hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
一夫多妻魚類の性転換プロセスにみられる未援精産卵の機能

トラギス科の雌性先熟魚コウライトラギスの逆方向性転換の飼育実験を完了した。行動と外部形態の観察からは,逆方向の性転換の発現を示唆するデータは得られなかった。現在,実験個体の性機能の変化の有無を最終確認するための生殖腺の組織学的観察を行っている。これまでに逆方向性転換の確認されたベラ科やキンチャクダイ科魚種との,生態条件の比較から,性転換の可逆性の進化条件について考察を進めている。性転換に不明な点の多いゴンベ科魚類について,予備的な調査を実施した。オキゴンベについては,屋久島,口永良部島近海において分布調査を行ったが,調査に適した場所を見つけることができなかった。ホシゴンベ,メガネゴンベの2種については,口永良部島の個体群で観察調査を実施した。その結果,性転換は確認できなかったが,繁殖システムが従来断片的に報告されていたハレム型一夫多妻とは異なるタイプのものであることを確認した。ゴンベ科では近隣個体どうしの社会的な関係が弱く,ベラ科,キンチャクダイ科などとは異なる性転換のパターンがみられる可能性がある。本課題調査で得たこの手がかりを基に,今後も研究を継続させる予定である。8月にドイツのチュービンゲンで開催された国際動物行動学会(27th International Ethological Conference)において,本研究課題の成果である(1)雌性先熟魚類の逆方向性転換,(2)雌性先熟性転換プロセスの未授精産卵の機能についての発表(2件)を行った。本研究課題の成果のうち,(1)キンチャクダイ科ナメラヤッコの雌性先熟性転換プロセスにみられる未受精産卵の機能についての論文(2)雌性先熟魚アカハラヤッコの逆方向性転換についての論文を準備している。1雌から雄への順方向性転換沖縄県瀬底島のサンゴ礁において実施したハレム魚キンチャクダイ科ナメラヤッコの雄除去実験の結果解析を進めた。雄消失時にハレムの最大雌がすみやかに雄の性的行動を開始できなかった例では,小雌が隣の雄と産卵することが確認され,「配偶者確保のために行動の性転換が生殖腺変化に先行して遂行される」という仮説を支持する貴重なデータが得られた。論文は現在準備中である。2雄から雌への逆方向性転換近年,一夫多妻社会をもつベラ科やキンチャクダイ科の数種において,雌から雄への性転換だけでなく,劣位雄が雌に戻ることが報告されている。この逆方向性転換についての情報はいまだ乏しい。そこで,基本生態が詳しく調査されているサンゴ礁魚キンチャクダイ科アカハラヤッコと,温帯魚トラギス科コウライトラギスの2種を材料に,雄2個体を同居させる飼育実験を行い,逆方向性転換を検証し,同時に性転換プロセスにおける性的行動の発現タイミングについての観察を行った。1)アカハラヤッコ:沖縄県瀬底島で採集した個体を琉球大学熱帯生物圏研究センター瀬底実験所の屋外水槽にて飼育し,雄が雌への性転換を行うことを確認した。順方向性転換時と同様に,生殖腺の状態と独立に雌の性的行動が先行することを確認した。2)コウライトラギス:四国宇和海で採集した個体を,神戸市立須磨水族園にて飼育している。これまでのところ,性的行動,生殖腺の逆方向性転換は認められていない。雌から雄への性転換を行う魚類すべてが,逆方向性転換を行えるわけではないようである。現在も飼育実験を継続させている。
サーモシミュレーションによる局所温度解析と温熱致死効果増強作用に関する研究

癌温熱療法において、加温の際の温度パラメータと治療効果との関係は未だ十分に解明されているとは言い難い。そこで温度解析法の一環として、腫瘍内実測温度とサーモシミュレーションよって得られた温度(以下TS温度)を比較検討し、局所治療効果との関係を解析した。体内深部臓器の温度実測は困難であるため、皮膚温度を用いてTS温度の補正を行い、TS温度に基づく等価加温時間(thermal factor: TF)と温熱治療効果の関係について解析した。温度解析した症例は乳癌3例、肺・縦隔腫瘍4例、頭頸部癌3例、消化器癌5例など計21例で、温熱療法はRF誘電加温装置(Thermotron-RF8)を使用して週1回、42°C40分間を目標に計26回行い、全例に放射線治療を併用した。各症例の加温時聞、RF波出力データの平均値を算出し、治療パラメータをサーモシミュレータに入力し、TS温度と温度分布を求めた。算出したTFは、Tmax、Tave、Tmin、teq43Tmax、teq43Tave、teq43Tmin、teq43T90、teq43T50、teq43T10で、腫瘍内温度計測の実施例では、TS温度と皮膚温度による補正温度と実測温度の三者を比較した。局所一次効果別にみた解析では、すべてのTFにおいてCR+PR群の方がNC群よりも大きな数値を示したが有意差はなかった。TFの因子別にみた奏効率の比較では、EM43T90では4以上で75%、4未満で45%であり、teq43T90では2以上で67%、2未満で50%であった。いっぽう生存期間中央値の比較では、EM43T90では4以上で5.5ヶ月、4未満で3.6ヶ月であり、両群間に有意差はなかった。比例ハザードモデルでは、腫瘍非再増大期間に影響を及ぼす因子としてはEM43T90、EM43T50、teq43T90、teq43T50、組織型があげられた。これらの因子は温熱併用放射線療法において局所効果に影響を及ぼす因子としてとらえられ、特にTS温度を皮膚温度で補正して得たTF解析結果において、EM43T90とteq43T90の数値は治療効果予測にもっとも有用な温熱因子として考えられた。以上、温熱療法におけるサーモシミュレーションによる局所温度解析は、治療成績の解析に有用であることが明らかとなった。癌の温熱療法における加温中の体内温度をモニターする方法としてサーモシミュレータを導入し、これを用いて体内の温度分布ならびに被加温領域の温度パラメータと温熱治療効果との関係を解析する方法について検討した。本年度は以下の研究を行った。1.周波数8MHzのRF(radiofrequency)波による誘電加温装置(Thermotron-RF8)にサーモシミュレータを新たに設置した。

