hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
光または電磁波を用いた任意形状物体のセンシングの研究

本研究では、電磁波を利用した物体のリモートセンシングへの応用として、散乱体表面の導電性と電波の散乱の特性を調べることが目的であった。今回の研究によって次のような成果を得た。散乱体の表面による電波の反射率は散乱体の表面における表面インピーダンスによって表現できる。平らな表面にくぼみがあるときには、くぼみ上の電磁界を適当な等価電磁流に置き換えると、見通しのよい解析を行うことができることを見いだした。このことは、現在論文誌に投稿中である。また、等価電磁流による解析方法の妥当性を調べるために、簡単な開口アンテナ構造を用いた実験を行った。アンテナ構造を用いた理由は、表面にくぼみがある散乱体による電波の散乱を測定するよりも、くぼみから電波を発射して放射波を測定する方が容易であるからである。この結果は、研究会資料として公表済みである。散乱体が粗面(ランダムな凹凸を有する表面)の場合の散乱波の解析も行っているが、この解析には統計的な処理を必要とする。散乱波の放射パタンと凹凸の統計量との関係を見い出そうとしているが、現在のところまとまった結果を得ていない。今後も、この問題を解決すべく研究を続ける予定である。
マラリア高度流行地における独自開発デバイスを用いた無症候感染者の診断法の確立

マラリア流行地では無症候感染者(繰返しの感染により部分的な免疫の獲得し、低感染状態の感染者)が原虫のドナーになっており、マラリア撲滅のためには無症候感染者の治療による伝播阻止が鍵になる。このような背景から、流行地でのフィールドワークで無症候感染者にも使用可能な迅速かつ易操作な高感度マラリア診断デバイスの開発が望まれている。我々はこれらを可能にし得るデバイス(MCD; Malaria Cell Disc system)を独自に開発した。本研究では罹患率が特に高いマラリア流行地であるケニアビタ地区において無症候感染者を対象に本デバイスを用いた原虫の高感度検出、種の同定、および薬剤耐性の有無の判定を行い、次世代のマラリア診断法のゴールドスタンダードの確立を目指す。当該年度では、2回のケニアビタ地区の病院患者、および116歳の住人に対して、採血を行い、MCDのマラリア診断の能力評価をおこなった。血液サンプルは、マラリア原虫種の鑑別も可能なPCR法をレファレンスとして、感染の有無を判定した。本地域に流布するマラリア原虫は最も致死率が高い熱帯熱マラリア原虫が大部分(90%以上)であった。また、感染者由来の血液サンプルの感染率(パラシテミア)は、血液薄層または厚層塗抹ギムザ染色標本の顕微鏡観察によって決定した。現在、PCRをレファレンスとしたMCDによる診断の感度や特異度の決定をおこなっている。また、顕微鏡観察で算出されたパラシテミアをレファレンスとしてMCDの検出限界値を算出すべく解析中である。MCDを用いたマラリア流行地の調査は概ね順調に進展している。MCDによる診断の感度や特異度、および検出限界を決定する。この結果を考察し、問題点等を明らかにし、改良すべくフィードバックする。
神経系の新しいサイトカインCblnファミリー分子の機能解析

C1qファミリーは生命活動の多くのプロセスを制御する分泌因子である。最近このファミリーの一つであるCbln1は小脳に豊富に発現し、成熟小脳におけるシナプスの形成・維持とともに可塑性の双方を制御する全く新しいシグナル分子である。神経系には他にもC1qファミリーに属する分子が複数存在しているが、その詳細な発現や機能は未だ未解明なままである。本研究では、Cblnファミリーに類似の、大脳皮質、海馬などで発現する、新しく分類されたC1q-like(C1ql)ファミリーに注目して解析を行い、これらがシナプス機能を制御する分泌因子である可能性が示唆された。Cbln1はClq/TNF-alphaスーパーファミリーに属する新しい分泌タンパク質であり、小脳顆粒細胞に豊富に発現する。cbln1ノックアウトマウスは平行線維-プルキンエ細胞間におけるシナプス形成不全やLTDの障害が見られることから、成熟小脳においてシナプス形成維持やシナプス可塑性に関わることが示唆されている。また興味深いことに、これまでにCbln1には少なくとも他に構造的に非常に類似した3つのファミリー分子(Cbln2, Cbln3, Cbln4)が神経系で存在し、Cbh1ファミリーがCbln3を除いて全てが糖鎖修飾を受ける分泌タンパク質であること、さらに分泌能を持たないCbln3もCbhl1とヘテロマーを形成して分泌タンパク質として機能することを明らかにした(Miura et al., Eur. J.Neurosic, 2006 ; Iijima et al,, Eur.J Neurosci., 2007)。Cbln1はClqファミリーに属する新しい分泌タンパク質であり、小脳顆粒細胞に豊富に発現する。cbln1ノックアウトマウスは平行線維-プルキンエ細胞間におけるシナプス形成不全やLTDの障害が見られることから、成熟小脳においてシナプス形成維持やシナプス可塑性に関わることが示唆されてきた。2006-2008年では、Cblnファミリー分子(Cbln1-Cbln4)の発現、生化学的特性(Miura et al.,Eur.J.Neurosci.,2006;Iijima et al.,Eur.J.Neurosci.,2007)、Cbln1のシナプス後膜への選択的な結合(;Matsuda et al.,Eur.J.Neurosci.,2009)、cbln1ノックアウトマウスの成熟脳における強力なシナプス形成能(Ito-Ishida et al.,J.Neurosci.,2008)を明らかにしてきた。そして昨年度はCbln1の遺伝子発現が過剰な神経活動の亢進によってシャットダウンされ、小脳Purkinje細胞上の平行線維シナプスをダイナミックに制御すること、小脳顆粒細胞におけるCbln1の時空間的発現が発達期の膜電位変化に依存していることを発見した(Iijima et al.,J.Neurosci.,2009)。さらにこれと平行して、最近の一年では、Cblnファミリー同様に神経系に高発現するClq component-like(Clq1)ファミリーについても解析を行い、これらが神経系で特徴的な発現パターンを示すこと、さらにCblnファミリー同様に複合体を形成する分泌性タンパク質であり、互いにホモマー、ヘテロマーを形成することを示した(Iijima et al.,Eur.J.Neurosci.,2009)。
肥満II型糖尿病モデルSDT fattyラット顎骨におけるビスホスホネートの作用

