hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
ホンダワラ属の海藻におけるD-アスパラギン酸の役割および起源

動物では二枚貝のアカガイでD-Asp代謝酵素であるアスパラギン酸ラセマーゼ活性が認められ,精製にも成功したと報告されている。しかし,藻類におけるD-Asp代謝酵素は未解明である。ヒジキの粗酵素液でD-Aspを合成する基質を調べたところ,アスパラギン酸ラセマーゼ活性は認められず,D-アスパラギンを基質にするとD-Aspが生成した。これはアスパラギナーゼ活性に相当する。最終年度はヒジキを用いてD-アスパラギン酸(Asp)代謝関連酵素の精製に挑戦したが,採取したヒジキからはアスパラギナーゼ活性が出たり出なかったりと不安定であったため精製は困難であった。時期的には12月から1月と寒い時期に採取した時に活性が認められ,これはヒジキが最も成長する時期に一致している。寒い時期に酵素活性が高いと推測されるので,サンプルを採取する時期を考慮する必要がありそうだ。研究期間全体を通じて実施した研究成果として,海藻におけるD-アスパラギン酸は,今のところホンダワラ科に属する海藻に限られており,ホンダワラ科に属していてもテレティア節に属する海藻には例外的にD-Aspが存在しないことが示唆された。また,D-アミノ酸を分析するときには微量検出できるように蛍光誘導体化試薬を用いるが,この時よく使われているオルトフタルアルデヒド(OPA)は第二級アミンであるプロリンを誘導体化できないため分析不可能であったが,FLECという蛍光誘導体化試薬を共存させることにより,D-プロリンの同時分析を可能にできた。藻類におけるD-アスパラギン酸の生理的役割については,アカガイで低酸素条件下における補助エネルギーとしての役割が提案されている。ヒジキにおいても低酸素状態にするとD-アスパラギン酸が減少したことから,低酸素との関係が示唆された。約40種類の海藻において真核生物に稀な遊離D-アスパラギン酸含量を調べた結果,緑藻(5種)および紅藻(15種)からはD-アスパラギン酸が全く検出されなかった。しかし,調べた褐藻18種のうち5種からD-アスパラギン酸が検出された。この5種は全てホンダワラ属に属する海藻であったが,ホンダワラ属の海藻であってもD-アスパラギン酸が検出されない種も3種あった。ホンダワラ属に属する海藻の生育環境や生育時期は似通っているため,D-アスパラギン酸との相関は低いと考えた。そこで,ホンダワラ属の海藻を進化の系統樹に従い,属と種の間の分類体系である「節」に従って分類したところ,ホンダワラ属テレティア節に属する種からはD-アスパラギン酸が検出されなかった。したがって,「ホンダワラ属に属する海藻には,基本的に真核生物に稀なD-アスパラギン酸が含まれているが,例外的にテレティア節に属する海藻にはD-Aspが存在しない」ということが示唆された。D-アスパラギン酸の生理的役割については,アカガイで低酸素条件下における補助エネルギーとしての役割が提案されている。ヒジキを暗条件下で低酸素人工海水に浸したところ,実験開始12時間後までL-アスパラギン酸とともにD-アスパラギン酸が減少した。24時間後に暗条件下で低酸素条件からエアレーションを入れて通常の条件に戻したところ,エアレーションを開始してから12時間後にはコントロールと同様のレベルまでD-アスパラギン酸が増加した。以上の結果からヒジキにおいてもD-アスパラギン酸が低酸素と関係があることが示唆された。ホンダワラ属に属する海藻には,基本的に真核生物に稀なD-アスパラギン酸が含まれているが,例外的にテレティア節に属する海藻にはD-Aspが存在しないということが証明できた。すなわち,ホンダワラ属に属する海藻における遊離D-アスパラギン酸の分布は進化と関係があるという結果を示せたため。また,生理機能の一つとしてヒジキでD-アスパラギン酸が低酸素と関係があることが推察できたため。海藻におけるD-アスパラギン酸(D-Asp)は、今のところホンダワラ科に属する海藻に限られている。ただし、ホンダワラ科に属していてもテレティア節に属する海藻にはD-Aspが存在しないと示唆される結果も得ている。テレティア節を除くホンダワラ科に属する海藻にD-Aspが存在しているものの、海藻のD-Asp合成酵素は未解明である。D-Aspを合成する可能性のある酵素としては、Aspラセマーゼ[EC 5.1.1.13]、アスパラギナーゼ[EC 3.5.1.1]、D-アミノ酸トランスアミナーゼ[EC 2.6.1.21]、Aspアンモニアリアーゼ[EC 4.3.1.1]、N-アシル-D-Aspデアシラーゼ[EC 3.5.1.83]があげられる。これらの酵素を標的としヒジキの粗酵素液と、基質としてそれぞれL-Asp、D-アスパラギン(Asn)またはL-Asn、D-グルタミン酸+オキサロ酢酸、フマル酸、N-アセチル-D,L-Aspを用いて酵素反応させてD-Aspの生成を調べた。アカガイなどの動物では、D-Asp合成酵素としてアスパラギン酸ラセマーゼの存在が知られており、実際にアスパラギン酸ラセマーゼによりD-Aspが生成されている。しかし、ホンダワラ科の海藻であるヒジキでは、唯一D-Asnを基質としたときにD-Aspの生成が認められたため、アスパラギナーゼで生成されている可能性が示唆された。

アスパラギン酸ラセマーゼをはじめとする他の酵素による生成は認められなかった。ただし、基質であるD-Asnがヒジキから確認されないのでアスパラギナーゼによる生成かどうかは慎重に判断する必要がある。海藻におけるD-Asp合成酵素は未解明である。ホンダワラ科に属する海藻であるヒジキにおけるD-Asp合成酵素を探索し、海藻では未解明であるD-Asp合成酵素活性を認めることができたため。動物では二枚貝のアカガイでD-Asp代謝酵素であるアスパラギン酸ラセマーゼ活性が認められ,精製にも成功したと報告されている。しかし,藻類におけるD-Asp代謝酵素は未解明である。ヒジキの粗酵素液でD-Aspを合成する基質を調べたところ,アスパラギン酸ラセマーゼ活性は認められず,D-アスパラギンを基質にするとD-Aspが生成した。これはアスパラギナーゼ活性に相当する。最終年度はヒジキを用いてD-アスパラギン酸(Asp)代謝関連酵素の精製に挑戦したが,採取したヒジキからはアスパラギナーゼ活性が出たり出なかったりと不安定であったため精製は困難であった。時期的には12月から1月と寒い時期に採取した時に活性が認められ,これはヒジキが最も成長する時期に一致している。寒い時期に酵素活性が高いと推測されるので,サンプルを採取する時期を考慮する必要がありそうだ。研究期間全体を通じて実施した研究成果として,海藻におけるD-アスパラギン酸は,今のところホンダワラ科に属する海藻に限られており,ホンダワラ科に属していてもテレティア節に属する海藻には例外的にD-Aspが存在しないことが示唆された。また,D-アミノ酸を分析するときには微量検出できるように蛍光誘導体化試薬を用いるが,この時よく使われているオルトフタルアルデヒド(OPA)は第二級アミンであるプロリンを誘導体化できないため分析不可能であったが,FLECという蛍光誘導体化試薬を共存させることにより,D-プロリンの同時分析を可能にできた。藻類におけるD-アスパラギン酸の生理的役割については,アカガイで低酸素条件下における補助エネルギーとしての役割が提案されている。ヒジキにおいても低酸素状態にするとD-アスパラギン酸が減少したことから,低酸素との関係が示唆された。ホンダワラ属に属する海藻における遊離D-アスパラギン酸の分布は進化と関係があることが示唆された。これはすなわち,D-アスパラギン酸を合成する酵素の進化とも言える。今後は海藻では未解明であるD-アスパラギン酸合成酵素の探索を目的とする。海藻では未解明であるD-Asp合成酵素活性を認めることができたが、その基質であるD-Asnがヒジキには認められていない。ヒジキアスパラギナーゼの再現性を確認したい。
超高真空処理により表面改質した金属触媒によるジオレフィン類の選択還元反応

