平成 26 年度研究費助成 研究成果報告書集
研究成果報告書 目次■ 被告人の主体的訴訟参加の意義について
岡山大学 大学院 社会文化科学研究科

准教授 原田和往･･･････

1■ オーロラキナーゼＡが制御している遺伝子転写調節ネットワークの網羅的解析
岡山大学 大学院 医歯薬学総合研究科 准教授 片山 博志･･･････

7■ 独自に開発した超高効率遺伝子発現プラスミドベクターの抗体大量産生系への応用を目指した基礎研究
岡山大学 大学院 環境生命科学研究科 准教授 阪口 政清･･･････ 11■ 自家骨に匹敵する早期骨修復能を備えた新規リン酸カルシウム人口骨の創製
岡山大学 大学院 自然科学研究科 助教 小西 敏功･･･････ 13■ 空気圧ゴム人口筋を用いた農作業支援用簡易型アシストロボットの機構開発
岡山大学 大学院 自然科学研究科 助教 佐々木 大輔･･･････ 15■ ニトロアルケンへのα-アミノ酸エステルのマイケル付加反応を鍵工程とする
置換ピペラジノンの新規効率的合成法の開発
岡山大学 大学院 自然科学研究科 助教 工藤 孝幸･･･････ 19■ 新規血管新生阻害剤の合成と口腔癌および炎症性疾患領域における阻害効果の検討
岡山大学 大学院 自然科学研究科 助教 萬代 大樹･･･････ 25■ 電気的な反応点制御に基づいた集積的カップリング反応による有機半導体分子の探索
岡山大学 大学院 自然科学研究科 准教授 光藤 耕一･･･････ 29■ 江戸期の巨石樋門・倉水門の撤去に関わる記録保存および文献調査
岡山大学 大学院 環境生命科学研究科 准教授 樋口 輝久･･･････ 35■ 河川堤防の安全な維持管理のための総合的照査方法の確立
岡山大学 大学院 環境生命科学研究科 助教 金 秉洙･･･････ 37■ 国内希少野生動植物種スイゲンゼニタナゴの繁殖生態解明と保全技術の開発
岡山大学 大学院 環境生命科学研究科 准教授 中田 和義･･･････ 48■ ＧＰＧＰＵによる平面２次元浅水流モデルの高速演算に関する研究
岡山大学 大学院 環境生命科学研究科 准教授 吉田 圭介･･･････ 52■ 地質統計学と論理モデルに基づいた地質モデリングに関する研究
岡山大学 大学院 環境生命科学研究科 助教 珠玖 隆行･･･････ 58■ 分裂促進因子活性化タンパク質キナーゼ制御を分子基盤とした新規抗アレルギー性食品因子に関する研究
岡山大学 大学院 環境生命科学研究科 准教授 中村 宜督･･･････ 61■ 岡山市西川緑道公園における持続的なまちづくりに向けた実践研究－アメリカ･ポートランド市のＢＩＤと市民参加の国際比較－
岡山大学 地域総合研究センター 助教 岩淵 泰･･･････ 65■ オオムギの形質転換に必要なゲノム領域の同定
岡山大学 資源植物科学研究所 助教 久野 裕･･･････ 67■ 植物の生殖細胞におけるＤＮＡメチル化動態に関する研究
岡山大学 資源植物科学研究所 助教 池田 陽子･･･････ 71

■ もち麦の品質向上を目指した植物色素合成メカニズムの解明
岡山大学 資源植物科学研究所 非常勤研究員 氷見 英子･･･････ 75■ 小型半導体チップ型センサーによる土中水分量の計測手法の開発
岡山大学 廃棄物マネジメント研究センター 准教授 小松 満･･･････ 78■ 自然薯のプロスタグランジンＥ2 合成系抑制による抗炎症・抗腫瘍効果
岡山県立大学 保健福祉学部 准教授 山本 登志子･･･････ 84■ 「食品素材や化粧品素材」としての「高機能化ポリフェノール誘導体」の
環境に優しい「次世代型酵素的合成システム」の開発
岡山県立大学 保健福祉学部 准教授 中島 伸佳･･･････ 90■ 上肢の運動制御における筋機能に着目した左右差に関する研究
岡山県立大学 情報工学部 助教 大山 剛史･･･････ 91■ 小中学生の学力向上に貢献する運動・スポーツの条件に関する研究～持久的スポーツ競技と学習の集中力の関連性の検証～
岡山県立大学 情報工学部 准教授 綾部 誠也･･･････ 95■ 積層型金属スリットアレイの光学的性質とその応用
岡山県立大学 情報工学部 助教 徳田 安紀･･･････ 99■ エネルギー保存を考慮した超高画質画像変換手法とその応用に関する研究
岡山県立大学 情報工学部 准教授 山内 仁･･･････105■ 実感を伴う水害用デジタル避難ガイドの開発
岡山県立大学 デザイン学部 講師 齋藤･･･････111

美絵子■ 建築家ジェフリー・バワの建築言語に関する研究
岡山県立大学 デザイン学部 教授 岩本 弘光･･･････116■ がん抑制遺伝子 REIC/Dkk-3 による表皮幹細胞のストレス応答制御機構の解明
岡山理科大学 理学部 准教授 片岡 健･･･････121■ 高効率な発光を目指した有機蛍光材料の開発
岡山理科大学 理学部 講師 岩永 哲夫･･･････124■ 情景画像と大規模点群の対応付けによる拡張現実指向ＧＩＳの開発
岡山理科大学 工学部 教授 島田 英之･･･････129■ 航空レーザー測量データに基づいた大規模崩壊危険度評価手法の開発
岡山理科大学 生物地球学部 准教授 佐藤 丈晴･･･････134■ 自然科学的手法により備前焼のルーツを探る－邑久窯跡群の発掘調査から－
岡山理科大学 生物地球学部 教授 白石 純･･･････140■ 有害野生獣多頭捕獲檻のゲート閉鎖用遠隔制御装置の開発
津山工業高等専門学校 電子制御工学科 教授 鳥家 秀昭･･･････146■ 非同期式直列演算器に基づいた超低消費電力デジタル補聴器の開発
川崎医療福祉大学 医療技術学部 助教 近藤 真史･･･････151■ ＩＣＦを活用した在宅重症児(者)の生活実態・社会資源の調査
川崎医療福祉大学 医療福祉マネジメント学部 助教 三田･･･････157

岳彦■ HTLV-1 由来の HBZ 蛋白を標的とした新規 HTLV-1 関連疾患の発症予防・治療法に関する研究
川崎医科大学 助教 塩浜 康雄･･･････160■ 創薬基盤のための後期エンドソーム内リン脂質ドメインの機能解析に関する研究
就実大学 薬学部 准教授 松尾 浩民･･･････165■ 高脂肪食摂取による肥満の形成は Gas6 阻害により制御できるか？
倉敷芸術科学大学 生命科学部 講師 椎葉 大輔･･･････169

■ ソーシャルビジネスの評価の在り方－インドの事例から社会開発へのインパクト測定をする
吉備国際大学 外国語学部 教授 橋本 由紀子･･･････175■ 油彩画、日本画、染色品に使用される色材の簡易分析法の開発
吉備国際大学 外国語学部 准教授 大下 浩司･･･････181■ パルミトオレイン酸誘導性心筋ミトコンドリア機能障害と性差の関連性
吉備国際大学 保健福祉研究所 準研究員 小柳 えり･･･････187■ アケビ由来発酵酵素液中に含まれる微生物の同定と機能性の検討
美作大学 短期大学部 教授 桑守 正範･･･････192■ 糖尿病性腎症モデルマウスを用いた Sfrp1 の病態的意義の解明
重井医学研究所 主任研究員 松山 誠･･･････197■ 3D レーザー測量を利用した斜面崩壊危険個所抽出の開発
岡山大学 理学部 教授 鈴木 茂之･･･････200■ オープンソースライセンスでの 3D データ活用に関する調査研究
岡山理科大学 総合情報学部 講師 山根 信二･･･････204

海外渡航報告書 目次■ 岡山大学大学院 自然科学研究科

助教

前田 千尋

･･･････210■ 岡山大学

大学院 環境生命科学研究科

助教

西本 俊介

･･･････212■ 岡山大学

大学院 環境生命科学研究科

准教授 永禮 英明･･･････214■ 岡山大学

大学院 環境生命科学研究科

助教･･･････215■ 岡山大学

資源植物科学研究所

准教授 杉本 学･･･････217

山本 ゆき■ 岡山県立大学

情報工学部

助教

瀬島 吉裕

･･･････219■ 岡山理科大学

生物地球学部

准教授 大橋 唯太･･･････221【平成26年度研究費助成

研究成果報告書】

被告人の主体的訴訟参加の意義について
岡山大学大学院社会文化科学研究科
原田 和往（概要）刑事手続の遅延等によって記憶の減退又は証拠の散逸等が生じ，被告人の主体的な訴訟参加が得られない
場合の法的対応の要否及びあり方に関し，基礎理論的検討の基盤を確立するため，研究を実施した。本研究においては，被告人の主体的な訴訟参加を困難にする証拠散逸という事態につき，①被疑者・被告人の「防御権」又は「法的安定性」という視点からではなく，②裁判所の「事実認定」乃至「真実発見」という視点から考察を加えることとした。そして，まず，証明過程において証拠量の増減が与える影響につき，「解明度」という法学上の概念を用いて分析を加え，証拠量という問題が，証明基準とは異なる問題領域に属することを明らかにした。その上で，刑事裁判における証明の構造を分析し，そこに帰納的推論の過程が含まれることを示すとともに，帰納的推論においては，その時点の証拠群に照らし妥当と考えられる推論的判断であっても，新たな証拠・情報が付加される可能性如何により，その判断結果の確実性

すなわち，解明度が異なることを明らかにした。

（本文）からのアプローチが考えられる。このうち，本研究にⅠ はじめにおいては，②の事実認定に関する視点からのアプロー

1 問題の所在チを用いる。先般の公訴時効の一部廃止に係る法改正

わが国では伝統的に，「事案の真相解明」（刑訴法１をめぐる論議においては，①被疑者・被告人の防御権条）とは，証拠によって認定された事実と，客観的真に関する視点を重視する立場から，慎重意見乃至反対

実との一致/対応の問題として捉えられてきた。ここで意見がみられた。しかし，科学的技術が発達し，DNAは，我々の主観から独立して諸事実は存在しており，

型鑑定による個人識別の精度が飛躍的に向上した現代

それらを我々はありのまま認識することができる，とにおいては，時の経過により証拠の散逸という事態がいう実在論及び認識論が前提となっている。

生じたとしても，DNA 型鑑定によって犯行又は犯人とこうした立場にあっては，時の経過により証拠の散逸

被告人とを強く結びつけ，正しく刑事責任を追及する等が生じ，被告人の主体的な訴訟参加が得られない場

ことができる，との論調が多数を占めた。そして，現合でも「事案の真相」を解明することはできるとして，に，横浜池判平成 24 年 7 月 20 日は，事件発生後から法的に対応すべき必要性は乏しいことになる。現に，9 年後に起訴された強姦殺人事件において，被害者はわが国では，この場合の法的対応のあり方に関する検死亡しており，目撃者もおらず，被告人は否認・黙秘討は充分には行われてこなかった。しかし，公訴時効しているという利用可能な証拠が著しく制約された状の廃止により事件発生から長期間経過後に公訴が提起況にあって，裁判所は，「DNA 型がすべて一致する人物

される事態が想定される現在の状況にあっては，上記は 4 兆 7000 億人に 1 人という出現頻度」等に言及し，の問題領域の理論的検討が必要不可欠であると考えら

DNA 型鑑定の結果を唯一の根拠として，被告人の犯人れる。

性を認める判断を示している。

2 検討の視点

この事例は，公訴時効の一部廃止に肯定的な論者が被告人の主体的訴訟参加を困難ならしめる証拠散逸

想定していた類のものであり，今後，証拠の散逸によという事態に対しては，①被疑者・被告人の「防御権」

る被告人の積極的な訴訟参加が困難乃至不可能である

又は「法的安定性」という視点からのアプローチと，ことが問題となるひとつの典型例といえる。上記の事②裁判所の「事実認定」乃至「真実発見」という視点

例も含め，如何に科学的技術が進歩しようとも，DNA- 1 -【平成26年度研究費助成

研究成果報告書】

型鑑定自体の可謬性について慎重な姿勢が求められる能であるという事情をもって，当初の鑑定書の証拠能のは言うまでもないが，量的に乏しい証拠によって，力を制限する，証明力を一定程度減殺する，再鑑定請「合理的な疑いを超える証明」という刑事裁判の厳格

求者の主張を裏付けなく肯定する等の対応が要請されな証明基準を超えるように思われる証明がなされる場

る，というのが一般的とも思われない。ところが，こ合があることは否定できない。この場合に，①被疑者・

れに，当初の鑑定から公訴提起，再鑑定の請求までに被告人の防御権又は法的安定性という視点を持ち出し

長期間が経過したという事情が付け加わると，途端に，ても，先の公訴時効の改正論議の時と同様，結局は，一定の対応が要請される，というのは，容易には賛同「事案の真相を正しく把握し，刑事責任を追及するこし難いであろう。むしろ，これら証拠の散逸という事とができる事件」について，国家刑罰権の行使を阻む

態は，一次的には，心証の問題ではなく，その基礎とことは適当ではない（法務省「凶悪・重大犯罪の公訴なる情報の外在的制約の問題ではないかと考える。

時効の在り方について」16 頁（2009 年）），との意見にそこで，本研究では，訴訟上の証明の過程において，対して，説得的な議論を展開することができるとは思証拠の量を測るものとされる解明度という考え方の，われない。①被疑者・被告人に係る視点を持ち出すと刑訴法領域への応用可能性を検証することとした。

しても，その前提として，時の経過による証拠の散逸という事態が，刑事手続に看過し得ない影響をもたらⅡ 証明過程における証拠量の意義すことを明らかにし，当該事態が一定の法的対応を要

1 解明度

請するものであることを示す必要があると考える。そ民事訴訟法の領域において，「解明度」という概念をこで，本研究においては，②裁判所の「事実認定」乃普及させたのは，太田勝造『裁判における証明論の基

至「真実発見」という視点から，問題を分析すること礎』の功績とされる。裁判における証明に関しては，とした。

一般に，事実の認定に必要とされる証明の程度・基準

なお，証拠の散逸に関しては，先の公訴時効の一部に関する「証明度」，及び具体的事実について得られた廃止を受けて，この問題を，合理的な疑いを超える証

証明の程度に関する「心証度」という概念が用いられ明という証明度乃至心証度において考慮する試みがみる。太田は，これらとは別に，審理結果の確実性を指られる。例えば，「合理的疑いを入れない程度の証明がすものとして「解明度」という概念を提唱する。前二なされたかどうかは，長期間の経過による記憶の変容

者が，事実の存否を認定するために到達すべき証明のなどの証拠の劣化，被告人側における長期間経過によ程度に関するものであるのに対し，審理結果の確実性

る反対証拠の収集の困難性などにも十二分に配意」すに係る解明度とは，証拠調べを尽くした程度であり，べきとの主張，あるいは「防御側の主張・立証につい今後更に証拠調べをしたとしても心証度が変動しないては，むしろ時間の経過を考慮した緩やかな評価がな

度合いを意味する。

されなければならない。例えば，十分な具体性や裏付

その意義は，事例を用いて次のように説明される。

けを欠くアリバイ主張も，時間の経過に照らしてやむ

すなわち，「（a） 原告 X は A 市で赤いバスに追突されを得ないと認められる場合には，争点の形成に足りるてけがをした。
」，「（b）事故当時 A 市内のバスは数社がとされてよい。その場合，訴追側が反証できなければ運行していたが，赤いバスのうちの 90％は被告 Y 社のアリバイが認定されることになる」との主張である。

保有であった。
」とする。A 市内の赤いバスが Y の所有

これらが，公訴提起までに長期間を要した場合に，である客観的（統計的）蓋然性・確率は 90％であるた

個別の対応の必要性を認める点は支持できる。しかし，め，X を加害した赤いバスが Y の所有であったという証拠収集の困難性等の事情を，証明度乃至心証度におことの確率は，裁判官にとっても 90％となる。
しかし，いて考慮することができるであろうか。例えば，DNA

X が（a）（b）のみを主張立証した段階（以下，「α段

型鑑定に関して，資料の全量費消により再鑑定が不可階」とする）で，X が Y 所有のバスによって傷を負っ能であるという場合に，裁判所が，再鑑定が実施不可

たと認定する裁判官はいない。むしろ，裁判官として- 2 -【平成26年度研究費助成

研究成果報告書】

は，①目撃者，②Y 社のバスの修理についての調査，

わけではない。また，あらたに証拠調べをすれば心証③事故当日の Y 社等のダイヤグラム，④その他予想さが変動する可能性があると思えば，裁判官としては，れる証拠の有無や証拠調べ等を尽くすまでは，事実に容易に事実の存否が高度の蓋然性を持って証明された

ついての確信を持たないのが一般的である。誤判の危という心証を形成することはない。そのため，解明度

険の点では，90 対 10 の割合で，認定した方が誤りのは，結局のところ，証明度乃至心証度の中に溶解する可能性が少ないといえるが，α段階では，判断の機がことになる，として，その実践的な意義を疑問視する

熟したとは考えられないのである。

向きもある。

これに対し，X，Y が①から④等の主張立証を尽くし

しかし，これらの消極的評価は，解明度それ自体でた段階（以下，「β段階」とする）を考えてみる。このはなく，それを用いた民訴法 243 条の解釈論に対する場合，①から④については，X に有利な証拠も，Y に有ものである。近時のある体系書において，今後，発展利な証拠も出てきうるから，心証度（証明主題の蓋然させていくべき注目すべき異説と評されているように，性）がα段階よりも高くなっているとは限らない。し

解明度の評価としては，わが国の民訴法学において一かし，最終的な心証度はα段階と変わらなかったとし

定程度定着をみている。同概念は，理論的な有用性はても，裁判官は迷わず事実認定をするであろう。両者承認されているものの，実践的な課題への応用展開がを比較すると，心証度が殆ど同じでも，α段階では，期待されている段階にあるといえる。

新たな証拠で覆される可能性は大きいが，β段階では信頼度との比較による解明度の意義

証拠調べを尽くしているから新たな証拠で覆る虞は少解明度の内実をより明確にするためには，ほかの類ない。つまり，心証度が同じでも，解明度が異なるの似の概念との差異を確認しておくことが有用である。

である。

そこで，解明度と同様に，証明度や心証度とは異なる

このように，「解明度」とは，十分に証拠調べ・事実ものとして新たに提唱された信頼度という概念を取り審理を尽くした度合いであり，新たな証拠で証明主題上げることにしたい。

の蓋然性が変動することのない程度をあらわす概念で信頼度は，心証度の確実性を意味する概念であり，ある。証明度・心証度が証明主題の存否の判断に直接

自己の心証に対して裁判官が持つ信頼性を指す。心証関係するのに対し，解明度は，証明主題の存否の判断度と信頼度の関係は次のようなモデルで説明される。

についての判断

すなわち，現在，利用可能な情報

すなわち，「中が見えない大きな桶の中に大量の白石とで，判断することの適否についての判断，判断の時期

黒石が入っているとする。そこから無作為に 50 個の石についての判断を取り出したところ，白が 30 個で黒が 20 個であったであるともいえる。

この解明度という考え方については，発表直後からとする。この場合，この桶の中に入っている白石の比高い評価を得たが，その主張が全面的に承認されてい率を 60％と推定することができる。他方，同じようにるわけでもない。その原因のひとつは，同概念が，「『訴無作為に 10 万個の石を取り出した結果，白が 6 万個で訟カ裁判ヲ為スニ熟スルトキ』ハ裁判所ハ終局判決ヲ

黒が 4 万個であったとしても，白石の比率を 60％と推為ス」旨を定めた旧民訴法 182 条（現 243 条）の解釈定することができる。いずれの場合でも，心証の程度論として展開されたことにある。

である心証度は異ならない。しかし，推定の基礎とな

赤バス事例におけるα段階とβ段階の差異が示すとった情報が大きく異なるため，推定の信頼性は大きくおり，解明度は，「裁判ヲ為スニ熟スルトキ」との文言異なる。
」。すなわち，同じ推定値 60％といっても，統の解釈にあたって有用であるとはいえる。しかし，「証

計学的には，区間推定の概念により，第一の例では，

拠はまだ残っていても，既に調べた分だけで十分に心その値は 46％から 74％まで 28％の幅を有するのに対証がとれれば，つまり解明度不十分でも証明度に達しし，第二の例では，59.7％から 60.3％まで 1％の幅にていれば」，判決は可能であるため，「裁判ヲ為スニ熟収まる。
このように，信頼度とは，心証度と同じく，心証のスルトキ」の定義にとって解明度が必要不可欠という- 3 -【平成26年度研究費助成

研究成果報告書】

状態を表す。そして，心証度と同一の次元にあり，そある主張が真実であるときにかぎり，一定の行動をの上限下限を上下に変動させる従たる概念である。

とることが要請されるという場合，利用可能な情報のこれに対し，解明度というのは，心証の問題ではな

説得力によって，当該行動の採否は判断される。これ

く，現実に存在する証拠の量という外在的な制約であは，証明度乃至心証度の問題である。これとは，別に，る。心証度の確実性の程度は，その基礎となる情報の当該判断を現時点で行うか，更なる情報の収集を待つ

質や量に応じて異なる。一定の量の情報を必要とするか，という判断もある。つまり，判断の時期に関するという点では，解明度と信頼度とは共通している。し判断であり，「証拠の重み」は，これに関係するものでかし，たった一つの証拠に基づく推論でも，裁判官がある。

自己の心証に確信を持つことができれば，解明度は低「証拠の重み」と解明度は，証明度・心証度とは別くても，信頼度は高いといえるが，他方で，関連性の個独立の，証拠の量という外在的制約を問題にする点

ある証拠の取調べを尽くし，解明度が高い状態でも，で，機能的共通性があるといえる。しかし，「証拠の重それらの証明力が乏しければ，裁判官はその心証に確み」という概念を提唱したケインズ自身も，その実践

信を持てない。このように両者は異なる概念である。

的意義については疑問を呈しており，現在，英米の証

2 英米証拠法における”Weight of Evidence”

拠法学において，この点が議論の焦点となっている。

本研究では，解明度という概念の意義を明確にする

そこで，本研究では，次に，「解明度」及び「Weight of

ため，これと類似の考え方といえる”Weight ofEvidence」について，裁判における証明の構造との関

Evidence”（以下，「証拠の重み」という）という英米係で，その実践的意義を分析することとした。

証拠法の議論に関する比較法的調査を行った。
これは，経済学者のケインズの確率に関する考え方

Ⅲ 裁判における証明構造と，解明度に着想を得た，イギリスの哲学者であるローレンス・

1 間接証拠による証明と，直接証拠による証明

ジョナサン・コーエン（L.J.Cohen）によって，法学の（1）構造 刑事裁判における証明は，間接証拠による領域に持ち込まれた議論である。1921 年に公刊された

場合と，直接証拠による場合とに大別される。間接証

ケインズの著書に，次のような記述がある。

拠と直接証拠とは，要証事実（刑罰権実現の根拠とな「手元の証拠が増加したとき，確率の大きさは，そのる起訴状記載の「公訴事実」）と証拠との関係によって新しい知識が不利な証拠を強めるか，有利な証拠を強区別される。直接証拠とは，要証事実の存在を直接証めるかによって，強まりもするし弱まりもする。しか明する証拠のことをいい，犯行状況や犯人性に関するし，どちらの場合でも何かが増加している

我々の目撃者の供述，被害状況や犯人性に関する被害者の供下す結論が依拠する基盤はより強固になっている。こ述等がこれに含まれる。これに対し，間接証拠とは，れを『推論の重み（the weight of argument）』と呼ぶ

主要事実の存在を推認させる事実である間接事実を証ことにしよう。新たな証拠は，推論の蓋然性を弱める

明する証拠のことをいう。

こともあるが，常に『重み』を付け加えている。
『重み』

例えば，起訴状記載の公訴事実が「被告人 X は，平とは，いわば，有利不利を含めた証拠の総量を図る尺成 26 年 4 月 1 日午後 10 時頃，岡山市内の公園におい度である。
」（ケインズ（佐藤隆三訳）『確率論』82 頁て，被害者 V の左胸部をナイフで刺して殺害した」と（東洋経済新報社，2010 年）（一部訳を改めた））。

いう殺人被告事件において，X が黙秘乃至否認しており，被告人 X と起訴された殺人被告事件の犯人の同一これに着想を得たのが「証拠の重み」という考え方

性（犯人性）が争点となっているとする。

である。確率が有利な証拠と不利な証拠の差に依拠するのに対し，「証拠の重み」は，証拠の完全性に依拠す

W1 が証人として尋問され，「犯行日時頃，公園を歩る。証拠調べが進めば，証拠の重みは増え，証拠の完いていると，X が V の左胸をナイフで刺すところを目

全性の度合いが増す。しかし，これに応じて，心証度撃した」と証言したする（W1 証言）。この証言を信用が変動するとはかぎらない。

することができれば，直ちに「X が犯人である」との- 4 -【平成26年度研究費助成

研究成果報告書】

要証事実を認定することができる。これが，W1 証言と（②）
。また，例えば，X に V を殺害する動機があるかいう直接証拠による証明の例である。

否か，という点は，前提（W1 証言という直接証拠）をこれに対し，W2 が証人として尋問され，「犯行日時

真とするならば，結論を左右するものではない（③）
。

頃，公園を歩いていると，A が植え込みから突然出てしたがって，直接証拠による証明は，論理学的には，
演繹的推論の構造をとることになる。

きて，慌てた様子で走り去るのを目撃した。不審に思これに対し，間接証拠による証明は，帰納的推論のって，植え込みの近くまで行ってみると，そこには V構造をとる。帰納的推論の特徴は，が左胸から血を流して倒れていた」と証言したとする（W2 証言）。W1 とは異なり，W2 は，X が殺人を行うと前提と結論との間に必然的連関がないころを目撃したわけではないから，W2 証言から直ちに帰納的推論における結論は，前提には含まれてい「X が犯人である」と認定することはできない。しかなかった情報を新たに付け加えるものである

し，W2 証言によっても，「X が犯行直後に犯行現場にい

帰納的推論では，前提に新たな情報がつけ加わるた」との事実を直接証明することができる。そして，と，その結論が大きく動揺する，「犯行直後に犯行現場にいた人物は犯人である可能性という点にある。

が高い」との経験則によれば，「X が犯行直後に犯行現W2 証言という間接証拠による証明の場合，「X が犯行場にいた」という事実（間接事実）から，「X が犯人で直後に犯行現場にいた」との前提と，「X が犯人である」

ある」ことを推認することができる。これが，W2 といとの結論との間に必然的連関はない。この結論は，前う間接証拠による証明の例である。

提から，前記経験則を媒介にして，蓋然的に導かれる

上記の直接証拠による証明と，間接証拠による証明（「可能性が高い」）ものにすぎない（ ）。ここでの結とは，論理学的には，前者は演繹的推論，後者は帰納論は，その前提（W2 証言という間接証拠）に含まれて的推論にそれぞれ分類されるものである。

いる情報を引き出すものではなく，経験則を介して，演繹的推論の特徴は，新たな情報を付け加えるものである（ ）。そして，例①前提の真偽に関わりなく，一度それを前提としてえば，「X には V を殺害する動機がない」という新たな認めれば，一定の結論が必然的に導かれる情報が前提として追加されると，「X が犯行直後に犯行②演繹的推論における結論は，背景的知識を含めた現場にいた」との前提が真であるとしても，その結論

前提の中に含まれているものを引き出すだしたものには大きく動揺することになる（ ）。

すぎず，前提が真ならば，必ず結論も真であるという（2）解明度との関係 上述したところから明らかなよ性質（真理保全性）があるが，その推論結果は前提に

うに，間接証拠による証明の場合，前提に新たな情報

新たな情報を付け加えるものではないがつけ加わると，その結論が大きく動揺する機能的推③演繹的推論における結論は，前提が含むものだけ論の構造をとるため，解明度の高低如何は，審理結果を導出するものであるから，前提に新たな情報が追加の確実性に大きな影響を与える。冒頭に示した横浜池

されても結論は不変である，

判平成 24 年 7 月 20 日も，DNA 型鑑定の一致という前という点にある（近藤洋逸＝好並英司『論理学入門』

提から，「DNA 型がすべて一致する人物は 4 兆 7000 億

156 頁（岩波書店，1979 年），戸田山和久『科学哲学の人に 1 人という出現頻度」という経験則を介して，「被冒険』51 頁（NHK 出版，2005 年）参照）。

告人が犯人である」との結論を帰納的に推論したもの

W1 証言という直接証拠による証明の場合，「X が V のである。が，この結論は，「被告人以外に，DNA 型がす

左胸をナイフで刺すところを目撃した」という前提をべて一致する人物が他にもいる」との新たな前提が追真とするならば，「X が犯人である」という結論も真で加されることによって，容易に動揺する。DNA 型鑑定ある（①）
。ここでの結論（認定）は，その前提（W1という証拠による証明が如何に強力であったとしても，証言という直接証拠）に含まれている情報を引き出しそれに基づく審理結果の確実性は非常に低いのである。

たにすぎず，新たな情報を付け加えるものではない

このように，間接証拠による証明の場合には，その証- 5 -【平成26年度研究費助成

研究成果報告書】

明構造上，最終的な推論的判断（審理結果）の確実性

そして，解明度と審理結果の確実性との関係を，証を図るために，解明度という観点を用いる実践的意義

拠の散逸という問題状況の中で捉えるならば，時の経がある。

過等により証拠が散逸した場合には，推論の前提とし

2 証明力判断における帰納的推論て利用可能な証拠が制約されるため，総体的に解明度

解明度という観点は，間接証拠による証明にとどまが低下した状況にあるといえる。この場合，現在利用るものではなく，直接証拠による証明との関係でも実可能な証拠から，法的に要求される証明度を超える証践的意義を有する。

明が可能であるとしても，証拠が散逸していない場合に比べ，その推論的判断の確実性は相対的に低下して

W1 証言という直接証拠による証明の場合，上述のといる。

おり，それによってもたらされる「X が V の左胸をナイフで刺すところを目撃した」という前提を真とする

この点，刑事訴訟法は，事実認定の不当を救済する

ならば，「X が犯人である」という結論も真となる，とために，再審制度（刑訴法 435 条）を設けている。そいう演繹的推論の構造をとる。そのため，この場合は，のため，無罪等を言い渡すべき証拠があらたに発見さW1 証言の真偽の評価（前提が真か否か）が結論の真偽れた場合には，帰納的推論に内在する誤りは是正されを左右する重要なものとなるが，この評価（証明力判うる。しかし，時の経過による証拠が散逸している場

断）は，帰納的推論の構造をとる。

合には，無罪等を言い渡すべき証拠があらたに発見される可能性は著しく制約されており，この救済手段がW1 証言を評価するにあたっては，例えば，「偽証罪

十分には機能しないという問題がある。

による制裁のもとで行われた公判廷証言は信用できる」等の経験則を用いることになる。しかし，例えば，「W1 と X とは友人で，昔からよく知っている」場合と，

Ⅳ 結びに代えて「W1 と X とは，仕事の上で付き合いのある知人にすぎ

以上，本研究では，証拠の散逸という問題について，ず，最近は顔を合わせていない」場合とでは，当然の証拠の証明力ではなく，証拠の量を問題とする解明度

ことながら，その評価は大きく異なる。W1 証言は，
「偽という概念に着目し，類似の概念との比較を通じて，証罪による制裁のもとで行われた公判廷証言であり，その内実を明らかにした。その上で，刑事裁判におけ

W1 と X とは昔からの友人である」から，その証言は信る証明の構造を分析し，裁判において帰納的推論が用用できる，との推論的判断に至ったとしても，そこにいられる場面において，その推論的判断の確実性を図

新たに「金銭をめぐるトラブルから，
W1 と X の関係は，るものとして，解明度という観点が有用であることを近時は非常に険悪である」，「W1 が X を目撃したとする

明らかにし，その実践的意義を示すことを試みた。本地点には，照明器具が設置されていない」等の情報が研究の成果については，その一部を「公訴時効制度に追加されれば，その判断は大きく動揺する。これは，関する実体法説的説明について」岡山大學法學會雜誌

当初の裁判で証拠とされた自白が，後に過酷な取調べ

64 巻 2 号 41 頁（2014 年）として公表している。

によって得られたものであることが判明し，再審で虚本研究では，証拠の散逸という事態が，刑事裁判に

偽の自白である，と評価される場合があることにも示おける証明の過程において，審理結果の確実性を低下されている。

させるという影響をもたらすことを明らかにした。し直接証拠による証明の場合，全体的な証明の構造は

かし，証拠の散逸という事態は，現実には不可避的で演繹的証明であり，その最終的な推論的判断が前提のあり，常に裁判において質の高い証拠が豊富に提出さ変化に左右されない点で，間接証拠による場合とは異れることを期待することはできない。そのため，審理なる。しかし，個々の証拠評価に際しては，直接証拠

結果の確実性の低下が懸念されるすべての場合に，法による証明の場合でも，帰納的推論が用いられるため，的な対応が要請されるということもできない。この点

その証拠の真偽評価との関係で，解明度の高低如何とは，法的対応の根拠となる規範の検討と合わせて，今いう観点が実践的な意義を有すると考えられる。

後の研究課題としたい。

- 6 -【平成26年度研究費助成

研究成果報告書】

オーロラキナーゼ A が制御している遺伝子転写調節ネットワークの網羅的解析
岡山大学大学院医歯薬学総合研究科 分子腫瘍学分野
片山 博志
多種の腫瘍で高い発現が認められる癌遺伝子産物オーロラキナーゼ A の生理的な役割として，細胞分裂期の紡錘体極と紡錘体に局在し，染色体均等分配を保証する両極性紡錘体形成やスピンドル損傷チェックポイント
応答を調節する作用が広く知られている．興味深いことに，腫瘍の免疫染色からオーロラキナーゼ A は核内にも局在していることが示されているが，その核内機能についてはほとんど明らかにされていない．我々はこれまでにオーロラキナーゼ A の核内局在が細胞周期の G2 期に起きることを確認していたため，
オーロラキナーゼA は細胞周期進行に関わる遺伝子群の転写調節に関わるのではないかとの仮説を立て，オーロラキナーゼ A が相互作用する転写因子の同定と機能解析を試みた．その結果，オーロラキナーゼ A は転写因子 X（仮称）と直接結合すること，オーロラキナーゼ A によるリン酸化は転写活性に影響を及ぼすことを見いだした．今回の発
見は，オーロラキナーゼ A が腫瘍においても特異的な遺伝子の転写制御を行っている可能性を示唆し，その解明はオーロラキナーゼ A により誘導される細胞癌化の全貌を理解する上で重要である．

１．はじめにあることが報告されている（５）．しかしながら，オオーロラキナーゼ A は，細胞分裂期の紡錘体極とーロラキナーゼ A の核内での機能的役割については

紡錘体に局在し，Bora, Cdc25B,TPX2 などの分裂期

現在のところ不明なままである．我々は，正常乳腺調節因子と相互作用することで，G2/M 期進行，中心上皮由来 MCF-10A 細胞と細胞周期を同調した子宮頸

体成熟や両極性紡錘体形成など染色体の均等分配に癌由来 Hela 細胞の免疫染色から，
オーロラキナーゼ

重要なプロセスを調節している（１）．他方，乳癌やA が正常細胞の核にも局在することと細胞周期の G2卵巣癌などの腫瘍では高発現しており，ゲノムの守期から核膜崩壊にかけて核内に蓄積することをこれ護神である p53 ファミリー蛋白質や BRCA1,2 など癌までに見いだした（６，図１B）．

抑制蛋白質の機能を抑制したり，
反対に Akt や NF-kB

G2 期は，M 期の染色体分配や細胞質分裂など非常などの癌化促進タンパク質の活性を増幅する働きがにダイナミックなイベントに備えるため，関与するある．その結果、中心体増幅を伴った染色体不安定

一連の蛋白質因子群の遺伝子発現が盛んになる時期

性や癌発症が促され，既存の癌治療薬に対する耐性である．そのため，さまざまな転写因子がリン酸化獲得につながっている（２）．このことから，オーロ

やアセチル化などの翻訳後修飾を受け活性化される．

ラキナーゼ A は単なる予後因子としてだけではなく，癌

これまでに報告されているオーロラキナーゼ A 結合治療の標的遺伝子として近年注目されている．現在までに蛋白質の中には転写因子が複数含まれている．これ

キナーゼ活性を特異的に阻害する ATP 競合型阻害剤が数多らのことから，我々は，核内に局在しているオーロ

く開発され，臨床試験の結果から，造血系腫瘍に著効であラキナーゼAがG2-M 期進行に関わる遺伝子群の転写ることが示されている（３）．

調節を司る未知の転写因子の活性をコントロールし上述のようにオーロラキナーゼ A の細胞内局在はているとの仮説を立て，その検証を試みた．

分裂期で特に顕在化するが，腫瘍の免疫染色では核への蓄積がより顕著に検出される（４，図１A）
．ま

２．結果

た，この核内蓄積は腫瘍の悪性度と正の相関関係に

A. オーロラキナーゼ A の細胞周期遺伝子の転写調- 7 -【平成26年度研究費助成

研究成果報告書】

節への影響
図１に示すようにオーロラキナーゼ A は，正常細胞と癌細胞の核内に局在しており，
特に Hela 細胞では G2 期の細胞に蓄積することが我々のこれまでの研究から明らかになっている（６）.

B. オーロラキナーゼ A が結合する転写調節因子の同定
オーロラキナーゼ A がどの転写因子に働きかけているか調べるために， 上述の方法で G2 期に同調した Hela 細胞の核タンパク質抽出液を，抗オーロラキナーゼ A 抗体あるいはコントロール IgG にて免疫沈降した．免疫沈降産物を電気泳動後，コントロール
IgG の免疫沈降産物には存在せず，抗オーロラキナ
ーゼ A 抗体の免疫沈降産物にのみに存在するタンパ
ク質バンドを切り出し，それらを質量分析器にて転写因子の有無を解析した．これまでオーロラキナー

まず初めにオーロラキナーゼ A の活性が，G2-M 期

ゼ A との結合が未知であった中心体の活動や DNA 損

進行に関わる遺伝子群の転写調節に影響を与えるか

傷応答に関係する複数のタンパク質は同定されたが，否かを調べた．ダブル・チミジン・ブロック処理に

転写因子あるいは転写調節関連タンパク質は含まれより細胞周期を G1/S 期に同調した Hela 細胞を，オていなかった（data not shown）．

ーロラキナーゼ A 特異的阻害剤 MLN8237 を含む培養

そこで，G2-M 期進行に関わり，且つ，オーロラキ

液で６から 7 時間培養し、G2 期の細胞を効率的に集ナーゼ A のリン酸化部位コンセンサス配列をもつ転めた．コントロールは阻害剤を含まない培養液にて写因子を，複数のパブリック・データベースから抽同時間培養した．これらの細胞から抽出した mRNA

出し，オーロラキナーゼ A と結合しているかどうかから cDNA を合成した後，G2 M 期進行に関与する代確認実験を行なった．その結果，転写因子 X（論文

表的な遺伝子であるサイクリン B１とポロキナーゼ

投稿準備中のため仮称とさせて頂く）の同定に至っ１（PLK１）の mRNA 発現量を，それぞれに特異的なた．
転写因子 X は，生物種を超えて保存されており，

プライマーと CyberGreen を用いて real-time PCR

細胞周期進行過程において基本転写因子の働きを促にて定量的に測定した．その結果，阻害剤処理した進する作用をもつことが知られている。加えて，腫細胞では，測定した全ての遺伝子の発現量が，コン瘍で高発現している癌進行に関わる多くの遺伝子が，トロールと比較して有意に低いことが分かった（図転写因子 X の標的遺伝子であり，その転写調節の異2）．このことは，G2 M 期においてオーロラキナーゼ常が報告されている．

A のキナーゼ活性が，転写調節に重要であることを示している．

- 8 -【平成26年度研究費助成

C. タンパク質間相互作用の解析

研究成果報告書】

オーロラキナーゼ A が実際に転写因子 X をリン酸化

オーロラキナーゼ A と転写因子 X との相互作用のするかどうかを，in vitro kinase assay で調べた．

確認を，in vitro と in vivo の実験系で行った。In

図 4 に示すように，転写因子 X がオーロラキナーゼ

vitro 結合実験には，ウサギ網状赤血球の細胞抽出

A の基質であることが確認できた。次に，コンセン液から合成した転写因子 X と大腸菌で合成した GST

サス配列中のスレオニン残基をアラニン残基に置換タグを N 末端にもつオーロラキナーゼ A の融合タンした変異型転写因子 X を作製し，オーロラキナーゼ

パク質を使用した．コントロールとして GST のみのA によるリン酸化について調べた．予想通り，変異タンパク質を用いた．結合反応の結果、オーロラキ型転写因子 X はリン酸化されないことが確かめられ

ナーゼ A は，転写因子 X と直接的に結合しているこた（図 4B）．

とが分かった（図 3A）．次に，in vivo 結合実験には，
G2 期に同調した Hela 細胞の核タンパク質抽出液を抗オーロラキナーゼ A 抗体あるいはコントロール
IgG にて免疫沈降した産物を用いた．In vitro 結合
実験同様に，実際に細胞内でオーロラキナーゼ A が転写因子 X と結合していることが確かめられた（図3B）．

In vitro kinase assay で同定したリン酸化部位の in vivo リン酸化については，オーロラキナーゼ
A 特異的阻害剤を処理した，あるいは無処理の細胞抽出液を，Phos-tag 試薬を含む SDS-PAGE 電気泳動することによって確認した（data not shown）．
E. 転写因子 X の DNA 結合能への影響
次に、オーロラキナーゼ A の転写因子 X のリン酸化の機能について調べた．オーロラキナーゼ A 特異的阻害剤処理によって G2 期進行遺伝子群の遺伝子発現量が低下することから（図 2），リン酸化の機能について２つの可能性を考えた．１つ目は，リン酸化が転写因子 X の DNA 結合能に影響を及ぼしている可能性．2 つ目は，他転写因子との相互作用への影
響．

D. オーロラキナーゼ A による転写因子 X のリン酸

オーロラキナーゼ A の転写因子 X リン酸化の DNA化とその機能結合への影響は，クロマチン免疫沈降法により，ど転写因子 X のアミノ酸配列には，オーロラキナーの程度の転写因子 X が標的遺伝子のプロモーター領

ゼ A のリン酸化コンセンサス配列が存在するので，- 9 -【平成26年度研究費助成

研究成果報告書】

域に結合しているのか real-time PCR で定量的に調子 X の調節異常は，腫瘍発生に重要な位置を占めてべた．ここでは，サイクリン B1 遺伝子プロモーター

いることから，オーロラキナーゼ Aー転写因子 X 軸

中の転写因子 X 結合領域の増幅効率を定量化した．

の詳細な調節機構の解明と下流遺伝子の同定とそれ図５に示すように，
転写因子 X のサイクリン B1 プロ

らの機能解析が今後求められる．

モーターへの結合は，阻害剤存在下で半減した（図5）．
この結果は，
オーロラキナーゼ A のリン酸化が，参考文献

転写因子 X の標的遺伝子のプロモーターへの結合に

1. Carmena M, Ruchaud S, Earnshaw WC. Making

重要な役割を持つことを示している．2 つ目の可能

the Auroras glow: regulation of Aurora A and性については，現在，研究を行っており結論に達し

B kinase function by interacting proteins.

ていない．

Curr Opin Cell Biol. 21:796-805 (2009)
2. Katayama H, Sen S.Aurora kinase inhibitors as
anticancer molecules. Biochim Biophys Acta.
1799:829-839 (2010)
3. Malumbres M, P rez de Castro I. Aurora kinaseA

inhibitors:

antitumoral

promisingtherapy.

Expertagents

in

Opin

Ther

Targets. 18:1377-1393 (2014)
4. Royce ME, Xia W, Sahin AA, Katayama H,
Johnston DA, Hortobagyi G, Sen S, Hung MC.
STK15/Aurora-A expression in primary breast
tumors is correlated with nuclear grade but
not with prognosis. Cancer. 100:12-19.
(2004)
5. Kao SY, Chen YP, Tu HF, Liu CJ, Yu AH, Wu CH,
Chang KW. Nuclear STK15 expression isassociated with aggressive behaviour of oral
３．まとめ

carcinoma cells in vivo and in vitro. J Pathol.

本研究から，細胞周期 G2 期の遺伝子発現調節にオ

222:99-109. (2010)

ーロラキナーゼ A が関与している直接的な証拠を得

6. Katayama H, Sasai K, Kloc M, Brinkley BR, Sen

ることが出来た。オーロラキナーゼ A による転写因S.

子 X のリン酸化が、転写因子 X の DNA 結合能に影響

kinetochore/chromatin

するという発見は、G2 期進行の遺伝子発現機構の解

microtubule assembly in human cells. Cell

明のみならず，オーロラキナーゼ A が高発現していCycle. 7:2691-2704. (2008)

る腫瘍の遺伝子発現異常が，オーロラキナーゼ A による転写因子 X の機能異常に起因する可能性を示唆するものである．本研究の目的の１つに，癌発症と進行においてオーロラキナーゼ A の発現異常が，他遺伝子の転写調節にどのような影響を及ぼしているか，
そのネットワークの網羅的解析を挙げていたが，期間内に成果を挙げることは適わなかった．転写因- 10 -

Aurorakinase-A

regulates
associated【平成26年度研究費助成

研究成果報告書】

独自に開発した超高効率遺伝子発現プラスミドベクターの抗体大量産生系への応用を目指した基礎研究
岡山大学大学院 医歯薬学総合研究科
阪口 政清
（概要）
近年、がんやリウマチの治療薬として抗体医薬の市場は急速に拡大している。抗体医薬のもっとも大きな
課題は、製造コストが高いことにある。コストを下げるために、哺乳動物高発現ベクターの開発等が求められている。抗体医薬の抗体は、目的の抗体遺伝子搭載発現ベクターを導入した動物細胞を大量培養することにより製造されているが、従来の発現ベクターを用いた場合は、導入された抗体遺伝子が抗体を生産しない
場合や、培養途中で生産しなくなってしまうことが多く、抗体を安定的に高効率で生産する動物細胞を取得するには多大な時間を要していた。
代表者が独自に開発した当超高効率遺伝子発現プラスミドベクターは、本研究成果（1, IRES を適用し、抗体遺伝子 H 鎖と L 鎖の同時発現を可能にした、2,安定発現を目指し、エピソーマルベクター化を行った）より、上記問題を克服し、抗体医療における様々な抗体や生理活性タンパク質を大量調製するための哺乳動物産生系に新たな光明をもたらすことが期待された。
1．背景と目的

評価には、我々が既に クローニング済みの抗リツキシマブ、トラスツズマブ、あるいはベバシ

TNFa モノクローナル抗体の H 鎖と L 鎖遺伝子をズマブといった抗癌抗体医薬の薬剤費は、薬効発現使用した。HEK293 細胞を用いて一過性の発現効のために多くの量の抗体投与が必要となるため、高率の評価の後、その安定産生細胞株の樹立を試額なものとなることが多い。これは、それら生成のみ、抗体産生への本ベクターの有効性を検証しための抗原や抗体そのものの精製に大きなコスた。

トがかかるためである。このことから、より生産コストの低い、かつ既存薬と同等の治療効果を有（結果）する抗体医薬生産法の新規開発が求められている。

(1) まず、医療用リコンビナントタンパク質当観点から、我々は、「プロモーターサンドイッチ

としてエリスロポイエチン(EPO)をクロー技術による超高効率遺伝子発現プラスミドベクター

ニングし、開発プラスミドベクターC-TSC(C-TSC system)（文献 1(成果発表論文)参照）(下図)による発現を従来法と比較して検討した。

を完成させ、当ベクターの組み換えタンパク質大量

その結果、従来の高発現ベクターに比較して、産生への有用性を見出した。本計画では、さらに約 8 倍量のタンパク質がいずれにおいても発C-TSC system を抗体遺伝子発現に適用させ、安現することが判明した。

定発現株作成用に進化 させることを目的とし(2) 次に TNFa モノクローナル抗体の H 鎖と L
鎖の cDNA について発現検討を行った。抗た。

体遺伝子に関しても、H、L 鎖とも、それぞ2．方法・結果

れ単独で発現させた場合、従来法に比較し（方法）て顕著な上昇を示した。

本ベクターに挿入する抗体遺伝子の発現性の(3) 上記の成果を受け、抗体遺伝子同時発現- 11 -

【平成26年度研究費助成

研究成果報告書】

いる。

(H 鎖と L 鎖遺伝子)への適用を試みた。具体的には、２つの抗体遺伝子の同時発現に必要な IRES 配列を利用し、これに TNFa モ

3．考察

ノクローナル抗体の H 鎖と L 鎖遺伝子を組結果の(3)に関して、当構築プラスミドを環み込んだ。更に安定発現株作成に適応させ状ではなく、直鎖状にすると一過性発現においるために、抗生物質（ピューロマイシン）ても搭載遺伝子の発現 効率が極度に低下する耐性遺伝子発現ユニットを付加した。そこことから、これは、染色体内に組み込まれるこで、当改変システムによる抗体遺伝子安定と（直鎖状になる）が、C-TSC の高発現能力消発現株の作成を試みた。しかし、得られた失につながるものと考えられた。そのため、当クローンに関して十分な発現を示すもの

システムを、環状の形で細胞内に安定的に保持はいずれも認められなかった。

させることが遺伝子発 現安定株取得に重要で(4) (3)での失敗から、当発現システムを、環あると考えた。現状で当考えに最もマッチする状を保持したまま自己複製（安定発現）でものは C-TSC システムをエピソーマルベクター

きるように改変した。即ち、次のベクターにすることと考えた。結果(4)から、エピソーである。C-TSC エピソーマルプラスミドベ

マル化したベクターを作成することができ、現クター； C-TSC-EBNA-OriP

C-TSC-H

在当ベクターの効能を検証中である。予備的検

chain-IRES-L chain-OriP。EBNA は OriP 配

討から本来の C-TSC の能力（高発現）を損なわ

列に働いてプラスミドの自己複製に働く。

ずに抗体遺伝子の安定 発現株作成用に応用可

現在、上記 2 種のベクターを用いて、HEK293

能となりうることが示唆され、期待が持てるも細胞にて抗体発現の詳細な検討を行ってのと考えている。

と- 12 -

【平成26年度研究費助成

研究成果報告書】

自家骨に匹敵する早期骨修復能を備えた新規リン酸カルシウム人工骨の創製
岡山大学 大学院自然科学研究科
小西 敏功
水酸アパタイト(HAp)をはじめとするリン酸カルシウム系人工骨は骨補填材として広く利用されている。骨欠損などの創傷治癒には血管形成が必須であり，銅(Cu)は抗菌性を有するだけでなく，血管内皮細胞による血管新生の補酵素として重要な役割を果たすことが報告されている。銅をリン酸カルシウムに導入し，血管新生を促進する早期骨修復能を備えた新規リン酸カルシウム人工骨を創製することを目的とした。そこで本研究では，固相反応法を用いて銅含有 β-リン酸三カルシウム(β-TCP)の合成を試みた。
（緒言）β-リン酸三カルシウム (β-TCP) をはじめと（実験方法）以下の反応式に基づき，固相反応法にするリン酸カルシウム系人工骨は，その優れた骨伝より CuTCP を合成した。炭酸カルシウム(CaCO3)，

導性や生体吸収性から整形外科，歯科分野において酸化銅(CuO)およびピロリン酸カルシウム(Ca2P2O7)

有用な生体材料の一つとされ[1]，骨補填剤をはじめを出発原料として用い，(Ca+Cu)/P 比が 1.5 となる

様々な用途で広く用いられている。しかしながら，ように各試料を秤量し，乳鉢と乳棒を用いて 90 分間

自家骨の有する骨誘導能を持たないため，確実な骨アセトン中で原料粉末を混合しバッチを作製した。

癒合および，早期治癒が得られない問題がある。そバッチはCu が TCP 中のCa に対して 0, 0.1, 1, 5 mol%のため，リン酸カルシウム系人工骨への骨誘導能のとなるように調製した。混合したバッチを，錠剤成付与に関する研究が盛んに行なわれている。
例えば，形器を用いて 17.5 kN で加圧成形することで圧粉体

骨形成タンパク質 (rh-BMP-2 など) をヒドロキシを作製し，電気炉中で 1000°C, 12 時間焼成した。a

アパタイト (HAp) 多孔体に担持させこれを徐放さは CaCO3 の，b は CuO のモル数である。

せることで確実な骨癒合を獲得するという研究が報告されている[2]。しかしながら，高額な BMP の使

Ca2P2O7 + aCaCO3 + bCuO → Ca2+aCub(PO4)2 + aCO2

用が医療経済を圧迫することは明らかであり，そのような社会的背景を鑑みると，人工材料のみで自家得られた試料 xCuTCP (x = 0, 0.1, 1, 5)の結晶構造骨に匹敵する骨修復能を発現するリーズナブルな人

および分子構造を粉末 X 線回折法(XRD)，マジック工骨を開発することは急務な課題である。

角高速回転法による固体核磁気共鳴分光法

一方で，生体中の微量元素(ミネラル)は，重要な(MAS-NMR)，フーリエ変換赤外分光法(FT-IR)を用

生体反応や生理活性を発現することが知られている。

いて，元素組成を高周波誘導結合プラズマ(ICP)発光

例えば，骨欠損部での骨組織の再生には血管形成が分光法を用いて評価した。また，酢酸 酢酸ナトリウ

必須である。血管新生が内皮細胞によって行われる

ム緩衝液(pH 5.5)中での CuTCP の溶解性をカルシウ

際，銅 (Cu) は補酵素として重要な役割を果たすこムイオン電極を用いて調べた。

とが報告されている[3]。そのため，銅をリン酸カル
シウム内に導入することができれば，血管新生を促（結果と考察）Fig. 1 に作製した試料の XRD パター

進する新規な骨補填剤となることが期待される。

ンを示す。検出された回折ピークは全て β-TCP に帰

そこで本研究では，固相合成法を用いて，β-TCP

属されたことから，作製した試料は β-TCP の単相で内に銅を導入した銅含有 β-リン酸三カルシウムあることが分かった。8 つの結晶面に対応する回折(CuTCP) を合成することを目的とした。また，導入

ピーク位置から Cohen 法に基づき格子定数を求めたした銅が β-TCP の結晶構造に及ぼす影響を調べた。

ところ，銅仕込み量の増加に伴う格子定数の減少が- 13 -

【平成26年度研究費助成

研究成果報告書】

確認され，Benarafa ら[4]が報告した格子定数の変化（参考文献）の傾向と一致した。FT-IR スペクトルからは PO43-基[1] I. Cacciotti, A. Bianco, “High thermally stable
mg-substitutedに由来する P-O 結合に帰属される赤外吸収ピークの
31

tricalcium

phosphatevia

みが観測された。 P MAS-NMR から，銅仕込み量のprecipitation”, Ceram. Int., 37, 127-137 (2011).

増加に伴って NMR ピーク数の減少とピーク幅の増[2] H. Morisue, M. Matsumoto, K. Chiba, H. Matsumoto,

大が確認された。これは導入した銅が β-TCP 中の

Y. Toyama, M. Aizawa, N. Kanzawa, T. Fujimi, H.

Ca(4)サイトの欠損部位を埋めている[5]，あるいは格Uchida, I. Okada, “A Novel Hydroxyapatite Fiber

子中の別の Ca サイトと置換したことで，格子中のMesh as a Carrier for Recombinant Human Bone

31

P 核の周囲の遮蔽の状態が変化したためであるとMorphogenetic Protein-2 Enhances Bone Union in

考えられる。さらに，ICP を用いて得られた試料中Ratの銅含有量を測定した結果，0 ~ 5CuTCP_S では仕込

31,1194-1200 (2006).

Posterolateral

FusionModel”,

Spine,

み組成とほぼ同量の銅の含有が確認された。以上の[3] G.F. Hu, “Copper Stimulates Proliferation of Human

ことから，作製した CuTCP は仕込み量とほぼ同量

Endothelial Cells Under Culture”, J. Cell Biochem.,の銅を格子内に含有した β-TCP 単相であると考えら

69, 326-335 (1998).
[4] A. Benarafa, M. Kacimi, G. Coudurier, M. Ziyad,れる。
さらに，CuTCP の溶解性を調べたところ，0.1 お“Characterisation of the active sites in butan-2-ol

よび 0.1CuTCP の溶解性は 0CuTCP_S と同程度であdehydrogenation over calcium–copper and calcium–

ったが，5CuTCP ではそれよりも低下することが確

sodium–copper phosphates”, Appl. Catal., A, 196,

認された。

25-35 (2000).
[5] M. Yashima, A. Sakai, T. Kamiyama, A. Hoshikawa,“Crystal structure analysis of β-tricalcium phosphate
Ca3(PO4)2 by neutron powder diffraction”, J. Solid
State Chem., 175, 272-277 (2003).

Fig.1 XRD patterns of synthesized CuTCP powders（結言）固相合成法により，仕込み量とほぼ同量の銅を格子内に含有した β-TCP 単相を作製できた。0.1
および 0.1CuTCP の溶解性は 0CuTCP と同程度であったが，5 および 10CuTCP では，溶解性が低下する
ことが明らかとなった。

- 14 -

【平成26年度研究費助成

研究成果報告書】

空気圧ゴム人工筋を用いた農作業支援用簡易型アシストロボットの機構開発
岡山大学大学院（現 香川大学工学部）
佐々木 大輔農業就業者は重量物の搬送や長時間一定の姿勢を保持するといった身体への負荷が大きな労働環境において作業を行っている．そのため，高齢化が問題である農業就業者の身体負荷の軽減を目的とした支援装置の開発が重要と言える．本研究では農作業の収穫作業の支援を目的とし，作業者の上肢を任意の角度で屈曲方向に保持する簡易型アシストロボットの機構を開発した．
開発した装置は，空気圧ゴム人工筋の張力によりドラムブレーキ機構が制動力を発生させることで肩の屈曲
方向の姿勢を保持できる．三節リンク機構を上腕装具に設けることで，肩の姿勢が保持されている場合でも外転・内転方向に動かすことができるため外骨格装着による拘束感を軽減できる．
本報告書では開発した装置の構造と動作原理について述べたのち，装着実験から装置使用時に肩部における筋負荷が軽減可能であることを示す．
1．はじめに援を行うために肩の屈曲方向に対する支援機構と肩農林水産省の統計では平成 23 年度の農業就業人

関節の自由度に対応した機構が必要となる．また同口は約 260 万人で，そのうち 60 歳以上の人口は約時に，装着時における拘束感を軽減するために外193 万人と全体の 74％の割合を占めている．また過転・内転方向の自由度がある構造が望ましい．そこ

去の統計からみると 60 歳以上の人口の割合は増加

で，収穫・剪定作業を支援するために肩の屈曲方向傾向にある．農業就業者は重量物の搬送や長時間同のみを支援対象とし，装着者の屈曲・伸展，外転・一姿勢を保持するといった負荷の大きな環境下で作内転の動作を阻害しない機構を開発した．

業を行う．加齢とともに体力や筋力などの機能が低開発したアシストロボットの概観を Fig.1 に，装下するため，農作業に従事する高齢者が身体に負担置の構造を Fig.2 に示す．装置は主に PLA 樹脂，

や疲労を軽減する支援装置の開発が求められている．

ABS 樹脂，ウレタン樹脂で外骨格を構成し，アクチ

そこで，本研究ではブドウなど上方に生る果樹収ュエータとしてMcKibben型空気圧ゴム人工筋を使

穫作業の支援を想定し，装着者の肩を任意の角度で用する．肩の関節角度検出用のセンサとしてポテン保持するブレーキ機構を持つ簡易型アシストロボッ

シ ョ メ ー タ (COPAL ELECTRONICS 社 製トの研究開発を行った．開発した装置は，空気圧ゴJT22-320-500)を使用する．
重量は約 3 [kg]である．

ム人工筋の張力によりドラムブレーキ機構が制動力

アシストロボットは Fig.2 に示すようにドラムブを発生させることにより装着者の肩の姿勢を任意のレーキ機構(図中①)，三節リンク付き上腕装具 (同角度で保持する．

②)，背中用装具(同③)の 3 つの部品で構成されてい以下では，まず開発した装置の構造，動作原理にる．ドラムブレーキ機構は装着者側面に配置し，ドついて述べる．次に，装着実験において筋電位

ラムブレーキ機構の制動力を装着者に伝達するため(EMG)を用い装着者に対する支援効果を評価する．

に上腕装具を設ける．上腕装具は伸展方向に-50 [°]，
屈曲方向に 180 [°]回転させることができる．また，

2．簡易型アシストロボットの構造

上腕装具に三節リンク機構を設けることで，外転方農作業の収穫作業や剪定作業では，肩関節を屈曲･

向に 15 [°]，内転方向に 10 [°]回転させることができ

伸展方向に曲げ伸ばしを繰り返し，作業中は肩を同る．そのため，肩の姿勢が保持されている場合でもじ角度に維持しなければならない．この肩関節の支

外転・内転方向に動かすことができるため外骨格装- 15 -

【平成26年度研究費助成

研究成果報告書】

着による拘束感を軽減できる．制動力が発生すると機構の制動力となる．ブレーキを駆動する

ドラムブレーキ機構と接続している三節リンク機構

McKibben 型空気圧ゴム人工筋は背中用装具下部と付きの上腕装具は肩の屈曲・伸展方向に対しての動上側ブレーキアームの先端にそれぞれ取り付けてい作が拘束される．

る．

背中の装具とドラムブレーキ機構は蝶番で接続さ人工筋の張力減少時にブレーキアームをドラムかれており，Fig.3 に示すように蝶番を中心にドラムらから引き離すためバネ A を取り付ける．また，人ブレーキ機構と三節リンク上腕装具を水平内転方向

工筋を取り付けていない状態ではブレーキアーム，に 20 [°], 水平外転方向に 90 [°]回転できる．

三節リンク付き上腕装具，背中用装具のそれぞれは独立している．そのため，人工筋を背中用装具とブ3．ドラムブレーキ機構の構造と動作原理

レーキアームの先端に取り付けると人工筋の張力にドラムブレーキ機構の構造を Fig.4 に示す. ドラよりブレーキアーム全体が回転する構造となっていムブレーキ機構は中央のドラムを挟み込む形で上下る．バネ B はブレーキアーム全体を初期位置に復元に 2 本のブレーキアームが備えられている．ブレー

するために取り付けている．

キアーム右端には図中青色で示すギアが装着されてドラムブレーキ機構の動作原理を Fig.5 に示す．

いるため，片方のアームが動くとギアにより他方の三節リンク付き上腕装具のリンク上端とドラムはシ

アームも動作する．2 本のブレーキアームとドラム

ャフトで接続されている．Fig.5(a)のように腕の装にはシリコーンゴムを取り付けている．ブレーキア

具を真下から屈曲方向に任意の角度まで回転させる．

ームが中央のドラムを挟み込むと，ブレーキアーム

このとき，装具とドラムはシャフトでつながっていとドラムのシリコーンゴム間で摩擦が生じ，これがる ためド ラム も装 具と同 じ 方向 に回 転す る．

(a) Side view(b) Rear viewFig.1 Overview of developed device(a) Side view(b) Rear viewFig.2 Structure of developed device- 16 -

【平成26年度研究費助成

研究成果報告書】

Fig.3 Top view of developed device(b) Top view(a) Side viewFig.4 Structure of brake mechanism
Fig.5(b)に示すように，人工筋を加圧・収縮させる

実験では屈曲動作の主動筋である三角筋の筋電位とブレーキアーム全体が回転すると同時にドラムとを測定するために，三角筋前部のあたる両肩の皮膚

ブレーキアームのシリコーンゴムが接触し制動力が表面に電極を張り付ける．腕を自然に下ろした状態

生じる．

を角度 0 [°]として，被験者は肩を屈曲方向に 90[°]付近まで上げる．この状態を実験開始から 30 分維

4．装着実験による支援性能の評価

持した時の EMG を測定する．支援性能は，平滑化したEMG の 0.25[s]間の移動平均に相当する筋電積開発した装置を実際に装着して装着者に対する支援効果の評価を行う．筋活動の評価方法として筋電分(iEMG)の時間変化に基づき評価する．

位の時間的変化の測定が挙げられる．
筋電位
（EMG）

測定した iEMG を Fig.7，8 に示す．Fig.7 は右肩

は筋肉が収縮するときに発生する．そのため，支援の三角筋，Fig.8 は左肩の三角筋の iEMG の計測結時に筋電位が減少すれば本装置による負担軽減が行果であり，それぞれ青線は装置未装着時，赤線は装えていることが確認できる．そこで，本研究では農着時の実験結果である．なお装着時の実験ではポテ作業を想定した姿勢を維持時の肩部筋電位から負担

ンショメータから計測した角度の変化も橙線で示す．

軽減効果を評価する．

- 17 -

【平成26年度研究費助成

研究成果報告書】(a) Without device(a) Un-restriction state(b) Restriction state(b) With device

Fig.6 Principle of operation

Fig.7 iEMG at right shoulder

装着時の iEMG の値は未装着時のそれと比較して全体的に振幅が小さく時間を追うごとに減少傾向にある．特に左右の三角筋とも実験開始から約 500[s]以降はその現象が顕著である．また，装着時の三角筋右側の実験の場合，上腕装具の角度はロックが開始されてから終了するまでの 30 分間同じ値を維持できている．以上より，肩の姿勢維持に大きな支援効果が得られることが確認できた．

(a) Without device

5．おわりに
農作業の収穫，剪定作業を行う作業者の肩の疲労を軽減するために簡易型アシストロボットを開発した．開発した装置を身につけた被験者の肩の筋電位を測定することで装着時の iEMG の値が装置未装着時より減少していることから本装置の支援が有効であることがわかる．今後は，肩の姿勢保持だけではなく屈曲動作の能動的なアシストの実現を目指す．
(b) With device
Fig.8 iEMG at left shoulder- 18 -

【平成26年度研究費助成

研究成果報告書】

ニトロアルケンへの -アミノ酸エステルのマイケル付加反応を鍵工程とする置換ピペラジノンの新規効率的合成法の開発
岡山大学大学院自然科学研究科
工藤 孝幸
ピペラジノン環は、窒素原子を２つ含むヘテロ６員環化合物であり、これまでに様々な合成法が開発されてきた。しかしながら、それらは出発原料の入手が困難であったり、置換基の位置選択的な導入が困難であるな
どの問題があった。筆者は、入手容易なニトロアルケンと -アミノ酸エステルを出発原料に用いた新規効率的
ピペラジノン環の合成法を開発した。この合成法では、 -アミノ酸エステルのニトロアルケンへのマイケル付
加反応を鍵反応とし、わずか３工程でピペラジノン環の合成が可能である。この合成法では、出発原料のニト
ロアルケンと -アミノ酸エステルを種々組み合わせることにより、多様な置換様式を有するピペラジノン環を完全に置換基の位置を制御して自在に合成可能である。

ピペラジノン類は、窒素原子２つを含むヘテロ６アミノ酸エステルを出発原料とする新規ピペラジノ

員環化合物であり、様々な生物活性化合物中に見出ン合成法の開発を行うことを目的として研究を実施される。例えば、天然から単離されたピペラジノン

した。この合成法は、ニトロアルケン 1 への -アミ骨格を含む化合物としては、海綿から単離された抗ノ酸エステル 2 のマイケル付加反応を鍵工程とし、腫瘍活性を示す cis-3,4-dihydrohamacanthin B [1]や生じたマイケル付加体 3 のニトロ基部分を還元する(-)-dibromophakellstatin [2] 、 細 胞 毒 性 を 示 すことでジアミン 4 とし、分子内エステルーアミド交

piperazirum [3]などが挙げられる（Figure 1）。そのた

換反応を行うことでピペラジノン環 5 を得るというめ、これまでに多くのピペラジノン合成法が開発さ計画である。この合成法が成功すれば、入手容易なれてきた[4]。しかしながら、いずれも出発原料の入ニトロアルケンと -アミノ酸エステルを種々組み

手しやすさや置換基を自在に制御してピペラジノン

合わせることで多様な置換様式を有するピペラジノを合成することに問題を抱えていた。

ンを置換基の位置を制御してわずか３工程で合成可能となる。また、光学活性な -アミノ酸エステルをH
N用いることでキラルなピペラジノンの合成も可能と

O

なる。
N
H

Br
N
H

Br
N
H

NO2

+

cis-3,4-dihydrohamacanthin B
R1
H
N

N

N
H

N

O

O

Br

H
N

1

O

N
H

reduction

Br(-)-dibromophakellstatin

H2 N

Figure 1.

O2 N

CO2R

R1 * N
H

R2
2

R2

3

H2 N

CO2 R

R1 * NH

Piperazirum

aza–Michael
addit ion

CO2 R

cyclization

R2

H
N

O

R1 * NH

5: piperazinone

4

Scheme 1.
本研究課題では、入手容易なニトロアルケンと -１．ニトロアルケンへの -アミノ酸エステルのマイ- 19 -

R2

【平成26年度研究費助成

ケル付加反応の検討

研究成果報告書】

次に各種有機溶媒―水の二相系溶媒で反応を検討しニトロアルケンは、ニトロ基の強力な電子吸引性た。その結果、酢酸エチルー水（１：１）の二相系により優秀なマイケル受容体として多くの合成反応

溶媒中で炭酸水素ナトリウムを塩基として反応を行に利用されているが、アミンのマイケル付加の例は

うと室温で効率的に反応が進行し、目的とするマイ

ごく限定的である [4]。これは生成物である -ニト

ケル付加体 3aa が良好な収率で得られることを見出

ロアミンが不安定であり、容易に逆反応が進行するした(Scheme 2)。

ことが原因と考えられる。これまでに塩基性の低い
芳香族アミンを用いる方法[5]やアミン等価体とし２．マイケル付加体からのピペラジノンへの変換のてヒドラジン[6]、アジド[7]、イミン[8]、ヒドロキシ検討

ルアミン[9]、オキサゾリジノン誘導体[10]を用いた

ニトロアルケンへの -アミノ酸エステルのマイ例が報告されている。このことを踏まえて、ニトロ

ケル付加反応の最適条件を見出したので、次にマイアルケンへの -アミノ酸エステルのマイケル付加

ケル付加体のピペラジノンへの変換について検討を

反応を検討することとした。

行った。マイケル付加体 3aa に対してニトロ基のア

ま ず は じ め に モ デ ル 反 応 と し てミノ基への還元に汎用される Pd/C を用いた水素化

trans-4-methoxy- -nitrostyrene 1a と L-Phenylalanine

反応を行ったが、反応の進行が遅く、マイケル付加

methyl ester 塩酸塩 2a を用いて検討を行った。塩基体がニトロアルケンと -アミノ酸エステルへと分として N-methylmorpholine を用いてジクロロメタン、

解する逆反応が起こり、目的のジアミン 4aa は得ら

メタノール、水溶媒中で反応を検討したが、いずれれなかった。そこでより強い還元剤として酸性条件も反応がほとんど進行しなかった。また、溶媒とし下、過剰量の亜鉛粉末を用いて還元を行ったところ、てジクロロエタンを用いて加熱条件下でも反応を検

還元反応が速やかに進行した。過剰量の亜鉛を除去討したが、改善は見られなかった。なお反応の進行した後、トルエン中、９０度で加熱したところ、目度合いは、生成物がシリカゲルカラムクロマトグラ的とするピペラジノン 5aa が４６％の収率で約１：

フィーでの精製に対して不安定であったため、反応１のジアステレオマー比で得られた。さらにより活1

粗生成物を抽出した後、 H-NMR 測定により原料と性の高い亜鉛ナノパウダーを用いたところ[11]、６生成物の積分比から判断した。

６％まで収率を向上させることが出来た(Scheme
3)。

NO2
+
MeO

Cl
H 3N

CO 2MeRPh1a2a(2 equiv)
conditions

PMP = 4-MeOC6 H4

PMP

O2 N
PMP

CO2 MeNH

conditions
rt, 2.5 h

PhHN

CO2 MeN
H

toluene90°C, 4 hPhPMP

3aa (R = NO2 )

N
H

O

Ph

5aa

4aa (R = NH 2)

3aa
conditions

yield (%) aconditions

Ratio of 3aa and 1ain crude product

H 2 (1 atm), 10% Pd-C, AcOEt

0b

N-methylmorpholine (1.0 equiv)in CH2 Cl2 , MeOH or H 2O, rt

3aa:1a = 1:>20

Zn (10 equiv), THF–AcOH (4:1 v/v)

46 (dr 1.2:1)

Zn nanopowder (10 equiv), THF–AcOH (4:1 v/v)

66 (dr 1.2:1)

NaHCO 3 (2.5 equiv)in EtOAc–H2O (1:1 v/v), rt, 24 h

3aa:1a = >20:1
aOverall isolated yield from 1a. b 3aa was decomposed to 1a and 2a.

Scheme 2.

Scheme 3.

均一溶媒系では反応が十分進行しなかったので、

なお、得られたピペラジノンのそれぞれのジアス- 20 -

【平成26年度研究費助成

研究成果報告書】

テレオマーはカラムクロマトグラフィーにより分離に示すように分岐、環状、直鎖状いずれの脂肪族置可能であり、光学活性なピペラジノンが得られた。

換基を有するものであっても収率良くピペラジノン得られたそれぞれのジアステレオマーの立体化学は、が得られた。

1

H-NMR カップリング定数ならびに NOE 測定結果より決定した(Figure 2)。
シス体 5aa では、
Ha と Hb、NO2

Hb とHc の間にNOE が観測され、一方トランス体5aa+
R1

では、Ha と Hc、Hb と Hc の間で NOE が観測された。
Ha がアキシャルであることから以下のように立体化学を決定した。

6

O

PMP 5 N
H

6

6
PMP 5

O

PMP 5 NH

cis 5aa

H Ha ON

H
N

tr ans 5aa

Hb
Hc

PMP 5

N
H

Ha

6

O

NH
NH

Hb

-

Cl+H3 N1

カップリング定数からいずれのジアステレオマーも

H
N

CO2Me

Hc

2

2. Zn nanopowder
THF-AcOH
3. toluene, 90°C

R1

5

R1

R2

Yield (%)

dr1

1a: 4-MeOPh

2a : Bn

5aa: 66

1.2:1

2

1b: Ph2a: Bn5ba: 69

1.2:1

3

1c: 4-ClPh

2a: Bn5ca: 60

1:1

4

1d: iPr

2a : Bn

5da: 52

1.5:1

5

1e: Cy2a: Bn5ea: 82

1.2:1

6

1f: n-Octyl

2a : Bn

5fa: 50

1.5:1

7

1a: 4-MeOPh

2b: Ph5ab: 76

1:2

8

1a: 4-MeOPh

2c : CH2 C6 H4 -4-OH

5ac: 61

2.6:1

9

1a: 4-MeOPh

2d: 1H-indol-3ylmethyl

5ad: 50

1:1

10

1a: 4-MeOPh

2e : iPr

5ae: 44

1:1

11 a

1a: 4-MeOPh

2f: Me5af : 27

1:1

12 a

1a: 4-MeOPh

2g: CH 2CO2 Me

5ag: 30

2:1

13 a

1a: 4-MeOPh

2h: (R)-CH(OH)CH 3 5ah: 37

1.2:1

14 a

1a: 4-MeOPh

2i: CH2 OH

1.2:1

5ai : 13

O

N
H

entry

a

Observed NOE

R2

H
N

1. NaHCO3
EtOAc-H2 O

Reaction was conducted in THF/sat. brine (3:1, v/v).

Figure 2.

Table 1.

以上の検討により、ピペラジノン合成の最適条件

次に -アミノ酸エステルの影響について検討しが得られたので、次に種々のニトロアルケンと -ア

た。その結果、Table 1 entry 7–10 に示すように比較

ミノ酸エステルを用いてこの反応の基質適用限界に的脂溶性の高い -アミノ酸エステルを用いた場合

ついて調査した。

では、良好な収率でピペラジノンが得られた。一方
比較的水溶性の高いアラニンメチルエステルを用い

３．種々のニトロアルケンと -アミノ酸エステルをた場合、酢酸エチルー水 二相系溶媒中ではマイケ

組み合わせたピペラジノン合成

ル付加がほとんど進行しなかった。これは、水溶性

まずはじめに様々なニトロアルケンを用いてニトの高いアラニンメチルエステルが水相に多く溶解し、

ロアルケンの構造のピペラジノン合成への影響を調

有機相に十分な濃度で存在しないことが原因と考え査した。その結果、ニトロアルケンに関しては、Table

られた。そこでアラニンメチルエステルの水相への

1 entry 1–3 に示すように電子吸引性置換基、電子供溶解を抑制するため、THF と飽和食塩水を３：１の与性置換基を持つ芳香族置換基いずれも良好な収率比で混合した溶媒中で反応を行ったところ、比較的でピペラジノンが得られた。次に脂肪族置換基を持良好にマイケル付加が進行した。得られたマイケル

つニトロアルケンについて調査したところ entry 4–6付加体を還元、環化することでピペラジノンが２- 21 -

R2

【平成26年度研究費助成７％の収率で得られた(entry 11)。このマイケル付加

研究成果報告書】

成への応用

反応の条件を適用することで他の水溶性の高い -最後に本研究で開発したピペラジノン合成法をピ

アミノ酸エステルを用いた場合でもピペラジノンを

ペラジノン骨格を含む天然物である

得ることが出来た(entry 12–14)。

6’,6’’-didebromo-cis-3,4-dihydrohamacanthin B の合成へと応用した。出発原料であるニトロアルケン 6、４．二環性ピペラジノンの合成-アミノ酸エステル 7 は、既知合成法により調製し天然物中に多く見出される二環性ピペラジノンのた[12][13]。得られたこの２つの出発原料を THF-飽

合成についても検討した。環状 -アミノ酸エステル

和食塩水３：１混合溶媒中、マイケル付加反応を行であるプロリンメチルエステル 2k を用いると二環うと効率的に反応が進行した。得られたマイケル付性ピペラジノン 5ak が６５％の通算収率で得られた。

加体を酸性条件下、亜鉛ナノパウダーを用いて還元

また、グルタミン酸ジメチルエステル 2l を用いてピし、トルエン中、９０度で加熱したところ、目的とペラジノン合成を検討したところ、分子内エステル

する天然物であるシス体ピペラジノン 10 を３工程

ーアミド交換反応時に側鎖エステル部分がピペラジの通算収率１４％、異性体であるトランスピペラジ

ノン環中のグルタミン酸エステル由来のアミノ基とノン 11 を２３％の収率で得た。このように筆者らのアミドを形成し、二環性ピペラジノン 5al が３０％開発したピペラジノン合成法を活用することで短工の収率で得られた。

程でのピペラジノン骨格を含む天然物の合成を達成することが出来た。

NO2

Cl

1. NaHCO3
THF–sat. aq. NaCl

2k

2. Zn nanopowder
THF–AcOH
3. toluene, 90 °C

H 2N

+
MeO

CO2 Me

1a

H
N

NO2

CO2Et
+

O

NH
6

7
1. THF–sat. aq. NaCl
2. Zn nanopowder, THF–AcOH
3. toluene, 90 °C

H
PMP

H 2N

N
Boc

N

5ak
65% (dr 1.2:1)

H
N

H
N

O

O

+
NO2

Cl
+

CO2 MeH3 N
MeO 2CMeO
1a2l

1. NaHCO 3
THF–sat. aq. NaCl
2. Zn nanopowder
THF–AcOH
3. toluene, 90 °C
H
N
PMP

HN

N
H

NH

HN

10, 14%NH

NH

11, 23%

Scheme 5.

