hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
コンピュータを利用したタンパク質の理論的デノボ・デザイン

本研究の目的は、鋳型とする立体構造に巻きあがるタンパク質配列を人工的に設計する方法を確立することである。昨年度は3D-1D法というタンパク質の立体構造予測法を逆向きに活用してグロビン配列(DG1)を設計し、その構造を実験的に調べた。設計したタンパク質の概形はグロビン構造となったが、側鎖の揺らぎが大きいため天然タンパク質に特有の協同的転移を示さなかった。つまり、構造特異性が低い。この問題を克服するために、本年度は理論と実験両面から研究を行った。理論としては、ロータマという典型的な側鎖構造ライブラリーを利用した構造-配列適合性関数の開発を試みた。ロータマの導入により、側鎖のかみ合わせを向上させることが狙いである。ある手続きで作成した関数(A)を用い、人リゾチームで測定されている点突然変異体の安定性を計算した結果、実験値と0.65程度の相関係数を示した。以前の関数では0.5程度の相関係数しか得られなかったので、改良が確認された。T4リゾチームでも良好な結果を得た。しかし天然配列を安定な配列と判定するテストではこの関数(A)より他の関数(B)の方が性能が良い。関数評価に用いたテストを詳しく調べた結果、両テストでは利用するパラメータの数が異なり、AとBのいずれが優れた関数かを判定するには実験値が不足していることがわかった。実験としては、昨年度設計した配列(DG1)をベースにした改良を模索した。構造特異性を向上させるには、βブランチを含むアミノ酸を適宣使用することが有効であると言われている。そこでヘリックス部位にあるロイシンなどのアミノ酸をβブランチを含むイソロイシンやバリンに置換した配列(DG2-4)を作成し、構造の特異性を調べた。今回作成した3つのタンパク質はいづれもDG1より協同的に転移し、NMRなどの結果も改善されたが、面白いことに安定性は低下した。構造の特異性と安定性はぎりぎりの部分では背反性を持つことが示唆される。
循環器疾患の新規デバイスや医薬品の医療経済分析および分析に必要な基盤データの整備

日本では2019年度から医療経済分析が保険医療制度に本格導入される予定である。世界的に医療経済分析は重要視されている。しかし、日本では医療と経済の両方を理解する人材が不足しているため、個々の医薬品・デバイスの医療経済分析は十分に行われていない。本研究は循環器領域の高額な新規デバイスや医薬品の医療経済分析を行うとともに、循環器疾患の医療経済分析に必要な基盤データの整備を行う。本研究によって、医療経済分析が日本の保険医療制度にスムーズに導入されることが可能となると同時に、広く国民の診療に貢献することが期待される。
ESDの視点による教科・領域横断的学習活動の構築

小・中学校の教科書および年間指導計画に基づき、ESDの主たる領域(資源・環境、平和・人権、経済・貧困など)毎に単元の類型化を行い、カリキュラム構造図(ESDカレンダー)の素案を作成した。また、小・中学校などの協力を得て、「大豆」「稲作」「鮭と森林」をテーマに公開研究授業(総合および社会科)を実施した。これは食品・食材、農業、食料自給率、生物・環境など多岐のテーマを包摂する教科・領域横断方学習を試行したものである。1.茨城大学の附属学校園におけるESD実施状況に関する予備調査を行った。全教員に、これまでの授業実践の中で、ESDに関わる内容が度の教科、領域においてどの程度扱われているかアンケートを行った結果、すべての学校園で環境に関わる内容は何らかの形で取り上げられているが、人権と多様性、経済に関わるものは小学校高学年と中学校以外ではほとんど取り上げられていない傾向にある。2.教員のESDに対する知識と認識は決して高いものではなく、ESDの視点から取り上げるべきであるが、扱われてないもの、扱われているが教員自身がESDとの関連を十分に理解していないものなども混在していると思われる。今後のカリキュラム構築の上での課題が浮き彫りになった。3.上記との関連で、附属小学校と附属中学校の年間指導計画に基づき、ESDカリキュラム構造図の作成に着手した。今後漸次、全校園についてカリキュラム構造図を作成する予定だが、カリキュラム全体の中でのESDの位置づけを視覚的にイメージできるものとして有用である。4.第2回ユネスコスクール全国大会に参加し、全国のユネスコスクールの実践発表を聞き、資料を収集した。5.奈良教育大学附属中学校のESD研究発表会に参加し情報収集と意見交換を行った。とくに生徒の意欲的な取り組みを組織する指導体制は参考になった。一方、特別支援学級における取り組みは様々な工夫が必要であることも示唆された。6.本学附属中学校におけるESD関連の研究授業に参加し、意見交換を行った。・今年度は、以下の2点を中心に共同の研究活動を行った。(1)小・中学校の教科書に基づき、カリキュラム構造図を作成し、ESDカレンダーを構想する基礎的作業として、各教科の各単元を、ESDの主たる領域(資源・環境、平和・人権、経済・貧困など)毎に類型化を行った。ESDに関わる単元の有無が教科によってかなりばらつきがあり、相互の連関がほとんど考慮されていないことや、一教科としては単元の配列・順序性が一貫していても、教科・領域を通して見ると、微妙な矛盾や重複があることがわかり、ESDの観点から教育課程全体を見直す意義があることが改めて確認された。(2)附属小学校におけるESDの実施条件・体制を考慮した上で、同校研究主任の協力を得て、4年生を対象とした総合の授業を公開研究授業として実施した。「大豆」をテーマに、3年生までに枝豆(大豆)の栽培から様々な大豆製品を作る学習を行ってきた経験の上に、大豆が様々な日本食の食材や食品に使われること、しかしそのかなりの部分をアメリカから輸入していることを学習し、将来輸入が難しくなったらどうなるか、どうすればよいかを子どもたちに考えさせた。今回の学習内容は5年生の社会科と理科の単元に繋げられる可能性があるので、引き続き附属小学校と連携した研究を発展させる必要がある。・また、昨年度行った附属学校園での予備調査の結果を、『茨城大学教育学部紀要』に掲載した。・その他、研究代表者・協力者が個別にこの研究の一環ないし一部として研究成果をあげている。本年度はESDカレンダーの試作と、モデル授業の考案柱に研究を行った。前者については、小・中学校各学年、各教科・領域での学習事項を一覧表にし、それををESDカレンダーづくりに使えのる形にできるよう試作データを作成、環境共生学会で発表した。後者について、22年度と23年度に附属小学校5年生を対象に行った大豆(家庭科)および米の生産(社会科)の授業の発展系のモデル授業をいくつか検討した。一つは、家庭科における環境負荷低減の観点からの地元食材による食文化教育である。食料自給率低下と環境負荷の問題については社会科や理科の分野で扱われるが,さらに教科横断的に,家庭科の調理実習において体験的にそれらの知識を実生活に結びつけることが可能と考えられる。その好適食材の一つである小麦粉代替用米粉に着目し、小麦粉と比較した教材としての特性を検討し、日本食品化学学会で発表した。また、音楽において、学習者が日々の生活のなかで興味深い音や気になる音などを日記につけることを通して、音の変化から環境の変化に気づかせる学習が一部でなされているが、この学習は音楽にとどまらず、小学校理科教育、環境教育に多彩に応用・発展できるので、附属小学校教諭と授業化について検討した。附属小学校でのモデル授業は日程調整が不備に終わり実現しなかったが、代わりに水戸市内の公立中学校において、「ふしぎな森」と題する授業を行った。

