hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
高精度マイクロサテライト不安定性解析と定量的RT-PCR法による新しい癌治療戦略

我々の目的は、これまで臨床に応用可能とされながらも技術的な問題で実際には臨床応用出来なかった遺伝子診断の問題点を改善し、実際に応用していくことであった。I.微少転移に関する検討P-EBiosystem社Sequence Detector 7700を用いたリアルタイムPCR法を用いてCytokeratin18(以下CK18),CK19,CK20,CEAmRNA発現量を、約20種類の細胞株とヒト骨髄と末梢血を対象に検討した。細胞株における検討により、さまざまな技術的問題が浮き彫りになったが、ヒト骨髄、末梢血の検討では、CK18,CK19,CK20mRNA発現量は健常者と比較し非切除胃癌症例で高発現する症例が存在し、これらのマーカー、特にCK19は有用であると考えられた。RT-PCR法を用いた微量癌細胞の検出は将来性のある手法であるが、実際の臨床応用の際には複数の標的遺伝子を併用し、発現量の推移も観察することが重要と考えられた。II.マイクロサテライト不安定性の検討我々は、考案した高精度蛍光マイクロサテライト不安定性解析系(High Resolution Fluorescent Microsatellite Analysis : HRFMA)を用いて、乳癌、胃癌、大腸癌、肺癌、食道癌、肝臓癌など800症例以上についてマイクロサテライト配列の変化を解析した。このシステムは、正確な解析を行うためのさまざまな工夫がなされており、マイクロサテライト変化をより正確かつ客観的に解析することが可能であった。観察されたすべてのマイクロサテライトの変化は、比較的小さなマイクロサテライト配列変化が限られたローカスに観察されるType Aと、著明なマイクロサテライト配列変化が多ローカスで認められるType Bの二つのタイプに大別された。前者のタイプのマイクロサテライト変化がDNAミスマッチ修復(DNA mismatch repair : MMR)異常に関連していると考えられる。本研究は、マイクロラテライト不安定性解析、および定量的RT-PCR法という異なった分子生物学的手法を用いて癌の生物学的性状の解明、および臨床面での応用を目指すものである。マイクロサテライト不安定性解析は、細胞のミスマッチ修復異常を評価する指標と考えられているが、我々は蛍光標識したPCR primerと自動シークエンサーを用いた、より客観的なマイクロサテライト不安定性解析手法を既に開発しており(S.Oda,et al.Nucleic Acids Res 25;3415-3420,1997)、細胞株及び臨床検体での正確な評価を可能にしてきた。胃癌、大腸癌、食道癌、乳癌、肺癌、泌尿器癌などの各種悪性腫瘍に対して測定を行なってきたが、乳癌においては75例のうち7例にマイクロサテライト不安定性陽性(陽性率9.3%)であった。ミスマッチ修復異常はDNA修復と5-FU感受性との関連が注目されており、今後の展開としては各癌腫における陽性率と抗癌剤感受性試験で評価される5-FUの感受性との関連、および治療効果との相関などを検討して行く予定である。定量的RT-PCRが注目される理由は、従来のRT-PCR法が遺伝子mRNAの発現を定量的に正確に評価することが困難であることにある。今回、まず定量的RT-PCRを利用して微少癌細胞を効果的に検出するシステムを構築することを目的として、上皮由来マーカーであるcytokeratin(CK)18に注目した。解析の結果CK18は正常ヒト末梢血液にも発現しているものの消化器癌細胞株では更に多く発現しており、ヒト癌細胞を末梢血液中より検出できることを確認した。今後の展開として、CK19,20,CEAなどのマーカーとの比較を行ない、末梢血液、骨髄などでの測定を行ない癌患者での微少癌細胞検出の臨床的意義を解析する予定である。

本研究では、まず、PCRリアルタイム定量を利用して初回手術時の微小転移の有無を効果的に検索するシステムを構築した。リアルタイムPCR定量法を用いて、数多くの樹立癌細胞株や正常細胞株を用いて、サイトケラチンやCEAなど上皮細胞、癌細胞に特異的とされるmRNAの検出の基礎検討を行った。従って末梢血または骨髄液より癌細胞由来のmRNAを定量するシステムの開発は十分可能である。さまざまな臨床進行期の癌患者から手術時に採取した骨髄液、あるいは周術期に採取した末梢血中における微量癌細胞検出のマーカー(CEA、サイトケラチンなど)の発現を解析し、この解析結果と臨床病理学的因子との関連について検討した。また、我々は蛍光標識のPCRプライマーと自動シーケンサーを用いて、マイクロサテライト配列の変化を鋭敏に、且つ客観的に解析できる基本的なシステムを開発し、臨床検体での解析を開始している。手術が行われた場合に迅速に腫瘍標本がコンピュータによる登録を経て保存されるシステムを各臨床部局で構築し、且つその保存ファイルがそれぞれの症例の臨床情報とコンピューター上でリンクしたシステムを構築した。ヒト腫瘍にみられるマイクロサテライト不安定性について、我々の研究グループが独自に確立した高精度解析系が、これまでには認識されていなかったマイクロサテライト不安定性の実態を明らかにした。悪性腫瘍でみられるマイクロサテライト不安定性には、実際には2つの質的に異なるカテゴリーが存在しており、配列長の変化が6-bp以内にとどまるものと、8-bp以上にもおよび、あたかも新しいアレルの出現をみたかのような変化を呈するものとにわけられる。我々はこれらをそれぞれType A、Type Bと呼んでいる。微細な変化を特徴とするType AMSlは放射標識プライマーとX線フィルムを用いた旧来の解析法では検知しにくいため、これまで一般にとらえられてきたマイクロサテライト不安定性は主にType Bであると考えられる。ところが、興味深いことに、ミスマッチ修復遺伝子に既知の欠損をもつヒトおよびマウス細胞を用いた詳細な検討はType Aがミスマッチ修復異常に直接起因する変化であることを明らかにした(未発表データ、投稿中)。このことは、Type βマイクロサテライト不安定性にはミスマッチ修復異常に加えて、まだ認識されていない未知の分子機序が存在することを示唆しており、このタイプのマイクロサテライト不安定性がそのほとんどにみられるHNPCCの病因には見落とされているものがある可能性が示唆された。マイクロサテライト不安定性とミスマッチ修復異常との関係はこれまで考えてこられたように単純ではなく、実際の腫瘍症例集団を対象としたさらなる解析を継続する必要があると考えられた。末梢血中の癌細胞の定量的検出系については、RT-PCRで用いるマーカーとして適切な遺伝子の選定や、培養細胞株を用いたシミュレーション系の確立など継続的に研究を行っている。
クロショウジョウバエ区の系統分類学・進化遺伝学的研究

