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量子群の作用素環論的研究

量子群SUi(n)のIII_1型PowersファクターRiへの無限テンソル積型作用に関する不動点環は、Janes射影列により生成されるAFDII_1型ファクターに成り、Ri上のPowers状態を、このII_1型ファクターへ制限したものはMarkovトレイスになる。しかも、このトレイスを用いると、n=2の場合には1変数の、n≧3の場合には2変数のJanes多項式が与えられる。これらの事柄は、比較的早い時期から、証明も無いまゝに、専門家の間では良く知られていた。証明が無かった理由の1つは、量子群の作用素環への作用を考える場合には、量子群を作用素環を用いて記述する必要が生じるが、その準備ができていなかったからである。そこで、量子群の座標環であるHopf*環を稠密*部分多元環として含み、しかも、Hopf*環の群構造をその上へ拡張できるような作用素環の枠組を作る必要がある。しかし、これを具体化しようと思うと、余積の値域の問題、全逆写像の非有異性の問題など、取り扱いが容易でないと思われる問題とすぐに直面する。他方、作用素環では量子群が発見される以前から、群の量子化としてKac環という対象がvon Neumaun環を用いて定義され、研究されてきた。そこで、この考え方や枠組を参考に、量子群の9-変形に対応した、Kac環の9変形に相当する、Woronowiez環なるものを定義し、局所コンパクト群の場合に知られている、Portrjayin-淡中-Krein-辰馬の双対定現に対応する命題を示した。このWoronowiez環は、Hopf環の場合と違って、冨田-竹崎理論を用いて一般的に定義されているため、具体的な量子群がこの定義に適合するかどうかの確認が必要で、現在のところ、この適分性が確認できた量子群はSUi(n)以外には無い。最初に述べた結果の証明にはこれで充分であり、これでようやく、量子群SUi(n)のvon Neumaun環への作用を考えることができるようになった。
社会基盤重量データに基づく社会基盤蓄積の環境・経済分析

当該研究は、報告者の研究業績によって開発された日本の各都道府県に蓄積されたストックを投入要素として用いるDEAモデルを、生産活動に付随するCO2排出量を考慮した分析フレームワークへと拡張し、日本の都道府県に蓄積されたストックから生み出される生産活動の環境効率性の評価を行ったものである。分析結果から、1992年から1999年にかけて環境効率性は低下傾向にあったものの、2000年以降は大きく向上し、2008年時点では1992年時点と比較して、平均して10.8%の環境効率性の向上が見られた。加えて、ノンパラメトリックな手法であるDEAによって推計された環境効率性指標を被説明変数とし、各都道府県における人口集積や産業構造などの社会経済的な要因を説明変数として回帰分析を行い、ノンパラメトリックな手法による環境効率性の推計のみならず、パラメトリックな手法と組み合わせて環境効率性の変化要因を定量的に分析している。回帰分析の結果から、人口集積は環境効率性の向上に寄与する一方で、第三次産業の割合の増加は環境効率性を低下させる要因となることが明らかになった。当該研究は、脱物質型かつ低炭素型の地域経済の構築を目指す上で重要となる、マテリアルストックを基礎とした都市のメタボリズムの持続可能性を評価する先駆的なものである。29年度が最終年度であるため、記入しない。本研究の目的は以下の通りである。(1)名古屋大学の谷川研究室所有のGISデータに基づく47都道府県の社会基盤蓄積量データベースを更に精緻化して、1970年2010年の間の47都道府県の社会基盤別資源投入量のデータ(建築物、道路、鉄道)を整備し、各都道府県の資源蓄積量の推移を考察する。(2)(1)で作成した1970年2010年を対象としたデータベースの当該社会基盤(道路、建築物など)に関する物量ベースの蓄積量を投入物とし、各都道府県の地域内総生産を産出物と捉え、データ包絡分析法(DEA)フレームワークを適用し、各都道府県に蓄積された社会基盤から生み出される生産の効率性を分析する。(3)さらに、社会基盤蓄積に必要とされた資源投入に付随するライフサイクルCO2排出量を考慮したDEAフレームワークを提案し、社会基盤の資源蓄積に付随する環境負荷を抑えながら、生産・環境的に効率的な社会基盤蓄積を行っているリードモデルとなる都道府県を抽出する。上記の研究目的を基に平成28年度は研究活動を進めた。本分析に関連する結果は、平成28年度開催のThe 24th International Input-Output Conference、ISIE SEM-AP 2016、EcoBalance 2016、第27回環太平洋産業連関分析学会、第12回日本LCA学会研究発表会において研究発表を行った。また、研究目的(1)、(2)に関連する研究結果を取り纏めた論文が、環境経済学・政策学のリーディングジャーナルである査読付き英文誌のEnvironmental Economics and Policy Studies誌に掲載された。(3)に関連する研究結果を取り纏めた論文は、現在、構造経済学の専門誌である査読付き英文誌のJournal of Economic Structures誌において査読審査中である。平成28年度中における学会での発表件数が5件と多く、1970年から2010年にかけての、各都道府県に蓄積された社会基盤から生み出される生産の効率性を分析した研究結果が、単著論文として査読付き英文誌に掲載されたため。また、上記の生産効率性分析を、生産活動に付随するCO2排出量を考慮した分析フレームワークへと拡張し、日本の都道府県に蓄積された資源から生み出される生産活動に関する環境効率性を評価した研究結果が、現在、査読付き英文誌にて査読審査中であることも理由として挙げられる。社会基盤の蓄積量に基づく生産活動の環境効率性の各都道府県における差異を生み出す要因を、回帰分析を用いて、各都道府県における人口集積や産業構造、環境政策の違いなどに着目して定量的に分析する。推計された結果を基に、脱物質型かつ低炭素型の地域経済の構築を目指す上での地域政策への提言を行い、査読付き英文誌への掲載を目指す。
ポリアミンとRNA、蛋白質との相互作用に基づく細胞機能のモジュレーション

