hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
両性イオン界面活性剤を用いた単分散カーボンナノチューブ内包型多孔質シリカの創製

両性イオン界面活性剤水溶液中に単分散カーボンナノチューブ(CNT)を完全非晶質籾殻由来シリカ内部に誘導することを試み,シリカ空孔内部・壁面にまでCNTの均一分散付着を確認した.更にCNT内包型粒子をマグネシウムの強化材として利用すべくMg_2Si粒子-CNT分散Mg基複合材料を作製し,摩擦摺動特性と組織構造の関係を考察した結果,CNTのベアリング作用とMg_2Si硬質相による耐摩耗性の相乗効果を明らかにした.両性イオン界面活性剤水溶液中に単分散カーボンナノチューブ(CNT)を完全非晶質籾殻由来シリカ内部に誘導することを試み,シリカ空孔内部・壁面にまでCNTの均一分散付着を確認した.更にCNT内包型粒子をマグネシウムの強化材として利用すべくMg_2Si粒子-CNT分散Mg基複合材料を作製し,摩擦摺動特性と組織構造の関係を考察した結果,CNTのベアリング作用とMg_2Si硬質相による耐摩耗性の相乗効果を明らかにした.植物由来の多孔質構造を有する籾殻焼成シリカにおいて, X線CTおよび走査型電子顕微鏡を用いた幾何学的構造解析を行った結果,直径1020ミクロン程度の直径を有するハニカム構造がシリカの主たる骨格を形成し,その壁面内に直径1ミクロン以下の連結空孔が多数存在している.これは籾殻内に水分を供給するための3次元ネットワーク構造に由来するものであると考えられる.他方,従来の鉱物シリカとの違いの一つとして,水酸基(-OH)を有する点であり,これを詳細に調査すべく, pH値の異なる水溶液中にシリカ粒子を分散させ,ゼータ表面電位を測定した. pH<6の酸領域において従来の鉱物系シリカ(SiO2)は-10-20mV程度を示すのに対して籾殻由来シリカは-40-60mVと大きな負の値を有しており;これは上記の水酸基に起因すると考える.上述した2つの特徴(3次元多孔質構造と-OH基による負のゼータ電位)を利用し,両性イオン界面活性剤水溶液中に単分散したカーボンナノチューブ(CNT)をシリカの内部に誘導することを試み,その結果,シリカ粒子表面のみならず,空孔内部・壁面にまでCNTの均一分散・付着を確認した.メカニズムとしては,両性イオン界面活性剤の親油基側がCNTと結合し,反対の親水基側で+/-電荷を有するわけであるが,この電荷と上記の-OH基による負のゼータ電位間での電気的引力により単分散状態のCNTがシリカ内部に誘導され,水溶液として浸透したものと考えられる.また,このようにして得られた単分散CNTを含有する籾殻由来シリカ複合粒子について示差熱量重量分析装置を用いて800°Cまでの温度範囲でCNTとシリカの反応性を確認したところ,両者の反応に伴う発熱ピークもなく,さらに同試料をX線回折した結果, SiCなどの反応化合物も同定されなかった.以上の結果より, CNT内包型多孔質シリカ粒子を金属補強材として利用する際. CNT自体はシリカと反応することなく存在し, CNT固有の特性を発現できると考える.本研究で開発したハイブリッドシリカ粒子は用途により要求される粒子径が異なるため,その制御方法を検討した.シリカ粒子をロッキングミル粉砕装置にて乾式粉砕加工を試みた結果,粉砕時間を調整することで平均粒径を1μm100μmといった広範囲での粒子径を作製できることを確認した.さらに昨年度の研究で得られたカーボンナノチューブ(CNT)内包型多孔質シリカ粒子を金属への分散強化粒子として利用すべく,マグネシウム(Mg)粉末に添加し機能評価を行った.先ず,CNTの単分散化に必須な界面活性剤は,固形皮膜として金属粉末表面に残存するため完全に分解・除去する必要がある.そこでAr-20%H_2混合ガス雰囲気下での550°C熱処理前後における試料中の全炭素含有量をICP発光分光分析により調査した結果,熱処理前では全炭素量0.013mass%に対し,熱処理後では0.003mass%にまで減少しており,温度および雰囲気を管理することで界面活性剤の高分子皮膜を完全に熱分解できると考える.そこでCNT内包型シリカ粒子と純Mg粉末を乾式ロッキングミル装置にて混合し,この混合粉末を油圧プレス機にて粉末成形体を作製し,放電プラズマ焼結装置を用いて,成形体を加熱・加圧し円盤状焼結体を作製した.この焼結体をピンオンディスク式摩耗試験装置にて摩擦摺動特性を評価した結果,Mg材料の課題である相手材との凝着現象とアブレッシブ摩耗を抑制でき,摩擦係数の低位・安定化が可能であると共に,摩耗損傷量が著しく低減できることを確認した.これはシリカの連結空孔内に単分散状態で配列したCNTがMg基焼結体の摩擦摺動特性の向上に大きく寄与したためと考えられる.以上の結果より,CNT内包型ハイブリッドシリカ粒子は,その特徴である高剛性・低フリクションを損なうことなく金属への強化粒子及び低摩擦促進剤として利用できる可能性を示した.
熱傷による侵襲反応は続発する感染に対して防御的に作用するに関する研究

熱傷という生体にとっての侵襲が続発する感染症に対して防御的に作用している機序に関しての検討を行った。1) ICR系マウス背部に20%、3度熱傷を作成し、(1)熱傷単独群、(2)熱傷24時間後にE.coIi 3×10^9(感染症)を腹腔内投与した群、(3)E.coli 3×10^8単独群を設けてその生存率について検討した。結果、熱傷単独群では100%生存、熱傷+感染症群では40%生存、感染症単独群では2日以内に100%死亡した。すなわち、熱傷侵襲反応にて生体内で産生される何らかの物質が感染防御的に作用していると考えられるため、その検討を行った。2) Thyl,2は熱傷単独群で21.2±8.6、熱傷後感染症群で18.4±11.9、感染症単独群で11.1±12.2であり、Lyはそれぞれ36.4±8、、40.7±11.2、56.3±13.6、L3/T4はそれぞれ26.5±13.3、30.3±15.2、38.9±12.1、Ly2はそれぞれ9.5±0.3、10.1±0.4、7.3±0.1であった。顆粒球/リンパ球比率は感染症単独群において有意に高値であった。これらより感染症単独群における免疫能の低下が示唆された。3) IL-1,IL-6値は熱傷後感染症群が有意に高値を呈していた。したがって炎症反応はいずれの群よりも高い傾向にあった。4)免疫系に大きな影響を及ぼすIL-10,IL-12は熱傷後感染症群が有意に高値を呈していた。以上のことより、熱傷刺激は免疫系に影響を及ぼすサイトカインの動員を促し、それがその後の感染症病態に防御的に作用しているものと解された。1)ICR系マウス背部に20%、3度熱傷を作成し、(1)熱傷単独群、(2)熱傷24時間後にE.coli 3×10^8(感染症)を腹腔内投与した群、(3)E.coli 3×10^8単独群を設けてその生存率について検討した。2)すなわち、熱傷侵襲反応にて生体内で産生される何らかの物質が感染防御的に作用していると考えられるため、その検討を行った。白血球数は感染により熱傷群、感染単独群いずれもきわめて低下したが、熱傷群に比較して感染症単独群の低下が顕著であった。3)死亡率に腹腔内細菌増殖が関与していないかについて検討したが、いずれの群の細菌数にも差異を認めなかった。4)熱傷による感染防御がサイトカインを介しての免疫能維持によるものでないかとの観点のもと、IL-2,IL-6,IL-12p70について検討した。熱傷+感染症群において多少高値であったが、有意差を認めなかった。5)活性酸素種、NOなど種々検討した結果、有意差を認めたものは、熱傷+感染症群においてNOが有意に高値を示したのみであった。したがって、NOが熱傷に続発する感染症に対して防御的に作用しているとの観点のもとに、NO inhibitor,NO donorをもちいて生存率に関して検討した。6)蛋白合成阻害薬(cycloheximide)を投与したところ、非投与群に比較して有意に死亡率が高まった。

