hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
都市を経由する河川流域における薬剤耐性菌の実態調査とその対策技術の提案

中規模都市である宮崎市の二つの河川,清武川と八重川の調査対象として,流域毎における緑膿菌の分布と各種抗生物質に対する耐性株の出現率について調査した。緑膿菌による感染症の治療薬として重要なペニシリン系のピペラシリン,セフェム系のセフォタキシム,カルバペネム系のイミペネムに対して,0.2-2%の低い耐性率ではあったものの,都市を経由する河川水中に存在することが確認された。日本のように,社会基盤が国内全土で整備され,集落においても都市と同様の生活スタイル,医療などのサービスを享受できる国土においては,見かけ上は清浄に見える河川においても薬剤耐性菌が分布していることが示唆された。薬剤耐性菌は,特定の患者や病院施設に限らず,人々の生活と密接に関わる都市域の水環境においても,存在している可能性を否定できない。真に安心して生活できる潤いのある都市環境を構築するためには,水環境における薬剤耐性菌に関する正確な情報を蓄積し,適切な対策を講じることによって,人々の不安解消および衛生学的保全を図る必要がある。そこで,中規模都市である宮崎市の二つの河川,清武川と八重川の調査対象として,流域毎における緑膿菌の分布と各種抗生物質に対する耐性株の出現率について調査した。緑膿菌は,河川の上流から下流に至って,2-32 CFU/100mlの範囲で広く分布した。MICによって薬剤耐性を評価すると,上・中・下流点のぞれぞれの単離株において,各種抗生物質に対する感受性が異なり,流域毎に薬剤の抵抗性に特徴があった。また,河川によっても各種抗生物質に対する感受性が異なり,流域および河川の違いによって河川水に存在する緑膿菌の各種薬剤に対する感受性は,変化していることがわかった。さらに,緑膿菌による感染症の治療薬として重要なペニシリン系のピペラシリン,セフェム系のセフォタキシム,カルバペネム系のイミペネムに対して,0.2-2%の低い耐性率ではあったものの,都市を経由する河川水中に存在することが確認された。腸球菌は,ふん便指標細菌であり,下水や河川,沿岸域に広く分布している。この腸球菌のなかに,バンコマイシン耐性腸球菌(vancomycin-resistant Enterococcus,VRE)が出現し,特定の患者や病院施設に限らず,水環境中においても存在している可能性がある。しかしながら,水環境を対象としたVREの報告例は極めて少ない.そこで本研究では,下水中に存在する腸球菌のバンコマイシンおよびその他の抗生物質に対する感受性について検討した。下水中に存在する腸球菌の中からバンコマイシンに耐性を有する菌株をスクリーニングするため,バンコマイシンを各濃度(0,2,4,32μg/mL)となるように調整した腸球菌選択培地(mEI培地)を用いて下水から腸球菌を単離した。通常のmEI培地から単離した菌株は,E. faecium,E. faecalisをはじめとする腸球菌であった.一方,VCM濃度が32 μg/mLのmEI培地からは,PediococcusやLeuconostocといったVCMに自然耐性を有する菌株が占有した。このことから,薬剤耐性腸球菌を単離するには4 μg/mL以下のVCM濃度をmEI培地に添加するスクリーニング法が適当であることがわかった。単離した菌株について,バンコマイシンを含む抗生物質7剤の薬剤感受性試験(MIC試験)を行った結果,バンコマイシンに対して中度耐性と多剤薬剤耐性の腸球菌が確認され,下水においても薬剤耐性腸球菌の存在が確認された。また,通常のmEI培地(0mg/L)から単離した菌株の中には,VCMを除く6薬剤に対して耐性を示す菌株が検出された。我が国の水環境において,バンコマイシンのほか,重要な抗生物質に対して,耐性を有する腸球菌が分布していることが明らかとなった。緑膿菌に関する院内感染が多数報告されつつある一方において,水環境中における緑膿菌の実態やその薬剤耐性に関する情報は極めて少ない。そこで本研究では,河川流域を対象として緑膿菌の存在実態を調査した。さらに,単離された緑膿菌に関して各種抗生物質の薬剤感受性試験を行い,薬剤耐性の有無,ならびに河川流域における耐性菌の分布状況について検討した。得られた知見を以下にまとめる。1)上流域から河口の下流に至る全ての地点において100101 cfu/100mlの緑膿菌が検出され,清武川流域全体に広く分布していることがわかった。

2)古くから広く利用されてきた代表的なテトラサイクリン系抗生物質は全株が耐性を示した。本調査河川においてもテトラサイクリン系耐性緑膿菌は広く分布していた。3)アミノグリコシド系抗生物質およびセフェム系抗生物質に対して,中程度耐性を示す株が存在した。4)院内感染で問題となっている多剤耐性緑膿菌は検出されなかった。5)流域地点毎における各薬剤の薬剤感受性をみると,セフェム系抗生物質の一剤は上流から下流にかけて,感受性率が上昇する傾向が見られた。その他の薬剤のMICから総合的に判断すると,上流域から下流域において,単離された緑膿菌は薬剤耐性の強弱の変化が認められなかった。河川の上流から下流における継続的な細菌学的調査を継続的に実施し,その成果を国際ジャーナルに投稿し,掲載されるに至った。また,河川流域から単離した薬剤耐性菌の遺伝子解析を行い,菌種の違いによって,各種薬剤に対する感受性が異なることが解明されつつある。したがって,当初の計画通りに進展している。河川の上流から下流における継続的な細菌学的調査において,調査地点を選定し,調査を継続的に実施する体制を整えた。中規模都市「宮崎」を経由する河川を調査対象エリアとし,人為的影響の極めて少ない最上流域から人間活動の活発な市街地,その下流,河口に至る流域の定点について,細菌(ふん便指標細菌,緑濃菌)も含めた水質調査を通年で実施した。調査タームは季節的変動を考慮し,平水時の細菌の動態を追跡した。その結果,緑濃菌の菌数が把握でき,薬剤耐性菌の発現率の実態の一部を明らかに出来た。この成果を日本水環境学会年会において公表することでき,概ね順調に進展していると評価した。緑膿菌の薬剤耐性の実態調査で得られた成果に基づいて,ふん便汚染指標細菌である腸球菌について,河川での薬剤耐性の事態調査を実施する。河川流域における薬剤耐性菌の実態調査において,河川の上流から下流における継続的な細菌学的調査を実施する。また,腸球菌の単離・同定と菌株の薬剤耐性試験を実施する。さらに薬剤耐性遺伝子の解析を行う。今年度は,最終年度であるので,河川流域における薬剤耐性菌の実態調査とMIC試験の結果から,その分布状況をとりまとめ,成果の発表を行い,総括する。1)都市域を経由する河川の上流・下流域全体における薬剤耐性菌の実態調査の継続的実施数河川を対象として,河川上流から河口・沿岸域に至る調査点を設定し,H24年度の年間にわたって継続的に緑濃菌と腸球菌の菌数モニタリングと薬剤耐性菌の発現率の調査を実施する。特に,腸球菌に重点を置く。2)薬剤耐性菌の発現実験人工的に各種抗生物質含有の培地を作成し,薬剤培地において非薬剤耐性の緑濃菌株を培養し,薬剤耐性の発現を観察する。発現した薬剤耐性菌について遺伝子をPCR法とシークエンス法で解析し,既知の薬剤耐性遺伝子の存在の是非を判定する。当初の予定通り,河川からの細菌の単離と同定に必要な培養器具類,遺伝子解析の試薬類に研究費を充てる。また,複数の抗生物質を購入し,MIC試験に用いる。備品は購入性せす,謝金等へも転用する予定はない。細菌検査キット:300千円薬品:200千円実験器具類消耗品:150千円研究旅費:70千円
女性、特に妊産婦に対するＰＯＣＴを用いたインパクトのある継続的な禁煙支援法の構築

