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がん検出および治療用光答性色素の合成と性能に関する研究

早期肺癌の光動力学的手法による診断と治療に,ポルフィリン誘導体が極めて有効であることが判明してから, 10年経過している.さらにこの手法は米国のSDIから国際的に社会問題となっているエイズの治療にも効果があると報告されている.本研究は化学・生理学,物理工学,医学の異った領域の研究者の協力に進められた.研究開始にあたり,各研究者の立場から徹底的な討論を行い,研究対象を絞った.新規光応答性色素の合成にあたり,癌組織への選択的集積性は細胞膜への結合と内部への透過に起因するものとする作業仮説をたてた.合成設計において,最大の問題点はポルフィリン色素に水溶性を持たせることにあった.しかし色素が水に難溶であっても,生体適合性をもつキャリアーを開発すれば,まだ有用な色素を発見する可能性を残している.色素の分子構造と癌細胞への集積性の間には厳密な相関はないが,非極性と極性部分を局在させる必要があることを見いだした.また新規色素として,核磁気スピンをプローブとする含フッ素色素を合成し,癌組織の3次元診断の画像化の可能性を示唆した. (生越,青柳,三宅).動物実験において,色素-癌細胞組織の相互作用を顕微鏡観察により色素の取り込みと光反応による組織の変化の機序を明らかにした.新規合成色素はマウスを中心とした動物実験により,生体適合性,癌への選択的集積性を評価した.(細胞レベルは会沢,臨床レベルは加藤が担当).光工学的手法,フェムト秒のパルスレーザーにより,合成色素と細胞との相互作用を追跡した.また他の有機化合物を生体組織と生体分子の相互作用を解明するために,本法が極めて有効な手段となり得ることを証明した.さらに核,電子スピンなど他の物理工学的手段を組み合わせることにより,新しい診断,治療法が発見される可能性があり,プローブとなる次世代の化学物質の開発研究は極めて重要であると結論される.早期肺癌の光動力学的手法による診断と治療に,ポルフィリン誘導体が極めて有効であることが判明してから, 10年経過している.さらにこの手法は米国のSDIから国際的に社会問題となっているエイズの治療にも効果があると報告されている.本研究は化学・生理学,物理工学,医学の異った領域の研究者の協力に進められた.研究開始にあたり,各研究者の立場から徹底的な討論を行い,研究対象を絞った.新規光応答性色素の合成にあたり,癌組織への選択的集積性は細胞膜への結合と内部への透過に起因するものとする作業仮説をたてた.合成設計において,最大の問題点はポルフィリン色素に水溶性を持たせることにあった.しかし色素が水に難溶であっても,生体適合性をもつキャリアーを開発すれば,まだ有用な色素を発見する可能性を残している.色素の分子構造と癌細胞への集積性の間には厳密な相関はないが,非極性と極性部分を局在させる必要があることを見いだした.また新規色素として,核磁気スピンをプローブとする含フッ素色素を合成し,癌組織の3次元診断の画像化の可能性を示唆した. (生越,青柳,三宅).動物実験において,色素-癌細胞組織の相互作用を顕微鏡観察により色素の取り込みと光反応による組織の変化の機序を明らかにした.新規合成色素はマウスを中心とした動物実験により,生体適合性,癌への選択的集積性を評価した.(細胞レベルは会沢,臨床レベルは加藤が担当).光工学的手法,フェムト秒のパルスレーザーにより,合成色素と細胞との相互作用を追跡した.また他の有機化合物を生体組織と生体分子の相互作用を解明するために,本法が極めて有効な手段となり得ることを証明した.さらに核,電子スピンなど他の物理工学的手段を組み合わせることにより,新しい診断,治療法が発見される可能性があり,プローブとなる次世代の化学物質の開発研究は極めて重要であると結論される.1.がん検出用光応答性色素の迂生とその光化学特性に関する研究(生越、会沢、山下)本研究目的に沿った光応答性色素の合成は、天然由来のプロトポルフィリン、クロロフィルから得たフェオホルバイトを生理的条件下で水溶性色素に変換する方法、ピロールより誘導した水溶性ポルフィリン、さらに含フッ素ピロールより組立てた含フッ素ポルフィリンを合成した。また補酵素フラビン内基本骨格に【CF_3】基をもつイソアロキサジン誘導体を合成した。上記物質はいずれも光照射により低濃度においても極めて強い蛍光を発すること、また【^(19)F】-核磁気共鳴吸収スペクトルによる測定で生体組織内の検知可能であることが判明した。光応答性色素が光励起され、一重項から三重項へ遷移し、末端組織内に存在する酸素分子を一重項に励起する。この仮説に基いて、ルミノール反応で合成色素が一重項の酸素を生成するかを検討したが、構造上の因子と対応するような活性相関はみられない。即ち色素の会合状態が重要であるという結論に達した。2.光応答性色素の癌細胞に対する特異的認識作用(生越、会沢、加藤、三宅)移植がんをもつマウスにフッ素をもち、かつ蛍光収率の高いポルフイリン、またイソアロキサジン誘導体を静注し、その全組織の連結片について色素の分布を調べた。特に含フッ素ポルフィリンの集積は癌組織に対して高く、蛍光および【^(19)F】-NMRによってその存在を確認することが可能となった。含フッ素色素は【^(19)F】-NMR測定器の分解能の限界から、さらに高濃度の集積性が要求されるであろう。

癌に対する選択的集積性はポルフィリンの構造によって微妙に変化するので今後継続的な研究が必要とされる。1.がん組織への特異的結合と色素の構造相関;従来色素の構造因子とがん組織への特異的な結合能との相関を示す研究は殆んど皆無に等しい。人体に静注するためには、色素に水溶性を賦与する必要があり、親水性基を導入したポルフィリンを合成した。水溶性ポルフィリンは、核に対称的な位置に親水性基を有するものは、がん細胞に対する結合能が低下する。さらに大きな親水性グループをもつ色素も同様に、細胞膜への親和性が全くない。この事実は疎水性基の大きさとその置換位置が特異的結合の重要な因子となることが判明した。(生越・會沢・三宅)2.がん細胞における色素の光化学的挙動;ピコ秒時間分解蛍光法により、マウス腎臓がん細胞に対する色素のとり込み過程を解析し、長、短寿命の成分の2種が存在し、がん細胞の生長と共に短寿命成分が増加する事実を見い出した。集積性のあるものは、2量体の会合体であることを分光学的手法で確認した。(山下)3.色素を用いるDNAの光開裂反応;色素を用いるがん治療において、一つの可能性として、がん細胞の核内のDNAの切断が考えられている。大腸菌のDNAのグアニン塩基が、色素の存在で、single strand DNAが光反応で切断され、環状のDNAに変化する。本研究で、従来臨床に用いられているヘマトポルフィリン誘導体(HPD)を標準にとり、種々のポルフィリンおよびその金属錯体のDNA切断能力を比較すると、N-アルキルポルフィリンはHPDよりも優れた能力をもち、金属錯体には顕著な切断能がない。また色素のDNA光開裂反応性とがん細胞への特異的集積性との直接的な相関はない。したがって色素-細胞認識と色素のキャリヤーに改良すべき点があり、集中的に研究し性能の高いものを開発したい。(會沢・加藤・生越)
酸感受性イオンチャンネルを標的とした脊髄保護法の開発