1.ポリアミンにより翻訳レベルで合成促進を受ける更なる蛋白質を探索したところ、rRNA合成、ある種のtRNA合成及びエネルギー産生に関与する3種のmRNAの合成を促進する転写因子FisとFe輸送蛋白質mRNAの合成を促進する転写因子FecI(σ^<18>)がポリアミンにより合成促進を受けることが明らかとなった。Fis及びFecI mRNAは蛋白質合成開始に重要なShine-Dalgarno (SD)配列が明瞭でなく、SD配列をmRNA中に人為的に作ると、ポリアミン非存在下での蛋白質合成能が上昇し、ポリアミンによる促進が認められなくなった。2.大腸菌の終結因子RF2のmRNAは26番目に終止コドンが存在し、+1 frameshiftによりRF2が合成される。このframeshiftに対するポリアミンの効果を検討したところ、RF2 mRNAに対するRF2の量が少ない時、すなわち対数増殖初期にポリアミンがこの+1 frameshiftを促進することが明らかとなった。3.神経可塑性に重要な役割を果たすグルタミン酸受容体のサブタイプの一つであるNMDA受容体活性を、ポリアミンが脱分極時に促進することが明らかとなったので、ポリアミンが脳中をどのように循環しているかを検討した。ポリアミンの取り込みは、シナプス小胞、シナプトソーム、グリア細胞で認められ、スペルミンがシナプス小胞に蓄積することが明らかとなった。また、脱分極時に海馬のスライスよりポリアミンが遊離することを明らかにした。4.ポリアミンが脱分極時にNMDA受容体を活性化する際の結合部位であるN末に存在する約350アミノ酸残基から成る調節領域(R-domain)を大腸菌に発現させ、その性質を検討した。NR1R及びNR2BRにスペルミン及びイフェンプロジルが結合したが、NR2ARにはスペルミンが弱く結合するのみであった。1.大腸菌においてポリアミンにより合成促進を受ける蛋白質として、オリゴペプチド輸送に関わるオリゴペプチド結合蛋白質、アデニル酸シクラーゼに次いで、RNAポリメラーゼσ^<38>因子を見出した。σ^<38>因子のポリアミンによる合成促進は、N末端から33番目の終止コドンUAGのread through促進によるものであった。このポリアミンによる促進は、UAG依存のsuppressor Gln-tRNA^<Gln>のリボソームへの結合がポリアミンにより促進を受けるためであった。2.大腸菌では終結因子RF1のmRNAの26番目に終止コドンが存在し、+1 frameshiftによりRF2が合成される。このRF2合成に対するポリアミンの効果を検討したところ、ポリアミンは+1 frameshiftを促進しないことが明らかとなった。一方、マウスのアンチザイムmRNAの+1 frameshiftに対するポリアミンの効果を大腸菌で検討したところ、ポリアミンは真核細胞の場合と異なり強く+1 frameshiftを阻害することが明らかとなった。3.ポリアミンはNMDA受容体活性を脱分極時に促進するが、その際のポリアミンの結合部位をsite-directed mutagenesisにより作製した変異NMDA受容体活性を測定することにより同定し、アゴニスト結合領域より更にN末端側にあるこの領域を調節領域(R-domain)と命名した。この約350アミノ酸残基から成るR-domain(His-tag付加)を大腸菌に発現させ、その性質を検討した。NR1Rはスペルミン及びイフェンプロジルと強く結合したが、NR2AR及びNR2BRはスペルミンとは強く結合したがイフェンプロジルとは全く結合しなかった。1.ポリアミンにより翻訳レベルで合成促准を受ける更なる蛋白質を探索したところ、rRNA合成、ある種のtRNA合成及びエネルギー産生に関与する

3種のmRNAの合成を促進する転写因子FisとFe輸送蛋白質mRNAの合成を促進する転写因子FecI(σ^<18>)がポリアミンにより合成促進を受けることが明らかとなった。Fis及びFecI mRNAは蛋白質合成開始に重要なShine-Dalgarno(SD)配列が明瞭でなく、SD配列をmRNA中に人為的に作ると、ポリアミン非存在下での蛋白質合成能が上昇し、ポリアミンによる促進が認められなくなった。2.大腸菌の終結因子RF2のmRNAは26番目に終止コドンが存在し、+1 frameshiftによりRF2が合成される。このframeshiftに対するポリアミンの効果を検討したところ、RF2 mRNAに対するRF2の量が少ない時、すなわち対数増殖期初期にポリアミンがこの+1 frameshiftを促進することが明らかとなった。3.神経可塑性に重要な役割を果たすグルタミン酸受容体のサブタイプの一つであるNMDA受容体活性を、ポリアミンが脱分極時に促進することが明らかとなったので、ポリアミンが脳中をどのように循環しているかを検討した。ポリアミンの取り込みは、シナプス小胞、シナプトソーム、グリア細胞で認められ、スペルミンがシナプス小胞に蓄積することが明らかとなった。また、脱分極時に海馬のスライスよりポリアミンが遊離することを明らかにした。以上の結果より、ポリアミンが脳でニューロモジュレーターとして機能していることが強く示唆された。
単一細胞の分泌・収縮と細胞内機能制御因子群の電気的光学的同時測定装置の試作

I.装置・手法(1)2または3波長励起高速切換装置を作製した。(2)2・3波長励起に伴なう2・3種蛍光および必要に応じてそれらの比を互々独立にかつ実時間に出力する。光シグナル処理装置を作製した。(3)微小蛍光の安定な測定のために強力でノイズの少ないXeランプを試作した。(4)パッチクランプ実験において、細胞質成分を流出させることなくwhole cell clampする新しい手法を確立した。(1)グルコ-ス刺激はその代謝を介してATP依存性Kチャネル(K_<ATP>)を不活性化しその結果Caチャネル活性化と細胞内Ca^<2+>濃度([Ca^<2+>]_i)増加をもたらすことが明らかとなった。(2)経口糖尿病薬トルブタミドには直接K_<ATP>に作用してこれを不活性化しその結果Caチャネル活性化と[Ca^<2+>]_i増加をもたらすことが判明した。(3)インスリン分泌刺激性ペプチド,Glucagonlike prptideはCaチャネル活性化を介して[Ca^<2+>]_i増加をもたらすことが明らかとなった。(4)インスリン分泌抑制ペプチド,ソマトスタチンはK_<ATP>チャネル活性化を起こしその結果[Ca^<2+>]_iレベルの抑制をもたらすことが明らかとなった。1.同時測定装置の試作本年度は光学的測定と電気的測定を各々発展させることに主眼をおいて以下の開発を行った。(1)購入した励起2波長切替装置の切替波長数を増加し切替速度を高め、励起4波長高速切替装置を試作した。(2)多重染色した細胞からの複合光シグナルの分離・測光のため、光シグナルの波長による4分割装置を試作した。(3)fura-2を用いた細胞内Ca^<2+>濃度([Ca^<2+>])の測定などに際し、2波長励起に対応した2蛍光の比を算出し実時間で出力する電気回路を作製した。(4)5種の光学的シグナルと1つの電気的シグナル(チャンネル電流)を各々の測定時刻と連動して採取・処理しデ-タレコ-ダ-に同時記録させる装置を試作した。(5)Xeランプ・波長切替装置の雑音・振動を電気的・光学的測定から排除するため、これらの顕微鏡本体から分離し両者を光ファイバ-で連絡する装置を試作した。(6)高性能増幅器とマニピュレ-タ-の導入によりパッチクランプ測定の精度の向上を行った。2.単一膵β細胞における光学的電気的測定応答性の優れた単一膵β細胞の調整法を確立しこれまでに以下の知見を得た。(1)グルコ-ス刺激に対し[Ca^<2+>]は直ちに減少し約3分後鋭い増加を示した。(2)この時間経過に対応してATP依存性Kチャネル抑制とそれに続くCaチャネル活性化が観察された。(3)これらのCaチャネル活性化と[Ca^<2+>]増加は共にL型Caチャネル阻害剤Nitrendipineによって抑制された。
筋萎縮性側索硬化症発症機序におけるイノシトール6リン酸キナーゼの役割