O

結論

H

以上、まとめると筆者は、入手容易なニトロアルN

ケンと -アミノ酸エステルを出発原料とする３工O
5al30% (dr 3.2:1)

程でのピペラジノン合成法を開発した。この反応では光学活性な -アミノ酸エステルを用いることで光学活性なピペラジノンが合成可能であり、出発原

Scheme 4.

料の組み合わせを変えることにより、多様な置換様式を有するピペラジノンを合成可能である。この手法を応用してピペラジノン骨格を含む天然物である
５． 6’,6’’-didebromo-cis-3,4-dihydrohamacanthin B 合

6’,6’’-didebromo-cis-3,4-dihydrohamacanthin B の短工- 22 -

【平成26年度研究費助成

研究成果報告書】

程合成を達成した。現在、本手法を用いて他のピペ

Wang, W. Org. Lett. 2006, 8, 1391–1394. (h) Wang, L.;

ラジノン環を含む天然物の合成や多用な置換基を有Shirakawa, S.; Maruoka, K. Angew. Chem. Int. Ed. 2011,

するピペラジノン化合物からなる化合物ライブラリ50, 5327–5330.

ーの構築に取り組んでいる。

[6] (a) Enders, D.; Wiedemann, J. Synthesis 1996,
1443–1450. (b) Vakulenko, M. I.; Lapshina, L. V.;
Grishchenko, S. I.; Efremova, I. E.; Berestovitskaya, V.

謝辞
以上の研究成果は、平成２６年度公益財団法人ウM. Russian J. General Chemistry, 2010, 80, 2393–2395.

エスコ学術振興財団の学術研究費助成により得られ[7] Nielsen, M.; Zhuang, W.; Jørgensen, K. A.

たものであり、深く感謝いたします。

Tetrahedron 2007, 63, 5849–5854.
[8] Lykke, L.; Monge, D.; Nielsen, M.; Jørgensen, K. A.

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1486–1489. (b) Ranganathan, D.; Ranganathan, S.; Rao,

M-L.; Gall, T. L.; Mioskowski, C.; Tetrahedron:C. B.; Kesavan, K. Synthesis 1980, 884–886. (c)Asymmetry 2001, 12, 1817– 1823. (e) Feroci, M.; Inesi,

Ranganathan, D.; Ranganathan, S.; Bamezai, S.

A.; Palombi, L.; Rossi, L. Tetrahedron: Asymmetry 2001,

Tetrahedron Lett. 1982, 23, 2789–2792. (d) Hassner, A.;

12, 2331–2335. (f) Turconi, J.; Lebeau, L.; Paris, J-M.;

Wiegand, N. J. Org. Chem. 1986, 51, 3652–3656. (e)Mioskowski, C. Tetrahedron 2006, 62, 8109–8114.

Barco, A.; Benetti, S.; Pollini, G. P.; Spalluto, G. Synthesis[11] Arai, T.; Wasai, M.; Yokoyama, N. J. Org. Chem.

1991, 479–480. (f) Morris, M. L.; Sturgess, M. A.

2011, 76, 2909–2912.

Tetrahedron Lett. 1993, 34, 43–46. (g) Vega-Pérez, J. M.;[12] Jiang, B.; Huang, Z. Synthesis 2005, 2198–2204.

Candela, J. I.; Blanco, E.; Iglesias-Guerra, F. Tetrahedron[13] Cassel, S.; Casenave, B.; Déléris, G.; Latxague, L.;

1999, 55, 9641–9650.

Rollin, P. Tetrahedron 1998, 54, 8515–8524.

[5] (a) Kitagawa, I.; Cha, B. C.; Nakae, T.; Okaichi, Y.;
Takinami, Y.; Yoshikawa, M. Chem. Pharm. Bull. 1989,

研究成果報告37, 542–544. (b) Yoshikawa, M.; Nakae, T.; Cha, B. C.;

学会発表

Yokokawa, Y.; Kitagawa, I. Chem. Pharm. Bull. 1989, 37,[1] キラルニトロネートに対するジアステレオ選択

545–547. (c) Brimble, M. A.; Rowan, D. D. J. Chem. Soc.

的なヒドロキシメチル化反応の開発とそれを応用しPerkin Trans. 1, 1990, 311–314. (d) Brimble, M. A.;たマンザシジン合成

Johnston, A. D. Tetrahedron 1994, 50, 4887–4896. (e)三好夏美、工藤孝幸、石川彰彦、坂倉彰

Yoshikawa, M.; Yokokawa, Y.; Inoue, Y.; Yamaguchi, S.;

第 30 回若手化学者のための化学道場 2014.8.29–30

Murakami, N. Tetrahedron 1994, 50, 9961–9974. (f)倉敷Winterfeld, G. A.; Das, J.; Schmidt, R. R. Eur. J. Org.

[2] ニトロアルケンへの α-アミノ酸エステルのマ

Chem. 2000, 3047–3050. (g) Wang, J.; Li, H.; Zu, L.;

イケル付加を鍵反応とする置換ピペラジノンの新規- 23 -

【平成26年度研究費助成

合成法の開発
工藤孝幸、坂倉彰
岡 山 大学 知恵 の見 本市２ ０ １４

口 頭講 演、2014.11.14 岡山大学創立５０周年記念館
岡山大学知恵の見本市２０１４ ポスター発表 ブ
ース４１番、2014.11.14 岡山大学創立５０周年記念館[3] 高選択的キナーゼ阻害剤開発のための in silico
スクリーニング法の開発
工藤孝幸
日本化学会情報化学部会主催 第二回若手の会、2014.11.29 日本化学会化学会館[4] ニトロアルケンへの -アミノ酸エステルのマイケル付加を鍵反応とする置換ピペラジノン合成法の応用
鍵本祥子、工藤孝幸、坂倉彰
第９５回日本化学会春季年会

1J1-042015.3.26

日本大学 船橋キャンパス- 24 -

研究成果報告書】

【平成26年度研究費助成

研究成果報告書】

新規血管新生阻害剤の合成と口腔癌および炎症性疾患領域における阻害効果の検討
岡山大学自然科学研究科
萬代 大樹
既存の血管から新たな血管が出芽して血管網が再構築される過程を血管新生と呼ぶ．これを阻害してやれば「血流遮断による兵糧攻め」によって口腔癌および歯周炎の進行を抑えることができると考えられる．そこで申請者らは真菌が生産する低分子化合物である(+)-terrein に着目した．(+)-terrein は様々な生理活性をもつ化合物として知られており，その合成法もいくつか報告されている．我々の研究グループも当初，文献法に従って(+)-terrein の合成を試みたが，実験の再現性が取れないといった問題があり，種々の検討を行ない文献法の改良をした結果，収率よく(+)-terrein を合成することができた．また合成品の(+)-terrein は口腔癌領域および炎症性疾患領域のモデル系で極めて有効であることを明らかにした．
がんは日本人の死亡原因の第 1 位を占めており，(+)-Terrein は 1935 年に発見されて以来, その詳細な

現在では約 3 人に 1 人ががんで死亡するという状況

生理活性についての報告はされていなかった. しかになっている．世界的にみても，ごく最近の WHO

し, 1983 年にKamata らによって植物の成長阻害作用の報告によれば 2000 年のがん罹患者は一千万人にがあることを報告した(Agric. Biol. Chem. 1983, 47,

及び，今後更に増加することが指摘されていること

2637). そして, 2004 年にメラニン形成阻害効果があから「がんの克服を目指す研究」は、今までにも増ることが Park らによって報告された (Cell. Mol. Lifeして社会的要請の高い推進課題となっている．
一方，

Sci. 2004, 61, 2878). さらに Park らは 2008 年に角化

口腔内の慢性炎症性疾患の一つである歯周病が糖尿細胞増殖の阻害効果を報告し(Exp. Dermatol. 2008.

病や循環器系疾患等の生活習慣病と密接に関係して

17. 312)，2009 年にチロシナーゼ阻害効果を報告しいることが数多く報告されている．
歯周病はう蝕
（む

た(Exp. Dermatol. 2009, 18, 562). 2008 年には Yi らにし歯）とならんで口腔内における二大疾患の一つでよってヒト歯髄細胞における抗炎症作用があることあり，その罹患率（国民全体の 70%以上）の高さをが報告されている(J. Endod. 2008, 34, 433)．また 2008

考えると国民病の一つと言える．高齢化社会を迎え

年に Arakawa らによって癌細胞における Angiogenin

た今，上記の問題を解決する新規分子標的薬の開発の阻害効果を報告している．一方，(+)-terrein を用いが強く望まれている．

て，口腔癌・歯周炎における評価は，これまでの研既存の血管から新たな血管が出芽して血管網が再究対象として取り上げられたことのない分野であっ構築される過程を血管新生と呼ぶ．これを阻害してた．本研究によって，口腔癌および歯周炎に対するやれば「血流遮断による兵糧攻め」によって癌およ阻害効果が確認できれば，この分野に対して波及効

び歯周炎の進行を抑えることができると考えられる．

果が大きいものと考えている．またその成果は新規

そこで申請者らは低分子化合物である terrein に着目

阻害剤の発見や分子標的薬の開発へと繋がることがし，研究に着手した（図１）．

期待できる．このように (+)-terrein は新規血管阻害O剤として大変魅力ある化合物であるが，天然のHO

Aspergillus niger（コウジカビ）から抽出によって，ごく微量（数～数百 mg）しか得られない希少化合HO物であり，その入手は極めて困難である．将来に渡って様々な生理活性試験を行うためには，合成化学

Me的手法により，潤沢にサンプルを供給する体制を整

図１．(+)-Terrein の構造える必要がある．

- 25 -

【平成26年度研究費助成

研究成果報告書】

合成した(+)-terrein の立体構造の確認は、1H およびそのような背景のもと，文献既知の合成法(Angew.
Chem. Int. Ed. Engl. 1990, 29, 67) をもとに酒石酸ジ13エチルから(+)-terrein の合成を試みたが，詳細な実験

し，高分解能質量分析（FAB）によって分子量を測項が無く，シクロペンテノン骨格合成の収率の再現定して(+)-terrein であると判断した．天然抽出物との性およびシリル基の脱保護の段階において，目的生

比較は，比旋光度を比較することによって，天然物

成物がラセミ化し光学純度が低下してしまうというと同一の鏡像異性体であることを確認した．さらに問題があった．そこで各ステップの詳細な検討を行

申請者らの合成法に従って，非天然型 terrein 類縁体った．安価に入手可能な酒石酸ジメチルを出発原料（鏡像異性体，ラセミ体，シリル基置換 terrein）のとして用い，そのジオール部位をシリル保護（TBS =合成にも成功している．このようにして天然型-SiMe2t-Bu）し，化合物 1 を定量的に得た．これに(+)-terrein ならびに非天然型 terrein 誘導体の潤沢な対してリチオ化されたジメチルメチルホスホネート

供給法を確立したので，次にこれらの化合物を用いを作用させて五員環の形成を行ない化合物 2 を収率て生理活性評価を行った．

C の核磁気共鳴（NMR）を用いて炭素骨格を確認65%で得た．また Horner-Wadsworth-Emmons 反応により化合物 2 を 4 に変換し，(+)-terrein の保護体とな【口腔癌に対する抗腫瘍効果に関する評価】る化合物 4 を収率 83%で得た．これに対してテトラ（共同研究者：岡山大学医歯薬学総合研究科 伊原

ブチルアンモニウムフロリド水溶液を作用させるこ木總一郎博士）とでシリル基の脱保護を行ない，天然型(+)-terrein を癌細胞の産生する Angiogenin（ANG）は，血管内収率 86%で得ることに成功した．なおここでの鏡像

皮細胞に作用し血管新生を促進する． 最近，ANG

体過剰率は>98% ee であり，ラセミ化などの副反応は血管内皮細胞に作用するだけでなく，癌細胞の増が進行していないことを確認した．四工程総収率

殖も促進させることが明らかになった．ANG を阻害

46%で(+)-terrein を合成することができた(図２)．

すれば，血管新生と癌細胞増殖を同時に抑制できる可能性がある．アスペルギルス属真菌から抽出された ANG 阻害薬(+)-terrein は，前立腺癌細胞の ANG発現を抑制する．しかし(+)-terrein が口腔癌細胞に与える影響は不明である．そこで本研究では(+)-terrein
が口腔癌の増殖と浸潤および血管新生に与える影響を検討した．
(+)-Terrein がヒト口腔扁平上皮癌細胞の増殖，運動，遊走，浸潤に与える影響
細 胞 株 HSC-2, HSC-3, HSC-4, SAS, OSC-19,
OSC-20 を用いて細胞増殖能を検討した．いずれの細胞においても(+)-terrein 添加群が対照群と比較して増殖能を濃度依存的に抑制していた．
OSC-19 細胞を用いてwound healing assayで運動能を検討した．(+)-Terrein 添加群が対照群と比較して創傷面積は縮小せず，運動能が有意に抑制されていた．
OSC-19 細胞を用いて migration assay で遊走能検討

図２．(+)-Terrein の合成経路

した．メンブレン下層へ遊走した細胞数は，対照群- 26 -

【平成26年度研究費助成

研究成果報告書】

997±134 個，(+)-terrein 20μM 添加群 704±129 個,(+)-Terrein は口腔癌細胞に対して直接的に増殖，(+)-terrein 20μM 添加群 575±118 個であり，運動能浸潤を抑制するだけでなく，血管新生を抑制すること同様に(+)-terrein 添加群が対照群と比較して遊走とで抗腫瘍効果を示し，口腔癌に対して分子標的治能が有意に抑制されていた．

療薬として有用であると考えられた．

OSC-19 細胞においてマトリゲルインベージョン
チャンバーを用いたinvasion assayで浸潤能を検討し【炎症性疾患領域に関する評価】

た．マトリゲルを破壊してメンブレン下層へ浸潤し（共同研究者：岡山大学病院 大森一弘博士）

た細胞数は，対照群 402±113 個，(+)-terrein 20μM

慢性炎症は，生活習慣病，癌，自己免疫疾患，神添加群 320±80 個, (+)-terrein 50μM 添加群 256±80

経疾患等の発症および進展に深く関与することが今個であり増殖能，運動能，遊走能と同様に(+)-terrein

日知られている．慢性炎症の発症には，主に 3 つの添加群が対照群と比較して遊走能が有意に抑制され要因，① 内因性リガンド[酸化 LDL（low densityていた．

lipoprotein），脂肪酸，S100 タンパク質等]，② 炎症のキーファクター[炎症性サイトカイン，プロスタグ(+)-Terrein が背部皮下腫瘍モデルに与える影響に

ランジン，c-Jun N-terminal kinase（JNK），signal

ついてtransduction and activator of transcription（STAT）等]，

OSC-19 細胞を 5 週齢雄のヌードマウスの背部皮③ 実質細胞（免疫担当細胞，癌細胞，神経細胞，線下に移植し，(+)-terrein 投与群と対照群の腫瘍体積を維芽細胞等）が挙げられ，各々の因子が密接に関与

経時的に計測した．両群ともに経時的に腫瘍体積は

している．
また，
慢性炎症発症のプロセスとしては，増加し，移植 8 週間後に腫瘍体積は(+)-terrein 投与群

血管新生，免疫担当細胞の浸潤，組織のリモデリン

331435±583mm , 対照群 6109±3570mm になった．

グ，線維化が挙げられる．

屠殺後摘出した腫瘍の重量は，(+)-terrein 投与群

これまで慢性炎症の制御を試みるために，前述の0.975±0.345g,対照群 2±0.93g であった．(+)-terrein

発症因子や発症プロセスをターゲットとした研究が投与群が対照群と比べて有意に腫瘍体積，腫瘍重量進められてきた．従来，慢性炎症制御のターゲットが小さかった．

は，腫瘍壊死因子（TNF）やインターロイキン（IL）

また移植部における血管新生については血管新生に代表される炎症性サイトカインそのものであった．

時に血管内皮細胞間の相互作用における重要な役割

しかし，近年では，慢性炎症の波及に必須な幼若なを担っているタンパク質 CD31 に対する抗体を用い毛細血管の新生をターゲットにした研究が報告されて免疫組織化学的に検討した．血管密度の高い部位始めている．慢性炎症時に新生される病的な毛細血を 100 倍視野下で 3 視野選び，血管面積を計測し平管は，疾患の進行に深く関わる事が知られている．

均 値 を算 出し 評価 した． 血 管面 積は それ ぞれ

血管新生を誘導する因子として，血管内皮細胞増殖(+)-terrein 投与群 21709±8163mm２, 対照群 35817±

因子（vascular endothelial growth factor：VEGF），血２

12017mm で血管面積に有意差を認め，(+)-terrein 投

小板由来増殖因子（platelet-derived growth factor：

与による血管新生の抑制を認めた．

PDGF），angiogenin 等が挙げられる．

Ki67 は細胞周期関連核タンパク質で、細胞増殖と本研究では，口腔内の慢性炎症性疾患の一つであ

細胞周期のマーカーとして用いられる．この抗体をる歯周炎の病態に VEGF が関与すると仮定し，歯周用いて免疫組織学的染色を行い，100 倍視野下で 3組織を構築する主細胞の一つである歯肉線維芽細胞

視野選び，Ki67 陽性細胞数を計測し平均値を算出し(HGFs)を用いて，各種炎症性サイトカインが VEGF評価した．Ki67 陽性細胞数はそれぞれ(+)-terrein 投の産生性に及ぼす影響を検討した．

与群 111±8 個,対照群 157±18 個で有意差を認め，(+)-terrein 投与による腫瘍増殖能の抑制を認めた．

- 27 -

【平成26年度研究費助成

研究成果報告書】

STAT3，ERK1/2，および JNK1/2 のタンパク質のリ(+)-Terrein が HGFs の細胞障害性に及ぼす影響
HGFs における(+)-terrein が細胞数に及ぼす影響とン酸化を濃度依存的に有意に抑制した（図 5，
p<0.05）．

して，
0.1-50 µM の濃度では影響を与えなかったが，100 µM 以上の濃度で有意に細胞数が減少した（図3A，p<0.05）．一方，細胞増殖活性に及ぼす影響として，0.1-10 µM の濃度では影響を与えなかったが，50 µM 以上の濃度で有意に細胞増殖活性が抑制された（図 3B，p<0.05）．以上の結果をもとに本研究では，(+)-terrein を 0-20 µM の濃度で用いて以後の実験を行った．

図４．(+)-Terrein が HGFs の IL-6/sIL-6R あるいは
IL-1 誘導性 VEGF 産生に与える影響

図５．(+)-Terrein が HGFs における IL-6/sIL-6R 誘導性細胞内シグナル伝達系に与える影響
図３．(+)-Terrein が HGFs の細胞障害性に及ぼす影
響

慢性炎症性疾患の一つである歯周炎の病態に着目して，VEGF の病態への関与ならびに(+)-terrein によ(+)-Terrein が HGFs の IL-6/sIL-6R あるいは IL-1

る産生制御の可能性を検討したところ，HGFs にお

誘導性 VEGF 産生に与える影響

けるIL-6/sIL-6R 存在下でのVEGFの産生亢進を共に

HGFs において(+)-terrein は IL-6/sIL-6R 添加によっ

生理的範囲内で抑制する結果は，(+)-terrein の新たなて亢進した VEGF の産生を無添加時と同程度まで有血管新生阻害因子の一つとして使用できる可能性を意に抑制した（図 4，
p<0.05）．
また，(+)-terrein は IL-1示唆するものである．

添加によって亢進した VEGF の産生も IL-6/sIL-6R

我々は (+)-terrein に着目し，それを潤沢に供給す添加時と同様に無添加時と同程度まで有意に抑制しる方法を確立した．また口腔癌および炎症性疾患領た（図 4，p<0.05）．

域のモデル系において，(+)-terrein は極めて有効であることが明らかになり，新しい分子標的治療薬とし(+)-Terrein が HGFs における IL-6/sIL-6R 誘導性細ての可能性を見出すことができた．本研究助成で得胞内シグナル伝達系に与える影響

ら れ た 成 果 は 学 術 雑 誌 Bioorganic & Medicinal(+)-Terrein は，IL-6/sIL-6R 添加によって亢進した

Chemistry, 2014, 5338.に報告した．

- 28 -

【平成26年度研究費助成

研究成果報告書】

電気的な反応点制御に基づいた集積的カップリング反応による有機半導体分子の探索
岡山大学大学院自然科学研究科
光藤 耕一
ビルディングブロックを連結して分子を構築するときに、ワンポットで特定のファクターのオン／オフによって複数の反応点から任意の反応点を選ぶこと、すなわち反応点のスイッチングができれば、反応の集積化が可能となる。電気の様なオン／オフの容易なファクターをスイッチに用いて反応を制御できれば、同一装置内でオン／オフを繰り返しながら同一の操作を行うだけで、選択的かつ逐次的に結合様式の異なるカップリング
生成物の構築が可能となるので、効率的な分子構築が可能となる。本研究では複数の反応点を有するπユニッ
トを連結する際に、電気のオン・オフのスイッチングをファクターとして逐次的に反応点を切り換えることにより、反応を集積化し、複数のπユニットを任意に連続的に連結した拡張π電子系分子を構築することを目的とし、通電条件下（スイッチオン）でアルキンのホモカップリング反応を、電気を流さない条件下（スイッチオフ）
でのクロスカップリング反応を連続的に行うことで、様々なπ拡張ジイン誘導体の簡便合成を達成した。
また、得られたπ拡張ジインは容易にチオフェン誘導体へと変換可能であり、得られたπ拡張ジインが溶媒によって蛍光波長が変わる蛍光ソルバトクロミズムを示すことも見出したので併せて報告する。
１．目的と意義て切り換える手法を確立し、π拡張ジイン、テトラ

ビルディングブロックを連結して分子を構築する

アレーン等の合成を確立した。得られた両末端にジときに、ワンポットで特定のファクターのオン／オメチルアミノ基を有するビス（ビアリール）ブタジ

フによって複数の反応点から任意の反応点を選ぶこ

エンが全く対称な非極性分子であるにもかかわらずと、すなわち反応点のスイッチングができれば、反蛍光ソルバトクロミズムを示すことを明らかとした。

応の集積化が可能となる。同一装置内でオン／オフ

また、π拡張ジイン誘導体については更なる分子変を繰り返しながら同一の操作を行うだけで選択的か換のおこなうと共にその物性を精査した。以下にそつ逐次的に結合を生成して、結合様式の異なるカッの成果を示す。

プリング生成物の構築が可能となるからである。特に電気の様なオン／オフの容易なファクターをスイ

２．研究結果ッチに用いて反応を制御できれば、効率的な分子構

２－１．電気化学的な時間的集積化によるπ拡張ジ

築が可能となる。

イン誘導体の合成

本研究では複数の反応点を有するπユニットを連まず、電気的スイッチングに基づいたπ拡張ジイ

結する際に、電気のオン・オフのスイッチングをフン誘導体の合成をおこなった。触媒量の酢酸パラジ

ァクターとして逐次的に反応点を切り換えることに

ウム、ヨウ化銅、p-ベンゾキノン (pbq)、トリエチル

より、反応を集積化し（時間的集積化）、複数のπユアミン存在下、p-ブロモフェニルアセチレン (1) をニットを任意に連続的に連結した拡張π電子系分子

電気化学的にホモカップリングさせ、系中でビス(p-を構築することを目的とした。実際に、複数の反応

ブロモフェニル)ブタジイン (2) を発生させた(スイ点を有する基質の反応点を電気のオン・オフによっッチ ON)。その後、通電を止め、溶液に配位子、塩

非通電
通電

通電
スイッチのオン／オフを繰り返すことで逐次的に分子を構築していく- 29 -

【平成26年度研究費助成

研究成果報告書】

基、及びにアリールボロン酸を加え、加熱すること能な本法は、簡便に多様な π 拡張チオフェンを合成

で二段階目の反応を行い対応する π 拡張ジイン (3)する手法として極めて有効であると思われる。

を得た(表 1)。本連続反応の基質一般性の結果を次頁に示す。電子供与性置換基であるアルキル基やアルNa2S•9H2O(5 equiv)

コキシ基、ジメチルアミノ基といった置換基を有す

3c

DMF, 150 °C, 24 hるアリールボロン酸を用いると、いずれの場合も速S

やかに反応が進行し、対応する π 拡張ジイン誘導体

469%

3a–e を良好な収率で与えた。また電子求引性の置換
基 を 導入 した 場合 も問題 な く反 応は 進行 した= 4.73 (1.0 × 10-6 M in CH2Cl2)=
FL 0.46 (solid)-6
FL = 0.45 (1.0 × 10 M in CH 2Cl2)

abs = 357 nm, log(3f–h)。また、ナフチル基やスチリル基といったよ

em = 479 nm
em = 432 nm

り嵩高い置換基も導入可能であり高収率で目的カッ式 2. π 拡張ジインのチオフェン誘導体への変換

プリング体 3i, 3j が得られた。

p-ブロモフェニルアセチレンに替えて 3-ブロモ-2-エチニルベンゾチオフェンを用いることで、ベン

２－３．蛍光ソルバトクロミズムの発現

ゾチオフェンを導入したジイン誘導体の合成にも成一連のジイン誘導体を合成する過程において、分功した (式 1)。

子両末端にジメチルアミノ基を有するπ拡張ジイン
が蛍光ソルバトクロミズムを示すことを見いだした
S

Br

Pd(OAc) 2/CuI
pbq/Et3 N
S

Brelectr o-oxidat ion
ON(図 1)。
Br

一般的に蛍光ソルバトクロミズムを示す分子としては、ドナーアクセプター型分子のような大きな双S

極子モーメントを有するものが知られており、本ジ
Arylbornic acidP(t-Bu)3 •HBF4
base

S
Ar

OFF

イン誘導体のように双極子モーメントを有さない分
Ar

子が蛍光ソルバトクロミズムを示すのは極めて珍しい。本特性を解明するため、アルキル鎖長を伸長しS
29–73%
6 examples

たビス(ジアリール)ブタジイン 3k、3l を同様の電気式 1. 電気的な反応点制御を利用した含ベンゾチオ

化学的な反応点制御を基軸とした分子変換により高フェン π 拡張ジインの合成

収率で合成した。また窒素上にアリール基を導入し更に π 拡張したビス(ジアリール)ブタジイン 3m、3nも同様の手法で合成した(式 3)。

２－２．π拡張ジインの分子変換
得られたπ拡張ジインはいずれも容易にチオフェン誘導体へと誘導可能であった。例えば π 拡張ジイン 3c に硫黄化ナトリウムを作用させたところ、速やかにチオフェン誘導体 4 へと変換された (式 2)。4
は固体および液体状態で強い蛍光発光を示した。その他のチオフェン誘導体についても光学特性を評価したところ、両端に導入するアリール基によってその光特性が大きく変化することもわかった。これらの分子は別法でも合成可能であると思われるが、今図 1. ジメチルアミノ基を有する π 拡張ジイン誘導

回初めて合成した分子が大半であった。用いるアリ体 3e の蛍光ソルバトクロミズム

ールボロン酸を変えるだけで多様な誘導体が合成可- 30 -

【平成26年度研究費助成

研究成果報告書】

表 1. 電気的スイッチングに基づいたπ拡張ジイン誘導体合成 a
Ar

Br
Pd(OAc)2 /CuI
pbq/Et3N

ArB(OH)2

electro-oxidation
ON

Br
1

OFF
Ar

2

Br

3a
95%

3

3b
79%

3c
86%

O

N

3d
65%

F

3e
76%

O

N

3f
68% b
F

O

N

3g

3h

65%b

47%
N

O

3i
72%b

3j
70%

a

Reaction conditions ON: 1 (0.5 mmol), Pd(OAc)2 (5 mol %), CuI (20 mol %), pbq (15 mol %), Et3N (2.0 equiv), KClO4 (0.1 M),
CH3CN/H2O (7/1), 30 °C, 10 mA, 2 F mol–1 (2 h 40 min). OFF: additionally added were arylboronic acid (0.75 mmol),P(t-Bu)3•HBF4 (10 mol %), Cs2CO3 (3.0 mmol), DME (5 mL), and were refluxed for 24 h. Isolated yield. b NaClO4 was usedinstead of KClO4.

- 31 -

【平成26年度研究費助成

Pd(OAc)2 (5 mol %)CuI (20 mol %)pbq (15 mol %)Et3 N (2.0 equiv)
KClO4 (0.1 M)
Br

研究成果報告書】

Br
3k
3l
3m
3n

CH 3CN/H 2 O (7/1, 10 m L)
divided cell, (Pt)–(Pt)Br
30 °C,10 mA, 2 F/mol2
in one-sequence
w ithout isolat ion
Ar

Ar B(OH) 2 (0.75 mmol)P(t-Bu)3 •HBF4 (0.05 mmol)
Cs 2CO3 (3.0 mmol)

図 2. 3k–n の紫外・可視吸光スペクトル及び蛍光ス
ペクトル

DME (5 mL) + CH3 CN/H 2O (7/1, 5 mL)
ref lux, 24 h
Ar

Bu
Ar =

3

表 2. 3k–m の光学特性データ a
entry

Oct
N

N

Bu

3

3l
71%

N

N
3m
75%

log ε0

(nm)

Oct
3k
81%

λabs

3n
65%

式 3. 電気化学的な反応点制御によるアミノ基を有aするビス(ジアリール)ブタジインの合成

λem

ΦFL

(nm)

1

3k

389

4.87

473

0.81

2

3l

390

5.06

479

0.82

3

3m

382

4.96

475

0.99

4

3n

345

5.02

428

0.71

1.0 × 10–6 M in CH2Cl2.
蛍光ソルバトクロミズムをしめした 3k–m のうち得られたアミノ基を有するビス(ジアリール)ブタ

もっとも蛍光量子収率のよかった 3m について、さジインのジクロロメタン溶液 (1.0 × 10–6 M) を調製

まざまな溶媒中での光学特性を評価した(図 3, 表 3)。

し紫外可視吸光(UV-vis)スペクトル、蛍光(FL)スペク

溶媒によって吸収波長はほとんど変化しなかったの

トル、蛍光量子収率(ΦFL)の測定を行った (図 2, 表に対し、溶媒の極性が上がるにつれて蛍光波長は長2)。3k–m の最大吸収波長 λabs は 385 nm 付近で、極波長側に変化する蛍光ソルバトクロミズム特有の現大蛍光波長 λem は 475 nm 付近で観測された。
一方 3n

象が観測された。ヘキサン中では紫色だった蛍光色

は λabs が 345 nm、λem が 428 nm と 3k–m に比べて短はアセトニトリル中では緑色を示した。

波長側で観測された。このとき 3k–m では蛍光ソル
バトクロミズムを発現した。一方 3n では蛍光ソル
バトクロミズムを発現せず 3k–m とは異なる物性を示した。窒素原子上にフェニル基を有するビスジ(アリール)ブタジイン 3m とアルキル基を有するビス(ジアリール)ブタジイン 3k、3l の λem が近い値を示すことから、窒素原子上の二つのフェニル基とジイン骨格との π 共役は弱いと推測される。また 3n の

図 3. 様々な溶媒中での 3m の紫外・可視吸光スペク

み最大吸収波長、極大蛍光波長共に 3k–m よりも短トル及び蛍光スペクトル波長側に見られることは、3n は 3k–m に比べて π 共役が広がっていないことを示唆している。

- 32 -

【平成26年度研究費助成

表 3. 様々な溶媒中での 3m の光学特性 a
entry

a

solvent

λabs

log

λem

color

(nm)

ε0

(nm)

of FL

研究成果報告書】

3n のサイクリックボルタモグラムは 3n の末端の官能基であるカルバゾールのそれと類似であり、こΦFLの酸化波がカルバゾール由来であることを示しており、先程の紫外・可視吸光スペクトル及び蛍光スペ

1hexane

374

4.97

415

violet0.97

2

toluene

382

5.12

433

blue

0.88

ほとんど共役していないことを示唆している。そこ

3

Et2O

377

5.17

438

blue

0.99

で、3e と 3n の安定構造と HOMO–LUMO を DFT 計

4

CH2Cl2

382

4.96

475

greenblue

0.99

5acetone

379

5.08

496

bluegreen

0.88

6

CH3CN 379

4.72

507

green

0.94

クトルと共に、両端のカルバゾールとジイン骨格が算により算出したところ、3e は窒素上の非共有電子対も共役系に含まれて分子全体が共役した構造をとるのに対し、3n は立体反発により、カルバゾールが主骨格に対して直交した構造をとる構造が安定である事が示された (図 5)。

1.0 × 10–6 M.
なぜ、類似の構造を有しているのにもかかわらず、

蛍光ソルバトクロミズムを示す化合物と示さない化合物があるのか調べるため、
まず 3k–n の電気化学的な性質をサイクリックボルタンメトリー (CV) により測定した (図 4)。3k–n にて一組の可逆な酸化・還元波が観測されるの対し、3n についてはよりポジ
ティブな電位に酸化波が観測され、また、二つの還元波が観測された。

3k

図 5. DFT 計算により求めた 3e, 3n の HOMO–LUMO
軌道
同様の傾向は X 線結晶構造解析により求めた 3k,

3l

3l, 3n においても観測された (図 6)。結晶構造中でも3k, 3l が分子全体で共役した構造をとるのに対し、3n ではカルバゾールが主骨格に対してねじれた構

3m

造をとっていた。すなわち、蛍光ソルバトクロミズ
ムを示すためには、分子両端の窒素分子の非共有電子対が主骨格と共役していることが重要である事が示唆された。

3n

図 4. 3k–n のサイクリックボルタモグラム (CV)- 33 -

【平成26年度研究費助成

研究成果報告書】

Koichi Mitsudo, Natsuyo Kamimoto, Nariaki Nakamura,
Akina Tsutsumi, Seiji Suga(3) 第 25 回基礎有機化学討論会 東北大学川内キャンパス 2014.9.7-9「連続的カップリング反応による両端にアミノ基を有するビス（ジアリール）ブタジインの合成とその蛍光ソルバトクロミズム特性」
光藤耕一・中村成明・神本奈津代・菅誠治(4) ECS (アメリカ電気化学会) 225th Annual Meeting(2014.05.11-15) Orlando, USA“Site-Selective Sequential Coupling Reactions Controlled
By “Electrochemical Reaction Site Switching”: A

図 6. (a) 3k, (b) 3l, (c) 3n の結晶構造

Straightforward

Approachto

1,4-Bis(diaryl)Buta-1,3-Diynes”

３．結言

Natsuyo Kamimoto, Nariaki Nakamura, Koichi Mitsudo,

今回我々は、電気化学的な反応点制御による連続反応により、種々のπ拡張ジインを合成する方法を

Seiji Suga開発した。得られたジインはそれぞれチオフェン誘(5) ECS (アメリカ電気化学会) 225th Annual Meeting

導体へと変換可能であり、また中には優れた蛍光特(2014.05.11-15) Orlando, USA

性を示す分子も見られた。

“Synthesis of 1,4-Bis(diaryl)-1,3-Butadiynes Bearing
Two Amino Moieties by Electrochemical Reaction Site

様々なπ拡張ジインを合成する中で、分子全体で非極性であるのにもかかわらず蛍光ソルバトクロミ

Switching and Their Solvatochromic Fluorescence”

ズムを示す、珍しい分子群を見出すことができた。

Koichi Mitsudo, Natsuyo Kamimoto, Nariaki Nakamura,Seij Suga

蛍光ソルバトクロミズムを示す分子群を精査することで、両端の窒素原子上の非共有電子対が分子全体と共役することが重要であることがわかった。今後は得られたπ拡張ジインとその誘導体のより精密な物性評価を行なうとともに、機能性材料への応用へと展開していきたい。
学会発表(1) The 9th International Symposium on Integrated
Synthesis (ISIS-9), Awaji, Japan, 2014.11.14-11.15“Synthesisofπ-Extended

Dehydrobenzoannulenes

Bearing Thiophenes and Their Physical Properties”
Natsuyo Kamimoto, Koichi Mitsudo, Seiji Suga
(2) The 9th International Symposium on Integrated
Synthesis (ISIS-9), Awaji, Japan, 2014.11.14-11.15“Integrated Synthesis of Bis(diaryl)butadiynes Bearing
Two Amino Moieties by Sequential Coupling Reactions
and Their Solvatochromic Fluorescence”- 34 -

【平成26年度研究費助成

研究成果報告書】

江戸期の巨石樋門・倉水門の撤去に関わる記録保存および文献調査【経過報告】
岡山大学大学院環境生命科学研究科
樋 口 輝 久倉敷市亀山と帯高の間を流れる 2 級河川・六間川に位置する倉水門は，潮除け水門として 18 世紀初頭に築造されたもので，全幅 10m（2 連），花崗岩の石梁を大胆に使用した典型的な岡山式の石造樋門で，かつ岡山県内に現存する最古の巨石樋門でもあり，非常に貴重な存在である．その倉水門が，河川改修事業によって撤去されるため，今後の解体・復元のための記録保存ならびに関係する古文書の収集・分析を本研究の目的としていたが，当初，平成 27 年 2～3 月に予定されていた撤去作業が，工事の遅れによって平成 27 年度（平成 28 年 1～3 月頃）に延期された．したがって，撤去作業中の締切水換え工を行った後に実施する予定であった水門本体（上部構造）の記録保存（3D レーザースキャナ計測）も実施できず，平成 27 年度に持ち越すこととなった．

１．研究の目的

実測調査は，倉水門が撤去作業される際に，締切倉水門の撤去に対して，地元住民は岡山県に保存

水換え工を行った後に，水門上部構造について，固の要望書を提出したにもかかわらず，河川拡幅のた定レーザースキャナによる3D計測を行う予定であめ現位置での保存は不可能で，移設についても予算ったが，工事の遅れにより，平成27年2～3月に予定的に不可能との結果であった．その後，倉敷市とのされていた撤去作業が，平成27年度（平成28年1～3

協議によって，撤去される石材を付近の公園で再利月頃）に延期された．

用する方向でまとまり，石材には手を加えず，そのなお，実測にあたっては，将来の復元に備え，城まま保存しておくことによって，将来，倉水門を復郭石垣の解体復元の手順と同様に石材に番号を付し元する道筋が残された．しかしながら，倉水門は文て記録する．そして，解体撤去の際には，石組みの化財に指定されておらず，岡山県および倉敷市の教方法，石材への印刻を確認し，下部構造（基礎部分）

育委員会は記録保存の予算すら確保できないため，についても，その構造，（江戸時代の基礎構造）を確

地元から保存の相談を受けた代表研究者が，将来の認し実測を行うものである．

倉水門復元のため，記録保存をしようとするもので一方，文献調査は，倉水門の築造経緯，年代，関ある．今，実測調査をして記録を残しておかなけれ

係人物を明らかにするため，文書や絵図の検索を行ば，二度と復元できなくなるばかりか，300年以上にうものである．藩営干拓が行われ，その文書が一括わたって干拓地の生命線として機能し，親しまれてして岡山大学に所蔵されている備前岡山藩の池田家

きた倉水門の存在そのものが忘れ去られてしまう．

とは異なり，倉水門は備中庭瀬藩の帯江戸川家と早また歴史的構造物にとって，撤去は最悪の結果であ

島戸川家の領土にまたがり，その開発主体も庄屋，るが，江戸期の石造樋門が稀少となった今日，その農民，商人と多岐にわたるため調査の対象は広範に撤去作業によって当時の築造技術，とりわけ基礎構

なる．
なお，当初，水門本体（上部構造）の 3D レーザ

造が明らかとなる貴重な機会であり，本研究の果たスキャンに 20 万円，基礎部分（下部構造）に 20 万す学術的役割は高い．

円，文献調査等に 10 万円の計 50 万円で申請していたが，助成額が 20 万円であったため，水門の復元に

２．研究の内容と進捗状況
本研究では，記録保存のための実測調査と，関係最低限必要な本体部分の記録保存に全額を充てる予する古文書等の文献調査を実施する予定であった．

定で，岡山県立記録資料館，倉敷市総務課歴史資料
1- 35 -

【平成26年度研究費助成

研究成果報告書】

整備室等において関連する資料の存在を確認したが，までに文献調査を実施する．具体的には岡山県立記

複写や詳細な分析は実施していなかった．

録資料館，倉敷市総務課歴史資料整備室等に保存されている古文書のデジタル化および解読作業から取３．文献調査の概要

りかかる．
一方，
倉水門本体の記録保存については，
平成 28 年の 1 月以降に水門本体（上部構造）の 3D

予算の関係で詳細な分析は実施していないが，所在が確認できた文献の概要を示しておく．

レーザースキャナによる計測，水門本体の解体撤去
後には，土中の基礎部分を段階的に掘削し，構造を(1) 西山家文書

確認しながら 3D レーザースキャナによる計測を実施する予定である．

高沼村の村役を務めた西山家の文書で，岡山県立
記録資料館に所蔵されている．
新田開発に関わる「高

助成が得られなかった場合は，繰り越した予算に沼村新田開発以来謂古書」が収められており，正徳

よって，水門本体（上部構造）の 3D 計測のみ実施

3（1713）年，高沼村に検地が入った際に庄屋の亀山する．

喜七郎によって記された文書と思われる．
（2）永山家文書
児島郡黒石村の名主などを勤めた永山家の文書で，
倉敷市総務課歴史資料整備室に所蔵されている．
「覚」に倉水門という記述が見られ，奉行の野口弥市右衛門が，宝永 3（1706）年に倉水門の設置を命ぜられたことが記されている．
(3) 帯江・早島領新田絵図
寛政 9（1797）年に，帯江及び早島領の新田に関撤去を待つ倉水門して記された絵図で，「蔵水門」という記述が見られる．
(4) 古谷家文書
都宇郡中庄村の村長などを勤めた古谷家の文書で，
倉敷市総務課歴史資料整備室に所蔵されている．明治 20（1887）年頃の倉水門の樋守の給料に関する文書である「倉水門・十六水門属具費受払簿」が収められている．
４．今後の予定
平成 26 年度は，予算的に実測調査のみしか予定していなかったが，平成 27 年度も助成が得られれば，当初の予定通り，水門本体（上部構造）の 3D 計測に加え，基礎構造の実測調査及び詳細な文献調査も実施できる．その場合，倉水門の 3D レーザースキ
ャナによる計測が可能となる時期（平成28年1月頃）
2- 36 -

【平成26年度研究費助成

研究成果報告書】

河川堤防内の細粒分含有率による不飽和土地盤特性に関する研究
岡山大学大学院 環境生命科学研究科
金 秉洙

一般的に河川堤防は，大きな礫から細粒分まで含む土で構成されているので，豪雨時の浸透・侵食により地盤強度の低下に最も関連する細粒分合有率に注目する必要がある．現在まで河川堤防の安全性照査のため，地盤
工学的特性として細粒分合有率の条件を変化させながら地盤強度及び変形特性を定量的に評価されてきた．しかし，ほとんどの研究が原試料と異なるシルト分や粘土分を混合して実験に用いられ，河川堤防の地盤材料の元の地盤工学的性質を評価するには，限界があると判断される．よって，本研究では，河川堤防の地盤材料であるまさ土のみで細粒分含有率(Fc)，10%，25%，40%を調整することで，細粒分合有率による不飽和土力学的特性を定量的に評価する．本研究の結果として，一定含水比圧縮試験により，細粒分含有率が増加，初期飽和度(Sri)が減少するほど，一軸圧縮強度(qu)が増加することが確認できた．また，細粒分含有率(Fc)により水分特性曲線が異なり，同じ飽和度でも細粒分含有率が25%以上になると，土のせん断強度の増分にサクションの影
響が大きくなり，河川堤防の安全性を高めるということが分かった．これらの結果により，河川堤防の地盤材料において細粒分合有率の重要性が明らかになったと考えられる．
ら細粒分を取り，試験条件に合わせて細粒分合有率を調節する．これにより，自然河川堤防において細１．はじめに粒分合有率による不飽和土力学的特性を定量的評価
近年，豪雨時の雨水の浸透・浸食により河川堤防が可能になり，河川堤防での一軸圧縮強度に及ぼす崩壊などの不飽和地盤災害が頻繁に発生し，社会的細粒分含有率の影響について評価できると考えられ問題となっている．この河川堤防は，一般的に大きる．

な礫から細粒分まで含む土によって構成されている．

本研究では，まず試料となる高梁川堤防から採取

降雨時には，雨水の浸透・浸食よって細粒分が初めしたまさ土について物性試験を行い，土の物性を把に流出してしまう．そこで地盤強度低下に最も関連

握する．その後，各試験条件において一定含水比圧する細粒分含有率に注目した．しかし，現在まで河

縮試験および保水性試験を行い，細粒分合有率によ

川堤防の安全性照査のため，地盤工学的特性としてる土の一軸圧縮強度の増減について調べ，土のせん

細粒分合有率の条件を変化させながら地盤強度及び断強度と関連するサクションと細粒分合有率の関係

変形特性を定量的に評価してきたものの，ほとんどを明らかにする．最後に，SSM (Suction stress – SWRCの研究が原試料と異なるシルト分や粘土分を混合しMethod：Kim et al. 2010)を適用により，不飽和土せて実験に用いられてきた．これにより，河川堤防のん断強度の力学特性を調べることを目標とする．

地盤材料の元の地盤工学的性質を評価するには，限界があると判断される．また，実験条件として飽和

２．理論的背景状態での結論に止まっているので，不飽和状態で存在する自然河川堤防の力学的特性を定量的に評価し２.１ 不飽和土せん断強度に対するサクションの影響たとは言えない．よって，本研究では，岡山県高梁

水のメニスカスが生じて，土にサクションが作用川の堤防から採取する地盤材料を用い，この試料かすると，土粒子間に吸い込む力が生じる．この粒子- 37 -

【平成26年度研究費助成

研究成果報告書】

間力は，土粒子間の滑りに対する抵抗を増加させ，

Meniscus water

その結果，不飽和土のせん断強度を増加させる．一
般的に，不飽和土せん断強度式は，Bishop and Blight(1963)の提案式を始め，飽和土せん断強度の理論を

Bulk water
Soilparticle

拡張して提案されてきた．
τc σtanc(1)
図-1

メニスカス水とバルク水 (Karube & Kato,

1994)

ここで，c：飽和粘着力，σ：鉛直全応力，φ：内部摩擦角，Δc：見かけの粘着力である．

項のサクションによるせん断強度増分成分に対して，
Fredlund et al. (1978)は，次のような不飽和土に対す次式を提案した．

るせん断強度式を提案した．
c*

τf

csat

(σ u a )tan net(u au w )tan b

(2)

S S
r r 0 s tan
net
100 S
r0

(3)

ここで，c*:サクションによるせん断強度増分であ
ここで，τ f : 破壊面上のせん断応力，c sat : 飽和状態

り，
式(1)の右辺 3 項に対応する，Sr : 現在の飽和度，での粘着力，σ : 鉛直全応力， net : 純鉛直応力に対する内部摩擦角，b

Sr0 :残留状態の飽和度， s ：サクションである．

: サクションの増加によるせん

断強度の増加に対する変数である．

この式は，不飽和土の状態での粘着力の増加がサクションの増加のみならず，飽和度の変化とも関係

u w )tan b は，サクショがあるということを意味する．以上のことから，不ンによるせん断強度増分を表している．また，サク

飽和土のせん断強度特性を予測するためには，水分ションが土の空気侵入値(AEV)より低い時， b の値

特性曲線を知ることが重要であることがわかる．

式(2)の右辺第 3 項の (u aはnet と等しい． また，サクションが空気侵入値

よりさらに大きくなれば， b の値はnet よりもっ２.２ 土中水の分布の影響およびサクション応力と小さくなる(Fredlund et al. 1987)．上式は，サクシ
ョンが増加しても，内部摩擦角
csat と (u anet は一定値を保ち，

u w )tan b の和で示される全体の粘着力

平衡状態における土中の水分量とサクションの関
係は，水分特性曲線として知られている．乾燥過程と湿潤過程での水分特性曲線の差は，ヒステリシス

はサクションと共に増加することを意味する．しかと呼ばれている．よって，同じサクションでも，乾し，このような傾向は，高い拘束圧力状態での三軸燥過程と湿潤過程では，異なる土中水の状態が存在試験の結果に基づいて得られたもので，式(2)が低圧する．土中水の状態が異なれば，その結果として間力状態に対しても適用できるかについては，検証が隙水の分布状態が変わる．図-1 は，Karube & Kato

必要である．

(1994)によって提案された “バルク水”と“メニスカ

最近の研究結果では，不飽和土のせん断強度の変ス水”の概念図を示している．バルク水は土粒子の間化が水分特性曲線と連関性を持つと報告されている隙を占めている間隙水で，メニスカス水は土粒子の(Vanapalli et al. 1996)．Bishop (1959)は，飽和度の関数

接点に存在する間隙水である．バルク水は飽和度がを用いて不飽和土の有効応力式を提案し，軽部ら高いほど間隙水中に占める割合が高くなり，反対に(1996)および Vanapalli et al. (1996)は，式(2)の右辺 3

飽和度の低下とともにメニスかス水の割合が増加す- 38 -

【平成26年度研究費助成

研究成果報告書】

0.4

Volumetric water content,w

v =10kPa
Fitting by using
Fredlund & Xing equation

q (kPa)1000

500
Saturated specimen
s=245 kPa
s=294 kPa, pnet constants=294 kPa, 3 constant
0

0

500

1000

0.3

θw=0.2070.2

Δθθw=0.1880.1

Δss=26.32kPa

0.0
0.1

pnet+ps(kPa)

a=5.5, n=1.46,
m=0.581

s=50kPa

10

100

1000

10000

Matric suction (kPa)

図-2 最大圧縮点でのせん断応力と等価拘束応力の関係 (Karube ら, 1996)

図-3 SSM による水分特性曲線を用いたサクションの推定方法 (Kim et al. 2010).

る．この二つの間隙水の形態によって，サクション
が力学挙動に与える影響は異なるものと考えられる．

の有効応力式のメニスカス水により生じるサクションは内部粒子考えられる．

により次式のように表されると間力を増加させて，それによって土骨格の剛性を増ps加させる．一方，バルク水により生じるサクションs(5)は土骨格の剛性を増加させて，同時に負の間隙水圧と同じ作用によって土骨格を圧縮して体積を減少さ

軽部ら(1996)および加藤ら(2001)の結果は，サクシせる．このような影響は負の間隙水圧の影響と同じ

ョン応力としてサクションの影響を拘束応力に加えものである．

る重要性を示している．他の研究者たちは不飽和土

軽部ら(1996)は，メニスカス水の影響で生じる応に対する結果を解析するため，同じようにサクショ

力成分をメニスカス応力( p m )，バルク水の影響で生ンの影響を加えた等価拘束応力を示している．

じる応力成分をバルク応力( p b )で名付けた．また，

Vanapalli et al. (1996)は，不飽和土のせん断強度の増

二つの応力成分の和が次式のようにサクション応力加を推定するためにせん断強度式を提案した．
また，( p s )を構成するとした．また, 彼らはサクション応

試験結果に対する粘着力の考察から式(5)と同じ式

力として，次式を提案した．

を提案した．Khalili & Khabbaz (1998)は，骨格応力を使って，ユニークな破壊線が不飽和土の試験結果に

ps

Sr Sr0s
1 Sr0

対して得られたと報告した．彼らの結果で，骨格応(4)

力は基底応力，飽和度とサクションの積で与えられる等価応力との和として定義され，その等価応力は

軽部ら(1996)は，締固めたカオリン試料に対するサクション応力と対応する．Kohgo et al. (1993)は，三軸試験の結果を解析した．その結果，せん断過程

不飽和土に対する有効応力として，基底応力と，サ

中 の 試料 の最 大体 積圧縮 状 態で 同じ 拘束 圧力

クションの関数で与えられる等価応力との和として( p net定義される応力要素を定義した．

p s )に対して，せん断応力が一定の関係を示すことが分かった(図-2)．加藤ら(2001)は，締固めたシルト試料に対してサクションと体積変化を測定し2.3 Suction stress-SWRC Method (SSM)についてながら一軸圧縮試験を行った．その結果から，拘束

Kim et al. (2010)は，不飽和土の一面せん断試験結応力に対する一軸圧縮強度の関係がユニークになる果を整理して，SSM による供試体せん断面付近に作ことを示した．このようなサクション応力は Bishop

用するサクションの推定方法を提案した．一面せん- 39 -

【平成26年度研究費助成

研究成果報告書】

断試験では上下せん断箱の間の隙間から排水するた表-1 物性試験結果

め，供試体の水分量を制御することが難しい．この

項目

物理値

ため，不飽和土の試験でよく行われているセラミッ

土粒子の密度（ρs）

2.58 (g/cm3)

クディスクを用いた加圧板法により実験条件として液性限界(wL)

N.P

サクションを制御しても，隙間からの排水の影響を塑性限界(wP)

24.60 (%)

受けるためせん断面付近のサクションの大きさが実

最大乾燥密度(ρdmax)

1.88 (g/cm3)

験条件で設定されているサクションの大きさと同じ2.0

で あ る 保 証 は な い ． SSM(Suction stress-SWCC
3)d (g/cm

dry density,に破壊時の供試体の飽和度から，その上載圧のもとで得られる水分特性曲線を用い，水分特性曲線上の

e
rv
cu

線に基づいて決定する．すなわち，図-3 に示すよう

1.9

s
oid
rv
ai

びサクション応力を供試体の水分量から水分特性曲

roze

Method)では，破壊面上に作用するサクションの値及1.8= 1.88 g/cm 3
dmax
wopt= 13.1%

1.7

供試体水分量に対応した点でのサクションの大きさ
を破壊面上に作用しているサクションの大きさとす6るものである．

8

10

12

14

Water content,

Kim et al. (2010)の研究により，垂直基底応力にサ

16

18

20

(%)

図-4 まさ土の締固め曲線

クション応力を加えて破壊時の応力状態を τf ～(σｖnet + ps)関係を整理すると，飽和状態の破壊線付近に実験を行った．試験項目としては，土粒子密度(ρs)

プロットが分布したと報告している．この結果は，を求める土粒子密度試験，液性限界(wL)，塑性限界

SSM に基づき得られたサクション応力により，飽(wP)を求める液性・塑性試験，最大乾燥密度(ρdmax)，

和・不飽和状態に対してユニークな破壊線が得られ最適含水比(wopt)，締固め曲線を求める締固め試験，ることを示している．さらに，河井ら(2002)の非排粒径加積曲線を求める粒度試験について試験を行っ

水状態の不飽和三軸圧縮試験の試験結果を再整理した．

て，体積最大圧縮時の応力状態だけでなく，破壊時

表-1 は，高梁川堤防から採取したまさ土の物理特のピーク強度についても，ユニークな破壊線が得ら性試験の各々の試験結果を表したものである．まされることを報告している．これらの結果から，SSM

土の土粒子密度は一般的に ρs=2.6~2.8 g/cm3 といわによる整理方法は，一面せん断試験のみならず，三れているが，ρs=2.58 g/cm3 と少し小さい値となった．

軸圧縮試験にも適用可能であると考えられる．
なお，

液性限界については JIS A 1205 の試験方法に則り，SSM は供試体の平均的な水分量から，水分特性曲線試験を行ったが含水比を求めることができず，

を通じてせん断面に作用するサクションの大きさを

wp=N.P となった．最大乾燥密度(ρdmax)，1.88 g/cm3

推定していると考えられる．今後，さらなる検討がと高く，最適含水比(wopt)，13.11％と低い値となり，必要ではあるが，水分量のみから破壊時のサクショ

砂質土の特徴的な締め固め曲線となった(図-4)．また，

ンの推定が可能であれば，その実務的な有用性は高粒度試験結果により，本研究で用いるまさ土の場合，いものと考えられる．

2mm 以下が 97.2％を占め，細粒分含有率(Fc)，18.42%である粒度分布が分かる(表-2，図-5)．細粒分含有率(Fc)10%，25%，40%の粒度分布については，まさ土

3．試料および物理特性の粒度分布曲線に基づいて求められている．
本研究での試料は，岡山県高梁川堤防から採取したまさ土であり，その物理特性を把握のために室内- 40 -

【平成26年度研究費助成

研究成果報告書】

表-2 まさ土の粒度特性
項目

Data logger

Air pressure

通過率

礫 分（75～2mm）

2.80（%）

砂 分（2～0.075mm)

78.78（%）

細粒分（0.075mm 以下）

18.42（%）

細粒分含有率(Fc)18.42（%）

平均粒径(D50)

0.38（mm）

Dial gauge
ch0….
ch3….

Air pressure

ch1….
ch4….

ch2.
ch5..

Computer

Load cell

Double burette

Ceramic disk
(AEV 500kPa)

specimen

Differential pressuretransducer

Passing percentage (%)

100

80

図-6 保水性試験装置の概念図60が設置され，排水経路と接続されている．
40

供試体は，一定含水比圧縮試験に用いる試料と同
Fc=18.42%
Fc=10%
Fc=25%
Fc=40%

20

じまさ土を用いて静的締固め法によって作製した．
供試体サイズは，直径 60 mm であり，試験時間を短

0
0.01

0.1

1

10

縮するために供試体高さを 10 mm とした．細粒分合

100

有率による各供試体の初期条件は，乾燥密度(1.692

Particle size, d (mm)g/cm3，ρdmax の 90%)，初期飽和度，約 80%である．

図-5 細粒分合有率によるまさ土の粒度分布曲線

試験手順としては，まず供試体を飽和させ，試験を行った．本研究での保水性試験では，所定の鉛直

４．保水性試験

応力を与えず，セル圧を段階的に増加させて排水過程を行った．供試体に与えるセル圧としての空気圧

保水性試験は，セル内の供試体に空気圧（正圧）を負荷し，供試体から排水される水分量を記録する

は，段階的に 2

5

10

20

50

100

200

試験である．本研究では，加圧法を採用し，サクシ

400kPa まで加えられた．各空気圧での排水量が一定

ョンと飽和度の関係である水分特性曲線(Soil-waterに収束すると，次の段階に移った．

content(retention) curve: SWCC or SWRC)を求め，細粒

細粒分含有率(Fc) 10%，25%，40%において保水性分含有率(Fc) 10%，25%，40%による水分特性曲線の試験を行った．サクション(s) と飽和度 (Sr)の関係を

変化を把握することが目的である．

示す水分特性曲線を図-7 にまとめている．水分特性

本研究での保水性試験には，三軸セルタイブに試

曲線は，含水量による吸水力の変化を現わす曲線と験機を用いた．図-6 は，それぞれ保水性試験装置のして不飽和地盤の固有特性を現わしており，地盤の全景およびシステムを示している．この装置には鉛強度と挙動特性を決める非常に重要な基本物性であ

直荷重を測定するための荷重計，鉛直変位計，排水る．これらの水分特性曲線をフィッティングするた

量測定のための差圧計，空気圧を測定するための圧めに，以下の Fredlund and Xing (1994)の提案式を用

力ゲージが取り付けられている．すべてのデータはいた．

自動測定システムによって測定され，コンピュータθ C(ψ)

ーに保存される．供試体はセル内部に設置され，空気圧を与えたセル圧が試料上部のポーラスメタルをθsln[e (ψ / a ) n ]m(6)

通じて間隙空気圧として作用する．供試体の下にはここに，θ ：体積含水率，ψ ：全サクション(kPa)，

円形のセラミックディスク(Air-entry value = 500 kPa)

- 41 -

【平成26年度研究費助成

Dial Gauge

90
80

Air release valve

70
Air release valve

60

Double burette

Load cell

50
40
30

10

F&X model
Fc=10%
Fc=25%
Fc=40%

0
0.1

1

20

10

Filled fully
with water
Latex membrane

100

1000

Specimen

Degree of Saturation, Sr (% )100

研究成果報告書】

10000

Ceramic disk
(A.E.V.: 5 bar)
Pore water pressuretransducer (± 200kPa)

Scution, s (kPa)図-7 まさ土の細粒分合有率による水分特性曲線

Air release valve
Differential pressuretransducer (10kPa)

表-3 フィッティングパラメーター
Fc (%)
10
25
40

Fitting parameters
a
3.20
6.00
14.20

n
1.72
1.19
0.98

図-8 一定含水比試験装置の概念図

m
0.64
0.70
0.73

(Fc)が高いほど，同じ飽和度の条件でサクションの値が大きくなることが分かる．

θs ：飽和体積含水率，e：ネイピア数(2.71828)，

５．一定含水比圧縮試験

C(ψ ) ：修正関数である.
一定含水比圧縮試験とは，供試体を飽和させずに，C(ψ)

ln(1 ψ/ψr )1ln(1 106 /ψ r )含水比を一定に保った状態で周りから有効拘束圧力(7)をかけず，鉛直荷重のみを載荷し圧縮を行う試験のことである．そしてその際に，センサーによって一

ここに，
Ψ：r 残留体積含水率に対応するサクション，

軸圧縮強度を測定し，圧縮によって排水した吸排水

a：フィッティング変数(空気侵入値と密接な関係を

量を二重管ビュレットで測定し，そこから体積ひず持つ)，
n：フィッティング変数(水分特性曲線の勾配)，みを計測し，一軸圧縮強度と体積ひずみの関係を求

m：フィッティング変数(残留含水率と密接な関係をめる．大まかな実験の流れとしては，ふるい分け，持つ)である．

試料準備，供試体の作製，供試体の設置，そしてせん断の順に実験を行う．

本研究に用いた試料では，浸透サクション
5.1 試験装置(Osmotic suction)の影響がほとんどないと考え，式(6)でのトータルサクション( ψ )は，空気圧によるサク

図-8 は，一定含水比圧縮試験の実験装置を示してション(Matric suction)と等しいと仮定した．表-3 は，いる．この実験装置は，ベロフラムタイプの三軸セ

まさ土試料の試験結果に対して式(6)を適用して得ルであるペデスタルには，ポーラスストーンの代わられたフィッティング変数を示している．
図-7 では，りにセラミックディスク（AEV=490kPa）を装着し細粒分合有率による水分特性曲線をそれぞれ示してている．実験中はセラミックディスクに通じた水管

いる．図により，飽和度が減少と共にサクションの路端部に取り付けたセルに通じる排水経路の先にビ値が増加していること分かる．つまり，供試体からュレットを接続して，ビュレット内の水位の変動を排水量が発生するほど，飽和度が減少し，サクショ

差圧計により読み取り，セルからの吸排水量を測定

ンの増加と繋がる．また，細粒分合有率

した．吸排水量を測定することによって，体積ひず- 42 -

【平成26年度研究費助成

研究成果報告書】

表-4 各供試体の初期状態
Fc (%)
1025
写真-1 水洗い40

ρdi (g/cm3)

Sri (%)

Srf (%)

psf (kPa)

1.699
1.696
1.706
1.704
1.699
1.695
1.692
1.670
1.707
1.701
1.692
1.679

49.73
60.85
68.14
78.57
50.18
61.21
71.83
78.05
48.60
65.10
72.09
82.35

47.52
53.35
63.30
73.06
48.14
52.43
66.47
75.71
46.89
63.60
69.00
76.56

9.50
7.36
5.13
3.87
27.20
21.08
10.83
7.12
96.59
34.22
25.25
16.69

Note: ρdi：初期乾燥密度, Sri：初期飽和度，Srf：破壊時の飽和度, psf：破壊時のサクション応力
ンブレーンを被せゴムリングを用いて固定させた．
その後，セルを組み立て供試体がすべて水に浸かるようにセル水を入れた．より正確な実験を行うために，セル水注入後，セル内の空気を完全に排除した．
荷重計，二重管ビュレットをセットし，鉛直荷重，

写真-2 試料混合

排水量を測定する準備を行った．せん断過程では，みを計測した．セル上部には，軸変位計が取り付け

有効拘束圧力を掛けず，不飽和かつ含水比一定の状られており，せん断中の供試体の軸変位量を測定し態で，排水条件で 0.1%/min のせん断速度でせん断をた．荷重計はセル内部に装着されているため，せん行った．その際，鉛直荷重，鉛直変位，排水量を測

断時のピストン貫入に伴う摩擦力を考慮する必要の定した．

ない構造になっている．
5.3 試験結果
5.2 試験方法

細粒分含有率(Fc) 10%，25%，40%においてそれぞれ本研究で用いる細粒分含有率(Fc) 10%，25%，40%

初期飽和度(Sri) 50%，60%，70%，80%に対する 12の一定含水比試験の供試体の製作のため，2mm ふる

パターンの一定含水比試験を行った．図-9 は，軸ひいの下に 0.075mm ふるいを重ね，試料をふるい分け

ずみ(εa)と一軸圧縮強度(qu)の関係の結果を示していした．また，0.075mm ふるいのものを水洗いし，乾る．細粒分含有率(Fc)に関わらず，初期飽和度(Sri)燥させ，2～0.075mm と 0.075mm 以下の 2 種類の試が小さくなるほど一軸圧縮強度(qu)が大きくなるこ

料を用意した．この 2 種類の試料を目標の細粒分含とが確認された．また，特に初期飽和度(Sri) 50%，有率(Fc)に混合し，目標の飽和度(Sr)になるように水60%では, 細粒分含有率が大きくなるほど急激に一を加え，十分に混ぜ合わせる．規定の質量を測った

軸増加し，早い段階で一軸圧縮強度がピーク値にな

試料を 3 等分し，5cm × 10cm モールドに詰め，静的ることが観察された．

三層締め固めを行い，その後ジャッキを用いて，直細粒分含有率(Fc) 10%，25%，40%においてそれぞ

径 5 cm，高さ 10 cm 供試体を取り出した(写真-1 とれ初期飽和度(Sri) 50%~80%に対する軸ひずみ(εa)と2)．各供試体の初期状態は，表-4 にまとめている．

体積ひずみ(εv)の関係を図-10 に示している．どのパ作製した供試体をポーラスメタルの上に載せ，メ

ターンにおいても軸ひずみが大きくなる程，体積- 43 -

【平成26年度研究費助成

研究成果報告書】-10
Fc= 10%

Fc=10%

70
60(%)

Sri = 49.7%v

Sri = 59.1%

50

Volumetric strain,

Compressive strength, qu (kPa)

80

40
30
Sri = 78.4%

20
10
0

Sri = 69.0%

0

1

2

3

4

5

Axial strain,

a

6

7

Sri= 59.1%-6-4
Sri= 69.0%-2

Sri= 78.4%

0
2

8

0

1

v (%)

50

Volumetric strain,

Compressive strength, qu (kPa)

Fc= 25%

Sri = 61.2%

40
30
Sri = 81.7%

20

Sri = 69.8%

6

(%)

7

8

Sri = 61.2%-8
Sri = 50.2%

-6
-4
-2

Sri = 69.8%

0
Sri = 81.7%

0

1

2

3

4

5

Axial strain,

6

7

2

8

(%)
a

0

1

(b) Fc= 25%(%)

Sri = 65.1%

Volumetric strain,

v

100
80
60
40

Sri = 82.4%

20

Sri = 72.1%

1

5

6

a

(%)

7

8

Fc= 40%Sri = 48.6%

0

4

-10

120

0

3

(b) Fc= 25%

Fc= 40%140

2

Axial strain,

160

Compressive strength, qu (kPa)

5
a

-10

60

0

4

(a) Fc= 10%

Sri = 50.2%

103

Axial strain,(a) Fc= 10%
Fc= 25%

2

(%)

80
70

Sri= 49.7%

-8

2

3

4

Axial strain,

5

6

a

(%)

7

8

-8

Sri= 65.1%-6

Sri= 48.6%-4-2
Sri= 72.1%
Sri= 82.4%

0
2

0

1

2

3

4

Axial strain,(c) Fc= 40%

5

6

a

(%)

7

8

(c) Fc= 40%

図-9 細粒分含有率(Fc) 10, 25, 40%においての応力

図-10 細粒分含有率(Fc) 10, 25, 40%においての体ひずみ曲線

積ひずみ曲線ひずみが大きくなり，膨張していることが確認され図により，細粒分合有率 Fc=25%と 40%でのダイレ

た．細粒分合有率 Fc=10%では，体積ひずみが-6% 以

イタンシーの値が Fc=10%の結果より細粒分合有率

下の範囲で膨張している(図-10 (a))．また，Sri=81.7%の影響により大きいことが分かる．

以外の結果は，ほぼ類似であることも観察できる．

図-11 は，飽和度による細粒分含有率と最大一軸圧

細粒分合有率 Fc=25%と 45%では，体積ひずみが-8%

縮強度の関係を示している．図により，飽和土と細以下の範囲で膨張し，初期飽和度，すなわちサクシ
ョンにより異なることが観察できる(図-10 (b)，(c))．

- 44 -

粒分合有率(Fc=40%まで)が高いほど最大一軸圧縮強度が大きくなることが分かる．図-12 は，初期飽和研究成果報告書】

160

200
Initial degree of saturation, Sri :

140

180

about 50%

160

120

140

100

about 60%

q (kPa)Compressive strength, qu max (kPa)【平成26年度研究費助成

80
about 70%

60

about 80%

40
20
0

0

10

20

30

40

50

120
100
80
60

Fc=10%

40

Fc=25%

20

Fc=40%

0

60

0

20

40

60

80

100 120 140 160

pnet, pnet + ps (kPa)

Fine grain content, Fc (%)

図-13 SSM によるサクション応力の適用結果

図-11 飽和度による細粒分含有率と最大一軸圧縮
強度の関係

Compressive strength, qu max (kPa)て河川堤防が飽和状態になるまでには時間がかかる．
160
140

よって，河川堤防は，河川水位が下がるまで飽和度70% と 80%の高い範囲（領域 B）で破壊対して十分

Fc=40%

120

な強度を持つのが望ましい．図により，初期飽和度

100

Sri= 70% と 80%の範囲で Fc= 40%の結果は，Fc=10%80A

Fc=25%

60と 25%の結果のより約 1.5 倍大きいことが分かる．

B

この結果により，河川堤防の盛土材料が細粒分合有

Fc=10%

40

率 Fc=25%以上なら，サクションの効果が拡大にな

20

り，堤防の安全性を高めるということ言える．

0
30

40

50

60

70

80

90

100

Initial degree of saturation, Sri (%)

5.4 SSMによるサクション応力の適用

図-12 細粒分合有率による初期飽和度と最大一軸

細粒分合有率による一定含水比試験の結果のサク

圧縮強度の関係

ション値は，破壊時のせん断強度に対するサクショ
ンの効果を評価するために破壊時の飽和度に基づい度(Sri)と最大一軸圧縮強度(qu max)の関係を示していて求められた．SSM による Fc=10%, 25%, 40%の飽和

る．前述したように細粒分合有率に関わらず，初期度 80%のサクションの値は，4.0 kPa, 7.1 kPa と 16.7

飽和度(Sri)が小さくなる程，最大一軸圧縮強度(qu max)

kPa である．Fc= 25%と 40%の間のせん断強度の差がが大きくなることが確認された．しかし，最大一軸

サクション値の差により生じたことが分かる．

圧縮強度の増分は，Fc=10%，25%，40%で大きく異図-13 は，SSM からのサクションと式(4)により求なり，細粒分含有率(Fc)が大きくなるほど，増分も大められたサクション応力の適用結果を(pnet & pnet+ps,

きくなることが確認できる．細粒分合有率 Fc=10%q)の関係で示している．この結果により，不飽和土の場合，初期飽和度により最大一軸圧縮強度の増加

せん断強度は，サクションの効果により生じた拘束が僅かである．また，細粒分合有率 Fc=25%と 40%

圧，すなわちサクション応力ほど大きくなる関係にの間の領域 A は，最大一軸圧縮強度の差を示していなることが分かる．よって，破壊時の飽和土と不飽る．これは，Fc=25%以上の場合，最大一軸圧縮強度

和土のせん断強度の関係は，等価拘束応力(equivalentがサクションの影響が拡大されることを意味すると

confining stress)としてサクション応力を適用するこ判断される．

とで説明できると理解できる．

一方，豪雨時，河川水位の上昇による浸透によっ- 45 -

【平成26年度研究費助成

研究成果報告書】

6. 結論

参考文献

本論文では，高梁川堤防のまさ土を対象として細粒1) 加藤正司，吉村優治，河井克之，寸田 亘：不飽

分合有率(Fc)がせん断強度に及ぼす影響について調和土の一軸圧縮試験時の強度特性に及ぼすサク

べた．そのため，まさ土について物性試験を行い，ションの影響，土木学会論文集，No.687/Ⅲ-56,

まさ土のみで調整した細粒分含有率 10%，25%，40%

pp.201-218, 2001.

についての保水性試験，初期飽和度(Sri) 50%～80%2) 軽部大蔵，加藤正司，浜田耕一，本田道識：不に対して一定含水比圧縮試験を行った．よって，細飽和土の間隙水の状態と土塊の力学的挙動の関

粒分合有率がせん断強度に及ぼす影響の検討は，不係について，土木学会論文集，No.535，pp.83-92，

飽和土力学理論に基づいて行い，得られた結論を以

1996.
3) 河井克之, 軽部大蔵, 嘉戸善胤, 加藤正司 : 不

下に示す．

飽和土の非排水三軸圧縮試験における変形強度(1) 一定含水比試験結果での軸ひずみ(εa)と一軸圧特性および水分特性, 土木学会論文集,
No.715/Ⅲ-60, pp.287-296, 2002.

縮強度(qu)の関係の結果により，細粒分含有率(Fc)に関わらず，初期飽和度(Sri)が小さくなるほ

4) Bishop, A.W.:The principle of effective stress,

ど一軸圧縮強度(qu)が大きくなることが確認さ

Teknisk Ukeblad, Vol.39，pp. 859-863, 1959.

れた．また，特に初期飽和度(Sri)50%，60%では5) Bishop, A.W. and Blight, G.E.:Some aspects of

細粒分含有率が大きくなるほど急激に一軸圧

effective stress in saturated and partly saturated soils,

縮強度が増加し，早い段階で一軸圧縮強度がピ

Geotechnique, Vol.13, No.3, pp. 177-197, 1963.
6) Fredlund, D.G., Morgenstern, N.R. and Widger,

ーク値になることが観察された．
(2) 一定含水比試験結果での軸ひずみ(εa)と体積ひ

R.A.: The shear strength of unsaturated soils.

ずみ(εv)の関係の結果により，ダイレイタンシ

Canadian Geotechincal Journal, Vol.15, No.3,

ーに対するサクションの効果は，細粒分合有率

pp.313-321, 1978.
7) Fredlund D.G., Rahardjo, H. and Gan J.K.M.:の影響より大きいことが分かった．
(3) 細粒分合有率 Fc=25%と 40%の間の領域 A は，

Non-linearity of strength envelope for unsaturated

最大一軸圧縮強度の差を示した．これは，soils. Proceedings, 6th International Conference on

Fc=25%以上の場合，最大一軸圧縮強度がサクシ

Expansive Soils, New Delhi, India, December 1-4,

ョンの影響が拡大されることを意味すると判

pp. 49-54, 1987.

断される．この結果により，河川堤防の盛土材

8) Karube, D. and Kato, S.: An ideal unsaturated soil

料が細粒分合有率 Fc=25%以上なら，サクショ

and the Bishop’s soil. Proceeding of 13th

ンの効果が拡大になり，堤防の安全性を高める

International Conference. Soil Mechanics andということが分かった．

Foundation Engineering, New Delhi, Vol.1, pp.43-46,(4) SSM によるサクション応力の適用結果により，(pnet & pnet+ps, q)の関係で不飽和土せん断強度は，

1994.
9) Khalili, N. and Khabbaz, M. H.: A unique
for the determination of the shear

サクションの効果により生じた拘束圧，すなわ

relationship for

ちサクション応力ほど大きくなる関係になる

strength of unsaturated soils. Geotechnique 48, No. 5,

ことが分かる．よって，破壊時の飽和土と不飽

681-687, 1998.
10) Kim, B.S., Shibuya, S., Park, S.W., and Kato, S.

和土のせん断強度の関係は，等価拘束応力(equivalent confining stress)としてサクション応Application

力を適用することで説明できるということがunsaturated shear strength of soils using direct shear

分かった．

testing under low confining pressure. Canadian- 46 -

of suction

stress for estimating

【平成26年度研究費助成

Geotechnical Journal. Vol. 47, No. 9, pp. 955-970,
2010..
11) Kohgo, Y., Nakano, M., and Miyazaki, T.:
Theoretical aspects of constitutive modeling forunsaturated soils, Soils and Foundations, Vol.33,
No.4, pp. 49-63, 1993．
12) Vanapalli,S.K., Fredlund, D.G., Pufahl, M.D. &Clifton, A.W.: Model for prediction of shear strengthwith respect to soil suction. Canadian Geotechnical
Journal, Vol.33, No.3 pp. 379-392, 1996.

