hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
大腸発生と発癌に関わるSOX4の同定とワクチン療法としての応用

胎生13.5日目、14.5日目、15.5日目、16.5日目、17.5日目、18.5日目のC57BL/6マウスの大腸を実体顕微鏡下に摘出し、遺伝子を精製し、NIA gene-chipを使用し、マイクロアレイにて解析した。さらにApc、Smad3、TGFbetalを遺伝子操作したマウスやAOM処理したマウスでの大腸癌を摘出し、同様にマイクロアレイにて解析を行った。またヒト大腸癌の標本を用いた解析も実施した。それらのマイクロアレイの解析結果をもとに、大腸の発生と大腸癌発癌に関わる遺伝子として転写因子であるSOX4を同定することに成功した。SOX4抗体を用いた検討では、ほぼすべての大腸癌細胞株でSOX4は発現しており、正常大腸、胎児マウス大腸では上皮に発現していたが、大腸癌においては癌細胞の核、細胞質に様々な発現を認めた。Serial analysisof gene expression (SAGE)データベースにおいて、SOX4の発現は正常組織に比し大腸癌組織において有意であった。SOX4(Wild typeとDominant negative)、Wntシグナル(Wnt3a、Frizzled、beta-catenin、TOPflash、FOPflash)の発現ベクターを作成し、HEK293細胞やSW480細胞をはじめ大腸癌細胞株にtransfectionを行い、luciferase assayを行ったところ、SOX4がWntシグナルに関わるbeta-cateninを制御することが判明した。SOX4ペプチドのマウスへの接種し、ワクチンとしての効果を検討するために、CD4、CD8の抗体を用いT細胞でのCD4、CD8の発現やSOX4特異的T細胞活性をFACS、ELISAにて確認を行っている。予備実験ではワクチンとしての効果が一部では認められた。さらにApc、Smad3、TGFbeta1を遺伝子操作したマウスやAOM処理したマウスでの大腸癌を摘出し、同様にマイクロアレイにて解析を行った。Serial analysisof gene expression(SAGE)データベースにおいて、SOX4の発現は正常組織に比し大腸癌組織において有意であった。一方、SOX4(Wild typeとDominant negative)、Wntシグナル(Wnt3a、Frizzled、beta-catenin、TOPflash、FOPflash)の発現ベクターを作成し、HEK293細胞やSW480細胞をはじめ大腸癌細胞株にtransfectionを行い、luciferase assayを行ったところ、SOX4がWntシグナルに関わるbeta-cateninを制御することが判明した。それらの結果をふまえ、現在、ワクチン療法に対する実験として、SOX4ペプチドのマウスへの接種を開始している。今後、ワクチンとしての効果を検討する予定である。なお研究成果の一部を国内外で発表した。一方、それらの結果をふまえ、癌タンパクのSOX4の役割を考慮し、ワクチン療法に対する実験として、SOX4ペプチドを作成しており、SOX4ペプチドのマウスへの接種し、ワクチンとしての効果を検討するために、CD4、CD8の抗体を用いT細胞でのCD4、CD8の発現やSOX

4特異的T細胞活性をFACS、ELISAにて確認を行っている。予備実験ではワクチンとしての効果が一部では認められた。なお研究成果の一部を論文、学会等で発表した。
リボソーム不活性化蛋白質、ペポシンを用いた口腔癌新規治療法の開発

ペポシンはカボチャ果肉より単離された植物由来のI型リボソーム不活性化タンパク質(RIP)であり、ラット肝臓由来の28SrRNAの5'末端から4324番目のアデニンとリボース間のN-グリコシド結合の加水分解を触媒(脱アデニン化)し、リボソームを不活化させる。本研究ではタンパク質リガンドが細胞上の特定の受容体に結合すると、エンドサイトーシスにより細胞内に取り込まれる性質を利用して、このリガンドにtoxin(ペポシン)を結合させ、選択的細胞毒性により癌細胞を死滅させることを目的の1つとしている。今年度は口腔癌培養細胞に対するペポシンのRNA N-グリコシダーゼ活性を、HPLC-UV検出法を用いて解離したアデニンを直接測定する方法で測定を行った。口腔癌細胞由来のrRNAをペポシンと37°Cで反応後、反応液をHPLCに注入した。固定相には陽イオン交換樹脂を、移動相にはリン酸カリウム緩衝液を用い、溶出されるアデニンをUVモニターで検出した。陽イオン交換樹脂によりアデニンは検出感度2pmolで検出され、ペポシンが口腔癌細胞由来rRNAに対してRNA N-グリコシダーゼ活性を有することより、選択的細胞障害の可能性が示唆された。近年、口腔癌細胞においてEGF受容体(EGFR)のover-expressionが報告されており、今後は適当なリガンドを選択し、ペポシンと種々の受容体リガンドの架橋体を作成して、架橋体の安定性及び細胞内への取り込みを確認した後に口腔癌細胞への細胞毒性を検討する予定である。また研究者は白金製剤シスプラチンをはじめとする各種抗癌剤の細胞内情報伝達系に対する影響も検討しており、今後はペポシンの選択的細胞毒性に抗癌剤との相乗効果を期待する、新規化学療法の開発も検討していく予定である。(1)ペポシンの細胞毒性についてペポシンはカボチャ果肉から単離された、I型リボソーム不活性化タンパク質(RIP)であり、真核細胞では28SrRNAの特定部位の1個のN-グリコシド結合を加水分解することでタンパク質合成を阻害すると考えられている。真核細胞におけるRIP活性を確認するため、まずアフリカツメガエル卵母細胞にペポシンをマイクロインジェクションし、その細胞毒性に対する時間及び用量依存性を調べたところペポシンは用量依存的に卵母細胞の死滅を引き起こした。またペポシンを作用させた細胞より抽出、アニリン処理を行ったrRNAから特異的なRNA断片の発現を検出したことから、ペポシンによる脱アデニン化によるタンパク質合成が阻害された結果、細胞死が起こったことが明らかとなった。(2)リガンドーペポシン架橋体の作成とその細胞毒性応用タンパク質リガンドが細胞膜上の特定の受容体に結合すると、エンドサイトーシスにより細胞内に取り込まれる。これを利用してペポシンと種々の受容体リガンドの架橋体を作成して、癌細胞内に取り込ませる方法を検討している。現在までに、口腔癌細胞膜表面に特異的な受容体が存在しているという報告はないため、現段階ではEGF、IL、等の細胞膜上に比較的普遍的に存在している受容体を利用してこれらのリガンドとペポシンとの架橋体作成を画策している。架橋体の安定性及び細胞内への取り込みを確認した後に口腔癌細胞への細胞毒性を検討する予定である。
迅速生産における実体を介する製品モデリング

