hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
MRスペクトロスコピ-による放射線治療効果の予測に関する研究

1.マウス移植腫瘍における^<31>PーMRSマウスの大腿部皮下に移植した腫瘍^<31>PーMRSをJEOL製JNMーGX270(静磁場強度6.3T)により測定したところ、スペクトルの各種ピ-クの信号強度比及びpHiは腫瘍体積と密接に関係することが判明した。そこで体積がほぼ一定の移植腫瘍に放射線を照射し、照射後腫瘍体積に変化の少ない時点で^<31>PーMRSを測定した。その結果、(1)20Gy以上の照射群では、照射直後にNTPの著明な減少が一過性に見られるが、この現象と腫瘍増殖抑制効果との間には明らかな関連は認められない。(2)線量が多くなるにつれて照射後のPi/PMEの経時的変化が大きくなる傾向が見られた。(3)照射後1日目から2日目にけてのpHi、Pi/βーNTPおよびPME/βーNTPの各パラメ-タ-の変化は、照射効果を予測する指標になりうると考えられた。(4)これらの^<31>PーMRSのパラメ-タ-の変化は治療後5日目のDNAヒストグラムにおけるG2+M期集積の程度に対応し、また病理学的な壊死や変性の程度とも関連することが判明した。2.ヒトの表在性腫瘍における^<31>PーMRSヒトの表在性悪性腫瘍の^<31>PーMRSを超伝導MRI装置(静磁場強度1.5T)により測定したところ、正常筋肉組織に比較しPMEおよびPDEに明瞭なピ-クがあり、PCrは小さく、pHiはアルカリ側にシフトする傾向が見られた。治療に伴う変化は一様ではないが、治療が有効な場合にはPMEおよびPDEが早期に減少する傾向が見られ、治療効果の早期判定に有用である可能性が示唆された。1.実験腫瘍の^<31>PーMRSC3Hマウスに移植した腫瘍の大きさが200mm^3以上に達したところで、実験用MRS装置(静磁場強度6.3T)により腫瘍の^<31>PーMRSを測定した。、腫瘍が大きくなるにつれて無機リン(Pi)およびPhosphomonoester(PME)のピ-クは増大する。しかし腫瘍の大きさが1,0001,500mm^3以上になると、PiおよびPMEのピ-クはほぼ一定となり、Phosphocreatine(PCr)およびATPの各ピ-クは減少する傾向が認められた。また腫瘍に限局して20Gyを1回照射すると、照射後1時間でPiは減少し、PCrおよびPhosphodiester(PDE)は消失する。しかし照射後12日でPiは再び大きくなり、照射後4日目になるとPCrおよびPDEの各ピ-クも再び出現してくることが観察された。今後は各種治療に伴う^<31>PーMRSの経時的変化とDNAヒストグラムの変化を対比検討し、更に腫瘍縮小効果との関連について検討する予定である。2.ヒトの表在性悪性腫瘍における^<31>PーMRS超伝導MRI装置(静磁場強度1.5T)を用いて、ヒトの表在性悪性腫瘍における各種治療前後の^<31>PーMRSを測定し、現在までに次のような知見が得られている。(1)正常筋肉組織に比較すると、悪性腫瘍組織ではPMEおよびPDEに明瞭なピ-クがあり、PCrピ-クはやや小さい。Piには一定の傾向がなく、PHは大部分がアルカリ側にシフトする。(2)治療による腫瘍組織の^<31>PーMRSの変化は一様ではないが、治療が有効な場合にはPMEおよびPDEが早期に減少する傾向が認められる。

今後は、治療に伴う^<31>PーMRSの変化と最終的な治療効果との関連を検討する予定である。1.実験腫瘍の増殖に伴う^<31>PーMRSの変化実験用MR装置(静磁場強度6.3T)を用いて、マウスの大腿部皮下に移植した腫瘍の増殖に伴う^<31>PーMRSの変化を表面コイルで測定し、次の結果が得られた。すなわち、(1)腫瘍が小さい場合は、周辺組織からの信号混入を低減するのにファラデ-・シ-ルドが有効である。(2)各種ピ-クの信号強度比及びpHiは腫瘍体積と密接に関係し、とくにPi/βーNTP,PME/βーNTP及びpHiは比較的標準偏差が小さく、統計学的に有意なパラメ-タとなる。(3)増殖に伴いエネルギ-状態及びpHiが低下し、燐脂質代謝が障害されるものと考えられる。2.実験腫瘍の放射線照射に伴う^<31>PーMRSの変化腫瘍体積がほぼ一定(平均約400mm^3)の移植腫瘍に5Gy、20Gy、40Gyを局所照射し、照射後腫瘍体積に変化の少ない時点(3時間後、8時間後、1日後、2日後)で^<31>PーMRSを測定し、次の結果を得た。すなわち、(1)20Gy以上の照射群では、照射後38時間でNTPピ-クが極端に減少し、12日後に回復する現象が見られる。このようなNTPピ-クの一過性変化と腫瘍増殖抑制効果との間には明らかな関連は見られない。(2)20Gy以上の照射群において、照射後1日目から2日目にかけてのpHi,Pi/βーNTP及びPME/βーNTPの変化は腫瘍増殖抑制効果と関連があると考えられる。(3)5Gy照射群と20Gy以上照射群との間には、照射後のスペクトルに著明な差がある。(4)線量が多くなるにつれて照射後のPi/PMEの継時的変化(減少傾向)が大きくなる。今後は、上記のスペクトルの変化とDNAヒストグラムや病理組織学的変化との関連について検討し、臨症例についての解析を追加する予定である。1.照射線量と^<31>PーMRSとの関係マウスの大腿内側皮下に移植した腫瘍(平均体積約400mm^3)を対象とし、JEOL製JNMーGX270(静磁場強度6.3T)を用いて^<31>PーMRSを測定した。放射線照射はコバルトー60γ線により、5Gy,20Gy,40Gyを局所照射した。その結果、(1)20Gy以上の照射群では、照射直後(照射後3時間および8時間)にNTPの著明な減少が一過性に見られるが、5Gy照射群では認められない。(3)Pi/PMEの経時的変化を照射線量群別に比較し回帰直線を求めると、その傾きは40Gy群ー0.32(相関係数r=-0.36,p<0.05)、20Gy群-0.22(r=-0.33,p<0.05)、5Gy群-0.06(NS)となり、線量が多くなるにつれて減少傾向が大きくなる傾向が見られた。これらのことから、移植腫瘍の照射後の^<31>PーMRSは照射線量に対応した変化を示すことが示唆された。2. ^<31>PーMRSとDNAヒストグラム及び病理組織所見との対比マウス移植腫瘍を対象とし、化学療法(UFT)単独、放射線(20Gy.40Gy)単独および放射線(20Gy)+UFT併用療法前後の^<31>PーMRSを測定し、治療後5日目に摘出した腫瘍のDNAヒストグラム及び病理組織所見と対比検討した。その結果、(1)腫瘍体積に余り変化のない治療後2日目の^<31>PーMRSをみると、治療効果が大きい場合にはpHiが増加しpi/βーNTPおよびPME/Totalが減少する。(2)これらの^<31>PーMRSのパラメ-タ-の変化は治療後5日目のDNAヒストグラムにおけるG2+M期集積の度合いと対応し、また病理学的な壊死や変性の程度とも関連することが判明した。
音響学会が示した新たな道路騒音の予測手法に関する検討

