hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
シャント発声患者のQOL向上を目指した教育プログラム開発

最終年度、シャント発声患者のセルフケア構造を明らかにすることを目的に、シャント発声患者を対象に半構造化面接にてデータを収集し、カテゴリー形成を行なった。シャント発声を活用している人が、QOLを維持するために、自ら実施する生活上の及び、健康管理上の対象方法として、11のカテゴリーを抽出した。その内容は、「乾燥への注意」、「常にブラシを携帯していること」、「ブラッシング方法の工夫」、「痰を出すための工夫」、「入浴の際に気管孔への水が入らない工夫」、「睡眠の際の埃が入らない工夫」、「聞き取ってもらいやすい会話方法の工夫」等であった。これらのセルフケアを行なっている患者ほど、Voice Related QOLや、SF-8のQOL得点に影響している可能性が示唆された。以上より、これまでに行なった研究の、「シャント発声患者の生活上の困難」で明らかとなった内容を考慮した、各セルフケア能力を向上するプログラムを作成することが、今後のシャント発声を活用している患者のQOL向上に寄与することが考えられた。【はじめに】本研究は、頭頸部進行癌等による喉頭全摘出術後でシャント発声を行っている患者のQOL向上を目指した教育プログラムを開発することが目的である。初年度、計画していたシャント発声患者の生活上の困難を明らかにする研究を行った。【方法】対象者は、頭頸部外科外来に通院し、シャント発声を行っている患者8名。データ収集は半構造化面接法を用いた。調査内容は、「シャント発声により起きている生活上の困難やその思いに関すること」について自由に語っていただいた。内容をコード化し、サブカテゴリーからカテゴリーヘと抽出した。【結論】シャント発声患者の生活上の困難として、28のサブカテゴリー、14のカテゴリーを抽出した。カテゴリー内容は、<痰の対処が大変>、<痰によって声を出せなくなることが辛い>、<痰がシャントにつまり、息苦しくてつらい>、<シャントのケアが面倒>、<外来へ通い続けることができるか心配>、<人工鼻の交換が大変>、<気管孔や人工鼻への人からの視線が気になる>、<コミュニケーションがとりづらい>、<自分の発声方法のことを知らない人と話す事は避けたい>、<気管孔や人工鼻について話題にされることを負担に感じる>、<人と話す機会があるかもしれないと思い、なるべく外出は控えたい>、<食事の際に不便さを感じる>、<入浴の際に不便さを感じる>、<睡眠時にシャントに痰がつまり、目が覚めてつらい>が抽出された。【考察】抽出されたカテゴリーはそれぞれ、痰、シャントケア、人工鼻、外見、コミュニケーション、心理面、食事、入浴、睡眠に関すること等であった。特に、生活上の困難として痰、外見、コミュニケーション、心理面に関する内容が多く、QOLに影響を及ぼしていることが考えられた。対象者からのデータが順調にとれたことから、おおむね当初の研究計画通りに進行中である。【はじめに】本研究は、シャント発声患者のQOL向上を目指した教育プログラムを開発することが目的である。シャント発声患者のQOLは声に関連することだけではなく、日常生活上においてもQOLに関連する要因が含まれることが考えられるが、患者の思いや体験を深く探求した研究は見あたらなかった。今後、適切な看護介入、教育的支援が行えることを目指し、シャント発声患者の生活上の困難について明らかにすることを目的に研究を行った。本年度その結果を学会発表、論文で発表した。【方法】対象者は、頭頸部外科外来に通院し、シャント発声を行っている患者10名。【結果】シャント発声患者の生活上の困難として、28のサブカテゴリー、14のカテゴリーを抽出した。シャント発声患者は、自分の言葉が聞き取りづらいと感じること等に起因する“コミュニケーションの取りづらさ"や“自分の発声方法を知らない人と話すことは避けたい" “食事の際に不便さを感じる"などの多様な生活上の困難感を抱えていることを明らかにし、医療者における患者理解を深めることへの寄与、看護援助のあり方を示した。当初の計画通り、シャント発声患者の生活上の困難に関する検討の分析を行い、学会発表、論文発表を行った。

以上より、これまでに行なった研究の、「シャント発声患者の生活上の困難」で明らかとなった内容を考慮した、各セルフケア能力を向上するプログラムを作成することが、今後のシャント発声を活用している患者のQOL向上に寄与することが考えられた。2年目に計画している研究について対象者数が足りない場合、他病院への依頼も考慮する。今年度、生活上の困難およびセルフケアの構造を明らかにし、患者のQOL向上へ向けたプログラム案を作成する。論文作成のための和文英訳校正を本年度実施しなかったため。(理由)論文作成のため英語校正見積もりが当初の予定よりも低かったため。(使用計画)次年度の論文作成のための予算として使用予定論文作成に向けた和文英訳に活用する。
多品種の稲を扱う教育研究機関での減農薬温湯種子消毒の普及に向けた品種間差の解明

研究目的近年、水稲栽培の現場では種子の温湯消毒の利用が増えている。しかし教育・研究機関においては利用があまり進んでいない。その理由として稲の温湯消毒に対する高温耐性の品種間差が大きいことが挙げられる。そのため多品種、少量栽培を行う試験研究の現場では発芽率の低下が認められ使いづらい。教育・研究機関において有機栽培に関する研究の増加や農薬の適正利用、環境に配慮した試験手法が求められている現在において温湯消毒の品種間差を解明することによりその利用を普及させていくことは重要である。そこで本研究では、様々な形質の異なる稲品種(粳米品種、糯米品種、低アミロース米品種、酒米品種、有色素米品種、香り米品種、飼料用稲品種など)の温湯消毒に対する適性について調査し、基礎データを収集することを目的とする。研究方法1.形質の異なる稲27品種の温湯消毒による発芽への影響について調査した。処理方法は無処理、一般的な方法である60°C・10分間浸漬、より高温の65°C・10分間浸漬の3処理とした。処理後、水道水で冷却し発芽試験に供した。発芽試験で発芽率、発芽勢、出芽率の目安として5mm以上発芽した割合について調査した。2.稲種子(種籾)の形状の違いが温湯処理後の発芽試験に及ぼす影響を調査するため、各品種の粒重、粒長、粒幅、粒厚を電子天秤、デジタルノギスを用いて調査した。研究成果温湯消毒が各品種の発芽率へ与える影響は粳米に関してはジャポニカ品種、インディカ品種による明確な差は認められなかった。従来からの見解のように糯品種は発芽率の低下がやや見られたがそれほど大きなものではなかった。その他の形質の違いによる差もほとんど認められなかった。その為、稲種子の形状の違いによる発芽率への影響も認められなかった。しかし発芽勢は温湯消毒処理により低下する傾向がみられ発芽速度の低下が最終的な出芽率の低下に繋がっているのではないかと示唆された。よって温湯消毒の影響の調査は発芽率ではなく、実際の出芽率に着目して調査する必要があることが明らかになった。
フラストレートした磁気システムにおける高次交換相互作用の役割とランダムドーピングの効果

