法人別リリース

バイオイメージング技術によって筋肉の男女差を説明するミトコンドリアの特徴を解明．

電気通信大学 — Thu, 05 Mar 2020 09:15:21 +0900

2020/3/5
国立大学法人電気通信大学脳・医工学研究センター
バイオイメージング技術によって筋肉の男女差を説明するミトコンドリアの特徴を解明．

国立大学法人電気通信大学　脳・医工学研究センターの狩野豊センター長らは，広島大学，東京医科歯科大学，米国カンザス州立大学との共同研究において，骨格筋の男女差がミトコンドリアの形態や機能の違いによることを解明しました．

発表本誌リンク:https://journals.physiology.org/doi/abs/10.1152/japplphysiol.00230.2019
狩野研究室：　http://www.ecc.es.uec.ac.jp/index.html
国立大学法人電気通信大学脳・医工学研究センター：http://www.es.uec.ac.jp/

骨格筋は男女によって形態や機能が異なっていることが知られています．男性は女性よりも筋力トレーニングの効果が大きい一方，筋肉痛が発生しやすい特徴があります．また，女性は，男性よりも筋肥大が起こりにくいことや持久的な運動能力にすぐれている特徴があります．このような男女差は性ホルモンの関与が考えられてきましたが，そのメカニズムについては不明な点が多く残されてきました．

そこで，狩野豊教授らの研究グループは，独自に開発した生体内分子を可視化するバイオイメージング技術を用いて，生きた動物（マウス）の筋細胞内に存在するカルシウムイオンを調べました．その理由は，カルシウムイオンが細胞内に多く蓄積すると筋損傷を誘導したり，筋肥大のスイッチを入れたりする役割があるためです．ミトコンドリアはカルシウムイオンを取り込む能力を持っていますが，メスのマウスはミトコンドリアがオスよりも多く存在し，カルシウムイオンを取り込む能力がオスよりも優れていることが明らかになりました．

このようなミトコンドリアの性差は，ヒトの骨格筋の男女差をもたらす要因であると考えられます．この研究成果は，男女の運動トレーニング方法やリハビリテーションなどにおいて，性別を考慮したトレーニング法の開発が重要であることを意味しています．また，開発されたバイオイメージング技術は，様々な生命現象の解明に応用されることが期待されます．

本研究成果は，米国生理学会が発行する学術誌“Journalof Applied Physiology”に2020年2月1日に掲載されました．
タイトル: Sex differences inmitochondrial Ca2+ handlingin mouse fast-twitch skeletal muscle invivo.
著者: DaikiWatanabe, Koji Hatakeyama, Ryo Ikegami, Hiroaki Eshima, KazuyoshiYagishita, David C. Poole, and Yutaka Kano.
掲載誌: Journal of Applied Physiology
公開日: 2020年2月1日

研究の背景と概要

骨格筋の男女の違いは？
骨格筋は男女によって形態や機能が異なっていることが知られています．男性は筋力トレーニングの効果が大きく，筋肉痛が発生しやすいなどの特徴があります．女性は，男性よりも筋肥大が起こりにくいことや持久的な運動能力にすぐれている特徴があります．このような男女差は性ホルモンの関与が考えられてきましたが，そのメカニズムについては不明な点が多く残されてきました．

カルシウムイオンに着目する理由
カルシウムイオンは，筋細胞内において，筋収縮を制御する役割を持っています．それと同時に，筋肉痛の原因となるダメージを誘発する物質の一つです．さらに，カルシウムイオンは，筋肥大のスイッチを入れる役割を担っています．通常は，筋細胞の中でカルシウムイオンは非常に低く保たれていますが，運動後は細胞内に蓄積します．この蓄積したカルシウムイオンの量は筋細胞のダメージや肥大に関係すると考えられています．

ミトコンドリアと性差
ミトコンドリアは，細胞内でエネルギーを産生する器官です．それに加えて，細胞内のカルシウムイオンを取り込む能力を持っています．本研究のマウスを用いた実験では，メスのマウスはミトコンドリアの容積が大きく(図１)，カルシウムイオンを取り込む能力がオスよりも優れていることが明らかになりました（図２）．運動後にもカルシウムイオンが蓄積しないメスの特徴は，筋肉痛が少ないことや筋力トレーニングの効果が現れにくいという女性の特徴がミトコンドリアの違いによって説明できることを意味しています．

図１　マウス骨格筋細胞の電子顕微鏡写真．筋原線維間のミトコンドリア体積や数がオスよりもメスのマウスで多いことを示す．

図２　マウス骨格線維内のカルシウムイオン濃度．細胞内のカルシウムイオンを貯蔵する小胞体を薬理的に破壊したところ，オスでは細胞質内にカルシウムイオンが蓄積するが，メスではミトコンドリアに取り込まれるために細胞質内には蓄積しないことが観察された．

今後の研究課題
骨格筋の男女差にミトコンドリアが関与しているという本研究の結果は，ヒトの骨格筋のトレーニング方法を考える点で非常に重要です．男女のそれぞれに効果的なプログラムを考案する必要性を再認識する研究成果であるといえます．