4)免疫系に大きな影響を及ぼすIL-10,IL-12は熱傷後感染症群が有意に高値を呈していた。以上のことより、熱傷刺激は免疫系に影響を及ぼすサイトカインの動員を促し、それがその後の感染症病態に防御的に作用しているものと解された。
組織からの退出を控えたエキスパート看護師の世代継承性の内容と構造

現代社会は、先行世代が培ってきた経験や知識、技術が、次世代に継承されにくい「世代継承性の危機」の時代であることが指摘されている。そうした特徴的な時代背景の中にあって、本研究では、定年退職を数年後に控えたエキスパート看護師が看護専門職業人の集大成として後進へと継承する営みを解明することを目的に、エキスパート看護師ならではの専門家アイデンティティの継承の内容と構造を明らかにする。
肝疾患の病態における性差:オステオポンチン転写に関わる女性固有転写因子の同定

ヒトosteopontin遺伝子のpromoter SNPsのallele(nt-155,-433)は肝発癌の性差を規定している。雄HepG2細胞と雌MCF-7細胞を用いた検討では,何れも両SNPsのalleleで転写活性に差異が見られた。また,核抽出蛋白とnt-155を含むoligonucleotideのgel-shift assayを実施すると,両細胞共通,雄性SRYおよび雌性のシグナルが検出された。共通シグナルはnt-155のalleleで強度が異なり,雌性のシグナルはエストロゲンで増強した。以上より,肝発癌の性差にはosteopontinの発現に関わるこれら転写因子が関与すると考えられた。オステオポンチンの転写調節に際する性差を規定する要因として,その遺伝子のプロモーター領域におけるn-155のSNP近傍に結合する結合する新規の雌性細胞固有の転写因子に注目した。先ず,この転写因子を単離,抽出するために,その発現の調節機構に関する基礎的検討を行った。雄性であるHepG2細胞とLN-CAP細胞及び雌性であるMCF-7細胞とMDA-MB231細胞の核抽出物を用いて,nt-155を含むオリゴヌクレオチドとgel-shift assayを実施した。HepG2細胞,LN-CAP細胞の核抽出物を用いたassayでは,雌性細胞を用いた場合には検出されない結合シグナルが認められ,転写因子の結合性を計算するPC解析ではY染色体でコードされるSRYの反応と考えられた。4種類の全ての細胞の核抽出物で共通したシグナルも認められ,これはFoxD3による反応と考えられた。一方,MCF-7細胞では認められるが,HepG2細胞では存在しないシグナルも検出され,これはPCソフトに登録されていない新規の転写因子と考えられた。この転写因子のシグナルはMCF-7細胞をエストロゲンで処理した後に抽出した核蛋白を用いたassayで増強していた。一方,エストロゲン受容体を欠損したMDA-MB231細胞ではシグナルが軽度であり,雄性細胞でも受容体を発現するLN-CAP細胞では高度の反応が観察された。以上の検討から,オステオポンチン遺伝子の転写はnt-155のSNPとSRYおよび雌性固有と考えられた新規転写因子の相互作用によって調節されているが,この新規転写因子の発現はエストロゲンによって制御されていることが明らかになった。この成果を基に,新規転写因子の発現が増強した細胞系を確立し,これを用いで同因子を単離する作業を進めている。ヒト・オステオポンチン遺伝子のプロモーター領域にはnt-155,-443,-616,-1,748の4ヶ所に単塩基変異(SNPs)が存在することを見いだしている。これらSNPsのalleleの組み合わせで肝疾患の病態には差異が認められ,特にnt-155のSNPは肝病態の性差を規定する要因として注目している。そこで,オステオポンチンの転写調節に関して,その遺伝子のプロモーター領域におけるn-155のSNP近傍に結合する結合する転写因子を検討したところ,雌性細胞固有の新規転写因子が存在することを発見した。これを単離,抽出するために,その発現の調節機構に関する基礎的検討を継続中である。雄性であるHepG2細胞とLN-CAP細胞及び雌性であるMCF-7細胞とMDA-MB231細胞の核抽出物を用いて,nt-155を含むオリゴヌクレオチドとgel-shift assayを実施し,雌性細胞でのみ検出され,エストロゲン処理で増強するシグナルを認めている。このシグナルはオステオポンチンの転写に関わる雌性細胞固有の転写因子に起因すると考えられ,その単離,同定に先行して,既知の転写因子の除外を進めている。各種抗体を用いたスーパーシフトアッセイ,siRNAを用いた各種転写因子のノックダウンを進めているところである。一方,エストロゲン処理によって,当該転写因子を大量に誘導する系を確立し,単離した蛋白の解析を行う準備をほぼ完了している。なお,本研究では雄性細胞のみに認められるシグナル,両性の細胞で認められるシグナルも観察しており,前者はSRY,後者はDoxD3を想定し,雌性細胞におけるシグナルとともにスーパーアッセイ,ノックダウン実験で同定を試みている。ヒトOPN遺伝子のpromoter領域には,ほぼ100%の連鎖不平衡を呈するnt-155などの3SNPsと,これらと独立したnt-443のSNPが存在し,肝発癌における性差を規定している。その転写活性はnt455がdeletionの場合にGに比して6倍以上,nt-443がCの場合はTに比して約2倍高度であった。一方,雄性のHepG2細胞と雌性のMCF-7細胞の核抽出蛋白を用いて,nt-155を含むoligonucleotideとgel-shift assayを実施すると,両細胞に共通した結合シグナルと各細胞に固有の結合シグナルが検出された。

