hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
精密に構造制御した酸化物磁性体薄膜の合成とスピン機能の創出

ペロブスカイト型構造をもつEuZrO3とEuHfO3について、Bサイトの酸素八面体の回転と結晶構造ならびにBサイトのd軌道を介したEu2+間の反強磁性相互作用についてハイブリッド・ハートリー・フォック密度汎関数法を用いた理論計算に基づく考察を行い、安定相が斜方晶となるこれらの化合物に対して正方晶を準安定相として得ることができれば、それらは強磁性を示すことを予測した。すなわち、酸化物ではめずらしい強磁性体となりうる新規化合物を提案することができた。磁気光学(ファラデー効果)の観点では、ミストCVD法を用いてシリカガラス基板上に比較的低温で多結晶Y3Fe5O12薄膜を蒸着することに成功した。得られた薄膜は可視域で大きなファラデー効果を示した。さらに、マルチフェロイック材料となりうる六方晶YFeO3薄膜をミストCVD法で合成できる条件も明らかにした。スピントロニクス関連では、FeTiO3-Fe2O3系磁性半導体薄膜ならびにバルク結晶の合成を行い、X線磁気円二色性ならびに硬X線光電子分光に基づいて固溶体の電子状態を解析し、Fe2+に由来する磁気異方性や、Fe2+とFe3+の間で起こる電子移動に関する知見を得た。FeTiO3-Fe2O3系についてはトンネル磁気抵抗素子の試作も進めた。また、パルスレーザー堆積法によるEuNbO3薄膜の合成に成功し、この化合物が遍歴電子に基づく強磁性を示すことを見いだした。この物質は新たなスピントロニクス材料として期待できる。今年度はEu2+を含有した酸化物の電子構造と磁性に関する理論計算において大きな進展が見られた。EuTiO3が格子体積に応じて磁性を変える機構を明らかにすると同時に、この化合物を含む一連のEu2+系ペロブスカイト酸化物における磁気的相互作用のメカニズムに関して新しいモデルを提唱することができた。また、アモルファスEuO-TiO2系では可視域で大きなファラデー効果が得られ、磁気光学効果に関する研究も進んだ。スピントロにクス関連ではイルメナイト系磁性半導体薄膜をベースにしたTMR素子の構築の準備段階まで進んでいる。24年度が最終年度であるため、記入しない。理論計算において予想を上回る成果が得られているので、最終年度はさらにこの領域を重点的に進めると同時に、計算結果を実験で確証する研究も推進する。具体的には計算結果によって強磁性が予測されるEu2+含有ケイ酸塩やゲルマニウム酸塩の薄膜合成に挑みたい。また、イルメナイト系磁性半導体については当初の目的であったスピン工学素子の一つとしてTMR素子の試作と動作確認までを行う。さらに、磁気光学関連ではアモルファス薄膜については成果が得られているため、フェライト系薄膜への展開を積極的に進める。
MIA gene familyシグナルによる口腔癌の診断・治療の新展開

口腔癌におけるMIA gene family関連シグナルとしてSTOX2を同定した。STOX2はMIAにより発現制御されることで、口腔癌の増殖・浸潤・アポトーシス抵抗性ならびに抗癌剤耐性に関与していた。凍結検体を用いた遺伝子発現解析では正常と比較して口腔癌でSTOX2は高発現しており、その発現レベルはMIAの発現レベルとよく相関していた。口腔癌202例を用いた免疫染色では、STOX2の発現はリンパ節転移ならびにMIAの発現の有無と相関していた。またMIAないしSTOX2発現症例は有意に予後不良であった。STOX2は口腔癌の新たな分子標的となる可能性が示唆された。現在、口腔癌の腫瘍マーカーとしてSCC抗原、CEA、CYFRA等が用いられているが感度・特異度が高くなく、口腔癌特異的な腫瘍マーカーの検索は急務の課題と考える。これまで、新規口腔癌関連遺伝子としてMIA gene family1を同定した。MIA genefamilyは血管・リンパ管新生を誘導することで口腔癌の転移・浸潤を促進しすることを明らかにしてきた。また分泌タンパクであることから、口腔癌における有用な血清・唾液マーカーとしての可能性が期待される。本研究ではまず口腔癌におけるMIA gene familyの発現機構や関連シグナルを明らかにするため、既に得ている網羅的遺伝子発現解析にて得たデータを基に、口腔癌細胞株に対してRT-PCRにて候補遺伝子の検索を行った。結果、既に報告しているVEGFfamily gene、PDGFBおよびMAPK経路との関連が示されたほか、リンパ管細胞のマーカーであるProx1や神経分化に関与する遺伝子(Neuropilin2, SOX2他)等、複数の遺伝子が候補に挙がっており、一部の遺伝子は実際にMIA gene familyにより活性化ないしは抑制されている。臨床検体を用いて、候補遺伝子とMIA gene familyとの関連については現在検討中である。また臨床検体において、タンパク、血清におけるMIA gene familyの発現を検討中であるが、今後症例数を増やし解析を行う予定である。口腔癌は局所進展性やリンパ節転移能が高く、進行症例として発見されるときわめて予後不良である。また現在のところ口腔癌に対する有用な腫瘍マーカーや分子標的薬は存在せず、口腔癌を早期発見するための分子マーカーの検索が急がれる。申請者らは口腔癌の新規マーカーとしてMIA gene familyを同定した1-3。MIA gene familyにはMIA以外にMIA2、TANGO等が存在しそれぞれ類似の構造を有するが、その機能は異なる点が多い。今回、網羅的遺伝子発現解析により、MIA gene familyに関連した腫瘍マーカーとしてSTOX2を同定した。STOX2はSTOX1と相同性が高いとされているが癌におけるその詳細な機能は不明である。そこで口腔癌細胞株を用いた検討を行ったところ、STOX2は増殖能、浸潤能、アポトーシス抵抗性ならびに抗癌剤耐性の獲得に関与していた。またMIAはパラクライン機構でSTOX2の発現を調節することが明らかとなった。凍結材料を用いた遺伝子発現解析では正常、上皮内癌、浸潤癌となるにしたがってMIAとSTOX2の発現レベルは上昇した。また202症例の口腔癌材料による免疫組織化学ではSTOX2の発現はリンパ節転移の有無ならびにMIAの発現レベルと有意に相関していた。またMIA発現症例ないしSTOX2陽性症例はそうでない症例と比較して有意に予後不良であり、多変量解析においてMIAの発現とSTOX2の発現は独立した予後不良因子であった。以上よりMIAとSTOX2は口腔癌の新たな診断・治療標的となる可能性が示唆された。MIA genefamilyは分泌タンパクであり、唾液および血清よりMIA2タンパクを測定する計画であった。しかしサンプルの収集が予定より進行していないこと、検出方法に問題があるためか、検出が一定とならないため、タンパク検出法について検討中である。外科系歯学MIA genefamilyのタンパクレベルを安定して検出可能な方法を検討すると同時に、サンプルの採取を進める。実験計画遂行の遅れにより次年度使用額が生じたと思われる物品、薬品の購入と研究成果発表における諸経費に使用予定である
在宅・介護領域における安楽なケア提供に向けた力学的解析

