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樹木木部細胞の分化過程における細胞骨格ミオシンのダイナミックスに関する研究

ミオシンは、アクチンフィラメントとの間で滑り運動を行う、"motor-proteins"の一種と考えられている。従って、植物細胞の分化過程において重要な役割を担っているアクチンフィラメントや微小管の局在や配向をミオシンが制御している可能性が考えられる。しかしながら、動物細胞における知見と異なり、植物細胞でのミオシンの役割については不明な点が多い。そこで、樹木木部細胞内におけるミオシンを解析する方法の確立を行い、さらに分化中木部細胞内におけるミオシンの局在や配向を観察した。ミオシンの観察は、これまで微小管やアクチンフィラメントなどの細胞骨格の可視化などで確立した方法と同じく、ミオシンに対する抗体を用いた間接蛍光抗体染色法により行った。分化中木部を含む切片を作成し、その切片をミオシンに対する抗体および蛍光色素を標識した二次抗体で染色を行い、共焦点レーザ走査顕微鏡でミオシンの局在を観察した。ミオシンに由来すると思われる蛍光は、木部細胞内で集合体を形成した。この集合体は、仮道管相互の有縁壁孔の孔口領域に局在していた。また、分化が進行するにつれて孔口領域の集合体は小さくなった。一方、アクチンフィラメントも同様な場所に局在していた。ミオシンは容易にアクトミオシン複合体を形成する。従って、樹木の分化中木部細胞において、動物の筋肉の収縮過程などと同様なアクチン-ミオシン収縮システム(acto-myosin contractile system)が存在する可能性が充分考えられる。ミオシンは、有縁壁孔の孔口領域の減少(収縮)など樹木細胞の分化過程を、アクチンフィラメントと共に制御していると思われる。ミオシンは、ATPの加水分解エネルギーを利用してアクチンフィラメントとの間で滑り運動を行う、いわゆる"motor-proteins"の一種と考えられている。ミオシンは、アクチンを移動させることにより筋肉の収縮を起こすなど、動物細胞で多くの知見が得られているのとは対照的に、植物細胞でのミオシンの役割については不明な点が多い。特に樹木細胞においては知見がほとんど無く、樹木細胞の分化過程においてどの様な役割を担っているかは不明である。しかしながらミオシンは、容易にアクトミオシン複合体を形成することから、樹木細胞の分化過程においてアクチンフィラメントや表層微小管の局在や配向の制御を通して形態形成を制御していることが充分予想される。そこで今年度は、木部細胞の分化過程や木部細胞内におけるミオシンを解析する方法の確立とともに、分化中木部細胞内におけるミオシンの局在や配向を観察した。ミオシンの観察には、これまでアクチンフィラメントの可視化などで確立した方法と同じく、ミオシンに対する抗体を用いた蛍光抗体染色法により行った。分化中木部を含む切片を作成し、その切片をミオシンに対する抗体で染色後、さらに蛍光色素を標識した二次抗体で染色を行い、共焦点レーザ走査顕微鏡で観察した。その結果、ミオシンに由来すると思われる蛍光が観察された。蛍光は、壁孔やらせん肥厚などの修飾構造近傍に認められ、ミオシンが細胞壁成分の局在に関与している可能性が考えられる。また、これまでの研究からアクチンフィラメントが同じく修飾構造近傍に局在することが明らかにされており、ミオシンとアクチンフィラメント間に何らかの相互作用が存在することが予想される。来年度は、同一切片上でアクチンフィラメントや微小管など他の細胞骨格とミオシンを二重染色し、両者の関係についてさらに詳細な観察を行い、樹木木部細胞分化の制御機構に関する新たな知見を得る予定である。しかしながら、植物細胞でのミオシンの役割については不明な点が多い。

そこで、樹木木部細胞内におけるミオシンを解析する方法の確立を行い、分化中木部細胞内におけるミオシンの局在や配向を観察した。ミオシンの観察には、これまでアクチンフィラメントなどの細胞骨格の可視化などで確立した方法と同じく、ミオシンに対する抗体を用いた蛍光抗体染色法により行った。分化中木部を含む切片を作成し、その切片をミオシンに対する抗体および蛍光色素を標識した二次抗体で染色を行い、共焦点レーザ走査顕微鏡で観察した。ミオシンに由来すると思われる蛍光は、木部細胞内で集合体を形成した。この集合体は、仮道管相互の有縁壁孔の孔口領域に局在していた。また、分化が進行するにつれて孔口領域の集合体は小さくなった。一方、アクチンフィラメントも同様な場所に局在していた。ミオシンは容易にアクトミオシン複合体を形成する。従って、樹木の分化中木部細胞において、動物の筋肉の収縮過程などと同様なアクチン-ミオシン収縮システム(acto-myosin contractile system)が存在する可能性が充分考えられる。有縁壁孔の孔口領域の減少(収縮)など樹木細胞の分化過程を、アクチンフィラメントと共に制御していると思われる。
ニジマスGTリピートDNAを用いた魚類細胞への遺伝子導入ベクターの開発

マウスやショウジョウバエなどではトランスジェニックアニマルを作る方法がすでに確立されている。これに比べるとトランスジェニックフィシュの研究は研究年数も浅く、技術的にもまだ確立していない。近年、主にゼブラフィシュやメダカなどの小型魚類に外来遺伝子の導入を計った研究が急増しているが遺伝子導入、発現、時世代への遺伝と三拍子揃った成果を出したものは今のところほとんど報告されていない。一方、同じ遺伝子導入でも植物やショウジョウバエを用いた遺伝子導入ではかなりの確率で外来遺伝子の導入が可能であり、さらに、子孫にその形質を安定に伝えることが可能である。その仕組みとして、これらの生物では外来遺伝子導入ベクター内に染色体の塩基配列と相同な約25bpのダイレクトリピートが存在しており、この配列を用いて相同組換で遺伝子導入が行なわれている。そのため、魚類の多系分析に用いられているVNTRやGTリピートマイクロサテライト(染色体中に存在する特異的塩基配列で全ゲノムに均等に存在し、メンデル遺伝する事が知られている)の特異的塩基配列を市販のベクターに挿入しにニジマスの卵にマイクロインジェクションすることにより外来遺伝子を相同組換えにより染色体に導入することを試みた。方法として、GTリピート特異配列ライトアーム(AGATTTACCCAGCCAGGTAG)レフトアーム(CTGTCCCTGTTCAGACTATGT)でレポーター遺伝子を挟みベクターへ接続し卵にインジェクションした。このアームをベクターに接続する方式をセンスかアンチセンス、またはセンスとアンチセンスの3様式作成した。次に、インジェクションした卵の全てを擦り潰し、さらに遺伝子を抽出、レポーター遺伝子に特異的な配列を合成しPCR法により卵に外来遺伝子が導入できたか否かを調べた。その結果、レポーター遺伝子(CAT)の前後に二組のGTリピート特異配列を接合(センス、アンチセンス)した時の遺伝子導入効率は一組のGTリピート特異配列を接合した場合よりも卵への遺伝子導入効率が約15%増加した。
新規創薬標的ＴＲＡ２Ｂの機能の解明