これはカナダのある森の、10mの滝の上下で、木の大きさが違うと言う事実に着目し、滝の下で熊が捕獲する「サケの体が栄養となって森の木々の肥料と成っている」という生態系の知識を、過去の学習や経験を駆使して「推論」を働かせながら習得させるものである。この成果は国内のみならず、韓国科学教育学会で発表し好評を得ている。「ESDの視点による教科・領域横断的学習活動として、どのような授業やカリキュラムが構築可能であるか」明らかにするという目的について、実際にカリキュラム構造図とESDカレンダーの作成作業はほぼ順調に進んでおり、実際の授業実践を試行することができたことは、重要な成果である。24年度が最終年度であるため、記入しない。今後とも、例えば「二酸化炭素」「放射線」などの具体的なテーマを設定して、どのような授業実践が可能であるか、附属学校園と連携して行っていく。当初は公立学校での調査や連携も想定していたが、授業を行う可能性、条件等を考慮して、附属学校園を中心に行いたい。また、カリキュラム構造図とESDカレンダーを完成させ、ESD実践の資料として活用できるようにすることを目指す。
ヒト扁桃胚中心の機能的形態に関する研究

私共はGratzner氏法によるBrdU(5Bromo-2′-deoxy Urine)のモノクロナール抗体を用いて,扁桃の胚中心の細胞動態を免疫組織学的に観察し報告してきた。DNA合成期の細胞分裂S期にThymidinのAnalogeであるBrdUを取り込ませ,抗BrdUモノクロナール抗体で免疫染色し,BrdU摂取細胞を標識細胞として扁桃胚中心の細胞動態を観察した。家兎の扁桃ではBrdU標識細胞は大型リンパ球であり,胚中心の暗殻の対側である底極部に限局してみられ,この部でリンパ球の産生,増殖がおこなわれていた。そしてBrdU投与後,経時的に観察すると,BrdU摂取細胞は暗殻に向って移動し,胚中心の外へ移動する。ヒトの口蓋扁桃を用いて,in vivoのBrdU投与実験をおこなった。手術摘出扁桃を材料に用いた。扁桃組織をBrdU含有の人工血液(Fe-43,ミドリ十字社製)の中で培養した。試料はアマシアム社製の抗BrdUモノクロナール抗体キットで免疫染色し,BrdU摂取細胞を観察した。ヒトの扁桃の場合もBrdU摂取細胞は胚中心の暗殻の対側である底極部に多数観察され,この部がリンパ球の産生・増殖の場であることが理解された。そこで底極部の機能を知るため,今回S-100蛋白の免疫染色をおこなったところ,底極部にS-100の存在が認められた。S-100は主としてリンパ球をとりまく,dendritic cellにみられた。この細胞はリンパ節のinterdigitating Reticulum細胞に相当する。しかし底極部以外では反応が少なかった。さらにリンパ球産生に関与するインターロイキン6で免疫染色するとS-100の所見とほゞ同じ結果がみられた。胚中心の底極部にリンパ球産生・増殖の機能についてさらに検討したい。今回の結果は第6回日本口腔咽頭学会(平成5年9月)で発表予定である。
病原性ウイルスにおける宿主内進化様式の解析

平成14年度は、この研究にとって実りの年であり、新たなスタートをした年でもあった。今年度中、2つの国際学会(Molecular Evolution, Jun.2002,Naples ; International conference on AIDS, Dec. 2002,Washington)と、3つの国内学会(第3回CBI学会,9月,東京;ウイルス学会,10月,札幌;分子生物学会,12月,横浜)で発表して、ウイルス専門の学者を始め、分子進化と分子計算などいろんな分野の専門者たちの意見を仰ぐことができた。そして、今年度の後半、分子進化やゲノム解析などの分野で影響力が大きい国際誌GENEに掲載が受諾された。一方、平成13年度の日本ウイルス学会での発表をきっかけで、この研究で開発した方法は国立感染研エイズセンターで集めたHIV-1の連続サンプルに適用することになった。大量なデータ解析を行った中、いままでの最尤法に基づいた逐次リンクアルゴリズムは尤度の計算量が膨大であり、また変異種の増加により指数的に可能な系統関係が増加するという困難があることが分かった。これらの困難を克服するため、今年度は我々が近隣結合法を利用した遺伝距離準拠型逐次リンクアルゴリズムを開発することに取り込んだ。そして、この新しい計算アルゴリズムを使って抗HIV治療を受けているエイズ患者から継時的に採集したHIV-1のgag及びpol遺伝子のデータについて解析を行い、興味深い結果が得られた。すなわち、我々の方法より、HIVが薬剤の攻撃を受けながら患者の体内でどのように進化していたのかを縦断的な系統樹(longitudinal phylogenetic tree)で示すことができた。今後、ニュージーランドの研究グループが開発したsUPGMA(serial sampled UPGMA)法の長所を取り入れて、我々の方法をより実用性と信頼性の高いウイルス進化解析法に発展させる予定である。平成十三年度の研究計画が順調に進んでおり、特にウイルスの宿主内進化解析アルゴリズムの開発において、新たな知見が得られ、研究は新しい段階に至った。ウイルスの宿主内モデルの構築は平成十三年度でほぼ完成した。我々はYangのコドン準拠モデルを改良し、非一様性マルコフ進化モデルを作成した。このモデルを利用することにより、宿主内で進化する病原性ウイルスの準種がどの時期にどんな進化様式(中立進化あるいは淘汰進化)を採ったのかを調べることができた。しかし、今後多様な病原性ウイルス連続サンプルヘの適用に伴って、この進化モデルがさらに発展する可能性がある。Sequential-linking法について、最初最尤法に基づいてのアルゴリズムを開発したが、実際のデータに適用した段階で、この方法がウイルスの準種の数が増えると尤度の計算に莫大な時間がかかり、実用性の面では弱いことが分かった。これを解決するため、我々は距離法に基づいた新しいアルゴリズムを考え出した。この方法はウイルス準種間の距離の計算に基づいて順次に準種配列をクラスター化して、最後に時間経過的な系統樹を作成するという手順で、計算時間が最初の方法より遥かに速い。さらに、前の観測時点から次の時点へ引き続き存続する準種つまり"immunological escape variant"の選出について、「同じ時点で得られたvariantより、次の時点で得られたvariantとの進化距離が近いような準種を選び出す」という新しい基準を導き出した。この新しいアルゴリズムが平成十三年度の日本ウイルス学会で発表されて、ウイルス学者たちの注目を集めた。平成十四年度の計画は、この方法を大量かつ多様な病原性ウイルスサンプルに適用して、その独創性と実用性について検証することである。その研究成果を専門雑誌に投稿する予定であり、計算プログラムの公開も考えている。

