hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
降水中の化学成分の自動連続測定装置の実用化とその広域モニタリングシステムの開発

近年、我国の酸性雨の地域はむしろ拡大する傾向にある。この様な広域における酸性雨の発生源・機構を解明するには、まず全国的な観測網において降水中の化学成分を連続的・長期的にモニタリングしその実態を把握しなければならない。その為には、人の手を必要とせずに、降水中の化学成分を自動連続的に測定できる装置の実用化とその装置を利用した広域モニタリングシステムの開発が必要である。そこで、本研究では、(1)人手を必要とせずに降水を自動的に採取しその化学成分を連続的に測定する装置を実用化する事、(2)長期間の降水中の化学成分のモニタリングを通じて生じる技術的問題を解決する事、(3)パソコン通信等により広域モニタリングの集中管理を実用化する事等を研究目的とした。具体的には、降水中の化学成分(イオン種)を連続的にモニタリングする為に、降水の自動採取装置と化学イオン種を分析するイオンクロマトグラフとを組み合わせた自動連続測定装置の製作を検討した。イオンクロマト分析により、降水中の陰イオン(F,Cl,NO_2,SO_3^<2->,NO_3^-,PO_4^<3->,SO_4^<2->)と陽イオン(Na^+,K^+,NH_4^+,Mg^<2+>,Ca^<2+>)をそれぞれ約15分程度で分析する事が可能となった。降水自動採取装置と光フィバ-液面センサーにより1mm毎に降水を自動採取した試料をイオンクロマトグラフに注入し化学イオン種の分析を行うが、これら一連の操作・分析はすべてパーソナルコンピューターで制御し自動的かつ連続的に降水中の化学成分の測定が行えるシステムを平成6年度に実用化した。平成7年度は、実用化した自動連続測定装置を実際に、横浜市(慶應大学理工学部屋上)に設置し1年間に渡り装置のテストランを行った。このテストランを通じて、本装置の有用性が確認されたばかりではなく、降水による大気汚染物質の除去過程及び酸性雨の生成過程を解明する上で興味深い多くの観測データと知見が得られた。イオンクロマト分析により、降水中の陰イオン(F,Cl,NO_2,SO_3^2,NO_3,PO_4^3,SO_4^2)と陽イオン(Na^+,K^+,NH_4^+,Mg^<2+>,Ca^<2+>)をそれぞれ約15分程度で分析する事が可能となった。降水試料を連続的に自動分析するには、降水試料を降水採取装置から自動的にイオンクロマトグラフに注入する自動連続試料注入装置を製作する必要がある。

これには、市販の自動試料分取装置(オートサンプラー)と液体ポンプとを組み合わせて製作した。自動連続試料注入装置により、降水採取装置で採取した降水試料をイオンクロマトグラフに注入し化学イオン種の分析を行うが、これら一連の操作・分析はすべてパーソナルコンピューターで制御し自動的かつ連続的に降水中の化学成分の測定が行えるシステムを実用化した。近年、我国の酸性雨の地域はむしろ拡大する傾向にある。この様な広域における酸性雨の発生源・機構を解明するには、まず全国的な観測網において降水中の化学成分を連続的・長期的にモニタリングしその実態を把握しなければならない。その為には、人の手を必要とせずに、降水中の化学成分を自動連続的に測定できる装置の実用化とその装置を利用した広域モニタリングシステムの開発が必要である。そこで、本研究では、(1)人手を必要とせずに降水を自動的に採取しその化学成分を連続的に測定する装置を実用化する事、(2)長期間の降水中の化学成分のモニタリングを通じて生じる技術的問題を解決する事、(3)パソコン通信等により広域モニタリングの集中管理を実用化する事等を研究目的とした。具体的には降水中の化学成分(イオン種)を連続的にモニタリングする為に、降水の自動採取装置と化学イオン種を分析するイオンクロマトグラフとを組み合わせた自動連続測定装置の製作を検討した。イオンクロマト分析により、降水中の陰イオン(F,Cl,NO_2,SO_3^<2->,NO_3,PO_4^<3->,SO_4^<2->)と陽イオン(Na^+,K^+,NH_4^+,Mg^<2+>,Ca^<2+>)をそれぞれ約15分程度で分析する事が可能となった。降水自動採取装置と光ファイバー液面センサーにより1mm毎に降水を自動採取した試料をイオンクロマトグラフに注入し化学イオン種の分析を行うが、これら一連の操作・分析はすべてパーソナルコンピューターで制御し自動的かつ連続的に降水中の化学成分の測定が行えるシステムを平成6年度に実用化した。平成7年度は、実用化した自動連続測定装置を実際に、横浜市(慶応大学理工学部屋上)に設置し1年間に渡り装置のテストランを行った。このテストランを通じて、本装置の有用性が確認されたばかりではなく、降水による大気汚染物質の除去過程及び酸性雨の生成過程を解明する上で興味深い多くの観測データと知見が得られた。
自己免疫疾患やアレルギー疾患関連抗原のエピトープ特定システムの構築と医学応用