道路交通騒音の予測手法として,1994年3月に日本音響学会から報告された予測手法は,今後,環境アセスメントにおいて広く利用されるようになると考えられる。しかし,この予測手法には,いくつかの問題点があることが明らかとなっており,大きく危険側の値を予測する可能性もある。本研究では,以下の2点について音響学会から示された新たな予測手法の改良を試みた。1.新しい音響学会式中に含まれる地表面による吸収の影響を計算する式の改良を試みた。現在,報告されている計算式では,遠距離伝搬の場合,受音点が地表面から離れるほど地表面による吸収の影響が大きくなってしまう。本研究では,このような現象が生じない新たな計算式を導入した。計算式は従来のものよりも簡略化されている。また,アスファルト路面上から周辺の地表面上への騒音伝搬を予測する際には,平坦で均質な地表面上での計算式を応用することになっているが,現在報告されている方法では,防音壁がある場合などに地表面による吸収を過大評価する可能性が高い。この点についても,より合理的な予測方法を示した。2.新たな音響学会式で提案されているL_<Aeq>からL_<50>への変換式では,L_<50>とL_<Aeq>の差が交通量と道路から受音点までの距離のみによって説明されている。このため,防音壁や地表面の影響によっては大きく危険側の値を予測する場合があった。本研究では,防音壁による減音量や地表面の影響などを式中に取り入れることのできる簡便な変換式を導いた。従来の変換式は道路構造別に異なった式を用いる必要があったが,導いた変換式はすべての道路構造に共通な式として表されている。また,変換精度も向上している。
結晶配向制御した中空金属ナノ構造体の電極触媒活性

白金触媒は化学的に安定で、種々の反応に対して優れた触媒活性を示すが、高価であるため、コアシェル化などにより使用量を低減する必要がある。また、触媒活性は、露出した結晶面に依存するため、高活性な結晶面を形成することも重要であるが、これらを同時に達成する方法は確立されていなかった。本研究ではポリオール法により結晶面を制御したテンプレート粒子に、白金薄膜を析出させた触媒を作製した。酸素還元反応活性向上のため、反応が効率的に起こる白金(111)面をもつ白金層の析出を行い、触媒活性を大きく向上さた。また、コア粒子の表面局在プラズモンを励起すると、酸素還元反応を促進できることを確認した。直径数ナノメートルの金属ナノ粒子は、その高い比表面積から触媒・電極触媒材料として、とても高い活性を示すことから盛んに研究が行われている。中でも白金触媒は化学的に安定で、種々の反応に対して優れた触媒活性を示すため、現在広く利用されているが、資源量が少なく高価であるため、中空構造化や触媒活性を大きくすることで使用量を低減する試みが検討されている。一方、触媒活性は、露出した結晶面に依存して変化することが知られており、高活性な結晶面を表面に露出させることで、触媒活性を大きく向上させることができるが、その方法は未だ確立されていない。そこで、本研究ではポリオール法により比較的結晶面を制御しやすいテンプレート金属上へ、白金薄膜を析出させることにより、テンプレートの結晶構造を維持しつつ、薄い白金層を有する触媒の作製を検討する。初年度は燃料電池に用いられる、酸素還元反応の電極触媒活性向上を目指して、この反応が最も効率的に起こる(111)面をターゲットに、テンプレート粒子の合成と、白金層の析出について検討を行った。ポリオール法により八面体形状を有する、金ナノ粒子を合成した。八面体金粒子はその表面が(111)面で構成されるため、表面へのエピタキシャルな白金層成長により、目的とする構造を作製することが可能である。反応温度や添加する粒子保護剤(ポリマー)濃度を検討することにより、1辺が約100 nmの八面体粒子を収率80%以上で合成することができた。得られた粒子の表面に薄層の白金を析出させる方法として、金表面へのアンダーポテンシャル析出による銅の単層吸着と、ガルバニック置換反応による白金への変換を行った。当初の研究計画では、ポリオール法により合成する銀八面体をテンプレートとして用いる予定であった。しかし、実際に実験を行ったところ、再現性良く高い収率で八面体構造銀ナノ粒子を合成することが困難であったため、結晶面制御したナノ粒子触媒による活性向上という本研究のコンセプトを明確化するため、銀よりも化学的に安定で取扱い易い金八面体を用いることとした。金八面体粒子については、合成条件検討の結果高い収率で得られるようになった。この八面体金粒子上にアンダーポテンシャル析出法により銅を単層析出させ、さらに析出した銅を白金とガルバニック置換させることにより、当初目的とする異方形状ナノ粒子上へのコアシェル構造白金粒子を作製することができた。現在は得られたコアシェル粒子を実際に電極触媒として用い、酸素還元反応活性を検討し、当初の目的通りにテンプレートとなるコア粒子表面の結晶面が、シェル相の露出した結晶面に反映されているかを検証している。コア粒子の材質変更など、軌道修正の必要が生じたため、当初研究の進捗が遅れたものの、その後構造体作製までは達成しており、予定にほぼ追いついたと言える。中でも白金触媒は化学的に安定で、種々の反応に対して優れた触媒活性を示すため、現在広く利用されているが、資源量が少なく高価であるため、コアシェル化や中空構造化、また単位重量あたりの触媒活性を大きくすることで使用量を低減する試みが検討されている。本研究ではポリオール法により比較的結晶面を制御しやすいテンプレート金属上へ、白金薄膜を析出させることにより、テンプレートの結晶構造を維持しつつ、薄い白金層を有する触媒の作製を検討した。平成27年度は燃料電池に用いられる、酸素還元反応の電極触媒活性向上を目指して、この反応が最も効率的に起こる白金(111)面をターゲットに、テンプレート粒子の合成と、白金層の析出について検討を行った。28年度は得られた触媒粒子の構造最適化により、実際に触媒活性を大きく向上させることが可能であることを確認した。さらに、コアとして用いた粒子の表面局在プラズモンを励起することで、これまで報告のなかったプラズモンアシストによる酸素還元反応の促進を初めて確認するに至った。

また、コア粒子の表面局在プラズモンを励起すると、酸素還元反応を促進できることを確認した。現在は作製したコアシェル構造粒子を電極触媒として、酸素還元反応活性の評価を行っている。特定の結晶面が露出していない球状金粒子上に、白金を同様に析出させた触媒を作製し、その触媒活性を比較することにより、本研究で作製される構造体の優位性について明らかにしていく。また、自己組織化単分子膜により結晶面を被覆しながら、同様の構造体形成操作を行うことで、頂点や陵など膜の欠陥部位のみに選択的に白金を析出させた、フレーム状白金構造体も作製可能であると考えられる。テンプレートに用いるコア粒子は、表面に析出した白金の電子状態を変化させることにより、触媒活性に影響を与える。一方で、コア粒子を選択的に溶解させることにより、中空構造粒子化した場合、内部空間も反応場として利用可能になり、触媒の活性な表面積の増加につながると期待される。このように精密に制御したナノ構造と、その電極触媒活性の評価から、理想的な電極触媒構造についての知見を得る。ナノ材料合成
小児嗅覚検査の開発