今年度中、2つの国際学会(Molecular Evolution, Jun. 2002, Naples ; International conferenece on AIDS, Dec.2002,Washington)と、3つの国内学会(第3回CBI学会.9月,東京;ウイルス学会,10月,札幌;分子生物学会,12月,横浜)で発表して、ウイルス専門の学者を始め、分子進化と分子計算などいろんな分野の専門者たちの意見を仰ぐことができた。そして、今年度の後半、分子進化やゲノム解析などの分野で影響力が大きい国際誌GENEに掲載が受諾された。一方、平成13年度の日本ウイルス学会での発表をきっかけで、この研究で開発した方法は国立感染研エイズセンターで集めたHIV-1の連続サンプルに適用することになった。大量なデータ解析を行った中、いままでの最尤法に基づいた逐次リンクアルゴリズムは尤度の計算量が膨大であり、また変異種の増加により指数的に可能な系統関係が増加するという困難があることが分かった。これらの困難を克服するため、今年度は我々が近隣結合法を利用した遺伝距離準拠型逐次リンクアルゴリズムを開発することに取り込んだ。そして、この新しい計算アルゴリズムを使って抗HIV治療を受けているエイズ患者から継時的に採集したHIV-1のgag及びpol遺伝子のデータについて解析を行い、興味深い結果が得られた。すなわち、我々の方法より、HIVが薬剤の攻撃を受けながら患者の体内でどのように進化していたのかを縦断的な系統樹(longitudinal phylogenetic tree)で示すことができた。今後、ニュージーランドの研究グループが開発したsUPGMA(serial sampled UPGMA)法の長所を取り入れて、我々の方法をより実用性と信頼性の高いウイルス進化解析法に発展させる予定である。
SFK活性化を標的としたオシメルチニブ耐性肺癌の新規克服治療研究

肺癌で広く用いられる第3世代上皮増殖因子受容体チロシンキナーゼ阻害剤(EGFR-TKI)のオシメルチニブはその治療症例に耐性がんが出現することが知られている。そこで我々が樹立したオシメルチニブ耐性肺癌細胞を用いて耐性メカニズムを明らかにすることを目的に研究を行う。耐性細胞ではSRCファミリーキナーゼ(SFK)の活性化が観察されたことから、SFKの活性化機序及び関連因子の耐性への関与を明らかにする。さらに、第1、第2世代EGFR-TKI耐性細胞と比較することで第3世代EGFR-TKI耐性機序を標的とした耐性克服が他の耐性細胞でも有用であることを示し、新たなTKI耐性克服治療の創出に向け貢献する。
全身感覚運動情報の多相計測と能動再構成に基づく身体性変化即応認知行動機能の研究

全身の触覚情報を含む多数の感覚情報を計測する装置を開発し、それを用いて手の平で行う物体操作など、人間が行う巧みな運動の原理を明らかにした。加えて、俊敏な動作を行うロボットの設計法と動作生成法を開発し、棒高跳びやバドミントンなど、柔軟な道具を用いた俊敏動作を実現した。さらに、生物の神経系を規範とした、情報処理系を構築、解析、応用することで、適応的な運動を即時的に生成する手法を確立した。本年度は以下の項目に関して,実験系の構築と理論・手法の検討を行った.1.全身多相感覚運動計測装置の開発:独自開発の分布触覚センサやモーションセンサについて,小型化,薄型化,高密度化,耐久性向上等の改良を行い,身体表面に装着して日常動作中の触覚運動情報を高品質に計測する実験を体系的に実施可能なものとした.また,触覚運動データの同期計測と3次元表示等を行うソフトウェアを構築し,計測システムとしての完成度を高めた.これらの技術の一部は,産業応用に向けて企業に有償供与された.2.人体型筋骨格ロボットプロトタイプの開発と構成検討:空気圧人工筋を用いた棒高跳び動作実験用ロボットや瞬発的リーチング動作実験用ロボット要素,独自のパウチモータ要素に基づく新たな生体筋型アクチュエータとそれを用いた腕機構,などをほぼ全て自作により構築し,動作実験を行った.一連の成果は2015年中に開催される国際会議や国内学会大会等に投稿済みである.3.身体性変化課題の検討および被験者実験の準備:計画通り,体験用義肢装着時の適応に関する実験の検討と予備試行を行った.また,想定外の進展として,医学者との共同研究の機会を得て,歩行器利用中の転倒実験データを入手し解析に着手した.また,ダイナミック道具使用運動に関して,棒高跳び動作の力学モデル解析を詳細に行い,これに基づき上記2.で開発したロボットを用いて実験に成功した.これは想定以上の進展といえる.4.身体図式の基礎理論と手法の検討:手で物体を把持して振った時の対象物の長さ知覚(ダイナミックタッチ)に関して,複雑な筋骨格系を通した筋固有感覚と対象物運動との関係を,主に力学系理論に基づき解析した.また,身体の感覚・運動情報の構造を,情報理論的解析およびニューラルネットワークにより明らかにする研究をシミュレーションデータについて行った.本年度は,計測,再構成実験とモデル化に着手し,以下の項目に関して取り組んだ.1.人間全身多相感覚運動計測実験:多関節の運動データと多点接触データから,関節トルクと各点の3軸力を推定する手法を開発した.これを物体操作時の手の計測データに適用し,手法の有効性を検証した.また,物体操作における再現性の高い接触運動パターンを抽出して,タスク毎の特徴を明らかにした.2.筋骨格ロボットによる能動再構成実験:人間計測とロボットによる能動再構成を統合的に実行可能なウェアラブルバイラテラルテレオペレーション装置を開発した.この装置は力センサ搭載により,ロボットの感覚運動経験をヒトにフィードバックできる.これによりヒトの適応能力を活用した感覚運動情報が取得可能になった.また,能動再構成実験用に全身多自由度ロボットを改良し,バレーボールのフライングレシーブやバドミントンのスマッシュ・巧みなショットを行わせ,その運動性能を確認した.3.データ解析と身体図式モデル構築:2の装置から得た感覚運動ダイナミクスの学習に,リカレントニューラルネットワークの使用を検討した.ダイナミクス学習に適したネットワークとしてReservoir Computingに着目,自己運動の予測や,ネットワークの内部構造が機能に与える効果を調査した.さらに,テンセグリティ構造におけるPhysical reservoir computingを用いて,身体性変化が感覚運動情報の構造に与える効果を調べた.複合的なテンセグリティにおいて周期の異なるvan der pol振動子を学習でき,環境接触によりその周期が変わることを示した.また,即時適応に向けて,少数試行から適切な運動を生成する手法を提案し,2のロボットによってその有効性を検証した.身体図式に関して,Reservoir Computingなど新たなモデルを導入し,基礎実験では良い結果を得ているが,人体の複雑さやマルチモーダルへのスケールアップは今後の課題となっている.能動再構成実験に関しては,事前に想定していた計測,解析,ロボット適用という段階を経ずに,ロボットのための感覚運動経験を得られる,ヒトを含むロボット操縦システムの開発という想定外の進展があった.本年度は,計測,再構成実験とモデル化の高度化と即時適応機能構築に関して以下に取り組んだ.1.再構成・モデル化のサイクルの高度化:多点接触データの取扱いを容易にするために,非同期センサ入力からの運動学計算アルゴリズムを構築した.また,モーダルを超えて情報を活用するために,接触情報からの視覚情報の再構築を行った.さらに,人間計測とロボットによる能動再構成を統合的に実行可能なウェアラブルバイラテラルテレオペレーション装置の改良を行い,拭き取りタスクを実施することで環境とのインタラクションのあるタスクへの適用可能性を示した.2.予測・適応機能の構築:ダイナミクスを活用した予測・適応機能としてReservoir Computing、カオス結合系に着目し,以下を実施した.予測に関してPredictive CodingのためにReservoir Computingの1種であるEcho State Networkを用い,自己接触と他者接触が判別できること,他者からの自己運動への影響の大きさと予測誤差に関係が見られることを確認した.また,身体の柔軟性を備えたソフトロボットにカオス結合系を組み込み,粘弾性の違いによる創発運動の変化,障害物に対する適応動作の変化を調査した.さらに,身体による計算であるPhysical Reservoir Computingの考えに基づき,ロボット身体へのカオスの埋め込みも実現した.3.身体性変化

