hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
脳の発生および発達を制御する脂質栄養の機能解析

胎児期や乳児期の脳の発育において、母胎の栄養状態は重要である。しかし、栄養素の1つである脂質栄養の胎児期および乳児期の脳の発生・発達における詳細な機能は明らかになっていない。本研究では、胎児および乳幼児の脳の発達における脂質栄養の役割やその機能を解明するために、n-3系多価不飽和脂肪酸欠乏食を摂取した母胎生まれた仔の脳内の細胞組成や離乳期の行動様式を解析した。その結果、アストロサイトの細胞数減少や情動性における変化を観察した。本研究は、母胎が摂取する脂質栄養の構成が胎児や乳児の脳発生および脳発達に与える影響について詳細に検討することを目的としている。申請者は、これまで妊娠前2週間および妊娠後、さらに出産後も継続して、母ラットに対して通常食またはn-3系多価不飽和脂肪酸欠乏食を給餌し、生まれた仔の脳組織について様々な検討を行った。まず、仔の脳組織における神経細胞の移動パターンについて、妊娠期において大脳皮質ニューロンが誕生する各タイミングで新生細胞を標識するBrdUを投与し、エンドポイントを生後0日目として、解析を行った。この解析においては、それぞれの群の細胞移動のタイミングが異なることが分かった。これに加えて、同様のサンプルを用いてグリア細胞のマーカーを用いた免疫組織化学法を行い、アストロサイトやオリゴデンドロサイトのマーカーに対して陽性を示す細胞の数がn-3系多価不飽和脂肪酸欠乏食摂取ラット母胎より生じた仔において少なくなっていることを見い出した。これらの所見の一部については、第67回日本栄養・食糧学会(名古屋大学)において、口頭発表を行い、現在論文の執筆を進めているところである。また申請者は、このような食餌組成に暴露された仔の行動パターンについて、本研究費によって購入した行動解析システムを用いて解析を進めている。これらの行動解析より得られた結果とこれまでに得ている脳内組織の変化について関係性を見極め、学会や論文発表ができるよう研究成果をまとめていきたい。本研究は、栄養学的因子である脂質栄養、特に多価不飽和脂肪酸であるn-3系の脂肪酸の脳発生における役割を検討するために行われた。研究計画としては、母胎に給餌する餌をバランスよく脂質を含む食餌とn-3系多価不飽和脂肪酸が極端に欠乏した食餌を用意し、妊娠前より給餌することにより、正常群と慢性的にn-3系多価不飽和脂肪酸を欠乏した群を作出し、脳の神経細胞およびグリア細胞の発生パターンを検討するものであった。検討にあたっては、研究計画では初年度に遺伝子導入装置を購入し、25年度より子宮内エレクトロポレーションによる神経細胞の標識およびその発生過程の追跡を行う予定であったが、予算の都合により、これらの実験を変更し、同等の結果が得られると考えられるBrdUを用いた細胞の誕生日標識法と各種細胞マーカーの二重標識による細胞発生運命の探索を24年度研究より行うこととした。また、n-3系多価不飽和脂肪酸の欠乏母胎より生じる仔は、グリア細胞などの形態や大脳皮質中に占める興奮生および抑制生細胞の比率等に影響を与えている可能性が示されていたことから、これらの現象による生後脳機能への影響を調べるために、26年度に予定していた行動学的な所見を計画を早めて取り組むこととした。これに伴い交付された予算を考慮しANY-meze Video Trackingsystem(ブレインサイエンス・イデア社)を導入し、肉眼的な観察と機械を用いた客観的な観察ができる体制を整えた。これらの装置導入によりn-3系多価不飽和脂肪酸欠乏の仔の情動性の異常を見いだした。これらの研究によって得られた成果については、2012年(日本神経科学大会)においてポスター発表した。これらの内容をまとめた論文を現在執筆中であり、2013年5月中には投稿の予定である。胎児期や乳児期の脳の発育において、母胎の栄養状態は重要であるが、栄養素の1つである脂質栄養の胎児期および乳児期の脳の発生・発達における詳細な機能は明らかになっていない。本研究は、妊娠期および授乳期に母胎が摂取する脂質栄養、特にn-3系多価不飽和脂肪酸に焦点を当て、「胎児期および出生後の脳の神経細胞やグリア細胞の発生・発達における脂質栄養の機能や、母胎の脂質栄養摂取状態と出生児の成体期行動パターンとの関係性について明らかにすること」を目的とした。本研究では、n-3系多価不飽和脂肪酸を十分に摂取している母親、またはn-3系多価不飽和脂肪酸摂取が不十分な母親より生まれた仔を経時的に採取し、出生前後に増加するグリア細胞について、そのマーカであるGFAP(アストロサイトのマーカー)やOlig2(オリゴデンドロサイトのマーカー)などを用いて免疫組織化学法を行い、それらの細胞の分布パターンの解析を行った。また、出生後、離乳期を迎えた動物を用いた行動学的解析を行い、n-3系多価不飽和脂肪酸が情動性や社会性に与える影響について解析を行った。

これらの研究の結果、大脳皮質においてGFAPにより検出されるアストロサイトの数が、n-3系多価不飽和脂肪酸欠乏食摂取母体より生じた仔では、正常食摂取母体より生じた子に比べて少なくなっていることを見いだした。また、Olig2やMBPにおいては、オリゴデンドロサイトの数的な現象や髄鞘化の遅延があることを確認した。加えて、行動学的解析では、オープンフィールドテストにおいて、両群間に違いがあることが分かった。神経解剖学本研究の目的は、本家研究を通じて脳の発生や発達の側面から、胎児や乳児の健やかな成長に必要な母胎の栄養摂取に関する方向性を示すことにより、栄養学的側面から見る神経科学研究領域の基盤を構築することである。本研究では、食餌摂取が長期に及びことが想定されていたが、平成25年度までに長期に及ぶ動物飼育等は終了し、現在はそれらの飼育によって得られた様々なサンプルの免疫組織学的解析や分子生物学的な解析を進めている。ただし、当初の予定では、エレクトロポレーターを用いた遺伝子導入による細胞標識を行うことになっており、その代替手段としてBrdUを用いた誕生日標識法および免疫組織化学法を採用したため、サンプリング、薄切化、免疫反応など多くの段階が必要になった。これらを考慮するとおおむね順調という表現が適当であると考える。また、これまで本施設における行動学的研究は、ビデオ記録を目視で確認し、数値化するという膨大な時間を必要とするものであったが、24年度に購入された行動解析システムによって、研究効率は格段に良くなり、客観的な視点からの多くの種類の行動学的解析が可能になった。このような効率よい研究の推進を重ねることによって、計画以上の成果が得られるよう努力する。研究実績の概要に示したように、本研究は形態学的手法を行い、その後行動学的検討を行う予定であったが、行動学的検討を計画より早い段階で実施した。この解析によって、n-3系多価不飽和脂肪酸の欠乏が、生後の動物の行動に与える影響について検討することができた。行動学的解析は、研究全体の三分の一を占める研究内容になっており、1年を経過した現時点では、進度に問題はないと考えている。また、昨年度の研究期間において、エレクトロポレーションの機械購入を断念した経緯より、それに変わる研究手法として、BrdUを用いた細胞標識を行っている。適切な妊娠時期にBrdUを投与し、適宜サンプルの採取を行っている。これらの組織標本に対する各種マーカー分子を用いた解析は今年度の主な研究になる点において、昨年度より標本採取ができていることは、今後の研究進捗に良い影響をもたらすと考えている。また、経時的な神経発生パターンを検討するために、BrdUとEdUを用いた二重誕生日標識法を検討している。これにより、細胞移動速度などについてより明確に検討できると同時に、これら標識細胞に対して、分子マーカーの免疫染色を行うことによって、大きな時期的な変化から微細な時期的な変化まで幅広く脳を構成する細胞の発生運命を検討することができると考えている。これらのことから、本研究はおおむね順調に進展していると考える。当初の計画では、最終年度は行動学的解析になっており、上記に示したように、おおむね順調に研究は進んでいる。最終年度は、成果のとりまとめを急ぎ、成果の情報発信等に努めていきたいと考えている。これまで申請者は、主に母胎より影響を受けたn-3系多価不飽和脂肪酸欠乏動物の行動パターンを検討してきた。
自然欠陥を考慮した二酸化チタンの電子物性と熱力学的な相安定性の研究