本装置は、(1)CT,MRIの画像データ取り込み装置、(2)画像処理用CPU及び解析ソフト、(3)これらのシステムを一体化する筐体からなっており、RFを流したときの局所発熱量を人体組織の密度、導電率、電流密度などから求めるものである。この際に、CT及びMRIの画像より組織密度、プロトン密度を求め、これを基に発熱分布、温度分布を算出するが、温度表示に関する空間的ならびに時間的精度については、今後、実験用ファントムおよび生体での温度実測値を参照してさらに解析していきたい。2.臨床への有用性の有無については、具体例として、放射線治療後の再発肺癌症例に対する温熱併用放射線治療時の加温開始後の生体温度分布推移を本装置によって経時的に追跡した。その結果、温熱併用放射線治療後にみられた肺野領域における肺炎様浸潤病巣の出現に関して、サーモシミュレータによる温度データの解析が役立つことが明らかになった。3.今回設置したサーモシミュレータ装置はプロトタイプのものであり、温度モニターとしての品質保証(QA)については必ずしも満足のいく状況とはいえない。次年度には、各種画像情報データと加温装置の出力データを基にして算出するサーモシミュレータの温度分布について精度解析を行い、さらに腫瘍内の最高温度(Tmax)、最低温度(Tmin)、平均温度(Tav)、測定点の90%以上が超えている温度(T90)などの温度パラメータと局所効果との関係について、より詳細に解析したい。癌温熱療法において有効な治療効果を得るには、病巣部を至適温度に加温することが不可欠であるが、このために加温中の体内温度をモニターする方法としてサーモシミュレータを導入し、温度パラメータと温熱治療効果との関係を解析した。19981999年に温熱療法を施行した症例のうち、治療計画CTを行った19例を対象とした。温熱療法は8MHzのRF(radio frequency)波による誘電加温装置(Thermotron-RF8)で行い、これに、画像データ取り込み装置、画像処理用CPUおよび解析ソフトからなるサーモシミュレータを接続して局所発熱量を求め、体内組織の温度分布ならびに各種温度パラメータを計算により求めた。症例内訳は、肺・縦隔腫瘍4例、大腸・直腸癌4例、頭頸部腫瘍3例、乳癌3例、胆道癌2例などで、深さ別では浅在性8例、深在性11例であった。加温は平均出力3591150Wで平均50分行い、多くは週1回で計27回行った。以上よりサーモシミュレータによる解析では、等価加温時間は温熱治療効果を反映する傾向にあった。温熱療法において有効な治療効果を得るには、病巣部に十分な温熱量を与えることが不可欠である。そのための温度解析法の一環として、腫瘍内実測温度とサーモシミュレーションよって得られた温度(以下TS温度)とを比較検討し、非侵襲的に計測可能な皮膚温度を用いたTS温度の補正を試みた。さらに、補正されたTS温度に基づく等価加温時間(サーマルファクター:以下TF)と温熱治療効果の関係について解析した。対象は21例で、乳癌3例、肺・縦隔腫瘍4例、頭頸部癌3例、消化器癌5例、胆道癌2例、その他4例である。温熱療法はThemotron-RF8を使用して計26回行い、全例に放射線治療を併用した。各症例の加温時間、RF波出力データの平均値を算出し、その治療パラメータをサーモシミュレータ(山本ビニター製)に入力し、TS温度と温度分布を求めた。算出したTFは、Tmax、Tave、Tmin、teq43Tmax、teq43Tave、teq43Tmin、teq43T90、teq43T50、teq43T10である。腫瘍内温度計測例では、TS温度と皮膚温度から求めた補正温度と実測温度を比較した。補正温度によるTSを算出し、一次効果との関係を解析した。
活性型線維芽細胞増殖因子受容体過剰発現マウスを用いた血管形成の解析

血管内皮前駆細胞および内皮系細胞に特異的に発現しているTie2をプロモーターとするヒト活性型FGFRを過剰発現する遺伝子改変マウスを作製し、成熟した血管形成を担うFGFシグナルの内皮系細胞への果たす役割を検討した。(1)ヒト活性型FGFRを過剰発現する遺伝子改変マウス(FGFR-Tg)の下肢虚血モデルにおける血管新生効果1)FGFR-Tgマウスおよびwildマウスの左前下行枝を30分間冠動脈閉塞後、再灌流を行い急性心筋梗塞を作製した。2)心筋梗塞作製前、3週後にマウスの心筋梗塞領域、心筋梗塞周辺領域、非虚血領域より虚血組織を採取し、CD31染色、αS漁染色を行ったところ、単位面積あたりの血管内皮細胞数と最小血管数が有意にFGFR-Tgマウスで増加していた。3)TUNEL染色にて心筋細胞のアポトーシスの評価を心筋梗塞作製24時間後、7日後、3週後に行ったが、FGFR-Tgマウスで有意な心筋アポトーシスの減少がみられた。4)4週後の梗塞心の左室利モデリングはFGFR-Tgマウスで有意に減少していた。今後、心筋保護におけるFGFRを介するシグナル機構の解析を行う予定である。
固液混相乱流モデルを用いた粒子法の拡張とその移動床現象への応用に関する研究

研究計画では,数値移動床の実現のために, 1.高精度粒子法を導入したMPS法べ一スの固液混相流モデルの構築, 2.乱流モデルの導入およびモデルの再現性の検討, 3.計算コスト肥大化解決のためのモデルの更なる高精度化の3点を目標としている.1. (1)粒子法の安定計算に必須である従来型の計算安定化スキームの問題点を取り上げ,解決案としての新たな計算安定化スキームを開発した.前年度に構築した高精度粒子法を導入したMPS法と個別要素法(DEM)との複数の連成解析手法に対し,開発した安定化スキームによって,流れ場の流速ベクトルにおける非物理的なノイズや固液両相の水中粒子の非物理的な挙動の除去が,連成手法の如何に問わず可能であることを示した,(2)さらに,異相界面の境界条件モデルを新たに改良することで,モデルの体積保存性を確保しつつ,より数値安定性と精度に優れる計算モデルを構築した.本モデルでは,従来型の粒子法では再現が困難であった固相境界周りの複雑流(カルマン渦)の再現に成功するなど,異相界面における計算精度の大幅な向上を得た.2.乱流モデル導入の際に重要となる平均流場の算定精度向上を目的に, MPS法における粒子間相互作用力算出のためのカーネル関数を検討し,高精度粒子法に対してより適用性の高い重み関数の導入を実施した.これにより,圧力擾乱の効果的な抑制に成功した.3.上記の各モデル改良から,物理素過程により忠実な構成を確保しつつ,計算安定性を大幅に向上させることに成功した.その結果,計算時間刻みをより大きく設定した場合にも,安定した計算を得ることが可能となり,粒子法を用いた高解像度固液混相流計算のための枠組みが整った.(抄録なし)研究計画では,1.高精度粒子法を導入したMPS法ベースの固液混相流モデルの構築,2.乱流モデルの導入およびモデルの再現性の検討,3.計算コスト肥大化解決のためのモデルの更なる高精度化の3点を目標としている.1.高精度粒子法を導入したMPS法と個別要素法(DEM)との連成解析手法として,始めに3つのモデルを構築し,固液混相ダムブレイク実験を対象に数値シミュレーションを実施するζとで各モデルの特性を検討した.また,上記モデルのうち一つに対し,更に改良を進め,3次元場へ計算コードを拡張すると伴に,多数粒子群の水中沈降を対象に水理実験及び数値シミュレーションを実施し,モデルの検討および多数粒子群の水中沈降過程における粒子群の運動機構を計算力学的観点から検討した.現在は,連成手法の更なる改良に取り組んでいる.2-最新の高精度粒子法を導入したMPS法にSPS乱流モデルを新たに組み込み,単相流の砕波および自由噴流の水理実験を対象に数値シミュレーションを実施し,モデルの妥当性を検討した.今後,乱流モデルはダイナミクス化を進めるとともに,固液混相流モデルへ導入する予定である.3.より物理素過程に忠実な高精度粒子法のための安定化スキームを開発・導入し,固液混相流を対象としてより再現性の高い安定計算手法を確立した.その結果,計算時間刻みをより大きく設定した場合にも,安定した計算を得ることが可能となった.高濃度固液混相流を対象とした数値シミュレーション実施のための,粒子法ベースの計算モデルの構築および改良を進めている.今後,さらならモデルの改良を進め,シートフロー漂砂への計算モデルの適用を目標とする.なお,上記のラグランジュ・ラグランジュ型のアプローチに加え,オイラー・ラグランジュ型の格子法ベースの固液混相乱流モデルを用いたシートフロー漂砂の運動機構の検討も並行して実施している.研究計画では,数値移動床の実現のために, 1.高精度粒子法を導入したMPS法べ一スの固液混相流モデルの構築, 2.乱流モデルの導入およびモデルの再現性の検討, 3.計算コスト肥大化解決のためのモデルの更なる高精度化の3点を目標としている.1. (1)粒子法の安定計算に必須である従来型の計算安定化スキームの問題点を取り上げ,解決案としての新たな計算安定化スキームを開発した.前年度に構築した高精度粒子法を導入したMPS法と個別要素法(DEM)との複数の連成解析手法に対し,開発した安定化スキームによって,流れ場の流速ベクトルにおける非物理的なノイズや固液両相の水中粒子の非物理的な挙動の除去が,連成手法の如何に問わず可能であることを示した,(2)さらに,異相界面の境界条件モデルを新たに改良することで,モデルの体積保存性を確保しつつ,より数値安定性と精度に優れる計算モデルを構築した.本モデルでは,従来型の粒子法では再現が困難であった固相境界周りの複雑流(カルマン渦)の再現に成功するなど,異相界面における計算精度の大幅な向上を得た.2.乱流モデル導入の際に重要となる平均流場の算定精度向上を目的に, MPS法における粒子間相互作用力算出のためのカーネル関数を検討し,高精度粒子法に対してより適用性の高い重み関数の導入を実施した.これにより,圧力擾乱の効果的な抑制に成功した.3.上記の各モデル改良から,物理素過程により忠実な構成を確保しつつ,計算安定性を大幅に向上させることに成功した.その結果,計算時間刻みをより大きく設定した場合にも,安定した計算を得ることが可能となり,粒子法を用いた高解像度固液混相流計算のための枠組みが整った.当初の研究実施計画案通り,3つの問題点対する解決案を着実に進めている.