変異型SOD1マウス脊髄のイノシトール6リン酸キナーゼ2(IP6K2)の発現状況の検討より、発症前よりIP6K2の発現が上昇していることを発見した。よって、IP6K2が、ALS発症前の診断マーカーになり得ることを見出した。また、ALS患者剖検脊髄においてもIP6K2が、他のサブタイプであるIP6K1、IP6K3に比べても明らかに発現量が多く、特にALS剖検脊髄で有意に発現が上昇していた。この結果よりIP6K2がALS発症の病態に深く関与していることが明らかとなった。変異型SOD1マウス脊髄で生後6週目、12週目、17週目、22週目のイノシトール6リン酸キナーゼ2(IP6K2)の遺伝子発現を同週齢の野生型マウスと比較検討した。野生型マウスは、生後17週目まではIP6K2発現が増加するが、22週目以降は減少した。一方、変異型SOD1マウスでは、生後6週目よりIP6K2の発現が増加し、12週目で発現のピークとなり、以後17週目、22週目と減少した。6週目変異型SOD1マウス脊髄のIP6K2発現は、野生型マウスより多く発現しており、さらに12週目で顕著であった。しかし、17週目、22週目と野生型マウスより発現が低値を示した。変異型SOD1マウス症状は約13週目以降に出現することより、IP6K2発現上昇はALS発症前のマーカーとなる可能性がある。IP6K2トランスジェニックloxPマウスと運動神経に選択的にCreを発現するマウスと交配を行い、その子孫を得ることができた。F1マウスは15週齢になるが、現在のところ明らかな表現型の変化は示していない。今後週齢を追って観察するのと、組織学的検討を進めていく予定である。コントロール5例、ALS検体(脊髄)6例の凍結ブロックを用い、IP6K2とTDP-43の免疫組織を検討した。ALSのTDP-43染色では、数例の検体で前角細胞の細胞質に染色された。IP6K2抗体染色では、コントロールの前角細胞の核に強く染色され、ALSでは細胞質に強く染色された。さらにALS前角細胞の細胞質にみられるリポフスチン顆粒様集積物がIP6K2抗体で染色された。IP6K2遺伝子発現状況確認のためにマイクロダイセクション法により前角細胞のみを抽出し、コントロールと比較しながらIP6K2の発現状況を検討している。髄液IP6K測定は、学外研究協力者の三村博士の研究室で測定しているが、未だ髄液中のIP6、IP7を安定して測定できてない。変異型SOD1マウス脊髄のイノシトール6リン酸キナーゼ2(IP6K2)の発現状況の検討より、歩行障害などの発症前よりIP6K2の発現が上昇していることを発見した。よって、IP6K2が、ALS発症前の診断マーカーになり得る可能がることを報告した。また、IPK2コンディショナル。トランスジェニックマウスは、運動神経系だけに特異的にIP6K2を過剰に発現させるマウスの作成に成功した。しかし、IP6K2の発現コピー数が少ないこともあり、生後6か月まで行動観察をしているが明らかな表現型の変化は認めていない。組織学的には、このコンディショナル・トランスジェニックマウスにおいて、脊髄前角細胞で、IP6K2が、核内より細胞質に多く染色されている像を認めており、培養細胞と同様にIP6K2の核内から細胞質へのトランスロケーションが観察できている。今後はIP6K2を活性化させるために様々なストレスをかけて、症状の発現を観察したり、他のALSモデルマウスとの交配により、症状の発現を確認していく予定である。さらに、ヒトALSおよびコントロール(脳疾患以外)剖検脊髄凍結検体を用い、脊髄前角細胞だけを採取するマイクロダイセクション法に成功し、IP6Kの発現を観察した。その結果、脊髄前角細胞では、IP6K2がALS検体でコントロールと比較し有意に発現が上昇しており、サブタイプであるIP6K1、3の発現はコントロール検体を含めて、ヒトではほとんど発現してないことが明らかとなった。ALS病態の重要な現象である脊髄前角細胞のTDP-43の細胞質への凝集体形成に関して、神経系培養細胞(SHSY-5Y細胞)を用い、TDP-43のC末端部位プラスミド(細胞質に凝集体を形成)を過剰発現させたろころ、細胞死は促進されなかった。しかし、IP6K2を共発現させることにより、有意に細胞死が促進された。さらにその現象では、細胞保護に働くHSP70、HSP90やAkt活性化が低下していた。これらの成果をMolecular Neurobiology(Nagata E, et al, 2015)に発表した。また、ALS患者剖検脊髄の解析を行い、脊髄前角細胞をマイクロダイセクション法により選択的に抽出し、IP6Kの遺伝子発現状況をqPCR法で検討したところ、コントロール脊髄と比較して、有意にIP6K2発現が上昇していることを見出した。

さらに他のサブタイプであるIP6K1やIP6K3に関しては、ヒト脊髄前角細胞ではほとんど発現していないことが明らかとなった。また、患者血清、脳脊髄液を用いての簡易IP6K活性測定系を確立した。血清および脳脊髄液から過塩素酸を用い、チタンビーズに吸着させることによりイノシトールリン酸(IP)を抽出した。これを濃縮して染色液とともにゲルを用いて電気泳動を行い、IP6、IP7などを分離する。現在、血清に関しては採血20mlぐらいで安定して結果が出るようになり、ALS患者と年齢のマッチした健常者で比較検討している。変異型SOD1マウス脊髄のイノシトール6リン酸キナーゼ2(IP6K2)の発現状況の検討より、発症前よりIP6K2の発現が上昇していることを発見した。よって、IP6K2が、ALS発症前の診断マーカーになり得ることを見出した。また、ALS患者剖検脊髄においてもIP6K2が、他のサブタイプであるIP6K1、IP6K3に比べても明らかに発現量が多く、特にALS剖検脊髄で有意に発現が上昇していた。この結果よりIP6K2がALS発症の病態に深く関与していることが明らかとなった。変異型SOD1マウスに関しての研究は、成果が出ており、現在論文作成中である。IP6K2コンディショナル・トランスジェニックマウスに関しては、現在まで、明らかな表現型が表れていない。原因として、予想以上にIP6K2の発現が弱いマウスが出来上がったと思われる。また、ヒト髄液中のIP6やIP7測定に関しては、現在様々な方法を工夫して測定を試みているが、未だに感度が悪く、定量できるまでの精度がない。神経内科今後、様々なストレス負荷をかけて、IP6K2をより活性化させて、表現型が現れるかを検討する。また、他のALSモデルマウス(SOD1マウス、ADAR2コンディショナル・ノックアウトマウス)との交配を行い、ALS様症状の発現の増強や、症状の消失を検討する。変異型SOD1マウスにおけるIP6K2に関する研究はおおむね順調に成果ができており、現在、論文化に向けてデータを取集している。運動神経系に特異的に過剰発現するIP6K2コンディショナル・トランスジェニックマウスに関しては、既にF1マウスを獲得しているが、週齢数が若いこともあり、明らかな表現型が認められていないが、今後表現型に関しては、時間経過を追って観察していくので時間を要すると考えられる。ALS検体の解析に関しては、症例数を集めるのに時間がかかるのと、前角細胞のみを抽出するマイクロダイセクション法は、手技が難しく、時間がかかるので、結果を出すのに時間を要する。また、髄液中のIP6やIP7の測定に関しては、従来の方法では、微量のために検出できず、新たな方法の開発が必要なために時間を要してしまっている。マウス飼育や実験費用に関する諸費用として、使用予定であったが、当大学の東海大学生命科学統合支援センターの請求書が3月末日のために、今年度の支払期限に間に合わなかった。今後は、運動神経系に特異的に過剰発現するIP6K2コンディショナル・トランスジェニックマウスの匹数を増加させて、大脳や脊髄の解剖学的、組織学的検討を行うとともに、変異マウスに様々なストレス(拘束ストレスや薬剤ストレス)を付加することにより、運動症状が発現するかなどを検討する。さらに、この変異マウス(ホモ型)どうしを交配することにより、IP6K2遺伝子の過剰発現をより強化させる。包括型脳科学研究推進支援ネットワークより、更なるALS検体を入手して、n数を増やして実験する。
金属オキシクロライド化合物の生成・蒸発反応機構

