hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
三次元積層回路の高性能化に向けたゲルマニウム系混晶形成および低温ドーピング技術

水中PLAによる絶縁膜上多結晶GeSn形成およびドーパント活性化技術について検討し,プロセス温度シミュレーションと共に,多結晶薄膜のキャリア物性を詳細に調査した.紫外レーザのGeに対する短い侵入長および水による冷却効果により,下地基板温度は100度以下に維持されることを明らかにし,低温プロセス技術として有望であることを示した.偏析しやすいSbをドーパントとした場合にも,結晶化後の膜中Sb濃度が高濃度に維持されることを見出し,PLAによる短時間溶融・結晶化過程における偏析抑制効果を示した.また,従来手法に比べ極めて高い活性化率を有することを明らかにし,高濃度n型ドーピングと高い移動度の両立を実証した.他のp型およびn型ドーパントをそれぞれ導入し,その振る舞いについて系統的に調査した.照射エネルギーの増加に従い,膜中濃度が減少もしくは一定のドーパント種があった.本現象について,水によるドーパントの酸化に注目し,化学ポテンシャルを用いて整理した.酸化されやすいとドーパント濃度が減少し,キャリア濃度が減少することを明らかにした.従って,水中PLAにおける水による酸化抑制の重要性を示した.さらに,レーザ照射回数の低減が酸化抑制に効果的であることを見出し,酸化されやすいGaの場合でも,高移動度かつ高濃度p型ドーピングを実証した.さらに,水中PLAによる低温ドーピング技術の応用として薄膜熱電発電素子形成に注目し,n型多結晶GeSn薄膜の熱電物性を明らかにすると共に熱電発電素子の形成と動作実証を行なった.n型多結晶GeSn薄膜の室温における熱電物性を評価し,他のIV族薄膜熱電材料と遜色ない性能を有することを示した.絶縁膜上にp型・n型多結晶GeSn薄膜からなる熱電素子の300度以下プロセスでの形成に成功し,熱電発電を観測した.水中PLAを用いた絶縁膜上への低温デバイス形成を実証した.平成30年度が最終年度であるため、記入しない。平成30年度が最終年度であるため、記入しない。積層集積回路に向けた絶縁膜上Ge系高性能CMOS回路形成には、低温プロセスによるドーピング技術が必要不可欠である。特にソース・ドレイン領域の寄生抵抗低減に向けた高濃度ドーピングには偏析の抑制・高活性化が重要であり、これらを満たす手法として水中パルスレーザアニール法に注目した。高濃度にSbドープした非晶質GeSn薄膜に対し本手法を用い結晶化を誘起し、その結晶性および電気特性について評価を行った。数値シミュレーションおよび結晶粒径評価から、非晶質層が完全溶融するエネルギー条件において大粒径成長が誘起されることが明らかとなった。加えて、数値シミュレーションから完全溶融するエネルギー条件においても、400度以上の高温領域を表面から400 nm程度に限定可能であることがわかり、下地集積回路への熱的影響を抑制できることが示唆された。結晶中のSb原子の活性化率について硬X線光電子分光法を用いて調査したところ、従来手法によるn型ドーピングにおける報告値を大きく上回る値が得られ、Sbの高活性化に本手法が好適であることがわかった。Hall効果測定によりGeSn薄膜の電気特性を調べたところ、電子濃度は結晶粒径に依存しており、大粒径化した多結晶GeSnにおいては、活性化Sb濃度に一致した電子濃度が得られた。これは、結晶粒界への電子のトラップを示唆する結果である。アニール条件を最適化することで、結晶粒界散乱およびトラップを抑制し、単結晶Siを上回る高移動度と高い活性化率に起因した高い電子濃度を実現した。(1)当初の計画以上に進展している私は、三次元積層回路の高性能化のために、Ge系混晶を活用したトランジスタが有望と考え、低温プロセスによる高濃度ドーピングの研究に注力した。私は、高濃度ドーピングには短時間熱処理が好適と考え、パルスレーザを用いたドーピングに着目することで、GeSn薄膜中へ10^20 cm^-3程度の高濃度n型ドーピングが可能であることを示した。この結果は、絶縁膜上高駆動力トランジスタの実現に向けて、低温プロセスによる寄生抵抗低減を可能とする重要な成果である。これらの成果を精力的に発表しており、結果として3件の国内学会および2件の国際学会に結実させた。その成果は外部からも高く評価されており、1年間で2件の受賞をしている。III族およびV族元素を導入した非晶質GeSnに対し,水中PLA法によるドーパントの活性化と結晶化を誘起した.最大平衡固溶限が低く,偏析係数の小さいSbで高濃度ドーピングが達成されたのに対して,GaやAl,Ga,Pは固溶限が高く,偏析係数が大きいにもかかわらず,高いエネルギー照射ではキャリア濃度が低かった.この原因について硬X線光電子分光法により調査したところ,レーザ照射エネルギーの増大に従って,AsとSb以外のドーパントは濃度減少していることがわかった.この現象について,ドーパント原子の酸化物とレーザ照射雰囲気である水分子中の酸素原子のケミカルポテンシャルに注目した.AsとSb酸化物中のケミカルポテンシャルは,水中のそれに比べて高く,酸化されにくいこと,その他のドーパントはケミカルポテンシャルが低く,容易に酸化されることが示唆された.すなわち,レーザ照射に伴う酸化が,膜中のドーパント濃度を低下させることで,キャリア濃度を低下させることがわかった.この観点から,酸化を抑えるため,レーザ照射回数を減らした試料を作製したところ,ケミカルポテンシャルの低いGaにおいても1x10^20 cm^-3を超える高いキャリア濃度を得ることに成功した.

