hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
多成長因子分泌型卵膜由来間葉系幹細胞シートの開発

慢性心不全に対する有効な治療法の開発を目的に研究を行った。心筋梗塞モデルラットにおいて、卵膜由来MSCシートの他家移植は、骨髄由来MSCシートの自己移植と同等の心機能改善効果を示した。しかし、ミニブタ心筋梗塞モデルにおいて、他家卵膜由来MSCシート移植による心機能改善効果は得られなかった。卵膜由来MSCの栄養因子分泌能を改善するために、siRNA-int6を導入しHIF2αの分解抑制作用による血管新生因子の分泌促進に関する検討を行ったが、HIF2α、HIF1、VEGFの発現上昇は確認されなかった。一方、心筋内に直接siRNA-int6を投与することにより、毛細血管様の血管新生作用が確認された。1心不全に対する他家卵膜由来間葉系幹細胞(MSC;mesenchymal stem cell)移植療法の有効性に関する前臨床研究:前年度に引き続き、大動物慢性心筋梗塞モデルを用い、他家卵膜由来MSCシート移植による心機能改善効果について評価を行った。i)心筋梗塞作製4週間後に、3層積層化卵膜由来MSCシートを梗塞部位をカバーするように心臓表面に3枚移植した。コントロール群:4例、卵膜MSCシート移植群:6例。ii)移植8週間後に、心エコー評価を行ったが、コントロール群と比較して卵膜MSCシート移植群で有意な心機能改善効果は確認されなかった。また、心筋の線維化をマッソン・トリクローム染色により評価したが、シート移植群で有意な減少は確認されなかった。これらの結果より、心筋梗塞に対してMSCシート移植療法を行うには改善が必要であることが明らかになった。2栄養因子分泌促進卵膜由来MSCシートの開発:より治療効果の高い細胞シート移植療法を確立するため、卵膜由来MSCにsiRNA-int6を導入することより、栄養因子分泌を促進させたMSCシートの作製を行った。前年度に引き続き、卵膜由来MSCシートの栄養因子分泌能増加を目的に、ラット卵膜MSCにsiRNA-int6を導入して検討を行った。Lipofectamineを用いて再設計したsiRNA-int6をMSCに導入し、24、48時間後に抽出したRNAを用いてreal time PCRを行った。siRNA-int6の導入により、ネガティブコントロールと比較して、90%以上のint6ノックダウン効果を得られた。しかし、HIF2alpha、HIF1、VEGFの発現上昇は確認されなかった。また、siRNA-int6を導入したMSCを用いて細胞シートを作製し、心筋梗塞作製直後にラットの左心前壁に対して移植を行った。移植4週間後に、心エコー評価を行ったが、ネガティブコントロールを導入したMSCシート移植群と比較して、siRNA-int6を導入したMSCシート移植群で有意な心機能改善効果は得られなかった。ミニブタ心筋梗塞作製直後に、結紮したLAD周辺にGenome-oneを用いてsiRNA-int6を6箇所筋注投与した。siRNA-int6投与4週間後に、冠動脈造影により血管新生効果を評価した。ネガティブコントロール投与群では結紮LAD下流に血流造影は確認されなかったが、siRNA-int6投与群では毛細血管様の血流が確認された。卵膜由来MSCにsiRNA-int6を導入し、HIF2alphaの分解抑制効果による栄養因子分泌能の増加に関する検討を行ったが、int6のノックダウン効果は確認されたものの、栄養因子分泌能の増加作用は確認されなかった。一方、虚血心筋内に直接投与を行うことにより、毛細血管様の血管新生を確認することができた。胎児付属物である卵膜は間葉系幹細胞(MSC; mesenchymal stem cell)を豊富に含んでおり、細胞移植療法における細胞源として有望視されている。我々はヒト、ラットの卵膜からMSCを採取することに成功しており、ラット下肢虚血モデルにおいて卵膜由来MSCの他家移植は拒絶反応を回避し、血管新生効果を有することを明らかにした(Ishikane, et al. Stem Cells. 2008)。また、ラット心筋梗塞モデルに対する卵膜由来MSCシートの他家移植が心機能改善効果を有することを確認した。これらの結果に基づき、心不全に対する有効かつ安全な治療法を開発することを目的とし、他家卵膜由来MSC移植療法の確立に向けて大動物慢性心筋梗塞モデルを用いた治療効果、安全性についての前臨床研究を行った。(1)近交系のミニブタであるクラウン系ミニブタ(妊娠3.5ヶ月)から卵膜を摘出し、培養皿接着性の細胞を分離・培養することに成功した。得られた細胞は、脂肪細胞、骨芽細胞、軟骨細胞への分化能を有しており、表面抗原の解析からMSCとしての定義を満たしていた。(2)得られたミニブタ卵膜由来MSCを用いて直径約5cmの細胞シートを作製した。さらに、細胞シートを3層に積層化することにより、シート強度を高めることに成功した。(3)アメロイドコンストリクターを左前下行肢に装着し、ミニブタ慢性心筋梗塞モデルを作製することに成功した。

モデル作製4、12週間後に心機能が低下していることをエコー評価により確認した。モデル作製12週間後に心臓を摘出し、心筋線維化をマッソン・トリクローム染色により確認した。(4)心筋梗塞作製4週間後に再開胸し、3層積層化卵膜由来MSCシートを3枚用いて梗塞部位をカバーするように心臓表面に移植を行った。ラット慢性心筋梗塞を用いた検討では、卵膜由来MSCシートの他家移植において、コントロール群と比較して有意な心機能改善効果や線維化抑制効果が確認されたが、大動物慢性心筋梗塞モデルを用いた検討では、有意な改善効果が確認されなかった。治療効果を改善するために、卵膜由来MSCの栄養因子分泌促進シートの開発に関する検討を行ったが、現時点でのsiRNA-int6の配列では、int6抑制、HIF2α増加による栄養因子分泌増加作用が得られず、siRNAの再設計を行っている。年次計画では、平成24年度にin vitro実験を終了し、25年度よりin vivo実験を開始する予定であったため、進歩状況はやや遅れていると考えている。当年度は、大動物を用いて卵膜由来MSCシート移植療法の有効性や安全性についての評価を行うことを計画していた。妊娠ミニブタから卵膜を採取し、MSCを分離・培養することに成功しており、心機能低下、心筋線維化を示すミニブタ慢性心筋梗塞モデルを確立することができた。このモデルに対する卵膜由来MSCシートの移植も4例行っており、心機能改善効果の評価を現在行っている。例数を追加するとともに、移植細胞の生着性やテラトーマ形成といった安全性についての検討を進める予定である。大動物を用いて、細胞採取、細胞シートの作製、慢性心筋梗塞モデルの確立まで成功しており、治療効果の評価を進めていることから、進行状況は順調であると考えられる。慢性心筋梗塞に対する治療効果をより高めるため、卵膜由来MSCの栄養因子分泌能を増加させた細胞シートを作製し、in vitro、in vivoにてその有効性を確認する。i) siRNA-int6の再設計を行い、MSCにおいてint6のノックダウンに伴うHIF2αの増加作用をrial time PCRで確認する。卵膜由来MSCでの再設計siRNA-int6の導入で、栄養因子分泌が上昇するか、real time PCR、ELISAにて評価する。ii) siRNA-int6導入卵膜由来MSCシートを作製し、ラット慢性心筋梗塞モデルに対して移植を行い、血管新生効果や心機能改善効果について従来の卵膜由来MSCシートと比較検討する。心不全に対する卵膜由来MSC他家移植療法の有効性・安全性に関する前臨床研究を進めるとともに、虚血性疾患に対する卵膜由来MSC移植療法の治療効果をさらに高めることを目的とした基礎研究に着手する。(1)ミニブタ慢性心筋梗塞モデルを作製し、コントロール群、卵膜由来MSCシート
自動チューニング機能付き連立一次方程式ソルバーに関する研究

