hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
高機能拡張ナノ化学システムのための近接場光化学プロセスの確立

しかし、拡張ナノ空間は光の波長よりも小さな空間であり、技術的に非常に困難な空間である。そこで、本研究ではナノ構造体の周りに生成して、回折限界以下のサイズである近接場光に着目して、トップダウン加工やボトムアップ加工と組み合わせることで、拡張ナノ流体デバイスの光化学プロセスをはじめて創成した。本成果は、拡張ナノ空間を利用した単一細胞分析デバイスなどに大きく貢献すると考えられる。当初の目的である拡張ナノ空間内の部分修飾反応を実現して、学術論文として投稿することができた。さらに当初計画していた検出法への応用においても、50nmという近接場光だけで構成される空間での分子検出に成功しており、来年度に向けた基盤技術を確立できた。27年度が最終年度であるため、記入しない。分析化学、マイクロ/ナノ流体デバイス来年度は検出法の開発に注力する。50nmサイズの近接場だけの空間での熱レンズ検出に成功しているので、この空間にナノ構造体(ピラー)を構築して近接場光を発生させれば、可視光で紫外吸収物質を検出することが期待される。通常のレーザー分光では紫外光源は高価で扱えるマイクロチップの材料も限定されるため、可視光で紫外吸収分光を実現できることの意義は大きいと考える。初年度の計画とした、下記2項目を十分に達成した。(1)近接場光効果を誘起するための加工法の確立(基盤技術)(2)作製した構造により近接場光効果を誘起できることの実証(原理実証)27年度が最終年度であるため、記入しない。予定通り基金で使用したが当初の見積もりとの差により少額の差(8368円)が生じた。今後は構造の最適化により、近接場光効果の向上を目指す。また、TiO2の光触媒効果を利用した応用(計測)などへ展開する。上記少額については次年度の試薬の購入に充てる。近接場分光に使用するナノピラーサイズの条件について、100nm未満の条件がよいことが実験から判明したが、加工条件の検討に時間がかかるため、この加工費用については次年度に持ち越し、最適な条件を探索することとした。条件検討用マイクロ・ナノ加工費一式:約60万円(レジスト、ガラス基板、クロムスパッタリングなど)
非線形放物型方程式に対する解の精度保証付き数値計算理論の研究

世の中の自然現象を数学問題にモデル化すると偏微分方程式と呼ばれる未知関数の微分に関する関係式が頻出する。これを数学的・数値的に解いて未知関数を特定することが自然科学の分野での研究対象となる。本研究では、固体燃料の燃焼理論や生物増殖の数理モデルなどで現れる非線形放物型方程式と呼ばれる偏微分方程式のクラスに対して、その初期値境界値問題の解が数値計算で得られた近似解の近傍に存在する、あるいは存在しない事を、数値計算によって証明する計算機援用手法を開発した。これは精度保証付き数値計算と呼ばれ、微分方程式の数学解析に対する現代的なアプローチとして注目を集めている。本年度の成果は主に以下の2つである.1つ目は非線形放物型方程式に対する解の精度保証付き数値計算理論を構築するために,解析半群を用いた不動点定式化を利用してある時間区間において数値解の近傍に解が局所一意存在することを示す計算機援用手法を確立した.そして解の存在が示す事ができる時間区間を延長するための解の連結スキームを提案し,初期時刻から所望の時刻までの解の存在検証を数値的に検証する手法を確立した.具体的には,数値計算によって得られた近似解の近傍において,適切な関数空間のもとで解が局所一意存在する十分条件をバナッハの不動点定理から導き出した.その十分条件は精度保証付き数値計算を用いて数値的に検証することができ,これにより解の局所的な包含が得られた.本手法で用いる近似解は適当な関数空間に属していれば十分であり,近似解を計算する計算スキームに左右されない汎用的な検証理論が構築できたことになる.さらに放物型方程式の拡散効果を利用した評価によって,評価の増大を抑える事に成功し,ある程度長時間にわたって解の包含ができる事を示した.主な成果の2つ目は定常解の近傍に解が時間大域的に存在することを検証する手法を開発,いくつかの非線形放物型方程式の大域解を数値的に検証することに成功した.放物型方程式の定常解は楕円型方程式となる.これまでの精度保証付き数値計算理論によって多様な定常解の存在と局所一意性が数値的に検証でき,定常解存在を数値的に検証することは容易にできる.そこで定常解近傍の解の大域的なふるまいを保証する数値的に検証可能な条件を導出した.このことは力学系でいうbasinの構成に対応している.局所包含の手法と同様にここでも解析半群を用いた不動点定式化が鍵となり,定常解へ漸近する時間大域解の定量的な明確化が可能となった.本年度の成果により非線形放物型方程式に対する解の精度保証付き数値計算の方法論がある程度確立された.さらに成果の2つ目は,当初,平成28年度実施予定の課題に対する成果であり,研究は計画以上に進んでいるといえる.昨年度確立された非線形放物型方程式に対する解の精度保証付き数値計算法では,解の精度に対して課題が残されていた.本年度は本手法の高精度化を研究課題とし,次のような成果を得た.精度保証付き数値計算では解の存在を検証するために数値解の近傍における不動点定式化を行なう.この不動点定式化を精密に評価するために,これまで使用していた解析半群の代わりに発展作用素を利用した.発展作用素は田辺とSobolevskiiによって1960年代にそれぞれ独立に発表された斉次Cauchy問題の解作用素で,これを用いて数値解の近傍における不動点定式化を構成することで高精度な解の包含を得ることができる.さらに初期値の空間を2乗Lebesgue可積分な空間とする(微分可能性を無くす)ことで,非線形項のべき数に条件がかかるが,以前よりも高精度な解の包含を得ることに成功した.高精度な解の包み込みは時間発展方程式の場合,長時間にわたる解の検証の可否に直結する.従って,これまで誤差の集積により解の数値的検証が不可能だったような問題に対して,発展作用素を用いれば,より長時間にわたって解の検証が可能となった.本年度はさらに常微分方程式系の初期値問題に対して解がある時刻で発散する爆発問題に対する精度保証付き数値計算を用いたアプローチも検討した.無限大は計算機で扱うことが不可能なため,数値計算においても爆発は厄介な問題である.これに対して,解の相空間をコンパクトな多様体上へと写像し,無限大を多様体上の境界に対応させることで無限を有限な量で記述できる.これと精度保証付き数値計算を組み合わせることで,解の爆発時刻を具体的な実数区間に包含することに成功した.本成果はある程度の範囲の爆発問題を精度保証付き数値計算を利用して扱えるようにした初めての成果である.本年度は昨年度課題とされた検証の精度について改善がなされ,非線形放物型方程式に対する解の精度保証付き数値計算法が確立された.さらに常微分方程式系に対して爆発解を対象とする精度保証付き数値計算を用いたアプローチを提案することができた.これらの理由から研究は計画以上に進んでいるといえる.昨年度までの研究成果により,非線形放物型方程式に対する解の精度保証付き数値計算法はほぼ確立された.これは解析半群および発展作用素を利用する精度保証付き数値計算方法で,解の時間局所包含と解の存在時間の延長を繰り返すことにより,ある程度長時間にわたる解の検証が可能となった.さらに,斉次的な非線形項をもつ常微分方程式系の初期値問題に対して,解がある時刻で発散する爆発問題に対する精度保証付き数値計算を用いたアプローチが提案できた.

