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ホスフィンドリジン誘導体の開発

ホスフィンドリジンは、五員環と六員環が縮環し、環縮合位である4位にリン原子を有する化合物である。この分子は非常にシンプルな構造をしているが、これまでにその共役拡張類縁体も含めて合成例は報告されていなかった。本研究は、ホスフィンドリジン骨格を有するπ共役化合物の合成手法の確立と合成した化合物の構造・性質の解明を目的としている。本年度は、ベンゼン環2つがホスフィンドリジンに縮環したジベンゾ[b,e]ホスフィンドリジンの合成を検討した。リン原子上が酸化・硫化・セレン化された誘導体1a-1cは、2つのビニル基を有するベンゾ[b]ホスホール誘導体の閉環メタセシスにより合成できることが分かった。リン原子上が非共有電子対である化合物1dについては、セレン誘導体1cの脱セレン化反応により合成した。X線結晶構造解析の結果、化合物1a-1dはいずれも湾曲した構造を有していることがわかった。紫外可視吸収スペクトルおよびサイクリックボルタンメトリーの測定により、分子全体に共役が拡張していること、ベンゾ[b]ホスホールと比較して0.3 eV程度低いLUMOを有することを明らかにした。また、理論計算を用いることにより、各分子の電子状態の違いを解明した。さらに、メシチル基を導入したジベンゾホスフィンドリジンの温度可変1HNMRスペクトルを測定することにより、リン原子まわりの反転における活性化自由エネルギーは15.8 kcal mol-1と算出された。この値は既知のベンゾ[b]ホスホールの値と比較して8 kcal mol-1程度低い値であった。遷移状態におけるホスフィンドリジンの10π芳香族安定化の影響を受けたものと考えられる。当初合成を計画していたホスフィンドリジン類縁体の一つであるジベンゾ[b,e]ホスフィンドリジンの合成に成功し、その構造と性質ならびに「おわん」の反転挙動を解明することができた。ホスフィンドリジンの合成ルートを確立するとともに、得られた研究成果を学会発表、論文誌への掲載もできたことから、当初の計画以上に進展したものと判断した。2018年度に確立した合成ルートを活用して、他のπ共役拡張類縁体の構築を実現する。また、ホスフィンドリジン骨格を複数有する分子の合成やホスフィンドリジン誘導体の反応性の解明等についても検討する。得られた化合物については、ジベンゾ[b,e]ホスフィンドリジン1と同様に、構造と性質を解明するとともに、化合物1との比較を行う予定である。2018年度は所属研究室にて並行している研究に対しても研究資金を獲得できたことから、本研究課題の遂行に必要な試薬やガラス器具等の物品に関しては、共通している他の研究予算よりまかなった。研究室全体の研究資金面に対する継続性を考慮したためである。そのため本年度の実支出額は予定より少なくなり次年度使用額が生じた。
脊髄疾患・心臓疾患発症リスク予測のための脊心磁計の研究

神経や心筋の活動にともなって発生する微弱な磁場を体表面で検出できる脊心磁計は、非侵襲的検査のため、脊髄疾患や心臓疾患の発症のリスク評価に適用できる可能性があるが、発症リスク評価の確立のためには、脊心磁計を普及させ、大量の健常被験者のデータを蓄積し、長期にわたって経過を観察する必要がある。本研究では、1.ロバスト性の向上(低周波雑音を抑制するDOLPHIN法の開発・実装)、2.ランニングコストの改善(クローズドサイクルヘリウム再凝縮系の実装)、3.ユーザビリティの向上(データ収録系、ソフトウェアの改良開発)の3つ観点から脊心磁計を普及させる技術開発と、並行して脊心磁計の臨床応用開拓を行った。平成26年度は磁場雑音、とくに大きな低周波磁場雑音のもとでも脊心磁計の検査ができるように、信号処理による雑音除去アルゴリズムの開発・実装を行った。脊心磁計は地磁気の1億分の1以下という微弱な磁気を測定対象とするため、超伝導量子干渉素子(SQUID)を応用した超高感度の磁場センサを適用する。このため鉄道や送電線などの外部磁場雑音や、建物内の他の設備からの磁場雑音の影響を受けやすい。検査はこれらを遮蔽する磁気シールドルーム内で行うが、磁場雑音が大きく遮蔽しきれない場合がしばしばある。脊心磁計を今後、さまざまな医療機関に設置し運用していくためには、大きな磁場雑音が存在する環境においても適切に装置が動作しなければならない。CALMによる雑音除去は磁場信号をデジタル的に記録した後、オフライン処理で適用されていたが、オフライン処理では、デジタルデータ収録時のダイナミックレンジを超えるような巨大な環境磁場雑音には対応できなかった。そこで、重みつきの参照信号をSQUIDセンサのフィードバック系に直接入力する雑音除去法である直接オープンループ同相成分入力(Direct Open-Loop in-Phase component input: DOLPHIN)をSQUID駆動用アナログ電子回路を改良して実装し、データ収録前に雑音低減できるようにした。性能評価を行ったところ、DOLPHINにより、近傍の鉄道起源の1Hz以下の低周波磁場雑音を約90%低減することができた。脊心磁計は対象としている磁場信号が微小なため、環境からの磁場雑音の対策が測定データの品質を大きく左右する。平成27年度は、データ収録系からSQUID電子回路までの電磁シールドを強化し、耐環境雑音性能のさらなる向上を図った。加えて、前年度に提案し脊心磁計システムに実装した磁場雑音低減法(DOLPHIN)の実証実験を引き続き行った。従来の磁気シールドルーム、差分型ピックアップコイルと併用して、DOLPHINを適用することで、11.5μTの磁場変動がある都市部の磁場環境でもハイパスフィルタによる波形の歪みを抑制して、心臓磁場信号の検出が可能になった。これにより、脊心磁計の強みであるベクトル磁場測定を生かして、P波やP波とQRS波間の微細構造の仔細な観察が可能となり、心機能についての新たな知見が得られつつある。脊心磁計は超電導センサを極低温に保つために液体ヘリウムを消費し、その高いランニングコストが脊心磁計を用いた研究の大きな妨げとなりうる。これを解決するために、蒸発したヘリウムを再凝縮して液体ヘリウムとしてリサイクルするクローズドサイクルヘリウム再凝縮を平成27年度に導入した。クローズドサイクルヘリウム再凝縮は冷凍機を脊心磁計の直近で稼動させるため、冷凍機からのノイズが測定に影響を与えるが、適切な電気的絶縁とバッファタンクによるヘリウムガスの振動対策により、これを抑制できた。これにより、少なくとも4か月半の間、液体ヘリウムの追加補給なしで連続運転させることが可能となった。ヘリウム再凝縮によりランニングコストの問題解決に目処が立ったので、民間企業が脊心磁計の事業化に興味を示している。平成27年度は民間企業の協力も得つつ、これまで東京医科歯科大学の医師と開発を進めてきたユーザービリティを向上させたソフトウェアを含む新しい脊心磁計システムの設計、試作に改めて着手した。平成27年度は平成26年度に引き続き、脊心磁計のロバスト性とユーザービリティ向上のための研究開発を推進した。前年度末に提案し、脊心磁計に実装したDOLPHIN(Direct Open-Loop in-Phase component Input)は、装置の設置場所である東京医科歯科大学における心磁信号測定の障害となっていた鉄道からの低周波雑音を効果的に低減し、これによりハイパスフィルタを適用しなくても高いダイナミックレンジを確保しながら、心磁信号のP波やP波とQRS波間の波形の微細構造の仔細な観察が可能になった。また、X線撮像に工夫を加え、心臓や脊髄へのセンサアレイの相対位置をより簡単に的確に合わせる手法を確立できた。これにより、心磁測定では疾患の発症リスク予測につながるものの、従来再現性が得られなかった新たな信号成分についての知見が得られた。本研究と並行して別研究プロジェクトで進めていたクローズドサイクルヘリウム再凝縮に目処が立ち、その成果を脊心磁計に適用することにより、本研究の液体ヘリウムによるランニングコストの問題が解決できた。ランニングコストの問題は今後、様々な大学病院や研究機関に脊心磁計を設置し、発症リスク予測研究のために運用していく上で大きな障害となることが予想されたため、この問題の解決は研究にとって大きな転換点となった。クローズドサイクルヘリウム再凝縮の導入により、ランニングコストの問題解決のみならず、ヘリウムの追加注液作業などによる装置が使えない期間を大幅に短縮することができたため、研究活動を加速することができた。

