hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
腸の生理機能維持に働くプロスタグランジン代謝の機能解明

4,GSTP1をヒト小腸RNAより、クローニングし、動物細胞発現系ベクターpcDNA4に組み込んだ発現系を作製した。サル腎臓細胞株であるCOS-7および腸のモデル培養細胞であるCaCo-2細胞にGSTA1, GSTM4, GSTP1,そして硫酸転移酵素SULT7A1をそれぞれ一過性に発現させ、シクロペンテノン型プロスタグランジンである15d-PGJ2とPGA2による細胞毒性試験を行った。15d-PGJ2とPGA2では、15d-PGJ2のほうが強いアポトーシス作用を示した。代謝酵素発現細胞では、抗アポトーシス作用を示したがその効果は限定的であった。(機能解析2)では、15d-PGJ2とPGA2のグルタチオン体と硫酸体を酵素的に合成し、固層抽出とHPLCにて精製し、LC-MSで構造の確認を行った。調製したグルタチオン体と硫酸体を用いて、プロスタグランジン受容体へのリガンド作用を解析した。15d-PGJ2の硫酸体及びグルタチオン体ともに、PGD2受容体(DP1)へのリガンド活性は弱くなるが、新たに、PGE2受容体(EP2)やPGI2受容体(IP)に対するアンタゴニスト活性を示した。一方、PGA2の硫酸体は、PGE2受容体(EP2, EP4)へのリガンド活性が減少した一方、グルタチオン体はPGA2より強いアゴニスト活性を示し、代謝による構造変化がリガンド活性に影響を与えたことが明らかとなった。当初は、PGE2の代謝型であるPGA2のアポトーシス作用と代謝酵素による抗アポトーシス作用を評価しようと試みたが、代謝酵素を発現していない細胞を用いて試験した結果、PGA2のアポトーシス作用は強いものではなかった。そのため、当初のノックダウン実験に切り替え、代謝酵素を過剰発現させた細胞を用いた実験及び、より強いアポトーシス効果を示したPGD2の代謝型である15d-PGJ2のアポトーシス作用検討も追加し、両者のアポトーシス作用を検討した。検討に当り、グルタチオン転移酵素の発現系を構築した。当初のGSTA1とGSTP1に追加し、腸管に特異的に発現しているGSTM4の3種類のグルタチオン酵素と硫酸転移酵素SULT7A1の計4種類の代謝酵素を一過性に発現させた細胞で評価したところ、想定したよりも抗アポトーシス効果は強くなかった。次年度は、より広い視野で研究するため、PGE2/PGD2の過酸化アルデヒド・脂質代謝物でも同様の試験を行う予定である。次に、PGA2のグルタチオン体および硫酸体のプロスタグランジン作用解析であるが、前述に従い、15d-PGJ2のグルタチオン体の評価も追加した。PGA2の硫酸体・グルタチオン体、15d-PGJ2のグルタチオン体は、すべて酵素的に調製することができた。リガンド活性評価では、PGD2, PGE2, PGF2, PGI2受容体に対する評価を行うことができた。しかし、in vivo-knock down実験は、実験室などの施設や動物実験計画の承認を得ることが、本年度中にはできなかったことから、次年度以降に予定を繰り下げる必要が生じた。
イネ根におけるアンモニウム態窒素過剰摂取抑制の分子機構の解明

窒素栄養は、植物の多量要求性栄養素であり、その生育や生産性を支配する。水田栽培のイネは、外来窒素源として主にアンモニウムを吸収・利用するが、高濃度アンモニウム供給は、多くの陸上植物に有害である。高濃度アンモニウム供給下の植物根では、高親和性アンモニウム吸収が負に制御されるが、この詳細な分子機構は不明であった。本研究成果として、高濃度アンモニウム供給下のイネ根において、タンパク質キナーゼOsACTPK1が、体内の利用可能な炭素骨格量に応じて、原形質膜のアンモニウム輸送関連タンパク質の輸送活性の制御に関わることが示唆された。この知見は、植物根の過剰アンモニウム摂取回避機構の理解の端緒となる。申請者は、低分子化合物を結合して酵素活性を制御するACTドメインを有するセリン(Ser)/スレオニン(Thr)/チロシン(Tyr)タンパク質キナーゼ様タンパク質1 (OsACTPK1)が、充分な外来アンモニウムイオン供給下のイネ幼植物根のアンモニウムイオン吸収の負の制御に関わる結果を得た。本研究では、OsACTPK1に着目して、イネ根のアンモニウムイオン過剰摂取抑制の分子機構を解明することを目的とする。OsACTPK1のタンパク質リン酸化機能解析と機能制御エフェクター分子の探索Phos-tagアクリルアミドゲル電気泳動法により、大腸菌内発現組換え(r)OsACTPK1精製標品の人工被リン酸化タンパク質基質(ミエリン塩基性タンパク質MBP)に対するリン酸化活性を解析した。in vitroでは、OsACTPK1のタンパク質リン酸化活性は、アミノ酸の添加では影響されないが、アンモニウム初期同化系への炭素骨格供給に関わるTCAサイクル有機酸の添加で有意に阻害されることが判明した。(2)スプリットユビキチン型酵母Two-hybrid解析で、OsACTPK1がイネ根のアンモニウム輸送に関わる原形質膜タンパク質と相互作用することが示唆された。(3)イネ根において、OsACTPK1転写産物の発現は、充足濃度アンモニウムイオン供給に特異的に応答し、硝酸イオン供給などでの応答は低いことが判明した。(4) OsACTPK1遺伝子自己プロモーター-OsACTPK1 cDNA-sGFPキメラ遺伝子導入イネ日本晴の幼植物の根では、sGFP融合タンパク質は、主に伸長帯のアンモニウムイオン曝露される表層細胞群(表皮・外皮)のサイトゾルに蓄積することが判明した。また、同キメラ遺伝子をOsACTPK1遺伝子破壊イネに導入後、F1後代を得た。申請者は、アミノ酸等の低分子化合物を結合して酵素活性を制御するACTドメインを有するセリン(Ser)/スレオニン(Thr)/チロシン(Tyr)タンパク質キナーゼ様タンパク質1 (OsACTPK1)が、充分な外来アンモニウムイオン供給下のイネ幼植物根のアンモニウムイオン吸収の負の制御に関わる結果を得た。(1) OsACTPK1のタンパク質リン酸化機能解析と機能制御エフェクター分子の探索ACTドメイン欠失(DeltaACT-)組換え(r)OsACTPK1の大腸菌内大量発現系と高度精製系を構築した。Phos-tagアクリルアミドゲル電気泳動法により、rOsACTPK1とDeltaACT-rOsACTPK1の各精製標品の人工被リン酸化タンパク質基質(ミエリン塩基性タンパク質MBP)に対するリン酸化活性を確認した。現在、両組換えタンパク質精製標品のin vitroでの自己及びMBPに対するリン酸化活性を反応速度論的に解析中である。また、各リン酸化活性に及ぼす添加アミノ酸等の影響を解析中である。(2) OsACTPKパラログの機能解析OsACTPK4の解析を進めた。OsACTPK4 mRNA蓄積量は、アンモニウムイオン供与後のイネ幼植物の根で、極短時間で誘導的に最大となった。また、OsACTPK4-sGFPのイネ根細胞での一過的発現解析から、OsACTPK4のサイトゾルと核への両局在が示唆された。さらに、抗リン酸化Tyr抗体を用いたイムノブロット解析から、大腸菌内発現rOsACTPK4精製標品の自己Tyr残基リン酸化活性に対するエフェクター効果を有すアミノ酸分子種は、rOsACTPK1とは異なることが示唆された。植物にとって、窒素は、生育や生産性を支配する多量要求性栄養素である。外来窒素源としての高濃度アンモニウムイオン供給は、多くの陸上植物に障害を引き起こすが、水田で栽培されるイネは主にアンモニウムイオンを吸収・利用する。ここで、アンモニウム毒障害回避には、根の正味のアンモニウムイオン吸収量調節が重要と考えられる。