絶縁膜上にn型およびp型の多結晶GeSn薄膜を高品質に形成する技術を確立したため,新しい応用先として熱電変換デバイスを検討した.多結晶GeSn薄膜の室温における電気伝導率およびゼーベック係数を調査し,パワーファクタを評価した.多結晶にも関わらず,MBE法により成長させた単結晶GeSn薄膜と同等のパワーファクタがp型・n型両方で得られることが分かった.本手法を用いてp型とn型を直列接続した熱電変換素子を試作したところ,温度差10Kにおいて40pWの明瞭な熱電発電を観測した.私は,三次元積層回路の高性能化のために,Ge系混晶を活用したトランジスタが有望と考え,低温プロセスによる高濃度ドーピングの研究に注力した.私は,前年度までの成果を発展させ,各種ドーパントの振る舞いを系統的に調査し,ドーパント原子の酸化抑制が重要であることを見出した.これにより,n型のみならずp型においても高いキャリア濃度と移動度の同時実現を果たした.この結果は,絶縁膜上高駆動力トランジスタによるCMOS形成において,低温プロセスによる寄生抵抗低減を可能とする重要な成果である.これらの成果を精力的に発表しており,結果として2件の国内学会および4件の国際学会に結実させた。さらに,本年度中に2本の学術論文を発表した.水中PLAによる絶縁膜上多結晶GeSn形成およびドーパント活性化技術について検討し,プロセス温度シミュレーションと共に,多結晶薄膜のキャリア物性を詳細に調査した.紫外レーザのGeに対する短い侵入長および水による冷却効果により,下地基板温度は100度以下に維持されることを明らかにし,低温プロセス技術として有望であることを示した.偏析しやすいSbをドーパントとした場合にも,結晶化後の膜中Sb濃度が高濃度に維持されることを見出し,PLAによる短時間溶融・結晶化過程における偏析抑制効果を示した.また,従来手法に比べ極めて高い活性化率を有することを明らかにし,高濃度n型ドーピングと高い移動度の両立を実証した.他のp型およびn型ドーパントをそれぞれ導入し,その振る舞いについて系統的に調査した.照射エネルギーの増加に従い,膜中濃度が減少もしくは一定のドーパント種があった.本現象について,水によるドーパントの酸化に注目し,化学ポテンシャルを用いて整理した.酸化されやすいとドーパント濃度が減少し,キャリア濃度が減少することを明らかにした.従って,水中PLAにおける水による酸化抑制の重要性を示した.さらに,レーザ照射回数の低減が酸化抑制に効果的であることを見出し,酸化されやすいGaの場合でも,高移動度かつ高濃度p型ドーピングを実証した.さらに,水中PLAによる低温ドーピング技術の応用として薄膜熱電発電素子形成に注目し,n型多結晶GeSn薄膜の熱電物性を明らかにすると共に熱電発電素子の形成と動作実証を行なった.n型多結晶GeSn薄膜の室温における熱電物性を評価し,他のIV族薄膜熱電材料と遜色ない性能を有することを示した.絶縁膜上にp型・n型多結晶GeSn薄膜からなる熱電素子の300度以下プロセスでの形成に成功し,熱電発電を観測した.水中PLAを用いた絶縁膜上への低温デバイス形成を実証した.去年度の成果として、SbドープGeSn多結晶薄膜形成において水中パルスレーザアニール法によって、大粒径成長および高濃度ドーピングを実現できることが明らかとなった。
破骨細胞の骨吸収サイクルに関する経時的、細胞形態学的研究

破骨細胞は個々に骨吸収サイクルをもっており、骨吸収サイクルに伴って形態変化を生じることが知られている。しかしながら、どのようなものがその形態変化に影響するのかはよくわかっていない。そこで、新生ラットより分離した破骨細胞をHEPES緩衝培養液を用い、37°Cに保たれた保温箱内で位相差顕微鏡下で経時的に形態変化を調べた。また、倍溶液中に神経ペプチドであるサブスタンスPならびに対照としてカルシトニンを加えた場合どのような形態変化を生じるのかを検索した。培養液中に10^<-8>MサブスタンスPもしくは50mU/mlカルシトニンを培養液に添加した結果、カルシトニン添加時には添加5分後で細胞の収縮が生じ平均約15%の面積の減少が見られた。一方、サブスタンスP添加群では添加後約15分で約4%の面積の増加が認められた。破骨細胞にはサブスタンスPレセプターが存在することが知られており、今回のサブスタンスP添加時に見られた細胞の伸展はサブスタンスPレセプターを介して生じたものと考えられる。また、プロテインキナーゼCの抑制剤であるスタウロスポリンをサブスタンスPと同時に加えた場合は細胞の伸展は生じなかった。これらの結果より、サブスタンスPは破骨細胞の表面にあるサブスタンスPレセプターに結合し、プロテインキナーゼCを活性化させることにより細胞の伸展が見られたことが考えられた。従って、サブスタンスPも破骨細胞の骨吸収サイクルに関与していることが示唆された。また、培養液中に神経ペプチドであるサブスタンスPならびに対照としてカルシトニンを加えた場合どのような形態変化を生じるのかを検索した。培養液中に10^<-8>MサブスタンスPもしくは50mU/mlカルシトニンを培溶液に添加した結果、カルシトニン添加時には添加後5分で細胞の収縮が生じ平均約15%の面積の減少が見られた。また、サブスタンスP添加群では細胞内に空胞の出現が認められた。破骨細胞にはサブスタンスPレセプターが存在することが知られており、今回のサブスタンスP添加時にみられた細胞の伸展はサブスタンスPレセプターを介して生じたものと考えられる。また、プロテインキナーゼCの活性促進剤であるホルボールエステルを同様に破骨細胞に添加した場合、細胞の伸展と空胞の出現が認められている。これらの結果より、サブスタンスPは破骨細胞の表面にあるサブスタンスPレセプターに結合し、プロテインキナーゼCを活性化させることにより細胞の伸展と空胞の出現が生じたものと考えられた。
高齢者歯科治療の新しい循環器系無侵襲モニターの開発に関する研究