嗅覚障害は加齢性変化を来し、成人においては神経変性疾患や死とも関連があると言われている。一方で、小児の嗅覚については、まだじゅうぶんな研究がなされておらず、健常児においてすら成人とどのような違いがあるのかはまだ分かっていない。嗅覚の同定能については成育環境や文化が影響するため、特に国によっては評価法が異なるが、同じ地域や同じ文化を持つ間では、同じ評価法を用いることが可能である。そこで今回、産総研が開発したカード式嗅覚同定能検査、オープンエッセンスを用いて、特定の地域における健常児の、嗅覚同定能の調査を行い、成長による変化を確認し、年齢もしくは学年による嗅覚同定能の基準値を設定することを目的とした。対象は、新潟県の人口約1万人の町の、小学生から高校生までである。嗅覚同定能を調べ、年齢的な変化を調査し、鼻副鼻腔疾患を持つ同年代の患児の嗅覚同定能との比較検討を行う。現在、健常児のデータ集めは終了し、データ解析を行っている。今後は鼻副鼻腔疾患を持つ患児においての嗅覚同定能の評価を行う計画である。本来であれば鼻副鼻腔疾患のある患児に対しての嗅覚同定能の評価が行われているはずであるが、まだ到達できていない。健常児の嗅覚同定能を年齢や学年毎に変化していくか解析を行う。また、鼻副鼻腔疾患や先天性嗅覚障害のある患児に対して嗅覚同定能の評価を行い、正常児と異常児の差を確認することで嗅覚評価の確立をしていく。【研究の目的】小児の嗅覚障害患者は少なからず存在しているはずであるが、本人が自覚しておらず、保護者もその事実に気づいていないことが多い。そのため、医療機関には受診しないか、もしくは受診が遅れることが多いと予想される。小児の嗅覚障害はKallmann症候群を含む先天性嗅覚障害や、外傷性、アデノイド増殖症・副鼻腔炎・アレルギー性鼻炎などの鼻咽腔疾患のみならず、精神神経疾患とも関連があると言われている。嗅覚は美味しい食事を楽しんだり、危険な匂いを嗅ぎ分けたりするのに必要で、小児にとってその機会が失われることは、人格や人生を左右し、与える影響も計り知れない。しかし、嗅覚がどの程度小児に影響を与えているのかまだ分かっておらず、適切な評価がなされるべきである。現在日本で行われている保険適応の嗅覚検査として静脈性嗅覚検査と基準嗅覚検査がある。また2008年に産業技術総合研究所により嗅覚同定検査として“Open Essence:OE"が開発され、研究用として使用されている。しかし基準値はいずれも成人を対象としたもので、そのまま小児の嗅覚機能を評価できるかは分かっていない。本研究の目的は、OEを用いて小児の嗅覚機能を評価することである。【研究実施計画】OEを用いて600名の鼻副鼻腔疾患のない健康な小児(6歳18歳)に対し、嗅覚同定能の調査を行い、地域差や男女差ならびに年齢的な変化が生じるのか調査を行う。また、一方で、鼻副鼻腔疾患の認める小児に対しても同様に調査を行い、鼻副鼻腔疾患のない小児と同定能の比較検討を行う。初年度から2年目にかけて約600名の正常被験者に対してこの調査を行う予定であり、現段階で概ね半分終了している。次年度には12歳18歳の中高生をターゲットに調査を行う予定である。また正常被験者が終了次第、鼻副鼻腔疾患を持つ被検者を対象に、調査を行う予定である。いずれにしても現段階では、当初の予定通り、順調に研究は進展している。嗅覚正常者の嗅覚同定能のデータ調査を、小学生から中学生まで施行した。年齢毎に嗅覚同定能が上がることが判明した。また、男女の差は認められないことが分かった。その成果を国内外の学会に発表を行った。当初の予定通り、嗅覚正常者のデータ収集を、小学生・中学生と各年齢の嗅覚同定能の調査を行っており、中学校3年生までの正常児のデータをほぼ取り終えている状況である。次年度には中高生(12歳18歳)の鼻副鼻腔疾患のない正常被験者を対象に、嗅覚同定能の調査を行う予定である。

また正常被験者が終了次第、鼻副鼻腔疾患を持つ被検者を対象に、調査を行う予定である。同時に学会発表を行い、最終年度までには本研究の成果を論文化する予定である。本年度には嗅覚異常者と考えられるアレルギー性鼻炎・小児副鼻腔炎・感冒を呈する小児に対して嗅覚検査を行っていく。また、来年度には正常児と異常児の比較検討を行い、嗅覚同定能の年齢毎の正常値を定め、本研究を終了する予定である。健常児の嗅覚同定能を年齢や学年毎に変化していくか解析を行う。また、鼻副鼻腔疾患や先天性嗅覚障害のある患児に対して嗅覚同定能の評価を行い、正常児と異常児の差を確認することで嗅覚評価の確立をしていく。本研究にて使用する嗅覚同定能検査であるOpen Essenceは1箱6万5千円で50人検査ができるのだが、この一箱分を、本年度購入には至らなかった為に生じた。本来対象としていた被験者が、研究に承諾を頂かなかったり、体調不良で参加できなかったりしたために生じた脱落者の分が余った為であると考える。研究が順調に進んで、嗅覚同定能検査であるカードの不足が生じたため、前倒しして購入したため嗅覚同定能検査であるOpen Esseneを次年度に一箱分追加して購入とする予定である。
単粒子検出のための光デバイスの開発