- 47 -

研究成果報告書】

【平成26年度研究費助成

研究成果報告書】

国内希少野生動植物種スイゲンゼニタナゴの繁殖生態解明と保全技術の開発
岡山大学大学院 環境生命科学研究科
中田 和義
河川改修や圃場整備等の影響を受けて激減しているスイゲンゼニタナゴは，環境省第 4 次レッドリストにおける絶滅危惧 IA 類，種の保存法における国内希少野生動植物種に指定されている。本種の地域個体群を効率的に保全していく上では，その生態をふまえた保全技術の開発が不可欠となる。
タナゴ類は，二枚貝類の鰓内に産卵するという特有の繁殖生態をもつ。平成 25 年度からの継続課題である本研究では，スイゲンゼニタナゴの保全技術として，生きた二枚貝類を収容した人工産卵床の開発に必要となる基礎的知見を得ることを目的とし，農業水路に人工産卵床を設置する野外実験を実施した。
その結果，平成 25・26 年度ともにスイゲンゼニタナゴによる人工産卵床の利用は確認されなかったが，平成
26 年度の研究では，平成 25 年度に人工産卵床の利用が確認された環境省準絶滅危惧のヤリタナゴと要注意外
来生物のタイリクバラタナゴに加えて，環境省準絶滅危惧のアブラボテが人工産卵床を産卵場所として利用することが新たに確認された。したがって，本研究で考案した人工産卵床は，他の絶滅危惧タナゴ類の保全技術としても有効であることが示された。今後の研究では，平成 25・26 年度の研究で得られた知見に基づき，スイ
ゲンゼニタナゴが利用する人工産卵床の条件を明らかにする必要がある。

１．はじめにらかにできれば，スイゲンゼニタナゴの産卵母貝と平野部の河川中・下流域や農業水路に生息するスなる二枚貝類の効率的な保全が可能になるとともに，

イゲンゼニタナゴ Rhodeus atremius suigensis は，圃場本種にとっての好適な産卵母貝を用いた人工産卵床整備や河川改修等の影響を受けて，生息地数が激減の開発も可能となり，本種の個体群保全にも大きくしている。本種は，種の保存法で国内希少野生動植貢献すると考えられる。しかしながら，スイゲンゼ

物種に指定されているほか，環境省第 4 次レッドリ

ニタナゴが選好する産卵母貝の特性については，学ストの絶滅危惧 IA 類，岡山県の絶滅危惧 I 類にも選術的知見が十分には得られていない。

定されている。現在の本種の分布域は，岡山県の一以上の背景をふまえて，
平成 25 年度より公益財団

部と広島県東部の芦田川水系に限られているが（赤

法人ウエスコ学術振興財団の研究費助成を受けて着

井ら，2009），芦田川水系の個体群は危機的な状況に手した本研究では，スイゲンゼニタナゴの産卵母貝あり，岡山県の個体群の保全は本種の存続にとっての特性として二枚貝類の種とサイズに着目し，スイ極めて重要である。しかしながら，スイゲンゼニタ

ゲンゼニタナゴの産卵母貝選好性を野外実験と室内

ナゴの保全対策を実施する上で必要となる学術的知

実験によって明らかにすることを目指している。こ見は，十分には得られていないのが実状である。

の研究で得られる知見に基づき，スイゲンゼニタナ

スイゲンゼニタナゴを含むタナゴ類は，二枚貝類

ゴの人工産卵床を開発する。この人工産卵床を圃場の鰓内に産卵するという特有の繁殖生態をもつ（川整備等によって個体群が衰退した水域に設置し，保那辺・水野，2001）。したがって，スイゲンゼニタナ

全効果を検証する。そして最終的には，人工産卵床

ゴの個体群を保全する上では，同時に産卵母貝となを用いたスイゲンゼニタナゴの保全技術を確立する

る二枚貝類を保全することが必要不可欠となる。こことを本研究の目標としている。
平成 26 年度の研究では，平成 25 年度の研究手法の場合，産卵母貝として有効な二枚貝類の特性を明- 48 -

【平成26年度研究費助成

研究成果報告書】

を基にし，農業水路に人工産卵床を設置する野外実同列となるように左岸側・中央・右岸側の水路底に験を実施した。そして，タナゴ類による人工産卵床。人工産卵床の設置期間
静かに設置した（図 2，3）の利用状況に基づき，野外における人工産卵床の有は約 3 週間とした。人工産卵床の設置期間中には，効性について検討した。また同時に，スイゲンゼニ

実験地点のタナゴ類の行動について，目視および水

タナゴによる産卵母貝選好性を解明するための室内中ビデオカメラ（ソニー，HDR-GWP88）を用いた実験も実施した。さらには，農業水路におけるスイ撮影により定期的に観察をおこなった。

ゲンゼニタナゴの繁殖生態に関する知見を得るため，

人工産卵床の設置期間終了後は，二枚貝類を回収

毎月 1 2 回の頻度で，生息場所利用様式解明のためして実験室に持ち帰り，人工産卵床に用いたものとの現地調査を実施した。本稿では，農業水路で実施

同じ砂礫を敷いた水槽（23 cm×15 cm×17 cm）で，した野外実験の結果について報告する。

個体別に二枚貝類を飼育した。なお，H25 年度の研究では，各人工産卵床の二枚貝類を産卵床ごとにま２．研究の方法

とめて同じ水槽に入れて飼育したが，H26 年度の研２．１．野外実験を実施した農業水路

究では，タナゴ類による二枚貝類の利用状況につい本研究の野外実験は，H25 年度の研究と同じく，て，二枚貝類の個体レベルで把握することを目的とし，個体別に飼育するように変更した。

スイゲンゼニタナゴが生息している岡山県倉敷市内の農業水路で実施した。なお，この農業水路の位置の詳細は，スイゲンゼニタナゴの生息地の保護のために記載を省略する。
本農業水路の水系においては，
岡山大学環境理工学部環境管理工学科水生動物学研究室の調査により，スイゲンゼニタナゴを含む複数種のタナゴ類が生息していることが確認されている（宮武ら，2013）。
２．２．人工産卵床設置実験
上述の農業水路に 1 ヵ所の実験地点を設け，人工産卵床の設置実験を実施した。この実験地点は，H25
年度の研究における 4 ヵ所の実験地点のいずれとも異なる場所に設定した。
実験に用いた人工産卵床は，

図１ 産卵母貝としてイシガイを収容した人工産卵床．

H25 年度の研究で使用したものと同じ市販の長方形型トレー（50 cm×36 cm×8 cm）とし，砂礫を 2 3
cm 程度敷いた。この人工産卵床に，同一の二枚貝種
を一定個体数収容した（図 1）。
実験に用いた二枚貝種は，タナゴ類の産卵母貝として知られるイシガイ Unio douglasiae，マツカサガ
イ Inversidens japanensis，トンガリササノハガイ
Lanceolaria grayana の 3 種とした。これらの二枚貝類は，実験を実施した農業水路と同水系の農業水路
でタナゴ類の産卵期が始まる前に採集し，実験終了
後には採集場所に戻した。
実験地点には，
H25 年度の研究の実験方法に従い，同一種の二枚貝類で構成された 3 個の人工産卵床を

図２ 実験地点における人工産卵床設置作業の状況．

- 49 -

【平成26年度研究費助成

研究成果報告書】

図４ 実験期間別の浮出仔魚の個体数．
図３ 実験地点に設置した人工産卵床．

そして約 1 ヵ月間，各水槽内の二枚貝類からの仔魚の浮出状況を毎日観察した。この観察期間の終了後も仔魚の飼育を継続し，種の判別が可能となるサイズにまで成長した個体について，種同定をおこなった。
平成25 年度の研究の実験では3 期に分けて実験を実施したが，本研究ではさらに細かく実験期間を設定し，計 7 期に分けて実験を実施した。実験は 2014

図５ 本研究の野外実験において人工産卵床の二枚

年 3 月 10 日から 8 月 11 日にかけて実施した。

貝類から浮出したアブラボテ．

３．結果
３．１．人工産卵床の利用状況：浮出仔魚の個体数

３．３．タナゴ類 3 種の産卵母貝種選好性

本実験に用いた人工産卵床の二枚貝類からは、全

本研究の実験では，イシガイとマツカサガイから実験期間を通して，合計 679 個体のタナゴ類の仔魚はタナゴ類の仔魚が浮出したが，トンガリササノハが浮出した。仔魚の浮出は，第 2 期 第 7 期においガイからの仔魚の浮出は認められなかった。すなわて認められた。実験期間別の浮出仔魚個体数の内訳

ち，
平成 26 年度の実験で人工産卵床の利用が認めらは，第 1 期：0 個体，第 2 期：17 個体，第 3 期：87

れたヤリタナゴ・アブラボテ・タイリクバラタナゴ

個体，第 4 期：178 個体，第 5 期：172 個体，第 6の 3 種は，トンガリササノハガイを産卵母貝として期：76 個体，第 7 期：149 個体であった（図 4）。

利用しなかった。

３．２．浮出仔魚の種同定

タナゴ類 3 種の産卵母貝種選好性については，タ種の判別が可能となるサイズにまで成長した稚魚

イリクバラタナゴではイシガイとマツカサガイからについて，種同定をおこなった。その結果，平成 25

仔魚の浮出が確認されたが，全実験期間を通した浮

年度の研究で人工産卵床の二枚貝類から浮出した環

出仔魚個体数の合計では，イシガイから 380 個体，

境省準絶滅危惧のヤリタナゴ Tanakia lanceolata と要

マツカサガイから 38 個体であり，イシガイからの浮

注 意 外 来 生 物 の タ イ リ ク バ ラ タ ナ ゴ Rhodeus

出個体数が有意に多かった（一試料 χ2 検定，
P<0.001）。

ocellatus ocellatus に加えて，環境省準絶滅危惧に指一方，ヤリタナゴとアブラボテについては，マツカ

定されているアブラボテ Tanakia limbata が確認されサガイからのみ仔魚の浮出が確認された。

た（図 5）。

- 50 -

【平成26年度研究費助成

３．４．二枚貝類の個体レベルでのタナゴ類による研究成果報告書】

引用文献

産卵母貝利用赤井 裕・秋山信彦・上野輝彌・葛島一美・鈴木信

本研究では，同一個体の二枚貝類から複数種のタ洋・増田 修・薮本美孝（2009）タナゴ大全．エ

ナゴ類の仔魚が浮出する例が確認された。
すなわち，本研究において人工産卵床を産卵場として利用した

ムピージェー，横浜，191 pp.
川那辺浩哉・水野信彦編（2001）日本の淡水魚．山と渓谷社，東京，719 pp.

タナゴ類は，先に別種の他個体のタナゴ類が産卵した二枚貝類であっても，産卵母貝として利用するこ

宮武優太・牛見悠奈・青江 洋・中田和義（2013）とが明らかとなった。

農業水路における希少タナゴ類の生息場所利用
様式．H25 農業農村工学会大会講演会要旨集，pp.
220-221.

４．考察と今後の課題
本研究の野外実験の結果，
平成 25 年度の実験結果と同様，スイゲンゼニタナゴによる人工産卵床の利用は確認できなかった。しかしながら，平成 26 年度

本研究成果の外部発表の研究では，環境省および岡山県レッドリストにお依頼講演いて準絶滅危惧に選定されているアブラボテが，本

宮武優太・小林蒼茉・中田和義（2014）スイゲンゼ

研究の人工産卵床を産卵場所として利用することがニタナゴの生態解明と保全技術開発に関する研初めて確認された。このことから，本研究で考案し

究：農業水路におけるタナゴ類の分布と環境要因

た人工産卵床は，希少タナゴ類の保全・増殖技術とおよび人工産卵床の利用状況．スイゲンゼニタナ

して有効な手法となることが再確認された。

ゴ勉強会，倉敷市環境学習センター，2014 年 11

平成 25 年度に続き，平成 26 年度もスイゲンゼニ

月 29 日．

タナゴによる人工産卵床の利用が確認されなかった理由としては，実験地点においてスイゲンゼニタナ

学会発表

ゴの親魚の個体数が少なかったことにあると思われ

宮武優太・川本逸平・青江 洋・中田和義（2014）

る。平成 26 年度の研究では，平成 25 年度の研究に

農業水路に用いる希少タナゴ類の人工産卵床のおける課題をふまえて，実験地点をスイゲンゼニタ

検討．H26 農業農村工学会大会講演会講演要旨集,

ナゴがより高密度に生息していると考えられる場所

pp. 232-233．

に変更したが，期待していた成果は得られなかった。

小林蒼茉・宮武優太・青江 洋・中田和義（2015）

今後の研究では，これまでの研究結果に基づき，ス

希少タナゴ類による人工産卵床の産卵母貝利イゲンゼニタナゴの生息密度の増減を予測した上で，用：農業水路での野外実験．H27 農業農村工学会

実験地点を慎重に検討する必要がある。

大会講演会講演要旨集（印刷中）．

謝辞＊本研究で得られた成果については，今後，学会誌

本研究は，公益財団法人ウエスコ学術振興財団のに原著論文として投稿予定である。

平成 26 年度学術研究費助成事業の助成を受けて実施したものである。種の保存法に係る各種手続きでは，環境省中国四国地方環境事務所に大変お世話になった。本研究の野外実験や野外調査は，岡山大学
環境理工学部環境管理工学科水生動物学研究室の学
生諸氏の協力を得て実施した。ここに記してお礼申し上げる。

- 51 -

【平成26年度研究費助成

研究成果報告書】

GPGPU による平面 2 次元浅水流モデルの高速演算に関する研究
岡山大学 大学院環境生命科学研究所 准教授
吉田 圭介
（概要）
計算機の性能向上に伴って，水工学分野では高次の流体解析モデルがより一層利用されつつある．これによって複雑な水理現象を詳細に検討できる利点が挙げられるが，水理解析の高度化と比例して解析負荷は増大する傾向にある．そのため，実務では有用な学術成果が広く利用されることは少ない．したがって，工学的な観点からは水理解析技術の発展と共に，解析負荷の低減策が強く望まれている．一方，近年，分散メモリ型大型計算機に替わって，多数の計算コアを有するGPUを用いた並列計算手法（GPGPU）が注目されており，様々な分野で適用され始めている．
GPUは元来，画像処理装置であり，廉価な事務用PCにも備わっているが，GPGPUではこのGPUの演算性能を最大限に引き出して，科学技術計算の高速化を試みている．本研究では水工学分野でのGPGPUの適用が未だかなり少ない
現状を鑑み，河川流解析で一般的に利用される平面2次元浅水流モデルへのGPGPUの適用を試みた．開水路流れを例
として，従来のCPUを用いた解析とGPGPUによる解析とを比較し，特に，計算精度と計算効率の観点から水工学分
野でのGPGPUの有用性について検討を行った．

るために，既存の逐次計算型の平面 2 次元浅水流計

１．はじめに（本文）
近年，画像処理に用いられる GPU の並列処理能力算コードを GPGPU 用に改変した．また，矩形断面を数値解析へと応用し，これまでの解析時間を著しく開水路と旭川下流部 2km 区間に適用して，計算精度短縮させるなど，
多くの分野でその有用性が確かめらと計算効率の観点からその有用性を検討した．

れている．従来，並列計算といえば，一般に専門家が多数の PC を連結してクラスターを組んだり，研究機

２．GPU 並列計算

関の大型計算機を利用するなど，手間や費用を要する(1) CUDA 概要

システムを想定した．一方，GPU を用いた並列計算

CUDA は NVIDIA 社による GPU コンピューティ

手法(GPGPU)では市販の廉価な GPU を用いて，個ング向けの統合開発環境である．CUDA では並列処

人が1 台のPC上で比較的容易に計算環境を構築でき理の単位に，グリッド，ブロック，スレッドといったるため，実務での並列計算の普及が期待されている．

階層を利用する．連続した 32 個のスレッドをワープ

一般に，解析モデルの高度化と解析時間の短縮は相と呼び，その計算を 32 個の CUDA コアが対応する．

容れない要素である．現実問題の解決，つまり実務へ

そのため，各ワープでは単一命令で 32 個のデータをの応用を最終目標とする水工学では，従来，計算精度

並列に処理できる．
また，スレッドの集合をブロック，と解析時間のバランスを考え，適切な水理解析モデル

同様にブロックの集合をグリッドという．
各ブロックが構築・適用された．しかし，近年，計算機の性能がは計算コアを束ねた演算器（プロセッサ）である SMX

著しく向上するに従い，
水工学の学術ではより詳細なに割り振られ，SMX は計算命令を並列に実行する 1)．

検討を行う目的で高度な解析モデルが利用されつつCUDA による GPGPU に限らず，一般に，並列計ある．例えば，津波の海域伝播や陸への遡上過程を解算コードでは従来型の逐次計算とは異なるコーディ

析する研究では，高解像度の格子を用いて流れを計算ングが要求される．例えば，CUDA では並列化対象

し，それを巧みに映像化することで，一般の方でも水のコードはモジュール内に記述する必要がある．ま理現象をより直感的に理解できるようになっている．

た，並列演算に用いるブロック・スレッド数はプログ

本研究では河川工学での GPGPU の適用性を検討す

ラマーが指定する必要がある．そのため，CUDA に- 52 -

【平成26年度研究費助成

研究成果報告書】

よる GPGPU では並列演算に関わる調整を適切に行

表-1 開発環境

うことで，計算効率の最適化を図ることができる．

OS
CPU
PC メモリGPU
コンパイラ
CUDA toolkit(2) 開発環境
本研究で用いた計算機及び開発環境の詳細を表-1に示した．本研究では PGI Accelerator Compiler

Windows7 64bit
Xeon E5-1620, 3.6GHz
16GB
Tesla K20c
PGI Accelerator 14.7
6.0

(Ver.14.7)を使用し，倍精度演算を行った．Tesla-K20c
表-2 計算条件（開水路）は GPU 計算に特化しており，13 基の SMX が備わっ

1 / 200
0.01 s
0.028 m-1/3s
400 m3/s
1.40 m

水路勾配
時間刻み D t
Manning 粗度係数 n
上流端での定常流量
下流端での定常水位ている．また，1 つの SMX あたり 192 基の単精度
CUDA コアと 64 基の倍精度ユニットが搭載されている．なお，倍精度演算では単精度演算のピーク性能の 1/3 程度である．
本研究では先ず，従来型の CPU コアによる計算（以表-3 計算時間と検証ケース(計算精度の検討)
計算時間
計算格子数 ( x, h)

後，CPU 計算と呼ぶ）を意図した，非定常浅水流モ
デルの逐次計算コードを作成した．その後に，CUDA

3 hr
500 × 100の仕様に沿って，GPU による並列計算（以後，GPU計算と呼ぶ）を行うコードに書き換えた．そのため，高速演算を意図したコードの最適化は行っていない．
また，GPU の基本的な演算性能を評価する目的で，グローバルメモリを使用した簡潔なコードを作成している．なお，特に断らない限り，本研究では計算を高速に行う目的で CPU-GPU 間のデータ転送を最小限に抑えた．つまり，コード内の主要な反復計算部分

図-1 矩形断面開水路の概要と精度検証の前後でのみ，データ転送を行うこととした．

で与えた初期水面形

３．解析結果GPU 両計算結果ともに，計算開始後，1800 秒の時(1) 矩形断面開水路への適用

点で計算値は収束値に対して 10-13 のオーダーまで漸水際移動の無い矩形断面開水路の等流場を対象に，近している．また，計算開始から約 300 秒までの時

浅水流モデルに対する GPU 並列計算の基本性能を間変動が見られた時間帯においても，GPU 計算は検討した．ここでは GPU 計算の結果と，CPU 計算

CPU 計算の結果との間には顕著な値の差異は見られの結果を比較し，計算精度及び高速化効果を調べた．

なかった．

表-2 には計算条件を示した．水路下流端で与える水

表-4 には同じ地点での計算終了時点における CPU

位は 1.40m，上流端で与える流量は 400m3/s で一定の計算結果と CUDA の計算結果の差異の絶対値を示

であり，これら条件は常流場の等流を満足する．

した．ここで，流下方向流速を u ，横断方向流速を va) 計算精度の検討とする．最大の差異は水深で観察されるが，それでも

水深及び流速の時間的な変動が計算精度に与える

0.150×10-13m であることが分かる．

影響を確認するため，図-1 に示すような水面形を初次に，開水路全域を対象として，10 分(60,000step)期条件として与え，非定常計算を行った．計算時間は毎に水深及び流速の値を得た．
表-5 には CPU の計算

3hr (1,080,000step)とし，計算格子数は流下方向に結果と CUDA の計算結果とを比較して得られた差異

500，横断方向に 100 の総計算格子数 50,000 とした．

の絶対値に対して，全域内での最大値を示す．この場

図-2 には水路の縦横断の中心点において，1 秒

合，流下方向流速の差が一番大きく，1.90×10-13m/s(100step)毎に得た水深 h の計算結果を示した．CPU，

であることが分かる．

- 53 -

【平成26年度研究費助成

研究成果報告書】

表-4 水路中央での値が収束したとき(計算終了時)の流速と水深の GPU 計算結果の CPU 計算結果との差異（×10-13）h (m)u (m/s)v (m/s)

0.150

0.071

0.018

CUDA

表-5 水路全域を対象とした CPU 計算結果との最大差異（×10-13）図-2 水深の時間変化

以上の結果より，水深及び流速で見られた差異は極CUDA

微量であり，GPU の計算結果は十分な精度であると

h (m)u (m/s)v (m/s)

0.150

1.900

0.341

考えられる．
表-6 計算時間と検証ケース(高速化効果の検討)b) 高速化効果の検討
GPGPU による高速化効果が計算格子数にどの程度依存するかは，未だ十分には検討されていない．そ

計算時間

100 s

計算格子数

1 万,5 万,10 万,20 万,40 万,60 万,80 万

こで，本研究の計算環境において，高速化効果に対す
表-7る格子数依存性を定量的に調べた．
ここでは開水路に

実行時間 （単位：s）

格子数 ( x, h)

ほぼ等流流れが形成されている状態を初期条件とし

CPU

CUDA

て計算を開始した．
検討した格子数と計算時間を表-6

100×100

154.891

19.766に示す．格子数を 1 万～80 万まで変化させ，全 7 ケ500×100

839.92246.832

ースで検証を行った．計算時間は 100 秒(10,000step)

1000×100

1731.773

81.707である．この計算では，途中で結果の書き出しなど行

2000×1003582.492

149.293

わず，
反復計算部分のみにかかる計算時間を対象とし4000×100

7250.074

283.844て計測した．ここで，計測時間の中には，上下流端の6000×100

10845.730

418.563

境界条件の設定など，
主要な反復計算以外に要する時

8000×100

14438.875

553.785間は含めていない．
表-7 には各ケースの実行時間を示す．また，図-3

れる．一方，格子数 20 万以降では GPU が一度に処には格子数と実行時間の関係を示した．GPU の計算理できる並列処理能力が限界に近づいていることが結果に対しては，
両対数グラフを用いてデータの傾向推測できる．

を明示した．両対数グラフより，CUDA では格子数

表-8 に計算終了時の，GPU の計算結果と CPU の

20 万以降は傾きが 1 に漸近し，格子数と実行時間の計算結果との差異の絶対値を示す．
本研究で検討した間に線形性が確認できた．また，図-4 に格子数と高中では，最大の計算格子数 80 万の場合，2.082×10-13

速化率の関係を示した．ここで，高速化率は CPU 逐

m/s の差異が流下方向流速で確認されたが，それ以上

次計算時間を GPU 並列計算時間で除した値を用いの値は，全ケース通して見られず，格子数が増加した

た．格子数が最小の 1 万の計算条件では，CUDA で場合も精度良く計算可能なことが示された．

約 7.8 倍の高速化効果が得られた．また，格子数の増(2) 実河川への適用

加に伴って高速化率も上昇する様子が確認できたが，岡山県の一級河川である旭川の大原試験区を含む

格子数が 20 万以降では高速化効果の上昇が抑えられ河道縦断 約 2km の範囲を対象として，GPGPU をることが分かった．これは表-7 及び図-3 から分かる

適用した非定常浅水流モデルを検討した．
ここでは特ように，格子数が 20 万より少ない場合は GPU の並に，出水時に水際移動のある実河川での解析における列処理能力を十分に活用できていないことが考えら- 54 -

【平成26年度研究費助成

研究成果報告書】

図-3 実行時間と格子数の関係
表-8 GPU 並列計算結果と CPU 計算結果の差(最大値)(×10-13)図-4 格子数と高速化率の関係

h (m)u (m/s)v (m/s)

1万

0.035

0.066

0.061

5万

0.115

0.284

0.066

10 万

0.037

0.079

0.095

20 万

0.301

0.670

0.081

40 万

0.497

1.132

0.106

60 万

0.675

1.452

0.115

80 万

0.924

2.082

0.177

有用性について検討した．図-5 には解析対象範囲を示す．大原試験区の上流部には堰（図中，No.2）があり，堰が計算精度に及ぼす影響も検討した．
a) 計算条件
計算条件と計算ケースを表-9 に示す．時間刻み D t
は 0.01 秒，計算時間は 2 時間(720,000step)である．
検討したケースは総計算格子数が 2,001(Case-1)～
30,849(Case-3)の 3 ケースである．Case-1 では格子
幅は約 20m である．この解析では上下流端で流量と水位を固定した流れ場を対象とするが，水際の移動に

図-5 解析範囲と調査箇所よって弱い非定性が流れ場に現れる．
計算を開始してと GPU の計算結果を比較して精度を検証した．検証

から一定時間経過すると，計算領域内の水深の時間平では計算終了前の10分(60,000step)間を対象として，均値には変化が見られなくなった．
その時点を計算の

1 秒(100step)毎に水深と流速の値を記録した．

初期条件とした．図-5 のコンターは計算の初期条件

図-6，図-7 には Case-3 における両地点での水深のの水深分布を示す．

時間変化を示す．No.1 では CPU 計算と GPU 計算でb) 計算精度の検討

は時間平均的に数 mm 程度の水深差が確認できる

図-5 に示すように，比較的流れが穏やかである地が，No.2 では水際の移動に起因してかなり大きな変点(No.1)と，急激な水際移動が現れる固定堰の地点動が観察される．いずれにせよ，CPU 計算値と GPU(No.2)において計算結果を出力し，CPU の計算結果

計算値とでは，
前節の矩形断面開水路の計算結果と異- 55 -

【平成26年度研究費助成

研究成果報告書】

表-9 計算条件・計算ケース
時間刻み D t

0.01 sManning 粗度係数 n

低水路：0.028 m-1/3s
高水敷：0.026 m-1/3s

上流端での定常流量

400 m3/s

下流端での定常水位

9.38 m

水際判定基準水深 h*0.01 m

計算時間

2 hr

図-6 地点 No.1 での水深の時間変化（Case-3）

計算ケース

Case-1Case-2Case-3格子数 ( x, h)

69×29

135×57273×113なり，比較的大きな差異が確認された．
一方，表-10，表-11 には Case-3 における両地点での水深と流速変動の時間平均値および標準偏差を示す．図-6，図-7 の結果と対応して，堰付近の急変場
では GPU の計算値は CPU の計算値と比べて数 mm

図-7 地点 No.2 での水深の時間変化（Case-3)から数 cm 程度の水深差が確認できる．
図-8 には Case-3 の計算終了時点における GPU の計算結果とCPU の計算結果の水深の差異に関するコンター図を示す．
差異の大きさは場所により異なることが分かる．特に No.2 の堰周辺で大きな差異が生じている．また，堰から少し下流でも数 cm 程度の差異が生じているのが確認でき，
堰で生じた差異の影響が下流に及ぶことが推測される．
以上より，急激な水際移動を除くと，大局的に見た場合，GPU 計算の結果の CPU 計算の結果との差異
図-8 CUDA の CPU 計算結果との水深の差異（Case-3）の大きさは数 mm 程度である．また，水深の変動強度はほぼ同程度であるため，ここで検討した GPU の計算は河川工学上，十分な精度であると考えられる．

表-10 地点 No.1 での流速と水深の時間平均値・標準偏差（Case-3）
水深 h (m)

流下方向流速 u (m/s)

横断方向流速 v (m/s)

CPU

GPU

CPU

GPU

CPU

GPU

時間平均値

2.415

2.417

0.989

0.987

1.403

1.396

標準偏差(×10-4)

1.67

1.65

2.60

3.49

2.68

2.24

表-11 地点 No.2 での流速と水深の時間平均値・標準偏差（Case-3）
水深 h (m)時間平均値
標準偏差(×100)

CPU
0.970
0.463

GPU
1.038
0.453

流下方向流速 u (m/s)

横断方向流速 v (m/s)

CPU
5.255
1.210

CPU
3.059
0.852

- 56 -

GPU
5.077
1.219

GPU
2.971
0.931

【平成26年度研究費助成

研究成果報告書】

表-12 計算結果の途中出力の有無と実行時間(単位:s)
出力無

出力有

格子数 ( x, h)

CPU

GPU

CPU

GPU

69×29

781.9

1051.9784.3

1047.3135×573748.91203.33761.71194.0273×11317201.82125.1

17164.6

2119.4c) 高速化効果の検討
計算途中に計算結果を出力することがGPU の高速

図-9 格子数と高速化率の関係（出力有）化効果へ及ぼす影響を確認するため，10 分(60,000

計算値を比較すると，水際以外では水深の差異はstep)毎に計算値の出力を行って時間を計測した．表

時間平均で数 mm 程度，水際部の急変場では変動-12 には出力の有無と格子数を系統的に変化させた強度の差異は 1cm 程度である．従来型の CPU 計

際の実行時間を示した．また，図-9 には出力を含む算の精度と比べると，本研究で提示した GPU 計

ケースでの計算格子数と高速化率の関係について示

算の精度は河川工学上，十分であると考えられる．

す．前節の矩形断面開水路での結果と同様に，計算格3) 高速化率について，矩形断面開水路での計算では

子数(計算負荷)の増加とともに高速化は上昇する結格子数が 1 万の場合，約 7.8 倍，格子数が 40 万果が見られた．しかし，前節で確認された程度には，の場合，約 25.5 倍の結果となった．一方，格子数

高速化率は達成されなかった．
この理由として実河川

40 万以降の結果では，顕著な高速化率の向上は見の解析における水際判別や植生抵抗に関する計算がられなかった．

影響していることが考えられる．つまり，それらの計

4) 水際境界での処理や植生消長を考慮する実河川計

算コードにおいては複数の条件分岐（if 文）が生じ，算への GPU の適用では，その扱いが無い場合と各分岐の処理内容も高負荷であるため，並列効率（高比べて，高速化効果が抑えられる傾向を確認した．

速化率）が抑えられたことが推測される．
本研究で扱った実河川の解析においては，途中計算

今後は並列計算を行う際に計算効率に影響を与え結果の出力は高速化率に対して有意な影響を与える

る要因を特定し，GPU 並列計算に適したコードへのことはなかった．
この理由としてここで扱った格子数

修正を適宜検討していきたい．

が少ないことと，1 回の出力で GPU から CPU に転送するデータ(出力)数が少ないことに加えて，出力を参考論文

行う時間間隔が大きいことが考えられる．しかし，出1) 青山幸也：CUDA プログラミング入門，理化学

力の時間間隔が短い場合や，出力させるデータ数など

研究所 情報基盤センター，2012．

の条件によっては高速化への影響が懸念されるため，出力による高速化への影響を意識することは重要と謝辞考えられる．

本研究を遂行するにあたり，助成を賜りました公益財団法人 ウエスコ学術振興財団に深く感謝いたしま

６．結論

す．また，岡山大学 大学院環境生命科学研究科博士

本研究より得られた主要な結論を以下に述べる．

前期 1 年生 田中龍二君および岡山大学環境理工学部

1) 矩形断面を有する開水路等流に関する数値計算で4 年生 脇谷悠君には解析やデータ整理等でご協力をは，
GPU 計算値と CPU 計算値との水深差は 10-13

頂きました．記して謝意を表します．

のオーダーであることを確認できた．
2) 実河川での不定流計算では，GPU 計算値と CPU- 57 -

【平成26年度研究費助成

研究成果報告書】

地質統計学と論理モデルに基づいた地質モデリングに関する研究
岡山大学大学院環境生命科学研究科
珠玖 隆行

概 要
申請研究では，論理的思考に基づいた地質モデリング手法と地質統計学的な手法に基づいた地質モデリング手法のそれぞれの長所に着目し，両手法を融合した新しい地質モデリング手法の構築を最終目標としている。本
報告では，既存の地質モデリングに関する研究を論理的推論に基づく方法と地質統計学に基づく方法に分けて整理し，それらの問題点や課題を整理した。また，地質統計学的方法の一つである mid-point 法に着目し，mid-point 法による地盤のモデル化の例を示した。

1．はじめにに評価できるという点で優れている．しかしながらボーリングデータや地質踏査の情報を用いて，地

この方法は，データに基づいた「帰納的な推論」で質構造を推定する地質モデリングは，地質学や資源あり，データの内挿（補間）には適用できるものの，工学だけでなく，土木工学においても重要な役割を

地質データが無い（少ない）場所への適用は難しい担う。精度の高い地質モデリングの実現は，安全でという欠点を有している．

経済的な構造物の設計・施工に繋がることから，こ以上のことから，どちらか一方の方法だけでは，れまで地質モデリングの研究が多数実施されている。

精度の高い地質モデリングは困難であり，論理的お地質モデリングの方法は大きく以下の 2 つの方法

よび統計的手法を組み合わせることで両手法の欠点に分けて考えることができる。

が補われ，より合理的な地質モデリングが実現できると考えられる．

①地質学の基本原理に基づいた地質技術者の論

申請研究では， 2 つの地質モデリング手法を融合

理的推論に基づく方法

した新しい地質モデリング手法の構築を最終目標に②データの統計解析に基づく地質統計学的方法

掲げ，基礎的な研究を実施した。はじめに，コンピ①の方法は，「地層るい重の法則」などの地質学のュータを利用した地質モデリングに関する既往の研基本法則に基づいて，限られた地質調査データから究を整理し，地質構造の論理的推論の可能性につい地質構造とその形成過程を論理的に推定する方法でて検討した。また，地質統計学的手法に関しても，ある．伝統的な地質学では一般的に用いられている既往の研究を整理するとともに，最も基本的な地質「演繹的な推論」であり，十分なデータが無い領域

統計学的な方法を単純斜面の地質モデリングに適用であっても基本法則に従った演繹的推論により地質し，その適用可能性について考察した。
本報告では，

やその構造が推定できるという特長を有している．

その成果の一部を紹介する。

しかしながら，得られる結果が定性的であり，技術
2．論理的地質モデリングに関する研究者の経験や知識レベルによって推定結果が大きく異

本章では，論理的手法に基づく地質モデリングになるという欠点がある．

関する既往の研究を整理し，今後の課題について示

一方，②の方法は，ボーリングデータや路頭情報

す。

などの地質情報を統計的に処理して地質やその構造を推定する方法であり，推定結果の信頼性も定量的- 58 -

【平成26年度研究費助成

2.1 既往の研究

研究成果報告書】

試みた最も有名な研究は，Matheron（1975）によるコンピュータを利用して地質やその構造を同定しものである。Matheron は，離散的なデータから，そようと試みた研究は 1970 年代から始まったと推察の統計的性質に基づいて空間的な分布を同定するされる。Barns(1975)は ORDER と STACK という 2

Kriging を提案し，資源工学における実際の問題に適つの再帰的アルゴリズムを提案し，地質の形成順序

用した。その後，Kriging は土木工学の分野へ適用さをコンピュータにより自動的に決定できる方法論をれ，最近では空間的なデータを合理的に解析できる

提案した。その後，同様の研究が実施されるようにという特長を生かし，社会科学や経済学においてもな っ た が （ 例 え ば ， Edwards and Beaver 1978;

用いられるようになってきた。

Schwarzacher 1980; Waterman and Raymond, 1987），いしかしながら，Kriging はあくまでデータ 2 点間のずれの方法も単純な構造にしか適用できず，さらに統計的性質のみを考慮し，その内挿を行うものであは実際に地質技術者が行う論理的推論とは大きな隔り，複雑な構造には適用できないという問題点を有たりがあった。

している。そのような問題点を有しつつも，実装の容易さから地質モデリングや地盤のモデル化におい

その後，離散的な対象を定量的に扱うことができる「離散数学」を用いて地質構造の論理的推論を実て一般的に用いられている。

現しようとする研究が始まった。代表的な研究成果

3.2 地質統計学手法の適用例

として，塩野ら（1987, 1988, 1992, 1998）の一連の研本節では地質統計学的手法の適用例を示す。ここ究を挙げることができる。塩野らは，論理的推論をでは最も基本的な方法である mid-point 法により地「演算」と捉え，ブール代数などの離散数学的手法

質をモデル化した。
Mid-point 法とは，確率場の生成方法の一つであり，に基づき，地質構造の推定方法を提案した。しかしながら，これらの研究においても，断層や褶曲とい

統計的性質のわかっている地盤に対し，その統計的った複雑な地質構造（地質イベント）のモデル化は性質を満たす確率場を生成することができる。

困難であり，課題となっている。

Mid-point 法では，地盤を要素に分割し，要素ごとに

2.2 論理的地質モデリングの課題

物性が与えられる。具体的に，要素 i の中心の物性
Gi は次式により与えられる．

前節で示したように，論理的推論に基づいた地質モデリングに関する研究は多数実施されているが，Gi

実務への適用には更なる発展が必要である。野々垣S ijT X i

(1)

（2011）が既存の地質構造推定プログラムを整理し，それらの特徴についてまとめているが，今後は，人

ここに，Xi は標準正規分布からサンプルされた乱数，

工知能型や深層学習を用いた地質構造プログラムのSijT は次の相関行列を三角分解して得られる上三角構築が有効になると考えられる。そのため，地質学

行列を表す．
Mid-point 法により，図 1 の斜面に対して確率場をの分野だけでなく，人工知能や機械学習など，種々の分野との連携が必要不可欠である。

生成した，すなわち地質統計学的方法によりモデリングを実施した例を図 2 に示す。図 2 は地盤の内部摩擦角に関して確率場を発生させたものであるが，3．統計的地質モデリングに関する研究

本章では，統計的手法に基づく地質モデリングに

内部摩擦角だけでなく，任意の地盤パラメータを取関する既往の研究を整理し，今後の課題について示り扱うことができる。ここでは，平均値を 20 度，変す。

動係数を 0.3，自己相関距離を 2.0 として，モデリン
グを実施した。

3.1 既往の研究
地質統計学的方法により地質構造を推定しようと- 59 -

y (m)【平成26年度研究費助成

20

学的方法の一つである mid-point 法を実装し，その15

適用例を示した。既存の方法では単純な地質構造の10

同定は，どちらの方法によっても実現できるが，断5層や褶曲など複雑な問題に対しては，人工知能の導

0
0

10

20

30

x (m)

40

50

60

入や多点の相関を解析できる新しい地質統計学が必

図 1 対象とした斜面モデル

y (m)研究成果報告書】

要である。

20

(degree)

15

35
30
25
20
15
10
5

10
5
0
0

10

20

30

x (m)

40

50

参考文献

Burns, K. L. (1975): Analysis of geological events,
Mathematical Geology, Vol.7, pp. 295-321.
Edwards, L. E. and Beaver, J. (1978): The use of paired

60

comparison model in ordering stratigraphic events,
Mathematical Geology, Vol.10, pp. 261-272.

図 2 Mid-point 法による地質モデリングの例

Matheron, G. (1975): Random Sets and Integral
Geometry, John Wiley & Sons, New-York.

図より，mid-point 法によって地盤が示すバラツキを考慮したモデル化が実現できることがわかる。地盤

野々垣 進（2011）：地質境界面に基づく 3 次元地質

材料が有する本来的なバラツキは，構造物の設計にモデリングシステムの現状と課題，情報地質，Vol.

大きな影響を及ぼすため，地盤のモデル化において

22, No. 3, pp. 131-142.
Schwarzacher, W.:(1980): Models for the study ofは，その統計的性質をモデル化できる方法が有用である。mid-point 法は実装が容易であり，計算コスト

stratigraphic

correlation,

も小さいことから，地盤のモデル化に一般的に用いVol.12, pp. 213-234.

Mathematical

Geology,

られている方法である。しかしながら，断層により

塩野清治，弘原海 清（1988）：論理地質学のための地層に不整合がみられる場合や褶曲などの構造は再関係の代数，情報地質，Vol.3, No. 4, pp. 261-296.

現することができず，この方法だけでは，精度の高塩野清治，弘原海 清（1992）：地層累重の法則に関連する公理系の試案，情報地質，Vol. 3, No. 4, pp.

い地質モデリングは実現できない。

203-210.
塩野清治，升本眞二，坂本正徳（1998）：地層の 33.3 統計的地質モデリングの課題
これまで示した Kriging や mid-point 法は，基本的次元分布の特性と地質図作成アルゴリズム－地質には 2 点間の統計的性質にのみ着目した方法であり，構造の論理モデル－，情報地質，Vol. 9, No.3, pp.

two-point statistics と呼ばれている。実装が容易とい

121-134.

う観点からは実務に適しているが，精度の高い地質

弘原海 清，塩野清治，升本眞二（1987）：地質図自モデリングは実現できない。よって，2 点間の統計

動作成システム（GEOMAP-CAD）の開発の現状的性質のみならず，多点の統計的性質を考慮しうると課題，情報地質，No.12，pp. 351-358.
Waterman, M. S. and Raymond, R. (1987): The match

方法の構築が必要である。

game: New stratigraphic correlation algorithms,
Mathematical Geology, Vol.19, pp. 109-127.

4．まとめ

本報告では，既往の地質モデリング手法を地質統計学的手法と論理的手法に基づく地質モデリングに
分類し，それぞれの方法に関する既往の研究を整理し，今後の課題について示した。さらに，地質統計- 60 -

【平成26年度研究費助成

研究成果報告書】

分裂促進因子活性化タンパク質キナーゼ制御を分子基盤とした
新規抗アレルギー性食品因子に関する研究
岡山大学大学院環境生命科学研究科
中村 宜督
Th2 サイトカインは、T 細胞の分化や B 細胞からの IgE 産生を誘導することで、Ⅰ型アレルギーの発症に大きく貢献している。一方、申請者らは最近、Th2 サイトカイン発現が酸化ストレスによって増強される可能性を示唆してきた。以上の背景から、活性酸素種が活性化し、Th2 サイトカイン発現に寄与する分裂促進因子活性化タンパク質キナーゼ（MAPK）の制御を鍵とした新規抗アレルギー食品の開発を目指して、Th2 サイトカイン遺伝子発現を抑制する食品成分の評価を行ってきた。本研究では、ワサビやダイコンなどのアブラナ科植物を磨砕した時に生ずる isothiocyanate（ITC）類に注目し、外因性過酸化水素によって活性化した MAPK と Th2
サイトカイン発現への効果を検討した。代表的な芳香族 ITC である benzyl ITC（BITC）は、過酸化水素誘導 IL-13
発現とリン酸化 c-Jun の核内移行を有意に抑制したが、MAPK のひとつである JNK のリン酸化には影響を与えなかった。BITC は glutathione S-transferase P1（GSTP1）の発現を誘導する一方で、GSTP1 特異的阻害剤である
NBDHEX が BITC の IL-13 発現抑制作用を中和した。以上の結果から、BITC は JNK/c-Jun 経路の不活性化を介して、IL-13 の発現を低く保つことで、慢性的なアレルギー疾患への連鎖を防ぐ可能性が示唆された。
1. 緒言

は異なり、末梢組織において作用する可能性が示唆

我が国では近年、花粉症や気管支喘息、食物アレされている。いずれにせよ、アレルギー応答を多面

ルギーをはじめとするⅠ型アレルギーの罹患率が急的に媒介する Th2 サイトカインは、アレルギー疾患増しており、社会問題になりつつある。Ⅰ型アレルの現実的な治療標的であると受け入れられている。

ギーは、特定の抗原に対する免疫反応が IgE 抗体を本研究で注目する分裂促進因子活性化タンパク質

介して過剰に起こる現象である。抗原を貪食した細キナーゼ（mitogen-activated protein kinase: MAPK）は、胞（樹状細胞やマクロファージ）による抗原提示を真核生物に高度に保存されているセリン/スレオニ

ヘルパーT2（Th2）細胞が認識すると、interleukin（IL）

ンキナーゼである。炎症性サイトカインや酸化スト

-4、
IL-5、
IL-13 などの Th2 サイトカインが産生され、レスなどの細胞外刺激を伝達するシグナル分子であ

これらのサイトカインが B 細胞からの IgE 抗体産生

り、細胞増殖や分化だけでなく、免疫細胞の活性化を誘導する。IgE は肥満細胞や好塩基球の好親和性に関与することが知られている。
哺乳類の細胞では、IgE レセプターと結合するが、生体に再侵入した抗

extracellular signal-regulated protein （ ERK ）、 c-Jun

原と反応することで、化学伝達物質（ヒスタミンやN-terminal kinase（JNK）、および p38 MAPK の 3 グ

ロイコトリエンなど）の放出を刺激する。このようループが存在する。MAPK の IL-13 発現への寄与にな過程を介して様々な過敏感反応を惹起するのがⅠ

ついては、1) 特異的な MAPK 阻害剤はヒト白血球型アレルギーの発症メカニズムである。

と喘息マウスモデルの両方で IL-13 産生阻害効果をTh2 型サイトカインの中で、代表的な IL-4 と IL-5示す、2) JNK が活性化する転写因子 c-Jun が T 細胞に加えて、IL-13 の重要性も近年明らかにされつつにおいて IL-13 産生に寄与する、3) 慢性的な酸化スある。経気管支的に投与された IL-13 は喘息病態形

トレスが Th2 細胞への分化を有意に増強し、喘息病成を直接惹起することや、IL-13 は IL-4 と同じレセ態の進行に関与する、などの報告がある。これらのプターを共有するため、IL-4 と共通の生物活性を持ことは酸化ストレスや MAPK 経路が IL-13 の上流制

つだけでなく、T 細胞や肥満細胞に作用する IL-4 と御に非常に重要であることを示唆している。

- 61 -

【平成26年度研究費助成

研究成果報告書】

野菜や果物などの植物性食品の摂取が日常の健康

まず、Jurkat 細胞への過酸化水素刺激が IL-13 発現維持に寄与しているものと受け入れられて久しいが、に及ぼす影響を調査した。その結果、過酸化水素 100

我々の研究グループでは生体防御応答を活性化する

μM、1 時間の処理で IL-13 mRNA の発現量が約 3 倍

食品成分に関する研究を展開してきた。近年、注目に増加することを確認した。
この増加に対する BITCしているイソチオシアネート（ITC：isothiocyanate）との前培養の影響を RT-PCR 法にて評価したところ、類は特異な官能基（ITC 基：-N=C=S）を有する香

毒性を示さない低濃度の BITC（1 2 μM）処理によ味成分で、特徴的な芳香を持つ。ITC 類は、特にアり、IL-13 発現が有意に抑制された（Fig. 1）。短時間

ブラナ科植物を中心に普遍的に含まれており、抗肥の前培養では効果がなかったことから、BITC によ

満や代謝の改善・亢進などの多彩な生理作用を示す

る IL-13 発現抑制には、前培養の間に de novo 合成さことが知られている。我々の研究グループでは、芳れた因子が関与することが示唆された。

香族 ITC のひとつである benzyl ITC（BITC）が肝細胞において glutathione S-transferase（GST）等の第 2相薬物代謝酵素の発現を誘導すること [1]、またBITC はヒト好塩基球において、カルシウムイオノ
フォア誘導 IL-13 発現を抑制することを見出してきた [2]。そこで本研究では、外因性過酸化水素処理
によって活性化する MAPK と Th2 サイトカイン発
現への BITC の効果を検討し、抗アレルギー性食品
Fig. 1 過酸化水素誘導 IL-13 発現増強に対する BITC

因子としての分子基盤を明らかにしようとした。

の抑制効果
2. 材料と方法
ヒト T リンパ球モデルとして Jurkat 細胞（RIKEN

次に、酸化ストレスによって活性化される JNK 経Cell Bank）を用い、10%ウシ胎児血清（FBS）、50 U/ml

路に対する BITC の効果を検討した。活性化したペニシリン、50 μg/ml ストレプトマイシンを含む

JNK は転写因子 c-Jun をリン酸化し、転写因子 c-Fos

RPMI Medium 1640 培地で培養した。Jurkat 細胞は等との二量体（AP-1）形成を促進することで IL-13

BITC を 24 時間前培養し、培地交換後、過酸化水素

遺伝子発現に関与すると報告されている [5]。BITC（100 μM）の 1 時間処理により、MAPK、Th2 サイとの前培養を施した Jurkat 細胞を過酸化水素で刺激

トカイン発現を刺激した。IL-13 遺伝子発現はし、リン酸化 JNK レベルを評価した結果、過酸化水

RT-PCR 法、GSTP1、p-JNK、p-c-Jun の発現はウエス

素処理は有意にリン酸化レベルを増加させたのに対

タンブロッティングにてそれぞれ評価した。また、し、BITC 前処理は全く影響を与えなかった（Fig. 2）。

GSTP1 特異的阻害剤である NBDHEX を既報に従って合成し [3]、IL-13 発現に対する効果を検討した。
3. 結果と考察
BITC は Jurkat 細胞に対して細胞死を誘導するため [4]、Jurkat 細胞に対して毒性を及ぼさない BITCの濃度範囲を Trypan Blue 色素排除法により決定した。BITC の 24 時間処理により、10 μM で顕著な細胞毒性が観察されたことから、以降の実験では BITC

Fig. 2 過酸化水素誘導 JNK リン酸化に対する BITCの濃度範囲を 0～5 μM とした。

の影響

- 62 -

【平成26年度研究費助成

研究成果報告書】

一方、JNK の下流にある核内リン酸化 c-Jun レベ

BITC による IL-13 発現抑制作用への GSTP1 の関ルを評価したところ、過酸化水素で増加した核内リ与をさらに確証するため、GSTP1 特異的阻害剤であ

ン酸化 c-Jun のレベルは 2 μM の BITC の前処理による NBDHEX の IL-13 発現への影響を調査した。

り有意に抑制された（Fig. 3）。以上の結果から、BITCNBDHEX は GSTP1-JNK 複合体を解離させ、JNK には JNK の活性化には影響を与えずに、c-Jun のリン

よる c-Jun のリン酸化を可能にする [7]。Fig. 5 に示

酸化及び核内移行を抑制することが示唆された。

すように、BITC による IL-13 発現抑制作用は、
NBDHEX（1 μM）処理により有意に中和された。以上の結果から、BITC は、活性型 GSTP1 による相互作用を介して c-Jun のリン酸化を阻害し、IL-13 発現を抑制することが示唆された。

Fig. 3 過酸化水素誘導リン酸化 c-Jun 核内移行に対する BITC の抑制効果
前述のように、BITC は肝細胞において GST などの第 2 相薬物代謝酵素の発現を誘導する [1]。
一方、GST アイソザイムの 1 つである GSTP1 は、JNK とFig. 5 BITCによるIL-13発現抑制作用へのNBDHEX

直接的な相互作用を介して c-Jun のリン酸化を阻害の影響することが報告されている [6]。そこで、IL-13 発現
4. 総括

調節作用への GSTP1 の関与を検討するために、
まずBITC の GSTP1 発現に対する影響をウエスタンブロ

アレルギー疾患への酸化ストレスの寄与が明らか

ッティングにて調査した。その結果、IL-13 発現をになりつつあるなかで、ヒト T リンパ球細胞株にお抑制する濃度の BITC 処理は、GSTP1 タンパク質レ

いても過酸化水素により IL-13 発現が増強されたこ

ベルを有意に増加させた（Fig. 4）。この結果から、とから、本実験系が抗アレルギー因子の探索研究にBITC は肝細胞系だけでなく、T リンパ球系細胞株において有用なモデルになりうる可能性が示唆された。

おいても、薬物代謝酵素発現を誘導し、JNK/c-Jun

また、BITC は毒性を示さない、生体で達成可能な低濃度領域において、第 2 相薬物代謝酵素である

経路の修飾に寄与する可能性が示唆された。

GST を誘導するとともに、過酸化水素誘導 IL-13 発
現増強を抑制した。GST などの第 2 相薬物代謝酵素
群は間接的に抗酸化物質として機能することから、
BITC の効果に抗酸化メカニズムの寄与が予想された。しかし、BITC は JNK のリン酸化レベル自体に影響を与えずに、その下流の c-Jun のリン酸化を抑制したこと、また GSTP1 特異的阻害剤が BITC のIL-13 発現抑制作用を中和したことから、BITC の主
Fig. 4 GSTP1 タンパク質発現への BITC の影響

要なメカニズムは、細胞全体の抗酸化能の上昇によるストレス耐性ではなく、細胞内シグナル伝達分子- 63 -

【平成26年度研究費助成

研究成果報告書】の特異的な調節であることが明らかとなった。このBiosci. Biotechnol. Biochem., 72, 3034-3037 (2008).

ような細胞及びシグナル伝達特異的な調節機構は、[5] Ribeiro-do-Couto LM, Boeije LC, Kroon JS,

より安全で副作用の少ない抗アレルギー食品因子を

Hooibrink B, Breur-Vriesendorp BS, Aarden LA, Boog

開発する上で貴重な指針となる。

CJ. High IL-13 production by human neonatal T cells:
neonate immune system regulator? Eur. J. Immunol., 31,

IL-13 等の Th2 サイトカインは前述したようにⅠ
型アレルギーを増強、さらに慢性化する一因である

3394-3402 (2001).

と考えられていることから、Th2 サイトカインの産[6] Adler V, Yin Z, Fuchs SY, Benezra M, Rosario L, Tew

生、分泌を抑制することは、Th2 に傾いた体内環境

KD, Pincus MR, Sardana M, Henderson CJ, Wolf CR,を正常化させるのに有用であると考えられている。

Davis RJ, Ronai Z. Regulation of JNK signaling by

高用量の BITC は細胞毒性を誘導することから、応GSTp. EMBO J., 18, 1321-1334 (1999).

用には適していないことも本研究から示唆された。

[7] Ricci G, De Maria F, Antonini G, Turella P, Bullo A,

従って、BITC と同様の作用を示し、より毒性のStella L, Filomeni G, Federici G, Caccuri AM.

低い食品成分を、JNK/c-Jun 経路の調節作用を指標

7-Nitro-2,1,3-benzoxadiazole derivatives, a new class ofに探索・同定することが、新しい抗アレルギー食品

suicideの開発に向けての今後の課題であると考えられる。

Mechanism of action of potential anticancer drugs. J. Biol.

inhibitorsforglutathione

S-transferases.

Chem., 280, 26397-26405 (2005).
5. 謝辞
7. 研究成果

本研究の遂行にあたり、ご助成頂いたウエスコ学

a. 原著論文

術振興財団に心より感謝致します。

1. Tang Y, Abe N, Yoshimoto M, Zhu B, Murata Y,
6. 参考文献

Nakamura Y. Benzyl isothiocyanate inhibits IL-13[1] Nakamura Y, Ohigashi H, Masuda S, Murakami A,

expression in human basophilic KU812 cells. Biosci.

Morimitsu Y, Kawamoto Y, Osawa T, Imagawa M,

Biotechnol. Biochem., 79, 159-163 (2015).

Uchida K. Redox regulation of glutathione S-transferaseb. 学会発表

induction by benzyl isothiocyanate: Correlation of

1. Yue Tang, Sho Naito, Naomi Abe, Yoshiyuki Murata,

enzyme induction with the formation of reactive oxygen

Yoshimasa Nakamura. Benzyl isothiocyanate inhibitsintermediates. Cancer Res., 60, 219-225 (2000).

IL-13 expression in human basophil KU812 cells. 第 39[2] Tang Y, Abe N, Yoshimoto M, Zhu B, Murata Y,

回日本農芸化学会中四国支部講演会（福山）, 2014

Nakamura Y. Benzyl isothiocyanate inhibits IL-13

年 5 月 31 日.

expression in human basophilic KU812 cells. Biosci.

2. 内藤翔, Tang Yue, 宗正晋太郎, 村田芳行, 中村宜Biotechnol. Biochem., 79, 159-163 (2015).

督. Benzyl isothiocyanate の抗アレルギー作用とその[3] Federici L, Lo Sterzo C, Pezzola S, Di Matteo A,

分子機構. 第41回日本農芸化学会中四国支部講演会

Scaloni F, Federici G, Caccuri AM. Structural basis for（下関）, 2015 年 1 月 24 日.

the binding of the anticancer compound 6-(7-nitro-2,1,3benzoxadiazol-4-ylthio)-hexanol to human glutathione
S-transferases. Cancer Res., 69, 8025-8034 (2009).
[4] Wu H, Yokoyama T, Zhu B, Shimoishi Y, Murata Y,
Nakamura Y. (-)-Epigallocatechin-3-gallate potentiates
cytotoxicity induced by benzyl isothiocyanate andhydrogen peroxide in human Jurkat T lymphocytes.

- 64 -

【平成26年度研究費助成

研究成果報告書】

岡山市西川緑道公園における持続的なまちづくりに向けた実践研究―アメリカ・ポートランド市の BID と市民参加の国際比較－
岡山大学地域総合研究センター
岩淵 泰
本研究の目的は、岡山市中心市街地に位置する西川緑道公園のまちづくりが、持続的に展開されていくための方策を、アメリカ・ポートランド市のまちづくりを経済的視点と市民参加の双方から分析し、研究成果
として、産官学と NPO の参加を通じた新しい地域自治モデルの提示を目指すことである。
岡山市中心市街地は、2014 年 12 月に岡山駅側に年間 2000 万人の集客が見込まれるイオンモールが出店した。このイオンモールの出店は、岡山県の消費構造に影響を与えるだけではなく、中心市街地の人や物の動きを変えていくと考えられている。この流れを受け、大森雅夫市長は、2014 年 2 月に賑わいの創出と魅力づ
くりを柱にした中心市街地政策パッケージを提示している。
本研究が西川緑道公園のまちづくりに注目するのは、1982 年に西川緑道公園が誕生して以来、様々なまちづくり活動が展開されては消えていったまちづくりの歴史的蓄積である。
また、
西川パフォーマー事業など、岡山市が公園の管理から活用へとまちづくりの参加を広げた結果、若者や NPO などの活動が盛り上げりを見せている点である。本研究は、このような西川緑道公園のまちづくりの変化を捉えながら、地域の資産価値を高める持続的なまちづくりへの政策提案を行う。
研究アプローチは、アメリカ・まちづくりの聖地として知られているポートランド市の成功条件を、岡山
市中心市街地のまちづくりに当てはめることである。
その中で、
第一に、
BID（Business Improvement District）の分析を進め、第二に、ポートランド市と岡山市における市民活動の比較を進めていく。
研究準備としては、2012 年度から岡山市庭園都市推進課と共同調査を進めている。また、ポートランド
市にも 3 回訪れており、ポートランド州立大学のスティーブ・ジョンソンン教授と西芝雅美准教授から研究支援を頂く予定である。
本研究は、第一に、西川緑道公園におけるまちづ

ララサは、キャンドルナイト、リユース食器のリサ

くり調査と実践、第二に、ポートランド市のまちづ

イクル、有機生活マーケット・いちを開催し、若者

くりを市民参加の視点から分析し、持続可能なまち

たちは、満月 BAR などを行っているが、西川に拠点づくりの条件について検討を行った。

がなかったため、イベントの準備、ミーティングな

まず、西川緑道公園の実践について以下のようなど安定した活動をすることが難しかったが、岡山大活動を行った。持続可能なまちづくりを展開するた学地域総合研究センターでは、岡山市の委託調査費

めに、岡山大学地域総合研究センターは、2014 年 11を活用することで、西川沿いに活動スペースを確保

月、岡山市と岡山大学との間で西川緑道公園の界隈することにした。

のまちづくりを支援する協定書を結び、続けて、西2014 年 12 月には、スティーブン・ジョンソン・

川緑道公園のアイプラザの前に、岡山市・岡山大学・

ポートランド州立大学教授を招聘して『ポートラン

市民交流拠点である西川アゴラを開設した。西川アドまちづくり week』を開催した。産官学のワークシ

ゴラを開設した理由は、本研究など西川界隈のまち

ョップを通じてアメリカにおけるまちづくりの聖地づくり経緯調査を進める中で、まちづくり団体や若と呼ばれているポートランド市の成功の秘訣を、産者の活動スペースが欲しいという要望が判明したか

官学によるワークショップから明らかにした。

らである。

調査や研究会を通じて、西川緑道公園の市民参加

現在、西川緑道公園の活動として、NPO 法人タブの特色が明らかになった。歴史的に振り返ると、西- 65 -

【平成26年度研究費助成

研究成果報告書】

川緑道公園のまちづくりの特徴として、1980 年代はまた、ポートランド市では、まちづくり物語を形

チーム 25 など若手建築士が中心となって公共交通成してきたことが分かってきた。本研究が、ポートなどハードの整備を中心とした歩きやすいまちづく

ランド市の経験を西川緑道公園に活用させたい点は、りを目指しており、西川フリーマーケットは、多く

岡山市におけるまちづくり物語を形成し、中心市街の人々が中心市街地に集まるための手段として行わ地の活性化を検討することである。ポートランド市

れてきたが、21 世紀に入ると、まちづくり団体は、と日本のまちづくりの違いとは、ポートランド市でエコロジー、ローカルフード、サステナビリティなは、市民がまちを変えていったという成功体験をまどライフスタイルを巡るまちづくりが活発化するよ

ちづくり物語として残しており、それが公共政策のうになり、特に、女性、若者、生産者の参加が増え

裏づけとなっていることである。

るようになったことである。

例えば、1960 年代から 70 年代にかけて、ポート多様な参加が可能となったのは、岡山市庭園都市

ランド市はモータリゼーションを迎えており、ウィ推進課が、西川パフォーマー事業という市民協働事

ラメット川に高速道路の建設計画が持ち上がってい業を始めたからであり、岡山市は、市民参加を利用たが、市民は建設反対の意思を明確にするために、することで質の高いにぎわいづくりを目指している

夏の日に道路でピクニックを行っており、市長は建が、まちづくり団体は活動の場所を求めているなど

設中止を受け入れることになる。しかしながら、車相互の利害が一致したからである。重要なことは、の重要は高まっており、更に、高速道路の建設費は西川緑道公園のまちづくり活動を持続的に展開する

連邦政府に返さなければならなかったのが、市長とためには、岡山市が公園の管理から活用に向けて転

市民は、返すべき予算を、路面電車など公共交通の換を行い、市民参加を取込んでいくことなのである。

整備費用に転用することを考え、それを政府は認め一方で、アメリカにおけるまちづくりの聖地と呼ることになる。続けて、ウィラメット川の運動は、ばれるポートランド市では、まちづくりがいかに形

中心市街地のまちづくりにも飛び火している。デパ成されて、特徴のある市民活動が生まれているのかートが、高層の駐車場建設計画を明らかにすると、を調査した。パットナムは、人と人との信頼関係で市民は、まちづくりの広場を必要としていることをある社会資本が全米各地で低下し、市民活動も弱ま明示し、ポートランド市は、その土地を購入するこっているにも関わらず、ポートランド市では、1970とになる。ただ、『ポートランドのリビングルーム』

年代以降むしろ増加していくというポートランドのと呼ばれるパイオニア・スクウェアの建設費が足り例外を発見している。本研究を支援しているスティ

なくなると、市民は公園の煉瓦に名前を入れるなど

ーブ・ジョンソン教授は、パットナムの研究に対しのファンドレイジングで予算不足を補い、市民参加て、ポートランドでは、カトリック団体などの伝統により広場を獲得することになる。

的な団体が少なくなっていく一方で、公共交通や環ポートランド市では、このようなまちづくり物語

境など権利を主張するようなアドボカシー団体が増を土台にして、エコ・インフラなどの公共政策、市加していることを明らかにしている。ジョンソン教

民自治の制度を作っているが、BID の中心市街地の授によれば、ポートランド市のまちづくりには、サ

まちづくりにおいても、個人の活動とコミュニティ

ステナビリティ（持続可能性）、クリエイティビティ

がバランスを取りながら双方の発展を目指すことが（創造性）、そして、変わり者のポートランド（Keep

重要であると言える。

Portland Weird）の三つが重要であり、ポートラン

平成 27 年度は、
本研究を発展させるため環境省総ド市では、大量生産や消費型の社会よりも、自転車、合研究推進費を活用する予定であり、ポートランド

アート、フード、ビールなどアーティザン・エコノ

市のまちづくり調査を継続していく。

ミーが（Artisan Economy）が受け入れられていると

本研究の内容の一部は、『現代公共政策のフロンテ

指摘している。

ィア』岡山大学出版会の論文の中に掲載される。

- 66 -

【平成26年度研究費助成

研究成果報告書】

オオムギの形質転換に必要なゲノム領域の同定
岡山大学 資源植物科学研究所
久野 裕
【概要】
安定して形質転換が可能なオオムギ品種は「Golden Promise」に限られており、この制限要因が「Golden
Promise」以外の品種・系統に特異的な形質遺伝子の効率的な解析を妨げている。筆者は、品種・系統に依存せず、しかも高効率で簡便なオオムギ形質転換系の確立を目的として、形質転換に必要な遺伝的因子の解明に取り組んでいる。本研究では、マイクロアレイ解析によって「Golden Promise」由来のカルスで特異的に発現制御されている遺伝子を抽出し、それらを染色体地図上の位置を同定（マッピング）した。マイクロアレイによる遺伝子発現解析の結果、「Golden Promise」と「はるな二条」由来のカルス間での発現量の差が 2 倍以上の遺伝子が合計 4308 個検出された。これらのうち染色体上の位置がアノテーションされている 2756 遺伝子について、in silico マッピングを行った。各染色体にマッピングされた遺伝子数は、301（1H）、480（2H）、431（3H）、
327（4H）、429（5H）、351（6H）および 437（7H）であった。これらの遺伝子は、培養特性に関与する遺伝子である可能性があるため、今後詳細な遺伝子発現解析やマーカー化などを行う予定である。
【研究の背景と目的】

的解析によって、オオムギゲノムの 1 番（1H）、2 番

オオムギは、醸造用、飼料用および食用などで利（2H）、6 番（6H）ならびに 7 番（7H）染色体上に形用されている重要作物のひとつである。その利用特

質転換に重要な領域が存在することを明らかにして性、品質ならびに環境ストレス耐性などの育種を効いる（未発表）。本研究では、マイクロアレイ解析に率良く進めるためには、形質転換法を用いた遺伝子

よって「Golden Promise」由来のカルスで特異的に機能解析が必要となる。

発現制御されている遺伝子を抽出し、それらを染色

オオムギの形質転換は、アグロバクテリウムを介体地図上の位置を同定（マッピング）することによした外来遺伝子導入法が用いられる。一般的には、り形質転換に必要なゲノム領域の絞り込みを行う。

オオムギの未熟胚にアグロバクテリウムを感染させ、遺伝子が導入されたカルス（脱分化した細胞）を抗【材料および方法】

生物質で選抜し、植物体を再生（再分化）させる方

形質転換可能なオオムギ品種「Golden Promise」

法が用いられる。そのため、オオムギの形質転換にと形質転換が困難な品種「はるな二条」の未熟胚をは、細胞増殖が旺盛かつカルスの再分化能が優れて用いて、カルスを誘導した。誘導開始から 1 ヶ月後いる品種を用いることが重要である。現在、安定しのカルスをカルス誘導培地（MS 基本培地＋5mg/Lて 形 質 転 換 が 可 能 な オ オ ム ギ 品 種 は 「 Golden

Dicamba）に継代したものを「MSD 処理区」
、同様に

Promise」に限られており（Harwood 2012）、この制再分化培地（MS 基本培地＋3mg/L BAP）に継代し 16限要因が「Golden Promise」以外の品種・系統に特

時間日長で再分化誘導したものを「MSB 処理区」と異的な形質遺伝子の効率的な解析を妨げている。

して、それぞれ処理開始から 1 週間後に RNA を抽出

筆者は、品種・系統に依存せず、しかも高効率でした。遺伝子発現解析には、これらの RNA ならびに

簡便なオオムギ形質転換系の確立を目的として、形

オオムギ用オリゴ DNA マイクロアレイ（44000 プロ

質転換の成否を決定する遺伝的因子の解明に取り組ーブ、アジレント社製）を用いた。

んでいる。これまでに、「Golden Promise」と「形質「Golden Promise」と「はるな二条」の間で発現転換が出来ない品種」との交配集団を用いた遺伝学差異が見られた遺伝子に関して、オオムギゲノム情- 67 -

【平成26年度研究費助成

報を基にして in silico でマッピングを行った。

研究成果報告書】

これらのうち染色体上の位置がアノテーションされている 2756 遺伝子について、in silico マッピン

【結果および考察】

グを行った。図 1 に、各遺伝子の染色体上の分布とマイクロアレイによる遺伝子発現解析の結果、その発現量の差を示す。縦軸は遺伝子発現量の差「Golden Promise」と「はるな二条」由来のカルス（Golden Promise/はるな二条の相対値）を対数間での発現量の差が 2 倍以上の遺伝子が合計 4308

（log2）で示し、横軸はオオムギの各染色体（基本個検出された（表１）。そのうち、MSD あるいは MSB

染色体数は 7 で、１H～７H と表記する）の遺伝的距の片方の処理区でのみ発現差異が見られる遺伝子が離（cM）を示している。青い点は MSD 処理区を、赤3030 個、品種間の遺伝子発現の強弱が処理区で逆転

い点は MSB 処理区における発現遺伝子をそれぞれ示

した遺伝子が 81 個それぞれ検出された。「Goldenしている。
各染色体にマッピングされた遺伝子数は、

Promise」は、カルスの増殖や再分化能が「はるな二301（1H）、480（2H）、431（3H）、327（4H）、429（5H）、条」に比べて優れており、これらの遺伝子の一部は351（6H）および 437（7H）であった。また、「Golden

その表現型に関与する遺伝子であると推測される。

Promise」と「形質転換が困難な品種」との交配集団

また、MSD と MSB の両処理区で発現差が見られた遺を用いた遺伝学的解析によって見いだされた形質転伝子は 1197 個であり、これらは処理区に依らない品

換に重要と考えられる領域（未発表）を黄色で示し

種間の発現差異であることを示している。

た（図 1）。

- 68 -

【平成26年度研究費助成- 69 -

研究成果報告書】

【平成26年度研究費助成

研究成果報告書】

図 1 マイクロアレイによって抽出した「Golden Promise」特異的な発現を示す遺伝子の in silico マッピング「Golden Promise」と「はるな二条」に由来するカルス間で 2 倍以上の発現差異を示した遺伝子について、ゲノム情報を基に in silico マッピングを行った。MSD 処理区と MSB 処理区における遺伝子発現量の差（Golden
Promise/はるな二条）を対数（log2）で示す。各染色体のゲノム上の位置は遺伝距離（cM）で表す。「Golden
Promise」と「形質転換が困難な品種」との交配集団を用いた遺伝学的解析によって見いだされた形質転換に重要と考えられる領域を黄色で示した。（A）１H 染色体、（B）２H 染色体、（C）３H 染色体、（D）４H 染色体、（E）５H
染色体、（F）６H 染色体、（G）７H 染色体。

この領域内に存在する遺伝子のうち、「Golden

解析. 育種学研究 第 16 巻 別冊 1 号 171 頁.