これらのうち共通シグナルはnt-155がGに比してdeletionの場合に高度であった。一方,HepG2細胞に固有のシグナルは,alleleによる差異がなく,Y染色体でコードされるSRYの中和抗体で核抽出蛋白を前処理することによって消失した。なお,HepG2細胞におけるSRYの発現は,RT-PCRとWestern blottingによって確認された。また,MCF-7細胞に固有のシグナルは,alleleによる差異は認められないが,エストロゲンを添加した細胞の核抽出蛋白では増強していた。MCF-7細胞を用いたdual lucifease reporter assayでは,OPNの転写活性はエストロゲン添加によって両alleleとも低下した。肝におけるOPN発現は,男性ではSRYを介する転写調節によって亢進する。一方,女性ではエストロゲン応答性の転写因子で抑制されているが,nt-155がdeletionの場合には雄雌両細胞に共通した転写因子を介して亢進すると推定された。これら転写因子によるOPNの発現調節は,腫瘍免疫ないしは細胞外マトリックスとしての作用を介して,肝発癌における性差に関与していると考えられた。なお,雄性,雌性細胞にともに見られに関しては,Fox系の各種転写因子の発現をRT-PCRで確認し,共通して見られるのはFoxD3であることから,そのknock downの実験を進めている。
ゆらぎを積極的に利用するナノ情報処理システムの開拓

ナノ集積デバイスにおけるゆらぎの存在を前提として、ゆらぎを利用して基本的な情報処理を行う以下のシステム設計を行った:(i)確率共鳴による微弱信号検出器,(ii)ゆらぎを利用するA/D変換器(雑音の力を借りて低周波雑音を抑制), (iii)高速信号伝送路(雑音の力を借りて超低消費電力回路で高速パルス伝送), (iv)雑音誘起同期回路(雑音の力を借りて独立した回路群の位相を強制同期), (v)確率共鳴メモリ(雑音の力を借りて極低電圧・低消費電力メモリを正しく動作させる)。これらのうち、(i), (iii), (v)について、A04班とともに分子ナノデバイス設計を行い、(i), (iii)についてはデバイス試作と所望の動作確認ができた。残る(ii), (iv), (v)については、半導体ナノ集積でバイス上にて評価を行い、想定通りの動作を得ることができた。熱雑音やゆらぎの要素は、システム設計において非常に悩ましい存在である。本来高い雑音耐性を有するはずのデジタル演算においても、環境雑音や電源雑音の問題が深刻になっている。雑音やゆらぎの問題は、プロセス技術やシールド技術といったデバイス製造(後)技術の問題とされることが多い。しかし問題はシステムの設計側にもある。実際、ゆらぎの影響を最小限に留めるためのデジタル処理の概念が提唱されて以来、システムの設計側から“デジタル以外の方法で"この問題に取り組み解決できた例はさほど多くない。その結果、ノイマン型アーキテクチャを主体とするデジタル回路が、現在の情報処理システムの中核となっている。一方、自然が生み出したアナログ情報処理システムの代表である生物の神経系は、雑音を排除するのではなく活用する方向に進化したと考えられている。たとえば、昆虫(コオロギ)は、熱雑音による擾乱を活用することで触角のセンサ感度を超える微弱な信号を検出する。また、大脳皮質によく見られる構造を模した神経ネットワークは、時空間雑音を活用することで低周波雑音を高周波領域へ押し上げる(ΣΔ型アナログ-デジタル変換におけるノイズシェーピング効果)の性質を持つ。さらに、雑音を加えることで、バーストパルス信号の検出を行う神経ネットワークの出力ダイナミックレンジが大幅に向上することも明らかになった。また、雑音を加えることで、非同期に発火している複数の神経細胞が同期発火するという現象も見つかっている雑音やゆらぎの吸収・利用は、生物の神経系だけでなく自然界のいたるところで行われていると考えられる。本研究は、自然が雑音やゆらぎを吸収・利用する仕組みに学んだ機能システムのアーキテクチャ構築を目的とする。生物の自己組織化や脳の情報処理方法に学び、ゆらぎを積極的に利用する情報処理方式を確立することが本研究の最終目標である。生物を構成する分子ナノシステムは、ゆらぎを積極的に利用して情報処理を行うようプログラム(自己組織化)されている。その仕組みを取り入れて、研究代表者の専門である半導体集積回路工学から得られた知見をもとに、新規分子ナノデバイス(A04班)を計算要素とする情報処理アーキテクチャを構築することが本研究の目的である。分子ナノシステムにおける情報処理に必要な要素は、1)演算方式, 2)情報伝送, 3)計算要素間の通信, 4)インターフェース,の四つである。これら全ての要素は、雑音を排除するのではなく積極的に利用して機能するため、雑音に鋭敏な分子ナノデバイスに最適であると考える。これまで、熱雑音/環境雑音に鋭敏な半導体デバイス(単電子ナノデバイスおよび微細CMOSデバイス)にてその動作を実証してきた。本年度は、上記のアーキテクチャをA04班の新規分子ナノデバイスに適用することで、ナノ情報処理システムのための生体模倣情報処理の具現化可能性について検討を行い、i)ReRAM構造用いたシナプス可塑性を持つニューラルネットワークアーキテクチャ,およびii)単分子デバイスによる人工網膜アーキテクチャの実現見通しを得た。分子ナノシステムにおける情報処理に必要な要素は、1)演算方式,2)情報伝送,3)計算要素間の通信,4)インターフェース,の四つである。

これまで、熱雑音/環境雑音に鋭敏な半導体デバイス(単電子ナノデバイスおよび微細CMOSデバイス)にてその動作を実証してきた。本年度は、上記のアーキテクチャをA04班の新規分子ナノデバイスに適用することで、ナノ情報処理システムのための生体模倣情報処理の具現化可能性について検討を行い、i)ReRAM構造用いたシナプス可塑性を持つニューラルネットワークアーキテクチャ,およびii)単分子デバイスによる人工網膜アーキテクチャの実現見通しを得た。生物を構成する分子ナノシステムは、ゆらぎを積極的に利用して情報処理を行うようプログラム(自己組織化)されている。その仕組みを取り入れて、研究代表者の専門である半導体集積回路工学から得られた知見をもとに、新規分子ナノデバイス(A04班)を計算要素とする情報処理アーキテクチャを構築することが本研究の目的である。分子ナノシステムにおける情報処理に必要な要素は、1)演算方式,2)情報伝送,3)計算要素間の通信,4)インターフェース,の四つである。これら全ての要素は、雑音を排除するのではなく積極的に利用して機能するため、雑音に鋭敏な分子ナノデバイスに最適であると考える。本年度は、上記のアーキテクチャをA04班の新規分子ナノデバイスに適用することで、ナノ情報処理システムのための生体模倣情報処理の具現化可能性について検討を行い、i)ReRAM構造用いたシナプス可塑性を持つニューラルネットワークアーキテクチャ,およびii)単分子デバイスによる確率共鳴素子の非線形特性の仕組みを明らかにする見通しを得た。提唱したゆらぎ利用情報処理アーキテクチャのCMOS集積回路化,単電子回路化については問題は生じなかった。しかし、提唱した半導体デバイスのための基本アーキテクチャをそのままの形で分子ナノシステム上に展開することが困難であった。ただし、既存CMOSプロセスの10%程度の配線制御が可能であれば、提唱したアーキテクチャの分子デバイス化が可能である。また、A04班との連携により、既存分子ナノプロセスの様々な制約が明らかになったため、今後はプロセス上の制限を考慮した上で、提唱したアーキテクチャの一部改良が必要である。現在の電子システムは、雑音やゆらぎの要素(システムの誤動作を招く障害要素)を極力排除するよう設計されている。一方、生物は雑音を巧く利用して情報処理を行うと考えられている。本研究の目的は、熱雑音に鋭敏な単電子素子を用いて、熱雑音を有効利用する新しい情報処理方式を開拓することにある。平成23年度は、AO4が試作した有機単電子デバイス/確率共鳴素子のモデル解析を行い、実デバイスの非線形IV特性とのフィッティングを試みた。二次元有機単電子デバイスのモデルとしてトンネル接合のアレイ構造を仮定し、単電子モンテカルロシミュレーションを行った。また、回路構造もパラメータとして考え、近接完全結合および一次元結合モデルのアレイを用いてシミュレーションを行った。
大腸の恒常性維持におけるマグネシウムの役割の解明

