hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
３次元可視化モデルによる膝前十字靱帯損傷メカニズムの解明と予防

本研究は、膝関節内の骨形状および靱帯を3次元モデルに構築し、それを動的にシミュレーションすることで前十字靭帯(ACL)損傷時の関節内状況を可視化することを目的とした。脛骨内旋-外反-脛骨前方移動(前上方向)の動きにおいて大腿骨顆間窩とACLは接触した。ACL損傷グループは、少ない移動量で接触する傾向があった。脛骨の前上方向への移動は、大腿四頭筋による牽引およびジャンプ着地等のスポーツ動作時の体重(重力)を想定しており、これらと脛骨の回旋および外反が組み合わさるとACLに高負荷が加わる可能性が示唆され、その関節内の状況を可視化することができた。本研究は、膝関節のMR画像から関節内の骨形状および靱帯を3次元的に構築し、それを動的にシミュレーションすることで前十字靭帯(ACL)損傷時の関節内の状況を可視化することを最終目的とする。研究期間2年目は、交付申請書に記した「研究目的」の2.4.に該当する部分を実施した。2.大腿骨顆間窩とACLはどのような動きで接触するのか、3.大腿骨顆間窩とACLが接触したときのストレスの大きさはどの程度か、4.高いストレスが生じている部位の同定、以上を検証するため、まず、片側ACL再建女性10名の反対側健常膝関節を対象にMRI装置にて膝関節プロトン密度水平断像を撮影した。次にそのMR画像データをもとに画像解析ソフト(ZedView, LEXI)にて大腿骨、ACL、脛骨の輪郭を抽出し、そのデータからコンピュータ上に3次元モデルを構築した。有限要素法を用いたシミュレーションはMarc Mentat (MSC.)を用いた。脛骨内旋および膝関節外反、脛骨前方移動を組み合わせたシミュレーションを実施した結果、どのモデルにおいても90MPa以上の応力が靭帯自体に生じた。このときの平均的な移動量は内旋6度-外反6度-前方移動6mmだった。また、外旋および外反、前方移動を組み合わせたシミュレーションでも靭帯自体に高い応力値(90MPa以上)が認められた(平均的な移動量:外旋7度-外反7度-前方移動7mm)。膝蓋腱の引張強度は58MPa(Noyes, 1984)であり、それを上回る強い力が靭帯に生じることが示唆された。しかしながら、これらの動きの中では大腿骨顆間窩とACLが接触することはなかった。接触しない状況下でも高い応力が靭帯自体に生じることで損傷につながる可能性も示唆された。今後、回旋量や外反角度の大きさおよび脛骨移動の方向を再検討し、大腿骨顆間窩とACLの接触について解明してゆく。初年度は、交付申請書に記した「研究目的」の1.に該当する大腿骨顆間窩とACLの形状、容積および体積の比較を実施した。健常膝15膝(女性9膝、男性6膝)と片側前十字靭帯再建女性6名の反対側健常膝関節を対象にMRI装置にて膝関節プロトン密度水平断像を撮影した。冠状面および矢状面にてACLに対し垂直になるように位置決めを行い、2mm間隔スライス面の画像データをDICOM形式で書き出した。解析には画像解析ソフト(OsiriX)を用い、等間隔ごとの水平断像から大腿骨顆間窩の空間面積(mm2)とACLの断面積(mm2)を測定した。これら等間隔に測定した面積から計算式を用いて体積を導き出した。大腿骨顆間窩の容積(mm3)およびその部位内に占めるACL体積(mm3)を算出し、これらの体積計算に加えて、ACL体積比率(顆間窩容積に占めるACL体積の割合)を求めた。その結果、再建女性および健常女性の大腿骨顆間窩の容積は男性に比べ有意に低値であった(p<0.05)。また、ACL体積は再建女性が男性に比べ有意に低値であった(p<0.05)。一方、ACL体積比率は全ての群間に差を認めなかった。また、顆間窩容積とACL体積の相関は有意であった(p<0.05)。これらから女性は顆間窩容積が小さく、前十字靭帯自体も小さい傾向にあることが示唆された。靱帯自体の体積が小さく細いことは、力学的な面から考えるとリスクとしてとらえることができる。今後、大腿骨顆間窩とACLはどのような動きで接触するのかを解析し、大腿骨顆間窩とACLが接触したときのストレスの程度を算出することで、ACL損傷時の関節内の状況を把握することにつなげる。

本研究は、膝関節のMR画像から関節内の骨形状および靱帯を3次元的に構築し、それを動的にシミュレーションすることで前十字靭帯(ACL)損傷時の関節内の状況を可視化することを目的とした。健常膝関節(コントロール群)および片側ACL再建女性の反対側健常膝関節(ACL再建群)のMR画像データをもとに画像解析ソフトZedViewにて大腿骨、ACL、脛骨の輪郭を抽出しコンピュータ上に3次元モデルを構築した。有限要素法を用いたシミュレーションはMarc Mentat(MSC.)を用いた。シミュレーション条件は脛骨回旋および膝関節外反、脛骨前方移動を組み合わせ3方向へ同時に移動させた。また、脛骨前方移動を「水平方向」と「前上方向」の2種類に設定した。その結果、大腿骨顆間窩とACLの接触は、脛骨内旋-外反-脛骨前方移動(前上方向)の動きにおいてみられた。大腿骨顆間窩の内側(内側顆の内側面)と靭帯下1/3部(下1/3から脛骨付着部)で接触しており、このときの平均移動量は、ACL再建女性群では内旋8度-外反8度-脛骨前方移動(前上方向)8mm、女性コントロール群では8.4度且つ8.4mmだった。脛骨の前上方向への移動は、大腿四頭筋による牽引およびジャンプ着地等のスポーツ動作時の体重(重力)を想定しており、これらと脛骨の回旋および外反が組み合わさると大腿骨顆間窩とACLの接触が生じる可能性が示唆された。ACL再建女性群の移動量がわずかに少ない傾向にあった点は、ACL再建女性群の大腿骨の顆間窩容積が他群に比べ小さいことが関係していると思われる。靭帯自体に生じた応力値は80MPa以上であった。大腿骨と脛骨の接触は、ACL再建女性群では脛骨内旋-外反-脛骨前方移動(前上方向)でおよそ5度且つ5mm、脛骨外旋方向で7.5度且つ7.5mmにてみられた。接触部位は大腿骨外側顆荷重面と脛骨外側顆後方面だった。骨表面には170MPa以上の応力が加わっていた。スポーツ科学本研究は、1.大腿骨顆間窩とACLの形状、容積および体積の比較。2.大腿骨顆間窩とACLはどのような動きで接触するのか。3.大腿骨顆間窩とACLが接触したときのストレス解析。4.高いストレスが生じている部位の検討(脛骨付着部、靱帯中心部、大腿骨付着部)。5.大腿骨と脛骨の接触の検討。6.骨挫傷(Bone-bruise)との関連性、以上の手順で進行している。初年度は、交付申請書に記した「研究目的」の1.に該当する大腿骨顆間窩とACLの形状、容積および体積の比較を実施した。そして、次年度(研究期間2年目)は、「研究目的」の2.4.に該当する部分に取り組んだ。最終年度(研究期間3年目)は、「研究目的」の5.および6.を実施し、本研究の成果を発表する予定である。本研究は、1.大腿骨顆間窩とACLの形状、容積および体積の比較。6.骨挫傷(Bone-bruise)との関連性、以上の手順で進めていく予定である。今後、2.大腿骨顆間窩とACLはどのような動きで接触するのかを解析し、3.大腿骨顆間窩とACLが接触したときのストレスの程度を算出するために三次元膝モデルの構築を行う。
凍結切片によるiPS細胞の分化誘導メカニズムの解明とその品質評価法確立への応用

