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ホスフィン－ボラン配位子と遷移金属触媒による炭素－酸素結合活性化法の開発

本研究ではホスフィンーボラン配位子を有する遷移金属錯体触媒を用い、ルイス酸部位と中心遷移金属の協働作用を活かして、既存の触媒では切断が困難な炭素ー酸素結合を活性化することをねらいとしてきた。今年度は主に以下の触媒反応の開発に成功した。1つ目は、パラジウム触媒とホスフィンーボラン配位子を用いたシリルエノラートのアリルアルコールによるアリル化反応である。反応条件の最適化を行った結果、90%を越える高い収率でγ,δ-不飽和ケトンを得ることができた。次にこの知見をもとにして、アリルアルコールによるアルデヒドのα位アリル化反応を開発した。この反応においても90%以上の収率で対応するγ,δ-不飽和アルデヒドが得られた。研究期間の全体を通して、ホスフィンーボラン配位子のルイス酸部位と中心遷移金属との協働作用を活かした触媒的炭素ー酸素結合活性化反応を開発することができた。この触媒系はアリルアルコールを用いた各種アリル化反応には特に有効であり、活性メチレン化合物、シリルエノラート、およびアルデヒドのアリル化を従来法と比較してより効率良く進行させることに成功した。また、ベンジルアルコールを用いたアミンのベンジル化にも成功し、ベンジル位の炭素ー酸素結合活性化にも適用可能であることを見出した。さらにホスフィンーボラン配位子の新たな活用方法として、イリジウム触媒を用いた2-フェニルピリジンの炭素ー水素結合シリル化反応が高効率で進行することも見出した。以上の研究成果は、ホスフィンーボラン配位子が炭素ー酸素結合の活性化に有効であることを示しただけではなく、当初は予想していなかった炭素ー水素結合活性化にも有効であることを明らかにしたものであり、さらなる触媒的有機合成反応への応用が期待される。本研究ではホスフィンーボラン配位子を有する遷移金属錯体触媒を用い、ルイス酸部位と中心遷移金属の電子的環境および触媒分子全体の立体構造を制御することで炭素ー酸素結合活性化反応における触媒の高活性化を目指している。今年度は3種類の触媒反応について検討を進めた。1つは、活性メチレン化合物のアリル化反応である。この反応ではホスフィンーボラン配位子のリンとホウ素の連結部分の構造が触媒活性に大きく影響し、ブチレン鎖で連結されたものが最も高い触媒活性を示した。基質適用範囲も広く、多様なアリルアルコールと活性メチレン化合物を用いることができた。また、リン配位子と有機ホウ素化合物を別々に加えた場合にはほとんど反応が進行せず、リンとホウ素が連結されたホスフィンーボラン配位子の有効性を示すことが出来た。次にこの研究成果をシリルエノラートのアリルアルコールによるアリル化反応へと展開した。現在までに低収率ながら対応するα-アリルケトンが得られている。この反応においても、架橋部位の構造が収率に影響することがわかった。また、リン上の置換基も重要であり、電子豊富な芳香環が適していることを見出した。3つ目の触媒反応は、ベンジルアルコールを用いたアミンのベンジル化反応である。この場合にはエチレン鎖で架橋されたホスフィンーボラン配位子が最も有効であり、高い収率で対応するベンジルアミンを得ることができた。ベンジルアルコールおよび2級アミンの適用範囲も明らかにした。上述したいずれの反応においても、ホウ素部分は9-BBN骨格を持つことが必須であり、9-BBNの高いルイス酸性が重要であると推察される。以上の研究成果は、ホスフィンーボラン配位子が炭素ー酸素結合の活性化に有効であり、様々な位置の水酸基を直接的に官能基変換する触媒反応へと展開できることを示している。当初の計画通り、活性メチレン化合物およびシリルエノラートのアリルアルコールによるアリル化反応について、ホスフィンーボラン配位子の構造が触媒活性に与える影響を調べた。活性メチレン化合物のアリル化においては、リンとホウ素とを架橋している炭素鎖の長さが特に重要であり、ブチレン鎖が最も有効であった。架橋部位がより短いプロピレン架橋のものやエチレン架橋のものを用いた場合には収率が低下した。架橋されていないホスフィン配位子と有機ホウ素とをそれぞれ加える手法では反応がほとんど進行せず、ホスフィンーボラン配位子の有効性が確認された。アリルアルコール上の置換基の位置や種類、および活性メチレン化合物の種類についても検討を行い、この触媒系が幅広い基質適用範囲を有することも明らかになった。これらの結果に関しては査読付原著論文として投稿し、受理されている。シリルエノラートのアリル化においてもブチレン鎖で架橋されたホスフィンーボラン配位子が最も良い結果を与えたが、収率は30%程度にとどまっており、より高い触媒活性を示すような配位子を設計する必要がある。シリルエノラートのアリル化においては、架橋部分の構造に加えて、リン上の置換基を変えることでパラジウムの電子密度を調整する方法が有効であることがわかってきた。さらに、計画通りベンジルアルコールを用いたアミンのベンジル化反応の開発についても順調に進行している。この反応にはエチレン鎖で架橋されたホスフィンーボラン配位子が最適であり、様々な1級ベンジルアルコールと2級アミンとの反応によって、対応するベンジルアミンが高収率で得られることがわかった。以上のように、本研究は当初計画した通り、活性メチレンおよびシリルエノラートのアリル化反応とアミンのベンジル化反応の開発まで順調に進展している。

本研究ではホスフィンーボラン配位子を有する遷移金属錯体触媒を用い、ルイス酸部位と中心遷移金属の協働作用を活かして、既存の触媒では切断が困難な炭素ー酸素結合を活性化することをねらいとしてきた。今年度は主に以下の触媒反応の開発に成功した。1つ目は、パラジウム触媒とホスフィンーボラン配位子を用いたシリルエノラートのアリルアルコールによるアリル化反応である。反応条件の最適化を行った結果、90%を越える高い収率でγ,δ-不飽和ケトンを得ることができた。次にこの知見をもとにして、アリルアルコールによるアルデヒドのα位アリル化反応を開発した。この反応においても90%以上の収率で対応するγ,δ-不飽和アルデヒドが得られた。研究期間の全体を通して、ホスフィンーボラン配位子のルイス酸部位と中心遷移金属との協働作用を活かした触媒的炭素ー酸素結合活性化反応を開発することができた。この触媒系はアリルアルコールを用いた各種アリル化反応には特に有効であり、活性メチレン化合物、シリルエノラート、およびアルデヒドのアリル化を従来法と比較してより効率良く進行させることに成功した。また、ベンジルアルコールを用いたアミンのベンジル化にも成功し、ベンジル位の炭素ー酸素結合活性化にも適用可能であることを見出した。さらにホスフィンーボラン配位子の新たな活用方法として、イリジウム触媒を用いた2-フェニルピリジンの炭素ー水素結合シリル化反応が高効率で進行することも見出した。以上の研究成果は、ホスフィンーボラン配位子が炭素ー酸素結合の活性化に有効であることを示しただけではなく、当初は予想していなかった炭素ー水素結合活性化にも有効であることを明らかにしたものであり、さらなる触媒的有機合成反応への応用が期待される。シリルエノラートのアリル化反応については、新規ホスフィンーボラン配位子を設計・合成して触媒反応に用いることで収率の向上を目指す。これまでの研究によって架橋部分の構造とリン上の置換基が重要であることがわかっているため、それらについて詳細に検討する。収率が向上すれば、基質適用範囲の調査を行う。アリルアルコールにおける置換基の位置及び種類、シリルエノラート上の置換基を変えたものを原料として触媒反応を行い、得られるアリル化生成物の収率を比較する。ベンジルアルコールを用いたベンジル化反応については、これまでに2級アミンのベンジル化反応が効率よく進行することを明らかにしている。今後は炭素原子求核剤とベンジルアルコールとの反応による炭素ー炭素結合形成反応の開発を目指す。予備的な結果として、電子豊富なヘテロ芳香環であるインドールとベンジルアルコールとの反応により、3-ベンジルインドールが低収率ながら生成することを明らかにしている。この反応の反応条件を精査し、収率の向上を目指す。これまでに開発した触媒反応では、求核剤に応じて最適なホスフィンーボラン配位子を適切に選択する必要があった。本反応においても配位子の構造と収率との関連性を明らかにする。さらに、フェノール類やアニソール類を用いたカップリング反応の開発にも着手する。これまでに得られた、アリル位やベンジル位のsp3炭素ー酸素結合の切断に関する知見を元に、フェノール類やアニソール類におけるsp2炭素ー酸素結合の切断に取り組む。
強相関電子系における超伝導機構の多様性に関する理論的研究

