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磁界共振結合を用いたセンシング・無線電力伝送の同時実現に関する研究

電磁波や電磁誘導の方式と比較して高効率あるいは潜在的に広範囲であるため、磁界共振結合方式の無線電力伝送が研究されている。本方式は、特定の位置関係に送受電アンテナが存在する場合に限り高効率での送電が可能であるため、センシング機能との併用が必要であった。しかし既存のセンシングと無線電力伝送の同時実現手法では、大規模化が難しく、有効範囲も狭く、大電力伝送時の発熱による共振崩れがセンシング精度劣化につながるといった実用時の課題が未解決であった。そこで、本研究ではこれらへの解決の糸口を示し、センシングと無線電力伝送の同時実現の概念を取り入れた実践的なシステム構築への足掛かりとした。安全な無線電力伝送の中でも、磁界共振結合を用いた無線充電に関しては、理想的に広いエアギャップ・高い最高伝送効率を実現できるため、盛んに研究が進められている。しかし、このような理想的な無線充電を行うためには、システム的に様々な工夫が必要である。中でも、充電対象が伝送レンジに存在するか否かを判断した上で伝送有無を決定する機構は不可欠であり、そのための充電対象の位置・姿勢センシングが必須である。本研究は、無線充電の機構をうまく転用することでほぼ同構成でセンシングをも実現する手法に関するものであり、これまでに行ってきた基礎的な距離・位置センシングの知見を発展させ、姿勢センシング、大規模化、同時実現時の弊害への対応といった実用的な様々な課題に取り組むものである。これらをまとめると、(1)姿勢センシング手法の開発(2)大規模化手法の開発(3)センシングと無線電力伝送の同時実現手法、に関する研究課題に取り組むことである。(1)に関しては、姿勢センシングに十分な自由度(最低6自由度)を確保するには現状アンテナのQ値では困難であることが判明したため、充電対象側のアンテナでの消費電力を計測し、それに応じた同位相の電力を非接触注入することでQ値を電子的に制御可能な新たなアンテナ構成を提案し、一対のアンテナ間のセンシングレンジの拡大を実現した。今後は、これを用いて多くの周辺送信アンテナ間との磁界結合度の測定(自由度が増えたことに相当)に基づく姿勢センシング手法を確立する。(2)に関しては、大規模化の手法として送信アンテナへの引き出し線を低減した構成による中継方式のセンシングを提案し、位置センシングによってその有効性を検証した。(3)に関しては、同時実現時の電力伝送における発熱による素子定数の変化がセンシング時に悪影響を及ぼすことを突き止めた。安全な無線電力伝送の中でも、磁界共振結合を用いた無線充電に関しては、理想的に広いエアギャップ・高い最高伝送効率を実現できるやめ、盛んに研究が進められている。近年では、商用システムの実現方法に関しても議論が盛んに行われており、国際標準規格Qiなどではセンシングや通信機能を組み込んだ標準プロトコルが提案されている。この中で、センシングに関しては、伝送レンジにおける充電対象の存在有無を確認するために不可欠である。そこで、入力インピーダンス測定に基づくパッシブな結合係数推定および結合係数の位置依存性に着目した位置推定に関して基礎研究を進めてきた。この手法は、高周波電源やアンテナ等のハードウェアを共通化できるものであり、無線充電・センシングの同時実現と称して期待されている。本研究課題は、これらの技術を元に、(1)姿勢センシング・(2)大規模化・(3)同時実現時の弊害解消などに取り組むものである。平成25年度は、(2)に関して送信アンテナへの配線を低減した中継方式のセンシング手法を提案し、その有効性を示した。しかし、(1)・(2)に関しては問題の分析に止まっており、(1)に関してはアンテナ自由度確保のためQ値向上によるセンシングレンジの拡大が必要であること、(3)に関しては熱損失に起因する回路定数変化による共振度低下の抑制が必要であることが示された。そこで平成26年度はこれらの実現に取り組んだ。(1)に関しては、Q値が変化した時と同様の振る舞いを示すQ値制御型アンテナを提案・開発した。Q値向上は、元アンテナに内蔵した小型アンテナから消費電力分を打ち消す磁界エネルギーを正帰還させる方法で実現した。Q値50倍程度を達成した。(3)に関しては、熱問題を抑制できる高価・大型な真空コンデンサを比較対象とし、空冷ベースの温度制御機構によって同等の抑制効果を実現した。この手法では、高周波電源やアンテナ等のハードウェアを共通化できるものであり、無線充電・センシングの同時実現と称して期待されている。本研究課題は、これらの技術を元に、(1)姿勢センシング・(2)大規模化・(3)同時実現の弊害解消などに取り組むものである。(2)・(3)に関しては、これまでに完了しており、(2)に関しては中継アンテナを用いた配線レスなセンシング手法を提案&実験により効果検証し、(3)に関しては熱問題を抑制する温度制御法を実現した。これを受け、(1)に関して積み残しの課題に取り組んだ。

具体的には、開発に成功したQ値制御可能なアンテナ(Q値制御アンテナ)を用い、結合係数の変化に応じてセンシング誤差最小となるQ値が変わるため、測定した反射係数の絶対値を最小化する誤差最小Q値への追従制御系を構築し、高精度下でのセンシングを実現した。これにより、微小結合係数(アンテナ間距離が大きい場合)でのセンシングが確かに達成された。さらに、これを送信アンテナアレイのシステムへと適用し、姿勢センシングへ利用できることを示した。また、Q値制御アンテナはセンシングのみならず通信の広域化・高性能化にも転用可能な技術であることも示した。電磁波や電磁誘導の方式と比較して高効率あるいは潜在的に広範囲であるため、磁界共振結合方式の無線電力伝送が研究されている。本方式は、特定の位置関係に送受電アンテナが存在する場合に限り高効率での送電が可能であるため、センシング機能との併用が必要であった。しかし既存のセンシングと無線電力伝送の同時実現手法では、大規模化が難しく、有効範囲も狭く、大電力伝送時の発熱による共振崩れがセンシング精度劣化につながるといった実用時の課題が未解決であった。そこで、本研究ではこれらへの解決の糸口を示し、センシングと無線電力伝送の同時実現の概念を取り入れた実践的なシステム構築への足掛かりとした。当初掲げた(1)(3)の課題に関して、一定の成果が得られた。しかし、(1)に関しては姿勢センシングへの適用を一層推進する必要がある。ロボティクス・電力工学課題(1)に関して、Q値制御可能なアンテナの開発に成功したものの、誤差最小のQ値を対象との距離に応じて自動選択する機能の組み込みが必要であり、さらには姿勢センシングへの応用が必要である。今後はこれらを積極的に進めて行く。当初掲げた(1)(3)の課題に関して、(2)は既に位置センシングの実証まで進んでおり、(1)・(3)に関しても新たに発生した問題の解決方法を特定し、(1)に関してはその基礎検証まで実施しているため。物品の価格変更や購入不用品の発生、学会旅費の節約等により、僅かながら見積もりとの乖離が生じた。課題(1)に関しては、新たに提案したQ値制御型アンテナの設計論を確立し、最終目的である姿勢センシングの実現まで妥協なく迅速に進める。また、(3)に関しては、熱問題を抑制できるが高価・大型な真空コンデンサを用いた系との比較実験によって、安価・簡易構成で同等の伝送性能を有するシステムの実現が可能であることを実証する。姿勢センシングのシステム構築費用や研究成果の学術雑誌・学会発表などに有効利用する。物品の価格変更や購入不用品の発生があったため、僅かながら見積もりとの乖離が生じた。機器破損などの不測の事態も見越したスペア品の購入などにおいて有効利用する。
記憶アップデートの分子マーカーとしてのプロテオソーム依存性タンパク質分解の有効性