我々は新たな分子標的薬剤の開発を目指し、網羅的な遺伝子発現解析によって、不死化癌細胞特異的に高発現していたTRA2Bを標的候補として策定した。本研究ではTRA2Bが癌と関わりの深い遺伝子群について、発現レベルのみでなくスプライシングパターンについても調節していることが示された。このことから、TRA2Bがこれらの遺伝子群を制御することによって、癌細胞の生死に直接的に関わっている可能性が示唆された。昨年度までの研究成果により、TRA2Bが癌細胞の生死を規定する重要な因子であることが示唆された。すなわち、癌細胞を用いたTRA2Bノックダウン実験における遺伝子発現解析とネットワーク解析によって、TRA2Bが細胞周期チェックポイントの制御因子であるMAD2L1や細胞増殖を制御するLATS2などの遺伝子発現を調節し、さまざまな細胞内パスウェイに関与していることが示された。しかしながら、TRA2Bがどのようにして、これらの遺伝子発現調節を介したパスウェイ制御を行っているかについては未だ明らかとはなっていない。最終年度では、癌細胞の増殖や細胞周期制御機構において、TRA2Bが選択的スプライシングを制御する因子であることに着目し、TRA2Bによって産出されるがん特異的なスプライシングバリアントの関与について検討した。具体的には、エキソンアレイおよび高機能シークエンサーを用いて、TRA2Bによってスプライシング制御される癌関連遺伝子について、がん特異的なバリアントの策定を試みた。その結果、すでに癌との関連が示されているCD44を含め、19の癌関連遺伝子において新規バリアント候補を検出することができた。なお、策定したバリアントに関しては、配列解析やクローニングによって癌細胞不死化に関わる機能についてさらに検証を進める予定である。難治性固形がんにおける画期的な創薬を目指し、マイクロアレイによる網羅的遺伝子発現解析によって策定した癌細胞特異的不死化規定因子TRA2Bの機能解析を行った。まず、新規標的候補としての可能性について検討するため、ノックダウン実験を行ったところ、顕著な増殖抑制効果が得られた。このことから、TRA2Bが新規抗癌標的となりうることが示唆された。また、増殖抑制効果と、TRA2Bのノックダウン効率との間に相関がみられたことから、TRA2Bが癌細胞の生死を規定する重要な因子であると考えられた。TRA2Bと機能的に関連する因子を策定するため、ノックダウン細胞に対し、マイクロアレイによる遺伝子発現解析を行った。その結果、様々な遺伝子に発現変化が認められ、特にスピンドルチェックポイントの機能因子であるMAD2L1の発現低下や癌抑制遺伝子LATS2の発現が亢進していることが明らかとなった。更に、MAD2L1ノックダウン実験によって、TRA2Bの遺伝子発現に変動が見られないことから、TRA2BがMAD2L1発現を制御していることが示唆された。また、ネットワーク解析においても、TRA2Bノックダウンによりさまざまな細胞周期チェックポイントパスウェイが有意に変動していることが示唆された。TRA2Bはスプライシングファクターとして、様々な遺伝子における選択的スプライシングを制御することが知られている。また、異常なスプライシングバリアントは癌細胞の増殖や細胞周期チェックポイント制御に影響を与えているというこれまでの報告から、癌や細胞増殖、細胞周期の関連因子における、TRA2Bによる選択的スプライシング制御について検討するため、エキソンアレイや高機能シークエンサーによる解析を計画している。本年度はこれまでほとんど知見の無いTRA2Bと癌関連因子との機能的関連性を調べる事を目的としており、マイクロアレイを使った遺伝子発現解析とネットワーク解析によってTRA2Bと関わりのある候補因子について策定する事が出来た。さらに、real-time RT-PCR法とウェスタンブロッティング法によって、MAD2L1やLATS2に関しては、遺伝子レベルだけでなくタンパク質レベルでの発現調節について検証する事が出来た。これらの成果から、本年度までの研究目的をおおむね達成できたと考えられる。一方で、TRA2Bによる遺伝子発現調節の詳細な機構、および、がんと関わりのあるシグナル伝達系のタンパク質のリン酸化状態や活性の調節に関しては次年度以降の検討課題である。前年度の成果から、計画通りにTRA2Bによってスプライシング制御される遺伝子について、エキソンアレイと高機能シークエンサーを用いて不死化癌細胞特異的なバリアントを策定する。また、策定したバリアントの配列解析やクローニングを行い、癌細胞不死化に関わる機能について検討する。また、前年度に策定したMAD2L1やLATS2などのTRA2Bによって発現制御される遺伝子について、その発現制御機構についても解析を進める。高機能な計算機の購入によって、当初導入する予定であったマイクロアレイ解析やネットワーク解析用有償ソフトウェアではなく、フリーソフトウェアでの解析が可能となったため、消耗品費を大幅に削減する事が出来た。当初、企業委託での高機能シークエンサー実験を予定していたが、研究代表者が使用できる施設に高機能シーケンサーが導入された事で、より多くのサンプルを使ってデータを取得する事が可能となった反面、消耗品にかかる費用が増すため、繰り越した助成金は翌年度の助成金とあわせ、主にその購入に充てる予定である。
戦後教育改革期の数学教育における「数学的な考え方」の萌芽と発展に関する研究

