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ブラックホール近傍における非熱的プラズマの時間発展と放射

一様なプラズマ中の電子と光子のエネルギー・スペクトルは,エネルギー空間におけるそれぞれの連続の式によって記述される.そして連続の式に電子や光子の逃避を表す項を加えることによって,電子や光子の空間的な輸送を近似することができる.この研究では,この式を数値的に解くことによって,電子と光子のエネルギー・スペクトルの時間発展を同時に求める計算コードの開発を行い,相対論的な電子が重要な役割を果たす場合,すなわちブラックホール近傍のプラズマでの現象に応用した.そして特にブレーザーと呼ばれる活動銀河中心核からのガンマ線放射の時間発展を計算した.電子のスペクトル計算のために,2つの場合を考慮した.一つは既に加速されてpower lawに従う電子をinjectionした場合,もう一つは電子の加速領域と放射領域が併存し,加速と放射による時間変化を共に求める場合である.これらの計算によって,以下の結果を得た.1.電子のエネルギー・スペクトルには放射冷却のためにbreakが生じるが,このbreakの位置が時間とともに変化する様子,またそれによって生じる放射スペクトルの時間変化が計算できるようになった.これによって,これまでに得られた観測結果と比較することでブレーザーの加速・放射領域の物理状態の解明が期待される.2. Mkn421のX線観測によって放射のfluxとspectral indexの間に時間変動によるヒステリシスのあることが知られている(右回りの変化).これに対して本研究の計算では,右回りか左回りかは,X線領域がシンクロトロン放射のどの部分に位置するか(スペクトル・ピークの左か右か)によることがわかった.従って,注入される電子の全エネルギーの大きさによって右回りか左回りかが決まるという結果を得た.一様なプラズマ中の電子と光子のエネルギー・スペクトルは,エネルギー空間におけるそれぞれの連続の式によって記述される.そして連続の式に電子や光子の逃避を表す項を加えることによって,電子や光子の空間的な輸送を近似することができる.この研究では,この式を数値的に解くことによって,電子と光子のエネルギー・スペクトルの時間発展を同時に求める計算コードの開発を行い,相対論的な電子が重要な役割を果たす場合,すなわちブラックホール近傍のプラズマでの現象に応用した.そして特にブレーザーと呼ばれる活動銀河中心核からのガンマ線放射の時間発展を計算した.電子のスペクトル計算のために,2つの場合を考慮した.一つは既に加速されてpower lawに従う電子をinjectionした場合,もう一つは電子の加速領域と放射領域が併存し,加速と放射による時間変化を共に求める場合である.これらの計算によって,以下の結果を得た.1.電子のエネルギー・スペクトルには放射冷却のためにbreakが生じるが,このbreakの位置が時間とともに変化する様子,またそれによって生じる放射スペクトルの時間変化が計算できるようになった.これによって,これまでに得られた観測結果と比較することでブレーザーの加速・放射領域の物理状態の解明が期待される.2. Mkn421のX線観測によって放射のfluxとspectral indexの間に時間変動によるヒステリシスのあることが知られている(右回りの変化).これに対して本研究の計算では,右回りか左回りかは,X線領域がシンクロトロン放射のどの部分に位置するか(スペクトル・ピークの左か右か)によることがわかった.従って,注入される電子の全エネルギーの大きさによって右回りか左回りかが決まるという結果を得た.
ヒト唾液腺細胞と口腔癌細胞との細胞融合による形質転換と抗癌因子の解析

唾液腺における腫瘍発生には他の口腔組織と異なる特徴がある。特に舌下腺には腫瘍の発生がほとんど見られない。そこで、舌下腺細胞に癌抑制遺伝子を含めた癌抑制因子が内在するかどうかを細胞融合により検討した。舌扁平上皮癌由来ZKー1細胞を細胞融合の親細胞として用いるため、薬剤耐性株ZKー1E2・HGPRT^- OUA^R細胞を選択分離した。本変異細胞株はHGPRT活性をほとんど示さなかったが、ZKー1細胞とほぼ同様の形態、増殖率、血清依存性を有していた。舌下腺細胞は形質保持と線維芽細胞の混在を減少させるため、コレラトキシン等を添加した培養液にて無血清培養を行なった。初代培養はコラーゲンゲル包埋法と組織移植片法を併用して行い、舌下腺上皮を主に遊走させることが可能となった。継代は単層培養を用いたが、上皮細胞と線維芽細胞様細胞とが混在していた。この細胞はトリプシンに対する低抗性に差異を認めたので、トリプシン処理により細胞融合の前に、分画培養した。分画培養細胞をコラーゲンゲル包埋法にて培養すると、上皮細胞は腺管様構造を示し、線維芽細胞様細胞は星状構造のコロニーを形成した。ZKー1E2・HGPRT^- OUA^R細胞と分画培養した各々の舌下腺細胞を融合すると、形態的には卵円形、円形、多角形、紡錘形を示す種々の融合雑種細胞が形成された。染色体分析では融合雑種細胞の染色体数は70ー80の染色体を認め、細胞融合による形質転換であることを確認した。培養器への接着性はクローンにより異なっていた。融合雑種細胞の細胞層におけるタンパク質についてSDS-PAGEにて検討を加えると、ZK-1細胞とZKー1E2・HGPRT^- OUA^R細胞では量的差異認められたが、パターンは同一であった。しかし、ZKー1E2・HGPRT^- OUA^R細胞と融合雑種細胞では明らかに異なるバンドを認めた。舌扁平上皮癌由来ZK-1細胞6-チオグアニン耐性株の分離は培養液の6-チオグアニン添加濃度を段階的に高めて培養し,分離した.分離された6-チオグアニン耐性細胞株は形態的変化のない事およびHAT培地にて増殖不可能な事を確認した.また,細胞融合時に融合細胞以外の両親細胞を1度に選択排除するためにZK-1・6-チオグアニン耐性株細胞はさらにウワバインに対しても耐性とすべくウワバイン濃度を段階的に高めて培養し, 6-チオグアニン・ウワバイン耐性細胞株を選択分離した.両剤耐性の本細胞株を遺伝的に均一にするため限界希釈法にて2回クローニングを繰り返し,クローン細胞系を複数分離した.現在,各クローンの増殖率,ヒポキサンチングアニンホスホリボシルトランスフェラーゼ活性,細胞表面抗原等について,選択前のZK-1細胞とその性質を比較検討している.舌下腺細胞はコラゲナーゼ・プロナーゼ溶液を用いて,酵素消化を行い,コラーゲンゲル内培養法にてまずその形態を観察した.舌下腺上皮細胞はコラーゲンゲル内で星状の細胞突起を出して,あるいは嚢胞状に増殖していた.しかし,増殖率は極めて低く,これを改善するために培養液中にコレラトキシンとインスリンを添加することにより増殖が数倍促進されることを確認した.舌下腺上皮初代培養でも線維芽細胞の混入が軽度に認められ,コラーゲンゲル内培養によるクローニングや濃度勾配遠心法による細胞分画,分離が必要と考えられた.そのため,コラーゲンゲル内培養によるコロニー形成法でクローニングを試みたが,コラーゲンゲル内で培養された舌下腺上皮細胞は継代培養することにより数代で脱分化し,クローニングした細胞も線維芽細胞様形態を示すように変化した.これを改善するため,低血清濃度による培養やプトレッシンの添加を検討している.現在,培養舌下腺上皮細胞の特性を検討するとともに,細胞融合の準備を行っている.唾液腺における腫瘍発生には他の口腔組織と異なる特徴がある。