本年度は体調を崩すことが多く研究に従事できなかった期間が生じてしまい,昨年度と比べて研究の進捗度合いは非常に小さなものにとどまってしまったが,本年度は以下の様な成果が得られた.1.二酸化チタン多形の相安定性の理論解析において交換・相関汎関数の選択がどの程度結果に影響を与えるかを見積もるため,電子状態とフォノン状態双方を局所密度近似(LDA)で計算した昨年度の結果と,電子状態のエネルギーのみを一般化勾配近似(GGA)に置き換えた結果とを比較した.その結果,用いる交換・相関汎関数の種類によって予測される転移点が大きく変わり得ることがわかった.2.高濃度窒素ドープ二酸化チタンにおける電子状態の研究において,昨年度より電子状態の解析を更に詳細に解析し,フェルミレベル付近の部分電荷密度分布を明らかにした.その結果,高濃度に窒素ドープした場合のキャリアの伝導ルートを解明することができた.3.チタン酸窒化物の電子状態の研究昨年度の研究において理論提案したチタン酸窒化物(Ti2N2O)の電子状態の解析をより詳細に行った結果, Ti2N2Oにおけるバンドギャップの縮小は,伝導バンド下端の下降によるものではなく価電子バンド上端の上昇によるものであること,さらにこの価電子バンド上端の上昇は,主に窒素の2p状態によるものであることがわかった.4.自然欠陥を含む単純チタン酸化物における超伝導発現に関する研究において, TiO, Ti2O3, Ti3O5, Ti4O7等の, TiO2から酸素が欠損した組成を持つ一連の単純チタン酸化物における超伝導発現機構を理論的に解明するための第一段階として, TiO, Ti2O3, Ti3O5, Ti4O7各組成について,結晶構造の分類および電子状態の計算を行った.さらにTiOに関しては,フォノン分散の計算も行った.27年度が最終年度であるため、記入しない。27年度が最終年度であるため、記入しない。高濃度窒素ドープ二酸化チタンについて、その合成条件を理論的に提案するとともに、合成可能と判明した系に関してはその電子状態を解析した。その結果、酸素欠陥が存在したり、窒素原子にペアリングが起きたりした場合に高濃度での合成が可能であることが判明した。また、合成の際の窒素供給源としてはTiNが適していることがわかった。電子状態に関しては、酸素欠陥が窒素不純物に対して適切な濃度で導入されると、二酸化チタンよりも小さなバンドギャップが実現できることがわかった。次に、Black TiO2およびチタン酸窒化物の電子状態の研究を実施した。まず、また構造が解明されていないBlack TiO2の構造モデルを提案するとともに、その電子状態の理論解析を行った。我々の提案したBlack TiO2の構造モデルは実験的に観測された価電子バンドの状態密度の形状をよく説明できることがわかった。また、バンドギャップは通常の二酸化チタンより1eV以上小さい2eVであり、幅広い波長域にわたって可視光を吸収することが期待できる。次に、亜酸化チタン系の物質をもとにチタン酸窒化物の合成が実現できうることを提示し、その構造モデルを提案した。このチタン酸窒化物のモデルの電子状態を理論的に解析したところ、こちらも二酸化チタンより1eV程度小さいバンドギャップを持つことがわかった。最後に、フォノン効果を考慮することにより二酸化チタンの熱力学的性質を理論的に解析した.その結果,ルチル相とアナターゼ相についての温度-圧力相図を理論的に作成することができた.また,この結果に基づき,アナターゼ-ルチル相転移の不可逆性の起源について考察した.また,フォノンの状態を考慮した場合の系の構造定数および弾性定数についての予測精度の検証を行い,局所密度近似が一般化勾配近似よりも精度が高くなることがわかった.本年度は体調を崩すことが多く研究に従事できなかった期間が生じてしまい,昨年度と比べて研究の進捗度合いは非常に小さなものにとどまってしまったが,本年度は以下の様な成果が得られた.1.二酸化チタン多形の相安定性の理論解析において交換・相関汎関数の選択がどの程度結果に影響を与えるかを見積もるため,電子状態とフォノン状態双方を局所密度近似(LDA)で計算した昨年度の結果と,電子状態のエネルギーのみを一般化勾配近似(GGA)に置き換えた結果とを比較した.その結果,用いる交換・相関汎関数の種類によって予測される転移点が大きく変わり得ることがわかった.2.高濃度窒素ドープ二酸化チタンにおける電子状態の研究において,昨年度より電子状態の解析を更に詳細に解析し,フェルミレベル付近の部分電荷密度分布を明らかにした.その結果,高濃度に窒素ドープした場合のキャリアの伝導ルートを解明することができた.3.チタン酸窒化物の電子状態の研究昨年度の研究において理論提案したチタン酸窒化物(Ti2N2O)の電子状態の解析をより詳細に行った結果, Ti2N2Oにおけるバンドギャップの縮小は,伝導バンド下端の下降によるものではなく価電子バンド上端の上昇によるものであること,さらにこの価電子バンド上端の上昇は,主に窒素の2p状態によるものであることがわかった.4.自然欠陥を含む単純チタン酸化物における超伝導発現に関する研究において, TiO, Ti2O3, Ti3O5, Ti4O7等の, TiO2から酸素が欠損した組成を持つ一連の単純チタン酸化物における超伝導発現機構を理論的に解明するための第一段階として, TiO, Ti2O3, Ti3O5, Ti4O7各組成について,結晶構造の分類および電子状態の計算を行った.