本研究は、典型的なフラストレーションシステムである積層型の三角格子反強磁性体における双2次交換相互作用や磁性不純物のランダムドーピングの効果を、主にヒストグラム法に基づくモンテカルロシミュレーションを使って、XY型スピン系での相転移の詳細を調べることで明らかにしようとするものであった。当初申請した時点では研究期間を2年と想定していたが、特別研究員のM.Zukovic氏の就職が決まり、帰国のため研究期間を短縮することになったのに伴い、ここでは完成した前半のテーマに関する成果について報告する。昨年度は、双1次および双2次相互作用J_1,J_2が共に強磁性である場合について、相転移の位置、転移の次数、有限サイズスケーリングによる臨界指数の評価、ユニバーサリティークラスのクロスオーバー領域、各相での磁気構造の決定等を行った(これについては、平成13年度の成果報告書で既に報告済みである)。本年度はまず、J_1,J_2が共に反強磁性的な場合について考察した。その結果、J_1=0,J_2<0の系の臨界的性質(臨界指数)はJ_1<0,J_2=0の系と同じカイラルユニバーサリティークラスに属することを見出した。J_1,J_2が共に有限で反強磁性的な場合は、三角格子構造による面内のJ_1(J_2)の競合に加え、面間にJ_1とJ_2の間の競合が存在する。その結果、120度2極子相と120度4極子相の他に、0<J_1/J_2<2の領域に新たにインコメンシュレート相が出現することがわかった。次に、J_1とJ_2の符号が異なる場合を詳細に調べた。まず、J_1<0,J_2>0の場合を議論し、120度2極子相と強4極子相の他に、積層軸方向に反強磁性的に配列した強4極子相が出現し、後者の相は温度の低下と共に面内の強4極子秩序がquqsi-colinearからcolinearな配列に移ることを見出した。J_1>0,J_2<0の場合には、面内と面間の双方にけるJ_1とJ_2の多重フラストレーション効果による極めて複雑な相図が得られた。特に、0<J_1/|J_2|<2の領域では温度の低下につれて4つの相転移が生じ、基底状態においては通常の意味の長距離秩序をもたないことが示唆された。以上、本研究では、双2次交換相互作用を持つ積層型三角格子上のXY模型の全てのパラメータ流域にわたる完全な磁気相図を作成し、各相転移の臨界的性質を明らかにした。これらの結果は、7編の論文として既に出版(一部は印刷中)されており、フラストレートした磁気システムにおける双2次交換相互作用の役割の解明について十分な成果をあげたものと考えている。

これらの結果は、7編の論文として既に出版(一部は印刷中)されており、フラストレートした磁気システムにおける双2次交換相互作用の役割の解明について十分な成果をあげたものと考えている。
流れによる赤血球、ベシクルの形状転移

せん断流下での孤立した赤血球、脂質ベシクルの運動モードを研究した。脂質ベシクルの運動を表すのに、ベシクルの形状と流れの方向に対する傾斜角の2変数、もしくは3変数からなる微分方程式で表せる理論モデルを昨年度までに構築した。今年度はその模型を拡張し、高分子カプセルに応用した。膜の曲げ弾性に対して、ずれ弾性の大きい場合、相図が定性的に大きく変わり、tank-treadingとtumblingが同時に起こる領域がなくなることが明らかにした。シミュレーションで観測されていなかったためにこの共存相は理論のアーチファクトでないかと疑う研究者もいたが、本研究で膜の物性の条件で決まることがわかった。また、曲げ弾性が大きい場合、ずれ弾性に起因する傾斜角の振動とせん断流によるカプセルの形状変化に起因する傾斜角の振動が、複雑に絡んで、カプセルの多様なふるまいを生み出すことが明らかになった。周期的にせん断強度を変動させた場合、赤血球、脂質ベシクルともに、多様な運動が起こることを昨年度明らかにしたが、本年度は赤血球において、模型を拡張し、熱揺らぎを考慮した。熱揺らぎによって、異なった運動モード間の変移が起こることを示し、温度上昇に伴い、指数関数的に増加することを明らかにした.せん断流下での孤立した赤血球、脂質ベシクルの運動モードを研究した。脂質ベシクルの運動を表すのに、ベシクルの形状と流れの方向に対する傾斜角の2変数の微分方程式からなる理論モデルをこれまでに構築した。本研究では、それを赤血球に拡張し、膜の回転をあらわす位相角を加えた3変数のモデルを構築した。赤血球膜にはずれ弾性があるため、膜の回転速度は位相角に依存する。このモデルを用いて、定常せん断硫下では、これまで知られている、tank-treading, tumbling,中間の間欠的な運動、の3つだけでなく、tank-treadingとtumblingが同期して起こる運動があることを明らかにした。位相角と傾斜角の運動間の相互作用によって、周期が整数比の状態への引き込みが起こる。周期的にせん断強度を変動させた場合、赤血球、脂質ベシクルともに、多様な運動が起こることを示した。低周波の振動流では、定常流で得られるダイナミクス(Tank-treading, Tumbling, swinging,中間的な運動)を周期的に繰り返す。周波数が高くなるにつれ、ベシクルの運動の位相がせん断流に比べて遅れていく。追随できなくなる高周波数では複数のリミットサイクル運動が共存する。また、剛体では発展方程式の時間対称性から一周忌の後、同じ状態に戻ってくるが、熱揺らぎを加えると特定の傾斜角の振動運動を誘発することに明らかとした。熱揺らぎによって、異なった運動モード間の変移が起こることを示し、温度上昇に伴い、指数関数的に増加することを明らかにした.
リンパ球動員を媒介する血管内皮細胞の組織選択的分化機構の解明