本研究を通じて明らかになった光導波路構造の問題点について改善を行い、光導波路とナノ流路を集積した単粒子検出デバイスを構築するとともに、ナノ流路内での蛍光粒子の挙動を明らかにすることを目的に研究を行った。平成24年度では二酸化チタンを光導波路の材料に用いていたが、平成25年度はより光透過率が高いシリコン窒化膜を使用した。平成24年度の成果である導波路作製プロセスをそのまま用いることにより、スムーズに材料の移行は完了した。励起用と蛍光捕集用の光導波路を対向しない位置に配置し、その間をナノ流路が通過する構造を持つデバイスを考案し、実際の作製に成功した。上記構造では励起光が蛍光測定側に混入しないことから、高いS/N比で単粒子からの蛍光を検出できる見通しが立った。上記のデバイス上のナノ流路に蛍光粒子を流した場合の蛍光強度変化を予測するため、スライドガラス上にモデルとなるナノ流路を作製し、蛍光顕微鏡を用いて電気泳動下での粒子の挙動の追跡を行った。ナノ流路近傍においては、蛍光粒子は電場による力を受ける一方で、電気浸透流によって流路内への進入を阻害されてしまうことが判明した。また、粒子は塩濃度に依存して流路壁面に吸着してしまうことも明らかになった。これらの問題点を解決するために緩衝溶液の濃度最適化を行い、蛍光粒子をナノ流路にスムーズに導くことが可能になった。本研究は、水溶液中に溶存している蛍光粒子を単粒子レベルで検出・識別し、生体分子や病原体の高感度検出に応用することを目標として開始した。そのために、個々の粒子を安価かつ高速に検出できる光導波路とナノ流路を組みあわせたデバイスの開発を行う。本年度は、プローバーとなる細線型二酸化チタン光導波路対の基礎的な光学的性質を把握するために、数百ナノメートルから数マイクロメートル幅の溝を導波路を横断するように挿入し、そのギャップ構造に起因する伝播光の透過率の変化を調べた。測定した透過率は大きくばらついてたが、全体的な傾向としてギャップ幅が大きくなるにつれて透過率が減少する様子が見られた。この透過率の減少とばらつきの原因を探るために、幾何光学を用いてギャップ幅による光の透過率変化のシミュレーションを行った。この計算において、ギャップ内での光の広がりによる損失を考慮した理論式の構築を行い、ナノマイクロメートル幅の空間においてどの程度光が広がりながら伝播しているかを見積もった。結果として、ギャップ内における光の干渉効果と、伝播光の広がりによるリークが透過率変化の原因であることが分かった。また、上記のギャップ幅ならば蛍光分子を励起できる十分な光強度がギャップ内に存在することが判明した。さらに、このギャップ導波路にマイクロ流路を接続し、量子ドット水溶液を流しながら導波路からの蛍光検出を試みた。純水を流路に流した場合と比較して明確な蛍光強度の増大が観測され、ギャップ導波路によってマイクロ流路中の蛍光粒子の検出が可能であることが証明された。さらに導波路から放出された光の照射体積と量子ドット濃度から検出感度の見積もりを行ったところ、ギャップ導波路デバイスを用いることで数百個レベルの量子ドットを検出できることが明らかになった。本研究の目的は、光導波路とマイクロ流路を組み合わせることにより蛍光粒子を単粒子レベルで検出するデバイスを開発するとともに、その検出原理の物理を構築することにある。その中において本年度の目標は、ギャップ構造を持つ細線型光導波路を構築し、その光学的な性質を明らかにすることで、次年度において必要となる最適な光導波路構造と流路の幅を得ることである。ギャップ構造を持つ光導波路の作製プロセスの構築および導波路の光透過特性の調査については完了しており、ギャップ内における光の伝播現象を明らかにした。さらに、量子ドット水溶液を用いて、導波路を用いた蛍光検出の実証を行った。次年度における単粒子検出デバイスの作製に必要な構造、技術および物理は本年度において明らかになっており、容易に研究を進めることができると予想される。以上のことから、当研究はおおむね順調に進展していると考えられる。

次年度においては、これまでに研究してきたデバイス構造および導波路の特性を元に、単粒子検出を実現するデバイスの開発を行う。本年度に実施した量子ドット水溶液を用いた蛍光検出の実証実験から、励起光の混入が雑音の大きな原因になっていることが明らかになったため、デバイス構造の改善を最初に行う。具体的には、励起用と蛍光検出用の光導波路を直行した配置に作製し、励起光が蛍光検出器に入らないようにする。検出対象の蛍光粒子には、市販されている直径0.04-0.5umのビーズを用いる。マイクロ流路中を流れるビーズから放出された蛍光を光導波路により集めて、本年度に購入した単一光子カウンターおよび次年度に購入予定のオシロスコープを用いて検出する。蛍光が放出され続ける時間から、蛍光ビーズのサイズ識別を試みる。さらに、光学フィルターを組み合わせた光学系を構築し、異なる蛍光波長をもつビーズの識別を試みる。サイズと蛍光波長の2つのパラメータを元に、個々の蛍光粒子の同定を行う。本年度は、本来次年度で購入予定であった単一光子カウンターを先んじて購入を行った。そのため、当初購入予定であったデジタルオシロスコープを次年度に購入する予定である。このオシロスコープは、光強度の時間変化を高速に検出するために必要不可欠なものである。また、検出サンプルとして、サイズと波長を複数組み合わせた蛍光ビーズを購入する。さらに蛍光波長の識別のために、励起用レーザーと光学フィルターの購入を検討する。
がん細胞の生存におけるオートファジーの役割

オートファジーは、全真核生物が備える普遍的な細胞内大規模分解システムである。基本的には、細胞成分め代謝回転や飢餓などのストレス下での生存維持に働くが、近年の研究の急速な進展により病原細菌排除や神経変性抑制など予想外の多彩な役割を持つことが明らかになってきた。その中に発がん抑制がある。その根拠は、Beclin1というオートファジーに必須のタンパク質が、ある種のがんで発現していないことや、その遺伝子の片方を欠くBeclin1+/-マウスにがんが多発すること等である。平成20年度の本研究において我々は、Beclin1、III型フォスファチジルイノシトール3キナーゼ、hVps15を共通成分とする複合体が少なくとも3種類存在し、共通成分に加えてAtg14Lを含む複合体がオートファゴソーム形成を促進し、UVRAGとRubiconを含む複合体がオートファゴソームやエンドソームがリソソームと融合する過程を抑制することを明らかにした。従ってBeclin1の発がん抑制能は、オートファジー促進の結果ではない可能性が出てきた。またオートファジーが逆にがん細胞のサバイバルに利用されている可能性について検討するため、オートファゴソーム形成を強力に阻害するAtg4B変異体を各種のがん細胞株に導入した。
タンパク質間相互作用に基づくバイオセンサー構築と神経栄養因子のリアルタイム検出

申請者は、タンパク質の化学修飾を用いて、生命現象の解析を行うバイオセンサーを構築することを目的として、研究を遂行してきた。当初の一つの目標であった神経栄養因子のリアルタイム検出を行うことはできなかったが、並行して取り組んでいたシナプス小胞の動態を解析する新技術を構築することに成功した。脳神経ネットワークにおける複雑な情報伝達は、シナプス小胞内に貯蔵された神経伝達物質の放出を介して行われており、シナプス小胞動態の観察は神経活動の根幹を理解する上で非常に重要である。特に、放出された伝達物質が効率よく回収されるリサイクリング機構が、神経可塑性において重要な機構であることも判明しつつある。申請者はこのシナプス小胞の回収機構を定量的に解析する手法を構築する上で、シナプス小胞が神経細胞に取り込まれる際に起こる小胞内の酸性化に着目し、このようなpH変化で蛍光が劇的に上昇する有機小分子蛍光色素を開発/利用することにした。具体的には、酵素反応により得意的に化合物修飾ができるHaloTagタンパク質を、シナプス小胞局在タンパク質に融合し、賛成応答型蛍光色素をシナプス小胞に得意的に修飾するシステムを構築した。さらにこのシステムを応用して、電気刺激に伴うシナプス小胞の開口放出と、それに続いて起こるリサイクリングを、蛍光の増/減でモニタリングすることに成功し、本技術の確立を行うことができた。今後の更なる解析により、シナプス小胞リサイクリングの時空間的な解析が行われるものと考えられる。また、基体となるタンパク質を変更することで、それぞれのシナプス小胞タンパク質のTrafficking機構を時空間的に解析するなど、様々な応用が期待される。
結核菌抗原による形質細胞様樹状細胞の活性化を介する新しい結核防御免疫機構の解明