さらにTiOに関しては,フォノン分散の計算も行った.当年度は、酸素欠陥が存在する場合の二酸化チタンへの高濃度窒素ドーピングの効果を理論的に研究することができた。そのため、従来行われてきた完全結晶への窒素ドーピングの研究から一歩先に進み、酸素欠陥が窒素ドーピングに与える影響について新たな知見を得ることができた。さらに、二酸化チタンに関連する物質として新たに「チタン酸窒化物」を提案することができた。この「チタン酸窒化物」は、酸素欠損を生じたチタン酸化物である亜酸化チタン系の物質群について、一部の酸素を窒素で置換することにより合成できると考えられる化合物であり、これは酸素欠損を含む窒素ドープ二酸化チタンと関連が非常に深い系であろうと考えられる。このような系を新たに提案することにより、酸素欠陥と窒素ドーピングの関係について、新たな視野が得られるものと期待できる。これまでの研究成果からは、高濃度窒素ドープ二酸化チタンとチタン酸窒化物はともに、可視光応答型の光触媒材料として応用できることが期待されることから、応用面でも重要な成果が得られたといえる。また当年度は、Black TiO2の構造モデルの提案およびその電子状態の理論解析を行った。BlackTiO2は通常の二酸化チタンとは異なり、可視光を幅広く吸収する光触媒材料として知られているが、その構造は特定されていない。当年度の研究では、このBlack TiO2の構造モデルを提案し、そのモデルに対する理論解析の結果から、我々が提案した構造モデルは実験的に観測されたBlack TiO2の電子状態をよく説明できることがわかった。BlackTiO2は可視光応答型の光触媒として大きな期待を集めている物質であり、その構造が特定できれば今後の研究に大きな進展をもたらすと期待できる。27年度が最終年度であるため、記入しない。これまでの研究は主に密度汎関数理論に基づく理論解析であったが、バンドギャップなどの光学的な性質に関わる物性値については密度汎関数理論では実験値をよく再現できないため、グリーン関数を用いた多体摂動論を用いる必要がある。今後の研究においては、多体摂動論のひとつであるGW法を用い、窒素ドープ二酸化チタンや酸素欠陥を含む二酸化チタンの電子状態の研究を行う予定である。さらに、Bethe-Salpeter方程式に基づいた計算を行い、光吸収スペクトルの計算も行いたいと考えている。また、二酸化チタンの熱力学的な性質に関しては、これまでの研究によりルチル相とアナターゼ相についての相図を理論的に導出することができた。しかしながら、二酸化チタンは合計で11種類の固体相を持つことが知られているので、ブルカイト相やTiO2-II相も含んだ相図の作成を行いたいと考えている。さらには、完全結晶の場合だけではなく、酸素欠陥を含んだ系に関しても同様の研究を行い、その相図を作成したいと考えている。また、我々が新たに提案したチタン酸窒化物に関して、その合成条件を理論的に提案し、実験家との協力を得て実際にチタン酸窒化物の合成を実現させたいと考えている。
リスクに基づく地震動モデルとその長崎県内長大橋の耐震設計への適用

本研究の目的は、建築構造物や橋梁などの耐震設計のための設計用地震動の合理的な策定手法の構築にある。過去に蓄積されている地震動データや被害データから、地震動の様相はかなり明らかになりつつあるが、将来発生する可能性のある地震動の特性については、構造物に存在するばらつきの程度よりも大きなレベルの不確定性が尚存在するといえる。このような不確定性を克服する有望な方法として極限外乱法が提唱されている。科学的根拠に基づく条件・情報の下で、構造物にとって最も危険でクリティカルな地震動を見出す方法である。本年度においては、Moustafa博士による極限外乱法を、多数パルスの地震動に拡張した。指標としては、損傷パラメターおよび信頼性指標を採用した。制約条件は、加速度パワー、最大加速度である。完全弾塑性およびバイリニアー履歴復元力を有する1自由度系および2自由度系モデルに、正弦波の重ね合わせで表現される地震動を入力し、極限外乱を逐次2次計画法により求める方法を開発した。さらに、地震動の振動数特性が時間とともに変化するモデルを用いて、実体波と表面波から構成される地震動モデルの極限外乱を見出す方法を展開した。構造物の固有振動数特性との関係により、極限外乱を構成する実体波と表面波の特性が大きく変化することを明らかにした。過去に蓄積されている地震動データや被害データから、地震動の様相はかなり明らかになりつつあるが、尚、将来発生する可能性のある地震動の特性については、構造物に存在するばらつきの程度よりも大きなレベルの不確定性が存在するといえる。科学的根拠に基づく条件・情報の下で、構造物にとって最も危険・クリティカルな地震動を見出す方法である。本年度においては、Moustafa博士による極限外乱法を、損傷パラメターを指標とする場合に拡張した。制約条件は、加速度パワー、最大加速度、最大速度、最大変位、加速度フーリエ振幅スペクトルの上下限値である。完全弾塑性およびバイリニアー履歴復元力を有する1自由度系モデルに、正弦波の重ね合わせで表現される地震動を入力し、ParkとAngらにより提案されている損傷パラメターを最大化する極限外乱を、逐次2次計画法により求める方法を開発した。地盤種別や地震動生起パターンが異なる種々の記録地震波に対応するように想定した制約条件ごとに数値例題を実施し、加速度フーリエ振幅スペクトルの上下限値が極限地震動の特性に大きく影饗することや、極限地震動としてのパルス波の特性が明確に説明可能となることを明らかにした。
超希薄燃料ガスの燃料資源化を目的とする旋回流型超過エントロピー燃焼器の燃焼特性