本年度はこのような研究成果をもとに偏微分方程式の爆発問題に挑戦し,精度保証付き数値計算を用いる解析を研究課題とした.研究成果として,爆発問題を精度保証付き数値計算で扱える微分方程式のクラスを拡げることに成功した.これまでのアプローチは斉次的な非線形項をもつ常微分方程式系に対して,時空間の特異性解消により精度保証付き数値計算を利用する爆発時刻の厳密包含を可能にしていたが,非線形項が斉次的であるという条件が課されていた.本年度は擬斉次的な非線形項という拡張された非線形項のクラスに対して,「擬斉次コンパクト化」という空間特異性解消方法を提案し,これを利用した爆発時刻の厳密包含を精度保証付き数値計算によって実現した.本研究成果の応用例として,放物-放物型のケラー・シーゲル方程式系の有限体積近似による半離散近似解の有限時間爆発を証明し,爆発時刻の厳密包含を得た.本成果は放物-放物型のケラー・シーゲル方程式系の爆発問題を精度保証付き数値計算を利用して扱った初めての成果である.世の中の自然現象を数学問題にモデル化すると偏微分方程式と呼ばれる未知関数の微分に関する関係式が頻出する。これを数学的・数値的に解いて未知関数を特定することが自然科学の分野での研究対象となる。本研究では、固体燃料の燃焼理論や生物増殖の数理モデルなどで現れる非線形放物型方程式と呼ばれる偏微分方程式のクラスに対して、その初期値境界値問題の解が数値計算で得られた近似解の近傍に存在する、あるいは存在しない事を、数値計算によって証明する計算機援用手法を開発した。これは精度保証付き数値計算と呼ばれ、微分方程式の数学解析に対する現代的なアプローチとして注目を集めている。本年度は非線形放物型方程式に対する解の精度保証付き数値計算について,ある程度の方法論が確立された.一方で解の精度の面で,課題が残っている.これは「近似解の精度不足」と「低次評価を導く不動点定式化」が原因であると考えられる.今後は近似解の精度を向上するため,空間方向,時間方向ともに高精度な近似解を構成する.一例として空間方向に直交基底,時間方向に高次の多項式近似を用いる方法が考えられる.しかし,このような近似解の構成は実装に時間がかかる見込みである.さらに不動点定式化を高精度化するために,解析半群の代わりに発展作用素を効果的に利用することも今後の課題である.非線形放物型方程式に対する解の精度保証付き数値計算法は確立され,実用段階に移行できると考えている.例えば解析半群が生成される反応拡散系に対して,解の精度保証付き数値計算が実践できる.さらに4階微分を伴う時間発展方程式についても同じアプローチが適用可能である.本研究課題では引き続き爆発問題に挑戦し,精度保証付き数値計算で扱えるクラスを拡げていく予定である.数値解析今年度は研究に必要な経費の各項目について早稲田大学内の研究奨励費用にて一部支出できたため,当初予定していた金額を使用する必要が無くなり,当該助成金を次年度に繰り越すことができた.次年度使用額と予定している次年度の支出額を利用し,2016年9月中旬からドイツのハンブルク工科大学で研究滞在を企画している.
置換ポリアセチレンを用いた気体/有機蒸気分離膜の開発

1.置換基を有するポリ(ジフェニルアセチレン)の合成および気体透過性-様々な置換基を有するジフェニルアセチレン(DPA)の重合および生成ポリマーの性質について検討した。TaCl_5-有機金属共触媒がジフェニルアセチレン類の重合に対して非常に効果的であり、高収率で高分子量体を生成することを明らかにした。得られたポリ(DPA)類の多くは可溶で、優れた熱安定性と成膜性を有しており、高い気体透過性を示した。興味深いことに、パラ位にtert-ブチル基やトリメチルシリル基などのかさ高い球状の置換基を有するポリ(DPA)類が非常に大きな酸素透過係数(P_<O2>1100barrer)を有することを見出した。2.かさ高いケイ素置換基を有するポリ(フェニルアセチレン)の合成および特性-p-[トリス(トリメチル)シリル]フェニルアセチレン[p(Me_3Si)_3SiPA]および不斉ケイ素を有する(+)-1-p-{[メチル(1-ナフチル)フェニル]シリル}フェニルアセチレン(MeNpPhSi^*PA)の重合を検討した。p(Me_3Si)_3SiPAはRh触媒による単独重合では不溶性ポリマーを与えたが、p-(トリメチルシリル)フェニルアセチレンとの共重合は種々の仕込み比で進行し、収率よく可溶性コポリマーを与えた。仕込み比80:20のコポリマーのP_<O2>は770barrerと相当大であった。一方、Rh触媒で得られたポリ(MeNpPhSi^*PA)は大きな比旋光度を有しており、CDスペクトルはUV吸収領域に大きなコットン効果を示した。ポリ(MeNpPhSi^*PA)のP_<O2>は900barrerであった。3.トリメチルシリル基およびトリイソプロピルシリル基を有するポリ(ジフェニルアセチレン)の気体透過挙動-トリメチルシリル基およびトリイソプロピルシリル基を有するポリ(ジフェニルアセチレン)(それぞれPTMSDPA、PTPSDPA)の気体透過挙動について検討した。いずれのポリマーも高い気体透過性を有しており、分子サイズの小さい気体(水素など)よりもn-ブタンのようなより大きい凝縮性の蒸気に対し高い透過性を示した。PTMSDPAの気体透過性は温度の上昇に伴いヘリウム、水素、窒素などの軽い気体では増加し、凝縮性の気体では低下した。本研究は種々の気体・有機蒸気を分離しうる高分子膜、特に置換ポリアセチレンを基本骨格とする高分子膜の設計、合成を検討し、分離膜の分子設計めための普遍的な指針を得ることを目的とする。具体的には、ポリ[1-(トリメチルシリル)-1-プロピン]およびポリ(ジフェニルアセチレン)誘導体の合成とその分離能の評価を行い、置換基の形状が分離能に及ぼす影響を系統的に検討する。さらに、これらの諸物性を比較検討し、実用化への可能性を明らかにする。以下に本年度の研究結果の要点を記す。非常にかさ高いシリル基を有する、1-フェニル-2-[4-(トリフェニルシリル)フェニル]

