hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
痛みを伴う処置を受ける子どもへの援助に関する研究―処置を繰り返し受けることによる子どもの学習反応と看護ケアの関係―

採血などの痛みを伴う処置をうける子どもへの看護ケアを検討するために、入院児の採血や点滴刺入場面を継続して観察し、同一児が痛みを伴う処置を繰り返し受ける過程にみられる反応の変化をカテゴリー化し起述し、処置時の子どもの反応の読み取りの参考資料として、また看護援助の評価指標としての可能性を検討した。また、子どもの反応に影響する要因を特定した。さらに、同一児が痛みを伴う処置を繰り返し受ける過程でみられた看護援助の効果を5事例において検討し、効果的な援助のあり方についてまとめた。痛みを伴う処置を繰り返し受ける子どもの反応の変化とその意味研究への参加について保護者の了解が得られた、10か月4歳半の子ども19名の採血場面54場面をビデオ撮影し(子ども一人当たりの観察場面は27場面)、前後の場面から「子どもの反応の変化」を読み取った。変化を読み取った場面は35組である。「反応の変化」は、その時の子どもの心身の状態や環境的な要素によって影響されると思われる。本研究においては、そのような「子どもをとりまく内外の状況」からの影響を除外した、処置を繰り返し受けることがもたらす「子どもの内的な力」を明らかにしたいと考えている。そこで、研究者810名がビデオを視聴し、反応の変化に影響している「子どもをとりまく内外の状況」を全員の一致した見解で判断し、それらによって変化したと思われる子どもの反応は「変化」として取りあげなかった。その結果、子どもは処置を繰り返し受ける過程において「音刺激に反応してそちらをみるようになる」、「言葉が出るようになる・増える」、「身体の動きがスムーズになる」、「泣かなくなっていたのが再び泣くようになる」などの27種類の変化を示した。反応の変化に影響を与えていた「子どもをとりまく内外の状況」は、子どもの発熱や、馬乗り抑制、処置者と子どもの関係、処置者の性別、子どもへの否定的な働きかけ(強制的・命令的な言動、嘘、子どもの心理状態に相応していない言動)であった。子どもは心身の苦痛を伴う脅威的な処置であっても、それを「良い状況」の中で繰り返し受けることで、不安や恐怖で緊張していたのが、次第に自由に振舞うようになったり、感情や意思を主張するようになるほどの余裕が出てきていた。「良い状況」とは、上述の「子どもをとりまく内外の状況」がみられない状況を示している。これらの結果から、子どもへのケアの在り方が示唆された。今後、ケアに関する評価研究が必要になる。本研究の目的は、採血を受ける幼児への看護ケアのあり方(採血場面への母親の同席の是非、医療者がどのように係わると、幼児の採血への取り組み姿勢が準歩するのか)を明らかにすることである。幼児の取り組み姿勢の進歩とは、前回に採血を受けたときよりも幼児の不安や恐怖が減少していたり、心身の緊張が強い状態から次第に自由に身体を動かしたり感情や意思を主張するようになるという変化がみられることを示している。我々は当初、幼児の取組み姿勢を評価する指標として、繰り返し採血を受ける過程にみられる幼児の学習反応に注目した。そして、採血を繰り返し受ける過程における子どもの反応の変化を観察し、その変化(学習反応)に看護ケアがどのように関与しているかを量的に検討した。しかし、幼児が繰り返し採血を受ける過程でみられた変化と看護ケアの実施状況の間に関連性はみられなかった。そこで、幼児の取り組み姿勢に大きな変化がみられた事例において、変化の内容と、変化に影響した要因(看護ケアも含む)を現在、分析中である。現在のところ、(1)幼児の取り組み姿勢が進歩していく過程には4段階があること、(2)その進歩の過程で出現してくる、幼児の「採血を受けようとする覚悟」の読み取り方、(3)幼児の覚悟の形成に有効なかかわり方(看護ケア)などが示唆されている。今後は、採血場面におけ母親の同席の是非を検討するために、同席した場合とそうでない場合において、幼児の取り組み姿勢の変化の過程を量的に比較検討する予定である。採血を受ける幼児への看護ケアを検討するために、3つの総合病院の小児科に入院している子どもの採血場面を継続して観察し、採血場面における幼児の反応の変化と、その変化をもたらしたケア内容を明らかにした。幼児5名の27場面を観察した。男児4名、女児1名で、年齢は2歳6か月7歳(平均4.3±1.4歳)、疾患はアレルギー紫斑病、髄膜炎などの内科的疾患が3名、ヘルニアや総胆管嚢腫の外科的疾患が2名であった。継続して観察したのは211場面(平均5.4±3.8場面)であった。幼児は採血を繰り返し受ける中で、「音刺激に反応してそちらを見るようになる」、「言葉が出るようになる・増える」、「身体の動きがスムースになる」などの27種類の反応の変化を示し、緊張が強い状態から次第に身体を自由に動かしたり感情や意思を表現するようになるのが観察された。

このような変化には「これから行なう処置行為を説明し子どもの了解をとる」、「処置行為について相談し選択させる」などのケアが有効であった。また、子どもの変化は入院1週間ほどの早期にみられることが多かった。
パンの欠片で何がわかる!-発酵食品の機能性成分と微生物遺伝子分析-