スペクトル干渉縞の畳み込み解析に基づくチャープした光周波数コムを用いた高解像度3Dイメージング法

電気通信大学 — Mon, 17 Feb 2020 11:30:00 +0900

プレスリリース
２０２０年２月１７日
　
発信元：国立大学法人電気通信大学情報理工学研究科基盤理工学専攻

スペクトル干渉縞の畳み込み解析に基づくチャープした光周波数コムを用いた高解像度3Dイメージング法

JST戦略的創造研究推進事業ERATOにおいて、国立大学法人電気通信大学大学院情報理工学研究科の美濃島薫教授と加藤峰士特任助教らは、チャープした光周波数コムのスペクトル干渉を用いた瞬時3次元計測手法と、簡便かつ高精度なスペクトル干渉縞解析手法を開発し、奥行き不確かさ0.35micrometerの3次元形状計測を実現しました。

発表本誌リンク：https://www.osapublishing.org/osac/abstract.cfm?uri=osac-3-1-20

美濃島研究室：http://www.femto-comb.es.uec.ac.jp/index.html

国立大学法人電気通信大学情報理工学研究科基盤理工学専攻：http://www.es.uec.ac.jp/

ＪＳＴ戦略的創造研究推進事業総括実施型研究（ＥＲＡＴＯ）「美濃島知的光シンセサイザプロジェクト」（グラント番号：JPMJER1304）：https://www.jst.go.jp/erato/research_area/ongoing/mch_PJ.html

１．研究の背景と概要
１）背景
距離計測法の研究では、広範囲を高精度に計測するため様々な方法が考案されてきました。近年では、光周波数コム（以下、光コム）注１）という高い制御性とコヒーレンス注２）を持った超短パルス列注３）を発生するレーザーを用いる計測方法が考案され、距離計測の精度およびダイナミックレンジが飛躍的に向上しました。光コムは、周波数領域注４）において櫛のように等間隔に並んだ広帯域のスペクトル群注５）で構成される光源であり、その間隔は、レーザーを構成する共振器内の発振モード（縦モード）間の位相関係により、極めて等しくなっています。また、時間領域注４）ではフェムト秒（fs：10-15秒）などの超短パルス列になるという特徴があります。図１に、光コムの特徴を表す時間領域と周波数領域における概念図を示します。我々ではこの光コムの様々な応用を研究しており、そのうちの１つが光コムによる瞬時３次元計測手法です。
近年、科学的・産業的に要望の大きい高精度な瞬時多点距離計測すなわち高速高精度３次元計測の実現は、従来手法を用いるだけでは困難でした。実際、瞬時多点距離計測と広範囲・高精度計測を両立することは容易ではなく、被測定物へ照射するレーザー位置、および遅延時間を連続的に変化させながら測定することが必要となるため、測定は静止対象物に制限されていました。
上記の課題を解決するため、本研究グループでは以前、計測対象までの距離情報を瞬時に色（周波数）情報に変換して取得する、高精度で広範囲に適用できる瞬時３次元計測手法を開発しました注６）（図２）。具体的には、ファイバレーザーで発生させた光コムから繰り返し出射される超短パルス列を2つに分け、一方の、パルスを形成する色（周波数）が時間とともに規則的に変化するパルス光（チャープしたパルス光）を被測定物に照射し、その反射により戻ってきた光を、もう一方の色（周波数）が変化しないパルス光（チャープのないパルス光）と干渉させます。これを分光して、スペクトル干渉と呼ばれる干渉パターンをカメラで撮影し、これを解析することで距離情報を抽出します。実際に、この方法を用いて、既知の段差を持つ被測定物（ブロックゲージ）の段差プロファイル形状計測を行い、瞬時に3次元形状を取得できることを原理的に検証しました。光コムから繰り返し発せられる精密間隔のパルス列を用いることで、大きな物体でも精度を落とすことなく測定できる点が特徴です。
一方で先行研究では、計測した信号の解析手法に課題がありました。スペクトル干渉パターンを解析するために干渉縞の微分波形を利用していましたが、この方法ではノイズに弱く計測不確かさが10µm程度になってしまう点や、計算コストが高く高速処理が難しいといった点は、高精度かつ実用的な計測手法を確立する上で解決しなければなりません。

　２）研究の概要
先行研究での課題を解決するため、本研究では、スペクトル干渉縞の自己相関を求めるだけで解析を行う新しい手法を考案しました。この手法は計測したスペクトル干渉縞に現れる左右対称なパターンに注目し、相関を求めることでこのパターンの中心位置（中心波長）を決定するという手法です。計算は非常に単純で、自分自身の波形の畳み込みを計算するだけであり、高速フーリエ変換等の複雑な計算が不要となります。図３は実際に計測された分光画像（図３(a)）と、そのうち１点についての相関信号を示しています（図３(b)）。この信号が示すように、スペクトル干渉縞の中心位置に鋭いピークが１つだけ立つので、中心波長を容易に特定できます。また、この計算は全体のパターンを見ることになるため、多少のノイズが混入しても安定してピークが立ち、中心波長を特定できます。
実際の計測の前に中心波長と奥行距離の関係を表す校正曲線を得るため、平面ミラーを対象物としてディレイステージによる光路長変化を与えて、干渉縞変化を解析しました。図４に、校正曲線を得るための実験結果を示します。図４(a)は計測された分光画像であり、図中の白点線の空間位置に注目して光路長変化を与えたときの解析結果が図４(b)です。図４(b)が示すように、図３(b)のようなピークが明るい色で表されており、その位置は光路長変化（横軸）とともに相関軸（縦軸）上を移動していることがわかります。図４(c)ではこのピーク位置を黄色のマーカーで表示しており、多項式近似で関数化した赤線を校正曲線として利用しました。このときの不確かさが0.35µmであるため、本研究で提案した手法はsub-µmの計測精度があることを示しています。
この解析手法と校正曲線を用いて、図５に示すような３次元計測を行いました。実験では10円玉の表面形状をラインスキャンによって計測しました（図５(a)）。これは、使用した分光器が1次元分光器であったため、実際には１つの超短パルス内に同時記録されていた３次元情報を、１度に読み出せなかったためです。これについては、バンドルファイバを用いた２次元分光法などを用いることで、３次元情報を１度に読み出せることを別途示しています。図５(b)が実際に計測した１０円玉の３次元像であり、図５(c)がその拡大図です。奥行約45µmの構造が計測出来ました。
本手法の特徴の１つは、奥行き精度と平面方向の分解能が原理的に独立しているため、定量的な設計や精度評価が可能な点です。奥行き精度はスペクトル干渉縞が示す光の位相レベルとなるため、原理的にはnmレベルまで到達可能です。実際本手法によってスペクトル干渉縞の解析精度を向上させることで、先行研究より2桁向上しました。一方平面方向の分解能は、レンズ系の像の分解能で決まります。これは市販のカメラレンズと同様に、従来の光学特性に基づいた設計が適用できることを意味し、理論的には回折限界で決まります。本研究で使用した光源は波長1.5µmであるため、分解能は0.7µm程度まで高めることが出来ます。このように、既存のレンズ系で撮影可能な像であれば、本手法によって瞬時3次元計測へ展開可能であり、極めて汎用性の高い手法の実現が期待されます。