平成29年度は、ビスホスホネート投与の前に肥満II型糖尿病モデルSDTfatty Leprfaラットの顎骨における病理組織状態を検索した。その結果、生後40週齢の肥満II型糖尿病モデルSDTfatty Leprfaラットの下顎骨では、本来の歯周組織に多量の細菌感染および上皮組織の陥入が認められ、それに伴って、歯根膜の消失と肉芽組織形成、ならびに、歯槽骨の広範な吸収が認められた。根尖部のセメント質にも細菌感染が認められ、多数の空のセメント小腔が観察された。このように、肥満II型糖尿病モデルSDTfatty Leprfaラットの顎骨では、血糖値の上昇による異常だけでなく、重篤な細菌感染が示された。一方で、根尖部には歯槽骨が残存し、そこには多数の酒石酸抵抗性酸性ホスファターゼ(TRAP)陽性/Cathepsin K陽性破骨細胞、および、組織非特異型アルカリホスファターゼ(TNALPase)陽性を示す活性型骨芽細胞が局在した。Von Kossa染色を行うと、未石灰化領域である厚い類骨層を有する骨基質が観察され、骨基質内部には網目状のオステオポンチン陽性セメントラインが形成されていたことから、活発な骨リモデリングが誘導されたものと推測された。STED (Stimulated Emission Depletion Microscopy)で骨基質内の骨細胞の分布を検索すると、その配列は不規則であることが示された。従って、感染部位では、恐らく、活発な骨吸収により歯槽骨が消失するが、細菌感染部位からやや離れた歯槽骨では活発な骨リモデリングが誘導されると推察された。以上から、肥満II型糖尿病モデルSDTfatty Leprfaラットの顎骨では、四肢の長管骨とは異なり、外部からの細菌侵入を受けており、それによる骨代謝異常が生じていることが明らかにされた。
SMESと流通ベルトラインの組み合せによる電気エネルギー発生・輸送の高効率化

〔SMES、ベルトライン〕システムの静態的効果は、負荷平準化にあり、線路利用率の向上、発電機群の経済運用、電源設備の低減につながる。その効用は需要の性質に依存し、DC型線材を用いたやや大型のSMESが適当していると考えられる。静態的効果の評価は、ピーク期オフピーク期の運用効果を比較することになり、いくつかの一般的な性質を導出した。(1)線路利用率を向上するには、SMESを負荷ノードに設置する。このときSMESは仮想負荷の役割を果たす。負荷ベルトラインの設置も効果がある。(2)電源運用の経済効果を向上するには、SMESを電源ノードに設置する。(3)線路利用率の向上と、電源運用の経済効果に関してはSMESの協調運用が必要である。〔SMES、ベルトライン〕システムの動態的効果は、じょう乱による系統動揺の吸収であり、負荷追従性能は悪いが経済的な電源の比率を高めるのに役立ち、トータルシステムとして高効率運用につながる。SMESは系統の電気機械的な動特性に関連した安定化装置として働くことになるので、AC型線材を用いたやや小型のSMESが適当している。SMESの設置点に関して以下の特徴のあることを明らかにしている。(1)電源ノードに設置したSMESの効果は、設置ノードの電源に直接作用する。(2)負荷ノードに設置したSMESの効果は、各電源に分散して作用する。(3)電源ベルトラインの変更は、SMESの動態的効果に影響を及ぼさない。(4)異なる特性を持たせた複数のSMESにより系統内に存在する複数の動揺モードを速やかに制動できる。さらに大学、電力会社の若干名に対してアンケート調査を行ない、各種超電導応用機器の機能・特徴の比較、主観的実現性等を評価している。その結果、小型SMES、発電機が期待されていることを明らかにした。
ケトーシスを主徴とする先天性疾患の早期診断に関する研究

ケトーシスは小児期に一般診療の場においてしばしば遭遇するが、中には重篤な発作をきたすもの、発作回数の多いものが含まれる。これらの中に先天性疾患の隠されている症例があり、それらは早期診断によって神経後障害を予防できる可能性が高い、ケトーシスを主徴とする代表的な先天代謝異常症として、有機酸代謝異常症、ケトン本代謝異常症が知られている。そこで平成78年の2年間にわたって、ケトーシスを主徴とする先天性疾患の早期診断に関する研究を行い、以下の研究成果を得た。1)質量分析(GC/MS)による有機酸代謝異常症の診断を自動化するコンピュータプログラムの開発:これまでGC/MSによる有機酸分析は、機器のメンテナンス、分析データの解釈に関する専門知識を必要としてきたため、限られた施設のみで分析が可能であったが、これにより、GC/MS分析が一般化し、隠れている患者の発見に役立つ。2)ケトーシスを主徴とする新しい先天代謝異常症、3-ヒドロキシイソ酪酸尿症の同定:全国の医療機関からGC/MS分析の依頼を受けるようになったが、この中でケトーシス発作のみを主徴とする兄弟例に遭遇した。われわれはこの症例を検討した結果、ケトン体である3-ヒドロキシ酪酸の他に、3-ヒドロキシイソ酪酸が増加していることを見い出し、3-ヒドロキシ酪酸尿症と診断した。わが国初めての本症の症例であり、新しいタイプのケトン体代謝異常症として今後注目べきであることを明らかにした。3)ケトン体代謝酵素の細胞内分布に関する研究:ケトン体代謝に関連する3つの酵素、すなわちミトコンドリアアセトアセチル-CoAチオラーゼ、細胞質型アセトアセチル-CoAチオラーゼ、サクシニル-CoA:3-ケト酸CoAトランスフェラーゼの臓器分布を明らかにし、リンパ球を用いてできる簡便な酵素診断法を確立した。ケトーシスをきたす小児疾患の早期診断のために、今年度(初年度)、以下の研究を行った.[1]質量分析法による生化学診断法の確立:キャピラリーGC/MSによる尿中分析法を確立し、自動解析するコンピューターソフトを開発した.尿中に排泄されうる有機酸130種類を自動的にサーチして、ケトーシスをきたすことの多い有機酸代謝異常を迅速に診断するコンピュータープログラムである.すでに診断名のわかっている約30例の患者尿を用いて解析させ、このコンピューターソフトの精度を確認した.[2]細胞分画法によるケトン体代謝関連酵素の活性測定法の確立:先天性ケトン体代謝異常症として知られている3つの疾患すなわち、βケトチオラーゼ(T2)欠損症と細胞質型チオラーゼ(CT)欠損症およびサクシニル-CoA : -CoAトランスフェラーゼ(SCOT)欠損症の酵素活性測定による診断法を確立した.T2とSCOTはミトコンドリアに局在し、CTは細胞質に局在している.そこでリンパ球をジギトニンを用いて細胞分画して、3つの酵素を分別測定するシステムを確立した.これにより、従来測定困難正であったCT欠損症の診断が容易になった.原因不明のケトーシス患者の正確な診断に寄与するものと思われる.[3]リンパ球培養系の確立:臨床に場で、簡便にケトーシス患者の鑑別診断を可能にするため、尿を用いた有機酸分析の他に、酵素活性を末梢リンパ球を用いて行う方法を確立した.すなわちEBトランスフォームリンパ球とIL-2刺激リンパ球の培養系を確立し、上述した細胞分画法による正確な分別活性測定法を確立した.[考察]