iPS細胞を効率的に分化誘導し、さらに品質評価するための新たな手法として、われわれは凍結切片を利用する新たな分化誘導法を確立しそのメカニズムを解明することを目的に検討を行った。そこで、マウスの肝臓、脳、脊髄の凍結切片を作製し、1その切片上、2固定処理した切片上、3マウスの各組織より抽出したmicroRNAを培養液に添加の3群でヒトiPS細胞を培養したところ、凍結切片上で培養したiPS細胞では、分化誘導が可能であり、また固定した凍結切片上培養では分化誘導効率は低下した。このことから、タンパク質成分および固定された凍結切片に残存する何らかの微小構造や微小環境が分化誘導に有効であることが示唆された。失われた組織や臓器の再生を目指す再生医療は最も注目される研究分野であり、なかでもiPS細胞を利用した再生医療の実現に対する国民の期待は大きい。しかし、iPS細胞の効率的かつ確実な分化誘導法は未だ確立しておらず、またiPS細胞の品質評価法も確立されていない。われわれはこれまでに凍結組織切片上でiPS細胞を培養することにより効率的かつ簡便にiPS細胞を肝細胞および神経細胞へと分化誘導することに成功してきた。この研究成果を踏まえ、本研究では凍結切片上培養分化誘導法が、様々な体細胞に由来するiPS細胞や樹立方法の違うiPS細胞にも普遍的に応用可能であるかどうかを検討するとともに、そのメカニズムを解明し、併せて分化誘導刺激に対するiPS細胞の反応性の差異を詳細に検討することを通して新たな観点に立脚した新しいiPS細胞の品質評価法を確立することを目的とする。そこで、マウスから脳、脊髄、肝臓を摘出し、それぞれカバーガラス上に凍結切片を作製し、これを同径のガラスボトムディッシュ内に静置し、その切片上に各種iPS細胞を播種し、培養することで、これまでにわれわれが樹立したヒト口腔粘膜由来iPS細胞を用いた凍結組織切片上培養による分化誘導法が起源や樹立方法の違うiPS細胞に普遍的に応用可能であるかについて、歯髄、皮膚など起源の異なるiPS細胞、用いたリプログラム因子の数あるいは遺伝子導入方法など樹立方法の異なるiPS細胞を用いて検討したところ、各種iPS細胞はそれぞれの目的組織・臓器に分化誘導されるとともに、それぞれのiPS細胞によってその分化誘導効率に差を認めた。このことから本分化誘導法が普遍的に様々なiPS細胞に応用できる可能性とともに、iPS細胞の品質評価にも応用できる可能性が示唆された。前年度までに得られた凍結切片上分化誘導の結果を踏まえ、各種iPS細胞における特定組織・臓器への分化誘導刺激に対する反応性の差の検討を行った。具体的には、特定の組織・臓器への分化誘導刺激に対する各種iPS細胞の反応性の差について、各種体細胞由来別、あるいは樹立方法別による分化誘導効率を統計学的に解析した。また、この結果からiPS細胞の分化誘導刺激に対する反応性の差の評価に本法が応用可能かどうかについても併せて検討した。その結果、各種iPS細胞はその由来、樹立方法の差により、凍結切片上での分化誘導刺激に対する反応性に差があることが明らかとなった。このことから、凍結切片上でのiPS細胞の分化誘導法はiPS細胞の品質評価法にも応用できる化膿性が示唆された。また、凍結切片上培養におけるiPS細胞の分化誘導メカニズムを解明することを目指して、1.液性タンパク質因子(分化・増殖因子)、2.細胞外基質(組織の微細構造を含む)および3.microRNAの3つの観点から検討を行うこととし、サンプリングを進めた。今年度は当初計画どおり、凍結切片上における分化誘導効率の差から、本研究における凍結切片上培養法による分化誘導法がiPS細胞の品質評価法としても有用である可能性を示すことができた。また、この凍結切片上培養法における分化誘導法のメカニズムの解明に向けて、様々な視点から検討を加えるためのサンプリングを順調に進めている。これらのことから、本研究は概ね順調に進展している。凍結切片を用いたiPS細胞の効率的分化誘導法の確立とその詳細な分子細胞生物学的メカニズムの解明、さらには本分化誘導法を応用した新たなiPS細胞品質評価法の確立を目指して研究を行ってきた。これまでにわれわれが報告してきた凍結切片上培養法を用いてまず、起源、作製方法等の異なる各種iPS細胞を肝臓、脳、脊髄の各凍結切片上で培養し、本分化誘導法がiPS細胞に対して普遍的に応用可能か否かについて検討したところ、様々な樹立法で得られたiPS細胞でこれまでと同様に分化誘導できることを見出した。さらに分化誘導メカニズムにつき、液性タンパク質因子、細胞外基質、microRNAの3つの観点から分子細胞生物学的に検討した。具体的には液性タンパク質因子および細胞外基質については、脳、脊髄、肝臓の各種組織・臓器の凍結切片を作製し、一部の凍結切片を4%パラホルムアルデヒドまたはにて4°C、30分間固定した後、残存するアルデヒドをグリシンにて不活化した後iPS細胞を播種し、分化誘導を行った。その結果、通常の凍結切片上培養よりも効率は低くなるものの、分化誘導することは可能であった。このことから、液性タンパク質因子が必要であること(誘導効率が低くなる)、細胞外基質などのミクロな組織形状も分化誘導に貢献していること(タンパク質因子を固定してもある程度の誘導効率が得られること)が明らかとなった。さらにmiRNAを凍結組織から回収し、これを加えて培養したところ、分化誘導効率については有意差がみられなかった。ただし、今後さらに方法を変えて検討する必要があると考えられる。