リンパ節に存在する内皮細胞は主にリンパ管系内皮細胞、血管内皮細胞に大別され、血管内皮細胞はさらに形態的特徴や機能からHEV (高内皮細静脈)内皮細胞、非HEV内皮細胞に分類することができる。HEV内皮細胞は、特異的な接着分子やケモカインを発現しリンパ球のホーミングを媒介するという点で、免疫系において重要な機能をもつ細胞である。HEV内皮細胞のホーミングにおける機能的解析は多数行われている一方、HEV内皮細胞がどこから発生し、機能的な細胞に分化するのかという点については未だ不明である。HEV形成期におけるHEV内皮細胞分離技術の開発を行い、初めて胎生期HEV内皮細胞の遺伝子発現解析に成功し、選択的に発現する複数の転写因子を同定した。これらの中の一つについて詳細な解析を行ったところ、HEVの成熟が進む胎生後期から新生仔期においてHEV内皮細胞に選択的に発現することが明らかとなった。また、この遺伝子を欠損するマウスは、野生型と比較して新生仔リンパ節が小さく、免疫組織化学的解析からHEV内皮細胞に特異的に発現する複数の遺伝子発現が低下していた。これらのことから、この転写因子がHEV内皮細胞分化に機能的に関与する可能性が示唆された。高内皮細静脈(high endothelial venule : HEV)はリンパ節とバイエル板にのみ存在し、血管系から二次リンパ組織へのリンパ球トラフィッキングを媒介する特殊な血管である。HEV内皮細胞は立方体で背が高く、リンパ球トラフィキングに関与するケモカインや接着分子を選択的に発現するという特徴をもつが、その発生分化機構については不明な点が多い。これまでに私たちは、新生仔期マウス腸間膜リンパ節HEV内皮細胞を分離し、マイクロアレイ・定量PCR解析をおこない、HEV内皮細胞で非HEV内皮細胞より50倍以上高発現する5つの転写因子を同定した。本研究で私は、同定された遺伝子の一つであるNHTF1がHEV内皮細胞分化を調節する可能性について検討した。まず、発生段階のリンパ節での発現パターンを解析するため、胎生16.5日以降のマウス腸間膜リンパ節の免疫組織染色を行った。その結果、NHTF1はHEVの分化、成熟がすすむ胎生期から新生仔期においてHEV内皮細胞選択的に発現するが、生後一日で急速に発現が消失し、成体リンパ節では発現が検出されなし、ことが明らかとなりた。また、NHTF1発現はHEVの存在しない脾臓では検出されなかった。次に、リンパ節におけるHEV形成におけるNHTF1の重要性を検討するため、NHTF1ノックアウトマウスリンパ節の免疫組織学的解析を行りた。NHTF1ノックアウトマウスリンパ節を解析した結果、新生仔NHTF1ノックアウトマウスリンパ節ではHEVとみられる血管構造は観察されたものの、HEVに選択的に発現する接着分子の発現低下傾向が見られた。このことから、NHTF1は胎生期から新生仔期のHEV内皮細胞におけるHEV選択的遺伝子発現調節に関与する可能性が示唆された。高内皮細静脈(high endothelial venule : HEV)はリンパ節とバイエル板にのみ存在し、血管系からのリンパ球トラフィッキングを媒介する特殊な血管である。HEV内皮細胞は背が高く大きな細胞質を持ち、リンパ球トラフィキングに関与するケモカインや接着分子を選択的に発現するという特徴をもつが、その発生分化機構については不明な点が多い。私は新生仔期マウス腸間膜リンパ節HEV内皮細胞のマイクロアレイ・定量的PCR解析からHEV内皮細胞に発現する転写因子を見出した。この転写因子はHEVの分化、成熟が進む胎生17.5日頃から新生仔期においてHEV内皮細胞に選択的に発現するが、生後一日目には急速に発現が消失し、成体リンパ節では発現が検出されないことが明らかとなった。また、HEVにおける遺伝子発現は、新生仔末梢リンパ節およびパイエル板の一部でも観察されたが、HEVの存在しない脾臓では検出されなかった。この結果を踏まえて今年度は、リンパ節におけるHEV形成におけるこの転写因子の重要性を検討した。

この転写因子のノックアウトマウスは生後24時間以内に死亡するため、胎生期から生後1日目までのリンパ節について解析を行ったところ、形態的にHEVとみられる血管構造は観察されたものの、野生型と比較してHEVに選択的に発現する接着分子MAdCAM-1、L-selectinリガンドの発現低下傾向が見られた。さらに脾臓に異所的にHEV様血管が形成される転写因子Nkx2.3ノックアウトマウスの脾臓において、この転写因子の発現が検出された。野生型マウス脾臓ではこの転写因子の発現がみられないことから、この転写因子はNkx2.3の下流で発現し、HEV形成と相関する可能性が考えられた。適切な免疫応答の誘導には、免疫応答の「場」である二次リンパ組織への適切な免疫細胞の動員(トラフィキング)が必須である。リンパ球はリンパ節内では毛細血管網を流れた後、高内皮細静脈(high endothelial venule: HEV)の内皮細胞上を回転しながら減速し、内皮細胞表面に接着した後、内皮細胞間隙あるいは内皮細胞体を貫通してリンパ組織実質へと移行する。HEVは血管の中でも特異的な形態と機能をもつものの、その発生・分化や機能維持の分子機構については不明な点が多い。私たちは個体発生段階におけるHEV形成時期を決定するため、マウス胎生期から出生までの腸間膜リンパ節におけるHEV内皮細胞マーカー陽性の血管構造の出現を解析した。その結果、マウス腸間膜リンパ節においては胎生17.5日以降に出現し、成熟HEVの形態的特徴である肥厚した基底膜は新生仔期以降に完成することが明らかになった(Hayasaka, H., et. al., CancerSci, 2010)。次に私たちはマウス新生仔HEV内皮細胞を単離・精製し、その遺伝子発現プロファイリングを比較し、発生初期のHEV内皮細胞に選択的に高発現する遺伝子として複数の転写因子を同定した。このうち既知の1遺伝子(遺伝子X)についてHEVの分化、成熟に伴う発現パターンを解析したところ、HEVの成熟が進む胎生17.5日頃から新生仔期においてHEV内皮細胞に選択的に発現することが明らかとなった。遺伝子X欠損マウスでは野生型と比較して新生仔リンパ節が小さく、免疫組織化学的解析から形態学的にHEVと類似した血管構造は観察されたものの、HEV選択的に発現する接着分子の発現が低下していた。この結果から、遺伝子XがHEV内皮細胞の分化、発生に関与する候補転写因子である可能性が考えられた。候補遺伝子のノックアウトマウスの解析は順調にすすんでおり、当初計画していなかった異所的にHEV形成がおこる変異マウスの解析まで進めることができた。一方、本年度の計画として候補遺伝子のトランスジェニックマウス作成は実験動物施設の時間とスペースの関係上完了していない。24年度が最終年度であるため、記入しない。候補遺伝子のトランスジェニックマウスの作成および、血管特異的遺伝子ノックアウトマウスの作成を試みる。すでに血管特異的遺伝子ノックアウトを行うため、deleterマウスとしてTie2-Creマウスを導入済みである。
浸透流のダイナミクスを利用した地中の水みち探査

