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ＡＴＰのエネルギー総括研究

10月末に徳島で開催された日本生物物理学会年会では領域運営会議を開催し、3月に開催する国際公開シンポジウムの開催方針について議論した。11月には日本生体エネルギー研究会において、本領域研究の紹介をかねて領域代表の鈴木がATP関連物質の水和について講演をおこなった。1月には、ドイツでの国際ワークショップに鈴木と松林が招待され、日本での分子エネルギー論の現状を紹介する機会を持った。また、1月末に中性子構造生物学研究会との共催シンポジウムを開催、3月には、ドイツ、フランス、米国から関連分野の研究者を招いて国際公開シンポジウムを開催し、本領域研究の研究紹介とともに、専門的な討論を深めることができた。また3月の日本物理学会岡山年会ではATPエネルギー関連シンポジウムを開催した。情報交換および広報活動として、ホームページの随時更新と各研究会、国際ミニワークショップ、領域全体会議、国際公開シンポジウムの開催報告を掲載し、領域内メンバーへのレジメ等の有用情報および新たな掲載論文の提供を行うとともに、一般への領域研究状況のニュースも流している。「ATPのエネルギーとは何か?」この課題に計画研究と公募研究を有機的連携を図るため、有効な情報交流の場の提供と研究資金の提供を通じて、問題解決に効率的に取り組めるよう支援する。今年度、計画研究メンバーに関連する公募研究の視察や具体的連携を進めた。計画班員が主力となって公募研究も含めて情報交換や連携・共同研究推進をはかった。その過程に博士研究員の複数アドバイザも含めるなど、計画研究と公募研究をあわせて、バーチャルラボとして運営を行った。また、研究会開催と、外部委員を含めた自己評価(7月)を実施した。その結果を踏まえ、後期の計画調整と公募採択の方向を定めた。また、Webを通じて引き続き成果を公開・発信し、目標実現に向けて活動を行った。1)計画研究班長+総括班顧問による運営会議を開催し、今年度の活動計画と自己評価の実施方法を決めた。参画研究者の研究状況の把握のために領域研究中間報告書を作成した。内部評価のため外部評価者にこの領域研究中間報告書をもとに評価をお願いした。2)国際シンポジウムを3月に企画したが東日本大地震で被災したため急遽中止となり、替わりに23年8月に領域全体会議を開催し研究者間の交流を進めた。方法論の基礎からの最新成果まで含めた議論を行い、研究支援の必要性の情報収集の場とした。多数の共同研究が進んでいることが報告された。4)広報活動:領域研究の内容を紹介するホームページを継続的に拡充更新した。研究の目的:本領域は、生命系存続の環境母体である「水」を主役とした新しいエネルギー論の分子的基盤、ATP加水分解にともなう大きな自由エネルギー変化の起源に関する分子論構築を目指し、既存の概念にとらわれない学際的研究領域を新たに開拓する。このためには、異なる分野の「融合」による新たな方法論の展開と次世代育成が不可欠である。
明治期の大学紀要図版に関する研究

本研究は、明治期の東京大学紀要に掲載された「図版」を対象に、学術論文に添えられた図版の表現傾向を分析、明治期の学術成果公表における図版の重要性を指摘するものである。主な対象は、1877年に創立した東京大学がその初期に出版した4種類の大学紀要『メモワール』『理科会粋』『帝国大学紀要医科』『帝国大学紀要理科』の図版である。当該紀要に載る図版は、論文筆者や大学雇い画工の手により細密に原画が描かれ、高い印刷技術によって仕上げられている。明治期の東京大学による学術成果の国内外発信においては、論文の重要性に加えて、研究の内容を視覚的に伝える図版も重要な役割を担っていたと考えられる。
非正社員に対する均等待遇の法的根拠・意義と射程-EUとイタリアから

差別禁止規制は、差別事由の一般化、すなわち一般的な平等取扱いを要請する均等待遇原則を根拠づけるのが難しい法的構成であろう。強力な介入を予定してきた差別禁止規制は、その分適用範囲を容易に拡げられないからである。これに対して、組織的規制は均等待遇原則を根拠づける法的根拠になりうるものである。同一組織に所属する者同士が一定の条件下において平等な取扱いをもとめられることはありうるからである。とはいえ、その組織規制を根拠とする均等待遇原則の射程はそれほど広くはないだろう。初年度は、イタリアの非正社員に関する立法を考察するための準備作業(資料の収集・分析)およびパートタイム労働法における『均等待遇』および『均衡処遇』の分析に焦点をあてて研究活動をおこなった。EUの間接性差別については、既存の邦語文献にあたり、検討のための視角を得た。その結果、イタリアの非正社員に関する立法については、戦後イタリア労働法規制の中心を成していた集団的労使自治、すなわち、産業別の全国労働協約を通じた労働条件規制と深い関連をもっている可能性があることが判明している。また、パートタイム労働法における『均等待遇』と『均衡処遇』については、現時点では、学説からの理論的な分析はそれほどなされておらず、検討の余地の大きいことが判明した。従来の均等待遇原則をめぐる議論との接続も分析対象とするため、これらの議論を包括的に整理する作業をおこなっている。その成果については、平成23年1月の労働法・第3期文献研究会で報告をしており、平成23年の秋ごろには季刊労働法誌において論稿が掲載される予定である。間接性差別の分析については、既存の研究が、間接性差別の法理としての特徴を判例の集積から帰納的に分析するものであり、労働関係における私的自治との関連を強く意識するものはなかったことが判明した。間接性差別の法理については、この角度から再度検討する必要があることから、現在はその作業をおこなっている。初年度の成果を踏まえて、パートタイム労働法における『均等待遇』『均等処遇』の分析に焦点を当てて研究活動をおこなった。EUの間接性差別については、当初の研究計画どおり、欧州司法裁判所の裁判例の分析をすすめており、一定の結論が得られる直前にあるといえる。初年度の研究では、イタリアの非正社員に関する立法は、戦後イタリア労働法規制の中心的な手段であった集団的自治すなわち、産業別の全国労働協約を通じた労働条件規制のあり方と深い関連をもっている可能性があることが看取されている。そのため、今年度は、イタリアの戦後労働法規制を形作ってきた集団自治の有り様に関して、集団的自治と極めて密接な関係をもつ集団的労使紛争の処理制度のあり方の検討を通じて分析をおこなってきた。その成果は、季刊労働法誌の論文に結実している。集団的労使自治については、イタリアの雇用平等に関する議論、特に女性の差別禁止に関する議論と均等待遇の議論とも関連するものであるため、当初の計画に加えて、特に第二次世界大戦後のイタリア憲法制定後の憲法の平等規定をめぐる議論の変遷に焦点をあてつつ、その点も考察している。この点については、近いうちに研究成果を論文の形で公表するつもりである。また、初年度に得られたパートタイム労働法における『均等待遇』と『均衡処遇』に関する現在の理論の到達点および問題点についても、季刊労働法誌の論文として公表して世に問うている。2年間の成果を踏まえて、EUの間接性差別に関する分析およびパートタイム労働法における『均等待遇』『均等処遇』の分析に焦点を当てて研究活動をおこなった。EUの間接性差別関連の裁判例においては、当初より非正社員、そのなかでもパートタイム労働であることを理由とした差別的取扱いが問題とされてきた。そこでは、なにをもって間接性差別と認定するのかについては判例の基準は変遷をみせているものの、概ねパートタイム労働に対する差別的取扱いがすなわち間接性差別と認定されている。この事実については、パートタイム労働差別ならばそれは間接性差別であると評価されるとしても、それはやはり性差別として禁止されていると評価するべきなのか、あるいは間接性差別という形をとってはいるものの性差別としての機能は果たしておらず、性差別としての外観をとりながらも実質にはパートタイム労働差別を禁止する一種の「判例法」を作り上げたと評価するべきなのかという問題が浮かび上がってくる。この点を明らかにするためには、立法と判例を含めたEUの性差別規制全般を概観しつつ、具体的な事案における立法または判例によるルールおよびパートタイム労働に関するルールと、間接性差別の場合とのルールを比較する必要がある。一方、イタリアの議論からは、均等待遇原則を根拠づけるうえでは組織規制と差別禁止による規制の二種類がありうること、イタリアでは組織規制による正当化の試みがなされたがそれがうまくはいかなかったこと。それは、集団的自治という別の方策による解決が可能であったこと、組織規制はファシズムを想起させるものとして忌避感が強かったことが原因であることがわかった。EUの間接性差別に関する裁判例の分析については、成果の発表という点でやや遅れているものの計画通りの研究にほとんど支障がない程度にとどまっている。

