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生体骨組織の構造を模倣したヒト細胞由来人工骨移植材料の開発

本研究の目的は,機能的な骨再生を促す生体骨組織構造を高度に模倣した人工骨移植材料をin vitroにて創製することである.本研究の結果,生体骨組織と同様に骨基質が高度に配向した新規生体材料を作製することに成功した.また,細胞集合体システムを用いることで,骨基質とその周囲に軟骨基質を有するハイブリッド材料の作製に成功した.本研究によって構築した新規材料およびシステムは,骨再生医療の発展に貢献する有望な新規技術である.本研究の目的は,機能的な骨再生を促す生体骨組織構造を高度に模倣した人工骨移植材料をin vitroにて創製することである.本研究の結果,生体骨組織と同様に骨基質が高度に配向した新規生体材料を作製することに成功した.また,細胞集合体システムを用いることで,骨基質とその周囲に軟骨基質を有するハイブリッド材料の作製に成功した.本研究によって構築した新規材料およびシステムは,骨再生医療の発展に貢献する有望な新規技術である.本研究の目的は,早期の骨生着を促し,さらに術後長期経過による骨吸収を抑制することが可能な,生体骨組織の構造を高度に模倣した人工骨移植材料を創製することである.本申請研究は生体骨移植材料の無機結晶配向に着目しており独創性が高く,次世代の骨再生技術開発に位置付けられる.本年度では,これを達成するために,配向ゲルシステムを用いた骨髄由来間葉系幹細胞(BMSC)の培養法および骨芽細胞分化誘導法の確立を目指した.本年度研究計画遂行の結果,配向ゲルシステム内で,BMSCは高度に配向した三次元細胞群を形成することが明らかとなった.また,骨系分化に有用な試薬を培養液に添加することで,ゲル内部におけるBMSCの骨芽細胞分化誘導法を確立した.この方法を用いることで,配向ゲル内部に高度に配向した骨基質やハイドロキシアパタイト沈着を誘導することに成功した.細胞を用いる生体材料をin vitroで構築するためには,材料内における細胞の機能制御(細胞増殖および細胞分化)を行う必要がある.本年度では,配向ゲルシステムに加える応力を変化させた場合の,ゲル内細胞の機能変化を評価した.その結果,応力を増加させることで細胞増殖が促進し,応力を減少させることで細胞分化が促進することを明らかとした.このことから,配向ゲルに加える応力を制御することで,ゲル内部の細胞機能制御が可能になることが明らかとなった.本年度の研究成果は,配向ゲルを用いたin vitroシステムで機能的な生体骨移植材料を迅速に構築するにあたり,有用な知見となる.本研究の目的は,早期の骨生着を促し,さらに術後長期経過による骨吸収を抑制することが可能な,生体骨組織の構造を高度に模倣した人工骨移植材料を創製することである.本申請研究は生体骨移植材料の無機結晶配向に着目しており独創性が高く,次世代の骨再生技術開発に位置付けられる.本年度では,初年度に得られた知見を援用して,生体骨組織の構造を高度に模倣した生体材料の創製に取り組んだ.具体的には,骨髄間葉系幹細胞(BMSC)のみから成る構造体(細胞集合体)を作製し,培養培地に骨系分化に有用な試薬(アスコルビン酸,デキサメタゾン,β・グリセロフォスフェイト)や細胞増殖因子(BMP2等)を添加して培養を行った.その結果,細胞集合体の中心部に石灰化基質,その周囲に軟骨基質が沈着したハイブリッド材料を作製することに成功した.この細胞集合体を構成するBMSCを取り巻く環境について検討を行ったところ,低酸素および低栄養状態であることが分かり,これは生体骨組織に存在するBMSCと同様の環境であることが明らかとなった.また,中心部に形成された石灰化沈着について定性解析を行ったところ,骨組織の主成分であるハイドロキシアパタイトであることが示された.本研究で創製した細胞集合体は,生体内と同様の環境をin vitroにおいて再現することで骨様組織が構築可能な,生体骨組織を高度に模倣した新規材料である.本研究によって,細胞集合体が有用性の高い新規骨移植材料に応用可能であることが示された.
主鎖にシクロブタン環を有する人工ポリマ-のHPLC用キラル固定相への応用

アンチ頭ー頭クマリン二量体からの光学活性ポリアミド側鎖のカルバモイル化は,各種イソシアナ-トとの反応により高収率,高転換率で行うことができた。得られた光学活性ポリアミドをシリカゲルコ-トしてHPLC用カラムを調製しそれらのキラル識別能を調ベたところ,カルバモイル化ポリアミドは,無修飾ポリアミドでは分割できなかったラセミ体を分割でき,両ポリアミドのキラル識別能は相補的であることが分った。アンチ頭ー頭クマリン二量体とα,ωーアルカンジアミンから得られる光学活性ポリアミドのキラル識別能は,ジアミンのメチレン鎖に対して偶奇依存性があった。この要因を解明するためX線回析,DSCを詳細に検討したところ,シリカゲル表面で結晶性が認められるメチレン鎖が偶数のポリアミドのみにキラル識別能が発現し,しかも結晶化度が高ければ高い程クラル識別能が向上することが明らかとなった。本結果は,キラル識別能/結晶性/偶奇効果の関連を明確にした最初の例である。アンチ頭ー頭クマリン二量体からポリアミドはアルカリ水溶液に安定であるのに対し,アンチ頭ー頭ウンベリフェロン二量体からのポリアミドは,アルカリ水溶液中でその粘度が急激に低下した。その原因は,キノイド体を経由する主鎖の切断であることを明らかにした。光学活性ポリアミドを合成するため,アンチ頭ー頭ウンベリフェロン二量体の光学分割法を確立した。次で,これと各種ジアミンとの開環重付加反応を試みたところ,反応は極めて円滑に進行し対応する光学活性ポリアミドが得られ,それらのうち幾つかは溶液中あるいはフィルム状態で高次構造を形成していることが分った。しかし,残念ながらキラル識別能はほとんど発現しなかった。これは,7位の水酸基による強い水素結合の結果と思われる。アンチ頭-頭クマリン二量体からの光学活性ポリマミド側鎖のカルバモイル化は、各種イソシアナ-トとの反応により容易に行うことができた。本反応は高分子反応であるにもかかわらず、高収率、高転換率で進行することを明らかにした。同様に、ブロモ酢酸アミド類との反応も容易に進行し、対応するアミドメチル化されたポリアミドが得られることを見出した。次いで、得られたポリアミドをジフェニルシラン処理した多孔性シリカゲルにコ-ティングしてHPLC用キラルカラムを調製し、そのキラル識別能を調べた。その結果、アミドメチル化ポリアミドは、ほとんどキラル識別能を示さなかったが、カルバモイル化ポリアミドは、無修飾ポリアミドでは分割できなかったラセミ体を分割することができ、両ポリアミドのキラル識別能は相補的であることが分った。アンチ頭-頭クマリン二量体とα、ω-アルカンジアミンから得られる光学活性ポリアミドのキラル識別能は、ジアミンのメチレン鎖に対して偶奇依存性がある。この要因を解明するため、X線回折、DSC測定を行い詳細に検討したところ、キラル識別能と結晶化度は相関があることが分った。すなわち、シリカゲル表面でのポリアミドに結晶性が認められる。メチレン鎖が偶数のポリアミドのみにキラル識別能が発現し、しかも結晶化度が高ければ高い程キラル識別能が向上した。本結果は、キラル識別能-結晶性-偶奇効果の関連を明らかにした最初の例である。アンチ頭-頭ウンベリフェロン二量体からの光学活性ポリアミドについて検討するに当り、まずラセミポリアミドを合成しその性質を調べた。

