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固体粒子を高濃度に含む流れの高精度数値計算

固体粒子を高濃度に含む流れの振る舞いは大変複雑であり,直接数値計算による現象の理解促進が望まれている.体積力型埋め込み境界法は,その簡便さと計算コストの低さから大変魅力的であるが,数値計算法として本質的な問題があることがわかった.本研究では,問題の原因を明らかにし,これを修正する手法の検討を行った.加えて,種々の流れ場の直接数値計算を行い,その振る舞いについて詳細に調べた.固体粒子を高濃度に含む流れの振る舞いは大変複雑であり,直接数値計算による現象の理解促進が望まれている.体積力型埋め込み境界法は,その簡便さと計算コストの低さから大変魅力的であるが,数値計算法として本質的な問題があることがわかった.本研究では,問題の原因を明らかにし,これを修正する手法の検討を行った.加えて,種々の流れ場の直接数値計算を行い,その振る舞いについて詳細に調べた.本年度は,主に次の項目を実施した.1.新しい埋め込み境界法の開発については,今年度は既存の差分法ベースでの埋め込み境界法を参考にし,1次元移流方程式などのモデル方程式にこれを組み合わせることにより,その有効性・実現可能性について検討を行った.2.差分法ベースの埋め込み境界法と,離散要素モデルとを組み合わせた並列プログラムを作成し,実際にこれを用いて解析を行った.計算精度の検証を目的として,まず粒子に働く流体抵抗力・揚力・回転揚力などの計算を実施した.引き続いて,粒子充填層中で個々の粒子に働く流体抵抗力の検討を行った.経験式との比較から低レイノルズ数領域では概ね一致するが,中レイノルズ数以上の領域において,精度が解像度に依存して低下することを確認した.さらに開発プログラムを用いて,噴流層を対象とした大規模計算を実施した.気泡などのメゾスケール構造の振る舞いに加えて,メゾスコピックモデル計算では観察ができない粒子間隙スケールでのミクロな流れについても詳細な観察が可能となった.また,これらの検討を通して,従来の埋め込み境界法には本質的な問題があることを確認した.今後の開発では,これらの問題点についてさらに検討を行い,改良策の模索を行う.3.高濃度粒子を含む流れ場の計測については,粒子運動を計測するためのPTV法,粒子間隙の流れを計測するためのPIV法について,検討と開発を行った.特に,高濃度に粒子を含む流れ場での光学計測を可能とするため,refraction index matching法と,各種光学フィルタについて詳細な調査・検討を行った.本年度は,主に次の項目を実施した.1.種々の検証問題を通して,本研究のベースにする予定であった体積力型埋め込み境界法に,計算結果の時間刻み幅への依存性や,固体界面近傍で連続の式を満たさないなど,数値計算手法として致命的な問題が含まれていることを見い出し,これらの問題の発生原因について指摘を行った.2.体積力型埋め込み境界法が本来持っている利点は生かしつつ,これらの問題を解決する新たな修正手法の提案を行った.また実際に修正手法に基づく並列数値計算コードを開発し,複数の検証問題を通して,修正手法によりこれらの問題が概ね解決されることを示した.3.固体粒子を高濃度に含む流れ場の微視的な数値計算を実施した.粒子充填層での圧力損失など,基礎的な問題に対して計算精度の検討を行った後,固体壁面の存在が固体粒子や気流に与える影響を詳細に調べた.これより,メゾスコピックモデル計算では直接捉えられない微視的なスケールにおいても,壁面の存在が粒子や流体の流動構造に大きく影響していることを確認した.4.固体粒子を高濃度に含む流れ場の実験計測を行うために,PIV計測法について検討を行った.速度場を求める際に阻害要因となる撮影画像中の固体粒子の影響について,メディアンフィルターとヒストグラム平坦化の2つの画像処理工程を組み合わせることにより,これをうまく除去できることを確認した.本年度は,主に次の項目を実施した.1.昨年度までの検討で明らかとなった,体積力型埋め込み境界法の数値計算手法としての問題点である(i)計算結果の時間刻み幅への依存性や,(ii)固体界面近傍で連続の式の不満足性のうち,時間刻み幅への依存性について,これを修正する新たな手法の検討開発を行った.これにより,時間刻み幅への依存性が大きく低減されることを確認した.2.高濃度に固体粒子を含む流れ場の直接数値計算は,計算コストが大変大きく極力計算領域を小さく設定することが望まれる.この種の流れ場の計算に適した鏡像境界条件である"移動鏡像境界条件"を新たに提案し,その特性について検証を行った.提案法により,比較的小さい計算領域を設定しても,十分な精度で計算ができることを示した.3.固体粒子を高濃度に含む流れ場の微視的な数値計算を実施した.粒子充填層での圧力損失など,基礎的な問題に対して計算精度の検討を行った後,固体壁面の存在が固体粒子や気流に与える影響を詳細に調べた.これより,メゾスコピックモデル計算では直接捉えられない微視的なスケールにおいても,壁面の存在が粒子や流体の流動構造に大きく影響していることを確認した.本研究は,主にスペクトル法を導入することにより,高濃度に固体粒子を含む流れの高精度数値計算を実現することを目的としたものであったが,それ以前の段階として,本研究のベースとする予定であった体積力型埋め込み境界法に致命的な問題があることを確認したため,本年度はこの問題の把握と解決に努力した.スペクトル法の導入までは進めていないが,高精度化には資するのは間違いなく,おおむね順調に進展していると言える.

24年度が最終年度であるため、記入しない。高濃度に固体粒子を含む流れの高精度数値計算を実現することを目的として,今後も,引き続き本研究で提案した修正体積力型埋め込み境界法のさらなる改善検討を進め,順次高濃度固体粒子を含む流れ場の微視的な数値計算を実施する.24年度が最終年度であるため、記入しない。
論理方程式に対する計数方による解法とその応用に関する研究

本年度の研究目標として、(1)計数法の実用性の検証及びその結果に基づくアルゴリズムの改良、(2)実際的問題への応用の2点をあげた。(1)米国インジアナ大学のPurdom教授が、理論式の充足可能性判定問題を解く代表的な数個のアルゴリズムのランダム入力に対する性能評価を計算機実験によって行い、代表者も米国を訪問し協力した。その結果によれば、計数法は与えられたCNF理論式の各項にリテラルが比較的多く現れるような(かなり大きな)クラスに対しては他のアルゴリズムより圧倒的にすぐれていることが確認された。Iwama's Algorithmとして世界的に浸透しつつある。現在この解析結果に基づき実用性を上げる方向での改良を進めている。他のアルゴリズムと組み合わせて互いの利点を引き出すことが可能であり、上記Purdom教授との協同研究を計画中である。計数法自体の改良の可能性もいくつか指摘されており、特に、計算の早期打切りを可能にする発見的手法の導入が有力視されている。その効果を確かめる為の数学的解析を現在進めておりまもなく結果を公表する予定である。(2)結め将棋を解くプログラムの開発を学生の協力を得て行い、そのような実際的問題で論理方程式を解く必要が生じる場面がどの程度現れるか検討した。プログラム自体は十数手結の問題まで実用的時間で解けるものが完成している。論理方程式を解くことによって解探索の空間を縮小することができるが同時にプログラミングの手間が予想以上に大きいものであることが判明した。ゲ-ム木の総当り的探索に比べどの程度有利であるかの定量的解析を試みている。
士族反乱の研究ーその心性と社会的背景ー