当初の計画通りの研究を進め、その成果の一部については論文で公表できており、おおむね順調な研究の進捗状況だと判断する。24年度が最終年度であるため、記入しない。これまで研究も順調にすすんでおり、成果の一部もすでに公表しているほどであることから、とくに従来と研究方法を変更する必要はないと考えている。裁判例の分析やイタリアの議論の分析を丹念にすすめていく。
NKT細胞による免疫制御法の開発

現在、様々な病態においてNKT細胞が注目を集めている。抗腫瘍免疫の領域においては、NKT細胞の特異的活性化物質である糖脂質の一種、α-galactosylceramide(α-GalCer)を投与することによって、マウスにおいて、癌の転移を強力に抑制することが報告されている。このことは、臨床における癌治療のひとつの選択肢となりうると考えられ期待されている。しかし、担癌患者においては、α-GalCerに対するNKT細胞の反応が低下しており、ただ単にα-GalCerを投与することだけでは思ったような効果が得られないのではないかということを我々は報告してきた。今回我々は、担癌宿主におけるNKT細胞のα-GalCerに対する低反応性の原因を追求するために、担癌マウスモデルを用いて研究を行った。ヒトと同様に担癌マウスにおいてもNKT細胞のα-GalCerに対する低反応性(増殖能、細胞障害活性、サイトカイン産生能)は認められた。また、予想されたように、担癌マウスでは、α-GalCerの投与によって悪性細胞の転移を抑制することができなかった。この現象の原因の一つとして抗原提示細胞の機能異常があることがわかった。抗原提示細胞においてα-GalCerが提示されるCD1d分子の発現の低下及び、CD40分子の発現低下が認められた。さらに、(1)担癌マウスにおいてMac1^+/Gr1^+細胞が有意に増加しており、このpopulationがNKT hyporesponseに関与していること。(2)NKT hyporesponseがiNOS inhibitor (L-NMMA)によって回復させることが可能なこと。を実験的に証明することができた。現在、PNASに投稿中である。さらに、C型肝炎、肝硬変において肝細胞表面にCD1 d分子の発現が増加していることを見出した。特に肝硬変の状態が進行するとCD1 d分子の発現は増強しており、CD1 d分子上の抗原を認識するNKT細胞がC型肝炎ウィルスの感染から肝炎、肝硬変に病態が進行する過程で何らかの役割を担っているのではないかと考えている。更なる研究を進め、わが国に多いC型肝炎の診断、治療に役立てるようにしたいと考えている。また、予想されたように、担癌マウスでは、α-GalCerの投与によらて悪性細胞の転移を抑制することができなかった。(2)NKT hyporesponseがiNOS inhibitor(L-NMMA)によって回復させることが可能なこと。現在、論文執筆中である。われわれは今までにNKT細胞が担癌宿主においてCD1d/a-GalCerに対する反応性が低下していること、その原因は抗原提示側の機能不全であり、NO(一酸化窒素)が関与していることを発見した(論文投稿中)。現在は肝臓とNKT細胞による免疫反応に注目して研究を行っている。肝臓を場とした免疫応答は種々の肝障害における病態の形成や原発性肝癌・転移性肝癌の発生に重要な役割を持っていると考えられる。特に、肝炎ウィルスに感染した肝細胞が慢性肝炎から肝硬変、肝細胞癌に発展する過程におけるNKT細胞の役割について注目してみると、興味深い。つまり、肝臓に大量に存在するNKT細胞(正確にはCD1d拘束性T細胞)などの主に先天免疫に関与する細胞が肝炎ウィルスに感染した肝細胞と反応するとTh1型サイトカインを産生することが現在報告されている。われわれはさらにウィルス感染肝細胞の細胞表面のCD1d発現レベル、およびNKT細胞から産生されるサイトカインの変化と肝硬変、肝細胞癌への進展の関係について人のサンプルを用いて検討している。現時点での仮説として、はじめTh1型サイトカイン産生に傾いているNKT細胞によって肝細胞は慢性肝炎の状態となっているが、NKT細胞が徐々にTh2型サイトカインを産生することによって肝細胞の線維化が進展し肝細胞癌発生の母地となっているのではないかと考えており、それを示唆するデーターが出てきている。このような解析を通じて、肝障害や腫瘍発生の免疫学的な制御法の開発について更なる検討を進める予定である。

抗腫瘍免疫の領域においては、NKT細胞の特異的活性化物質である糖脂質の一種、α-galactosylceramide(α-GalCer)を投与することによって、マウスにおいて、癌の転移を強力に抑制することが報告されている。このことは、臨床における癌治療のひとつの選択肢となりうると考えられ期待されている。しかし、担癌患者においては、α-GalCerに対するNKT細胞の反応が低下しており、ただ単にα-GalCerを投与することだけでは思ったような効果が得られないのではないかということを我々は報告してきた。今回我々は、担癌宿主におけるNKT細胞のα-GalCerに対する低反応性の原因を追求するために、担癌マウスモデルを用いて研究を行った。ヒトと同様に担癌マウスにおいてもNKT細胞のα-GalCerに対する低反応性(増殖能、細胞障害活性、サイトカイン産生能)は認められた。また、予想されたように、担癌マウスでは、α-GalCerの投与によって悪性細胞の転移を抑制することができなかった。この現象の原因の一つとして抗原提示細胞の機能異常があることがわかった。抗原提示細胞においてα-GalCerが提示されるCD1d分子の発現の低下及び、CD40分子の発現低下が認められた。さらに、(1)担癌マウスにおいてMac1^+/Gr1^+細胞が有意に増加しており、このpopulationがNKT hyporesponseに関与していること。(2)NKT hyporesponseがiNOS inhibitor (L-NMMA)によって回復させることが可能なこと。を実験的に証明することができた。現在、PNASに投稿中である。さらに、C型肝炎、肝硬変において肝細胞表面にCD1 d分子の発現が増加していることを見出した。特に肝硬変の状態が進行するとCD1 d分子の発現は増強しており、CD1 d分子上の抗原を認識するNKT細胞がC型肝炎ウィルスの感染から肝炎、肝硬変に病態が進行する過程で何らかの役割を担っているのではないかと考えている。更なる研究を進め、わが国に多いC型肝炎の診断、治療に役立てるようにしたいと考えている。
新しい網膜血管イメージング・バイオマーカーを応用した循環器疾患の発症予測