増殖期および休止期の結核菌が発現するタンパク質抗原である「M」はDNA結合性を保持している。一方、天然型CpGオリゴDNAである「G」は形質細胞様樹状細胞を活性化する。この2つを組み合わせて動物に投与すると結核菌感染への抵抗性が増すことが示唆されたため、本研究はこのメカニズム解明を目的とした。その結果、ヒト末梢血単核球細胞をこの抗原とCpG-DNAと共培養するとIFN-α産生の増強と共刺激分子の発現亢進が誘導されること、この増強作用はこの抗原を介したCpG-DNAの細胞内移行の亢進に起因すると考えられることを明らかにした。本研究成果は結核ワクチンの創製につながる重要なものと考えられる。まず、免疫反応の誘導におけるG9.1とMDP1の組み合わせの影響を検討するため、ヒト末梢血単核球(PBMC)を、様々な比率で混合したG9.1・MDP1と培養し、培養液中のサイトカイン濃度を測定した。pDCの活性化とTh1細胞への分化を、それぞれ、IFN-αとIFN-γを指標として解析したところ、G9.1により誘導されるIFN-αの産生ならびにMDP1により誘導されるIFN-γの産生は、それぞれ、MDP1またはG9.1を組み合わせて培養すると増強されることが示された。増強の程度はG9.1とMDP1の混合比により異なったが、最大作用を示す混合比は、IFN-α産生、IFN-γ産生のいずれにおいても同一範囲にあった。これらのことから、G9.1とMDP1は、それぞれがもつ免疫反応誘導活性を相互に増強すること、この作用にはG9.1とMDP1の混合比が重要であることが示された。次に、多重染色したPBMCをFACS解析し、pDCおよび骨髄系樹状細胞(mDC)の共刺激分子(CD80/CD86)の発現に対するG9.1とMDP1の作用について検討した。その結果、G9.1とMDP1はそれぞれ単独でpDCとmDCのいずれにも分化・成熟を誘導することが示された。G9.1とMDP1の組み合わせによる発現変化については検討を継続している。pDC活性化とTh1免疫の誘導にG9.1とMDP1の混合比が重要に関与することが、多くのヒト末梢血データに基づく解析結果により示された。樹状細胞の分化・成熟の誘導については、新たに興味深い知見が得られたため、解析対象を共刺激分子以外にも広げて検討を継続している。平成28年度は、ヒト末梢血単核球を用いてG9.1による細胞内シグナルの活性化とMDP1の及ぼす影響について検討し、樹状細胞(pDC (Lin-/HLA-DR+/CD11c-/CD304+)、mDC1 (Lin-/HLA-DR+/CD11c+/CD304-/CD1c+/CD141-)、mDC2 (Lin-/HLA-DR+/ CD11c+/CD304-/CD1c-/CD141+))における違いの有無を解析した。pDC、mDC1、mDC2におけるG9.1の取り込みを蛍光標識G9.1を用いてフローサイトメーターにより解析した結果、いずれの細胞群においてもその取り込みを示唆する結果が得られた。また、蛍光標識G9.1とMDP1をプレインキュベーション(昨年度研究成果である最適混合比を採用)してから添加するとpDC、mDC1、mDC2におけるG9.1の蛍光は著しく増強したことから、G9.1の取り込みが亢進されている可能性が示唆された。フローサイトメーターによる解析により、これらの樹状細胞の中でTLR9の発現はpDC特異的であること、またG9.1刺激によるIFNα産生はpDC特異的であることを示唆する結果が得られている。一方、mDC1/mDC2におけるG9.1の作用はpDCとは異なる可能性が示唆されたことから、その活性化シグナル経路の解析を継続している。G9.1により誘導される樹状細胞の分化成熟におけるMDP1の影響については、共刺激分子やHLA-DRの発現誘導を指標に解析を行い、G9.1/MDP1の濃度依存性と相乗的効果についての結果を得た。さらに共刺激分子(CD80)の発現に関しては、IFNα依存性とクロロキンによる阻害効果についても検討し結果を得ている。G9.1・MDP1による相乗的活性化については、樹状細胞におけるG9.1の取り込みがMDP1により亢進される可能性を示唆する結果を得ている。BCG DNAを模倣する天然型パリンドローム様CpGオリゴDNAである「G9.1」は形質細胞様樹状細胞(pDC)を活性化する。一方、増殖期および休止(潜在)期の結核菌が持続的に発現するDNA結合性タンパク質抗原であるMycobacterial DNA-binding protein 1「MDP1」は、G9.1によるpDCの活性化に対して増強作用を示す。本研究は、MDP1抗原とG9.1による結核防御免疫の誘導メカニズムを明らかにすることを目的とした。これまでに、G9.1はpDCのTLR9に作用してIFN-α産生を誘導すること、MDP1はこの作用を増強すること、この反応にはG9.1とMDP1のモル比が重要であることを明らかにした。また、G9.1は樹状細胞(DC)における共刺激分子の発現を亢進すること、MDP1はこの作用をさらに増強することを明らかにした。

29年度はまず、活性化T細胞へのG9.1の効果を、抗原非特異的に活性化されたT細胞を用いてPCR法により検討した。その結果、Th1優位の免疫誘導が示された。さらに、G9.1によりpDCから産生されるIFN-αはIFN-γ産生の増強にも関わることを明らかにした。また、Electrophoretic Mobility Shift Assay法を用いて、G9.1とMDP1は直接的に結合すること、その結合モル比はIFN-α産生の増強における最適モル比とよく相関することを明らかにした。さらに、G9.1、MDP1それぞれの蛍光標識体を用いてDCへの取り込みを検討した結果、G9.1のpDCへの取り込みはMDP1との組み合わせにより亢進されることを突き止めた。本研究により、MDP1によるG9.1のpDC細胞内移行の亢進が、G9.1とMDP1により誘導される免疫反応増強メカニズムの一つとして重要であることが示された。増殖期および休止期の結核菌が発現するタンパク質抗原である「M」はDNA結合性を保持している。一方、天然型CpGオリゴDNAである「G」は形質細胞様樹状細胞を活性化する。この2つを組み合わせて動物に投与すると結核菌感染への抵抗性が増すことが示唆されたため、本研究はこのメカニズム解明を目的とした。その結果、ヒト末梢血単核球細胞をこの抗原とCpG-DNAと共培養するとIFN-α産生の増強と共刺激分子の発現亢進が誘導されること、この増強作用はこの抗原を介したCpG-DNAの細胞内移行の亢進に起因すると考えられることを明らかにした。本研究成果は結核ワクチンの創製につながる重要なものと考えられる。G9.1とMDP1の組み合わせにより誘導される樹状細胞ならびにリンパ球の分化・成熟を詳細に解析し、新しい結核防御免疫のメカニズム解明へ繋げたいと考えている。樹状細胞におけるG9.1の取り込みはMDP1により亢進される可能性が示唆されたことから、G9.1の取り込みと細胞内局在に及ぼすMDP1の影響を検討するために、共焦点レーザー顕微鏡による実験条件をHL60細胞を用いて検討中である。解析手法を確立し、G9.1とMDP1の時空間的作用を検討してそのメカニズムを明らかにしていく。またG9.1とMDP1の組み合わせにより誘導されるTリンパ球の分化・成熟について解析し、新しい結核防御免疫のメカニズム解明へ繋げたいと考えている。分子免疫
生活習慣による骨減少作用の解明とその予防