Point of Care Testing (POCT)は、被験者の傍らで検査しその結果を速やかにフィードバックできる検査である。本研究はタバコ煙中ガス成分測定をPOCTという概念として捉え、禁煙支援や受動喫煙防止教育(防煙教育)のツールとして用いることができるか検証した。その結果、実際にタバコ煙中に含まれる有害なガス成分を目の前で測定し数値として見ることで、「喫煙の有害性」を認識することができるインパクトのある禁煙支援・防煙教育の方法であることが示唆された。今年度は、禁煙や受動喫煙防止の継続支援のための唾液中ニコチン及びその代謝物であるコチニン、3-ヒドロキシコチニン(3-HC)の高速液体クロマトグラフィー(HPLC)法による同時測定法の確立を行なった。これまで、測定方法として、ニコチンは主にガスクロマトグラフィー(GC)法で行われてきた。一方、コチニンや3-HCの測定にはGC法のほか、HPLC法や酵素免疫(ELISA)法等の分析法が利用され、それぞれの分析機器に適したサンプル前処理方法が用いられてきた。これは、ニコチンとコチニン、3-HCの化学的性質の違いが主な原因であり、同時に検体を処理し、同じ条件での測定が困難であったと考えられた。また、GC法に比べHPLC法は感度が低かったが、唾液の前処理方法を工夫することで、これら目的物質の安定した同時測定法を確立することができると考えた。今回、3本のカラム(前処理用、濃縮用、分析用)を用いた3-カラムスイッチング法を導入することで抽出操作等の煩雑な唾液の前処理を不要とし、目的物質の精製、濃縮、分析を一連の流れで簡単に行なうことができた。特に、分析用カラムの径を細くすることで、高感度に目的物質を分析することができた。また、標準物質を用いた測定では、10ng/mlから1000ng/mlの範囲で良好な直線性が得られた。ニコチンの代謝は個人差が大きく、コチニンや3-HCを同時に測定することは、3種類の半減期の相違からタバコ煙曝露状況を確認することができる。曝露の影響を知ることは継続的なフォローアップには重要であると考えられる。今後はこの3-カラムスイッチング法を用い、妊産婦やその周囲にいる被験者の禁煙状況や受動喫煙の影響を確認する。本研究はタバコ煙中ガス成分測定をPoint of Care Testing(POCT)という概念として捉え、女性、特に妊産婦の禁煙支援や禁煙アドバイス・受動喫煙防止のための新しいツールとして用い、その禁煙支援や受動喫煙防止の効果の有用性を検証し、タバコ煙曝露の健康影響を継続的にアプローチする方法の構築を目的としている。当該年度は協力の得られた新入学の看護学生を対象に、タバコ煙(主流煙、副流煙)中ガス成分(一酸化炭素(CO)及びアルデヒド類(HCHO))測定を対象者の目の前で行う実習を含めた喫煙の健康影響の講義を実施し、タバコや喫煙に関する意識の変化を講義及びタバコ煙中のガス成分測定実習の前後に、加濃式社会的ニコチン依存度テスト(KTSND ver.2.1)を用いてアンケート調査を行なった。実習後のアンケートでは、タバコの有害性について全ての学生が認識したと回答し、考え方は83.1%の学生が変わったと回答した。変わらなかった者の中には、元々タバコに対し良いイメージが無かったので変わらないと回答した者も含まれると考えられる。KTSNDはニコチン依存のうち、心理的依存(特にタバコに対する認知の歪み)を判定する質問票で、点数が高いほど喫煙を美化、合理化し、害を否定する意識が強い。今回の解析した70名は非喫煙者であったが、実習前の得点は10.2と正常範囲(09点)を超えていた。実習後には5.2と有意に低下し、タバコに対する認知の歪みが矯正された可能性がある。自由記載では、自分自身が非喫煙者であっても、家族や友人など身近にいる喫煙者へ禁煙を勧めようとする意見も見受けられ、タバコに対する考え方や意識に変化がみられた。タバコ煙に含まれる身近なガス成分であるCOやHCHOを測定することは漠然としていたタバコの害をより鮮明に意識できるようになり、POCTとして有用であると考えられた。今年度は、昨年度に引き続き自治体が開催している両親学級で、呼気中一酸化炭素濃度を測定した参加者を対象に喫煙習慣等のアンケート調査及び喫煙者には、POCTとして唾液中コチニン濃度を測定し、その結果をその場でフィードバックした。また、2011年に特別講義として実施した新入学看護学生対象の喫煙の健康影響の講義及びタバコ煙中ガス成分測定実験実習等に関する24か月後アンケート調査を行った。両親学級では、妻が妊娠しても夫は禁煙しない現状がみられた。しかし、妊娠前よりも本数を減らしている夫の禁煙の意思が高いことから夫婦を対象とした実践的な禁煙方法の指導を実施するなどの方策が必要と考えられた。