申請者は、遺伝子破壊変異体イネを用いた解析から、イネのタンパク質キナーゼOsACTPK1が、高濃度外来アンモニウムイオン供給下のイネ幼植物根のアンモニウムイオン吸収の負の制御に関わる結果を得た。本研究では、OsACTPK1に着目して、イネ根のアンモニウムイオン過剰摂取抑制の分子機構を解明することを目的とした。最終年度前年度までの研究で、イネにおいて、OsACTPK1遺伝子は、高濃度アンモニウムイオン供給に特異的に応答して根のほぼ全ての細胞群で発現することと、OsACTPK1タンパク質が、原形質膜にアクセス可能なサイトゾルに主に蓄積することが判明した。また、大腸菌内発現組換えOsACTPK1を用いたin vitroリン酸化活性解析から、OsACTPK1は、Mn2+依存性セリン/スレオニン/チロシンタンパク質キナーゼであることや、酵母Two-hybrid解析で、OsACTPK1がイネ根のアンモニウムイオン輸送に関わる原形質膜タンパク質群と原形質膜上で相互作用することが示唆された。最終年度の研究では、in vitroで、組換えOsACTPK1が、上記原形質膜タンパク質群をリン酸化することと、このリン酸化が、アンモニウムイオン初期同化系への炭素骨格供給に関わる有機酸で阻害されることが判明した。以上から、イネ根において、OsACTPK1が、体内の利用可能な炭素骨格供給量に応じて、原形質膜のアンモニウムイオン輸送に関わるタンパク質の輸送活性を制御することが示唆された。植物分子栄養学in vitroでOsACTPK1のタンパク質リン酸化活性を制御しえるエフェクター分子を選抜した点や、酵母Two-hybrid解析で、OsACTPK1がイネ根のアンモニウム輸送に関わる原形質膜タンパク質と相互作用することを示せた点は、評価できると考える。しかし、イネ植物体細胞内での上記のエフェクター分子による活性制御や上記の原形質膜タンパク質との相互作用は証明していない。また、当該原形質膜タンパク質のOsACTPK1による被リン酸化も解析中である。一方、充足濃度のアンモニウムを供与したイネの根のOsACTPK1発現蓄積細胞群が、アンモニウム吸収・初期同化における鍵タンパク質・酵素の発現蓄積細胞群とほぼ一致することを示せた点は、OsACTPK1のアンモニウム吸収・同化における機能的重要性を支持する。OsACTPK1遺伝子破壊イネの機能相補試験は、現在遂行中である。OsACTPK1のタンパク質リン酸化機能をin vitroで詳細に解析するのに必要なrOsACTPK1とdeltaACT-rOsACTPK1の可溶性タンパク質を、大腸菌内で大量発現させ、高度に精製する実験系の構築が、発現タンパク質の不溶化や凝集等により困難を極めた。しかし、時間は要したが、タンパク質リン酸化活性を有する可溶性の上記組換えタンパク質の調製に成功し、現在比較解析を進めている。本年度の研究計画のOsACTPK1とイネアンモニウム輸送担体(OsAMT)群との機能的関連性の解析、OsACTPK1がmRNA
ナノショットキーゲート制御量子ナノドット集積デバイスによる単電子確率共鳴の観測

本研究は、理論的に示唆された単電子確率共鳴を実験的に観測・実証することを目的とする。このために、独自の化合物半導体ナノショットキーゲート制御量子ナノデバイス技術(図3)を適用し並列集積量子ナノドット単電子トランジスタと各々のドット中の電子数変化をモニタするシステムを試作し、現象の実験的観測を行う。研究期間内の実績は、(1)単電子確率共鳴の物理レベルでの解析モデルを構築し、シミュレーションによる結果をほぼ定量的に説明できることを示した。このモデル化により、確率共鳴ピーク位置が単電子トランジスタの帯電エネルギーと結びついていることを明らかにした。(2)具体的な系の設計のため、確率共鳴方程式を数値解法するシミュレータを作成した。(3)実験的研究として、GaAs系エッチングナノワイヤとナノショットキーゲートを用い、単電子トランジスタとそのドット中の電子数を検出する量子細線トランジスタを集積した系を設計・試作した。解析により、試作した系において単電子検出が可能であることを確認した。さらに、試作した系においてマクロな電流検出を行い、その動作を確認した。(4)単電子トランジスタのコンダクタンス振動特性より電子数変化を間接的に検出する手法を検討し、単電子トランジスタを50素子並列した系のコンダクタンス振動の温度依存性に対しこれを適用することで、コンダクタンス振動の温度依存性に確率共鳴を示すピークが存在することを実験的に示した。
力学系の方法による葉序螺旋タイリングの分岐の研究とその周辺