アセチレン(ρPh_3SiDPA)および1-フェニル-2-[4-(トリイソプロピルシリル)フェニル]アセチレン(ρiPr_3SiDPA)の重合と生成ポリマーの性質について検討した。これらのモノマーはTaCl_5系触媒により好収率で重合した。ポリ(ρPh_3SiDPA)とポリ(ρiPr_3SiDPA)の最大の重量平均分子量はそれぞれ1x106および4.8x106であった。これらのポリマーは黄色ないし橙色固体で、トルエン、クロロホルムなどに可溶であり、キャスト法により自立膜を生成した。ポリ(ρPh_3SiDPA)とポリ(ρiPr_3SiDPA)の空気中での重量損失開始温度はそれぞれ430,270°Cであった。25°Cでの両ポリマーの酸素透過係数は3.8,20barrerであり比較的小さかった。さらに、かさ高くて球状のアダマンチル基を有する3種のポリアセチレンを合成し、それらの気体および有機蒸気透過性についても現在検討中である。本研究は種々の気体・有機蒸気を分離しうる高分子膜、特に置換ポリアセチレンを基本骨格とする高分子膜の設計、合成を検討し、分離膜の分子設計のための普遍的な指針を得ることを目的とする。以下に本年度の研究結果の要点を記す。1.ポリ(p-Me_3SiDPA)膜中の気体および有機蒸気の透過性および透過機構ーポリ(p-Me_3SiDPA)膜中の単一ガスの透過性および吸着挙動を、ポリ[1-(トリメチルシリル)-1-プロピン][ポリ(TMSP)]などとの比較の下に検討した。ポリ(p-Me_3SiDPA)は水素などの小さな気体と比べてn-ブタンなどの大きな凝縮性蒸気をより透過させやすかった。このポリマーの自由体積や透過性はポリ(TMSP)と比べて小さかったが、従来の多くのガラス状ポリマーと比べて相当大であった。高温ほど小さな気体の透過性は増加したが、凝縮性蒸気の透過性は低下した。他の超ガラス状ポリマーと同様、このポリマーは二元収着機構を示した。2.アダマンチル基を含有する置換ポリアセチレンの合成および気体透過性ーパラ位にアダマンチル基を有する1-クロロ-2-フェニルアセチレン、1-フェニル-1-プロピン、およびジフェニルアセチレンをMoCl_5およびTaCl_5に基づく適当なメタセシス重合触媒の存在下で重合させることにより高分子量ポリマーが高収率で得られた。生成ポリマーはいずれも良好な熱安定性と溶解性を有し、キャスト法により丈夫な膜を生成した。後二者からのポリマーの室温における酸素透過性はそれぞれ8.6,55barrerで比較的小さな値を示した。本研究は種々の気体/有機蒸気を分離しうる高分子膜、特に置換ポリアセチレンを基本骨格とする高分子膜の設計、合成を検討し、分離膜の分子設計のための普遍的な指針を得ることを目的とする。以下に本年度の研究成果の要点を記す。1.ポリ[1-(トリメチルゲルミル)-1-プロピン]の合成、構造、および特性-1-(トリメチルゲルミル)-1-プロピンの重合をTaCl_5およびNbCl_5を用いて検討した。生成ポリマーは白色固体で、分子量は約3x10^5-14x10^5であった。NbCl_5により得られたポリマーはTaCl_5を用いた場合と比較して溶解性が低く、^<13>C NMRによる立体構造解析の結果、シス含率がより大きいことに起因することがわかった。本ポリマーの酸素透過係数(Po_2)は7800 barrerであり、経時劣化はほとんどみられなかった。
複雑マクロリド天然物を構造基盤とする新規生体機能分子の創製と機能解析

強力かつ重要な生物活性を示す海洋マクロリド天然物の機能解析を目的とし、効率的な全合成研究を行った。細胞骨格タンパク質アクチンに作用するポリエーテルマクロリド、ゴニオドミンAに関して、全合成に必要な3つのフラグメントのグラムスケールでの合成ルートを確立し、Stille型カップリングおよびエステル化によりフラグメントを連結し、分子内野崎ー檜山ー岸反応によりマクロラクトン骨格の構築に成功した。致死性海産毒ポリカバノシドBの改良合成ルートを確立し、世界初の全合成を達成した。強力な細胞毒性を示すマクロリド、アンフィジノリドNのC1ーC13およびC8ーC29フラグメントの収束的合成法を確立した。海洋産マクロリド天然物には、特異な作用機序で強力な細胞毒性や細胞増殖抑制活性を示すものが見出されており、新たな抗がん剤リード化合物や生命現象のツール分子として大きな期待が寄せられている。本研究では、強力かつ重要な生物活性を示す複雑なマクロリド天然物を研究対象として、独自の合成戦略によりグラムスケールでの供給を実現する実用的合成経路を確立し、全立体構造の確定を行う。さらに、詳細な生物活性評価と多様な人工類縁体の合成を通じて、新しい生体機能分子の開発と機能解析を行うことを目的とした。アンフィジノリドNの合成研究:官能基選択的なSharpless不斉ジヒドロキシ化と続く分子内環化反応によるテトラヒドロフラン環の構築、Horner-Wadsworth-Emmons反応によるフラグメント連結を鍵工程としてC13-C29フラグメントを立体選択的に合成した(投稿準備中)。また、Evans syn-アルドール反応を用いてC1-C7フラグメントを合成し、C8-C13モデルフラグメントとのアルドール反応による連結について検討を行った。ゴニオドミンAの合成研究:C1-C11チオエステルとC12-C36ビニルスズをStille型クロスカップリング反応により高収率で連結した後、B/C環部スピロアセタール骨格を構築することにより、ゴニオドミンAの全合成に必要な全ての炭素骨格と酸素官能基を有する重要中間体の合成を達成した。また、最終的なマクロラクトン構造の構築にはC26、C27位ヒドロキシ基の保護基の選択が重要である可能性を明らかにした。ポリカバノシドBの合成研究:既に報告したポリカバノシドAの全合成法では、上部C9-C16フラグメントの合成に多段階を要する点で課題が残されていた。清岡らの不斉アルドール反応を利用した短段階合成ルートの開発に取り組み、まだ立体選択性に改善の余地を残すものの、C9-C16フラグメントを得るに至った。海洋マクロリド天然物の中には、特異な作用機序で強力な細胞毒性や細胞増殖抑制作用を示すものが見出されており、新たな抗がん剤リード化合物や生命現象の解析・制御のためのツール分子として大きな期待が寄せられている。本研究では、強力かつ重要な生物活性を示す複雑なマクロリド天然物を研究対象として、独自の合成戦略に基づいてグラムスケールでの供給を実現する実用的合成経路を確立し、全立体配置の確定を行う。さらに、詳細な生物活性の評価と人工類縁体の合成と構造活性相関研究を通じて、新しい生体機能分子の開発と機能解析を目的とした。アンフィジノリドNの合成研究:官能基選択的なSharpless不斉ジヒドロキシ化と続く立体特異的環化によるテトラヒドロフラン環の構築、Horner-Wadsworth-Emmons反応によるフラグメント連結を鍵反応としてアンフィジノリドNのC13-C29フラグメントの立体選択的合成を達成した。エステル化によるフラグメント連結、Tebbe反応によるメチレン化と閉環メタセシスによるジヒドロピラン合成を利用しC11-C29モデル化合物の新たな合成経路を開発した。また、Evansアルドール反応とKatsuki-Sharpless不斉エポキシ化用いて合成したC1-C7フラグメントとC8-C13モデルフラグメントとのアルドール反応による連結を種々の条件で試みたが、立体選択性に課題を残した。ゴニオドミAの合成研究:分子右半分に相当するC26-C36フラグメントの従来の合成経路を改良・最適化することにより、グラムスケールでの供給を実現した。ポリカバノシド類の合成研究:清岡らの不斉アルドール反応を利用した上部C9-C16フラグメントの短段階合成経路を開発した。さらに、下部フラグメントC1-C8フラグメントとの鈴木ー宮浦反応による連結とマクロラクトン化を経て、16員環マクロラクトン骨格の合成を完了した。(1)ゴニオドミンAの合成:昨年度に引き続き、C26ーC38フラグメントのグラムスケールでの合成法を確立した。ジヒドロピラン環とテトラヒドロピラン環を含むC12ーC25フラグメントの合成ルートにおける各反応条件を精査することにより最適化し、C26ーC38フラグメントとのStille型カップリングによりC12ーC38フラグメントの効率的合成法を確立した。(2)アンフィジノリドNの合成:昨年度まで計画してきた合成ルートでは高度に官能基化された6員環ヘミアセタール部分を含む重要フラグメントの合成が困難であることがわかった。平成27年度は、改良合成ルートの設計と検討を行った。その結果、エステル縮合によるフラグメント連結、メチレン化と閉環メタセシス反応によるジヒドロピラン環の構築を鍵工程とする新たな合成ルートを確立することができ、C8ーC29フラグメントの収束的合成を達成した。