また、妊婦の目の前で喫煙する同居喫煙者がいること、さらに毎日、目の前で喫煙している同居者がいることも明らかになった。妊婦が自ら受動喫煙を避ける方法を指導することも大切である。同居の喫煙者がないと回答した者の中に、自宅で受動喫煙ありと回答した者があり、その場所としてベランダや換気扇からの煙を感じているといった回答がみられ、集合住宅では、階下や隣家での喫煙が非喫煙者宅に影響を及ぼしていることがうかがえた。POCTを用いた唾液検査結果をその場で提示しながら禁煙支援を実施することで喫煙者の喫煙に対する意識の変化や行動変容がみられた。看護学生対象のアンケートでは、加濃式社会的ニコチン依存度テスト(KTSND ver.2.1)が特別講義・実習前の得点は10.2と正常範囲(09点)を超えていたが、24ヶ月後では9点以下であった。実験実習を取り入れた防煙教育を行うことで、漠然としていたタバコの害をより鮮明に意識できるようになり、持続的かつ効果的な防煙教育に繋がると考えられた。本研究はタバコ煙中ガス成分測定をPoint of Care Testing(POCT)という概念として捉え、女性、特に妊産婦の禁煙支援や禁煙アドバイス・受動喫煙防止のための新しいツールとして用い、その禁煙支援や受動喫煙防止の効果の有用性を検証し、タバコ煙曝露の健康影響を継続的にアプローチする方法の構築を目的としている。当該年度は協力の得られたH23年新入学の看護学生83名(男性3名、女性80名)を対象に、タバコや喫煙に関する意識の変化を防煙教育特別講義の前後及び12ヶ月後と20ヶ月後に、加濃式社会的ニコチン依存度テスト(KTSND ver.2.1)等を用いて調査した(解析対象者:非喫煙女子学生)。特別講義の内容は、タバコに関する講義と、ガス検知管を用いたタバコ煙(主流煙、副流煙)中のガス成分(一酸化炭素及びアルデヒド類)測定を実施した。20ヶ月後には、再度講義を行った。結果は、『特別講義の内容を覚えているか』との質問に、12ヶ月後の調査で約7割、20ヶ月後では6割の学生が覚えているまたはやや覚えていると回答した。また、KTSND(30点満点で、依存が認められるほど高得点)の得点は、実習前が最も高く、実習後に最も低値となった。12ヶ月後、20ヶ月後と時間が経過とともに得点は上昇したが、20ヶ月後に再び講義を行った後の調査では、わずかではあるが低くなっており、POCTとしてタバコ煙中ガス成分の測定を取り入れた繰り返しの防煙教育の重要性がうかがえた。また、協力の得られた自治体が行っている両親学級では、呼気中一酸化炭素濃度の測定をPOCTとして取り入れ、カップルでの喫煙状況や喫煙に関するアンケート調査を行った。さらに、受動喫煙を危惧している妊婦や希望者に対してHPLCを用いて唾液中コチニンを測定し、結果をフィードバックした。当初の計画通り女性(看護学生)を対象にPOCT(タバコ煙中ガス成分分析)と喫煙に関するアンケート調査を行うことができた。機器の不具合で唾液中ニコチンと代謝物の測定は遅れているが、協力の得られた自治体が行っている両親学級での禁煙支援や唾液の採取も進んでいる。また、次年度も看護学生対象とした防煙教育を実施することが可能である。25年度が最終年度であるため、記入しない。POCTの一つとしてタバコ煙中ガス成分分析を用いた時の禁煙・防煙教育の効果とその持続性を検証することができた。
非還元雄性配偶子を利用した無核性カキ品種の育成

カキ数品種の花粉直径の分布を調査したところ,禅寺丸において巨大花粉の発生頻度が最も高い(約5%)ことが明らかになった.そこで,禅寺丸の巨大花粉と通常花粉をナイロンメッシュ(孔径62μm)を用いて分別し,フローサイトメーターによってそれぞれの花粉の核のDNA量を測定したところ,巨大花粉の核のDNA量が通常花粉の2倍であることが明らかになり,巨大花粉が非還元花粉であることが確認された.続いて,分別した禅寺丸の通常花粉及び非還元の巨大花粉を6倍体品種である次郎に交配した.交配約70日後の果実中の種子を調査したところ,通常花粉交配区の種子はほとんどが長さ15mm前後であり,その中には肉眼で確認できる大きさに発達した胚がみられる完全種子であったのに対し,非還元花粉交配区の種子の大部分は,長さ7mm前後であり,実体顕微鏡下でかろうじて確認できる程度の退化の段階にある胚を含んだ不完全種子がほとんどであった.これらの不完全種子中の未熟胚を無菌的に取り出し,胚の救助培養を行ったところ,植え付けた胚の数%のものが発芽した.フローサイトメトリーにより,これら発芽個体の核のDNA量は通常の6倍体のカキ品種の核のDNA量の1.5倍であることが示され,これらが9倍体であるものと考えられた.引き続いて9倍体シュートに発根処理をし,得られた根端の分裂細胞の染色体数を顕微鏡で観察したところ,いずれも2n=135の9倍体であることが確かめられた.これら9倍体個体を鉢上げ・順化し,温室で育成したところ,対照の6倍体個体とかわらず旺盛に生育した.当初の研究計画通り,カキ数品種の花粉直径を調査したところ,いずれの品種においても巨大花粉の発生は認められるものの,禅寺丸において巨大花粉の発生頻度が最も高い(約5%)ことが明らかになった.そこで,禅寺丸の巨大花粉と通常花粉をナイロンメッシュ(孔径62μm)を用いて分別し,フローサイトメーターによってそれぞれの花粉の核のDNA量を測定したところ,巨大花粉の核のDNA量が通常花粉の2倍であることが明らかになり,巨大花粉が非還元花粉であることが確認された.続いて,分別した禅寺丸の通常花粉及び非還元の巨大花粉を6倍体品種である次郎に交配した.交配約70日後の果実中の種子を調査したところ,通常花粉交配区の種子はほとんどが長さ15mm前後であり,その中には肉眼で確認できる大きさに発達した胚がみられる完全種子であったのに対し,非還元花粉交配区の種子の大部分は,長さ7mm前後であり,実体顕微鏡下でかろうじて確認できる程度の退化の段階にある胚を含んだ不完全種子がほとんどであった.これらの不完全種子中の未熟胚を無菌的に取り出し,胚の救助培養を行ったところ,植え付けた294個の胚のうち3個の胚が発芽した.フローサイトメトリーにより,これら発芽個体の核のDNA量は通常の6倍体のカキ品種の核のDNA量の1.5倍であることが示され,これらが9倍体であることが確認された.以上の結果より,巨大花粉の交配と未熟胚の救助培養による,9倍体育成の可能性が示された.カキ数品種の花粉直径の分布を調査したところ,禅寺丸において巨大花粉の発生頻度が最も高い(約5%)ことが明らかになった.そこで,禅寺丸の巨大花粉と通常花粉をナイロンメッシュ(孔径62μm)を用いて分別し,フローサイトメーターによってそれぞれの花粉の核のDNA量を測定したところ,巨大花粉の核のDNA量が通常花粉の2倍であることが明らかになり,巨大花粉が非還元花粉であることが確認された.続いて,分別した禅寺丸の通常花粉及び非還元の巨大花粉を6倍体品種である次郎に交配した.交配約70日後の果実中の種子を調査したところ,通常花粉交配区の種子はほとんどが長さ15mm前後であり,その中には肉眼で確認できる大きさに発達した胚がみられる完全種子であったのに対し,非還元花粉交配区の種子の大部分は,長さ7mm前後であり,実体顕微鏡下でかろうじて確認できる程度の退化の段階にある胚を含んだ不完全種子がほとんどであった.これらの不完全種子中の未熟胚を無菌的に取り出し,胚の救助培養を行ったところ,植え付けた胚の数%のものが発芽した.フローサイトメトリーにより,これら発芽個体の核のDNA量は通常の6倍体のカキ品種の核のDNA量の1.5倍であることが示され,これらが9倍体であるものと考えられた.引き続いて9倍体シュートに発根処理をし,得られた根端の分裂細胞の染色体数を顕微鏡で観察したところ,いずれも2n=135の9倍体であることが確かめられた.これら9倍体個体を鉢上げ・順化し,温室で育成したところ,対照の6倍体個体とかわらず旺盛に生育した.
脳シグマ受容体を指標にした加齢・神経変性疾患・脳腫瘍の新しいPET診断法