これまで実験上の困難さから十分に解明されていなかった廃棄物の処理プロセス、金属の回収プロセスで問題となるオキシクロライド化合物の生成挙動・機構を明らかにすることを本研究の目的とする。その基礎となる亜鉛、鉛などのオキシクロライド化合物の生成自由エネルギー、蒸発反応に関する熱力学的データ、生成、蒸発反応の反応速度などの速度論的データを測定した。対象とする金属元素を亜鉛および鉛とし、金属オキシクロライドの生成と蒸発過程について調べるため、高い酸素分圧下で流動法により金属酸化物の塩化・蒸発挙動を測定した。酸素分圧、温度を変えて、アルミナ坩堝中の金属酸化物試料の塩化による重量減少量を測定し、金属塩化物の蒸発量、金属オキシクロライド化合物の蒸気圧を求めた。その結果から、亜鉛オキシクロライド、および鉛オキシクロライドの生成反応のギブス自由エネルギーを求めた。また、酸素分圧、塩素分圧を変えて、一定時間毎のアルミナ坩堝中の亜鉛および鉛の金属酸化物試料の塩化反応による重量減少量を測定した。その結果から、酸化物の塩化反応と蒸発の過程を速度論的に解析し、反応機構を明らかにした。特に、酸素分圧の影響の実験では、酸素分圧が増加するに従い、塩化反応速度がわずかに増加することから、蒸発反応過程において亜鉛オキシクロライドが生成することで、蒸発速度の酸素分圧依存性を説明することができた。また、亜鉛オキシクロライドおよび鉛オキシクロライド化合物の安定な存在形態を明らかにした。これらの測定から、金属元素の選択的な塩化反応を利用して、塩化物を経由した亜鉛、鉛などの有価金属を含む製鉄ダストなどの廃棄物を資源としたより効率の良い資源のリサイクルプロセスの可能性を示すことができた。その基礎となる鉄、亜鉛などのオキシクロライド化合物の生成自由エネルギー、蒸発反応に関する熱力学的データ、生成、蒸発反応の反応速度などの速度論的データを測定した。対象とする金属元素を亜鉛とし、金属オキシクロライドの生成と蒸発過程について調べるため、高い酸素分圧下で流動法により金属酸化物の塩化・蒸発挙動を測定した。その結果から、亜鉛オキシクロライドの生成反応のギブス自由エネルギーを求めた。また、酸素分圧、塩素分圧を変えて、一定時間毎のアルミナ坩堝中の金属酸化物試料の塩化反応による重量減少量を測定した。また、オキシクロライド化合物の安定な存在形態を明らかにした。これらの測定から、金属元素の選択的な塩化反応を利用して、塩化物を経由した金属を含む製鉄ダストなどの廃棄物を資源としたより効率の良い資源のリサイクルプロセスの可能性を検討した。これまで実験上の困難さから十分に解明されていなかった廃棄物の処理プロセス,金属の回収プロセスで問題となるオキシクロライド化合物の生成挙動,機構を明らかにすることを本研究の目的とする。その基礎となる亜鉛,鉛などのオキシクロライド化合物の生成自由エネルギー,蒸発反応に関する熱力学的データ,生成,蒸発反応の反応速度などの速度論的データを測定した。

対象とする金属元素を亜鉛および鉛とし,金属オキシクロライドの生成と蒸発過程について調べるため,高い酸素分圧下で流動法により金属酸化物の塩化,蒸発挙動を測定した。酸素分圧,温度を変えて,アルミナ坩鍋中の金属酸化物試料の塩化による重量減少量を測定し,金属塩化物の蒸発量,金属オキシクロライド化合物の蒸気圧を求めた。その結果から,亜鉛オキシクロライド,および鉛オキシクロライドの生成反応のギブス自由エネルギーを求めた。また,酸素分圧,塩素分圧を変えて,一定時間毎のアルミナ坩堝中の亜鉛および鉛の金属酸化物試料の塩化反応による重量減少量を測定した。その結果から,酸化物の塩化反応と蒸発の過程を速度論的に解析し,反応機構を明らかにした。特に,酸素分圧の影響の実験では,酸素分圧が増加するに従い,塩化反応速度がわずかに増加することから,蒸発反応過程において亜鉛オキシクロライドが生成することで,蒸発速度の酸素分圧依存性を説明することができた。また,亜鉛オキシクロライドおよび鉛オキシクロライド化合物の安定な存在形態を明らかにした。これらの測定から,金属元素の選択的な塩化反応を利用して,塩化物を経由した亜鉛,鉛などの有価金属を含む製鉄ダストなどの廃棄物を資源としたより効率の良い資源のリサイクルプロセスの可能性を示すことができた。
内燃機関ピストンリングの摩擦低減に関する研究