本研究では水素分子の活性化のみならず,被水素化分子として1,3-ブタジエンを取り上げ,ブタジエン水素化の活性および選択性に及ぼす表面構造の影響を検討した。金属および金属酸化物触媒をUHV処理し,1,3-ブタジエンの水素化反応を行った。UHV処理したPd触媒上で1,3-ブタジエンの水素化反応を行ったところ,水素化反応速度が大きく促進され,また反応初期においてUHV未処理のものに比べ1-ブテン選択性が高かった。水素化反応速度の促進は,水素分子活性化能の増大によると考えられる。反応初期における1-ブテン選択性の増大は,1,3-ブタジエンの水素化が1,4-付加で起こるのではなく,1,2-付加で優先的に進行した結果であると考え得る。1,4-付加では,ブタジエンの2つのC=C2重結合が表面と同時に相互作用する必要があり,ブタジエンの全原子が同一平面上にある構造から考えて平滑な表面と相互作用する必要がある。一方,1,2-付加では,1つの2重結合との相互作用でよいので凹凸に富んだ表面構造でも十分反応できると考えられる。このためUHV処理によって凹凸に富んだPd表面では,1,2-付加反応が高速に進行したと思われる。このように表面構造によって被水素化分子の吸着状態を制御し水素化の選択性を制御する可能性が見いだされた。酸化物触媒として水素化能を有するZnOを用いてブタジエン水素化および水素-重水素交換反応を行い,UHV処理の水素分子活性化能,ブタジエン水素化の活性および選択性に対する影響を調べた。ZnOをUHV処理し水素-重水素交換反応を行ったところ金属触媒と同じく著しい交換活性の増大がみられた。1,3-ブタジエンの水素化反応では,活性は著しく増大するものの1-ブテンの選択性は処理の有無によらず高く,変化が明確に観測されなかった。反応の進行に伴い,ブテンの異性化反応による2-ブテン類が生成した。これはZnOの酸生によるもので1,4-付加が進行したとは考え難い。ZnO触媒の場合は元々1,2-付加が優先的に進行するものと思われる。吸着水素分子の昇温脱離実験よりUHV処理したZnO触媒上にはより低温で水素分子を解離し活性化するサイトが生成していることがわかった。また,吸着ブタジエン昇温脱離実験からUHV処理処理によって強く吸着したブタジエンの量が増大したことがわかった。水素分子活性の増大には水素分子活性化だけでなく,ブタジエンの活性化も関与していることが示唆された。パラジウム触媒および酸化亜鉛触媒の超高真空処理硝酸パラジウムを出発原料としてSiO_2担持Pd触媒を調整し,水素中で還元した後,通常の真空下(LV:【approximately equal】110^<-2>Pa)で排気処理した。

さらに超高真空下(【approximately equal】10^<-7>Pa),所定温度で排気処理しUHV処理Pd触媒を得た。UHV処理中の脱離物を質量分析計で測定したところ,水(m/e=18)の他に原料塩の対アニオンに起因する窒素酸化物(NO, N_2O:m/e=30,44)の脱離が確認された。これら触媒に残存する極微量の不純物がUHV処理によって脱離する。既報()に示したとおり,UHV処理による不純物の脱離によって,金属表面が凹凸に富んだ構造に変化する。この表面を用いてブタジエンの水素化を行った。同様にしてZnO触媒も超高真空下で加熱排気処理しUHV処理したZnO触媒を調整した。Znは出発原料塩に炭酸亜鉛を用いているため,UHV処理中にCO2に帰属される脱離物が確認された。ZnO触媒は水素化能を有するものの,Pdなどの貴金属触媒と異なり,水素の解離過程はプロトンとヒドリドへのヘテロ解裂である。貴金属触媒と金属酸化物触媒で超高真空処理による活性変化の違いを調べる。UHV処理したPd/SiO_2およびZnO触媒上での1,3-ブタジエンの水素化反応Pd/SiO_2触媒では,UHV処理によってブタジエンの水素化処理速度が幾分増大した。生成した部分水素化生成物は,1-ブテン,2-ブテンであったが,UHV処理によって反応初期1-ブテンが優先的に生成した。これは,UHV処理したPd表面で1,2付加が1,4付加に比べて優先的に進行するためだと考えられる。凹凸に富んだ表面は平滑表面に比べ1,4付加の中間状態を形成し難いためであろう。一方,ZnO触媒ではUHV処理によって大きく水素化速度が増大した。UHV処理によって,高速に完全水素化生成物であるn-ブタンが生成した。金属触媒と金属酸化物触媒でUHV処理効果が異なることは興味深い。この点についても平成15年度,継続して検討する。酸化亜鉛表面上での水素の昇温脱離(TPD)スペクトル酸化亜鉛(ZnO)を573Kで空気流中焼成した試料を出発物質として,通常の低真空下(LV【similar or equal】1Pa)所定温度で加熱排気した試料および超高真空下(UHV【similar or equal】10^<-7>Pa)で所定温度加熱排気した試料を調製した。それぞれの試料に室温あるいは433Kで水素あるいは水素+重水素等モル混合ガスを吸着させ,その後超高真空系で排気しながら室温から一定速度で昇温することでTPDスペクトルを得た。活性化吸着が起こる433Kで吸着させた表面からのTPDスペクトルは,酸化亜鉛を873KでUHV処理(873-UHV)することにより408,592,762Kに大きな脱離ピークが得られた。873K,LV処理(873-LV)した酸化亜鉛上では脱離ピーク強度は1/3以下であった。また,873-LV上に水素+重水素混合ガスを吸着させたTPDスペクトルでは,水素の解離を示すHD(m/e=3)の脱離はわずかに観察されたのみであったが,873-UHV上では強度で10倍以上のHDの脱離が観測された。これは,気相に生成するHDとも関係するがHD脱離量の差は,それを大きく凌駕するものである。UHV処理によって酸化亜鉛上に水素分子を容易に解離する活性サイトが新規に生成したことを直接明らかにした。酸化亜鉛上でのブタジエンの昇温脱離スペクトル水素の場合と同じく吸着ブタジエンのTPDスペクトルについても検討した。水素-重水素交換反応と異なりブタジエンの水素化反応では673KでのUHV処理で活性が著しく増大する。
究極の環境調和型機能性材料としての氷をプラットフォームとする計測法の探索

