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革新的エクセルギー回収およびプロセス統合による藻類を利用する高効率エネルギー生産

本研究では、エクセルギー回収およびプロセス統合の二つの技術を同時に検討し、独創的な藻類によるエネルギー変換プロセスを提案する。提案するプロセスは、主に乾燥・ガス化・ケミカルルーピング・コンバインドサイクルで構成される。エクセルギー回収では、ある特定のプロセス内のエネルギーや熱を効率的に循環させ、エクセルギー損失を最小化する。また、1つのプロセスではすべての熱を完全に循環できないため、回収しきれない熱は他のプロセスに利用し、プロセス全体のエネルギー損失を最小化する(プロセス統合)。平成2829年度では、藻類による各プロセスのモジュール化および全体のシステムの構築・評価を行った。また、各プロセスに必要とする要素技術(反応器など)の選定を行い、最も適した要素技術をシステムに適用した。主な変換技術として、ガス化およびケミカルルーピングを導入した。ガス化には通常の熱化学的なガス化と超臨界水ガス化の二つの技術を検討し、全体のエネルギー効率への影響を評価した。また、ケミカルルーピングでは三つの反応器を設け、それぞれ還元・酸化・燃焼の反応器である。ケミカルルーピングの酸化反応から高純度の水素が製造され、従来型のシフト反応と違い、高効率なエネルギー変換が得られる。平成30年度では平成2829年度から得られた結果を踏まえ、全体のプロセスの統合化および最適化を行った。各モジュールでの再設計・最適化を行った。水素貯蔵方法として、主にアンモニアを選定した。また、将来的に本提案プロセスを実証する時に解決が必要となる課題を整理した。そのうえ、統合化した全プロセスに対して再度エネルギーとエクセルギーの解析と評価を行い、全プロセスにおける最終エネルギー・エクセルギー効率も求めた。上記の行った研究から、平成30年度では、研究成果として国際学会3件(実施済み)、学術論文2件(掲載済み)が得られた。本研究では、エクセルギー回収およびプロセス統合の2つの技術を同時に検討し、藻類に特化した独創的なエネルギー変換プロセスを提案する。また、あるプロセスに回収できない熱をプロセス統合によって、他のプロセスに利用する。エクセルギー回収およびプロセス統合を同時に適用することで、プロセス全体の省エネルギー効果が非常に大きいと考える。平成28年度では、主に藻類による発電システムの基礎プロセスの設計・評価を行った。提案したプロセスは、主に乾燥・ガス化・ケミカルルーピング・コンバインドサイクルで構成される。各プロセスに適した装置などを文献および計算によって整理・明確化した。藻類乾燥ではスチームを乾燥媒体として利用し、乾燥機から排出されたスチームをコンプレッサによって加圧し、同プロセスに循環下。ガス化では二塔式循環流動層を適用し、ガス化条件などをシミュレータを利用して計算した。また、ケミカールルーピングでは三つの反応器を設け、それぞれ還元、酸化、燃焼の反応器である。ガス化から生成された合成ガスが還元反応器で金属酸化物と反応し、CO2と水蒸気が生成される。また、還元された金属酸化物が酸化反応器に入り、水蒸気と反応し、水素が生成される。ケミカルルーピングは総合的に発熱反応であるため、余った熱をコンバインドサイクルによって発電できる。上記のプロセスの概念設計・モジュール化を行い、全システムの最適化および省エネ化を行った。本年度の研究成果としては、国際学会1件(実施済み)、学術論文2件(それぞれ掲載済みおよび投稿中)、本章1件(投稿中)である。各プロセスに適した装置および藻類の特性評価は、概ね予定通り実施された。また、基本プロセスの設計(モジュール化)についても、当初の計画通り実施できた。また、新規性を上げるために、ガス化後のプロセスとしてはケミカルルーピングを導入し、藻類による発電および水素の製造が可能にした。結果として、約72%の全エネルギー変換効率がえられた。これらの成果を利用して、国際学会および学術論文の作成を行った。また、あるプロセス内で回収できない熱をプロセス統合によって、他のプロセスに利用する。藻類による発電システムの基本的なプロセスを構築し、最適な計算を行った。また、各運転パラメータによるエネルギー効率も評価し、最適な運転条件を取り出した。平成29年度では、平成28年度のモデルおよび結果を踏まえ、全体のシステムの最適化・要素技術の抽出を行った。また、全体の効率を上げるために、発電利用だけではなく、水素製造とのコープロダクションシステムを構築した。含まれるプロセスは主に藻類乾燥、ガス化、ケミカルルーピング、アンモニア合成(水素貯蔵)である。製造した水素をアンモニアとして貯蔵する。提案したプロセスによる最高エネルギー効率は約64%である。上記の研究から、学術論文1件、本章1件、学会4件の研究成果が得られた。全体のプロセスの評価および要素技術の抽出が予定通り実施できた。また、プロセス全体の構築・最適化も計画通り実施し、新規性およびシステムの将来の適用性を考慮して、発電だけではなく、水素製造とのコープロダクションシステムも構築できた。

水素貯蔵システムでは、アンモニア合成プロセスの構築も追加項目として構築・最適化することもできた。これらの成果を利用して、学術論文、本章、および国際学会論文の作成を行った。本研究では、エクセルギー回収およびプロセス統合の二つの技術を同時に検討し、独創的な藻類によるエネルギー変換プロセスを提案する。提案するプロセスは、主に乾燥・ガス化・ケミカルルーピング・コンバインドサイクルで構成される。エクセルギー回収では、ある特定のプロセス内のエネルギーや熱を効率的に循環させ、エクセルギー損失を最小化する。また、1つのプロセスではすべての熱を完全に循環できないため、回収しきれない熱は他のプロセスに利用し、プロセス全体のエネルギー損失を最小化する(プロセス統合)。平成2829年度では、藻類による各プロセスのモジュール化および全体のシステムの構築・評価を行った。また、各プロセスに必要とする要素技術(反応器など)の選定を行い、最も適した要素技術をシステムに適用した。主な変換技術として、ガス化およびケミカルルーピングを導入した。ガス化には通常の熱化学的なガス化と超臨界水ガス化の二つの技術を検討し、全体のエネルギー効率への影響を評価した。また、ケミカルルーピングでは三つの反応器を設け、それぞれ還元・酸化・燃焼の反応器である。ケミカルルーピングの酸化反応から高純度の水素が製造され、従来型のシフト反応と違い、高効率なエネルギー変換が得られる。平成30年度では平成2829年度から得られた結果を踏まえ、全体のプロセスの統合化および最適化を行った。各モジュールでの再設計・最適化を行った。水素貯蔵方法として、主にアンモニアを選定した。また、将来的に本提案プロセスを実証する時に解決が必要となる課題を整理した。そのうえ、統合化した全プロセスに対して再度エネルギーとエクセルギーの解析と評価を行い、全プロセスにおける最終エネルギー・エクセルギー効率も求めた。上記の行った研究から、平成30年度では、研究成果として国際学会3件(実施済み)、学術論文2件(掲載済み)が得られた。平成29および30年度では、当初の計画通り、全システムの最適化および要素技術の抽出を行う。システムの最適化では、超臨界ガス化を導入して、藻類による発電および水素の製造プロセスを設計・評価する。超臨界ガス化を導入することで、藻類の乾燥が不要になるため、システムの簡易化および省エネルギー化につながる。しかしながら、超臨界までの状態に持っていくための動力・熱も非常に高いため、要素技術の明確化およびシステムの最適化・省エネルギー化が必要となる。また、エクセルギー回収およびプロセス統合による藻類を用いたエネルギー生産の課題について検討を行い、各要素技術の抽出を行う。本研究でカバーできない課題および次の実プロセス設計に必要とする技術・データ等を洗い出す。最後に、統合化した全プロセスに対して再度エネルギーとエクセルギーの解析と評価を行う。
流域社会の比較社会学-河川と流域社会の共生にむけて-