往復動内燃機関のピストンおよびピストンリングの摩擦損失は、機関全体の摩擦損失の4050%を占めており,その摩擦低減は省エネルギーの観点から極めて重要である.さらにピストンやピストンリングの摩擦は焼付きの発生や摩耗現象とも密接に関連するために,その摩擦特性の究明は重要な課題である.本研究では,シリンダ径105mm,ストローク120mmの予燃焼室式単気筒ディーゼル機関のシリンダライナ部を静圧軸受機構で支持し,またシリンダ内のガス圧が摩擦の測定に介入しない独特のガス圧平平衡機構を用いた試験装置を試作して,機関の実働運転時におけるピストン回りの摩擦力を精度良く測定した.その結果,ピストン回りの摩擦は,行程中央部では粘性摩擦が主体の特性を示すが、死点近傍では境界接触の介入により摩擦力のピークが現れ,高い燃焼ガスの圧力が作用する膨張行程の初期に摩擦力のピークが最大となることがわかった.低粘度の潤滑油を使用すると行程中央部の摩擦力は減少し,サイクル平均の摩擦損失の低減に有効であるが,死点直後の摩擦力のピークは増大して潤滑状態が苛酷になること,ピストンリングの段数や幅寸法が減少するとサイクル平均の摩擦損失は低減するが,同時に油膜厚さも低下するため死点における潤滑状態は苛酷になることなどがわかった.死点における摩擦力のピークの増大を防ぐためには,潤滑油に適正な摩擦調整剤を添加することやピストンリング摺動面にセラミックスを被覆することなどが有効であることが明らかになった.往復動内燃機関のピストンおよびピストンリングの摩擦損失は、機関全体の摩擦損失の4050%を占めており,その摩擦低減は省エネルギーの観点から極めて重要である.さらにピストンやピストンリングの摩擦は焼付きの発生や摩耗現象とも密接に関連するために,その摩擦特性の究明は重要な課題である.本研究では,シリンダ径105mm,ストローク120mmの予燃焼室式単気筒ディーゼル機関のシリンダライナ部を静圧軸受機構で支持し,またシリンダ内のガス圧が摩擦の測定に介入しない独特のガス圧平平衡機構を用いた試験装置を試作して,機関の実働運転時におけるピストン回りの摩擦力を精度良く測定した.その結果,ピストン回りの摩擦は,行程中央部では粘性摩擦が主体の特性を示すが、死点近傍では境界接触の介入により摩擦力のピークが現れ,高い燃焼ガスの圧力が作用する膨張行程の初期に摩擦力のピークが最大となることがわかった.低粘度の潤滑油を使用すると行程中央部の摩擦力は減少し,サイクル平均の摩擦損失の低減に有効であるが,死点直後の摩擦力のピークは増大して潤滑状態が苛酷になること,ピストンリングの段数や幅寸法が減少するとサイクル平均の摩擦損失は低減するが,同時に油膜厚さも低下するため死点における潤滑状態は苛酷になることなどがわかった.死点における摩擦力のピークの増大を防ぐためには,潤滑油に適正な摩擦調整剤を添加することやピストンリング摺動面にセラミックスを被覆することなどが有効であることが明らかになった.
筋肉内デコリン構造安定性に及ぼす高圧処理の影響

以前の研究から、高圧処理による筋肉内コラーゲン並びに結合組織の脆弱化には筋肉内デコリンの分解もしくはコラーゲン線維からの解離が関することを予想し、ウシ骨格筋から実際に単離・精製したデコリン分子の高圧下での立体構造を解析し、高圧処理に伴う筋肉内結合組織の脆弱化との関連性を検討し、以下のようなような結果を得た。(1)高圧処理はデコリンコアタンパク質の分解、GAG鎖の解離及びGAG鎖の分解を引き起こさなかった。(2)高圧下蛍光スペクトル測定及び表面疎水性測定により、400 MPaまでの高圧処理で可逆的にデコリン分子の立体構造が変化した。(3)デコリン分子表面のSH基量は高圧処理に影響されなかった。我々は、高圧処理による筋肉内コラーゲン線維ならびに結合組織の脆弱化には筋肉内デコリン自身の分解もしくはデコリンのコラーゲンからの解離が関与することを予想し、まずは、本研究においてデコリン分子の構造ならびに安定性に及ぼす高圧処理の影響を明らかにすることを目的とした。以上の目的から、平成24年度では、まず市販のウシ関節軟骨由来のデコリンを試料に用いて高圧処理によるデコリン分子の挙動解析を試み、高圧処理でデコリン分子は分解しないが、300400 MPaの高圧処理でデコリン分子三次構造が変化する一方で、二次構造の顕著な変化が認められなかった。これらの結果から、高圧処理がデコリン分子の立体構造に影響を与えることが予想されたので、平成25年度では、筋肉内デコリン分子の高圧下での構造変化研究のためのウシ筋肉からデコリンを単離・精製する技術を確立することを試みた。ブタ筋肉内結合組織からデコリンを単離したNishiumiら(1997)の方法を一部改変して、ウシ筋肉からデコリンを単離・精製できた。すなわち、ウシ胸最長筋ホモジネートを4 Mグアニジン塩酸でプロテオグリカンを抽出し、塩化セシウム密度勾配超遠心分離によってプロテオグリカンを分画の後、DEAE-セルロースイオン交換クロマトならびにゲル濾過クロマトを用いてデコリンを単離・精製した。SDS-PAGEおよびグリコサミノグリカン含量の測定により精製度などを順次チェックしていった。以上の単離・精製ステップを経ることで、平均分子量約10万のデコリンの精製を確認すると共に、コンドロイチナーゼABC消化によって約48 kDaのデコリンコアタンパク質となることを確認した。デコリンの単離精製には非常に時間がかかるため、また精製デコリンの収量も非常に低いため、平成26年度の研究に向けて、現在は大量の精製デコリンを得るための実験を続けている。我々は、これまでの研究から、高圧処理による筋肉内コラーゲン線維ならびに結合組織の脆弱化には筋肉内デコリン自体の分解もしくはデコリンのコラーゲンからの解離が関与することを予想し、まずは、本研究においてデコリン分子の構造ならびに安定性に及ぼす高圧処理の影響を明らかにすることを目的とした。以上の目的から、平成24年度では以下の研究を実施した。まず、Parthasarathyら(1991)およびNishiumiら(1996)の方法を参考にして、ウシ筋肉からデコリンを単離・精製することを試みた。筋肉中のデコリン量は極めて少ないため、筋肉からデコリンを単離・精製する技術は非常に難しく、各ステップにおけるデコリンの精製度と収率を電気泳動などで確認しながら、現在,実験条件の最適化を行い、来年度には単離・精製技術を確立する予定である。一方、単離・精製実験と平行し、ウシ関節軟骨由来の市販デコリンを用い、高圧処理によるデコリン分子の挙動解析を試みた。すなわち、高圧処理を施した後に電気泳動によりデコリン分子の分解を解析したところ、デコリン分子,グリコサミノグリカン鎖およびコアタンパク質のいずれも600 MPaまでの高圧処理では分解しないことが確かめられた。また、デコリン分子中のチロシン残基をプローブとした高圧下蛍光測定により、約200300 MPaの高圧処理でデコリン分子の三次構造が変化することが推定され、さらに、8-anilino-1-naphthalene sulfonic acidを用いた表面疎水性測定からも、400 MPa以上の圧力によってデコリン分子の三次構造が崩れ、変性することが示唆された。一方、CDスペクトル解析により、圧力の上昇に伴ってデコリン分子のβシート含量がやや低下した程度で、高圧処理に伴うデコリン分子の二次構造の変化は認められなかった。我々は、高圧処理による筋肉内コラーゲン線維ならびに結合組織の脆弱化には筋肉内デコリン自身の分解もしくはデコリンのコラーゲン線維からの解離が関与することを予想し、まずは、本研究においてデコリン分子の構造ならびに安定性に及ぼす高圧処理の影響を明らかにすることを試みた。