背景:網膜血管系は生体下で唯一直接血管を観察できる「窓」であり、高血圧や細動脈硬化の評価は循環器検診で用いられてきた。従来の方法では再現性が低く、定量的な新しい網膜血管解析法が望まれていた。目的:より精度の高い循環器疾患のイメージング・バイオマーカーとして改めて網膜血管の定量的評価指標が持つ意義を評価した。結果:網膜血管性疾患の存在は有意に脳卒中のイベント発症の危険が高く、また、網膜血管径は喫煙者における呼吸機能悪化につながる喫煙感受性の他、微量アルブミン尿、インスリン抵抗性など循環器危険因子と密接な関連があることが明らかとなった。本研究に関する平成25年度の研究実績として、(1)舟形研究のデータベース作成、(2)高畠研究のデータベース作成、(3)網膜画像解析システムの設置導入と判定員の養成を行った。(1)舟形研究のデータベース作成:過去に収集した舟形町検診データおよび研究データから、眼底写真に関する資料と初回、5年目、10年目のデータの照合を行った。眼底写真は網膜画像解析システムによる解析のために整理し、来年度以降の研究に備えた。(2)高畠研究のデータベース作成:高畠研究の眼底写真を研究データと照合した。また、予定よりも早く解析準備が整った研究データについては解析を行い、学会発表および論文作成を行った。(3)網膜画像解析システムの導入:今回の研究で使用する画像解析システムの使用法についてメルボルン大学において使用法の講習を受けた。その後、使用に関する認定を受け、来年度に向けて解析準備が整った。平成26年度は当初の研究計画に従い、新しい網膜血管解析法を用いた画像解析を行った。網膜血管径の測定は終了し、現在、網膜血管の幾何学的特徴を定量的に評価する解析法を用いた血管蛇行度、血管分岐パターン・フラクタル次元等の指標を定量化が進行中である。また、加齢黄斑変性や近視性網膜症などの判定も終了した。舟形町研究では循環器死亡の資料も収集した。来年度の統計解析に進むべく、データクリーニング、データチェックの段階にある。計画はおおむね順調に進行し、一部は解析、発表、論文化にすすむなど計画以上に順調に進んでいる。(1)食事栄養調査を用いた解析:山形県コホート研究(高畠)において食生活における地域性を考慮して主な「食パターン」を明らかにした。うち「アルコール摂取型」においては収縮期血圧が高いなどの傾向が認められた(P for trend <0.05)。さらに6年間でのBMI変化量に関わる因子として高感度C反応性蛋白(hsCRP)(p=0.027)が認められ、BMI<25 kg/m2未満の者、過去喫煙者、心臓病既往および高脂血症既往者で特に関連が強かった。(2)網膜動脈血管形態指標と循環器関連アウトカムの関連:山形県コホート研究(高畠)において網膜血管径と微量アルブミン尿の発症を縦断的に解析した。網膜血管径は半自動式網膜血管径測定ソフトウェアを用いて算出し、微量アルブミン尿は尿中アルブミン・クレアチニン比(UACR)&#8805;30mg/gとした。微量アルブミン尿累積発症に年齢、HbA1c高値、血清ホモシステイン高値、網膜細動脈狭細が関連していた。また、尿中アルブミン排出の増加がさらに将来の高血圧発症の危険との関連があることも明らかとなり、UACR <5mg/g者に比べて、UACR 10-29mg/g者では7年累積高血圧発症が2倍以上であった(調整オッズ比2.15,95%信頼区間1.36-5.38)。(3)網膜形態変化と死亡の関連:山形県舟形町研究において、網膜血管形態変化と死亡の関連について解析を行った。網膜血管径と死亡の間には有意な関連が確認されなかった。一方、網膜動脈閉塞症、滲出型加齢黄斑変性を有する者では有意に脳卒中のイベント発症の危険が高かった。加齢黄斑変性の前駆病変を有する者で有意に脳卒中、心筋梗塞のイベント及び循環器関連死亡の頻度が高かったが、調整すると統計学的な有意差には至らなかった。当初の計画案に従い、眼底画像解析は計画通り進行している。舟形町、高畠町研究のデータベース整備、統合が順調に進み、循環器死亡や腎臓関連指標、呼吸器官連指標が統合された。画像解析が順調に進行した部分について、高畠町研究データから学会発表、論文が発表され、計画以上に進展していると思われる。27年度が最終年度であるため、記入しない。疫学平成27年度は主に、得られた画像解析結果と臨床的アウトカムを統合したデータベースを作成し、統計解析を行う予定である。

舟形町研究では循環器疾患死亡との関連を、高畠町研究では腎関連指標、呼吸器官連指標との関連を解析する予定である。また、副次的に、高畠町研究、舟形町研究の眼底写真における眼病変の経時的変化についても評価し、それがその後の疾患アウトカムとどのように関連するかについても拡大して解析したいと考えている。予定では舟形研究、高畠研究のデータベース整理、作成と網膜画像解析システムの準備と考えていたが、特に高畠研究についてはデータベース作成が予定以上に進展し、複数の学会発表と論文作成を行うことができた。舟形研究、網膜画像解析システムの準備については予定道理進行した。27年度が最終年度であるため、記入しない。一部の眼底写真解析や情報収集に遅れが生じ、予定していた検査補助員の雇用が行われなかった。平成26年度は予定通り、整備したデータベースを用い解析を進めるとともに、眼底画像解析を行う。遅延した計画分は平成26年度末から取り戻しつつあり、平成27年度に遅延分についても合わせて行うために使用する予定である。舟形研究、高畠研究のデータベース整理作成、眼底写真判定作業において、作業にふさわしい事務作業員、研究支援者の雇用が遅れたため人件費が予定を下回った。平成26年度以降の眼底画像解析を推進するために複数の事務作業員、研究支援者の雇用をすすめ、計画を推進する予定でありそれの費用として使用する予定である。
新規キラル有機ヨウ素(III)反応剤の開発とフェノール類の高度分子変換