超伝導の電荷移動ゆらぎ機構と深く関係する量子臨界価数ゆらぎの物理は、Ybを含む準結晶でも重要であるなど、予想以上に遍在的であることが実験的に分かってきたが、これらの事実を包括的に理解する理論を構成した。電気4極子ゆらぎ超伝導機構の可能性が示唆されている、Pr-1-2-20系物質のノーマル状態で観測される非フェルミ液体的な種々の異常物性を、Pr+3イオンのもつ4極子自由度の効果を取り込んだ「2チャンネルアンダーソン格子モデル」にもとづいて統一的に説明した。ESP状態のスピン3重項状態では、準粒子状態密度のエネルギー依存性を考慮すると、自発的にスピン磁化が誘起されることを理論的に示した。1.研究代表者は1986年にCeCu_2Si_2の超伝導機構として反強磁性スピンゆらぎ超伝導機構を提案したが、最近の中性子散乱により観測された動的スピン帯磁率と電気抵抗の温度依存性測定の実験データを用いて微視的な理論を展開し、定量的に実験事実を再現する結果を得た。2.バレンススキッピング超伝導機構に関する解説を執筆するとともに、それを可能にする微視的機構が対遷移クーロン相互作用であることに注目して、「くりこみ群」的観点からその相互作用の多体効果を考察し、超伝導の起源となる結果を得た(論文準備中)。3.重い電子系の価数ゆらぎ超伝導機構と密接な関係にある「臨界価数ゆらぎの理論」を展開し、重い電子系においてf電子と伝導電子の混成の強さが空間的に分布している場合には、価数転移の量子臨界点が有限の領域に広がることを示した。これは最近発見された準結晶金属Yb15Al34Au51で観測された圧力効果に鈍感な量子臨界性を説明する。4.ESP (equal-spin-pairing)状態のスピン3重項超伝導状態において、ノーマル状態での状態密度のエネルギー依存性を考慮すると、自発的にスピン磁化が誘起されて時間反転対称性が破れることを理論的に示した。これは最近石田グループ(京大理)により観測されたSr2RuO4のナイフシフトが転移温度以下で増大する効果を説明する。5.高温超伝導体の微視的モデルであるd-pモデルにCuサイトのd電子とOサイトのp電子との間に働くクーロン相互作用U_dpの効果を取り込み、d電子間に働く強い電子相関効果を取り込むことが可能な1/N-展開の方法にもとづいて議論し、超伝導転移温度が最大になるホール濃度の近辺でd-p電荷移動の量子臨界転移が可能であることを示した。電荷移動秩序は時間反転対称性を自発的に破ったフラックス相であることが分かった(論文準備中)。1. PrV_2Al_20など(Pr-1-2-20系と略称)の超伝導はPr(+3)イオンのもつ4極子ゆらぎによって誘起されることを、「2チャンネルアンダーソン格子モデル」にもとづいて示した。とりわけ圧力下の超伝導転移温度の振る舞いを定性的に再現できた(論文準備中)。2.前項と関連して、Pr-1-2-20系のノーマル状態で観測される非フェルミ液体的な種々の異常物性を同じモデルにもとづいて統一的に説明することができた(論文投稿中)。3.重い電子系の「価数ゆらぎ超伝導機構」と密接な関係にある「臨界価数ゆらぎの理論」を展開し、beta-YbAlB_4で観測される磁化Mに関する「T/Bースケーリング」を、f電子と伝導電子の間の斥力U_fcの効果を取り込んだ「拡張アンダーソン格子モデル」にもとづいて導いた。4.重い電子系超伝導体UPt_3では、強相関電子系金属のNMRで期待されるKorringa-Shibaの関係が破れていることが(超伝導機構を考える上でも)残された大きな謎であった。その不純物モデルを数値くりこみ群の方法で調べたところ、U(+4)イオンのf電子の結晶場基底状態がf2-結晶場1重項であることを仮定すると矛盾なく理解できることを示した(論文投稿中)。5.結晶が反転対称中心を持たない超伝導体などで重要な役割を演じる「反対称性スピン軌道相互作用」は量子磁気臨界ゆらぎの影響で非自明な「くりこみ効果」を受け、その結果、フェルミ面の変形や準粒子の(新しいタイプの)有効質量の発散などが起こることを示した。6.スピン3重項カイラル超伝導体Sr_2RuO_4の性質の理解を目的に、2次元正方格子上で再隣接格子の電子間に引力が働くモデルの固有角運動量・固有磁気モーメントの大きさについてBogoliubov-de Gennes方程式の数値解にもとづいて研究し、その観測可能性について議論した(論文準備中)。1) PrV2Zn20, PrTi2Al20, PrV2Al20などのノーマル状態で観測される非フェルミ液体的な種々の異常物性を、Pr(3+)イオンのもつ4極子自由度の効果を取り込んだ「2チャンネルアンダーソン格子モデル」にもとづいて統一的に説明することができた。とりわけ、電気抵抗の示す非フェルミ液体的温度依存性は、温度を特性温度でスケールすると単一の関数で表せることが分かった。2)重い電子系の価数ゆらぎ超伝導機構と密接な関係にある「臨界価数ゆらぎの理論」を展開した。beta-YbAlB4やTsaiクラスターからなる近似結晶物質Yb15Al35