亜熱帯域から冷温帯域にまたがるいろいろな植生帯で,クロショウジョウバエ区の野外採集と生態調査を行った.亜熱帯域ではangor種群,polychaeta種群,D.fluvialisが,暖温帯域ではquadrisetata種群とokadai亜群が,さらに冷温帯域ではmelanica種とvirilis種群が優占種となっていた.quadrisetata種群は渓流に浸っている樹皮を繁殖物質とし,本種群とokadai亜群は1化性の生活史をおくることが分かった.微生息環境の調査では,quadrisetata種群が最も強い水辺依存性を示した.これらの野外調査を通して新たに,2新種,3初記録種,および核型と遺伝子に分化が生じている数種の島嶼的亜種が発見された.野外採集で得られた種と外国産の近縁種を用いて,核型比較研究,生殖的隔離機構の研究,およびアルコール脱水酸素酵素遺伝子解析とミトコンドリアDNA遺伝子解析を行った.これらの研究から,1)polychaeta種群はverilis-repleta放散の極め早い初期に分岐したこと,2virilis種群の適応放散はクロショウジョウバエ区のなかでは最近の出来事であること,3)robusta種群は3亜群からなる多系統群であること,4)そのうちokadai亜群はquadrisetata種群と姉妹関係にあり,一方robusta亜群はmelanica種群と類縁関係にあること,5)北米のmelanica種群は東アジアのD.tsiganaと祖先を共有することなどが明らかとなった.以上を研究結果を基に,北半球に広範囲に分布しているクロショウジョウバエ区の適応放散の歴史を古地理や古環境の変遷とあわせて考察した.亜熱帯域から冷温帯域にまたがるいろいろな植生帯で,クロショウジョウバエ区の野外採集と生態調査を行った.亜熱帯域ではangor種群,polychaeta種群,D.fluvialisが,暖温帯域ではquadrisetata種群とokadai亜群が,さらに冷温帯域ではmelanica種とvirilis種群が優占種となっていた.quadrisetata種群は渓流に浸っている樹皮を繁殖物質とし,本種群とokadai亜群は1化性の生活史をおくることが分かった.微生息環境の調査では,quadrisetata種群が最も強い水辺依存性を示した.これらの野外調査を通して新たに,2新種,3初記録種,および核型と遺伝子に分化が生じている数種の島嶼的亜種が発見された.野外採集で得られた種と外国産の近縁種を用いて,核型比較研究,生殖的隔離機構の研究,およびアルコール脱水酸素酵素遺伝子解析とミトコンドリアDNA遺伝子解析を行った.これらの研究から,1)polychaeta種群はverilis-repleta放散の極め早い初期に分岐したこと,2virilis種群の適応放散はクロショウジョウバエ区のなかでは最近の出来事であること,3)robusta種群は3亜群からなる多系統群であること,4)そのうちokadai亜群はquadrisetata種群と姉妹関係にあり,一方robusta亜群はmelanica種群と類縁関係にあること,5)北米のmelanica種群は東アジアのD.tsiganaと祖先を共有することなどが明らかとなった.以上を研究結果を基に,北半球に広範囲に分布しているクロショウジョウバエ区の適応放散の歴史を古地理や古環境の変遷とあわせて考察した.暖温帯域の野外調査でヨツゲショウジョウバエ(以下和名についてはショウジョウバエを省略)種群の新種が得られた.既知種についてもオオクロ種群のトビクロとトウヤが最も広範囲に分布していること,カラス種群のキボシは暖温帯域では800m以上の標高に遺存的に分布していること,クロ種群はむしろ冷温帯域で適応放散をとげ北欧や北米に広がっていったことなど,クロショウジョウバエ区の適応進化を考える上で多くの重要な情報が得られた.さらに中国雲南省から報告されているカワオオクロは国内では九州から本州北部まで分布する日華区要素種であり,津軽海峡が分布の北限バリアーになっていることも明らかになった.外部形態と生殖器構造の比較では,ヨツゲ種群はオオクロ種群とオオクロ群種のラウス種亜群と,カラス種群はトビクロ種亜群と類縁関係がある結果が得られた.核型分析ではラウス種亜群の種は2n=12(2R+3V+1D)の染色体構成であり,このことは本亜群は同じオオクロ亜群のほかの2亜群よりは,むしろカラス種群のキボシとの系統関係を意味する.この核型分析の結果は現在進行しているDNA塩基配列の結果と一致するものである.外国産の種との関係では、東欧に分布するD.unimaculataおよび北米のD.colorataはキボシまたはラウス種亜群との共通祖先から初期に派生した可能性を強く示唆する.北米に分布するクロショウジョウバエ区はすべてベーリンジアを通りアジアから渡り住んだものであるが,今年度の結果から,これまで考えられてきた2回の移動ではなくただ1度ではないかとの新たな問題も生じた.南西諸島亜熱帯域から九州暖温帯域の野外調査から、クロショウジョウバエ区の地理的分布上にギャップが存在することが明らかになった。渡瀬線はD.angor,D.fluvialisにとっての北限であり、一方robusta種群とquadrisetata種群にとっての南限である。このことから、日本本土に分布している両種群およびvirilis種群、melanica種群は新生代第4起の大陸と陸続きになった時代に、朝鮮半島経由で渡ってきた可能性を強く示唆した。

対馬と屋久島における野外調査結果はこのことを強く支持した。姉妹種群であるrobusta種群とmelanica種群の核型分析を行った。okadai種亜群の核型はrobusta種亜群とlacertosa種亜群のものより、melanica種亜群のD.tsigana,D,moriwakiiに、端部付着型X染色体を有すること、いかなる大型の中部付着型染色体も欠くことなどで類縁性がみられた。特にD.tsiganaは地史的過去にユーラシア温帯域に広く分布していたと考えられるので、北米で適応放散しているmelanica種群はどれもD.tsiganaとの共通祖先から種分化を遂げたものである可能性が高い。外部形態および生殖器構造の比較研究に基づく系統樹は、ADH遺伝子配列に基づく系統樹とよく一致する結果が得られた。なかでも大きな分類群であるrobusta種群の3亜種群はどれもコンパクトなまとまりを示した。quadrisetata種群については分析中であるが、現在のところokadai種亜群と結びつく結果が得られている。この両分類群はともに大型種で、湾曲したaedeagusを有すること、比較的大きなC3F指数とC指数を持つことと、および渓流依存性が強いことなどから、類縁性が示唆されてきたものである。研究年度の最終年にあたる平成9年度はクロショウジョウバエ区の野外生態を冷温帯域から暖温帯域まで広範囲に調査し,核型分析,形態比較観察,生殖的隔離機構等についても補足的な研究を行った.さらに分子系統樹を構築し,東アジアにおけるクロショウジョウバエ区の適応放散のシナリオを描き出した.スペースの関係上,以下に分子系統学的研究の成果について論述する.クロショウジョウバエ区に属する種群についてミトコンドリアDNA(mtDNA)とアルコール脱水素酵素遺伝子(Adh)を解析し,得られた結果から分子系統樹を作成した.robusta種群は生殖器を含む外部形態の特徴から,okadai種亜群,robusta種亜群,およびlacertosa種亜群の3亜群に大別されるが,mtDNA分子系統樹からも同様な結果が得られた.Adh,mtDNAとも分子系統樹では,okadai種亜群のD.okadai,D.neokadai,D.ganiの3種は同一クラスターを形成し,これらがquadrisetata種群のクラスターと結びついた.さらにokadai種亜群とquadrisetata種群を含む高次クラスターはlacertosa種亜群と連結した.一方,D.sordidula,D.pseudosordidula,D.robustaはrobusta種亜群として一つのクラスターを形成するが,このクラスターはrobusta種群と姉妹種群の関係にあるmelanica種群と結びついた.この結果は,robusta種群はこれまで考えられていた単系統群ではなく,一方ではquadrisetata種群と,また一方ではmelanica種群と祖先を共有する多系統的な集まりであることを明示している.
高分子支援戦略によるポリシアル酸迅速大量合成法の開拓