最初に心拍変動の周波数解析に適した基本ウェーブレット関数について検討し、周波数局在性と解析対象とする波形との相似性という点から、biorthogonal spline waveletsとMexican hatが比較的望ましいという結果を得た。つぎに硫酸アトロピンにより薬理学的に副交感神経抑制を発生させ、心拍変動の呼吸周波数成分を急激に減少させた信号を用いて解析を行った結果、実際の心拍変動波形の解析として、前記基本ウェーブレット関数が比較的適していると思われた。また、ケースによって連続あるいは離散ウェーブレット変換を使い分けたほうが望ましいことが示された。上記解析法の臨床応用前に解析対象とする母集団の特性を検討する目的で高齢歯科患者の循環系に関連した疫学的調査を行った。すなわち、高齢歯科患者の循環器系疾患を中心とした全身疾患の有病率調査(結果2)、および、既往疾患から推定できなかった心電図異常の発現頻度(結果3)について検討した。つぎに、これらの調査、および、前年度の基礎的検討の結果を基にして、ウェーブレット変換を用いた心拍変動解析に関する大規模データの蓄積と臨床的応用に関する検討を目的の一つとした高齢者歯科患者生体情報監視システムの構築を行った(結果4)。本システムは現時点ではフル稼働状態に至ってないので、本年度までに十分量のデータを蓄積することができなかった。従ってさらなる検討が必要であるが、短時間変動の検出において有力なツールであるウェーブレット変換による心拍変動解析は、時間分解能において短時間フーリエ変換の弱点を補う方法として高齢者の非侵襲的な循環モニターとして有用であると思われる。本年度は解析装置の構築に関連した基礎的検討を行った。最初に、これらの基本ウェーブレット関数の性格を明らかにするために周波数局在性について検討した。時間-周波数解析では周波数局在性が高い方が望ましい。また、ウェーブレット変換はある種のパターンマッチングであるという考え方からも明らかなように、解析対象とする波形とウェーブレット関数はできるだけ相似的である方がよい。このような観点から前期の基本ウェーブレット関数について検討した結果、biorthogonal spline waveletsとMexican hatが比較的望ましいと考えられた。つぎに実際の心拍変動波形の解析には(1)どの基本ウェーブレット関数が適しているか、(2)連続あるいは離散ウェーブレット変換のどちらが適切か、について検討した。解析対象として硫酸アトロピンにより薬理学的に副交感神経抑制を発生させ、主に心拍変動の呼吸周波数成分を急激に減少させた信号を用いた。その結果、前述の基本ウェーブレット関数が比較的適しているような印象を受けた。また、離散ウェーブレット変換は計算時間でメリットが大きかったが、目的とする周波数の信号強度を見たい場合には周波数の解離が問題となることもあった。これに対して連続ウェーブレット変換は計算時間がかかりゴーストの問題もあるが、周波数に連続性があり結果の解釈が比較的容易であった。従って、ケースによって連続あるいは離散ウェーブレット変換を使い分けることとした。以上より一応の結果が得られたが、未だ十分とはいえず、さらなる検討が必要であると考えている。昨年度は、最初に心拍変動の周波数解析に適した基本ウェーブレット関数について検討し、周波数局在性と解析対象とする波形との相似性という点から、biorthogonal spline waveletsとMexican hatが比較的望ましいという結果を得た。次に硫酸アトロピンにより薬理学的に副交感神経抑制を発生させ、心拍変動の呼吸周波数成分を急激に減少させた信号を用いて解析を行った結果、実際の心拍変動波形の解析として、前期基本ウェーブレット関数が比較的適していると思われた。本年度はこのような結果を用いて臨床応用を試みた。まず、基礎的データとして高齢歯科患者の循環系に関連した疫学的調査を行った。

すなわち、高齢歯科患者の循環器系疾患を中心とした全身疾患の有病率調査(結果2)、および、既往疾患から推定できなかった心電図異常の発現頻度(結果3)について検討した。つぎに、これらの調査、および、前年度の基礎的検討の結果を基にして、ウェーブレット変換を用いた心拍変動解析に関する大規模データの蓄積と臨床的応用に関する検討を目的の一つとした高齢者歯科患者生体情報監視システムの構築を行った(結果4)。本システムは現時点ではフル稼動状態に至ってないので、本年度までに十分量のデータを蓄積することができなかった。しかしながら、短時間変動の検出において有力なツールであるウェーブレット変換による心拍変動解析は、時間分解能において短時間フーリエ変換の弱点を補う方法として高齢者の非侵襲的な循環モニターとして有用であると思われる。
メチシリン耐性黄色ブドウ球菌による院内肺炎の診断と抗菌薬治療開始閾値に関する研究

メチシリン耐性黄色ブドウ球菌(MRSA)が下気道検体から検出された場合に、「感染か、定着か?」を定量的に判断する臨床疫学的診断法を降案した。本法による定量的診断法は、感染対策チームのラウンドによる臨床的診断と良好に一致した。この診断確率は信頼性,再現性に優れており,一般医療機関における感染管理に役立てることが可能と思われる。気道検体MRSA(メチシリン耐性黄色ブドウ球菌)陽性および陰性患者(総数160事例)の比較検討により、以下の臨床項目についてMRSA下気道感染の診断に関する陽性尤度比/陰性尤度比,オッズ比を算出した:(1)体温>38°C1.95/0.69,2.8、(2)WBC>15000/・L2.54/0.77,3.2、(3)喀疾中MRSA定量値>106CFU/mL1.52/0.41,3.7、(4)貧食像あり2.2/0.6,3.6、(5)血清アルブミン<3.Og/dL1.65/0.44,3.7。上記結果を基に、Bayes解析によるMRSA気道感染症の定量的診断確率(p)を求め、臨床診断結果との比較を行った。p=60%をcut-offとした場合、≧60%およびく60%に大別される二つの患者群(感染および定着)は感染症専門医による臨床診断と良好な相関を示した。一方では両診断法の結果が解離する事例も認められるため、更に対象事例を増やした診断精度向上の検討が必要と思われる。特に平成21年度はBayes解析対象項目としてclinical pulmonary infection scoreを取り入れて臨床検討を続行する予定である。これらの研究結果は、臨床医が従来の経験と知識により疾患を診断する際の意思決定に用いる各臨床指標の主観的診断寄与度を数値化したものとして捉えることができる。また、多数例の解析による数値であるため、個々の臨床医が経験する限られた患者数による診断バイアスを可能な限り無くしたものであり、根拠に基づく感染症医療(Evidence-based Medicine)の実践・普及に有益なデータである。今年度は既に6月の日本化学療法学会総会で上記結果について発表を行う予定である。下気道よりMRSA(メチシリン耐性黄色ブドウ球菌)が検出された場合に,感染か定着かを判定するため尤度比を算出した。この結果に基づき,新たにMRSAが検出された患者のMRSA下気道感染の診断確率を算出するフローチャートを作成した。以上の研究内容については,57回日本化学療法学会総会および第57回日本化学療法学会西日本支部総会において演題発表を行った。また,これらの診断確率算出のために作成したフローチャートを実際の患者に照合し,診断確率が臨床診断と照合した上で妥当な研究結果であることを解析により確認し,この結果について日本感染症学会の学術機関誌である感染症学雑誌に投稿した。起炎性を明確にしにくい感染症の客観的診断基準を創出するという観点から,査読を介する編集委員会において独創性の高い臨床研究(excellent)であるとの評価を得ることができ,学会誌論文として受理された(感染症学雑誌vol84,No5に掲載予定)。平成20年度を初年度とする本研究計画の最低限の研究目的は,平成21年度までで達成することができたと思われる。現在は,実際の臨床事例を増やし,診断確率の妥当性を再検証すると共に,抗菌薬使用要否の判定法としての臨床応用を開始している。下気道感染症から分離される病原菌には絶対病原菌(absolute pathogen)と条件性病原菌(facultative pathogen)とに二分される。黄色ブドウ球菌は後者であり,分離培養を以って下気道感染の起炎菌と診断することはできない。本研究では,メチシリン耐性黄色ブドウ球菌(MRSA)が分離された患者cohortの記述疫学に基づき,起炎菌と判断する基準,即ち,抗菌薬治療を要すると臨床的に判断する診断アルゴリズムを作成した。具体的には,(1)発熱,(2)末梢白血球数,(3)血清アルブミン値,(4)定量培養による菌数,(5)菌体貪食像の有無,の五項目により,Bayes解析を用いてMRSAが下気道検体から分離された患者のMRSA下気道感染症の診断確率を定量的に定める手法を確定した。本定量的診断法は,日常感染対策におけるICTによる感染または定着の診断と良好に一致した(感染症学雑誌2010,84:276-284)。また,この診断確率定量値は,VCMによる抗菌化学療法のPKPDターゲット値(AUIC>400)と照合した治療経過とも一致し,抗菌薬開始基準のみならず,抗菌薬療法を中止する指標としても活用できる可能性について発表した(第58回日本化学療法学会総会:2010年6月,第1回MRSAフォーラム:2011年7月)。