染色体分析では融合雑種細胞の染色体数は70ー80の染色体を認め、細胞融合による形質転換であることを確認した。培養器への接着性はクローンにより異なっていた。融合雑種細胞の細胞層におけるタンパク質についてSDS-PAGEにて検討を加えると、ZK-1細胞とZKー1E2・HGPRT^- OUA^R細胞では量的差異認められたが、パターンは同一であった。しかし、ZKー1E2・HGPRT^- OUA^R細胞と融合雑種細胞では明らかに異なるバンドを認めた。舌扁平上皮癌由来ZK-1細胞より変異株であるZK-1E2・HGPRT-OUA^R細胞を選択し、その増殖能および血清依存性を検討した。ZK-1細胞に比較すると、本変異細胞株は形態的にほぼ類似した多角から卵円形を示した。コラーゲンゲル包埋法では塊状の発育をするコロニーが主であった。ZK-1細胞に比較して、増殖能はやや低いが有意差は認めなかった。次いで、本変異株の血清依存性を検討したところ、1%添加群でやや増殖が低下するも、10%添加群と著変は認めなかった。HGPRT活性はZK-1細胞で、1.0Ug/μgタンパク質を示したが、ZK-1E2・HGPRT-OUA^R細胞では用いた測定条件では測定不能であった。舌下腺細胞はコラーゲンゲル包埋法にて無血清培養液を用い初代培養を行った。継代は単層培養にて行い、形態的には腺維芽細胞様細胞および上皮細胞の2種類の細胞を認めた。継代のためトリプシン処理を行なうと、上皮細胞は腺維芽細胞様細胞と比較してトリプシン処理に抵抗性を示した。このトリプシン処理に対する抵抗性の差を利用して各々の細胞を分画培養した。舌下腺細胞をコラーゲンゲル包埋法にて培養すると、形成されるコロニーは上皮細胞では腺菅様構造を示し、線維芽細胞では星状のコロニーを形成した。ZK-1E2・HGPRT-OUA^R細胞と舌下腺細胞を融合すると、上皮細胞との融合では21クローンを、また線維芽細胞様細胞との融合では46クローンを得た。融合雑種細胞は形態的に卵円形、円形、多角形、紡錘形をしめすものなど種々であった。融合雑種細胞の細胞層タンパク質についてSDS-PAGEにて検討を加えると、親細胞であるZK-1E2・HGPRT-OUA^R細胞のそれと明かに異なるバンドを認めたまた染色体分析を行なったところ、融合雑種細胞には70-80の染色体が認められた。
セラミックスの高温変形と破壊

微構造を制御したセラミックスを得て,高温での力学的挙動(変形と破壊)を様々の手法を用いて評価した.選んだ試料は,微粒アルミナ(粒径はサブミクロン),ムライト,フォルステライト,ジルコニアおよびそれらの複合体である.微構造制御のためには原料粉末の選択・調製が重要であるが,アルミナはアルミニウムの炭酸アンモニウム塩の水和物の熱分解によって得られる微粉末,ムライトとフォルステライトはゾルゲル法で得られる微粉末を用いている.特にフォルステライトの微粒単相多結晶は本研究で初めて得られた.微粒アルミナの高温変形挙動は,Y-TZPのような超塑性ではなく,動的粒成長(ひずみ誘起型粒成長)によるひずみ硬化をともなう拡散流動であることが明らかになった.初期変形が界面反応で律速されていることも重要な特徴である.微構造制御のための添加物(MgOやZrO_2)は顕著な効果を示し,界面反応とイオンの粒界拡散に大きな影響を与える.SEMやTEMなどによる微構造観察とあわせて,継続課題として現在も行っている.複合材料は,アルミナージルコニア(AZ),ムライト-ジルコニア(MZ),ムライト-アルミナ(MA)など基本的酸化物同士の系を選び,粒界と力学物性との関係に注目して研究した.AZでは高温変形と動的粒成長に関し,ジルコニア微量添加アルミナとの比較を行い,現象的には変形律速課程の拡散を阻害するジルコニウムの作用を確認した.MZとMAはともに高温破壊に関する基礎データ(遅れ破壊,き裂成長)を得て解析を行っている.微構造の異なるフォルステライトの高温変形の速度を温度と応力の関数として測定し,変形機構の解明のためのデータを得た.ひずみ速度はムライトより大きく,アルミナ程度の値で,変形律速種の拡散係数が得られた.粒界ガラス相と残留マグネシアの高温変形に及ぼす影響が認められ,微構造と変形機構の関係につきより詳細な研究の必要性を示唆している.微構造を制御したセラミックスを得て,高温での力学的挙動(変形と破壊)を様々の手法を用いて評価した.選んだ試料は,微粒アルミナ(粒径はサブミクロン),ムライト,フォルステライト,ジルコニアおよびそれらの複合体である.微構造制御のためには原料粉末の選択・調製が重要であるが,アルミナはアルミニウムの炭酸アンモニウム塩の水和物の熱分解によって得られる微粉末,ムライトとフォルステライトはゾルゲル法で得られる微粉末を用いている.特にフォルステライトの微粒単相多結晶は本研究で初めて得られた.微粒アルミナの高温変形挙動は,Y-TZPのような超塑性ではなく,動的粒成長(ひずみ誘起型粒成長)によるひずみ硬化をともなう拡散流動であることが明らかになった.初期変形が界面反応で律速されていることも重要な特徴である.微構造制御のための添加物(MgOやZrO_2)は顕著な効果を示し,界面反応とイオンの粒界拡散に大きな影響を与える.SEMやTEMなどによる微構造観察とあわせて,継続課題として現在も行っている.複合材料は,アルミナージルコニア(AZ),ムライト-ジルコニア(MZ),ムライト-アルミナ(MA)など基本的酸化物同士の系を選び,粒界と力学物性との関係に注目して研究した.AZでは高温変形と動的粒成長に関し,ジルコニア微量添加アルミナとの比較を行い,現象的には変形律速課程の拡散を阻害するジルコニウムの作用を確認した.MZとMAはともに高温破壊に関する基礎データ(遅れ破壊,き裂成長)を得て解析を行っている.微構造の異なるフォルステライトの高温変形の速度を温度と応力の関数として測定し,変形機構の解明のためのデータを得た.ひずみ速度はムライトより大きく,アルミナ程度の値で,変形律速種の拡散係数が得られた.粒界ガラス相と残留マグネシアの高温変形に及ぼす影響が認められ,微構造と変形機構の関係につきより詳細な研究の必要性を示唆している.微構造を制御したセラミックスを得て,高温での力学的挙動(変形と破壊)を様々の手法を用いて評価するため,本研究課題で今年度選んだのは,微粒アルミナ(粒径はサブミクロン),ムライト,フォルステライトおよびそれらの複合体である.微構造制御のためには原料粉末の選択が重要であるが,アルミナはアルミニウムの炭酸アンモニウム塩の水和物の熱分解によって得られる微粉末,ムライトとフォルステライトはゾルゲル法で得られる微粉末を用いている.特にフォルステライトの微粒単相多結晶は本研究で初めて得られたもので,その高温変形挙動は,ネソシリケートの流動挙動として地球科学的にも関心が高い.微粒アルミナの高温変形挙動は,Y-TZPのような超塑性ではなく,動的粒成長(ひずみ誘起型粒成長)によるひずみ硬化をともなう拡散流動であることが明らかになった.初期変形が界面反応で律速されていることも重要な特徴である.微構造制御のために添加された不純物(MgOやZrO_2)は顕著な効果を示し,界面反応とイオンの粒界拡散に大きな影響を与える.アルミナージルコニア(Y-TZP)複合体とムライトについては,高温変形の他,高温破壊挙動に注目し,前者ではTZPの超塑性が破壊に与える影響,後者では粒界ガラス相のSCG破壊にあたえる影響などをしらべた.

