hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
新しい脊髄虚血モニタ-F・P ComplexによるAdamkiewicz動脈の同定

これまでのウサギを用いた実験的研究で、F-Pcomplex(以下FPC)モニター下に腎動脈下の腰動脈を一時的にclampし、FPCの変化を観察することで、Adamkiewicz動脈の同定が可能であることがわかった。平成10年以降、肋間動脈・腰動脈clampに変わり、薬剤(KClなど)注入によるAdamkiewicz動脈の同定の可能性をウサギを用いて実験的に検討した。薬剤注入によりFPC変化は認められると思われたが、薬剤注入用のカテーテルの挿入による動脈の狭窄や、挿入の刺激による動脈のspasmのために起こる脊髄虚血と考えられるFPCの変化が起こり、Adamkiewicz動脈同定には至らなかった。現在ウサギを用いた腰動脈clampによるFPC変化をもとに、腰動脈結紮を行って得られる脊髄虚血モデルを作り、慢性期の対麻痺発生の検討を実験的に行っている。腎動脈下の腰動脈5本のうちAdamkiewicz動脈を含まないと考えられる最も頭側の腰動脈を結紮し、残る4本を対象に3本の腰動脈を同時にclampしFPC変化を観察した。FPC変化を認めなかった場合、3本の腰動脈はすべて結紮し(5羽)、FPC変化を認めた場合は中央の1本だけを温存し残る1本を結紮しても(7羽)、対麻痺を回避できる可能性があることがわかってきた。対象としてFPC変化を認めた場合にその3本を結紮したところ、5羽中4羽に対麻痺を認めた。さらに2日目以降、残した腰動脈から選択的に造影し、Adamkiewicz動脈との関連を検討することで、Adamkiewicz動脈へと連なる腰動脈の前後を温存した場合、側副血行により脊髄虚血が回避されている様子が確認されている。この実験の結果はヒトの胸腹部大動脈瘤の手術における、脊髄虚血による対麻痺を回避する手段として応用できるものと考えられ、現在実験的研究を続けている。腰動脈clampによる脊髄虚血モデルで、FPCの変化する腰動脈とAdamkiewicz動脈(以下、A.動脈)との関係について検討した.ウサギ18羽を用い,左腎動脈以下の56本の腰動脈(L2L7)を、1本づつ3分間、一時的にclampしてFPCの変化を観察した.FPCの波高が40%以下に下がるものを有意変化とし、A群とした.変化のないものは、隣り合う2本、あるいは3本の同時clampを行い、B群とした.また、各々の腰動脈を選択的に造影した.FPCの変化は18例、全例にみらた.A群は9例で1本の腰動脈clampでFPCの波高低下がみられた腰動脈が1本のみあり、その腰動脈のみからA.動脈を介して前脊髄動脈が造影された.B群は9例で、造影によりA.動脈を支配する1本の腰動脈が確認され、これを含む2本ないし3本の腰動脈群のclampでFPCが変化した.これら9組の動脈群のうち、7組では腰動脈間の側副血行の発達を認め、そのうち6組では、A.動脈を直接分岐する腰動脈の隣の腰動脈から前脊髄動脈が薄く造影された.また、B群の2例では、FPCが変化する動脈群がもう1組づつ存在し、それはA.動脈を直接分岐する腰動脈に隣接する頭側2本の腰動脈群であった.1.腰動脈clampによるFPC波高の低下を観察することにより、A.動脈を直接分岐する腰動脈,あるいはこれを含む腰動脈群の同定が可能である.

2.FPCの変化からみるとウサギの脊髄血行においては、約半数ではA.動脈を直接分岐する腰動脈のほかに、これと隣接する腰動脈からの椎体外副血行が重要である.3.少数例ではA.動脈以外の前根動脈の関与の可能性も考えられる.ウサギの腰動脈clampによる脊髄虚血モデルで、FPCの変化する腰動脈と動脈造影によって確認されるAdamkiewicz動脈との関係について検討してきたが、Adam-kiewicz動脈を含まない頭側の腰動脈群clampで、FPC波高の有意な低下を示す例があった.これを解明するために解剖学的検討を行った。8羽のウサギを用い、選択的腰動脈造影を行った後、犠牲死させ、2-4本の腰動脈を含む大動脈のsegmentにゼラチン入りバリウムを注入し動脈造影を行い、前脊髄動脈を確認した。4羽で、血管走行を肉眼で観察した。腰動脈より分岐した大前根動脈が、神経根とともに椎間孔より脊髄前面に至り、前脊髄動脈に合流した。前脊髄動脈は大前根動脈の合流部より尾側に太く伸び、頭側では細かったが途切れず連続した。また、大前根動脈の1椎体および2椎体、頭側のレベルにもそれぞれ細い前根動脈を4例全例に認めた。8羽で,ホルマリン固定、脱灰後、薄切標本にして前脊髄動脈の口径を計測した。大前根動脈合流部尾側の前脊髄動脈の口径は,合流前の動脈口径(最も細い部位)に比して,2.3倍5.3倍(平均3.3倍)の太さであった。以上から次のごとく考察した。Adamkiewicz動脈を含まない頭例の腰動脈群clampにより,その部位の細い前根動脈の血流低下が起こり、Adamkiewicz動脈合流部頭側へ連なる前脊髄動脈が細い場合は、その当該腰髄の虚血を来しうる。そして,そのことがFPC波高の低下として表現される可能性が考えられた。これまでのウサギを用いた実験的研究で、F-Pcomplex(以下FPC)モニター下に腎動脈下の腰動脈を一時的にclampし、FPCの変化を観察することで、Adamkiewicz動脈の同定が可能であることがわかった。平成10年以降、肋間動脈・腰動脈clampに変わり、薬剤(KClなど)注入によるAdamkiewicz動脈の同定の可能性をウサギを用いて実験的に検討した。薬剤注入によりFPC変化は認められると思われたが、薬剤注入用のカテーテルの挿入による動脈の狭窄や、挿入の刺激による動脈のspasmのために起こる脊髄虚血と考えられるFPCの変化が起こり、Adamkiewicz動脈同定には至らなかった。現在ウサギを用いた腰動脈clampによるFPC変化をもとに、腰動脈結紮を行って得られる脊髄虚血モデルを作り、慢性期の対麻痺発生の検討を実験的に行っている。腎動脈下の腰動脈5本のうちAdamkiewicz動脈を含まないと考えられる最も頭側の腰動脈を結紮し、残る4本を対象に3本の腰動脈を同時にclampしFPC変化を観察した。FPC変化を認めなかった場合、3本の腰動脈はすべて結紮し(5羽)、FPC変化を認めた場合は中央の1本だけを温存し残る1本を結紮しても(7羽)、対麻痺を回避できる可能性があることがわかってきた。対照としてFPC変化を認めた場合にその3本を結紮したところ、5羽中4羽に対麻痺を認めた。さらに2日目以降、残した腰動脈から選択的に造影し、Adamkiewicz動脈との関連を検討することで、Adamkiewicz動脈へと連なる腰動脈の前後を温存した場合、側副血行により脊髄虚血が回避されている様子が確認されている。この実験の結果はヒトの胸腹部大動脈瘤の手術における、脊髄虚血による対麻痺を回避する手段として応用できるものと考えられ、現在実験的研究を続けている。
成層圏オゾン濃度バランスに関与する大気反応中間体の光分解過程

