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周波数可変真空紫外および極端紫外域レ-ザ-の開発

真空紫外(VUV)および極端紫外(XUV)領域周波数可変レ-ザ-を色素レ-ザ-光の混合によって発生させる。目標として波長域210ー80nm,波長分解能70,000,パルス幅10ns,パルス当りの光子数10^<10>のレ-ザ-光を考慮する。第2の目標は、このVUVレ-ザ-光の分子分光への応用である。非線形媒質としてKrを用い,4周波差混合によりLiF窓透過限界の115nm附近の周波数可変レ-ザ-の発生に成功した。レ-ザ-光の性能は,上記目標をほぼ満たしている。また,同じ非線形媒質を用いた4周波和混合によって,より短波長のXUV領域80nmまでのレ-ザ-光を発生させることに成功した。このために,差動排気システムを完成させた。さらに高感度飛行時間型質量分析計を組み合わせ,80nm附近のH_2分子の高分解能自動イオン化スペクトルの測定に成功した。NO_2の光解離で生成したO原子を130nmの共鳴遷移のレ-ザ-誘起螢光で検出し,かつ,光解離レ-ザ-の波長を走査する光解離励起スペクトルの測定に成功した。このスペクトルより正確な解離エネルギ-の決定のみならず,前期解離準位構造を明らかにすることができた。この方法は、光解離の分子的機構解明のために発展する可能性を有する。非線形媒質としてCO分子を用い,4波混合で生成したコヒ-レント光の強度を入力レ-ザ-光の周波数の関数として追跡する新しい分光法をXUV領域まで拡張した。その結果、従来の分光法の適用が困難であった解離性の励起状態などの準位の高感度検出が可能な新しい分光法であることが判明した。4波混合生成コヒ-レント光の偏光特性を調べることに成功し,周波数混合過程の磁気量子数の再帰性から説明できることを実証した。金属蒸気や希ガスを非線形媒質として、一つのレ-ザ-光でその励起準位に2光子共鳴させ、もう一つの波長可変レ-ザ-を混合する4波和混合(4WSM)の方法によって115nmまでの眞空紫外(VUV)コヒ-レント光の発生に成功し、これを分子および分子錯体の分子分光の研究に応用した。1.3準位系において4WSM法を用いたときの特性を理論的に檢討した。発生するコヒ-レント光のスペクトル形状を計算し、共鳴効果の基本波レ-ザ-強度と周波数に対する依存性を求めた。2.VUVコヒ-レント光と飛行時間型質量分析計とを組み合わせた実驗システムを試作し、原子分子のイオン化過程の研究を可能にした。3.分子を非線形媒質として4WSM法を適用して発生するXUVコヒ-レント光の強度の周波数依存数を求めた。この周波数スペクトルより高励起状態における分子の分光情報を得ることができた。4.VUVコヒ-レント光を利用した固体表面分析用光電子分光裝置を完成した。光電子スペクトルの偏光方向依存性を高感度で測定することに成功し、固体表面の構造の新しい情報を得る道を拓いた。5.VUVコヒ-レント光を利用したvan der Waals分子錯体の高分解能分光測定を行い、電子励起状態における構造を明らかにした。とくに、XeRg(Rg=希ガス原子)の励起状態では、錯体構造がXeRg^+の外周に電子軌道が存在する形となっていることが判明した。6.NO_2の光解離で生成したO原子の3つのスピン軌道準位の分布をVUVコヒ-レント光を用いて直接決定することに成功した。7.Cl_2分子の第一励起状態の振動準位構造とその回転構造よりイオン対状態とリドベルグ状態との相互作用の実体を明らかにした。

非線形媒質としてCO分子を用い,4波混合で生成したコヒ-レント光の強度を入力レ-ザ-光の周波数の関数として追跡する新しい分光法をXUV領域まで拡張した。その結果、従来の分光法の適用が困難であった解離性の励起状態などの準位の高感度検出が可能な新しい分光法であることが判明した。4波混合生成コヒ-レント光の偏光特性を調べることに成功し,周波数混合過程の磁気量子数の再帰性から説明できることを実証した。
宇宙線を利用した超小型物理探査装置の開発とため池群の広域リスク評価

堤防やため池の決壊もしくは損傷の原因としては,越流,浸透破壊,すべり破壊が見られる.この決壊および損傷原因の中で,パイピングとせん断破壊に対しては,堤体内部の弱部の推定が重要である.しかし,これは,ため池個数が膨大であるため,事実上不可能である.この問題を解決するためには,物理探査が最も有効な手段である.本研究では,宇宙線の一つであるミュー粒子物理探査を利用して,地盤同定の高精度化を図る.データを有効活用するためには,解析も超簡便化を図る必要があるが,このために,統計解析手法の一つである応答曲面法を適用する.この研究の達成によって,広範囲の効率的リスク評価を可能とする.堤防やため池の決壊もしくは損傷の原因としては,越流,浸透破壊,すべり破壊が見られる.この決壊および損傷原因の中で,パイピングとせん断破壊に対しては,堤体内部の弱部の推定が重要である.しかし,これは,ため池個数が膨大であるため,事実上不可能である.この問題を解決するためには,物理探査が最も有効な手段である.本研究では,宇宙線の一つであるミュー粒子物理探査を利用して,地盤同定の高精度化を図る.データを有効活用するためには,解析も超簡便化を図る必要があるが,このために,統計解析手法の一つである応答曲面法を適用する.この研究の達成によって,広範囲の効率的リスク評価を可能とする.
コーディングRNAから捨てられたノンコーディングRNAが生かされる仕組み