SCG(亀裂成長)は破壊の速度依存性としてとらえることができるが,4けたにおよぶ速度範囲で強度を測定し,材料の寿命予測のための基礎データを得た.微構造の異なるフォルステライトの高温変形の速度を温度と応力の関数として測定し,変形機構の解明のためのデータを得た.ひずみ速度はムライトより大きく,アルミナ程度の値で,変形律速種の拡散係計数が得られた.以上の結果は,本年度8件の学会発表として公表した.次年度に成果をまとめ,論文として発表を予定している.高温変形と破壊の挙動を調べるため、単相材料としては微粒アルミナ、ムライト、フォルステライトを選んだ。ともに原料粉末や微量添加剤(MgOまたはZrO_2を200から2000ppm)により微構造が制御されており、特にアルミナはサブミクロンの粒径を持ち、速い高温変形を生じる。添加剤の種類に応じて歪み硬化の原因である動的粒成長の程度が異なるが、Y-TZPの超塑性と関連して、粒界の構造と物性(例えば、粒界拡散)を解明する必要がある。変形機構に関しては、律速拡散種の拡散係数に及ぼす添加物(主に粒界に偏析)の影響や変形中の粒成長の移動度を評価した。SEMやTEMなどによる微構造観察とあわせて、継続課題として現在も研究を行っている。ムライトは数ミクロンの小粒径でありながら変形は生じ難く、高温遅れ破壊やキャビティの生じる場としての粒界がやはり問題であり、特に粒界ガラス相の影響を調べるため3:2ムライトの定比からアルミナ側およびシリカ側へ組成を変化させて高温強度特性を評価した。ムライトは3:2定比、シリカ過剰組成とも、小粒径にもかかわらず、組織中の異方性粒子の影響で上昇型R曲線が見られた。粒界ガラス相のより少ないと見られるアルミナ過剰組成に関しても現在さらに研究が進行中である。またフォルステライトについても、粒界ガラス相と残留マグネシアの高温変形に及ぼす影響が認められ、微構造と変形機構の関係につきより詳細な研究の必要性を示唆している。粒界ガラス相の影響は今後に展開する重要な研究課題と位置づけられる。複合材料は、アルミナージルコニア(AZ)、ムライト-ジルコニア(MZ)、ムライト-アルミナ(MA)など基本的酸化物同士の系を選び、やはり粒界と力学物性との関係に注目して研究した。AZでは高温変形と動的粒成長に関し、ジルコニア微量添加アルミナとの比較を行い、現象的には変形律速課程の拡散を阻害するジルコニウムの作用を確認した。MZとMAはともに高温破壊に関する基礎データを得て解析を行っている。
２波長イメージングによる全心臓のカルシウム動態とエネルギー消費の同時計測法の開発