研究成果は、「西南戦争における西郷隆盛と士族」という題で、『人文学報』68号(1991年3月)に発表した。その内容の概略は、以下のごとくである。1.出兵の動機と事情(i)鹿児島私学校徒の決起出兵ー最初に出兵した兵士の動向(ii)出兵の目的は何かー兵士の行動目的と心性(iii)各地域からの出兵ー城下士と地方から出兵した者とのちがい2.私学校ー士族の動員に、どのようにかかわっていたか3.区戸長の動向ー戦争に、どのようにかかわっていたか4.降伏・解隊の状況ー主として、強制的に動員された者の態度5.西郷隆盛の位置西郷隆盛は、西南戦争において、反乱軍の巨大なシンボルであった。西郷は前線に出ないし、直接軍の指揮もしない。兵士のほとんどは、明確な政治目的を持たなかった。ただ、西郷を信じて、彼に従ったのである。反乱軍の兵力は、約3万人である。その内13000人が、私学校士族で、自発的に出兵した主力戦闘部隊である。あとの17000人は、鹿児島の各地と宮崎の諸地域から出兵したものである。これらの兵士のほとんどは、なかば強制的に動員された。彼らの動員にあたったのが、鹿児島士族出身の区戸長たちである。西南戦争は、西郷隆盛という、巨大な人物と、城下士族が支配する地方行政組織、それに私学校徒の独特な心性という、他の地方には見られない、特殊な条件下で起った、士族の反乱であった。本研究であつかう士族反乱は, (1)佐賀の乱,(2)熊本神風連の乱,(3)秋月の乱,(4)萩の乱,(5)西南戦争,以上5件の士族反乱である.本研究で意図するところは,上記士族反乱を個別に分析研究するのではなく,士族が何故に如何なる社会的背景・歴史的条件のもとで,何のために蜂起したのか,そしてその時の士族の心性はどの様なものであったのか,ということを<士族反乱>という総体としてのワクの中で考え,かつ明らかにして行こうというものである.そこで本年度は,まず(イ)士族反乱が何故に起ったのか,特に政府との関係はどうであったのか, (ロ)反乱士族が,どの様にかつ何故に蜂起して行ったのか,以上二つの問題について解明することを目標に研究を進めた.その結果以下の点を明らかにしえたと考えている.要点のみを述べておきたい.1.(イ)の点について.とりあえず政府側の問題を述べておくが,佐賀の乱,萩の乱,西南戦争の3件に関する限り,政府は士族の蜂起を予測しており,むしろ反乱をさそう様な挑発的行為さえ見られる.この政府の態度はおそらく,全体としての士族層の保持の為に,不良分子を部分的・局地的に排除して行こうとする,政府の基本的姿勢から生じたものと考えられる.2.(ロ)の点について.

西南戦争の反乱士族の口供書(上申書)の分析にとどまるが,その限りでは, (1)西郷隆盛を信頼し, (2)私学校関係者(戸長等)によって組織化されて蜂起参加するが, (3)戦争期間に於る西郷の動向に関してはきわめて不鮮明な供述しかない,という特徴が見出せる.リーダーの問題に関して,他の反乱とは違った面があるように思われる.今後の研究であるが,他の反乱に於る士族の口供書の分析と,反乱地域の社会的背景の分析を二つの柱とし,総体としての士族反乱を把握し解明することに努力したい.本年度は、士族反乱の起った佐賀、熊本、福岡、山口、鹿児島の各県の図書館・史料館等において、士族反乱関係の史料や文献を調査・閲覧し、昨年度に収集した史料の補充を行った。またあわせて、反乱地域のフィールド調査に努め、蜂起の社会的背景と考える材料の収集を心がけた。さらに今年度は、蜂起士族の口供書、上申書の整理・分析に取組んだ。これは、蜂起士族の心性面と、なぜ、どの様な経緯から反乱に参加して行き、如何なる行動をしたかを明らかにするための最も基礎となる作業である。口供書・上申書は、士族一人につき一枚のカードに整理して行ったが、その数は、西南の役2099枚、秋月の乱548枚、熊本神風連の乱104枚、萩の乱548枚、総計3139枚のカードデータとなった。なお佐賀の乱については、まだ口供書の全貌を把握出来ていないが、現在のところ100枚のカードが出来ている。まだカードデータの全面的な分析は終っていないが、現段階で云えることは以下の点である。1.熊本神風連の蜂起士族は、きわめて復古的なイデオロギーが強く、確信犯的である。ついで佐賀の乱の憂国党士族がそうした傾向を見せるが、全体として、佐画の乱の場合、士族総体としてのイデオロギー的共通性は強調出来ない。他の反乱士族はそれ以上にまとまりがない。2.反乱の組織力の面においては、西南戦争がきわだっているが、個々に士族をみると、必ずしも、政治的目標、イデオロギーの面において同一性を持つとは云えない。政府当局が作った口供書という限界をふまえた上で、西郷隆盛の存在と特異な影響力を改めて考える必要がある。3.士族反乱は、全体として、政府の挑発の面が強く、反乱士族は、イデオロギー的にも、組織的・軍事的にも、充分な結束と準備が整わないままに蜂起して行ったと云えるであろう。
ルイス・フロイスによる日本情報に関する総合的研究

ルイス・フロイスは16世紀後半の日本に滞在し、戦国時代から織豊期にかけての貴重かつ膨大な情報を書き留めたイエズス会士として一般にもよく知られている。ところが、彼が残した膨大な史料群が、本格的な研究を遂行するための適切な環境下におかれているとはいいがたい。たとえば、手稿本の閲覧が容易ではないことは、既存の刊本を批判的に検討する機会を奪う結果となり、一連の史料群はその知名度とは裏腹に、本格的研究を停滞させる要因となっている。本研究は、フロイスの著作の全体像を可能な限り明確にし、南欧における稿本の所蔵、原文の刊行、邦訳の刊行を整理し、その成果を刊行物として共有することをめざす。
細胞外Na+によるハムスター精子受精能獲得調節機構の解明