平成22年度末の時点で,本診断法による診断確率定量値を実臨床における抗菌薬治療の要否に適用する臨床試験を本学医学部附属病院において企画中である。
新しい分子デバイスを目指したナノコンポジット熱起電力測定素子の開発

本研究は、測定対象の分子に強電界などのストレスをかけずにその伝導性や電子構造を知る新しい分子デバイスとして、有機分子の熱起電力を測定する素子を構築することを目的とする。ミクロンからサブミクロンに至るスケールの微小領域の熱起電力測定システムを開発し、その信頼性の評価として、ボロンナノベルト1本の熱起電力の測定に成功した。サブミクロンギャップの微細電極間に、有機分子を架橋するためのAuナノ粒子とAl_2O_3マトリクスのナノコンポジットを製膜した。その結果、約5nmの粒径のAuナノ粒子が最小2nm程度の粒子間隔で分散した薄膜を堆積出来た。しかしながら、測定ターゲットであるビピリジン誘導体を固定化しても、電流電圧特性に変化があるものの、再現性が見られなかった。ナノ粒子間隔をさらに小さくする必要があることを示している。本研究では、測定対象の分子に強電界などのストレスをかけずにその伝導性や電子構造を知る新しい分子デバイスとして、有機分子の熱起電力を測定する素子を構築する。21年度は、微小領域の熱起電力を測定するための、微細電極加工技術(電子線リソの条件など)を確立し、専用の計測用真空プローバーを自作し完成した。微細電極として熱酸化シリコン基板上にマイクロヒータ及び高温側・低温側の2つの4端子電極細線を加工した。マイクロヒータに電流を加えて、2つの4端子電極細線の間に温度差を与え、これらの細線間の起電力を測る。2つの細線間に金属ナノ粒子コンポジットを形成すれば、その領域で生じる熱起電力が測れる。熱起電力の測定のテスト及び測定精度の確認のため、2つの細線間に半導体ナノワイヤを配置して熱起電力測定を行った。数Kの温度差を与えて、高々数十μVの熱起電力を測定する実験であるが、特に1本のナノワイヤから生じる熱起電力はノイズに埋もれてしまい計測が困難である。そこで、2ω法と呼ばれる交流加熱法を採用した測定の結果、ノイズに埋もれることなく高精度な絶対Seebeck係数(室温で+63μV/K)の測定結果を得た。この高精度な測定技術は金属粒子ナノコンポジットに架橋させた有機分子の場合にも有効であると考えられる。この成果を生かして今後、測定システムへのナノコンポジット薄膜の製膜及び有機分子の固定化を進め、熱起電力測定が可能かどうかを確認し、分子と電極の接触や結合性が及ぼす効果などについての結果を得て、知見をまとめていく予定である。本研究では、測定対象の分子に強電界などのストレスをかけずにその伝導性や電子構造を知る新しい分子デバイスとして、有機分子の熱起電力を測定する素子を構築することを目的としている。22年度は、サブミクロンのギャップ間隔を持つ微細電極間に、有機分子を架橋するためのナノコンポジットの作製条件を探索した。金ナノ粒子と絶縁体マトリクスのコンポジット化した薄膜を、スパッタリング法や、大気圧プラズマ堆積法などを用いて作製した。スパッタリング法で作製したナノコンポジットでは、十数nmの粒径の金ナノ粒子が分散した薄膜を微細電極間に堆積出来た。歩留まりは悪いものの、ナノ粒子間隔が最小2nm程度まで小さく出来ていた。しかしながら、当方で調製した有機分子を固定化しても、電流電圧特性に変化が見られなかった。これはナノ粒子間隔をさらに小さくする必要があることを示している。大気圧プラズマ堆積法は、比較的サイズの揃ったシングルナノ粒径のナノ粒子を孤立分散することが出来る手法であり、開発者の協力を得て、ナノ粒子間隔をさらに縮める実験に取り組んでおり、有機分子の測定の実現が近づいている。前年度に確立した、微細電極加工技術(電子線リソの条件など)及び、交流法によるナノ構造体の微小領域の熱起電力測定法が、22年度に様々な半導体ナノワイヤの熱電特性評価に適用できることが分かり、レーザーアブレーションで独自に合成したボロンナノベルト構造体の1本の熱起電力と電気伝導率を測定することに成功した。その結果、ボロンナノベルトは従来の純ボロン結晶やアモルファスよりも高い熱電性能(パワーファクター)を持つことを見出した。これは、本研究課題によって完成した微細領域熱電計測システムによって、予想外の発展的な研究成果が得られたことを示しており、今後様々なナノ構造体の計測に適用していきたいと考えている。
低エネルギーイオンビームの固体表面での散乱と電荷交換過程の研究

低エネルギーイオンビームと固体表面との相互作用の研究は、表面反応や表面での新物質の作成に新しい知見をもたらすと期待されるが、詳しい研究は極めて少ない。例えば、イオンビームは表面から種々の方向に散乱されるが、どの程度がイオンのままで散乱されて、どの程度が電荷交換で中性化されるのか、また表面にどの程度付着または侵入して残るのか、正確なデーターは少ない。イオンの散乱分布から表面構造についても研究されているが、方法論としてまだ十分に確立していない。本研究は、表面での電子過程を研究するために、イオンビームの表面散乱と電荷交換過程について調べることを目的にしている。本年度は表面研究用のイオンビーム装置を新たに製作し、稼動を始めた。イオンビームの作成に、分子線法の応用を試みている。気相での電荷交換反応では、【O^+】とHClの衝突で近共鳴現象が見られ、化学発光から電荷交換過程に関する興味ある結果が得られた。イオンビームの固体表面からの散乱については、東大物性研との協同研究で、Cu (100)表面からの【N(^+_2)】ビームの散乱を、1001000eVの範囲で研究した。散乱分布をマルチチャンネルプレートと2次元位置検出器で調べた結果、600eV以上では、〈110〉方向に対するビームの配向効果が現われ、表面チャンネリングと呼ばれる現象が観測された。このような現象を、このような低いエネルギー領域で観測したのは他に例がない。衝突エネルギーを下げると、この効果はだんだん消えて、鏡面散乱を中心としたぼやけた散乱になる。これは低エネルギーのイオンは表面第一層のみに作用することを意味する。イオンの生き残り確率のエネルギー依存性についても測定したが、200eV以上では、ハグストラムの式でほぼ表わされる。しかし、100eV以下では今後の検討を要する。
セカンドインパクトを防ぐための症例ビデオに基づく脳震盪の発症リスク推定