上層大気のオゾン濃度バランスを理解する上で重要な反応中間体であるHOClの電子状態、光化学反応性に関する研究をおこなった。HOClの266nmと355nm光分解で生じるOHラジカル基底状態の初期振動回転分布をレーザー誘起蛍光法を用いて測定した。いずれの光分解波長でも、振動励起したOHラジカルは観測されず、回転励起に使われるエネルギーも余剰エネルギーの5%程度であった。この結果はImpulsive Modelの予想と一致し、HOClの光分解が紫外光領域では反撥型ポテンシャルからの直接解離であることを明らかにした。また、光分解で生じたOHラジカルに付随する大きな並進エネルギーのため、検出に用いた^2Σ-^2II遷移の各回転線は大きなドゥプラー幅を示した。OHラジカルの速度分布の異方性を測定したところ、266nmにおけるHOCl吸収バンドの遷移モーメントはO-Cl結合方向にほぼ一致する分子軸に対して平行であり、355nmにおける吸収の遷移モーメントは垂直であることがわかった。これらの実験事実を最近発表された非経験的な理論計算結果をもとに議論し、266nmの吸収帯は2^1A′-1^1A′遷移によるものであり、250nm付近に吸収極大を持つHOClの紫外領域スペクトルを形成することを明らかにした。また、300nm以下の領域に、弱い1^1A′′-1^1A′遷移による吸収帯があらわれることがわかった。
DNA鎖を切断する制がん抗生物質の作用の分子機構の研究

本研究の目的は、合成短鎖DNAを用いて、ブレオマイシンやダウノマイシン等のDNA鎖切断機構を明らかにすることである。今年度はブレオマイシンに的をしぼり、切断されやすい塩基配列を一ヶ所ないし二ヶ所含む、自己相補的なドデカデオキシヌクレオチド、d(C-C-C-C-A-G-C-T-G-G-G-G)(【1!_】),d(G-G-G-G-A-G-C-T-C-C-C-C)(【2!_】),およびそれらの誘導体を合成した。【1!_】をブレオマイシン-Fe【II】-【H_2】【O_2】で処理すると、G-C間で切断が起こり、主にd(C-C-C-C-A-G-p)-C【H_2】COOHとd(pT-G-G-G-G)が得られ、微量成績体として3′末端にOH基を持つ、d(C-C-C-C-A-G)も得られた。この最後の成績体は今までに知られていなかったものであり、ブレオマイシン反応には2種類以上の経路があることを示唆すると思われる。【1!_】の7番目のdCをリボCおよびアラビ)Cに変換したものを同様に処理すると、前者はほとんど切断されなかったが、後者はdCの場合と同程度に切断された。【2!_】をブレオマイシンで処理すると、G-Aの間で主に切断が起こり、次いでG-Cにも切断が起こった。【1!_】のG-C部をI-Cに変換すると、I-C間も含め3ヶ所で切断が起こった。Gを2位のアミノ基のないIに変換すると、塩基配列特異性は低下するが、切断は起こることがわかった。
経口避妊薬低用量ピルに含まれる合成性ホルモンの歯周組織への影響

経口避妊薬低用量ピルは、17β-エストラジオールと構造が非常によく似た合成エストロゲンであるエチニルエストラジオールを含有する製剤である。一般的には、ピルを服用すると配合されている合成エストロゲンの作用により排卵を抑制し避妊の効果が得られるものである。歯科界において、古くから思春期性歯肉炎や妊娠性歯肉炎など、性ホルモンと歯肉の炎症との関連が示唆されてきたが、未だ明確な答えが出ていない。今後ピル使用が本格化する中、従来みられなかった様な歯周組織の炎症が出現する可能性があり、歯周組織に対する性ホルモンや合成性ホルモンに対する影響を遺伝子レベルで詳細に分析することは非常に意義のあることだと考えられる。歯牙を支持する歯周組織は、歯肉、歯根膜、歯槽骨、骨髄等から構成され、特に骨髄細胞は多分化能を保持することから近年、注目を集めている。本研究では骨髄細胞の単離、培養を行い、線維芽細胞成長因子-2(FGF-2)に対する影響を検討した。その結果、FGF-2は、ウサギ、イヌおよびヒト由来骨髄細胞の成長と寿命を高めた。また、骨髄細胞はFGF-2の存在下で軟骨細胞に分化した。一方、エストラジオールは、骨髄細胞の分化に対して抑制的に作用することが明らかとなった。また、合成性ホルモンであるエチニルエストラジオールの骨髄細胞に対する作用について検討したところ、エストラジオールと同様に分化を抑制する傾向が認められた。以上の結果から、経口避妊薬の服用によって妊娠性歯肉炎などエストラジオールと同様の影響が及ぶ可能性も考えられることが示唆された。今後は、服用する量や回数などについての臨床的な検討が必要と考えられる。歯科界において、古くから思春期性歯肉炎や妊娠性歯肉炎など、性ホルモンと口腔内の炎症との関連が示唆されてきたが、今だ明確な答が出ていない。平成11年6月、厚生省の中央薬事審議会が、経口避妊薬低用量ピルを医師の処方が必要な医療用医薬品として承認を答申した。今後ピル使用が一般化すると、従来見られなかった様な歯周組織の炎症が出現する可能性があり、歯周組織に対する性ホルモンや合成性ホルモンに対する影響を遺伝子レベルで詳細に分析することは非常に意義があることだと考えられる。今年度、骨髄細胞の単離、培養を行い、エストラジオールに対する影響を検討した。今年度以下の事項を行った。(1)ウサギ骨髄液より骨髄由来未分化間葉系(BMS)細胞の単離とBMS細胞の培養法を確立した。(2)BMS細胞の分化におけるエストラジオールの影響の検討し、エストラジオールは分化に対して抑制傾向を示すことを明らかとした。今後、分子生物学的、組織学的手法を用いてエストラジオール並びに合成エストラジオールの影響を詳細に検討する予定である。さらにエストラジオールによるBMS細胞の分化に対する抑制作用は、エストラジオールに特異的なものか否かを明らかにするため、プロゲステロン、テストステロン等その他のステロイドホルモンとの比較検討を行う予定である。