申請者の予備的研究より、受精の場である卵管内体液に、体外受精培地と比べて高濃度のNa+が含まれることをハムスターを用いて明らかにした。この結果に基づき、本研究ではNa+が受精能獲得へ与える影響について解析した。本研究により、ハムスター精子が超活性化運動を発現するためには、Na-Ca ExchangerやNa/K ATPase等の細胞内外Na+恒常性を制御する分子群の働きが必須であることが分かった。細胞外のイオンや浸透圧環境が哺乳類精子の受精能獲得に与える影響を明らかにするために、ハムスター精子を用いて研究を行っている。本課題採択前までの研究により、細胞外のNa+イオン濃度がハムスター精子超活性化の発現の速さに影響を与えることが分かっており、その調節にNa+/Ca2+ exchanger (NCX)が関わっている事が示唆されている。本課題ではその制御機構を明らかにすることで超活性化発現調節機構の一端を解明することを目的とした。本年度に予定していた研究計画のうち、超活性化運動の発現鞭毛軸糸タンパク質のチロシンリン酸化の解析及びCa2+イメージングを行った。その結果、細胞外Na+による超活性化調節では、従来知られていた軸糸タンパク質のチロシンリン酸化を介さないシグナル経路を経ていることが分かった。またCa2+イメージングの結果、細胞外のNa+が増加するのに従い、先体部のCa2+濃度は変わらないのに対して鞭毛内のCa2+濃度が減少することが分かった。更に鞭毛運動解析の結果から、超活性化前の鞭毛運動に対しても細胞外Na+が抑制的な効果を示し、その制御機構は超活性化とは異なることが分かった。また、計画にはなかったが細胞外Na+による超活性化調節に関わる膜タンパク質の候補として、Na+/K+ ATPase (NKA)の関与を阻害剤であるouabainを用いて調べた。その結果、ouabainがNKA α4サブユニットを特異的に阻害する濃度で、鞭毛運動には影響を与えずに超活性化運動の発現を抑制することを明らかにした。更に細胞外Na+濃度を薄くすることでouabainの阻害効果が弱まることが分かった。本年度に予定していた研究計画のうち、軸糸タンパク質のチロシンリン酸化の解析及びCa2+イメージングの一部しか完了しなかった。しかし、代わりに細胞外Na+が運動開始から1.5時間後までの鞭毛運動波形へ影響を与えることを明らかにし、この制御は超活性化とは別の経路を介していることを明らかにし、そこまでの内容をまとめた論文を投稿できた。また、細胞内外のNa+ホメオスタシスを調節する主たる分子であるNKAの活性が、ハムスター精子超活性化運動発現に必須であるという予備的な結果を得ることができた。更に、予備実験によりマウス精子において細胞外NaClが鞭毛運動よりもむしろ体積調節や形態の維持に働いている事も示唆された。以上の成果より、研究全体の進捗としてはおおむね順調であると判断した。細胞外のイオン、特にNa+が哺乳類精子の受精能獲得に及ぼす影響を明らかにするために、ハムスター精子を用いて研究を行っている。昨年度までの研究によりNa+/Ca2+ exchanger (NCX)及びNa+/K+ ATPase (NKA)が超活性化の制御に関わることが明らかになってきた。本研究は細胞外Na+がどの様に哺乳類精子超活性化を制御するのかを明らかにすることで、超活性化発現制御機構を解明することを目的とし研究を行っている。本年度に予定していた研究のうち、NCX等のNa+恒常性制御に関わる分子の探索は、市販の抗体では検出が困難であったため、RNA-seqによりハムスター精巣発現ライブラリを作成することとした。現在はシーケンスは完了しており、そのデータの解析中である。また昨年度にouabainを用いてNKA α4サブユニットを特異的に阻害すると、運動精子率は変化させることなく超活性化の発現が抑えられることが発見されていたため、その際の精子鞭毛運動を詳細に解析した。すると、超活性化精子は運動開始直後と比べて振動数が減少し、屈曲の大きさが増加するのに対し、ouabainによってNKA α4サブユニットを特異的に阻害した精子では振動数の減少は起こらず屈曲の増加が抑えられることが分かった。その結果、微小管すべり速度はてNKA α4を阻害した精子と阻害していない精子で有意に変わらなかった。これはouabainが全体のダイニンの活性を変化させることなく、超活性化運動の際に起る波形の変化のみを抑えることを示しており、すなわちNKA α4サブユニットの活性が超活性化運動を発現するための鍵となる事が分った。現在はその下流でどの様な細胞内シグナルが起こっているのかを解析中である。昨年度までの研究により、細胞外Na+によりハムスター精子の超活性化及び鞭毛運動が調節されていることを明らかにし、その制御にNCXが関わっている事を明らかにし、さらに以上の内容をまとめた論文がReproduction誌に受理された。また、NCX, NKAなどハムスター精子におけるNa+恒常性を制御する分子を探索するために、ハムスター精子から抽出したRNAを用いてRNA-seqを行った。現在は外部の助力を得て得られたシーケンスデータの解析の最中である。更に先体反応の評価法についてはCBBを用いた方法を確立できたため、細胞外Na+が先体反応に及ぼす影響についても明らかになりつつある。

また細胞内のNa+恒常性を制御する主たる分子であるNKAが、超活性化運動の発現に必須であることも分かってきた。以上より、概ね順調に進捗していると判断した。本研究では、受精が起こる場である卵管に含まれる高濃度のNa+が哺乳類精子の受精能獲得へ与える影響を明らかにすることを目的として,ハムスターを用いて研究を行っている。昨年度までの研究の成果から、細胞外Na+がハムスター精子の超活性化を抑制すること、またその抑制はNa Ca Exchanger (NCX)の働きを介して起こっていることを明らかにしてきた。また、Na/K ATPase (NKA)αサブユニットの精巣特異的なアイソフォームであるα4を阻害すると超活性化が阻害されることから、NKA α4の活性がハムスター超活性化運動の発現に必須であることも明らかにした。本年度の研究により、RNA-seq解析により得られた配列データ、及びそれらの配列をもとにRT-PCRを行った結果から、ハムスター精巣においてNCX1及びNCX2、NKAα1及びNKAα4のmRNAが発現していることが分かった。またウェスタンブロッティングにより、NKAα1及びNKAα4のタンパク質レベルでの発現が確認された。次にNKA α4の阻害による超活性化の阻害はどのようなメカニズムで起こっているのかを調べるために、リン酸化酵素の活性化剤や脱リン酸化酵素の阻害剤を用いた実験を行った。その結果、チロシンリン酸化を介した制御とは無関係の経路でNKA α4が超活性化を制御していることが分かった。さらに卵管内の体液には20 mMもの高濃度のK+が含まれることから、その高濃度K+によるハムスター精子の膜電位及び受精能獲得への影響を調べた。すると、高濃度K+により膜電位が有意に脱分極するにもかかわらず、受精能獲得および受精には影響がないことを明らかにした。これらの結果は、細胞外Na+が、膜電位の制御やチロシンリン酸化シグナルとは無関係な経路で受精能獲得を調節していることを示唆している。申請者の予備的研究より、受精の場である卵管内体液に、体外受精培地と比べて高濃度のNa+が含まれることをハムスターを用いて明らかにした。この結果に基づき、本研究ではNa+が受精能獲得へ与える影響について解析した。本研究により、ハムスター精子が超活性化運動を発現するためには、Na-Ca ExchangerやNa/K ATPase等の細胞内外Na+恒常性を制御する分子群の働きが必須であることが分かった。従来の予定通り、精子細胞に発現するNCXを同定し、その局在を明らかにすることを計画している。しかし市販の抗体を用いたウェスタンブロッティングでNCXを検出することはできなかったため、RNA-seqを用いてハムスター精巣で発現しているmRNAを網羅的に解析する事で、精巣で発現しているNCXはどのサブタイプかを調べる予定である。その後それぞれの分子についてクローニングを行い、抗体を作成しウェスタンブロッティングや免疫染色によりタンパクレベルでの解析を行う予定である。また27年度の研究によりNKAが哺乳類精子の受精能獲得に対し重要な働きを持つという興味深い結果が得られたので、並行してNKAの精子における機能解析も行う予定である。
IR-LEGOとTALEN法による時空間特異的遺伝子発現制御の試み