在宅・介護領域における安楽なケア提供に向けた力学的検討をするために、まず、在宅、介護領域におけるケア状況を広く知るべく学会に参加し情報収集した。また、手指および全身の動作に関する計測方法を検討するのに学会にて情報を得た。研究代表者主催の「看護技術実践の会」という研修会を大学内の実習室で2019年3月16日に開催し、臨床看護師の参加を募り、清拭の援助について実習した。この時に参加した看護師と互いに清拭の中で触れあい、日頃の患者の触れ方について考える機会となった。また、動作を観察することができ、研究推進のヒントを得た。研究目的、方法を示す研究概念図を作成した。また、対象および環境の条件設定を詳細につめた。実験を2段階で実施することとし、対象者(介助者)の選定、被介助者(療養者役)の選定、計測方法を検討した。対象者は、看護師、介護福祉士、訪問介護員、ご家族各10名ずつを予定しているが、妥当なサンプリングの検討が難しかった。先行研究ならびに、厚労省の情報を基に検討し、訪問看護・訪問介護部門をもつ病院(入院施設)および、福祉関連施設とし、そこで、看護師、介護福祉士、訪問介護員として働いている者を対象とする方向である。ご家族は当該施設から推薦いただくことを考えている。フィールドの開拓に向け、病院・施設を選定中である。また同時進行で、倫理員会申請書類を作成中である。計測方法については、手の圧力測定にはプレスケール、ワイヤレス触覚測定システムを検討し、動作解析には加速度センサーと二次元動作解析システムを候補に検討中である。対象を、病院、高齢者施設、在学で療養者の身体に直接手を触れてケアする看護師、介護福祉士、訪問介護員、家族各10名と予定しているが、妥当なサンプリングにするための情報収集に時間を要し、倫理審査書類が出来上がらなかったため、遅れている。臨床現場ですべての計測を行うには変数が複雑になるため、1段階目の実験として、学内実習室等の一定の環境下で、看護師、介護福祉士、訪問介護員、家族の体位変換動作を観察し、手指圧力測定、動作解析を行うという計画へ変更を行う。実験を実施できなかったため、人件費・謝金の支出がなかった。また、実験計画を検討中のため計測ができず、加速度ロガーの購入を先送りしたが、翌年実験する際に必要であり、購入予定でもあるため人件費・謝金とあわせて予算が必要である。
金属マトリックス複合材料の高温強度特性のマイクロメカニックスに関する研究

航空,宇宙機器の先端構造材料として,繊維強化金属FRM(あるいは金属系複合材料MMC)が開発され,実用化されている.本研究ではMMCの高温における強度特性を明らかにするために,理論解析と実験により介在物のマイクロメカニックスに関する研究を行い,以下の結果を得た.1.無限弾性体に楕円体状介在物と円環状き裂が存在し、引張荷重を受ける場合を考え,まず内部に空かあるいは円形き裂をもつ偏平回転楕円体介在物が無限体に存在し,1軸引張重をうける場合を解いた.介在物は完全接着と境界にすべりを許した場合を解析した.焦点間距離の半分c=1とし,空かをもつ介在物の厚さdを1/100とすると介在物の繊維補強効果は殆ど無いが,厚さを1/20とすると介在物の繊維補強効果は顕著にあらわれる.介在物を円環き裂をすれば目的の結果が得られるか研究を続行中である.2.MMCの熱応力の問題として,偏長回転楕円体状介在物あるいは空かをもつ厚板の上面の一定領域を加熱,下面の一定領域を冷却する場合の定常熱応力問題を熱弾性理論に基づいて厳密に解析し,応力分布,変位分布に及ぼす加熱領域の大きさ,介在物の大きさ,形状比,横弾性係数比の影響を求めた.さらに,アイソパラメトリック2次要素を用いた境界要素法により楕円介在物の解析を行い,理論と良く合うことを確認した.すべりを許した場合のプログラムも作成中である。3.板厚の異なる(25mm,15mm,3mm)Ti-6A1-4V合金について破壊靱性試験を行い,超音波法およびAE法を用いて板厚中央部の破壊開始荷重を測定する方法を開発し,従来手法(ASTM-E399)と比較検討した.その結果,超音波法やAEを用いれば板厚に関わらず板厚中央部の破壊開始荷重を測定可能であることが明らかとなった.特に板厚の薄い場合,延性引裂き破壊進行時の平坦破壊とせん断破壊の進展挙動を明らかにした.航空,宇宙機器の先端構造材料として,繊維強化金属FRM(あるいは金属系複合材料MMC)が開発され,実用化されている.本研究ではMMCの高温における強度特性を明らかにするために,理論解析と実験により介在物のマイクロメカニックスに関する研究を行い,以下の結果を得た.1.無限弾性体に楕円体状介在物と円環状き裂が存在し、引張荷重を受ける場合を考え,まず内部に空かあるいは円形き裂をもつ偏平回転楕円体介在物が無限体に存在し,1軸引張重をうける場合を解いた.介在物は完全接着と境界にすべりを許した場合を解析した.焦点間距離の半分c=1とし,空かをもつ介在物の厚さdを1/100とすると介在物の繊維補強効果は殆ど無いが,厚さを1/20とすると介在物の繊維補強効果は顕著にあらわれる.介在物を円環き裂をすれば目的の結果が得られるか研究を続行中である.2.MMCの熱応力の問題として,偏長回転楕円体状介在物あるいは空かをもつ厚板の上面の一定領域を加熱,下面の一定領域を冷却する場合の定常熱応力問題を熱弾性理論に基づいて厳密に解析し,応力分布,変位分布に及ぼす加熱領域の大きさ,介在物の大きさ,形状比,横弾性係数比の影響を求めた.さらに,アイソパラメトリック2次要素を用いた境界要素法により楕円介在物の解析を行い,理論と良く合うことを確認した.すべりを許した場合のプログラムも作成中である。3.板厚の異なる(25mm,15mm,3mm)Ti-6A1-4V合金について破壊靱性試験を行い,超音波法およびAE法を用いて板厚中央部の破壊開始荷重を測定する方法を開発し,従来手法(ASTM-E399)と比較検討した.その結果,超音波法やAEを用いれば板厚に関わらず板厚中央部の破壊開始荷重を測定可能であることが明らかとなった.特に板厚の薄い場合,延性引裂き破壊進行時の平坦破壊とせん断破壊の進展挙動を明らかにした.
Alport症候群の骨髄幹細胞による細胞遺伝子治療法の検討

