hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
自家臍帯幹細胞シート移植による先天性横隔膜ヘルニアにける低形成肺の再生

1.ヒト臍帯由来間葉系幹細胞を用いた細胞シートの作成。タカラバイオ社のhMSC-UCを用いて、細胞シートの作成を行った。35mm培養皿にP2継代培養細胞を1x105 cells/cm2濃度で培養を開始。培養5日目に回収した。約1cm径のシートとして作成出来た。2.ラット胎児肺とhMSC-UCの共培養。hMSC-UCと妊娠13.5日目の正常またはnitrofenモデル低形成ラット胎児肺をのせて共培養した。48時間の無血清培養後、共培養した胎児肺は、しないものに比しterminal lung badの増加率が優位に高く、VEGF、BMP-4、TTF-1の発現が優位に高かった。1.ヒト臍帯由来間葉系幹細胞をもちいた細胞シートの作成。hMSC-UCをメッシュ膜上に培養しconfluentになるまで培養した。約1週間要した。母体へのnitrofen投与によって作成した、肺的形成モデルラットを妊娠13.5日目に取り出し、肺を摘出した。この摘出肺をhMSC-UCが覆ったメッシュinsertの上におき、48時間の共培養を行った。培養条件は37度、O2:21%、CO2:5%。3.hMSC-UC共培養における胎児肺の分化・成長の検討検討は低形成肺モデルと、正常コントロール間で比較した。培養開始0時間と48時間で、lung budの増加数を検討した。増加率は、いずれもhMSC-UCと共培養した群が高かった。培養後48時間で、肺を取り出し、RNAの抽出をおこなった。RT-PCRをおこなって、まず血管成長因子であるHIF1aとVEGFaを比較した。しかし、各群間に優位な差は認めなかった。先天性横隔膜ヘルニア(以下CDH)は、合併する肺低形成と遷延性肺高血圧症のため、救命可能であっても低酸素脳症による後遺症や在宅酸素療法が必要となるなど患児のQuality of Life (QOL)は不良である。CDHの予後を規定する肺低形成に対し、Tissue Engineeringの手法を用いて児の臍帯から抽出した臍帯幹細胞をシート状足場に培養し、このシートごと根治手術時に患側肺へ貼付することにより、低形成肺の発育を促進する治療法を考案した。まず、初年度はラットを用いた実験系を確立する。ラットでは、すでにナイトロフェンを用いたCDHモデルが確立されており、本モデルは患側肺の低形成を合併することが知られている。さらに、新生仔ラットからUmbilical Cord Wharton's Jelly Stem Cellsを採取、抽出しシート状に培養することを目的に実験を進めることとした。妊娠9.5日目の母体ラットをガス麻酔下に鎮静し、胃管を用いてオリーブ油に溶解したナイトロフェンを注入し、実験モデルを作成する。ナイトロフェン投与で横隔膜ヘルニアができるかを予備実験として行ったが、初回は1匹もモデル動物ができなかった。当施設の動物実験センターではラットの繁殖は行っておらず、妊娠ラットを購入して行っているため、搬入2日目に薬物投与をせざるを得ず、ストレスなどによりナイトロフェンを嘔吐した可能性がある。まず、実験動物が確実に作成できることを確認する。Umbilical Cord Wharton's Jelly Stem Cells(WJSCs)を新生仔ラットから採取することを計画したが、ラットは一度に10数匹妊娠し、おのおのの臍帯は極短いため、ここからWJSCsを採取するのは困難であった。そのため、ヒトのWJSCs培養細胞を購入して利用することとした。1.ヒト臍帯由来間葉系幹細胞を用いた細胞シートの作成hMSC-UCをメッシュ膜状に培養しconfluentにした。この上に、妊娠13.5日目の正常ラット胎児肺をのせて共培養した。48時間の無血清培養後に、terminal lung badの増加率と肺成長因子の発現をRT-qPCRで検討した。hMSC-UCと共培養した胎児肺は、しないものに比しterminal lung badの増加率が優位に高く、VEGF、BMP-4、TTF-1の発現が優位に高かった。これは、hMSC-UCが胎児肺を刺激することで、胎児肺からの成長因子発現が促されたことを示した。小児外科1.ラット開胸手術作成した幹細胞シートをラット肺を一部切除したところに貼付する実験を行う必要が有るが、ラット開胸手術は困難であった。そこで、麻酔・手術を安全に行えるように環境を整える必要があったが、予算が途中間に合わず、整備が滞った。来年度には早速整備して、ラット開胸手術が早急に行えるようにする。

また、ラット開胸手術は最終的には3週齢を使用するが、まずは成獣を利用して訓練する。2.バイオリアクター最終的には新生仔ラットの低形成肺を摘出し、バイオリアクターを使用した器官培養を行いたいが、バイオリアクターの作成が行えていない。1.モデルラット作成妊娠9.5日目の母体ラットをガス麻酔下に鎮静し、胃管を用いてオリーブ油に溶解したナイトロフェンを注入し、実験モデルを作成する。ナイトロフェン投与で横隔膜ヘルニアができるかを予備実験として行ったが、初回は1匹もモデル動物ができなかった。期待したようにはモデルラットを効率的に作成できなかったことで遅れを生じた。当初、新生仔ラットから採取することを試みたが、ラットの臍帯は極短く、帝切時にほとんど切れてなくなってしまうため、ここから採取することは困難であった。このことがシート作成を遅らせた。現在シート状に培養するために5日間必要だが、日数の短縮が図れるように初期細胞数の変更などを検討する。2.障害肺モデルの確率低形成肺モデルラットは出生後短時間で死亡してしまうので、正常ラットの肺部分切除術によって障害肺モデルを作成する予定である。これには確実で安全な開胸手術が必要であり、これに熟練する。3.肺低形成モデルの新生仔ラットから摘出した、低形成肺を器官培養するための培養機器を準備し、hMSC-UCシートを貼付した低形成肺を3日以上器官培養した後に肺の分化・成熟を判定する。1.モデルラット作成モデルラット作成の数を増やし効率化する。また、当施設の動物実験センターではラットの繁殖は行っておらず、妊娠ラットを購入して行っている。そのため、妊娠ラット搬入2日目に薬物投与をせざるを得ず、ストレスなどによりナイトロフェンを嘔吐した可能性がある。より長い胃管を用いて確実にナイトロフェンの投与を行う。また、ラットの繁殖を試みてできるだけストレスのかからない環境でラットの飼育を行う改善を考慮する。コマーシャルベースで購入できるWJSCsが数社から出ており、これを利用する。最も効率よくシート化できる会社のWJSCsを利用してシートを作る。昨年末に予算が不足したため、前倒し請求を行ったが、25年度内に前倒しの全額を使い切れなかったため。前倒しの残額分は、26年度に実験器具購入にあたって使用する予定である。該当なし
進行肝細胞癌におけるTGF-βとそのシグナルを標的としたIFN併用化学療法の展開