クマリン二量体からのポリアミドはアルカリ水溶液に安定であるのに対し、ウンベリフェロン二量体からのポリアミドはアルカリ水溶液中でその粘度が急激に低下した。そこでモデル化合物を用いて詳細に検討したところ、キノイドを経由する主鎖切断がその原因であることが分った。ラセミ体のアンチ頭ー頭ウンベリフェロン二量体の大量合成法について検討した結果,Oーアゼチルウンベリフェロンの光二量化後の再結晶溶媒として酢酸を使用すると,文献記載の収率と比べその収率は飛躍的に向上することを明らかにした。次に,得られたアンチ頭ー頭ウンベリフェロン二量体の光学分割について,種々検討を加えた。その結果,光学分割剤としてエリトロー2ーアミノー1,2ージフェニルエタノ-ルを用い,それとの開環付加反応によって合成したジアステルオジアミドをシリカゲルカラムクロマトグラフによって分離することによって,光学分割できることを見出した。得られた両ジアステレオマ-を酸性加水分解後酢酸中で再ラクトン化することによって,アンチ頭ー頭ウンベリフェロン二量体の両エナンチオマ-を得ることができた。光学活性アンチ頭ー頭ウンベリフェロン二量体と各種ジアミンとの開環重付加反応は,ラセミ体を用いたときと同様に極めて円滑に進行し,対応する光学活性ポリアミドが好収率で得られた。得られたポリアミドの構造を円二色性スペクトルを基に検討した結果,1,4ーフェニレンジアミンを構成成分とするポリアミドは,アンチ頭ー頭クマリン二量体と1,4ーフェニレンジアミンとのポリアミドと異なり,DMAc中でも高次構造を形成していることが明らかとなった。その他のポリアミドの溶液中あるいはフィルム状態での構造は,アンチ頭ー頭クマリン二量体からのポリアミドの構造と同じであることが分った。得られたポリアミドのキラル識別能について,これらのポリアミドをシリカゲル表面にコ-トしてHPLC用カラムを作成し評価した。しかし,残念ながらキラル識別能はほとんど発現しなかった。これは,7位の水酸基による強い水素結合の結果と考えられ,今後この7位の水酸基の化学修飾が必要と思われる。
ラットトレランスモデルを用いた肺移植におけるトレランス成立機序の研究

我々は、WKYをドナー、F344をレシピエントとしたラット肺移植モデルにおいてはトレランスが成立すること、また、このモデルの肺移植に発現されるサイトカインがTh2優位であることをこれまで報告してきた。このモデルにおいてトレランスが成立する理由の一つとしてWKYとF344の組織適合性か近いことが考えられるが、肺移植に臓器特異的に存在する何らかの因子が関与する可能性も考えられる。そこで、本研究においては、トレランスの成立に関して移植前脾細胞注入(DST)が、本モデルにどの様な影響を与えるかについて検討した。ラット肺移植トレランスモデル[DST(-)群]では、肺移植後、拒絶反応が術後23週間をピークに一旦進行した後、自然に消退して移植肺グラフトが正着するのに対して、DSTを移植3週間前に施行したDST(+)群では、拒絶反応は増強され、移植肺は術後7週間までに完全に拒絶された。移植肺内のサイトカイン発現をみると、DST(-)群ではTh2サイトカイン優位であったのに対し、DST(+)群では、Th1、Th2サイトカインが共に認められた。以上の実験結果より、WKYラットの抗原提示がF344ラットにおいて必ずしもトレランスを誘導する方向に機能するとは限らないことが明らかになった。従って、このモデルにおけるトレランスの成立には、組織適合性のみならず移植肺に特異的に関連する何らかの因子が関与する可能性が示唆された。また、トレランスが成立せず拒絶反応が進行したDST群ではTh1、Th2サイトカインが共に発現していたことから、Th2サイトカインの発現が必ずしもトレランスの成立に結びつかないことが示唆された。マイクロトーム、超低温冷凍庫、手術台、手術用スツールなどの機材を整え、マイクロ用手術機材を更新した。肺移植手技の練習後、現在、ラット肺移植を行い免疫染色用の肺検体をストック中である。また移植後長期生存を作りWKY->F344の肺移植での自然寛容、移植肺生着の確認を行っている。免疫染色に関しては、免疫染色の陽性コントロール、染色条件の設定などについての基礎的実験を行い、系統的な染色を行う準備を行っている。今後、検体が揃い次第、CD3、CD4、CD8から始めて順次、免疫染色を開始する予定である。我々は、WKYをドナー、F344をレシピエントとしたラット肺移植モデルにおいてはトレランスが成立すること、また、このモデルの移植肺に発現されるサイトカインがTh2優位であることを報告してきた。このモデルにおいてトレランスが成立する理由の一つとして、WKYとF344の組織適合性が近いことが考えられるが、移植肺に臓器特異的に存在する何らかの因子が関与する可能性も考えられる。そこで、本研究においては、移植前脾細胞注入(DST)が、本モデルにおけるトレランスの成立にどのような影響を与えるかについて検討した。DST(-)群では、肺移植後拒絶反応が術後23週間をピークに一旦進行した後、自然に消退するのに対し、DST(+)群では、拒絶反応は増強し、移植肺は術後7週間までに完全に拒絶された。移植肺のサイトカインの発現をみると、DST(-)群ではTh2サイトカイン優位であったのに対し、DST(+)群では、Th1、Th2サイトカインが共に発現していた。
多細胞体制藻類における原形質連絡の構造機能解析

