hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
心外膜前駆細胞の網羅的細胞系譜解析

心臓の形態形成は複雑で心臓を作る元になる細胞の起源がまだ明らかにされていない。一つの原因として既存の解析手法の限界が上げられる。そこで個々の細胞を区別するバーコードをゲノムへ挿入することのできる新規細胞系譜解析マウスの開発試みた。本計画では遺伝子可変技術により目的の遺伝子改変マウスの樹立に成功した。今後はこれらのマウスを用いてさらに解析を進めて行く予定である。本研究計画では心臓前駆細胞の一つである心外膜前駆細胞の細胞系譜を網羅的に解析し、その由来となる細胞集団の解明を目指している。そのためゲノム編集技術(ここではgRNAがゲノム配列を認識しCas9により変異を挿入する)によりゲノムへ変異を引き起こし、その変異の違いにより個々の細胞を識別するIDとして細胞を標識する細胞系譜解析法を考案した。本研究計画ではIDとなる標的配列の選別を予定していたが、本科研費採択後にゼブラフィシュによる同様な手法を用いた報告がなされたので、その報告を参考にして遺伝子改変マウスを作製することとした。本研究では時期特異的に変異を挿入させる必要があるため、誘導的に変異を引き起こすことがポイントとなった。実際には変異のバリエーションを増やすため10種類のgRNAを利用することとした。そのため10種のgRNAを並べて発現させることのできるDNAの構築を行い、培養細胞を用いてgRNAの発現および変異挿入の活性を検討したところgRNAの産出効率が予測していたより低い可能性が示唆されたが、in vivoで確認しなければ判断は難しいと考えた。そのため予備の方法としてCas9を誘導的に発現させgRNAは恒常的に発現させる逆の方法も平行して進めた。さらに、ES細胞を用いたgene targetingで遺伝子改変マウスを作製する予定であったが、一部のマウスはより迅速に作製が可能な受精卵でCRISPR/Cas9を利用して作製する方法を試みた。それによりCas9を発現するマウスの樹立に成功した。今後は、この受精卵での方法によりマウスの樹立を進める。一方で、gRNAを恒常的に発現させる系統は受精卵での方法が使えないためgene targetingによる作製を進める。今年度前期にはマウスの樹立を完了し、後期には解析を進める予定である。当初の予定では、IDとなるgRNA標的配列の選別を行う予定であったが、同様な手法がゼブラフィッシュで報告されたため、それを参考にすることができた。一方で、細胞標識を誘導的な方法へ改変する必要がり、10種類のgRNAあるいはCas9を誘導的に発現させる系の構築し、遺伝子改変マウスの作製を進めた。そのため初年度は遺伝子改変マウス作製に必要なプラスミドDNAの構築が主な内容となった。しかし、これらのDNAは繰り返し配列が多いことやそれぞれのDNAサイズが大きくDNAプラスミドの作製が難しい状況となっているが、プラスミド構築は最終段階まで進むことができている。800文字本計画では心臓前駆細胞の一つである心外膜前駆細胞の網羅的細胞系譜により、その由来となる細胞集団の解明を目指した。そのため、CRISPR/Cas9システムによりマウスゲノムへ様々な変異を引き起こし、そのゲノム変異を個々の細胞を認識するID(バーコード)として標識する網羅的細胞系譜解析法を考案した。しかし、本研究課題採択後にゼブラフィシュにおいて、同様な手法を用いた報告がなされた(McKenna et al., 2016)。そこで変異を導入するために必要なgRNAおよびバーコードのもとになる10種類のgRNA標的配列(アレイ配列)はその報告を参考にして以下に示す遺伝子改変マウスの作製を試みた。1)誘導型Cas9発現マウス、2)gRNA発現アレイマウスv1(ribozime)、3) gRNA発現アレイマウスv2(恒常発現U6プロモーター)(2016成果報告参照)。さらに、遺伝子改変マウスの作製期間を短縮するためゲノム編集技術を用いて受精卵においてノックインマウスの樹立を行い1)と2)のマウスを作製した。3)のマウスはゲノム編集技術では作製が不可能なため(アレイがバーコード化される)ES細胞を用いたgene targetingにより作製を行った。受精卵を使うことで作製期間が短縮され1)と2)のマウスが先行して樹立され、実際に恒常的にCas9を働かせてバーコート化を行い、バーコードの塩基配列の解析を行った。その結果、変異(バーコード化)が確認されたが、10種類のアレイ配列のうち一部の標的部位のみであった。RibozimeによるgRNAの発現が十分ではない可能性が考えられた。今後さらに評価を進め行く。一方、3)のマウスについては目的の相同組換え体ES細胞が得られ、キメラマウスを作出することができた。今後、F1マウスを樹立してバーコード化の効率について検討を行う。作製中の遺伝子改変マウス樹立に必要なプラスミドDNAを完成させ、ES細胞でのgene targetingと受精卵でCRISPR/Cas9を利用した方法で必要なマウス系統を樹立する。樹立したマウスを用いて心臓前駆細胞が派生する時期にゲノムへ変異を引き起こし、次世代シークエンスによる細胞系譜解析を目指す。
易発癌性を引き起こす糖尿病患者免疫状態の解明

C57BL/6Jマウスに高脂肪食を摂取させることで耐糖能異常を有するマウスモデルを作製した。次に、C57 BL/6Jマウスの皮下に、マウス膵臓癌細胞株PAN02を接種することで担癌状態マウスモデルの作製に成功した。この担癌状態マウスモデルの宿主免疫状態の特徴につき、マウス膵臓癌細胞株皮下接種後、4週間後および8週間後と経時的に末梢血液および脾細胞の炎症細胞の特徴および経時的な変化をFlow cytometryにて検討した。末梢血液および脾細胞にて抑制系の単球/マクロファージ系細胞であるMDSCsと言われる細胞集団の著明な増加を認め、腫瘍系の増大に一致して経時的に増加していた。本研究は、耐糖能異常をきたすマウスモデルにおける、マクロファージ系をはじめとした免疫状態の解明を行い、さらに担癌状態ではどのような変化をきたすかを検討することが目的である。まずは、C57BL6マウスに高脂肪食を摂取させ、経時的な耐糖能異常を計測した。(過去に我々のグループでは、このモデルにおける肝組織の評価により非アルコール性脂肪性肝炎(NASH)モデルとして作成して論文発表している。)このNASHモデルにおける耐糖能異常を経時的に評価した。1 12週間にわたり高脂肪食を摂取し耐糖能異常を検討。2 19週間にわたり高脂肪食を摂取し耐糖能異常を検討。3 32週間にわたり高脂肪食を摂取し耐糖能異常を検討。以上のなかで、肝臓組織像として明らかにNASHを呈する32週間の高脂肪食を摂取したマウスにおいて、糖負荷試験をしたところ、糖負荷30分後の血糖値の上昇を認めた。このことから、このNASHモデルは32週間の時点で耐糖能異常を有し、今後の耐糖能異常を呈する生体内免疫状態の解析に適したマウスモデルであると考えられた。本研究の目的を達成するには、ヒト臨床に類似した耐糖能異常をきたすマウスモデルの作成が重要であることからその第一段階は達成された。