基礎的研究:5-FUは、肝細胞癌細胞においてTGF-βの発現および分泌を誘導する。また、5-FUは、TGF-βの細胞死シグナルを抑制し、ERKを介して細胞浸潤シグナルを増強する。一方、IFNα-2bは、5-FUのこれらの作用を抑制することが明らかになった。臨床的研究:IFN/5-FU併用療法の治療効果を認めた進行肝癌患者では、TGF-βの血中濃度が治療後に著明に減少した。しかし、C型肝炎の背景を持つ患者については、症状改善例群と不応例群では、治療後TGF-βの血中濃度が治療前よりはすべて低下し、群間有意差は認められなかった。平成27年度では、肝癌細胞の浸潤性へのTGF-βおよびそのシグナルの関与、また、IFNα2bの拮抗作用および分子機構について実験を行った。実験方法:1.肝癌細胞株HepG2に5-FUを0から30μg/mlを添加し、24時間後、生細胞測定試薬を添加し、吸光度の測定によって、細胞生存率を評価した。2.細胞に毒性少ない5-FU濃度を確定し、HepG2細胞にこの濃度の5-FU添加し、細胞の浸潤性をmigration assay及びinvasion assayで検討した。3.既に前の実験で確認した30μg/mlの5-FUによるTGF-βの分泌誘導実験を再現し、回収した上清をTGF-β活性化処理及び5-FUの濃度希釈を行い(5-FU処理上清)、細胞に添加し、前述と同じ方法で細胞の浸潤性を検討した。4. HepG2細胞に5-FU処理上清を単独添加、IFNα2bとの混合添加を行い、24時間処理した。細胞内のTGF-βシグナル分子(TGF-βRII,SMAD2,snail,β-cateninなど)およびIFNシグナル分子(IFNAR、STATなど)の発現および活性化についてWestern Blotで分析した。結果:1. 5-FUは、0.5μg/mlの濃度超える範囲で著明な細胞死を誘導した。2. 5-FUは、0.5μg/mlで細胞浸潤の誘導が認められなかった。3. 5-FU処理上清で著明な細胞浸潤が示された。4. 5-FU処理上清で細胞内TGF-βRII及びp-SMAD2の蛋白質発現が減少し、snailおよびβ-cateninへの影響が認められなかった。これに対し、IFNα2bとの混合添加では、TGF-βRII及びp-SMAD2の蛋白質発現が回復した。一方、IFNα2bによるIFNARの蛋白質発現への影響が認められなかったが、STAT-3の活性化が促進された。今年度の研究では、5-FUの細胞毒性濃度範囲を確認した上に、細胞への浸潤誘導作用を検証した。また、IFNの作用機構におけるSTATの関与も確認した。より詳細な作用機構が解明されれば、進行性肝癌に対する有効な治療法の開発や有効症例の予知・選択につながると考えている。平成28年度では、前年度に続き、TGF-βによる肝癌細胞の浸潤性誘導作用の分子機構について検討を行い、これまで実験のデータに基づいて論文を作成した。また、臨床のデータを用いまして、進行性肝細胞癌患者に、5-FU/IFNα-2b併用療法で治療前後の治療効果とその血中TGF-βのレベルの変化の間は相関があるかどうかについて検討した。結果: 1. 5-FUは、Claudin-1の蛋白質レベルを減少させ、ERK1/2のリン酸化蛋白質レベルを増加した。これに対し、IFNα-2bとの混合添加では、Claudin-1の蛋白質レベルおよびERK1/2のリン酸化蛋白質レベルがコントロルレベルまで回復した。5-FUは、TCF8 /ZEB1, ZO-1, Vimentinおよびslugの蛋白質レベル、または、JNK, p38MAPKのリン酸化蛋白質レベルを影響しなかった。2. MAPK/ERKの阻害剤は、IFNα-2bと同じように5-FUによる低下したE-cadherinおよびClaudin-1の蛋白質レベルを上昇させた。3.総計27名の患者の中では、治療後の改善と伴い血中TGF-βのレベルが低下した例の割合(a)は55.58%で、治療後の改善と伴い血中TGF-βのレベルが上昇した例の割合(b)は6.18%で(p<0.05, vs a)で、治療後の増悪と伴い血中TGF-βのレベルが低下した例の割合(c)は12.06%(p<0.05,vs a)で、治療後の増悪と伴い血中TGF-βのレベルが上昇した例の割合(d)は(26.18%)でした。治療の改善と血中TGF-βのレベルの減少の相関性(r=0.85,t=2.23,p=0.08 )、また治療後の増悪と血中TGF-βのレベルの上昇の相関性(r=0.84,t=2.22,p=0.08 )は、いずれも有意差がなかったが、高い相関を示した。

平成29年度では、1.TGF-βシグナルを阻害する物質は、進行性肝癌に対する化学療法においてIFNα-2bの代替として使える可能性に関して、TGF-βの阻害剤を用いて、TGF-βによる肝癌細胞の生存作用に対し、IFNα-2bとTGF-βの阻害剤の影響を比較した。2.臨床のデータを用いまして、C型肝炎背景を持つ進行性肝細胞癌患者に注目し、5-FU/IFNα-2b併用療法で治療前後の血中TGF-βのレベルの変化および治療効果について検討した。3.これまで基礎実験および臨床のデータに基づいて論文を作成し,Cell Death Discov.誌に発表した。結果:1.コントロール細胞に比べ、TGF-βは24時間の細胞生存を低下させ、24時間から48時間の細胞増殖を抑制した。これに対し、SB525334、A83-01およびSB431542は、TGF-βによる細胞生存および増殖の影響を濃度依存的に解除した。一方、IFNα-2bは、24時間添加で、TGF-βによる細胞生存の影響を解除したが、48時間の処理でTGF-βによる細胞増殖の抑制を著明に促進した。2. C型肝炎背景を持つ進行性肝細胞癌患者は、治療後症状改善例(n=10)群と不応例群(n=7)では、治療後TGF-βの血中濃度が治療前に比べ、すべて低下し、群間有意差は認められなかった。考察: IFNα-2bの代替としてTGF-βの阻害剤の選択に対し、または、血中TGF-βレベルは、治療効果の評価及び予後因子になる可能性に対し、更なるの検討が必要であると考えられる。基礎的研究:5-FUは、肝細胞癌細胞においてTGF-βの発現および分泌を誘導する。また、5-FUは、TGF-βの細胞死シグナルを抑制し、ERKを介して細胞浸潤シグナルを増強する。一方、IFNα-2bは、5-FUのこれらの作用を抑制することが明らかになった。臨床的研究:IFN/5-FU併用療法の治療効果を認めた進行肝癌患者では、TGF-βの血中濃度が治療後に著明に減少した。しかし、C型肝炎の背景を持つ患者については、症状改善例群と不応例群では、治療後TGF-βの血中濃度が治療前よりはすべて低下し、群間有意差は認められなかった。2.進行性肝腫瘍マウスモデルを用いて、5-FUおよびIFNの併用による腫瘍増殖、浸潤への効果とTGF-βシグナルの制御について検討する。1.臨床、基礎実験データを備える上に、動物実験実施の要否を検討する。2. 5-FUによる浸潤誘導作用およびIFNα-2bの浸潤抑制作用に関する研究結果をまとめて論文を作成する。肝臓学、細胞生物学今年度は、5-FUによる肝癌浸潤の実験条件を確立するため、予定された動物実験を延期し、細胞実験を先行した。このため、研究費の次年度への繰り越しが生じた。今年度は、論文の作成及び臨床データの分析を先行したため、研究費は次年度への繰り越しが生じた。次年度は、今年の残額も含めて考え、研究費を以下の実験で使用する。1.HepG2細胞をTGF-β添加により細胞浸潤のin vitroモデルを作成し、5-FU単独、IFNα-2bとの混合添加およびTGF-βR/IFNARそれぞれの阻害剤で刺激し、併用によるEMTの発生への影響および分子機構を検討する。1.動物実験は必要を応じて、実施する;2.追加実験や論文投稿および掲載費用に使用する;3.研究成果を発表するため、国内・国際学会の参加費と旅費として使用する。
アメリカ大陸を中心としたがん研究先進グル-プとの研究交流