本研究では,数学教育における「数学的な考え方」に焦点をあてて,戦前から戦後への数学教育の連続性について考察を行っている。乗法の意味の拡張は,数学教育の指導の進展としてとらえられ,戦後の「数学的な考え方」をとらえる上での一つの視点とされている。この点について,戦前から戦後へと一貫する指導の改善を論点にまとめている。また,特徴的な教材を昭和22年の国定教科書『算数』から取り上げ,現在の数学教育への示唆として「算数的活動」の意義をまとめている。乗除数が分数の場合の乗除法に関する意味指導が,戦後教育改革期においてどのように考えられていたのかを明らかにした。乗除法の意味指導は,戦後の「数学的な考え方」において強調された内容であり,現在の数学教育においても重要視されている。本研究は,この萌芽と発展に着目した研究である。乗除法の意味指導については,戦前の国定教科書『尋常小学算術書』『高等小学算術書』『尋常小学算術』『カズノホン』『初等科算数』においても,単なる計算方法の習得ではなく立式の意味を考える指導への変遷を見ることができる。戦後教育改革期の分数の乗除法の指導では,戦前,戦中に比べて,教育課程上の指導学年の変更や指導内容の記述に違いを見ることができる。そして,割合を基にした分数の乗除の意味づけがされているのが特徴である。ここでは,比の三用法が強調され,比の第二用法との関連で乗法の意味が説明され,比の第一用法と第三用法から除法の意味が説明されている。こうした「数学的な考え方」を通して,整数から小数,分数の場合へと乗除法を拡張することがねらわれている。また,実際の教科書における展開にも,この考え方を反映した教材を見ることができる。割合の学習において,分数の乗除法の計算の意味と方法を考える教材がこの例として挙げられる。こうした史実は,戦前・戦中の分数の乗除の指導の変遷における改善点が,戦後教育改革期を経て,戦後にも継承されていたことを示すものである。昭和22年の『学習指導要領算数科数学科編(試案)』においては,バージニアプランを参考した面があることが指摘されてきた。しかし、これは単なる米国の模倣ではなく,戦前・戦中の日本の数学教育を引き継いだ面があることから,戦後教育改革期における数学教育への評価に対する見直しとして着目した。このため,両者の分数の乗除の指導に焦点をあて,ここでの相違点を明らかにした。この結果,単位分数に着目して,そのいくつ分を求める計算として分数の乗除を意味づけている点や,整数,小数,分数の加減乗除を統一した考え方で捉えようとしていることは共通してしていた。しかし,バージニアプランが具体例とその結果から計算を意味づけているのに対して,昭和22年の『学習指導要領算数科数学科編(試案)』では,計算の方法を割合の意味やその前提にある比例関係に着目することで意味づけていた。これは,戦前・戦中の日本の数学教育における分数の乗除の意味指導を引き継いだ内容である。これによって,本研究における中心的テーマである「数学的な考え方」の萌芽を,戦後教育改革期の数学教育における分数の乗除の意味指導において確認することができた。そして,これは,こうした戦前・戦中の分数の乗除の指導の変遷における改善点が,戦後教育改革期を経て,戦後にも継承されていたことを示すものであった。戦後教育改革期における数学教育は,占領軍の影響や進歩主義教育の影響を受けており,教科書や学習指導要領(試案)などにおいても,特有の記述が見られるのは確かである。しかし,詳細に分析をすると,その内実においては戦前・戦中の数学教育を継承していたり,戦後の数学教育につながる考え方を見出したりすることができる。このことから,この時期の数学教育は,戦前から戦後へとつながる一連の過程の中に位置づけることができるのである。本研究では,第一に,戦後の数学教育におけるキーワードとなる「数学的な考え方」に焦点をあてて,戦前から戦後への数学教育の連続性について考察を行っている。この点について,戦前から戦後へと一貫している指導の改善を論点にまとめている。これは,前年度までの研究における戦前の分数の乗除の指導の変遷の研究を継続したものであり,これらの成果を踏まえつつ,連続性の視点からまとめ直したものである。

第二に,この中で特徴的な教材を昭和22年の国定教科書『算数』から取り上げ,現在の数学教育への示唆として「算数的活動」の意義をまとめている。第三に,戦後教育改革期に数学教育の目標として示された「よさ」の用語について,その起源を辿り,ここにおける数学教育論が現在の数学教育の基礎として位置づけられることをまとめている。こうした一連の研究成果は,従来の数学教育史における戦後教育改革期の数学教育の位置づけへの見直しとして,学会誌等に発表されている。
水平打継を有するRC梁のせん断耐力評価に関する研究

鉄筋コンクリ-ト造建物(RC)の施工の合理化を目的として部剤の一部をプレキャスト化するハ-フプレキャスト工法の必要性が強く、その実用化も進んでいる。特に床スラブにハ-フPC化した工法を用いる場合、はり部材に水平打継が生じる。RC梁のせん断耐力は、その破壊性状が複雑で、多くの実験にもとずいて耐力式が提案されているが、その複雑さの中にさらに水平打継面を設けた場合の耐力評価を一本打ちと同様に進めてよいか疑問となるところである。本研究では、水平打継を有するRC深について、地震時にはり部材に生じる応力状態を想定した逆対称モ-メント加力形式による破壊実験を行うこととした。試験体に与えた要因は、(1)水平打継ぎの有無、(2)せん断補強筋比の2要因で合計12体作製した。はりの断面は、幅17.5cm、はりせい27.0cmの約1/3縮尺模型である。実験の結果、一体打ちは、打継面のずれ変形は観測されず試験区間両端部に生じた加力点に向うせん断ひび割れが大きく口開き、上端主筋に沿うひび割れが入ることにより最大耐力に至ったが、水平打継を有する部剤はすべての試験体で、ずれをともない打継ぎ面下のコンクリ-トの圧縮破壊により最大耐力に至った。せん断耐力の評価にあたっては、せん断補強筋が多い場合について、水平打継を有する部材は、一体打にくらべ耐力上昇がにぶくなっており、一体打部材に対する評価式に対し、その適用に注意が必要であることが明らかとなった。
海藻特異成分による血管新生の引き金の阻止と血管新生性疾患の予防

我々は硫酸多糖が血管新生の引き金となる初期因子の作用を抑制する可能性を報告してきた。硫酸多糖は血管内皮細胞への毒性も殆どないことから、有効性に富んだ希少な薬剤になると推察される。我々は、特有で多様な硫酸多糖を豊富に含んでいる天然素材として海藻があることに着目し、阻害剤としての可能性を検討した。そこで、どのような海藻由来酸性多糖に強力な血管新生阻害作用があるか、薬剤として活用可能な構造への変化に伴いその作用がどうなるか、また血管内皮細胞における作用機序はどのようなものか、これらの点について検討し、以下の知見を得た。1.褐藻由来フコイダンは血管新生を強く阻害した。一方、同じ褐藻に存在する酸性多糖で、固形癌における抗腫瘍効果の低いアルギン酸は、微弱な血管新生阻害活性であった。2.低分子化してもフコイダンは血管新生阻害活性を保っていた。3.構造や特質がほとんど調べられていない緑藻から抽出した硫酸多糖の粗抽出画分は、微弱ではあるものの血管新生を抑制する傾向が見られた。4.海藻由来硫酸多糖は、血管新生因子(bFGF)誘導性で血管新生に重要と目される物質の合成を抑制する傾向が見られた。以上の結果より、海藻由来硫酸多糖による血管新生の抑制が抗腫瘍効果に寄与する可能性と、低分子化しても活性が保持されるため吸収面からも優れた血管新生阻害物質となる可能性が示唆された。また血管新生の引き金の作用を阻害できる優れた物質である可能性が推察された。これらの成果は、今日まで生理活性物質として殆ど利用されていなかった海藻由来成分が、血管新生の阻害物質として、有効な活用が可能であることを示唆する。海藻由来硫酸化多糖の血管新生阻止作用を明らかにしたことは、新しい癌治療法の導入と予防の実用化を早め、また糖尿病性網膜症など多くの血管新生性疾患の新たな治療および予防の基盤構築に寄与すると考える。海藻に特有の成分から血管新生阻害物質を見つけだし、血管新生性疾患の治療および予防に道を開くことが本研究の目的である。褐藻に含まれる硫酸多糖フコイダンについては、これまで抗腫瘍効果を含む多様な生理活性が報告されている。しかし、血管新生の制御に関わる解析はわずかであり、主に臍帯静脈や大動脈の内皮細胞を用いての解析であった。そこで本年度はまず、微小な血管をネットワークとして観察できる鶏胚漿尿膜(CAM)と、ウシ肺微小血管または副腎皮質毛細血管内皮細胞をアッセイ系として用い、北欧地域に分布する褐藻ヒバマタ(Fucus vesiculosus)由来フコイダンの血管新生に対する作用を調べた。その結果、フコイダンはCAM上の血管新生を強く阻害すること、また、増殖に左右されない条件下で微小血管内皮細胞によりマトリジェル上に形成される管腔も、顕著に阻止することを見出した。一方同じ褐藻に存在する酸性多糖で、固形癌における抗腫瘍効果の低いアルギン酸は、微弱な血管新生阻害活性であった。このように、フコイダンによる微小血管新生の阻止が明らかになり、血管新生の阻止活性は抗腫瘍効果と一致する可能性が考えられたため、フコイダンの抗腫瘍効果の一部に血管新生の阻止が寄与している可能性が示唆された(第64回日本癌学会総会に発表(平成17年9月14日):健康産業流通新聞第607号(平成17年10月8日)に掲載)。