設計環境では,試作品や既存の製品,標準部品などの実体を多様している.つまり,設計の最終成果物は図面や製品モデルなどの“情報"であるが,その情報を生成する過程で,試作された実体モデルや既存部品などの実体が利用されていることがわかる.本研究の目的は,そのような実体モデルから,計算機内の製品モデルへ直接フィードバックできるようなチャンネルを用意し,設計の場面でより積極的に実体モデルを利用できるようなツールを構築することである.本研究では,この考え方に基づき,下記の点について研究を行なった.1.実体の3次元形状の入力方法3次元位置センサーを利用して,部品の位置や形状データを入力する方法の開発.2.実体モデルと製品モデルとのマッチング方法1によって入力された形状データと,計算器内の製品モデルとのマッチングをとる方法の開発.3.実体モデルによる製品モデル情報の修正および検索方法マッチングされた製品モデルから,設計者の必要な情報を検索したり,またそれを修正したりする方法の開発.具体的には,ワークステーションに3次元ディジタイザーを接続し,さらに,ワークステーション上に形状処理プログラムと3次元ディジタイザーのインタフェースを作成し,システムを試作し実験し,評価した.設計環境では,試作品や既存の製品,標準部品などの実体を多様している.つまり,設計の最終成果物は図面や製品モデルなどの“情報"であるが,その情報を生成する過程で,試作された実体モデルや既存部品などの実体が利用されていることがわかる.本研究の目的は,そのような実体モデルから,計算機内の製品モデルへ直接フィードバックできるようなチャンネルを用意し,設計の場面でより積極的に実体モデルを利用できるようなツールを構築することである.本研究では,この考え方に基づき,下記の点について研究を行なった.1.実体の3次元形状の入力方法3次元位置センサーを利用して,部品の位置や形状データを入力する方法の開発.2.実体モデルと製品モデルとのマッチング方法1によって入力された形状データと,計算器内の製品モデルとのマッチングをとる方法の開発.3.実体モデルによる製品モデル情報の修正および検索方法マッチングされた製品モデルから,設計者の必要な情報を検索したり,またそれを修正したりする方法の開発.具体的には,ワークステーションに3次元ディジタイザーを接続し,さらに,ワークステーション上に形状処理プログラムと3次元ディジタイザーのインタフェースを作成し,システムを試作し実験し,評価した.
偏微分方程式における漸近解析と形状解析の融合と革新

拡散方程式の解の漸近解析と形状解性を用い、非線形境界条件付き熱方程式の解の初期トレースの特徴付け、ポテンシャル項付熱方程式の解の漸近解析と最大点挙動、フィンスラー熱方程式の解の定性的性質と可解性等の研究を行った。(1)非線形境界条件付き熱方程式:石毛の指導学生である比佐幸太郎氏と共に、半空間における非線形境界条件付き熱方程式の解の初期トレースの存在と一意性、さらにその性質について研究を行った。この研究により、初期トレースが許容できる特異性の強さは非線形性に依存し、また、その大きさは境界からの距離によって決定されることが明らかになった。この研究は、半空間における非線形境界条件付き熱方程式に対して、初期関数の挙動と解の最大存在時間との関係について詳細な解析を可能にする。(2)ポテンシャル項付熱方程式:石毛の指導学生である向井晨人氏と共に、ポテンシャル項付熱方程式を重み付き熱方程式に変換し、その重み付き熱方程式に相似変換を施すことによって、劣臨界及び零臨界シュレーディンガー作用素を同時に適応可能とする新しい漸近解析手法を開発した。この研究の進展に基づき、壁谷喜継氏(大阪府立大)を加えてポテンシャル項付熱方程式の解の最大点挙動について包括的研究を行い、最大点挙動と正値調和関数挙動の強い相関性を明らかにした。(3)フィンスラー熱方程式:赤木剛朗氏(東北大学)、佐藤龍一氏(東北大学)と共に、フィンスラー・ラプラス作用素の定性的性質およびフィンスラー熱方程式の解の可解性について研究を行った.本研究では、フィンスラー・ラプラス作用素がある種の対称性をもつ函数族に対して線形作用素として作用すること、局所可積分かつ空間無限大で指数的増大する初期値関数に対してフィンスラー熱方程式が時間局所解を持つことを証明し、解の存在時間に関する最適評価を与えた。解の形状解析、漸近解析の融合により、非線形境界条件付き熱方程式の解の初期トレースの特徴付け、ポテンシャル項付熱方程式の解の漸近解析と最大点挙動、フィンスラー熱方程式の解の定性的性質と可解性等の研究成果を得ている。これらの研究は今後の研究の土台となるべきものであり、今後の進展が強く期待される。また、関連分野の国内外の研究集会や研究者セミナーを開催し、研究打ち合わせ等の研究交流も行っており、順調に研究が進んでいると考える。当該研究課題にて得た研究成果を元に、議論を進展させ、漸近解析および形状解析の融合と新たな解析技法の確立を目指す。また、国際研究集会等を開催し、関連分野の研究交流を促進させていく。拡散方程式を中心に漸近解析と形状解性を用い、非線形放物型方程式系の解の爆発と凝集、動的境界条件下における非線形楕円型方程式の解構造、シュレーディンガー熱半群に関するガウス型評価等の研究を行った。(1)非線形熱方程式系の爆発と凝集:研究協力者藤嶋陽平氏(静岡大学)と指導学生である前川弘樹氏との共同研究として、半線形熱方程式系の爆発時間直前の解の形状解析を行い、境界で解が爆発しないための十分条件を与えた。半線形熱方程式系の爆発集合の解析は、球対称解を除くとほとんど為されていないが、比較原理を応用した新しい形状解析の手法を開発することによってこの研究は可能となった。さらに、方程式系の放物型リゥービル型定理についても研究を行った。この他、石毛と分担者小川は、それぞれの共同研究者らと、Keller-Segel systemの解の凝集について研究を行い、情報の交換を行った。(2)非線形楕円型方程式の解構造:川上竜樹氏(大阪府立大学)およびMarek Fila氏(コメニウス大学、スロバキア)と動的境界条件下における解の構造について研究を行い、時間大域可解性と時間局所可解性の同値性、極小解は進行波解として記述されること、等の結果を得た。(3)シュレーディンガー熱半群:壁谷喜継氏(大阪府立大)およびEl Maati Ouhabaz氏(ボルドー大学、フランス)と共同研究を行い、シュレーディンガー熱半群に対応する基本解のガウス型評価を得た。この結果では,劣臨界と臨界の場合について,対応する正値調和関数の挙動の分類し、それを用いて基本解の上と下からの評価を与えた。この研究は,今後のシュレーディンガー熱半群における漸近解析の基礎になるものと考えている。解の形状解析、漸近解析の融合により、非線形楕円型方程式や非線形放物型方程式における解の特異性に関連する幾つかの研究を挙げ、また、今後、漸近展開の新たな進展をもたらす基礎になるポテンシャル項付き熱方程式の解のガウス型評価を与える等、順調に研究成果を得ている。また、関連分野の国内外の研究集会を開催し、研究打ち合わせ等の研究交流も行っており、順調に研究が進んでいると考える。拡散方程式を中心に漸近解析と形状解性を用い、動的境界条件付き非線形楕円型方程式,分数冪熱方程式の解の高次漸近展開,半線形分数冪熱方程式の解の初期トレースの特徴付け等の研究を行った。(1)動的境界条件付き非線形楕円型方程式:研究分担者川上竜樹氏(大阪府立大学)、研究協力者Marek Fila氏(コメニウス大学,スロバキア)と共に,球の外部領域における動的境界条件付き非線形楕円型方程式の研究を行った。この研究を通して、Kelvin変換を利用したある解の表示公式を発見し、解の先験的評価等を得、さらに解の構造について詳細な解析を行った。