放物螺旋格子を含む一般アルキメデス螺旋格子上のボロノイタイリングは、原点の近傍を除いて、六角形(蜂の巣型)タイリングである結晶粒と呼ばれる領域と、それらの境界である結晶粒界と呼ばれる部分によって構成されることを示した。結晶粒上のタイル張りにおいては3つの方向の螺旋(斜列)が見られ、結晶粒界において螺旋の本数(斜列係数)が変化する。結晶粒界上のタイルの形状は四角形に近く、その縦横比は、螺旋の回転角の連分数展開によって定まる。これは、アルキメデス螺旋格子の場合の結果を一般化したものである。粘着性円板充填は、ひび割れの入った葉序螺旋の簡単な幾何学的モデルである。準斜列係数の概念を導入することによって、分岐図の簡明な構造が明らかになりつつある。等面四面体を平面上で滑らないように転がすと、平面の三角形タイル張りが得られる。等面四面体上に一点を指定すると、平面上の格子点集合が定まる。これを母点集合とするボロノイタイリングは、四面体の展開図(cut locus)となっている。展開図は凸多角形であって、三角形、四角形、五角形、六角形のいずれかとなることがわかった。基準点を動かして多角形の変化を考えたときの分岐点集合において、三角形の垂心が重要な役割を果たすことがわかった。また、基準点から最も遠い点への対応を写像して考えると、最遠点写像の反復は収束する。ビーズ多面体において測地線を考える。ビーズ正二十面体上の測地線は正二十面体上の閉測地線に対応し、逆に正二十面体上の閉測地線に対応してビーズ正二十面体が存在することがわかった。アルキメデス螺旋のボロノイタイリングの大域的分岐について、いくつかの研究結果を得た。まず、トポロジーの手法を応用して、タイリングのパラメータ空間を連続化することにより、分岐図でタイリングを記述できることがわかった。また、平面上の円板が極座標に移しても凸であることを利用して、アルキメデス螺旋の螺旋の本数の単調性を示した。対数螺旋上の円板充填モデルは20世紀初頭にオランダの植物学者van Itersonによって提案された螺旋葉序の幾何学的モデルである。このモデルにおける円板の半径が、平面の距離関数の公理を満たすことを示した。さらに、この距離関数によって、対数螺旋上のボロノイタイリングの分岐曲線が記述できることがわかった。対数螺旋上のボロノイタイリングと円板充填の分岐図が、互いに双対グラフであることを示した。証明は自明でなく、連分数の性質を利用するものである。線形格子上では、円板充填とボロノイタイリングは一種の双対関係にあることは既に知られていた。対数螺旋格子上での円板充填とボロノイタイリングの双対性は、線形格子の理論の非線形版にあたる。証明も連分数の性質を利用しており、自明でない。このように、理論面で、当初予定していなかった重要な研究成果を得ることができた。対数螺旋格子上の円板充填の分岐に関する研究成果を論文にまとめた。まず平面上に、斉次で有界な距離関数が定義される。線形格子においては、平行四辺形が円に内接するとき、平行四辺形は長方形であって、二つの対角線の長さは等しい。対数螺旋格子においては、平行四辺形に相当する四角形が円に内接するときは、二つの対角線の長さが、この斉次有界な距離関数で測ったときに等しい。このような性質をもつ有界距離関数が、対数螺旋格子の幾何において重要な役割を果たしている。対数螺旋格子は、通常の場合、ボロノイタイリングの斜列係数を三つもち、円板充填の斜列係数を一つもつが、円板充填の斜列係数はボロノイタイリングの斜列係数のいずれかに等しいことを示した。これら斜列係数は、回転角の近似分数の分母として現れる自然数である。対数螺旋格子の円板充填およびボロノイタイリングの分岐図はFarey木の構造をもつ。また、アルキメデス螺旋のボロノイタイリングの大域的分岐に関する研究成果を論文として準備した。螺旋葉序は回転対称性をもつ場合もある。本研究においても、対数螺旋に回転対称性を加えた格子上の円板充填およびボロノイタイリングの分岐の研究に取りかかった。回転対称性のパラメータについて無限大の極限を考えたとき、正規化分岐図が、円筒面上の円板充填の分岐図に収束するようである。また、円筒面上の粘着性円板充填の研究に取りかかった。この場合は、コロイド状に連なった円板斜列が、回転角の連分数近似から定まる準周期性をもって並ぶ様子が観察される。斜列係数および準斜列係数の概念が定義されるようである。平面上の斉次距離関数によって対数螺旋格子上の円板充填とボロノイタイリングが統一的に記述できるようになった。このため、回転対称性を加えた場合についても、円板充填とボロノイタイリングの統一的な議論が可能になってきた。粘着性の円板充填のモデルは、格子という制約を外した場合の円板充填で、今年度に新しく取り組み始めたものだが、簡単な設定にもかかわらず興味深い現象が見られる。アルキメデス螺旋格子上のボロノイタイリングは、六角形(蜂の巣型)タイリングである結晶粒と呼ばれる領域と、それらの境界である結晶粒界と呼ばれる部分に分かれる。

結晶粒界上のタイルの形状は長方形に近い。結晶粒上のタイルは3つの斜列係数をもち、結晶粒界において斜列係数が変化する。結晶粒界の組合せ的性質、および結晶粒界上のタイルの極限として得られる長方形の縦横比は、発散角の連分数展開によって定まる。これらの結果を、連続なパラメータ空間を考えることによって証明し、研究成果を論文として公開した。回転対称性を加えた対数螺旋格子上の円板充填については、斜列係数を拡張した斜列指数を定義することにより、斜列とファレイ数列との自然な対応が得られることがわかった。対数螺旋格子に対して定義された斉次有界な距離関数は、回転対称性を加えた場合にも役立つ。粘着性円板充填については、円板斜列の連結成分の本数に着目することにより、詳しい分岐図が得られつつある。正四面体の展開図は平面上の正三角形タイル張りを与え、平面上の直線は測地線を与える。これを利用して、一本の紙の輪を折り畳んで正四面体が得られることを示した。測地線の方向は可算無限個存在する。また、正四面体の展開図として得られる凸多角形の族を、切り込み線のグラフに着目して分類した。正四面体の測地的距離によって定まるcut locusは、平面上のボロノイタイリングを与える。そのタイル張りの分岐について調べた。タイルの頂点は、距離関数の極大値を与える。この極大点から得られる正四面体上の離散力学系の極限点について調べた。ルービックキューブにおいて操作を五面の回転に制限して解く問題をFULRD問題と呼ぶ。最短手数の上限は、ケイリーグラフの直径(距離関数の最大値)に対応する。これについて、部分群の方法を利用して上からの評価を与えた。アルキメデス螺旋格子上のボロノイタイリングに関する研究成果を論文にまとめることができた。ボロノイタイリングの分岐の問題は、距離関数の極大値の変化を考えるということであり、cut locusの問題などに適用できる。このように、力学系の考え方を利用してタイリングの分岐を調べる研究は、多様な方面で成果を上げつつあるといえる。放物螺旋格子を含む一般アルキメデス螺旋格子上のボロノイタイリングは、原点の近傍を除いて、六角形(蜂の巣型)タイリングである結晶粒と呼ばれる領域と、それらの境界である結晶粒界と呼ばれる部分によって構成されることを示した。結晶粒上のタイル張りにおいては3つの方向の螺旋(斜列)が見られ、結晶粒界において螺旋の本数(斜列係数)が変化する。結晶粒界上のタイルの形状は四角形に近く、その縦横比は、螺旋の回転角の連分数展開によって定まる。これは、アルキメデス螺旋格子の場合の結果を一般化したものである。粘着性円板充填は、ひび割れの入った葉序螺旋の簡単な幾何学的モデルである。準斜列係数の概念を導入することによって、分岐図の簡明な構造が明らかになりつつある。等面四面体を平面上で滑らないように転がすと、平面の三角形タイル張りが得られる。等面四面体上に一点を指定すると、平面上の格子点集合が定まる。これを母点集合とするボロノイタイリングは、四面体の展開図(cut locus)となっている。展開図は凸多角形であって、三角形、四角形、五角形、六角形のいずれかとなることがわかった。基準点を動かして多角形の変化を考えたときの分岐点集合において、三角形の垂心が重要な役割を果たすことがわかった。また、基準点から最も遠い点への対応を写像して考えると、最遠点写像の反復は収束する。
鉄系アモルファス酸化物を対象とした磁気光学効果素子への応用研究