次のステップとして現在、日本近海に多く分布する緑藻類ミル(Codium fragile)から、まず海藻特異成分である酸性多糖の粗画分抽出を試みている。血管新生阻害は癌や糖尿病性網膜症等の新規治療法として注目され、有効な阻害剤の開発が待たれている。細胞外マトリックスに存在するヘパラン硫酸は、血管新生促進因子の引き金としての作用を制御するが、海藻にはヘパラン硫酸に類似した特有の成分が、多種類、多量に存在する。このことから我々は海藻由来物質の血管新生阻害剤として活用を目指している。本研究の目的は、へパラン硫酸類似物質を含めた海藻固有成分が発揮する血管新生阻害活性を見つけ出し、血管新生性疾患の治療および予防に道を開くことである。我々は昨年度、微小な血管をネットワークとして観察できる鶏胚漿尿膜(chorioallantoic membrane : CAM)と、培養微小血管内皮細胞をアッセイ系として用い、褐藻に含まれる酸性多糖で抗腫瘍効果の強いフコイダンと低いアルギン酸の、血管新生における作用を解析した。今年度は更に、紅藻由来酸性多糖であるカラギーナン2種およびポルフィラン等の血管新生に対する作用を詳細に調べた。その結果、抗腫瘍効果と血管新生阻止活性が一致し、海藻由来酸性多糖の抗腫瘍効果の一部に血管新生の阻止が寄与している可能性が示唆された。しかしフコイダン等、硫酸多糖は高分子であり、吸収性を考慮すると低分子化が望ましい。そこでフコイダンを低分子化し、血管新生阻害活性を保持しているかどうか検討した。分子量約5,000に低分子化したフコイダンは、マトリジェル上で培養された微小血管内皮細胞の管腔形成阻害能を保持し、またCAM上の血管新生阻害活性も保っていた。低分子化しても、血管新生の阻止活性を保つことが明らかになったため、フコイダン等海藻由来硫酸多糖は、有効な血管新生阻害物質となる可能性が示唆された(第65回日本癌学会学術総会に発表(平成18年9月29日):琉球新報、沖縄タイムス(共に平成18年11月1日)に掲載)。新しい癌治療法の導入と予防の実用化を早めるために、今後は海藻由来硫酸多糖による血管新生阻害機序の解明について検討を進める。海藻には特有の成分が存在するが、生理活性は充分に研究されていない。本研究の目的は未踏の材料、海藻から血管新生阻害物質を見つけだし、血管新生性疾患の治療および予防に道を開くことである。血管新生は一つの過程の阻止よりも引き金の抑制が重要であり、その可能性のある硫酸多糖および抗酸化成分は阻害剤として価値が高い。本研究の推進は、血管新生性疾患の阻止と予防に直結した創薬の開発に寄与する。昨年度までに、まず紅藻、褐藻に存在し血管新生の引き金を阻止する可能性の高い酸性多糖の作用を調べ、フコイダン、カラギナン等が強い阻害活性をもたらすことを明らかにした。今年度は、酸性多糖の構造や特質がほとんど調べられていない緑藻類のミルから酸性多糖の抽出を試み、鶏胚漿尿膜(CAM)の血管をin vivoアッセイ系として、粗画分の血管新生への作用を検討した。精製されたフコイダン等に比べれば弱いが、特定の酸性多糖画分に、血管新生を抑制する傾向が認められた。一方、我々は以前から抗酸化成分による血管新生への作用を調べており、海藻由来の抗酸化成分に血管新生抑制作用があるかどうか調べるため、前実験として種々のキサントフィルに関する血管新生への作用を検討した。しかしCAMにおいては血管新生抑制効果が認められなかった。海藻由来キサントフィル類似の抗酸化成分の効果を調べるため、現在抽出を続けている。
サルコリピンによる心筋筋小胞体Ca2_+取り込みの分子調節機構

筋小胞体のCa^<2+>ポンプ蛋白機能を修飾しているサルコリピンの機能を解明した。サルコリピンをマウス心室筋に発現させ(SLN-TG)、心室筋を取り出しサポニン処理しスキンド標本を作製して、筋小胞体のCa^<2+>取り込み、Ca^<2+>誘発性Ca^<2+>放出(CICR)、Ca^<2+>リークを調べた。また、無傷乳頭筋を摘出しエクオリン法によって、単収縮のCa^<2+>トランジェントと張力を同時測定した。心室筋の細束を弛緩液中でサポニン処理した後、電顕で観察したが、筋小胞体、T管、収縮蛋白は正常であった。筋小胞体Ca^<2+>制御関連タンパク質(SERCA2a、リアノジン受容体、フォスフォランバン、カルセクエストリン、サルコリピン)をウェスタンブロッティング法で調べたが、未処理筋と同様に保持されていた。サポニン処理筋をガラス毛細管の中に入れて、倒立蛍光顕微鏡のステージ上で種々の溶液を流し、最後に、50mMカフェインで筋小胞体内Ca^<2+>を放出させfluo-3と反応させて測定した。筋小胞体にCa^<2+>をATP存在下で取り込ませ、時間依存性を測定した。取り込み時間が短い時にはSLN-TGの方がCa^<2+>取り込み量が低かった。しかし、100秒を超えた定常状態では取り込み量に差はなかった。種々の濃度のCa^<2+>溶液(pCa8-5.6)を15秒間作用させると、pCa6.6-6.2で、SLN-TGでは有意にCa^<2+>取り込み量が低下した。CICRを評価したが、SLN-TG心筋とnon-TGでは差はなかった。また、筋小胞体からリークするCa^<2+>量を測定したが有意差はなかった。SLN-TGの単収縮のCa2+トランジェントと張力はnon-TGよりも低下し、それぞれの減衰時間は延長していた。これらの結果より、SLNは一心拍ごとのCa^<2+>動態と収縮に影響するが、定常状態のCa^<2+>ハンドリングには影響しないことが明らかになった。(1)左室乳頭筋標本による細胞内Ca^<2+>トランジェントと収縮張力の同時測定サルコリピン(SLN)過剰発現マウス(SLN-TG)及びNTGマウスより左室乳頭筋を得る。標本を張力トランスデューサーに装着し、Ca^<2+>感受性発光蛋白エクオリンを圧注入後、標本に電気刺激を与えて収縮を誘起し、Ca^<2+>トランジェント(CaT)と収縮張力を同時測定した。SLN-TGはNTGに比べ、CaTと収縮張力のピーク値は有意に低かった。細胞内Ca^<2+>減衰速度と収縮弛緩速度はどちらともSLN-TGでは有意に延長していた。