我々は独自に開発した放射性薬剤の[^<11>C]SA4503を用いて、平成12年度に世界に先駆けてPETによる健常者の脳シグマ1受容体の画像化に成功した。本課題では、1)健常者を対象にこの[^<11>C]SA4503-PET診断法を確立し、2)幾つかの脳疾患に応用することにより新しい診断法の意義を明らかにし、3)また、シグマ1受容体に関する基礎研究も遂行することを目的としている。4)更なる展開を図るため、臨床的に汎用性が期待される^<18>F標識リガンドやシグマ2受容体サブタイプ選択的な新規リガンド開発も目指した。主要な結果は以下の通りである。1.一般に神経受容体は加齢にともない減少するが、シグマ1受容体はラットやサルでは増加し、ヒトでは増加傾向を示した。2.アルツハイマー病の診断に[^<18>F]FDG-PETは有用であるが、[^<11>C]SA4503-PETは変性の指標としてより鋭敏であった。3.パーキンソン病診断では、ドパミントランスポータの減少と同様に、シグマ1受容体の結合能低下が認められた。4.ハロペリドールのシグマ1受容体占拠率を初めて明らかにした。向精神薬の薬効とシグマ1受容体結合能の関連性の検討が可能になった。5.統合失症などの精神疾患への応用も期待された。8.新たに検討した薬剤の中で、[^<18>F]FE-SA5845は、癌の診断薬としても期待できることが明らかになった。1.加齢に伴うサル脳シグマ1受容体の測定58歳および2428歳の2グループのサルに、シグマ1受容体に選択的な放射性薬剤[^<11>C]SA4503も受容体結合能を測定した。シグマ1受容体は脳全域に分布し、海馬等での結合能が高いことがわかった。また、これまで多くの神経受容体が加齢に伴い減少するのとは異なり、加齢により結合能が亢進しることがわかった。2.臨床研究初めにフェーズ1に相当する[^<11>C]SA4503によるPET測定を若齢健常者5名に施行し、診断検査法としての安全性を確認した。PET測定データと、血漿中代謝物をHIPL分析して得た入力関数を用いたコンパートメント解析により、ヒトの脳でもシグマ1受容体を測定できることが明らかになった。サル脳と同様に受容体は脳全域に分布し、海馬等での結合能が高いことがわかった。健常高齢者(6471歳)6名に[^<11>C]SA4503-PETを施行した。サルほど顕著な傾向は認められなかったが、部位によりシグマ1受容体の結合能が亢進する傾向が認められた。アルツハイマー病息者(AD、7179歳)6名に[^<11>C]SA4503-PETと[^<18>F]FDG-PETを施行した。AD特有の代謝の低下と一致した受容体の結合能が低下したが、代謝に比べ軽度であった。次年度以降さらに症例数を重ねて加齢やADのシグマ1受容体診断意義を明らかにする。3.新たな放射性薬剤の合成・開発[^<11>C]SA4503の^<18>F標識類似体として[^<18>F]FE-SA4503を合成した。この薬剤はシグマ1よりシグマ2受容体により選択性であった。マウス、ラットおよびサルによる検討で[^<11>C]SA4503同様にインビボで優れた性質を示し、癌診断への可能性が示唆された。

1.脳シグマ1受容体に関する基礎研究[^3H]SA4503、[^3H]pentazocineや[^3H]DTGを使用し、ラットでは加齢に伴う脳シグマ1及びシグマ2受容体が亢進することを明らかにした。また、マウスをモデルとして向精神薬ハロペリドールのドパミンD2とシグマ1受容体占拠率を測定したところ、後者の方が長期にわたり継続することを、初めて明らかにした。2.臨床研究パーキンソン病患者5名に[^<11>C]SA4503-PETと[^<11>C]CFT-PET及び[^<11>C]raclopride-PETを施行した。[^<11>C]CFT-PETによる線条体節前の機能低下にともない、シグマ1受容体の結合能が低下した。次年度以降さらに症例数を重ねてシグマ1受容体の診断意義を明らかにする。統合失調症患者を対象に[^<11>C]SA4503-PETによるシグマ1受容体測定、及び健常者を対象にハロペリドールの薬効のメカニズム解明のため、ドパミンD2とシグマ1受容体占拠率を測定する[^<11>C]SA4503-PETと[^<11>C]raclopride-PET測定も開始した。どちらも、次年度に継続して症例を重ねる。3.新たな放射性薬剤の合成・開発[^<11>C]SA5845の^<18>F標識類似体として[^<18>F]FE-SA5845を合成した。この薬剤はシグマ1よりシグマ2受容体により選択性であった。PETによりサル脳への結合を検討したところ、[^<11>C]SA4503同様の結合分布が明らかになり、臨床診断への可能性が示唆された。1.シグマ受容体リガンド開発に関する基礎研究我々が開発した臨床PET薬剤のシグマ1受容体リガンド[^<11>C]SA4503は、血液脳関門のP糖タンパク質の基質にはならないが、インビトロ実験等で標準薬剤と見なされている[^3H]pentazocineはP糖タンパク質により脳への透過性が減少されていることが、マウスによるインビボ実験でわかった。また、[^<11>C]SA4503や昨年開発した[^<18>F]FE-SA5845は、癌の診断薬としても期待できることが、ヒトの癌を移植したラットモデルで明らかになった。2.臨床研究パーキンソン病患者では、線条体節前のドパミントランスポータの減少と([^<11>C]CFT-PETで計測)同様に、シグマ1受容体([^<11>C]SA4503-PETで計測)の結合能低下が認められた。大脳皮質等の他の局部での異常は認められなかった。統合失調症患者8例を対象に[^<11>C]SA4503-PETによるシグマ1受容体測定したところ、健常者に比べて脳局所の変化は少なく、症例の追加と詳細な統計的な検討を引き続き行う予定である。健常者にハロペリドールを負荷したとき、シグマ1受容体占拠率([^<11>C]SA4503-PETで計測)はドパミンD2受容体占拠率[^<11>C]raclopride-PETで計測)のほぼ2/3程度に達することが明らかになった。[^<11>C]SA4503-PETでヒトの全身画像を得たところ、この[^<11>C]SA4503は肝胆排泄系の薬剤であり、PET計測時間内では下腹部での生理的集積は極めて少なく、脳腫瘍よりはこの部位での癌診断への可能性が明らかになった。
人工知能を駆使した高機能性経口製剤設計技術の確立