本研究では、独自のラット血液交叉灌流摘出心臓の実験系を用いて、丸ごと心臓でのカルシウムイメージングを行い、心臓の収縮性の変化と、酸素消費、カルシウムトランジェントの関係を調べる。そこで、改良型G-CaMPとDsRed(赤色蛍光)の2つの遺伝子を同時発現するトランスジェニックラットを作製し、2波長による計測ステムの構築を行った。しかし、多くの問題が明らかとなり、その問題解決に向けて研究を行っている。本研究の目的は、遺伝子組換え型蛍光カルシウムプローブ、G-CaMPによる丸ごと心臓でカルシウムイメージングと、心臓一拍毎の心筋酸素消費量と発生する総機械的エネルギーの関係の同時計測実験系を確立することである。申請者は、これまでに奈良県立医科大学で科学研究費の助成を受け、心臓の収縮性と酸素消費の関係について、ラット血液交叉灌流摘出心臓を用いた独自の実験系で研究を進め、多くの成果を残してきた。このラット血液交叉灌流摘出心臓の実験系では、左心室圧ー容積関係から総機械的エネルギーを求め、同時に冠循環の動静脈血液酸素濃度較差のリアルタイム測定により心筋酸素消費を算出することができる。さらに、カルシウムイメージングにおいて、すでに改良型G-CaMPトランスジェニックラットを作製している。すなわち、初代G-CaMPトランスジェニックラットのカルシウムイメージングでは蛍光強度が弱く変化率も小さく、さらにmotion artifactによって正確なデータを得ることが大変困難であった。そこで、改良型G-CaMPとDsRed(赤色蛍光)の2つの遺伝子を同時発現するトランスジェニックラットを作製した。つまり改良型G-CaMPにより蛍光強度変化率の上昇とDsRedによるmotion artifactの除去により、問題の解決を目指す。加えて、高速イメージングシステムを用いて、2波長による計測システムの構築を行う。またコントロール実験として、蛍光色素であるFluo-3による心臓全体でカルシウムイメージングも行う予定である。この実験系が完成すれば、心臓において圧負荷や容積負荷などのストレス時に、カルシウム動態とエネルギー代謝の関係を観察することが可能となり、従来考えられていた理論の立証や、さらには心疾患の病態生理の解明等に活躍が期待できる。本研究の目的は、遺伝子コード型蛍光カルシウムプローブ(genetically encoding calcium indicators;GECIs)の一つであるG-CaMPを用いて丸ごと心臓でのカルシウムイメージングによる細胞内カルシウム動態と心臓一拍毎の心筋酸素消費量と発生する総機械的エネルギーの関係を調べることである。申請者は以前所属していた奈良県立医科大学で科学研究費の助成を受け、ラット血液交叉灌流摘出心臓を用いた実験系で、多くの成果を残してきた。このラット血液交叉灌流摘出心臓の実験系は、左心室圧ー容積関係から総機械的エネルギーを求め、同時に冠循環の動静脈血液酸素濃度較差のリアルタイム測定により心筋酸素消費を算出することができる世界で申請者のみが行うことができる他に類を見ない優れた実験系である。本研究ではそれに加え、心筋細胞の収縮性を調節する重要な因子である細胞内カルシウムの変化を同時計測し、それらの関係を明らかにすることを目指す。もし成功すれば、従来考えられていた理論の立証にとどまらず、心臓において圧負荷や容積負荷などのストレス時に、細胞内カルシウム動態とエネルギー代謝の変化を観察することができ、さらには心不全と言った心疾患の病態生理の解明等に活躍が期待できる。すでに改良型G-CaMPとDsRed(赤色蛍光)の2つの遺伝子を同時発現するトランスジェニックラットを作製した。今後、ブレインビジョン社製の高速イメージングシステムを用いて、2波長同時計測システムの構築を目指す。心臓は心筋細胞が収縮弛緩を繰り返すことにより、全身に血液を送り出すポンプとして働いており、その働きは一定ではなく、運動時や高血圧などの負荷が加わったとき、あるいは心不全といった病的な条件下では、収縮性が変化する。心筋細胞内のカルシウムは心臓の働き(収縮弛緩)を調節する重要な因子である。同時に心臓はその働きを維持するため、あるいは働きの変化に応じて酸素消費量を変化させる。また心筋細胞は多くミトコンドリアを持つことからも、エネルギー産生と消費を活発に行っている臓器の一つである。本研究の目的は、遺伝子コード型蛍光カルシウムプローブ(genetically encoding calcium indicators; GECIs)の一つであるG-CaMPを用いて丸ごと心臓でのカルシウムイメージングによる細胞内カルシウム濃度の変化と心臓一拍毎の心筋酸素消費量と発生する総機械的エネルギーの関係を明らかにするために、それらの同時計測実験系を確立することである。申請者は、独自のラット血液交叉灌流摘出心臓の実験系を用いて、左心室圧ー容積関係から総機械的エネルギーを求め、同時に冠循環の動静脈血液酸素濃度較差のリアルタイム測定により心筋酸素消費を算出することで、心臓の収縮機能とエネルギー消費の関係について研究を進めてきた。さらに本研究では、丸ごと心臓でのカルシウムイメージングを加えることで、心臓の収縮性の変化、酸素消費、カルシウムトランジェントの関係を明らかにする。もし問題解決ができれば、世界に類のない学術的にも臨床的にも意味深い成果を得られると確信している。

そこで、改良型G-CaMPとDsRed(赤色蛍光)の2つの遺伝子を同時発現するトランスジェニックラットを作製し、2波長による計測ステムの構築を行った。しかし、多くの問題が明らかとなり、その問題解決に向けて研究を行っている。申請者は、以前所属していた奈良県立医科大学第二生理学講座の時代から科学研究費補助金を受け、岐阜大学医学部生理学教室に異動後も、G-CaMP遺伝子組換えラットを用いて、摘出心臓の血液交叉灌流実験系を用いたカルシウムイメージングと心臓の力学的エネルギー学的性質を調べる同時計測の確立を目指して、一貫して研究を行ってきた。昨年は、改良型G-CaMP-DsRed遺伝子組換えラットの移動時に、微生物モニタリングの結果、クリーン化が必要となり、実験に使用できないトラブルに見舞われた。本年度は、従来使用していた電磁流量計が故障し、製造中止のため超音波血流計を購入した。そのため、種々の条件が変更になり、装置の設定などの調整中である。しかし、遺伝子組換えラットを使用できない時期は、興奮収縮連関の酸素消費を計測することで、間接的ではあるがカルシウムハンドリングのエネルギー消費を見積もることができる方法で、温度変化がもたらす影響について大変興味深い知見を得ており、論文作成中である。生理心臓力学、循環動態、エネルギー代謝、分子生理学、循環器ラットのクリーン化や機器の故障など多くのトラブルに見舞われたため、思うように進んでいないのが現状である。この実験の最終目的は、心臓の収縮性、エネルギー消費、細胞内カルシウム動態の関係を明らかにすることである。そのため、直接的にカルシウム動態を観察する手法、つまりカルシウムイメージングを行う。申請者は遺伝子コード型蛍光カルシウムプローブ(GECIs)の一つである改良型G-CaMP-DsRed遺伝子組換えラットを作製した。しかし、G-CaMPでは細胞内カルシウム濃度の変化を正確に計測できない可能性もある。そこで、申請者もこれまでに使用しており、研究実績の高い蛍光指示薬であるFluo-3等の試薬を用いた丸ごと心臓でカルシウムイメージングについても検討する必要がある。また、興奮収縮連関の酸素消費を計測するという、間接的ではあるがカルシウム動態を調べる方法も考慮する必要がある。つまり、本研究の目的は単に技術の開発だけでなく、なぜ心機能が低下するか、負荷が加わったらどうなるか、その時のエネルギー消費と細胞内カルシウムの関係はどうなっているのかと言った疑問を明らかにすることである。これまで一貫してカルシウムイメージング法の構築を目指してきたが、今後はそれを継続しつつ、多面的なアプローチも積極的に取り入れていく必要があると考えている。申請者は、一昨年まで奈良県立医科大学第二生理学講座に所属しており、科学研究費補助金を受けて本研究の基盤となるG-CaMP遺伝子組換えラットを利用した摘出心臓の血液交叉
矯正的歯の移動時の歯根吸収に関する分子生物学的研究

