hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
次世代光ファイバ評価のための超高時間分解能光サンプリング技術の研究

線形サンプリング法をベースに、2台の独立に発振するパルスレーザを信号パルス、ローカルパルスとして用いることにより、高時間分解能かつ高感度性を有するファイバインパルス応答測定技術を開発した。これを用いて、ピコ秒レベルの時間分解能と7080dB以上のダイナミックレンジでモード多重伝送用光ファイバのインパルス応答測定が可能となる。本技術は、敷設した光ファイバにも適用可能で、上記に述べた時間分解能とダイナミックレンジを備えるインパルス応答測定技術としては、他に例を見ないものである。現在開発が進んでいる数モード光ファイバ(FMF)のインパルス応答測定法として、(a)ピコ秒サブピコ秒の時間分解能を持つこと、(b)広範囲の距離レンジを持つこと、を従来にない特徴として持ち合わせる測定器の実現を目標に、計画時には、位相補正を行う2レーザ線形サンプリング法を提案し、その有効性を指摘した。本計画に基づいて当該年度には次の検討を行った。(1)使用する2つのパルスレーザ間の位相揺らぎ(コヒーレンス)の見積もり:2つのパルスレーザ間の位相揺らぎ検出法について実験的検討を進め、パルスレーザ間の位相変化の検出法の原理確認に成功した。これによって、現在パルス光源として使用しているパッシブモードロックレーザのコヒーレンス度は、スペクトル線幅に換算しておよそ1kHz程度であり、パルス間の干渉信号を測定するための優れたコヒーレンス度を持っていることを確認した。(2)位相雑音補正機能をもつ線形サンプリング法の原理確認:前項で検討したレーザ間の位相揺らぎ検出法をベースとして、観測されたインパルス応答波形に対して位相雑音補正を行う実験を行い、提案原理に基づき位相雑音補正が可能であることを確認した。これにより、光ファイバからのインパルス応答の電界振幅波形(強度と位相を含む波形)が正確に取得できることを確認できた。(3)時間分解能、測定距離の可変性の確認:上記の検討の中で、インパルス応答波形が10ps程度の時間分解能で測定可能であること、また、数十kmまでの任意のファイバ長に対応が可能であることを示した。これら(1)(3)は、計画時の構想が少なくとも原理的な構想において妥当であったことを意味するものであり、今後、測定器の測定精度化、必要とする測定時間・SN比の検討を進め、提案方式の適用領域の明確化を図る。計画時に提案した2つのパルスレーザ間の位相揺らぎ検出法について概ね予想通りの動作が確認できていること、および、線形サンプリング法によるインパルス応答波形の高時間分解能測定の目途がついたこと、により、計画時に示した構想の有望性が実証できていると考えられるため。昨年度までに、本研究企画で提案した位相雑音補正線形サンプリング法において、ピコ秒レベルの時間分解能を有する光ファイバのインパルス応答測定が可能であることを実証した。それに続いて今期では、位相雑音補正によって得られた振幅波形を多数回平均することによりダイナミックレンジを大幅に改善する手法を開発し、ピコ秒時間分解能と7080dBのダイナミックレンジを合わせもつインパルス応答測定が可能であることを実証した。この性能は、従来報告されていたFMCWベースのインパルス応答測定法と同等レベルであり、参照経路を必要とせず被測定光ファイバの長さの制約なく適用可能なインパルス応答測定法としては、筆者の知る限り初めての成果であると考えられる。また、開発したピコ秒時間分解能・高ダイナミックレンジインパルス応答測定器を適用して、マルチモードファイバ、およびマルチコアファイバのインパルス応答測定を行った。これらのファイバにおいて、主信号に対して数十dB以上小さいモード間結合の検出や、サブピコ秒以下の精度での群遅延時間差(DMD)の測定が可能であることを実証した。加えて、マルチコアファイバにおけるDMDの曲げ半径への依存性の検討に着手しており、そのDMDが曲げ半径やファイバの収容状態に対して非常に敏感に依存する傾向を定性的にではあるが解明しつつある。これは、高速性と高感度性を併せ持つ測定器によって初めて解明された知見である。これらの成果は、空間多重光伝送技術を実現する次世代光ファイバを評価するうえで極めて有用と考えられる。これらの成果は、2件の査読つき国際義会議発表、1件の国内学会招待講演を含む学術発表により国内外に発信を行っている。また、海外の査読付き論文誌への投稿を行っている。研究実績の概要でのべたように、ピコ秒レベルの時間分解能とでの光ファイバのインパルス応答測定が可能であることを実証しつつ、振幅波形を多数回平均することによりダイナミックレンジを大幅に改善する手法を開発し、ピコ秒時間分解能と7080dBのダイナミックレンジをもつインパルス応答測定施術を実現した。特に計画時には明確な目標とはしていなかったダイナミックレンジについて、7080dBという高いレベルを達成し、これによって数モード光ファイバ、マルチコアファイバにおける極めて小さいモード間結合を検出することができた。これらの点を鑑み、当初計画以上の進捗であると判断した。近年開発されつつあるマルチモード/マルチコアファイバ(MMF/MCF)伝送路においては、インパルス応答(短パルスを入力した場合のモードや波長の違いによる群遅延時間差)の把握が特に重要である。