パンは昔から世界中で食され、多種類の伝統的なパンが製造されている。採集したパン欠片の微生物は、顕微鏡観察により多くの試料で卵型の酵母や桿菌等が多種類の微生物が関与していた。小麦アレルゲンタンパク質の分解がみられた。S.cerevisiae保存菌株、さらにパン欠片からのDNA抽出は可能であり、パン欠片中の酵母は、国、地域によって異なっていた。市販天然酵母とそれを用いたパンは、近い位置関係を示た。さらに、石窯やオーブンによるパン焼成法による影響は少なく、同クラスターを形成した。紀元前から人々の暮らしを支えたパンの機能性の特徴を明らかにすることと、世界のパンの「かけら」や「ドウ」の微生物の遺伝子解析を目的としている。世界には地域により、焼く、蒸す、揚げるなどの調理法があり、様々な種類のパンが存在している。今回は焼成温度の異なる石窯パンの特徴を検討した結果、焼成温度の上昇とともに、タンパク質は分解し低分子化しGABA、Pro、Valが多く含まれており、アレルゲンタンパク質の15-16kDa及び20kDa付近のバンドが薄くなっていた。ELAISA測定の結果も同様の傾向を示した。パンの機能性に関与している「ドウ」中の微生物の特徴を明らかにするため、中国の饅頭ドウから分離した8株、日本の天然酵母2株、NBRCのS.cerevisiae保存株1株、26SおよびITS領域のDNA塩基配列を解析した結果、分離CH-25、天然酵母2種類、S.cerevisiae保存菌株1株の4株をS.cerevisiaeと同定した。他にCryptococcus laurentii、Rhodotorula mucilaginosa、Cryptococcus flavus、Ustilago esculentaと同定した。S.cerevisiaeと同定した4株の塩基配列の相違は4ヵ所のみであった。26SおよびITS領域の塩基配列解析に用いた11試料に、焼成法の異なるパン2試料、市販酵母1試料、NBRCのS.cerevisiae保存菌株4株を加え、マイクロサテライト解析を行った結果、中国の饅頭ドウから分離したS.cerevisiae(CH-25)は日本の天然酵母と別系統であることがわかり、保存菌株(オランダ)とは同系統であった。また、市販酵母とその酵母を用いた焼成パンからの微生物遺伝子は同じクラスターを形成し、死滅微生物のつまり「パンのかけら」からの分析を可能にした。パンの発酵は、パン酵母Saccharomyces cerevisiaeが一般的に使われている。しかし、昔から作られているパン中の微生物は多種である。今回は保存株Saccharomyces cerevisiaeと、世界各地から採集した「パン欠片」に存在するパン酵母の遺伝学的解析の可能性を探った。パン酵母の遺伝学的解析の対象微生物は、S.cerevisiae保存菌株、市販天然酵母および「パン欠片」からの微生物のDNA抽出にはDNeasyBlood & Tissue Kit (QIAGEN)を用いた。S.cerevisiaeのマイクロサテライト6領域のアリル頻度のデータから近隣接合法により、系統樹を作成した。S.cerevisiae保存菌株、市販・天然酵母、特に焼成したパンやパン欠片からのDNA抽出は可能であった。マイクロサテライト解析後、系統樹を作成した結果、日本の市販天然酵母とそれを用いたパンは近い位置を示し、妥当性のある解析法であることが明らかになった。また、日本の市販天然酵母とS.cerevisiae保存菌株とは別のクラスターを形成した。焼成温度の異なる石窯パン成分の特徴は、焼成温度の上昇とともに、タンパク質は分解し低分子化しており、ELISA測定の結果も小麦タンパク質抗原量は、ドウを焼成しパンを作成することにより、特に高温度で(270°C、300°C)のパンでは低下した。抗酸化性は、焼成温度の影響を受けないことが明らかになった。昨年度は保存株Saccharomyces cerevisiaeと、世界各地から採集した「パン欠片」に存在するパン酵母の遺伝学的解析の可能性を探った。今年度は、世界のパン、さらに日本の天然酵母パンを全国から購入して実験材料に加えた。世界のパン欠片を小麦や大麦、米、いも、とうもろこしなどの主要農作物との関わりを検討した結果、パン中の微生物は、全てに酵母と形態の異なる乳酸菌などの微生物が存在していた。小麦タンパク質の分解が多く見られ、小麦アレルギー患者の反応するタンパク質が減少していた。

また、日本各地の天然酵母パン中にも、微生物の形態に差があり、小麦タンパク質アレルギー30kDa付近の小麦タンパク質の減少が見られたものもあり、血圧降下作用のあるGABA等のアミノ酸含有も多かった。低アレルゲン表示天然酵母パンは、アレルゲン部分が残っているものもあり、卵や牛乳などを含んでいないことを表示していることが考えられる。バン酵母の遺伝学的解析の対象微生物は、市販天然酵母「パン欠片」も加えた。微生物のDNA抽出にはDneasy Blood & Tissue Kit (QIAGEN)を用いた。S.cerevisiaeのマイクロサテライト6領域のアリル頻度のデータから近隣接合法により、系統樹を作成する。S.cerevisiae保存菌株、市販・天然酵母、特に焼成したパンやパン欠片からのDNA抽出は可能であったことから、試料数を世界、日本と増やし検討を続けている。
自然発症糖尿病ラットにおける実験的歯周炎の病理組織学的研究

【方法】実験は、自然発症糖尿病(GK)ラット45匹と、JCLウイスターラット45匹の計90匹を用いた。動物の上顎右側臼歯の歯間部に糸を挿入し、J-1,2,3群(JCLラット)、G-1,2,3(GKラット)の6群(各群15匹)に分けた。J、G-1群は普通食で飼育し、J、G-2群は糸挿入後3週よりショ糖食で飼育し、J、G-3群は糸挿入後3週よりショ糖溶液で飼育した。各群の動物は、経時的にブドウ糖負荷試験を行い、糸挿入後6、9、12週で各群5匹ずつ屠殺した。通法に従い臼歯部の組織切片を作製し、組織学的に観察した。また、組織形態計測学的に歯槽骨の高さを画像解析装置を使用して計測した。さらに、JCLラット、GKラットの生後2日令(各10匹)の頭蓋骨を培養し、LPSおよびグラム陽性菌破砕抗原にて刺激し骨吸収程度を比較した。【結果】ブドウ糖負荷試験では、G群はJ群と比較して有意に高い血糖値を示した。J-1,2,3,G-1群は、経時的な耐糖能の変化はみられなかった。しかし、G-2,3群は、ショ糖投与後経時的に耐糖能が悪化していた。組織学的には、糸挿入後12週でG-2,3群は、他の群と比較して歯槽骨の高さの減少が認められた。組織形態計測学的にもG-2,3群の歯の長さに対する歯槽骨長比は、他の群と比較して小さかった。しかし、LPSおよびグラム陽性菌破砕抗原刺激下での頭蓋骨のカルシウムリリースはGKラットの方が少なかった。【考察】GKラットの耐糖能を悪化させると、病理組織学的ならびに組織形態計測学的に歯周組織の破壊が促進されることが認められた。このことは、全身因子として糖尿病は歯周組織破壊に何らかの影響を与えている可能性が示唆された。さらに今後、ストレスの影響を加えて行く予定である。
胎生期泌尿生殖器洞間質の前立腺上皮細胞および前立腺癌細胞に対する分化誘導能

1.胎生期間質による細胞間相互作用を介した正常上皮細胞および癌細胞の分化誘導ラット前立腺後葉に自然発生したR3327ダニング前立腺腫瘍と新生児期精嚢腺間質および胎生期泌尿生殖器洞間質を用いて、組織組み替え実験を行った。特に、今回はPercoll gradientで前立腺腫瘍の間質を取り除き癌細胞のみを使用した。この手技により前立腺腫瘍の間質の影響を取り除き、純粋な細胞間相互作用による変化を観察することができた。その結果として、癌細胞は組織学的形態・増殖率・分泌蛋白・アンドロゲン代謝において、著しく正常前立腺上皮細胞の特徴に近づいた。本研究の結果は、将来、全く新しい癌の分化誘導療法の可能性を提示した。ラットの後側葉の上皮細胞と胎生期泌尿生殖器洞間質、新生児期精嚢腺間質および新生児期球尿道腺間質との組織組み替え実験を行った。その結果によると、新生児期球尿道腺間質は組織組み替え前の上皮細胞と全く異なる分泌蛋白の発現を誘導することが判明した。間質によるInstructive inductionは、上皮細胞のstem cellに細胞間相互作用を介し働き、組織形態のみならず分泌機能をも変化させる。この結果は、あらためて正常上皮細胞の機能の発現に間質が重要な役割を担っていること認識させた。2.アンドロゲン依存性における前立腺々内異質性微小解剖法を用いることにより、ラット前立腺は形態的機能的に5葉に分類できることを報告してきた(Hayashi N, et al., Biol Reprod, 45, 1991)。今回、アンドロゲン依存性においても5葉が異なる反応を示すことを、Medical castrationとして臨床で用いられている薬剤を中心に明かにした。この実験結果から、前立腺癌の発生部位はアンドロゲン依存癌と非依存癌の場合には、異なる可能性を推測させた。1)R3327ダニング腫瘍In vivo株の上皮細胞のみを分離し、胎生期泌尿生殖器洞間質および新生児期精嚢腺間質と組織組変えを行い、癌細胞の形態学的分化や増殖率の減少および分泌蛋白の変化を認め、癌細胞の分化誘導と考えられた。しかし、ヒト前立腺癌細胞株(PC3株、ND-1株、DU145株)では、この様な現象はみられなかった。この原因として、各細胞株の倍加速度やアンドロゲン依存性の差、また動物種特異性が考えられた。2)ラット胎生期泌尿生殖器洞間質とヒト前立腺癌細胞株(PC3株、ND-1株、DU145株)との上皮-間質の相互作用の研究をセルカルチャー・インサートを用いIn vitroで行った。しかし、癌細胞の形態学的変化は誘導できなかった。この原因として、In vivoの場合と同じく各細胞株の倍加速度やアンドロゲン依存性の差、また動物種特異性が考えられた。3)胎生期泌尿生殖器洞間質の部位による誘導能の差が、前立腺の形態的機能的腺内異質性の原因の一因となっているとの仮説から、ラット胎生期泌尿生殖器洞間質を部分的に用い、成獣ラット前立腺上皮細胞および膀胱上皮細胞と組織組変え実験を行った。しかし、ラット前立腺各葉の特異抗体を用いた免疫組織化学染色やWestern blotでは、間質の部位による分泌蛋白誘導能の差はみられなかった。前立腺の形態的機能的腺内異質性は、上皮細胞側に原因があることも推測された。