昨年度の研究で得られたデータから、ODF、M-CSF、TNF、IL-1の遺伝子発現レベルは、歯に加える矯正力の強さによって変化することが示唆されたが、それを定量的に確かめるため、本年度は骨形態計測の手法を用いて分析を継続した。また、昨年度の研究で得られた知見を元に、ODF、M-CSF、TNF、IL-1などの遺伝子発現を負荷をかけた顎関節部において調べた1)。その際の顎関節部のMRIによる評価を正確に行う研究の一環として、岡山大学第一補綴学講座の協力のもと、顎関節MR1読影トレーニングの方法の開発を行った2)。さらに、新規遺伝子CORS26の顎関節部での遺伝子発現を調べている3)。1)7週齢マウスの第一臼歯に様々な高さのレジンを盛り、.経時的に屠殺、灌流固定ならびに脱灰して得られたパラフィン切片に、骨吸収を誘導する因子であるODF、M-CSF、TNF、IL-1およびIL-6のRNAプローブを用いてin situハイブリダイゼーション法を行った。2)各被験者の読影能力の向上を評価するためにCohehのKappa値を用いた。3)1週齢マウスを灌流固定ならびに脱灰して得られた顎関節部パラフィン切片に、新規遺伝子CORS26のRNAプローブを用いてin situハイブリダイゼーション法を行った。プローブ作製については、CORS26のオープン・リーディング・フレームから他の遺伝子とホモロジーの低い部位を定めプライマーを設定し、RT-PCRならびにTAクローニング法にて当該部位をクローニングし、適当な制限酵素で切断した後in vitroトランスクリプションを行いRNAプローブを作製した。7週齢SDラットの第一臼歯に様々な大きさの矯正力をかけ、経時的に屠殺、灌流固定ならびに脱灰して得られたパラフィン切片に、破骨細胞を誘導する因子であるODF、M-CSF、TNF、IL-1およびIL-6のRNAプローブを用いてin situハイブリダイゼーション法を以下の方法で行った。矯正力としては3種類の力系を用意した。ラットにおいて効果的に歯を移動することができなおかつ硝子様変性ならびに歯根吸収が生じにくいと言われる5gの持続的な力を.014インチのニッケルチタン性のワイヤーを用いて作った。ラットの歯を移動するには過度で硝子様変性ならびに歯根吸収が生じやすいと言われる力としては、.018インチのステンレスワイヤーで50gの持続的な力を、また、歯間に挿入した弾性ゴムを用いて一過性の過度の力(Waldo法)を作った。各切片をヘマトキシリン・エオジン染色したところ、5g群では圧迫測歯根膜に若干の硝子様変性が認められたもののほぼ血行は保たれていたのに対し、50g群ならびにWaldo法を用いた群では圧迫側歯根膜は一時的に完全に血行が途絶え多くの硝子様変性組織が観察された。プローブ作製については、破骨細胞の誘導因子の遺伝子を調べ、それぞれのオープン・リーディング・フレームから他の遺伝子とホモロジーの低い部位を定めプライマーを設定し、RT-PCRならびにTAクローニング法にて当該部位をクローニングし、適当な制限酵素で切断した後in vitroトランスクリプションを行いRNAプローブを作製した。in situハイブリダイゼーションを通法に従い行った結果、各因子は時間特異的に発現し、それぞれの群での各遺伝子発現は細胞レベルで差異が認められた。現在、その差を骨形態計測法を用いて検討中である。また、in situハイブリダイゼーション法と矛盾がないかを免疫染色法でも検討している。
高等植物における減数分裂制御遺伝子の探索

本研究は、我々がさきに分裂酵母で同定した減数分裂制御遺伝子、その遺伝子産物のタンパク質、さらにそれに対する抗体類を駆使して高等植物材料を解析し、高等植物では減数分裂制御に関わる遺伝子・タンパク質分子種の同定を目指す。分裂酵母の減数分裂開始制御においては、体細胞分裂期に減数分裂開始を抑圧しているpat1遺伝子と、pat1の下流で機能し、減数分裂開始の決定に必須の役割を担うmei2遺伝子がとりわけ重要である。本年度は主にmei2遺伝子の相同遺伝子を植物で検索した。対象として分子遺伝学的解析が進みつつあるシロイイヌナズナトランスジェニック個体の作れるタバコ、減数分裂期の材料が多量に得やすいブロッコリ-を用いた。シロイヌナズナのゲノムDNAのサザン分析でハイブリダイゼ-ションの条件を検討し、数種の制限酵素分裂物中にmei2と比較的強くハイブリダイズするバンドを1本、弱くハイブリダイズするバンドを数本認めた。目下これらのクロ-ン化を進めている。一方、タバコの花(若い蕾)、葉、茎、根の四器官および葉由来の懸濁培養細胞、さらにブロッコリ-の花(若い蕾)と茎の二器官からタンパク質を抽出し、それぞれウエスタンブロッティングにより解析した。用いた抗体は、遺伝子工学的に作製したmei2融合タンパク質をウサギに免疫し、mei2タンパク質と反応する画分を精製したポリクロ-ナル抗体である。茎および根には抗mei2遺伝子産物抗体と有意に反応するタンパク質は認められなかったが、花では2本のタンパク質バンドが認められた。大きいほうはタバコで約70Kブロッコリ-で約80K、小さいほうはともに30数Kの分子量に対応した。分裂酵母のmei2遺伝子産物は82Kであるので、大きいほうが相同物である可能性が高く、今後このタンパク質の減数分裂の進行に応じた出現消失の詳しい解析を進めるとともに、対応する遺伝子のクロ-ン化を進める予定である。
海陸機動的観測に基づくスロー地震発生様式の解明