環状RNA(circRNA)は、遺伝子発現を制御する新しいncRNAとして注目されている。最初に機能が報告されたciRS-7は、miRNA(miR-7)を吸着し、その標的遺伝子の発現調節を担う。このciRS-7の生合成機構を解明した。ciRS-7エクソン両端近傍に存在する哺乳類のMIR反復配列同士の相補的結合によりciRS-7エクソン両端をつなぐ逆位スプライシングが誘導され環状化されていた。以前は、霊長類特異的なAlu反復配列だけしか関与が知られておらず、MIR反復配列の発見は、哺乳類全般におけるcircRNA生合成が逆位スプライシングで起こっている事実を、合理的に説明する。次世代シーケンサーによる転写物の大規模解析(RNA-seq)によって、ヒト、マウス、線虫で数千個の環状RNA(circRNA)が組織・発生段階特異的に発現していることがわかり、その存在意義が世界的に注目されている。最初に機能が明らかにされたcircRNAは、ciRS-7(CDR1as)であり、マイクロRNA(miRNA)のmiR-7の吸着材として働き、miR-7の機能を抑制している。この重要なcircRNAの生合成の仕組みを明らかにする事が第一の課題であった。mRNA前駆体からcircRNAが作られる経路には2つの仮説がある:1逆向きに向かい合う2つの反復配列(Alu)配列の塩基対合によりループ構造を作り、環状化されるエクソンの下流5'スプライス部位から上流3'スプライス部位への逆方向のスプライシングが起こる「逆位スプライシング説」と、2エクソンを除外するスプライシングにより切り出されたイントロンとエクソンを含む投縄状RNAが再びスプライシングを受けてエクソンが環状化する「再スプライシング説」である。(1)ヒト脳の大規模転写物(RNA-Seq)データから、約8万塩基長の5つのイントロンを含むciRS-7前駆体転写物を確認した。(2)アンチセンスオリゴヌクレオチドを用いたスプライス部位阻害実験により、上記の2つの経路を区別できることが分かり、実験結果は「逆位スプライシング説」を示唆した。(3)ciRS-7エクソンの上流と下流には相補的Alu配列は見つからなかったが、代わりに相補的MIR(mammalian-wide interspersed repeat)配列を発見した。(4)ciRS-7(+/-MIR配列)のレポーターを作製し、MIR配列依存的にciRS-7が産生することを確認した。以上の結果から、機能性circRNAであるciRS-7の生合成経路が解明された。最初に生物学的機能が見つかった環状RNA(circRNA)であるciRS-7(CDR1as)はマイクロRNA(miRNA)の一種miR-7の吸着材として働き、miR-7の遺伝子発現抑制機能を抑制している[Nature 495, 333-338; ibid., 384-388 (2012)]。従って、その生合成メカニズムの解明は極めて重要であるが、世界的に見ても取り組んでいる研究室はなかった。それ故に、本科研費の第一の研究課題としていた。精力的な実験によって予想以上の進展がみられ、初年度(平成28年度)中に、その生合成の全貌を明らかにする事ができ、国際会議で成果を口頭発表し、専門家から高い評価を受けた。現在は論文を準備中である。コーディングRNAを産生するはずのmRNA前駆体から機能のあるノンコーディングRNAが作られている、しかもその構造は完全なる環状である。次世代高速シーケンサーによるトランスクリプトーム解析によって、ヒトで数千種の環状RNA(circRNA)が組織・発生段階特異的に発現している事が明らかになった。さらにアルツハイマー病、ALSといった神経変性疾患、癌、アテローム性動脈硬化症においてcircRNAとの関わりが相次いで報告されており、転写、スプライシング、翻訳レベルでの遺伝子発現を制御する新奇ノンコーディングRNA群として世界的に注目されている。2013年にデンマーク、ドイツの両国からciRS-7がマイクロRNA-7(miR-7)をスポンジのように吸着することで機能性circRNAとして働くという発見がなされており。昨年、私たちはこのciRS-7の生合成機構を最初に明らかにした(論文投稿中)。すなわち、ciRS-7コーディングエクソンの上流と下流に存在する哺乳類のSINEである相補的なMIR配列によって、ループ構造を取り、ciRS-7エクソン下流の5'スプライス部位から上流の3'スプライス部位への逆位スプライシングによって環状化される事を証明した。このループ構造を介する逆位スプライシングのメカニズム自体は、すでに報告されているが、相補的な配列として、霊長類特異的なSINEであるAlu配列だけしか知られておらず、霊長類以外のRNAの環状化を説明する事ができなかった。私たちの発見によって、哺乳類全般におけるcircRNA生合成が逆位スプライシングで起こっている事実を、合理的に保証できるようになった。

以前は、霊長類特異的なAlu反復配列だけしか関与が知られておらず、MIR反復配列の発見は、哺乳類全般におけるcircRNA生合成が逆位スプライシングで起こっている事実を、合理的に説明する。ciRS-7が核内のスプライシング反応を利用して生合成されるメカニズムを明らかにする事ができたが、そのciRS-7が機能するため、すなわちmiR-7に吸着するためには、細胞質に輸送されなければならない。環状RNAの核外輸送経路については世界的に全く研究されてない。今年度(平成29年度)は、ciRS-7の核外輸送経路を明らかにする計画である。核、細胞質に分けた分画から抽出したRNAのRNA-Seqデータセットの解析から、circRNAは、そのほとんどが細胞質に安定して存在している事が分かった。しかしciRS-7発現レポーターを培養細胞に導入すると、circRNAの大部分は核に局在していた。以下の3つの問題を解明する。1スプライシングを経由するcircRNA上にはエクソン接合部複合体(EJC)が結合すると推察されるが、EJC依存的な核外輸送が起こっているのか?2mRNA核外輸送に必須のTREX複合体がキャップ非依存的にcircRNA上に形成されるのか?3TREX複合体に依存しない新しい核外輸送系が関与しているのか?アフリカツメガエル卵母細胞を使ったRNA輸送解析系を熟知している大野研究室(京都大学・ウイルス研究所)との共同研究を行う。核に微量注入されたciRS-7発現レポーター(イントロンを含むプラスミド)が、スプライシング反応を経てcircRNAとなり、細胞質へ輸送される事をまず確認する。circRNAの輸送経路の同定には、特異的阻害実験が使える。レトロウイルスの核外輸送配列CTEで競合阻害されるのであれば、TAP蛋白質が関与するmRNA輸送経路、核外輸送信号受容体CRM1の阻害剤である抗生物質LMBで競合阻害されるなら、CRM1が関与するU snRNA、rRNAの輸送経路である。この実験でcircRNAの核外輸送が既知の経路で行われているかどうかが確認できる。研究室のホームページである。分子生物学研究室のホームページである。
大規模な電子資料の利用による日本語文法の未開拓の基礎的諸問題の原理・実証的考察

