hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
光干渉断層計を用いた網膜光凝固術の自動最適化法の開発

初年度において、光凝固用レーザーと光干渉断層計(OCT)のプローブ光を同時に同じ網膜の同じ位置に照射する装置を構築し、レーザー照射中に生じる組織の変形と変性をOCTを使って評価するための指標を求める方法を開発した。実時間で網膜光凝固術をモニタリングすることを想定して、OCTを同じ場所で計測した場合の信号から組織内の局所光路長変化の変形・変性量を表す指標を求めた。この指標と、光凝固術後に起こる組織損傷の度合いを表すレーザー凝固斑の生成との間に良い相関があることが、豚眼での実験により確かめられた。次年度では、前年度で開発した光干渉断層計(OCT)を用いた組織変形・変性量を表す指標を、実時間のモニタリングにおいて使用するため、高速にデータ取得と処理を行う装置を開発した。また、この指標に基づいて光凝固レーザーを遮る機構を組み込んで、実際に光凝固術をレーザー照射中にモニタリングしながら中止する実験を行い、レーザー凝固斑の生成を良く制御できることが確かめられた。また、開発した組織変形・変性を表す指標だけではなく、レーザー照射中の局所光路長の時間変化に現れる、様々な特徴を同時に用いたレーザー凝固斑の予測モデルを構築することで、レーザー凝固斑の生成の有無をより高い精度で予測できることが判明した。これらの成果により、OCTを用いた網膜光凝固術の術中モニタリングと、施術の終了時点のマネジメントにより、レーザー照射による組織損傷の制御の可能性が示された。光凝固用レーザーと光干渉断層計のプローブ光を合波するプローブを作製した。これにより、レーザー照射中のOCT信号の取得と、レーザー照射後の組織変性により生じる光凝固斑の計測を行うことが可能となった。レーザー照射中に生じる組織の変形と変性を、光干渉断層計を使って実時間で評価することを可能にするため、M-modeスキャンから求めた局所光路長変化を使って組織の変形・変性量を表すメトリックを開発した。摘出した豚眼を用いて、凝固レーザーの出力と照射時間を変化させて、凝固斑生成の有無と、レーザー照射中のメトリックの変化との関係を調べた。照射前後の光干渉断層計画像から、レーザー凝固斑を分類した。その結果、光干渉断層計により求めたメトリックはレーザー照射後の凝固斑生成の有無と関係が深いことが示された。また、凝固レーザーの出力・照射時間と凝固斑生成の間との関係と比べても、より深い関係があることが示された。これにより、光干渉断層計で計測される開発したメトリックは、凝固レーザー照射中に光凝固術の終了時点を判定する際の良い指標の一つなる可能性が示された。また、設計した単一のメトリックだけでなく、レーザー照射中の局所光路長変化のプロファイルから抽出される様々な特徴量を用いいることで、レーザー凝固斑の生成の有無だけではなく、生成される凝固斑のサイズを良く予測できるモデルが得られことが判明した。第一の目標である、光干渉断層計を用いたレーザー損傷の定量化はある程度成功した。摘出した豚眼に対してではあるが、レーザー照射終了時点の組織変形メトリックとレーザー照射終了後に確認されたレーザー凝固斑の間に強い関係があることが統計的に確認された。装置は当初予定していた波長掃引型光干渉断層計ではなく、分光器型光干渉断層計を用いた。これは局所光路長計測に必要となる、光干渉断層計の信号位相を安定して検出することに手間取ったためである。しかし、使用する光波長と検出速度はほぼ同じであるため、研究目的にとって本質的な違いはない。研究計画通り、光凝固術の予後を良く予測できるモデルの開発・改良や有効な特徴量・光学特性の探索を進める。動物実験を行い、生体中で組織変性のモニタリングが可能かどうかの検証と問題点の洗い出し、解決策の考案とそれに基づく装置・アルゴリズム・レーザー凝固斑の予測モデルの改良を進める。また、レーザー照射中のモニタリング結果をフィードバックして凝固レーザーの制御が可能な装置の構築を行い、開発した組織変性のメトリックや予測モデルによるレーザー凝固斑制御の性能と可能性を検証していく。

当初、実時間計測と演算のため、FPGA搭載装置の構築を計画していたが、研究遂行に当たって時間がかかりすぎるため、ソフトウェアとアルゴリズムの改良によって対処したため装置構築に当てられていた予算額の多くが次年度に持ち越された。その分、凝固レーザー導入の光学系と光干渉断層計プローブの変更に当て、レーザー照射条件と光干渉断層計プローブの光学パラメータを変更できるようにして、レーザー凝固制御装置の特性の調査と最適化を行う予定である。
小脳神経回路形成に関わるニューロン分化の遺伝プログラムの解明

(1)プルキンエ細胞の分化機構の解析私達はこれまで、ゼブラフィッシュ小脳プルキンエ細胞の分化過程で発現する転写因子Foxp1bとFoxp4、転写共抑制因子Skor1bとSkor2に焦点を当て研究を進めてきた。foxp1b;foxp4ダブル変異体ではプルキンエ細胞が大幅に減少し、skor1b;skor2ダブル変異体ではプルキンエ細胞が消失し代わりに顆粒細胞が増加することを見出した。これらのデータは、Foxp1b/4がプルキンエ細胞分化遺伝子を正に制御し、Skor1b/2が顆粒細胞分化遺伝子の発現を抑制している可能性を示唆した。Skor1b/2は他の転写因子を介してDNAに結合し遺伝子発現を抑制すると考えられている。本年度は、Skorに結合する因子を酵母2ハイブリッド法を用いて探索し、候補転写因子を見出した。さらに機能解析のため、Foxp1b、Foxp4、Skor1b、Skor2をGal4依存的に異所的に発現させるトランスジェニックフィッシュ(Tg)、および標的遺伝子の探索のため、ビオチンリガーゼ認識ペプチドを融合したFoxp1b、Foxp4、Skor1b、Skor2をプルキンエ細胞で発現するTg系統の作製を試みた。(2)下オリーブ核ニューロンの分化機構の解析私達はこれまで、プロニューラル因子Ptf1aおよびホメオボックス転写因子Gsx2の変異体で下オリーブ核が減少・消失することを見出したきた。本年度は、gsx2の発現と、後脳の前後パターニングに関与することが知られるレチノイン酸(RA)とFGFシグナルとの関係性を解析し、gsx2の発現はRAシグナルによって正に制御され、FGFシグナルによって負に制御されることを見出した。また、Ptf1aとGsx2の標的遺伝子検索のため、ビオチンリガーゼ認識ペプチドを融合したPtf1aおよびGsx2を発現するTg系統の作製を開始した。プルキンエ細胞分化に関わるFoxp1b/4およびSkor1b/2の変異体、下オリーブ核ニューロン分化に関わるGsx2の変異体に関して表現型解析は順調に進んでいる。これら転写因子の遺伝子発現制御機構に関する詳細な解析は進んでいないが、これら転写因子の標的遺伝子を探索するためのツールの開発は順調に進んでいる。したがって、全体を通じて研究は概ね順調に進展している。(2)foxp1b、foxp4、skor1b、skor2を顆粒細胞系譜に異所的に発現させ、顆粒細胞の分化抑制、プルキンエ細胞への運命転換が生じるか検討する。また、gsx2を異所的に発現させ、異所的に下オリーブ核ニューロンが産生されるか検討する。(3)ビオチン化したFoxp1b、Foxp4、Skor1b、Skor2、Ptf1a、Gsx2を発現するトランスジェニックフィッシュを用いて、これら転写因子に結合するゲノム配列を同定することで標的遺伝子を探索する。(4)Skor1b/2に結合する候補転写因子に関して、培養細胞を用いた免疫共沈降の実験を行い、実際に細胞内で候補転写因子とSkor1b/2が会合するかを確認する。候補転写因子の機能を、変異体およびトランスジェニックフィッシュを作製し表現型を解析することで解明する。