「流域社会の比較社会学」として、本研究は、二つの側面から研究を進めてきた。第一には、河川をめぐる社会制度についての研究である。第二には、個別の河川にかかる実証的な研究である。第一の研究については、次のような議論をした。河川をめぐる社会制度は行政的な制度と、慣習的な社会制度に分かれる。明治以降の行政制度は、主に、河川法を中心に組み立てられてきたが、その中心的な原理はぐ中央政府が権限と財源を握る集権的な河川行政である、そのために、河川にかかわる「公共性は国家によって独占」されてきた。しかし、昭和30年頃までは、水の管理・利用にかかわる慣習的な「小さい制度」が存続しており、その点では、集権的な制度と地域的な制度の二本立てで、水の利用管理が行われてきた。しかし、農地の構造改善事業の進展によって、地域の水管理システムが衰退し、集権的な管理体制が強化され、一方で、「川離れ」が進み、水環境は悪化してきた。その点で、現在、河川行政において、分権的な環境管理が重要となってきた。研究の第二の部分は、個別河川に関する調査研究である。青森県の岩木川、中部圏の木曽三川(とくに長良川)、熊本県の白川に関するアンケート調査を実施し、住民の河川に対する意識と行動、河川行政に対する意見を調査した。その結果、どの河川でも「川離れ」から反転し、河川への関心や活動が、環境を媒介にして高まりつつあること、河川行政に関しても、河川環境の回復への要望がもっとも強いことを明らかにした。また、河川と流域社会の相互関係や社会変動に関しては、特に、岩木川を中心に検討し、報告を行った。そのなかでは、昭和30年代、上流でのダム建設、中下流部での構造改善事業とそれにともなう農業用水システムの整備を契機として、河川と流域社会とのかかわり方が大きく変化したこと、さらに、1990年代から河川環境への関心がたかまり、次第に、河川にかかわる活動が増加しつつあることを、具体的な形で明らかにした。本年度は、青森県岩木川を中心に研究を進めた。8月に岩木川の上流部から河口部まで実際に踏査した。また、津軽ダム事務所、青森工事事務所、農水省関連事務所と土地改良区に聞き取り調査を行っいる研究者との討論を行った。岩木川流域の土地利用の変遷と河川利用との関係、治水史、今後の治水・利水・環境対策を明らかにした。また、これまで弘前大学で実施してきた岩木川公開講座の資料のまとめとも関連し、岩木川の幕藩期からの歴史と流域社会の変化について取りまとめ中である。岩木川以外、熊本県白川の調査を実施し、白川の歴史的変遷と全体像、熊本市との関連性に関して調査を実施した。それ以外、関連文献資料の収集と文献研究を進めた。岩木川の調査結果に関して簡単に述べる。1)岩木川下流域の農業開発、農業の近代化に伴って、岩木川のダム開発、頭首口と農業用水路の整備が進んだ。この農業開発と河川利用とのあり方の関連性を歴史的に明らかにした。2)下流域の農業開発の結果、岩木川の流量、河床、瀬や淵などが大きく変化し、ひいては、河川環境全体が大きく変化した。この点も、流域住民への聞き取りを含めて歴史的に検討した。3)こうした近代化と環境変化にともなって、流域の住民は「川離れ」が進み、河川から遠ざかっていった。

4)現在、河川行政への流域住民の参加が求められているが、それがうまく進まない理由の一つは、「河川は国が管理するもの」という方針が長らく貫かれてきたため、地域住民が河川のあり方を自主的に考えるという意識が失われてしまったためである。実証的な調査研究としては、次の調査を実施した。(1)岩木川のダム建設、利水、治水に関する調査(2)木曽三川の利水、治水に関する調査(3)山口県椹野川の流域連携に関する調査(4)山口県阿武町の農業用水と農業に関する調査また、研究会においては、次の理論的な検討を行った。(1)河川をはじめとする山野河海の所有・利用・管理の歴史的な変遷と、現在の環境問題とのかかわり(2)流域連携のあり方(3)河川やダムをめぐる住民運動の展開調査研究に関しては、現在、まとめの途中であるので、本年度の研究のまとめができた点について簡単に報告する。実証調査(4)山口県阿武町の農業用水と農業に関する調査農業法人「うもれぎの郷」を設立した宇生賀地区では、それまで四つの集落によって争われ、さらに、各農家ごとにあ争われてきた水利用が農業法人に一本化されることによって、合理的な水利用が可能となった。それだけではなく、過疎化によって農業も地域社会も衰退の一途をたどってきた同地区において、水と土地の利用を中心とした法人によって集落と農業の持続可能性を確立することができた。理論的な検討(1)山野河海の所有・利用・管理の歴史的な変遷と、現在の環境問題とのかかわり公私共利の原則のもとにあった山野河海が近代所有権の確立とともに、所有を中心に管理と利用がなされるようになってきた。しかし、所有を中心とした山野河海の管理・利用によって現在の環境問題が発生してきた。今後、環境問題の解決のために、利用を中心にすえた山野河海の管理・利用のあり方が構想される必要がある。本年度の調査研究としては、次の調査を実施した。(1)岩木川のダム建設、治水、利水に関する調査(2)長良川の下流域、旧輪中地帯の社会調査と文献調査(3)山口県内の流域連携に関する調査(4)北海道尻別川の流域連携に関する調査(5)岩木川、長良川、白川の流域住民へのアンケート調査研究会では、各地域調査の報告、アンケート調査の企画と実施方法に関する打ち合わせ、サンプリングの準備など、さらに、理論的な検討として、河川比較の方法論的な検討、所有・管理・利用の観点からの河川研究の可能性についての討論を行った。研究成果については、研究発表欄に記したとおりであるが、若干説明などを加えたい。今年後の研究発表活動でもっとも力を注いだのは、日本社会学会大会での、名大の大学院生の辻村君を加えた、5つの連続発表である。田中重好河川をめぐる所有・管理・利用田渕六郎流域社会における人口変動山下祐介流域社会史の比較社会学横田俊尚河川環境保全をめぐる流域連携の取り組み辻村大生河川の水面利用をめぐるルールづくりさらに、東北社会学会のシンポジウム「水と地域の社会学」において山下祐介が岩木川上流の集落の生活変容に関して報告し、田中重好が司会をおこなった。
ヒトと極めて類似した発症機構を持つ革新的脱毛症モデル動物の開発

