることが示唆された。その細胞メカニズム、cAMPによる調節機序に関しては今後さらに検討する予定である。次いで、in vivoの系で小腸K吸収につき方法論を含めて検討した。吸収速度を定量的に求める目的で、同時にポリエチレングリコール4000(PEG)を摂取させた。食事開始後4-5時間で、腸管を切りだし小腸各部位の内容物の水分含量、Na,K濃度を測定し、同部位でのPEG濃度との比を求めた。それより求めた腸管各部位でのKの吸収速度より、Kは胃で約半分ほど吸収され、残りは小腸上部で吸収されることが明らかになった。

また、十二指腸部位での摂取量に匹敵する量のKが消化液として分泌されていることも明らかになった。【目的】摂取したカリウムは小腸で吸収され、門脈、肝臓を経て、体循環に入る。その結果、血中カリウム濃度が上昇し遠位尿細管が刺激され、カリウムの尿中排泄が促進される。肝門脈領域にカリウムセンサがあり、血中カリウム濃度が上昇せずに尿中へのカリウム排泄が促進される「予測制御」が存在することも考えられている。そこで、投与量、投与方法を変えてカリウムを投与し、それらの結果を比較することで「予測制御」機序が存在するか否か検討した。【方法】被験者にカリウムを経口もしくは静脈投与し、血清中カリウム濃度およびナトリウム濃度、尿中カリウム、ナトリウムおよび塩素排泄量、尿中クレアチニン排泄量を経時的に測定した。【結果】カリウム投与によって、血中カリウム濃度が上昇した。尿中カリウム排泄量は、カリウム投与後速やかに増加した。カリウム排泄量増加と同時にナトリウム排泄量、塩素排泄量も増加した。尿中クレアチニン排泄量は、カリウム投与前後でほとんど変化しなかった。静脈および経口からのカリウム投与の比較では、投与後の血清中カリウム濃度上昇と尿中カリウム、ナトリウムおよび塩素排泄量増加に関して、両者に大きな差が見られなかった。【結論】低量のカリウム投与でも速やかに血中カリウム濃度が上昇し、尿中へのカリウム、ナトリウムおよび塩素排泄が同時に亢進されることがわかった。この研究では、血中カリウム濃度が上昇せずに尿中へのカリウムが排泄される現象はみられず、「予測制御」の存在は確認できなかった。1、小腸K吸収に関して検討する目的で、マウスの小腸をUssing chamberに取り付け、^<42>Kを用いて両方向性フラックスを測定した。その結果、吸収方向の^<42>Kフラックスは逆方向のフラックスより大きいことから、能動輸送によるK吸収機序が存在することが明らかになった。この吸収は、メディウムよりCO_2/HCO_3を除去しても影響を受けなかったことより、H/K交換輸送担体が関与している可能性は低いと考えられた。2、大腸でのK吸収に関して検討する目的で、マウスの大腸をUssing chamberに取り付け、^<42>Kを用いて両方向性フラックスを測定した。管腔側ウアバインで吸収方向の^<42>Kフラックスは抑制されたので、ウアバイン感受性のH, K-ATPaseが大腸K吸収を担っていることが示唆された。管腔側Clイオン濃度を通常の120mM程度から5mMまで低下してもウアバイン感受性^<42>K吸収は影響を受けなかったことからK吸収はClイオンには依存していないと考えられた。3、大腸K吸収がH, K-ATPaseによることをさらに明らかにする目的で、pHスタット法を用い酸分泌を測定した。管腔側Clイオン除去の条件下では、管腔側ウアバイン投与により抑制される酸分率が観察され、その大きさはウアバイン感受性の^<42>K吸収フラックスとほぼ同程度であった。このことはH, K-ATPaseの関与を支持するものであった。しかし、Clイオン存在下では逆にウアバインにより酸分泌が亢進する結果となり、予想と反する結果となった。