<褐藻類におけるPDの微細構造解析・アルギン酸合成系タンパク質の機能解析>褐藻細胞壁におけるアルギン酸の分布について、シオミドロ(Ectocarpus siliculosus)を用いて、ポリクローナル抗アルギン酸抗体と金粒子標識アルギン酸リアーゼによる電顕下での標識実験を行った。その結果、抗アルギン酸抗体は細胞壁の内側の領域を強く標識するのに対し、アルギン酸リアーゼは細胞壁全体を均一に標識していることから、細胞壁には異なる分子構造を持つアルギン酸が局在している可能性が示唆された。そこで、構成糖であるマンヌロン酸(M)とグルロン酸(G)の構成比が異なるいくつかのアルギン酸ポリマー(poly M、poly MG、poly G)を用いて、抗アルギン酸抗体によるdot blot assayを行ったところ、抗アルギン酸抗体は、poly MGを強く認識し、次いでpoly Gを認識する一方、poly Mは全く認識しないことが示唆された。従って、前述の標識実験の結果と考え合わせると、細胞壁には分子内のMG配列が異なるアルギン酸が局在していると考えられた。このアルギン酸の局在パターンは、マンヌロン酸からグルロン酸への異性化反応を触媒するmannuronan C5-epimerase (MEP) familyの発現・局在パターンが関与している可能性が考えられた。そこで、シオミドロMEPのポリクローナル抗体を作製したが、うまくMEPを検出することができなかった。一方、シオミドロにおける、通常の電子顕微鏡観察・電子線トモグラフィー解析および免疫組織化学的解析により、褐藻の細胞壁は主に電子染色陽性の繊維状構造(alginate fibril)と電子染色陰性の繊維状構造(セルロース微繊維)から成ることを明らかにした。これを基に考えると、褐藻アミジグサ(Dictyota dichotoma)の細胞質分裂において、原形質連絡(PD)の前駆体構造(PPD)の外側側面に蓄積する電子密度の高い細胞壁成分は、アルギン酸であることが示唆された。以上の結果は、褐藻のPDが、アルギン酸合成と連関しているという本研究の仮説を支持するものと考えられる。(抄録なし)褐藻類におけるPDの微細構造解析これまで、シオミドロ培養株(32m)を始め、カヤモノリ目・コンブ目・ウルシグサ目・ヒバマタ目・アミジグサ目・クロガシラ目の褐藻類を用いて原形質連絡(PD)の電子顕微鏡観察を行った。褐藻類のPDは、一般的に直径10-20nmの細管構造であり、陸上植物のPDとは、(1)分岐を持たない、(2)内部に小胞体を持たないという点で大きく異なっていた。一方で、アミジグサを用いた観察では、PD内部にタンパク質様の構造が観察される点で、陸上植物と同様にPD内部のタンパク質が、PDを介した物質輸送の調節に関与する可能性が示唆された。また、PDは多列形成的な体制を持つものでは細胞壁中で高密度に集合する傾向が見られるのに対し、単列形成的な体制を持つものでは分散して存在していた。PDの存在とその配置は、細胞間の物質輸送に影響を及ぼし、複雑な多細胞体制を構築する上で重要な要素であったのではないかと考えている。アルギン酸合成系タンパク質の機能解析これまで、Mannuronan synthase(MAS)については、シオミドロのMAS遺伝子cDNAの塩基配列を基にエゾイシゲの受精卵からMASホモログのcDNAを単離し、受精卵の発生過程における定量リアルタイムPCRによるMASの発現解析を行った。この時、MASは受精直後(1時間)から発現が確認でき、その後発現量はほぼ一定であった。一方で、抗アルギン酸抗体を用いた間接蛍光抗体法による解析では、アルギン酸は受精後2時間ではっきりと検出されたことから、MASの発現との間にずれが見られた。カヤモノリ接合子を用いた間接蛍光抗体法による解析では、アルギン酸は接合直後(5分)から検出された。現在、カヤモノリにおいてもMASの発現解析を行っており、MASの発現と初期細胞壁合成の関係を考察する予定である。<褐藻類におけるPDの微細構造解析>アミジグサにおける電子線トモグラフィー解析において、(1)褐藻の原形質連絡は細胞質分裂に伴って形成され、初期細胞壁合成とリンクしていること、(2)原形質連絡は細胞壁中で集合して存在していること、(3)原形質連絡の内部には微細な構造が存在していることなどをまとめた論文が、英文誌Plantaに掲載された。現在、細胞壁多糖類の形成するネットワーク構造を含む細胞壁全体の詳細な構造についても、シオミドロにおける電子線トモグラフィー法による詳細な解析により明らかにしており、褐藻の原形質連絡・細胞壁に対する形態についての理解が深まるものと考えている。<アルギン酸合成系タンパク質の機能解析>これまで、アルギン酸合成経路に属する酵素群において、Mannuronan synthase(MAS)に対するウサギポリクローナル抗体を作製したが、特異性が低かった。従って、さらに抗体を新しく作製する必要があり、現在抗原を新たに調製中である。MASの酵素活性領域の組換タンパク質の発現は、大腸菌、昆虫細胞による発現系では毒性が強く発現が困難であることが示唆された。従って、無細胞発現系を用いて、in vitroでのMASの酵素活性等の解析を行うことを検討している。<綿胞壁タンパク質のプロテオミクス解析>シオミドロ培養株から細胞壁分画を取得し、質量分析(LC-MS/MS)により新奇細胞壁タンパク質を同定した。これらのドメイン構造を調べたところ、carbohydrate binding