また,固液混相流モデルのために新たに開発した計算スキームは,単相流や気液混相流に対しても同様に,計算の精度および安定性に効果的であることが期待される.高濃度土砂輸送現象を数値シミュレーションによりアプローチする場合,計算コストの問題が重要な課題となり,開発した現在のモデルでは高い精度による粒子周りの流体解析を実現するには不十分である.対策としては,今後もモデルの高精度化をより進める必要がある.現在は,自由水表面や壁面境界を含む異相界面に効果的なスキームを開発中である.(抄録なし)
力学系間の時間調整を基盤とする適応的な行動生成機構

我々人間は,いったん獲得しだ動作については無意識的に実行する場合が多い.しかしながら,環境や身体の状態が不安定化するなどのイベントを察知した際には,意識下における自由度の高い調整を伴うような,適応的な行動生成を行うことができる,本研究は,これら二つのレベルを有機的に結合した新たな行動生成機構を,ハイブリッドダイナミカルシステム(以後単にハイブリッドシステム)によって実現することを目指す.ハイブリッドシステムは,複数の力学系の活性化状態(遷移順序や遷移タイミング)を,上位の離散事象系で直接的に記述可能なモデルであり,発生イベントと身体制御との関係を柔軟に扱えると期待できる.計算機シミュレーションでの歩行生成に焦点を絞って評価を行った.歩行生成が可能な微分方程式系としてCentral Pattern Generator (CPG)の数理モデルがある.初期段階ではこのCPGを利用することでハイブリッドシステムを学習し,学習後はCPGの行っていたトルクパターン生成をハイプリッドシステムで実現できることを検証した.昨年度までに,CPGの生成パターン(トルクを生成する結合振動子系の内部状態系列)を利用することで,ハイブリッドシステムをボトムアップに自動学習する手法を開発した.本年度は,この学習されたハイブリッドシステムを用いて,歩行動作の安定化に取り組んだ.特に,身体(筋・骨格系)からのフィードバックを切った場合,ハイブリッドシステムの生成するトルクパターンのみでは歩行に失敗するが,左右の足が床面と接地する時刻を基に,ハイブリッドシステムを構成する力学系の遷移タイミングのみを制御することで,歩行を安定化できることが確認された,環境との接触や身体の状態変化といった各種イベントに対する,身体の制御を記述する上で,タイミング調整に基づく本提案手法は,新たな基盤となる可能性がある.複雑なリズムやタイミングに自らの行動を合わせるといった時間調整機能が,進化圧に耐えて人に備わったのは,動的環境下での生存に必須であったためと考えられる.本研究ではこの時間調整機能に着目した,多自由度ロボットの新たな行動生成・学習手法を考案する.具体的には,ロボットのアクチュエータにおける各駆動パターンを,ハイブリッドダイナミカルシステム(以後単にハイブリッドシステム)の枠組みでモデル化することで,複数の力学系の遷移によって生成できる機構を考える.このとき,力学系が切り替わる分節点間の,時間軸上における関係を学習・調整できる仕組みを導入することで,(1)過去に学習した動作の利用による新規行動の獲得,および(2)身体動作のタイミング制御によるダイナミックかつ状況適応的な行動生成を実現するための理論的枠組みを構築する.平成20年度は「周期的歩行動作」に焦点を絞り,周期的動作を生成できるハイブリッドシステムの学習を目指した.これには,あらかじめ学習データとしてトルクパターンが必要となるが,歩行動作を実現するためのトルクパターン生成系としては,脊髄におけるCentral Pattern Generator(CPG)やその数理モデルが知られている.そこで,CPGモデルより生成されるトルクパターンを学習系列として利用することで,単純なトルクパターンを生成する力学系をプリミティブとして同定するとともに,それら力学系の間の遷移構造を学習する手法を開発した.この学習により,CPGの微分方程式系モデルは,離散事象系を含むハイブリッドシステムによって表現されるため,力学的分節点を時間軸上で明示的に扱い制御することが可能となる.今後はこの力学的分節点のタイミング調整に基づく,自由度の高い行動生成および行動創発の可能性を探る.我々人間は,いったん獲得しだ動作については無意識的に実行する場合が多い.しかしながら,環境や身体の状態が不安定化するなどのイベントを察知した際には,意識下における自由度の高い調整を伴うような,適応的な行動生成を行うことができる,本研究は,これら二つのレベルを有機的に結合した新たな行動生成機構を,ハイブリッドダイナミカルシステム(以後単にハイブリッドシステム)によって実現することを目指す.ハイブリッドシステムは,複数の力学系の活性化状態(遷移順序や遷移タイミング)を,上位の離散事象系で直接的に記述可能なモデルであり,発生イベントと身体制御との関係を柔軟に扱えると期待できる.計算機シミュレーションでの歩行生成に焦点を絞って評価を行った.歩行生成が可能な微分方程式系としてCentral Pattern Generator (CPG)の数理モデルがある.初期段階ではこのCPGを利用することでハイブリッドシステムを学習し,学習後はCPGの行っていたトルクパターン生成をハイプリッドシステムで実現できることを検証した.昨年度までに,CPGの生成パターン(トルクを生成する結合振動子系の内部状態系列)を利用することで,ハイブリッドシステムをボトムアップに自動学習する手法を開発した.本年度は,この学習されたハイブリッドシステムを用いて,歩行動作の安定化に取り組んだ.特に,身体(筋・骨格系)からのフィードバックを切った場合,ハイブリッドシステムの生成するトルクパターンのみでは歩行に失敗するが,左右の足が床面と接地する時刻を基に,ハイブリッドシステムを構成する力学系の遷移タイミングのみを制御することで,歩行を安定化できることが確認された,環境との接触や身体の状態変化といった各種イベントに対する,身体の制御を記述する上で,タイミング調整に基づく本提案手法は,新たな基盤となる可能性がある.
強誘電体ドメイン制御セラミックスの開発研究