1.アイスクロマトグラフィー分離能を向上させるためにこれまで用いてきた数10μm程度の粒径をもつ氷固定相の微細化を図る必要があると考え、微小氷固定相調整法を検討した。その結果超音波式の加湿器を利用する簡便な方法を開発し、10μm以下の平均粒径を持つ球状の氷固定相を調整することに成功した。この固定相を用いることにより、従来の分離に比べて最大で約10倍の理論段数の向上が可能になった。氷と共存する液相を分離に利用することを目的に、NaClをドープした氷固定相による検討を行った。その結果、NaCl濃度と温度が共に低いときには液相は離散的に存在するのに対し、NaCl濃度または温度を増加させることにより、液相間にチャンネルが生じ、全体としてスルーポアが形成されることがわかった。氷と共存する液相を用いることにより、分配と吸着の機構をスイッチングすることが可能である点で、物質分離の観点からは有用である。また、この現象は、今後の方法論開発の上で種々の可能性を示唆するものである。アイスクロマトグラフィーによる成果は、LC-GC EuropeやSeparation Nowなどの記事として取り上げられた。2.氷を用いる光導波路ヘキサンをはじめ種々のコア溶媒について光導波路特性を評価し、コア溶媒の屈折率よりも水との相互溶解性が重要な因子であることを見出した。氷内にチャンネルを作るための手法を最適化し、ヘキサンコアの光導波路により1dm/cm以下の減衰率を達成した。また、このようにして作製したヘキサンコア-氷光導波路がFIA氷チップとして利用可能であることを、色素溶液の注入を繰り返し行うことで示した。この成果を報告した論文は、英国王立化学会の“Chemical Technology"誌にもトピックスとして取り上げられた。1.アイスクロマトグラフィー氷表面が液体か固体かという問題について、アイスクロマトグラフィーによって一定の見解を得た。すなわち、氷/ヘキサン(+THF)界面においては、マイナス5°C以下では氷表面は固体であり、アイスクロマトグラフィーの保持は水素結合によって決まる。それに対して、温度が高くなるとヘキサン及び氷中の成分に依存して表面に液層が発達することがわかった。バルク物質の相転移温度と同様に比較的狭い範囲で固体から擬似液層への転移は起きるが、物質の特性を基にバルクの融解とは異なる現象であることを確認した。また、アイスクロマトグラフィーの保持変化から、この表面液層が2-5nm程度の厚さを持つことを明らかにした。この他、アイスクロマトグラフィーの実用的展開として、アミノ酸誘導体、葉緑素成分、女性ホルモンなどの分離が可能であることを示した。氷は、従来用いられてきたシリカゲルに比べて、分析物のヒドロキシル基の数や位置に対する選択性が高い傾向が確認された。2.氷を用いる光導波路氷の中に有機溶媒、水を通じて光ファイバー同様の光導波路を形成するための基礎検討を行った。ペルチェ素子を±0.01°C程度の温度精度で制御しその上に板状の透明氷を成長させ、そこに内径0.1mm0.7mm程度の円筒状の穴を作るための手法を種々検討した。その結果温度制御を適切に行うことで安定に細工することが可能になった。また、その内部を水溶液や有機溶媒で満たしたときの光導波特性を検討し、溶媒がない場合や光導波特性のないガラス/水の系に比べて特段の光導波性を示すことがわかった。しかし、テフロンAFに比べて極端に光導波性が弱く、氷表面に凹凸や傷によるものと考えられた。この克服が重要なポイントであると考えている。
神経回路網のカオスを用いた生体機能型新処理・制御様式研究とその搭載ロボット試作

神経回路網におけるカオスを制御系に組み込み,単純なアルゴリズムにより複雑な問題を解く能力を有する機能を実現するといった,生体機能型新処理・制御様式の計算機実験に成功した。その一例として,不良設定問題としての迷路求解を行う巡回ロボットを取り上げ,計算機によるその機能実験に成功した。またそれを実際に組み込んだ巡回ロボットを試作し,ハードウェア化の成功例を示した。身体制御系における計算機を用いた機能実験も行い,成功例を示した。これら成果について学会等で報告し,論文を投稿した。(1)「身体制御」に関しては,高等動物の筋肉による運動制御は該当する脳の運動野の神経細胞数に鑑みるに何桁も異なる大冗長度を有した制御である。その意味と機構はいまだに明らかではないが,発見論的アイデアのもと,神経回路網に埋め込んだ少数個のアトラクターに典型的な身体運動を対応させたcodingを採用し,更にそこにカオスを導入する。それにより複雑な身体運動を発生させそれを適応的に制御を行い,カオスの機能的関与を具体的に示すことを通じてその身体制御メカニズム解明に一石を投じ,機能シミュレーションによる工学的再現を目指すものである。(2)「カオス搭載ロボットによる迷路求解の実現」に関しては,二輪自走ロボットに対して実際に迷路を設定し,機能シミュレーションに基づくカオス制御機構を組み込み,ハードウェア実装を行った遍歴ロボットを試作して迷路求解を行わせることを目指す。該当二輪自走ロボットのCPUは神経回路網を搭載できる性能規模ではないため,電磁波による信号の転送・受信を介してパソコン上にある神経回路網におけるカオスを用いて制御する試作機とする。更には高額の二足歩行ロボットを導入してその着CPUに直接神経回路網を擬似的に搭載して実験機を試作することも計画には含めてある。(3)「光電子デバイスによる神経回路網の試作」に関しては,半導体技術を駆使して「量子閉じ込めシュタルク効果(QCSE)」を用いた能動双安定素子を作製し,それを二段に組み合わせて神経発火状のパルス発振をする素子を二次元上に集積的に配置し神経回路網の動作をさせるチップを試作しようとするものである。理論的な評価によるとこの素子の動作は生体的神経の3桁ほど速いパルス発振となっており,実際に神経回路網的動作を行うと,機能的に同等かつ人間や高等動物の1000倍ほど早い高度かつ高速処理ができると期待される(T.Yamamoto, Y.Ohkawa, T.Kitamoto, T.Nagayaand S.Nara, Int.J.of Bif.and Chaosに掲載決定済み)。申請者と実験的研究者との過去の共同研究歴では単一素子による多安定動作までは実現している(Y.Tokuda, Y.Abe, S.Nara and N.Tsukada, Applied Physics Letter, vol.63(1993), pp.2609-2611, S.Nara, Y.Tokuda, Y.Abe, M.Yasukawa and N.Tsukada, Journal of Applied Physics, vol.75, No.8, pp.3749-3755(1994))。しかしながら,これを集積させた素子結合系を作製しようとした場合は高額の費用がかかると思われ,本研究期間においては集積化は将来の課題とし,少数個の結合素子作製費用計上とその評価による動作確認とデータ解析研究を目指すものである。生体の諸機能や生体内で進行する諸物理化学過程を観測するに,極めて多自由度の系において複雑な制御が統一的にかつ調和的に実現されている。その機構を探るため,比較的単純な要素(二状態神経細胞(セル)モデル)の多数結合系(神経回路網モデルや非線形光電子素子結合系)において比較的単純な時間発展ルール(神経興奮の更新ルールや光キャリアのレート方程式系)によってカオスを含む複雑なダイナミックスを生ぜしめ,それを不良設定問題求解に応用してカオスの有用性・有効性を示してきた。本申請期間内においては(a)神経回路網のカオスを用いた多点間の同時情報伝達に関する計算機シミュレーション(b)適切な符号化を利用して制御に関する不良設定問題(たとえば二次元迷路における運動方向制御問題)求解への応用を試みその計算機シミュレーションを行う(c)光電子デバイスによる神経細胞擬似素子を作製し,そのパルス発振に関する理論的検討とその結合系の動作シミュレーションを行う。また実際のハードウェア試作検討を行う,の3課題を掲げる。具体的には次の4項目を挙げる。(1)「多点間の同時情報伝達」に関して,高等動物が並列的機能を実現する際に脳内において異なる領野どうしがあたかも多チャンネル同時に「通信」という情報のやり取りと「コミュニケーション」という内容の理解と処理を含めた交互の作業が渾然一体となって行われているように見える。すなわち一団の神経発火が周囲に送り出され,神経活動のカオスの海に消えて行くように見えて,時空間的に遠くはなれた位置とコヒーレントに同期しながら通信と情報処理が為されている点が「一見不可思議に見える」という状況である。それが多チャンネル同時に行われており,そのメカニズムの解明と機能シミュレーションを用いてその機能を具体的に再現を試みるためのモデルを考案する。