(2)分数冪熱方程式の解の高次漸近展開:初期関数が多項式減衰する分数冪熱方程式の初期値問題は、熱方程式のそれとは異なり、解がその多項式減衰を有するとは限らない。これは分数冪熱方程式の基本解の多項式減衰性に起因するが、このことが分数冪熱方程式における高次漸近展開理論の確立の妨げになってきた。研究分担者川上竜樹氏(大阪府立大学)と石毛の指導学生であった道久寛載氏と共に、分数冪熱方程式の解の減衰が失われるメカニズムを解明し、既存理論では難しかった分数冪熱方程式の解の高次漸近展開理論を構築した。(3)半線形分数冪熱方程式の解の初期トレースの特徴付け:石毛の指導学生である比佐幸太郎氏と、半線形分数冪熱方程式の解の初期トレースの存在と一意性、さらにその性質について研究を行った。本研究を通して、半線形分数冪熱方程式の可解性の必要条件が与えられた。また、石毛、川上、Sierzegaによる2016年の結果を発展させて、可解性の十分条件も与えた。これにより、非負値解が存在するための最も強い初期値の特異性が同定された。さらに、初期関数の特異性や無限遠点での振る舞いと解の最大存在時間の関係について詳細な研究を行った。解の形状解析、漸近解析の融合により、動的境界条件付き非線形楕円型方程式,分数冪熱方程式の解の高次漸近展開,半線形分数冪熱方程式の解の初期トレースの特徴付け等を得ている。これらの研究は今後の研究の土台となるべきものであり、今後の進展が強く期待される。また、関連分野の国内外の研究集会を開催し、研究打ち合わせ等の研究交流も行っており、順調に研究が進んでいると考える。拡散方程式の解の漸近解析と形状解性を用い、非線形境界条件付き熱方程式の解の初期トレースの特徴付け、ポテンシャル項付熱方程式の解の漸近解析と最大点挙動、フィンスラー熱方程式の解の定性的性質と可解性等の研究を行った。(1)非線形境界条件付き熱方程式:石毛の指導学生である比佐幸太郎氏と共に、半空間における非線形境界条件付き熱方程式の解の初期トレースの存在と一意性、さらにその性質について研究を行った。この研究により、初期トレースが許容できる特異性の強さは非線形性に依存し、また、その大きさは境界からの距離によって決定されることが明らかになった。この研究は、半空間における非線形境界条件付き熱方程式に対して、初期関数の挙動と解の最大存在時間との関係について詳細な解析を可能にする。(2)ポテンシャル項付熱方程式:石毛の指導学生である向井晨人氏と共に、ポテンシャル項付熱方程式を重み付き熱方程式に変換し、その重み付き熱方程式に相似変換を施すことによって、劣臨界及び零臨界シュレーディンガー作用素を同時に適応可能とする新しい漸近解析手法を開発した。この研究の進展に基づき、壁谷喜継氏(大阪府立大)を加えてポテンシャル項付熱方程式の解の最大点挙動について包括的研究を行い、最大点挙動と正値調和関数挙動の強い相関性を明らかにした。(3)フィンスラー熱方程式:赤木剛朗氏(東北大学)、佐藤龍一氏(東北大学)と共に、フィンスラー・ラプラス作用素の定性的性質およびフィンスラー熱方程式の解の可解性について研究を行った.
反応性プラズマの制御

本課題は、昭和63年度からスタートした、重点領域研究「反応性プラズマの制御」の総括班として、当領域の研究の方向付けと進展を図るものである。そこで、本年度は初年度として、昭和63年5月初旬に計画研究班の会議を持ち、当初計画の見直しと本年度の実行計画の確認とを行なった。次いで、6月初旬に公募研究班の会議をもち、本領域研究の意図するところを説明し、各公募研究課題について討論し、研究の方向付けを行なった。9月下旬には、次年度の研究費申請を前にして計画研究班の研究進行状況の検討会を開き、それに引き続いて総括班会議を持ち、次年度の研究費申請の基本方針を決定した。この時の研究の進行状況はほぼ予定通りであり、又、計画研究の各班の間の連携もまずは順調であった。特に組織化を必要とするプラズマ内反応素過程、マイクロ波プラズマ生成、ならびに反応性プラズマ内のプローブ測定については、それぞれ12月から1月にかけて、小人数の研究会を持ち、研究の方向、課題の吟味、分担の確認を行なった。又、研究成果が上がりつつある、反応性プラズマのレーザー分光計測、並びにプラズマのモデリングについては、3月中旬に研究会を持ち、成果の検討を行なった。平成元年1月下旬には、今年度の研究成果報告会を第6回プロセシングプラズマ研究会と合同で開いた。まず、各研究代表者がそれぞれの研究の目的と成果について口頭で報告し、次いで、ポスターセッションにて、各研究分担課題毎に詳細な報告を行なった。この報告会には、産業界からも100名を超える参加者があった。これらの成果は第6回プロセシングプラズマ研究会論文集に収録された。この報告会の原稿にその後の成果等を加えて本年度の研究成果報告書とした。また、領域全体の活動状況のPRのため、ニュースレターを2回発行した。
ヒト嗅覚器のステレオロジー解析と他動物との比較