我々は、獲得した情報を常に独立した記憶として新規保存しているわけではなく、新しい情報を既存の記憶に結びつける「記憶アップデート」を随時行っている。しかし、記憶アップデートの分子基盤はほとんど理解されていない。本課題では、複数のマウス記憶課題を用いて、記憶アップデートが誘導される場合に脳内でプロテオソーム依存的タンパク質分解が誘導されることを発見した。一方、記憶形成時にはこのタンパク質分解は観察されなかった。また、薬理学的手法を用いた解析では、このタンパク質分解を阻害すると記憶アップデートが阻害された。以上の結果から、プロテオソーム依存的タンパク質分解が記憶アップデートの起点となると結論した。動物は、獲得した情報を常に独立した記憶として新規保存するわけではなく、新しい情報を既存の記憶に結びつける「記憶アップデート」を随時行っている。申請者は自らの「プロテオソーム依存的タンパク質分解が記憶アップデートの起点となる」との仮説を検証するため、記憶固定化(新規形成)時と比較しつつ、アップデート時の脳内におけるプロテオソーム依存的タンパク質分解活性とその記憶制御に対する役割を解析した。前年度に継続した解析から、複数の海馬依存的記憶課題において、記憶固定化時には海馬では、タンパク質分解の活性化は観察されず、また、プロテオソーム依存的タンパク質分解の阻害も固定化には影響を与えなかった。従って、固定化、すなわち、最初に記憶が形成される際にはプロテオソーム依存的タンパク質分解が必要とされないことが明らかとなった。これに対して、記憶再固定化時には、海馬において、プロテオソーム依存的タンパク質分解の活性化が観察され、また、このタンパク質分解の阻害は再固定化を誘導するために必要な「記憶不安定化」を阻害することが明らかとなった。また、記憶消去時にも脳内の複数の領域で、プロテオソーム依存的タンパク質分解の活性化が観察され、このタンパク質分解の阻害は消去を阻害することが明らかとなった。以上の結果は、プロテオソーム依存的タンパク質分解の活性化は、(既に貯蔵されていた)記憶の想起時にのみ活性化されることを示しており、プロテオソーム依存的タンパク質分解は記憶アップデート時に活性化されることを強く示唆するものであった。さらに、このプロテオソーム依存的タンパク質分解を指標にして、「新規性」認識に関与する脳内領域とニューロンの同定が可能となることが示唆された。以上の結果から、既存の記憶のアップデート時にプロテオソーム依存的タンパク質分解タンパク質分解が活性化されると結論した。免疫組織染色法を用いて恐怖記憶固定化時のプロテオソーム依存的タンパク質分解活性を解析した結果、固定化に必須な領域である海馬には、タンパク質分解の活性化は観察されず、また、海馬におけるプロテオソーム依存的タンパク質分解の阻害も固定化には影響を与えなかった。また、記憶消去時にも脳内の複数の領域で、プロテオソーム依存的タンパク質分解の活性化が観察され、また、このタンパク質分解の阻害は消去を阻害することが明らかとなった。以上の結果は、プロテオソーム依存的タンパク質分解は、既に固定化されていた記憶の想起時にのみ活性化されることを示しており、プロテオソーム依存的タンパク質分解は記憶アップデート時に活性化されることを強く示唆するものであった。また、社会的認知記憶、及び、モリス水迷路における空間記憶における記憶アップデート時におけるプロテオソーム依存的タンパク質分解の動態の解析も進めた。記憶固定化と比較して、記憶再固定化や記憶消去時にのみプロテオソーム依存的タンパク質分解が活性化されることが示され、また、この活性化が再固定化や消去に必須であることから、本課題の仮説が正しいことが証明されつつあるため。社会的認知記憶課題では、「新規性」を認識する脳領域の同定も進んでいるため、社会的認知記憶アップデートに対するプロテオソーム依存的タンパク質分解の役割の解析を進め、本課題における仮説の一般性を検証する。プロテオソーム依存的タンパク質分解が誘導されることが明らかになった領野に対してプロテオソーム阻害剤(β-lac)を注入して、記憶アップデートに対するタンパク質分解の役割を解析する。

さらに、新規物体認識課題、恐怖条件付け文脈学習課題等を用いて、記憶アップデートの条件を変更した場合のプロテオソーム依存的タンパク質分解の誘導変化に関しても詳細に解析し、記憶アップデートに応じたプロテオソーム依存的タンパク質分解の誘導条件を明らかにする。該当なし。
劣モジュラ最適化の近似アルゴリズム