本研究では,ため池堤体のような水の浸透を受ける土構造物において,漏水の原因となる水みちの経路を非破壊で探査できる技術開発を目標としてきた.この目的に対して,本課題では,浸透水の動的な応答を利用し,構造物内部の水みちの経路を推定する方法の開発を目指した.研究期間においては,実験的研究については,直接経費の減額により制限されたものの,主に以下の研究内容に取り組んだ.(1)動的な浸透挙動を実験と数値解析の両面から調査し,そのシミュレータを開発する.(2)土の内部にある水みちを推定する探査手法(逆解析手法)を構築する.前者については, Darcy-Brinkman式の数値解析,水みち等の流体領域の流れについてはコヒーレント構造モデルを導入したLESの両者をカップリングする数値解析手法の開発に成功した.特に,Darcy-Brinkman式を不飽和領域にまで拡張することに成功し,その数値シミュレーションを実現したことで,水みちの流体領域の流れと土の多孔質領域においては飽和・不飽和浸透流の同時解析が可能となった.後者の水みちの逆解析手法の開発については,最終年度において,一つの有効な方法の提案に至った.その手法は,ハミルトニアンモンテカルロ法に移動メッシュによる空間変化を組み合わせて,形状推定を行うものである.具体的には,水みちの形状を形状パラメータによって表現し,水頭や流量の観測値を得て,そのパラメータの尤度計算を行う.その尤度からパラメータの事後確率を求め,ハミルトニアンモンテカルロ法によりパラメータの分布(推定値)を得る.推定されたパラメータは空間形状(水みち形状)を表現し,漏水経路の推定を可能とする.本研究では,ため池堤体のような水の浸透を受ける土構造物において,漏水の原因となる水みちの経路を非破壊で探査できる画期的な技術を開発を最終目標とする.その目的の中で本課題では,浸透水の動的な応答を利用し,構造物内部の水みちの経路を非破壊で推定する方法の開発を目指す.申請時に予定した平成28年度の研究内容は,(1)浸透水の一次元動的応答実験,(2)動的浸透挙動の数値シミュレーション,の二つであった.実験については採択時の直接経費の減額によりあきらめることとしたが,その代わりに,(1)水みちの逆解析手法の開発,(2)動的浸透挙動の数値シミュレーション,を行った.水みちの逆解析手法の開発については,トポロジー最適化手法を考え,非線形な支配方程式への対応と動的な計測データへの適用性について検討を行った.トポロジー最適化は,材料の静的な変形問題に対して行われることが多く,材料の動的な挙動に対してトポロジー最適化を試みることは少ない.本研究では,動的な材料に応答に対してトポロジー最適化を行う必要があり,現在のところ,ある特定の時間区間もしくは周波数領域の変位応答に最適化の対象を限定することで,トポロジー最適化を行うことができるアプローチを検討中である.動的浸透挙動の数値シミュレーションについては,浸透流についてはDarcy-Brinman式の数値解析,水みち等の流体領域の流れについてはコヒーレント構造モデルを導入したLESの両者をカップリングする数値解析手法の開発に成功した.本研究課題が目標とする「水みち経路の非破壊で探査する技術の開発」には,解析アルゴリズムの構築が必要不可欠である.現在,順解析のシミュレータについては開発が完了した.水みち探査のための逆解析手法の開発については,動的な計測データの扱いについて,特定の時間区間の計測データを利用するか周波数領域に変換することで,既往のメソッドが適用できる可能性が高いところまで考えが進んでいる.本研究では,ため池堤体のような水の浸透を受ける土構造物において,漏水の原因となる水みちの経路を非破壊で探査できる技術開発を最終目標としている.この最終目的に対して,本課題では,浸透水の動的な応答を利用し,構造物内部の水みちの経路を推定する方法の開発を目指している.当該年度の研究内容は,(1)動的な浸透挙動を実験と数値解析の両面から調査し,そのシミュレータを開発し,(2)土の内部にある水みちを推定する探査手法を構築することの二つである.実験的研究については,直接経費の減額により制限することとし,(1)動的浸透挙動の数値シミュレーション,(2)水みちの逆解析手法(探査方法)の開発,を行っている.動的浸透挙動の数値シミュレーションについては,浸透流についてはDarcy-Brinkman式の数値解析,水みち等の流体領域の流れについてはコヒーレント構造モデルを導入したLESの両者をカップリングする数値解析手法の開発に成功してきた.当該年度においては,Darcy-Brinkman式を不飽和領域にまで拡張することに成功し,その数値シミュレーションを実現した.これにより,水みちの流体領域の流れと土の多孔質領域においては飽和・不飽和浸透流の同時解析が可能となった.水みちの逆解析手法の開発については,空洞を含めた透水係数の推定方法を構築中である.具体的には,高度なフィルタリング手法の適用を図っており,これにより透水係数分布の最適解を求めことを行っている.動的浸透挙動の数値シミュレーションについては,これまでに実現してきた流体領域と飽和した多孔質領域の流れの同時解析を発展させ,不飽和領域への拡張に成功した.ため池堤体のような農業水利施設では,必ず不飽和領域が存在するため,この拡張は実際への応用には必要不可欠なものである.また,水みちの逆解析手法の開発については,高度なフィルタリング手法の適用を図っており,方向性が定まってきている.フィルタリング手法の場合,局所的な最適解を得たとしても,その尤度を得ることができる.

これは,水みちの有無や分布を確率的に判断することにもつながり,応用の際にも有用な情報を提供できる.本研究では,ため池堤体のような水の浸透を受ける土構造物において,漏水の原因となる水みちの経路を非破壊で探査できる技術開発を目標としてきた.この目的に対して,本課題では,浸透水の動的な応答を利用し,構造物内部の水みちの経路を推定する方法の開発を目指した.研究期間においては,実験的研究については,直接経費の減額により制限されたものの,主に以下の研究内容に取り組んだ.(1)動的な浸透挙動を実験と数値解析の両面から調査し,そのシミュレータを開発する.(2)土の内部にある水みちを推定する探査手法(逆解析手法)を構築する.前者については, Darcy-Brinkman式の数値解析,水みち等の流体領域の流れについてはコヒーレント構造モデルを導入したLESの両者をカップリングする数値解析手法の開発に成功した.特に,Darcy-Brinkman式を不飽和領域にまで拡張することに成功し,その数値シミュレーションを実現したことで,水みちの流体領域の流れと土の多孔質領域においては飽和・不飽和浸透流の同時解析が可能となった.後者の水みちの逆解析手法の開発については,最終年度において,一つの有効な方法の提案に至った.その手法は,ハミルトニアンモンテカルロ法に移動メッシュによる空間変化を組み合わせて,形状推定を行うものである.具体的には,水みちの形状を形状パラメータによって表現し,水頭や流量の観測値を得て,そのパラメータの尤度計算を行う.その尤度からパラメータの事後確率を求め,ハミルトニアンモンテカルロ法によりパラメータの分布(推定値)を得る.推定されたパラメータは空間形状(水みち形状)を表現し,漏水経路の推定を可能とする.今後の主な研究課題は,逆解析手法の開発と室内実験によるデモンストレーションである.最終目標と現実的な経費を考えると,逆解析手法の開発に重点を置き,室内実験については,安価な装置による実験,もしくは既往研究の検索と利用を考える.逆解析手法のツールとしては,研究計画に従ってトポロジー最適化手法を第一に考えるが,方程式の非線形性からその適用が困難な場合には,データ同化手法の利用も見据える.来年度は,最終年度となるが,上記の2つの研究課題を継続的に進める.現在のところ,水みちの数値解析方法はほぼ完成した段階にあり,後は実際の応用を考えたチューニングを行う.逆解析手法の構築については,高度なフィルタリング手法の適用を進め,その得失も含めて得られる結果の応用性を議論する.当初、流量計、圧力センサー等の計測器を購入予定であったが、予定した実験の困難さから実験内容の変更を行った。その結果、平成30年度に遠心場でのパイピング実験を予定し、そのための人件費と計測装置の補充に充てる。
η’粒子を用いた対称性の破れによる質量生成機構の実験的解明