本研究は、世界的に激しい研究競争を繰り広げているがん研究において、地理的に隔離されている我が国の研究者を、米国大陸に派遣し、先進研究グル-プとの直接の討論、情報交換、資料交換および共同研究の打ち合せなどを行うことにある。研究領域として、1)がん遺伝子に関する研究2)ウイルスによるヒトがんの研究3)発がんの促進と抑制に関する研究4)新しい診断技術及び治療法の開発5)免疫の制御機構及び制御物質に関する研究に大別し、毎年各領域から13人を派遣した。63年度は、14名が癌遺伝子会議、ゴ-ドン研究会議、B型肝炎ウイルス会議、ヒト癌の分子診断会議、生物安全会議、UCLAシンポジウムなどに出席し、講演、討議を行うとともに、大学・研究所を訪問し、それぞれの領域における情報交換、研究打ち合せを行った。平成元年度は、12名が上記の研究集会の他にヒト遺伝子マッピング会議、生物学的反応性中間体シンポジウムに出席し、また大学・研究所を訪問し、情報交換を行った。平成2年度は、13名が上記の研究集会以外に、ヒトがんの起源会議、DNA型腫瘍ウイルス会議、リンフォカインワ-クショップ、アメリカ免疫学会、肝再生と発がん会議、日米合同組織化学学会、アメリカ生化学・分子生物学・免疫学会合同学会に出席するとともに大学・研究所を訪問した。研究成果は多岐にわたるが、がん遺伝子に関する研究においては、米国フレデリックで開かれる癌遺伝子の年会議が世界のがん遺伝子研究のその年までの集大成の発表・討議の場であり、毎年この補助金により13名が出席・講演・討議を行い、派遣研究者の各専門領域における情報交換を行った。ウイルスによるヒトがんの研究領域においては、B型肝炎ウイルス、ヒト白血病ウイルス、ポリオ-マウイルス、ヒトパピロ-マウイルスなどの領域において情報交換を行った。発がんの促進及び抑制に関する領域においては、発がんプロモ-タ-、がん制御遺伝子、細胞増殖因子、細胞接着因子、発がん物質、フォスファタ-ゼの研究の領域の情報交換を行った。診断法及び治療法の領域においては、抗がん剤耐性因子、腫瘍抗原の検出法、組織固定法、粒子線治療技術などの領域で情報交換を行った。がん免疫の領域においては、悪性黒色がんのがん抗原遺伝子、T細胞の抗原レセプタ-、T細胞の活性化因子、T細胞の増殖と分化、免疫応答の制御機構などの領域で情報交換を行った。地理的に情報が遅れる我が国において、先進研究を行っている研究者ほど強く情報の遅れを感じる。また外国と共同研究を行っている、あるいは共同研究を開始しようとしているグル-プは、細やかな討論と研究打ち合せが必要である。研究資料の交換も、直接現場で受け取らないとスム-ズにいかないことが少なくない。これらの意味でこの研究費は分担研究者及びその周囲の研究者の発展に大きく寄与したことが代表者への研究報告の中に明らかにされている。また一方的に情報を受け取るだけでなく、明らかに、こちらから外国側への情報を与えることも多く、世界的な研究の発展への寄与も少なくない。個々の研究成果については、各分担研究者、それぞれが、成果を学会誌等に発表している他、一部はがん・バイオサイエンスニュ-スにトピックとして情報を公開した。

また外国と共同研究を行っている、あるいは共同研究を開始しようとしているグル-プは、細やかな討論と研究打ち合せが必要である。研究資料の交換も、直接現場で受け取らないとスム-ズにいかないことが少なくない。これらの意味でこの研究費は分担研究者及びその周囲の研究者の発展に大きく寄与したことが代表者への研究報告の中に明らかにされている。また一方的に情報を受け取るだけでなく、明らかに、こちらから外国側への情報を与えることも多く、世界的な研究の発展への寄与も少なくない。個々の研究成果については、各分担研究者、それぞれが、成果を学会誌等に発表している他、一部はがん・バイオサイエンスニュ-スにトピックとして情報を公開した。
植物プランクトンの消長に伴う浅海域の光環境変化と底生微細藻類の応答

