hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
毛細血管奇形-動静脈奇形症候群における遺伝要因の解明

脳動静脈奇形は破裂により重篤な脳出血を来たし、特に若年者の脳出血における主要な要因となっている。ときに遺伝性症候群における一症候として発現することもあり、いくつかの原因遺伝子も特定されている。本研究ではその中で世界的にも稀な遺伝性疾患であり、かつ今までに日本人における遺伝学的知見の報告がないCapillary-arteriovenous malformation (CM-AVM)の日本人患者における遺伝的背景を明らかにすることを目的として研究を開始した。本研究での最初のステップとして、2つの日本人CM-AVM家系についてサンプリングを行い、すでに原因遺伝子として認識されているRASA1遺伝子の25個のエクソンおよびエクソン-イントロン間隙のダイレクトシーケンスを行う予定であったが、早期にRASA1遺伝子以外の新規疾患遺伝子の可能性を模索するため、両家系の2人の発端者に対して全エクソーム解析を行った。その結果、いずれの発端者においてもRASA1遺伝子にそれぞれ異なる機能喪失型変異が検出され、サブクローニングおよびダイレクトシーケンスにより確認を行った。これらの変異はそれぞれ2つの家系内で疾患とco-segregationしており、かつ一般人口にも存在しないことを確認した。全エクソーム解析では、他に2名の発端者で共通して機能障害性変異をきたしている遺伝子はなく、RASA1遺伝子が日本人患者でも原因遺伝子となることを初めて証明した。また、検出された変異の一方はスプライスサイト変異であり、スプライシング異常を検証するため、培養細胞にスプライス変異を組み込んだエクソントラップ・ベクターをトランスフェクションして、実際にスプライシング異常が起こることを確認した。これらの研究成果は平成29年度に複数の学会で報告。平成30年度は論文作成期間に当て、現在、英文学術雑誌に投稿中である。まず2つの日本人CM-AVM家系のサンプリングを行い、すでに原因遺伝子として認識されているRASA1遺伝子のダイレクトシーケンスを行う予定であったが、早期にRASA1遺伝子以外の新規疾患遺伝子の可能性を模索するため、両家系の2人の発端者で全エクソーム解析を行った。これらの変異はそれぞれ2つの家系内で疾患とco-segregationしており、また一般人口にも存在しないことを確認した。全エクソーム解析では、他に2人の発端者で共通して機能障害性変異をきたしている遺伝子はなく、RASA1遺伝子が日本人患者においても原因遺伝子であることを初めて証明した。今後の予定であるが、検出されたRASA1変異の一方はスプライスサイト変異であり、スプライシングの異常を実験的に検証するため、培養細胞にスプライス変異を組み込んだエクソントラップ・ベクターをトランスフェクションし、スプライシングの異常を観察する。また、患者発生動向調査の過程において、新たな疑い症例を得たので、全エクソーム解析とダイレクトシーケンス解析を追加して行う。最終的には研究の成果を学会報告および論文掲載を行って発信する。注目した2家系のサンプリングおよび網羅的変異検索を終え、原因変異を特定した。また、網羅的解析によりRASA1遺伝子以外に2家系の病因を説明できる遺伝子変異はないことも本邦の患者で初めて示すことができた。また、同時に行った患者調査により、新たな疑い症例も得ることができたので、次年度も同様に解析を実施する。これらの研究成果については、平成29年度に複数の学会においてすでに報告済みであり、現在、論文掲載に向けて投稿準備中である。

注目した2家系のサンプリングおよび網羅的変異検索を終え、原因変異を特定した。また、網羅的解析によりRASA1遺伝子以外に2家系の病因を説明できる遺伝子変異はないことも本邦の患者で初めて示すことができた。また、検出された遺伝子変異に関して、実際に野生型とは異なる挙動を示すことを実験的に確認することができた。脳動静脈奇形は破裂により重篤な脳出血を来たし、特に若年者の脳出血における主要な要因となっている。ときに遺伝性症候群における一症候として発現することもあり、いくつかの原因遺伝子も特定されている。本研究ではその中で世界的にも稀な遺伝性疾患であり、かつ今までに日本人における遺伝学的知見の報告がないCapillary-arteriovenous malformation (CM-AVM)の日本人患者における遺伝的背景を明らかにすることを目的として研究を開始した。本研究での最初のステップとして、2つの日本人CM-AVM家系についてサンプリングを行い、すでに原因遺伝子として認識されているRASA1遺伝子の25個のエクソンおよびエクソン-イントロン間隙のダイレクトシーケンスを行う予定であったが、早期にRASA1遺伝子以外の新規疾患遺伝子の可能性を模索するため、両家系の2人の発端者に対して全エクソーム解析を行った。その結果、いずれの発端者においてもRASA1遺伝子にそれぞれ異なる機能喪失型変異が検出され、サブクローニングおよびダイレクトシーケンスにより確認を行った。これらの変異はそれぞれ2つの家系内で疾患とco-segregationしており、かつ一般人口にも存在しないことを確認した。全エクソーム解析では、他に2名の発端者で共通して機能障害性変異をきたしている遺伝子はなく、RASA1遺伝子が日本人患者でも原因遺伝子となることを初めて証明した。また、検出された変異の一方はスプライスサイト変異であり、スプライシング異常を検証するため、培養細胞にスプライス変異を組み込んだエクソントラップ・ベクターをトランスフェクションして、実際にスプライシング異常が起こることを確認した。これらの研究成果は平成29年度に複数の学会で報告。平成30年度は論文作成期間に当て、現在、英文学術雑誌に投稿中である。先にも述べた通り、検出された変異の一つはスプライス部位変異であったので、スプライス異常の解析を行う。患者RNAサンプルがあればRT-PCRにより直接観察が可能であるが、サンプリングは行えなかった。そこで、代わりにエクソントラップ法にて実験的に検証する方策を講じた。既に当該変異を組み込んだプラスミドベクターの調整は完了しており、次年度は培養細胞へのトランスフェクションを開始する。また、患者調査により、新たな疑い症例を得たので、次年度も同様の解析を実施する。
シリコン・金属界面の原子尺度での構造制御と、その巨視的な機能物性の発現の研究