これまで液体ヘリウムの高コストが、脊心磁計の事業化の障害となっていたが、クローズドサイクルヘリウム再凝縮導入により低ランニングコスト化に目処が立ったため、その相乗効果として、脊心磁計の製品化に民間企業が興味を示すようになり、協力を得られるようになった。平成28年度は、脊心磁計に興味を示す民間企業の協力を得ながら、脊心磁計のアナログ信号処理回路、データ収録系を改良した。特にデータ収録の高分解能化は、ダイナミックレンジを大幅に拡大し、データ収録前のアナログ信号の増幅率の選択をする必要がなくなり、ユーザビリティが向上できる。また、ノイズ除去法や解析手法を統合したソフトウェアを新たに開発し、従来のファイルベースのデータ管理から患者名ベースのデータ管理に変更し、データ収録から解析、表示までをスムーズに実施できるようにした。神経誘発信号を検出する際、電気刺激の刺激箇所に観測領域が近いほど、刺激によるアーチファクトの影響も大きくなり、信号がアーチファクトに重畳してその後の解析が困難になるという問題があった。本研究で新たに開発したDSSP(Dual signal subspace projection)法を適用することによってこの問題を解決した。また、DSSPにより刺激箇所観測部位の選択の自由度が向上したため、従来困難だった手指刺激による手掌の末梢神経誘発磁場の検出が可能となり、手指から脊髄に至る神経経路の全行程の神経信号の観察ができるようになった。脊心磁計による背側からの心臓磁場計測では、体表面の接線方向成分を検出するセンサにより、心房細動発症時のローター信号の非侵襲的検出に成功した。従来の心磁計で報告されているものとは全く違うパターンで、新しい知見である。前年度に開発した脊心磁計用のクローズドサイクルヘリウム再凝縮を引き続き運用し、9か月半の間、液体ヘリウムの損失ゼロで、長期連続運転させることに成功し、ランニングコストが激減できることを実証した。今後、疾患のリスク評価の研究を進めるには、複数の医療機関に装置を設置して、さらに臨床データを蓄積していくことが重要である。そのために民間企業と協力して、脊心磁計の薬事承認を得る手続きに着手した。神経や心筋の活動にともなって発生する微弱な磁場を体表面で検出できる脊心磁計は、非侵襲的検査のため、脊髄疾患や心臓疾患の発症のリスク評価に適用できる可能性があるが、発症リスク評価の確立のためには、脊心磁計を普及させ、大量の健常被験者のデータを蓄積し、長期にわたって経過を観察する必要がある。本研究では、1.ロバスト性の向上(低周波雑音を抑制するDOLPHIN法の開発・実装)、2.ランニングコストの改善(クローズドサイクルヘリウム再凝縮系の実装)、3.ユーザビリティの向上(データ収録系、ソフトウェアの改良開発)の3つ観点から脊心磁計を普及させる技術開発と、並行して脊心磁計の臨床応用開拓を行った。平成26年度は東京医科歯科大学に設置した脊心磁計の試作機を運用して、当該施設の磁場環境ノイズのもとで脊心磁計の検査ができるように、信号処理による雑音除去アルゴリズムの実装、評価を行った。
癌化におけるHPVE7の役割

1. HPVE7によるSMαアクチンの発現抑制:HRVE7(E7)はRb及びc-junとの結合性を有する。SMαアクチンは、MyoDによって転写が活性化され、その機能はRb、c-junにより抑制される。変異E7による解析の結果、E7とc-junとの会合がSMαアクチン発現抑制に必要であることが制御した。しかしAP1活性を欠くが、E7との結合能は保たれている変異c-junは野生型E7のSMαアクチン転写抑制能には影響を与えなかった。従って、E7によるSMαアクチン発現抑制にはAP-1活性の増大とは異なる分子機構でのc-junとの相互作用が必要であると推測された。2. E7によるbcl-2の誘導:E7導入により不死化したラット線維芽細胞(REF)ではbcl-2の発現が亢進していたが、NIH3T3、3Y1、RatlaにおいてはE7のbcl-2誘導作用は示されなかった。E7にはアポトーシス誘導能があることから、細胞の不死化課程でbcl-2発現の亢進が獲得された可能性が観測された。一方、bcl-2はテロメレース活性を増殖し、またテロメレース活性は細胞の不死化との関連性が指摘されている。そこで、テロメレース活性の有しない初代培養細胞を用い、E7によるアポトーシスをbcl-2が相補し、永代増殖能の獲得に寄与するか否か解析中である。3. HPVゲノムの解析による子宮頚癌リンパ筋微小転移の診断:PCRサザン法により、子宮頚癌症例でのリンパ筋における、HPVゲノムの有無を解析し、病理学的診断との比較を行った。病後診断でリンパ節転移陽性症例は全例にHPVゲノムが検出された(64例中10症例)。リンパ節転移陰性症例54例中45例(83%)は、ゲノム解析により、転移(+)と診断され、PCR-サザン法を用いたリンパ節転移診断が非常に高感度であることが示された。今後は、予後との相関を追跡調査する予定である。1.HPVE7(E7)は細胞の形質転換過程において、SMαアクチンの発現を抑制する事により、アクチンストレスファーバーの形成を阻害する。そこで、E724Gly(Rb蛋白との結合能を欠損)、E791Gly(c-junとの結合能を欠損)の変異E7を作成し、SMαアクチン発現に及ぼす影響を検討した。E724Glyには野生型E7と同様にSMαアクチン発現抑制能が観察されたが、E791Glyは、この機能が消失していた。さらにSMαアクチン発現に関与する転写因子MyoDの発現はSMαアクチンの発現変化と同じ挙動を示した。従って、E7はc-junを介し、MyoD発現を抑制することによりSMαアクチン発現をもたらすと推測された。2.E7により不死化したラット線維芽細胞(REF)はbcl-2発現の亢進が観察され、しかも種々の刺激によるアポトーシスの誘導に対して抵抗性であった。E7がbcl-2発現の亢進を導く機能を有するかを検討するため、REF、3Y1、Rat1a、NIH3T3細胞にE7を導入した。その結果E7による直接のbcl-