本研究の目的はη'中間子の原子核内での質量変化を測定することにより、対称性の破れによる質量生成機構の検証実験を行うことである。本研究ではSPring-8LEPS2ビームラインの高エネルギーγ線を用い、12C(γ,p)η'11B反応により、11B原子核中にη'を生成する。そしてη'中間子と11B原子核の束縛エネルギーから質量変化の観測を行う。束縛エネルギーは、前方に散乱される陽子のエネルギーを測定することによって求める。陽子のエネルギーはターゲットの前方12.5 mの位置に設置されるResistive Plate Chamber (RPC)を用いてTime-of-Flight (TOF)測定法により測定する。本年度45月にはこのRPCのインストールを行った。同時期に測定に用いる他の検出器も稼働を開始した。6月からは炭素標的を用い、本研究のデータ取得を開始した。同時に問題のある検出器、読み出し回路の洗い出し、修理、交換なども行った。10月からは陽子標的でのデータ取得を行い、検出器や時間測定の較正を行った。ほぼ光速で粒子が飛来する電子・陽電子対生成イベントを用いて、RPC-TOFシステムの時間分解能の評価を行った。目標の50psより少々悪い75ps程度の時間分解能が得られていることが分かった。現在ヒットした読み出しストリップの選び出しアルゴリズムの改良などにより、より良い時間分解能を目指している。来年度はさらに炭素標的のデータを取得し、解析を行い論文にまとめる。26年度が最終年度であるため、記入しない。本研究の目的は、η'中間子の原子核内での質量変化を測定することにより、対称性の破れによる質量生成機構の検証実験を行うことである。本研究では現在建設の進められているLEPS2ビームラインの高エネルギーγ線を用い、^<12>C(γ,p)η'^<11>B反応により、11B標的中にη'を生成する。そしてη'中間子と原子核の束縛エネルギーから質量変化の観測を行う。陽子のエネルギーはターゲットの前方約12.5mの位置に設置された高抵抗板検出器を用いてTime-of-Flight(TOD測定法により測定する。本研究ではη'原子核の束縛エネルギーを20MeV以下の精度で測定することを目標とする。20MeVのエネルギー分解能を達成するためには、時間分解能50psのTOFシステムの開発が必要であり、本年度はこのTOFシステムの開発を行った。TOFシステムの時間分解能は、主に使用する高抵抗板検出器と、アンプ、ディスクリミネーター、TDCの4つの時間分解能によって決まる。そのため、高い時間分解能を持つ高抵抗板検出器と、アンプ、TDCを開発することが重要である。本年度は特に、高抵抗板検出器の大型化とアンプについて開発を行った。高抵抗板検出器は、実機と同サイズの23cm×100cmのものを製作し、評価を行った。その結果、前年度までに制作した15cm×40cmの小さいサイズの試作機と変わらない、約30psの時間分解能が得られた。アンプは複数種類の試作機を製作し、評価を行った。そのうち、ヒ化ガリウムの高速トランジスタを用いたアンプは非常に良い時間分解能を示し、約25psの時間分解能を達成した。残るディスクリミネーターとTDCの寄与は約30psであり、大型化した高抵抗板検出器と開発したアンプと合わせて約50psの時間分解能となる。本年度の成果により、実機で目標とする50psの時間分解能を持つTOFシステムの製作が可能であることが明らかとなった。本研究ではSPring-8LEPS2ビームラインの高エネルギーγ線を用い、^<12>C(γ, p)η'^<11>B反応により、^<11>B原子核中にη'を生成する。そしてη'中間子と^<11>B原子核の束縛エネルギーから質量変化の観測を行う。陽子のエネルギーはターゲットの前方12.5mの位置に設置されるResistive Plate Chamber (RPC)を用いてTime-of-FIight (TOF)測定法により測定する。20MeVのエネルギー分解能を達成するためには、50psという非常に高い時間分解能を持つTOFシステムの開発が必要である。TOFシステムの時間分解能は、主に使用するRPCとアンプ、ディスクリミネーター、TDCの4つの時間分解能によって決まる。このうちRPC、アンプ、TDCについては昨年度までの開発で充分な性能を確認している。そこで本年度前半はディスクリミネーターの開発を行った。また、TDCの読み出しチャンネル数はそのままに、RPCでより大面積を覆うため、異なる読み出しストリップの信号の和が取れるようにアンプとディスクリミネーターの改良を行った。改良したアンプとデイスクリミネーターはLEPSビームラインで性能評価を行い、1chあたりRPCで250cm^<2>の大面積を覆いながらTOFで50psの時間分解能を達成できることを確認した。本年度後半には実機の製作を行った。

12月には全数の2割のRPCをLEPS2ビームラインヘインストールし、実際にビームを用いてデータ取得を行った。本年度終わりにはRPC、読み出し回路ともに全数の製作が完了し、来年度4月からは^<12>C(γ, p)η'^<11>B反応の測定を開始する予定である。本年度のRPCおよび読み出し回路の開発については複数の学会で発表を行った。本研究の目的はη'中間子の原子核内での質量変化を測定することにより、対称性の破れによる質量生成機構の検証実験を行うことである。本研究ではSPring-8LEPS2ビームラインの高エネルギーγ線を用い、12C(γ,p)η'11B反応により、11B原子核中にη'を生成する。そしてη'中間子と11B原子核の束縛エネルギーから質量変化の観測を行う。束縛エネルギーは、前方に散乱される陽子のエネルギーを測定することによって求める。陽子のエネルギーはターゲットの前方12.5 mの位置に設置されるResistive Plate Chamber (RPC)を用いてTime-of-Flight (TOF)測定法により測定する。本年度45月にはこのRPCのインストールを行った。同時期に測定に用いる他の検出器も稼働を開始した。6月からは炭素標的を用い、本研究のデータ取得を開始した。同時に問題のある検出器、読み出し回路の洗い出し、修理、交換なども行った。10月からは陽子標的でのデータ取得を行い、検出器や時間測定の較正を行った。ほぼ光速で粒子が飛来する電子・陽電子対生成イベントを用いて、RPC-TOFシステムの時間分解能の評価を行った。目標の50psより少々悪い75ps程度の時間分解能が得られていることが分かった。現在ヒットした読み出しストリップの選び出しアルゴリズムの改良などにより、より良い時間分解能を目指している。来年度はさらに炭素標的のデータを取得し、解析を行い論文にまとめる。26年度が最終年度であるため、記入しない。本年度は大面積の高抵抗板検出器の開発、及びアンプとTDCの開発を予定していた。高抵抗板検出器の大型化とアンプの開発については上述の通り、目標を満たす性能のものの開発に成功した。TDCについては市販のVMEモジュールの性能評価を行った。その結果、内部クロックのジッターをオフラインで補正することにより、目標性能を満たす約20psの時間分解能を得られることが明らかになった。本年度予定していたディスクリミネーターの開発は順調に進み、要求性能を満たすものの開発に成功した。また、実機のインストールも完了し、実際にビームを用いたデータ取得も行った。来年度は残るディスクリミネーターの開発を行う。ディスクリミネーターは既に試作機が完成しており、少し修正を加えて、来年度前半には最終版が完成する予定である。ディスクリミネーターの性能が確かめられ次第、実機の生産に移る。来年度後半にはインストールを行い、本研究の目的である^<12>C(γ,p)η'^<11>
細胞マルチストレス応答解析装置の開発