WSC domainを持つものが多く見られた。WSCの分子機能の詳細は不明であるが、他の生物ではWSC domainは、多糖分解酵素に見られることなどから、褐藻におけるWSC domainは、細胞壁タンパク質の細胞壁への結合に関与している可能性が考えられた。<褐藻類におけるPDの微細構造解析・アルギン酸合成系タンパク質の機能解析>褐藻細胞壁におけるアルギン酸の分布について、シオミドロ(Ectocarpus siliculosus)を用いて、ポリクローナル抗アルギン酸抗体と金粒子標識アルギン酸リアーゼによる電顕下での標識実験を行った。その結果、抗アルギン酸抗体は細胞壁の内側の領域を強く標識するのに対し、アルギン酸リアーゼは細胞壁全体を均一に標識していることから、細胞壁には異なる分子構造を持つアルギン酸が局在している可能性が示唆された。そこで、構成糖であるマンヌロン酸(M)とグルロン酸(G)の構成比が異なるいくつかのアルギン酸ポリマー(poly M、poly MG、poly G)を用いて、抗アルギン酸抗体によるdot blot assayを行ったところ、抗アルギン酸抗体は、poly MGを強く認識し、次いでpoly Gを認識する一方、poly Mは全く認識しないことが示唆された。従って、前述の標識実験の結果と考え合わせると、細胞壁には分子内のMG配列が異なるアルギン酸が局在していると考えられた。このアルギン酸の局在パターンは、マンヌロン酸からグルロン酸への異性化反応を触媒するmannuronan C5-epimerase (MEP) familyの発現・局在パターンが関与している可能性が考えられた。そこで、シオミドロMEPのポリクローナル抗体を作製したが、うまくMEPを検出することができなかった。一方、シオミドロにおける、通常の電子顕微鏡観察・電子線トモグラフィー解析および免疫組織化学的解析により、褐藻の細胞壁は主に電子染色陽性の繊維状構造(alginate fibril)と電子染色陰性の繊維状構造(セルロース微繊維)から成ることを明らかにした。これを基に考えると、褐藻アミジグサ(Dictyota dichotoma)の細胞質分裂において、原形質連絡(PD)の前駆体構造(PPD)の外側側面に蓄積する電子密度の高い細胞壁成分は、アルギン酸であることが示唆された。以上の結果は、褐藻のPDが、アルギン酸合成と連関しているという本研究の仮説を支持するものと考えられる。PDを介した細胞間物質輸送の可視化これまで、シオミドロ、アミジグサ等を用いて、細胞に小さな傷をつけることにより蛍光トレーサーの導入を試みたが、依然導入には成功していない。アルギン酸合成系タンパク質の機能解析これまで、アルギン酸合成経路に属する酵素群において、Mannuronan synthase(MAS),Mannuronan-C5-epimerase(MAE)に対するペプチド抗体を得て、ウエスタンブロッティング・間接蛍光抗体法による特異性の検定を行ったが、いずれも高い特異性が見られなかった。
パイロクロア物質群における磁気単極子がもたらす新しい量子状態・現象の理論的研究

パイロクロア酸化物において、仮想モノポールがもたらす新しい量子相・現象を解明した。希土類磁気モーメントが量子磁性を担う量子スピンアイス系に対して、磁化のモノポールが局在した古典スピンアイスから、量子ダイナミクスを示す量子スピン液体への、連続的クロスオーバーを理論的に検証した。広範な実験結果を量子スピンアイス模型に基づいて解析し、Yb2Ti2O7とTb2Ti2O7が、モノポールがボーズ凝縮したHiggs閉じ込め秩序相に位置することを示した。第一原理計算から、常磁性半金属Pr2Ir2O7と反強磁性絶縁体Y2Ir2O7の電子構造、および、逆格子空間でのモノポールであるワイル点の出現条件を解明した。パイロクロア格子を構成する希土類元素(PrやYbなど)の磁気モーメントに由来した量子スピンアイスと呼ばれる磁性体群は、極低温において通常の磁性体とは極めて異なる磁気的性質を示す。特に、磁化の単極子を運ぶスピノンと呼ばれる準粒子が、仮想的「光子」を輻射しながら磁荷に対するクーロン力によって相互作用する、磁気秩序を示さない量子スピン液体状態は、特筆すべき新しい物質状態である。また、この系における磁気秩序状態も、スピノンがボーズ凝縮し、Anderson-Higgs機構によって「光子」がエネルギーギャップを持ったスピノンのHiggs相として記述され、非自明な励起スペクトルを示す。この量子スピンアイス系に対する最も簡単な理論模型を、改良されたループアルゴリズムに基づいた量子モンテカルロ法を用いて解析した。その結果、スピノンが閉じ込めから解放されたスピン液体領域と、Higgs機構により閉じ込めが起こった秩序状態の間の1次相転移を極低温で観測し、さらに昇温とともに、比熱に2つピークが出現する。スピノンが閉じ込められる長さスケールが減少し、コヒーレンスを失った高温領域へのクロスオーバーを観測した。これらの結果は、ゲージ理論に基づいたスレーブローター法と呼ばれる手法を用いた解析から定性的に説明される。また、計画していたSchwingerボソン法を用いた解析は、いくつかの条件下でスレーブローター法の解析に帰着されることが分かった。非自明なトポロジーを示すと期待されているパイロクロアIr酸化物に対する、有効ハバード模型の解析がカナダのグループで行われた。そこで、我々は電子相関を部分的に取り込んだLDA+U法に基づいた第一原理電子構造計算を、Ir系とRh系に対して、物質に即して格子定数を変化させながら実施した。その結果、一様圧力下でトポロジカル絶縁体状態と強磁性状態が安定になることが分かった。パイロクロア酸化物R2M2O7(R:希土類、M:遷移金属)のうち、量子スピンアイスと呼ばれる物質群に属するYb2Ti2O7に対して、古典的(1/N)展開法による有効模型の解析から、偏極中性子散乱実験を説明する論文を出版した。また、同じく量子スピンアイス物質群と見なされるPr2Zr2O7に対し、ゲージ理論による基底状態相図を構築した論文を出版した。また、有限温度の計算に適した古典的(1/N)展開法の解析を、基底状態の計算に適したSchwinger boson法に拡張した。ゲージ理論による基底状態の計算と定性的に符合する結果を得ている。特に、絶対零度でのU(1)ゲージ構造・トポロジカル秩序と磁気単極子励起子をもたらす磁気クーロン液体、磁気単極子励起子のボーズ凝縮相(磁気秩序相)を得た。また、イリジウム酸化物R2Ir2O7から第一原理的に導いた単一軌道強束縛近似模型において、2つの結晶変数(格子定数と酸素位置を決める変数)に対するバンド変数の依存性を系統的に明らかにした。さらにこの模型に、オンサイトクーロン斥力、及び、他の軌道の効果によって生じるリング交換相互作用の両方を取り組んだ模型を導出した。そして、この模型の強結合極限において、許される磁気秩序状態を平均場近似で調べ、磁気空間群で分類した。さらに、その磁気秩序状態の幾つかの場合に対してトポロジー構造を調べ、量子化された縦電気磁気効果とアクシオンをもたらすZ2トポロジカル磁気絶縁体、量子ホール効果を示すU(1)トポロジカル強磁性絶縁体、を与える平均場近似解を見出した。パイロクロア格子構造をもつ希土類(Pr, Yb, Tbなど)局在磁性体は、量子スピンアイス系と呼ばれ、磁化の単極子(モノポール)が量子性を担って物質中を運動していると考えられてきている。我々は、その最も基本的な理論模型に対して、量子モンテカルロ計算を行い、熱力学量、中性子散乱スペクトルの温度依存性を世界で初めて詳細に明らかにした。降温とともに、まず、Paulingの残留エントロピーと双極子的磁気相関で特徴づけられる古典スピンアイス領域にクロスオーバーをする。さらに冷却すると、エントロピーを徐々に解放し、量子スピンアイス領域にクロスオーバーする。そこでは、モノポールが量子的運動エネルギーをもち、基底状態において擬光子を生成するために必要なゲージ場のコヒーレンスの発達が磁気相関プロファイルから確認された。量子スピンアイス領域でのスピン相関は擬光子による寄与だけでなく、希薄なモノポールの相関による寄与が残ることが分かった。Yb2Ti2O7における非弾性中性子散乱スペクトルを説明する理論の構築、Tb2Ti2O7の中性子散乱・磁化率等を説明する理論模型パラメータの導出に成功した。パイロクロア・イリジウム酸化物に対して、前年度までの相対論的局所スピン密度近似LSDA