1.GFPマウスを用いた骨髄幹細胞移植の検討:Alport症候群のモデルマウスであるCol4a4ノックアウトマウスでは、正常コントロールマウスに比べて、骨髄幹細胞を骨髄移植すると、腎糸球体細胞に分化する頻度がどの程度高まるのかを検討した。Col4a4ノックアウトマウスでは、移植期間が4週齢から12週齢および、8週齢から12週齢の群で、約10%、野生型マウスに移植した場合と比べ、腎糸球体細胞に分化する頻度が高まることが明らかになった。なお、この骨髄移植により、基底膜領域(GBM)にIV型コラーゲンα3,4,5鎖の発現は抗体染色で認められなかった。2.IV型コラーゲンα3,4,5鎖を強制発現するトランスジェニックマウスの作成・IV型コラーゲン鎖を産生・分泌する骨髄幹細胞を骨髄移植する。:内皮あるいはメサンギュウムから基底膜領域(GBM)に三量体が移行し、網目構造を構成することも考え、IV型コラーゲンα3,4,5鎖ともに強制発現する骨髄幹細胞を得るためにトランスジェニックマウスの作成をおこなった。作成したトランスジェニックマウスの骨髄をCol4a4ノックアウトマウスに移植したが、GBMにはIV型コラーゲンα3,4,5の3量体は認められなかった。3.研究の総括:骨髄幹細胞が糸球体上皮細胞に分化できなかったことから考えると、上皮細胞がGBMでのIV型コラーゲンのネットワーク形成になんらかの役割を持っており、上皮細胞以外の細胞で産生されたIV型コラーゲンの3量体はネットワークを形成できず、排出されてしまう可能性が考えられる。また、Alport症候群の傷害糸球体においても糸球体構成細胞に分化した細胞の寄与率は依然として低いことも否定できない。今後の課題として、寄与率を高めるために、主として、糸球体構成細胞への分化に関与している間葉系幹細胞の割合を増やして移植することなども検討する必要がある。1)GFPマウスを用いた骨髄幹細胞移植の検討Alport症候群のモデルマウスであるCol4a4ノックアウトマウスでは、正常コントロールマウスに比べて、骨髄幹細胞を骨髄移植すると、腎糸球体細胞に分化する頻度がどの程度高まるのかを検討した。すなわち、4週齢の正常コントロールマウスおよびCol4a4ノックアウトマウスに放射線照射後、緑色蛍光蛋白GFP(Green Fluorescent Protein)マウスの骨髄を骨髄移植し、12週齢の腎糸球体でGFP陽性細胞を数えたところ、Col4a4ノックアウトマウスでは、約10%、腎糸球体細胞に分化する頻度が高まることが明らかになった。2)野生型マウス骨髄細胞にIV型コラーゲンα3,4,5鎖のヘテロ三量体を産生するための人工遺伝子を導入して、IV型コラーゲン鎖を産生・分泌できる骨髄幹細胞を得る。C57BL6野生型マウスの大腿骨から骨髄を採取し、IV型コラーゲン鎖を産生する人工遺伝子をelectroporatiion法により導入した。人工遺伝子は2種類あり、1つは、Col4a4のfull lengthのcDNAをCAG promoterにつなぎ、蛍光色素EGFP遺伝子を組み込んだプラスミドである。もう1つは、Cal4a3とCol4a5のfull lengthのcDNAをそれぞれCAG promoterにつなぎ、さらに蛍光色素DsRed遺伝子を加えたプラスミドである。IV型コラーゲンα3,4,5鎖が骨髄細胞で産生されることを、RNAおよび蛋白レベルで確認した。3)IV型コラーゲン鎖を産生・分泌する骨髄細胞のCol4a4ノックアウトマウスへの骨髄移植IV型コラーゲン鎖を産生・分泌できる骨髄細胞を4週齢のCol

4a4ノックアウトマウスに骨髄移植し、病理組織学的検討を行っているところである。1)IV型コラーゲン鎖を産生・分泌するトランスジェニックマウスを用いた骨髄幹細胞移植の検討IV型コラーゲンα3,4,5鎖を強制発現するトランスジェニックマウスを作成した。トランスジェニックマウスに導入した遺伝子は2種類あり、1つは、Col4a4のfull lengthのcDNAをCAG promoterにつなぎ、発現部位が明らかになるようにLacZ遺伝子を組み込んだ人工遺伝子で、もう1つは、Col4a3とCol4a5のfull lengthのcDNAをそれぞれCAG promoterにつないだ人工遺伝子である。本トランスジェニックマウスは、表現形に明らかな異常を認めず、また、このマウスから得られた骨髄幹細胞は、恒久的な発現が期待でき、細胞に遺伝子導入をする場合と比べ、培養期間も短期間になり分化する危険性も少ないことから、Col4a4ノックアウトマウスに対する幹細胞移植の効果判定に用いた。このIV型コラーゲン鎖を産生・分泌する骨髄細胞を4週齢Col4a4ノックアウトマウスに放射線照射後に移植した。移植された骨髄幹細胞が、腎糸球体に運ばれてmesangium細胞あるいは内皮細胞に分化した際、IV型コラーゲン鎖が産生・分泌されるかを検討した。8週齢で解剖し、腎臓の切片を用いて、IV型コラーゲンα3,4,5鎖それぞれについて抗体染色を行ったが、腎糸球体基底膜(GBM)領域には、明らかなα3,4,5鎖の局在を認めなかった。2)研究の総括糸球体上皮細胞以外で作られたIV型コラーゲンα3,4,5の3量体は、GBMでのIV型コラーゲンのネットワーク形成に用いられない可能性がある。しかしながら、全体に糸球体構成細胞に分化した細胞の寄与率は低く、主として、糸球体構成細胞への分化に関与している間葉系幹細胞の割合を増やして移植することで、寄与率が高まり、GBMでのIV型コラーゲンのネットワーク形成が認められるかも検討する予定である。
電子顕微鏡下の超微細マニピュレ-ション装置の開発