前年度に引き続き、短波長磁気光学効果(ファラデー効果)素子への応用可能な材料の創製を目指し、鉄系アモルファス酸化物磁性体の作製、磁気的性質の調査を行った。4価の鉄イオンを含む酸化物は、強磁性を示すことが知られており、4価の鉄イオンを含むアモルファス酸化物の作製に成功すれば、磁性イオン間の強磁性的相互作用により、大きなファラデー効果を示す材料が得られると予想される。前年度までに、鉄を0.3 mol%ドープしたサンプルについて、4価の鉄イオンがアモルファス酸化物中に存在することを確かめた。今年度はより多くの鉄を含むガラスを溶融急冷法によって作製し、超伝導量子干渉計による磁化測定、メスバウアー分光測定を行った。得られたガラスは2 Kまで常磁性を示した。メスバウアー測定によって得られた異性体シフトの値から、鉄は3価で存在すると考えられる。これらの結果から、高い光学的塩基度を持つ母ガラスを利用して鉄イオンを高酸化状態とする方法では、ごく少量の鉄イオンしか4価の状態にすることができないことが示唆された。これらのガラスは非常に耐水性が低く、大気に曝さない工夫も必要であることが分かった。前年度までに、アモルファスFeO-SiO2薄膜がアモルファス酸化物材料としては非常に大きなファラデー効果を示し、それが薄膜中に分散する金属鉄クラスターによるものであることを明らかにした。アモルファスFeO-SiO2薄膜の磁性については、平成25年度に既に詳細な調査を行っており、低温でスーパースピングラス転移を示すことを明らかにしている。磁性のデータとファラデー効果の結果を合わせて、磁性に関する再検討を行った。アモルファスFeO-SiO2薄膜は、Fe2+のクラスターによるスーパースピングラス挙動を示すと考えられていたが、Fe0とFe2+のクラスター両方の寄与によるスーパースピングラス挙動であると考えられる。28年度が最終年度であるため、記入しない。短波長磁気光学効果(ファラデー効果)素子への応用可能な材料の創製を目指し、鉄を含むアモルファス酸化物を対象に、アモルファス酸化物磁性体の作製、構造解析、局所構造の解明、磁気光学的性質および光学的性質の調査を行った。アモルファスFeO-SiO2薄膜は、アモルファス酸化物材料としては非常に大きなファラデー効果を示し、ファラデー効果素子の材料として有望である。これらの薄膜について、X線光電子分光、X線吸収端近傍構造、ラマン分光、赤外分光、屈折率測定、透過型電子顕微鏡(TEM)観察を用いて、ファラデー効果発現メカニズムの解明を試みた。TEM観察により、金属鉄クラスターの直接観察を行うことに成功した。制限視野電子回折図形(SAED)においては、金属鉄の(110)面に由来する弱いスポットが、アモルファス構造を反映したリングの外側に見られた。SAEDの金属鉄(110)面由来のスポットを用いて暗視野像を測定すると、3-5 nm程度の微小な金属鉄のクラスターが観察された。大きなファラデー効果は、アモルファスFeO-SiO2薄膜中に分散する金属鉄クラスターによるものであると考えられる。4価の鉄イオンを含む酸化物は、強磁性を示すことが知られており、4価の鉄イオンを含むアモルファス酸化物の作製に成功すれば、大きなファラデー効果を示す材料が得られると予想される。高い光学的塩基度を持つ母ガラスに鉄イオンを導入することで、鉄イオンを高酸化状態とした。大気中で溶融急冷法によりサンプル作製を行い、光吸収スペクトルによって、4価の鉄イオンがアモルファス酸化物中に存在することを確かめた。光吸収スペクトルにおけるピーク位置は、既報の鉄4価のピークと一致した。さらに光吸収スペクトルの吸収極大波長から求めたスペクトル項間のエネルギー差は、田辺・菅野ダイアグラムにおけるエネルギー差に一致した。当該年度は、平成27年3月4日平成28年2月29日の期間、ドイツ・イエナ大学において研究を行った。特にアモルファスFeO-SiO2薄膜について、X線光電子分光、X線吸収端近傍構造、屈折率測定透過型電子顕微鏡観察により、大きなファラデー効果が薄膜中に分散する金属鉄クラスターによるものであることを明らかにし、ファラデー効果発現メカニズムの解明に大きく近づいた。これは期待以上の成果であり、当初の計画以上に進展していると言える。

これらの結果から、高い光学的塩基度を持つ母ガラスを利用して鉄イオンを高酸化状態とする方法では、ごく少量の鉄イオンしか4価の状態にすることができないことが示唆された。これらのガラスは非常に耐水性が低く、大気に曝さない工夫も必要であることが分かった。前年度までに、アモルファスFeO-SiO2薄膜がアモルファス酸化物材料としては非常に大きなファラデー効果を示し、それが薄膜中に分散する金属鉄クラスターによるものであることを明らかにした。アモルファスFeO-SiO2薄膜の磁性については、平成25年度に既に詳細な調査を行っており、低温でスーパースピングラス転移を示すことを明らかにしている。磁性のデータとファラデー効果の結果を合わせて、磁性に関する再検討を行った。アモルファスFeO-SiO2薄膜は、Fe2+のクラスターによるスーパースピングラス挙動を示すと考えられていたが、Fe0とFe2+のクラスター両方の寄与によるスーパースピングラス挙動であると考えられる。金属鉄クラスターによる大きなファラデー効果発現が、他のアモルファス酸化物でも可能かどうか、検討を行う。4価の鉄イオンを含むアモルファス酸化物については、さらに高濃度で4価の鉄イオンを含むガラス組成の探索を行うと同時に、構造解析、局所構造の解明、磁気光学的性質の調査を行う。28年度が最終年度であるため、記入しない。
形成期の銀河間を繋ぐガスネットワーク構造の研究