劣モジュラ関数は,効率的に解くことのできる離散最適化問題に共通の構造して知られている.一方,実務上重要な多くの離散最適化問題はNP困難であり,現実的な時間内で近似解を得る近似アルゴリズムの設計が研究されてきた.本研究では,このような離散最適化の二つの大きな流れを融合して,汎用性の高い近似アルゴリズムを設計する手法を研究した.特に,劣モジュラ関数の一般化に当たるk劣モジュラ関数の最大化問題に対して,近似比1/2の近似アルゴリズムを設計した.さらに,単調k劣モジュラ関数に対しては,近似比がk/2(k-1)となる多項式時間アルゴリズムを開発した.劣モジュラ関数は,凸関数の離散版に当たり,様々な分野で現れるとともに,効率的に解くことのできる離散最適化問題に共通の構造として知られている.一方,実務上重要な多くの離散最適化問題は,NP困難であり,効率的な厳密解法は存在し得ないと予想されている.そのため,現実的な時間内で近似解を得る近似アルゴリズムの設計が研究されてきた.本研究の目的は,このような離散最適化の二つの大きな流れを融合することによって,汎用性の高い近似アルゴリズムを設計する新たな手法の確立にある.具体的には,相互に関連した以下の3テーマの研究を推進する.(1)劣モジュラ関数最大化の近似アルゴリズムの実験的解析(2)劣モジュラ関数で記述される最適化問題に対する汎用近似アルゴリズムの設計(3)ネットワーク上の最適化問題に対する近似アルゴリズムの設計計画初年度に当たる本年度は,上記のテーマのうち,(1)と(2)に注力した.(1)に関しては,カット関数や一般化被覆関数等の主要な劣モジュラ関数のオラクルを実装して,劣モジュラ関数最小化に関する予備的な計算機実験を行った.理論的に保証されている計算量よりも実際の計算量の方がオーダーの意味でも小さくなっているとともに,その実際的な振る舞いは,関数のクラスによることが分かった.(2)に関して,検索結果の表示に関連して注目を集めている順序付け問題に対するAzar,Gamzu,Yin(2009)の2近似アルゴリズムや計算機資源の効率的な配分に関連した最小和被覆問題に対するFeige,Lovasz,Tetali(2004)の4近似アルゴリズムに劣モジュラ最適化の文脈における解釈を与え,同じ近似比で,より一般的な状況設定に適用可能な近似アルゴリズムを設計した.劣モジュラ関数は,凸関数の離散版に当たり,様々な分野で現れるとともに,効率的に解くことのできる離散最適化問題に共通の構造として知られている.一方,実務上重要な多くの離散最適化問題は,NP困難であり,効率的な厳密解法は存在し得ないと予想されている.そのため,現実的な時間内で近似解を得る近似アルゴリズムの設計が研究されてきた.本研究の目的は,このような離散最適化の二つの大きな流れを融合することによって,汎用性の高い近似アルゴリズムを設計する新たな手法の確立にある.具体的には,相互に関連した以下の3テーマの研究を推進する.(1)劣モジュラ関数最大化の近似アルゴリズムの実験的解析.(2)劣モジュラ関数で記述される最適化問題に対する汎用近似アルゴリズムの設計.(3)ネットワーク上の最適化問題に対する近似アルゴリズムの設計.計画2年度目に当たる本年度は,特に(2)と(3)に注力した.特に,(2)に関しては,検索結果の表示に関連して注目を集めている順序付け問題に対するAzar, Gamzu, Yin (2009)の2近似アルゴリズムや計算機資源の効率的な配分に関連した最小和被覆問題に対するFeige, Lovasz, Tetali(2004)の4近似アルゴリズムに劣モジュラ最適化の文脈における解釈を与え,同じ近似比で,より一般的な状況設定に適用可能な近似アルゴリズムを設計した.この研究成果を2012年8月にボストンで開催された近似アルゴリズムに関するワークショップで発表した.また,単調とは限らない劣モジュラ関数の最大化問題に対して,イスラエルの研究者等が近似比1/3の決定性アルゴリズムと近似比1/2の確率的アルゴリズムを提案した.この手法を詳細に解析して,双劣モジュラ関数最大化に対する近似アルゴリズムに自然に拡張されることを示した.劣モジュラ関数は,凸関数の離散版に当たり,様々な分野で現れるとともに,効率的に解くことのできる離散最適化問題に共通の構造として知られている.一方,実務上重要な多くの離散最適化問題はNP困難であり,効率的な厳密解法は存在し得ないと予想されている.そのため,現実的な時間内で近似解を得る近似アルゴリズムの設計が研究されてきた.本研究の目的は,このような離散最適化の二つの大きな流れを融合することによって,汎用性の高い近似アルゴリズムを設計する新たな手法を確立することである.具体的には,相互に関連した3テーマを推進する.(1)劣モジュラ関数最大化の近似アルゴリズムの実験的解析.(2)劣モジュラ関数で記述される最適化問題に対する汎用近似アルゴリズムの設計.(3)ネットワーク上の最適化問題に対する近似アルゴリズムの設計.本年度は,特に(3)の課題に注力し,巡回セールスマン問題(TSP)の近似アルゴリズムに関する研究を行った.その結果,グラフ的TSPに対して,Steiner閉路を経由して近似アルゴリズムを設計する新たなアプローチを提案した.また,成分が部分的に与えられた低階数の半正定値対称行列に対する補完問題が一意解を有する条件の組合せ的な特徴付けを与えた.

さらに,前年度の研究で得られた双劣モジュラ関数最大化に対する1/2近似アルゴリズムを出発点に,新たな工夫を施すことによって,歪双劣モジュラ関数最大化に対する8/25近似アルゴリズムを設計した.劣モジュラ関数は,凸関数の離散版に当たり,様々な分野で現れるとともに,効率的に解くことのできる離散最適化問題に共通の構造として知られている.一方,実務上重要な多くの離散最適化問題はNP困難であり,効率的な厳密解法は存在し得ないと予想されている.そのため,現実的な時間内で近似解を得る近似アルゴリズムの設計が研究されてきた.本研究の目的は,このような離散最適化の二つの大きな流れを融合することによって,汎用性の高い近似アルゴリズムを設計する新たな手法を確立することである.具体的には,相互に関連した3テーマを推進する.(1)劣モジュラ関数最大化の近似アルゴリズムの実験的解析.(2)劣モジュラ関数で記述される最適化問題に対する汎用近似アルゴリズムの設計.(3)ネットワーク上の最適化問題に対する近似アルゴリズムの設計.本年度は,特に,(2)の課題に注力し,劣モジュラ関数や双劣モジュラ関数の一般化に当たるk劣モジュラ関数最大化問題に対して,双劣モジュラ関数最大化に対する1/2近似アルゴリズムを出発点として,新たな工夫を施すことによって,近似比k/(2k-1)の多項式時間アルゴリズムを設計した.この結果は,Ward & Zivny (2014)の結果を大きく改善している.さらに,この近似比が多項式時間アルゴリズムで達成し得る最良のものであることを示した.劣モジュラ関数は,効率的に解くことのできる離散最適化問題に共通の構造して知られている.一方,実務上重要な多くの離散最適化問題はNP困難であり,現実的な時間内で近似解を得る近似アルゴリズムの設計が研究されてきた.本研究では,このような離散最適化の二つの大きな流れを融合して,汎用性の高い近似アルゴリズムを設計する手法を研究した.特に,劣モジュラ関数の一般化に当たるk劣モジュラ関数の最大化問題に対して,近似比1/2の近似アルゴリズムを設計した.さらに,単調k劣モジュラ関数に対しては,近似比がk/2(k-1)となる多項式時間アルゴリズムを開発した.2013年9月から10月にかけてコルシカ島で開かれた研究集会に招聘され,劣モジュラ関数の最小化と近似アルゴリズムに関する連続講義を行った.同じ研究集会では,劣モジュラ関数最大化や機械学習分野への応用に関する連続講義もあった.講演者を始め,多くの参加者と劣モジュラ関数ライブラリーの作成等,本研究課題の推進に向けた情報交換と研究討論を行った.この他にも,機械学習分野での劣モジュラ最適化の応用研究に取り組んでいる海外の研究者を招聘して,劣モジュラ関数最小化アルゴリズムの実際上の振る舞いに関する情報交換を行った.このように,直接的に論文発表という形には至っていないテーマに関しても,研究計画の推進に向けた活動ができている.27年度が最終年度であるため、記入しない。数理工学劣モジュラ関数最大化の計算機実験を行うと共に,劣モジュラ関数ライブラリーを作成する.順序付けに関する近似アルゴリズムの設計は,当初の計画通りの成果が得られ,共著論文を投稿できた.劣モジュラ関数ライブラリーの作成も当初の予定より,やや遅れ気味ではあるが,概ね順調に進んでいる.
母児接点におけるウイルスベクターを利用した遺伝子治療に関する基礎的研究

