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遷移金属酸化物を用いたトポロジカル絶縁体のバンドエンジニアリング

トポロジカル物質は近年多くの注目を集めており、物性物理の広範囲の分野で研究が発展している。本研究では、ペロブスカイト型酸化物の構造の自由度に注目し、強誘電酸化物を用いたトポロジカル絶縁体の第一原理物質設計を行った。その結果、強誘電歪みは結晶構造の反転対称性を破るため、スピン軌道相互作用に起因してバンドは分裂し、スピンバレー結合という特殊なスピン分極をもつことがわかった。さらに強誘電歪みを増加させるとバンド反転が起こり、トポロジカル相転移が見られた。また、強誘電体の熱電物性や磁性など様々な物性を調べることにより、強誘電体特有の興味深い物理を解明した。本研究では、新奇トポロジカル絶縁体のマテリアルデザインを目標に、遷移金属酸化物の電子状態計算を行っている。H26年度は、研究計画として予定していた熱電物質に関する課題、および、強誘電界面に関する課題を推進した。現在トポロジカル絶縁体として知られている物質には、Bi2Se3, Bi2Te3などの高効率熱電変換材料が多い。これらの物質は、熱輸送を抑える重い原子で構成されており、狭いエネルギーギャップをもつため、トポロジカル絶縁体に必要なバンド反転を生じる上で有利である。そこで、新しい熱電物質候補として期待されている酸化物、デラフォサイト型酸化物CuAlO2に着目し、原子置換を用いてトポロジカル絶縁体としての可能性を探った。しかし、CuAlO2の遷移金属サイトを重い元素に置き換えたAuInO3などで電子状態計算を行った結果、Γ点・M点でのバンド反転を生じることはなかった。原因は、デラフォサイト構造特有のO-Cu(Au)-Oダンベル構造がサイト間の混成を抑制し、バンド反転を妨げることにあった。今回の研究では新奇トポロジカル絶縁体の予測はできなかったが、その副産物として、酸化物における熱電性能の高効率化に成功した。ペロブスカイト構造をもつSrTiO3は高いゼーベック係数をもつことが最近知られているが、今回、電子ドープした強誘電BaTiO3でワニエ関数およびボルツマン輸送方程式を用いてゼーベック係数を計算し、SrTiO3よりも高いゼーベック係数を理論予測した。強誘電界面の課題については、イタリアの理論グループと綿密な共同研究を行い、ある特定の酸化物を組み合わせたヘテロ界面でトポロジカル相およびスピン・バレー結合を示すことを明らかにした。さらに、ワニエ関数を用いたBerry曲率の計算によりトポロジカル絶縁体特性の評価を可能にした。以上2点において、関連物質の電子状態計算法に習熟し、次年度の成果が期待できる研究発展が得られた。本研究では、遷移金属酸化物を中心とした新奇トポロジカル絶縁体のマテリアルデザインを目標とした電子状態計算を行っている。H27年度は、当初の研究計画として予定されていた酸化物ヘテロ界面のトポロジカル相について研究を続行した。LiNbO3のようなペロブスカイト型強誘電酸化物のBサイトを非磁性5d遷移金属元素で置換すると、強いスピン軌道相互作用によってバンド構造に大きなスピン分裂が生じる。様々な元素で置換し電子状態の変化を調べたところ、BiIrO3が大きな強誘電分極を示し、価電子帯頂点で巨大なスピン分裂を生じることが明らかになった。この効果は、通常の「表面Rashba効果」とは異なる「バルクRashba効果」特有の性質をもち、強誘電分極と相関して運動量空間のスピンテキスチャが変化するという興味深い物性を示す。さらに、二層構造をもつ[111]積層BiIrO3を強誘電体BiAlO3で上下に挟んだBiIrO3/BiAlO3ヘテロ構造を理論設計したところ、価電子帯バンドの頂上で巨大なスピン分裂が見られ、強いスピンバレー結合を示すことが明らかになった。このスピン分極は結晶の強誘電構造を変化させることで符号を反転することが可能であり、電気分極・スピン分極・バレーの3つの自由度が交差相関する複合秩序を示すことが明らかとなった。さらに、ペロブスカイトの構造歪みがバレーとスピン分裂の結合に及ぼす影響について、強束縛模型を用いた考察を行った。グラフェン・シリセンなどの参照物質と電子状態を比較し、K点でのスピン分極の微視的起源について議論したH26-H28年度にわたって、スピン軌道相互作用・原子間混成効果・磁気秩序・強誘電性など複数の異なるメカニズムを介した特異なトポロジカル絶縁体の開発をめざしている。H26年度は、熱電物質に関する課題を達成し、強誘電体BaTiO3が高い熱電効率を示すことを明らかにした。H27年度は、強誘電界面に関する課題に集中し、順調に研究を進展させた。当初トポロジカル絶縁体の発現を目指して設計したBiIrO3/BiAlO3ヘテロ構造では、上記のようにスピンバレー結合という非常に興味深い現象が見られ、これまで報告のなかった強誘電酸化物におけるスピンバレー結合を初めて議論した。この成果は物理の分野で権威のあるPhysical ReviewLetters誌に掲載され、Editor's Suggestionに選ばれた[Phys. Rev. Lett. 115,037602/1-5 (2015)]。この研究の大きな成果は、ヘテロ構造の強誘電歪みを制御することによってK点でのスピン分極を反転することを示したことであり、将来的なスピントロニクス応用へと繋がる可能性が注目された。