法による第一原理電子状態計算を発展させて、オンサイトクーロン相互作用による強い電子相関の効果を取り込んだLSDA+U法の計算を行った。その結果、Pr2Ir2O7は反強磁性相に近い常磁性半金属となり、Y2Ir2O7は正四面体頂点上のイリジウム磁気モーメントが0.5ボーア磁子ほど中心を向いて秩序化した、電荷ギャップの小さな反強磁性絶縁体となる、という実験結果を理論的に説明することに成功した。また、常磁性半金属相と反強磁性絶縁体相の中間には、Weyl点をもった反強磁性半金属相が出現することを検証した。パイロクロア格子構造をもつ希土類(Pr, Yb, Tbなど)局在磁性体は、量子スピンアイス系と呼ばれ、磁化の単極子(モノポール)に起因した量子揺らぎが極低温磁性を左右する。我々は、その最も基本的な理論模型において、その古典スピンアイス領域から冷却とともに、氷のエントロピーを徐々に解放した量子スピンアイス領域にクロスオーバーすることを世界で初めて数値的に検証した量子モンテカルロ計算の論文をPhysical Review Letters誌に出版した。また、Tb2Ti2O7に対する実験結果の解析から、この物質の極低温磁性が我々の量子スピンアイス模型によってよく記述されることを示した論文もPhysical ReviewLetters誌に出版されることとなった(2016年5月掲載予定)。これらの成果に対して、プレスリリースを行った。Yb2Ti2O7における非弾性中性子散乱スペクトルを説明する理論について日本、アメリカ物理学会などにおいて講演した。パイロクロア・イリジウム酸化物の相対論的局所スピン密度近似LSDA+U法に基づいた第一原理電子状態計算から、Pr2Ir2O7が反強磁性相に近い常磁性半金属であり、Y2Ir2O7では0.5ボーア磁子のイリジウム磁気モーメントが正四面体の中心を向いて秩序化した反強磁性絶縁体である、という実験結果を理論的に説明する論文をJournal of Physical Society of Japan誌に出版した。また、希土類元素をNd,Sm,Euと置換した場合における系統的な電子状態の変化、特に金属絶縁体転移を与えるクーロン相互作用Uの臨界値が減少することを、同じく第一原理計算から明らかにし、日本物理学会において講演した。パイロクロア酸化物において、仮想モノポールがもたらす新しい量子相・現象を解明した。希土類磁気モーメントが量子磁性を担う量子スピンアイス系に対して、磁化のモノポールが局在した古典スピンアイスから、量子ダイナミクスを示す量子スピン液体への、連続的クロスオーバーを理論的に検証した。広範な実験結果を量子スピンアイス模型に基づいて解析し、Yb2Ti2O7とTb2Ti2O7が、モノポールがボーズ凝縮したHiggs閉じ込め秩序相に位置することを示した。第一原理計算から、常磁性半金属Pr2Ir2O7と反強磁性絶縁体Y2Ir2O7の電子構造、および、逆格子空間でのモノポールであるワイル点の出現条件を解明した。投稿中の論文、特に、量子スピンアイスに実験との共著論文の出版がずれ込んでいるが、その他は当初予定していた研究計画はほぼ完遂した。物性理論研究計画はほぼ完遂しているため、研究成果に関する投稿論文の出版に尽力する。
固体表面に吸着した分子の光誘起による反応ダイナミックスの研究

本年度は,主に以下の研究を行った.・Pt(111)表面に共吸着したNOとO_2間の酸素交換反応Pt(111)表面にN^<16>Oと^<18>O_2を低温(85K)で吸着させて昇温すると同位体酸素交換反応が進行し、N^<18>Oと^<16>O^<18>Oの脱離が観測された。この反応は反応前後での吸着分子の化学組成が変化しないので、吸着酸素の反応性を調べるには都合のよい反応である。昇温脱離スペクトル(TPD)を測定すると、155Kで^<16>O^<18>Oが分子状脱離するが、これ以前の145KでN^<18>Oの脱離が観測されることから、低温でO_2およびNOは解離過程を経ずに同位体交換反応が進行することがわかった。さらに、赤外反射分光によって、この共吸着系を調べると低温での交換反応は分子状酸素が反応に関与しており、高温での交換反応は周期構造をとっていない原子状吸着酸素が関与していることがわかった。・吸着メタンの紫外光による活性化40KでCH_4をPt(111)表面に吸着させ、昇温脱離スペクトルを測定すると70Kですべて分子状脱離する。しかし、この表面に紫外光(λ=193nm)を照射すると、68Kと260Kに脱離ピークが見られた。これらのピークのうち、260Kの脱離ピークは表面に吸着しているCH_3とHの間の再結合によって生じたCH_4であることがわかった。すなわち、193nmの紫外光によってPt表面に吸着したCH_4のCH結合が活性化される。この事実は、気相のCH_4の光吸収がVUV領域であることを考えると、興味深い結果である。また、光脱離種に関して飛行時間分析を行ったところ、脱離成分の脱離角依存性は表面に垂直方向に鋭い分布であり、再結合脱離の脱離角依存性と類似していることがわかった。このことは、光照射中に再結合を起こしている可能性が示唆されるが、これに関しては現在も研究中である。
共鳴イオン化分光による宇宙線生成同位体の検出