本研究は、着床の分子生物学的機構の解明を進めると共に、母児接点に対するウイルスベクターを利用した遺伝子導入に関して包括的な知識を獲得し、両者の成果を統合して、母児接点を対象とする遺伝子治療に関する基礎的知見の蓄積を目指すものである。1.妊娠初期絨毛外栄養膜細胞(extravillous trohoblast, EVT)-脱落膜相互作用を中心とする着床の分子機構の解明▼EVTの浸潤と脱落膜による制御を中心に、着床の分子機構を解明する。2.母児接点におけるウイルス感染機構の解明▼母児接点に位置する細胞群に対する種々のウイルスの感染機構を解明するとともに、ウイルス感染がこれらの細胞群の機能に与える影響について検討する。3.着床障害に対するウイルスベクターを用いた遺伝子治療▼上記IおよびIIより得られた知見を基に、ウイルスベクターを利用して着床現象に重要な遺伝子の母児接点への導入を試みる。なお本研究計画ではヒトの子宮および胎盤等から細胞を分離し、これを研究の対象として遺伝子発現とその制御に関する解析を行うので、倫理面に十分な配慮を行った。1.EVT-脱落膜相互作用を中心とする着床の分子機構の解明2.母児接点におけるウイルス感染機構の解明この分野ではまず、trophoblastの分化がherpes simplex virus感染機構に及ぼす影響についてめ知見をまとめ、論文を発表した。次にhuman cytomegalovirus(HCMV)感染がEVTの機能に及ぼす影響についての研究を進め、以下のような知見を得た。(1)EVTはHCMV感染を高率に許容する。(2)HCMV感染はEVTの浸潤能を低下させる。(3)HCMV感染はEVTのMHC class I発現を低下させない。(4)HCMV感染EVTにおいてはHCMVのUS2,US3,US6,US11遺伝子産物が小胞体から疎外され、MHC class I発現を抑制することが出来ない。(5)HCM感染EVTは活性化ナチュラルキラー細胞による細胞傷害性に対して抵抗性を示す。これらの結果から、HCMVはEVTを中心とする母児接点に高度に適応していることが示唆された。1.EVT-脱落膜相互作用を中心とする着床の分子機構の解明この分野では、ヒト妊娠初期胎盤より分離培養した絨毛外栄養膜細胞(extravillous trophoblast, EVT)の初代培養を継続すると共に、実験の利便性を考えてinvasive phenotypeの不死化細胞株であるHTR-8/SVneoを入手し、並行して実験を行った。HTR-8/SVneoにおいてはprothrombinase (FGL2)の発現は認められず、またcytokine等によっても誘導されなかった。この点での初代培養EVTとの差異について、現在検討を行っている。2.母児接点におけるウイルス感染機構の解明1.EVT-脱落膜相互作用を中心とする着床の分子機構の解明この分野では現在、脱落膜を構成する子宮内膜間質細胞(endometrial stromal cells,ESC)の特性についての研究を行っている。ESCが脱落膜化するためには、周囲の細胞外基質を分解・再構築することが必要となる。脱落膜化に関与するESCのproteinase産生はestrogenやprogestin等の性ステロイドによって調節されることが既に知られている。本年度はESCのMMP-1産生に対するandrogenの関与についての研究を行った。testosterone添加によって用量依存的にESCのMMP-1産生は低下し、その低下はandrogen receptor blockerの添加によって回復した。このことから、androgenも脱落膜化に関与する可能性が示唆された。2.母児接点におけるウイルス感染機構の解明この分野では現在、絨毛栄養膜細胞(villous trophoblast,VT)の分化がadenovirusやcoxsackievirusの感染を阻止するという知見に基づいて、VTの増殖や分化に関わる諸因子についての検討を行っている。本年度は、ヒト妊娠初期絨毛におけるVTの増殖や分化にpolyamine pathwayがどのように関与しているかについて、特にarginaseを中心に研究を行った。arginaseには2つのアイソザイム、arginase Iとarginase IIがある。その妊娠初期胎盤における局在について検討したところ、arginase IIはcytotrophoblast(CT)とsyncytio-trophoblast(ST)の両者で発現しているが、arginase Iの発現はCTのみに限られていた。また妊娠初期に高いarginaseの発現と酵素活性は妊娠週数とともに低下した。すなわちCTのSTへの分化に伴ってarginaseの発現は低下する。

当教室の以前行ったeNOSに関する研究ではeNOSはarginaseと逆の変化を示すことが明らかになっている。このことはL-arginineという基質を共有する2つの酵素の均衡がCTの増殖、STへの分化を制御する可能性を示唆している。本研究は、着床の分子生物学的機構の解明を進めると共に、母児接点に対するウイルスベクターを利用した遺伝子導入に関して包括的な知識を獲得し、両者の成果を統合して、母児接点を対象とする遺伝子治療に関する基礎的知見の蓄積を目指すものである。1.妊娠初期絨毛外栄養膜細胞(extravillous trophoblast, EVT)-脱落膜相互作用を中心とする着床の分子機構の解明▼EVTの浸潤と脱落膜による制御を中心に、以下の項目につき着床の分子機構を解明する。androgenによる子宮内膜間質細胞のMMP産生制御機構2.母児接点におけるウイルス感染機構の解明▼以下の項目につき、母児接点に位置する細胞群に対する種々のウイルスの感染機構を解明するとともに、ウイルス感染がこれらの細胞群の機能に与える影響について検討する。virus感染阻止機構の一つである絨毛栄養膜細胞の分化(合胞化)におけるpolyamine pathwayの関与なお本研究計画ではヒトの子宮および胎盤等から細胞を分離し、これを研究の対象として遺伝子発現とその制御に関する解析を行うので、倫理面に十分な配慮を行った。
地球周辺プラズマ監視のための1周波GPS受信機連携型観測装置の開発に関する研究