また本研究の枠組みで、共同研究者であるPaolo Barone博士(イタリア国立研究所)による強束縛模型の計算によって、スピン分極の微視的機構を調べ、グラフェン・シリセン・MoS2など代表的なバレートロニクス物質と電子状態を比較することで酸化物ヘテロ構造の特異性、および、強誘電とスピン・バレーの相関を明らかにした。また、研究開始時の研究計画に挙げたトポロジカル不変量の計算手法開発においても進展があった。Soluyanov-Vanderbiltによって提案されたhybrid Wannier centerを用いる手法[A. A. Soluyanov and D. Vanderbilt, Phys. Rev. B 83, 235401 (2011)]を電子状態計算に適用し、幾つかの物質でトポロイジカル不変量Z2数を計算することが可能となった。これにより、今後のトポロジカル物質に関する研究の進展が見込まれる。新奇トポロジカル絶縁体の物質設計を目標とした遷移金属酸化物の電子状態計算を行った。昨年度に継続してH28年度は酸化物ヘテロ界面のトポロジカル相についての研究を推進した。以前の研究では二層構造をもつ[111]積層BiIrO3を強誘電体BiAlO3で上下に挟んだBiIrO3/BiAlO3ヘテロ構造を理論設計し、強いスピンバレー結合を示すことを明らかにした。今回は同様にBiAuO3/BiAlO3ヘテロ構造を理論設計し、強いスピンバレー結合(スピンとバレーの二つの自由度の結合)及びトポロジカル相を示すことを明らかにした。このようなトポロジカル相はハニカム構造をもつグラフェン類似物質でよくみられる2次元Z2トポロジカル絶縁相であり、BiAuO3のAu-eg軌道がバンド反転を起こすことがその起源である。一方で、BiAlO3は強誘電体であり、その強誘電歪みが加わることでAu-eg軌道のつくる価電子バンドにスピン軌道結合がみられる。結晶構造を変化させ強誘電歪みを増減した計算を行ったところ、強誘電ひずみがある程度大きくなったところでトポロジカル絶縁相が破れ、トリヴィアル絶縁相に相転移することが分かった。これは、強誘電歪みによって、Au-eg軌道のバンドがスピン分裂した結果、エネルギーギャップが一度閉じることによってバンド反転が引き起こされるためである。今回、空間反転が破れた系でトポロジカル不変量Z2を計算するため、ハイブリッドワニエ関数による新手法を用いた。また、ベリー曲率を計算することにより、光学励起についても議論を行った。その結果、スピンバレー結合とトポロジカル物質を同時に示す興味深い新物質の設計に成功した。トポロジカル物質は近年多くの注目を集めており、物性物理の広範囲の分野で研究が発展している。本研究では、ペロブスカイト型酸化物の構造の自由度に注目し、強誘電酸化物を用いたトポロジカル絶縁体の第一原理物質設計を行った。その結果、強誘電歪みは結晶構造の反転対称性を破るため、スピン軌道相互作用に起因してバンドは分裂し、スピンバレー結合という特殊なスピン分極をもつことがわかった。さらに強誘電歪みを増加させるとバンド反転が起こり、トポロジカル相転移が見られた。また、強誘電体の熱電物性や磁性など様々な物性を調べることにより、強誘電体特有の興味深い物理を解明した。H26-H28年度にわたって、スピン軌道相互作用・原子間混成効果・磁気秩序・強誘電性など複数の異なるメカニズムを介した特異なトポロジカル絶縁体の開発をめざしている。
肥大心における機械的収縮、電気的興奮のフィードバック機構の不整脈発生に対する関与-Stretch activated channel の関与と自律神経が与える影響について-

我々は、左室に対する容量・圧負荷を減少させる血液透析およびバルサルバ法の前後、QT間隔を延長させるdysopyramide静注の前後において、電気的収縮時間の指標としてのQT間隔および機械的収縮時間の指標としての駆出時間の変化について検討した。心機能の良好な例に対して血液透析の前後で比較すると、駆出時間は有意に短縮したが、QT間隔は延長傾向であった。Disopyramide静注前後では、QT間隔は有意に延長したが、駆出時間は短縮傾向であった。心機能良好例例と心機能低下例例に対して、バルサルバ法を行った。バルサルバ法により、駆出時間はいずれの群においても有意に短縮した。QT間隔は心機能良好例では延長したが、心機能低下例では短縮が認められた。ゆえに心機能良好例では、電気的収縮時間の指標であるQT間隔と機械的収縮時間の指標である駆出時間は、圧・容量負荷の軽減に対してmechanoelectrical feedback機構により逆方向に変化するが、心機能低下例では通常のfeedback機序から逸脱する例もあると考えられた。本研究にて,左室に対する容量・圧負荷を減少させる血液透析およびバルサルバ法の前後、QT間隔を延長させるdysopyramide静注の前後において、電気的収縮時間の指標としてのQT間隔および機械的収縮時間の指標としての駆出時間の変化について検討した。心機能の良好な21例に対して血液透析の前後で比較すると、駆出時間は有意に短縮したが、QT間隔は延長傾向であった。心機能良好例19例と心機能低下例12例に対して、バルサルバ法を行った。QT間隔は心機能良好例では延長したが、心機能低下例では12例のうち6例で短縮が認められた。以上より、心機能良好例では、電気的収縮時間の指標であるQT間隔と機械的収縮時間の指標である駆出時間は、圧・容量負荷の軽減に対してmechanoelectrical feedback機構により逆方向に変化するが、心機能低下例では、通常のfeedback機序から逸脱する例もあると考えられた。ゆえに心機能良好例では、電気的収縮時間の指標であるQT間隔と機械的収縮時間の指標である駆出時間は、圧・容量負荷の軽減に対してmechanoelectrical feedback機構により逆方向に変化するが、心機能低下では、通常のfeedback機序から逸脱する例もあると考えられた。
医薬小分子のアフィニティによる結合タンパク質の決定

医薬活性小分子の生体内標的タンパク質を特定するための新規方法論の開発を主要研究課題とした。一年目と二年目では、抗腫瘍薬カンプトテシン,エトポシド(リガンド)の結合タンパク質(受容体)を決定することを目的として研究した。医薬小分子と結合タンパク質との結合能(アフィニティー)に着目し,容易に増幅可能なDNAを利用して結合タンパク質を決定するファージディスプレイ法を改良し,リガンド-タンパク間の親和性の高いファージを選択的に得た。このcDNA配列を解析することで,その領域を含む遺伝子をゲノムデーベースから特定することを試みた結果、カンプトテシンの二化合物からはオーファン受容体GPCRの一種でプロスタグランディン受容体のEP1を、エトポシドからは細胞周期に関わる転写因子E2Fの配列が予測された。発現タンパク質との結合をSPRで解析し,結合タンパク質であることを決定した。三年目では、(1)タンパク質のアフィニティ精製に適した有機合成用樹脂を探索するため、非特異的な結合を排除したアフィニティクロマトクラフィー法を開発することにより、受容体のFKBP12を濃縮できることを示すとともに、(2)固体表面に自己組織単分子膜を形成さたファージディスプレイ法とQCM法を組み合わせたQCM-PD法を考案した。その結果、わずか10分間の操作で65%の高効率で受容体遺伝子FKBP12を選抜することに成功した。これらの結果は,細胞などを使ったこれまでの研究からは見出すことの出来なかったものであり,ゲノム解析による成果の一端であるとともに、医薬をはじめとする小分子受容体・結合タンパク質決定研究への普遍的な応用が期待される。抗腫瘍薬カンプトテシン,エトポシドの結合タンパク質を決定することを目的として研究した。医薬小分子と結合タンパク質との結合能(アフィニティー)に着目し,容易に増幅可能なDNAを利用して結合タンパク質を決定するファージディスプレイ法を改良した。この方法で,リガンドとなるカンプトテシン,エトポシドをビオチン化後アビジンプレートに固定し,作成したペプチドライブラリを流してリガンド-タンパク間の親和性の高いものを選択的に得た。ここで得られたファージは,医薬小分子と特異的に結合するタンパク質のヒトcDNAをもつ可能性の高いファージになる。このcDNA配列を解析することで,その領域を含む遺伝子をゲノムデーベースから特定することを試みた。カンプトテシンの二化合物から,オーファン受容体GPCRの一種でプロスタグランディン受容体のEP1の構造のうち,細胞内第3ループが結合部位と予測された。第13ループペプチドを作成し,カンプトテシンとの各々の結合力をSPRおよびQCMで測定し,第3ループが結合部位と決定した。誘導体エトポシドでは、細胞周期に関わる転写因子E2Fの配列が予測された。されにレポーター遺伝子を使った細胞実験で,E2Fがエトポシドの受容体であることを証明した。これらの結果は,細胞などを使ったこれまでの研究からは見出すことの出来なかったものであり,ゲノム解析による成果の一端であると評価される。受容体あるいは結合タンパク質など、インビボでの医薬標的分子を決定するためには、最適な細胞株を選択して培養し、決定しなければならない。それは受容体を標的に設計・探索した場合でも、真の選択性を立証するためには絶対欠かせない要件であるが、多くの困難が伴うことはほとんどの研究者が経験してきたことである。ファージディスプレイは、リガンド(医薬候補化合物)に結合するペプチドをファージの外殻コートタンパク質に提示させ、そのアミノ酸配列をDNA配列から読み取る方法であり、標的分子をインビトロで決定できる可能性を持っている。本研究では、抗癌剤カンプトテシンを有機化学反応でビオチン誘導体とし、T7ファージに提示された結合アミノ酸配列を解析した。