鼻腔に存在する嗅上皮の嗅神経細胞は生涯にわたり神経再生が起こっている特殊な神経細胞である。このため、嗅上皮は嗅神経が投射する中枢神経系の神経再生とも相まって神経再生のモデルとして注目されている。このため、我々は現在までマウス及びラットの鼻腔において成熟した嗅神経細胞に選択的に発現するOlfactory marker protein(OMP)を免疫組織化学的手法により染色する方法と神経細胞総数を正確に測定できるステレオロジーの手法を用いて、その嗅神経細胞総数がマウス成獣では一側約200万(但し新生児期は一側約50万個)、ラット成獣では一側約500万個であることを明らかとした。ヒト嗅上皮に関しては、嗅覚の異常が中枢神経変性疾患との関係により注目されているにもかかわらず、ヒト鼻腔において嗅覚を司る嗅神経細胞数が正確に計測されておらず、またその分布もはっきりしていないことが明らかとなった。この為、我々はヒト鼻腔における嗅上皮の分布と、そこに存在する嗅神経細胞の総数を明らかとするためにヒト鼻腔全体を標本として解剖体より摘出し連続薄切切片を作成し免疫組織化学染色及びステレオロジーの手法を用いて観察を行った。この結果、ヒト嗅上皮は前方では鼻腔上部から外側壁に広がっているのに対し、後方では鼻中隔側に広がっており、部位により分布が異なることを明らかとした。さらにヒト嗅神経細胞の総数は一側で約630万個であることを明らかとした。その内、嗅球に投射している成熟した嗅神経細胞数は一側で約430万個であることを明らかとした。我々は現在までに64体の解剖体より標本採集を行い薄切連続切片の作成を行った。ただ固定状態が各解剖体に異なるため、予備的な免疫組織化学的染色を実施し、計測に適した標本を確保し、現在までに6体の標本は抗Olfactory Marker Protein抗体を用いた免疫染色、抗PGP9.5抗体を用いた免疫染色、ヘマトキシリン・エオジン染色により染色済みである。しかし、追加の染色と細胞計測を実施しているが、新設医学部のため実験環境が十分に整備されておらず、ステレオロジーの手法に必要なStereoinvestigatorを用いた細胞計測は信州大学において実施しているため、若干の遅れが発生している。現在染色・計測済みの切片に加え、今後、ヒト鼻腔の採取済み標本の薄切をすすめるとともに、薄切済みの切片に対して免疫組織化学染色の実施とStereo investigatorを用いた細胞総数の計測および表面積測定を行う。また、一部染色済みの切片に対してはKeyenceBZ7000顕微鏡を用いた嗅上皮の分布と表面積測定を行う予定である。さらに今夏には国際学会発表を行う予定である。鼻腔に存在する嗅神経は生涯にわたり神経再生が起こっており、嗅神経が投射する中枢神経系の神経再生とも相まって、神経再生の研究モデル部位として注目されている。我々は現在までマウス及びラットの鼻腔において嗅覚を司る嗅神経細胞の存在する嗅上皮について機能している成熟した嗅神経細胞に選択的に発現するOlfactory marker protein (OMP)を免疫組織化学的に染色する方法と、神経細胞の総数を正確に推定することができるステレオロジーの手法を用い、マウス成獣では一側鼻腔に約500万個の嗅神経細胞が存在することやラットでは一側鼻腔で新生児期の約50万個から成獣の約2000万個まで40倍増加することを明らかとし、正確な基礎データを提供した。しかし、これらの研究過程において、ヒトの鼻腔において嗅覚を司る嗅上皮は鼻腔上壁を中心として限局した部位にのみ存在していることは知られているが、現在までにその正確な分布は明らかにされておらず、また嗅神経細胞数についてはその密集した構造から正確な計測がなされていないことが明らかとなった。このため、我々はヒトにおける嗅神経細胞・嗅上皮の分布と総嗅神経細胞数を明らかとするためにヒト鼻腔全体を標本として摘出し連続切片を作成した。これらの結果、ヒト嗅上皮は前方では鼻腔上壁から外側壁へと広がっているのに対し後方では主として鼻腔上壁から鼻中隔側に広がっており、前方と後方で分布が異なることが明らかとなった。現在総嗅神経細胞数の計測を、抗OMP抗体を用いた免疫組織化学染色法とステレオロジーの手法を用いて実施中である。現在までにヒト鼻腔の標本採取を、64体より実施した。解剖体は固定状況等が個々の御遺体により大きく異なるため、全てが免疫組織化学的手法を用いた研究に適しているわけではないため、これらの採取標本の鼻粘膜の一部を用いて免疫染色の染色性を評価する予備実験を実施した。その結果、染色性の保たれているヒト鼻腔標本を12体確保している。また染色性が確認された鼻腔標本については鼻腔周囲の骨をまとめて採取しており、そのままでは連続切片の作成が不可能であるため、EDTAバッファーを用いて34か月にわたる脱灰過程をおこない、パラフィンブロック作成後、ステレオロジー計測に適した形での連続切片作成を行っている。連続切片の一部はヘマトキシリン=エオジン染色を行い、構造を同定するとともに、免疫組織化学的手法を用いてOlfactory marker proteinを指標とした成熟嗅神経細胞の同定、並びにPGP9.5を指標とした嗅神経細胞の同定を行っており、嗅神経細胞が分布する部位、すなわち嗅上皮の同定に成功している。

このため、嗅上皮は嗅神経が投射する中枢神経系の神経再生とも相まって神経再生のモデルとして注目されている。このため、我々は現在までマウス及びラットの鼻腔において成熟した嗅神経細胞に選択的に発現するOlfactory marker protein(OMP)を免疫組織化学的手法により染色する方法と神経細胞総数を正確に測定できるステレオロジーの手法を用いて、その嗅神経細胞総数がマウス成獣では一側約200万(但し新生児期は一側約50万個)、ラット成獣では一側約500万個であることを明らかとした。ヒト嗅上皮に関しては、嗅覚の異常が中枢神経変性疾患との関係により注目されているにもかかわらず、ヒト鼻腔において嗅覚を司る嗅神経細胞数が正確に計測されておらず、またその分布もはっきりしていないことが明らかとなった。この為、我々はヒト鼻腔における嗅上皮の分布と、そこに存在する嗅神経細胞の総数を明らかとするためにヒト鼻腔全体を標本として解剖体より摘出し連続薄切切片を作成し免疫組織化学染色及びステレオロジーの手法を用いて観察を行った。この結果、ヒト嗅上皮は前方では鼻腔上部から外側壁に広がっているのに対し、後方では鼻中隔側に広がっており、部位により分布が異なることを明らかとした。さらにヒト嗅神経細胞の総数についてはステレオロジーの手法を用いて現在計測中である。我々は現在までに64体の解剖体より標本採集を行い薄切連続切片の作成を行った。ただ固定状態が各解剖体に異なるため、予備的な免疫組織化学的染色を実施し、計測に適した標本を12体分確保した。現在までに12体の標本の一部は抗Olfactory Marker Protein抗体を用いた免疫染色、抗PGP9.5抗体を用いた免疫染色、ヘマトキシリン・エオジン染色により染色済みである。しかし、追加の染色と細胞計測を実施しているが、新設医学部のため実験環境が十分に整備されておらず、ステレオロジーの手法に必要なStereo-investigatorを用いた細胞計測は信州大学において実施しているため、若干の遅れが発生している。鼻腔に存在する嗅上皮の嗅神経細胞は生涯にわたり神経再生が起こっている特殊な神経細胞である。
X染色体連座免疫不全症に関与する遺伝子の同定と治療への応用