今後ピル使用が本格化する中、従来みられなかった様な歯周組織の炎症が出現する可能性があり、歯周組織に対する性ホルモンや合成性ホルモンに対する影響を遺伝子レベルで詳細に分析することは非常に意義のあることだと考えられる。歯牙を支持する歯周組織は、歯肉、歯根膜、歯槽骨、骨髄等から構成され、特に骨髄細胞は多分化能を保持することから近年、注目を集めている。本研究では骨髄細胞の単離、培養を行い、線維芽細胞成長因子-2(FGF-2)に対する影響を検討した。その結果、FGF-2は、ウサギ、イヌおよびヒト由来骨髄細胞の成長と寿命を高めた。また、骨髄細胞はFGF-2の存在下で軟骨細胞に分化した。一方、エストラジオールは、骨髄細胞の分化に対して抑制的に作用することが明らかとなった。また、合成性ホルモンであるエチニルエストラジオールの骨髄細胞に対する作用について検討したところ、エストラジオールと同様に分化を抑制する傾向が認められた。以上の結果から、経口避妊薬の服用によって妊娠性歯肉炎などエストラジオールと同様の影響が及ぶ可能性も考えられることが示唆された。今後は、服用する量や回数などについての臨床的な検討が必要と考えられる。
高機能高品質ソフトウェアの評価法の研究

1.研究代表者(牛島)は、ソフトウェア文書評価の一環としてテキスト情報のみに絞って計算機マニュアルの分かりやすさを定量的に評価する方法のモデル構築を試みた。計算機マニュアルを含む機械可読テキストを収集し、これを解析することによって、文章中の非平仮名率、平均文長、受動態頻度、などの14の基礎指標を計数し、因子分析を行った結果、それらを、文章の簡潔さ、読みやすさ、理解しやすさと名づけてよいと思われるグル-プに分けられることが分かった。2.研究分担者(木村)は、ソフトウェア利用者の挙動を、その心理的機序を読み取れる程度の精密さで記録し、これを解析検討して、利用者インタフェ-スの品質に関する評価尺度を定式化するために、開発中のパソコン用の打鍵デ-タ収集システムの仕上げ作業を行い、これを利用して、既存パソコンソフトウェアの利用状況に関してデ-タを収集し、特にソフトウェアのキ-ボ-ドインタフェ-スに着目して、初心者の学習に関する実験を行い、その結果を説明するモデルを開発した。3.研究分担者(島崎)は、ス-パコンピュ-タ用ソフトウェアの評価法を、普通の利用者と計算機の専門家とによるものについて使用実態調査により検討した。前者として計算センタ-利用者からベクトル/スカラ比10倍以上のもの選び、計算機の性能を十分引出し得ているか、改善は可能か調査し、2ー3倍の性能向上を図れることが分かった。後者としてLAPACKをわが国の複数のス-パコンピュ-タ上で性能測定し、ベンチマ-クテストとして妥当であるという感触を得た。4.研究分担者(藤村)は、組み込み型マイクロプロセッサ用ソフトウェア生産性を定量的に評価するためにアンケ-ト調査を行い、ソフトウェアの規模(S)、所要工数(M)、開発期間(T)に基づいた生産性のモデル式を試作した:M=1.97×S^<0.76>、T=2.36×M^<0.42>。
ケージド化合物による神経細胞機能の解明

感覚神経細胞である嗅細胞におけるシグナルトランスダクションに関わる一連の研究の中で、嗅細胞における情報伝達の場である繊毛(シリア)内での分子ダイナミクスに着目し、匂い応答中の嗅細胞シリア内でのセカンドメッセンジャーであるcAMP分子の動向について詳細な検討を行った。実際の匂い物質を適用した場合、嗅覚情報交換過程では、リセプタ蛋白質と匂い分子が結合する事より始まる。その後、G蛋白質・アデニル酸シクラーゼと順に活性化し、細胞内のATPがcAMPへと分解される。このcAMPがセカンドメッセンジャーとなり、サイクリックヌクレオチド感受性チャネル(CNGチャネル)を開口により電流発生へと繋がり、匂い分子の持つ化学的な情報が電気信号へと変換される。CNGチャネルを通って流入したCaイオンはCa依存性Clチャネルを開口させ、爆発的な電流増幅が起こり、活動電位発火へと繋がり、脳への信号が伝達していく。この嗅細胞の情報変換は直径0.2ミクロンのシリア内で数秒の時間経過で展開する。情報変換因子の時間経過を実時間で測定することは、これまでの常識では不可能であった。しかし今回我々は光活性化分子(ケージド化合物)を定量的に利用し、実際の匂い応答と組み合わせて、リアルタイム応答を確認した。ケージド化合物・パッチクランプ法とUV光量調節装置を組み合わせ、単離嗅細胞シリアより得られた電流を記録、解析した。本研究の結果、匂い刺激を行った際のアデニル酸シクラーゼの活性様式、cAMP産生メカニズムを検証し、感覚細胞であり、G蛋白をその情報伝達カスケード内に持つ視細胞とはそのメカニズムが大きく異なることが示唆された。視細胞の場合、たった1つの光子(photon)がcGMPを10,000-100,000分子加水分解するのに対して、嗅細胞の場合、最大の匂い刺激時に200,000分子のcAMPしか生成しないことが明らかとなった。視細胞との大きな違いは、視細胞がcGMPを加水分解しているのに対し、嗅細胞ではATPを分解し、cAMPを生成する点である。このことから嗅細胞はATP消費を仰えるシステムを獲得している可能性が示唆された。短時間(数秒)で展開する神経細胞の情報変換に関わる分子因子の機能的役割を実時間で測定する新手法・新論理を発表した。材料には、嗅覚受容細胞を用い、その情報変換はcAMPによって仲介されていることが分かっている。通常、細胞の情報変換の機能というのは分子の役者が出そろったところで終了とされる。しかし、本研究では、更に情報変換に関わる各役者が、それぞれどのようを分子的役割を担っているのかを解明するという学問領域へのチャレンジを進めている。嗅細胞の情報変換は直径0.2ミクロンの微細構造体内(繊毛)で数秒の時間経過で展開する。その情報変換因子の時間経過を実時問で測定することは、これまでの常識では不可能であった。しかし今回我々は光活性分子(ケージド化合物)を定量的に利用して、これをより現実に近いものに近づけた。本研究の結果として、嗅繊毛内のアデニル酸シクラーゼの活性の時間経過、cAMP濃度の時間径過を推定し、信号の時間的増幅の分子、リガン強度に対する非線型増幅の過程がチャネルで行われている事を特定できた。ケージド化合物・バッチクランプ法とUV光量調節装置を組み合わせ、単離嗅細胞繊毛より得られた電流を記録、解析した。ケージド化合物とは、多くの場合、生理活性物質の分子に側鎖をつけることで生理活性を不活性化し、UV光によって側鎖をはずし、活性北させるものである。すならち、光によって細胞内や組織内の物質を自由に制御することが可能となる。本研究ではcAMP -cGMPのみを記述したが、、他ATR,-cGMPや伝達物質としてのグルタミン酸なども開発され、各方面の研究に使用されている。本研究ではバッチクランプ法などと組み合わせ、定量的なシステム解析に応用が可能となり、生体分子の機能的役割を調べるために、非常に有用な方法を確立したといえた。嗅覚情報変換に関わる嗅細胞内分子の動向と解析を行った。試料には嗅覚受容細胞を用い、その情報変換はcAMPによって仲介されていること過去の報告で示されていたが、本研究では、更に情報変換に関わる各役者が、それぞれどのような分子的役割を担っているのかを解明するという学問領域へのチャレンジを進め、実際の匂い物質を適用した場合、嗅覚情報変換過程で、それを仲介する物質を同定することを目的とした。しかし今回我々は光活性化分子(ケージド化合物)を定量的に利用し、実際の匂い応答と組み合わせて、リアルタイムな応答を確認した。ケージド化合物・パッチクランプ法とUV光量調節装置を組み合わせ、単離嗅細胞繊毛より得られた電流を記録、解析した。ケージド化合物とは、生理活性物質の分子に側鎖をつけることで生理活性を不活性化し、UV光によって側鎖をはずし、活性化させるものである。すなわち、光によって細胞内や組織内の物質を自由に制御することが可能となる。本研究ではパッチクランプ法と組み合わせたことで定量的なシステム解析に対する応用が可能となり、生体分子の機能的役割を調べることができた。更に、新しいケージド化合物(bhc-caged cAMP)の応答効率を調べるため、嗅細胞をモデル細胞とし、その効果を調べることを試みた。