即応実験のためのロボットシステム:筋骨格ロボットを改良し,身体変化のためにパーツの交換を容易化した.また,大きな身体性変化を伴うロボットとして,柔軟で伸縮可能な連続ロボットアームも開発した.各項目それぞれに対し実験,改良を進められており,おおむね当初の計画の通りの進展が見られると言える.本年度は,機能検証,応用開拓,知見のまとめと技術移転に関して以下に取り組んだ.1.即時適応行動ロボット実験:ロボットによる即時適応行動として,ダイナミックで破損のリスクが高いため多数の試行を行えないタスクである跳躍打撃動作に着目し,実際のロボットを用いて,少ない試行から飛来するボールを打ち返す動作を生成することに成功した.また,柔軟な連続弾性体からなるリング型ロボットをカオス結合系を用いて動かし,動作が遮られた時に別の運動に遷移することを確認した.さらに,道具使用ロボットの実験として,ラケットを用いてバドミントンを行う空気圧ロボットアームにより,飛来するシャトルを認識し,瞬時に動作を選択して,打撃することに成功した.2.人間支援技術等への適用の検討:即時適応行動を生成するロボットなどに幅広く知見を応用するために,ロボット一般の高速な運動生成アルゴリズムを提案し,その有効性を示した.さらに,リハビリ分野への応用に向けて,レーザーとオプトジェネティクスを用いて神経刺激を与える機構を開発した.3.知見の体系化と発信,技術移転:成果の論文化を行い,雑誌論文,国際会議に投稿することで本研究で得られた知見をまとめ,発信した.また,ホームページなどを通じて,得られた知見を一般に向けて発信した.さらに,本プロジェクトの成果を受けて,産業界から共同研究や委託研究の申し出があり,実用化に向けた協力を始めた.全身の触覚情報を含む多数の感覚情報を計測する装置を開発し、それを用いて手の平で行う物体操作など、人間が行う巧みな運動の原理を明らかにした。加えて、俊敏な動作を行うロボットの設計法と動作生成法を開発し、棒高跳びやバドミントンなど、柔軟な道具を用いた俊敏動作を実現した。さらに、生物の神経系を規範とした、情報処理系を構築、解析、応用することで、適応的な運動を即時的に生成する手法を確立した。全体として,当初計画内容は概ね順調に達成し,これに加え,独自のパウチモータ要素を用いた新たな生体筋型アクチュエータと腕機構の開発,空気圧人工筋を用いた双腕型棒高跳びロボットの開発と実験成功,医学者との共同研究による歩行器使用時の転倒動作実験データの入手と解析,などの,当初計画を越えた,あるいは想定外の,重要な進展があった.
乳癌を可視化するプローブ（gGlu-HMRG）を用いた術中迅速診断法の開発