強誘電体ドメインの分極電界に対する挙動、特に、誘電・圧電特性とドメイン反転・回転の関係を明らかにした。この方法は、「セラミック組成が同じでも異なったドメイン構造をもつドメイン構造制御セラミックス」の開発に繋がるものと考えられる。これまでのPZT系セラミックスで得られた(組成)vs.(分極電界)vs.(誘電・圧電特性)の関係より求めた(組成)vs.(ドメイン構造)vs.(誘電・圧電特性)の結果を鉛系圧電セラミックスや強電体結晶へ展開し、次のような結果を得た。(1)チタン酸バリウム(BT)およびビスマス層状化合物SrBi_4Ti_4O_<15>(SBT)セラミックスのドメイン構造:BTおよびSBTセラミックスの分極電界依存では、前者は180°反転/90°回転の全てが観測された。一方、後者はチタン酸鉛(PT)系セラミックスと同様に180°反転のみであった。PZTセラミックス/Pb[(Zn_<1/3>Nb_<2/3>)_<0.91>Ti_<0.09>]O_3 (PZNT)単結晶も含め、強誘電体ドメイン構造と分極界との関係が明らかになった。(2)ドメイン制御による新規物生:PZNT単結晶のドメイン構造を電界で制御することにより、巨大横効果圧電性(電気機械結合係数k_<31>>80%)を初めて見出し、また、その原因を究明した。(3)新たな圧電デバイス:巨大k_<31>をもつPZNT圧電単結晶を利用し、圧電ユニモルフ/バイモルフを試作した。バイモルフの屈曲振動の結合係数k_bは、従来のPZT系セラミックスに比べ、k_b=31%→70%と2倍以上の優れた特性を示した。さらに、PZNT単結晶は電界の増加と共に菱面体晶→正方晶→単斜晶とより低い結晶対称性へ変化し、最終的に巨大k_<31>が得られることを結晶中の周波数定数(音速に相当)の測定から明らかにした(平成16年度第51回応用物理学関係連合講演会費で発表予定)。今年度はこれまで調べてきたチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)とチタン酸鉛(PT,PLT)、チタン酸バリウム(BT)セラミックスにおける正方晶強誘電体ドメイン構造の比較を行った。(1)結晶配向度(I_<002>)の分極電界(E)依存;PZT,PT,PLTセラミックスでのI_<002>の分極電界依存の比較を行った。尚、XRDでの(002),(200)回折ピーク強度の測定では、分極処理毎にセラミック表面の鏡面研磨を行い、セラミックバルク自体の変化を調べた。EによるI_<002>の変化は、PLT≦PT<ソフト系PZT<ハード系PZTの順に大きくなった。PTセラミックスでは特に結晶軸比(c/a)が1.048(キュリー温度:430°C)と大きく、結晶配向し難いことが原因と考えられた。

(2)ドメイン反転・回転と電気機械結合系数(kp);kpのE依存よりkp→0%のEが分極電界依存から求めた抗電界(Ec)で、(1)ソフト系PZTでEc=-2.0,+1.75kV/mm,(2)ハード系PZTで±2.0kV/mm,(3)PTでは-1.5,+1.25kV/mm,(4)PLTでは±2.0kV/mm,(5)BTでは±0.01kV/mmであった。これら正方晶強誘電体セラミックス中、特にBTのEcが小さいことが分かった。kpが極小をとるのは、Ecで電気的にドメインが打ち消し合う180゚ドメインクランピング(↑↓)が起こっているためである。更に、+3.0→0→-3.0kV/mm及び-3.0→0→+3.0kV/mmの電界印加履歴でのE=0kV/mm時のkp値は、ソフト系PZT,PTセラミックスでは一致しなかった。これは前者では機械的に軟らかいこと、後者では機械的に硬く、更に結晶異方性が大きいことが原因と考えられた。(3)ドメイン反転・回転と誘電率(εr);εr vs.Eより全ての正方晶強誘電体セラミックスに於いて、Ecでドメインクランピングによるεrの極小が観測された。又、(1)ソフト系PZT,(3)PT,(4)PLTセラミックスでは分極電界を交番させることにより、εrは小さくなった。このことはkpは変わらず、セラミックス中のドメイン構造が変化していることを意味していた。更に、BTで初めてE=±0.35kV/mmでεrのピークが観測された。このピークは第1回目の90゚ドメイン回転によるものと考えられた。(4)ドメイン反転・回転と周波数定数(fcp);fcp vs.EよりPT,PLTセラミックスを除いて、Ecでドメインクランピングによるfcpのピークが得られた。ドメインクランピングによりセラミックスが硬くなるためてある。又、fcpが極小になるEは90゚ドメイン回転のしきい電界に相当するものと考えられ、PT,PLT,BTセラミックスで観測された。以上のように、正方晶強誘電体セラミックスの誘電・圧電特性等の分極電界依存より、180゚ドメインクランピングおよび90゚ドメイン回転と誘電・圧電特性との関係が明らかにできた。(1)SBTセラミソクスの分極電界(E)依存;SBTセラミックスはキュリー温度が520°Cと、これまでのPZTに比べ約200°C高いことから、分極電界依存の測定温度は150°Cで行った。Eを±10kV/mmの範囲で変化させたところ、E=±3.OkV/mmで厚み振動の電気機械結合係数(kt)および圧電d_<33>定数が極小値をとった。この電界は抗電界(Ec)に相当し、180°ドメインクランピングが起きていることが分かった。又、誘電率(εr)もEcで極小値をとるのは、ドメインクランピングにより、電荷が互いにキャンセすることによるものと考えられた。一方、厚み振動の周波数定数(fct)はEcで極小値をとった。(2)PZNT単結晶の分電界(E)依存;PZNT単結晶はキュリー温度が175°C,菱面体晶相と正方晶相との相境界(M.P.B)は80°Cであり、更に、大きな電気機械結合係数は菱面体晶相で得られるので、分極電界依存の測定温度を40°Cとした。E=±1000V/mmの範囲で変化させたところ、E=±300V/mmで縦振動の電気機械結合係数(k_<33>)および圧電d_<33>定数が極小値をとった。又、この電界で極小のεr,極大のfc_<33>が得られことから、180°ドメインクランピングが起こるEcと考えられた。更に、二度目の分極電界依存測定により、強誘電特性は若干低下傾向が見られた。これは分極を多数回繰り返すことにより、結晶内に歪が生じ、マイクロクラックが発生したことによるものと考えられた。(3)PZNT圧電単結晶に見られる巨大電気機械結合係数k_<31>と圧電d_31定数;
MR拡散テンソル画像を用いた障害神経の新たな評価ツールの開発