この確立したモデルを基に、今後は、これらのマウスモデルにおける免疫状態ならびに、マウス膵がん培養細胞であるPAN02の移植実験を行い(腹腔内移植モデル、肝転移モデルや皮下移植モデルの作成)、Wild typeと比較したうえで、耐糖能異常における癌免疫反応を解析をしたいと考える。本研究の目的は、耐糖能異常を有するマウスモデルを作成し、マクロファージ系をはじめとした免疫状態の解明を行い、担癌状態ではどのような変化をきたすかを検討することが目的である。平成27年度では、耐糖能異常を有するマウスモデルの作成に成功した。平成28年度以降においては、Wild typeマウスと耐糖能異常を有するマウスモデルそれぞれにおいてマウス膵癌細胞株であるPan02の移植実験を行い、生存曲線や腫瘍径およびマクロファージ系をはじめとした免疫状態の解明を行い比較検討することとしていた。平成28年度においては、まずWild typeマウスであるC57 BL/6Jマウス(8週齢、雌)の皮下にPan02を接種し膵臓癌皮下接種モデルを確立した。接種後約30日程度以降、体表から腫瘍が認識でき、約60日程度で個体死するモデルである。癌局所に関しては、腫瘍細胞の生着、組織学的には、fibrosisに富む癌組織を確認した。癌局所の免疫応答に関しては、癌組織について免疫組織化学法(IHC)にて炎症状態を解析した。IHCにて検討した分子に関しては、CD4, CD8, CD11b Gr-1,などであった。次にPan02を腹腔内に接種し膵臓癌腹膜播種モデルを確立した。このモデルにおいては腫瘍が生着することによりおよそ接種後30日程度で個体死するモデルである。いずれのモデルにおいても、ヒトにおける膵癌と組織学的および臨床経過として類似するモデルと考えられた。この研究においては、ヒトにおける膵がんと類似する組織学的および臨床経過を認めるマウスモデルの作成が重要である。それらのマウスモデルを皮下接種モデルおよび腹膜播種モデルの2種類の作成に成功したため、おおむね順調といえる。本研究は、耐糖能異常をきたすマウスモデルにおける、マクロファージ系をはじめとした免疫状態の解明を行い、さらに担癌状態では宿主免疫状態にどのような変化をきたすかを検討することが目的である。全3年間のうち、初年度において、C57BL6マウスに高脂肪食を摂取させ、経時的な耐糖能異常を確認し、ヒト臨床に類似した耐糖能異常を有するマウスモデルの作成に成功した。第2年度においては、担癌状態での宿主免疫状態の変化などに関して検討するための担癌状態マウスモデルを作製に成功した。具体的には、マウス膵臓癌細胞株PAN02(NCI, Frederick)をC57 BL/6Jマウス(8週齢、雌)の皮下に接種した膵臓癌皮下接種モデルである。最終年度としては、この担癌状態マウスモデルの宿主免疫状態の特徴につき、マウス膵臓癌細胞株皮下接種後、4週間後および8週間後といったように、経時的に末梢血液および脾細胞を採取して、炎症細胞の特徴および経時的な変化をFlow cytometryにて免疫担当細胞の特徴の変化を検討した。膵臓癌皮下接種モデルにおいては、末梢血液において単球/マクロファージ系の細胞分画の割合の著明な増加を認めた。また、これは、腫瘍系の増大に一致して経時的に増加している結果であった。同様なことが、脾細胞においても言えることを確認した。

今後は、耐糖能異常を有するマウス担癌モデルでは、Wildタイプと比べてどのような特徴を有するのかという点。また、担癌状態で認められた単球/マクロファージ系の細胞分画の詳細ならびに遺伝子発現の変化を含めた詳細な検討をしていきたいと考える。C57BL/6Jマウスに高脂肪食を摂取させることで耐糖能異常を有するマウスモデルを作製した。次に、C57 BL/6Jマウスの皮下に、マウス膵臓癌細胞株PAN02を接種することで担癌状態マウスモデルの作製に成功した。この担癌状態マウスモデルの宿主免疫状態の特徴につき、マウス膵臓癌細胞株皮下接種後、4週間後および8週間後と経時的に末梢血液および脾細胞の炎症細胞の特徴および経時的な変化をFlow cytometryにて検討した。末梢血液および脾細胞にて抑制系の単球/マクロファージ系細胞であるMDSCsと言われる細胞集団の著明な増加を認め、腫瘍系の増大に一致して経時的に増加していた。平成27年度より3か年計画の2年目に今後突入するにあたり、研究を継続するため。研究計画に従い、耐糖能異常におけるマクロファージを中心とした免疫能の変化ならびに、耐糖能異常をきたす生体における担癌状態での免疫状態の変化などに関して今後研究を続ける。積極的に学会参加などを通して、最新の知識を身に着け、現在の癌免疫のトレンドを踏まえたうえで、耐糖能異常を呈する生体内免疫状態の変化を明らかにする。消耗品や学会発表などに使用予定である。これまでに、マウスにおける膵がんマウスモデル作成に成功している。これらに対して、癌局所の免疫応答に関しては、癌組織について免疫組織化学法(IHC)にて炎症状態を解析し、できれば局所浸潤炎症細胞に関してFlow cytometry(FCM)にてその特徴を解析したい。末梢血液および脾細胞においては、腫瘍接種後、経時的に採取し、炎症細胞をFlow cytometry(FCM)にて解析したい。また、RNAを採取してmicroarrayによる包括的な遺伝子発現プロファイルの検討を行いたい。腫瘍学
インスリン受容体RNAの選択的スプライシングの生理的意義と制御機構の解明の試み

インスリン受容体(IR)には選択的スプライシングによって生じる2つのアイソフォーム(IR-A/B)が存在している。本研究の成果から、IRの選択的スプライシングは組織特異的に置かれた環境に応答して調節され、この制御にインスリ様シグナルの仲介分子IRS-1やスプラインシグ関連因子PRMT5、更にRBFOXを含む複数のスプライシング因子が関与することが明らかとなった。また、IR-AとIR-Bを介したインスリン様シグナルに差異が認められた。ヒトでは、インスリン受容体(IR) RNAのエクソン11の選択的スプライシングの有無によって、IR-AとIR-Bのアイソフォームが生成する。IR-Bはインスリンと結合して主に代謝制御活性を仲介するのに対して、IR-Aはインスリン様成長因子(IGF)-IIとの親和性も高く、増殖誘導活性も仲介すると推定されている。今回、マウス繊維芽細胞3T3-L1細胞のcDNAを用いてPCRを行ったところ、マウスIRにも2つのアイソフォームが存在することが明らかとなった。マウス各組織におけるIR-A/B発現パターンを解析した結果、肝臓や脂肪組織などのインスリンの代謝制御活性が観察される組織ではIR-Bの発現が高く、脳や増殖が盛んな胎児期の組織ではIR-Aが高発現であった。次に種々の培養細胞における発現パターンを解析したところ、多くのがん細胞でIR-Aの高発現が認められた。IR-A/Bの機能の差異を調べるために、ヒトIR-AまたはIR-Bを恒常的に発現するNIH3T3細胞株を樹立した。インスリンあるいはIGF-II刺激を行ったIR-A恒常発現細胞では、IGF-IIに応答したMAP kinase経路(細胞増殖誘導に重要なIR/IGF-IRシグナル伝達の下流経路)の活性化が起こり、血清存在下での培養で増殖速度が速いことがわかった。