2発現誘導は観察されなかった。一方E7にはアポトーシスを誘導する機能が報告されている。しかし、初代培養株であるREFにおいても、コントロールと同様の割合でE7発現クローンが得られたことよりREFにおいてはE7は直接的にはアポトーシスを誘導しないと推測された。従ってE7により不死化した細胞で観察された、bcl-2の過剰発現は細胞不死化の過程でもたらされた可能性が推測され現在解析を進めている。3.E7により特異的制御を受ける遺伝子を検索する目的で、テトラサイクリンによりE7の発現調節が可能であるシステムを作成した。NIH3T3細胞にpTet offプラスミドを導入し、テトラサイクリンにより、発現調節を行い得るクローンを選択した。現在E7(pTRE E7)を導入し、クローンを選択中である。1. E7はc-junを介し、SMαアクチン発現を制御すると考えられた。そのため、E7との結合性は保持されているが、AP-1活性を欠く、変異c-jun(c.jun△287-331)をE7発現細胞へ遺伝子導入した。E7によるSMαアクチン発現抑制にAP-1活性の増大が必要であれば、c.jun△287-331がc-junと競合することにより相対的にE7とc-junとの会合によるAP-1活性の滅弱がもたらされ、SMαアクチン発現の抑制が解除されると想定される。しかし、c-jun△287-331は、E7によるSMα発現抑制には、影響を与えなかった。従って、E7によるSMαアクチン発現制御には、c-junとの相互作用が重要ではあるが、AP-1活性の増大は関与しないと報告された。2. bcl-2がE7による不死化細胞の樹立に関与するかを解析する目的で、新たにラット初代培養線維芽細胞(REF)を用い、E7単独、E7+bc12、E7+E6の組合せで遺伝子導入を行った。一般にE7遺伝子では、アポトーシス誘導能のため、細胞株の樹立の効率は低いとされている。ところが、いづれの組合せにおいても、得られたクローン数は同程度であった。bcl-2はテロメレース活性化を増大させることが示されており、かつテロメレース活性の獲得は細胞不死化とい関連性を有する。テロメレース活性をTRAP法にて観察した結果、REFを含め全ての細胞でその活性がほぼ同程度に観察された。従って用いたREFはテロメレース活性を有しており、そのため、E7単独導入により多数のクローンが形成されたと考えられた。従来の報告と対比すると、E7による細胞の不死化にはテロメレース活性の獲得が必須であると推測される。テロメレース活性を欠く、初代培養細胞を用いた解析を現在進めている。
高温超伝導材料の集積回路への応用の研究

1.化学気相堆積法による集積回路用超伝導薄膜の形成(1)コ-ルドウォ-ル型MOSVD法によるYBCD膜の堆積炉内の流路断面積を流れ方向に進むに従って小さくするテ-パ構造を用いて、反応による原料ガス濃度の減少を補償し、堆積量の減少を低減することに成功し、堆積薄膜の厚さ及び化学量論的組成の均一化をはかった。その結果炉内の基板位置によらず、Tcend=78.0Kの超伝導薄膜を再現性よく得ることができた。(2)MOCVD法によるBSCCO膜の堆積(3)段差型ジョセフソン接合の作成超伝導薄膜の評価手段としてMgO基板をHClでエッチングして段差を形成し、ジョセフソン接合を形成した結果、段差の上部、下部に関係なくシャピロステップが観測され、特に上部が狭い試料において高い再現性をもって接合の形成を確認した。YBCOに対し赤外線イメ-ジ炉によるrapid thermal annealingを行い、980°C以上ではYBCO膜の分解が生じるが、960°Cでは2分間の、annealingにより、MgO基板上にC軸配向のYBCO膜が得られ、60KのTcendの実現に成功した。更にシリコン集積回路との両立性を確めるため、ZrO_2/Si基板を用いて、940°C、5秒間のrapid thermal annealingを行い、500°Cに5分間保持することにより、超伝導薄膜を得ることに成功した。この場合のTconsetは約85Kであった。以上の実験結果より、比較的低温のプロセスで酸化物超伝導体薄膜を得られることが判明し、集積回路への応用の可能性が確められた。
DNA多形性の分析による輸血後(術後)GVHDの診断と発症機構の研究

輸血後GVHDは免疫不全患者のみならず、免疫不全でない患者にも発症する。この原因はHLAホモ接合体(a/a)供血者からヘテロ接合体(a/b)受血者に輸血される場合に、a/bはa/aを自己と認識して拒絶しないために、a/aは生着して、a/bを非自己と認識して障害する。このような特異な組み合わせは、日本人が人種的に均一性が高いために、非血縁者間で約1/900、親子間で約1/100の頻度で生じる。しかし、現実の輸血後GVHDの報告症例頻度はこれより低い。診断されずに見逃されている症例があると推測される。マイクロサテライト遺伝子の繰り返し塩基配列の長さの違いによる多形性(DNA多形性)を指標にして輸血後GVHDの診断を検討した。患者自身のものであることが明らかな爪と移植片を含む血液の多形性を比較した。A-Cバイパス手術後に典型的輸血後GVHD臨床症状を示した症例では、DNA多形性によりキメラを証明した。急性前骨髄球性白血病で、頻回輸血を受けて輸血後GVHDを疑わせる臨床症状を示した1症例では、紅斑の出現前後の検体のDNA多形性の違いは無かった。しかし、紅斑出現3ケ月前のHLAクラスI表現型はヘテロ接合体、紅斑出現後はホモ接合体であった。DNA多形性では差を検出できなかったのか、またはすでにキメラになっていた可能性がある。分娩後出血のために新鮮血600mlを輸血後、原因不明の高熱が出現し輸血後GVHDを疑われた。DNA多形性およびHLA分析で輸血後GVHDは否定されて、患者は軽快した。膀胱癌手術後に濃厚赤血球の輸血をうけて7日目に典型的急性輸血後GVHDの臨床症状を発症した症例の経時的DNA多形性検査で異状なく、HLA型もヘテロ接合体のままであった。その後患者は軽快した。薬剤アレルギーが疑われた。DNA多形性検査は輸血後GVHDの診断に有力な手段である。輸血後移植片宿主病(GVHD)は重症な免疫不全状態でない患者にも発症して、少なくとも90%以上の症例は死亡する。診断を確実に行って、発症機構、治療の研究を進めることは、本疾患の予防の研究と並んで重要である。従来の細胞レベルの検査法は多量の検体が必要であったが、患者未梢血リンパ球は病態の進行と共に減少するために確定診断ができない症例が大多数であった。DNA多形性を指標にした個人識別によるGVHD症例のキメラの証明は、少量検体で行えるためにGVHD診断の強力な武器である。今年度はDNA多形性の指標として最も優れているマイクロサテライト遺伝子に着目して、分析方法の確立を検討した。5種類のプライマーを使い塩基配列の反復部分(AC)n、(TG)n、(CAG)n、(AAAG)nをPCRで増幅して、電気泳動でDNA断片の長さの多形を分析した。分析材料として、被験者の爪および不死化Bリンパ芽球様細胞を使った。Bリンパ芽球様細胞から通常の方法でDNAを分離し、爪からは蛋白分解酵素を使ってDNAを溶出後分離した。