現在、数値計算の分野ではユーザーにとって使いやすく高性能な数値計算ライブラリーが強く求められている。これまでの数値計算ライブラリーの多くは、性能を出すためには計算機毎にユーザー自身によるパラメーターの調整が必要であった。さらに、解く問題によってもパラメーターの調整が必要になることが多い。本研究では、パラメーターの調整を人手でやるのではなく、ライブラリー自身が行うという自動チューニング機能を備えたライブラリーの構築手法についての研究を行った。基本的な方針として、前もって多くのコンパイル済みのプログラムコードを用意し、ライブラリー実行時に計算機や問題毎に実行時間が最も短くなるルーチンを選択させるという方法を取っている。自動チューニング機能を持つライブラリーの構築には、レジスタやキャッシュメモリの再利用を効率的に行うマシンアーキテクチャーの面から高速化を図る方法と、計算を行う際に誤差の蓄積ができるだけ小さくなるように高い精度で計算を行うというアルゴリズムの面から高速化を図る方法がある。並列計算機環境下では一つのプロセッサーに負荷が集中しないようにする負荷分散も重要になってくる。通常、最適なルーチンを選択する方法は、試行するルーチンが多くなると本来の計算に必要ではない無駄な計算が増大してしまうことになるが、試行するルーチンをある程度絞ることで自動チューニングにかかる時間を少なくすることに成功した。また、異なる並列計算機環境下でも、また解くべき問題を変更した場合でも短時間でほぼ最適なパラメーターを自動的に選択することが可能であることがわかった。実際に計算機や問題が異なると選択されるパラメーターも変化することから、自動チューニング機能が高性能なライブラリーを構築する上で重要な手法であることを示すことができた。連立一次方程式ソルバーは、いろいろな種類の問題が解けるということだけでは十分ではなく、利用者が使う数多くのシステムにおいて高いパフォーマンスが得られる必要がある。本研究では、並列ベクトル型コンピューターであるHITACHI SR8000/MPP、FUJITSU VPP800、NECSX-5に加えて、SUN Enterprise3500、SGI 2100、COMPAQ GS80、PentiumIII Clusterといった非ベクトル型コンピューター上においても自動チューニングの必要性を示すことができた。従来のようにアルゴリズムを固定化してしまうと、一部のシステムでは良くても、他のシステムでは高いパフォーマンスが得られないといったことが起こる。これは、浮動小数点レジスタの個数やキャッシュメモリ容量などのCPU特性、通信性能などがシステムによって大きく異なるためである。そこで、いろいろなアルゴリズムをソルバー内に実装し、ソルバーを実行する前や実行の途中に最適なアルゴリズムを選択することで、そのシステムに合ったアルゴリズムを自動的に選択することが可能であるということを示すことができた。特に連立一次方程式の反復解法では、各反復において疎行列とベクトルの積が必要となり、計算時間の大部分を占める。プロセッサ内の計算部分においては、レジスタの個数を考慮したレジスタブロック化、メモリへの間接参照を少なくするようにした対角ブロック化、それにループアンローリングといった手法も用い、通信部分についてはMPIの集団通信を使う方法、通信回数を少なくする方法、データを詰めて通信量を最小にする方法など、計算部分と通信部分とで分けて実装した。このような実装方法により、自動チューニングするパラメーターが問題に依存したものかシステムに依存したものなのか見分けが付きやすくなるという利点が得られた。
オルガノゲル電気泳動とオンライン試料濃縮技術の結合に基づく生体高分子の高性能分析

試料リザーバーから目的成分を供給しながらカラム全体に注入した試料溶液も濃縮するLVSEP-FASI法と非水系溶媒を用いるキャピラリーゲル電気泳動(NACGE法)を組み合わせるため,マイクロチップ電気泳動における検討を行った。ポリマーとしてHPMCを添加したメタノール泳動液を用いてLVSEP-FASI-NACGE分析を行ったところ,試料リザーバーの液面を1 mm高くしたときには,早い時間に鋭いピークが観測され,濃縮率は1170倍となったのに対し,液面差を5 mmとすると,ピーク形状は悪くなり,泳動時間も大きく遅くなったものの,濃縮率は2100倍に達した。このような液面差による圧力流の流速制御により,泳動時間・ピーク形状・濃縮率を調整可能であり,また,マイクロチップ上におけるLVSEP-FASI法とNACGE分析の結合も可能であることが示された。一方,NACGEとグラジエント溶離の結合について,アニオン種の分析を可能とするためにDMAPやDABCOなどのアミン類をグラジエント剤として検討した。PVA, HPMC, PVPをポリマーとして,アニオン性金属錯体を通常のNACGEにより分析した結果とDMAPおよびDABCOを用いたグラジエント溶離を比較したところ,すべてのポリマーと添加剤の組み合わせでグラジエント溶離の効果により鉄錯体の検出時間が大きく短縮された。例えば,1.0% PVA (Mw 85000, DS 99%)と0.25% LiBrを含むDMSO溶液を用いた場合,通常のNACGE分析では鉄錯体は14.7 minに検出されたのに対し,0.25%のDMAPを用いるグラジエント溶離では検出時間は6.9 minまでに減少した。したがって,アニオン種のNACGE分析においても,アミン類を添加剤として検出側から泳動させることにより,グラジエント溶離を実現できることがわかった。実施計画に記載したLVSEP-FASI-NACGE法の開発,NACGE-グラジエント溶離法の開発のいずれも順調に進展しているため当初の計画通り,LVSEP-FASI-NACGE法の進展ならびにNACGE-グラジエント溶離法の生体分析への応用を目指して研究を進めていく。研究を進めるための消耗品費(主に有機溶媒などの試薬費)が予想よりも大きくなり,購入予定だった高速CCDカメラの購入を断念したため,次年度使用額が生じてしまった。この金額をすべて次年度の消耗品費(試薬費)に回すことで,研究のさらなる進展を図る。
カイコ変態期の細胞死におけるpolyA^+RNA結合蛋白質ホモローグの機能解析