特に、受信方式の主流となりつつあるデジタルコヒーレント方式では、群遅延時間差を可能な限り小さく抑えることが要求され、広い波長範囲で1kmあたり100ピコ秒以下(特定の波長近傍ではほぼ0)という小さなモード間群遅延時間差(DMD)を持つ光ファイバが開発されている。このような低DMD光ファイバのインパルス応答測定のためには、psレベルの時間分解能と、高い感度(広いダイナミックレンジ)に加え、短尺から数十kmまでの長尺にわたるデバイス長に対応するための測定距離レンジが必要となるが、このような条件をそろえた測定技術は実現されていない。本研究では、線形サンプリング法と呼ばれる方式をベースとし、2つの短パルスレーザ間の位相揺らぎを補正する独自の手法を開発することにより、繰り返し測定による振幅平均を可能とすることで、psレベルの分解能と数十dB以上のダイナミックレンジを合わせもち、数十kmまでの測定距離に対応可能な院パルス応答測定技術を初めて実現した。本方式を利用して、2モード光ファイバのモード間結合をps時間分解能、80dB以上のダイナミックレンジで測定可能であることを実証するとともに、モード合分波器のモード間クロストークの評価にも応用できることを確認した。本成果は、次世代光ファイバ伝送路の評価技術として有望なばかりでなく、光ファイバ内のモード間結合スペクトルの測定を利用した新しい光ファイバセンシング方式の実現に寄与できる可能性もあり、今後の検討課題とする。線形サンプリング法をベースに、2台の独立に発振するパルスレーザを信号パルス、ローカルパルスとして用いることにより、高時間分解能かつ高感度性を有するファイバインパルス応答測定技術を開発した。これを用いて、ピコ秒レベルの時間分解能と7080dB以上のダイナミックレンジでモード多重伝送用光ファイバのインパルス応答測定が可能となる。本技術は、敷設した光ファイバにも適用可能で、上記に述べた時間分解能とダイナミックレンジを備えるインパルス応答測定技術としては、他に例を見ないものである。上記に示すように、本研究は当該年度においては一応の進展を得ることができ、継続してさらに発展的な検討段階へと進むことができると考える。同時に、成果を学会等で発表・議論する中では、本研究への賛辞が寄せられるとともに、伝送路の評価時には時間分解能だけでなく、計画時にははっきりとは目標化しなかったダイナミックレンジ(測定感度)に対する検討の必要性の指摘もあった。このような指摘にも対応するため、計画時の目標に加えて、数十dB以上のダイナミックレンジを実現することを目標に加え、測定器の感度の拡大を実現できる手法についても検討を行う。また計画時に予定した、パルス光が伝搬するときに生じる非線形効果や、波長分散、偏波モード分散などにより生じる測定への影響についての検討を行う。今期までに開発したインパルス応答測定技術をベースとして、次のような視点からさらなる検討を進める。(1)さらなる高時間分解能化、広帯域化を実現するための検討を進める。このために、現在は10ps程度であるパルス幅を、現状設備における限界である1ps程度にまで小さくし、その際に生じる問題点を明らかにする。
触覚型プローブによる顕微インデンテーション計測システムに関する研究

ミクロ・ナノ領域における力学物性の定量評価を実現するため、圧子と試験体表面との接触で発生する圧子背面変位分布(Back-face Displacement Profile, BDP)を利用する新しい触覚型圧子に関する技術を開発した。有限要素法解析及びモデル実験により、圧子圧入過程の圧子背面変位分布がナノ領域における触覚パラメータとして有用であることを明らかにし、走査型プローブ顕微鏡を活用した新しいナノ顕微インデンテーション計測システムの重要な技術要素となる多機能型圧子に関する重要な基礎的知見を得た。本研究は、押し込み試験用微小圧子に計測機能を付与した新しい多機能型圧子(触覚プローブ)を開発することにより、従来の押し込み深さ計測式インデンテーション法における致命的な課題である接触面積問題の解決を図ることを目的としている。多機能型圧子は新しい概念であり、顕微インデンター用透明圧子として優位性や有用性を既に実証してきた。具体的には、ダイヤモンドが有する機械的特性(高剛性、耐摩耗性)と光学的特性(透光性)とを協働させ、接触面積を光学的に定量計測する技術を確立してきた。しかしながら、可視光による顕微方式には測長限界がミクロ領域であるという課題が残されている。そこで、多機能型圧子の新たな原理としてヒトの指の触覚機能を模倣した触覚プローブの開発を目指している。昨年度までに、触覚プローブを試験体表面に接触させた際の背面変位分布(BDP: Back-face Displacement Profile)が触覚センサの機能を発現することを見出している。今年度は、プローブ形状として中実な半球体および円錐体に焦点を当て、有限要素法(大規模構造解析ソルバ(FrotISTR))を用いた静的非線形解析により、触覚プローブとして充分な感度を示す形状を探索した。中実な半球体(または円錐体)の背面は試験体表面と平行であるため、変位分布を計測する走査型プローブ顕微鏡のプローブとのカップリングが容易であると期待される。基本となる半球体(または円錐体)の半径を一定値(5ミクロン)とした条件下で、高さや試験体との弾性率比を変化させてプローブ背面に発生する応力・歪み、変位分布(BDP)を有限要素法により解析した。その結果、中空な球殻構造体(シェル)の場合と同様、背面変位分布は試験体の力学特性に敏感であることが明らかとなり、中実体平面の背面変位分布が接触に対する触覚パラメータとして有用であることが確認できた。昨年度までに有用性を明らかにしてきた球殻構造体(シェル)による多機能型圧子(触覚型プローブ)の結果をもとに、今年度は背面に平坦な面を持つ中実な半球体(または円錐体)を圧子とした場合の定量性を検討した。これは、走査型プローブ顕微鏡とのカップリングの容易性や操作性を考慮すると中空な球殻構造体(シェル)よりも中実圧子の方が触覚型プローブの候補として優位性および実用性が高いと考えられたためである。このため、DLC球殻(ダイヤモンド・ライク・カーボン・シェル)による触覚型プローブをモデル的に作製する予定であった今年度の当初計画を変更し、中実な平凸レンズ状圧子およびコーン状圧子を対象とした有限要素解析に注力するよう方針転換した。背面に発生する応力・歪み、変位分布(BDP)などを有限要素法により数値解析した結果、中実な球面圧子や円錐圧子であっても球殻と同様、背面変位分布は試験体の力学特性に敏感なパラメータとして定量性を有することを明らかにした。従来の計装化インデンテーション法は試料表面と圧子との接触面積を直接計測することができないため、多くの仮定を含む弾性解析式を用いて実測可能な押し込み深さから近似的に接触面積を演算してきた。しかしながら、弾性解析式は圧子押し込みの際に発生するパイルアップ(盛り上がり表面変形)に対応できないため解析結果には大きな誤差が含まれる。一方、顕微インデンテーション法はダイヤモンド圧子が有する光透過性を活用し接触面積を光学的にその場計測できるため、パイルアップ等が発生する材料系においても厳密な定量ができる。ただし、光の波長が測長分解能を決定するため、評価対象がミクロ領域以上に限定されるという課題が残されている。本研究はこれまで剛体として扱われてきた圧子に計測機能を持たせた多機能型圧子(プローブ)を新たに開発することにより、この問題を克服することを目的としている。本年度は開発全体の最初期段階にあたり、有限要素法(FEM)を用いた数値シミュレーションにより研究目的に適したプローブを効率良く探索することを目指した。プローブの表面形状としては球面を持つ鈍角型圧子と円錐形の鋭角型圧子を選択し、様々な形状・比率のプローブをCAD(NetGen)を用いてモデル化した。接触の解析は大規模有限要素法構造解析ソルバ(FrotISTR)により静的非線形解析を実行した。数値シミュレーションの結果はポストプロセッサ(ParaView)により数値化し各種特性値の分布を得た。