Au51に加圧した系において磁化Mに関する「T/Bースケーリング」が成立することを理論的に示した。3)重い電子系超伝導体UPt3では、強相関電子系金属のNMRで期待されるKorringa-Shibaの関係が破れていることが(その超伝導機構を考える上でも)残された大きな謎であった。その不純物モデルを数値くりこみ群の方法で調べたところ、U(+4)のf電子の結晶場基底状態がf2-結晶場1重項であることを仮定すると矛盾なく理解できることを示した。4)スピン3重項カイラル超伝導体Sr2RuO4の性質を理解することを目的として、2次元正方格子上で再隣接格子の電子間に引力が働くモデルの固有角運動量・固有磁気モーメントの大きさについてBogoliubov-de Gennes方程式の数値解により研究し、その観測可能性について議論した。5)奇周波数超伝導状態の実現する現実的な系として、ギャップレスのスピン波励起モードをもつ反強磁性と超伝導との共存相が有力視されている。そこではそのスピン波を交換することで奇周波数ペアが偶周波数ペアに比べて安定化することが弱結合近似の範囲で分かっていたが、強結合効果まで考慮したときにもその安定性は保たれることが分かった(論文準備中)。1) PrV2Zn20, PrTi2Al20, PrV2Al20など(Pr-1-2-20系と略称)で観測された超伝導は、Pr(3+)イオンのもつ4極子自由度のゆらぎによって誘起されることを理論的に示すことができた。また、Pr-1-2-20系のノーマル状態で観測される非フェルミ液体的な種々の異常物性は「2チャンネルアンダーソン格子モデル」にもとづいて統一的に説明することができることを示した。2)量子臨界価数転移点近傍にあると考えられるbeta-YbAlB4やTsaiクラスターからなる近似結晶の加圧下で観測される、いわゆるT/Bースケーリングの性質を、f電子と伝導電子の間の斥力Ufcの効果を取り込んだ「拡張アンダーソン格子モデル」および「拡張アンダーソンクラスターモデル」にもとづくモード結合理論により導いた。3)重い電子系超伝導体UPt3の大きな謎であったKorringa-Shibaの関係の破れを、不純物モデルではあるが、数値くりこみ群の方法により、U(+4)のf電子の結晶場基底状態がf2-結晶場1重項であることを仮定すると矛盾なく理解できることが示せた。また、超伝導の微視的機構解明へ向けて研究は進展している。4)銅酸化物の超伝導発現機構に関して、反強磁性スピンゆらぎと電荷移動ゆらぎの果たす相対的重要性について解明することをめざす研究により、いくつかの重要な結果が得られている。とりわけ、多層系銅酸化物高温超伝導体の温度ーキャリヤードーピング相図において新しい量子臨界点が存在することを示した(論文準備中)。以上のように、「強相関電子系における超伝導機構の多様性」に関して当初想定した研究計画が順調に達成されつつある。一方、「バレンススキップ超伝導機構の展開」については新しい結果を得る見通しがつき、「奇周波数ギャップ超伝導理論の展開」については予備的な研究が進みつつあるので、平成28年度にはこれらの研究に注力したい。1)量子臨界現象を示す準結晶物質Yb15Al34Au51および準近似結晶物質Yb14Al35Au51の熱的および磁気的な臨界的振る舞いを記述する理論を展開し、結晶の準周期が局所的な価数ゆらぎ現象の起源であることを解明した。また、磁化に関するT/Bスケーリングが成立することも示した。2)量子臨界価数
磁性人工格子をベースに用いたホットエレクトロントランジスタに開する研究

GMR膜をベースに用いる3端子構造の膜を,初めは手作りの金属マスク,後半ではフォトリソグラフィとイオンミリングにより作製した。作製した試料で電気伝導特性,磁気特性を測定したところ磁界を印加すると大きな電流変化を得ることができ,ベース/コレクタ間の電圧をコントロールすることにより1000%以上の大きな電流変化率が生じることが明らかになった。電流の磁界依存性はGMR素子の磁化状態を反映した変化を示し,最大磁界での電流値はバイアス電圧を減少させることで単調に減少していることが分かった。この変化は理論的には無限大の変化率を得ることができる。この現象をバイアス電圧依存性,エミッタ電流依存性,また,電流源を電圧源に替えて検討した結果,一つの説明として,CIP-GMRによるインピーダンスの変化により垂直方向の分流分の電流そのものの変化を観測しているのではないかと考えられた。また,非磁性の絶縁膜を用いることと,微細加工時の磁気特性の劣化から,反強磁性膜を見直した。その結果,FeMnにPtを添加することにより,耐熱性などを大きく改善できることが明かとなった。半導体超格子の分野では、フェルミ面上より上の高いエネルギーを持つホットエレクトロンを作り、積極的に利用するデバイスの研究などがなされている。そこで、本研究ではこのホットエレクトロンのスピンを磁性人工格子の巨大磁気抵抗(GMR)効果を利用してコントロールする新しいデバイスの開発を検討するものである。本年は、まずはじめに膜作製時に金属マスクの交換を真空チャンバー内で行えるように、チャンバーの設計を行い特注で制作を行った。また、I-V特性の測定結果を検討したところ、ホットエレクトロンを作るのに必要な絶縁膜に問題があることが明らかになった。そこで、絶縁膜の作製をAlの自然酸化、酸素を導入したAl_2O_3の反応性スパッタなど種々の方法で検討中である。また、非磁性の絶縁膜を用いるために、スピンバルブ膜で必要な反強磁性体を見直した。その結果、FeMnにPtを添加することにより、耐熱性などを大きく改善できることが明らかとなり、この結果は昨年の日本応用磁気学会で発表し、本年には論文として発表する予定である。本年度ははじめにトンネル障壁の作製法について種々の検討を行った。Al_2O_3を直接スパッタする方法とAlの自然酸化といろいろ条件を変化させて行ったが,その結果真空チャンバー内でのAlの自然酸化がもっとも良好な酸化膜を得られることが分かった。しかし,金属マスクを用いる微細化では素子面積が大きくピンホールの影響により良好なIV特性が得られにくいことが分かり,来年度はフォトリソグラフィとイオンミリングにより微細化を図ろうと考えている。また,3端子構造の膜を作製し,その磁気特性や電気的特性を測定した。その中で従来と異なった機構により磁界を印加すると大きな電流変化を得ることができ,ベース/コレクタ間の電圧をコントロールすることにより1000%以上の大きな電流変化率が生じることを明らかにした。これは理論的には無限大の変化率を得ることができる。本年度はフォトリソグラフィとイオンミリングによる試料の微細化を中心に行った。試料はDC/RFマグネロトンスパッタ装置を用いて,Si/Au/NiFe/Cu/Co/FeMn/Auのスピンバルブ型を作製した。Si基板の表面はフッ酸を用いて酸化膜を除去し,その後フォトリソとリフトオフにより微細加工し,Alを1.5nm製膜後,10Paの純酸素中で自然酸化を行った。数百ミクロンのサイズに加工した場合も昨年と同様な電流電圧特性が得られ,微細化による特性の劣化は見られなかった。さらに,出力電流の磁界に対するバイアス電圧依存性を測定した。電流の磁界依存性はGMR素子の磁化状態を反映した変化を示し,最大磁界での電流値はバイアス電圧を減少させる事で単調に減少していることが分かった。電流の変化分は0.05μA程度で,昨年の結果と比較してかなり小さな値となっており、電流変化分は、このバイアス電圧範囲内においてはほとんど変化が無いように思われた。上記の結果から,これらの現象の一つの説明として,CIP-GMRによるインピーダンスの変化により垂直方向の分流分の電流そのものの変化を観測しているのではないかと考えられる。
生体ゆらぎ情報の複合化に基づく生体機能の健康指標と評価システムの構築