本項目については,モデルを考案して計算機実験を遂行中である。(2)「身体制御」に関しては,高等動物の筋肉による運動制御は該当する脳の運動野の神経細胞数に鑑みるに何桁も異なる大冗長度を有した制御である。その意味と機構はいまだに明らかではないが,発見論的アイデアのもと,神経回路網に埋め込んだ少数個のアトラクターに典型的な身体運動を対応させたcodingを採用し,更にそこにカオスを導入する。それにより複雑な身体運動を発生させそれを適応的に制御を行い,カオスの機能的関与を具体的に示す機能シミュレーションを行う。本項目ついては,肩と上腕部の自由度に注目したモデル化と計算機実験による機能シミュレーションを実施中である。(3)二輪自走ロボットに対して実際に迷路を設定し,機能シミュレーションに基づく制御機構を組み込み,ハードウェア実装を行った遍歴ロボットを試作して迷路求解を行わせることを目指す。該当二輪自走ロボットのCPUは神経回路網を搭載できる性能規模ではないため,電磁波による信号の転送・受信を介してパソコン上にある神経回路網におけるカオスを用いて制御する試作機とする。本項目については教育用の二輪自走ロボットを購入して1号機を完成させ,実際の迷路構造での機能実験を遂行中である。(4)半導体技術を駆使して「量子閉じ込めシュタルク効果(QCSE)」を用いた能動双安定素子を作製し,それを二段に組み合わせて神経発火状のパルス発振をする素子を二次元上に集積的に配置し神経回路網の動作をさせるチップを試作を検討し,理論的な評価を行う。またこれを集積させた素子結合系の作製を検討する。本項目については,理論的な検討をかなり深め,二個の素子一組によるパルス発振素子(D-SEED)の作製について理論的な設計と実際の結晶作製について企業及び他大学の研究者と協議を開始した。生体の諸機能や生体内で進行する諸物理化学過程を観測するに,極めて多自由度の系において複雑な制御が統一的にかつ調和的に実現されている。その機構を探るため,比較的単純な要素(二状態神経細胞(セル)モデル)の多数結合系(神経回路網モデルや非線形光電子素子結合系)において比較的単純な時間発展ルール(神経興奮の更新ルールや光キャリアのレート方程式系)によってカオスを含む複雑なダイナミックスを生ぜしめ,それを不良設定問題求解に応用してカオスの有用性・有効性を示してきた。本申請期間内においては(a)神経回路網のカオスを用いた多点間の同時情報伝達に関する計算機シミュレーション(b)適切な符号化を利用して制御に関する不良設定問題(たとえば二次元迷路における運動方向制御問題)求解への応用を試みその計算機シミュレーションを行う(c)光電子デバイスによる神経細胞擬似素子を作製し,そのパルス発振に関する理論的検討とその結合系の動作シミュレーションを行う。また実際のハードウェア試作検討を行う,の3課題を掲げる。具体的には次の4項目を挙げた。
乳幼児の音声・視覚コミュニケーションにおける話者-聴者関係の発達

本研究は、次の諸点を目標として計画された。コミュニケーション能力の発達において、個人性情報の果たす役割は未だに十分解明されてはいないが、申請者は、過去5年間の研究によって、発話の生産、理解に関与する個人性情報を分析し、マイクロ、およびマクロな観点からコミュニケーション発達において重要な働きをする個人性情報の要因を抽出してきた。それは、第1に発話行動の知覚においてであり、話者の発する個人性、言語、感情の3情報の処理の課題である。第2に発話行動の社会的認知においては、単なる2者関係を越えた多様な会話場面において社会文化的に共有された原則が、話者ー聴者関係と意図理解の課題として問題となる。平成10年度の調査場面は、(1)実験室または家庭での母子観察・実験、(2)集団保育場面での観察、(3)小グループ幼児の観察・実験、(4)年長児・成人の観察・実験の4種である。生後3か月齢より就学前幼児を中心とし、小学生、成人、および外国語話者も含む。この4種の相互作用場面で1,話者属性の表出と理解の分析として、(1)発話の重なりの調整、(2)人を指示する表現の変異(「人を指示する表現と話者ー聴者関係の発達」斉藤、1998)、および(3)言語行為の個性化(「幼児のオノマトピアの理解」斉藤他)について検討した。平成11-12年度はこの課題をさらに発展させるほか、(4)発話の記憶と帰属についての新たな資料を加え、個人性情報との関係を検討する。2,聴者属性の表出と理解の分析として聴者が会話への参与度の違いに応じてどのような手段(動作、表情、声)で聴者の方略を示すかについて検討してきたが、それをさらに発展させ、一般的処理方略と、聴者の各種属性に依存した方略を検討する。さらに話者の個人性のタイプと、聴者の選択する方略の関係を明らかにする。
革新的Renal Precision Medicine 基盤構築への挑戦