ラット脊髄虚血モデルを用い脊髄虚血後くも膜下腔に酸感受性イオンチャンネル阻害薬を投与し、その後の運動機能への影響を検討した。生理食塩水投与群(S群)では、全てのラットが虚血後から対麻痺となり72時間後まで継続した。一方、PCTX1 20μg投与群(P群)でも対麻痺が認められ、S群との間に差は見られなかった。ラット脊髄虚血後の運動機能障害に対し、酸感受性イオンチャンネル阻害薬は脊髄神経細胞保護効果を示さなかった。ラット脊髄虚血モデルを用い、虚血性脊髄障害と酸感受性イオンチャンネルの発現との関連について検討した。イソフルラン麻酔下に胸部下行大動脈遮断により脊髄虚血侵襲を与え、脊髄虚血時間により以下の3群に分けた。C群(N=8):大動脈遮断なし6P群(N=8):大動脈遮断6分間(非侵襲性脊髄虚血)10P群(N=8):大動脈遮断10分間(侵襲性脊髄虚血)さらに、各群において、脊髄虚血終了後30分、2時間、6時間、24時間で犠殺し、脊髄を摘出し液体窒素で冷凍保存した。それぞれの群において、各時間の脊髄膨大部をニッスル染色、酸感受性イオンチャンネル免疫染色を行い、酸感受性イオンチャンネルの発現を調べた。ニッスル染色:6P群においては、各脊髄摘出時間で脊髄前角、後角で神経細胞損傷の所見は認められなかった。しかし10P群では、脊髄虚血後2時間より脊髄介在神経が存在するLaminae V-VIIにおいて細胞濃染所見がみられ、24時間ではそれらの神経細胞の変性・脱落が認められた。免疫染色:C群、6P群および10P群いずれの群でも、各脊髄摘出時間での酸感受性イオンチャンネルの差は認められなかった。今回の結果から、脊髄虚血後の酸感受性イオンチャンネルの発現には変化は認められなかった。これは、免疫染色した酸感受性イオンチャンネルのサブタイプ別の免疫染色を行わなかったためと考えられた。今後は、酸感受性イオンチャンネルのサブタイプ別免疫染色を行い、その発現差を見出したいと考えている。ラット大動脈遮断による脊髄虚血モデルを用い、障害性長時間脊髄虚血(10分間以上)の後に誘発される脊髄障害に酸感受性イオンチャンネル(ASIC))が関与しているか否かについて検討した。あらかじめITカテーテルを挿入したSDラットに6分間(非障害性)と10分間(障害性)の脊髄虚血を与えた。なお、偽手術(sham群)として虚血時間を0分間とした。脊髄虚血後2時間でラットを犠殺しパラフォルムアルデヒド灌流後に脊髄を摘出した。摘出した脊髄標本から組織切片を作成し、Neu N、アストロサイトに対してはGFAP、マイクログリアに対してはOX-42を一次抗体として用い、蛍光性二次抗体を用い蛍光免疫染色を行った。さらに、ASICに対しても特異的抗体を用い、蛍光二重免疫染色を施行した。Sham群ラットの脊髄では、ASICは脊髄後角に主に存在しており、神経細胞との共在が認められた。6分間虚血後の脊髄では、脊髄後角の神経細胞にASICが共在しており(sham群と同様)、グリアなどには認められなかった。10分間虚血後では、神経細胞が変性し、ASICも認められなかった。脊髄虚血後のASICの局在変化を検討した結果、ASICは主に脊髄神経細胞に存在し、脊髄虚血後も脊髄神経細胞以外のグリアなどでは認められなかった。さらに、神経細胞の壊死に伴い、ASICの発現は低下する傾向がみられた。平成19年度の研究結果(大動脈遮断後に重炭酸ナトリウム投与によるアシドーシス改善とそれによる神経機能への影響)から、脊髄虚血後の運動神経機能変化に対し、ASIC遮断による運動神経機能の改善効果は少ないようだが、今後はASICの遮断薬を用いた運動神経機能への影響を検討しなければいけないと考えられた。脊髄虚血後脊髄運動神経細胞障害に対する酸感受性イオンチャンネルの関与は、いくつかの論文で報告されている。今回は、ラット脊髄虚血モデルを用い脊髄虚血後くも膜下腔に酸感受性イオンチャンネル阻害薬であるPCTX1を投与し、その脊髄虚血後の運動機能への影響を検討した。さらに、脊髄神経細胞のアポトーシス、アストロサイトならびにマイクログリアの免疫染色を行った。〈方法〉SDラットに対し、脊髄虚血5日前にくも膜下カテーテル(PE-10)を挿入した。イソフルラン麻酔下に、大腿動脈から2Fr.フォガティーカテーテルを挿入し、その先端のバルーンを拡張させることで胸部下行大動脈を閉塞させ、脊髄虚血を作成した。8分間脊髄虚血後に酸感受性イオンチャンネル阻害薬であるPCTX120μg投与群(P群)と生理食塩水投与群(S群)に分けた。脊髄虚血後に経時的に後肢運動機能を評価し、72時間後に脊髄を採取し病理組織学的検討を行った。〈結果〉S群では、全てのラットが虚血後から対麻痺となり72時間後まで継続した。

一方、P群でも対麻痺が認められ、S群との間に差は見られなかった。脊髄TUNEL染色においても、TUNEL陽性細胞が両群で多数認められ差は認められなかった。〈考察〉今回の結果から、ラット脊髄虚血後の運動機能障害に対し、酸感受性イオンチャンネル阻害薬は脊髄神経細胞保護効果を示さなかった。
体性感覚神経刺激によって胃交感神経及び迷走神経に誘発される反射電位の解析