(3)ポリカバノシド類の合成:昨年度に開発した改良合成ルートの最適化を行うことにより、全合成に必要な上部および下部フラグメントの大量合成を行い、マクロラクトン骨格の合成法を確立した。(1)ゴニオドミンAの合成:C12ーC25フラグメント合成のスケールアップに伴って、反応の収率と再現性が低迷し、詳細な条件検討と合成ルートの最適化に予想外の時間を要した。(2)アンフィジノリドNの合成:当初計画していた合成ルートでは官能基化された6員環部分の構築が困難であることが判明し、合成ルートの再設計が必要になったことが最大の理由である。(3)ポリカバノシド類の合成:これまでの合成ルートの一部に再現性が得られず、条件検討と最適化に時間を要した。ゴニオドミンAの合成研究:従来の合成法を改良し、全合成に必要な3つのフラグメントのグラムスケールでの合成経路を確立した。まず、ビニルスズとチオエステルフラグメントをPd触媒によるクロスカップリング反応により連結し、得られたエノンからヨウ化ビニル体へと変換した。次いで、Keckエステル化によりカルボン酸フラグメントと縮合し、ゴニオドミンAのすべての炭素鎖を備えた重要中間体を合成した。さらにアルデヒドへと変換後、分子内野崎ー檜山ー岸反応によってマクロラクトン骨格の合成に初めて成功した。これにより、全合成の完遂に向けて大きな前進をみた。アンフィジノリドNの合成研究:エステル縮合によるフラグメント連結、続く閉環メタセシス反応によりジヒドロピラン環を構築し、立体選択的な官能基導入により、α,α'ージヒドロキシケトン構造を含む6員環アセタールの構築に成功し、C8ーC29フラグメントの合成を達成した。さらに、ビニロガス向山アルドール反応とEvansアルドール反応を鍵工程としてC1ーC7およびC8ーC13フラグメントを調製し、両者のアルドール反応によりC1ーC13フラグメントの収束的合成法を確立した。ポリカバノシドBの全合成:昨年度に引き続き、従来法を改良した合成経路の最適化を行うことにより上部フラグメントのグラムスケールでの合成法を確立した。続く下部フラグメントとの鈴木ー宮浦反応による連結、Keckマクロラクトン化によるマクロラクトン骨格の構築を経て、重要中間体の効率的合成経路を確立した。さらに、塩化金(III)を活性化剤としたグリコシル化による二糖部分の導入とStille反応によるジエン側鎖の導入を経て、ポリカバノシドBの最初のの全合成を達成した。強力かつ重要な生物活性を示す海洋マクロリド天然物の機能解析を目的とし、効率的な全合成研究を行った。細胞骨格タンパク質アクチンに作用するポリエーテルマクロリド、ゴニオドミンAに関して、全合成に必要な3つのフラグメントのグラムスケールでの合成ルートを確立し、Stille型カップリングおよびエステル化によりフラグメントを連結し、分子内野崎ー檜山ー岸反応によりマクロラクトン骨格の構築に成功した。致死性海産毒ポリカバノシドBの改良合成ルートを確立し、世界初の全合成を達成した。強力な細胞毒性を示すマクロリド、アンフィジノリドNのC1ーC13およびC8ーC29フラグメントの収束的合成法を確立した。
概均質表現の研究

本研究は、可約な線形代数群の概均質表現のb関数の決定することを研究目的としている。とくに、その中でも二変数のb関数が現れるようなものを主な研究対象とし、可約な線形代数群の関係する概均質ベクトル空間の表現の研究を行っている。b関数は、概均質ベクトル空間の相対不変式と呼ばれる群の不変式に付随するゼータ関数の研究の中で、その存在が示された。一般の可約な線形代数群の概均質ベクトル空間の相対不変式においても、b関数の存在が知られている。一変数のb関数については、筑波大学の木村達雄氏によりすでに十分な研究成果が得られている。次のステップとしては、二変数のb関数が現れるようなものが研究対象である。概均質ベクトル空間の相対不変式のb関数は、超局所解析の方法を用いてホロノミー図形を構成することにより決定される。このことは代数解析学の応用の場としての概均質ベクトル空間の重要性をも意味する。ホロノミー図形を決定するためには、群の軌道を詳しく調べることが必要である。したがって、個々の概均質ベクトル空間に対してそれぞれ研究する必要がある。これまでに行われてきた研究成果のうちの概均質ベクトル空間の軌道の研究結果等をもとに、ホロノミー図形を構成してb関数を決定していく。二変数のb関数が現れるような可約な線形代数群の関係する概均質ベクトル空間のうち、本年度は、引き続きSL(7)という群の関係する概均質ベクトル空間の二変数のb関数の研究を行った。b関数は、概均質ベクトル空間の相対不変式と呼ばれる群の不変式に付随するゼータ関数の研究のなかで、その存在が示された。一般の可約な線形代数群の概均質ベクトル空間の相対不変式においても、b関数の存在が知られていてる。一変数のb関数については、すでに十分な研究成果が得られている。今回の研究では、可約な線形代数群の概均質表現のb関数の決定することを研究目的として、とくに二変数のb関数が現れるようなものを研究対象とし、可約な線形代数群の関係する概均質ベクトル空間の研究を行っている。ホロノミー図形を決定する一般的方法はなく、そのためには群の軌道を詳しく調べることが必要で、個々の概均質ベクトル空間に対してそれぞれ研究する必要がある。これまでの研究成果のうちの概均質ベクトル空間の軌道の研究結果等をもとに、ホロノミー図形を構成してb関数を決定していく。二変数のb関数が現れるような可約な線形代数群の関係する概均質ベクトル空間のうち、本年度はSL(7)という群の関係する概均質ベクトル空間の二変数のb関数を研究した。この空間には38個の軌道があり、ホロノミー図形は大変複雑なものとなったが、これを決定している。今回の研究は、可約な線形代数群の概均質表現のb関数の決定することを研究目的としている。