これらから心筋においてもSLNの過剰発現により、Ca^<2+>取り込みが減弱し、CaT・張力・弛緩時間に影響を与えることが示唆された。心筋標本に交感神経β受容体刺激薬を作用させ、燐酸化時のCaTと収縮張力変化を測定し比較検討したところ、SLN-TGはβ受容体刺激により有意にCaTと収縮張力が増加し、細胞内Ca^<2+>減衰速度と収縮弛緩速度も速くなるものの、NTGに比べその絶対値は抑制されていることがわかった。このことはSLN-TGにはβ受容体刺激による調節を受けない細胞内Ca^<2+>取り込み抑制機構が存在することを示唆し、SLNは燐酸化の影響を受けない可能性が考えられた。(2)心室肉柱標本による筋小胞体Ca^<2+>放出の定量評価-定量的な筋小胞体Ca^<2+>放出の評価を行うため、心臓より細い肉柱標本を摘出し、サポニン処理して細胞形質膜のみを除去し、筋小胞体膜を温存したスキンド標本を作成した。筋小胞体内にCa^<2+>を取りこませた後、筋小胞体から放出されるCa^<2+>量を蛍光指示薬(fluo-3)にて測定した。現在までにこの方法を用いて、マウス筋小胞体のCa^<2+>放出量や、全Ca^<2+>含有量の検討に成功している。今後はこの方法を用いて筋小胞体機能に対するSLNの機能を明らかにしていく。サルコリピン(SLN)過剰発現マウス(SLN-TG)から得られた心室筋は、単収縮時の細胞内Ca^<2+>濃度と収縮張力のピーク値が野生型マウス(NTG)に対して有意に低かった。またCa^<2+>取り込み速度が有意に延長していた。SLN-TGにおける筋小胞体機能を半定量的に評価するため、心臓より摘出した細い肉柱標本をサポニン処理して細胞形質膜のみを除去し、筋小胞体膜を温存したスキンド標本を作製した。筋小胞体の最大Ca^<2+>取り込み量はSLN-TGとNTGの間で変化は見られなかった。一方で単位時間当たりのCa^<2+>取り込み能は、SLN-TGで有意に延長していた。また筋小胞体からリークするCa^<2+>量はSLN-TGとNTGで変化は見られなかった。これらの結果は、SLN-TGにおいて筋小胞体機能は単位時間当たりのCa^<2+>取り込み能のみが変化していることを示しており、これまで生化学的に明らかにされてきた結果を生理学的に確認することができた。我々はこの結果を更に検証するため、筋小胞体Ca^<2+>ポンプ過剰発現マウス(SERCA-TG)心筋を用いて、同様の実験を行った。SERCA-TGはその野生型と比較して、単位時間当たりのCa^<2+>取り込み能は亢進していたが、筋小胞体最大Ca^<2+>取り込み量やリークするCa^<2+>量には変化が見られなかった。これらの結果により、サルコリピンによる筋小胞体Ca^<2+>ポンプ活性の低下は、筋小胞体の取り込み能のみに影響を示し、他の筋小胞体機能には影響を与えないことが考えられた。
東北近本のブナ林生態系の生能遺伝学的研究

本研究は下記の目次(分担)によって研究成果のとりまとめをした。1.研究目的:アイソザイムを利用したブナ天然林の集団遺伝学的解析、それらの林分の立地環境の評価を行い、天然下種更新、萌芽更新の実体を明らかにする。ブナ林の体鶴分析を行い、動植物の保護、生態遺伝学の見地から総合的にブナ林の保全と育成管理の条件を論究する。2.日本のブナ林の概況:ブナ属の種数、ブナ・イヌブナの分布、現存ブナ林面積、地史的なブナの分布と伝播の概要についてまとめた。3.ブナ林の既往の生態遺伝学的研究成果:葉の大きさが南から北へ大きくなり、個体の寿命が本州のブナに比べ北海道のブナに比べ北海道のブナの方が短い。4.ブナ天然林なアイソザイムによる遺伝解析1)調査林分の気象環境・土壌環境と現存量2)(1)ブナ天然林集団間の遺伝解析:11酵素種、14推定遺伝子座の総計47対立遺伝子の分析を行い、集団遺伝学的解析をした。ブナ自体のアイソザイム遺伝変異は他の樹種と比べると相対的に大きいが、林分間の差異は小さく、全変異のわずか1.4%で、残りの98.6%は林分内にあった。(2)ブナ林分内小集団内の遺伝解析:アイソザイムによる家系分析(3)ブナ天然林集団内の形態的変異:成葉、幹足部幹形、樹皮型、萌芽性5.ブナ天然林の維持機構1)ブナ天然林の種子による維持機構:植生と更新稚樹、ギヤップ更新2)ブナ林の萌芽による維持:ブナとイヌブナの萌芽更新の実態6.ブナ天然林の景観分析7.ブナ天然林の保全と育成管理の方策の総合検討1)ブナの遺伝資源保存:アイソザイム分析とブナ保護林の実態の検証2)ブナ林景観保存本研究は下記の目次(分担)によって研究成果のとりまとめをした。(2)ブナ林分内小集団内の遺伝解析:アイソザイムによる家系分析(3)ブナ天然林集団内の形態的変異:成葉、幹足部幹形、樹皮型、萌芽性5.ブナ天然林の維持機構1)ブナ天然林の種子による維持機構:植生と更新稚樹、ギヤップ更新2)ブナ林の萌芽による維持:ブナとイヌブナの萌芽更新の実態6.ブナ天然林の景観分析7.ブナ天然林の保全と育成管理の方策の総合検討1)ブナの遺伝資源保存:アイソザイム分析とブナ保護林の実態の検証2)ブナ林景観保存1.環境調査北海道狩場山系及び白神山地においてそれぞれに調査地を設定し、積雪深記録計、気温記録計の設置を行い、当該林分の毎木調査(胸高直径及び樹高の測定)を行った。2.更新機構調査北海道狩場山系及び白神山地において林分構造、林床植生などを調査し、特にブナ林の更新について明らかにする目的で上層林冠形成木と稚幼樹の関係を検討した。その結果、林床植生はササ型が多く、後継樹となるような稚幼樹の発生は少なかった。また立地環境に対応して種子による一斉更新と萌芽更新の二つのタイプが存在することが明らかとなった。また親木形態と種子形質及び稔性についても調査を行った。その結果親木形態の樹皮型において白神山地ではすべて平滑型であったのに対して狩場山系では3つのタイプがみられた。着果本数率・種子稔性共に狩場山地が良好であった。3.遺伝変異調査北海道では歌才(80個体)、狩場山系(103個体)、遊楽部山系(64個体)、千軒岳山域(164個体)、白神山域ではクマゲラの森(147個体)、藤里営林署管内(120個体)、真昼岳で105個体のブナから冬芽を採取した。

