hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
開水路非定常流れの組織乱流構造とその土砂輸送機構の解明

本研究は,河床形状や流れの非定常性による圧力勾配の変化に着目して,それらが開水路乱流の時空間構造および組織渦の構造に及ぼす影響を解明したものであり,得られた結果を要約すると次の通りである.三角形状や正弦波状の路床上における空間的な加速・減速流を対象として,乱流計測を行い,それらの乱流構造を明らかにした.すなわち,境界層の修正形状係数,圧力勾配パラメータを用いて流れ場の分類を行うとともに,流れの剥離条件,ならびに平均流の空間的構造について考察した.また,これらのパラメータを用いることで,外層における平均流特性と圧力勾配の関係が定量化できることを示した.流れの非定常性が空間的な加速・減速流を形成することに着目して,乱れの分布特性に及ぼす非定常効果を考察した.非定常開水路流れにおける特徴的な現象として,水深に対して平均流速や乱れ特性値が反時計回りのループ状の変化を示すことを確認し,同一水深に対して増水期における乱流特性量が減水期と比較して大きくなることを明らかにした.河床形状との関係が大きい大規模組織渦に着目し,単一あるいは連続河床波背後に発生する剥離渦およびコルク・ボイル渦を対象として,可視化実験および多点計測実験を行い,組織渦の発生機構を明らかにした.また,水路横断方向をも含めた三次元空間内における組織渦の時空間相関構造を検討することにより,低速・高速流体の並ぶ縞構造の時間的変化,また,増水期・減水期間における組織渦の相違,再付着点距離の変化特性などを明らかにし,剥離渦,コルク・ボイル渦両者の発生形態をモデル化した.以上をまとめると,流れの空間的な非一様性および非定常性による圧力勾配の変化が開水路の乱流構造と組織渦構造に及ぼす影響について詳細な実験的考察を行ったものある.本研究は,河床形状や流れの非定常性による圧力勾配の変化に着目して,それらが開水路乱流の時空間構造および組織渦の構造に及ぼす影響を解明したものであり,得られた結果を要約すると次の通りである.三角形状や正弦波状の路床上における空間的な加速・減速流を対象として,乱流計測を行い,それらの乱流構造を明らかにした.すなわち,境界層の修正形状係数,圧力勾配パラメータを用いて流れ場の分類を行うとともに,流れの剥離条件,ならびに平均流の空間的構造について考察した.また,これらのパラメータを用いることで,外層における平均流特性と圧力勾配の関係が定量化できることを示した.流れの非定常性が空間的な加速・減速流を形成することに着目して,乱れの分布特性に及ぼす非定常効果を考察した.非定常開水路流れにおける特徴的な現象として,水深に対して平均流速や乱れ特性値が反時計回りのループ状の変化を示すことを確認し,同一水深に対して増水期における乱流特性量が減水期と比較して大きくなることを明らかにした.河床形状との関係が大きい大規模組織渦に着目し,単一あるいは連続河床波背後に発生する剥離渦およびコルク・ボイル渦を対象として,可視化実験および多点計測実験を行い,組織渦の発生機構を明らかにした.また,水路横断方向をも含めた三次元空間内における組織渦の時空間相関構造を検討することにより,低速・高速流体の並ぶ縞構造の時間的変化,また,増水期・減水期間における組織渦の相違,再付着点距離の変化特性などを明らかにし,剥離渦,コルク・ボイル渦両者の発生形態をモデル化した.以上をまとめると,流れの空間的な非一様性および非定常性による圧力勾配の変化が開水路の乱流構造と組織渦構造に及ぼす影響について詳細な実験的考察を行ったものある.本研究では,実際の河床波と相似な滑面河床波上に非定常流を流した状況下で,(1)染料による可視化実験,(2)一台のみのレーザ流速計による多点計測,(3)二台のレーザ流速計を用いた同時計測,(4)濃度計との同時計測,を統合的に行い,増水期から減水期にかけての非定常流特有の時間変化特性と乱流特性量との関係を明確にすることを目的とする.この結果から河床波背後に発生する剥離渦,ならびに再付着点から発生するコルク・ボイル渦の時空間的渦挙動を捉え,最終的に非定常性を考慮したそれぞれの渦の物理モデルの提案を行った.これらの実験・解析では,まず染料注入法および水素気泡法を組み合わせた可視化実験を行うことによって組織渦の発生周期,波長,移流速度などを調べ,組織渦の基本的かつ全体的な構造を捉える.次に一台のレーザ流速計および波高計を用いた多点計測を行い,平均流速,乱れ特性量および再付着点距離をその時間変化特性を中心に評価し,後述する二台のレーザ流速計を用いた同時乱流計測および濃度計測結果の解析のための基礎的な知見を得る.さらに,二台のレーザ流速計と波高計を用いた同時計測を剥離渦,コルク・ボイル渦それぞれについて行い,従来型時空間相関と条件付きサンプリング手法といった二つの解析手法を援用・修正することで,河床波背後に発生する組織渦の時空間構造に与える非定常性の影響を捉える.先に示した可視化実験における染料注入法と濃度計,さらにレーザ流速計と波高計をも組み合わせることによって濃度計測を行い,濃度分布特性とその統計的性質,条件付きサンプリング手法による解析を行う.これら一連の実験結果を統合的に踏まえた上で,洪水時の増水期・減水期の相違を考慮した,組織渦の挙動に関する物理モデルを,剥離渦,コルク・ボイル渦のそれぞれについて考慮することにする.

本研究では,実河川に発生し,河床形状との関係が大きいと考えられる大規模組織渦に着目し,河床波背後に発生する剥離渦および再付着点からのコルク・ボイル渦を対象とした.実河川のdune形状を考慮した河床形状を作成することにより可視化実験,点計測実験および時空間相関実験を行い,組織渦の発生機構について総合的に考察した.まず,河床形状のみの影響を考慮するため,定常流に関する実験を行い,条件付き時空間相関解析の判条件設定のための基礎データベースを得た.ここで得られた情報から同一の河床形状上に非定常流れを発生させ,同様な乱流計測を行った.この結果,実河川や大型水路実験で得られているボイル渦の発生と浮遊砂輸送の増水期・減水期の相違が,これまでの一連の研究で得られた空間的加速・減速効於および非定常効果を考慮することによって,これまでの流れ構造のみの考察で,ある程度まで説明できることが分かった.また,水路横断方向を含めた三次元空間内の時空間相関構造を考察することにより,低速流体・高速流体の並ぶ縞構造が確認され,点計測で得られた増水期・減水期間の乱れの相違や再付着点距離の変化特性を対応させることによって,剥離渦,コルク,ボイル渦それぞれの発生形態をモデル化した.ここで論じた流れの境界形状や非定常性による「空間的非一様性」は,自然界の流れあるいは人為的要因の加わった流れといった様々な場所において存在する.このことから,本論文での一連の研究によって得られた成果は,こうした流れの構造を考える上で有益な基礎情報を提供するものと考えられる.
正常血液量性血液希釈下における消化管粘膜pHの変動及び消化管創傷治癒に関する研究