円形脱毛症は自然治癒する症例もあるが、長期に渡る難治性のものも少なくない、最も高頻度で見られる自己免疫疾患の一つである。一方で、臨床的に著効を示す治療法はなく、遺伝子レベルでの診断および治療はほとんど報告されていない。従来用いられているモデルマウスは、発症までに長期間かかり、研究期間・動物飼育スペースの確保・飼育コストなどの観点から、決して容易に扱えるモデル動物ではない。本研究では、研究代表者の所属するグループにおいて開発された新規動物モデルがヒトと極めて類似した発症機構を持つ円形脱毛症モデルであることを証明し、この動物を用いた治療法の評価系を確立するとともに革新的治療法の開発に取り組む。
超音波検査用の新たなリアルタイムボディーマーカーの開発

超音波検査は臨床医に有用な手法の一つで、表示断面が自由に設定できることがその長所のひとつとしてよく知られている。その長所の一方で、時々、検査時に記録されている画像がどの断面でどの臓器を描出しているかわかりにくく、画像の解釈に困ることがある。それを補うため、ボディーマークが用いられているが、動画記録などについては役立たない。この研究の目的は、探触子の位置と傾きを自動的に追従するように表示されるあたらしいボディーマークの表示法を提案し、作製することである。本研究では、磁場センサーを用いて、探触子の位置を検出することで、あらかじめ作成した3次元のボディーマーク上に探触子の位置を表示する。画像とボディーマークを同時にリアルタイムで表示することで、その画像を解釈しやすくし、さらに探触子の傾きも容易に表示できるようになった。腹部・体表領域において新しい自動追従型3次元表示ボディーマークシステムを作成できた。さらに、従来のこれらに加え、経腟走査用のそれを作成したことで、産婦人科領域の検査にも使用できるようになった。本システムは、動画上でも正確に作動しており、臨床超音波検査に応用可能である。自動追従型3次元表示ボディーマークシステムは、医学教育、へき地医療支援、電子カルテなども含め、広い領域で臨床応用が期待される。今後、このシステムが市販の超音波装置に取り入れられるようにしたいと考えている。本研究は、超音波検査で使用するボディーマークの開発であり、従来のそれが、使いにくくまた表示法が不十分であることを補うために開発を行った。本研究で開発するシステムの最も特徴的な点は、超音波断層面の移動に伴い本システム内に表示される探触子の位置が自動的に追従する点で、従来マニュアルでボディーマークの位置を設定しているのに比べ使いやすくなる。これまで研究してきた腹部臓器と同様なシステムで行う目的で、頚部、乳腺、産婦人科領域の三次元bodymarkerの作成を依頼作成した。これは、コンピュータグラフィック(CG)により作成するものであるが、多方向からの表示を可能とすること、および今後装置に使用することを前提としているため、使いやすいだけでなく、視覚的に良好で精度の良いものが必要である。既に上記の目的で作成されたボディーマーカーは、腹部、頚部、乳腺についての試作は終わり、パソコン上で使用できるようになっている。また、超音波装置との連携も良好であり、実際の検査でも使用可能なレベルになってきつつある。キャリブレーションについても改良を行い、これまで体格の大小により、探触子がボディーマーカーから浮遊するごとく、またはその中に埋まったように表示されやすかったが、探触子の位置をより正確に表示可能となった。腹部については、従来の5点から4点キャリブレーションとすることにより短時間で設定ができるようになった。来年度4月以降の多数例を用いた検討の準備を整えるために、記録媒体の準備も行った。超音波検査で表示される臓器の認識法は、本邦で多く行われているボディーマーク、アメリカでよく行われる略字を画像内に追記する方法が一般的である。しかし、両手法とも短時間で検査を行わねばならない日常臨床を考えると、手間と時間の省力化が求められている。この研究では、自動的に探触子の位置を表示するだけでなくその位置を3次元的に表すことで、検査をより短時間で行うだけでなく、記録画像から超音波の断面像を容易に理解しやすくするシステムを開発し、臨床応用した。また、以前の腹部での研究に引き続き乳腺、甲状腺、産婦人科を対象とした。システムは、ベッドの下に磁場を発生させるトランスミッター、探触子の位置を表示するレシーバー、その信号をえて位置と角度を演算し、あらかじめ作成している3Dグラフィックスを用いて作成された3Dボディーマーク上に探触子の位置を表示するPCで構成される。まず、乳腺、甲状腺、産婦人科用のごとく各対象臓器の3Dボディーマークを作成した。次に、作成した3Dボディーマークの大きさと被検者の体格を調整するためのキャリブレーションを行い、PC内で自動的に両者のサイズを最も適切にして表示する。平成15年度、16年度には乳腺、甲状腺について精度と使いやすさの検討を行った。

その結果、探触子の位置は、3Dボディーマーク上にほぼ実時間で示すことができた。さらに、その位置の精度は3mm未満で実用的に使用するのに全く問題はなかった。平成17年度に予定していた経腟走査用の3Dボディーマークも平成16年度までに作成し、被検者を用いて有用性を検討し、この領域への応用についても、その有用性は高いと思われた。実用化は可能であるが、現状の問題点は探触子の位置を検地する位置センサーの費用が高価な点であり、広く使用されるためには今後より廉価になることが望まれる。これまで行ってきた、超音波検査で用いられているボディーマークを、自動的に表示させる研究を継続した。従来の腹部、乳腺にくわえ、本年度は婦人科領域、前立腺を主な対象に検討をおこなった。これまで研究開発を行ってきた本システムについては、検査時にボディーマークを個々の画像に付与する必要がないため、検査時間の節約になった。また、動画の記録において、従来の手法は、検査部位を一定の場合には問題はなかったが、探触子自体の移動には対応できなかった。本システムでは、動画記録での探触子の移動がリアルタイムに対応できる。問題点として、磁場を発生させるため従来の超音波装置とは別途にシステムが必要となること、磁場を検地するセンサが、大量に手に入らないため、現時点での広い普及はできないことなどがある。なお、本年度には産婦人科での成果を論文として掲載した。また、泌尿器科用のシステムの試作をおこなって、その有用性の検討も行った。
気圧の差を利用した鉄道システムの基礎研究