その結果、NSSQSARRを結合配列として得ることに成功し、表面プラズモン共鳴(SPR)およびクオーツマイクロバランス振動法(QCM)で結合定数(KD)0.1micro Mを得た。この配列は、プロスタグランディンE2(PGE2)の7回膜貫通型G-タンパク質受容体EP1の細胞内第3ループ(228A-294E)と相同性を示した。そこで、大腸菌に組替えて発現したドメイン(228A-294E)と、カンプトテシンの結合定数(KD)を解析し、0.01micro Mを得た。これまで言われてきたカンプトテシンによるDNA topoisomerase Iの阻害濃度は1mili M程度なので、ここにカンプトテシンの新たな受容体を決定することに成功した。このように、小分子リガンドを使用するT7ファージディスプレイ法には、これらの結果から結合アミノ酸配列を決定する方法として十分な可能性を示しているが、さらに信頼性の向上と偽陽性の排除が求められる。医薬活性小分子の生体内標的タンパク質の特定のための新規方法論の開発を主要研究課題とした。本年度は、(1)PEGSを小分子の固定化樹脂とすることにより、非特異的な結合を排除したアフィニティクロマトクラフィー法を開発し、培養細胞からSLF結合タンパク質FKBP12を、(2)ファージディスプレイ法とQCM法を組み合わせたQCM-PD法を考案することにより、極めて短時間にFKBP12遺伝子を選抜することに成功した。(1)タンパク質のアフィニティ精製に適した有機合成用樹脂を探索するため、SLFを樹脂に固定化させてFKBP12との結合実験を行った。SLF (Synthetic Ligand of FKBP)は、免疫抑制剤のFK506結合タンパク質FKBPと強く相互作用するよう分子設計された化合物である。SLF-固定化樹脂とFKBP12との結合実験では、FKBP12はSLF固定化PEGA樹脂にのみしっかりと吸着することが示された。4mgのSLF固定化PEGAを用い、ヒト白血病Tリンパ腫由来の細胞抽出液からFKBP12を濃縮できることも示された。(2)SLFプローブを固体表面に種々の分子を高密度・高配向に集積させ、自己組織単分子膜を形成した。比較のためビオチン化SLFを合成し、アビジン固定化金薄膜に固定したものを用意した。終濃度10^7のファージライブラリーを注入したところ、SLF-Biotinからは約20Hz、SLF-SAMからは約90Hzの振動数の減少が検出された。PCRで得られたcDNAペプチド配列に翻訳した結果、SLF-SAMでは、無作為に抽出した48個のファージのうちFKBPを提示しているファージが38%に検出された。一方SLF-Biotinでは、FKBPを提示しているファージは検出されなかった。1 roundわずか10分間の相互作用で検出されたことから、迅速かつ高精度なスクリーニングを達成したと言える。その大きな理由としては、金電極上のSLF-SAMの固定化効率がSLF-Biotinに比べ大幅に上昇したためと考えられる。
食事性フラボノイド配糖体の体内代謝物による内因性生体防御機構の活性化

タマネギ由来ケルセチン-4 ́-グルコシド(Q4 ́G)の腸内細菌叢による異化で生成する代謝物群に着目し、これらの生体防御活性化機構を明らかにすることで、腸内細菌叢による代謝の生理的意義を明確にした。具体的には、主要なQ4 ́G体内代謝物(DOPAC)は遺伝子発現を介して解毒機能を亢進すること、DOPACと他の代謝物の組合せがより生理活性を高めることを明らかにした。また、DOPACプローブとclick chemistryにより、細胞内で生成したDOPAC修飾タンパク質のタグ化に成功し、DOPACの分子標的として、薬物代謝酵素遺伝子発現に関わるKeap1と芳香族炭化水素受容体(AhR)を同定した。本研究では、摂取頻度の高いタマネギ由来ケルセチン-4 ́-グルコシド(Q4 ́G)の腸内細菌叢による異化で生成する代謝物群に着目し、これらの内因性生体防御活性化作用とその標的分子を明らかにするとともに、フォワードケミカルジェネティクス的手法により、腸内細菌叢によるフラボノイド異化反応の生理的意義を明らかにしようとした。本年度の成果を以下に示す。1)Q4 ́G体内代謝物であるフェノール酸異化物の生理活性の評価を行い、各代謝物の第2相薬物代謝酵素遺伝子の発現誘導作用を明らかにした。なかでもcatechol構造を持つ3,4-dihydroxyphenylacetic acid(DOPAC)に最も強力な活性を見出し、生理活性において主要な役割を果たす代謝物として同定した。発現誘導の分子機構についても検討し、転写因子Nrf2及びAhRの核内移行を観察した。2)各種ポリフェノールの求電子性評価を行い、catechol構造を有する化合物にのみ、phenol oxidaseを介した生物変換により求電子性を示すことを明らかにした。また、高用量の皮膚への塗布により生物変換依存的に炎症増強作用を示すことも証明した。3)catechol構造を持つ抗酸化性ポリフェノールとして著名な茶カテキンや同様の作用を有するアスコルビン酸の活性酸素生成作用と細胞増殖抑制作用を調査し、光増感剤による抗がん作用を相乗的に増強する可能性を培養細胞系にて明らかにした。4)DOPACプローブの大量調製と有効性の確認を完了した。1)Q4 ́G体内代謝物であるフェノール酸異化物の生理活性の評価を行った。Q4 ́G体内代謝物を24時間処理した細胞は過酸化水素誘導細胞死に対して抵抗性を示す一方で、Q4 ́G体内代謝物を30分処理した細胞では効果が認められなかったことから、Q4 ́G体内代謝物は遺伝子発現を介して内因性抗酸化機能を亢進する可能性が示唆された。2)DOPACとの相互作用が証明されているglyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase(GAPDH)をモデルタンパク質として、in vitroでの求電子反応による修飾作用を評価し、GAPDH-DOPAC付加体をclick chemistryによるbiotin標識により検出に成功した。3)catechol構造を持つ抗酸化性ポリフェノールとして著名な茶カテキンによる細胞増殖抑制作用を調査し、過酸化水素依存的経路だけでなく、過酸化水素非依存的経路の存在を指摘し、求電子反応性の寄与を示唆した。4)求電子性化合物の持つ普遍的な生理機能の評価を行い、a)カルシウムイオノフォア誘導MAPキナーゼ経路活性化及びサイトカイン発現の調節作用、b) p53変異大腸がん細胞特異的な増殖抑制作用、c)求電子性によるグルタチオン消費作用と皮膚炎症増強作用、などを明らかにした。2)DOPACプローブであるDOPACpropargyl ester (DPE)の培養細胞系での有用性を評価し、Hepa1c1c7細胞へのDPEの処理により、様々な分子量の修飾タンパク質が生成することを確認した。さらに、DPEとDOPACの共処理によりDPE修飾タンパク質の生成が抑制されたことから、本プローブがDOPAC標的タンパク質の探索に有用であることが示唆された。3)DOPACがNQO1やHO-1などの第2相薬物代謝酵素だけでなく、CYP1A1をはじめとする第1相薬物代謝酵素の遺伝子発現を誘導することから、それぞれの転写制御に関わる因子であるKeap1とAryl hydrocarbon receptor (AhR)への影響を検討した結果、DPEとclick chemistryによるbiotin標識とpulldown assayにより、両分子がDOPACにより共有結合修飾を受けることを証明した。4)生理的求電子性物質である次亜ハロゲン酸のDNA修飾作用をタウリンやマッシュルーム由来エルゴチオネインなどのアミノ酸類により化学的に調節できることを明らかにした。