本研究のコンセプトは疾患に関連する遺伝子のアミノ酸配列をもとにペプチドチップを開発し、タンパク質の高次構造に秘められた医学情報を解読し病態解析に応用することにある。そこでオートスポットペプチド合成法によりカルパイン、フォドリン、カルパスタチンのB cellエピトープ検索を行い、その結果をもとに標的タンパクのプロテアーゼ切断部位特異抗体を作製した。それぞれの抗体は脳梗塞病巣、心筋梗塞病巣を特異的に染色する抗体であることが明らかになった。また自己免疫疾患患者血清を用いてクローニングした自己抗原CENP-A,Epiplakinのアミノ酸配列をもとに同様にエピトープ解析した結果、自己免疫疾患患者に特徴的なアミノ酸配列を見い出すことができた。これらの抗原エピトープペプチドは自己免疫疾患における自己抗体のスクリーング、診断に有用であることが明らかになった。次に本システムの微量化を試み従来法に比べ約5倍、2,000種類/膜以上のペプチドチップの作製に成功した。プローブには蛍光標識抗体を用い、測定にはマクロアレイ測定機を用いることで超微量定量化を実現した。また本システムを抗原ドットアッセイ法に応用し、タンパク抗原をニトロセルロース膜にスポットした抗原チップを作製してバセドウ病患者血清中の抗TSH自己抗体の検出を試みた。60nlから160nl/スポットが得られた事から使用抗原の微量化を実現した。バセドウ病患者6名中2名に抗TSH抗体が認められ、自己抗体はいずれもTSHβよりもTSHαサブユニットにのみ強い反応が認められた。本システムはD-アミノ酸やアミン酸誘導体を任意の部位に挿入したテトラペプチドライブラリー(16万種類)の作製に利用でき各種酵素阻害剤の開発など創薬分野に応用でき、現在さらに高速、高密度ペプチドチップ合成システムを構築中である。本研究は自己抗原やアレルギー抗原特異的エピトープペプチドを用いた診断キットを構築することを目的に、1)我々は始めにインターネットを介して自己抗原、アレルギー抗原について情報検索し独自のデーターベースを構築した。一つには関連文献に関するものと、もう一つはそれぞれのタンパク質抗原のアミノ酸配列と3次元立体構造に関するものである。さらにこのデーターベースを元に自己免疫疾患やアレルギーに関するエピトープペプチドの検索を行った結果、エピトープペプチドは十分明らかにされていないことが分かった。2)自己免疫疾患として慢性関節リウマチ患者血清中に見られるカルパスタチン自己抗体に着目し、その全アミノ酸配列をカバーする10残基オーバーラップペプチド384種類をセルロース膜上に化学合成し患者血清と反応させて、抗原エピトープの解析を試みた。その結果カルパスタチンの全アミノ酸配列のうちカルボキシ末端側に強く反応する症例があることを明らかにした。現在このエピトープペプチドをもとにマイクロプレートを用いた酵素免疫測定法による測定キット(ELISA)により、健常人、患者血清ならびに関節液の反応性を検討中である。3)次に水疱性類天疱瘡患者血清と反応するBP450抗原エピトープの解析を同様に行い、そのエピトープが分子量45万のうち一カ所であることを明らかにした。本エピトープ解析では水疱性類天疱瘡患者四例中一例が陽性を示し、他の三例はBP450抗原と反応せず、このエピトープペプチドを用いることによる水疱性類天疱瘡の詳細分類の可能性が示唆された。4)またアレルギー抗原としてスギ、ヒノキ抗原を例に同様に患者血清中のIgE抗体と反応する抗原エピトープ解析を行った。IgEは血清中に微量しか存在しないため、実験1、2の方法の改良が必要であった。そこで計画を一部変更して蛍光ELISA法を適用し、現在検討中である。本研究は自己抗原やアレルギー抗原

特異的エピトープペプチドを用いた診断キットを構築することを目的に、1)インターネットを介して自己抗原、アレルギー抗原、病原性ウイルス抗原についてデータベース検索し独自のテーターペースを構築した。このデータベースを元に自己免疫疾患、アレルギー、病原性ウイルス抗原に関するエピトープペプチドの検索を行った結果、エピトープペプチドは十分明らかにされていないことが分かった。そこで以下の抗原の全アミノ酸配列を対象にペプチド合成し患者血清を用いてエピトープの解析を行った。2)水庖性類天庖瘡患者血清と反応するBP450抗原エピトープの解析を行い、そのエピトープが分子量45万のうち一カ所であることを明らかにした。このエピトープペプチドを大量合成しマイクロプレートを用いた酵素免疫測定キット(ELISA)を試作した。水庖性類天庖瘡患者15例中一例が陽性を示し、このエピトープペプチドを用いることによる水庖性類天疱瘡の詳細分類の可能性が示唆された。現在、さらに他の類天庖瘡抗原230K、180Kについて本方法でエピトープを解析中である。3)肝炎ウイスル感染患者血清中に見られるHGVアンビセンス領域特異抗体に着目し、患者血清を用いてHGVアンビセンスペプチド抗原のエピトープの解析を試みた。その結果HGVアンビセンス領域の全アミノ酸配列のカルボキシ末端側に強く反応する領域があることを明らかにし、このエピトープペプチドをもとにマイクロプレートを用いた酵素免疫測定キット(ELISA)を開発した。同様にHBV,HCVアンビセンス領域が生体内で発現しているかどうかを本方法により検討中である。本研究は自己免疫疾患における自己抗原やアレルギー疾患におけるアレルギー抗原や病原菌抗原のエピトープ解析を行い、それぞれの合成エピトープペプチドを用いた診断キットを構築することを目的に、本年は自己免疫疾患として慢性関節リウマチの実験モデルとして広く用いられているコラーゲン誘導関節炎に着目し、タイプ2コラーゲンの全アミノ酸配列をカバーする10残基オーバーラップペプチドをセルロース膜上に化学合成し自己抗体と反応させて、抗原エピトープの解析を試みた。セルロース膜上に陽性を示したペプチドは常法により再合成し、精製後マイクロプレートに固相化した。その結果タイプ2コラーゲンのアミノ酸配列のうち4カ所のエピトープ領域があることを明らかにした。またこのエピトープ領域におけるプロリンをハイドロキシプロリンに置き換えても抗原性に変化はなかった。現在このエピトープペプチドをもとにマイクロプレートを用いたELISA測定キットにより、健常人、患者血清ならびに関節液の反応性を検討中である。次に強皮症患者血清と反応するセントロメアプロテインーA抗原エピトープの解析を同様に行い、そこエピトープが2カ所であることを明らかにした。本エピトープペプチドを用いたELISA測定キットによる解析では強皮症患者91例中73例がエピトープAとBペプチドいずれも陽性を示し、78例はエピトープAと反応し、79例はエピトープBと反応した。
アセチル化を介した栄養状態応答機構の解明