超原子価ヨウ素反応剤は、緩和な条件下で多様な反応性を示す優れた酸化剤として、天然物などの複雑な化合物の合成に利用されているが、その不斉酸化反応への応用の実現は難しく、概して不斉収率が低かった。このような背景下、最近我々は、スピロビインダン骨格を有する新規キラルヨウ素反応剤を独自に設計・合成し、これを用いたナフトール類の分子内不斉酸化反応に成功している。本不斉酸化反応では、興味深い生物活性を示す天然物に多く存在する光学活性なスピロラクトン骨格が得られるため、合成的に有用な反応である。本反応は量論反応であるが、触媒量のヨードアレーンを用いた場合もほぼ同様の化学収率が達成できることも見出している。しかしながら、立体選択性に関しては改善の余地が残されていた。そこで、本研究代表者は、本反応を天然物の鍵骨格の不斉合成に応用することを目指し、本年度は、開発したキラルヨウ素反応剤の立体選択性の向上のため、さまざまな光学活性ヨードアレーンの探索を行った。多様なスピロ骨格を有するキラル反応剤を合成することに成功し、その反応性と不斉誘起能の確認を行った。この結果、キラル反応剤の反応性と不斉誘起能に大きく影響する部位についての新たな知見を得ることができた。さらに、最適化したキラル反応剤を用い基質一般性について検討した。また、より実用的な触媒系の構築を目指し、詳細な検討を行ったところ、我々のキラル反応剤のユニークな架橋構造が高い触媒活性の発現に重要であるということがわかった。本年度は、重金属酸化剤と同様の反応性を示し、かつ毒性が低く取扱いやすい緩和な酸化剤である超原子価ヨウ素反応剤を利用した水中反応の開発およびキラルなヨウ素反応剤の開発研究を行った。1.水を溶媒として用いることは環境調和の観点から魅力的であるが、ヨウ素反応剤は水に対して溶解性が低く、反応性が著しく低下するため、可溶化と活性化が必要である。ヨウ素反応剤と臭化物塩との組み合わせにより調製できるヨウ素(III)-臭素結合を有する超原子価ヨウ素種を用い、水中合成を検討した。その結果、ラジカル的な反応性とイオン的な両方の反応性を示すことを明らかとし、フェノール誘導体のベンジル位メチレン部位の選択的酸化反応によるアリールケトン類の合成と、ラセミ化を起こさない有用なアルコール類の酸化反応を見出した。2.ヨウ素反応剤を用いた不斉反応の実現は以前から検討されているが、これまで良好な不斉収率を得た例は一つもなかった。スピロビインダン骨格を有するキラル反応剤を新たに開発し、フェノール類の酸化が比較的良好な不斉収率で進行することを見出した。また、本不斉反応のエナンチオ選択性と用いる溶媒の極性との強い相関関係を見出し、フェノール類の酸化反応における協奏的な反応機構の存在を明らかとした。近年、超原子価ヨウ素反応剤は、緩和な条件下で多様な反応性を示す優れた酸化剤として、天然物などの複雑な化合物の合成に利用されているが、その不斉酸化反応への応用の実現は難しく、概して不斉収率が低かった。本反応は量論反応であるが、触媒量のヨードアレーンを用いた場合もほぼ同程度の化学収率と不斉収率が達成できることも見出している。しかしながら、詳細な触媒系の検討はこれまで行っていなかった。そこで、本研究代表者は、本反応を天然物の鍵骨格の不斉合成に応用することを目指し、本年度は、開発したキラルヨウ素反応剤の立体選択性と触媒能の向上のため、さまざまな光学活性ヨードアレーンの探索を行った。多種多様なスピロ骨格を有するキラル反応剤を合成することに成功し、その反応性と不斉誘起能の確認を行った。

多様なスピロ骨格を有するキラル反応剤を合成することに成功し、その反応性と不斉誘起能の確認を行った。この結果、キラル反応剤の反応性と不斉誘起能に大きく影響する部位についての新たな知見を得ることができた。さらに、最適化したキラル反応剤を用い基質一般性について検討した。また、より実用的な触媒系の構築を目指し、詳細な検討を行ったところ、我々のキラル反応剤のユニークな架橋構造が高い触媒活性の発現に重要であるということがわかった。
体外に取り出したゼブラフィッシュ全脳の長期培養法の開発・基礎的研究とその応用

今回、ゼブラフィッシュ脳の培養に成功したのは、厚さが0.5mmというその小さなサイズが最大の理由であろうと思われる。実際、この程度であればマウスの脳由来の切片でもかなり長期にわたり培養可能である事が分かっているので、よく考えれば驚くに当たらないのかもしれない。また、魚類の脳内には全体的に隙間が多く、神経細胞とグリアが密に詰まっている中を血管が縦横に走るという哺乳類に見られるような過密状態ではない。また、魚類は元々が、えら呼吸であるために絶対的な酸素要求量も少ない。このような魚類特有の幸運な事情があるにしても、全脳培養の系は今まで頭蓋骨にはばまれて出来なかった不可能に近いような夢を可能にならしめる画期的な技術の開発に成功した。脳の培養は可能であるが、未解明の点は2つある。第一は恐らく培養脳に充分な酸素が供給されていないということである。脳をニトロセルロース膜の上において、培地をひたしておいて培養するのであるが、このとき、たとえば液をかぶりすぎたりすると何故か脳は死ぬ。第二には神経細胞が出す未知の栄養因子が必要らしい、ということである。単離した神経細胞を培養しておいてその上清に放出されたものを利用している。ゼブラフィッシュのグリア細胞の細胞株で置きかえることを試みて部分的に成功している。また拡散チャンバーの中で酸素濃度を95%にまで上げてみた。酸素分圧の上昇により、脳はよりよい条件に置かれることになり、安定した長期生存につながることがわかった。やってみて分かった事であるが、培養脳の物質代謝は速く、数時間で培地が黄色く変わるほどである。このため頻繁な培地交換が必要であったが、チャンバーの利用は、酸素分圧の問題以外にも培地の交換の点でも効果的であると結論した。
台湾における恙虫病の調査ーわが国における本病多発と関連してー