アルポート症候群(AS)は、腎糸球体基底膜を構成するα345 (IV)の遺伝子変異により発症する例外なく末期腎不全に至る重篤な指定難病である。本研究は、1α345 (IV)異常による特徴を多面的・階層的に統合解析し、ASの重症度の推測システムを構築すること、2HTS評価系と独自のAS創薬基盤(新規マウス、患者iPS細胞由来腎オルガノイド)を活用したリード化合物を見出すこと、3他の慢性腎臓病におけるα345 (IV)の非翻訳領域変異に着目した基底膜脆弱性獲得メカニズムを解明することを目的とし、革新的なRenal Precision Medicine基盤構築に挑戦する。
高等教育機関における観光教育のあり方に関する国際比較研究

近年の観光教育の動向は「新職業重視主義」と特徴付けることができる。これはわが国を含めた国際的な傾向である。その背景には、観光部門を中心とするサービス業の急激な発展とそれに伴う労働力需要の増大がある。しかし、特定の職業スキルの獲得を目指す従来型の職業重視教育と、汎用的なジェネリックスキルの獲得をという現実的な要請の間にミスマッチが存在する。実践型教育は、もっと包括的で理論的な教育と結びつけられる必要がある。課題にアプローチするに当たり、今年度は関連する文献の収集と分析と、海外の主要な観光教育高等教育機関の関係者に対するヒアリング調査を実施した。その成果は、論文等の形ではまだ公表に至っていないが、分析結果の概要は以下の通りである。海外の高等教育機関における観光教育研究の歴史はそれほど古くなく、その本格的な展開は第二次世界大戦後、1960年代以降のことである。当初段階では、そこでの教育課程は職業重視主義(vocationalism)の傾向が強く、バックグラウンドは既存研究の集積としての学際的(multi-disciplinary)な研究蓄積であった。その後同じく学際的ではあるがinter-disciplinary、trans-disciplinaryな「観光学」の発展が見られるようになり、今世紀に入る頃にはこのような学術研究に支えられたハイレベルな高等教育機関が頂点をなす一学問分野と観光に関わる学問的コンセプトを冠した高等教育機関の発展が見られた。近年の特徴は、先進諸国においても再び職業重視主義、実学的指向性の強まりが見られることである。例えば英国のサリー大学観光学部は、教育における産学間連携を強める機関として新たに"Enterprise Centre"を設置し、人材像として実業人養成を鮮明にしつつあるように見える。また、オーストラリアのクイーンズランド大学では、観光学部が一つの「プログラム」として"Business school"に吸収され、組織的に見る限り観光の学術分野的独立性が脆弱化された。本研究では、こうした一連のトレンドを新職業重視主義(new-vocationalism)と捉えることとした。2014年度の概要において、近年の観光教育の動向を「新職業重視主義」と特徴付けた。2015年度では、こうした傾向の台頭が、PBL重視などに見られる実学重視(裏を返せば座学軽視)の傾向、理系重視の反面としての文系不要論的傾向とどのように関連しているかというテーマを中心に分析を進めた。こうした傾向は、「すぐに役に立つかどうか」という観点の強調に集約することができるが、その背景には観光産業を初めとするサービス経済化という経済の構造的な変化が横たわっている。比較的に流動性の高いサービス業においては、深い専門性よりは様々な状況変化に対応できる汎用的能力、いわゆるジェネリックスキルやコミュニケーション能力が求められる。このことは、本来的には物事を深く認識する学術的・科学的思考とこれを背景に持つ社会的実践の両面の教育を必要とするものであるが、蛸壺化傾向を有する伝統的な文系的教育との矛盾を深化させた前者の側面は、蛸壺化を打破する学際的教育の拡充という正しい一面として現れつつも、他方では文系教育を軽視する傾向をも生み出してきたと考えられる。好むと好まざるにかかわらず学際的教育が求められる観光教育は、このような状況を打破する大きな可能性を持った分野であると考えられる。2015年度においては、概略以上のような検討結果を、観光学術学会のフォーラム「大学における観光教育」において、「大学改革と観光教育」と題する報告を行った。また、和歌山大学観光学部における2015年度研究報告書において、世界と日本の観光教育の歴史と現状を「観光学と観光教育」と題する論文にとりまとめた。1)国際的な観光教育の動向をレビューしつつ、日本の観光教育の位置・特徴を分析し、公表した。2)背景として進むサービス経済化との関連において上記の到達点を解明するとともに、観光教育を初めとする大学における文系教育の課題という視点において総括した。これらの作業は、本研究テーマの中心的課題に沿ったものであり、当初計画通りの成果であると判断される。前年度までの研究において、観光教育の本来的な学際性の意義を分析するとともに、職業重視主義への回帰とでもいうべき傾向を指摘した。最終年度に当たる2016年度では、その背景として観光をめぐる社会経済状況の変化との関係を探りつつ、研究活動で得た成果の全体的総括を試みた。観光学は、観光の発展に伴う実践的な教育研究領域として生成してきた経緯から、当初より職業教育に直結した実学的性格を強く持っていた。学術的なアプローチは、経済学や社会学など、既存の領域からの参入で構成される学際性を特徴としたが、これは反面で自立的な「学」としての脆弱性を伴うものであった。固有のメソドロジーの存在・発展という伝統的な領域のあり方に習い、観光学もまたそのような固有の理論的発展が志向されたが、それは明確な形をとるに至らず、その背景の中で職業重視・現場重視の実践的教育が改めて前面に登場しつつある。これを背後から規定した経済構造の変化という点では、サービス経済化という大状況に集約することができる。農業や工業のような縦割り的な伝統的産業構造とは異なり、観光を含むサービス経済は、すべての産業と横断的に関わるという意味での普遍性を持っており、同時に不断に流動的な領域でもある。ここから、職業重視が特定の職業を志向するというよりは、汎用的なジェネリックスキルの獲得を目指すという、ある意味でのディレンマが生じている。

社会的実践は具体性を強く持つが、普遍的な知識と能力の獲得は具体性を横断する理論的能力の発展と結びつけられる必要が生まれている。比喩的な言い方をすれば、「PBL」は「座学」と結びつけられねばならない。高等教育としての観光教育の発展が必要とされる所以である。本年度は、これまで行ってきた以上の研究を集約し、「観光学と観光教育」(山田他編著『ここからはじめる観光学』(ナカニシヤ出版)として公表した。近年の観光教育の動向は「新職業重視主義」と特徴付けることができる。これはわが国を含めた国際的な傾向である。その背景には、観光部門を中心とするサービス業の急激な発展とそれに伴う労働力需要の増大がある。しかし、特定の職業スキルの獲得を目指す従来型の職業重視教育と、汎用的なジェネリックスキルの獲得をという現実的な要請の間にミスマッチが存在する。実践型教育は、もっと包括的で理論的な教育と結びつけられる必要がある。サリー大学など、海外の高等教育研究機関に対する現地での調査が行えず、主として文献・資料の収集と分析、関係者に対する国内もしくはメール等によるヒアリング調査にとどまったこと。主たる理由は、交付金の減額という状況の中で、まずは必要な文献等の収集に重点をおいたことによる。最終年度にあたる2016年度においては、分析の射程をこうした観光教育の動向を規定すると考えられる日本の観光発展の経緯・特質と到達点に広げ、社会・経済の実態との関連において観光教育の意義と課題を総括する。観光学観光教育に見られる実学志向への回帰トレンドを、「新職業重視主義」と概念化することの正当性について、以下の方法により検証していく。1)観光分野での先進的高等教育研究機関を対象に海外現地調査を実施する。2)これまでの成果を中間的に取り纏め、現時点での知見を学会等で公表する。3)さらに文献・資料分析を進めるとともに、年度後半には現地調査の成果も含めた総括的な分析を行う。実際の決済金額が支出予定額よりも少なく、わずかながら誤差が生じたため。文具費用等に合算する予定。
水酸化物による活性化処理法を利用した無電解めっき法の開発に関する研究