高齢化社会を迎え、生活習慣がその発症と進行に深くかかわっている生活習慣病の予防は、現在の日本が解決しなければならない最重要課題である。生活習慣病としては、糖尿病、高血圧症、動脈硬化症等があげられるが、骨粗鬆症に代表される骨量減少もまた、生活習慣病の1つと考えられる。寝たきりの要介護の原因の2番目は骨折によるものであることが知られている。どのような生活習慣病、特に食習慣が、どのように骨に影響するのか。本研究では、ラットを用いて、(1)ダイエットの骨に対する影響、(2)飲酒の骨に対する影響、(3)ビタミンC(V.C)欠乏の骨に与える影響、及び(4)V.C欠乏時における破骨細胞数の変化と破骨細胞への分化、破骨細胞形成抑制因子osteoprotegerinの発現を調べた。さらに、種々の骨代謝に影響する因子をマウスの骨を用いた培養によって評価する試みとして(5)マウス骨組織培養系による骨代謝影響因子の評価の実験を行った。その結果、(1)約5%の体重減少は、骨形成マーカーであるアルカリホスファターゼ(ALP)活性の低下をもたらし、10%の体重減少はさらに骨吸収マーカーである酒石酸耐性酸ホスファターゼ(TRAP)活性の増加をもたらし、骨減少を引き起こした。(2)エタノールはALP活性を減少させ、骨形成活性の阻害によって骨のカルシウム量の減少をもたらした。(3)V.C欠乏は、その初期においてTRAP活性を上昇し骨吸収を増加し、その後ALP活性の低下、骨形成の減少をもたらした。(4)V.C欠乏初期のTRAP活性の上昇は、破骨細胞の増加によるものであった。この破骨細胞の増加は、骨髄細胞のosteoclastogenesisの増加であり、osteoprotegerin発現の減少が認められた。(5)マウスの骨組織を用いた骨代謝影響因子の評価は、動物実験と培養細胞の欠点を補うものとして有効なアッセイ系であると考えられた。高齢化社会を迎え、生活習慣が原因で起こるいわゆる生活習慣病の予防は、現在の最重要課題である。生活習慣病としては、糖尿病、高血圧症、動脈硬化症等があげられるが、骨粗鬆症に代表される骨量減少も又生活習慣病の1つと考えられる。どのような生活習慣、特に食習慣が、どのように骨に影響するのか。本年度は、近年の食の特徴であり、特に女性に関して問題となりつつあるダイエット、体重減少の骨に対する作用を調べた。ラットを1日あるいは2日絶食させると、体重は510%減少した。体重が約5%減少した、血清中の骨形成の生化学的マーカーであるアルカリホスファターゼ(ALP)活性は、正常ラット(対照群)の70%に減少し、骨吸収マーカーである酒石酸抵抗性酸性ホスファターゼ(TRAP)活性は、1.3倍に上昇した。大腿骨のALP活性も、対照群の80%に減少した。大腿骨の重量、TRAP活性・カルシウム量、ヒドロキシプロリン量(骨コラーゲン量)は対照群との差異がなかった。体重が10%減少した時、血清中のALP活性は、対照群の50%とさらに減少し、TRAP活性は1.5倍に有意に増加した。大腿骨のALP活性は、対照群の75%に減少し、TRAP活性は1.6倍に増加した。ALP活性の減少とTRAP活性の上昇に伴って、大腿骨のカルシウム量は対照群80%に減少し、大腿骨の中央部の太さも有意に減少した。

即ち、5%の体重減少で既に、骨形成能の低下を引き起こし、さらに10%の体重減少は、骨形成活性の低下とともに骨吸収活性の上昇をもたらし、その結果、骨のカルシウム量の低下をおこすことが、明らかになった。この実験結果は、近年の女性の「やせ志向」から一般に広く行われているダイエットは、骨に対して極めて危険である事を示すものである。高齢化社会を迎え、生活習慣がその発症と進行に深くかかわっている生活習慣病の予防は、現在の日本が解決しなければならない最重要課題である。生活習慣病としては、糖尿病、高血圧症、動脈硬化症等があげられるが、骨粗鬆症に代表される骨量減少もまた、生活習慣病の1つと考えられる。寝たきりの要介護の原因の2番目は骨折によるものであることが知られている。どのような生活習慣病、特に食習慣が、どのように骨に影響するのか。本年度は、飲酒習慣、エタノールの骨に対する作用を調べた。ラットに体重1kg当たりエタノール1ml(A1)あるいは、2ml(A2)を投与し、24時間後に血液と大腿骨を採取し、血清と骨の骨形成マーカーであるアルカリホスファターゼ(ALP)活性、骨吸収マーカーである酒石酸耐性酸ホスファターゼ(TRAP)活性、カルシウム(Ca)量、及び骨のヒドロキシプロリン(HyP)量を測定した。その結果、血清中のALP活性は、A1、A2群でそれぞれ対照群の約50%、40%に有意に減少した。血清中のTRAP活性は、エタノールによる有意な変化は認められなかった。大腿骨中のALP活性は、A1、A2群でそれぞれ対照群の約60%、50%に有意に減少した。大腿骨中のCa量もA1、A2群でそれぞれ対照群の約80%、70%に有意に減少した。エタノール投与群の大腿骨のTRAP活性及びHyP量には、対照群との有意な差異が認められなかった。即ち、エタノールはALP活性を減少させ、骨形成活性の阻害によって骨のカルシウム量の減少をもたらすことが、明らかになった。この実験結果は、清酒2合程度の一時的な飲酒でも骨形成の低下をひきおこす事を示しており、飲酒が骨量維持に対する危険因子であることを示すものである。
腎糸球体の濾過障壁の機能特性についての微細形態学的研究