さらに品質評価法としても、樹立方法や起源の違うiPS細胞で分化誘導効率に差が認められたことから、本法が品質評価やiPS細胞の選択にも応用可能である可能性が示唆された。iPS細胞を効率的に分化誘導し、さらに品質評価するための新たな手法として、われわれは凍結切片を利用する新たな分化誘導法を確立しそのメカニズムを解明することを目的に検討を行った。そこで、マウスの肝臓、脳、脊髄の凍結切片を作製し、1その切片上、2固定処理した切片上、3マウスの各組織より抽出したmicroRNAを培養液に添加の3群でヒトiPS細胞を培養したところ、凍結切片上で培養したiPS細胞では、分化誘導が可能であり、また固定した凍結切片上培養では分化誘導効率は低下した。このことから、タンパク質成分および固定された凍結切片に残存する何らかの微小構造や微小環境が分化誘導に有効であることが示唆された。今年度は本分化誘導法が普遍的に応用できる可能性につき検討するため、マウス組織・臓器の凍結切片上で、様々な由来および樹立方法のiPS細胞を対象として分化誘導を試みたところ、これまでにわれわれが見出してきた成果と同様に、それぞれのiPS細胞において目的とする組織・臓器へ分化誘導が可能であることが示唆された。それとともに、それぞれのiPS細胞の由来や樹立方法の種類により分化誘導効率が変化することも見出し、品質管理に応用できる可能性などが示唆され、このことから当初の予定通り概ね順調に進展している。これまでに得られた凍結切片上でのiPS細胞の分化誘導におけるメカニズムを解明することを目的に、以下の3点から検討を行う。1.液性タンパク質因子を対象とした研究計画:脳、脊髄、肝臓、膵臓、唾液腺などの各種組織・臓器の凍結切片を作製し、前年度と同じ方法でiPS細胞の分化誘導を行う。この際一部の凍結切片を4%パラホルムアルデヒドまたは1%グルタールアルデヒドにて4°C、30分間固定した後、iPS細胞を播種し、分化誘導を行う。一定期間培養した後、用いた各組織・臓器の機能細胞に特異的なマーカー分子の発現を免疫細胞化学的手法を用いて解析し、未固定凍結切片と固定凍結切片の両者における陽性細胞率(すなわち分化誘導効率)を比較検討することにより、本法における分化誘導が液性タンパク質因子によるものか否か明らかにする。2.細胞外基質(組織微細構造)を対象とした研究計画:前項の場合と同様に各種組織・臓器の固定凍結切片を作製し、低濃度トリプシン、ディスパーゼおよびコンドロイチナーゼABCで110分間処理し、凍結切片中に存在する各種細胞外基質組成およびその微細構造を変化させる。このようにして作製した固定凍結切片上にiPS細胞を播種し前項と同様の方法で分化誘導効率およびSEM(走査型電子顕微鏡)による表面構造変化との関係性につき検討を加え、主に細胞外基質の微細構造がiPS細胞の分化に及ぼす影響につき明らかにする。3.microRNAを対象とした研究計画:幹細胞の自己複製能や分化能をコントロールしているとされるmiRNA(microRNA)に着目し、各種組織・臓器よりmiRNAを抽出、これを培養液中に添加もしくはカバーグラス上に固定化してiPS細胞の培養を行い、分化誘導効率を指標としてmiRNAの関与の有無、重要度につき検討を加える。再生医療
教員養成段階における客観的実験技能試験の開発と有用性評価

教員養成において,授業スキルやカリキュラム開発だけではなく,中等教員(理科)や初等教員志望の学生には実験技能の修得が求められている。少子化に伴い,地域によっては理科の教員が一人体制の学校もあり,試薬の調整や実験技能の指導などを先輩教員から教えてもらえるという状況にない新任教員も存在している。教員養成段階において実験技能は確実に身に付けておく必要がある。本研究では,教員養成段階で求められる実験技能を精査し,それらの技能が修得されているかを「客観的実験技能試験」として実施するための試験項目の開発と,その有用性について評価し,教員養成に活用していくことを目的とした。客観的実験技能試験は,医学教育における客観的臨床能力試験(OSCE)を参考に,教員が学校現場で求められる実験技能を学部段階で身に付けているかを明らかにすることを目的としている。そこで,初等・中等教員が実験指導や準備で対応することの多い試薬の調整と顕微鏡操作を取り上げ,技能の評価法の開発・検証を行った。評価法の作成においては,指導場面で注意すべき点や演示の際に気を付けるべき点をピックアップし,複数の試験官が「よくできている(○)」「できている(△)」「できていない(×)」の三段階で評価する評価票を作成した。試行試験では,2名の大学教員を試験官とし,試薬の濃度調整並びに顕微鏡観察を試験科目として行った。2名の評価票をもとに,評価の齟齬が無いかを検証した結果,高い確率で評価が一致しており,実験技能の評価に妥当性があることが明らかとなった。また,共同研究先では,初等教員志望の学生に水溶液の調整の試験を行い,検証を行った。研究の方向性を検討するため,2017年度には日本理科教育学会第67回全国大会において,課題研究発表を行った。また,本研究の成果として論文発表を考えており,執筆中であるが発表には至っていない。理科教員の養成において実験実技の修得は,教員として理科の授業を行う際のスキルとして必須である。しかし,各教員養成大学では,実験科目は必須となっているが,卒業前・後のスキルの質の保証はなされていないのが現状である。また,理科系の教員養成課程では,研究室配属され卒業研究に従事することもあるが,自分の分野に特化した技能は修得できるが,全般的な技能やその技能の修得状況は保障されない。さらに,私立大学等では卒業研究・卒業論文が必修化されていない場合もあり,講義・実習をこなすだけであったり,教員採用試験に特化した指導となり,将来授業で実験を扱えない教員が生じる可能性もある。これまで,小学校・中学校・高等学校での実験指導では,パフォーマンステストに代表されるように,技能等の評価は研究されている。本研究では,教員養成課程に在籍する学生を対象に,実験技能の質を保証する意味で試験を行うことを想定している。一方で,実験技能はペーパーテストとは異なり,客観的な評価が難しい。そこで,中学校などで実施される実験をベースに,教員養成課程に在籍する学生に課題を与え,評価者は学生の実験技能を客観的に評価できる評価シートの開発を行う。また,その評価結果が評価者により大きく異ならないような評価シートになるようにブラッシュアップを目指す。本研究において,客観的実験技能試験(OSPE)の開発とその有用性を明らかにしたい。教員養成での実験指導は,大学レベルの教育としての実験と将来教員として指導するための実験技能の習得が求められる。本研究では,将来教員として指導するために最低限必要となる実験技能を客観的に評価し,実験技能の質を維持することにつなげたいと考えている。これまで,小学校や中学校での理科指導で必要となる,水溶液の調整と顕微鏡の使用に関する客観的評価項目の作成を試みた。作成した評価項目を使用した実技試験を秀明大学学校教師学部中等教育教員養成課程理科専修の学生と高崎健康福祉大学人間発達学部子ども教育学科の学生に行い,評価項目の妥当性を検討した。実技試験を実施する際には,評価が客観性を持った結果になるかどうかを検証するため,複数の教員で評価を行い検証している。また,実技試験の際にはビデオカメラにより,試験の様子を記録し,複数教員による評価が難しい場合や,振り返りを行いたい場合でも,客観的データを活用できるようにしている。また,現職教員研修で講師を務めた際には,参加した教員の実験技能を観察したり,日頃の授業で苦労していること,後輩教員への指導の際に感じることなどをインタビューしたりすることで,教員養成段階で身に付けておいた方が良い実験技能などの調査を行っている。本研究では,理科の教員養成において,学生が将来指導することになる実験技能を精査し,客観的な評価を行うための試験並びに評価方法を開発することを目的としている。医・歯学部・薬学部等の医療系教育にでは,臨床実習に入る前にCBT(Computer Based Testing)やOSCE(Objective Structured ClinicalExamination:客観的臨床能力試験)が課される。一方で,教員養成系学部では教育実習前には特に試験などを受けずに実習に取り組むことが可能である。また,一部の自治体ではあるが,教員採用選考試験において理科の実験実技が課されることもある。理科の教員にとって,指導する内容の実験技能は確実に修得しておかなければならない技能である。モンストレーターとしての見せ方や安全に配慮した操作を修得しておくことが求められるが,体系的な試験や評価は確立されていない。