昨年度に新しく設計・製作した小型MBE・RHEED装置に、新しい試料ホルダーと電気的測定用超高真空室を結合させた。これによって、(1)構造・組成の解析、(2)表面電気伝導、(3)ホール効果、(4)電界効果の測定に加えて、(5)光伝導もin-situに測定可能なシステムとなった。これを用いて、表面の微視的な原子配列構造・電子状態とその巨視的な電気特性を曖昧さ無く直接的に関連づける研究を昨年度に引続き行った。まず、表面電界効果の実験から、Si(111)-7×7清浄表面が金属的な表面であり、Si(111)-√<3>×√<3>-Ag表面が半導体的な表面であることが明らかになった。また、7×7清浄表面に酵素を暴露すると、表面の酸化によって金属的な表面がしだいに半導体的な表面に変化しいく過程を電界効果の変化として捉えることができた。また、単色光を照射したときの光伝導度の変化も表面超構造に依存して全く異なる振舞を示した。さらに、Si(111)-√<3>×√<3>-Ag表面を150K程度の低温に維持して1原子層程度のAgを蒸着すると、√<21>×√<21>や6×6構造という表面超構造が形成されることを初めて発見し、しかも、それらの構造の形成・消滅に応じて表面電気伝導度が特徴的に変化することも見いだした。これらの実験によって、表面空間電荷層が表面構造に依存して変化し、その結果、キャリアー濃度が増減し、表面電気伝導に影響を与える、という解釈の正当性を証明することができた。この様に、原子レベルでの構造と電気特性とを関連付ける研究は、新しいデバイス開発への基礎研究になると期待できる。新しく設計・製作した小型MBE・RHEED装置に、新しい試料ホルダーと電気的測定用超高真空室を結合させた。これを用いて、表面の微視的な原子配列構造・電子状態とその巨視的な電気特性を曖昧さ無く直接的に関連づける研究を始めた。試料としてシリコンの(111)および(100)表面にAu,Ag,Al,Cu,In,Pb,Sn,Cs,K,Na等の各種金属を吸着させた表面、あるいは、それらのエピタクシャル超薄膜、さらに酸素等のガスを吸着させた表面を用いた。実験の結果、ホール効果の測定から1原子層より少ない量の金層の吸着によってキャリアー濃度が表面構造に敏感に依存して変化することや、電界効果が金属的な表面と半導体的な表面で異なること等を見いだした。期待したように電気特性がシリコン表面構造に敏感に依存していることが分かってきた。これによって、表面電気伝導の構造依存性に対する我々の解釈の正当性を与えることができた。つまり、表面空間電荷層が表面構造に依存して変化してキャリアー濃度が増減し、表面電気伝導に影響を与える。この様に、原子レベルでの構造と巨視的な電子特性を関連付ける研究によって、新しいデバイス開発につながる機能物性を見いだす可能性が実際に開けてきた。

これを用いて、表面の微視的な原子配列構造・電子状態とその巨視的な電気特性を曖昧さ無く直接的に関連づける研究を昨年度に引続き行った。まず、表面電界効果の実験から、Si(111)-7×7清浄表面が金属的な表面であり、Si(111)-√<3>×√<3>-Ag表面が半導体的な表面であることが明らかになった。また、7×7清浄表面に酸素を暴露すると、表面の酸化によって金属的な表面がしだいに半導体的な表面に変化しいく過程を電界効果の変化として捉えることができた。また、単色光を照射したときの光伝導度の変化も表面超構造に依存して全く異なる振舞を示した。さらに、Si(111)-√<3>×√<3>-Ag表面を150K程度の低温に維持して1原子層程度のAgを蒸着すると、√<21>×√<21>や6×6構造という表面超構造が形成されることを初めて発見し、しかも、それらの構造の形成・消滅に応じて表面電気伝導度が特徴的に変化することも見いだした。これらの実験によって、表面空間電荷層が表面構造に依存して変化し、その結果、キャリアー濃度が増減し、表面電気伝導に影響を与える、という解釈の正当性を証明することができた。この様に、原子レベルでの構造と電気特性とを関連付ける研究は、新しいデバイス開発への基礎研究になると期待できる。
高効率捕集性能を有する排気装置POL-CAPTUREの革新的開発手法に関する研究

室内で発生する様々な有害物質を効果的に完全除去するための除去装置の開発を可能にするものとして、排気フードの概念を拡張し、POLLUTANT-CAPTURE(汚染物捕集装置:以下POL-CAPTURE)と定義した様々な排気装置の開発を容易にするための技術開発を目的として、POL-CAPTUREの性能を、Capture効率とContainment効率の両面から評価する理論を構築し、予測手法と測定方法の開発を目的とする。Capture効率とは、空気中の汚染物を捕まえる性能のことを意味し、Containment効率とは、一度Captureした汚染物質を逃がさないで排出する性能のことである。
界面ダイポールを利用した酸化物半導体のP型化による青色・紫外発光ダイオードの作製