胎生期間質による細胞間相互作用を介した正常上皮細胞および癌細胞の分化誘導ラット前立腺後葉に自然発生したR3327ダニング前立腺腫瘍と新生児期精嚢腺間質および胎生期泌尿生殖器洞間質を用いて、組織組み替え実験を行った。特に、今回はPercoll gradientで前立腺腫瘍の間質を取り除き、癌細胞のみを使用した。この手技により前立腺腫瘍の間質の影響を取り除き、純粋な細胞間相互作用による変化を観察することができた。組織組み替えにより、形態学的に扁平もしくは立方上皮の癌細胞は、前立腺上皮細胞特有の高円柱上皮へと変化していた。^3H-thymidineの取り込みを利用して計算した増殖率は、1/8に減少していた。SDS-PAGEによる分泌蛋白の観察では、分泌蛋白の分子量に変化がみられた。アンドロゲン代謝においても、代謝パターンに変化がみられ、間質臓器(精嚢腺)に類似した代謝が観察された。このような変化は、癌細胞から正常細胞へと分化誘導されていくことを示すものと考えられた。本研究は、細胞間相互作用を介した全く新しい癌の分化誘導療法が、将来的には可能であることを示した。ラットの後側葉の上皮細胞と胎生期泌尿生殖器洞間質、新生児期精嚢腺間質および新生児期球尿道腺間質との組織組み替え実験を行った。その結果によると、新生児期球尿道腺間質は、組織組み替え前の上皮細胞と全く異なる分泌蛋白の発現を誘導することが判明した。間質によるlnstructive inductionは、上皮細胞のstem cellに細胞間相互作用を介し働き、組織形態のみならず分泌機能をも変化させる。この結果は、あらためて正常上皮細胞の機能の発現に間質が重要な役割を担っていること認識させた。
磁気的手法によるバイオイメージングと脳機能ダイナミックスの研究

神経電磁気現象に関する脳機能情報を解析して,脳機能の動的機構の解明に迫るため,MRIによる神経電気活動の電流分布イメージングや細胞膜の水透過率を解析する手法を提案した.また,経頭蓋磁気刺激と脳波の同時計測により高時間分解能,高空間分解能を有する新しい脳機能ダイナミックスイメージング法を開発した.さらに,アミロイド沈着をMRIで観測するため,鉄の貯蔵蛋白質であるフェリチンに着目し,これに交流磁場を印加することで,鉄イオンのフェリチンへの取り込みとフェリチンからの放出に関する磁場の作用を調べた.神経電磁気現象に関する脳機能情報を解析して,脳機能の動的機構の解明に迫るため,MRIによる神経電気活動の電流分布イメージングや細胞膜の水透過率を解析する手法を提案した.また,経頭蓋磁気刺激と脳波の同時計測により高時間分解能,高空間分解能を有する新しい脳機能ダイナミックスイメージング法を開発した.さらに,アミロイド沈着をMRIで観測するため,鉄の貯蔵蛋白質であるフェリチンに着目し,これに交流磁場を印加することで,鉄イオンのフェリチンへの取り込みとフェリチンからの放出に関する磁場の作用を調べた.本研究は,脳機能ダイナミックスの解明のため,脳や神経の局所的磁気刺激による神経活動の制御,及び新しい手法による神経電流活動の電流分布イメージングや脳磁図・脳波計測により,高時間分解能,高空間分解を有する新しい脳機能ダイナミックスイメージング法を構築し,脳機能の動的機構の解明に迫る脳機能研究法および脳機能診断技術の確立を目的としている.本年度は以下に述べるような成果を得た.磁気共鳴イメージング(MRI)の様々な測定条件に対する電流検出感度の理論的限界の依存性を定式化した.NaClを含む導電性ゲルに100μA/cm2以下の微弱な電流を流しながらMRIを取得し,検出感度の理論的限界と実験的限界を比較した.ヒトを測定対象とした場合について,MRIの信号対雑音比を予測し,それを元に,電流検出感度の理論的限界を計算した.その結果,MRIを用いて神経活動に起因する磁場を検出できることが明らかになった.経頭蓋磁気刺激に関しては,磁気刺激と脳波との同時測定が可能となったが,刺激コイル直下に脳波電極が存在すると,アーチファクトの混入のために脳波計測が出来ないという問題がある.この問題の解決のため,アーチファクトの混入の少ない脳波電極及び電極ケーブルの開発を行った.また,新たに導入した70chDCアンプを用いて,脳波をDC成分から記録し,後処理によってノイズを除去する方法を開発した.12チャネル高感度磁束計(SQUID)を用いて,視覚刺激によるラット脳磁図の測定を行った.この磁束計は,これまでの磁束計とは異なり,コイルとコイルとの間隔が7.5mmで非常に狭い領域での磁場の測定が可能である.この磁束計を用いてラット脳磁図の測定を行い電流源の特定を行った.次に,微小電極を用いて,脳皮質電位を記録し,電位の発生場所を特定し,脳磁図で推定した電源の位置と比較検討を行った.本研究は,脳や神経の局所的磁気刺激による神経活動の制御,及び新しい手法による神経電流活動の電流分布イメージングや脳波計測により,高時間・空間分解を有する新しい脳機能ダイナミックスイメージング法を構築し,脳機能の動的機構の解明に迫る脳機能研究法の確立を目的としている.本年度は以下に述べるような成果を得た.磁気刺激を用いた脳機能評価においては,ヒト頭部の導電率分布を3次元的に模擬した計算モデルに対して,有限要素法を用いて磁場分布と渦電流分布を計算し,ヒトの大脳運動関連領野や小脳の渦電流分布の計算結果より,強さ数十A/m2の渦電流が,およそ数mmの範囲に集中することが確かめられた.経頭蓋磁気刺激時の誘発脳波の計測において,刺激後15msから誘発脳波の計測を行い,脳内電流分布の推定が可能となった.小脳を磁気刺激した場合の,脳波の空間分布を求め,脳内電流分布の伝搬を調べた.刺激後20ms位で同側の体性感覚野に活動が見られ,その後40msで対側に反応が見られ,磁気刺激による脳内の活動の伝搬を求めることが可能となった.MRIを用いたバイオイメージングにおいては,神経活動電流を検出する際の検出感度を理論的に評価して,10^<-8>Tレベルの磁場まで検出可能であることを示した.また動物実験により,坐骨神経に電気刺激を与えた場合の活動計測を行ったところ,大脳体性感覚野に画像上の変化があらわれた.この位置はfMRIの測定結果とほぼ一致し,刺激後に画像の変化が現れるまでの時間も,神経伝導速度から予測される値に近かった,また,ヒトの脳の導電率分布について,異方性も含めてMRI計測に成功し,脳磁図計測や磁気刺激の誘導電流解析に応用可能な導電率データが得られた.さらに,細胞膜透過性や筋線維の細胞膜構造の変化,脳の水拡散や血流分布など,MRIをベースとした新しいバイオイメージング技術の開発,実証にも成功した.本研究は,脳や神経の局所的磁気刺激による神経活動の制御,及び新しい手法による神経活動の電流分布イメージングや脳波計測により,高時間・空間分解能を有する新しい脳機能ダイナミックスイメージング法を構築し,脳機能の動的機構の解明に迫る脳機能研究法の確立を目的としている.本年度は以下に述べるような成果を得た.経頭蓋磁気刺激時の脳内電気現象を知るために脳波との同時計測が有効であるが,磁気刺激時のアーチファクトが問題となっている.