人工知能技術の発展過程で生み出されてきた革新的計算技術である機械学習を用いて、原薬の物理化学的性質(原薬物性)と錠剤物性の関係を明確化した。すなわち、新規のデータベースを構築したのち、機械学習の1つであるブースティングツリー(BT)を適用することで重要な原薬物性を抽出し、錠剤物性との関係をモデル化することで、未知サンプルの錠剤物性予測を試みた。81種類のモデル原薬について粒度分布、かさ密度、Hausner比、弾性回復率、水分含量、接触角などを含む15種類の粒子物性を測定した。また、約3000種類の分子記述子を算出した。処方は原薬50%、添加剤50%とし、直接圧縮打錠法により平錠を作製した。打錠圧は120、160、200MPaの3水準とした。錠剤物性として引張強度、崩壊時間、錠剤密度を測定した。これらのデータをまとめ、BTを適用することで原薬物性と錠剤物性間のモデル化を行った。Leave-some-out cross-validationによりBTモデルの評価を行った結果、いずれの錠剤物性においても高精度にモデル化でき、未知のサンプルに対して高精度な予測を行えることが示唆された。構築したBTモデルを基に各原薬物性の寄与度を評価した結果、引張強度には10%粒子径、崩壊時間には吸湿性の寄与が高いことが明らかとなった。一方で、錠剤密度は分子記述子の1つであるETA Epsilon Aが高い寄与を示し、フリー体の原薬に限定した場合、ETA Epsilon Aは錠剤密度と直線関係にあることが分かった。本研究を通じて、新規の錠剤物性データベースの構築に成功し、重要な原薬物性を特定する手法を確立した。得られた知見は、錠剤の製剤設計に人工知能技術を導入するための有用な基盤情報になる。
フリーラジカルの制御による内耳障害の治療に関する分子生物学的研究

本研究は内耳障害とフリーラジカルとの関係、特にNOの関連した内耳障害機構の解明と、内耳障害の新しい治療法の開発を目的として行われた。具体的には正常ならびに内耳障害モデル動物でのNO、活性酵素の発現を免疫組織学的に検討し各種フリーラジカル阻害剤による内耳障害の軽減効果を検討した。その結果、正常動物の内耳では、NOSI、NOSIIIのみが認められたが、内耳障害モデルではNOSIIが発現すること。NOSにより産生されたNOは活性酸素と結合してパーオキシナイトライトを産生し内耳障害性に働くこと、フリーラジカル阻害剤により内耳障害が軽減することなどが明らかとなった。また、DAF-2DAを用いた実験から正常動物でもGM、グルタミン酸の刺激でNOが産生されること、内耳障害動物では正常動物に比べて有意に大量のNOが産生されることが確認された。これらのことより、内耳障害の発症には、初期にはcNOSからのNOがついでNOSIIからのNOが強く関連していることが明らかとなった。さらに、臨床的にメニエール病患者10名にフリーラジカル消去剤を投与し、治療効果を検討した結果、1年経過した時点でめまい、聴力、耳鳴、能力低下にいずれも50%以上の効果を認め、また、シスプラチン難聴患者に対しても10例中8例で聴力の改善が認められた。以上より、内耳障害の発現にはフリーラジカルが強く関連しており、フリーラジカルを制御することで内耳障害の新しい法の開発が可能なことが強く示唆された。これらの結果は第100回日本耳鼻咽喉科学会総会、平成11年日本平衡神経科学会勉強会、第8回、第9回日本耳科学会、第57回、第58回日本平衡神経科学会で報告するとともに、12編の論文にまとめられた。本年度はLPS内耳炎モデル、耳毒性モデルを用いて内耳障害とフリーラジカルとの関連について検討し、メニエール病の治療に応用した。実験動物には有色モルモットを使用し、内耳障害はLPSあるいはゲンタマイシン(GM)の中耳腔内投与により作製し、フリーラジカルの発現を抗NOSII抗体、抗キサンチンオキシダーゼ(XO)抗体、抗ニトロチロシン抗体を用いて、LSABにより免疫組織学的に観察した。同時にNOS阻害剤(L-NAME)、スーパーオキサイド消去剤(SOD)などの投与を行い耳毒性が軽減されるかどうかについて検討を行った。さらに、臨床的にメニエール病患者10名にフリーラジカル消去剤(gultathione、rebamipide)を投与し、治療効果を検討した。その結果、内耳障害動物では蝸牛コルチ器、半規管膨大部稜、平衡斑の感覚細胞に種々の程度の変性を認めた。これらの形態学的変化はL-NAME、SOD等の投与により軽減した。さらに免疫組織学的検討により、内耳障害動物では蝸牛有毛細胞、血管条、前庭感覚細胞、前庭暗細胞、移行上皮にNOSII, XO,ニトロチロシンに対する反応が認められた。臨床的にはメニエール病患者にフリーラジカル消去剤を投与したところ10名中5名でめまい発作の消失、4名で聴力改善など60%以上の治療効果を認めた。内耳障害の発現にはフリーラジカル(NO、スーパーオキサイド、パーオキシナイトライト)が強く関連しており、さらに、NOS阻害剤やSODによるNO、スーパーオキサイドの消去およびそれに引き続くパーオキシナイトライトの生成阻害、すなわちフリーラジカルを制御することで内耳障害の治療が行える可能性が強く示唆された。これらの結果は第8回日本耳科学会、第57回日本平衡神経科学会で報告するとともに、5編の論文にまとめられた。

本年度は前年度に引き続いて内耳障害とフリーラジカル、特にNOとの関連について検討し、メニエール病、シスプラチン難聴の治療への応用を試みた。その結果、正常動物の内耳ではNOSI,NOSIIIのみが認められたが、内耳障害モデルではNOSIIが発現することが明らかとなった。また、DAF-2DAを用いた実験で正常動物でもGM、グルタミン酸の刺激によりNOが産生されること、内耳障害動物では正常動物に比べて有意に大量のNOが産生されることが確認された。これらのことより、内耳障害の発症には、初期にはcNOSからのNO、ついでNOSIIからのNOが強く関連していることが明らかとなった。さらに、臨床的にメニエール疾患者10名にフリーラジカル消去剤(rebamipide)を投与し、治療効果を検討した。その結果、レバミピドによるメニエール病の治療効果は1年経過した時点でめまいは著明改善:5/10、聴力は改善:5/10、耳鳴は改善:9/10、能力低下は改善:6/10、であった。さらに聴力に対する効果を周波数別に検討してみると250,500Hzでは有意に聴力が改善していた。また、シスプラチン難聴に対しても10例中8例で聴力の改善が認められ、内耳障害の発現にはフリーラジカルが強く関連しており、フリーラジカルを制御することで内耳障害の新しい法の開発が可能なことが強く示唆された。これらの結果は第100回日本耳鼻咽喉科学会総会、平成11年日本平衡神経科学会勉強会、第9回日本耳科学会、第58回日本平衡神経科学会で報告するとともに、6編の論文にまとめられた。
電子顕微鏡によるDNA蛋白顕微鏡の開発と構造細胞学への応用