多彩な電子物性を示すペロブスカイト酸化物の界面において、界面ダイポールによるバンドオフセット制御技術を確立し、さらに界面ダイポールを利用した半導体のP型化による青色・紫外発光ダイオードを作製することを目的として研究を行っている。本年度は特に、前年度の研究で確立した界面ダイポールによるバンドオフセット制御技術を活用することで、半導体のP型化による青色・紫外発光ダイオードの作製に取り組んだ。前年度の研究で、SrRuO_3/Nb:SrTiO_3界面に挿入されたイオン電荷はSrRuO_3金属の遮蔽電荷との間に界面ダイポールを作製し、ショットキー障壁高さを変化させることを明らかにした。このショットキー障壁高さを増大させてSrTiO_3のバンドギャップ3.2eVに近づければ、界面近傍で局所的にSrTiO_3をP型化し、全体としてPN接合を作製できると考えた。まず最も単純な手法として界面にできる限り多くの負電荷を挿入することが考えられる。しかし実際には負のイオン電荷を挿入すればするほど、正の電荷を持つ酸素欠損が生じたり構造が乱れたりして、挿入電荷の効果が抑制されることが判明した。一方で、La_<0.5>Sr_<0.5>TiO_3/Nb:SrTiO_3金属半導体界面に負電荷を挿入することで形成されるショットキー接合は(図1a,b)、高圧酸素アニールを施すことで2.7eVまでショットキー障壁高さを上昇させることが分かった。実際には高圧酸素アニールによってLa_<0.5>Sr_<0.5>TiO_3薄膜は一部酸化され金属特性が劣化するが、それによってむしろLa_<0.5>Sr_<0.5>TiO_3内部の電荷遮蔽距離が長くなったために大きな界面ダイポールを作製できたのではないかと考えている。この2.7eVの障壁高さを有するショットキー接合のエレクトロルミネッセンスを測定したが、発光は見られなかった。この測定は試料作製の1カ月後に行ったが、その時点ですでに電流電圧特性は変化し大きなリーク電流を生じていた。このことから、発光が見られなかったのは試料が何らかの理由で劣化したことが一因だと考えられる。電子デバイス材料として有望な酸化物において、その界面ナノスケール領域のイオン配列を設計することで接合の電気特性を制御し、機能性酸化物デバイスの作製に役立てることを目的としている。界面の電気特性はそのバンドオフセットに依存するが、界面ナノスケール領域のイオン配列が電気的にダイポールモーメントを持つ場合、界面ダイポールとしてバンドオフセットを変化させる。シリコンや有機半導体に比べて機能性酸化物における界面ダイポールの研究は未だ少ないが、強いイオン結合性を活用できれば大きな界面ダイポールの作製が期待できる。本研究ではN型酸化物半導体Nb:SrTiO_3と酸化物金属との間に形成されるショットキー接合の電気特性を、ナノスケール領域の界面ダイポールによって制御し、さらに界面近傍SrTiO_3のP型化によって紫外発光ダイオードを作製することを試みる。界面に異なる価数のイオンを含む単原子層を挿入することで、人工的なイオン電荷を導入することができる。界面のイオン電荷は金属側に遮蔽電荷を誘起し、間にナノスケールの界面ダイポールを形成する。実験ではパルスレーザー堆積法によって、(LaO)^+または(AlO_2)^-のイオン電荷が挿入されたSrRuO_3/Nb:SrTiO_3ショットキー接合を作製し、ショットキー障壁高さをOeVから1.7eVの範囲で制御することに成功した。この制御範囲はワイドギャップ半導体であるSrTiO_3のバンドギャップ3.2eVの半分を上回っており、界面付近でSrTiO3を理化できることを意味している。このように界面を形成する物質に関わらず自由にバンドオフセットを制御できる技術は、機能性酸化物のデバイス応用のための要素技術として有用だと考えている。

実際には高圧酸素アニールによってLa_<0.5>Sr_<0.5>TiO_3薄膜は一部酸化され金属特性が劣化するが、それによってむしろLa_<0.5>Sr_<0.5>TiO_3内部の電荷遮蔽距離が長くなったために大きな界面ダイポールを作製できたのではないかと考えている。この2.7eVの障壁高さを有するショットキー接合のエレクトロルミネッセンスを測定したが、発光は見られなかった。この測定は試料作製の1カ月後に行ったが、その時点ですでに電流電圧特性は変化し大きなリーク電流を生じていた。このことから、発光が見られなかったのは試料が何らかの理由で劣化したことが一因だと考えられる。指導委託先の研究室の移動に伴い装置の立ち上げ等の作業を行う必要があり、研究に必要なデバイス構造を作製できる期間が年度の前半に限定された。界面に挿入したイオン電荷と金属の遮蔽電荷との間に界面ダイポールが形成されるが、実際には同時に荷電したイオン欠損が導入され、挿入したイオン電荷の効果を緩和している可能性がある。今後はこのような欠損構造を電気化学的に制御し、さらに大きな界面ダイポールの作製を目指す。また界面ダイポールの設計には、その面内不均質性がもたらす影響について正確に理解する必要があり、そのような観点からも研究を進めていく。
炎症性疾患におけるＨＭＧＢ１の機能解析

HMGB1は主に核内に局在して転写の制御を行うと共に、細胞死や炎症性の刺激によって細胞外に放出され、免疫応答を引き起こすタンパク質である。しかしながら、その生体内における詳細な役割は未だ明白ではない。がんの進展にはがん細胞を取り巻く炎症性微小環境が重要な役割を果たしているが、これまでにHMGB1はマクロファージなどの骨髄系細胞から炎症性刺激により放出されることが報告されている。そこで骨髄系細胞にてHMGB1を欠損させたマウス(LysM-HMGB1 KOマウス)を用いて、がんの進展における生体内HMGB1の役割を調べた。黒色腫細胞株B16F1を皮下に移植した結果、腫瘍の増殖はLysM-HMGB1 KOマウスにおいても変化はなかったが、尾静脈からB16F1細胞を播種すると、肺転移がLysM-HMGB1 KOマウスにおいて減少した。したがって、骨髄系細胞におけるHMGB1は肺転移を亢進することが示唆された。HMGB1をはじめとした死細胞由来の分子は自然免疫受容体によって認識されることが知られているが、そうした受容体ファミリーの一つであるCLRのがん制御における役割は未知の部分が多い。そこで、CLRの一つであるDectin-2のがん制御における役割について解析した。様々ながん細胞株をマウスの皮下、もしくは尾静脈に播種した結果、野生型マウスとDectin-2欠損マウスで同程度の腫瘍増殖、及び肺転移を示した。しかしながら、脾臓播種による肝転移モデルにおいて、大腸癌細胞株SL4の転移がDectin-2欠損マウスで顕著に増悪していた。したがって、Dectin-2は選択的に肝転移に対する抗腫瘍システムに寄与していることが明らかとなった。本研究はHMGB1のがん制御における役割を個体レベルで解析したという点で、新規性がある。また、過去に肝転移がCLRによって制御されると報告した例はない。今後の解析により、HMGB1やDectin-2をターゲットとした新規がん治療法の開発に役立つ可能性がある。27年度が最終年度であるため、記入しない。HMGB1は定常状態において細胞核内に局在するタンパク質であるが、細胞死や炎症性の刺激によって細胞外に放出され、免疫応答を引き起こす。これまで組換えHMGB1タンパクや抗HMGB1抗体を用いることで、様々な炎症性疾患におけるHMGB1の関与が報告されてきたが、生体内におけるHMGB1の役割を詳細に明らかにすることは困難であった。全身性のHMGB1マウスは致死性であるため、本研究ではHMGB1コンディショナルノックアウトマウスを用い、炎症性疾患における生体内HMGB1の役割を解析した。HMGB1はマクロファージなどの骨髄系細胞からLPS刺激により放出されることが知られている。そこで、HMGB1-floxマウスとLysM-Creマウスを交配することで骨髄系細胞にてHMGB1を欠損させたマウス(LysM-HMGB1 KOマウス)を作製し、LPS誘導性ショックにおけるHMGB1の機能を解析した。マウスの腹腔内にLPSを投与した結果、LysM-HMGB1 KOマウスでは生存率が顕著に低下し、それに伴い、血中における炎症性サイトカインIL-1b, IL-18の産生が顕著に増大した。これまでの報告で、IL-1bやIL-18の産生に寄与するcaspase-1の活性化がオートファジーによって抑制され、またHMGB1はオートファジーを促進することが知られていたため、HMGB1によるIL-1b, IL-18産生の制御はオートファジーを介していることが予想された。実際に、LysM-HMGB1 KOマウスから回収した骨髄由来マクロファージでは、LPS刺激によるオートファジーの誘導が減弱しており、この仮説を支持する結果を得た。以上より、骨髄系細胞におけるHMGB1がオートファジーを促進してIL-1bやIL-18の産生を負に制御し、LPS誘導性ショックから生体を守っていることが示唆された。本研究は生体内HMGB1の炎症性疾患における役割を明らかにしただけでなく、これまで様々な炎症性疾患の増悪に寄与するとされていたHMGB1が抗炎症作用を持っていることを示した点で、新規性があると考えられる。