そこで,本研究では生物学分野では小・中学校のどの学年でも使用する顕微鏡の操作を中心に,それらに付随する試薬の調整や顕微鏡法本の作成に関して課題の提示,採点者による差が出ない評価表の作成を試みて,実際の試験を実施して検証を行った。また,中学校・高校・大学の立場から理科教員の養成における実験技能の習得を考える試みとして,平成29年8月には日本理科教育学会第67回全国大会において,課題研究「教員養成段階における理科実験の質を保証する取り組み」と題して4名の発表とディスカッションを行った。これまで,理科の教員養成における客観的実験技能試験(OSPE:Objective Structured Practice Examination)を開発するため,顕微鏡の操作ならびに標本作成に関する試験課題,評価項目を作成した。それらの課題,評価項目を用いて,集中講義形式で開講している理科実験教育法の生物学分野の試験において,検証を行った。また,顕微鏡標本を錯視絵する際に使用する試薬の調整等も課題として出題し,計算過程などの検証も行った。評価項目については,複数の教員が試験官として評価を行ったが,概ね同じ程度の結果を得ることができ,評価項目の妥当性,評価のしやすさなどに難点があるようには見受けられない。試験の実施に関しては,同時に2人程度が妥当であり,それ以上になると個人の作業過程などを見落とすことがあることから,正当な評価を行えないことが明らかになった。また,教員養成段階において身に付けておくべき実験技能には,各学校種や教員によっても異なる意見を持っている。また,教員養成においても,初等教育を中心としているのか,中等教育を軸に考えているのかによっても,求める実験技能は異なってくる。そこで,日本理科教育学会の課題研究として,中学校教員,中学校管理職,初等を中心とした教員養成大学教員,中等を中心とした教員養成大学教員がそれぞれの立場から,教員に求められる実験技能について知見を持ち寄り,学会参加者とともに議論を行った。当初の研究計画では,上記の他に研究論文執筆・投稿までを終えるように計画していたが,現在のところ研究論文の投稿にまでは至っていない。現在,研究論文投稿に向けてデータの整理並びに論文執筆に向けて作業を進めているところである。教員養成において,授業スキルやカリキュラム開発だけではなく,中等教員(理科)や初等教員志望の学生には実験技能の修得が求められている。少子化に伴い,地域によっては理科の教員が一人体制の学校もあり,試薬の調整や実験技能の指導などを先輩教員から教えてもらえるという状況にない新任教員も存在している。教員養成段階において実験技能は確実に身に付けておく必要がある。本研究では,教員養成段階で求められる実験技能を精査し,それらの技能が修得されているかを「客観的実験技能試験」として実施するための試験項目の開発と,その有用性について評価し,教員養成に活用していくことを目的とした。客観的実験技能試験は,医学教育における客観的臨床能力試験(OSCE)を参考に,教員が学校現場で求められる実験技能を学部段階で身に付けているかを明らかにすることを目的としている。そこで,初等・中等教員が実験指導や準備で対応することの多い試薬の調整と顕微鏡操作を取り上げ,技能の評価法の開発・検証を行った。
人造鉱物繊維の生体影響に関する5ブロモ2デオキシウリジン(BrdU)を用いた研究

【平成13年度の実験内容】平成13年度は、実験動物に結晶質シリカまたはチタン酸カリウムウィスカ(PT1)を単回気管内注入し、注入後48時間および96時間の時点で肺の組織変化に骨髄由来の未熟な好中球がどの程度関連しているかについて、肺組織、気管支肺洗浄液(BAL)中にBrdU陽性PMN(PMN^<BrdU>)がどの程度出現するかを同定することにより検討した。【方法】BrdU(100mg/kg)をウサギ(各群n=3)に静注し、24時間後に50mg/2.5mlの結晶質シリカ(MinU-5silica)またはPT1を気管支鏡下に気管内注入した。対照群は生食を気管内注入した。注入後48時間後と96時間後に解剖し、BAL液(60ml生食注入)、肺組織を採取した。あわせて末梢血も採取した。BAL液と血液は細胞数と分画をカウントし、BrdUにて免疫組織染色し、PMN^<BrdU>数を測定した。肺組織は左肺を病理解析用とし、左肺を5つのセクションに分け、パラフィン包埋してそれぞれプレパラートを作成した。【結果】結晶質シリカ注入後の各時点における肺組織像は、急性肺胞炎の像が一部に散見され、肺胞道から末梢気道にかけての局所的な上皮細胞の過形成と、軽度な炎症細胞浸潤が認められた。チタン酸カリウムウィスカ注入群においても同様に、急性肺胞炎の像と、繊維密集部位に対応した比較的顕著な炎症細胞浸潤が見られた。末梢血中のPMN^<BrdU>率は、0時間と96時間では粉じん注入群と対照群で有意差はみられなかった。しかし、48時間後では結晶質シリカ注入群で72.7%、対照群で57.8%と高発現傾向を認めた。BAL液中の好中球数は、いずれの粉じん注入群で有意に多く、48時間後での結晶質シリカ注入群のPMN^<BrdU>率は44.8%で、対照群では16.3%であった。気管内注入96時間後の肺組織におけるPMN^<BrdU>は注入群の炎症部位で顕著に認められた。以上の結果より、粉じん気管内注入後の肺での炎症反応では、骨髄由来の未熟な好中球の関与するところが大きいことが示唆された。【平成12年度の実験内容】平成12年度は、実験動物にチタン酸カリウムウィスカを単回気管内注入し、注入後1週間と注入後3ヶ月の各時点での肺の炎症による末梢血液像の変化と、骨髄での炎症細胞産生の変化を観察した。【方法】BrdU(100mg/kg)をウサギ(n=18)に静注し、24時間後に50mg/2.5mlのチタン酸カリウムウィスカ(PT1)を気管支鏡下に気管内注入した。注入後1週間(実験1)と注入後3ヶ月(実験2)の各時点で、経時的(注入後0、6、12、24、48、72、96、120、144、168時間の各点)に耳動脈より採血を行い、末梢血液像の解析と免疫染色によるBrdU陽性PMN(PMN^<BrdU>)数を測定した。対照群として生食を、比較群として石英粉じん(Min-U silica)をそれぞれ同様に気管内注入した。【実験1の結果】PT1気管内注入群(n=6)は、末梢血中PMN数では生食群(n=6)と差はなかったが、桿状核球数のPMNに対する割合は観察期間中で生食群に比べ増加している傾向が見られた。また、末梢血中のPMN^<BrdU>出現は対照群に比べ早い時間で末梢血中に出現していた。末梢血中のPMN^<BrdU>数より推算された骨髄でのPMN滞留時間は、特に分裂後期の細胞群において石英粉じん群(n=6)と同様に、生食群に比べ短縮しており、PT1が肺に注入されたモデルでは骨髄での炎症細胞産生の亢進が示唆された。【実験2の結果】気管内注入後3ヶ月の時点で、末梢血中のPMN^<BrdU>数より推算された骨髄でのPMN滞留時間は、石英粉じん群と同様に、生食群に比べ短縮する傾向を認め、骨髄の細胞産生に対する影響が持続していることが示唆された。