本研究は新しく開発したエネルギーフィルタ型電子顕微鏡を使用し、蛋白質分子複合体の構造解析を目的としていた。しかし、エネルギーフィルタにより特有元素のスペクトルから像を結像させるには多量の電子を必要とし、氷包埋した試料でも相当な照射損傷が起こることがわかった。したがって、更なる方法論の改良が必要である。昨年度は国外の研究者の協力の元に単離精製したcGMP分解酵素(PDE)の活性化、不活性化に伴う分子構造変化を低角度回転蒸着法で解析した。この場合でもでエネルギーフィルタ型電子顕微鏡は弾性散乱電子だけで結像させることができるので極めて鮮明な像が得られたことはすでに昨年度の報告で明らかなことである。本年度は視細胞シナプスブ部におけるCaの分布について調べたので報告する。エネルギーフィルタ型電子顕微鏡では非弾性散乱電子の損失エネルギースペクトルの任意の位置で画像を形成することが出来る。そこで特定元素と相互作用し一定のエネルギーを失った電子スペクトル(コアロス電子)を用いて画像を形成することにより、これまでの電子線励起された特性X線の検出による微小分析(EDX)と較べ、より高い位置的分解能と比較定量性を持っている。視細胞シナプス部には活性部位にシナプスベシクルを繋ぎ止めているシナプスリボンと呼ばれる構造がある。その空間的配置、構造からシナプス伝達において重要な役割を果たしていると考えられてきたが、その実際の機能は不明であった。我々は今回このシナプスリボンにカベオリンが存在すること及び驚くことにCaが存在することを明らかにした。すなわち、シナプスリボンは活性部位のCa濃度を調節することによりトランスミッター放出を制御していると思われる。このことは、視細胞シナプスにはCa濃度依存的に解離するシナプシン1が存在せず、シナプス小胞はリボンのところでのみ繋ぎ止められているという事実ともよく一致している。ここでは視細胞の情報伝達系に関与する蛋白質であるcGMP分解酵素(PDE)の活性化、不活性化に伴う分子構造変化を低角度回転蒸着法で解析した。この場合でもでエネルギーフィルタ型電子顕微鏡は弾性散乱電子だけで結像させることができるので極めて鮮明な像が得られた。さて、PDEはαとβの大きなサブユニットのほかに二つの小さなγサブユニット(Pγ)からなっている(省略してPαβγγと書く)が、このPDEを純化しカラムを用いてPγを二つ持つもの(Pαβγγ)、一つ持つもの(Pαβγ)、および持たないもの(Pαβ)に分離し、それぞれのフラクションを観察した。その結果Pαβγγはそれぞれ形の違うヒモ状(変形S字型と変形F字型)のサブユニットが向かい合いリング状の構造を示すことがわかった。ところがPγが一つ外れたPαβγではリングを構成する変形F字型のサブユニットがC字型へと変化し、それにともない全体の構造も変化していることが明らかとなった。まずステレオ観察するとリングは平面に対しさらに折れ曲がったようになり、特に中心部の空間(中心孔)が減少していた。さらにPγが一つもついていないPαβでは両方のサブユニットがC字型へと変化し、それにともない両方のサブユニットはねじれの位置に移動しているようであった。すなわち、Pγはα,βサブユニットに多分一つずつ結合しており、それが活性化にともないα,βどちらが先かわからないが段階的に外れるということである。

本研究は新しく開発したエネルギーフィルタ型電子顕微鏡を使用し、蛋白質分子複合体の構造解析を目的としていた。しかし、エネルギーフィルタにより特有元素のスペクトルから像を結像させるには多量の電子を必要とし、氷包埋した試料でも相当な照射損傷が起こることがわかった。したがって、更なる方法論の改良が必要である。昨年度は国外の研究者の協力の元に単離精製したcGMP分解酵素(PDE)の活性化、不活性化に伴う分子構造変化を低角度回転蒸着法で解析した。この場合でもエネルギーフィルタ型電子顕微鏡は弾性散乱電子だけで結像させることができるので極めて鮮明な像が得られたことはすでに昨年度の報告で明らかなことである。本年度は視細胞シナプスブ部におけるCaの分布について調べたので報告する。エネルギーフィルタ型電子顕微鏡では非弾性散乱電子の損失エネルギースペクトルの任意の位置で画像を形成することが出来る。そこで特定元素と相互作用し一定のエネルギーを失った電子スペクトル(コアロス電子)を用いて画像を形成することにより、これまでの電子線励起された特性X線の検出による微小分析(EDX)と較べ、より高い位置的分解能と比較定量性を持っている。視細胞シナプス部には活性部位にシナプスベシクルを繋ぎ止めているシナプスリボンと呼ばれる構造がある。その空間的配置、構造からシナプス伝達において重要な役割を果たしていると考えられてきたが、その実際の機能は不明であった。我々は今回このシナプスリボンにカベオリンが存在すること及び驚くことにCaが存在することを明らかにした。すなわち、シナプスリボンは活性部位のCa濃度を調節することによりトランスミッター放出を制御していると思われる。このことは、視細胞シナプスにはCa濃度依存的に解離するシナプシン1が存在せず、シナプス小胞はリボンのところでのみ繋ぎ止められているという事実ともよく一致している。
薬剤耐性癌細胞における耐性に関わる遺伝子の発現調節機構の解明