カイコ消化管において、ほ乳類で発見されたアポトーシス誘導性polyA^+RNA結合蛋白質であるTIA-1との相同蛋白質(TIA-1ホモローグ)のメッセンジヤーRNAが存在することを見い出してきた。カイコの中腸・絹糸線組織において、mRNAおよび蛋白質が幼虫一蛹変態期に強く発現することから、このTlA-1ホモローグは変態に伴う細胞死過程に役割を持つことが示唆された。そこでこの蛋白質の細胞死との関連を明らかにするため、カイコ培養細胞にTIA-lホモローグを導入し、誘導される細胞内変化を追跡した。(1)大腸菌発現系を用いて構築したTIA-1ホモローグ蛋白質は確かにRNA結合活性を有しており、これをトランスフェクション法によりBm-N4細胞に取り込ませた。ターミナルデオキシヌクレオチディルトランスフェラーゼを用いてDNAの断片化を起こした細胞を特異染色したところ、TIA-1ホモローグ蛋白質を取り込んだ実験区には、対照として牛血清アルブミンを取り込ませた対照区には見られない死細胞の増加が処理後4時間までに観察された。(2)またTIA-1ホモローグの全長cDNAとその上流にメタロチオネインプロモーターを連結した配列を挿入した組換えプラスミドを作製し、これをBm-N4細胞に取り込ませた。硫酸銅添加によりTIA-1ホモ口一グの誘導を行ったところ、プロモーターを含まないプラスミドを用いて処理した細胞には見られない死細胞の増加が処理後9時間までに確認された。以上の結果から、カイコTIA-1ホモローグは培養細胞の細胞死過程を誘導する機能を持つことが明らかとなった。またこのpolyA^+RNA蛋白質が変態期における組織の細胞死を誘導する可能性も考えられる。カイコ消化管において、ほ乳類で発見されたTIA-1との相同性を示す蛋白質(TIA-1ホモローグ)のメッセンジャーRNAが存在することを見い出してきた。TIA-1および類似のpolyA^+RNA結合蛋白質には何らかの働きにより細胞死を誘導する機能があることが分かっている。このTIA-1ホモローグがカイコの発育・変態に伴う細胞死に関連することが考えられ、この点を明かにするため、(1)カイコ発育変態過程におけるTIA-1ホモローグの発現解析と、(2)組み換えTIA-1ホモローグ蛋白質の性質の解析を行った。(1) RT-PCRによるmRNA量の変動解析の結果、5齢幼虫から蛹期の中腸および絹糸腺ではガットパージ後に急激にTIA-1ホモローグmRNA量が増大した。中腸ではこのmRNA量はガットパージ期に極大となりその後緩やかに減少するが、蛹期にも低いレベルで維持された。一方絹糸腺では蛹化直前に極大となったのち、このmRNA量は蛹初期に殆ど検出されなくなった。また組み換えTIA-1ホモローグをウサギに免疫して得られた抗血清によるウエスタンブロッティングにおいても、抗体と反応する蛋白質が変態期依存的に増大した。幼虫ー蛹変態期に中腸では細胞死および組織更新による形態変化が見られ、また絹糸腺では蛹初期に組織崩壊および排除が見られる。こうした結果はTIA-1ホモローグが変態過程でおこる細胞死現象に役割を果たすことを示唆するものである。さらにTIA-1ホモローグ産生機構にはmRNA発現レベルでの調節が働くことが推察された。(2)一方、大腸菌内で発現した組み換えTIA-1ホモローグを精製し、そのpolyA^+RNAへの結合性を調べた。polyA^+RNA-Sepharoseに対する組み換えTIA-1ホモローグは可逆的に結合し、0.2-0.3M NaCl添加によりその結合は解離することが示された。
アクアポリンの尿路上皮発現と病態別尿路上皮の形態的機能的変化の解析