タマネギ由来ケルセチン-4 ́-グルコシド(Q4 ́G)の腸内細菌叢による異化で生成する代謝物群に着目し、これらの生体防御活性化機構を明らかにすることで、腸内細菌叢による代謝の生理的意義を明確にした。具体的には、主要なQ4 ́G体内代謝物(DOPAC)は遺伝子発現を介して解毒機能を亢進すること、DOPACと他の代謝物の組合せがより生理活性を高めることを明らかにした。また、DOPACプローブとclick chemistryにより、細胞内で生成したDOPAC修飾タンパク質のタグ化に成功し、DOPACの分子標的として、薬物代謝酵素遺伝子発現に関わるKeap1と芳香族炭化水素受容体(AhR)を同定した。平成26年度の交付申請書に記載した計画のうち、1)Q4 ́G体内代謝物の生理活性として、内因性抗酸化機能の亢進を明らかにした、2)DOPACのタンパク質修飾作用についてはモデルタンパク質との付加体形成とその検出に成功した、3)求電子性物質に普遍的で特徴的な生理活性を明らかにした、などの成果を得ている。27年度が最終年度であるため、記入しない。農学DOPACのタンパク質修飾作用について、モデルタンパク質を用いた分子機構の解明だけではなく、生体内環境での修飾作用を明らかにするために、標的分子の同定を考慮した研究を推進する必要がある。そのため、表現系に関連した酵素群を想定した実験系の構築により、標的分子の絞り込みを行う予定である。そこで、次年度は、薬物代謝酵素と共通の誘導機構を有することが明らかになりつつあるアルコール代謝酵素(aldehyde dehydrogenase)の誘導作用を明らかにする。解明された生理活性については、想定されるシグナル伝達を下流から上流に遡って解析する。平成25年度の交付申請書に記載した計画のうち、1)Q4 ́G体内代謝物の生理活性の評価に集中して、研究遂行できた。2)DOPACのタンパク質修飾作用については、準備段階であるプローブの調製を完了できた。基金の未使用分を繰り越したため。DOPACのタンパク質修飾作用について、モデルタンパク質を用いた分子機構の解明だけではなく、生体内環境での修飾作用を明らかにするために、標的分子の同定を考慮した研究を推進する必要がある。複数の細胞株を用いた各種培養細胞実験の同時並行での遂行による血清を含む試薬類、プラスチック容器の消費の増大が想像されるので、血清、培養細胞試薬類・器具類、クロマトグラフィーに関連した試薬、カラム等の消耗品は優先的に充足を考えている。例えば、血清に関しては、用いる細胞種が最低4種、1細胞種につき3ヶ月に1本の血清(10%血清培地にして5 Lの換算)が、最低継代には必要である。試薬については、単体で50,000円以上の一次抗体類を複数購入しなければならないため、妥当であると考えている。本年度の実験に用いる物品費、成果発表に関連するその他の経費の増額を考慮した。
自己血由来スキャフォールドを用いた運動器組織への分化誘導と再生医療への応用