そこで、CLRの一つであるDectin-2のがん制御における役割について解析した。様々ながん細胞株をマウスの皮下、もしくは尾静脈に播種した結果、野生型マウスとDectin-2欠損マウスで同程度の腫瘍増殖、及び肺転移を示した。しかしながら、脾臓播種による肝転移モデルにおいて、大腸癌細胞株SL4の転移がDectin-2欠損マウスで顕著に増悪していた。したがって、Dectin-2は選択的に肝転移に対する抗腫瘍システムに寄与していることが明らかとなった。本研究はHMGB1のがん制御における役割を個体レベルで解析したという点で、新規性がある。また、過去に肝転移がCLRによって制御されると報告した例はない。今後の解析により、HMGB1やDectin-2をターゲットとした新規がん治療法の開発に役立つ可能性がある。本研究の目的は、これまで解析の困難であった生体内HMGB1の炎症性疾患における役割を解明することである。今回、HMGB1コンディショナルノックアウトマウスを用いて解析を行った結果、LPS誘導性ショックにおいて、骨髄系細胞におけるHMGB1が炎症を抑制する知見を見出し、目的達成のための非常に重要な足がかりを得ることができた。この点についてまず評価したい。さらに、これまでHMGB1は炎症性疾患の増悪に寄与していると報告されてきたが、今回得られた知見から生体内HMGB1はそれらの報告とは異なる機能を持っていることが示された。この結果は炎症性疾患の治療法の開発に新たな一石を投じるだけでなく、詳細なメカニズムを解明することで将来的にインパクトのある知見が見出されると期待される。実際にHMGB1の炎症抑制メカニズムについて解析を進め、LPS投与後の血中における様々な炎症性サイトカイン量を調べた結果、骨髄系細胞の発現するHMGB1がIL-1b, IL-18の産生を抑制していることが判明した。さらに、そのようなIL-1b, IL-18産生制御のメカニズムを明らかにすべく様々な検討を行い、LPS刺激下においてIL-1b, IL-18産生の抑制に寄与するオートファジーをHMGB1が促進していることを示唆する結果を得た。この知見を得たことは、本研究の目的達成のための非常に重要なステップであり、評価に値すると考える。今後HMGB1によるオートファジー亢進の役割について詳細に調べていくことで、更なる発展が期待できる。HMGB1の機能は世界的に注目を集めており、非常に競争が激しい分野である。そのような状況の中、本研究では細胞外に放出されるだけでなく細胞内にも局在するというHMGB1の性質上、実験結果の解釈が困難な状況にも関わらず、炎症性疾患におけるHMGB1の機能の一端をいち早く解明することができた。したがって、今年度の研究は期待以上の進捗があったと評価する。27年度が最終年度であるため、記入しない。本研究では骨髄系細胞におけるHMGB1が炎症性サイトカインIL-1bやIL-18の産生を低下させ、LPS誘導性ショックによる個体死を抑制していることを明らかにした。さらに骨髄由来マクロファージを使った解析により、LPS刺激下においてHMGB1は、IL-1bやIL-18の産生を負に制御することが知られているオートファジーを亢進することが示唆された。
ウルトラファインバブルの構造特性評価による生体効果の分子機構の解明