2年間のプロジェクトの1年目の目標を達成できたと評価できる.この成果を踏まえ、2年目は実際のスクリーニングを進めてゆき、この簡便な診断手法を実用化させる研究を行いたい.今年度は本研究費の2年間の2年目に当たる.今年度は以下の研究を行った.1)ケトーシスをきたす疾患の新生児マススクリーニングのための基礎的研究:ケトーシス発作を主徴とする代表的疾患である有機酸代謝異常症を早期に診断するために、GC/MSによる有機酸分析データを自動的に処理し、そのプロフィールから診断名を示すシステムを確立した.2)ケトーシスを主徴とする新しい先天代謝異常症の同定:有機酸分析システムを確立し、本年度全国の医療機関から約400症例の分析依頼を受けた.この中に、ケトーシス発作のみを主徴とする兄弟例があった.兄は4才時ライ症候群で死亡が、これまでケトーシス以外の所見は指摘されていなかった.われわれはこの症例にはケトン体である3-ヒドロキシ酪酸の他に、3-ヒドロキシイソ酪酸が増加していることを見い出し、3-ヒドロキシ酪酸尿症と診断した.そして本患児の臨床経過と代謝プロフィールの変化を検討した.3-ヒドロキシイソ酪酸尿症は通常のケトーシス発作と区別がつきにくく、わが国では初めての症例であり新しいタイプのケトン体代謝異常症として今後注目べきであることを明らかにした.3)メチルアセトアセチル-CoAを基質としたβ-ケトチオラーゼ欠損症の診断法の検討:β-ケトチオラーゼ欠損症の酵素診断としてイソロイシンの中間代謝体であるメチルアセトアセチル-CoAを用いる方法を検討した.この基質は市販されていないので、スペインの研究機関から入手したが、本化合物が不安定であり、感度が悪くこの基質による診断は実用的でないと結論づけた.4)ケトン体代謝酵素の細胞内分布に関する研究:ケトン体代謝に関連する3つの酵素、すなわちミトコンドリアアセトアセチル-CoAチオラーゼ、細胞質型アセトアセチル-CoAチオラーゼ、サクシニル-CoA:3-ケト酸Coトランスフェラーゼの臓器分布を明らかにした.
金属単原子接点の交流安定性

交流バイアス下では接点の電流誘起破断の駆動力が時間平均されて弱まり,安定性が向上する.この交流効果を,Au単原子接点を対象として検証した.最初に交流破断電圧を100 kHzまでの周波数域で測定したが,破断電圧は直流の場合よりも低く,交流効果は観測されなかった.これはバイアスの増加とともに電極原子のホッピング頻度が増加し,交流による時間平均効果が効かなくなるためである.そこでバイアス振幅を低く抑え,1 MHzの交流バイアス下でAu単原子接点の寿命を測定する実験を行った.しかし低バイアスでは電圧/電流の影響は小さいためか,接点寿命分布は直流の場合と異ならず,交流の効果は認められなかった.平成26年度は,Auの原子サイズ接点を対象として,その交流破断電圧の測定を行った.最初に直流バイアスの下でMCBJ法により1G0接点(1G0接点はAuの単原子接点)を作製・保持し,回路を交流回路に切り替えて接点に交流バイアスを印加する.交流バイアスの振幅をゼロから直線的に増加させてゆき,接点が破断するときの振幅を検出した.当初は接点の交流電流を直接オシロスコープでモニターすることを予定していたが,破断振幅の正確な検出が難しいことが判明したため,交流信号を検波して電流振幅を記録する方式に変更した.このため交流の帯域が検波回路の帯域で制限され,測定は10100kHzの周波数域で行なった.実験は室温および液体ヘリウム温度で行なった.液体ヘリウム温度の実験では,インサート型のMCBJを高周波測定用に改造して使用した.実験の結果,どちらの温度の場合にも接点破断の振幅は直流での測定結果を上回ることはなく,また破断振幅の周波数依存性も観測されなかった.このため期待された交流バイアスの効果,すなわち直流よりも交流の方が接点の高バイアス安定性が向上する,は少なくともkHz帯では観測されなかった.交流バイアスの効果は,電流による原子の駆動力が,電流の向きが変化する交流では時間平均されて小さくなることに由来している.しかしバイアス電圧を増加させてゆく破断実験では,高いバイアスになると接点原子の揺らぎ振動数が高くなり,破断点付近では交流の時間平均効果が効かなくなってしまう.これが今回破断電圧に対する交流の効果が観測されなかったことの原因ではないかと推定される.平成26年度の報告書に記したように,交流破断電圧の測定実験では原子の揺らぎ振動数がバイアス電圧の増加とともに高くなるために交流の時間平均効果が効かなくなることが考えられる.このため平成27年度は,交流破断電圧ではなく,交流下での接点寿命の測定を試みた.寿命測定ではバイアス振幅を低く設定できるので原子の揺らぎ振動数も低く抑えられる.交流の効果は交流下での接点寿命の増加として現われるものと考えられる.測定には破断接合装置を使用し,Auを対象として接点が開く際のコンダクタンス変化を観測した.バイアス電圧は振幅0.2Vp-p,周波数1MHzの正弦波である.コンダクタンスの測定システムが直流用であるため,接点から得られる信号を検波してから測定を行った.測定環境は室温・超高真空中である.直流および1MHzのバイアス下で得られたコンダクタンスヒストグラムは単原子接点に由来する1G0ピークを示し,ピークに寄与している1G0接点の寿命を求めてその分布を直流および1MHzの場合について比較した.その結果,特に寿命分布に顕著な相異は見られず,接点寿命に対する交流バイアスの「延命効果」は観測されなかった.デバイスの金属配線の場合にはその寿命(MTTF)が交流バイアスの周波数のベキ乗で増加することが示されており,AlSi配線の場合には1MHzでMTTFが1,000倍になっている.従って今回1MHzの交流バイアスでAuの単原子接点の寿命が変化しなかったことは,Auの単原子接点と金属配線とでは寿命を決定する機構が異なることを示唆している.金属配線のMTTFはエレクトロマイグレーションが支配的であるが,単原子接点の場合には0.2Vではまだエレクトロマイグレーション的な要因は小さく,寿命は接点の内部応力に支配されている可能性が高いと考えられる.当初平成27年度に予定されていた研究課題は,(1) Au以外の金属単原子接点の交流破断電圧の測定,および(2)交流破断電圧の温度依存性の測定,であったが,26年度の研究結果を踏まえて研究対象を交流破断電圧から交流下での接点寿命の測定に変更した.概要に記したように,室温・超高真空中の測定でバイアス周波数は1MHzに固定であるが,Au単原子接点について寿命測定の課題は実施済みである.期待していた交流バイアスによる延命効果は観測されなかったが,研究結果は単原子接点の安定性に関する知見を広めるものであり,今後の研究展開に必要な情報は十分に得られたと考えられる.平成27年度の報告書に記したように,28年度はAu接点のリレーを対象とした実験を行い,コンダクタンスヒストグラムの単原子ピークがRFバイアスの下でどのようなバイアス振幅依存性を示すか,を調べることとなっていた.リレー接点の測定にはオシロスコープを用いるが,RFバイアスの下では信号も高周波変調されてトリガレベルを繰り返し横切るため,接点破断を観測できる最適なトリガ位置を見出すことが困難であった.様々なトリガ方法を模索したが,良策は得られなかった.