Promise」と「はるな二条」との間で発現差が顕著なものを表 2 に示す。特に、1H、6H および 7H 染色体【謝辞】に 2 品種間で大きく発現量が異なる遺伝子が存在す

本研究を遂行するに当たり、多大なご支援をいた

ることが示された。これらの遺伝子は、培養特性にだいた公益財団法人ウエスコ学術振興財団に心より関与する遺伝子である可能性があるため、今後詳細

感謝申し上げます。また、マイクロアレイ解析を支な遺伝子発現解析やマーカー化などを行う予定であ援してくださった岡山大学資源植物科学研究所 西る。

村秀希 氏、ならびに in silico マッピング解析に必要なデータの収集を担当してくださった同研究所【まとめ】

吉田英哉 博士に感謝申し上げます。

本研究では、マイクロアレイによって「Golden
Promise」に特異的な遺伝子発現を網羅的に解析し、かつそれらの染色体上の位置を明らかにした。そのゲノム領域をさらに詳しく絞り込むことにより、例
えば「目的形質を持つが形質転換困難な品種」に「Golden Promise」を掛け合わせて、その雑種後代の遺伝子型を DNA マーカーで確認することにより、
容易に「目的形質を持つ形質転換可能な系統」を得ることができる。これにより、迅速なオオムギの形
質遺伝子解析が可能となる。一方、「Golden Promise」が有する優れた培養特性（細胞増殖や再分化）に関する遺伝子単離の布石となり、iPS 細胞のような植物版多能性細胞の作製に貢献できると考えている。
【参考文献】
1. Harwood, W. A. (2012) Advances and remaining
challenges in the transformation of barley andwheat. Journal of Experimental Botany 63:
1791-1798.
2. 久野裕、西村秀希、佐藤和広 (2014) マイクロアレイによるオオムギカルスの網羅的な遺伝子発現- 70 -

【平成26年度研究費助成

研究成果報告書】

植物の生殖細胞における DNA メチル化動態に関する研究
岡山大学 資源植物科学研究所
池田 陽子
（概要）
植物では、動物と異なり、DNA メチル化が世代ごとにリセットされず、親の DNA メチル化状態が子に引き継がれる現象が知られており、生殖細胞系列では、受精後胚乳を形成する中央細胞のみで能動的 DNA 脱メチル化が行われるとされている。しかしながら植物の雌側の生殖細胞や、受精後の初期発生における DNA メチル化の動態については細胞が植物体内部の限定されたわずかな細胞で起こるため、解析が難しく、未だ不明な点が多い。そこで本研究では、植物の生殖細胞を単離し、DNA メチル化動態を解析するために、細胞壁分解酵素セル
ラーゼを含む酵素液を用いてシロイヌナズナの胚珠から生殖細胞を大量に分離する方法を検討した。一方で、生殖過程及び初期発生過程における DNA 脱メチル化酵素の機能を解析するため、シロイヌナズナ DNA 脱メチル化酵素遺伝子のプロモーターGFP マーカーラインを作成し、DNA 脱メチル化酵素遺伝子の発現解析を行っている。
また、陸上植物の基部に位置する種の１つであるゼニゴケの生殖細胞における DNA メチル化の機能について解析するため、生殖細胞におけるクロマチン構造の解析及び DNA メチル化酵素の変異体作成を行っている。

（研究の背景及び目的）生殖細胞や、受精後の初期発生における DNA メチル

DNA 塩基配列だけでなく、DNA メチル化やヒストン化の動態については組織単離の問題があり、依然と修飾などのエピジェネティックな情報も、遺伝子のして不明な点が多い。

発現制御に重要であることが知られている。動物でそこで、本研究では、(１）免疫組織染色及び、生は、初期発生過程で DNA メチル化及びヒストン修飾

殖細胞の単離により、生殖過程及び初期発生過程に情報はいったん消去され、新たに書き込まれるため、おける DNA メチル化動態を調べる系を確立する。

世代ごとにエピジェネティックな情報がリセットさ（２）生殖過程及び初期発生過程における DNA メチ

れる。一方で、植物では、受精後胚乳となる中央細ル化酵素及び脱メチル化酵素の発現や機能を詳細に

胞で DNA 脱メチル化が起こる一方、卵および精細胞、解析し、DNA メチル化維持機構を明らかにする。以胚系列での DNA 脱メチル化は報告されていない。ま

上２点を目的とし、研究を行った。

た、植物では、DNA メチル化酵素の欠損などにより低メチル化状態が引き起こされると、交配により背（研究材料）

景を野生型に戻しても DNA メチル化が復帰しない現・シロイヌナズナ象が知られている。このことから、植物では、動物

シロイヌナズナは植物として最初に全ゲノムが解読とは異なり、DNA メチル化の世代ごとのリセットがされたモデル植物である。実験室系統が確立されて行われず、環境ストレスなどの何らかの要因により、おり、遺伝学、分子生物学の材料として利用されて低メチル化が引き起こされると、その情報が次世代いる。生殖細胞や生殖の分子メカニズムに関し、最に伝わりうることを示唆している。しかしながら、も植物で研究が進められており、情報が蓄積してい植物の生殖細胞、及び発生初期過程における DNA メ

るため本研究でも研究材料に用いた。野生型としてチル化の維持機構に関しては、生殖細胞が植物体内実験室系統 Col-0 を使用した。

部の限定されたわずかな細胞で起こるため、解析が・ゼニゴケ

難しく、未だ不明な点が多い。特に、植物の雌側のゼニゴケは苔類のモデル植物として近年リソースが- 71 -

【平成26年度研究費助成

研究成果報告書】

確立された。全ゲノムが解読され、形質転換も可能

した。
ゼニゴケの生殖器の誘導条件(一定の遠赤色光である。生活環の殆どがハプロイドかつ雄雌別個体を含む光条件)を栽培室内で整える一方で、ゼニゴケであり、精子による有性生殖及び無性芽による無性

葉状体を用いた免疫組織染色法の検討を行った。4%生殖の２つの様式で増殖をおこなう。陸上植物の基

ホルムアルデヒドで固定し、スライドグラス上で押部に位置する植物であり、シロイヌナズナと比較す

しつぶしてから液体窒素に浸し、PBS で２回洗浄後、ることで、植物の進化に関する考察を行うことが期

3%BSA で 30 分処理後、3%BSA で 1/100 希釈したヒス

待できると考え、研究材料とした。野生型として京トン修飾抗体(H3K9me2:アブカム ab1220 または都で採取された Tak-1 系統を用いた。

H3ac:アブカム ab4441)で浸し４℃で一晩静置した。
翌朝 PBS で 3 回洗浄後、1.5%BSA で 1/200 希釈した（研究方法)

Alexa488 蛍光ラベル二次抗体(ライフテクノロジ

1-1 シロイヌナズナ生殖細胞単離法の検討ー)で 60 分処理後、PBS で 3 回洗浄し、Vectashield

現在、DNA メチル化修飾を調べる方法として、ゲmounting solution with DAPI(フナコシ)を用いて封ノム DNA を Bisulfite 処理し、メチル化されていな

埋し、蛍光顕微鏡で観察した。

いシトシンをウラシルに置き換え、塩基配列を解析してリファレンスと比較する方法が一般的である。

2-1 シロイヌナズナ脱メチル化酵素の生殖細胞におこの方法では少なくとも数十ngのゲノムDNAが必要

ける発現解析

であり、生殖細胞における DNA メチル化修飾についこれまでに、
シロイヌナズナの生殖細胞においては、て調べる為には、シロイヌナズナ生殖細胞を数千個

中央細胞での機能が報告されている DEMETER (DME)のオーダーで単離し、ゲノムを抽出する必要がある。

の機能解析が行われてきたが、DME ファミリーのそのため、シロイヌナズナ生殖細胞の単離法の検討

DNA 脱メチル化酵素はシロイヌナズナゲノムに他にをまず行った。これまでに、私たちは細胞壁分解酵

3 つ 存 在 し {REPRESSOR OF SILENCING1(ROS1),

素セルラーゼを含む酵素液中にプロトプラスト化し

DEMETER LIKE2(DML2), DEMETER LIKE3(DML3)},これ

た生殖細胞を放出させる方法を報告している(文献 1)。

らの生殖細胞における機能と発現に関しては十分な

この方法では、成熟させた胚珠を生殖細胞単離用酵検討が行われていない。そこで、私は ROS1,DML2 及素液{1 % cellulase (WORTHINTON CEL 125U/mg),

び DML3 各遺伝子に GFP 蛍光マーカーをつなぎ、
シロ

0.3 % maselozyme (Yakult R-10)

イヌナズナに導入して発現解析を行うことを試みた。

0.05%

pectolyase (Kyowa kasei co.ltd) 0.45 M mannitol}

ROS1,DML2 及び DML3 各遺伝子のプロモーターとコに浸し、珠孔から生殖細胞を放出させる。本研究でード領域(それぞれ長さ約 8kb)からストップコドン

は、この方法を利用し、大量の胚珠から生殖細胞をを除いた配列を GATEWAY システムにより Invitrogen

単離する条件を検討した。

pDONR/Zeo プラスミドにクローニングし、目的の塩基配列にエラーがないことを確認した。その後、こ1-2 ゼニゴケ免疫組織染色法の検討

れらをpH7FWG プラスミド(VIB plant biology group,

DNA メチル化とクロマチン構造は互いに相互作用しGhent university)に LR 反応により挿入し、GFP 融ていることが示唆されており、シロイヌナズナ雌側合タンパク質を発現させるベクターを作製した。こ生殖細胞を用いた免疫組織染色実験により、転写にの T-DNA ベクターコンストラクトをシロイヌナズナ

抑制的に働くヒストン修飾 H3K9me2 の分布が体細胞に導入した。

よりも分散した状態にあることが報告されている(文献３)。植物の進化過程における生殖細胞のクロマ（結果）チン修飾の役割について調べるため、ゼニゴケの生1-1 シロイヌナズナ生殖細胞単離法の検討
生殖細胞の単離にあたり、最も大きな生殖細胞で殖細胞におけるクロマチン修飾を調べることを計画- 72 -

【平成26年度研究費助成ある中央細胞を指標とすることとした。中央細胞で特異的に発現するシロイヌナズナ FWA 遺伝子のプロ

研究成果報告書】

DAPI

H3K9me2

DAPI

H3ac

モーターに GFP を融合させた植物を用い、中央細胞が蛍光で判別できるようにした(文献 2)。雄ずいを取り 除 き、 受粉 が行 われな い 条件 で成 熟さ せた

pFWA-GFP マーカーを持つシロイヌナズナ子房を多数準備した。実体顕微鏡下でピンセットを用いて子房を切開し、胚珠を取り出して生殖細胞単離用酵素
液に浸し、30 分常温で静置することで、多数の胚珠の珠孔から pFWA-GFP による蛍光を発する中央細胞が酵素液中に放出された様子が確認できた（図１）。
図２ ゼニゴケ葉状体核の抗体染色像。グレースケ
ールでスキャン。 スケールバー=2μm

2-1 シロイヌナズナ脱メチル化酵素の生殖細胞における発現解析
シロイヌナズナ ROS1,DML2 及び DML3 各遺伝子の
図１ シロイヌナズナ胚珠及び放出された蛍光を示す生殖細胞(中央細プロモーターと、コード領域のストップコドンを除胞)の写真。(左:透過光, 右: 蛍光像。緑色の蛍光が GFP マーカーが発現いた領域(それぞれ長さ約 8kb)について、塩基配列した酵素液中に放出された中央細胞。
赤色は葉緑体の自家蛍光による。)のエラーがないクローニングに成功した。この配列に GFP をつないだ T-DNA ベクターコンストラクトを

この酵素液の上清を回収することで、プロトプラス

アグロバクテリウムを介してシロイヌナズナ野生型

ト化した多数の生殖細胞を含む画分を調整することに形質転換し、形質転換体の第一世代（T1)を複数得ができた。

た。ROS1 遺伝子の GFP マーカーラインに関しては、
複数のT1 個体の根端付近の核でGFPの強い蛍光が見

1-2 ゼニゴケ免疫組織染色法の検討られた(図３）。

シロイヌナズナで一般的に用いられている核の免疫染色法を参考に、ゼニゴケ葉状体を用いた免疫組
織染色を行った。蛍光試薬 DAPI で染色を行うと、核中でヘテロクロマチン化し凝縮している部分が濃く染色されることが知られている。免疫染色の結果、転写に抑制的に働くヒストン H3K9 ジメチル化（H3K9me2）抗体を用いた蛍光染色のシグナルと、
DAPI のシグナルは大部分が一致している様子が観察された(図２上段)。一方、転写活性化に働くヒス

図３ gROS1-GFP の蛍光写真。グレースケールでスキャン。（左：主根のトンアセチル化に抗体(H3ac)を用いた蛍光染色のシ根端付近、右：側根原基)根端付近の核で強い蛍光が見られた。

グナルは核の中心部分では観察されず、DAPI による一方で、DML2, DML3 のマーカーラインに関しては、

シグナルの分布とは異なっていた (図２下段)。
これT1 10 個体ずつを観察したが、根端で強い蛍光が観らの分布は核内のヘテロクロマチンまたはユークロ

察される個体は見られなかった。現在、生殖細胞にマチンの予想される分布とよく一致している。

- 73 -

【平成26年度研究費助成

研究成果報告書】

おける GFP 蛍光観察を行うため、引き続き植物を育ル化の果たす機能に関し、今後さらなる情報が得ら成中である。

れると期待している。

（考察と今後の展望）

2-1 シロイヌナズナ脱メチル化酵素の生殖細胞に1-1 シロイヌナズナ生殖細胞単離法の検討

おける発現解析

シロイヌナズナ胚珠から、セルラーゼを含む酵素

シロイヌナズナ ROS1,DML2 及び DML3 遺伝子のGFP液を用いて雌側生殖細胞を大量に調整することが可

マーカーラインの根端における観察から、根端では能となった。シロイヌナズナの子房 1 個中には胚珠

主に ROS1 が発現しており、DML2 及び DML3 は殆ど発

50 個程度が形成される。従って、今後 Bisulfite 法

現していないことが示唆された。現在、T1 植物を育による DNA メチル化解析を行うためには、少なくと成中であり、今後生殖細胞形成過程、生殖細胞、初も100 個の子房を準備して5000 個程度の生殖細胞を期発生過程においてもこれらの遺伝子の発現パター得る必要がある。今後、pFWA-GFP だけでなく、各生ンに違いが見られるか、それぞれの遺伝子の発現を

殖細胞のマーカー遺伝子のプロモーター下で GFP が

詳細に観察する予定である。さらに、今後、４つの発現する植物を準備し、プロトプラスト化した生殖DNA 脱メチル化酵素の変異体の生殖過程における表細胞について蛍光を指標にセルソーターで分取する

現形の観察を行い、発現解析の結果と照らし合わせ予定である。セルソーターにより単離した生殖細胞ることで、DNA 脱メチル化酵素の生殖細胞での機能からゲノムを抽出し、ゲノムワイドバイサルファイ

についてさらに考察できると考えている。

ト解析を行い、DNA メチル化状態について解析を進
めたい。

（謝辞）
本研究を行うにあたり、ウエスコ学術振興財団の1-2 ゼニゴケ免疫組織染色法の検討

学術研究助成の支援を頂き、深く感謝致します。

ゼニゴケの生殖細胞におけるクロマチン動態を調べる前段階として、葉状体における免疫染色の条件（参考文献）

検討を行い、転写に抑制的に働く H3K9me2 及び転写

（文献１）

活性化に働くヒストン H3 アセチル化のそれぞれのHMG domain containing SSRP1 is required for DNA

修飾の核内における分布を明らかにすることができ

demethylation and genomic imprinting in Arabidopsis. Ikeda Y,

た。ヘテロクロマチン領域に多く局在すると予想さ

Kinoshita Y, Susaki D, Ikeda Y, Iwano M, Takayama S,

れる H3K9me2 は、核内の DNA 密度の高い領域と分布

Higashiyama T, Kakutani T, Kinoshita T.Dev Cell. 2011, p589-96.

が一致しているのに対し、
ヒストン H3 アセチル化領（文献２）

域は核内の中心部には見られず、クロマチンが緩ん

One-way control of FWA imprinting in Arabidopsis endosperm by

で転写が活性化している領域と分布が一致している

DNA methylation. Kinoshita T, Miura A, Choi Y, Kinoshita Y, Caoと考えられた。現在、ゼニゴケの生殖器を誘導する

X, Jacobsen SE, Fischer RL, Kakutani T. Science. 2004, p521-3.

遠赤色光を含む光条件を実験室内で整えつつあり、（文献３）

今後、生殖器を誘導し、生殖細胞を用いた免疫染色

Embryo and endosperm inherit distinct chromatin andを行い、クロマチン修飾について解析する予定であtranscriptional states from the female gametes in Arabidopsis. Pillot

る。さらに、ゼニゴケの生殖細胞における DNA メチ

M, Baroux C, Vazquez MA, Autran D, Leblanc O, Vielle-Calzada

ル化の機能解析を進めるため、現在、ゲノム編集技

JP, Grossniklaus U, Grimanelli D. Plant Cell. 2010 p307-20.

術を用いたゼニゴケの DNA メチル化／脱メチル化酵素の機能欠損変異体の作製を開始しており、変異体の解析により、ゼニゴケ生殖細胞における DNA メチ- 74 -

【平成26年度研究費助成

研究成果報告書】

コムギ種子色を決定する R-1 遺伝子の種子休眠への遺伝子量的効果
岡山大学資源植物科学研究所（現 農研機構 東北農業研究センター）
氷見英子
コムギの種子色は R2R3 タイプの MYB 型転写制御因子である R 遺伝子によって制御され、R 遺伝子が優性の場合種子色が赤粒となる。コムギは A，B，D ゲノムを持つ異質 6 倍体でそれぞれのゲノムに R 遺伝子が座乗しており、計 3 つのうち 1 つでも優性であれば赤粒となる。経験的に種子の色が種子休眠に関係があるといわれており、赤粒種子は白粒種子に対して休眠が強いことが知られている。これまで R 遺伝子の数が休眠に関係し R 遺伝子の数が多くなるほど休眠が深くなるといわれている。しかしながらこの根拠となる実験では遺伝的背景の異なる複数の系統を比較していたため、R 遺伝子以外の要因が休眠に影響している可能性が考えられた。
そこで本実験では A, B, D ゲノムそれぞれに単独の R 遺伝子を持ち遺伝的背景がほぼ同一な準同質遺伝子系統
を用い、これらを交配することで R 遺伝子の数の異なる系統を育成した。さらに種子色以外に休眠に影響する遺伝子の影響を除去し、R 遺伝子のみの休眠への影響を調査した。その結果、R 遺伝子の劣性系統（白粒系統）に対して、優性の R 遺伝子を 1 つ持つ系統では休眠が強くなることが確かめられた。優性 R 遺伝子を 2 つ持つ系統の休眠は R 遺伝子が 1 つの系統と大差なく、R 遺伝子は 1 つでも優性であれば種子休眠に効果があることが明らかになった。
コムギは世界三大穀類の一つであり、世界の多く発表されている。コムギは A, B, D ゲノムを持つ異の国々で主食として用いられている重要な作物であ

質 6 倍体作物であり、
ゲノムサイズが大きいこと（イる。しかしながら近年の世界的な天候不順により、

ネの約 40 倍）、コムギは基本的に一年に一度しか収

収穫前の降雨によって種子が穂についたまま発芽す穫出来ないこと、種子色は母型形質であるため F3

る「穂発芽」という現象が世界各地で頻発している。

でようやく分離することから非常に時間がかかるこ

穂発芽種子は内部のデンプンが分解され、パンが膨と、6 倍体であるため分離比を見るには非常に多く

らまないなど商品価値が著しく劣化する。このことの個体数を観察する必要があるなど、コムギの遺伝から、穂発芽に強いコムギの育成が望まれてきてい実験はさまざまな困難があり、R 遺伝子が単離される。

たのは 21 世紀に入ってからである 1)。

経験的に種子の色が休眠に関係があることが知ら

種子色を制御するこの R 遺伝子は、R2R3 タイプ

れており、種皮にプロアントシアニジン（縮合タンの MYB 系の転写制御因子であり、種子のみで発現ニン）を蓄積した赤粒コムギは、色素量の少ない白

し、プロアントシアニジン生合成に関わる酵素遺伝

粒コムギに比べて休眠が強く、穂発芽しにくいこと

子群の発現を制御している。A, B, D ゲノムそれぞれが知られている。そのため収穫期と梅雨が重なりやの R 遺伝子同士は類似性が高く、どれか一つでも優すい日本では、赤粒品種が多く栽培されてきた。

性であれば赤粒となる。しかしこれらの配列は完全

種子色は肉眼で観察出来るため古くから遺伝形質に一致はしていないため、それぞれの異なる領域をとして用いられており、コムギの種子色はメンデル用いることで、それぞれの R 遺伝子のみを検出出来の法則に従って遺伝すること、また赤粒が優性であるマーカーがすでに開発されている 1, 2)。

ることが 1905 年には報告されている。
種子を決定す種子色が休眠に関係があると同時に、R 遺伝子のる因子である R（Red）遺伝子の存在が示唆され、ま数もまた休眠に関係があり、R 遺伝子の数が多いほた R 遺伝子が種子休眠に影響することは 1914 年にど休眠が強いと言われてきた。しかしながらこれら- 75 -

【平成26年度研究費助成

研究成果報告書】の実験で用いられている系統は遺伝的背景が異なり、選抜した系統は岡山大学資源植物科学研究所圃場

単純に比較が出来ない。そこで本実験ではで栽培した。開花した日に穂にラベルをつけ、開花

Novosibirskaya67 という系統を元に、R 遺伝子を A, B,

後 25，30，35 日目の穂を採取した。穂の上部・下部D ゲノムにそれぞれ 1 つずつ持つ準同質遺伝子系統

を除く中間部分の第一小花および第二小花の種子のANK-1D, ANK-1B, ANK-1C を用いてこれらを交配

みを 9cm シャーレに置床し、6mL の脱塩水を入れ、することで、遺伝的背景をそろえて R 遺伝子の数の15℃のインキュベーターに入れ、24 時間おきに 7 日

み異なる系統間での休眠を調査した（表 1）。

間まで、発芽種子数を計測した。
種子の「発芽しやすさ」を表す Germination Index

表 1. 用いた系統と遺伝子型
系統名は以下のように計算した。

R 遺伝子型 *1

Vp‐1B 型

Novosibirskaya67

r1r2r3

Vp‐1Ba（1 日目の発芽種子数×7＋2 日目の発芽種子数×6

ANK‐1C

R1r2r3

Vp‐1Ba＋・・・7 日目の発芽種子数×1）／（用いた種子数×7）

ANK‐1Dr1R2r3

Vp‐1Ba×100

ANK‐1B

r1r2R3

Vp‐1Bc

その結果、R 遺伝子を 1 つも持たない白粒系統

AB

r1R2R3

Vp‐1Ba(r1r2r3) に対し、A, B, D ゲノムに R 遺伝子がそれぞAD

R1R2r3

Vp‐1Baれ1 つずつある系統 (R1r2r3, r1R2r3, r1r2R3) では開BD

R1r2R3

Vp‐1Ba

花後 25, 30, 35 日目いずれの種子においても発芽し*1）R 遺伝子は現在 R‐A1/R‐B1/R‐D1 と表記するが、にくく、つまり休眠性が高くなっていることが明らかになった（図 2）。さらに、R 遺伝子が 2 つずつあ

煩雑になるためここでは旧表記方法を用いたる系統 (R1R2r3, R1r2R3, r1R2R3) では R 遺伝子が 1つの系統とあまり差がなく、優性の R 遺伝子は 1 つ

種子休眠は複合形質であり、種子色以外にも植物で休眠に強い影響を及ぼすことが明らかになった。

ホルモンの一種であるアブシジン酸(ABA)への感受

しかしながら今回の実験ではそれぞれの R 遺伝子

性などさまざまな要因が関与している。近年単離さ

型で 1 系統しか用いておらず、個体差による休眠のれた Vp-1 (Viviparous1) 遺伝子もまた休眠に強い影

違いも考慮する必要がある。さらに今回は発芽調査

響を与えることが調べられており、特に B ゲノム上を 15℃という厳しい条件で行っており、休眠のわずの Vp-1B 遺伝子が重要な役割を持っていることが明

かな差が反映されていない可能性も考えられる。まらかにされている。休眠の異なる複数の系統を調査た優性の R 遺伝子が 3 つそろった場合にも休眠に影した結果、Vp-1B 遺伝子には複数のタイプ（現時点

響が出るのかなど、今後さらなる実験が必要である

では 3 種類）があり、それぞれのタイプによって休と考えられる。

眠が異なることが知られている。
Vp-1 遺伝子はR 遺伝子の近傍に座乗するため連鎖本研究を行うにあたりまして、岡山大学資源植物

し や す く 、 本 実 験 で 用 い た ANK-1B は科学研究所の森泉准教授、および松浦恭和技術職員

Novosibirskaya67 の Vp-1B 遺伝子型とは異なるタイには実験のアドバイスやお手伝いを頂きました。まプを有していた。そこで準同質遺伝子系統同士を交た本研究は財団法人ウエスコ学術振興財団からご支配 し た 際 に 、 Vp-1 遺 伝 子 マ ー カ ー を 用 い て援を賜りました。心よりお礼を申し上げます。

Novosibirkays67 タイプの系統を選抜した（図 1）。
さらに、R 遺伝子のマーカーを用いて R 遺伝子型を調査し、A, B ゲノムのR 遺伝子が優性の系統(AB)、A, D ゲノムの R 遺伝子が優性の系統 (AD)、B, D ゲ
ノムの R 遺伝子が優性の系統 (BD)を選抜した。

- 76 -

【平成26年度研究費助成

研究成果報告書】

参考文献
1) Himi E, Maekawa M, Miura H, Noda K.
Development of PCR markers for Tamyb10 related to R-1, red grain color gene in wheat.
Theor Appl Genet. (2011), 122(8):1561-1576.
2) Himi E, Maekawa M, Matsuura T, Taketa S.
Real-time PCR-mediated diagnosis of hemizygosity at the Tamyb10-D1 locus controlling grain color in wheat
Molecular Breeding (2015), 35:90.

- 77 -

【平成26年度研究費助成

研究成果報告書】

小型半導体チップ型センサーによる土中水分量の計測手法の開発
岡山大学廃棄物マネジメント研究センター
小松 満
近年これまでの観測史上を上回る降雨強度が各地で記録されており，豪雨による土砂災害での被害は年々大きな問題となっている。現在，土砂災害の危険度を周知する方法としては，土壌雨量指数等が用いられているが，あくまで広域なエリアを対象としている。一方，個別の斜面に適用する手法としては，変動量や地下水位等を計測する手法があるが，急激に発生する現象には対応できない可能性がある。その他の計測項目には地盤のサクションがあるが，構造的なメンテナンスの必要性や地盤に封入された間隙空気の影響等の問題がある。
これらの現状を鑑み，本研究では土中水分量に着目した上で，新しいタイプのセンサーを用いて対象斜面や堤防法面に対する崩壊予知システムの開発につなげる基礎的な研究を実施した。具体的には，これまで頻繁に用いられてきた誘電率を測定する方法よりも低い周波数帯を採用することで，安価で長期間稼動するメンテナン
スフリーのセンサー開発を目指し，現場採取土による室内での校正試験と自然斜面および堤防における現場実
証実験を実施した。
1. 小型半導体チップ型センサーの適用評価

分量を調整して各センサーの測定値を記録した。試(1)センサーの仕様

験装置の概略図を図-1 に示す。直径 10cm，高さ 10cm

本研究で用いたセンサーは二川ら 1)によって開発のアクリル製カラムの底に飽和させたナイロンフィ

された小型半導体チップ型センサーである。10kHz

ルターを取り付けるとともに，カラムの中心に ADRと比較的低い周波数を使うため，土中水分量の変化

水分計及び小型半導体チップ型センサーを設置した。

に対する電気抵抗成分が支配的となるが，センサー部分の消費電力の低減が期待でき，計測回路が小型化できるなどのメリットがあることが特徴として挙げられる。計測対象物の土壌や溶液に電圧を印加する電極には，耐腐食性で他の物質と結合しづらい白金を用いており，2 つの電極が作る空間に電圧を印加し流れる電流を計測している。ここで，白金電極
は液体と接触した場合に電気二重層ができ，直流電圧印加ができない。そのため，10 kHz の正弦波で駆動させることで電気二重層の影響なく計測ができる

図-1 保水性試験(吸引法)装置概略図

ようになっている。また，このセンサーの計測デー
タは不破ら 2)が開発した無線Ad-Hocネットワークに斜面現場から採取した含水比状態で締固めて再構

組み込むことができる。そのため，電力や通信の有成した供試体に下部から注水することにより飽和度

線インフラからの自立と通信機器の一部が機能不全を高めた。注水後は，いずれも約 90％程度の飽和度に陥っても残った機器で通信が維持できることから，となった。試験方法は，最初に排水タンクを供試体

大規模な災害が発生しても稼働し続ける通信インフ

中央高さになるように配置した後，排水タンクとのラが構築できる利点がある。

高さを段階的に増加させて供試体内に負圧を発生せ(2)センサーの校正る方式で行い，排水量の経時変化を測定するととも現場採取試料に対して吸引法を用いて段階的に水に，排水量に有意な差が見られなくなった時点で各- 78 -

【平成26年度研究費助成

センサーの計測値を記録した。

研究成果報告書】

これらの結果から，センサー間でのデータは水分量試験結果を図-2 に示す。ADR 水分計は多項式近似の変化に対して同様の挙動を示したが，単体としてにより，チップ型センサーは，センサー単体とセンのチップ型センサーの出力値は飽和度 80％以上でサー間に分けて校正式を作成した。センサー本体のは変化が見られなかった。これは単体のセンサーで体積含水率は約 0.7（各試料の飽和度で約 90％程度）

は，計測範囲が狭いため，高い水分量の変化を捉え以下の領域でほぼ直線的に分布しているため，校正ることができないためであると判断した。

式は線形近似により求め，図中に記載した。センサ(3)パイピング発生の検知に関する検討ー間については，多項式近似で求めた。

次に堤防内での水分挙動の変化とともに浸透破壊
一次元浸透破壊実験によるボイリング発生時のセン
ADR Sensor

100

サー挙動について検討した。
試料には豊浦砂を用い，Chip Sensor

図-3 に示すように，単体のチップ型センサーと従来

80型の静電容量センサーを用い，段階的に動水勾配を60上げた際のセンサーの経時変化を記録した。その試40験として，静電容量センサーの値が急激に上昇する

20

挙動が確認できた（Case1）。つまり，地盤の間隙率の上昇による変化を捉えた結果であるが，供試体の

0
30

40

50

60

70

80
90
100
Degree of saturation,Sr (%)

Volumetric moisture content(a) 水頭差と飽和度の関係

一部でのみボイリングが起きたため計測範囲の狭い
チップ型センサーには変化が現れなかった。

0.8
Measured
Catalog

0.7

CapacitancesensorChip sensor

0.6

Marriotte tankPressuretransducer

0.5

φ100
Outflow

0.4
y = 1.216 x2 - 1.396 x + 0.718
R² = 0.989

0.3PCChip sensor

0.2
0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

LoggerCapacitancesensorSpecimen

1.0
1.1
1.2
Output of ADR Sensor (V)Inflow

Volumetric moisture content

0.7
0.6
0.5
0.4

y = 4.68E-04x + 2.01E-01
R² = 9.40E-01

tank

Stainless mesh
(Unit：mm)

0.8
y = 9.31E-09x3 - 7.24E-06x2 + 2.09E-03x + 1.85E-01
R² = 8.03E-01

H

60
50

0

(b) ADR 水分計
Volumetric moisture content

100

Pressuretransducer

0.490

700

Capacitance sensor
Chip sensor

0.480

600

0.470

500

0.460

400

0.450

300

0.440

200

0.430

100

0.3
Single sensor
0.2

Multi sensor
Calibration

0.1
0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000
Output(c) 小型半導体チップ型センサー

0

0.420
0

5

10

15

20

25

30

35
40
45
Elapsed Time (min)

図-3 鉛直一次元浸透破壊実験（Case1）

図-2 センサー校正試験結果- 79 -

Output of chip sensor (raw)Nagtive Pressure head (cm)時における間隙率の変化を捉えることを目的に鉛直120

【平成26年度研究費助成

研究成果報告書】

そこで，図-4 のように 2 つのチップ型センサーをのセンサーとセンサー間のいずれとも有効な変化が用い，センサー間での測定を試みた結果，急激に値得られなかった。特に土槽外側にセンサーを配置しが上昇する挙動を示したことから，その有用性を確たことで計測方向の指向性を伴ったため，センサー

認することができた（Case2）。

間での計測範囲が狭くなったことが推察された。そこで，単体のセンサーをパイピングが発生した箇所に設置して再度試験を実施したところ（Case2），急Chip sensor 1

Marriotte tankDifferential
Pressure transducer

激にセンサーの値が上昇する現象が見られた。結果

Chip sensor 2として，浸透破壊現象のモニタリング手法として最φ100

適なセンサ配置が必要であることが判明した。
Outflow
100

PC
Chip sensor 1

Filter (Stainless mesh)

0900

Stainless mesh

Output (raw)

800

Chip
sensorChipsensorConstant
head tank

650

Water
SupplyToyoura sandChip sensor 1
Chip sensor 2
Chip sensor 1-2

700

PVC
plate

(Unit：mm)

Inflow

Graveltank

Chip sensor 2

Specimen

150

H

60
50

50
Drainage

90

600

30

122

60

90

910

Output(raw)

500
400
300
200

(unit:mm)

926

600

500

400

100
300

0
0

5

10

15

20

25

30

35
40
45
Elapsed time (min)200

図-4 鉛直一次元浸透破壊実験（Case2）

Chip Sensor 1(raw)Chip Sensor 2(raw)Chip Sensor 1-2(raw)100

次に，図-5 に示すように断面二次元土槽実験によ

0って法尻付近の間隙率の変化を捉えることを試みた。

500

試料は鉛直一次元実験と同じ豊浦砂であり，土槽は幅 93cm×高さ 90cm×奥行 12cm のアクリル製で，定Output (raw)

0

10

20

30

40
50
Water head difference, H (cm)

400

300

水位タンクから砕石層により一定水位で通水させる構造となっている。堤体内の浸透流解析結果に基づ

200

き，法肩から法尻までをモデル化した構造とし，表100

面を不透水境界とした。チップ型センサは表面の不透水境界の外側の基盤層に該当する部分に土槽の外00側からセンサチップよりも若干大きい孔を設け，内

50

100

150

200

250

300
350
Elapsed time (min)

図-5 断面二次元土槽実験（上図：Case1，下図：Case2）部の水が漏れないように，アクリル表面にエポキシ製の接着剤を用いて貼りつけた。また，流出側は一定水位で排水できる構造とした。

2. 自然斜面および堤防における現場実証実験

試験結果を図-4 に示す。Case1 では鉛直一次元実(1) 岡山市内の河川堤防における現地計測

験と同様にパイピングが一部で発生したため，個々河川堤防の堤内地側の中腹地点において，表層か- 80 -

【平成26年度研究費助成

研究成果報告書】

らの降雨浸透挙動を評価するため，従来型の多点水

図-8 に示す研究対象斜面現場で表層付近にセン分量センサーを設置した。図-6 に示す計測データ

サーを埋設して計測データの経時変化を記録した結（1/7 以降で途切れているのは，ロガーの不具合に果を図-9 に示す。小型半導体チップ型センサ（深度よる欠損）から降雨による浸透量を算出した。算定50cm）については従来型の ADR センサー（データが方法としては，降雨開始直前の堤防内の土中水分量

途切れているのは，ロガーの不具合による欠損）との分布からの増加量を面積で求め，その最大値を浸同様に降雨後の出力値の上昇が見受けられた。しか透量として算出した。また，12/4 の降雨に対する計し，一部では反応していないところもあり，大きな測結果を図-7 に示す。チップ型センサーの出力結果ばらつきが見られた。

では，従来型との差異が認められたことから計測精

0.50

0.0

0.45

0.5

0.40

1.0

0.35

1.5

0.30

2.0
2.5
7cm
17cm
27cm
37cm
57cm
97cm
Rain

0.20
0.15
0.10
0.05
11/29

12/6

12/13

12/20

12/27

1/3

1/10

1/17

3.5
4.0
4.5

図-8 対象斜面現場と計測機器設置状況

5.0
1/24
1/31
Date (2014-2015)
Volumetric moisure content

Infiltration amount (mm)

0.00
11/22

3.0

15

10

y = -0.0153x2 + 0.9254x + 0.041
R² = 0.7669

0.7

0

0.6

No.5-10cm
No.5-30cm
No.5-50cm
rain

0.5

10
20

0.4

30

0.3

40

0.2

50

Rainfall Intensity (mm/h)

0.25

Rainfall intensity (mm/30min)

Volumetric moisture content

度向上の課題が残った。

5

0.1
5/19

0
5

10

15
20
Cumulative rainfall (mm)0Chip sensor
Soil moisture probe
Rainfall

0.095

1

0.090

2

0.085

3

0.080

4

0.075

5

0.070
0:00

6:00

12:00

18:00

Rainfall intensity (mm/30min)

Volumetric moisture content

図-6 現地計測結果（上図：多点水分量センサーによる計測結果，下図：降雨浸透量算定結果）
0.100

6/17

7/1

7/16

7/30

8/14

8/28

9/12

9/26

60
10/11
Date(2014)

Volumetric moisture content

0

6/2

0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
5/19

6/2

6/17

7/1

7/16

7/30

8/14

8/28

9/12

9/26 10/11
Date (2014)

図-9 現地計測結果（上図：ADR，下図：チップ型センサー）60:00
Time (2014/12/4)

図-7 多点水分計とチップ型センサーの比較

さらに，現地でのサンプリングを行い，現場計測精度の検証を行った結果を図-10 に示す。従来セン(2) 塩尻市内の斜面における現地計測

サーでの測定結果はサンプリング結果よりも若干低- 81 -

【平成26年度研究費助成

研究成果報告書】

い結果となった。一方，チップ型センサーは，ADR

対して同様の挙動を示したが，単体としてのチッ

水分計に近く，サンプリング結果よりも若干低くな

プ型センサーの出力値は飽和度 80％以上では変った。

化が見られなかった。
これは単体のセンサーでは，計測範囲が狭いため，高い水分量の変化を捉える

Depth （GL- cm)

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

Volumetric misture content
0.5

0.6

0.7

0

2)鉛直一次元浸透破壊実験によるボイリング発生時

1405181405191410091020のセンサー挙動について，単体のチップ型センサ

30

ーと静電容量センサーを用い，段階的に動水勾配40を上げた際のセンサーの経時変化を記録した結果，

50

静電容量センサの値が急激に上昇する挙動が確認

60できた。これは，地盤の間隙率の上昇による変化

70だと判断できるが，供試体の一部でのみボイリン

80

グが起きたために計測範囲の狭いセンサーでは測90Depth (GL- cm)(a) センサー設置時と撤収時のサンプリング結果
0

0.1

0.2

0.3

0.4

定できなかった。そこで，複数のチップ型センサ

Volumetric moisture content
0.5
0.6
0.7

0

ーを用い，センサ間での測定を試みた結果，同様に急激に値が上昇する挙動を示したことから，そ14051914091310の有用性を確認することができた。

20303)断面二次元土槽実験によって法尻付近の基盤層に40おける間隙率の変化を捉えることを試みた結果，

50

センサーの設置位置によって値が上昇する場合と60変化しない場合が見られた。これは，実際の堤防7080での浸透破壊現象のモニタリング手法としては，

90

最適なセンサ配置が必要であることを示唆してい(b) ADR 水分計の設置時と撤収時の計測結果

る。

0
Depth (GL -cm)

ことができないためであると判断した。

0.1

0.2

0.3

0.4

4)岡山市内の河川堤防において降雨の浸透挙動を計

Volumetric moisture content
0.5
0.6
0.7

測し原位置における土中水分量の変化について確010140519141009

認した結果，従来の多点水分量センサーの計測デ

20

ータから降雨量に近い浸透量が得られた。また，

30
40

単体によるチップ型センサーの出力結果では，土50

中水分計とのある程度の相関が見られた。なお，

60

現地採取した試料を基にセンサーの校正を行った

7080が，出力値を体積含水率に変換するだけの十分な90

測定結果を得ることはできなかった。

(c) チップ型センサーの設置時と撤収時の計測結果

5)自然斜面での現場計測データを評価した結果，小図-10 サンプリングと各センサーの計測値の比較

型半導体チップ型センサーは従来型の ADR 水分計と同様に降雨後の出力値の上昇が見受けられた。

3. まとめ

しかし，値が上昇する過程で大きなばらつきが見

以下に本研究の実施内容についてまとめる。

られたことから，校正データの再検証が必要であ

1)現場採取土によるチップ型センサーの校正を行っる。

た結果，センサー間でのデータは水分量の変化に

6)現地でのサンプリングを行い，現場計測精度の検- 82 -

【平成26年度研究費助成

研究成果報告書】

証を行った結果，従来センサでの測定結果とサン

参考文献

プリング結果との間での一定の整合性を確認した。

1) Futagawa, M., T. Iwasaki, T. Noda, H. Takao,

一方，チップ型センサーに対しては，単体の計測

M. Ishida, and K. Sawada: Miniaturization of

結果にサンプリング結果との整合性が見られたもElectricalのの，
計測データに大きなばらつきが認められた。

Multimodal Smart Microchip, Japanese Journal

Conductivity

Sensorsforaof Applied Physics, Vol.48, No.04C184, pp.1-4,
チップ型センサーによるセンサー間の測定は数メ

2009.

ートル程度が可能であると考えられているが，今後

2) 不破泰：大規模災害時にも稼働する高耐障害性通の課題としては，具体的なセンサー間についての検信インフラとこのインフラを用いた地域見守り

証が挙げられる。また，センサー近傍では計測範囲

システム,日本信頼性学会誌, Vol.34, No.8,が微小なため，高い水分量においては，その変化を

pp.506-512, 2012.

捉えることが出来ない可能性がある。これは，セン

3) 二川雅登，小松満，鈴木彦文，竹下祐二，不破泰，

サー電極間の疎水性が影響していると考えられるた

澤田和明：小型ECセンサーを用いた斜面崩壊予測

め，今後はこの部分の改良が必要であることが明らセンサーの開発，電気学会論文誌E（センサー・かとなった。

マイクロマシン部門誌），Vol.133，No.9，2013.

- 83 -

【平成26年度研究費助成

研究成果報告書】

自然薯のプロスタグランジン E2 合成系抑制による抗炎症・抗腫瘍効果
岡山県立大学保健福祉学部栄養学科
山本 登志子，津嘉山 泉，武田 泰典，戸田 圭祐，目賀 拓斗
脂 質 メ デ ィ エ ー タ ー の プ ロ ス タ グ ラ ン ジ ン (PG)E 2 は ， 生 体 内 に お い て 様 々 な 恒 常 性 の 維 持の み な ら ず ，慢 性 疾 患 の 素 因 で あ る 炎 症 や ，癌 な ど の 様 々 な 病 態 誘 発 に も 関 与 す る 。PGE 2 は ，
不 飽 和 脂 肪 酸 の ア ラ キ ド ン 酸 よ り シ ク ロ オ キ シ ゲ ナ ー ゼ （ COX） と PGE 合 成 酵 素 （ PGES） に
よ っ て 生 合 成 さ れ ， 病 態 時 に は ， それぞれのアイソザイムである COX-2 と mPGES-1 の発現が誘導されて過剰な PGE2 が産生される。私 達 は ，過 剰 な PGE 2 が 惹 起 す る 病態の予防を目指して，PGE2 合成系をターゲットとした副作用の少ない食品機能性の探索に取り組んでいる。そ の 中 で ， 最 近 ， 自然薯が新規食品機能性として，COX-2 と mPGES-1 の発現抑制効果を 有 し ，炎症や癌のモデル細胞ならびに動物において，PGE 2 合
成 系 抑 制 を 伴 う 抗炎症・抗腫瘍効果を発揮することを明らかにした。
1． はじめに
脂質メディエーターとは，局所で一過的に産生され，近傍の細胞膜受容体に作用してシグナルを伝え，速やかに分解される脂溶性物質の総称である。その一つである
PGE 2 は ， 炎 症 ， 発 熱 ， 痛 覚 伝 達 ， 癌 ， 動 脈硬化，神経変性疾患などの様々な病態に関与 す る 。 PGE 2 は ， ω 6 系 不 飽 和 脂 肪 酸 の ア
ラ キ ド ン 酸 よ り ， COX に よ っ て 代 謝 さ れ た
PGH 2 を 基 質 と し て ，PGES に よ っ て 生 合 成 される。

プロスタグランジン合成経路

COX に は 構 成 型 の COX-1 と 誘 導 型 の COX-2の 2 つ の ア イ ソ ザ イ ム が 存 在 し ，PGES に は

世界各国におけるヤマノイモに属する種は 600 種

膜 結 合 型 の mPGES-1 と mPGES-2， 細 胞 質 型類以上あり，それらのうちの少なくとも 12 種類は，の cPGES の 3 つ の ア イ ソ ザ イ ム が 存 在 す る 。

主食や強壮食として広く食されている(1)。
ヤマノイ

病 態 時 に は ， COX-2 と mPGES-1 が連関して発現がモ科の植物は，喘息，リウマチ性関節炎，気管支炎，

誘導されて，過剰な PGE2 が産生される。PGE 2 の 産腸の攣縮，閉経後障害，月経障害の緩和，あるいは，

生 を 抑 え る 目 的 で ， COX 阻 害 薬 の アスピリン

抗酸化作用やアンチエイジングの効果を有することやインドメタシンをはじめとする非 ス テ ロ イ ドなどが報告されている(1-5)。
我が国原産のヤマノイ性 抗 炎 症 薬（ NSAIDs）が 広 く 臨 床 応 用 されてモ科に属する自然薯は，特有の粘りをもち，その粘おり，炎症や発熱のみならず癌を抑えることも知ら

性成分ムチンによる胃粘膜保護や含有するアミラー

れている。しかしながら，胃粘膜障害や心臓血管系

ゼによる消化促進効果が知られている。古くから，障害などの重篤な副作用が報告されており，予防目

滋養強壮や老化予防などの効果も期待されてきたが，的の長期服用は難しい。そ こ で 私 達 は ，これらのこれらについては，必ずしも科学的な報告がなされ病態の予防を目指して，PGE2 合成系をターゲットとていない。本研究において，私達は，炎症や癌のモした副作用の少ない食品機能性の探索に取り組んで

デル細胞ならびに動物を用いた実験を行い，COX-2

きた。

と mPGES-1 をターゲットとした自然薯の新規食品機- 84 -

【平成26年度研究費助成

能性を探索した。

研究成果報告書】

Boston，MA)の抗体を使用した。また，同じ上清を用いてCOX-2の酵素活性を測定した。酵素反応は，25 M

2． 実験材料・方法のリノレイン酸を基質として，その反応生成物の2-1． 自然薯乾燥粉末

9-hydroxyoctadecadienoic acids (9-HODE)と3-HODE

全ての実験で使用した自然薯の低温乾燥粉末は，を逆相液体クロマトグラフィーで分析した(8)。
2-5. 免疫組織化学

皮を取り除き，天日干しで 40℃以下の低温乾燥を行

培養細胞あるはマウス皮膚を4%パラフォルムアル

い，その後粉砕し，60 メッシュでパウダー状にした試料である。

デヒドで固定し，皮膚組織はその後パラフィン切片

2-2． 細胞および動物を作製してその後の解析を行った(9)。
培養細胞では，

in vitro 実験には，癌モデルのヒト非小細胞肺癌

COX-2の転写因子であるNF- B抗体(Cell Signaling

A549 細胞やヒト大腸癌 Caco-2 細胞と，炎症モデル

Technology)を用いて細胞内局在を解析し，皮膚組織のリポポリサッカライド（LPS）刺激マウスマクロフ

においては，
先述のCOX-2とmPGES-1抗体で解析した。

ァージ RAW264 細胞を用い，in vivo 実験には，

2-6. COX-2プロモーターアッセイ

17,12-dimethylbenz [a] anthracene (DMBA) とCOX-2プロモーター領域とCypridina luciferase

12-O-tetradecanoylphorbol 13-acetate (TPA)の塗(Cluc)遺伝子を有するCOX-2/Cluc plasmid(10)を布による化学物質誘導皮膚癌モデルマウスを用いた

A549細胞あるいはRAW264細胞に導入し，分泌型ルシ(6)。モデル細胞には，自然薯乾燥粉末の 50%エタノ

フェラーゼの酵素活性をルミノメーターで測定した。

ール抽出物（DJE）を添加し，モデル動物には，DJE

酵素反応にはBioLux Cypridina Luciferase Assayの塗布に加え，10%自然薯粉含有餌の自由摂食による

Kit (New England BioLabs Inc., Ipswich, MA)を用投与を行った。

いた。

2-3． 定量 RT-PCR による遺伝子発現解析

2-7. in situ アポトーシス検出TUNELアッセイ

細胞あるいはマウス皮膚よりtotal RNAを抽出し，細胞のアポトーシス検出のために，細胞内DNA断片

High-Capacity cDNA Reverse Transcription Kit

化 を terminal deoxynucleotidyl transferase-(Applied Biosystems, Foster City，CA)を用いてmediated dUTP nick end labeling (TUNEL)法によりcDNA を作製した。この cDNA を鋳型として各遺伝子

解 析 し た 。 TUNEL 染 色 に は Peroxidase In Situ

に対する特異的プローブを用いて，SYBR green

Apoptosis

real-time PCR の Comparative Ct 法(ΔΔCt 法)にてBillerica， MA)を用いて，光学顕微鏡にて陽性細胞

遺伝子の発現量を比較定量した。各遺伝子の mRNAを観察した。

Detection

Kit

(EMD

Millipore ，発現量はグリセルアルデヒド-3-リン酸デヒドロゲ
ナーゼ（GAPDH）を内部標準とした相対値として算出

3． 結果

した。

COX-2とmPGES-1を恒常的に強く発現している肺癌

2-4． タンパク質発現と酵素活性測定

モデル細胞のヒト非小細胞肺癌A549細胞に，自然薯

細胞ホモジネートの10,000xgの遠心分離より得ら

乾燥粉末の50%エタノール抽出物（DJE）を添加してれた上清を用いて，COX-2とmPGES-1のタンパク質発

PGE2合成系におよぼす影響を解析した（7）。DJEを各

現動態をウエスタンブロットにより解析した。その濃度で添加し，COX-2とmPGES-1のmRNA発現量を定量解析には，rabbit anti-COX-2 antibody (Immuno-

PCR法にて解析したところ，両酵素のmRNA発現量はいBiological Laboratories Co.，Ltd.，
Gumma，
Japan)，

ずれもDJE濃度依存的に抑制された。特に，100 g/ml

rabbit anti-mPGES-1 antibody (Cayman Chemical Co.

でDJE添加によって最も効果が高かったので，以降のAnn Arbor，MI) と 内部標準の解析としてrabbit

実験にはこの濃度を用いることとした。加えて，

anti -actin anibody (Cell Signaling Technology，COX-2とmPGES-1のタンパク質発現レベルでの効果を- 85 -

【平成26年度研究費助成

研究成果報告書】

は，DJE添加によって抑制された。次に，このような
PGE2合成系酵素の発現抑制が癌細胞A549のアポトー
シス誘導におよぼす影響について解析した。
DJEは抗アポトーシス因子Bcl-2のmRNA発現を有意に抑制し，さらに，in situ アポトーシス検出TUNELアッセイにおいて，TUNEL陽性細胞の増加が観察された。以上のことから，
DJE添加によって，肺癌細胞におけるCOX-2とmPGES-1の発現が抑制され，少なくともCOX-2についてはその効果が転写制御を伴うことが明らかとなった。さらに，DJE添加は，癌細胞をアポトーシスへ導くことが示された。

A549細胞におけるDJEのCOX-2とmPGES-1発現抑制

A549 細胞でのウエスタンブロット，COX 活性，PGE2
抗アポトーシス因子Bcl-2の発現抑制とTUNEL陽性細産生量の解析

胞の増加確認するために，ウェスタンブロット法によって両酵素タンパク質の発現を観察したところ，
DJE添加に

次に，DJEの効果を炎症モデルLPS刺激RAW264細胞

よっていずれの酵素のタンパク質量も有意な減少がにおいて解析した。
図6に示すように，
LPS刺激RAW264

認められた。さらに，COX活性や代謝産物のPGE2量も細胞においても，
DJEはCOX-2とmPGES-1の発現を抑制

DJEによって有意な減少が認められた。DJE添加によした。また，A549細胞と同様に，COX-2の発現は転写

るCOX-2とmPGES-1の発現抑制効果は，A549細胞のみレベルで制御されていることを確認した。さらに，

ならず，ヒト大腸癌モデルCaco-2細胞でも，程度は

DJEは，炎症性サイトカインのIL-1 とIL-6の発現をやや弱いものの同じような効果が認められた。A549

有意に抑制し，抗炎症効果を有することが示唆され細胞におけるCOX-2の発現抑制効果について，その転た。

写レベルでの制御を解析するために，
COX-2の転写因子の一つであるNF- Bの細胞内局在を，細胞免疫染色法により観察した。
COX-2の発現が高いA549のコン
トロール細胞においては，NF- Bは核に局在しているが，
DJE添加によって細胞質へトランスロケーションしていることがわかった。さらに，COX-2の転写活性を測定するために，ルシフェラーゼをレポーター
ジーンとするプロモーターアッセイをおこなったと

PGE2合成系酵素の発現抑制，COX-2転写活性の低下ところ，TPA刺激によって誘導されるCOX-2の転写活性

炎症性サイトカインの発現抑制効果- 86 -

【平成26年度研究費助成

研究成果報告書】

そこで，このような自然薯の効果をin vivo で評

明らかとなった。これまでに，天然物由来のCOX 2

価するために，
DMBAとTPAの二段階化学物質誘導皮膚発現抑制効果を有するものとして，赤ワインなどに癌モデルマウスを用いて実験を行った。正常と皮膚多く含まれるレスベラトロール（11）やビールホッ

癌誘導マウスに加え，自然薯投与群として，10%自然

プに含まれるフムロン（12），プロポリスにふくまれ薯粉含有餌の自由摂食群とDJE塗布群を作製した。
皮

るクリシン（13）などのいくつかの物質が報告され

膚ポリープ形成について観察したところ，その数にている。しかしながら，mPGES-1の発現抑制物質につおいては正常を除く各群間に有意な差は認められな

いては，クルクミン(14)やスルホラファン（15）なかったが，ポリープ体積は，癌誘導コントロール群

どのわずかな報告だけである。また，これらの報告に比べて自然薯食群とDJE塗布群において有意な減については，in vivoでの検証結果は示されていない。

少が認められた。特に，癌誘導コントロール群で見今回，私達が明らかにした自然薯の効果は，COX-2

られるような大きいサイズのポリープは観察されなとmPGES-1の両方に対して認められ，さらに，その効かった。さらに，いずれの自然薯投与群でも，皮膚果がモデルマウスにおいても確認され，抗炎症・抗のCOX-2とmPGES-1の発現が抑制され，加えて，IL-1

腫瘍効果が示されたことは意義深い。

とIL-6の発現も抑制された。また，脂質メタボロー
ム解析を行ったところ，癌誘導によって上昇する
PGE2量が自然薯投与によって減少することが認められた。次に，各群から組織標本を作製し，詳細な病理組織解析と免疫組織化学解析を行った。病理組織解析においては，皮膚癌誘導によって，癌細胞による表皮の肥厚が自然薯投与によって減少していることが観察された。また，自然薯投与によって癌組織周辺への炎症性細胞の浸潤が減少した。この炎症細胞の浸潤の程度を数値化するために，好中球のマーカーであるLy6G抗体を用いた蛍光免疫染色を行い，1mm3の体積における陽性細胞数を計測したところ，正常マウスではほとんど認められない陽性細胞が，癌誘導コントロールマウスでは数百個/mm3観察され，自然薯投与群では約半分に減少した。次に，COX-2

自然薯によるPGE2合成系酵素の発現抑制を伴う抗炎とmPGES-1の発現細胞を，特異的抗体を用いて免疫組症・抗腫瘍効果

織化学的に解析したところ，COX-2の発現は，増殖した癌細胞のみならず，表皮樹状細胞のランゲルハンス

本研究においては，自然薯あるいは自然薯の粗抽細胞に強く観察され，自然薯処理により，これらの細胞

出物の食品機能性を明らかにすることができたが，における陽性強度の低下が認められた 。一方，

次に，このような機能を有する成分を同定し，そのmPGES-1の発現は癌細胞で観察されたが，ランゲルハ

作用機序を解明することが必要である。そこで，現ンス細胞では特に強い発現は認められなかった。

在，機能性成分の同定に取り組んでいるところであるが，その一つの候補物質として自然薯に多く含まれる植物ステロールのディオスゲニンが想定された。

4． 考察
以上の結果より，癌や炎症のモデルを用いたin

そこで，ディオスゲニンについても同様の解析をおvivoとin vitroの評価系の両方で，自然薯はPGE2合

こなったが，COX-2に対してはDJEよりも弱い効果し成系抑制を伴う抗炎症・抗腫瘍効果を有することがか認められず，
mPGES-1に対しては有意な効果は認め- 87 -

【平成26年度研究費助成

研究成果報告書】

られなかった（7）。したがって，現在確認されていP, Shlomchik M, Kaplan DH, Hayday A, Girardi

る効果は，ディオスゲニンも含めた複数の機能性成

M. Langerhans cells facilitate epithelial

分による統合的な現象と考えられ，現在，COX-2やDNA damage and squamous cell carcinoma.

mPGES-1の抑制効果を有する機能性成分について，
さScience. 335(6064), 104-108 (2012)

らに単離同定をすすめているところである。今回，(7) Suzuki-Yamamoto T, Tanaka S, Tsukayama I,

私達が示した研究結果において，自然薯粉含有餌のTakafuji M, Hanada T, Arakawa T, Kawakami Y,

経口摂取によっても効果が十分に認められたことは，

Kimoto M, Takahashi Y. Dioscorea japonica

自然薯の機能性食品としての有用性が強く期待されextract down-regulates prostaglandin E2

るものである。今後は，このような高機能性を有す

synthetic pathway and induces apoptosis inる自然薯を用いた加工食品への応用も検討中である。

lung cancer cells. J. Clin. Biol. Nutri.
55(3), 162-167 (2014)

5． 参考文献(8) Kawakami

Y,

Nakamura

T,

Hosokawa

T,(1) Liu SY, Chang TW, Lin YK, Chen SF, Wang JY,

Suzuki-Yamamoto T, Yamashita H, Kimoto M,

Zu GL, Wang SC. Studies on the varietal

Tsuji H, Yoshida H, Hada T, and Takahashi Y.

characters, production potential,

Antiproliferative activity of guava leaf

phytochemical properties, and antioxidant

extract via inhibition of prostaglandin

effect of Dioscorea spp. J. Agri. Res. 8,

endoperoxide

1-22 (1999)

Prostaglandins, Leukotrienes and Essential

Hsynthaseisoforms.

Fatty Acids. 80(5-6), 239-45 (2009)(2) Dentali S. Clearing up confusion over yams
and progesterone. Altern Ther Health M. 2,(9) Suzuki-Yamamoto T, Toida K, Sugimoto Y, and19-20 (1996)

Ishimura K. Colocalization of prostaglandin(3) Taffe AM, Cauffield J. “Natural” hormone

F2

receptorFP

andprostaglandinF

replacement therapy and dietary supplements

synthase-I in the spinal cord. J. Lipid Res.

used in the treatment of menopausal symptoms.

50, 1996-2003 (2009)

Lippincott’s Prim Care Pract. 2, 292-302(10) Arakawa T, Ohta T, Abiko Y, Okayama M,
Mizoguchi I, Takuma. A polymerase chain(1998)(4) Kwon CS, Sohn HY, Kim SH, Hyun J, Son KH, Leereaction-based method for constructing a

JS, Lim JK, Kim JS. Anti-obesity Effect oflinearDioscorea nipponica Makino with Lipase

methylation. Anal. Biochem. 416, 211 217

inhibitory Activity in Rodents. Biosci(2011)

Biotechnol.

Biochem.

67(7),

vectorwithsite-specificDNA(11) Subbaramaiah K, Chung WJ, Michaluart P,

1451-1456(2003)

Telang N, Tanabe T, Inoue H, Jang M, Pezzuto(5) Chen H, Wang C, Chang C, Wang T. Effects of

JM, Dannenberg AJ. Resveratrol inhibits

Taiwanese yam (Dioscorea japonica Thunb var.

cyclooxygenase-2 transcription andpseudojaponica Yamamoto) on upper gut

activity in phorbol ester-treated human

function and lipid metabolism in Balb/c mice.

mammary epithelial cells. J. Biol. Chem.

Nutrition. 19(7-8), 646-51 (2003)

273(34), 21875-21882 (1998)(12) Yamamoto K, Wang J, Yamamoto S, Tobe H.

(6) Modi BG, Neustadter J, Binda E, Lewis J,
Filler RB, Roberts SJ, Kwong BY, Reddy S,

Suppression

Overton JD, Galan A, Tigelaar R, Cai L, Fu

transcription by humulon of beer hop extract- 88 -

ofcyclooxygenase-2

gene【平成26年度研究費助成

studied with reference to glucocorticoid.
FEBS Lett. 465, 103 106 (2000)(13) Ha SK, Moon E, Kim SY. Chrysin suppresses
LPS-stimulated proinflammatory responsesby blocking NF- B and JNK activations in
microglia cells. Neurosci. Lett. 485,143
147 (2010)(14) Moon Y, Glasgow WC, Eling TE. Curcumin
suppresses interleukin 1beta-mediatedmicrosomal prostaglandin E synthase 1 byaltering early growth response gene 1 andother signaling pathways. J. Pharmacol. Exp.

Ther. 315(2), 788-795 (2005)(15) Zhou J, Joplin DG, Cross JV, Templeton DJ.
Sulforaphane inhibits prostaglandin E2
synthesis by suppressing microsomal
prostaglandin E synthase 1. PLoS One. 7(11),e49744 (2012)
6．謝辞
本研究を遂行するにあたり，研究助成を賜りました公益財団法人ウエスコ学術振興財団に深く感謝申し上げます。

- 89 -

研究成果報告書】

【平成26年度研究費助成

研究成果報告書】

食品素材や化粧品素材」としての「高機能化ポリフェノール誘導体」の環境に優しい「次世代型酵素的合成システム」の開発
岡山県立大学 保健福祉学部 栄養学科
中島 伸佳

1. はじめに花の色の多彩さや美しさを担う天然植物色素はフラボノイドを基本骨格（アグリコン）とした配糖体構造を有し，さらに糖の特定の水酸基が位置特異的にアシル化を受けている場合が多く，このような化学
構造的な修飾が植物色素の安定性や生理機能に深く関与しているといわれている。
天然植物色素は，それ自体が持つ抗酸化性などの生理機能から健康食品などとして注目される一方，それらの中には美白効果などを有する化合物も存在し

3. アシル化アルブチンの酵素合成ており，化粧品素材や食品添加物などとしての利用や研究も試みられている。
そこで，本研究では，まず美白効果があるとされている植物性成分のひとつであるアルブチンに各種の芳香族酸を導入したアシル化アルブチンを酵素的

さらに，９種類のリパーゼを用いてアルブチンへのに合成（リパーゼのエステル交換反応を利用）し，桂皮酸エステル化に関するスクリーニングを行った。

高機能で新規な食品素材や化粧品素材などを開発す

その結果，酵素としては CAL-B（Chirazyme L-2）が，ることを目的とした。

溶媒は脱水していないアセトニトリルが最適で，２日後に最大変換率（90%）を示した。同様に，アシル

2. アシルドナーの合成ドナーとして p-クマール酸ビニル(3b)とフェルラ

リパーゼ触媒によるトランスアシル化には，
通常,酸ビニル(3c)を用いた場合も， 2 日後に最大変換率

芳香族酸ビニルがアシルドナーとして必要である｡（5b: 85%，5c: 70%）を示した。

しかし，桂皮酸ビニル(3a)以外は市販されていないので以下のように化学的に合成した｡

現在，当該研究の平成２７年度の「継続申請中」であるが、これらの酵素的アシル化誘導体の生理機能の解析を実施すると共に，ポリフェノール型天然植物色素配糖体（フラボノイド系色素やアントシアン
系色素など）の酵素的アシル化による機能改変に始まる「新規な食品素材や化粧品素材の環境に優しい

次に，フェノール性水酸基のアセチル基を脱保護

酵素的合成」などへの、さらなる応用・利用を検討するために，EtOH 存在下でのリパーゼによる位置選中である。

択的な脱保護を行った｡- 90 -

【平成26年度研究費助成

研究成果報告書】

上肢の運動制御における筋機能に着目した左右差に関する研究
岡山県立大学 情報工学部 人間情報工学科
大山 剛史
利き手と非利き手として知られる運動制御における左右差（ラテラリティ）とは，習熟度の違いではなく運動タスクに応じた機能の分業化であることが最近の研究によって明らかになってきている．本研究は上肢の姿
勢固定タスクにおける上腕二頭筋と上腕三頭筋の共収縮における利き手と非利き手の違いについて調べた．表面筋電位と手先位置の変動に関する計測データを解析した結果，非利き手の方が利き手よりも上肢の二関節筋の共収縮が起こりやすく，このことが上肢の姿勢固定に有利にはたらくことが示唆された．

１．背景

実験手順 被験者は直立した状態で，床面に対して非利き手の方が良い性能を発揮できる運動タスク

上腕を垂直に，前腕を水平に，手の平を上向きにしの一つとして姿勢の固定がある（Wang & Sainburg,て直径約2.5 cmの木製の棒を握った姿勢で待機する

2007）．一方，姿勢の固定や外力への補償には上腕二ように指示された．

頭筋，上腕三頭筋のような二関節筋が有効であると木製の棒には負荷として質量 1 kg のダンベルをの報告がある（van Bolhuis et al., 1998）．二関節

紐で吊り下げており，吊り下げた状態から実験者が筋は複数の関節に作用することから拮抗する筋同士

ダンベルを約 33 cm 持ち上げて，落下させたときのを共収縮することで複数の関節を同時に固定できる被験者の上肢の運動を計測することを一試行とした．

ため，姿勢の固定において効率的にはたらくことが被験者には口頭で「ダンベルの落下によって手先できる．

に負荷がかかるが可能な限り前腕を水平に保つ．ま姿勢の固定に関する上肢の左右差と二関節筋の共た，負荷がかかる前の待機中では可能な限り腕の力収縮という異なる二つの観点を結び付けた研究は，を抜くこと」という指示が与えられた．

少なくとも著者らが知る限りではこれまでのところ条件として，使用する腕（利き手・非利き手）×

行われていない．姿勢の固定における非利き手の優

視覚の条件（視覚あり・視覚なし）の 4 条件が設定

位性が二関節筋の共収縮と関連があるならば，そのされ，各条件につき 10 試行が行われた．また，解析様相を明らかにすることは運動制御における利き手に用いた10試行に先立って各条件につき5試行程度と非利き手の違いの要因と，それによってもたらさの練習が行われた．条件の順序は，利き手視覚ありれる運動の性質の違いを知るための一つの手がかり→利き手視覚なし→非利き手視覚あり→非利き手視となり得る．本研究は上肢の姿勢固定における利き

覚なし，に設定した．同条件の前半と後半で結果に手と非利き手の違いについて，とりわけ二関節筋の差がなかったことから，タスクの順番による学習の共収縮について調査した．

影響は無視できると仮定した．
視覚なし条件では被験者はアイマスクを装着した．

２．実験条件視覚の条件は，手先に負荷がかかるタイミングの視被験者 実験の協力に同意を得た，
健康な 20 代の被覚を用いた予測の影響を調べるために設定した．

験者 6 名が実験に参加した．すべての被験者はチャップマンの利き手テストによれば右利きと判定され計測 手先に負荷を与えたときの被験者の上腕二頭た．被験者らは実験の目的などについてなんらの事

筋及び上腕三頭筋の活動を調べるために，表面筋電前の知識を持たなかった．

計（追坂電子機器社製）によって各筋の表面筋電位をサンプリング周波数 1000 Hz で計測した．

- 91 -

【平成26年度研究費助成

研究成果報告書】

被験者が握っている木製の棒に三次元位置計測装置（Flock of Birds, Ascension 社製）のセンサを取り付けて，被験者の手先位置をサンプリング周波数約 144 Hz で計測した．
前処理 解析に先立って，筋電位のデータには通過
帯域3-150 Hz のディジタルバンドパスフィルタを適用した後に，10 ms 幅で RMS(t)を求めた．更に，各

図 1 筋電位データの積の和 IP試行につき最大値による除算を行い，データの大きさを 0～1 に正規化した．
手先位置のデータには遮断周波数5 Hzのディジタ
ルローパスフィルタを適用した．また，解析を容易にするために計測後にサンプリング周波数 100 Hz
でリサンプリングした．
評価 正規化した筋電位のデータについて，筋が活
図 2 手先位置の変動 xdisp

動している期間にわたる上腕二頭筋のデータと上腕三頭筋のデータの積の和 IP を求めた．上腕二頭筋と上腕三頭筋が共収縮するならば二つの筋は同時に活性化していることから，筋電位データの積の和の値 IP の大きさを共収縮の尺度として評価した．
負荷を与えたときの手先位置の変動 xdisp と，負荷が与えられて手先が下がり始めてから，手先が上がり始めるまでに要する時間を変動時間 tdisp を姿勢固定に関する定量的データとして評価した．

図 3 変動時間 tdisp

３．結果(2) 手先位置の変動 xdisp(1) 筋電位データの積の和 IP
図 1 に条件ごとの平均及び標準誤差を示す．腕の図 2 に条件ごとの平均及び標準誤差を示す．腕の左右×視覚の有無を要因とした分散分析は，視覚の左右×視覚の有無を要因とした分散分析は，視覚の有無の主効果（p<0.01），腕の左右×視覚の有無の有無の主効果（p<0.001）を明らかにしたが，腕の左交互作用（p<0.05）が有意であることを明らかにし

右の主効果（p=0.682）及び腕の左右×視覚の有無

たが，腕の左右の主効果（p=0.228）は有意ではなかの交互作用（p=0.957）は有意ではなかった．Tukey's

った．Tukey's HSD test による多重比較によれば，

HSD test による多重比較によれば，利き手と非利き

利き手視覚あり vs 利き手視覚なしの間に有意差

手のいずれでも視覚あり vs 視覚なしの間に有意差（p<0.01）があったが，非利き手視覚あり vs 非利があった（いずれも p<0.001）．

き手視覚なしの間には有意差はなかった（p=0.926）．
視覚なし条件のみに限定してデータを解析したとき，t-検定は利き手と非利き手との間の有意差を明らか(3) 変動時間 tdisp
図 3 に条件ごとの平均及び標準誤差を示す．腕のにした（p<0.05）．

左右×視覚の有無を要因とした分散分析は，腕の左- 92 -

【平成26年度研究費助成

研究成果報告書】

右の主効果（p<0.01），
視覚の有無の主効果（p<0.001），

先が上がり始めていた．また，手先位置の変動時間

腕の左右×視覚の有無の交互作用（p<0.001）が有に関する結果からも，利き手の方が視覚情報により意であることを明らかにした．Tukey's HSD test に依存していることが推測される．

よる多重比較によれば，利き手視覚あり vs 利き手

非利き手の方が手先位置の変動時間が短かったこ

視覚なし（p<0.001），利き手視覚なし vs 非利き手とは，負荷によって腕姿勢に外乱が加わったときに，視覚なし（p<0.001），非利き手視覚あり vs 非利き

非利き手の方がより速やかに元の姿勢に戻ろうとし

手視覚なし（p<0.01）の間に有意差があったが，利ていたことを意味する．筋を共収縮させることは関き手視覚あり vs 非利き手視覚ありの間に有意差は連する関節の剛性を高めることにつながる．
つまり，なかった（p=0.973）．

姿勢を固定させるときにより強い共収縮が生じているほど，外乱によって姿勢が変化したときにより速４．考察

やかに元の姿勢へ戻ろうとする．本研究における実本研究は上肢の運動制御における利き手と非利き

験によって得られた結果は，非利き手のより強い共手の違いをもたらす要因として二関節筋の共収縮の収縮と，それによってもたらされる速やかな元の姿

はたらきの違いを予想して実験を行った．実験にお勢への復帰を明らかにしていた．

いて，腕姿勢を固定するように指示した状態で手先共収縮は関節の剛性を高めて姿勢の固定（等尺性に負荷を与えたときの上腕二頭筋及び上腕三頭筋の運動）や未知の環境での安定性の向上（Wang &表面筋電位，
ならびに，手先位置の変動を計測した．

Sainburg, 2007; Dalainy & Ostry, 2008）に寄与す

筋電位のデータから共収縮を評価する指標として，る一方で，身体を動かす運動（等張性運動）におい

上腕二頭筋と上腕三頭筋に関するデータの積の和ては運動の巧緻性やエネルギー消費などの観点から

IP について分散分析を行った．使用する腕×視覚のは非効率的である．Heuer (2007) の実験によれば，有無の交互作用が有意であり，また，視覚の有無に

指先のタッピング運動において，利き手の方が正確

よって利き手では有意差が生じたが，非利き手ではなリズムを生成できることと，非利き手の方がより有意差は現れなかった．また，視覚なし条件におい強い共収縮が起こることが報告されている．また，て，IP は非利き手の方が大きく，非利き手の方がよ運動実行中に運動指令に信号依存の生体ノイズが加り強く共収縮が生じていた．これらの結果より，腕わるという予想に従うならば（Harris & Wolpert,

姿勢の固定において，利き手は非利き手と比べて視1998; van Beers et al., 2004）同じように関節を覚情報により依存していること（Roy et al., 1989;

動かす運動でも，共収縮のためにより強い運動指令

Roy et al., 1994），非利き手は上腕二頭筋と上腕三が生成されれば，それだけノイズの影響は強くなり，頭筋の共収縮をより利用していることが考えられる．

結果として運動の精度は低下する（variability

手先位置の変動に関する解析の結果，手先に負荷

error）と考えられる（Lenhard & Hoffmann, 2007）．

が与えられたときの手先位置の変化量 xdisp について

二関節筋は一つの筋で複数の関節に同時に作用すは利き手と非利き手でほとんど同等の傾向を示した．

るため，運動の方向によっては運動を妨げるようにいずれの腕についても，視覚を使えるときの方が手はたらく．例えば，手先を真っ直ぐ前方に突き出す

先位置の変化量は小さく，腕の左右×視覚の有無のような運動においては，肩関節の屈曲と肘関節の伸交互作用が有意でなかったことから，視覚の有無が展が同時に発生するため，上腕二頭筋の活性は肘関与える左右の腕への影響に有意な違いは見られなか節の伸展を妨げ，上腕三頭筋の活性は肩関節の屈曲った．しかしながら，手先に負荷が与えられてからを妨げる．このような理由から，運動方向の制御に

手先が上がり始めるまでの時間 tdisp については，腕おいては単関節筋の寄与が大きい（van Bolhuis etの左右×視覚の有無の交互作用が有意であり，視覚al., 1998）．非利き手が二関節筋をより利用するこなし条件において非利き手の方がより短い時間で手とは，姿勢の固定で有利となる反面，手先の運動方- 93 -

【平成26年度研究費助成

研究成果報告書】

向の制御には不利にはたらき，結果として巧緻性のM. Darainy and D.J. Ostry: Muscle co-contraction

低下をもたらしていると考えられる．本研究で行っ

following dynamics learning, Experimental

た外力に対抗して姿勢を固定するような運動タスク

Brain Research, vol.190, pp.153-163, 2008.
H.

ではなく，到達運動のような手先を動かす運動タス

Heuer:

Controlofthedominantand

クにおいて，二関節筋のはたらきが利き手と非利き

nondominant hand: exploitation and taming

手で異なるかどうか今後の調査によって明らかにしof nonmuscular forces, Experimental Brainていく．

Research, vol.178, pp.363-373, 2007.
C.M. Harris and D.M. Wolpert: Signal-dependent
noise determines motor planning, Nature,

５．まとめ

vol.394, pp.780-784, 1998.

外力が与えられたときの利き手及び非利き手の腕姿勢の固定を調べた結果，利き手は視覚情報をより

R.J. van Beers, P. Haggard and D.M. Wolpert:

利用することや，非利き手の方が姿勢の固定に優れ

The role of execution noise in movement

るという先行研究を支持する結果が得られた．そしvariability,て，非利き手の方が姿勢の固定に優れる要因として

vol.91, pp.1050-1063, 2004.

Journalof

Neurophysiology,

上肢の二関節筋である上腕二頭筋と上腕三頭筋の共A. Lenhard and J. Hoffmann: Constant error in収縮が関与しており，非利き手は二関節筋の共収縮

aiming movements without visual feedback

を利き手よりも利用していることが明らかになった．

is higher in the preferred hand, Laterality,

今後は本研究が扱った等尺性運動だけでなく等張性vol.12, pp.227-238, 2007.

運動も対象に調査を行う．
参考文献
J. Wang and R.L. Sainburg: The dominant andnon-dominant arms are specialized forstabilizing

different

featuresoftask

performance, Experimental Brain Research,
vol.178, pp.565-570, 2007.
B.M. van Bolhuis, C.C.A.M. Gielen and G.J. vanIngen Schenau: Activation patterns of monoand bi-articular arm muscles as a function offorce and movement direction of the wrist in
humans, Journal of Physiology, vol.508,
pp.313-324, 1998.
E.A. Roy and D. Elliott: Manual asymmetries in
aimed movements, The Quarterly Journal of
Experimental

Psychology,

vol.41A,

pp.501-516, 1989.
E.A. Roy, L. Kalbeisch and D. Elliott: Kinematic
analyses of manual asymmetries in visual
aiming movements, Brain and Cognition,
vol.24, pp.289-295, 1994.