本年度では、昨年度に開発したシアル酸供与体への鍵中間体である5-アジドシアル酸誘導体を大量合成し、C5位アミノ基に種々の保護を施した新しいシアル酸供与体の合成を初めに実施した。続いて、合成した供与体の反応性の検討を行い、標的構造の構築に適した供与体として、トリフルオロアセチル基を有するシアル酸誘導体を選出した。また、一方では、昨年度に高反応性を確認した、1,5-ラクタムシアル酸受容体の大量合成を実施した。その後、トリフルオロアセチルシアル酸供与体と1,5-ラクタム受容体とのカップリング反応により、シアル酸二量体を高収率かつ立体選択的に得ることが出来た。さらに、得られた二量体の非還元末端側シアル酸を1,5-ラクタム化し、C8位水酸基が遊離の受容体へと高収率で変換した。この二糖受容体は、単糖受容体と同様に、上記のシアル酸供与体との反応により、三量体を高収率で与えた。また、さらに得られた三糖は、1,5-ラクタム化による受容体への変換、供与体とのカップリング反応により、四量体へと伸張することに成功した。また、各カップリング反応の際に、若干量生成したβ-異性体の分割法を検討した。受容体への変換反応である1,5-ラクタム化が、α-特異的に進行することを実験的に確認した後、異性体混合物をラクタム化に供した。その結果、分子内アミド化を促進する縮合剤としてPyBropを用いた場合に、ラクタム体と未反応物以外の成分が系中に生成せず、ラクタム体と未反応物の大きな極性差により、カラムクロマトグラフィーで容易にそれぞれを分離できることが分かった。この原理を応用し、二量体、三量体のアノマー異性体混合物より、1,5-ラクタム体のみを迅速に単離することに成功した。本年度は、シアル酸高反応性ユニットの開発研究を重点的に行った。本課題でポリシアル酸合成の基本戦略としで掲げた、高分子担体に固定化したシアル酸供与体にラクタム化シアル酸受容体を反応させるスキームを高収率で実現するためには、高分子固定化シアル酸供与体の反応性を高める必要がある。そこで、初年度の研究計画として、シアル酸5位アミノ基の置換基効果を利用した供与体ユニットの開発を計画した。アミノ基に種々の置換基を劾率的に導入し、置換基による供与体の反応性への影響を系統的かつ効率的に調べるため、5位にアジド基を導入したシアル酸ユニットを設計し、その合成を行った。また、反応に関与しない水酸基をベンジル基で保護することとし、ベンジル基の導入検討も同時に実施し、当初の設計にそったシアル酸鍵中間体の合成法を確立した。現在は、得られた鍵中間体のアジド基を還元し、種々の置換基を導入したシアル酸ユニットを合成中である。また、その一部を用いて、高分子固定化反応の条件検討を実施している。次に受容体となるラクタム化シアル酸ユニットの合成および反応性の検討も実施した。上述した鍵中間体のアジド基を還元後、分子内アミド化反応を行い、ラクタム受容体へと高収率で導く経路を確立した。続いて、既存のシアル酸供与体との反応に供することこより、受容体としての反応性を検証した。その結果、本研究で開発した受容体ユニットは高い反応性を有することを確認できた。
胃の蠕動機能が睡眠時ブラキシズムの発現に及ぼす影響の解明

「胃の蠕動機能が咀嚼様運動を示すブラキシズムと密接に関連する」とする仮説に基づき、胃の運動機能と咀嚼との関連を^<13> C呼気試験によって実験的に検討した。咀嚼するとTmax、Tlag、T1/2は有意に遅延し、胃電図のドミナントパワーは摂食後、一過性に低下した後、持続的に上昇した。即ち、咀嚼で胃の活動は一過性に抑制され、食物排出は一時的に抑制された後、持続的に亢進することがわかった。つまり、胃の蠕動機能は咀嚼様運動を示すブラキシズムと関連する可能性が示唆された。近年、睡眠時ブラキシズムと胃食道逆流や機能性胃腸症等の疾患との関連が注目されている。しかしこれまで、睡眠時ブラキシズム患者の胃の蠕動機能を評価した報告や消化管運動改善薬の睡眠時ブラキシズムに対する治療効果を検討した報告はない。そこで、本研究は歯科分野の研究に内科学的検査(胃排出能、胃電図)や消化管運動改善薬による内科的治療を適用して、胃の蠕動機能がブラキシズム発現にどのような影響を及ぼすかを検討した。健康な成人男性6名を対象に、咀嚼を行った場合(M群)と行わなかった場合(C群)の2つの条件下で、胃排出能(13C呼気試験法)や胃運動機能(胃電図)、自律神経活動(心電図)を調べた。試験食には13C-acetate 100mgを含んだ液状食を用い、M群では試験食摂取中に無味無臭の硬性ガムを5分間咬ませた。試験食摂取後の呼気試験データから13C排泄速度やTmax、T1/2を、胃電図からdominant frequencyとdominant powerおよび摂食前後のPower Ratioを、心電図からR-R間隔変動の高周波成分(HF)と低周波成分(LF)を解析し、2群間を統計学的に比較した。その結果、M群ではC群と比べ摂取1040分後までの13C排泄速度が低く、Tmaxも有意に遅れた。T1/2に2群間で有意差は見られなかった。また、摂取010分後のPower RatioはM群が有意に低く、4050分後のdominant powerはM群が有意に大きかった。自律神経活動はM群が摂取中にLF/HF比が有意に高かった。以上の結果から、咀嚼を行うと一時的に交感神経系が優位になり、胃の運動機能が抑制され、咀嚼をしなかった場合と比べ胃からの食物排出が一過性に遅延するが、その後胃の運動機能は亢進することが示唆された。今後はこれまで行われてきた固形食での結果との比較を行い、咀嚼による食物の粉砕の影響や自律神経活動が消化管活動に及ぼした影響を検討していく予定である。近年、睡眠時ブラキシズムと胃食道逆流症等との関連が注目されている。しかしこれまで、胃の蠕動機能と顎口腔機能との関連性を詳細に検討した報告はない。そこで、本研究は歯科分野の研究に内科学的検査(胃排出能、胃電図)を適用して、胃の蠕動機能と顎口腔機能との関連性を検討した。対象は第三大臼歯以外に喪失歯がない個性正常咬合を呈する健康な成人男性14名で、顎口腔機能異常や上部消化器疾患の既往のあるものは対象から除外した。測定項目は13C呼気試験法(胃排出能)、胃電図(胃の運動機能)、心拍変動解析(自律神経機能)、喉頭部の運動(嚥下回数)、咬筋筋電図(咀嚼筋活動)で、これらの測定を「咀嚼あり」と「咀嚼なし」の2条件下で行った。試験食は液状食を用い、1分間隔で4回に分けて摂取させ、「咀嚼あり」では摂取中に無味無臭のガムベースを計5分間咀嚼させた。その結果、「咀嚼あり」では1)Tmax,TmaxA,T1/2,T1/2WN,Tlagが有意に大きく、胃排出能は遅延し、2)胃電図のドミナントパワーは試験食摂取後に一過性の抑制が認められ、3)自律神経活動は、試験食摂取後、HFP(副交感神経活動)が一過性に低下していた。以上から、咀嚼を行うと自律神経機能を介して、初期の胃排出が抑制されることが初めてわかった。

