hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
悪性神経膠腫に対するAd-REICの抗腫瘍効果とWntシグナル制御の分子機構

グリオブラストーマ(GBM)細胞においてDKK-3のアデノウイルスベクター(Ad- DKK-3)を用いて遺伝子導入することにより、BrdU取り込みが抑制され、細胞増殖抑制作用を確認し、Wnt signal上流で作用するタンパクWnt3a,Wnt5a,LRP6およびROR2に対するDkk-3による制御機構を調べ、これらのタンパク制御による下流分子への影響を調べた。遺伝子導入で増加したDKK-3蛋白によりWnt蛋白の発現やその受容体との相互作用を抑制し、Wntシグナル上流での活性化が抑制され、下流分子に影響することでβ-catenin依存性および非依存性に抗腫瘍効果を示すことを明かにした。Wntは分泌型のglycoproteinであり、胚形成や皮質の発達に重要な役割を果たす。7回膜貫通型のG-protein受容体に結合し、いくつかの異なったシグナル伝達経路に作用することが、他の細胞系で報告されており、β-catenin依存性と非依存性経路があることが知られている。Wntシグナル上流でのタンパクの相互作用やこの経路の活性化の分子機構についての詳細はグリオーマ細胞では検討されていない。またこれらのタンパク制御が抗腫瘍効果に寄与するかどうか明らかでない。1.グリオブラストーマ(GBM)においてWnt signal阻害作用が期待されるREIC/Dkk-3(Dkk-3)のアデノウイルスベクター(Ad-REIC)を用いて遺伝子導入することにより、細胞増殖抑制作用を調べ、Dkk-3の発現増加に伴い細胞増殖抑制作用が認められることを明らかにした。2.この細胞増殖抑制作用の機序を調べるために、Wnt signal上流で作用すると考えられるタンパクWnt3a, Wnt5aおよびこれらの受容体であるLRP6, ROR2とDkk-3の関連を解析した。Wnt signal活性化には2つの経路が考えられており、β-catenin依存性経路ではWnt3aタンパクが受容体LRP5/6に結合し、非依存性経路ではWnt5aが受容体ROR2に結合してWntシグナルが活性化されると一般的に考えられている。しかし、GBM細胞では、Wnt蛋白Wnt3a, Wnt5aは両受容体LRP6およびROR2に非特異的に結合をしていることを新たにみいだした。またAd-REICにより増加したDKK3蛋白がWnt3aとLRP5/6およびWnt5aとROR2の相互作用を特異的に阻害することを明らかにした。β-catenin依存性経路ではWnt3aタンパクが受容体LRP5/6に結合し、非依存性経路ではWnt5aが受容体ROR2に結合してWntシグナルが活性化されると考えられている。しかし、このWntシグナル上流でのタンパクの相互作用やこの経路の活性化の分子機構についての詳細はグリオーマ細胞では検討されていない。申請者はこれまでに悪性脳腫瘍症例においてWnt signal阻害物質であるREIC/Dkk-3の発現が遺伝子レベルから腫瘍の悪性度に応じて低下しており、REIC/Dkk-3の低下が脳腫瘍の増殖に関係していることを見出している(Neuro Oncol. 2008)。また、グリオーマ細胞にplasmidを用いてREIC/Dkk-3(以下DKK-3と略す)を遺伝子導入し、DKK-3蛋白を過剰発現させた細胞では、ミトコンドリアを介したアポトーシスが誘導されることを明らかにし、脳腫瘍におけるβ-cateninを介したWntシグナルの重要性を証明した。さらに、予備実験から、剖検例の正常脳および脳腫瘍周囲の正常部位ではWnt受容体LRP6の発現は低いが、脳腫瘍の悪性度が高くなるに従い、LRP6の発現は増加し、grade IVのGBMではLRP6が強発現していることを見出している。GBM細胞を移植したxenograftモデルでは体重には影響がない用量でcontrol vector (Ad-LacZ)と較べてAd- DKK-3による抗腫瘍効果が認められており、ミトコンドリアを介したグリオブラストーマ(GBM)細胞においてDKK-3のアデノウイルスベクター(Ad- DKK-3)を用いて遺伝子導入することにより、BrdU取り込みが抑制され、細胞増殖抑制作用を確認し、Wnt signal上流で作用するタンパクWnt3a,Wnt5a,LRP6およびROR2に対するDkk-3による制御機構を調べ、これらのタンパク制御による下流分子への影響を調べた。脳神経外科学今年度の研究計画(Ad-REICを用いて遺伝子導入し、REIC/Dkk-3による制御機構を解明、Wnt signal活性化の状態を明らかにする。Ad-REICによる分子制御を明らかにする。b-cateni, RhoA, Rac発現量を調べる。タンパク発現およびmRNAレベルを解析する。Wntタンパクおよび各受容体の相互作用を解析する。動物モデルを用いて生体内でのAd-REIC分子機構が細胞系での結果を反映するかどうか明らかにする。U87MG細胞のxenograftモデルを用いてAD-

REICの抗腫瘍効果を調べる。Wntシグナル制御がin vivoでも抗腫瘍効果に寄与するかどうか評価する)はほぼ達成できているため。今後これらのタンパク制御による下流分子への影響を調べ、GBMにおけるWnt signal活性化の状態およびAd-REICによるこれらの分子がどのように制御されるかと活性化抑制の意義を明らかにする予定で、動物モデルや抗腫瘍薬を用いて検討する。研究は計画通りに遂行したが、少額の物品費残額が生じたため、次年度の消耗品購入費として使用したい。免疫染色用の試薬・抗体の購入
抗腫瘍免疫に応答し癌細胞が免疫耐性変異する分子機構の解明