【研究目的】高校生を指導する教員は、自身が体験したことや既得の情報を伝え指導するばかりでなく、その課題に関連した科学的理論を学習・研究して指導することが必須であり、それは教員自身が実物や本物に触れて研究を行い生徒に還元するという、継続した学習と科学教育指導の実践を促すと考えられる。このことは、これからの知識基盤社会に求められる「創造性・独創性」をもった学徒の育成とそれを指導する教師の育成という効果を社会にもたらすと確信している。本課題は、こうした高校生・高校教師・社会とのつながりを、興味深い技術の主題を掘り起こし、研究教育の実践を通して、社会に見えるカタチに成し遂げるという、生徒-教師の連携の教育を実践することを目的としている。【研究方法】19世紀中頃、イギリスのイザムバード・キングダム・ブルネル(18061859)が、研究・開発・走行運転を進めた大気圧鉄道を、掘り起こしの主題として選定し調査研究を行う。大気圧鉄道は気圧の差を推進力とした鉄道であり、ここから、ブルネルの設計思想と力学的判断、そして推進機構の設計技術の判断を汲みとることができる。高校生の指導においては、こうした創造の概念を伝え、ものづくりにおける技術の選択と科学的判断の過程を重視し、その背景に潜む力学的原理と法則を用いて測定し、その結果を検討考察し、わかりやすく図表で表現し、基本式で説明し、プレゼンし、社会にその成果と意義を伝える。具体的に、以下の項目について取り組んでいく。(1)圧力差の大きさと車両の走行速度の関係表示。(2)車両の加速と減速のコントロール。(3)大気圧鉄道の利用提案。(4)結果のとりまとめとプレゼンテーション。【研究成果】空気の漏れの無いモデルを作成し、車両を制御することができた。気圧差と推進力の関係を理論的に導くことができた。生徒、教員とも様々な発表会で発表したことで、理解が深まり、プレゼンテーション能力が向上した。
ニューラルネットワークを用いた肝実質性疾患の超音波画像の定量解析システム

本研究の目的はこれまで検査者の経験に頼る部分の多かった肝実質性疾患の超音波診断を客観的かつ定量的に行おうとするものである。このため超音波画像のパターンを特徴づけるファクターとして,平均値,分散,変動係数,パワースペクトラム解析の4つを選び,画像上に設定した関心領域におけるこれらの特徴量を抽出した。また・データの入力に関しては,入力層4units,中間層4units,出力層1unitからなる3層のニューラルネットを構築し,学習にはバックプロパゲーション法を用い,修正式に慣性項を加えることで収束を高速化した。当初はフイルムに撮影された画像をレーザフイルムスキャナで読みとりデジタル化して入力を行っていたが,本研究補助金で備品購入したワークステーション(Sun IPX)と超音波装置を直接連結させることによりデータの入力ならびに出力が簡便に行えるようになった。以上のシステムに典型的な正常および異常(肝硬変)症例のデータを教師信号として入力し,診断支援システムとしての有用性を検討した。出力値は01の数値で表わされ0.1以下を正常,0.9以上を異常とすると,ニューラルネットの正解率は正常について80%,異常について89%であり医師の診断とほぼ一致した。また,異なった探触子による画像や,3種類の異なった画像処理による画像についても検討を行った結果,若干の傾向の違いはあるもののいずれの組み合わせでも基本的には同様の結果を得ることができた。本研究により本システムは肝実質性疾患の定量評価に関し大きな有用性を持ちうるものと考えられた。ただ,小結節性で間質の幅も狭いような肝硬変症例で正常例とのオーバーラップが見られるといった問題点もあり,こうした点については今後フラクタル次元等の新しい項目を加えて検討を続ける予定である。既にX線フィルムに撮影された正常例および肝硬変症例の超音波画像をデジタイザで読み取ったデータをベースとして,入力層4・中間層4・出力層1からなる3層の階層型ニューラルネットを構築し,肝実質の超音波画像の定量的評価を行なった。これまでの研究により第1次統計量としては,平均値m・分散V・変動率R・2次から4次のパワースペクトラムを累積したフーリエ特徴量が有用であることが判明した。学習にはバックプロパゲーション法を用い結合係数ωの学習係数α=0.4,閾値θの学習係数β=0.3,モーメント項の係数m=0.6(但し,モーメント項の係数mは学習毎に0.02ずつ増加させ,最大値を0.9とする。)での修正モーメント法を採用することとした。ニューラルネットへの入力は画像(1024x1024)から切り出した関心領域(32x32)の特徴量を使用した。また,ニューラルネットへの教師信号は正常例を0,肝硬変例を1とした。このシステムを用いて正常例15例,肝硬変例15例の計30症例をデータを入力するとともに学習パターン以外のデータの評価を試みたところ,熟練した医師の診断とほぼ一致する結果が得られた。更に,科研費により購入したSPARC station IPXと超音波診断装置(日立EUB565A)とを直接に接続することによって,検査中にそのままデータの入力や解析が可能なシステムを構築することができた。現在,このシステムにより臨床症例および剖検標本のデータを収集中であり,データの蓄積によりシステムの完成を目指している。本年度はさらに臨床症例および剖検症例を増やし,ニューラルネットワークシステムの完成度の向上を図った。症例の追加に当たっては、当初の3.5MHzリニア型探触子による画像に加えて,3.5MHzコンベックス型探触子および7.5MHzリニア型探触子も使用することとした。

また,標準的な画像に加えてダイナミックレンジやエッジ強調の処理を変えて3種類の異なった画像処理による画像について検討を行った。検討結果に関しては,いずれの組み合わせで基本的にはもこれまでと同様の結果を得ることができた。リニア型とコンベックス型との比較ではリニア型の方がばらつきが少ない傾向が見られたが,コンベックス型でも診断上問題となるような差は生じなかった。また,超音波画像の画像処理の及ぼす影響に関しても,周波数に対する影響はあるものの検討上の大きな障害とはならなかった。以上より本システムは肝実質性疾患の定量評価に関し大きな有用性を持ちうるものと考えられた。ただ,問題点として,ROIの設定位置によるデータのばらつきが見られることや,小結節性で間質の幅も狭いような肝硬変症例で正常例とのオーバーラップが見られる場合があるといったことがあげられ今後の課題と考えられる。前者についてはサンプル数を増やして平均化することである程度対処可能であり、後者については今後フラクタル次元等の新しい項目を加えて検討を続ける予定である。
超音波フェーズドアレイによる遠隔からの表面摩擦感制御