現在では,生体における非周期変動,すなわち,リズムの乱れやゆらぎの性質に注目した検討の有用性が認められている.そのなかで,ゆらぎの存在は生物の有する通常機能の現れであり,機能の不全時にその大きさが減少したり,失われたりするとの見解が支持を得つつある.そこで本研究では,心拍動や脳活動に関わる各種生体計測データ(心拍数変動,血圧変動,心電図,脳波,脳磁図)に対して,カオス,(マルチ)フラクタル,ウェーブレットなどの非線形解析手法を駆使し,それらの結果の複合的な分析を通して,心機能と脳機能を中心とする生体機能の正常(健常)と異常(病態)の境界領域を判定しうる新しい健康指標とそれによる評価システムの構築を目指した.現在では,生体における非周期変動,すなわち,リズムの乱れやゆらぎの性質に注目した検討の有用性が認められている.そのなかで,ゆらぎの存在は生物の有する通常機能の現れであり,機能の不全時にその大きさが減少したり,失われたりするとの見解が支持を得つつある.そこで本研究では,心拍動や脳活動に関わる各種生体計測データ(心拍数変動,血圧変動,心電図,脳波,脳磁図)に対して,カオス,(マルチ)フラクタル,ウェーブレットなどの非線形解析手法を駆使し,それらの結果の複合的な分析を通して,心機能と脳機能を中心とする生体機能の正常(健常)と異常(病態)の境界領域を判定しうる新しい健康指標とそれによる評価システムの構築を目指した.現在では、生体における非周期変動、すなわち、リズムの乱れやゆらぎの性質に注目した検討の有用性が認められている.そのなかで、ゆらぎの存在は生物の有する通常機能の現れであり、機能の不全時にその大きさが減少したり、失われたりするとの見解が支持を得つつある.そこで本研究では,心拍動や脳活動に関わる各種生体計測データ(心拍数変動、血圧変動、心電図、脳波、脳磁図)に対して、カオス、(マルチ)フラクタル、ウェーブレットなどの非線形解析手法を駆使し、それらの結果の複合的な分析を通して、心機能と脳機能を中とする生体機能の正常(健常)と異常(病態)の境界領域を判定しうる新しい健康指標とそれによる評価システムの構築を目指すものである.本年度は、次の1、2に従って研究を遂行した。1.主要な非線形解析手法アルゴリズムの把握・特徴分類と実装:カオス解析、フラクタル解析、ウェーブレット解析について、それぞれのアルゴリズムと特徴を2での対象生体データヘの実際適用を前提に把握し、統合的な解析処理のための実装を進めた.2.実際の生体機能データヘの非線形解析手法の具体的適用:1.で検討した各解薪法の適用対象としては、(a)心拍動の心拍間隔(R-R Interval)データ、(b)心電図波形データ、(c)自発脳波および脳磁図データを中心とし、1で明らかにされた各手法のデータ条件を全て満たすレファレンスデータの整備を進めた.レファレンスデータとしては,正常(健常者)と病態違(疾患者)のそれぞれによる2群を準備し、これらに対して解析法を実施し、それぞれの指数(指標)等の定量計算を行った.現在では,生体における非周期変動,すなわち,リズムの乱れやゆらぎの性質に注目した検討の有用性が認められている.そのなかで,ゆらぎの存在は生物の有する通常機能の現れであり,機能の不全時にその大きさが減少したり,失われたりするとの見解が支持を得つつある.そこで本研究では,心拍動や脳活動に関わる各種生体計測データ(心拍数変動,血圧変動,心電図,脳波,脳磁図)に対して,カオス,(マルチ)フラクタル,ウェーブレットなどの非線形解析手法を駆使し,それらの結果の複合的な分析を通して,心機能と脳機能を中心とする生体機能の正常(健常)と異常(病態)の境界領域を判定しうる新しい健康指標とそれによる評価システムの構築を目指すものである.本年度は,次の1,2に従って研究を遂行した.1.非線形解析結果の多面的・複合的な分析・検討:前年度の解析結果に基づいて,各対象生体データごとに3つの手法の感度や有効性を吟味し,心拍動や脳活動の違いによる生体データ固有の性質との関連性や,それぞれの定量指標の複合による,正常(健常)と異常(病態),特にその移行期(潜在的中間状態)を判別しうる評価尺度(健康指標)の構成について検討した.2.生体機能の定量的な評価マイニング法の構築:1.での分析・検討の結果に基づいて,対象の生体機能状態と絞り込まれた新評価指標(値)の間のパターン傾向を抽出した.それらをもとに具体的な判断のための評価マイニング法とその枠組みとしてのベイジアンネットワーク(BN)の適用について検討した.生体ゆらぎの存在は生物の有する通常機能の現れであり,機能の不全時にその大きさが減少したり,失われたりするとの見解が支持を得つつある.

そこで本研究では,心拍動や脳活動に関わる各種生体計測データ(心拍数変動,血圧変動,心電図,脳波,脳磁図)に対して,カオス,(マルチ)フラクタル,ウェーブレットなどの非線形解析手法を駆使し,それらの結果の複合的な分析を通して,心機能と脳機能を中心とする生体機能の正常(健常)と異常(病態)の境界領域を判定しうる新しい健康指標とそれによる評価システムの構築を目指した.本年度は次の1,2に従って研究を遂行した.1.前年度までの解析結果に基づいて,各対象生体データごとに3つの手法の感度や有効性を吟味し,心拍動や脳活動の違いによる生体データ固有の性質との関連性や,それぞれの定量指標の複合による,正常(健常)と異常(病態),特にその移行期(潜在的中間状態)を判別しうる評価尺度(健康指標)の構成について検討した.その際,耐ノイズ性など各手法の実用面での性能限界についても議論した.2.ベイジアンネットによるマイニング法では,1.で確認された種々のパターン傾向を条件付確率分布としてテーブル表現することとなり,その点で自由度と柔軟性が高いことから,事例増加に伴うパターン複雑化への対処や知識ベースシステムへの実装が比較的容易であることが確認できた.また,変数(各手法の指標と機能状態)間の条件付確率,グラフ構造をニューラルネット等で学習・補間する方法を導入することで,推論による評価能力の向上を図ることができた.
組立て、解体、再利用が容易な高機能木造骨組み架構の開発