可逆性をもつ脳震盪は軽度の損傷として軽視されてきたが,繰り返す発症による重症化や慢性外傷性脳症(セカンドインパクト症候群)に至ることが知られるようになった.そのため衝突時の脳震盪の発症をいち早く客観的に判断することが極めて重要である.申請者はシミュレーションを用いて衝突時における頭蓋内の力学パラメータによって脳震盪の発症リスクを推定する手法を提案した.本研究では,この既存の手法を基に,神経線維を考慮した頭部有限要素モデルの開発および症例数を増やすことによって発症リスクの推定精度を高め,さらに3次元画像解析を用いた衝突時の動作解析の自動化によって手法の汎用性の向上を目的とする.可逆性をもつ脳震盪は軽度の損傷として軽視されてきたが,繰り返す発症による重症化や慢性外傷性脳症(セカンドインパクト症候群)に至ることが知られるようになった.そのため衝突時の脳震盪の発症をいち早く客観的に判断することが極めて重要である.申請者はシミュレーションを用いて衝突時における頭蓋内の力学パラメータによって脳震盪の発症リスクを推定する手法を提案した.本研究では,この既存の手法を基に,神経線維を考慮した頭部有限要素モデルの開発および症例数を増やすことによって発症リスクの推定精度を高め,さらに3次元画像解析を用いた衝突時の動作解析の自動化によって手法の汎用性の向上を目的とする.
手話言語学における「一般手話音韻論」の構築に関する研究

本研究は,日本手話,アメリカ手話,フランス手話等の個別手話言語の手話言語類型論的分析から普遍的な「一般手話音韻論」を導くことを目指す研究の一環として,手話言語と音声言語を自然言語の観点から完全に対比させ,手話を構成する弁別的な継起的要素である「手話音素」を「手話弁別素性」の束として考え,手話弁別素性分析を行うものである。本研究では,手話弁別素性を「分節的素性(手話動作素性)」と「韻律的素性」に大別し,前者の分析では,各手話言語を簡潔に比較対照するためにウィリアム・ストーキーによって創始された古典的な「tabula」,「designator」,「signator」,および後にロビン・バティスンによって追加された「orientation」といったアスペクト分析,あるいはエドワード・クリマおよびアーシュラ・ベルジによるパラミーター分析の原点に戻り,構造や体系といった全体的な視野から手話音韻論を再考した。後者の韻律的素性に関しては,手話言語,音声言語を問わず,この素性を言語の「リズム」を形成する基本要素として捉え,今回は,その中でも特に「韻律的接続様式」である「「突き」の相関」を設定し, [一突き]の場合の「滑音調」リズムを形成する「滑らかな接続」に対して[+突き]の場合の「断音調」リズムを形成する「断たれた接続」を対比させて考察したが,必ずしも十全な結果は未だ得られていない。だがしかし,手話動作レベルでの韻律的現象に関しては,当然,音韻論的対立は示さないが,手話動作を調動する基本的な調動エネルギーの差によると考えられる,アメリカ手話やフランス手話のような「断音調」型の手話言語と,日本手話のような「滑音調」型の手話言語を区別することができたことは特筆に価する。本年度は,まず最初に手話および手話が属する「身振り」に関する概念定義をおこなった。言語のみが有する特徴である二重分節性を規準として,「身振り」を二重分節されない身振り,すなわちノンヴァーバル・コミュニケーションと,二重分節される身振りに区別し,後者を狭義の「手話」すなわち手話言語とした。また音声言語の「身振り化」である音声言語対応手話を「擬似身振り言語」と称し,これと手話言語で広義の「手話」を形成するとした。本研究の主対象は身振り言語である手話言語としたが,擬似身振り言語である音声言語対応手話も完全に除外したわけではない。さらに,手話の特性に関してさまざまな角度から検討した。次に,はじめて手話が言語であることを証明したWilliam Stokoeのcherologyという手話分析の原点に返り,Stokoeの構造分析を再検討した。そして,諸般の事情から,本来は来年度に行なうはずであった諸外国において使用されている手話言語,とくにアメリカ手話,フランス手話,中国手話の考察を日本手話とともに前倒し的に行い,(ちなみにこの前倒し的研究を行なう可能性は研究計画調書にも書いた)来年度に向けての資料の整備に努めるとともに手話言語が普遍的に有する特性,とくに言語のプリミティヴな特徴を確認し,クレオール諸語とならんでバイオ・プログラムの可能性を模索する糸口とした。計画が前倒し的になったため,来年度の計画予定も特に記しておくが,来年度は本年度予定していた手話弁別特徴分析を中心とした手話音韻論(手話音素論)による分析を実施する予定である。
細胞核にターゲティング可能なDNA内封ナノ粒子の分子設計