「共鳴イオン化分光による宇宙線生成同位体の検出」の研究に関し、研究代表者は、研究分担者及び他の共同研究者と協力して下記の事項について行った。(1)(共鳴イオン化分光用の超高真空チェンバーの製作、(2)中性原子ビーム源の開発(a)パルスシヒーティング法(b)レーザーアブレーション法(3)2段階加速静電レンズの製作とTOFスペクトルの質量分解能の改良(4)共鳴イオン化分光法によるMo安定同位体の分離および同位体シフトの測定本研究課題に関する重要な成果は次の通りである。中性原子ビーム源に関してはパルスヒーティング法およびレーザーアブレーション法を用いることで、試料の形態や元素の物理的特性に対応できること、2段階加速静電レンズによってTOFスペクトルの質量分解能を色素レーザーの線幅(1GHz)にまですることができた。いまだ最終目的には達していないが、^<92-100>Moの同位体シフトを測定することができ、本研究課題を達成するための見通しと十分なる知験を得ることができた。なおこれらの研究成果の詳細の一部はすでに論文として発表したものもあるが、ひきつづき逐次その成果を発表する予定である。本研究は我々が今日まで行ってきた共鳴イオン化分光法(Resonance Ionization Spectroscopy;RIS)による超高感度な元素検出に関する研究成果を基に、宇宙線生成同位体の検出にチャレンジしようとするものである。この分野でレ-ザ-技術、なかんずくRISが使われた報告はまだなく、目的とする同位体は^<26>Alである。今回科研費交付の年限(2年)において、本研究はRare Cosmogenic Isotopesの検出に関する予備的な段階である。研究計画に即した本年度の研究実験以下の通りである。研究計画に基づいて、本年度は主に装置の製作にあてた。(1)共鳴イオン化分光用の超高真空チェンバ-の製作本研究用に超高真空チェンバ-(<10^<-5>Torr)を製作する必要がある。そのため、備品として真空チェンバ-本体およびタ-ボ分子ポンプを本科研費補助により購入した。また本製作に当たって、バルブ等の真空関連部品および鋼材類を購入したが、これらは科研費の消耗品費、及び一部は校費より充当させた。(2)共鳴イオン化の検出方法として、飛行時間・質量分析法(TOFMS)に、イオン・電子同時計測法を組み合わせる。そのために、ドリフトチュ-ブおよび静電レンズを製作した。(3)原子ビ-ム源(イオン源)の選択と製作。共鳴イオン化分光を行なうためには中性原子ビ-ムを作らなければならない。われわれは最近Thermal Heating法の短所を改善して、金属フィラメントをパルス的に加熱して蒸気化する方法を開発した。これらを用いた今年度の実験結果としてRISによるMoの安定同位体の分離を行って、92,94,95,96,97,98,100の分離が観測でき、その質量分解能はM/△M=350に達し、^<26>A1検出の見通しを立てることが出来た。本研究課題「共鳴イオン化分光による宇宙線生成同位体の検出」は共鳴イオン化分光法(Resonance Ionization Spectroscopy;RIS)によって同位体選択的に極超微量の宇宙線生成同位体・^<26>A1の検出を目指している。昨年度の研究実績、(1)共鳴イオン化分光用の超高真空チェンバーの製作、(2)2段階加速静電レンズの製作、(3)パルスヒーティング法による中性原子ビーム源の製作、(4)実験結果としてMoの安定同位体の分離の観測、に引き続き本年度は以下のことを行った。(1)Nd:Yagレーザーを用いたレーザーアブレションのための、中性原子ビーム源の製作(2)アブレーション温度の推定の次の2通りの方法によって行った(a)電子顕微鏡によるアブレーションの気泡の観察より(b)原子ビームの速度分布の測定から(3)製作した2段階加速静電レンズを使ったTOFスペクトルの質量分解能の改良(4)Mo安定同位体の同位体シフトの測定

レーザーアブレーションによる原子ビームの生成の推定温度は(2)の(a) (b)いずれの場合も5000k6000kであった。従って、この方法によりRIS用の原子ビーム生成が可能であることがわかった。また2段階加速静電レンズによってTOFスペクトルの質量分解能を色素レーザーの線幅(1GHz)にまですることができた。いまだ最終目的には達していないが、^<92-100>Moの同位体シフトを測定することができ、本研究課題を達成するための見通しと十分なる知験を得ることができた。
骨粗鬆症治療薬としてのカルシトニンと副甲状腺ホルモンの作用機構・動態・相互作用

骨粗鬆治療薬としてのsalmon calcitonin(sCT)とhuman parathyroid hormone誘導体hPTH(1-34)の作用機構・動態・相互作用について調べた。(1)骨粗鬆症治療作用:ovariectomy(OVX)-およびsteroid-induced骨粗鬆症rat modelで治療効果の用量-反応関係を組織形態学的計測と骨強度測定で評価し、sCTの20U/kg,s.c./5days/weekとhPTH(1-34)の10μg/kg,s.c./5days/weekの8週間授与で同等の治療効果(約60-65%の骨量回復)を得た。(2)動態・相互作用:sCT、hPTH(1-34)、rat PTHとrat osteocalcinそれぞれについて超高感度ELISAを開発し、sCTの骨粗鬆症治療量投与時におけるrat血中PTHの動態を調べ、sCTの治療作用にrat内因性PTHの関与について検討し、sCT作用の一部が内因性PTHに由来する可能性を認めた。(3)作用機構・新展開I:骨代謝担当細胞の破骨細胞(OC)と造骨細胞(OB)を用いてin vitroの作用を調べた。hPTH(1-34)はrat OCのpit形成能を異常に亢進させる反面、sCT感受性を約1/16に低下させること、cytokinesに対する反応性の比較から、その性格付けを行った。また、rat骨髄由来OBによる骨形成系を確立し、hPTH(1-34)のin vivo骨形成促進作用をin vitroで再現することを試行したが、hPTH(1-34)はin vitroではOBのnodule形成を一義的に抑制することを認めた。このin vitro骨形成系で、培養に用いるFCS中に骨形成抑制因子と骨形成促進因子の存在を示唆する意外な発見があり、これら因子の同定実験が進行中である。(4)新展開II:臨床で骨代謝指標(骨粗鬆症患者で上昇)として汎用される尿中deoxypyridinoline(D-Pyr)の日内排泄パターンにおいて、正常♀ratでは日内リズムが検出されないが、OVX後に明時で低く暗時に上昇するリズムが出現すること、また、治療量のsCT投与は予期に反して尿中排泄量を増加させ、血中含量は低下させることを見いだした。SCTの排泄増加作用の機構解明と骨吸収指標としての尿中D-Pyrの信頼度に関する一連の再評価試験に発展した。実験1:骨粗鬆症(OP)ratmodelにおけるサケCT(以下sCT)とヒトPTH(1-34)(以下hPTH(1-34))の有効量を決定するため、骨の力学的強度が低下した2種類のOPモデルを作成し、骨量と骨強度の回復を指標に用量-作用関係を調べた。