２．研究の成果と意義・今後の展開
チャープした光コムを用いたスペクトル干渉による瞬時３次元計測方法をさらに高精度化し、計測後の処理を簡便にするため、相関を利用した新しいスペクトル干渉縞の解析方法を開発しました。その結果、先行研究より２桁も小さい0.35µmの奥行き不確かさを実現し、高精度な硬貨の表面計測に成功しました。また、光コムの高い制御性とコヒーレンスを利用することで、奥行き測定範囲のさらなる拡大が可能となります。
この原理を応用することにより、非常に小さな物体から大きい物体までの被測定物の高速３次元データ取得、特に、ものづくりにおけるメートル規模の対象物や長辺と短辺の比が大きい形状物の精密計測、さらにはレーザーによる加工や物質改変における単発現象のイメージング、衝撃波発生のような瞬間イメージングなどを実現することが期待されます。

３．論文情報
タイトル：High-resolution3D imaging method using chirped optical frequency combs based onconvolution analysis of the spectral interference fringe
著者：TakashiKato, Megumi Uchida, Yurina Tanaka, and Kaoru Minoshima
掲載誌：OSAContinuum
公開日：２０１９年１２月２０日
本誌リンク：https://www.osapublishing.org/osac/abstract.cfm?uri=osac-3-1-20

＜参考図＞

図1　時間領域と周波数領域における光コム
(a)は時間領域での光コム波形で、4つの光パルスが描かれている。赤色の曲線はキャリア（搬送波）と呼ばれる光電場波形で、それに接する青色の曲線はエンベロープ（包絡線）と呼ばれる。
(b)は周波数領域での光コムのスペクトルで、その波形は櫛（Comb）のような形をしている。周波数領域における櫛1本1本の間隔がfrepであり、この櫛を仮想的に左端（0ヘルツ）まで並べた時の余りがfceoである。一方、時間領域では光パルス1個1個の間隔がfrepで決まり、キャリア波形が1周して元に戻る周期がfceoで決まる。

図2　スペクトル干渉を用いた距離測定方法の原理
チャープパルス（①）を被測定物に照射すると（②）、その反射光は被測定物の段差に応じて遅延時間が発生する（③）。それをチャープフリーパルスと重ね合わせると（④）、パルスが重なるタイミングによって干渉縞パターン（⑨）が変化する。それぞれの干渉縞の周波数が最も小さくなる波長（⑨の点線）を求めれば、遅延時間すなわち被測定物との距離を測定することができる（⑩）。

図３　相関を用いたスペクトル干渉画像の解析手法の適応例　(a)計測された分光画像。横軸が波長、縦軸が空間を表す。(b)畳み込みによる相関信号。(a)の黒点線が示す、ある空間点のスペクトル干渉縞の相関を求めると、このように縞模様の中心位置に鋭いピークが立つ。

図４　相関を用いた解析手法によるスペクトル干渉縞の解析結果。ここでは中心波長と奥行距離との関係を表す校正曲線を求めるため、平面ミラーを用いてディレイステージによる光路長変化を与えて計測した。(a)実際に計測されたスペクトル干渉画像。中央に特徴的な縞パターンが現れている。この白点線の空間位置に注目して、光路長変化を与えたときの解析結果が(b)。(b)解析で得られた光路長変化に対する相関信号の変化。横軸が光路長変化量で縦軸が相関位置。強いピークが距離の変化とともに位置を変えている。(c)各光路長変化に対して中心波長を検出してプロットした図。741µmの範囲に渡って中心波長を安定して検出出来た。ここで多項式近似を用いてこの関係を関数化し、赤線のような校正曲線を得た。

図５　ラインスキャンによる硬貨表面の３次元計測例。(a)１次元分光器を用いるため、対象物をこのようにラインスキャンすることにより、超短パルスに同時記録された３次元情報を読み出した。(b)10円玉の3次元計測結果と、(c)その拡大図。奥行45µm程度の構造が確かに計測されていることがわかる。