プローブを試料表面に接触させると試料表面が弾塑性変形すると同時にプローブ自体も弾性変形すること、さらに、プローブの背面変形分布(BDP: Back-face Displacement Profile)は試料特性を反映していることなどを見出した。この結果は、試料の力学特性を接触状態にあるプローブの変形挙動を通してその場計測可能なことを示している。有限要素法を用いた数値シミュレーションによりプローブ自体が弾性変形する挙動のうち背面変形分布(BDP: Back-face Displacement Profile)は接触の負荷除荷過程のその場計測が可能なパラメータであること、さらに、接触の相手である試料表面の力学特性を転写していることを見出した。従来の光学式顕微インデンテーション法よりも極微小領域における力学特性をその場評価できる可能性のあることを理論的に示すことはできた。しかし、プローブを計測精度の高い形状に最適設計するところまでは至らなかった。押し込み試験用微小圧子に計測機能を付与した新しい多機能型圧子(触覚プローブ)を開発することにより、従来の押し込み深さ計測式インデンテーション法における致命的な問題である接触面積問題の解決を試みた。多機能型圧子は新しい概念であり、ダイヤモンド・サファイア等の単結晶セラミックスが有する機械的特性(高剛性、耐摩耗性)と光学的特性(透光性)とを協働させ、接触面積を光学的に定量計測する技術を確立し、力学物性評価法としての優位性・有用性を実証してきた。しかしながら、可視光による面積計測には測長限界がミクロ領域であるという課題が残されている。そこで、多機能型圧子の新たな原理としてヒトの指の触覚機能を模倣した触覚プローブの開発を目指した。触覚プローブと試験体表面との接触で発生する背面変位分布(BDP: Back-face Displacement Profile)がセンサ機能として有用であることを見出した。有限要素法(大規模構造解析ソルバ(FrotISTR))を用いた数値解析(静的非線形解析)により、中実な半球体および円錐体をプローブとした場合を検証した。基本となる半球体(または円錐体)の半径を一定値とした条件下で、高さや試験体との弾性率比を変化させてプローブ背面に発生する応力・歪み、変位分布を数値解析し、中空な球殻構造体の場合と同様、背面変位分布は試験体の力学特性に敏感であること、すなわち、背面変位分布が触覚パラメータとして有用であることを明らかにした。さらに、弾性基板上に形成した中実な突起物(球面)をプローブとしたミクロ領域でのモデル実験を実施した。弾性率を異にする各種モデル材表面に接触させた背面変位分布を高精度レーザ変位計(最小表示:10nm)によりスキャンすることで背面変位分布を精密に計測した。このモデル実験により、球面中実プローブが触覚機能を発現することを実験的に検証できた。材料工学中実な突起物を触覚型プローブとした際の機能や精度等を実験的に検証するため、先ず、共焦点型レーザー顕微鏡を用いたミクロ領域におけるモデル実験を行う。そのために中実型触覚型プローブのプロトタイプを、構成素材として加工が容易なガラスを用いて作製する。機械的特性が既知であるモデル材との接触試験をレーザー顕微鏡の対物レンズ下で行い、ミクロ領域での背面変位分布
筋収縮時のクロスブリッジ構造変化の総合的研究

本研究班の目的は我国に於ける筋収縮の分子的機構の研究を振興するため我国の代表的な研究者間の研究領域、実験的アプローチの方法、実験技術についての相互理解を深め、また昭和63年度発足予定の重点領域研究申請の準備活動を行うことであった。この目的達成のため合計4回にわたって班会議が開催され、以下に要約するように多大の成果をあげることができた。1.第1回班会議(於箱根、10月27日)この会議は研究代表者が開催した筋収縮の分子的機構に関する国際シンポジウムに先立って行われたもので、研究分担者の間で研究領域、研究法等が討議され互に理解を深めた。また、つづいて行われた国際シンポジウムに大部分の班員が参加した。2.第2回班会議(於東京、11月26日)この会議は前述の国際シンポジウムの總括と、ここで得られた成果を基にして重点領域研究のための研組織形成が論議された。3.第3回班会議(於箱根、1月2931日)この会議は筋収縮研究の將来の方策と展望についてより広い視野を得るため、筋収縮と生体膜のX線回折に関する綜合研究(A)班(研究代表者、三井利夫)と合同班会議の形式でおこなった。十分な時間をとって討論が行われ、とくに筋収縮の関連領域である細胞運動研究者の実験手法が筋収縮のそれと比較対照され有益であった。4.第4回班会議(於東京、2月26日)この会議はこれまで準備を重ねて来た重点領域研究申請書案を討議し最終案を作成するため行われた。この結果作成された申請書はすでに文部省に提出した。5.以上述べたような本研究班の活動は、「筋収縮の分子的機構研究推進のための準備活動報告」と題して報告書として刊行された。
小ループS-S結合の役割・果して球状タンパク質リフォールディングの芯となりえるか

本研究の目的は、小ループS-S結合がタンパク質の酸化的refoldingに対しどのような働きをするかを明らかにすることである。研究対象として2つの小ループS-S結合をもつrecombinant human interleukin 6(rhIL-6)を取り上げ、種々の溶液中で全還元体を酸化することにより、酸化の際の構造形成の程度と正しい組み合わせのS-S結合が形成される割合との関係を調べた。rhIL-6は高濃度の変性剤中、random coil状態で酸化してもほとんどは正常な組み合わせのS-S結合が形成される。しかし、どうしても反応の選択率が悪くなり、僅かに生じる複雑な副生成物が問題となる。一方、まず高次構造形成させてから酸化する方法では、反応の選択率は良くなるがタンパク質濃度が高くなるとaggregatesが生成してしまう。したがって、収率よくrefoldingを行うためにはaggregationを抑制する工夫が必要となった。rhIL-6の場合、複数の試薬を組み合わせるrefolding手法が効果的で、1M ureaに1M LiClを組み合わせた溶液を用いることで、0.5mg/mlのタンパク質濃度でも収率を約90%まで上げることに成功した。しかし、一般にはそれぞれのタンパク質に最適なrefolding溶液の設計が必要であり、これが困難になる場合も考えられる。以上のように2つの方法それぞれに長所・短所があるが、変性剤中で酸化しても高収率をあげられるということは小ループS-S結合を持たない他のタンパク質にはない特徴であり、それによりrefolding操作が大幅に単純化されるため工業的には非常に有効な手法と言える。また、小ループS-S結合でもその形成によりrhIL-6の構造安定性を高め、refoldingも容易になる効果があることから、変性剤中で形成可能な小ループS-S結合をrefolding困難なタンパク質に新たに導入することにより、そのrefolding収率を高める手法の有効性が示唆された。組換えDNA法でタンパク質を大量生産するとき、製品が不活性な沈殿となって得られることが多い。そこで、これを一旦Guanidinium chloraide(GdmC1)でRandom coil状態とし、refoldする工程が必要となる。Refolding工程における技術的急所はタンパク質がaggregateして再び沈殿に戻るのを阻止するところにある。溶液中のタンパク質の濃度が高いと特にAggregatesが出やすい。一般に、タンパク質がその構造内にS-S結合を持つときにはRandom coil状態ではなく正しい3D構造にrefoldしてから近くに位置した2つのCysteinを酸化してS-S結合を形成するのが良い。このことはLysozymeなどで確認してある。しかし、いくつかの小ループS-S結合を構造内にもつCytokines等のタンパク質では、Random coil状態で酸化して、そのあとでrefoldする方法が良いことがある。それはS-S結合が小ループであるために、衝突頻度の関係からRandom coil状態で酸化しても正しいS-S結合を生成する率が高く、しかもS-S結合が形成されてからのRefoldingは全還元状態でのRefoldingに比べてAggregatesを生成しにくいからである。その結果溶液中のタンパク質濃度を高めることができ、工業的に能率がよい。しかし、この方法の欠点はタンパク質がmisfoldしてできた不純物の混在をさけられず、その分離を必要とすることである。出来るならばRefolding溶液を工夫して、タンパク質の正しい形をつくってからS-S結合を形成したい。Aggregatesを生成しないLoosefolding状態で正しいかたちに誘導しRelaxed native structureにもって行ければ、不純物を少なくして正しいRefoldingを達成できる。この両方法を定量的に比較することを目標として仕事は予定通り進行している。