乳癌を高感度かつ特異的に可視化できる蛍光プローブ(gGlu-HMRG)を開発し、「乳腺断端」と「センチネルリンパ節」の評価に有用であることを世界で初めて報告した。癌を特異的に可視化する蛍光プローブの臨床応用に向けた研究は少なく、他癌腫でも可視化が進むことが考えられ、本研究で開発した測定機器や解析方法は、他癌領域や膵液漏などたんぱく質検出が有用な臨床現場での多岐にわたる運用を目指し開発を行うため、汎用性が高く断端評価やリンパ節転移評価に有用となることが期待される。手術により切除された標本に体外にてgGlu-HMRGを塗布し、新規開発した蛍光イメージング装置により励起光をあて蛍光変化を測定を行い、蛍光部分についてはHE標本にて病理組織学的に確認した。本研究は、gGlu-HMRGは乳癌を迅速に可視化できる世界初のプローブを用い、実際の乳癌診療に寄与できるプロジェクトとして「術中の迅速診断」に焦点を当てた、橋渡し研究である。前研究より検出精度、測定精度とも向上させた測定機器を開発し、蛍光を自動測定可能なソフトを開発した。これまで腫瘍断端、センチネルリンパ節・リンパ節、針生検の検体を新規開発測定機器にて測定し、病理所見との照合を行いながら、測定結果から癌部と正常部を分けるための蛍光値のカットオフ値を測定結果から検討している。橋渡し研究であるため、臨床的に耐えうる感度特異度(それぞれ90%以上)が担保できるか画像解析をすすめており、臨床現場での有用性を確認する。また感度特異度が達成できた場合は、その蛍光カットオフ値を用い、前向き研究を行い、実臨床で有用かvalidationを行う。浸潤癌30例、非浸潤癌14例、良性腫瘍14例、正常乳腺組織55例の105標本を測定した(同一検体中に複数の腫瘍があるものは複数回カウント)。5分後の蛍光強度から試薬添加直後の蛍光強度を減算、5分間の蛍光増加を評価した。得られた蛍光増加を病理診断結果と照合し、蛍光増加と一致した部位にIDCまたはDCISが見い出された。病理診断により明らかにIDCまたはDCISと判定された部位の蛍光増加の分布は、明らかに正常な部位の蛍光増加よりも大きく、AUC 0.999と高い予測能が示された。このAUC曲線においてYouden indexが最大となる閾値を仮に求めると、5分間の蛍光増加が0.37 (a.u.)となった。この値を閾値と画素ごとのがん検出感度は0.99,特異度は0.98となった。本プローベを乳癌部分切除術における術中断端診断に用いることを想定すると、切り出した各検体ごとの腫瘍の有無を高い感度と特異度で検出できることが求められる。前述の閾値を用い、乳癌全摘から切り出した原発、原発周辺、および正常乳腺に加えて、乳癌部分切除術の断端近傍の組織を含む全40症例、105検体を用いて、検体ごとの検出成績を試算した。その結果は、感度78%、特異度67%となった。陽性判定閾値、陰性判定閾値の2つによって、蛍光+、蛍光ー、蛍光±の3つを判断することで、本プローベを術中断端診断に用いることができるか検討した。陰性判定閾値は偽陰性率10%未満(または90%以上の腫瘍なし検体を正しく蛍光+と判定できる閾値)とし、陽性判定閾値は偽陽性率3%未満(または97%以上の腫瘍あり検体を正しく蛍光+と判定できる閾値)を目標とした。閾値による偽陽性率、偽陰性率の変化から、陽性判定閾値2.1および陰性判定閾値0.31を得た。陽性判定閾値は偽陽性率3%未満(または97%以上の腫瘍あり検体を正しく蛍光+と判定できる閾値)を目標とし、閾値による偽陽性率、偽陰性率の変化から、陽性判定閾値2.1および陰性判定閾値0.31を得た。この2つの閾値により、蛍光±と判定される検体の割合は全体では50%,正常検体のみでは51%となった。本プローベの使用により、蛍光ーの場合は追加切除なしで手術を終了する判断を簡便かつ迅速に行うことが可能になると考えられる。一方で蛍光+の場合は、本プローベの特性から良性腫瘍等を検出している可能性も考えられるため、慎重な判断が求められると考えられる約半数は蛍光±となるため、その場合は病理診断を待って追加切除を行うなどの対応が想定される。病理診断の負担が大きいと言われる乳房部分切除術において、たとえ全検体の半数であっても、凍結することなく迅速・簡便に断端への腫瘍遺残を判別できる本プローベは外科医、病理医、臨床検査技師らの負担を軽減しうると考えられる。また手術時間短縮による患者への侵襲の低減、再手術を減らすことによる医療費負担の低減などに貢献できるのではないかと考えられる。今後、実験を継続し、実臨床に実用できるか検討をすすめる。

癌を特異的に可視化する蛍光プローブの臨床応用に向けた研究は少なく、他癌腫でも可視化が進むことが考えられ、本研究で開発した測定機器や解析方法は、他癌領域や膵液漏などたんぱく質検出が有用な臨床現場での多岐にわたる運用を目指し開発を行うため、汎用性が高く断端評価やリンパ節転移評価に有用となることが期待される。手術により切除された標本に体外にてgGlu-HMRGを塗布し、新規開発した蛍光イメージング装置により励起光をあて蛍光変化を測定を行い、蛍光部分についてはHE標本にて病理組織学的に確認した。本研究は、gGlu-HMRGは乳癌を迅速に可視化できる世界初のプローブを用い、実際の乳癌診療に寄与できるプロジェクトとして「術中の迅速診断」に焦点を当てた、橋渡し研究である。前研究より検出精度、測定精度とも向上させた測定機器を開発し、蛍光を自動測定可能なソフトを開発した。これまで腫瘍断端、センチネルリンパ節・リンパ節、針生検の検体を新規開発測定機器にて測定し、病理所見との照合を行いながら、測定結果から癌部と正常部を分けるための蛍光値のカットオフ値を測定結果から検討している。橋渡し研究であるため、臨床的に耐えうる感度特異度(それぞれ90%以上)が担保できるか画像解析をすすめており、臨床現場での有用性を確認する。また感度特異度が達成できた場合は、その蛍光カットオフ値を用い、前向き研究を行い、実臨床で有用かvalidationを行う。浸潤癌30例、非浸潤癌14例、良性腫瘍14例、正常乳腺組織55例の105標本を測定した(同一検体中に複数の腫瘍があるものは複数回カウント)。5分後の蛍光強度から試薬添加直後の蛍光強度を減算、5分間の蛍光増加を評価した。得られた蛍光増加を病理診断結果と照合し、蛍光増加と一致した部位にIDCまたはDCISが見い出された。病理診断により明らかにIDCまたはDCISと判定された部位の蛍光増加の分布は、明らかに正常な部位の蛍光増加よりも大きく、AUC 0.999と高い予測能が示された。このAUC曲線においてYouden indexが最大となる閾値を仮に求めると、5分間の蛍光増加が0.37 (a.u.)となった。この値を閾値と画素ごとのがん検出感度は0.99,特異度は0.98となった。本プローベを乳癌部分切除術における術中断端診断に用いることを想定すると、切り出した各検体ごとの腫瘍の有無を高い感度と特異度で検出できることが求められる。前述の閾値を用い、乳癌全摘から切り出した原発、原発周辺、および正常乳腺に加えて、乳癌部分切除術の断端近傍の組織を含む全40症例、105検体を用いて、検体ごとの検出成績を試算した。その結果は、感度78%、特異度67%となった。陽性判定閾値、陰性判定閾値の2つによって、蛍光+、蛍光ー、蛍光±の3つを判断することで、本プローベを術中断端診断に用いることができるか検討した。陰性判定閾値は偽陰性率10%未満(または90%以上の腫瘍なし検体を正しく蛍光+と判定できる閾値)とし、陽性判定閾値は偽陽性率3%未満(または97%以上の腫瘍あり検体を正しく蛍光+と判定できる閾値)を目標とした。閾値による偽陽性率、偽陰性率の変化から、陽性判定閾値2.1および陰性判定閾値0.31を得た。陽性判定閾値は偽陽性率3%未満(または97%以上の腫瘍あり検体を正しく蛍光+と判定できる閾値)を目標とし、閾値による偽陽性率、偽陰性率の変化から、陽性判定閾値2.1および陰性判定閾値0.31を得た。この2つの閾値により、蛍光±と判定される検体の割合は全体では50%,正常検体のみでは51%となった。本プローベの使用により、蛍光ーの場合は追加切除なしで手術を終了する判断を簡便かつ迅速に行うことが可能になると考えられる。一方で蛍光+の場合は、本プローベの特性から良性腫瘍等を検出している可能性も考えられるため、慎重な判断が求められると考えられる約半数は蛍光±となるため、その場合は病理診断を待って追加切除を行うなどの対応が想定される。
HIV感染者を対象とした口腔癌の予防に関する研究