４．用語解説
注1）
光コムを特徴づけるパラメータは、スペクトル間隔周波数frepとキャリアエンベロープオフセット周波数fceoである（図１(b)）。frepは超短パルス列の時間軸における繰り返し周波数を、fceoは発振モードをfrep間隔で仮想的にゼロ周波数まで並べたときの余りに相当する周波数を意味する。超短パルスレーザーであることを利用し、フェムト秒領域に局在したエンベロープとエンベロープ内部のキャリアの干渉を用いれば、高精度な長さ計測が可能となる。さらに光コムでは、極めて高いコヒーレンスを持つため、図１の櫛の歯に相当する各周波数モードが、同一パルスだけでなく、大きく離れたパルス同士であっても干渉できるので、パルス幅以上の長距離にわたって同様の干渉計測が可能となり、計測可能な距離の範囲を大きく拡大することができる。

注2）コヒーレンス
波と波が重なり合う時、打ち消し合ったり、強め合ったりする性質がある。この性質を干渉性があるといい、干渉のしやすさをコヒーレンスという。

注3）超短パルス列
　超短パルスとは、その名の通り非常に短いパルスのことで、特に数ピコ秒以下のパルスのことを超短パルスと呼ぶ。それらが高いコヒーレンスを保って等間隔に時間的に連なると、光コムとなり、時間上では超短パルス列となる。

注4）周波数領域、時間領域
光パルスは、様々な周波数（色）の光がきれいに重なることで時間的に短いパルスを形成する。このようなパルスを理解するには、図1のように時間とともに変化する波形（図1(a)）と、周波数とともに変化する波形（図1(b)）の2種類を知る必要があり、それぞれを時間領域、周波数領域と呼ぶ。

注5）スペクトル
光の波長ごとの強度分布をスペクトルと呼ぶ。

注6）光コムによる瞬時３次元計測
光コムの超短パルス列を利用した超高速・高精度かつ高ダイナミックレンジを有する３次元計測手法。光コムを世界で初めて瞬時形状計測に応用した。
T. Kato, M. Uchida,K. Minoshima, No-scanning 3D measurement method using ultrafastdimensional conversion with a chirped optical frequency comb.Scientific Reports 7, 3670-3670 (2017).
https://www.nature.com/articles/s41598-017-03953-w

見えないものを見る―：生体組織越しの細胞観察に期待

電気通信大学 — Wed, 05 Feb 2020 14:30:00 +0900

2020/2/5
国立大学法人電気通信大学情報理工学研究科基盤理工学専攻
国立大学法人電気通信大学大学院情報理工学研究科の渡邉准教授らは、In-line型位相シフトデジタルホログラフィを応用して生体組織越しのイメージング手法を開発しました
国立大学法人電気通信大学大学院情報理工学研究科の渡邉准教授らは、In-line型位相シフトデジタルホログラフィを応用して生体組織越しのイメージング手法を開発しました。

発表本誌リンク：http://proxy.osapublishing.org/ao/abstract.cfm?uri=ao-58-34-G345

渡邉研究室
https://thetis.f-lab.tech.uec.ac.jp

電気通信大学情報理工学研究科基盤理工学専攻
http://www.es.uec.ac.jp

生体皮膚やすりガラスのような散乱媒体越しに物を見る技術は、医療分野において注目されています。現在まで多くの手法が提案されてきましたが、その中の手法の１つとして散乱媒体をスクリーンのように見立て、観察対象の情報を記録するデジタルホログラフィ（※1）を利用した手法が知られています。しかしながら、従来のOff-axis型（※2）では再生像の解像度において重要になる記録可能な空間周波数帯域の制限や散乱媒体を回転させることが必要であり、顕微イメージングが困難でした。

そこで渡邉准教授らの研究グループは、In-line型（※2）位相シフトデジタルホログラフィを応用し、散乱媒体背後の物体を顕微的にイメージングできる手法をStuttgart大学と共同で開発しました。In-line型位相シフト法によってこれまでの課題は改善され、すりガラスによって隠された約2.0 µmの物体を可視化するだけでなく、定量位相情報や3次元情報といった医療分野において細胞識別に有効な情報も取得できています。さらにこのイメージング手法は、多数の散乱層を含んだラットの皮膚背後に置かれた2.0 µmの物体も確認できました。本研究は、生体組織下にある従来の技術では確認できないような顕微物体を可視化する新しい手段になり、今後はこのイメージング手法を利用した医療デバイスの開発が期待されます。
この研究成果は、2019年11月13日にアメリカ光学会誌「Applied Optics」に掲載されました。

掲載された論文
タイトル： Three-dimensional microscopic imaging through scattering media based on in-line phase-shift digital holography
著者：　Shutaro Kodama, Manami Ohta, Kanami Ikeda, Yutaka Kano, Yoko Miyamoto, Wolfgang Osten, Mitsuo Takeda, and Eriko Watanabe
掲載誌： Applied Optics
公開日： 2019 年 11月 13 日
本誌リンク： http://proxy.osapublishing.org/ao/abstract.cfm?uri=ao-58-34-G345

1.　背景技術
【散乱媒体背後のイメージング】
散乱媒体は、霧が視界を悪くするように、物体像を不明瞭に見せるため光学分野に限らず幅広い分野で障害となっていました。散乱媒体は霧、すりガラス、皮膚といった多分野において存在するため多くの手法が研究されています。現在盛んに研究されている主な手法では、光の振幅だけでなく位相や3次元情報といった空間的情報を一回の記録によって取得することは困難です。