このため平成28年度は,単原子接点の寿命を決定している要因の一つである接点内部張力に関する知見を,分子動力学シミュレーションを通して得ることを行った.単原子接点の安定化エネルギーWはW=U-αV-βFのようにバイアス電圧Vと内部張力Fによって低下するとされている.従来の研究では専らVの影響が調べられ、Fについては系統的な研究が行なわれていなかった.今回の研究では[100]方位のAuナノワイヤの引張り変形シミュレーションを様々な温度の下で行い,ネッキング変形に伴う接点の最小断面積Sおよび引張力Fの変化を観測した.単原子接点が形成される破断直前のFの最尤値は4 Kで1.2 nNであり,この値はAu単原子接点の引張り強度の実験値1.5 nNにほぼ一致している.しかしFの分布は非常に幅が広く,Fの温度依存性などの解析は困難であった.そこでFの最小断面積Sに対する依存性を求め,S=1におけるFが単原子接点の破断力であるとしてその平均値<F >の温度依存性を調べた.その結果,<F >はほとんど温度依存性を示さないことが明らかになった.この結果はFの感度係数βが大きいことを示しており,大きなβはAu単原子接点のβの推定値(0.49 eV/nN)とは矛盾していない.しかしFのばらつきは特に高温で大きく,βの定量的な評価は困難となっている.交流バイアス下では接点の電流誘起破断の駆動力が時間平均されて弱まり,安定性が向上する.この交流効果を,Au単原子接点を対象として検証した.最初に交流破断電圧を100 kHzまでの周波数域で測定したが,破断電圧は直流の場合よりも低く,交流効果は観測されなかった.これはバイアスの増加とともに電極原子のホッピング頻度が増加し,交流による時間平均効果が効かなくなるためである.そこでバイアス振幅を低く抑え,1 MHzの交流バイアス下でAu単原子接点の寿命を測定する実験を行った.しかし低バイアスでは電圧/電流の影響は小さいためか,接点寿命分布は直流の場合と異ならず,交流の効果は認められなかった.平成26年度に予定されていた研究課題は,(1)高周波用低温MCBJの整備,(2)周波数帯域および測定方法の検討,(3)Au単原子接点の交流破断電圧の測定,(4)交流破断電圧の周波数依存性とその解析,である.概要に記したようにこれらの課題はすべて実施済みである.(2)については当初考慮されていなかった原子の揺らぎ振動数の問題が浮上し,結果として(3),(4)の実験結果は期待していた結果とは異なるものとなったが,26年度の研究を通して今後研究を展開してゆくに必要な知見は十分に得られたと考えられる.申請時の研究計画において平成28年度に予定されていた研究課題は,「単分子接合の交流安定性」であるが,金属単原子接点の交流安定性の問題が完全には解決されていないため,引き続き金属単原子接点を対象として研究を進める.具体的には単原子接点の研究の原点に戻り,Au接点のリレーを対象として交流バイアス下での単原子接点の観測を試みる.Au単原子接点の高いバイアス不安定性は当初リレー接点で観測され,コンダクタンスヒストグラムの1G0ピークがバイアス電圧の上昇とともに低減してゆくことが示されている.今回同じ現象を交流バイアス下で観測することを試みる.リレー接点の場合にはMCBJ法などによる接点よりも寿命が短いため,交流効果を観測するためには100MHz程度の高周波を必要とする.
老人性骨粗鬆症に対する代替医療による予防および治療効果の基礎的研究

老化促進マウスP6 (SAMP6)は,早期に骨粗鬆症を自然発症する動物モデルである。我々は,鍼刺激および灸刺激がSAMP6マウスの骨強度の低下抑制効果を示すかを大腿骨の3点曲げ試験によって調べた。鍼あるいは灸刺激を両側の下腿外側(足三里相当部位)に8週間以上与えた。鍼刺激グループでは,拘束のみのグループと比べると骨強度が増加する傾向が認められた。灸刺激グループではそのような効果は認められなかった。骨強度には骨質も関与するため,指標として抗酸化ストレスとコラーゲンの非生理的架橋レベルを測定した。骨質に関しては,鍼刺激群,灸刺激群ともコントロール群との間に差が見られなかった。23年度の実験により、老人性骨粗鬆症モデルマウスSAMP6は対応する正常老化マウスSAMR1に比べて、明らかに大腿骨のストロークと最大曲げ荷重が減少しており骨の強度が低下していることが分かった。SAMP6マウスが最大骨量に達するのは約20週齢であることが報告されている。24年度は、その時期の18週間前からと28週間後まで週3回灸を施して、それぞれ骨に対して効果があるかどうかを検討した。また、日本SLC社から供給されるSAMP6には、時期によって体重に大きな差がある。体重の差は骨への負荷の差となり骨に影響を与えることが考えられるので、SAMP6の体重が有意にSAMR1より重い場合とそうでない場合において、骨強度に差があるかどうかを確かめた。(結果)大腿骨の3点曲げ試験によって調べた骨強度は、1最大骨量に達するまでの8週間、及び2達してからの8週間施灸したSAMP6群と拘束のみのSAMP6群とでは有意差が見られなかった。対照として用いたSAMR1群とSAMP6群の間には明らかな骨強度の違いが認められたので、骨粗鬆症モデル、解析方法は妥当であったと思われる。供給されるSAMP6の間に見られる体重差は骨強度にほとんど影響を与えず、大腿骨3点曲げ試験および腰椎圧縮試験での検討の結果、SAMR1より有意に骨強度が低いことが確かめられた。SAMP6への鍼刺激および灸刺激が骨強度の低下を抑制するか,その可能性を調べた。老人性骨粗鬆症モデルマウスの妥当性と鍼灸の効果を調べるために3点曲げ試験による骨強度を指標として用いた。鍼刺激実験として,SAMP6/TaSlc(♂)の1020週齢間(実験1),あるいは1433週齢間(実験2)に足三里相当穴(下腿外側)に週56回30分間の鍼通電刺激を与えた(PA群1および2)。灸刺激実験として,1220週齡の間(最大骨量達成前:PMB群),あるいは2028週齢の間(最大骨量達成後:PMA群)足三里相当穴に週3回灸刺激を与えた。いずれの実験にも拘束のみのSAMP6(PC群)と骨正常モデルであるSAMR1/TaSlc(R群)をコントロールとして用いた。その結果,R群の骨強度はPC群および全てのSAMP6群より高く,SAMP6が骨粗鬆症モデルであることが証明された。PA群で骨強度が増加する傾向(P=0.062:PA1,P=0.078:PA2)が見られた。PMB群,PMA群ともにPC群との骨強度の差は見られず,実験条件での灸の効果は認められなかった。骨強度には骨量だけでなく骨質も重要であり,生活習慣病は骨質に影響を与える。以前の実験により,鍼刺激は腰椎の骨密度を増加させることがわかったので(第113回日本解剖学会で報告),今回は骨質への影響を調べた。骨質低下を招く酸化ストレスの指標として血清中の抗酸化作用(Glutathion Peroxidase活性)と,骨中のコラーゲンの非生理的架橋を反映する血清中のグリセルアルデヒド由来AGEsとホモシステイン量をELISA法で測定した。結果は鍼刺激群,灸刺激群ともコントロール群との間に差が認められなかった。今回の実験条件からは,灸刺激ではなく鍼刺激による骨強度改善傾向が見られた。またそれは,骨質改善の結果ではない可能性が示された。3点曲げ試験による老人性骨粗鬆症マウス大腿骨の強度の検討老人性骨粗鬆症マウスSAMP6(25週齢,♂,5匹)とそのコントロールである正常老化マウスSAMR1(25週齢,♂,5匹)の大腿骨,脛骨,腰椎を採取し,70%エタノールに浸漬し冷蔵庫で保存した。今回の3点曲げ試験は,SAMP6の左右の大腿骨10本と,SAMR