昭和61年7月24日より昭和61年8月16日の間,台湾において恙虫病の疫学的調査を行った.すなわち,台北にある伝染病研究所で恙虫病の発生地域,発生数,治療,予後等の資料を集めると共に,患者血清の分与を受けた.一方,台湾膨湖諸島,台東県,屏東県において野鼠を捕獲し,肝・脾臓を凍結保存すると共に,ツツガムシ幼虫と野鼠恙虫病の疫学的調査を行った.これらの資料,血清,臓器,ダニは国内に持ち帰り,昭和62年貸に様々な検討を加えた.1.恙虫病発生状況:台湾では恙虫病の発生は年間100例内外あり,近年増加の傾向がみられた.発生は特に夏期に集中しており,日本の古典型恙虫病のそれに類似していた.患者の多くは現地農民および駐在軍人であり,若干の旅行者も感染を受けていた.発生地域は澎湖諸島,台東などであったが,特に澎湖諸島では,感染が人家や畑の周囲でおきていることが知られた.患者の予後は一般に良く,死亡率は極めて低いなど,日本の新型ツツガムシ病の病像に類似していた.2.患の血清の検討:現地で集められた患者血清の3種標準株リケッチア抗原に対する蛍光抗体法,免疫ペルオキシターゼ法による反応性は一般にGilliam株に対して強く,同様にKato株と反応するものも多く見られた.特にGilliam,kato両株に対して同毎度に強く反応する例が多く,概して3種準株に対する反応特異性に乏しいという結果を得た.このことは免疫ブロット法による分析でも裏付けられ,患者血清の多くは3種標準株リケッチアの株特抗原と考えられている65kバンドと一様に強く反応しした.患者血清の反応性が株特異性に欠ける理由のひとつとして,現地での病原リケッチアが既存の3種標準株のいずれにも属さない抗原タイプのリケッチアである可能性が考えられる.このことは,台湾の患者血清の多くがわが国で分離されている弱毒リケッチア株のShimokoshi株,Kawasaki株と強く反応しなかったことと合わせ,わが国の新型恙虫病と台湾など南方系の恙虫病との関連を考える上で興味深い.他方,患者血清のなかにはIgMクラスの抗体がほとんど検出されない例もあり,これは患者血清が発病後かなりの経過日数を経て採取されたものか,あるいは再感染型の血清である可能性を示している.このことが前述の株反応特異性の乏しさと関連していることも考えられ,台湾での病原リケッチアの型別については,更に分離リケッチアを用いての抗原分析が必要と考えられる.3.野鼠寄生ツツガムシの調査:上記3地域でジャコウネズミ31,ハツカネズミ8,シナコキバラネズミ4,オニネズミ15の計58頭を捕獲した.これらの鼠類から,7種のツツガムシ幼虫計7,395個体を採集した.鼠1個体当りの寄生数は平均127個体(最大1,586個体)であった.ツツガムシの種類別では,3地域ともLeptotrombidium(L.)delienseが優占種で90%以上を占めていた.他にはLeptotrombidium亜属のツツガムシ幼虫は検出されず,L.(L.)delienseが最近でも台湾の恙虫病の媒介者であることが示された. L.(L.)delienseの寄生部位はジャコウネズミでは大腿部と肛門周囲,他の鼠では耳介部が主であった.4.鼠臓器からのリケッチア分離とその性状:捕獲した58頭中,膨湖諸島のハツカネズミ3頭,台東のオニネズミ,シナコキバラネズミ各1頭,屏東のオニネズミ1頭の臓器からRickettsia tsutsugamushiが分離された.ジャコウネズミからはリケッチアは分離されなかった.リケッチアの一部は蛍光抗体法よってGilliam株と判定されたが,更に免疫ブロット法による抗原分析を実施するために,リケッチアを培養系に移す実験を実施中である.昭和61年7月24日より昭和61年8月16日の間,台湾において恙虫病の疫学的調査を行った.すなわち,台北にある伝染病研究所で恙虫病の発生地域,発生数,治療,予後等の資料を集めると共に,患者血清の分与を受けた.一方,台湾膨湖諸島,台東県,屏東県において野鼠を捕獲し,肝・脾臓を凍結保存すると共に,ツツガムシ幼虫と野鼠恙虫病の疫学的調査を行った.これらの資料,血清,臓器,ダニは国内に持ち帰り,昭和62年貸に様々な検討を加えた.1.恙虫病発生状況:台湾では恙虫病の発生は年間100例内外あり,近年増加の傾向がみられた.発生は特に夏期に集中しており,日本の古典型恙虫病のそれに類似していた.患者の多くは現地農民および駐在軍人であり,若干の旅行者も感染を受けていた.発生地域は澎湖諸島,台東などであったが,特に澎湖諸島では,感染が人家や畑の周囲でおきていることが知られた.患者の予後は一般に良く,死亡率は極めて低いなど,日本の新型ツツガムシ病の病像に類似していた.

2.患の血清の検討:現地で集められた患者血清の3種標準株リケッチア抗原に対する蛍光抗体法,免疫ペルオキシターゼ法による反応性は一般にGilliam株に対して強く,同様にKato株と反応するものも多く見られた.特にGilliam,kato両株に対して同毎度に強く反応する例が多く,概して3種準株に対する反応特異性に乏しいという結果を得た.このことは免疫ブロット法による分析でも裏付けられ,患者血清の多くは3種標準株リケッチアの株特抗原と考えられている65kバンドと一様に強く反応しした.患者血清の反応性が株特異性に欠ける理由のひとつとして,現地での病原リケッチアが既存の3種標準株のいずれにも属さない抗原タイプのリケッチアである可能性が考えられる.このことは,台湾の患者血清の多くがわが国で分離されている弱毒リケッチア株のShimokoshi株,Kawasaki株と強く反応しなかったことと合わせ,わが国の新型恙虫病と台湾など南方系の恙虫病との関連を考える上で興味深い.他方,患者血清のなかにはIgMクラスの抗体がほとんど検出されない例もあり,これは患者血清が発病後かなりの経過日数を経て採取されたものか,あるいは再感染型の血清である可能性を示している.このことが前述の株反応特異性の乏しさと関連していることも考えられ,台湾での病原リケッチアの型別については,更に分離リケッチアを用いての抗原分析が必要と考えられる.3.野鼠寄生ツツガムシの調査:上記3地域でジャコウネズミ31,ハツカネズミ8,シナコキバラネズミ4,オニネズミ15の計58頭を捕獲した.これらの鼠類から,7種のツツガムシ幼虫計7,395個体を採集した.鼠1個体当りの寄生数は平均127個体(最大1,586個体)であった.ツツガムシの種類別では,3地域ともLeptotrombidium(L.)delienseが優占種で90%以上を占めていた.他にはLeptotrombidium亜属のツツガムシ幼虫は検出されず,L.(L.)delienseが最近でも台湾の恙虫病の媒介者であることが示された. L.(L.)delienseの寄生部位はジャコウネズミでは大腿部と肛門周囲,他の鼠では耳介部が主であった.4.鼠臓器からのリケッチア分離とその性状:捕獲した58頭中,膨湖諸島のハツカネズミ3頭,台東のオニネズミ,シナコキバラネズミ各1頭,屏東のオニネズミ1頭の臓器からRickettsia tsutsugamushiが分離された.ジャコウネズミからはリケッチアは分離されなかった.リケッチアの一部は蛍光抗体法よってGilliam株と判定されたが,更に免疫ブロット法による抗原分析を実施するために,リケッチアを培養系に移す実験を実施中である.
シアノバクテリア概日時計転写出力系の多様性形成過程の実験的検証