プライマーを使い30サイクルのPCRでDNAを増幅した。分析結果から個人の識別が可能であった。両親とその子の親子関係を説明できた。爪と不死化Bリンパ芽球様細胞の分析結果は一致した。輸血後GVHDが疑われる症例について検査を開始したが、今までのところ診断された症例はない。今後検索を続けると共に、輸血後GVHDと過去に診断された症例の検体について解析したい。輸血後GVHDは重症免疫不全でない患者にも発症する。その発症機構として、受血者と供血者のHLA型が特異な組み合わせであるために、受血者は供血者のリンパ球を自己と認識して拒絶しないが、逆に供血者のリンパ球は受血者の細胞を非自己と識別して障害するという仮説を提出した。日本人の輸血において受血者と供血者間で上記のHLA型の特異な組み合わせの起きる頻度は非血縁者間で約1/900、親子間で約1/100である。しかし、これに見合う数の輸血後GVHD症例は発症していないと推測される。この理由として診断されずに症例が見逃されている可能性および上記仮説が発症の必要条件ではあるが、十分条件ではない可能性がある。動物実験で報告されている軽症輸血後GVHDの症例を見逃している可能性があるので、本年度は輸血後GVHDが疑われる軽症例について、平成4年度に開発したマイクロサテライト遺伝子の多形性分析法を用いて診断を試みた。臨床症状が輸血後GVHDに相当するがやや軽症で、患者は死亡することなく回復した症例につき、血液、爪等を検体としてマイクロサテライト遺伝子の多形性分析を実施した。結果的には多形性は実証されず、軽症の輸血後GVHD症例の存在は確定できなかった。最近では、大病院での血液放射線照射が普及してきたために、輸血後GVHD症例が減少して来た。京大病院では過去5年間発症していない。幸いなことであるが、研究材料が乏しくなって来た。
睡眠の感情調整機能に関する心理生理学的検討

本研究は、情動調整機能のうち気分改善効果と情動記憶の強化の両側面に着目し、それぞれが関与する睡眠中の神経基盤について心理生理学的検討を行った。検討の結果、就床前に感情経験をした際の翌朝の気分について、ノンレム短縮群に比べてレム短縮群でネガティブ気分が有意に増大し、このネガティブ気分はレム睡眠の持続時間と有意な負の相関関係を示した。一方、就床前に記銘した情動価の伴う単語の再生率は、睡眠段階3+4の持続時間とレム密度とそれぞれ有意な正の相関関係を示した。以上の結果より、レム睡眠は就床前の気分の影響を受け気分の改善効果に関与し、ノンレム睡眠は睡眠段階3+4が情動記憶の強化に関与する可能性が示された。嫌な出来事があっても「寝たら忘れる」ことがある。近年、睡眠の感情調整機能が報告されており、一晩の睡眠の中でも特にレム睡眠との関連が示されている。レム睡眠はさらに、情動記憶の固定促進機能も報告されている。そこで本研究では、感情調整機能のうち気分改善効果と情動記憶の強化の両側面に着目し、それぞれが関与する睡眠中の神経基盤について心理生理学的検討を行う。最終的には、気分改善効果と情動記憶の強化が睡眠中の異なるタイミングおよび神経基盤により成立していることを検証する。睡眠の感情調整機能について検討することで、心身ともに健康で快適な日常生活を送るための睡眠の役割を客観的に示す。初年度は、社会的排斥によって気分(社会的痛み)を操作するサイバーボール課題を用いた実験を1レム睡眠短縮群、2ノンレム睡眠短縮群、3通常の終夜睡眠をとる通常睡眠群の3群に対して行った。この実験を通して、レム睡眠が気分の改善に関与することを示す。検討の結果、レム短縮群でノンレム短縮群に比べて排斥に対する社会的痛みが大きくなり、さらにこの痛みはレム睡眠の持続時間が短くなるほど大きくなることが示された。この結果は、社会的排斥という感覚的な嫌悪経験においてもレム睡眠が情動調整機能を持つことを示唆している。さらに、検討の結果より、ノンレム短縮群で社会的痛みがレム短縮群よりも有意に小さくなった。今後、ノンレム睡眠の長さと嫌悪経験との関連も検討する。これにより、レム睡眠とノンレム睡眠の役割について検討が可能となり、気分改善効果と情動記憶の強化が睡眠中の異なるタイミングと神経基盤により成立していることの検証に貢献すると考えられる。当初の計画では、日中の仮眠を用いて、1覚醒群、2レム短縮群、3ノンレム短縮群、4通常睡眠群による検討を行うこととしていた。しかし、仮眠を用いた検討では、レム睡眠の出現に個人差が大きく、出現した場合も検討に十分な長さが確保できなかったため、平成27年度は終夜睡眠を用いた検討を行った。また、レム・ノンレム短縮群と通常の終夜睡眠群で総睡眠時間を統一するため、レム・ノンレム短縮群は終夜睡眠群よりも起床時刻の延長を行った。これらの変更により、レム睡眠およびノンレム睡眠を十分確保が可能となった。そしてその結果、レム短縮群でノンレム短縮群に比べて排斥に対する社会的痛みが大きくなり、さらにこの痛みはレム睡眠の持続時間が短くなるほど大きくなることが示された。さらに、ノンレム短縮群で社会的痛みがレム短縮群よりも有意に小さくなったことから、今後、ノンレム睡眠の長さと嫌悪経験との関連を検討することでノンレム睡眠の役割についても検証する。また、今後、昨年度実施が出来なかった社会的排斥による気分の変化に対する覚醒群の実施も行う。初年度(平成27年度)は、社会的排斥によって気分(社会的痛み)を操作するサイバーボール課題を用いた実験を行った。検討の結果、社会的排斥という感覚的な嫌悪経験においてもレム睡眠が感情調整機能を持つことを示唆した。続いて、平成28年度は、感情価の異なる単語に対する記憶課題を用いた実験を1覚醒群と2睡眠群(日中の90分仮眠)の2群に対して行った。検討の結果、快感情および不快感情を伴う単語の両方において、覚醒群よりも睡眠群で再成率が向上し、両再生率はレム密度と正の相関関係を示した。一方、睡眠群の単語再生率は、快感情よりも不快感情を伴う単語で向上を示した。この結果は、睡眠をとることで快よりも不快の感情記憶の固定が促進されたこと、さらにこの促進にはレム睡眠が影響した可能性を示唆している。今後、ノンレム睡眠と記憶課題の関連を検討する。