瀬戸内海の播磨灘周辺域では,植物プランクトンの増減が海水の光透過性の経時変動を支配する第一義的因子になっていることが分かった。脱富栄養化に関連して同海域では今後,「植物プランクトンの減少による海底光環境の好転」が,最大3割程度の光減衰係数の低下を伴って起きる可能性が考えられた。海底面に生息する底生微細藻類群集の光合成-光曲線を四季にわたり調べたところ,光合成の光飽和の目安光量が,概ね日中の現場海底到達光量に匹敵していることが分かった。将来的に海底光環境の好転が継続的に起きると,それに順応した,より強光嗜好型の底生微細藻類群集が海底面で優占する可能性が高い。大別して2つの小課題に関する調査・研究を実施した。(1)現場観測:昨年度に続き,浅海域に設けた定点で,海水の光透過性の経時変化をその支配に関わる二大成分(植物プランクトンと鉱物・デトライタス等の非生物粒子)の挙動と共に調べた。3年間のデータセット(2011-2013年)から,海水の光透過性の経時変化は,季節によらない突発的変化と,季節周期的変化に分けられることが判った。前者は主に非生物粒子現存量,後者は植物プランクトン生物量の変化に起因すると判断された。季節周期的変化に着目すると,海水の光透過性は低植物プランクトン生物量期の春季に最高水準値を示す一方,高植物プランクトン生物量期の秋季に最低水準値をとる傾向があった。従って,今後の瀬戸内海で起き得る「水柱植物プランクトンの減少に伴う海底光環境の好転」は,特に秋季に顕著となることが示唆された。(2)現場底生微細藻類群集の光合成-光曲線(P-I曲線):昨年度考案した方法に則って浅海域定点の表層堆積物から底生微細藻類を捕集し,四季にわたり現場底生微細藻類群集のP-I曲線を求めた。底生微細藻類群集が示す最大光合成速度と光飽和点の目安(Ik)は,同時期における直上水柱の植物プランクトンに比べると常に低い値を示した。一方,強光阻害係数は高く,底生微細藻類群集は植物プランクトンに比して弱光向きの光合成特性を備えていたと判断された。Ikは74-176 umol/m2/sの範囲にあったが,この値は全天日射と水柱光減衰係数から試算した,定点の海底に日中(12-13時)到達する光量の周年平均値(181±88umol/m2/s,速報試算値)に概ね匹敵しており,現場光環境への順応の結果だと捉えられた。(1)現場観測:播磨灘とその近傍に位置する2定点(浅海域とその沖合域)で,海水の光透過性の時間変動を,光の減衰に関わる各種成分(海水自身,有色溶存有機物,植物プランクトン,鉱物やデトライタス等の非生物粒子)の動態と共に調べた。瀬戸内海の海水の濁りの主体は非生物粒子であり,全体の光減衰に対する非生物粒子由来の光減衰の寄与は,50%以上と他成分を超えることが分かった。植物プランクトンの寄与は,30%以下と非生物粒子よりも低かった。一方,光透過性の時間変動には,非生物粒子と共に植物プランクトンの存在が大きく関与していたことが判明した。沖合は言うに及ばず,堆積物の再懸濁が盛んな浅海域でさえ,光透過性の時間変動に対する植物プランクトンの影響度は,非生物粒子に匹敵する(約50%)と見積もられた。以上から,「水柱植物プランクトンの減少に伴う海底光環境の好転」という現象が,瀬戸内海で実際に起きること,また,その規模は最大30%程度の光透過性の増加を起こすと試算された。なお,上記試算は現在までの調査による速報値であり,最終試算は2013年度の結果を交えたうえで導く。(2)培養実験のための予備検討:浅海域定点で採取した堆積物を用いて,泥中に生息する底生微細藻類の泥からの選り分け法(捕集法)を検討した。「走光性」を利用した底生微細藻類の泥からの選り分けに当たり,照射光量,光照射時間,泥上に敷く微細藻回収基盤(ガラスビーズに決定),回収に用いるビーズ粒径,泥上に敷いたビーズの効率的回収法,ビーズ中に混在する微細泥粒子の排除法等について検討を加えた。

一応の確立をみた方法で,実際に底生微細藻類の光合成-光曲線の作成を試みたところ,2012年12月に描写に成功し,その様子が直上水柱の植物プランクトンと全く異なることを具体的に示した。小課題1(現場観測)における平成24年度計画の最大の目標は,「浅海域での光透過性の変動に果たす植物プランクトンの寄与率(貢献度)を見積もる」ことであった。これに対して,実際に,その貢献度が非生物粒子に匹敵する高いもの(約50%)であるとの回答を導くことができた。加えて,瀬戸内海の海水の濁り成分としての植物プランクトンの寄与は,30%以下であることが見えてきた。これら2つの成果により,本研究の主目的の前半部“「水柱植物プランクトンの減少に伴う海底光環境の好転」が実際どの程度の規模で起こり得るのか",との問いに対する一定の定量解が得られた。従って,小課題1の内容は,当初の計画を超えて,順調に進展したと判断している。小課題2(培養実験のための予備検討)における平成24年度計画は,堆積物と底生微細藻類を選り分け,単離した底生微細藻類の光合成-光曲線を描く前段階として,「単離状態の底生微細藻類をいかに量的に確保するのか」という問題の克服を主目的に据えていた。この課題に対して,一応の選り分け法を確立させ,実際に一度,堆積物から単離した底生微細藻類を用いて,その光合成-光曲線を描くことができた。従って,研究は一定の進展を見せている。ただ,現在の方法では,堆積物からの選り分け過程で加える物理的刺激が,底生微細藻類細胞にダメージを与えている懸念が残されている。そのため場合によっては来年度,更なる方法の改善を図る必要が生じている。現場観測に関して言えば,平成25年度は引き続き,海水中の光透過性の変動に対する各種成分の寄与解明に当たる。現在,科学研究費補助金を受ける以前からのものを合わせると,2年分のデータ蓄積がある。これに,さらに1年間の観測結果を交えてデータ解析を実施することで,瀬戸内海海水の光透過性の変化に対する植物プランクトンの役割をより正確に評価する。また,導かれる試算結果の正当性,妥当性をより確固なものとする。底生微細藻類の光合成-光曲線の描写実験に関して言えば,平成24年度に一応の確立をみた現場底生微細藻類群集の単離方法を用いて,平成25年度は光合成-光曲線の四季にわたる特徴を解明する(なお,平成25年度春季までに,未だ若干の検討課題を残している現場底生微細藻類群集の単離方法に改善が加えられるようであれば,改良法を適用する予定である)。各季節に得られる底生微細藻類の光合成-光曲線を解析することで,光変化に対する光合成能の応答を解析する。最終的に,それらの結果に基づき,海底光環境の変化が海底面での植物生産に及ぼす影響について,定量的な観点から言及していく。該当なし
HAN系低毒性1液推進剤のレーザ点火の実現可能性評価