アセチル化を介したASK1の活性制御機構に着目し解析を行っており、今まではアセチル化を介してASK1のキナーゼ活性が上昇することを示唆するデータが、主に過剰発現系による実験の結果得られていた。しかし、より生理的な条件に近い内在性レベルでの実験を行なった結果、むしろASK1はアセチル化を受けることでキナーゼ活性の低下が引き起こされていることを示す実験結果が得られた。さらに、今までは定常状態における解析しか行うことができず、ASK1のアセチル化が具体的にどのような刺激の下で働いているかは明らかにできていなかった。しかし、今年度の解析から、酸化ストレス下においてASK1のアセチル化がキナーゼ活性の調節に寄与している可能性を示唆するデータが得られた。酸化ストレスは栄養状態が低下あるいは過剰になった時に生じることから、栄養状態の変化において酸化ストレスを通じてASK1のアセチル化が変化し、キナーゼ活性が調節されるというモデルが推測された。これまでの解析より、酸化ストレス化においてASK1は細胞死を誘導することが明らかになっていることから、ASK1のアセチル化を介したキナーゼ活性の調節機構が酸化ストレス依存的な細胞死に影響しているか検討を行なった。その結果、ASK1の脱アセチル化酵素の候補として考えているSirtuin 2を発現抑制した際にはカスパーゼ活性の低下が確認され、ASK1と同様の傾向を示すことが明らかになった。そこで、酸化ストレス下にはSirtuin 2-ASK1経路が働くことで細胞死が誘導されていると想定し、二分子が組み合わさってカスパーゼ活性が上昇しているか検討した。その結果、Sirtuin 2依存的な細胞死の促進が、ASK1の阻害剤処置によってキャンセルされた。この実験結果から、酸化ストレス依存的な細胞死においてSirtuin 2-ASK1経路の必要性が示唆された。特別研究員申請時にはASK1がアセチル化を受けることでキナーゼ活性が上昇することを想定して解析を行ってきたが、検討を重ねた結果むしろアセチル化を受けることでASK1のキナーゼ活性の低下が引き起こされている可能性が示唆された。そのため今まで想定していた研究の道筋を変更する必要に迫られた。しかし、今まで定常状態におけるASK1のキナーゼ活性への影響しか評価できていなかったが、今年度の解析によって、酸化ストレス下においてアセチル化を介したASK1の活性制御が行われていることが示唆された。このことにより、生理的または病理的な環境下におけるASK1のアセチル化を介した活性制御機構の意義に対してアプローチして行くことが期待できるようになった。さらにアセチル化サイトの同定に関しても、すでに質量分析系を用いた解析は終了しており、変異体を用いた解析からアセチル化サイトの候補の絞り込みは進んでいる。現在までにASK1のアセチル化サイトの完全な同定に至っていないのが最大の問題点であり、早急に解決しなければいけない点である。これまでの解析で用いてきた、汎アセチル化抗体を用いたアセチル化の検出系は頑強なものでなく、刺激依存的なASK1のアセチル化の変化やKR mutatntにおいてアセチル化の減弱が確認できていない。そこでこれらを解決するために部位特異的なアセチル化抗体を作製する予定である。キナーゼ活性や細胞死への影響から勘案した結果、ある一部位のアセチル化が重要でないかと推察されていることから、この箇所の特異的抗体を作製している。この抗体を用いてアセチル化の変化の検出に成功した場合には転移酵素の過剰発現や発現抑制を行なった際のアセチル化状態を確認する。さらにはASK1のアセチル化の病理的意義に迫るため、がん細胞などにおいてASK1のアセチル化の亢進が確認できないかなどの検討を行い、病態モデルに適応できないか検討をしていく。

この実験結果から、酸化ストレス依存的な細胞死においてSirtuin 2-ASK1経路の必要性が示唆された。特別研究員申請時にはASK1がアセチル化を受けることでキナーゼ活性が上昇することを想定して解析を行ってきたが、検討を重ねた結果むしろアセチル化を受けることでASK1のキナーゼ活性の低下が引き起こされている可能性が示唆された。そのため今まで想定していた研究の道筋を変更する必要に迫られた。しかし、今まで定常状態におけるASK1のキナーゼ活性への影響しか評価できていなかったが、今年度の解析によって、酸化ストレス下においてアセチル化を介したASK1の活性制御が行われていることが示唆された。このことにより、生理的または病理的な環境下におけるASK1のアセチル化を介した活性制御機構の意義に対してアプローチして行くことが期待できるようになった。さらにアセチル化サイトの同定に関しても、すでに質量分析系を用いた解析は終了しており、変異体を用いた解析からアセチル化サイトの候補の絞り込みは進んでいる。現在までにASK1のアセチル化サイトの完全な同定に至っていないのが最大の問題点であり、早急に解決しなければいけない点である。これまでの解析で用いてきた、汎アセチル化抗体を用いたアセチル化の検出系は頑強なものでなく、刺激依存的なASK1のアセチル化の変化やKR mutatntにおいてアセチル化の減弱が確認できていない。そこでこれらを解決するために部位特異的なアセチル化抗体を作製する予定である。キナーゼ活性や細胞死への影響から勘案した結果、ある一部位のアセチル化が重要でないかと推察されていることから、この箇所の特異的抗体を作製している。この抗体を用いてアセチル化の変化の検出に成功した場合には転移酵素の過剰発現や発現抑制を行なった際のアセチル化状態を確認する。さらにはASK1のアセチル化の病理的意義に迫るため、がん細胞などにおいてASK1のアセチル化の亢進が確認できないかなどの検討を行い、病態モデルに適応できないか検討をしていく。
2重蛍光ゼブラフィッシュを用いたHox遺伝子群の発現異常を示す変異体の単離

脊椎動物のからだには、肋骨や四肢などに代表されるように前後軸に沿った特徴的な形態がみられる。このような前後軸の位置による形態の違いは、発生過程において確立される特異性によってもたらされ、ショウジョウバエの遺伝学的解析を端尾とした研究から、Hox遺伝子群がこの過程において中心的な役割を果たすことが知られている。ショウジョウバエおよび脊椎動物におけるHox遺伝子群がこのようなパターンを形成し前後軸に沿ったアイデンティティーを決めていることはこれまでの多くの研究結果から支持されているが、脊椎動物の胚発生において、この秩序だった発現パターンがどのようにして形成されるのかに関しては殆ど分かっていない。本研究では、ゼブラフィッシュ胚を用いた突然変異体スクリーニングにより、Hox遺伝子の発現異常を示す変異体を単離することを第一の目標としている。エチレンニトロソウレアを用いて変異原処理した魚の第2代のファミリー魚(F2)を用いて、突然変異体スクリーニングを行った。その結果、これまでに初期発生において異常を呈する変異体を少なくとも13種類同定した。それらに対して、Hox遺伝子の発現パターンを含めて、その表現型の詳細な解析を行っている。また、さらに多くの変異体を単離するため、引き続いて変異体スクリーニングを行っている。本研究では、2つの蛍光タンパク質で、Hox遺伝子の発現パターンを可視化した組換えゼブラフィッシュを用いて、突然変異体スクリーニングにより、Hox遺伝子の発現異常を示す変異体を単離することを第一の目標としている。今年度は、研究計画に従って、ゼブラフィッシュのHox遺伝子座を含むBACを購入し、SW109大腸菌を利用し、2つのHox遺伝子の制御下に蛍光タンパク質をコードする2種類の遺伝子(EGFR tdTomato)をそれぞれ相同組み換えにより導入した。現在、改変したBACをゼブラフィッシュ胚に導入し、導入された魚をスクリーニングしている。その一方、遺伝子導入魚を作製する間に、野生型個体および所属する研究室にある脳領域をGFPで可視化された組換え魚に対して変異原処理を行った。これらに関しては雑種第2代(F2)が成魚に育ちつつあることから、まもなく変異体スクリーニングの段階に移行できると考えられる。また、Hox遺伝子の発現パタンを可視化した組換えゼブラフィッシュが得られた場合、遺伝子導入魚に対する変異原処理も引き続いて行う予定である。今年度は、昨年度において変異原処理した魚の第2代のファミリー魚(F2)を用いて、突然変異体スクリーニングを中心に行った。
横紋筋のサルコメアとＴ管を繋ぐ構造的ネットワークの解明