四国西部の深部低周波地震の主要な活動の始まり方に多様性があることを見出した.これは通常の地震の前震活動の有無や房総半島沖SSE等の加速様式の多様性にも対応し,断層すべり発展の複雑性を示す.新規広帯域地震観測点の記録を用い,深部低周波微動活動に伴う超低周波地震の移動や,発震機構・震源決定への有用性を確認した.低周波地震データを基にGNSS時系列を積算し,20042009年に起きた12回のETSに伴う累積変位が最大1.5cm程度であることが分かった.日向灘に広帯域型・圧力型を含む長期観測海底地震計を設置し,第2期観測を開始した.過去データの再解析により,浅部低周波微動で解放される地震波エネルギー量の空間分布が地下構造に対応することを明らかにした.南西諸島北部で超低周波地震の高精度位置決定を行い,2019年1月の種子島近海地震後に周辺域に起きた地震・超低周波地震活動を詳細に捉えた.南西諸島南部で超低周波地震の地球・海洋潮汐応答が季節変化を示し,それが大気・海底圧力の影響による可能性があること,八重山諸島周辺で起きた余効すべりやダイク貫入による数年オーダーの長期的歪変化が西表島周辺の地震活動を活発化させたことを明らかにした.ボアホールアレイを用いて極微小シグナルを検出するための確率論的手法の精度確認を行い,2016年4月1日三重県沖の地震の観測記録に適用し,表面波による超低周波地震の誘発の検出に初めて成功した.日本海溝海底地震津波観測網の記録を用い,十勝沖・三陸沖の海溝軸近傍にて低周波微動活動を検出し,超低周波地震活動との対応を見出した.三陸沖の海溝近傍における繰り返し地震からすべりレートを推定し,東北沖地震後に大きな変動を繰り返しながら低下する傾向を見出した.2015年に見られる大きなすべりレートは超低周波地震や海底地殻変動を伴うため,スロースリップの発生を示すと考えられる.海域における浅部スロー地震に関しては,他の研究プロジェクトとの連携を実施し,本研究計画により日向灘に構築した海底地震水圧観測網内に,2018年3月から2019年1月まで小スパン海底地震計アレイによる観測を実施した.また,本研究計画の観測域近傍において,同時期に同様な海底観測を実施しており,広域な活動把握が期待される.島嶼部の広帯域地震臨時観測点については,設置が当初の予定通り完了し,データのメンバー間での共有準備も問題なく進んでいる.また,データ解析によって機動観測の有効性も確認されている.琉球海溝においては,超低周波地震に伴う低周波地震を利用することで,これまで困難であった(超)低周波地震の空間分布を詳細に把握することができ,様々な地震活動およびプレートに関する情報と比較できるようになった.さらに琉球海溝の中での潮汐応答の空間変化と時間変化を検出することができ,超低周波地震の発生位置が特定されることで正確な潮汐応答計算が可能になった.東北日本の太平洋沖に整備された日本海溝海底地震津波観測網の記録を用いて,同地域で低周波微動を初めて検出した.今後,更に検出例が増え海溝軸付近でのスロー地震活動の実態がより明らかになることが期待される.地震波による各種スロー地震の動的誘発の特徴を調べるために,それらの検出手法を確立させ,また実際に検出作業に着手した.四国西部域に設置予定の超稠密短周期地震計アレイ観測装置については,約半年間にわたる連続波形記録を記録するための装置改良を当初の計画以上に進め,広帯域地震計低周波地震の主要な活動の始まり方に多様性があることも見出した.繰り返し地震については,九州・四国沖でのスロー地震の棲み分けを見出し,その移動現象・相互作用の詳細を明らかにした.南海トラフ西部から南西諸島における浅部低周波微動・超低周波地震・短期的SSEを把握するため,長期観測型海底地震計と海底圧力計による観測を行う.昨年度に観測機器入替及び第2期観測を開始し翌年夏まで実施予定である.観測期間中に複数回発生したスロー地震活動の詳細を明らかにし,相互関係の解明を目指す.島嶼部に設置した広帯域地震観測点を維持管理するとともに,データや処理結果をメンバー間で共有する.南西諸島全域における地震・超低周波地震活動の時空間的特性,特に地震と超低周波地震が同期して活発に起きる地域と全く活動のない地域の特性を明らかにする.琉球海溝の超低周波地震と低周波地震に注目してその活動特性を解析し,スロー地震間の関係とプレート間摩擦特性を明らかにする.潮汐応答の長期変動をもとに,プレート運動と大気・海洋変動の関係を明らかにする.東北日本太平洋沖で発生する低周波微動や超低周波地震の地球潮汐応答及びその時空間変化を調査する.それらの共通点・相違点を整理し,周辺で発生するSSEの時空間推移との対応関係に注目しつつ,その特性を明らかにする.独立型地震観測システム専用電池ボックスを作成するとともに,現地調査による短周期地震計超稠密アレイ観測点の配置案や観測スペックを検討し,本年度後半以降に四国西部で観測を開始し,低周波微動の連続記録を取得する.四国・紀伊・東海で合計約15点,観測期間約2年の広帯域地震計臨時観測を開始する.超低周波地震のすべり分布の広がりなど震源の詳細

情報の推定を行うため,低周波微動やSSEの解析結果との比較を進める.超低周波地震における大地震表面波による動的誘発現象の原因を調べ,超低周波地震の発生メカニズムを調査する.琉球弧での繰り返し地震の同定・カタログ構築を行うとともに,SSE・スロー地震・通常の地震の間の相互作用を調査する.領域研究を本格的に開始するのに必要な観測点設置やデータベース整備等を実施した.浅部スロー地震の研究に関しては,日向灘で海底観測を実施するため2017年3月に16台の観測機器を設置したとともに,短期的SSE断層パラメータ解析システムの構築に着手した.定常的な観測態勢が貧弱である南西諸島の西表島に広帯域地震臨時観測点を設置したとともに,沖縄本島と宝島での設置準備を行った.琉球海溝で発生する超低周波地震の潮汐応答解析により,沈み込んだプレート面での摩擦特性または間隙水圧の地域性が見られた.また,超低周波地震に伴う低周波地震の解析を行なった結果,SSE,(超)低周波地震,普通のプレート間地震の震源が棲み分けていること,SSEが(超)低周波地震を誘発している様子が明らかになった.日向灘足摺岬沖で発生した3つの浅部超低周波地震エピソードについて発生時刻と地球潮汐の関係を調査した結果,半日周期に加え,2週間周期の潮汐成分との間にも明瞭な相関関係が存在し,潮汐応力の増減に対応した活動の消長が確認された.深部スロー地震については,遠地地震波による動的誘発微動を調べるため,四国西部で10年分の連続地震波形記録を取得した.四国西部における機動的地震観測については,広帯域地震観測候補地点選定を進めたとともに,多重稠密地震計アレイの設置候補点やアレイ形状・構成要素数,約半年間の観測継続のための既存装置改良について検討した.また,多重周波数帯域アレイ手法による深部低周波微動カタログ構築のためのシステム化を進めた.繰り返し地震については,波形データベースの作成を進め,それに基づき日向灘地域で予備的解析を行い,繰り返し地震の抽出を行った.その結果,プレート境界での繰り返し地震が,測地データに基づく固着域や深部低周波微動・浅部低周波地震と棲み分けて分布していることがわかった.浅部スロー地震に関しては,日向灘に圧力計搭載型広帯域型海底地震計,海底水圧計,長期観測型海底地震計を設置し,浅部低周波微動,超低周波地震,スロースリップの3種類のスロー地震現象を同時に観測できる観測網を構築した.島嶼部の広帯域地震臨時観測点については予定通り1点の設置が完了し,残る2点の用地交渉および資機材準備が問題なく完了している.琉球海溝における浅部スロー地震解析においては超低周波地震に伴う低周波地震を利用することで,これまで困難であった(超)低周波地震の空間分布を詳細に把握することができ,様々な地震活動およびプレートに関する情報と比較できるようになった.さらに琉球海溝の中での潮汐応答の空間変化と時間変化を検出することができ,超低周波地震の発生位置が特定されることで正確な潮汐応答計算が可能になった.南海トラフ西部域の浅部超低周波地震活動の地球潮汐応答解析についても,新たに2週間周期の潮汐成分に対応する活動の変調を確認できたなど,計画はおおむね順調に進んでいる.深部スロー地震に関しては,遠地地震波による動的誘発微動の解析に必要な地震波形記録の準備が完了した.四国西部における機動的地震観測については,多重稠密地震計アレイ計画の実現に向けて着実に検討を進めているとともに,広帯域地震観測についても設置地点選定調査など予定通り進んでいる.繰り返し地震については,西南日本での繰り返し地震カタログの構築に向け,必要な波形データベース作成が順調に進んでいる.
嚥下障害評価法の多変量解析-嚥下音を中心として