活性化処理法に水酸化物コロイドを利用する無電解めっき法を開発研究するために界面電気化学的立場から水酸化物コロイドの表面電荷に関する基礎的検討を行い,また種々のめっき,あるいは素材に対する適用性について検討した。以下に得られた結果の概要について述べる。1.ゼ-タ電位測定の結果,ほとんどの樹脂は中性付近で負に帯電しているが,CuO,NiOは中性付近で、またSiO_2,ZrO_2は比較的酸性側で電荷の反転が見られた。したがって適当な条件を選ぶことによりプラスチックあるいはセラミックスへの水酸化物による活性化は可能であると考えられる。2.ABS樹脂に対するCu(OH)_2ーNi(OH)_2及びCu(OH)_2ーCo(OH)_2)コロイドの吸着特性について検討した結果,水酸化物コロイドの吸着過程は化学吸着と考えられた。3.水酸化物コロイドを利用する活性化処理法はABS樹脂の他にPP,PE,PS,PC及びPVCについても適用可能であり,また無電解銅めっきのみならずNi,Co,NiーCo合金の無電解のめっきにも適用可能であった。4.本活性化処理法によって作製したに,Cu,Niめっき膜は光沢度,密着性において従来の方法と比較して遜色のないものであった。5.水酸化物コロイドの調製にNaOH溶液の代わりにNaCO_3溶液を用いると極めて光沢性の良い,均一な銅めっき膜が得られた。さらにコロイド溶液の分散状態を調べた結果,Na_2CO_3を用いた場合より細かい粒子が生成していることが推察された。6.分極曲線の測定結果から金属銅はホルマリンのアノ-ド酸化に対し大きな触媒効果をもつと考えられた。プラスチック等の無電解めっきでは、被めっき体表面にめっき核を作る、いわゆる活性化処理が必要である。本研究は、この活性化処理に水酸化物凝集コロイド溶液を用いる方法について実験的に検討することが目的である。以下平成2年度において得られた結果について報告する。1.水酸化ニッケル、水酸化銅の種々のpH溶液中におけるジ-タ電位を測定した結果、水酸化ニッケルの等電点は8.6で、また水酸化銅の等電点は7.6であった。一方、ABS樹脂は電気泳動測定の結果、pH7.8の水溶液中では負に帯電していることが確かめられた。この結果はpH7.8の水溶液中では、水酸化ニッケルは正に帯電しており、負に帯電しているABS樹脂に電気的に吸着可能であり、一方水酸化銅の等電点は7.6であるから、pH7.8の水溶液中では負に帯電していることになり、電気的な吸着は不可能である。この結果は、活性化溶液として水酸化ニッケルを用いた場合、銅、ニッケルめっきが可能であり、水酸化銅を用いた場合めっきが不可能である実験結果と一致する。2.水酸化銅ー水酸化ニッケルの混合溶液で活性化処理し、還元した場合、ABS樹脂上には銅、ニッケルの両方の金属の析出がみられた。この析出金属を原子吸光分析により定量した結果、40°C、10ー20分で飽和吸着量に達することが明らかになった。3.これまで水酸化物コロイド溶液の調製にはNaOH溶液を用いたが、これを炭酸ナトリウムを用いて調製し、活性化処理を施すと、極めて光沢性の良い、緻密な銅めっき膜が得られることが光沢度測定、電顕観察により見いだされた。これは水酸化物の沈降実験から、炭酸ナトリウムを用いた場合、比較的分散性の良い、微細な水酸化物粒子が生成することに起因していると考えられるが、詳細については、今後さらに検討する必要がある。プラスチック等の非導電体における無電解めっきでは、被めっき体表面にめっき核を作るプロセス、いわゆる活性化処理が必要である。

本研究は、この活性処理法として水酸化物凝集コロイドを用いる方法を実験的に検討することが目的である。以下平成3年度において得られた結果について報告する。1.種々のアルカル溶液を用いてCu(OH)_2ーNi(OH)_2混合コロイドを調製し、ABS樹脂を活性化処理した後、無電解銅めっきをおこなった結果、NaOH,KOH溶液で調製した場合、めっき状態に大きな差異は認められないが、Na_2CO_3溶液でコロイド溶液を調製した場合、表面の光沢、及び均一さにおいてやや優れていることが、光沢度測定、電子顕微鏡観察から確かめられた。2.Cu(OH)_2ーNi(OH)_2混合コロイドで活性化処理したABS樹脂上の無電解銅めっき膜の密着強度試験を行った結果、PdCl_2ーSnCl_2活性化溶液を用いる従来法と比較して遜色のない密着強度が得られた。3.コロイド溶液の分散状態に関する知見を得るために、NaOH,及びNa_2CO_3溶液で調製したコロイド溶液の沈降特性を検討した結果、NaOH溶液よりもNa_2CO_3溶液で調製した場合の方が沈降速度は遅く、また最終沈降容積も大であった。したがって、Na_2CO_3溶液で調製した混合コロイドの方がより微細な粒子から構成されていると考えられた。4.混合コロイドによる活性化処理法で生成しためっき核金属の銅めっき反応における触媒効果を評価するために、Cu電極及びNi電極上におけるホルマリンのアノ-ド分極曲線を測定した結果、Niはホルマリンの酸化反応に対して触媒活性が極めて小さいが、CuはPt,Pdと類似した大きい触媒活性を有する。
新技術「選択的低圧式穿刺吸引細胞診（SLOP-FNAC）」の安全評価と改良研究

穿刺吸引細胞診(FNAC)及び穿刺非吸引細胞診(FNNAC)は腫瘍性病変に対する診断や治療方針を検討するうえで有用かつ費用対効果の高い手技だが長、短所がある。その課題を解決すべく当科で新たな手技である選択的低圧式穿刺吸引細胞(SLOPーFNAC)を考案した。近年細胞診においても分子生物学的評価の必要性が高まるなかで組織構築を保ちつつ確実な採取検体量を確保できる本手技について、他手法との比較やLBC(液状化検体細胞診)との組み合わせ等で更なる有効性の検討並びに普及を目的とする。さらにFNNACのように針を直接持たず検査ができる点から危惧される検者への針の誤刺入事故を避けるなどの安全性の向上も目指す。
Wet-Dry融合アプローチを用いた産業応用酵素の遷移状態制御による新機能創製