動物細胞への遺伝子導入は現代生物学の必須の技術であると共に、医療への応用が期待されている。効率の良い遺伝子デリバリーシステムであるウイルスは、細胞膜と核膜という遺伝子導入に対する強力なバリアをかわす機構を持っているため、臨床応用が進んでいる。一方、より安全性が高い非ウイルスベクターを実用化するためには人工的にこれらのバリアを通過する工夫を通じて導入効率の向上を図らなくてはならないが、細胞膜を介した遺伝子デリバリー技術の研究が比較的進んでいるのに比べて核膜を介した核への遺伝子ターゲティング技術は未だ確立していない。本研究では、DNA内封ナノ粒子のモデルとしてラムダファージを採用し、ファージディスプレイ法によってファージ粒子表面に核移行シグナルを提示させた直径53nmのナノ粒子を調製した。このDNA内封ナノ粒子を細胞質に微量注射してその細胞内動態を指標に、細胞質から核に移行するために必要なペプチドの構造を至適化した。最終的にC末端側に最適なアミノ酸残基を配置することで、核内への移行率5%という高い効率のターゲティングを実現した。ナノ粒子の核移行は光学顕微鏡や電子顕微鏡でも確認され、50nmものサイズを持つ粒子が核膜孔を通過できることを世界で初めて証明できた。また、DNA内封ナノ粒子が核移行シグナル依存的にプロテオソームで分解される現象を見いだし、これが核へのターゲティングの効率化を妨げている要因となっていることを初めて明らかにした。さらに核移行活性と細胞膜透過活性を併せ持つペプチドを利用して、動物細胞に効率よく遺伝子導入できる系を開発し、新しい遺伝子発現系の開発等に応用を進めている。本年度は、DNA内封ナノ粒子の細胞核への効率のよい標的化のために、核移行シグナルの至適化をさらに進めるとともに、精製ラムダファージ懸濁液に含まれる不純物をさらに除去して細胞毒性の減少を図った。核移行シグナルの至適化では、これまで使用してきたSVLT32核移行シグナルペプチドの構造をさまざまに改変し、C末端側をFLAG-Tagで置換することにより、核への標的化活性を従来の2倍以上の約5%まで上昇できることを見いだした。また疎水性を持つ不純物の除去のためにTriton X114による処理を精製過程に導入し、混在するエンドトキシンの濃度を10%以下に下げてこれまで問題であった細胞毒性を低減することができた。またPolyoma virusのCapsidタンパク質由来の核移行シグナルをつけたDタンパク質発現ベクターを作成し、このペプチドを呈示したファージの作成に成功しているが、まだファージ粒子の製造効率が悪く、現在、大量調製の条件を検討中である。また、ラムダファージのEタンパク質に変異を入れたSmall Headmutantを作ることができるパッケージング大腸菌の作成に成功し、この大腸菌を使って作成したファージの頭部が予想どおり野生型の頭部よりも小さいことを確認した。現在、マーカー遺伝子とパッケージングに必要なcos配列を組み込んだ約20kbpから25kbpのプラスミドを作成中で、この小さな頭部と組み合わせた変異型ファージの作成を準備中である。これまでに、ナノ粒子表面に提示した核移行シグナル(NLS)の構造とナノ粒子の核移行活性の間には密接な関係があり、minimum NLS (PKKKRKVという7アミノ酸残基)がNLS結合因子importinと結合するためには、N末端側及びC末端側の構造を最適化する必要があることを明らかにした。しかし、importinが最大量結合できる至適条件においても核移行の活性は10%程度であり、別の要因が核移行を阻害していることが予想された。NLSを呈示しているナノ粒子を細胞質にマイクロインジェクションして経時的に観察すると、核膜の周囲に集まっている粒子とは別に、かなりの粒子が細胞質の数カ所に集まっていることが見いだされた。このような現象はNLSを呈示していないと起こらず、NLS依存的にナノ粒子をトラップする機構が細胞質にあることが示唆された。

一方、細胞にナノ粒子をマイクロインジェクション後、経時的に細胞を壊して細胞内にあるナノ粒子の数を測定すると、ナノ粒子はNLS依存的に速やかに分解されていくこと・この分解はプロテオソーム阻害剤によって阻害されることが示された。このことから、これまで広く使われてきたminimum NLSはそのリジン残基を介してユビキチン化されプロテオソームに運ばれ分解されること、この分解が核移行のもう一つの律速になっていることが強く示唆された。現在、この現象をさらに詳しく解析中である。これまでに、ナノ粒子表面に提示した核移行シグナル(NLS)の構造とナノ粒子の核移行活性の間には密接な関係があり、minimum NLS(PKKKRKVという7アミノ酸残基)がNLS結合因子importinと結合するためには、N末端側及びC末端側の構造を最適化する必要があることを明らかにした。しかし、importinが最大量結合できる至適条件においても核移行の活性は10%程度であり、別の要因が核移行を阻害していることが予想された。前年度までの研究で、NLSを呈示しているナノ粒子を細胞質にマイクロインジェクションして経時的に細胞内から回収して定量すると、NLSを呈示しているナノ粒子のみが選択的に壊れる現象が観察され、またこの現象がプロテオソーム阻害剤で部分的に阻害されることが示された。そこで本年度はこの現象のin vitro系での解析を試み、プロテオソーム分解系として確立されているウサギ赤芽球抽出物を使った系や、インジェクションに使ったHEL細胞の抽出液を使った系で検討したが、いずれの場合も表面に呈示しているペプチドの有無や種類にかかわらずナノ粒子は極めて安定で、NLS特異的な分解は観察されず、細胞内で観察された現象は再現できなかった。今後はもう一度生きている細胞の系に戻ると共に、界面活性剤を使って抽出した細胞分画を使うなどin vitro系をさらに工夫して、核移行シグナルを介したナノ粒子の分解という特異な現象の原因をつきとめ、移行活性のさらなる向上を図りたい。本研究では遺伝子デリバリーの律速段階であるDNAの核膜孔通過の最適化を通じて新規の遺伝子デリバリーシステムの構築を目指している。これまでの研究から、最適化した核移行シグナルを使うことによってナノ粒子を核に輸送できることを示したが、一方ではこのようなシグナルを提示している粒子は細胞内で急速に分解されることも明らかになった。本年度はこの分解のメカニズムを明らかにしてより比活性の高い輸送系を構築することを目指しin vitroとin vivo(細胞内)での安定性を検討したが、in vivoでの現象を再現できるin vitro系の構築には至らず、当初proteosomeであると予想してきた分解のメカニズムは今後の検討課題として残った。一方、本研究で作成したナノ粒子は多くの海外の研究者にも陽性対照として使用されており、この分野における標準技術として確立することができた。一方、今年度は、本研究を通じて開発してきたナノ粒子(ラムダファージ粒子)表面に任意のペプチドを提示する技術を、さまざまな新しい研究へ展開することにも成功した。
代数曲線上のモノドロミー保存変形から得られるハミルトン系についての総合的研究