拡散テンソル画像は最近では腰部神経根や末梢神経の狭窄などの診断に用いられている。今回我々は1.5テスラMRIを用いて拡散テンソル画像を撮像し、坐骨神経の良好な描出をえた。そこで健常側と比べて罹患側ではFAが低下し、ADC値が上昇した。この手法は検者間、検者内信頼性も高く、再現性の高い検査であることが確認された。また、実際の臨床では梨状筋症候群の症例の拡散テンソル画像では障害側でFAが低下しADC値が上昇していた。術後症状が改善するとともにFA, ADC値が正常化したことから症状と密接に関わっており、今後新たな術後評価の一つのツールとして期待される。神経障害性疼痛はしびれ、知覚異常、運動麻痺をはじめ多彩な臨床症状を示すほか、その病態は実際のところ明確にされていない。診断上でも症状と画像・検査所見が一致しないことが少なくなく、確定診断、治療に苦慮する事が多い。放射線医学ではMRIの拡散強調画像を用いる事で神経障害の指標になりうる可能性が報告されている。我々は3テスラMRIをもちいて腰椎神経根の拡散テンソル画像(DTI)を描出し、腰椎神経根のノーマルパターンを発表している。(Miyagi R, et al. BMC Musculoskelet Disord. 2015)。今回我々は1.5テスラMRIを用いて、腰部神経根のDTIを得た。つついて坐骨神経の描出ができることを確認した。臨床応用としては梨状筋症候群における罹患側での座骨神経のFAが低下、ADC値が上昇することを発表した。(拡散テンソルMRIを用いた座骨神経評価.腰痛学会. 2016)このことから梨状筋症候群における非侵襲的な診断ツールになりうると思われる。次に、神経根の評価には拡散強調MRニューログラフィーを用いることで、神経根の走行の異常や奇形などを評価すると同時に、神経根の損傷について評価した。このMRニューログラフィーは今までhidden zoneといわれ神経の描出が困難であった椎間孔内での走行が明瞭に描出されるほか、神経の損傷により拡散が変化することが既に示されており、我々はこの拡散強調像を用いる事で今までの画像診断では説明のつかなかった病態の解明ができると考えている。平成28年度は、拡散強調MRニューログラフィーで、神経根の走行の異常や奇形などを評価が行えることを証明した。(Diffusion-weighted MR Neurography ( DW-MRN)を用いた腰部神経根の形態評価.腰痛学会. 2016)当初撮像予定してたMRI機種から別の1.5テスラのMRIの撮像となったため至適撮像条件を得るために期間を要した。よって当初予定していた絞扼性神経障害の症例が十分集まっていない。設定した条件の元、喫緊に対象症例の撮像を行う予定である。今回我々は1.5テスラMRIを用いて、腰部神経根、坐骨神経の拡散強調画像を得た。まずは椎間板ヘルニアなどの神経根の圧迫病変において、罹患側で健側と比べてFAが低下し、ADC値が上昇することが分かった。これにより今までは、腰部神経根狭窄例ではコンベンショナルなMRI、神経根ブロックなどの画像検査に臨床症状と照らし合わして総合的に診断していたが、拡散強調像が新たな診断ツールとなりえる事を示した。臨床応用としては術前の診断に苦慮する、梨状筋症候群における罹患側での座骨神経のFAが低下、ADC値が上昇し、術前の診断に寄与しただけでなく、術後症状の改善とともにFA,ADC値が正常化したことから、術前だけでなく、術後評価としても有用であった。MRニューログラフィーを用いることで、今までhidden zoneといわれ神経の描出が困難であった椎間孔内での走行が明瞭に描出されるほか、神経の損傷により拡散が変化することが示された。このMRニューログラフィーは撮像時間が5分程度であり、今後ルーチン撮影に加えることが可能である。以上の拡散強調画像により今までの画像検査では説明のつかなかった病態の解明ができると考えている。また、1.5テスラMRIでの撮像であることから今後一般病院でも普及していくこと考えられる。1.拡散テンソルを用いた末梢神経の描出:我々は正常健常ボランティアを集い、1.5テスラMRIを用いて肘部での尺骨神経、手関節部での正中神経の撮像条件設定の為のOptimal studyを行う。

つづいて肘部管症候群、手根管症候群患者での撮像を行い、臨床症状、電気生理検査などの従来の検査法との対比を行い、絞扼性神経障害での有用な診断ツールとなりうるか評価する。2.MRニューログラフィーを用いた腰椎神経根の評価:1)症例を蓄積し、神経根奇形の率を明らかにする。2)神経根の横走化と実際の症状がどう関係しているか患者の症状と対比させて評価する。3.拡散テンソル画像を用いた、神経障害の程度とADC, FA値相関、及び回復期におけるADC, FA値の推移:動物を用い、ラットの坐骨神経結紮モデルを作成する。7テスラ動物用MRIを用いてDTIを撮像する。結紮を解除することで神経障害が徐々に回復してくる事から、回復の度合いをADC、FA値と顕微鏡下での神経細胞数を測定することで、両者の相関につき評価する。整形外科本年度は予定していた動物実験を行わなかったため差額が生じた次年度に繰り越して物品費として使用予定である。
ＤＮＡ構造位相変換制御と修復・転写・クロマチン構造変換のカップリング