これまでは、消化管機能へ果たす咀嚼の役割は、食物の粉砕が中心に考えられてきたが、本研究で様々な項目の測定を同時に行うことにより、咀嚼は食物を粉砕するだけではなく、食物の一定の貯留や一定速度での排出などの胃の生理的機能に関与している可能性があることが示唆された。
アポトーシスによる癌の増殖・転移の抑制と分子標的療法の開発

本研究では、エンドリソソーム性アスパラギン酸プロテアーゼであるカテプシンEの発癌、および癌の増殖・転移における役割について解析を行った。In vitroにおける解析では、前年度までに本酵素が正常細胞に影響を及ぼさず、癌細胞特異的アポトーシス誘導因子TRAILを介して癌細胞特異的にアポトーシスを誘導することを証明していたが、さらに種々の癌細胞(口腔癌、前立腺癌、白血病)においてその効果を検討した。また、カテプシンEによるアポトーシス誘導の癌細胞間の感受性の相違の分子機構を、TRAILと各種TRAIL受容体の発現量、およびアポトーシスシグナル伝達に関与する分子群の動態から解析を行った。その結果、カテプシンE誘導性アポトーシスへの感受性の相違が、本酵素によって癌細胞膜表面から遊離されるTRAILの量や癌細胞自身がもつTRAILデコイレセプター(OPG)の量によって生じることを明らかにした。さらに、白血病細胞を用いた実験では、カテプシンEとの併用により、化学療法薬(エトポシド等)による増殖抑制、細胞死誘導効果が相乗的に効率化することを細胞レベルで確認した。また、発癌における本酵素の役割を検討するため、カテプシンE欠損経産雌マウスに自然発症する乳腺癌の発症頻度、および組織型の詳細な検討を行い、その細胞の培養系への株化樹立を行った。以上のことから、カテプシンEが発癌のステップ、および癌の増殖・転移のステップにおいて、負のコントロールをしていること、また本酵素の癌細胞増殖抑制効果・細胞死誘導効果について、カテプシンEに感受性の低い細胞種についても従来の化学療法薬と共に用いることにより、その抗癌効果を発現しうることを明らかにした。まず、in vitroにおける解析から、癌細胞が本酵素を産生・分泌すること、ならびに癌綱胞培養上清中には、癌細胞自身を細胞死に導く分子が含まれていることを証明した。さらに、癌細胞培地に精製カテプシンEを添加すると、癌細胞が濃度依存的にアポトーシスに誘導されることを見い出した。このカテブシンEによる作用は癌細胞特異的であり、正常細胞にはほとんど影響が認められないこと、また、他のエンドリソソーム性プロテアーゼのカテプシンB、L、Dではアポトーシスは観察されないことなどを明らかにした。このアポトーシス誘導機構には、カテプシンEの酵素活性が必須であることを、アスパラギン酸プロテアーゼの阻害剤であるペプスタチンや酵素活性部位に変異を入れた変異型カテプシンEを用いることで証明し、さらに、カテプシンEによる癌細胞特異的アポトーシスが癌細胞特異的アポトーシス誘導因子として知られるTRAIL(TNF-related apoptosis-inducing ligand)を介したものであることを、TRAIL抗体を用いて明らかにした。さらに、in vitroの紬胞培養系で得られたカテプシンEによるアポトーシス誘導効果を、動物モデルを使ったin vivoの系で明らかにした。まず、ヌードマウス癌移植片へ精製カテプシンEを局所投与し、悪性腫瘍の増殖・転移能を経時的に調べた。カテプシンEの局所投与で、癌移植片の増殖は抑制された。さらに、宿主側の本酵素の影響をみるため、カテプシンEノックアウトマウス、カテプシンEトランスジェニックマウス、および同系正常マウスに、マウスメラノーマ細胞を皮下移植し、原発巣での増殖能、肺への転移率、さらに致死率を解析した。宿主側カテプシンEの発現量に比例して腫瘍増殖・転移抑制効果が観察された。また、カテプシンEノックアウト経産雌マウスに90%以上の確率で乳腺癌が発症することを見い出し、この癌の組織型を明らかにした。以上のことから、カテプシンEが発癌のステップ、および癌の増殖・転移のステップにおいて、負の制御因子(癌抑制因子)として働いていることを明らかにした.本研究では、エンドリソソーム性アスパラギン酸プロテアーゼであるカテプシンEの発癌、および癌の増殖・転移における役割について解析を行った。

以上のことから、カテプシンEが発癌のステップ、および癌の増殖・転移のステップにおいて、負のコントロールをしていること、また本酵素の癌細胞増殖抑制効果・細胞死誘導効果について、カテプシンEに感受性の低い細胞種についても従来の化学療法薬と共に用いることにより、その抗癌効果を発現しうることを明らかにした。
わが国での学校ソーシャルワーカー配置に向けた調査研究