日本語研究におけるコーパスの利用は他の主要言語の研究に比べて大きな遅れを取ってきたが、昨今さまざまな要因により状況は変わりつつある。本研究では、日本語研究におけるコーパスの利用の可能性を多角的に追求した。具体的には、独自の特徴のあるいくつかのコーパスを自作し、日本語の文法・形態・意味に関わる諸問題を分析した。また、研究成果の学界・一般社会への還元として、コーパス関連ソフトウェアの開発・公開や日本語用例検索サイトの製作・公開を行った。本研究は、日本語の大規模な電子資料(コーパス)を用いて日本語文法の未開拓の基礎的な諸問題を考察することにより、(1)電子資料に基づく日本語研究の基盤の形成と発展に寄与するとともに、(2)電子資料利用の目的である日本語研究そのものに対して実質的な貢献をもたらすことを目的としている。交付申請書の研究実施計画で予定していた通り、本年度は2006年秋に出版した論文「コピュラ再考」において内省に基づく考察を行った日本語のコピュラ文の問題を取り上げ、大規模な電子資料を用いてその実態の解明に取り組んだ。日本語の最も基本的な構文の1つであるコピュラ文の問題は多岐にわたるが、それにもかかわらず考察の出発点にあるべき形態的、統語的な研究はほとんど手つかずの状況にあった。「コピュラ再考」で明らかにした通り、コピュラ文にはそのいくつかの局面においてゆれが見られる。本年度は、特に引用の「と」の直前の位置におけるコピュラの潜在の実態などについて数種類の大規模な電子資料を用いた調査・分析を行った。日本語研究における電子資料の利用の歴史は浅く、今後検討を要する問題は多い。本研究では、コピュラ文の考察を通して、電子資料の規模、種類、利用法といった様々な角度から電子資料と日本語研究の関係の検討を行うとともに、電子資料の利用によって新たに可能となる日本語研究の領域・方法の可能性を探った。また、日本語の電子資料から表現を検索してKWICソフトウェアなども開発し、公開した。本研究は、日本語の大規模な電子資料(コーパス)を用いて日本語文法の未開拓の基礎的な諸問題を考察することになり、(1)電子資料に基づく日本語研究の基盤の形成と発展に寄与するとともに、(2)電子資料利用の目的である日本語研究そのものに対して実質的な貢献をもたらすことを目的としている。本年度は従来よりもさらに多様な手法を用いて電子資料に基づく日本語研究の可能性に取組み、その成果を多数の論文として発表した。そのうち主なものについて述べれば、「大規模な電子資料に見る現代日本語の動態」と「さ変動詞に活用のゆれについて・続」では、大規模な電子資料を利用することにより、現代日本語の通時変化の様相を精密に観察できることを明らかにした。「コーパスからのコロケーション情報抽出」では、自作した巨大なWedコーパスを用いて日本語のコロケーションの分析する手法を考案し、それに基づいて日本語コロケーション辞典の項目を試作した。「複合辞の本性について」は電子資料を積極的を利用した研究ではないが、昨今電子資料を用いた複合辞の調査・分析の試みが多く行われている現状を受けて、複合辞の概念に関する適切な理解を示した。また、「日本語の観点からのサーチエンジンの比較評価」と「日本語の観点からのサーチエンジンの比較評価・続」では、サーチエンジンを経由してインターネ上のデータを日本語研究に利用するうえでの問題点を明らかにした。本研究課題は、日本語の大規模な電子資料(コーパス)を用いて日本語文法の未開拓の基礎的な諸問題を考察することにより、(1)電子資料に基づく日本語研究の基盤の形成と発展に寄与するとともに、(2)電子資料利用の目的である日本語研究そのものに対して実質的な貢献をもたらすことを目的としている。今年度は、国立国語研究所で構築中の『現代日本語書き言葉均衡コーパス(BCCWJ)』、自作の巨大な規模のWebコーパス、国会会議録のデータ、Yahoo!知恵袋ベータ版データといった、最近利用可能になった各種の電子資料を用いて、日本語又法の基礎的な諸問題の考察を進めた。まず、電子資料に基づく日本語研究の基盤の形成と発展への寄与という目的については、前年度にも行ったサーチエンジンの比較と評価をさらに進め、論文の形で発表した。次に、コーパスを用いた日本語研究そのものの発展という目的については、日本語コーパスからのコロケーション情報の抽出手法の開発とその基礎となるコロケーシヨン概念の再検討を重点的に行った。その中で、コロケーションの一種として、研究代表者がcircumcollocateと命名した概念に着目することの必要と有効性などを論じた。その成果は、オーストリアで開かれた国際計量言語学会で発表し、近々論文の形で出版予定である。研究成果の国外への発信という点では、北京日本学研究センターでの講演、オーストリアで開催された学会での研究発表(上述)、イタリアの学会での研究発表を行った。

本研究課題は、日本語の大規模な電子資料(コーパス)を用いて日本語文法の未開拓の基礎的な諸問題を考察することにより、電子資料に基づく日本語研究の基盤の形成と発展に寄与するとともに、電子資料利用の目的である日本語研究そのものに対して実質的な貢献をもたらすことを目的としている。今年度は、前年度までに引き続き、国立国語研究所で構築中の『現代日本語書き言葉均衡コーパス(BCCWJ)』、自作の巨大な規模のWebコーパス、国会会議録のデータ、Yahoo!知恵袋ベータ版データといった、最近利用可能になった各種の電子資料を用いて、日本語文法の基礎的な諸問題の考察を進めた。重点的に取り組んだ事例研究には、コロケーションの概念の再考と分析手法の再検討がある。前年度からの研究を発展させたものを『言語研究』掲載の論文として発表するとともに、日本語の分析を通して得られた知見を英語や中国語のコロケーションの分析に適用する可能性を検討した。前々年度からのサーチエンジンの調査分析は今も継続して行っており、本年11月13日に主要サーチエンジンの関係に大きな変化が生じたことを確認した。簡略な報告はすでにWebサイトに掲載した。研究成果の国外への発信にも力を入れ、英語論文2編の刊行(加えて1編が来年に刊行予定)のほか、スペインで開催されたコーパス言語学国際会議での発表、北京日本学研究センター(中国)、台湾大学(台湾)、高麗大学校(韓国)でのコーパス言語学関係のシンポジウム、ワークショップでの講演・発表などを行った。
アミロイドベータの立体構造変化に基づくアルツハイマー病血清診断法の開発

アルツハイマー病の原因は、脳内異常構造アミロイド蛋白にある。脳内アミロイド蛋白は微量ながら血中でも検出できる。正常構造アミロイド蛋白は加温(38-40°C)で構造が変化するが、異常蛋白では変化が起こらない点に着目し、血液を用いたアルツハイマー病の客観的な新規診断法を開発した。加温によるアミロイド蛋白構造変化の有無を調べることで、アルツハイマー病の診断が可能である事を実際の患者血液で示し、臨床応用への可能性を示唆した。合成Aβ1-40を用い、生理的加温範囲3642°Cでの凝集性を検討したところ、3738°Cおよび40°C前後において特異的に凝集することを明らかにした。また、これらの加温下にて得られたAβ1-40凝集体は、蛋白分解酵素であるプロテアーゼKに対し、強い抵抗性を示した。この凝集に関与するアミノ酸残基を特定するため、種々のモノクローナル抗体を用いてAβ1-40加温前後での各特異抗体との反応性の違いを検討した。その結果として、Aβ1-40内の短鎖ペプチドであるAβ16-23及び17-24が温度依存的に立体構造変化をきたす部位あることを解明した。これらの部位は既に発表した水素イオン濃度依存的Aβ1-40の立体構造変化に関与する部位と同一でありこれらのアミノ酸残基部位が共通の重要性を持つとこが明らかになった。更に、これらAβ1-40の凝集を阻止できる所謂、ブルーカーペプタイドを検討したところ、先の研究で加温誘導凝集に関与しているAβ16-23及び17-24のショートペプチドのみがこの凝集を阻止することを明らかにした。これらの実験結果は、ELISA法、Dot blot法のみならず、circular spectrographにても確認された。本年度の研究成果は、Aβ1-40に立体構造変化を及ぼす環境因子としての加温ストレスは、水素イオンストレスと同様にAβ16-23及び17-24が関与していることを解明するに留まらず、今後、アルツハイマー病の診断に患者血清を用いた客観的診断法を確立するための重要な基礎的研究成果である。現在まで、血液を用いたアルツハイマー病の病期の客観的診断法は確立されておらず、専らMMSE(Mini Mental State Examination)をはじめ面接、核医学的画像診断、同居者による日常生活の観察に依るところが大きく、より客観的診断法の必要性が望まれている。そこで我々は、軽度および重度アルツハイマー病患者血清中に検出されるA-beta40蛋白の熱処理による凝集性の相違に着目し、その臨床診断への応用を検討した。本法における基礎データとして、合成ペプチドA-beta40を試料とした検討では、A-beta9-14およびA-beta17-21に相当するペプチド部位が38度39度での加温前後で凝集性に著しい相違が認められることが判明した。実際の患者血清を用いた結果では、軽度アルツハイマー病患者由来の血清中A-beta40は重度患者由来のA-beta40に比較し38度での凝集性変化が乏しく、プロテアーゼKに対する抵抗性が強い。このことは、重度患者ではA-beta40蛋白は、より強固な凝集物としてすでに存在しているため、加温にて、更なる凝集性の変化が起こらないことを示唆している。これらの研究結果より、実際のアルツハイマー病患者の客観的な病期判定が可能である。また、合成A-beta40の加温誘導凝集に関与するA-beta40内の部位は、加温似て変化するペプチド部位と同一であり、この凝集性は、A-beta40内の8残基より構成される、所謂ベータシートブレーカーペプチドであるA-beta16-23,17-24が凝集阻止に有効であり、アイロイドベータ蛋白の凝集阻止法の新たな開発に繋がる研究成果である。今年度は、異なる病期にあるアルツハイマー病患者の各病期の臨床例を増やし、患者血清中のアミロイドベータ蛋白の温度依存的構造変化の相違が、病期診断に有用であることを特異抗体を用いたELIZA法にて、確認した。また、既に蛋白レベルで所謂8残基ブレーカーペプチドによるアミロイドベータ凝集抑制効果を確認しているが、この効果を実際に動物実験にて確認するために、ラット脳内にアミロイドベータを注入する実験系を作成し、迷路による行動実験にて、ブレーカーペプチドの凝集抑制および、異常行動抑制に対する効果を確認した。然しながら、ファージミドを用いた抗体作成系にて、未だアミロイドベータ40のアミノ酸残基2040間を特異的に認識するモノクローナル抗体の作成には至っていない。今後も引き続き作成を試みる予定である。