体性感覚刺激が胃運動に反射性反応を誘発することが、麻酔動物を用いた研究で報告されている(Kametani et al.1987 ; Sato et al.,1993)。全身の種々の部位に侵害性刺激(ピンチ刺激)や鍼刺激を加えると、腹部あるいは胸部の刺激では胃運動が抑制され、前肢あるいは後肢の刺激では胃運動が亢進する。さらに、この皮膚刺激による胃運動抑制反応は胃支配の交感神経活動の亢進により、胃運動亢進反応は胃支配の迷走神経活動の亢進によることが明らかにされている。この体性-胃迷走神経反射の中枢経路を分析するために、前肢および後肢の体性神経を電気刺激して胃支配の交感神経及び迷走神経に誘発される反射電位の解析を麻酔ラットを用いて行った。麻酔ラットを人工呼吸にし、呼気中炭酸ガス濃度、血圧、直腸温をモニターし、できるだけ一定の生理的状態で実験を行った。腹側よりアプローチし、食堂に沿って胃に入る迷走神経を分離切断し、その遠心性活動を記録した。腹部の脊髄神経(L1)、後肢の脛骨神経を分離切断して求心性に2あるいは20Vで単発電気刺激し、迷走神経に誘発される反射電位をデータ処理装置で加算し記録した。脛骨神経の電気刺激の場合、有髄線維の刺激(2V)により潜時約120ms、持続時間約200msのA反射が誘発され、刺激強度を強め無髄線維も刺激すると(20V)潜時約360ms、持続時間約200msのC反射が誘発された。L1の刺激は脛骨神経刺激に比べて小さな反射電位しか誘発されず、その潜時約120ms、持続時間は約190msで、A反射とC反射は融合していた。現在、これらの体性神経刺激によって胃交感神経に誘発される反射電位について解析中である。
高解像度モデルを用いた西岸境界流の離岸の研究

海洋における中規模スケールの現象を分解できるような高解像度のプリミティブ方式に基づく海洋大循環モデルを用いて西岸境界流の様子を調べた.パラメータをさまざまに変化させたケース・スタディを10ケース以上行うことで,以下のことを明らかにした.風応力を強くするにつれ,境界流は順圧渦を伴うようになる.水平混合が強い場合にはエネルギーは亜熱帯循環北西部分で定在ロスビー波(慣性粘性境界層)により散逸する.この場合,境界流の離岸は見られず,時間平均した亜熱帯循環場は北半分の流線を波打つことを除けば,ほとんど南北対称である.しかし,混合を弱くなると,もはや定在ロスビー波による散逸は十分ではなく,亜熱帯循環の北西部に極めて強い再循環を形成され,亜寒帯循環との境界に強い内部ジェットができる.ジェットは時間的に不安定であり,再循環の強さの強弱や南北への移動により大きく変動する.エネルギー収支においては,いずれの場合も,渦は平均場の運動エネルギー(順圧不安定)と密度場の位置エネルギー(傾圧不安定)の両方によって駆動されている.しかし,西岸境界を非粘着にすると密度場からの寄与ははほとんどなくなる.このような境界流の振る舞いは過去の準地衡流モデルの結果と大きく異なる.これは本研究では西岸境界付近では等密度面が浅くなり,フロント状の構造を伴うことによる.フロント構造は現実の境界流における大きな特徴であるが,準地衡流モデルそれを再現できない.本研究ではその重要性が定性的ではあるが明らかにした.今後,西岸境界流の研究では本研究と同様のプリミティブ方程式モデルが強く望まれる.海洋における中規模スケールの現象を分解できるような高解像度のプリミティブ方式に基づく海洋大循環モデルを用いて西岸境界流の様子を調べた.パラメータをさまざまに変化させたケース・スタディを10ケース以上行うことで,以下のことを明らかにした.風応力を強くするにつれ,境界流は順圧渦を伴うようになる.水平混合が強い場合にはエネルギーは亜熱帯循環北西部分で定在ロスビー波(慣性粘性境界層)により散逸する.この場合,境界流の離岸は見られず,時間平均した亜熱帯循環場は北半分の流線を波打つことを除けば,ほとんど南北対称である.しかし,混合を弱くなると,もはや定在ロスビー波による散逸は十分ではなく,亜熱帯循環の北西部に極めて強い再循環を形成され,亜寒帯循環との境界に強い内部ジェットができる.ジェットは時間的に不安定であり,再循環の強さの強弱や南北への移動により大きく変動する.エネルギー収支においては,いずれの場合も,渦は平均場の運動エネルギー(順圧不安定)と密度場の位置エネルギー(傾圧不安定)の両方によって駆動されている.しかし,西岸境界を非粘着にすると密度場からの寄与ははほとんどなくなる.このような境界流の振る舞いは過去の準地衡流モデルの結果と大きく異なる.これは本研究では西岸境界付近では等密度面が浅くなり,フロント状の構造を伴うことによる.フロント構造は現実の境界流における大きな特徴であるが,準地衡流モデルそれを再現できない.本研究ではその重要性が定性的ではあるが明らかにした.今後,西岸境界流の研究では本研究と同様のプリミティブ方程式モデルが強く望まれる.
パラ言語情報の生成過程に関する音声学的研究

パラ言語情報の伝達において韻律的特徴(イントネーションやリズム)と声質すなわち喉頭音源の大域的特徴が果たす役割とを比較検討するために、新しい音声分析合成手法であるSTRAIGHTを用いた知覚実験を二種類実施した。対象としては、「落胆」「感心」「疑い」「中立」の4種のパラ言語情報をとりあげた。第一の実験では、声質の役割を検討するために、すべての発話の持続時間長およびイントネーションを同一に揃えた刺激音を合成した後、刺激音が伝えるパラ言語情報のタイプを強制判定させた。この実験は、声質の特徴だけによって我々はどの程度までパラ言語情報を同定できるかを検討することが目的である。実験結果は、声質の特徴だけによっても、相当程度(50%90%)正確な知覚が可能であることを示していたが、正答率はパラ言語情報の種別に依存して大きく変化していた。特に「落胆」と「感心」の間には強い混同が生じていた。両者はともに息漏れ声(breathy phonation)を声質上の特徴としているから、納得のゆく結果である。第二の実験では、各タイプの典型的発話ひとつずつをSTRAIGHTで分析して、各発話の韻律的特徴と声質特徴を分離した後、それらを相互に組み合わせた合成音を作成した。例えば韻律的特徴は「疑い」であるが、声質は「落胆」であるような合成音である。知覚実験では、これら16種類の刺激音を被験者に聴取させ、それがどのようなパラ言語情報を伝えているかを自由記述させる課題と、強制判定課題とを実施した。この実験の結果については現在分析をおこなっているが、全体的傾向として、被験者は声質よりも韻律的特徴に強く依存してパラ言語情報を判定していることがわかる。研究代表者が従来実施してきた音声によるパラ言語情報(話し手の意図や態度)の伝達機序研究の成果をひきついで、声質(voice quality)がパラ言語情報の伝達において果たす役割の解明をめざした研究を実施した。声質にはおおきくわけて声道の調音にかかわるものと喉頭における発声にかかわるものとがあり、研究代表者による従来の研究では前者を主に分析対象としてきたが、本研究では後者をとりあげて本格的に研究することとした。今年度は、研究代表者が既に収集して分析に利用した各種音声を対象として、主に音響的指標によって喉頭における声帯振動の様式を推定する研究を実施した。具体的には声門開大度の指標として、音声波形のFFTスペクトラムの第1倍音と第2倍音のレベルの差(H2-H1)を、また喉頭音源スペクトルの周波数軸上での傾斜の指標として第1倍音と第3フォルマント周波数に最も近い倍音とのレベルの差(A3-H1)を用いた。測定の結果、いずれの指標においてもパラ言語情報の種類(「疑い」「落胆」「感心」等)による組織的な変動が観察されている。また多音節語の場合、音節の位置による変動も存在するらしいことが推察された。この研究成果は2006年にドレスデンで開催される国際会議Speech Prosody 2006に投稿し、採択が決定した。その後、本年度末には合成音声を用いた知覚実験の準備をすすめた。来年度にはこの知覚実験を実施する予定である。
トランスポートソーム小胞輸送における膜融合機構の多光子励起過程を用いた可視化解析