本研究を通して以下の点が明らかとなった.1.福岡県下の市町村教育委員会及び小中学校に対する学校ソーシャルワーカー配置に向けた調査研究結果学校は関係機関との連携の必要性を高く望んでいるが,教員の業務多忙のために連携会議の日程や調整が困難であり,どのような機関があるかもよく知らないことが見出された.この結果より,わが国では学校と関係機関をつなぐ調整役として,学校ソーシャルワーカーの必要性が高いことが見出された.2.「スクールソーシャルワーカー派遣事業」に関する聞き取り調査研究結果兵庫県赤穂市・香川県・大阪府教育委員会では,学校と関係機関をつなぐ調整役の必要性より「スクールソーシャルワーカー派遣事業」を実施している.赤穂市は1名,香川県は7名,大阪府は7名のスクールソーシャルワーカーが学校に派遣され,学校と関係機関の調整役としての役割任務で活躍している3.京都市教育委員会「旧・生徒福祉課」の歴史調査研究結果「旧・生徒福祉課」は1962年に生徒福祉主事5名を配置し,欠食児童や長欠児童,非行児童に対しソーシャルワーク支援を展開していた.しかし,組織改編とともに生徒福祉課は消滅するが,学校へのソーシャルワーク支援の制度化の鍵は教育委員会の理解が不可欠であることが見出された.4.カナダ・トロント市教育委員会での学校ソーシャルワーカーの調査研究結果トロント市教育委員会,小・中・高校の学校ソーシャルワーカー,トロント大学大学院,児童虐待防止センターでの業務聞き取り調査より,学校と関係機関の連携役・調整役として学校ソーシャルワーカーが不可欠な役割として制度的に位置づけられており,その専門性の高さを維持するために専門職大学院で人材養成がシステムとして図られている現状が見出された.本研究を通して以下の点が明らかとなった.1.福岡県下の市町村教育委員会及び小中学校に対する学校ソーシャルワーカー配置に向けた調査研究結果学校は関係機関との連携の必要性を高く望んでいるが,教員の業務多忙のために連携会議の日程や調整が困難であり,どのような機関があるかもよく知らないことが見出された.この結果より,わが国では学校と関係機関をつなぐ調整役として,学校ソーシャルワーカーの必要性が高いことが見出された.2.「スクールソーシャルワーカー派遣事業」に関する聞き取り調査研究結果兵庫県赤穂市・香川県・大阪府教育委員会では,学校と関係機関をつなぐ調整役の必要性より「スクールソーシャルワーカー派遣事業」を実施している.赤穂市は1名,香川県は7名,大阪府は7名のスクールソーシャルワーカーが学校に派遣され,学校と関係機関の調整役としての役割任務で活躍している3.京都市教育委員会「旧・生徒福祉課」の歴史調査研究結果「旧・生徒福祉課」は1962年に生徒福祉主事5名を配置し,欠食児童や長欠児童,非行児童に対しソーシャルワーク支援を展開していた.しかし,組織改編とともに生徒福祉課は消滅するが,学校へのソーシャルワーク支援の制度化の鍵は教育委員会の理解が不可欠であることが見出された.4.カナダ・トロント市教育委員会での学校ソーシャルワーカーの調査研究結果トロント市教育委員会,小・中・高校の学校ソーシャルワーカー,トロント大学大学院,児童虐待防止センターでの業務聞き取り調査より,学校と関係機関の連携役・調整役として学校ソーシャルワーカーが不可欠な役割として制度的に位置づけられており,その専門性の高さを維持するために専門職大学院で人材養成がシステムとして図られている現状が見出された.1.福岡県下の市町村教育委員会及び小中学校の教育相談担当者へのアンケート調査結果福岡県教育委員会の全面的協力のもと、市町村教育委員会教育相談担当者のみならず、福岡市を除く、96すべての市町村の小・中学校(約1300校)にアンケート調査を実施することができた。調査内容は、学校と関係機関の行動連携上の調整役の有無や連携上の課題、学校ソーシャルワーカー配置の必要性等である。なお、調査期間が平成17年2月3月であったため、現在、データの集計中であるが、学校教育現場では関係機関との行動連携と、調整役としての学校ソーシャルワーカー配置を求める回答の多さが散見されている。2.学校ソーシャルワーカー派遣事業を実施している教育委員会への聞き取り調査結果平成16年度現在、学校ソーシャルワーカー派遣事業を実施しているのは、兵庫県赤穂市教育委員会と香川県教育委員会である。両教育委員会での聞き取り調査結果では、児童生徒が抱える問題への対応に試行的に学校ソーシャルワーカーをモデル校(中学校)に派遣し、その成果から派遣事業を制度化していった経緯が見られた。また、学校ソーシャルワーカー配置に向けた制度化の課題では、派遣事業の予算化や質の高い学校ソーシャルワーカー養成のあり方が聞き取り調査より見出された。3.京都市教育委員会での旧「生徒福祉課」の調査結果京都市教育委員会では過去に「生徒福祉課」を設置し、児童生徒の問題対応に困窮している学校へ専門職員を派遣し、対応していく制度を実施していた。当時の職員の聞き取り調査や資料収集より、非行化対策や就学指導として生徒福祉課が設置され、職員はソーシャルワークの研修を受けながら業務を行っていた。ただし、職員には学校ソーシャルワーカーという立場の認識はなく、生徒福祉課も教育相談組織の改編で廃止されていった。上記調査研究成果は、平成17年度において学会発表及び学術誌への論文投稿予定。本年度の研究は、カナダ・トロント市における学校ソーシャルワーカー事業の調査研究である。

調査内容は、(1)トロント市教育委員会及びトロントカトリック教育委員会にて学校ソーシャルワーカー派遣事業の概要と役割業務についての聞き取り調査の実施、(2)トロント市内の3校の小学校と高等学校1校にて学校ソーシャルワーカー、コミュニティワーカー、ユースワーカーより実務内容や役割機能についての聞き取り調査の実施、(3)児童虐待防止機関CAS (Children's Aid Society of Toronto)2箇所にて、取り組み内容と学校ソーシャルワーカーとの協働状況についての聞き取り調査の実施、(4)児童虐待の面談場所を提供しているゲートハウスにて、本機関の役割支援についての聞き取り調査の実施、(5)性的虐待防止対応センターにて、トロント市での性的虐待状況や性的虐待を受けた被害者に対する心理的支援や制度的支援についての聞き取り調査の実施、(6)非行少年の社会復帰に取り組んでいる子ども協会にて、非行に対する対応と支援成果についての聞き取り調査の実施、(7)トロント大学ソーシャルワーク大学院にて学校ソーシャルワーカー養成システムについての聞き取り調査を実施した。今回での調査研究は、昨年度に調査を実施した兵庫県赤穂市や香川県、大阪府での学校ソーシャルワーカー派遣事業を全国レベルにまでにさらに発展させていく上で、学校ソーシャルワーカーの配置システムや役割機能等で非常に実りある成果と示唆が得られた。さらに、わが国での学校ソーシャルワーカー配置に向けて、実践研究や人材養成の研究を諸外国の動向を踏まえて危急に蓄積していくことが欠かせない状況にあることも課題として明らかとなった。以上より、本研究を通して、平成17年度末に「日本学校ソーシャルワーク学会」設立準備シンポジウムを開催し、本研究成果の発表と大阪府での学校ソーシャルワーカー派遣事業の報告等を行い、平成18年度には第1回大会を開催する運びとなった。本年度は,以下の研究を実施した.2006年9月25日28日に韓国・釜山大学を会場校として開催されたThe 3^<rd>International School Social Work Conferenceに出席し,研究代表者がゲストスピーカーとして日本の学校ソーシャルワークの動向と展望について報告した.大会には12カ国の研究者・学校ソーシャルワーカーが参加し,各国の実践報告と情報交換を行った.2.日本学校ソーシャルワーク学会の設立及び全国大会開催研究誌の刊行今回の科学研究費での研究成果を基盤に学校ソーシャルワークの研究を発展させるため,2006年3月18日に「日本学校ソーシャルワーク学会設立準備シンポジウム・学会設立総会」を開催した.
運動トレーニングの感染に対する抵抗力とそのメカニズムに関する研究