[研究の目的]100nm以下の微細微小気泡をウルトラファインバブルと呼称し,長期間安定であるためその応用分野は,電子産業分野,洗浄分野,医療・薬品分野,健康分野,農業・水産分野,食品・飲料分野など極めて広範囲に及んでいる。しかし,ウルトラファインバブルの産業利用が先行する一方,その物理化学的な性質や生成・消滅機構,存在状態の構造動態などに関する実験的研究や理論的解明は遅れており,本格的な産業応用には基礎物性研究や生体物質を含む各種物質との相互作用等に関する研究の進展が鍵を握っている。そこで,放射光X線・中性子散乱法を適用して,ウルトラファインバブルの基本構造およびタンパク質や脂質膜に対する効果を検討した。[研究成果]空気,窒素,酸素を封入したウルトラファインバブルを作成し,まず,その基本構造を検討した。動的光散乱法とX線小角散乱法を用いてその粒径分布を求めた結果,そのサイズが2倍近く異なることが判明し,その違いが,バブル気泡と水層との気液界面の動的性質によることを示した。すなわち,気液界面では,活発にガスの溶解と放出が繰り返されており,ガスやイオンが濃縮された拡散層が存在し,その存在がウルトラファインバブル構造の安定化をもたらすことをモデル構造解析により見出し,アメリカ化学会の論文誌に掲載された。このような構造モデルの発見は世界初である。さらに,ウルトラファインバブルの各種球状タンパク質および生体膜中で情報伝達に直接関与する脂質ラフト膜に対する効果を検討した。ウルトラファインバブルは,疎水性粒子としての性質を有するが,親水性残基と水和シェルで覆われたタンパク質に対しては,殆ど影響を与えないが,リポソームの脂質二重層膜のアルキル鎖間の疎水性相互作用を強める効果があることを見出した。【研究の概要】日本発の技術として微小気泡を用いた産業応用が注目されている。中でも,溶液中で安定に存在する大きさが100nm程度のウルトラファインバブルは大きな可能性を秘めており,医療・薬品分野,健康分野,農業・水産分野での利用が先行しているが,その測定方法すら国際標準化しておらず,その物理化学的な性質や構造,生体物質に与える効果などの構造学的研究は殆ど無く,分子機構は不明である。本研究は,ナノスケールの構造研究に威力を発揮する放射光X線溶液散乱法を適用し,ウルトラファインバブルの構造評価法を確立して,タンパク質や生体膜などの機能構造と生体反応システムに与える効果の分子機序を解明することを目的としている。【具体的な内容】研究期間内に下記の内容の研究を実施する。●溶媒などの拘束条件に影響を受けない,ウルトラファインバブルの構造,界面構造,分散状態,有効電荷等が評価可能な新たな測定法を放射光X線散乱により実現,多様な溶液条件下での構造特性を解明する。●ウルトラファインバブルとタンパク質や生体膜などの生体物質との相互作用を解明する。【平成26年度の研究実績】平成26年度は,バブル測定用の新たな放射光X線試料セルを作成し,空気バブル,窒素バブル,酸素バブルの各溶液,及び,各バブル溶液中にに各種のタンパク質,各種の脂質リポソームを溶解し,その構造特性の変化を広角X線溶液時間分解測定により観測した。その成果の一部を第54回日本生物物理学会にて発表した。タンパク質に関しては分子の広がりの経時変化が観測されたが,タンパク質の種類や分子量,溶媒条件(pH,塩濃度,タンパク質濃度)に依存していた。また,脂質リポソームでは,アルキル鎖の間隔やその動きに変化が見らた。詳細な実験と解析は継続中である。純粋なバブル水の溶液構造に関しては,バブル濃度が希薄であるため,測定条件等の見直しを行っている。純粋なバブル溶液の放射光X線散乱測定に関しては,試料作成条件,測定条件の見直しが必要であるが,タンパク質および生体膜(脂質膜)への影響に関しては概ね予定通り研究が進んでいる。[研究の目的]微細微小気泡の応用分野は,電子産業分野,洗浄分野,医療・薬品分野,健康分野,農業・水産分野,食品・飲料分野など極めて広範囲に及んでいる。最近,長期間安定な浮遊状態を保てる大きさが100nm以下のウルトラファインバブルが作成可能となり,既に,電子産業分野の剥離装置や農業分野の水耕栽培に応用されている。しかし,ウルトラファインバブルの産業利用が先行する一方,その物理化学的な性質や生成・消滅機構,存在状態の構造動態などに関する実験的研究や理論的解明は遅れており,本格的な産業応用にはウルトラファインバブルの基礎物性研究や生体物質を含む各種物質との相互作用等に関する研究の進展が鍵を握っている。[これまでの研究成果と経緯]研究代表者の放射光X線・中性子散乱法を適用したタンパク質や脂質膜などの多数の研究をベースとして研究を推進している。ウルトラファインバブルの生体物質への効果の基本は,生体物質界面(水和層)とバブル界面との相互作用が重要であるとの観点から,特に,細胞保存液などに使用される濃厚糖溶液や,濃厚高分子溶液中でのタンパク質や脂質膜の構造安定性と水和状態に注目して実験を実施した。【具体的な研究成果】●食品科学,経皮系薬剤等に使用されている非荷電性合成高分子を含有した溶液中でのタンパク質の構造を解析した結果,タンパク質界面からの高分子の選択的は排除が起こると同時に,高分子の排除体積効果,水和状態の変化が起こり,熱安定性が低下することを見出した(学術論文に発表済み)。ウルトラファインバブル溶液中で同様の現象起きるのか現在検討中である。●細胞保存液に使用されている糖類を含有した状態での安定性に関して現在検討中である。

糖類のみの水溶液中では,タンパク質の熱安定性が水和状態の保護作用を通じて起きていることを明らかにすることができた。ウルトラファインバブルの生体物質への効果は,生体物質界面(水和層)とバブル界面との相互作用が重要であると考えている。現在,細胞保存液などに使用される濃厚糖溶液や,濃厚高分子溶液中でのタンパク質や脂質膜の構造を中心に検討行ってきており,概ね順調に研究が進んでいる。[研究の目的]100nm以下の微細微小気泡をウルトラファインバブルと呼称し,長期間安定であるためその応用分野は,電子産業分野,洗浄分野,医療・薬品分野,健康分野,農業・水産分野,食品・飲料分野など極めて広範囲に及んでいる。しかし,ウルトラファインバブルの産業利用が先行する一方,その物理化学的な性質や生成・消滅機構,存在状態の構造動態などに関する実験的研究や理論的解明は遅れており,本格的な産業応用には基礎物性研究や生体物質を含む各種物質との相互作用等に関する研究の進展が鍵を握っている。そこで,放射光X線・中性子散乱法を適用して,ウルトラファインバブルの基本構造およびタンパク質や脂質膜に対する効果を検討した。[研究成果]空気,窒素,酸素を封入したウルトラファインバブルを作成し,まず,その基本構造を検討した。動的光散乱法とX線小角散乱法を用いてその粒径分布を求めた結果,そのサイズが2倍近く異なることが判明し,その違いが,バブル気泡と水層との気液界面の動的性質によることを示した。すなわち,気液界面では,活発にガスの溶解と放出が繰り返されており,ガスやイオンが濃縮された拡散層が存在し,その存在がウルトラファインバブル構造の安定化をもたらすことをモデル構造解析により見出し,アメリカ化学会の論文誌に掲載された。このような構造モデルの発見は世界初である。さらに,ウルトラファインバブルの各種球状タンパク質および生体膜中で情報伝達に直接関与する脂質ラフト膜に対する効果を検討した。ウルトラファインバブルは,疎水性粒子としての性質を有するが,親水性残基と水和シェルで覆われたタンパク質に対しては,殆ど影響を与えないが,リポソームの脂質二重層膜のアルキル鎖間の疎水性相互作用を強める効果があることを見出した。平成27年度は下記のような研究の展開を行う。1)純粋なバブル水の測定に関しては,現在作成可能なバブル水の濃度は,最高濃度においても100-200億個/mL程度である。さらに高濃度のバブル水を作成することと,放射光X線の測定時間を伸ばす必要があため,作成条件や測定条件の見直しを検討している。2)脂質系へのバブル水の影響に関しては,一定の成果が得られつつあるが,脂質の種類,温度,構造相などさらに多様な試料条件での測定・解析を行う必要がある。3)タンパク質構造への影響に関しては,タンパク質の種類に依存していることがある程度判明しているため,各タンパク質の溶媒条件を変えて,より詳細な検討を行う。じょうき2),3)に関しては,追試結果を含め,学術論文に投稿する予定である。[今後の推進の方策」バブル自体の安定性の検討がやや遅れているが,バブルと他の共存分子存在下での安定性に関する構造学的研究を重点的に進める予定です。
先細ノズルからの超音速自由噴流および衝突噴流に関する研究