以上の目的から、平成2425年度において、市販のウシ軟骨デコリンの構造解析およびウシ骨格筋からのデコリン単離・精製技術の確立などの事前実験を完了させた。したがって、平成26年度では、ウシ骨格筋から実際に単離・精製したデコリン分子の高圧下での立体構造の解析を試み、高圧処理による筋肉内結合組織の脆弱化との関連性を検討した。高圧処理によるウシ骨格筋デコリンの分解性をSDSーPAGEで確認したところ、高圧処理はデコリンコアタンパク質の分解、GAG鎖の解離およびGAG鎖の分解を引き起こさなかった。高圧下蛍光スペクトル測定により、400 MPaまでの昇圧に伴う蛍光強度の低下と吸収極大のレッドシフトが認められ、また圧力解放後のこれらの値が初期値に戻ったことから、400 MPaまでの高圧処理によってデコリン分子立体構造は部分的に可逆的変化を受けることが示された。また、デコリン分子の高圧下表面疎水性測定の結果、400 MPaまでの昇圧に伴う表面疎水性の低下と圧力解放後の初期値までの復帰から、デコリン分子の表面疎水性も400 MPaまでの高圧処理によって可逆的に変化することが示された。一方、高圧処理したウシ骨格筋デコリン分子の表面SH基量は各処理圧力でほぼ一定であったことから、デコリン分子のジスルフィド結合は高圧処理によってほぼ変化を受けなかった。農学(畜産物利用学、食品科学)現在のところ、研究目的に基づいて研究は進められているが、当初の平成24-25年度研究実施計画よりはやや遅れている。しかしながら、平成24年度では市販ウシ関節軟骨由来のデコリンの高圧下での分子構造の変化を確かめ、平成25年度では目的とするウシ筋肉からデコリンを単離・精製する技術を確立し、現在は大量の精製デコリンを得るための実験を続けているので、平成26年度に予定している実験のための準備は整いつつある。現在のところ、研究目的に基づいて研究は進められているが、当初の平成24年度研究実施計画よりはやや遅れている。具体的には、平成24年度中に筋肉内からデコリンを単離して特徴付けする予定であったが、デコリンの単離・精製技術の改良に手間取り、デコリンの単離・精製技術の確立と特徴付けについては、平成25年度に実施する。一方、ウシ関節軟骨由来の市販デコリンを用いた高圧処理によるデコリン分子の挙動解析は当初予定以上に進行し、予定していた三次構造(高圧下蛍光測定)の解析に加え、平成25年度での実施予定のデコリン分子の表面疎水性の測定および二次構造解析を行うことができ、高圧処理に伴う軟骨デコリンの分子構造変化や変性を総合的に捉えることができた。したがって、進捗が遅れている筋肉内からのデコリンの単離・特徴付け実験が平成25年度で順調に進めば、平成26年度までの当研究の目的が予定通りに達成できるものと考える。平成25年度に予定した精製デコリンの特徴付けが一部まだ終了していないので、平成26年度では、まず、セルロースアセテート膜電気泳動法によるグリコサミノグリカン鎖の分類、プロテインシークエンサーを用いたN末端アミノ酸配列決定、ならびにゲル濾過クロマトグラフィー法によるデコリン分子の分子量測定などの実験を通じて、精製デコリンの特徴付けを行う。それと同時に、当初計画通りに、単離精製されたウシ筋肉内デコリンを用い、高圧処理による筋肉内デコリンの分解性、デコリン分子三次構造構造および二次構造の高圧下での挙動解析、ならびに高圧処理による筋肉内デコリンの安定性の解析を行う予定である。
ARを用いたかざして分かる計測器操作ガイド教材の開発

【目的】学生が楽しく実験を行い、その中で自然に実験装置の操作方法を習得する教材の開発を目的とする。【対象者および実験装置】対象者は初めてオシロスコープを使用する学生とし、対象とする実験装置はオシロスコープとする。また、オシロスコープを使用した実験の回路図についても合わせて対象とする。【本教材の概要および使用方法】タブレットによるAugmented Reality(以下ARと呼ぶ)技術を活用し、オシロスコープや回路図にタブレットをかざして画面上をタッチすると、それらの説明を表示する。使用方法は以下の3ステップとなる。1.タブレットの画面に内蔵カメラを通してオシロスコープや回路図を表示すると、どちらであるのかを自動で判別する。2. ARを用いて、キャラクタ文章や画像で説明をするとともに、音声で説明を再生する。3.タブレットをタッチすることにより、説明の続きを行う。また、オシロスコープの説明時にはタッチしたボタンの説明を行うことも可能となっている。【本教材使用後のアンケート結果】本校電気電子工学科2年の学生に本教材を使用後にアンケートを実施し、面白さは学生全員が面白い、操作性は95%が使いやすい、オシロスコープの操作手順およびボタンの説明は全員が理解できた、回路の作成方法の説明は88%が良い、従来のテキストによる説明と比較して97%が分かりやすいと感じている結果となった。また、ARなどの技術に触れて良かった、開発環境であるUnityを使ってみたいという意見もあり、実験以外の技術にも興味をもってもらうことができた。【まとめ】面白く、操作しやすく、分かりやすくオシロスコープの操作方法を提示する教材を開発することができた。また、様々な技術を複数使用することにより、学生の好奇心を刺激することができたことを確認した。
金融新商品や取引機会を創出する市場提供活動における市場の失敗とその対処

金融新商品やその取引機会の提供自体を民間経済主体が利潤動機にもとづいて行う経済活動と見なし,金融システムの脆弱性をもたらすような市場の失敗がそこに見られるかを検証した。日経225オプションという取引所取引が行われているデリバティブについては,オプション価値の16.6倍の負債が内在しており注意が必要ではあるものの,その大きさは日本国債や事業債の残高に比べるとわずかであることがわかった。相対取引により金利スワップを行う誘因が広義の金融機関が持ちうることを確認できた。しかしながら、取引需要の根本要因となる経済主体間の異質性の程度がどのような要因で動いてきているのかについては、今後の分析がまたれる。本研究は,金融新商品及びその取引機会を提供する民間経済主体の行動を利潤動機にもとづいた経済行為として分析し,いわゆる市場メカニズムにもとづいたこの経済活動から市場の失敗が生じていないか,とりわけ過度の負債拡大が生じていないか,その規模拡大のメカニズムを把握する試みを行うものである。昨年度は取引所の上場オプションを分析したが、今年度は取引所を通さずに行う相対取引(以下OTC)、具体的にはOTC金利スワップを取り上げてモデル分析を行った。国際決済銀行(BIS)のサーベイ調査によれば、ここ15年間にOTCデリバティブズは想定元本ベースで10倍に拡大してきており、そのうち金利関連が8割を占め、OTC金利スワップの拡大要因を明らかにする意義は大きい。また、今回取り上げた変動金利と固定金利を交換する形の金利スワップ取引は、たとえ取引主体が銀行でなくても、銀行による期間変換機能ー“満期"が短い預金を原資として満期が長い企業向け融資を行うーと同等の役割を果たす。証券会社やヘッジ・ファンドなどの投資信託が「影の銀行」として資金供給に影響を及ぼし、2007/08年の金融危機を引き起こした理由のひとつと指摘される所以である。固定金利による受取りキャッシュフロー(以下CF)をもつ主体が、将来の受取りCFの(再)運用収益率に関するリスクを回避するため、金利スワップ取引を行なう二期間モデルを構築した。同時にもつ変動金利による短期の負債規模が主体毎に異なる点、スワップ金利が固定サイドと変動サイドのCFを市場金利によって評価した割引現在価値と異なっていても,有利であればOTC契約に応じるという2点が、経済主体にOTC金利スワップの取引を行う誘因を与える。米ドル、ユーロ、日本円に関する1ヶ月及び2ヶ月LIBOR金利を用いてモデル解を評価したところ、OTC金利スワップを取引するという結果を得た。本研究は、金融新商品及びその取引機会を提供する民間経済主体の行動を利潤動機にもとづいた経済行為と見なして分析し、いわゆる市場メカニズムにもとづいたこの経済活動から市場の失敗が生じていないか、とりわけ過度の負債拡大が生じていないかその量を把握し、その規模拡大のメカニズムを把握する試みを行うものである。まず(株式・債券以外の)金融新商品としては日経225オプション(大阪証券取引所上場)のデータを収集し,これらデリバティブにポジションを持つことから生じる実質的な負債比率を計算した。2007年3月末のポジション(建玉残高)の金額換算値総額は1182億円であるが,過去90日間の日経225指数値から得られるヒストリカル・ボラティリティーとブラック=ショールズ・オプションモデルとを用いて計算した,プットおよびコール・オプションに内在する負債部分の総額(絶対値)は,約1.96兆円である。これらオプションでポジションを持つことは,そのポジション価値の16.6倍(=1.96/0.1182)の負債をかかえることを意味しており,このことを意識しなければ必要以上に負債をかかえ,万が一デフォルトした場合には外部波及が生じてしまう可能性がある。ただ,同じ2007年3月末の国債残高6,706兆円はもとより普通社債残高518兆円と比べても1.96兆円という金額はそれほど巨額とはいえないこと,また,オプションのポジションには証拠金などによる制約がかけられていてデフォルト(カウンター・パーティー・リスク)が意識され安易な規模拡大は防がれていることを考慮すれば,日経225オプションのような上場商品については,市場の失敗につながる取引機会提供とはなっていない可能性が高い。本研究は,金融新商品及びその取引機会を提供する民間経済主体の行動を利潤動機にもとづいた経済行為として分析し,いわゆる市場メカニズムにもとづいたこの経済活動から市場の失敗が生じていないか,過度の負債拡大が生じていないか,その規模拡大のメカニズムを把握する試みである。