嚢胞腎を発症する繊毛関連遺伝子を時空間特異的に発現コントロールするために、当該遺伝子のノックアウト系統、Cre/loxP、ヒートショックプロモーターをくみ合わせることにより当該遺伝子発現のON/OFFを行う系統の作成を試みた。これまでにノックアウト個体の作出が終了している、作出したノックアウト個体における嚢胞腎の発症を経時的に観察したところ、人の嚢胞腎と同様成長するに従い嚢胞が拡大することが観察された。当該遺伝子発現のON/OFFを行う系統は現在作成中である。左右軸決定機構の解析に、IR-LEGO(赤外線レーザーとヒートショックプロモーターを用いて、細胞レベルで遺伝子の発現をコントロールする手法)を利用し得るか否かを調べるために、左右軸の決定が起こると考えられている時期よりも発生をさかのぼり、レーザー照射の予備実験を行った。レーザーを正確に目的の位置に当てるためには、胚を固定する必要があるが、メダカの初期胚に対しこれらの操作を行ったところ、胚細胞の自律的な運動が卵黄膜を破り、卵黄が漏れて胚が育たないことが判明した。いくつかのステージで検討したところ、胚の細胞が激しく増殖・移動するエピボリー中の胚ではこの現象が非常に起こりやすく、左右軸の決定機構についてIR-LEGOを利用することは困難であることが判明した。そこで実験の対象を、嚢胞腎の発症機構に変更し、嚢胞腎原因遺伝子の発現を時空間特異的にコントロールすることでその発症機構の詳細を解析することを次の目的とした(嚢胞腎の発症には、左右軸の決定と同様に細胞小器官である「繊毛」が重要な役割を担っている)。腎臓の発生時期においては、IR-LEGOを利用した先行研究が有り、本実験対象には左右軸決定期のような、胚操作上の問題は無いと考えられる。まず手始めに繊毛の異常に起因して嚢胞腎を発症する遺伝子のノックアウトメダカを作成した。遺伝子の破壊は近年開発された人口ヌクレアーゼを利用したTALEN法を用い、対象遺伝子に対するTALENを導入した個体において、遺伝子の破壊と嚢胞腎の発症を確認した。更にこれらの個体を継代し、系統化したF2個体においても嚢胞腎を発症することを確認している。今後は、このノックアウト個体に対し、当該遺伝子の発現をコントロール可能なコンストラクトを導入する予定である。繊毛機能の異常に起因する嚢胞腎発症機構の解析のために、人口ヌクレアーゼを利用したTALEN法を用い、繊毛関連遺伝子のノックアウト系統を作出した。この系統を観察したところ、導入された変異がホモの場合において、期待されたとおり嚢胞腎を発症した。この嚢胞腎の発症は緩やかで、成魚においてもその症状が外面から判断できるのは、孵化後56ヶ月を要したが、組織切片を作成し観察したところ、既に孵化の段階で明らかな嚢胞の形成が観察された。続いてこの表現型をレスキューするために腎臓特異的なこの遺伝子の発現を試みた。腎臓特異的なプロモーターとして、メダカ腎臓での発現パターンが既に明らかになっている運動性繊毛の機能に必須なdyneinaxonemalintermediate chain 2a (dnai2a)のプロモーターを利用した。dnai2と隣接遺伝子の間の約2 kbpの領域をクローニングし、プロモーターアッセイを行ったところ、この領域は腎臓特異的な発現には不十分であった。そこでdnai2を含んだゲノム領域を含むBacterial Artificial Chromosome (BAC)を利用してトランスジェニックの作成を試みた。しかしながら、原因は不明であるがこのBACを導入した胚はすべて死亡してしまい、腎臓特異的な発現には成功していない。今後は(1)他の遺伝子のプロモーターを利用する。(2)近年その導入効率が上がったとされるゲノムの直接編集により今回ノックアウトした遺伝子そのものにloxP配列を挿入するような遺伝子改変を試みる。といった方法で、腎臓における時空間特異的な繊毛関連遺伝子のノックアウト系統を作成する計画である。発生当初目的としていた解析対象の左右軸の決定機構の解析は、サンプルの扱いの困難さから、実験の継続を断念した。そこで左右軸の決定機構と同様に「繊毛」の機能が重要な役割を果たしている嚢胞腎の発症に研究対象を移すこととした。時空間特異的な遺伝子発現をコントロールするために、ノックアウト個体とヒートショックプロモーターにより遺伝子発現のON/OFFを行う系を利用する点は共通で、現在までに繊毛関連遺伝子の破壊により嚢胞腎を引き起こすノックアウトの個体の作成・系統化は完了している。現在までに繊毛関連遺伝子のノックアウトメダカを作成・系統化し、嚢胞腎の発症を確認している。今後はこのメダカに、野生型嚢胞腎原因遺伝子をloxPで挟んだコンストラクトと、ヒートショックプロモーターの制御下でCreを発現するコンストラクトの2つを導入し、IR-LEGOを利用して時期・部位特異的にこの遺伝子の発現を制御し、この遺伝子が嚢胞腎の発症にどのように関与しているかを細胞レベルで解析する予定である。
高温環境下におけるコンクリートの物性変化に着目した原子力発電所の耐久性予測