平成元年度の実績をもとにして平成2年度に行った研究結果は以下のように要約される。1.ガス雰囲気試料室中でのミオシンフィラメントおよびアクトーSー1複合体の観察昭和63年度にすでに雰囲気試料室中で、合成ミオシンフィラメントのミオシン頭部に金粒子を含む標識物質を附着させることに成功したが、本年度は更に、アクチンフィラメントにミオシン頭部(Sー1)をATP非存在下に結合させたアクトーSー1複合体を観察することに成功した。このSー1にも金粒子を含む標識物質が結合させている。このアクトSー1複合体における金粒子の位置は、合成ミオシンフィラメントにおける金粒子の位置よりも規則的であり、ATPによる構造変化の解析により適した試料である。2.電気泳動法による試料へのATP投与の試み昭和63年度にCaged ATPの光分解によるATP投与は、雰囲気試料室の炭素薄膜を容易に破壊するため使用できないことが判明したので、本年度はATP溶液を満たした微小電極に通電することにより、電気泳動的に試料にATPを与える試みを行なった。現在まで、実際に電子顕微鏡中にマウントした雰囲気試料室中でのATP投与には成功していないが、技術的難点が解決されつつあるので、間もなくATPによって誘発されるアクト-Sー1複合体の構造変化の観察記録に成功する見込みである。1.超微細マニピュレーション用ガス雰囲気試料室の作製日本電子株式会社研究部によって、超微細マニピュレーションが可能なガス雰囲気試料室を作製した。この試料室は合計4本の管によって外部と連絡しており、うち2本を外液の注入と吸引除去に、他の2本を導線の導入等に用いることができる。2.ガス雰囲気試料室内の溶液交換系の確立微量の液体をすみやかに確実に交換するためには、溶液交換系自体の体積弾性を極力少くすること、および溶液導出部より毛管現象により除々に液を導入することが必要なことが判明し、この技術的問題は解決した。3.ガス雰囲気試料室中の溶液層の厚さの減少約1万倍の倍率で試料(筋フィラメント)を電顕下に観察するには、水溶液の厚さが1ミクロン以下でなければならないことがわかった。このため、イオンスパッターを用いて試料室の炭素薄膜の親水化を行い、良好な分解能を得ることに成功した。4.筋フィラメントへの標識物質の附着筋収縮のさい実さいに動きをおこすのは、ミオシンフィラメントのクロスブリッジ(ミオシン分子の頭部)と考えられる。比較的低拡大率の電顕観察でミオシン頭部の運動を検出するため、ミオシン頭部に直径約10ナノメーターの金粒子を含む化合物を、ミオシン頭部にたいする抗体を利用して附着させることに成功した。5.以上記したように、種々の技術的問題点は順調に解決されつつあり、平成元年度には著しい成果が期待される。昭和63年度の実績をもとにして平成元年度に行った研究結果は、以下のように要約される。1.ガス雰囲気試料室中でのミオシンフィラメントの観察電子顕微鏡下に、ウサギ骨格筋から抽出したミオシンから再構成したミオシンフィラメントを、無染色の生きた状態で観察し鮮明な写真をとることに成功した。さらに上記ミオシンフィラメント頭部に、金粒子(直径10ナノメ-タ)を含む標識物質を附着させ、標識物質がミオシンフィラメントから側方に突出したミオシン頭部に局在することに成功した。2.ミオシンフィラメントにATPを与える装置の開発上記のミオシン頭部を標識したミオシンフィラメントにATPを与えた際の構造変化を電子顕微鏡下に直接観察できれば、筋収縮の分子的機構が一挙に解決する可能性が考えられる。本年度は以下のような試みを行った。近年開発されたcaged ATPをレ-ザ-光照射により光分解して、生成するATPをミオシンフィラメントに作用させる試みを行った。しかし、雰囲気試料室を構成する炭素薄膜がレ-ザ-光により容易に破壊されることがわかったので、この方法は用いられない。(2)電気泳動によるATPの投与雰囲気試料室中にATP電極を組み込み,これに通流することによりミオシンフィラメントにATPを作用させることに成功した。現時点での実験は雰囲気試料室を電子顕微鏡にマウントしない予備実験であり、平成2年度には本法を用いてミオシンフィラメントのATPによる構造変化の電子顕微鏡下の観察を行う予定である。

現在まで、実際に電子顕微鏡中にマウントした雰囲気試料室中でのATP投与には成功していないが、技術的難点が解決されつつあるので、間もなくATPによって誘発されるアクト-Sー1複合体の構造変化の観察記録に成功する見込みである。
ミトコンドリアNCXによるマトリックスイオン動態・エネルギー代謝制御機構の解明

ミトコンドリア機能の統合的解明を目指して、心筋細胞におけるミトコンドリア内及び細胞質のCa動態を、Ca感受性蛍光色素を用い解析した。その結果を基礎に、ミトコンドリアのCa、Na、Hイオン濃度変化を良く再現する数理ミトコンドリアモデルを開発し、酸化的リン酸化・TCA回路等の代謝数理モデルと統合した包括的ミトコンドリア数理モデルを作成した。Ca及び無機リン酸による制御がエネルギー代謝バランスの維持に重要であることが示された。本研究では、心筋ミトコンドリア内Caを制御するミトコンドリアNa/Ca交換(NCX)の定量的機能解析と、ミトコンドリアと心筋細胞興奮・収縮連関の詳細かつ定量的なコンピュータシミュレーション解析を行い、マトリックスイオン濃度制御と心筋エネルギー代謝制御におけるミトコンドリアNCXの役割解明を目的とする。H20年度は、1.既に開発したミトコンドリア酸化的リン酸化過程のコンピュータモデルに、Caユニポータ、Kユニポータ、NCX,Na/H交換,K/H交換を追加し、マトリックス内のCa,Na,K濃度変化をよく再現出来るモデルへと改良した。2.心筋細胞活動電位と収縮の頻度依存性に関与する重要な因子の一つであるCa/カルモジュリン依存性プロテインキナーゼIIの詳細な数理モデルを完成し論文発表した。3.イソプロテレノール持続投与で誘発されるラット心肥大の初期段階において、心筋酸素消費量の増加は、発現量の増加を伴わない細胞膜NCXの機能的活性化に主に起因することを見出し論文発表した。これらの新しい知見を用いて、より正確な心筋エネルギー代謝シミュレーションを実施することが可能となった。4.新規カルシウム指示タンパク質を培養細胞(A20細胞)にトランスフェクションし、細胞内Ca変化を検知出来るかどうか試したが、種々の試薬に対する細胞内Ca濃度上昇を検出することは出来なかった。本研究では、心筋ミトコンドリア丙Caを制御するミトコンドリアNa/Ca交換の足量的機能解析と、ミトコンドリアと心筋細胞興奮・収縮連関の詳細かつ定量的なコンピュータシミュレーション解析を行い、マトリックスイオン濃度制御と心筋エネルギー代謝制御におけるミトコンドリアNa/Ca交換の役割解明を目的とする。平成21年度は、1.実験データに基づき、ミトコンドリアマトリックスのイオン(Ca, Na, K, H)濃度変化、ミトコンドリア代謝(TCA回路、酸化的リン酸化過程、基質輸送)、膜電位維持機構を正確に計算できるコンピュータモデルの開発を進めた。脱水素酵素、イオン輸送体及び基質輸送体におけるCaによるアロステリック制御機構を組み込む事で、Caによるミトコンドリア酸素消費増加等の実験データを良く再現できるようになった。2.細胞内Mgイオンの大部分はATPに結合し、遊離Mgイオン濃度は0.5-1mMに維持されている。ミトコンドリアATP産生が低下するような状況では細胞質遊離Mg濃度が上昇し種々の影響を与えることが知られている。細胞内Mgで制御されるタンパク質のうち、心筋細胞の静止膜電位と活動電位持続時間に強く影響する内向き整流性Kチャネルと細胞間コミュニケーションに重要なギャップ結合蛋白について、Mgによる詳細な制御モデルを作成し、ミトコンドリア代謝・Mg濃度変化と心筋細胞活動どの機能相関を解析できるコンピュータモデルを作成した。このうち内向き整流性Kチャネルについてのシミュレーション解析の一部を論文発表した。3.ミトコンドリアNa-Ca交換がリンパ球にも存在することを実験的に明らかにした。ミトコンドリアNa-Ca交換機能を抑制することで、抗原刺激後の細胞内Caの増加が抑制される事が明らかになった。成果の一部を学会報告した。本研究では、ミトコンドリアCa^<2+>を制御するミトコンドリア内膜Na/Ca交換の定量的機能解析と、ミトコンドリアと心筋細胞興奮・収縮連関の詳細かつ定量的なコンピュータシミュレーション解析を行い、マトリックスイオン濃度制御と心筋エネルギー代謝制御におけるミトコンドリアNa/Ca交換の役割解明を目的とする。平成22年度は、1.ミトコンドリアのイオン・代謝モデルの精緻化を進めた。さらに、このミトコンドリアモデルを簡単な心筋細胞モデルに組み込み、心筋細胞仕事量変化及び細胞質Ca^<2+>濃度変化に伴うミトコンドリアCa^<2+>濃度とミトコンドリアエネルギー代謝の変化を計算できる数理モデルを開発した。解析に結果、ミトコンドリア酵素・トランスポータのCa^<2+>による活性化が、心筋仕事量変化時のエネルギー代謝産物(PCr,ADP,リン酸,NADH)濃度の安定化に著明に寄与することが予測された。2.細胞内Mg^<2+>の大部分はATPに結合し、遊離Mg^<2+>濃度は0.5-1mMに維持されている。細胞質ATP及びADPによるMg^<2+>結合と遊離Mg^<2+>膿度の計算が行えるように、包括的心室筋細胞モデルを改良し、細胞質Mg^<2+>濃度がATP含量に依存するモデルを開発した。