(1)糸球体の微細形態:糸球体とくにメサンギウムの微細構造を、低温脱水法により処理したラット腎を使って、透過型電顕で観察した。その結果、メサンギウム細胞がアクチンフィラメントを含む突起を伸ばし、それが直接にあるいはミクロフィブリルを介して間接に糸球体基底膜に連絡し、これは機械的に保持していることが、形態学的に証明できた。この機械的保持は、毛細血管内の血圧に抗して、張力を発生するのが主な役割と考えられる。(2)基底膜の微細形態:糸球体の濾過障壁の主役が基底膜であることは、一般に承認されている。その微細形態的な特徴を、低温脱水法により処理した試料の超薄切片の透過型電顕による観察、ならびに超高解像度走査型電顕により観察した。その結果、(1)糸球体基底膜は、線維状構造の網工とその網目を満たす顆粒状物質からなること、(2)その線維状構造は、張力を保持する等の力学的な役割をになうこと、(3)線維状構造の性質や配置は、腎臓の中の力学的環境の異なる何種類かの基底膜で異なること、が分った。(3)糸球体の構造変化:実験条件下における糸球体の構造変化については、メサンギウム細胞の収縮状態を慢性的に変化させたラットのモデルを用い、光学顕微鏡ならびに透過型電子顕微鏡により、形態計測を行なった。その結果、メサンギウム細胞の収縮により糸球体に構造変化は起こすが、それが報告されている糸球体濾過係数の変化を説明するほどに大きなものではないことが分った。腎臓組織の良好な微細形態像を得るために、今年度は、低圧灌流装置を用いて、様々の灌流条件で、腹大動脈から動物を灌流固定し、灌流条件の設定を行なった。腎組織は、その構造、機能上の特性から、潅流条件によって微細構造が著しく影響を受けるが、これまでの灌流条件の腎組織構造に対する影響を系統的に調べた試みはない。このような試みがこれまで行なわれなかったのは、従来の灌流ポンプが、流量のみを調節する点にある。流量を調節しても、動物の末梢循環抵抗が個体にによって異なるため、個体ごとに灌流圧が変り、安定した結果を得られないのである。今回、小坂研究所と共同開発した定圧灌流装置により、末梢抵抗の大小にかかわらず、一定の圧で動物を潅流できるようになり、灌流条件の系統的な設定が可能となったのである。さらに腎組織を電顕観察用に処置するにあたり、通常の標本作成法と、低温脱水法とを用い、両者による像を比較検討した。低温脱水法は、坂井らが開発した電顕標本作成法で、細胞膜や細胞内外の線維状構造の保存と描出に優れている。今回は、とくに腎糸球体の主要な濾過障壁である糸球体基底膜を検索し、さらに糸球体基底膜の構造的、機能的特徴を明らかにする目的で、比較の対照として尿細管基底膜を検索中である。この研究結果については、一部を、平成元年の日本腎臓学会で発表し、さらに平成2年4月の日本解剖学会においても発表の予定である。平成2年度は、研究の重点をとくに基底膜の微細構造に絞り、賢臓内の様々な上皮の基底膜の微細構造的な多様性に注目して研究を行った。低温脱水法を用いた透過電顕による観察では、糸球体、ボウマン嚢壁側葉上皮、近位尿細管、および近位以外の尿細管の間で、基底膜に構造的差異のあることが明らかになった。(1)糸球体基底膜は、厚さ110160ナノメ-トルのほぼ均質な網工からできており、それを構成する線維は太さ4ナノメ-トルほどである。(2)ボウマン嚢基底膜は、厚さ最大千ナノメ-トルにもおよぶ多層の基底膜で、それぞれの層は、ほぼ1方向に走る太さ515ナノメ-トルの線維かできている。

(3)近位尿細管の基底膜は、150120ナノメ-トルの網工でできており、構成する線維は太さ4ナノメ-トルほどである。しかし尿細管の屈曲部には、輪走する電子密度の高い帯や、小胞が散在する。(4)近位以外の尿細管基底膜は、厚さ80100ナノメ-トルで、太さ4ナノメ-トルの線維の作る、ほぼ均質な網工からできている。ボウマン嚢基底膜や近位尿細管基底膜の構造は、内圧に抗して張力を発生するための微細構造的な適応と考えられる。高解像度走査電顕を用いた糸球体基底膜の観察では、内透明層と外透明層に、部位する網工の差異が認められた。内皮細胞や足細胞が内外の透明層を覆うところと、内皮の窓や足細胞の濾過細隙に対応する部分とでは、網工の網目の大きさや、網工に付着す顆粒状物質に差異が認められる。この微細構造的な多様性の意味は、まだよくわからない。
ジオテキスタイル補強盛土を活用した新形式高耐震橋梁

盛土は無補強であり橋桁は支承を介して片持ち梁形式の橋台が支持する従来形式の橋梁は、構造が巨大化しやすく、地震被害が絶えず、常時維持管理でも問題が多い。盛土をジオシンセティックスで補強し桁・橋台を支承を用いないで一体化した新形式橋梁(GRS一体橋梁)を提案し、模型実験と数値解析により、この橋梁は他の橋梁形式よりも、常時・地震時の安定性、施工性・建設コスト・維持管理性が圧倒的に優れていることを示した。「新橋梁形式であるジオシンセティックス補強土盛土(geosynthetic-reinforced soil)と一体橋梁と統合したGRS一体橋梁」の設計法の基本概念の確立と施工法の提案のために、GRS一体橋梁のとともに従来式橋梁、従来式一体橋梁、GRS擁壁橋梁の模型を用いた室内での静的繰返し載荷実験と振動台実験を行った。以下の成果を得た。1)年温度変化に伴う橋桁の伸縮による橋台(壁面工)の上端での繰返し水平変位載荷に対して、GRS一体橋梁は最も小さい変形特性(特に盛土の残留沈下特性)を示した。また、壁面工背面の土圧増加に対しても、壁面工は多支点連続梁構造として抵抗して損傷を受けない。一方、このような繰返し載荷を受けるがジオシンセティックスで盛土を補強しない従来型一体橋梁では、本研究によって始めて明らかになったDual ratchet現象により土圧が増加し盛土が主働崩壊する。2)GRS一体橋梁の橋桁・橋台構造体とジオシンセティックス補強盛土の地震時の主要な崩壊モードは、壁面工上部が盛土を押し込み盛土を受動破壊させるため壁面工が回転し、壁面工の下部が前方に主働変位をすることであり、それに対して壁面工背面に結合したジオシンセティックス補強材は有効に抵抗する。3)GRS一体橋梁は、長期交通荷重に対しても最も小さい橋台裏盛土の長期残留沈下特性を示す。4)上記の静的載荷と動的載荷によるGRS一体橋梁の盛土の変形と地震時安定性に影響を及ぼす主要な要因は、盛土の締固め度と変形強度特性、ジオシンセティックス補強材の引張り変形強度特性と引き抜け抵抗特性、橋台(壁面工)下端での基礎構造物の水平及び鉛直支持条件、橋桁の素材と長さ(温度伸縮と重量)、橋台の高さ、支持地盤特性、橋桁と橋台(壁面工)の結合度、である。以上要するに、提案するGRS一体橋梁は、従来橋梁形式と比較すると、常時・地震時の安定性とともに施工性・建設コスト・維持管理性にも優れている。「新形式のジオシンセティックス補強した盛土(geosynthetic-reinforced soil)と一体橋梁を統合したGRS一体橋梁」の設計法の基本概念の確立と施工法の提案のために、GRS一体橋梁とともに従来形式の橋梁、従来式一体橋梁、GRS擁壁橋梁の小型模型を用いて静的繰返し載荷実験と振動台実験を行い、以下の成果を得た。1)年温度変化に伴う橋桁の伸縮による橋台(壁面工)上端での繰返し水平変位載荷に対して、GRS一体橋梁は最も小さい盛土沈下を示した。盛土が無補強の従来型一体橋梁は、橋台上端が年温度変化による繰返し載荷を受けるとDualratchet現象により土圧が増加し盛土が主働崩壊する。2)GRS一体橋梁の地震時の主要崩壊モードは、橋桁慣性力により盛土が押し込まれて受動破壊が生じ、壁面工が回転して壁面工下部が前方に主働変位することである。それに対して、壁面工背面に結合したジオシンセティックス補強材は有効に抵抗する。補強盛土領域を適切にセメント改良しても耐震性は向上する。3)GRS一体橋梁は、長期交通荷重による橋台裏盛土の残留沈下が最も小さい。4)盛土をジオセルで補強することによっても、GRS一体橋梁は一定の耐震性を確保できる。5)静的載荷と動的載荷によるGRS一体橋梁の盛土の変形と地震時安定性に影響を及ぼす主要な要因は、盛土の締固め度と変形強度特性、ジオシンセティックス補強材の引張り剛性と引き抜け抵抗、橋台(壁面工)下端での基礎構造物の水平及び鉛直支持条件、橋桁の重量・長さと温度伸縮特性、橋台高さ、支持地盤特性、橋桁と橋台の結合度等である。以上から、提案するGRS一体橋梁は、他の橋梁形式と比較すると、常時・地震時の安定性とともに施工性・建設コスト・維持管理性にも優れていることが明らかになった。