宇宙には宇宙網と呼ばれるネットワーク構造が張り巡らされている。宇宙網に沿って分布するガスは、その網の目の接点に向かって流れ込み、銀河を形成すると考えられている。しかし、宇宙網の中のガスは銀河本体に比べ、希薄であり、その全体像を捉えることはこれまで難しかった。本研究では、Mpcを超えるスケールのガスネットワーク構造の兆候が見つかってきたz = 3.1の原始銀河団に対して、すばる望遠鏡超広視野カメラ(HSC)を用いて、水素ライマンアルファ輝線撮像観測を行う。すばるHSC観測提案は2018年度に行う予定であったが、天体の観測可能期間と望遠鏡ドームの補修時期と重なってしまい、提案書の提出は2019年に延期した。これまでのすばるSCamデータに基づき、その詳細構造と運動を調べるためのKeck/KCWIやVLT/MUSEによる観測を行った。また、宇宙網中の銀河のアルマデータ解析を行い、星形成の活発さや星の元となる分子ガスの分布を調べた。すばるHSC観測提案は2018年度に行う予定であったが、天体の観測可能期間と望遠鏡ドームの補修時期と重なってしまい、取りやめたため、研究の進捗に遅れが生じている。すばるHSCによる宇宙網の水素ライマンアルファ輝線撮像観測提案を行う。宇宙網の詳細構造と運動を調べるためのKeck/KCWIやVLT/MUSEによる観測を進める。宇宙網中の銀河のアルマデータ解析をさらに行い、星形成の活発さや星の元となる分子ガスの分布を調べる。ジェームズウェブ宇宙望遠鏡の観測提案募集が2020年5月に予定されているため、その準備を行う。本研究の目的は、銀河形成が最も活発だった120億年前の宇宙において、宇宙網の兆候が見つかって来た原始銀河団専用に、すばる望遠鏡新広視野カメラ(HSC)の水素Lyα輝線フィルターを製作し、その物理的状態(形態とガス質量)を調べることにより、現在の構造形成理論に対する観測的検証を行うことである。HSC用フィルターNB497の性能仕様の検討を行い、6月には日本真空光学に発注し、年度末には試作品が納入された。本研究の準備として、すばるやALMAによる遠方宇宙の観測的研究を進めており、これまでに得た観測データに基づく研究成果について、平成29年度にはイギリスと東京で行われた国際研究集会において口頭発表を行った。また、学術雑誌には3編の論文を投稿した(すべて出版は平成30年度になる見込み)。すばる、ケック、VLT、ALMAを用いた準備研究は順調に進んだ。HSC用フィルターNB497の納入が遅れたため、平成29年度中に予定していたすばるへの観測提案ができなかった。JWST初期公開科学観測に向けて海外の共同研究者らと一緒に観測提案書を提出したが、残念ながら採択には至らなかった。平成30年度には完成したHSC用フィルターNB497の精密な性能評価を行う。それを元にすばるへの観測提案書を作成し、平成31年度のHSCによるガスネットワーク構造のライマンアルファ輝線観測の実現を目指す。
超臨界状態における常磁性活性種の時間分解ESR研究

フリ-ラジカルのEPRスペクトル解析から、不対電子の分子軌道の係数が容媒との相互作用によって、どのように影響を受けるか直接知ることができる。電子スペクトルからは溶媒和エネルギ-に関連する情報が得られるので、全く異質の情報を与えることが分る。本研究は、まず比較的強い溶質ー溶媒間の相互作用をもつ系についての研究を行いながら、高圧用EPRセルを製作し、これを用いた測定実験を行った。1.ニトロキシドラジカルの不対電子軌道に対する溶媒効果広い溶媒極性にわたって、ラジカルの不対電子分布に対する溶媒の影響を明らかにした。これらを基にBiockーWalkerのreactin fieldを用いた理論的扱いを行ない、外挿値が真空中におけるラジカルの電子構造を与えることを示した。また、プロティック溶媒では水素結合による大きな摂動があることから、特定原子の電気陰性度の変化で取り扱うことができることを明らかにした。2.高圧用EPRセルの製作と測定システムの組み上げ耐圧1000気圧の高圧ESRセルを、本研究費設備として購入した。超臨界状態におけるラジカルの超微細分裂定数の変化は非常に小さいことから、精密な温度制御が要求される。現有のEPRスペクトロメ-タとキャビティを用いて、製作した高圧ESRセルを組み合せ、高い精度で制御された条件下で測定を行うシステムを試作した。3.超臨界流体中におけるニトロキシドラジカルのEPRスペクトルCO_2は低い温度で超臨界状となり、かつ、実際の応用にもよく使われるガスであることから、TEMPOーCO_2系の測定を行った。臨界界状態でEPR強度の著しい増大と線幅のブロ-ドニングがみられた。時間分解EPRを用いた短寿命活性種への応用をすすめている。電子スピン緩和時間は、分子間相互作用と分子運動を反映したパラメ-タとなる。
脳波を用いた表情機能の同定

近年、社会問題ともなっている認知症やうつ病において、表情は欠如する傾向にあるとされ、笑顔による治療効果が報告されていることもあり、表情に関する脳機能を解明することは、病気の原因や予防、治療につながる可能性も考えられる。そこで本研究では、病気の原因や治療方法などを探る足掛かりとして、表情に関する脳機能を解明することを目標とする。表情表出時の脳波及びfMRIのデータを収集し、それらを個別に解析し各結果を比較することでより脳機能の理解を深められると考える。より簡易且つ安価に測定できる脳波を用いて活動部位が推定できるような解析手法を確立し、その上で表情に関する脳機能を同定することを目指す。
帳簿史料からみた日本古代文書行政の研究

本研究では、日本古代(7世紀9世紀)にかけての文字資料群の中でも、とりわけ帳簿史料を検討することにより、古代の文書行政システムの実態を明らかにした。具体的には、東大寺・正倉院に伝来する正倉院文書や、各地から出土する漆紙文書や木簡といった文字資料群を比較、検討することを通じて、総体として帳簿作成システムを復元し、古代国家において文字を使った統治システムがいかにしてなしえたかを明らかにした。これまで別々に検討されることの多かった紙の文書と木簡を、有機的に関連づけることにより、古代国家の文書行政のシステムの全容が明らかになった。また、韓国出土の古代木簡との比較研究を通じて、東アジア古代の文字記録技術の伝播の問題についても明らかにすることができた。平成18年度は、日本古代の帳簿史料の収集・調査を行った。まず、奈良時代の正倉院文書の中の帳簿史料の事例を検討すべく、正倉院文書のマイクロフィルム紙焼き写真を購入し、活字からだけではわからない習書の情報を収集した。紙焼き写真は続々修古文書まで、現在データを整理中である。次に、木簡や墨書土器などの出土文字資料の実地調査をおこなった。いうまでもなく、木簡や墨書土器は日本古代の地方社会における帳簿史料の実態を考える上で格好の素材である。具体的な調査先として、奈良文化財研究所、秋田城跡調査事務所などにおいて各地から出土した文字資料の調査・検討をおこなった。こうした検討をふまえて、具体的な文字資料に即した研究をおこなった。まず、近年注目されている韓国出土木簡と、日本の古代木簡との比較を行い、木簡の用字法や、帳簿の書式における共通性を指摘し、日韓比較木簡研究の可能性を模索した(「日韓木簡学の現状とその整理状況」「習書木簡からみた文字文化受容の問題」)。また、東北地方や北陸地方を中心に発見されている稲の品種名を書いた平安時代の付札木簡や、労働力編成について記した記録簡を再評価し、これらによる古代地域社会の稲作の実態の描述を試みた。あわせて、労働編成における記録簡(帳簿)の重要性を指摘した(「北陸・東北地域の古代稲作」『日本海域歴史大系古代篇2』所収)。また、古代の城柵として著名な秋田県大仙市の払田柵跡出土の漆紙文書のうち、隣保組織の存在を示す「保」と書かれた帳簿様文書に注目し、これが、中国のトルファン文書の書式と類似することや、この文書が、保の再編成が全国的に行われていた9世紀後半頃の状況をふまえて作成されたものであること、などを指摘した。あわせて、古代の隣保組織が、地縁によらない、同族的結合を優先した形でととのえられた可能性を述べた(「古代日本の隣保組織について」)。検討の素材は多様であったが、帳簿史料を含む広範な文字資料の検討を通じて、古代日本における文書行政の実態にせまったという点においては、一定の成果を得たといえる。本年度は、前年度に引き続き、日本古代の帳簿資料とその周辺の文字資料についての調査・検討を行った。本年度は、正倉院文書に続き、東大寺の寺領に関わる帳簿資料を多く含む東南院文書の紙焼き写真を購入し、活字からだけではわからない帳簿資料の情報を収集した。現在データを整理中である。次に、木簡などの出土文字資料の実地調査を行った。調査先は、福岡市元岡遺跡出土の7世紀8世紀の木簡の調査、滋賀県西浅井町塩津港遺跡出土「起請札木簡」の調査、奈良文化財研究所における、平城宮出土木簡の調査など、多方面にわたった。とりわけ、塩津港遺跡出土の「起請札」は、古代末から中世にかけての運送業者による起請文の作成の実態が明らかになったことから、古代における文書の役割を考える上でも画期的な資料といえる。また、山形県梅野木前1遺跡出土の平安時代の木簡の解読を行い、この木簡が「龍王」の文字を含む地鎮のために作成されたものであることを明らかにした。本資料は帳簿資料ではないが、古代地方社会における龍王信仰の受容、呪符木簡の展開といった問題を考える上で示唆的な材料となった。このように本年度は、帳簿資料の検討とともに、その周辺の文字文化の実態を探る上で貴重な成果を得ることができた本年度は、引き続き正倉院文書の写経所文書にみえる帳簿関係史料と古代木簡との関係を検討する一方、中世文書の比較の必要性から、古代中世にかけての寺院文書である東大寺東南院文書の紙焼き写真や、鎌倉遺文のデータベースを購入し、古代帳簿史料と中世帳簿史料の比較検討に着手した。