ただし、使用したタンパク質は研究計画・方法の項に記したG-CSFやProinsulin等でなく、G-CSFと同じく分子内に2つのS-S小ループを有し、純度の高いヒトInterleukin-6(IL-6)に変更した。この点を付記し、以上をもって報告とする。分子内にS-S結合小ループをもつ球状タンパク質として封入体から高純度で得られるヒトInterleukin-6(rhIL-6)を採用し、このS-S結合を全還元し6M guanidinium chloride(GdmCl)に溶解させ表題の目的を明らかにするため、次の2通りの方法でrefoldingさせた。(1)6M GdmCl中で空気酸化させた後10倍希釈(2)まず10倍希釈し、0.6M GdmCl中でタンパク質の高次構造をある程度形成させた後に空気酸化。いずれの場合も10倍希釈した時点でのタンパク質濃度は0.5mg/mlである。(1)の方法ではaggregatesは生ぜず正しいS-S結合をした酸化体の収率は約85%であることをRP-HPLCで定量した。残り約15%は分子間S-S結合によるdimerかtrimerと考えられた。この方法によった場合0.05から1mg/mlのタンパク質濃度範囲では結果に大差はなかった。これに対し(2)の方法によれば溶液部分での正しい酸化体の選択率は90%を越えるが、同時に30%程度のaggregatesが生じており全体としての収率は65%程度となり(1)の場合より低かった。タンパク質濃度が高くなると、さらにこの傾向が強くなった。こうした結果から6M GdmCl中での酸化方法がタンパク質濃度を高くして操作しても収率が良好なことから、工業的には有利である。上述のGdmClのみによる最適化ではなく、複数の試薬の様々な濃度の組み合わせによるmediaを調製して酸化敵refoldingの高収率で得られる条件を探索した。その結果、1M Urea+1M LiClの組み合わせ溶液ではaggregatesもなく収率90%以上を得た。また、60(w/v)% Ethylene glycol+1M LiClの系では分子間S-S結合による2量体が顕著に生成することがわかった。今後各種mediaの開発、設計とともにタンパク質濃度依存性とrefolding後のS-S結合位置を調査する予定である。これまでの研究において、小ループS-S結合を持つrhIL-6はrandom coil状態で酸化しても高収率に正しい酸化体が得られるが、複雑な副生成物が問題になること、高次構造形成後の酸化では反応の選択率は良くなるが、タンパク質濃度が高くなるとaggregatesが生成してしまうことを明らかにしてきた。
熟練教師の授業認知を追体験しながら学ぶVRコンテンツの開発

熟練教師の授業認知の過程を仮想現実(VR)上で追体験し,効果的に学ぶことが可能なコンテンツの作成を目的とする。様々な教員に360°カメラを用いて授業の様子を撮影した映像を見せ,考えたことや感じたことを語ってもらうことで授業認知の詳細を明らかにする。その知見を元にして,仮想空間上で熟練教師の視点の動きや,解釈の過程などを追体験しながら学ぶことが可能なコンテンツを開発する。
近世地図作製家森幸安『日本志』の体系化と教育的活用方法をめぐる研究

研究目的:118世紀地図学者森幸安の地図を体系化するために、内容の実証性について考察する。これにより、近世地図史上の位置づけを先学よりも明確に示すことができる。2学校現場で当該地図を使用することにより、資料を通して歴史の考察・分析・資料批判・説明・表現などの歴史地理教育に資する。研究方法:1(1)幸安の残した地図(地誌)情報と他の史資料との比較検討を行う。(2)刊行されている書誌目録の悉皆調査を行い、未発見地図を発掘する。(3)研究の進展を図るため、地図作製の前提となっている地誌情報を系統的にデータとして保存する。2日本史の教科書や資料集の情報と幸安地図に登場する情報で重なる部分を見つけ、授業の中で使用できるように教材研究をする。研究成果:1(1)洛中地図の情報は、一次史料として位置づけられている情報を多分に反映しており、幸安は極力最新の成果を載せようと努力していたこと、先学の地誌研究者にはない情報を載せることで独自の実証的な見解を示そうとしていたことがわかった。(2)新出地図4点を得た。とくに地図作製初期段階で空間的な視点を得ていたこと、京都大学による調査で著者不明とされていた地図が森幸安のものであること、弟子の澤田員距と幸安との関連性を確認できる地図を発見することができた。(3)幸安地図の元資料となる幸安著『山州撰』十二冊の索引(事項、引用書目)が完成した。2幸安地図の複製を生徒に見せることで、神仏習合時代の寺社の様子、近世都市構造のあり方、地図文化などについて触れることができ、生徒による歴史資料の考察・分析・解釈や説明・表現を身につける一助となり得た。
生体用ヘテロダイン検出分光画像計測装置の試作研究