その結果、心筋虚血による細胞内ATP量減少は、遊離Mg^<2+>濃度を23倍に増加し、内向き整流性K^+チャネル、ギャップ結合機能に影響を与え得ることが予測された。3.リンパ球において、ミトコンドリアNa/Ca交換を抑制すると、抗原受容体刺激後の細胞質Ca^<2+>増加が抑制された。Na/Ca交換を介するミトコンドリアCa^<2+>フラックスが、抗原受容体刺激後のリンパ球Ca^<2+>応答を維持するのに重要であると考えられた。培養心筋細胞HL-1において、ミトコンドリアNa/Ca交換機能と、興奮-収縮連関との機能相関に関する研究を進めた。
心的数直線と計数行為の特徴との関連：保育における数量活動に着目して

最終年度である本年度は,心的数直線の型の種類と計数行為の特徴との関連を検討した。心的数直線は数と量の概念を統合した概念であり,幼児期の数量概念の実態を明らかにできる指標の一つであると考えられる。心的数直線は,数直線上で数を見積る数直線課題を用いて見積る際の方略と見積った結果を分析して心的数直線の型の特徴を分類した。計数は,皿の中にあるおはじきの数(1から10までのセット)をボードの上に置きながら数えるように指示し,計数の正誤とボードの上への置き方を分析した。その結果,数直線の見積りの成績と計数の正誤の成績は関連することが分かった。また,心的数直線の型が直線型(順序が正しく隣り合う数が等間隔である型)である場合,計数の正誤の成績は満点に近い点数になる者が大多数であった。計数する際の並べ方について,直線型の幼児は左から右に横一列に順に並べる者が多かったが,それ以外にも,個数によって並べる並べ方を変化させるような方略をみせる幼児や,ランダムに並べて計数していく幼児も存在した。よって,色々な並べ方をしても数は数えられること,並べ方を色々な形に変形させても数量は変化しないことを理解し,自分で操作できていると考えられる。さらに,心的数直線の型と計数行為に関しては,4ヶ月おきに3時点において調査を行った。計数の正誤の成績が上がると心的数直線の成績も上がることが分かり,1時点目では適合無(型が分類できない)になっている幼児も,2時点目,もしくは3時点目では直線型になることもあることが分かってきた。以上の研究成果は,国内の学会発表で1件発表済みで,国際学会でも1件発表予定である。現在は論文化に向けて準備を進めているところである。平成30年度が最終年度であるため、記入しない。本年度は,申請時に予定していた通り研究を実施し,データ収集することができた。具体的にはまず,幼児期の数量概念の発達の指標となる心的数直掩の形成に関わる環境要因を明らかにするために,保育園に観察に行き,保育の中で行われている数量活動の実態について検討した。対象は4歳児と5歳児クラスで,主に保育者の子どもに対する言葉かけに着目し,榊原(2014)を参照しながら,数量に関わる言葉かけや支援の種類を観察し,どのように保育の中にそれらの支援が埋め込まれているかを検討した。現段階ではデータ収集途中であるが,数量活動に関する言葉かけは子どもに並ぶように声かけしたり,集団で順番に行う必要のあるような場面で,計数活動や数唱等に関わる声かけが多く含まれていることが分かった。さらに,観察をさせていただいた保育者に対してインタビューも行い,保育の中でどのように意識的に数量活動を取り入れているか,またその場合,どのような数量活動を取り入れているのか,その種類に関しても確認した。4歳児後半までは数量に慣れ親しんだり,図形に興味関心を持つように環境を設定したり,声掛けをしたりすることに留まるが,それ以降になると小学校へ入学することも徐々に意識され,数量活動に関する声掛けを多くするように心がけていることや,数字が読めるか,書けるか,簡単な足し算ができるか等,小学校入学直後に学ぶ算数に直接結びつくような活動を取り入れる意識が高まることも分かってきている。申請時に提出した通り,保育場面での数量活動の観察(研究1)を実施し,保育の中で埋め込まれた数量活動の実態を検討することができたことと,保育者に対して数量活動に関するインタビュー(研究2)を実施し,それらの活動に対する保育者の意識を調査することができたため。また,これらの調査の基盤となる心的数直線の形成に関して,科学教育研究に掲載することができ,国際学会にて発表を行うことができたため。

計数の正誤の成績が上がると心的数直線の成績も上がることが分かり,1時点目では適合無(型が分類できない)になっている幼児も,2時点目,もしくは3時点目では直線型になることもあることが分かってきた。以上の研究成果は,国内の学会発表で1件発表済みで,国際学会でも1件発表予定である。現在は論文化に向けて準備を進めているところである。心的数直線の発達と計数活動の関連を明らかにするために,数直線課題と計数課題を幼児(4歳6歳)に実施する予定である。また,平成29年度に取得した観察とインタビューデータをまとめ,国際学会等で発表し,論文執筆を進める。平成30年度が最終年度であるため、記入しない。発達心理学会認知発達理論分科会第54回例会にて発表を行った(2018年1月21日)。
水素生産利用に向けた熱水環境微生物による未知一酸化炭素代謝サイクルの解明