マイクロマニピュレーション技術と顕微技術の進歩にともない、細胞診断やバイオアッセイを細胞単位で行うことの重要性が強く認識されるようになっている。本研究は、これを可能にするためにマルチ型サブミクロンキャピラリー(MMC)を利用して、一個の細胞に所定のストレスシグナルを与え、同時にその細胞の応答を測定することができるシステムの構築を目的として実施された。安定した細胞応答を得るためにはMMC(1、2、または3チャンネル型)の外径は高々1μmであることが必要であることがわかった。化学的シグナルの一例としてアニオニックな蛍光色素であるルシファーイエロ-(LY)を電気泳動的にオオムラサキツユクサ生葉細胞に導入した。この方法は以後の実験においてキャピラリーの位置を確認するための基本技術となった。同様にして、K^+、H^+、Cl^-の各イオンを電気泳動で導入し、それをイオン選択性微小電極で確認した。また、pH変化を伴う酸素及び反応基質を順次、加圧法で細胞内に導入し、基質濃度とpH変化量との間に相関関係が得られることを示した。電気的シグナルを印加する場合は、細胞の各部分に実際に生じている電場の大きさを正しく見積もることが重要である。そこで細胞膜のインピーダンス測定システムを開発した。このシステムを用いて、数珠状に連結した細胞塊を形成するタバコ培養細胞BY-2の隣接細胞間の膜インピーダンスを測定した。その結果、例えば27GΩと500pFの並列回路で表される、ということなどが示された。本システムは複数のストレスシグナルを別々に、あるいは同時に、また場合によっては繰り返し、同一細胞に与えることを可能にする。従って、ストレスシグナルの大きさと細胞応答の大きさとの間の複雑な関係を解析するためには極めて有効なシステムであると考えられる。細胞のストレスに対する応答特性をリアルタイムかつin vivoで評価するシステムを開発するために、マルチ型サブミクロンキャピラリーを製作した。このキャピラリーはストレスシグナル印加用とストレス応答シグナル測定用の2種類より構成されている。ストレスシグナル印加用のキャピラリーからは、細胞に電気化学的、及び化学的ストレスを印加し、それぞれのストレスに対する細胞応答をストレス応答シグナル測定用のキャピラリーを用いて細胞内電位及びイオン濃度(H^+,K^+,CI^-)の測定を行った。2種類のキャピラリーを組み合わせたサブミクロンキャピラリー(3連型)を用い、まず、植物細部への適応を試みた。すなわち、オオムラサキツユクサ(Tradescantia uirginiana L.)生葉を用い、その特定の細胞のみにサブミクロンキャピラリーを刺入し、ストレスシグナル印加用のキャピラリーからイオン性分子(H^+,K^+,CI^-)を電気泳動的に導入し、電気化学的ストレスを与えた。そして、このときに生じる細胞内電位変化とH^+,K^+,CI^-の濃度変化をストレス応答測定用のキャピラリーにより測定した。その結果、H^+,K^+,CI^-を導入したところイオン濃度の増大が認識され、細胞内電位も同時に変化していることがわかった。次に、化学的ストレスの印加について検討した。pH変化を伴う酵素を加圧法により導入し、この導入量をpH電極で測定する系を考えた。pH変化を伴う酵素反応として、ルシフェラーゼ反応とウレアーゼ反応を選んだ、ピコポンプにより基質液(ルシフェリンよATPの混合液)を導入したところ、特にpH変化は認められなかったが、ここで酵素を導入するとpHの減少が認められた。このpH変化量と導入されたルシフェリンの濃度の間には相関関係が認められた。また、ウレアーゼについてもpH変化量と導入された尿素の濃度との間に同様の関係が得られた。

したがって、中性分子も一定量の分子を化学的シグナルとして細胞内に導入できることがわかった。以上の結果から、マルチ型サブミクロンキャピラリーの基本性能が明らかにされ、ストレスに対する応答特性をリアルタイムで評価するシステムとしての可能性が示された。本年度は細胞に印加するストレスとして以下に示す1、2、またストレス応答測定として3について実施した。1.細胞膜に対する電気的パルスによる機械的傷害(細胞間エレクトロポレーション)の印加数珠状に連結したタバコ培養細胞の隣接した2個の細胞(A、B)を任意に選び、各々にマルチ型サブミクロンキャピラリーを刺入した。各キャピラリーに挿入した電極端子を介してパルス電場を印加した。細胞膜に傷害が生じたかどうかの判断は、予め、細胞Aに螢光色素ルシファーイエロ-(LY)を導入しておき、このLYが細胞Bあるいは周囲へ拡散していく様子から判断した。傷害の程度が致死的かどうかの判断は刺激後12時間で細胞分裂が生じるかどうかで行った。その結果、印加電圧10Vまたは50Vで、この傷害の程度をある程度制御できること、すなわち細胞が生きている場合と、細胞が死ぬ場合とに調節できる条件があることがわかった。2.中性分子導入による細胞への化学的ストレスの印加初年度にオオムラサキツユクサ生葉を用いて酵素及び反応基質を特定の1個の細胞内に導入できることを示したが、本年度は、この導入量の制御が行え、したがって導入による化学的ストレスの定量的印加ができることが示された。3.細胞膜系の電気的インピーダンス解析ストレス刺激に対する細胞の応答をリアルタイムで追跡する方法として、新たに細胞膜系の電気的インピーダンスを連続測定できるシステムを構成した。pAの電流計測ができる高感度アンプを組み込むことによって、キャピラリーのインピーダンス(3050MΩと3050pFの並列回路)およびタバコ培養細胞間の膜インピーダンス(27GΩと500pFの並列回路)を各々in vivoで求めることができた。本年度は、細胞内の分子情報を得るための細胞質サンプリング法について検討した。吸引用キャピラリーの先端形状を種々検討し、先端を斜めに研磨して4mm×2mmの楕円形にしたものを用いた。イネ培養細胞(Oryza sativa L.)に刺入し、吸引圧254mmHgで細胞質のサンプリングを試みたところ、細胞質の一部がキャピラリー内部に吸引されることが認められた。しかし、その採取された細胞質の総タンパク質を定量するには至らなかった。因みに細胞質のタンパク質画分を電気泳動後、銀染色法で検出する場合の所要サンプル量は細胞約10個分であったので、細胞質の一部分(10%程度)のみで検出するためには検出感度を100倍上げる必要があると結論された。一方、細胞質中の具体的な分子情報として、ストレス応答遺伝子の一つと考えられているイネ生葉キチナーゼに焦点を合わせ、その細胞内酵素活性の検出条件についても検討した。予備実験の結果、キチナーゼ活性を示すアイソザイムが数種類あることがわかったので、それらの生成パターンを同時に解析するために活性染色法を導入した。
有機溶媒耐性微生物が産生する有機溶媒に安定なプロテアーゼ