前年度までの研究において、Mg2+トランスポーターCNNM4の遺伝子欠損により大腸の腸管上皮では増殖性で未分化な細胞が増えることがわかった。CNNM4を欠損した腸管上皮細胞では細胞外へのMg2+排出が抑えられるため、細胞内のMg2+濃度が上昇していた。大腸の腸管上皮細胞ではCa2+チャネルTRPV1により細胞の増殖が負に制御されていること、また細胞内Mg2+濃度の増加によりTRPV1の活性が低下することが報告されていたので、CNNM4が細胞内Mg2+量の調節を介してTRPV1の活性を制御している可能性が考えられた。そこでCNNM4欠損腸管上皮細胞においてTRPV1の活性を調べたところ、野生型細胞と比較して有意に低下していたことから、CNNM4が腸管上皮細胞におけるTRPV1の活性に必要であることがわかった。TRPV1はEGFシグナルを抑制することで過剰な細胞の増殖を抑えているが、CNNM4欠損腸管上皮細胞では細胞増殖におけるEGFの要求性が低下しており、培地中に含まれる血清の量を減らした場合でも野生型細胞と比較してより多くの細胞が増殖を維持していた。これらの結果からCNNM4はTRPV1を介してEGFRシグナルを負に調節することで、腸管上皮における過剰な細胞の増殖を妨げていると考えられる。実際、Cnnm4の遺伝子欠損マウスに対してEGFRシグナルの阻害剤であるgefitinibを投与したところ、腸管上皮における増殖細胞の数が有意に低下した。また、AOM/DSS投与時にCnnm4遺伝子欠損マウスで見られた大腸での腫瘍形成の促進は、gefitinib投与により抑制された。前年度までの研究において、CNNM4が腸管上皮細胞の増殖性を制御していることがわかっていたが、CNNM4がどのような分子メカニズムで細胞増殖を調節しているかは不明であった。今回、CNNM4欠損腸管上皮細胞では細胞内Mg2+濃度の上昇に伴いCa2+チャネルTRPV1の活性が抑えられていたことがわかった。TRPV1はEGFRシグナルを負に調節することから、CNNM4により腸管上皮細胞内のMg2+濃度が一定に保たれることでTRPV1が正常に働き、過剰なEGFRシグナルの亢進および細胞の増殖が妨げられると考えられる。これは、細胞内マグネシウム量の調節を介した腸管上皮の恒常性維持に関する新規な分子メカニズムである。また、マウス発がんモデルを利用した実験から、この腸管上皮恒常性維持機構が大腸がんの発生を抑制していることも明らかとなった。今回、CNNM4が細胞内マグネシウム量の調節を介して腸管上皮細胞の増殖を制御する分子メカニズムを明らかにすることができた。CNNM4欠損腸管上皮細胞では細胞増殖の亢進に加えて細胞の分化が抑制され、杯細胞や内分泌細胞の数が減少していた。分化細胞の減少は腸管上皮の機能低下につながる現象であり、Cnnm4遺伝子欠損マウスでは、DSS投与により惹起される潰瘍性大腸炎が増悪していた。この結果はCnnm4遺伝子欠損により炎症への抵抗性が低下したことを示している可能性がある。しかし、CNNM4や細胞内マグネシウムがどのようにして細胞の分化を制御しているのかは不明である。そこで、CNNM4が腸管上皮細胞の分化を制御する分子機序を明らかにするため、CNNM4欠損腸管上皮細胞における遺伝子発現の変動を網羅的に検索し、どのようなシグナルが変動しているのかを同定することで、細胞内マグネシウム量の調節と細胞分化の関係を調べ、マグネシウムによる腸管上皮恒常性維持に関する新たな知見を得ることを目指す。Mg2+トランスポーターとして働くCNNM4が腸管上皮の恒常性を制御する仕組みを明らかにするため、CNNM4欠損マウスの大腸よりクリプトを回収し、in vitroでの三次元培養を行った。回収したクリプトの大きさを比較したところ、CNNM4欠損マウスのクリプトは野生型マウスのものより小さかった。回収前の腸管組織ではクリプトの大きさに違いが見られないことから、CNNM4欠損マウスのクリプトは回収時の衝撃により崩れて小さくなったと考えられ、組織構造に何らかの変化が生じていることが示唆される。野生型マウスより回収したクリプトをマトリゲルの中に包埋すると、開いていた一端が次第に閉じて4時間後には球状のスフェロイドとなった。しかしCNNM4欠損マウスのクリプトの場合は、マトリゲルに包埋してから1時間後には多くのクリプトがすでにスフェロイド構造をとっていた。これらの培養を続けたところ、CNNM4欠損マウス由来のスフェロイドは、野生型マウス由来のそれと比較して有意に成長する速度が大きかった。また同数のクリプトを播種した場合、CNNM4欠損マウス由来のクリプトからは野生型マウス由来のそれと比較してより多くのスフェロイドが形成された。これらの結果から、CNNM4欠損マウス由来のクリプトにはスフェロイドを形成する能力を有する増殖性の未分化な細胞が多く含まれている可能性が考えられた。そこでクリプトをトリプシン処理することにより単一の細胞へと分離させ、個々の細胞がもつスフェロイドを形成する能力を調べたところ、CNNM4欠損マウスのクリプト野生型マウスのそれと比較してより多くのスフェロイドを形成する能力をもつ細胞が含まれていることがわかった。以上の結果からCNNM4は腸管上皮における多分化能を有する細胞の数を制御している可能性が示唆された。