DNAトポロジー変換機構で中心的な役割を担う因子の1つであるDNA topoisomerase I (TOP1)のタンパク質複合体・相互作用因子を同定し、TOP1および関連する因子の分子制御機構およびTOP1を介在するDNA損傷と修復の分子メカニズムを分子生物学的な研究手法を用いて解析し、その詳細を明らかにした。加えて、TOP1相互作用因子群の標的遺伝子上での局在変化を解析し、その詳細を明らかにした。また、上記解析に加えて、新規突然変異試験法の導入を試みた。DNAトポロジー変換機構で中心的な役割を担う因子の1つであるDNA topoisomerase I (TOP1)の分子制御機構の破綻は、"軸索型ニューロパチーを伴う脊髄小脳失調症"やコケイン症候群B群を引き起こす原因の1つとなるなど、TOP1制御の破綻によって細胞や個体は非常に重篤な影響を受けると予想されるがTOP1制御の分子メカニズムは不明である。細胞内でTOP1と協調的に働く因子を明らかにすることで、TOP1の細胞内での制御機構の詳細を知ることができると考え、TOP1タンパク質複合体・相互作用因子を同定し、TOP1および関連するこれらの因子がどのような分子制御機構にもとづいて細胞内で機能しているのか、そして、TOP1を介在するDNA損傷と修復の分子メカニズムを分子生物学的な研究手法を用いて明らかにすることを研究目的とする。TOP1相互作用因子をsiRNAやshRNAにより発現抑制(ノックダウン)した条件下での細胞生物学的な解析を主としており、当該年度ではノックダウンの至適条件を特に念入りに決定した。また、HAやFLAGなどのエピトープタグを付加した発現コンストラクトおよび発現細胞を作成した。加えて、TOP1相互作用因子群を認識する抗体を使用したクロマチン免疫沈降法およびリアルタイムPCR法を実施し、標的遺伝子上での各因子の局在変化を解析した。TOP1相互作用因子をsiRNAやshRNAにより発現抑制(ノックダウン)した条件下での細胞生物学的な解析を主としており、当該年度では昨年度と同様にノックダウンの至適条件を特に念入りに決定した。また、HAやFLAGなどのエピトープタグを付加したTOP1相互作用因子の発現コンストラクトおよび発現細胞を作成した。加えて、昨年度と同様にTOP1相互作用因子群を認識する抗体を使用したクロマチン免疫沈降法およびリアルタイムPCR法を実施し、標的遺伝子上での各因子の局在変化を解析した。当初計画していたFRAP解析については機器の動作不良により、至適条件の決定には至らなかった。また、TOP1相互作用因子の一部の高発現細胞では細胞増殖が著しく阻害されたため、解析に時間が掛かった。それ以外の点では概ね順調に進展した。当初計画していたFRAP解析については予期せぬ機器の動作不良により、至適条件の決定には至らなかったが、それ以外の点では概ね順調に進展した。昨年度及び当該年度に決定したTOP1相互作用因子群発現抑制条件や、エピトープタグを付加した発現コンストラクト発現細胞を用いて、当初の予定通りに研究を遂行する。加えてTOP1および相互作用因子のポリADPリボシル化にそれぞれの因子が与える影響を解析する。それぞれの因子をノックダウンした際にポリADPリボシル化に関してどのような変化が生じるのかを解析し、それぞれの因子のポリADPリボシル化に関する機能的な相関関係を明らかにする。また、転写因子との相関関係をより詳細に解析する。遺伝毒性学当該年度に決定したTOP1相互作用因子群発現抑制条件や、エピトープタグを付加した発現コンストラクト発現細胞を用いて、当初の予定通りに研究を遂行する。また、TOP1相互作用因子各因子のポリADPリボシル化における機能的な相関関係を明らかにするために、TOP1および相互作用因子のポリADPリボシル化にそれぞれの因子が与える影響を解析する。特に、それぞれの因子をノックダウンした際にポリADPリボシル化に関してどのような変化が生じるのかを解析し、それぞれの因子のポリADPリボシル化に関する機能的な相関関係を明らかにする。予定していた国際学会への参加を見送ったため予定していた海外での学会発表が中止となったため、当該助成金が生じた。当初の予定より消耗品費が高額となっており、消耗品費に振り替えて使用する。
戦後沖縄地域における生活改善普及事業に関する研究

生活改善普及事業は、アメリカの協同農業普及事業が戦後日本に導入されたものである。生活改善普及事業の目標は、農村生活水準の向上および農村の民主化にあった。本研究の目的は、琉球列島米国民政府(USCAR)の統治下にあった沖縄地域における生活改善普及事業の方針とその実態について明らかにすることにある。USCARの生活改善普及事業の方針について明らかにし、それに対する琉球政府の対応、農村における事業の実態解明を行う。さらに本土の事業との比較・考察を試み、両者に違いがみられたのか否か、違いがみられたとすればその要因はどこにあったのかについて追究する。
培養脳幹を用いた三叉神経咀嚼リズム形成に関する研究

本研究は咀嚼に見られるような三叉神経のCentral Pattern Generatorについて研究したものであるが、まず顎付き培養脳幹においてチャンバー内で薬剤性にリズミカルな顎運動を確実に誘発することに成功した。これにはプレパレーションの改良を要した。GABA_Aレセプターの桔抗薬BicucullineとNMDAレセプターの興奮薬NMAを投与すると、リズミカルな顎運動と開口筋と閉口筋からリズミカルな筋活動が観察された。開口筋と閉口筋のリズミカルな筋活動を検討したところ開口筋と閉口筋ではリズムジェネレータが異なることが示唆された。また左右の同名筋の関係でも、リズムジェネレーターが左右に個々に存在することが明らかとなった。リズムジェネレーターの局在については、脳幹ブロックの連続スライスの実験の結果、三叉神経運動根からリズミカル活動を誘発できた最小脳幹ブロックは吻側は三叉神経運動核吻側境界から約1000-1200μm、尾側は三叉神経運動核境界、内側は三叉神経運動核近心境界から約200-400μm、背側は三叉神経運動核背側境界から約700-800μmの脳幹ブロックであった。すなわち三叉神経運動核のごく近傍に存在することが明らかとなった。さらに、より尾側の脳幹が両側性に吻物のリズムジェネレーターを制御することもあわせて明らかとなった。obexからの連続冠状断により疑核吻側レベルから顔面神経核尾側境界に抑制を示す細胞群が存在することが考えられた。これらの結果は顎運動の研究にまったく新しい概念を与えるものである。運動系のリズム性活動に関するpattern generationに関する考え方は近年の神経生理学の分野で定着し、pattern generatorからBurst generatorへリズムが伝達され実際の運動が起こっていると考えられている。すでに歩行や呼吸でこの考え方は証明されており、中枢におけるpattern generatorの局在もほぼ明らかになってきている。三叉神経系については古くよりIn vivoの系を用いて咀嚼リズムの研究が行われているが、In vivoの限界から未だpattern generatorそのものの形が見えてこない。我々は三叉神経系のリズム性運動についてのpattern generationにかかわる機構を明らかにする目的でラット培養延髄というIn vitroの新しい技法を用いることにより研究を進めた。本年度のデータを簡潔にまとめる以下のごとくである。In vitroで観察される三叉神経内リズム性活動は三叉神経運動核近傍でリズム形成が行われ、Burst generatorにシナプス伝達を介して伝達されることが明らかとなった。さらに顎付延髄の培養モデルの作成に成功し、開口筋である顎二腹筋前腹と閉口筋である咬筋からのリズムが非同期化することを確認した。これにより三叉神経系のリズム性活動のpatterngeneratorは少なくとも2Group以上存在するという全く新しい見解が得られた。リズミカル顎運動に関わる三叉神経運動系活動の中枢機構について顎付培養脳幹,培養脳幹をそれぞれ用いて検討を行い以下の結果を得た.1,下丘からY字交点レベルまでの脳幹を保存した顎付脳幹標本を作成し,興奮性アミノ酸であるNMAとGABAレセプターの拮抗薬(Bicuculline)を同時に投与したところ下顎のリズミカルな上下運動が誘発された.2,NMA-BIC投与条件下で両側の開閉口筋の筋活動を同時に記録すると,顎二腹筋,咬筋共に両側が同期したリズミカルな活動が観察された.3,同期の顎二腹筋と咬筋の筋活動を同時に記録するとNMA40μM,BIC10μM条件下では両筋の活動は同期しなかったが,NMAの濃度を40μMから20μMに減少させると両筋の活動は同期下した.このことより,開閉口筋のrhythmgeneratorはそれぞれ独立して存在していることが示唆された.