水素生成型CO資化性菌はCOデヒドロゲナーゼ(CODH)と膜結合ヒドロゲナーゼ(ECH)の複合体によって、CO酸化と水素生成を共役させ、エネルギー保存を行う。このシンプルでユニークな呼吸装置はゲノム上で遺伝子クラスターを形成しており、水素生成型CO資化性菌を特徴づけている。しかし、CODH遺伝子は配列が多様であり、ユニバーサルプライマーの設計が困難であるため、水素生成型CO資化性菌の分子生態学的研究の大きな障壁となってきた。本年度は水素生成型CO資化性菌の微生物生態系における機能解明を目指して研究を行った。まず、ゲノム情報が利用可能な全原核生物(約14万3千ゲノム)において、CODH-ECH遺伝子クラスター保有株を探索し、6門25属43種の65ゲノムと未培養株6ゲノムを同定した。この中にはCO資化水素生成能が未報告の17属24種も含まれた。8億4千万配列が登録されているメタゲノムデータベースの配列をマッピングしても本遺伝子クラスターは検出されず、環境中の存在量は低いことが示唆された。また、CODH-ECH遺伝子クラスター保有株の16S rRNA系統を利用した菌叢解析により、熱水環境におけるCO資化性菌の探索を行った。九州および伊豆の泉源より採取した、100の堆積物試料における菌叢解析で得られた配列を解析した結果、幅広い泉源においてFirmicutes門の潜在的な水素生成型CO資化性菌が0.1%未満の相対存在量で分布することを初めて明らかにした。低い相対存在量のため、計画当初のメタゲノム解析が困難であることが明らかになったが、本特別研究員はCODH遺伝子を標的とした複数のプライマーセットを設計し、多様性解析手法の基盤を確立した。平成30年度が最終年度であるため、記入しない。水素生成型一酸化炭素資化性菌(以下、CO資化性菌と略称)は、一酸化炭素(CO)をエネルギー源および炭素源として利用し、水素を生成しながら増殖する好熱性、嫌気性の微生物の総称である。本研究はCO資化性菌を用いた持続的水素生産利用の基盤構築を目指し、(1)新奇CO資化性菌の分離を通じたゲノムライブラリーの構築でCO代謝機構を解明し、(2)微生物群集構造解析およびメタオミックス解析で熱水環境微生物生態系における未知CO代謝サイクルを解明する。本年度は和歌山県西牟婁郡白浜町の泉源(火山帯なし;平成28年6月21日)、鹿児島県霧島市の山乃城温泉および指宿市の鰻温泉(霧島火山帯;平成28年12月14-15日)、および大分県玖珠郡九重町の小松地獄および由布市の塚原温泉(霧島火山帯;平成29年3月8-9日)において多様な環境試料を採取し、新奇CO資化性菌の分離の試み、および次世代シーケンサーMiSeqを用いた微生物群集構造解析を行った。微生物群集構造解析では、CO資化性菌を軸とする生態系は認められなかったものの、温泉が属する火山帯により、菌叢が大きく異なることが確認された。また泉源ごとに局所的な菌叢が形成されることに加え、同一泉源でも時系列により優占種が大きく変遷することが明らかになった。これらの試料からCO資化性菌としてCarboxydocella属2株とCarboxydothermus属1株を分離培養し、その他CO資化性菌の新種が含まれる可能性のある集積培養系の構築にも成功した。また、これまで海底環境ではCO資化性菌が分離されながらも研究が進展してこなかった現状にあったが、本年度は渥美半島沖のメタンハイドレート胚胎コアサンプルおよび鹿児島湾海底熱水域の海底コアサンプルでも新奇CO資化性菌の分離の試みと微生物群集構造解析の実施に至り、現在解析中である。本年度は鰻温泉(鰻池)、白浜温泉、山之城温泉、小松地獄、塚原温泉といった陸上熱水環境、および海底コアサンプルで試料採取を実施し、当初の計画よりも多様な環境試料において新奇CO資化性菌の探索、および微生物群集構造解析を実施することができた。しかしながら、CO資化菌が優占する環境でのメタゲノム解析までには至らず、上記の評価となった。水素生成型一酸化炭素資化性菌(以下、CO資化性菌と略称)は、一酸化炭素(CO)をエネルギー源および炭素源として利用し、水素を生成しながら増殖する好熱性、嫌気性微生物の総称である。本年度はCO資化性菌の多様性と分布を明らかにするために、2014年から2017年までに九州および伊豆にある泉源より採取した、100の堆積物試料について微生物群集構造解析を行った。その結果、異なる菌叢が形成される多様な泉源(46試料)からCO資化性菌由来と考えられる4属種の配列が検出された。中でもH2生成型CO資化性菌のモデルであるCarboxydothermus属細菌およびCarboxydocella属細菌は21試料と幅広い泉源に認められ、芽胞形成能が幅広い分布に寄与することが示唆された。

これらのCO資化性菌の相対存在量は平均0.2%であった。また、ネットワーク解析により他微生物との共在を調べたところ、H2生成型CO資化性菌との相互作用が指摘されていたメタン生成菌や硫酸還元菌は高い相関を示さないことが明らかになった。先行研究では100%CO雰囲気下での集積培養によりCarboxydothermus属細菌およびCarboxydocella属細菌の分離に成功していることから、H2生成型CO資化性菌は多様な熱水環境において、CO存在時に応答し、増殖できる状態で少なからず存在することが示唆された。本年度は手法を見直して再解析を行い、幅広い陸上熱水環境において多様なCO資化性菌が分布することが明らかになり、今後のにつながる成果を得た。一方、前年度採取した海底コアサンプルにおいてはCO資化性菌の検出には至らず、上記の評価となった。水素生成型CO資化性菌はCOデヒドロゲナーゼ(CODH)と膜結合ヒドロゲナーゼ(ECH)の複合体によって、CO酸化と水素生成を共役させ、エネルギー保存を行う。このシンプルでユニークな呼吸装置はゲノム上で遺伝子クラスターを形成しており、水素生成型CO資化性菌を特徴づけている。しかし、CODH遺伝子は配列が多様であり、ユニバーサルプライマーの設計が困難であるため、水素生成型CO資化性菌の分子生態学的研究の大きな障壁となってきた。本年度は水素生成型CO資化性菌の微生物生態系における機能解明を目指して研究を行った。まず、ゲノム情報が利用可能な全原核生物(約14万3千ゲノム)において、CODH-ECH遺伝子クラスター保有株を探索し、6門25属43種の65ゲノムと未培養株6ゲノムを同定した。この中にはCO資化水素生成能が未報告の17属24種も含まれた。8億4千万配列が登録されているメタゲノムデータベースの配列をマッピングしても本遺伝子クラスターは検出されず、環境中の存在量は低いことが示唆された。また、CODH-ECH遺伝子クラスター保有株の16S rRNA系統を利用した菌叢解析により、熱水環境におけるCO資化性菌の探索を行った。九州および伊豆の泉源より採取した、100の堆積物試料における菌叢解析で得られた配列を解析した結果、幅広い泉源においてFirmicutes門の潜在的な水素生成型CO資化性菌が0.1%未満の相対存在量で分布することを初めて明らかにした。低い相対存在量のため、計画当初のメタゲノム解析が困難であることが明らかになったが、本特別研究員はCODH遺伝子を標的とした複数のプライマーセットを設計し、多様性解析手法の基盤を確立した。CO資化菌の分子マーカーとなるCOデヒドロゲナーゼ遺伝子を標的とした縮合プライマーセットを設計し、CO資化性菌の生息環境の効率の良いスクリーニング法を確立する。また、CO資化性菌のゲノムライブラリーを構築するために、本年度に分離した新奇CO資化性菌のゲノム配列をMiSeqで決定し、ゲノム解析を行う。さらに、CO資化性菌が優先する環境においてMiSeqを用いたメタトランスクリプトーム解析を実施し、現場におけるCO代謝関連遺伝子の発現量を明らかにする。鹿児島県指宿市の鰻温泉において堆積物試料を採取し、環境DNAおよび環境RNAを抽出する。堆積物中の微生物存在量とCarboxydothermus属およびCarboxydocella属細菌の存在量を明らかにするために、環境DNA中に含まれる16S rRNA
全眼球撮像OCTによる眼内レンズ度数の高精度決定