本研究では,主として超希薄燃焼限界と燃焼管内の温度分布について測定した.燃焼限界については,直径300mmの燃焼管を用いた実験を大流量空気・プロパン予混合装置を導入し,実用流量での実験に一歩近づけることを目的とした.その前段階として,直径200mmの燃焼管を用いて実験を行い,過去の実験結果との適合の調査を行い,更に,過去の装置においては測定できなかった流量域での燃焼実験を行った.その結果,予混合気の流量を増加させると,超希薄燃焼限界濃度曲線は通常の燃焼下限界濃度に漸近線的に近づいていく事が分かった.燃焼管内部の温度分布の測定については,測定装置の全面的な改良を行い,より精密かつ高速な測定を可能にし,直径200mmの燃焼管について実験を行った.この結果燃焼火炎の形状は,上方に開いたラッパ状であるという事に加えて,火炎上端部分に最高温部が存在する事,火炎下端は上端の位置に関わらず吹き込み口近傍までつながっている事,そして火炎上端が燃焼管上部に移動するのに伴い,上端部の温度が低下する事が新たに分かった.また,超希薄燃焼条件下における定常燃焼時の温度分布を測定した結果,火炎の上端の位置が変化しない時は,火炎上端部の最高温度にもほとんど変化が見られなかった.以上の結果から,超希薄燃焼下限界濃度には,火炎上端の位置の移動に伴う火炎面の面積の変化が影響を与えていることが推察された.理論解析では,熱収支モデルによるセンシティビティ解析では本燃焼器を十分に表しきれず,機構論的モデルの構築が必要なことを明らかにした。平成6年度は,主として超希薄燃焼限界と燃焼管内の温度分布について測定し,大型化のためのスケールファクタについて検討した。その結果径を2倍にすると,安定燃焼風量は2倍になるが,最低安定燃焼限界濃度はわずかに低下するのみであることがわかり,従来実験に使用していた直径100mm,200mmの燃焼管に加えてより実用規模に近い直径300mmの燃焼管を試作した。また,温度分布測定の結果,燃焼火炎の形状は,上方に開いたラッパ型であり,上端は燃焼管壁についているが,下端は燃焼管中心部で開いたままになっていることがわかった。火炎面においてはその法線方向の燃料流入速度戸燃焼速度の速度成分が等しくなっているが,火炎下端では温度が低いので燃焼速度も低く,このため直径方向の速度成分が小さい燃焼管の中心部に火炎が形成されるのに対し,火炎上端部では約1100°Cと温度が高いので速度成分が大の管壁付近に形成されるためである。さらに,燃焼管底部の中心付近にも燃焼排ガスの環流によるとみられる比較的温度の高い部分が存在することも明らかになった。この燃焼管内の流れの形成は,希薄燃焼における安定な燃焼帯の形成に大きく寄与していると考えられ,予混合気の吹き込み口数,断面積などに強く影響されることがわかった。これらのことから,本希薄燃焼器における燃焼機構は,熱循環のみを考慮した熱収支モデルでは十分に表現できないことを検証した。平成7年度における実験研究では,主として超希薄燃焼限界と燃焼管内の温度分布について測定した.燃焼限界については,直径300mmの燃焼管を用いた実験にも対応できる,大流量空気プロパン予混合装置を導入し,実用流量での実験に一歩近づけることを目的とした.その前段階として,直径200mmの燃焼管を用いて実験を行い,過去の実験結果との適合の調査を行い,更に,過去の装置においては測定できなかった流量域での燃焼実験を行った.その結果,予混合気の流量を増加させると,超希薄燃焼限界濃度曲線は通常の燃焼下限界濃度に漸近線的に近づいていく事が分かった.燃焼管内部の温度分布の測定については,測定装置の全面的な改良を行い,より精密かつ高速な測定を可能にし,直径200mmの燃焼管について実験を行った.

この結果燃焼火炎の形状は,過去の実験で判明していた上方に開いたラッパ状であるという事に加えて,火炎上端部分に最高温部が存在する事,火炎下端は上端の位置に関わらず吹き込み口近傍までつながっている事,そして火炎上端が燃焼管上部に移動するのに伴い,上端部の温度が低下する事が新たに分かった.また,超希薄燃焼条件下における定常燃焼時の温度分布を測定した結果,火炎の上端の位置が変化しない時は,火炎上端部の最高温度にもほとんど変化が見られなかった.以上の結果から,超希薄燃焼下限界濃度には,火炎上端の位置の移動に伴う火炎面の面積の変化が影響を与えていることが推察された.理論解析では、熱収支モデルによるセンシティモデル解析では本燃焼器を十分に表しきれず、機構論的モデルの構築が必要なことを明らかにした。平成8年度における実験研究では,主として超希薄燃焼限界と燃焼管内の温度分布について測定した.燃焼限界については,直径300mmの燃焼管を用いた実験を大流量空気-プロパン予混合装置を導入し,実用流量での実験に一歩近づけることを目的とした.その結果として,直径の径大化に伴い,予混合気の流量を増加させると,超希薄燃焼限界濃度曲線は通常の燃焼下限界濃度に漸近線的に近づいていく事が分かった.燃焼管内部の温度分布の測定については,測定装置の改良を行い,より精密かつ高速な測定を可能にし,直径300mmの燃焼管について実験を行った.この結果燃焼火炎の形状は,過去の実験で判明していた上方に開いたラッパ状であるという事に加え,火炎上端部分に最高温部が存在する事,火炎下端は上端の位置に関わらず吹き込み口近傍までつながっている事,燃焼器中央部に火炎が存在せず,特に底部の温度が低く燃焼器中央部に軸方向の流れがあることを示唆している。そして火炎上端の燃焼管上部に移動するのに伴い,上端部の温度が低下する事が直径200mmの燃焼管までの場合とあまり変わらないことがわかった.また,超希薄燃焼条件下における定常燃焼時の温度分布を測定した結果,火炎の上端の位置が変化しない時は,火炎上端部の最高温度にもほとんど変化が見られなかった.以上の結果から,超希薄燃焼下限界濃度には,火炎上端の位置の移動に伴う火炎面の面積の変化が影響を与えていることが燃焼管の径大化により推察された.理論解析では、熱収支モデルによるセンシティビティ解析では本燃焼器を十分に表しきれず、流れ場の予測を加えた数学モデルの構築を行った。
幼児期の教示行為の発達過程とそれを支える保育者の役割の検討