これらの内、歌才、クマゲラの森、真昼岳の3集団について6-ホスホグルコン酸脱水素酵素、ジアホラ-ゼ、フマラ-ゼ、ホスホグルコムタ-ゼ、アスパラギン酸アミノ転移酵素等18酵素種19推定遺伝子座についてアイソザイム分析を行った。その結果3集団とも比較的高い遺伝変異を有していたが、集団間の変異は小さいものであった。1,環境調査:北海道、黒松内営林署狩場山国有林及び白神山地、鯵ヶ沢営林署小森国有林、二ツ井営林署米田山国有林のブナ林に設置しておいた気象測器(最深積雪計・積雪移動杭・温度計)の読み取りと撤収を行い、成長量測定のための毎木調査の再測の結果、極めて僅かの成長を認めた。苗場山国有林、葛根田国有林、飯豊山国有林等のブナ林において新たに成長量調査区を設定し毎木調査をした。さらに気象測器をセットした。2,更新機構調査飯豊山系のブナ林の更新調査のため、6林分にそれぞれ20mx20mの調査区を設け、高木層構成樹木の毎木調査を行い、アイソザイム分析試料を各林分から100点を採取した。太平洋側のイヌブナ天然林及び日本海側のブナ天然林の構造と更新様式を明かにするため高原山(栃木県)で林冠ギャップ、カヤノ平(長野県)で閉鎖林冠下に調査区を設け、毎木調査を行い2タイプのブナ天然林の更新様式を考察した。葛根田(岩手県)、五味沢(新潟県)のブナ林で更新状況を調査した。種子と萌芽による更新の両者が立地環境に対応して存在していた。3,遺伝変異調査:狩場山、黒石沢等6林分で、調査した12酵素種、計16推定遺伝子座について、個体別の遺伝子型を判定した後、多型遺伝子座の割合(Pl),1遺伝子座あたりの対立遺伝子数(Na)、観測及び期待平均ヘテロ接合体率(Ho,He)を算出した。昨年、分析した3林分と合わせ、計9林分のアイソザイム遺伝子型分析結果をまとめた。前記の各遺伝的的指標の平均値は、Pl=70.8%、Na=2.5、Ho=0.17、He=0.14であつた。遺伝的多様度(Gst)は0.014、遺伝距離の平均値は0.003であり、林分間の遺伝的分化が極めて小さく、変異のほとんが林分内に保有されていた。1.環境調査アイソザイム分析用のブナの冬芽を採取した6調査地域において毎木調査区を設けて測定した資料に相対成長式を適用して、ブナの現存量、成長量を推定した。各調査区の近隣の気象観測所等の気温、降水量の資料を所定の方法によって補正し、月平均気温年均値を求め、ハイサ-グラフを作成した。各調査区の土壊の物理性、化学性を分析した。2.更新機構調査飯豊山地においてブナ天然林内に6調査区を設け、毎木調査の際に採取した冬芽のアイソザイム分析を行い、昨年実施分の白神山地分と合せて判別分析の手法で解析した。調査区間、地域間とも遺伝的差異はほとんどなかった。イヌブナについて埼玉・栃木両県の3林分を調査した。萌芽更新によって1116本の株立ちであった。根系からの萌芽も多かった。新潟県苗場山地に設けられたブナ天然更新試験地の母樹保残率30%で、かつ刈払い区において試験区設定約25年目の稚樹の生存本数を調査した。疎開穴(ギヤップ)における更新、ほふく幹からの萌芽特性を調べた。3.遺伝変異調査飯豊山地、富士見峠等4林分から採取した冬芽のアイソザイム分析をした。昨年度までに分析した9林分の分析資料と合せ、13林分について集団遺伝学的解析した。11酵素種、14推定遺伝子座で総計47個の対立遺伝子を検出した。各集団について検出した対立遺伝子の総数は3241の範囲にあり、平均35.7個であった。一座あたりの平均対立遺伝子数は2.292.93個の範囲にあり、平均2.55個であった。平均対立遺伝子頻度が5%以下のrare allele(希少遺伝子)は9酵素種、10椎定遺伝子座で総計22個の対立遺伝子であった。この希少遺伝子の内、5個(23%)は北海道の集団においては検出されなかった。
移植自家静脈グラフトの内膜増殖に及ぼすShear Stressの影響

慢性動脈閉塞症に対する血行再建術は安全に行われるようになってきたが、未だに20-30%の晩期閉塞を認め、血管外科医の解決すべき問題点である。晩期閉塞の主要因は移植自家静脈の内膜肥厚であり、我々は、いままでに末梢run-off不良条件下、つまりlow flow shear stressでは、移植自家静脈内膜肥厚が増強することを臨床的及び事件的に報告してきた。血管内皮細胞はプロスタサイクリン(PG12)やNitric Oxide (NO)などを放出し、血管の収縮弛緩反応の調節及び血小板凝集を抑制するという重要な生理学的役割が知られている。今回PG12およびNOに注目して実験したところ、移植自家静脈血管内皮細胞のプロスタサイクリンおよびNO産生能の低下が移植早期よりみられ、内膜肥厚の著明な異常血流条件モデル下ではさらに助長された。自家静脈における内皮細胞のプロスタサイクリン及びNO産生能の低下が血小板凝集を促進し、晩期閉塞を助長すると考えられた。eicosapentanoic acid (EPA)は自家静脈内膜肥厚を抑制し、その機序のひとつとして、NO産生能の亢進が示唆され、内皮細胞機能の保持が晩機閉塞予防に寄与すると考えられた。1)異常血流条件下(low shear stress)に移植した自家静脈片のプロスタサイクリン(PGI_2)産性量の経時的変化、内皮細胞の修復課程を、正常血流条件下のそれと比較。異常血流モデルを作成した犬大腿動脈に大腿静脈を移植。移植後3日から4週目までの自家静脈片を培養液で還流し、PGI_2を測定。3日目では内皮細胞は変形収縮し内皮下が露出していたが、PGI_2はすでに産性されており、一週目以降経時的にその産性量は増加した。血流条件による産性量の差は、4週目に正常血流群の方が大きくなった。一方、2週目において内皮の修復はほぼ完成されているが、血流条件による内皮の形態には差異を認めなかった。正常血流に比べ異常血流条件下(low shear stress)に移植した自家静脈内膜肥厚は著明であるが、異常血流条件下で内皮PGI_2産性能の低下の関与が示唆された。2)移植自家静脈内膜肥厚に寄与する平滑筋細胞及び内皮細胞の増殖動態の経時的変化及び異常血流の影響をBudUを用いた免疫組織学的手法によって検討。BudU標識率は中膜で移植後5日目、内膜では1週目に最高値示して以後低下傾向にあり、平滑筋細胞の増殖は移植後比較的早期にピークがあるものと思われた。内膜の標識率は、異常血流群で正常血流群より高く、この事が内膜肥厚の差の原因と思われた。1)ウサギを用いて、移植自家静脈グラフトの内膜肥厚における血流条件、高脂血症の影響の経時的変化を検討した。normolipidemia群では、異常血流肢で正常血流肢と比べ有意に内膜肥厚が著明であった。hyperlipidemia群では、正常血流肢でも内膜肥厚がみられ、異常血流肢ではさらに有意に内膜肥厚が著明であった。抗マクロファージ抗体(RAM11)を用いて免疫組織学的に検討するとhyperlipidemia群のみにRAM11陽性細胞が認められ、移植後2週では、肥厚内膜外層に主にみられ、4週ではその陽性細胞の数が増加し、一部内弾性板の直上にもみられた。移植後6週では正常血流肢、異常血流肢ともにRAM11陽性細胞の肥厚内膜への浸潤が著明に増加し、特に異常血流肢では、マクロファージ浸潤はびまん性で、内皮直下、あるいは内腔近くの層にも多数の浸潤を認めた。2)犬後肢動脈を伏在動脈以下膝窩動脈までの分枝を残した以外本幹まで結紮切離し異常血流モデルを作成。移植6週後に、右大腿動脈(異常血流群)及び左大腿動脈(正常血流群)を摘出。等尺性収縮張力法にて内皮依存性弛緩反応を比較検討。