また、温度依存的アミロイドベータ蛋白の構造変化をCircular Dichroisumにて検討したが、3642°Cの生理的温度変化の範囲では差異が認められず、温度による構造変化は、ベータシート構造をきたす変化ではなく、アミロイドベータ同士が互いに会合することによることがELISAにての特異抗体との反応性の変化をきたしていると考えられた。また、この会合には、アミロイドベータ40蛋白のアミノ酸残基1518が最も関与していることが確認でき、同時にこれらのペプチドフラグメント部位に8残基ブレーカーペプチドが結合することで、アミロイドベータ40同志の会合を阻止可能であることを確認した。
明治前期地籍編製事業の起源・展開・地域的差異

明治政府が企てた地籍編製事業の西欧的ルーツを探るため,ベルギー王国において二度の調査を行い,現地の新聞・地図・パンフレット・記帳簿などの資料収集存行った。その結果,渋沢栄一が徳川昭武に随行して西暦1867年10月2日に訪問した施設が,フィリップ・ファンデルメーレンが創設したブリュッセル地理学研究所であり,ファンデルメーレンが彼らを案内した可能性がきわめて高いことが明らかになった。また,渋沢らは研究所において,最近の地理学的刊行物を注意深く閲覧したということも現地新聞で報道されている。渋沢の日記には,ベルギーの精細地図等をみて大いに感心した旨の記述もみられる。また,研究所にはベルギーの地籍図と地籍簿が所蔵されていたことが,現地史料から確認でき,渋沢がこれらを見た可能性が高いことも推測できた。帰国後の渋沢は,ブリュッセル地理学研究所での経験を生かし,民部省・大蔵省において,土地制度改革と税制改革を連動させて行なうという大規模な改革構想を練った。最終的にその構想は,明治4年8月19日制定の「租税寮事務章程」における「地籍地券ノ法ヲ立ル」の文言として,大蔵省の業務のなかに明文化されることになった。これらの内容は,研究成果報告書に論文として掲載した。また関連して,ファンデルメーレンやブリュッセル地理学研究所に関する文献目録(英・仏・蘭・独)を資料として掲載した。地籍編製事業の全国的展開については,収集しえた中央法令の編年目録を研究成果報告書に掲載したが,詳しい分析結果は論文として掲載できなかった。また当該事業の地域的差異についても,一定の資料を収集しえたが,時間の制約上資料や論文を掲載できなかった。平成17年度は主として基礎的史料の収集を行った。主な調査先は,(1)国立公文書館,(2)国立国会図書館,(3)東京大学史料編纂所,(4)ベルギー王立図書館(Bibliotheque royale de Belgique),(5)ベルギー王宮文書館(Les Archives du Palais royal),(6)宮城県立文書館,(7)岡山県立図書館,(8)岡山大学附属図書館,(9)岡山県立記録資料館である。(1)では公文録・太政類典・公文類聚などから,地籍編製事業の全国的展開についての基本史料を得た。(2)では議会官庁資料室の明治期府県法令集などから,岡山県・宮城県・奈良県(旧堺県・大阪府)における地籍編製事業のローカルな展開に関する多くの府県法令を得た。(3)では渋沢栄一のベルギー王国訪問に関する史料を得た。(4)ではLe Moniteur belge, L'Echo du Parlement belge, Journal de Liege, Le Precurseur, LaMeuseなどの新聞史料から,徳川昭武一行がブリュッセル地理学研究所を訪問したことを示す記述を得るとともに,ブリュッセル地理学研究所の芳名帳(Album)のなかに徳川昭武一行の署名を発見できた。また同研究所の19世紀後半の様子を示すいくつかの同時代史料も得た。(5)では,徳川昭武一行がベルギー王室に提出した書簡を得た。(6)(9)では,宮城県および岡山県における地籍編製事業のローカルな展開についての現地史料を数多く得た。全体として多くの有益な新史料を得ることができ,その結果,明治政府の地籍編製事業が渋沢栄一のブリュッセル地理学研究所訪問に端を発し,彼の帰国後に中央集権的に実施されつつも,府県によって実施過程や実施方法にはかなりの差異があるという見通しを立てることができた。また,こうした差異は,地租改正事業の進行の度合いや地方官の個性に基くことが多いという見通しをも得ることができた。平成18年度は前年度に続いて基礎的史料の収集を継続し,その解読と分析を行った。国内の調査では主に奈良県の地籍編製事業の史料を多く収集した。