その結果、新しいケージド化合物を嗅細胞に適用した際に、その効能は市販されているものと比較して約10倍も高効率であることを明らかにすることができた(Furuta et al.,2004)。これより、bhc-caged化合物は嗅細胞のみならず、他の細胞への応用も今後期待できる。感覚神経細胞である嗅細胞におけるシグナルトランスダクションに関わる一連の研究の中で、嗅細胞における情報伝達の場である繊毛(シリア)内での分子ダイナミクスに着目し、匂い応答中の嗅細胞シリア内でのセカンドメッセンジャーであるcAMP分子の動向について詳細な検討を行った。実際の匂い物質を適用した場合、嗅覚情報交換過程では、リセプタ蛋白質と匂い分子が結合する事より始まる。その後、G蛋白質・アデニル酸シクラーゼと順に活性化し、細胞内のATPがcAMPへと分解される。このcAMPがセカンドメッセンジャーとなり、サイクリックヌクレオチド感受性チャネル(CNGチャネル)を開口により電流発生へと繋がり、匂い分子の持つ化学的な情報が電気信号へと変換される。CNGチャネルを通って流入したCaイオンはCa依存性Clチャネルを開口させ、爆発的な電流増幅が起こり、活動電位発火へと繋がり、脳への信号が伝達していく。この嗅細胞の情報変換は直径0.2ミクロンのシリア内で数秒の時間経過で展開する。情報変換因子の時間経過を実時間で測定することは、これまでの常識では不可能であった。しかし今回我々は光活性化分子(ケージド化合物)を定量的に利用し、実際の匂い応答と組み合わせて、リアルタイム応答を確認した。ケージド化合物・パッチクランプ法とUV光量調節装置を組み合わせ、単離嗅細胞シリアより得られた電流を記録、解析した。本研究の結果、匂い刺激を行った際のアデニル酸シクラーゼの活性様式、cAMP産生メカニズムを検証し、感覚細胞であり、G蛋白をその情報伝達カスケード内に持つ視細胞とはそのメカニズムが大きく異なることが示唆された。視細胞の場合、たった1つの光子(photon)がcGMPを10,000-100,000分子加水分解するのに対して、嗅細胞の場合、最大の匂い刺激時に200,000分子のcAMPしか生成しないことが明らかとなった。視細胞との大きな違いは、視細胞がcGMPを加水分解しているのに対し、嗅細胞ではATPを分解し、cAMPを生成する点である。このことから嗅細胞はATP消費を仰えるシステムを獲得している可能性が示唆された。
発達期脳における一酸化窒素と局所微小循環動態に関する研究

発達期の脳において、低酸素負荷が局所での一酸化窒素(NO)の産出と微小血流にもたらす作用を明らかにし、さらに局所血流とNOとの相互の関与について検討した。ラット線条体にNO選択的微小電極とレーザードップラー血流計のmicrotipを埋め込み、NOの産生を電気化学的に測定すると共に局所微小血流もモニターした。8%酸素吸入による低酸素負荷と21%酸素による回復期それぞれ1時間これらの動態を追跡した。幼若ラット,成体共に,低酸素負荷時にはNOの産生増加に相応する一過性の電流の増加が認められ、また再酸素化時にも再度NOの増加がみられた.それぞれの増加はNO合成阻害剤であるL-NAMEを投与することによって著しく抑制されたことより,これらのピークは実際のNO産生量を反映するものと考えられた.日齢7では低酸素負荷で平均116pA,再酸素化時には平均191pAの増加,日齢14では,それぞれ平均849pA,847pAに相当する増加がみられ,日齢と共にNO産生量が増加することがわかった.局所微小血流は、低酸素負荷に続く再酸素化に伴って一過性に増加し、その増加率は日齢7と14では負荷前値のそれぞれ124±3%と168±6%であった。これら血流の増加もL-NAMEの前投与により抑制された。幼若なラットほどNOの産生が少ないことは,未熟な脳ほどNO産生が活性化されにくいことを示すものと考えられた。また、局所微小血流の増加も幼若な脳ほど少なく、NO合成阻害剤の投与によって抑制されたことにより、微小脳血流の増加にはNOが関与していることが示唆された。一酸化窒素(NO)の濃度を電気化学的に測定するモニターとレーザードップラー血流計を用いて,日齢7,14の幼若ラット,および成体ラットの線条体におけるNOの産生と微小循環動態に与える低酸素負荷および再酸素化の影響について検討した.ラット脳をウレタン麻酔下で固定し,右線条体に相当する部位にNO微小電極(インターメデイカル製)の作用電極とレーザードップラー血流計(ペリメッド社製)のプローブを挿入した.術語1時間以上の安定化ののち,8%酸素吸入による低酸素負荷と21%酸素による回復期についてそれぞれ1時間,NOの産生と微小血流の変化を追求した.前処置として,L-NAMEなどNO合成阻害剤を腹腔内投与したラットとの比較も行った.日齢7,14の幼若ラット,成体ラット共に,低酸素負荷時にはNOの産生増加に相応する一過性の電流の増加が認められた.また再酸素化時にも再度NOの産生の増加がみられた.低酸素負荷時と再酸素化時に見られるそれぞれのNOのピークはL-NAMEを腹腔内に投与することによって著しく抑制されることより,これらのピークは実際にNOの産生量を反映するものと考えられた.日齢7では低酸素負荷で平均101pA,再酸素化時には平均178pAの増加,日齢14では,それぞれ平均426pA, 430pAに相当する増加がみられ,日齢が進むにつれてNO産生量が増加することがわかった.また,局所脳血流は再酸素化により一過性に増加を示した.この脳血流の増加が,血管内皮でのNO合成を亢進させることにより再酸素化時におけるNOの過剰な産生を惹起する可能性が示唆された.また,幼若なラットほどNOの産生が少ないことは,未熟な脳ほどNO合成酵素が活性化されにくいことを示すものと考えられた.発達期の脳において一過性の低酸素負荷が局所微小血流(CBF)にもたらす作用について明らかにすると共に、局所血流と一酸化窒素(NO)との相互の関与について検討した。