人工衛星-地上間の通信に影響を及ぼす電離層プラズマの監視は重要な課題である。これに対して、GPS信号の定常観測網を利用した電離層TEC(プラズマ密度の鉛直方向の積分値)の測定が国内外で積極的に進められている。こうした観測網を今後、如何に広域に拡大するかが課題とされている。本研究では、通常の電離層TECの測定に利用される高価な多周波受信機ではなく、低コストの民生用の1周波受信機を連携させることによってTEC分布を測定する手法の開発を目的としている。今年度は受信機から得られるコード擬似距離(拡散コードの伝搬時間から算出した距離)と搬送波位相距離(搬送波の位相から算出した距離)の差分から算出したオフセットSlant TEC(信号の伝搬経路に沿ったプラズマ密度の積分値)を利用した新たなTEC分布推定法を考案し、同手法で主なバイアス誤差要因となる送受信機のハードウェアバイアスの取り扱いについて検討した。また、学内に設置したGPSアンテナを利用して、GPS信号の連続観測を実施し、長期データに対して開発した電離層TEC推定法が適用できることを確認した。さらに東南アジア地域においてGPS信号観測モジュールを使ったデータ取得実験を行い、開発手法によってTEC観測ができることを確認した。これらの成果は、米国ワシントンD.C.で開催された米国地球物理学会秋大会(AGU 2018)および2019年国際電波連合アジア・太平洋電波科学会議(URSI AP-RASC 2019)にて発表した。今後、同手法をマルチGNSSに対応させるなどの課題があげられる。宇宙利用の拡大に伴い地球周辺プラズマの監視の重要性が高まっている。これに対して、衛星測位システム(GNSS)の信号の高密度な観測網を利用したTEC(電子密度の鉛直方向の積分値)の測定が国内外で積極的に進められている。こうした観測網は中緯度地域に多く、プラズマの変動が大きい低緯度地域において、今後、如何に観測網を展開するかが重要な課題である。本研究では、通常のTEC測定に利用される2周波受信機ではなく、低コストの1周波ソフトウェア受信機を複数連携させることによってTEC分布を測定する受信機連携型の観測装置の開発を目的とする。この観測装置の実現により、低緯度地域における高時間分解能のTECの変動を明らかにできる可能性があり、地球周辺プラズマの観測分野において大きな意義がある。同目的に対して、本年度は複数受信機の連携によるTEC分布推定アルゴリズムの開発に取り組んだ。複数の既知の地点で得られた1周波GPS観測データに対して、数100kmの範囲のTEC分布を多項式の関数モデルを用いて表現し、そのモデルパラメータに時間的な連続性を仮定して求解する手法を確立した。手法開発には、国土地理院の電子基準点のデータのうち、1周波で取得されたものを利用した。さらに、安価な受信機で取得したGPSのRawデータに対して開発手法を適用することで、手法の適用可能範囲の検証を行っている。同成果は、2016年URSIアジア・太平洋電波科学会議(URSI AP-RASC2016)、地球電磁気・地球惑星圏学会2016年秋学会などで発表すると共に、学術誌でも公表されている。本年度は、TEC分布推定手法のアルゴリズム開発を行ってきたが、おおむね順調に進んでいる。当初の予定として、H28年度とH29年度の前半を使い、複数受信機の連携によるTEC分布推定手法の開発を行うことになっており、残りのH29年度の前半にてTEC測定の空間的な整合性と時間軸に対する連続性、またモデル中のもう一つの未知数である受信機クロック誤差の時間連続性を保証した観測モデルの構築を予定している。また、学内高所に専用アンテナの設置が完了し、良質なGNSS信号を常時取得するための環境が整備された。これにより、今後の開発手法の実装とその動作検証が速やかに進むと期待できる。東南アジアからの研究者の受け入れに伴い、本研究課題への協力体制を構築しており、将来的な低緯度地域における観測装置の展開が期待できる。これに対して、衛星測位システムの信号の定常観測網を利用した電離層TEC(電子密度の鉛直方向の積分値)の測定が国内外で積極的に進められている。こうした観測網は中緯度地域に多く、プラズマの変動が大きい低緯度地域において、今後、如何に観測網を展開するかが課題とされている。そこで本研究では、通常の電離層TEC測定に利用される高価な2周波受信機ではなく、低コストの民生用の1周波受信機を複数台連携させることによってTEC分布を測定する受信機連携型の観測装置の開発を目的としている。本年度は、昨年度考案した電離層TEC分布推定アルゴリズムにおいて、受信機数に対するTECの空間分布を表す多項式の次数の妥当性を検討すると共に、同アルゴリズムを低コストな民生用の1周波GPSモジュールで取得した単独測距のデータに適用し、電離層観測の実現性を評価した。その結果、国土地理院の電子基準点のデータのうち1周波で取得されたものを利用した時と比べてTEC推定値のランダム性の時間変動が大きくなったものの、時間連続性を考慮した自己回帰モデルを適用してカルマンフィルタによりフィルタリングを行うことにより変動成分を低減できることを確認した。これらの成果は、幕張で開催された日本地球惑星科学連合2017年大会(JpGU 2017)およびカナダのモントリオールで開催された第32回国際電波科学連合総会および講演会(2018 URSI-GASS)にて発表した。H29年度は、受信機数に対するTECの空間分布を表す多項式の次数の検討を行うと共に、実際の受信モジュールに対する実装を行った。

おおむね順調に進んでいるといえる。GPS信号を対象にした場合、一つの受信局から見える衛星数に依存して信号の伝搬経路が電離層を突き抜けるピアーズポイントの数が限定される。モデルの次数が低いと実際の電離層TEC分布を十分に表現できなくなり、逆にモデルの次数が高すぎると推定が不安定になる傾向がある。これに対して妥当な多項式の次数の検討を行った。また、受信モジュール実装においては、クロックの時間変動に起因する誤差を取り除くために、時間連続性を考慮した自己回帰モデルを適用し、カルマンフィルタによりフィルタリングを行うようにした。これらにより、本年度の課題となっていたTEC分布の空間・時間に対する連続性およびモデル中のもう一つの未知数である受信機クロック誤差の時間連続性を保証した観測モデルの構築が実現されたといえる。一方、学内に定常設置したアンテナ、民生用GNSS受信機、データ蓄積サーバにて、GNSS信号の連続観測を実施しており、長期データに対する手法の動作検証ができる環境を整備した。また今後の検討のために、東南アジア地域においてGPSデータの取得実験を行い、問題点を検討した。人工衛星-地上間の通信に影響を及ぼす電離層プラズマの監視は重要な課題である。これに対して、GPS信号の定常観測網を利用した電離層TEC(プラズマ密度の鉛直方向の積分値)の測定が国内外で積極的に進められている。こうした観測網を今後、如何に広域に拡大するかが課題とされている。本研究では、通常の電離層TECの測定に利用される高価な多周波受信機ではなく、低コストの民生用の1周波受信機を連携させることによってTEC分布を測定する手法の開発を目的としている。今年度は受信機から得られるコード擬似距離(拡散コードの伝搬時間から算出した距離)と搬送波位相距離(搬送波の位相から算出した距離)の差分から算出したオフセットSlant TEC(信号の伝搬経路に沿ったプラズマ密度の積分値)を利用した新たなTEC分布推定法を考案し、同手法で主なバイアス誤差要因となる送受信機のハードウェアバイアスの取り扱いについて検討した。また、学内に設置したGPSアンテナを利用して、GPS信号の連続観測を実施し、長期データに対して開発した電離層TEC推定法が適用できることを確認した。さらに東南アジア地域においてGPS信号観測モジュールを使ったデータ取得実験を行い、開発手法によってTEC観測ができることを確認した。これらの成果は、米国ワシントンD.C.で開催された米国地球物理学会秋大会(AGU 2018)および2019年国際電波連合アジア・太平洋電波科学会議(URSI AP-RASC 2019)にて発表した。今後、同手法をマルチGNSSに対応させるなどの課題があげられる。H28年度は、「現在までの進捗状況」に記載したアルゴリズム開発の未完成部分に対応すると共に、手法をモジュール化し、データ処理サーバおよび分散配置する受信機それぞれに実装する予定である。
フローベールと地質学-19世紀フランス文学と科学の大衆化運動の文献学的資料研究-