癌免疫療法が免疫チェックポイント阻害剤の効果により脚光を浴びている一方で、抗腫瘍免疫反応に応答して癌細胞が免疫抵抗性形質を獲得することが示されている。申請者は、癌特異的な細胞傷害性T細胞の産生するIFN-γに応答して癌細胞に新たな変異が誘導され、癌細胞が免疫抵抗性となり免疫治療をエスケープすることを報告した(cancer genome immunoediting)。本研究の目的は、発癌・増殖の過程を通じて、癌微小環境で抗腫瘍免疫反応に応答して癌細胞の遺伝子不安定性が増強し、癌細胞が免疫抵抗性を獲得し悪性度を増強する分子機構を明らかにすることである。今年度は、癌細胞に後天的に発現しうる分子の一つとして既に見出していた(未発表)CD155の免疫エスケープにおける役割を検討した。CD155は宿主由来のミエロイド系の細胞にも発現することから、CD155ノックアウトマウスを用いて実験を行ったところ、DNAM-1の発現増強を伴う細胞傷害性CD8T細胞とNK細胞の活性化により、癌の増殖と転移の抑制が示された。癌細胞におけるCD155の発現も同様の結果を示し、抗PD-1抗体治療への感受性が高まった。CD155ノックアウトマウスに移植したCD155発現癌細胞は、さらに抗腫瘍免疫への感受性が増強した。以上の結果から、癌細胞および宿主ミエロイド系細胞でのCD155の発現は、癌細胞の抗腫瘍免疫反応からのエスケープに関与する分子の一つであることが示された。本研究では、網羅的遺伝子解析と細胞生物学的解析を並行して行い、癌細胞が抗腫瘍免疫に応答して免疫回避能を獲得する分子機構を解析する。今年度の研究成果として、これまでの研究で見出していた癌細胞におけるCD155の発現が、抗腫瘍免疫を抑制し癌細胞が免疫を回避して増殖することに寄与することを示す結果が得られたことは、本申請研究の方向性の正当性が示されたものと考えている。宿主免疫を誘導しながらも癌遺伝子を発現しつつ増殖するneoantigen/rasH2発現癌細胞由来のクローンがこれまでの研究により既に得られているので、今後はこの細胞を用いた研究を中心に進めていく。当初の計画に従い、single cell解析が可能な特徴的な遺伝子配列を持つバーコード遺伝子を導入したneoantigen/rasH2発現癌細胞の作製を進める。その後、この癌細胞をWTまたはRAGノックアウトマウスに皮下移植し、種々の免疫療法を施し、治療抵抗性を獲得し増殖する癌細胞から得たsingle cellからDNAおよびRNAを抽出し、免疫反応やゲノムの不安定化、癌幹細胞化に関連する分子等の遺伝子の発現変化を解析する。同時に、バーコード遺伝子の導入が難航した場合に備えて、バーコード遺伝子導入前の細胞を用いた同様の研究も進める。さらに、これらに解析により結果が得られるには時間がかかると考えられるため、本年度の研究業績の概要に示した様な、これまでの解析により生体内で増殖している癌細胞に後天的に発現することが示されている分子の抗腫瘍免疫に対する作用の解析を並行して行う。

その後、この癌細胞をWTまたはRAGノックアウトマウスに皮下移植し、種々の免疫療法を施し、治療抵抗性を獲得し増殖する癌細胞から得たsingle cellからDNAおよびRNAを抽出し、免疫反応やゲノムの不安定化、癌幹細胞化に関連する分子等の遺伝子の発現変化を解析する。同時に、バーコード遺伝子の導入が難航した場合に備えて、バーコード遺伝子導入前の細胞を用いた同様の研究も進める。さらに、これらに解析により結果が得られるには時間がかかると考えられるため、本年度の研究業績の概要に示した様な、これまでの解析により生体内で増殖している癌細胞に後天的に発現することが示されている分子の抗腫瘍免疫に対する作用の解析を並行して行う。
ナノメートル構造素子の製作と一次元量子効果の研究

本研究は、超微細加工技術を確立し、これを用いて極微構造素子を製作してその特性を評価し、次世代の極微構造デバイスの基礎となる量子現象の解明と制御の可能性を追求する事を目的として行った。本研究で得られた成果をまとめると次のようである。1)イオンビーム支援エッチング法により、SiO_2およびSi_3N_4に対して物理スパッタエッチングに較べて100倍以上の高速度のエッチングができる事および高揮度低エネルギー集束イオンビームの形成に成功し、低エネルギーイオン照射によって加工損傷が低減できる事をGaAsについて損傷をDLTSおよびフォトルミネッセンスにより評価して示した。2)半導体について、初めて電子波の干渉による伝導度の普遍的ゆらぎを観測した。また、伝導の非局所性、磁気抵抗の磁場反転に対する非対称性等のメゾスコピック現象を観測した。これまでは、殆ど金属細線について研究されていた。この理由の1つは、半導体の加工には、極めて高度な超微細加工技術を必要とするためである。本研究では、超微細加工技術を用いてGaAsおよびGaAs/GaAlAs Λテロ構造量子細線を製作し、メゾスコピック現象の観測に成功した。3)半導体について、初めてアハラノフ・ボーム効果を明瞭に観測できた。本実験では、電子波の干渉が外部からの磁場で制御できることを示したものでこの成果は、デバイス応用の観点からも重要な結果である。4)GaAs/GaAlAsΛテロ構造を用いて、バリスティック伝導領域における電子波の干渉効果を調べ、初めて大きな負抵抗が現れる事を示した。5)GaAs/GaAlAs Λテロ構造結晶を用いてショットキーゲートおよびサイドゲートを持つ量子細線を製作し、伝導度を測定した。その結果、一次元量子閉じ込め効果と思われる現象を観測できた。本研究は、高精度の極微構造加工技術を確立し、これを用いて極微構造素子を製作してその特性を評価し、次世代の極微構造デバイスの基礎となる量子現象の解明と判御の可能性を追求する事を目的とする。すなわち数nm100nmの寸法の極微構造中では、その寸法は電子波のコヒーレント長と同程度またはそれ以下であるため、種々の量子効果があらわれる。これを解明して、より超高速度超高密度の新しい電子波素子を開発するための基礎を確立する。本年度は、電子ビームリングラフイーおよびイオンエッチング技術を用いて極微加工を行い、pts薄膜,GaAsおよびGaAs/GaAlAsヘテロ結晶試料を用いて数10数100nmの極微構造を製作した。また加工層の損傷について、DLTSおよび電気伝導度の測定を通じて評価し、40eVの低エネルギーエッチングが低損傷加工法として有望である事、1keVのイオンエッチングでは、空乏層が理論値の約2倍(40nm)の深さまで生じる事等を見出した。製作した極微構造細線で、極低温において磁気抵抗およびその温度依存性を測定し、電子波の量子干渉効果を調べた。この結果ptsi細線では、細線形成のために用いたマスク材料が、イオンエッチング中に反跳注入され、表面の数原子層にドープされ、このため電子波の干渉が大きな影響を受け、特に金属では、表面の影響が大きい事を示唆する結果が得られた。GaAsおよびGaAs/GaAlAs細線では、一次元弱局在効果および極微細線に特有の磁気抵抗のゆらぎが始めて観測された。またゆらぎの大きさの温度依存性および試料サイズ依存性を測定し、理論との比較を行なった。