これらの結果は、IR-Bが主に代謝制御活性を、IR-Aが増殖誘導活性も仲介するという仮説を良く支持している。また、IR-Aのみを発現するマウスの樹立に成功し、現在、IR-Bのみを発現するマウスを作成中である。IR RNAの選択的にスプライシングには、PRMT5が関与することが明らかとなったが、申請者らがこれまで明らかにしているIRSと相互作用するスプライシング因子については関与が認められなかった。IR-Aのみ、IR-Bのみを発現するマウスの作成が順調に進んでおり、またIR-AあるいはIR-Bを高発現する細胞の樹立や特定に成功している。更に、IR RNAの選択スプライシングに関わるIRS結合タンパク質としてPRMT5を特定した。インスリン受容体(IR)は、選択的スプライシング(AS)によってIR-AとIR-Bのアイソフォームが生成する。IR-Bが主に代謝活性を仲介するのに対して、IR-Aはインスリン様成長因子(IGF)-IIとの親和性も高く、細胞増殖活性を誘導することが示唆されている。このためIR RNAのASは細胞の増殖やがん化に重要な役割を果たす可能性が指摘されている。我々はINS/IGFの生理活性の修飾機構を解明する過程で、INS/IGF-I受容体チロシンキナーゼの基質の一つである、インスリン受容体基質(IRS)が、スプライシング必須因子UsnRNPの成熟に関与するアルギニンメチル基転移酵素PRMT5と複合体を形成することを見出した。今回、ヒト乳癌細胞MCF-7を用いて、IRSやPRMT5がIR RNAのASに果たす役割を検討した。まず、異なる条件で培養したMCF-7細胞のIRのmRNA量を解析した。その結果、ABどちらのmRNAも検出され、血清飢餓下ではIR-Bの割合が増加した。次に、PRMT5とIRS-1/2(IRSの二つのアイソフォーム)との相互作用を調べたところ、PRMT5はIRS-1のみと相互作用が観察された。続いて、IRSあるいはPRMT5を発現抑制(KD)した細胞でIR-A/B mRNA比を解析した。その結果、IR-Aの割合は、IRS-2 KD細胞では変化しなかったが、IRS-1 KD細胞では上昇、逆にPRMT5 KD細胞で顕著に低下した。これらの結果より、PRMT5によるUsnRNPの成熟はIR-Aの生成に重要であるが、IRS-1との相互作用がこれを抑制している可能性が考えられた。このように、IRS-1やPRMT5がIR RNAのASを制御している因子であることが初めて明らかとなった。インスリン受容体(IR)RNAのスプライシングを特異的に測定する系の確立に成功したことは、特記に値する。これを用いて、IRのRNAスプライシング制御領域、制御タンパク質の同定に成功し、現在、詳細な制御機構の解明を進めている。一方、IR-B特異的ノックアウトマウスの作成には成功したが、IR-A特異的ノックアウトマウスの作成に遅れを生じている。現在、マウスの発生に問題がないか検討中である。細胞での解析は順調に進んでいる。

本研究により、様々ながん細胞でIR-Aの発現比が増加しており、ヒト、マウス、ラットの脳でIR-Aが、肝臓でIR-Bが主に発現しているなど各組織でIRのアイソフォームの発現が異なる、またインスリン様シグナルなどによりせASが変化することが明らかとなった。これらの結果は、IRの選択的スプライシングは組織特異的に制御され、その制御を介して代謝調節あるいは増殖促進などIR機能のスイッチングが引き起こされる可能性を示している。IRの選択的スプライシングの分子機構を明らかにする目的で、種々の培養細胞におけるIR-A/Bの発現パターンを調べた。その結果、ラット肝癌由来細胞H4IIEではラット肝臓と同様にIR-Bが主に発現していることが明らかとなった。そこでラットIR遺伝子のエクソン11とその周辺領域を用いてスプライシングレポーターを作製しH4IIEに導入したところ、内在性IRと同様のパターンの発現が観察された。エクソン11の下流には、スプライシング制御因子RBFOX1/2の結合配列が種間で保存されて存在していたため、この配列に変異を導入したレポーターで発現パターンを調べた結果、エクソン11の排除が促進され、この配列がエクソン11の包含に機能することが明らかになった。他の結果も併せ、IRの組織特異的スプライシングには、少なくともRBFOXを含むスプライシング因子が関与すると結論した。インスリン受容体(IR)には選択的スプライシングによって生じる2つのアイソフォーム(IR-A/B)が存在している。本研究の成果から、IRの選択的スプライシングは組織特異的に置かれた環境に応答して調節され、この制御にインスリ様シグナルの仲介分子IRS-1やスプラインシグ関連因子PRMT5、更にRBFOXを含む複数のスプライシング因子が関与することが明らかとなった。また、IR-AとIR-Bを介したインスリン様シグナルに差異が認められた。1. IRのバリアントを介した細胞内シグナルおよびインスリン様活性を明らかにする細胞系を用いた解析:前年度から作成してきたIR-AあるいはIR-Bを高発現するマウスを用いて、IR-Aが増殖促進作用を、IR-Bが代謝調節作用を発揮することを証明し、そのシグナル経路を特定する。in vivo系を用いた解析:前年度から作製してきたIR-A/Bのバリアントを特異的に発現するノックアウトマウスについて、種々の代謝指標の変動を調べ、発現するIR-A、IR-Bバリアント量によって変化するインスリン様生理活性をin vivoレベルで明らかにする。2. IRS-1と結合するスプライシング関連タンパク質との相互作用が、IR RNAの選択的スプライシング制御に必要であることを証明するIRS-1とスプライシング関連タンパク質との結合領域の決定:HEK293細胞に、IRS-1の種々の領域を欠損したIRS-1欠損変異体とこれまでに明らかとなったスプライシング関連タンパク質とを高発現し、共免疫沈降実験によって、両タンパク質の相互作用に必要または十分なIRS-1側の領域を同定する。IRS-1の結合領域を発現した細胞におけるIR RNAの選択的スプライシング制御の解析: MCF-7細胞などについて、IRS-1の結合領域のみを発現する変異体を発現するプラスミドを導入し、IR-A/Bバリアント量に変化を与える細胞外因子で処理または細胞培養条件で培養する。
腎糸球体での半月体線維化機序におけるTGF-βの役割と線維化担当細胞の検討