シアノバクテリアの概日時計システムは他の生物と比較して非常に単純でる。3つの時計タンパク質で1日を刻む時計を中心に、周期的な遺伝子発現制御系を出力として持っている。多様なシアノバクテリアにおいて、時計システムは高く保存されているが、一部のグループでシステム構成の簡略化が起こっている。その簡略化・多様化の機能的、生理学的な本質を追求するために、概日リズム研究モデルである淡水性SynechococcusPCC 7942を解析用の研究プラットフォームとして活用した実験系の構築をおこない、時計関連タンパク質の細胞内および試験管内(無細胞系)での挙動の詳細な解析を可能にした。本研究課題は、概日リズム研究モデルである淡水性Synechococcus PCC 7942を解析用の研究プラットフォームとして活用することで、遺伝子操作・培養が困難な海洋性ピコプランクトンで多様性を示す概日時計関連因子の機能解析を可能にするスキームを提案している。このスキームを通して、海洋性SynechococcusやProchlorococcusそのものを操作することなく、それらの遺伝子産物の様々な細胞・生理活性を実験的に検証する系を構築し、時計関連遺伝子の多様性の真の理解を目指している。研究期間1年目の本年度は、3つの時計遺伝タンパク質(KaiA, KaiB, KaiC)のうち、特に淡水性Synechococcusと海洋性ピコプランクトン間にみられるKaiBのアミノ酸置換の機能に与える影響評価を中心に研究を進めた。海洋性ピコプランクトンのKaiB配列は淡水性Synechococcusの中で、概日振動系および時計出力系としての転写系に大きな影響を及ぼせることを明らかにした。KaiB内の個々のアミノ酸置換の与える転写出力レベルへの影響を詳細に解析した。その結果、個々のアミノ酸置換は必ずしも表現型(転写出力レベルおよび概日振動)へ大きな影響を与えないことがわかった。また、海洋性ピコプランクトンで欠損している時計関連遺伝子に相当する淡水性Synechococcusの遺伝子を欠損した変異体の作製に取りかかった。これらの欠損変異体に海洋性ピコプランクトン由来の時計関連遺伝子や各種の置換遺伝子を導入することで、海洋性ピコプランクトンと淡水性Synechococcusとに見られる時計関連因子のアミノ酸配列よび遺伝子構成の多様化時に生じた可能性のある状態の観測準備に入った。本研究課題は、概日リズム研究モデルである淡水性Synechococcus PCC 7942を解析用の研究プラットフォームとして活用することで、生物時計システムが多様化した海洋性ピコプランクトンの概日時計関連因子の機能解析を行い、それらの遺伝子産物の様々な細胞・生理活性を実験的に検証する系を構築し、時計関連遺伝子多様性の真の理解を目指している。研究期間2年目の本年度は、昨年度の成果を発展させ、時計遺伝タンパク質KaiBの種間に見られるアミノ酸置換の機能に与える影響評価を中心に行った。海洋性ピコプランクトンのKaiB配列は淡水性Synechococcusの中で過剰発現することで、概日振動系および時計出力系としての転写系に大きな影響を及ぼすことが分かった。アミノ酸置換の概日リズム表現形に与える影響が、タンパク質の量的(安定性や翻訳効率)、あるいは質的(活性)な違いなのかの検証を行うために、人工プロモーター下で発現量を調節する系の開発とともに、翻訳抑制系の適用可能性を検討した。タンパク質開始コドン近傍の配列の系統的な改変により、タンパク質蓄積量の調整可能範囲の拡大を行った。これらの系を用いて、過剰発現効果の検証を進めている。海洋性ピコプランクトンで欠損している時計出力系遺伝子に相当する淡水性Synechococcusの遺伝子を欠損した変異体での過剰発現の効果も検証もすすめている。これらの欠損変異体に海洋性ピコプランクトン由来の時計関連遺伝子や各種の置換遺伝子を導入することで、海洋性ピコプランクトンと淡水性Synechococcusとに見られる時計関連因子のアミノ酸配列よび遺伝子構成の多様化時に生じた可能性のある分子メカニズムの再現を進めている。研究期間3年目の本年度は、昨年度までの成果を発展させ、多種のシアノバクテリア由来の時計遺伝タンパク質KaiBのKaiタンパク質時計に対する発振生成能とシアノバクテリア細胞内での他の生理機能についての影響評価を中心に行った。その際に必要となる、PCC 7942株での導入kaiB遺伝子の発現レベルを安定的に調整する系を確立した。

時計出力系への作用に関して、海洋性ピコプランクトンで欠損している時計出力系遺伝子に相当する淡水性Synechococcusの遺伝子を欠損した変異体での過剰発現の効果を進めて、遺伝学的な上位(下位)性を示唆することができた。一方で、蛍光相関分光法(FCS)を応用して、試験管内でのKaiタンパク質時計の挙動を外部入力(ATPやADPの形態)のある状態で自動観測・分析することに成功した。この技術は概日リズムのような長期間のタンパク質間相互作用の自動観測を可能にしており、さらに外部入力有りの条件を可能にしたことで、ProchlorococcusのKaiBのみならず、Kaiタンパク質時計に相互作用する出力系因子(SasA, CikAなど)の時計発振時の挙動の自動観測の可能性を広げることができた。26年度が最終年度であるため、記入しない。生物学26年度が最終年度であるため、記入しない。当該年度においては、時計関連遺伝子の構成的発現による影響評価と書簡で見られるアミノ酸多様性の機能的意義、さらに疑似海洋性ピコプランクトン型シアノバクテリアの作成を研究計画としてたてたが、『研究実績の概要』に記述したように、研究全体としては当初の計画通りにおおよそ進んでいる。本研究課題では、細胞内での人為的な発現調節の系が重要な技術であるが、この点に関して、非常に大きな進展があった。また、時計関連遺伝子変異やアミノ酸置換に関する実験基盤も構築も行った。一方で、この年度に計画していた、時計関連遺伝子以外の遺伝子材料に関する研究の進展が遅れてしまった。当初の研究計画に従って研究を推進する。特に、種々の海洋性ピコプランクトンの配列情報をもとに、多様性形成過程の解明に傾注する。さらに、論文作成に必要となる細部の詰めの実験も実施する。研究計画の最終年度である本年度は、KaiBに見られるアミノ酸置換の時計システムに対する意義の実証実験を完成させることを第一の目標とする。さらに、時計関連システム以外で知られている、淡水性と海洋性シアノバクテリアとの生理学的な細胞機能の多様化に関連する因子と時計因子の多様化との相関を実証するために必要な材料集めを行っていく。H25年度に計画していた物品費については、ほぼ予算通り支出したが、旅費および人件費は当初予算通りの執行が出来なかった。人件費については新たな技術補佐員の雇用を当初考えていたが、新規雇用なしに研究を遂行できた。これらの未使用分が次年度使用額(ほぼ74万円)として残った。H26年度の当初予算計画に対して、H25に生じた次年度使用額はその全額を物品費に上乗せして使用する予定である。
新型補聴器の開発のための骨導超音波の末梢伝搬・受容メカニズムの解明