高血圧ラットモデル、糖尿病モデルラットを使用して、生活習慣病がもたらす微小循環障害が膀胱尿路上皮の構造的変化、排尿機能へ及ぼす影響について検討した。実験には10週齢の自然高血圧ラット(SHR)、糖尿病ラット(GK)及びそのコントロール群としてWistarラットを用いた。SHRとそのコントロール群には高食塩(8%)餌を、GKとそのコントロール群には高脂肪餌をそれぞれ与えて4週間飼育した。膀胱内にATP/生理食塩水を灌流して膀胱内圧測定を行うとATP濃度に依存してSHR及びGKラット群は排尿間隔、一回排尿量の有意な低下を認めた。また、膀胱内圧測定前日に0.08%酢酸/生理食塩水溶液を30分膀胱内灌流処理を行い、翌日に膀胱内圧測定をするとSHR及びGKラット群はコントロール群に比べて有意に排尿間隔及び一回排尿量の減少を認めた。膀胱摘出後、組織標本を作製しUroplakin III(UPIII)、水チャネル(Aquaporin 3; AQP3)、低酸素マーカーであるHIF1aに対する免疫組織染色を行うと、SHR及びGKラット群では尿路上皮においてHIF1aの発現がコントロール群に比べ有意な増加を認めた。また尿路上皮におけるAQP3の発現についてはSHR、GK群で有意な低下を認めた。なお、UPIIIの発現はSHR群においてコントロール群に比べ有意な発現低下を認めた。ATP膀胱灌流による刺激や酢酸による膀胱粘膜障害後の排尿はコントロール群では変化を認めなかったが、SHRやGKラット群では有意な排尿間隔及び一回排尿量の低下を認めた。またSHR及びGKラット群ではコントロール群に比べ尿路上皮の有意な低酸素化がみられ、AQP3やUPIIIといった蛋白発現の低下を認めた。高血圧症や糖尿病による尿路上皮の低酸素化が、蛋白発現変化や尿路上皮のバリア機能の低下をきたすことが頻尿の要因の一つになることが示唆された。加齢によってみられる様々な病態がAquaporin(AQP)の発現および膀胱粘膜の形態や機能に及ぼす影響について、「AQP発現変化は最表層に存在するumbrella cellとその細胞膜及び細胞間のtight junctionに発現するuroplakin、urea-transporter、claudinの各蛋白の発現に影響しこれによって蓄尿障害/過活動膀胱が起こりうる」と仮説を立て、病態モデルとして28年度は自然高血圧症ラット(SHR)そのコントロール群としてfemale Wistar Kyoto rat(WKY)を用い組織の構造変化及び排尿機能への影響を評価した。その結果、AQPの発現変化とその影響について以下の結果を得た。なお、これらの結果は第105回日本泌尿器科学会総会(平成29年4月21ー24日鹿児島)にて報告した。1) SHR群はWKY群に比べて有意に尿路上皮に低酸素マーカー(HIF1α)が発現し低酸素環境下にあることを免疫組織染色による画像解析にて確かめた。2)AQP3及びUPIIIの発現がSHR群において優位に低下していることを免疫組織染色による画像解析にて確認した。またSHR群においては粘膜下組織に浮腫をきたしていることを確認した。3)0.08%酢酸膀胱注入による前日処理した時の排尿機能の変化を見た実験とアデノシン3リン酸(ATP)持続膀胱注入した時の排尿機能の変化を見た実験を行い、SHR群では、いずれの実験でも排尿間隔や一回排尿量に有意な低下をきたすことを確かめた。自然高血圧症モデルラット(SHR)とそのコントロールラット(WKY)を用い、SHR群はWKY群に比べて有意に尿路上皮に低酸素マーカー(Hypoxia inducible Factor 1α:HIF1α)が発現し低酸素環境下にあることを確かめた。さらに尿路上皮において、Aquaporin 3及びUroplakin IIIの発現がSHR群において優位に低下していることを確認した。これらの変化が蓄排尿機能へ及ぼす影響として、0.08%酢酸膀胱注入による前日処理した時の排尿機能の変化を見た実験とアデノシン3リン酸持続膀胱注入した時の排尿機能の変化を見た実験を行い、SHR群ではいずれの実験でも排尿間隔や一回排尿量に有意な低下をきたすことを確かめた。これらの結果は第105回日本泌尿器科学会総会にて報告した。以上より、概ね順調に進展していると判断した。加齢によってみられる様々な病態が膀胱粘膜の形態や蛋白発現及び機能に及ぼす影響について病態モデルとして高血圧モデルラットを用いて評価し、Aquaporin(AQP)やUroplakin(UP)の発現が低下し、蓄尿機能に影響を及ぼすことを確認した。尿路上皮において低酸素マーカー(HIF1α)の発現が対照群に比べて高度に発現しており、微小組織循環を改善するためにタダラフィルを投与することでHIF1αの発現低下、およびAQPやUPの発現改善、蓄尿機能の改善を示したことから尿路上皮における微小組織環境の低酸素化が蓄尿症状へ影響を及ぼすことを確認した。また、ニコチンを2週間にわたりSDラットに皮下投与し短期間、断続的な血流障害モデルを作成しても同様に尿路上皮の低酸素化をきたし、蛋白発現の低下、蓄尿機能障害を認め、タダラフィル投与により血流改善を図ることでこれらは改善した。以上より尿路上皮における微小組織環境の低酸素化が蓄尿障害をきたす要因の一つになることを示した。これら得られた知見はICS2017 annual meeting(2017/9/12-15 Florence/ Italy)及び第106回日本泌尿器科学会総会(2018/4/19-22京都)にて報告した。

尿路上皮における低酸素環境が尿路上皮の蛋白発現の低下及び蓄尿機能の低下をきたすことを自然高血圧症モデルラット及びニコチン投与モデルを用いて確認し、タダラフィル投与により血流改善を図ることで低酸素化が改善されると蛋白発現低下の改善、蓄尿機能の改善がなされることを確かめた。これらの知見について学会報告した。また糖尿病モデルラットを用いた実験を現在行っているが、同様な排尿機能所見を得ている。以上より概ね順調に進展していると判断した。高血圧ラットモデル、糖尿病モデルラットを使用して、生活習慣病がもたらす微小循環障害が膀胱尿路上皮の構造的変化、排尿機能へ及ぼす影響について検討した。実験には10週齢の自然高血圧ラット(SHR)、糖尿病ラット(GK)及びそのコントロール群としてWistarラットを用いた。SHRとそのコントロール群には高食塩(8%)餌を、GKとそのコントロール群には高脂肪餌をそれぞれ与えて4週間飼育した。膀胱内にATP/生理食塩水を灌流して膀胱内圧測定を行うとATP濃度に依存してSHR及びGKラット群は排尿間隔、一回排尿量の有意な低下を認めた。また、膀胱内圧測定前日に0.08%酢酸/生理食塩水溶液を30分膀胱内灌流処理を行い、翌日に膀胱内圧測定をするとSHR及びGKラット群はコントロール群に比べて有意に排尿間隔及び一回排尿量の減少を認めた。膀胱摘出後、組織標本を作製しUroplakin III(UPIII)、水チャネル(Aquaporin 3; AQP3)、低酸素マーカーであるHIF1aに対する免疫組織染色を行うと、SHR及びGKラット群では尿路上皮においてHIF1aの発現がコントロール群に比べ有意な増加を認めた。また尿路上皮におけるAQP3の発現についてはSHR、GK群で有意な低下を認めた。なお、UPIIIの発現はSHR群においてコントロール群に比べ有意な発現低下を認めた。ATP膀胱灌流による刺激や酢酸による膀胱粘膜障害後の排尿はコントロール群では変化を認めなかったが、SHRやGKラット群では有意な排尿間隔及び一回排尿量の低下を認めた。またSHR及びGKラット群ではコントロール群に比べ尿路上皮の有意な低酸素化がみられ、AQP3やUPIIIといった蛋白発現の低下を認めた。高血圧症や糖尿病による尿路上皮の低酸素化が、蛋白発現変化や尿路上皮のバリア機能の低下をきたすことが頻尿の要因の一つになることが示唆された。尿路上皮のバリア機能に関与する細胞間隙にあるoccludinやclaudinなどの発現についてRT-PCR法にて解析する。また、尿路上皮に存在するUreatransporter(UT)の病態による発現の変化及びUTやAQP3を阻害することで起こる解剖学的/機能的変化を免疫組織学的に解析すること、薬剤投与実験(膀胱内圧測定)を行うことで尿路上皮のバリア機能と微小組織環境へ果たす役割について検討する。さらに、糖尿病モデルラット(gk)とそのコントロールラット(WKY)を用いて代謝異常がもたらす膀胱組織への形態的/機能的影響についても高血圧ラットで行った実験手法を用いて解析する。尿路上皮のバリア機能に関与する細胞間隙にあるoccludinやclaudinの発現、及びP2X3
初期宇宙における重粒子崩壊が宇宙背景放射に及ぼす影響