これら転写因子の遺伝子発現制御機構に関する詳細な解析は進んでいないが、これら転写因子の標的遺伝子を探索するためのツールの開発は順調に進んでいる。したがって、全体を通じて研究は概ね順調に進展している。(2)foxp1b、foxp4、skor1b、skor2を顆粒細胞系譜に異所的に発現させ、顆粒細胞の分化抑制、プルキンエ細胞への運命転換が生じるか検討する。また、gsx2を異所的に発現させ、異所的に下オリーブ核ニューロンが産生されるか検討する。(3)ビオチン化したFoxp1b、Foxp4、Skor1b、Skor2、Ptf1a、Gsx2を発現するトランスジェニックフィッシュを用いて、これら転写因子に結合するゲノム配列を同定することで標的遺伝子を探索する。(4)Skor1b/2に結合する候補転写因子に関して、培養細胞を用いた免疫共沈降の実験を行い、実際に細胞内で候補転写因子とSkor1b/2が会合するかを確認する。候補転写因子の機能を、変異体およびトランスジェニックフィッシュを作製し表現型を解析することで解明する。
植物の茎頂分裂組織に遠隔的に作用するシグナルの制御に関わる分子機構の解析

植物の地上部器官は茎頂分裂組織(SAM)から生まれる。このSAMに対してSAM外部から遠隔的に影響を与える作用が示唆されつつあるが、そこに関わる分子機構はほぼ解明されていない。本研究では、その仕組みを解明する手がかりとして、そこに関わる可能性が考えられたERECTA受容体と、それに作用するペプチド因子に関して解析を行った結果、これまでに全く報告のなかった新しい細胞間コミュニケーションの発見を達成することが出来た。植物の地上部器官は全て、茎の上端に位置する茎頂分裂組織(SAM)から生み出される。このSAMに対してSAMの外部から遠隔的に影響を与える作用の存在が示唆されつつあるものの、そこに関わる分子機構はほとんど解明されていない。そこで、本研究においては、SAMの外部で活性化したシグナルがSAM活性に遠隔的に作用する仕組みに焦点を当て、この仕組みに関与する因子を明らかにすることを通じて、その際に働く分子機構を解明することを目的とする。この研究を行うにあたっては、SAMの外部で活性化してSAMに対して影響を与えるシグナルを発生すると想定されるUNIタンパク質、ならびに、このUNIタンパク質に由来するシグナルが働く経路で重要な役割を果たすことをこれまでに明らかにしてきたERECTA受容体キナーゼ、の2つの因子に注目した。本年度は、この経路で働く新たな因子に関する情報を得るために遺伝学的スクリーニングを行い新たな変異体を獲得し、さらにその原因遺伝子の同定を試みた。この際には、次世代シークエンサーを用いて獲得するゲノム全体の配列情報を利用することで、従来の方法とは比べ物にならないほど迅速で発展性の高い原因遺伝子同定法の確立を試み、実際にこの手法によって原因遺伝子の同定に成功した。また、ERECTAには配列に相同性の高いファミリー遺伝子群が存在するが、このERECTAファミリー因子群が協調的に機能することで、UNIタンパク質の発するシグナルの制御に関わっていることを示した。これらの研究成果は、今年度に複数の論文として発表した。植物の地上部器官は全て、茎の上端に位置する茎頂分裂組織(SAM)から生まれる。そこで本研究においては、SAMの外部で活性化したシグナルがSAM活性に遠隔的に作用する仕組みに焦点を当て、この仕組みに関与する因子を明らかにすることを通じて、その際に働く分子機構を解明することを目的とした。具体的には、この仕組みに関与することをこれまでに明らかとしてきたERECTA受容体に注目し、本年度は特に、ERECTA受容体に作用するペプチド因子に関しての解析を中心に行った結果、以下のような結果を得た。1)ERECTA受容体の機能が欠損した場合の表現型に関わるリガンドを探索した結果、EPFL4とEPFL6という二つのペプチドを欠損させた場合にERECTA受容体が欠損した場合の表現型と全く同じ表現型が現れた。2)ERECTA受容体とEPFL4またはEPFL6が物理的に相互作用した。3)ERECTA受容体はこの仕組みにおいて篩部で機能することが必要だった。以上の結果から、内皮から発せられるEPFL4とEPFL6が篩部でERECTA受容体により受容されることが重要であることが明らかとなった。上記のような、内皮と篩部との間での細胞間コミュニケーションはこれまでに全く報告がなく、学術的に非常に独創的であり、新しい組織間相互作用に関する知見を植物の発生学に導入した極めて意義深い研究であると考えている。
神経筋伝達が変化する病態における筋弛緩薬・拮抗薬の投与方法と筋力評価方法の検討

研究項目は、神経筋伝達が変化する各種病態において、1筋肉の単収縮力と、従来用いられている筋弛緩状態の回復指標である四連反応比(train of four ratio:TOF比)の関係性、および臨床現場で簡便に用いることができる筋弛緩状態の新たな評価方法の解明、2筋弛緩薬および筋弛緩拮抗薬の作用性変化の原因となる神経筋接合部における機序と最適な筋弛緩拮抗方法である。
遺伝子導入を用いたトリパノソーマ原虫トランスシアリダーゼの機能解析