昨年度までの研究成果に基づき、楕円曲線上のモノドロミー保存変形を記述する非線形微分方程式の解の性質について詳細な研究を行った。第一に、楕円曲線を特異点を許す有理曲線に退化させたときモノドロミー保存変形の解がどのような挙動を示すかということが主要な問題としてあった。まず特異点を許す有理曲線上におけるモノドロミー保存変形の問題を定式化し、その解が第6パンルヴェ方程式とそのタウ商により記述されるという結果を用いて、そのデータにより特異有理曲線の近傍にある非特異楕円曲線上のモノドロミー保存変形の解を漸近的に記述するこどに成功した。モノドロミー保存変形の解の特異因子の近傍における挙動は一般に極めて複雑な挙動を示すことが観察されており、本研究成果は幾何学的に興味深い状況において、かつ多変数の偏微分方程式に対して上記のような研究を実行した点で新しく、本研究の視点からの成功は当該分野の将来の発展に関して重要性を持つものと考える。第二に、本研究の遂行過程において、楕円曲線上のモノドロミー保存変形の新しい特殊解が発見され、その基本的な性質を明らかにした。これは古典的な超幾何関数を楕円曲線上に拡張したものとみなせるが、第6パンルヴェ方程式が超幾何関数を特殊解に含むことの類似と思える。しかし従来の研究ではほとんど見られなかった対象であり、本研究の主題であるモノドロミー保存変形とは独立した対象としてみることも出来て、近隣分野における対象との関連や様々な対象への応用といった今後の予期される展開を含めて新たな研究対象として興味が持たれる。これらの研究結果は論文「Monodromy preserving deformation of linear differential equations on a rational nodal curve」、「Studies on monodromy preserving deformation of linear differential equations on elliptic curves」、「Riemann-Wirtinger integrals and monodromy preserving deformationon elliptic curves」にまとめられ間もなく発表の予定である。本年度の研究計画に従い、楕円曲線上のモノドロミー保存変形に関して次の二つの側面からの研究を行った。まず一つ目として、楕円曲線上のモノドロミー保存変形に対し、その底空間である楕円曲線を退化させることにより、有理曲線上のモノドロミー保存変形すなわち第6パンルヴェ方程式との対応を与えることと、その逆方向の構成を行うことである。前半部は本年度以前にほぼ得られていたので、本年度の主眼は逆構成の方にあった。すなわち第6パンルヴェ方程式の解が与えられたとき、特異点を許した有理曲線の近傍で楕円曲線上でのモノドロミー保存変形の解を構成することである。本年度の成果として、特異点を許した有理曲線上のモノドロミー保存変形の解は、第6パンルヴェ方程式およびそのτ関数を用いて表示されることが明らかにされた。しかしその構成の過程でτ関数を係数とする代数方程式を解く必要があるため、結果として得られる解はパンルヴェ性を持たないであろうという予想外の現象が発見された。この解の性質の詳細な解析は興味深い問題であるが、今後の研究計画に影響を与える可能性もあると考えられる。次に二つ目として、楕円曲線上のモノドロミー保存変形のいくつかの相異なる定式化について、それらの間のゲージ変換をテータ関数を用いて具体的に与えた。応用として、楕円曲線は有理曲線の2重分岐被覆と捉えられるがその事実を用いて有理曲線上のモノドロミー保存変形は楕円曲線上のモノドロミー保存変形に埋め込むことが出来る、この時、上で得られたゲージ変換を用いてパンルヴェ第6方程式の様々な新しい記述が得られると考えられる。昨年度に引き続き、楕円曲線上のフックス型方程式のモノドロミー保存変形を対象とする研究を行った。まずこれまでの成果を具体的に述べると、フックス型方程式の独立変数の定義域が楕円曲線から2点を除いた領域であると考えたとき、2点つき楕円曲線の族という対象が自然に考えられる。すると族の境界に、特異点を持つ2点つき有理曲線が現れる。そこで、この有理曲線上でのモノドロミー保存変形を定式化し、その解が、特異点解消を通じて第6パンルヴェ方程式の解およびそれに付随するτ商を用いて記述できるというのが昨年度に得られた成果であった。ここで残された問題として特異有理曲線上のモノドロミー保存変形の解を構成する際、2次方程式を解く必要があったのであるが、この現象に対して、今年度行った研究により、直接計算によって一般的な状況ではこの2次方程式の解は必ず分岐するということを示した。またこれに対応してモノドロミー保存変形を記述する非線形微分方程式が必ず非自明な位数2の解の自己同型を持つということを明らかにした。だがここまでは2点付き楕円曲線の族に関して、個々のファイバーを固定した上でのモノドロミー保存変形の考察であった。さらに本年度は楕円曲線を変形したときにこの解がどのように振舞うかの考察に着手した。より具体的に述べると、特異曲線上のモノドロミー保存変形の解を第6パンルヴェ方程式の解およびτ商を用いて表示した時、これをある意味での初期条件として、その近傍にある非特異楕円曲線上のモノドロミー保存変形を記述する問題である。様々な実験的考察から、基本的アイデアとしてモノドロミー不変量を族のパラメーターに関して展開し、位相的なねじれから生ずる多価性を取り除いた上で陰関数の定理を用いて解を構成するという筋道が得られた。しかし必要な不変量の一部が未構成のため完全な構成には未だ至らなかった。

第一に、楕円曲線を特異点を許す有理曲線に退化させたときモノドロミー保存変形の解がどのような挙動を示すかということが主要な問題としてあった。まず特異点を許す有理曲線上におけるモノドロミー保存変形の問題を定式化し、その解が第6パンルヴェ方程式とそのタウ商により記述されるという結果を用いて、そのデータにより特異有理曲線の近傍にある非特異楕円曲線上のモノドロミー保存変形の解を漸近的に記述するこどに成功した。モノドロミー保存変形の解の特異因子の近傍における挙動は一般に極めて複雑な挙動を示すことが観察されており、本研究成果は幾何学的に興味深い状況において、かつ多変数の偏微分方程式に対して上記のような研究を実行した点で新しく、本研究の視点からの成功は当該分野の将来の発展に関して重要性を持つものと考える。第二に、本研究の遂行過程において、楕円曲線上のモノドロミー保存変形の新しい特殊解が発見され、その基本的な性質を明らかにした。これは古典的な超幾何関数を楕円曲線上に拡張したものとみなせるが、第6パンルヴェ方程式が超幾何関数を特殊解に含むことの類似と思える。しかし従来の研究ではほとんど見られなかった対象であり、本研究の主題であるモノドロミー保存変形とは独立した対象としてみることも出来て、近隣分野における対象との関連や様々な対象への応用といった今後の予期される展開を含めて新たな研究対象として興味が持たれる。これらの研究結果は論文「Monodromy preserving deformation of linear differential equations on a rational nodal curve」、「Studies on monodromy preserving deformation of linear differential equations on elliptic curves」、「Riemann-Wirtinger integrals and monodromy preserving deformationon elliptic curves」にまとめられ間もなく発表の予定である。
一般合流型超幾何関数のなすヒエラルキーの構造の研究

本研究では、一般合流型超幾何関数全体のなすヒエラルキーの構造を、様々な視点から解明していくことを目的としていた。今年度得られた成果は次の通りである。1.合流型超幾何関数に付随する(コ)ホモロジー群の交点理論について。確定型の超幾何関数に対しては、(コ)ホモロジー群の交点理論は確立されつつあり、交点数を具体的に計算する手段も知られている。合流型に対しては、一つは確定型の場合の方法で類似することで、交点理論が建設されつつある。一方、交点理論からの帰結として(確定型)超幾何関数の2次関係式が得られていたが、その関係式に直接合流操作を施すことで、合流型の超幾何関数についての2次関係式を手に入れることができた。その結果から、逆に交点理論のあるべき姿を予測することができるようになった。2.局所・大域解析について。一般合流型超幾何関数は、初等関数を核とする積分表示を持つので、積分サイクルを決めたときの局所挙動を調べることができれば、局所解析と大域解析が結びつくことになる。(2、4)型、(2、5)型の合流型超幾何関数について、サイクルの合流を追跡することで、典型的な挙動を与えるサイクルは、合流後もやはり典型的な挙動を与えるサイクルになること、その背後には漸近挙動の合流があることを解明した。3.合流操作の応用線形微分方程式のモノドロミ-群に対して、線形アーベル群の合流を応用し、退化した場合の結果を退化していない場合の結果から極限操作で得ることができた。
超音波の音響化学的作用による難吸収性薬物の生体内新規薬物送達システムの開発