BAL液と血液は細胞数と分画をカウントし、BrdUにて免疫組織染色し、PMN^<BrdU>数を測定した。肺組織は左肺を病理解析用とし、左肺を5つのセクションに分け、パラフィン包埋してそれぞれプレパラートを作成した。【結果】結晶質シリカ注入後の各時点における肺組織像は、急性肺胞炎の像が一部に散見され、肺胞道から末梢気道にかけての局所的な上皮細胞の過形成と、軽度な炎症細胞浸潤が認められた。チタン酸カリウムウィスカ注入群においても同様に、急性肺胞炎の像と、繊維密集部位に対応した比較的顕著な炎症細胞浸潤が見られた。末梢血中のPMN^<BrdU>率は、0時間と96時間では粉じん注入群と対照群で有意差はみられなかった。しかし、48時間後では結晶質シリカ注入群で72.7%、対照群で57.8%と高発現傾向を認めた。BAL液中の好中球数は、いずれの粉じん注入群で有意に多く、48時間後での結晶質シリカ注入群のPMN^<BrdU>率は44.8%で、対照群では16.3%であった。気管内注入96時間後の肺組織におけるPMN^<BrdU>は注入群の炎症部位で顕著に認められた。以上の結果より、粉じん気管内注入後の肺での炎症反応では、骨髄由来の未熟な好中球の関与するところが大きいことが示唆された。
虚血心筋に特異的に結合するペプチドを用いた薬物送達法の開発と心不全治療への応用

ラット虚血心筋組織を標的とするペプチド配列を臨床で創薬に応用すべく、メカニズム解明を行った。心筋組織での受容体分子を探索するため、ラット心臓に虚血再灌流傷害を加え、ナノ磁性ビーズに結合したペプチドでプルダウンアッセイを行った。電気泳動で数種類のタンパク質のバンドを認め、それぞれを質量分析を用いたプロテオーム解析を行った結果、5種類のタンパク質が同定された。この受容体候補タンパク質とペプチドとの相互作用をin vitroで確認するために、ラット心筋細胞株H9c2を用いて、シアン化ナトリウムを用いた虚血再灌流モデルを構築したが、この条件では、H9c2細胞によるペプチドの取り込みは見られなかった。1.ペプチドの標的タンパク同定(アフィニティ担体作成)ホーミングペプチドの標的タンパク質の同定には、アフィニティ担体を用いるプルダウン法を用いた。担体には鉄の酸化物フェライトをPoly-glycidylmethacrylate樹脂で封入した直径200 nmの微粒子であるFGビーズ(多摩川精機製)を用い、FGビーズのペプチドN-末端への結合にはクリックケミストリーを用いた。ペプチドの付加はBCA法で確認した。2.ペプチドの標的タンパク同定(アフィニティ精製)ペプチド結合FGビーズを用いた受容体分子探索は、ラットの虚血再灌流心筋組織から作成した破砕液とビーズをin vitroで反応させた。SDラット(体重200g、雄)に全身麻酔下に冠動脈の虚血再灌流傷害を加えた。ラットを犠牲死させ心臓を取り出し、左心室虚血領域、左心室非虚血領域、右心室を採取し凍結した。29匹から摘出した心臓の組織液を調整しアフィニティ実験に用いた。ビーズから標的タンパク質を溶出し、電気泳動で特異的バンドを複数本確認した。MALDI-TOFとMS-MS質量分析を用いた解析を行ったところ、確実性の高い5種類の分子が同定された。未だ有効な治療法が開発されていない虚血性心筋症の新規治療法として「組織標的治療」を考え、in vivoファージディスプレイ法を用いて「虚血傷害心筋特異的集積ペプチド配列」を発見した。このペプチドの虚血傷害心筋へのホーミングのメカニズムを解明することを目的として研究を進めた。このホーミングペプチドをリガンドとする受容体を同定するため、ナノ磁性微粒子を用いたプルダウン法と質量分析を行った結果、受容体の候補として5種類のタンパク質を同定した。本年度はそれらの受容体候補タンパク質とホーミングペプチドとの相互作用を検討するために、5種類のタンパク質遺伝子にそれぞれ蛍光色素を付加し、発現ベクター(phmMiCy1-MNL)にクローニングした。培養心筋細胞(H9c2細胞)にNucleofection systemを用いて遺伝子導入を行い、蛍光顕微鏡を用いて発現効率を定量した。これまでのところ、1種類の遺伝子導入細胞をマーカータンパク質の発現を基に評価した。今後、残り4種類のタンパク質の遺伝子導入を行う予定である。一方、In vitroで虚血再灌流傷害を再現するため、低酸素培養システムの構築を試みたが、安定した細胞傷害を再現することができなかったため、化学的傷害を用いた実験系を立ち上げ、傷害程度を細胞からのLDH漏出量を測定することで実験系の妥当性を検討している。低酸素培養システムでin vitroで虚血再灌流傷害を再現することができなかったために、化学的傷害を用いた実験系に変更する必要があり、その実験系の構築に時間を要した。また、ターゲットタンパク質の遺伝子クローニングに時間を要している。in vivoファージディスプレイ法で見出したラット虚血心筋組織を標的とするペプチド配列を臨床で創薬に応用するべく、メカニズム解明を行った。まず、ペプチドの心筋組織での受容体分子を探索することとし、ラット心臓に虚血再灌流傷害を作成した。30匹のラットから虚血再灌流傷害心筋を採取し、それらから組織破砕液を調整した。フェライトをPoly-glycidylmethacrylate樹脂で封入した直径200nmの微粒子であるFGビーズをアフィニティ担体として、虚血心筋組織破砕液に対してプルダウン法で受容体分子を結合させ質量分析で5種類の既知の受容体候補タンパク質が同定された。次いでこれらが、どのような機序でペプチドと結合するのかを培養細胞系で確認するため、in vitroで虚血状態を再現する方法を検討した。培養心筋細胞H9c2を用いた。低酸素培養は、無グルコース下にシアンを用い、シアン曝露時間に応じてATP産生量の低下を確認した。シアン除去により可逆的にATP産生は回復した。候補タンパク質の遺伝子を、緑色蛍光タンパクMiCyを付加したクローニングベクターにそれぞれ挿入し、これを培養心筋細胞に遺伝子導入し、蛍光色素の発現で遺伝子導入を確認した。ペプチドには赤色蛍光を付加し、低酸素培養条件下で蛍光共鳴エネルギー移動の観察を試みた。低酸素培養条件では、赤色蛍光を付加したペプチドの取り込みが認められず、培養心筋細胞では生体における虚血が再現できていないことが問題として確認された。このため、心筋細胞をストレッチチャンバーで培養することを試みたが、同様にペプチドの取り込みが認められなかった。次いで、培養心筋細胞に電気刺激を加えたが、これもペプチドの取り込みが認められず、現時点ではin vitro条件では生体で見られる虚血状態が再現できないことが示唆された。