関節構成成分である半月の治療において、近年、人工材料や、生体由来材料の有用性が報告がされてきたが、免疫拒絶反応、感染制御等、克服すべき問題が存在する。これらの問題の最も効率的な解決策は、自己由来の材料を用いることである。フィブリンクロットは、静脈血より簡単に作成される網状構造をもつ構造体であり、自己由来であるため安全性が高い材料である。本研究では、このフィブリンクロットを用いた半月再生治療技術について検討した。自己由来静脈血から得られるフィブリンクロットをスキャフォールドとし、ヒト滑膜幹細胞あるいはヒト半月板細胞を播種して三次元培養組織を作成し、その至適培養条件、免疫組織学的検討、遺伝子発現解析による組織の特性を検討した。さらに膝関節半月板再生治療材料としての可能性を検討するため、ミニブタを用いた移植実験を行った。1)至適培養条件:様々な条件下で自己由来三次元組織の培養を行ったところ、細胞数1x10*6個/20ml静脈血、10%ウシ胎仔血清存在下にて組織が良好に形成されることが明らかとなった。2)組織の特徴:免疫組織学的検討では、作成時多く存在する血液細胞数は、培養後2週間で約1/10に減少し、逆に播種した滑膜幹細胞、半月細胞は約100倍に増加した。また組織内には1型コラーゲンが認められた。また遺伝子解析にてアグリカン、1型コラーゲン、3型コラーゲンの発現を認めた。3)移植実験:ミニブタの内側半月板前節に径5mmの欠損を作成し、三次元組織補填群、欠損群、フィブリンクロットのみの補填群の3群で手術後3か月後に解析した。肉眼的には感染,癒着、関節炎は認めなかった.組織学的には、三次元組織補填群群、フィブリンクロットのみの補填群群では関節包からの滑膜増生を認めた。組織充填率は三次元組織補填群:67%、欠損群:52%、フィブリンクロットのみの補填群:68%と欠損群で低い傾向にあった。組織スコアリングでは3群間に有意差は認めなかった.フィブリンクロットをスキャフォールドとして滑膜細胞を移植した半月板再生治療は、フィブリンクロットのみを充填する群を比べ優位性を認めなかったが、組織移植は可能であった.関節構成成分である半月の治療において、近年、人工材料や、生体由来材料の有用性が報告がされてきたが、免疫拒絶反応、感染制御等、克服すべき問題が存在する。平成23年度においては、自己滑膜由来間葉系幹細胞あるいは切除後半月細胞を用いた自己由来3次元人工組織作成技術の確立が目的であった。(1)至適条件の検討:ヒト膝関節手術時に切除した組織を0.4%コラゲナーゼ処理し、細胞を採取、通常の培養にて増殖させた。この細胞を、採取した静脈血に混入し、摺ガラス棒で撹拌し3次元人工組織の元となる細胞入りフィブリンクロットを作成した。静脈血20mlあたり2×10*6個の細胞を混入すると95%以上の効率で細胞がクロット内に取り込まれた。この細胞入りフィブリンクロットを2週間培養することにより、横15mm×縦20mm×高さ5mmの3次元人工組織の作成が可能であった。(2)フィブリンクロットの性質:ELIZAおよび免疫組織染色にてフィブリンクロット内にfibronectin, PDGF, VEGF, TGF-b1, FGF2が含まれており、成長因子を含んだスキャフォールドとしての可能性が示された。(3)3次元培養組織の半月組織への分化誘導:TGF-b, BMP-2を用いて分化誘導を行ったが、Type1コラーゲンの発現量は増加するものの、Type2コラーゲンの発現はみられず、現在のところin vitroでの半月用組織への分化誘導はできていない。(4)3次元培養組織の形成方法:これまでは径10mmの摺ガラス棒にて、細胞入りクロットを作成していたが、静脈血採取を200mlとし、ヒト半月の大きさに近い径50mmの摺ガラス棒にて作成すると、半月状の3次元人工組織の作成が可能であった。以上の結果より、3次元培養組織はそれ自身を半月組織に分化誘導して移植することは困難であったが、成長因子を含んだcell delivery systemとして使用できると考え、今後細胞入りフィブリンクロットの動物移植実験を計画している。平成23年度においては、自己滑膜由来間葉系幹細胞あるいは切除後半月細胞を用いた自己由来3次元人工組織作成技術の確立が目的であり、3次元組織作成の至適条件が確立された。またフィブリンクロットが様々な成長因子を含むこと、半月組織自体の形を模倣できる自己血由来のスキャフォールドとして使用できることを確認しており、概ね順調に進行していると考える。自己由来3次元人工組織が、スキャフォールドとして使用可能であることが確認されたこと、in vitroでは直接半月用組織に誘導することは不可能であったことより、平成24年度には、ミニブタを用いて自己由来3次元人工組織を膝半月板欠損部に補填し、修復状態を確認する。また、細胞を先に取り出して培養と行うと手術が二期的になる。

手術侵襲を少なくするため、滑膜組織より細胞を取り出し一期的に自己由来3次元培養組織を作成し半月板欠損部へ補填する予定である。消耗品等:動物実験に使用する手術器械、試薬を追加で購入する。また動物実験を行うためにミニブタの購入、飼育費用が必要である。旅費:動物実験施設に行く費用、研究成果発表のための費用を計上する。その他:成果報告のために、研究会や学術集会への参加費や会場費用を計上する。
対称・非対称性アルギニンメチル化と多能性維持機構

生体内で生殖細胞の発生運命を制御している因子は試験管内で体細胞を多能性幹細胞へとリプログラミングする活性を持つのではないかと考え、Klf4,Oct3/4にアルギニンメチル化酵素(Prmt)の一つであるPrmt5を加えることによって多能性幹細胞を誘導できることを見出した。一方で、Prmt1/3/4/6を阻害するAMI-5を加えることで体細胞リプログラミングの効率を上昇させるという報告がなされた。これらのPrmt間ではタンパク質内のアルギニンをモノメチル化し、後にジメチル化する際に非対称性にメチル基を付加する酵素(Type I)であるか、対称性にメチル基を付加する酵素(Type II)であるか、が異なっている。申請者の見出したリプログラミング活性を持つPrmt5は対称性にメチル基を付与し、阻害によりリプログラミング効果が上昇するPrmt1/3/4/6は非対称性にメチル基を付与する。これらのことから対称性のジメチル化は多能性幹細胞を支持する方向性があり、逆に非対称性のジメチル化は多能性幹細胞を支持しない方向性がある可能性が考えられる。対称性アルギニンメチル化の基質を同定するため多能性幹細胞において対称ジメチルアルギニン抗体を用いて検討した。多能性幹細胞では体細胞と比べて特徴的な修飾状態を示す傾向がみられた。これら特徴的な修飾状態を示すタンパク質に関して2次元電気泳動およびにマススペクトロメトリーによる同定を試みた。タンパク質の発現そのものは多能性幹細胞と分化細胞で差がないもののアルギニンのメチル化状態で大きく差があるものに着目した。候補因子の中にはミトコンドリアに極在することが報告されているProhibitinやHsp90が含まれており、さらに解糖系からクエン酸回路への以降を制御する重要な酵素であるPyruvate dehydrogenase (PDH)も含まれている。そのためアルギニン修飾によるエネルギー代謝調節によって多能性幹細胞の分化運命が制御されている可能性が考えられる。25年度が最終年度であるため、記入しない。生殖細胞の作用因子においてリプログラミング活性を持つものとして同定したPrmt5はアルギニンのメチル化酵素であり、対称にジメチル化の修飾を行う。一方で非対称にジメチル化を入れるPrmtの阻害剤がリプログラミング効率を上昇させるという報告があり、対称、非対称のアルギニンメチル化と多能性幹細胞の関係の解析を行っている。これまでにES細胞におけるPrmtファミリータンパクの発現を未分化状態と分化誘導状態とで比較検討したところ、対称にメチル化を入れるPrmt7は未分化状態特異的に発現を示し分化とともに発現が消失すること、Prmt6はES細胞ではタンパクレベルの発現は見られないことが明らかになった。Prmt6を誘導性にES細胞に発現させるとES細胞に増殖阻害をもたらすことが明らかになった。そこで、多能性幹細胞に関わる因子とPrmt6との結合を調べたところ、Prmt6はOct3/4やNanogと結合することが明らかとなった。一方で対称性アルギニンメチル化の基質を同定するため多能性幹細胞において対称ジメチルアルギニン抗体を用いて検討したところ多能性幹細胞では体細胞と比べて特徴的な修飾状態を示す傾向がみられた。これら特徴的な修飾状態を示すタンパク質に関して2次元電気泳動により同定を行っている。タンパク質の発現そのものは多能性幹細胞と分化細胞で差がないもののアルギニンのメチル化状態で大きく差があるものに着目している。