ジオシンセティックス補強した盛土(geosynthetic-reinforced soil)と「桁・橋台を一体化した橋梁」を統合した新形式橋梁のGRS一体橋梁の設計法と施工法の確立のために、GRS一体橋梁とともに従来形式橋梁、従来式一体橋梁、GRS擁壁橋梁の模型を用いた静的繰返し載荷実験と振動台実験を行い、その結果を解析し、以下の成果を得た。1)気温年変化に伴う橋桁の伸縮による橋台上端での繰返し水平変位に対して、GRS一体橋梁は最も高い抵抗力を示す。2)GR-S一体橋梁は、橋桁・橋台・盛土の一体化により次の四つ点で動的特性が向上し、他の形式の橋梁よりも圧倒的に高い耐震性を示す。a)初期剛性が向上して初期固有周期が地震動の卓越振動よりもより高くなり、初期動的応答値が減少する。b)動的変形に伴う損傷率が減少し、地震動の増加に伴う固有周期の減少率が下がるため主要地震動に対して共振しにくくなり、動的応答値が増加しにくくなる。c)桁・橋台部の振動エネルギーが盛土と基礎地盤に対して逸散しやすくなり、動的応答値が増加しにくくなる。d)破壊・崩壊に至る動的応答加速度が増加する(動的強度が増加する)。3)補強盛土領域を適切にセメント改良すると更に耐震性は向上する。4)GRS一体橋梁は、長期交通荷重による橋台裏盛土の残留沈下が最も小さい。5)盛土をジオセルで補強することによって、GRS一体橋梁は一定の耐震性を確保できる。5)ジオシンセティック補強盛土の完成後に橋台として剛で一体の壁面工を建設し、最後に橋桁を建設することにより、盛土建設に伴う基礎地盤と盛土の変形による橋台との相互変位の課題が解消され、橋台の杭基礎の必要度が低下する。以上から、提案するGRS一体橋梁は、他の橋梁形式と比較すると、常時・地震時の安定性とともに施工性・建設コスト・維持管理性にも圧倒的に優れているが示された。
レドックス分離をめざす異種半導体－有機鎖サンドイッチ構造の構築と可視光光触媒反応

本研究では、可視光応答型有機基修飾酸化チタン光触媒における酸化・還元(レドックス)反応場の効率的な電荷分離を目的としており、2種類の異種半導体と有機鎖によって構成されるサンドイッチ型ハイブリッド光触媒を合成し、可視光光触媒反応へ応用する。【具体的内容】本研究課題の重要なキーワードである効率的な電荷分離を目指し、有機基修飾酸化チタン光触媒の表面上へ金属助触媒として銅を導入し、可視光照射下におけるアルキンからアルケンへの部分水素化反応を検討した。その結果、アルキンからcis型アルケンへ選択的に水素化され、逐次水素化物であるアルカンまで水素化されないことが明らかとなった。また、アセトニトリル溶媒への水の添加効果や反応温度の影響について検討したところ、少量の水を添加することにより、触媒表面への基質の吸着量が増加し反応速度が上昇することや、反応温度をコントロールすることで生成物(アルケンおよび水素)への選択性を制御できることが明らかとなった。【意義・重要性】以上の結果より、可視光駆動型有機基修飾飾酸化チタン光触媒において、化学工業的に重要なアルキンの選択的な水素化反応が進行することが明らかとなり、また、溶媒効果の原因や温度依存性による反応制御などの知見は、他の触媒反応系においても活用可能であると考えられる。これらの結果・知見により、本研究課題にとって重要な可視光光触媒反応の研究における反応設計の指針が提供され、触媒機能の可能性が広がったと考えられる。レドックス分離をめざす異種半導体ー有機鎖サンドイッチ構造の構築と可視光光触媒反応のために、まず、半導体ー有機鎖構造の構築と適用する反応系の探索を行った。その中で、ナフタレン環構造が半導体の伝導帯への可視光電子注入に効果的であること、および、適切な助触媒を使用することで半導体の伝導帯から目的物質への電子注入(水素化)が極めて選択的に行えることを見いだした。具体的には、銅助触媒を用いることにより、アルキンがジアステレオ選択的にアルケンに水素化される。銅助触媒上での反応は光触媒から切り離された触媒反応であることから、わずかな加熱により水素化過程が著しく加速されることも見いだしている。光触媒作用と熱触媒作用の協奏効果を示した報告でもある。この成果を各種学会にて報告し、また、その成果をまとめた論文が学術雑誌Journal of Catalysisに受理された(掲載決定、YJCAT13214)。現時点でサンドイッチ構造の半分が構築されたことを示しており、予定通りの進捗状況であると考える。現在は、効果的な有機鎖構造の探索、および、半導体ー有機鎖構造に異種半導体を導入する検討を始めており、可能性と課題が見えてきている。一方で、詳細は省くが、研究課題から派生して新規な光触媒反応系を見い出しており、2報目の論文を準備している。以上を総合的に判断し、期待通り研究が進展したといえる。申請書に記載したように、酸化タングステン、酸化チタン、有機化合物(7,7,8,8-テトラシアノキノジメタン)の3種類によって構成されるサンドイッチ型構造を有するハイブリッド光触媒を合成する。その際、酸化チタンや酸化タングステンの比表面積の影響について確認するため、それぞれの合成法・条件を検討する。調製したWO3-TCNQ/TiO2-Ptを用いて、青色および緑色LED光源からの可視光を利用して、アルコールやグリセリン、アンモニアからの水素生成反応を検討する。この際、青色吸収・酸化反応場(WO3)、緑色吸収場(TCNQ/TiO2)、還元反応場(Pt)として、それぞれ機能を発揮し、効率的な電荷分離の促進が期待される。予想される励起メカニズムによって光触媒が駆動しているかを明らかにする。青色光または緑色アシスト光照射下において、多波長照射分光器の単色光を用いることで、波長依存性を確認し、本光触媒の駆動メカニズムを明らかにする。固体触媒内の二段階光励起の達成により、効率的な電荷分離が可能かどうかを評価する。その後、有機鎖の多様性について確認するために、TCNQ以外にさまざまな有機化合物(有機鎖が拡張されたものや他の官能基を有するもの)を検討し、多彩な可視光吸収を示す材料をTiO2に修飾する。これらの光触媒の可視光水素生成活性を評価・比較することで、異種半導体ー有機鎖サンドイッチ構造の応用性について確認する。【意義・重要性】