MDR1をはじめとする抗癌剤耐性に関わる遺伝子の発現調節機構に関する研究は殆ど行われていない。従来p53やrasがMDR1の発現調節を行っているとの報告が成されたが、我々が樹立したヒト白血病細胞株KY-821と抗癌剤耐性亜株においては核内発現で見るかぎりこれらの遺伝子由来蛋白の核内発見は見られない。一方、ヒト白血病細胞株KY-821とその抗癌剤耐性亜株では親株はTNFαで増殖抑制を受けるが、抗癌剤耐性亜株では増殖抑制を受けないことから、TNF-αと関連するNF-κBやAP-1などの核内因子に異常がある可能性が高いと考えてこれらの因子の発現を検討した結果、親株ではTNFαで刺激後にはNF-κBの核内発現が増強するが、耐性株ではNF-κBの発現の増強は見られず、またAP-1についてはいずれにも発現増強はないことが見いだされた。しかし、耐性株の中にもTNFαに感受性があるクローンあることがわかり、これらのクローンではやはりTNFαで刺激後には核内NF-κBの発現増強が見られた。これらの結果から、NF-κBやAP-1は抗癌剤耐性遺伝子の発現調節に関与してるのではないことが示された。また、最近報告されたYB-1についても検討したが、我々の用いた細胞株ではP-glycoproteinが発現されていてもYB-1の発現が見られなかった。一方、シスプラチン耐性卵巣癌株では、熱ショック蛋白(HSP)の発現がその耐性機構に重要であり、HSP70やHSP27は核内にも多量に見いだされ、これらの蛋白がMDR1や耐性に関わる各種酵素の遺伝子発現に何らかの機能を果たしている可能性もある。今後はHSPを含めその他の転写因子の発現を検討もすべきと考える。我々はこれまで,主として白血病細胞株を用いて,薬剤耐性機序の解析を行なってきた。特にP糖蛋白の発現以外の耐性機構はまだそれ程研究が進んでいない。我々が樹立したAraC耐性白血病細胞株では一般に言われている酸素遺伝子には異常はなく,Ap-1等の核内蛋白の発現が増加していた。また,P糖蛋白を発現していない別の白血病細胞株でもAraC耐性のみならず,ADR,VINCHStin耐性株においてAp-1,Sp-1の発現増強があり,しかもこれらの発現阻害剤を用いることにより,その耐性を解除できた。一方,ヒト卵巣癌株とそのシスプラチン耐性株との比較においては,シスプラチン耐性株で核内における熱ショック蛋白の発現の増強があり,しかもp53発現も同時に見られた。これらの事実は,AP-1,SP-1のみならず,核内熱ショック蛋白等も種々の遺伝子発現に重要な役割を果たしていることを意味する。今後はさらに,普遍的にこれらの機内調節因子が働くのか,遺伝子発現のどの部位に関与するか解明したい。今回の研究では主として各種抗癌剤耐性ヒト白血病細胞株とcisplatin耐性ヒト卵巣癌細胞株(TYK-R10)において各種核内転写因子や熱ショック蛋白などの核内での発現と耐性パタン-との検討を行った。AraC耐性ヒト白血病細胞株であるKY-RaをIL-1添加で培養すると一部の細胞はアポプトーシスに陥ることから、まずクローニングによりIL-1,TNFαに感受性のあるKY-Ra-Sを分離した。KY-Ra-SはIL-1やTNFαを培養液中に添加するとNF-kBの発現が見られ、最終的に細胞にアポプトーシスを誘導できたが、KY-RaやADRやVCR耐性細胞ではこの現象は見られなかった。

また、既に報告されているが、KY-Ra、KF-19AraCなどでは通常の培養状態でAP-1,AP-2などの転写因子が発現されており、やはりAraC耐性にこれらの転写因子が重要な役割を果たしていると推測される。一方、TYK-R10では種々の熱ショック蛋白が多剤耐性に重要な役割を果たしていることを示したが、親株とは異なりAP-1やp53の発現が見られ、cisplatinこれら核内蛋白の役割も重要であることが推測されるが、現在までのところ正確な役割は明らかでない。これらの事実をふまえて、耐性解除効果を持つ種々の薬剤の効果と転写因子などの発現動態を見たところ、耐性解除効果とともに、pentoxyffirineにはAP-1やp53の発現抑制効果が、またcyclosporineAにはNF-kBの発現抑制効果があることがわかり転写因子をはじめとした核内蛋白の発現調節機構を標的とする薬剤耐性解除法の可能性が示された。以上から核内転写因子の発現状況の変化が薬剤耐性獲得とそれに付随する生物学的形質の変化に重要な役割をしていると思われるが、耐性になる薬剤により異なった因子が活性化されたり、また同時に数種の核内因子が作用する場合もあると考えられ、今後さらにその機序についての解析が必要である。
スピン非局在型の安定な有機中性ラジカルの光化学反応とフォトニクス機能開発

開殻有機分子は、分子骨格上への電子スピン密度の分布の程度により「電子スピン局在型」と「電子スピン非局在型」に分類できる。我々は、6-オキソフェナレノキシル(6OPO)と命名できる空気中でも安定な中性ラジカルを合成・単離した。電子スピンは、分子骨格全体に一定のトポロジー的対称性を持って広く非局在化しており、酸化還元活性な15π型の平面構造を有している。この6OPO骨格に電子ドナー性置換基を結合させた誘導体においては、中性ラジカル構造と分子内電子移動状態である両性イオン型ラジカル構造の形成が予想された。我々は、溶媒および温度変化に依存した両電子状態の100%の相互変換にこれまでに成功している。本研究では、「電子スピン非局在型」の中性ラジカルに対する世界初の光照射実験とそれに起因した動的な電子スピン構造の発現を目指した研究に取り組んだ。その結果、以下に示した誘導体の合成と、光照射が起点となる斬新な動的挙動の発現に成功した。(1)高い電子供与能を有する18π電子構造型分子を6OPO骨格に結合させた誘導体を合成した。そして、酸化還元挙動やそれに伴うクロミズム現象を明らかにした。また、溶媒および温度変化に依存した動的な電子スピン構造を見出し、その機構を量子化学計算から考察した。(2)この中性ラジカルに対する室温溶液状態における光照射実験を行った。その結果、中性ラジカル構造から両性イオン型ラジカル構造に光照射によって完全に変換することを見出した。開殻分子の光による電荷分離状態の創成である。
共鳴軟X線小角散乱による磁気テクスチャの観測