これまでに複数の候補分子を得ている。多能性幹細胞において対称にメチル化を入れるPrmt7が未分化状態特異的に発現していること、およびに非対称にメチル化を入れるPrmt6は多能性幹細胞では発現がみられず強制発現させると多能性幹細胞が維持できなくなってしまうことを明らかにした。この結果を踏まえてPrmt6の基質の候補としてOct3/4,Nanogを同定することができた。さらに、対称性にメチル化が入っている基質の候補についても二次元電気泳動によって多能性幹細胞において強く修飾を受けている候補因子の同定が進行中である。既に電気泳動およびにウエスタンブロットを行っており、これまでに検出されたものの中にはES細胞の未分化性の維持に関わるという報告があるものも含まれている。このように着実に結果が出ており、達成度としてはおおむね順調に進展していると考えている。Prmt6の基質の候補として同定したOct3/4,Nanogが実際にPrmt6によりメチル化修飾を受けているのか明らかにする。リコンビナントのPrmt6とOct3/4およびにNanogを作成しインビトロメチレーションアッセイを行う。メチレーションがみられるようであるならばどのアルギニン残基がターゲットになっているのかをポイントミュータントを用いて明らかにする。さらにメチル化修飾を受けるようであるならば修飾状態がタンパク質の機能とどのような関係にあるのか解析を行う。一方でSDMA修飾を受けるタンパク質の候補に関しても二次元電気泳動で同定した因子に関してリコンビナントタンパクを作成しPrmt5およびにPrmt7と作用させてインビトロメチレーションアッセイを行うメチレーションがみられるようであるならばどのアルギニン残基がターゲットになっているのかをポイントミュータントを用いて明らかにする。そして、機能としてどのような差異を生み出すのかに関して解析を行っていく。25年度が最終年度であるため、記入しない。
抑制性シナプスGABA受容体分化過程のパッチクランプ解析

生後0日-3週令のラット脊髄横断スライスに脊髄後角ニューロンを同定して単シナプス性GABA作動性抑制性シナプス電流(IPSC)のホールセル記録を行った。また、脊髄後角ニューロンからoutside-out patchを形成し、GABA誘発性単一チャンネル電流を記録した。GABA受容体チャンネルは、バースト内でのフリッカーが特徴的であった。各バーストを平均加算して得られる電流の時間経過はGABA作動性IPSCの時間経過とよく一致した。GABA作動性IPSCの平均振幅、振幅ヒストグラム、立ち上がり時間、下降相時定数を解析したところ、生後発達に伴ってこれらのパラメーターは有意に変化しなかった。次に、benzodiazepine,ZnのGABA作動性IPSCに対する効果を検討した。Benzodiazepineは、IPSCの下降相を顕著に遷延させたが、振幅には影響しなかった。Znは、一過性にIPSCの振幅を上昇させた後、抑制作用を引き起こした。これらの作用は生後日令に関わらず観察され、量的な差異は明らかでなかった。従って、以上のパラメーターに関する限り、脊髄のGABA作動性シナプス応答には明らかな生後変化が認められなかった。更に同様な実験を大脳皮質視覚野細胞について行ったところ脊髄同様、生後発達によるGABA作動性IPSCの時間経過の変化は認められなかった。また、最近、ラットの視床でGABA受容体のαサブユニットが生後2-3週で幼若型から成熟型にほぼ完全にスイッチすることが報告され、視床のGABA作動性IPSCの性質が生後発達に伴って変化する可能性が浮上した。そこで視床のニューロンからGABA作動性IPSCを記録して、生後発達による変化を検討したところ、顕著な時間経過の変化は認められなかった。これらの結果は、予想外であり、コリン作動性の終板電流やglycine作動性抑制性シナプス電流の下降相が、生後発達と共に顕著に短縮する事実と相反する事実である。ラットの脊髄から厚さ120μmのスライスを作製し、ノマルスキー顕微鏡下に脊髄後角ニューロンを同定して、パッチクランプ法を適用した。1.ホールセル電位固定記録を行い、CNQXの存在下に単一介在ニューロンを細胞外刺激して抑制性シナプス電流IPSCを記録した。IPSCは、一部分、グリシン受容体ブロッカーのstrychnineにより抑制され、残りは、GABA受容体ブロッカーのbicu-cullineによりブロックされることから、グリシン性成分とGABA性成分の共存が明かになった。両成分を誘発ための最小刺激強度は、ほぼ同一であることから、グリシンとGABAは同一ニューロンに由来してco-transmitterとして働く可能性が示唆された。2.次に、脊髄後角ニューロンからアウトサイドアウトパッチ記録を行い、GABAの投与を行った。低濃度(5-20μM)のGABAを潅流液投与すると、GABA受容体単一チャネル電流が記録された。コンダクタンスの主レベルは、およそ30pSで、サブステートが認められた。チャネル開口は、1バースト内での開閉の繰り返し(フリッカー)が特徴的で、この点はグリシンチャネルの性質と著しく異なった。また、高濃度(0.1-1mM)のGABAをピエゾ投与法によりアウトサイドアウトパッチに瞬時投与する方法を確立した。これにより、GABA誘発電流の不活性化(deactivation)、脱感作(desensitization)の時間経過の正確な解析が可能となり、単一チャネル電流とシナプス電流をつなぐ情報が得られるようになった。3.GABA作動性IPSCを生直後と生後2週令で比較した。

IPSCの下降時定数には有為な差が認められなかった。これは、グリシン作動性IPSCの下降相が生後2週で著しく短縮することと好対照をなす。生後0日-3週令のラット脊髄を摘出後、スライサ-によって、厚さ120μmの横断スライスを作製した。微分干渉顕微鏡下に、脊髄後角ニューロンを同定して先端5-10μmのピペットからクレブス液を陽圧で与え、細胞表面を被う結合識、グリアを除去した。パッチ電極を細胞膜に密着させてギガオームシールを形成後、陰加圧してパッチ膜を破壊して、ホールセル電流記録を行った。グリシン受容体、グルタミン酸受容体のブロッカー存在下に介在ニューロンを細胞外通電刺激して、単シナプス性GABA作動性抑制性シナプス電流(IPSC)を誘発した。GABA作動性IPSCの平均振幅、振幅ヒストグラム、立ち上がり時間、下降相時定数を解析したところ、生後発達に伴ってこれらのパラメーターは有意に変化しなかった。次に、benzodiazepine,ZnのGABA作動性IPSCに対する効果を検討した。Benzodiazepineは、IPSCの下降相の顕著に遷延させたが、振幅には影響しなかった。Znは、一過性にIPSCの振幅を上昇させた後、抑制作用を引き起こした。これらの作用は生後日令に関わらず観察され、量的な差異は明らかでなかった。従って、以上のパラメーターに関する限り、脊髄のGABA作動性シナプス応答には明らかな生後変化が認められなかった。この結果は、glycine作動性抑制性シナプス応答の下降相が、生後発達と共に顕著に短縮する事実と対称的である。ところが最近、ラットの視床ではGABA受容体のαサブユニットが生後2-3週で幼若型から成熟型にほぼ完全にスイッチすることが報告され、視床のGABA作動性IPSCの性質が生後発達に伴って変化する可能性が浮上した。そこで、各日令のラットから視床のスライスを作製し、GABA作動性IPSCを記録した。この結果は現在解析中である。
アルツハイマー病脳内に蓄積するアミロイドβ-ペプチドの環化メカニズムの解明