レーザー誘起ブレイクダウンによるHAN系低毒性1液推進剤(SHP163)の実現可能性を評価するため、SHP163の液滴を対象としてパルスレーザーによる点火実験を実施した。その結果、各種パラメータが着火特性に及ぼす影響を明らかにし、HANの化学反応(分解反応)が生ずる条件を得ることができた。また、HAN系1液推進剤の液滴を完全燃焼させる条件は得られなかったが、完全燃焼させるための指標は得られた。平成27年度には、単純な条件において現象を把握することを目的とし、HAN系低毒性1液推進剤の液滴を対象としたレーザー点火実験を実施した。まず、密閉型燃焼容器、ミラーやレンズなどの光学系、レーザーパワーセンサ、圧力センサなどを用意し、実験装置を構築した。実験では、石英ガラス線(直径0.1mm)に推進剤の液滴(直径約1mm)を保持し、凸レンズを用いてレーザー光を絞り液滴に照射した。同時に、密閉燃焼容器内の圧力を測定するとともに、高速度カメラ(毎秒25万コマ)を用いて液滴の挙動を観察した。このとき、初期圧力は大気圧、初期温度は室温、燃焼容器内は窒素とした。その結果、微小ながら燃焼容器内圧力の上昇が確認され、液滴の挙動にも変化が見られるレーザーエネルギーのしきい値を得た。この圧力上昇は、レーザーによって推進剤のガス化が生じていることを示している。また、レーザーのエネルギーの上昇にともない、圧力の上昇量の増加が見られ、ガス化する推進剤の割合が増加することもわかった。一方、高速度カメラによる観察において、レーザーによって液滴が破壊され、液体が飛び散る様子は確認できたが、飛び散った後に燃える様子は確認できなかった。圧力の上昇量から燃焼によってガス化した量を推算したところ、液滴全てが燃焼しておらず、液滴の一部だけが燃焼したことを示す結果となった。以上より、レーザーエネルギーがしきい値以上の場合にHAN系低毒性1液推進剤に着火でき、レーザーエネルギーを増加させることによってより多くの推進剤を燃焼させることができることが示唆された。ただし、液滴の全てを燃焼させるため、レーザーエネルギーだけではなく、初期圧力やレーザー光の焦点条件(位置および数など)、推進剤の組成などの別の要素を変更することが必要と考えられる。当初の計画では、噴霧した推進剤を対象とした点火実験を実施することとしていた。しかし、実際に実験を行った結果、噴霧した推進剤への点火は条件(特に噴霧された液滴の位置とレーザー光の焦点位置の関係)を一定に保つことが困難であり、現象を正確に把握することが困難であった。そのため、計画を見直し、固定された液滴に対する点火実験を実施した。研究実績の概要の欄に示した通りであるが、現在、レーザーエネルギーのみをパラメータとした実験を一通り実施したところであり、点火可能な条件がおおよそではあるが把握できつつある。進捗状況としては、前述の計画変更による遅れは少なくともあったが、現在までの成果を考慮すると、およそスケジュール通りという認識である。平成28年度末には、計画の通り、着火可能な条件を明らかにすること、およびHAN系低毒性1液推進剤のレーザー点火システムを提案することは可能であると考える。レーザー誘起ブレイクダウンによるHAN系低毒性1液推進剤の着火特性を取得するため、平成27年度から継続してHAN系1液推進剤の液滴を対象としたレーザー点火実験を実施した。平成28年度は、平成27年度の成果を踏まえ、レーザーの焦点距離,照射回数,波長などを変更し、着火特性に及ぼす影響を評価した。また、燃焼容器内の圧力測定に加えて、実験後の燃焼容器内ガスの成分分析を行い、レーザー誘起ブレイクダウンによって生ずる化学反応についても検討を行った。焦点距離については、100200mmの範囲で実験を行い、焦点距離が短い場合に容器内の圧力上昇量が増加することを確認した。このことから、点火対象が液滴であることから、エネルギーを1点に集中できる短い焦点距離が適していることが確認された。レーザーの照射回数については、パルスレーザーを2回照射し、2回照射した場合には1回照射した場合よりも圧力上昇量が約1.31.4倍増加し、ガス化量が増えていることが確認された。レーザーの波長については、1064nmと532nmにおいて実験を行い、1064nmの場合の圧力上昇量が532nmの場合と比べて大きくなる傾向が確認された。また、圧力上昇が確認された条件では、NOxが検出され、HANの分解反応が生じていることが示された。また、NOx濃度の傾向は圧力上昇量とほぼ同様であった。しかしながら、圧力上昇量は完全燃焼を仮定した場合に得られる値の50%以下であり、液滴の半分以上は反応せずに残留していることがわかった。以上のように、レーザー誘起ブレイクダウンによるHAN系1液推進剤の着火/燃焼特性について、新たに明かにすることができた。レーザー誘起ブレイクダウンによる点火は、HAN系1液推進剤の液滴を完全燃焼させるには至っていないが、化学反応を開始させるためには有効な手法であると考える。

平成27年度の成果を踏まえ、引き続き推進剤の液滴を対象としたレーザー点火実験を実施する計画である。これまでに、レーザーエネルギーをパラメータとして点火実験を行い、着火に必要なおおよそのしきい値を得たが、着火後に液滴全体が燃焼する条件の把握には至っていない。そのため、新たに初期圧力やレーザー光の焦点条件(位置および数など)、推進剤の組成などをパラメータとして同様のレーザー点火実験を実施する。また、着火の定量的な判定のため、実験後の燃焼容器内のガス分析などをこれまでの方法に追加して行う。これらの実験によって得られたデータを整理し、レーザー点火によってHAN系低毒性1液推進剤の着火可能な条件を定量的に示す。また、実験による検討の結果を踏まえ、HAN系低毒性1液推進剤のためのレーザー点火システムについて検討を行い、実現可能なシステムを提案する。従来のスラスタシステムにレーザー点火を適用することが難しいと判断された場合には、推進剤供給システムや燃焼器などの点火システム以外の要素についても検討を行うこととする。宇宙推進工学および燃焼工学
アミロイド性蛋白質のコンフォメーション変移とその伝播性の解明

アルツハイマー病、パーキンソン病、プリオン病、ポリグルタミン(PolyQ)病などの神経変性疾患では蛋白質の構造異常・凝集が発症に深く関わると考えられており、コンフォメーション病/フォールディング病と総称されている。PolyQ病では、原因蛋白質内のPolyQ鎖の異常伸長(>40)により、PolyQ鎖自身がβシート構造への異常コンフォメーション変移を獲得し、その結果オリゴマーへと重合して難溶性のアミロイド線維状凝集体を形成して、最終的に発症に至ると考えられている。最近、難溶性のアミロイド線維よりもむしろ可溶性の微細なオリゴマーの方が強い細胞毒性を持っと考えられるようになったが、生体内でのPolyQ蛋白質オリゴマー形成については未だ十分には解明されていない。そこで本研究では、蛍光相関分光法(Fluorescence Correlation Spectroscopy; FCS)を用いた解析を行い、以下の成果を得た。1.PolyQ-GFP蛋白質をCOS-7細胞に発現させ、細胞溶解液について経時的にFCS解析を行った。その結果、異常鎖長のQ45-GFP、Q81-GFPでは経時的かつPolyQ鎖長依存的な拡散時間(DT)の遅延、および1粒子あたりの蛍光強度(CPP)の増強を認めたことから、細胞内での経時的かつPolyQ鎖長依存的なオリゴマー形成が初めて明らかになった。以上の研究結果から、FCSはPolyQ病のみならずコンフォメーション病での細胞内オリゴマー検出と、その阻害薬スクリーニングに有用であると結論した。アルツハイマー病、パーキンソン病、プリオン病、ポリグルタミン(PolyQ)病などの神経変性疾患では異常蛋白質が構造異常により凝集し、神経細胞内外に蓄積することが知られており、コンフォメーション病/フォールディング病と呼ばれている。このうちPolyQ病は原因蛋白質内のPolyQ鎖の異常伸長により発症する遺伝性神経変性疾患であり、異常伸長PolyQ鎖自身が異常コンフォメーション変移を獲得し、その結果難溶性のアミロイド様線維状凝集体を形成して、最終的に発症に至ると考えられている。本研究では、異常伸長PolyQ蛋白質が凝集体形成に至る過程での構造変化を解明し、毒性構造体を特定することを目的とし、モデル蛋白質Thioredoxin-PolyQ融合蛋白質(Thio-PolyQ)の構造解析を行い、以下の成果を得た。1.凝集体形成濁度測定、円偏光二色性分散測定の結果、異常伸長PolyQ鎖を持つThio-PolyQは溶液状態で経時的にαヘリックスからβシートへのコンフォメーション変移を認め、それに伴って凝集体を形成した。Native-PAGE、超遠心分析、ゲルろ過クロマトグラフィーの結果からこの可溶性βシート中間体はモノマーであると考えられた。一方、電子・原子間力顕微鏡観察からThio-PolyQ凝集体はアミロイド様細線維状構造を持つことが明らかになった。2.異常伸長Thio-PolyQ蛋白質の様々な構造体を培養細胞へマイクロインジェクションした結果、アミロイド線維のみならず可溶性βシートモノマーも細胞毒性を発揮することを見出した。3.異常伸長PolyQ鎖結合ペプチドQBP1(SNWKWWPGIFD)はThio-PolyQのβシートへの毒性コンフォメーション変移を阻害して、アミロイド線維形成・神経変性を抑制することを明らかにした。以上の結果から、異常伸長PolyQ蛋白質はβシートへの異常コンフォメーション変移を経て細胞毒性を獲得し、その結果アミロイド線維状凝集体を形成すると考えられた。そしてβシート構造への毒性コンフォメーション変移を阻害することが治療標的として重要であると結論した。
癌転移における膜型マトリックスメタロプロテアーゼの新規機能の解析