横紋筋は収縮単位であるサルコメアが規則正しく整った構造をしているが、サルコメアの外側の膜にもサルコメアに対応するような周期的構造が見られる。しかし、横紋筋の膜系とサルコメア収縮系の間の繋がりについてはほとんど明らかにされていない。本研究では、横紋筋サルコメアの弾性タンパク質コネクチン(収縮系)に結合が見られ、機能未知な150kDaタンパク質(150K)の筋細胞膜や筋小胞体膜との関係について解析を行うことで、横紋筋の膜系とサルコメア収縮系間の構造的ネットワークの解明を行うことを目的としている。昨年までの研究で、150Kの基本的な性質(一次構造・局在・結合タンパク質・スプライシングアイソフォーム・抗体作製・骨格筋初代培養細胞内での過剰発現時のサルコメア形成に与える影響など)について明らかにしてきた。本年は、ニワトリ骨格筋初代培養細胞を用いて150KのRNA干渉による抑制実験を行った。しかし、免疫蛍光顕微鏡観察ではサルコメアを構成する主要なタンパク質の局在への影響が見られなかった。骨格筋初代培養細胞は分化過程で他の細胞と融合するため、RNA干渉による抑制効果が打ち消されてしまうためだと考えられる。そこで、心臓研究を専門とする研究室に助教として異動し、マウス心筋の初代培養細胞を使った実験を開始した。心筋細胞における150Kの各種アイソフォームの過剰発現実験では、150Kの局在や細胞形態に様々な影響が観察された。現在、150KのRNA干渉による抑制実験を行うべく準備を進めており、実験結果を得しだい論文として発表する予定である。27年度が最終年度であるため、記入しない。横紋筋の膜系とサルコメア収縮系の間の繋がりについて、あまり明らかにされていない。本研究では、膜タンパク質(膜系)に結合が見られ、筋弾性蛋白質コネクチン(収縮系)に関連する、150kDaタンパク質(150K)及びその上流遺伝子から転写される75kDaタンパク質(75K)の解析を通して、膜系とサルコメア収縮系間のネットワークの解明を行うものである。本年度は、150Kと75Kの横紋筋内外での発現をRT-PCRで解析した。さらに、150Kと75Kに対する抗体を用いて、各組織における発現と横紋筋内における局在について調べた。また、骨格筋と心筋のcDNAライブラリーから酵母2-ハイブリット法により、75Kタンパク質に結合するタンパク質の探索を行い、いくつかの候補を得た。さらに、150Kと75K全長の融合タンパク質を哺乳類細胞で発現させ精製を行った。そして、精製したタンパク質を用いて150Kと75Kの化学架橋実験を行い、オリゴマー形成能を調べた。また、骨格筋細胞初代培養実験系の導入を行い、分化した骨格筋細胞中に150Kと75KのGFP融合タンパク質を発現させることで、サルコメア内における局在の観察を行った。これらの結果、ほとんど機能が明らかにされていない150Kと75Kの性質や横紋筋内での役割についての理解が進んだ。今後は筋細胞内での150Kと75Kの発現抑制実験を通して、150Kと75Kの機能を明らかにしていく予定である。横紋筋細胞は細胞膜や筋小胞体などの膜系とサルコメア収縮系から構成されているが、その間の繋がりに関してはあまり明らかになっていない。本研究は、サルコメアの弾性タンパク質コネクチンに結合する新規タンパク質を探索し、その機能や膜との繋がりについて解明を進めるものである。本年度は、新規タンパク質に対する抗体の再作製を行い、マウスの心筋および骨格筋の150kDaタンパク質に良く反応する抗体を得た。作製した抗体は、マウスの心筋ではZ線と介在板に局在が見られ、骨格筋ではA帯領域に局在が見られた。また、新規タンパク質の新たなスプライシングアイソフォームを同定した。これまでに同定したアイソフォームも含め、各々を骨格筋初代培養細胞の分化過程で過剰発現させた結果、2つのアイソフォームでは正常なサルコメアが形成されたのに対し、その他のアイソフォームではサルコメア形成に異常が見られた。現在、本タンパク質をRNAiによって抑制した際の骨格筋初代培養細胞の分化に与える影響について解析中である。また、新規タンパク質に隣接する遺伝子から転写される75kDaタンパク質は、単独で骨格筋初代培養細胞中で過剰発現させると細胞膜に局在するが、アクチンと同時に過剰発現させると、サルコメアにも局在が見られるようになった。従って75kDaタンパク質はアクチン関連タンパク質である可能性が考えられる。そこで現在、75kDaタンパク質過剰発現と抑制下でのアクチンおよび他のアクチン関連タンパク質に与える影響について解析を進めている。

昨年までの研究で、150Kの基本的な性質(一次構造・局在・結合タンパク質・スプライシングアイソフォーム・抗体作製・骨格筋初代培養細胞内での過剰発現時のサルコメア形成に与える影響など)について明らかにしてきた。本年は、ニワトリ骨格筋初代培養細胞を用いて150KのRNA干渉による抑制実験を行った。しかし、免疫蛍光顕微鏡観察ではサルコメアを構成する主要なタンパク質の局在への影響が見られなかった。骨格筋初代培養細胞は分化過程で他の細胞と融合するため、RNA干渉による抑制効果が打ち消されてしまうためだと考えられる。そこで、心臓研究を専門とする研究室に助教として異動し、マウス心筋の初代培養細胞を使った実験を開始した。心筋細胞における150Kの各種アイソフォームの過剰発現実験では、150Kの局在や細胞形態に様々な影響が観察された。現在、150KのRNA干渉による抑制実験を行うべく準備を進めており、実験結果を得しだい論文として発表する予定である。本研究に必要な実験技術の導入は完了しており、さらに解析を進めている機能不明の2つのタンパク質について、その機能が次第に明らかになってきたため。27年度が最終年度であるため、記入しない。本研究で解析を進めている2つのタンパク質をRNAiで抑制した際のサルコメアや膜の形成および他のタンパク質に与える影響を調べた上で、論文としてまとめる予定である。本研究を行うに当たって必要な技術の導入に時間がかかったため。本研究に当たって必要な技術や試料の準備がおおよそ整ったので、今後はそれらを使って解析を進めていく。
Hb^<pres>遺伝子ノックインマウスにおける酸素輸送効率