アルツハイマー病の発症メカニズムにおいて、約40アミノ酸残基よりなる不溶性ペプチドであるアミロイドβ-ペプチド、(Aβ)の脳内における蓄積あるいは濃度の上昇が中心的役割を担うと考えられている。脳内に産生される主要なAβはAβ(1-42)、Aβ(1-40)などだが、老人斑形成の初期から普遍的に蓄積する主要なAβは、Aβ(1-42)のアミノ末端から2つのアミノ酸残基が遊離してグルタミン酸(Aβ(3E-42))となり、さらにグルタミン酸の側鎖カルボキシル基と主鎖アミノ基が環化してピログルタミン酸となったAβ(3pE-42)である。従って、Aβ(3pE-42)の環化メカニズムを解明することは、アルツハイマー病の予防という観点から重要な意味を持つ。そこで、まず始めに、このAβ(3pE-42)の前駆体と考えられるAβ(3E-42)をペプチド合成機を使用してFmoc法により合成した。純度の高いペプチドを得るために、合成はレジンに対してFmoc-アミノ酸が10倍量のダブルカップリングで行なった。次に、この合成したAβ(3E-42)を用いて、金属イオン、温度、pH、ラジカル、、その他の添加物等がAβ(3pE-42)への環化に及ぼす影響を検討した。LC/MS、抗Aβ(3pE-42)抗体(当研究室で作製したペプチド抗体)を使用したウエスタンブロット、MALDI-TOF質量分析計などを利用して、Aβ(3pE-42)の検出を行なった。その結果、ある条件で環化が促進される傾向にあるらしいことが判明した。現在さらに詳細に検討中であり、平成14年度も引き続き継続して行なう予定である。
高大教育接続に関する日米比較研究‐理数教育と技術者教育の教育課程の接続パターン‐

本研究は、若者の高校から大学への移行を促す教育接続の在り方を明らかにすることを目的とするものであるが、米国の人材開発型のアドバンスト・プレイスメントの取組からは、高校と大学の教員がコンピテンス枠組についての実質的な共通理解をもつことの重要性が導かれた。さらに、コモン・コア州スタンダードの取組からは、コンピテンス枠組み自体を初等・中等・高等教育の各段階において継ぎ目なく接合し、チューニング等の方法を用いて整合性の高いカリキュラムを設計・実践していくことの重要性が示された。本研究の目的は、若者の高校から大学への移行を促す教育接続のあり方、教育課程の接続パターンを明らかにすることである。この目的にむけて、平成25年度には、高大教育接続において豊富な経験が蓄積されてきた米国における取り組みを整理し、いくつかの代表的なプログラムの訪問調査と専門家への聞き取りを行うことを計画していた。平成25年度の研究実績として、次の3点を挙げることができる。第一に、米国の「人材養成」「社会的公正」型の取組として急速に拡大しているデュアル・エンロールメントに関する現地調査(マサチューセッツ州高等教育局・ニューヨーク市立大学)を、5月に行った。第二に、米国の「才能教育」型の高大教育接続に詳しい専門家に対する聞き取り調査(Thomas B. Fordham Institute)を、7月に行った。第三に、日本の高大教育接続の取組事例として、キーコンピテンシーの概念に基づく実践を展開するSSHプログラムに注目して資料を整理するとともに、担当教員との研究会を7月に行い、3月の報告会に参加した。本研究の目的は、高校の理数教育と大学の技術者教育(工学教育)の接続に注目することをとおして、若者の高校から大学への移行を促す教育接続のあり方、教育課程の接続パターンを明らかにすることである。この目的にむけて、平成24年度には、高大教育接続において豊富な経験が蓄積されてきた米国における取り組みを整理し、いくつかの代表的なプログラムの訪問調査を行うことを計画していた。平成24年度の研究実績として、次の4点を挙げることができる。第一に、高大教育接続の類型について、文献調査を行った。第二に、平成22(2010)年に米国45州で採択されたコモン・コア州スタンダード(K-12学年・初等中等教育全般にわたる共通カリキュラム)(英語リテラシーと数学)および平成24(2012)年に発表された「科学教育の枠組み」の中身の検討を行った。とくに、そこで展開されている「大学および職場へのレディネス」の概念が具体的に何を意味するのか整理することを試みた。コモン・コア州スタンダードに即した教育評価のための標準学力テストは開発されたばかりであり、ニューヨーク州をはじめとする各州において、平成25(2013)年度より初等中等教育の早期段階で試験的に実施、平成27(2015)年度より高校卒業段階で導入される予定である。米国でも大学や職業社会との接続を視野に入れたカリキュラム改革が進行中であり、この動向を踏まえて、高大教育接続のあり方をとらえる必要があることが明らかになった。第三に、中核的な概念やパターンの理解、分析力・応用力・問題解決力に重点をおく「21世紀型の学力」を形成するカリキュラムを構築するための概念枠組「教育目標の分類学」や、新しい学力を評価するための「パフォーマンス評価」についても検討を深めた。第四に、2013年5月に実施する現地調査の準備に取り組んだ。本研究の目的は、高校と大学の教育接続の在り方を明らかにすることである。この目的に向けて、平成26年度には日本のSSH(スーパーサイエンス・ハイスクール)、欧州チューニング、及び米国のAP(アドバンスト・プレイスメント)に関する調査を行った。日本のSSHの調査では、キーコンピテンシー概念に基づく科学リテラシーの育成に向けて、各教科・科目の中でPBL等の先端的手法を駆使した取組が精力的に展開されており、高校生が確実に力をつけている実感が教員間で共有されていたが、取組を評価する枠組みの制約から成果を十分に可視化することの難しさが浮き彫りになった。21世紀型の新しい能力を育成する作業に取り組みながら、学習指導要領とは異なる新しい教育評価の枠組みも同時に開発することは、限られた期間に実践家が達成する課題としては困難であり、教育学の専門家を含むチームによる、より組織的・制度的取組が必要である。欧州チューニングは、コンピテンスに基づく教育課程の体系化を図る方法論である。育成したいコンピテンスの観点から教科・科目を配置して、所定の期間に育成可能で測定可能な学習成果を定義して、その習得に対して単位認定・学位授与していくことによって、学校種や学年段階を貫く教育の連続性が保証される。米国APは、高校と大学の間で育成したい能力枠組みと教育評価の枠組みを整合的に接合する方法論である。APでは、訓練を受けた高校教員が大学1年生(一般教育課程)レベルの教育を高校で提供し、その授業を履修した高校生が共通試験で所定の成績をおさめれば、大学で単位を取得する権利を得ることができる。