膜輸送体の生理機能は小胞輸送と深く連関しているが、特に開口放出等の重要な生理機能の基盤となる膜融合の機構には不明の点が多く残っている。そこで、近赤外フェムト秒レーザーを励起光源として用い、生体組織中で非線型光学過程の一種である多光子励起過程を用いる蛍光顕微鏡法(2光子顕微鏡)を展開させた。他の顕微鏡法では観察不可能な、インタクトな組織深部の微細構造を可能する方法論を確立し、開口放出等の分子機構及び生理機能や病理について重要な知見を得た。トランスポートソーム構成分子は、固有のプラットホームの膜分画に輸送小胞の膜融合により挿入され複合体化し機能する。このような分画、細胞内小器官間の小胞輸送や開口放出など膜輸送系に必須の分子として、酵母から哺乳動物まで広く進化上保存されたSNARE連関タンパク質群が同定されている。特に、輸送小胞膜と標的膜と融合の際には、融合細孔の形成に先立ち、対面する2膜に各々局在するSNAREコアタンパク質分子(SNAP25,VAMP2,syntaxin)がSNAREコア複合体を形成することが必要であるとされている。しかし、この分子複合体がどのように物理的な膜融合を引き起こすのか、その作用機序や生理的機能は未解明である。この問題の解決には生理的な環境下でSNAREコア複合体形成と融合細孔形成の因果関係や作用機序を解析し、明確化することが必須である。本研究では多光子励起法によるイメージングや光活性化法、遺伝子工学学的蛍光タグ化技術を発展させ、Ca^<2+>濃度上昇、SNAREコア複合体の形成、融合細孔形成の間の空間的時間的な関係を定量的に明らかにすることを目的とする。初年度の本年度の約半年間では、以下のように、主として実験計測システムやプロトコルの確立を中心に研究を実施した。(1)2光子アンケージ顕微鏡の開発ケージド物質を用いイオンチャンルを機能マッピングを行う手法は中枢神経細胞のグルタミン酸受容で成功していた。そこで、これらの知見に基づき、膵臓外分泌腺におけるイオンチャネルの集積状態を可視化解析を可能とする2光子アンケージ顕微鏡の構築を行い、カルシムナノドメインを人工的に出現させることに成功した。(2)SNARE分子蛍光標識法の確立細胞膜に局在するSNAP25に緑色蛍光化を行い、ラット副腎髄質由来親クロム性細胞腫細胞に安定発現させる系を確立させた。さらに蛍光化SNAREコアタンパク質の集積状態を開口放出との同時イメージングにより検討した。(3)Noc2の機能の解析低分子量GTPaseRab3のエフェクターNoc2の膜融合過程における機能についてノックアウトマウスを用いて検討、解析を行った。しかし、この分子複合体の作動原理はもとより溶液輸送などのトランスポートソームの生理的機能との連関は未解明である。その問題の解決には、生理的な環境下でSNAREコア複合体の作用機序や小胞動態を解析、明確化することが必須である。本研究では、多光子励起法のレーザー技術を発展させ、小胞動態とトランポートソーム機能の空間的時間的な関係を定量的に明らかにすることを目的とし、前年度に引き続き、レーザー計測システムやプロトコルの展開を中心に研究を実施した。(1)多光子励起可能な帯域の拡張新たに新型近赤外超短光パルスレーザーのシステムTsunamiBBを購入し、紫外自家蛍光、ケージド物質からVenusまでの広い大帯域の対応を可能とするシステムの構築に成功した。(2)in vivo2光子顕微鏡法の開発さらに、生きた個体深部での2光子断層イメージング法の開発を開始し、0.7mmを越える深部の断層像を得ることに成功した。(3)2光子光活性化顕微鏡の開発昨年度開始した、ケージド物質を用い膵臓外分泌腺におけるイオンチャネルの集積状態の機能マッピングを可能とする2光子光活性化顕微鏡に対し、本年度は高精度の電気生理測定システムを新たに結合させ制御プラグラムを自作し、カルシウム依存性イオンチャンル活性の測定を可能とするシステムへと改良した。(4)溶液輸送可視化解析法の確立開発した溶液輸送のライブイメージング法を唾液腺に適応した。(5)水チャネル分子の機能の解析水チャネルの分子機能についてノックアウトマウスを用いて検討し、新たな知見を得た。シナプス前終末における神経分泌における開口放出や分泌小胞輸送、リサイクリング過程には、酵母から哺乳動物まで広く進化上保存されたSNARE連関タンパク質群が必須であると考えられている。