ここでは,アーチファクト除去のため独立成分分析を用いた信号処理を行うことにより,刺激後10msから誘発脳波の観測が出来,脳内電流分布の推定が可能となった.また,視覚認知情報処理を調べるため,視覚探索課題に磁気刺激を適用し,脳内情報処理め時間特性を調べた結果,視覚刺激提示後150msにおいて,右後頭頂葉が視覚探索処理に関わっていることがわかった.MRIを用いたバイオイメージングにおいては,脳における細胞膜機能に着目して,水分子に対する細胞膜の透過率をMRIの信号から推定する新しい手法を提案した.水分子の拡散と磁気共鳴現象を組み合わせた数値解析手法を開発し,MRIの信号取得に合わせてパルス傾斜磁場を加えたときの信号強度を,様々な細胞膜透過率に対して計算した.実験では,ラットの大脳皮質から選択的にMRIの信号を取得するのに合わせて,傾斜磁場を加えた.数値解析結果と実験結果とを比較することにより,未知だったラットの大脳皮質の細胞膜透過率が,74μm/secと求まった.この手法は,ヒトにも適用可能であり,脳活動に深く関係する細胞膜機能の基礎研究や,脳梗塞などの疾患の早期診断などへの応用が期待されている.MRIによる神経活動の直接的イメージングに発展し得る新しい測定手法として,神経組織中のナトリウムのMRスペクトロスコピーを行った.実験では,カエルから摘出した坐骨神経を,化学シフト試薬Na_4HTmDOTPを含むリンゲル液に浸した.この試薬は,細胞外空間のみに分布し,ナトリウムイオンと結合して,ナトリウムの磁気共鳴周波数をシフトさせる作用を持つ.したがって,試薬と結合した細胞外のナトリウムと,そうでない細胞内のナトリウムとを,スペクトル上で別のピークとして検出することができる.坐骨神経に電気刺激を加えて,神経活動を生じさせながらナトリウムのスペクトルを取得したところ,細胞外と細胞内に対応するピークの高さの比がわずかに変化した.この結果は,神経活動によってナトリウムが細胞外から細胞内へ流入したことを反映するものと考えられた.経頭蓋磁気刺激と脳波の同時計測によるダイナミックスイメージングに関して,事象関連電位P300に対する磁気刺激の影響を調べ,左縁状回の課題提示後200ミリ秒後磁気刺激によりP300成分の遅れが観測された.このことは,経頭蓋磁気刺激が脳内の情報の流れを選択的に制御できたことを示すものである.さらに,磁気ナノ粒子を特定のたんぱく質やアミロイドに結合させ、高周波電磁界を印加し、そのエネルギーで有害なたんぱく質集積物を物理的に破壊または分解させることによりアルツハイマー病患者の治療に応用するための基礎的検討として、磁気ナノ粒子とベータアミロイドをいかに結合させるかについて検討を行った。その結果,システインと磁気ナノ粒子が結合し、次に、iAbがシステインと結合することにより、磁気ナノ粒子・システイン・iAb複合体がベータアミロイドと結合することを明らかにした。神経の電気活動によって生じる微弱な磁場を磁気共鳴イメージング(MRI)によって検出できれば,高い空間分解能および時間分解能で,脳機能ダイナミックスの計測が可能になる.本研究では,神経活動による磁場がMRIの信号に与える変化を,理論と実験の両面から評価した.神経活動を電流ダイポールによりモデル化して,その近傍に位置するボクセルの信号強度を解析したところ,ダイポールモーメント12nA・mに対して,0.6%の信号低下が得られた.
新規血管再生療法開発のための脂肪間葉系幹細胞シートによる血管狭窄予防効果の評価

間葉系幹細胞を使った血管再生治療は狭窄予防に有効な可能性がある。申請者は細胞シート法を応用し新規血管再生治療の確立を目指す。本研究では、脂肪間葉系幹細胞シートの血管狭窄予防効果を検証するとともに細胞懸濁液法と比較する。本年度は、ラットと、ラット脂肪由来間葉系幹細胞を用いた。また、細胞移植法としては血管外膜側細胞懸濁液滴下移植法と血管外膜側細胞シート移植法を用いて実験を行った。具体的には、ラット大腿動脈ガイドワイヤー障害モデルを作成し、1.未治療群2.細胞懸濁液群3.細胞シート群の3群で移植2週間後に組織学的な比較を行った。結果は、細胞シート群は、細胞懸濁液群、未治療群の2群と比較して優位に内膜中膜比が低かった。この結果は、脂肪間葉系幹細胞シート移植は血管障害に起因する狭窄を抑制しうることを示している。また、GFP陽性ラット脂肪由来間葉系幹細胞と、ルシフェラーゼ陽性ラット脂肪由来間葉系幹細胞の2種類の細胞を用いて、移植した細胞の生着率を細胞懸濁液と細胞シート法で比較を行った。結果は、両細胞種ともに細胞シート法で優位に細胞の生着率が高いことを確認した。本年度の実験により脂肪間葉系幹細胞シートは、細胞懸濁液に比べて高い生着率をもつとともに、高い血管狭窄抑制効果を持つことが分かった。今後は、脂肪由来間葉系幹細胞の血管狭窄抑制に関する有効因子を検証するとともに、大動物実験へむけさらなる検証を行う予定である。翌年度、交付申請を辞退するため、記入しない。
短行程ステロイド骨格構築法を基盤とするバトラコトキシンの全合成研究