日齢7と14のラット線条体にNO選択的微小電極(Inter Medical社)とレーザードップラー血流計(Perimed社)のmicrotipを埋め込み、局所でのNO産生を測定すると同時に、局所微小血流もモニターした。手術後の安定化ののち、8%酸素吸入による低酸素負荷と21%酸素による回復期それぞれ1時間にわたってこれらの動態を追跡した。低酸素負荷により、局所血流は日齢7では前値の92±3%とわずかに減少し、日齢14では125±6%と増加した。日齢7、14共に、低酸素負荷により線条体のCBFは再酸素化により一過性に増加し、その増加率は日齢7と日齢14では負荷前値と比較してそれぞれ124±3%と168±6%であった。再酸素化時にみられるNOの過剰な産生と局所微小血流の増加は、共にNO合成阻害剤であるL-NAMEの前投与により抑制された。前年度の結果より、幼若な脳ほど負荷に伴うNO増加が少ないことが明らかとなったが、今回また、局所微小血流の増加率も幼若な脳ほど少ないことがわかった。さらに、NO合成阻害剤の投与によりいずれの増加も抑制されたことは、再酸素化時にみられる微小脳血流の増加には、少なくとも一部にNOが関与していることが示唆された。
巨大地震動を受けた礫を含む砂質土地盤の液状化および側方流動特性に関する研究

本研究は、阪神・淡路大震災で新たに提起された問題の中で、液状化強度の定義、砂礫の液状化特性とその流動特性に着目し、巨大地震動を受けた礫を含む砂質土地盤の地震時挙動を明らかにしようとするものである。このため、それらに関する文献調査を行うとともに、油圧式載荷装置を作製し、高周波数での繰返し試験を実施可能にした。本研究で得られた知見は以下のとおりである。(1)液状化強度は、一般に繰返し回数が20回での繰返し応力比で定義されているが、その回数の実質的意味は明らかでなくなっているのが現状であり、これに関する検討が今後必要である。(2)礫を含む砂質土の液状化は、礫周辺の砂質土の透水係数が低いか、または上層に透水係数の低い層がある場合、十分発生する可能性がある。繰返し三軸試験による砂礫の液状化強度は、礫粒子から離れた部分の砂質土の密度に大きく影響を受ける。また、礫分含有率が高いことや堆積時に洪水による大きなエネルギーを受けたこと等によって、砂礫の液状化強度が非常に大きくなることがある。(3)液状化強度に与える載荷周波数の影響について繰返し三軸試験を行い検討した。その結果、液状化強度は、載荷周波数が1Hzまではその影響をほとんど受けないが、1Hzを越えると載荷周波数が大きくなるに従い増加した。このような挙動は、細粒分を含み塑性が高くなるほど著しいが、きれいな砂でも明らかに認められた。この結果を踏まえ、現在地震波を用いて不規則荷重を受けた砂質土の液状化特性について検討している。
トラクトグラフィによる過眠症における覚醒維持機能障害の病態解明

過眠を主症状とするナルコレプシー、特発性過眠症に対してFA/ADC画像、および灰白質画像・白質画像を作成し、SPM8によって解析した。その結果、ナルコレプシーでは覚醒維持に関わる神経核が存在する中脳橋部の白質体積の減少と両側扁桃・左内側前頭回のADC値の上昇が認められた。睡眠効率と右辺縁系を中心とした広範の脳部位のADC値・FA値に負の相関を認めたが、これは神経線維障害が強いほど睡眠維持が悪くなることが示唆された。また、右中心前回・下前頭回、右楔前部、左小脳扁桃が情動脱力発作に関連していた。なお、特発性過眠症では、後頭皮質・前頭皮質・側頭皮質の大脳皮質側のFA値の異常を認め、過眠症状発現のメカニズムがナルコレプシーとは違うことが示された。覚醒維持障害をその臨床的特徴のひとつとするナルコレプシーにおいて、視床下部に存在するオレキシン神経系の障害が報告されているが、脳の微細な構造異常の存在について、いまだ統一した見解は得られていない。そこで、MR-DTI画像により、神経線維の障害を反映するとされるFA(fractional anisotropy)画像を算出し、また、T1画像から大脳白質・灰白質を分離した画像を作成し、臨床症状との関連を含めながら、15例の情動脱力発作を伴うナルコレプシー(NACA)患者における脳微細構造異常をvoxe1-based morphometory(VBM)を用いてSPM5により検討した。その結果、健常対象群に比べ、NACA群では、右前頭前野下面領域でのFA値の有意な減少を認めた。また、右帯状回、脳幹橋部の白質体積の減少、中脳赤核、右視床領域の灰白質体積の減少を認めた。一方、睡眠潜時、入眠時REM潜時、初発年齢、罹病期間すべての臨床指標において、FA値、大脳白質体積、および、灰白質体積の変化には有意な相関は認められなかった。脳幹橋部にはオレキシン神経からの線維連絡を含め、覚醒維持に関わる神経核やその投射神経線維が密に存在していることから、この脳幹橋部の体積減少は、脳幹部へ投射するオレキシン神経束や脳幹部に起始をもつ覚醒維持に関わる上行性の神経投射線維の障害を反映し、また、右前頭前野下面領域におけるFA値の低下は脳幹部から全脳に投射するこれらの覚醒維持に関わる神経投射の減少を反映していると考えられた。一方、中脳赤核はREM睡眠期のatoniaに関連があるとされており、また、帯状回、視床、および前頭前野は情動に関わるPapez-Yakovlev回路を構成していることから、これらの異常はナルコレプシーの臨床症状の一つである情動脱力発作の病態に関与している可能性が推察された。当研究により、覚醒維持障害・情動脱力発作に関わる脳微細構造異常が明らかになったことは、今後の睡眠障害に関する神経病理・解剖学的研究を推し進める上で興味深い結果を得られたと言える。覚醒維持障害を主症状とするナルコレプシーにおいて、視床下部に存在するオレキシン神経系の障害が報告されている。一方で同様に覚醒維持障害を主症状とする特発性過眠症においてはオレキシン神経系の障害は否定的である。本研究ではMR-DTI画像により、神経線維の障害を反映するとされる拡散テンソル画像のFA画像・ADC画像を算出し、また、T1画像から大脳白質・灰白質を分離した画像を作成し、12例の情動脱力発作を伴うナルコレプシー(NACA)患者、12例の情動脱力発作を伴わないナルコレプシー患者(NA w/o CA)、長時間睡眠を伴う特発性過眠症(IHS/LST)8例、および年齢と性別を一致させた12例の健常者を対象に、脳微細構造異常をvoxel-based morphometry(VBM)を用いてSPM5により検討した。その結果、情動脱力発作の有無に関わらずナルコレプシー群は脳幹部の白質体積の減少、帯状回・上側頭回・下前頭回近傍のADC値の上昇、内側前頭野のFA値の減少を認めた。脳幹部の体積減少は、脳幹部へ投射するオレキシン神経束や脳幹部に起始をもつ覚醒維持に関わる上行性の神経投射線維の障害を、帯状回・上側頭回・下前頭回近傍、内側前頭野のADC/FA値の異常は、脳幹部から全脳に投射するこれらの覚醒維持に関わる投射先の微細な変性を示し、ナルコレプシーの覚醒維持障害の病態を反映するものと考えられた。