【デジタルホログラフィを用いた利点と課題】
デジタルホログラフィによる手法は1960年代から行われており、スクリーンと見立てた散乱媒体に物体の情報が含まれた干渉縞を映し出し、レンズと撮像素子によって記録することで計算機上の画像処理において物体を再構成しています。本来、デジタルホログラフィは観察対象の振幅・位相情報の再構成が可能であり、医療分野ではデジタルホログラフィック顕微鏡として注目されています。しかしながら、従来のOff-axis型による散乱媒体背後イメージングは物体像に重ならないようにノイズを避ける必要があり、これが高解像度なイメージングの障害となります。また干渉縞がより細かくなるため散乱光に埋もれないように平均化処理を必要とするため、散乱媒体を回転させるなどの制限が課題となっていました。

2.　研究の概要
【改善手法によるイメージング】
今回、電気通信大学大学院の渡邉准教授らの研究グループは、従来のOff-axis型の光学系をIn-line型へ組み変え、位相シフト法を用いることで顕微イメージングへの課題を打破しました（図１）。物体に照射された光と基準の光を干渉させることで、物体のもつ３次元情報を２次元情報として干渉縞に閉じ込めます。この散乱媒体上に映し出された干渉縞は直接見ると散乱されてノイズ状になってしまいますが、レンズと撮像素子の簡易な光学系を組み合わせることで干渉縞を記録できます。計算機上では簡易な画像処理と光の伝搬計算によって物体を再構成するため、散乱の強さといった散乱媒体の情報を必要とせずに再構成が可能です。
散乱媒体にすりガラスを用いた基礎実験ではすりガラス越しに1.81 µmの微小物体の可視化に成功しました。さらに直径101 µmのプラスチックビーズの定量位相情報を正確に取得し、３次元的に配置された物体も計算機上で確認することができました。

【ラットの皮膚背後イメージングに成功】
すりガラス以外の散乱媒体として厚み0.652 mmのラットの皮膚を用いました。生体組織には細胞や血管が混在し、多数の散乱層を有しているためにすりガラス越しのイメージングよりも難しいです。しかしながら、伝搬計算する前の画像（図2の左）からは物体のラインは全く見えませんが、多数の散乱層を有する生体組織越しでも光の伝搬計算によって明瞭な幅2.0 µmの物体が確認できました。これにより皮膚で覆われた細胞や血管、筋肉の微細構造を摘出せずにイメージングできる可能性を示しました。

3.　研究の成果と今後の展開
本研究では、In-line型位相シフトデジタルホログラフィを利用して生体組織背後に置かれた2.0 µmの微小物体を確認できる手法の開発に成功しました。またこれらの光学系を小型にすることで生体内の細胞を摘出することなくイメージングできる可能性が示唆されます。

用語解説
※１　ホログラフィ
物体からの光（物体光）と基準となる光（参照光）を干渉させることで、物体の３次元情報をホログラムとして閉じ込めます。このホログラムに参照光を当てることで物体が無くてもその場に物体があるように見えます。デジタルホログラフィでは干渉縞を記録する際にカメラなどの撮像素子を用いて電子情報として記録し、計算機上で再構成します。

※２　Off-axis型とIn-line型
干渉させる際に必要な物体光と参照光の配置の違いを示しています。Off-axis型は再構成時に物体と重なるノイズを避けるために、物体光と参照光に角度をもって干渉させます。これにより、ノイズは重なりませんが、再構成像の一部しか物体に割り当てることができないため、顕微イメージングとしての性能が低下します。それに対してIn-line型では同軸上で干渉させるため再構成像全体を物体に割り当てることができますが、逆にノイズが重なるといったデメリットも起きます。しかしながら、今回このノイズの重なりは位相シフト法という簡易な画像処理によって回避されています。

「磁石を金属に近づけるとどうなる？」に答える初めての厳密な量子理論

電気通信大学 — Mon, 14 Oct 2019 16:00:00 +0900

2019年10月14日
国立大学法人　電気通信大学　情報理工学研究科基盤理工学専攻
「磁石を金属に近づけるとどうなる？」この質問自体は子供でも理解できる単純なものですが，量子論に基づいて正確に答えることは，長らく困難とされてきました．電気通信大学大学院基盤理工学専攻の伏屋雄紀准教授らは，今回この理論的困難を克服し，磁場によって量子化される固体電子のエネルギーを初めて厳密に求めることに成功しました．
発表本誌リンク：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.123.156403
伏屋　研究室：http://www.kookai.pc.uec.ac.jp/
電気通信大学情報理工学研究科　基盤理工学専攻: http://www.es.uec.ac.jp/

　磁場は物理学のみならず，自然科学において極めて基本的で重要な存在です．しかし身近な存在であるはずの磁場は，量子の世界では，未だ解明されない多くの謎を生み出す源泉でもあります．金属や半導体中の電子は，磁場によってエネルギーが量子化されます．そのこと自体は昔から知られていましたが，量子化の間隔や規則性は物質によって様々に異なり，それを正確に計算することは現代においても困難でした．
　ところが近年，固体における相対論効果※１（スピン軌道結合）が大いに注目を集め，活発に研究されるようになるにつれ，従来理論では全く対応できない問題が顕在化してきました．それを解決するために，磁場中量子化エネルギーの厳密な計算手法が求められていました．
　このたび，伏屋准教授らの研究グループは，「行列力学※2」と呼ばれる一見全く関係のない理論手法が，磁場による量子化の計算に転用できることを発見し，これを元に量子化エネルギーを厳密に計算できる手法を開発することに成功しました．さらにこの手法を用いて相対論効果の常識を覆す現象を発見し，熱電効果や超伝導など様々な分野から注目を集める，半導体PbTeにおける相対論効果の問題を解決することにも成功しました．
　今回開発された理論手法は，様々な物質に応用可能で，特に半導体や半金属の分野で問題となっている相対論効果の理解を深める，非常に有力な手がかりを与えることができます．それだけにとどまらず，本成果は強磁場量子状態を正確に予測できることから，強磁場量子物理学の未踏領域研究を強力に推進させることが期待されます．
　本研究成果は，米国物理学会が発行する学術誌で，物理学全領域を扱う速報誌 “Physical Review Letters” に２０１９年１０月１０日掲載されます．