半月体形成および線維化過程における壁側糸球体上皮細胞の関与をTGF-β受容体発現の観点から検討した。半月体形成性腎炎はWKYラットに抗GBM抗体を静注し作成、4週までの腎組織を検討した。1週後には90%以上の糸球体で細胞性半月体を認め、4週後では線維細胞性へと変化し、これに伴いIV型コラーゲンの半月体での増生を認めた。TGF-βレセプターI、IIおよびPDGFは1週後までのボウマン嚢上皮細胞と半月体細胞に認め、PDGFは4週後までに減少したが、TGF-βレセプターI、IIの半月体細胞での発現は持続した。ミオフィブロブラストへの形質転換の指標となるα平滑筋アクチン(αSMA)は、3日後でボウマン嚢周囲線維芽様細胞に認められたが1週後にはボウマン嚢上皮細胞にも認めた。またαSMAは、経時的に半月体構成細胞に増加した。免疫電顕では、ボウマン嚢周囲αSMA陽性細胞(ミオフィブロブラスト)の糸球体への侵入を1週後までは認めなかった。一方細胞回転の検討では、半月体でのcyclinAは1、2週をピークに減少し、p21、p27は2、3週をピークとする増加を認めた。これらより半月体構成細胞の一部はTGF-βおよびPDGFを介して形質転換し増殖したボーマン嚢上皮細胞由来の可能性が示唆された。またTGF-βを介して半月体細胞は増殖の停止および細胞外基質蓄積(線維化)をきたす可能性がある。引き続き半月体内でのTGF-βレセプター発現細胞の同定と細胞外基質蓄積との関係、TGF-βによる線維化促推の有無を検討中である。1.目的:ラット半月体形成性腎炎における細胞性半月体形成および線維化の時期でのTGF-βとTGF-βレセプター(TR)の発現細胞の同定に先立ち、正常および各種ラット実験腎炎での系球体上皮細胞におけるTR発現と糸球体上皮細胞の細胞外基質である腎糸球体基底膜(GBM)の変化との関連を検討した。2.方法:ラットに抗ラットGBM抗体、抗Fx1A、抗胸線細胞抗体を各々静注し馬杉腎炎、passive Heymann腎炎、抗胸線細胞抗体腎炎を作成した。腎炎3日、7日後と正常ラットの腎組織をパラフィン包埋後切片上でウサギ抗TRI抗体、抗TRII抗体を用いperoxidaseによる免疫電顕法にて糸球体上皮細胞におけるTRI、IIの発現とGBM変化を観察した。3.結果:正常では糸球体上皮細胞表面にTRIの発現は認めず、TRIIはごく一部に認めるのみであった。馬杉腎炎、passive Heymann腎炎3日後では上皮細胞TRの発現変化とGBM変化をほとんど認めなかったが、7日後ではTRI、IIの有意な発現増加を認めGBM変化を伴った。抗胸線細胞抗体腎炎では3日後で上皮細胞TRI、IIの有意な発現を認めたが、7日後にはTRIIの発現は正常レベルとなり、いずれの時点でもGBM変化は伴わなかった。4.結論:馬杉腎炎、passive Heymann腎炎での糸球体上皮細胞はTRI、IIを同時持続発現し細胞外基質(GBM)の変化に関与する事が示唆され、馬杉腎炎由来の半月体形成性腎炎における半月体線維化での糸球体上皮細胞の関与が考慮された。また抗胸線細胞抗体腎炎では、糸球体係蹄壁の伸展により一過性にTRI、IIが発現されたと考えられた。
姿勢調節能力と下腿の筋特性の加齢変化に関する研究

下腿の筋特性とバランス能力の関連を明らかにすることを目的として以下の研究を実施した.(1)筋のスティフネスは筋収縮の有無にかかわらず,下腿に発生する張力が同等であれば同じであった.このことから,筋形状は筋のスティフネスには影響しないことが示された.(2)バランス能力に関わる下腿の筋特性と方策を明らかにするために,静止立位の保持と被験者が自ら任意の範囲で姿勢動揺を行った.筋線維の長さ変化と筋放電の結果から,共働筋であっても立位姿勢時の重心位置に伴う収縮活動のタイミングが異なることが示された.(3)高齢者を対象に下肢を中心としたトレーニングにより,筋力は向上してもバランス能力は変化しなかった.健常な成人および高齢者11名(58.5±7.3歳,157.8±5.5 cm,55.0±6.3 kg)を対象として12週間にわたる体操教室を実施した.参加者の年齢は48歳から72歳までであり,すべて女性であった.参加者の中に特別な運動トレーニングを行っているものはいなかった.体操教室は週に1回実施され,ストレッチング,バランストレーニング,筋力トレーニングを含む体操を1時間程度実施した.体操教室の前に運動の意義やトレーニングの目的などの教育講座を行った.体操教室の前後で,筋力やバランス能力を測定した.測定項目は膝関節伸展・屈曲トルク,股関節屈曲筋力,足関節底屈・背屈トルク,客伸展パワー,ファンクショナルリーチ,通常歩行速度,最大歩行速度,椅子の座り立ちテストであった.また,筋量の指標として,下腿三等筋および前脛骨筋の筋横断面積をMRIを用いて測定した.さらに,静的バランス能力に運動介入が及ぼす影響を調べるため.床反力形状で両脚支持での静的開眼立位,片脚支持での静的開眼立位試行を実施した.その際に足圧中心(COP)の移動と下腿の筋活動を取得した.その結果,膝関節屈曲トルク,足関節底屈トルク,背屈トルク,脚伸展パワー,椅子の座り立ちテスト,前脛骨筋の筋横断面積が有意に向上していた.下腿三等筋の筋横断面積は増加した傾向が見られた.また,静的バランス能力の測定では両脚支持および片脚支持の開眼時に下腿三等筋外側頭の筋放電が有意に減少し,片脚支持の開眼時での足圧中心の移動速度が有意に減少していた.以上の結果から週に1回の運動介入であっても中年期から高齢期にかけての参加者に対して筋量の増加および運動機能の向上がみられた.転健常な成人男性13名(26.2 ±3.9歳)を対象として安静時の静止立位(Quiet Standing: QS)試行と、低速(0.2 Hz)での随意的な前後動揺(Voluntary Sway: VS)試行をそれぞれ床反力計上で60秒間行った。QS試行は1 m前方に設置されたモニタを注視して60秒間の安静立位を保持し、VS試行はモニタ上に提示された信号を被検者が随意で行う前後動揺により追従する試行であった。その際の筋活動をヒラメ筋(SOL)、腓腹筋内側頭(MG)、前脛骨筋(TA)から1000Hzで導出した。筋束長変化を取得するために超音波Bモード法でSOLとMGを30Hzで撮像した。床反力計から算出された足圧中心(Center of Pressure: CoP)と底屈筋群から導出されたEMG信号について相互相関関数(Cross-Correlation Function: CCF)解析を行い、両変数の波形の類似性を検討し、各々の時間差を求めた。SOL、MG共にQS試行と比較してVS試行で有意に低値を示した(p<0.05)。また、両試行でCoPが前方へ移動する際にSOL、MGともに筋放電が増加して、筋束長が短縮する傾向がみられた。CoPと筋放電の各試行での相関係数は全ての組み合わせで有意であったCoPが前方へ移動する際のSOLの筋放電の開始はQS試行においてMGよりも早く(p<0.05)、VS試行ではMGの方がSOLよりも早かった(p<0.05)。SOL、MGともに、VS試行でQS試行よりも筋束長が短かったことはVS試行で常に筋活動が生じて、それに応じた筋収縮が生じたためであると考えられる。CoMが前方に移動する際に筋束長はSOL、MGともに短縮する傾向にあった。以上から、共働筋であっても立位姿勢時の重心位置に伴う収縮活動のタイミングが異なることが示された。19歳から47歳までの成人男女37名を対象として,下腿の筋特性と姿勢調整能力との関係を明らかにすることを目的として下記の実験を実施した.測定項目は形態的な特徴(身長,体重,下腿長,下腿の周径囲),筋形状(筋束長,羽状角),筋力(足関節底屈トルクおよび背屈トルク),筋のスティフネス,柔軟性(足関節の他動的および能動的な関節可動域),発揮筋力の調整力,姿勢調整能力(足圧中心の前後方向および左右方向への移動範囲)であった.姿勢調整能力は被験者に40秒間の安静立位姿勢を床反力計の上で保持させるものであり,両足での開眼試行と閉眼試行,片脚での開眼試行の3種類を行った.