素粒子物理学と宇宙論にはいくつかの未解決の問題が残されており、超対称性理論はその解決法として非常に有力視されている。この理論ではパラメーターにもよるが、寿命が長く質量の重い粒子の存在が予言される。このような粒子は崩壊時に高エネルギーの光子や荷電粒子を放出するので、宇宙の観測に大きな影響を及ぼす。数ある観測の中でも本研究では高エネルギー粒子の宇宙のイオン化の歴史に及ぼす影響を一般的に考察した。宇宙は原始状態においては高温状態なのでプラズマ状態にあるが、膨張による宇宙の冷却化に伴い陽子と電子が結合して(再結合)、水素原子となり宇宙は中性化する。その結果、CMB(宇宙マイクロ波背景放射)は電子に散乱されることなく進むことができる(宇宙の晴れ上がり)。高エネルギーの光子や電子は水素原子を電離することで、再結合の過程を遅らせる。これはCMBの温度の非等方性(温度揺らぎ)に大きな影響を及ぼす。したがって、CMBの温度揺らぎの観測結果から相互作用の弱い粒子に対する制限をつけることができるのである。ただし、そのために高エネルギーの光子や電子のエネルギーのどれくらいの割合が電離に用いられたのかを正確に求める必要がある。従来の研究では低エネルギーの結果を単純に外挿しかつ宇宙の膨張を無視しているので、全く定量的に信用ができないものであった。筆者は初めてこれらの問題を解決し、定量的に正確な計算を行った。更に本研究の1つの応用例として、この計算結果を用いてDMの対消滅散乱断面積の制限を求めた。
K2K実験におけるニュートリノ質量の精密測定

K2K実験においてスペクトル解析によるニュートリノ振動パラメータの測定精度をあげるためには、前置検出器においてニュートリノエネルギースペクトルを精密に測定し、ニュートリノ振動の効果が大きくみられる1GeV以下でのニュートリノ反応の詳細な研究が必要である。そこで、我々は新型ニュートリノ検出器「SciBar」を前置検出器として導入した。SciBar検出器は、14336本のシンチレータ棒によって構成されている。シンチレータ自身がニュートリノ標的となっているため不感領域がなく、ニュートリノ反応で生じる低エネルギー荷電粒子(陽子の場合350MeV/c以上)の飛跡を検出することができる。また、シンチレータでのdE/dx情報から、陽子・πの粒子識別が可能なため、荷電カレント準弾性散乱反応と非弾性散乱反応を確実に識別することができる。SciBar検出器では、光検出器として64チャンネルマルチアノード光電子増倍管(MAPMT)を用いる。シンチレータから波長変換ファイバーを通じて光を検出するが、MAPMTのカソードガラス面で光が散乱され、隣のチャンネルにクロストークが生じる。クロストークを抑えるためには、正確なアライメントが必要である。したがって、MAPMTをファイバーとアライメントして接続するための装置を製作し、これを用いてSciBarにインストールする224本のMAPMTについてアライメントを行った。また、実機へのインストール後に、宇宙線を用いてMAPMTのクロストークを測定した。クロストークの起こり得る隣接する4つチャンネルの内、2つのチャンネルへのクロストークを測定し、それぞれ4.2±1.0%および5.0±1.3%という結果を得た。次に、MAPMTのゲインはチャンネル間で最大で3倍違うため、各チャンネルのゲインを測定し、HV値を調整することでゲインを合わせることが必要である。MAPMTのゲインを64チャンネル同時に測定する装置を開発し、インストール前に224本のMAPMTについてこの装置を用いてゲインを測定し、HV値を決定した。実機へのインストール後にSciBarの宇宙線事象を用いて評価したところMAPMTのゲインRMS13%で揃っているという結果を得た。
湖沼生態系の健全化レジームシフトにむけた水生植物の発芽・定着条件の研究

持続可能な社会の構築に向け生態系修復が課題となっている湖沼生態系を対象として、生物多様性・生態系サービスの点で健全な状態に復帰させるための方法論の確立に向けた基礎研究として、(1)絶滅危惧植物の持続可能な個体群再生に必要な条件を検討する研究と、(2)過去の人為によって破壊された湖沼沿岸植生帯を再生させるための条件の研究を行った。(1)絶滅危惧水生植物の個体群再生:アサザをモデル植物とした研究霞ヶ浦におけるアサザ個体群の個体群生態学的および集団遺伝学的研究を総合した分析の結果、理論的に重要性が指摘されているいくつかの問題、すなわち小規模化し遺伝的多様性が低下した地域個体群の突発的な絶滅、小集団における個体の繁殖成功度の低下、残存する成熟個体におけるヘテロ接合どの高さが確認された。土壌シードバンクとして残存する個体の遺伝解析の結果、土壌シードバンクは遺伝的多様性(対立遺伝子の多様性)の回復には効果的な材料となることが示唆された。一方、土壌シードバンク中の個体は近交係数が高く、近交弱勢による適応度の低下が懸念された。霞ヶ浦では、個体群再生に向けた取り組みの結果、地域個体群数とジェネット数が回復しつつあることが示唆されたが、今後も継続的なモニタリングと順応的管理が必要である。(2)湖岸植生帯の再生霞ヶ浦で2002年に開始された湖岸植生帯の再生事業地をモデルケースとして、植生再生に必要な条件の検討を行った。2002年に開始されたこの事業は、種多様性の高い土壌シードバンクを含む湖の底質を植生導入の材料に用いて行われ、実施後5年以上が経過した現状でも、湿潤土壌状態が維持されている場所では在来湿生植物が優占する条件が維持されていた。一方、比高が高い場所ではセイタカアワダチソウをはじめとする侵略的外来種の繁茂が認められた。これらの場所では市民参加による駆除管理が進められている。また、事業を実施した当初は再生が認められた沈水植物は、植生発達と底質へのリター・有機物の堆積に伴って消失した。沈水植物を再生させた事例として印旛沼における再生事業地での研究を行った。印旛沼の湖岸には、1960年代に湖底から浚渫された土砂を用いて造成された「高水敷」が存在する。この高水敷の土砂中に、現在の印旛沼の地上植生からは消失した沈水・浮葉植物の散布体バンクが存在している可能性について検証するとともに、散布体バンクからの個体を定着・成長させ種子生産させることでこれらの植物の保全に寄与することを目的として、高水敷に浅い池を造成する事業が千葉県により実施された。造成された6つの池のうち2つでは、絶滅危惧種であるガシャモク、シャジクモ、オトメフラスコモを含む8種の沈水・浮葉植物が確認された.沈水植物が出現した池では多数の種子が新たに生産されていることも確認され、この事業が散布体バンクの保全にも寄与したことが示された。しかし、4つの池では水生植物は確認されず、散布体バンクの分布には空間的な偏りがあることが示唆された。