本研究では超音波フェーズドアレイの位相制御により,物体の表面上に高い音圧場を形成し,その表面摩擦を低下させることで任意の摩擦感を提示する新しい触感提示手法の実現を目指すものである.申請時には,任意の対象表面に対して,遠隔からの集束超音波刺激により摩擦を低減させられると考えていたが,本年度の研究の結果,必ずしも任意の対象表面において摩擦が低減されるわけではないことを確認した.いくつかの表面で検証した結果,申請時にその摩擦低減効果が確認されていた発泡スチロールが,検証した中では最も摩擦低減効果が高いことが確認された.そこで本年度は,この摩擦低減効果の原理を解明することに目的を絞り,超音波を対象表面に照射した際に,対象表面上で何が生じているのかを確認することとした.複数種類の表面の振動を計測した結果,対象の音響インピーダンスが空気と同程度の場合に摩擦低減効果が得られることが確認された.これは,対象表面で超音波が反射するのではなく,超音波により対象表面の振動が励起されることで摩擦が低減されているということである.現状確認した物質の範囲の中では,発泡スチロールを用いた場合が最もよく摩擦が低減されているが,これは,発泡スチロールが空気をよく含むことにより他の固体よりも音響インピーダンスが低いためと考えている.以上より,当初の計画のように,遠隔から任意の対象表面の摩擦を低減することが困難であることが確認された.一方で,発泡スチロール上であれば,超音波の届く範囲において摩擦を変化させられることから,従来の摩擦変化タイプのものよりも,広範囲に触感を提示可能な新しい触覚ディスプレイを実現することが可能となる.次年度以降は,その観点にフォーカスし研究を行う.また,摩擦低減効果の高い対象表面の探索も行う.当初の予定では任意の対象表面において摩擦の低減効果が得られることを期待し研究を計画していたが,本年度の研究により,その効果が特定の対象表面においてしか得られないことが確認された.その点においては,当初の計画通りではない.一方,そのように対象が限られたことで,摩擦低減が生じない対象との間で比較を行うことで,どのような原理で,遠隔からの集束超音波により摩擦の低減が生じているのかを検証しやすくなった.本年度は超音波の照射角度を変化させたり,あるいは対象表面の振動振幅を計測したりすることで,この摩擦低減が生じるメカニズムの基礎的な部分を検討できたという点で,本研究の基礎を固めることができ,順調に進んでいると考えている.当初の計画のように任意の対象表面に適用することは出来ないが,一方で発泡スチロールという軽量で可搬性の良い素材上であれば当初の予定通りの機能の実現が可能であるため,次年度以降は大面積におけるプロジェクションベースのインタラクションの実現を考えている.これまでの研究により,遠隔から超音波フェーズドアレイを用いて対象表面の摩擦を低減させるためには,対象表面の材質に制約があることが確認された.具体的には,これまでの探索範囲では発泡スチロールが最もよく摩擦を低減すること,照射角度としては45度程度が最もよく,垂直すぎても浅すぎても知覚されにくいことなどが確認されている.今後はこのような基礎特性を元に,投影された映像とのインタラクションを可能とする市販のデバイスを活用し,その映像に遠隔から摩擦変化を提示できる新たな触覚インタフェースの実現を目指す.これまでに提案されてきた摩擦を変化させるタイプの触覚ディスプレイは,静電気を利用したものや超音波を利用したものなど複数あるが,どれも対象となるスクリーン側に構造を持たせる必要があった.本手法では,対象となるスクリーンの材質に制約はあるものの,電子的な装置を搭載する必要がないというメリットを持つ.例えば自由な形状の板に対して触感を提示するということも可能である.このような利点を活かしたアプリケーションを想定しながら,基本原理を実証できるデバイスの実現を目指す.一方で,よりよい素材の探索・開発も同時に行うことを考えている.これまでの観測により,対象の制約としては,音響インピーダンスが低く,一方で人のなぞり動作に対してある程度の剛性を持つ必要があると判明している.そのような素材を検討し,発泡スチロール以外の素材の利用可能性,あるいはそのような特性を持つような対象の構造等を検討する.また,このような原理で摩擦を低減する際に,定量的にどの程度摩擦が減少するのかを評価し,今後の触覚インタフェース設計時の指針となる基礎データを取得することを目指す.本研究では超音波フェーズドアレイの位相制御により,物体の表面上に高い音圧場を形成し,その表面摩擦を低下させることで任意の摩擦感を提示する新しい触感提示手法の実現を目指すものである.申請時には,任意の対象表面に対して,遠隔からの集束超音波刺激により摩擦を低減させられると考えていたが,本年度の研究の結果,必ずしも任意の対象表面において摩擦が低減されるわけではないことを確認した.いくつかの表面で検証した結果,申請時にその摩擦低減効果が確認されていた発泡スチロールが,検証した中では最も摩擦低減効果が高いことが確認された.そこで本年度は,この摩擦低減効果の原理を解明することに目的を絞り,超音波を対象表面に照射した際に,対象表面上で何が生じているのかを確認することとした.複数種類の表面の振動を計測した結果,対象の音響インピーダンスが空気と同程度の場合に摩擦低減効果が得られることが確認された.

これは,対象表面で超音波が反射するのではなく,超音波により対象表面の振動が励起されることで摩擦が低減されているということである.現状確認した物質の範囲の中では,発泡スチロールを用いた場合が最もよく摩擦が低減されているが,これは,発泡スチロールが空気をよく含むことにより他の固体よりも音響インピーダンスが低いためと考えている.以上より,当初の計画のように,遠隔から任意の対象表面の摩擦を低減することが困難であることが確認された.一方で,発泡スチロール上であれば,超音波の届く範囲において摩擦を変化させられることから,従来の摩擦変化タイプのものよりも,広範囲に触感を提示可能な新しい触覚ディスプレイを実現することが可能となる.次年度以降は,その観点にフォーカスし研究を行う.また,摩擦低減効果の高い対象表面の探索も行う.当初の予定では任意の対象表面において摩擦の低減効果が得られることを期待し研究を計画していたが,本年度の研究により,その効果が特定の対象表面においてしか得られないことが確認された.その点においては,当初の計画通りではない.一方,そのように対象が限られたことで,摩擦低減が生じない対象との間で比較を行うことで,どのような原理で,遠隔からの集束超音波により摩擦の低減が生じているのかを検証しやすくなった.本年度は超音波の照射角度を変化させたり,あるいは対象表面の振動振幅を計測したりすることで,この摩擦低減が生じるメカニズムの基礎的な部分を検討できたという点で,本研究の基礎を固めることができ,順調に進んでいると考えている.当初の計画のように任意の対象表面に適用することは出来ないが,一方で発泡スチロールという軽量で可搬性の良い素材上であれば当初の予定通りの機能の実現が可能であるため,次年度以降は大面積におけるプロジェクションベースのインタラクションの実現を考えている.これまでの研究により,遠隔から超音波フェーズドアレイを用いて対象表面の摩擦を低減させるためには,対象表面の材質に制約があることが確認された.具体的には,これまでの探索範囲では発泡スチロールが最もよく摩擦を低減すること,照射角度としては45度程度が最もよく,垂直すぎても浅すぎても知覚されにくいことなどが確認されている.今後はこのような基礎特性を元に,投影された映像とのインタラクションを可能とする市販のデバイスを活用し,その映像に遠隔から摩擦変化を提示できる新たな触覚インタフェースの実現を目指す.これまでに提案されてきた摩擦を変化させるタイプの触覚ディスプレイは,静電気を利用したものや超音波を利用したものなど複数あるが,どれも対象となるスクリーン側に構造を持たせる必要があった.本手法では,対象となるスクリーンの材質に制約はあるものの,電子的な装置を搭載する必要がないというメリットを持つ.例えば自由な形状の板に対して触感を提示するということも可能である.このような利点を活かしたアプリケーションを想定しながら,基本原理を実証できるデバイスの実現を目指す.一方で,よりよい素材の探索・開発も同時に行うことを考えている.これまでの観測により,対象の制約としては,音響インピーダンスが低く,一方で人のなぞり動作に対してある程度の剛性を持つ必要があると判明している.そのような素材を検討し,発泡スチロール以外の素材の利用可能性,あるいはそのような特性を持つような対象の構造等を検討する.また,このような原理で摩擦を低減する際に,定量的にどの程度摩擦が減少するのかを評価し,今後の触覚インタフェース設計時の指針となる基礎データを取得することを目指す.
遺伝子組換え植物のバイオセーフティーとリスクコミュニケーション:環境耐性事例展開