1.本研究の目的は、生体用ヘテロダイン検出分光画像計測装置の研究開発に関するものであり、(1)従来の我々が研究を進めて来たヘテロダイン分光画像技術を、更に高い空間分解能を有する技術にすること、(2)測定分光領域の拡大や高ダイナミックレインジのヘテロダイン分光技術の研究開発、(3)生体試料の分光画像測定などの研究開発である。2.(1)まず目的の2番目の高ダイナミックレインジのヘテロダイン分光技術の研究開発を行った。我々が従来提案してきた周波数シフターの動作で周波数シフトを受けた回折光が波長が変化しても常に同方向の光路の光学系では、光学部品の数が多いためロスが大きくダイナミックレインジが小さい。そこで、光学部品の数を減らした変形マッハツェンダー干渉計の構築を行い従来のものより高ダイナミックレインジ分光が実現した。(2)次に、目的の1番目の高空間分解能技術の研究開発に関しては、設計開発した共焦点走査型光学系を試作構築した干渉光学系の光路の中に配置して実験を行った。横分解能は幅400μmの物体のエッジが鋭利に分解出来た。奥行き方向の縦分解は約2mmであった。(3)生体組織の分光学的特性の測定は、改良したヘテロダイン分光技術を用いて、分光に関してはネオジウムガラスの吸収波長と吸収が少ない波長を用いて疑似生体試料、ハム、鶏のささみの分光画像を取得した。疑似生体試料や散乱体である爪、軟体動物、鳥の手羽先の分光画像計測にも成功した。1.本研究の目的は、新規ヘテロダイン分光画像計測法の研究開発に関するものであり、(1)従来のものより高い空間分解能を有するヘテロダイン分光画像技術の研究開発、(2)測定分光領域の拡大や高ダイナミックレインジのヘテロダイン分光技術の研究開発、(3)生体試料の分光画像測定などの研究開発である。2.H14年度は、(1)高空間分解能を有するヘテロダイン分光画像技術の研究開発に関しては、それに用いる共焦点走査型光学系の設計開発を終え、対物レンズや空間フィルターよりなる共焦点光学系から検出系までの最適化を行なっているところであり、まもなく空間分解能の向上が確認出来るところまで来ている。分光に関しては、光源の波長を変化させたときの光学系の調整方法に工夫が必要で、検討中である(2)高ダイナミックレインジのヘテロダイン分光技術の研究開発は、従来我々が提案してきた周波数シフターの動作で周波数シフトを受けた回折光が波長が変化しても常に同方向の光路の光学系では、光学部品の数が多いためイナミックレインジが約60dBと制約を受けるため、光学部品を少なくした新たな光学系に変更して、110dBが得られる高ダイナミックレインジ分光が実現できた。疑似生体試料、散乱体である爪、鶏の手羽先の骨や鳥肉の分光に成功した。(3)生体組織の分光学的特性の測定は、高ダイナミックレインジのヘテロダイン分光技術を用いて、疑似生体試料や植物、軟体動物、鶏の手羽先などの分光画像計測に成功した。2.H15年度は、(1)高空間分解能技術の研究開発に関しては、設計開発した共焦点走査型光学系を干渉光学系の光路の中に配置し、光学系の最適化を行っている。共焦点光学系を配置したものと、配置しない従来の光学系の空間分解能の比較を行っているところまできている。

分光に関しては、可変波長レーザーの波長を変化させたとき出力が変化するため、ヘテロダイン検波出力をレーザーの出力で規格化して、レーザーの波長変化による変動をなくすことを検討中である。(2)高ダイナミックレインジのヘテロダイン分光技術の研究開発は、我々が従来提案してきた周波数シフターの動作で周波数シフトを受けた回折光が波長が変化しても常に同方向の光路の光学系では、光学部品の数が多いためロスが大きくダイナミックレインジが小さい。そこで、光学部品の数を減らした変形マッハツェンダー干渉計を用いて従来のものより高ダイナミックレインジ分光が実現した。(3)生体組織の分光学的特性の測定は、改良したヘテロダイン分光技術を用いて、疑似生体試料や散乱体である爪、軟体動物、鶏の手羽先の分光画像計測に成功している。1.本研究の目的は、生体用ヘテロダイン検出分光画像計測装置の研究開発に関するものであり、(1)従来の我々が研究を進めて来たヘテロダイン分光画像技術を、更に高い空間分解能を有する技術にすること、(2)測定分光領域の拡大や高ダイナミックレインジのヘテロダイン分光技術の研究開発、(3)生体試料の分光画像測定などの研究開発である。2.H16年度は、(1)高空間分解能技術の研究開発に関しては、設計開発した共焦点走査型光学系を干渉光学系の光路の中に配置した実験を行なった。横分解能は幅400μmの物体のエッジが鋭利に分解出来た。縦分解は約2mmであった。分光に関しては、ネオジウムガラスの吸収波長と吸収が少ない波長を用いて疑似生体試料、ハム、鶏のささみの分光画像を取得した。(2)高ダイナミックレインジのヘテロダイン分光技術の研究開発は、周波数シフトを受けた回折光が波長が変化しても常に同方向の光路の光学系では、光学部品の数が多いためロスが大きくダイナミックレインジが小さいため、光学部品の数を減らした変形マッハツェンダー干渉計を用いて従来のものより高ダイナミックレインジ分光が実現した。広い波長域で反射鏡の角度制御は制御が緩やかであった。(3)生体組織の分光学的特性の測定は、昨年に引き続き改良したヘテロダイン分光技術を用いて、疑似生体試料や散乱体である爪、軟体動物、ハム、鶏の手羽先の分光画像計測に成功している。
非天然アミノ酸を有する環状ペプチドライブラリーの開発と応用

研究代表者は、非天然アミノ酸としてリジットな構造を有する分子を骨格に導入することで、天然アミノ酸を望む位置に配置できる環状ペプチドの分子設計を行ない、天然アミノ酸間の協同作用を調節することで機能性ペプチドを開発しようと考えている。本研究では、非天然アミノ酸としてリジットな骨格構造を有するアミノ安息香酸を用い、天然アミノ酸と交互に配列した環状ペプチドを分子設計・合成し、その機能解析を行った。さらに、一定の機能アッセイに対して、どのアミノ酸配列が機能発現に有効であるかを探索する目的から、ペプチドライブラリーの開発を行った。環状ペプチドとして、3-アミノ安息香酸(Aba)とアミノ酸(AA)が交互に配列したCyclo(-AA-Aba-)_n(n=3,4)を合成し、その構造について分子力学(MM)計算を行ったところ、3-アミノ安息香酸の固い構造のために、n=3においては三角形、n=4では正方形の構造をもち、それぞれ中央にキャビティー(空洞)を有することが明らかとなった。またこの構造は比較的リジッドであるために、天然アミノ酸の配列を変化させても骨格構造はほとんど変化しないことが示された。さらに、この環状ペプチドはDMSO溶液中、リン酸モノエステルと強く結合(平衡定数:10^6mol^<-1>dm^3オーダー)することが明らかとなり、この平衡定数は環状ペプチド骨格を構成するアミノ酸数に依存し、ヘキサペプチドが最も強く結合することが示された。この環状ペプチドにおいて、天然アミノ酸としてセリンプロテアーゼの活性部位を構成するセリン・ヒスチジン・アスパルギン酸を有する環状ペプチドを合成したところ、p-ニトロフェニル酢酸に対して加水分解活性がみられ、活性はヘキサペプチドよりオクタペプチドの方が高いことが示された。次に、神経内分泌ホルモンである8-アルギニンバソプレシン(AVP)の受容体アンタゴニスト探索を目的として、上記環状ペプチドのライブラリー化を検討した。方法としては、オキシム樹脂を用いた化学的方法を用いたが、溶解度の差による配列のばらつきが問題となり、ライブラリーの利用までは至らず、ペプチドに導入した際、溶解性が高い非天然アミノ酸の選択について現在検討中である。
シナプス再構成を伴う神経回路網の可塑的変化