本研究では、国産針葉樹資源の有効活用と、木材・林産物の適正利用の促進という立場に立って、木造伝統構法技術が包含している「組立て易さ」、「解体し易さ」、「再利用し易さ」、「分別廃棄のし易さ」等の「良さ」を損なうことなく、現代の構造解析の考え方によって剛性、耐力、靭性の推定とコントロールが可能な接合法を提案し、工場生産された構造用木材製品(集成材、単板積層材その他)も積極的に取り入れる立場に立って研究を進めた。また、現代的接合法の代表である「ボルト接合法とラグスクリュー接合法」については、施工並びに解体の容易性の面で捨てがたい利点が認められることから、研究課題の範囲に取り入れた。最初に片面から施工が可能で、今後益々重要性が増すと考えられるラグスクリューを木材添え板接合に適用するための研究を行った。多数本配列時の耐力現象の傾向を実験的、理論的に明らかにし、木-木ラグスクリュー接合の許容耐力の提言も行った。次に、解体容易で最も実績のあるボルト接合について、未だに設計法が明確でない「木-木ボルト接合」の場合に的を絞って、その剛性、耐力推定法を新たに提案した。また、木-木ボルト接合法を用いて合わせ梁形式でモーメント抵抗接合する場合の設計式についても提案を行った。伝統木造が包含する優れた構造機能性を現代構法に適用することを目的とした研究の手始めとして、貫接合における楔の効果について、基礎的な研究を開始し、最も単純な通し貫接合の耐力(モーメント)発現機構をモデル化し、実験によって理論の妥当性を検証した。また、現在より複雑な形態である柱内部に継手を有する貫接合についても、実験的研究を継続している。さらに、住宅規模の架構を対象として、真壁仕様の雑壁入り軸組み架構の構成法を検討し、ボルトと楔を利用した挟み梁式門型架構を開発し、次に小型土塗り壁(プレファブ土壁)を雑壁要素とする軸組み架構を開発して、雑壁の位置、数が架構のせん断性能に及ぼす影響について実験的検討を加えた。総合的に見れば、伝統構法が内包する「組立て易さ」、「解体し易さ」、「再利用し易さ」、「分別廃棄のし易さ」等の「良さ」を損なわない範囲で、現代構法の利便性も取り入れた適応性の広い木造骨組み架構を開発することができ、その基本的な力学的性状の評価ができたと考えている。1.楔・ボルトを利用した半剛節柱-梁接合法の開発:国産針葉樹製材を使った真壁仕様の軸組構法木造住宅を再興するために、四国・徳島県の林業地帯を中心に開発されてきた「葉枯らし乾燥法」によって含水率を2030%に低下させたスギ製材に注目する。研究では、この葉枯らし製材を更に6ヶ月程度自然乾燥させたスギの柱、梁を用いて、軸組架構を構成する接合部を開発した。

柱には12cm正角材を、梁には4cmx24cmの厚板を2枚合わせて用いた。柱-梁接合部となる部分の柱両面に欠き込みを設け、梁を合わせ梁形式に両側から抱かせ、ボルト1本で接合部中心を固定する。これだけでは初期剛性が出ないので、梁一柱の接する下面にそって広葉樹の長楔を差し込み、柱-梁間を密着固定させた。このようにして組立た架構は楔を逆に叩くことで容易に解体できるし、剛性の調整も楔の嵌合度を調整することで可能となる。また、ボルトは2枚の梁(厚板)を柱に固定させているだけであり、実際の剛性・耐力は楔の嵌合度に依存する。実験の結果、大変形に至っても部材での破壊が一切起こらない非常にダクタイルな接合が完成した。2.架構に対する水平加力実験1.で開発した柱-梁半剛節接合法を用いて、スパン2.73m、高さ2.6mの門型架構試験体を3体作成し、静的正負繰り返し加力実験を行って、接合部の性能が架構の水平剪断挙動に及ぼす影響を実験的、理論的に検討した。実験で得られた接合部のモーメント-回転角の関係をそのまま使った非線形計算を試みにやってみた結果、実際の架構の非線形挙動を比較的精度良く推定できることが明かとなった。また、架構の変形性状はいくら変形させても最大荷重の現れない横圧縮特有のもので、脆性的な破壊が決して起こらないダクタイルなものであることを確認した。しかし、骨組みだけでは剛性が低く、開発した接合法を実際規模の木造真壁構法住宅に適用するには、さらに高いせん断剛性を持った小壁や袖壁(土塗り壁を想定)を駆体内に取り込む必要が明かとなった。次年度には、この点に考慮した、小壁、袖壁付き門型軸組の挙動にについて、実験的、理論的研究を進める予定である。1.小壁・袖壁・腰壁付き実大架構に関する水平せん断性能評価:スギ天然乾燥材の15cm角を柱、土台とし、横架材には4cm x 24cmのスギ天然乾燥厚板を挟み梁とした軸組架構に、予め左官業者が作業場で作製した壁厚さ7cm、縦横約50cm四方のプレファブ土壁を小壁、袖壁、腰壁として挿入した雑壁入り軸組架構を開発した。試験体は小壁だけのもの(骨組み1)、小壁と腰壁を入れたもの(骨組み2)、小壁と袖壁を入れたもの(骨組み3)、及び、小壁と両袖壁並びに腰壁を入れたもの(骨組み4)の4種類を作製した。軸組と雑壁の接合にはスギ圧縮木ダボ(圧縮後の比重:0.89)を斜めに打ち込んで固定した。長さ2P(182cm)の壁について静的正負繰り返し加力実験を行って、その耐力壁としての性能を評価した。性能はほぼ雑壁の枚数に比例的であり、最も雑壁の多い骨組み4の場合で、見かけの壁倍率は1.3であった。いずれの試験体においても終局破壊は柱-土台を接合しているカシの込み栓の破断であった。この結果より、より高い強度を要求したい場合は、柱脚接合部を何らかの方法で補強する必要があることが分かった。構造性能とはべつに、今回提案したプレファブ土壁を木ダボで軸組架構に組み込んでゆく方法は、組立、解体が容易であり、本研究課題の最終目的によく一致する架構形態であることが確認できた。2.斜め木ダボ挿入による柱脚接合部の補強法の開発1.で開発した雑壁入り軸組架構の柱脚接合部は、一辺18mmのシラカシ製込み栓と、厚さ44mm、幅104mmの長柄差しで固定されていた。しかし、軸組架構に雑壁を挿入すると架構架構全体が剛体回転を起こし、柱脚部に大きな引き抜き力が発生した。そこで柱脚を補強する方法として、木ダボを柱側から斜めに挿入し、柱-土台をダボ接合で一体化する方法を考案し、実験を行った。ダボとしては、直径12mmのカエデ材、または1.で供試したスギ圧縮木ダボを用い、一液型ポリウレタン樹脂接着剤で接着する方法を採用した。引き抜き耐力はダボ本数にほぼ比例的であった。ダボを4本挿入すると、約4kNの引き抜き耐力が得られた。
心臓におけるコルチコステロイド産生調節機構と病態生理作用の解明:糖の関与を中心に