これまで,日経225オプションに内在する負債部分の大きさを推定したところ,建玉残高以上の負債を内在しているという意味ではレバレッジ効果が認められるものの,建玉残高そのものは小さく,通常の負債(普通社債等)を大幅に拡充するものではないこと,想定元本ベースでみてここ15年間に取引規模が10倍に拡大してきたOTC金利デリバティブズのうち,金利スワップには伝統的な金融機関以外の経済主体にも,これを提供する誘因があることを明らかにしてきた。金融取引は将来の権利・義務を含んだ契約を現在結ぶものであり,金融新商品についても,契約内容の履行を支える法的環境が重要である。例えば,クレジット・デフォルト・スワップ(CDS)は,実質的な機能は保険でありながら保険及び保険取扱業者に対する規制を受けないよう,これを開発したJPモルガン社は,スワップの形にしたと言われている。今年度は,国境を越えるような金融取引の機会提供に際して,こうした法的環境の国ごとの差が及ぼす影響に関して,日本とイタリアにおける会社法を中心に国際比較を行った。その結果,平成17年度改正の会社法で「種類株式」として株主の権利及び制約を自由に組み合わせた多彩な株式の発行が可能になり,徐々にとはいえ伝統的な「普通株式」以外の種類株式も利用され始めた日本に比べ,イタリアでは,普通株式以外に貯蓄株という種類株式を発行していた上場企業数は半減するなど逆に画一化が進行しており,「標準化」によるメリットはあるものの「多様化」のメリットを受けにくい環境であることがわかった。ファイナンス今年度開発したモデルは必ずしも銀行ではない民間経済主体がOTCデリバティブズを提供することを説明している。しかし、金融危機後にとられた量的金融緩和政策により金利水準が下がると共にその変動も小さくなり、将来金利(運用収益率)に関するリスクも小さくなくなる中でも、金利スワップを始めOTCデリバティブズが拡大してきていることは,説明できていない。OTC市場の拡大メカニズムが十分解明されたとはいえないことが上記評価の理由である。2007/08年の金融危機は,ヘッジファンド,年金ファンド,投資銀行などの広義金融機関(最近ではシャドウバンクと呼ばれている金融機関)が,セイフティーネット・アービトラージを行ったことが原因のひとつであるという指摘がある(Kane(2010)など)。このアービトラージとは,ポジションが巨額の金融機関については,その破綻が持つ金融システムへの波及効果(破壊効果)を怖れて政府が救済する(Too Big To Fail)ということを前提に,金融機関が破綻に備える各種措置や保険プレミアムを支払わず過大なポジションをとり,裁定利益を得るというものである。こうした広義金融機関のポジション構築,すなわち新金融商品の提供に関して,当初計画に沿った形でこれらの活動を把握するまでに踏み込めていないことが,上記評価の理由である。以下の方向で研究を進める。相対取引で金融契約を結ぶには集中化された取引所取引とは違ったコストがかかること、相対取引では競合相手との競合の程度が見えにくく調整メカニズムが働きにくいことなどの、相対取引に関する特徴を持つモデルを開発し、旧知の取引相手と長期的な取引関係を結ぶといった相対取引でよく見られる側面を評価できるようにする。また、このことが経済全体にとってどういう影響をもたらすかを評価し、必要な政策手段を探る。当初計画にある、金融新商品の提供活動における外部性の程度の測定作業を行う。
扁平上皮癌の顎骨浸潤に関連するマトリックスメタロプロテアーゼ(MMP)の解析

歯肉扁平上皮癌は早期に顎骨に浸潤し、骨を吸収する。癌による骨吸収は破骨細胞によって起こるといわれているが、癌の増殖と骨吸収・転移は骨リモデリングを超える速さで行われており、破骨細胞による骨吸収以外にも他の吸収因子が働いていると考えてもおかしくない。マトリックスメタロプロテアーゼ(MMP)は細胞外基質の分解にかかわる主要なプロテアーゼで、これまでに癌細胞およびそれらを取りまく細胞が産生するMMPが癌の浸潤・転移に深く関与することが明らかにされてきた。私の研究ではこれまでにマウス扁平上皮癌顎骨浸潤モデルで免疫組織学的にMMP-9が癌の増殖・浸潤・骨吸収に関連することが示唆された。また、in vitroの研究ではウエスタンブロッティング法でヒト舌癌由来扁平上皮癌培養細胞NT-1、NT-2からMMP-9が分泌されていることが分かった。今年度はさらにNT-1、NT-2培養細胞をザイモグラフィーを用いて、細胞が分泌しているかどうか詞べでみた。その結果、ザイモグラフィーにおいてMMP-9の分泌は認められたが、MMP-2については発現量はわずかであった。その他のMMPと抑制因子については来年度を予定している。癌による骨吸収は破骨細胞によって起こるといわれているが、癌の増殖と骨吸収・転移は骨リモデリングを超える速さで行われており、破骨細胞による骨吸収以外にも他の吸収因子が働いていると考えてもおかしくはない。マトリックスメタロプロテアーゼ(MMP)は細胞外基質の分解にかかわる主要なプロテアーゼで、癌細胞およびそれらを取りまく細胞が産生するMMPが癌の浸潤・転移に深く関与することが明らかにされている。私の昨年までの研究ではマウス扁平上皮癌顎骨浸潤癌モデルにおいてMMP(MMP2、MMP9、MT1-MMP)の免疫組織化学染色を行ったところMMP9の発現が増殖活性の高い癌細胞、骨浸潤部周囲にみられた。今年度は免疫組織化学染色で発現のみられたMMP9が癌細胞由来のものか検索してみた。当研究室で樹立された扁平上皮癌培養細胞株(ヒト舌癌由来NT-1,NT-2およびヒト頬粘膜癌由来NB-1)を用いてウェスタンブロッティングを行った。その結果、MMP9は92kDaと88kDa相当部にバンドが検出された。これにより、MMP9は扁平上皮癌細胞より分泌されていることが確認された。MMP2についても同様に行ってみたが、発現は弱いものの癌細胞より分泌されていることが分かった。癌細胞から分泌されたMMPが骨を吸収するかは不明である。引き続き、癌細胞由来のMMP9の骨吸収の可能性について検討中である。
キットビルド方式に基づく論理的思考力育成プログラムの開発