1.家兎の段階的血液希釈モデル(Hb10、7、5、3.5g/dl)において、空腸粘膜血流を水素ガスクリアランス法にて、空腸粘膜pHをトノメトリー法にて測定し、組織への酸素供給量と酸素化状態を検討した。その結果、空腸粘膜pHはHb3.5g/dlで減少傾向にあったが、経過中有意な変化はなかった。空腸粘膜血流も有意な変化はなく、空腸粘膜酸素運搬量はHbの低下に伴う動脈血中酸素含有量の低下により有意に減少した。したがって、家兎空腸粘膜の酸素化はHb5g/dlに至るまで維持され、その代償機転は主に酸素取り込み能の増加によるものと考えられた。2.家兎において術中、術後の異なる血液希釈条件(術中Hb5g/dl)下に空腸部分切除、端々吻合術を行い、正常血液量性血液希釈の創傷治癒への影響を検討した。血液希釈なしの対照群(C群)、脱血・等量のヒドロキシエチルスターチ(HES)製剤輸注にて血液希釈を行った血液希釈群(HD群)、脱血血液の血漿成分とHES製剤輸注にて血液希釈を行った急性貧血群(AA群)、およびHD群と同様に血液希釈を行い術後に自己血を再輸注した希釈式自己血輸血群(HAT群)において、術後5日目の吻合部の抗張力測定、組織学的検討を行い、Hb、血清総蛋白(TP)、血清アルブミン(alb)、血中フィブリノーゲン(Fbg)、血中第13因子活性(F-XIII)を経時的に測定した。その結果、HbはHD群、AA群では5PODにおいても低値であり、HAT群では自己血輸注後に回復した。抗張力はC群に対してHAT群は有意差がなく、HD群、AA群では有意に低下した。TP、alb、Fbgは希釈により低下し、5PODでは前値に復した。F-XIIIは希釈により低下し、5PODにはC群に対してHAT群は有意差がなかった。組織学的にはHD群、AA群で組織修復機転が障害されていた。したがって、家免空腸吻合において術中正常血液量性血液希釈は創傷治癒に影響を及ぼさないが、術後のHb、F-XIIIの維持目標についてはさらなる検討が必要であると考えられた。正常血液量性希釈状態における消化管創傷治癒に関して検討する前に、本年度は正常血液量性希釈状態における消化管粘膜血流及び粘膜pHの変動について検索し、血液希釈下における消化管粘膜の酸素化がどのような機序で維持されているかを検討した。家兎をペントバルビタール静注にて麻酔導入し、気管内挿管を行い、F,O_20.21、イソフルラン1%、臭化ベクロニウム静注にて麻酔を維持し調節呼吸とした。正中切開にて開腹し、空腸に小切開をおきトノミータ(ヒト直腸用)を約15cm挿入して固定し、トノミータバルーンの約5cm近位の部分に水素ガス電極を刺入して閉腹した。

血液希釈は、Hb10、7、5、3.5g/dlを目標として脱血、等量のヒドロキシエチルスターチ製剤の輸注にて作成し、各段階で空腸粘膜血流(Fi)を水素ガスクリアランス法にて、また空腸粘膜pH(pHi)をトノメトリー法を用いて測定を測定した。その結果、FiはHb5g/dlにて上昇傾向、Hb3.5g/dlにて減少傾向を示したが有意は変化はなかった。空腸粘膜酸素運搬能は希釈に伴い有意に減少したが、pHiは漸減傾向にあったが有意な低下はなかった。これより、等量血液希釈状態における家兎空腸粘膜の酸素化は、Hb3.5g/dlに至るまで維持され、主に酸素取り込み能の増加によって代償されたと考えられる。血中ヘモグロビン(Hb)値が低下しても循環血液量が保たれている限りは、代償性に心拍出量の増加、末梢循環の改善、末梢での酸素取り込み能の増加により、末梢組織への酸素供給は保たれるとされている。今回、家兎の段階的血液希釈モデル(Hb10、7、5、3.5g/dlとなるように脱血、等量のヒドロキシエチルスターチ製剤の輸注を繰り返して作成)において、空腸粘膜血流を水素ガスクリアランス法にて、空腸粘膜pHをトノメトリー法を用いて測定し、組織への酸素供給量と酸素化状態を検討した。その結果、空腸粘膜pHはHb3.5g/dlで減少傾向にあったが、経過中有意な変化はなかった。空腸粘膜血流はHb5g/dlで増加傾向、Hb3.5g/dlで減少傾向にあったが有意な変化はなく、空腸粘膜酸素運搬量はHbの低下に伴う動脈血中酸素含有量の低下の影響をうけて段階的に有意に減少した。したがって、空腸粘膜の酸素化はHb5g/dlい至るまで十分維持され、その代償機転は主に酸素取り込み能の増加によるものと考えられた。現在、家兎において、血液希釈を行わない群(対照群)、Hb5g/dlに血液希釈を行う群(血液希釈群)、Hb5g/dlに血液希釈を行うが低蛋白血症の影響をみるために血漿成分のみを再輸注する群(急性貧血群)、および術中のみHb5g/dlに血液希釈を行う群(希釈式自己血輸血群)において空腸吻合術を行い、術中、術後の血液希釈の消化管吻合への影響を、術後5日目の吻合部の張力測定、および組織学的検索にて検討中である。
カービー図式と4次元多様体の微分構造

22年度の主な研究成果はコルクの研究(Akbulut(ミシガン州立大)との共同研究)に関するもので,具体的には下記の二つである,(1)4次元多様体のコルク構造,(2)4次元多様体のエキゾチック微分構造の構成(コルクの応用).(1)についてはStein多様体の性質を使うことで,これまでの我々の研究で得ていた例(固定したコルクの無限個の異なる埋め込み,コルクの有限個の分離した埋め込みなど)の簡易化を行うことができた.それに加えて,ノンコンパクトな場合に新たな例(コルクの可算無限個の分離した埋め込みの例)を得ることができた.以上の成果はAkbulutとの共著論文"Stein 4-manifolds and corks"としてarXivで公表し,専門誌に投稿中である.(2)については次のような結果を得た.「任意の4次元2ハンドル体Xであってb_2>0のものと任意の自然数nに対して,次のような4次元多様体X'が存在する:X'はXと似ていて,かつ,n個のエキゾチック微分構造を持つ.」.つまり,エキゾチック微分構造を持つような境界付き4次元多様体を,位相不変量に関して広範囲に構成した.この結果とその応用は,Akbulutとの共著論文"Cork twisting exotic Stein 4-manifolds"としてarXivで公表し,専門誌に投稿中である。多様体の連結和の微分構造の研究については試行錯誤を行ったが,発表できるような結果は得られなかった.今後も試行錯誤を継続したい.22年度の主な研究成果はコルクの研究(Akbulut(ミシガン州立大)との共同研究)に関するもので,具体的には下記の二つである,(1)4次元多様体のコルク構造,(2)4次元多様体のエキゾチック微分構造の構成(コルクの応用).(1)についてはStein多様体の性質を使うことで,これまでの我々の研究で得ていた例(固定したコルクの無限個の異なる埋め込み,コルクの有限個の分離した埋め込みなど)の簡易化を行うことができた.それに加えて,ノンコンパクトな場合に新たな例(コルクの可算無限個の分離した埋め込みの例)を得ることができた.以上の成果はAkbulutとの共著論文"Stein 4-manifolds and corks"としてarXivで公表し,専門誌に投稿中である.(2)については次のような結果を得た.「任意の4次元2ハンドル体Xであってb_2>0のものと任意の自然数nに対して,次のような4次元多様体X'が存在する:X'はXと似ていて,かつ,n個のエキゾチック微分構造を持つ.」.つまり,エキゾチック微分構造を持つような境界付き4次元多様体を,位相不変量に関して広範囲に構成した.この結果とその応用は,Akbulutとの共著論文"Cork twisting exotic Stein 4-manifolds"としてarXivで公表し,専門誌に投稿中である。多様体の連結和の微分構造の研究については試行錯誤を行ったが,発表できるような結果は得られなかった.今後も試行錯誤を継続したい.
スーパーキャパシタにおける酸化グラフェンと複合化した擬似容量材料の創生