AChによる内皮依存性弛緩反応及びSNPによる内皮非依存性弛緩反応は両群間に有意差はみられなかったが、ADPによる内皮依存性弛緩反応は異常血流群で有意に抑制された。この事は、runoffの悪い異常血流条件下におけるグラフト再建はhost arteryのEDRF(内皮依存性弛緩因子)産性低下が血症板凝集を促進し、移植グラフトの晩期閉塞を助長する可能性を示唆した。血行再建術後のグラフト晩期閉塞の主要因は吻合部膜肥厚であり、我々は、いままでに末梢run-off不良条件下(low flow shear stress)では、移植自家静脈内膜肥厚が増強することを臨床的及び実験的に報告してきた。しかしながら、移植自家静脈内膜肥厚の機序、及びその予防については未だに確立されていないのが現状である。血管内皮細胞はNitric Oxide (NO)を放出し、血管の収縮弛緩反応の調節及び血小板凝集を抑制するという重要な生理学的役割が知られておりNOと様々な病態との関連が報告されている。一方、移植自家静脈グラフト血管内皮細胞におけるNOの作用及び内膜肥厚との関連については、よくしられていない。そこで、NOの作用について、以下の点に注目して移植自家静脈グラフトを用いて検討した。1) NO産性能に対する血流条件の影響犬後肢に末梢run-off不良のモデルを作成後、正常血流群、異常血流群の大腿動脈で比較すると、ADPの内皮依存性弛緩反応が異常血流群で障害されていた。次に自家静脈を移植し正常血流群と異常血流群で比較すると、内膜肥厚の著明な異常血流群では、内皮依存性弛緩反応が正常血流群より有意に障害されていた。自家静脈内膜肥厚の著明な異常血流群では、さらに内皮機能が障害されていることが明らかになった。2)術式別の比較自家静脈グラフトの手術術式としてin-situグラフト(I群)とreversedグラフト(R群)がよく用いられるが、術式による自家静脈内皮機能の詳細な検討はこれまでにない。I群では、AChやADPにより内皮依存性弛緩反応がみられるのに対し、R群ではAChにより内皮非依存性収縮反応がみられ、またADPによる内皮依存性弛緩反応は有意に障害されていた。以上より、術式別に比較するとin-situグラフトの方が内皮のNO産生機能が保たれていることが明らかになった。3) EPAの自家静脈内膜肥厚及び内皮機能に及ぼす効果EPA投与群は犬自家静脈内膜肥厚を有意に抑制し、ADPの内皮依存性弛緩反応を有意に増強した。平滑筋の特性の変化はみられなかった為、内皮細胞よりNOの産性増強と内膜肥厚抑制との関連が示唆された。
体育の学習指導におけるコンピュータ応用に関する研究

「器械運動」は運動教材の中でも、(1)学習者の基本動作に対する経験が極めて少なく、学習すべき動作の感覚がつかめない場合がある、(2)学習の対象となる運動が危険を伴うものであったり、学習者にとって高難度である場合には、実動作の学習の全く取り込めないことなど、学習指導が難しいとされている。それらを克服するために、それぞれ(1)学習すべき運動を指導者が示範したり、熟練者が行ったビデオの視聴によって動作を把握させる、(2)学習者のレベルに合わせて段階的な指導を行うとともに、補助によって十分な安心と安全確保を行うことなどに配慮し、学習指導が進められてきた。本研究では、これら従来の学習指導法に加え、スポーツの力学的・生理学的な研究から得られた理論を背景として、コンピュータを応用した体育における学習指導法の開発という視点から、「鉄棒運動」を中心とした理論学習から実動作体験に至る学習指導プログラムを開発・適用した結果・次のようなことが明らかとなった。1.運動の力学的な側面については、理科における「てこ」教材を発展させ、〈バランスを崩すこと→運動〉を理解させるプログラムが効果的であった。2.学習すべき運動のイメージを身体運動のイメージに結びつける方法として開発した〈コンピュータ画面上の人形をマウス操作〉や〈ラジオコントロールできるロボットをレバ-操作〉によって運動させるようにした疑似体験が、小学生にも積極的に受け入れられた。3.運動の理論的な学習→身体運動のイメージの疑似体験→実動作のドリル学習というステップを踏むことによって、学習者の学習すべき運動に対する認知レベルや技能獲得のための取組みを含めた学習意欲の向上がみとめられた。体育の学習指導の中でも、「器械運動」は他の教材と異なる点が多く、それらを克服するために次のような指導方法が用いられるのが一般的である。(1)学習者の基本動作に対する経験が極めて少なく、学習すべき動作の感覚がつかめない場合がある。そのため、学習すべき運動を指導者が示範したり、熟練者が行ったビデオの視聴によって学習すべき動作を把握させる。(2)学習すべき運動が危険を予測させるものであったり、学習者によっては高難度すぎるために、実動作の学習には直接取り組めない場合がある。そのような場合には、学習者のレベルに合わせた難度のものを段階的に指導するとともに、補助等によって安全かつ安心して取り組める環境を保証する。本研究では、これまでのスポーツバイオメカニクス的な研究家ら得られた理論を背景として、「鉄棒運動」を中心にコンピュータを応用した理論学習から実動作体験に至る学習指導プログラムの開発をすすめた。1.運動の力学的な側面についての学習プログラムにおいては、特に理科の学習内容との関係づけに配慮した。2.コンピュータ・シミュレーションによって学習すべき運動イメージを自分の身体運動のイメージに結び付けるプログラム方法や、学習すべき運動を疑似体験させるために、運動理論に基づいた特製の鉄棒運動ロボットを試作した。3.学習者の学習すべき運動に対する認知レベルや技能獲得のための取組みを含めた学習意欲の向上を目指した指導手順として、(1)運動の理論的な学習→(2)身体運動のイメージの疑似体験→(3)実動作のドリル学習に関する具体的なステップを検討した。「器械運動」は運動教材の中でも、(1)学習者の基本的動作に対する経験が極めて少なく、学習すべき動作の感覚がつかめない場合がある、(2)学習の対象となる運動が危険を伴うものであったり、学習者にとって高難度である場合には、実動作の学習の全く取り組めないことなど、学習指導が難しいとされている。それらを克服するために、それぞれ【encircled1】学習すべき運動を指導者が示範したり、熟練者が行ったビデオの視聴によって動作を把握させる、【encircled2】学習者のレベルに合わせて段階的な指導を行うとともに、補助によって十分な安心と安全確保を行うことなどに配慮し、学習指導が進められてきた。