心不全の病態生理の中心的な役割を担うアルドステロンの心筋における産生調節機構と作用について、糖との関わりを中心に検討した。心筋においては糖濃度依存性に組織アルドステロン産生が行われ、その刺激はインスリンシグナルを活性化し、短期的にはミネラロコルチコイド受容体非依存性に心保護的に働くことが分かった。これらの結果は糖が貴重なエネルギー基質となる不全心におけるアルドステロンの、食塩を介した体液調節ホルモンに留まらない糖代謝制御ホルモンとしての新たな役割を示唆するものである。重症心疾患の病態生理の根幹をなすものは心臓エネルギー、特に糖代謝制御異常であると言える。一方、不全心において、アルドステロンはNaなどの電解質制御を含め、その病態形成の過程で中心的な役割を担っている。本研究では糖代謝と電解質制御の双方の架け橋となりうるアルドステロンに注目し、病的心筋における発現及び作用機構を検討した。アルドステロンの心筋細胞に対する直接的な作用について仔ラット培養心筋細胞を用い、糖代謝制御の中心的なシステムの1つであるインスリンシグナルとの相互関係を解析した。アルドステロンは高糖濃度環境下において長期的にはミネラロコルチコイド受容体(MR)依存性に持続的なAkt活性を引き起こし悪影響を及ぼす一方で、短期的には逆にMR非依存性にNa-H+交換体(NHE)-PI3K経由でAktを短期活性化することで細胞保護的に働く可能性を示した。実際、過酸化水素による細胞障害モデルではアルドステロンの短時間刺激はインスリンと同程度に時間依存性に細胞障害を緩和することが示され、MR受容体拮抗薬のエプレレノンは有意な影響を及ぼさないことが分かった。これに一致して、ラット心によるLangendorff虚血再還流モデルを用い、アルドステロン短時間刺激の虚血再還流障害に及ぼす影響について検討したところ、アルドステロンはベースラインでの心機能には有意な影響を及ぼさなかったものの、虚血再還流後の左室内圧回復率を有意に改善させることが分かった。共に心不全において活性化されるレニンーアンジオテンシンーアルドステロン系と糖代謝は、危機的な状態にある心臓に対するいわば生体の防御反応的機構とも言える。その架け橋としてのアルドステロンはNaを中心としたvolume調節ホルモンとしてだけでなく、病的な状況下においては糖代謝制御に対しても深い関わりがある可能性が示唆された。心不全の病態生理においてアルドステロンは中心的な役割を担っているが、その活性化の生理学的意義は未だ十分に解明されていない。一方、糖代謝におけるアルドステロンの位置づけが最近注目されてきている。我々は、アルドステロンの心筋細胞に対する直接的作用を短期と長期とに分けて考え、主にAkt signal活性化作用に焦点を置き検討を行った。仔ラット培養心筋細胞にアルドステロン刺激を加え、AktやGSK-3βのリン酸化を活性化の指標とし検討した。アルドステロン短時間刺激によりAktやGSK-3βのリン酸化は一過性に上昇した。この現象はPI3K阻害薬やNHE阻害薬で抑制されるも、ミネラロコルチコイド(MR)阻害薬やグルココルチコイド受容体阻害薬では抑制されなかった。興味深いことにこの現象は高糖濃度培養環境下でのみ認められた。グルココルチコイドの短時間刺激ではAkt-GSK3 signal活性化は認められなかった。一方、長時間持続刺激においてもこれらのリン酸化は上昇し、MR阻害薬はこれを緩和した。つまりアルドステロンはAkt signalを短期と長期とで異なったメカニズムで、二相性に活性化させる可能性が考えられた。このアルドステロンによるAkt signal短期活性化作用の病態生理学的意義を検証するため、Langendorff摘出心灌流実験の系統を立ち上げた。Preliminay dataとして、アルドステロン短時間灌流により、虚血再灌流後の左室機能の有意な改善を認めた。共に心不全において活性化されるレニン-アンジオテンシン-アルドステロン系(RAAS)と糖代謝は、危機的な状態にある心臓に対するいわば生体の防御反応的機構とも言える。その架け橋としてのアルドステロンの役割を解明することで不全心におけるRAAS活性化の病態生理学的意義を細胞内エネルギー代謝の観点から捉えることができると考える。仔ラット培養心筋細胞を用いたin vitroの検討では各種阻害薬などを併用することで、アルドステロン短時間刺激によるAkt signal活性化経路を確立した。つまり、MR非依存性のNHE-PI3K-Akt経路の確立である。そして、この経路が高糖濃度培養下でのみ活性化されるカスケードであることも確認した。このカスケード活性化の病態生理学的意義を検証するために、in vitroでの過酸化水素による細胞障害モデルでの検討に対応して、ex vivoLangendorff摘出心還流装置を立ち上げ、虚血再灌流実験の系を確立した。さらに、アルドステロン短時間還流がbeneficialである可能性についてもpreliminary dataを得ることができた。

以上より、当初の申請書に記載されている平成23年度研究の計画はほぼ順調に進んでいると考えている。アルドステロンのAkt signal活性化作用が糖濃度依存性であることのメカニズムをさらに追究する。その一つとして、ベースラインにおけるAkt signalの活性化状況を培養液の糖濃度を変化させて検討する。また、作用のみならず、局所でのアルドステロン産生因子に関しても、高糖濃度下でアルドステロン合成酵素が誘導される可能性に関し、検討する。Langendorff摘出心還流実験では虚血再灌流に対するアルドステロン短時間刺激による心保護作用のメカニズムを各種阻害薬の併用、心組織そのものの生化学的解析を特にインスリンシグナルに焦点をあてて検討を進めていく。加えて、心組織でのアルドステロン産生機構に関しても、潅流液の糖濃度を変化させたり、すでに倫理委員会に申請が通っている糖尿病モデル動物心を用いて、そのメカニズムや心機能への影響を中心に検討を進めていく。これまでにも心臓においてアルドステロン産生が行われていることは証明されているが、確定的な合成制御因子は未だ同定されていない。近年、高濃度の糖負荷により、組織のRAASが活性化されることが心筋細胞を含め様々なモデルにおいて証明された。以上より、糖濃度環境は心臓アルドステロン合成に関し重要な規定因子であると考えられる。引き続き仔ラット培養心筋細胞を用い、高糖濃度培養によるアルドステロン合成増加をQRTーPCR及びウエスタンブロット法によるCYP11B2遺伝子及び蛋白発現や培養液中へのアルドステロン分泌量にて評価する。また、様々な培養糖濃度において、コレステロール(HDL)やエンドセリン他のホルモンを添加し、広範に合成因子の検索を行う。合成促進因子を同定し、心筋細胞における局所アルドステロン合成モデルを確立した後に逆に抑制因子探索研究へと繋げる。アルドステロン合成に際し、レニン阻害薬(アリスキレン)、ACE阻害薬、ARBに加え、ANP, BNPといったnatriuretic peptidesを併用投与し、組織アルドステロン合成メカニズムの詳細を検討する。Langendorff摘出心還流実験においては、アルドステロン短時間刺激による虚血再灌流に対するアルドステロン短時間刺激による心保護作用のメカニズムを各種阻害薬の併用、心組織そのものの生化学的解析を特にインスリンシグナルに焦点をあてて検討を進めていく。また、高糖濃度潅流や糖尿病モデル動物心を用い、アルドステロンの心臓組織に対する直接的な作用を特に糖代謝制御に注目して、心筋エネルギー代謝の観点から検討を進める。最終年度であることを考慮し、国内外での各種国際学会や論文化による発表を行い、公に報告していく予定である。尚、残金14,410円は計画的に使用していたうえでの微々たる端数であり、来年度の研究経費の一部として使用する予定である。
関節リウマチに合併するサルコペニアの実態調査