4,NMAとグリシンレセプター拮抗薬(Strychnine)の同時投与では顎二腹筋と咬筋の活動の間に同期生は認められなかった.ところがBICを追加投与すると両筋の活動は同期化した.このことより二つのリズム形成機構の繋がりにGABAレセプターが何等かの形で関与していることが推察された.三叉神経のセントラルパターンジェネレータの位置について引き続き検討し、脳幹培養の連続スライスの製作によりrhythmgeneratorが三叉神経運動核近傍に存在することが明らかとなった。すなわちリズミカル活動発現に関わる神経回路を含んだ最小脳幹ブロックは、吻側は三叉神経運動根基部から約300500μm,尾側は三叉神経運動核尾側境界,内側は運動核近心境界から約200400μm,背側は運動核背側境界から約700800μmの範囲であった。又、リズム形成回路は顔面神経核尾側から疑核吻側の間に主として存在する左右の抑制回路により両側性に制御されていることが明らかとなった。これらに対し、胎児での発達とパッチクランプ法による細胞内電位について検討したが、胎児ではEー17からリズム性活動が得られることが明らかとなったが、細胞内電位に関しては明らかなデータが得られず今後も検討を要する。
ナノ時空間制御ソリューションプラズマの創製とその材料プロセスへの応用

本研究では、プラズマ材料プロセスの新しい可能性を開拓すべく、ナノ時空間制御技術を駆使し、液体中での低温プラズマ(ソリューションプラズマ)の創製とその材料加工プロセスへの応用を行う。従来のプラズマプロセシングでは実現不可能であった、湿度や熱的な損傷に敏感かつ溶液系のバイオ技術・医療分野での主役となるゲル材料などのソフトマテリアルに対するプラズマ材料加工法の開発など、新規プラズマ材料プロセス分野の新展開を目指す。本研究は、プラズマ材料プロセスの新しい可能性を開拓すべく、ナノ時空間制御技術を駆使し、液体中での低温プラズマ(ソリューションプラズマ)の創製とその材料加工プロセスへの応用を行うことを目的として、時空間微細領域制御プロセス装置の開発とプラズマ診断を行なってきた。本研究の成功により、従来のプラズマプロセシングでは実現不可能であった、熱的な損傷に敏感かつ溶液系のバイオ技術・医療分野での主役となるゲル材料などのソフトマテリアルに対するプラズマ材料加工法の開発など、新規プラズマ材料プロセス分野の新展開が期待されるものである。ナノパルスプラズマ、レーザー誘起プラズマにより、無気泡のソリューションプラズマの発生に成功し、発光分光方法、レーザーラマン分光法により、液体から超臨界流体、さらには高気圧ガス中での広い範囲でのCO_2,H_2Oの粒子の微視的状態(クラスタリング、密度揺らぎ)の測定も進め、励起種制御、プロセス反応場の安定性の制御、などの可能性を示した。また、浸水環境下(セミソリューションプロセス環境下)での大気圧マイクロ波マイクロプラズマ表面処理による環状ゲルの表面超親水化処理(接触角1°以下)にも成功した。この処理における、プラズマの診断(ガス温度、電子密度測定、電界シミュレーション)、および、各種のゲル表面構造・物性測定(原子間力顕微鏡、光学顕微鏡、X線光電子分光、接触角測定)を行い、その相関性の究明を進めている。これらの成果は、上記の目標に向けた着実な結果であると評価される。本研究では、プラズマ材料プロセスの新しい可能性を開拓すべく、ナノ時空間制御技術を駆使し、液体中での低温プラズマ(ソリューションプラズマ)の創製とその材料加工プロセスへの応用を最終目標に設定し、プロセス装置の開発、プラズマ診断、その材料表面加工プロセスへの応用を行った。(1)ソリューションプラズマ材料プロセス装置の開発とプラズマ診断昨年度開発して、材料プロセス用のソリューションプラズマ材料プロセス装置の開発を継続し、放電方法として高圧雰囲気での安定性、制御性に富む誘電体バリア放電をベースにしたプラズマ、および、ナノパルスプラズマを主に採用し、放電電圧、パワー、ギャップなどの電極構造との関係を、水、生理食塩水、などを媒体として選び、そのプラズマ発生特性(ガス圧、電力、電圧など)について詳細に調べた。プラズマ診断として発光分光法などを用いた。残念ながら定量的な電子温度などの物性評価まは至らなかったものの、プラズマの形態の定性的な評価への適用の可能性を得た。また、サブナノプラズマバブルを含有するソリューションプラズマズマと見なせる超臨界流体プラズマのクラスタリング、臨界点付近の揺らぎの定量化に成功した。(2)材料プロセスへの応用以上の新プロセス装置を用い、(A)新規カーボン系ナノ構造物質の探索を行い、sp3結合を有する、新規のカーボンナノ物質の合成に成功した。(B)スライデイングゲル材料の表面改質を行い、表面を超親水性に表面処理することに成功した。
酸化グラフェンの欠陥を有機分子で修復する