腸管上皮の恒常性維持におけるマグネシウムの役割を明らかにするため、Mg2+トランスポーターCNNM4に注目し、遺伝子欠損マウスを用いた解析からCNNM4が腸管上皮において未分化な細胞の数を規定していることを明らかにした。CNNM4欠損細胞では細胞外への排出が妨げられることで細胞内マグネシウムが増加していたことから、細胞内マグネシウム量の調節が腸管上皮細胞の分化や増殖を制御している可能性が高い。このように当初の計画どおりマグネシウムが腸管上皮の恒常性制御に関与していることを明らかにすることができた。前年度までの研究において、Mg2+トランスポーターCNNM4の遺伝子欠損により大腸の腸管上皮では増殖性で未分化な細胞が増えることがわかった。CNNM4を欠損した腸管上皮細胞では細胞外へのMg2+排出が抑えられるため、細胞内のMg2+濃度が上昇していた。大腸の腸管上皮細胞ではCa2+チャネルTRPV1により細胞の増殖が負に制御されていること、また細胞内Mg2+濃度の増加によりTRPV1の活性が低下することが報告されていたので、CNNM4が細胞内Mg2+量の調節を介してTRPV1の活性を制御している可能性が考えられた。そこでCNNM4欠損腸管上皮細胞においてTRPV1の活性を調べたところ、野生型細胞と比較して有意に低下していたことから、CNNM4が腸管上皮細胞におけるTRPV1の活性に必要であることがわかった。TRPV1はEGFシグナルを抑制することで過剰な細胞の増殖を抑えているが、CNNM4欠損腸管上皮細胞では細胞増殖におけるEGFの要求性が低下しており、培地中に含まれる血清の量を減らした場合でも野生型細胞と比較してより多くの細胞が増殖を維持していた。これらの結果からCNNM4はTRPV1を介してEGFRシグナルを負に調節することで、腸管上皮における過剰な細胞の増殖を妨げていると考えられる。実際、Cnnm4の遺伝子欠損マウスに対してEGFRシグナルの阻害剤であるgefitinibを投与したところ、腸管上皮における増殖細胞の数が有意に低下した。また、AOM/DSS投与時にCnnm4遺伝子欠損マウスで見られた大腸での腫瘍形成の促進は、gefitinib投与により抑制された。前年度までの研究において、CNNM4が腸管上皮細胞の増殖性を制御していることがわかっていたが、CNNM4がどのような分子メカニズムで細胞増殖を調節しているかは不明であった。今回、CNNM4欠損腸管上皮細胞では細胞内Mg2+濃度の上昇に伴いCa2+チャネルTRPV1の活性が抑えられていたことがわかった。TRPV1はEGFRシグナルを負に調節することから、CNNM4により腸管上皮細胞内のMg2+濃度が一定に保たれることでTRPV1が正常に働き、過剰なEGFRシグナルの亢進および細胞の増殖が妨げられると考えられる。これは、細胞内マグネシウム量の調節を介した腸管上皮の恒常性維持に関する新規な分子メカニズムである。また、マウス発がんモデルを利用した実験から、この腸管上皮恒常性維持機構が大腸がんの発生を抑制していることも明らかとなった。CNNM4遺伝子欠損マウスでは腸管上皮において未分化な細胞の数が増加していることが示唆された。そこでこのマウスで起きた幹細胞性の変化がどのような分子メカニズムで起きたのかを検討する。
宿主デアミナーゼによるウイルス生き残り戦略

これまでB型肝炎の病態をモデル化した試験管内実験系により以下の事を明らかにしてきた。1)、B型肝炎ウイルスレプリコンをヒト肝細胞株に発現させるとウイルス複製と培地中へのウイルスの分泌が起こる。これはB型肝炎ウイルス治療薬のラミブジンで複製阻害できる。2)、HBVレプリコンとAPOBEC3Gを発現させるとAPOBEC3G依存的部分的複製抑制がおこりさらにはHBVゲノムDNAに高頻度変異が導入される。高頻度変異は主にG-to-Aが最も多い。3)、2)は内在性APOBEC3Gをインターフェロンで発現誘導させてもウイルス複製抑制と高頻度変異が起こせる。そこで本年度は、まずはラミブジン耐性株(M204V)のPCRによる高感度検出方法の条件検討を行なった。また人工的にM204V変異を導入したウイルスクローンが本研究のHBV試験管内実験系でラミブジン存在下でもウイルス複製能を維持する条件検討を行なった。点突然変異を検出するのに特化したプライマーと全HBVを検出できるプラィマーのマルチプレックスPCRの条件検討したところ、野生型100に対してM204V株1の出現比率でも薬剤耐性株を検出できる系を構築できた。また野生型HBVは、50uMのラミブジン処理では複製抑制されたがM204V変異型HBVは、複製効率はラミブジンによって影響を受けなかった。これらの結果は、ウイルスの生残り戦略の指標である薬剤耐性獲得の検出系の確率と生残り戦略を発揮できる微小環境の基本的設定を実験系に組み入れる基礎ができた事を意味する意義のある結果である。H23年度は、この成果を踏まえて宿主デアミナーゼの役割をウイルス生残り戦略の観点から正していく予定であるが、制度上本萌芽研究は辞退し、最先端次世代プロジェクトで継続していく。ウイルス複製実験系としてB型肝炎ウイルスのレプリコンプラスミド導入系を用いて、ウイルスの細胞内寄生生活史(replication)を再現させ以下の実験条件とアッセイ系の確立に取り組んだ。その結果1)、deaminaseを強制発現させC to Uのhypermutationを起こさせる事はこれまで確認していた.実際の慢性肝炎をモデル化するには強制発現系では不十分で、肝炎治療時に使われるインターフェロンや局所炎症時に分泌されるサイトカインによってdeaminaseの発現が誘導されhypermutationがおこるか検討した。培養細胞系で各種サイトカインを添加した所、INFα,γでAPOBEC3GとFが発現誘導された。またこの際、3条件とも有為なhypermutationを検出した。この事は、実際の慢性B型肝炎で起こっている事を試験管内で模倣しhypermutationが検出できうる事を示している。2)、次にhypermutationによって作られたウイルスゲノム多様性が局所環境によって選択されうる条件を検討した。臨床上問題となるラミブジン耐性株出現をモデルとして、上記試験管培養系にラミブジンを添加した。各種投与量を検討した所、50uMラミブジン2日間で90%以上のキヤツプシド形成が阻害をみた。50-200uM2日間では細胞の副作用は認めず、50uMを割ると用量依存的にキヤツプシド形成阻害効果が弱まる事を確認した。この実験結果により薬剤耐性が出現しやすい条件を明らかにした。これにより少なくとも短期的に出現する薬剤耐性株を検討する実験系を確立した意義あるものである。レプリコンを長期的に維持するシステムが確立されれば、本研究提案の作業仮説を検証する準備が完了する事となる。次年度に系の更なる最適化を図り、作業仮説の可能性を検証し薬剤耐性出現機構の解明に取りかかる。
時差時における脳内時間環境の恒常性を担う神経分子メカニズムの解明