全前眼部OCT(AS-OCT)で撮像した水晶体の画像から、前嚢、水晶体赤道および後嚢の深さを決定し、これらのパラメータを用いて術後の眼内レンズ(IOL)の埋植位置を予測した。この予測したIOL位置を用いて計算した術後屈折誤差を、Haigis、Hoffer Q、Holladay 1、およびSRK/T式を用いて計算されたものと比較した。その結果、IOL度数の計算において、水晶体情報を用いたIOL位置の予測は、Hoffer QおよびSRK/T式よりも正確であることが分かった。また、前眼部と後眼部を三次元的に画像化することができる波長走査型OCTシステムも開発した。平成26年度前期は、申請時に考案した光学系の詳細な設計を行った後、全眼球撮像OCT装置を構築した。ジッターの少ない周波数逓倍クロック回路を開発し、研究開始時点では102dBであったシステム感度を104dBまで向上させた。また、毎秒10枚(横方向500本)程度であった描画速度を毎秒15枚まで高速化することにも成功した。本装置を用いて前眼部と後眼部をそれぞれ撮像し、各部位共に非常に明瞭な断層画像が得られることを確認した。平成26年度後期は、まず、前眼部と後眼部の撮像を高速に切替えるための改良を行った。前期に開発した装置は、前眼部と後眼部の撮像及び眼軸長計測のそれぞれの撮像・計測モード毎に試料光路が必要であり、また、その試料光路を手動で切替える設計となっていたため、モードの切替えに10秒程度の時間を要していた。そこで、臨床現場での利便性向上のため、前眼部と後眼部の撮像を自動で切替える光学系を考案し(特許出願済)、モードの切替えが数秒で行える装置に改良した。しかし、前期の装置と同様に新たに開発した装置の光学系も市販品のレンズを複数枚組み合わせた構成のため、後眼部の明瞭な画像に加え、前眼部の断層画像を歪曲なく撮像することは不可能であった。そして、これを可能とするには、レンズ設計から行わなければならず、時間的・費用的に非常に困難であると判断した。したがって、「眼内レンズの度数計算」に必要不可欠な前眼部の眼パラメータがより正確に測定できる装置にする事を最優先に考えて光学系を設計し直した。その結果、後眼部の断層画像は不明瞭であるが、前眼部の歪曲のない断層画像の撮像と眼軸長の計測が行える装置を市販品のレンズだけで構築することができた。一方、ソフトウェアーの開発は、半自動ではあるが三次元の解析プログラムが完成し、完全自動化に向けて、境界抽出のアルゴリズムの改良を現在行っている。平成27年度前期は、昨年度に引き続き光干渉断層計測装置(OCT装置)の改良と調整を行った。昨年度に開発した、眼軸長の計測と前眼部の歪曲のない断層画像を収得できる装置に対して、干渉計の改良と接眼部分の微細な調整を行ったことにより、システム感度を更に1dB向上させた。また、年度初めにおいて、空気中で13μm程度であった奥行き分解能を8μm程度までに向上させることができた。さらに、申請時に示した全眼球撮像OCT装置の改良版(特許出願済)とノイズを効率よく低減することが可能なデータのサンプリング方法(特許出願済)を考案した。平成27年度後期は、本OCT装置の計測精度を確定するための基礎実験を行った。光路長の異なる3種類の石英セルにそれぞれ生理食塩水を入れ、それぞれの石英セルの長さをOCT装置で測定し、光学的距離の理論値と比較検討した。その結果、OCT装置の実測値は理論値よりも1%程度大きな値となった。この僅かな差の原因は、生理食塩水に含まれる不純物の影響であると考えられるため、生理食塩水を純水に変えて再度実験を行っている。一方、ソフトウェアーの開発は、ボランティアの人眼によって取得した三次元画像データを用いた解析を行った結果、ほぼ全自動で境界抽出が可能となり、高精度に三次元の屈折補正が行えるようになった。また、IOLMasterやLenstar等の既存の装置を用いてボランティアの眼パラメータ(角膜厚、前房深度、水晶体厚)を計測し、本ソフトウェアーの解析値と比較した。その結果、本ソフトウェアーの解析値と既存の装置で得られた値とで2%から5%程度の差があったため、この差の原因を現在考察しているところである。平成27年度の研究計画目標の一つは、断層画像の実時間表示を達成することであった。当初の計画では、窓関数の掛け算、パワースペクトルの計算、バックグラウンドノイズの引き算をDAQ(data acquisition)board内のFPGA(field programmable gate array)で処理するためのプログラムを開発し、ハード的に描画速度を向上させる予定であった。しかし、OCTデータの収録と上記の数値計算とを並列に処理するプログラムの開発を進めた結果、ソフト的に描画速度を毎秒20枚(横方向400本)程度にまで向上させることができた。毎秒20枚の描画速度は、実時間表示の半分程度の速度ではあるが、撮像位置をストレスなく決定することが可能な速度であり、臨床研究を行う上では十分な速度であったため、当初予定していたFPGAのプログラム開発を取りやめた。この並列処理のソフト開発により、臨床現場での利便性を向上させるという本来の目的が達成できただけでなく、開発費用も削減することができたからである。