また事業の中央政府レヴェルでの展開についても,有益な補足的史料を収集できた。ベルギーの調査では,前年度に引続いてブリュッセル地理学研究所に関する補足的史料を得た。現時点での研究実績としては,Le Moniteur belgeの1867年10月4日(水)の記事中に,昨日(10月3日)徳川昭武一行がファンデルメーレンのブリュッセル地理学研究所を訪れて最近の地理学的刊行物に大いなる関心を示した,という記述を発見した。これにより,随行した渋沢栄一がベルギーの地籍図を見て感銘し,帰国後に大蔵省で地籍編製構想を立案したという仮説がより一層現実性を帯びてきた。地籍編製事業の全国的展開については,滋賀県庁に保管されていた史料群の発見により,当該事業が内務省では同時代の地租改正事業と並ぶ大部な法令体系のもとで実施すべく構想されたことが明らかになった。内務省レヴェルでは当該事業は1890(明治23)年で事実上中止されるが,事業中止が宣言されなかったため,事業の実施主体となった府県では対応に差異がみられた。地籍編製の実験室として1875(明治8)年にいち早く事業が完了した宮城県は,統合による県域拡大により事業に再着手し,結局1890(明治23)年で地籍事務を事実上廃止し,内務省と歩調を合わせている。一方で岡山県では,早くから地籍図調製を重視しつつ事業を進め,1904(明治37)年になって漸く事業を中止している。他方奈良県域では,県の統廃合により堺県や大阪府の管下でそれぞれ異なった方式のもとで事業が進められたが,1887(明治20)年の奈良県再設置後に県令税所篤のもとで奈良県独自の地籍編製事業が改めてスタートし,1891(明治24)年に『奈良県大和国地籍一覧表』が,1892(明治25)年に『奈良県大和国実測全図』が完成した。こうした差異は,府県をとりまく様々な事情に加えて,地方官の政策や個性によるところが大きいと思われる。
キュウリの性分化における雄蕊原基の細胞死とエチレン作用の分子生物学的解析

1.エチレン阻害剤処理で出現する両性花的な異常花の機能解析雌花のみを分化する雌性型キュウリ(M-F-)にエチレン阻害剤を処理すると,雄花だけでなく,両性花的な異常花も出現することは知られているが,この花が機能的な両性花であるかは不明である。そこで,エチレン阻害剤処理により出現する両性花的な異常花の生殖器官の機能を明らかにすることを目的に実験を行った。実験では,交配による種子形成の有無により雌蕊の機能を,また,グルコース培地上での花粉管の伸長の有無により雄蕊の機能を解析した。その結果,雌性型キュウリにエチレン阻害剤を処理すると,両性花的な異常花とともに,雄蕊と雌蕊の機能を合わせもつ両性花が出現することが明らかとなった。両性花的な異常花では,雌蕊が長くなるに従い,雄蕊の長さは短くなった。しかし,両性花では雄蕊の長さが3mm以上で,かつ,雌蕊の長さが雌花と同程度(28mm)以上であった。そのため,雄蕊と雌蕊の長さの関係を表したグラフにおいて,両性花は,両性花的な異常花の集団には属さないことが示された。2.キュウリの性分化とプログラム細胞死(PCD)の関係キュウリの性分化は,がく,花弁,雄蕊,雌蕊の各原基を形成する両性花的な発育段階を経た後,雄蕊または雌蕊原基の選択的な発育抑制によって起こる。そのため,雌花には雄蕊原基の痕跡が,雄花には雌蕊原基の痕跡が認められる。本研究ではキュウリの性分化に伴う生殖器官の発育抑制におけるプログラム細胞死(PCD)の関与を調べるために,花器官におけるCsl-MMPの発現を定量的RT-PCR法で解析した。マトリックス・メタロプロテアーゼ(MMP)は,細胞の運命(PCD,増殖,分化)や組織の三次元構築に関与する細胞外マトリックス(ECM)の分解酵素であり,Cs1-MMPは,キュウリ子葉の老化期からPCD期において,DNAの断片化を生じる時期の直前で強い発現を示す遺伝子である。実験の結果,Csl-MMP遺伝子は,雄花では雌蕊領域で,雌花では雄蕊領域で強い発現を示した。このことから,雄花・雌花ともに,発育しない方の生殖器官は,PCDによって退化することが示唆された。1.キュウリ子葉に影響を及ぼす環境要因と生理要因の解析環境要因と生理要因がキュウリの性分化の決定に作用する発育ステージを推定するための第一歩として,UV-B照射がキュウリ子葉に及ぼす影響を解析した。その結果,キュウリ子葉の表面には先端の尖ったトライコームと球状のトライコームの2種類が存在することが明らかとなり,また,UV-B照射は先端の尖ったトライコームの基部の細胞を増殖させることを発見した。さらに,UV-B照射は先端の尖ったトライコームの基部の細胞にポリフェノール化合物の蓄積を誘導することを見い出した。今後は,UV-B照射がキュウリ子葉の発育および性分化に及ぼす影響について解析する予定である。2. 1-アミノシクロプロパン-1-カルボン酸(ACC)合成酵素遺伝子(CS-ACS2)の発現解析Fローカス以外の遺伝的背景がほぼ均一な雌性型キュウリ(MMFF)と混性型キュウリ(MMff)を用いて,様々な発育段階の花芽におけるCS-ACS2の発現の局在性を,in situ分析法を用いて解析した。その結果,雌性型キュウリ(MMFF)では,CS-ACS2はすべての花芽で発現し,雌花のみが安定的に分化し発育した。一方で,混性型キュウリ(MMff)では,CS-ACS2が発現する花芽は雌花として,発現しない花芽は雄花として発育した。このことから,キュウリの花芽におけるCS-ACS2の発現は,Fローカスによって正に制御されることが明らかになった。本研究の結果は,キュウリの性分化に影響を与えるエチレン合成が,個々の花芽で厳密に制御されることを分子レベルで支持するものである。

2.キュウリの性分化とプログラム細胞死(PCD)の関係キュウリの性分化は,がく,花弁,雄蕊,雌蕊の各原基を形成する両性花的な発育段階を経た後,雄蕊または雌蕊原基の選択的な発育抑制によって起こる。そのため,雌花には雄蕊原基の痕跡が,雄花には雌蕊原基の痕跡が認められる。本研究ではキュウリの性分化に伴う生殖器官の発育抑制におけるプログラム細胞死(PCD)の関与を調べるために,花器官におけるCsl-MMPの発現を定量的RT-PCR法で解析した。マトリックス・メタロプロテアーゼ(MMP)は,細胞の運命(PCD,増殖,分化)や組織の三次元構築に関与する細胞外マトリックス(ECM)の分解酵素であり,Cs1-MMPは,キュウリ子葉の老化期からPCD期において,DNAの断片化を生じる時期の直前で強い発現を示す遺伝子である。実験の結果,Csl-MMP遺伝子は,雄花では雌蕊領域で,雌花では雄蕊領域で強い発現を示した。このことから,雄花・雌花ともに,発育しない方の生殖器官は,PCDによって退化することが示唆された。
雪泥流の凝集構造の解明