1の左右の大腿骨10本を用いた。使用した装置は,オートグラフAG-X(島津製作所)。試験条件は,室温23°C,圧縮速度0.2mm/min,使用ロードセル10kN,支持台の半径2mm,圧子の半径3mm,支点間距離13mmであった。(結果)SAMP6の最大試験力の平均値(n=10)は15.50mm,ストロークの平均値(n=10)は0.32mmであった。SAMR1の最大試験力の平均値(n=10)は20.38mm,ストロークの平均値(n=10)は0.37mmであった。最大試験力(p<0.001),ストローク(p<0.05)ともにSAMP6はSAMR1に比べると有意に低いことが示された。これまでの研究結果から老人性骨粗鬆症の骨は,正常な骨に比べて太いが皮質骨の厚さが薄いことが分かっている。このことから,SAMP6の皮質骨は薄く,しなやかさが失われて,折れやすい性質を持っていることが分かった。今後は骨の3次元的構造解析を遂行するより,骨の質を問題として,生化学的な組成について研究を実施していくことが老人性骨粗鬆症の実態解明に寄与すると考える。23年度は学内の事情により、研究時間がほとんどとれず大規模実験に着手できなかった。24年度には骨量に及ぼす灸の影響実験を行い、骨試料・血液試料を採取できたが、全体的に進行が遅れており解析が終わったのは骨強度のみである。現在、実施した実験試料の生化学的、組織学的解析を行いながら、さらに骨に対する連日鍼通電の影響実験を並行して行っている。23年度は共同研究者の諸般の理由により研究が当初の予定より遅れている。23年度に共同研究者が突然の配置転換によって研究時間が十分取れなくなり大規模な実験に着手することが出来なかった。休日などで対応して研究を進めたが当初の予定より大幅に研究が遅れ,一部計画を変更せざるを得なかった。また,マイクロCTによる骨の三次元的構造解析は本学のマイクロCT装置の使用が許可されなかったため実験方法を一部修正することにした。骨強度の実験結果から,骨の3次元的な構造解析を遂行するよりも,骨質についての生化学的な実験を重点的に行なうことの方が老人性骨粗鬆症の実態解明に重要であると考える。骨に及ぼす灸の影響実験では、骨強度に有意差は見られなかったが、さらに免疫組織化学的解析・酸化ストレスマーカー解析・ホルモン等の解析について骨質を中心に解析を進めていく。現在連日行っている鍼通電実験に関しても力学的解析・生化学的解析・組織学的解析を早急に進めて結果をまとめる方針である。23年度の骨の3点曲げ試験の結果から,骨の形態学的な3次限構造の解明よりも,骨の組成の変化つまり「骨質」に焦点を当てて研究を遂行することが骨粗鬆症の解明に寄与することが大であると考える。したがって,24年度以降はマウスへの施灸後の骨質に焦点を当てて(1)テトラサイクリンとカルセイン投与し,老人性骨粗鬆症モデルのSAMP6と正常モデルSAMR1の骨形成速度を大腿骨を用いて調べる。(2)老人性骨粗鬆症モデルのSAMP6と正常モデルSAMR1の骨代謝の指標として血漿中のテストステロンとPTHおよびIL-11をELISA法で調べる。(3)老人性骨粗鬆症モデルのSAMP6と正常モデルSAMR1の大腿骨を用いて酒石酸耐性酸性ホスファターゼ(TRACP)染色とアルカリ性ホスファターゼ(ALP)染色することにより,破骨細胞と骨芽細胞細胞の分化や分布の違いを調べる。
心筋細胞内カルシウム輸送調節因子ホスホランバンの筋小胞体局在メカニズムの解明