シャーガス病の病原原虫Trypanosomacruziの感染型trypomastigoteの表面には、この原虫特有のシアル酸転移酵素トランスシアリダーゼ(TS)が存在する。この酵素は、糖複合体にα2,3結合したシアル酸を切断して原虫表面の末端ガラクトース受容体へと転移するユニークな酵素であり、シアル酸を受け取った分子は宿主細胞との接着、侵入に重要であることが示されてきた。一方、昆虫内増殖型epimastigoteでも弱いTS活性が検出される。我々はこのトリパノソーマ原虫に特有のユニークな酵素が原虫の異なる時期に異なる構造で発現されている分子機構とそれぞれの役割りを明らかにする目的で研究を行っている。従来の成果に加えて、epimastigoteで発現しているTS遺伝子ファミリーを多数クローニングして、酵素活性を担うコアの領域はtrypomastigoteのTSと75%以上の類似性があるが、局在や調節に関与していると思われるN末端側やC末端領域には相同性がみられないこと、このTSにも幾つかの遺伝子が存在していることを明らかにした。それらの発現実験から、今まで注目されていなかったC末端側の領域も酵素活性の有無に大切であることを示す結果を得た。また局在に影響を与えていると考えられるN末端側シグナル配列とC末端側疎水配列を比較して、酵素の分泌との関連を調べた。分泌にはシグナル配列が必須であり、GPIアンカーで置換されるC末端疎水領域は必ずしも必要ではないことを明らかにした。そのような観点からepimastigoteで発現しているTS遺伝子構造をみると分泌されるに必要な条件を満たしている。実際にはこの酵素は分泌されておらず、その分子レベルでの理解のためにさらに幾つかの組換え体を作成して調べている。我々が作成したTSの発現系を用いて、共同でC末端リピートの役割を調べ、宿主の血管内皮細胞や末梢血モノサイトからのIL-6産生に重要であることを示した。糖複合体にα2,3結合したシアル酸を切断して原虫表面の末端ガラクトース受容体へとシアル酸を転移するユニークな酵素であり、シアル酸を受け取った分子は宿主細胞との接着、侵入に重要であることが示されてきている。一方、昆虫内増殖型epimastigoteでも弱いTS活性が検出され、我々は酵素活性を担うコアの領域はtrypomastigoteのTSと75%以上の類似性があるが、N末端側やCっ末端領域には相同性がみられないことを明らかにしている。今年度、異なる分子形態のトランスシアリダーゼが原虫の別々のステージで発現していることに注目して、その発現調節、局在化の機構を解析する実験を行った。先ず、トランスシアリダーゼ(TS)遺伝子の、両者で相同している活性に必要な最低単位のみをコードする領域の後にtagとして(NANP)3に相当する塩基配列を導入した。大腸菌で発現させて、(NANP)3を認識するモノクローナル抗体2A10で検出できることと酵素活性が保持されていることを確めた。次に、Tagを付けたトランスシアリダーゼに、N末端側、C末端側の配列を付けて、trypomastigote及びepimastigoteで発現しているかたちのトランスシアリダーゼ遺伝子を作成した。発現ベクターpTEXに入れてT.cruziで発現させ、オルガネラを分画してイミュノブロッティングする生化学的方法で発現と局在を調べた。

また、N末端側、あるいはC末端側を入れ換えたものも作成して影響を調べている。これらN末端シグナル配列やC末端疎水領域の有無でTSの安定性や局在が大きく変化した。局在の異なるTSを用いて機能解析を行っている。シャーガス病の病原原虫Trypanosomacruziの感染型trypomastigoteの表面には、この原虫特有のシアル酸転移酵素トランスシアリダーゼ(TS)が存在する。この酵素は、糖複合体にα2,3結合したシアル酸を切断して原虫表面の末端ガラクトース受容体へとシアル酸を転移するユニークな酵素であり、シアル酸を受け取った分子は宿主細胞との接着、侵入に重要であることが示されてきた。一方、昆虫内増殖型epimastigoteでも弱いTS活性が検出される。この二つのTSの発現調節と局在の違いを分子レベルで明らかにするために、epimastigoteで発現しているTS遺伝子をクローニングして、酵素活性を担うコアの領域はtrypomastigoteのTSと75%以上の類似性があるが、局在や調節に関与していると思われるN末端側やC末端領域には相同性がみられないこと、このTSも幾つかの遺伝子からなるファミリーとして存在していることを明らかにした。また、今まで注目されていなかったC末端側の領域も酵素活性の有無に大切であることを示す結果を得た。また局在に影響を与えていると考えられるN末端側シグナル配列とC末端側疎水配列を比較して、酵素の分泌との関連を調べた。分泌にはシグナル配列が必須であり、GPIアンカーで置換されるC末端疎水領域は必ずしも必要ではないことを明らかにした。そのような観点からepimastigoteで発現しているTS遺伝子構造をみると分泌されるに必要な条件を満たしている。実際にはこの酵素は分泌されておらず、その分子レベルでの理解のために幾つかの組換え体を作成して調べている。我々が作成したTSの発現系を用いて、共同研究者のグループがC末端リピートの役割を調ベ、宿主の血管内皮細胞や末梢血モノサイトからのIL-6産生に重要であることを示した。
スポーツの文化的意義を学ぶ体育理論の授業モデル－民俗フットボールを教材として－

本研究の目的は、中学校及び高校の体育理論に設定された「スポーツの文化的意義」に関する単元の学習の教材として民俗フットボールを位置づけ、その授業を構想し、実践モデルを提案することであった。そして、実施初年度の本年度は、現在体育理論の授業がどのように展開され、前回の学習指導要領で必修化されたことが現場教師の体育理論の授業づくりにどのように浸透しているかを確認し、また、教材として取り上げようとするカークウォールのゲームの再調査(可能ならばアッシュボーンのゲームも)を実施することとしていた。体育理論の授業の実施状況は、本務校及び非常勤先の体育専攻学生にアンケートを実施し、体育理論の必修化の実施以降、10年が経ってもそれが浸透していないこと、しかし、一方で学生たちが有意義と受け止める授業が少ないながらも実践されていることが確認できた。また現場教師の面談から、同じ学校の中でも体育科教員の意識の差が大きく、未だに雨降り体育として体育理論が実施され、また体育理論の授業に関心を示さない教員も少なくないことが確認できた。一方、カークウォールのゲームの教材研究の作業は、2018年9月に現地を訪問し、これまでのゲームの存続の担い手として功績を残してきた数名の人物にインタビューを実施し、貴重な情報を得ることができた。カークウォールには何度か訪問しているが、今回ほど詳細かつ体系的にゲームに関する質問をしたことはなく、大変協力的に、そして丁寧に応答してくれたことで、地元住民の民俗フットボールを存続させてきた苦労や工夫、住民たちの強い伝統継承の意識を確認することもできた。スポーツの文化的意義を学ぶ授業を構想する上で、スポーツの変革、創造の主体者をイメージするための貴重な姿を示してくれていると受け止められ、本研究にとって重要な意義ある作業となった。体育理論の授業の必修化の実施状況は予想していたとはいえ、思ったより現場には浸透しておらず、体育教師の自覚の問題といえる一方で、それには現場教師の授業づくりに向けた情報不足や資料不足が影響していることを知ることができた。よって、本研究の意義は大きく、その要請に応えていかなければならないという思いを強くした。その意味から、今回カークウォールで実施したインタビューの成果は重要であり、当初アッシュボーンへの調査も予定していたが、今年度はそれを控えカークウォールのゲームの整理に時間を費やした。本研究に取り組む段階では、カークウォールに加えてアッシュボーン他で現在も行われている民俗フットボールも教材として含めようと考えていたが、カークウォールを典型例として教材化することの方が生徒の学びを焦点化すると判断し、カークウォールのゲームを詳細に分析することにした。本年度は、授業を構想する前段階の作業と位置づけて取り組み、特に教材研究の視点からは予想以上の成果を得ることができたと考えている。民俗フットボールを教材とする「スポーツの文化的意義」を学ぶ体育理論の授業の実践者として数人の現場教師にあたり、中高それぞれ1名ずつ今後継続的に授業構想に向けた議論をしていく約束を取り付けることができた。ただ、学校の事情や授業への介入には慎重を要し、今後丁寧かつ慎重に取り組んでいきたい。また、実践者と綿密にやり取りをし、実践者自身が主体的に授業を計画・実施し、評価する取り組みにしていきたい。また、カークウォールへはできれば再度訪問し、写真や映像による記録を行い、授業の教具として活用できればと考えている。そのために、初年度に購入予定をした設備備品を次年度初めに購入したい。なお、カークウォールのゲームについては、民俗誌の視点をもたせて論文化し、学会誌に投稿する準備に取り掛かっている。