タイトル：　Nonperturbative Matrix Mechanics Approach to Spin-Split Landau Levels and the g Factor in Spin-Orbit Coupled Solids
著者： Yuki Izaki and Yuki Fuseya
掲載誌：　Physical Review Letteres
公開日：　2019年10月10日
本誌リンク：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.123.156403

研究の背景
【固体のブロッホと磁場のランダウ】　金属や半導体では，電子は原子が作る周期的なポテンシャル中を運動しています．その様な電子の状態を厳密に求める理論はF. ブロッホ（ノーベル物理学賞，１９５２年）によって１９２８年に与えられました．一方，（固体中ではなく）真空中で，磁場を加えた電子の状態を厳密に求める理論は，L. D. ランダウ（ノーベル物理学賞，１９６２年）によって１９３０年に生み出されました．ほぼ同時期に生み出された二つの理論は，当時完成間もない量子力学を固体物理学に適用する嚆矢となり，その後の爆発的な固体物理研究へと繋がりました．（現代文明を支える半導体物理学はその潮流の中で生まれました．）
【ブロッホとランダウは仲が悪い！？】　しかし問題は，「固体」に「磁場」をかけた場合です．その場合は周期的な原子ポテンシャルと一様な磁場を同時に考える必要があります．素朴には，ブロッホの理論とランダウの理論を組み合わせればよいように思えますが，そう単純ではありません．ブロッホの電子状態も，ランダウの電子状態も，それぞれが全く性質の異なる波として記述されています（図１上）．性質の異なる波同士は，単純に重ね合わせることができません．
【ラッティンジャーとコーンによる進展】　この問題に大きな進展をもたらしたのは，１９５５年のJ. M. ラッティンジャーとW. コーン（ノーベル化学賞，１９８８年）によるk.p理論です．彼らは，ブロッホの波動関数を改良することで，周期ポテンシャルと磁場を両立する厳密な方程式を導くことに成功しました．しかし，ラッティンジャーとコーンの方程式は非常に複雑で，（簡単化した特別な場合を除いて）一般には解くことができませんでした．
【なんとかして解く必要がある！】　現代の固体物理学では，固体電子における相対論効果（スピン軌道結合）が基礎科学のみならず実用上の利点からも大いに注目を集めています．相対論効果を最も直接的に観測する方法の一つは，磁場を加えた際に生じる量子化エネルギーのスピン分裂※3を測定することです．実際，実験的には多くの物質でスピン分裂が観測されています．その分裂幅から相対論効果を割り出せるはずですが，それにはどうしても磁場による量子化の正確な計算が必要で，それができずに研究上のボトルネックとなっていました．

研究の内容
【ハイゼンベルグの助けを借りる】　今回，猪崎氏と伏屋准教授の研究チームは，まずラッティンジャー・コーンの方程式の構造を詳しく解析し，方程式を解く鍵は「交換関係※4」と呼ばれる量子力学の根本原理にあるに違いないと，ねらいを定めました．この交換関係を破らずに方程式を解く数学手法を模索し，紆余曲折を経て，ついにW. ハイゼンベルグ（ノーベル物理学賞，１９３２年）による「行列力学」の手法を用いれば方程式が解けることを発見しました．それを突破口に，研究チームは磁場中の行列力学の理論を一気に推し進めました．
【新手法の威力】　完成した新しい理論手法「π-matrix法」を用いて，研究チームは最近その相対論効果が問題となっている，半導体PbTeの計算に取り組みました．PbTeは相対論効果が強い物質として知られ，磁場中の異常なスピン分裂に興味が持たれていました．しかし，実際の観測値と理論値との間に大きな隔たりがあり，どこに問題があるのかの見当もつかない状況でした．今回，π-matrix法を用いて計算した結果，これまで磁場によって変わらないと考えられてきた相対論効果が，実は磁場によって大きく変動することがわかりました（図２下）．これにより実験と理論の間の隔たりが取り除かれ，全てが矛盾なく理解できるようになりました．

研究の意義
　「磁石を金属に近づけるとどうなる？」という疑問は，子供でも理解できる非常に基礎的な疑問ですが，同時に，量子力学の誕生から一世紀以上経ても解けない難問でもありました．本研究により，この固体物理学における基礎的問題を解決できる理論手法をようやく手にすることができました．この成果は，固体物理学の基盤的理解を深めることに貢献できます．また，強磁場領域における量子物理学が新しい段階へと進むことが大いに期待されます．
　π-matrix法は，非常に基本的な理論的枠組みなので，組み合わせ次第で様々な応用が可能です．例えば，物質の電子状態を高精度に計算できる第一原理計算（磁場がないときのみ計算可能）と組み合わせれば，様々な物質の磁場による量子化エネルギーを高精度に求められるようになります．これにより，近年注目を集める物質における相対論効果の理解を深化させ，省エネルギー化やデバイスの小型化，高速化に繋がることが大いに期待されます．
　