AP試験の採点は高校と大学の教員が一堂に会して全国規模で行うが、この採点会における採点基準の具体的な調整プロセスが、高大間で教育課程と教育評価の枠組みに関する共通理解をもたらすうえで極めて重要な役割を果たしている。比較教育学平成25年度の文献・現地調査をとおして、以下の点が明らかになった。米国のデュアル・エンロールメントの取組の主たる目的は、大学生に期待される学びの姿勢等を高校生に理解させることで、「社会化の先取り(anticipatory socialization)」を促し、大学入学後の適応を早めるとともに、社会経済的な事情によって大学進学を早期に断念する高校生に再考を促し、進学に向けていざなうことであった。米国の才能教育については、連邦・各州政府が学力の底上げに注力するあまり、才能児が必要とする教育の特別措置に対する社会的支持が薄らいでおり、十分な予算措置が取られない中で、組織的・体系的な取組が発展していない状況が明らかになった。これらの状況が示す通り、米国でも高大教育接続の取組は、教育課程の接続という観点からは、組織的・体系的に展開されてこなかったと考えることができる。一方、「大学・職業レディネス」(コンピテンス)の獲得を目標に掲げるコモン・コア州スタンダード(2010年完成)を実質化させる取組が各州で着手されており、初等・中等・高等教育段階を包摂する「K-16」の枠組で、協議会や作業部会が設置されてきている。この教育の新しい枠組の中で、デュアル・エンロールメントを初めとする既存の高大教育接続の取組がどのように方向付けられていくかを検討することが、平成26年度の研究課題であることが明らかになった。さらに、コンピテンス型の教育課程の編成や接続については、どの教育段階でもほとんど経験が蓄積されていないことから、その先駆的取組として、2年制大学と4年制大学の接続で実績をあげている米国ユタ州のチューニングの事例に着目して、高大教育接続への援用の可能性を検討する方向性が明らかになった。平成24年度の文献・ホームページ情報の調査をとおして、米国における高大教育接続について、基礎的な理解を形成することができた。研究計画のなかで採用した「A.才能教育」「B.人材養成」「C.社会的公正」の枠組は妥当であるが、とくに近年では、B.C.を推進するアプローチとして、デュアル・エンロールメント・プログラムが注目されており、多くの州で採用されていることが明らかになった。「大学および職場へのレディネス」をめざす初等中等教育段階のカリキュラム改革、「21世紀型の学力」形成をめざすカリキュラム構築のための枠組や教育評価の方法についても、その概要を把握することができた。1.現地調査(米国)ユタ州チューニング調査(6月)、およびマサチューセッツ州高等教育局とニューヨーク市立大学のデュアル・エンロールメントのフォローアップ調査(12月)を実施して、コモン・コア州スタンダードの実質化が進む中での高大教育接続に係る全米的な動向の把握に努める。さらに、コンピテンス枠組に基づく教育課程の体系化の方法論に関する理解を深めるため、米国より専門家を招聘し、日本のカリキュラム・デベロッパーとのワークショップを開催する。2.現地調査(日本)
ノンコリニアスピントロニクス

磁性体の集団的磁気秩序の電気的制御はスピントロニクスの中心的課題である。本研究ではこの分野で未開拓の磁気秩序ーノンコリニア磁気構造ーに着目し、磁気秩序の電気的制御に新展開をもたらす。これまでに多くの研究がなされているコリニア系における現象の理解を発展させ、そこで確立した地図と道具を携え“ノンコリニアスピントロニクス"に挑む。ノンコリニア磁気構造を介して発現する数々の新奇物理現象を観測し、スピントロニクス素子としての利用方法を実験で明らかにする。これらは超高速不揮発性磁気メモリや脳型情報処理に向けた新たな基盤となる。
培養心筋におけるギャップ結合の形成および調節機構の研究

心房筋と心室筋の混合培養:細胞の由来同定を容易にするため、培養3日目の成獣ラット心房培養細胞層に生後3日目の新生児ラット心室筋を同じ方法で単離したものを混合し、成獣由来の大型細胞と新生児由来の小型細胞との間での異種細胞間の接着・結合を形成させ、異種細胞間での細胞間結合の特性解析を試みた。(1)培養3日目の成獣心房筋はまだ同期した拍動を示していないが、新生児心室筋を加えると約6時間後から、同期拍動がみられるようになり、これには主として小型の新生児細胞と大型の成獣細胞の間、小型の新生児細胞を介して成獣細胞の間、小型の新生児細胞を介して成獣心房細胞の間など、いづれも新生児由住の小型細胞が関与することがわかった。この伝達促進機構としては、新生児細胞がペースメーカー細胞としての役割をはたす、液性因子の分秘による、又は細胞密度の増加ないしは大型細胞間に小型細胞が介在することによる接触頻度の増加などの可能性をさらに詳しく検討する必要がある。(2)電子顕微鏡観察によると、成獣大型細胞の突起が小型細胞の核近傍の胞体に接着し、ギャップ結合を形成している像がみられた。小型細胞は、筋原線維の配列が未発達なことなどから、新生児心室筋細胞と推測された。(3)心房性ナトリウム利尿ペプチド(ANP)への抗体により、大型細胞は豊富なANP顆粒を胞体に含み心房筋細胞由来であることが確認され、一方接着する小型細胞は核周辺に少量の顆粒を認めるのみであった。とくに心室筋由来細胞での結合形成による顆粒増加傾向は認めなかった。(4)心筋型ギャップ結合蛋Cx43に特異的な抗体を用いて免疫標識を行うと、両種細胞間に特異蛍光が点状に分布することがみられ、ギャップ結合の存在分布が確認された。(5)Scrape-loading法により、両者間の色素伝播観察が認められ、各種ギャップ結合連絡の抑制薬剤の投与に対しては、成獣心房筋培養系とほぼ同様の減少低下を示した。以上の観察から、この混合培養系にいても成獣心房筋培養細胞と同様のギャップ結合連絡の特徴が認められた。今後はさらい、混合培養したことによる伝播促進の機構を含め、さらに詳しい解析を進めていきたい。