本研究では、これら従来のが学習指導法に加え、スポーツの力学的・生理学的な研究から得られた理論を背景として、コンピュータを応用した体育における学習指導法の開発という視点から「鉄棒運動」を中心とした理論学習から実動作体験に至る学習指導プログラムを開発・適用した結果、次のよなことが明らかとなった。1.運動の力学的な側面については、理科における「てこ」教材を発展させ、<バランスを崩すこと⇒運動>を理解させるプログラムが効果的であった。2.学習すべき運動のイメージを身体運動のイメージに結びつける方法として開発した<コンピュータ画面上の人形をマウス操作>や<ラジオコントロールできるロボットをレバ-操作>によって運動させるようにした疑似体験が、小学生にも積極的に受け入れられた。3.運動の理論的な学習⇒身体運動のイメージの疑似体験⇒実動作のドリル学習というステップを踏むことによって、学習者の学習すべき運動に対する認知レベルや技能獲得のための取組みを含めた学習意欲の向上がみとめられた。
超音速流を用いたTEA CO2レーザ装置の開発

レーザ出力の増大を目指して超音速流を用いたTEA-CO_2ガスレーザ装置の開発を行い、超音速流に伴う境界層や衝撃波の発生を抑えてレーザ励起放電に適する超音速ノズルおよび流路の開発に成功した。また、超音速流れ発生に伴う断熱膨張によるレーザ媒質の温度降下を積極的に利用したレーザ出力の増大作用について計算および実験により検討した結果、マッハ数2の流れにおいてCO_2分子の凝結による励起放電の劣化を回避できるガス温度133Kの場合、室温の場合の約1.4倍の2.25%/cmの小信号利得係数が得られた。超音速流を用いたTEAレーザの開発を通して、超音速流とレーザ発振の相互関係を明らかにすることが本研究の目的である。レーザガスとしてCO_2/N_2/He混合ガスを用いて炭酸ガスレーザ発振を試み、その小信号利得係数、レーザ出力、レーザパルス波形、レーザビーム形状、繰り返し発振周波数などを詳細に評価する。また、超音速流の発生に伴う断熱膨張によるガス温度降下を積極的に利用したレーザ出力の向上についても検討する。本年度は、(1)現有の超音速流発生装置のCO_2/N_2/He混合ガス適用への改造、(2)レーザ発振部の光学窓の赤外線対応への改修、(3)レーザ励起放電生成用パルス高電圧発生システムの改修、(4)ガス温度降下によるレーザ出力向上の解析、などを中心に研究開発を行った。(1)については、CO_2/N_2/He混合ガス対応の超音速ノズルの設計および製作を行い、既存設備のレーザ励起放電発生部との良好な吻合を確認した。くわえて、超音速流の発生実験を遂行している。(2)については、ZnSe製の光学窓の設計および製作を行い、150kPaまでの耐圧および20Paまでの真空度と良好な赤外線(10.6μm)透過特性を確認した。くわえて、小信号利得係数測定の基礎システムを構築している。(3)については、パルス高電圧発生と小信号利得係数等の測定システム間のタイミング精度の向上を図った。(4)については、励起CO_2分子の数密度の温度依存性を計算し、ガス温度100Kでは常温の場合に比べ数密度が1.7倍になり、レーザ出力の向上が見込めることを明らかにした。レーザガスとしてCO_2/N_2/Heの混合ガスを用いて炭酸ガスレーザ発振を試み、その小信号利得係数、レーザ出力、レーザパルス波形、レーザビーム形状、繰り返し発振周波数などを詳細に評価する。本年度は、(1)超音速ガス流の発生と最適化、(2)超音速ガス流中でのレーザ励起放電の生成、(3)レーザ小信号利得係数の計測、などを中心に研究開発を行った。(1)および(2)については、CO_2分子の凝固に起因すると思われる超音速ガス流のマッハ数不足を明らかにし、貯気状態のガスを加熱することにより所定のマッハ数2の得られることを実証した。なお、このとき、ガス温度は133Kまで低下した。供試レーザガスに対して流路形状の最適化を行い、若干のフィラメント状放電が含まれるが、レーザ発振に供することが可能と思われるパルスグロー放電の発生に成功した。(3)については、(1)と(2)の結果を受け、超音速・低温ガス流中におけるレーザ励起放電の小信号利得係数の測定をプローブ法により行った。その結果、利得2.2%/cmが得られた。これは常温のレーザガスの場合の1.3倍であり、超音速・低温ガス流によるレーザ出力の向上の可能性を示唆している。また、最大の利得が得られる波長は、常温での10.551μmから10.494μmに変化した。超音速流を用いたTEAレーザの開発を通して、超音速流とレーザ動作の相互関係を明らかにすることが本研究の目的である。レーザガスとしてCO_2/N_2/Heの混合ガスを用いて炭酸ガスレーザ動作を試み、超音速流中でのレーザ励起放電の安定化やレーザ小信号利得係数などを詳細に評価した。また、超音速流の発生に伴う断熱膨張によるガス温度降下を積極的に利用したレーザ小信号利得計数の向上についても検討した。

本年度は、(1)CO_2分子の凝結により引き起こされるレーザ励起放電の劣化の貯気ガス加熱による改善、(2)レーザ小信号利得計数の貯気ガス温度依存性、(3)研究の成果公表およびまとめ、などを中心に研究開発を行った。(1)および(2)については、供試実験装置においてCO_2分子の凝結を回避できる365Kまで貯気ガスを加熱するとフィラメント状放電が減少し励起放電状態が改善されたが、レーザ小信号利得計数は1.8%/cmに留まった。若干のCO_2分子の凝結は危惧されるが貯気ガスの加熱温度を330Kに下げると、多少のフィラメント状放電が含まれるがレーザ動作に供することが十分に可能と思われるパルスグロー放電が発生した。このとき、レーザ媒質の温度は150Kまで降下しており、レーザ小信号利得計数は2.7%/cmまで向上させることに成功した。なお、常温では1.4%/cmであった。(3)については2件の論文公表を行った。さらに、研究期間中の成果を取りまとめ、査読付き論文の投稿準備や科学研究費補助金報告書の作成準備を行った。