環境耐性(耐塩性)に特化した生物多様性影響評価基準及び手法の検討及び実験試行し、更なる手法の開拓を行い,遺伝子組換えユーカリの第一種使用について2申請事例計6イベントを文部科学省へ申請を行った。文部科学省傘下での初めての申請事例となり、環境耐性遺伝子組換え植物の環境リスク管理体系へ繋がる独自的な分野開拓の基盤を構築した。この経験でジャガイモ等での第一種使用でのリスク管理と耐性の研究の基礎ができた。全体活動は、サブテーマごとに以下のように初年度を開始した。全体の運行を見極めるため、ポスドクの採用は見合わせて、研究補助員による作業の強化を図った。1)各国での環境耐性遺伝子組換え植物の環境リスク評価の現状の把握と要素の調査解析(渡邉/菊池):国際議定書であるCartagena Protocol on BiosafetyのCOP-MOP-2及びCOPMOP-3に参加し、国際情勢を把握し、レポートを別途作成した。パキスタン及びミャンマーをサンプルとして能力構築のありかたについて現地でのワークショップをそれぞれ11月に2日間をかけて開催した。2)前記情報に基づく環境耐性に特化した生物多様性影響評価基準及び手法の検討(鎌田)について野生種の多様性評価をモデル植物について日本の国土を考慮し検討した。3)上記で検討された手法について環境耐性に特化した生物多様性影響評価の実験試行(菊池):耐塩・乾燥性遺伝子組換え樹木(ユーカリ)について、第1種使用規定申請を行い、10月に文部科学省として初めての承認を得た。4)前記のうち特定用件の実験研究による手法改良あるいは開拓(藤村/菊池):耐塩性ジャガイモについても分子生物学的な評価を行い生理学的な評価の検討も行った。5)既存の耐塩性遺伝子組換え体植物を使用した生物多様性影響評価法の検討(大澤):土壌微生物等への影響について、評価法の確定を行った。6)上記のプロセスに関わるリスクコミュニケーションのあり方の検討と実施策の提唱(渡邉):情報検索とbicafeなどの地域的イベントでの調査を行い、総論レビューでの報告を行った。Scienceに意見を掲載した。全体活動は、初年度と同様にサブテーマごとに以下のように継続した。科研費にてのポスドクの採用(三村真紀子)を6月に行い,実験及び遺伝子組換え実験の管理強化を行った。昨年と同様に,研究補助員による作業の強化を図った。1)各国での環境耐性遺伝子組換え植物の環境リスク評価の現状の把握と要素の調査解析(渡邉/菊池):パキスタン及びミャンマーをサンプルとして能力構築のありかたについて現地でのワークショップをそれぞれH19年3月及びH18年11月にそれぞれ2日間をかけて開催した。2)前記情報に基づく環境耐性に特化した生物多様性影響評価基準及び手法の検討(鎌田)について野生種の多様性評価をモデル植物についてニンジンを用いて日本の国土を考慮し検討した。3)上記で検討された手法について環境耐性に特化した生物多様性影響評価の実験試行(菊池):耐塩・乾燥性遺伝子組換え樹木(ユーカリ)について、新規の材料育成を行い、新たな第1種使用規定申請の準備を行った。4)前記のうち特定用件の実験研究による手法改良あるいは開拓(藤村/菊池):耐塩性ジャガイモについても分子生物学的な評価を行い生理学的な評価の検討を行い,耐性を付与された系統で顕著なイモ等農業形質の利点が認められた。5)既存の耐塩性遺伝子組換え体植物を使用した生物多様性影響評価法の検討(大澤/ポスドク三村真紀子):土壌微生物等への影響について、RISA及び酵素活性の手法の試用を始めた。6)上記のプロセスに関わるリスクコミュニケーションのあり方の検討と実施策の提唱(渡邉):情報検索と大学及び学外でのbiocafeなどの地域的イベントを実施し、これに基づく調査資料を作成した。codA遺伝子組換えユーカリE.globulusについて耐塩性を集中評価し,生物多様性影響評価を実施した。この結果、耐性が高く海水程度の塩濃度に耐えて,生長できる系統を最終選抜し、3系統について第一種使用申請を行い、H20年2月に第一種使用規程の承認を受けた。3月に筑波大学の隔離ほ場にて栽培を始めた。日本で3件目となる遺伝子組換え体樹木の栽培試験となった。大学等としては,筑波大は,唯一第一種使用を経験している大学であり、全国的なリスク管理のモデルとしての事例を構築できた。ジャガイモについては,塩耐性の評価を塊茎形成と合わせて行い,塩ストレス下でも生産性の高い遺伝子組換え体系統を選抜した。これについて、生物多様性影響評価を実施開始した。H20年度に第一種使用をめざせるかどうかの判断基盤を作る。ジャガイモについては,環境ストレス誘導遺伝子群のマイクロアレイ解析を開始した。サンプルの調整等のノウハウを構築した。カルタヘナバイオセーフティー議定書の部会の教育会合を開き、バイオセーフティー教育のアジア拠点大学としての認知をうけ、Asian Biosafety Education Networkを立ち上げた。これにより、国際共同研究の推進基盤ができた。