セメントペーストやコンクリートの性質は,乾燥によって変化することが知られており,その解明にはカルシウムシリケート水和物(C-S-H)の分子構造とナノスケールの凝集構造におけるコロイド的性質の両者を理解する必要がある。このとき, C-S-Hは,微晶質かつ分析に伴う前処理乾燥によって容易に変質を生じることから粉末X線回折分析や電子顕微鏡観察などにより定量的評価を行うことが困難である。本検討では,セメントペーストの水蒸気吸着等温線を分析することにより,間接的に外部環境による長期的な乾燥などに伴う変質を評価する手法の確立を目的とした。これまでにBmmauer et al.によって提唱された多分子層吸着理論(以下, BET理論)は,ある吸着等温線をなす材料の比表面積を求めるために有効な手法であるが,一般的に吸着等温線の相対圧0.050.40の領域のみしか評価,再現できないことが知られており,これを修正された理論がいくつか提案されている。本検討では, BET理論について,相対する二面から生じる水蒸気ー固体表面間にはたらくポテンシャル場の重ねあわせを考慮することにより,相対圧全域にわたる物理吸着性状の評価を可能とする理論への拡張を行い,吸脱着プロセス中に生じるセメントペーストの水蒸気吸着性状の変化を評価することを試みた。上述のスリット状細孔に適用可能な修正BET理論を用い,吸着サイト数,吸着熱,および,制限空間について分析した結果,吸着等温線測定中にカルシウムシリケート水和物の層間は, 14Å, 11Å, 9A程度に連続的に3段階に変化すること,短期間の吸着等温線測定過程では吸着サイト数は大きく変化しないこと,毛管凝縮は大きくは生じないことなどを明らかにし,カルシウムシリケート水和物の等温吸着モデルを提案した。(抄録なし)高温環境下におかれたセメントペースト,骨材(砂利)の体積変化を測定するとともに,セメントペースト,コンクリートの強度を取得し,それぞれの体積変化から生じる界面損傷からコンクリートの強度低下をモデル化することを行うために,今年度は,セメントペーストの体積変化予測,および水分移動予測について研究を行い,以下の成果が得られた。1)セメントペーストの体積変化に寄与するBET比表面積について,セメントの水和反応と関連付けられることを示した。このことから,セメントの水和反応を予測することにより,BET比表面積の変化を予測する道筋が得られた。2)セメントペーストの体積変化および水分移動に寄与する水蒸気吸着等温線について,セメントペーストのBET比表面積と飽水時の含水率から予測できるモデルを提案した。3)セメントペーストの水分伝導率について,セメントペーストのBET比表面積と飽水時の含水率およびそのときの含水率を関数とする化学ポテンシャルを駆動力とした汎用的な実験式を導き,セメントペースト中の水分移動モデルを提案した。4)コンクリート中の粗骨材の体積変化を予測することを目的として,各種粗骨材の各相対湿度における含水率およびひずみを取得し,考察を行った。5)コンクリート中において粗骨材によって体積変化を拘束されたときのセメントペーストの応力およびひずみを予測することを目的として,各相対湿度におけるセメントペーストのヤング率を取得し,セメントペーストの相組成と関連づけられることを示した。本研究は,高温環境下におかれたセメントペースト,骨材(砂利)のそれぞれの体積変化と強度から,それぞれの体積変化から生じる両者の遷移領域の界面損傷からコンクリートの強度低下のモデル化をおこない,原子力発電所にみられるような,外部から長期的に熱を受ける大断面コンクリート部材の耐久性の評価をおこなうものである。今年度は,主に,コンクリートの非破壊測定手法および骨材の体積変化性状の予測手法について検討をおこない,以下の成果が得られた。1)加熱により生じたモルタル中の微細ひび割れと,アルカリと骨材との反応による骨材の膨張に伴うモルタル中の微細ひび割れについて超音波を用いた非破壊測定により評価できるか検討をおこなった。微細ひび割れの性状は,ひび割れへの紫外線蛍光剤の含浸やX線トモグラフィにより,あわせて取得した。その結果,微細ひび割れの量が多いほど,超音波の振幅や速度の減衰が大きくなる傾向があることを実験的に取得した。2)骨材の乾燥や加熱による体積変化性状の予測手法について検討をおこなった。骨材の乾燥時における体積変化を予測することを目的として,各種砂岩系骨材の各相対湿度における長さ変化を取得し,あわせて,骨材中に含まれる膨張性粘土の定量と強熱減量を実験的に取得した。その結果,骨材中に含まれる膨張性粘土量,または粘土量の間接的な指標となる骨材の結合水量によって,骨材の乾燥収縮性状が評価できることが実験的に確認された。

これまでにBmmauer et al.によって提唱された多分子層吸着理論(以下, BET理論)は,ある吸着等温線をなす材料の比表面積を求めるために有効な手法であるが,一般的に吸着等温線の相対圧0.050.40の領域のみしか評価,再現できないことが知られており,これを修正された理論がいくつか提案されている。本検討では, BET理論について,相対する二面から生じる水蒸気ー固体表面間にはたらくポテンシャル場の重ねあわせを考慮することにより,相対圧全域にわたる物理吸着性状の評価を可能とする理論への拡張を行い,吸脱着プロセス中に生じるセメントペーストの水蒸気吸着性状の変化を評価することを試みた。上述のスリット状細孔に適用可能な修正BET理論を用い,吸着サイト数,吸着熱,および,制限空間について分析した結果,吸着等温線測定中にカルシウムシリケート水和物の層間は, 14Å, 11Å, 9A程度に連続的に3段階に変化すること,短期間の吸着等温線測定過程では吸着サイト数は大きく変化しないこと,毛管凝縮は大きくは生じないことなどを明らかにし,カルシウムシリケート水和物の等温吸着モデルを提案した。本年度は,セメントペーストの体積変化予測および水分移動予測について研究を行い,セメントの水和反応速度モデルから,体積変化および水分移動を予測できる手法を構築できたため。本年度は,乾燥および加熱に伴う骨材の体積変化予測について研究を行い,乾燥に伴う骨材の体積変化については,骨材中の膨張性粘土量もしくは骨材の結合水量から評価できること,加熱に伴う骨材の体積変化については,骨材中の石英量から評価できることを実験的に明らかにしたため。・高温環境下におかれたセメントペースト,骨材(砂利)の体積変化を測定するとともに,セメントペースト,コンクリートの強度を取得し,それぞれの体積変化から生じる界面損傷からコンクリートの強度低下をモデル化する。・原子炉の定常状態におけるコンクリートの表面温度制限値である65°C環境下におけるセメントペーストからの水分逸散実験を行い,熱力学パラメータに基づいた水分移動モデルを構築する。・上記モデルを連成させて,任意のセメント,コンクリート調合,環境条件を入力とした大断面部材内部に生じる強度分布のシミュレーションツールの構築を行う。・セメントペースト中の主を占める水和生成物であるC-S-Hの化学構造および水分吸着性状についてを熱力学的なモデル化をおこない,高温環境下におけるセメントペーストの乾燥および加熱による体積変化および強度のモデル化をおこなう。・高温環境下におかれたセメントペースト,骨材(砂利)それぞれの体積変化を予測し,両者の体積変化から生じる両者の遷移領域の界面損傷から生じるコンクリートの強度低下のモデル化をおこなう。(抄録なし)
ヒト前頭・頭頂葉内の脳内身体表現：皮質脳波解読と刺激・病変研究による包括的研究