近年、開口放出の際、融合細孔の形成には、SNAREコア複合体の形成が必須であると考えられている(SNARE仮説)。しかし、この分子複合体がどのように膜融合を引き起こすのか、その作用機序は未解明である。この問題の解決には生理的な環境下でSNARE複合体形成と融合細孔形成の因果関係や作用機序を解析し、明確化することが必須である。本研究は、昨年度に引き続き、2光子励起法を発展させ、輸送小胞の動態、融合細孔形成の時間的空間的な因果関係を、さらに明らかにすることを目的として実施した。本年度は、Ti:Sapphireレーザーをポンプする半導体固体グリーンレーザーを導入し、旧来、発振が不安定な長波長領域での安定した出力の増加に成功し、GFPなどへの適用可能性が広がった。さらに、この特性を活用することにより、2光子励起法のin vivo可視化アッセイや生理活性研究への応用可能性を拡張した。特に、生きたマウス大脳新皮脂深部での神経細胞の微細な形態の掲示的観察に加え、それらの肝組織、皮膚組織、免疫組織への適用可能性も切り開くことに成功した。特に、開口放出のモデルとして膵臓β細胞を用いて、古典的な光学顕微鏡の空間分解能を下回る細胞内小胞の大きさを定量的に解析する方法論-TEPIQ法を適用した。その結果、回折限界以下のシナプス小胞様分泌顆粒の動態の可視化解析に成功し分子機構に関する知見を得た。本年度は、昨年度に引き続き、多光子顕微鏡法の展開により、小胞動態、融合細孔形成の時間的空間的な因果関係を明らかにすることを目的として研究を実施した。シナプス前終末における神経分泌の開口放出や分泌小胞輸送、リサイクリング過程には、酵母から哺乳動物まで広く進化上保存されたSNARE連関タンパク質群が必須であると考えられている。この問題の解決には生理的な環境下で、カルシウム動態とSNARE複合体形成と融合細孔形成の因果関係やその生理機能と作用機序を生理的条件下で測定・解析し、明確化することが必須である。その観点から、本年度は特にA03-内田班(東京医科歯-科大学)による水チャネル分子の生理機能について2光子断層可視化解析を実施した。その結果、膵臓外分泌腺細胞ではカルシウム依存性の電解質輸送が生理的な逐次開口放出に重要であることと、その生理機能実現のためには分泌顆粒膜上のAQP12分子が必須であることが示唆された。また、新たに九州大学作成のノックアウトマウスを対象に解析を行い、GABA_A受容体結合分子の小胞輸送おける機能について新たな知見を得ることに成功した。また連携研究者・高橋信之博士(京都大学)等により、グルコース輸送体(GLUT4)の可視化への準備を行った。また正立型顕微鏡装置を導入し、2光子励起法のin vivo可視化アッセイや生理活性研究への応用可能性を拡張した。特に、肝組織や皮膚組織への適用によりin vivoFRAP法(企業との特許出願準備中)や結合組織の非侵襲的可視化に成功し、輸送小胞による生理的機能調節の分子基盤の可視化解析について、さらなる展開が拓けてきた。トランスポートソーム構成分子は、固有のプラットホームの膜分画に輸送小胞の膜融合により挿入され機能する。
抗原性糖鎖合成能を欠く医療用生物(CHO細胞、マウス、ブタ)の開発に関する研究

主要な糖鎖性抗原として知られるN-グリコリルノイラミン酸はシアル酸の一つの分子種であり、調べられた限りではヒト以外の全ての哺乳動物に含まれている。N-グリコリルノイラミン酸が強い抗原性を有することは、ヒトに対して動物由来の血清をくり返し投与した場合(抗血清などで)に起こるアナフィラキシ-ショックの主要な抗原(HD抗原)のエピトープとしてN-グリコリルノイラミン酸が同定されたことからも明らかである。本研究は、このN-グリコリルノイラミン酸の抗原性が問題となる種々の医療用生物を遺伝子改変技術を利用して改良しN-グリコリルノイラミン酸を含まない医薬品の開発を目指すことを目的とした。(1)CHO細胞に関しては、マウス由来のCMP-NeuAc水酸化酵素cDNAを利用して、ハムスター由来のCMP-NeuAc水酸化酵素の遺伝子を単離し、その配列を決定した。さらに、これを利用してCMP-NeuAc水酸化酵素の遺伝子の一方を破壊したCHO細胞を得ることに成功した。(2)CMP-NeuAc水酸化酵素の遺伝子を破壊したノックアウトマウスの作製については、本酵素のゲノム配列を明らかにし、この情報を用いてノックアウトベクターを作製した。さらに、これを利用して、相同組み替えされたES細胞を得、マウス胚に導入してキメラマウスの得ることに成功した。さらに、これを利用してF1ヘテロマウスも現在作成中である。抗原性糖鎖合成能を欠く医療用生物のうち、本年度はN-グリコリルノイラミン酸を有しないマウスに関して研究を進めた。すでに我々はN-グリコリルノイラミン酸合成を司るCMP-N-アセチルノイラミン酸水酸化酵素のcDNAをマウス肝臓より単離している。そこで、このcDNAの情報をもとにのノックアウト動物を作製するための研究の一貫として、まずこの酵素のゲノム遺伝子をBalb/cマウス肝臓由来のゲノム遺伝子ライブラリーより単離した。この酵素のcDNAの配列をもとに作製したいくつかのPCRプライマーを用い、マウスゲノムDNAから本酵素ゲノム断片のPCR法での増幅を試みたが、増幅されない組み合わせが多く、本酵素遺伝子は短いエキソンが比較的大きなイントロンに数多く区切られた遺伝子からなることが予想された。このため、本酵素遺伝子単離のためのスクリーニングのプローブとしてはPCR法により得られた翻訳領域のcDNA断片の他に、RACE法で単離した5'非翻訳領域をcDNA増幅物、終止コドンを含むものの合計3つのDNA断片を標識したものを使用した。それぞれのプローブに関してλファージベクターに挿入されたマウス肝臓ゲノムライブラリーのプラークを5×105個スクリーニングし、合計14個のクローンを得た。単離されたクローンの解析の結果、ここで得られたクローンではこの酵素遺伝子の全長はカバーされておらず、全長をカバーするためにジーンウォーキングを行った。最終的に得られたクローンは21個であった。これらの解析より本酵素遺伝子は全長100kbを越す大きな遺伝子である事が明らかとなった。また、本酵素のcDNA部分に対応するプライマーを標識したプローブを用いたこれらλファージのクローンDNAのサザンブロット解析の結果、本酵素mRNAをコードするエキソンは12個以上あることが明らかとなった。抗原性糖鎖合成能を欠く医療用生物のうち、本年度はN-グリコリルノイラミン酸を有しないマウス及び細胞の作成を目指して研究を進めた。λファージベクターに挿入されたマウス肝臓ゲノムライブラリーのプラークを5*10^5個スクリーニングし、合計14個のクローンを得た。