生物多様性影響評価についてはアレロパシー性の新しい手法の基盤を作った。ユーカリジーンフローについてオーストラリアと共同研究を行った。最終年度で,環境ストレス耐性誘導遺伝子解析の集中的評価を行う為の人員の支援を本助成にて行った。特に,遺伝子組換え体の使用については,今年度は,新規に第1種使用の承認申請を耐塩性付与されたジャガイモについても第1種使用に向けた知見の構築を行った。調査、解析や実験研究のプロセスの課程で、専門性の偏りのないように管理、運営、展開を行うために別途筑波大学内から連携研究者を募った。社会人大学院生の能力も個別作業に活用した。また、国内外の各界を代表する団体からの示唆や協力を受けた。特に、文部科学省ライフサイエンス課、(独)農業生物資源研究所や(独)農業環境技術研究所など農作物の遺伝子組換え体について生物多様性影響評価に従事している機関からの情報交換等の協力支援も受けた。各国での環境耐性遺伝子組換え植物の環境リスク評価の現状の把握と要素の調査解析(渡邉/菊池)、国際バイオセーフティー学会に出席し情報を集成した。2)前記情報に基づく環境耐性に特化した生物多様性影響評価基準及び手法の推奨(渡邉)、3)上記で検討された手法について環境耐性に特化した生物多様性影響評価の実験推進(菊池)4)前記のうち特定用件の実験研究による手法の特定(菊池)、5)既存の耐塩性遺伝子組換え体植物を使用した生物多様性影響評価法の実施(菊池)及び6)上記のプロセスに関わるリスクコミュニケーションの実施(渡邉)今年度は特に、5と6)に焦点を置き、環境耐性遺伝子組換え体の評価系の基盤充実を図った。[連携研究者]すべて筑波大学・大学院生命環境科学研究科]教授鎌田博、生物多様性影響評価体系の助言;教授藤村達人、評価技法の適用妥当性の助言;准教授大澤良、ジーンフロー調査についての助言
喫煙者の肺がんリスクにおけるチトクロームP4502A6の毒性学的役割の解明

肺がんは喫煙との因果関係が最も深いと考えられている.タバコ煙中の変異原・がん原物質のうち最も代表的なものの1つに,喫煙や製造過程でニコチンから生成するタバコ煙特異的かつ強力ながん原性N-ニトロソアミン類である4-(メチルニトロソアミノ)-1-(3-ビリジル)-1-ブタノン(NNK)がある.NNKなどのタバコ関連N-ニトロソアミン類はヒトチトクロームP4502A6(CYP2A6)によって代謝的に活性化されて,遺伝子の突然変異を誘発することが明らかにされている.このこととマウスなどの実験動物にNNKを投与すると肺に効率よくがんが誘発される事実とを併せて考察すると,NNKなどのタバコ煙中のN-ニトロソアミン類による肺がんの誘発にはCYP2Aがヒトと実験動物に共通して関与している可能性が考えられた.そこで本研究では,ヒトと実験動物のCYP2Aのタバコ関連発がんにおける役割を解明することを目的とした.そのため,CYP2Aの代表的な阻害物質であるメトキサレンの前投与がNNK誘発マウス肺腫瘍の形成に影響を及ぼすか否かを検討した.その結果,マウスの肺にNNKの投与によって誘発された腫瘍がメトキサレンの前投与によってその投与量に依存して抑制された.また,免疫組織化学染色の結果から,NNKによって誘発された肺腫瘍部位においてCYP2Aが高発現していることが明らかとなった.これらの検討結果から,CYP2Aの触媒活性がNNKの投与によって誘発されるマウス肺腫瘍の発症に重要な役割を果たしていることが示唆された.以上CYP2AによるNNKの代謝的活性化の阻害がタバコ関連肺発がんに対する化学予防の新規な分子標的になり得ることを明らかにした.本研究によって得られた知見は,タバコ関連肺発がんの基盤情報として有用であり,タバコ関連発がんの予防医学に十分に貢献できると考える.肺がんは喫煙との因果関係が最も深いと考えられている.タバコ煙中の変異原・がん原物質のうち最も代表的なものの1つに,喫煙や製造過程でニコチンから生成するタバコ煙特異的かつ強力ながん原性N-ニトロソアミン類である4-(メチルニトロソアミノ)-1-(3-ビリジル)-1-ブタノン(NNK)がある.NNKなどのタバコ関連N-ニトロソアミン類はヒトチトクロームP4502A6(CYP2A6)によって代謝的に活性化されて,遺伝子の突然変異を誘発することが明らかにされている.このこととマウスなどの実験動物にNNKを投与すると肺に効率よくがんが誘発される事実とを併せて考察すると,NNKなどのタバコ煙中のN-ニトロソアミン類による肺がんの誘発にはCYP2Aがヒトと実験動物に共通して関与している可能性が考えられた.そこで本研究では,ヒトと実験動物のCYP2Aのタバコ関連発がんにおける役割を解明することを目的とした.そのため,CYP2Aの代表的な阻害物質であるメトキサレンの前投与がNNK誘発マウス肺腫瘍の形成に影響を及ぼすか否かを検討した.その結果,マウスの肺にNNKの投与によって誘発された腫瘍がメトキサレンの前投与によってその投与量に依存して抑制された.また,免疫組織化学染色の結果から,NNKによって誘発された肺腫瘍部位においてCYP2Aが高発現していることが明らかとなった.これらの検討結果から,CYP2Aの触媒活性がNNKの投与によって誘発されるマウス肺腫瘍の発症に重要な役割を果たしていることが示唆された.以上CYP2AによるNNKの代謝的活性化の阻害がタバコ関連肺発がんに対する化学予防の新規な分子標的になり得ることを明らかにした.本研究によって得られた知見は,タバコ関連肺発がんの基盤情報として有用であり,タバコ関連発がんの予防医学に十分に貢献できると考える.
未分化細胞に対する心筋化誘導によって獲得した心臓特異的イオンチャネルの分子機構