Bruton型患者の骨髄細胞より、EBウイルスを用いて5株cell line化するのに成功した。細胞膜表面マーカーの検索から、それらはすべて典型的preB細胞の性質を有していたのでJh領域の遺伝子配列を調べた。その結果ヒトの新しいD遺伝子の同定に成功し、またその細胞中では再編成かDJh結合でとどまっていることを見い出した。SCID患者でも同様にして株化するのに成功し、その場合はpreB細胞であるがJh領域にDNA再編成は見られなかった。SCID患者ではT細胞レセプター及び免疫グログリン遺伝子のDNA再編成過程に関与する共通の遺伝子の欠陥であること、一方Bruton病は【V_h】D配列過程の異常であるという仮説が導かれた。新しいヒトD遺伝子の発見と共にD遺伝子の5′側上流の塩基配列を調べたところ、特徴的な16ヌクレオチドが20数回繰り返されている構造を見い出した。これがDNA再配列を引き起すDNA結合タンパクの認識部位ではないかという仮説を提出した。Bruton病,SCID,Wiskott-Aldrich症候群の欠陥遺伝子のX染色体上の位置をRFLP解析によって決定するために、X染色体各部由来のプローブを9種類作製した。これを用いてX染色体を8ヶ所に分けて同定することが可能になった。現在上記る種類の疾患について、家族のDNAを用いてRFLP解析を行っている。少くともBruton患者で、その欠陥遺伝子はセントロメア近傍には位置しないことがわかっている。proB細胞に発現され、T細胞では発現されていない遺伝子からなるcDNAライブラリーを作製した。約300個のcDNAクローンのDNAを調製し、その中でX染色体上にコードされているものをさがしている。HTLV-1や癌遺伝子を用いた幹細胞及びT細胞のcell line化も試みている。
抑制性補助刺激分子PD-1を標的とする自己免疫性消化器疾患の新規バイオマーカー

自己免疫機序が病態に関与していると考えられる消化器疾患のうち自己免疫性肝炎(AIH)及びクローン病(CD)の診断における血清中抗programmed cell death-1(PD-1)抗体の有用性を明らかにするため以下の研究をおこなった。1. AIHとCDの診断における血清中抗PD-1抗体の有用性についての多施設検証試験: AIHに関しては、8施設より集めたAIH71例、薬剤性肝障害37例に関し、抗PD-1抗体値を測定したところ、AIH症例で有位に抗PD-1抗体値が高く、ROC解析でも良好な診断能を示した。さらに、AIH症例内でのステロイド治療の反応性は、抗PD-1抗体高値者で有位に良好であった。(Hepatol Res. 2014 ; 44, 1299-1307)。CDに関しては,参加施設の調整中であった。2.ヒト血清中に存在する抗PD-1抗体のエピトープ決定:これに関しては、報告できる結果を得ていない。3.プロテオミクスの手法を用いて新規自己抗体の探索:当院通院中のCD症例5例と、その比較として潰瘍性大腸炎症例5例に関し、プロテオミクスの手法を使用し、113の候補たんぱく質を抽出した。その中で、PDLIM1, MARCH8, SYMPK, HMBG2に関して、他の症例を用いvalidation中であった。AIHに関しては現時点報告できるデータはない。(今後も継続研究予定であったが、代表研究者死亡のため、返還となった。)難病に指定されている自己免疫性肝炎やクローン病など自己免疫性消化器疾患患者数は増加傾向にあるが、診断に有用なバイオマーカーは存在しない。我々は、血中抗programmed cell death(PD)-1抗体が自己免疫性肝炎患者の血中に存在することを発見している。PD-1は活性化リンパ球表面に発現する補助刺激分子であり、抗原提示細胞上に発現されるリガンドのPD-L1と反応することでリンパ球の活性を低下させたり活性化リンパ球をアポトーシス(細胞死)へ誘導したりする。抗PD-1抗体は、PD-1とPD-L1の反応をブロックすることでリンパ球の異常な活性化に関与すると考えられている。本研究の目的は、血中抗PD-1抗体値の測定が自己免疫性消化器疾患の診断に有用であるかを検証することである。自己免疫性肝炎患者における血中抗PD-1抗体:自己免疫性肝炎20例で血中抗PD-1抗体を測定した。7例(35%)で陽性であった。陽性例では、陰性例に比べてステロイド剤投与にも拘らず肝機能正常化までに6か月以上を要する症例や免疫抑制剤アザチオプリン投与を必要とする症例など治療抵抗性を示す症例の頻度が有意に高かった。IgG4関連疾患患者における血中抗PD-1抗体:IgG4関連疾患には、抗核抗体陽性や高ガンマグロブリン血症など自己免疫性肝炎に類似した検査結果を示す症例が存在する。IgG4関連疾患21例で血中抗PD-1抗体値を測定したが、全例で陰性であった。以上より、血中抗PD-1抗体値の測定は、自己免疫性肝炎とIgG4関連疾患の鑑別に有用である。今後、ヒト血中に存在する抗PD-1抗体のエピトープ決定を行い、日常臨床で利用可能な測定キットの開発につなげていく予定である。)血中抗PD-1抗体値の測定が自己免疫性肝炎の診断に有用であることが示されたエピトープマッピングによりヒト血中に存在する抗PD-1抗体のエピトープを決定し、日常臨床で利用できる検査キットの開発を進めていく。本研究で使用した研究用試薬及び機器の価格改定に伴い差額が生じた。次年度も引き続き本研究を継続する予定であり、対象患者の血中抗PD-1抗体値測定に必要な測定キットの購入、エピトープマッピングによりヒト血中に存在する
FRETバイオセンサーを用いたEGFR-TKI非感受性・耐性の解明と克服