両足での開眼試行のみ2回行い,それ以外の2種類については4回の合計10回行った.10回の試行の順番はランダムとした.下腿の筋特性について測定した項目と姿勢調整能力のパラメータとで相関関係をみたところ,男女ともに年齢が上がるほど,開眼片脚での左右方向の動揺が大きくなった.また,身長が高く,下腿長が長いほど開眼および閉眼での両足試行で前後,左右の動揺が大きかった.下腿の周径囲や筋厚の値が低いほど,さらには他動的,能動的に関わらず足関節の底屈および背屈の関節可動域が小さいほど閉眼試行において前後方向への動揺が大きかった.20代までと30代以降で被験者を群分けして検討したところ,20代までの群では腓腹筋内側頭の筋束長が長い被験者ほど開眼,閉眼を問わず前後方向の動揺が大きかった.また,30代以降の群では他動的.能動的に関わらず足関節底屈方向の関節可動域が小さいほど閉眼での両足試行において前後方向の動揺が大きかった.年代による姿勢調整能力を検討したところ,両足開眼試行に有意な年代差はみられなかったが,両足閉眼試行および片脚開眼試行において20代までの群の方が30代までの群よりも有意に動揺が小さかったことが示された.健常な成人男性13名(26.2 ±3.9歳)を対象として安静時の静止立位(Quiet Standing: QS)試行と,低速(0.2 Hz)での随意的な前後動揺(Voluntary Sway: VS)試行をそれぞれ床反力計上で60秒間行った.QS試行は1 m前方に設置されたモニタを注視して60秒間の安静立位を保持し,VS試行はモニタ上に提示された信号を被検者が随意で行う前後動揺により追従する試行であった.その際の筋活動をヒラメ筋(SOL),腓腹筋内側頭(MG),前脛骨筋(TA)から1000Hzで導出した.筋束長変化を取得するために超音波Bモード法でSOLとMGを30Hzで撮像した.床反力計から算出された足圧中心(Center of Pressure: CoP)と底屈筋群から導出されたEMG信号について相互相関関数(Cross-Correlation Function: CCF)解析を行い,両変数の波形の類似性を検討し,各々の時間差を求めた.SOL,MG共にQS試行と比較してVS試行で有意に低値を示した(p<0.05).また,両試行でCoPが前方へ移動する際にSOL,MGともに筋放電が増加して,筋束長が短縮する傾向がみられた.COPと筋放電の各試行での相関係数は全ての組み合わせで有意であった.QS試行でのCOPと筋放電のピーク値の時間差はSOLで243.3 ±40.5秒であり,MGで201.3 ±37.8秒であった.VS試行ではSOLで189.7 ±50.6秒であり,MGで230.9 ±50.3秒であった.COPが前方へ移動する際のSOLの筋放電の開始はQS試行においてMGよりも早く(p<0.05),VS試行ではMGの方がSOLよりも早かった(p<0.05).下腿の筋特性とバランス能力の関連を明らかにすることを目的として以下の研究を実施した.(1)筋のスティフネスは筋収縮の有無にかかわらず,下腿に発生する張力が同等であれば同じであった.このことから,筋形状は筋のスティフネスには影響しないことが示された.(2)バランス能力に関わる下腿の筋特性と方策を明らかにするために,静止立位の保持と被験者が自ら任意の範囲で姿勢動揺を行った.筋線維の長さ変化と筋放電の結果から,共働筋であっても立位姿勢時の重心位置に伴う収縮活動のタイミングが異なることが示された.(3)高齢者を対象に下肢を中心としたトレーニングにより,筋力は向上してもバランス能力は変化しなかった.