- 94 -

【平成26年度研究費助成

研究成果報告書】

小中学生の学力向上に貢献する運動・スポーツの条件に関する研究
持久的スポーツ競技と学習の集中力の関連性の検証（所 属）1．岡山県立大学情報工学部，2．福岡大学スポーツ科学部（氏 名）綾部誠也 1，犬飼義秀 1，高戸仁郎 1，大山剛史 1，森村和洋 2（概要）
本研究は，体力・スポーツ動作と認知機能の関係性に関する横断的分析を行い，小中学生の学力向上と心身の健やかな成長に寄与する運動・スポーツの条件を明らかにすることを目的とした．対象者は，岡山県内に在住する中学生男子 30 名であった．全ての対象者は，形態・身体組成，体力・運動能力の測定を行った．また，生活習慣と学業成績を調査した．スポーツ機能を測定した． 学業成績は，過去 1 年間の成績表（通知表）から調査した．その結果，本研究の対象者の体力（スポーツテスト）の結果は，岡山県の平均値に比して高値であった．特に，20 メートルシャトルランと握力については，特に，その差が顕著であった．学業成績と体力の間には有意な関連性が認められなかった．しかし，数学の学業成績と有酸素能の間には，正の相関の傾向が認められた（p<0.10）．本研究においては，体力と学業成績の間に統計上有意な関連性を認めるまでに至らなかった．
学習能力のみならず学習への意欲や態度を総合的に評価する学業成績の因果構造を明らかにするためには今後の研究が必要である．
1．緒言

体力水準が得られているとは考え難い．さらに，こわが国では，生活習慣病をはじめとする生活習慣のような体力の低水準は，成人後の低い運動習慣だ

病の蔓延が危惧されて久しい．肥満，高血圧，糖尿けでなく，幼少期の肥満者数の増大や骨格筋量の低病などの代謝性疾患の罹患率増大は，医療費を高騰

下をもたらす．さらに，最近の研究成果は，運動習させ，国の経済を圧迫している．また，中高年期の慣のある子どもは，
運動習慣のない子どもに比して，これらの疾患の蔓延は，高齢期の被介護者人口を増

メンタルヘルスが安定し，学習意欲や集中力が高い

大させ，社会的活力が失われる原因となっている．

ことを示している．これらの研究成果は，幼少期にこれらの疾患の原因の一つは，運動不足である．

運動習慣を形成することが生涯にわたる健康を確保

近年の日常生活のオートメーション化は，日常生活するために包括的な重要な役割を担うことを示しての中における運動や身体活動の機会を減少させてい

いる．

る．
例えば，
自動車の普及とエスカレータの整備は，定期的な運動や身体活動が学習能力や認知機能に

歩行・走行の機会を減少させ，代表的抗重力運動で及ぼす効果については，実験的研究や疫学的研究なある階段上りを不要にしている．これらの運動不足

ど様々な角度から研究が行われている．定期的な運の傾向は，中高齢者の疾患の要因になっているが，動を行うことは，高齢者の認知症予防や認知機能のこれには，成人後の運動習慣だけでなく，幼少期の改善に効果的であることが示されている．

運動習慣も間接的に関連することが分かっている．

子供の学習効果と体力に関する研究も一部に行わすなわち，幼少期に運動やスポーツに積極的に参れている．心理学的実験的研究により，認知機能や加した経験は，中高齢期の運動・身体活動習慣の形

注意力と運動能力の関係が示唆されている，
しかし，

成にも効果的であることが明らかになっている．し学業成績との関係についての知見は限定的である．

かし，日常生活のオートメーション化の影響は，幼我々は，先に小学生を対象に持久的運動の好き嫌い

少期へも進んでいる．文部科学省のスポーツテストと学習能力との間に関連性があることを見いだした．

の成績は，1990 年代以降の低下が著しい．近年，そまた，これらの知見においては，運動習慣や体力がの低下傾向の下げ止まりが見られるものの，十分な認知機能や学習能力の確保に貢献するメカニズムに- 95 -

【平成26年度研究費助成

研究成果報告書】

ついては不明な点が多い．運動中の前頭前野の脳血

体重，身体組成を測定した．身長は，標準的デジタ

流量の増大などが認知機能の向上の背景にあると考ル身長計により測定した．体重と身体組成は，多周

えられているが，子供の学業成績については，学習波インピーダンス式身体組成計により測定した．体塾への就学や家庭環境などの社会的因子の影響も少

脂肪率は，電気抵抗値から算出した身体密度と体重なくない．

から算出した．

これらの知見に基づけば，運動習慣を確保して高体力テスト．体力は，文部科学省スポーツテスト

い体力を維持することが認知機能や学習能力の確保（新体力テスト実施要項：12 歳から 19 歳）に準じに貢献できることは明らかであるが，その成果を学て行った．テスト項目は，握力，上体起こし，長座

校現場にて応用するためには，メカニズムの検証と体前屈，反復横跳び，20 メートルシャトルラン，50

実践的プログラムの開発が必要である．

メートル走,立ち幅跳び，
ハンドボール投げであった．

本研究は，運動やスポーツが子供の脳機能や学習効

握力は，スペドレー式握力計の指針が外側になるよ

果，ひいては学業成績に及ぼす影響を明らかにする

うに握り，この場合，人差し指の第 2 関節が直角にための基礎的な研究として，持久的な運動スポーツ

なるように握りの幅を調節したのち，直立の姿勢で種目に着目し，その習熟度が学習時の集中力との関

両足を左右に自然に開き腕を自然に下げ，握力計を連性を検証する．集中力は，長時間にわたって他者

身体や衣服に触れないようにして最大努力にて握りとの関係を把握して自己の技術を発揮することが求しめた．右左交互に 2 回ずつ実施した．記録はキロ

められる持久的スポーツの場面において必要不可欠

グラム単位とし，キログラム未満は切り捨てた．左な要素である．同時に，日頃の学習の場面において

右それぞれの良い方の記録を平均した．上体起こしも，場面（学校や学習塾など）や科目を問わず，学は，マット上で仰臥姿勢をとり，両手を軽く握り，習効果を高めるためには，集中力が求められる．そ両腕を胸の前で組み，両膝の角度を 90 度に保持さこで，我々は，持久的スポーツ競技において持続的れた状態で，30 秒間にわたり，仰臥姿勢から両肘とに自己の運動パフォーマンスを発揮できる能力と学

両大腿部がつくままで上体を起こし仰臥姿勢に戻し習の場面での集中力には関係性があるとの仮説を立た回数を計測した．実施回数は 1 回とした．長座体てた．

前屈は，被測定者が長座姿勢をとり，肩幅の広さで両手のひらを下にして，胸を張って，両肘を伸はば

2．方法

したまま両手で箱を手前に十分引きつけ，背筋を伸2-1．対象者

ばした姿勢から前屈し，初期姿勢から最大前屈時の本研究の対象者は，岡山県内の男子中学生 30 名で箱の移動距離を測定した．記録はセンチメートル単あった．全ての対象者は，岡山県内のサッカークラ

位とし，センチメートル未満は切り捨てた．
検査は，

ブに所属し，1 回 120 分から 240 分，週 3 から 5 回

2 回実施してよい方の記録を採用した．反復横とびの頻度でサッカーを行っていた．本研究の全ての対は，20 秒間において，中央ラインから左右の 100 cm

象者は，研究参加に際して，事前に研究の趣旨，目幅のラインを越すか,または, 踏む回数を測定した．

的，内容，研究参加による利益と不利益などを理解

中央，右，左の 3 つのラインを通過する毎に 1 点とし，研究参加同意書に署名した．さらに，研究参加

し，20 秒間の合計点数を得た．テストを 2 回実施し同意書には，保護者（後見人）の署名も得た．

20 m シャトルランは，てよい方の記録を採用した．

本研究の全てのプロトコールは，ヘルシンキ宣言

一定間隔で 1 音ずつ鳴り続ける電子音（8 音）の間に準じて行われ，事前に岡山県立大学倫理委員会のに 20 m 先の線に達し，足が線を越えるか触れたら承認を得た．

その場で向きを変え元の位置（20 m 先）に戻る，

2-2．調査項目

この動作を繰り返し，徐々に早くなる電子音内で 20m 先にたどり着けなくなるまで続けた．電子音は，

形態・身体組成．全ての対象者について，身長，- 96 -

【平成26年度研究費助成

研究成果報告書】

約 1 分毎に電子音の間隔は短くなり，すなわち，走学 2 年生が 32.0±11.7 kg，中学 3 年生が 36.3±5.1 kg

速度は約 1 分毎に増加した．2 回続けて線に触れるであった．上体起こしは，全体が 34±8 回，中学 1

ことかができなくなったときに, テストを終了した．

年生が 26±4 回，中学 2 年生が 33±7 回，中学 3 年

50 m 走は，クラウチングスタートの体勢から，ス生が 40±6 回であった．長座体前屈は，全体が 44.9

タートの合図後，50 m 先のゴールライン上に胴が±8.8 cm，中学 1 年生が 40.3±7.5 cm，中学 2 年生が到達するまでに要した時間を計測した．実施回数は46.4±13.2 cm，
中学3 年生が47.3±8.0 cm であった．

1 回だった．立ち幅跳びは，踏切線上に両足のつま

反復横とびは，全体が 59±6 回，中学 1 年生が 56

先を揃えて立ち，両足で同時に踏み切って最大努力±2 回，中学 2 年生が 56±9 回，中学 3 年生が 47

で前方へ跳んだ距離（後方足の踵位置から踏切線ま±8 回であった．20 m シャトルランテストは，全体での距離）を測定した．2 度測定し，良い記録を採が 107±10 回，中学 1 年生が 101±5 回，中学 2 年

用した．ハンドボール投げは，直径 2 m の円内から生が103±2 回，
中学3 年生が111±11 回であった．

ハンドボール（2 号球）を最大努力で投げ，その飛50 m 走は，全体が 7.5±0.5 秒，中学 1 年生が 7.9±

距離を計測した．測定は 2 度行い，良い記録を採用

0.3 秒，中学 2 年生が 7.6±0.7 秒，中学 3 年生が 7.3した．直径 2 m の円中心から 30 度の外側に落下し±0.4 秒であった．立ち幅跳びは，全体が 212±20 cm，た投球は記録なしとした．

中学 1 年生が 195±13 cm，中学 2 年生が 216±19 cm，

学業成績は，過去 1 年間の成績表（通知表）から調中学 3 年生が 222±18 cm であった．
ハンドボール投査した．全ての対象者から，過去 1 年間の成績表（通げは，全体が 25±5 m，中学 1 年生が 21±3 m，中知表）の複写を入手し，主要五科目（英語，国数，

学 2 年生が 24±8 cm，中学 3 年生が 28±4 m であっ数学，社会，理科）の成績を評価した．

た．体力の測定値にて，学年間で比較したとことこ

2-3．統計処理

ろ，各種目において学年間で有意な差が認められた（p<0.05）．

本文中の数値は，平均値と標準偏差で示した．形態・身体組成ならびに体力テストの学年間の比較は，学業成績と体力の関連性を検討するために，科目一元配置分散分析（ANOVA）
ならび post-hoc（Turkey）

毎に評価を 3 群に分類し，群間での体力測定の結果にて行った．体力と学業成績の関連性は，Pearson

を個人パラーメータにて調整した ANCOVA にて比の相関係数ならびに ANCOVA にて分析した．

較した．その結果，いずれの科目，種目においても，

ANCOVA については，学年，学校，暦年齢，身長，

群間にて統計上有意な差が認められなかった．しか体重を調整因子として用いた．

し，数学の成績は，3 群間で 20 m シャトルランテス
トの成績に差がある傾向が認められた（p<0.05）
．

3．結果
4．考察

対象者の身長，体重，体脂肪率は，全体が 162.9±8.0 cm，47.9±7.4 kg，10.3±3.2 であった．同様に

本研究は，持久的スポーツ競技において持続的に

学年別の測定値は，中学 1 年生が 156.7±9.8 cm，41.0

自己の運動パフォーマンスを発揮できる能力と学習±6.0 kg，9.4±2.1%，中学 2 年生が 165.3±2.6 cm，の場面での集中力には関係性があるとの仮説を立て50.4±8.2 kg，10.7±6.1 kg，中学 3 年生が 165.6±6.3

た．しかしながら，本研究は，この仮説を支持する

cm，51.3±5.2 kg，10.8±2.7%であった．一元配置分

結果を得られなかった．すなわち，本研究において散分析の結果，身長と体重は，学年間で有意な差がは，学業成績と体力テストの成績との間に統計上有認められた（p<0.05）．体脂肪率は，学年間で有意な意な関連性を認めなかった．
ただし，数学の成績は，差が認められなかった．

20 m シャトルランテストの成績に関連する傾向を認めており，これまでに得られている認知機能と有体力測定の結果は，
以下の通りであった．
握力は，全体が 31.9±7.9 kg，中学 1 年生が 24.8±4.3 kg，中酸素能の結果を支持する結果を得た．

- 97 -

【平成26年度研究費助成

研究成果報告書】

本研究のオリジナリティーは，中学生の学業成績に留まった．学習能力のみならず学習への意欲や態を IQ 試験や統一試験などの客観的な方法でなく，度を総合的に評価する学業成績の因果構造を明らか

成績表（通知表）に基づいて評価したことである．

にするためには今後の研究が必要である．

成績表は，学業成績を総合して評価したものであり，試験の成績（点数）のみならず，学習意欲，授業中の学習態度，取り組みなどを含めた評価となる．ただし，本研究は，サッカークラブに所属する中学生を対象としたため，対象者所属する学校が統一できなかった．学習成績表（通知表）は，前出のように複合的要因により決定され，一部に評価者（教員）の主観的判断に依存する部分があるため，十分な客観的なスケールであるとは言い切れない．このような学習成績表（通知表）のウィークポイントが本研究の成果に影響したことは否定できない．
これまでに，体力と学業成績の関連性を検討した研究の多くは，単一の学校での調査や全国標準学力検査の測定値を利用してきた．その結果，体力，とりわけ有酸素生作業能は，学業成績との間に有意な関連性を認めてきた．一方，本研究においては，子どもの健やかな発育や子どもの人間力や社会性を評価したいとの考えに基づいてこの指標を用いた．現在の我が国において，学校を含めた教育機関における期待は，単に学業成績を高める（知識を増やす）ことのみに留まらず，将来的に必要とされる様々な能力を育むことである．体力やスポーツへの参画が体の成長と発達に関与することのみならず，こころの健康や社会性などを身につけるために有用である
ことは明らかである．今後は，集中力や学習意欲な
どの学習成績表（通知表）の間接的要因を直接的に評価し，子どもの健やかな人間性の発達への体力・
スポーツの貢献度を明らかにしたい．
5．まとめ
本研究は，体力・スポーツ動作と認知機能の関係性に関する横断的分析を行い，小中学生の学力向上と心身の健やかな成長に寄与する運動・スポーツの条件を明らかにすることを目的とした．本研究は，学業成績と体力テストの成績との間に統計上有意な関連性を認めることができず，数学の成績と 20 m
シャトルランテストの成績が関連する傾向を認める- 98 -

【平成26年度研究費助成

研究成果報告書】

積層型金属スリットアレイの光学的性質とその応用
岡山県立大学 情報工学部 情報通信工学科
徳田 安紀
波長より小さい構造体を規則的に配置した人工構造物として定義されるメタマテリアルは，自然界では見られない不思議な物理現象を示すことから強い関心を集め，活発な研究が行われている．我々は，メタマテリア
ルの一種とみなせる金属スリットアレイの光学的性質について調べ，それを未開拓の周波数帯の電磁波として注目されているテラヘルツ光の制御に利用することを検討している．ここでは，その金属スリットアレイの特
異な透過特性やその応用に関してシミュレーションを用いて検討した最近の成果について報告する．
１．はじめに２．構造とシミュレーション

波長より小さい構造体を規則的に配置した人工構

図１に本研究で検討したスリット周期が一定の金造物であるメタマテリアルは，負の屈折率によるク属スリットアレイ構造を示す．(a)は一段構造，(b)ローキング現象[1]や表面プラズモンポラリトンには二段構造である．ここで，h はスリット高さ，dよる異常透過現象[2]など，不思議な物理現象を示し，はスリット周期，w はスリット幅であり，二段構造

基礎科学の観点からも応用技術の観点からも強い関においては，上下のスリットアレイは同一で，s は心を集めている．一方，光波と電波の境界にあるテアレイ間のエアギャップ幅，l はアレイの x 方向に対ラヘルツ（THz）波は未開拓の周波数帯の電磁波とする相対ずれ量を示す．なお，対象とする周波数帯

して近年非常に注目を集め，その利用に関する研究がテラヘルツ帯であるため，金属部分は完全導体と開発が活発に行われている[3]．しかし，安価で容易見なして計算した．

に手に入る光学材料や光学素子の開発が大きな課題のひとつとなっている．
図１(a)に示したような金属板に周期的に溝を切った金属スリットアレイは，その体積のほとんどを金属が占めているにも関わらず，ある特定の周波数より低い領域で誘電体的な性質を示すことが分かっている[4, 5]．我々は，この金属スリットアレイの光学的性質ついて調べ，それを利用してテラヘルツ光に対する新しい機能材料を提供することや機能素子を創出することを目指している[6-11]．
図１ 金属スリットアレイ構造．(a) 一段構造，(b) 二段構造．

本研究報告では，金属スリットアレイが示す擬似的な誘電体的性質について示した後，それを多段に積み重ねた構造の透過スペクトルにおける光学共鳴

光学特性のシミュレーション検討は，時間領域有モードの振舞いとその裏に隠された物理的メカニズ

限差分（FDTD: Finite Difference Time Domain) 法にム[11]について述べる．さらに，金属スリットアレ基づいて y 方向に磁場成分をもつ p 偏光を z 方向にイの応用として，スリット周期の変調により得られ

沿って垂直入射させた場合について行った．x 方向

る光フェイズドアレイ効果[7]を利用した分光機能には周期的境界条件を用い，解析領域は完全吸収体[9]について述べる．

で取り囲んだ．最短時間幅は 2.35 fs，最小セルサイ- 99 -

【平成26年度研究費助成

研究成果報告書】

ズは 1×1 µm2 である．透過スペクトルは単パルス波

えられる[5]．従って，図２(c)の d = 1000 µm に対すに対する応答を離散フーリエ変換して求め，フィーるスペクトルでは，この臨界周波数は半分になり，ルド分布はその透過スペクトルから得られる共鳴周

0.3 THz 以上で共鳴ピークは減少していることが分波数の単色光に対して計算した．

かる．
さらに，この臨界周波数 c/d 以下の領域は，スリ

３．一段構造の金属スリットアレイの光学特性

ット周期d が波長λ よりも短い領域に対応しており，

３-１ 透過スペクトルのスリット高さ依存性

メタマテリアルの条件と一致する．従って金属スリ

図２に，三種のパラメータセットに対する一段構
造の金属スリットアレイの透過スペクトルを示す．

ットアレイはメタマテリアル条件下で擬似的な誘電体と見なせることになる．

スリット幅 w は 25 µm で共通である．
まず，図２(a)の h = 1000 µm に対するスペクトルにおいて，誘電体と同様の顕著な Fabry-Perot 的なピ

４．二段構造の金属スリットアレイの光学特性
４-１ 透過スペクトルに対する横ずれ効果

ークが四本見られる．これらは，その共鳴波長から

図３に，横ずれが無い場合（l = 0）とある場合（l金属スリットアレイを疑似的な誘電体と見なしたと= d/2 = 300 µm）の二段構造の金属スリットアレイのき，基本モード（半波長共鳴），１次モード（一波透過スペクトルのエアギャップ s 依存性を示す．こ長共鳴），２次モード（3/2 波長共鳴），３次モー

こで，スリット高さ h，スリット周期 d，スリット幅

ド（二波長共鳴）に対応していることが分かる．

w は，それぞれ 1000，600, および 160 µm に固定しさらに，これらの共鳴ピークが Fabry-Perot 的な共た．なお，二段構造に対する共鳴モードの同定は，鳴によることは，図２(b)の h = 500 µm に対するスペ

横ずれが無い s = 0 のとき h = 2000 µm の一段のスリ

クトルにおいて基本モードと１次モードが大きく短ットアレイに一致することから，図４(a)に示した一

波長側にシフトし，図２(a)の h = 1000 µm に対する段構造の透過スペクトルを用いて行い，Dn（n はモ共鳴ピーク波長のほぼ半分になっていることからもード次数）で表した．

確かめられる．

図２．三つの異なったパラメータセットに対する一段構造の金属スリットアレイの透過スペクトル．

３-２ 透過スペクトルのスリット周期依存性
図２(a)と(b)の d = 500 µm に対するスペクトルにおいては 0.6 THz を超えると，共鳴ピーク強度が著しく減少する．この臨界周波数は，回折限界に対応した Rayleigh-Wood 周波数で，この系では c/d で与- 100 -

図３ 金属スリットアレイの二段構造の透過スペクト
ルのエアギャップ厚依存性．(a) l = 0, (b) l = d/2．

【平成26年度研究費助成

まず，l = 0 に対する図３(a)において，奇数次の研究成果報告書】

４-２ 共鳴モードのフィールド分布

D1 モードの共鳴周波数は s が変化してもほとんど変光学パスが閉じる際の共鳴モードの消失がモード

わらないが，偶数次モードの D0 と D2 の共鳴周波数

ミキシングによって起こる物理メカニズムを明らか

は s が大きくなるにつれてレッドシフトしているこにするために，FDTD 法を用いて各共鳴モードに対とが分かる．後で述べるように，これは z 方向に対する電磁場分布のシミュレーションを行った．図５

するフィールド分布の対称性に起因しており，D2nに四つの s の値に対して計算した l = d/2 の構造の D0

モードと D2n+1 モードのフィールド分布は，
エアギャ

モードと D1 モードの磁場分布の絶対値|Hy|を示す．

ップの中心線に対して，それぞれ，対称と反対称であることによる．
一方，l = d/2 に対する図３(b)において，偶数次のD0 モードと D2 モードの振舞いは，光学パスが閉じる s = 0 の近傍を除いて l = 0 の場合とほとんど変わらないが，奇数次の D1 モードの振舞いは s が約 200µm 以下の領域で大きく異なっている．
ここで，l = d/2 の構造でのモード消失も含めた共鳴モードの振舞いを理解するために，図４(b)に五つの s の値に対する透過スペクトルを示した．s が 0

図５ D0 モードと D1 モードの磁場分布．

に近づくにつれて，D1 モードは D0 モードに急接近し，合体した後，s = 5 µm 以下で急激に減衰していs = 200 µm では，偶数次の D0 モードの分布はエアることが分かる．また，同様の振舞いが D2 モードとギャップ層を含んだ全領域に半波長共鳴的に広がっ

D3 モードのペアに対しても見られる．これらのことており，そのアンチノードはエアギャップ内にあるから，s = 0 で起きる共鳴モードの消失は，単に各モ

ことが分かる．従って s が大きくなると，それにつードが単独で消えるのではなく，奇数次モードと偶れて共鳴波長は長くなる．これが偶数次モードがレ

数次モードのミキシングによると結論した[11]．

ッドシフトする理由である．
一方，奇数次の D1 モードはエアギャップ内でノードをもち，上下のスリットアレイ内に半波長共鳴として閉じ込められていることが分かる（ただし，振幅の符号は上下で逆である）．
これは横ずれが無い場
合も同様で，l = 0 の場合に奇数次モードの共鳴周波数が全ての s に対してほとんど依存性しない理由である．
ところが，l = d/2 で s = 10 µm になると，D0 モー
ドはエアギャップ内にアンチノードをもった半波長的共鳴を維持しているが，D1 モードのアンチノードの位置はスリットの中央からエアギャップ側にシフ
トし，D0 モードの分布パターンに似てきていることが分かる．すなわち，s が小さくなると D1 モードは
h = 1000 µm に対する 1/2 波長共鳴から 1/4 波長共鳴

図４ 一段(a)および二段(b)構造の金属スリットアレ
イの透過スペクトル．

- 101 -に変化し，その結果，D0 モードの共鳴周波数に近づくことが分かる．そして s = 2 µm では，D1 モード

【平成26年度研究費助成

研究成果報告書】と D0 モードの共鳴周波数はほぼ一致し，これらのモ

図７は，これらの等価屈折率と等価膜厚を用いてードは，上のスリットアレイでは逆位相であるため横ずれが無い場合（l = 0）とある場合（l = 300 µm）に destructive な干渉を起こし，s = 0 で完全に消えるに対応する三層誘電体構造の透過スペクトルのエアことになる．これが l = d/2 の構造で起こるミキシン

ギャップ s 依存性を計算した結果である．どちらのグによるモード消失の物理メカニズムである[11]．

構造に対する計算結果も図３に示した FDTD の結果

ここで，さらにスリットアレイ間の横方向のずれとほとんど同じであることが分かり，金属スリット

により奇数次モードだけが大きく影響を受ける理由

アレイの二段構造は三層誘電体構造と見なせ，エアについて述べる．横ずれがある（l = d/2）場合，s がギャップの等価屈折率を与える(3)式の有効性が確小さくなるとエアギャップ側のスリット端に金属表認された[11]．

面が接近することになる．磁場は金属表面では同相
でほぼ完全に反射されるので，磁場のアンチノードの位置はエアギャップ側に移動しなければならない．
従って，もともとエアギャップでアンチノードをもつ偶数次モードは分布状態を変えないが，エアギャ
ップでノードをもっていた奇数次モードは分布状態を大きく変えることになる．特に，D1 モードは，h =1000 µm に対する 1/2 波長共鳴から 1/4 波長共鳴に変化する[11]．
４-３ 有効媒質近似のよる透過スペクトルの計算
金属スリットアレイの等価屈折率 ns と等価膜厚 tは，それぞれns = d/w(1)

t = h/ns = hw/d(2)で与えられることが分かっている[4]．さらに，我々は，図１(b)のような金属スリットアレイの二段構造において，垂直入射の TM モードに対するエアギャ
ップ層の等価屈折率 ng がng

2(l / s) 2 sinc 2 ( w / d )sinc 2 ( l / d ) 1

図７ 二段金属スリットアレイ構造に等価な誘電体三層構造の透過スペクトルのエアギャップ厚依存性．(a) l = 0, (b) l = d/2．

(3)５．光フェイズドアレイ効果とその応用で与えられることを示した[10]．従って，金属スリットアレイの二段構造は，図６に示したような誘電体の三層構造と等価と見なすことができる．

５-１ 位相シフト量の入射周波数依存性
擬似的な誘電体として振舞う金属スリットアレイの積層構造のテラヘルツ光制御への応用例について述べる．
図８はスリット間隔を変調した二段型の金属スリットアレイの断面図を示す．上下のアレイのスリッ
ト間隔 qn+1 と pn は，それぞれ，
qn+1 = (pn + pn+1) / 2

図６ 二段金属スリットアレイ構造に等価な誘電体三層構造．

pn = p0 – rn

(n = 0, 1, 2 …)

(n = 0, 1, 2 …)

(4)
(5)

と右側ほど短くなるように設計した．ここで，下側- 102 -

【平成26年度研究費助成

研究成果報告書】

アレイの金属部の中心を上側アレイのスリットの中

さらに，我々は，この積層構造に対する透過スペ

心に合わせることで，下側スリットの入口から上側

クトルに加えて位相シフト量の周波数依存性も計算

スリットの出口までの二つの最短光路長が一致する．

した．そして，図９に示したように，スリット間隔

従って，下側のスリットから入射した光は左側のスの変調にも関わらず，透過率は変調がない場合とほリット出口ほど出てくるのに時間がかかり，結果とぼ同様のスペクトルを示し，位相シフト量も透過率して透過光の波面制御ができることが期待される．

に対応して顕著な周波数依存性をもつことを見出し

我々は FDTD シミュレーションによりこの“光フェた[8]．

イズドアレイ効果”が得られることを示すとともに，その応用としてテラヘルツ光に対して凸および凹レンズ的な機能をもつプレナ型の素子が得られることを示した[7]．

５-２ 多段化と分光機能への応用
図９の結果は，異なった波長の光を入射すると透過光の進む方向が変わる，すなわち，プリズムのような分光的な機能が波長オーダの極めて薄い金属フ
ィルムを用いて実現できることを意味する．
図１０は，より大きな光フェイズドアレイ効果を得るために三段の変調スリットアレイ構造に三つの異なった周波数（0.205, 0.215, 0.225 THz）の光波を入射したときの磁場分布 Hy を FDTD 法を用いて計算した結果を示す．ここで h = 1000, w = 160, s = 20, r= 40, p0 = 580 μm とし, ビームの向きが分かりやす

図８ スリット幅を変調した二段金属スリットアレイ
構造の断面図．

いようにスリットアレイを両側から金属で挟んだ n= 7 の構造に対してシミュレーションを行った．周
波数が高くなるほど透過光はより大きく左に曲がっており，予想通り分光的な機能が得られることが分
かる[9]．

図１０ 三段変調金属スリットアレイを用いた分光特性．(a) 0.205 THz, (b) 0.215 THz, (c) 0.225 THz．

６．まとめ
本報告では，金属板に溝を切ったスリットアレイ
が示す疑似誘電体的な性質に関する最近のシミュレ
図９ スリット幅を変調した金属スリットアレイの二段構造の透過率(a)と位相シフト量(b)の周波数依存性．

ーションを用いた研究結果について述べた．
まず，一段構造の金属スリットアレイに対して，回折限界に対応した Rayleigh-Wood 周波数以下で，- 103 -

【平成26年度研究費助成

研究成果報告書】

金属板の厚さに対応した顕著なFabry-Perot的な共鳴【参考文献】

モードが観測されることを示した．

[1] J. B. Pendry, Phys. Rev. Lett. 85, 3996 (2000).

次に，二段構造の金属スリットアレイに対する透[2] T. W. Ebbesen, H. J. Lezec, H. F. Ghaemi, T. Thio, and
P. A. Wolff, Nature 391, 667 (1998).

過スペクトルを計算し・横ずれがない場合，エアギャップの増大とともに偶数次モードの共鳴周波数はレッドシフトするが，奇数次モードの共鳴周波数はほとんど変化しない．
・横ずれがある場合，エアギャップの減少とともに奇数字モードは偶数次モードに急接近し，合体し[3] 萩行正憲，応用物理 81, 271 (2012).
[4] J. T. Shen, P. B. Catrysse, and S. Fan, Phys. Rev. Lett.
94, 197401 (2005).
[5] B. Hou, J. Mei, M. Ke, W. Wen, Z. Liu, J. Shi, and P.
Sheng, Phys. Rev. B 76, 054303 (2007).
[6] K. Akiyama, K. Takano, Y. Abe, Y. Tokuda, and M.

てミキシングにより消失する．
ことを見出した．さらに，このような共鳴モードの振舞いの裏に隠された物理的メカニズムをフィールド分布の対称性とスリット端での境界条件の変化に
より明らかにした．

Hangyo, Opt. Express 18, 17876 (2010).
[7] Y. Tokuda, H. Takaiwa, K. Sakaguchi, Y. Yakiyama, K.
Takano, K. Akiyama, T. Fukushima, and M. Hangyo,
Appl. Phys. Express 5, 042502 (2012).
[8] Y. Tokuda, K. Sakaguchi, K. Takano, T. Fukushima,

最後に，擬似的な誘電体多層膜と見なせる積層型

and M. Hangyo, AIP Advances 2, 042112 (2012).

金属スリットアレイのテラヘルツ光制御への応用と[9] Y. Tokuda, K. Sakaguchi, T. Nishihara, K. Takano, T.

して，スリット周期を変調することで得られる光フ

Fukushima, and M. Hangyo, Appl. Phys. Express 6,ェイズドアレイ効果を利用してレンズ的な機能に加062602 (2013).

えてプリズム的な分光機能も得られることを示した．

[10] K. Akiyama, K. Shibuya, K. Takano, Y. Abe, Y. Tokuda,

金属スリットアレイは，非常に安価な金属材料かand M. Hangyo, J. Appl. Phys. 113, 243103 (2013).

ら作製でき，光学定数が材料パラメータではなく構[11] Y. Tokuda, K. Sakaguchi, K. Takano, T. Fukushima,

造パラメータだけで非常に大きく変えられることかand M. Hangyo, J. Appl. Phys. 115, 243104 (2014).

ら，テラヘルツ領域で新しい機能を生み出す光学材
料として期待できる．
謝辞
昨年 10 月に急逝されました大阪大学レーザーエ
ネルギー学研究センター元副センター長，元教授 故
萩行正憲氏には，
広くメタマテリアルの研究に関し，ご議論ならびにご教示頂き，深く感謝致すとともに心よりご冥福をお祈り申し上げます．共同研究者として，それぞれの専門分野で積極的なご協力を頂いた岡山県立大学情報工学部准教授 福嶋丈浩氏，同助
教 坂口浩一郎氏，
大阪大学レーザーエネルギー学研
究センター助教 高野恵介氏に感謝致します．また，研究結果に関して活発なご議論を頂いた岡山大学特命教授 奈良重俊氏に感謝致します．さらに，計算機シミュレーションの一部を担当してくれた岡山県立大学大学院情報系工学研究科 山口祐生氏，
橋本雅文
氏に感謝致します．

- 104 -

【平成26年度研究費助成

研究成果報告書】

エネルギ保存を考慮した超高画質画像変換手法とその応用に関する研究
岡山県立大学 情報工学部
山内 仁
今日，ディジタルカメラの高精細化，テレビ放送のフル HD 化など，画像データの高解像化が進んでいる．
一方で，蓄積されている低解像画像の高解像画像への変換利用や，既存設備による比較的低解像な画像の活用などのニーズも高い．これまでに提案されている高解像化手法の多くは，人の目に対して高解像に見えることが主目的であり，必ずしも本来の高解像化・高解像復元とはなっていない．これに対して報告者らは，画像データは画像センサによる撮影対象の観測データであると考え，元の撮影対象が有するエネルギがその画素閉領
域に累積保存されていることを考慮した超高画質な画素値分布推定手法，および，この手法に基づく画像の線形変換手法を提案している．本研究では，この適用可能な画像変換種別の各隊として適用可能な画像変換種別の拡大として，この原理に基づいた画像の射影変換手法を提案した．これは，画像観測における対象の三次元変化に対応したものであり，基本原理は数値積分による画素値積分関数の偏微分の積分である．元画像に対して射影変換を行い，再び逆変換を行う実証実験の結果，従来法に比べて復元性能の向上を確認した．

1.

はじめに

らは，低解像画像は撮影対象の一つの観測データと広範に普及しているディジタルカメラにおいては，して扱い，元の撮影対象が有するエネルギがその画センサ技術の発達により，より高精細・高解像な画素平面に累積されて保存・観測されていることを考像を得られるようになってきている．テレビ放送に慮した画素値分布推定手法[5]およびこの原理に基おいても地上デジタル放送の開始により，テレビ映

づいた線形変換手法[6]を提案している．

像のフル HD 化が完了している．さらなる高解像を本研究では，この原理に基づいた画像の射影変換実現する 4K2K（4K Ultra High Definition; 4KUHD）

手法を提案する．従来，画像の線形変換や射影変換

や 8 倍のスーパーハイビジョン（8K Ultra Highは，逆変換により得られる変換前の画像上の座標にDefinition Television; 8KUHDTV）の規格[1]が策定

おける画素値を内挿により求めることで実現されてされ，実用化，普及が目指されている．

いる．これに対して本稿の手法は，提案している画

一方で，既存データとして低解像画像が多く蓄積

素値分布推定手法に基づいて，画素値積分推定曲面されており，これらを現在の技術水準である高解像の偏微分の積分値として，変換後の画素値を導出す

画像に変換利用するニーズも高い．また，設備上のる．この積分については，ガウス・ルジャンドルの問題から既存設備で得られる比較的低解像な画像の数値積分法を用いる．

活用や，画像計測用途における計測用撮像機器の性2.

能以上の解像度への要求も高い．

2.1. エネルギ保存を考慮した画素値分布推定の概要

エネルギ保存を考慮した画素値分布推定[5]低解像画像から高解像画像を推定・生成する技術

既存の画素補間手法として知られている，最近傍としては，最近傍補間法（ニアレストネイバ法）[2]，

補間法[2]，
線形補間法[2]，バイキュービック法[3]，線形補間法（バイリニア法）[2]，バイキュービック

Lanczos 法[4]などにおける推定対象は画素値変化

法[3]，Lanczos 法[4]などが知られている．これらである．すなわち，入力となる元画像の画素値をその低解像画像から高解像画像を推定する従来の手法の座標点における値として扱う手法である．図 1 には，元画像の画素値に基づいて画素間に位置する新従来手法における画素補間の概念を示す．

たな画素の画素値を推定する．これに対して報告者- 105 -

【平成26年度研究費助成

研究成果報告書】

する曲線（図中の破線）を推定し，補間画素の画素値を求める．なお，図中の実線は原信号 I (x ) を積分したものを示している．

図 1 既存手法における画素補間の概念
ただし，理解を容易にするために 1 次元の場合を示している． は撮像素子の大きさ（幅）であり，iは画素の番号である．
また，実線 I (x ) は撮影対象（原信号）を示している． P (x ) はこの原信号を観測して得られた画像データ（画素値）であり，(i 1) から i を範囲とした I (x ) の積分平均である．図に示されているように， i 番目の画素値として座標(i 1)/ 2 に割り当てられる P (i ) は，一般に，

原信号 I (i 1)/ 2 とは一致しない．したがって，従来手法のように，隣接する画素の画素値

P (i ), P (i 1),を滑らかに接続する曲線（図中の破線）を推定し，補間画素の画素値を求めても，原信号 I (x ) を再現しているとは言い難い．
著者らが提案している画素値分布推定法は，入力となる元画像中の各画素の画素値を撮影対象（原信

図 2 提案手法における画素補間の概念号）の観測値として扱う．すなわち，画素値（観測以下，提案手法において基本的な概念となる画像値）を，原信号中の対応する 1 点を表す点データでエネルギについて述べたあと，エネルギ保存を考慮はなく，ある一定領域から得られた領域データとしした画素値分布推定手法の手順について述べる．

て扱う．なお，従来の画素値推定手法では，隣接画

2.2. 画像エネルギと画素値

素の画素値変化を近似対象としているのに対して，

連続な平面画像 I について，原点から座標 ( X , Y )提案手法では，画像全体における画素値の積分値変までの画素値を面積積分した F ( X , Y ) は式(1)で表化を近似対象としている．

すことができる．

図 2 に提案手法における画素補間の概念を示す．
ここで， F (i ) は，原点から i 番目の画素までの画

F ( X ,Y )

X

Y

0

0

I ( x, y )dxdy(1)

こ の と き ， 任 意 の 点 ( X ,Y ) に お け る 画 素 値

素値積分を表している．
提案手法では，図 2(a)に示すように，撮像素子の大きさ を考慮して得られている画素値 P (i ) は，その画素領域内で捕捉された画像エネルギの平均値でI ( X , Y ) が式(2)で与えられることは明らかである．
2

I ( X ,Y )F ( X ,Y )
x y

(2)

あると考える．このとき， P (i ) はその画素領域内

ところで，画素を点ではなく小領域と考えると，で捕捉された画像エネルギの総量であり，提案手法

その小領域の幅および高さを としたとき， x 方向

はこの総和を F (x) とし，図 2(b)に示すように入力に i 番目， y 方向に j 番目の画素における平均画素

画像から計算される離散関数 F (x) を滑らかに接続

値 I ij は Fij- 106 -F (i , j ) とすると式(3)，(4)で表せる．

【平成26年度研究費助成

I ij

1

i

j

2

1
2

( i 1)( j 1)I ( x, y )dxdy

(3)

( Fij

Fi 1 j 1 Fij 1 Fi 1 j )(4)

研究成果報告書】

n 次のB-Spline では I の n 2 階微分までが連続である．
2.3.3. 平均画素値の計算
変換後の画素の幅および高さがしたがって，画素の 4 隅における F の値が既知で均画素値 I は，次式で与えられる．

あれば，画素内部における F の分布によらず，平均I

画素値 I ij は一定である．
2.3. 画素値分布推定
本節では，2.2.の定義に基づいて，画素値の面積
積分 F を推定する手法について述べる．

1

x

y

2

x

y
x

y

2

x

y

2

F の定義式(1)より，x 軸上の任意の点 (X ,0) に000

I ( x, y )dxdy

0

F0 j
2

0

I ij

Fi 1 jF ( x, y) F (x, y)) F ( x, y )(10)

2.3.2.で推定した値を用いる．
3.

(6)

Fij 1

,y

(9)

値 I を算出可能である．ただし，ここでの F には

Fi 1 j 1

画像の射影変換

3.1. 射影変換の考え方

ここで，式(4)を変形すると式(7)が得られる．

Fij

F ( x, y )
dxdy
x y

値を補間曲面により求めることで，容易に平均画素(5)y 軸上も同様であるから，式(6)が成り立つ．
Fi 0

F (x

2

(8)

したがって，
座標変換後の画素の 4 隅における F のついて，式(5)が成り立つ．
X

I ( x, y )dxdy

11

2.3.1. 画素 4 隅における F の決定

F ( X ,0 )であるとき，平(7)射影変換に対する提案手法と従来手法の考え方の

j 1 から，式(7)に従って順次計

違いをまとめる．従来手法においては，変換後の画算することにより，画像領域内の全ての画素につい

像上の各画素点について，変換前の画像上におけるて，その 4 隅の Fij を決定可能である．

座標を計算し，変換前の画像上の対応画素点の画素

2.3.2. F の補間

値を内挿することによって射影変換を実現している．

したがって， i2.2. で述べたように，画素の 4 隅における Fij が

これに対して提案手法においては，変換後の画像上既知であれば，どのような補間手法によっても平均の各画素領域について，変換前の画像上における座画素値は保存される．しかしながら，制約条件を一標を計算し，変換前の画像上の対応画素領域の画像

切設定しない状況では補間関数の決定は困難である．

エネルギを積分することによって射影変換を実現しそこで提案手法では，画素値の連続性を仮定し，ている．すなわち，従来手法が変換後画像，元画像

B-Spline 曲面により補間する．

ともに画素点について考えているのに対して，提案

ただし，
B-Spline 曲面は制御点により規定される手法では，その双方において画素領域について考え曲面であり，
一般には制御点を通過しない．
従って，ていることが大きな違いとなっている．このことか

画素の 4 隅における Fij をそのまま制御点とするこら提案手法は，座標変換による画素領域の変形に対とはできない．そこで，制御点を Fij の定義点である

応した領域を定義し，その領域内の積分計算を行う

画素 4 隅の各位置に，それぞれ対応する画素 4 隅のことさえできれば，適用可能ということができる．

Fij を初期値として独立に設定する．その後，補間曲すなわち，文献[5]では拡大・縮小について，文献[6]面が Fij を通るように制御点の値を補正する．

では線形変換について検討しているが，2.で述べた画像データの補間に適した B-Spline 曲面の次数提案手法は，一般の射影変換に対しても適用可能では，拡大・縮小を対象とした場合，3 次または 4 次ある．しかし，画像の座標変換を行う際，座標変換が適当であるとの結果が実験的に得られている[5]．

後の座標系

また，画素値 I は F の交差微分で与えられるので，

行でない場合には，煩雑な数式処理が必要となる．

- 107 -

が座標変換前の座標系 xy に平【平成26年度研究費助成

研究成果報告書】

そこで線形変換を扱っている文献[6]では，式(9)を1

1用い，ガウス・ルジャンドルの数値積分により平均

1

1

m

m

f ( x, y )dxdy

wk wl f ( pk , pl ) (17)k 1 l 1画素値を計算する手法を提案している．射影変換へ

ここで，m は分点数，pk ( kの適用に際してもこの計算手法が基本となる．
以下，は重みである．また，式(17)では積分範囲が [ 1,1]

まず線形変換における計算手法について述べた後，であるので，s射影変換への適用手法を述べる．

と置換すると，
式(16)は式(18)，(19)と変形できる．

3.2. 線形変換における平均画素値[6]画像内の点 ( x, y ) が式(11)の線形変換により

1
i 1 j 14iIj( , ) に写像されるとする．
a1 a2

x

b1

y

b2

このとき，元画像の微小面積 dS は微小面積 dS に

(12)

a1b2

2

x y

F ( x(

2

j 1/ 2

s 1
t 1
i,
2
2

s 1
t 1
i,
2
2

j ),

j ))dsdt (18)2
1
F ( x( k , l ), y ( k , l ))
wk wl
(19)
x y
k 1 l 1 4
ここで， k ( pk 1) / 2 i ， l ( pl 1) / 2 jmm

である．また，元画像の F ( x, y ) は B-Spline 曲面で写像され，その面積比は式(12)で表される．

ここで，, m )は分点，wk

i 1/ 2 ,t

y(
(11)

dS
dS

2

1,

a2b1 である．

近似されているので，座標 ( x, y ) を指定すれば，その偏微分は容易に計算できる．
3.4. 射影変換における平均画素値

画像エネルギが保存されるとすれば，変換前後の線形変換においては，画素形状の変形はなく，変画素値 I と I の間には，式(13)の関係が成り立つ．

換後画像中の各画素の画素エネルギを決定する元画

IdS

I dS

(13)

この関係より，式(14)が得られる．

IdS
dS

I

1

I

射影変換においては，対応する元画像中の面積は画

2

F
x y

像中の面積はいずれも同一である．しかしながら，(14)

素によって異なる．ここで，提案している画素値推定手法は画像エネルギを保存するものである．その変換後の画素の幅および高さが 1 であるとき，ため，変換により元画像の画素が集約される画素（縮方向に i 番目， 方向に j 番目の画素の画素値 I ij は小領域）についてはエネルギ総量が増大し，拡散さ式(15)，(16)で求めることができる．

れる画素（拡大領域）についてはエネルギ総量が減

i

I ij

j

i 1 j 1ij

i 1 j 11

I ( , )d d
2

F ( x( , ), y ( , ))
d d
x y

(15)
(16)

3.3. 数値積分による平均画素値計算[6]3.2. で述べたように，線形変換後の画素値 I を求めるには式(16)の積分計算が必要である．しかしながら，任意の一次変換について解析的にこの積分値を求めることは困難である．そのため，有限要素法による数値積分を行う．提案手法ではガウス・ル
ジャンドルの数値積分法を用いる．ガウス・ルジャ

少する．すなわち，変換後画像においては，それぞれ画素値の増大，減少が発生することになる．
画像内の点 ( x, y ) が式(20)の射影変換により，( , ) に写像されるとする．
(a1 x b1 y c1 ) /( xy 1)(a2 x b2 y c2 ) /( x

y 1)

(20)

式(20)より，式(21)が得られる．

a1

b1

x

c1

a2

b2

y

c2

(21)

ンドルの数値積分は，面積分について，式(17)で表すなわち，変換後画像内の点 ( , ) に相当する元画される．

像内の点 ( x, y ) は，式(22)により求められる．

- 108 -

【平成26年度研究費助成

x

a1

b1

y

a2

b2

1

c1
c2

研究成果報告書】には，極度に集約または拡散した際のデータ保持の(22)

ため，倍精度で画素値を保存する．
倍精度画素値データは，元画像の画像エネルギをこれにより，
元画像内の対応点の座標が求められ，そのまま保存している．すなわち，このデータを基

その座標における画素値を求めれば変換画像を生成

準として逆変換を行えば，元画像の復元が原理的にすることができる．

可能である．一方の図 3(a)の画像では，元画像におところで，一般に変数変換を行う場合，その微小ける画素値に関する情報が失われており，同様に逆要素の面積変化はヤコビアン J で表される．式(22)

変換を行っても元画像の完全な復元は保証できない．

におけるヤコビアン J は，式(23)で求められる．

4.

J

x y

x y

(23)

提案手法では，線形変換における計算方法として

検証実験

画像の射影変換における提案手法と従来手法との画質について，評価実験を行った．
4.1. 実験方法

3.3.で述べたガウス・ルジャンドルの数値積分をそ提案手法で用いる B-Spline 曲面の次数は，文献とヤコビアン J と[5]において得られた結果である 3 次とした．また，

J で表される．よって，各分点にガウス・ルジャンドルの数値積分における分点数における計算に際して，式(23)により求められるヤコ

ついては，文献[6]において得られた結果に従い，補

ビアン J を式(16)中の1 /に置換することで，座標間に用いるB-Spline曲面の次数と同数である3 点と変換における画素面積変化を考慮した射影変換が得した．実験用画像としては，標準画像データベース

られる．画素面積変化を考慮し，ヤコビアン考慮の

SIDBA（Standard Image Database）[7]から，Airplane

有無による変換画像の違いの例を図 3 に示す．

を用いた．画像は 24 ビット，256 256 ピクセルでのまま用いる．式(16)におけるの関係は，1 /ある．実験はまず，元画像の 4 隅の座標(0,0)，(0,256)，(256,256)，(256,0)をそれぞれ (0,127)，(127,256)，(256,17)，(237,0)に射影する射影変換を行った．図 4 に射影変換の例を示す．

図 3 画素面積変化考慮の有無による差異の例
図中(a)は，
元画像中の対応する座標における画素値を従来型の補間により求めたものである．一方の(b)は，射影変換における画素面積変化を考慮し，ヤ

図 4 射影変換例（Airplane）

コビアンによるスケーリングを行った，元画像のエ

なお，この射影変換は，元画像右側を極端に小さネルギを保存したものである．(a)は，画像の射影変く圧縮する形の変換である．そのため，画素数圧縮

換結果としては適当といえる．しかしながら，エネの影響による精度低下を軽減するために，4 4 倍へ

ルギ保存の観点からは，元画像が保持する画像エネの拡大を同時に行った．その後，得られた射影変換

ルギを変化させない(b)が適切である．
そこで提案手後画像を基として，改めて原画像と同じ 256 256

法では，後者の画像エネルギをそのまま維持するたの画像へ逆変換を行った．

め，前者の見た目を維持する画像と併せ，画像エネ

評価は，逆変換によって得られる画像と元画像とルギを保存した後者のデータを保持する．この保持の画質評価を行い，従来の補間点選定法による結果- 109 -

【平成26年度研究費助成

研究成果報告書】との比較実験を行った．画質評価は，最終的に生成存を考慮した画素値分布推定手法において，射影変された 256 256 の画像と元画像とを PSNR 値および換を行う際を考慮した新たな手法を提案した．提案

SSIM 値[8]で定量的に比較した．

手法では，画像を画像エネルギ分布とみなし，画像4.2. 実験結果および考察

データの射影変換に際してエネルギ保存を前提とし実験結果を表 1 に示す．表中の記号 PVI33 が，て定式化し，
そのエネルギ推定として B-Spline 曲面

B-Spline の次数 3，分点数 3 の提案手法，PVI33j はによって推定する．また，推定に用いる B-Spline

画素面積変化を考慮して射影変換画像データを倍精曲面の偏微分の積分値を求める際にガウス・ルジャ

度とした場合を示している．また，NN はニアレスト

ンドルの数値積分を用いている．本報告における提ネイバ法，BL はバイリニア法，BC はバイキュービッ

案手法は，既に提案している線形変換手法の基本概

ク法，LC3 は n=3 の Lanczos 法をそれぞれ示してい念を適用し，画素面積変化に相当するヤコビアンをる．表より，SSIM 値，PSNR 値ともに提案手法である

考慮している．広く一般的に用いられている画素補

PVI33 および PVI33j が従来手法より高い値となって間手法との比較実験として，射影変換後に逆変換にいることが確認できる．この結果より，提案手法に

よって元画像を復元する性能実験を行った結果，より高精度に元画像が復元できることが確認された．

SSIM 値および PSNR 値の評価においていずれも良好

また，PVI33 と PVI33j を比較すると，他の SIDBA 画

な結果を得た．推定関数としてさらに良好な関数に像について一部でRGBでのPSNR 値の逆転が見られた

関する検討，提案手法の応用に関する検討が今後のが，ほぼ全てについて，ヤコビアンを考慮した課題である．

PVI33j が考慮しない PVI33 より良い値となっている

参考文献[1] ITU-R,“Parameter Values for UHDTV Systems
for Production and International Programme
Exchange”, Recommendation ITU-R BT.2020,
Aug.2012.
[2] 高木幹雄，下田陽久，新編 画像解析ハンドブッ
ク，東京大学出版会，東京，2004．
[3] R. G. Keys,“Cubic Convolution Interpolation
for Digital Image Processing”,IEEE Trans. on
Acoustic, Speech and Signal Processing,Vol.29, No.6, pp.1153-1160, Dec.1981.
[4] C. E. Duchon,“Lanczos Filtering in One and
Two Dimensions”, Journal of Applied
Meteorology, Vol.18, No.8, pp.1016-1022,
1979.
[5] 山内 仁，尾崎公一，佐藤洋一郎，福田忠生，小武内清貴，“エネルギー保存を考慮した画素値分
布推定法”
，
信学技報，
Vol.113, No.20，
IE2013-6，
pp.29-34，Apr.2013．
[6] 山内 仁，尾崎公一，佐藤洋一郎，福田忠生，小武内清貴，“エネルギー保存を考慮した画像の線
形 変 換 法 ”， 信 学 技 報 ， Vol.113, No.211 ，IE2013-44，pp.91-96，Sep.2013．
[7] 坂内正夫，大沢 裕，曽根光男，尾上守夫，“画像処理研究用標準画像データベース SIDBA の運用について”，テレビジョン学会技術報告，Vol.8，
No.38，pp.7-12，Dec.1984．
[8] Z. Wang, A. C. Bovik, H. R. Sheikh, and E. P.
Simoncelli, “Image Quality Assessment: From
Error Visibility to Structural Similarity”,
IEEE Trans. on Image Processing, Vol.13, No.4,
pp.600-612, Apr.2004.

ことが確認できた．
表 1 従来手法と提案手法との比較生成された画像を確認すると，射影変換の際に元画像の縮小（エネルギ集約）が発生する右側部では，いずれの手法においても復元精度の低下が明らかであった．しかしながら，提案手法である PVI33 および PVI33j の結果においては，LC3 などで見られる輪郭部の過剰なコントラスト強調などの影響も少なく，また，元画像における滑らかな画素値変化が比較的再現できていることを確認した．これより，提案手法である PVI33 および PVI33j の SSIM 値，PSNR 値の向上に寄与していると考えられる．
5.

おわりに

本研究では，報告者らが提案しているエネルギ保- 110 -

【平成26年度研究費助成

研究成果報告書】

実感を伴う水害用デジタル避難ガイドの開発
岡山県立大学デザイン学部
齋藤 美絵子
水害に関するハザード情報の提供形態としては、全国の自治体に作成・公開が義務付けられている洪水ハザードマップが安定供給されているツールといえる。しかし、現状のハザードマップは個々の利用者の実感にあったものとはなっておらず、記載されている情報を読み取ることはユーザにとって困難と考えられる。
本研究では、実感を伴う水害用デジタル避難ガイドの開発の前半部分として、印刷物による洪水・土砂災害
ハザードマップには「状況別に異なるはずの避難所情報の抽出が困難である」という問題があることをアンケ
ート調査および学生ディスカッションにより明らかにし、その問題を解決するために、利用者の条件・状況に合わせて適切な避難所を容易に電子地図上に視覚化できるインタラクティブな電子洪水ハザードマップについて検討し、実装について述べる。
版洪水ハザードマップの試作』*3 では、浸水報告地点

１、はじめに
洪水・土砂災害ハザードマップは、洪水発生時に想とその観測時間を入力することで、現在および一定時定される浸水や土砂災害、避難に関する情報を地図に間後の浸水範囲を想定・表示され、さらに浸水想定範

まとめたものであり、洪水氾濫の発生を前提に、住民囲が避難勧告や避難指示の発令時期であるかを判断しの避難を促すことで人的被害を軽減することを主な目て、避難方向、避難施設とともに表示される。この電的としている。ハザードマップの効果を最大限に発揮

子ハザードマップの良いところは、実際に災害が起こするためには、全ての住民がハザードマップを認知し、った際に、災害状況に合わせた避難行動および予想さその記載内容を十分に理解することを通して、洪水・れる被害をリアルタイムに知ることが出来る点である。

土砂災害に関する住民間のリスク・コミュニケーショ

本研究はこれと異なり、被害が起きる前に、適切な避ンの手段として活用される必要がある。

難行動を検討・習得するツールとしての電子ハザード

これまでのハザードマップは、印刷物やそれを PDF

マップを対象とする。

ファイルに変換してインターネットで公開するといった、紙または静止画のものが主流であったが、今日、
徐々に GIS(地理情報システム)による電子ハザードマ*1２、研究の目的
従来の印刷物または静止画によるハザードマップのップを目にするようになってきた。大分県国東市 が現状において総社市が発行する「洪水・土砂災害ハザ

公開している電子ハザードマップは、洪水想定区域やードマップ*4」を具体的な事例とし（図１）、アンケー

土石流危険箇所など、表示させたい項目を選択することで該当区域が GoogleMap に表示されるようになっている。他にも多くの自治体が電子ハザードマップを公開しており、岡山県でも全県統合型 GIS*2 の中で災害情報が公開され電子ハザードマップと同様の役割を担っている。しかし、それらのほとんどは情報を種類別レイヤに分け、表示・非表示を選択する機能のみであり、多量の図形データの読み込み等のために表示に時間がかかるものも多い。
また、財団法人河川情報センターが発表した『GIS- 111 -

図１ 総社市洪水・土砂災害ハザードマップ（印刷物）【平成26年度研究費助成

研究成果報告書】

ト調査を中心に問題点を抽出する。その結果を用い、利用者にとって内容理解が容易な「電子版 洪水・土砂災害ハザードマップ」を開発する。

３、現状のハザードマップの問題
静止画の洪水・土砂災害ハザードマップにおいて、どのような問題があるのか、アンケート調査により抽出した。被験者は、岡山県在住の 18 歳から 42 歳の男
女 240 名で、質問に対してあらかじめ用意しておいた
５段階の回答の中から最も近いものを選択するという回答方法とした。紙のハザードマップ（図１）から、直感的に情報を読み取ることができるかという質問では、51％の人が「わからない 全くできない」という結果であった。被験者の年齢層は、本来、最も的確に地図を読み取って欲しい層であるから、この結果は好ましいとは言えない。また、掲載されている浸水や土
砂災害の想定情報などから被災状況が想像できるかを調べる質問では、64％の人が「わからない 全くできない」という結果であった。被害についてイメージすることが困難であるということは、避難行動について

図２ 印刷物によるハザードマップの評価もイメージできないということに繋がる。実際にハザードマップを見ることで被災時の行動を考え見ようと感など「避難行動の手がかりとなる情報が得られない

思う人は約半数しかいなかった。
（図２）問題」である。
前者の理由として、当該ハザードマップは、市全域
を18のエリアに区分けし、それぞれのエリアごとに、

また、自由記述欄には次のような指摘があった。
・避難施設の番号を見つけるのが困難『想定浸水区域（５段階）・土砂災害想定区域（５種・避難施設の外観がわからない類）・避難施設（数十カ所かつ使用条件３種類）・避・避難施設の個別条件が分かりにくい

難関連施設・交通情報・その他の情報』という多大な・水害時に使用できない施設も同等に掲載されている

情報が、静止画という性質上、もれなく一様に記され・全体的に情報量が多く読み取りにくいており、利用者が自分に必要な情報のみを得ることが・色と浸水深情報の関係が分かりにくい

困難であることが考えられる。
後者の理由として、ハザードマップの見方（どこか・浸水の深さが実感できない
・地図上の距離感がつかみにくいらどこへ避難するのかという状況設定）が利用者に委・被災時にどのように行動したらよいかわからない

ねられており、実際には漠然とした見方しかできない
利用者が多く、状況によって避難先の候補が異なるとこのような個別の意見から読み取れたことは、利用者が情報を得ようと思っても、必要な情報がなかなかいうことを静止画で提示することが困難であるからだと考えられる。

見つけ出せない・知りたい情報が掲載されていない・

このようなハザードマップが、洪水・土砂災害に関不要な情報が掲載されている等の「情報量や表示の過する住民のリスク受容の手段として活用されることは不足に関する問題」と、浸水深の実感や地図上の距離非常に難しい。

- 112 -

【平成26年度研究費助成

続いて、ハザードマップの電子化にあたり、デジタ
ル環境の現状を調査するため、総社市民のスマートフ

研究成果報告書】用する。開発する電子洪水ハザードマップの全体構成を
図３に示す。

ォンやタブレット端末等の所有率や電子地図サービスの使用状況について、無作為に抽出した10代から70代までの総社市民189名にアンケートを実施した。この結果から、50代までの市民の約７割がスマートフォン等を所有しており、日常的に使用していることが分かった。また、電子地図についても60代以下の世代で平均５割以上の市民が使用しており、ハザードマップの電子化について、市民の受容環境が整っていることが明らかになった。

図３ 全体構成

これらのアンケート結果とその分析を受け、先に述
べた、既存の電子ハザードマップで実現されている

４-１、オープンデータの利用「①表示情報量の加減機能」に加え、利用者の任意の

総社市の電子洪水ハザードマップを開発していくた

位置を起点に、そこから避難できる「 ②優先度の高い

めには、総社市の想定浸水被害や避難施設の情報をま

避難施設の探索と表示」 や「③避難施設の詳細情報がとめたデータが必要となる。それを用意するため、災分かる機能」を備えること、さらに「④利用者が指定

害情報のオープンデータを利用する。オープンデータ

する任意の場所から優先度の高い避難所までの安全な（OpenData）とは、web 上にて誰でも二次利用可能な

経路探索機能」や「⑤利用者の状況に応じてその場にものとして公開されているデータのことであり、その留まることや垂直避難を提案する機能」などが電子ハ

種類は地理に関するものに限らず、医療や行政など

ザードマップに必要であると考えた。本研究ではこれ

様々な分野に関するものが存在する。

らのうち最初の３つについて実装した

本研究では、総社市にある高梁川の氾濫による想定

なお、被害についてイメージすることが困難である

浸水区域、想定土砂災害区域、およびその際の避難施という問題についての解決策としてVR技術の活用など

設のオープンデータを使用する。なお、使用するデーが考えられるが、これについては稿を改めて述べるこ

タは総社市役所から提供していただいたもので非公開ととする。

であるためオープンデータとは言えないが、このデー
タと同様のものが国土交通省のホームページ*5 より無４、実装料で入手できるので、本論文ではオープンデータとし本研究で開発する電子洪水ハザードマップはGISを利て記す。

用し、次の３つの機能を持つ。①電子地図上に任意の想総社市から提供されたデータの形式はシェイプファ

定災害地域または避難施設を表示する機能、②利用者のイル形式（.shp）であり、そのままのファイル形式で任意の位置を地図に示し、そこから避難できる避難施設

は OpenLayers*6 で使用できない。そのため XML デー

を探し表示する機能、③表示された避難施設の詳細情報

タの一種である KML ファイル形式（.kml）へと変換を示す機能である。

してから使用する。想定浸水区域、想定土砂災害区域①の表示情報量を加減することができる機能は既存ののデータファイルは浸水深や土砂災害の種類別にファ電子ハザードマップと同様であるが、②と③については、イルが分かれており、それぞれ該当する災害区域の経

既存の電子ハザードマップにおいて実装されているもの

緯度情報がポリゴンデータとしてまとめられている。

は筆者らの知る限り見当たらない。

避難施設のデータファイルは避難施設の使用条件ごと開発に必要な想定災害地域、避難施設、道路の情報は、にそれぞれ別のファイルにされており、それぞれ該当

総社市、国土交通省などが作成したオープンデータを利する避難施設の名称、住所避難施設としての登録番号、- 113 -

【平成26年度研究費助成

研究成果報告書】

電話番号、標高、経緯度の情報が施設ごとにまとめられている。

４-２、ユーザインタフェース
OpenLayers ライブラリを利用して電子地図を土台に、５種類の想定浸水区域、同じく５種類の想定土砂災害区域、３種類の避難施設の計 13 種類をオープンデータから読み込み、レイヤとして定義・表示する。な
お電子地図は、国土地理院発行の電子国土基本図*7 を使用する。表示結果の例を図４に示す。
図５ 利用者により情報表示が選択された画面

４-３、避難施設探索
利用者が電子地図上で指定した位置を起点に、避難できる避難施設を検索するため、利用者が指定した位
置の経緯度情報を受け取り、あらかじめ設定された条件を満たす避難施設を探索して緯度・経度等の詳細情報とともにリストにして返す。
避難施設を検索する際の条件として、【距離の条件】と【安全性の条件】の２つを用い、これらの両方を満たす避難施設のみを出力する。

図４ 電子洪水ハザードマップ基本画面

13 種類のレイヤの表示・非表示の切り替えについて【距離の条件】

は、電子地図の左側に 13 種類それぞれのチェックボッ

利用者の指定した位置（現在地）から２ｋｍ以内にクスを作成し、この操作によって利用者が任意に表存在すること。利用者の指定した位置と避難施設の間

示・非表示を切り替えられるようにする。

の距離はこれら２地点の緯経度から計算する。尚、２また、利用者の任意の位置を地図に示すため、利用

km と設定する理由は、自治体が発行している「洪水時者の位置を示す人型のマーカを表示する。利用者が地避難計画」の多くで、避難行動時は車の使用は控え、

図の任意の場所を指定するとその経緯度情報を取得し、原則徒歩で移動することとし、歩く速度は時速２km 程マーカの位置を更新する。一部の想定浸水区域および度と想定されているからである。また、避難区域から避難施設、利用者の位置を示すマーカが表示されてい避難施設までの移動距離は 1 時間以内に移動できる距る状態を図５に示す。

離としているものが多い。しかしこれに関して、実際

さらに、次項で説明する避難施設探索によって、利の避難行動としてあまり現実的な想定でないので改善用が指定した位置から避難可能な避難施設が探索され、すべきであるという意見もある。実際に 2001 年に土木

そこから返されたリストを利用して地図上にレイヤ表学会にて発表された論文「実行性をもった洪水時の住示の際とは異なる専用アイコンを表示する。その専用

民避難計画のあり方に関する検討」*8 などで、上述のアイコンにマウスカーソルを合わせた時のみ、避難施

意見について述べられている。そのため、今後この数

設の名称・住所・電話番号・標高・指定された位置か値は変わる可能性があるが、本研究ではこの数値を利らの距離をポップアップとして表示する。

用する。

- 114 -

【平成26年度研究費助成【安全性の条件】

研究成果報告書】

所を候補として比較検討するという見方は、掲載されこれは更に２つの条件に分けられる。一つ目は想定ている様々な情報を読み解く能力がなければできない

浸水深に達した場合であっても利用可能とされているが、本研究で実装した機能により、利用者にとって必避難施設のみを選ぶことである。これは避難施設によ要な情報のみをインタラクティブに提示することがでっては、想定浸水深に達すると完全浸水する（使用不き、利用者は膨大な情報に埋もれることなく容易に優可）、または浸水はするが２階以上なら利用できる（条先度の高い避難所情報を得ることができる。

件付き使用可）などの指定があるからである。もう一つは相対的な条件であり、利用者に指定された任意の５、まとめ位置の想定浸水深以下に存在する避難施設を選ぶこと

本研究ではインタラクティブな電子洪水ハザードマである。避難行動を行う際、その時居る場所より想定

ップを開発した。これにより想定災害区域や避難施設

浸水深の深い場所へと避難することは、よりひどい災のオープンデータと GIS を組み合わせて、任意の地点

害に遭う可能性があり、かえって危険である。そのたを指定すると、その付近の使用可能な避難施設とそのめ、本研究によって開発された電子洪水ハザードマッ

情報を知ることが出来る機能を実現した。従来の静止プを利用した利用者が、そのような状況に遭ってしま

画では表現が難しかった段階的な情報提供が可能にな

う可能性を減らすため、この条件を加える。

り、利用者が必要な情報に容易にアクセスできるようになり、避難行動の手がかりとなる情報を得ることができるようになった。

４-４、動作例
利用者が JR 総社駅を起点に指定した場合を例に説

現在、指定した位置から避難所までの経路探索を実明する。駅から半径２km 以内で、かつ、想定浸水深が装中である。これと併せて、提案した電子ハザードマ

起点と同等かそれよりも浅い場所にある避難施設のみ

ップについて被験者実験を行い、有効性を検証したい。

が楔形アイコンで表示される。さらに、その専用アイコンの一つにマウスカーソルを合わせると、避難施設

参考資料の名称や起点からの距離などの詳細情報がポップアッ*1. 大分県国東市ハザードマップ

プ表示される。
（図６）

http://www.city.kunisaki.oita.jp/soshiki/somu/about-html.html*2. おかやま全県統合型 GIS
http://www.gis.pref.okayama.jp/map/top/index.asp*3. 財団法人河川情報センター「GIS 版洪水ハザードマップの試作」
http://www.river.or.jp/01kenshuu/sympo/h18/img/report_07.pdf*4. 総社市洪水・土砂災害ハザードマップ(平成 24 年 9 月発行)
http://www.city.soja.okayama.jp/soumu/kurashi/bousai/bousaita
isaku/kouzuidosyasaigai_map_h2409.html*5. 国土交通省 国土数値情報ダウンロード
http://nlftp.mlit.go.jp/ksj/index.html*6. Openlayers
http://openlayers.org*7. 国土地理院 電子国土基本図
http://www.gsi.go.jp/kibanjoho/kibanjoho40025.html

図６ 条件を満たした避難所と詳細情報を表示した画面*8. 片田敏孝，及川康「実行性をもった洪水時の住民避難計画のあり方に関する検討」公益社団法人土木学会，論文集，土木計画学研究・

静止画のハザードマップにおいて、いくつかの避難- 115 -

講演集，2001

【平成26年度研究費助成

研究成果報告書】

建築家ジェフリー・バワの建築言語に関する研究
岡山県立大学デザイン学部
岩本 弘光

本研究は現代建築の発展に大きな足跡を記した、スリランカ人建築家ジェフリー・バワ（Geoffrey Bawa：
以下、バワという。
）の建築作品に関する建築言語と空間構成原理に関する研究を行い、モンスーン気候、稲作、仏教文化など、スリランカと建築の成立基盤を共有する我が国の建築意匠、建築計画の発展に寄与することを目的とする。1960 年代のバワ初期 4 作品である、「ドクター・シルバ邸」
、
「イナ邸」
、
「ポロンタラワ・エステート・バンガロー」、「バンダラウェラのチャペル」は、バワ建築言語の原形と目される作品である。これらはバワ生涯唯一のパートナーであった、デンマーク人建築家ウルリック・プレスナー（以下、プレスナーという）との共作である。テル・アビブ在住のプレスナーに「ドクター・シルバ邸」の場所性、「イナ邸」の空間構成、「ポロンタラワ・エステート・バンガロー」の土着性、「バンダラウェラのチャペル」の架講と光の演出などについてインタヴューを行い、バワの建築言語の生成過程と構成原理を明らかにした。
（平成 27 年 3 月 31 日）

建築家バワは、20 世紀モダニズム建築が忘れ去っ

この 4 作品は、バワが生涯唯一のパートナーとした土着的建築言語を再評価して、建築が拠って立つた、デンマーク人建築家ウルリック・プレスナー（以風土や土着技術を慎重に見極めながら、岩、水、緑

下、プレスナーという）との共作である。

など根源的な自然要素と建築と新たな関係を構築す

そこで、2014 年 11 月 2-3 日、テル・アビブ在住

ることにより、スリランカばかりでなく南インドやのプレスナーを現地訪問して、「ドクター・シルバ邸」

バリで、土地に根差した建築デザインの可能性を実のオープン・プランニングと場所性、「イナ邸」の中証した。こうした、バワの設計手法は、地域的・風庭空間構成と伝統的シンハラ建築との関係性、「ポロ土的であることが同時に建築の普遍性や汎用性に通ンタラワ・エステート・バンガロー」の巨岩と土着じる、設計思想の原理的かつ始源的な方向性を指し的仏跡空間との相関、「チャペル・フォー・グッドシ

示す結果となり、単なるローカリズムに堕することェファード・コンベント」の建築架講と内部空間のなく、20 世紀モダニズムを乗り越えた。

光の演出との関係などについてインタヴューを行い、バワとプレスナーの建築言語の構成原理を明らかに

バワは 1960 年代に建築家としての活動を開始し、した。以下、4 作品各々について個別に記述する。

2003 年までの約 40 年間に 100 余りの建築作品を残したが、とりわけ初期 60 年代の作品群は、バワの建築思想と建築言語の原形が表出している。

「ドクター・シルバ邸」

従って、本研究では、60 年代の作品群のなかで特この作品はスリランカ南端の港街ガッラの北隅にに重要と思われる、「ドクター・シルバ邸」
「イナ邸」
、
、

あって、緩やかな丘の斜面敷地に建つ診療所兼用住「ポロンタラワ・エステート・バンガロー」、「チャ

宅で 1960 年に完成した。
施主は外科診療所を開業しペル・フォー・グッドシェファード・コンベント」

ようとする若い医師で、これまでスリランカには存の 4 作品に絞って調査研究を行った。

在しなかった新しいタイプの住宅が生まれた。

- 116 -

【平成26年度研究費助成

研究成果報告書】

建物は傾斜地をいかした配置が特徴で、敷地に部ールは父親の友人で、私と同じデンマーク王立アカ屋を「ばら撒いて」それらを中庭、コリドールや壁デミーで建築を学んだ後、インダストリアル・デザなどで連結した開放的な「オープン・プランニング」

インを始めたのだ。彼の家はちょうどこの家のようとなっている。初めてバワを世界に紹介した B・B・な傾斜地に建っていて、ステップが続く家全体を一テイラーは、著書「Geoffrey Bawa」の中で、この建つの大屋根でくくっていた。そこで、この家ではポ物のプランを取り上げて、ミースが 1924 年に発表しール邸の記憶をアレンジするいい機会だと思いつきた「煉瓦造田園住宅計画案」を想起させると指摘しいてあの断面にしたのだ。建物は湿気のつよいスリている。また、「Geoffrey Bawa Complete Works」をランカの風土を考慮して、どの部屋にもまんべんな

著した D・ロブソンも同様の指摘しており、この建

く採光や通風が得られ、外の景色が眺められるよう物がミースの計画案に色濃く影響されているとの理にそれぞれの部屋に庭を配置した。
」

解が定着している。こうした建物の理解についてプレスナーは、以下のように回答した。

敷地には診療所と住宅それぞれに独立した入口があり、斜面下から上に向かってアプローチする。斜「ミースとは関係ない。この住宅は私が子供のころ

面下の道路脇にある診療所と、斜面上の住宅はゆっ

父親に連れられて”ポール・ヘニングセン”の家にたりした中庭を挟んで別棟になっているが、北側のいった時とても感銘を受けたのだ。グレアのない照トンネル状回廊で連結されている。診療所は中庭に明器具を設計したあのポール・ヘニングセンだ。ポ面した強固な意志を表すかのような長い壁によりくっきりと区画されて、住宅のプライバシーが守られている。診療所から住宅に続く壁に囲まれた薄暗い階段の回廊を登りきると、堰を切ったように住宅の開放的な中央コートヤードに解き放たれる。メイン
エトランス周りの水盤と光庭を囲むコートヤードの空間構成は絶妙な光の濃淡を見せており、柔らかな光に誘われて、その先のリビングや寝室に知らず引き込んでいく、シークエンスの連続が特徴的な空間

ドクター・シルバ邸住宅玄関（竣工当時の様子）

構成となっている。

「イナ邸」
スリランカの伝統建築とモダニズムが融合した、「スリランカ建築の近代化」を刻印した歴史的名作
で 1962 年に建てられた。
イギリス植民地から独立後のコロンボに押し寄せる急速な都市化と、鉄などの建築資材の輸入統制や価格高騰などの困難な時代を背景にして、スリランカ土着のシンハラ建築やダッ
チコロニアル様式などに共通する中庭形式の住居を、モダンで洗練されたコートヤードハウスに衣替えして都会によみがえらせた。
島の文化や伝統を体現した新しい建築と近代的な暮らしの提言に、多くの人に称賛を浴びて彼らの評

ドクター・シルバ邸 平面図- 117 -

【平成26年度研究費助成価を決定付けた。恐らく、バワとプレスナーが自分

研究成果報告書】

ドをコの字型に囲んだ簡潔な構成となっている。

たちの建築にある種の確信を得た作品と目される。

敷地の最前列には間口一杯建てられた 5 本柱の列

この家は建築家と施主イナを 2 つの焦点として、楕

柱廊とそれに続くベランダの構成が、道路とのバッ

円を描くようにして生まれた。スリランカの文化人

ファーゾーンとなって家全体を守っており、その奥達がイギリス植民地時代に受けた高等教育が、豊かの 1 階建てのオフィス・駐車場棟に到る。オフィスな知性とインターナショナルな世界観を育くんで自の細い路地をからは、広く明るいコートヤードから国文化への伝統回帰を呼びおこし、施主と建築家双ダイニングルームまで見通すことのできるビスタが方が確かな美意識を共有して実現した建築である。

真っ直ぐ貫かれていて、劇的な空間効果をもたらしている。オフィス棟と住居棟をつなぐ長い壁の裏側

ウルリックは「イナ邸」の設計思想について、次には細長いサービス棟があり、オフィス棟と住居棟から視線が届かないよう巧妙に配置されている。

のように述べている。
「コロンボでは昔から 1 エーカー以上の広い土地に家を建てていた。しかし、近代化するにつれて敷地

家は湿気の多いスリランカの風土に配慮をして、が 1/2 や 1/4 エーカーに小さくなった。その結果、全ての部屋に 2 ヶ所の開口部を設けて自然換気を促

以前は敷地の周りに木を植え家を敷地の中心に据えしている。断面図からは日本の「庫裡」と同様に、てプライバシーを守っていたがそのやり方ができな

垂木を伸ばして棟木上部の 2 重屋根のスリットからくなった。そこで、敷地周囲に高い壁を建ててプラ

自然換気を促進したことが見て取れる。彼らの設計

イバシーを守り、壁の中に庭をつくって通風や採光手法は、島の風土を正確に読み解き、スリランカのを確保し、窓は菱型格子をはめて通風とセキュリテ

伝統とモダニズムを土着の建築言語で融合させて、ィーを確保したのだ。当時このような家は一軒もな「スリランカ建築の近代」を切り拓いた。

くて、イナ邸がコロンボで最初だった。全く新しいアイデアだった。しかし、その後、皆がこの家のス
タイルを真似るようになって、コロンボの街並みは「チャペル・フォー・グッドシェファード・コンベ

高い壁で要塞のようになってしまったのは良くなかント」
1962 年、街から逃れるように郊外の山頂に建てらった。
」

れた教会からは、北側の谷をはさんで反対側の丘を都会に自然があふれた田舎暮らしを持ち込もうと借景として望むことができる。敷地は東側の内陣にするコートヤードハウス形式のこの家は、道路に面向かって穏やかに傾斜しており、教会内部の床は土したオフィス棟、奥に位置する住居棟、それらをつ

地そのままに内陣にむかって勾配がついている。

なぐサービス棟の 3 棟が、中央の大きなコートヤー

道路側からみる教会の外観は、地元産の黒御影石を荒々しくＬ字型に積み上げたフォルムをみせており、組積壁はライズの低い５つのアーチに支持されている。
Ｌ字型の塔上部から突出た数本のガーゴイルが強い日差しに照らされて、組積壁に向かって投げかける強烈な陰影が印象的である。肉厚の組積造で閉ざされた様子の外観からは、ロマネスク期のシトー派修道院に似た禁欲的で抑制的な印象を受けるが、安イナ邸中庭（竣工当時の様子）

らぎを覚える空間でもある。

- 118 -

【平成26年度研究費助成

研究成果報告書】

教会の中に入ると、息を飲むような内部空間が眼スリットから「下方」の間接光を取り込み、北面のに飛び込んでくる。外観から見えた粗石壁は南側片ガラスからは終日安定した「横」からの柔らかな光面だけに積み上げられており、左手北面は全面にガを風景と共に教会いっぱいに取り込むことにより、ラスがはめ殺されて、薄ぼんやりした光を室内に投内陣のドラマチックな陰影を主役にして、抑制かつげかけながら、
遠くの丘と庭の緑を映し出している。

ダイナミックな光の演出を周到に計画したことが解ガラスには３本の十字架が、背光をバックにくっきる。教会を混構造にせねばならない理由は、光の構りとしたシルエットを浮き立たせて内部空間を支配成にあることは明瞭である。

しており、記憶を探っても類似の教会空間を思い出すことができない。

ウルリックは架講と光の関係を次のように述べている。
「チャペルはテクニカルにはとてもシンプルな注意深く十字架を観察すると、十字架のタテ材は建物だ。手前は現地で採れた御影石を積んで中にコ

折上げ天井の起点と一致しており、小屋組み梁とのンクリートを流し込んだ。奥の十字架の躯体は鉄筋接合が予測される。
教会はひどく大胆な構造である。

コンクリート造で、外側は木の板でカバーしている

南外壁と内陣が粗石組積造、南面のフレームは鉄筋だけで木造ではない。十字架をつなぐ梁も鉄筋コン

コンクリート造で、小屋は木造による混構造である。

クリート造で木のカバーをした。北側は全面ガラス

教会の平面はバロック教会に近い印象の単純な矩形にして向こうの丘を見せている。北側からの光が教平面を、身廊と内陣に 2 分割した形式となっている。

会全体に満ちているが、直接光は祭壇だけにした。

プロセニアムに縁取られた組積造の内陣内部は、天床は土地なりに 1.2m 落差の水が流れるような傾き

井に全面ガラスを張ったトップライトから強烈な光があって祭壇に向かっていて、内陣に空間の焦点をがキリスト像に投げかけられていて光の陰影が鮮や

あてた。
」

かだ。
身廊右側の組積壁は外壁本体から「腰壁」が 15「ポロンタラワ・エステート・バンガロー」

センチほど離れた独立壁になっていて、壁全長に水建物と呼んでいいのかすら疑問が残るこのバンガロ

平方向の細長いスリットを形成している。このスリーは、その姿や空間特性を写真から把握することはットからは南道路の反射光が仄かに入り込んで、壁至難である。そもそもこのバンガローは図面なしでを下から薄墨のように上方になぞっている。教会内作られ、現存する図面は後に作図された。バンガロ部の光の演出は明快である。内陣は「上」から降り

ーは、中央のリビングルーム、玄関脇のキッチン、

注ぐ神聖な強い光、南面からは直接光を遮断しつつリビングの奥に位置する主寝室とゲストルームの 3棟で構成されている。敷地をぐるりとかこむ野獣避
よけ塀の道路に面した門をくぐると、眼前には山のような巨岩がゴロゴロと転がっているだけで、ここにバンガローがあることは皆目判らない。巨岩を回り込んで階段を下りると、ようやくリビングルームの巨大な空間が姿を現す。絶妙なアプローチと劇的に変化するシークエンスの連続がダイナミックな空
間構成となっている。
中央のリビングルームは約 10ｍスパンの巨石間

チャペル内観（竣工当時の様子）に、鉄筋コンクリート製の大梁 1 本を架け渡してメ- 119 -

【平成26年度研究費助成

研究成果報告書】

インフレームとし、建物外側の木造架構と間に木製

バンガローの空間構成の基軸である、巨石、架講

垂木を架け、切り妻型のシェルターを構成して内部ならびに古代記憶についてのウルリックは次のよう空間を形成している。建物外側の列柱には建具がはに述べている。

められておらず、内部が外部に吹き放たれていて内「当初施主が予定していた敷地を変えた。周りは平外空間の別がない。

らなゴム園だがここだけに巨石があって美しかったから。巨岩は古代の記憶にもつながる。建物の構想

ミヒンタレーなどの古都が位置するスリランカ北を考えたのは私だ。最初に敷地を測量しようと思っ

部乾燥地帯は、ほぼ平坦で山らしい山はあまり見当たが、岩が多くあって、高さも違っていたために正たらないが、平原に突如として巨大な岩が出現して確な測量はできなかった。そこで自分の歩幅を基準

周辺環境を支配している。有名なシーギリアロックにしてだいたいの巨石の大きさや位置関係を、1/16はその典型例であるが、古代よりこうした巨岩はスのスケールでプロットした。コロンボに戻って、巨リランカ人の精神的な拠り所や生活の場となってき石間を梁でつないで小屋を架ける建物を考えた。現た。紀元前 3 世紀にインドから始めて国外のスリラ