EGFR活性測定FRETバイオセンサーとフローサイトメーターを用いて、3つの肺癌細胞株においてEGFR阻害薬耐性細胞を単離した。耐性細胞の遺伝子発現パターンをcDNAマイクロアレイで解析したところ、各細胞株由来耐性細胞において共通に発現変動する遺伝子が認められた。さらにアノテーション解析を行ったところ、耐性細胞で亢進しているシグナル経路として3経路、低下しているものとして5経路が同定された。共通して亢進している遺伝子群にABCトランスポーターが含まれていることから、これらの経路や遺伝子は耐性化に一定以上の役割を担っているものと期待される。(1)バイオセンサーの改良:開発済みのFRETバイオセンサーをEGFR活性測定用に最適化した。具体的にはバイオセンサー内に変異を導入し、かつ核外移行シグナルを付加した。これによりEGFR活性測定能が大幅に向上した。また、本手法はcDNAとして細胞に導入したバイオセンサーを、細胞のタンパク質発現システムを用いて発現するため、遺伝子導入効率や細胞生存率が今後の実験の成否を左右する。そこで、各種の遺伝子導入法について上記のパラメータについて検討し、最も良い遺伝子導入法を決定した。(2)薬剤非感受性・希少細胞の検出:EGFR阻害薬感受性・非感受性細胞に薬剤濃度等、種々の条件を振り、薬剤耐性細胞の出現する条件と、出現数を検討した。また、フローサイトメーターを用いて大量の細胞を処理した際にも同様の検出が可能か否かを確認し、薬剤非感受性細胞の分取に向けた条件を決定した。(3)薬剤非感受性細胞の分取:上記予備実験の結果にもとづいて、EGFR-TKI感受性変異を有するPC3、PC9、HCC827細胞にPicklesを発現させ、10 nMのAfatinibで処理した細胞をFACSにかけ、FSC-SSCの2次元プロットで生細胞と考えられかつ高いFRET値を示す細胞と低いFRET値を示す細胞群を単離した。次に、実際に単離された細胞が実際にEGFR-TKI耐性であるかどうかを確認した上で、塩基配列を解析してEGFRに2次的変異がないことを確認した。(4)薬剤非感受性細胞における遺伝子発現プロファイルの解析:薬剤耐性細胞における遺伝子発現パターンの変化を調べるために、cDNAマイクロアレイ解析を行った。その結果、2倍以上の発現亢進が認められた遺伝子として、HCC827細胞で3368遺伝子、PC3細胞で3411遺伝子、PC9細胞で1696遺伝子が候補としてあがった。また、発現が低下したものがHCC827細胞で4034遺伝子、PC3細胞で2960遺伝子、PC9細胞で1608遺伝子あった。平成26年度に開発したEGFR活性測定FRETバイオセンサーとフローサイトメーターを用いて、EGFR阻害薬耐性細胞を単離した。耐性細胞の遺伝子発現パターンをcDNAマイクロアレイで解析したところ、2倍以上発現亢進した遺伝子はHCC827細胞で3368、PC3細胞で3411、PC9細胞で1696であった。また、発現低下したものはHCC827細胞で4034遺伝子、PC3細胞で2960遺伝子、PC9細胞で1608遺伝子であった。単離した耐性細胞のEGFRには2次的変異がないことを塩基配列解析で確認しており、耐性化はEGFR変異以外の機序によるものと考えられた。本年度はさらに、各細胞株由来耐性細胞において共通に発現変動が認められた遺伝子を調べた。2つ以上の細胞株で発現亢進した遺伝子は2032あり、その内訳は3細胞株で2倍以上発現亢進が認められたもの8、2細胞株で2倍以上かつ他の細胞株で2倍以下の発現亢進だったもの83、2細胞株でのみ2倍以上発現亢進したもの150、1細胞株で2倍以上かつ2細胞株で2倍以下の亢進だったもの311、3細胞株で2倍以下の発現亢進が認められたもの1480であった。一方、発現低下した遺伝子は1453で、すべての細胞株で2倍以上低下したもの18、2細胞株で2倍以上かつ1細胞株で2倍以下の発現低下だったもの77、2細胞株のみで2倍以上の発現低下したもの166、1細胞株で2倍以上かつ2細胞株で2倍以下の発現低下298、3細胞株で2倍以下の発現低下が認められたもの894であった。当初の研究計画において平成26年度に実施する予定であった、(1)バイオセンサーの改良、(2)薬剤非感受性、(3)薬剤非感受性細胞の分取について、(4)薬剤非感受性

細胞における遺伝子発現プロファイルの解析、について、当該年度内に予定通りの結果が得られたため。腫瘍内科学平成26年度についは当初の計画通りに遂行できたので、平成27年度についても予定通り以下の項目について研究を実施する。(1)薬剤非感受性細胞が有する細胞性質の解析:マイクロアレイ解析の結果から共通して発現に変化が見られる分子をリストアップする。さらに共通して変化の見られる分子群の発現プロファイルに対して、アノテーション解析を行い全体として活性が亢進しているシグナル伝達経路を見出す。同定した経路については、キーとなる分子についてsiRNAによる発現抑制や、入手可能な場合には阻害薬処理を行い、非感受性・耐性獲得に寄与するか否か、また非感受性細胞の増殖・生存等に必須か否かを検討する。また、薬剤非感受性細胞が幹細胞としての性質を有しているか否かあるいは、浸潤能・運動能・増殖能等についての検討も行う。(2)臨床サンプルでの薬効評価:前年度までに確立した薬効評価および非感受性細胞検出技術を用いて、肺癌患者で分子標的治療薬の適応があり、かつ診断上等の理由から胸水穿刺が必要な患者が現れた場合、穿刺液の一部を用いて癌細胞にFRETバイオセンサーを導入する。EGFR活性をモニターし、種々の分子標的薬(ゲフェチニブ、エルロチニブ、アファチニブ等)の効果判定と薬剤非感受性細胞の検出を試みる。尚、本研究の実施に関しては、事前に北海道大学病院自主臨床研究審査委員会(倫理委員会)に臨床研究の申請・承認後に行う。(3)薬剤非感受性・耐性細胞の有する性質の臨床サンプルでのバリデーション:実際分子標的治療薬による治療後、不幸にして再発・胸水貯留の認められた患者が現れた場合に、その胸水穿刺液の一部から得られた癌細胞を用い、前年度までに樹立した非感受性・耐性細胞遺伝子プロファイルについてのバリデーションを行う。これにより、真の薬剤耐性メカニズムと非感受性細胞の有する性質を確定する。
原発開放隅角緑内障における視野障害パターン別全ゲノム解析

1000Kチップで全ゲノム情報を持つ広義原発開放隅角緑内障1100例に対して視野障害を上方、下方、中心の視野障害型を判別した。判別不能と症例数の少なかった中心型を除外し、両眼の上下の視野障害型が判別出来た症例が635例であった。1)635例において両眼で視野障害型が異なる場合は下方型として解析、2)515例で両眼が同じ視野障害型のみ、の2つで視野障害型別に全ゲノム解析を行った。しかしながら視野障害別に有意なバリアントは同定できなかった。今後はプロスペクティブに初期から中期までの視野障害型の判別を行うことで真の視野障害型に関わるバリアントの同定が可能と考え、1000例を超える新規症例を蓄積した。我々はこれまでに広義原発開放隅角緑内障(広義POAG)のゲノムワイド関連解析(GWAS)を行い、緑内障に関連する遺伝因子(バリアント)を同定してきた実績がある。本研究の目的は、これまでにアフィメトリクス社のDNAチップでジェノタイプデータを取得した418例(500Kチップ)および833例(1000Kチップ)の広義POAG症例について、10年以上に渡り蓄積された臨床データベースに基づき視野障害のパターン別に群分けしGWASを実施することによって、視野障害パターンを規定するバリアントを同定することである。本年度は、GWASの実施に向けて広義POAG1,100例の左右眼についてサブクラス毎に視野障害パターン(上方視野障害型、中心視野障害型、下方視野障害型)に基づく分類を実施した。ただし、視野障害が進行している場合には大部分が暗点しているために、視野障害の起点の判別がかなり困難であった。従って、このような症例については過去のカルテを可能な限りさかのぼって判定することを試みた。また、判別が不明瞭な場合には当院における緑内障専門医3名にて視野障害のパターンを協議し決定したが、判定不能とせざるを得ない症例も存在した。また、上方視野障害型、中心視野障害型、下方視野障害型のいずれかの障害型を左右で別々に持つ症例もあり、今後GWASを実施していくにあたり群分けの方法を検討していく必要がある。既にアフィメトリクス1000Kチップの全ゲノムのジェノタイプデータを取得している広義原発開放隅角緑内障(正常眼圧緑内障を含む)の1100症例について、昨年度は視野障害パターンを決定している。本年度はそれらの視野障害パターン別の全ゲノム解析の実施を行い、視野障害パターンを規定するバリアントの同定を試みた。1100症例の中には視野障害パターンを判別することが難しい症例も含まれているため、片眼の視野パターン判定が不明なものを除外した。両眼とも視野障害パターンが中心視野障害型を示した症例は28例であったが、症例数が少ないために解析から除外した。両眼の視野障害型が判別でき、少なくとも片眼の視野障害型が上方障害型、または下方障害型を示した635例を今回の解析対象とした。解析パターン1として、「下方障害型を優先し、左右眼で視野障害型のパターンが異なった場合は下方障害型と分類して解析」、またパターン2として「左右眼で視野障害型が異なっているものは解析から除外して解析」と規定した。パターン1の解析対象は635例(上方障害型331例、下方障害型304例、男女比1.1、平均年齢61.3±13.8歳)パターン2の解析対象は515例(上方障害型327例、下方障害型188例、男女比1.2、平均年齢61.3±14.0歳)であった。しかしながらボンフェローニ補正を超える有意なバリアントは同定することができなかった。視野障害パターン別の全ゲノム解析を実施できた。しかしながらボンフェローニを超える有意なバリアントは同定できなかった。昨年度に行った全ゲノム解析では、視野障害型別(上方視野障害型、下方視野障害型、中心視野障害型)においてボンヘローニを超える有意な視野障害別のバリアントを同定できなかったことから再現性取得実験に至ることができなかった。視野障害は初期は一部分から障害が始まるが進行すれば広い範囲で視野障害が出現するため、正確には視野障害型を判定できなくなる。前年度行った解析には様々な視野異常の程度の症例が含まれているため、フェノタイプが純粋に分類できていないためバリアントが同定できなかった可能性がある。視野障害型の真のバリアントを同定するためには、早期から中期までの視野障害の症例を対象としてフェノタイプを分けて同定すべきであると考えた。今後は視野異常が初期から中期までの症例を対象として新規に全ゲノム解析を行っていく必要があると考えた。今年度はそれらの解析に向けて新規症例を継続してサンプルを集め、DNAを抽出・保存を行った。今年度の収集サンプルは狭義原発開放隅角緑内障54例、正常眼圧緑内障113例となった。全ゲノム解析を行っていない新規症例は現在狭義原発開放隅角緑内障423例(男女比238:185、平均年齢64.9±13.4歳)、正常眼圧緑内障929例(男女比323:606、平均年齢61.3±13.9歳)が蓄積された。今後全ての症例の中から初期から中期までの視野障害のある症例に対し、視野障害型が明確な症例を選定し同様の解析を行っていく。