本研究は,高〓度の極微構造加工技術を確立し,これを用いて極微構造素子を製作してその特性を評価し,次世代の極微構造デバイスの基礎となる量子現象の解明と制御の可能性を追求する事を目的とする.すなわち数nm100nmの寸法の極微構造中では,その寸法は電子波のコヒーレント長と同程度またはそれ以下であるため,種々の量子効果があらわれる.これを解明して,より超高速度超高密度の新しい電子波素子を開発するための基礎を確立する.本年度は, GaAs/GaAlAsΛテロ構造一次元量子細線を製作し,量子干渉効果を調べた.前年度においてイオンエッチング加工による側面の加工損傷および汚染のため空乏層が理論値の約2倍(40nm)の深さまで生じる事を見出している.そこで,この幅を考慮して0,20,8μm幅の量子細線を製作し極低温における磁気抵抗の細幅依存性の測定を行なった.この結果,散乱電子波の干渉によって起る磁気抵抗のゆらぎの周期は,線幅が非弾性散乱長linより短い場合は,線幅にほぼ逆比例する事を確認した.またゆらぎの大きさは,量子細線中に含まれる一辺の大きさをlinとする正方形のサブユニットの数(=(W/lin)×(L/lin),ここでW:線幅,L:細線の長さ)の平方根に比例して小さくなる事を観測し,量子干渉効果は,ほぼlin^2の領域でのコヒーレントな干渉である事,電気伝導は局在せずlin^2の範囲の影響を受けている事を確かめた.さらにこれらの測定によってlin=0.8μmである事がわかったので,この結果にもとずいて外周1μmのリング素子を製作し,アハラノフボーム効果の測定を行なった.これにより,理論で予測される周期(n/e)を持つ磁気抵抗の振動を観測し, GaAlAs/GaAsΛテロ構造素子におけるアハラノフボーム効果を始めて確認した.さらに,振幅と線幅の関係を測定し,線幅が小さい程,明〓な振動が現われる事を示した.本研究は、超微細加工技術を確立し、これを用いて極微構造素子を製作して、その特性を評価し、次世代の極微構造デバイスの基礎となる量子現象の解明と制御の可能性を追求する事を目的として行った。本研究で得られた成果をまとめると、次のようである。1)イオンビーム支援エッチング法により、SiO_2およびSi_3N_4に対して物理スパッタエッチングに較べて100倍以上の高速度のエッチングができる事および高揮度低エネルギー集束イオンビームの形成に成功し、低エネルギーイオン照射によって加工損傷が低減できる所をGaAsについて損傷をDLTSおらびフォトルミネッセンスにより評価して示した。2)GaAs/GaAlAsへテロ構造を用いて、バリスティック伝導領域における電子波の干渉効見を調べ、初めて大きな負抵抗が現れる事を示した。弾性散乱も殆んど起こらないような結晶中では、電子波は光導波路中を伝播する光波のように伝播し、モード(サブ準位)間の遷移も起こらず直進する。このため電流径路に曲がりがあると抵抗が増えたり、定在波が生じて負抵抗か現れることを初めて示した。負抵抗の温度依存性の測定から、バリフティック伝導域におけるメゾスコピック効果は、比較的高温(≧120K)でも起こっている事が確認できた。これは、現在の微細デバイスにおいても、起こり得る事を示している。3)GaAs/GaAlAsヘテロ構造結晶を用いてショットキーゲートおよびサイドゲートを持つ量子細線を製作し、伝導度を測定した。
パイロ素子及び微小酸素電極による屋外計測に向けた酸素摂取量計測システムの開発

日頃運動を継続して行うことが健康や体力を維持する上で良いことは誰でも認識しており、身体活動の指標となるエネルギー代謝量を把握することは健康管理を処方する上で有益な示唆を与えることになる。特に高齢者においては適正な運動処方のもとで健康管理を図ることが望まれる。エネルギー代謝の計測は酸素消費量を測定することが最も正確な方法ではあるが、フィールドにおける測定が困難なことから、歩行態様を含む歩行運動量や心拍数、あるいはそれら両者の線形重回帰をもとに推定されてきた。このような状況から本研究では、個人でも使用可能なフィールド向けの酸素摂取量の計測法を開発することを目的とした。具体的にはPyro効果を利用した小型呼気流速計を開発し、半導体微細加工技術によって生まれた微小酸素電極を組み合わせることによって、野外での運動中の酸素摂取量をリアルタイムに計測しようとするものである。今年度は薄膜型pyro素子を用いた呼吸流速計の開発を行った。呼吸用face maskのガス流入ポートに容量100ml程度のアクリル性のmixing chamberを接続し、このチャンバーの外側と内側にPolyvinylidine fluoride(PVDF)を素材とする薄膜素子を固定した。外側の素子を基準として、内側の素子から呼吸に伴う熱流速を検出し、各素子からの出力を電流-電圧変換回路で増幅後、差動増幅器を介して呼吸流速の変化を電圧として取り出した。Sinusoidalポンプを用いて37°Cの空気を押し出す肺モデルを作成し、センサの出力特性を調べた。ポンプの流速を増すごとにセンサの出力は増大し、pyroセンサは熱流速を検出していることが確認された。次にmixing chamberに熱線流速計を接続し、被験者が安静時にランダム呼吸を行った時のpyro素子の出力と熱線流速計の出力間の伝達関数をARXモデルを用いて推定した。pyro素子の出力に安静時に計測したインパルス応答を乗ずることで呼気流速波形を推定し、種々の運動負荷における一回換気量を求め、熱線流速計で実測された値と比較した。その結果、個人毎にcalibration係数は異なるものの運動時の一回換気量を相関係数0.85以上で計測できることがわかった。今後は微小酸素電極と組み合わせて酸素摂取量の計測システムの開発を目指す。
慢性炎症を基盤とした消化器発癌の分子機序解明