このことは代数解析学の応用の場としての概均質ベクトル空間の重要性をも意味する。ホロノミー図形を決定するためには、群の軌道を詳しく調べることが必要である。したがって、個々の概均質ベクトル空間に対してそれぞれ研究する必要がある。これまでに行われてきた研究成果のうちの概均質ベクトル空間の軌道の研究結果等をもとに、ホロノミー図形を構成してb関数を決定していく。二変数のb関数が現れるような可約な線形代数群の関係する概均質ベクトル空間のうち、本年度は、引き続きSL(7)という群の関係する概均質ベクトル空間の二変数のb関数の研究を行った。
分裂酵母の細胞質分裂におけるポロキナーゼの役割

分裂酵母収縮環の形成過程:出芽酵母のアクチン結合タンパク質ABP140のアクチン結合ペプチドLifeactと蛍光タンパク質mRubyの融合タンパク質を分裂酵母内に発現させてアクチンを可視化し、分裂過程でのライブイメージングを行った。分裂期に入ると細胞中央部にアクチンの集積が見られ、そこからアクチンケーブルがダイナミックに伸びたり消えたりするのが見られた。やがて1本のケーブルが細胞赤道部で安定化されて収縮環となっていった。この結果は私達が提唱しているアスター様構造-先導ケーブル仮説を指示するものである。さらに蛍光タンパク質GFPとの融合タンパク質の発現により、分裂に必須なforminであるCdc12がアスター様構造の中央に局在することを見た。分裂酵母の分裂シグナル関連因子:分裂酵母のキネシンKlp8は分裂期初期に分裂位置に集まる。Blt1というタンパク質はKlp8と共局在する。Klp8とBlt1との関係について詳細に解析を行うため、klp8blt1二重破壊株を作製した。房が破壊株は細胞長が野生型株より長くなる形質を示したのに対し、二重破壊株では細胞長が長くなる形質がやや抑制されることがわかった。Klp8のモーター活性に必須のATP結合部位に変異を入れた変異株においてもblt1破壊株との二重変異による形質の抑制が見られた。Klp8を野生型株で過剰発現すると曲がった細胞が増加するが、blt1破壊株でKlp8を過剰発現すると、さらに多くの細胞が異常形態を示した。以上のことから、Klp8は細胞分裂においてネガティブな機能を持ち、それをBlt1が抑えていることが示唆された。分裂酵母の細胞分裂に関してpolo kinase(Plk1)との関連がはっきり報告されているものは、分裂面決定因子と考えられているMid1である。そこで分裂期のMid1のリン酸化部位の決定を試みた。Mid1をトリプシンで分解して質量分析解析を行ったところ1ヵ所のリン酸化候補部位を見いだした。しかしまだタンパク質全長の20%しかカバーしていないのでさらに解析を行っている。Plk1から収縮環形成に至る経路に2つある事を確認した。一つはMid1-myosinIIを通る経路、もう一つはSIN(隔壁形成ネットワーク)を通る経路である。すなわちmid1遺伝子破壊株でも位置は異常だが収縮環はできる。SINをシャットオフしても収縮環はできる。しかし両方をシャットオフすると収縮環は形成されない。分裂面への濃縮があきらかになったキネーシンKlp8について、細胞の生育には必須でない事を明らかにした。予想モーター領域に変異を導入して発現させた細胞でも結果は同じであった。Klp8の分裂位置への局在を詳細に観察すると、細胞膜と収縮環の問の領域に存在することが分かった。その局在は、最初アクチンフィラメントに依存するが微小管には依存しないことを明らかにした。局在の様子はMid1のそれに酷似していたが、最近アメリカのグループによりMid1、Klp8がBlt1という新規の因子と共局在することが報告され(論文印刷中)たので、このグループからBlt1破壊株を貰い受け、Klp8の局在を観察する。またKlp8の過剰発現は細胞の変形や分裂の阻害をもたらし、微小管の異常が観察された。
障害者の上肢姿勢保持・運動支援を目的とするワイヤ駆動型パラレルメカニズムの研究