コルチゾルといったホルモン分泌など、私達の生理現象には24時間周期のリズムがある。この概日リズムを制御する中枢は、脳の視交叉上核(SCN)である。SCNは、全身の時間制御網により、個体として安定した時間相を構築しているとされるが、その分子神経メカニズムはほとんど解明されていない。本研究課題は、「時差」により、脳内時間恒常性のロバストネスを担うシグナルを解明することを目的としている。近年、私達は、Vasopressinの受容体であるV1aおよびV1bのダブルノックアウトマウス(V1aV1bDKOマウス)が、時差を全く示さないことを見出した(Science, 342: 85-90, 2013)。野生型マウスを時差環境下におくと、SCNの恒常性が破綻し時計遺伝子の振動リズムが消失したが、V1aV1bDKOマウスでは、瞬時にSCNのリズムが回復した。しかしながら、SCNにおけるV1aとV1bの機能は未だよくわかっていない。そこで私達は、レポーターマウスからSCNを取り出し、SCNスライス培養下にて、SCN細胞の概日振動をリアルタイムで測定した。野生型マウスのSCNでは、各細胞の概日振動のピーク位相に8時間程度の位相差があるが、V1aV1bDKOマウスのSCN細胞間では、この位相差が小さくなっていた。また、野生型マウスのSCNスライスを用いて薬理学実験を行ったところ、V1aとV1bに対するアンタゴニストを投与した場合に、SCN細胞間の位相差が有意に小さくなった。したがって、SCN細胞間の位相差を8時間程度に保つことが、SCNの時間恒常性に寄与していると考えられる。27年度が最終年度であるため、記入しない。覚醒・活動・睡眠といった一日の生活リズムは、社会集団生活や個人の健康の基盤である。ところが、現代では経済のグローバル化に伴い、交替制勤務や夜間労働に従事するシフトワーカーが増加し、ついに27%を超えた。彼らは、夜に活動して昼間に眠り、自然の昼夜の明暗とは異なったサイクルで生活するため、血圧や代謝、ホルモン分泌等の24時間のリズムを司る概日時計システムが破綻の危機に陥っている。近年の大規模な疫学研究により、シフトワーカーが、肥満や糖尿病といった生活習慣病の頻度が高いことが判明したが、その原因は不明であり、なんら方策はとられていない。そこで、我々は、概日時計システムの中枢である脳の視交叉上核(SCN)をターゲットとした分子時間生物学研究を行い、arginine vasopressin (AVP)の受容体であるV1aおよびV1bを共に欠損したダブルノックアウトマウス(V1aV1bDKOマウス)が、時差を全く示さないことを見出した。しかしながら、SCN神経細胞におけるV1aおよびV1bがどのようにして時差を制御するかは依然として不明である。そこで、我々は、SCNの時差スクリーニングを継続して行った結果、AVPに関連したシグナル伝達が阻害されたマウスでも時差を示さないことを見出した(Vasopressin-related Signal Deficient (VSD)マウス)。VSDマウスは明暗環境の位相を8時間前進させてつくりだした時差環境下にて、V1aV1bDKOマウスと同程度の素早い再同調を示した。本研究の成果は、時差の分子神経メカニズムの解明に寄与するのみならず、シフトワーカーの病態に対する創薬の足がかりとなる点においても重要なものといえる。概日時計システムの分野の最も重要な特徴は、一つの遺伝子の変異が概日行動の異常として観察できることである。

これまでは、概日行動リズムの周期の長短や、リズム性の消失といった点においてほとんどのリズム研究が進められてきた。このような中で、本研究の最もユニークな点は、時差環境下の行動を基に、概日時計システムの分子神経機構の解明にアプローチしていることである。すなわち、時差環境下での再同調スピードの異常の検出が、本研究のキーとなっている。しかるに、本年度において、我々は時差環境下でのVSDマウスの行動を詳細に解析することができ、VSDマウスの再同調スピードが、V1aV1bDKOマウスに勝るとも劣らないほどの素早いものであることがわかった。したがって、今後はVSDマウスのSCNにおけるシグナル異常に着目して、時差を制御する分子神経メカニズムを解明していきたい。また、我々は数理モデルを構築することによっても、時差の制御機構の解明を試みている。これまでに、SCNにおける光受容細胞群として1つ、非光受容細胞群であるAVP細胞として2つの振動子という3振動体モデルを構築し、これが極めて忠実に、時差環境下の生体リズムの変遷を再現することを報告した。今回、我々はこの数理モデルをさらに発展させ、様々な時差シミュレーションが可能となった。さらに、シミュレーションの結果を我々は動物を用いて検証し、数理モデルの妥当性を確認している。27年度が最終年度であるため、記入しない。時差の社会問題としては、慢性時差に基づくシフトワーカーの病態(ガンや生活習慣病)がある。そこで、本研究の結果見出した時差に関与する生体部位に、V1aやV1bのアンタゴニストのみならず、新規時差シグナルを制御する化合物を併用することで、より時差軽減作用をもつ時差治療薬カクテルとその投与法を見出し、これを時差環境下のマウスに持続投与することで、生体異常が改善されることを示す。我々は、種々のコンディショナルノックアウトマウスを作成することにより、時差の分子神経メカニズムを解明を試みている。したがって、組織特異的なCre活性を持つマウスの構築が重要となる。我々はこれまでに、Rosa26-LacZマウスを用いて、各種Creマウスがターゲット領域において強力な活性を有することを確認しているが、それでも不十分な場合はウイルスベクターによりCreを発現させて実験を行う。時差分子シグナルの同定のため、時差異常マウスのスクリーニングは継続して行う。この際、ターゲット遺伝子の役割を検討するために、インヒビターの投与やAAVによるノックダウンを行う。時差環境下による多様なマウスの病態を得る必要がある場合は、肥満モデルのob/obマウスや免疫不全マウスあるいは老齢マウスに高脂肪食を摂取させるなどして負荷をかけ、病態の重症化をはかる。
新しい科学観からの理科授業の再考