心筋組織での受容体分子を探索するため、ラット心臓に虚血再灌流傷害を加え、ナノ磁性ビーズに結合したペプチドでプルダウンアッセイを行った。電気泳動で数種類のタンパク質のバンドを認め、それぞれを質量分析を用いたプロテオーム解析を行った結果、5種類のタンパク質が同定された。この受容体候補タンパク質とペプチドとの相互作用をin vitroで確認するために、ラット心筋細胞株H9c2を用いて、シアン化ナトリウムを用いた虚血再灌流モデルを構築したが、この条件では、H9c2細胞によるペプチドの取り込みは見られなかった。In vitro虚血傷害系を確立し、in vivoで見られたようなホーミングペプチドが取り込まれる条件を再現できるかどうかを検討する。その系を用いて、5種類の受容体候補遺伝子をそれぞれ導入した細胞で、ホーミングペプチドとの相互作用が起こるかどうかを調べる。心臓血管外科質量分析の適したバンドを得るために、アフィニティ精製の方法最適化に時間を要した。5種類の遺伝子導入を予定していたが、年度内に1種類の遺伝子導入しかできなかったため、残り4種類の遺伝子導入を行うための費用が持越しとなった。4種類の遺伝子導入に残金を使用する。質量分析で同定された分子のレセプターとしての性質の確認を、in vitroならびにin vivo実験で行う。これらの分子のうち、ホーミングペプチドとタンパク質間相互作用を有する分子を同定する。その後、虚血再灌流傷害部位の治療効果を検討する実験に移行する予定である。
活性酸素による遺伝子傷害ならびにその防御機構-過酸化金属ラジカルでの応用-

砒素化合物の肺特異的遺伝子傷害(DNA一本鎖切断、DNA-蛋白クロスリンク)はその大部分が代謝過程で生ずるジメチル砒素過酸化ラジカルに起因することを見いだしている。本研究はこのジメチル砒素過酸化ラジカルのDNAとの反応特異性、およびDNA付加体形成を明らかにすることを中心に検討した。以下、得られた結果について記す。アルシン誘導体を合成し、光照射により生ずる砒素過酸化ラジカルをモデルとして、核酸塩基との反応性を分光学的に調べた結果、グアニンに特異的に波反応することが認められた。ジメチルアルシン酸から代謝的に生成する砒素過酸化ラジカルの遺伝子傷害を培養細胞を用いて検討した結果、DNA付加形成によるDNA修復合成が誘導されることを見いだし、さらにこのDNA付加体に対して少なくとも二種類以上の修復合成が誘導されることを明らかにした。以上の結果から、活性酸素の一つである砒素過酸化ラジカルの主なDNA傷害作用はヒドロキシラジカルの様なDNA一本鎖切断作用とは異なり、修飾DNA形成作用であると考えられた。今後、付加体の固定、確認のため鋭意検討するとともに、さらにこの付加体の修復機構の詳細を解明することで、傷害防御法の糸口を見つけだす予定である。
下部脳幹に投射する視索核ニューロンの生理学性質

実験にはネコを用いた。充分な麻酔を行い、脳幹部を手術的に明視下においた。まず末梢前庭の電気刺激に対する反応をみることで、前庭神経核ニューロンを同定することができた。次にやはり明視下においたNOTにガラスコーテイングした金属電極を刺入し、ここから電気刺激を行って、この刺激に対してさきに同定した前庭神経核ニューロンが応ずるかどうかを調べた。しかし、末梢前庭刺激およびNOT刺激の両者に応ずる前庭神経核ニューロンはいまだ認められていない。その原因としては、組織学的にNOTから前庭神経核への投射は他の神経核への投射に比べ少ないことがわかっているが、そのため応ずるニューロンを見つけることが難しいと推測している。現在なお研究継続中である。並行して行っている組織学的実験では、NOTから投射を受ける部位のうち、橋被蓋網様体核(Nucleus reticularis tegmenti pontis;NRTP)からの次の標的部位を研究している。現時点では、NRTPからの投射部位の一つに視床の腹側部がある(この結果は第52回平衡神経科学会で発表した)。ここはForelのH野と呼ばれる部位で、従来垂直眼球運動に関わると言われている。ここと水平眼球運動に関わるNRTPとが関係することは興味があり、現在電気生理学的に調べているところである。
東日本大震災による東京湾の放射能汚染とそれをトレーサーに用いた物質動態の解明