スーパーキャパシタ用擬似容量性電極材料のエネルギー密度及び長期サイクル安定性の改善に向けて、異なる種類の疑似容量性金属酸化物電極及び金属硫化物電極を中心に研究してきた。電極材料のサイクル安定性を改善するためには、炭素系材料の一つ還元酸化グラフェン(rGO)を使用してハイブリッド電極を製造することによって実現した。(1)正極材料の開発:水熱合成方法を用い、rGO/NiCo2O4をニッケルフォーム(NF)に被覆した後、電着方法を使用して、MnO2をrGO/NiCo2O4上にコーティングした。得られた正極材料の比容量は1922Fg-1、エネルギー密度は96Whkg-1,パワー密度は1.2Kwkg-1に達した。また、10000サイクル試験で89.27%の安定性を維持した。(2)負極材料の開発:水熱合成方法を用い、rGO, Bi2O3とCu2S材料を層ごとにNFに堆積した。ここで、疑似容量性金属酸化物(Bi2O3)の欠点は、金属硫化物(Cu2S)層コーティングによって克服された。特に、Cu2S層コーティングによって負極材料の導電率は大幅に改善した。得られたrGO/Bi2O3@Cu2S負極材料は6M KOH電解質中の性能は、1079Fg-1の比容量, 68.3Whkg-1のエネルギー密度, 3.3 KWkg-1のパワー密度及び85.4%のサイクル安定性をとして観察された。また、KOH電解液中にK3Fe(CN)6メディエータを添加した後、この電極は1617 Fg-1の比容量, 91 Whkg-1のエネルギー密度, 3.8 KWkg-1のパワー密度及び87%のサイクル安定性に改善した。今年度の研究期間は3か月半しかなかった。短時間に予定の通り、rGO/NiCo2O4@MnO2というスーパーキャパシタの正極材料及びrGO/Bi2O3@Cu2Sという負極材料を開発した。それらの材料の電気特性は予想より高かった。また、水性電解液の成分は電極材料のパフォーマンスへの影響も明らかにした。これから、新しい擬似容量性電極材料の開発、非対称スーパーキャパシタ装置の組み立て、及び固体電解質の開発と最適化などを行う。これまで、非対称スーパーキャパシタ装置に対して、rGO/NiCo2O4@MnO2正極材料およびrGO/Bi2O3@Cu2S負極材料を開発されていたが、水性電解質を使ったためエネルギー密度およびパワー密度には限界がある。また、金属酸化物系スーパーキャパシタのエネルギー密度およびパワー密度の改善余地がまだあるため、電極材料成分の最適化及び新規擬似容量性電極材料の開発を行う。同様に、非対称スーパーキャパシタ装置の動作可能範囲を広げるための努力が必要である。特に非水性電解質の開発及び応用が必要である。今後、まず、開発されたrGO/NiCo2O4@MnO2正極材料およびrGO/Bi2O3@Cu2S負極材料をそれぞれ使用して非対称固体電解質スーパーキャパシタ組立を中心に行う。固体電解質として、ポリマーゲル電解質、特に、PVA系ポリマーマトリックスおよびそれぞれの塩を用いて調製する。

これから、新しい擬似容量性電極材料の開発、非対称スーパーキャパシタ装置の組み立て、及び固体電解質の開発と最適化などを行う。これまで、非対称スーパーキャパシタ装置に対して、rGO/NiCo2O4@MnO2正極材料およびrGO/Bi2O3@Cu2S負極材料を開発されていたが、水性電解質を使ったためエネルギー密度およびパワー密度には限界がある。また、金属酸化物系スーパーキャパシタのエネルギー密度およびパワー密度の改善余地がまだあるため、電極材料成分の最適化及び新規擬似容量性電極材料の開発を行う。同様に、非対称スーパーキャパシタ装置の動作可能範囲を広げるための努力が必要である。特に非水性電解質の開発及び応用が必要である。今後、まず、開発されたrGO/NiCo2O4@MnO2正極材料およびrGO/Bi2O3@Cu2S負極材料をそれぞれ使用して非対称固体電解質スーパーキャパシタ組立を中心に行う。固体電解質として、ポリマーゲル電解質、特に、PVA系ポリマーマトリックスおよびそれぞれの塩を用いて調製する。
新素材Mineral Trioxide Aggregate(MTA)の基礎的研究とくに本材が歯髄,歯周組織細胞の動態に与える影響について

Mineral Trioxide Aggregate(MTA)の硬組織形成促進作用の生物学的作用機序の詳細を解明することを目的に,in vivoおよびin vitro両面から検討を加えた。まず,平成15年度は,ラット頭蓋骨移植モデルを応用してin vivo的検討を実施した。ラット頭頂骨に形成した骨窩洞内にMTAおよび対照材料のIRMを填塞し,病理組織学的ならびに免疫組織化学的に観察した。MTA填塞群においては材料を被覆する線維性結合組織および骨膜内に新生硬組織の形成を病理組織学的に認め,さらに免疫組織化学的観察で新生硬組織周囲の結合組織および骨膜内にPCNA陽性細胞および骨芽細胞転写因子であるCbfa1陽性細胞を認めた。このことより,MTAに接する線維性結合組織および骨膜内の未分化間葉系細胞が,MTAの刺激により骨形成細胞へ分化した可能性が示唆され,また,骨性創傷治癒を阻害しない生体親和性の高い材料であることが推測された。一方,IRM填塞群では,強い炎症性反応を呈し,新生硬組織の形成は観察されず,Cbfa1陽性細胞は認められなかった。このことより,IRMはMTAと比較して生体親和性の低い材料であることが明らかとなった。次いで,平成16年度は,MTAの硬組織形成促進作用の本質を検討するため,ラット骨髄細胞を応用したin vitro的検討を行った。一定条件下で培養することで骨芽細胞へ分化するラット骨髄細胞をMTAならびにIRMを塗布した培養皿上で3日間培養後,硬化MTAからの成分溶出の測定,細胞増殖およびアルカリフォスファターゼ活性の測定,SEMおよびTEMによる材料上に付着した細胞の形態学的観察ならびに骨関連タンパク(I型コラーゲン,アルカリフォスファターゼ,オステオポンチン,オステオカルシン)のmRNA発現をRT-PCR法にて検索した。その結果,MTAからは微量のカルシウム,ケイ素などの構成成分が溶出していた。コントロール群と比較して,MTA群においてアルカリフォスファターゼ活性は同程度であったが,細胞増殖は抑制されていたことから溶出成分による細胞増殖抑制が懸念された。また,MTA上に付着した細胞は,微小細胞突起を呈さず,材料表面の凹凸粗造な形状に影響を受けた架橋的な接着であった。このことから,材料の表面形状が細胞付着と増殖に影響を与えていることが推測された。骨関連タンパクのmRNA発現は,コントロールと比較してアルカリフォスファターゼは同程度であったが,I型コラーゲンのmRNA発現が有意に低かった。オステオポンチンのmRNA発現はサイトカインの影響によるものと考えられ,またオステオカルシンのmRNA発現は検出感度以下であった。以上の結果から,MTAは生体親和性の高い材料ではあるが,ラット骨髄細胞の骨芽細胞への分化促進作用は低いものと考えられた。