本研究の目的は、幼児の「教えないで見守る」行為の発達過程を検討し、加えて、子どもの教える行為の発達に応じて保育者の認知や働きかけがいかに変化するのかを明らかにすることであった。幼児を対象に課題を行い、学び手の「自分でできるようになりたい」という欲求が明示された条件おいては、年長児で「教えないで見守る」を選択する子どもが増えることが明らかになった。また、保育者への質問紙調査から、保育者は子どもの年齢にかかわらず、「子どもは教えるだろう」と予測し、学び手の欲求が明示されない条件においても「教えないで見守る」ことを子どもに期待することが明らかになった。幼児を対象とした教示行為の課題を、保育園へ通う年中児、年長児を対象に実施した。理解課題においては、学び手である友だちの心的状態(知識・欲求・信念)を操作したストーリーを複数作成し、教えるか否かの質問とその回答に対する理由づけを求めた。また、子どもの教示行為に対する質問紙調査を保育園に勤務する保育者と保育者養成課程学生を対象に実施した。幼児の教示行為については、心的状態が明示されない場面では、年中児も年長児も「教える」ことを選択することがわかった。ただし、欲求状態が明示された場合には、年中児よりも年長児で、「教えないで見守る」を選択する子どもが増えることが明らかになった。保育者の認知と働きかけに関しては、保育者は、子どもの年齢や心的状態の明示の有無にかかわらず、「子どもは教える」と認知していた。また、学び手の心的状態が明示されない条件において、「教えないで見守る」ことを子どもに期待し、それに合わせた働きかけを行うことが明らかになった。働きかけについては、「教えてほしいか聞いてごらん」というように学び手の欲求をたずねることを促すような発言が多いことが明らかになった。本研究の意義は、幼児の「教えないで見守る」ことの発達とそれに対する保育者の認知や働きかけを検討できる点にあった。幼児の「教えないで見守る」ことの理解は、年中児から年長児にかけて一部変化するが、保育者は子どもの年齢にかかわらず、「教えないで見守る」ことを幼児に期待していることがわかった。この結果から、保育者の子どもの教示行為に対する期待や働きかけが、年長児における「教えないで見守る」力の獲得に影響を与えている可能性が示唆された。本研究の目的は、幼児期における教えあいの行為を、子どもの発達的変化とそれに対する保育者の認知という両側面から検討することであった。平成24年度には、幼児を対象とした教示行為の理解課題を、保育園へ通う年中児、年長児を対象に実施した。学び手である友だちの心的状態(知識・欲求・信念)を操作したストーリーを複数作成し、質問を実施した。また、子どもの教示行為に対する質問紙調査を、保育園に勤務する保育者を対象に実施した。幼児の教示行為の理解課題と同様の課題材料を用いた。結果、子どもの教示行為の理解の発達に関しては、学び手の「自分でできるようになりたい」という欲求状態が明示された場合、年中児では「教える」を選択する子どもが多く、年長児では「教えないで見守る」を選択する子どもが増えることが明らかになった。予備調査の結果を日本心理学会第76回大会で発表した。また、学び手の心的状態が明示されない条件においても、「教えないで見守る」ことを子どもに期待し、それに合わせた働きかけを行うことが明らかになった。この結果を名古屋短期大学紀要に論文としてまとめた。本研究の意義は、幼児と保育者に同じ場面を呈示し、両者の関連性を検討できることにあった。幼児は年中から年長にかけて「教えないで見守る」ことが可能になるのに対し、保育者は子どもの年齢に関係なく「子どもは教える」と認知していることがわかった。また、子どもの年齢に関係なく保育者は子どもに「教えないで見守る」ことを期待していることが示された。以上のことから、本研究は、子どもの教示行為の発達と保育者による子どもの教示行為の認知との関連性を明らかにした初めての実証研究として重要な成果を示すことができた。

本研究の目的は、幼児期における教えあいの行為を、子どもの発達的変化とそれに対する保育者の認知という両側面から検討することであり、平成24年度の研究実施計画は、幼児を対象とした仮想場面を用いた教示行為の理解課題を実施するとともに、保育者を対象に幼児と同様の条件や場面を使用した質問紙調査を実施することであった。広島県の私立保育園に調査を依頼し、年中児と年長児を対象に課題を実施した。また同園の保育者を対象に質問紙調査を実施した。研究の結果から、幼児は年中から年長にかけて「教えないで見守る」ことが可能になるのに対し、保育者は子どもの年齢に関係なく「子どもは教える」と認知していることがわかった。また、子どもの年齢に関係なく保育者は子どもに「教えないで見守る」ことを期待していることが示された。以上のような新しい知見を研究計画にそって示すことができたため、おおむね順調に研究が進展しているといえる。平成25年度は、平成24年度に得られた結果を基にして、次の2つの仮説を検証するための実験および調査を実施する。「仮説1:年中児は、学び手の欲求状態にかかわらず、教え手である自分がやって見せるなど、直接的な教示行為が多く、「教えないで見守る」ことが少ないのに対し、年長児になると学び手の欲求状態に応じて「教えないで見守る」ことが増え、教示行為を使い分ける」、「仮説2:保育者は、年中児では直接的な教示を行うと認知し、教えることを強調する働きかけ行う。年長児は教示行為を使い分けると認知し、学び手の欲求状態により見守ることを強調する働きかけが増える」実験場面での教示行為課題を年中児、年長児各35名に実施する。課題では、学び手である友だち(手人形を用いる)の欲求状態を操作した上で、学び手に対する教示行為の有無やその内容をビデオにより記録する。課題はパズルを使用し、学び手がパズルを行う際の子どもの行動や発言、視線などの指標から教示行為を測定する。子どもの教示行為に対する質問紙調査を保育者に実施する。幼児の教示行為課題と同様の場面を質問紙で呈示し、平成24年度と同様に、選択と記述により回答してもらう。予想される結果は、年中児から年長児にかけて教示行為の発達的変化がみられ、保育者の認知や働きかけも年齢に対応して変化すると考えられる。また、平成24年度の成果を本研究の研究成果について、報告書を作成し、保育園の保育者にフィードバックする。加えて、本研究の成果は、子育て支援や幼保小連携といった教育実践にも役に立つものであるため、研究活動の成果を保育者と共同で行う研究会や学会等で発表していく。平成25年度は、子どもを対象に実験場面の課題を行う。その際には、課題材料の作成に関わる費用が必要になる。また、実験場面の撮影に複数台のビデオカメラを用いるため、ビデオカメラを購入する。加えて、ビデオで撮影した映像を処理するためのPC、動画編集用ソフトなどを購入し、動画編集やデータ解析については補助者へ依頼する。保育者を対象とした質問紙調査には、質問紙の作成に関わる費用が必要になる。また、調査研究のための旅費や研究発表旅費が必要である。さらに、成果を論文や報告書としてまとめるために、論文印刷費を使用する。
レーザー励起ナノ界面プラズマの周期構造創成とプロセス応用

本研究の目的は,超短パルスレーザーによるナノ界面プラズマのゆらぎを秩序化することにより,固体表面にナノサイズの周期構造を能動的に創出できることを実験的に検証すること,及び周期ナノ構造形成過程の物理モデルを完成することにより,レーザーナノプロセッシングの基盤を開拓することである。H25年度には,これまでに明らかにしてきた周期ナノ構造形成過程とその理論モデルの一般性・有効性を検証すると共に,モデルの精密化を行うため以下の研究を行った。[1]これまで照射対象にしてきた誘電体や半導体とは物性の異なる金属(SUS, Ti)をターゲットとして,ナノ周期構造形成過程の解明とその制御によるナノ格子創成の研究を行った。その結果,金属表面においても,表面プラズモン・ポラリトン(SPP)の励起によって,レーザー波長以下の微細なナノ周期構造を形成できることを検証すると共に,標的表面の凹凸周囲で発生する近接場が,SPPによる秩序構造形成の競合過程として働くことを明らかにした。これらを基に,競合過程を抑制してSPPによるナノ格子形成を行うための干渉ビームアブレーション法を開発した。[2]前年度までに開発した2ステップアブレーション法を基に,ナノ周期構造形成過程を検証すると共に,ナノ格子間隔dの100 nm以下への微細化を実現するため,GaNを標的とし,Ti:sapphireレーザーの第3高調波(λ267 nm)を用いてナノ格子形成の実験を行った。その結果,λ800 nmではd = 180 - 230 nmであった格子間隔が,励起波長の短波長化によってd = 50 - 60 nmヘ微細化した。モデル表面に関する理論計算の結果,励起されるSPPの空間定在波モードの近接場周期と観測したナノ格子の周期はよく一致した。以上により,未解明であったナノ周期構造形成過程を解明すると共に,相互作用過程のモデル構築,及び同過程の制御によるナノ格子形成法の開発に成功し,目標を達成した。25年度が最終年度であるため、記入しない。本研究の目的は,超短パルスレーザーによるナノ界面プラズマのゆらぎを秩序化することにより,固体表面にナノサイズの周期構造を能動的に創出できることを実験的に検証すること,及び周期ナノ構造形成過程の物理モデルを完成することにより,初のレーザーナノプロセッシング基盤を開拓することである。H24年度には,表面プラズモン・ポラリトン(SPP)による秩序構造の成長・緩和過程を直接的に検証し,周期ナノ構造形成の物理モデルを精密化するため,(1) SPP励起過程を検証するためのポンプ・プローブ実験,及び(2)周期構造形成・緩和過程を制御し,均一な間隔を備えたナノ格子を創出するための実験研究を行った。これらの研究により,ナノ周期構造形成において,これまで未解明であった低フルーエンスの複数fsレーザーパルス照射の効果が明らかになった。また,ナノ周期構造形成過程のモデルを基に,相互作用過程を制御して固体表面に均一なナノ格子構造を創製するための2段階アブレーション手法を考案した。同手法を大気中のGaN結晶に適用することにより,均一な周期間隔を備えたナノ格子の創製に成功した。実験結果は,fsレーザーで単一モードのSPP定在波が励起され,周期的な近接場によってアブレーションが誘起されたことを示している。得られた結果から,SPP励起を制御して均一なナノ格子を形成できることが実証された。