慢性呼吸不全状態では換気不全や肺機能不全により末梢組織は常に低酸素状態に置かれている。酸素はヘモグロビンに結合し運搬されるが、末梢における解離をより多くすれば、組織に供給される酸素量を増やすことができると考えられる。我々は、組織低酸素状態を改善させる方法として酸素親和性は弱いがアロステリック効果の強いPresbyterian型ヘモグロビンの応用が酸素の遊離、供給量の増大に有利ではないかと考えた。β-グロビン遺伝子に変異を有するPresbyterian型ヘモグロビン症は、4量体中心部に配位するβ108AsnがLysに変異することにより、ヘモグロビン中心渦へCl^-を囲い、脱酸素状態で安定化するため酸素解離が著明であり、酸素乖離曲線が右方移動している。共同研究者の白澤らは、このような特性をもつPresbyterian型変異をマウスβグロビン遺伝子に導入したノックインマウスを作製した。我々は白澤と共同でPresbyterian型変異マウスが呼吸生理学的に有利な点を明らかにした(Shirasawa et al,2003)。即ち、mutant miceは、酸素消費量、二酸化炭素排出量、組織酸素量の増大がみられたが換気量は減少していた。これは、mutant Hbが、換気亢進によってではなくHbの酸素解離によって末梢の酸素供給量を増大させたことを示している。更に、慢性的な末梢組織への酸素供給亢進は急性高炭酸ガス暴露、低酸素ガス暴露時の換気亢進の抑制を可能にすることが明らかになった(Izumizaki et al,2003)。このようなPresbyterian型変異マウスの組織呼吸に及ぼす機能獲得効果は、将来の呼吸不全治療や虚血性疾患の治療につながる可能性を示唆する。慢性呼吸不全は肺からの酸素供給が不十分で動脈血酸素分圧が下がり組織低酸素をきたす。長期在宅酸素療法は肺からの酸素供給を高め低酸素血症を改善しているが、より良く組織への酸素を供給するためにヘモグロビンのアロステリック効果に着目した。ヘモグロビンの酸素解離曲線が右方移動しているPresbyterian型変異をマウスβグロビン遺伝子に導入したノックインマウスを作製した。このPresbyterian型変異マウスの組織呼吸に及ぼす機能獲得効果を調べた。マウス用ボディープレチスモグラフにより高炭酸ガス下、低酸素下に調ける呼吸パラメーターと代謝量を測定し、野生型マウスと比較した。Pres型マウスと野生型マウスで酸素消費量、炭酸ガス排出量を比較したところ15%O_2の低酸素吸入下においてPres型マウスでは酸素消費量、炭酸ガス排出量とも野生型マウスに比べ高くなっていた。換気量に関しては両群に差はなく、Pres型マウスでは酸素利用効率が高まっていることが示された。但し10%O_2とさらに低酸素吸入下においては両者に差は認められなかった。このことはPres型マウスのヘモグロビンの酸素解離度は高くても結合も同時におちていることがうかがえる。21%O_2の空気吸入下においては15%O_2吸入下と同様、酸素消費量が高く、Pres型マウスでは普段の運動量も高いことが示された。なぜ運動量が高いかについては今後の研究が必要である。炭酸ガス応答に関してはPres型マウスで低く、血中の炭酸ガス分圧も正常より高く、アチドーシスになっていた。Pres型マウスではなぜ換気応答が低いのかは興味深いところであり、将来の低酸素症改善法に向けて解決しなければならない問題である。

酸素はヘモグロビンに結合し運搬されるが、末梢における解離をより多くすれば、組織に供給される酸素量を増やすことができると考えられる。我々は、組織低酸素状態を改善させる方法として酸素親和性は弱いがアロステリック効果の強いPresbyterian型ヘモグロビンの応用が酸素の遊離、供給量の増大に有利ではないかと考えた。β-グロビン遺伝子に変異を有するPresbyterian型ヘモグロビン症は、4量体中心部に配位するβ108AsnがLysに変異することにより、ヘモグロビン中心渦へCI^-を囲い、脱酸素状態で安定化するため酸素解離が著明であり、酸素乖離曲線が右方移動している。共同研究者の白澤らは、このような特性をもっPresbyterian型変異をマウスβグロビン遺伝子に導入したノックインマウスを作製した。我々は白澤と共同でPresbyterian型変異マウスが呼吸生理学的に有利な点を明らかにした(Shirasawa et al.,2003)。即ち、mutant miceは、酸素消費量、二酸化炭素排出量、組織酸素量の増大がみられたが換気量は減少していた。これは、mutant Hbが、換気亢進によってではなくHbの酸素解離によって末梢の酸素供給量を増大させたことを示している。更に、慢性的な末梢組織への酸素供給亢進は急性高炭酸ガス暴露、低酸素ガス暴露時の換気亢進の抑制を可能にすることが明らかになった(Izumizaki et al.,2003)。このようなPresbyterian型変異マウスの組織呼吸に及ぼす機能獲得効果は、将来の呼吸不全治療や虚血性疾患の治療につながる可能性を示唆する。
カリブ海型シガトキシンを認識するモノクローナル抗体を基盤とする微量検出法の開発

カリブ海型シガトキシン(C-CTX)は,米国大西洋やカリブ海域におけるシガテラ食中毒の主要原因毒素であり、これまでに知られている太平洋型シガトキシン(P-CTX)と比べて複雑な構造を有する。C-CTXの予防には,魚類からのC-CTXの微量検出法を確立することが必要であるが、そのためにはC-CTXを特異的に認識する抗体の作製が必須である。本研究では、低分子ハプテンを免疫することによるC-CTXを特異的に認識する抗体の作製およびこれを用いた微量検出法の開発を目的とする。本研究の成果は、近年地球規模で大きな脅威となりつつあるシガテラ食中毒の予防と撲滅に貢献する。
破骨細胞の分化・活性調節において、幼弱・成熟骨中の骨細胞が果たす役割に関する研究