骨導(骨伝導)で呈示された超音波であれば,聴覚健常者はもとより,最重度難聴者にも知覚される.この骨導超音波知覚の末梢処理過程には,通常の聴覚とは異なる特異なメカニズムの存在が示唆されるが,その詳細は明らかにされていない.本提案課題では,骨導超音波知覚を利用した重度難聴者のための新型補聴器(骨導超音波補聴器)の開発に有用な知見の獲得を目指して,骨導超音波知覚メカニズムの全体像の解明に取り組んだ.聴覚末梢機能を反映する各種の生理反応の計測および骨導超音波の頭部内伝搬特性結果に基づき,骨導超音波知覚の末梢中枢処理モデルを提案した.得られた知見は骨導超音波補聴器の最適化や適用基準の策定に有用である.骨伝導で呈示された超音波であれば,最重度難聴者にも知覚されるが,そのメカニズムの詳細は明らかにされていない.本提案課題では,聴覚末梢器の活動を反映する各種の生理反応の計測,および骨導超音波の頭部内伝搬特性や末梢聴覚器に生成される振動モードの推定に取り組み,得られた知見から骨導超音波知覚の末梢知覚モデルを提案する.骨導超音波知覚のメカニズムの全貌を明らかにすることで,重度難聴者のための新型補聴器(骨導超音波補聴器)の開発に有用な知見の獲得を図ることを目的とする.2014年度は以下のような研究に取り組んだ.1.蝸電図計測による基底膜運動,有毛細胞活動の推定:刺激音によって誘発される蝸牛内の電気的活動の観察した.骨導超音波知覚に対しては蝸電図の一部の反応(CM, SP)が認められないことから,蝸牛の外有毛細胞の寄与が小さい可能性を明らかにした.2.うなりの計測による蝸牛応答特性の推定:骨導超音波と周波数を変化させた気導音,骨導可聴音の間のうなりの発生の有無を検証した.骨導超音波と可聴音の間にうなりが全く観察されないことから,骨導超音波知覚における末梢メカニズムの特異性が示された.3.生体頭部を対象とした振動計測:被験者の頭部を対象とした振動計測を行い,頭部内で生じるマルチパス伝搬経路を推定する手法を提案した.今後実施予定の頭部内伝搬シミュレーションの高精度化に有用な知見を得た.骨伝導で呈示された超音波であれば,最重度難聴者にも知覚されるが,そのメカニズムの詳細は明らかにされていない.本提案課題では,聴覚末梢器の活動を反映する各種の生理反応の計測,および骨導超音波の頭部内伝搬特性や末梢聴覚器に生成される振動モードの推定に取り組み,得られた知見から骨導超音波知覚の末梢知覚モデルを提案する.骨導超音波知覚のメカニズムの全貌を明らかにすることで,重度難聴者のための新型補聴器(骨導超音波補聴器)の開発に有用な知見の獲得を図ることを目的とする.2015年度は以下のような研究に取り組んだ.1.音響放射計測による外有毛細胞機能の推定蝸牛運動によって発生した"音"が中耳伝音系を逆行的に伝わり,外耳道に放射される現象を“耳音響放射"と言い,特に音を増幅する作用を持つ外有毛細胞機能を反映するとされる.骨導超音波聴取時の耳音響放射計測を行い,骨導超音波知覚におよぼす外有毛細胞機能の機能を評価した.複数の計測装置(マイクロホン,アンプ)を用いて,慎重に繰り返し実験を行ったが,骨導超音波への応答を示唆する耳音響放射成分は計測されなかった.このことは,骨導超音波知覚においては外有毛細胞の寄与が小さい可能性を改めて示すものと考えられる.2.ヒト頭部計測およびコンピュータ・シミュレーションによる頭部内伝搬過程の推定頭部内での骨導超音波伝搬過程を,ヒトの頭部を対象とした計測およびコンピュータ・シミュレーションで明らかにした.加速度センサを用いた頭部振動計測の結果からは,生体組織の非線形性による有意な可聴周波数成分の発生は生じていないことや,骨導超音波知覚に及ぼす波動成分の伝搬速度が推定された.また,コンピュータ・シミュレーションの結果と併せて,骨伝導知覚において複数の伝搬ルート(マルチパス)が生じている可能性が示された.各サブテーマを当初計画通りに遂行できた.耳音響放射計測の結果からは,昨年度の結果から得られた骨導超音波知覚の特異な末梢メカニズムについての仮説を裏付ける結果を得た.また,複雑な頭部内伝搬に伴う諸現象に関して,メカニズム解明につながるいくつかの有用な知見を得ることができた.骨伝導で呈示された超音波であれば,最重度難聴者にも知覚されるが,そのメカニズムの詳細は明らかにされていない.本提案課題では,聴覚末梢器の活動を反映する各種の生理反応の計測,および骨導超音波の頭部内伝搬特性や末梢聴覚器に生成される振動モードの推定に取り組み,得られた知見から骨導超音波知覚の末梢知覚モデルを提案する.骨導超音波知覚のメカニズムの全貌を明らかにすることで,重度難聴者のための新型補聴器(骨導超音波補聴器)の開発に有用な知見の獲得を図ることを目的とする.2016年度は以下のような研究に取り組んだ.1.聴覚中枢神経系メカニズムの検討重度難聴者を対象とした脳磁界計測や脳波計測を用いて,骨導超音波知覚における脳幹皮質活動の詳細を検討した.また,聴覚健常者を対象とした計測における気導可聴音との異同から,骨導超音波知覚に独特の中枢神経系メカニズムの有無を検討した.重度難聴者に対しても通常と同様の聴性脳幹反応や聴覚野活動が観察された.