本成果を基に,fsレーザーによって任意のナノ周期構造を形成するためのレーザーナノプロセッシング手法の開発に向けた指針を明確化できた。目標をほぼ達成した。ポンプ・プローブ法により,低フルーエンスでの複数パルス照射がナノ周期構造形成にとって必要であることを検証し,物理過程を解明した。2ステップのアブレーションによってSPP励起過程を制御することにより,大気中,マスクなしで固体表面に均一なナノ格子を直接創製する手法を開発した。なお,過渡回折によるSPP励起過程の研究は継続中である。構築してきた物理モデルの妥当性を検証したので,結果を基に,SPP励起を制御して均一なナノ格子を形成する手法を物性の異なる各種物質に応用し,その適用条件を明確化することによってfsレーザーによるナノプロセッシングの基礎を確立する。25年度が最終年度であるため、記入しない。
ゲノムの流動性をもたらす利己的遺伝子系

A)染色体上の制限修飾遺伝子によってドライブされるゲノム再編大腸菌染色体にPaeR7I制限修飾遺伝子を挿入し、これを形質導入での相同組み換えによって相同なDNAで置き換えようとした。このときにゲノムに起きる大規模なリアレンジメントの構造を、レアカッターによる制限分析、パルスフィールドゲル電気泳動、サザン法、インバースPCR、シークエンシングによって解析し、トランスポゾンIS3間の不等交差による染色体の大規模重複・逆位が起きていることを証明した。枯草菌染色体にBamHI制限修飾遺伝子を挿入し、これを自然形質転換での相同組み換えによって相同なDNAで置き換える系で、制限修飾遺伝子による抵抗を検出した。B)近緑細菌ゲノム配列の比較からの、制限修飾遺伝子による新しいゲノム多型形成の機構の発見二つのピロリ菌全ゲノム中の制限修飾遺伝子を比較して、制限修飾遺伝子が水平伝達していることの証拠を得た。また、制限修飾遺伝子が関与するらしい「長い標的DNAの重複を伴う遺伝子挿入」という遺伝子伝達機構を発見した。それを制限修飾遺伝子の利己的なふるまいと関係づけるモデルを提出した。C)大腸菌のRecBCD酵素によるカイ配列の認識の役割制限修飾遺伝子喪失後に起きる染色体切断と分離後宿主殺しに、カイ配列を認識するRecBCD酵素が重要であることを証明した。同様に、酸化的損傷などによって自然に起きる染色体切断にもRecBCDカイ系が重要であることをパルスフィールドゲル電気泳動で示した。D)遺伝子間ホモロジー相互作用と制限酵素作用に依存する非相同組換え「ホモロジー相互作用と1型の制限酵素によって引き起こされる非相同組換え」に関与する遺伝子産物を同定した。二つの遺伝子のホモロジーが無くなる端で起きる非相同組換えの産物を解析した。
ナノ細線を介した超伝導輸送現象と電子構造の相関