場では梁を渡す位置に棒をたててそれらを糸でつなンカに入ったとされる上座部仏教の修行僧たちは、いで引っ張り、家形のヒモがたくさん張られ、幻想巨岩の下で雨露をしのいで瞑想や起居の場とし、後的でとても印象的だった。
」にこれが寺院に発展した。原始小屋の誕生である。
今回の研究では、バワとウルリックの建築思想とプレスナーとバワはバンガローを、こうした岩や建築言語に加えて、予期しない知見を得た。先ず、自然と一体になったアニミズムを淵源とする古代岩

初期 4 作品は専らバワ建築と理解されてきたが、ウ屋寺院の延長線上に見据えていたであろうが、これルリックとのパートナー時代は作品を連名で発表しと現代の技術を融合させて、島のスピリチュアルなており、パートナー解消時には協議してクレジット

精神性を現代に蘇生することに成功した。

を分けていた事実が判明した。
「ドクター・シルバ邸」、「イナ邸」はバワ作。
「ポロンタラワ・エステート・バンガロー」と「チャペル・フォー・グッドシェファード・コンベント」はプレスナー作である。名作と考えられた 2 作品が、実質的にはプレスナー作であった。次いで、プレスナーからは初期 4 作品の竣工時写真の提供を受けることができ、併せて貴重な研究成果となった。

バンガロー外観（竣工当時の様子）

U・プレスナー（Plesner 事務所にて 2014,11.03）

バンガローの居間（竣工当時の様子）- 120 -

【平成26年度研究費助成

研究成果報告書】

がん抑制遺伝子 REIC/Dkk-3 による表皮幹細胞のストレス応答制御機構の解明
岡山理科大学 理学部 臨床生命科学科
片岡 健
概要
REIC/Dkk-3 は不死化した細胞でその発現が低下し、Dkk ファミリーに属する細胞外分泌タンパク質である。アデノウイルスを用いて REIC/Dkk-3 を強制的に発現させると、小胞体ストレスを介してがん細胞のみアポトーシスが誘導される。しかし、REIC/Dkk-3 の正常な生理活性は不明で、特異的受容体もはっきりと分かっていない。REIC/Dkk-3の正常機能に迫るため、本研究ではマウス皮膚組織の発生過程における REIC/Dkk-3 の発現を詳細に検討した。さらに予備実験から REIC/Dkk-3 の制御因子として候補にあがった炎症性サイトカイン TNF-αによる REIC/Dkk-3 発現の制御について検討した。皮膚の発生過程における REIC/Dkk-3 の発現は、発生が進むにつれて発現が増強しはじめ、その発現部位も表皮幹細胞ニッチであるバルジ領域に限局していた。さらに感染などのストレスで分泌される炎症性サイトカイン TNF-αを正常ヒトケラチノサイトに添加したところ、REIC/Dkk-3 の発現が低下した。Ki-67 免疫染色法および MTT アッセイにおいて、TNF-αの添加により正常ヒトケラチノサイトの細胞増殖が促進される傾向を示し、それに応じて細胞数が増加することが確認された。最新の成果として、皮膚組織ではケラチノサイトが分泌する
REIC/Dkk-3 が血管内皮細胞の遊走と血管形成を抑制している結果が得られた。表皮幹細胞は炎症などのストレスに応答して炎症性サイトカイン TNF-αを分泌するが、その結果として組織形成に大きく関わる血管内皮細胞の挙動に大きな影響を与えているとしたら、非常に有意義な発見と言える。

はじめにの発現を詳細に検討した。さらに予備実験から

REIC/Dkk-3（Reduced Expression Immortalized

REIC/Dkk-3 の制御因子として候補にあがった炎症性

Cell / Dickkopf-3）はヒトがん細胞などの不死化した細サイトカイン TNF（Tumor Necrosis Factor）-αによ胞でその発現が低下しているため、がん抑制遺伝子とる REIC/Dkk-3 発現の制御について検討した。

考えられている（参考文献 1）。アデノウイルスベクタ
ーに組み込んで REIC/Dkk-3 を強制的に発現させると材料と方法

小胞体ストレスを介してがん細胞のみアポトーシスがICR 妊娠マウス（Crea）より胎児を摘出し、実体顕誘導された（参考文献 2）。この抗腫瘍効果は前立腺が微鏡下で皮膚組織を単離して実験に用いた。また正常ん、腎がん、乳がん、悪性中脾腫など多くのヒトがん

ヒトケラチノサイト（クラボウ）に TNF-α（100細胞に認められ、現在 REIC/Dkk-3 を標的とした遺伝

ng/mL）を投与し（24 時間）、タンパク質を抽出した。

子治療は純国産の新規治療法としてヒトへの応用が進REIC/Dkk-3 の発現を検討するため、Anti-human

められている（参考文献 3）。

REIC/Dkk-3 ポリクローナル抗体（R＆D Systems）

この REIC/Dkk-3 は分泌タンパク質であり、Wnt シグ

を 一 次 抗 体 、 Alexa 488 donkey anti-goat IgG

ナルの阻害因子として知られる Dkk-1 などと同じ Dkk（Invitrogen）を二次抗体として免疫染色を行い、ファミリーに含まれるものの、REIC/Dkk-3 の正常機能

OLYMPUS BX-53 蛍光顕微鏡を用いて観察を行った。

が未だに解明されておらず、存在が予想されている特細胞増殖を検討するため Ki-67 を用いた免疫染色〔一次抗体：Anti-human Ki-67 モノクローナル抗体

異的受容体もはっきりと分かっていない。
そこで REIC/Dkk-3 の正常機能に迫るため、本研究（Dako）、二次抗体：Alexa 488 donkey anti-mouse

ではマウス皮膚組織の発生過程における REIC/Dkk-3

IgG（Invitrogen）〕
および MTT アッセイ
〔CellTiter 96®

- 121 -

【平成26年度研究費助成

研究成果報告書】

Aqueous One Solution Cell Proliferation Assay

Ki-67 免疫染色法および MTT アッセイにおいて、（Promega ）〕を行った。また、蛍光色素である

TNF-αの添加により正常ヒトケラチノサイトの細胞

Hoechst33342（Invitrogen）、PI（Invitrogen）を用増殖が促進される傾向を示し、それに応じて細胞数がいて蛍光色素取り込みアッセイを行った。

増加することが確認された（図 3）。また、蛍光色素取り込みアッセイにおいて、TNF-αの添加により NHKの PI 陽性/ Hoechst 陽性率（ケラチノサイトにおいてはアポトーシスおよび分化した細胞）の低下が確認された。以上のことから、TNF-αはケラチノサイトのREIC/Dkk-3 の発現を低下させ、一方で細胞増殖・分化に作用し細胞数を増加させたと考えられた。一般に
Hoechst33342 では生細胞および死細胞が染まり、PI
では死細胞のみが染まる。PI 陽性 / Hoechst33342 陽性率を求め、ケラチノサイトにおける TNF-αとアポトーシス（分化）の関係を確認した。TNF-αの添加により NHK の PI 陽性/Hoechist33342 陽性率（NHK に
おいてはアポトーシスおよび分化した細胞）が低下した。この結果は、MTT アッセイにおける細胞数の増加

結果と考察
皮膚の発生過程における REIC/Dkk-3 の発現は、発と矛盾しない。

生が進むにつれて発現が増強しはじめ、その発現部位
も表皮幹細胞ニッチ（幹細胞とそのサポート細胞により構成される細胞集団）であるバルジ領域に限局していた（図 1）。さらに感染などのストレスで分泌される
炎症性サイトカイン TNF-αを正常ヒトケラチノサイ
トに添加したところ、REIC/Dkk-3 の発現が低下した（図 2）。この TNF-αによる REIC/Dkk-3 発現低下は
培養ケラチノサイトだけでなく培養皮膚組織でも確認された。

TNF-α（ ）図 3. 培養ケラチノサイトに与える TNF-α の効果

さらに最新の成果として、皮膚組織ではケラチノサ
イトが分泌する REIC/Dkk-3 が血管内皮細胞の遊走と血管形成を抑制している結果が得られた（論文作成中）。
TNF-α

このことは正常から病的状態へ皮膚組織が移行する際(＋)に REIC/Dkk-3 が負のスイッチとして働き、特に血管内皮細胞に働きかけていることを示唆している。炎症などによって破壊された皮膚組織が再生される際に血管内皮細胞が遊送し、皮膚ケラチノサイトと連動して

図 2. REIC/Dkk-3 の発現- 122 -

【平成26年度研究費助成

研究成果報告書】

血管新生を行うことで組織再生が円滑に進むと考えら

SS, Sonegawa H, Makino T, Shimizu T, Huh NH:れる。我々のこれまでの研究でも REIC/Dkk-3 の発現

Expression

が再生皮膚組織でほぼ消失していることが認められてhyperproliferative epidermis. Exp Dermatol 20,

おり（参考文献 4）、このことは今回の結果と矛盾しな

273-277, 2011

い。
表皮幹細胞は炎症などのストレスに応答して炎症性
サイトカイン TNF-αを分泌するが、その結果として組織形成に大きく関わる血管内皮細胞の挙動に大きな影響を与えているとしたら、非常に有意義な発見と言える。さらに詳細な検討が必要である。

結語
本研究では表皮幹細胞を用いた検討が十分には行えなかったが、皮膚組織形成の際に REIC/Dkk-3 がケラ
チノサイトや血管内皮細胞の挙動を制御するスイッチとして働いているという新たな概念を提示することができた。今後さらに検討を加えていく方針である。

謝辞
本研究は公益財団法人ウエスコ学術振興財団平成26 年度学術研究費助成金により遂行いたしました。心から感謝申し上げます。

参考文献
1) Tsuji T, Miyazaki M, Sakaguchi M, Inoue Y,
Namba M: A REIC gene shows down-regulation inhuman immortalized cells and humantumor-derived cell lines. Biochem Biophys Res
Commun 268, 20-24, 2007
2) Sakaguchi M, Kataoka K, Abarzua F, Tanimoto R,
Watanabe M, Murata H, Than SS, Kurose K,
Kashiwakura Y, Nasu Y, Kumon H, Huh NH:
Overexpression of REIC/Dkk-3 in normal fibroblasts
suppresses tumor growth via induction of IL-7. J

Biol Chem 284, 14236-14244, 20093)

Watanabe

M,

Nasu

Y,

Kumon

H:

Adenovirus-mediated REIC/Dkk-3 gene therapy:
Development of an autologous cancer vaccination
therapy. Oncol Lett 7, 595-601, 20144) Du G, Kataoka K, Sakaguchi M, Abarzua F, Than

- 123 -

of

REIC/Dkk-3

innormaland【平成26年度研究費助成

研究成果報告書】

高効率な発光を目指した有機蛍光材料の開発
岡山理科大学 理学部 化学科
岩永 哲夫
光や熱に安定であることが知られている芳香族ビスイミド類を基本ユニットに用いて，高効率な発光を目指した有機蛍光材料の開発を進めている．今年度は，芳香族ビスイミド類として，アントラセンビスイミド（ABI）
を用いた．このユニットは，イミド部位と芳香族部位に置換基を簡単に導入でき，分子の電子状態を簡便にチューニングできる．9-ブロモ ABI または 9,10-ジブロモ ABI を出発原料に用いて，芳香族ドナーユニットを

エチニルスペーサーを介して，薗頭カップリングにより効率的に導入した．得られた化合物の分光学的性
質を明らかにするために，吸収スペクトルと蛍光スペクトルをクロロホルム中で測定した．吸収スペクト
ルにおいて，電子供与性置換基をもつ化合物は，長波長側に電荷移動相互作用に伴う新たな吸収が確認された．パイ共役の拡張および ABI 骨格への電子供与性が大きくなることで，吸収波長が長波長シフトしていた．これは HOMO-LUMO のエネルギー差が小さくなっていることに起因する．分子軌道計算を用いて，この現象について詳細に調査し，蛍光スペクトルのデータとあわせて，発光効率を高める手法を検討した．

１．はじめに集積能を持つ長鎖アルキルを複数導入することで分

現在，有望な蛍光性材料の基本ユニットとしてア子間の相互作用を強めたり，逆に嵩高い置換基を導ントラセンやペンタセンなどのアセン系芳香族化合

入することで分子間の相互作用を抑制するなど，分物が使われている．アセン系芳香族化合物は電子豊子間の相互作用をたくみに操作して，新たな蛍光プ

富な化合物として知られており，置換基の種類を変

ロセスを持った蛍光材料の開発を目指した(Chart 1)．

えることで色調をチューニングすることができる．
同じ骨格をもった複数の誘導体を組み合わせること
で RGB を達成しようとする研究も進められている．
ところがアセン系芳香族化合物は光や空気中の酸素などに不安定な側面をもち，多くの誘導体において取り扱いを注意しなければならない問題点を抱えている．
本研究では，そのようなアセン系芳香族化合物が持つ問題点を解決できるような蛍光性色素の開発を目指す．今回，基盤ユニットとして利用するアント
ラセンビスイミド（ABI）は，アセン骨格を有しているにもかかわらず，光や熱に安定であることが知られている．また様々な位置に置換基を簡単に導入
でき，分子の電子状態を簡便にチューニングできる．
具体的な手法としては，イミド基の N 位やアントラ
センビスイミドのアセン部位に芳香族ドナーユニッ
トを導入することで，電子的特性が異なる誘導体を合成することを計画した．またイミドの N-位に自己- 124 -

Chart 1. （左）蛍光性芳香族ビスイミドの集積と電子移動プ
ロセス．
（右）アクセプター・ドナー・親媒ユニットの候補．

【平成26年度研究費助成

研究成果報告書】

規則的にユニットを配置する手法が確立できれエチニル置換 ABI 誘導体 1 と 2 は，対応する 9-ば，光誘起電子移動を妨げない集積体を構築するこ

ブロモ ABI 3 または 9,10-ジブロモ ABI 4 とエチニルとが可能となる．今回，アントラセンビスイミドを

誘導体を薗頭カップリングにより合成した．9,10-ジ基盤とした分子集積体の構成ユニットの合成とそのブロモ ABI 4 は報告されている方法を用いて合成し分光学的性質を明らかにしたので，以下に報告する．

た．[1] また 9-ブロモ ABI 3 は，当研究室で開発した方法を用いて合成した．[2] Durene を出発原料として，アセトニトリル中で N-ブロモコハク酸イミド

２．結果と考察
今年度は安定な蛍光性をもつアントラセンビスイ（NBS）と反応させることでモノブロモ Durene 5 をミド（ABI）骨格に注目し，これをコア骨格に用い得た．続けて，5 に臭素をラジカル付加させることたドナー／アクセプター型分子の開発を行った．一で，ヘプタブロモ体 6 を得た．ヘプタブロモ体 6 に般的に芳香族ビスイミド骨格を持つ分子は，溶解度

オクチルマレイミドを Diels Alder 反応させて付加が悪いことが知られているが，イミド基の N 位にオ環化体 7 を得たあとに，NBS とトリエチルアミンでクチル基を導入することで溶解度の向上を図った．

処理することで，9-ブロモ ABI 3 を得ることができ

芳香族ドナーユニットの導入にはエチニルスペーサ

た（Scheme 1）．

供与性ジフェニルアミノ基（Ph2N 基）や電子吸引性
トリフルオロメチル基（CF3 基）を導入し，置換基効果を検討した．合成した分子の分光学的性質や電子構造に関して置換基が及ぼす影響を調査するために，
電子スペクトルの測定や構造計算などを行った．

BrBrーで連結する手法を用いた．芳香族ドナーには電子DureneNBS

Br 2

CH 3CN

CCl 4

Br
Br

h

r.t.

Br
Br
Br
Br
6 (66%)

5 (77%)
O

NaI

O

Br

O H

N C 8H 17

H O

C8H17 N

DMF
85 oC

O H

1) NBS
Benzoyl Peroxide
CCl 4

O

N C 8H17
Br

7

Br

H O

R1

2) Et 3NOBr
9

C8H17 NOOON C8H17

10O

3 (26% from 6)

C8H17 NN C8H17

O

Scheme 1. 9-ブロモ ABI 3 の合成

O
1a (R1 = Ph 2N-)
1b (R1 = CF 3-)
1c (R1 = H)

得られたブロモ ABI 3 と対応するアリールエチニ
ル誘導体を混合し，Pd(PPh3)4 と CuI を触媒として加R1

えて，トリエチルアミンとトルエンまたは THF 中で反応させたところ，エチニル置換 ABI 誘導体 1 を良O
C8H17 NO

O

好な収率で得ることができた（Scheme 2）．ジエチ

N C8H17ニル誘導体についても同様に，ジブロモ ABI 4 とアO

リールエチニル誘導体から薗頭カップリングにより合成した（Scheme 3）．合成した化合物 1 と 2 は，1H
NMR と 13C NMR スペクトルおよび FAB マススペク

R1

トルにより同定した．

2a (R1 = Ph 2N-)
2b (R1 = CF3-)2c (R1 = H)

化合物 1c と 2c の 1H NMR スペクトル（CDCl3,
400MHz）を Figure 2 に示す．化合物 1c は ABI のア

Figure 1. 蛍光性アントラセンビスイミド分子設計．

ントラセン骨格のプロトンシグナルが特徴的にみら- 125 -

【平成26年度研究費助成

BrO

れ，9.1, 8.8, 8.5 ppm に３種類の singlet が観測され，

O

C8H17 N

プロトン比は 2:1:2 となった．一方，２置換化合物

N C8H17

O

研究成果報告書】

R1O

2c の場合は，対称性が高くなったため，アントラセ

3ン部位のプロトンシグナルが１種類の singlet として

R1

観察された．

5 or 10 mol% Pd(PPh 3)45 or 10 mol% CuIOO

C8H17 NTHF or toluene, Et 3N
reflux

合成した化合物 1 と 2 の分光学的性質を明らかに

N C8H17Oするために，吸収スペクトルと蛍光スペクトルをクO

1a (92%, R1 = Ph 2N): Yellow powder
1b (96%, R1 = CF3):Yellow powder
1c (79%, R1 = H): Yellow powder

ロロホルム中で測定した（Figure 3, 4）．Table 1 にはScheme 2. アリールエチニル基を有するアントラセンビス
イミド誘導体 1 の合成

9-フェニルエチニル ABI 1c の最大吸収波長 λmax

Br

O
C8H17 NBr

は，無置換 ABI アナローグに比べて 21 nm 長波長シ
フトし，吸光係数（ε）も大きくなった．フェニルエO
N C8H17

O

電子スペクトルのデータをまとめて記載している．

チニル基への置換基効果について，電子供与性置換R1基である Ph2N 基を導入した化合物 1a は，ドナー性O13の増加により 500

R310mol% Pd(PPh 3)4
10mol% CuIO
C8H17 N

THF, Et 3N
refluxO

600 nm に分子内電荷移動

O（Charge Transfer: CT）による幅広い吸収が観察され

N C8H17

た．λmax は 1c と比べて 73 nm 長波長側にシフトしたOが，ε が全体的に小さくなった． 一方，CF3 基を導入した化合物 1b は，1c と比べても大きな変化は観測されなかった．

R1

9,10-ジ（フェニルエチニル）ABI 2c は，モノ置換

2a (97%, R1 = Ph 2N): Purple powder
2b (61%, R1 = CF3): Orange powder
2c (79%, R1 = H): Red powder

体 1c と比べて 43nm ほど長波長側にシフトしており，ε も増大していた．これは ABI 骨格のパイ拡張に起Scheme 3. ２つのアリールエチニル基を有するアントラセ
ンビスイミド誘導体 2 の合成因すると考えられる．モノ置換体と同様に置換基効
果を調べたところ，
Ph2N 基を導入した化合物2aは，2c と比べて 97 nm と大きく長波長シフトしており，

O

Ph-

Ha

O

C8H17 NHa

N-CH2-N C8H17

O

O

2c

Hc
Ha

PhO

Hb

O

9

O

C8H17 N

1c

/ppm

Hc

8

7

4
1

N C8H17
Ha

3

Hb

O

2

Figure 2. 化合物 1c と 2c の H NMR スペクトル（400MHz, CDCl3）- 126 -10

【平成26年度研究費助成

研究成果報告書】

1.2

16

1

12
1a

10

2b
1c

0.4

2a

8

1b

6
4

1a

0.8

Intensity/ 10 4 L mol-1 cm-1

14

2a

0.6

1b
2b
1c

2c

2c
0.2

2
0
250

300

350

400

450

500

550

600

650

0

700

400

450

500

550

Wavelength /nm

600

650

Figure 3. アリールエチニル基を有するアントラセンビスイ
ミド誘導体 2 の吸収スペクトル（クロロホルム）

1 と 2 の吸収スペクトルと蛍光スペクトルのデータ.

Compoundλ max /nm (ε)λ em /nm (ΦF) a

HOMO (eV) b

LUMO (eV) b

1a515 (14800)

611 (0.39)

5.16

2.79

1b

446 (18700)

455 (0.49)

6.07

3.10

1c

442 (19100)

468 (0.45)

5.85

2.92

2a

582 (33200)

641 (0.53)

4.90

2.80

2b

485 (29000)

501 (0.76)

5.91

3.34

2c

485 (25600)

517 (0.85)

5.56

3.03

無置換 ABI

421 (15000)

423 (0.31)

6.29

2.82

a) Absolute fluorescence quantum yields. b) Calculated at B3LYP/6-31G(d) level.
1c

1a

LUMO

2c

2a

2.80

2.79
2.92

Energy /eV

750

Figure 4. アリールエチニル基を有するアントラセンビスイ
ミド誘導体 2 の蛍光スペクトル（クロロホルム）

物
Table 1. 化合

700

Wavelength /nm

3.03

4.90

HOMO
5.16

5.56

5.85

Molecular orbitals calculated at the B3LYP/6-31G(d) level.
(Calculation were carried out for N-methyl derivatives.)

Figure 5. 化合物 1a, 1c, 2a と 2c の HOMOーLUMO レベルと分子軌道図- 127 -

【平成26年度研究費助成

置換基効果が大きく現れた．種々のエチニル基の導研究成果報告書】

４．謝辞

入によるABI骨格の分子軌道への影響を調査するた

本研究は，
平成 26 年度公益財団法人ウエスコ学術

めに，DFT 計算を行った（Figure 5）．エチニル基の振興財団の学術研究費助成事業の助成を受けて実施

導入は，HOMO のレベルを 0.4 0.7eV 程度上昇さしたものである．本研究の遂行にあたり，岡山理科せる効果がみられた．
化合物 1a のようにフェニル基

大学理学部の豊田真司教授に，有益な助言を頂いた．

に電子供与性がある Ph2N 基を導入したときは，ここに記して感謝申し上げます．

HOMO のレベルを大きく押し上げ，バンドギャップが小さくなることがわかった．これは実際の吸収ス

５．参考文献ペクトルにおいて，化合物 1c と比べて大きく長波長[1] H. Usta, C. Kim, Z. Wang, S. Lu, H. Huang, A.

シフトしていることと一致している．

Facchetti, T. J. Marks, J. Mater. Chem. 2012, 22, 4459.

蛍光スペクトルをクロロホルム中で測定したところ，化合物 1 と 2 ともに発光ピークはシャープなバ
ンドで確認された．
二置換エチニル ABI 誘導体 2 は，と化合物 1 と比べて，蛍光波長が長波長側にシフトし，量子収率も大きくなった（Figure 4 & Table 1）．
また今回合成した化合物の中で，電子供与性置換基を２つ有する 2a の蛍光波長が最も大きく観測された．これはエチニル基の導入による電子的な効果に起因している．
３．まとめ
本研究の最終目標は，広いπ平面を有するアクセ
プターユニットに超分子相互作用を発現する置換基を導入して，高効率な発光機能をもつ分子機能性材料の開発を行うことである．本研究期間中に，アントラセンビスイミドを基盤とした化合物の合成方法を確立し，様々な吸収波長を持つ材料の開発に成功した．基本骨格のイミド位に複数の長鎖アルキルをもつ置換基を導入し，溶液中および固体での光特性を調べていく予定である．また，イミド骨格の有用性を確かめるために複数のイミド骨格を組み合わせた分子の開発も行っていく予定である．
本研究で達成される芳香族ビスイミドユニットを基盤とした蛍光材料の効率的な開発は，従来にない分子構造と基本物性・性能を提示することで，地域の素材メーカーや薬品メーカーを活性化し，科学技
術社会の発展に貢献をしていきたいと考えている．

- 128 -

[2] T. Iwanaga, R. Tanaka, S. Toyota, Chem. Lett. 2014,
43, 105.

【平成26年度研究費助成

研究成果報告書】

情景画像と大規模点群の対応付けによる拡張現実指向 GIS の開発
岡山理科大学 工学部
島田 英之，大倉 充，島田 恭宏，太田 寛志
概要
道路を走行しつつ各種計測を行える移動計測システム（MMS: Mobile Mapping System）が，国内において急速に普及しつつある。多くの MMS では，レーザスキャナによる３次元計測，各種カメラによる現況撮影などを同時に行い，走行経路に沿った広範囲の情報を大量に収集する。著者らは，屋外にて携帯端末で撮影した写真をインターネット経由でサーバに送信し，サーバがそれを膨大なパノラマ画像群と照合して写真の撮影位置や方向を推定し，写真と正確に対応する MMS の３次元情報を現地に提供するという一連の技術の開発を目的として研究に取り組み，画像照合のための基本的な枠組みの開発と検証，既に開発されているアプリケーションの
新型 MMS への対応を行った。
１ はじめに

本稿ではまず，パノラマ画像群との照合によって

近年，道路を走行しつつ各種計測を行える移動計
測システム（MMS: Mobile Mapping System）が，国任意シーンの撮影位置と方向を推定するアルゴリズ
ムの開発と検証について報告する。

内において急速に普及しつつある。MMS ではレーザ

次に，本研究を遂行するにあたり，新しく導入さスキャナによる 3 次元計測，各種カメラによる現況

れた MMS Type-K で得た MMS データを処理できるよう撮影などを同時に行い，走行経路に沿った広範囲のに，従来開発したアプリケーションソフト MoMoS お

情報を大量に収集しているが，その情報の活用面によび OrthoPic の拡張を行ったため，これについても関しては旧来の測量機器を使った業務の枠組みから報告する。

踏み出したものではない。そこで，例えば現場にてタブレット PC 等に付属のカメラを通してモニタ上

２ 任意シーンの撮影位置と方向の推定で光景を見ると，その光景に対応した 3 次元情報がシーンの撮影位置の検出においては，照合用画像

呼び出されて画面上で計測が行えたり，埋設物が画として Point Grey Research 社製の Ladybug3 によっ

面上に重畳表示されたりする，拡張現実を指向したて撮影された画像を用いる。Ladybug3 は，7 台のカ

地理情報システム（GIS）があれば，蓄積された膨大メラによって全周囲を撮影することができる。これな情報の更なる有効活用が期待される。

を株式会社ウエスコが保有する三菱電機株式会社製タブレット PC 等の携帯端末で撮影されたシーンの MMS 車両のルーフに取り付け，車両の移動距離 2mに情報を重畳するには，シーンの撮影位置および方ごとに撮影を行う。撮影の各地点において 7 枚の画向の情報が必要になる。位置情報の取得には GPS の像が得られるが，それぞれについて画像照合をしよ

利用が考えられるが，全ての携帯端末に GPS 機能がうとすると画像の境界付近に位置する光景の正確な備えられているとは限らず，GPS 情報が取得できなマッチングが困難になる。そこで，撮影された画像

い屋外環境も存在する。また，GPS では撮影時の方は撮影地点ごとに全周囲パノラマ画像に合成変換を

向を明らかにできない。そこで本研究では， MMS で行い，これを照合用画像データベースとして用いる。

収集した画像群との照合によって，ユーザの撮影したシーンの撮影位置と方向の推定を行い，さらに，撮影したシーン画像に MMS 点群を重畳するアルゴリ
ズムを開発することを目的としている。

２．１ 画像照合アルゴリズム
本研究では，ユーザが撮影した画像（以下，クエ
リ画像と呼ぶ）と全周囲パノラマ画像との画像マッ- 129 -

【平成26年度研究費助成

チングを行うが，全周囲パノラマ画像には一般的な研究成果報告書】

4.

3.で検出されたパノラマ画像内において，クエ

カメラ画像には存在しない大きな幾何学的歪みが存

リ画像の撮影方向を検出するために，両画像間在する。また，パノラマ画像の撮影時間とクエリ画の幾何学的関係を求める。ここでは，クエリ画

像の撮影時間とが異なるため，両画像間では明るさ像からパノラマ画像へ射影変換するホモグラが異なる場合が多い。
そこで，画像マッチングには，

フィ行列のパラメータを，両画像で対応のとれ

画像の回転，スケール，照明の変化に対して頑健なた特徴点座標から RANSAC アルゴリズムを用い特徴量である SURF を使用する。SURF は，まず画像て推定する。

から特徴点を複数検出したのち，特徴点周辺の画像

5.

クエリ画像の中央点が 4.で求めたホモグラフ

領域を 64 次元ベクトルの特徴量として記述する。

ィ行列によってパノラマ画像中のどの座標点

画像マッチングを行うにあたり，前もって，画像に投影されるかを計算する。この座標によってデータベース中の全てのパノラマ画像において撮影方向がわかる。また，クエリ画像の 4 隅のSURF 特徴点の検出を行い，その特徴点座標と特徴量

点の座標を同様に変換すれば視野範囲が決定

を画像とともにデータベースに格納しておくことで，する。

画像マッチングの際の処理時間の短縮を図る。
クエリ画像との照合の処理手順を次に示す。
1.
2.

２．２ 評価実験

クエリ画像の SURF 特徴点を検出し，特徴点座
標群と各特徴点の特徴量を得る。

内を撮影した MMS のパノラマ画像を使用する。構内

パノラマ画像データベース内の各画像の SURF

を A～E の 5 つの区画に分け，それぞれ 20 フレーム

特徴量と，1.の特徴量とのマッチングを行い，としている。クエリ画像はデジタルカメラで撮影し特徴量距離が最小となる特徴点同士を対応付た。画像処理プログラムの作成に当たっては，画像ける。ただし，誤対応を防ぐために，特徴量距処理ライブラリ OpenCV 2.4.9 を使用した。

離が 0.15 以上である場合は対応する特徴点が
3.

照合用画像データベースとして，岡山理科大学構実験結果として，図 1,図 2 に 2 枚のクエリ画像に無いものとする。

ついて画像照合した結果を示す。図 1（a）のクエリ

特徴量距離の総和が小さいほどパノラマ画像

画像は，A～E 区間の各 20 枚，合計 100 枚のパノラとクエリ画像の撮影位置が一致している可能

マ画像と照合した結果，
区間 A の 13 番画像にてマッ性が高いといえる。しかし，正確に対応していチング得点が最大となった。このときのパノラマ画

る特徴点でも，特徴点によっては特徴量距離に像を図 1（b）に示す。図中に，丸でクエリ画像の中数倍の差が生じることがある。そこで，特徴量央と一致すると推定された箇所，四角枠でクエリ画

距離を次のように段階的に区切り，1 点から 3像の視野と推定された範囲を示している。この結果

点の得点を与えて，この総和をマッチング得点

から，クエリ画像を撮影した位置，撮影の方向が正とする。

しく推定されていることが確認できる。また，パノ・ 特徴量距離が 0.1 以上 0.15 未満の特徴点

ラマ画像の中には，クエリ画像には無い車両や人物が写り込んでいるが問題なく照合が行えている。図には 1 点を与える。
・ 特徴量距離が 0.05 以上 0.1 未満の特徴点

2（a）のクエリ画像 2 についても，画像の明るさがパノラマ画像とそれと異なっているが，撮影位置，には 2 点を与える。
・ 特徴量距離が 0 以上 0.05 未満の特徴点に方向が正しく推定が行えていることがわかる。
一方，クエリ画像に特徴的な構造が存在していない場合，

は 3 点を与える。
マッチング得点が最大のパノラマ画像をクエ

画像照合において失敗する場合がある。改良点とし

リ画像の撮影位置と一致する画像として検出て，パノラマ画像の SURF 特徴量のデータベースを作する。

る際には，どのパノラマ画像でも類似度が高くなる- 130 -

【平成26年度研究費助成

特徴点は除外し，画像固有の特徴点を優先してマッチングに利用することが考えられる。

研究成果報告書】となった。
表 1 は，両機種が搭載しているレーザスキャナのマッチング得点について分析をすると，正解のパ諸元である。分解能をはじめとして，あらゆる面に

ノラマ画像区間では得点の平均点が総じて高く，まおいて MMS Type-K が搭載している LMS511 が優れてた，正解のパノラマ画像の番号に近くなるほど得点

いるが，その分，処理すべきデータ量は増大する。

が高くなり，
正解の画像のところで最大得点となる。

分 解 能 が 1/0.667=1.5 倍 ， ス キ ャ ン 速 度 が

これは，MMS のパノラマ画像が 2m ごとに撮影されて100/75=1.33 倍のため，単純計算ではデータ量がち

いて，撮影位置が近傍の画像の類似度が高いためとょうど 2 倍となる。しかし，到達距離が倍以上に延考えられる。そこで，現手法では最高得点のみを照びたことから従来は取得できなかった範囲の点群ま合の判定に使用しているが，ある一定の範囲で得点で取得でき，さらに，点ごとの属性情報として従来が高く，その中央で大きなピークを持つような画像の座標情報，ＲＧＢ色情報に加えレーザ反射強度も

撮影地点の範囲を見つけるように改良すれば，撮影追加されるので，同一経路の走行であっても，実質位置推定の精度をさらに高められると考えられる。

の情報量は MMS Type-S の場合の 2 倍を大幅に超えることになる。

３ MMS Type-K への対応
表 1 レーザスキャナ諸元

本研究課題に関し，道路周辺のデータ収集が可能
な移動計測システムは当初，株式会社ウエスコ所有

MMS Type-S

MMS Type-Kの MMS Type-S のみであったが， 2014 年度に同社が

製造元

SICK

SICK

新規に MMS Type-K の導入を行ったため，本研究課題

分解能

1°

0.667°

で用いるレーザ点群及びパノラマ画像などの各種デ

範囲

±90°

±95°

ータは，MMS Type-K により取得されたものも混在す

速度75 scan/sec

100 scan/sec

ることとなった。そのために，従来開発を進めてき

到達距離

30m

65m

た各種のアプリケーションについて，MMS Type-S お

反射強度

不可

可

よび MMS Type-K の双方に対応するための拡張を行うことが，本研究課題を推進するにあたっての急務(a) クエリ画像 1（b）検出されたパノラマ画像（区間 A, 13 番）
図 1 照合結果 1(a) クエリ画像 2（b）検出されたパノラマ画像（区間 C, 8 番）
図 2 照合結果 2- 131 -

【平成26年度研究費助成

３．１ MMS 点群処理ソフトウェア MoMoS の対応

研究成果報告書】

ローチがそのまま適用できないことが分かった。そMoMoS は，
MMS で取得した点群にリアルタイムに面

こで，第 N 点と第 N+1 点との時間差の統計を全デー張りし，３Ｄシーンとしての高速表示や各種計測なタにわたって調査した結果，0.0044sec 以上の時間

どの高度な活用を可能とするソフトウェアである。

差があった場合にスキャンを分離すればほとんど問2009 年度と 2010 年度の 2 年間，ウエスコ学術振興

題ないことが明らかとなった。これにより，MMS

財団より研究助成を受けた研究課題「道路関連事業

Type-S と MMS Type-K とで，データの量こそ差があにおける移動計測システムの高度利用」を通じて開るが，処理の枠組みは同一のものが使える見通しが発され，その後も実務担当者からの要望に即応する立った。

形で改良や機能拡充を継続してきた。

しかし，前述の通り処理すべきデータ量が大幅に

MoMoS では，MMS 点群を前処理し，スキャンの単位増加したため，各部のアルゴリズムを改良し，ソフ

でインデックスを付して管理することで，その最大トウェアの軽快な動作をなるべく損なわないようにの特徴ともいえる高速性能を実現している。
そこで，した。また，キャッシュ機構や描画ルールなどのパ

MMS Type-K への対応を進めるため，まずは MMS

ラメータを見直し，支障のない範囲で描画ポリゴン

Type-K で得られた点群をスキャン単位に分離する

数を抑えるように調整した。

ために，データの素性の解析を行った。基本的には

図 3 に，ほぼ同一地点を MMS Type-S と MMS Type-K

MMS Type-S と同等の内容であるが，MMS Type-S ではのそれぞれで走行し， MoMoS で３Ｄシーンを生成し点ごとのタイムスタンプがスキャンの移行時に変化た結果を示す。走行時期が異なるので日照条件は若するのに対し，MMS Type-K では点ごとのタイムスタ

干違うが，MMS Type-K の方が映像の解像度が高く，ンプが点の単位で小刻みに増加するため，タイムス

また建物の上方までデータが存在することが明らか

タンプの変化点をもってスキャンの分離を行うアプである。
また，MMS Type-K のデータが与えられた場合は，シーン描画法選択メニューに「レーザ反射強度」の選択肢が現れ，レーザ反射強度に応じた濃淡のシーンを描画できる。レーザ計測した点群にカメラから得たＲＧＢ色情報を与える方法は，結果が日照条件に大きく左右されるが，レーザ反射強度は例えばトンネル内や日陰においても取得できるため，日照に左右されない濃淡画像を取得できる。また，座標と色情報のずれも小さい。
図 4 に，同一個所において，ＲＧＢ色情報，レー（a）MMS Type-S 使用

ザ反射強度のそれぞれを用いて３Ｄシーンを生成した結果を示す。
レーザ反射強度を使用した場合では，実際の色が反映されない代わりに，木の影などに左右されない安定した映像が得られていることが分かる。路面に油や水などが存在するとレーザ反射強度
が極端に小さくなり，シーン中では黒い領域として現れるため，ＲＧＢ色情報との相補的な用途も考えられよう。
（b）MMS Type-K 使用
図 3 ３Ｄシーン生成結果- 132 -

【平成26年度研究費助成

研究成果報告書】

３．
２ オルソ画像生成ソフトウェア OrthoPic の対ザ反射強度の情報からオルソ画像を生成する手段が応与えられた。これは，画像の張り合わせでオルソ画

既存の道路台帳図と現況とを比較する際には，MMS像を得るアプローチとは全く別のものであり，夜間点群を道路台帳図上に正射影して重畳させた状態でやトンネル内などで応用可能な先駆的ツールと考え比較を行うことが多い。しかし，MMS 点群は MMS かている。

ら離れるにつれて密度が低くなり，台帳図との比較

図 5 に，同一個所において，ＲＧＢ色情報，レーが難しくなる。そこで著者らは，前出の MoMoS の枠

ザ反射強度のそれぞれからオルソ画像を生成した結組みを応用して MMS 点群に面張りし，任意サイズの果を示す。ＲＧＢの場合は MMS の複数カメラの画像

多数の部分画像からなる広域オルソ画像を生成する

錯綜や影のため地物が判別しづらいが，レーザ反射ためのソフトウェア OrthoPic を既に開発し，
実業務強度の場合は良好な結果が得られている。

に供している。
今回，MMS Type-K への移行に伴い， OrthoPic の

４ むすび

対応及び機能拡張を行った。MoMoS と同じく，両者

本稿では，助成対象課題に関して行った，任意シのデータ形式への対応とレーザ反射強度の選択肢をーンの撮影位置と方向を推定するアルゴリズムの開加えた。なお，アイサンテクノロジー社から発売さ発，および，新しい MMS Type-K のデータ群へのアプれている「MMS オルソジェネレータ」は，MMS 点群かリケーションの対応について述べた。今後は，画像ら推定した平面上に撮影画像を射影してつなぎ合わ

照合の精度向上を図り，さらに，推定された撮影位

せ，オルソ画像を生成するものであり，高精細な実置・方向に MMS 点群を重畳する方法について研究にシーンを得る手段としては OrthoPic より優位にあ取り組む。最後に，財団関係者各位に深く感謝の意

る。しかし，今回の OrthoPic の拡張によって，レーを表し，本報告の結びとする。

（a）ＲＧＢ色情報使用（a）ＲＧＢ色情報使用（b）レーザ反射強度使用（b）レーザ反射強度使用

図 4 ３Ｄシーン生成結果

図 5 オルソ画像生成結果- 133 -

【平成26年度研究費助成

研究成果報告書】

航空レーザ測量データに基づいた大規模崩壊危険度評価手法の開発
岡山理科大学 生物地球学部 生物地球学科
佐藤 丈晴

本研究では，河川流域の測量を目的とした比較的古い航空レーザ測量データを用いて，急傾斜地の崩壊危険度の評価を行うことを目的とした．基本的に河川堤防及びその後背地を主体として測量されているデータであるが，このデータを急傾斜地の危険度評価に用いることができれば，コスト縮減及び測量データの有効活用につながる．この航空レーザ測量データを用いて，大規模土砂災害の発生の素因となる微地形を容易に抽出できる処理方法を示した．傾斜量とラプラシアンを重ね合わせる方法である．まず，航空測量データからクリギン
グ法に基づいて 1mDEM を計算する．続いて周辺メッシュの標高値を用いて平滑化を行い，ラプラシアンと傾斜量を計算する．これらの地形要素を重ね合わせ，地形解析図を作成する．さらに，提案手法を用いて上記で検討した航空レーザ測量データを用いて地形解析図を作成し，既往災害発生箇所について災害前の航空測量デー
タに基づいた地形解析を実施して地形的特徴の検討を行った．
１．はじめにる．しかしながら，かなり古い時期に実施され近年，河川，港湾を中心として航空レーザ測た測量においては，目的とする地域のみグラウ量が実施されており，面的に詳細な地形データ

ンドデータを作成し，図郭全域において作成はの取得が行われている．このような測量データ

されていない場合が多い．また，河川を対象とは，災害発生前後の地形変化，土砂量の計測等して測量されていることから山地部は対象外とに用いられており，古いデータ程その重要性がなり，密にデータも取られていない．

高まっている．しかしながら，過去のデータは，土砂災害の検討に用いるために航空レーザ測河川の流域等のみに偏在しており，精度も現在量におけるオリジナルデータからグランドデーのものと比較して明らかに劣っている．そのたタをフィルタリングする．今回は，手動で行わ

め，土砂災害など山地部での利用については，

ずしてグランドデータ点数を増やすための検討

別途測量が必要となっていた．

を行った．本研究では以下の 3 案を検討した．

しかしながら，このような測量データが土砂方法 1．通常設定で自動フィルタリング

災害に対して有効に活用できるとすれば，コス

地形に関わらず，一般的な処理設定である．

ト縮減及び既往成果の有効利用となる．
そこで，本研究では，平成 17 年度に実施された航空レーザ測量データに基づき，斜面崩壊に関する危険度評価に活用する方法を検討し過去の崩壊箇所の判読を行った．
２．フィルタリング方法検討

図-1

土砂災害の危険度評価に用いるデータは，山方法１におけるオリジナルデータ（白）とグラウンドデータ（オレンジ）

地における地形や地表の変状を読み取る必要がある．航空レーザ測量データの中では，地表の方法 2．タイル単位で最低点を追加

標高を示すグラウンドデータを用いる必要があ- 134 -

タイルを作成し，タイル内の標高が最も低い

【平成26年度研究費助成

表-1

研究成果報告書】

グラウンドデータ抽出のための条件

図-2

方法２におけるオリジナルデータ（白）とグラウンドデータ（オレンジ）

図-3

方法１と方法 2 を合成したデータ

点をグラウンドとして出力し，上記方法 1 の結実施）して，処理を流した．パラメータの変更

果と合成（タイルサイズは 1，2，3，5m）した．

については表-2 に示した．グラウンド取得の繰

図-2 で縦方向の青線に囲まれた領域についてり返しの処理を実施しない処理をオフとするこ最深と考えられる点を自動抽出し，等間隔の規とで，グラウンドを取得しなくなるまで繰り返

則的なデータを抽出した．そのデータと方法 1

し操作を自動で実施した．

で示した自動フィルタリング抽出による検討を重ね合わせて，データを作成した．

以上の結果を表-3 にまとめた．
方法１は，通常実施する標準的な設定による方法 3．自動フィルタリングのパラメータ変更

もので，概ねグラウンドと思われる点が取得さ

山地での点の増加を目論み，標準的な設定をれている．地形の細かいところまで表現できて変更（自動フィルタリングの繰り返し処理をいる．

- 135 -

【平成26年度研究費助成

研究成果報告書】

あり，方法 3 により作成された等高線が緻密に地形を表現している事が分かる．

図-4

方法 3 におけるオリジナルデータ（白）とグラウンドデータ（オレンジ）
表-2

図-5

方法 1 による等高線

図-6

方法 2 による等高線

図-7

方法 3 による等高線

方法 3 のグラウンドデータ抽出のための

条件

表-3

検討結果

方法 2 は，いずれのタイルサイズ（1，2，3，5m）の結果も，地表面でない建物等がグラウンドに採用してしまう．
方法 3 は，方法 1 よりもグラウンドと思われる点を多く取得しており，グラウンド以外の点の誤認識も無い．本検討における最適案である．
また，図-5～7 は各方法で出来たグラウンド
データから作成した等高線（写真上の青線）で以上の検討より，本研究では方法 3 による自動フィルタリングでデータを作成した．

- 136 -

【平成26年度研究費助成

研究成果報告書】

要となる．航空測量データ（グラウンドデータ）
は DEM のように規則性のあるデータではないため，グリッディングを行う．その手法は多様であるが，本研究では，作業規定の準則 4)に従い，
クリギング法 5)を用いて，1m 間隔の DEM（以下1mDEM と記す）を計算した．続いて求めたい地形量を算出するために平滑化を実施した．神原・佐藤(2014)6) は，対象とする地形の規模に対して，適切な範囲の周辺メッシュを用いた平滑化を行うことで，代表的な地形量を算定することを提案している．平滑化の範囲は，該当メ
ッシュの周辺 7 及び 19 グリッドに釣鐘上のガウス関数によるウエイト付けを行った．
図-8グラウンドデータ作成処理の一例

オリジナルデータ(白)とグラウンドデータ(オレンジ)
３．解析手法本研究における微地形の抽出は，傾斜量とラプラシアンを重ね合わせる方法を提案する．傾
斜量は斜面の崩壊を考えるうえで最も基本的な

図-9地形量を算出する該当メッシュ(中央地形要素の一つである．神原（2010） 1) は，マ

影のメッシュ)とその周辺メッシュのスムーブメントにおける発生域における斜面傾定義

斜角によってマスムーブメントの種類が変わることを示唆した．千木良他(2012) 2)は，2011 年

本研究では，平滑化した 1mDEM に対して傾斜の台風 12 号で発生した 13 か所の深層崩壊につ量とラプラシアンを算定した．算定式を以下にいて，1mDEM に基づいた冠頭部から末端部を結示した．算定式中の周辺メッシュの標高値 Z にんだ直線の勾配は 27 度～36 度であることを示

ついては，図-9 に該当メッシュとの位置関係をした．深層崩壊が同様の勾配によって発生して示した．

いることを示した．

【傾斜量】

斜面の微地形の表現にはラプラシアンを採用

傾斜量は，Mitfigovfi,Hofierka7)の考え方をした．画像処理の分野では，エッジを表現する参考にした．該当メッシュの南北方向と東西方

フィルタとして用いられており

3)，地すべりブ

向の標高差から角度を算出する．このとき，本ロック等土塊の縁として考えることができる．

研究ではΔx とΔy は 1mDEM のため，双方ともにラプラシアンは二回微分を示した指標であり，1 で計算する．

谷部，線状凹地，遷緩線等凹状地形の場合は正の値，尾根部，遷急線等凸状地形の場合は負の値を取る．
地形解析を実施するためには，DEM データが必- 137 -

【平成26年度研究費助成

研究成果報告書】【ラプラシアン】

壊が発生した．この斜面は平成 17 年当時から斜ラプラシアンは，Pitas(2000)8) の考え方を参面上部に段差地形があることが見て取れる．馬考にした．該当メッシュの東西南北に隣接した

蹄形上の段差地形は大規模崩壊の前兆とされて4 メッシュとの標高差を基にして算出した．Δx

いるが，この航空測量データからも読み取れる．

とΔy については，傾斜量と同様である．

以上より，目的の異なる測量データではあるが，グラウンドデータが密な地域についての土
砂災害危険度の評価は可能であることが確認できた．

地形解析図は，傾斜量図とラプラシアン図を重ね合わせて表示した．傾斜量図は，急勾配ほ

引用文献

ど黒色とし，緩勾配ほど白色とした．この上に1)

神原規也(2010)：マスムーブメントに着目

ラプラシアン図を重ね合わせ，透過させることした斜面傾斜角分類案，第 49 回日本地すべで傾斜量とラプラシアンの両方の地形量を示す

り学会研究発表会講演集，pp.1-2.

ことができる．

2)

千木良雅弘，ツォウ・チンイン，松四雄騎，

ラプラシアンは，1 の時青色で，-1 のとき橙平石成美，松澤真(2012)：台風 12 号による色で表示した．谷底や線状凹地など周辺と比較

深層崩壊発生場

して低地を示しているメッシュに対して水系を用いた地形解析結果－，京都大学防災研究

イメージするような配色としている．逆に尾根所研究集会「深層崩壊」，pp.24-34．

部のように突出したメッシュは，尾根をイメー

3)

ジして橙黄色で配色した．本研究では，これ以降ラプラシアンと傾斜量を合わせて表示した図を地形解析図と記す．また，この地形解析図に等高線図や 3D 画像を重ねると，さらに詳細に地

鳥脇純一郎：画像理解のためのディジタル
画像処理(Ⅰ)4)－発生前後の詳細 DEM を昭晃堂,p99,1989

国土交通省：作業規定の準則，国土交通省
告示 第 286 号，2013

5)形の状況を捉えることができる．

A.G.ROYLE,

F.L.CLAUSEN,

andP.FREDERIKSEN(1981)：PRACTICAL UNIVERSALKRIGING

４．地形解析結果AND

AUTOMATICCONTOURING ，

Geo-Processing，1，pp.377-394

図-10 は，今回解析及び現地調査を実施した

6)

神原規也，佐藤丈晴(2014)：マスムーブメ

現地の地形図である．航空レーザ測量データをント地形解析にあたってのラプラシアン図

基に地形解析図を作成した．

表 現 手 法 ， 砂 防 学 会 誌 ， Vol.67 ， No.1 ，

図中の一部分で，不自然な線が見られるが，これはデータ密度に関する問題であり，このよpp.41-47
7)

HelenaMitfigovfi

andJaroslav

うな地域では得られた地形の信頼性は乏しい．

Hofierka(1993):

そこで，図-10 と同じ範囲で基となるグラウン

Regularized Spline with Tension: II.

ドデータの分布を図-11 に示した．データの分

Application

布が疎な地域では等高線が粗となり，不自然なSurface Geometry Analysis, Mathematical

線の入っていることが確認できる．第 2 章でデGeology, Vol.25, No.6

ータ数の増加検討したものの，測量されていな

8)い地域の地形を表現することは難しい．

toInterpolation
TerrainModeling

byandIoannis Pitas(2000) ： Digital Image
Processing Algorithms and Applications，

図中中央の破線のある斜面で平成 25 年に崩- 138 -

Wiley-Interscience，p432

【平成26年度研究費助成

研究成果報告書】

±

ラプラ
シアン

崩壊箇所

傾斜度

0
図-10

100m
災害発生箇所の地形解析図と崩壊写真

±

0

図-11

図-10 の作成に用いたグラウンドデータの分布- 139 -100m

【平成26年度研究費助成

研究成果報告書】

自然科学的手法により備前焼のルーツを探る－邑久窯跡群の発掘調査から－
岡山理科大学白石 純
邑久窯跡群は、中四国最大の須恵器窯跡群である。しかし、これまで窯構造や遺物の研究は不十分であった。
そこで平成 22～25 年度に科学研究費補助金(代表：亀田)を頂き、岡山県備前市佐山地区の須恵器窯跡を発掘調査し、空白の 8 世紀後半の窯跡と備前焼の直接的なルーツとなる 10 世紀の窯跡を初めて発掘調査した。
本研究では、9～11 世紀の窯跡を地球科学、地理学などの考古学と関連する研究分野と共同調査を実施した。
共同調査を行った窯跡は、平成 25 年より継続調査している佐山東山窯跡(8 世紀後半～9 世紀)である。今回の発掘調査は、平成 26 年 8 月 26 日～9 月 1 日まで実施した。なお、今回の発掘が 3 次調査となる。
発掘調査の結果、窯の規模が、大きくなり、構造は半地下式の無階段の登窯で、規模が水平長さ約 13m で、幅が 1.95m となった。遺物は、これまでに出土している須恵器と大きな違いはなく 8 世紀後半を中心とする時期で、今回の調査で注目すべき資料は、「□□十六年」ヘラ書き銘文 である。この銘文 の性格は墓誌または買地券の可能性があり、官人層と関わりのある人がこの地域にいたことが推測される。

はじめににも適したところに立地している。

岡山県南東部に位置する邑久窯跡群は、中国四国

この地区に窯が築かれ始めるのは奈良時代になっ地方最大の須恵器窯跡群であり、備前焼へ発展したてからのことで、まず佐山南地域に築かれ始め、8窯跡群として有名である。
これまでの調査研究では、

世紀前半～中頃に佐山新池周辺に窯が築かれたと考6、7 世紀の窯跡は発掘されたことはあったが、それえられる。8 世紀後半には東へ移動し、東山窯跡な以降の備前焼の窯跡まで続くものはほとんどなかっど佐山全域で窯が築かれた。邑久窯跡群で 8 世紀た。そこで、同窯跡群の実態解明のため平成 22～25
年に 8～10 世紀の備前市佐山新池窯跡群(佐山新池 1号窯)と佐山東山窯跡群(佐山東山窯、佐山東山奧窯
跡)の調査を実施した。しかし、佐山東山窯跡については、窯の構造、規模、時期が十分にわかっておらず、継続調査が必要であった。そして、このたび平成 26 年 8 月に発掘調査を行った。調査は平成 26 年
佐山東山窯跡

8 月 26 日～9 月１日の 7 日間である。
遺跡の位置と歴史的環境
備前市佐山地区は、備前焼で有名な伊部地区の南側、山を越えたところに位置し、東西約 2km、南北約 2.2km の盆地状を呈している。
この佐山地区を含めた邑久窯跡群は、須恵器に適した原料となる粘土(流紋岩や花崗岩が風化して生成された山土)や窯の燃料として使われたアカマツや雑木林が豊富で、生産された製品を運び出す水運- 140 -

第 1 図 備前佐山地区の窯跡位置図

【平成26年度研究費助成

後半以降に窯が築かれるのは、この佐山地区と邑久研究成果報告書】

さ町福谷地域のみとなる。
10～11 世紀には、佐山東山周辺で生産が継続するとともに、佐山地域北側(元山窯跡、宝蔵池窯跡など)
や長船町磯上東側の谷奥(油杉窯跡群など)に築かれるようになる。そして、12 世紀には備前焼生産開始の地である伊部に窯が築かれ始め、いわゆる「備前焼」の始まりとなり、この地域で独自に発展し現在に至っている。
遺跡の概要(第 1・2 図)
佐山東山窯跡は、備前市佐山－八反峠－瀬戸内市
福谷に通じる道路脇で須恵器が採集されたことで知られていた。
平成 25 年 3 月と 8 月の 2 回の発掘調査
では、第1 トレンチから第4トレンチまで設定した。
その結果、第 1 トレンチを中心に窯本体とそれに伴う溝を検出した。
今回の調査では、第 6 トレンチまで設定し調査を行った。
以下、新たにわかったことについて述べる。

第 2 図 佐山東山窯跡トレンチ位置図

第 3 トレンチ西
灰原を確認するために設定したが、窯本体が延びることがわかり、焚き口の検出に主眼を置いた。しかし、焚き口を確認できず、窯本体が西側にやや褶曲していることが想定された。
第 3 トレンチ西南
第 3 トレンチ西の西南側に焚き口部分を検出するため設定したトレンチである。床面まで掘り下げた
ところ、ほぼ水平であることから焚き口部近くであると推測される。
第 5 トレンチ－第 5 トレンチ西
灰原層の広がりを確認するために設定した。その結果、須恵器・炭・焼土混じりの灰原層を確認した。
なお、ヘラ書き銘文 はこの灰原層より出土した。
出土遺物
この調査で出土した遺物は、須恵器、窯壁、ヘラ
書き銘文 である。須恵器では 8 世紀後半から 9 世

第 3 図 佐山東山窯跡出土ヘラ書き銘文

紀にかけての杯、皿、壺、甕類と 10 世紀頃の椀が出

1.6～1.7cm の須恵質の板である(第 3 図参照)。両側土している。また注目すべき遺物としては、「ヘラ書面は本来の面を残しているが、上下はどちらも割れき銘文 」である。銘文 については現在までにわている。この の一面に 3 行分の文字が記されていかった点について報告する。この銘文 は第 5 トレ

た。右から 1 行目「・・・議樂名・・・」、2 行目「・・・

ンチ灰原層で出土した。幅 1.47cm､残存高 5.2cm、厚十六年・・・」、3 行目「・・・？國・・・」と記さ- 141 -

【平成26年度研究費助成

研究成果報告書】

れている。そして、2 行目の「十六年」が年号と考測定試料：分析試料は、須恵器表面の汚れを除去えられる。この年号は天平 16(744)年、延暦 16(797)

後(研磨機)、
乾燥した試料を乳鉢(タン年が有力である。以上のことから、この銘文 の性

グステンカーバイト製)で粉末(100～

格は、墓誌または買地券が有力な候補である。そし200 ﾒｯｼｭ)にしたものを加圧成形機でて、前回報告した「福」押印須恵器とともに、1 つ

約 15 ㌧の圧力をかけ、コイン状に成形の窯跡から 2 種類の文字資料が出土したことや、他したものを測定試料とした。したがっの出土遺物などからも「官人層」との関わりが想定て、一部破壊分析である。

される窯跡である。このように佐山東山窯跡は、「官人層」と関係があった人物がかかわった地域の窯跡

産地推定方法
分析結果からの産地推定法は、有意な差がみられであることを推測させる貴重な資料である。

る成分を横軸と縦軸にとり、散布図を描き、生産地

佐山東山窯跡群須恵器の胎土分析

(窯跡)領域に消費地試料がどのように分布するか検

佐山東山窯跡群で生産された須恵器が、どこで消費されているか。自然科学的手法による胎土分析で検討した。検討方法は、岡山県内で発掘調査され、討し、産地推定を行った。
分析した試料は、表 1 および図 10、11 に示した河道内出土の 34 点である。

報告書が刊行された遺跡のうち、出土須恵器の考古分析の結果、胎土に差異がみられた成分は TiO2、学的(形態学)検討から、備前地域で生産されたと推Fe2O3、CaO、K2O、の各成分であった。これらの成分

定されている備前国府の関連遺跡である岡山市南古を用いて散布図を作成し比較した。

市場遺跡の河道砂礫中より出土した須恵器を自然科

岡山県内の 8 世紀後半から 12 世紀代の生産地(窯学的手法(蛍光Ｘ線分析法)による胎土分析を行ない、跡)須恵器の胎土分析では、備前市内の佐山地区の新8 世紀後半から 12 世紀にかけての須恵器の生産地推

池 1 号窯、東山窯跡、東山奥窯跡と伊部地区の東 6定を試みた。

号窯、医王山東麓 2 号窯の分析データを蓄積していこの南古市場遺跡は、遺跡北側を推定古代山陽道る。備前市内の各窯跡の比較では、備前市内の至近が通り備前国府の推定地内に位置することなどから距離の窯跡でも胎土に違いがあることが推測された

国府との深い関わりがあることが想定されている遺(亀田、白石、徳澤 2014)。それは佐山地区の新池 1

跡である。

号窯、
東山窯跡、
東山奥窯跡と伊部地区の東 6 号窯、分析方法・試料

医王山東麓 2 号窯の間で胎土が異なっていた。胎土測定装置、条件、試料等は以下の通りである。

に違いがみられた元素は鉄（Fe2O3）成分で伊部地区測定装置：蛍光Ｘ線分析計 SEA5120A(ｴｽｱｲｱｲ・ﾅﾉﾃｸﾉの窯は鉄成分が少ない傾向がみられた。

ﾛｼﾞｰ社製)を使用した。

今回の分析では、これら備前市内の窯跡試料との測定条件：Ｘ線照射径 2.5mm、電流 50～200mA、電圧 50kV/15kV、測定時間 300 秒、測定

胎土比較を行った。
南古市場遺跡の河道砂礫中より出土した須恵器を室は真空の条件で測定した。

器種別に分けて、備前市内の窯跡と比較した。

測定元素：10 成分の定量値は地質調査所の標準試

杯蓋（第 10 図 1～5）

料 JA-1(安山岩)、JG-1a(花崗岩)、

第 4 図 K2O－CaO、の散布図から、3 の輪状つまみ

JR-1(流紋岩)、
JB-1a(玄武岩)、
JF-1(長以外は、概ね備前地域の窯跡領域に分布している。

石)の 5 個の試料を用いて検量線を作

そして、備前地域でも佐山地区の窯跡領域に分布し成し、定量値を算出した。測定した成ている。なお 3 はこの分析では備前地域以外と推定

分(元素)は、SiO2､TiO2､Al2O3､Fe2O3､MnO､される。

MgO､CaO､Na2O､K2O､P2O5 の 10 成分であ杯身（第 10 図 9～21、28、29）る。

第 5 図 K2O－CaO の散布図より、杯身は、すべて備- 142 -

【平成26年度研究費助成

1.20

1.20

佐山東山 杯
佐山新池 杯
佐山東山奥 杯東6号 杯
南古市場 杯蓋

1.00

1.00

CaO(%)

5

0.60
1

0.40

7

6

0.60

0.40

4

2

8

0.20

3

0.20

0.00

0.00
0.00

1.00

2.00

3.00

4.00

0.00

5.00

1.00

2.00

3.00

4.00

5.00

K2O（％）

K2O（％）

第 4 図 南古市場遺跡出土杯蓋の産地推定

第 6 図 南古市場遺跡出土皿の産地推定

1.20

1.80

佐山東山 杯
佐山新池 杯
佐山東山奥 杯東6号 杯
南古市場 杯身

1.00

1.40
1.20

23

CaO(%)

12

17

16

0.60

14

13
28
15

0.40

医王山東麓2号 椀
佐山東山奥 杯・椀
南古市場 椀
東播系

1.60

19

0.80

CaO(%)

佐山東山 杯
佐山新池 杯
佐山東山奥 杯東6号 杯
南古市場 皿0.80

0.80

CaO(%)

研究成果報告書】

29
20

11

1.00
25

0.80

22

0.60
18

9

0.20

26

0.40

21

27

10

24

0.20
0.00

0.00
0.00

1.00

2.00

3.00

4.00

5.00

0.00

1.00

2.00

3.00

4.00

K2O（％）

K2O（％）

第 5 図 南古市場遺跡出土杯身の産地推定

第 7 図 南古市場遺跡出土椀の産地推定

前地域の窯跡領域に分布した。また備前地域でも佐山地区の領域にほとんどが分布している。

1.20

皿（第 10 図 6～8）

佐山新池 甕佐山東山 甕佐山東山奥 甕南古市場 双耳壺

1.00

第 6 図 K2O－CaO の散布図から、皿類も備前地域に32分布し、特に 6 の皿は佐山東山奥窯跡の領域に分布

0.80
31

CaO(%)した。
椀（第 10 図 22～27）
第 7 図 K2O－CaO の散布図より、椀は備前地域の領

30

0.60

0.40

域に分布した。東播系には入らなかった。したがって、備前地域と推定されるが、備前地域でも医王山
東麓 2 号窯に胎土が近いようである。

0.20

0.00
0.00

壺（第 11 図 30～32）
第 8 図 K2O－CaO の散布図より、3 点の双耳壺は、備前地域の佐山地区領域に分布している。

- 143 -

1.00

2.00

3.00

4.00

K2O（％）

第 8 図 南古市場遺跡出土双耳壺の産地推定【平成26年度研究費助成

1.00

研究成果報告書】れることや、未掘区に新たな窯の存在も想定される

佐山新池 甕佐山東山 甕佐山東山奥 甕南古市場 甕0.90ことから、今後も佐山東山窯跡の調査を継続する必
要がある。

0.80
0.70

CaO(%)

0.60

第 1 表 南古市場遺跡出土須恵器の胎土分析結果(%)

0.50
試料
番号

34

0.40

33

0.30
0.20
0.10
0.00
0.00

1.00

2.00

3.00

4.00

K2O（％）

第 9 図 南古市場遺跡出土甕の産地推定

甕（第 11 図 33、34）
第 9 図 K2O－CaO の散布図から、甕 2 点は佐山新池
1 号窯の領域近くに分布した。
まとめ
備前国府と深い関連のある南古市場遺跡の河道

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34

器種
杯蓋
杯蓋
杯蓋(輪状つまみ）
杯蓋(かえり有り）
杯蓋(かえり有り）
皿
皿（高台付）
皿（高台付）
杯身
杯身
杯身
杯身
杯身
杯身
杯身
杯身
杯身
杯身
杯身
杯身
杯身
椀（平高台）
椀（平高台）
椀（平高台）
椀（平高台）
椀（平高台）
椀（高台付）
杯（高台付）
杯（高台付）
双耳壺
双耳壺
双耳壺
甕
甕

SiO2

TiO2

Al2 O3Fe2 O3

MnO

MgO

CaO

Na2O

K 2O

P2 O5

69.90
71.21
81.06
77.10
73.52
69.14
73.49
75.94
72.58
71.40
75.74
70.42
69.42
70.27
76.58
72.05
67.81
72.42
69.16
71.33
71.53
73.43
70.03
75.94
75.88
73.57
71.78
76.31
69.36
73.06
70.78
75.11
72.90
73.36

0.91
0.92
0.76
0.78
0.77
0.99
0.84
0.74
1.00
1.08
0.98
0.91
0.98
0.85
0.78
0.86
0.91
0.87
0.70
0.97
0.90
0.74
1.06
0.80
0.62
0.71
0.72
0.91
0.58
0.71
0.88
0.64
0.70
0.74

17.14
17.14
12.78
13.93
16.16
17.94
16.11
15.35
16.77
17.22
15.43
17.99
18.49
16.15
15.40
16.16
19.04
16.22
17.10
16.95
16.72
16.29
18.82
15.65
14.76
16.38
16.50
14.91
18.30
15.72
16.98
14.64
16.71
16.60

6.42
6.60
2.83
4.69
5.26
7.10
5.08
4.08
5.57
6.04
4.58
7.18
7.00
6.18
3.82
5.61
7.21
5.85
6.19
6.31
6.62
4.79
4.53
3.88
3.65
4.94
6.67
4.65
6.51
5.15
6.06
3.63
4.26
4.34

0.03
0.01
0.00
0.00
0.04
0.04
0.05
0.00
0.15
0.01
0.01
0.03
0.02
0.05
0.00
0.02
0.06
0.03
0.03
0.02
0.04
0.04
0.03
0.01
0.00
0.01
0.02
0.00
0.00
0.00
0.01
0.00
0.01
0.01

2.05
0.91
0.40
0.57
0.51
1.23
0.29
0.36
0.44
0.90
0.25
0.55
0.80
1.64
0.41
0.63
1.88
0.74
1.84
0.85
0.48
0.29
1.39
0.28
0.39
0.35
0.40
0.27
0.55
1.52
1.31
1.21
1.08
0.57

0.45
0.35
0.24
0.38
0.72
0.62
0.67
0.42
0.38
0.39
0.44
0.67
0.52
0.57
0.47
0.60
0.67
0.39
0.80
0.43
0.40
0.57
1.14
0.30
0.85
0.48
0.40
0.48
0.47
0.67
0.71
0.89
0.36
0.38

0.00
0.00
0.00
0.00
0.33
0.34
0.40
0.00
0.00
0.01
0.02
0.00
0.00
1.20
0.00
0.81
0.17
0.00
1.10
0.00
0.00
0.52
0.16
0.37
0.76
0.00
0.00
0.00
0.75
0.41
0.43
0.88
0.24
0.34

2.95
2.74
1.82
2.40
2.53
2.51
2.96
2.99
3.00
2.81
2.42
2.14
2.63
2.96
2.41
3.17
2.06
3.31
2.92
2.98
3.15
2.90
2.39
2.59
2.92
3.41
3.38
2.34
3.36
2.53
2.71
2.89
3.50
3.45

0.05
0.06
0.04
0.05
0.04
0.04
0.03
0.04
0.04
0.05
0.04
0.03
0.04
0.03
0.05
0.03
0.05
0.05
0.04
0.05
0.04
0.30
0.31
0.04
0.04
0.03
0.04
0.04
0.04
0.06
0.06
0.04
0.06
0.04

砂礫中より出土した 8 世紀後半から 12 世紀かけて１23の須恵器の生産地推定を試みた。
4

器種別に分類した試料を、備前地域の生産地と比較を行った。
その結果、8 世紀後半から 10 世紀の杯、皿類は、備前地域の佐山地区と胎土が類似している

5

6

7

8

9

23
16

ことが推定された。
椀類では、備前市伊部地区の医王山東麓 2 号窯と1017胎土が類似していることが推定された。これは、医24

王山東麓 2 号窯は 12 世紀代の時期であり、東山奧が10 世紀代の時期になることから、これら平高台の椀

18

11

25

は、12 世紀代に近い椀であると考えられる。
双耳壺と甕類は、備前佐山地区と胎土が類似して
いた。

19
12

26

以上のように、今回分析した南古市場の 8 世紀後
半から 12 世紀にかけての須恵器は、ほとんどが備前201327

地域で生産されたものが供給されていることが推定された。しかし、椀類は、伊部地区(医王山東麓 228号窯)の椀類に、胎土が類似しており、佐山東山奧で生産された椀は、どこに供給されているか今回の分

21

14

22
15
29

析では明確にならなかった。
また、「ヘラ書き銘文 」の残りの破片が未調査区より出土することが考えら- 144 -

第 10 図 南古市場遺跡出土須恵器実測図

【平成26年度研究費助成

研究成果報告書】

30

31

32

33

34

第 11 図 南古市場遺跡出土須須恵器実測図【引用・参考文献】
・亀田修一、白石 純、徳澤啓一 2015『佐山東山窯跡群第4 次発掘調査概報』岡山理科大学考古学研究室
・亀田修一、白石 純、徳澤啓一 2014『備前邑久窯跡群の研究 －西日本における古代窯業生産の研究－』岡山理科大学考古学研究室
・扇崎 由 2012『南古市場遺跡 －岡山市立高島公民館建設に伴う発掘調査－』岡山市教育委員会
・石井 啓 2006『伊部南大窯周辺窯跡群確認調査報告書Ⅱ』
備前市埋蔵文化財調査報告書 7 備前市教育委員会
・石井 啓、重根弘和、赤井夕希子 2012『医王山東麓窯跡群
発掘調査報告書』備前市埋蔵文化財調査報告書 9 備前市教育委員会

- 145 -

【平成26年度研究費助成

研究成果報告書】

野生シカ多頭捕獲檻のゲート閉鎖遠隔制御装置の開発
津山工業高等専門学校
鳥家秀昭

野生のシカなどの有害動物の駆除を行うための多頭捕獲檻の普及促進を目的として，低価格で機械や電気の専門知識がない檻の管理者に使いやすいゲート閉鎖遠隔制御装置の開発に取組んだ。檻の設置場所から遠隔地にいる檻の管理者はリモコンで遠隔制御装置に指令を送ることによりゲート閉鎖を行ない，もっと遠隔地にいる管理者は携帯電話を使って捕獲情報，ゲート閉鎖指令および捕獲確認情報の双方向伝送を行うことを着想した。透過型赤外線センサーとマイコン制御回路を組合せた頭数カウンタを内蔵した操作パネルで自動ゲート閉鎖が可能になった。檻の設置場所から８０～１００［ｍ］の所からゲートを閉鎖できた。また，３［ｋｍ］程度の遠隔地で，携帯電話を用いた無線通信によりゲート閉鎖に成功した。この結果，檻の管理者（猟友会の人）が有害野生動物を確実に捕獲できる低価格のゲート閉鎖遠隔制御装置の可能性が得られた。今後の研究展開として，ＷＥＢカメラと携帯電話を組合せた遠隔制御装置の開発に取組む予定である。

１．背景・目的する。携帯電話を使う場合は，捕獲情報，ゲート閉

全国各地で野生動物による生活環境，生態系あるいは農作物の被害が深刻化している。岡山県でも野生のシカが多い勝英地域の被害額は，毎年１億円規（１，２）

模に達している。一方，野生動物の狩猟者や鎖指令および捕獲確認情報の双方向伝送を行う。
（１）遠隔制御装置の概要
透過型赤外線光電センサーとマイコンを用いて檻に進入したシカ頭数の自動計測を行い，事前に設定

捕獲従事者の減少と農家の高齢化の進行が相まって，

した捕獲目標頭数に達した時に自動でゲートを閉鎖

被害の対策は容易ではない。多頭捕獲檻では，最もする。また，檻に設置した携帯電話から遠隔地にい効果的なタイミングでゲートを閉鎖することが重要る檻の管理者の携帯電話に，野生シカが檻に進入しである。このため檻に進入した野生シカの頭数（以た情報を通知する。檻の管理者は携帯電話を操作し下，シカ頭数）の自動計測および捕獲目標頭数の自てゲート閉鎖指令を送信し，多頭捕獲を行う。さら（３）

動設定が可能な捕獲制御装置が市販されているに，野生シカの捕獲に成功した場合は，捕獲情報をが，高価で操作方法が複雑なため，利用・普及は難檻の管理者に送信する。

しいと思われる。

具体的には，下記の機能を具備する遠隔制御装置

そこで，本研究では，低価格で檻の管理者（捕獲とする。

従事者）が使いやすい遠隔制御装置を開発し，これ(a)檻内に進入したシカ頭数の自動カウントを行い，より農山村地域の環境保全・活性化に貢献する。

捕獲目標頭数に達すると自動でゲート閉鎖を行う。
(b)檻の設置場所から遠隔地の管理者の携帯電話に，
檻に進入したシカ頭数の情報を通知する。

２．ゲート閉鎖遠隔制御装置
夜間や早朝に檻の管理者が一度のゲート閉鎖によ(c)遠隔地にいる管理者が携帯電話で指令を送り，檻り多数の野生シカを捕獲でき低価格の遠隔制御装置のゲートを閉鎖する。

を開発する。檻の管理者は檻の設置場所から遠隔地(d)檻に捕獲された野生シカを検知した情報を携帯でリモコンや携帯電話を用いて遠隔制御装置を操作

電話に通知する。

- 146 -

【平成26年度研究費助成（２）遠隔制御装置の設計方針

研究成果報告書】示す。この方式は，（長円で囲まれた）釣り糸で扉を本研究で取組む遠隔制御装置の設計方針を述べる。

吊り上げてゲートの開放を保持する。プルソレノイ①檻に進入したシカ頭数をカウントする。野生シカ

ドの可動鉄心に，アクリル製の治具でカッターの刃の出入りを監視するために透過型赤外線センサーをを取付けた電動カッターを駆動して釣り糸を切断す使用する。このセンサーの出力信号は，野生シカがる。校内で動作テストを行い，扉が落下することを檻に進入するとカウント「＋１」，檻の外に出るとカ確認した。

ウント「－１」のように，頭数カウンタが記録する。
②檻に進入したシカ頭数を数日間，記録する。午後６時～午前６時までに，檻に進入した最大頭数を１日分として計算する。檻の管理者は数日間のデータを参考にして捕獲目標頭数を設定する。頭数設定ボタンで捕獲目標頭数を設定した後，捕獲を開始する。
③設定された捕獲目標頭数の野生シカを捕獲する。
遠隔制御装置は，カウントした頭数が捕獲目標頭数に達した時，扉を落下させてからゲートを閉鎖するまでの遅延時間（最長６０秒間）の計測を開始する。
時間が経過すると扉を落下させてゲートを閉鎖する。
④携帯電話に通知する。捕獲する・しないには無関（ａ）釣り糸係に，カウントしたシカ頭数が捕獲目標頭数に達す
ると，頭数カウンタを内蔵した操作パネルに設置している携帯電話から，檻の管理者の携帯電話に通知する。遠隔地にいる檻の管理者は携帯電話の着信を受取ることで捕獲目標頭数の野生シカが檻に進入したことを知る。
⑤携帯電話で遠隔制御装置を操作する。すなわち，遠隔地にいる檻の管理者は携帯電話を使って操作パネルに設置している携帯電話にゲート閉鎖指令を送信する。
（３）ゲートの開放（扉の保持）・閉鎖
檻のゲート開放時は，ゲートの扉を金属製ワイヤ（ｂ）電動カッター

で吊り上げ，このワイヤを電磁石で保持する（電磁図１．釣り糸＋電動カッター方式

石方式）。しかし，長いワイヤは野生シカが警戒して檻に近づき難い。ゲート閉鎖時に金属製ワイヤの保（４）遠隔制御装置の構成

持具からリリース音が発生し，これを野生動物が警

図２に，檻と遠隔制御装置の構成を示す。
（ａ）は戒して檻に近寄らなくなるという問題がある。そこ

檻と各々の機材の配置を，（ｂ）は透過型赤外線光電で，扉を小径のリング状の釣り糸で吊り上げて保持センサーの配置を示す。

し，ゲート閉鎖指令によりプルソレノイドを駆動し各々の機材は，①檻，②扉，③ゲートの開放・閉て，これに取付けたカッターで釣り糸を切断するこ鎖機構，④透過型光電センサー，⑤ソーラーパネル，とにより扉を落下させる方法を考案した。

⑥遠隔制御装置（蓄電池），⑦リモコン送信機，⑧リ

図１（ａ），（ｂ）に釣り糸＋電動カッター方式を- 147 -

モコン受信機である。

【平成26年度研究費助成

研究成果報告書】

①
②

⑤

④

⑥

③
⑧

⑦
（ａ）檻と各々の機材の配置（ｂ）透過型赤外線センサーの配置
図２．遠隔制御装置の構成- 148 -

【平成26年度研究費助成（４）頭数カウンタ機能付操作パネル

研究成果報告書】

３．遠隔制御装置の動作テスト

図３に頭数カウンタ機能を具備した操作パネルの外観を示す。
「設定頭数以上でゲート閉鎖」と「頭数（１）自動ゲート閉鎖
檻に進入した野生シカが捕獲目標頭数に達した後，減少時にゲート閉鎖」の２つの制御モードがあり，ゲートの扉を保持する電磁石の励磁電流を止めると切換えて使用できる。