体育理論の授業の必修化の実施状況は予想していたとはいえ、思ったより現場には浸透しておらず、体育教師の自覚の問題といえる一方で、それには現場教師の授業づくりに向けた情報不足や資料不足が影響していることを知ることができた。よって、本研究の意義は大きく、その要請に応えていかなければならないという思いを強くした。その意味から、今回カークウォールで実施したインタビューの成果は重要であり、当初アッシュボーンへの調査も予定していたが、今年度はそれを控えカークウォールのゲームの整理に時間を費やした。本研究に取り組む段階では、カークウォールに加えてアッシュボーン他で現在も行われている民俗フットボールも教材として含めようと考えていたが、カークウォールを典型例として教材化することの方が生徒の学びを焦点化すると判断し、カークウォールのゲームを詳細に分析することにした。本年度は、授業を構想する前段階の作業と位置づけて取り組み、特に教材研究の視点からは予想以上の成果を得ることができたと考えている。民俗フットボールを教材とする「スポーツの文化的意義」を学ぶ体育理論の授業の実践者として数人の現場教師にあたり、中高それぞれ1名ずつ今後継続的に授業構想に向けた議論をしていく約束を取り付けることができた。ただ、学校の事情や授業への介入には慎重を要し、今後丁寧かつ慎重に取り組んでいきたい。また、実践者と綿密にやり取りをし、実践者自身が主体的に授業を計画・実施し、評価する取り組みにしていきたい。また、カークウォールへはできれば再度訪問し、写真や映像による記録を行い、授業の教具として活用できればと考えている。そのために、初年度に購入予定をした設備備品を次年度初めに購入したい。なお、カークウォールのゲームについては、民俗誌の視点をもたせて論文化し、学会誌に投稿する準備に取り掛かっている。本年度の助成金の執行において、次年度に繰り越す額が生じたのは設備備品の購入を控えたからであった。当初、初年度にノートパソコンをはじめとする設備備品を購入する予定であったが、予定していた調査の実施時期が早まったこともあり、また構想した授業の模擬授業における活用や授業記録などのことを考え、計画時に機器の機種を提示していたが、改めてそれらの選定を少し慎重に行いたいと考えたからである。次年度に再びカークウォールへの訪問を考えており、それら設備備品は2019年度当初に購入の予定である。
ワクチン予防可能疾患の集団免疫度に関する評価体系の構築

本研究では、ワクチン接種率が向上した日本おいて、ワクチン予防可能疾患の潜在的な感染リスクグループを特定し、集団免疫度を評価することを主たる目標としている。今年度は(1)日本における感染性関連死の長期時系列トレンド解析と(2)日本における麻疹流行動態のメカニズムの解明について取り組んだ。(1)日本における感染性関連死の長期時系列トレンド解析近年の日本では、衛生環境の改善や予防接種の普及などによって感染症を原因とした小児死亡が減少したが、高齢人口が増大したことにより、特に60歳以上高齢者の感染症関連死が増加傾向にあり、特に肺炎、敗血症、ウイルス性肝炎、腸管感染症、インフルエンザなどの死因が増加していることを特定した。また、感染症を起因とした子宮癌や肝臓癌も増加傾向にあることを明らかにした。本研究は人口動態統計において国際疾病分類(ICD)に基づいた死因データを収集し、長期傾向をジョインポイント回帰分析を用いて解析した。(2)日本における麻疹流行動態のメカニズムの解明麻疹は空気感染することから感染力が強く、ワクチンの集団接種以前においては、生まれたら必ず感染する感染症であると考えられている。感染者には強い免疫を残すため、流行規模は出生率(新規感受性者の数)によって変わることが知られている。日本における麻疹の長期時系列流行データを用い、出生率とワクチン接種率、季節性、を加味した数理モデルを構築すると、周期的な流行を繰り返す麻疹流行動態のメカニズムが説明可能であることを明らかにした。急激な人口転換(多産多死→少産少死)とワクチンの集団接種による麻疹流行動態の移り変わりを捉えることができた。本年度は、当初の計画通り(1)日本における感染性関連死の長期時系列トレンド解析と(2)日本における麻疹流行動態のメカニズムの解明に関する研究を行った。これらの解析は終了しており、研究成果はそれぞれ国際学会での発表計画があり、国際誌へ投稿のために執筆中である。このように、初年度は当初の計画通りに遂行しており、引き続き計画の再検討も考慮しながら、次年度の研究計画を進めていく。今後は、主に日本における風疹と麻疹の感受性集団を詳密に特定し、費用対効果を考慮した効率的な追加ワクチン接種の実施の判断材料となる、公衆衛生上の実践的意義の高い課題に取り組む。年齢、性別、空間を加味した数理モデルを構築し、予算に応じたワクチン接種の効果をいくつかのケーススタディによって明らかにし、最適なワクチン接種政策を提案する。
パーキンソン病早期診断に向けた神経変性・神経活動変化の評価