二重ナノ細線と超伝導体の接合に着目し二重InAsナノ細線と超伝導体との接合の作製手法の確立とナノ細線中にできた量子ドットを介したクーパー対分離、さらに弾道的な電子輸送領域での二重ナノ細線でのクーパー対分離の実証に成功した。またNbTiを使用することで超伝導とスピン分離した量子ホールバルク状態の接合面でのアンドレーエフ反射の測定に成功した。さらに、高移動度量子井戸から作製した量子細線で無磁場で半整数量子化伝導度にプラトー構造が出現し、磁場によって伝導度が減少することを確認した。また、ゲート制御可能なコルビノ型ジョセフソン接合の測定に成功し、その磁場依存性から磁束の大きさを評価することに成功した。半導体ナノ構造中での超伝導近接効果は、近年マヨラナ粒子の実現の提案が行われたこともあり、非常に注目を集めている。本研究では、この半導体ナノ構造と超伝導体との接合系における超伝導輸送現象に関して、電流位相関係の実証と、それを基礎とした新奇トポロジカル粒子の実証を目標としている。これらの目標に向け、まず共同研究先であるカリフォルニア大学から高移動度InAs量子井戸基板の提供を受け、その微細加工技術の開発を行った。その結果、電子線描画を用いて、目的の構造である量子細線の幅を100 nmまで狭くすることが可能な技術を開発した。この技術を用いて作製した200 nm幅の量子細線を低温磁場下において電気輸送測定を行った。その結果、ゲート電圧の掃引に対して伝導度がプラトー構造を持ち、そのプラトーでの伝導度が無磁場にもかかわらず0.5×2e^2/hにあらわれることが明らかとなった。さらに、面内磁場の印加により、このプラトー伝導度が減少していくことを発見した。この現象は多体効果に起因したものであると考えられる。さらに、上記の高移動度InAs量子井戸に対して超伝導電極との接合を作製し、低温での輸送測定を行った。その結果、無磁場においてアンドレーエフ反射による伝導度の増強が起きていることを確認した。また、自己形成InAs量子細線の実験においては、高品質な量子細線の物性の探索を行うため、細線が宙吊りになっているデバイス構造の作製を行った。このデバイスの測定をした結果、磁場の印加により伝導度プラトーに凹みがあらわれることがわかった。このプラトーの凹みは量子細線中にマヨラナ粒子を実現するための必要条件であるヘリカル状態の兆候である。さらに、並列二重ナノ細線デバイスを作製し、並列二重ナノ細線中にできている二重量子ドットの特性を明らかにした。本研究では、電流位相関係の実証とそれを用いたマヨラナ粒子の実証に焦点を置いている。まず、電流位相関係に関しては、高移動度InAs量子井戸の量子細線への加工技術の確立が終わり、その技術を用いて量子細線への超伝導接合が作製できていることがアンドレーエフ反射による伝導度の増強の確認によりわかっている。これらの技術、および特性は電流位相関係の実証に必要不可欠なものであり、この技術が確立されたことは本研究の目標の達成にとって有意義である。また、自己形成InAsナノ細線を用いた実験では、ヘリカル状態の兆候の観測に成功している。このヘリカル状態に対して超伝導接合を作製するとマヨラナ粒子が実現されるため、本研究計画のマヨラナ粒子の実証にむけ、大きな前進である。加えて、新たな知見として半整数での量子化伝導度プラトーの観測と、異常な磁場依存性が初めて明らかになった。これらの現象は、我々の使用している量子井戸の電子密度が低いことによる多体効果起因のものであると考えられる。この結果は、これまで起源が明らかになっていない0.7異常や0.5異常と呼ばれる量子細線に普遍的な問題に対して新たな実験的研究結果をもたらすため、非常に有意義なものである。さらに、並列二重ナノ細線で実現される二重量子ドットの特性の評価を行ったが、この結果はクーパー対分離など、この特殊な構造における超伝導現象の観測に用いることができるだけでなく、超伝導干渉素子としても使用でき、電流位相関係の実証にも応用できる。本年度はまず、InAs量子井戸に対して超伝導電極を接合させ、面直磁場を強く印加することでInAsをスピン分離した量子ホール状態とした時の電子輸送特性を調べた。その結果、量子ホールバルク状態が支配的な場合にアンドレーエフ反射が観測された。これは、スピン三重項超伝導近接効果の兆候であり、スピン分離した量子ホール状態へも超伝導近接ギャップを生成しうることを意味している。この結果は計画にはなかったが、超伝導-量子ホール状態接合でのマヨラナ粒子の実現の可能性を意味している点で重要であり、本研究計画とも深く関係するものである。また、自己形成型のInAsナノ細線の実験では、並列二重ナノ細線と超伝導体との接合デバイスを作製し、超伝導体から二つのナノ細線へのクーパー対分離の観測に成功した。この系では無磁場でのマヨラナ粒子の発現が予想されており、クーパー対分離はそれに必要不可欠であるため、この結果により無磁場でのマヨラナ粒子の実現に向けた研究が展開していくと考えられる。

さらに、より高品質の超伝導接合作製のため、InAs量子井戸基板上にエピタキシャルにアルミニウム膜が成長された基板の加工を行い、その特性を調査するために、コルビノ型のジョセフソン接合デバイスに加工して実験を行った。その結果、デバイスに超伝導電流が流れ、コルビノ型から予想される特徴的な磁場依存性を示すことがわかった。コルビノ型のジョセフソン接合の実験結果はこれまで一例しかなく、本結果はコルビノ型でのジョセフソン接合研究のマイルストーンとなる可能性がある。本研究では、電流位相関係の実証とそれを用いたマヨラナ粒子の実証に焦点を置いている。まず、電流位相関係に関しては、昨年度まで行っていた高移動度InAs量子井戸への超伝導接合をより高品質化する必要が生じたため、エピタキシャル成長された超伝導体半導体ヘテロ構造試料から超伝導体と半導体との接合を作製した。その結果、超伝導電流が流れること、それをゲート電圧で電界制御できることを確認した。これは、ゲート電圧による量子細線の制御、高品質の超伝導接合の形成という、超伝導電流と位相との関係を明らかにするために必要不可欠な技術が確立されたことを意味しており、本研究の目標の達成にとって有意義である。また、半導体量子井戸と超伝導体との接合を作製する過程で、計画にはなかったがスピン分裂した量子ホール状態と超伝導体との接合でアンドレーエフ反射が観測された。これは、スピン分裂した量子ホール状態への超伝導近接効果の存在を示唆しており、理論的に提案のある超伝導体と量子ホール状態との接合におけるマヨラナ粒子の実現へとつながる結果であり、重要なものである。さらに、自己形成ナノ細線を用いた研究では、並列二重ナノ細線と超伝導体の接合におけるクーパー対分離現象を初めて観測した。これは、超伝導体と並列二重ナノ細線の接合において無磁場でのマヨラナ粒子の発現に必要不可欠な現象であり、今後の発展が期待される結果である。半導体ナノ構造中での超伝導近接効果は、近年マヨラナ粒子の実現の提案が行われたこともあり、非常に注目を集めている。本研究では、この半導体ナノ構造と超伝導体との接合系における超伝導輸送現象に関して、電流位相関係の実証と、それを基礎とした新奇トポロジカル粒子の実証を目標としている。本年度は昨年度から引き続き、マヨラナ粒子の無磁場での実現に向けて必要となる二重ナノ細線と超伝導体との接合でのクーパー対分離現象の研究を進めた。特に、昨年度は観測された分離は細線中に形成されたドットを介した分離であり、従来知られているものと同じ機構による分離現象であったが、本年度はドットを介さず弾道的な電子輸送領域においても分離が観測されること、またその分離効率が100 %を越えることを初めて明らかにした。これは、上記の無磁場でのマヨラナ粒子の実現の必要条件が達成されたことを意味しており本研究でも重要な位置を占める。加えて、弾道的な電子輸送における分離は細線中の電子間相互作用により引き起こされると理論的に提案があったが、実験的に実現されたのは今回が初めてである。また、新たにコルビノ型のジョセフソン接合デバイスを作製し、実験を行った。その結果、超伝導電流のゲート電圧による制御に成功した。さらに抵抗の磁場依存性からジョセフソン渦糸の大きさを評価した結果、ゲート電圧により渦糸の大きさが変化することを明らかにした。
単一細胞解析によるhiPSCからβ細胞への分化メカニズムの解明と分化効率向上化