当初の計画では、睡眠群(記銘と想起の間に睡眠をとる)と覚醒群(記銘と想起の間に覚醒を維持する)に加え、特定の睡眠段階を選択的に短縮する群(レム短縮群、ノンレム短縮群)による検討を行うこととしていた。しかし、覚醒群を設ける場合、夜間に覚醒の維持を行うことで、覚醒群が必ずしも睡眠群の統制条件となりにくいため(夜間の必要な睡眠が欠如することによる影響が出てしまう可能性)、平成28年度は、日中の仮眠(90分)を用いることで覚醒群を設定した。一方で、90分の仮眠では、ノンレム睡眠とレム睡眠についてそれぞれ1周期ずつしか確保できないため、特定の睡眠段階を短縮する群は設けず、覚醒群と睡眠群の2群で検討を行った。検討の結果、快感情および不快感情を伴う単語の両方において、覚醒群よりも睡眠群で再成率が向上し、両再生率はレム密度とそれぞれ正の相関関係を示した。一方、睡眠群の単語再生率は、快感情よりも不快感情を伴う単語で向上を示した。この結果は、睡眠をとることで快よりも不快の感情記憶の固定が促進されたこと、さらにこの促進にはレム睡眠中の急速眼球運動が影響した可能性を示唆している。今後は、ノンレム睡眠の潜時および長さ、スピンドル密度との関連を検討することで、ノンレム睡眠の役割についても検証する。嫌な出来事があっても「寝たら忘れる」ことがある。近年、睡眠の情動調整機能が報告されており、一晩の睡眠の中でも特にレム睡眠との関連が示されている。レム睡眠はさらに、情動記憶の固定促進機能も報告されている。そこで本研究では、情動調整機能のうち気分改善効果と情動記憶の強化の両側面に着目し、それぞれが関与する睡眠中の神経基盤について心理生理学的検討を行う。最終的には、気分改善効果と情動記憶の強化が睡眠中の異なるタイミングおよび神経基盤により成立していることを検証する。睡眠の情動調整機能について検討することで、心身ともに健康で快適な日常生活を送るための睡眠の役割を客観的に示す。初年度(平成27年度)は、社会的排斥によって気分(社会的痛み)を操作するサイバーボール課題を用いた実験を行った。検討の結果、社会的排斥という感覚的な嫌悪経験においてもレム睡眠が情動調整機能を持つことを示唆した。続いて、平成28年度は、情動価の異なる単語に対する記憶課題を用いた実験を1覚醒群と2睡眠群(日中の90分仮眠)の2群に対して行った。検討の結果、快感情および不快感情を伴う単語の両方において、覚醒群よりも睡眠群で再成率が向上し、両再生率はレム密度と正の相関関係を示した。最終年度である平成29年度は、ノンレム睡眠と気分改善効果および情動記憶の強化の関連を検討した。その結果、ノンレム睡眠を短縮することで気分の改善が生じること、情動記憶の強化についてはノンレム睡眠の中でも睡眠段階3と4が関連することが示された。以上の結果より、レム睡眠は就床前の気分の影響を受け気分の改善効果に関与し、ノンレム睡眠は睡眠段階3と4が情動記憶の強化に関与することが示された。本研究は、情動調整機能のうち気分改善効果と情動記憶の強化の両側面に着目し、それぞれが関与する睡眠中の神経基盤について心理生理学的検討を行った。
Ｉｎ　ｓｉｔｕクリックケミストリーを用いた医薬品候補化合物の創製研究

今日の創薬化学研究では,化合物ライブラリーのスクリーニングや標的酵素の構造を基にした分子設計,スクリーニング等により同定されたリード化合物の構造を中心に経験則や試行錯誤によって最適化行う手法といった3種の手法を組み合わせて行われるのが一般的である。しかし,既存の創薬手法は,多大な時間と労力,費用を必要とする。このような背景のもと,本研究では、クリックケミストリーと呼ばれる手法を用い、in situでスクリーニングを行うことで阻害薬の探索を行った。その結果、本手法により、短時間で有望な酵素阻害薬を見出すことに成功した。リシン脱アセチル化酵素(KDAC)はタンパク質のアセチル化されたリシン残基を脱アセチル化する反応を触媒し、多くの生命機能を制御している。KDACには11種類のアイソザイムが知られているが、KDACアイソザイムの一つであるKDAC8は、その詳細な機能は不明であるものの、最近の研究によりT細胞性腫瘍や神経芽細胞腫に関与することが明らかにされた。そのため、KDAC8選択的阻害薬はKDAC8の機能を調べる生物学的ツールとしてだけではなく、抗がん剤としての応用が期待できる。そこで、本年度はIn situクリックケミストリーの手法を用いてKDAC8選択的阻害薬の創製を目指した。KDAC8の結晶構造解析をもとに酵素活性中心の亜鉛に配位する官能基(ZBG)を有するアルキン誘導体AとKDAC8のサブポケットに収まることを期待したアジド誘導体Bを設計、合成した。96穴プレート上でアルキン誘導体Aとアジド誘導体Bを混ぜ合わせ、一定時間インキュベーション後に、そのままKDAC蛍光アッセイを行った。その結果、有意にKDAC8阻害活性を示すアルキン誘導体Aとアジド誘導体Bが見出された。それらのアルキンとアジドのin situ生成物であるトリアゾールNCCl49を別途合成し、KDAC阻害活性評価を行ったところ、高いKDAC8阻害活性、選択性を示した。NCCl49は姉妹染色体間接着因子であるコヒーシンをアセチル化する活性を有することが分かった。また、NCCl49はT細胞性腫瘍細胞の増殖を抑制することも明らかにした。以上の結果から、アイソザイム選択的KDAC阻害薬探索におけるクリックケミストリーの有用性が示された。ヒストン脱アセチル化酵素HDACには18種類のアイソフォームが知られているが、それぞれの詳細な機能は未だ明らかにされていない。最近の研究により、HDAC3が結腸癌細胞の増殖、炎症及び神経変性疾患に関与することが明らかにされた。そのため、HDAC3選択的阻害薬は、抗癌剤、抗炎症剤や神経変性疾患治療薬として期待されている。そこで、本年度はIn situクリックケミストリーの手法を用いてHDAC3選択的阻害薬の創製を目指した。HDAC阻害薬は、HDACの酵素活性中心に存在する亜鉛イオンに配位することでHDACを阻害すると考えられている。一般にHDAC阻害薬は、酵素活性中心の亜鉛イオンに配位するZinc-Binding Group (ZBG)とHDACの酵素表面のアミノ酸残基と相互作用するCap部位、ZBGとCapをつなぐLinker部位から構成される。本研究では、Cap部位とZBGをクリックケミストリーにより連結するために、対応するアジド、アルキンユニットの分子設計を行った。アルキンユニットとして、HDAC3の酵素活性中心の亜鉛イオンに配位するo-アミノアニリド誘導体とヒドロキサム酸誘導体を設計した。また、アジドユニットとして、HDAC3の酵素表面のアミノ酸残基と相互作用することを期待した疎水性の高い脂肪族および芳香族環を導入した誘導体を設計した。アルキン体9個とアジド体56個を用いたin situクリックケミストリースクリーニングを行った結果、これまでのHDAC阻害薬に比べ高いHDAC3阻害活性、選択性を示すトリアゾール化合物T247, T326を見出した。これらの阻害薬は癌細胞増殖抑制評価やHIV遺伝子再活性化評価においても効果を示した。以上の結果から、アイソザイム選択的HDAC阻害薬探索におけるクリックケミストリーの有用性が示された。SIRTはNAD+依存的リシン脱アセチル化酵素であり、様々なタンパク質のアセチル化状態を制御している。SIRTは7種類のアイソザイムが知られているが、それぞれの詳細な機能は明らかにされていない。最近の研究により、SIRT2がハンチントン病、パーキンソン病、アルツハイマー病等神経変性疾患の病態に関与していることが明らかにされた。そのため、SIRT2選択的阻害薬はSIRT2の機能を調べる生物学的ツールとしてだけではなく、神経変性疾患治療薬としての応用が期待される。平成26年度は、これまでの知見をもとに、高活性かつ選択的なSIRT2阻害薬を探索するべく、クリックケミストリーを利用したSIRT阻害薬の探索を行った。本研究ではクリックケミストリーを利用したSIRT阻害薬用フォーカスドライブラリーの構築とin situスクリーニングにより、高活性かつ選択的なSIRT2阻害薬を探索した。