前回の報告では,嚥下音を加速度トランスデューサーで捉え,それをVS波形とし,Sa・Sb・Scに分けその持続時間,面積を求める分析した.さらに単位時間あたりの音圧を比較するため,面積(A)を持続時間(t)で除したもの(以下A/t)で比較した.健常者5名について,A/tをSa-Sb-Sc間,一口量5-10-15ml間について二元配置分散分析で比較したところ,Sa-Sb-Sc間についてはSa-Sb,Sb-Sc間には危険率1%で有意差を認めたが,Sa-Sc間には有意差を認めなかった.A/tの変動係数については5-10-15ml間で比較するとSc>Sc>Sbの傾向になっており,A/tはSbが最も大きい傾向であった.健常者2名について各種食物形態における変動係数を求めたところ,Sbが最も低い値であった.Saは食塊先端が口腔から喉頭蓋谷に達したときに出現する波形であり,随意的な舌の送り込みの時期であるため変動が生じやすいと思われる.またVS・VF同時撮影画像を仔細に観察すると舌による食塊の送り込みと同時に喉頭挙上が始まっており,Saには喉頭挙上の音が含まれていると推察される.それに対してScは喉頭下降の音を含んだ部分である.Saに喉頭挙上音を含みScに下降音を含むと考え,一元的にSaの変動に関連してScの変動が生じる可能性があると推察した.Sbの変動が少ないのは,嚥下反射時の波形であり,非随意的な部分であるためと考えられる.それに加えてA/tではSa・Scを上回る傾向にあり,音圧は最も大きく,安定していた.今回はA/t,その変動係数を比較検討のデータとして採用したが,今後それらの定量化を検討していきたい.今回嚥下障害患者の分析までできなかったが,嚥下音の由来のさらなる解明,また臨床応用への道を模索していきたい.本報告は現在摂食・嚥下リハビリテーション学会誌に投稿し,修正文を再査読中である.摂食・嚥下障害患者の病態把握や摂食・嚥下リハビリテーションの効果判定に嚥下音の応用を目指しているが,今回は健常者の評価を行った.健常者5名(一部4名)の輪状軟膏気管直下外側付近に東芝社製の加速度トランスデューサー(TA701T,周波数特性20-600Hz)を接着し,嚥下音をNemio 30 (Toshiba社製)で画面表示させ(この波形をVSと略す)分析を行った.また嚥下造影(VF)・VS画像をデジタルビデオで同時撮影し各画像を静止画(29.4枚/秒)にして比較した.VS波形は3群に分類でき再現性を認め,これをSa,Sb,Sc波と呼称した.Sa波形群(Saと略)は食塊が口腔喉頭蓋谷付近まで,Sbは喉頭蓋谷食道入口部付近を通過するまで,Scは食道入口部付近を通過した前後の動きに一致して出現していた.各波形の持続時間・また音圧の要素を含めるため各波形の面積をすべて同じ条件でPC上のドット数で求め,一口量5ml(4例)・10ml(5例)・15ml(4例)群間で一元配置分散分析で検定したところ(有意水準5%以下),波形の持続時間・面積ともにいずれの群間も有意な差は認めなかった.よって5ml-15mlでは波形に差が生じなかったことにより健常者の一口量は15mlまでは問題なく嚥下可能であることを示唆していると考えられた.また,一例についてのみ嚥下した際に喉頭を挙上したままにしておき,一定時間たった後喉頭下降をすると音が検出され,Sc成分の一部をなすことが示唆された.以上の過程でPC・ソフト・HDD・DVDデッキを使用した(研究費で購入).嚥下音の音響分析システム(DFFS3)を使用した分析・VSの摂食・嚥下障害患者への応用は平成19年度に予定している.現在発表は会議録のみであるが,平成19年度に摂食・嚥下リハビリテーション学会にこれまでの成果を投稿する予定としている.前回の報告では,嚥下音を加速度トランスデューサーで捉え,それをVS波形とし,Sa・Sb・Scに分けその持続時間,面積を求める分析した.さらに単位時間あたりの音圧を比較するため,面積(A)を持続時間(t)で除したもの(以下A/t)で比較した.健常者5名について,A/tをSa-Sb-Sc間,一口量5-10-15ml間について二元配置分散分析で比較したところ,Sa-Sb-Sc間についてはSa-Sb,Sb-Sc間には危険率1%で有意差を認めたが,Sa-Sc間には有意差を認めなかった.A/tの変動係数については5-10-15ml間で比較するとSc>Sc>Sbの傾向になっており,A/tはSbが最も大きい傾向であった.健常者2名について各種食物形態における変動係数を求めたところ,Sbが最も低い値であった.

Saは食塊先端が口腔から喉頭蓋谷に達したときに出現する波形であり,随意的な舌の送り込みの時期であるため変動が生じやすいと思われる.またVS・VF同時撮影画像を仔細に観察すると舌による食塊の送り込みと同時に喉頭挙上が始まっており,Saには喉頭挙上の音が含まれていると推察される.それに対してScは喉頭下降の音を含んだ部分である.Saに喉頭挙上音を含みScに下降音を含むと考え,一元的にSaの変動に関連してScの変動が生じる可能性があると推察した.Sbの変動が少ないのは,嚥下反射時の波形であり,非随意的な部分であるためと考えられる.それに加えてA/tではSa・Scを上回る傾向にあり,音圧は最も大きく,安定していた.今回はA/t,その変動係数を比較検討のデータとして採用したが,今後それらの定量化を検討していきたい.今回嚥下障害患者の分析までできなかったが,嚥下音の由来のさらなる解明,また臨床応用への道を模索していきたい.本報告は現在摂食・嚥下リハビリテーション学会誌に投稿し,修正文を再査読中である.
ヒトES細胞と遺伝子治療技術による小児心疾患への独創的な再生療法の開発