用語解説
※１　相対論効果（スピン軌道結合の効果）
電子や核子の持つスピンとその軌道運動は独立ではなく，両者の間に相互作用がはたらく．これをスピン軌道相互作用といい，これらの結合をスピン軌道結合とよぶ．スピン軌道相互作用は，量子力学と特殊相対性理論を融合させた，相対論的量子力学における電子の基本方程式（ディラック方程式）から導かれるため，相対論効果ともよばれる．単原子ポテンシャル中の相対論効果についてはよく分かっているが，固体中では，結晶構造やバンド構造の違いで相対論効果が様々に異なる．最近では，スピントロニクスやマルチフェロイクス，トポロジカル物性の分野で，固体の相対論効果に由来する新しい現象が注目され，省エネルギー化やデバイスの小型化，高速化などに繋がることも期待されている．

※２　行列力学
行列力学とは，W. ハイゼンベルグ（ノーベル物理学賞，１９３２年）が量子力学を開拓するために導入した理論形式で，行列を用いて量子の世界を表現する理論体系である．行列力学により，量子力学の根本原理である不確定性原理（交換関係と密接に関連）の概念が導かれた．量子力学が完成した（１９３０年頃）後は，数学的複雑さから，行列力学は次第に使われなくなり，現在ではほとんど見かけることはない．

※３　スピン分裂（ゼーマン分裂）
磁気モーメントを持つ電子などが磁場の中にある場合，磁気モーメントと磁場との相互作用エネルギーをゼーマンエネルギーという．この効果により磁場中の量子化エネルギーはいくつかの準位に分裂する．これをゼーマン分裂と呼ぶ．電子の場合，スピンの二つの自由度に伴って，二つの準位に分裂する．これを特にスピン分裂とよぶ．その分裂幅は相対論効果の影響で，物質毎に大きく変わる．例えばBiの場合，通常電子の５００倍にもなる．

※４　交換関係
量子力学では，物理量を表す演算子AとBの積が，ABとBAとでは異なる結果になる．AB- BAの値を規定する関係式を交換関係という．磁場中の量子力学では，電子の運動量πにこの関係が表れる（これがπ-matrix法の由来）．x方向の運動量πxと，ｙ方向のπyが交換できない．これを式で表すと，次のようになる：

iは虚数で，量子力学が複素数で表されることに関係する．ℏはプランク定数と呼ばれる，量子の単位（を2πで割ったもの）．eは電子の電荷で，Bは磁場（磁束密度の大きさ）．

効率的かつ汎用的な中分子医薬－Fc結合体の作製技術を開発：幅広い中分子医薬の有効性向上に期待

電気通信大学 — Tue, 28 May 2019 17:30:00 +0900

2019/5/28
国立大学法人電気通信大学　情報理工学研究科基盤理工学専攻
国立大学法人電気通信大学大学院情報理工学研究科の瀧真清准教授らは、味の素株式会社との共同研究において、幅広い中分子医薬に応用可能な、中分子医薬－Fc結合体の作製技術を開発しました。
国立大学法人電気通信大学大学院情報理工学研究科の瀧真清准教授らは、味の素株式会社との共同研究において、幅広い中分子医薬に応用可能な、中分子医薬－Fc結合体の作製技術を開発しました。

発表本誌リンク：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.bioconjchem.9b00235

瀧　研究室
http://tkl.pc.uec.ac.jp/

国立大学法人電気通信大学情報理工学研究科基盤理工学専攻
http://www.es.uec.ac.jp/

ペプチドやオリゴ核酸などの中分子医薬は、最近の創薬化学において有望な分子モダリティとして注目を集めている一方で、生体内から速やかに消失する点が課題とされてきました。この問題を解決する方法の一つとして、これらの医薬分子を「ヒト型抗体のFc領域」（注1）と呼ばれる分子量約6万の糖タンパク質と結合させてから体内に導入する手法が知られておりますが、近年盛んに創薬研究が行なわれている人工的な中分子医薬の場合には、これらを効率良く結合させることは困難でした。

そこで瀧真清准教授らの研究グループは、独自に開発したタンパク質N末端伸長反応(NEXT-A反応)（注2）を応用し、幅広い中分子医薬とFcタンパク質とをほぼ100%の変換効率で結合できる作製技術を開発しました。さらにこの方法で作製したペプチド－Fc結合体は、マウス生体内における滞留時間が元のペプチドに比べて大幅に延長できることを確認するとともに、このペプチド－Fc結合体は元のペプチドの薬理活性を殆ど損なうことなく保持できていることが分かりました。本研究は、中分子医薬に対して生体内での持続性を付与する新たな手段となり、今後は様々な中分子医薬への応用によって新たな治療機会の提供へつながることが期待されます。
この研究成果は、2019年4月30日(米国東部時間)にアメリカ化学会誌「Bioconjugate Chemistry」のオンライン版に掲載されました。

タイトル：　Facile and Efficient Chemoenzymatic Semisynthesis of Fc-Fusion Compounds for Half-Life Extension of Pharmaceutical Components
著者：　Shigeo Hirasawa, Yoshiro Kitahara, Yoriko Okamatsu, Tomohiro Fujii, Akira Nakayama, Satoko Ueno, Chiori Ijichi, Fumie Futaki, Kunio Nakata, and Masumi Taki
掲載誌：　 Bioconjugate Chemistry（オンライン版）
公開日：　 2019年4月30日(米国東部時間)
本誌リンク：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.bioconjchem.9b00235