最終的に得られたクローンは21個であった。これらの解析より本酵素遺伝子は全長100kbを越す大きな遺伝子である事が明らかとなった。また、本酵素のcDNA部分に対応するプライマーを標識したプローブを用いたこれらλファージのクローンDNAのサザンブロット解析の結果、本酵素mRNAをコードするエキソンは17個以上あることが明らかとなった。この内の第4エキソンにneo遺伝子を導入したノックアウト用ベクターを構築し、ES細胞に導入したのち、G418によるセレクションにより335個のコロニーをえた。現在、これらについて組換えが正しく起こりCMP-NeuAc水酸化酵素遺伝子が破壊された細胞を得る操作すすめている。また、N-グリコリルノイラミン酸を有しないCHO細胞を作成することを目的として、マウス由来のCMP-NeuAc水酸化酵素cDNAをプローブとして、CHO細胞由来のcDNAlibararyをスクリーニングしCHO細胞由来のCMP-NeuAc水酸化酵素cDNAのクローニングえた。さらに、CHO細胞由来のCMP-NeuAc水酸化酵素の遺伝子を単離した。これを用いて細胞レベルでの遺伝子ノックアウトをすすめた。主要な糖鎖性抗原として知られるN-グリコリルノイラミン酸はシアル酸の一つの分子種であり、調べられた限りではヒト以外の全ての哺乳動物に含まれている。N-グリコリルノイラミン酸が強い抗原性を有することは、ヒトに対して動物由来の血清をくり返し投与した場合(抗血清などで)に起こるアナフィラキシ-ショックの主要な抗原(HD抗原)のエピトープとしてN-グリコリルノイラミン酸が同定されたことからも明らかである。本研究は、このN-グリコリルノイラミン酸の抗原性が問題となる種々の医療用生物を遺伝子改変技術を利用して改良しN-グリコリルノイラミン酸を含まない医薬品の開発を目指すことを目的とした。(1)CHO細胞に関しては、マウス由来のCMP-NeuAc水酸化酵素cDNAを利用して、ハムスター由来のCMP-NeuAc水酸化酵素の遺伝子を単離し、その配列を決定した。さらに、これを利用してCMP-NeuAc水酸化酵素の遺伝子の一方を破壊したCHO細胞を得ることに成功した。(2)CMP-NeuAc水酸化酵素の遺伝子を破壊したノックアウトマウスの作製については、本酵素のゲノム配列を明らかにし、この情報を用いてノックアウトベクターを作製した。さらに、これを利用して、相同組み替えされたES細胞を得、マウス胚に導入してキメラマウスの得ることに成功した。さらに、これを利用してF1ヘテロマウスも現在作成中である。
医療安全の向上を目指した医療機器操作行動解析手法の開発

本研究は,医療機器の操作について,行動解析の手法を用いて記録し分析するものであり,医療機器およびその使用方法に関する安全性向上に資することを目指した.視線検出装置により操作者の視線を,モーションキャプチャ装置により操作者の運動を,ビデオ解析技術により医療機器の動作状況を,それぞれ記録する方法を開発し,内視鏡を用いた被験者実験などによりこれらを統合的に記録できることを示した.本研究は,医療機器の操作について,行動解析の手法を用いて記録し分析するものであり,医療機器およびその使用方法に関する安全性向上に資することを目指した.視線検出装置により操作者の視線を,モーションキャプチャ装置により操作者の運動を,ビデオ解析技術により医療機器の動作状況を,それぞれ記録する方法を開発し,内視鏡を用いた被験者実験などによりこれらを統合的に記録できることを示した.本年度は,視線解析装置を用い,操作者の医療機器操作中の視線を解析する技術を開発することを目標とした.本研究では,挿入時に空間認知能力が特に要求されると考えられる大腸内視鏡検査を対象とする.内視鏡装置には臨床で実際に用いられている大腸内視鏡を用い,観察対象はトレーニング用の模擬大腸を用いた。これら内視鏡装置および模擬大腸による事前検討の結果,使用する視線解析装置として,ナックイメージングテクノロジー社製のアイマークレコーダEMR-8Bを選定した.上記視線解析装置を用いて,操作者の視線解析の予備実験を実施した.被験者に視線解析装置を装着させ,虫垂口等への到達をゴールとした内視鏡挿入タスクを行わせ,その間の視線を計測した.視線は動画ファイルとして保存され,視線解析ソフトウェアを用いることにより,視線データから視線の停留点および停留時間などを算出した.また得られた視線データと内視鏡ビデオを時系列的に比較することにより,視線と内視鏡操作との関連が明らかになるかを確認した.一連の予備実験の結果,本システムにより内視鏡操作中の視線解析が十分な精度で可能であることが明らかとなった.ただし,用いた内視鏡モニタ(CRT)と視線解析装置のカメラの走査周波数が干渉し検出精度に影響することが判明したため,内視鏡モニタを液晶モニタにすることによりこの問題を解決した.これら視線解析に関する試みとは別に,次年度(H20)に予定している運動解析の先導研究として,光学式距離画像センサを用いた動作計測を試みた.距離画像センサは観察対象に何ら装置やマーカを設置せずにその運動を計測できる点で優れているが,我々の精度検証実験によれば,対象物の色彩によっては精度誤差が大きく,本研究の目的を達成するためには何らかの工夫が必要であることが判明した.運動解析については,この距離画像センサを含めて別方式も検討し,次年度に導入する方式を決定することとした.1.視線解析に関して,前年度の予備実験にて得られた知見をもとにして,計測プロトコルの最適化をおこない,引き続き視線解析データの蓄積を図った.前年度の実験では,内視鏡操作中に生ずる頭部移動のため,(1)視線解析装置の頭部装着部のずれによる計測不能フレームの増加,(2)視野が固定されないことにより視点の滞留点の解析を自動化できない,点が問題となった.そのため,(1)頭部移動の影響を観察するため,頭部移動が小さいと考えられるタスクを考案し,視線解析を実施した.(2)視野自体の移動を補正するために,視野の画像処理による移動量検出法を試みた.(1)については予備実験よりも長時間にわたり視線データが確保されたため,頭部移動の影響が測定精度に大きく影響することが明らかとなった.(2)については画像解析ソフトを導入し,解析中である.2.モーションキャプチャを用い,医療機器を操作中の操作者の上腕運動を解析する技術を開発することとした.予備実験において内視鏡操作タスクを観察したところ,手およびその移動量を検出すれば十分であるとの結論に達したこと,および当初導入予定の磁気式モーションキャプチャ装置では,内視鏡等磁性体が直近にある事による精度低下が危惧されることから,光学式位置センサと手指のみの簡易的なデータグローブを組み合わせて計測することとした.データグローブによる把持動作の計測に成功し,現在,位置センサとの組み合わせを実施中である.1.「ビデオ解析技術による操作行動解析」について:ウェブカメラを用いて,機器の操作部を撮影し,その映像を画像処理することにより,つまみや表示器の指示量を定量化することに成功した.定量化のために,ソフトウェア開発環境LabVIEWを用いて解析ソフトを開発した.On/Offのみの情報を提示するような機器や,数字(いわゆる7セグ)においては,ほぼ認識エラーが見られなかった.一方でアナログ表示においては,画像認識用のパターンマーカを貼付する必要があった.現状では機器ごとに異なるプログラムを作成する必要があるが,操作行動解析の対象となる機器に限れば,十分に実用に堪えるものとなった.この成果を更に発展させ,操作者の運動解析にビデオ解析技術を適用することを試みた.具体的には操作対象器具にパターンマーカを貼付し,これをウェブカメラで撮影し位置や姿勢を算出するものである.前年度までに検討した距離面像センサ・光学式位置センサと比較し,装置がシンプルであり,医療現場により適している.2.「操作行動の統合的解析」について:モーションキャプチャ方式に関する前年度の検討を受け,光学式位置センサとデータグローブを統合したシステムを開発し,実際に内視鏡下手術操作を訓練用模型にて実施させた.その結果,20Hz・リアルタイムで手指の開閉および位置姿勢を記録できることが確認された.