われわれはinvivoにおける潜在型TGFβ1活性化の機序を解析するために潜在型TGFβ1を変異させLTBPと結合を不可能にしたマウス(変異型TGFblノックインマウス)において、生後4週から肺炎、心筋炎、大腸炎を発症し、生後8-12週で炎症が慢性化することがわかった。また、炎症が慢性化した後から胃癌、直腸癌、肛門癌を自然発症することを見出した。さらに大腸炎の腸管の遺伝子発現解析で、IL1β, TNF一α, IL6, IFNγの発現上昇を認め、IL17の発現低下を認めた。また、免疫染色による解析でも腸管粘膜上皮のIL6の発現充進、リン酸化STAT3の核発現の充進を認め、K67の発現も充進し、粘膜上皮の過形成も認めたことから、IL6などのサイトカイン発現充進が腸管上皮で生じ、STAT3の活性化を介して、腸管上皮の増殖が充進することが示唆される結果となった。また、腸管粘膜リンパ球の解析ではFop3発現Tリンパ球とIL17発現Tリンパ球の低下とIFNγ発現Tリンパ球の増加を認めたことから、腸管上皮ではTh1が優位で、TregやTh17が低下していることが示唆された。また、インテグリンβ8ノックアウト,変異TGFβ1ノックインマウスの解析では、胃癌の発症が66. 7%大腸癌が16. 7%直腸癌が60. 0%こ発症することがわかった(論文作成中)。さらに、細胞性免疫のないRag2ノックアウトマウスと変異TGFβ1ノックインマウスとの交配で、プレリミナリーではあるが、マウスの発癌が減少することがわかった。これらのことから、TGFβ1の活性化が低下した環境下でのDCを介した特異的細胞性免疫の欠如は発癌に寄与するが、細胞性免疫自体が無い状況では、逆に発癌が生じにくくなることが示唆された。われわれはin vivoにおける潜在型TGF-β1活性化の機序を解析するために潜在型TGF-β1を変異させLTBPと結合を不可能にしたマウス(変異型TGF-b1ノックインマウス)において、生後4週から肺炎、心筋炎、大腸炎を発症し、生後8-12週で炎症が慢性化することがわかった。さらに大腸炎の腸管の遺伝子発現解析で、IL-1β, TNF-α,IL-6,IFN-γの発現上昇を認め、IL-17の発現低下を認めた。また、免疫染色による解析でも腸管粘膜上皮のIL-6の発現亢進、リン酸化STAT3の核発現の亢進を認め、Ki67の発現も亢進し、粘膜上皮の過形成も認めたことから、IL-6などのサイトカイン発現亢進が腸管上皮で生じ、STAT3の活性化を介して、腸管上皮の増殖が亢進することが示唆される結果となった。また、腸管粘膜リンパ球の解析ではFoxp3発現Tリンパ球とIL-17発現Tリンパ球の低下とIFN-γ発現Tリンパ球の増加を認めたことから、腸管上皮ではTh1が有意で、TregやTh17が低下していることが示唆された。さらに、インテグリンβ8ノックアウト,変異TGF-β1ノックインマウスの解析では、胃癌の発症が66.7%,大腸癌が16.7%,直腸癌が60.0%に発症することがわかった。

胃癌発症についてはヘリコバクター感染環境と非感染環境で変異TGF-β1ノックインマウスを飼育し比較した結果、プレリミナリーではあるが、非感染環境のマウスの発癌が減少することがわかった。これらのことから、活性型TGF-β1が減少し、ヘリコバクター感染がある状況で、慢性炎症があると消化器癌の自然発癌の可能性が高くなることが示唆された。われわれはin vivoでの潜在型TGF-β1活性化の機序を解析するために潜在型TGF-β1を変異させLTBPと結合を不可能にしたマウス(変異型TGF-β1ノックインマウス)を作製し、このマウスにおいて生後4週から肺炎、心筋炎、大腸炎が発症し、生後8-12週で炎症が慢性化すること、この慢性炎症により胃癌、直腸癌、肛門癌を自然発症することを明らかにしてきた。さらにサイトカイン遺伝子発現検索や腸管粘膜リンパ球の解析の解析でTregやTh17が低下しており、このことと慢性炎症の発症が生じることを明らかにした。さらに、TGF-β1ノックアウトと変異TGF-β1ノックインマウス交配を行い作製されたnull/ノックインマウスの解析では、血漿中の活性型TGF-β1、潜在型TGF-β1量はコントロールマウスに比べ、減少しており、生後12週のマウスでの胃癌の発症頻度は67%となることがわかった。その一方で、直腸炎の頻度は減少し、それに伴い癌の発症頻度は減少することが解かり、胃癌と直腸癌では活性型TGF-β1発現量と発癌との関連に機序の相違があることが示唆された。生後12週の野生型、ホモの変異型マウスの胃および直腸組織からDNAを抽出し、ゲノムCGHアレイを行い、胃においてはコピー数が有意に増加したlocusを4カ所、欠失したlocusを11カ所、直腸においてはコピー数が有意に増加したlocusを2カ所、欠失したlocusを3カ所同定した。現在、定量的PCRにてアレイの結果を検証している状況である。また、培養細胞株、臨床検体において潜在型TGF-β結合タンパク2および4の免疫組織化学染色法を用いて発現の解析を行い、癌細胞、組織で高発現していることを見いだした。現在、その発現の臨床病理学的意義の検討のため統計学的解析を行っている。われわれはin vivoにおける潜在型TGF-β1活性化の機序を解析するために潜在型TGF-β1を変異させLTBPと結合を不可能にしたマウス(変異型TGF-b1ノックインマウス)において、生後4週から肺炎、心筋炎、大腸炎を発症し、生後8-12週で炎症が慢性化することがわかった。また、炎症が慢性化した後から胃癌、直腸癌、肛門癌を自然発症することを見出した。さらに大腸炎の腸管の遺伝子発現解析で、IL-1β,TNF-α,IL-6,IFN-γの発現上昇を認め、IL-7の発現低下を認めた。また、免疫染色による解析でも腸管粘膜上皮のIL-6の発現亢進、リン酸化STAT3の核発現の亢進を認め、Ki67の発現も亢進し、粘膜上皮の過形成も認めたことから、IL-6などのサイトカイン発現亢進が腸管上皮で生じ、STAT3の活性化を介して、腸管上皮の増殖が亢進することが示唆される結果となった。また、腸管粘膜リンパ球の解析ではFoxp3発現Tリンパ球とIL-17発現Tリンパ球の低下とIFN-γ発現Tリンパ球の増加を認めたことから、腸管上皮ではTh1が有意で、TregやTh17が低下していることが示唆された。また、インテグリンβ8ノックアウト,変異TGF-β1ノックインマウスの解析では、胃癌の発症が66.7%,大腸癌が16.7%,直腸癌が60.0%に発症することがわかった(論文作成中)。さらに、細胞性免疫のないRag2ノックアウトマウスと変異TGF-β1ノックインマウスとの交配で、プレリミナリーではあるが、マウスの発癌が減少することがわかった。
脊髄性筋萎縮症の遺伝子解析