一方でIHS/LSTでは脳幹部に異常は認めず、前頭眼窩野のADC/FA値の異常のみを示したことから、覚醒維持に関わる脳幹部の上行性覚醒維持機構の投射先の異常が示唆された。NA/CAはNA w/oCAに比べて、両側中・下前頭回近傍のADC値の上昇と右被殻近傍の白質体積の減少を認めた一方で、NA w/o CAはNA/CAに比べて視床および頭頂葉楔前部のFA値の減少、小脳扁桃部の白質体積・左島部灰白質体積の減少を認めた。これら両側中・下前頭回、被殻・視床を含めた基底核群、小脳扁桃部・島皮質の差異は、情動脱力発作の病態を反映する情動と運動制御に関わる線維連絡の異常を示唆したものと考えられた。
ESR分析法による東アジアの風成塵起源石英の同定

1)東アジアのシベリア、韓国、中国、日本、台湾、ニュージーランド、トルコ、オーストリアに堆積するレス・風成塵に含まれる石英についてESR分析による石英の酸素空格子信号強度を測定した。その結果、第四系:<0.7、第三系:2.02.8、中・古生界:3.34.7、先カンブリア岩:11.017.1の測定値(2.51E+13vacancies/g)を得た。2)日本列島の福井県以北はシベリア、モンゴルなどの先カンブリア岩分布地域から冬季北西季節風によって高緯度コースを、福井県沖縄島までは中国内陸部の乾燥地域から夏季亜熱帯編西風ジェット気流によって中緯度コースを、宮古島与那国島まではインド、中国南部の先カンブリア岩地域から冬季亜熱帯編西風ジェット気流によって、それぞれ運ばれ堆積したものであり、ESR分析による風成塵石英の産地同定によって過去の卓越風の復元が可能になった。3)台湾のレスは現地性風成物質の混入が多く、ニュージーランド北島の土壌には火山灰の混入が多く、ともに酸素空格子信号強度が低い。ニュージーランド南島のレスのうち細粒(30μm以下)物質は、先カンブリア岩が広く分布するオーストラリア大陸から編西風によって運ばれた可能性が高い。4)東アジアの風成塵は、最終氷期中の寒冷な時期、例えばDansgaad-Oeschger cold eventやHeinrich erentに短期間に集中的に堆積した。風成塵の堆積がチベット高原のアルベドに変化をもたらした結果とみられる。1.中国タクラマカン砂漠-黄土高原-韓国-日本列島全域で採取したMIS 2のレス、古土壌中に含まれる微細石英(<20μm)についてESR分析による酸素空格子信号強度を測定した。この結果、東アジアでは(1)シベリア、モンゴルといった先カンブリア紀岩石地域から北西季節風によって高緯度コースを運ばれる風成塵、(2)夏季の偏西風ジェット気流によって中緯度コースを運ばれる風成塵、(3)冬季の偏西風ジェット気流によってインド、中国南部の先カンブリア地域から低緯度コースを運ばれる風成塵が存在したことが明らかになった。2.この結果から最終氷期最盛期のMIS 2における東アジアの古環境復元、とくにヒマラヤ・チベット高原を中心とするモンスーン変動、偏西風ジェット気流、シベリア高気圧の消長を明らかにできた。3.福井県黒田・中池見両湿原に堆積する最終氷期泥炭層に含まれる微細石英の堆積量、粒度分析、ESR分析を行った。この結果、(1)MIS 2と4に風成塵の堆積量が増加したこと、(2)風成塵は新ドリアス期、Heinrich events 15、LGMにそれぞれ短期間に堆積したこと、(3)新ドリアス期や4.2万年前には石英を主体とする細粒で量的に多い風成塵が中緯度コースを運ばれ、LGMやHeinrich event各時期にはイライトを多く含む粗粒で量的に少ない風成塵が高緯度コースを運ばれ堆積した。(4)こられの時期に堆積した風成塵がヒマラヤ、チベット高原上の雪原に堆積してアルベドを低下させ、アジアモンスーン地域において、その後の急激な気温上昇をもたらしたとするOverpecket al.(1996)の仮説を支持する結果を得た。

2)日本列島の福井県以北はシベリア、モンゴルなどの先カンブリア岩分布地域から冬季北西季節風によって高緯度コースを、福井県沖縄島までは中国内陸部の乾燥地域から夏季亜熱帯偏西風ジェット気流によって中緯度コースを、宮古島与那国島まではインド、中国南部の先カンブリア岩地域から冬季亜熱帯偏西風ジェット気流によって、それぞれ運ばれ堆積したものであり、ESR分析による風成塵石英の産地同定によって過去の卓越風の復元が可能になった。3)台湾のレスは現地性風成物質の混入が多く、ニュージーランド北島の土壌には火山灰の混入が多く、ともに酸素空格子信号強度が低い。ニュージーランド南島のレスのうち細粒(30μm以下)物質は、先カンブリア岩が広く分布するオーストラリア大陸から偏西風によって運ばれた可能性が高い。4)東アジアの風成塵は、最終氷期中の寒冷な時期、例えばDansgaad-Oeschger cold eventやHeinricheventに短期間に集中的に堆積した。風成塵の堆積がチベット高原のアルベドに変化をもたらした結果とみられる。
近見反応の大脳内階層的情報処理機構についての研究(3)