平成27年度は、先行研究で口腔前癌病変の診断が得られた病理組織検体の残検体よりHPVの検索を行った。今回は14検体のパラフィンブロックについてマルチプレックスPCR法(PapiPlexTM)でHPVTypingを行ったがいずれの検体からもHPVは検出できなかった。この結果の評価についてはさらに検討の必要性がある。平成27年度および28年度では60例のHIV感染者について、口腔がんスクリーニングを実施した。スクリーニングは先行研究から変更した新しいプロトコールに基づき行い、60例全員についてHPVの検索も行った。結果は、今回のスクリーニングでは口腔癌は見られなかった。口腔前癌病変は、先行研究で診断された例も含めると、12例に認められた。前癌病変の内訳は白板症10例、紅班症1例、扁平苔癬1例だった。口腔内擦過細胞によるHPVの検索はパラフィンブロック同様にマルチプレックスPCR法(PapiPlexTM)でHPVTypingを行った。結果は5例からHPVが検出され、HIV感染者のHPV陽性率は12%だった。平成29年度研究ではこれらの結果の解析を行った。解析結果で、HIV感染者では、HPV11など、ローリスク型の感染も無視できないことが確認された。本研究では、HIV感染者のがん発生のリスクのみならずHPVの感染様式の解明も必要となるため平成30年度ではローリスク型の検索も行った。これらの結果をまとめてIDWeek 2016. October 2016 New Orleans, USAおよびThe 16th European AIDS Conference. October 2017. Milan, Italy.にて発表した。平成27年度は、先行研究で行ってきたHIV感染者の口腔がんスクリーニングで口腔前癌病変の診断が得られた病理組織検体の残検体よりHPVの検索を行った。今回は14検体のパラフィンブロックについてマルチプレックスPCR法(PapiPlexTM)でHPV Typingを行ったがいずれの検体からもHPVは検出できなかった。この結果がパラフィンブロックからの検出という不利な条件に起因する結果なのか、実際に検体中にHPVが存在しなかった結果なのかについてはさらに検討の必要性がある。今後さらに検体数の追加および他の検索法についての検討も行う予定でいる。次に、平成27年度では口腔がんスクリーニングの方法を、先行研究から一部改変し、HPVの検索に必要な項目を加えて実施した。具体的には案内パンフレットの修正変更、新たなスクリーニングプロトコール・調査票の作成を行った。案内パンフレットにはHPVと口腔癌の関連についての記載、HPV検索のための擦過細胞採取に関する記載を追加した。スクリーニングプロトコール・調査票にもHPV検索に関する擦過細胞の採取および検査に関する記載を追加した。これらの準備の後に、平成27年度では53例のHIV感染者について、口腔がんスクリーニングを実施した。スクリーニングは変更した新しいプロトコールに基づき行い、53例全員についてHPVの検索も行った。結果は、今回のスクリーニングでも口腔癌は見られなかった。口腔内擦過細胞によるHPVの検索はパラフィンブロック同様にマルチプレックスPCR法(PapiPlexTM)でHPV Typingを行った。結果は2例からHPVが検出され、内訳はHPV16、HPV51各1例だった。口腔前癌病変の組織からのHPV検索に関しては、当初予定していた、先行研究で採取した検体についての検索はすべて終了している。しかし、結果はすべて陰性で、この結果の評価に関してはまだ検討の余地があると言える。また、新鮮組織からの検索についてはまだ実施していない。口腔がんスクリーニングに関しては、当初の予定の70例には及ばないが53例について実施され、おおむね順調と考える。口腔内擦過細胞によるHPV検索に関しては、口腔癌スクリーニングを実施した53例全例について検索が行われた。これまでに53例全例のHPV Typingが終了している。結果も2例に陽性例がみられ、検索方法に大きな問題はないものと考えられた。以上の状況から、本研究はおおむね順調に進展していると考える。これらの準備の後に、平成27年度および28年度では60例のHIV感染者について、口腔がんスクリーニングを実施した。スクリーニングは変更した新しいプロトコールに基づき行い、60例全員についてHPVの検索も行った。

口腔前癌病変は、先行研究で診断された例も含めると、12例に認められた。前癌病変の内訳は白板症10例、紅班症1例、扁平苔癬1例だった。口腔内擦過細胞によるHPVの検索はパラフィンブロック同様にマルチプレックスPCR法(PapiPlexTM)でHPVTypingを行った。結果は5例からHPVが検出され、HIV感染者のHPV陽性率は12%だった。内訳はHPV59陽性が2例、HPV16、HPV51、HPV11と45の重感染例が各1例だった。口腔前癌病変の組織からのHPV検索に関しては、当初予定していた、先行研究で採取した検体14例についての検索はすべて終了している。しかし、結果はすべて陰性で、この結果の評価に関してはまだ検討の余地があると考える。また、新鮮組織からの検索についてはまだ実施していない。口腔がんスクリーニングに関しては、当初の予定の100例には及ばないが60例について実施され、おおむね順調と考える。口腔内擦過細胞によるHPV検索に関しては、口腔癌スクリーニングを実施した60例全例について検索が行われた。これまでに60例全例のHPVTypingが終了している。結果も5例に陽性例がみられ、検索方法に大きな問題はないものと考えられた。以上の状況から、本研究はおおむね順調に進展していると考える。平成27年度は、先行研究で口腔前癌病変の診断が得られた病理組織検体の残検体よりHPVの検索を行った。今回は14検体のパラフィンブロックについてマルチプレックスPCR法(PapiPlexTM)でHPVTypingを行ったがいずれの検体からもHPVは検出できなかった。この結果の評価についてはさらに検討の必要性がある。平成27年度および28年度では60例のHIV感染者について、口腔がんスクリーニングを実施した。スクリーニングは先行研究から変更した新しいプロトコールに基づき行い、60例全員についてHPVの検索も行った。結果は、今回のスクリーニングでは口腔癌は見られなかった。平成29年度研究ではこれらの結果の解析を行った。解析結果で、HIV感染者では、HPV11など、ローリスク型の感染も無視できないことが確認された。本研究では、HIV感染者のがん発生のリスクのみならずHPV感染様式の解明も必要となるため、ローリスク型の検索を追加を計画した。
消化器癌転移抑制へ向けての新しい挑戦