フローベールの遺作『ブヴァールとぺキュシェ』(1881年)は、表題に名前が挙げられている二人の主人公が十九世紀の知の領域を次々に探究していくという物語が展開される百科全書的小説である。例えば1840年代前半に設定された第三章では自然科学の諸分野が二人の知的好奇心の対象となり、その後半部分では地質学が採り上げられる。十九世紀の科学はこの時代に起こった科学の大衆化運動への参照なくしては論じることができないが、地質学はこの運動の中心的対象となって社会の広汎な層に流布されたという点から、作者の特権的な関心の対象であったと思われる。本研究は、この地質学という学問を取り巻く歴史的コンテクストを復元することによって、作家の科学観を新たな角度から解明することを目的とするものである。最終年度は、フランスで資料調査を行うとともに、一方ではフローベールを扱った作家研究の文献、他方では小説というジャンルを一般的に論じた文学理論書を参照しつつ、フローべールがいかなる小説的技法を用いて地質学を作中に書き込んでいるのかを分析した。その結果、科学の言説が二人の主人公の知的探究の対象を提供するに止まらず、人物たちを取り巻く事物や人物たちの身体それ自体の創造においても援用されていることが判明した。後者の例としては、(1)宇宙の生成の歴史を学習した人物たちの頭部が、その歴史に登場する天体に比する大きさに膨張する、(2)先史時代の生物に関する書物に感銘を受けた人物たちの身体が、その書物に描かれた恐竜に類似した相貌を一時的に獲得する、等の身体描写が挙げられる。地質学の言説から選出された題材が物語の筋のみならず、小説という文学ジャンル固有の諸構成要素(事物・人物・描写等)の構築を主題的・美学的に支えているという点が、フローベールの作品における科学の位置を特徴付けていることが確認できた。フローベール(1821-1880年)の遺作『ブヴァールとペキュシェ』(1881年)は、表題に名前が挙げられている二人の主人公が十九世紀の知の領域を次々に探究していくという物語が展開される百科全書的小説である。十九世紀の科学はこの時代に起こった科学の大衆化運動(1820年頃-1890年頃)への参照なくしては論じることができないが、地質学はこの運動の中心的対象となって社会の広汎な層に流布されたという点から、作者の特権的な関心の対象であったと思われる。初年度はその一環として『ブヴァールとペキュシェ』の地質学の挿話において最も大きな位置を占めている地球の歴史という主題に注目し、一方では小説に登場する19世紀の地質学の文献、他方ではこれらの書物の地質学史上の位置付けを確定する科学史の文献を参照し、文献学的調査に裏打ちされた小説の新たな読解を試みた。その結果:1、地球の歴史の再構成が19世紀の地質学者たちの最大の関心事であったこと。2、小説の物語が二人の主人公の地質学探究を通して、キュヴィエの天変地異説からライエルの斉一説へという地球の歴史を巡る諸学説の変遷を再現していること。3、1840年頃に生じたこの変遷が地質学をキリスト教の認識論的な枠組みから解放するものであり、宗教から真の科学へというこの転換点の重大さを小説の物語が強調していること。以上の三点を明らかにすることができた。この研究の成果は、ルーアン大学(フランス)刊行の研究誌Revue Flaubert n°4(2004)に掲載されたフランス語論文で発表した。例えば1840年代前半に設定された第三章では自然科学の諸分野が二人の知的好奇心の対象となり、その後半部分で地質学が採り上げられる。第二年度はその一環として、一方では『ブヴァールとペキュシェ』の地質学の挿話の草稿、他方では科学の大衆化運動を歴史学の観点から記述した文化史の文献を参照し、この運動が小説のテクストの生成にいかなる様態で関与しているのかを調査した。その結果、フローベールがこの挿話を執筆するに当たって、例えば十九世紀前半を代表する地質学者ジョルジュ・キュヴィエが著した専門書を直接引用するのではなく、この学者の業績を一般読者向けに平易に紹介したアレクサンドル・ベルトランの啓蒙書こそを多く援用していることが判明した。

このような啓蒙書を筆頭とする十九世紀の科学の大衆化運動を諸産物が科学の言説と小説のエクリチュールの媒介者として重要な役割を果たしていることを明らかにしたこの研究成果は、『日本フランス語フランス文学会関東支部論集・第14号』(2005年)に掲載の論文で発表された。フローベールの遺作『ブヴァールとぺキュシェ』(1881年)は、表題に名前が挙げられている二人の主人公が十九世紀の知の領域を次々に探究していくという物語が展開される百科全書的小説である。例えば1840年代前半に設定された第三章では自然科学の諸分野が二人の知的好奇心の対象となり、その後半部分では地質学が採り上げられる。十九世紀の科学はこの時代に起こった科学の大衆化運動への参照なくしては論じることができないが、地質学はこの運動の中心的対象となって社会の広汎な層に流布されたという点から、作者の特権的な関心の対象であったと思われる。本研究は、この地質学という学問を取り巻く歴史的コンテクストを復元することによって、作家の科学観を新たな角度から解明することを目的とするものである。最終年度は、フランスで資料調査を行うとともに、一方ではフローベールを扱った作家研究の文献、他方では小説というジャンルを一般的に論じた文学理論書を参照しつつ、フローべールがいかなる小説的技法を用いて地質学を作中に書き込んでいるのかを分析した。その結果、科学の言説が二人の主人公の知的探究の対象を提供するに止まらず、人物たちを取り巻く事物や人物たちの身体それ自体の創造においても援用されていることが判明した。後者の例としては、(1)宇宙の生成の歴史を学習した人物たちの頭部が、その歴史に登場する天体に比する大きさに膨張する、(2)先史時代の生物に関する書物に感銘を受けた人物たちの身体が、その書物に描かれた恐竜に類似した相貌を一時的に獲得する、等の身体描写が挙げられる。地質学の言説から選出された題材が物語の筋のみならず、小説という文学ジャンル固有の諸構成要素(事物・人物・描写等)の構築を主題的・美学的に支えているという点が、フローベールの作品における科学の位置を特徴付けていることが確認できた。
肝臓に由来する膵島α細胞増殖制御因子の同定