扉が落下してゲートが閉鎖する。電磁石を取り付けた檻の扉を，多頭捕獲用檻が設置されている場所に運び，ゲートの前に設置した２本の杭に透過型光電センサーを取付けた。
今回の遠隔制御装置の動作テストでは，野生シカの代わりに学生が透過型光電センサーを横切った。
操作パネルの捕獲目標頭数を３頭に設定し，頭数カウンタのカウント数が３頭に到達すると自動でゲートが閉鎖した。
（２）携帯電話による遠隔制御
携帯電話と専用の制御装置を用いて，無線通信による動作テストを行った。頭数カウンタのカウント
数が設定したシカ頭数に達すると，マイコンの指令

図３．頭数カウンタ機能付操作パネル

により，檻の管理者の携帯電話に通知する。具体的には，檻の設置場所から約３［ｋｍ］の遠隔地にお（５）遠隔制御用リモコン
図４に，遠隔制御装置の操作に使用するリモコン

いて携帯電話の着信および携帯電話の指令によるゲの送受信機を示す。電波が到達する最大距離は約１ート閉鎖に成功した。

５０［ｍ］である。商品名は電気錠用リモコンユニ（３）扉の保持・落下（釣り糸＋電動カッター方式）

ット（ＳＥＣＯ－ＬＡＲＭ製）で，電源はＤＣまた電磁石方式は，扉を開放している間に連続して励はＡＣ１１～２４［Ｖ］である。送信機のサイズは，

磁電流を供給するため，蓄電池の電力消費が大きい。

幅：５１［ｍｍ］，奥行：３３［ｍｍ］，高さ：１

そこで，２章（３）で述べたように，釣り糸＋電動

１［ｍｍ］で，受信機のサイズは，幅：８３［ｍｍ］，

カッター方式を考案し，釣り糸で扉を吊り上げてゲ

奥行：６８［ｍｍ］，高さ：２７．５［ｍｍ］であートを開放し，ゲート閉鎖時には電動カッターで釣る。

り糸を切断する。
これについては，手動操作の実験で正常動作を確認したが，遠隔制御の動作テストは未実施である。
（４）捕獲情報通知装置
ゲート閉鎖に成功したことを檻の管理者に通知する装置である。扉が落下した時に発生する振動音あ
るいは檻の内部で野生シカがあばれて発生する衝撃
音を振動センサーで検知し，自動で出力信号（捕獲情報）を檻の管理者の携帯電話に通知する。
この装置についても，（３）と同様に遠隔制御の動作テストは未実施である。

図４．リモコン送受信機（右：送信機，左：受信機）- 149 -

【平成26年度研究費助成

４．まとめ
野生のシカを駆除するための多頭捕獲檻の普及促進を目的として，低価格で機械や電気の専門知識がない檻の管理者に使いやすいゲート閉鎖遠隔制御装置の開発に取組み，実施した動作テストは全て成功した。
今後の課題として，（１）複数のゲートが設置された檻の遠隔制御装置の開発（２）ＷＥＢカメラと携帯電話を組合せた遠隔制御
装置の開発
がある。
謝辞
最後に，本研究の遂行にあたり，研究経費を助成していただきました（財）ウエスコ学術振興財団に感謝いたします。
参考文献(1)http://www.pref.okayama.jp/page/detail-83737.
html(2)http://www.pref.okayama.jp/uploaded/life/8373
7_2499077_misc.pdf(3)http://www.issei-eco.com/products/kazoemon/detail.html- 150 -

研究成果報告書】

【平成26年度研究費助成

研究成果報告書】

非同期式直列演算器に基づいた超低消費電力デジタル補聴器の開発
川崎医療福祉大学 医療技術学部 臨床工学科
近藤 真史
近年，高齢化社会の進展に伴って，難聴を改善する補聴器のニーズは急速に高まっており，特にデジタル信号処理回路(DSP)を内蔵したデジタル補聴器は広く普及している．しかしながら，補聴器の高機能化に伴って，それを処理する DSP への演算負荷が著しく増大しており，その電池寿命は 2～7 日程度に留まっているのが現状である．そこで本研究では，DSP を構成する積和演算回路に着目し，それを構成する加算器と乗算器の低消費電力化を図る．まず，人間の可聴域が 20Hz～20kHz 程度である点を勘案し，現在常識的に用いられている高速な並列演算器(加算器・乗算器)ではなく，単一の全加算器のみを用いて逐次的に演算を行う直列演算器を採用する．次に，これらの直列演算器に対して，クロックパルスを用いない非同期式回路に基づいた制御を導入することにより低消費電力化な演算器を実現する．そして，これに基づいた加算器および乗算器を設計し，シミュレーションを通じてそれぞれ所望の動作を確認した．さらに，その消費電力を解析した結果，既存の並列演算器に比して，加算器および乗算器はいずれもその消費電力を約 50%削減できることを確認した．

1.まえがき提案する．提案する演算器では，補聴器用 DSP が処

近年，高齢化社会の進展に伴って，日本の推定難理する音声信号は高々20kHz 程度である点に着目し，聴者は約 2000 万人に達しており，
デジタル信号処理

現在常識的に用いられている並列演算器ではなく，回路(Digital Signal Processor : DSP)を内蔵した，いわ一対の全加算器(FA)とフリップフロップ(D-FF)のみ[1]

ゆるデジタル補聴器が広く普及している ．最近のを用いて逐次的に演算を行う直列演算器[5]を採用す

デジタル補聴器は様々な聴覚支援機能を備えている

ることで大幅な小面積化を図る．さらに，この種のが，相対的にそれを処理する DSP への演算負荷が増

直列演算器ではその制御に高速なクロックを供給す

大し，デジタル補聴器の電池寿命は数日程度に留まる必要があるが，本研究では，これにクロックを用[2][3]

いない非同期式回路に基づいた制御を施すことによ

この問題に対する最も単純な解決方法の一つは，り，クロックに起因する消費電力の増大を抑制し，っているのが現状である．

電池の大容量化を図ることではあるが，デジタル補低消費電力な演算器の実現を図る．

聴器はその装着形態から搭載可能な電池に物理的な以下本報告では，紙面の都合上，提案した演算器限界がある．そこで，クロックの供給電圧を低減すのうち非同期式直列加算器(以下，非同期加算器とい[4]ることにより電池寿命を改善する手法 が提案されう)についてのみ述べる．これと同じく演算器を構成ているものの，低電圧環境下ではノイズ干渉が増大する非同期式直列乗算器については研究成果[C]のするためにこれにも限界がある．したがって，デジ

文献を参照されたい．

タル補聴器における電池寿命の改善を図るためには，
デジタル補聴器用 DSP(以下，単に補聴器用 DSP という)におけるアーキテクチャの観点から低消費電力化手法を検討する必要がある．

2.設計方針直列加算器の非同期化を図るには，クロックに代わって動作タイミングを制御する手法が必要となる．

そこで本研究では，補聴器 DSP における回路面積の大部分を占める積和演算器への応用を前提として，小面積かつ低消費電力な演算器(加算器と乗算器)を- 151 -

以下，対象となる動作タイミングとその制御手法を述べる．

【平成26年度研究費助成

研究成果報告書】

1 ビット加算の完了 直列加算器では，FA により 1
ビットの加算が完了したタイミングで，加数，被加数および和が格納されているシフトレジスタのデー

Shift
DataA
n
DataB

タをシフトする必要がある．非同期式回路においてn

この種のタイミング制御手法は，束データ方式と 2

WEn

C
SRS

SRA
PI
SO
WEn
CLK

DFA
A1

S1

A0

S0

B1
SO
PI
WEn
CLK

X1

C1

X0

C0

PI
PO
SO
SI
WEn
CLK

DataS
n

Ce
DFFe
D

Q
CLR

DFFc
Q

線 4 相式に大別されるが，本研究では，
補聴器用 DSPへの適用を前提としていることから，環境耐性に優

C

B0

SRB

10...0

D
CLR

CLK
Fin

Reset

Gate
End

Start
CTRL

れ，回路遅延に応じた最適な動作を実現可能な 2 線
図 1 非同期式直列加算器の構成

4 相式を採用する[6]．2 線 4 相式では，1 ビットの信号(d)を表すため 2 ビットの信号(d1, d0)を用いる．
(d1, d0)が(0, 1)の状態は論理'0'，(1, 0)は論理'1'を表し，

PO は直列出力および並列出力であり，WEn のアサ(0, 0)は無効な信号を表す．特に，信号線上に有効なートにより入力されているデータ(PI)を保持し，CLKデータが存在する状態を稼動相，存在しない状態をの立上りエッジでデータをシフトする．

休止相という．そして，稼動相と休止相を交互に繰

DFA：文献[7]に基づく 2 線式全加算器．なお，X お

り返すことにより，各相の境界を以って処理の完了

よび C はそれぞれ加算前後における桁上げであり，を検出できる．

A，B および S と同様に 2 線符号化が施されている．

n ビット演算の完了 上述の制御に基づいて n ビッ

DFFc：演算過程で生じた桁上げを保持する非同期ク

トの加算処理を実現するためには，n ビット目の加リア(CLR)付の D-FF．

算が完了したタイミングを検出し，それに応じて以DFFe：SRS の最下位ビットから出力される演算の完降の動作を停止する必要がある．一つには加算回数了を表す信号 End を保持するための D-FF．

を数えるためのカウンタを別途設ける手法も考えら

CTRL：各シフトレジスタのシフトタイミングを制れるが，一般的に非同期式カウンタの正確な制御は御するコントローラ．

困難である上に，回路面積が著しく増大することとなる．そこで本研究では，演算終了までに演算結果を格納するレジスタ(後述の SRS)が n 回シフトされ3.2. 動作手順
SRA および SRB に対するデータ格納から演算のる点に着目し，SRS を最上位ビットのみが`1'である

完了に至るまでの動作手順は以下の通りである．

信号列"10...0"で予め初期化しておくことにより，最手順 1．演算データの格納 WEn がアサートされる

下位ビットに'1'が現れたタイミングで演算の終了をと，SRA および SRB に DataA および DataB がそれ検出する方針を採る．

ぞれ格納される．
手順 2．制御信号の生成 WEn のネゲート後，演算3.非同期式直列加算器の開始を指示する信号 Start がアサートされると，

3.1. 構成

CTRL は Gate をアサートする．

提案する非同期加算器の構成を図 1 に示し，各構

手順 3．1 ビット加算の開始 Gate がアサートされ成要素の機能と意味を以下に記す．また，ラベル Cることで，SRA および SRB の最下位ビットのデーが付記された論理ゲートはマラーの C 素子であり，タが 2 線符号化されて DFA に入力され，稼働相が動入力が共に'1'ならば'1'，'0'ならば'0'，それ以外の場合作する．

は直前の出力を保持する回路である．

手順 4．和と桁上げの格納 加算が終了し，桁上げ

SRA，SRB および SRS：加数(DataA)，被加数(DataB)

S と和 C が共に安定したことを C 素子により検出す

および和(DataS)を格納するシフトレジスタ．なお，

ると，Ce がアサートされる．これを受けた CTRL

SI および PI は直列入力および並列入力，SO およびは CLK をアサートし，再び 1 線式のデータに変換さ- 152 -

【平成26年度研究費助成

研究成果報告書】

れた S および C をそれぞれ SRS および DFFc に格納

Reset -

する．

CLK -

手順 5．入力レジスタの制御 CLK のアサートに続

p1

けて CTRL は Gate をネゲートする．これに伴ってStart+End Fin -DFA の入力全てが'0'となるため，DFA に休止相が動

p2

作するとともに，
図 1 上部の C 素子により Shift がア

Reset+

Gate+

サートされ，SRA と SRB のデータがシフトされる．

CLK -Start -

Ce -

End+

Ce+

手順 6．1 ビット加算の終了 DFA において休止相が終了すると Ce がネゲートされる．これを受けた

CLK+

CTRL は，CLK をネゲートするとともに，再び稼動

Gate -

Ce -相を動作させるために Gate をアサートし，手順 3

Fin+

p3

に戻る．

図 2 CTRL の STG

手順 7．演算処理の完了 手順 3～手順 6 の動作を n
ビット分繰り返すことにより，演算結果が順に SRS

EndCeに格納される．それに伴って，SRS の初期値として最上位ビットに格納していた信号'1'が DFFe に格納

Fin

CLK

され，演算の完了を表す信号 Fin としてアサートさ

Start

Gate

れる．そして，Fin を受けた CTRL は End をアサー
Reset

トして演算の完了を通知し，非同期加算器はその動作を停止する．

図 3 CTRL の回路構成

3.3. CTRL の設計と構成
各レジスタを制御する CTRL は非同期式順序回路
として設計する必要がある．本研究では，CTRL の動作が信号遷移のみで規定できる点に着目し，マラー回路に基づいて設計を行う．マラー回路の設計には，回路の動作を記述した信号遷移グラフ(STG)が用いられ，これを入力として論理合成を行うことができる[8]．図 1 の回路構成および 3.2.の動作手順に基づいて CTRL の動作を表現した STG を図 2 に示す．
図中の○は状態，□は信号遷移(+は信号の立上り，－は立下り)，矢印は遷移関係を表し，現存の状態は●を付して表される．
まず，初期状態 p1 に対して Start がアサートされると p2 に遷移し，さらに続けて稼働相に係る信号
Gate をアサートする．次に，DFA による加算を経てCe がアサートされると，CLK をアサートするとともに Gate をネゲートし，状態 p3 に遷移する．これ以後の遷移は，演算が終了するか否か，すなわち Fin
がアサートされるかに依存する．これがアサートさ- 153 -

れることなく Ce がネゲートされた場合は，CLK をネゲートし，再び状態 p2 に戻って演算を継続する．
一方，Fin がアサートされた場合は，Ce がネゲートされるまで待機した後に End をアサートする．そして，演算結果の退避後に Start がネゲートされると，
SRS および各 D-FF の初期化に係る信号 Reset をアサートする．これにより DFFe が初期化，すなわち Fin
がネゲートされるため，End および CLK をネゲートして状態 p1 に戻る．
非同期式回路合成ツール Petrufy4.2[8] に上述の
STG を入力して得られた CTRL の回路構成を図 3 に示す．

4. 休止相の隠蔽による高速化
上述の非同期加算器は，単一の DFA を用いて稼動相と休止相を交互に繰り返すことで演算を行うが，休止相において加算処理自体は行われていない．この休止相に起因する無効な信号遷移は，非同期加算器を乗算器へ応用した場合における演算時間へのオ【平成26年度研究費助成

研究成果報告書】

PI (n-1:0)
・・・

Shift
DataA
n
DataB
n
WEn

C

・・・

WEn

SRS

SRA

DFA
A1
S1

PI SOeWEn SOo
CLK

A010...0

S0

B1

PI SOeWEn SOo
CLK

B0

SRB

X1

C1

X0

C0
C

D

Q

D

Q

PRE

Q

・・・

CLR

D

PRE

Q

Q

X1

C1

PRE

SOo

Q

D

PRE

Q

・・・

CLR

D

PRE

Q

SOe

CLR

CLK
・・・
・・・

PO (n-1:0)

Fin

D

C0

D

CLR

Reset

X0

図 5 隠蔽型加算器に対するシフトレジスタの構成

B0
A0

CLR

D

CLR

上段の非同期加算器には偶数ビット目(i=0, 2, 4,...,

B1

CLR

DFFt

Q

CLR

DFFc

DFFt

PRE

DFFe
D

CLK

CLR
Q

D

CLR

D
CLR

SIo

SIe

DFFc
Q

DataS
n

PI
PO
SIe SOe
SIo
WEn
CLK

S0

A1
S1
DFA

n-2)のデータ，下段には奇数ビット目(i=1, 3, 5,...,n-1)

Cのデータをそれぞれ相補的にアサートすることとな

Ce
C
Gate

Ce’

る．この制御について本研究では，CTRL の構成を

End

Start
CTRL

変更することなく，入出力シフトレジスタの配線の図 4 隠蔽型加算器の構成みを変更することで簡便に実現する方針を採る．
隠蔽型加算器に用いるシフトレジスタの構成を図ーバーヘッドや動的な消費電力の増加を招くことが5 に示す．図中の直列入出力信号 SI/SO の末尾に付

容易に推測される．これがこれまでに直列加算器の記された e および o は，それぞれ偶数ビット目およ

非同期化が検討されていない要因の一つと考えられ

び奇数ビット目のデータを表す．図 5 より，隠蔽型る．そこで本研究では，稼動相と休止相が交互に処加算器に用いるシフトレジスタは，i と i+1 番目の理される点に着目し，二対の非同期加算器を用いてD-FF をカスケード接続するのではなく，i と i+2，i+1

相補的かつ交互に演算を行うことにより，休止相にと i+3 番目の D-FF を接続し，特に後者の D-FF に対起因する無効な信号遷移を隠蔽する手法を提案する．

しては CLK を反転して入力する．これにより，CLK

以下，これに基づいた非同期加算器を隠蔽型加算器の立上りで偶数ビット目，立下りで奇数ビット目のといい，その構成を図 4 に示す．

データがそれぞれ整合性を失うことなくシフトする

基本的な回路構成は図 1 の非同期加算器を上下対ことができる．

称に配置した形態を採るが，下段のそれに対しては，
CTRL からの制御信号が反転入力されている点，デ5. 設計と評価

ータの入力タイミングの整合性を図るための DFFt

5.1. 動作確認と演算性能が挿入されている点に注意する．また，上下段で排提案した非同期加算器と隠蔽型加算器を Xilinx

他的に処理される各相のタイミングを合わせるため，

ISE14.6 により設計し，同社製 FPGA Virex5-LX30 を

各非同期加算器から出力される Ce 信号を C 素子に対象としたタイミングシミュレーションを通してそより同期化し，改めて Ce'信号として生成している．

の動作確認を行った．その一例として，DataA =この構成によれば，上下段の非同期加算器でそれぞ"00001111''，DataB = "01010101''とした場合におけるれ稼動相と休止相が交互に動作し，常にいずれかのシミュレーション結果を図 6 に示す．各信号の意味

非同期加算器において稼動相が処理される．

は図 1 および図 4 と同様であるが，非同期加算器と

ここで，上述の処理を実現するためには，上段の非同期加算器に i ( 0i

隠蔽型加算器のそれを区別する必要がある場合には，

n )ビット目のデータ，下

信号名の末尾にそれぞれ_a および_c を付している．

段に i+1 ビット目のデータをそれぞれ異なるタイミ

図 6 より，Start のアサート(200ns)に伴って演算に係

ングで DFA へ入力する必要がある．より具体的には，る信号群が遷移し，演算が完了すると 290ns および- 154 -

【平成26年度研究費助成

研究成果報告書】

図 6 シミュレーション結果
250ns 付近でそれぞれの End がアサートされている．
こ の と き ， い ず れ も 演 算 結 果 と し て DataS ="01100100''が出力され，適切に演算が行われていることを確認できる．
次に，n=8, 16, 32, 64 における非同期加算器と隠蔽型加算器の設計を行った．また，比較対象として 4ビットを単位とした桁上げ先見加算器も同様に設計を行った．これらの加算器についてその演算時間を解析した結果を図 7 に示す．ここで，非同期加算器と隠蔽型加算器の演算時間は Start のアサートからEnd がアサートされるまで，桁上げ先見加算器はデータの入力から演算結果が確定するまでとした．図7 より，上下段の非同期加算器の同期化に係るオーバーヘッドの影響があるものの，隠蔽型加算器の演算時間は非同期加算器のそれに比して約 40%短縮されており，休止相の隠蔽効果を確認できる．
ここで，n 回の加算を繰り返す直列乗算器に対して，最も演算時間を要する 64 ビット非同期加算器の応用を想定した場合，その演算時間は 730.753[ns]×64 =46.768[μs]となる．これは，市販のデジタル補聴器のサンプリング周波数が 20kHz 程度である点[9]を勘案すると，そのサンプリング周期 50[μs]を満たしている．さらに一般的な音声信号の量子化ビット数が16 ビットである点を考慮すると，提案の加算器はい
ずれもデジタル補聴器用 DSP の演算器へ応用する
上で十分な演算性能を備えている．特に，現在最も高速な加算器の一つである桁上げ先見加算器に比して，隠蔽型加算器の演算時間が 20%程度の劣化に留められているのは特筆すべき点である．

図 7 各加算器の演算時間

5.2. 消費電力
Xilinx XPower Analyzer を用いて FPGA 実装時における消費電力と回路面積の解析を行った結果を表 1に示す．なお，各加算器の条件を統一するため，桁上げ先見加算器の評価結果には入出力レジスタを含んでいる．まず，回路面積(LUT および FF)に着目す
ると，提案の加算器の面積は n に依存しないにも関
わらず，いずれの加算器も同様の資源量と傾向を示している．これは，本研究の加算器では並列入出力機能付のシフトレジスタを利用しており，これを制御するマルチプレクサのオーバーヘッドによるものと考えられる．
一方，消費電力については，提案の加算器はいずれも桁上げ先見加算器に比して低消費電力に動作し，
特に隠蔽型加算器のそれは約半分となっている．これは，隠蔽型加算器のシフトレジスタが奇数ビット
目と偶数ビット目を独立に管理しているために，各ビットのデータが経由する D-FF の数が半減し，その信号遷移に係る動的な消費電力が低減された結果と考えられる．特にこれら提案加算器の低消費電力性の効果は，直列乗算器に応用した際により顕著に現れるものと考えられる．

- 155 -

【平成26年度研究費助成

研究成果報告書】

Front-End Circuit for a Sub-1-V Digital Hearing Aid

表 1 各加算器の消費電力と所要面積n

消費電力

Chip," IEEE J.

所要面積

[mW]

LUT

D-FF

8

0.42

25

24

桁上げ先見

16

2.04

61

48

加算器

32

4.08

133

96

64

7.28

277

192

8

0.18

63

26

非同期

16

0.52

95

50

加算器

32

1.74

159

98

64

6.65

290

194

8

0.25

89

29

隠蔽型

16

0.52

122

53

加算器

32

1.20

187

101

64

3.51

316

197

Solid-State Circuits, Vol.41, No.4, pp.876-882, 2006.
[5] 鈴木昌治, "ディジタル数値演算回路の実用設計," CQ 出版, Design Wave Advance, 2006.
[6] 齋藤寛, "非同期式回路の設計技術,'' IEICE Fundamentals Review, Vol.3, No.3, pp.64-70, 2009.
[7] 今井雅, 藤井太郎, 上野洋一郎, 南谷崇, "非同期式乗算器の設計と試作,'' 電子情報通信学会技術研究報告 ICD, Vol.96, No.20, pp.33-40, 1996.
[8]

J.Cortadella,

M.Kishinevsky,

A.Kondratyev,

L.Lavagno and A.Yakovlev, "Petrify: A Tool for Manipulating Concurrent Specifications and Synthesis of
Asynchronous Controllers,'' IEICE Trans. Informationand Systems, Vol.80, No.3, pp.315-325, 1997.
[9] H. McDermott, "SoundRecover : The importance ofwide perceptual bandwidth,'' Phonak. Background6. あとがき

Story, 2010.

本研究では，補聴器用 DSP に対する非同期式直列加算器の構成法を提案した．特にこの加算器では，本助成に係る研究成果

二対の全加算器を相補的に制御することにより，休[A] 松本和輝, 近藤真史, 佐藤洋一郎, "デジタル補止相に起因する演算時間のオーバーヘッドを隠蔽し，聴器を対象とした非同期式直列加算器の一構成

補聴器用 DSP へ応用する上で十分な演算性能を実法," 第 65 回電気・情報関連学会中国支部連合大現している．そして，シミュレーションを通じて所会, pp.356-357, 2014.10. (奨励賞受賞)

望の動作を確認するとともに，既存の並列加算器に[B] 岡本大地, 近藤真史, 佐藤洋一郎, "リングオシ

比して消費電力を約 50%削減できることを確認してレータを用いた非同期式直列乗算器," 第 65 回電いる．今後の課題としては，提案の加算器を乗算器

気・情報関連学会中国支部連合大会, pp.358-359,

や積和演算器に応用し，その有効性を確認すること

2014.10. (奨励賞受賞)が挙げられる．

[C] 近藤真史, 岡本大地, 佐藤洋一郎, 横川智教, 有本和民, "デジタル補聴器用 DSP を対象とした非

参考文献

同期式直列乗算器の一構成法," 電子情報通信学[1] 日本補聴器工業会, "補聴器供給システムの在り

会技術研究報告 CAS, Vol.114, No.312, pp.11-16,方に関する研究,'' 2 年次報告書, 2003.

2014.11.

[2] 成沢良幸, "デジタル補聴器を解剖する," CQ 出版,
インタフェース, Vol.6, pp.109-119, 2008.
[3] J. DiCristina, "Introduction to Hearing Aids and Important Design Considerations,'' Maxim integrated,
2010.
[4] K.Sunyoung, L.Jae-Youl, S.Seong-Jun, C.Namjun
andY.Hoi-Jun,"An

Energy-Efficient

Analog- 156 -

【平成26年度研究費助成

研究成果報告書】

ICF を活用した在宅重症児(者)の生活実態・社会資源の調査
川崎医療福祉大学
三田 岳彦

概要
本研究では、ICF を活用して、複数の地域を対象に在宅重症児の生活実態と社会資源の調査を行い地域特性
や支援要件（ニーズ）を包括的に解明するとともに、社会資源（シーズ）の活用を促進する社会資源マップの開発と支援基盤モデルの提案を目的とした。本研究助成の成果として鳥取県の在宅重症児(者)を対象に質問紙調査を行い、短期入所の利用実態と主たる家族介護者の健康状態の関連を明らかにした。本結果からは本人の生活機能状態に加えて介護者の健康状態や加齢を考慮した短期入所事業の整備の必要性が示唆された。

1．研究の背景（2）国際生活機能分類（1）重症心身障害児（者）とは国 際 生 活 機 能 分 類 （ International「重症心身障害児」（以下，重症児と略す）とは、Classification of Functioning, Disability and

重度の知的障害（知能指数：35 以下）と重度の肢体

Health: ICF）は、2001 年 5 月、WHO 総会において採不自由が重複した 18 歳未満の障害児と定義され、多択された健康と健康関連状況を記述するための標準

くの合併症を有するために生活介護だけでなく、常的な言語と概念的枠組み（図 1）を提供することをに健康管理や医療を必要とする人たちである。18 歳目的とした分類である。ICF を導入することによっ

以上の同様な障害をもつ成人に対しては行政上定義て、日常生活への支援、二次障害や合併症予防を含されていないが、重症児と同様な医療・福祉が提供

めた医療的な支援などの必要性だけでなく社会参加されている。このような背景からここでは成人を含の制約となる環境面の問題を総合的にとらえること

めて重症児と総称する。全国の重症児数は約 39,000が可能となる。

名と推計されており、約 13,000 名が専門の「重症児施設」の入所者である。重症児施設は児童福祉施設であるとともに、医療法に基づく病院でもある。
一方，施設入所者の 2 倍となる 26,000 名の重症児
は居宅で家族によってケアされている（以下、在宅重症児と称する）。
東京や大阪などの大都市では在宅重症児の割合が高く，80％以上とも推定されている。
北海道を始め過疎遠隔地では近隣に適切な医療機関

図 1 ICF の各構成要素間の相互作用がないことから施設入所の傾向にあり、在宅重症児の割合は約 50％といわれ、地域格差がある。また、（3）地理学的手法

在宅重症児と家族を支援する短期入所事業、生活介

在宅重症児に関する多くの調査では、機能障害の護事業や児童発達支援事業（旧通園事業）、特別支援

有無や生活活動の制限など実態の質的な側面に視点

学校などの社会資源の数や地理的分布にも地域格差がおかれ、重症児の居住地や社会資源の設置地区なが大きい。そのため、在宅重症児の生活実態、支援

どの地理的な側面を平面分布として把握することはの要望、居住地域の特性に対応した適切な社会資源皆無といっても過言ではない。社会資源へのアクセを整備する必要がある。

スに費やす距離や時間はその利用を妨げる極めて大- 157 -

【平成26年度研究費助成

研究成果報告書】

きな問題であり、本人や家族にとって大きな負担との環境因子に、②は活動にそれぞれ分類される。

なっている現実がある。そこで、本研究では、
「地理

（3）分析

学的手法」を導入して、社会資源の地域分布の実情

短期入所の利用状況と本人の状況(年齢、ADL、医を把握するとともに、最適な配置や整備を検討する。

療的ケア)および介護者の状況(年齢、健康状態)をクロス集計した。

2．研究目的
本研究では、ICF を活用して、複数の地域を対象

3. 結果と考察に在宅重症児の生活実態と社会資源の調査を行い、

図 3 7 は各項目についての短期入所の利用割合

また社会資源の地域分布を地理学的にも分析する。

を示している。本人の年齢による利用割合の違いはその成果をもちいて、地域特性や支援要件（ニーズ）あまり見られなかった。しかしながら学齢期にあたを包括的に解明するとともに、社会資源（シーズ）る年齢域の者の利用割合が低いことは、教育サービの活用を促進する社会資源マップの開発と支援基盤

スがレスパイトの役割を果たしている可能性を示唆

モデルの提案を目的とした。

させる（図 3）
。ADL(食事)が低く、医療的ケアが必本稿では鳥取県の在宅重症児(者)を対象に質問紙要な者ほど利用割合が高かった（図 4、5）
。介護者調査を行い、短期入所の利用実態と主たる家族介護の年齢(平均年齢 53.3 歳、最小年齢 33 歳、最高年齢

者の健康状態の関連を検討した部分について本助成

91 歳) との関連については 30 歳代の介護者の利用の成果報告として示す。

割合が低かった(30 代: 38. 5%、40 代: 60.9%、50
代:54.2%、60 代:44.4%、70 代:50.7%)(図 6)。健康2. 方法

状態に問題ある介護者のほうが利用割合が高く（図

（1）対象

7）
、介護者の年齢が高いほど健康状態に問題がある

重症心身障害の定義に用いられる「大島の分類」

傾向が推察された。

(図 2)の 1 4 に該当する鳥取県在住の在宅重症児(者)75 名(平均年齢 22.8 歳、最小年齢 2 歳、最高年

100.0

齢 54 歳)とした。
割合（%）

80.0
60.0
40.0

66.7

59.1

57.1

50.0
38.5

20.0
0.0
2 9
10 19 20 29 30 39
40（n=14） （n=26） （n=22） （n=10） （n=3）
本人年齢（歳）図 3 本人年齢と短期入所利用

図 2 大島の分類（2）調査項目①短期入所の利用の有無、②ADL(食事)、③医療的ケアの有無、④介護者の年齢および⑤介護者の健康状態の 5 項目とした。なお、上記の①，③ ⑤は ICF- 158 -

【平成26年度研究費助成

結論

100.0
80.0
割合 （ %）

研究成果報告書】

以上の結果から、本人の生活機能状態に加えて介

64.7

60.0

護者の健康状態や加齢を考慮した短期入所事業の整

51.4
35.7

40.0

備の必要性が示唆された。 なお、近年の在宅重症心25.0

身障害児(者)に関する先行研究の多くにおいて、在20.0

宅生活を継続する理由として「子どもと一緒いたい」

0.0
介助不要
（n=4）

一部介助
（n=14）

全介助（n=35）

経管栄養（n=17）という結果が示されている。介護者が希望する最小ADL（ 食 事）

限のレべルのサービスと、実際に提供されているサ

図 4 ADL と短期入所利用

ービスレべルのギャップに関する介護者の認識についてのより詳細な調査研究が期待される。

100.0

参考文献

割合 （ %）

80.0
59.6

60.0

[1] 三田岳彦,岩井正一,木村希美子,善家 誠,三上史哲. 愛媛 県東予地区における在宅重症心身障害

40.0
22.2

児(者):I.社会資源 の利用実態. 日本重症心身障害

20.0

学会誌,2012;37(1):171-7.

0.0あり（n=57）なし（n=18）[2] 三田岳彦,岩井正一,木村希美子,善家 誠,三上

医療 的 ケア史哲. 愛媛 県東予地区における在宅重症心身障害
図 5 医療的ケアと短期入所利用児(者):II.居住形態 の希望. 日本重症心身障害学
会誌 2012;37(3):413-8.

100.0

割合 （ %）

80.0
60.9

54.2

60.0
40.0

44.4

38.5

25.0

20.0
0.0
33 39 40 49 50 59 60 69（n=13） （n=23） （n=24） （n=9）

70
（n=4）

介護者 年齢（歳）図 6 介護者の年齢と短期入所利用

100.0

割 合 （ %）

80.0
60.0

54.0
33.3

40.0
20.0
0.0
あり（n=63）なし（n=12）介 護者 健康 問題

図 7 介護者の健康問題と短期入所利用- 159 -

【平成26年度研究費助成

研究成果報告書】

HTLV-1 由来の HBZ 蛋白を標的とした新規 HTLV-1 関連疾患の発症予防・治療法に関する研究
川崎医科大学 微生物学教室
塩浜 康雄
HTLV-1 は、感染者の約 5 %に成人 T 細胞白血病(ATL）、
0.25 4 %に HTLV-1 関連脊髄症(HAM/TSP）、
および HTLV-1
ぶどう膜炎（HU/HAU）などの疾患を引き起こすレトロウイルスである。HTLV-1 関連疾患の発症や病態形成には、ウイルス由来の遺伝子や蛋白質が重要な働きをしているが、その 1 つである HTLV-1 basic leucine zipper（HBZ）
は、宿主の制御性 T 細胞を増加させてその機能を抑制すると共に、エフェクターT 細胞の機能を阻害することで発がんと炎症形成の双方に関与している。末梢血単核球中の HBZ mRNA 発現量が HTLV-1 プロウイルス量、
HAM/TSP 患者の重症度、および髄液中炎症マーカー濃度と正の相関を示すことが報告されている一方で、HBZ
蛋白質はその生体内での発現がきわめて微量のため、病態との関連は現在のところ不明である。そこで本研究
では、多数の新規抗 HBZ モノクローナル抗体を取得して HBZ 蛋白質の鋭敏な検出系（サンドイッチ ELISA）を作製した。引き続き、HBZ 蛋白質発現の病態マーカーとしての意義を評価するとともに、HTLV-1 感染ヒト化マ
ウスモデル系を用いて抗 HBZ モノクローナル抗体による治療効果を評価することで、HTLV-1 関連疾患の新規発症予防法・治療法の開発を目指す。

1.緒言態形成には、HTLV-1 由来の転写制御因子である Tax

HTLV-1（Human T cell leukemia virus type 1:

や HTLV-1 basic leucine zipper（HBZ）が重要な働

HTLV-1）は、日本人によって発見され、世界で初めきをしていることが明らかとなっている(1-4)。HBZてヒト疾患との関連が示されたレトロウイルスであは、その遺伝子発現が ATL 細胞の増殖に関与するこる。HTLV-1 の主な感染経路は、母子感染（垂直感染）、と(5)、HBZ を CD4 陽性 T リンパ球に強発現するトラ性感染(水平感染）および輸血（現在はスクリーニン

ンスジェニックマウスが、制御性 T 細胞（Treg）をグにより消滅）の 3 つであり、HTLV-1 感染者の約 5 %増加させてその機能を抑制すると共に、エフェクタに成人T細胞白血病（Adult T-cell leukemia: ATL）、

ーT 細胞の機能をも阻害することで発がんと炎症形

0.25 4 %に HTLV-1 関連脊髄症（HTLV-1-associated成の双方に関与すること(6)などから、ATL のみなら

myelopathy/tropicalparaparesis:

ず、HAM/TSP、HU 等の慢性炎症性疾患の病態形成に

HAM/TSP）
およびHTLV-1ぶどう膜炎（HTLV-1 uveitis:

も必須の遺伝子とされている。また、HAM/TSP 患者

HU/HAU）などの疾患を引き起こす。我が国は先進国

末梢血単核球（PBMC）における HBZ mRNA 発現量が、における唯一の HTLV-1 浸淫国であり、その感染者数HTLV-1 プロウイルス量、疾患重症度、および髄液中

は国内に約 108 万人と推定され、今後も持続した ATL

炎症マーカー濃度と正の相関を示す(7)ことが報告

や HAM/TSP の新規発症例の増加が予測されているこ

されている一方で、HBZ 蛋白質については、生体内とから、HTLV-1 の感染予防法、関連疾患の発症予防

での発現がきわめて微量であり、従来 HBZ 蛋白質に法・治療法の確立は重要な課題である。また、全世対する優れた抗体がなかったこともあり、研究が十界における HTLV-1 感染者は、
カリブ海諸国やアフリ分に進展していなかった。

spastic

カ等の途上国を中心に約 2,000 万人以上にものぼる本研究では、多数の HBZ モノクローナル抗体を取ことが推定されており、HTLV-1 に関する研究成果は、得することで HBZ 蛋白質の鋭敏な検出系を作製し、国際的にも高い貢献が可能であると期待される。こ病態マーカーとしての HBZ 蛋白質発現の意義を評価れまでの研究によって、HTLV-1 関連疾患の発症や病する。一方、HTLV-1 感染ヒト化マウスモデル系を用- 160 -

【平成26年度研究費助成

いて抗 HBZ モノクローナル抗体による治療法の効果

研究成果報告書】

行い、上清を回収して細胞溶解液として使用した。

を評価することで、HTLV-1 関連疾患の新規発症予防法・治療法の開発を目指す。

（３）HBZ 蛋白質検出・定量サンドイッチ ELISAPBSで5μg/mL濃度に希釈したラット由来の抗HBZ

2.材料と方法

モノクローナル抗体を、Nunc イムノプレート マキ（1）抗 HBZ モノクローナル抗体の作製

シソープ平底 96 ウェルプレート（Thermo Fisher

HBZ アミノ酸配列由来ペプチドまたはコムギ無細Scientific）の各ウェルへ 50μL 加えて、室温で 1胞蛋白発現系により作製した組換え HBZ 蛋白質(セ時間、または 4℃で一晩インキュベーションして固ルフリーサイエンス)を抗原に用いて、ハイブリドー

相化した。次に、PBS-T（0.05 % Tween-20 を含む PBS）

マ法により抗 HBZ モノクローナル抗体の作製を行っで各ウェルを 3 回洗浄した後、5 % スキムミルク

た。C57BL/6 マウスまたは WKAH ラットに、抗原と完/PBS-T を 200μL 加えて、室温で 30 分間ブロッキン

全フロイントアジュバント（SIGMA-ALDRICH）を混和グを行った。
さらにPBS-Tで各ウェルを3 回洗浄し、して作製したエマルジョンを皮下投与した。2 週間

0.1 % BSA/PBS-T で 4 倍に希釈した細胞溶解液を 50後、抗原と不完全アジュバント（SIGMA-ALDRICH）を

μL 加えて、室温で 1 時間反応させた。再び、各ウ混和して作製したエマルジョンを皮下投与した。さェルを PBS-T で 3 回洗浄し、HRP を標識したマウス

らに2 週間後、抗原をPBSに溶解して腹腔内投与し、由来の抗 HBZ モノクローナルを 50μL 加えて室温でその 3 日後に脾臓細胞を回収して、脾臓細胞とミエ

1 時間反応させた。この時の抗体希釈液には、検出

ローマ細胞（SP2/0）をポリエチレングリコール

増感試薬（TaKaRa 社: Western BLoT Immuno Booster（PEG4000; Merck）により細胞融合した。HAT 培地

solution1）を使用した。各ウェルを PBS-T で 5 回洗(SIGMA-ALDRICH)による選択を行い、ハイブリドーマ

浄した後、TMB 溶液（KPL）を 100μL 加えて、室温の培養上清を、免疫に使用した抗原を固相化したで遮光しながら 5 分間の発色反応を行った。各ウェ

ELISA でスクリーニングして、目的抗体を産生する

ルへ 1N の H2SO4 を 50μL 加えて酵素反応を停止した

ハイブリドーマを限界希釈法によりクローン化した。

後、吸光マイクロプレートリーダー（Thermo Fisher

さらに、ハイブリドーマをマウス腹腔に接種して腹Scientific）
を用いて 450 nm、
参考波長として 620 nm

水化し、アフィニティーカラムにより精製した抗体の吸光度を測定した。検量線を、HBZ 蛋白質をスタを実験に使用した。

ンダードに用いて作製し、得られた吸光度より、各細胞溶解液中の HBZ 蛋白質濃度を計算した。

（2）細胞溶解液の調整
HTLV-1 感染および非感染細胞株を 10 % FCS

3.結果（SIGMA-ALDRICH）、100units/mL ペニシリン G、およ

（1）抗 HBZ モノクローナル抗体を用いた HBZ 蛋白

び 100μg/mL ストレプトマイシン硫酸塩（Wako）を質の発現解析

添加した RPMI1640 培地（SIGMA-ALDRICH）
を用いて、まず、得られた抗 HBZ モノクローナル抗体の HBZ

37 ℃の 5 % CO2 インキュベーター内で十分な数にな

蛋白質に対する特異性を確認した。実験には、293Tるまで培養した。
培養後、細胞を PBS で 3 回洗浄し、細胞に HBZ 蛋白質発現ベクターを導入した HBZ 強制

1×108 cells/mL の濃度になるようにプロテアーゼ

発現株（293T-HBZ）、およびコントロールベクターを阻害剤（Thermo Fisher Scientific）を含む含む RIPA導入した 293T 細胞株（293T-Mock）を用い、1 次抗バッファー（Thermo Fisher Scientific）を加えて体に抗 HBZ モノクローナル抗体、2 次抗体に蛍光ま十分に懸濁し、バイオラプター（コスモバイオ）のたは酵素標識された抗マウスまたは抗ラット抗体を推奨プロトコールに従ってソニケーション処理を行用いて、フローサイトメトリー、ウエスタンブロッ

った。14,000×g、4 ℃の条件で 15 分間遠心操作をト、および間接蛍光抗体法による解析を行った。そ- 161 -

【平成26年度研究費助成

研究成果報告書】の結果、いずれの解析においても、抗 HBZ モノクロト由来の 2 種類の抗 HBZ モノクローナル抗体を用いーナル抗体は 293T-HBZ に陽性反応を示し、コントロ

た。組み合わせによっては、検出感度や特異性が得ールである 293T-Mock には反応を示さなかった。さられにくいものが存在したが、最終的に特異性の高らに、内在性に HBZ 遺伝子を発現する複数の HTLV-1

い抗体の組み合わせを見出すことに成功した。
また、感染細胞株とその発現の見られない HTLV-1 非感染

複数のブロッキング試薬や反応試薬を用いて検出感細胞株を用いてウエスタンブロット解析を行った結度の向上について検討した結果、検出抗体の反応時

果、HTLV-1 感染細胞株のレーンにおいて、HBZ 蛋白に、特定の検出増感試薬を用いることで、サンドイ質のバンドが検出されたが、非感染株のレーンにはッチ ELISA の抗原検出感度を増幅することが可能とバンドは検出されなかった。以上の結果から、我々なった。

が作製した抗 HBZ モノクローナル抗体は、HBZ 蛋白
質を特異的に認識することが確認された。また、こ（3）HBZ 蛋白質サンドイッチ ELISA による HTLV-1

れらの抗体の中には、他の抗体と比較して HBZ 蛋白

感染細胞株の HBZ 蛋白質発現解析

質に対して高い親和性を持つものがあることも明らかとなった。

構築した HBZ 蛋白質サンドイッチ ELISA が HTLV-1
感染細胞における HBZ 蛋白質の発現を測定可能かどうか調べるため、内在性に HBZ 遺伝子を発現する複（2）HBZ 蛋白質を検出・定量するサンドイッチ ELISA

数の HTLV-1 感染細胞株、およびその発現の見られなの構築

い HTLV-1 非感染細胞株由来の細胞溶解液を用いて次に、抗 HBZ モノクローナル抗体を用いて HBZ 蛋実験を行った。その結果、HTLV-1 感染細胞株由来の白質の検出が可能なサンドイッチ ELISA の構築を行

細胞溶解液に対する陽性反応が見られたが、非感染った。サンドイッチ ELISA は、プレートに吸着させ細胞株由来の細胞溶解液に対する反応は見られなかた抗体（固相化抗体）で抗原を捕らえ、さらに酵素った。また、濃度が既知の組換え HBZ 蛋白をスタンなどを標識した抗体（検出抗体）で抗原を検出し、ダードに用いて検量線を作製することで、HTLV-1 感

最終的に発色試薬による反応で抗原を検出する方法

染細胞株由来の細胞溶解液に含まれる HBZ 蛋白濃度である（図１）。我々のサンドイッチ ELISA は、SHの算出も可能であった。HBZ 蛋白質サンドイッチ

基に HRP を直接標識した検出抗体を用いることで、

ELISA で得られた結果を検証するため、ウエスタン

検出抗体反応以降の操作手順をより簡便にした。な

ブロット法を用いて、これらの細胞溶解液の解析を

お、検出抗体への行った。その結果、HTLV-1 感染細胞株由来の細胞溶

HRP 標 識 に は解液においては HBZ 蛋白質特異的なバンドが検出さ

DOJINDO 社の HRP

れたが、HTLV-1 非感染細胞株由来の細胞溶解液にお標識キットを用いいてはそのバンドは検出されなかった。また、それた。サンドイッチ

ぞれの細胞溶解液で検出されたバンドの濃さは、
HBZ

ELISA の構築にあ蛋白質サンドイッチ ELISA で得られた値と相関を示

たっては、まず、すことが明らかとなった。これらの結果より、HBZ

濃度が既知の組換

蛋白質サンドイッチELISAはHTLV-1 感染細胞におけ

え HBZ 蛋白質や HBZ 蛋白質を高発現する 293T-HBZ

る HBZ 蛋白質の発現を検出できるだけでなく、その細胞溶解液を用いて、固相化抗体と検出抗体に用い濃度を定量することも可能であることが明らかとなる抗体の至適な組み合わせを検討した。抗体の組みった。

合わせには、認識エピトープや HBZ 蛋白質に対する親和性、さらにヒト血清にみられる抗異種抗体による偽陽性反応の防止に配慮して、マウスおよびラッ- 162 -

【平成26年度研究費助成

4.考察

研究成果報告書】

6.参考文献HTLV-1 由来の HBZ 蛋白質を測定する方法として、
フローサイトメトリー、ウエスタンブロット法、お1.

Kannagi M, Ohashi T, Harashima N,

よび間接蛍光抗体法などが挙げられるが、HBZ 蛋白

Hanabuchi S, Hasegawa A. Immunological risks of

質は生体内での発現量がきわめて微量のため、
従来、

adult T-cell leukemia at primary HTLV-I infection.

これらの方法で、特に患者検体（PBMC）を用いて HBZ

Trends Microbiol. 2004 Jul;12(7):346-52. PubMed

蛋白質発現を検出することは極めて困難であり、病PMID: WOS:000222863000008. English.

態との関連についての解析も進んでいなかった。本2.

研究で我々が開発した HBZ 蛋白質検出サンドイッチ

leukaemia virus type 1 (HTLV-1) infectivity and

ELISA は、検出感度や特異性に優れ、HTLV-1 感染細cellular transformation. Nature reviews Cancer.

胞に発現する HBZ 蛋白質を簡便、迅速に検出、定量

2007 Apr;7(4):270-80. PubMed PMID: 17384582.

することが可能である。HTLV-1 プロウイルスのマイ

3.

ナス鎖にコードされる HBZ は、遺伝子のプロモータ

Leukemia Virus Type 1: Commentary on Two Viral

ー領域における欠損やメチル化は認められず、全てGenes, Tax and HBZ. Journal of Leukemia.

の ATL 症例においてその発現が認められる(5)。
また、2014;02(02).

HAM/TSP 患者の PBMC における HBZ mRNA の発現量が4.

HTLV-1 プロウイルス量および病態マーカー濃度とImmunopathogenesis of human T-cell leukemia

相関を示すことから(7)、HBZ 蛋白質の生体内での発virus type-1-associated myelopathy/tropical spastic

現が HTLV-1 関連疾患における発症・病態・予後予測

paraparesis: recent perspectives. Leukemia researchの新規バイオマーカーとなる可能性もある。今回開and treatment. 2012;2012:259045. PubMed PMID:発したHBZ蛋白質検出サンドイッチELISAを用いて、23198155. Pubmed Central PMCID: 3505925.

今後検討する予定である。

5.

Matsuoka M, Jeang KT. Human T-cell

Yoshida M. Mystery of Human T-cell

Saito

Satou

M,

Y,

Bangham

Yasunaga

J,

CR.

YoshidaM,

一方、HTLV-1 感染者の生体内には、HBZ を標的とMatsuoka M. HTLV-I basic leucine zipper factor

する細胞傷害性 T 細胞や抗体産生細胞が存在しgene mRNA supports proliferation of adult T cell

(8-11)、同種造血幹細胞移植を受けた患者においてleukemiacells.

Proceedings

of

the

National

HBZ 反応性の CD4 T 細胞が誘導されるとの報告もあAcademy of Sciences of the United States of America.

ることから(12)、HBZ 蛋白質を治療標的とした免疫2006 Jan 17;103(3):720-5. PubMed PMID: 16407133.

療法により、HTLV-1 関連疾患を効果的に予防またはPubmed Central PMCID: PMC1334651. Epub

治療できる可能性がある。本研究により作製した抗2006/01/13. eng.

HBZ モノクローナル抗体を用いて、HTLV-1 感染ヒト

6.

化マウスモデル系により免疫療法の効果を検討する

Miyazato P, Takai K, et al. HTLV-1 bZIP factor

ことで、HTLV-1 関連疾患の新規発症予防法・治療法

induces T-cell lymphoma and systemic inflammationの開発を目指したい。

in+Satou Y, Yasunaga J, Zhao T, Yoshida M,

vivo.

PLoS

pathogens.

2011;7(2):e1001274.

PubMed PMID: 21347344. Pubmed Central PMCID:
3037353.

5.謝辞
本研究の一部は、
平成 26 年度ウエスコ学術振興財

7.

Saito M, Matsuzaki T, Satou Y, Yasunaga J,

団 学術助成事業の助成を受けて実施しました。
ここ

Saito K, Arimura K, et al. In vivo expression of theに感謝申し上げます。

HBZ gene of HTLV-1 correlates with proviral load,
inflammatory markers and disease severity in
HTLV-1- 163 -

associatedmyelopathy/tropicalspastic

【平成26年度研究費助成

paraparesis (HAM/TSP). Retrovirology. 2009;6:19.
PubMed PMID: 19228429. Pubmed Central PMCID:
2653460.
8.

Hilburn S, Rowan A, Demontis MA,

MacNamara A, Asquith B, Bangham CR, et al. In
vivo expression of human T-lymphotropic virus type
1 basic leucine-zipper protein generates specificCD8+ and CD4+ T-lymphocyte responses that
correlate with clinical outcome. The Journal of
infectious diseases. 2011 Feb 15;203(4):529-36.
PubMed PMID: 21208912. Pubmed Central PMCID:
3071236. Epub 2011/01/07.
9.
forRowan AG, Bangham CR. Is There a RoleHTLV-1-Specific

CTL

in

Adult

T-Cell

Leukemia/Lymphoma? Leukemia research andtreatment.

2012;2012:391953.

PubMedPMID:

23259066. Pubmed Central PMCID: 3504207. Epub
2012/12/22.
10.

Suemori K, Fujiwara H, Ochi T, Ogawa T,

Matsuoka M, Matsumoto T, et al. HBZ is an
immunogenic protein, but not a target antigen forhuman T-cell leukemia virus type 1-specific cytotoxic
T lymphocytes. The Journal of general virology. 2009
Aug;90(Pt 8):1806-11. PubMed PMID: 19423550.
Epub 2009/05/09. eng.
11.

Enose-Akahata Y, Abrams A, Massoud R,

Bialuk I, Johnson KR, Green PL, et al. Humoral
immune response to HTLV-1 basic leucine zipper
factor(HBZ)

in

HTLV-1-infectedindividuals.

Retrovirology. 2013;10:19. PubMed PMID: 23405908.
Pubmed Central PMCID: 3584941.
12.

Narita T, Ishida T, Masaki A, Suzuki S, Ito

A, Mori F, et al. HTLV-1 bZIP Factor-Specific CD4 T
Cell

Responses

in

Adult

T

Cell

Leukemia/Lymphoma Patients after Allogeneic
Hematopoietic Stem Cell Transplantation. Journalof immunology. 2014 Feb 1;192(3):940-7. PubMed
PMID: 24363428. Epub 2013/12/24.

- 164 -

研究成果報告書】

【平成26年度研究費助成

研究成果報告書】

創薬基盤のための後期エンドソームの内リン脂質ドメインの機能解析に関する研究
就実大学薬学部
松尾 浩民
エンドサイトーシス経路はいずれの細胞においても共通して存在しており、細胞の生命活動において重要な機構である。後期エンドソームはエンドサイトーシス経路によって細胞内に取り込まれた物質の最終選別場として機能する。その内膜系にはリゾビスホスファチジン酸 (LBPA) が局在し、特殊な領域が形成されており、タンパク質や脂質の細胞内輸送において重要な役割を果たしている。一方、コレステロールは生体にとって重要な脂質である。一般に、コレステロールは細胞外より LDL としてエンドサイトーシス経路により取り込まれ、一連の分解過程を経て遊離する。したがって、細胞内脂質輸送の破綻は遺伝的脂質蓄積症（ニーマンピッ
ク病 C 型；NPC）における細胞内での異常なコレステロール蓄積を引き起こす。本研究は、後期エンドソー
ムの内膜系局在する LBPA と細胞内コレステロールとの関連性について検討を行い、NPC に対する治療法構築の可能性について探ることを目的とした。
その結果、LBPA をリポソーム化して投与することにより、NPC におけるコレステロールの異常蓄積が改善される可能性が示された。

LBPA は細胞内において特殊な膜領域を形成し、エ【研究の背景と目的】
細胞内小胞輸送機構はあらゆる生命現象の基礎をなす機構であり、物質を細胞内に取り込むためのエ
ンドサイトーシス経路は、細胞内に取り込まれた内ンドソームを介したタンパク質や脂質の選別輸送に重要な役割を果たすことが明らかとなった。
コレステロールは細胞にとって重要な脂質であり、因性あるいは外因性物質の選別輸送と分解に関わる様々な物理化学的性質により生体膜の流動性に影響重要な機構である。エンドサイトーシス経路はエンを与え、さらにはステロイドホルモンの前駆物質とドソームと呼ばれる膜小胞を介して行われており、なっている。一般に、コレステロールは細胞外よりとりわけ後期エンドソームは細胞内物質輸送の最終

低密度リポタンパク質 (LDL) としてエンドサイト

選別所として機能し、その形態は特徴的な多重小胞ーシス経路を介して細胞内に取り込まれ、後期エン構造を示す。しかしながら、多重小胞構造の形成機

ドソームへ輸送された後、リソソームとの融合によ構や内膜と外膜との関係については全く不明であっり遊離される。したがって、細胞内脂質輸送の破綻た。近年、細胞内小胞輸送機構における脂質ドメイ

はエンドソーム内でのコレステロールの異常蓄積をンの重要性が示唆されている。動物細胞において後引き起こすこととなり、ニーマンピック病 C 型

期エンドソームの内膜系に独特な脂質であるリゾビ(NPC) に代表される遺伝的脂質蓄積症などの重篤

スホスファチジン酸 (LBPA) が局在し、後期エンドな疾患の原因となる。前述のように LBPA は脂質ソーム内で特殊な領域を形成することが明らかとな（コレステロール）の細胞内輸送において重要な役

り、LBPA が後期エンドソームを介したタンパク質割を果たしており 2、
LBPA とコレステロールとの関や脂質の輸送と密接に関連していることが示された

連性が培養細胞を用いた検討により明らかにされつ

1, 2

つある 4。

。さらに、LBPA の機能やその調節因子について検討を行った結果、後期エンドソームの構造的特徴

本研究は、後期エンドソームの内膜系に局在するである多重小胞構造の形成に膜脂質である LBPA

LBPA と細胞内コレステロール動態との関連性につそのものが形成因子として関与し、エンドサイトー

いて生化学的手法により、細胞内コレステロールの3シス経路にも関わることが示された 。
このように、- 165 -

恒常性維持における LBPA の役割について検討を【平成26年度研究費助成

行う。
さらに、
有効的な治療法が現存しない NPC に研究成果報告書】

ステロール量との比較を行った。

対する治療法構築の可能性を探ることを目的とする。
【結果】【実験方法】

1) 培養細胞を用いた細胞内コレステロール蓄積の・培養細胞を用いた細胞内コレステロール蓄積の誘誘導： BHK 細胞を U18666A 存在下にて培養し、

導：仔ハムスター腎由来 BHK 細胞を用い、3 -細胞内へのコレステロール蓄積の誘導を行った結果、(2-Diethylaminoethoxy)androst-5-en-17-one (U18666A)

後期エンドソームにおける LBPA の顕著な増加が存在下にて培養することにより、細胞内へのコレス

観察された (Fig. 1 A, B)。また、LBPA の増加に伴いテロール蓄積の誘導を行う。コレステロール蓄積のコレステロール量の著しい増加も認められ (Fig. 1

確認はステロールプローブであるフィリピンを用いC, D)、LBPA とコレステロールは非常に良い共在性

た染色を行い、蛍光顕微鏡による観察を行った。

を示した。また、後期エンドソームにおける LBPA

・細胞内コレステロール蓄積部位の検討：BHK 細の増加は TLC 分析によっても認められた (Fig. 1

胞を U18666A 存在下にて培養した後、ホルムアル

E)。

デヒド固定を行った。後期エンドソームはマーカーとしての LBPA に対する抗体を用いた免疫蛍光染
色を行い、コレステロールはフィリピン染色を行った後、蛍光顕微鏡による後期エンドソームとコレス
テロールとの共在性を観察し、細胞内コレステロー
ルの蓄積部位について検討を行った。
・後期エンドソームの単離：U18666A 未処理および処理後の BHK 細胞をモホジネートし、遠心分離によりエンドソームを含む後核画分 (PNS) の調製を行う。PNS からショ糖密度勾配遠心法により後期エンドソーム画分の単離を行った。
・エンドソーム膜リン脂質の変化：U18666A 処理および未処理細胞から調製したエンドソームを用い、クロロホルム／メタノール混液による膜脂質の抽出を行った。膜リン脂質の変化について、抽出した膜脂質を一次元薄層クロマトグラフィー法 (TLC) による分離を行い、発色により同定したリン脂質の分離パターンを基に正常細胞との比較検討を行った。
・リポソームの調製：後期エンドソームと同様のリン脂質組成を有するリポソームを逆相蒸発法により調製し、超音波処理を行った。
・エンドソーム内コレステロール蓄積の改善：
U18666A 処理後の BHK 細胞に対して調製したリポソームを投与後一定時間培養し、エンドソームの単離を行った。各エンドソームに蓄積したコレステ
ロール量を酵素測定法により測定し、U18666A 処理

Fig. 1 LBPA and cholesterol in BHK cells.

および未処理細胞から調製したエンドソーム内コレ

BHK cells were incubated with (A and C) or without (B- 166 -

【平成26年度研究費助成

and D) U18666A. Cells were fixed with formaldehyde

研究成果報告書】

ポソームの効果について検討を行った。

and stained with anti-LBPA antibody (A and B) or filipin

リポソームを投与後一定時間培養した BHK 細(C and D). (E) TLC analysis of phospholipids extracted

胞から後期エンドソームを単離し、そのコレステロ

from BHK cells treated with or without U18666A.

ール量を測定した。その結果、LBPA を含むリポソ

Bar; 10 m.

ーム（LBPA リポソーム）の投与により後期エンド
ソーム内のコレステロール量に減少が認められた

2) BHK 細胞によるリポソームの取り込み：脂溶性蛍(Fig. 3 A)。一方、LBPA を含まないリポソーム（コ光試薬 octadecyl rhodamine B chloride (R18) で標識

ントロールリポソーム）の投与ではコレステロール

したリポソームを BHK 細胞に投与し、4 ℃にて 1の減少はほとんど認められなかった (Fig. 3 B)。

時間インキュベートした後、37 ℃にて一定時間培養を行い、後期エンドソームマーカーである Lamp1との共存性を観察することにより細胞内への移行挙動について検討を行った。
10 分後ではリポソームの指標である R18 とLamp1 との共在性は観察されなかった。一方、45 分
後では R18 由来の蛍光が Lamp1 と非常に良く一致した局在性を示した (Fig. 2)。
Time
(min)

Lamp1
(late endosome)

R18(liposome)

merge

0

Fig. 3 Effects of liposomes on U18666A-treated
BHK cells.
10

BHK cells treated with U18666A were incubated with
LBPA liposomes (A) or control liposomes (B). After thesubcellular fractionation, the amounts of cholesterol inlate endosomes were measured.

45

【考察】
Fig. 2 Intracellular localization of liposomes in BHK

培養細胞を U18666A 存在下で処理することによcells.

り細胞内でのコレステロール輸送が阻害され、NPC

BHK cells were incubated with liposomes containing

フェノタイプが誘導されることが報告されている 5。

self-quenching amounts of R18 at 4 °C for 1 h, and then

同様に、BHK 細胞を U18666A 存在下にて培養すincubated at 37 °C for the indicated time periods.

ることにより細胞内でのコレステロール蓄積が認めBar; 10 m.

られた。このコレステロール蓄積部位が後期エンド
ソームマーカーとしての LBPA の局在性と非常に

3) エンドソーム内コレステロール蓄積の改善：

良く一致していることから、細胞内でのコレステロ

U18666A 処理による BHK 細胞での後期エンドソール蓄積部位は後期エンドソームであることが明らームにおけるコレステロールの異常蓄積に対するリかとなった。さらに、LBPA の増加に伴いコレステ- 167 -

【平成26年度研究費助成

研究成果報告書】

ロール蓄積も増加したことから、細胞内でのコレス【引用文献】

テロール動態に LBPA が関与することが示唆され

1. Kobayashi T, Stang E, Fang KS, de Moerloose P,
Parton RG, Gruenberg J.: A lipid associated with the

た。
LBPA はエンドソームにおけるコレステロール蓄

antiphospholipid

syndrome

regulates

endosome

積を調節することが報告されている 4。そこで、NPC

structure and function. Nature, 392, 193-197 (1998).

に対する新規治療法の候補として LBPA を応用す

2. Kobayashi T, Beuchat MH, Lindsay M, Frias S,

るにあたり、リポソーム化の有効性について検討を

Palmiter RD, Sakuraba H, Parton RG, Gruenberg J.:行った。脂溶性蛍光試薬 R18 で標識したリポソー

Late

ムを BHK 細胞と 4 ℃にて 1 時間インキュベー

lysobisphosphatidic acid regulate cholesterol transport.

トし、37 ℃にて一定時間の培養を行った。10 分後Nat. Cell Biol., 1, 113-118 (1999).

endosomal

membranes

rich

in

では、細胞内に取り込まれた物質の大部分が初期エ

3. Matsuo H, Chevallier J, Mayran N, Le Blanc I,

ンドソームへ移行し、
45 分後では後期エンドソーム

Ferguson C, Faure J, Blanc NS, Matile S, Dubochet J,へ移行する。投与したリポソーム由来の蛍光と後期

Sadoul R, Parton RG, Vilbois F, Gruenberg J.: Role ofエンドソームマーカーである Lamp1 との共在性に

LBPA and Alix in multivesicular liposome formation

ついて、
10 分後では共在性を示さなかったが、
45 分

and endosome organization. Science, 303, 531-534

後では非常に良い共在性を示した。したがって、投(2004).

与したリポソームは BHK 細胞に取り込まれた後、

4. Chevallier J, Chamoun Z, Jiang G, Prestwich G, Sakai

エンドサイトーシス経路に従って細胞内を輸送されN,ることが示された。

Lysobisphosphatidic

U18666A 処理後の BHK 細胞にリポソーム化した LBPA を投与し、細胞内コレステロールの異常蓄

MatileS,

Partonacid

RG,

Gruenberg

controls

J.:

endosomalcholesterol levels. J. Biol. Chem., 283, 27871-27880(2008).

積に対する影響について検討を行った。LBPA リポ

5. Lusa S, Blom TS, Eskelinen EL, Kuismanen E,

ソームを投与することにより後期エンドソーム内のMansson JE, Simons K, Ikonen E.: Depletion of rafts

コレステロール量に減少が認められた。しかしながin late endoctic membranes is controlled by

ら、LBPA を含まないコントロールリポソームの投NPC1-dependent recycling of cholesterol to the plasma

与ではその減少はほとんど認められなかった。した

membrane. J. Cell Sci., 114, 1893-1900 (2001).

がって、LBPA をリポソーム化し、外因性の LBPA
として付加することにより、後期エンドソームに蓄積した過剰なコレステロールを正常な状態に戻すよ【成果発表】

うに機能し、コレステロールの異常蓄積が改善され

松尾浩民：細胞内コレステロールの異常蓄積に対することが推察された。

るリポソームの効果 日本薬剤学会第 30 年会（長臨床への応用に際しては、投与量や投与法などの解決すべき点が存在するが、遺伝的脂質蓄積症に対する治療法の確立に寄与することが期待される。
【謝辞】
本研究を遂行するにあたりご支援いただきました
ウエスコ学術振興財団に深謝申し上げます。

- 168 -崎、2015 年）.

【平成26年度研究費助成

研究成果報告書】

高脂肪食摂取による肥満の形成は Gas6 阻害により抑制できるか？
倉敷芸術科学大学 生命科学部 健康科学科
椎葉 大輔
[概要]
本研究では，「高脂肪食摂取による肥満形成にはGrowth-arrest specific gene 6 (Gas6)が関与する」との仮説のもと，高脂肪食摂取によるGas6の発現変化と，Gas6阻害の脂肪組織肥大に対する抑制効果について検討した。
その結果，16週間高脂肪食摂取したマウスの脂肪組織では，Gas6の遺伝子発現が亢進する傾向が観察されたものの，顕著な差ではなかった。一方で，マウス脂肪前駆細胞モデルであるNIH3T3-L1（L1）細胞を用いた検討から，L1細胞を脂肪細胞への分化させることにより，Gas6産生が顕著に亢進することが明らかとなった。さらに，この分化誘導L1細胞に対してGas6の働きを阻害する中和タンパク質を加えた結果，細胞死が促進する結果が観察された。以上の結果は，高脂肪食摂取により脂肪組織においてGas6発現が亢進する可能性があること，
Gas6が分化する脂肪細胞の細胞死を阻害することで脂肪組織の形成に貢献している可能性を示唆するもので
あった。

[緒言]

応が観察される。これらの炎症応答にはTNF-αや

近年，経済発展による飽食化や便利な生活活動

MCP-1などの炎症性因子が関与していることが知がもたらす身体運動不足などによる生活習慣病

られている。
これらの応答は，インスリン抵抗性や，（life-style related diseases）が増加した。肥満症

その結果引き起こされる糖尿病の発症に深く関与しは、
生活習慣病の初期に観察され，その後の糖尿病、ていることが知られている。この炎症性因子は，脂脂質異常症、高血圧症、動脈硬化症などの発症に大肪組織に浸潤した免疫細胞のみならず，肥大した脂きく影響する。また、世界の肥満人口が先進国を中肪細胞からも産生されることが知られている。この心とした増加傾向であることが社会的な問題となっことは逆説的に，脂肪細胞（組織）の肥大を抑制すており，我が国も例外ではない。肥満症自身は，脂ることが出来れば，これら炎症応答亢進を抑制し，肪組織の肥大を除いて強い自覚症状はないものの，

重度生活習慣病への進展を阻害できる可能性を示唆

糖尿病や高血圧症等への進展を考えれば，患者自身している。

の QOL のみならず，医療費を含む社会保障の観点

脂肪組織の肥大は，構成する脂肪細胞自身の肥大から鑑みても，早急に対処すべき課題である。

と脂肪細胞数の増加によりなされる。脂肪細胞の増肥満の原因は、主に過食、運動不足であることが殖は脂肪組織幹細胞や脂肪前駆細胞を中心とした細知られている。食事においては、特に脂質の過剰摂胞集団からなされていると考えられるが，その制御取が問題とされている。これは、脂質から得た摂取機構は明らかではない。Gas6（Growth arrest -エネルギーが生活活動に必要な消費エネルギーを上

specific gene 6）は、分泌型のタンパク質であり、回ることによって、余剰エネルギーが脂肪組織に蓄

1977年、Schneiderらによって、NIH3T3細胞の増積されるからである。実 験 動 物 を 用 い た 研 究 で殖停止時に特異的に発現される遺伝子（growth

は 、脂質エネルギー比の高いエサほど肥満を発症す

arrest-specific gene）の一つとして発見された。先ることが報告されている。これにより、同量のエネ

行研究では、Gas6が標的細胞膜上のGas6受容体群

ルギーを摂取しても、脂質を過剰摂取することで肥（Tyro3, Axl, Merの3種類で構成，TAM受容体群）

満になりやすいことが示されている。また，高脂肪に作用して，細胞死を抑制する効果を示すことが報食摂取による肥満では、脂肪組織において、炎症反告されている。実際に申請者らも，脂肪組織と同じ- 169 -

【平成26年度研究費助成

研究成果報告書】

く組織再構成が起こる骨格筋において，Gas6発現がリド染色により評価した。この際，一部の細胞には増強されることを観察している（未発表データ，ウ

Axl-Fc を3μg/mlの濃度で分化誘導期から分化促進

エスコ財団助成課題による成果）。このことから，脂期まで添加した。細胞は回収し，各分析に用いた。

肪組織においてもGas6発現が亢進しており，脂肪細胞の生存を維持することで脂肪組織肥大に関与して血液，組織および細胞分析いる可能性が考えられるが，そのような検討は見ら回収した各試料は，免疫学および分子生物学的手れない。そこで，本研究では，マウス高脂肪食摂取法を用いて分析した。即ち，血液および細胞培養液性肥満モデルマウスを用いて，脂肪組織における中の Gas6 濃度は ELISA 法，組織 Gas6 遺伝子発現

Gas6発現について検討した。さらに，脂肪前駆細胞

は，RT-qPCR 法，細胞 Gas6 受容体発現はウエスタ

モデルであるNIH3T3-L1（L1）細胞を用いて，Gas6

ンブロット法を用いた。

阻害の成熟脂肪細胞への影響について，検討を行った。

統計処理
実験結果は平均値±標準値偏差で示した。各条件[方法]の比較は二元配置分散分析ののち、多重比較検定と動物実験プロトコール

して Bonferroni test を行った。有意水準は 5％と雄性 6 週齢の C57BL/6J マウスを計 10 匹、13 日
間予備飼育をした。C57BL/6J マウスを高脂肪食摂
取群（HFD : n=5）および対照食摂取群（ND : n=5）

した。
なお本研究は，倉敷芸術科学大学動物委員会の審査・承認を経て実施された。

の 2 群に分けた。摂取飼料は，HFD 群がカロリー
当り 60%の脂肪を含有する高脂肪飼料（5.2kcal/g），[結果および考察]

ND 群がカロリー当り10%の脂肪含有量で35%のス

HFD 群の体重は ND 群の体重に比べて、
7 週目以

クロース含有量を使用したコントロール飼料（3.8降から有意に高値を示した（図 1 A）
。エサの摂食量kcal/g）とした。飼料および給水は、自由摂取としは両群に顕著な差は観察されなかった（図 1B）。空

た。体重および摂取飼料測定は毎週行った。採血は腹時血糖値は、HFD 群において ND 群に比べ、10

2 週間に 1 回行った。採取方法は 17 時間以上絶食の週目以降で有意に高値を示した（図 1C）
。血液中の

後、
麻酔下でマウスの尻尾血管より血液を採取した。

Gas6 濃度は、測定期間内において有意な差は認め

血糖値測定は採血時に合わせて全血を用いて行った。

られたかった（図 1D）。組織における Gas6 遺伝子

測定にはニプロフリースタイルフリーダムライト血発現は，脂肪組織において亢進する傾向があるもの

糖測定器とニプロ FC 血糖センサーライトを用いた。

の，顕著な差は観察されなかった（図 2A）。この結

高脂肪および対照飼料摂取 16 週後に，安楽死処置

果は，既に体重増加のピークが超えた時期の組織でののち，組織を採取した。採取した組織は液体窒素あったため，Gas6 遺伝子発現が鈍化していた可能で直ちに凍結させた後，分析まで-80 C で保存した。

性も否定でいない。一方で，Gas6 受容体である Axlの発現は HFD 群において亢進しており（図 2B），
高脂肪食摂取により Gas6 感受性が亢進している可細胞実験プロトコール
NIH3T3-L1 細胞を増殖させた後、分化誘導培地

能性が考えられた。本研究の結果は，16 週目の遺伝（2 日間，デキサメタゾン，IBMX およびインスリ子発現（mRNA）であるが，現在 8 週目および 16ン含有）および促進培地（6 日間, インスリン含有）

週目タンパク質レベルでの分析を進めているところ

で成熟脂肪細胞様へ分化誘導した。で 37℃およびであり，更なる詳細な検討により Gas6 の応答変化

5%CO2 環境にて行った。成熟脂肪細胞様への分化度

がより明らかになると考えられる。

合いは，オイルレッド O 色素での細胞内トリグリセ- 170 -

細胞実験において，脂肪前駆細胞様 L1 細胞では【平成26年度研究費助成

研究成果報告書】

増殖期に比べて、分化促進期ではオイルレッド O 陽

下田 純一, 濱本 高義. 2001 , Gas6 Deficient

性細胞が多く観察された（図 3A, B）。次に、それらMice. 血栓止血誌, 12 : 514-521.

の Axl の発現を検討したところ Axl の発現は分化の有無にかかわらず観察された（図 3C）。一方、そのHigashiura K, Ura N, Ohata J, Togashi N, Takagi

発現強度は分化期間によって違いが見られた。
即ち、

S, Saitoh S, Murakami H, Takagawa Y,

Axl の発現は増殖期に比べて、分化促進 1 日目の方

Shimamoto K. Correlations of adiponectin levelが強く観察された。一方で、分化促進 6 日目では増with insulin resistance and atherosclerosis in

殖期よりも低く観察された。また、分化期の違いにJapanese male populations. Clin Endocrinol (Oxf).

よる培養上清中の Gas6 濃度について検討したとこ

2004; 61: 753-9.

ろ、分化促進 6 日目では増殖期に比べて Gas6 濃度が高く検出された（図 3D）。さらに Axl-Fc によりHotamisligil, G. S.: Inflammation and metabolic

Gas6 作用阻害処理を行ったところ、総細胞数が非disorders. Nature, 444, 860-867 (2006)

処理群（3.36×105/ml）の 73.8%（2.48×105/ml）であった（図 3D）。また、死細胞割合についても，

Dandona P, Aljada A, Bandyopadhyay A：

非処理細胞は 25.0%であったのに対して、Gas6 作

Inflammation：the link between insulin

用阻害処理細胞は 35.3%であり，高値を示した（図resistance, obesity and diabetes. Trends Immunol

3E）。この結果は，Gas6 阻害により L1 細胞から成2004, 25：4-7.