難吸収性薬物の薬物送達の制御は、薬の効能を高め、副作用を軽減させることができると考えられる。そこで、難吸収性薬物の消化管からの吸収促進を目的として、音響化学的作用による薬物送達システムの確立を試みる。本研究では、超音波照射により細胞膜に一過性の細孔を形成させこの細孔を介して難吸収性薬物を送達させる手法の確立を目指す。本年度はsarcoma180細胞内へのメチレンブルーの移行実験およびラット反転腸管を用いたサリチルアミドの腸管膜透過実験を行った。細胞内移行の実験では1 mg/mLメチレンブルーの、sarcoma180細胞中への薬物送達に及ぼす超音波照射の効果を調べた。セルカウンターで計測した染色細胞数を指標に細胞内薬物移行率を算出した。非照射時に2%であった染色細胞が、超音波強度2.1 W/cm2,30 sの超音波照射で23%に増加した。この超音波照射条件下では細胞損傷がほとんど確認されないことから、超音波照射により細胞膜に一時的な細孔が生じ、薬物の細胞内移行が確認された可能性が示唆される。腸管膜透過実験には0.5 mg/mLサリチルアミドを用いた。ラット反転腸管を作製し、それをサリチルアミド溶液に浸し、超音波照射により腸管膜を移行した薬物は蛍光光度計で蛍光強度を測定することにより腸管内液に含まれる薬物濃度を見積もった。この結果、超音波非照射時は腸管内の薬物濃度が7 ug/mLであったが超音波強度2.0 W/cm2,8 min照射では腸管内の薬物濃度が80 ug/mLと超音波非照射時の約10倍に増加した。超音波照射が超音波照射部位に局所的に腸管組織の膜流動性の変化を引き起こし薬物の送達を可能にした可能性が考えられる。平成30年度は、当初予定していた超音波照射により音響化学的に難吸収性薬物の細胞内移行およびラット腸間膜透過が増強されることが確認できている。2.1 W/cm2の超音波強度は細胞に損傷を与えず、メチレンブルーの細胞内移行を増強していることから一過性の細孔が細胞膜に形成された可能性が示唆されている。超音波照射により細胞内移行可能な薬物の情報をまとめるため、カルセインなどの膜透過性のない薬物を使用し、超音波照射により細胞内移行した薬物の蛍光を蛍光光度計で測定し細胞内薬物移行を引き続き見積もる。また、細孔形成への音響キャビテーションの関与を調べるため、超音波の伝搬をシュリーレン法により可視化する、マイクロフォンを用いてキャビテーションノイズを測定するなどの方法により音響キャビテーションが引き起こされているか調べる。また、超音波照射後の細胞形態画像を電子顕微鏡で撮影し、細孔の有無を確認する必要がある。超音波照射により音響化学的に薬物を送達できることが確認できたので、薬物を送達することによる腫瘍増殖抑制効果について薬物および超音波処置後の細胞を一定期間培養の生細胞数および死細胞数を測定することにより評価する。この検討には、本来細胞膜を透過しないゲムシタビンの活性代謝物であるゲムシタビン3リン酸化体を用い、超音波照射により細胞内に薬剤を移行させ、細胞増殖抑制効果が促進されるかをセルカウンターで生細胞数および死細胞数を計測することで評価する。超音波照射による細胞への一時的細孔の形成への音響キャビテーションの関与を調べるため、音響キャビテーション誘発を促進させるためマイクロバブルナノ粒子を加え、薬物の細胞内移行率の増大への影響を確認する。また、細孔形成を確認するため、細胞形態画像を電子顕微鏡で撮影し、超音波照射による細孔形成を確認する。

平成30年度は、当初予定していた超音波照射により音響化学的に難吸収性薬物の細胞内移行およびラット腸間膜透過が増強されることが確認できている。2.1 W/cm2の超音波強度は細胞に損傷を与えず、メチレンブルーの細胞内移行を増強していることから一過性の細孔が細胞膜に形成された可能性が示唆されている。超音波照射により細胞内移行可能な薬物の情報をまとめるため、カルセインなどの膜透過性のない薬物を使用し、超音波照射により細胞内移行した薬物の蛍光を蛍光光度計で測定し細胞内薬物移行を引き続き見積もる。また、細孔形成への音響キャビテーションの関与を調べるため、超音波の伝搬をシュリーレン法により可視化する、マイクロフォンを用いてキャビテーションノイズを測定するなどの方法により音響キャビテーションが引き起こされているか調べる。また、超音波照射後の細胞形態画像を電子顕微鏡で撮影し、細孔の有無を確認する必要がある。超音波照射により音響化学的に薬物を送達できることが確認できたので、薬物を送達することによる腫瘍増殖抑制効果について薬物および超音波処置後の細胞を一定期間培養の生細胞数および死細胞数を測定することにより評価する。この検討には、本来細胞膜を透過しないゲムシタビンの活性代謝物であるゲムシタビン3リン酸化体を用い、超音波照射により細胞内に薬剤を移行させ、細胞増殖抑制効果が促進されるかをセルカウンターで生細胞数および死細胞数を計測することで評価する。超音波照射による細胞への一時的細孔の形成への音響キャビテーションの関与を調べるため、音響キャビテーション誘発を促進させるためマイクロバブルナノ粒子を加え、薬物の細胞内移行率の増大への影響を確認する。また、細孔形成を確認するため、細胞形態画像を電子顕微鏡で撮影し、超音波照射による細孔形成を確認する。研究成果報告として論文投稿を行った際の投稿料として概算で予算を組んでいたが、外貨換算に変動があったため差額が生じた。残額は、次年度の研究試薬購入に充てる予定である。
抗酸化剤を対象としたハイスループットスクリーニングによる新規緑内障治療薬の探索

緑内障は眼圧に依存して、RGCが不可逆的に障害されて視野障害をきたす疾患と定義されている。しかし、エビデンスを有する十分な眼圧下降治療を行っても視野障害進行抑制が不十分で失明に至るケースが多いのが現状である。そこで本申請研究では、強力な抗酸化作用を有する新規の治療薬確立を目指す。当施設では東北大学創薬プラットフォームが独自に開発した6000種類の化合物を用いてロボットにより自動化したハイスループットスクリーニングが可能である。このシステムを利用して新薬候補となる抗酸化作用を有する化合物を選別し、緑内障病態モデルを用いて、RGC保護効果を検証する。