膜型マトリックスメタロプロテアーゼMT1-MMPは癌細胞表面に特異的に発現し癌の浸潤・転移に重要な役割を果たすと考えられるが、その機能については不明な点が多く、また従来の生化学的なアプローチではその解明は困難であった。我々はMT1-MMPの制御因子及び新規基質を同定する発現クローニング法を開発し、いくつかの分子を同定し、癌の浸潤・転移における機能を明らかにした。例えば、シンデカンー1の発現レベルは癌の悪性度と逆相関することが知られているが、我々はシンデカンー1の発現はコラーゲン上での細胞運動を抑制し、MT-MMPによりシンデカンー1の細胞外ドメインが切断されたことにより運動性が亢進することを明らかにした。さらにMT-MMPの新規基質として癌転移抑制遺伝子産物KiSS-1を同定した。またMT-MMPはKiSS-1遺伝子にコードされるmetastinペプチドをも分解することを明らかにした。metastinはGタンパク共役型受容体と結合して細胞運動を負に制御することにより癌転移を抑制することが報告されているが、本研究では癌細胞の発現するMMPによりmetastinが分解されることを見い出し、MMP阻害剤とmetastinの併用は効率良く癌細胞の運動を抑制することを報告した。本研究で明かとなったMT1-MMPの新規機能は今後、MT1-MMPを分子標的とした癌治療法を開発する上で重要な知見となる。膜型マトリックスメタロプロテアーゼとしてこれまでに6種類が同定されているが、とりわけ我々が同定したMT1-MMPは形態形成過程のみならず癌浸潤、炎症性疾患などの病態とも密接に関係している。本プロジェクトでは特にMT1-MMPを中心にその生理機能および活性制御のメカニズムを解析するために新規発現クローニング法を開発し、さまざまなcDNAライブラリーをスクリーニングしてきた。その結果、MT1-MMPの新規基質としてがん転移抑制因子であるKiSS-1/metastinを同定した。KiSS-1タンパクに由来するmetdstinペプチドはG protein-coupled receptor(GPCR)のリガンドとして武田薬品のグループにより同定されたものであり、GPCRを発現するがん細胞の運動性、転移を抑制することからその名がつけられた。今回、発現クローニングによりMT1-MMPとKiss-1タンパクの相互作用が示唆されたことから解析を行った結果、MT1-MMPのみならず多くのMMPが効率良くmetastinペプチドを切断し、不活化するすることを見い出した。従って、MMP活性の高いHT1080細胞にGPCRを発現させmetastinペプチドを作用させたところMMP阻害剤の存在下で効率良くHT1080細胞の運動性を抑制することを見い出した。これらの結果よりmetastinペプチドをがん転移抑制分子として使用するにはMMP阻害剤との併用、あるいはMMP抵抗性のmetastinペプチドが有効であるとの結論に達した。例えば、シンデカンー1の発現レベルは癌の悪性度と逆相関することが知られているが、我々はシンデカンー1の発現はコラーゲン上での細胞運動を抑制し、MT-MMPによりシンデカンー1の細胞外ドメインが切断されることにより運動性が亢進することを明らかにした。

metastinはGタンパク共役型受容体と結合して細胞運動を負に制御することにより癌転移を抑制することが報告されているが、本研究では癌細胞の発現するMMPによりmetastinが分解されることを見い出し、MMP阻害剤とmetastinの併用は効率良く癌細胞の運動を抑制することを報告した。本研究で明かとなったMT1-MMPの新規機能は今後、MT1-MMPを分子標的とした癌治療法を開発する上で重要な知見となる。
革新的な実験手法を用いたミューオン・電子転換過程探索の進展

J-PARC MLF D2エリアにおいて、先行研究で開発した飛跡検出器と読出回路一式からなるシステムの総合動作試験を行った。D2エリアが狭いため小型の電磁石を使用したが、電磁石以外の装置(飛跡検出器、読出し回路、データ収集装置、磁石電源など)は全てμ-e転換電子測定用に開発調達したものである。システムは全く問題なく動作し、中間運動量領域(5070 MeV/c)におけるDecay-in-Orbit(DIO)のスペクトルをC, Si, SiCの標的に対して収集することができた。収集された飛跡検出器からの信号波形データに対して、雑音低減処理を行ってから電子の位置を再構成する解析プログラムを開発した。さらにこれらの電子位置から運動量を再構成するプログラムも開発し、モンテカルロ計算と無矛盾な運動量スペクトルを得た。現在詳細な系統誤差の評価を行なっているが、Czarneckiらによって計算された炭素ミュオン原子からのDIO電子スペクトルと無矛盾な結果を得ている。この時のデータから飛跡検出器の検出効率に時間依存性があることが判明したため、読出し回路の改造とガス構成の最適化を行なった。京都大学複合原子力科学研究所の電子ライナックで試験を行い、時間依存性のないフラットな検出効率(98%)を達成していることを確認した。μ-e転換過程を探索するために必要なビームラインの建設に資するため、ビームライン電磁石の動作試験を行なった。また、ビームライン電磁石の設置作業を行なった。真空ダクト系などが未完成のため本年度中にビームラインコミッショニングにいたることはできなかったが、効率的なコミッショニングに備えてビーム位置分布を測定する装置の開発を行った。ビーム位置分布測定装置の動作試験を行い、良好な結果を得た。物理測定に使用する検出器システムの開発と性能確認は完了した。当初確認された検出効率の時間に依存する低下も、読出し回路の改造とガスの最適化により解決した。既存のビームラインを活用して中間運動量領域(5070 MeV/c)に置けるDIOスペクトルの測定を行った。物理測定に使用するビームラインの完成が遅れているため、μ-e転換過程の探索測定には着手できていない。ビームライン建設に参加するなど、施設側と協力しながら物理測定の早期実現に向けて全力を尽くしている。ビームラインの早期完成をはかるため、施設側と協力しながらビームライン建設などに積極的に参加してゆく。ビームライン完成後のコミッショニングを効率的に行うために必要な装置の開発を行う。ビームライン建設と同時に、放射線測定器のさらなる安定動作と高性能化を目指した開発研究も推進する。μ-e転換過程の探索測定で収集する物理データの高品質化を目指して、電子スペクトロメータの校正方法の確立と、それに必要な装置の開発を行う。
光反応性高分子液晶のナノ構造マニピユレーシヨン