以上の結果から,MTAは生体親和性の高い材料ではあるが,ラット骨髄細胞の骨芽細胞への分化促進作用は低いものと考えられた。新素材MTA(Mineral Trioxide Aggregate)は硬組織形成能を有する生体材料として注目されている。現在までに報告された臨床的研究から臨床的有用性は高く評価されているが,硬組織形成能の本質についての基礎的検討はなされていない。研究代表者らは本材の硬組織形成能の実体を解明するために実験動物(ラット)によるin vivo的研究と培養細胞系によるin vitro的研究の両面から本材に対する生体側の反応を基礎的に検討し,硬組織形成の様相の一端を明らかにすることを起案した。平成15年度はin vivo的研究に主眼をおき,ラット頭蓋骨実験モデルを応用して本材が新生硬組織の形成に与える影響について病理組織学的および免疫組織化学的な検討を加え,その研究成果を別紙記載の学術雑誌に投稿した。病理組織学的な観察ではMTAは硬組織形成を促進することが明らかにされた。また,その硬組織形成の様相について免疫組織化学的に観察したところ,MTA応用群では新生硬組織および既存骨組織周辺に骨芽細胞転写因子のCbfa-1陽性細胞が多数観察されたのに対して,対照薬剤のIRM(IRM:酸化亜鉛ユージノール系薬剤)応用群では新生硬組織の形成は観察されず、Cbfa-1陽性細胞も僅かで既存骨組織に観察されるのみであった。現在,本研究成果をもとにラット骨髄幹細胞を用いた細胞培養実験を企画し,SEMおよびTEMによる形態学的検討に加えて,MTAが骨性タンパク産生等の細胞機能に与える影響についてRT-PCR, Western blooting法などを用いた生化学的検討も開始しており,今後,本材の細胞レベルでの影響について詳細に検討を加えるつもりである。まず,平成15年度は,ラット頭蓋骨移植モデルを応用してin vivo的検討を実施した。ラット頭頂骨に形成した骨窩洞内にMTAおよび対照材料のIRMを填塞し,病理組織学的ならびに免疫組織化学的に観察した。MTA填塞群においては材料を被覆する線維性結合組織および骨膜内に新生硬組織の形成を病理組織学的に認め,さらに免疫組織化学的観察で新生硬組織周囲の結合組織および骨膜内にPCNA陽性細胞および骨芽細胞転写因子であるCbfa1陽性細胞を認めた。このことより,MTAに接する線維性結合組織および骨膜内の未分化間葉系細胞が,MTAの刺激により骨形成細胞へ分化した可能性が示唆され,また,骨性創傷治癒を阻害しない生体親和性の高い材料であることが推測された。一方,IRM填塞群では,強い炎症性反応を呈し,新生硬組織の形成は観察されず,Cbfa1陽性細胞は認められなかった。このことより,IRMはMTAと比較して生体親和性の低い材料であることが明らかとなった。次いで,平成16年度は,MTAの硬組織形成促進作用の本質を検討するため,ラット骨髄細胞を応用したin vitro的検討を行った。
人工リンパ管開発のための培養リンパ管細胞を用いた基礎的研究

人工リンパ管開発のための培養リンパ管細胞を用いた基礎的研究のために以下の研究を行った。1.ラット胸管由来培養リンパ管内皮細胞上にリンパ管に特異的な細胞膜受容体(VEGFR3、LYVE-1)や核内転写因子(prox-1)の発現していることが免疫組織化学的に判明した。2.ラット胸管由来培養リンパ管内皮細胞上に接着因子であるE-セレクチンが発現していることが免疫組織化学的に判明した。3.腫瘍壊死因子αやインターロイキン1βは、ラット胸管由来培養リンパ管内皮細胞上の接着因子であるE-セレクチンの発現を増強させることが免疫組織化学的に判明した。4.ラット胸管由来培養リンパ管内皮細胞とリンパ球との接着実験を行った結果、リンパ管内皮細胞とリンパ球との接着機構にシアリルルイスA/Xの関与していることが判明した。5.リンパ管内皮細胞とリンパ球との接着機構にリンパ流の存在が重要な物理的因子であることが判明した。6.ラット胸管以外の末梢リンパ管(腸骨リンパ管)からの内皮細胞株樹立に成功した。7.末梢リンパ管内皮細胞には、VEGFR3ならびにLYVE-1の発現していることが免疫組織化学的に判明した。8.末梢リンパ管内皮細胞は、胸管リンパ管内皮細胞より細胞増殖能の高いことが判明した。9.リンパ管は、ATPを代謝しその代謝産物であるアデノシンがリンパ管のポンプ作用を抑制することが判明した。そして、そのATPによるリンパ管ポンプ作用抑制発現に一酸化窒素ならびにATP感受性K+チャネルの関与していることが判明した。1.ラットから採取・培養したリンパ管内皮細胞株を確立し、その細胞生物学的検討を行った。その結果、培養内皮細胞に水選択性チャネルアクアポリン1の発現していることが確認できた。またリンパ管内皮細胞は、培養した条件で接着因子であるE-セレクチンを発現し、このE-セレクチンの発現はIL_2ならびにTNFα刺激によって増強されることが判明した。2.培養リンパ管内皮細胞とリンパ球との接着様式を解明できる実験系を確立し、リンパ球がリンパ管内皮細胞にCa^<2+>依存性に接着することが判明した。3.ATP感受性K^+チャネルのポアを形成するKir6.2を遺伝的に欠損するマウス(Kir6.2KOマウス)の系統を導入し、その系統の個体維持と繁殖を行った。4.ATPは摘出ラットリンパ管の自発性ポンプ機能を一酸化窒素ならびにATP感受性K^+チャネル依存性に抑制し、この作用機序の発生にアデノシン受容体の関与していることが判明した。5.摘出灌流リンパ管標本を用いた実験により、リンパ管の自発的ポンプ機能の発現様式にRho-Rho kinase系の関与していることが判明した。6.摘出ラットリンパ節標本の作製方法を確立し、この標本と生体蛍光顕微鏡を併用することによって、リンパ節内のリンパに含まれる蛍光物質動態を可視化することが出来た。その結果、リンパ節内には、リンパに含まれる蛍光物質の分子量依存性の通過機構の存在することが判明した。
数の理解における身体性に関する総合的研究