上頚神経節(交感神経節)における神経伝達は、コリン作動性の中継伝達であることはすでに確立されている。その中継ニューロンである主細胞の神経突起の全貌を、そのシナプス構成とともに光顕・電顕観察によって明らかにすることで、中継伝達の他に修飾伝達に関わる内在性回路の存在をつきとめた。すなわち、主細胞の樹状突起は、節前線維からの入力を受けるだけでなく、シナプス前要素として近傍の主細胞にシナプス出力していることが確認された。次に、この樹状突起-樹状突起シナプスがアドレナリン性であることを免疫電子顕微鏡法を用いて確認した。このアドレナリン性樹状突起-樹状突起シナプスは、中継伝達であるコリン性神経伝達を修飾する局所神経回路を形成すると解釈できた。電気生理学的には、抑制性シナプス後電位が観察されることを見い出し、α2拮抗薬であるyohimbineでこの電位が抑えられることが確認できた。すなわち、形態学的にもまた薬理生理学的にも交感神経節内に、興奮性中継伝達を修飾する抑制性局所神経回路が存在することを明らかにした。また、これら内在アドレナリン性シナプスは、きわめて可塑性に富んでいる証拠を得て、そのメカニズムの全貌を解明することが重要となってきた。上頸神経節における神経伝達は、コリン作動性の中継伝達であることはすでに確立されている。その中継ニューロンである主細胞の神経突起の全貌を、そのシナプス構成とともに光顕・電顕観察によって明らかにした。すなわち、約10%の主細胞の樹状突起は、節前線維からの入力を受けるだけでなく、シナプス前要素として近傍の主細胞にシナプス出力していることが確認された。電気生理学的には、抑制性シナプス後電位が観察されることを見い出し、α2拮抗薬であるヨヒンビンでこの電位が抑えられることが確認できた。すなわち、形態学的にもまた薬理生理学的にも交感神経節内に抑制性局所神経回路が存在することを明らかにした。そこで、次にこの抑制性樹状突起シナプスの形態的変化の様子をin vitro下で生きたままの状態で経時的に観察する方法を確立し、現在データを集積中である。その中継ニューロンである主細胞の神経突起の全貌を、そのシナプス構成とともに光顕・電顕観察によって明らかにすることで。中継伝達の他に修飾伝達に関わる内在性回路の存在をつきとめた。電気生理学的には、抑制性シナプス後電位が観察されるとことを見い出し、α2拮抗薬であるyohimbineでこの電位が抑えられることが確認できた。上頚神経節(交感神経節)における神経伝達は、リコン作動性の中継伝達であることはすでに確立されている。

このアドレナリン性樹状突起-樹状シナプスは、中継伝達であるシリコン性神経伝達を修飾する局所神経回路を形成すると解釈できた。電気生理学的には、抑制性シナプス後電位が観察されることを見い出し、α2拮抗薬であるyohimbineでこの電位が抑えられることが確認できた。すなわち、形態学的にもまた薬理生理学的にも交感神経節内に、興奮性中継伝達を修飾する抑制性局所神経回路が存在することを明らかにした。また、これら内在アドレナリン性シナプスは、きわめて可塑性に富んでいる証拠を得て、そのメカニズムの全貌を解明することが重要となってきた。
漂砂による砂粒子の摩擦特性と混合砂地盤の形成・土砂収支への影響

(1)混合砂の鉛直分級機構:混合砂に振動流を作用、砂移動を発生させ、その地盤の鉛直方向の粒度分布を調べた。その結果、上層ほどd_<50>が大きく、砂移動が発生する層では細粒子のものは少なく、砂移動が発生しない層の上層に、細粒子のものが多く堆積し、さらに下層では粒度分布に大きな変化はないことが分かった。(2)現地底質堆積特性:石狩川河口沿岸域で2m程度の柱状採泥を6地点で実施し、鉛直粒度分布とコマ中に含まれる貝の年代測定を行い、各地点の1000年スケールの底質堆積速度と底質特性を把握した。堆積速度は、30004000年前が10003000年の約24倍大きく、明治以降最近の90年間の堆積速度は10003000年の約10倍大きいことがわかった。(3)現地土砂収支:石狩川の河口地形変化から最近100年スケールの汀線前進速度を推定した。人為影響がほとんどない明治731年の汀線前進速度は0.83m/年,明治31年昭和12年は、流域開発や河川改修で供給土砂量が増加し、2.6m/年,昭和12年以降は、ダム堆砂・河道浚渫等により供給土砂が減少し、約0.5m/年である。石狩川の既応最大洪水であるS56洪水時には河口付近に270万m^3の土砂がテラス状に堆積し、約15年程度で両沿岸に沿岸漂砂として供給されたこともわかった。〔室内実験〕現有の大型振動流装置を用いて暴浪時の漂砂現象を再現し、漂砂による砂粒子の破砕・摩耗・細粒化特性及び漂砂摩耗で発生する細粒成分による混合砂の鉛直方向粒度分布特性を定量的に明らかにした。実験条件は暴浪時の波による流速として、周期7秒,流速振幅3m/sとし、初年度は中央流径d_<50>=4mmの均一砂を用いて、流れ作用時間延べ2週間実験を行った。測定項目は以下の通りである。(1)3日毎に振動流装置を停止し、砂地盤の柱状採泥(深さ15cm)を実施し、深さ1.5cm毎にスライスし、各々の試料の粒度分布を現有のレーザー回折式粒度分布測定器を用いて解析する。(2)1日毎に振動流作用下で、振動流装置内の水を採水し、そのSSの濃度と粒度分析を調べた。〔現地調査〕石狩海域で、地形変化が少ないと考えられる水深15m以上の6地点において、柱状採泥器を用いて深さ2.0mまで柱状採泥を実施した。この試料を5cm毎にスライスし粒度分析を測定し、鉛直方向粒度分布を定量的に明らかにした、室内実験の鉛直方向粒度分布と比較検討し、混合砂の鉛直分級機構を2種類の粒径を考慮して考察した。また、現地試料には漂砂摩耗により発生した細粒成分と河川から直接流出した細粒成分が存在するので鉛直方向粒度分布への両者の影響を考察した。この際、濁度計(設備備品),流速計,採水器を用いた現地調査を実施し、現地の浮遊砂の粒径,浮遊砂量を把握した。
体性幹細胞とその分泌因子を用いた世界初の糖尿病性神経障害治療法の開発