シス縮環を有するステロイドは天然に広く分布し、強心配糖体、胆汁酸や昆虫ホルモンなど、興味深い活性を持つものが知られている。ステロイド骨格を有するアルカロイド、バトラコトキシンは、南米コロンビアの熱帯雨林に生息するヤドクガエルPhyllobates属から単離、構造決定され、陸上生物から単離された非タンパク系有機化合物の中で最も強力な毒性を有する。バトラコトキシンは、その構造の複雑さから、多くの合成化学者のターゲットになっているが、未だ全合成は達成されていない。本研究では、立体選択的にバトラコトキシンを合成するため、バトラコトキシンの4環性骨格を構築したのちに、N、0を含む7員環を形成し、さらに側鎖を導入して全合成を達成するとともに、本研究で得られた知見をもとにした、ステロイド骨格の一般的かつ簡便な構築法の開発を計画した。高度に官能基化されたステロイド骨格の効率的な合成のため、ラジカルドミノ環化によるシスデカリン骨格の構築を検討した。p-トルアルデヒドから6段階で導いたβ-ケトエステルに対し、酢酸中、二酸化マンガン、酢酸銅を用いて環化を試みたところ、環化は進行したものの、望まないトランスデカリンが主生成物として得られた。また、ベンゼン環上置換基の違いによる選択性に大きな差はなかった。溶媒にエタノールを用いたところ、シス/トランス比はほぼ1対1に改善した。酢酸銅に代えて銅トリフラートを用いたところ、tert-ブチルアルコール中、室温で反応は速やかに進行し、望むシスデカリンを主生成物として得ることに成功した。さらに検討した結果、添加剤としてトリフルオロメタンスルホン酸およびイッテルビウムトリフラートを用いたところ、シスデカリンを良好な収率・選択性で得ることに成功した。ステロイド骨格を有するアルカロイドであるバトラコトキシンは、南米コロンビアの熱帯雨林に生息するヤドクガエルPhyllobates属から単離構造決定され、陸上生物から単離された非タンパク系有機化合物の中で最も強力な毒性を有する。本研究では、立体選択的にバトラコトキシンを合成するため、バトラコトキシンの4環性骨格を構築したのちに、N、Oを含む7員環を形成し、さらに側鎖を導入して全合成を達成するとともに、本研究で得られた知見をもとにした、ステロイド骨格の一般的かつ簡便な構築法の開発を計画した。実際の研究は以下のように行った。イソフタロニトリルを出発原料とし、水素原子をヨウ素で置換後、アルキル化によりAB環部炭素骨格を、続くアルキルボランとの鈴木-宮浦カップリングにより、D環部炭素骨格をそれぞれ導入した。さらにアルコキシアミンとの還元的アミノ化反応によりE環部炭素骨格を導入し、鍵反応であるドミノ環化反応の前駆体を合成した。生合成経路を模倣したステロイド骨格の構築は何例か報告されているが、高度に官能基化された基質でこの環化反応に成功した例はほとんどない。名古屋大学の石原らは、四塩化スズを用いたステロイド骨格のAB環部の構築を報告しているため、この反応条件を基本としてルイス酸をスクリーニングし、多環式骨格構築法の開発を検討した。まずは、ABC環部構築のモデル実験を行うこととした。三置換ベンゼン誘導体を出発原料とし、鈴木-宮浦カップリング、シアノヒドリンを経由するアルキル化、還元的アミノ化により、環化前駆体を合成した。エノールシリルエーテルに四塩化スズを作用させたところ、AB環部の環化が進行し、さらにベンジル位のシロキシ基が脱離した3環性化合物が得られた。基質の多くは、強いルイス酸である四塩化スズによって分解してしまったと考えられたため、より穏和な反応条件である、ラジカルを用いたドミノ環化を検討することとした。置換ベンゼンから同様の手法により環化前駆体を調製した。ケトエステルに酢酸マンガン(III)を作用させたところ、マンガンエノラートを経由してAB環部の環化が進行し、3環性骨格を有する望むcis^-デカリンの合成に成功した。このとき、縮環部の立体化学が異なるtrans^-デカリンに加えて、エノールエステルが副生した。選択性の課題は残ったものの、四塩化スズを用いる場合に比べ、環化体の合計収率は大幅に向上した。現在、ラジカルを経由するドミノ環化による4環性骨格の一挙構築を検討中である。

ステロイド骨格を有するアルカロイド、バトラコトキシンは、南米コロンビアの熱帯雨林に生息するヤドクガエルPhyllobates属から単離、構造決定され、陸上生物から単離された非タンパク系有機化合物の中で最も強力な毒性を有する。バトラコトキシンは、その構造の複雑さから、多くの合成化学者のターゲットになっているが、未だ全合成は達成されていない。本研究では、立体選択的にバトラコトキシンを合成するため、バトラコトキシンの4環性骨格を構築したのちに、N、0を含む7員環を形成し、さらに側鎖を導入して全合成を達成するとともに、本研究で得られた知見をもとにした、ステロイド骨格の一般的かつ簡便な構築法の開発を計画した。高度に官能基化されたステロイド骨格の効率的な合成のため、ラジカルドミノ環化によるシスデカリン骨格の構築を検討した。p-トルアルデヒドから6段階で導いたβ-ケトエステルに対し、酢酸中、二酸化マンガン、酢酸銅を用いて環化を試みたところ、環化は進行したものの、望まないトランスデカリンが主生成物として得られた。また、ベンゼン環上置換基の違いによる選択性に大きな差はなかった。溶媒にエタノールを用いたところ、シス/トランス比はほぼ1対1に改善した。酢酸銅に代えて銅トリフラートを用いたところ、tert-ブチルアルコール中、室温で反応は速やかに進行し、望むシスデカリンを主生成物として得ることに成功した。さらに検討した結果、添加剤としてトリフルオロメタンスルホン酸およびイッテルビウムトリフラートを用いたところ、シスデカリンを良好な収率・選択性で得ることに成功した。効率的に環化前駆体を合成し、ルイス酸を用い、3環性骨格を有する望むcis^-デカリンの合成に成功した。さらに改良を加え、ラジカルを経由するドミノ環化により、環化体の合計収率は大幅に向上した。以上の事由により、研究はおおむね順調に進行していると思われる。モデル実験で得られた知見をもとに、バトラコトキシンの主骨格すべての炭素を導入した環化前駆体での4環性骨格の一挙構築を検討する。さらにE環部の構築とピロール側鎖の導入により、バトラコトキシンの全合成を達成する。また、全合成達成後は、バトラコトキシンの構造活性相関研究及び、結合部位や受容体タンパク同定のための標識化を行なう。
自己封孔作用を有するセラミック溶射皮膜