近年,基本的な計算能力の習得が重視されるようになってきたが,その過程に関しては,十分に明らかにされていないことが多い。そこで,本研究では,計算時における指の利用に着目し,計算と身体性との関連を実験的に検討するとともに,計算時における指の利用の長期的な影響を調べるために,大学生,短期大学生,専門学校生を対象に,計算時にいつまで指を利用していたかを尋ね,算数・数学の自己概念との関連を質問紙により検討した。また,小学校の教師と年長の子どもをもつ保護者を対象に,指の利用やそれに関する指導について調べた。その結果,以下のことが明らかになった。(1)それぞれの数を指で表すがそれらを数えることなく答える「fingers」や,指を折ったり声にだしたりして数える「カウンティング」が,年少児では難易度が低い課題で,年長児になるにつれ難易度が高くなる課題で使用されていた。(2)手指の巧緻性と計算能力との間には有意な相関がみられ,この関係は,動作性の発達得点ならびに短期記憶容量の得点を統制しても,変わることがなかった。(3)計算時に指を使っていた割合は,小学2年生までの間に最も高くなり,その後は徐々に減少するものの,現在も使っている学生が一定数存在した。また,指を利用していた期間が長い群ほど計算や算数の得意な者の割合が低かった。(4)保護者の70%が,小学校2年生までに指を使わなくなって欲しいと考えており,その理由として,頭を使う必要があるという意見や,2年生でかけ算を習うからといった指の制約に関する意見がみられた。以上の知見が,認知発達と算数教育の観点から論じられた。そこで,本研究では,計算時における指の利用に着目し,インフォーマル算数の習得過程を,構成主義や状況的学習論の観点から探索的に検討した。5歳児20名に,2+1,3+6というような一桁の足し算の答えを尋ね,回答するまでの子どもの行動を観察した。その際,数字のカード,半具体物としてドットカード,具体物としてオハジキ,の3種類の提示方法を用いた。あわせて,足し算を他者へ説明する際の指の動きを観察した。その結果,足し算をしている時に自発的に指を利用していた子どもは約4%であり,指を積極的に使うように教示していた先行研究に比べて,少ない割合であった。それに対し,目で追う,じっと見るなど,計算時に目を利用しているとみられる子どもは約37%であり,その傾向は、ドットカードを提示したときに顕著であった。また,計算の仕方を説明させる課題では、約10%の幼児が指を利用して説明し,目の動きだけで説明した子どもは約3%であった。また,計算時と説明時での身体的な動きの違いとして,計算時ではドットを提示したときに多くの身体的な動き(特に目の動き)が多く現れるのに対して,説明時では数字カードを提示したときに指の動きが多く現れる傾向があった。これらの結果から,就学前の子どもにおいては,指は他者に説明するのに利用されても,自分の認知的処理の道具としては利用されにくいことが示唆された。以上の知見が身体性認知の観点から論じられた。本年度は,昨年度に引き続き,数の理解や計算の習得過程の解明を進めるとともに,小学校における学習・指導の実態ならびに教師の指導に関する信念を調べた。習得過程に関しては,昨年度の実験よりも課題数を組織的に増やすとともに,対象者を年長児だけでなく,年中,年少児に拡げ,幼児の足し算における指の利用を詳細に検討した。

その結果,それぞれの数を指で表すがそれらを数えることなく答える「fingers」や,指を折ったり声にだしたりして数える「カウンティング」が,年少児では難易度が低い課題で,年長児になるにつれ難易度が高くなる課題で使用されていることが明らかになった。また,算数教育の指導における指計算(指を利用して計算すること)の効用と問題点を明らかにするために,現職の小学校教師にインタビューと探索的な質問紙調査を実施した。その結果,最近の指導要領には,指の利用に関する子どもへの指導については触れられていないが,実際には指を利用している子どもが多いことが明らかになった。また,足し算を教える際の指の利用とその指導については,これまでにも賛否両論があったが,調査からも様々意見がみられた。小学校の1年生から3年生までの間に指を使わないで計算できるようになって欲しいと思う教師が6名中5名おり,その理由として,だんだんできるようになれば自然に使わなくなるという意見や,指にばかり頼っていると計算のスピードが遅くなるという意見がみられた。そして,それぞれの教師が指の利用に対する指導を行っていることが明らかにされた。本年度は,昨年度に引き続き,計算と身体性との関連を実験的に検討するとともに,計算時における指の利用の長期的な影響を調べるために,大学生,短期大学生,専門学校生を対象に,計算時にいつまで指を利用していたかを尋ね,算数・数学の自己概念との関連を質問紙により検討した。また,年長の子どもをもつ保護者を対象に,指の利用やそれに関する指導について調べた。計算と身体性との関連ついては,特に手指の巧緻性に着目し,計算能力の関係を明らかにするために,幼稚園の年長児48名を対象に実験を行った。その結果,手指の巧緻性と計算能力との間には有意な相関がみられ,この関係は,動作性の発達得点ならびに短期記憶容量の得点を統制しても,変わることがなかった。以上の結果から,就学前の子ども計算能力には,従来の知見から予想される以上に,手指の巧緻性が関係していることが示唆された。また,計算時における指の利用期間に関しては,先行研究(杉村・山名,2003)と同様の結果であった。つまり,計算時に指を使っていた割合は,小学2年生までの間に最も高くなり(短期大学生では小2,大学生では小1),その後は徐々に減少するものの,現在も使っている学生が一定数存在した。また,指を利用していた期間が長い群ほど計算や算数の得意な者の割合が低いという知見が得られた。しかしながら,計算時に指を使った覚えがない群に関しては,大学生では,算数や数学が得意な者や好きな者の割合が低かったのに対して,短期大学生や専門学校生では高く全く正反対の結果であり,今後の検討課題となった。
光感応性黒鉛層間化合物の創製と二酸化炭素固定化への応用