判別不能と症例数の少なかった中心型を除外し、両眼の上下の視野障害型が判別出来た症例が635例であった。1)635例において両眼で視野障害型が異なる場合は下方型として解析、2)515例で両眼が同じ視野障害型のみ、の2つで視野障害型別に全ゲノム解析を行った。しかしながら視野障害別に有意なバリアントは同定できなかった。今後はプロスペクティブに初期から中期までの視野障害型の判別を行うことで真の視野障害型に関わるバリアントの同定が可能と考え、1000例を超える新規症例を蓄積した。1.新規検体の収集および緑内障視野障害パターン解析(池田・森・上野・木下が担当)本年度はジェノタイプデータを有する1,070例の広義POAG(原発開放隅角緑内障および正常眼圧緑内障)の視野障害パターンを決定した。また引き続き再現性取得実験用の症例収集およびそれらの症例の視野障害パターンの判定を行っている。本年度実施した判定の結果、右眼の場合、原発開放隅角緑内障では上方視野障害型、中心視野障害型、下方視野障害型、不明、正常型はそれぞれ144、36、78、177、11眼、正常眼圧緑内障ではそれぞれ210、29、98、258、29眼であった。左眼については、原発開放隅角緑内障では127、35、110、160、14眼、正常眼圧緑内障については172、43、128、252、29眼であった。また、来年度以降に実施予定のGWASの再現性取得実験に必要なPOAGおよび正常眼圧緑内障の新規症例を確保するため、本研究に対してのインフォームドコンセントによる同意を得られた症例については採血を実施する。血液は匿名化管理室にて匿名化した後にゲノム医科学部門においてゲノムDNAの抽出及び保存を行っている。視野が進行している場合はどのタイプの視野障害パターンの判別かかなり困難である。過去カルテがたどれる症例についてはできうる限りさかのぼって、どの部分から障害されたかの判別を行った。また判定困難な場合は当院における緑内障専門医3名にて視野障害パターンを判別した。どうしても判別できないものは判定不能とせざるを得ない場合もあった。また1症例について上方視野障害型、中心視野障害型、下方視野障害型のいずれかの障害型を左右で別々に持つ症例もあり、その場合の視野障害型の場合分けが二つとなってしまい、最終的にどちらに分類するのかが難しく、検討を要する。今年度は今回の全ゲノム解析で有意なバリアントの同定を行うことができなかった。視野障害が中期を超えてくると視野障害の範囲が広範囲となってくるため、視野障害パターン以外に視野の病期を決定し、中期までの視野障害を示す症例に限定し、視野障害パターンが明瞭に判別できる症例に限って全ゲノム解析を行い、再現性取得実験を行っていく。眼科緑内障本年度は、広義POAG(正常眼圧緑内障を含む)の視野障害パターン別のGWASの実施に向けて、総計1,070症例の左右眼について視野障害パターン(上方視野障害型、中心視野障害型、下方視野障害型)を決定した。次年度以降、本年度決定した群分け情報に基づきGWASを行い、視野障害パターンを規定するバリアントの同定を試みる。
核破砕中性子源に用いられる重元素の核工学的研究

1)核破砕中性子源に用いられる重元素である鉛、ビスマス、酸化水銀標的に12GeV陽子を照射し、試料内に生成した放射性核種の放射能をGe検出器でガンマ線を測定することにより求めた。放射能、試料の厚さ及び照射陽子数から生成断面積を求め、これまで得られたデータ(金標的重元素等)と比較を行った。また、宇宙物理学等で用いられている断面積の半経験式との比較も行った。2)核破砕反応の特徴として、入射エネルギーが数GeVを超えると軽い核種の生成量が著しくなる。そのため、放射線管理上重要である炭素-14の測定方法を確立した。3)高エネルギー加速器研究機構の500MeVシンクロトロンと12GeVシンクロトロン施設において、放射化検出器と各種線量計を用いて加速器室内の放射線分布を測定した。放射化量に関係する中性子束密度は、Al,Co等の放射化検出器を用いて測定し、ビームライン周辺及び室内での放射線量の分布を求めた。今年度に行った研究内容を以下に示す。1)高エネルギー加速器研究機構の500MeVシンクロトロンと12GeVシンクロトロン施設において、放射化検出器と各種線量計を用いて加速器室内の放射線分布を測定した。放射化量に関係する中性子束密度は、Al, Co等の放射化検出器を用いて測定し、ビームライン周辺及び室内での放射線量の分布を求めた。2)加速器室内で放射化検出器と共に様々な試料を照射し、照射試料及び放射化検出器のγ線測定を行った。現在、測定とデータ解析を継続して行っている。3)γ線測定により照射試料中の放射能を求めた。結果の一部は、学会等において報告を行った。陽子加速器を用いた大強度中性子源の建設が国内及び欧米各国で進められている。これらの計画で用いられる高エネルギー核破砕中性子源のターゲットとしては、効率的な熱除去の観点から使用時に液体であるPb/BiやHgが考えられている。しかし、重元素の高エネルギー陽子による生成核断面積の測定値は、現在ほとんどない。この様な背景から高エネルギー加速器研究機構の陽子加速器施設を用いて以下のような様々な核工学的データを得た。1)核破砕中性子源に用いられる重元素である鉛、ビスマス、酸化水銀標的に12GeV陽子を照射しGe検出器でガンマ線を測定することにより、標的核中に生成した放射性核種の放射能を求めた。放射能、試料の厚さ及び照射陽子数から生成断面積を求めた。これまで得られていた同じ重元素である金標的のデータや他の入射エネルギーについて比較検討を行った。また。宇宙物理学等で用いられている半経験式から得られる生成断面積との比較も行った。2)放射線管理上重要である炭素-14の測定方法を確立した。炭素-14などの軽い核種の生成量は、入射エネルギーが数GeVを超えると著しく増加するため重要である。この反応はフラグメンテーション反応と呼ばれ、生成断面積を求めることは反応機構を解明する上で有益となる。3)陽子加速器施設の2台のシンクロトロン(500MeVと12GeV)において、放射化検出器と各種線量計を用いて加速器室内のガンマ線と中性子などの放射線分布を測定した。放射化量に関係する中性子束密度は、Al,Co等の放射化検出器を用いて測定した。
ポジトロニウムを用いたガラス構内のナノボイドおよび中距離構造の解明