具体的には、2-アニリノベンズアミド構造有するアルキン2個とSIRT2の疎水性ポケットに収まることを期待したアジド57個を設計、合成した。マイクロプレート上で銅触媒存在下アルキン2個とアジド57個をクリックケミストリーにより連結させ、114個のSIRT阻害薬用フォーカスドライブラリーを構築した。次いで単離、精製することなく直接SIRT蛍光アッセイを行った結果、高いSIRT2阻害活性を有する新規SIRT2阻害薬を同定した。また、別途合成、精製した化合物はSIRT2を強く阻害し、SIRT2に対する選択性が確認された。以上の結果から、アイソザイム選択的HDAC阻害薬探索におけるクリックケミストリーの有用性が示された。26年度が最終年度であるため、記入しない。創薬化学26年度が最終年度であるため、記入しない。初年度の研究で、クリックケミストリーを用いた手法により、予定していた以上のスピードでKDAC8選択的阻害薬を見出すことが出来た。本研究成果については、論文でも発表した。平成24年度および平成25年度の研究で、クリックケミストリーを用いた手法により、予定していた以上のスピードでHDAC8選択的阻害薬、HDAC3選択的阻害薬を見出すことが出来た。平成24年度における研究成果を基に、平成25年度、26年度では、他の酵素を標的としたin situクリックケミストリー研究を実施する。平成24、25年度における研究成果を基に、平成26年度では、他の酵素を標的としたin situクリックケミストリー研究を実施する。平成24年度は、研究が予想以上に1頂調に進展し、物品費の支出を抑えることができたため、学術研究助成基金助成金を平成25年度に繰り越した。本助成金は、平成25年度、26年度に、物品費、旅費、人件費・謝金等に使用する予定である。平成25年度は、物品費等の支出はほぼ予定通りであり、学術研究助成基金助成金を3万円だけ平成26年度に繰り越した。本助成金は、平成26年度に、物品費として使用する予定である。
情報科学的手法を活用したSEC-SAXS連続データの全自動解析ソフトウェア開発

タンパク質間相互作用を解析可能なX線小角散乱法(SAXS)に関しては、近年ゲル濾過クロマトグラフィー(SEC)と組み合わせたSEC-SAXSと呼ばれる新しい測定解析法が開発され、活発に利用されるようになってきた。しかし、SEC-SAXSで計測されたデータを効率よく、また精度良く解析するための標準的な解析法が世界的にも定まっていないため、問題がある解析が行なわれている場合も多い。そこで本研究では、SAXSの基礎理論と情報科学的手法を組み合わせて初心者でも使いやすいSEC-SAXSデータの全自動解析ソフトウェアを開発する。
脳腫瘍におけるFISH(fluorescent in situ hybridization)による染色体異常検出の開発

癌の染色体異常の検出は、従来より分裂中期の細胞を用いた分染法により判定されてきた。このため、固形癌における染色体異常の解明は不可能に近かった。今回の研究は、新しいFISH法を用いて間期の細胞でも染色体異常の検出をすることが目的であり、以下のような新しい方法の開発と新しい所見が得られた。1.脳腫瘍株化細胞における染色体7.9.10.17番の固定FISH法により、glioma株化細胞において、4種の染色体プローブを用いて、染色体の数を固定することに成功した。2.脳腫瘍手術標本1つよりの染色体異常の検出1)gliomaについて:7番17番染色体で高値を示し、9番10番染色体では低値を示した。悪性度により、17番染色体が高値を示す傾向がみられた。2)その他の脳腫瘍について、髄膜腫ではgliomaと異なり、22番染食体が低下、再発例は17番が増加している。3.パラフィンブロックよりの染色体の異常検出新鮮標本とパラフィンブロックよりの染色体異常が同様に検出することが可能になった。以後、共焦点レーザー顕微鏡を用いて、染色体数の判定の信頼性を向上させ、また、染色体異常部位の質的診断向上が期待され、更に、研究を推進する予定にしている。1ヒトリンパ球の染色体検索まずコントロールをして、ヒトリンパ球の染色体#17の染色体の位置及び数を螢光顕微鏡により検出することに成功した。3細胞(株化)における染色体7,9,10,17番の同定FISH法により、glioma株化細胞において、4種の染色体プローブを用いて、染以体の数を同定することに成功した。4脳腫瘍手術標本よりの染色体異常の解析種々の脳腫瘍(特にgliomaを中心として)について4種の染色体について検索した。glioma合体では7番,17番染色体で高値を示し、9番10番染色体で低値を示した。grade別では、特にgradeIVが他のgradeよりも17番染色体がより高値を示し、10番染色体がより低値を示した。(近畿脳腫瘍研究会発表)5パラフィンブロックよりの染色体の同定パラフィンブロックよりも染色体プローブを用いて成功した。本年10月脳外科学会発表予定、及び癌学会発表予定癌の染色体異常の検出は、従来より分裂中期の細胞を用いた分染法により判定されてきた。1.脳腫瘍株化細胞における染色体7.9.10.17.番の固定FISH法により、glioma株化細胞において、4種の染色体プローブを用いて、染色体の数を固定することに成功した。2.脳腫瘍手術標本1つよりの染色体異常の検出1)gliomaについて:7番.17番染色体で高値を示し、9番.10番染色体では低値を示した。2)その他の脳腫瘍について:髄膜腫ではgliomaと異なり、22番染色体が低下、再発例は17番が増加している。今後、共焦点レーザー顕微鏡を用いて、染色体数の判定の信頼性を向上させ、また、染色体異常部位の質的診断向上が期待され、更に、研究を推進する予定にしている。
近代移行期の人口分布解析システムの構築