周期的微細構造表面間の波長選択表面プラズモン輸送による高密度エネルギー変換

本研究は、数百ナノスケールの真空隙間を隔て向かい合う赤外線放射面と光起電力半導体表面の双方にナノサイズの周期的柱状構造を付与し、その柱間溝を隔て向かい合う側面に生ずる表面プラズモン(これらは溝内の電場により互いに結合)を溝深さ(柱高さ)と干渉させることで発電に寄与する波長帯のみ選択的に輸送促進させ、熱から電気への高密度エネルギー変換を構築するものである。平成30年度は、発電用の電池の構成について、平成29年度に見出した、金属/GaSb/金属多層膜構造における選択波長吸収に注力した。特に表面電極をフィッシュネット状Auとし、GaSb半導体を100nm程度の薄膜とした、フィッシュネットAu/薄膜GaSb/基板Auといった構成にすることにより、GaSbのバンドギャップ波長である1.8ミクロン近傍の吸収率をほぼ1に、それより長い波長を95%以上反射することができる発電素子とすることができることを数値計算により見出した。これは、本研究の近接場ふく射輸送の選択波長発電が可能となるばかりではなく、例えば鉄工所などで損失となる遠方場のふく射を利用した未利用エネルギー発電としても期待できる画期的な発電素子となる。一方、近接場を利用した発電実験については、センチメートルサイズ(0.8cm×1.6cm)の平滑面GaSbショットキーダイオード電池を用い、その表面に4つの石英ガラス製スペーサー(直径500ミクロン)をスパッタリングにて設置し、さらに放射体表面の曲率をあらかじめ測定したうえで、両面を向かい合わせたのちFE-SEMにより側面から隙間を測定して確かめながら実験を行った。これにより、放射体温度300°Cにおいて、120nmの隙間を介することで、通常の遠方場による発電に比べておよそ250倍の発電が可能となることが示された。金属/半導体/金属の構造による波長選択吸収において、トップ面の金属構造には多くのバリエーションがあり、当初、島状Auをトップ面の金属構造に考えていたが、共鳴波長の第1ピークと第2ピークとなる波長をGaSbのバンドギャップに適合させることが難しく、発想を変えて、フィッシュネット状Au構造とした。これにより、GaSbのバンドギャップ波長近傍にシャープな吸収帯を設定できることが明らかとなった。基本的には、100nm程度の薄膜GaSbをバンドギャップ波長との干渉現象であるが、それにフィッシュネット状Au構造を重ね合わせることにより、導波管原理ならびに表面波とAu電極高さとのファブリペロー干渉条件が適合することによるものであることもわかってきた。薄膜半導体にも関わらず、発電に必要なバンドギャップ波長において吸収率が1に極めて近くなることを示すことができた。予定を変更したが、発電システムへ向けての進捗はおおむね順調であると思われる。今年度は、最終年度でもあるので、Au(フィッシュネット状)/薄膜GaSb/Au多層構造発電デバイスの製作に注力し、その製作方法を確立し、ピラー構造放射体との選択波長近接場光発電システムの構築を目指す。また、発電時におけるGaSbの光学特性を測定することに挑戦する。そして、この波長選択近接場光発電システムにおける物理を明確にし、研究を総括する。平成29年度は、平滑面GaSbショットキーダイオード電池を用い、その表面に4つの石英ガラス製スペーサー(直径500ミクロン)をスパッタリングにて設置することで、放射体との隙間を特定できる実験装置を構築した。放射体には、ピラーアレイ構造による選択性を確かめるため、平滑面タングステン製放射体とその表面にピラーアレイ構造を施した放射体を用意した。電子線描画装置とエッチング装置の制約から、ピラーアレイのピッチは800nm、ピラー間の隙間は100nm、ピラー高さは120nmとした。スペーサーを介した熱伝導による電池の局所温度上昇を抑えるため放射体温度は500°Cとした。その結果、隙間が400nm程度までは伝播光成分が支配的であり、隙間とGaSbの感度波長との干渉により、隙間が1000nmから狭くなるにつれて、出力が一旦増大し、その後800500nmにわたり減少することが示された。さらに隙間を狭くすると近接場効果による急峻な出力の増大が得られた。ピラーアレイ構造放射体においては、そのような干渉は顕著ではなく、近接場光領域では平滑面放射体に比べて2倍程度発電密度が度増大した。ただし、この電池特性やスペーサー高さの不確定性など、確実に結論づけるには課題は少なくない。一方、ピラー表面電池に代えて、島状AuアレイとGaSb薄膜そして裏面Auの多層構造においても選択波長の効果があることを見出した。当初、GaSb半導体のp層にピラーアレイ構造を、塩素系ガスを利用した反応性イオンエッチングにて製作する計画であったが、予定したほどキャリア濃度が高くならず、製作できるキャリア濃度の半導体では、ピラー構造を付与しても、金属製ピラーアレイ構造放射体の近接場共鳴周波数とのチューニングが困難であることが数値計算より明らかとなった。

そこで、発想を変え、Au(島状)/GaSb/裏面電極Auの多層構造とすることで波長選択発電デバイスが製作できることを見出した。数値計算により、GaSb半導体上部の島状Au間から入射したふく射はAuに挟まれた100300nmの薄膜GaSb層内部で多重反射を繰り返すことにより、薄膜にも関わらず、発電に必要な感度波長において吸収率が1に極めて近くなることを示すことができた。予定を変更したが、発電システムへ向けての進捗はおおむね順調であると思われる。本研究は、数百ナノスケールの真空隙間を隔て向かい合う赤外線放射面と光起電力半導体表面の双方にナノサイズの周期的柱状構造を付与し、その柱間溝を隔て向かい合う側面に生ずる表面プラズモン(これらは溝内の電場により互いに結合)を溝深さ(柱高さ)と干渉させることで発電に寄与する波長帯のみ選択的に輸送促進させ、熱から電気への高密度エネルギー変換を構築するものである。平成30年度は、発電用の電池の構成について、平成29年度に見出した、金属/GaSb/金属多層膜構造における選択波長吸収に注力した。特に表面電極をフィッシュネット状Auとし、GaSb半導体を100nm程度の薄膜とした、フィッシュネットAu/薄膜GaSb/基板Auといった構成にすることにより、GaSbのバンドギャップ波長である1.8ミクロン近傍の吸収率をほぼ1に、それより長い波長を95%以上反射することができる発電素子とすることができることを数値計算により見出した。これは、本研究の近接場ふく射輸送の選択波長発電が可能となるばかりではなく、例えば鉄工所などで損失となる遠方場のふく射を利用した未利用エネルギー発電としても期待できる画期的な発電素子となる。一方、近接場を利用した発電実験については、センチメートルサイズ(0.8cm×1.6cm)の平滑面GaSbショットキーダイオード電池を用い、その表面に4つの石英ガラス製スペーサー(直径500ミクロン)をスパッタリングにて設置し、さらに放射体表面の曲率をあらかじめ測定したうえで、両面を向かい合わせたのちFE-SEMにより側面から隙間を測定して確かめながら実験を行った。これにより、放射体温度300°Cにおいて、120nmの隙間を介することで、通常の遠方場による発電に比べておよそ250倍の発電が可能となることが示された。金属/半導体/金属の構造による波長選択吸収において、トップ面の金属構造には多くのバリエーションがあり、当初、島状Auをトップ面の金属構造に考えていたが、共鳴波長の第1ピークと第2ピークとなる波長をGaSbのバンドギャップに適合させることが難しく、発想を変えて、フィッシュネット状Au構造とした。これにより、GaSbのバンドギャップ波長近傍にシャープな吸収帯を設定できることが明らかとなった。基本的には、100nm程度の薄膜GaSbをバンドギャップ波長との干渉現象であるが、それにフィッシュネット状Au構造を重ね合わせることにより、導波管原理ならびに表面波とAu電極高さとのファブリペロー干渉条件が適合することによるものであることもわかってきた。薄膜半導体にも関わらず、発電に必要なバンドギャップ波長において吸収率が1に極めて近くなることを示すことができた。今後は、Au(島状)/GaSb/Au多層構造発電デバイスの製作に注力し、まずは遠方場の入射ふく射を使って、波長選択発電デバイスの発電特性を明らかにする。