パーキンソン病(PD)は運動障害が主症状とされるが,その発現時には神経変性が進行していることが知られており,早期診断手法の確立が重要である.本研究では早期症状の1つとされる不安やうつに関係する海馬と,海馬に投射しかつ早期段階で変性が進む縫線核(5-HT作動性ニューロンを含む)を電極アレイ基板上で共培養したPDモデル系を構築した.海馬の典型的な自発電気活動パターンとして知られている同期バーストの発生頻度が共培養系では低下する,HCの情報処理(パターン分離)性能にはニューロン新生が関与するという知見を得た.パーキンソン病は運動障害が主要な症状と考えられているが,その発現時には神経変性が既に相当程度進行していることが知られており,早期診断・治療手法の確立が重要である.本研究では早期の症状の1つとされる不安やうつに関係する海馬と,海馬への投射を有しかつ早期の段階で神経変性が進むことが報告されている縫線核に焦点を当て,その共培養系を構築してセロトニンによる神経調節作用を可視化することを目指している.計画初年度の平成26年度は,共培養系構築に向けて集積化電極基板上に2つのマイクロ細胞培養区画を設けた細胞培養皿の設計,製作を実施した.厚膜フォトレジストであるSU-8で幅50,長さ750,高さ5マイクロメートルのトンネル構造(細胞体は進入せず,神経突起の成長だけを導く高さとして想定している)を平行に34本配列した鋳型を作製し,ポリジメチルシロキサン(PDMS)で成形した.5×7 mmの方形細胞培養区画2つをこの並行トンネル構造を介して連結したPDMS構造物を64個のマイクロ電極を集積化した基板上に位置合わせして固定,細胞培養皿とした.Wistar Rat新生児から脳全体を摘出して厚さ300マイクロメートルの切片を作成,縫線核を含む切片を選択して該当部分をさらにメスで切り出し,酵素処理により単離,播種した.集積化電極アレイを有する培養皿上で4週間に渡って細胞群が生存,神経突起の成長が見られることを確認した.パーキンソン病は運動障害が主要な症状と考えられているが,その発現時には神経変性が既に相当程度進行していることが知られており,早期診断・治療手法の確立が重要である.本研究では早期の症状の1つとされる不安やうつに関係する海馬と,海馬に投射しかつ早期に変性が進むことが報告されている縫線核に焦点を当て,その共培養系を構築して5-HTによる神経調節作用を可視化することを目指した.最初に集積化電極アレイ(MEA)基板上に2つの細胞培養区画を設けた細胞培養皿を設計・製作した.MEAは50 μm角の電極を4×8のマトリクス状に配置した領域2つからなるパターンとし,これに整合したPDMS製の細胞培養区画を設置,区画間は高さ5 μmのトンネル34本で結ぶ構造とした.5 μmという高さは神経突起のみが進入,伸長して神経支配形成することを想定したものである.Wistar Rat新生児から脳を摘出して厚さ300 μmの切片を作成,背側縫線核(DRN)を含む部分をメスで切り出し,酵素処理により単離,一方のマイクロ細胞培養区画に播種するという手順でDRN培養系を作成した.もう1つの培養区画には海馬(HC)ニューロン群播種して共培養した.トンネル内に神経突起が進入して成長する様子が確認された.MEAを利用した神経回路電気活動計測の結果,HCは同期バースト活動が認められるがDRNは非同期の活動のみを生じるという結果が得られた.HC単独培養の場合と比較して共培養系では同期バースト発生頻度がやや低下する傾向が認められたが,有意ではなく,電気刺激によりDRNの活動を人為的に増強した場合についても明確な差異は認められないという結果になった.免疫組織化学染色を利用した5-HT作動性ニューロン含有率の評価,発達段階に依存した自発電気活動パターン遷移過程の解明,シナプス形成の定量が必要であり,これらが今後の課題となる.パーキンソン病(PD)は運動障害が主症状とされるが,その発現時には神経変性が進行していることが知られており,早期診断手法の確立が重要である.本研究では早期症状の1つとされる不安やうつに関係する海馬と,海馬に投射しかつ早期段階で変性が進む縫線核(5-HT作動性ニューロンを含む)を電極アレイ基板上で共培養したPDモデル系を構築した.海馬の典型的な自発電気活動パターンとして知られている同期バーストの発生頻度が共培養系では低下する,HCの情報処理(パターン分離)性能にはニューロン新生が関与するという知見を得た.予備的検討により,高さ5マイクロメートルのトンネル構造が細胞体が進入せず神経突起が伸長するサイズであることが想定されたため,神経調節系と標的系という2つの系をこのトンネル構造で結ぶパターンを設計・製作した.トンネル構造内の脱気など加工プロセス過程での技術課題はあったが解決できた.細胞培養に関しては,手法が確立されている海馬組織に比べて脳幹神経核は研究例が非常に少なく,解剖手技,培養条件の検討を要する状況でスタートした.系統的に切片試料を作成して該当部分を手動で切り出すという手続きでおおむね機能することがわかった.しかしながら,海馬等の組織に比べて神経核が顕著に小さく,従って得られる細胞数が少ないことから,安定した培養条件の確立に向けてさらに検討が必要になると考えている.

神経工学,生体工学2つの生体組織を1枚の基板上で共培養し,両者を分離した状態を維持しつつ組織間のシナプス結合を導く手続きを確立した.基板表面にはマイクロ電極が集積化されており,非侵襲的に電気活動を計測,あるいは電気刺激を印加することが可能である.今後は(1)海馬,縫線核培養神経回路が示す自発電気活動パターンの計測,(2)海馬/縫線核共培養神経回路を構成した場合の活動変化の観測,(3)共培養系において縫線核神経細胞群の活動を電気刺激で増強した場合,逆に薬理刺激で抑制,さらには障害を与えた場合の影響の可視化,の順で実験を進める.以上の実験結果を統合し,パーキンソン病早期診断・治療手法の開発に向けて今後さらに検討すべき課題を整理,提示して本研究の総括とする.計画初年度は2つの部位から採取した細胞群を共培養する基板の設計,製作プロセスの最適化に注力したため,結果として細胞培養,電気生理計測に必要な試料,材料,試薬等の経費が予定より少なくなった。平成26年度の検討により,基板製作プロセス,細胞培養条件を確立することができた。平成27年度はこの条件を利用し,開発した基板上での細胞共培養,電気生理計測を実施する。目標達成に向けて実験を計画どおり進めることが可能な準備,環境が整っていると考えている。
グリア細胞の変化を指標とした法医学的診断と死亡までの時間の推定に関する研究