先細ノズルから、臨界圧力(大気圧の1.89倍)以上で空気を大気に噴出させた場合、不足膨張噴流が得られる。この噴流の下流に流れに垂直に平板を置くと、平板前方に衝撃波が生じる。この衝撃波と平板の間は、ノズル・平板間距離、ノズル前後の圧力比によって、逆流あるいは渦の発生、流れの振動等のいろいろな流れパターンが生じる。本研究では、これらの現象を解明することが最終目的であるが、本年度は、主として平板のない場合の自由噴流の流れ場の詳細な構造を明らかにすべく、実験と、数値計算を行った。実験は、超音速噴流チャンバーに取り付けられた出口径10mm、ノズルの内側表面のアール20mmの先細ノズルを用い、ノズル前後の圧力比を3.0を中心に変化させて、主にシャドウグラフ法とマッハツェンダー干渉法を用いて、不足膨張自由噴流の流れ場を求めた。又同時に非粘性、軸対称流れを仮定してTVD法による数値計算を行い、流れ場の諸量を求めた。その結果、噴流の形状、斜め衝撃波の位置、マッハディスクの大きさ、セルの長さ等については、実験結果と、数値計算結果は非常に良く一致することが分かった。但し、マッハディスクの発生し始めるノズル圧力比に関して、若干のずれが認められ、この点の取り扱いを検討する必要があること、また、場合によっては、粘性、あるいは乱流を考慮する必要が出てくる可能性もある。いずれにしても、まずこの計算方法で、噴流中に衝突板を置いた場合の流れ場を詳細に調べる予定である。
テルペンの特異な反応を利用してマツおよびスギ精油の生物活性を高める研究

樹木精油中の主要成分を比較的簡単な反応で化学変換することにより精油自身の生物活性、特にシロアリ,カビに対する殺蟻活性・抗菌活性を高めようと試みた。樹木精油に多く含まれるα-ピネンを希硫酸で処理すると、約22モル%の収率で殺蟻活性を有するα-テルピネオールが生成した。更に、幾つかのスルホン酸でα-ピネンを処理すると硫酸処理に比べてα-テルピネオールの収率が著しく向上することを明らかにした。その中で,p-フェノールスルホン酸による処理がα-テルピネオールの生成に最も適していることがわかった。その他のテルペン類のスルホン酸処理を行なった結果,β-ピネンにおいて最もα-テルピネオール生成量が多く,その収量は生成物当たり最高約83モル%に達した。更に,マツ、スギ、ヒノキの精油のp-フェノールスルホン酸による加水分解反応を検討した結果、マツ中のα-ピネンはα-テルピネオールに変化していることが分かった。しかし,市販のターペンチンおよびスギ精油では元々のα-ピネン、β-ピネンの存在量が少ないために、α-テルピネオールの生成量はそれほど多くなかった。ヒノキ葉精油ではα-ピネンの代わりにサビネンの存在量が多く、加水分解反応により4-テルピネオールが多く生成することが分かった。反応時間は10時間以内が適しており,それ以上では好ましくない副反応が進行した。これらの反応生成物を用いて,イエシロアリ,ヤマトシロアリに対する殺蟻活性試験とJISの防カビ試験に指定されている5種類のカビに対する抗菌活性試験を行なった。殺蟻活性は反応時間の増加に伴い,著しく増大した。ただし,スギの精油などのようにα-ピネンなどの成分量が元々少ないものでは,殺蟻活性成分であるα-テルピネオールなどの生成量も少なく,そのために殺蟻活性もそれほど向上しなかった。抗菌活性も,殺蟻活性と同様に加水分解処理により著しく向上した。樹木精油中の主要成分を比較的簡単な反応で化学変換することにより精油自身の生物活性、特にシロアリに対する殺蟻活性を高めようと試みた。生物試料としては高知県で採取したイエシロアリを用いた。反応生成物は主に、キャビラリーガスクロマトグラフィーで同定・定量を行なった。樹木精油に多く含まれるα-ピネンを5%の希硫駿で処理すると、約22モル%の収率で殺蟻活性を有するα-テルピネオールが生成し、比較的簡単な方法により精油の殺蟻活性を高めるごとができることを明らかにした。更に、3種類のスルホン酸でα-ピネンを処理すると硫酸処理に比べてα-テルピネオールの収率が著しく向上することを明らかにした。特に、p-フェノールスルホン酸で10時間処理するとα-ピネンおよびβ-ピネンからそれぞれ約47モル%、約59モル%の高収率でα-テルピネオールが生成することが分かった。α-ピネン自身は全く殺蟻活性は持たず、精油中のα-テルピネオール濃度が高まるほど殺蟻活性は増加した。d-リモネン、β-ミルセンも同様の処理により、幾つかの反応物を生じるが、α-テルピネオールの生成量は軽く微量であった。精油のスルホン酸処理によりα-テルピネオール以外にも多くの化合物が生じるので、その中で殺蟻活性を有する物質を現在調査中である。