我々が作成したグルカゴン遺伝子-GFPノックインマウスのホモ接合体(グルカゴン遺伝子欠損モデル)は正常血糖値のもと、膵臓ランゲルハンス島α細胞(GFPを発現する)の増殖亢進を示す。このα細胞の増殖制御機構を解明するために腎被膜下移植実験を行い検証した結果、α細胞の増殖は肝臓に起因する液性因子により制御されていることを明らかとした。この増殖制御因子の探索を行ったところ、特異的な液性因子の同定には至らなかった一方で、グルカゴン遺伝子欠損下における血中アミノ酸濃度の上昇が増殖促進に関与する可能性が示唆された。膵臓ランゲルハンス島の内分泌細胞の増殖制御機構は未解明である。β細胞については、肝臓におけるインスリン抵抗性が上昇すると、血糖上昇がみとめられない時期から、代償性にβ細胞が増殖する。Melton DAらはβ細胞の増殖を促進する液性因子、βトロフィンを同定したと報告したが、その後この因子のβ細胞増殖促進作用は確認されていない。グルカゴン受容体欠損動物はα細胞の増殖、対照群より低い血糖値、さらに血中GLP-1(グルカゴンの前駆体であるプログルカゴンより作られる)の著しい上昇を示す。このことから、血糖値の低下やGLP-1の上昇がα細胞の増殖制御に関与する可能性が考えられてきた。我々が作成したグルカゴン遺伝子欠損マウス(GCGKO、グルカゴン遺伝子-GFPノックインマウスのホモ接合体)は、GFPを発現する膵島α細胞の過形成を示す。GCGKOはグルカゴン受容体欠損動物とは異なりGLP-1を欠損するとともに、血糖は正常である。このことから、血糖値の低下やGLP-1の上昇はα細胞の増殖の必要条件ではないことが明らかとなった。そこで、α細胞の増殖を促進するα-trophinまたは抑制するα-statinを同定することを目的として、本研究を計画した。近年糖尿病の病態においてグルカゴンの過剰分泌が関与するといわれている。新たな糖尿病治療薬の可能性として、グルカゴン拮抗薬が研究されているが、同薬はα細胞の増殖を促進する可能性が高い。その結果、グルカゴン分泌能は増大し、長期的には糖尿病の悪化を促進するおそれがある。本研究によりα-trophin/statinが同定されれば、そのアンタゴニスト/アゴニストは、ただちにα細胞増殖抑制薬の候補となる。α細胞増殖抑制は、必然的にグルカゴン分泌能も抑制することから、グルカゴン拮抗薬より治療手段として優れたものとなることが期待できる。α細胞の増殖の制御が液性因子によるか、神経系のシグナルによるかは明らかでなかった。そこでGCGKOの膵臓よりGFP陽性α細胞を採取して、GCGKOよび対照マウスの腎臓の被膜下へ移植する実験を行い、移植1ヶ月後にGFP陽性α細胞の増殖を評価した。GCGKOに移植されたGFP陽性細胞では細胞増殖マーカーであるKi67を発現する細胞が12.0+/-5.8%みとめられたのに対して、対照マウスに移植された細胞ではKi67を発現するものはみとめられなかった。この結果からGCGKOの液性環境がGFP陽性細胞の増殖を促進していること、すなわち、GCGKOではα細胞増殖促進因子が増加している、またはα細胞増殖抑制因子が低下していることが確認された。これと並行して、GCGKOにおいてはGFP陽性細胞の過形成が進行性で、肝臓や肺への転移能を伴う神経内分泌腫瘍の発症にいたることを確認し、上記の移植実験結果とともに論文として報告した(PLoS One 2015)。一方で、GCGKOの肝臓で発現が増加している遺伝子を同定し、そのうち液性因子をコードするものについて、その組換えタンパク質のGFP陽性細胞の増殖促進作用を検討した。しかしながら、これら液性因子の細胞増殖促進活性は認められなかった。一方、GCGKOの肝臓においては、アミノ酸を糖新生の基質へと転換するセリンデヒドラターゼなどの酵素遺伝子の発現が低下しているため、アミノ酸異化が停滞することにより血中アミノ酸濃度が上昇することが明らかとなっている。これまでにアミノ酸濃度が高い培地ではGFP陽性α細胞の生存率が改善することを示す結果が得られているため、今後はアミノ酸そのものが増殖促進因子である可能性も含めて検証する必要がある。我々が作成したグルカゴン遺伝子欠損マウス(GCGKO、グルカゴン遺伝子-GFPノックインホモ接合体)は、GFPを発現する膵島α細胞の過形成を示す。GCGKOはグルカゴン受容体欠損動物とは異なりGLP-1を欠損するため正常血糖を示す。このことから、血糖値の低下やGLP-1の上昇はα細胞の増殖の必要条件ではないことが明らかとである。そこで、α細胞の増殖を促進するα-trophinまたは抑制するα-statinを同定することを本研究の目的とした。まずα細胞の増殖の制御が液性因子によるか、神経系のシグナルによるか、不明であったため、GCGKOの膵臓よりGFP陽性α細胞を採取して、GCGKOよび対照マウスの腎臓の被膜下へ移植する実験を行い、移植1ヶ月後にGFP陽性α細胞の増殖を評価した。この結果からGCGKOの液性環境がGFP陽性細胞の増殖を促進していること、すなわち、GCGKOではα細胞増殖促進因子が増加している、またはα細胞増殖抑制因子が低下していることが想定された。