大気中における熱処理により,アルミナ溶射皮膜内に脈状酸化物が進し,溶射被膜の空隙部が封孔されることが確認できた.アルミナ空隙部の壁面には金属とアルミニウムおよび酸素から成るスピネル相が形成され,また空隙部の中心はアルミニウムを含まない金属酸化物から成る,いわゆる二重構造をもつ脈状酸化物であることを明らかにした.脈状酸化物は,まず大気中の酸素の下でのスピネル相の優先形成とそれに引き続く金属酸化物の成長という過程を辿って形成されると考えられた.また,ニッケル,コバルト,鉄,クロム,チタンなどの金属を用いて封孔を試みたが,前者の3金属のみ封孔作用が認められた.これらは,スピネル相を形成する元素であり,したがってアルミナとスピネル相を形成する金属を用いた場合にのみ,自己封孔現象が現れる.以上のことより,封孔現象にはスピネル相の形成が重要な役割を果たしているという結果を得た.大気中における熱処理により,アルミナ溶射皮膜内に脈状酸化物が進し,溶射被膜の空隙部が封孔されることが確認できた.アルミナ空隙部の壁面には金属とアルミニウムおよび酸素から成るスピネル相が形成され,また空隙部の中心はアルミニウムを含まない金属酸化物から成る,いわゆる二重構造をもつ脈状酸化物であることを明らかにした.脈状酸化物は,まず大気中の酸素の下でのスピネル相の優先形成とそれに引き続く金属酸化物の成長という過程を辿って形成されると考えられた.また,ニッケル,コバルト,鉄,クロム,チタンなどの金属を用いて封孔を試みたが,前者の3金属のみ封孔作用が認められた.これらは,スピネル相を形成する元素であり,したがってアルミナとスピネル相を形成する金属を用いた場合にのみ,自己封孔現象が現れる.以上のことより,封孔現象にはスピネル相の形成が重要な役割を果たしているという結果を得た.焼結アルミナ板を用いて,張り合わせ法により直線状の空隙を作製し,Cr,Ni-20mass%Cr,Ti,NiおよびCo板と直線状の空隙を接合して,大気中の1273Kで保持した.Cr,Ni-20mass%Cr,Ti板を接合した場合,直線状の空隙には充填は認められなかった.一方,NiおよびCo板を接合した場合,空隙に酸化物による充填が認められ,この酸化物とアルミナ板との界面にスピネル相が生成していた.また,侵入物先端のアルミナ板表面にNiおよびCoが分布していることが分かり,NiおよびCoがアルミナ板表面上を拡散して,さらにアルミナと反応してスピネル相を形成しながら直線状の空隙に酸化物が侵入していると推察された.また,アルミナ空隙を充填する作用を有する金属はアルミナとスピネル相を形成し得る金属であり,酸化物による空隙の充填にはスピネル相の形成が優先的に行われることが確認された.さらに,NiよりCoを接合した場合の方がスピネル相は厚く,侵入物はより深く生成していた.大気中の1273Kで40hの熱処理を行ったNiあるいはCoを混合したアルミナ溶射皮膜は皮膜中にスピネル相の形成により空孔の封孔が認められた.1123Kで100hの熱処理後では,Niを添加した皮膜には空孔の封孔は認められなかったが,Coを添加した皮膜には空孔の封孔が確認され,直線状の空隙における調査結果と一致した.したがって,調査した金属種ではCoの添加が皮膜の自己封孔作用に最も有効であると結論づけられた.来年度は,封孔酸化物の先端の形状および厚さ変化に着目して,封孔酸化物の形成過程を考察する.大気中における熱処理により,アルミナ溶射皮膜内に脈状酸化物が進し,溶射皮膜の空隙部が封孔されることが確認できた.アルミナ空隙部の壁面には金属とアルミニウムおよび酸素から成るスピネル相が形成され,また空隙部の中心はアルミニウムを含まない金属酸化物から成る,いわゆる二重構造をもつ脈状酸化物であることを明らかにした.脈状酸化物は,まず大気中の酸素の下でのスピネル相の優先形成とそれに引き続く金属酸化物の成長という過程を辿って形成されると考えられた.また,ニッケル,コバルト,鉄,クロム,チタンなどの金属を用いて封孔を試みたが,前者の3金属のみ封孔作用が認められた.これらは,スピネル相を形成する元素であり,したがって,アルミナとスピネル相を形成する金属を用いた場合のみ,自己封孔現象が現れる.以上のことにより,封孔現象にはスピネル相の形成が重要な役割を果たしているという結論を得た.
原子解像度で探る巨大分子・分子集合体の柔らかさと機能の関係

本研究では柔らかさの特徴を織り込んだ理論開発と柔らかさと機能の関係解明を行った。柔らかさの特徴を織り込んだ理論開発と柔らかさと機能の関係解明においては、MuSTAR MD法とPaCS-MD法を開発し、タンパク質の柔らかな構造変化と機能の関係を明らかにした。理論と実験の比較に基づく理論計算の改良と柔らかさの統合的な理解では、A02計測項目の研究者と協力し、DNAおよびRNAヘアピンの構造形成と安定性の根本的な違いを明らかにするなど、様々な研究が展開できた。柔らかさを考慮した立体構造・分子機能の予測と設計に関しては、DNA光修復酵素の反応機構の解明など、A03項目研究者と共同研究を推進した。本研究では、柔らかさの特徴を織り込んだ理論開発と柔らかさと機能の関係解明を進めている。また理論と実験の比較に基づく理論計算の改良と柔らかさの統合的な理解を目指した研究を行い、更に柔らかさを考慮した立体構造・分子機能の予測と設計を目指している。25年度は、下記に関して、研究に大きな進展があった。第1に、構造遷移パスウェイを効率的に探索するParallel Cascade Selection Molecular Dynamics (PaCS-MD)を開発した。ミニタンパク質シニョリンのフォールディング・アンフォールディングやT4リゾチームのオープン・クローズ繊維を効率的に観察できることを示した。第3に、深海魚のアクチンが圧力耐性圧力耐性をもつ仕組みを分子動力学によって解明した3。深海魚はわずか2つのアミノ酸の変化によって、分子内の塩橋のパターンを組み替えて、ATPの結合とサブドメイン間の相互作用を安定化していることを明らかにした。平成26年度は、非標的カスケード並列選択型分子動力学法の開発、時間依存線型応答理論によるリガンドに誘起されるタンパク質応答の研究、リン脂質によるTRPV4イオンチャネルの制御、および実験と連携したタンパク質の機能研究およびデザインに進展があった。時間依存の線型応答理論を定式化し、リガンド結合によるタンパク質応答のダイナミクス研究を可能にした。CO結合時のミオグロビンの立体構造変化を調べることで、2段階の緩和があることが観察できた。摂動に速くレスポンスするアミノ酸残基保存性も明らかにした。イオンチャネルTRPV4のアンキリンリピートドメイン(ARD)と脂質膜の結合をドッキング計算や分子動力学計算から、脂質膜に安定に結合することを示した。また、TRPV1の4量体の分子動力学計算からは、TRPV1と脂質膜はある程度の柔軟性を有し、ARDは脂質膜中のPI(4,5)P2と十分に相互作用し得ることを示した。ドッキング計算を用いた研究では、タンパク質SIRT2と化合物の結合部位を予測することで化合物の更なる展開に貢献した。また、神取グループと協力して、DNA光修復酵素の結合・反応メカニズムの解明とデザインを進めている。また、高橋グループと協力して、がん抑制因子p53のDNAスキャニングメカニズムの研究を進めている。平成27年度は、細菌べん毛のイオン透過機構の解明、非標的カスケード並列選択型分子動力学法の開発、ダイナミクス駆動のアロステリックサイトの研究、DNA光修復酵素の触媒メカニズムなどに大きな進展があった。生物が持つ多燃料エンジンの仕組み:細菌べん毛のイオン透過過程に関しては、複数種類のイオンを透過してモーター固定子として機能するMotA/Bの立体構造をモデリングし、分子シミュレーションによってそのイオン透過機構を明らかにし、更にラチェット的な運動を誘起できる可能性についても明らかにした。非標的カスケード並列選択型分子動力学法の開発については、昨年度に引き続き、Parallel Cascade Selection Molecular Dynamics (PaCS-MD)を更に改良し、標的を設定することなくより柔らかい方向を探査するnon-targetedのPaCS-MDを開発し、これを完成させた。標的を設定せずとも、前回と同様にタンパク質のフォールディングやドメイン運動を効率的に観察できることが示せた。ダイナミクス駆動のアロステリックサイトの研究に関して、偶然発見された構造変化を伴わない単量体のアロステリックサイトを系統的に探し出し、粗視化モデルと基準振動解析を用いてアロステリックサイトとのそれ以外のポケットにリガンドが結合した際の効果の違いを明らかにした。これらのアロステリック効果は、その周りの蛋白質揺らぎを大きく変化させるものであることが明らかになった。DNA光修復酵素の触媒メカニズムでは、神取グループと協力して、DNA光修復酵素の触媒メカニズムをMDおよびQM/MMを用いて研究し、そのメカニズムを明らかにした。目的の1つである柔らかさの特徴を織り込んだ理論開発と柔らかさと機能の関係解明のために、標的を設定することなくより柔らかい方向を探査するnon-targetedのPaCS-MDを開発が完了し、論文を発表できたことの達成度は高いと考えている。理論と実験の比較に基づく理論計算の改良と柔らかさの統合的な理解では、この年度に開始したDNAとRNAのヘアピン構造のフォールディング・アンフォールディングを対象としたREMD計算が順調に進んだ。柔らかさを考慮した立体構造・分子機能の予測と設計では、まずドッキング計算を用いた研究で、神取グループと協力して進めて現在論文投稿を行っている。また、これまで反応メカニズムが十分明らかになっていなかった(6ー4)光産物の修復メカニズムについても研究が予定以上に進んでいる。以上を総合して、当初の計画以上に進展していると判断する。判断する。