視線解析データの統合については,前年度の実験において明らかとなった頭部移動(モニタと被験者頭部の位置関係の時間変化)を検出するソフトウェアを試作したが,システム全体にこれを組み入れるには至らなかった.しかし近年,視線解析装置に位置センサを組み合わせた製品が市販されており,今後そのような装置を用いられれば容易になると考えている.3.今年度までの研究成果は,国際学会2件,国内学会1件にて発表した.助成終了後も発表を予定している.
クラスター変分法によるＢ２規則相中の転位芯構造の解析

平成25年度にクラスター変分法(CVM)に基づくB2規則相中の転位芯構造のモデル計算を行った。更に、CVMとNudged Elastic Band法(NEB)を組み合わせることでパイエルスポテンシャルおよびキンク対の運動の活性化エネルギーの計算を行い、B2規則相の異常強化現象と相平衡の関係について考察した。しかしながら、上記の計算は格子振動および局所緩和の効果を考慮していない。より厳密な計算を行うためには、転位芯構造に対するこれらの効果を評価する必要がある。この問題を解決する為に、平成26年度にsimplified Gaussian CVMという手法を提案した。本手法の構築過程で得られた、メビウスの反転公式に基づく振動の自由エネルギーの計算手法を国際学会(PTM2015)で学会発表し、本手法を日本金属学会2015年秋季講演大会と雑誌MATERIALS TRANSACTIONSにて報告した。また、本手法の応用例としてCu-Au二元系の相境界の計算を行い日本金属学会2016年春季講演大会で報告した。27年度が最終年度であるため、記入しない。本研究の最終目標は、Gaussian CVMと原子論的計算を応用し、B2規則合金の降伏応力の温度依存性を解析することである。当初、平成25年度はGaussian CVMによる転位芯構造の解析を目標としていた。しかしながら、Gaussian CVMで得られるミクロスケールの熱力学特性とメソスケールの機械特性である降伏応力とを関連付けるためのモデル構築が優先の課題であると判断し、下記の研究を遂行した。尚、単純化のために以下の計算は通常のクラスター変分法(CVM)を用いている。1CVMとNudged Elastic Band法(NEB)を応用したキンク対の形成エネルギーの計算: CVMとNEBを応用しB2規則相中の転位のパイエルス応力を計算し、算出したパイエルス応力を基にNEBによるキンク対の形成エネルギーを計算した。この計算ではCVMを応用することで、転位芯構造に加え、有限温度での平衡なLong Range Order parameter (LRO)の導出が可能である。また、キンク対の形成エネルギーは、独立した転位の臨界分解せん断応力の温度依存性および非熱的な降伏応力に関する重要な情報を与える。2Phase Field法(PFM)とDislocation Dynamics simulation (DD)のカップリングによるBCC規則相中の転位運動の解析: 1の計算は独立した転位の運動を対象とする。しかしながら、合金中の転位運動は複雑な内部組織や転位組織と強く相互作用し、降伏応力の計算はこれらのメソスケールの相互作用を考慮する必要がある。そこで本研究では、D. RodneyらのPFMとDDのカップリング手法に修正を加え、BCC規則相中の転位運動の計算モデルを作成した。計算の結果、らせん転位のcross slipに加え、規則相による転位のpinningおよびAPBによって結合されたsuper-partial dislocationの形成が観察され、BCC規則相で想定される特徴的な振る舞いが再現された。また、この時の降伏応力は弾性応力の空間平均として計算される。上記の計算結果より、1で得られた独立した転位の物性値を基に2のメソスケールにおける降伏応力の計算を行うことで、CVMで得られるミクロスケールの熱力学特性とメソスケールの機械特性である降伏応力とを関連付けることができると考えられる。一部の規則合金において温度上昇に伴い降伏応力が増加する特異な現象、すなわち異常強化現象が観察されている。その発現機構の一つに超部分転位の対の分裂が指摘されているが、詳細な機構は十分には解明されていない。本研究はクラスター変分法(CVM)による原子スケールでの異常強化現象の熱力学的解析を目的とする。これまでに、従来のCVMによるB2規則相中の転位芯構造のモデル計算を行ってきた。その計算の中で、超部分転位のすべり運動における活性化エネルギーのすべり系および温度依存性が示され、高温での超部分転位の分裂を示唆する結果を得た。しかしながら、転位芯構造の決定に影響与えると考えられる原子の局所変位を上記の計算では考慮していない。そこで、新たな計算手法としてsimplified-Gaussian CVMを開発した。本手法は、熱振動、原子の局所変位および規則度を同時に考慮した自由エネルギー計算が可能である。また、本手法は従来のフォノン計算に比べて計算コストが低く、比較的大きな計算セルを必要とする規則相中の転位芯構造の解析に非常に適した計算手法であると言える。新たに開発したsimplified-Gaussian CVMの有用性と妥当性を確認するために、いくつかの基礎的な計算を行った。1.本手法と従来のフォノン計算による純Cuの熱力学特性の比較計算2.純Cu中の空孔の形成自由エネルギーの理論計算3.局所緩和および熱振動の寄与を考慮した平衡状態図のモデル計算。上記の結果は本手法の妥当性を示す。また2)の結果は転位芯を含む結晶欠陥の計算に対して本手法が有効であることを示唆する。今後simplified-Gaussian CVMを応用したB2規則相中の転位芯構造の解析を行い、原子の局所変位、熱振動および規則度の効果が転位芯構造および異常強化現象の発現に与える影響を解析する。