福島第一原発事故で放出され首都圏に沈着した放射性セシウムは東京湾に流入、蓄積していた。東京湾堆積物中の放射性セシウムの分布を解析し、首都圏における放射性セシウム汚染の動態を解明した。本研究では、東京湾の堆積物と水の放射性セシウム濃度の時空間分布を2011年8月から2016年7月までモニタリング調査した。東京湾に流入した放射性セシウムの大部分は首都圏北東部の高濃度汚染地帯が起源であり、そこから流出して東京湾奥部の旧江戸川河口域に沈積していた。現状では,放射性セシウムは東京湾中央部まではほとんど拡散していない。東京湾奥部河口域における放射性セシウムのインベントリーは事故以来、増加し続けている。東日本大震災に伴って発生した福島第一原発事故による環境放射能汚染の動態とその放射性物質をトレーサーとして用いた環境中の物質循環と動態解析を行った。平成24年度は東京湾及び日本各地の環境試料の採取と放射能濃度及び各種の環境汚染物質濃度の測定を開始した。そのために,本研究の主要な研究フィールドである東日本一帯の土壌や東京湾,新潟県,福島県などで底質試料の採取を行った。東京湾では福島第一原発事故発生以降,平成22年4月から首都圏及び東京湾で予備調査を開始しているが,本科研費によって,さらに緻密な調査研究を行うことが可能になり,福島第一原発事故に伴う環境放射能汚染の基礎的情報を得ることができた。東京湾では,延べ90地点からエクマン・バージ採泥器による表層底質と潜水ダイバーによるコア試料を採取した。本研究で対象としている放射性セシウム(^<134>Cs,^<137>Cs)は東京湾の荒川・旧江戸川河口域で高濃度を示し,乾燥底質に対して2200Bq/kgに達する試料も存在した。時間の経過と共に,表層底質の放射性セシウム濃度はゆっくりと上昇する傾向にあり,また汚染海域も少しずつ拡大しているが,現状では羽田空港と浦安市を結ぶラインの内側に放射性セシウムの大部分が沈積していると考えてよい。底質中の放射性セシウムの鉛直分布は,底質の堆積速度から予想されるより深い深度にまで分布しており,潮流や生物橿乱などによる物理的混合では説明できない現象も見出された。これは,放射性セシウムの環境中での動態を議論する上で重要な課題である。生物試料の分析も行ったが,現在のところ東京湾の魚介類の放射性セシウム濃度は30Bq/kg以下である。しかし,江戸川中流域では一般の食品規制値100Bq/kgを超えるウナギも見つかり,引き続きモニタリング調査を行い,放射能汚染の推移を検証していく予定である。各研究分担者も,それぞれの研究計画に従って研究を開始している。なお,本申請の研究を開始するに当たり,平成24年9月3日に研究代表者と研究分担者の全員が近畿大学に参集して,本研究計画に関する第1回目のシンポジウムを開催した。平成24・25年度の結果から,福島第一原発事故由来の放射性セシウムは,環境中をダイナミックに流動していることが明らかになってきた.さらに,それに伴う物質循環を定量的に評価できる可能性も示唆された.特に東京湾や東日本の湖沼,福島沖や日本海の沿岸海洋において行った調査で,その根拠となるデータを多数取得できた.東京湾では,首都圏における高濃度汚染地帯である都北東部,千葉北部から江戸川を通して放射性セシウムが輸送され,旧江戸川・荒川河口域に選択的に沈降し,底質に濃縮していることが明らかになった.そのため,湾央部までは放射性セシウム汚染が拡散していない.放射性セシウムは集水域で土壌中の粘土鉱物に強く吸着しているため,魚介類に摂取されても消化・吸収されないので,底質が汚染している東京湾の魚介類は殆ど放射能汚染を受けていない.一方,東日本の放射性セシウムで汚染した湖沼では,魚介類の汚染が続いており,その濃度はCs-134の物理的減衰を考慮すれば,むしろ増大していると言える.これは,事故の初期に大気から直接湖面に沈着したイオン状の放射性セシウムが粘土鉱物に吸着されることなく生態系に取り込まれ,食物連鎖による放射性セシウムのリサイクル濃縮機構が起きていることを示している.福島第一原発沖では,今でも高濃度汚染魚が見つかるが,これは,土壌に接触していないで炉心を循環した汚染冷却水が海洋に漏洩していることを示唆している.このような結果は,福島原発由来の放射性セシウムが環境の物質循環のトレーサーとして有用であることを示しており,平成26年度も引き続き,調査地域や調査項目を広げながら,本研究を推進する予定である.なお,本研究に付随して,江戸川中流域で食品規制値を超過する汚染ウナギを見出し,水産庁などの所管官庁に通報すると共に,その対策を協議した.平成24・25年度の分析結果を受けて,26年度は東京湾底質の放射性セシウム汚染の時空間分布をより精密に測定した.さらに,東京湾の放射能汚染の起源についても調査した.また,首都圏における放射能汚染の変遷についても皇居外苑の定点でモニタリングを続けている.東京湾と対比させて,宮城県化女沼での魚介類,福島県沼沢湖・秋元湖底質の測定も行っている.東京湾では,福島第一原発事故に由来する放射能汚染は湾奥部の荒川・旧江戸川河口部に集中していることが,より明瞭になってきた.

2011年から2014年までの数次にわたる調査によって,荒川河口部底質の放射性セシウム蓄積量は2011年8月の19 kBq/m2から2014年4月の61 kBq/m2に上昇し続けている.このことは,首都圏や関東平野の荒川・旧江戸川集水域から今でも放射性セシウムが流入し続けていることを意味している.その汚染源を河川流域に探索した.その結果,旧江戸川上流の江戸川に松戸市で合流する坂川の底質が極めて高濃度に汚染していることが明らかになった.合流地点の放射性セシウム濃度は10000 Bq/kgに達し,その鉛直分布の時系列変動から,坂川の源流地域である柏市の除染汚染水が流入することが,汚染の起源であることが推定された.江戸川・旧江戸川を通して東京湾に流入した放射性セシウムは河口域で急速に沈降し,湾央部までは拡散していないことも明らかにした.2011年10月,2012年12月,2014年4月にアクアラインから北部海域で湾央部底質の放射能蓄積量を測定したが,0.020.66 kBq/m2であり,荒川・旧江戸川河口部の1/100以下であった.また,時間と共に増加する傾向も認められなかった.福島第一原発事故に起因する環境放射能汚染の解明と、環境汚染物質の動態解析を各地で調査した。今年度の研究実績は下記の通りである。陸域から海洋への放射性セシウムの移行過程を阿武隈川及び信濃川河口堆積物で調査した。洪水が放射性セシウムの輸送過程を支配し、潮流や波浪が堆積物への蓄積に大きく影響していた。森林生態系では、事故から5年が経過して、リターの腐植化の進行と共にリターに保持されていた放射性セシウムが可溶化して溶出し始めた。湖沼環境では事故以来、堰止湖の福島県秋元湖では集水域の森林から放射性セシウムが継続して流入し、湖底に沈積している。集水域がない火口湖の沼沢湖では、事故直後に大気から湖面に沈着した放射性セシウムが生態系に組み込まれて、湖内をリサイクルしていた。宮城県化女沼で魚類への放射性セシウムの移行過程を検討した。ブルーギルやオオクチバスの生態学的半減期は420日であり、淡水魚の100日程度と比べて長い値を示した。この湖沼では、食物連鎖を伴った生態系内での放射性セシウムのリサイクルが起きている。そのために、魚類の放射性セシウム濃度の減衰は想定よりも遅れている。首都圏の放射性セシウムは降雨で東京湾に流入するが、大部分が荒川河口域に沈積し、湾央部までは拡散していない。東京湾に流入する放射性セシウムの大部分は千葉県北部の高濃度汚染地帯を起源としていた。集水域に沈着した放射性セシウムは6.2TBq、2015年までに2.4TBqが東京湾へ流入した。また、皇居外苑底質の定点観測では、事故以来、放射性セシウム濃度は必ずしも減衰していない。このことは、首都圏でも放射性セシウムの再拡散、再沈着が起きていることを示している。これらの結果と各分担者が実施している環境汚染の動態解析手法の開発、環境汚染物質の新たな分析手法の開発、環境汚染と人間活動の関係を連携させて評価した。福島第一原発事故による環境放射能汚染の動態解析とその放射性核種の環境動態解析のためのトレーサーとして利用することを目標に研究を進めてきた。当初、われわれはチェルノブイリ事故で経験した環境放射能汚染を参照して研究計画を策定したが、福島原発事故による環境放射能汚染の動態はチェルノブイリ事故の場合とは相違しているケースが多い。
アクチニド元素の摂取に対する体内除染剤（DTPA）投与後の体内動態モデルの構築