破骨細胞の分化・活性調節において、幼弱・成熟骨中の骨細胞が果たす役割を解明するために、成熟緻密骨のリモデリング中に破骨細胞によって骨小腔から開放された後、破骨細胞に取り込まれる骨細胞と、骨芽細胞によってそのまま再び接合線(CL)上の骨基質中に埋入される骨細胞が存在することに着目し、これらの骨細胞におけるオステオポンチン(OPN)の局在を検索して、緻密骨リモデリング中に遭遇した骨細胞と破骨細胞のリアクションと、OPNとの関係を調べた。試料として、固定・脱灰後LRホワイトレジンに包埋した若齢ラット下顎臼歯固有歯槽骨を用い、水平断連続準超薄切片を作製した。奇数番号切片ではメチレンブルー・アズールII染色による組織学的検索を、偶数番号切片ではイムノゴールド増感法を用いたOPN局在の免疫組織化学的検索を行った。結果として、緻密骨リモデリング中に破骨細胞によって骨小腔から開放された後、破骨細胞に取り込まれる運命の骨細胞と、破骨細胞に取り込まれずにそのままCL上に再埋入される運命の骨細胞とでは、骨小腔におけるOPNの局在に差があることが明らかになった。これらの結果から、成熟緻密骨のリモデリングにおいて、骨細胞がOPNの分泌を介して破骨細胞による骨吸収の量と方向を調節している可能性が示唆された。OPNは局所的骨代謝回転調節因子の候補の一つとして注目されており、骨代謝回転中に遭遇した破骨細胞と骨細胞のリアクションと、OPNの局在との間に関連があることが示唆されたことは、破骨細胞の分化・活性調節において幼弱・成熟骨中の骨細胞が果たす役割を更に解明していく上での突破口になり得ると考えられる。破骨細胞の分化・活性調節において、幼弱・成熟骨中の骨細胞が果たす役割を解明するために、破骨細胞が骨基質を吸収する際に骨小腔から開放された骨細胞のうちの幾つかが破骨細胞によって貪食されることと、破骨細胞の核数が大きいほど細胞1個あたりの骨基質吸収量が増加するに着目し、まず幼弱骨において、破骨細胞による骨細胞貪食の頻度、および骨細胞を貪食する破骨細胞と貪食しない破骨細胞の細胞1個あたりの核数分布について検索した。試料として、モデリング中の幼弱ウサギ大腿骨骨幹部皮質骨の骨内膜部分の連続準超薄切片を用いた。観察した破骨細胞の32.7%を占めていた骨細胞を貪食する破骨細胞の核数の平均値は8.7、中央値は8、一方貪食しない破骨細胞の核数の平均恒は4.5、中央値は4で、骨細胞を貪食する破骨細胞の方が貪食しない破骨細胞よりも統計学的に有意に大きかった(p<0.01)。骨細胞を貪食しない破骨細胞には単核の細胞10.8%の頻度で観察されたが、骨細胞を貪食する破骨細胞には単核の細胞が観察されず、核数の最小値は2だった。骨細胞を貪食中の破骨細胞に、細胞融合像は観察されなかった。また、核数以外に、骨細胞を貪食する破骨細胞と貪食しない破骨細胞との間に形態学的な相違点は観察されなかった。これらの結果から、多核の破骨細胞はモデリング中の幼弱骨において骨細胞と遭遇した際にその骨細胞を貪食出来ることが明らかになり、核数の大きい破骨細胞の方が小さい破骨細胞よりも高い頻度で骨細胞を貪食する可能性が示唆された。しかし、破骨細胞が骨細胞を貪食する理由は未だ不明であり、破骨細胞と骨細胞が接触した際に破骨細胞に機能的変化が生じるのかどうかも不明である。更なる研究を遂行中である。
食品素材の品質変換操作

本研究では、食品素材の品質変換操作の科学的基盤を、食品としての望ましい機能の発現という新しい視点に立って確立する事を目的とし、物理的変換操作としてextrusion cooking,超臨界流体の利用、エマルション状態の利用をとりあげ、生化学的および生物工学的変換操作として酵素・微生物および植物培養細胞の利用を検討の対象とした。extrusion cookingについては、各種作物の加工特性の検討(國府田)とともに、加工による消化率・蛋白効率等の栄養機能の向上が明らかにされ(安本)、また、加工前の粉体脱脂・乾燥処理が加工後の多孔質構造だけでなく、澱粉糊化度や水分収着特性に影響を及ぼす事が示され(矢野)、多孔質構造制御を通した素材の機能性制御への展望を拓いた。超臨界二酸化炭素の利用については、原料の脱脂による清酒品質の向上、ゴマ油中の抗酸化剤含量の増大等の結果が示され(小林)、また、W/O/W型エマルション状態を利用した低乳脂肪クリームの調製法についても検討を行った(松本)。近年注目を集めているCyclic glucanや分岐Cyclodextrinへの糖質の変換については酵素による変換操作を適用すべく、その合成酵素を精製して諸性質を解析するとともに、変換産物が水難溶性の色素やビタミン・医薬品等の可溶化に大きな効果を有する事が示された(田口・檜作)。色素・呈味料としての利用や高血圧予防効果が期待される配糖体の変換についても検討し、微生物由来の変換酵素の解析とともに、ブドウ培養細胞による効率的な配糖体生産法を開発した(児玉)。蛋白質の機能変換において呈味性の鍵を握るグルタミナーゼおよび脂質への高度不飽和脂肪酸導入に利用可能なリパーゼについても検討を行い、それぞれの諸性質を明らかにして変換操作への道を拓いた。(栃倉・太田)。さらに、各種野菜汁液の機能改善を試み、乳酸菌接種による風味改善を伴った飲料ベースへの変換が可能である事を示した(高尾)。(栃倉・太田)。
ヒューマノイドブレインにおける体性感覚野と運動野の自己組織化に関する研究

行動体の認知・学習における、「身体性」の情報論的意味の解明、特に、人間の身体ダイナミクスが高次元感覚運動空間をどのように構造化しているか、そしてそれに呼応した認知・学習のメカニズムは何かを解明することを目指して、計画初年度である本年度は以下の研究を行った。1.感覚運動シミュレーションシステムの構築高速な動力学計算、複雑な身体の環境接触運動シミュレーション、身体表面に分布した触覚センサや姿勢センサのシミュレーション、外部の制御システムとの接続・連携動作、などの機能を統合した感覚運動シミュレーションシステムを開発した。2.実験用ロボット基本部の開発全身各部で環境接触動作を行い学習実験するための特殊な仕様の小型ヒューマノイドロボットの基本構造の設計と試作を行った。ダイナミックな動きが可能で環境からのフィードバックを受けやすい機構、環境への衝突によって破壊されにくい構造を特徴とする設計とした。3.感覚運動情報の時空間構造学習のための大規模ニューラルネットの構築と性能評価時々刻々と入力される感覚運動情報に内在する時空間構造を抽出・学習するための大規模ニューラルネットモデルを構築し、様々な高次元時系列データを用いて学習・認識実験を行い、複数パターンの学習能力、ノイズ耐性、パターン伸縮耐性等の基本的性能が十分であることを確認した。4.身体性に基づく行動パターンの自発学習実験上記3.をベースにした感覚運動学習機構を1.のシミュレーション環境に接続し、1自由度の単純な身体が任意姿勢で環境と接触しつつ運動する場合についての自発学習実験を行った。外部から移動距離等の評価関数を一切与えず、初期知識としての基本行動要素も一切与えないものとした。システムは、当初ランダムに運動する中で、身体性に起因した感覚運動パターンを抽出・学習し、自発的にそのパターンを強化し、いくつかの有意味な行動パターンが創発されることを確認した。
ディリクレのモザイクを用いた繊維強化複合材料のマイクロメカニックスに関する研究