本年度はこれまでに開発してきた偏光光反応によって分子配向を3次元的に制御できる光架橋性のPPLCをもとに、PPLCを低分子化合物や等方的な高分子材料とブレンドした複合体の配向性相分離構造を制御することによる可視光域での光機能性材料に関する研究や光反応しない高分子成分をPPLCにブロック(グラフト)共重合した光配向性共重合体の合成とそれらの光配向挙動と相分離構造制御に関する研究を行った。高分子液晶/高分子複合体においては散乱型の偏光でバイスを提案実証し、より小さいドロップレットを達成するとともに後方散乱光を50%を目標に増強することで実用的な偏光素子への展開が期待できると思われる。また、斜め偏光ないしは無偏光照射による3次元配向と相分離によって偏光依存と方向依存性を合わせもつ機能性散乱フイルムの開発が可能となる。また種々のタイプの光配向性ブロックポリマーを合成し、それらの光配向挙動についてまず明らかにした。今後、それらのナノ相分離構造と液晶部の配向の関係をTEM、AFMなどによって測定する予定である。
インテグリンの機械的負荷受容メカニズムの解明と、阻害剤を用いたPCR予防法の確立

我々は顎関節症および、進行性下顎頭吸収(PCR)の予防法を求め研究を行った。これら疾患の原因の一つである下顎頭への機械的負荷は軟骨細胞表面のインテグリンで感受されていることが明らかとなっている。われわれは今回の実験でインテグリンαVβ5の阻害薬Cilengitideを用いることで機械的刺激の受容の軽減を行い、最終的にインテグリン-fakシグナルを抑制することによる炎症の抑制を確認した。これらは軟骨細胞を用いた実験で行った。また実際の患者さんの顎関節の状態を再現するためにラット下顎頭高負荷モデルを作製し炎症状態の検討を行ったが、Cilengitideの投与法が困難で動物実験は完遂できなかった。当該年度、我々はラット下顎前方位モデルを用いた検討を行った。計画では下顎頭が過度に前方へ牽引された状態を想定して下顎頭軟骨および後部結合組織を採取しPCR解析による検討を行う予定であった。また下顎頭の組織切片を作製してインテグリンの同定やび炎症性変化について検討を行う予定であった。これまでの実験により下顎頭の採取、PCR解析は行われ、炎症性変化が生じていることは解析された。また数種類のインテグリンが下顎頭で発現していることを確認した。さらに実験を確実なものにするためにN数を増やす必要があるが、この下顎前方位モデルではラットがストレスおよび摂食障害により死亡するケースが多いことが明らかとなった。よって今後このモデルで実験を遂行すべきか現在検討中である。このため、平成27年度に行う予定であったin vitroでの細胞実験を先行して行っている。当初採取したラット下顎頭軟骨細胞と後部結合組織細胞を培養し、その炎症性の変化および差について検討する予定であった。しかしモデルの再構築の検討を行っているということ、またこの両細胞の採取培養が現在スムースに行われていない。よってすでにCell lineとして構築されているマウス胚性腫瘍細胞由来の軟骨細胞であるATDC5を用いて機械的刺激対する検討を行っている。今後はATDC5によりある程度傾向を把握し、実際に採取したラットの細胞培養が完成した段階でそちらへ実験を移していくことになる。初年度に難航していた下顎前方位モデルマウスの確立であるが、安定した結果を得られないことより、本年度はすでに当科で確立されていた下顎頭軟骨高負荷モデルへと切り替えて実験を行った。当モデルラットより関節軟骨を採取し、炎症の状態およびインテグリンの発現を確認した。高負荷モデルラットの軟骨をマイクロアレイにより検討した結果、FAKを初めとするシグナル伝達物質の発現促進を確認した。軟骨細胞の検討については、モデルラットより採取した細胞の培養が困難であったことより、すでにCell Lineとして構築されている軟骨前駆細胞ATDC5を用いて実験を行った。まず初めに肥大期軟骨細胞に各種インテグリンが存在することをPCRにて確認した。我々はそのなかでも高発現していたインテグリンαVβ5に着目し、そのブロッカーであるcilengitideを用いて実験を行った。cilengitideはglioblastomaに対して臨床治験が行われれている。しかしがん治療にのみ研究が行われており顎関節症への応用はこれまでない。われわれはATDC5にFlexercell strain unitを用いて過度な機械的負荷を与えた場合のインテグリンを通じたシグナル伝達経路をウェスタンブロットで検討した。その結果FAKおよびNFk-βを介した経路が有力であることが分かった。さらに機械的負荷を加えたとき、同時にcilengitideを投与すると、インテグリンの阻害を通じてそれら経路が抑制されることが明らかになった。また最終的に炎症性サイトカインの発現も抑制することが明らかとなった。実験が遅れている一番の理由に関してはモデルラットから安定した結果が得られていないことにある。このモデルでの実験ではストレスや摂食障害でラットが死亡することがある。また下顎を前方位で固定するときに前歯を用いるのだが、成長により前歯が伸びることから実験途中で固定が外れることが時々見受けられた。これらの問題により安定して実験数が確保できないのが結果に確信が得られない一番の理由である。またこのモデルが安定していないことから、採取した下顎頭軟骨細胞および後部結合組織細胞の検討についても結果に確信がもてない部分がある。矯正歯科学これまで述べたように、モデルラットの構築の点で実験は少し遅れている状況である。今後はまず安定したモデルの構築を行うことを最優先で行う必要がある。下顎前方位のこのモデルのこれらの障害が除かれないようであれば、下顎の設定は少し異なるが、すでに我々の研究室で構築されている下顎頭軟骨の圧迫モデル(過開口モデル)を利用し、類似した状態が顎関節に作れるか検討を行う必要があると考える。

いずれのモデルにせよ、その後細胞を採取することは可能であることから、in vitroの実験は大きな困難がなく進められると考えており、モデルさえ確立されれば研究の遅れを取り戻せると確信している。
分子交換流を利用した卓上型の微量気体濃縮装置の開発