運動トレーニングが感染に対して抵抗力を高めるものか否かを検討した。披検動物は57週齢の雄性マウスである。運動は水泳を用い,水温は36°Cとした。運動の影響は一過性の運動,習慣化した運動(トレーニング)について検討した。1.一過性の運動は,15分,30分,60分,90分を用い,運動負荷終了直後,30分後,1時間後,3時間後,6時間後,12時間後に大腸菌を腹腔に注入し,感染に対する抵抗力をみた。その結果,運動時間の長短に関わらず,運動後1時間はマウスの生存率が統計的に有意に高かった。しかし時間の経過とともに対照群との差はなくなった。2.習慣化した運動(トレーニング)は,運動の種類は水泳,1回の負荷時間は1時間,週5回の頻度で1,2,3,4,6,8,12週間実施した。その結果,生存数はトレーニング群の方が対照群より多かった。統計的に有意な差がみられたのは2,4,12週間群であった。3.(1),(2)で得られた成績から,2週間の水泳運動を負荷し,その際の血中の免疫細胞を測定した。測定項目は総白血球数,リンパ球,顆粒球,単球,およびリンパ球サブセット(CD3,CD4,CD8,CD19)である。総白血球数は対照群,浸水群に比べ水泳トレーニング群は有意に高い数値を示した。白血球の分画をみると,顆粒球の相対値が有意に高かったが,リンパ球,単球に変化はみられなかった。リンパ球のサブセットにも変動はみられなかった。以上の成績から,一過性の運動,習慣化した運動は生体の防御能を賦活させることが示唆され,その背景にある機構として血中の顆粒球がなんらかの形で関わっていることが推察された。運動トレーニングが感染に対して抵抗力を高めるか否かを検討した.マウスに一定期間の運動トレーニングを負荷し,トレーニング終了後腹腔内に大腸菌を攻撃した.そしてその後のマウスの生存数,生存率を追跡した.被検動物は5週齢のddY系雄性マウスを用いた.マウスはトレーニング群と対照群に分けられた.トレーニング運動は水泳運動を用い,頻度は5回/週であり,期間は1,2,3,4,6,8,12週間とした.一過性の運動の影響を避けるために,大腸菌の攻撃時,及び1回の運動時間を検討した.一過性の運動群と対照群に大腸菌による攻撃を行い(運動時間は15分,30分,60分,90分),時間経過を追った.その結果,トレーニングにおける1回の運動時間は1時間に設定し,腹腔内への大腸菌攻撃は最後のトレーニングが終了した24時間後に実施することにした.マウスの生存状態は,菌の攻撃後5日間にわたり観察した.飼育条件はトレーニング群,対照群とも12時間の明暗サイクルで行い,食餌・水分の摂取は自由とした.マウスの生存の可否は48時間以内に決定した.トレーニング期間は1,2,3,4,6,8,12週間であったが,腹腔内への大腸菌攻撃の結果,すべてのトレーニング期間群において,生存数,生存率とも対照群のそれを上回った.統計的に有意な差がみられたのは2,4,12週間トレーニング群であった.この成績から運動の習慣化は安静時の感染に対する抵抗力を高めることが示唆された.

運動トレーニングの継続が生体の防御能を亢進する可能性が示されたが,これらの背景となるメカニズムについては不明である.次年度はこの背景について検討を試みたい.運動トレーニングが感染に対して抵抗力を高めることは昨年の研究成果より明白になった.今回その背景にある機構を検討するため実験を行った.マウスに一定期間の運動トレーニングを負荷し,トレーニング終了後に血液中の白血球について調べた.被検動物は5週齢のddY系雄性マウスを用いた.マウスはトレーニング群と対照群に分けられた.トレーニングは6週齢より開始した.トレーニング運動は水泳運動を用い,頻度は5回/週であった.運動トレーニングにより感染に対して抵抗力を高めたトレーニング期間(統計的に有意な差がみられた)は2,4,12週間群であった(1998年度).そこでトレーニング期間2週間群を調査の対象とした.マウスは運動トレーニング群(E群),プラスチックケージで飼育した対照群(SC群),そして36°Cの水温に浸した群(C群)を設定した.採血は最後の運動トレーニング終了24時間後に行った.測定項目は白血球数,リンパ球,単球,顆粒球,リンパ球サブセット(CD3,CD4,CD8,CD19)とした.その結果,トレーニング終了後,白血球数はC群,SC群に比べE群で統計的に有意に高い値を示した.高い値を示した白血球数の分画をみると,顆粒球の相対値が有意に高い変化を示した.一方,単球,リンパ球の相対値に群間差はみられなかった.リンパ球のサブセットについても同様に変化はみられなかった.大腸菌感染に抵抗力を示した運動トレーニング群の生体防衛のメカニズムの可能性は血液中の白血球,特に顆粒球の存在によることが推察された.
多様な植物トリテルペノイド生合成マシナリーの再構築

植物が生産する多様なトリテルペノイドは、潜在的医薬品資源として重要な化合物群として知られている。本研究では、植物トリテルペノイドの生合成において、トリテルペノイドの共通前駆物質であるオキシドスクアレンから種々のトリテルペン骨格を生成するオキシドスクアレン環化酵素、並びに、トリテルペン骨格の酸化修飾を触媒し構造多様化に寄与するシトクロムP450酸化酵素遺伝子を様々な植物種から単離し、酵母細胞に導入することにより、多様な植物トリテルペノイドを効率良く生産する技術の確立を目指した。平成24年度は、単子葉植物に特異的なCYP51HサブファミリーP450がトリテルペン酸化活性を有することを始めて生化学的に証明した。また、β-アミリン合成酵素等、各種トリテルペン合成酵素遺伝子と、これまでに得られたトリテルペン酸化活性を有する各種P450(CYP51H, 72A, 88D, 93Eおよび716Aサブファミリー)を様々な組み合せ(23分子種)で酵母において同時発現させることにより、酵母内在のオキシドスクアレン(トリテルペノイドの共通前駆物質)から、これまでに植物体からの単離報告のないものも含めて多数の酸化トリテルペノイドを生成することに成功した。これにより、組換え酵母を用いた植物トリテルペノイドのコンビナトリアル生合成の実行可能性を示した。24年度が最終年度であるため、記入しない。研究代表者らは、マメ科の薬用植物、カンゾウ(甘草)の主活性成分であり、肝炎治療剤として使用されるグリチルリチン(トリテルペノイド配糖体の一種)の生合成酵素(β-アミリン合成酵素、CYP88D6、およびCYP72A154)を酵母内で共発現させることで、グリチルリチンの非糖部に相当し、薬理活性本体と考えられているグリチルレチン酸を生成することに成功した。また、マメ科モデル植物であるタルウマゴヤシの遺伝子共発現解析手法を用いて、β-アミリンの28位炭素の酸化を触媒しオレアノール酸を生成するCYP716A12を同定した。また、CYP716A12はα-アミリンやルペオールといった別のトリテルペン骨格に対しても酸化活性を示し、それぞれ、ウルソール酸、およびベツリン酸を生成することを見出した。オレアノール酸およびウルソール酸は、抗炎症作用、抗酸化作用、抗高脂血症効果、抗腫瘍活性など様々な生理活性を有することが知られている。また、ベツリン酸については強い抗腫瘍活性の他、その誘導体であるPA-457がフェーズIIの臨床試験においてHIV治療薬として有効であることが示されている有用物質である。同時に、複数のP450遺伝子を様々に組み合わせて酵母に導入することにより、生成トリテルペノイドの多様化、また、植物体中ではレアな化合物の生成が可能であることを示した。トリテルペノイド生合成に関わる複数のP450遺伝子の単離に成功し、一部の成果については論文化を行なった。また、得られた酵素遺伝子を、様々な組み合せにおいて酵母内で共発現させることで、植物体中ではレアな化合物を主生成物として合成することに成功した。各種オキシドスクアレン環化酵素と複数のP450遺伝子の組み合せ実験によるトリテルペノイド生成物の多様化実験を継続するとともに、これまでに単離したP450のホモログ単離と酵素機能解析により、新たなトリテルペン酸化活性を示す酵素の取得を目指す。