1.早期死亡例におけるastrocyte変化の検討Astorocyte(AC)核濃縮像の有無を様々な死因の解剖例について検討した。法医解剖例48例(縊死,絞死,扼死,溺死,失血死等)の脳梁標本をglial fibrillary acidic protein(GFAP)免疫染色してACを観察したところ,27例に核濃縮を認め,うち25例は受傷後1時間未満で死亡した例であった。逆に1時間未満で死亡した27例のうち25例に核濃縮像を認めた。特に,受傷後短時間で死亡した絞死、扼死例では全例に核濃縮を認めた。失血例では1時間未満死亡例全てに核濃縮を認めた一方、それ以上の生存例には認めなかった。以上のことから,AC核濃縮像の観察は受傷から死亡までの期間を推定する上で有用であるものと考える。2.部位別のAC核濃縮像の検討刺創に基づく失血によって受傷後数分で死亡した例と銃創に基づく失血によって受傷後ごく短時間で死亡した例について核濃縮像を脳の部位別に検討したところ,数分生存例では脳梁・大脳白質にのみ核濃縮像を認め、短時間死亡例では,脳梁・大脳白質・脳幹・小脳全てに濃縮像を認めた。3.グリア細胞変化の総合的検討CHPase染色によるoligodendroglia(OG)の観察では頭部外傷例の早期死亡例にのみ核濃縮を示すOGが染色された。RCA1染色によるmicroglia(MG)の観察では,早期死亡例においては変化は認められなかった。アストロサイト(AC)の変化,特に核濃縮像や突起崩壊像といった変化が,様々な死因の解剖例において,受傷から死亡までの時間を推定するための補助的指標となり得るか否かについて検討した。外傷による影響を除くため,頭部外傷のない法医解剖例48例(縊死3例,絞死5例,扼死3例,溺死8例,刺創による失血死13例,虚血性心疾患4例等を含む)の脳梁標本等について,glial fibrillary acidic protein(GFAP)に対する抗体を用いてACを免疫染色しヘマトキシリンで対比染色した。AC30個を観察し核が縮小してクロマチンが見えないACを15個以上認めた例を核濃縮像陽性と判定した。核濃縮像や突起崩壊像の有無と,受傷から死亡までの時間,死後経過時間や脳保存期間との関係について検討した。全48例中27例に核濃縮を認め,うち25例は種々の死因により受傷後1時間未満で死亡した例であった。逆に1時間未満で死亡した27例のうち25例(93%)に核濃縮像を認めた。特に,受傷後短時間で死亡した絞死5例,扼死3例では全例に核濃縮を認めた。刺創による失血死13例をみると,1時間未満で死亡した6例全てに核濃縮を認めた一方,それ以上生存した7例には全く認めなかった。なお,突起崩壊像と死亡までの時間との関連は明らかではなかった。核濃縮の存否と死後経過時間や脳保存期間との間に関連を認めなかった。以上のことから,このGFAP染色によるAC核濃縮像の観察は受傷から死亡までの期間を推定する上で有用で,しかも簡便で判定しやすいため法医実務に応用する価値があるものと考える。1.Astocyteの核浸縮像の検討前年度までの検討によって,様々な死因の解剖例において,受傷から死亡まで1時間未消の早期死亡例の多くにastmc7to(AC)の核浸縮像を認め,それ以上生存した例にほ認められないことが示されたため,脳の部位別に核濃縮像の有無を検討した。

Glial fibrillary acidic protein(GFAP)に対する抗体を用いてACを免疫染色して,刺創に基づく失血によって受傷後数分で死亡した例と銃創に基づく失血によって受信後ごく短時間で死亡した例について核濃縮像を検討したところ,数分生存した例では瞬梁・大勝白質にのみ核濃縮像を認め,脳幹.・小脳には認めなかった。一方,ごく短時間で死亡した例でほ・脳梁・大脳白質・脳幹・小脳の全てに濃縮像を認めた。したがって,このGFAP染色によるAC核濃縮像の観察は受傷から死亡までの期間を推定する上で有用であり,部位別に検討することによってさらに詳細に推定できる可能性が示唆された。2.グリア細胞の変化の総合的検討死因にかかわらずACの核濃縮像は受傷後早期に死亡した例のみに認められる一方,CNPase染色によるoligo-dendroglia(OG)の観察では頭部外傷例の早期死亡例のみ核準備を示すに0Gが染色されたため,今後さらに検討する価値があるものと考える。RCA1染色によるmicroglia(MG)の概集では,早期死亡例においてはresting MG以外の変化は認められなかった。
極微量ナノバイオ関連物質の光反応初期過程の実時間イメージングと光制御技術の開発

極微量のナノバイオ関連物質の光反応初期過程の時間・周波数特性を瞬時に可視化できる世界唯一のイメージング分光装置を開発し、全国共同利用として横浜国立大学の機器分析センター内に設置した。完成した装置は、1フレームあたり260ナノメートルのスペクトル範囲、6ピコ秒の時間範囲の光反応初期過程を実時間で同時マッピングできる。この装置を駆使して、光捕集小型ナノスターデンドリマーの超高速エネルギー伝達をイメージング計測し分子構造と伝達効率の関係を明らかにした。本研究では、極微量の先端ナノバイオ関連物質の光反応初期過程の時間・周波数特性を瞬時に可視化できる世界唯一のエシェロン光学素子を用いたイメージング分光装置を開発し、光捕集小型ナノスターデンドリマーのエネルギー移動効率および修飾タンパク質の酵素反応収率の光制御を試みる。本年度、まずはダイアモンドバイトによりニッケルをミクロンオーダーで精密加工し、反射型エシェロン光学素子を試作した。これを第2高調波発生自己相関法に組み込み、フェムト秒レーザーから出射されるフーリエ限界パルスの時間・スペクトル特性の測定を行い、35fs/pixelの時間分解能でフーリエ限界パルスの時間・スペクトル2次元イメージの実時間計測に成功した。これにより、究極のイメージング分光装置開発の素地ができた。一方、第一世代のイメージング分光技術を駆使することにより、アンテナ分子の長さ・個数が異なる4種類のπ共役ナノスターデンドリマーにおいて、エネルギー伝達効率の時間・周波数実時間イメージング計測を行った。π共役小型デンドリマーでは、アンテナ分子を選択励起すると、まずはアンテナ分子の励起状態のバンドの底付近までねじれ振動による緩和が生じ、次にコア部分との励起状態の波動関数の重なりにより1ピコ秒以下の超高速でエネルギー伝達が起こることがわかった。また、ジアミノアゾベンゼンを導入した修飾タンパク質において、トランス・シス光異性化反応の効率とトランス体の発光強度には相関があり、酵素反応制御には光異性化反応の効率を上げる必要があることを見出した。本年度は、昨年度開発したエシェロン光学素子・第2高調波発生自己相関法を用いて、正負にチャープしたフェムト秒光パルスの時間・スペクトル2次元イメージの実時間計測を行い、光パルスの群速度分散・位相情報を決定することに成功した。また、フェムト秒白色光を用いた広帯域イメージング分光技術への適用を目指し、新規エシェロンの光学設計を行った。一方、アンテナ分子の長さ・個数が異なる4種類のπ共役ナノスターデンドリマーにおいて、コア分子の発光強度及び発光寿命を測定し、アンテナからコアへのエネルギー伝達効率、1光子吸収当たりの発光効率を見積もった。その結果、アンテナ分子の個数が少なく長さが最も短いものがエネルギー伝達効率・発光の量子収率ともに最も大きいことを見出した。更に、すでに開発済みの第1世代のイメージング分光技術を駆使することにより、アンテナ分子を選択励起した際のコア分子の吸収飽和量を測定した。アンテナからコアへのエネルギー伝達効率が高いほど、コア分子の吸収飽和量もそれに比例して大きくなるものと思われる。実際、アンテナ分子の個数・長さの最も小さいデンドリマーにおけるコア分子の吸収飽和量が最も大きく、発光強度・発光寿命の測定結果と良く一致することを見出した。本研究では、極微量の先端ナノバイオ関連物質の光反応初期過程の時間・周波数特性を瞬時に可視化できる世界唯一のイメージング分光装置を開発し、光捕集小型ナノスターデンドリマーのエネルギー移動効率および修飾タンパク質の酵素反応収率の光制御を行うことを目的としている。本年度は、第1世代のイメージング分光技術の光学系を見直すことにより、時間分解能をこれまでの300フェムト秒から150フェムト秒と大幅に改善した。その結果、ナノスターデンドリマーのアンテナ分子を選択励起した際のコア分子へのエネルギー伝達は時間分解能以下の超高速で生じていることがわかった。また、コア分子の発光強度及び発光寿命を詳細に測定し、アンテナからコアへのエネルギー伝達効率、1光子吸収当たりの発光効率の絶対値を評価した。これらの結果から、ナノスターデンドリマーの光捕集機構、エネルギー伝達メカニズムを明らかにした。アゾベンゼン・ジアミノアゾベンゼンを修飾したタンパクにおいては、分子の大きさに起因する光異性化反応と発光の競合関係を見出し、発光の有無が光異性化による酵素反応制御の指標になることを明らかにした。更に、マイクロステップ構造を持つ反射型エシェロンを組み込んだ第2世代のイメージング分光技術を構築し、偏光ゲート相関法によりフェムト秒パルスのスペクトル波形や位相をシングルショットベースで測定することに成功した。また、非線形結晶を強誘電体サンプルに置き換えるだけで強誘電体のフォノンポラリトンの伝播の様子をイメージング計測した。これらを通して、イメージング分光装置の有用性が実証できた。
リンパ球遊走,ホーミング制御による移植腎の生着延長効果