骨量と骨強度の間には回復度に若干の差異があったが、sCTでは20∪/kg,s.c.5days/weekの8週間投与で約60%の回復、hPTHでは10μg/kg,s.c./5days/weekの8週間投与で約65%回復し、相互作用の検討に適した用量とした。実験2:ratPTH(1-34)(以下rPTH(1-34))の高感度・特異的な酵素免疫測定法の開発では、まず、rPTH(1-34)のN端部、中央部とC端部を認識する各種抗体を作成し、これら抗体を組合せた2点結合酵素免疫測定法に関する予備的実験を経て、最終的にN端部とC端部を組合せた2点結合酵素免疫測定法(感度=>5pg/ml)の測定法を構築した。実験3:hPTH(1-34)による小型骨吸収活性細胞(S)の誘導条件とSのホルモン感受性を検討し、培養骨髄細胞からSの誘導に必要なhPTH(1-34)(>0.1nM)濃度や培養時間などの条件を決定し、既知の骨吸収刺激因子について比較を行った。Calcitriol(1μM)の刺激作用はTNFαとIL-1βには認めなかった。SのCT感受性(EC_<50>=24pM)は、hPTH非存在下で測定した成熟破骨細胞(OC)のCT感受性(EC_<50>=1.5pM)の約1/16で、発現しているCT反応機構の差異を示唆する結果を得た。Sの骨吸収活性はIFN-γで選択的に抑制された。骨粗髭症治療薬としてのカルシトニン(CT)と副甲状腺,ホルモン誘導体(PTH)の作用機構・動態・相互作用について調べた。(1)動態・相互作用:平成9年度に開発したサケCT(sCT)とrat PTH(1-34)両者の超高感度ELISAを用いて、sCTの骨粗髭症治療量投与時におけるrat血中PTHの動態を調べ、sCTの治療作用におけるrat内因性PTH関与について検討し、sCT作用の少なくとも一部が内因性PTHに由来する可能性を示唆する結果を得た。(2)作用機構・新展開I:骨代謝担当細胞の破骨細胞(OC)と造骨細胞(OB)に対するsCT.とPTH(1-34)のin vitro作用について調べた。hPTH(1-34)はrat OCのpit形成能を異常に亢進させる反面、sCT感受性を約1/16に低下させること、IFN-γ、TNF、IL-1 βなどサイトカイン類に対する反応性の比較から、その性格付けを行った。一方、骨形成系に関する研究では、ラット骨髄由来OBによる骨形成系(nodule形成とCa沈着を指標)を確立し、hPTHの骨形成促進作用をinvitroで再現する目的で、多様なhPTHの作用様式(濃度・作用期間・作用時間など)で検討したが、hPTH(1:34)はin vitroでは.OBのnodule形成を一義的に抑制することを認めた。このOBを用いるin vitro骨形成系で、培養に用いるFCS中に骨形成抑制因子と骨形成促進囚子の存在を示唆する結果を得て、これら因子の同定実験に発展している。(3)新展開II:臨床で骨代謝指標(骨粗髭症患者で上昇)として汎用されている尿中deoxypyridinoline(D-Pyr)排泄の日内パターンにおいて、正常雌性ratで日内リズムは検出されないが、卵巣摘出後に明時で低く暗時に上昇するリズムが出現すること、また、治療量のsCT投与は尿中排泄量を増加させ、血中含量は低下させることを見いだした。この発見は、(a)sCTの排泄増加作用の機構解明と(b)尿中D-Pyrの骨吸収指標としての信頼度の再評価のための実験(進行中)に発展した。
歯周病原性細菌代謝産物によるT細胞の細胞周期調節機構

1.酪酸を作用させ培養したヒトT細胞(PBMC及びJurkatTリンパ球細胞株)をPI染色しFACScanにかけて細胞周期を解析した。2.5mM以上の濃度の酪酸添加でCell cycleのG1期での停止が認められた。2.細胞周期の進行における酪酸添加の影響をJurkat細胞を用いWB法にて経時的に解析した。高濃度酪酸添加24h後、G1初期のCyclin D3の発現低下が認められたがCyclin D1及びD2,更にサイクリン依存性キナーゼCdk4及びCdk6の発現に変化は認められなかった。また、Cdk4及びCdk6の特異的阻害剤であるp16及びp18の発現増加も認められなかった。一方、G1→S期移行期に活性化するCyclin E及びCyclin Aに対しては、酪酸添加により経時的な減少が認められ、更にそれらの依存性キナーゼであるCdk2の発現低下も経時的に認められた。Cdk-サイクリン複合体の阻害剤であるp21^<CIP1/WAF1>の発現変化はJurkat、Hela及びKB細胞において高濃度酪酸添加により発現増強が認められた。酪酸はまたG2→M期移行期に活性化するCyclin A及びCyclin Bの発現を経時的に低下したが、それらの依存性キナーゼであるCdc2に対しては影響を示さなかった。3.T細胞中のアポトーシス関連遺伝子並びに細胞周期関連遺伝子発現の増減をDNAマイクロアレイを用いて比較検討した。高濃度酪酸刺激によりBax,Bad,Bakの亢進、Bcl-2の低下、ERKの低下やJNKの亢進、抗酸化作用に働くグルタチオンの低下、Caspase-3,-6,-7,-8,-9酵素群の活性化が認められた。以上の結果から酪酸で誘導されるT細胞アポトーシスはCDKインヒビターp21KIP1/WAF1発現の増加と関連するCdk2-CyclinE及びCdk2-CyclinAの低下を介した細胞周期の停止を伴うものと推測された。1.0.31-5mMの酪酸を作用させ培養したヒトT細胞(PBMC及びJurkatTリンパ球細胞株)をPI染色しFACScanにかけて細胞周期を解析した。2.5mM以上の濃度の酪酸添加でアポトーシス期細胞の増加並びにCell cycleのG1期での停止が認められた。2.細胞周期の進行における酪酸添加24hの影響をWBにより解析した。CDKインヒビターであるp21^<CIP1/WAF1>発現はJurkat及びPBMCいずれにおいても酪酸添加による差が認められなかった。一方、酪酸でアポトーシスを誘導しない結腸腺癌細胞WiDrや骨肉腫細胞MG63においては酪酸添加によりp21^<CIP1/WAF1>の発現増強が認められた。このことから、酪酸誘導アポトーシスにはp21^<CIP1/WAF1>の関与は無いものと考えられる。一方、酪酸添加によりG1初期のCyclinD1-サイクリン依存性キナーゼCdk4,G1-S期移行期のCyclinE-Cdk2,S期のCyclinA-Cdk2の発現低下が認められた。更に、酪酸添加によりp21^<CIP1/WAF1>以外のCDKインヒビターであるp27^<KIP1>