脊髄性筋萎縮症(spinal muscular atrophy : SMAと略す)は脊髄前角細胞の変性によって進行性の筋萎縮を生じる比較的頻度の高い常染色体劣性遺伝疾患である。発症時期や重症度によって3型に分けられるが、いずれも5q13に座位するSMN(survival motor neuron)遣伝子変異が原因となる。私達はSMAtype Iの日本人家系についてSMN1、および重症度に関与するとされているNAIP遺伝子、マイクロサテライトマーカー解析によってSMN exon7,8を含むlarge deletionを有する患者の頻度が高いことを報告した。SMN1遺伝子のコピーであるSMN2遺伝子は部分的にSMN1遺伝子の欠失を代償している可能性が報告されている。SMN1/SMN2の比を検討することで遺伝子背景がさらに明らかとなると考えられる。SMA type I患者の両親や同胞15例についてSMN1/SMN2の比を検討し、73.3%、の症例においてSMN1/SMN2が1以下(0.5あるいは1)であり、残りの症例ではこの比が1/3であることが明らかとなった。この結果はSMN1欠失の背景としてSMN1がSMN2へgene conversionをおこすよりもSMN1近傍のlarge deletionが主体であることを裏付けている。今後はSMN2遺伝子のコピー数を明らかにすべく、gene dosage解析が必要と思われる。脊髄性筋萎縮症(SMA)は脊髄前角細胞の変性、消失によって随意筋の進行性の萎縮を生じる常染色体劣性遺伝疾患である。原因遺伝子が1995年に報告され症例の98%以上でエクソン7,8の欠失が認められている。私たちの解析した症例でもI型16名、II型4名、III型1名に原因遺伝子であるSMN1遺伝子のエクソン7、8の少なくともひとつに欠失が認められた。SMAはI型からIII型まで重症度の幅が大きく、また同じI型のなかでも症状の出現する時期や進行度にばらつきがある。重症度を規定する因子として私たちはこれまでマイクロサテライトマーカーの検索によってI型の7家系で大きい欠失を6例で確認した。さらにSMN1遺伝子のコピー遺伝子であるSMN2遺伝子とSMN1遺伝子の比を検討した。マイクロサテライトマーカー検索で保因者であることを確認した両親14名と健康同胞者1名、および対照健常者19名においてミスマッチプライマーで増幅したエクソン7PCR産物を制限酵素HinfIで切断し、SMN1遺伝子とSMN2遺伝子由来の切断断片の長さが異なることを利用し、PAAゲルにて泳動後、エチウムブロマイド染色しNIH image1.16/ppc softwareを用いて各々定量した。定量のコントロールとしてSMN1遺伝子のみを有する正常者とSMN2遺伝子のみを有する患者genomic DNAよりPCRによって得られた産物を精製し、異なる比で混合したものをテンプレートとして同様の解析を行った。この結果、SMN1/SMN2が1/3が4例、1/2が6例、1/1が5例であった。1/3の4例は大きな欠失がないか、またはNAIP遺伝子が存在しており、このような例ではgene conversionがより強く示唆された。さらに内部標準としてCFTR遺伝子を用い、SMN1,2遺伝子のコピー数そのものの解析を進めている。脊髄性筋萎縮症(SMA)の原因遺伝子であるSMN遺伝子(SMN1)と、セントロメア側に位置する遺伝子(SMN2)の比をPCR産物の制限酵素切断による固有の断片の定量を行うことで解析した。対照となるSMA TypeIの7家系(両親14名、同胞1名)について、この結果をすでに解析したマイクロサテライトマーカーによる遺伝子型の分析と比較した。7家系中6家系にはマイクロサテライトマーカーのうち少なくとも一つの欠失を含むlarge scale deletionが証明された。このような家系の保因者ではSMA関連染色体上ではSMN1とSMN2両方が欠失する可能性があり、この場合のSMN1/SMN2は1になると予想された。1家系の両親でSMN1/SMN2が1であるにもかかわらず、マイクロサテライトマーカーの欠失は認められなかった。

この例ではSMA関連染色体にはSMN1の欠失とSNN2が少なくとも1つ存在し、一方正常染色体上では逆に少なくとも1つのSMN1があり、かつSMN2が欠失している可能性が考えられた。更にlarge scale deletionがない家系で両親のSMN1/SMN2が1/3となった例ではSMN関連染色体上でSMN1がSMN2へ転換するいわゆるgene conversionが起こったと考えられる。その結果、正常染色体の1つずつのSMN1およびSMN2とSMN関連染色体の2つのSMN2により両者の比が1/3となったと予想される。また、SMN関連染色体上で2つのマイクロサテライトマーカーの欠失を示しながらSMN1/SMN2が0.5を示す保因者があり、この例では正常染色体でのSMN2が2つあることが考えられた。現在、SMN1およびSMN2そのもののコピー数を定量するために内部標準を加えた定量的PCRを施行中である。臨床的に脊髄性筋萎縮症(SMA)と診断された36例中、SMN1 (survival motor neuron)遺伝子のエクソン7、8の欠失が認められなかった10例についてエクソン7、8を含む約1.2Kb,のPCR産物の直接シークエンス解析を行った。頻度の高いY 2 7 2 Cの検索をPCR-制限酵素消化法によって検索した。シークエンス解析によってTypeIの1症例ではSMN1遺伝子のエクソン7、8欠失以外にSMN2variantとSMN2のヘテロ接合を有していた。SMN1遺伝子の欠失や点変異はなく、de novoでSMN2遺伝子の欠失のある症例は後の筋生検によりcytoplasmicbody myopathyと診断された。他の1例も筋生検により組織学的に末梢神経の異常はなくSMAは否定的となった。筋生検が未施行であり、その他の検索によっても診断が確定していない残りの8例のうち、周生期に仮死の既往がある例や筋力・筋緊張低下以外に小奇形を伴う例が6例あった。8例中Y 2 7 2 C点変異が検出された症例はなかった。SMAでは症例の98%以上でSMN1遺伝子のエクソン7、8の欠失が認められ、残りの極少数例で他の点変異や短い欠失が報告されている。また、SMN1遺伝子がヘテロで欠失し、存在する対立遺伝子での点変異がある症例も含まれる可能性があり、SMN1/SMN2が1以下の症例では他のエクソンの点変異についての解析が必要である。
医療福祉分野における日本語学習・運用支援のための対話例集構築支援の研究