本研究では、関節リウマチ患者に合併するサルコペニアの割合や関連因子を明らかにすることを目的とし、京都大学医学部附属病院リウマチセンターに通院している女性リウマチ患者を対象に筋力、筋肉量、活動量(歩行スピード)を測定し、サルコペニアの割合を調べた。また、リウマチセンターが実施しているKURAMAコホートデータベースから、患者基礎情報、身体機能、服薬状況、転倒歴や骨折歴などの情報を入手し、サルコペニアの合併の関連因子を検討した。その結果、関節リウマチ患者の37.1%がサルコペニアであり(severe sarcopenia:14.7%、22.4%:sarcopenia)、49.0%に筋肉量の低下がみられた(presarcopenia:9.3%)。年齢を重ねるごとにサルコペニアの割合は増加しており、40歳代では約15%、50歳代では約20%、60歳代では約40%、70歳代では約50%、80歳代では約80%に合併しており、高齢関節リウマチ患者全体では51.0%に合併していた。また、サルコペニアを合併している関節リウマチ患者は合併していない患者に比べて転倒や骨折の割合が高く、骨密度が低い傾向にあることが明らかになった。関節リウマチ患者における関連因子とサルコペニアの合併を検討したところ、年齢、罹病期間、stage、低栄養がサルコペニアの合併と関連しており、生物学的製剤の使用はサルコぺニアに抑制的に働く可能性が示唆された。次に、関節リウマチ患者におけるフレイルやカヘキシアの割合を検討したところ、44%がフレイルであり17.2%がカヘキシアであった。カヘキシアのほとんどの患者がサルコペニアでありフレイルであった。本研究は、関節リウマチ患者におけるサルコペニアの割合、関連因子を明らかにすることを目的とし、京都大学医学部附属病院リウマチセンターに通院する関節リウマチ患者を対象に筋力、筋量、活動性を測定し、サルコペニアの判定を行った。また、リウマチセンターが実施しているKURAMAコホートデーターベースから患者基礎情報、身体機能障害、骨密度、服薬状況、転倒歴などを入手しサルコペニアとの関連を検討した。下記の『現在までの進捗状況』に示した通り、産前産後及び育児休暇により研究が中断しているが、今までに収集できたサンプルを解析したところ、サルコペニアを合併している関節リウマチ患者は転倒や骨折率が高い傾向にあり、骨密度が低い傾向にあることが明らかになった。第一子出産のため平成27年7月から平成28年3月末まで、産前産後休暇及び育児休暇を取得しており、その期間研究が中断した為。本研究は、関節リウマチ患者におけるサルコペニアの割合、関連因子を明らかにすることを目的として、京都大学医学部附属病院リウマチセンターに通院している女性リウマチ患者を対象に筋力、筋肉量、活動量(歩行スピード)を測定し、サルコペニアの判定を行った。リウマチセンターが実施しているKURAMAコホートデータベースから、患者基礎情報、身体機能、服薬状況、転倒などの情報を入手し、サルコペニアとの関連を検討した。その結果、関節リウマチ患者ではサルコペニアの有病率が高く、サルコペニアを合併している関節リウマチ患者は合併していない患者に比べて転倒や骨折のリスクが高く、骨密度が低い傾向にあることが明らかになった。今年度はサルコペニアに関連するマーカーの測定を中心に進める計画であったが、第2子妊娠に伴う体調不良、産前休暇の為、中断している。本研究成果を学術雑誌に投稿中である。平成29年度は産前産後休暇及び育児休暇を取得していたため、計画していたサルコペニアのマーカーに関する解析を十分に進めることはできなかった。

また、サルコペニアを合併している関節リウマチ患者は合併していない患者に比べて転倒や骨折の割合が高く、骨密度が低い傾向にあることが明らかになった。関節リウマチ患者における関連因子とサルコペニアの合併を検討したところ、年齢、罹病期間、stage、低栄養がサルコペニアの合併と関連しており、生物学的製剤の使用はサルコぺニアに抑制的に働く可能性が示唆された。次に、関節リウマチ患者におけるフレイルやカヘキシアの割合を検討したところ、44%がフレイルであり17.2%がカヘキシアであった。カヘキシアのほとんどの患者がサルコペニアでありフレイルであった。『現在までの進捗状況』に示した通り、産前産後及び育児休暇の為、昨年度は研究が中断した。今年度は持ち越した助成金を使用し、昨年度に引き続きデータ収集と解析を行う。翌年度は、当初今年度行う予定であったサルコペニアに関連するマーカーの測定を行う予定である。『現在までの進捗状況』示した通り、第2子妊娠に伴い、研究が中断している。平成30年4月より研究を再開し、引き続きサルコペニア関連マーカーの測定を行う予定である。今年度はサルコペニアに関連するマーカーに関する研究と関節リウマチ患者におけるフレイルについても検討したいと考えている。第一子出産のため平成27年7月から平成28年3月まで産前産後育児休業をしており、その期間研究が中断したため第2子妊娠に伴う体調不良、産前休暇の為に研究が中断している。産前産後休暇、育児休暇中であり研究費の使用ができなかった。次年度の使用計画としては成果発表、論文投稿費用に使用する予定である。使用計画としては昨年度中断した研究を再開し人件費等、物品費(サンプル解析)を中心し使用する予定である。また、昨年までで得られた研究内容の成果発表を行う旅費にも使用予定である。平成29年度は育児休暇を取得する予定であり、平成30年度より再開する予定である。使用計画としては、サンプルの解析を中心に使用予定である。また、成果発表を行う旅費にも使用予定である。
術後認知障害におけるオランザピンの効果