プロテアーゼはタンパク質を加水分解する酵素であるが、有機溶媒存在下では、ペプチドやエステルの合成反応を触媒することができる。しかし、一般に酵素は有機溶媒に不溶であり、しかも有機溶媒存在下では容易に変性、失活する。そこで、有機溶媒に安定なプロテアーゼを生産するスクリーニングを行ったところ、有機溶媒存在下でも生育し、有機溶媒に安定な酵素を生産するPseudomonas aeruginosa PST-01株を得た。P・ST-01株が生産するプロテアーゼ(PST-01プロテアーゼ)を精製し、SDS-PAGEで分析したところ、分子量約38,000のタンパク質であることがわかった。加水分解反応の至適pHは8.6、至適温度は55°Cであり、65°C以下で非常に安定であった。種々の阻害剤を添加したときの活性測定により本酵素はメタルプロテアーゼであることがわかった。また、PST-01プロテアーゼの有機溶媒安定性を調べたところ、多くの有機溶媒存在下で非常に安定であり、特にアルコール等の水に溶ける有機溶媒を添加したときは、加えないときに比べて安定性が増大することがわかった。さらに、種々のペプチド合成を行った。Cbz-ArgとLeu-NH_2からCbz-Arg-Leu-NH_2の合成反応では、収率はCbz-Argの初濃度にはほとんど依存せず、Leu-NH_2の初濃度に大きく依存した。また、50%ジメチルホルムアミドもしくはジメチルスルホキシド存在下で収率は約80%に達した。さらに、pH7.012.0で高い収率を示した。そこで、有機溶媒に安定なプロテアーゼを生産する微生物のスクリーニングを行ったところ、有機溶媒存在下でも生育し、有機溶媒に安定な酵素を生産するPseudomonas aeruginosa PST-01株を得た。この菌株の培養上清に硫酸アンモニウムを添加して硫安分画を行った後、Butyl-Toyopearl650Mを用いた疎水的クロマトグラフィーを行うことによって、PST-01株が生産するプロテアーゼ(PST-01プロテアーゼ)を精製した。精製したPST-01プロテアーゼをSDS-PAGEで分析したところ、分子量約38,000のタンパク質であることがわかった。種々の阻害剤を添加したときの活性測定により本酵素はメタルプロテアーゼであり、金属イオンをEDTAで取り除いたアポ酵素に亜鉛イオンやコバルトイオンを添加することにより活性が回復することがわかった。また、種々の合成基質を用いてPST-01プロテアーゼの加水分解の基質特異性について検討したところ、既存のプロテアーゼとは異なった基質特異性を有しており、エステル結合も容易に分解できることがわかった。さらに、PST-01プロテアーゼの有機溶媒安定性を調べたところ、多くの有機溶媒存在下で非常に安定であり、特にアルコール等の水に溶ける有機溶媒を添加したときは、加えないときに比べて安定性が増大することがわかった。
正常大腸粘膜および大腸癌におけるプロテオーム解析と癌特異的タンパク質の機能解析

現在、大腸癌,肝癌特異的タンパクを同定するため、タンパク発現を規定する338種類のマイクロRNAの網羅的解析を行い,癌特異的なマイクロRNAを抽出している。そして、ゲノムチップを用いて、そのマイクロの同定中である。その後発現プロファイルの解析は、従来の統計学的方法のみならずマイクロアレイに適した統計的手法SAM(Significant Analysis of Microarray)、RDAM(Rank Difference Analysis of Microarray)などを用いている。また、クラスタ解析には、教師なし階層約クラスタリングに加え、非階層的クラスタリング手法であるK-means、SOM (Self Organizing Map)や、精度の高い予測因子を絞り込むために教師あり学習分類であるSVM (Support Vector Machine)、K-NN(K-Nearest Neighbor)などの方法を用い解析中である。現在、肝癌、大腸癌において増強したマイクロRNAは16個、減少しているRNAは13個である。現在、癌において増強したマイクロRNAおよび減少したマイクロRNAがどのタンパクに影響をあたえているか解析する。肝癌において極めて減少していたマイクロRNA-527は、そのターゲット予測プログラムを用い解析すると、glypican 3が予測され、現に極めてマイクロRNA-527が減少している肝癌においてglypican 3の発現が減弱している。
電場を備えた液液抽出装置の開発

縦型の平行平板電極を備えたスプレー塔液々抽出装置を試行し、その流動および物質移動特性を調べた。装置は内径90mm、長さ400mmの有機樹脂円筒で、その塔壁に銅板電極(極板間距離67mm)を平行に固定したものである。塔上部に取り付けたスプレー・ノズルより生成した液滴群を電極間(平等電場)を落下させる。液滴群は印加電圧に応じてゆるやかなジグザグ運動から液滴同士の合一・再分散を繰り返す激しい運動まで変化した。液々分散系への電場の利用は撹拌器を使用したのと同じ効果を示した。試作した装置の流動特性、混合特性および物質移動特性を実験的に調べた分散相流動特性;分散相ホールドアップは印加電圧と共に増加した。これは電気力により滴がジグザグ運動を繰り返し、分散相の塔内滞留時間が長くなるためである。滴径分布は印加電圧と共に広くなったが、平均滴径ではほぼ一定であった。液滴の落下速度は印加電圧と共に遅くなった。液滴の速度の実測値は我々がじく前提出した推算式による計算値とよく一致した。連続相液混合特性;連続相側液混合拡散係数におよぼす電場の効果をトレーサ応答により求めた。その結果、印加電圧と共に混合拡散係数は低下し、良好な混合状態が与えられ、逆混合が抑制されることがわかった。物質移動特性;分散相から連続相へのヨウ素の抽出実験を行い、抽出効率におよぼす電場の効果を調べた。電場を付与しない場合に較べて電場を付与(35kV)すると抽出効率は約70%増加し、顕著な効果がえられた。装置シミュレーション;流窪および混合特性のデータ、文献の物質移動係数の相関式を用い、装置効率のシュミレーションを行った結果、良好な結果を得た。本シュミレーション手法、装置設計法を確立した。(本結果の一部は化学工学第21回秋季大会(1988年で公表し、国際溶媒抽出会議(1990年)に発表の予定である。本年度は先に提出した研究実施計画を完成するため、前年度試作した縦型の平行平板電極を備えた液々スプレー塔の一部を改良して、流動特性および物質移動特性を実験的に調べた。ついで、装置シミュレーションのプログラムを開発し、本装置の設計法の確立を目指した。流動特性;平行平板電極間を落下する液滴は電場の作用により合一・再分散を繰り返しながら複雑な運動をする。電場強さの増加と共に分散相の滞留時間は増加し、分散相ホールドアップは増加した。液滴の運動速度は電気力により電場の方向に加速され、大きくなった。滴速度の実測値は本研究でえられた推算結果とよく一致した。その結果、塔内の滴径分布がわかれば、液滴の速度、分散相ホールドアップ、分散相の塔内滞留時間の推算が可能となった。物質移動特性;分散相(ヨウ素を含む蒸留水およびヨウ化カリウム水溶液)から連続相(シクロヘキサン)にヨウ素を移動させ、抽出効率におよぼす印加電圧の効果を調べた。電場を付与しない場合に比べて電場(35kV)を付与すると抽出効率は70%程度増加した。分散モデルより総括物質移動容量係数を算出し、分散相側および連続相側物質移動係数を文献の実験相関式で検討したところ両者はよく一致した。