本年度の研究により、マツ、スギ、ヒノキ等の精油に含まれる主要成分の反応については概略把握できたと考えられるので、次年度からは更に殺蟻活性の高いα-テルピニルアセテートヘの変換を検討すると共に、樹木精油そのものへの応用を進めることができるものと思われる。昨年度に引き続き,今年度も樹木精油の殺蟻活性を向上させるために,モノテルペン類を用いて,比較的簡単な水和反応による活性成分であるテルピネオールの誘導を試みた。幾つかのスルホン酸による処理を検討した結果,p-フェノールスルホン酸での処理がα-テルピネオールの生成に適していることがわかった。各種テルペン類のスルホン酸処理を行なった結果,β-ピネンからは,生成物に対するα-テルピネオールの含有量は約83重量%に達した。スルホン酸処理では,硫酸処理よりα-テルピネオール生成量が著しく増加し,特にβ-ピネンから極めて高収率でα-テルピネオールが生成することが明らかとなった。更に,ゼオライトなどの固体酸あるいは陽イオン交換樹脂を用いた水和反応も試みた。既にゼオライトによる水和反応(100°C還流下,数十時間)では高収率のα-テルピネオールの生成が可能であると報告されているが,我々の実験では文献の結果を再現することはできなかった。それに対して,陽イオン交換樹脂を用いる方法では,温和な反応条件(60°C,10時間以内)にも拘わらず,良好なα-テルピネオール生成量が得られると同時に,反応物の抽出分離という煩雑な工程を経ずにα-テルピネオールの誘導が可能であった。以上の各反応物を用いてイエシロアリによる殺蟻試験を行なった。その結果,α-ピネンやβ-ピネンには全く活性はなかったが,いずれの水和反応処理生成物にも殺蟻活性が見られ,特にα-テルピネオール生成量の多いものほど活性は高かった。更に,スギ,ヒノキ,アカマツなどの樹木精油を用いて,上記の水和反応によるα-テルピネオールの生成を試みた。加水分解処理を行うことにより,元の精油よりかなり殺蟻活性は向上した。昨年度に引き続き,今年度も樹木精油の殺蟻活性を向上させるために,モノテルペン類および樹木精油を用いて,比較的簡単な水和反応による活性成分の誘導を試みた。活性成分であるα-テルピネオールを最も効率よく生成させるp-フェノールスルホン酸による処理を検討した結果,試料中のモノテルペン炭化水素の存在量が減少し、それに応じてα-テルピネオール、4-テルピネオールなどのテルペンアルコールの増加が見られた。しかし、反応時間を10時間以上に伸ばすと、再度、d-リモネンなどのモノテルペン炭化水素に変化することを明らかにし,反応時間は10時間以内が好ましいことを明らかにした。マツ、スギ、ヒノキの精油の加水分解反応を検討した結果、マツ中のα-ピネンはα-テルピネオールに変化していることが分かった。しかし、マツ由来の精油である市販のターペンチンでは元々のα-ピネン、β-ピネンの存在量が少ないために、α-テルピネオ-ルの生成量はそれほど多くなかった。スギ精油も市販のターペンチンと同じくα-ピネン、β-ピネンの存在量は少なかった。ヒノキ葉精油ではα-ピネンの代わりにサビネンの存在量が多く、加水分解反応により4-テルピネオールが多く生成することが分かった。これらの反応生成物を用いて,イエシロアリ,ヤマトシロアリに対する殺蟻活性試験とJISの防カビ試験に指定されている5種類のカビに対する抗菌活性試験を行なった。殺蟻活性は反応時間の増加に伴い,著しく増大した。
非ネーター群と群環の原始性の研究

環Rは、忠実な規約(右)R-加群が存在するとき、(右)原始であると言われ、単純環一般化と考えられる。本研究の主要目的は、非ネーター群の群環の原始性をできるだけ一般的な結果として与えることであった。この目的のために、我々は、SR-グラフ理論と呼ぶものを構築し、それを非ネーター群の群環の原始性を導くために用いた。実際、この方法を用いて、多くの非ネーター群のクラスの群に対してその群環の原始性を導くことができた。例えば、局所自由群に対する結果の別証明を与えることに始まり、群の自由積、融合積に対する結果の拡張、及びHNN拡大群、1関係子群に関する群環の原始性を与えることができた。(研究の成果の具体的内容)本研究は、まず、群の非ネーター性に着目し、非ネーター群と群環の原始・半原始性の関係を明らかにすることである。そのため、方法論として、群環のイデアルを評価するためのグラフ理論を用いた方法(SR-グラフ理論)を確立することでもある。26年度研究計画においては、群の融合積、HNN拡大、1関係子群を取り上げ、その群環の原始性との関連を非ネーター群としての一般的な見地から明らかにすることであった。群の融合積、HNN拡大に関しては、ほぼ達成されたと言える。即ち、SR-グラフの理論を用いて、既存の結果を、一般化し、改良することが出来た。この結果について、秋田での国際会議(平成26年8月開催)及び、京都大学数理解析研究所研究集会(平成27年2月開催)にて講演を行なった。現在、論文として投稿準備中である。また、カナダト・ロントで開催された国際会議にて、新たな知見と広がりを得ることができた。即ち、群環のunit群の自由群と群環の原始性との関係である。近年よく研究されている群環のunit群の自由群と群環の原始性との関係は興味深い問題である。(意義と重要性)群の融合積、HNN拡大群は、非ネーター群として、最もよく研究されている群のクラスであり、群の融合積については、既にBalognの結果があったが、自由積に対する結果の完全な一般化にはなっていなかった。この度得た結果は、自由積の結果の完全な一般化となっている。また、HNN拡大群に関しても、本研究代表者の結果があったが、この度の結果は、より一般のHNN拡大群のものへ拡張されている。これらのことからSR-グラフの理論の有効性を確認できたと言える。またカナダの国際会議でのブラジルの研究者との討論から、群環のunit群との関連で、本研究に対し新たな視点がえられ、共同研究の道も開けたことの意義は大きい。(研究の成果の具体的内容):本研究は、まず、群の非ネーター性に着目し、非ネーター群と群環の原始・半原始性の関係を明らかにすることである。また、群環のイデアルを評価するため、グラフ理論を用いた方法論を確立することでもある。27年度研究計画は、26年度において、基本的になされていた群の融合積、HNN拡大、1関係子群の群環の原始性の証明を手がかりに、一般の非ネーター群の群環の原始性を明らかにすることであった。そのためには、主な方法論として確立してきているSR-グラフの理論を拡張する必要があった。27年6月に参加したアメリカでのカンファレンスで、グラフ理論の専門家がこの問題に興味を持ち、共同研究として、SR-グラフ理論を再構成、拡張することがでた。成果を28年1月に論文にまとめ投稿した。(意義と重要性):半原始性及び原始性問題解決は、無限群の群環における中心課題の一つである。ネーター群の群環の原始性は、1970年代の後半に、Domanov, Farkas-Passsman, Rosebladeの一連の研究により、polycyclic群(代表的ネーター群)に対する群環の原始性問題の解決によりほぼ解決したと言える。一方、非ネーター群の群環の原始性は、Formanekによる群の自由積に対する結果をはじめとして、Balognによる融合積、本研究代表者による昇鎖HNN拡大群、局所自由群に対する結果が徐々に得られてきたが、非ネーター群に対するより一般的な結果は与えられていない。本研究は、一般の非ネーター群に対する群環の原始性、半原始性の問題を解決しようとするものである。そのために方法論として、グラフ理論を用いて、群環のイデアルの生成元を評価できるようにするためのSR-グラフ理論を構築しようとするものでもある。(有限生成)非ネーター群のほとんどの群は自由群の部分群を有している。そうないものは、free Burnside群以外ほとんど知られていない。自由群を部分群に持つ群に対して、当初の目的は、目的はほぼ達成された。また、グラフ理論の研究者, James Alexanderとの共同研究によりSR-グラフ理論の基礎を再構成することができた。結果は、共著論文として投稿した(査読審査中)。また、上記方法論により、加算無限の局所自由群に対し与えられていた結果を任意の濃度の局所自由群の結果に拡張できた。この結果は、2016年1月開催のアメリカ数学会年会で以下発表を行った。