発現の増加が認められたが、p16^<INK4a>及びp15^<INK4b>の増加は顕著ではなかった。これらの結果はRT-PCR解析においても確認された。また、Kinase活性を免疫沈降により測定したところ、CyclinD,Eの低下及びCDK2,CDK4の低下がWBと同様に認められた。1.前年度に引き続き、細胞周期の進行における酪酸添加の影響をJurkat細胞を用いWB法にて経時的に解析した。高濃度酪酸添加24h後、G1初期のCyclin D3の発現低下が認められたがCyclin D1及びD2,更にサイクリン依存性キナーゼCdk4及びCdk6の発現に変化は認められなかった。また、Cdk4及びCdk6の特異的阻害剤であるp16及びp18の発現増加も認められなかった。一方、G1→S期移行期に活性化するCyclin E及びS期に活性化するCyclin Aに対しては、酪酸添加により経時的な減少が認められ、更にそれらの依存性キナーゼであるCdk2の発現低下も経時的に認められた。Cdk-サイクリン複合体の阻害剤であるp21^<CIP1/WAF1>及びp27^<KIP1>の発現変化はJurkat細胞では認められなかったが、HelaやKB細胞では高濃度酪酸添加により発現増強が認められた。酪酸はまたG2→M期移行期に活性化するCyclin A及びCyclin Bの発現を経時的に低下したが、それらの依存性キナーゼであるCdc2に対しては影響を示さなかった。2.低濃度(細胞増殖)及び高濃度(アポトーシス)酪酸添加における、Bcl-2及びFasの動向をフローサイトメトリーにて解析した。低濃度酪酸添加は、Bcl-2及びFasの発現に影響を及ぼさなかったが、高濃度酪酸添加は、Fasの発現に影響を与えなかったもののBcl-2の発現を著しく抑制した。3.低濃度酪酸処理群と高濃度酪酸処理群との間における、T細胞中のアポトーシス関連遺伝子並びに細胞周期関連遺伝子発現の増減をDNAマイクロアレイを用いて比較検討した。高濃度酪酸刺激によりBax, Bad, Bakの亢進、Bcl-2の低下、ERKの低下やJNKの亢進、抗酸化作用に働くグルタチオンの低下、Caspase-3,-6,-7,-8,-9酵素群の活性化が認められた。
複雑適応系としての都市景観の美的秩序とそのデザインに関する記号学的研究

都市景観はミクロなデザイン行為の集積によって漸進的に変容していくものであり、新たなデザインの妥当性はマクロなレベルに美的秩序が生成されているかどうかにかかっている。その意味で、都市景観を「複雑適応系」とみなすことは、都市景観の美的秩序を分析する上で、きわめて有効な視点を与える。本研究では、複雑適応系としての都市景観の美的秩序とそのデザインの方法論について、次のような研究成果を得た。1.都市景観を複雑適応系とみなすことができることを記号学的視点から明らかにした。2.歴史都市・京都の都市景観を事例として、ミクロな要素の集合からなる街並みが、マクロなレベルで創発的な美的秩序を生成する状況を、多角的な視点から明らかにした。記号論的分析とともに、地理情報システムGISや景観シミュレーション手法を活用した分析を展開している点に特徴がある。3.現代都市・東京の都市景観から、代官山のヒルサイドテラスをとりあげ、35年の歳月をかけて漸進的に成長をとげてきた街並みに組み込まれた多様なデザイン原理を抽出した。4.ミクロな要素のインタラクションを誘導する上で、公共性の観点がきわめて重要な役割を果たすことが予想されるが、それを社会資本の概念を導入して考察した。5.都市化のプロセスを空間の自己組織化という視点から分析するために、ミクロな要素のインタラクションから、マクロな空間のパターンが創発的に現れてくることを示すミュレーションモデルを構築した。以上の分析をふまえて、ミクロな要素の組合せから自己組織的にマクロな都市景観の美的秩序を創り出すプロセスについて考察し、複雑適応系としての都市景観の美的秩序のデザイン原理の一端を明らかにした。伝統的な都市景観の魅力は、様々な要素が互いに類似しながら、それぞれに個性を発揮できるような「類似と差異のネットワーク」が縦横に組み込まれているところから生じる。しかし、現代都市では、そのような都市景観の美的秩序(aesthetic order)が次々に失われている。本研究では、都市景観の美的秩序を探求することを目的として、次のような課題について研究を展開した。1.都市景観の美的秩序・空間的秩序に関する現地調査とその記号論的分析(1)京都・都心部の職住共存地区(特に,御池通り四条通り、堀川通り河原町通りで囲まれた4つの街区)における町家、マンション、駐車場の現地調査を行った。その結果、伝統的町家が次々に姿を消し、マンションの建設が進み、都市景観もコミュニティも崩壊の危機に瀕していることが判明した。2.都市景観の美的秩序の複雑適応系としての把握(1)任意の数に分割できるグリッドからなる仮想都市を想定し、その中に数種類の要素がランダムに分布している状態から出発して、各要素がその周辺の要素との関係に応じて移動するというルールを設定してシミュレーションを行うと、創発的な空間パターンが姿を現す自己組織化現象を観察できた。(2) 1.で得られた町家、マンション、駐車場の空間分布を対象として自己組織化のメカニズムについて考察を進めている段階である。この問題の詳細な検討は、次年度の中心的な研究課題となる。都市景観はミクロなデザイン行為の集積によって漸進的に変容していくものであるから、新たなデザインの妥当性はマクロなレベルに美的秩序が生成されているかどうかにかかっている。本年度は、歴史都市・京都の街並みと現代都市・東京のモダンな街並みを対象としたケーススタディをもとに、複雑適応系としての都市景観の美的秩序とそのデザインの方法論についての知見をまとめた。

1.京都都心部の歴史的街区、伝統的建造物群保存地区、山裾や水路沿いの風情のある町並み、ミニ開発が進む郊外の住宅地などを対象に、京都の都市景観がどのように変貌しているか調査し、そこで得られたデータをもとに、地理情報システム(GIS)およびハイパーメディアを活用して、都市景観のデータベースを作成することにより、京都らしい都市景観の美的秩序の記号論的分析を展開した。2.比較のために、東京・代官山で30年の歳月をかけて漸進的に形成されたヒルサイドテラス(設計:槇文彦)の街並みについて、現地調査と設計者へのインタビューをもとに、多様なデザイン原理を抽出した。3.これまでに開発してきたコンピュータを援用した景観分析システムの機能を拡張し、構成要素の置換・変形・重合せ、色彩やテクスチャーの変化を行うシミュレーション手法を開発することにより、有限の要素とその組合せから、都市景観の美的秩序が生成される可能性を示すことができた。4.以上の分析をふまえて、ミクロな要素の組合せから自己組織的にマクロな都市景観の美的秩序を創り出すプロセスについて考察した(セル・オートマトン、遺伝的アルゴリズム、フラクタル幾何学等の援用)。