この結果、正倉院文書の帳簿史料と、各地で出土している古代木簡の記録技術が、密接に関連していることや、古代から中世にかけての帳簿記録技術の発展段階をあとづけることが可能となった。また、木簡や墨書土器の調査も継続して行い、東北地方の文字資料を中心に、山形県酒田市・亀ヶ崎城跡木簡や同県南陽市・加藤屋敷遺跡等の墨書土器の調査・検討を行った。これにより、地方社会における文字文化の様相や、文字資料を介した地域間交流の様相などが明らかになった。さらに、東アジア世界を含めた帳簿史料の比較検討も行った。特筆すべきは、2008年に、百済の都が置かれていた韓国の扶余で発見された「佐官貸食記」木簡である。7世紀初頭と推定されるこの木簡は、複数の人物に穀物を貸し付けて、返納させた際の記録を書きつけた帳簿であり、日本の古代木簡でいえば出挙に関わる記録簡にあたる。この木簡を詳細に検討すると、貸付時期や貸付方法、利率、そして回収の方法や未納の実態などを復元することが可能となり、検討の結果、日本古代の出挙木簡と酷似していることが明らかとなった。しかも日本で現在確認されている出挙木簡よりも約半世紀ほど古く、日本の出挙制度やそれにともなう記録技術の起源と系譜を考える上で画期的な発見といえる。以上の点については論文でその研究成果を公表した。
リグノセルロース系バイオマス生物変換のためのバイオミメティック酵素システムの開発

本研究では、リグニンを高効率で分解する白色腐朽菌の生物模倣型ラジカル反応を探索し、見出した反応系を酵素糖化前処理に用いて木材からエタノールを高効率で生産する。この目的のため、金属のリガンドを合成化学品と白色腐朽菌代謝物からスクリーニングする。開発した反応系は、リグニンモデル化合物や木材の分解実験などにより詳しく解析する。このようなラジカル反応によるリグニン分解と糖化前処理への応用研究は、リグノセルロース系バイオリファイナリーの基礎となるもので、木材などのバイオマスからエネルギーや化学品を発酵生産するプロセスを大きく進展させる。このように本研究は、低分子化合物のラジカル反応を酵素糖化前処理に使うという新しい分野を切り開くことを目的とする。本研究では、白色腐朽菌Ceriporiopsis subvermisporaの菌体外代謝物フラクションや各種の合成リガンドを銅および鉄などの遷移金属イオンに配位させた錯体を、過酸化水素と反応させ、β-0-4型非フェノール性リグニンモデル化合物を分解する反応系を見出し、国内および国際特許を出願した。また、合成金属錯体系とは別に、様々な置換基をもつフェノール類を用いたソルボリシスリグニン分解反応系を開発した。このようにして見出したラジカルリグニン分解系でスギ、アカシア、ファルカタリアなどの木材を処理したところ、リグニンの分解によりパルプ化が進行することを見出した。様々な反応系により処理した木材の成分組成の変化や構造変化を解析するとともに、工業用セルラーゼで酵素糖化を行い、酵素糖化率の最適化を行った。糖化物は、酵母を用いてエタノール発酵し、物質収支を明らかにした。また、発酵阻害の影響についても検討した。銅および鉄などの遷移金属イオンを各種の合成リガンドで配位させた錯体を、過酸化水素およびヒドロペルオキシドと反応させ、非フェノール性リグニンモデル化合物を分解する反応系を幅広く探索した。反応は、GCMSで分析した。その結果、従来報告されていないリグニン分解力に優れる反応系を見出した。また、開発した反応系を用いてスギ材、バガス、機械パルプを処理し、処理物を酵素糖化して、糖化前処理効果を検証した。これらの処理では、粉砕法との複合効果を中心に実験を行い、糖化促進効果を明らかにした。この結果、平成19年度はリグニン分解力に優れる効果的な反応系を見出した。この成果をもとに開発した反応系の酵素糖化前処理への適用性に重点を置き、研究を実施している。即ち、反応系の条件を様々に変化させ、より効果的なシステムを確立すべく実験を実施している。再生可能な木質系バイオマスから高効率でバイオエタノールを生産するため、金属錯体反応を用いた木材の効率的な前処理法を研究した。効率的なリグニン分解系を開発するために、リグニン単量体モデルを金属イオン存在下で酸化できる配位子について広範に探索し、有力な触媒系を見出した。探索に当たっては、白色腐朽菌の培養物を液体クロマトグラフィーで分離した画分も使用した。この実験で見出した触媒系に加え、過酸化水素存在下で、木材中のリグニンを分解する金属錯体反応系を探索した。その結果、広葉樹のみならず針葉樹材に対しても高効率でリグニン分解を起こす反応系を開発した。この反応系の開発に際しては、マイクロ波照射と外部加熱を比較し、マイクロ波加熱によって反応効率が高まることを明らかにした。温度、反応時間、触媒量、pH、樹種などを変えて前処理を行い、反応が木材の成分変化や酵素糖化率に及ぼす影響を分析した。その結果、原料木材の重量当たり50%以上の糖収率で酵素糖化できる反応系を開発した。また。前処理物については、酵素糖化した後、酵母によるエタノール発酵を試験した。その結果、本プロセメで処理した木材から、効率的にエタノールが生産されることを明らかにした。さらに、開発した反応系から産生される木材の分解フラグメントをGCMSによって分析した。また、β-O-4型リグニン二量体モデル化合物の分解実験を実施し、反応機構について考察した。これらの研究結果に基づき、平成20年度に、木材の前処理法に関する特許を出願した。また、研究結果を論文原稿としてまとめており、国際雑誌に投稿する予定にしている。平成21年度、さらに金属錯体反応を用いた前処理研究を継続発展させる予定である。