高い選択能を有する酵素の特性を生かした産業応用酵素群の開発は、資源の乏しい我が国において世界を牽引する科学技術革新として極めて重要な課題である。そこで本研究では、高精度な第一原理計算を用いた『Dry (計算化学、バイオインフォマティクス)』手法と熱化学測定やX線結晶構造解析などを用いた『wet (酵素化学、構造生物学)』実験とを融合した新たなアプローチにより、高い選択能を有する酵素の特性を生かした産業応用酵素群を合理的に設計・開発することを目的としている。実際の対象としては、血液サンプル中に含まれる特定のアミノ酸、L-Thr濃度の定量計測への応用が期待されている短鎖型L-スレオニン脱水素酵素(TDH)等の標的タンパク質を取り上げた。特に、酵素反応における遷移状態を明らかにするだけでなく、天然型酵素の機能を目的に合わせて改変し、反応そのものを分子レベルで制御することで、天然酵素の活性を凌駕し、適用範囲を拡大した人工タンパク質(人工酵素)の合理的設計開発を目指した。今年度は昨年に引き続き、各種標的酵素に対する理論的解析をさらに推進した。特に、フラグメント分子軌道(FMO)計算に基づいて、標的酵素と基質との各種相互作用エネルギーを効率的に3D表示をする汎用化ツール群の開発に成功した。これらの結果は国内外の学会等で発表するとともに、専門誌(J.Chem.Info.Model)に公表した。このツール群の詳細な解説および酵素系への応用については、Springerより今年度発刊予定の書籍中に掲載予定である。さらに、これまでの構造を基盤とした解析に加えて、配列解析に基づくバイオインフォマティックスを利用した新たなWet-Dry融合解析により、基質特異性の起源の解明だけでなく、産業応用上、さらに機能向上した新規アミノ酸定量用酵素の合理的な創製への道を開くことができた。昨年度に引き続いて、実験担当の静岡県立大、ならびにプログラム開発担当の鹿児島大の両分担グループとの密なる連携の下、Wet-Dry融合が機能的に進行し、順調に共同研究が遂行された。特に昨年度、実験的に高精度な構造決定がなされたmTDHのapo-型構造に対して、FMO計算に基づいて基質ー酵素間の相互作用エネルギーを定量的に評価・解析するために、それらを効率的に3D表示し、基質結合に伴う誘導適合や、酵素反応による相互作用変化を解析する新規ツール群を新たに開発した。このツール群は、構造生物学など広く世界中の実験科学者に利用されているPyMOLプログラムのPlugInとして開発されているため、新たなプログラムを学習する必要なしに利用でき、開発グループの異なる3種のFMOプログラム(PAICS,ABINITMP,GAMESS)すべてに対して、統一的に利用できる。さらも同ツール群は、開発者のウエブページよりマニュアルとともにフリーダウンロード可能な形式で提供可能とした。これらの結果は、専門論文(J.Chem.Info.Model)などに公表し、詳細な説明と酵素などへの応用例については新たな発刊予定のFMO解説専門書籍の独立Chapterとして紹介される予定である。また、昨年度と同様に本研究におけるアプローチ手法の適用範囲を拡大するため、高選択有機化学反応の反応解析やタンパク質複合体の相互作用解析などについて適用し、それらに関しても、学会発表、論文等に成果として発表できている。今年度も順調に研究成果が積み上げられたが、論文の公表に関しては、サイエンス全体として、やはりトップジャーナル掲載への壁は厚く、専門雑誌への掲載に留まってしまった。今後は多点変異法などの新規バイオマティクス手法を加味して、機能性の向上だけなくこれまで達成されていない新規な活性を有する人工酵素の合理的設計創製に挑む。昨年までは、wild typeに対するapo-型初期構造への基質結合に伴う構造変化などの反応初期の解析が主な課題であった。今年度はそれらに加えてハイブリッド多層型計算に基づく反応経路解析などを行い、遷移状態、中間体などを含む反応経路解析を行った。現状では、酵素反応の各段階におけるすべての遷移状態の決定には至らなかったが、基質結合後の反応初期段階に対して、鍵となるアミノ酸相互作用を特定し、一部の遷移状態や中間状態を得ることができた。今後は、酵素活性の起源である選択性の発現に深く関連する反応後基質の脱離過程を含む酵素反応の全容解明に挑みたい。さらに、構造を基盤としたwild typeのみに対する理論解析だけでなく、フルコンセンサス配列設計や祖先型配列設計など第四次革新的技術を利用したバイオインフォマティックスによる多点変異を導入した人工酵素を設計創製し、単なる活性向上ではなくこれまでになかった活性を有するなど、天然酵素をも凌駕する新たな産業応用酵素の創製に向けて、新規配列設計を行う。高い選択能を有する酵素の特性を生かした産業応用酵素群の開発は、資源の乏しい我が国が世界を牽引する科学技術革新として極めて重要な課題である。そこで本研究では、高精度な第一原理計算を用いた『Dry (計算化学、バイオインフォマティクス)』手法と熱化学測定やX線結晶構造解析など用いた『wet (酵素化学、構造生物学)』実験とを融合した新たなアプローチにより、高い選択能を有する酵素の特性を生かした産業応用酵素群を合理的に設計・開発することを目的としている。

特に、酵素反応における遷移状態を明らかにするだけでなく、天然型酵素の機能を目的に合わせて改変し、反応そのものを分子レベルで制御することで、天然型酵素の活性を凌駕し、適用範囲を拡大した人工タンパク質(人工酵素)の合理的設計開発を目指している。初年度は、実際の標的酵素mTDHに対して、基質(NAD+, L-Thr)が結合する際の構造変化を経時的に定量評価して、適合誘導効果の起源を解析した。X線結晶構造、酵素化学および熱化学解析などの実験に加えて、超高解像実験構造に基づく理論的反応解析を行った結果について、CPMD2017やASBMBなどの国際会議にて発表し、専門論文(Biochemistry)に公表した。Wet-Dryの融合された解析により、mTDHの基質特異性に基づく人工改変は、L-セリンなどその他のヒドロキシ酸に対する反応性を新機能として付与することも可能であり、今後、産業応用が可能な新規L-セリン定量用酵素やヒドロキシ酸の光学分割用酵素の開発に繋がるものと期待される結果となった。主に実験担当の静岡県立大、ならびにプログラム開発担当の長崎大の両分担グループとの密なる連携の下、Wet-Dry融合が機能的に進行し、順調に共同研究が遂行されている。これまでに、主な標的酵素タンパク質であるmTDHについて、apo-型構造の超高解像度X線解析構造の決定に成功し、その構造に基づいた、高精度第一原理計算ならびに分子動力学的シミュレーション解析により、基質分子(NAD+, L-Thr)の結合に伴う動的構造変化の定量的評価が完了した。さらに、構造解析だけでなく、基質結合に関する熱学的解析についても、iTC測定やSPR実験による結合解析も終了し、理論計算との一致も大変良いことが分かった。標的酵素に関して、構造、熱学データが高精度で揃っている例は大変珍しい。これらの結果は、専門論文(Biochemistry)として公表に至っている。また、本研究におけるアプローチ手法の適用範囲を拡大するため、高選択有機化学反応の反応解析やタンパク質複合体の相互作用解析などについて適用し、それらに関しても、学会発表、論文等に成果として発表できている。総じて研究開始初年度から、順調に研究成果が積み上げられてきているが、論文の公表に関しては、サイエンス全体として、トップジャーナル掲載への壁は厚く、専門雑誌への掲載にと留まっているのが現状である。これまでの点変異型設計ではない新規手法を用いて、機能性の大幅向上と適用範囲を広げた新規人工タンパク質の設計創製を達成し、次年度にはトップジャーナルへの公表を可能とするような成果に結び付けたい。高い選択能を有する酵素の特性を生かした産業応用酵素群の開発は、資源の乏しい我が国において世界を牽引する科学技術革新として極めて重要な課題である。そこで本研究では、高精度な第一原理計算を用いた『Dry (計算化学、バイオインフォマティクス)』手法と熱化学測定やX線結晶構造解析などを用いた『wet (酵素化学、構造生物学)』実験とを融合した新たなアプローチにより、高い選択能を有する酵素の特性を生かした産業応用酵素群を合理的に設計・開発することを目的としている。実際の対象としては、血液サンプル中に含まれる特定のアミノ酸、L-Thr濃度の定量計測への応用が期待されている短鎖型L-スレオニン脱水素酵素(TDH)等の標的タンパク質を取り上げた。
FMISO-PETを用いた炭酸ガス療法による腫瘍の低酸素状態改善のイメージング