ホスホランバン(PLN)は心筋小胞体膜に局在する蛋白質で心筋収縮を負に調節している。その小胞体への局在を制御できれば、心機能の改善ひいては新たな心不全治療に繋がる。本研究ではPLNの小胞体局在にC末端のアミノ酸配列が重要である示唆を得た。また、この部位に結合して「PLNの局在を制御する蛋白質」の探索を試みると同時に、その支援技術としてPLNに特異的に結合する新しい分子ツール・アプタマーを開発した。心筋小胞体におけるCa^<2+>輸送は心筋収縮制御や心不全に密接に関わるが、これを調節する蛋白質にホスホランバン(PLN)がある。現在、PLNの心筋小胞体への局在機構は明らかでないが、その局在を制御できれば新たな心不全治療方策に繋がる。そこで本研究では、PLNの小胞体局在における分子機構解明を目的とした。まず、アミノ酸52残基から成るPLNにおいて、小胞体局在に重要な部位を探索した。種々の変異(アミノ酸の逐次削除やアラニン置換など)PLNを作製して細胞に発現させ、各々の細胞内局在を免疫染色によって解析した。その結果、C端領域におけるアミノ酸変異で小胞体への局在が喪失したことから、このC端領域のアミノ酸構造がPLNの小胞体局在に重要な構造要因であることが示された。次に、このC端領域と相互作用して"PLNの小胞体局在を制御する蛋白質X"の同定に着手した。まず抗PLN抗体を用いた共免疫沈降法を試みた。しかしながら、PLNは極めて疎水性が高く、これを可溶化する段階で相互作用相手との結合が損なわれる可能性がある。そこで、免疫沈降前にPLNと蛋白質Xを強固に架橋結合させておくことを考えた。これには相互作用部位(C端領域)近傍への架橋起点の導入が必須である。先のアミノ酸変異/局在解析において、C末端52位アミノ酸は局在に影響しないことが判明しており、ここに架橋起点となるシステイン残基を導入したホスホランバン変異体が作製可能である。ところで、免疫沈降法では大量の抗体を用いるが、それ自身のノイズが解析を困難にする。そこで、抗体に代わってPLNと特異的に結合するアプタマーの開発に着手した。SELEX法によりPLNへ高い特異性を持つものを選別し、その獲得に成功した。このアプタマーはDNAからなるためにノイズを回避でき、高特異的・高感度な蛋白質Xの同定が可能となる。心筋収縮は筋小胞体におけるCa2+輸送により制御され、ここでの異常は心不全に繋がる。ホスホランバン(PLN)は心筋小胞体に存在しCa2+輸送を調節する蛋白質である。PLNの小胞体局在を制御できれば従来に無い心不全治療方策に繋がる。そこで本研究では、PLNの小胞体局在機構の解明を目的とした。昨年度に得た、小胞体局在にはPLNのC端領域が重要であるとの情報を元に、今年度はPLNのC端領域と結合し、その局在を制御する蛋白質Xの同定を試みた。具体的には、PLN-蛋白質X複合体を化学架橋し、抗PLN抗体を用いて共免疫沈降させ、蛋白質XをMSで同定する。まずPLNのC末端にチオール基を持つシステイン残基を導入し架橋起点とした。PLN側チオール基、蛋白質X側アミノ基を標的に、ヘテロ2価架橋剤により化学架橋→免疫沈降を行った。ここでは、複合体間距離と架橋分子長のマッチングが重要となる。そこで、様々な分子長(430A)の架橋剤を揃え、個々に対し詳細な条件検討を行ったが、PLN(C端)結合蛋白質は検出されなかった。そこで蛋白質X側の適切な部位にアミノ基が存在しない可能性を考慮し、官能基非特異的に共有結合可能な光架橋剤に置き換えて同様の実験を行ったが、残念ながら現在まで未同定である。本研究ではPLNに高い親和性、特異性を持つDNAアプタマーの開発に成功しており、これを用いた高効率免疫沈降システムを支援技術に現在検討中である。最近、PLNのホモログ・サルコリピンがC端領域に小胞体局在配列を持ち、ヒートショック蛋白質の結合が示唆されたことから、当初これに類似の機構がPLNにも推定された。しかしながら、C端部のアミノ酸相同性が低いことや、PLNのC端はサルコリピンのように小胞膜から明瞭に突出していないといった相違もあり、PLNの小胞体局在機構は先の推定以外の様式であることが考えられた。
管状要素分化過程におけるエピジェネティックな遺伝子発現制御機構の解析

植物は、分化全能性に代表されるように、様々な細胞が別の細胞へと分化し、新たな組織や個体をつくりだす分化の柔軟性を持つ.しかしながら、このような分化の転換を伴う細胞分化過程におけるエピジェネティック遺伝子発現制御の関与については、殆ど明らかになっていない.そこで、植物に特徴的な細胞分化の柔軟性にエピジェネティック修飾が関与している可能性について、in vitro維管束分化系を用いて細胞レベルで研究することを目的としているヒャクニチソウ単離葉肉細胞の管状要素への分化を誘道するとともに、様々な濃度やタイミングでヒストン脱アセチル化酵素阻害剤を添加すると、管状要素分化が抑制されることを明らかにした.そこで、このとき遺伝子レベルでどのような変化が起こっているのかを知るためにジーンチップによる綱羅的な発現解析を行った.ヒャクニチソウジーンチップの解析結果から、オーキシン関連遺伝子やそれらと相互作用する遺伝子の発現に着目し、脱分化した細胞が維管束幹細胞としての性質を獲得する過程でこれらの遺伝子が下流の遺伝子の発現制御に関わっている可能性を見出した、これらの遺伝子のヒストン修飾を調べるために、ヒャクニチソウ培養細胞を用いたクロマチン免疫沈降法を確立し、一部の遺伝子のヒストン修飾を明らかこした.また、ウエスタン解析により、葉肉細胞から管状要素に分化転換するまでにヒストンのアセチル化・メチル化のレベルに細胞全体として変動が起きていることを明らかにした.特に、ヒストンH3のアセチル化は、葉肉細胞培養開始後12時間以内に著しくそのレベルが上昇し、12時間目以降は逆に減少していくことがわかった。このことから、葉肉細胞の分化転換の初期過程においてヒストンアセチル化が広範な遺伝子発現に関わっており、かつ12時間目以降の脱アセチル化も必要な遺伝子の発現には重要であることが示唆された.植物は、分化全能性に代表されるように、様々な細胞が別の細胞へと分化し、新たな組織や個体をつくりだす分化の柔軟性を持つ。しかしながら、この分化の転換を伴う細胞分化過程におけるエピジェネティックな遺伝子発現制御の関与については、明らかになっていない。そこで、植物に特徴的な細胞分化の柔軟性にエピジェネティック修飾が関与している可能性について、in vitro維管束分化系を用いて細胞レベルで研究することを目的としている。ヒャクニチソウ分化誘導培地を用いた阻害剤添加実験の結果を参考にして、ジーンチップによる網羅的な発現解析を行った。この結果を踏まえて、昨年度は以下のような実験を行った。・ヒャクニチソウジーンチップの結果をもとに、30の転写因子に着目し、遺伝子全長の塩基配列を決定しつつあるとともに、ヒストン・DNAの修飾パターンを明らかにするための予備実験・条件検討を行っている。・未だ予備的な結果ではあるが、ウエスタン解析により、葉肉細胞から管状要素に分化転換するまでにヒストンのアセチル化・メチル化のレベルに細胞全体としても変動が起きていることを新たに明らかにした。・jmiCドメインをもつ転写因子のうちのいくつかについて、シロイヌナズナ相同遺伝子のタグ挿入変異体の観察を行ったが、明確な表現型はみられなかった。・これまでネックであった葉肉細胞単離法が最近神戸大学の三村教授らにより確立されたので、シロイヌナズナ単離葉肉細胞からの分化誘導系の確立を目指している。特に葉肉細胞が単離の際に受けるダメージをいかに軽減するかというところに着目して細胞の観察を行いながら、種々の条件検討を行った。しかし、現在のところ、細胞分裂を観察することはできたものの、細胞の分化転換が観察されるには至っていない。植物は、分化全能性に代表されるように、様々な細胞が別の細胞へと分化し、新たな組織や個体をつくりだす分化の柔軟性を持つ。・ウエスタン解析により、葉肉細胞から管状要素に分化転換するまでにヒストンのアセチル化・メチル化のレベルに細胞全体として変動が起きていることを明らかにした。特に、ヒストンH3のアセチル化は、葉肉細胞培養開始後12時間以内に著しくそのレベルが上昇し、12時間目以降は逆に減少していくことがわかった。このことから、葉肉細胞の分化転換の初期過程においてヒストンアセチル化が広範な遺伝子発現に関わっており、かつ12時間目以降の脱アセチル化も必要な遺伝子の発現に重要であることが示唆された。・ヒャクニチソウジーンチップの解析結果から、オーキシン関連遺伝子やそれらと相互作用する遺伝子の発現に着目し、脱分化した細胞が維管束幹細胞としての性質を獲得する過程でこれらの遺伝子が下流の遺伝子の発現制御に関わっている可能性を見出した。今後はこれらの遺伝子のヒストン修飾を明らかにする予定である。・シロイヌナズナ単離葉肉細胞からの分化誘導系の確立を目指している。種々の条件検討を行ったが、現在のところ、細胞分裂を観察することはできたものの、細胞の分化転換が観察されるには至っていない。