本研究は,一方向連続繊維強化複合材料に対して,繊維軸に垂直な面内における繊維の偏在を考慮したマイクロメカニックスモデルを構築し,繊維の偏在が巨視的な力学特性に与える影響を明らかにすることを目的とする.今年度は,(1)繊維軸に垂直な面内における繊維の偏在分散状態をディレクリのモザイクで表し,各モザイク内での局所繊維含有率の分布密度関数を定めた.(2)材料内にき裂架橋繊維が存在する場合をモデル化し,局所繊維含有率の分布密度関数をき裂内で平均したものがき裂とき裂架橋領域の面積比に等しいとおくことによって,き裂架橋領域の含有率を定めた.(3)各領域を介在物に置き換え,これを等価介在物法を用いて解析することにより,き裂のエネルギ解放率を求めた.という点まで解析を行うことができた.しかしながら,複合材料の靱性を考える際に極めて重要な役割を果たすき裂架橋領域の含有率が,繊維の偏在を与える局所繊維含有率をき裂内で平均化したものであるという取扱いを行ったことと,き裂先端近傍における繊維の偏在状況を考慮していないということから,得られたき裂のエネルギ解放率はき裂回りの局所繊維含有率と同じ含有率の繊維を完全にランダムに含む複合材料のものとなり,繊維の偏在をうまくモデルに導入できなかった.これは,特に繊維の偏在が極めて大きい場合に顕著であり,繊維の偏在によって生じる相互作用場の影響を考慮していないためであると考えられるため,今後は,これを考慮したモデル化を行うべく努力する予定である.本研究は,一方向連続繊維強化複合材料に対して,繊維軸に垂直な面内における繊維の偏在を考慮したマイクロメカニックスモデルを構築し,繊維の偏在が巨視的な力学特性に与える影響を明らかにすることを目的とする.今年度は,(1)繊維軸に垂直な面内における繊維の偏在分散状態をディレクリのモザイクで表し,各モザイク内での局所繊維含有率の分布密度関数を定めた.(2)材料内にき裂架橋繊維が存在する場合をモデル化し,局所繊維含有率の分布密度関数をき裂内で平均したものがき裂とき裂架橋領域の面積比に等しいとおくことによって,き裂架橋領域の含有率を定めた.(3)各領域を介在物に置き換え,これを等価介在物法を用いて解析することにより,き裂のエネルギ解放率を求めた.という点まで解析を行うことができた.しかしながら,複合材料の靱性を考える際に極めて重要な役割を果たすき裂架橋領域の含有率が,繊維の偏在を与える局所繊維含有率をき裂内で平均化したものであるという取扱いを行ったことと,き裂先端近傍における繊維の偏在状況を考慮していないということから,得られたき裂のエネルギ解放率はき裂回りの局所繊維含有率と同じ含有率の繊維を完全にランダムに含む複合材料のものとなり,繊維の偏在をうまくモデルに導入できなかった.これは,特に繊維の偏在が極めて大きい場合に顕著であり,繊維の偏在によって生じる相互作用場の影響を考慮していないためであると考えられるため,今後は,これを考慮したモデル化を行うべく努力する予定である.
炎症性腸疾患モデルマウスにおけるmicroRNAの制御機構

炎症性腸疾患(IBD)患者および、IL-10 knock outマウス、デキストラン硫酸(DSS)誘導マウス腸炎モデルなどの様々なIBDモデルマウスの腸管粘膜においてmiR-21が高発現していることが報告されている。しかし、生体内でmiR-21が大腸炎の発症および慢性化にどのような役割を果たしているのかについて、未だ明らかにされていない。本研究ではIBDモデルマウスであるdominant negative TGF-βReceptor II (dnTGF-βRII)マウスを用いて、miR-21がin vivo, in vitroにおいてどのような役割を果たしているか検証する。初年度である平成30年度は、dnTGF-βRIIマウスおよびmiR-21 knock out (miR-21KO)マウスをアメリカ合衆国のThe Jackson laboratoryより購入(輸入)し、動物飼育センターでの飼育繁殖を開始した。マウス購入後は、genetic backgroundがB6;129SであるmiR-21KO mouseをdnTGF-bRIIマウスと同じC57BL/6(B6)へ置き換える為にback cross (The Jackson LaboratoryのSpeed Congenic Serviceを利用)を開始し、現在、N9まで到達している。今後、N10までback crossを進め、dnTGF-bRIIマウスとmiR-21KOマウスとの掛け合わせを開始する予定である。In vitroの実験では、dnTGF-βRIIマウスおよびB6マウスの脾臓および腸間膜リンパ節からCD4+T細胞を分離回収し、miR-21発現量およびmiR-21のtarget geneの一つであるProgrammed cell death 4 (PDCD4)発現量をRT-PCR法を用いて測定した。その結果、dnTGF-βRIIマウスのCD4+T細胞ではmiR-21が高発現していることが確認された。その一方で、dnTGF-βRIIマウスのCD4+T細胞ではPDCD4のmRNA発現量はB6マウスと比較してmRNAレベルでの発現量は低下していることを確認した。現在、PDCD4のタンパクレベルでの発現量の変化についてもwestern blotting法を用いて測定を実施している。本実験は、IBDモデルマウスにおいてmiR-21がどのような役割を果たしているかを検証する実験である。したがって、IBDモデルマウスであるdnTGF-βRIIマウスとmiR-21KOマウスを掛け合わすことにより、まずはmiR-21-/-dnTGF-βRIIマウスを作成する必要がある。dnTGF-βRIIマウスおよびmiR-21KOマウスは、The Jackson laboratoryより購入可能であるが、genetic back groundが異なるマウスである為、これらのマウスを掛け合わせる前にback crossして、同じgenetic back groundへ変換する必要がある。その為、初年度はback crossに約1年前後の時間を要すると予測された。現在、N9までback crossは進んでおり、概ね予定通り順調に作業は進展していると考える。マウスのback crossと並行して、in vitroの実験を開始し、RT-PCR法およびwestern blotting法のset upおよびpreliminary data測定を実施し、次年度以降にマウスの必要頭数が集まり次第、本実験を実施する予定である。B6へのback crossが完了後、dnTGF-βRIIマウスとmiR-21KOマウスを交配させてmiR-21-/-dnTGF-βRIIマウスを作成する。マウスは24週齢で屠殺し、血清、各臓器を採取し、各種assayへ用いる。採取した組織の一部で組織標本を作成し、炎症細胞浸潤の程度をスコア化する。次に、マウスから採取した脾臓と腸間膜リンパ節は、比重遠心法を用いて単核細胞を分離し、細胞表面マーカーで染色してT細胞活性化を評価する。また、CD4+T細胞とCD8+T細胞によるサイトカイン産生能を調べる為に、炎症性サイトカインをintracellular stainingにより評価する。CD4+/CD8+T細胞は、比重遠心法で回収された単核細胞を用いて、positive selectionによりCD4+/CD8+T細胞を回収する。腸管粘膜内の単核細胞の回収方法は、コラゲナーゼVを用いて腸管組織を消化分解することにより単核細胞を分離回収する。腸管組織内のサイトカインは、大腸粘膜をホモジナイズし、CBA Cytokine kitを用いて測定する。炎症とmiR-21の関連性については、miR-21発現量および各種サイトカインのmRNA発現量をRT-PCR法を用いて定量し解析する。次に、miR-21の標的遺伝子であるPDCD4は、RT-PCR法およびWestern blotting法を用いてPDCD4のmRNA発現量およびタンパク質量を測定する。また、miR-21が細胞増殖やアポトーシスに及ぼす影響について、CFSE Cell Proliferation assayおよびAnnexin V binding assayにより検証する。マウスの全身状態および生存率を評価するために、体重、生存率、各臓器の病理組織、腸管長、腸管重量を測定し、全身および腸管局所の炎症の程度を客観的に評価する。