１．研究の背景と概要
１）　背景
ペプチドやオリゴ核酸などの中分子医薬は、低分子医薬に見られる高い薬理活性と、抗体医薬に代表される高い標的特異性を併せ持つと言われ、最近の創薬化学では有望な分子モダリティとして多くの研究が進められています。しかしながら生体内にはこれらの分子を分解・排出する機能が備わっており、そのために体内から速やかに消失してしまうことが、これらを医薬品として用いる上での課題とされてきました。
これまで様々な研究グループがこの課題に取り組んでおり、(1)分解されやすい箇所に人工的な骨格を組み込む、(2)分子サイズを大きくする、(3)抗体のFc領域と結合させる、もしくはこれらの方法論の組み合わせによって、体内での滞留時間を延ばし、薬理活性を発揮させることに成功してきた。中でも抗体のFc領域と結合させる方法は、体内滞留時間を著しく延長できる方法として知られていた。しかしながらこれまで一般的に行なわれていたFc結合体の作製方法では、天然型のアミノ酸のみで構成された物質のみをFc結合体として作製することが可能であり、最近の創薬研究で多く見つかってきている人工的な構造を有する医薬候補物質のFc結合体を作製することは困難でした。

２）研究の概要
電気通信大学大学院の瀧真清准教授らと味の素株式会社の共同研究グループは、幅広い中分子医薬に共通して適用可能な、Fc結合体の作製方法の確立を目指して研究しておりました。瀧真清准教授らが先行研究において開発したタンパク質のN末端選択的修飾反応(NEXT-A反応)を用い、ここに用いる原料のFcタンパク質パーツに対してFc結合体作製に適した設計を施すことにより、簡便に、かつほぼ100%の変換効率で中分子医薬とFcタンパク質パーツを結合させることに成功しました（図1）。

図1. Fc結合体作製法スキーム

さらに研究グループは、この方法で作製されたペプチドーFc結合体をマウスに投与し、生体内での滞留時間を調べました。元のペプチドは血中半減期が1時間弱であったのに対し、この方法で作製されたペプチドーFc結合体は88時間と、大幅に延長することを確認しました（図2）。さらにこの方法で作製されたペプチドーFc結合体は、元のペプチドとほぼ同じ強度の薬理活性を生体内にて発揮することが分かりました。

　　　　　　
図2. ペプチドーFc結合体のマウス血中濃度推移

図3. 糖尿病疾患モデルマウスでの薬理活性評価

２．研究の成果と意義・今後の展開
　本研究では、中分子医薬の生体内滞留時間を大幅に延長することができるFc結合体という分子を、中分子医薬の化学構造上の制約を無くして、効率的に作製できる技術の開発に成功しました。また一般的にタンパク質などに連結した薬理活性物質は元の活性よりも劣ることが多いですが、この方法で作製されたペプチドーFc結合体は元のペプチドの薬理活性強度をほぼそのまま維持していました。これらの結果は、本技術が幅広い中分子医薬に対して、生体内滞留時間の問題を解決する手段を提供できる可能性を示唆しています。
　
３．論文情報
タイトル：　Facile and Efficient Chemoenzymatic Semisynthesis of Fc-Fusion Compounds for Half-Life Extension of Pharmaceutical Components
著者：　Shigeo Hirasawa, Yoshiro Kitahara, Yoriko Okamatsu, Tomohiro Fujii, Akira Nakayama, Satoko Ueno, Chiori Ijichi, Fumie Futaki, Kunio Nakata, and Masumi Taki
掲載誌：　 Bioconjugate Chemistry（オンライン版）
公開日：　 2019年4月30日(米国東部時間)
本誌リンク：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.bioconjchem.9b00235

４．用語解説
（注1）Fc領域：抗体は生体内で産生される物質の一つであり、それぞれの抗体が対応する標的に対して特異的に付着することにより、外来性物質からの生体の防御などの機能を担っている。この抗体の分子は、特異的な付着に関与する領域(Fab領域)と、抗体が共通で有する機能を担う領域(Fc領域)で構成されている。本研究では、このFc領域とほぼ同じタンパク質(Fcタンパク質)を作製し、ここに中分子医薬を結合させることによって、抗体分子の有する非常に長い血中半減期という特性を中分子医薬に付与した。
（注2）NEXT-A反応：酵素を用いることによって、ある種のタンパク質に対し、そのN末端のみ選択的にアミノ酸類縁体を連結する反応。一般的にタンパク質のような反応性に富む分子では、別の分子を結合させると、タンパク質上での結合部位や結合数が異なった生成物の混ざりとなる。この場合、タンパク質上の結合部位や結合数によっては、元のタンパク質の性質が損なわれることが多い。本研究で用いたNEXT-A反応は、ある種のタンパク質に対して、そのN末端のみでしか反応が起こらないため、元のタンパク質の性質が損なわれる危険性が極めて低い。

５．本発表資料に関する情お問い合わせ先
国立大学法人電気通信大学
情報理工学研究科基盤理工学専攻
准教授　瀧　真清　（たき　ますみ）
TEL：042-443-5980
E-mail：taki[at]pc.uec.ac.jp

瀧真清　研究室ウエブサイト
http://tkl.pc.uec.ac.jp/

情報理工学研究科基盤理工学専攻ウエブサイト
http://www.es.uec.ac.jp/