医療福祉分野に従事する外国人の日本語学習・運用の困難性を軽減するため、医療福祉分野の対話例データベースを構築するための対話モデルを構築し、それに関わる知識記述およびその知識に基づいた多様な文の処理技術を開発することができた。また、それらの技術を支援として用いて、日本語教師と共に外国人の日本語学習に役立つ対話例集を試作し、その対話例を基本とした協調的な例文蓄積・学習の支援ソフトウェアの開発を行った。2009年度交付申請書記載の計画における以下の2つの具体的な課題に関する研究活動を行った。1.計算文法と中間言語の医療福祉対話モデル対応先行研究となるオープンソースプロジェクトMedSLTの専門が限定された医療対話であることに留意し、外国人医療福祉従事者の日本語教育に役立つ医療福祉分野での実践テキストの調査を行った。調査の結果から、特に介護・福祉のドメインにおいて対スタッフ、対サービス受容者との間にコミュニケーションの問題が生じることが重要課題であることを認識した。そこで、そのような場面での日本語運用支援を視座に、日本人医療福祉従事者が行っている例文的対話を収集した。収集した例文に基づいて対話の計算文法および意味モデルを構築する上で、例文が一般的な日本語においてどのような特性をもつか評価するモジュールの開発を行った(次頁学会発表項目のその1)。2.医療福祉分野における状況・文脈のカテゴリ化の調査外国人を医療福祉分野に受け入れる上での事前教育を行っている複数の組織・担当者に外国人の医療福祉従事のドメインにおけるコミュニケーション上の問題についてインタビューを行った。また、実際に医療福祉分野に従事する非日本語母語話者にもインタビューを行った。その結果、サービス受容者の身体的状況や感情に関して、サービス受容者と正確に情報交換し、その結果を書き言葉や正確な表現で第三者に伝える日本語コミュニケーションに問題があり、その支援が急務であることを認識した。そのような問題のうち、特に日本語の運用が難しいとされる語彙・表現のデータベース化に関する研究を開始した(次頁学会発表項目のその2)。外国人の医療福祉分野における日本語を学習・運用を支援する際に役立つ対話例集の作成・収集支援環境の整備を目的として調査および研究開発活動を行った。具体的な調査活動としては、外国人労働者の就労が期待される医療福祉分野である介護場面における外国人労働者と被介護者との会話に役立つ対話例を効率的に収集し、日本語学習・運用アプリケーションを効率的に開発するため、当該ドメインの対話例を収集するとともに当該分野の従事者や外国人労働者にインタービュー調査を行い、調査結果を言語処理用の基本データとして整備した。このドメイン調査は査読付き国際会議および国内会議にて報告を行い、関連する研究分野の研究者と情報交換を行った。研究開発としては、日本語学習支援を目的とした計算文法と中間言語の整備については医療福祉分野における医療を受ける患者、介護をうける被介護者が自身の身体、心理状態を表現する発話を幅広く処理することを目的に上記調査を踏まえた研究開発を行った。計算文法についてもより多様な文例から基本文例に準じて扱うことに役立つ構文的な文体データベースとその処理機構を作成した。また、中間言語の整備に関しては、身体状況や心理状態を扱うアンケート調査の事例を踏まえて属性を整理し、その属性の特定に貢献する文脈モデルとその理論整備を行った。また、これらの研究開発内容をアプリケーション開発に容易に適用できる基礎モジュールの整備を進めた。具体的には、対話例登録システムやCMCシステムに活用できるよう基礎モジュールを実装した上で、基礎的日本語学習用のデモンストレーションとして各種アプリケーションを開発し、複数の査読付き国際会議および国内発表を行うことにより、アプリケーション開発に関する意見・要望を収集した。平成22年度までに構築・開発してきたデータと基本技術に基づき以下の研究開発を行った。日本語学習・運用のための対話例の活用をさらに発展させるため、本研究課題以外に様々な団体が収集した目的別日本語例文データが整備・蓄積されてきたことも視野に入れ、本研究課題以外で作成されたデータを対象としても研究開発してきた支援技術が適応可能なように技術の拡張・改良を進めた。具体的には、より多様な日本語表現や文体に対応させる技術の頑健化のため、処理の前提となる知識表現と辞書を精緻化した。また、今後、他ドメインの日本語教育教材作成にも柔軟に対応できるよう、本研究課題で開発したデータ化の方法や技術を、言語処理学・日本語教育学の視点から理論的に整備・検討し、処理技術のモジュール化を進めた。それらソフトウェアの実装は、携帯端末などの多様な利用環境に対応できるようWebサービス化を進めた。対話例の蓄積に関しては前年度までの蓄積例文および語彙を再検討し、医療福祉分野に携わる外国人への日本語教育経験を持つ複数の日本語教師からの意見を得て、研究開発した支援技術を用いて効率的に言語資源データを整理した。また、このデータを利用するための技術も、上記のように多様な表現に対応できるよう研究開発を行っただけではなく、日本語教師の意見を参考に計算機で処理できる文法パターンを学習文法に適した形にするといった質的な改良も行った。その結果、計算機処理モジュールに基づいた問題集作成、あいまい検索、文の多様性分析などの各種機能を実現することができた。

また、日本語教育の実務者との連携を広げていくため、関連する学術集会で研究成果を報告するとともに、本研究課題で試作した対話例集と試作システムを公開するワークショップを企画・運営して本研究課題の成果の共有に努めた。
分泌経路が関わる色素体分化制御メカニズムの解明

分化全能性は植物が示す特徴的な形質の一つである。緑色に分化した植物細胞が、脱分化過程を経て再分化する際に、その細胞内の色素体は、葉緑体からプロプラスチド、さらに再び葉緑体へと変換する。これまでに、ゴルジ体に局在する受容体型キナーゼ(CES101)、さらには分泌経路に局在すると予想されるタンパク質(CES102)の機能亢進により、プロプラスチドから葉緑体への分化誘導能が確認された。そこで、それらの遺伝子の機能をポストゲノム的解析手法で明らかにすることにより、分泌経路を介した色素体の分化制御メカニズムを分子レベルで明らかにすることを目的としている。機能亢進によりプロプラスチドから葉緑体への分化誘導を示したシロイヌナズナ変異体について遺伝子発現の変化をDNAマイクロアレイによる網羅的な検討を試みた。その結果、コントロールとなる機能亢進前の細胞における遺伝子発現量と比較して、特定の発現量を超えるものをリストアップしたところ、CES101で222遺伝子、CES102で347遺伝子が候補として検出された。そこで、これらの遺伝子について、両者での重なりを調べたところ、196遺伝子が共通であることが明らかとなった。この結果は、CES101で発現が顕著に上昇した遺伝子の中で、9割弱の遺伝子がCES102でも同様な発現傾向を示したことを意味する。以上の解析結果から、CES102はCES101の上流で機能していることが示唆された。分化全能性は植物が持つ重要な特徴の一つである。緑色の植物細胞が脱分化過程を経て再分化する際に、その細胞内の色素体は、葉緑体からプロプラスチド、さらに再び葉緑体へと変換する。ゴルジ体に局在する受容体型キナーゼ、さらには分泌経路に局在するタンパク質の機能亢進によりプロプラスチドから葉緑体への分化誘導能が確認された。そこで、それらの遺伝子の同定、さらには、機能をポストゲノム的解析手法で明らかにすることにより、分泌経路を介した色素体の分化制御メカニズムを分子レベルで明らかにすることを目的としている。機能亢進によりプロプラスチドから葉緑体への分化誘導を示したシロイヌナズナ変異体についてその原因遺伝子の同定を試みた。最初に、変異体において発現量が増加している遺伝子を原因遺伝子の候補として検索した。候補となった遺伝子について、その過剰発現により葉緑体の分化が誘導可能かどうかを検討したところ、第3染色体上の119個のアミノ酸をコードする遺伝子が変異の原因遺伝子であることが明らかになった。アミノ酸の配列情報から、その遺伝子産物は分泌経路への局在が示唆されたため、緑色蛍光を発するタンパク質を利用した細胞内局在解析を行った結果、小胞体において強いシグナルが観察された。また、ここで同定された遺伝子のタバコでのホモログが、培地のアルカリ化を引き起こすことが知られていたため、同様のアッセイを行ったところ、培地のアルカリ化を引き起こす活性を有していることが明らかになった。
剣道における打突の評価と「踏み込み音」に関する研究