この研究の目的は、非ネーター群に対する群環の原始・半原始性問題を明らかにすることであり、また、群環のイデアルを評価するためのグラフ理論(SR-グラフ)を構成し、それを用いた群環の原始性研究の方法論を確立することでもあった。この目的は、ほぼ達成された。即ち、SR-グラフの枠組みを構成し、それを利用して、自由群を部分群として含む非ネーター群(自由Burnside群を除けば、ほとんどはそのようなものである)の群環の原始性を導くことができた(1関係子群の群環の原始性の結果を含む)。結果は、2つの論文にまとめられた(1.[J. Alexander and T, Nishinaka, “Non-noetherian groups and primitivity of their group algebras", to appear in J. algebra.], 2.[T, Nishinaka, “Uncountable locally freegroups and their group rings",arXiv 1601.00295v1: under review senice January 2016.])。この結果は、米国ワシントンDCで開催された国際会議ACEMI(科研費研究代表者として開催協力)において、グラフ理論の専門家との意見交換・討論の機会を経て実現した共同研究に負うところが大きい。本科研費を受けた期間中、上述の米国での国際会議のみならず、カナダで開催された国際会議、AMS年会、秋田大学で開催された国際会議「Semigroups, Languages and Algebras」等、多くの国際会議へ参加・講演を行なった。この過程で多くの有益な刺激が得られただけでなく、関連分野の研究手たちとの共同研究の道が開けてきている。環Rは、忠実な規約(右)R-加群が存在するとき、(右)原始であると言われ、単純環一般化と考えられる。本研究の主要目的は、非ネーター群の群環の原始性をできるだけ一般的な結果として与えることであった。この目的のために、我々は、SR-グラフ理論と呼ぶものを構築し、それを非ネーター群の群環の原始性を導くために用いた。実際、この方法を用いて、多くの非ネーター群のクラスの群に対してその群環の原始性を導くことができた。例えば、局所自由群に対する結果の別証明を与えることに始まり、群の自由積、融合積に対する結果の拡張、及びHNN拡大群、1関係子群に関する群環の原始性を与えることができた。26年度研究計画においては、まずSR-グラフの理論を用いて、群の融合積、HNN拡大、1関係子群を取り上げ、それら群環の原始性を明らかにすることとなっていた。この目的は、(捩れのない)1関係子群の問題は残したものの、ほぼ達成されたと言える。即ち、捩れ1関係子群の群環の原始性を導き、さらに群の自由積対する結果の融合積への完全な一般化、及び、一般のHNN拡大群に対する結果を与えることができた。この結果について、カナダでの国際会議「Groups, Rings and Group Rings」(平成26年7月開催)及び、京都大学数理解析研究所研究集会「代数系・論理・言語と計算機科学の新たな接点」(平成27年2月開催)にて講演を行なった。現在、論文としての投稿準備中である。また、関連する分野の研究者を集め、次年度に米国(ワシントン)にて、研究集会の開催を行う準備を整えることができた。
衝撃波の医療および産業応用に関する基礎研究

1.白金薄膜抵抗温度計を用いた高精度な熱流束計測法の開発絶縁基材に白金薄膜を蒸着して測定素子を製作し、衝撃波管や超音速風洞の高速気流中において熱流束計測をするために測定素子の較正を行った。それら測定素子を用いて無隔膜衝撃波管に生じる超音速流中の円柱の各位置の温度履歴を測定し、報告書に示される計算式を用いて温度履歴から対流熱伝達を導出した。円柱表面熱流束計測の結果を2つの数値計算コード(i:研究室開発のナビエ・ストークスの解法、ii:汎用コードのFLUENT)の妥当性の検証のために用いた。これら実験結果は数値計算コードの検証にとても有効であると考えられる。2.外科手術におけるレーザー誘発マイクロ-液体ジェット装置の研究マイクロ-液体ジェット装置は外科手術で柔らかい組織を正確に切開するために開発された。生理食塩水を満たしたカテーテル内に誘導した光ファイバーにパルスHo:YAGレーザを照射することにより液体ジェットを誘発する。ジェットは神経内視鏡を用いた外科手術、脳血栓症の治療、血管内ドラッグデリバリーなどに応用できる。液体ジェットの速度や淀み圧、温度を正確に測定し、ジェットの力学を研究している。これらの情報は外科手術の応用や血管内ドラッグデリバリーにジェットを用いることへの実行可能性を見極めるために極めて重要である。3.マイクロ粒子放出システム援用のためのレーザアブレーションの研究衝撃波により生じるレーザアブレーション効果によりマイクロ粒子を柔らかい目標物に当てる試みを行っている。この粒子放出システムは遺伝子治療のための医療外科手術への応用が可能であると考えられている。本研究では軟組織と同等な10%のゼラチンモデルに大きさ1μmのマイクロ金粒子を放出する試みを行った。現在、目標物への貫入深度を解析しており、またその貫入深度を高めるための実験が進行中である。また、大気中のレーザアブレーションに関連したブラスト波の研究を行い、レーザのエネルギの蓄積により生じるブラスト波とその背後について高速度カメラを用いて可視化を行った。4.その他の共同研究上記に加えて、極超音速マッハ数での大迎角スパイク付き鈍物体まわりの剥離流れの研究をインド工科大学の航空宇宙工学部門との共同で行っている。