平成30年度の研究計画は、平成29年度に細胞実験において検証できたヒト乳歯歯髄幹細胞(SHED)の培養上清による神経庇護効果について糖尿病モデル動物を用いて検証することを目的としていた。糖尿病モデル動物としては、糖尿病罹病期間12-16週のSTZ誘発糖尿病マウスを用いた。このSTZ糖尿病誘発マウスは、神経病理や神経機能などにおいて糖尿病性神経障害を呈することがわかっている。このマウスの片足にSHED培養上清を投与し(ヒラメ筋内への筋注)、投与後1か月の時点での神経障害に関する評価を行った。SHED培養上清を投与することにより、糖尿病による触覚機能異常や低下した神経伝導速度は改善した。つまり神経に対する保護効果が示された。また同時に神経への血流について評価したところ、糖尿病状態で低下した毛細血管密度および坐骨神経血流の改善を認めた。SHED培養上清による神経障害の改善効果の一部は、神経への血流改善が関与している可能性も示唆された。以上より、細胞実験で検証されたSHED培養上清の神経庇護効果は、糖尿病モデル動物における神経障害においても検証できていると考えている。上記のように、平成30年度に予定された研究は順調に進んでいると考えている。平成30年度は、平成29年度に示されたSHED培養上清のin vitroでの効果を動物実験で検証することが主要目的で、その結果はある程度示されたものと考えている。平成31年度は、今まで行ってきた細胞実験および動物実験で不足している項目をピックアップし、研究を継続する。特に生化学的あるいは神経の病理学的検討を中心に研究を推進し、論文作成及び完成につなげる。平成29年度の研究計画としては、骨髄由来間葉系幹細胞(BM-MSC)からの分泌因子(CM)による脊髄後根神経節神経細胞(DRG neuron)への庇護効果を検証すること、また庇護効果を認める場合、CM由来分泌タンパクとエクソソームのどちらにその効果があるのかを検討することを計画していた。BM-MSCの選択では、採取が簡便で、神経堤細胞由来で高い再生能力が期待でき、間葉系マーカーと神経幹細胞マーカーを発現していることを特徴としたヒト乳歯歯髄幹細胞(SHED)を用いた。またDRG neuronはC57BL/6Jマウスより初代培養を行うことに成功しており、神経細胞に対する庇護効果は神経突起の伸長により評価できることを確認している。SHED培養上清は限外濾過法を用いて、培養上清分泌蛋白を100kDa以上、20-100kDa、6-20kDa、6kDa以下の4分画に分けて回収した。また超遠心法によってエクソソームを回収した。現時点で得られている結果としては、SHED培養上清の添加によって神経突起の有意な伸長を認めたが、エクソソーム添加では認められなかった。分画ごとの検討では、6kDa以下の蛋白分画において神経突起の有意な伸長を認めている。以上の結果より、SHED培養上清はDRG神経突起伸長作用を有しており、神経に対する庇護作用・再生効果があることが示唆される。分泌因子の検討では、エクソソームは関与しないこと、また6kDa以下の分泌蛋白因子がその効果を有している可能性が示された。上記のように、平成29年度に予定された研究は順調に進んでいると考えている。平成29年度の研究計画においては、幹細胞(今回はヒト乳歯歯髄幹細胞:SHEDを使用)の培養、上清の回収。DRG neuronの初代培養および、SHED上清のneuronへの伸長効果の検証を主要な目的としており、その結果は順調に出ていると判断できる。6kDa以下の分泌蛋白因子が神経突起の伸長効果つまり神経への庇護・再生効果を有していると考えられ、その中でどのタンパクにその効果が強いのかを検証していく予定である。現在、C57BL/6Jマウスへの腹腔内streptozotocin投与による糖尿病モデルマウスの準備ができている。

この糖尿病マウスは経時的に糖尿病性神経障害を呈することが確認されている。今後、SHED上清をこの糖尿病モデルマウスに投与することによる糖尿病性神経障害への効果を、神経機能評価(神経伝導検査や感覚機能検査)および病理学的評価を加えることにより検証する予定である。平成31年度は、今まで行ってきた細胞実験および動物実験で不足している項目をピックアップし、研究を継続する。特に生化学的あるいは神経の病理学的検討を中心に研究を推進し、論文作成及び完成につなげる。
鉄ニクタイド超伝導体におけるディラックコーン状態の磁場中輸送特性の研究

鉄系超伝導体の母物質であるBaFe$_2$As$_2$においては、反強磁性相転移に伴いディラックコーン電子状態が発現することが知られているが、不純物置換を利用したキャリア制御は未解明の点が多い。平成27年度は前年度に引き続き、BaFe$_2$As$_2$へのホールドープ系となり、かつ散乱の効果が弱いと考えられるBaサイトへのK置換に着眼し研究を進めた。しかし、純良単結晶育成の難しさから、詳細な物性測定は行うことが出来ていない現状である。但し、同時に進めていたFeSe単結晶への不純物置換に成功し、電子相図及び超伝導対称性に関する知見を得た。こちらについて以下に示す。FeSeは最も単純な構造を有す鉄系超伝導体であるが、反強磁性相転移を有さないなど、特異な性質を示す。近年では、薄膜化によって超伝導転移温度が鉄系超伝導体では最高となる60Kを超えるという報告もあり、この系の物性解明は鉄系超伝導体全体の理解には不可欠であると考えられる。しかし、近年までは純良な単結晶が得られてこなかったことが原因で、研究が進んでいなかった。我々は平成26年度には、FeSe母物質で軌道秩序の発現とそれに起因する高易動度ディラックコーン電子状態の発現を輸送特性から示唆した。平成27年度は、CoとSを置換した単結晶育成に成功し、電子相図の提案を行った。さらに、残留抵抗を詳細に解析することで、超伝導機構には軌道揺らぎ媒介のs++-波の寄与があることを見出した。平成27年度後半には、FeSeに関して非磁性ネマティック秩序の量子臨界現象に着目した研究を行い、現在論文執筆を進めている。以上の様に、FeSe系について期待以上の成果を得ることができたと言える。27年度が最終年度であるため、記入しない。鉄系超伝導体中におけるディラックコーンへの電荷キャリアドーピングの効果は未だ明らかになっていない。Ba(Fe_{1-x}Mn_xAs)_2において、Mnは局在モーメントを持ち、ホールをドープしないという事が幾つかの先行研究により提唱されてきた。しかし、詳細な磁場中輸送特性を解析する事により、この系の電子状態を再検討した結果、母物質Ba(FeAs)_2では観測されなかった高易動度かつ少数のホールキャリアの存在が示された。この成果については、現在論文を投稿中である。昨年度より研究を開始したBa_{1-x}K_{x}(FeAs)_2はBaに対して1価のホールドープ系であり、またKは非磁性不純物として振る舞う事が期待できる。さらに伝導層であるFeAs面内に対して散乱の効果が少ないと考えられるため、Ba(Fe_{1-x}Mn_xAs)_2よりも、ディラックコーンへのホールドープの影響を研究する上では理想的である。母物質であるBa(FeAs)_2において、ディラックコーンは電子的であることが示唆されており、K置換によってキャリアタイプの反転が期待できる。本研究では、磁場中輸送からBa_{1-x}K_x(FeAs)_2におけるキャリア特性を明らかにすることを目的としている。特にK置換によるディラックコーンへのキャリアドープ効果の解明を目指す。初年度はFeAs及びKAsを用いたセルフフラックス法を用いて、単結晶試料の育成を行った。しかし結晶のサイズ、濃度の均一性共に理想的とは言えないのが現状である。次年度はより高品質な単結晶を育成することを目指す。Ba(Fe_{1-x}Mn_xAs)_2において電子状態に対する新たな知見を得ることに成功した。