印旛沼の湖岸には、1960年代に湖底から浚渫された土砂を用いて造成された「高水敷」が存在する。この高水敷の土砂中に、現在の印旛沼の地上植生からは消失した沈水・浮葉植物の散布体バンクが存在している可能性について検証するとともに、散布体バンクからの個体を定着・成長させ種子生産させることでこれらの植物の保全に寄与することを目的として、高水敷に浅い池を造成する事業が千葉県により実施された。造成された6つの池のうち2つでは、絶滅危惧種であるガシャモク、シャジクモ、オトメフラスコモを含む8種の沈水・浮葉植物が確認された.沈水植物が出現した池では多数の種子が新たに生産されていることも確認され、この事業が散布体バンクの保全にも寄与したことが示された。しかし、4つの池では水生植物は確認されず、散布体バンクの分布には空間的な偏りがあることが示唆された。植生帯が衰退・消失しつつある湖沼である霞ケ浦および印旛沼、比較的良好な植生が残存しているものの衰退の兆候が認められるシラルトロ湖において植生調査を行った。その結果、水域において植生の種組成や環境条件に大きく寄与するキーストーン種として、富栄養化が進行している湖沼水域でのヒシ(オニビシを含む)(ヒシ科)の重要性、および湖沼沿岸の湿性草原におけるカモノハシ(イネ科)の重要性が示された。これらの種の有無により、植生の種組成や種多様性が大きく左右される。これらのキーストーン種について、発芽・定着条件や生育条件などの生態学的特性について実験的に検討するととともに、植生の種組成・種多様性に影響するメカニズム(ファシリテーション効果を含む)についての調査を開始した。印旛沼のオニビシについては、休眠解除に低温処理が必要であることとともに、発芽可能温度域が示された。今後、実験から予測されな発芽時期や生育適地を、現地調査から検証する予定である。また、カモノハシの成育が湿地の植物の多様性に貢献するメカニズムについて、カモノハシが形成する微凸地形が、他の湿生植物の発芽・定着適地の形成に寄与しているという仮説をたて、それを検証する野外調査を開始した。植生帯が衰退・消失しつつある湖沼である霞ヶ浦および印旛沼における野外調査・野外実験を継続して実施するとともに、これまでの成果をとりまとめて数本の論文を公表した。霞ヶ浦での調査からは、水位のわずかな変化が湖岸の湿生植物の多様性を急速に変化させる可能性を支持するデータが得られ、その結果を活用して、水位管理に対する湖岸植生の応答変化についてのモデルを構築した。さらに、構築したモデルを用いて、水位管理に対する植生の変化予測を行った結果を論文として公表した。さらに、印旛沼において植生の保全・再生に配慮した水位管理を、管理者である千葉県が実施したため、その機会を活用した調査を行った。その結果、水位低下が沈水植物の再生に効果があることが検証された。沈水植物の再生は湖沼の健全化レジームシフトにとって本質的な要素であり、それに必要な重要要素の一つを明らかにすることが出来たといえる。今後は、霞ヶ浦においては、多様性が維持される重要な必要条件は明らかにされたため、健全化レジームシフトのきっかけになる攪乱の重要性を明らかにする実験を行う。これについては、平成20年度中に、ヨシ原に火入れや草刈などの攪乱を加える実験を開始している。印旛沼においては、局所的には沈水植物の再生の可能性が示されたため、今後、広域的な再生のために必要な条件(健全化レジームシフトを生じさせる水位の閾値など)を明らかにする実験を行う。なお、平成19年度中に調査を行った、悪化過程にある湖沼であるシラルトロ湖での植生と環境に関する研究の結果は、現在論文として投稿中である。
希土類錯体の近赤外発光を利用したイメージング材料の開発

希土類イオンと遷移金属イオンからなる複核錯体を合成し、両種の金属イオンの特性を活かしたアニオン認識や、希土類イオンからの増感型近赤外発光を実現した。また、希土類錯体ライブラリーやタンパク質-希土類錯体など、様々な金属錯体系において溶液中での近赤外発光やアニオン性基質に対する応答性を明らかにした。これらの分子は優れた近赤外発光プローブとして生体イメージングの高感度化に向けた応用が見込まれる。今年度は、水溶液中でも効率よく近赤外発光する希土類錯体の合成開発、および希土類錯体と遷移金属錯体の共同作用により生体基質を高度に認識するレセプター分子の開発を行った。(1)希土類錯体によるアニオン性基質のキラリティー識別と発光検出ピリジン側鎖を有するアームドサイクレン-イッテルビウム錯体が、水溶液中で不斉カルボン酸の良好なレセプターとして機能し、カルボン酸の分子不斉に応じて誘導される錯体キラリティーの発現を利用して高感度CDプローブとなることを実証した。イッテルビウムイオンからの近赤外発光特性の変化をYAGレーザー励起による発光寿命測定を活用して詳細に解析し、水中でも近赤外光を利用した基質の検出が可能であることを見いだした。また、コンビナトリアル手法を用いて多種の希土類錯体型レセプターを用意し、可視近赤外発光を利用して各種のアミノ酸に特異的なセンシングを実現した。(2)希土類-白金多核錯体による多官能性基質の認識多官能性アニオン性基質を多点認識できる希土類-白金多核錯体の分子認識能を評価し、この多核錯体が希土類イオンによる高速な応答性と白金錯体部位の吸収やCDの変化による可視検出性を併せもつ優れたレセプターとして機能することを見いだした。特に光吸収を持たない生体基質の不斉を、感度のよい可視領域で検出できることから、CDプローブとしての応用性を示した。(3)バイオインターフェースをもつ希土類錯体の合成これまでに開発した近赤外発光性の希土類-レニウム複核錯体をタンパク質にコンジュゲートさせるため、改良した配位子の合成開発に着手した。今年度は下記の2点に挙げた基質応答性の希土類錯体を開発した。1.希土類-遷移金属からなる多核錯体を用いた生体アニオン認識の実現近赤外発光効率の高い希土類錯体を得るために、様々な遷移金属錯体との組み合わせを検討した結果、白金(II)イオンとの三核錯体がコハク酸ジアニオンに対して、多点認識型の良好なレセプターとなることを見いだした。近赤外発光効率は低いものであったが、錯体のらせんを含む配位幾何構造に基づいた基質選択性の発現や円二色性による高感度検出が可能であることを見いだした。2.コンビナトリアルライブラリーを活用した発光性アミノ酸レセプターの開発入手が容易な配位子群と希土類イオン群の組み合わせからなる希土類錯体ライブラリーを用いて、アミノ酸に対して発光応答する錯体レセプターを探索し、数種類の良好な機能を有する錯体を見いだした。これらは可視光から近赤外光を用いた水溶液中のアミノ酸の特異的な検出を可能とする。以上のように、水を含む高極性溶媒中でも効率的にアニオン基質を認識し、発光や円二色性による高感度検出を可能とする種々の希土類錯体型レセプターの開発に成功した。こうした希土類錯体型レセプターを、タンパク質などの生体高分子へコンジュゲートさせるために、配位子デザインおよび合成に取り組んだ。リンカー部位を導入した配位子や、水中で高い発光効率を示す希土類錯体の合成に成功したが、合成方法の改良やタンパク質への導入に現在取り組んでおり、合成開発は継続中である。水溶液中で強い近赤外発光を示す希土類錯体の開発、およびその発光を利用する生体基質のセンシングやイメージングを目指した研究を行った。(1)トランスフェリンから鉄イオンを除去したアポタンパク質にイッテルビウムイオンを配位させると、水溶液中で紫外励起によって近赤外発光を与える錯体が得られ、中性付近でpHに敏感に応答する発光センサーとして利用できることを明らかにした。この錯体は、炭酸イオン濃度に対して高選択的な発光応答を示したことから、炭酸イオンセンサーとして応用できる可能性も見いだした。細胞内のイオン濃度分布を可視化するプローブとしての利用が期待されるため、共同研究を通じて近赤外光イメージングに向けた材料開発を始めている段階である。(2)神経伝達物質であるドーパミンに対して、希土類錯体を利用した発光センシングの実現に取り組んだ。強い可視吸収を有する金属ポルフィリン錯体とアニオン認識能および近赤外発光能をもつ希土類錯体を結合させたハイブリッド型レセプターを合成し、溶液中でドーパミンに対する応答を評価した。ドーパミンのカテコール部位とアミノ基部位がそれぞれの金属錯体によって認識され、単体では見られない結合特性や発光応答性が現れたことから、生体内での観測にも適したドーパミンセンサーの可能性を見いだした。