雪泥流(slushflow)は、積雪が水で飽和してどろどろ状態になって流れる現象をいい、最近の暖冬化で厳冬期でも各地の渓流内で発生して死亡事故を伴うなど社会的問題となっている。自然界では,その発生の瞬間と運動状態を実見することは困難なたま、研究は主として新潟大学積雪地域災害研究センターの低温環境実験室と科学技術庁防災科学研究所の新庄雪氷防災実験研究支所の人工降雪装置の共同利用で行われた。さらには、各地の渓流の雪泥流発生状況調査を行った。また、雪泥流の発生には、主として降雨が発生条件であることから、新潟県内で降雨の計測を展開して雪泥流発生との相関関係が降雨気象条件下の融雪機構の解明にも務めた。これらによって得られた成果は概略次のようである。まず模型斜面の水流と雪泥流衝撃実験から、1.雪泥流は凝集構造をもつ特徴的な衝撃波形が得られた。2.大きい粒子の雪泥は小さな粒子を併合して成長することが明かとなった。3.簡単な実験から水潤雪は凝集性が卓越していることが示された。4.雪泥流の再現実験は非常に難しいが、雪の重量の34倍の水が供給されないと流電化が生じないことがわかった。自然界では流域の面積と雨や融雪水の流出関係が重要であることが示唆された。5.降雨時の融雪機構として雨に取る融解の他、潜熱・顕熱の寄与が大きいことが明かにされた。この成果は、融雪土石流の発生予測にも利用される。6.新潟県南魚沼地方で毎冬雪泥流の発生する河川がいくつかあることが判明した。この河川での長期モニタリング観測が今後必要である。7.雪泥流の凝集構造の理論的考察を試みたが、未だ不完全のものであり今後も研究を続けることとした。雪泥流(slushflow)というのは、積雪が氷で飽和してどろどろの状態になって流れる状態をいい、最近の暖冬少雪年でも北海道・東北・北陸の渓流内で発生して死亡事故を伴い社会的問題となっている。しかし渓流内で一瞬のうちに発生して痕跡をあまり残さないためにその実態は不明である。研究は、主として雪泥の性質を調べるために低温環境実験室で模型斜面を用いて行われた。そして野外調査も実施して雪泥流の事例に遭遇することができた。実験的研究から得られた成果は概略次のようである。(1)雪泥の形状の時間的変化をビデオマイクロスコープによって調べた結果、0°Cの水に浸っている雪粒は時間と共に大粒子が小粒子を食って粗大化し、形状は次第に球に近ずく。この結果雪粒同士の結合力は弱くなり雪泥は流動しやすくなる。(2)雪泥流と水流の衝撃力の比較実験から、雪泥流には多くのスパイク状の水流よりはるかに大きい衝撃力を示すことが明かになった。通常は雪泥流の方が密度と速度が水流よりも小さいことから、衝撃力は水流より小さいことが推測されたが結果は逆であった。このことは雪泥流は凝集構造を持つ非ニュートン流体であることで説明できる。(3)雪泥流の最大衝撃力は雪と水の質量比(S/W)が0.30.4で最大となる。これより大きな値の雪泥流は、斜面角度が10度では流動せずに水だけが抜けて流れ、雪泥は斜面上に置き去りにされる。(4)雪泥流の予知方法の基礎的実験として、震動レベル計を実験斜面上に設置して、流動方向の加速度を調べた結果、水流よりも大きな加速度と変動を示した。このことから雪泥流の震動特性を明かにして実用的な予知方法の可能性が示された。また、1997年2月26日新潟県南魚沼地方の3河川で雪泥流が発生した。現地調査から小さな河川から早く発生することがわかった。例えば、聞き取り調査により、近尾川(未明)、鎌倉沢川(5:40)、水無川(9:00)の順であった。流域が大きいほど雨と融雪水の出水時間が遅れることによる。

5.降雨時の融雪機構として雨に取る融解の他、潜熱・顕熱の寄与が大きいことが明かにされた。この成果は、融雪土石流の発生予測にも利用される。6.新潟県南魚沼地方で毎冬雪泥流の発生する河川がいくつかあることが判明した。この河川での長期モニタリング観測が今後必要である。7.雪泥流の凝集構造の理論的考察を試みたが、未だ不完全のものであり今後も研究を続けることとした。
超重元素ラザホージウムのキレート錯形成反応の研究

超重元素ラザホージウム(Rf)の有機配位子との錯形成の調査に向けて、同族元素ジルコニウム(Zr)およびハフニウム(Hf)のキレート剤を用いた溶媒抽出実験を行った。いくつかの抽出剤から比較的反応の速い2-フロイルトリフルオロアセトン(HFTA)を選択し、抽出機構の調査を行ったところ4価金属イオンと4分子のHFTAとのキレート錯体が抽出されていることが示唆された。また、迅速溶媒抽出装置を使用して45°CにおいてZr、Hfの抽出を行ったところ、平衡到達まで30秒程度で実験可能であることがわかり、本抽出系により半減期1分程度であるRfの有機配位子との錯形成の調査が可能であることが示された。本研究では、104番元素ラザホージウム(Rf)について、有機配位子との錯形成挙動を溶媒抽出法により調べることを目的としている。Rfは人工放射性元素であり、その合成可能量が極端に少ないこと、半減期が非常に短いことから、実験的制約が非常に厳しく、化学的性質はあまり明らかとなっていない。Rfの化学研究を行うに際し、同族元素であるジルコニウム(Zr)およびハフニウム(Hf)を利用して、模擬実験により適切な実験条件の検討を行っておくことが重要である。本年度は、ZrおよびHfの放射性トレーサーを使用してバッチ法による溶媒抽出実験から、これらの元素と有機配位子との錯形成を調べた。実験では有機配位子としてキレート抽出剤である2-テノイルトリフルオロアセトン(HTTA)およびジ-2-エチルヘキシルリン酸(HDEHP)を使用し、トルエンで希釈して有機相として用いた。水相には硝酸、過塩素酸を用いた。酸濃度3 Mにおいて、Zr、Hfの分配比の抽出剤濃度依存性から抽出反応に関与する有機配位子の数を調べたところ、HTTA、HDEHPともに4分子(HDEHPは二量体)反応することが分かった。これはM(TTA)4やM(DEHP・HDEHP)4 (M = Zr, Hf)といった錯体が抽出されていることを示していると考えられ、Rfが同様のキレート錯体を形成するかどうかを調べるための適切な実験条件を明らかにできた。また、Zr、Hfは非常に性質が似通っていることで知られているが、HTTAによる溶媒抽出ではZrの分配比がHfより10倍程度大きく、抽出挙動に差があることが分かった。一方で、HDEHPによる抽出ではHfの分配比がZrより大きくなり、抽出の順序がHTTAと逆になることが分かった。本抽出系をRfに適用することにより、Rfの有機錯体の安定性に関する情報が得られると期待される。H27年度は、計画していたZr、Hfの溶媒抽出実験をおおよそ予定通りに進めることが出来、現状では順調に進行していると考えられる。前年度では2-テノイルトリフルオロアセトン(TTA)およびジ-2-エチルヘキシルリン酸(HDEHP)を利用したZr、Hfの溶媒抽出における抽出機構を明らかにしたが、バッチ法による抽出実験では抽出平衡到達に数十分から数時間程度を要していた。短寿命であるRfの実験に適用するには抽出の迅速化が必要であり、本年度はフローインジェクション分析法を利用した迅速溶媒抽出装置を用いたZr、Hfの溶媒抽出実験を行った。実験では水相にZrおよびHfの放射性トレーサーを溶解した過塩素酸を、有機相にHDEHP/トルエン溶液を用い、送液ポンプを利用して各溶液を抽出コイル(内径0.17 mm)内に導入、混合した。溶液流速や抽出コイルの長さを変化させて、二相接触時間に対してZr、Hfの分配比がどのように変化するかを調べたところ、迅速溶媒抽出装置を用いることによりバッチ法による抽出と比較して迅速に抽出が可能となることが示された。しかしながら、二相接触時間50 s程度ではZr、Hfとも抽出平衡には到達しておらず、半減期が1min程度であるRfの実験を行うためにはさらなる抽出の迅速化が必要であることがわかった。本年度までにRfに適応可能な迅速溶媒抽出装置の開発を完了する予定であった。現在の迅速溶媒抽出装置を用いることによりバッチ法と比較して抽出が迅速化できているものの、Rfに適応可能なほどの迅速抽出がまだ出来ていないため、予定よりやや遅れている。