Transforming Growth Factor-β(TGF-β)は、多くの腫瘍細胞から分泌される多機能性サイトカインで、抗腫瘍免疫の抑制・細胞外基質分解酵素の発現増強・血管新生増強などにより転移形成を促進している。したがって生体内でTGF-βを不活化あるいは発現を抑制する物質は、転移抑制剤として機能する可能性がある。本研究では可溶型TGF-β受容体が転移抑制物質になり得るか評価することを目的とした。まずマウスTGF-β2型受容体遺伝子を鋳型として、細胞外領域のみをcodeするDNA配列をPCRにて増幅した。これを発現ペクターpEF321flに組み込みpEFSRIIを作製した(SRII=soluble receptor typeII)。この蛋白がTGF-βとの結合能を保持していれば、可溶型TGF-β受容体になることになる。次に可溶型TGF-β受容体遺伝子導入細胞株を作製し、導入株の特性および培養上清に含まれる可溶型TGF-β受容体の生理活性を検討した。可溶型受容体遺伝子導入株は形態的にも細胞の大きさが増し、正常細胞に近い形態を示していた。また親株はin vitroで重なり合ってランダムに増殖するのに対して、導入株はmonolayerで極性を持って増殖した。しかしマウスに皮下移植すると親株同様腫瘍を形成し、尾静脈注射しても生存期間の延長は認めなかった。濃縮された導入株の培養上清を用いた検討では、SRIIを親株の培養液に加えても細胞形態や増殖形態に変化を及ぼさなかった。マウスにMC1を尾静脈注射した後SRIIを静脈投与しても生存期間の延長は認めなかった。今回の検討ではSRIIが腫瘍細胞の良性化をもたらす可能性を示唆したが、転移抑制に何らかの効果をもたらすか否かは、転移に対するTGF-βの詳細な機能の解明を含め、さらなる検討が必要であろう。平成9年度はヒトの分泌型TGF-β受容体遺伝子導入細胞株を作製した。1.(可溶型受容体発現ベクターの作製)既報によれば、TGF-β受容体のうちTGF-βと結合するのは1型ではなく2型である。そこでマウスTGF-β2型受容体遺伝子(東京大学医科学研究所友田より供与)を鋳型として、細胞外領域のみをcodeするDNA配列をPCRにて増幅した。これを発現ベクターpEF321flに組み込みpEFSRIIを作製した(SRII=soluble receptor type II)。これはTGF-β2型受容体の細胞外領域のみを発現するので、発現した蛋白は分泌型蛋白になる。この蛋白がTGF-βとの結合能を保持していれば、可溶型受容体になることになる。2.(可溶型受容体遺伝子導入細胞株の作製)マウス線維肉腫細胞株MC1にリポフェクチン法でpEFSRIIを導入した後、G418で薬剤選択しstable transfectantを作製した。得られたstable transfectantを限界希釈法でクローニングし可溶型受容体の発現の有無を調べた。発現の確認は、可溶型受容体遺伝子をprobeとしてNorthern blottingで行った。これにより可溶型受容体を分泌する細胞株を得た。3.(可溶型受容体遺伝子導入株の特性)可溶型受容体遺伝子導入株は形態的にも細胞の大きさが増し、正常細胞に近い形態を示していた。また接触阻止が一部回復しているのか、重なり合って増殖することはなくなった。しかしマウスに移植すると親株同様腫瘍を形成した。平成10年度は、可溶型受容体遺伝子導入株の培養上清を濃縮し、TGF-βに対する中和能を検討する予定である。

また導入株における転移・関連遺伝子の発現変化を検討する予定である。さらに肺転移形成能の変化についても検討する予定である。平成10年度はマウスの線維肉腫株MC1にマウスの分泌型TGF-β受容体遺伝子(SRII)を導入して、その細胞株(MC1SRII)の特性を調べた。2. MC1Neoは15クローンとも親株のMClと同様小型の紡錘状細胞で、confluentになると細胞同士が重なり合い多数のcolonyを形成した。これに対してMC1SRIIは大型の紡錘状細胞で細胞同士の重なり合いはほとんど見られず、極性をもって配列していた。しかし細胞増殖の接触阻止は認められず、ほとんど重層することなく高密度に増殖した。増殖速度にはほとんど差を認めなかった。3. MC1Neoに対するTGF-βの影響を打ち消すことによって、MC1SRIIと同様の特性を示すようになるか検討するために、TGF-βに対する中和抗体を培養液に加えてMC1Neoを培養した。しかし形態に変化は認められなかった。ただし中和抗体の量が十分であったという保証はない。4.またMC1SRIIの形態変化が、可溶型受容体によってTGF-βの作用が打ち消された結果であるのか検討するために、MC1SRIIを高濃度のTGF-βを含む培養液で培養した。しかし形態に大きな変化は見られなかった。5. MC1NeoとMC1SRIIを同系マウスC57BL/6に皮下移植したところ、いずれも腫瘍を形成したが、増殖速度はMC1SRIIの方が遅い傾向があった。今後、この特性の変化が何によってもたらされているのか検討する予定である。平成11年度はMC1SRIIの造腫瘍性と培養上清に含まれる可溶型受容体の腫瘍発育阻止能を検討した。1.まず可溶型TGF-β受容体を発現する細胞株は造腫瘍能が減弱するはずであると考え、平成10年度に再クローニングしたMC1SRIIをマウスの腹部皮下に接種したが、MC1SRIIも造腫瘍能を失ってはいなかった。また増殖速度についてもMC1Neo及び親株MC1と同程度で有意な差は認めなかった。2.MC1SRIIの培養上清には可溶型TGF-β受容体が豊富に含まれることから、この培養上清を親株MC1の培養液に加えMC1にMC1SRIIに見られるような形態変化が生じるか検討した。しかしMC1SRIIの特徴である細胞の大型化や極性をもった増殖は認められなかった。また重なり合って増殖する性質の消失は認められず多数のコロニーを形成して増殖した。3.MC1SRIIの転移形成能が消失するか検討するためにマウスの尾静脈からMC1SRIIを静注したところ、マウスは全例死亡した。MC1Neo及び親株MC1と比較して生存期間の延長は認めなかった。4.最後に可溶型TGF-β受容体の転移阻止能を検討した。親株MC1をマウスの尾静脈に静注した翌日に、濃縮されたMC1SRII及びMC1Neoの培養上清を尾静脈から静注し、生存期間の延長があるか検討した。結局、生存期間の延長は見られず全例死亡した。以上の結果からは可溶型TGF-β受容体の転移抑制能は証明することはできなかった。
準静水圧下での構造変化測定による配列ナノ空間物質の特異な物性の解明