現在は、より高い結合力の付与や基質認識メカニズムの解明を目指した合成研究を行っている。多官能性の生体基質を直接センシングできる分子は有用な研究上のツールになりうることから、類縁の神経伝達物質についても今後検討を進める予定である。また、この研究開発過程において見いだした新規化学反応により、近赤外発光が飛躍的に増大する現象を見いだしたので、新たな機構を利用した発光センシング系の構築に現在取り組んでいる。希土類錯体とタンパク質とのコンジュゲートについては今年度中の達成を目的としていたが、合成上の問題により、やや遅れが生じている。その他については順調に進展しており、特にアミノ酸やコハク酸に対する優れたセレプター能をもつ希土類錯体の開発に成功した。24年度が最終年度であるため、記入しない。錯体ライブラリーを用いたセンシング材料の探索は継続して行う予定である。特に近赤外発光を増強できる基質について重点的に検討する。タンパク質とのコンジュゲートについては、化合物の改良を通じて効率を上げ達成させる予定であるが、自己組織化膜や人工高分子など新たな環境で利用可能な希土類錯体の開発にも展開する。
生理活性発現分子機構に基づく生物活性物質の創製

合成化学から生物有機化学までを統一概念とする独創的なところである。本研究で展開されるこれらの手法と結果の解析方法を、合理的分子設計にフィードバックすることは、分子科学においてアフィニティが著しく高い点で毒性物質として取り扱われるものの、活性発現の原理を理解すれば、比活性を下げることで生体系と適当な平衡点を探すことも可能となる。従って、ここで展開している分子科学は、創薬の基礎科学として位置づけることができる。合理的・論理的分子設計に基づく創薬の創製科学の基礎として社会に貢献するという意義も深い。また、純粋に生物有機化学としての価値も高い。生体内において、低分子化学物質とタンパク質分子間の情報伝達は、精密な構造認識機構によって効率よく機能し、生理活性発現のカスケード機構が働いている。両者の複合体形成を鍵段階として引き起こされるので、その軌跡を追求することが本研究の目的である。タンパク質脱リン酸酵素阻害では、光親和性標識をもつトートマイシンアナログを分子設計し、被修飾分子の検索法を検討した。活性の著しい天然物とタンパクを模範として、その分子間相互作用を解明するため、昆虫休眠卵の中に発現する時間読みタンパク質を素材に研究を進めた。金属・糖タンパク質の構造を超微量で構造変化追跡法を確立した。被修飾ペプチドおよび金属リガンドの位置が移動するというきわめて興味深い結果を得た。同様に、発光タンパク質では、セレンテラジン発光素子の新規合成法を確立した。これは発光素子の挙動を光親和性標識によって追跡する際に、旧来の合成方法では困難であった位置の各種異性体を簡便に合成するもので、これによってニトレン・カルベンの特異的な発生を行うことまで確認した。タンパク質への修飾についても、発光タンパク質の素子の出入りを、ナノLC-MSで追跡し部分的な修飾位置特定の結果が得られつつある。この結果に基づいて次の素子を設計・発光物質を創製した。この手法は創薬化学に利用できる。計画研究後半のため、チャネルタンパク質に相互作用するテトロドトキシンの第2の全合成を終了し、これの改良合成を行った。さらに、同タンパク質に作用するシガトキシンの部分合成についても、コバルト錯体のリガンド交換法を開発することによって、反応の選択性を大きく改良するなどの進展をみた。生理活性低分子化合物とタンパク質分子間の情報伝達は、精密な構造認識機構により効率よく機能し、生理活性発現のカスケード機構が働いている。両者の複合体形成を鍵段階として引き起こされその分子機構追求が本研究の目的である。具体的な研究素材(1)タンパク質脱リン酸酵素阻害、(2)昆虫(カイコ)休眠卵の中に発現する時間読みタンパク質(TIME)、(3)発光タンパク質について、タンパク質への部位特異的修飾位置検出結果を得、結果に基づいて次の素子設計・発光物質創製を繰り返し本質に迫っている。この手法は、ナノLC-MS・MS/MSによって実験化学として実証するもので、タンパク-低分子の組み合わせを選べば各方面に適用可能な方法論であることから、例えば薬業界における創薬化学や、薬剤動態解析など多方面に利用できる。本計画研究においては、特に(4)分子設計とともにチャネルタンパク質に相互作用するテトロドトキシンおよびその類縁化合物の全合成研究も進展した。当研究グループによる第2段のテトロドトキシン不斉全合成を完成し、改良合成にも成功してその詳報を投稿し受理されている。同タンパク質に作用する巨大分子シガトキシンの合成についても、コバルト錯体のリガンド交換法の開発により、カルボニル化合物に変換することが可能となった。不飽和8員環のコンフォメーション変化は、3環性化合物では単環・双環化合物と異なってendo=exoによる最安定配座が逆転することを発見した。これを積極的に利用することにより、8員環上のメチル基のαおよびβ配置の任意合成法を確立することができた。この新手法によって、シガトキシン右部分(HIJKLM-環)の合成を完成することができた。これらを全合成に採用することで完成にこぎつけたい。以上のように、本年度は9月に中間評価を受け高評をいただいたが、それ以降も順調に研究を発展させることができた。両者の複合体形成を鍵段階として引き起こされその分子機構解明が本研究の目的である。具体的な研究素材(1)タンパク質脱リン酸酵素阻害、(2)昆虫(カイコ)休眠卵の中に発現する時間読みタンパク質(TIME)、(3)発光タンパク質について、タンパク質への部位特異的修飾位置検出結果を得、結果に基づいて次の素子設計・物質創製を繰り返し本質に迫っている。この手法は、ナノLC-MS・MS/MSによって実験化学として実証するもので、タンパク-