本研究は、金属塩化物-黒鉛層間化合物の光感応性を確認するとともに、水分解による水素生成や二酸化炭素の還元に適用することを目的としており、平成11年度と平成12年度の2年計画で実施した。得られた研究成果の概要は以下の通りである。1.ホスト黒鉛材料として高品質の黒鉛材料を用い、塩化第二銅と混合して400500°Cのガラスアンプル内で数日間反応させることによって、塩化銅-黒鉛層間化合物(以下、CuCl_2-GICと略す)を合成した。合成したCuCl_2-GICを電極として、硫酸カリウム水溶液中でXe光照射を行うと光電流を生じ、CuCl_2-GICの光感応性を確認した。2.メタノール水溶液中、CuCl_2-GICとCu粉末との混合懸濁系にXe光照射を行うと、光照射時間に比例して水素が生成することを見出した。反応前後のCuCl_2-GICのX線光電子分析や種々のコントロール実験の実施結果から、この新規のGICの光触媒による水素生成のメカニズムを提案した。3.光触媒反応および電気化学反応での二酸化炭素の還元について、詳細な反応機作についての検討を行った。光触媒反応については、二液分離型光化学ダイオードにより金属Cuが二酸化炭素還元の触媒として有効であることを明らかにした。また、二酸化炭素の電気化学還元については、回転リング・ディスク電極による機構解析から、電極の回転による二酸化炭素還元への有効性が示唆された。4.TiO_2粉末とポリ塩化ビニルの粉末を混合し、窒素気流中で焼成して光触媒を調整した。この炭素被覆TiO_2粉末を染料含有溶液に懸濁させ、撹拌しながらブラックライトによる光照射を行い、優れた脱色効果を有することを見出した。本研究は、金属塩化物-黒鉛層間化合物の光感応性を確認するとともに、水分解による水素生成や二酸化炭素の還元に適用することを目的としており、平成11年度と平成12年度の2年間の計画で実施しているものである。初年度の平成11年度に得られた研究成果の概要は以下の通りである。また、CuCl_2-GIC量の増加に対しては水素生成が頭打ちとなり、メタノール濃度に対しては75%(vol.)で極大を示した。これらの結果は、メタノール水溶液からの水素生成がCuCl_2-GICが関与する光触媒反応であることを示唆するものである。3.その他、反応前後のCuCl_2-GICのX線光電子分析や種々のコントロール実験の実施結果から、この新規のGIC光触媒による水素生成のメカニズムを考察した。

1.ホスト黒鉛材料として高品質の黒鉛材料を用い、塩化第二銅と混合して400500°Cのガスアンプル内で数日間反応させることによって、塩化銅-黒鉛層間化合物(以下、CuCl_2-GICと略す)を合成した。合成したCuCl_2-GICを電極として、硫酸カリウム水溶液中でXe光照射を行うと光電流を生じ、CuCl_2-GICの光感応性を確認した。2.メタノール水溶液中、CuCl_2-GICとCu粉末との混合懸濁系にXe光照射を行うと、光照射時間に比例して水素が生成することを見出した。また、CuCl_2-GIC量の増加に対しては水素生成が頭打ちとなり、メタノール濃度に対しては75%(vol.)で極大を示した。これらの結果は、メタノール水溶液からの水素生成がCuCl_2-GICが関与する光触媒反応であることを示唆するものであり、反応前後のCuCl_2-GICのX線光電子分析や種々のコントロール実験の実施結果から、この新規のGIC光触媒による水素生成のメカニズムを提案した。3.光触媒反応および電気化学反応における二酸化炭素の還元について、それらの詳細な反応機作について検討を行った。光触媒反応については、二液分離型光化学ダイオードによる二酸化炭素の還元固定化反応を扱い、硫酸銅を添加しておけば炭化水素生成が10倍の速度で進行し、金属Cuが二酸化炭素還元の触媒として有効であることなどを明らかにした。他方、二酸化炭素の電気化学還元については、回転リング・ディスク電極によって機構解析を試み、電極の回転による二酸化炭素還元への有効性が示唆された。4.光触媒として、TiO_2粉末とポリ塩化ビニルの粉末を混合し、窒素気流中で焼成し、TiO_2/Cの混合比や焼成温度が異なるものを調製した。この炭素被覆TiO_2粉末を染料含有溶液に懸濁させ、撹拌しながらブラックライトによる光照射を行い、優れた脱色効果を有することを見出した。本研究ではモデル染料溶液としてローダミンB含有溶液を使用し、脱色に対する炭素被覆TiO_2調製時の焼成温度依存性や、TiO_2/C比の違いによる依存性についても明らかにした。
インチスケールダイヤモンドウェハ開発のための基盤研究

本研究は、超省エネ化に資する次世代ダイヤモンドパワーデバイス実現のために必要なダイヤモンドウェハの大面積(2インチ以上)・低コスト化に関する基盤技術の開発を目的とした。その結果、ダイヤモンドヘテロエピタキシャル成長用基板としてNiの有効性を示した。具体的には、多結晶Ni基板上に多結晶ダイヤモンド膜を成長することに成功し、かつダイヤモンド/Ni界面に析出したグラファイトにより、そのダイヤモンド膜は自然剥離により自立化可能であることを示した。本研究の目的は、超省エネ化に資する次世代ダイヤモンドパワーデバイス実現のために必要なダイヤモンドウェハの大面積(2インチ以上)・低コスト化に関する基盤技術の開発である。具体的には、ダイヤモンドのヘテロエピタキシャル成長によりその実現を目指す。今年度は、ダイヤモンドヘテロエピタキシャル成長のための基板の作製に取り組んだ。当初、SiC熱分解法による多層グラフェン上に単結晶Ptを堆積させた積層構造体をダイヤモンドヘテロエピタキシャル成長用基板として考えていたが、SiC熱分解法により得られる多層グラフェンは、リッジが形成されることが分かり、そのため、そのグラフェン/SiC上にPtの単結晶化が困難であることが分かった。そこで、ダイヤモンドとの格子不整合が極めて小さく、かつグラフェンの形成が可能なNiのダイヤモンドヘテロエピタキシャル成長用基板としての有効性を検討した。その結果、多結晶Ni基板上に多結晶ダイヤモンド膜を成長することに成功し、かつダイヤモンド/Ni界面に析出したグラファイトにより、そのダイヤモンド膜は自然剥離により自立化可能であることが分かった。今後は、Ni基板を用いた単結晶ダイヤモンドのヘテロエピタキシャル成長に取り組む。今年度は、昨年度開発したNi基板を用いた自立ダイヤモンド膜作製技術を用いて、その自立ダイヤモンド膜の大面積化技術の開発を試みた。その結果、1インチ角以上の面積を有する多結晶ダイヤモンド自立膜を作製した。また、我々の技術を用いて作製した多結晶ダイヤモンド自立基板上にホウ素ドープしたp層やp+層、そしてリンドープしたn+層の形成を行い、整流性を有するショットキーダイオードやpnダイオードの作製に成功した。ほぼ当初の計画通りに進展している。今年度は、本研究で開発したNi基板を用いた自立ダイヤモンド膜自然剥離作製技術に、バイアス促進核生成(Bias Enhanced Nucleation: BEN)法を適用することにより、ヘテロエピタキシャルダイヤモンド膜の成長及び自然剥離ヘテロエピタキシャルダイヤモンド自立膜の成長を狙った。そのため、既存のマイクロ波プラズマCVD装置にDCバイアス印加可能な仕様に改造を行い、BEN処理によるNi表面へのダイヤモンドの核形成プロセスの開発を行った。その結果、{111}配向ニッケル基板上に{111}配向ダイヤモンド膜の成長に成功したことをレーザー顕微鏡による表面観察とXRDによる結晶性評価により確認した。また、Ni中の固溶炭素によるダイヤモンド/Ni界面の析出グラファイト中間層を用いた自然剥離により{111}配向ダイヤモンド自立膜を得ることに成功した。以上の結果から、我々の開発した技術を単結晶ニッケル基板やエピタキシャルニッケル膜に適用することにより、自然剥離ヘテロエピタキシャルダイヤモンド自立基板、そしてダイヤモンドウェハの大口径・低コスト化プロセスの実現が期待できる。当初予定していたSiCは、ダイヤモンドヘテロエピタキシャル成長用基板として不適であることが分かったが、ほぼ同様の方法でNiがその基板として有効であることを示すことができ、順調に進展している。我々が開発した技術を応用し、ダイヤモンドヘテロエピタキシャル成長技術を用いた単結晶ダイヤモンド自立膜の実現を目指す。半導体物理、表面科学、結晶成長当初予定していたSiC基板ではなく、Ni基板を用いて同様の研究計画を推進する。
過飽和の視点から見たアミロイド線維分子機構とそれに関わる脂質膜の役割の解明