リンパ球遊走を制御する新しい免疫抑制剤、FTY720の移植腎生着効果ならびにこの作用機序を本研究で検討した。実験動物としてドナーとして雄性Brown-Norwayラット,レシピエントとして雄性Lewisラットを用いた。両者間のリンパ球混合培養では、FTY720はこの抗原刺激反応性にまったく影響をあたえなかったが、in vivoの腎移植実験では、FTY720の投与にて移植腎生着は有意に延長した。興味深い事には、移植前投与でこの生着延長効果が著明に表れた。FTY720投与によるラット末梢血の細胞分画を検討するに、末梢血リンパ球のみが特異的に著明に減少し、CD4、CD8リンパ球とも同じ減少効果が表れた。そして移植腎の組織学検討するに、浸潤細胞の減少特にリンパ球の減少が見られた。これをRT-PCRで検討するに、IL-2産出の抑制がみられ、移植腎内のリンパ球増殖をともなう拒絶反応が結果的に抑制されたものと考えられた。ラットのリンパ節、脾臓を検討するに、リンパ節では、リンパ球細胞の増殖傾向がみられたが、脾臓では、逆に減少傾向が見られた。これらの事より、FTY720は移植腎を含めた末梢血循環からのリンパ球のホーミングを促進し、移植腎の生着を延長させるもものと考えられた。このためホーミングレセプターのL-セレクチンおよびE-セレクチンへのFTY720の影響をin vitroで検討したが有意な結果は得らず、引き続き検討中である。Lewisラット腎をBrown-Norwayラットに腎移植し,FTY720を経口投与すると有為に移植腎の生着がみられた。この際,末梢リンパ球の劇的な減少がみられ,この末梢リンパ球がBNラットのリンパ組織へ急速に移行することが,FACS測定で確認された。このホーミング現象の促進とともに,移植腎へのリンパ球浸潤が抑制されることが免疫染色にて証明された。この機序として,インテグリンの質・量的変化が考えられるが,L,E-セレクチンの変化では,有為なものはなかった。現在,GlyCAM-1,MAdCAM-1(α4βインテグリン)について,検討中である。FTY720投与によるラット末梢血の細胞分画を検討するに、抹消血リンパ球のみが特異的に著明に減少し、CD4、CD8リンパ球とも同じ減少効果が表れた。このためホーミングレセプターのL-セレクチンおよびE-セレクチンへのFTY720の影響をin vivoで検討したが有意な結果は得らず、引き続き検討中である。
珠数玉構造デザインによる物性間トレードオフを解消する革新的ゲート絶縁膜の開拓

塗布形成法による有機電界効果トランジスタ(TFT)構成層のゲート絶縁膜として既存の高分子材料が検討されているが課題は多く、革新的材料の開発が求められている。研究実施者は二官能性かご型シルセスキオキサン(POSS)モノマーを用いて得られるPOSS主鎖型ポリアゾメチン溶液をキャストし、これをゲート絶縁膜として直交溶媒を用いずに良好な有機TFTが作製できることを明らかにした。本研究は二官能性POSSモノマーを用いた重合により得られる高分子の構造とレオロジー物性等との関係を評価することで、既存の高分子材料では達成できない物性間トレードオフを解消する革新的ゲート絶縁膜の開拓を目的とする。
マンガン酸化物をベースとした新規高活性・高機能空気極触媒の開発