このようにして見出したラジカルリグニン分解系でスギ、アカシア、ファルカタリアなどの木材を処理したところ、リグニンの分解によりパルプ化が進行することを見出した。様々な反応系により処理した木材の成分組成の変化や構造変化を解析するとともに、工業用セルラーゼで酵素糖化を行い、酵素糖化率の最適化を行った。糖化物は、酵母を用いてエタノール発酵し、物質収支を明らかにした。また、発酵阻害の影響についても検討した。
腸管感染菌の蛋白毒素成熟化過程の解析と下痢予防に関する研究

腸管感染菌であるアエロモナス(Aeromonas)の下痢毒素(溶血毒素)とプロテアーゼ、および毒素原性大腸菌の耐熱性エンテロトキシンの成熟化過程の解明を試みた。A.sobria, A.hydrophilaの下痢毒は溶血活性を有する毒素であり,これらの菌の培養上清は溶血活性を示す。しかし同様に下痢活性を示すA.caviaeの液体培養上清は溶血活性を示さない。そこでA.caviaeの下痢毒産生性を調べた。その結果、本菌も下痢毒(溶血道)を産生するが、液体培養では同時に菌から産生されたプロテアーゼによって溶血毒は分解をうけ、従って培養上清は活性を示さないが、腸管内や血液寒天培地では分解を受けるより先に腸管上皮細胞や血球に結合し、溶血毒(下痢毒)は活性を発現する事がわかった。またA.sobriaでは2%以上の食塩によってセリンプロテアーゼ、メタロプロテアーゼの両プロテアーゼの産生が抑制されることを見出した。そのプロテアーゼ産生の抑制はセリンプロテアーゼでは成熟過程で、メタロプロテアーゼでは転写過程で阻害が生じ、産生が抑制されることがわかった。大腸菌の研究では、毒素原性大腸菌が産生する耐熱性エンテロトキシンであるSTの大腸菌外膜の通過はTolCを介して行われるので、このSTの通過に必要なTolCの構造を明らかにする研究を行った。方法としては、ビブリオ科細菌のTolCのキメラTolCを作製し、Tolの構造構造相関を研究した。その結果大腸菌TolCの198-214位のペプチド領域はSTの輸送に重要であることがわかった。今年度は腸管感染を起こす菌としてアエロモナスを取り上げ,本菌のプロテアーゼおよび下痢毒素の活性化の研究を行った。アエロモナスはプロテアーゼ活性が強い菌であり,セリンプロテアーゼとメタロプロテアーゼが主たるプロテアーゼである。そのセリンプロテアーゼは菌が軟部組織に感染したときは皮膚壊死の形成に関与していることが示唆されている。それ故セリンプロテアーゼは腸管においても腸管組織の損傷に関係していると思われている。このプロテアーゼの成就化過程を明らかにし,その過程を遮断できれば,アエロモナス感染の症状は軽減できると思われる。そこで本セリンプロテアーゼの成熟化過程の検討を行い,以下の結果をえた。まずアエロモナスの培養上清中にサイズの小さい本プロテアーゼを見いだし,このプロテアーゼを精製,解析した。その結果,このプロテアーゼはカルボキシ末端の82アミノ酸が欠損したセリンプロテアーゼであることがわかった。すなわちセリンプロテアーゼはC末端が82個欠損しても,活性は保持できることがわかった。次に遺伝子操作でC末端を順次欠損させたセリンプロテアーゼ遺伝子を構築し,発現させた。その結果,C末端アミノ酸を5個欠損しても,プロテアーゼの産生は影響を受けないが,6個欠損させるとプロテアーゼは産生されなくなる。これらのことから本セリンプロテアーゼのC末端は本プロテアーゼの成就化過程に必須な領域であるが,活性構造構築後は,活性発現には関与しない領域であることがわかった。また変異株の実験より,本菌の下痢毒素を活性化しているプロテアーゼはメタロプロテアーゼであることもわかった。腸管感染菌である毒素原性大腸菌およびアエロモナス(Aeromonas)の下痢毒素、アエロモナスの溶血毒素、プロテアーゼの成熟化過程の解明を試みた。毒素原性大腸菌は二種類の耐熱性エンテロトキシン、ST-1とST-2、を菌体外に放出し、患者に下痢を発症せしめる。

これまでの研究で両STともに内膜の通過にはSecシステムを利用しペリプラスムに達すること,続く外膜の通過にはTolCを利用する事を明らかにしてきた。今年度はこのペリプラスムに達したSTをTolCがいかに認識するかを研究した。方法としてはビブリオ科のTolCとのキメラTolCを作製し,そのキメラTolCの機能を測定した。その結果TolCの198-214位が重要であることが判明した。Aeromonas sobria, A. hydrophilaの下痢毒は溶血活性を有する毒素であり,これらの菌は溶血活性を示す。しかし下痢を発症するA. caviaeは溶血活性を示さない。腸管ループ活性でA. caviaeの下痢毒を検討した結果,この菌の溶血毒素はプロテアーゼで分解を受けやすい毒素であるが,腸管内では産生されて,下痢を発症している事がわかった。アエロモナスのセリンプロテアーゼの精製品からカルボキシ末端の82アミノ酸残基を欠損してもプロテアーゼ活性は十分に発揮された。しかしストップコドンの挿入でこの82残基を生合成しない変異DNAからは,活性のあるセリンプロテアーゼは生合成されないことを見出した。このセリンプロテアーゼの活性体構築にはセリンプロテアーゼ遺伝子の下流にコードされているシャペロン蛋白質であるORF2とセリンプロテアーゼとの相互作用が必要であるが,ランダムペプチドディスプレイライブラリーを用いての解析の結果、ORF2はASP前駆体のC末端から7280番目の領域と反応している可能性が示された。
心不全に伴う骨格筋萎縮に対するインプラント型治療的電気刺激の予防効果