本研究では疾病や事故等で腰部以下の機能を失った障害者に装着して上体の姿勢を保持または運動を補助し,健常者と同等な上肢作業を可能とする上体動作支援装置を,ワイヤ駆動型パラレルメカニズムを用いて開発した.ワイヤ駆動型パラレルメカニズムは,必要とする自由度に加え,すべてのワイヤを常に引張状態に保つための駆動力を要する.従って入出力関係は冗長な力学問題となるため,多方向への出力に対して必要な最小の張力を決定することは容易でない.そこで,本研究ではワイヤ駆動型パラレルメカニズムの駆動力を外力に抗する成分と,ワイヤどうしが引張しあうために必要な内力成分とに分け,外力成分に関しては固有値解析を利用して任意方向負荷に対する最小力を求め,内力成分に関しては外力成分の解析で得られた結果より力学関係式から推定する方法を提案した.提案する方法と実際の解析結果とを比較したところ,推定値は解析値の1.3倍以下となり,また,計算時間は大幅に短縮され,その有用性が確認された.以上で提案されたワイヤ張力推定方法を用いて成人男子を対象とし上体動作を補助するために必要な張力を求め,上肢動作支援装置用3自由度空間ワイヤ駆動型パラレルメカニズムの寸法を決定し,同結果を基に動作支援装置を実際に設計・製作して,その動作を確認した.また,動作の支援効果を確認するために,張力の変化を検出するロードセルを製作して各ワイヤに装着し,装着者の姿勢変化の画像記録とワイヤ張力変化の測定が同時に行える計測系を構築した.以上の装置および計測系を用いて,成人男子を被験者として上体動作支援実験を行い,装置の動作確認とともに,身体の姿勢変化およびワイヤ張力の変化を測定して解析した.その結果,装着者の上体の前後屈,側屈,旋回に関して想定通りの動作補助が行え,また,身体に対して度な負荷が動作支援時に作用しないことを,画像記録,ワイヤ張力の測定結果などから確認した.本研究では疾病や事故等で腰部以下の機能を失った障害者に装着して上体の姿勢を保持または運動を補助し,健常者と同等な上肢作業を可能とする上体動作支援装置を,ワイヤ駆動型パラレルメカニズムを用いて開発した.ワイヤ駆動型パラレルメカニズムは,必要とする自由度に加え,すべてのワイヤを常に引張状態に保つための駆動力を要する.従って入出力関係は冗長な力学問題となるため,多方向への出力に対して必要な最小の張力を決定することは容易でない.そこで,本研究ではワイヤ駆動型パラレルメカニズムの駆動力を外力に抗する成分と,ワイヤどうしが引張しあうために必要な内力成分とに分け,外力成分に関しては固有値解析を利用して任意方向負荷に対する最小力を求め,内力成分に関しては外力成分の解析で得られた結果より力学関係式から推定する方法を提案した.提案する方法と実際の解析結果とを比較したところ,推定値は解析値の1.3倍以下となり,また,計算時間は大幅に短縮され,その有用性が確認された.以上で提案されたワイヤ張力推定方法を用いて成人男子を対象とし上体動作を補助するために必要な張力を求め,上肢動作支援装置用3自由度空間ワイヤ駆動型パラレルメカニズムの寸法を決定し,同結果を基に動作支援装置を実際に設計・製作して,その動作を確認した.また,動作の支援効果を確認するために,張力の変化を検出するロードセルを製作して各ワイヤに装着し,装着者の姿勢変化の画像記録とワイヤ張力変化の測定が同時に行える計測系を構築した.以上の装置および計測系を用いて,成人男子を被験者として上体動作支援実験を行い,装置の動作確認とともに,身体の姿勢変化およびワイヤ張力の変化を測定して解析した.その結果,装着者の上体の前後屈,側屈,旋回に関して想定通りの動作補助が行え,また,身体に対して度な負荷が動作支援時に作用しないことを,画像記録,ワイヤ張力の測定結果などから確認した.本研究では疾病や事故等で腰部以下の機能を失った障害者に装着して上体の姿勢を保持または運動を補助し、健常者と同等な作業を可能とする上肢動作支援装置を、ワイヤ駆動型パラレルメカニズムを用いて開発する。本研究で目的とする上記装置は、柔軟で身体に装着しやすく、小型・軽量で既存の車イスなどに設置し長時間の使用を想定している。そのために装置に用いるアクチュエータの低容量化、小型化が必要である。そこで、ワイヤ駆動型パラレルメカニズムの張力を抑制する機構の設計法を検討した。ワイヤ駆動型パラレルメカニズムは、必要とする自由度に加え、すべてのワイヤを常に引張状態に保つための駆動力を要する。従って入出力関係は冗長な力学問題となるため、多方向への出力に対して必要な最小の張力を決定することは容易でない。そこで、本研究ではワイヤ駆動型パラレルメカニズムの駆動力を外力に抗する成分と、ワイヤどうしが引張しあうために必要な内力成分とに分け、外力成分に関しては固有値解析を利用して任意方向負荷に対する最小力を求め、内力成分に関しては外力成分の解析で得られた結果より力学関係式から推定する方法を提案した。提案する方法と実際の解析結果とを比較したところ、推定値は解析値の1.3倍以下となり、また、計算時間は大幅に短縮され、その有用性が確認された。以上で提案されたワイヤ張力推定方法を用いて成人男子を対象とし状態動作を補助するために必要な張力を求め、上肢動作支援装置用3自由度空間ワイヤ駆動型パラレルメカニズムの寸法を決定した。次に、同設計結果に基づき実際に支援装置を製作するとともに、同装置を動作させるための制御系を構築した。

さらに、製作した試作機を実際に成人男子に装着して、前後掘、側屈、回旋動作等を行わせ、その変位を3次元画像処理による運動解析装置で記録した。その結果、支援装置は指令通りに位置決めが可能であり、人体の上肢の前後掘、側屈、回旋動作の補助を行うことができることを確認した。本研究では疾病や事故等で腰部以下の機能を失った障害者に装着して上体の姿勢を保持または運動を補助し,健常者と同等な上肢作業を可能とする上体動作支援装置を,ワイヤ駆動型パラレルメカニズムを用いて開発した。前年度までにワイヤ駆動型パラレルメカニズムを制御するために要する最小ワイヤ張力の解析方法を確立し,同方法を用いて上体動作支援装置を設計・製作した。今年度は,まず,同装置の装着部などの検討を行い,よりスムーズに動作支援が行えるよう改良した。また,動作の支援効果を確認するために,張力の変化を検出するロードセルを製作して各ワイヤに装着した。つぎに,装着者の姿勢変化の画像記録とワイヤ張力変化の測定が同時に行える計測系を構築した。さらに,成人男子を被験者として上体動作支援実験を行い,装置の動作確認とともに,以上の計測系を用いて身体の姿勢変化およびワイヤ張力の変化を測定し解析した。その結果,装着者の上体の前後屈,側屈,旋回に関して想定通りの動作補助が行え,また,身体に対して過度な負荷が動作支援時に作用しないことをワイヤ張力の測定結果から確認した。これらの結果を基に,上体動作支援装置としてのワイヤ駆動型パラレルメカニズムの設計方法および使用方法をまとめた。なお,以上の測定において被験者がバランスを失った時に,ワイヤ張力が急激に変化する現象を確認した。同現象を利用すれば,例えば人体の転倒挙動の測定も可能となる。そこで,同装置を人体能力測定装置として発展させる可能性についても検討した。
血球および唾液ABH抗原の識別に関する研究

微量試料のABO式血液型判定は長足の進歩を遂げた。ABO式血液型抗原は血球・体液・臓器に広く分布し、体液汚染血痕では血液のみの血液型を分別・判定することは困難である。この溢路を解決するため、本研究では血球・唾液のABO式血液型抗原の血清学的差異の存否を検討し、血球特異的(抗Hr,Ar,Br)または唾液特異的抗体(抗Hs,As,Bs)の調製を試みた。ウサギをヒトO型血球で免疫した抗血清をO型唾液で吸収すると、O型血球に対する凝集素価は変化がなく、抗Hrの産生が確認された。一方、ヒトO型唾液で免疫したウサギ抗血清をO型血球で吸収し、O型唾液を吸着したラテックスによる凝集反応で検査すると、抗Hrの産生が確認された。同様にして、A,B型血球、A,B型唾液をウサギに免疫して得た抗血清を適当に吸収すると、低力価の抗Ar、高力価の抗Bsが得られた。しかし、抗Asはウサギには産生されず、モルモット免疫によって比較的低力価の抗Asが得られた。抗Bsについては、ウサギ・モルモット・ニワトリの免疫では特異的抗体は調製できなかった。なお、当教室製の抗M、抗N粗血清(O.M型またはO.N型血球をウサギにまたはカニクイサルに免疫した27種の抗血清)を用い、血痕・唾液痕について解離法・型的二重結合法をおこなうと、僅か2種のウサギ抗血清とサル抗血清のみが唾液疫で陽性を呈したが、大部分は陰性であった。これはウサギが血球Hと唾液Hとを血清学的に識別していることを示している。ABO式血液型抗原決定基は比較的簡単な糖であり、決定基をとりまく化学構造は血球ではglycolipid、唾液ではglycoproteinであることが知られている。本報で明らかになった血球と唾液抗原との血清学的な差は、抗原決定基周辺の高次構造の違いによるものと推測される。
電導性多孔質カラムを用いる電気化学的イオンクロマトグラフィの開発