近見反応は輻輳運動・眼の焦点調節・瞳孔運動からなる複合運動であり、視覚奥行き情報を得るために必須の役割を果すと共に環境の変化に応じて適応的に変化する.我々はネコ高次視覚領の1つ、外側シルビウス上領(LS皮質と略す)が近見反応と関わることを生理学的方法(脳内微小刺激、ニューロン活動記録、脳内局所破壊)により示した.眼球運動はサーチコイル法を用いて記録した.(1)LS皮質の微小刺激で輻輳運動・焦点調節・縮瞳が誘発され、各々最適部位が異なることからこの皮質内での機能分化が示唆された.誘発輻輳運動の潜時に2要素が区別された.短潜時要素は左右対称であるが、長潜時要素は刺激と対側の運動が優位であり、前者は運動関連、校舎は視覚関連と考えられた.ともに尾側部皮質からの誘発運動が、吻側部誘発運動より潜時が短かかった.(2)LS皮質内での局所的破壊により、輻輳運動の振幅・速度、焦点調節応答振幅が減少した.片側破壊では輻輳運動の変化は非対称的で、破壊と同側成分が相対的に大きくなった.(3)輻輳運動・焦点調節と相関した活動を示すLS皮質ニューロンが記録され、視標速度に対する応答の差から、輻輳関連ニューロンと焦点調節関連ニューロンに分類された.奥行き視覚刺激とLS皮質の微小刺激を組み合わせ、輻輳運動の持続的増強を起こすことができることは昨年報告したが、本年度は、増強効果を生じる確率がLS皮質部位により、異なることを確かめた.LS皮質の輻輳関連領域のうち、短潜時対称型運動が誘発される部位では、強い増強が得られたが、長潜時非対称型が誘発される領域では、増強が極めて弱かった.これらの結果からLS皮質内に近見反応に関わる機能分化が部位依存性に存在することが示された.また、LS皮質内で処理された奥行き視覚情報を利用し、LS皮質から運動促通信号が脳幹の運動中枢に送られることが示唆された.近見反応は輻輳運動・眼の焦点調節・瞳孔運動からなる複合運動であり、視覚奥行き情報を得るために必須の役割を果すと共に環境の変化に応じて適応的に変化する.我々はネコ高次視覚領の1つ、外側シルビウス上領(LS皮質と略す)が近見反応と関わることを生理学的方法(脳内微小刺激、ニューロン活動記録、脳内局所破壊)により示した.眼球運動はサーチコイル法を用いて記録した.(1)LS皮質の微小刺激で輻輳運動・焦点調節・縮瞳が誘発され、各々最適部位が異なることからこの皮質内での機能分化が示唆された.誘発輻輳運動の潜時に2要素が区別された.短潜時要素は左右対称であるが、長潜時要素は刺激と対側の運動が優位であり、前者は運動関連、校舎は視覚関連と考えられた.ともに尾側部皮質からの誘発運動が、吻側部誘発運動より潜時が短かかった.(2)LS皮質内での局所的破壊により、輻輳運動の振幅・速度、焦点調節応答振幅が減少した.片側破壊では輻輳運動の変化は非対称的で、破壊と同側成分が相対的に大きくなった.(3)輻輳運動・焦点調節と相関した活動を示すLS皮質ニューロンが記録され、視標速度に対する応答の差から、輻輳関連ニューロンと焦点調節関連ニューロンに分類された.奥行き視覚刺激とLS皮質の微小刺激を組み合わせ、輻輳運動の持続的増強を起こすことができることは昨年報告したが、本年度は、増強効果を生じる確率がLS皮質部位により、異なることを確かめた.LS皮質の輻輳関連領域のうち、短潜時対称型運動が誘発される部位では、強い増強が得られたが、長潜時非対称型が誘発される領域では、増強が極めて弱かった.これらの結果からLS皮質内に近見反応に関わる機能分化が部位依存性に存在することが示された.また、LS皮質内で処理された奥行き視覚情報を利用し、LS皮質から運動促通信号が脳幹の運動中枢に送られることが示唆された.
異種金属間相乗効果を機軸とする多孔質系機能触媒の開発

報告者は、前年度にナノ多孔質金やナノ多孔質パラジウムの作成法を検討し、それら金属材料が様々な分子変換反応において、優れた触媒として機能することを明らかにした。そこで今年度は、本特定領域研究の計測班との連携研究により、ナノポーラス金における触媒機能の発現メカニズムの解明を目的として、透過電子顕微鏡(TEM-EDS)を用いて触媒活性なナノ多孔質金の微細組織及び表面原子構造解析と元素分析を行った。さらには走査透過電子顕微鏡(STEM)を用いて原子構造計測(HAADF観察)を行った。EDS測定から微量の銀が含まれることを明らかにした。また、HAADF-STEMからナノ多孔質化による多数のステップ構造が存在することが観察された。本金属材料の多孔質化(スポンジ構造)は、金銀合金薄板を酸性条件下で処理して銀を選択的に溶出させることにより構築される。この脱合金化条件を調節するとスポンジ構造のリガメントやポアのサイズを制御することができ、それに伴い触媒活性が変化するが、本研究によりこの触媒活性の変化は、原子ステップ構造の変化による配位不飽和状態の金原子の増減に大きく起因することが明らかになった。また、残留する極微量の銀が触媒活性化に対して機能元素として働く可能性を示唆する結果も得られた。一方、ナノ多孔質パラジウムの触媒活性について検討を行い、この金属材料がHeck反応の優れた触媒として機能することを見出した。一般的な固体パラジウム触媒とその表面積あたりのリーチング量を調べたところ、ナノ多孔質パラジウムからの溶出が最も少ないことを明らかにした。この結果は、本触媒がリーチングの少ない耐久性の高い触媒であることを示している。ナノスケールの細孔を有するナノポーラス金属は、新しい不均一系触媒として最近注目されている。そこで本課題ではこの触媒を様々な反応系に展開し、有機合成化学におけるその有用性を明らかにすると共に、その金属材料に含まれる微量の異種金属が、触媒活性にどのような影響を与えているかについて明らかにする。まず報告者はPd-Ni-P金属ガラスを硫酸中で電気分解処理を行うことにより、ニッケルとホスフィンを選択的に溶出して、平均細孔サイズ30nmのナノポーラスパラジウムを調整した。次にこの物質を、鈴木カップリング反応に適用した。鈴木カップリング反応は、炭素骨格構築のための重要な炭素-炭素結合形成反応であり、工業化学の分野において極めて広い利用価値を有している。均一系パラジウム触媒は本反応の触媒として有用であるが、触媒の再利用が困難であるため、回収の容易な不均一系触媒の開発が現在盛んに行われている。しかしこれまでに開発された触媒は、触媒活性や耐久性、耐リーチング性において多くの問題が存在する。これに対しナノポーラスパラジウムは、高い触媒活性、簡便な操作性、高い耐リーチング性を有していることを見出した。触媒は反応終了後にピンセットで取り出すことができるため、ろ過や遠心分離などの煩雑な操作を必要としない。また回収した触媒は再利用が可能であり、少なくとも5回の繰り返し実験では触媒活性が維持されるなど、ナノポーラスパラジウムが鈴木カップリング反応の優れた固体触媒として機能することを明らかにした。
オンチップ高精度操作技術で定量解明する細胞の非線形非平衡性