低分子の組み合わせを選べば各方面に適用可能な方法論であることから、例えば薬業界における創薬化学や、薬剤動態解析など多方面に利用できる。本計画研究においては、特に(1)100%^<13>Cを4個組み込んだトートマイシンジカルボン酸の合成とタンパク質への取り込み、(2)休眠覚醒時間とTIME-EA4タンパク質のコンフォメーションの関係を部位特異的酸化修飾で解明し、(3)フッ素化デヒドロセレンテラジンの合成と取り込み、(4)分子設計とともにチャネルタンパク質に相互作用するテトロドトキシン第2段のテトロドトキシン不斉全合成を完成し、改良合成にも成功して(14)の課題について詳報を報告した。同タンパク質に作用する巨大分子シガトキシンの合成についても、コバルト錯体のリガンド交換法など新手法を開拓するによって、シガトキシン右部分(UKLM-環)および左部分(BCDEF-環)のカップリングを実行し、次いでGH-環の合成を完成させることができた。これでBCDEFGHUKLM-環に保護基のついた化合物の合成ができたので現在はA-環と側鎖導入により全合成完成直前の状態である。本年度は追加予算を得て、タンパク質部位特異的修飾解析のための質量分析計のコンピューター関係を更新することができ、そちらも順調に研究を発展させることができた。ナトリウムチャネル阻害剤テトロドトキシン不斉全合成第2段を完成したので、そのグアニジニウムを含む最終段階を改良し、これをゼテキトキシンの合成に適用した。シガトキシンの全合成は、左右の両巨大セグメント合成と両者のカップリングに成功し、NMRとMSで構造を証明した。左右両端を結合した分子が生物的に意義があることがわかり、ミニシガトキシンを合成した。さらにアセチレンコバルト錯体を用いた新合成法を開発した。沖縄トビイカの発光タンパク質シンプレクチンの活性中心の詳細構造の動的解明を目指した。すでに設計した発光素子フッ素化アナログにさらに光感査官能基あるいは酸化触媒機能を加え、これのタンパク質分解酵素フラグメントから、蛍光性セレンテラミドを含むペプチドを、NMR、MS、LC-ESI-Q-TOF-MS/MS・IT-MS/MSにより解析し、部位特異的結合位置を特定した。クラゲのエクオリン・ホタルイカ・ゴカイ・ヤスデの発光タンパク質にも、セレンテラジン類縁化合物を合成し、同様に修飾位置の変化を追求した。タンパク質分子一般に適用できる部位特異的新酸化触媒を合成した。カイコ休眠覚醒における時間読みの本質である金属・糖タンパクTIME-EA4と調節ペプチドPINに関して、CuZn型SOD (SuperOxide Dismutase)基本骨格と時間読み機構を、タンパク質の高選択的点酸化修飾により、3次元構造変化を追跡した。またPINペプチドとの複合体を用いて、時間調節したタイマータンパク質を調製し、時間読みタンパク質のより詳細な動態を解析した。カリウムイオン選択的なイオノフォアであるセレウリドのX-線結晶解析に成功したので、さらに立体異性体などを合成しNMR、MSスペクトル、LC-CDを駆使し、選択性の原理を解明した。
ガストンネル型プラズマ反応溶射による航空宇宙用超耐熱材料の開発に関する研究

航空宇宙用超耐熱材料としてガストンネル型プラズマ溶射、反応溶射によるセラミックス膜について、以下の研究成果を得た。1.ガストンネル型反応溶射により、適正溶射距離約60mmで、表面ビッカース硬度Hv=2000に近い高品質の金色のTiN膜(皮膜厚さ160μm)がステンレス基板上に短時間、簡単に作製できる。その作製したTiN厚膜は、TiN強度比R=95%以上の高純度であり、酸化(TiO_2)が防止できた。2.TiN皮膜断面硬度分布は平坦で、平均硬度はHv=1500である。また、断面の気孔率は、トラバース回数の増加により低下する。TiN膜の皮膜密着強度は、皮膜厚さの増加により低下するため、100μm程度のTiN膜が高性能であり、耐摩耗性などに良好な結果が得られた。3.作動ガス中の窒素ガス混合率の増加によりTiN膜の窒化率は上昇し、TiN膜のビッカース硬度は高くなるが、破壊靱性が低下した。TiN膜は熱処理により破壊靱性が高くなるが、熱処理後のTiN膜に酸化物は認められなかった。4.高硬度ZrO_2-Al_2O_3複合皮膜は、膜の横方向厚さ方向の熱伝導が縦方向と比べて抑制される。ZrO_2複合皮膜のビッカース硬さは、Al_2O_3混合率が増すにしたがい上昇するが、コーティング中の気孔率は、Al_2O_3混合率が増大すると減少し緻密な皮膜が得られる。5.ガストンネル型プラズマ溶射中のプラズマの温度は、トーチ出口付近で約8000Kであり、ZrO_2溶射粒子の速度は、プラズマジェット先端で150m/s前後である。この速度は、プラズマの出力に伴い増加し、出力の増加により熱遮蔽コーティングの性能が向上する。6.TiN膜の腐食電位は、厚い膜のほうが高くなり耐食性が向上する。ZrO_2-Al_2O_3複合皮膜の腐食電位も厚い膜のほうが高く、また、アルミナ混合率が大きいほうが高くなる。航空宇宙用耐熱材料の開発のため、ガストンネル型プラズマ溶射・反応溶射により得られたセラミックス膜について解析し、以下の結果を得た。1.ガストンネル型反応溶射による典型的なTiN膜として、P=27kW,Qen=100l/min,t=5s,L=60mmにおいて、皮膜厚さ160μm、ビッカース硬度Hv=2000に近い高品質の金色のTiN膜がステンレス基板上に得られた。2.このTiN膜の断面厚さ方向の硬度分布は平坦であり、窒化反応が溶射粒子の飛行過程で起こると推測された。TiN複合膜の断面組織は画像解析システムなどで観察し、気孔、結晶粒径分布等を測定した。また、界面の密着強度試験や、ビッカース硬度の測定などによりその機械的機能性を解明した。3.TiN膜の形成に対する適正溶射距離として約60mmが得られたが、この領域でTiN強度比R=95%以上の高品質TiN膜を作製することができた。適正溶射距離ではTiN厚膜の平均硬度はHv=1500であったが、溶射距離が過小な場合は、窒化率が低くなりTiが残り、過大な場合は酸化が生じ