Ba_{1-x}K_x(FeAs)_2の単結晶育成は想定以上に困難であることから若干進度が遅れている。一方、思いがけずFeSeに不純物を置換した単結晶育成に成功し、鉄系超伝導メカニズムの解明を目指し研究を行っている。27年度が最終年度であるため、記入しない。Ba_{1-x}K_x(FeAs)_2の単結晶育成は引き続き試行を続ける。また、微小試料に対しても電気輸送特性を測定するため、電子線リソグラフィーの使用も検討している。FeSeに対する不純物置換効果に関しても超伝導対称性の観点から研究を進めていく予定である。
膜性骨化に及ぼす放射線照射の作用に関する研究

成長期の個体に放射線を照射すると骨格の発育成長異常が発生すること、あるいは照射により骨折や関節炎が起こりやすくなることが報告されている。そこで我々は放射線が骨形成やリモデリングを障害する機構を解析するためにマウス頭蓋骨から分離された骨芽細胞様細胞株MC3T3-E1細胞を用いて骨形成に対する放射線の影響を検討した。MC3T3-E1細胞はI型コラーゲン、アルカリホスファターゼ活性(ALPase)活性、オステオカルシンなどの分化形質を発現し、石灰化を誘導する。本研究ではMC3T3-E1細胞の増殖、分化および石灰化に及ぼすX線照射の作用を詳細に検討した。1.1から10GyのX線照射はMC3T3-E1細胞の増殖を線量依存性に抑制し,この作用は分化段階の初期ほど大きかった。2.10GyのX線照射は細胞あたりの石灰化量(カルシウムの蓄積量)増加させた。また、照射群の石灰化物はCa/P比が1.75-2.00であり、正常な骨芽細胞が産生するハイドロキシアパタイトと同一であると考えられた。3.骨芽細胞の石灰化に深く関連する分化形質の発現レベルがX線照射によって変動するかを検討した。細胞あたりのALPase活性は5Gy以上のX線照射によって上昇した。コラーゲン分析の結果、X線照射は細胞一個あたりが産生するI型コラーゲン量を最大で135%上昇させることが判明した。一方、非コラーゲン性蛋白についてはノーザン法を用いて検討した結果、オステオポンチンとオステオネクチンmRNAの発現は照射による影響を受けず、オステオカルシンmRNAの発現レベルは10Gyの照射によって低下することが判明した。成長期の個体に放射線を照射すると骨格の発育成長異常が発生する。我々はこのメカニズムを解析するために以前より膜性骨化をおこすマウス頭蓋骨から分離された骨芽細胞様細胞株MC3T3-E1細胞を用いて膜性骨化に対する放射線の影響を検討している。MC3T3-E1細胞はI型コラーゲン、アルカリホスファターゼ活性(ALPase)、オステオカルシンなどの分化形質を発現し、石灰化を誘導する。そこでX線照射の増殖、分化あるいは石灰化与えるX線照射の影響を検討し、現在までにX線照射はMC3T3-E1細胞の増殖を抑制する一方で、細胞一個あたりのALPase活性と石灰化量を上昇させることが判明している。本年度は以下の研究を行った。1、MC3T3-E1細胞以外の骨芽細胞様細胞株ROS-17/2.8-5細胞や初代骨芽細胞培養系を用いて、1から10GyのX線照射がそれぞれの培養系の分化、石灰化を誘導するか否かを検討した。この結果、これらの細胞でもX線照射は骨芽細胞の分化と石灰化を促進することが確認できた。2、次に、X線照射がMC3T3-E1細胞の石灰化を促進するメカニズムを追及するために照射群の細胞層蛋白を2次元電気泳動に展開してX線照射によって特異的に発現レベルが変化する蛋白の有無を検討しものの、非照射群との間に大きな差は認められなかった。3、さらにALPase活性以外の骨芽細胞細胞の石灰化に関連する因子について分析した。また、非コラーゲン性蛋白についてはノーザン法を用いてオステオネクチンmRNA、オステオポンチンmRNAの発現は照射によって変動しないものの、オステオカルシンmRNAの発現は上昇することを明らかにした。

そこで我々は放射線が骨形成やリモデリングを障害する機構を解析するためにマウス頭蓋骨から分離された骨芽細胞様細胞株MC3T3-E1細胞を用いて骨形成に対する放射線の影響を検討した。MC3T3-E1細胞はI型コラーゲン、アルカリホスファターゼ活性(ALPase活性)、オステオカルシンなどの分化形質を発現し、石灰化を誘導する。昨年度の研究で放射線照射はMC3T3-E1細胞の増殖を抑制するものの、細胞あたりのALPase活性と石灰化を上昇させることが判明した。これらの結果をもとに本年度は以下の研究を行った。1,ALPase活性以外の石灰化誘導に関連する因子、すなわち、I型コラーゲン、オステオポンチン、オステオネクチン、あるいはオステオカルシンの発現レベルの変化を検討した。10GyのX線照射はI型コラーゲンの合成と蓄積を促進したものの、オステオポンチンとオステオネクチンのmRNAの発現レベルには影響を与えず、またオステオカルシンの発現は抑制した。2,放射線照射による細胞周期上のG1期での停止には、p53遺伝子の発現およびp53依存性に発現するp21遺伝子が関与していることが報告されている。一方、正常な筋組織や消化管組織において細胞増殖を終了し最終分化に向かう細胞においてはp53非依存的にp21が発現することが判明している。そこで、X線照射後のMC3T3-E1細胞の分化がp53依存的なp21の発現により制御されているかを検証するために、照射後のp53あるいはp21蛋白あるいはmRNAの発現レベルの変動を追跡した。10GyのX線照射はp53およびp21の発現に影響を与えなかった。