本年度はアミロイド線維を形成する蛋白質の中でも、αシヌクレインに着目した研究を進めた。αシヌクレインが膜と相互作用した際αヘリックス構造をとることが知られているが、この構造はαシヌクレインが線維形成に至るまでの中間体なのか、線維形成機構とは関係のないものなのかが分かっていない。それは、膜と相互作用したときのαヘリックス構造が、非常に安定なものなため、線維形成まで反応を見ることができないという理由がある。そこで、本研究では、超音波を用いて線維形成を促進させるということを試みた。そうすることにより、線維形成機構にαヘリックス構造が中間体として含まれているのかどうかが明らかになると考えたからである。すると、脂質種と脂質濃度依存的に、脂質が線維形成に及ぼす影響が変化することが分かった。シナプス小胞を模倣した脂質膜(αシヌクレインと相互作用することが知られている)を用いた実験では、低濃度の脂質存在下においては線維形成が促進したのに対し、高濃度の脂質存在下では線維形成が阻害された。また、シナプス小胞を模倣していない脂質を用いた実験からは、脂質がどの濃度においても線維形成に大きな影響を与えないことが明らかとなった。この結果より、αシヌクレインが相互作用し、αヘリックス構造を脂質濃度依存的にもつようになる脂質膜存在下では、線維形成にαヘリックス量が非常に重要なキーになっていることが考えられた。膜との相互作用により、蛋白質の局所濃度が高まり、線維形成を促進させている可能性が見えてきた。また、もう一つの解釈として、一つの蛋白質内部でのαヘリックス量に、線維形成を促進する適量が存在する可能性もあると考えている。27年度が最終年度であるため、記入しない。本研究は、脂質膜が与えるアミロイドβの線維形成への効果を調べることを目的に研究を行った。研究を進めていくなかで、生体膜の必須脂質であるフォスファチジルコリンで作製したリポソームがリポソームのサイズ依存的に線維形成の核形成段階を促進することが明らかとなった。そこで、脂質ベシクルの曲率に着目し、30・50・100・200nmのベシクルが線維形成機構に与える影響について調べることにした。すると、30・50nmのリポソームを添加することによって核形成に要する時間(ラグタイム)が短くなることが分かった。一方、100・200nmのリポソームを添加した際にはその効果があまり見られなくなった。濃度依存性を調べたところ、ペプチド濃度と1:1のモル比で添加した際にも十分にラグタイムを短縮する効果を30nmのリポソームは持ち合わせていることが明らかとなった。またこの実験により、曲率の効果とリポソームの占有体積の効果の寄与についても調べることを試みた。低濃度(脂質濃度とペプチド濃度が同じ)の脂質濃度において、30nmと100nmのリポソームサイズでリポソームが与える線維形成への影響を調べた。すると、100nmのリポソームの方の占有体積が30nmのものの約3倍と大きいのにも関わらず、30nmのリポソームでのみラグタイムの促進効果が確認された。また、脂質濃度が高濃度(脂質濃度がペプチド濃度の100倍)になるにつれて、脂質の体積効果が除々に見られるようになった。ベシクルを形成している脂質分子間の隙間にできる疎水的環境にも着目し、なぜ小さいベシクルによってアミロイドβの核形成が促進されるのかについて現在研究を進めている。アミロイドβはアルツハイマー病に関与しているペプチドとして知られている。アミロイドβが凝集することによりできたアミロイド線維が組織に蓄積することが、アルツハイマー病の原因の1つであると考えられている。アミロイドβは、脂質膜と相互作用することが知られており、これまであまり注目されてこなかった脂質膜の曲率に着目することにした。脂質膜の曲率がどのようにアミロイドβのアミロイド線維形成に影響するのかを調べた。小さなサイズのリポソーム(30nm)がアミロイドβの核形成を促進するということ、そして大きなリポソーム(100nm)は不定形凝集であるアモルファス凝集を形成する傾向にあるということが分かってきた。これは、それぞれのサイズの脂質膜とアミロイドβの相互作用の違いにより生じるのではないかと考え、等温滴定熱量計を用いて、脂質膜にアミロイドβが相互作用する際の熱をそれぞれのサイズのリポソームを用いて測定することとした。その結果、30nmのリポソームとアミロイドβとの相互作用は発熱反応であり、100nmのリポソームとの相互作用は吸熱反応であることが分かった。さらに、解離定数を調べたところ、100nmのリポソームへの相互作用の方が30nmのリポソームへの相互作用より大きいということが分かった。これより、相互作用がある一定レベルよりも強い場合には核形成が促進されるのではなく、アモルファス凝集が生じやすいということが示唆された。アミロイドβのアミロイド線維がシナプス近傍でできることで、神経細胞に害を及ぼすという報告がある。本研究結果とこのような報告から、アミロイドβはシナプス小胞と相互作用することにより、線維形成が促進され細胞に影響を与えている可能性が予想される。