本研究では、最新の知見を反映したアクチニド元素(Pu及びAm)の体内動態モデルを解析し、吸入事故後の実測値(肺に残留する放射能や尿/便に含まれる放射能)に基づく摂取した元素の粒径や化学形の推定を可能とする。また、体内除染剤(DTPA)の投与によって血液中のPu及びAmの尿中排泄を促進した国内事例について、採取された生体試料を分析することで内部被ばく線量の低減効果を評価するための体内動態モデルを構築する。
ガラス転移のモード結合理論及び関連する模型の数値シミュレーション

本研究では、過冷却液体、ガラス転移の動的密度凡関数方程式の数値計算を主な目的とした。この方程式はそのままでは密度が負になり得るための数値的不安定性の困難がある。これを避けるには、われわれが開発したモンテカルロシミュレーションモデルへのマッピングが有力な武器になった。これまさに密度の時間相関関数の計算を行い、現在可能な比較的短時間では妥当な結果を得た。一方サンプル数を限って行った剛体球液体模型の長時間のシミュレーションでは以下の結果を得た。(1)液体密度が融点を超えると、多数の準安定状態が出現し、その間の状態の重なりを表わす量の分布が広がり始める。広がりは密度の増加と共に大きくなる。(2)ひとつの状態の時間変化を初期状態との重なりを追及することにより調べた。MCTのクロスオーバー密度を超えると1つの準安定状態から別のそれに移り変わる所謂ホッピングが観測された。このようにして動的密度汎関数方程式はMCTの結果を含むと同時に長時間での熱的活性化仮定を記述することが確かめられた。これらの業績は国際的にも一定の評価を受け、平成9、10年だけでもイタリー、スペイン、ドイツ、アメリカ、韓国、日本での国際会議で代表者が発表を行った。ガラス転移のモード結合理論の再定式化および異なった角度からの研究を行った。・密度汎関数理論による方法密度分布の汎関数の時間発展と記述する確率方程式を求め、この時間相関関数の因子分解近似を用いて、モード結合理論をセルフコンシステントに導びいた。また、この方程式のスピン交換型キネマチックイジンク模型にマップし、それをモンテカルロ法により数値的に求めることを試みた。この方法によりGotze等による理論の難点であるデカップリング近似を避けることができる。すでに、この方法を用いて、オーダパラメータの時間変化を求め、平均密度のある閾値より、ガラス状態に移行することを見い出している。・縮約された記憶関数による方法散乱実験で問題となるタイナミカルな構造関数を計算するための縮約記憶関数を定式化した。この記憶関数を用いて輸送係数などの動的振舞を計算することができる。またモード結合理論の新たな応用ができる様になった。多粒子系の運動形態には個別粒子或は少数の粒子がランダムに動く個別運動と多くの粒子が組織的に動く集団運動がある。これらは凝縮系物理学では古くから知られている。また異なった集団運動のモードが非線形相互作用する現象も固体の熟膨張や輸送現象等でよく知られている。一方水の様な古典液体、特にその動的性質は昔からの難問として取り残されてきた。近年ようやく上で述べた凝縮系の2つの運動形態を組織的に取り扱ういわゆるモード結合法が応用されるに到って、少なくとも単純液体については動的特性の定量的理論ができあがった。最近では分子の運動が極端に遅くなり粘性係数が14桁も増加するガラス転移近傍の過冷却液体にもこの理論が適用され実験で検証可能な数多くの定量的な予言を行いこの分野の活性化に多大の貢献をした。一方でこの理論の限界についても一般に認識されてきた。即ちこの理論が妥当性をもつのは粘性係数が高々2桁あるいは3桁程増加する範囲までである。これを超える理論的枠組みが模索されている。我々はこの方向の一つの試みとして不均一液体の密度汎関数理論をダイナミクスに拡張した動的密度汎関数理論(DDFT)を提案し、その数値的解析及び微視的基礎付けに取り組んできた。特に九州大学の淵崎員弘氏によってこの理論のモンテカルロ法による解析が精力的に行われた。その結果、ガラス転移からはなれた低密度領域では前述のモード結合理論の結果を再現し、ガラス転移により近い高密度領域では期待される熱的活性化過程により種々の準安定状態を移り変わる様子が再現された。またDDFTの微視的基礎付けについては非平衡統計力学の射影演算子法により多粒子系の微視的運動方程式から記憶効果を含んだ一般化されたDDFT方程式が厳密に導出された。本研究は過冷却液体、ガラス転移の動的密度汎関数方程式の数値計算を主な目的とした。この方程式はそのままでは密度が負になり得る為の数値的不安定性の困難がある。これにを避けるには我々が開発したモンテカルロシミュレーションモデルへのマッピングが有力な武器になった。

これまでに密度の時間相関関数の計算を行い現在可能な比較的短時間では妥当な結果を得た。一方サンプル数を限って行った剛体球液体模型の長時間のシミュレーションでは以下の結果を得た。(1)液体密度が融点を超えると多数の準安定状態が出現しその間の状態の重なりを表わす量の分布が広がりはじめる。広がりは密度の増加と共に大きくなる。(2)一つの状態の時間変化を初期状態との重なりを追求する事により調べた。MCTのクロスオーバー密度を超えると1つの準安定状態から別のそれに移り変わる所謂ホッピングが観測された。この様にして動的密度汎関数方程式はMCTの結果を含むと同時に(以下を参照)長時間での熱的活性化仮定を記述できる事が確かめられた。これらの業績は国際的にも一定の評価を受け平成9,10年度だけでもイタリー、スペイン、ドイツ、アメリカ、韓国、日本での国際会議で代表者が招待講演を行った。一方動的密度汎関数方程式を経路積分形式で定式化した。これの1ループ近似でゲッツェ達のセルフコンシステントなMCT方程式を導出した。しかしMCTや動的密度汎関数方程式の性格には不明な点が多い。この事からモンテカルロシミュレーションを継続すると同時にMCTおよび動的密度汎関数方程式の基礎を単純化した模型で研究する必要に迫られた。その他最近過冷却液体、ガラス転移以外にも水の研究や溶媒和の動力学など比較的短距離での動的協力現象にMCTが応用される様になり、この方法の基礎についての理解を深める事に着手した。