教師が学習者に提供する概念マップの構成要素(キット)を学習者が組み立てる作業(ビルド)として行う方式であるキットビルド方式に基づき,学習者の能力に即した学習活動とその活動に対する評価の即時フィードバックを効果的に行うことで、論理的思考力を構成する分析力・論理構成力・表現力を系統立てて高める論理的思考力育成プログラムを提案し、複数の題材を用いた論理的思考力育成システムとして実装し,評価実験により提案プログラムの有用性を示す。
遊走や接着に基づく自己組織化現象の理解と活用

本研究では組織内細胞挙動を4次元の解像度にて視て理解し,情報を組織設計に活かす技術の実証を目指した.題材として骨格筋組織構築を選択し,骨格筋筋芽細胞組織内における同種細胞(筋芽細胞)および異種細胞(血管内皮細胞,繊維芽細胞)の動的挙動を定量的に理解し,最終的に挙動を制御することで複雑組織設計に繋がる方法論として構築することを目指した.共焦点レーザー顕微鏡にてタイムラプス観察が可能な薄い板状集塊として積層筋芽細胞シート用い、これをあらかじめ培養した異種細胞の上に配置することで共培養して挙動を観察することに成功した。今後は血管などの複雑構造を有する骨格筋組織を構築する。複雑組織の生産を可能にする組織工学を切り拓くためには、異種細胞を混ぜ合わせた細胞集塊内で発生する棲み分け現象を定性的かつ定量的に理解する事が、最終的な細胞配置制御のためには必須である。我々は組織内に混入した異種細胞の挙動を理解するための培養フォーマットとして積層細胞シート(板状集塊)を用いることを着想し、まず細胞シートを高い精度で再現性良く積層・転写するシステムを構築してきた。また、積層細胞シート内部における注目細胞の鉛直方向への存在頻度分布を定量的に得るため、レーザー共焦点顕微鏡による三次元的解像度を有する撮像と、画像処理システムの構築・融合によるシステムを構築してきた。球状集塊を用いる方法についても種々の検討を行ってきたが、現状では定点観察が容易な積層細胞シートをフォーマットとして用いることが妥当と考えられ、以下の検討をスタートさせた。まず積層筋芽細胞シートを対象として、その内部に混入した異種細胞が行う挙動の観察を開始した。筋芽細胞シートの内部では筋芽細胞は均一に混合する挙動を示したのに対し、線維芽細胞や血管内皮細胞、ガン化した筋芽細胞の混入では筋芽細胞とは異なる特徴的な挙動(集塊内をランダムあるいは方向性を持ち非常に素早く動く挙動や、周囲の同種細胞と共に動く集団的遊走など)が観察され、また定量的にも根拠付けられた。さらに研究計画に沿って組織内細胞挙動を操るための薬剤を選択・準備し、準備検討として致死濃度の把握(暴露可能な濃度範囲)や試行的な暴露実験を開始した。計画に沿った新しい手法の構築や使用薬剤に関する基礎検討を終えるなど、順調に進捗している。これまでの方法では定量的に観察できなかった現象の観察例も得られている。予期しない事態は特に発生していない。おおむね順調に進捗している。複雑組織の製造を可能にする次世代型組織工学を切り拓くためには、異種細胞を混ぜ合わせた細胞集塊内を観察し、個々の細胞種の遊走や接着に起因する自律的な棲み分け現象(自己組織化)を理解・操作する手法論が必要となる。本研究では昨年度までに、積層細胞シートを可視性に優れた薄い(厚み100um未満の)板状集塊として使用することで、共焦点レーザー走査型顕微鏡にて三次元的な解像度を保ったまま、経時的に観察が可能である(4次元観察)ことを示してきた。これは従来から使用される球状集塊(スフェロイド)では達成不可能である。積層細胞シートを24ウェルプレート上で再現性良く積層し、観察ターゲットとする細胞の集塊内の動的な挙動を定量的に明らかにする画像処理システムについても報告した。また骨格筋筋芽細胞組織内シート内での線維芽細胞、血管内皮細胞の挙動を明らかにし報告した。本年度は同組織内に混在させる異種細胞としてガン化した筋芽細胞(横紋筋肉腫由来)とされるRD細胞が組織内で活発に動き回り組織を破壊する様子(悪性軟部腫瘍におけるガン細胞の挙動をミミックしているかもしれない)を動的に観察し報告した。また組織内に形成した血管内皮細胞ネットワークの挙動を制御するために、積層シート内部に動きが緩慢な間葉系幹細胞シートを挿入することで、血管内皮細胞ネットワークから内皮細胞が離脱・ネットワーク崩壊に至る現象を抑制できることを明らかにし、報告した。積層細胞シートを可視性に優れた板状集塊として選定し、組織培養および解析の雛型として用いるための基盤技術を構築し、これを実際に用いた検証がスタートできている。これまでに筋芽細胞組織内における線維芽細胞、血管内皮細胞、間葉系幹細胞といった筋組織形成に重要と思われる細胞種の挙動を明らかにし、これを活用することで一部の細胞種の挙動制御が可能であることも示すことが出来ている。創薬のターゲットとして重要な横紋筋肉腫の筋芽細胞組織内の挙動についても明らかにし、遊走や接着を指標とした創薬の可能性を示すことも出来ている。以上の事から、本研究は申請計画に沿って順調に進捗している。本研究では一昨年度までに、積層細胞シートを可視性に優れた薄い(厚み100um未満の)板状集塊として使用することで、共焦点レーザー走査型顕微鏡にて三次元的な解像度を保ったまま、経時的に観察が可能である(4次元観察)ことを示し、観察ターゲットとする細胞の集塊内の動的な挙動を定量的に明らかにする画像処理システムについても報告した。昨年度は、骨格筋筋芽細胞組織内における線維芽細胞、血管内皮細胞、横紋筋肉腫由来RD細胞の挙動を明らかにした。