研究代表者は,日本における多産多死社会から少産少死社会への移行過程を説明する人口転換理論と移動革命論を再構築するために,古文書史料を蓄積・分析・発信する「江戸時代における人口分析システム(DANJURO)」の開発を進めている.本研究では,DANJUROに蓄積されている史料から人口分布と人口移動を電子地図に表示して,時空間分析を行う「近代移行期の人口分布解析システム」を試作した.研究代表者は,日本における多産多死社会から少産少死社会への移行過程を説明する人口転換理論と移動革命論を再構築するために,古文書史料を蓄積・分析・発信する「江戸時代における人口分析システム(DANJURO)」の開発を進めている.本研究では,DANJUROに蓄積されている史料から人口分布と人口移動を電子地図に表示して,時空間分析を行う「近代移行期の人口分布解析システム」を試作した.研究代表者は、わが国における多産多死社会から少産少死社会への移行過程を説明する人口転換論と移動革命論を再構築するために、古文書史料をデータベースに蓄積して、その記録内容を分析する「江戸時代における人口分析システム(DANJURO)」の開発を進めている。本研究では、DANJUROに蓄積されている史料をもとに、藩政村単位の人口構造と人口移動の分布を電子地図に表示して、時空間解析を行う「近代移行期の人口分布解析システム」を構築し、史料と分析方法を研究者間で共有する研究基盤をインターネット上に整備することを目的としている。平成21年度は、藩政村の位置情報データベース構築に向けて、摂津国西部における藩政村の村境を設定するとともに、「幕末維新期人口史料」分析システムの充実を図った。まず、『兵庫県史』の第4巻付図9にもとづき、摂津国八部郡、兎原郡、武庫郡、川辺郡、有馬郡に所属する藩政村、郡境、および国境の位置情報を採取した。さらに、輯製20万分の1地勢図にもとづいて、19世紀末の大阪湾における海岸線の位置情報を採取した。採取した位置情報を数値地図50mメッシュ(標高)上に表示して、本システムのベースマップを試作した。つぎに、武蔵国多摩郡日野宿組合村々の史料を「幕末維新期人口史料」データベースに追加登録した。現在、本データベースには、明治初期の岩代国会津郡、大沼郡、武蔵国多摩郡における66村、約2,600世帯、約17,000人分の情報が蓄積されている。「幕末維新期人口史料」データベースから村や郡ごとに39項目の人口・家族指標を算出して利用者側コンピュータに表示する「幕末維新期人口史料」分析プログラムを開発した。「幕末維新期人口史料」分析システムを含むDANJUROは、インターネットから研究者間に公開している。研究代表者は、わが国の近代移行期における人口転換・移動革命論を再検討するため、古文書史料をデータベースに蓄積して、その記録内容を分析する「江戸時代における人口分析システム(DANJURO)」の開発を続けている。本研究では、DANJUROから求めた人口指標をHistoricalGISによって地図表示して、時空間分析を行う人口分布解析システムの開発を主目的とする。本年度は、「江戸時代における人口移動分析システム」を構築して、村落間ネットワーク・モデルによる最短経路探索系の開発を進め、「幕末維新期人口史料」分析システムの充実を図った。(1) DANJUROを構成する「宗門改帳」古文書画像データベースをもとに、移動理由、移動期間、移動形態を検索条件として、摂津国に位置する研究対象村落の人口移動件数を藩政村ごとに集計して、その時系列変化を彩色標高地図にアニメーション表示する機能、距離圏別移動件数・移動率を求める機能、研究対象村落の所属する郡や任意領域における地域内移動件数・移動率を集計する機能を持つスタンド・アローン版「江戸時代における人口移動分析システム」を構築した。(2)人口移動に影響を与えた空間組織を抽出・評価するため、村落間ネットワーク・モデルを想定し、最短経路に沿った探索系の開発を進めた。「江戸時代における人口移動分析システム」から得られる人口移動の実態に相応する負担をパラメータ値の調節によって導出できれば、パラメータ値を解釈して、人口移動に影響を与えた空間組織を抽出・評価できる可能性がある。(3)明治初期の戸籍を「幕末維新期人口史料」データベースに追加登録した。本DBには、岩代国、武蔵国、相模国における78ヵ村、約2万人、約3千世帯が登録されている。本DBから52項目の人口指標を求め、利用者側PCに示す「幕末維新期人口史料」分析プログラムを開発した。研究代表者は、近代移行期における人口転換・移動革命論を再検討するため、古文書史料をデータベースに蓄積して、その内容を分析する「江戸時代における人口分析システム(DANJURO)」を開発中である。本研究では、DANJUROから求めた人口指標をHistorical GISによって地図表示して、時空間分析を行う人口分布解析システムの開発を目的とする。本年度は、(1)人口分布表示システムの試作、(2)Web・DBサーバ機の選定・導入・システム移行、(3)「過去帳」古文書画像DBと「幕末維新期人口史料」DBの規模拡大、(4)国際会議における研究報告を実施した。(1)DANJUROから藩政村単位に計算することのできる人口・家族に関する統計指標を電子地図に表示する人口分布表示システムを試作した。(3)寺院「過去帳」を「過去帳」古文書画像データベースに追加登録した。本DBには、武蔵国、相模国、備後国、美作国の18カ寺における39,799人が登録されている。さらに、明治初期の戸籍を「幕末維新期人口史料」データベースに追加登録した。

本DBには、岩代国、武蔵国、相模国の延べ82カ村、20,564人、3,114世帯が登録されている。研究代表者は、多産多死社会から少産少死社会への移行過程を説明する人口転換理論と移動革命論を再検討するために、古文書史料をデータベースに蓄積・分析する「江戸時代における人口分析システム(DANJURO)」の開発を進めている。本研究では、DANJUROに蓄積されている古文書史料をもとに、人口構造の分布と人口移動を地図表示して、時空間解析を行う「近代移行期における人口分布解析システム」を構築する。本年度は、1「近代移行期における人口分布解析システム」の試作、2人口史料データの拡充、3国際会議における研究成果の報告と論文執筆を行なった。第一に、人口・家族構造に関する指標を村・西暦ごとに地図表示するシステムを試作した。第二に、相模国淘綾郡二宮村、山西村、一色村に位置する4カ寺が保存している史料を写真撮影して、DANJUROを構成する「過去帳」古文書画像データベースに追加した。現在のところ、「過去帳」古文書画像データベースには、武蔵国多摩郡、相模国大住郡・淘綾郡、美作国真庭郡、備後国御調郡に位置する21カ寺、約4万8千人分の被葬者情報が登録されている。平成23年度の科研費補助金は、東北地方太平洋沖地震のため配分が遅れた。また、タイ洪水によって現地の生産工場が被災したため、当初選定したサーバ機の生産が遅延した。そのため、当初選定したサーバ機を急遽、Fujitsu製の上記サーバ機に切り替えた。これらの予期しない自然災害の影響で、交付申請書に記載した研究計画がやや遅れている。24年度が最終年度であるため、記入しない。最終年度となる平成24年度には、前年度の開発作業がやや遅れていた人口分布表示システムの充実を図るとともに、(1)インターネットを通じて本研究で開発したシステムを試験運用する、(2)ユーザ・インターフェースを改良する、(3)藩政村の位置情報データと人口史料データの規模を拡大する、(4)研究成果を国際会議や論文を通じて報告する計画である。最後に、研究成果を報告書と利用者用検索利用マニュアルにまとめ、DANJUROのWebページから発信する。
閉鎖性浅海域における底生生態系破壊機構の解明に関する研究