術前評価目的に硬膜下電極を留置した難治部分てんかん患者で本研究計画に同意を得た者を対象に、左半球では高次運動、右半球では身体意識に焦点をあてて、腹側前頭・頭頂葉ネットワークの皮質活動の探索と変容様式の同定を進めた。左半球では、通常の臨床機能マッピングより弱い刺激強度で陰性運動野に介入し、運動制御の変容の定量解析から、中心前回の陰性運動野は肢節運動失行、腹側運動前野の陰性運動野はより高次の失行への関与が示唆された(国際学会発表)。そして、電気的線維追跡法(皮質皮質間誘発電位)の検討から、中心前回と腹側運動前野間の機能分担は、異なる機能的結合様式が神経基盤であることを明らかにした(国内学会発表)。術中の皮質皮質間誘発電位の検討から、このような前頭葉-頭頂葉・側頭葉間のネットワークには左右差があることを明らかにした(論文発表)。刺激最中の誘発神経活動の検討から、高頻度皮質刺激マッピングでは、高次運動ではネットワークとして機能が発現されるものの、症状の大部分は刺激直下の皮質に由来することを明らかにした(国内学会発表)。また、運動関連皮質で、高頻度刺激を用いない、自発運動に伴う皮質脳波の脳律動解析の手法を提案した(論文発表)。一連の研究成果は、電気刺激による臨床脳機能マッピングの作動原理を明らかにし、より正確な皮質機能の同定を可能にし、今後の非侵襲的機能マッピングにつながる知見と位置づけられる。身体意識に関しては、左右島皮質に脳腫瘍などの病変があり切除術を施行した患者7例を対象に、手術前後の運動主体感の変容を心理的手法から定量的に計測した。右島切除で運動主体感について動的変容を認め、経時的に正常化する傾向にあった(国際学会発表)。右半球が有する身体意識(運動主体感)への島皮質の関与と切除後の緩徐な代償が明らかとなり、今後のリハビリテーションへの応用が期待される。平成30年度が最終年度であるため、記入しない。腹側前頭・頭頂葉ネットワークにおいて左半球では高次運動、右半球では身体意識に関する皮質活動探索と変容様式の同定を進めた。左半球は術前評価に硬膜下電極を留置し、研究に同意を得た難治部分てんかん患者において陰性運動野に対し、課題に同期した電気刺激で介入し運動制御の変容(fast dynamics)の定量解析をモーションキャプチャーシステムを用いて進めた(国内学会発表)。道具使用・模倣中の広域周波数帯域の神経活動計測の症例を蓄積し、decodingを試み、行為関連領域内内の機能分担解明を推進した。SLFを含む前頭葉・側頭/頭頂葉のネットワークの機能結合性の左右差を皮質皮質間誘発電位(CCEP)を用い評価し言語優位側の機能結合特異性を報告した(論文改訂中)。前頭葉内ネットワークのFrontal aslant tract (FAT)をCCEPにて解析し言語・運動に関わる機能結合性を報告した(論文発表)。背側の頭頂葉・前頭葉の皮質間結合について内側外側での結合性の異同を明らかにした(国際学会発表)。右半球の身体意識・自己認識に関わる脳内表現マーカーの同定を推進した。右半球頭蓋内電極留置の患者において顔の自他識別課題下の脳活動計測を行った。今後decodingにより自他判断(自己意識)の機能局在を解明する。右頭頂葉・島皮質病変の患者で手術前後に運動主体感を定量的に計測しfastslowdynamicsへの変容を検討した(国内学会発表)。頭蓋内電極留置例で運動主体感計測課題下の皮質律動活動を記録し、律動活動のdecoding解析に着手した。安静時機能的MRIによるネットワーク解析を術前後に縦断的に施行し、ネットワークの動的遷移と機能可塑性による代償機転の解明を試みる。臨床的には身体表現脳律動マーカーを応用したニューロフィードバック型リハビリ治療の開発へ貢献を目指す。具体的に下記が成果として挙げられる。A)左前頭葉・頭頂葉の機能同定、fast dynamicsによる変容の解明:道具使用・巧緻運動に関わる左前頭・頭頂ネットワークについて、症例を蓄積し、高頻度皮質刺激研究により運動の遅延、制御の変容(fast dynamics)の定量解析を推し進めることができた(国内学会発表)。また道具使用・ジェスチャー模倣中の広域周波数帯域の神経活動計測も症例を蓄積し、導入したワークステーションにより脳波信号解析およびデコーディング解析に着手できた。B)前頭葉・頭頂葉ネットワーク機能結合地図作成:前頭葉・側頭/頭頂葉のネットワークの半球間の比較から、言語優位半球の特異的な機能結合性について論文作成した(改訂中)。前頭葉内の言語・運動に関わるネッとワークをCCEPと解剖的線維追跡法を統合して明らかにし論文発表した。背側前頭・頭頂葉の皮質間結合についてもCCEPにより同定しえた(国際学会発表)。C)身体・自己認識にかかわる右前頭葉・頭頂葉ネットワークの解明:右頭頂葉・島皮質に病変がある症例を蓄積し、手術前後の運動主体感を定量的に計測し、術後の運動主体感の変容(代償機転)を急性期(fast dynamics)から亜急性期(slow dynamics)への遷移に焦点をあてて検討した(国内学会発表)。右半球に頭蓋内電極を留置した2症例で、運動主体感計測課題施行時の皮質脳波活動を右島から記録し、運動主体感関連の脳律動のdecoding解析に着手した。顔の自他識別課題についても、脳活動計測を開始、症例蓄積できた。

デコーディングによる右SLF IIIネットワーク内の自己意識(自他判断)の機能局在の解明に着手した。術前評価目的に硬膜下電極を留置した難治部分てんかん患者で本研究計画に同意を得た者を対象に、左半球では高次運動、右半球では身体意識に焦点をあてて、腹側前頭・頭頂葉ネットワークの皮質活動の探索と変容様式の同定を進めた。左半球では、通常の臨床機能マッピングより弱い刺激強度で陰性運動野に介入し、運動制御の変容の定量解析から、中心前回の陰性運動野は肢節運動失行、腹側運動前野の陰性運動野はより高次の失行への関与が示唆された(国際学会発表)。そして、電気的線維追跡法(皮質皮質間誘発電位)の検討から、中心前回と腹側運動前野間の機能分担は、異なる機能的結合様式が神経基盤であることを明らかにした(国内学会発表)。術中の皮質皮質間誘発電位の検討から、このような前頭葉-頭頂葉・側頭葉間のネットワークには左右差があることを明らかにした(論文発表)。刺激最中の誘発神経活動の検討から、高頻度皮質刺激マッピングでは、高次運動ではネットワークとして機能が発現されるものの、症状の大部分は刺激直下の皮質に由来することを明らかにした(国内学会発表)。また、運動関連皮質で、高頻度刺激を用いない、自発運動に伴う皮質脳波の脳律動解析の手法を提案した(論文発表)。一連の研究成果は、電気刺激による臨床脳機能マッピングの作動原理を明らかにし、より正確な皮質機能の同定を可能にし、今後の非侵襲的機能マッピングにつながる知見と位置づけられる。身体意識に関しては、左右島皮質に脳腫瘍などの病変があり切除術を施行した患者7例を対象に、手術前後の運動主体感の変容を心理的手法から定量的に計測した。右島切除で運動主体感について動的変容を認め、経時的に正常化する傾向にあった(国際学会発表)。右半球が有する身体意識(運動主体感)への島皮質の関与と切除後の緩徐な代償が明らかとなり、今後のリハビリテーションへの応用が期待される。本年度は、ヒトの腹側前頭葉・頭頂葉ネットワーク(SLF IIIネットワーク)において、左優位半球では、道具使用・巧緻運動に関わる脳律動計測および刺激介入による変容(fast dynamics)を明らかにし、右半球では、身体表現・自己認識に関わる脳律動計測、病変研究によるfastからslow dynamicsへの遷移を明らかにした。次年度は、課題下および自然な行為中の道具使用・到達運動・巧緻運動(左半球)と身体所有感・自己意識(右半球)に関わる皮質脳波を記録し、時間周波数解析から関連する広周波数帯域(超低周波高ガンマ帯域)の脳律動を探索、さらに症例蓄積し、すでに着手している脳律動のデコーディング解析を進める。脳律動のデコーディングで得られた重み付け情報と皮質間結合様式から、腹側前頭・頭頂葉ネットワーク内のハブ領域や機能分担を明らかにし、脳内身体表現の脳律動マーカー候補を同定する。各種脳活動が計測された皮質領野へ単発皮質電気刺激から記録されるCCEPの分布から、関連皮質領野間の皮質間結合様式を探索し、引き続き症例蓄積を行う。
膀胱発達に関与するシグナル分子についての研究