また、ソフトウェアーの開発も当初の計画よりも進み、ほぼ全自動で三次元の屈折補正が行える解析プログラムの作成まで至ったからである。角膜前面から水晶体後面までの前眼部全体の断層画像が撮影できるOCT装置を用いての臨床研究を行った。得られた臨床データに対して、角膜だけでなく、水晶体の位置情報も含んだ新たな眼内レンズ度数の決定式による解析を行い、その有用性を概ね実証することができた(論文投稿済み)。また、昨年度に考案した、前眼部と後眼部の明瞭な立体断層画像の撮影及び眼軸長の計測が一台で行える統合型の眼球撮影OCT装置(特許取得済)の開発に取り組んだ。前眼部と後眼部の断層画像を取得するには、各部位の距離に対応する参照光路が二つ必要であるため、参照光路を瞬時に切替えることができる光スイッチを参照光路側に設けた干渉計を構築した。しかし、レーザ由来の固定ノイズが後眼部の断層画像内に現れてしまうという別の問題が生じてしまった。そこで、距離の調整が難しくなってしまうが、試料光路を二つにする干渉計に変更し、この問題を解決した。干渉計の開発と並行して、光学系の改良も行った。角膜表面や水晶体表面の曲率半径を正確に得るには、前眼部の歪曲のない断層画像が必要であり、高精度なテレセントリック光学系を3枚のレンズで構築しなければならない。しかし、当初使用していたレンズでは、10mm×10mm程の領域しかテレセントリックにすることができなかった。そこで、比較的曲率の小さい大口径のレンズを使っての調整を現在行っている。さらに、臨床研究での利便性を向上させる装置の開発もいくつか行った。これまでは統合型眼球撮影OCT装置のプローブユニットを手動ステージに載せていたため、使い勝手が非常に悪かった。そこで、3軸の電動ステージを導入して、プローブユニットをジョイステックで簡単に操作できるようにした。平成28年度の研究計画目標の一つは、新たな眼内レンズ度数の決定式の有用性を検討することであった。角膜前面から水晶体後面までの前眼部全体の断層画像が撮影できるOCT装置を用いて、白内障患者99眼の術前術後の前眼部を撮影・解析した。既存の度数決定式(Haigis、HofferQ、Holladay1、SRK/T)と比較した結果、新たな度数決定式の有用性を概ね実証することができ、論文も投稿した。また、OCT装置のプローブユニットの操作性や暗室における対象物の視認性を高めるなど、臨床現場での利便性を向上させる開発もいくつか行うことができた。しかし、もう一つの目標であった統合型眼球撮影OCT装置を完成させることができず、本OCT装置を用いた臨床研究まで至らなかったからである。臨床研究で取得した前眼部全体の断層画像を用いて、角膜だけでなく、水晶体の位置情報も含んだ眼内レンズの埋植位置決定式による解析結果を昨年度に論文として投稿した。この論文で提案した埋植位置の決定式は、既存の決定式(Haigis、HofferQ、Holladay1、SRK/T)よりも正確に眼内レンズの埋植位置を予見できることを示せた。そして、いくつかの指摘を査読者から受けたことにより、加筆修正の作業が本年度当初にまで及んだが、論文を掲載することができた。前眼部と後眼部の明瞭な立体断層画像の撮影及び眼軸長の計測が一台で行える統合型の眼球撮影OCT装置(特許取得済)の開発に取り組んだ。
イオン注入による酸化物セラミックスへの生体活性付与と強度低下メカニズムの解明

酸化物セラミックスに生体活性能を付与することで,治療期間の短縮が可能で良好な予後が得られる高付加価値な歯・骨インプラントの開発のための基礎技術の確立を目指す.ジルコニアを母材とした高強度複合材料を用い,表面にCaイオンを注入する事で骨類似アパタイトの成長の促進,すなわち生体活性を付与することを目指す.このため,イオン注入条件であるイオン注入量・注入深さと強度低下の関係を解明し,最適化を図ることで生体活性の付与に伴う強度低下を極力抑制する.具体的には,擬似体液浸漬後の最低曲げ強度1200 MPa以上,ワイブル係数10以上,骨類似アパタイト形成速度0.25 μm/dayを目指す.酸化物セラミックスに生体活性能を付与することで,治療期間の短縮が可能で良好な予後が得られる高付加価値な歯・骨インプラントの開発のための基礎技術の確立を目指す.ジルコニアを母材とした高強度複合材料を用い,表面にCaイオンを注入する事で骨類似アパタイトの成長の促進,すなわち生体活性を付与することを目指す.このため,イオン注入条件であるイオン注入量・注入深さと強度低下の関係を解明し,最適化を図ることで生体活性の付与に伴う強度低下を極力抑制する.具体的には,擬似体液浸漬後の最低曲げ強度1200 MPa以上,ワイブル係数10以上,骨類似アパタイト形成速度0.25 μm/dayを目指す.
グリセロール代謝系の解析と応用

超好熱菌Thermococcus kodakarensisKOD1のゲノム情報上でglycerol代謝関連遺伝子をBLAST検索したところ、大腸菌等に比べ関連遺伝子の数が少ないことが予測された。本菌の代謝関連遺伝子をクローニングし酵素学的性質の解析、また、遺伝子破壊株による成長曲線解析、遺伝子構造解析を行い、本菌は大腸菌等に比べてシンプルな代謝経路を持つこと、また独自の制御機構を持っていることが示唆された。超好熱古細菌(始原菌)の耐熱性酵素は、熱安定性、基質特異性や活性制御機構などに独自の特性を有しており、その生物学的な意義の考察が必要であるとともに、それらを産業応用することが期待されている。本研究では、超好熱古細菌(始原菌)のグリセロール代謝関連遺伝子群(glpオペロン)と関連酵素群の分子構造と機能を解析し、古細菌(始原菌)における同代謝系の特性を明らかにする。本年度は、超好熱古細菌Thermococcus kodakaraensisKOD1由来のGlycerol代謝関連遺伝子群をゲノム情報から探索し、Glycerol代謝経路の予測を行った。その結果、重要な代謝中間体であるGlycerol-3-phosphate (G3P)の分解経路が大腸菌と異なり1種類しかないことが予測された。そこで、G3Pの代謝酵素としてゲノムデータベースにアノテーションされているglpA遺伝子をクローニングし、大腸菌菌体内で組換え酵素を調製した。得られた酵素について、補酵素の検討を行い本酵素がFAD依存的な酵素であることを見出した。また、酵素の温度依存性、pH依存性、耐熱性などの酵素学的諸性質を解析したところ、本酵素は、指摘温度80°C、指摘pH9という超好熱菌の生育環境に適応したGlycerol 3-phosphate dehydrogenase (G3PDH)であることを見出した。また本酵素の速度論的パラメーターを大腸菌由来のG3PDHと比較したところ非常によく似た値を示しており、本酵素が超好熱菌細胞内で有意な活性を示すことが示唆された。また、本酵素の構造解析を目的として、結晶化を試みている。また、Glycerol代謝経路において、本酵素の下流に当たる反応を触媒するDehydroxyacetone phosphate isomerase (TpiA)の遺伝子のクローニングを行い、大腸菌菌体内での組換え酵素の発現を確認した。超好熱古細菌(始原菌)は進化系統樹上の根に近い特異な位置に分布することから、原子生命体の特性を数多く残している可能性があり、その生物学的特性の解析が行われている。超好熱古細菌(始原菌)Thermococcus kodakarensisKOD1は、ゲノム情報が公開されており、また、遺伝子組み換え系が確立していることから、代謝系の研究に適している。近年古細菌(始原菌)においては独自の代謝遺伝子が見つかるなど、古細菌(始原菌)の代謝研究は生物における代謝機能の進化を考察する上で興味深い。T.kodakarensisのゲノム情報をもとにglp関連遺伝子の検索を行ったところ、大腸菌などに比べ遺伝子が少なく、推定される代謝経路がシンプルなこと、また、オペロンを構成している遺伝子が異なることが示唆された。検索された遺伝子のうちGlycerol-3-phosphate dehydrogenase(G3PDH)について、T.kodakarensisの遺伝子欠損株の生育を解析したところ、本菌は、この酵素を利用してG3Pを資化していることが示唆された。また、本酵素の組換え体を用いて特性解析をしたところ、FADを補酵素として単量体で機能するなど、大腸菌由来G3PDHとは異なる性質を有することが確認された。さらに本酵素遺伝子とオペロンを構成する隣接遺伝子との関係から、嫌気性菌であるT.kodakarensisの酸化ストレス緩和に関連している可能性が考えられた。