更に、CVMとNudged Elastic Band法(NEB)を組み合わせることでパイエルスポテンシャルおよびキンク対の運動の活性化エネルギーの計算を行い、B2規則相の異常強化現象と相平衡の関係について考察した。しかしながら、上記の計算は格子振動および局所緩和の効果を考慮していない。より厳密な計算を行うためには、転位芯構造に対するこれらの効果を評価する必要がある。この問題を解決する為に、平成26年度にsimplified Gaussian CVMという手法を提案した。本手法の構築過程で得られた、メビウスの反転公式に基づく振動の自由エネルギーの計算手法を国際学会(PTM2015)で学会発表し、本手法を日本金属学会2015年秋季講演大会と雑誌MATERIALS TRANSACTIONSにて報告した。また、本手法の応用例としてCu-Au二元系の相境界の計算を行い日本金属学会2016年春季講演大会で報告した。当初の計画ではクラスター変分法(CVM)の派生モデルであるGaussian CVMを用いて、転位芯構造の計算を行う予定であった。しかしながら研究を進める中で、Gaussian CVMは1原子の局所変位を考慮せず2特定の計算条件において解が収束しないということが判明した。本研究において、この二点は無視することのできない問題であり、新たな計算手法の開発が必要となった。新たな計算手法の開発のために計画の変更が必要となり、研究進度に若干の遅れが生じた。しかしながら、結果的にsimplified-Gaussian CVMを開発し、より合理的かつ効率的な計算モデルの構築に成功した。これまでに従来のCVMによる転位芯構造の解析によって、超部分転位のすべり運動における、すべり面の温度依存性、活性化エネルギーのすべり面および温度依存性が示され、異常強化現象の発現機構を示唆するいくつかの結果を得ることができた。今後、simplified-Gaussian CVMを用いてより詳細な解析結果を得られると考えられる。その点で、計画の変更はあったものの概ね順調に進展していると言える。27年度が最終年度であるため、記入しない。これまで従来のCVMを用いてB2規則相中の転位芯構造の計算を行ってきが、今後は、simplified-Gaussian CVMを用いてより妥当性の高い解析を行う。また、従来のCVMでは考慮されない、転位芯構造に対する原子の局所変位の影響ついて考察する。具体的な方針は下記のとおりであり、すべてsimplified-Gaussian CVMによる計算である。1. B2規則相中のAPB(逆位相界面)エネルギーの温度依存性の計算:B2規則相中では、APBによって結合された二本の超部分転位が一つの対として運動している。このAPBエネルギーの異方性は、超部分転位の対の分裂および異常強化現象の発現において重要な指標であることがこれまでの計算から推測される。また、APBエネルギーは単独の超部分転位の非熱的な変形応力を決定するため、異常強化現象の解析において非常に重要な指標となる。
磁気分離による空気の酸素富化に関する研究

1.高勾配磁場中の酸素分子の運動解析:一様磁場中に置かれた強磁性体細線が作る磁場分布式から酸素分子に働く磁気力を導出し、これと重力、慣性力を考慮した運動方程式を求め、酸素分子の運動軌跡のシミュレ-ションを行った。その結果、1Tの磁場を加えたときには強磁性体細線半径の約3.8倍位にある酸素分子が磁気力により吸引されることが分かった。2.磁場のオン、オフによる空気の流れの変化測定:磁場をオンすると磁極表面の温度が1分間くらいで急激に低下し、磁場をオフすると温度が上昇するという新しい現象を見いだした。この温度変化は約0。6T以上の強さの磁場から発生し、その温度変化は磁場の強さとともに増大し、約2T位で飽和する傾向にある。3.強磁性体細線マトリックスの作る磁場解析:一様磁場中に置かれた強磁性体細線マトリックスが作る勾配磁場分布を有限要素法を用いて2次元場の解析を行った。その結果、酸素分子捕獲用マトリックスの近傍での磁気力を大きくするためにはマトリックスの飽和磁化を大きくし、線径を小さくすることが必要であることが分かった。4.酸素富化膜と強磁性体細線を用いた分離機の試作と実験:磁気フィルタとして磁性ステンレス細線を用い、その両側にテフロン膜を貼ったキャニスタを試作した。これを1.5T2.0Tの範囲の一様磁場中に挿入し、キャニスタ内に原料空気を導入し、酸素濃度の変化を調べた。その結果、最大で23%程度の増加が認められた。この温度変化は約0。磁気分離方式による空気の酸素富化について基礎的研究を行い、以下の結果を得た。(1)高勾配磁界中の酸素分子の運動解析:一様磁界中に置かれた強磁性体細線が作る磁界分布式から酸素分子に働く磁気力を導出し、これと重力、慣性力とを考慮した運動方程式を求め、酸素分子の運動軌跡のシミュレ-ションを行った。その結果、1Tの磁場を加えた時には強磁性体細線の半径の約30倍位にある酸素分子が磁気力により吸引されることがわかった。(2)磁場のオン、オフによる空気の流れの変化測定:磁場をオンすると磁極表面の温度が約1分間位で急激に低下し、磁場をオフすると温度が上昇するという新しい現象を見いだした。この温度変化は約0.6T以上の強さの磁場から起こり、その温度変化は磁場の強さと共に増大し、約2T位で飽和する傾向にある。この現象は、磁場をオンすると空気の流れが発生することにより温度が低下し、オフするとこの流れが止まって温度が初期温度まで上昇するものと思われる。このことから、磁場を印加することにより空気中の酸素分子が磁極方向に吸引されると考えられる。(3)酸素富化膜と強磁性体細線を用いた分離機と試作と実験:テフロン膜を用いた場合はガス透過量は少ないが、透過ガス中の酸素濃度が2ー3%程度高くなることが認められた。今後、上記(2)の結果を基に分離機の構成及び配置と酸素富化特性について検討を行う。磁気分離方式による空気の酸素富化に関する研究について基礎的研究を行い、以下の結果を得た。1.磁場解析と分離動作の計算機シミュレ-ション:一陽磁場中に置かれた強磁性体細線マトリックスが作る勾配磁場分布を有限要素法を用いて2次元場を解析し、計算機シミュレ-ションを行った。その結果、酸素分子捕獲用マトリックスの近傍での吸引力として働く磁気力を大きくするためにはマトリックスの飽和磁化を大きくし、線径をできるだけ小さくしする事が必要であることがわかった。また、強磁性体細線をマトリックスとして構成する場合の線間距離は磁気力に対しては余り影響しないこともわかった。

さらに、捕獲用マトリックスの飽和磁化に相当する以上の強さの磁場に対しては、分離特性は飽和する傾向にあることがわかった。2.磁気フィルタの試作と分離特性についての実験的検討:磁気フィルタとして、直径100μm程度の磁性ステンレス細線を用い、その両側に酸素分子透過用の高分子膜を貼ったキャニスタを試作した。これを1.5Tー2.0Tの範囲の一様磁場中に挿入し、きのコャニスタ内に原料空気を導入し、酸素濃度の変化を調べた。その結果、磁気ファルタ透過ガス中の酸素濃度は上記範囲内の磁場の強さに対して、磁場の強さを大きくすれば高くなり、最大で2ー3%程度高くなることが認められ、わずかではあるが酸素富化特性が得られることが分かった。