本研究により、結果次のような成果を得た。1)底生生態系の破壊機構の解明ホトトギスガイを低酸素、高温にて死亡させその遺骸が分解される過程での酸素消費速度を酸素消費測定装置を作成することにより測定した。その結果に基づき遺骸の酸素消費速度が死亡からの時間に関する指数関数として定式化した。その速度は初期において呼吸速度の3倍程度となること、並びにその速度は温度と共に増加することを示した。2)底生生態系破壊状態の持続機構の解明ホトトギスガイの遺骸の酸素消費が貧酸素水塊の拡大へとつながるモデルを作成し、平成13年における博多湾の酸素濃度に関するシミュレーションをおこなったところ、導入しないモデルに比較し、現況をよりよく表すことをしめした。とくに、既存のモデルでは底層の貧酸素水塊の発生を説明することができなかったが、本モデルにより説明可能となった。さらに、潮汐による移流と乱流拡散を流動場における輸送現象とし、分子拡散を水塊・底泥系における輸送とし、窒素、りん、DO、植物プランクトン、動物プランクトンの消長を含んだ博多湾生態系モデルに、前年度に開発したホトトギスガイ(本貝と呼ぶ)の着底、成長、死滅ならびに遺骸の分解過程における酸素消費を含んだ酸素消費と貧酸素水塊の発生モデルを構築した。本モデルを用いて生態系破壊の博多湾におけるシミュレーションをおこなった。これにより、それまでに不可能であった、博多湾底層の貧酸素化を説明することができた。博多湾における本貝のサイズ分布、底層酸素濃度、底質のABS、酸化還元電位の経月変化の調査結果より、それまで、不明であった本貝の着床に及ぼす底層のDOと底質のABSの影響を解明できた。すなわち、夏季における本貝の着床時期に、AVS=0.35+0.16DOよりAVが高い場合は着床が強く阻害されることを示した。研究の目的として以下の二点に着目し研究を行なった。1)底生生態系の破壊機構の解明ホトトギスガイ等の遺骸の分解による酸素消費ポテンシャルの増大の底生生態系破壊のトリガーとしての機構を、それらの遺骸の分解時の酸素消費速度を定量化、定式化し、上記のホトトギスガイの着底・成長・死滅・酸素消費のモデル化に組込むことによりシミュレーションを行なった。その結果、ホトトギスガイ等のマクロベントスによる水質への影響を底部のDO濃度の面的な変化として捕らえることが可能となった。この結果を基に、マクロベントスによる影響をシミュレーション上で再現し、観測結果(マクロベントスの生息密度)と比較した結果、底生生態系の破壊機構を面的に捕らえることが可能になった。二年目以降は、博多湾における底生生物の着底、成長、死滅の調査を行い、これらの結果を比較検討することにより、底生生態系破壊の機構を解明する。2)底生生態系破壊状態の持続機構の解明博多湾における酸素濃度分布と、底生生物に特に影響を与えると言われている底層DOと底質の硫化物の分析を行い、貧酸素水塊と硫化水素の発生との関係を明らかにするための調査を行った。その結果、底層のDO濃度と硫化物の間には相関関係がないことが分かってきた。この結果を受けて、二年目以降、さらに、底生生物のコホート調査を行い、その結果と上記の有毒物質発生の機構に基づき、酸素濃度低下と有害物質がホトトギスガイなどの着底を阻害し、底生生態系回復の遅れへとつながる機構を解明する。

研究の目的として、優占種二枚貝ホトトギスガイが博多湾水質に与える影響(遺骸の酸素消費等)に着目し研究を行なった結果、以下の二点が明らかとなった。1.酸素消費速度について・ホトトギスガイの遺骸による酸素消費速度は遺骸の分解が開始されてからの経過時間に伴い減少すると言うことがわかり、ホトトギスガイの遺骸による酸素消費速度を時間の指数関数df/dt=λ・OD_REXP(-λt)として定式化することができた。・呼吸による酸素消費速度と遺骸の分解による酸素消費速度とを比較することにより、死んだ直後の酸素消費速度は呼吸による酸素消費速度よりも大きくなっていることが分かった。特に水温20°Cの条件においては遺骸の分解による酸素消費速度が呼吸による酸素消費速度の3倍となった。この結果より貧酸素水塊の発生によりホトトギスガイが死んだ後、貧酸素水塊を更に助長している可能性を証明することができた。2.全酸素消費量についてホトトギスガイの遺骸の分解により乾燥身質量1gあたり約11001500(mg)の酸素が消費されていることが明らかとなった。今回の研究結果を踏まえた今後の課題として以下のことが挙げられる。(1)今回の実験結果を参考にして様々な水温条件下で実験を行い、遺骸の分解による酸素消費速度が最も早くなる温度を見つける必要がある。(2)ホトトギスガイの遺骸に含まれる炭素量のみで酸素消費を推測したが、炭素以外の含有物(窒素やリン)の溶出による酸素の消費も考えられるため、その原因を明らかにする。(3)実際にホトトギスガイが夏季に死滅するのは貧酸素状態である。よって貧酸素状態からの遺骸の酸素消費を測定する必要がある。潮汐による移流と乱流拡散を流動場における輸送現象とし、分子拡散を水塊一底泥系における輸送とし、窒素、りん、DO、植物プランクトン、動物プランクトンの消長を含んだ博多湾生態系モデルに、前年度に開発したホトトギスガイ(本貝と呼ぶ)の着底、成長、死滅ならびに遺骸の分解過程における酸素消費を含んだ酸素消費と貧酸素水塊の発生モデルを構築した。本モデルを用いて生態系破壊をの博多湾におけるシミュレーションをおこなった。これにより、それまでに不可能であった、博多湾底層の貧酸素化を説明することができた。博多湾における本貝のサイズ分布、底層酸素濃度、底質のABS、酸化還元電位の経月変化の調査結果より、それまで、不明であった本貝の着床に及ぼす底層のDOと底質のABSの影響を解明できた。すなわち、夏季における本貝の着床時期に、AVS=0.35+0.16DOよりAVSが高い場合は着床が強く阻害されることを示した。博多湾における本貝を指標とした底生生物生態系の破壊機構が、梅雨期の淡水流入と夏季の温度上昇による海水の密度成層が発生する。これによる海水の上下混合が低下が、底層への酸素の供給を減少させる。底層では温度上昇に伴い底生生物などの酸素消費速度が増大する。この供給の低下と消費の増大により底層の貧酸素化が進行する。その結果、本貝を含む一部の底生生物が死滅する。その遺骸の分解が酸素消費を増大させ、連鎖反応的に貧酸素化が進行しさらには無酸素状態となるメカニズムを示した。これらの研究の中、博多湾室見川河口には埋立用の海底土砂を淡深した窪地があり、その部分の貧酸素化、無酸素化が顕著であることが判明した。この無酸素化がゆわゆる青潮を発生させ、さらに周辺生態系の破壊を進行させている可能性の兆候を見出した。この窪地についでは、密度成層の生成と破壊が窪地内の貧酸素・無酸素に及ぼす影響の概要を見出した。