骨格筋の萎縮予防に対する治療的電気刺激の効果と、その作用機序を検証した。モノクロタリン誘導性右心不全モデル動物、及び不活動モデル動物の後肢には、顕著な筋萎縮が確認された。一方、治療的電気刺激による介入群では、タンパク質のユビキチン化が抑制され、後肢骨格筋における筋線維横断面積の減少は軽減された。また、変調波による治療的電気刺激は、低周波では萎縮の予防が困難であった深層筋にも有効であった。【内容】心不全に伴う骨格筋の萎縮予防に対するインプラント型電気刺激の効果検証を試みた。1)心不全モデル動物の作製:ラットにモノクロタリンを投与することで肺高血圧症を惹起し、右心不全を誘発し、骨格筋が萎縮することを確認した。2)インプラント型電気刺激装置の開発:作製した電気刺激装置をラットの生体内に留置したところ、実験期間中にバッテリー交換の必要がなく、骨格筋を十分に刺激できる出力を確保できたものは、3×4cmサイズの電気刺激装置であった。しかし、このサイズでは実用性が不十分であるため、更なる小型化を試みつつ、経皮電極を用いて、骨格筋萎縮に対する電気刺激の効果検証を行った。3)心不全モデル動物に対する治療的電気刺激:電気刺激の実施に伴う麻酔処置の繰り返しは、心不全モデル動物の長期飼育を困難にした。よって、骨格筋萎縮に対する電気刺激の効果検証には廃用性筋萎縮モデル動物を用いた。4)骨格筋萎縮に対する電気刺激の効果検証:低周波による電気刺激は骨格筋の萎縮予防に有効であった。しかし、低周波による電気刺激では深層筋の刺激が困難であったため、変調波を用いた電気刺激を試みた。変調波を用いた電気刺激は、深層筋の萎縮予防に対しても効果的であった。電気刺激による骨格筋萎縮予防の作用機序には、ユビキチン・プロテアソーム経路を介したタンパク質分解の抑制が主に関与していた。【意義】骨格筋の萎縮予防に対する電気刺激の効果を、その作用機序の一部から検証したことは意義がある。また、経皮電極では困難とされる深層筋の萎縮予防を変調波によって可能にしたことは、リハビリテーションの選択肢を増やすことに貢献しうると思われる。【重要性】心不全患者の二次的な運動耐容能低下を予防するには、心不全を悪化させない、他動的な介入が望ましい。よって、治療的電気刺激のような、局所的かつ他動的な介入の開発は必要不可欠である。【内容】研究目的は,心不全に伴う骨格筋の萎縮予防に対するインプラント型治療的電気刺激装置の開発およびその効果及び作用機序の検証である.具体的な内容は以下のように細分化して実施した.1)心不全モデル動物の作製:ラットにモノクロタリンを投与することで肺高血圧症を惹起し,その後右心不全が生じた際に骨格筋が萎縮することは確認済みであり,現在は骨格筋ごとの特異性を検証中である.2)骨格筋萎縮に対する治療的電気刺激の効果検証:経皮的な治療的電気刺激が筋萎縮の予防に有効であることは確認済みであり,より有効な電機刺激のプロトコルを検証中である.3)インプラント型電気刺激装置の開発:3×4cmに小型化したものが完成しており,更なる小型化を試みている最中である.【意義】骨格筋の萎縮を予防する手段として歩行やスクワットの様な全身性の運動があるが,心不全患者は運動耐用能が低下しているため,積極的な運動を実施することが困難である.よって,治療的電気刺激の様な局所的かつ他動的に骨格筋をトレーニングできる介入方法は,心不全患者の低下した運動耐容能を考慮した場合,有用であると思われる.【重要性】心不全患者は,心拍出量の低下による骨格筋への血流量減少により,運動耐容能が著しく低下している.また,心不全によって誘発される炎症性メディエーターによって骨格筋は萎縮し,この骨格筋萎縮による身体活動量の減少は更なる骨格筋の廃用性萎縮を引き起こし,運動耐容能の低下を助長するという悪循環が生じている.心不全によって誘発される骨格筋萎縮の回復は,薬剤や外科的治療によって心拍出量を増加させてもすぐに得られないことが確認されている.すなわち,心不全患者に対する骨格筋萎縮の予防手段の開発は,心臓血管外科術後等における機能回復の促進につながると考えられ,リハビリテーション分野における重要課題である.心不全モデル動物の作製,および骨格筋萎縮に対する治療的電気刺激の効果検証については順調に進展している,モノクロタリンを用いた右心不全モデル動物における骨格筋の萎縮は確認済みである.しかし,研究の過程において,萎縮しやすい骨格筋と萎縮し難い骨格筋が存在する可能性が判明したため,現在は骨格筋ごとの特異性を検証中である.萎縮に対する骨格筋の感受性を明らかにすることで,病期にあわせたターゲットを明確にすることを検討している.経皮的な治療的電気刺激が筋萎縮の予防に有効であることは確認済みであり,現在はより有効な電機刺激のプロトコルを検証中である.通常の経皮的な電気刺激では筋萎縮予防効果が十分に得られない場合でも,刺激周波数を変更することや刺激時の骨格筋の収縮様式を変更することで,その効果が増大できることが明らかになった.

インプラント型電気刺激装置の開発に関しては,当初の計画よりもやや遅れていると思われる.これまでに3×4cmの刺激装置が完成しているが,生体内に留置するとなると更なる小型化が必要である.しかし,小型化すればするほど刺激出力が低下してしまい,バッテリーの寿命も短縮してしまう.現在は長期間留置可能(バッテリーを交換する必要がないもの)かつ骨格筋を収縮できる程度の出力を要した装置の開発およびその小型化を試みている最中である.心不全モデル動物における骨格筋の萎縮に関しては,骨格筋ごとの特異性を検証していく予定である.アポトーシスや萎縮が生じやすい骨格筋の選別,および病期による違いを検証することで,ターゲットにすべきものの優先順位を明確にしたいと考えている.治療的電気刺激の筋萎縮に対する予防効果の検証に関しては,より有効な電気刺激プロトコルを検証していく予定である.通常の電気刺激だけでは筋萎縮の抑制効果が十分でない場合,電気刺激治療と併用して行えるプラスアルファな介入が要求される.これまでに,低周波を用いた刺激よりも,中周波を干渉させることで得られた低周波刺激の方がより深層の骨格筋にまで刺激可能であること,電気刺激で骨格筋に等張性収縮を誘発するよりも,等尺性収縮を誘発した方が萎縮予防効果が高いこと等が明らかになった.今後も電気刺激の効果を増強するような併用できる介入を検討していく予定である.インプラント型電気刺激装置の開発に関しては,長期においてバッテリーを交換する必要がなく,骨格筋を収縮できる出力を要した装置の開発が要求される.バッテリーに関しては,ワイヤレスで充電可能な充電池の利用を計画している.刺激出力に関しては,骨格筋を収縮できる必要最小限にまで出力をおさえることで刺激装置を小型化することを計画している.また,電気刺激と併用可能な介入を加えることで,刺激出力の低下をフォローできるのではないかと考えている.十分な小型化が可能になれば心不全モデル動物の生体内に刺激装置を留置し,その効果を検証することを計画している.本研究で使用する大部分の実験装置や測定機器は既に設置してあるため,抗体や試薬など,実験消耗品が研究経費の主である.心不全モデル動物の作製およびその骨格筋の萎縮を検証するために,様々な実験消耗品が必要になる.モデル動物の作製に必要な動物,餌や床敷きなどの消耗品の他,組織学的,生化学的,分子生物学的な検索に必要である試薬や抗体,ピペットチップやスライドガラスの様なディスポ類の購入を計画している.また,インプラント型電気刺激装置の開発に必要な関連部品の購入も計画している.加えて,国内及び海外の公開行事での報告と学術雑誌への投稿に研究費を使用することも計画している.得られた研究結果を公開することで情報を共有化し,研究成果の有効活用および研究の更なる発展に役立てたいと考えている.