この方法では,申請者らの開発した多孔質グラッシ-カ-ボンを分離電極カラムとして用い,細孔内へのイオン補そくおよび溶出をカラム電位により制御する.この方法において,イオンの補そく,溶出は,酸化還元過程ではなく電場による補そく溶出であるので,本法は電気化学的不活性イオンに対しても適用が可能であるという特長を有している.平成2年度の研究により,アルカリ金属とアルカリ土類金属は分離して溶離されることが確認されたので,3年度の計画としては,カラムの分離機能の向上をめざし,さらにシステム全体としての高性能化をはかった.(1)カラム分離能の向上これまでカラム材料としてグラッシ-カ-ボンの粒状のものを用いているが,この粒径を小さくかつ均一にし,分離能の向上をはかった.これらの改良により,これまで完全に分離できなかったアルカリ金属間の分離が可能になった.またアルカリ金属イオンの分離度をカラム電位を調節することにより制御することが可能となった.また,イオン移動ボルタモメトリの知識を応用して,カ-ボン表面をジベンゾクラウンなどのイオノフォアを含む油層で修飾を行ったが,この結果さらに分離能が向上した.(3)分析モ-ドの多様化この方法の特色は,分離定量のためのパラメ-タとしてカラムの電位が制御できる点にある.現在までの研究により,カラムの電位を比較的大きく負にすることにより,カラムに強く吸着されるイオンは,ほとんど溶離しなくなることが分かった.このことを利用して,特異的な分離が可能が可能になった.この方法では,申請者らの開発した多孔質グラッシ-カ-ボンを分離電極カラムとして用い,細孔内へのイオン補そくおよび溶出をカラム電位により制御する.この方法において,イオンの補そく,溶出は,酸化還元過程ではなく電場による補そく溶出であるので,本法は電気化学的不活性イオンに対しても適用が可能であるという特長を有している.平成2年度の研究により,アルカリ金属とアルカリ土類金属は分離して溶離されることが確認されたので,3年度の計画としては,カラムの分離機能の向上をめざし,さらにシステム全体としての高性能化をはかった.(1)カラム分離能の向上これまでカラム材料としてグラッシ-カ-ボンの粒状のものを用いているが,この粒径を小さくかつ均一にし,分離能の向上をはかった.これらの改良により,これまで完全に分離できなかったアルカリ金属間の分離が可能になった.またアルカリ金属イオンの分離度をカラム電位を調節することにより制御することが可能となった.また,イオン移動ボルタモメトリの知識を応用して,カ-ボン表面をジベンゾクラウンなどのイオノフォアを含む油層で修飾を行ったが,この結果さらに分離能が向上した.(3)分析モ-ドの多様化この方法の特色は,分離定量のためのパラメ-タとしてカラムの電位が制御できる点にある.現在までの研究により,カラムの電位を比較的大きく負にすることにより,カラムに強く吸着されるイオンは,ほとんど溶離しなくなることが分かった.このことを利用して,特異的な分離が可能が可能になった.クロマトグラフィの分離プロセスは,基本的には分配・拡散等の現象を応用したものであるが,この方法をさらに発展させるためにはこれ等の概念とは異なる分離機構の導入が必要である.この研究計画では,電導性多孔質材料を分離カラムとする電気化学イオンクロマトグラフィの開発を目的とする.この方法では,先に開発した多孔質グラッシ-カ-ボンを分離電極カラムとして用い,細孔内へのイオンの捕そくおよび溶出をカラムの電位により制御する.この方法において,イオンの捕そく・溶出は酸化還元過程ではなく電場による捕そく・溶出であるので,本法は電気化学不活性イオンに対しても適用が可能であるという特色を有している.以上のような原理に基ずき,今年度は以下の計画により研究を行なった。(1)細孔の物性と溶出速度の関連性カラムを負に帯電させると陽イオンが細孔内に吸着される.このとき,電位をより負にすれば,イオンの溶出が遅れ,保持時間の増大を確認した.この電位に対する保持時間増大の程度は,一価イオンよりも多価イオンのほうが大きかった.また,保持時間は,イオンの価数に比例し,イオン半径に逆比例した.保持時間をイオンポテンシャルに対してプロットを行なうと,直線関係を示したことより,イオンは脱溶媒和してカラム吸着しているものと考えられる.(2)電気化学イオンクロマトグラフィ装置の試作および基礎的評価多孔質グラッシ-カ-ボンを分離カラムとするイオンクロマトグラフ装置を製作した.今年度は,主に分離カラムの特性について検討を行なった.その結果,カ-ボンの多孔質化処理時間の増大とともにカラムの理論段数は増大したが,この程度は,多価イオンについて顕著であった.この方法では,申請者らの開発した多孔質グラッシ-カ-ボンを分離電極カラムとして用い,細孔内へのイオン補そくおよび溶出をカラム電位により制御する.この方法において,イオンの補そく,溶出は,酸化還元過程ではなく電場による補そく溶出であるので,本法は電気化学的不活性イオンに対しても適用が可能であるという特長を有している.平成2年度の研究により,アルカリ金属とアルカリ土類金属は分離して溶離されることが確認されたので,3年度の計画としては,カラムの分離機能の向上をめざし,さらにシステム全体としての高性能化をはかった.(1)カラム分離能の向上

これまでカラム材料としてグラッシ-カ-ボンの粒状のものを用いているが,この粒径を小さくかつ均一にし,分離能の向上をはかった.これらの改良により,これまで完全に分離できなかったアルカリ金属間の分離が可能になった.またアルカリ金属イオンの分離度をカラム電位を調節することにより制御することが可能となった。また,イオン移動ボルタモメトリの知識を応用して,カ-ボン表面をジベンゾクラウンなどのイオノフォアを含む油層で修飾を行ったが,この結果さらに分離能が向上した.(2)分析モ-ドの多様化この方法の特色は,分離定量のためのパラメ-タとしてカラムの電位が制御できる点にある.現在までの研究により,カラムの電位を比較的大きく負にすることにより,カラムに強く吸着されるイオンは,ほとんど溶離しなくなることが分かった.このことを利用して,特異的な分離が可能が可能になった.
Shhの象牙芽細胞分化機構の解明と幼若永久歯象牙質再生治療への応用の検討