また、天然には、多くのトリテルペノイドは配糖化されることでさらに構造が多様化することから、トリテルペノイド生合成関連配糖化酵素遺伝子の単離、ならびに、すでに作出したトリテルペン生産酵母への導入により、これまでに前例のない、「組換え酵母におけるトリテルペノイド配糖体(サポニン)のインビボ生産」にも挑戦する。
バイオテンプレート極限加工による３次元量子ナノ構造の作製と光学デバイスへの応用

3次元GaAs量子ナノ構造はGaAs/AlGaAs積層構造をドライエッチングすることにより作製する。その後、有機金属気相成長法により再成長を行う。最後に、電極を形成し3次元GaAs量子ナノディスク発光ダイオードを作製する。従来は、積層構造作製時のAlGaAsと同じAl濃度のAlGaAsキャップ層で再成長を行っていたが、この対称バリアのGaAs量子ナノ構造を用いて作製した発光ダイオード(LED)は100K付近において電流注入による発光が消失した。そこで、積層構造作製時のAlGaAsよりも高いAl濃度のAlGaAsを用いてキャップ層の再成長を行った。埋め込み再成長のAlGaAsのAl濃度を上げることで、GaAs量子ナノ構造の周りの障壁高さは平面方向よりも垂直方向の方が高くなる。この非対称バリアのGaAs量子ナノ構造を用いて作製した発光ダイオードでは、室温においても電流注入による発光を確認することができた。実際に作製した次元GaAs量子ナノ構造の障壁高さをシミュレーションにより計算した。その結果、対称形バリアの3次元GaAs量子ナノ構造では平面方向及び垂直方向ともに同じバリア高さであるという結果が得られた。一方で、非対称形バリアの3次元GaAs量子ナノ構造の場合では、Al濃度の低いバリアから電流が注入され量子ナノ構造にて再結合をすることがわかった。さらに、高濃度AlのAlGaAsバリアで囲まれているため、バリアと量子ナノ構造のエネルギー準位の差が開いている。そのため、深い閉じ込めによってキャリアがバリアに抜けてにくく、その結果室温まで動作することがわかった。以上のように、本年度はAl濃度の高いAlGaAsバリア層で埋め込み再成長を行うことで、室温で発光する3次元GaAs量子ナノ構造LEDの作製に成功した。また、このメカニズムを解明した。27年度が最終年度であるため、記入しない。昨年度は高効率量子ドットレーザの開発を目的に化合物半導体の量子ナノディスク構造作製プロセスの最適化及びデバイスの試作を行った。1.量子ナノディスク構造の作製プロセス最適化作製した量子ナノディスク構造の透過型電子顕微鏡の断面図の観察より、構造内部に結晶欠陥が見られておらず、作製した量子ナノディスク構造が期待通りに低欠陥に作製できていることが分かった。また、我々の量子ナノディスク構造の特徴である2つのサイズ制御パラメータ(厚さ・直径)を独立に制御したサンプルを作製しフォトルミネッセンスを行った結果、サイズに応じた発光のピーク位置のシフトを確認した。また、この発光のピーク位置はシミュレーションにより算出した発光のピークとほとんど一致している。さらに、表面の酸化膜と作製した量子ナノディスク構造の関係性について調査し、表面の酸化状態を制御することで、密度を約2倍(5×10^<10>cm^<-2>から1×10^<11>cm^<-2>)まで向上させることに成功した。デバイス応用への3次元量子ナノディスク構造の開発として、基板製膜時のGaAs量子井戸構造の席総数を増加させることで3次元量子ナノディスク構造の作製を行った。また、他の半導体材料への展開として、光通信へ適用が可能なInGaAs量子ナノディスク構造の作製も始めた。その結果これまでに、ナノディスク構造の作製に成功し、InGaAsナノディスクからと思われるPL発光を観測している。今後、さらなるプロセスの最適化をする予定である。2.デバイスの作製・評価このようにして最適化を行った3次元GaAs量子ナノディスク構造においてレーザ構造の試作を行い、低温において電流注入による発光特製の評価を行った。その結果、レーザ発振は確認できなかったものの、電流注入による高強度の発光を観測し、LEDとして機能しているということを確認した。13次元GaAs量子ナノディスク構造を用いた量子ドットレーザの試作:これまでの研究において、高密度3次元量子ナノディスク構造の作製および有機金属気相成長法による埋め込み再成長、電極形成後、低温において電流注入による発光の測定を観測することに成功している。昨年度は室温での動作および電流注入によるレーザ特性を得ることを目標にレーザ構造の設計および作製プロセスの最適化を行った。その結果、室温においても電流注入による発光を観測することができ、3次元GaAs量子ナノディスク構造LEDの作製に成功した。23次元InGaAs量子ナノディスク構造の作製プロセスの最適化:高密度3次元InGaAs量子ナノディスク構造の作製を目指し、これまでの3次元GaAs量子ナノディスク構造の作製プロセス最適化の知見をもとにキャップ層の検討およびエッチングのパラメータの最適化を行った。不安定なInGaAsの表面を原子層堆積法により堆積したSiO2でキャップすることにより安定した高密度3次元InGaAs量子ナノディスク構造の作製に成功した。33次元InGaAs量子ナノディスク構造を用いた量子ドットレーザの試作:3次元InGaAs量子ナノディスク構造レーザの試作を目指し、作製した3次元InGaAs量子ナノディスク構造へキャップ層の成長および電極形成を行い、3次元InGaAs量子ナノディスク構造レーザの試作も行った。その結果、低温において注入電流量に対し発光強度が線形的に増加するという発光ダイオード特性を得ることができた。この結果から、作製した3次元InGaAs量子ナノディスク構造にキャリアが注入されており、量子ナノ構造内においてキャリアによる発光再結合が起こっているということが確認できた。3次元GaAs量子ナノ構造はGaAs/