平成28年度は、カスケード並列選択型分子動力学法による蛋白質複合体解離シミュレーション、カスケード並列選択型分子動力学法によるべん毛繊維の構造変化、(6-4)光修復酵素のヒスチジン残基のプロトネーション、(6-4)光修復酵素の酵素反応メカニズムなどの研究に大きな進展があった。カスケード並列選択型分子動力学法による細菌べん毛繊維の構造変化では、PaCS-MDを用いて320万原子からなる細菌べん毛繊維を左巻き超らせんから右巻き超らせんに構造変化させるシミュレーションを行い、マルコフ状態モデルで解析して自由エネルギー面を明らかにした。また、(6-4)損傷DNA光修復酵素の触媒メカニズムを明らかにするため、活性部位にあるヒスチジン残基が取りうるすべてのプロトネーション状態の組み合わせを作ってそれぞれの立体構造と安定性を分子動力学シミュレーションMolecular Dynamics (MD)を用いて調べ、最も可能性の高いプロトネーション状態の組み合わせを明らかにした。更に、神取グループと協力して、(6ー4)損傷DNA光修復酵素の触媒メカニズムをMDおよびQM/MMを用いて研究し、そのメカニズムを明らかにした。現在、論文投稿中である。目的の1つである柔らかさの特徴を織り込んだ理論開発と柔らかさと機能の関係解明のために、通常のMD計算では再現することが難しい解離過程のシミュレーションが、PaCS-MDで容易に実現できたことは大きな成果だと考えている。理論と実験の比較に基づく理論計算の改良と柔らかさの統合的な理解では、この年度に開始したDNAとRNAのヘアピン構造のフォールディング・アンフォールディングを対象としたREMD計算が順調に進んだ。柔らかさを考慮した立体構造・分子機能の予測と設計では、これまで反応メカニズムが十分明らかになっていなかった(6ー4)光産物の修復メカニズムについても研究が進み、これまで実験と理論計算が矛盾していて理由を明らかにし、これを解決したので、実験と理論による統合的な反応メカニズムの解明ができた。以上を総合して、当初の計画以上に進展していると判断する。本研究では、柔らかさの特徴を織り込んだ理論開発と柔らかさと機能の関係解明を進めている。本年度は、(6ー4)光修復酵素の反応機構、I-BARドメインによる膜変形機構、PaCS-MD法によるタンパク質ーリガンド解離シミュレーション、DNA・RNAヘアピンループの相違などの研究に大きな進展があった。(6ー4)光修復酵素の反応機構研究:神取グループと協力して、MD、QM/MMおよびFTIRを用いて研究し、(6ー4)損傷DNA光修復酵素の触媒メカニズムを明らかにした。I-BARドメインによる膜変形機構: I-BARドメインが膜に結合し、曲率を変化させるメカニズムを分子動力学計算で調べた。
地下水流が停滞して劣化した沿岸干潟の環境再生技術の確立