緒言;Sonic hedgehog(Shh)は歯牙の形成過程において歯原性上皮に発現が認められる成長因子の一つである。歯髄もしくは歯乳頭の間葉細胞に広く発現しているShhのレセプターであるPathchedを介して歯原性上皮と間葉との間の相互作用に関わる。いくつかの研究グループが、Shhは間葉細胞および骨芽細胞の骨形成マーカーの発現を上昇させている、という報告があることから、我々は骨芽細胞と同じ起源を持つ歯髄細胞の象牙芽細胞分化における役割を検討した。方法;生後1週齢のマウス第一臼歯歯胚より実体顕微鏡下で歯髄を摘出し、トリプシンコラゲナーゼ処理により歯髄細胞を分離した。実験に供与できる細胞数が得られるまで2から4継代おこない、リコンビナントマウスShh(rmShh)タンパクを添加し、培養した。細胞増殖試験はテトラゾリウム塩の吸光度を測定した。また象牙芽細胞分化の遺伝子マーカーの発現をRT-PCRにて測定した。結果;培養7日後におけるrmShhタンパク添加および非添加による歯髄細胞数増加に有意な差が認められなかった。(コントロール=156.8±50%,Shh100ng/mL167.1±8.2%培養10日におけるコントロールを100%とした)。しかしrmShh添加7日後において歯髄細胞のBMP4、BMP7およびDentin Sialophosphoprotein (DSPP)の遺伝子発現を有意に増加した。結論;今回得られた結果から、Shhは歯髄細胞増殖に変化を与えないが、BMP4,7およびDSPPの発現を上昇させたことから、歯髄細胞が象牙芽細胞へ分化した可能性が示唆された。それゆえShhの制御下における象牙芽細胞分化は象牙質修復および再生に有用であると考えられる。
統合失調症モデル動物における現実認識能力の障害とその脳内機構

幻覚は統合失調症の中核症状であるが、その神経メカニズムは解明されておらず、動物を用いた基礎研究が望まれている。近年、表象媒介性味覚嫌悪条件づけ(RMTA)を利用して動物の現実認識能力を評価できるようになってきた。しかし、RMTAが幻覚と共通の神経メカニズムを介しているのかは不明であり、動物の幻覚様症状の評価法として妥当であるのか検討する必要がある。本研究では、統合失調症モデル動物である新生仔期NMDA受容体遮断動物でRMTAが成立するのか、またRMTAが成立する際に、幻覚体験時と同じ脳領域の活性化がみられるのかを調べることで、RMTAの動物における幻覚様症状評価法としての妥当性を検証する。
食細胞シグナル伝達異常症由来iPS細胞の樹立と骨リモデリングの解析

食細胞機能異常症であるIFN-γR1およびSTAT1欠損症は、MSMDに分類される原発性免疫不全症である。多発性骨髄炎の合併はMSMDの80%でみとめられる臨床的特徴の一つで、経験した症例も骨髄炎とそれに伴った骨融解像を認めている。破骨細胞は多核の組織マクロファージであり、骨髄球系/単球系細胞から分化する。IFN-γは破骨細胞形成の強力な抑制因子であるが、ヒトにおいて抑制の分子機序は明らかにされていない。本研究では、食細胞機能異常症由来の細胞を用いて、IFN-γによる破骨細胞の形成と機能への影響について解析し、IFN-γによる破骨細胞の抑制機構の破綻により骨病変を呈することが推測された。メンデル遺伝型マイコバクテリア易感染症(MSMD)は、細胞内寄生菌に対し選択的に易感染性を呈する原発性免疫不全症で、IFN-γ/ IL-12シグナル伝達経路関連分子群の遺伝子変異により発症することが知られている。申請者たちは、STAT1やIFN-γR1のドミナントネガティブ変異を同定し、細胞内寄生菌易感染性の分子機序について研究し報告した。MSMD患者の臨床症状の集積から、STAT1およびIFNGR1異常症の患者で、慢性多発性骨髄炎や骨溶解などの骨病変の所見が多くみられることを見いだした。骨リモデリング主役細胞の一つである破骨細胞は、CD14陽性単球由来であり、マクロファージなどの食細胞と細胞系列を同じくすることが知られる。このことは、破骨細胞が食細胞と共通したシグナル伝達経路を有している可能性を示唆し、STAT1シグナル伝達経路の異常が破骨細胞への分化あるいは機能に何らかの影響を及ぼしていることが考えられる。本研究は、食細胞機能異常症でみとめられる変異が骨のリモデリングに及ぼす影響とその分子基盤について解析することが目的である。従来法である末梢血からの破骨細胞分化誘導はCD14陽性単球の十分数の確保が困難であり、誘導率も5%以下と不安定である。これらの問題点を解決するため初年度は、正常iPS細胞からCD14陽性単球へ分化誘導し、十分な細胞を確保するとともに破骨細胞へと効率よく分化誘導する実験系を確立させた。さらに誘導した破骨細胞をTRAP染色、骨吸収能、主要制御因子NFATc1の遺伝子発現などの機能評価の検討を進めた。STAT1は、I型およびII型インターフェロンによるシグナル伝達を媒介する転写因子で、ウイルスや細胞内寄生菌に対する感染防御に重要な役割を果たす。食細胞機能異常症である機能喪失型のIFN-γR1欠損症やSTAT1欠損症は、細胞内寄生菌に選択的に易感染性を呈するメンデル遺伝型マイコバクテリア易感染症(MSMD)に分類される原発性免疫不全症で、これまで変異による感染防御破綻の分子機構を解析してきた。骨髄炎はMSMDの約80%で認められる臨床的特徴のひとつであり、これまでに経験したIFN-γR1欠損症やSTAT1欠損症患者においても骨髄炎およびそれに伴う骨溶解を認めている。破骨細胞は骨吸収をおこなう多核細胞で、マクロファージや樹状細胞と同様に骨髄球系/単球系細胞由来であり、M-CSFとRANKLの刺激により分化する。また以前よりIFN-γにより強力に破骨細胞形成を阻害することが知られているが、ヒトにおいて抑制の分子機序は明らかにされていない。そこで本研究では、患者由来の細胞を用いてIFN-γによる破骨細胞の形成と機能への影響について調べることにした。食細胞機能異常症由来の破骨細胞はin vitroにおいて、IFN-γによる破骨細胞形成の抑制が障害され、抑制にはより高濃度のIFN-γが必要であった。骨吸収能の検討においても同様に患者由来の破骨細胞において機能亢進が認められた。破骨細胞の主要転写因子であるNFATc1の発現を検討したところ、患者由来の破骨細胞ではIFN-γにる発現低下が抑制されていた。以上よりIFN-γ-STAT1のシグナル伝達障害患者では、IFN-γによる破骨細胞の抑制機構の破綻により骨病変を呈することが推測された。免疫不全正常iPS細胞からのin vitro破骨細胞分化誘導および破骨細胞の機能評価を検討し、基本的なアッセイ系を確立できた。また今後患者由来の破骨細胞と比較検討する上で、細胞内の分子基盤を明らかにするための実験系(IFN-γの刺激法、IFN-γ誘導性STAT1下流遺伝子発現の検討法、破骨細胞内主要分子の蛋白発現への影響を検討する系など)が確立されつつあり、本研究遂行の見通しができている。

次年度は、現在樹立中である食細胞機能異常症iPS細胞由来の破骨細胞と比較検討し、IFN-γ刺激に対する分子応答がどのように違っているのか詳細に解析し、骨病変をもたらす背景を明らかにしたい。