植物は、分化全能性に代表されるように、様々な細胞が別の細胞へと分化し、新たな組織や個体をつくりだす分化の柔軟性を持つ.しかしながら、このような分化の転換を伴う細胞分化過程におけるエピジェネティック遺伝子発現制御の関与については、殆ど明らかになっていない.そこで、植物に特徴的な細胞分化の柔軟性にエピジェネティック修飾が関与している可能性について、in vitro維管束分化系を用いて細胞レベルで研究することを目的としているヒャクニチソウ単離葉肉細胞の管状要素への分化を誘道するとともに、様々な濃度やタイミングでヒストン脱アセチル化酵素阻害剤を添加すると、管状要素分化が抑制されることを明らかにした.そこで、このとき遺伝子レベルでどのような変化が起こっているのかを知るためにジーンチップによる綱羅的な発現解析を行った.ヒャクニチソウジーンチップの解析結果から、オーキシン関連遺伝子やそれらと相互作用する遺伝子の発現に着目し、脱分化した細胞が維管束幹細胞としての性質を獲得する過程でこれらの遺伝子が下流の遺伝子の発現制御に関わっている可能性を見出した、これらの遺伝子のヒストン修飾を調べるために、ヒャクニチソウ培養細胞を用いたクロマチン免疫沈降法を確立し、一部の遺伝子のヒストン修飾を明らかこした.また、ウエスタン解析により、葉肉細胞から管状要素に分化転換するまでにヒストンのアセチル化・メチル化のレベルに細胞全体として変動が起きていることを明らかにした.特に、ヒストンH3のアセチル化は、葉肉細胞培養開始後12時間以内に著しくそのレベルが上昇し、12時間目以降は逆に減少していくことがわかった。このことから、葉肉細胞の分化転換の初期過程においてヒストンアセチル化が広範な遺伝子発現に関わっており、かつ12時間目以降の脱アセチル化も必要な遺伝子の発現には重要であることが示唆された.
メタンフェタミン精神病モデルの脳内透析法を用いた生化学的研究

メタンフェタミン(以下MAP)による逆耐性現象に関連する神経化学的変化として、線条体内ドパミン(DA)放出について検討した。平成元年度:MAPと同様に精神病状態を引き起こすコカイン20mg/kg14日間反復投与し、最終投与から6日の断薬後に透析プロ-ベを左線条体に挿入固定し、翌日に生食対照群ともにコカイン20mg/kgまたはMAP4mg/kgを負荷投与した。コカイン群では生食群よりも有意に強い常同行動が出現し、逆耐性が形成されていた。同時点での線条体細胞外液中のド-パミン(DA)はコカインまたはMAP負荷によっても増加したが、その増加率はコカイン群で有意に大きかった。平成2年度:既に報告した選択的なDー1,Dー2受容体拮抗薬による逆耐性現象の予防効果が逆耐性現象に於てみられるDA放出にどのように影響するかを検討した。MAP4mg/kgを1週間、続いて8mg/kgを1週間それぞれ1日1回腹腔内に投与し、これをMAP群とした。また、各回のMAPに1mg/kgのYMー09151ー2(選択的Dー2受容体拮抗薬)または0.5mg/kgのSCH23390(選択的Dー1受容体拮抗薬)を併用投与した群をそれぞれYMーMAP群、SCHーMAP群とした。対照には生食を腹腔内投与した。いずれの群も最終投与から3ヶ月の断薬期間後に透析プロ-ベを左線条体に挿入固定し、翌日MAP4mg/kgを腹腔内投与した。MAP群では生食対照群に比して、MAP負荷後で常同行動が有意に強く、線条体細胞外液DAが有意に高かった。即ち、3ヶ月の断薬後でも行動上で逆耐性現象とMAP誘発性DA放出の増大が保持されていることが確認された。一方、YMーMAP群、SCHーMAP群はともにMAP群に比して常同行動の出現もMAP誘発性DA放出も有意に抑制されていた。YMーMAP群は生食群と比較してDAに差はなかったが、SCHーMAP群は生食群よりも有意に高いDA放出を示した。両DA受容体拮抗薬の併用投与効果より後シナプスから前シナプスに至る神経回路を介した調節機構が逆耐性形成に伴って変化している可能性が示唆された。メタンフェタミン(以下MAP)による逆耐性現象に関連する神経化学的変化として、MAP再投与時に脳内ドパミン(以下DA)放出が増大することを既に明らかにしてきた。今回はMAPと同様ヒトに乱用され精神病を引き起こすコカインを用いて、その反復投与による行動効果と脳内DA系への影響を調べた。また、MAPとコカインとの交差逆耐性についても検討した。(1)ラットに生食またはコカイン20mg/kgを14日間腹腔内投与し、7日間の断薬後に両群にコカイン20mg/kgを負荷投与した。コカイン群ではコカイン負荷後5分から30分にわたって生食群より有意に強い常同行動が出現し、逆耐性が形成されていた。