そこで、GCGKOの肝臓で発現が増加している遺伝子を同定し、そのうち液性因子をコードするものについて、その組換えタンパク質のGFP陽性細胞の増殖促進作用を検討したが、α細胞増殖促進活性を示す液性因子は同定できなかった。GCGKOの肝臓においては、アミノ酸を糖新生の基質へと転換するセリンデヒドラターゼなどの酵素遺伝子の発現が低下しているため、アミノ酸異化が停滞することにより血中アミノ酸濃度が上昇することが明らかとなっている。今後アミノ酸自体がα細胞の増殖を制御する可能性およびその機構を解析していく必要がある。α細胞の増殖を促進するα-trophin、あるいは、抑制するα-statinを同定することを本研究の目的としたが、α細胞の増殖を制御する特異的な因子の同定には至らなかった。しかしながら、制御因子が液性因子であることおよび、アミノ酸自体がα細胞の増殖を制御していることを示すオリジナルのデータを得たことは、我々が作成したグルカゴン遺伝子欠損マウスがグルカゴン作用およびα細胞の増殖制御機構を解明していく上で、非常に有用なモデルであることが確認された。我々が作成したグルカゴン遺伝子欠損動物モデルはグルカゴンのほかにGLP-1,GLP-2などグルカゴンと同様にプログルカゴンを前駆体として合成されるペプチドホルモンを全て欠損する。グルカゴン遺伝子欠損動物モデルは膵島α細胞(グルカゴン遺伝子座に組み込んだ緑色蛍光蛋白質を発現する細胞)の過形成を示す。膵島α細胞の増殖はグルカゴン受容体欠損動物や(プログルカゴンの切断に関与してグルカゴンの合成に必要な)プロホルモン転換酵素2を欠損する動物においてもみとめられるが、これらの動物モデルが血糖値の低下を示すのに対して、グルカゴン遺伝子欠損動物モデルの血糖値はほぼ正常である。肝臓のみでグルカゴン受容体を欠損する動物モデルにおいてもα細胞の過形成がみとめられることから肝臓に起因するシグナルがα細胞の増殖を制御していることは明らかであった。我々のデータは血糖そのものはα細胞の増殖を制御していないことを示していたため、α細胞の増殖を促進・抑制する特異的な液性因子を同定することを目指して研究を進めてきた。そのような因子の同定が困難を極める一方で、グルカゴン作用の欠損や阻害により血中アミノ酸濃度が上昇することが我々の報告を含め内外の多数のグループより報告され、アミノ酸そのものがα細胞の増殖を促進することが確立されつつある。平成28年度から平成29年度にかけて、蛋白質の摂取量を増やすことによりα細胞の増殖が促進される可能性を検証した。グルカゴン遺伝子欠損動物モデルおよび対照群に対して高蛋白質食を負荷したうえで、血中グルカゴン濃度・血糖値・血中アミノ酸濃度を測定したほか、肝臓における遺伝子発現解析を行った。その結果、グルカゴンが食事による蛋白摂取量の変化において生体の恒常性を維持する上で不可欠であることを示唆するデータが得られている。我々が作成したグルカゴン遺伝子-GFPノックインマウスのホモ接合体(グルカゴン遺伝子欠損モデル)は正常血糖値のもと、膵臓ランゲルハンス島α細胞(GFPを発現する)の増殖亢進を示す。このα細胞の増殖制御機構を解明するために腎被膜下移植実験を行い検証した結果、α細胞の増殖は肝臓に起因する液性因子により制御されていることを明らかとした。
シグナル増幅機能を内蔵した新規グルコースセンシングマイクロカプセルの開発

低侵襲的に間質組織中のグルコースをモニターするシステムの構築を目指した,シグナル増幅機能を内蔵する新規膜透過性制御型グルコースセンシングマイクロカプセルの開発のための研究を行った。まず,センサー応答の定式化を行い実験的に検証した。次に,皮下埋め込み型センサー用近赤外色素を設計・合成した。更に微粒子を乳化重合法により調製し,これに酵素および近赤外色素を固定化した後,ポリカチオンとポリアニオン溶液で処理し5層の被覆膜を有するセンシングカプセルを構築した。このセンシングカプセルはグルコースに対し可逆的かつ迅速な応答を示した。低侵襲的に間質組織中のグルコースをモニターするシステムの構築を目指した,シグナル増幅機能を内蔵する新規膜透過性制御型グルコースセンシングマイクロカプセルの開発を目指し,以下の研究を行った。1.マイクロカプセルの核となる色素/酵素担持用徽粒子の合成法の確立微粒子基材としてのアクリルアミド及び固定化部位としてのアミノエチルメタクリレートモノマー水溶液を,界面活性剤を含むヘキサン溶液に分散させ,逆乳化重合法によってポリアクリル微粒子を調製した。逆乳化重合条件を種々検討した結果,界面活性剤濃度を10%とすることで直径約5μmの球状微粒子が得られることが分かった。得られた微粒子表面にカップリング試薬を用いてメチルレッドを固定化し,pH変化に対する色変化応答を測定した結果,応答時間20秒程度で明瞭な色変化を示した。2.カプセル膜のグルコース及びグルコン酸透過性の評価グルコースに対するセンサー応答を増幅させるためには,センサーカプセ膜によるグルコース及びグルコン酸透過性の制御が必用となる。そこで,カプセル膜の基材としてのポリヒドロキシメチルメタクリレート(polyHEMA)薄膜に,陽イオン性モノマー,陰イオン性モノマー,アリルボロン酸モノマー等の種々のモノマーを添加したコポリマー薄膜を調製し,輸送セルを用いてグルコース及びグルコン酸の膜中拡散係数を測定した結果,アリルボロン酸のカプセル膜への添加がセンサー応答を増幅させるのに有効であることを見出した。3.センシングカプセル応答の理論化・定式化と実験的検証拡散方程式に基づくセンシングカプセルのグルコース経時応答の理論化・定式化を行い,実際のセンシングカプセル応答と比較することで応答モデルの検証を行うと伴に,カプセルの微小化により応答速度が劇的に早くなることを示した。この研究成果をSupramolecular Chemistry誌に発表した。1.マイクロカプセルの核となる色素/酵素担持用微粒子の調製微粒子基材として、強度に優れた直径約1μmのポリスチレン粒子に固定化用のカルボキシル基を導入したマイクロビーズを乳化重合法によって調製した。このマイクロビーズは平成21年度の本研究で調整したポリアクリルアミド微粒子に比べ取り扱いが容易で,酵素および色素の固定化量も十分であることが見いだされた。2.固定化用新規機能性色素の開発グルコース濃度の情報を色変化の情報に変換する新規機能性色素として,アミノ基を固定化部位とする4種類のボロンジピロメセン誘導体を合成し,その情報変換特性を評価した。結果として分子内に二個のブロモヒドロキシスチレンを導入したボロンジピロメセン誘導体は,酸性側では最大吸収波長760nm,アルカリ側では645nmに吸収極大という,pH変化により極めて大きな光学的特性変化を示すことが分かった。この色素のpKaは6.0またアルカリ側でのモル吸光係数は60,000であり,光安定性にもすぐれ,近赤外領域に吸収極大を持つことから,皮下埋め込み型センシングカプセル用機能性色素として極めて有望である。3.センシングカプセル応答の理論化・定式化と実験的検証ジオメトリーが異なるオプティカルセンサーの拡散方程式に基づくグルコース経時応答の理論化・定式化を行い,フィルム状のセンサーよりも球状のセンシングカプセルのほうが応答速度が早く感度が向上することを見出した。低侵襲的に間質組織中のグルコースをモニターするシステムの構築を目指した,シグナル増幅機能を内蔵する新規膜透過性制御型グルコースセンシングマイクロカプセルの開発のため,以下の研究を行った。1.近赤外波長領域で明瞭なスペクトル変化をもたらす機能性色素の開発センシングカプセルを皮膚直下に埋め込み,皮膚を介してセンシングカプセルからの光学的応答をモニターするためには,皮膚組織による光学的妨害の少ない近赤外領域に吸収波長を持つ機能性色素をセンサー情報変換素子として用いる必要が有る。そこで,酵素反応による局所的pH変化に対し,近赤外領域で明瞭なスペクトル変化を示す新規機能性色素を設計・合成した。