本研究は、異方性のある配列ナノ空間が静的圧力に対してどのような圧力応答を起こすのか、静水圧性の高いヘリウム圧力媒体による準静水圧環境で構造・物性変化の詳細を明らかにすることにより、B_<12>クラスター化合物やSi,Geクラスレートなどの配列ナノ空間物質の特異な物性発現のメカニズムを解明することを目的としている。今年度は、特に室温でTc=0.24Kの超伝導を示す構造I'型クラスレートBa_<24>Ge_<100>について、ヘリウム圧力媒体を用いた低温高圧in-situ X線回折測定を行い、超伝導状態近傍での精密構造解析を行い、超伝導物性と構造との関係を調べた。特に、リートベルト解析により求められた原子変位パラーメターから、Geケージ内のBaイオンのラットリング挙動と物性との関係を調べた。その結果、100K前後で起こる低温相転移温度T_<s2>以下では、Ba_<24>Ge_<100>のopen cage内にあるBaイオン(以下、Ba(3)を表記)が大きな原子変位を起こした。これはBa(3)のラットリング挙動に対応しており、超伝導転移温度Tcが低く押さえられる原因と考えられる。しかし、この原子変位は圧力の上昇とともに徐々に抑制され、2.1GPa以上では原子変位の増大は見られないことが明らかになった。これは、圧力の上昇とともにTcが上昇し、2.3GPa付近でTcが上限に達する従来の物性測定の結果に対応しており、圧力上昇によるラットリング挙動の抑制がBa_<24>Ge_<100>のTcの変化を決めていることが、始めて実験的に明らかになった。このほか、温度一定で圧力を変化させて、Ba_<24>Ge_<100>の温度・圧力相図の検証を行った。このほか、α-ホウ素のヘリウム圧力媒体を用いた高圧ラマン散乱実験は、現在進行中である。当初は、Ba_<24>Ge_<100>の超伝導発現機構に関する結論を導くたために低温高圧ラマン散乱実験は必須であると考えていたが、構造解析の結果、ラットリング挙動と超伝導発現との関係が極めて明瞭に捉えられたため、ラマン散乱実験を必要とせずとも一定の結論は出たと考えている。α-ホウ素のMBar領域の高圧ラマン散乱測定実験は現在進行中であり、ほぼ結論が見えてきた。Si,Geクラスレートについては、今回の結果を受けて新たな関心が高まった。Ba_<24>Si_<100>のアナロジーで言えば、Ba_<24>Ge_<100>はやがて圧力上昇とともにTcが低下すると予想されるがその段階で構造的特徴が現れるのか、また、室温では約10 GPaから徐々にアモルファス化を起こすが低温でも同様のことが起こるのか、またそれが物性にどのように反映するのか、興味深い。これらは電気伝導測定と構造解析の圧力範囲の拡大で知ることができ、現在の実験技術でも達成可能である。B_<12>クラスター化合物については、α-ホウ素はあくまでも最も単純な物質の例として対象としたものであり、今後、B_<12>クラスター間にB,C,Oなどの元素を持つ物質(B_4CやB_6Oなど)へと展開することにより、B_<12>クラスター化合物の圧力応答と物性との関係の全体像が明らかになると考えている。本研究は、異方性のある配列ナノ空間が静的圧力に対してどのような圧力応答を起こすのか、ヘリウム圧力媒体による準静水圧環境で構造・物性変化の詳細を明らかにすることにより、配列ナノ空間物質の特異な物性発現のメカニズムを解明することを目的としている。対象物質はB_<12>クラスター化合物およびSi,Geクラスレートなどの軽元素配列ナノ空間物質とし、ダイヤモンド・アンビル・セル(DAC)とヘリウム圧力媒体を用いて、高圧X線回折と高圧ラマン散乱により構造変化を詳細に測定し、これら配列ナノ空間物質が示す特異な物性との関係を明らかにする。2010年度は、III型構造GeクラスレートBa_<24>Ge_<100>について、低温下における電気伝導度変化と構造変化との関係を明らかにする実験を行った。低温高圧実験用のダイヤモンド・アンビル・セル(DAC)としてガス駆動クランプセルを導入し、これに試料とヘリウムガスを充填し、クライオスタットのチャンバー内に取付けて、KEK-PFの高圧DACビームラインBL-18Cにおいて低温高圧粉末X線回折測定を行った。その結果、電気伝導度変化が起こる温度領域(100-200K)で、構造不変のまま、格子定数の膨張があることが確認された。この構造変化の詳細を明らかにするために、Baイオンのラットリング挙動について、得られた回折パターンから構造解析を行っているところである。しかし、2GPa程度の高圧下においては、低温下での圧力コントロールが困難で、微妙な格子定数変化を観測することはできなかった。また、Ba_<24>Ge_<100>のラマン散乱測定については、ラマン散乱スペクトルの入射レーザー強度依存性が確認されたので、その効果を調べた。その結果、特にBaイオンの振動ピークがレーザー強度上昇とともに顕著に低波数シフトすることが明らかとなった。

今年度は、特に室温でTc=0.24Kの超伝導を示す構造I'型クラスレートBa_<24>Ge_<100>について、ヘリウム圧力媒体を用いた低温高圧in-situ X線回折測定を行い、超伝導状態近傍での精密構造解析を行い、超伝導物性と構造との関係を調べた。特に、リートベルト解析により求められた原子変位パラーメターから、Geケージ内のBaイオンのラットリング挙動と物性との関係を調べた。その結果、100K前後で起こる低温相転移温度T_<s2>以下では、Ba_<24>Ge_<100>のopen cage内にあるBaイオン(以下、Ba(3)を表記)が大きな原子変位を起こした。これはBa(3)のラットリング挙動に対応しており、超伝導転移温度Tcが低く押さえられる原因と考えられる。しかし、この原子変位は圧力の上昇とともに徐々に抑制され、2.1GPa以上では原子変位の増大は見られないことが明らかになった。これは、圧力の上昇とともにTcが上昇し、2.3GPa付近でTcが上限に達する従来の物性測定の結果に対応しており、圧力上昇によるラットリング挙動の抑制がBa_<24>Ge_<100>のTcの変化を決めていることが、始めて実験的に明らかになった。このほか、温度一定で圧力を変化させて、Ba_<24>Ge_<100>の温度・圧力相図の検証を行った。このほか、α-ホウ素のヘリウム圧力媒体を用いた高圧ラマン散乱実験は、現在進行中である。当初は、Ba_<24>Ge_<100>の超伝導発現機構に関する結論を導くたために低温高圧ラマン散乱実験は必須であると考えていたが、構造解析の結果、ラットリング挙動と超伝導発現との関係が極めて明瞭に捉えられたため、ラマン散乱実験を必要とせずとも一定の結論は出たと考えている。α-ホウ素のMBar領域の高圧ラマン散乱測定実験は現在進行中であり、ほぼ結論が見えてきた。Si,Geクラスレートについては、今回の結果を受けて新たな関心が高まった。Ba_<24>Si_<100>のアナロジーで言えば、Ba_<24>Ge_<100>はやがて圧力上昇とともにTcが低下すると予想されるがその段階で構造的特徴が現れるのか、また、室温では約10 GPaから徐々にアモルファス化を起こすが低温でも同様のことが起こるのか、またそれが物性にどのように反映するのか、興味深い。これらは電気伝導測定と構造解析の圧力範囲の拡大で知ることができ、現在の実験技術でも達成可能である。B_<12>クラスター化合物については、α-ホウ素はあくまでも最も単純な物質の例として対象としたものであり、今後、B_<12>クラスター間にB,C,Oなどの元素を持つ物質(B_4CやB_6Oなど)へと展開することにより、B_<12>クラスター化合物の圧力応答と物性との関係の全体像が明らかになると考えている。