本研究では、ガラス構造の主要物性で重要な役割を果たすと言われている中距離規則構造とその揺らぎであるナノボイド(空隙)を、ナノボイドに局在するポジトロニウム(Ps:電子と陽電子の水素様束縛状態)を用いて調べた。Psは中性の軽粒子であり、ガラス中ではナノボイドを自ら探し出し(自己探索)、そこに局在し、そこの空間的拡がり、ナノボイド周囲化学元素の情報を選択的に伝えてくれるという特徴を持つ。そこで、SiO_2を主成分とする各種2成分系モデルガラスを製作し、ナノボイド中に形成したPsの運動量分布、寿命からナノボイドの寸法について系統的に調べた。即ち、パラPs(p-Ps)の運動量分布から不確定性原理を用いる方法と、オルソPs(o-Ps)のピックオフ消滅寿命から、高分子中の自由体積解析に使われているTao-Eldrup模型を用いる方法の両方から、各種ガラス中のナノボイドの平均半径の化学組成依存性を求めた。全く独立した手法による両者の解析結果はコンシステントであり、ガラス網目形成体であるB_2O_3、GeO_2を添加したガラス中のナノボイド平均半径は2成分ガラスのモル濃度比に比例して変化した。一方、網目修飾体であるLi_2O、Na_2O、K_2Oを添加したR_2O-SiO_2ガラス(R=Li,Na,K)では、R_2Oモル濃度が増加すると、平均半径が急激に減少した。これは、網目修飾体を含む場合には、SiO_4四面体が作るガラス網目のナノボイドに網目修飾体のRイオンが入り込む構造を取るためである。これらの結果は、Zachariasen-Warrenガラス構造模型の空隙を直接かつ系統的に観測した結果である。さらに実験結果は、Rイオンは大きなナノボイドから優先的入り込むことを示している。これらの結果は今問題となっている放射性廃棄物ガラス固化体の安定性を評価する上で重要なものではないかと考えている。従来のガラス構造の研究は、X線や中性子回折、EXAFSなどによる短距離構造(原子間距離や配位数など)に関するものが大部分である。しかしながら、基本構造単位(例えば、SiO_2ガラスではSiO_4)が連結して構成する中距離構造については、上記の実験方法やラマン散乱などの実験研究も行われているものの、十分な解明がなされているとは言い難い。本研究では、中距離構造およびその揺らぎによるナノボイドに注目し、その解析方法として、ナノボイドに局在するポジトロニウム(Ps:陽電子と電子の水素状束縛状態)を用いる方法を新たに開発しようとする。そこで、ナノボイド中に形成したPsの運動量分布、寿命などの陽電子消滅特性と対応する第一原理計算の詳細な比較検討により、ナノボイドの寸法、ナノボイドをもたらすような中距離構造の詳細を明らかにする。我々は、先ずSiO_2結晶(水晶)中のPsについて、非局在(Bloch)状態にあるPsの運動量分布(2次元角相関)の実験と理論についての比較を行い、驚くべき一致を見るに至った(Phy.Rev.Lett.投稿中)。

さらにこの手法を発展させてガラス中のPs(水晶とは異なりナノボイドに局在)について、構造およびPs状態について実験および第一原理計算研究を行っている。具体的には、数1000個程度の原子からなるスーパーセル・ガラス構造を計算機上に構築し、Order-N法や平面波法第一原理計算によって、ガラス構造の最適化、揺らぎ構造を調べる。次いでナノボイド中のPsの運動量分布、陽電子寿命の実験と計算の詳細な比較・検討を行っている。本研究では、ガラス構造の主要物性で重要な役割を果たすと言われている中距離規則構造とその揺らぎであるナノボイド(空隙)を、ナノボイドに局在するポジトロニウム(Ps:電子と陽電子の水素様束縛状態)を用いて調べた。Psは中性の軽粒子であり、ガラス中ではナノボイドを自ら探し出し(自己探索)、そこに局在し、そこの空間的拡がり、ナノボイド周囲化学元素の情報を選択的に伝えてくれるという特徴を持つ。そこで、SiO_2を主成分とする各種2成分系モデルガラスを製作し、ナノボイド中に形成したPsの運動量分布、寿命からナノボイドの寸法について系統的に調べた。即ち、パラPs(p-Ps)の運動量分布から不確定性原理を用いる方法と、オルソPs(o-Ps)のピックオフ消滅寿命から、高分子中の自由体積解析に使われているTao-Eldrup模型を用いる方法の両方から、各種ガラス中のナノボイドの平均半径の化学組成依存性を求めた。全く独立した手法による両者の解析結果はコンシステントであり、ガラス網目形成体であるB_2O_3、GeO_2を添加したガラス中のナノボイド平均半径は2成分ガラスのモル濃度比に比例して変化した。一方、網目修飾体であるLi_2O、Na_2O、K_2Oを添加したR_2O-SiO_2ガラス(R=Li,Na,K)では、R_2Oモル濃度が増加すると、平均半径が急激に減少した。これは、網目修飾体を含む場合には、SiO_4四面体が作るガラス網目のナノボイドに網目修飾体のRイオンが入り込む構造を取るためである。これらの結果は、Zachariasen-Warrenガラス構造模型の空隙を直接かつ系統的に観測した結果である。さらに実験結果は、Rイオンは大きなナノボイドから優先的入り込むことを示している。これらの結果は今問題となっている放射性廃棄物ガラス固化体の安定性を評価する上で重要なものではないかと考えている。