太田川放水路では,2010年4月から,災害時に使用する緊急用河川敷道路の拡張が進められており,干潟環境の保全に配慮した河道断面が計画され,実証実験が行われている.本研究では,河川構造物の効果を考慮した干潟造成技術を開発することを目的としており,今年度は実証実験区施工後の干潟環境,地下水環境を明らかにし,昨年度までの実証実験区施工前の調査結果と比較することで実証実験区の評価を行った.実験区施工により地盤高が約1m増加したため,地下水質,水位変動,干潟に輸送される有機物量(SSflux)が造成前と大きく異なっていることがわかった.水質変動は造成前後で同様の潮汐変動に応じた変動を持つが,地盤高が高いため,小潮期には水質変動が小さくなる.また,地下水位変動は大潮期において造成前は30cm程度であったが,造成後は1mを超えて生じている.干潟に輸送される有機物量は,地盤高の増加に伴う冠水時間の低下により,造成前と比較して1な4程度まで減少した.また,地下水流れを飽和浸透流解析により再現するプログラムを作成し,実験区における地下水位の再現を行った,解析結果の妥当性は理論解と比較することで検討されている.1.干潟地盤内の地下水流れの解明...干潟地盤内の水質変動機構を解明するために,新規観測井を敷設し,地下水位,地下水質(水温,塩分)の連続測定を行った.地下水位・水質の連続測定結果と室内実験により,干潟地盤内における塩分の残留・流出現象を明らかにした.この現象は従来の研究では明らかにされていないため,今後は地下水浸透モデルに組み込み,干潟地盤内の水質変動機構の把握を行う必要がある.2.二枚貝の棲息環境の把握...対象干潟に優先して棲息する二枚貝(イソシジミ)を用いた現地実験結果より,40cmを超える土砂堆積を受けた場合においても,イソシジミが2ヶ月生存可能であることが明らかとなった.イソシジミの干潟地盤内の移動を制限した場合には,大潮最干時の地下水面を挟んで移動可能な状態での生存率は100%であった.これらの事実は表層を通じての摂餌が制限された場合においてもイソシジミの棲息に影響が無いことを示しており,自然擾乱を受け難い地中において二枚貝の生産が可能であることが示された.3.実証実験...これまでの研究によって,複断面形状を有する河道に形成された干潟地盤内に地下水流が発生し,二枚貝が良好に生存することが明らかとなった.平成21年冬には現地干潟に実験区を施工し,河道断面形状の違いによる地下水環境や干潟環境の変化について実証実験が行われる.今年度は,施工前の地下水環境と干潟環境を評価するために現地調査が行われた.本研究では,河川構造物周辺の生物棲息環境を創造するための干潟造成技術を開発することを目的としている.本年度は河川構造物周辺で形成される地下水流れの解明と再現,干潟地盤内における水質変動機構の解明を行うことを目的とし,以下の現地調査,室内実験,数値計算を行った.1.地下水位,水質変動を明らかにするための現地調査(現地調査)...太田川放水路に埋設した8本の観測井を用いて地下水位,水質の連続測定を行い,河川構造物(護岸,矢板)の構築による地下水環境の違いについて検討した.現地調査の結果,不透水層まで達する矢板の存在が地下水循環を遮断し,地下水位,水質変動を大きく変化させていることを明らかにした.2.干潟地盤内における塩水浸入・流出機構の解明(室内実験)...干潟地盤内における塩水の浸入・流出現象を明らかにするために,塩水または淡水で満たした砂試料内に鉛直1次元の浸透流を与え,流出水の塩分濃度の変化から砂層内での塩分の挙動を明らかにした.実験結果より,砂層内の間隙を間隙内を動くことが可能な自由水と動くことが不可能な保留水に分けることが重要であること,自由水量は砂層の間隙が大きいほど,浸透流速が遅いほど増加することなどを明らかにした.3.河川構造物周辺で形成される地下水流動場の再現(数値計算)...これまでの現地調査の結果,地盤下30cm程度の浅層の地下水流れの重要性が明らかになってきた.しかしながら,従来の浸透流解析は,数mから数十mの範囲を対象として行われているため,浅層の地下水環境を再現することは難しい.そこで,浅層を対象とした非定常の地下水浸透モデルの作成を目的として,本年度は定常浸透流の再現を行った.太田川放水路では,2010年4月から,災害時に使用する緊急用河川敷道路の拡張が進められており,干潟環境の保全に配慮した河道断面が計画され,実証実験が行われている.本研究では,河川構造物の効果を考慮した干潟造成技術を開発することを目的としており,今年度は実証実験区施工後の干潟環境,地下水環境を明らかにし,昨年度までの実証実験区施工前の調査結果と比較することで実証実験区の評価を行った.

実験区施工により地盤高が約1m増加したため,地下水質,水位変動,干潟に輸送される有機物量(SSflux)が造成前と大きく異なっていることがわかった.水質変動は造成前後で同様の潮汐変動に応じた変動を持つが,地盤高が高いため,小潮期には水質変動が小さくなる.また,地下水位変動は大潮期において造成前は30cm程度であったが,造成後は1mを超えて生じている.干潟に輸送される有機物量は,地盤高の増加に伴う冠水時間の低下により,造成前と比較して1な4程度まで減少した.また,地下水流れを飽和浸透流解析により再現するプログラムを作成し,実験区における地下水位の再現を行った,解析結果の妥当性は理論解と比較することで検討されている.
高圧多次元NMR法の開発と応用

本研究課題による主な研究成果は以下の通りである。1)高圧多次元NMR法の測定条件の検討本申請者らが従来応用してきたガラスキャピラリー(内径1mm以下)を用いて多次元NMRが測定可能かどうか検討した。常圧下での実験の結果、試料濃度10mM以上、積算時間約数十時間でプロトン核の2次元NMRが測定可能であることが結論づけられた。しかし、現有のプローブではプローブの底が浅く、従来用いていたガラスキャピラリーをそのまま使用することは不可能で、プローブ底の改造が必要であることがわかった。増圧機から直接耐圧試料管に圧力を伝達する方式も検討したが、実現は困難であった。2)高圧レーザーフラッシュフォトリシスを用いた蛋白質の動的特性の解析圧力は蛋白質構造の「揺らぎ」に摂動を与え、配位子結合反応などの動的特性に影響を与えることが知られている。そこで、ヘム蛋白質(ミオグロビン)における酵素やCOなどの配位子結合反応の分子機構を明らかにするため、高圧下でのレーザーフラッシュフォトリシスを検討した。その結果、ヘム近傍の疎水性アミノ酸残基がヘムポケット内の疎水性を調節することによって、配位子結合を制御していることが明らかになった。また、蛋白質中の電子移動反応についても同様に構造の「揺らぎ」の効果を検討するため、高圧下でのレーザーフラッシュフォトリシスを応用した。その結果、電子移動反応における移動経路や自由エネルギー差が蛋白質構造の「揺らぎ」によって影響され、反応速度が制御されうることを示した。本年度は、高圧多次元NMR測定に向けての予備的な実験として、高圧NMR用耐圧キャピラリーの作製と、高圧下での蛋白質の構造機能相関解明のための高圧下レーザーフラッシュフォトリシスの実験を中心に行った。高圧NMR用耐圧キャピラリーの作製では、従来から使用しているガラスキャピラリーを用いて、比較的測定の容易なミオグロビンについて、その2次元NMRの測定を試みた。従来からの高圧NMR用耐圧キャピラリーは、スピニングが可能で2次元NMR測定のための十分な分解能は得られるものの、試料管内径が1mmと小さいため、十分なS/N比を得ることが困難であった。また、プローブヘッドの改造により、高圧NMR用耐圧キャピラリーの試料部分を検知コイルに近づけ、より高いS/N比の実現に向けて検討している。一方、高圧下レーザーフラッシュフォトリシスの実験では、ミオグロビンのアミノ酸置換体の配位子結合反応を中心に検討した。ミオグロビンのアミノ酸置換体の配位子結合反応では、ヘムポケット内のアミノ酸残基の一つ(ロイシン29)を置換することによって、一酸化炭素の再結合反応における速度定数の圧力依存性が天然ミオグロビンから大きく変化することを見いだし、アミノ酸置換によるミオグロビンのダイナミクス特性の変化を示した。さらに、系統的なアミノ酸置換により、ヘムポケットの疎水性変化による水分子の有無が、このような動的特性の変化に大きくかかわってと予想できた。このような変化を、立体構造の上でも捉えるために、来年度以降、アミノ酸置換ミオグロビンにおける詳細な構造変化を高圧多次元NMRで追跡する予定である。本年度も前年度に引き続きは、高圧多次元NMR測定に向けての予備的な実験として、高圧NMR用耐圧キャピラリーの作製と、高圧下でのタンパク質の構造機能相関解明のための高圧下レーザーフラッシュフォトリシスの実験を中心に行った。そこで、前年度から検討しているプローブヘッドの改造によるより高いS/N比の実現とともに、増圧機からの加圧用チューブをNMRプローブヘッドまで導き、耐圧ガラスセルと接続する方式についても検討をはじめた。