核ラミナ構築タンパク質の変異で誘導される神経変性疾患の発症機序

ラミン、またラミンと結合する核ラミナ構築タンパク質の遺伝子変異によって、種々の先天性疾患がおきることが知られており、その中には神経変性疾患も報告されている。本研究は「核ラミナ構築タンパク質の変異で誘導される神経変性疾患の発症機序」を明らかにすることを目指し、中枢神経系におけるラミンおよび核ラミナ構築タンパク質の分布パターンを免疫組織学的手法で網羅的に解析した。具体的には、成獣フェレット脳のニューロン分化に伴うラミン・サブタイプの変動パターン、成獣ラット脳の各種グリア細胞におけるラミン・サブタイプの構成パターン、また各種神経系細胞におけるラミン結合タンパク質の構成パターンを解析した。1.成獣フェレットの脳における2か所のニューロン新生領域の場所と形態、また各分化段階のニューロンの分布、形態、各種分化マーカーおよびラミンA/C、B1の存在について解析した。昨年度末に解析結果をまとめて雑誌に投稿したところ、追加実験の必要性が生じた。そこで今年度は、神経前駆細胞の免疫組織学的性質がニューロン新生領域である側脳室壁から嗅球まで保存されていることを重ねて確認した。論文はアクセプトされ一部は学会で発表した。2.ラミンA/C遺伝子からは、C末のアミノ酸配列が異なるAとCの2種類のスプライシング・バリアントが生じる。従来はラミンAとCに共通な部位に対する抗体を用いた解析が主流であったが、近年ラミンAおよびCに特異的な抗体が市販され始め、申請者の研究室でも免疫組織化学的な解析に使用可能な抗体を購入して網膜における解析を行っている。今年度はこれらの抗体の成獣ラットの脳における最適固定条件の検討をおこなった。さらにラミンAとCの両方を認識する抗体との染色パターンの比較もおこなった。1%ホルムアルデヒドによる弱固定条件および4%ホルムアルデヒド固定をして熱処理で抗原賦活化した条件で染色が良好であることを確認した。3.成体ラットの終脳皮質に存在する各種グリア細胞における、3種類のラミン・サブタイプ(A/C、B1、B2)の構成パターンについての解析を継続した。今年度は前述のとおりラミンAとCを区別し、計4種類のサブタイプの解析をおこなった。ラミンA/Cの存在パターンに関してIBA1陽性ミクログリアに2種類のタイプがあることを確認しつつある。4.成獣ラットの脳における各種の神経系細胞におけるラミン結合タンパク質の存在パターンについての解析を昨年度に続いておこなった。3種類のタンパク質に加えてエメリンの抗体を購入して解析をおこなった。1.成体の脳に存在する各種グリア細胞における、3種類のラミン・サブタイプ(A/C、B1、B2)の構成パターンについて成獣ラットを用いて解析した。(結果)グリア細胞におけるラミン・サブタイプの構成パターンは、ニューロンのパターンと異なっており、またグリア細胞間でも一部異なっていた。オリゴデンドロサイト前駆細胞と成熟オリゴデンドロサイトではラミンA/CおよびラミンB1の存在パターンが異なっていた。そこで脳の各種細胞におけるラミンA/Cのスプライシング・バリアントの存在ついて成獣ラットを用いて解析した。(結果)脳におけるラミンA/C陽性細胞の多くでは、ラミンAは陰性あるいは弱陽性、ラミンCは陽性であった。しかしラミンAが陽性あるいはラミンCが陰性の神経系細胞も少量みられた。3.食肉目フェレットの脳のニューロン新生領域の形態、また各分化段階のニューロンの免疫組織学的性質およびラミン・サブタイプの構成パターンについて解析した。(結果)使用した抗体がフェレット由来のタンパク質を認識することはウエスタン・ブロット法で確認した。ニューロン新生領域の形態はげっ歯類などと異なる点がいくつかみられたが、各分化段階のニューロンの免疫組織学的な性質はげっ歯類と類似していた。ニューロン分化におけるラミン・サブタイプの発現パターンも保存されていた。4.成体の脳における各種の神経系細胞における3種類のラミン結合タンパク質(LAP1、LAP2-beta、LBR)の存在パターンについて成獣ラットを用いて解析した。(結果)3種類のラミン結合タンパク質はニューロンおよび各種グリア細胞において異なるパターンを示した。このパターンはラミン・サブタイプの構成パターンと一部において関連性を示した。1.ラミンAとラミンCは、同一遺伝子から転写されるスプライシング・バリアントである。ラミンAの特異的抗体およびラミンのC特異的抗体の、成獣ラットの脳における最適固定条件の検討を引き続き行なった。結果、前年度で確認していた1%ホルムアルデヒドによる弱固定条件よりも、4%ホルムアルデヒド固定の後に熱処理で抗原賦活化する方がより染色が良好であることがわかった。2.ラミンB1、ラミンB2に対する特異的抗体の最適固定条件についても、引き続き検討を行なった。

ラミンB1に対する抗体では1%ホルムアルデヒドによる弱固定条件、ラミンB2に対する抗体では4%ホルムアルデヒド固定の後に熱処理で抗原賦活化する条件で染色が良好であることを確認した。3.1、2の結果をもとに、成体ラットの終脳皮質に存在する各種グリア細胞における、4種類のラミン・サブタイプ(A、C、B1、B2)の構成パターンについての解析を継続した。各ラミン・サブタイプに対する抗体と細胞種特異的マーカータンパク質に対する抗体を組み合わせて免疫多重染色で解析した。コントロールとして皮質ニューロンでも解析をおこないし比較検討した。4.さらに脳に存在する細胞として血管内皮細胞、髄膜に存在するマクロファージにおけるラミン構成についても解析した。血管内皮細胞におけるパターンは、ニューロンおよびグリア系の細胞と異なっていた。よく似た細胞種であるミクログリアと髄膜内のマクロファージにおいてもラミンの構成パターンに違いがあることも新たに見出した。現在、これらのデータをまとめ論文を執筆中である。5.脳における各種の神経系細胞におけるラミン結合タンパク質(LAP1、LAP2-beta、LBR、エメリンなど)の存在パターンの免疫組織学的解析を継続した。購入したエメリン抗体ではラットの脳切片において良好な染色が見られず、新たな市販抗体の探索および染色条件の検討が必要であることがわかった。細胞生物学1.成体脳のグリア細胞におけるラミン・サブタイプの構成パターンの解析については、「当初の計画以上に進展している」。当初はラミンA/Cをひとまとめにしての解析を予定していたが、ラミンAとCを識別する抗体を導入することで、より詳細な解析ができている。2.脳の神経系細胞におけるラミン結合タンパク質の解析については「当初の計画以上に進展している」。当初はラミン結合タンパク質の解析は予定していなかったが、興味深い結果が得られたことから新たに計画し、こちらの研究を優先して進めている。3.発生過程の脳、およびNG2陽性前駆細胞の培養系での解析については「遅れている」。フェレットにおける追加実験、また前述した解析を優先的に行っていることから、これらの研究は今後おこなう予定である。1.成体の脳に存在する各種グリア細胞における、3種類のラミン・サブタイプ(A/C、B1、B2)の構成パターンの解析については、ホルムアルデヒド固定による免疫組織学的なデータをほぼ得ることができた。研究は予定通り進んでいる。2.成体の脳の各種細胞におけるラミンA/Cのスプライシング・バリアントの解析に関しては、ホルムアルデヒド固定による免疫組織学的なデータをほぼ得ることができた。実験動物としてはラットを主に用いているが、ラミンCに関してはフェレットでも同様の観察結果を得ている。フェレットの脳におけるラミンの解析についてはデータの一部を論文に投稿中である。なおラミンAとCの存在に関して、例外的なパターンを示す神経系細胞が存在することが新たに分かった。