同時点での脳内透析法による線条体のin vivoでのDA放出は両群ともコカイン負荷直後より増加したが、その増加率はコカイン群で有意に大きかった。DAの代謝産物であるHVAはコカイン負荷で変化なかった。DOPACは両群で減少したが、2群間に差はなかった。(2)ラットに生食またはMAP4mg/kgを先と同様に投与し、断薬後にコカイン20mg/kgを負荷投与した。行動ではコカイン負荷でMAP群に生食群より有意に強い常同行動が出現した(MAP→コカインの交差逆耐性)。この時点での線条体DA放出は、MAP群では生食群より有意に大きかった。(3)実験2とは逆に、ラットに生食またはコカイン20mg/kgを慢性投与し、断薬期間後にMAP4mg/kgを負荷投与した。行動ではMAP負荷によりコカイン群で生食群より有意に強い常同行動が出現した(2とは逆のコカイン→MAPの交差逆耐性)。同様にこの時点での線条体のDA放出がコカイン群で生食群より有意に強かった。以上の結果から、コカイン反復投与による逆耐性においても既に示したMAPの逆耐性と同様にその精神化学的変化として線条体でのDA放出の増大が生じていること、また、コカイン→MAP、MAP→コカインでの交差逆耐性でも同じく線条体DA放出の増大が生じていることが明かとなった。メタンフェタミン(以下MAP)による逆耐性現象が形成されると、MAPの再注射のみならずコカインの負荷投与によって線条体内ドパミン(DA)放出が増大すること、逆にコカイン反復投与後にもコカインへの逆耐性のみならずMAPへの交差逆耐性と同時に、いずれの負荷投与でも線条体内DA放出が増大することを明らかにしてきた。今回は既に報告した選択的なDー1,Dー2受容体拮抗薬による逆耐性現象の予防効果が逆耐性現象に於てみられるDA放出にどのように影響するかを検討した。[対象と方法]MAP4mg/kgを1週間、続いて8mg/kgを1週間それぞれ1日1回腹腔内に投与し、これをMAP群とした。また、各回のMAPに1mg/kgのYMー09151ー2(選択的Dー2受容体拮抗薬)または0.5mg/kgのSCH23390(選択的Dー1受容体拮抗薬)を併用投与した群をそれぞれYMーMAP群、SCHーMAP群とした。対照には生食を腹腔内投与した。いずれの群も最終投与から3ケ月の断薬期間後に透析プロ-ベを左線条体に挿入固定し、翌日MAP4mg/kgを腹腔内投与した。[結果]MAP群では生食対照群に比して、MAP負荷後で常同行動が有意に強く、線条体細胞外液DAが有意に高かった。即ち、3ケ月の断薬後でも行動上で逆耐性現象とMAP誘発性DA放出の増大が保持されていることが確認された。一方、YMーMAP群、SCHーMAP群はともにMAP群に比して常同行動の出現もMAP誘発生DA放出も有意に抑制されていた。YMーMAP群は生食群と比較してDAに差はなかったが、SCHーMAP群は生食群よりも有意に高いDA放出を示した。[考察]線条体内ではDー1受容体はDAニュ-ロンに対し後シナプス受容体として存在し、Dー2受容体のかなりの部分も後シナプス受容体であることを考えると、両受容体拮抗薬の併用投与によって逆耐性形成が阻止されることに対応するようにDA放出亢進も抑制されたことから、後シナプスから前シナプスに至る神経回路を介した調節機構が逆耐性形成に伴って変化している可能性が示唆された。
次世代自由電子レーザー用高輝度電子ビーム生成とマイクロバンチ不安定性抑制法の研究

X線自由電子レーザー(FEL)開発過程で発見されたマイクロバンチ不安定性を研究する。次世代FEL用高輝度電子バンチを生成し、反転チャープ型バンチ圧縮器を用いた不安定性抑制方法の有効性を実証するのが目的である。平成30年度は次世代FEL用高輝度電子バンチ生成のため、1高電圧光陰極電子銃の500kV大電流安定運転とエミッタンス測定、2時間幅2ps、300pC以上の電子バンチ生成用レーザーシステム開発を実施した。1高電圧光陰極電子銃は原子力機構で開発し、2012年に世界初の500kV電子ビーム生成を実証後、KEKのコンパクトERL(cERL)に移設したものである。移設後にセラミック管の不具合により500kV運転が困難となったが、改良により500kV高電圧印加での無放電安定運転を、連続10数時間以上、延べ数百時間以上に渡って実現した。その後、cERLで0.8mAのビームを2時間以上安定に供給することに成功した。電子銃、ソレノイド磁石、スクリーンを用いて簡易的にエミッタンスの電荷量依存性を測定した。電荷量が10pCを越えるとビーム形状が矩形になり、エミッタンスが劣化する。ビームライン上の磁性体の影響の可能性が指摘されており、引き続き調査中である。2次世代FEL用300pCの電子バンチを量子効率1%の光陰極から生成するには、波長515nmのレーザーが0.07uJ程度必要である。レーザー波形整形でロスする分を考慮すると1uJ/パルス程度が必要となる。平成29年度までに、8uJ/パルスを波長1030nmで達成し、レーザーパルス圧縮にも成功した。文献値で変換効率10%以上ある結晶を新たに用いて515 nmへの波長変換を行ったが、期待通りの変換効率が得られていない。原因を調査中である。平成30年度が最終年度であるため、記入しない。平成27年度は次世代FEL用高輝度電子バンチ生成のため、1高電圧光陰極電子銃の改造と2時間幅2ps、300pC以上の電子バンチ生成用レーザーシステム開発を実施した。移設後に10段分割セラミック管の2段に不具合があることが判明し、cERLでは8段390kV運転を余儀なくされている。本研究課題である次世代FEL用高輝度電子バンチ生成には、空間電荷効果抑制のため高電圧化が必要である。そこで2段セラミック管増設による10段運転を計画した。H27年度には、2段セラミック管増設作業、高電圧コンディショニングを実施し、490kVで4時間無放電を達成した。cERLでは450kVビーム生成に成功し、390kVビームと較べてビームエミッタンスが1.5倍程度良くなることを実証した。2次世代FEL用300pC以上の電子バンチ生成には、8pC用の既存cERL電子銃駆動レーザーでは能力が不足する。そこで、新たなレーザーシステム開発に着手した。H27年度はシステムの設計と前段増幅部の組み立てを行った。エミッタンス測定には10Hzの電子バンチで充分である。システムの熱負荷を避けるために、オシレーター周波数を低めの8MHzに調整した。後段増幅部の組み立てに必要な部品を調達し、次年度のレーザーシステム完成の目処を立てた。マイクロバンチ不安定性を研究するため、次世代FEL用高輝度電子バンチ生成が当面の目標である。そのための電子源として光陰極直流電子銃を開発している。高輝度低エミッタンス実現のための1電子銃高電圧化と、300pC大電荷電子バンチ生成のための2レーザーが必須開発要素である。1H27年度計画では電子銃高電圧化は含まれていない。電子銃高電圧化は高輝度電子バンチ生成にとって本質的に重要な技術であり、他予算と組み合わせてセラミック管増設を計画した。H27年度進捗状況は、新規増設セラミック管の電子銃へのインストール、548kVまでの高電圧コンディショニング、490kVで4時間無放電保持を実証した。cERLで450kVビーム生成試験に成功し、390kVと較べてエミッタンスが1.5倍程度下がることも確認している。以上の成果は、当初の計画にはない大きな進展である。2H27年度計画は、パルス幅2ps、300pC以上の電子バンチ生成可能なレーザーシステムを開発することであった。H27年度の進捗状況は、レーザーシステムの設計を終了し、オシレーターと前段増幅部の組み立てを行い、後段増幅部に必要な部品の調達を行った。当初計画では、80MHzのレーザーシステムを開発する予定であったが、電子ビームエミッタンス測定には10Hzで充分であり、熱負荷を減らすためにも低周波数が望ましいことから、8MHzのオシレーターを組み上げた。以上のことから、おおむね順調に進展している。