アニオン交換膜形燃料電池(AEMFC)やLi空気二次電池(LAB)といった次世代発電・蓄電デバイスの構築へ向けて、ペロブスカイトLa0.6Sr0.4MnO3(LS0.4M)やMnO2ナノシート(MnNS)とナノカーボン(ケッチェンブラック(KB)、カーボンナノチューブ(CNT)、グラフェン(GP))を組合せた新規空気極触媒の合成と、その酸素還元・酸素発生活性並びに酸化腐食耐性の評価を行った。その結果、いずれの系においても比表面積が大きく且つ黒鉛化度が高いCNTと組合せたLS0.4M/CNT及びMnNS/CNTが触媒活性と耐久性の双方の面で最もバランスの良い性能を示すことを見出した。昨年度は、特にアニオン交換形燃料電池及びリチウム空気電池の空気極触媒としての応用を指向して、ペロブスカイトLa1-xSrxMnO3-δ(LSxM)とMnO2ナノシート乱積層体(Mn-NS)の酸素還元触媒について、複合化する炭素粉末担体をこれまでのケッチェンブラック(KB)からカーボンナノチューブ(CNT)に変えて触媒調製を検討した。また、LSxMでは結晶構造の安定化や酸素発生反応(OER)活性の付与のため、FeをMnサイトに部分置換したLa1-xSrxMn1-yFeyO3-δ(LSxMFy)の合成についても試みた。その結果、CNTにLSxMFyを担持したLSxMFy/CNT触媒では、これまでのKB担体の場合に比較して熱的及び電気化学的酸化耐性が向上することを確認し、また酸素還元反応(ORR)活性についても、より径が細く比表面積が大きなCNTを用いることでKB担体のLSxMFy/KB触媒に近い高活性が得られることが明らかになった。すなわち、より黒鉛化度が高く比表面積が大きな炭素担体を利用することで、高活性と高酸化耐性を兼備する空気極触媒が合成できることが示唆された。一方、Mn-NSではMnO2ナノシートコロイド溶液へCNTを均一分散することで、CNTをMn-NSの層間に介在させたMn-NS/CNT触媒を調製できることを見出し、現在その詳細なキャラクタリゼーションやORR活性について検討中である。これらの研究成果は、LSxMFy/CNT触媒についてはすでに2014年電気化学会第81回大会(於:関西大学)にて口頭発表を行い、Mn-NS/CNT触媒についてもその触媒活性などを評価し、順次学会や論文などの形で発表していく予定である。初年度に引き続き、昨年度は特にペロブスカイトLa1-xSrxMnO3-δ(LSxM)及びMnO2ナノシート(Mn-NS)触媒の2つの空気極触媒に対して、更なる高活性化と酸化耐性の向上に焦点を当てて検討を進めた。特に、触媒活性についてはこれまでの酸素還元反応(ORR)活性の評価に加えて、逆反応である酸素発生反応(OER)活性に関する測定法を検討し、これまでに得た触媒について実際にデータ収集を行った。その結果、いずれの触媒においても、比表面積の大きなケッチェンブラック(KB)をカーボン担体または複合カーボンとして用いると、ORRだけでなくOER活性も優れた触媒となることがわかった。これに対し、黒鉛化度の高いカーボンナノチューブ(CNT)では、OER活性の向上は見られないものの酸化耐性の点ではKBよりも優れていた。各触媒のより詳細な結果としては、LSxM触媒では初年度にMnサイトの一部をFe置換すると触媒粒子の結晶性が向上することを見出したが、OER活性についても若干向上することを明らかにした。更に、CoやNi置換についても検討を行い、上記の通りOER活性ではFeが、ORR活性はCoが元素置換として効果的であることを見出した。現在は、更にFeとCoの双方を置換した三元系触媒についても検討中である。一方、Mn-NS触媒ではMnO2ナノシート間にKBやCNTのナノカーボンをより均一に高分散する手法について確立し、キャラクタリゼーションや触媒活性の評価を順次進めた。特に、本触媒では得られた試料に熱処理を施すことで、ナノカーボンとMnO2ナノシートとの接合性が改善され、触媒活性や酸化耐性が併せて向上することを見出した。今後、ナノシート状触媒である特徴を利用し、高比表面積、高黒鉛化度で酸化耐性も優れるグラフェンとの複合化により、これらの性能を更に強化することを計画している。最終年度では、これまで開発を進めてきたLa1-xSrxMnO3-δ担持カーボン(LSM/C)及びMnO2ナノシート/カーボン複合(Mn-NS/C)触媒について、実際に空気極触媒としての実用化に向けた取組みを中心に検討した。すなわち、アニオン交換膜形燃料電池やLi空気二次電池(LAB)の動作環境では空気極は1.0 V vs. RHE以上の貴な電位に晒されるため、そのような高電位でも比較的安定なグラフェン担体の適用や予め熱処理したカーボンナノチューブ(CNT)を担体とした触媒を合成し、その触媒活性と酸化耐性の双方を評価した。また、LABセルでは放電反応の酸素還元活性だけでなく、逆反応である充電反応の酸素発生活性の向上も重要であることから、LSMやMnO2ナノシートのMnサイトの異種金属置換も詳細に検討した。更に、実際に電気化学デバイスへの応用としてこれらの空気極触媒を用いたLABセル作製とin-situガス分析法による評価を、スイスのポール・シェラー研究所(PSI)との共同研究として立ち上げた。

その結果、まずグラフェン担体では黒鉛化度がCNTよりも更に高くより高い酸化耐性を示すが、黒鉛化度と比表面積の双方のバランスからCNTが目的の空気極触媒に対し最適な担体であることが明らかになった。そこで、CNTの欠陥部を予め熱処理で除去したところ、酸化耐性の更なる向上のほか、比表面積の増大でLSMの分散性も改善し触媒活性も向上することを見出した。一方、Mn-NS/C触媒ではMn1/3Co1/3Ni1/3O2ナノシートの一段階合成を試み、結果として1020 nmのより微細なナノシートの生成とOER活性の向上に成功した。更に、LABセルへの応用では昨年夏のPSIへの訪問と秋の主任研究員の招聘を通じ、実際に触媒のステンレス網等への塗布や試験セルの組立法を学び、現在当研究室でもPSIと同レベルでセル作製と評価ができるよう各条件の最適化を進めている。本共同研究は今夏も訪問予定であり、科研費ほか他のPJへも繋げていきたい。アニオン交換膜形燃料電池(AEMFC)やLi空気二次電池(LAB)といった次世代発電・蓄電デバイスの構築へ向けて、ペロブスカイトLa0.6Sr0.4MnO3(LS0.4M)やMnO2ナノシート(MnNS)とナノカーボン(ケッチェンブラック(KB)、カーボンナノチューブ(CNT)、グラフェン(GP))を組合せた新規空気極触媒の合成と、その酸素還元・酸素発生活性並びに酸化腐食耐性の評価を行った。その結果、いずれの系においても比表面積が大きく且つ黒鉛化度が高いCNTと組合せたLS0.4M/CNT及びMnNS/CNTが触媒活性と耐久性の双方の面で最もバランスの良い性能を示すことを見出した。上記したように、各触媒の性能は着実に向上してきており、アニオン交換膜形燃料電池(AEMFC)やリチウム空気電池(LAB)の空気極触媒としての応用を視野に入れる段階にきている。現在、LABセルについては量産・評価が可能なコイン型セルの作製環境を整えつつあり、順次セル作製とその評価について検討していく予定である。また、AEMFCの単セル作製や評価についても東京理科大学の田中准教授のご協力を得て進めていく。来年度は最終年度であり、これらの空気極触媒の更なる性能向上を狙いながらも、セルに組み込んだ際の触媒評価に重点を置き、これらの触媒材料の実用化に向けて、しっかりとその特徴と性能について見極めていきたい。電気化学、燃料電池、リチウム電池昨年度までの研究により、触媒合成においては比表面積や黒鉛化度が高いナノカーボンの利用がこれらの触媒との組み合わせにおいて重要であることを見出している。また、AEMFCやLABに適用可能な高い触媒活性が達成できてはいるが酸化耐性を更に改善する必要があることも同時に示唆された。そこで、これらの結果を踏まえ、今後は新規ナノカーボンとしてグラフェンや、より優れた酸化耐性を有する導電性酸化物ナノ粒子の適用も視野に入れて検討していく。一方、セル作製と評価においては、近年特に次世代蓄電地として期待されているLABセルへの応用についてより重点的に注力し、その性能評価について検討を進めていく。特に、Mn-NS触媒は当研究室における全くのオリジナル触媒であり、その触媒活性も優れることから、実際のセル評価を通じてその充放電メカニズムも含めて学術面及び実用面双方の視点からその触媒としての蓋然性を明らかにしていく。また、これらの研究成果について論文発表や国内外の学会発表、特許出願などに繋げていく予定である。