αシヌクレインが膜と相互作用した際αヘリックス構造をとることが知られているが、この構造はαシヌクレインが線維形成に至るまでの中間体なのか、線維形成機構とは関係のないものなのかが分かっていない。それは、膜と相互作用したときのαヘリックス構造が、非常に安定なものなため、線維形成まで反応を見ることができないという理由がある。そこで、本研究では、超音波を用いて線維形成を促進させるということを試みた。そうすることにより、線維形成機構にαヘリックス構造が中間体として含まれているのかどうかが明らかになると考えたからである。すると、脂質種と脂質濃度依存的に、脂質が線維形成に及ぼす影響が変化することが分かった。シナプス小胞を模倣した脂質膜(αシヌクレインと相互作用することが知られている)を用いた実験では、低濃度の脂質存在下においては線維形成が促進したのに対し、高濃度の脂質存在下では線維形成が阻害された。また、シナプス小胞を模倣していない脂質を用いた実験からは、脂質がどの濃度においても線維形成に大きな影響を与えないことが明らかとなった。この結果より、αシヌクレインが相互作用し、αヘリックス構造を脂質濃度依存的にもつようになる脂質膜存在下では、線維形成にαヘリックス量が非常に重要なキーになっていることが考えられた。膜との相互作用により、蛋白質の局所濃度が高まり、線維形成を促進させている可能性が見えてきた。また、もう一つの解釈として、一つの蛋白質内部でのαヘリックス量に、線維形成を促進する適量が存在する可能性もあると考えている。当初の研究目的は達成され、さらに発展した研究を進めている点で、計画以上に進展していると考える。アミロイドβの線維形成に、これまで効果がないと報告されていた脂質種が、曲率を変えることによって線維形成を促進することが、本研究により明らかとなった。この研究により、脂質膜を単なるモノとしての膜ではなく、曲率を持ったものとして捉える必要があることを示した。また、この研究をまとめた論文は、査読付き国際誌に受理され掲載された。この研究の続きとして、アミロイドβの異なる長さのペプチドを用いた研究も行い、長さの違いでどのように線維形成に違いが生じるのかの研究を現在進めている。この研究がさらに進めば、脂質膜の曲率が及ぼすアミロイドβの線維形成機構の詳細がさらに明らかになることが期待される。さらに、脂質と相互作用するアミロイド形成蛋白質としてαシヌクレインが知られている。この蛋白質は、パーキンソン病に関係する蛋白質である。これまでに、αシヌクレインは負電荷の脂質膜と相互作用するということ、膜の曲率を感知するということが知られている。αシヌクレインは高い曲率の脂質膜と相互作用することによって、N末端側がランダムコイルからαヘリックス構造に変化する。このαヘリックス構造が線維形成において、どのような役割を担っているのかを調べ興味深い結果を得ている。この研究により、αシヌクレインの膜との相互作用がどのように線維形成と関与しているのかを明らかにできることが期待される。27年度が最終年度であるため、記入しない。アミロイドβには40残基のものと42残基のものがある。本研究では40残基のペプチドを用いて実験を行ってきた。今後は、42残基においても研究を進めていく予定である。
光誘起電子移動による各種DNA損傷の検討と新規DNA光操作法の開発

DNAの損傷は癌や老化の原因となるため、このDNA損傷の化学反応を制御するメカニズムへの関心は非常に高い。本研究では特に、これまでにまだ報告例の少ないDNAの還元について研究を行った。DNAの新たな損傷および修復メカニズムを知る上でも、またDNAのナノマテリアルとしての可能性を広げる上でも、DNAの還元の研究は非常に重要であると言える。DNA内のホール移動特性についてはこれまでに理論・実験の両面から膨大な研究例がある一方で、DNA内の過剰電子移動特性については、適切な還元剤の不足により、未だ充分な議論がなされず、未解明な点も多い。そこで本研究では、新規な発色団修飾塩基と電子捕捉塩基を含むオリゴヌクレオチドを合成し、光照射実験を行うことでDNA内の過剰電子移動特性を検討した。具体的には、ナフタレンがエチニルリンカーでデオキシウリジンに連結されたオリゴヌクレオチドを薗頭カップリング反応によって合成し、ナフタレン修飾塩基および電子捕捉塩基としてプロモウリジンを含む種々の配列のDNAについて光照射実験を行い、同一鎖内および相補鎖間の過剰電子移動の効率、および距離・方向依存性についても詳細に調べ、DNA内の過剰電子移動特性についての重要な知見を得ることができた。さらにこのような発色団が二重結合および三重結合で核酸塩基に修飾された各種蛍光性核酸塩基(BDF)を設計、合成したものをオリゴヌクレオチドに組み込んで、高感度の一塩基多型(SNPs)検出や、DNAを鋳型とする新たな反応場の構築についても研究を進めた。DNAは生命活動の根幹であるタンパク質の構造と機能に関する情報を記録しているが、DNAを構成する核酸塩基はフリーラジカルや光照射により損傷を受ける。このような損傷は癌や老化の原因となるため、このDNA酸化の化学反応を制御するメカニズムへの関心は非常に高い。そこで、本研究ではまず補酵素B_<12>のコバルト-炭素結合が光照射によって開裂し、アルキルラジカルを生成することに着目し、この補酵素B_<12>によるDNA損傷機構を、同時にそのモデル錯体である各種有機コバロキシムも用いることによって、DNA電気泳動法、ESR測定、GC測定等によって詳細に検討し、そのラジカル種による反応性の違いを明らかにした。さらに、生体内補酵素であるNADH(ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド)の酸化型NAD^+の類縁体である、各種アクリジニウムイオン(AcrR^+)を光励起することによるDNAの酸化損傷過程を詳細に検討した。DNA(Calf Thymus)中に挿入されたAcrR^+(R=H,Pr^i,Ph)を光励起したところ、フェムト秒レーザーフラッシュフォトリシスにより、DNA中のアクリジニルラジカルおよび核酸塩基のラジカルカチオンの両ラジカル種の過渡吸収スペクトルが観測された。その結果、ラジカルイオン対の生成とその減衰が高速で起こることが分かった。また、このような速いDNA中の分子内逆電子移動によってDNAの切断が抑制されることをDNA電気泳動の結果から確認した。DNAはこれまで主にその酸化的損傷について研究がなされてきたが、DNAの還元についての研究はまだ少ない。しかし、DNAの還元についての研究は、DNAをナノテクノロジーマテリアルとして検討する上でも、DNAの新たな損傷および修復メカニズムを知る上でも非常に重要なものであると言える。研究代表者はこれまでの実験により、補酵素NADH(ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド)の光励起によって核酸塩基が還元され、DNAの切断が起こることをはじめて明らかにした。しかし、DNA中での電子移動特性の詳細を知るためには、このようなクロモフォアをDNAに直接修飾することが不可欠となる。NADHそのものは有機溶媒への溶解度が非常に低く、また熱に弱いという性質を持っていることから、様々なNADHの酸化型であるNAD^+の類縁体を合成し、このNAD^+類縁体が修飾されたDNAの合成を行った。得られたNAD^+類縁体修飾DNAの還元体(NADH類縁体修飾DNA)は、光照射前にNa_2S_2O_4を用いて得ることができ、DNA中のNADH類縁体の光励起により、DNA中の電子補足塩基であるブロモウリジンの分解が観測された。また、より効率のよいDNA中の電子移動を観測するための、全く新規のクロモフォアを修飾した各種DNAの合成にも成功し、これらのDNAを用いて、DNA中の還元的電子移動の距離依存特性、方向依存性、DNAのstrand内およびstrand間電子移動の比較を詳細に行った。

具体的には、ナフタレンがエチニルリンカーでデオキシウリジンに連結されたオリゴヌクレオチドを薗頭カップリング反応によって合成し、ナフタレン修飾塩基および電子捕捉塩基としてプロモウリジンを含む種々の配列のDNAについて光照射実験を行い、同一鎖内および相補鎖間の過剰電子移動の効率、および距離・方向依存性についても詳細に調べ、DNA内の過剰電子移動特性についての重要な知見を得ることができた。さらにこのような発色団が二重結合および三重結合で核酸塩基に修飾された各種蛍光性核酸塩基(BDF)を設計、合成したものをオリゴヌクレオチドに組み込んで、高感度の一塩基多型(SNPs)検出や、DNAを鋳型とする新たな反応場の構築についても研究を進めた。