AlGaAs積層構造をドライエッチングすることにより作製する。その後、有機金属気相成長法により再成長を行う。最後に、電極を形成し3次元GaAs量子ナノディスク発光ダイオードを作製する。従来は、積層構造作製時のAlGaAsと同じAl濃度のAlGaAsキャップ層で再成長を行っていたが、この対称バリアのGaAs量子ナノ構造を用いて作製した発光ダイオード(LED)は100K付近において電流注入による発光が消失した。そこで、積層構造作製時のAlGaAsよりも高いAl濃度のAlGaAsを用いてキャップ層の再成長を行った。埋め込み再成長のAlGaAsのAl濃度を上げることで、GaAs量子ナノ構造の周りの障壁高さは平面方向よりも垂直方向の方が高くなる。この非対称バリアのGaAs量子ナノ構造を用いて作製した発光ダイオードでは、室温においても電流注入による発光を確認することができた。実際に作製した次元GaAs量子ナノ構造の障壁高さをシミュレーションにより計算した。その結果、対称形バリアの3次元GaAs量子ナノ構造では平面方向及び垂直方向ともに同じバリア高さであるという結果が得られた。一方で、非対称形バリアの3次元GaAs量子ナノ構造の場合では、Al濃度の低いバリアから電流が注入され量子ナノ構造にて再結合をすることがわかった。さらに、高濃度AlのAlGaAsバリアで囲まれているため、バリアと量子ナノ構造のエネルギー準位の差が開いている。そのため、深い閉じ込めによってキャリアがバリアに抜けてにくく、その結果室温まで動作することがわかった。以上のように、本年度はAl濃度の高いAlGaAsバリア層で埋め込み再成長を行うことで、室温で発光する3次元GaAs量子ナノ構造LEDの作製に成功した。また、このメカニズムを解明した。2年目においては1年目の結果をもとにしたGaAs量子ナノディスク構造の作製最適化および他材料への展開を計画しており、計画通りにGaAs量子ナノディスク構造の最適化およびInGaAsへの展開が行われている。27年度が最終年度であるため、記入しない。現在、GaAs量子ナノディスク構造においては室温でのLED特性が、InGaAs量子ナノディスク構造においては低温でのLED特性が得られている。レーザ発振まで至らない原因としては、量子ナノディスク構造の密度が小さいこと、注入電流量が小さいこと、量子ナノディスク構造までキャリアが注入されていないことなどが考えられる。そのため、・3次元GaAsおよびInGaAs量子ナノディスク構造の高密度化による発光強度の増加を目指し、エッチング前の基板構造(バリア層及び量子井戸層の組成比・厚さ・層数等)の最適化・量子ナノ構造と再成長
電気化学-光電子分光複合装置を用いた構造規制電極上の燃料電池反応の解析

高性能な燃料電池用カソード触媒の設計指針を得るために、電気化学-光電子分光複合装置を用いてPt単結晶電極上の吸着酸素種の解析を行った。本研究によりPt低指数面の表面酸化過程を初めて明らかにした。また、酸素還元反応中において、活性の低い(111)面では分子状酸素が観察された一方、活性の高い(110)面では原子状酸素が多く存在することが初めて明らかとなった。さらに走査型トンネル顕微鏡を用いて(111)面の酸化還元過程のその場観察に初めて成功した。本研究では、電気化学-光電子分光複合装置(EC-XPS)を用いて、Pt並びにPt合金単結晶電極上の吸着酸素種の同定・定量を行い、これら構造規制電極上の酸素還元反応機構を解明することで高性能な燃料電池用カソード触媒の設計指針を得ることを目的としている。平成20年度は当初の計画通り、基本低指数面であるPt(111)とPt(110)単結晶電極の表面酸化過程並びに酸素還元反応時の中間体の解析を行った。EC-XPS装置での解析を行う前に、以下の準備実験を行った。1、EC-XPS装置での解析を行えるように、単結晶電極専用の試料ホルダーを作製し、また装置内での実験手順の最適化を行った。2、単結晶電極は装置に持ち込む際によく規定された表面に調製する必要がある。試料調製は雰囲気制御下において加熱・冷却することで行うが、再現性の高い調製には精密な温度制御が必要であった。そこで雰囲気制御が行える赤外線イメージ加熱炉(アルバック理工)を購入し、単結晶電極の調製に用いた。走査型トンネル顕微鏡(STM)を用いて調製後の単結晶電極の表面観察を行い、加熱炉の温度プログラムの最適化を行った。上述のようによく規定された単結晶電極を用いて、Pt(111)並びにPt(110)単結晶電極の表面酸化過程の解析をEC-XPS装置を用いて行った。この結果、表面酸化の初期段階でヒドロキシルが生成し、次いで原子状酸素が生成することを実験的に初めて明らかにした。また、表面酸化過程は指数面により異なること、表面上の水分子の吸着形態が電極電位により変化することが初めてわかった。これらの知見は燃料電池反応だけでなく、Ptを用いた電気化学反応や表面化学反応全般の理解に役立つと期待される。Pt(111)電極に関してはEC-XPSを用いて酸素還元反応中の吸着酸素種の同定・定量を完了した。この結果、新しい酸素還元反応中間体(分子状酸素)を発見した。固体高分子形燃料電池(PEFC)は低環境負荷であることから自動車用・家庭用電源として期待されている。PEFCの普及化に向けた課題の一つに、カソードに用いられる電極触媒の性能向上が挙げられる。Pt系合金触媒が高い酸素還元活性を示すことが報告されているが、その酸素還元反応(ORR)機構に統一的な見解が得られていない。そこで本研究では、電気化学-光電子分光複合装置(EC-XPS)を用いてPt並びにPt合金単結晶電極上の吸着酸素種の同定・定量を行い、これら構造規制電極上のORR機構を解明することで高性能な燃料電池用カソード触媒の設計指針を得ることを目的とした。本年度はPt単結晶低指数面電極上の吸着酸素種の解析を昨年度から引き続き行い、Pt(111)、Pt(110)更にはPt(100)表面の酸性溶液中の表面酸化過程を初めて明らかにし、それら酸化過程が指数面によって大きく異なることを示した。実用Ptナノ粒子触媒表面はこれら低指数面から構成されており、触媒の安定性といった観点から、これら表面酸化過程の知見は非常に重要である。また、走査型トンネル顕微鏡を用いてPt(111)単結晶表面の酸化・還元反応に伴う表面形状変化のその場観察に初めて成功した。本研究で得られた知見は燃料電池研究だけでなく、電気化学・表面化学全般に寄与すると期待される。ORR機構を解明するため、酸素還元活性の異なるPt(111)並びにPt(110)単結晶電極上のORR中間体の解析を行った。その結果、活性の低いPt(111)では未解離分子状酸素が観察された一方、活性の高いPt(110)では解離吸着原子状酸素が多く見受けられた。酸素還元活性と反応中間体の吸着量との相関は、ORR機構の解明につながると大いに期待される。さらに研究実施計画に基づき本年度は合金単結晶の作製を試みた。従来のチョクラルスキ法に替わる簡便な火炎溶融法により、任意組成の固溶PtCo合金単結晶を量産することに成功した。これにより、燃料電池用Pt系合金電極触媒の研究に道が開けると期待される。