装置シミュレーション;塔内の液滴径分布、速度分布を考慮した修正分散モデルを開発し、本装置の物質移動特性のシミュレーションを行った。その結果、本モデルは抽出率の実測値をI20%の誤差で再現できた。本モデルの他の系への適用性を検討すると共に、装置設計法の確立を目指す。(国際溶媒抽出学会(1990年7月)発表予定)
100nm分解能の多光子レーザーサージェリーの研究

初年度で得られた実験的及び理論的知見に対し、生物学的(高松)および光学的(中村)総合評価を行い、実際にナノサージェリーとして、生体内の各部の加工精度を制御する手法について、考え得る最適値を求めた.この当面の最適な手法を用いて、ラットの赤血球、心筋細胞膜、毛細血管壁等を再び、サブミクロン分解能で手術・加工した.この結果を一応の評価基準とし、次に、オワンクラゲの蛍光性蛋白質(GFP)を遺伝子操作により導入された、マウスやゼブラフイッシュの胚をサブミクロンで加工し、その加工部位と機能・組織発現の関係を調べた.このような手法により、特に、脳の発生過程の追跡や最終的には胚の構造と成体の脳の構造の1対1マッピングが可能であるかを探った.また、近年考案されつつある各種の高分解能化手法、例えば4π共焦点光学系等の手法と結合した際のトータルの振る舞いなども検討した.得られた知見をもとに、ビーム走査技術を用いて実際に細胞などを3次元的に加工可能な顕微鏡光学系やビーム走査法を研究し、細胞のナノメートルオーダーでの部分的破壊とその後の機能発現の関係について実験的に調べた.初年度で得られた実験的及び理論的知見に対し、生物学的(高松)および光学的(中村)総合評価を行い、実際にナノサージェリーとして、生体内の各部の加工精度を制御する手法について、考え得る最適値を求めた.この当面の最適な手法を用いて、ラットの赤血球、心筋細胞膜、毛細血管壁等を再び、サブミクロン分解能で手術・加工した.この結果を一応の評価基準とし、次に、オワンクラゲの蛍光性蛋白質(GFP)を遺伝子操作により導入された、マウスやゼブラフイッシュの胚をサブミクロンで加工し、その加工部位と機能・組織発現の関係を調べた.このような手法により、特に、脳の発生過程の追跡や最終的には胚の構造と成体の脳の構造の1対1マッピングが可能であるかを探った.また、近年考案されつつある各種の高分解能化手法、例えば4π共焦点光学系等の手法と結合した際のトータルの振る舞いなども検討した.得られた知見をもとに、ビーム走査技術を用いて実際に細胞などを3次元的に加工可能な顕微鏡光学系やビーム走査法を研究し、細胞のナノメートルオーダーでの部分的破壊とその後の機能発現の関係について実験的に調べた.フェムト秒レーザーを回折限界まで絞り込んだ際の,光と生体物質の相互作用について基礎実験を行った.パルス幅100fs,中心波長800nmのチタンサファイアレーザーを用いて高精度顕微鏡光学系の設計・試作を行った.対物レンズとしては,現有の水侵レンズ(NA=1.0,オリンパス)を用いた.ラットの赤血球,心筋細胞膜,毛細血管壁に,収束近赤外フェムト秒レーザーを導入し,入射パワーと誘電破壊された領域の大きさの関係を求めた.このとき,レーザービームの径を変えることによりNAを変化させ,また,電場増強のため金コロイドを細胞膜表面に付着させ,ナノメートルサージェリーヘの最適な条件を見つけた.金コロイドのローカルプラズモンによる電場増強の効果について見積もり,実験結果と比較した.試料の誘電破壊された領域のサイズを測るには,試料を乾燥させたうえで,金コートし,電子顕微鏡を用いた.このような多光子吸収による物質の誘電破壊のプロセスを,焦点付近の電場分布とその光吸収・プラズマ化の分布,さらに多くの光子の吸収の時間空間発展を計算することによりシミュレートし,このとき得られるサージェリー(加工)サイズと実験で得られたサイズを比較した.さらに,最適な光パルス幅を計算機シミュレーションにより求めた.さらに,発生する熱と温度分布をフェムト秒の時間分解能で計算し,その蛋白質などへ与える生物学的効果について検討した.初年度で得られた実験的及び理論的知見に対し、生物学的(高松)および光学的(中村)総合評価を行い、実際にナノサージェリーとして、生体内の各部の加工精度を制御する手法について、考え得る最適値を求めた.この当面の最適な手法を用いて、ラットの赤血球、心筋細胞膜、毛細血管壁等を再び、サブミクロン分解能で手術・加工した.この結果を一応の評価基準とし、次に、オワンクラゲの蛍光性蛋白質(GFP)を遺伝子操作により導入された、マウスやゼブラフイッシュの胚をサブミクロンで加工し、その加工部位と機能・組織発現の関係を調べた.このような手法により、特に、脳の発生過程の追跡や最終的には胚の構造と成体の脳の構造の1対1マッピングが可能であるかを探った.また、近年考案されつつある各種の高分解能化手法、例えぱ4π共焦点光学系等の手法と結合した際のトータルの振る舞いなども検討した.得られた知見をもとに、ビーム走査技術を用いて実際に細胞などを3次元的に加工可能な顕微鏡光学系やビーム走査法を研究し、細胞のナノメートルオーダーでの部分的破壊とその後の機能発現の関係について実験的に調べた.