経皮的炭酸ガス療法による腫瘍の低酸素状態改善を画像評価するために、これまでの研究において、経皮的炭酸ガス療法による治療効果が高いことが判明しているマウス骨肉腫細胞株(LM8)を用いて実験を行った。LM8細胞を皮下に移植したヌードマウスを経皮的炭酸ガス療法群と対照群(空気投与)にわけ、FMISO-PETを用いて低酸素状態の評価を行うこととした。当初は経皮的炭酸ガス療法群において炭酸ガス療法直後、3時間後、6時間後、1日後、3日後と異なる時間軸でFMISO-PETを撮像し、低酸素状態改善の持続期間についても検討を行う予定であったが、18F-FMISOの半減期や実験室の使用可能時間を考慮すると、同一個体において炭酸ガス療法後の低酸素状態を経時的に評価することは現実的ではないと判断した。過去に抗腫瘍効果が報告されている週2回のペースで計3回炭酸ガスを経皮的に投与した群を用いて低酸素状態の改善が得られているか確認する実験を行った。投与効果が長時間持続するかもあわせて確認するため、最終投与はFMISO投与の3日前とした。経皮的炭酸ガス療法群と対照群(空気投与)のマウスを用意し、炭酸ガス、空気をそれぞれ経皮的に計3回投与後、FMISOを投与し、集積程度を確認した。腫瘍のサイズは経皮的炭酸ガス療法群で有意に小さかったが、低酸素状態で集積亢進するFMISOの集積程度をSUVmaxという指標を用いて測定したところ、両群でSUVmaxの値に有意差は認められなかった。上記結果より、経皮的に炭酸ガス投与を複数回行うと、腫瘍内の低酸素状態改善により、腫瘍のサイズ増大は抑制することが可能となるが、腫瘍の低酸素状態改善は一時的なものであり、長時間は持続していないことが示唆された。上記結果をふまえて、炭酸ガス経皮的投与による単回投与での低酸素状態改善の持続時間を検討する追加実験を行う方針である。経皮的炭酸ガス療法による腫瘍の低酸素状態改善を画像評価するために、これまでの研究において、経皮的炭酸ガス療法による治療効果が高いことが判明しているマウス骨肉腫細胞株(LM8)を用いて実験を行っている。LM8細胞を皮下に移植したヌードマウスを経皮的炭酸ガス療法群と対照群(空気投与)にわけ、FMISO-PETを用いて低酸素状態の評価する実験を行った。過去に抗腫瘍効果が報告されている週2回のペースで計3回炭酸ガスを経皮的に投与する方法を用いることとした。経皮的炭酸ガス療法群と対照群(空気投与)のマウスに炭酸ガス、空気をそれぞれ事前に3回(2回/週)経皮的に投与し、最終投与が3日前の状態でFMISOを投与した結果、腫瘍のサイズは経皮的炭酸ガス療法群で有意に小さかったが、低酸素状態で集積が亢進するとされるFMISO集積の程度を示すSUVmaxの値に有意差は認められなかった。この実験結果から、経皮的に炭酸ガス投与を複数回行うと、腫瘍内の低酸素状態改善により、腫瘍のサイズ増大は抑制することが可能となるが、腫瘍の低酸素状態改善は一時的なものであり、長時間は持続していないことが示唆された。上記結果をふまえて、炭酸ガス経皮的投与による単回投与での低酸素状態改善の持続時間を検討するため、FMISO投与前の経皮的投与時間を直前、3時間前、6時間前、1日前に経皮的炭酸ガス投与を行う群とそれぞれに対応する対照群(空気投与)を用意して実験を行う予定である。摘出腫瘍について、低酸素マーカーであるピモニダゾールや、HIF-1α抗体を用いた免疫染色を行い、PET画像と比較検討する実験はまだ行えていない。これまでに行った複数の実験結果より、経皮的炭酸ガス療法による腫瘍の低酸素状態改善効果は複数回投与を行っても長時間持続しない可能性が示唆されている。今後経皮的炭酸ガス療法による腫瘍の低酸素状態改善効果の持続時間について検討する予定である。低酸素マーカーであるピモニダゾールや、HIF-1α抗体を用いた免疫染色をPET画像と比較検討する実験を行えていないため、今後追加実験を行うかを検討中である。また経皮的炭酸ガス療法の低酸素状態改善がどの程度短時間なのかを詳細に評価する方法として、FMISO投与後にdynamic scanを行い、FMISO集積の程度を経時的に評価する方法がある。経皮的炭酸ガス療法群と対照群(空気投与)それぞれにFMISO投与後にdynamic scanを行うことで、経皮的炭酸ガス療法の低酸素状態改善の持続時間を評価することが可能となる。しかし、現在実験しているマウスではサイズが小さすぎて、dynamic scanが行えないため、ラットにサイズアップする必要がある。ラットではLM8細胞の皮下移植後の生着・発育に必要な細胞数や期間など調査する必要もあり、この実験を追加するかどうかについても検討が必要である。経皮的炭酸ガス療法群と対照群(空気投与)のマウスに、事前の経皮的投与は行わず、FMISO投与直後に1回炭酸ガス、空気をそれぞれ投与するという実験を、異なる腫瘍株(MFH、乳がん、扁平上皮癌、メラノーマ等)を移植したヌードマウスで行い、治療前後での低酸素状態の変化と治療効果との相関を検討する追加実験についても計画を予定している。最終的にはウサギVX2肝腫瘍モデルを用いて総肝動脈より経カテーテル的に炭酸ガスを動注し、低酸素状態改善効果を確認する。