理科嫌い・理科離れの原因は学習内容の高度さにあると考えるよりは、理科の目標観や教授学習法に依拠すると考えることができる。このとき、ポストモダンの新科学哲学は教授学習方法の改善に有効であることを明らかにした。理科の授業法のモデルとなるのは科学の営みである。科学観には経験主義と新科学観という2律背反の見方が存在する。これまで理科は探究学習や問題解決学習など、科学を「発見物語」としてとらえる経験主義科学観に依拠してきたが、本研究では新科学観の立場に立って、理論的・実験的・実践的検討を行いながら、科学知識を創造し、正当化し、維持している科学者集団に対して、科学知識を受容的に構成し、公知としての科学知識を使って積極的に周りの世界を意味づけようとする子どもの育成をめざす理科教育観を提案した。また、このような教育観に立った科学概念形成・概念変換をめざす教授法を提案した。これまでの理科の教授学習理論は、「探究学習」に代表される科学者たちの営みをモデルとしたものがその主流であった。ここでは経験の意味は科学パラダイムを背負った科学者と科学パラダイムの外側からこれをめざして学んでいる学習者のいずれにおいても同じであると考えている。このような経験主義的信念は理科教師のみならず科学者においても一般的なものであるが、この信念こそが理科学習における学習困難性、理科嫌いの本質的原因であると考えるのが本研究の基本的立場である。20世紀半ばに現れた新科学哲学は経験、すなわち事実の意味は個人的なものであり、これまでの経験やすでに学んだ事柄との相互作用の結果として個人の内面に立ち現れていると考える。すなわち、観察事実が理論負荷的な解釈的事実であるとすれば、パラダイムを共有した科学者たちの通常科学の営みは理科授業のモデルとしてはきわめて不都合であり、むしろパラダイム形成時、もしくはパライムシフト時の異常な科学こそ理科授業のモデルにふさわしい。つまり、理科授業は事実から理論概念を導き出す過程としてではなく、どのような理論や概念から見た事実が科学の名においてふさわしいかを判断しようとするものであるべきことが、授業実践を通して明らかになりつつある。この中で「運勢ライン法」が個人的・文脈的・臨床的な研究ツールとして有効であることがわかってきた。一方、この立場をとらないものは生活的状況など非科学的文脈における「問題解決」に代表される理論である。ここで、「問題」は学習者によって強く認識された、学習者自身の立てた問いであり、問いの構造は学習者が暗黙のうちに用意している答えに依存していて、これを超える解答は生じ得ない。このことが意味することは「問題解決」が科学を学ぶことにふさわしいとは言えない方法であることである。子どもたちの学びが「はいずりまわる」のはこのためであることも授業の観察の中から見えてきている。本研究は第1年次に当たり、明確な主張として結論できないが、今後これらの点をより明確にしていく。またこれらをもとにして、授業設計の方法的理論を構築していきたい。新科学観は、(1)観察の理論負荷性(2)パラダイムの存在と科学者の合意による科学知識の正当化(3)共約不可能性によって特徴づけられる。「観察の理論負荷性」は、観察事実が観察者のアプリオリな理論からの解釈的事実であることでる。このことは、子どもたちの観察事実が、構成主義者が明らかにしてきている、子どもたちが学校に持ち込んでくるプリコンセプションや代替理論などといった子どもたち固有の理論から解釈されたものであることを意味している。これは科学知識の習得者である教師の観察事実とは異なるものであり、教師と子どもは同じものを同じものとしては見ていない。それにもかかわらず、授業はまず観察によって事実を収集し、それらをまとめることで概念化、理論化するという帰納的な方法で行われている。これが、子どもたちに理科を難しく感じさせる原因の一つである。「科学知識の正当性」は科学者共同体における合意である。科学知識が合意によって正当化されるには、単に論理性や合理性だけではなく、より広い範囲に適用できたり、周辺の理論との調和性に配慮したり、アドホック性を排除するといったことが含意されている。ところが多くの教師は、科学知識を論理性と合理性のみに求め、単純な実験や観察の結果から子どもたちに科学知識を発見させ創造させようと試みる。しかし、子どもたちの貧弱な経験から科学知識を創造することなどできない。何より、何が科学知識であるかを決めるのは子どもでも教師でもなく科学者である。

「共約不可能性」は科学における用語の意味が、パラダイムが異なると違っていて、同じことばで語り合っても互いに理解し合わない、という問題である。ここでも、科学の既習得者である教師は「科学の用語」を用い、学習過程にいる子どもたちは「日常のことば」を用いるため、互いが異なる了解をしているということが生じている。理科学習の困難性(すなわち理科嫌い)は、学習内容の問題であると考える以前に、この様な観点からの教授方法論上の問題としてとらえるべきである。理科嫌い・理科離れの原因は学習内容の高度さにあると考えるよりは、理科の目標観や教授学習法に依拠すると考えることができる。このとき、ポストモダンの新科学哲学は教授学習方法の改善に有効であることを明らかにした。理科の授業法のモデルとなるのは科学の営みである。科学観には経験主義と新科学観という2律背反の見方が存在する。これまで理科は探究学習や問題解決学習など、科学を「発見物語」としてとらえる経験主義科学観に依拠してきたが、本研究では新科学観の立場に立って、理論的・実験的・実践的検討を行いながら、科学知識を創造し、正当化し、維持している科学者集団に対して、科学知識を受容的に構成し、公知としての科学知識を使って積極的に周りの世界を意味づけようとする子どもの育成をめざす理科教育観を提案した。また、このような教育観に立った科学概念形成・概念変換をめざす教授法を提案した。
人工幹細胞ニッチと幹細胞誘導因子を用いた幹細胞制御心筋再生治療法

細胞外マトリックス工学を駆使して人工細胞外マトリックスによって心臓幹細胞ニッチを構築し、さらに心筋組織における幹細胞誘導分化増殖因子の徐放と機能発現を制御することで、内在性の自己心筋幹細胞を誘引し、人工幹細胞ニッチを生体内bioreactorとして心筋細胞への分化を促進して、心機能を改善する新規な自己組織修復型心筋再生用デバイスの開発を行い、重症心不全に対する普遍性の高い治療法の開発を行なった。これまで我々は、自己筋芽細胞を細胞シート工学により組織化し、これを重症心不全モデルに移植することにより著明な組織、機能改善が起こることを示した。しかし、この方法では、細胞グラフトを作成するために自己細胞を長期間培養する必要があり、緊急性の高い治療を要する重症患者への対処が困難である。さらに、治療効果や品質の安定性の確保が困難な生物由来製品に対するわが国の厚生労働省の審査のハードルの高さは、トランスレーショナルリサーチの進展を阻んでおり、細胞培養が不要な規格化・製品化された再生治療用デバイスの開発が急務である。そこで、本研究では、人工細胞外マトリックスによって心臓幹細胞ニッチを構築し、さらに心筋組織における幹細胞誘導分化増殖因子等の徐放と機能発現を制御することで、内在性の自己心筋幹細胞を誘引し、人工幹細胞ニッチをbioreactorとして心筋細胞への分化を促進して、心機能を改善する新規な自己修復型心筋再生用デバイスを開発し、重症心不全に対する新たな治療法を確立することを目的とした。初年度はまず、心筋幹細胞の分化・誘導因子の解明と心筋幹細胞ニッチの解明について検討を行った。心筋幹細胞の障害部位への遊走及び動員を促進する可能性のある因子として、その心筋組織における幹細胞誘導分化増殖因子等について検討を行った。さらに現在、我々が行っている心筋梗塞部位への筋芽細胞シート移植によって心機能の回復が認められた心筋組織について、遺伝子発現パターンを遺伝子チップ等の解析によるデータをもとに候補因子を抽出した。さらに、心筋幹細胞ニッチの解明として、心筋幹細胞ニッチにおける細胞外マトリックス、基底膜成分について解析を行った。細胞間もしくは細胞・マトリックス間相互作用を詳細に検討し、心筋幹細胞ニッチを模倣する人工細胞外マトリックスについて検討した。初年度実施した心筋幹細胞の分化・誘導因子の検討と心筋幹細胞ニッチの検討に関する結果をもとに、本年度は心筋幹細胞の分化・誘導因子に関する候補因子の選択とその機能評価を実施した。小動物心筋梗塞モデル、小動物拡張型心筋症モデル、大動物拡張型心筋症モデルにおいて心機能改善効果の高い候補因子の機能を行ない、特に候補因子と同等の効果を低分子化合物で再現するための検討を実施した。さらに、幹細胞ニッチの候補因子についても、心筋幹細胞を用いて未分化維持もしくは分化誘導効果について検討を行なった。これまで実施した心筋幹細胞の分化・誘導因子の検討と心筋幹細胞ニッチの検討に関する結果をもとに、大動物拡張型心筋症モデルにおいて心機能改善効果の高い候補因子の機能を行ない、特に候補因子と同等の効果を低分子化合物で再現するための検討を実施した。
レーザ分光法による非熱平衡プラズマのラジカル計測および反応過程の研究