剣道において打突に伴う動作と音は、打突の評価において重要である。しかし、音に関する知見は少なく、特に踏み込み音に関しては十分明らかではない。そこで、本研究では、打突評価と「踏み込み音」の特徴を探り、現場に還元できる資料の提示を目指す。これにより、競技者が踏み込み技術を見直す新たなアプローチ方法の提案が可能になり、総合的な打突技術の向上が期待される。平成30年度は、打突動作に伴って発生する音に関する実験を行なった。(1)打突音と踏み込みおよびそれらの複合音の特性、(2)踏み込み音の違いが打突における冴えや強度の評価に及ぼす影響の2点について検討した。(1)は大学女子剣道競技者6名を対象に、3種類の対象動作により、打突音と踏み込み音が複合音(打突音+踏み込み音)に与える影響を検討した。なお、平成29年度で実験的に調査した方法を基に対象者を増やし実施した。これにより、打突音は踏み込み音と複合音より音が弱いことが明らかとなった。また、打突音と踏み込み音および複合音では、構成する周波数帯の振幅スペクトル量が異なることが示唆された。一方で、踏み込み音と複合音は構成する周波数帯も音の強さも異ならないことが明らかとなった。以上のことから、複合音を構成する音は、踏み込み音の影響を受けるとの知見が得られた。(2)は、剣道における踏み込み音の違いが打突の冴えや強度の評価に及ぼす影響を検討した。そのために、映像資料を作成し、剣道の高段者21名を対象に一対比較法による評価テストを実施した。これにより、異なる踏み込み方による音の違いおよびその音量は、冴えや強度の評価に影響を及ぼすことが明らかとなった。以上のことから、打突の冴えや強度の聴覚的な判断において、打突音に踏み込み音が加わることで、良い評価を受け、その踏み込み音は、足裏全体で床に接地する踏み込み方による音が好ましいとの知見が得られた。平成29年度は、計画1として、大学生剣道競技者1名を対象に、打突音や踏み込み音およびそれらの複合音(打突音+踏み込み音)に関する実験を実施した。平成30年度は、計画2として、打突の評価と踏み込み音の関係性を検討するための実験を実施した。この実験は、映像資料を用いて剣道の高段者21名を対象に一対比較法による評価テストを行うものであった。結果は、上述の通り、異なる踏み込み方による音の違いおよびその音量は、冴えや強度の評価に影響を及ぼすことが明らかとなった。また、打突の冴えや強度の聴覚的な判断において、打突音に踏み込み音が加わることで、良い評価を受け、その踏み込み音は、足裏全体で床に接地する踏み込み方による音が好ましいことが示唆された。これらの結果は、打突の評価と踏み込み音の関係性を示す唯一の知見であり、踏み込み音に着目し、競技者が踏み込み技術を見直す手がかりになるものと考えられる。令和元年度(2019年度)は、計画3として剣道の打突評価向上を目指した取り組み事例の提示を試みる。当初の計画では、対象動作を突き技と小手技の2試技としていたが、実験の危険性を考慮する必要がある。したがって、以下の通り、研究計画を変更する。対象者は1名とし、踏み込み方を変更するための介入を行う。そして、介入前後の小手打突の評価、踏み込み音、複合音(打突音+踏み込み音)、動作について検討する。なお、小手打突を評価する者は剣道高段者とする。本計画3は、計画1(踏み込み音は複合音に影響を及ぼす)と計画2(異なる踏み込み音は打突の評価に影響を及ぼす)の知見を活用する実践事例と考えられ、現場への直接的な還元が期待できる。剣道において打突の評価は、経験を基に、打突を眼で見て、耳で聞き総合的に判断される。気とは発声、剣とは打突、体とは踏み込みとの解釈が一般的で、これらに伴う、動作と音は、打突の評価において重要と考えられよう。しかし、打突動作中に起こる音に関する研究は少なく、特に踏み込み音に関しては明らかになっていない。そこで本研究では、打突評価と「踏み込み音」の特徴を探り、現場に還元できる資料の提示を目指す。これにより、競技者が踏み込み技術を見直す新たなアプローチ方法の提案が可能になると考える。また、踏み込み技術の見直しにより、総合的な打突技術の向上が期待される。平成29年度は、踏み込み音に関する実験を行った。(1)踏み込み音の客観的検知の可能性、(2)打撃音と踏み込み音およびそれらの複合音の相違の2点について実験的に検討した。(1)は大学生剣道競技者1名を対象に、実践現場で見受けられる4種の踏み込み方による音の違いに着目し、200Hzから4900Hzまでの周波数帯域の振幅スペクトル量について検討した。これにより、踏み込み方により踏み込み音の振幅スペクトル量は異なることが明らかとなった。また、踏み込み音の違いは客観的に検知できる可能性が示唆された。(2)は大学生剣道競技者1名を対象に、3種類の対象動作による音の違いに着目し、200Hzから4900Hzまでの周波数帯域の振幅スペクトル量と音の大きさについて検討した。振幅スペクトル量においては、打撃音と踏み込み音は明らかに異なることが示唆された。

また、複合音は打撃音と踏み込み音の両方の影響を受けていることが考えられた。音の大きさにおいては、打撃音と踏み込み音では明らかに異なることが示唆された。また、複合音は踏み込み音の影響を受けている可能性が推察された。平成29年度は、計画1として大学生剣道競技者1名を対象に実験を実施し、順調に進み終了した。また、剣道の打突評価には打突音が不可欠であることから、打撃音と踏み込み音およびそれらの複合音に関する実験を追加し実施した。結果は上述にもあるように、踏み込み方により踏み込み音の振幅スペクトル量は異なり、踏み込み音の違いは客観的に検知できる可能性が示唆された。また、打撃音と踏み込み音は異なることが示唆され、複合音との関係性も窺えた。これらの結果は、踏み込み音の研究を進めるにあたり、基礎的な資料として今後活用する。また、打突の評価との関係性は不明だが、競技者が踏み込み技術を見直す資料としての活用も可能と考える。剣道において打突に伴う動作と音は、打突の評価において重要である。しかし、音に関する知見は少なく、特に踏み込み音に関しては十分明らかではない。そこで、本研究では、打突評価と「踏み込み音」の特徴を探り、現場に還元できる資料の提示を目指す。これにより、競技者が踏み込み技術を見直す新たなアプローチ方法の提案が可能になり、総合的な打突技術の向上が期待される。平成30年度は、打突動作に伴って発生する音に関する実験を行なった。(1)打突音と踏み込みおよびそれらの複合音の特性、(2)踏み込み音の違いが打突における冴えや強度の評価に及ぼす影響の2点について検討した。(1)は大学女子剣道競技者6名を対象に、3種類の対象動作により、打突音と踏み込み音が複合音(打突音+踏み込み音)に与える影響を検討した。なお、平成29年度で実験的に調査した方法を基に対象者を増やし実施した。これにより、打突音は踏み込み音と複合音より音が弱いことが明らかとなった。また、打突音と踏み込み音および複合音では、構成する周波数帯の振幅スペクトル量が異なることが示唆された。一方で、踏み込み音と複合音は構成する周波数帯も音の強さも異ならないことが明らかとなった。以上のことから、複合音を構成する音は、踏み込み音の影響を受けるとの知見が得られた。(2)は、剣道における踏み込み音の違いが打突の冴えや強度の評価に及ぼす影響を検討した。そのために、映像資料を作成し、剣道の高段者21名を対象に一対比較法による評価テストを実施した。これにより、異なる踏み込み方による音の違いおよびその音量は、冴えや強度の評価に影響を及ぼすことが明らかとなった。以上のことから、打突の冴えや強度の聴覚的な判断において、打突音に踏み込み音が加わることで、良い評価を受け、その踏み込み音は、足裏全体で床に接地する踏み込み方による音が好ましいとの知見が得られた。平成29年度は、計画1として、大学生剣道競技者1名を対象に、打突音や踏み込み音およびそれらの複合音(打突音+踏み込み音)に関する実験を実施した。平成30年度は、計画2として、打突の評価と踏み込み音の関係性を検討するための実験を実施した。この実験は、映像資料を用いて剣道の高段者21名を対象に一対比較法による評価テストを行うものであった。結果は、上述の通り、異なる踏み込み方による音の違いおよびその音量は、冴えや強度の評価に影響を及ぼすことが明らかとなった。
フーリエ領域結像法による超音波3次元映像