H29年度は、単一細胞の大変形に関する粘弾性の直接測定に挑戦した。その結果、これまで力の次元の無い相対値としてしか求まらなかった細胞の粘弾性を表す各係数を次元付きの値として定量化することができた。マイクロ流体デバイス内における直径8マイクロメートルの赤血球細胞に関する高スループット粘弾性測定は、力の測定機構、測定精度の両面でチャレンジングであったが、前年度に確立したマイクロ流体デバイス内細胞マニピュレーションを活用した幾つかの手法でこの課題に当たった。試行錯誤の中で特に細胞の弾性係数測定手法として意義深い結果を得られたのが、マニピュレーション中に流体から受ける力を推定しヤング率に変換する手法と、形状ゆらぎ解析(flicker spectroscopy)を行い表面張力や曲げ弾性係数を得る手法である。マニピュレーションシステムと共存する形で上記の二種の測定手法に最適なイメージング法や実験条件を構築することで、赤血球細胞について、マイクロ流路内で4つの力学パラメーター(2つの弾性係数と2つの粘性係数)を単位付きで推定することに成功した。そこで得られた値は、いずれも過去に報告されている異なる手法と比較して適切なものであり、前年度に明らかにした変形能の変形時間依存性やATP濃度依存性などと合わせて細胞の生命ならではの力学特性を適切かつ高速に定量化することに成功しているといえる。これらの成果は国際会議のプロシーディングス論文として投稿中であり、今後実験・解析ともにさらに内容を深め、学術誌への論文投稿を行う予定である。29年度が最終年度であるため、記入しない。マイクロ流体デバイス中で、1000Hzの制御周波数、240nmの空間分解能で超高速かつ超高精度に細胞をマニピュレーション(位置操作)するシステムを用いて、赤血球細胞の変形能測定を行った。具体的には、直径8μmの円盤状をしている赤血球に対し、幅3μm、高さ3.5μmの狭窄部内に細胞を静止させ大変形させた後に、幅10μmの主流部に解放し、単一細胞の粘弾性緩和を測定した。健康状態の赤血球において、180s前後の負荷でその後の形状回復能が激変することを見出しただけでなく、ATPの少ない状態、敗血症因子が作用した状態の赤血球に対しても同様の実験・解析を行ったところ、ともにこの特徴時間スケールが異なる時間領域にシフトする結果が得られた。細胞内部の構造である細胞骨格の働きに特徴的なATP依存性が示されたことから、この180sの特徴時間スケールは単一細胞内での細胞骨格の組み換わりダイナミクスに相当する時間スケールであることが強く示唆される。赤血球細胞の変形能を担う細胞骨格の動的構造とその帰結としての単一細胞の非線形粘弾性、健康な血液循環を維持する生命原理・機構の一端が明らかになったと言える。また、高スループットで細胞の粘弾性情報を抽出する実験システムを確立したことで、新たな力学的診断法への応用も期待される。本研究成果は学術論文として出版・プレスリリースを行い、大阪大学HPやニュースサイト等でも公表された。また上記の研究に付随し、100sの総負荷時間ではその後の形状回復が変形の周波数に依存しないこと、100sの総負荷時間の下では狭窄部内で変形負荷がかかっている状態では100sの時間オーダーで細胞の射影面積が収縮するとともに透過光像の輝度が暗く変化すること、なども発見し、学術論文や国際会議の紀要論文として発表した。当初に平成28年度の研究計画として予定していたのは、赤血球細胞の変形能の負荷時間依存性、ATP濃度依存性であるが、これらについては実験と解析を完遂した。予備実験で得られていたデータから発展し、非線形性の定量抽出に十分な定量実験データを取得することができたため、その結果を学術論文としてまとめ、発表することができた。また、計画していた健康な赤血球とATP枯渇状態の赤血球の比較だけでなく、国際共同研究により、それら赤血球と敗血症因子が作用した赤血球の比較も行うことができた。高スループットで病気の細胞と健康な細胞の力学応答を測定し、違いを見出した本研究成果は、細胞の非線形非平衡性を取り出す物理学としてだけでなく、医療診断応用の観点からも意義深いものとなった。さらに、それらの実験に付随して、細胞に狭窄部内で変形負荷を与えている最中に細胞の射影面積収縮することおよび透過構造の輝度が変化することも発見し、国際会議における発表や学術論文の発表を行うことができた。また、ある同じ時間幅の変形負荷を、連続負荷として与える場合と断続的な負荷として与える場合とで比較するという、細胞の周波数依存性を抽出するオンチップ操作について、微細加工技術とその応用のトップカンファレンス(MEMS2017、ラスベガス)に採択率9.8%のオーラルプレゼンテーションで採択され、発表と紀要論文の公表を行うこともできた。

試行錯誤の中で特に細胞の弾性係数測定手法として意義深い結果を得られたのが、マニピュレーション中に流体から受ける力を推定しヤング率に変換する手法と、形状ゆらぎ解析(flicker spectroscopy)を行い表面張力や曲げ弾性係数を得る手法である。マニピュレーションシステムと共存する形で上記の二種の測定手法に最適なイメージング法や実験条件を構築することで、赤血球細胞について、マイクロ流路内で4つの力学パラメーター(2つの弾性係数と2つの粘性係数)を単位付きで推定することに成功した。そこで得られた値は、いずれも過去に報告されている異なる手法と比較して適切なものであり、前年度に明らかにした変形能の変形時間依存性やATP濃度依存性などと合わせて細胞の生命ならではの力学特性を適切かつ高速に定量化することに成功しているといえる。これらの成果は国際会議のプロシーディングス論文として投稿中であり、今後実験・解析ともにさらに内容を深め、学術誌への論文投稿を行う予定である。これまでの進捗を踏まえ、本年度は単一細胞の大変形に関する力や粘弾性の直接測定に挑戦する。この直接測定が可能になれば、これまで相対値としてしか求まらなかった細胞の粘弾性係数を絶対値として完全に定量化できると考えている。マイクロ流体デバイス内における直径8マイクロメートルの赤血球細胞に関する力測定は、測定機構、測定精度の両面で非常にチャレンジングであるが、以下の3種類の力測定機構の実装を試み、より簡便もしくは精密に測定できる手法を探る。一つ目は、駆動ポンプ型である。マイクロ流体デバイス内にpoly(dimethylsiloxane)(PDMS)製の駆動部を作製し、駆動部の弾性のキャリブレーションを行ったあと、直接細胞に押し当てるプローブとして用いる。二つ目は、吸引ピペット型である。従来、マイクロピペットを用いて赤血球表面を吸引し、変位と吸引圧力の関係から赤血球の弾性係数測定が行われていた。この機構をマイクロ流体デバイス内に内に作製し、圧力制御とその際の変形の観察を行う。三つ目は、形状ゆらぎ計測型である。自在な細胞マニピュレーションを利用して、マイクロ流体デバイス中で細胞を静止させ、形状ゆらぎを測定する。ゆらぎスペクトル解析による粘弾性係数測定(flicker spectroscopy)を行い、狭窄部における大変形との相関を得る。上記の手法から、細胞が変形時に受けている力の測定や、細胞の持っている弾性係数と狭窄変形の相関測定を行う。経時測定も行い、変形時の力やパラメータの時間発展を得ることができれば、細胞骨格が外部負荷のもとでどのように応答(ATP消費を伴う細胞骨格リモデリング)するのか、より詳細かつ定量的な知見を得る。29年度が最終年度であるため、記入しない。日本経済新聞電子版、日経産業新聞、マイナビニュース、EurekAlert!(英語)、MedicalXpress(英語)等にも記事掲載あり29年度が最終年度であるため、記入しない。