本研究ではIBDモデルマウスであるdominant negative TGF-βReceptor II (dnTGF-βRII)マウスを用いて、miR-21がin vivo, in vitroにおいてどのような役割を果たしているか検証する。初年度である平成30年度は、dnTGF-βRIIマウスおよびmiR-21 knock out (miR-21KO)マウスをアメリカ合衆国のThe Jackson laboratoryより購入(輸入)し、動物飼育センターでの飼育繁殖を開始した。マウス購入後は、genetic backgroundがB6;129SであるmiR-21KO mouseをdnTGF-bRIIマウスと同じC57BL/6(B6)へ置き換える為にback cross (The Jackson LaboratoryのSpeed Congenic Serviceを利用)を開始し、現在、N9まで到達している。今後、N10までback crossを進め、dnTGF-bRIIマウスとmiR-21KOマウスとの掛け合わせを開始する予定である。In vitroの実験では、dnTGF-βRIIマウスおよびB6マウスの脾臓および腸間膜リンパ節からCD4+T細胞を分離回収し、miR-21発現量およびmiR-21のtarget geneの一つであるProgrammed cell death 4 (PDCD4)発現量をRT-PCR法を用いて測定した。その結果、dnTGF-βRIIマウスのCD4+T細胞ではmiR-21が高発現していることが確認された。その一方で、dnTGF-βRIIマウスのCD4+T細胞ではPDCD4のmRNA発現量はB6マウスと比較してmRNAレベルでの発現量は低下していることを確認した。現在、PDCD4のタンパクレベルでの発現量の変化についてもwestern blotting法を用いて測定を実施している。本実験は、IBDモデルマウスにおいてmiR-21がどのような役割を果たしているかを検証する実験である。したがって、IBDモデルマウスであるdnTGF-βRIIマウスとmiR-21KOマウスを掛け合わすことにより、まずはmiR-21-/-dnTGF-βRIIマウスを作成する必要がある。dnTGF-βRIIマウスおよびmiR-21KOマウスは、The Jackson laboratoryより購入可能であるが、genetic back groundが異なるマウスである為、これらのマウスを掛け合わせる前にback crossして、同じgenetic back groundへ変換する必要がある。その為、初年度はback crossに約1年前後の時間を要すると予測された。現在、N9までback crossは進んでおり、概ね予定通り順調に作業は進展していると考える。
放電プラズマ焼結による空隙傾斜材料作製法の確立とリン酸カルシウムへの応用

水酸カルシウムアパタイトは、生体親和性の高い材料として知れられており、人工骨の骨代替材料として注目されている。ここで水酸カルシウムアパタイトは、材料強度を生体骨に近づけること、より生体親和性を高めることの高機能化が必要であると考えた。本年度は1)放電プラズマ焼結法による水酸カルシウムアパタイト多孔体の作製、および2)水酸カルシウムアパタイト空隙傾斜材料の作製について検討した。1)放電プラズマ焼結法による水酸カルシウムアパタイト多孔体の作製としては、特定の径を持つアラミド繊維と水酸カルシウムアパタイトを混合し多孔体の作製を行った。具体的には、10μmφのアラミド繊維を混合した水酸カルシウムアパタイトの成形体を、400度、10min間、30MPa、真空中で放電プラズマ焼結し、多孔体を得た。得られた多孔体は、直径10μmの空隙で連通孔を持つ多孔体であった。2)水酸カルシウムアパタイト空隙傾斜材料の作製としては、仮焼条件の異なる粒子を積層させて放電プラズマ焼結することにより、強度と細胞の活動場を目的に応じてデザインすることが可能な空隙傾斜材料の作製を検討した。具体的には、まず900度1時間と1000度6時間で仮焼した粒子を準備し、これらの粉末を積層した10mmφの水酸カルシウムアパタイトの成形体を、800度、30MPa、10分間、真空中で放電プラズマ焼結することにより、空隙径の異なる焼結体を得た。以上より、より生体親和性の高い、また材料強度の高い人工骨の作製が可能になったと考える。リン酸カルシウムでの放電プラズマ焼結(SPS)法の焼結機構の解明がされていないこと、空隙をうまく利用して、SPS法の焼結を制御することに着目した研究が少ないことから、本研究では、SPSの焼結機構を解明し、そこで得られた結果を基にリン酸カルシウムの高機能な骨充填剤を作製することを目指した。具体的には、未解明であるSPS法の焼結機構を、塑性流動の観点から、次に、プラズマが発生するとされる空隙の観点から検討し、骨欠損部分への骨充填材料である臨床応用に優れた水酸アパタイトやβ-リン酸三カルシウムの多孔体および空隙傾斜材料を作製することを目的とする。1.塑性流動に着目したSPSの焼結機構解明では、焼結体の相対密度および空隙の形状に寄与する加圧について考えるために、水酸アパタイトやβ-リン酸三カルシウムといったリン酸カルシウムを、種々の条件でSPSし、その時の等温収縮曲線、および焼結体の微細構造の検討から、SPS法における塑性流動の効果について検討した。2.空隙に着目したSPSの焼結機構解明では、SPS法における空隙の影響を調べるために、まず成形体の空隙状態を変化させることを考え、水酸アパタイトの出発粉末を種々の条件で水熱処理し、粒子径、凝集性を変化させ、空隙径を変化させた。また、水酸アパタイトの出発粉末を種々の条件で仮焼し、異なる粒径を持つ粉末を作製した。これらの粉末を用いて一次成型体を作製し、それを用いてSPSすることにより、今後、空隙の影響を明らかにする予定である。
ナノ空間を有するナトリウムドープ炭素材料の液中プラズマ合成と海水電池への適用

本研究では,液中プラズマプロセスを用いた海水電池のアノード材料合成技術の開発を行う。海水電池は海水中のナトリウムイオンを媒体として充放電が可能な二次電池である。有機溶媒中で形成した液中プラズマにより,構造中に多数のナノ空間を有する炭素材料の合成と高密度ナトリウムドープを単一プロセスで実現する。従来材料よりも高いナトリウム密度とナノ空間の存在により,高いナトリウム貯蔵能力と安定性を達成する。海水を用いての放電過程ではカソードで生成される次亜塩素酸により海水の殺菌・浄化が可能である。よって,商用船舶に搭載する二次電池として用いることで,バラスト水による環境汚染問題の解決が期待される。