従来の超音波断層法の分解能を上げ、高品質な映像を実現するために、映像系を逆回折問題と見なし、ほぼ厳密な解を求め、それを映像化することを考えた。一般には、このようにすると、多重積分を数値的に計算することになり、実用的な時間の範囲以内で映像を得ることが困難になる。しかしながら、単にボルン近似を仮定するだけで、解が空間的なフーリエ変換と逆変換とで求められることを示すことができた。すなわち、数値計算の問題としては、高速フーリエ変換(FFT)を用いて、きわめて高速な処理が可能な方法を導くことができた。この理論の妥当性を数値シミュレーションと簡単な水槽実験とで確かめ、結果を昭和60年10月に米国サンフランシスコで開催された国際会議Ultrasonic Symposiumとその直後、東京で行われた超音波エレクトロニクスの基礎と応用に関するシンポジウムとで発表した。その後、実験装置を整備し、金属ブロックにあけられた穴を対象とする実験を行った。映像はオシロスコープのブラウン管を利用して表示できるようになった。この結果は、昭和61年4月に東京で開催された国際会議International Conference of Acoustics,Speech,and Signal Processingとその直後、やはり東京で開催された超音波研究会ではっぴょうした。副次的な成果ではあるが、実験に際して、FFTの効率をさらに向上させる必要を痛感し、Pruned FFTを思いついた。また、実験装置における、超音波振動子の走査機構の微少な変動が問題になることから、その測定法を考え、実行した。これらは2編のshort paperとしてIEEEのTransaction ASSPの1986年8月号にどちらも掲載された。しかし、金属と外界との境界における超音波のモード変換や漏洩表面波の問題は今後の課題として残されている。
2電極DFBレ-ザ-を用いた双安定波長スイッチングデバイスと超高速光-光スイッチングシステムの応用に関する研究

本研究者らは、波長領域での新機能素子の実現と超高速光-光スイッチングシステムへの応用を目的に、2電極DFBレ-ザを用いた双安定波長スイッチングデバイスを提案し、その基本特性ならびに応用の可能性を実験的・理論的に検討した。その主な成果は次の通りである。1.波長双安定性の実験的・理論的解明:強く不均一に励起した2電極DFBレ-ザにおいて、波長間隔約2nm、相互抑圧比30dB以上の波長双安定特性が得られることを初めて示し、共振器内の光強度の不均一性に伴う空間的ホ-ルバ-ニング及び利得飽和によって生じること実験的に明らかにした。これらの実験結果を理論的に明らかにするため、空間的ホ-ルバ-ニングと利得飽和を考慮した理論を結合モ-ド方程式及びレ-ト方程式に基づいて定式化し、2電極DFBレ-ザの一般的解析手法を確立した。解析の結果、波長双安定性が空間的ホ-ルバ-ニングと利得飽和によって生じることが定量的に裏付けられた。また、波長双安定性は共振器内の光強度分布、キャリア密度分布の双安定性とも結びついていることを明らかにした。2.双安定波長スイッチング動作の高速性の検証と応用可能性:波長双安定性は、波長変化に際して大きなキャリア密度変動を伴わないため、高速動作が期待できる。波長双安定性のダイナミクスを高速電流パルスの注入により調べた結果、2波長間のスイッチングにおいて200ピコ秒以下の応答速度を得るとともに、更に高速化の余地があることを示した。また、実用上重要な繰り返し周波数として1GHzを達成し、波長スイッチング動作の高速性を実証した。これにより、利得飽和を利用した超高速光-光スイッチングシステムへの応用の可能性が具体的に明らかとなった。
強誘電性液晶における分子間相互作用の解明

強誘電徳液晶における分子間相互作用を分子レベルで解明するために結晶構造と液晶挙動の関連を見いだし,結晶構造に反映した分子間相互作用が液晶挙動(相系列,各相の構造)をどのように規定しているか,以下のように明らかにした。1)4'ーヘキシルオキシー4ービフェニリルpー[2ーメチルブチル〕ベンゾエ-トの2つの結晶多形が,それぞれ異る液晶相(Sm^*C,Sm^*J)に関連づけられることを明らかにし,その構造を解析した。その結果,前者では,隣接分子間のフェニル基が60°程度の角度をなしてジグザグに配列しているのに対し,後者では,平行に近い配列であって長軸まわりの分子回転が著しく阻害される構造であることを明らかにした。2)1)を含め,これまで解析した2ーメチルブチル基を不斉部とするビフェニルエステルの3つの異性体系列の結晶構造を比較検討することにより,各結晶構造は,それぞれの液晶挙動とよい相関をもつこと,かつ各結晶構造は,簡単な分子構造パラメ-タ-(極性基にはさまれたコア部分の長さ)によって規定されていることを見いだした。3)1ーメチルヘプチルオキシ基を不斉部とするビフェニルエステルの2つの異性体について結晶構造解析を行い,この場合も結晶構造と液晶挙動はきわめてよい関連があり,かつ,各結晶構造は,極性基によってはさまれた部分の長さによって規定されることを明らかにした。4)窒素原子の位置が1つずれただけで全く異る液晶挙動をとることが知られているピリジン系化合物の2つの異性体について,単結晶を作成し,反射強度を測定した。現在解析中である。現在解析中である。