H27年度では2-テノイルトリフルオロアセトン(HTTA)およびジ-2-エチルヘキシルリン酸(HDEHP)を利用したZr、Hfの溶媒抽出における抽出機構を明らかにした。H28年度には上記の抽出剤を用い、フローインジェクション分析法を利用した迅速溶媒抽出装置を用いたZr、Hfの溶媒抽出実験を行ったが、抽出速度に問題があり、Rf実験に向けてさらなる抽出の迅速化が必要であった。H29年度では、新たに抽出剤としてHTTAと似た構造を持つ2-フロイルトリフルオロアセトン(HFTA)を採用し、バッチ法によりZr、Hfに対する抽出平衡到達時間および抽出機構の調査を行った。その結果、HFTAを用いた抽出では平衡到達まで数分程度と、HTTAと比較して大幅に抽出速度が速く、また抽出機構もHTTAと同様にZrやHfと4分子のHFTAが反応して生成した錯体が抽出されていることが示唆された。さらに、迅速溶媒抽出装置を用いてZr、HfのHFTA抽出を行ったところ、抽出温度を45°Cまで加熱することにより平衡到達まで30秒程度と大幅に加速することができた。これは半減期が1 min程度であるRf-261に適用可能であることを示しており、HFTAを用いてRfと有機配位子との錯形成挙動の調査が可能であることが示された。超重元素ラザホージウム(Rf)の有機配位子との錯形成の調査に向けて、同族元素ジルコニウム(Zr)およびハフニウム(Hf)のキレート剤を用いた溶媒抽出実験を行った。いくつかの抽出剤から比較的反応の速い2-フロイルトリフルオロアセトン(HFTA)を選択し、抽出機構の調査を行ったところ4価金属イオンと4分子のHFTAとのキレート錯体が抽出されていることが示唆された。また、迅速溶媒抽出装置を使用して45°CにおいてZr、Hfの抽出を行ったところ、平衡到達まで30秒程度で実験可能であることがわかり、本抽出系により半減期1分程度であるRfの有機配位子との錯形成の調査が可能であることが示された。Rfの溶媒抽出実験を行うに際して、Rfの半減期が非常に短いことから、迅速溶媒抽出装置の開発を進める必要がある。予定通り、フローインジェクション分析法を応用した溶媒抽出装置の開発を行い、これまでのZr、Hfのバッチ法による溶媒抽出実験の結果を基に、短時間でZr、Hfの抽出が可能かどうかを検討する。また、実際のRf実験を模擬し、迅速溶媒抽出装置による短寿命のZr、Hf放射性同位体の抽出実験を行い、開発した装置がRfに適用可能かどうかの評価を行う。より抽出が迅速化できるよう、現在の迅速溶媒抽出装置における二相混合の改良を行う。装置の改良を行う一方で、TTAやHDEHPと比較してより速く反応の進む抽出剤の探索も進める。TTAがβ-ジケトンの一種であることから、他のβ-ジケトンもTTAと同様の抽出機構でZr、Hfの抽出が可能であると期待され、さまざまなβ-ジケトンを用いて迅速な抽出が可能である抽出剤の探索を行う。選定した抽出剤を用いて再度迅速溶媒抽出装置を用いたZr、Hfの抽出実験を行い、Rfに適用可能かどうかの検討を行う。その後、Rfの溶媒抽出実験を行い、Rfの有機配位子との錯形成を明らかにする。核化学
量子・分子動力学と臨床医工学を融合した分子デバイスの新機能創成

血液検査などに用いられる抗原抗体反応の素過程についての知見を得るために,分子動力学法を用いた大規模な計算により詳細な解析を行った.抗原抗体反応の物理的なメカニズムはその分子の巨大さや複雑さゆえに未知な部分が多い.近年では分子動力学法を用いた研究も行われるようになったが,基本的には扱われているのは抗原の中でも特に小さいhaptenと呼ばれる分子を対象としたものである.これに対して血液検査で抗体分子を用いて検出すべき腫瘍マーカーと呼ばれる抗原分子は一般にそれらに比べて大きいため,定性的にその反応特性が異なる可能性がある.したがって,既存の研究成果からそれを類推するだけではなく,より臨床応用に近い対象物に対する知見を得ることが望ましい.そこで本研究では,変形しうる大きさの抗原分子の例としてリゾチームを扱い,抗原抗体複合体構造からSteered Molecular Dynamics(SMD)による解離過程の解析を行った.その結果,一般に抗体分子が抗原分子に適合するように変形すると言われるinduced fitの定説とは対照的に,抗体分子よりも抗原分子の方が結合状態における変形の程度が大きいという結果が得られた.そして,40本のSMDによる解離過程の試行の結果だけではなく,平衡状態における分子動力学計算においても,結合状態と非結合状態の構造の違いを比較すると抗原分子の変形の程度の方が大きいという結果が得られた.本研究は量子・分子動力学を中心とする理論計算手法を効果的に用い臨床医工学に役立つ知見を得ることを目的としている.当該年度では,まず,分子動力学法と量子力学計算を併用してカーボンナノチューブ(CNT)と水分子の相互作用に関する解析を行った.近年,CNTは微小流路として注目を集めているが,その中でも特に生体における微小管との類似性が指摘されている直径の小さなCNTと水分子との相互作用によって発現する機能性に注目して解析を行った結果,CNT内で水分子は低密度においても水素結合を介して分子鎖を形成してその集団構造の安定性が維持され,また,平衡状態におけるそのような水分子鎖の電荷分布は分子配置の空間的拘束による影響が支配的であることを示唆する結果を得た.次に,人工的なデバイス基板と生体分子との整合性について検討するべく,水中のシリコン基板表面近傍におけるリゾチーム分子の挙動を解析し,1分子計測技術による拡散挙動の実験観測結果との比較を行った.その結果,バルクの溶液中に比べて基板近傍において著しく拡散係数が低下するという実験結果と対応する解析結果が得られた.また,基板の表面状態がリゾチームの吸着現象に与える影響を分子動力学法により追究した結果,シリコン基板の表面が酸化膜に覆われていることによって,リゾチーム分子は基板に吸着されながらも大変形することなく維持されることがわかった,生体分子の機能発現はその構造に大きく依存しているため,この結果は,純粋なシリコン基板よりも酸化膜で覆われているシリコン基板の方が生体分子の機能を工学的に応用する用途において効果的であるということを意味している.血液検査などに用いられる抗原抗体反応の素過程についての知見を得るために,分子動力学法を用いた大規模な計算により詳細な解析を行った.抗原抗体反応の物理的なメカニズムはその分子の巨大さや複雑さゆえに未知な部分が多い.近年では分子動力学法を用いた研究も行われるようになったが,基本的には扱われているのは抗原の中でも特に小さいhaptenと呼ばれる分子を対象としたものである.これに対して血液検査で抗体分子を用いて検出すべき腫瘍マーカーと呼ばれる抗原分子は一般にそれらに比べて大きいため,定性的にその反応特性が異なる可能性がある.したがって,既存の研究成果からそれを類推するだけではなく,より臨床応用に近い対象物に対する知見を得ることが望ましい.そこで本研究では,変形しうる大きさの抗原分子の例としてリゾチームを扱い,抗原抗体複合体構造からSteered Molecular Dynamics(SMD)による解離過程の解析を行った.その結果,一般に抗体分子が抗原分子に適合するように変形すると言われるinduced fitの定説とは対照的に,抗体分子よりも抗原分子の方が結合状態における変形の程度が大きいという結果が得られた.そして,40本のSMDによる解離過程の試行の結果だけではなく,平衡状態における分子動力学計算においても,結合状態と非結合状態の構造の違いを比較すると抗原分子の変形の程度の方が大きいという結果が得られた.
ナノ粒子を造影剤とする癌イメージングを目指す蛍光X線CTの開発