本年度は、共鳴軟X線小角散乱による磁性体材料の観測、及び、コヒーレント軟X線回折図形から実空間像を可視化するための位相回復アルゴリズムの高度化に関する研究を進めた。磁気スキルミオンが発現する合金CoZnMnに対して、コヒーレント軟X線回折イメージングを行い、CoとMnのそれぞれの元素吸収端において実空間の観測に成功した。これによって、元素選択的に磁気構造を観測することが可能になり、温度や磁場変化に伴う磁気構造の変化を議論した。また、絶縁体である磁気スキルミオン物質Cu2OSeO3においては過冷却によって磁気スキルミオンの構造が三角格子から四角格子に変化する様子や、カイラル磁性体CrNb2S6においてヘリカル磁気構造からカイラルソリトン格子へと磁気構造が変化する様子を実空間像を観測することに成功した。一方で、コヒーレント回折図形から実空間像を再構成するための位相回復アルゴリズムについて、スパースモデリングに基づく解析手法の開発を行った。観測領域内に磁気スキルミオンがスパースに存在する状態を想定し、計測対象の事前確率分布を仮定し、L1正則化項として加えることで、最適化を行う手法である。これによって、フォトン数の制限から統計精度の良くなく、データ欠損を含むような回折データからも効率的に情報を抽出できることをシミュレーションによって明らかにした。この解析手法は、磁気スキルミオンのダイナミクスをシングルショットで計測する場合などに適用できると期待される。平成30年度が最終年度であるため、記入しない。本年度は、共鳴軟X線小角散乱装置を用いて磁気スキルミオン格子の外場印可効果、マルチフェロイクス物質の多極子秩序状態の観測、コヒーレント共鳴軟X線回折による磁気イメージング計測を行った。絶縁体で磁気スキルミオンが発現するマルチフェロイクス物質Cu2OSeO3は、強電場を印加すると磁化率が変化することが観測されており、電場によって磁気構造が変化する可能性が報告されている。本研究では、強電場を印加しながら共鳴軟X線回折を行えるような装置を開発し、電場印可に伴う磁気構造の変化を測定した。その結果、ある方向に電場を印加するとスキルミオン格子に対応する6個の磁気散乱からヘリカル磁性体に対応する2個の磁気散乱へと変化する様子が観測された。これは、磁気スキルミオン構造とヘリカル磁気構造の間で電場誘起相転移が起きたことを示唆している。マルチフェロイクス物質として有名なBiFeO3では、共鳴軟X線回折によって新しい多極子として高次のトロイダルモーメントを観測することに成功した。入射軟X線の偏光を左右円偏光とすると、共鳴軟X線散乱のスペクトル形状が変化することが観測され、多極子と磁気モーメントの干渉によってスペクトル形状の変化が起きることを実証した。コヒーレントな軟X線を用いた共鳴軟X線回折では、磁気モーメントの実空間イメージング像を得ることが可能となる。実空間像観測には、磁気構造因子の位相情報を得る必要があるが、本研究では低対称なマスクを用いたオーバーサンプリング条件を課した位相回復アルゴリズムによって、高効率・高精度に実空間像を得ることに成功している。この手法によって磁気スキルミオン格子の実空間像を数十nm程度の空間分解能で観測することに成功した。初年度の目標として、コヒーレント軟X線回折による磁気イメージング、外場下での共鳴軟X線回折実験を挙げていた。前者については当初の予測通りの空間分解能で磁気イメージングを得ることに成功しており、後者についても電場印加によって磁気散乱の変化を観測することに成功している。本研究の目的である共鳴軟X線小角散乱による磁気ダイナミクス計測では、これらは計測技術は基盤となるものであり、当初の予定通りに開発できたことで今後の研究展開も予定通りに進められると期待される。本年度は、共鳴軟X線小角散乱による外場下での磁気スキルミオンの観測、及びコヒーレント軟X線回折による磁気テクスチャの実空間イメージングに関する研究を進めた。絶縁体であり磁気スキルミオンが発現するカイラル磁性体Cu2OSeO3においては電場を印加した状態で磁気散乱を観測することを試み、磁気スキルミオン相とらせん磁気相の間で電場誘起磁気相転移が発現することを確認した。さらに、電場を印加するために取り付けた電極の影響によって新たな磁気構造が発現することを発見した。試料を冷却すると試料と基板の間で熱収縮率が異なるため、試料を固定した電極間で試料に引っ張りの応力が印加されることになる。Cu2OSeO3では一軸の加圧によって磁気相転移が起きることが観測されているが、引っ張り応力によってらせん磁気構造の変調ベクトルが電極間方向に向いて安定化することが見られた。この状況で磁場を印加すると、通常は磁気スキルミオンが発現するのに対して、本実験では磁気カイラルソリトン格子が発現することを見出した。磁気カイラルソリトン格子は、磁場を印加するのに伴って磁気変調ベクトルが減少し、磁気モーメントの回転が孤立波となって等間隔に並んだ状態となる。そのような磁気構造が実現すると磁気散乱では高次反射が観測されるが、その理論計算値が実験で得られた値と一致したことから磁気カイラルソリトン格子の発現を実証することができた。また、コヒーレントな軟X線を用いて計測された回折から位相回復アルゴリズムによって磁気スキルミオンの実空間像を観測することにも成功した。

磁気スキルミオンが室温に近い温度から発現するFeGeを薄片に加工し、低対称なアパーチャー上に固定した試料を準備し共鳴軟X線散乱を測定した。得られた回折図形を反復的フーリエ変換による位相回復アルゴリズムで解析し、20nm程度の空間分解能で実空間像を観測した。磁気テクスチャの外場制御に関しては、当初計画していた磁場、電場に加えて一軸応力に関しても実験的に観測することに成功し、コヒーレント軟X線回折イメージングについても当初の計画通りに研究開発が進展し、実際に磁気スキルミオンの観測を行うことができた。本年度は、共鳴軟X線小角散乱による磁性体材料の観測、及び、コヒーレント軟X線回折図形から実空間像を可視化するための位相回復アルゴリズムの高度化に関する研究を進めた。磁気スキルミオンが発現する合金CoZnMnに対して、コヒーレント軟X線回折イメージングを行い、CoとMnのそれぞれの元素吸収端において実空間の観測に成功した。これによって、元素選択的に磁気構造を観測することが可能になり、温度や磁場変化に伴う磁気構造の変化を議論した。また、絶縁体である磁気スキルミオン物質Cu2OSeO3においては過冷却によって磁気スキルミオンの構造が三角格子から四角格子に変化する様子や、カイラル磁性体CrNb2S6においてヘリカル磁気構造からカイラルソリトン格子へと磁気構造が変化する様子を実空間像を観測することに成功した。一方で、コヒーレント回折図形から実空間像を再構成するための位相回復アルゴリズムについて、スパースモデリングに基づく解析手法の開発を行った。観測領域内に磁気スキルミオンがスパースに存在する状態を想定し、計測対象の事前確率分布を仮定し、L1正則化項として加えることで、最適化を行う手法である。これによって、フォトン数の制限から統計精度の良くなく、データ欠損を含むような回折データからも効率的に情報を抽出できることをシミュレーションによって明らかにした。この解析手法は、磁気スキルミオンのダイナミクスをシングルショットで計測する場合などに適用できると期待される。今年度得られた研究成果を基に、より高速な磁気ダイナミクス、高精度な磁気イメージング、様々な外場応答の観測を目指していく。磁気ダイナミクスについては、マイクロ波を照射した状態で共鳴軟X線回折を計測し、スキルミオンのマグノンに対応する信号を検出することを目指す。マイクロ波を照射できるような試料、電極を開発し、放射光のパルスと同期させる手法で検出を目指す。外場制御に関しては、電場だけでなく、電流や一軸応力、熱流、スピンカレントによる磁気構造の変化を検出する計測手法の開発を行う。これにより、例えば、電流印可によってスキルミオン格子が回転する様子などを観測することを目指す。また、高精度な磁気イメージング手法の開発については、インフォマティクスの手法を活用した新しい位相回復アルゴリズムの開発に取り組む。例えば、磁気構造の空間分をすべて計測するのではなく、スキルミオンの中心位置情報のみを高効率、高精度に計測できるようなアルゴリズムの開発を目指していく。これまでの研究成果から、外場を印加した状態での共鳴軟X線小角散乱による磁気テクスチャの観測、及びコヒーレント軟X線回折イメージングによる実空間観測の基本的な計測技術は完成した。