昨年度までのパルスコロナ放電の研究で、オゾンおよびNO分子は二次ストリーマ、準安定準位のN_2(A)は一次ストリーマで生成されることを示した。そしてラジカル生成を考える場合、従来のように一次ストリーマだけではなく、二次ストリーマも考慮しなければならないことを示した。今年度も引き続きレーザ誘起蛍光法(LIF)により様々なラジカルの二次元密度分布を測定し、OHラジカル、Oラジカル、振動励起O_2(v=6)が二次ストリーマで生成されることを示した。また、パルスコロナ放電と並んで非熱平衡プラズマにしばしば利用されるパルスバリア放電でも同様にラジカルを計測し、オゾンが二次ストリーマおよび沿面放電で生成されることを示した。バリア放電でのオゾン以外のラジカル計測は今後の課題である。OHラジカルのLIFにより、OH密度とガス温度の二次元分布をパルスコロナ放電下で測定し、それぞれの放電後の時間変化を測定した。その結果、針電極先端近傍2mm程度の範囲では放電後の温度が非常に高く(600-1000K)、その他の放電領域ではガス温度は室温に近い(400K)ことを示した。また放電後に温度が上昇することも示した。原因として、N_2分子の振動緩和などが考えられるが、今後検討を要する課題である。このようにガス温度が針電極近傍のみ異なるのと同様、OHラジカルの放電後の挙動も、針電極近傍とその他の領域で著しく異なることを示した。このように、ラジカルの密度やガス温度は針電極先端付近とその他の領域で著しく異なり、放電のモデル化にはその差異を考慮しなければならないことを示した。この他、パルスコロナ放電でOラジカルとオゾンを計測し、Oの減衰速度とオゾンの増加速度がほぼ一致することを示した。これはオゾンがO+O_2+M→O_3+Mの三体反応で生成されていることを裏付ける結果である。非熱平衡プラズマを生成するパルスコロナ放電では、ストリーマが重要な鍵を握っている。極単ゲート付(5ns)ICCDカメラを用いてストリーマが進展する様子をnsオーダで観測し、特にストリーマ・ヘッドの進展に伴う初期ストリーマと、その後のオーミックな電流を伴う二次ストリーマに注目した。その結果、印加電圧がある閾値以下では初期ストリーマのみ発生し、閾値を超えると二次ストリーマも発生することが分かった。二次元レーザ吸収法によるオゾンの観測からオゾンのほとんどは二次ストリーマで生成されることを明らかにし、オゾンは従来言われているような少数の高エネルギー電子を供給する初期ストリーマよりも、多数の低エネルギー電子を供給する二次ストリーマで生成されることを示した。この結果から、オゾンの生成過程には、これまで非熱平衡プラズマではあまり重要視されていなかった振動励起の窒素や酸素分子等が重要な役割を果たしている可能性を指摘し、今後の非熱平衡プラズマの反応を考える上での道程を示すことができた。さらにストリーマを詳細に観測し、(i)印加電圧が高いほど初期ストリーマに対する二次ストリーマの割合が増加する、(ii)酸素濃度が増えるとストリーマが太くなり枝分かれが減少することを示した。(i)はストリーマ放電によるオゾンなどのラジカル生成効率の議論に影響し、(ii)はストリーマの進展機構を探る上で重要な結果である。またレーザ・シュリーレン法によりストリーマで生成された高温のストリーマ・チャネルを観測し、これが放電後100μsから1msのオーダで拡散していく様子を可視化した。この結果は、ストリーマで生成されたラジカルが放電後どのように拡散するかを視覚的に理解する上で役立つ結果である。昨年度の研究では、パルスコロナ放電によるオゾンの生成は、これまで定説とされてきた一次ストリーマ(ストリーマ・ヘッド)によるものではなく、その後の二次ストリーマで生成されることを示した。ほとんどすべての研究でこの二次ストリーマは無視されてきており、非熱平衡プラズマのラジカル生成理論において、革新的な成果を得ることができた。今年度はNO分子のγバンドの発光をパルスコロナ放電で観測し、一次・二次ストリーマについて次の重要な知見を得た。(i)放電でO_2とN_2から生成されるNO分子は、すべて二次ストリーマで生成される、(ii)準安定準位のN_2(A)はすべて一次ストリーマで生成される(この実験では間接的N_2(A)を測定できる)。このようにストリーマ放電で生成される活性種は、その種類によって一次・二次ストリーマのどちらかで生成されることが分かり、今後の非熱平衡プラズマの研究の進め方の道程を示すことができた。またパルスコロナ放電とともにしばしば利用されるバリア放電についても同様の実験を行い、バリア放電にも一次・二次ストリーマが存在することを示した。バリア放電の研究でも、二次ストリーマを考慮するような、これまでと違ったアプローチが必要であることを示した。二光子レーザ誘起蛍光法によりOラジカルをバリア放電下で測定し、その挙動を観測した。このような大気圧パルス放電でのOラジカルの測定は世界でも初めてである。その結果、Oラジカルの減衰速度は10-30μs程度で、オゾンの生成速度とほぼ等しいことが分かった。従来言われているように、OとO_2が反応してオゾンが生成されることを示すことができた。また湿度を加えるとOの減衰が著しく速くなり、従来知られていた「高湿度下ではオゾンの生成量が減る」という事実が、湿度によるOラジカルの減少に起因することを示した。