本年度は,マルチピンホールで得られた投影画像間のキャリブレーション補正を行うための手法を開発した.また,ビーム強度の不均一性を補正する再構成方法を考案した.これまでは直径10mm程度のサンプルを用いてきたが,ラット頭部を計測するためには直径2530mmのサンプルを測定する必要がある.この際,散乱線が著しく増大するため,良好な再構成画像を得るためには,従来よりも高い精度の補正方法を伴う再構成を行う必要がある.キャリブレーション補正では,撮像モデルを従来よりも精密化し,キャリブレーション用特製ファントムにより得られた実験データを用いて,モデルパラメータを最小二乗法により決定した.これにより,対象の3次元座標とカメラの画素位置の対応が従来よりも精度高く行える.強度補正では,サンプルを置かずに測定したビームプロファイルを再構成アルゴリズムに反映させた.これにより,入射ビーム強度に不均一性に対してロバストな再構成が可能になる.提案手法の有効性を示すために,高エネルギー加速器研究機構のビームラインPF-ARNE7Aにおいてマルチピンホール蛍光X線CTシステムを構築し実験を行った.本システムを用いて,まず,直径25mmの円筒状のアクリルファントムを撮像した.ファントムには3つの孔があり,中にヨウ素希薄溶液を満たしてある.実験により,著しい散乱線により投影画像のS/Nは低下したものの,0.1mg/mlのヨウ素溶液の描出に成功した.これにより補正方法の有効性を示すことができた.次に,骨付き鶏肉にヨウ素希薄溶液を封入した小容器を包埋した生体模擬サンプルを撮像した.ヨウ素濃度0.1mg/mlの溶液を描出できた.提案した補正方法は生体においても有効であることを示すことができた.また,当該濃度は,通常の透過型X線CTでは描出できない.この結果は蛍光X線CTの優位性を改めて示すものである.これまではマウス頭部を想定した対象(直径約10mm)を計測していたが,対象をラット頭部に広げるためには,直径約2530mmの対象を計測する必要がある.対象の体積が増大することにより,発生する散乱X線が著しく増大する.このため,従来よりも精度の高い再構成方法を考案する必要があった.本年度開発した補正手法は,今後ラット頭部を計測するための重要な基礎技術となる.しかし,当初想定していたガドリニウムナノ粒子と金ナノ粒子の撮像は今後難しくなることが予想される.これは,高エネルギー加速器研究機構の運営方針が変わり,これまでの6.5GeV運転から5.0GeV運転への移行によるものである.これにより,ガドリニウムのK線および金のL線を励起できるエネルギーの入射X線を得ることができなくなる可能性がある.この場合は,ヨウ素をターゲットにして研究を遂行してゆく.ヨウ素ナノ粒子も医学的に有効であるという報告もあるので,これまでの研究計画の大幅な修正は必要ないものと考えている.当該年度の成果により,ラット頭部に相当する直径25mmのサンプルを計測できるという目途はついた.実験により得られたヨウ素溶液の最小検出濃度は0.1mg/mlであったが,in vivoで観察するためには少なくとも0.05mg/mlのヨウ素濃度を検出する必要がある.直径10mmのサンプルでは0.05mg/mlは検出可能であるが,サンプルの体積が大きくなり散乱線が増大したことで投影画像のS/Nが劣化し,ひいては最小検出濃度の劣化したものである.したがって,目標の最小検出濃度とを実現するためには,散乱線補正は必要不可欠である.今年度は散乱線補正について重点的に考察してゆく予定である.本年度は,マルチピンホールで得られた投影画像間のキャリブレーション補正を行うための手法を開発した.また,ビーム強度の不均一性を補正する再構成方法を考案した.これまでは直径10mm程度のサンプルを用いてきたが,ラット頭部を計測するためには直径2530mmのサンプルを測定する必要がある.この際,散乱線が著しく増大するため,良好な再構成画像を得るためには,従来よりも高い精度の補正方法を伴う再構成を行う必要がある.キャリブレーション補正では,撮像モデルを従来よりも精密化し,キャリブレーション用特製ファントムにより得られた実験データを用いて,モデルパラメータを最小二乗法により決定した.これにより,対象の3次元座標とカメラの画素位置の対応が従来よりも精度高く行える.強度補正では,サンプルを置かずに測定したビームプロファイルを再構成アルゴリズムに反映させた.これにより,入射ビーム強度に不均一性に対してロバストな再構成が可能になる.提案手法の有効性を示すために,高エネルギー加速器研究機構のビームラインPF-ARNE7Aにおいてマルチピンホール蛍光X線CTシステムを構築し実験を行った.本システムを用いて,まず,直径25mmの円筒状のアクリルファントムを撮像した.ファントムには3つの孔があり,中にヨウ素希薄溶液を満たしてある.実験により,著しい散乱線により投影画像のS/Nは低下したものの,0.1mg/mlのヨウ素溶液の描出に成功した.これにより補正方法の有効性を示すことができた.次に,骨付き鶏肉にヨウ素希薄溶液を封入した小容器を包埋した生体模擬サンプルを撮像した.ヨウ素濃度0.1mg/mlの溶液を描出できた.提案した補正方法は生体においても有効であることを示すことができた.また,当該濃度は,通常の透過型X線CTでは描出できない.この結果は蛍光X線CTの優位性を改めて示すものである.