胎児性癌由来細胞のSub LineであるP19CL6細胞をdimethyl sulfoxide処理すると10日で心筋細胞に分化することが確認された。心筋分化前のP19CL6細胞の内因性イオンチャネル電流、イオン輸送体電流、及び細胞内電位を記録して心筋分化後電流の対照記録した。静止細胞では静止電位が浅く(-31±6mV)、自動拍動が記録されなかった。自動拍動の主成因であるL型CaチャネルとT型Caチャネル電流は一切記録されなかった。更にIfチャネル(過分極誘発内向き電流)は僅少であった一方、dimethyl sulfoxide処理して心筋細胞に分化した細胞は自動拍動を示し、その最大拡張期電位は-59±3mVを示した。分化刺激前のP19CL6細胞の細胞全体電流記録法と同様の方法で、Naチャネル電流L型Caチャネル電流、T型Caチャネル電流及び過分極誘発内向き電流(If電流)を記録した。(1)分化誘導細胞の単一チャネル電流記録と解析:P19CL6細胞誘導心筋細胞のイオンチャネルの単一チャネル記録を行い,そのキネティクスとToxin感受性を既知のヒト心筋チャネルのそれと比較した。特に、刺激伝導で主要な役割を果たすNaチャネルでは心筋型NaチャネルはTTX (tetrodotoxin)感受性が骨格筋、神経型Naチャネルより100倍ほど低いため、発現Naチャネルと正常ヒトNaチャネルの分子構造の比較に先立って電気薬理学的性質の差異を明らかにした。(2)興奮収縮連関の成立機転と総括:イオンチャネル等のイオン電流の誘導とアクチン-ミオシン等の収縮蛋白質の誘導によってP19CL6細胞が心筋細胞に特徴的な形質に分化するとき、その興奮収縮連関の成立条件を主にイオンチャネル電流の電流密度と収縮蛋白質の発現量から判断した。自動能の責任イオンチャネルの同定は心室筋型心筋化と洞房(房室)結節型心筋化の分化誘導の指標としCsx/Nkx2.5、GATA4、及びMEF2Cのイオンチャネル誘導作用を明らかにした。心筋細胞の発現と分化誘導過程の研究は特異的転写因子の同定と収縮蛋白質の検索が主導となって進められてきた。本研究では心筋に特異的なイオンチャネルやイオン輸送体と収縮蛋白の発現誘導過程を通して心筋分化の特徴、すなわち興奮性の獲得と収縮能の発現という重要な2つの因子を個々に評価している。特に発現誘導イオンチャネルの機能的発現時相とそのキネティクス解析を目指して以下の手順で実験を行った。1.胎児性癌細胞由来細胞P19CL6の心筋分化誘導:胎児性癌由来細胞のSub LineであるP19CL6細胞をdimethyl sulfoxide処理すると10日で心筋細胞に分化することを確認した。分化誘導10日目に最大拡張期電位-62mVの自動能を有する再生心筋細胞が得られた。2.分化誘導細胞の細胞内電位測定:P19CL6細胞の分化刺激から連日パッチクランプ法を用いて膜電流を記録し、更に同イオンチャネルの単一チャネル記録を行った。その結果、I_<Ca.L>、I_<Ca.T>、I_h等のペースメーカ電流チャネルが高密度に発現することが確認された。3.分化心筋細胞のラット心への細胞移植:P19CL6細胞が心筋細胞に特徴的な形質に分化するとき、その興奮収縮連関の成立によって収縮・弛緩機能をもった筋細胞が完成される。

この再生心筋細胞をラット異所移植心に細胞移植し、同時にテレメトリ送信機を縫着する事で自動能を有する細胞の細胞移植によってレシピエント心臓の拍動が調節されることを確認した。すなわち、移植再生心筋細胞は元来の心筋細胞とギャップ結合を形成し、興奮性の伝播の為に必要な電荷量の変化が観察された。更に、異所移植心の自動能と異なる拍動ペースを有する移植細胞ペースメーカ(副収縮様期外収縮)の出現が心電図で確認された。一方、移植細胞(P19CL6)とレシピエント心との電気的結合がいかなるコネキシンによって形成されるかは今後検討されるべき課題として残されている。胎児性癌由来細胞のSub LineであるP19CL6細胞をdimethyl sulfoxide処理すると10日で心筋細胞に分化することが確認された。心筋分化前のP19CL6細胞の内因性イオンチヤネル電流、イオン輸送体電流、及び細胞内電位を記録して心筋分化後電流の対照記録した。静止細胞では静止電位が浅く(-31±6mV)、自動拍動が記録されなかった。自動拍動の主成因であるL型CaチャネルとT型Caチャネル電流は一切記録されなかった。更にIfチャネル(過分極誘発内向き電流)は僅少であった一方、dimethyl sulfoxide処理して心筋細胞に分化した細胞は自動拍動を示し、その最大拡張期電位は-59±3mVを示した。分化刺激前のP19CL6細胞の細胞全体電流記録法と同様の方法で、Naチャネル電流L型Caチャネル電流、T型Caチャネル電流及び過分極誘発内向き電流(If電流)を記録した。(1)分化誘導細胞の単一チャネル電流記録と解析:P19CL6細胞誘導心筋細胞のイオンチャネルの単一チャネル記録を行い、そのキネティクスとToxin感受性を既知のヒト心筋チャネルのそれと比較した。特に、刺激伝導で主要な役割を果たすNaチャネルでは心筋型NaチャネルはTTX(tetrodotoxin)感受性が骨格筋、神経型Naチャネルより100倍ほど低いため、発現Naチャネルと正常ヒトNaチャネルの分子構造の比較に先立って電気薬理学的性質の差異を明らかにした。(2)興奮収縮連関の成立機転と総括:イオンチャネル等のイオン電流の誘導とアクチン-ミオシン等の収縮蛋白質の誘導によってP19CL6細胞が心筋細胞に特徴的な形質に分化するとき、その興奮収縮連関の成立条件を主にイオンチャネル電流の電流密度と収縮蛋白質の発現量から判断した。自動能の責任イオンチャネルの同定は心室筋型心筋化と洞房(房室)結節型心筋化の分化誘導の指標としCsx/Nkx2.5、GATA4、及びMEF2Cのイオンチャネル誘導作用を明らかにした。
一分子と集合体レベルでの分子モーター機能の顕微解析

分子モーター機能を、以下の実験系について解析した。1)アクチン・ミオシン分子モーター系:アクチン・ミオシン(HMM)分子間の硬直結合状態における破断力分布を、様々な負荷上昇速度のもとで計測した。その結果、負荷上昇速度が大きいと、破断力分布は7pN付近と15pN付近に2つのピークをもつが、負荷上昇速度が小さくなると、15pN付近のピークが消えることが分かった。このことから、硬直状態においてミオシン分子は単頭・双頭結合の平衡状態にあると結論された。ATP存在下でのHMM分子の発生張力を、in vitro滑り運動系で1分子計測し、温度やATPアナログの作用を検討した。その結果、発生張力は温度にほとんど依存しないこと、ATPに比べてGTPでの発生張力は約半分であること、などが分かった。2)微小管・キネシン分子モーター系:微小管・キネシン分子間結合の破断力と、キネシン分子の弾性率を、ATP非存在下(硬直状態)とAMPPNP存在下(ATP状態)で計測した。そこで1)と同様に、破断力と弾性率の負荷上昇速度依存性を計測した。その結果、破断力、弾性率ともに、硬直状態ではATP状態の約半分であることから、前者では単頭結合、後者では主に双頭結合であると結論された。さらに負荷上昇速度依存性から、双頭・単頭結合間に平衡関係が成り立っていることが分かり、そこでの速度定数が見積もられた。3)心筋収縮系:最大等尺張力に対するpHの作用は、心筋と骨格筋では異なる。アクチンフィラメント再構成心筋を用いて張力のpH依存性を調べたところ、制御タンパク質を含まないアクチンフィラメント再構成筋が最もpHの影響を受けやすいことが分かった。そこで心筋、骨格筋から調製したトロポミオシン、トロポニンを用いて、制御タンパク質をも再構成して調べたところ、pH減少に伴う張力減少の程度がトロポミオシンによって制御されることが明らかになった。