また,大脳皮質における十数kHzのトノトピシティと骨導超音波に対する聴覚野活動の関係を検討した.その結果,骨導超音波は気導可聴音におけるトノトピシティに従わないことがわかった.これらの結果は,骨導超音波知覚といえども通常の聴覚と中枢神経経路を共有しており,特有の処理経路が存在するわけではないこと,骨導超音波知覚と気導可聴音のメカニズムの違いは,主として末梢に存在することを示唆する.2.骨導超音波知覚モデルの構築これまでの各種検討で得られた知見を考慮して,骨導超音波知覚の末梢中枢処理モデルを構築した.心理物理計測の結果や生理反応との比較から,その妥当性を検証した.現在,さらなる改良を加えるための検討を継続中である.骨導(骨伝導)で呈示された超音波であれば,聴覚健常者はもとより,最重度難聴者にも知覚される.この骨導超音波知覚の末梢処理過程には,通常の聴覚とは異なる特異なメカニズムの存在が示唆されるが,その詳細は明らかにされていない.本提案課題では,骨導超音波知覚を利用した重度難聴者のための新型補聴器(骨導超音波補聴器)の開発に有用な知見の獲得を目指して,骨導超音波知覚メカニズムの全体像の解明に取り組んだ.聴覚末梢機能を反映する各種の生理反応の計測および骨導超音波の頭部内伝搬特性結果に基づき,骨導超音波知覚の末梢中枢処理モデルを提案した.得られた知見は骨導超音波補聴器の最適化や適用基準の策定に有用である.各サブテーマを当初計画通りに遂行できた.生理計測,心理計測の結果からは,骨導超音波知覚の特異な末梢メカニズムを示唆する興味深い結果を得た.また,複雑な頭部内伝搬経路を推定する手法を提案し,特許申請につなげるなど,計画以上の成果が出ていると言える.H28年度は各種電気生理計測(蝸電図計測,脳波計測,脳磁界計測)を行い,気導音との異同から骨導超音波知覚における末梢中枢の神経処理様式の全貌解明を図る.さらに,これまでの各種検討によって得られた知見を考慮して拡張することで,骨導超音波知覚の末梢処理過程をシミュレート可能な計算機モデル(電気回路モデル)を構築する.また.構築した計算機モデルの出力結果と心理物理計測や種々の電気生理計測を比較検討することで,モデルの妥当性を検証する.28年度が最終年度であるため、記入しない。生体医工学H27年度は各種電気生理計測(蝸電図計測,脳波計測,脳磁界計測),生理音響計測,心理計測,頭部や各組織に生じる振動モードの推定を進め,骨導超音波知覚のメカニズム推定に有用な知見の獲得に努める.H28年度は,それらの知見を統合して骨導超音波知覚モデルの構築を図り,その妥当性を検証することで,骨導超音波知覚のメカニズムの全貌を明らかにする.脳磁界計測用液体ヘリウムの購入,研究補助者の雇用費などを支出予定であったが,所属機関の内部交付金を充当することができた.28年度が最終年度であるため、記入しない。脳磁界計測用液体ヘリウムの購入,研究補助者の雇用費などを支出予定であったが,所属機関の内部交付金を充当することができた.H27年度未使用額を来年度以降の研究補助員雇用費に充当し,知覚モデルの構築/検証のための各種生理計測,心理計測を当初予定より大規模に実施することで,より高度な成果の獲得につなげる.28年度が最終年度であるため、記入しない。H26年度未使用額を研究補助員雇用費に充当し,生理計測,心理評価を当初予定より大規模に実施することで,より高度な成果の獲得につなげる.28年度が最終年度であるため、記入しない。
ナノカーボンを土台とした構造ー光物性相関解明と高効率光電変換特性の実現

本研究では、グラフェンや単層カーボンナノチューブ(SWNT)などのナノカーボン材料を電子アクセプター(A)とし、ポルフィリンやピレンなどの電子供与性光機能性分子(D)を共有結合により連結し、その光物性の解明を行った。連結架橋子の系統的な長さ調節や、Dユニットのダイマー化などを施した試料に対し、時間分解分光測定を行うことで、それらの連結複合体では、エキシプレックス状態の挙動が重要であることを初めて見出した。また、グラフェンやフラーレンなどのナノカーボン材料を電子輸送層として用いることで、ペロブスカイト太陽電池を高効率化できることを見出した。本研究のねらいは、ナノカーボンを、1)光機能性分子会合体、2)ペロブスカイト結晶構造を担持する土台として用い、その構造ー光物性相関の解明と高効率光電変換系の構築を行うことにある。1)単層カーボンナノチューブ(SWNT)を、光機能性分子であるピレンの二分子会合体の形成土台として用いた。具体的には、ジアゾニウム塩を用いた一段階でのアリール付加反応を用いて、ピレンダイマーをSWNT上に形成した(Py-1-SWNT)。参照系として、ヨードフェニル修飾SWNT(PhI-SWNT)を介した二段階での修飾反応によりピレンモノマーをCNT側壁に連結した(Py-2-SWNT)。さらに、ピレンダイマーからSWNTへの電子移動による光誘起電荷分離状態の形成は起こるが、ピレンモノマーの励起ではSWNTへの電子移動が起こらないことが、過渡吸収分光測定等から明らかとなった。このような励起状態での相互作用の違いは、Py-1-SWNTにおいてピレンが二量体を形成することでHOMOのエネルギー準位が上昇し、酸化されやすくなったためと考えられる。2)ペロブスカイト型太陽電池の性能向上を目指し、酸化チタン層全体への還元された酸化グラフェン(RGO)の添加効果を初めて系統的に検討した。コンパクト酸化チタン層へ0.15 wt.%のRGOを、またメソポーラス酸化チタン層へ0.015 wt.%のRGOを加えたペロブスカイト型太陽電池では、エネルギー変換効率が9.2%に達し、RGOを添加しない系(5.4%)と比較して向上した。また、短絡電流密度、開放電圧、曲線因子の全ての値がRGO添加により向上することがわかった。本研究により、高効率ペロブスカイト太陽電池を実現するための手法として、安価に作製可能なRGOの酸化チタン層への添加が効果的であることが示された。本研究のねらいは、ナノカーボンを、1)光機能性分子の連結土台、2)ペロブスカイト結晶構造を担持する土台として用い、その構造ー光物性相関の解明と高効率光電変換系の構築を行うことにある。1)我々はこれまでに、剛直かつ短いスペーサーであるフェニレンを介してポルフィリンを化学変換グラフェン(CCG)に共有結合連結した系(CCG-Ph1-ZnP)では、光励起により電荷分離状態は形成せず、エキシプレックスを経由した失活が起こることを見出している。本研究では、ポルフィリンーグラフェン連結系の光ダイナミクスに影響を及ぼす因子として、両者間の距離に着目した。すなわち、ポルフィリンとグラフェンを、長さの異なる剛直なオリゴフェニレンスペーサーを用いて共有結合連結することで、両者の電子的相互作用を系統的に変化させた系を構築すること(CCG-Phn-ZnP(n = 1-5)を試み、それらの構造と光物性の評価を行った。その結果、CCG-Phn-ZnP(n = 1-5)のポルフィリン部位を光励起すると、エキシプレックス状態を形成して電荷分離を起こすことなく失活するが、その失活過程は、オリゴフェニレンスペーサーの結合を経た相互作用ではなく、主にポルフィリンとグラフェンの間の空間を介した相互作用であることが示唆された。2)ペロブスカイト型太陽電池の多孔性酸化チタンをナノカーボンネットワーク構造に置き換えた光活性層を形成させることを目指した。しかしながら、泳動電着法による、コンパクト酸化チタン(cTiO2)上への、単層カーボンナノチューブ(SWNT)およびSWNTーフラーレン(C60およびC70)複合体薄膜の作製を行ったが、均一な膜厚を有する薄膜を得ることは困難であった。当初の目的の一つであった多孔性ナノカーボンネットワークとペロブスカイト結晶の複合体の作製は未だに達成されていないが、グラフェンとポルフィリンの励起状態での相互作用における、両者の距離の効果を系統的かつ明確に解明することができたため。1)光機能性分子であるポルフィリンを連結する土台として、グラフェンのモデル分子である多環式芳香族化合物(PAH)に着目した。可溶性のアルキル基を有する炭素数42と114のPAHであるPAH1とPAH3に対し、2つのポルフィリンがフェニレンスペーサーを介して共有結合により連結された分子PAH-Ph-ZnPを合成した。光励起により、PAH1からポルフィリンおよびPAH3からポルフィリンへのエネルギー移動発光が見られた。2)無修飾のフラーレンC60単膜をペロブスカイト太陽電池の電子輸送材(ETM)として用いることを試みた。