平成27年度後半から平成28年度にかけて水迷路を使用した術後認知障害モデルの作成を開始したが、強制力の強い試験方法であったため僅かな認知能力の障害を検出することができず方法の変更を余儀なくされた。平成29年度には、ラットの週齢を上げるとともに、水迷路からバーンズ迷路に変更し、さらに開腹手術に加えてリポポリサッカロイド(0.1 mg/kg)の投与を追加して術後認知障害モデルの作成に取り組んだ。修正の結果、対照群に比べて有意に術後認知障害が捕らえられたので、平成30年度からは、対照群(生理食塩水投与群)とオランザピン低用量群(1 mg/kg ip)とオランザピン高用量群(10 mg/kg ip)で比較検討を行なうこととしたが、高用量群で死亡率が高かったので、低用量群と対m照群の比較に変更した。実験は比較的順調に行なうことができたが、動物数を増やすにつれ明確な認知機能の変化を捉えられなくなった。ラットの週齢を上げ同時にリポポリサッカロイド投与を行ったことによって致死率が上昇し比較的頑健な個体のみが研究対象になったことが原因と考えられた。平成30年度には、海馬の神経活動測定についても検討した。当初予定していたArc catFISH法による活動測定は、適当なプローブが入手できなかったので、Iba-1を使用した免疫組織染色によるミクログリアの形態変化による測定に切り替えた。ナイーブ群、開腹手術+リポポリサッカロイド投与群と開腹手術+リポポリサッカロイド+オランザピン低用量群の3群を作成し、海馬におけるミクログリアの状態について検索中である。・開腹手術とリポポリサッカロイドの組み合わせの侵襲が大きく死亡率が高いため認知機能の測定にまで至らないことが多かった。・開腹手術から認知機能測定までの期間が2週間と長いので、頑健な個体のみが測定対象となり、また、同時に神経炎症が起きても測定までには回復しているせいか対照群と比較して明確な差がでにくかった。・海馬の神経細胞活動の測定方法を決定するまでに試行錯誤があった。平成30年度までの遅れを取り戻すために以下の方策をとることとする。・開腹手術に加えて行なうリポポリサッカロイドの投与量を減量して、致死率低下を図る。・開腹手術から認知機能測定までの期間を短縮するために、予めバーンズの訓練を実施し、開腹手術翌日にオープンフィールドとバーンズ迷路(認知機能)測定を実施する。本研究の術後疼痛モデルの条件は、疼痛自体は数日で収まるが認知能力の障害は12週間程度持続し、かつ手術部位が認知能力試験に影響を及ぼさないことであった。そこで、以下の3段階で研究を進めた。1ビデオトラッキングシステムの確立:ラットの行動観察と客観的な認知能力測定のために必要なビデオトラッキングシステムを準備し確立するために約2ヶ月を要した。現在、モーリスの水迷路に関してはほぼ完全に測定可能な状態になった。一方、一般行動と不安行動に関してはさらにソフトの再設定と操作の習熟が必要な状態である。2認知能力の測定:当初Y迷路および8方向放射状迷路試験を行う予定であったが、食欲や不安などに影響されない認知能力測定方法として、モーリスの水迷路に変更した。若年ラットでも認知能力に変化が現れる訓練パターンあるいは訓練量を探る必要が生じたので、現在その方法を検討確認中である。3手術モデルの作成:ラットの手術準備と試行に4ヶ月を費やし、現在も試行途中である。当初腎摘出モデルか子宮を操作する手術モデルを予定していたが、若年ラットでは認知能力に障害がでにくい為、よりサイトカインの産生量が多くなり海馬への障害がでると予想される開腹で腸管操作を含む術式に変更しその効果を検討中である。なお開腹手術を行っても丁寧に閉腹操作を行えば認知能力測定に選択した水迷路試験には影響しないことは確認できている。全体として、短時間で効率的に研究を進めなければならない為、平成27年度に計画していたことの一部を平成28年度にまわし、逆に平成28年度に計画していた内容の一部を平成27年度に先行しておこなう結果となったが、概ね目的達成に向けて着実に進行していると考えている。1平成27年11月に本研究の交付が繰り上げで決定したため、研究開始が約6ヶ月遅くなった。2予算内で8方向放射状迷路とホールボードは準備できなかったので、モーリス水迷路とオープンフィールドを使用することに変更した。この変更に伴い、水迷路の適切な訓練方法を確立する必要が生じ、その訓練方法の確認に時間を要している。また、汎用性のあるビデオトラッキングシステムを購入する必要が生じたが、観察内容に合わせてソフトを調節する必要があり、その設定と操作の習熟に若干の時間がかかることとなった。3若年ラットで安定して認知障害の出現する手術モデルを作成することが予想以上に困難であった為、当初計画していた手術方法では理想とするモデルが確立できないことが判明した。そこで、改めて術式の設定にとりかかったため時間を要することとなった。本研究に適した術後疼痛モデルの作成が平成28年度の主たる目標であることから、以下の2点を中心に研究を行った。

1ラットの手術方法の工夫:単純な開腹手術では若年ラットに認知機能障害は出現しなかったため、数編の論文(Anesthesiology2004;101:191-203, Exp Ther Med 2015;9:982-6)を基に、腸管の操作を加えるとともにリポポリサッカロイドを使用することとした。リポポリサッカロイドの投与量についても検討したが、0.1mg/kg程度が適当との結果であった。2認知能力の測定方法(訓練方法)の工夫:若年ラットに通常どおりの訓練を行うと全く認知機能障害を検出できないため、訓練回数を減らして検査することとした。また、認知能力以外の行動観察を可能にするために、オープンフィールドや新規物体認識テストに合わせたビデオトラッキングシステムの設定を行った。さらに、ストレス及びオランザピン投与は血糖値を上昇させることが知られているので、血糖値測定も可能となるよう測定キットを準備した。発熱やオープンフィールドでの行動観察では良好なモデルができていると判断されるが、モーリスの水迷路は強制力が強いためか訓練回数を減らしても認知機能障害を検出しにくいことが判明した。新規物体認識テストについては、まだ測定回数が少なくはっきりした結果がでていない。腸の操作とリポポリサッカロイドの投与は血糖値を上昇させることが確認された。1認知機能障害の測定方法:モーリスの水迷路は再現性の高い優れた記憶能力測定法であるが、それ故にわずかな認知障害の場合にはそれを検知しにくい。また、訓練に日数がかかる上に1回に訓練できるラットの数に限界があって、測定結果を得るのに時間がかかっている。さらに、島のある近傍領域でラットを入水させた場合全くの偶然でゴールすることがあるため、途中からプローベテストを行ったのでさらに多くの時間を要することとなった。2開腹手術モデル:若年ラットを使用しているせいもあって、回復力が高く認知機能障害が検出されにくい。リポポリサッカロイドの投与量設定などに時間を要した。平成29年度の研究実施計画ではオランザピンの効果測定を行う予定であったが、一定の割合で認知障害を起こす術後モデルが作成できなかったため、昨年提出した推進方策に従って術後認知障害モデル作成の見直しを行った。見直しの内容は、以下の3点の修正を中心とした。1手術から認知障害測定までのスケジュールの修正:従来の訓練後に手術を行う方法から、手術後に訓練を行う順番に変更した。手術方法は、リポポリサッカロイドの投与量をいくつか試したが最終的には、開腹手術に加え腸管のマニュピレーション5分間とリポポリサッカロイド0.1mg/kgの腹腔内投与のまま変更はしないこととした。2ラットの週齢を6週齢から6ヶ月に変更した。3認知機能の測定方法を水迷路試験から強制力の弱いバーンズ迷路に変更した。(バーンズ迷路は、直径約1.5mの円盤状のステージの端に20個の黒い円形の印があり、20個のうち1個のみ入り込める穴になっているもので、狭い場所に身を隠したがるラットの習性を利用して空間認知能力が測定できる。水迷路と異なり強制力が弱いので、僅かな認知機能低下を検知できると考えた。)これらの修正の結果、ラット60匹に実験を行い45匹の結果を得ることができた。手術後1週間目に行ったバーンズ迷路では、対照群に比べ手術群で有意にゴールまでの移動距離が長くなっている事が確認された。また、有意差は確認できなかったが、ゴールまでの時間においても同様の傾向が見られた。