原子状窒素により処理された化合物半導体表面構造の検討

III-V族化合物半導体GaAs(001)表面に活性窒素種を照射し、その吸着過程および構造を反射高速電子回折法、走査トンネル顕微鏡、X線光電子分光法を用いて、原子レベルで評価した。窒化表面の原子配列は窒素吸着量、基板温度だけでなくAs4分子線照射の有無によって影響を受け、As4分子線照射下で窒化した場合には、窒素原子は初期(2x4)表面の第三層目のAsサイトに優先的に取り込まれ、As4分子線を照射しない場合には(3x3)構造が形成されやすいことが明らかとなった。本研究では、窒素活性種を照射したガリウムヒ素(GaAs)表面の構造と電子状態を原子レベルで評価することにより、GaAs結晶中への窒素(N)原子取り込みのメカニズムを解明し、高N濃度のGaNAs結晶作製に向けた指針を得ることを目的としている。本年度は、窒素ラジカルを化合物半導体表面へ照射するために、物質・材料研究機構で所有する分子線エピタキシー(MBE)装置に窒素ラジカルガンを取り付けるとともに、MBE装置の真空排気系を改良した。次に、窒素プラズマの光学スペクトルの評価を通して、原子状窒素発生のための条件(窒素流量、印可電力等)を確立した。本研究では、窒化後にすみやかに真空度を回復させるため、窒素流量を0.04sccmと設定した。その際の真空度は7x10^<-7>Torrである。この条件下で、瞬時にラジカルのon/offを行うことのできる条件を探った結果、印加電圧200Wで窒素ラジカルが発生し、80W以下ではほとんど発生しないことが明らかとなった。上記の条件のもと、GaAs(001)表面に窒素プラズマを照射し、窒素吸着量および表面構造の変化の様子を評価した。照射条件(照射時間、基板温度)や初期表面構造はもとより、バックグラウンドのAs分圧に依存して、窒化の状態は異なることが明らかとなった。具体的には、(i)基板温度が低い方が窒素の吸着量が多い(基板温度が高い場合には一旦吸着した窒素が脱離する)、(ii)バックグランドのAsが存在すると窒素の吸着が阻害される。窒素吸着表面の原子構造については、過去に報告のある(3x3)構造が観測された。(3x3)構造の出現する条件はきわめて限定的で、窒素吸着量0.1-0.2MLの範囲でのみ観測される。窒素量が0.2MLを超えると(3x3)構造は消滅し、温度が高い場合にはGaN島が形成されはじめる。また、バックグラウンドにAs分子が存在する場合にも、(3x3)から(2x4)への構造変化が起こる。これらの予備実験の結果は、次年度以降の窒素取り込みメカニズムの解明に向けて重要な知見となる。本年度は、昨年度までに確立した条件の下で窒化実験を行い、窒化の条件に依存して出現する表面構造を同定するとともに、その原子配列を評価した。分子線エピタキシー法によって作製したGaリッチ(6x6)およびAsリッチ(2x4)表面に460、500、540、580°Cの各温度で窒素の照射を行い、表面の周期性をRHEEDで確認した後、X線光電子分光法によって表面の組成を評価する。特に、窒素の吸着量はもとより、窒素吸着にともなうGa/As組成の変化の有無に着目する。同時に、走査トンネル顕微鏡観察によって表面の原子構造に関する知見を得た後、RHEEDによる構造解析を行い、窒素吸着表面の原子構造を評価した。460-540°CでGaAs(001)-(6x6)表面に窒素を30秒間照射すると(3x3)周期を持つ吸着構造が出現するものの、580°Cでは(3x3)構造はきわめて不安定であり、窒化終了直後から(6x6)への構造変化が見られる。一方、(2x4)表面上にAs分子線照射下で窒素を照射すると、(3x3)および(2x4)構造が混在した表面が現れる。両者の比は基板温度の増加とともに減少し、580°Cで窒化した表面はほぼ(2x4)構造によって構成される。上記STMおよびRHEED観測結果とXPS測定の結果から、As分子線照射によってNの吸着が抑制されることと、基板温度が低くなるにつれてN吸着量が増加することが分かる。N照射後に観測される(2x4)表面にも低濃度のNが吸着しており、その吸着サイトをRHEED rocking curve解析によって検討したところ、β2(2x4)構造のAs-As dimerブロックの直下(第三層目)のAsサイトをNが置換することが明らかとなった。このサイトに原子サイズの小さいNが取り込まれると、最表面にAs-As dimerが存在することによって生ずる圧縮歪みが緩和され、このことがN吸着構造を安定化させていると結論できる。

本研究では、窒素活性種を照射したガリウムヒ素(GaAs)表面の構造と電子状態を原子レベルで評価することにより、GaAs結晶中への窒素(N)原子取り込みのメカニズムを解明し、高N濃度のGaNAs結晶作製に向けた指針を得ることを目的としている。本年度は、昨年度までのGaAs(001)表面の窒化の結果を踏まえ、極性面である(111)Aおよび(111)B表面の窒化を行った。MBE法によって作製した(111)A-(2x2)および(111)B-(2x2)表面に460-580°Cの温度で窒素の照射を行い、表面の周期性をRHEEDで確認した後、XPSによって表面の組成を評価した。(111)A表面の場合、580°CでAs分子線を照射しない条件下で窒化を行った際に(2√3x2√3)構造が出現し、それ以外の条件下では(1x1)構造が観測された。窒素の吸着量は基板温度やAs分子線の有無に強く依存せず、(001)の場合と同等かそれ以下であった。(111)B表面の場合は、表面における窒素の挙動は基板温度とAs分子線の有無に強く依存する。比較的低温でAs分子線を照射した場合には、窒素はほとんど吸着せず(2x2)表面が保持される。一方、540-580°Cにおいて、As分子線無しで窒化した場合にはGaN(0001)面が形成された。窒化した(111)A, (111)B表面上でのGaAsの再成長も試みた。(001)表面の場合には、0.2ML以上の窒素が吸着した表面では三次元成長が起こるが、(111)A面の場合、0.25MLを超えた窒素が吸着した表面上であってもGaAsは二次元成長する。また、GaNが形成されたGaAs(111)B表面上でもGaAsは二次元成長することがRHEED観察より明らかとなった。以上の結果から、GaAs{111}面を使うことによって高濃度のNをδドープできる可能性が示唆される。当初の計画通り、本年度中にGaAs(001)表面での安定な窒素吸着サイトを決定することに成功した。24年度が最終年度であるため、記入しない。本研究課題の最終年度となる来年度は、(001)以外の面方位における窒化過程を詳細に調べ、窒素取り込みにおよぼす表面原子配列、基板温度、面方位、As分子線の有無等を検証する。