小児の難治性心疾患へのヒトES細胞による再生療法の基盤を確立する本研究で、以下のような成果を得た。1心筋分化誘導法の開発(1)マウスES細胞で有効だった胚様体形成法+増殖因子添加は、ヒトES細胞ではそれほど心筋分化誘導効率の上昇がみられなかった。よって(2)の研究を行った。(2)間葉系細胞の共培養にて心筋細胞への分化誘導ができないか、幾種類かの間葉系細胞でスクリーニング的な実験を行った。ある2種類の間葉系細胞との共培養において、マウスES細胞だけでなく、ヒトES細胞でも心筋分化誘導できることを見いだした。(3)幾つかの心筋特異的転写因子を発現するベクタープラスミドを構築した。それをマウスES細胞に遺伝子導入して強制発現したが、単一の心筋特異的転写因子の発現だけでは、劇的なレベルでは心筋分化誘導効果は得られなかった。マスター遺伝子が見つかっている骨格筋細胞とは異なり、心筋特異的転写因子はマスター遺伝子の作用は単独ではないことが明確となった。2誘導できた心筋細胞の単離我々は遺伝子治療の遺伝子導入ベクター技術をES細胞のin vitro分化系に初めて本格的に応用し、マウスES細胞から分化したいかなる目的細胞でも単離できる革新技術の開発に成功した。この方法をヒトES細胞に応用してみたが、予想に反してヒトES細胞由来の目的細胞は可視化することができなかった。その原因を探索するうちに、遺伝子導入ベクター、遺伝子発現コンストラクトの適切性において、これまでに報告がない、マウスES細胞と異なるヒトES細胞での生物学的特性を見いだした。小児の難治性心疾患へのヒトES細胞による再生療法の基盤を確立する本研究で、以下のような成果を得てきた。1.心筋分化誘導法の開発(1)マウスES細胞で有効だった胚様体形成法+増殖因子添加は、ヒトES細胞ではそれほど心筋分化誘導効率の上昇がみられなかった。(2)2種類の間葉系細胞との共培養で、マウスES細胞だけでなく、ヒトES細胞でも心筋分化誘導に成功した。但しヒトES細胞では未だその効率は低いため、細胞濃度の違いなど、培養条件をさらに詳細に検討している。(3)ある心筋特異的転写因子をマウスES細胞に遺伝子導入・強制発現したが、それだけでは劇的心筋分化誘導効果は得られなかった。よって色々な条件(発現時期、発現強度、複数転写因子の同時に導入、培地条件など)を再検討していっているところである。2.誘導できた心筋細胞の単離我々は遺伝子治療の遺伝子導入ベクター技術をES細胞のin vitro分化系に初めて本格的に応用し、マウスES細胞から分化したいかなる目的細胞でも単離できる革新技術の開発に成功した。その研究論文は遺伝子治療の研究では最も権威ある雑誌のMolecular Therapy誌に出版され、また同誌の表紙とニュースにも取り上げられたように、その成果は高く評価され話題となった。ヒトES細胞にその方法を応用してみたが、予想に反して目的細胞を可視化することができなかった。その原因を探索するうちに、遺伝子導入ベクター、遺伝子発現コンストラクトの適切性において、これまでに報告がない、マウスES細胞と異なるヒトES細胞での特徴という大きな事実を発見、解明できた(論文準備中)。よって、新しい遺伝子導入ベクターの構築を再設計しているところである。
六方晶窒化ホウ素エピタキシャル超薄膜のフォノン構造と電子状態に関する研究

電子状態、フォノン構造、原子構造に関する実験と理論計算から、Ni(111)表面上の単原子層六方晶窒化ホウ素超薄膜はバルク結晶とは著しく異なる金属的性質を示すことを明らかにした。つまり、界面固有の新物質層を発見した。Ni,Pd,PtおよびTaC(111)表面上にCVD法で成長させた単原子層六方晶窒化ホウ素超薄膜の電子のバンド構造、原子構造およびフォノン構造について調べた結果、Pd,PtおよびTaC基盤の場合、エピタキシャル膜の格子と基盤格子の並びは不整合の関係にあり、基盤と膜との相互作用は弱いことが判明し、一方、Ni面上では基盤と整合した格子を構築し、層間の結合は極めて強いことが分かった。このことを反映して、フォノンの分散関係の異常(LOフォノンとTOフォノンのΓ点での縮退と面に平行方向の双端子場の消失)やランプリン構造およびπ電子バンドのシフトを観測した(Phys.Rev.Lett.79,1997,4609-4612)。以上の現象を理解するために、第一原理に基づきバンド計算を遂行した。その結果、基盤と超薄膜の間隔(層間)を変化させることにより、π電子のバンドを大きく変化させ、新たな混成バンドを形成し、バンド・ギャップが消失することが判明した。このことは、窒化ホウ素のエピタキシャル膜の内外で、膜に平行方向の電場が消失するフォノン分光の実験事実と良く対応している。つまり、窒化ホウ素のπ電子は自由に動き回っており、この電子の集団運動が、膜平行方向の電場の遮蔽の原因となっている。Ni、Pt、Pd(111)表面上にエピタキシャルに成長させた単原子層h-BN膜の電子バンド構造・原子構造・フォノン構造について、角度分解光電子分光、低速電子線回折・高分解電子エネルギー損失分光法を使用して調べた。PtおよびPd(111)面上のエピタキシャルh-BN膜は不整合に弱く金属上に物理吸着している。一方、Ni(111)表面のh-BN膜は下地結晶に整合して成長し、π電子は下地Ni金属のd電子と軌道混成を起こし、ランプリング(凸凹)構造をとる。また理論計算はh-BNのπ電子バンドはフェルミ準位の上下全体に広がり、BNが金属的な性質を帯びることを示唆した。3つの金属上に吸着したh-BN膜のσ電子のバンドは真空準位から測定すると完全に一致したが、π電子のバンドはNi上のBNのみ1eV深い方向にシフトした。Ni上のBNのLOとTOフォノンの分散曲線は交点でギャップをもつ。これはBN膜が平らではなく、ランプリング(凸凹)構造をとることを意味する。そこで、原子構造を電子回折法により解析した。結果はランプリング(凸凹)の大きさは0.018nmであり、BN膜とNi原子の距離は0.21nmであり、BN結晶の層間距離0.33nmに比較して極端に短いことが分かった。この構造を基礎に計算したπバンドの幅は軌道混成により大きく拡大することを示し、観察したπバンドのシフトを説明した。この計算結果は金属BN膜の可能性を示唆している。Ni(111)表面上の単原子層六法晶窒化ホウ素エピタキシャル超薄膜に対して、前年度発見したフォノンの分散関係の異常を理解するために、第一原理計算を行い、調べた。その結果、基板と超薄膜の間隔変化によりπ電子のバンドが大きく変化し、低速電子線回折解析で決めた原子構造では新たな混成バンドを形成して、バンド・ギャップが消失することが判明した。このことは、窒化ホウ素のエピタキシャル膜の内外で、膜に平行方向の電場が消失する実験事実(LOフォノンとTOフォノンのγ点での縮退と面に平行方向の双極子場の消失)を良く説明する。

つまり、窒化ホウ素のπ電子は自由に動き回っており、この電子の集団運動が、膜平行方向の電場の遮蔽の原因となっている。この電子状態ではホウ素原子から窒素原子に0.3個/原子の電子が移動している。一方、Ni(111)基板面と窒化ホウ素エピタキシャル膜間の電子移動は1%以下であった。窒化ホウ素のπバンドは基板のd電子と軌道混成することによって、エネルギー幅を広げ、バンドの底のエネルギー位置は役1eV深い方向にシフトすることが観測されているが、この現象も計算でも再現している。また、σバンドは基板との相互作用の影響をほとんど受けることはない。このことも、観測したフォノン分散(TOフォノンの振動数はバルクの値と一致する)と対応している。