研究開始時の仮説「TNFαは正常な膀胱の発達を制御している」という仮説は、TNFαノックアウトマウスの排尿行動発達を観察した研究により否定された。ついで、TNFαの主要な役割である炎症について着目し、TNFαのシクロボスファミド誘発性膀胱炎マウスの排尿行動への影響を評価したがTNFαの排尿行動への関与は否定された。その研究の過程で膀胱炎症と排尿行動の関連性に着目した。膀胱炎症にて頻尿を生じることは既に報告されていたが、その分子細胞学的な機序については未解明であった。そこで、シクロホスファミド誘発性膀胱炎マウスを用いて、網羅的解析を行ったが明らかな原因遺伝子を抽出できなかった。そこで、我々のグループが以前から筋原性の頻尿因子として着目していたコネキシン43遺伝子の軽度発現増強を認めたため、その発現と機能について詳細に検討した。その結果、下記のことが明らかになった。1)シクロボスファミド誘発性膀胱炎マウスは、1回排尿量の減少、排尿回数の増加を呈し、過活動膀胱の蓄尿症状に類似するモデルである。2)このモデルマウスの膀胱において、コネキシン43発現増強を認めた。3)平滑筋におけるコネキシン43発現増強とギャップ結合機能の亢進が、平滑筋片の自発収縮増強をもたらした。4)コネキシン43の発現増強とギャップ結合機能の亢進が膀胱炎症に伴う蓄尿症状の誘因と考えられた。以上の結果より、膀胱炎症におけるCx43発現増強は蓄尿症状の機序の一つであり、過活動膀胱の非神経因性機序の一部でもある可能性が考えられた。この知見は、従来の神経因性機序に基づく薬剤治療に抵抗性である炎症を伴う膀胱疾患(間質性膀胱炎など)に対し、臨床における新規治療薬の開発に向けて一歩前進することに貢献し、同時にまだ未知の部分が多い過活動膀胱の非神経因性機序の解明にもつながりうると考える。研究開始時の「TNFαは正常な膀胱の発達を制御している」という仮説ほ初期の研究の結果から成立しないことが確認された。しかしその研究の過程で炎症を伴う膀胱疾患における頻尿の機序として、ギャップ結合を頻尿の原因候補として抽出した。炎症性頻尿モデルにおいて、その構成分子であるコネキシン43の発現亢進とギャップ結合機能の亢進を認めた。この知見は、従来の薬剤治療に抵抗性である炎症を伴う膀胱疾患に対し、今後の臨床における新規治療薬の開発に向けて貢献すると考える。なお上記研究成果は論文投稿済みであり、現在査読結果待ちの状態である。(抄録なし)研究開始時の予備実験において、TNFαノックアウトマウスの排尿行動を解析した結果、TNFαノックアウトマウスの1回排尿量が有意に少ないという結果であった。研究開始以降、この前提条件を確認するために、当初の排尿行動測定系(VSOP法)より、より微少量を精密に経時的に計測可能な実験系(aVSOP法)を用いて再評価した。その結果、野生型マウスと、TNFαノックアウトマウスの排尿行動において、1回排尿量や排尿回数といった要素において有意差を認めなかった。この原因として、TNFαは外的刺激のない状況では膀胱における発現レベルが非常に低く、その状況ではノックアウトの影響を受けにくいことが考えられた。そのため、TNFαの発現を誘導するような炎症を伴う頻尿のモデルとして、シクロホスファミド(CYP)誘発性膀胱炎モデルを選択し、その排尿行動を測定することとした。まず、野生型マウスにCYPを投与して生じる膀胱炎モデルでTNFαの発現がmRNAレベルで上昇することを確認した。このモデルの排尿行動を測定したところ、CYP投与後5.5時間の観察で投与前と比して1回排尿量の減少、排尿回数の増加傾向を認めた。そこで、TNFαノックアウトマウスと、その同腹仔である野生型マウスを用いて、CYP誘発性膀胱炎モデルを作成し、それらの排尿行動を薬剤投与後13日の長期間にわたり計測し、検体数を蓄積中である。もし、この実験の結果において、TNFαノックアウトマウスと野生型マウスにおいて、排尿行動に有意な差が生じるようであれば、TNFαが膀胱の炎症に伴う頻尿の原因の一つであると仮説が成立する。その場合は、in vivoにおいて野生型マウスに対するTNFαの阻害剤投与実験やin vitroの実験系にてTNFαの機能解析を行う予定である。昨年度の研究開始時の時点で、「TNFαは正常な膀胱の発達を制御している」という仮説の下に、TNFαノックアウトマウスの成長過程における排尿行動について詳細に評価した。その結果、TNFαノックアウトマウスと同腹仔である野生型マウスの間で排尿行動に差異は生じないことを確認し、通常飼育環境ではTNFαは膀胱発達に関与しないとの結論を得ていた。一方、野生型マウスを用いたシクロホスファミド(CYP)誘発性膀胱炎モデルにおいて、TNFαの発現が亢進し同時に頻尿行動も呈することを示していた。膀胱発達のテーマからは離れてしまうものの、頻尿疾患の解明を進めることとし、まずはTNFαは炎症反応を伴うCYP誘発性膀胱炎モデルにおいて頻尿を生じる原因の一つであると仮説を立てた。TNFαノックアウトマウスとその同腹仔である野生型マウスを用いてCYP誘発性膀胱炎モデルを作成し、その排尿行動を2週間にわたり観察した。