hiPS細胞は再生医療において大きな期待が寄せされている。1型糖尿は血糖コントロールのインスリンを分泌する細胞が破壊されインスリンを投与し続ける必要がある。インスリンを分泌する細胞を移植するという細胞治療は大きな期待が寄せられており、実際には膵臓や膵島移植などの治療法もあるが圧倒的なドナー不足というのが現状である。したがってhiPS細胞などの多能性分化能を持つ細胞からβ細胞へ分化させたものを移植するということに大きな期待が寄せられている。本研究ではhiPS細胞から分化したβ細胞のメカニズムの解明を目指して単一細胞解析を行い、よりよいβ細胞の作成のための機序を明らかにし分化効率を高める。ヒトhiPS細胞からβ細胞への分化誘導法は近年ようやくin vitroにおける成熟化に成功している例が見られる。しかし分化メカニズムはまだ不明な点が多く、特にヒトiPS細胞から分化させる際のβ細胞の成熟化に関するメカニズムはわかっていない。従って本研究では分化メカニズムの解明を試みるためにダブル蛍光標識hiPS細胞を用いてβ細胞へ分化誘導をし、蛍光細胞のソーティングを行い単一細胞解析を行う。【研究実施状況】グルコース応答性のある細胞を得て、単一細胞解析の実施に至ることができ、現在はデータの解析中である。本細胞はダブル蛍光標識hiPS細胞でありβ細胞分化をモニターすることが可能な細胞である。すなわちβ細胞のマーカーであるInsulin promoterの下流にVenus、更に内分分泌前駆細胞であるNGN3 promoterの下流にmCherryをノックインさせたダブル蛍光標識hiPS細胞(Ins-Venus/NGN3-mCherry)である。hiPS細胞から分化誘導をかけると内分泌細胞が出現するころに赤く光る細胞が出現し、内分泌細胞が出てくるころには緑に光る細胞が増えてくる。更に中間的な細胞として緑と赤の蛍光が同時に光る黄色い細胞も存在する。これらの細胞は時間と共に出現するが分化最終段階においてもそれぞれの細胞が存在している。したがって最終分化時にこれらの3グループの細胞をランダムにソーティングし、単一細胞解析を行った。今後はターゲット遺伝子群の検証を行い、グルコース応答性の細胞のプロファイルを明らかにすることで最終目的細胞の現状を把握し、その上で分化誘導の改善点なども見出されると思われる。更にターゲット遺伝子を誘導する化合物などをスクリーニングすることでより効率的に誘導を行えるものができると思われる。当初の予定では報告されているMeltonグループらのプロトコルを用いてグルコース応答性の細胞をソーティングし単一細胞の解析を行う予定でしたがプロトコルを完全に再現することができなかった。共同研究を行っていたグループでは独自のプロトコルを開発されグルコース応答性のある細胞を作ることに成功していることからそのプロトコルを採用した。したがって共同研究先の協力のもと分化誘導を行い、和光理研の二階堂研究室において、委託研究として実施した。したがって当初より予定していた解析を実施することができた。本研究はhiPS細胞に蛍光ラベルしβ細胞への分化をモニタリングできるシステムを用いてhiPS細胞からβ細胞への分化のメカニズムの解明を目指すものである。hiPS細胞からβ細胞への分化過程においてNGN3を発現する膵内分泌前駆細胞が出現するとmCherryが光る細胞となり、Insulinを発現するVenusが光る細胞を確認することができる。またβ細胞への移行の際には赤から緑に変換しているダブル蛍光細胞なども多数みられる。最終分化時のこれらの蛍光細胞群をランダムにソーティングし、今回277細胞の解析をすることができた。ソート細胞群の内容はVenus陽性細胞は約3割未満、ダブル蛍光細胞が約4割となっている。2次解析を行った結果全細胞の約9割はインスリンを発現しているという驚異的な結果が得られた。すなわちほとんどの細胞がβ細胞へと強力に誘導されていることが分かった。分化誘導全体細胞の約4割から5割にも至る。またインスリン発現細胞群は全体的に同じようなプロファイルを示しているが、個々のこれまでに知られているβ細胞に主要な遺伝子群の発現量に目を向けていくと多種多様に発現しており、同じ細胞は存在しないことが判明した。当初の予測としては蛍光細胞によって分離された細胞群は三つのクラスターに分けられると思われていたが実際には大きく2群にしか分けられなかった。また昨年にヒト生体内のβ細胞の単一細胞解析を行った報告が3件同時に発表された。それらのデータを利用し更に詳しく解析を行ったところインスリンを発現する細胞群は7群にクラスタリングすることができ、そのほかの群としてインスリンを発現しない細胞とにクラスタリングすることができた。しかし、これらのインスリン発現細胞群のどの群が一番成熟に近いかなどの決定的なデータは今のところ得られておらず、実際のvitroの解析が今後必要となってくる。全体的な2次解析はほぼ終了しているがターゲットとなる遺伝子の選定や実際に実験を行っての解析をすることができていない。データ解析におけるトラブルなどが生じ、前解析に時間を要したために、2次解析に進めず遅れたために全体の流れが遅れてしまった。

本研究ではhiPS細胞から分化したβ細胞のメカニズムの解明を目指して単一細胞解析を行い、よりよいβ細胞の作成のための機序を明らかにし分化効率を高める。本研究はhiPS細胞に蛍光ラベルしβ細胞への分化をモニタリングできるシステムを用いてhiPS細胞からβ細胞への分化のメカニズムの解明を目指すものである。hiPS細胞からβ細胞への分化過程においてNGN3を発現する膵内分泌前駆細胞が出現するとmCherryが光る細胞となり、Insulinを発現するVenusが光る細胞を確認することができる。本研究の最大の特徴はhiPS細胞からβ細胞への分化後に機能的解析を行った上でのシングルセル解析であり機能との結び付けが可能でると思われる。そうした細胞のシングルセル解析を行ったところ、意外にもGlucagon-insulinダブルポジティブのポリホルモンの細胞が大量に存在していたというのが今回の解析で見られた。生体とまったく同じ能力ではないが成熟へと向かわせる能力は有するのではないかと考える。実際に生体にもポリホルモンは存在している。これまでのヒト膵臓由来細胞のシングルセル解析の報告はいくつかあるがあえてGlucagon-Insulinポジティブな細胞を除いた状態での解析が行われているために実際にはその細胞の存在を解析はされていない。総合的な解析でVenus陽性とダブル陽性細胞の間では違いは見出されなかった。このことは個々に見ると遺伝子の発現はバラバラであり多様化していることがわかる。また、これまで言われていた例えばNkx6.1やMafAの発現などは全体的に低い発現である。しかし、詳細にGlucagonの発現強度などをもとに分類することが可能であり、その上での解析を行うといくつかの遺伝子がピックアップされた。t-SNE解析によりα細胞様のクラスターとβ細胞様のクラスターで7群に分けることができた。それらの中にはPDX1の他に多くの未知遺伝子も検出された。今後それらの遺伝子の関連性を検証する必要がある。ダブル蛍光標識hiPS細胞はβ細胞分化のマーカーを挿入しており分化誘導時をモニターすることができる細胞である。β細胞のマーカーであるINS-promoterの下流にVenus,内分泌前駆細胞のマーカーであるNGN3-promoterの下流にmCherryを挿入したものであり、最終分化段階においては、それぞれβ細胞は緑に、内分泌前駆細胞は赤に光る細胞となる。更にVenusおよびmCherryが同時に発現している中間的な細胞群も存在する。本研究においては上記3郡をそれぞれランダムにソーティングし、単一細胞解析を二階堂グループらによって開発されたQuartz-seqの方法を用いて解析を行った。シングルセル解析において3種類の細胞群を同時に明らかにすることができる。