酸化グラフェン(Graphene Oxide, GO)は、溶液中の化学プロセスで大量合成が可能なため、実用化が最も近いナノカーボン材料の一つであると期待されている。この性質は、既存の化学工場の設備を活用できるという特徴を持っている。また、合成に必要な黒鉛は、安価かつ大量に入手可能な材料で、資源枯渇、自然環境への影響が小さいという特徴がある。現在、GOは、電極、触媒、水浄化、放熱、樹脂補強材、潤滑剤などのさまざまな用途が見込まれている。しかし、GOは濃硫酸中で強力な酸化剤を用いて合成するため、その製造条件の設定が難しく、安全かつ効率的に大量合成する方法が確立されていない。これまで我々は、GOを安全かつ大量に製造する技術を開発し、さまざまな用途への実用化に向けて、研究を進めてきた。GOの性質は,用いる黒鉛の種類や形状・サイズにより大きく変化する。GOの性質を変える本質を解明することは,学術面のみならず品質の保証や再現性の確保の観点においても重要である。GOを化学修飾したり,酸化・還元をメカニズムに基づき行うことで,再現性良く望みのGOを合成することに成功した。27年度が最終年度であるため、記入しない。酸化グラフェンは黒鉛を酸化・剥離して得られる2次元炭素ナノシートであり,還元により,sp2構造が回復することが知られている。そのため,酸化グラフェンをグラフェン前駆体として用いる検討が進められてきたが,実際は,完全なグラフェン構造に修復することが極めて困難であるということがわかってきた。その一方,酸化グラフェンに含まれる酸素官能基は,有機物や金属との複合化に適しており,複合材料としての用途開拓が盛んに行われている。酸化グラフェンの官能基をエステル化やアミド化したという報告は複数あるが,十分な根拠が示されていないことが多い。洗浄を繰り返すことで,エステル化により付与されたアルキル基が次第に減少していくことを確認している。そのため,従来エステル化やアミド化によって得られたと主張されている複合体は,物理吸着やイオン吸着によって生じたものではないかと我々は考えている。特に,一般的なエステル化・アミド化剤である酸クロリドをカルボキシ基から発生させるために用いる塩化チオニルは,酸化グラフェンの還元剤でもあり,不適切であることがわかっている。そこで我々は,酸化グラフェンに適したエステル化法を検討した。その結果,p-トルエンスルホン酸または硫酸を加えることで,酸化グラフェンの還元を抑制しつつエステル化できるという可能性を見いだした。この方法で得られた生成物は繰り返し洗浄しても,エステル化により付与された官能基が消滅しないことを確認した。また,酸化グラフェンのヒドロキシ基とカルボキシ基のどちらがエステル化に適しているか確認するため,ドデカノールまたはオクタン酸を用いて同条件で反応を行った。その結果,ドデカノールを用いた際にアルキル鎖が確認された。つまり,酸化グラフェンのカルボキシ基の方がエステル化されやすいことを示唆している。複数の共同研究につながり,当初の計画を超えた研究を行うことができている。ポルフィリンやアントラセンにGOと結合可能な官能基をもたせてエステル化し,エッジの修飾や欠陥の穴埋めを行う。申請者は炭化水素のハロゲン化触媒の開発も精力的に行っている。さらに,クロスカップリング反応に関しても十分な技術と経験がある。本年は,GOのOH基またはsp2ドメインを臭素化する触媒反応を開発する。この臭素化GOに対してクロスカップリング反応を行い,芳香族基を導入する。得られた修飾GOは,還元処理,エステル結合の脱炭酸,熱処理による共役系の回復と炭素ー炭素結合の形成を経て,完全に近いグラフェンへと変換する。還元処理の方法は生成するグラフェンの物性に大きく影響を与える。化学還元剤は元素ドープされたグラフェンを与える(例えば,ヒドラジンではNドープ)。一方,光還元ではヘテロ元素によるドーピングの心配がほとんどない。本研究においては,光の波長と強度を変えて光還元の条件を詳細に研究したい。これまでに,反応の波長依存性(作用スペクトル)の調査や,フラッシュ光照射によるμ秒光還元を検討している。
心不全における心筋配向変化の多元計算解剖学解析ーマイクロCTと組織標本の比較検討

兎の摘出心をエタノール固定後に屈折CT撮像で撮像し、さらにホルマリン固定後にヨウ化ヨウドカリウムで染色しマイクロCTで撮像、その後に心尖から心房までの連続切片を作成し、電動ズーム顕微鏡(AxioZoom, Zeiss)を用いて100μmごとの光学的連続切片として撮影した。屈折CTでは染色抜きでも十分な心筋コントラストが得られ、ヨウ化ヨウドカリウムで染色したマイクロCT画像同様に構造テンソル解析による心筋配向が可能であった。両者の心筋配向角度は良好に一致した。同じウサギの心臓標本を用いて心尖から心房までの連続切片を作成しHE染色を行い、電動ズーム顕微鏡(AxioZoom, Zeiss)を用いて100μmごとの光学的連続切片として撮影した。得られた画像を3次元画像として構築し、心筋配向と心筋細胞配列の乱れを評価した。コンピュータ上で組織標本画像とマイクロCT画像の位置合わせを行うソフトウエアを開発し、同一部分の心筋配向角度を評価した。両者は屈折CT同様良好に一致した。3種類の撮像モダリティにおいて構造テンソル解析を用いた心筋配向角度は良好に一致し、マイクロCT画像を用いた心筋配向角度の構造テンソル解析手法の妥当性が示された。本研究成果をJournal of Medical Imagingに投稿した。解析手法が確立されたため、同手法を用いてビーグル犬の正常心、不全心の解析を行った。これまでの報告されてきたように不全心で心筋配向角度が内外層で水平化するわけではなく、中間層の水平化部分が増えている結果となった。また心不全で起こる心筋シート第2ベクトル方向の垂直化は、不全心で起こる心臓形状の球状化(心尖部の拡大)を考慮すると正常心との差がなく、心筋繊維のミクロ的な変化というよりマクロ的な形状変化にともなうものと考えられた。研究成果をSPIE、日本胸部外科学会総会、日本医用画像工学会大会で発表した。平成30年度が最終年度であるため、記入しない。1)正常心と不全心ビーグル犬摘出心をホルマリン固定後パラフィン包埋し、Micro CTによる心臓形状抽出と両心室の心筋配向を構造テンソル解析およびヘッセ行列解析法を用いて評価した。一部心筋コントラストが不良で心筋配向追跡が困難な例があり、過去の論文を参照しウサギ摘出心を用いヨウド剤によるコントラスト改善を検証した。さらにはエタノール固定法や屈折CT撮像(筑波高エネルギー加速器研究機構)による比較検証も行った。エタノール固定後のウサギ摘出心を用いた屈折CT撮像ではヨウ化ヨウドカリウムによる染色抜きでも十分な心筋コントラストが可能であった。2)十分な心筋配向評価が可能であったビーグル犬の正常心2匹と不全心1匹の平均の心筋配向角度(第一ベクトル方向)はともに外層-60度、内層+60度だったが、不全心で分散が大きかった。心筋シートの角度(第2ベクトル方向)は正常心50.6度、46.2度だったのに対し不全心では57.4度とより立った角度になった。3)Micro CTでの良好な心筋配向評価が可能だったウサギ摘出心を用いて心尖から心房までの連続切片を作成し、電動ズーム顕微鏡(AxioZoom, Zeiss)を用いて100μmごとの光学的連続切片として撮影した。今後得られた画像はZEN Zeissを用いて3次元画像として構築し、心筋配向と心筋細胞配列の乱れを評価する。4)MicroCTによる心筋配向角度の情報をUT-Heart研究所に提供した。シミュレーションへの組み込みを検討している。マイクロCTよる心筋配向評価が困難な標本があり、組織固定法の変更、ヨード染色の導入、屈折CTによる撮像等を行った。これらによりマイクロCTでも安定して心筋配向が評価できるような標本固定法が確立された。組織標本による評価はビーグル犬からウサギ摘出心に切り替え、組織標本の作成は行ったので、予定しているマイクロCTと組織標本での心筋配向の照合は行う準備が整っている。