その結果、1回最大排尿量、平均排尿量、排尿回数、時間排尿量の評価項目においても、両群間に有意差を認めず前述の仮説は否定された。そこで、CYP誘発性膀胱炎モデルを遺伝子発現の観点から研究する方針に転換した。まずは、頻尿に関して既報告のある神経原性・筋原性の遺伝子群について、qPCRで発現を評価したが発現の上昇を認めなかった。そこで新規の候補遺伝子の探索を試みて、CYP誘発性膀胱炎モデルマウスの膀胱を、sham群と比較することで、網羅的遺伝子解析を行ったが、有意な遺伝子を抽出することはできなかった。そこで、従来からの当科における研究テーマでもあるコネキシン43についても解析を行うこととなった。CYP誘発性膀胱炎モデルにおいて、コネキシン43の蛋白レベルでの発現上昇を確認できた。そこで、コネキシン43の阻害剤を投与して排尿行動が影響を受けるかaVSOP法で解析中である。研究開始時の仮説「TNFαは正常な膀胱の発達を制御している」という仮説は、TNFαノックアウトマウスの排尿行動発達を観察した研究により否定された。ついで、TNFαの主要な役割である炎症について着目し、TNFαのシクロボスファミド誘発性膀胱炎マウスの排尿行動への影響を評価したがTNFαの排尿行動への関与は否定された。その研究の過程で膀胱炎症と排尿行動の関連性に着目した。膀胱炎症にて頻尿を生じることは既に報告されていたが、その分子細胞学的な機序については未解明であった。そこで、シクロホスファミド誘発性膀胱炎マウスを用いて、網羅的解析を行ったが明らかな原因遺伝子を抽出できなかった。そこで、我々のグループが以前から筋原性の頻尿因子として着目していたコネキシン43遺伝子の軽度発現増強を認めたため、その発現と機能について詳細に検討した。その結果、下記のことが明らかになった。1)シクロボスファミド誘発性膀胱炎マウスは、1回排尿量の減少、排尿回数の増加を呈し、過活動膀胱の蓄尿症状に類似するモデルである。2)このモデルマウスの膀胱において、コネキシン43発現増強を認めた。3)平滑筋におけるコネキシン43発現増強とギャップ結合機能の亢進が、平滑筋片の自発収縮増強をもたらした。4)コネキシン43の発現増強とギャップ結合機能の亢進が膀胱炎症に伴う蓄尿症状の誘因と考えられた。以上の結果より、膀胱炎症におけるCx43発現増強は蓄尿症状の機序の一つであり、過活動膀胱の非神経因性機序の一部でもある可能性が考えられた。この知見は、従来の神経因性機序に基づく薬剤治療に抵抗性である炎症を伴う膀胱疾患(間質性膀胱炎など)に対し、臨床における新規治療薬の開発に向けて一歩前進することに貢献し、同時にまだ未知の部分が多い過活動膀胱の非神経因性機序の解明にもつながりうると考える。当初の「TNFαは正常な膀胱の発達を制御している」という仮説は、TNFαノックアウトマウスの排尿行動を精密な実験系で再評価した結果、成立しないということが判明した。しかしながら、その実験を行う中でマウスの微少排尿量を測定可能な排尿行動測定系の手技を確立し、実験の経過で生じた着想を元にマウスにシクロホスファミドを投与して生じる膀胱炎モデルを頻尿モデルとして確立することに成功した。この2者を組み合わせることで、頻尿に関わる新たな遺伝子の探索が可能になり、現在実験が進行中である。当初の膀胱発達というテーマからは離れることにはなったが、今もなお未解明である頻尿の機序解明に向けて、研究は前進していると考える。
高度な環境調和型物質変換プロセスを指向した新世代型ハイブリッド触媒の開発

本研究では、高度な環境調和型物質変換プロセスの実現を目指して、無機多孔体の特性に基づき新世代型ハイブリッド触媒の開発を行った。以下に主な研究成果を述べる。(1)層状粘土鉱物モンモリロナイト(mont)の層間のカチオン交換能を利用して層間に固定化した各種金属種は、特有の構造をもち、炭素-炭素結合形成反応・O_2のみを酸化剤とする炭化水素の酸素化反応を効率よく進行させる極めて特異な固体触媒となる。(2)数Åのmont層間の金属カチオン種に起因する酸点をもつ金属カチオン交換モンモリロナイト(M^<n+>-mont)と、約40μmの粒子表面に塩基点をもつ層状粘土鉱物ハイドロタルサイト(HT)の2種類の固体触媒を混合しても、mont層間の酸点とHT表面の塩基点は接触することなくお互いの機能を発揮でき、複数の酸・塩基触媒反応を連続的に進行させるone-pot反応を可能とした。(3)生体硬組織の主成分であるヒドロキシアパタイト(HAP)のイオン交換能や吸着能、非化学量論性といった特徴を利用してHAP表面に固定化した、パラジウムナノ粒子や金属単核種は、アルコールの酸化反応・脱ハロゲン化反応・炭酸ガスの固定化反応に極めて高い触媒活性を示す。(4)HT表面では、RuMnMnトリメタリック種を創製でき、アルコール類のカルボニル化合物への選択酸化反応を迅速に進行させることが可能であった。また、反応の動力学的検討により、隣接Mn種はルテニウムアルコキシド中間体からのβ水素脱離を促進していると考察した。(5)Pd錯体をアミド溶媒中にて用い、O_2のみを再酸化剤とした極めて効率的なWacker酸化反応系を開発した。本反応系は、銅や塩酸を全く必要とせず、従来のWacker反応系よりも高い滑性・選択性を示す。本触媒系は、求核剤を選択することで、末端オレフィンの酸化反応における位置選択性の完全スイッチが達成でき、H_2Oの代わりに酢酸を求核剤に用いると、1級炭素のみが選択的にアセトキシル化される。上記触媒は、分離・回収が容易で再使用が可能である。本研究では、高度に環境に調和する物質変換プロセスを目指し、ヒドロキシアパタイト、ハイドロタルサイトおよびモンモリロナイトに代表される結晶性無機粘土鉱物の特性を利用した新世代型ハイブリッド触媒を開発している。主に対象とした物質変換は、分子状酸素を酸化剤とする酸化反応、中性条件下での炭素-炭素結合形成、含ハロゲン化合物の脱ハロゲン化反応である。また、複数の反応を同一反応器で連続して進行させるone-pot合成反応へも展開した。以下に成果の概要を述べる。1)表面にRuカチオンを固定化した層状粘土鉱物ハイドロタルサイト触媒では、分子状酸素によるアルコールの酸化反応とハイドロタルサイト表面塩基点によるアルドール反応を組み合わせた、α-アルキル化ニトリル化合物のone-pot合成を可能とする。また、アルコールとカルボニル化合物からのキノリン類のone-pot合成反応も進行させることができた。2)生体硬組織の主成分であるヒドロキシアパタイトの表面に固定化したPdイオン種は、容易に粒子径の揃ったPdナノ粒子へと変換され、常圧分子状酸素を酸化剤に用いる各種アルコール類のカルボニル化合物への選択的酸化反応の触媒活性点となる。