(1)前回科研費(課題番号15K05974)で試作した,デスクトップ混合気体分離装置(多孔膜面積768cm2)を用いた混合気体分離試験を行った.He50%-Ne50%混合気体では,毎分3ccの流量の供給ガスを2分割し,両者の濃度差を50%程度に維持できた. 2つの生産ガスの流量バランスを変更することにより,生成気体の濃度を11%86%の間で選ぶことも可能である.(2)本気体分離法の特殊な性質ー希薄(あるいは高純度)気体に対する高い濃縮力ーが確認された.希薄混合ガスの場合,2つの生産ガスの流量バランスを選び,数倍以上の濃度を持つ気体を生成可能であった.高純度気体の場合,不純物の濃度を3.5%から0.2%に減少できた.(3) Ne同位体の濃縮に取り組んだ.理論的には同一装置で任意の混合気体・同位体に効果が期待されるが,実際,試作した装置は無改造でNe同位体が濃縮可能であり,Ne22同位体の存在比を1%以上変更することができた.上記(2)の微量ガスに対する効果は同位体にも該当し,約4倍のNe21の濃度変化も測定された.(4)上記装置のままでは,得られる濃縮比に上限がある.この問題は,装置構成を(研究申請書記載のものに)変更することで解決できた.多孔膜内部の希薄気流データを用いた数値モデルによる解析を行い,同一形状のサブシステムを多数直列するだけで,際限なく濃縮能力が向上することが示された.(5)上記(1)-(3)の装置を,(4)で提案した形に再構成し,実際に動作することを確認した.具体的には,同一形状のサブシステムを2台接続することで分離能力が2倍になることを実験で確認した.作成した装置では数十度の温水・冷水の温度差だけをエネルギー源とする改修も完了した.運動部品を全く持たない装置であり,温度等の測定を省けば,無電力で混合気体・同位体の分離が可能であることが示された.1.同位体濃縮を始め,簡単な分子の濃縮については順調である.通常の(希薄成分,高純度成分ではない)成分気体に対する濃縮効果は,予想通りである.ただし,希薄成分,高純度成分の高度な濃縮が,流量バランスによって可能なことは予想外であり,非常に有意義な発見である.2.ホルムアルデヒドの検出など,有機物質に対する革新的レベルの研究には,しかしながら,より効率的に濃度変化量を向上させる必要がある.有機物質に対する実験を拙速に行うよりは,効率的に濃度変化量を増大させ得る手法を確立することが重要であると思われる.3.今年度の研究成果を用いれば,従来の装置を1セットにまとめた,「集積濃縮装置」と呼べるものが実現できることがわかる.これは今後の研究の進行を加速するであろう.以上2と3を考慮して,「おおむね順調」と評価した.今年度の研究成果を用いれば,従来の装置を1セットにまとめた,「集積濃縮装置」と呼べる装置の設計を進めている.従来装置では,4台の小ユニットを結合して気体濃縮ユニットが構成できるが,新装置は組み立てなしの単体で同一性能を発揮する.従来の積層構造も継承しており,He-Ne混合気体換算では数百%相当の分離能力が得られるであろう.この能力を用いれば,(1)各種混合気体から高純度成分ガスを単一プロセスで生成(2)同位体ガスの高度濃縮(3)大気中のホルムアルデヒド分子などの中間分子量気体の濃縮,などが可能になるだろう.上記を鑑み,平成31年度には新型装置の作成および中間分子量気体の濃縮の実現を研究することに変更する.ホルムアルデヒドは常温で気体であり,購入を予定していた冷凍機・コンデンサーの経費で新型装置を構成し,研究目的を完成させることにする.(1)前回科研費(課題番号15K05974)で試作した,デスクトップ混合気体分離装置(多孔膜面積768cm2)を用いた混合気体分離試験を行った.He50%-Ne50%混合気体では,毎分3ccの流量の供給ガスを2分割し,両者の濃度差を50%程度に維持できた. 2つの生産ガスの流量バランスを変更することにより,生成気体の濃度を11%86%の間で選ぶことも可能である.(2)本気体分離法の特殊な性質ー希薄(あるいは高純度)気体に対する高い濃縮力ーが確認された.希薄混合ガスの場合,2つの生産ガスの流量バランスを選び,数倍以上の濃度を持つ気体を生成可能であった.高純度気体の場合,不純物の濃度を3.5%から0.2%に減少できた.(3) Ne同位体の濃縮に取り組んだ.理論的には同一装置で任意の混合気体・同位体に効果が期待されるが,実際,試作した装置は無改造でNe同位体が濃縮可能であり,Ne22同位体の存在比を1%以上変更することができた.上記(2)の微量ガスに対する効果は同位体にも該当し,約4倍のNe21の濃度変化も測定された.(4)上記装置のままでは,得られる濃縮比に上限がある.この問題は,装置構成を(研究申請書記載のものに)変更することで解決できた.多孔膜内部の希薄気流データを用いた数値モデルによる解析を行い,同一形状のサブシステムを多数直列するだけで,際限なく濃縮能力が向上することが示された.

(5)上記(1)-(3)の装置を,(4)で提案した形に再構成し,実際に動作することを確認した.具体的には,同一形状のサブシステムを2台接続することで分離能力が2倍になることを実験で確認した.作成した装置では数十度の温水・冷水の温度差だけをエネルギー源とする改修も完了した.運動部品を全く持たない装置であり,温度等の測定を省けば,無電力で混合気体・同位体の分離が可能であることが示された.1.同位体濃縮を始め,簡単な分子の濃縮については順調である.通常の(希薄成分,高純度成分ではない)成分気体に対する濃縮効果は,予想通りである.ただし,希薄成分,高純度成分の高度な濃縮が,流量バランスによって可能なことは予想外であり,非常に有意義な発見である.2.ホルムアルデヒドの検出など,有機物質に対する革新的レベルの研究には,しかしながら,より効率的に濃度変化量を向上させる必要がある.有機物質に対する実験を拙速に行うよりは,効率的に濃度変化量を増大させ得る手法を確立することが重要であると思われる.3.今年度の研究成果を用いれば,従来の装置を1セットにまとめた,「集積濃縮装置」と呼べるものが実現できることがわかる.これは今後の研究の進行を加速するであろう.以上2と3を考慮して,「おおむね順調」と評価した.今年度の研究成果を用いれば,従来の装置を1セットにまとめた,「集積濃縮装置」と呼べる装置の設計を進めている.従来装置では,4台の小ユニットを結合して気体濃縮ユニットが構成できるが,新装置は組み立てなしの単体で同一性能を発揮する.従来の積層構造も継承しており,He-Ne混合気体換算では数百%相当の分離能力が得られるであろう.この能力を用いれば,(1)各種混合気体から高純度成分ガスを単一プロセスで生成(2)同位体ガスの高度濃縮(3)大気中のホルムアルデヒド分子などの中間分子量気体の濃縮,などが可能になるだろう.上記を鑑み,平成31年度には新型装置の作成および中間分子量気体の濃縮の実現を研究することに変更する.ホルムアルデヒドは常温で気体であり,購入を予定していた冷凍機・コンデンサーの経費で新型装置を構成し,研究目的を完成させることにする.今年度の研究により,同一のサブシステムを多数接続するだけで微量気体の濃縮が実現できることが判明した.これは,本気体分離法の有望な用途が,ホルムアルデヒドなど微量有害成分を濃縮するセンサー,ヘリウム3など有用な同位体の濃縮生産であることを示している.今後2年間で効率よく分離膜の面積を拡大し,これらの実現性を立証する必要がある.この目的のため,現状では4ユニットから構成されているサブシステムを,1ユニットで構成できる集積装置を設計中である.配管作業が不要になるため,ユニットあたりのコスト・組み立て工数が大幅に減少する予定である.この装置は,今年度の予算の一部を利用して次年度に試作・実験を行う.