熟脂肪細胞様細胞への分化および生存には Gas6 が重要な役割を担うことを示唆しており，脂肪組織のSchenk, S., Saberi, M. & Olefsky, J. M.: Insulin

肥大において，Gas6 が一定の役割を担っている可sensitivity: modulation by nutrients and

能性を示唆するものであった。

inflammation. J. Clin. Invest., 118, 2992-3002

以上，本研究により脂肪組織肥大を伴う肥満の形
成に Gas6 が関与している可能性が示唆された。現在，本研究結果を受けて生体内，特に脂肪組織における Gas6 阻害の研究を進めており，より詳細な肥満形成における Gas6 の影響について新たな知見が報告できるものと，鋭意研究を進めている。
[謝辞]
本研究を遂行するにあたり，助成課題として採択いただいた，(財)ウエスコ学術振興財団 山地弘理
事長をはじめ、選考委員の先生方および関係各位に心より深謝する。
[参考文献]
Takahashi M, Ikemoto S, Ezaki O: Effect of fat/carbohydrate ratio in the diet onobesity and oral
glucose tolerance in C57BL/6J mice. J Nutr Sci
Vitaminol 45: 583-593,1999- 171 -

(2008)

【平成26年度研究費助成

研究成果報告書】

6

55
50

5
g / mouse / day

40
35
30
25

15
10
0

4
3
2

10% fat/kcal

20

60% fat/kcal

10

Pre 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10111213141516

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10111213141516

Weeks

Weeks

10% fat/kcal
150

50000

60% fat/kcal

Gas6 concentration (pg/ml)

Body Weight (g)

45

100

50

0

40000

30000

20000

10000

0
4

6

8

10

12

14

16

0

2

4

6

8

10

TIme (week)1- 172 -

12

14

16

【平成26年度研究費助成

2.5

研究成果報告書】

Gas6/ HRPT ratio

2.0

1.5

1.0

0.5

0.0

ND
4

Axl

/ HRPT ratio

3

2

1

0

2
Gas6
- 173 -HFD

【平成26年度研究費助成

研究成果報告書】

2.0

1.5

1.0

0.5

0.0

4

40

3

30

2

20

1

10

0

vehicle0

Axl-Fc- 174 -

beforeafter

vehicleAxl-Fc

【平成26年度研究費助成

研究成果報告書】

ソーシャル・ビジネスの評価の在り方－インドの事例から社会開発へのインパクトを測定する
吉備国際大学、外国語学部
橋本由紀子
概要
本研究の目的は、社会開発におけるソーシャルビジネス（SB）の役割とその評価の在り方を探求するものである。
今回は特にインドの都市廃棄物管理に焦点を当て、社会的側面からごみ収集者の生活向上と都市衛生改善に関して、自治体と組合の協働システムと、この分野で急に活躍が期待されはじめた民間セクター（SB）の役割と効果、社会へのインパクトを比較し、廃棄物管理に最適なシステムの考察を行う。また、SB の効率性、評価を現地調査に基づき実施・分析し、より効果的な SB の評価の在り方を探求する。調査結果から、SB 方式はごみ収集者の収入増と地域の環境衛生改善に有望な方式であるが、規模の観点から自治体と組合の連携による対象地域拡大の要素も必須であることが判明した。SB 起業家は主に女性が多く、単なる組合員時よりも収入が向上し、女性の社会的地位も向上したと評価している。また、SB 方式がサービスの質の向上、地域の意識化に有効であるとの意見が多かった。しかし、廃棄物処理問題は、多様な文化的社会的要因を含み官民（地方自治体と SB による）パートナー方式が有効である可能性もある。これらに関しては今後の研究課題である。
キーワード：ソーシャルビジネス、インドの都市廃棄物管理、ごみ収集者組合と自治体の協働問題の所在：都市廃棄物激増と管理
インドは急速な経済発展と都市人口集中のため、一般家庭ゴミと産業廃棄物のいずれもが急増している。2011 年のインド国勢調査によれば、人口 12 億
1,000 万人のうち、都市部の住民は 31.16％で、その割合は増加の一途をたどっている。しかし、予算不足や制度上の弱点、一般市民のごみ問題に対する無関心のために、廃棄物管理の状況は劣悪で、都市周辺での野放しの廃棄物投棄は公衆衛生や環境に深刻な問題をもたらしている。大都市での一般廃棄物排出量は、年率 1.33％で増加すると予測され、2047
年までに廃棄物排出量は、年約 2.6 億トンになる予測である。都市ごみの種類は、堆肥化可能な有機物（果物・野菜くず、残飯）、リサイクル可能物（紙、プラスチック、ガラス、金属など）、 有害物質（塗料、殺虫剤、薬品）、 固体廃棄物（生理用ナプキン、
使い捨て注射器）があり、都市部の多くで発生元のゴミの保管能力が不足し、ゴミが分別なしで収集され、処分場に捨てられている。さらに、ごみ収集は道路沿いで行われ、未許可の屋外収集所がいたるところで作られ、衛生面、交通上の危険性が懸念されている。最近は NGO や民間部門の支援（企業の CSR）を受けて、ニューデリー、ムンバイなど大都市で、戸別収集が導入されている。しかし、周辺の環境衛生の悪化は深刻さを増すばかりである。
「きれいな清潔な国インド」キャンペーン
モディ新首相は 2019 年 10 月 2 日までに都市集中がもたらす廃棄物増加や衛生設備の不備が健康に与える悪影響を解決するために同キャンペーンを達成すると宣言した。その骨子は、＊清潔なトイレの普及＊科学的な廃棄物処理整備、＊民間セクター（ソーシャルビジネス）の参入促進（競争原理の導入）である。インドにおける SB の歴史は浅く、インドのSB の 68%が設立以来 5 年未満であり、年収益は約 90%が 5000 万円以下である。（Beyond Profit 2010
survey）しかしながら、2009 年と比較し 2010 年には約 3 分の１の SB 企業で 50%収益増を報告している。
このように SB を促進した場合の、産業の事業性、雇用増加、ステイクホルダー利益、社会問題解決に大いに役立つと期待されていることがうかがえる。
ソーシャルビジネスの定義（経済産業省 2007）：
ソーシャルビジネスの定義は、社会的課題の多様性と深刻度，経済発展や社会発展の水準，主体の成熟
度，経済社会システムの多様性に起因し、分野や国ごとで異なる。本稿では、以下の日本の経産省の定義を採用する。経産省は「様々な社会的課題を市場として捉え，その解決を目的とする事業であり、
『社
会性』
『事業性』
『革新性』を要件とし、社会課題の解決、経済活性化や雇用の創出に寄与する効果が期待される、としている。
『社会性』とは、解決が求められる社会的課題に取り組むことを事業活動の使命とし、社会問題解決に貢献が期待できる。
『事業性』とは、社会課題解決というミッションをビジネスの形に表し，継続的（ビジネスとして成立し慈善事業ではない）に活動を進めていく。
『革新性』とは、新
しい社会的商品・サービスや，提供の仕組みを開発・活用する。これらの活動が社会に広がることを通して新しい社会的価値を創出する、と定義している。
インドの都市廃棄物管理システム
近年、インドの都市廃棄物管理システムは、地方自治体と他セクターとのパートナーシップが推進され、その型は 3 つに分類できる。１．地方自治体と民間- 175 -

【平成26年度研究費助成

セクター（SB）の協働、２．地方自治体と地域コミュニティーの２主体協働、３．地方自治体、民間セ
クター、地域コミュニティーの３主体協働である。
モディ新首相のキャンペーンのもと、民間部門（ソーシャルビジネス SB）が、都市部で料金徴収による戸別収集を導入し、環境と雇用の両面での成果が期待されている。
インドの現状：いまだ国民の三分の一が絶対的貧困状態にある影の面を持つインドにおいて事業性と社会性を同時に追求し、「さまざまな社会的課題を市場としてとらえ、その解決を事業的に目指す」SB 方式を導入することは、まさに、期待される有望な形態であるとされている。
主要環境悪化要因である廃棄物の管理はインドでは、少数派に属する特定の階層に偏り、清掃業は清掃人
カースト集団の伝統的な職業であった。また、農村から都市部へ流入した貧困層が、インフォーマルセ
クターを形成し廃棄物回収を行ったり、地方政府に清掃人として雇用されている。機械化等による廃棄物管理の効率化及び合理化は、これら人々の職を奪うことにもつながるといわれていた。しかし、これ以上ゴミ捨て場を増やすことが物理的に不可能で、革新性を持った SB の方法論が期待されている。
(１) ジェンダーに配慮した廃棄物管理
従来、インドでは、家庭でごみを管理するのは女性が多く、ウェイストピッカー（有価廃棄物回収人）
や手分別作業従事者も女性が多く、廃棄物管理とジェンダーは密接な関わりがある。従来、家庭廃棄物や糞尿の清掃は女性の役割と考えられていたため女性はコミュニティにおける環境問題を熟知し、改善の方法や適切な廃棄物集積場の設置場所等、貴重な情報を有している。廃棄物の収集、処理をサービスとして提供するシステムが導入され、収集業務や掃除業務が有償となった。業務にまじめに取り組む貧困女性は作業効率が高いと評価され、貧困女性の収入獲得機会を増加し、エンパワーメントにつなげる
観点から廃棄物処理への女性の参入推進は重要であり、SB 起業家も女性の割合が増加している。廃棄物の資源としての価値判断や再利用状況に関し、ジェンダー分析は分別やリサイクルの方法を決定する際に必要な情報となる。廃棄物の収集、処理の改善を含む都市環境改善事業を進める際には、ジェンダーの視点からの分析が必要となる。
(２) インフォーマルセクターへの対応
収集運搬過程では作業員が、最終処分場では、ウェ
イストピッカーが有価物を収集・回収しており、このインフォーマルな経済活動は、経済に大きな比重を占め、有価物を有効に循環させ、社会経済的観点

研究成果報告書】

からも、貧困者に対し雇用機会や収入源を提供している。この有価物回収活動をフォーマルな廃棄物管理システムの中に取り込む事例もある。インフォー
マルセクターとの連携に向けた最終処分場管理者とウェイストピッカーとの運営ルールの設定、ウェイ
ストピッカーやインフォーマルな有価物回収人による組合設立への支援が重要との認識である。
その一方で、衛生知識の提供や健康被害予防用具・用品の支援といった福利厚生の充実・労働環境の改善も必須である。さらにはウェイストピッカーへの職業訓練による代替生計手段の確保の支援の取り組みも重要である。

写真１：ごみ捨て場で有価廃棄物を探し集めるウェ
イストピッカー＊ウェイストピッカー：
有価廃棄物回収人を意味し、最終処分場や路上で、非公式に廃棄物の中から有価物や動物のエサとなる厨芥を集め生活の糧にしている。インドではカース
トにより職業が固定化されているケースがあり、社会の最下層の扱いを受けている。彼女らの労働環境は劣悪で有害物質への暴露や病原菌との接触、呼吸器、皮膚の疾患や鉛中毒、ガラスや釘によるけがも多い。彼女らは資源の有効再利用に貢献しているにもかかわらず、重機の妨げになったり、転圧、覆土作業の遅延を招き、排除されたり、非合法化される傾向があった。現在では貧困層のセイフティーネッ
トであるという認識が高まり、フォーマルな廃棄物処理システムに位置づけ、福利厚生の充実・労働環
境の改善対策に力点が置かれるようになった。イン
フォーマルセクターとの連携に向けた最終処分場管理者とウェイストピッカーとの運営ルールの設定、ウェイストピッカーの組合設立と統合である。それら取組により衛生知識の提供や健康被害予防用具・用品の支給等の福利厚生の充実・労働環境の改善も実現方向にあり、職業訓練等の実施により、代替生
計手段の確保を支援する等の取り組みもある。しかし多くの場合、労働環境は劣悪で、有害物質や病原菌との接触も頻繁であり、胃腸、呼吸器、皮膚の疾- 176 -

【平成26年度研究費助成

患や鉛中毒、怪我も多い。ウェイストピッカーには子どもも多く、知能、感情、身体的な発達が阻害されるため、廃棄物問題の解決は急務である。ウェイ
ストピッキングが貧困層のセイフティネットであるという認識に基づき、ウェイストピッカーをフォー
マルな廃棄物管理システムの中に統合し、福利厚生の充実・労働環境の改善を図る取り組みと SB 方式による民間競争力導入事業が並行して進んでいる。

研究成果報告書】

した。3Rs（Reduce , Reuse , Recycle）に基づく地域や学校での環境教育に焦点を当て活動し、ナプキン専用袋製造販売、E-廃棄物リサイクル等、業務は多様化し、労働条件改善、収入増、健康保険や社会サービス充実を可能にしつつある。

プネ市の事例、空気汚染：ごみ収集所からの汚染が１９％を占める。

写真２：路上でごみ分別をする SWaCH の組合員

図１プネ市の空気汚染源
１）プネ市の事例と取組
プネ市の廃棄物管理は他市と比較し、自治体と組合の連携、民間セクターの導入も含め、技術やシステムが効率的であり、事業性と社会性を同時に追求し，「様々な社会的課題を市場として捉え，その解決を目的とする事業 SB」の発展による環境問題解決への成果が評価を得ている。
以下は、従来の廃棄物処理者組合を公的部門に統合
し、ウェイストピッカーを組合化し、組合員の労働条件や生活の向上を目的として家庭ごみの徴収料獲得権を組合に認め、半ソーシャルビジネスとしてスタートした、SWaCH と、廃棄物処理管理 SB でも事業性が高いと評価されている INORA（都市と農村の連
携、家庭農園、微生物堆肥、廃棄物からエネルギー
を創造、等に取り組んでいる）の組合員にソーシャ
ルビジネスとしての自団体への評価をしてもらい、
改善点や今後の方向性を調査した結果である。
調査：
SWaCH:地方自治体と連携するごみ収集者組合（半SB）SWaCH は‘97 年設立のプネ市の自営廃棄物収集・処理業者の組合で、9000 人の組合員を有し 80％以上が女性である。2000 年にプネ市は戸別収集権と家庭からの費用徴収を SWaCH に認可し、半 SB として独立

写真３： INORA のワーカー（規模は小さいが、新製品の開発やサービスの向上に務め、利益性、事業性は高いと評価されている）

写真４：INORA の新製品、環境にやさしく化学薬品を使用せず、家庭生ごみの再利用化製品が多い- 177 -

【平成26年度研究費助成

調査目的： SWaCH と INORA の組合員がそれぞれ自団
体をどう評価しているかを調査し、その効率と今後の方向性を提案する。
調査期間：2014 年 12 月、2015 年 1 月、
方法：アンケートとグループディスカッション、
調査対象者：SWaCH;女性 22 名、
男性 8 名合計 30 名、勤務年数 3 年以上、主な仕事内容は、団地と契約し、手押し車で各家庭を訪問し、ごみを収集する。その後、売却用の有価廃棄物と、プラスティック、堆肥用生ごみなどに手分別する。
INORA:女性 20 名、男性 2 名、合計 22 名、勤務年数
平均 1 年程度、主な仕事は、収集した家庭ごみから
バイオ堆肥を製造、狭い場所での野菜や植物の栽培技術開発、無駄のない農業、無駄のないごみ処理支援などを行う。
調査方法：下記の質問票を基に 1 人 30 分程度面接
聞き取りによるアンケート調査を行い、調査項目に関し 6 点満点で評価してもらった。非識字者には口頭でわかり易く説明し、また、質問内容を異なって理解しないように、統一を図って質問した。質問者
は、インド、プネのカルベ社会サービス大学院教員と学生が英語で質問し、回答の記録は筆者が行った。
調査項目：（2002 Virtue Value LLC、Licenced under
Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Licence）
を修正した。

社会性・地域性：
１．Mission fit with public ミッションの公共性
２．Project fit with Public 事業の公共性
３．contribution to solution of social issues
社会課題改善への貢献
４．Perception of External Stakeholder 外部利
害関係者の評価
５．Efficient use of local capital/capacity 地
域の人材活用
６．Fit with Client Needs 顧客ニーズ
７．Fit with local needs priority 地域ニーズ
事業性：
８．Public communication 情報発信
９．Organization/leadership 組織力
１０．Networking ネットワークの幅
１１．Management ability 経営能力
１２．Market Potential 販売拡大の可能性
１３．Profitability 利益率
革新性、と成功の秘訣：
１４．Innovativeness 新製品、新技術の開発
１５．Expansion possibility 市場拡大の可能性
１６．Supporters /Mentors 支援者、専門的指導者
１７．shared value creation 共通価値の創造

研究成果報告書】

１８．Secret of success /How to survive 成功の秘訣、ノウハウ

図２ 両団体組合員による項目ごとの評価
結果と考察：図２のように、SWaCH 組合員の評価は
１．使命の公共性、３．社会課題改善への効果、６．
顧客ニーズへの適合性、７．地域性(いずれも社会性を評価する項目)の評価平均が約５点で高いといえる。一方１４．新製品、新技術の開発２．３、１６．
支援者、専門的指導者は１．６とやや低い結果となった。
従ってSBの第1義的評価社会性評価は高いが、事業性、革新性は今後の課題となる。一方 INORA は
８．情報発信、１１経営能力，１３利益率，１４新製品、新技術の開発，１８成功のノウハウの項目がいずれも６点満点中約５点と組合員は高い評価をつけていることが分かる。
両者を比較すると SWaCH は社会性の面で評価が高く、社会問題改善に貢献・寄与率が高いと評価されているが、事業性や革新性は低いと評価されている。
一方、INORA は事業性、革新性が高いが規模が小さ
く、社会問題改善、ごみ問題改善への貢献度には限界があると評価していることが判明した。
グループディスカッション：
次にグループディスカッション方式で自由に要望や今後の方向性を 2 時間ほどかけて SWaCH,INORA 別々に実施し、以下のような意見がでた。
SWaCH：１．必需品の安価での支給。２．収集手押し車の修理専門担当者の任命。３．専用の分別場の設置。４．健康被害が多く、定期的健康診断を無料で行う。
５．
次世代も同じ仕事をしなくて済むように、子どもへの教育費補助をしてほしい。６．監督者の質の向上。７．地域の理解が少なく、学校などでの環境教育方法を改善する。８．家庭ごみを分別して出す仕組みに変更する。９．対象団地世帯の拡大。
INORA:１．SB として個人に経営方法が任され、独自- 178 -

【平成26年度研究費助成に工夫できる。２．サービスを向上することにより利益率が上がった。３．主体的に新製品を開発し、採用され、動機づけになる。４．規模を拡大するた
めに、投資が必要であるが、フランチャイズ形式にして融資を支援してほしい。５．メンバー同士が競争相手であり組合の横のつながりができにくい。
以上がグループディスカッションからでた意見である。SWaCH では、これまで、会合で提案された事項、（健康保険制度への加入、年金積立、緊急時のローン）が徐々に達成されており、組合から独立した SB
スタイルは、自由な意見交換の場となり、ジェンダーの視点を含んだこの SB 方式は有効であると感じた。しかし、グループディスカッションからは技術革新や事業性向上の提案が少なく、競争意識が低い。
INORA のグループディスカッションからは、他との連携、情報共有、ネットワーキング、リーダー研修と組織拡充が必要であるとの意見がでて、INORA は
規模は小さいが、個人の能力、やる気を伸ばし、エンパワメントに成功している。これこそソーシャル
ビジネスを持続可能にするための重要要因であると考えられる。
まとめ

図３ ソーシャルビジネスの成功要因
すでに都市におけるごみ捨て場スペースは限界に達し、焼却技術革新、各家庭の生活様式の改善、廃棄源での分別、環境教育の充実が必須である。廃棄物
からエネルギーへの概念を普及するには、ジェンダーの視点、ごみ処理業者のエンパワメント、地域との連携、ソーシャルビジネス促進と民営化による効率性の向上、3Rs のコンセプトに基づく統合的廃棄研究成果報告書】

物管理計画策定のための官民連携、計画を推進するための専門的人材育成が重要なカギとなる。ソーシャルビジネスの方法導入で、組織のエンパワメント、
社会性、事業性、革新性を促進できる人材が確保できる。調査の結果ソーシャルビジネスが発展を遂げるための重要要素は図３のように社会性、事業性、革新性に人材育成のための組合員のエンパワメントが追加されるとの結論に至った。
参考文献：
１） Public Private Partnerships in Municipal
Solid Waste Management, Potential and Strategies
Sustainable Urban Solid Waste Management- a casestudy of Pune,Vaishali Anagal, 2014.
2)
Durga Surekha and Deepa SiddharthDonde(2014), SUSTAINABLE ENVIRONMENT MANAGEMENT
THROUGH ENVIRONMENTAL EDUCATION WITH RESPECT TO
A CASE STUDY OF GARBAGE CONCERN WELFARE SOCIETY,VSRDIJBMR,Vol. IV (IV) April 2014 / 108
3)
Public Private Partnerships in Municipal
Solid Waste Management,Potential and Strategies
Sustainable Urban Solid Waste Management- a casestudy of Pune,Vaishali Anagal, 2014.
4) Pune Municipal Corporation (2014), “Biogas
plants hardly a help in clearing garbage” ,available at :http://timesofindia.indiatimes.com/city/pune/B
iogas-plantshardly-a-help-in
clearinggarbage/articleshow/30365428.cms
Dec.3rd accessed5) Towards social inclusion and protection of
informal waste pickers and recyclers Bestpractices#91 / 10KKPKP and SWaCH, Pune India 2014
6)
Kagad Kach Patra Kashtakari Panchayat(KKPKP)
website.
2012.
Available
atwww.wastepickerscollective.org Dec.1st 2014
accessed.
7) Ahmed, Dr. S. I. 2011. Kagad Kach Patra
Kashtkari Panchayat Health Insurance Scheme
Casestudy. Centre for Insurance and Risk
Management for the ILO. Available at:
http://www.ifmr.co.in/wpcontent/uploads/2011/0
3/CIRM_Kagadkachpatrakashtkaripanchayat.pdf(accessed May 9 2014).
8) A key trend in collection of MSW
that isunique to low to middle income
countries like India is the presence of alarge informal sector that plays anactive role in collection. The rag pickers work

- 179 -

【平成26年度研究費助成

day and night to collect the recyclable
materials
from thestreets,bins
anddisposal
sites
fortheir livelihood,thereby significantly reducing the role of
the Government in recovering secondary
materials form the waste.
9) Chikarmane, P., M. Deshpande, and L. Narayan.
2001. Report on Scrap Collectors, Scrap Traders
and Recycling Enterprises in Pune. Geneva:
ILO-UNDP.
10) Wainwright, Hilary, 2012. Transformative
Resistance: The Role of Labour and Trade Unions
in Alternatives to Privatisation, ed. McDonald
David and Ruiters,11) Purnima Chikarmane 2012 WEIGO Policy Brief
Urban Policy No.8 1-12, Integrating waste pickers
into Municipal Solid Waste Management in Pune.
12) Varanasi Municipal Corporation (2014),“Solid waste management system a failure
in Varanasi”, available at:
http://timesofindia.indiatimes.com/city/varanasi/Solidwaste-management-system-a-failure-in-V
aranasi-saysreport/articleshow/29980955.cms
13) SWaCH. 2011. OHS Report. Internal document.
SWaCH/ Pimpri Chinchwad Municipal Corporation(PCMC). April - November 2011. Injury Data.
Internal document.
(http://articles.timesofindia.indiatimes.com)
Nov. 2014 accessed.

- 180 -

研究成果報告書】

【平成26年度研究費助成

研究成果報告書】

油彩画、日本画、染色品に使用される色材の簡易分析法の開発
吉備国際大学 外国語学部
大 下 浩 司油彩画、日本画、染色品などの文化財に使われる色材の反射スペクトルを測定できる簡易分析システムの開発を目指した。初年度の平成 25 年度には、顔料や染料などの色材の色相、明度、彩度を測定可能な簡易分析シ
ステムの開発に成功した。顔料の一つであるベロ藍を本システムにより分析したところ、市販の分析システムと同等レベルの反射スペクトルを測定できた。本システムの分析性能を評価するために、他の顔料についても試料調製し反射スペクトルの標準データを得た。第二年度の平成 26 年度には、初年度に開発した簡易分析シス
テムの精度、確度、再現性を向上するために、システム構造の改良や測定方法の最適化に取り組んだ。染料の一つであるアイを本システムで分析した結果、アイに特徴的な反射スペクトルを測定できた。さらに、本シス
テムの改良、最適化のために、天然染料 25 種を調製、準備して、それらの反射スペクトルの標準データを得た。
市販の反射スペクトル分析システムに比べて波長分解能は劣るものの、二カ年の研究期間に、従来に比べて極めて安価な簡易分析システムを開発し、実用化への目途をつけた。

１．はじめに染料を分析する際には、NMR や IR により分析することもあるが、不純物も同時に検出されるため染料構

油彩画、日本画、染色品などの文化財に使用され造の解析は難しい。最近では、三次元蛍光スペクト

る色材の分析は、それらの復元や模写、修復や保存

ル分析法により行なわれている。染料に照射した光の際に行なわれることがある。文化財に使われていの励起波長と染料から発した光の蛍光波長に対し、る色材の成分を把握し、同じ色材を用いて復元・模蛍光強度をプロットした三次元蛍光スペクトル（蛍写したり、色材成分を知りその変退色や毒性を把握

光強度の等高線グラフ）をもとに、蛍光性の天然染

し修復・保存に役立てることができる。色材の分析

料を同定できるようになった。蛍光 X 線分析法や三は非破壊であることが望ましく、先人の遺した貴重次元蛍光スペクトル分析法のように顔料や染料などな文化財を傷つけることなく色材を非破壊分析するの色材を同定することはできないが、顔料や染料のことが大切といえる。

色相、明度、彩度などの色情報を得るために、反射色材を二つに分類すれば顔料と染料に分けられる。

スペクトル分析法や測色分析法が行われている。本

顔料は金属や非金属から組成される化合物であり、研究では、この反射スペクトルを簡易分析するため染料は有機化合物であることが多い。油彩画や日本のシステムを開発しようとした。

画には水や油に溶けにくい顔料が色材に用いられる。

初年度（平成 25 年度）は、顔料や染料などの色材

油彩画の場合には顔料を乾性油で練った油絵具が用の色相（極大反射波長）、明度（反射率の高低）、彩

いられ、日本画には顔料を膠で練った日本画絵具が度（反射率の高低差）を測定するための簡易分析シ使用される。染色品には水に溶けやすい染料が用いステムの開発に取り組み、その性能評価のために顔られ（染料染）、顔料を染め付けることもある（顔料料 40 種の反射スペクトルの標準データを得た。
第二

染）
。

年度（平成 26 年度）は、研究初年度に開発した簡易

一般には、顔料を分析する際には蛍光 X 線分析が分析システムの精度、確度、再現性を向上するため行われる。蛍光 X 線分析により検出された元素と絵に、システム構造の改良や測定方法の最適化に取り具の色相を照らし合わせて、顔料成分を推測する。

組み、
システム性能の評価のために染料 25 種の反射- 181 -

【平成26年度研究費助成

研究成果報告書】

スペクトルの標準データを得た。二カ年の研究期間

平成 25 年度には、まず分析システムの簡便化とローに、色材の反射スペクトルを測定できる簡易分析シ

コスト化に取り組んだ。

ステムの開発に成功した。本報告書では、本研究の具体的には、LED ランプを光源に用いて、光感応

着想の経緯から初年度（平成 25 年度）の研究内容や素子を検出器に使用し、光ファイバーレスの反射ス

成果を概説しながら、第二年度（平成 26 年度）の研

ペクトル分析システム（簡易分析システム）を開発

究内容や成果を中心に報告する。

した。本システムは、各波長の LED ランプを順次点灯して光源から光ファイバーを介さず色材に特定波２．研究内容長の光を間欠的に直接照射し、色材が反射した各波
長の光を順次光感応素子で直接検出する。波長の異研究初年度（平成 25 年度）に開発した反射スペク

なる LED ランプを順次照射し測定するため分光器レトルを測定するための簡易分析システムの精度、確スのシステム構造が可能となり、色材に光を直接照度、再現性の向上を目指して、システム構造の改良

射し反射光を直接検出するため光ファイバーレスのならびに測定方法の最適化を行なった。そして、本構造も実現することができた。検出部に分光器を用システムの分析性能を評価するために、天然染料 25

いた従来の反射スペクトル分析システムに比べて波種の反射スペクトルを測定して本システムの性能評

長分解能に劣るものの、装置価格を大幅に抑えロー

価のための標準データを得た。
平成 25 年度から平成

コスト化に成功した。必要に応じて光源の LED ラン

26 年度の二カ年の研究期間に、油彩画、日本画、染プ数の種類（波長の異なる LED ランプ）を増やせば色品などに使用される顔料や染料等の色材の反射ス

波長分解能を高めることも可能である。また、シス

ペクトルを測定できる簡易分析システムの開発に成テム構造がシンプルなため、分析操作を簡便化する功した。

ことができた。本システムの構造は申請書の内容に本研究の課題は、反射スペクトル分析システムの構造を簡便化して、
ローコスト化することにあった。

準じており、本報告書執筆時現在、論文や学会に未発表のためシステムの詳細な記述は控える。

本研究は、油彩画や日本画、染色品などの文化財を本分析システムの分析性能を評価、改善するため復元や模写する現場、そして博物館や美術館などにに、天然染料 25 種の染色試料を準備、調製し、それおける保存や修復の現場への、文化財に使用されたらの反射スペクトルを測定して標準データを得た。

顔料や染料等の色材の色相、明度、彩度を測定でき

天然染料として青色のアイ、黄色のウコン、クチナ

る反射スペクトル分析システムの普及や実用のため

シ、カリヤス、ツルバミ、キハダ、ヤマモモ、エンに、科学分析に関する専門知識や技術を要しない簡ジュ、ハジ、ズミ、ザクロ、ミロバラン、橙色のク便化されたシステムを構築し、色材調査を手軽に導

ルミ、アセン、チョウジ、ヤシャ、フシ、タンガラ、入しやすいようローコスト化することを視野に入れ

ビンロウジ、ウメ、赤色のスオウ（椿灰）、スオウ（ミていた。

ョウバン）、ベニ、アカネ、紫色のシコンの反射スペ

従来の反射スペクトル分析システムは、タングス

クトルを分析した。それらの結果を図１に示す。各

テンハロゲンランプを光源に用いて光ファイバーを

種天然染料の分析には、Ocean Optics 製の反射スペ

通じて色材に光を照射し、色材の反射光を再び光フ

クトル分析システム一式を用いた。380～950 nm の

ァイバーに通じて分光器で反射スペクトルを検出し可視～近赤外領域の反射率を測定した。本システムていた。そのため分析システムは複雑でその操作には 、 LS-1 型 タ ン グ ス テ ン ハ ロ ゲ ン 光 源 、は専門的な知識や技術を要し、高価なため科学分析

USB2000-VIS-NIR マルチチャ ンネル型分 光器、の専門家でなければシステムの入手をためらい、そR400-7-VIS-NIR 二分岐型の光ファイバー、RPH-1 型のような分析システムは普及しにくかった。本研究

遮光ホルダーから構成される。反射率 100%の白色校

ではこれらの課題を解決するために、研究初年度の正には WS-1 型波長校正用標準白色板を用い、反射ス- 182 -

【平成26年度研究費助成

研究成果報告書】

ペクトルのデータ解析には OOIBase32 ソフトを使用を増やし反射率を測定できる波長数を増せば、波長した。横軸に波長、縦軸に反射率を示している。こ

分解能は改善され、市販の反射スペクトル分析シス

れらの反射スペクトルは染料の色相、明度、彩度にテムに近い分析性能を実現できると考えた。

応じて特徴がみられた。例えば、青色染料は 400～
500 nm に反射率の極大を示し、黄色染料は 500 nm

３．おわりに辺りから近赤外線域にかけて反射率が上昇し、赤色
染料では600 nm付近から近赤外線域まで反射率が高

本研究は、
平成25年度～平成26年度の二カ年で、く、紫色染料では青色と赤色の反射スペクトルの特

油彩画、日本画、染色品などの文化財に使用される徴がみられ、橙色では黄色と赤色の反射特性が認め

顔料や染料の色材の反射スペクトルを測定できる簡られた。以上の結果から、反射スペクトルに基づき易分析システムの開発に成功した。当初の予定通り

天然染料の色相を判断できることがわかった。
また、の成果を得ることができた。システムの構造を簡便

明度の高い染料は可視光線領域の反射率が全体的に化し、ローコスト化したことによって、科学分析の高く、彩度の高い染料はその反射率の高低差が大き

専門知識や技術を要することなく色材の反射スペク

いことが明らかになった。これらの標準データからトルを分析し、色相、明度、彩度を評価することが天然染料の反射スペクトルを測定すれば、その色相、できるようになった。更に、システムの原価を抑え

明度、彩度を把握できることがわかった。本研究でたことによって普及しやすくなり、専門家でなくて開発した簡易分析システムの波長分解能は低いもの

もシステムを導入しやすくなった。波長分解能の課の天然染料の反射スペクトルを分析できると考えた。

題が残されるため、今後も本システムの最適化を検次に、本研究で開発した簡易分析システムと市販

討し、実用化を目指していく。

の反射スペクトル分析システムの性能を比較検討した。一例として、これらのシステムを用いて青色染

謝辞

料のアイの反射スペクトルを分析した結果を図２に示す。アイの反射スペクトルは、400～500 nm の波

本研究は公益財団法人ウエスコ学術振興財団から

長域の反射率が高く、700 nm 付近から赤外域にかけ研究助成をいただいて実施した。ここに記して深甚て反射率が高い特徴がある。本研究で開発した簡易なる感謝の意を表します。

分析システムでもアイに特徴的な反射特性を捉えることができた。光源に使用した LED ランプの個数の制約から波長分解能は低いものの、LED ランプの数- 183 -

【平成26年度研究費助成

ウコン
反射率 / ％

反射率 / ％

アイ

研究成果報告書】

波長 / nm

反射率 / ％

カリヤス

反射率 / ％

クチナシ

波長 / nm

波長 / nmキハダ
反射率 / ％

反射率 / ％

ツルバミ

波長 / nm

波長 / nmエンジュ
反射率 / ％

反射率 / ％

ヤマモモ

波長 / nm

波長 / nmズミ
反射率 / ％

反射率 / ％

ハジ

波長 / nm

波長 / nm

波長 / nm

図１ 天然染料の反射スペクトル（次頁へ続く）- 184 -

【平成26年度研究費助成

ミロバラン
反射率 / ％

反射率 / ％

ザクロ

研究成果報告書】

波長 / nm

反射率 / ％

アセン

反射率 / ％

クルミ

波長 / nm

波長 / nmヤシャ
反射率 / ％

反射率 / ％

チョウジ

波長 / nm

波長 / nmタンガラ
反射率 / ％

反射率 / ％

フシ

波長 / nm

波長 / nmウメ
反射率 / ％

反射率 / ％

ビンロウジ

波長 / nm

波長 / nm

波長 / nm

図１ 天然染料の反射スペクトル（次頁へ続く）- 185 -

【平成26年度研究費助成

スオウ（ミョウバン）反射率 / ％

反射率 / ％

スオウ（椿灰）研究成果報告書】

波長 / nm

反射率 / ％

アカネ

反射率 / ％

ベニ

波長 / nm

波長 / nm

波長 / nm

反射率 / ％

シコン

波長 / nm

従来の反射スペクトル分析システム

本研究で開発した簡易分析システム

反射率 / ％

反射率 / ％

図１ 天然染料の反射スペクトル波長 / nm

波長 / nm

図２ 天然青色染料アイの反射スペクトル- 186 -

【平成26年度研究費助成

研究成果報告書】

パルミトオレイン酸誘導性心筋ミトコンドリア機能障害と性差の関連性
吉備国際大学 保健福祉研究所
小柳 えり（概要）本研究では、パルミトオレイン酸由来の心筋障害に対する性差との関連性についてミトコンドリア機
能から検討することであった。実験には 25 週齢前後の雌雄 SD ラットを使用し、血漿カルニチン濃度、脂肪酸代謝関連分子の遺伝子発現、単離心筋ミトコンドリア機能について性差の比較を実施した。その結果、脂肪酸の毒性に対するミトコンドリア保護作用を有する血漿カルニチン濃度（総カルニチン、
アセチルカルニチン、
遊離カルニチン）は、雌ラットと比較して雄ラットで有意に高い値を示した（p<0.01）。しかし、心筋脂肪酸
代謝関連分子 endothelial nitric oxide synthase (eNOS)、CD36、organic cation/carnitine transporter 2(OCTN2)、carnitine palmitoyltransferase I (CPT1 )、および CPT2 の遺伝子発現には明らかな性差は観察されなかった。パルミトオレイン酸によるミトコンドリア膨潤は、活性酸素スカベンジャーである Tiron 処理によって雌のミトコンドリアで劇的に抑制された。以上の結果から、パルミトオレイン酸誘導性心筋ミトコンド
リア機能障害の性差は、ラジカル消去環境下では生じる可能性が示唆された。
序論

心筋ミトコンドリアでも、脂肪酸による機能低下お心臓血管病、悪性新生物および慢性肺疾患等の非よび形態的変化に対して L-カルニチンが抑制的に作感 染 性 疾 患 (Non - Communicatable Diseases:

用することが示された 6)。また、最新のメタ解析研

NCDs)は、日本における全死亡率の約半数を占め、究によると、L-カルニチンの抗不整脈作用がエビデ

今後も増加することが予測されている。健康寿命のンスレベルの高い知見として示されている 7)。

延伸の観点から健康増進の栄養、適度な運動、休養

脂肪酸の中でも、一価の不飽和脂肪酸であるパルが推奨されている。特に健康増進における、運動習

ミトオレイン酸 (C16:1) には、運動時の心筋への毒慣やスポーツ活動の位置付けは、大変効果的である性が示されている 8)。現在では過酸化脂質ノネナー

ことが明白な事実としてある。

ル(加齢臭の原因物質)の前躯体として知られるよう

しかしながら、健康づくりのための運動はしばしになったものも、心筋に対する毒性解明は進んでいリスクを伴う。空腹時の運動は、心疾患に関連するない現状である。また、未解決の問題として、各種血中遊離脂肪酸濃度を上昇させるからである。
また、脂肪酸の中でも加齢に伴って増加するパルミトオレ

脂肪酸の習慣的過剰摂取は心筋梗塞や重篤な循環器

イン酸由来の心筋障害に対する L-カルニチンの効

疾患の発症に至るリスクの高まりも報告され、脂肪果、さらには、男性は女性と比較して心筋障害発症

酸のもつ毒性そのものが心筋機能障害のリスクファの確率が 2 倍以上とされる事実 9)と L-カルニチンとクターとして作用機序が報告されている。通常脂肪の関連性についての研究も未だ残されたままである。

酸は、ミトコンドリアで酸化され、体温維持や活

我々は、心筋ミトコンドリア内でのパルミトオレ

動エネルギーとして重要な役割を果たす。しかしな

イン酸由来の活性酸素種産生・消去機構、さらにはがら、過剰な脂肪酸はミトコンドリア膜電位の低下

ミトコンドリア ATP 合成酵素 F1Fo-ATPase 活性のと膨化を誘発し、結果としてアポトーシスをもたら雌雄差が影響するものと考えているが、未だ知見はすことが実験的に示されてきた 1)。

報告されていない。

一方、Utsumi らのグループによって、L-カルニ

そこで本研究では、パルミトオレイン酸由来の心チンやアセチル-L-カルニチンのミトコンドリア保筋障害の性差について、ラット心筋の関連遺伝子発護作用と抗アポトーシス機能が解明され 2-5)、さらに現、および単離ミトコンドリア機能から検討するこ- 187 -

【平成26年度研究費助成

研究成果報告書】

CTT GAT CAG GCC TTT GC. CPT2: forward,とを目的とした。

GGC GAG CTT CAG CAC ATG AT; reverse, GGC
方法

CCA TCG CTG CTT CTT.を使用した。ハウスキー

実験動物

ピング遺伝子には、ラットGAPDH (glyceraldehyde

実験には 25 週齢前後の雌雄 SD ラット（各 n=11）3-phosphate dehydrogenase): forward, GGC ACAを使用した。ペントバルビタール麻酔下で大静脈よ

GTC AAG GCT GAG AAT G, reverse: ATG GTG

り採血後、心臓を摘出した。本研究は、川崎医療福GTG AAG ACG CCA GTA.を使用した。

祉大学動物実験委員会の承認を受けて実施した（承ミトコンドリア機能

認番号：13－014）。

摘出した心臓の一部を用いてミトコンドリアを単血漿カルニチン濃度離した。ミトコンドリアの酸素消費は、あらかじめ採取した血液は、
EDTA処理後、遠心分離を行い、25℃にて還流したクラーク型酸素電極を用いてポ血漿を回収し、凍結保存した（-40℃）。血漿カルニログラフィーにて測定した 6)。ミトコンドリア酸素

チン濃度の測定には、酵素サイクリング法を使用し、消費は、遊離カルニチン、アシルカルニチン 2 分画測定を行State4 の呼吸を記録した。この酸素消費の実測値よ

い、その総和を総カルニチン濃度とした。

り、呼吸調節率（RCR）および ADP / O 比を算出し心臓遺伝子発現た 6)。パルミトオレイン酸に対するミトコンドリア

ケトグルタル酸を基質とした State3,

心臓からの RNA 抽出には、RNeasy Mini Kitの膨潤は、ミトコンドリア内膜の電子伝達系複合体（QIAGEN, Vakencia, California, USA ）を用いた。

Ⅳタンパク質であるシトクロム c の光波長 540nm

その後、NanoDrop system を用いて Total RNA 濃

光散乱を 25℃還流下で連続的に測定した 6)。

度 を 測 定 し 、 High Capacity cDNA Reverse
Transcription kit (Applied Biosystems, Carlsbad,

結果と考察

California, USA) を用いて、逆転写反応により雄ラットの血漿総カルニチン、
アシルカルニチン、

cDNA を作製した。その後、cDNA は、Power SYBR

遊離カルニチン濃度は、雌ラットと比較していずれGreen PCR Master Mix (Applied Biosystems,も有意に高い値を示した (Fig. 1, p<0.01)。この結果

Carlsbad, California, USA) を 用 い て 、 Fast

は、Borum 10)の研究報告と一致し、また、Takiyama

real-time PCR Step one Plus (Applied Biosystems,と Matsumoto 11)のヒトを対象とした研究結果とも一

Carlsbad, California, USA) により PCR を行った。

致するものであった。通常エストロゲンによってカル

PCR 条件は、cDNA の変性に 95℃、3 秒、アニー

ニチンの血中濃度は抑制されているものと考えられてリングに 60℃、30 秒の条件を用いて、40 サイクル

おり 11)、心筋保護作用を有するカルニチン 7)の濃度が繰り返した。標的遺伝子のプライマーはラット遺伝

雄よりも雌のほうが低いことから、少なくとも男性は子 eNOS (endothelial nitric oxide synthase):

女性と比較して心筋障害発症の確率が高いとされる

forward, TGA CCC TCA CCG ATA CAA CA;

事実 9)とは矛盾する結果であると思われる。さらに、

reverse, CTG GCC TTC TGC TCA TTT TC.

Ostadal ら 12) の指摘する eNOS 活性との関連性につCD36: forward, GCG ACA TGA TTA ATG GCA

いて mRNA 発現から比較検討を行ったが、これにもCA; reverse, TGG ACC TGC AAA TGT CAG AG.

性差は示されなかった(Fig. 2)。

OCTN2 (organic cation/carnitine transporter 2):

そこで、心筋細胞内への脂肪酸取り込みに関連すforward, TGG GCA AGT TTG GAA TCA CC;

る CD36、および心筋細胞内への L カルニチン取り

reverse, CAC CAA AGC TCT CTG GGA AG.

込みに関与する OCTN2 の mRNA の発現の比較を行

CPT1 (carnitine palmitoyltransferase I) forward,った。その結果、雄と雌では明らかな差は無く、血CTC AGC CTC TAC GGC AAA TC; reverse, CTT

中カルニチン濃度は必ずしも心筋内濃度に反映され- 188 -

【平成26年度研究費助成

研究成果報告書】

るものではないことが示された。さらに細胞質から化的リン酸化反応を State3/State4 比（RCR）(Fig.

ミトコンドリア内への脂肪酸取り込みに関与する

3A)、
およびADP/O 比 (Fig. 3B) で比較を行ったが、CPT1 および CPT2 の mRNA 発現にも性差は観察さ

顕著な性差は観察されなかった。Colom ら 13)は、ピれなかった (Fig. 2)。したがって、血中レベルで観察

ルビン酸・リンゴ酸誘導による State3、State4、さされるカルニチン濃度の有意な差は、細胞内カルニ

らには ATPase の酸化的リン酸化反応には性差が見

チン濃度、加えてミトコンドリアへの脂肪酸の取りられなかったとしており、今回の結果も、NADH か込みに必要となるカルニチンの有無を反映するもの

らのミトコンドリア電子伝達系、酸化的リン酸化反では無い可能性が示唆された。

応には違いが無いことが示された。

しかし、これらの結果は、脂肪酸毒性に対するミ
トコンドリア機能の性差を必ずしも示すものではないことから、さらにカルニチン存在下であっても高い脂肪酸毒性を有するパルミトオレイン酸を用いて、ミトコンドリア膨潤の比較を行った。その結果、一定の条件下（カルニチン存在下、パルミトオレイン
酸 CoA 50 M 添加条件）では顕著な性差が観察された。すなわち、ミトコンドリア膜透過性遷移を意味
する膨潤 14)が、活性酸素スカベンジャーである Tiron
処理によって、雌のミトコンドリアでは劇的に抑制された。さらに ADP 添加によって、その膨潤抑制はさらに高い効果を示したことから (Fig. 4)、ラジカ
ル消去と ATP 産生亢進による強いミトコンドリア
次に単離ミトコンドリアレベルでの性差について膨潤抑制が雌の心筋ミトコンドリアで明らかとなっの検討を行った。まず、 ケトグルタル酸を基質とた。雌ラットの心筋では、ミトコンドリア内で活性して用いることでComplex I からの電子伝達系と酸酸素産生の顕著な Complex III からの酸化的リン酸- 189 -

【平成26年度研究費助成

研究成果報告書】

化反応が雄と比較して低く、実際に H2O2 などの活性酸素種産生も低いことが報告されており 13)、この謝辞

こと自体が心疾患のリスクを雄と比較して低く抑え

本研究は、平成２６年度公益法人ウエスコ学術振ているメカニズムであると考えれらてきた。本結果

興財団 学術研究助成事業の支援により遂行された。

も、活性酸素を抑制することで、雌のミトコンドリ

ここに記し、深謝する。

アは高い ATP 合成を介してエネルギー供給とミトコンドリア膜透過性遷移の制御を可能にしているのかもしれない。さらに Ostadal ら

12)は心筋の虚血再参考文献
1) Oyanagi E, et al, L-Carnitine suppresses oleic

還流障害に対する雌ラットの高い抗不整脈作用に

acid-induced

eNOS 活性との関連も示唆しており、今後、心臓内transition of mitochondria. Cell Biochem

皮細胞機能についても注目していく必要がある。

Funct, 2008, 26: 778-786.
2) Chang

membrane

B,

et

al,

permeability

L-Carnitine

inhibits

cisplatin-induced injury of the kidney andsmall intestine. Arch Biochem Biophys, 2002,
405: 55-64.
3) NishimuraM,et3-nitropropionical,Mechanismacid-induced

permeability

transition

mitochondria

and

of

its

of

membraneisolatedsuppressionby

L-carnitine. Cell Biochem Funct, 2008, 26:
881-891.
4) Yano H, et al, L-Carnitine is essential tobeta-oxidation of quarried fatty acid frommitochondrial membrane by PLA2. Mol Cell
Biochem, 2010, 342: 95-100.
5) Hanada

H,

et

al,

Acetyl-L-carnitine

suppresses thyroid hormone-induced andspontaneous anuran tadpole tail shortening.
Hereditas, 2013, 150: 1-9.
6) Oyanagi E, et al, Protective action of

結論
本研究は、パルミトオレイン酸由来の心筋障害にL-carnitine on cardiac mitochondrial function

対する性差の関連性について検討した。その結果、

and structure against fatty acid stress.

血漿カルニチン濃度は、雌ラットと比較して雄ラッBiochem Biophys Res Commun, 2011, 412:

トで有意に高い値を示したが、心筋脂肪酸代謝関連

61-67.

分子遺伝子発現に明らかな性差は観察されなかった。

7) DiNicolantonio JJ, et al, L-Carnitine in the

パルミトオレイン酸によるミトコンドリア膨潤は、

secondary prevention

Tiron 処理によって雌のミトコンドリアで劇的に抑disease: systematic review and meta-analysis.

制された。したがって、パルミトオレイン酸誘導性

Mayo Clin Proc, 2013, 88: 544-551.

心筋ミトコンドリア機能障害の性差は、ラジカル消of cardiovascular8) 小野三嗣, 他, パルミトオレイン酸の不整脈誘発作用. 体力科學, 1978, 27: 31-36.

去環境下では生じている可能性が示唆された。

- 190 -

【平成26年度研究費助成

9) Marijon E, et al, Incidence of sports-related
sudden death in France by specific sports andsex. JAMA, 2013, 310: 642-643.

10) Borum PR, Variation in tissue carnitine
concentrations with age and sex in the rat.
Biochem J, 1978, 176: 677-681.
11) Takiyama N and Matsumoto K, Age-andsex-related differences of serum carnitine in a
Japanese population. J Am Coll Nutr, 1998, 17:
71-74.

12) Ostada B, et al, Gender differences in cardiac
ischemic injury and protection --experimental
aspects. Exp Bio Med, 2009, 234: 1011-1019.
13) Colom B, et al, Caloric restriction and gendermodulate cardiac muscle mitochondrial H2O2
production and oxidative damage. Cardiovasc
Res, 2007, 74: 456-465.
14) 矢野博己, 他, L-カルニチンの脂肪酸に対する心筋
ミトコンドリア保護作用. 川崎医療福祉学会誌,
2013, 23: 27-36.

- 191 -

研究成果報告書】

【平成26年度研究費助成

研究成果報告書】

アケビ由来発酵酵素液中に含まれる微生物の同定と機能性の検討
美作大学短期大学部栄養学科
桑守 正範

アケビ発酵液分析の結果、Fructobacillus pseudoficulneus（果実、花などからの分離例がある乳酸桿菌で2008 年に Endo らにより同定）、Leuconostoc pseudomesenteroides（グルコースからガスを生成する乳酸球菌
で植物、牛乳、乳製品から分離）、Candida zemplinina（ワインおよびワインの発酵過程からの分離例がある）
が検出された。アケビ発酵液は二酸化炭素発生力が強いことがこれまでの経験から判明していたが、本細菌叢
はこのことを裏付ける結果であった。

序論

方法

アケビは自然界でも特に強力な酵母を有する。葉
１-2）

ら

1.試料

はアケビ果実は中身が露出しているにもかか

試料には 2013 年に津山市北部で採取したアケビ

わらず、実が腐ることがないのは酵母膜による保護を２０％ショ糖液を用いて追発酵させたものを用いがなされているから、と報告している。また、図１

た。発酵に於いては発行状況を観察し、適宜ショ糖に示すように、アケビ発酵液を稲作初期に用いると、を加えた。発酵は常温下において蓋をした容器内で用いないものに比して根の張り方が良好になる、と行い、二酸化炭素生成による容器の変形を防ぐため、いう知見も得ている。ただし、本酵母がどのような容器内部の空気の逃げ口を確保した。容器内は半密ものなのか、どのような生成物を生じているのかは閉状態に有り、発生する二酸化炭素の影響下におい未だ解明されていない。本研究ではアケビ発酵液にてはゆるやかな嫌気的条件にあったものと考えられ含まれる酵母をはじめとする微生物を同定し、生成る。

物の種類を特定すると共に、稲作以外の用途、たと2.アケビ発酵液のミクロフローラ（細菌叢）の分析

えば食用への転化などの可能性を検討した。

アケビ発酵液のミクロフローラの分析は日本食品
分析センター（大阪）に依頼した。依頼内容は検体
１ｇ当たりの生菌数、検体中の主な介在微生物を測定後、検出された乳酸菌・酵母に関してはＤＮＡ鑑定を行い，種の同定を行った。
2-1.介在微生物の検索
各種培地を用いて検体の生菌数を測定した後、培養平板上に優勢に生育した集落を釣菌して分離菌とし、各分離菌について携帯観察を行った。生菌数測定における培養条件は以下の通りである。
好気性細菌：アンホテリシン B 加 SCD 寒天培地に於
いて３０℃，４日間，好気

写真-１．イネにおけるアケビ発酵液の発根促進効果
左がアケビ発酵液を使用した苗代(2014 年 5 月撮影)

- 192 -

【平成26年度研究費助成

研究成果報告書】

高温性細菌：アンホテリシン B 加 SCD 寒天培地に於好気性細菌、グラム陽性菌、乳酸菌、酵母であり、

いて５５℃，４日間，好気乳酸菌はこの中で最も生菌数が多かった。次に検体

耐熱性芽胞：アンホテリシン B 加 SCD 寒天培地に於中の主な介在微生物数を表-２に示す。
１ｇ当たりの

いて３０℃，４日間，好気概数は乳酸桿菌と乳酸球菌が共に 2×108 で最も多腸内細菌：DHL 寒天培地に於いて３５℃，１日間，

く、4×104 の酵母がこれに続いた。

好気
グラム陰性菌：アンホテリシン B 加 CVT 寒天培地に於いて３０℃，４日間，好気分離された乳酸球菌・乳酸桿菌・酵母の最近縁種分離された乳酸球菌・乳酸桿菌・酵母の最近縁種

グラム陽性菌：アンホテリシン B 加コロンビア CAN

および決定された塩基数を表-３に、乳酸球菌および寒天培地に於いて３０℃，４日間，好気乳酸桿菌の性状試験結果を表-４に、相同性検索の結乳酸菌：アンホテリシン B 加 MRS 寒天培地に於いて果を表-5～7 に示した。また近隣結合法（NJ 法）に

３０℃，４日間，嫌気より作成した系統樹を図-1～3 に、顕微鏡下の分離

嫌気性細菌：アンホテリシン B 加ゲンタマイシン加

乳酸桿菌、乳酸球菌、酵母の形態を写真-2-4 に示し

GAM 寒天培地に於いて３５℃，４日間，嫌気た

中温性放線菌：アンホテリシン B 加アルブミン寒天培地に於いて３０℃，１４日間，好気
高温性放線菌：アンホテリシン B 加アルブミン寒天培地に於いて５５℃，１４日間，好気
カビ・酵母：クロラムフェニコール加 PD(10%)寒天
培地に於いて２５℃，７日間，好気
2-2.乳酸球菌・乳酸桿菌・酵母の塩基配列分析
検体から得られた乳酸桿菌および乳酸球菌について生理的性状試験を行った。また同菌については
DNA を抽出し、PCR 法により 16SrRNA 領域の DNA を増幅した。公募については DNA を抽出し、PCR 法により Large subunit rRNA の D2 領域 DNA を増幅した。
増幅した各 DNA について、ABIPRISM 310 Genetic
Analyzer(Life Technologies Corporation)を用いて塩基配列を解析した。得られた配列を国際塩基配列
データベース(DDBJ/EMBL/GenBAnk)に登録されている配列、および MicroSeq ID Analysis Software(LifeTechnology Corporation)のデータベースと相同性検索を行い、近縁種との系統樹を近隣結合法（NJ 法）
により作成した。
結果および考察
アケビ発酵液のミクロフローラ分析結果
アケビ発酵液のミクロフローラの分析結果を表１に示す。検体１ｇあたりの生菌数が多かったのは- 193 -。

【平成26年度研究費助成- 194 -

研究成果報告書】

【平成26年度研究費助成

研究成果報告書】

写真-2 分離乳酸桿菌の形態の一例

写真-3 分離乳酸球菌の形態の一例

写真-4 分離酵母の形態の一例
YM 液体培地,25℃,1 日間培養

Fructobacillus とは果物、花などからの分離例が
あ る乳 酸桿菌 で、 2008 年に Endo ら によっ て
Leuconostoc か ら 移 行 し た 属 で あ る 。
F.pseudoficulneus も 2008 年に Endo らによって- 195 -

【平成26年度研究費助成

研究成果報告書】

Leuconostoc から移行した属であり、果物からの分ただいた公益財団法人ウエスコ学術振興財団に謝意離例がある。

を表します。

Leuconosto はグルコースからガスを生成する乳酸球菌で、植物、牛乳、乳製品から分離される。ま参考文献

た、Leuconosto の中には粘性物質を生成し、畜肉加

1.アケビ果実の成長に伴う果肉組織の形態的変化

工品や魚肉加工品においてネトを発生させる菌種や、Anatomical and Histological Changes of the Pulp

豆腐の黄変の原因となる菌種も知られている。アケ

Tissue in Developing Akebi (Akebia pentaphylla)

ビ発酵液自体にも同様のネトは頻出するため、同菌

Fruit,葉麗紅, 宋陽,中尾 義則,新居 直祐,が作用している可能性は高い。

名城大学農学部学術報告 = Scientific reports of

一方 L．pseudomesenteroides は食品、臨床材料からの分離例がある。

the Faculty of Agriculture, Meijo University (48),
1-5, 2012-03

Candida は子 菌酵母で有性生殖は見られない種

2.山形県におけるアケビの最新動向 (特集 特産果である。栄養細胞は主として球形、楕円形、円筒形、樹をめぐる最近の動き), 金田 紀子, 果実日本

伸長形となり、多極出芽で増殖し、射出胞子を形成

68(12), 47-50, 2013-12

しない。自然界に広く分布し、土壌、大気、水など

3.Endo,A.andOkada,S.:Int.J.Syst.Evol.Microbio-の一般環境や植物、食品の他ヒトを含む動物からも

l.,58,2195-2205(2008)

分離例が知られている。一方、C.zemplinina はワインの発酵過程からの分離例がある。
ア ケ ビ 発 酵 液 分 析 の 結 果 、 Fructobacillus
pseudoficulneus（果実、花などからの分離例がある
乳酸桿菌で 2008 年に Endo ら３）により同定）、
Leuconostoc pseudomesenteroides（グルコースからガスを生成する乳酸球菌で植物、牛乳、乳製品から分離）、Candida zemplinina（ワインおよびワインの発酵過程からの分離例がある）が検出された。アケ
ビ発酵液は二酸化炭素発生力が強いことがこれまでの経験から判明していたが、本細菌叢はこのことを裏付ける結果であった。
アケビ発酵液は固有の乳酸菌を中心とした細菌叢を持つユニークな素材であることが今回の研究で明らかとなった。農業資材として用いた場合に観察される強い抗菌力は固有の乳酸菌や酵母による可能性も見いだせた。食用への応用としてはその旺盛な二酸化炭素発生力を利用し、製パン資材としての応用も可能性が高い。今後も継続して細菌叢を明らかにし、アケビ発酵液を多分野に応用可能な新素材として提案していきたい。
謝辞
研究を進めるに当たり、多額の資金を助成してい- 196 -

【平成26年度研究費助成

研究成果報告書】

糖尿病性腎症モデルマウスを用いた Sfrp1 の病態的意義の解明
重井医学研究所 分子遺伝部門
松山 誠
要約
Sfrp 分子は直接 Wnt に結合し，Wnt シグナルを阻害する分泌性因子と考えられている．本研究では Sfrp サブフ
ァミリーの中でも腎臓に強い発現が見られる Sfrp1 に注目して，マウス成獣の腎臓における役割を明らかにすることにした．片側尿管結紮（UUO）を施したマウスを用いて，腎臓における Sfrp1 タンパクの量を検討したところ，腎不全を起こさせない腎臓に比べ，腎不全を起こさせた腎臓では，有意に Sfrp1 タンパクの発現量の増加が認められた．次に，UUO により腎不全を起こさせた時，野生型と比べ Sfrp1 が欠損したマウスでは腎不全の特徴である上皮の線維化が重篤化していた．また，UUO を施した Sfrp1 ノックアウトマウスでは，線維化のマーカーである SMA や間質のマーカーである Vimentin の発現量が増加し，上皮のマーカーである E-cadherinの発現量が減少していた．以上の結果から，腎不全時において Sfrp1 が腎臓の修復において需要な役割をしていることが示唆された．現在，Sfrp1 が腎臓病に対する治療薬の新規標的候補になることを想定し研究を進めているところである．
はじめにグループ（Sfrp1 サブ・ファミリー）を構成してい日本の腎不全による透析患者は，約３０万人ともる 5)．Sfrp1 は，腎臓に強い発現が見られるが，腎言われている．透析患者の増加は，莫大な医療費を臓における Sfrp1 の機能はほとんどわかっていない

国が負担することになり，社会的な問題となってい6)

る．腎不全の発症の機序を理解し，早期の治療につ臓における役割を明らかにすることを目的とした．

．そこで本研究では，Sfrp 関連遺伝子 Sfrp1 の腎なげる事が期待されている．
腎不全は腎臓の線維化というプロセスをとり，線維化と腎予後が深く関連する．そのことから，腎線

材料と方法
1. 実験動物

維化が腎不全の治療に対する標的として考えられて

C57BL/6 マウスと Sfrp1 欠損マウスを用いた．

いる．これまで，腎線維化は上皮間葉転換（EMT）に

片側尿管結紮（UUO；図 1A）はマウスの左側の尿よって起きることが示唆されており，EMT に関する

細管を外科的に結紮後，切断した．その後，7 日目

遺伝子として，Wnt や Tgf/ などの増殖因子の関与に右側（Sham）と左側（UUO）の腎臓を摘出して，以が明らかになっている 1,2)．

下の解析を行った．

細胞間のシグナル分子の調節は，形態形成・細胞
分化・細胞の機能維持などの制御に不可欠である．

2. モノクローナル抗体の作製

Wnt はさまざまなシグナル伝達経路を作動させる．

マウス Sfrp1 リコンビナントタンパクは，
pET-28a

しかし，このシグナルが異常をきたすと，発生異常

ベクターと BL21（codonRP）株大腸菌を用いて作製

3)やがんを引き起こす ．一方，Sfrp 分子は直接 Wnt

した．Sfrp1 マウスモノクローナル抗体は，文献にに結合し，Wnt シグナルを阻害する分泌性因子と考したがって作製した 7)．

えられている 4)．Sfrp 分子種の中でも，Sfrp1, Sfrp2,
3.

Sfrp5 はアミノ酸配列の上で相同性が高く，サブ・- 197 -

マウス腎臓の免疫染色【平成26年度研究費助成

研究成果報告書】

図 1 腎不全時 Sfrp1 遺伝子が増加する（A）片側尿管結紮（UUO）を用いた腎不全の模式図（B）腎不全時における Sfrp1 タンパクの挙動
採取した腎臓は，４％パラホルムアルデヒド溶液（UUO）を施したマウスを用いて，腎臓におけるを用い１晩４℃で固定した．固定後，パラフィンブ

Sfrp1 タンパクの量を検討したところ，腎不全を起

ロックを作製し，3μｍの厚さで切片を作製した．作

こさせない腎臓に比べ，腎不全を起こさせた腎臓で製した切片は，過酸化水素水処理（0.3％H202/MeOH；

は，有意に Sfrp1 タンパクの発現量の増加が認めら

室温 30 分）・クエン酸処理（1ｍM クエン酸（pH=6.0）；

れた（図 1B）．以上の結果から，Sfrp1 が腎線維化

マイクロウェーブ 15 分）
・ブロッキング（5%血清

時に何らかの役割を果たしていることが示唆された．

/TBST；室温 30 分）を行った後，1 次抗体（SMA，Vimentin，E-cadherin）を 1 晩 4℃で反応させた．

２．Sfrp1 ノックアウトマウスを用いた腎不全にお洗浄後，二次抗体を室温 1 時間で反応させたのち，ける Sfrp1 の機能解析

DAB を用いて発色反応を行った．

正常時における野生型と Sfrp1 ノックアウトマウ
スの腎臓を比較したところ，ほとんど違いが見られ結果なかった．次に，腎不全における Sfrp1 の役割を解

1. Sfrp1 モノクローナル抗体を用いた腎臓におけ析するために，Sfrp1 ノックアウトマウスを用いてる Sfrp1 タンパクの解析

片側尿管結紮（UUO）を行った．UUO によって腎不全

はじめに，Sfrp1 リコンビナントタンパクを用いを起こさせた時，野生型と比べ Sfrp1 が欠損したマて，Sfrp1 モノクローナル抗体を作製した．今回作

ウスでは，腎不全の特徴である上皮の線維化が重篤製した Sfrp1 モノクローナル抗体は，他の Sfrp タ化していることが明らかになった（図２）．これらのンパクには反応しない抗体であった．片側尿管結紮

結果から，Sfrp1 は腎線維化の修復を制御している事が強く示唆された．
3. Sfrp1 は EMT を介した腎線維化に関与する腎不全時において Sfrp1 の欠損が線維化を悪化させることから，腎不全時における Sfrp1 ノックアウ
トマウスの線維化の状況を，上皮間葉転換（EMT）の遺伝子マーカーを用いて検討した．その結果，線維化のマーカーである SMA や間質細胞のマーカーであ

図２ Sfrp1 の欠損したマウスは腎不全の症状が重くなる-/Sfrp1 ノックアウトマウスの正常な腎臓（左；Sham-Sfrp1）+/+と腎不全時の野生型（中央；UUO-Sfrp1
）と
Sfrp1
ノック
-/アウトマウス（右；UUO-Sfrp1 ）の腎臓
スケールバー：５００μｍ（上）, ５０μｍ（下）- 198 -る Vimentin が，野生型と比べ Sfrp1 が欠損したマウスの腎臓では増加していることが分かった．逆に，上皮のマーカーである E-cadherin は減少していた．

【平成26年度研究費助成

研究成果報告書】

文献
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Nephrol, 6: 643-656 (2010)

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Kawakami T, Ren S, Duffield JS: J Pathol,
229: 221-231 (2013)

図３ Sfrp1 は EMT を介した腎線維化に関与する+/+（A-C）腎不全時における野生型（Sfrp1 ）と Sfrp1 ノッ-/クアウトマウス（Sfrp1 ）におけるタンパク量の比較 （A）
SMA, （B）Vimentin, （C）E-cadherin で腎臓の切片を免疫染色後、陽性の領域をパーセンテージで表した．
有意差： P<0.05

3.

Clevers H: Cell, 127: 469-480 (2006)

4.

Kawano Y, Kypta R: J Cell Sci, 116:
2627-2634 (2003)

5.

Perspect Biol, 5: a015081 (2013)
6.

Trevant B, Gaur T, Hussain S, Symons J,
Komm BS, Bodine PV, Stein GS, Lian JB: J

以上の結果から，腎不全時における Sfrp1 の欠損により，EMT が亢進していることが示唆された．

Cruciat CM, Niehrs C: Cold Spring Harb

Cell Physiol, 217: 113-126 (2008)
7.

SadoY, Inoue S, Tomono Y, Omori H: Acta
Histochem Cytochem, 39: 89-94 (2006)

考察
Sfrp 関連遺伝子は，以前からシグナルの抑制因子

8.

Shimono A: Development, 133: 989-999という観点から重要性が認識されていた．たとえば
過去の筆者らの研究による Sfrp 遺伝子変異マウスの解析から，初期発生 8,9)，腸管形成 10,11)などに重要(2006)
9.

態との関連に関する研究が遅れていた．
しかし近年，
Sfrp5 が肥満に伴う代謝異常の病態解明に関する新
たな標的分子になりうることが示された 12)．また，
腎臓癌をはじめとする主要ながんにおいて，Sfrp1の関連性が指摘され，新しいがん標的薬として脚光(2008)
10.

ことが期待される．

Matsuyama M, Aizawa S, Shimono A: PLoS
Genet, 5: e1000427 (2009)11.

Matsuyama M, Shimono A: Methods Mol
Biol, 839: 229-237 (2012)

12.

Ouchi N, Higuchi A, Ohashi K, Oshima Y,
Gokce N, Shibata R, Akasaki Y, Shimono A,

を浴びている 13)．今回の研究も含め，今後も Sfrp
遺伝子と病態との関連の解明がより一層進んでいく

Satoh W, Matsuyama M, Takemura H,
Aizawa S, Shimono A: Genesis, 46: 92-103であることが示されている．しかし，Sfrp 分子は分泌性の因子であり技術的な困難を伴うことから，病Satoh W, Gotoh T, Tsunematsu Y, Aizawa S,

Walsh K: Science, 329: 454-457 (2010)13.

Cooper SJ, von Roemeling CA, Kang KH,
Marlow LA, Grebe SK, Menefee ME, Tun

今回の研究から，Sfrp1 遺伝子が急性腎不全時において重要な役割を果たしていることが強く示唆された．今後，本研究のような腎臓病の研究が発展す
れば，透析を必要とする患者が減少，もしくは透析回数を減らすことができる可能性があり，医療に貢献できると思われる．最終的には，Sfrp1 が腎臓病に対する治療薬の新規標的候補になることを想定し研究を進めているところである．

- 199 -

HW, Colon-Otero G, Perez EA, Copland JA:
R Mol Cancer Ther, 11: 2105-2115 (2012)

【平成26年度研究費助成

研究成果報告書】

３Ｄレーザー測量を利用した斜面崩壊危険個所抽出法の開発
岡山大学大学院
鈴木茂之・西垣 誠（概要）航空レーザー測量によって１ｍあるいはそれ以小の大きさのものや地形を探知することが出来る。本
研究では、航空レーザー測量図の判読と現地調査を合わせて行うことによって①画像イメージと地形や構造物との対比、②斜面崩壊や落石の発生源になりうる箇所の画像イメージの確認、③防災のための航空レーザー測量図の活用法の検討に取り組んだ。その結果測量地域内の危険個所の抽出を効率的に行うことができた。調査
地域内で抽出できたのは落石危険個所と土石流を引きおこす可能性がある斜面崩壊危険個所である。

１．調査地域及び地形厚い部分があるが、一般に薄く成層する。級化層理をなすものはタービダイトとみなされる。薄く微粒で淘汰が良い層はコンターライトと考えられる。泥岩は沈積による平行葉理が特徴的に発達する。これ
らは深海に堆積したもと考えられる。厚い砂岩は海底谷付近に堆積したものであろう。これらの岩石は花崗岩の貫入による熱でホルンフェルス化しており堅硬である。花崗岩は江尻層に貫入している。塊状をなし堅硬であるが、地表部付近で風化し、風化し残った部分が玉石状をなす。石英斑岩は幅数ｍ程度の薄い岩脈をなして局部的に分布する。
３．人工物の識別
植生におおわれているためまったく見えないが、傾斜量図にはその存在が現れていた。以下にいくつかの例をあげる。

図１：調査位置図 玉柏地域

調査地域は岡山市北区玉柏の斜面である（図１）。
周辺の山地の頂部はややなだらかで、吉備高原の一部をなす。旭川がこの高原地形を浸食しＶ字型の谷を形成している。調査地域あたりから谷底平野が広がり、岡山平野になる。旭川は曲流し側方侵食する
ため、地域内の斜面は 30 度を超える急傾斜部が多い。
２．調査地域内の地質
古生代末期の地層と推測されている超丹波帯に属す江尻層と白亜紀後期の花崗岩および石英斑岩からなる。江尻層は泥岩と砂岩からなる。砂岩は細粒で- 200 -

図２：採石場跡(図 3)および落石対策箇所(図 4)【平成26年度研究費助成

研究成果報告書】

採石場跡は傾斜図に砕石による法面と平場が明瞭に現れている。

図５：調査地域西部の傾斜量図

図３：採石場跡、落石の危険がある

落石対策が施された露岩も図２中に現れている。

図６：露出している古墳の石棺

図４：ネットで対策された不安定岩塊

また図５に現れているように古墳も識別できる。古墳の石棺が露出しているものがあるが（図６）、図５には点として現れている。灯篭の基礎として造成した高さ１ｍ弱の段（図７）も識別できる。図８の石垣群は図５には線として現れている。かつてここに段々畑が存在していたと考えられる。
図７：灯篭基礎の人口的な段- 201 -

【平成26年度研究費助成

研究成果報告書】

部分であることも類推できる。

図８：石垣群、段々畑があったと推測される

４．露岩や岩塊の識別

図１０：孤立した岩塊

図１１：斜面の露岩

５．危険個所の抽出
これまでに示したように人口構造物や露岩・岩塊などの自然状況が判別できるため、崩壊などの災害をもたらす異常な地形があるかどうか検討した。まず図５中の図１４で示した「円弧状の段」が初生的な滑落崖ではないかと考え現地で確認した。
図９：露岩や岩塊が傾斜量図に現れている様子

４：露岩や岩塊の識別
沢の上流部に直径３ｍ程度の孤立した岩塊が存在していたが（図１０）、傾斜量図(図９)にはよく現れている。図１１のように比高が２～３ｍ程度の露岩があり、現地でも植生や落ち葉に覆われて目視しにくい状態であったが、図９では影として現れ「崖」と識別できる。この形状から類推して、図 9 の左側に見られる影も露岩群であると考えられる。図の表
面がなめらかな部分は落ち葉や表土に覆われている- 202 -

図１３：傾いて変状があることを示す狛犬

【平成26年度研究費助成

研究成果報告書】②着目したイメージが実際何であるか、現地で確認する。
本研究では採石場跡、古墳、石垣など人口物が多く検出出来、
自然地形では露岩、岩塊が確認出来た。
③災害と関わると推測した画像イメージ周辺を精査する。
本研究では「円弧状の段」と「露岩」のイメージに着目した。円弧状の段は石垣であったが、変状があり、人工物も傾いていることから、現在動いてい図１４：円弧状の段は石垣だったとみなされる。崩れることが判明した。また湧水箇所があることから、ていることから移動していると考えられる。

豪雨があった場合、斜面崩壊をおこし土石流が発生

現地調査した結果、図５中の図１３のように狛犬する危険個所であると判定できる。露岩のイメージ

が傾き変状が認められる。また図１４のように、円のある急斜面を踏査した結果、ザラザラした画像イ

弧状の崖は石垣であったが、崩れているため移動しメージで落石が多く発生している場所と、スムーズていると考えられる。また図５中星印の位置で湧水なイメージで落石が認められない場所に区分できた。

しているのを見出した。これらのことから大雨があザラザラしたイメージの領域は落石危険個所と見なれば図５中のまるで囲んだ(a)の範囲で崩壊が起こすことが出来ると考えられる。

り、土石流の発生源になる危険性がある。急傾斜地

本報告を書く段階では、半日の野外調査を 3 回行を踏査したところ図５中のまるで囲んだ(b)(c)の範ったのみである。以上のように航空レーザー測量図

囲で落石が発生しており、木の枝にかかっている石を利用すると、短期間で、ある地域の危険個所を抽もある。これらの場所の画像イメージは「露岩」の出出来ることが示されたと言える。今後はさらに成イメージと共にガサガサしている。これは新しく落果品としてどのようなハザードマップにすべきか検下した石が落ち葉などにおおわれた地表面上に多数討したい。

存在するためではないかと解釈される。一方図９の沢では急傾斜で露岩があるにも関わらず地表に落石は認められなかった。この落石が認められなかった部分の画像イメージはなめらかである。急傾斜地域
においてこのようなイメージの違いから、落石危険個所を推測することが出来る。
６：航空レーザー測量図の活用による危険個所の抽
出方法の提案
以下のように航空レーザー測量図と現地踏査を組み合わせて調査することによって、ある地域の危険個所のかなりの部分を効率的に抽出することが可能であると考えられる。
①航空レーザー測量図を判読し、特徴的な画像イメージを抽出する。また災害に結びつきそうな要素に着目する。
本研究では「円弧状の段」と急傾斜地での「崖」を判読した。

- 203 -

【平成26年度研究費助成

研究成果報告書】

オープンソースライセンスおよびユーザコミュニティに注目した
3D データ活用に関する調査研究
岡山理科大学総合情報学部情報科学科
山根 信二
2013 年度から 2014 年度にかけての 3D データ活用の注目すべき動向として，ゲーム分野で起こったユーザー主導のイノベーションについて報告する．本報告ではまず，現在起こっているユーザー主導のイノベーション
を「イノベーションの民主化」から説明する．次に，注目すべき各事例について紹介する．各事例ではホビイ
ストやアマチュアからゼネコンにまたがる開発者コミュニティが大きな役割を果たしており，また VR,MR,建設,
ゲーム開発などいくつもの分野を横断したコラボレーションが行われている．そして最後に今後の展望を述べる．

1 背景: イノベーションの民主化 2008-2014

して、大きな優位性を持っている。イノベーショ

はじめに，本研究報告の背景となるイノベーショ

ンを起こせるユーザーは、
メーカーに
「代理人」
(し

ンの考え方について説明する．

かも、それは不完全な代理人であることが多い)

1.1 ユーザー主導のイノベーションとして行動してもらわなくても、自分の望むもの

ユーザー主導のイノベーションが世に知られるよを正確につくることができ、しかも、個々のユーうになったのは，インターネットを支えるフリーソ

ザーはすべてを独力で開発する必要がなく、他人

フトウェアの存在によるところが大きい．ソフトウが開発したものをお互いに共有し合い、自由に使ェア領域ではソースコードを公開して開発者コミュ

うことができる。イノベーションの民主化へと向

ニティを形成する「フリーソフトウェア(自由ソフト

かう傾向は、
ソフトウェアのような情報製品(無形ウェア) 運動」「オープンソース開発」が行われてき製品) の場合ばかりではなく、有形製品(コンピュた．そしてこの活動がソフトウェアを開発するプロータ・ハードウェアのような物理的実態を伴ったグラマだけでなく，様々な分野で起こっていること

製品) の場合にもあてはまる。[11, 邦訳 p. 14]を示したのがフォン・ヒッペルが提唱する「イノベーションの民主化」である．

そして自らも同書をオンライン公開して，イノベー

フォン・ヒッペルは 2005 年に出版された著書のション研究の古典としての位置づけを確立した．特中で「イノベーションの民主化」(Democratizingに同書の第 11 章にはアプリケーション分野の事例

Innovation) について以下のように説明している．

としてゲーム開発ツールについてとりあげられており，欧米のデジタルゲーム産業が新たなイノベーシ「イノベーションの民主化」とは何か。筆者はそれを製品やサービスの作り手であるメーカー(製ョンを起こしつつあることを示している．
1.2 ゲーム分野でのイノベーションの民主化

造業者) ではなく、受け手であるユーザー自身の、

ただし，ゲーム業界そのものがイノベーションのイノベーションを起こす能力と環境が向上してい民主化に自覚的だったわけではない．1990 年代からる状態と定義する。ここでのユーザーとは、個人

パーソナルコンピュータ用ゲームでは 3D の FPS を

か企業かを問わない。ユーザー中心のイノベーシ

開発していた id software 社はソースコード配布をョン・プロセスは、何百年も経済活動の中心だっ行っていたが[12][8]，これはすでに収益を回収したあたメーカー主体のイノベーション・システムに対とのゲームであり開発中のタイトルの品質に影響す- 204 -

【平成26年度研究費助成るものではなかった．

研究成果報告書】

1.3 3D データ活用のイノベーション研究

自覚的に「イノベーションの民主化」を企業戦略

イノベーションの民主化を起こせるのは，ユーザのキーワードとして使いはじめたのは，2008 年のーフレンドリーなツールキットを提供して，品質のMicrosoft のゲーム部門による XBox Live が最初で高い素材を共有することができる企業である．そしある．弱小勢力ではなく，ゲーム機のプラットフォて何よりも，ツールキットで開発し提供する開発者ームの一角が新戦略としてイノベーションの民主化（ユーザー）コミュニティの形成が不可欠となる．

を提唱したのは画期的だった．この Microsoft のビ

これらの条件が 3D データ活用の領域で出揃い，
イ

ジョンが示された 2008 年の GDC(Game Developer

ノベーションの民主化の波が 2013-2014 年に起こっ

Conference)の基調講演(図 1, 2)は，国内でも衝撃たというのが本研究の立脚点である．以下ではその[3]

的に受け入れられている ．

事例について明らかにする．

2 活用事例
2.1 事例研究の枠組
イノベーションの民主化を起こす条件として，本研究では以下の 4 点に注目する．
1.

オープンな利用許諾規程：
素材を活用するオープンソースライセンスの整備

2.

ツールの活用：
ユーザーフレンドリーなツールキットの提供

図 1 ゲーム開発・配信の民主化(GDC08)[3]

3.

高品質データの活用：
品質の高い素材の提供と共有

4.

コミュニティの形成：
ツールキットで開発し成長するユーザーコミ
ュニティの形成

2.2

2 次創作コミュニティのためのライセンス:

2008日本ではある作品をもとにしてファンによる作品
図 2

Games for the people, by the peopleが生まれる「2 次創作」と投稿文化が広く行われて(人民による人民のためのゲーム)[3]

きた．その中でもインターネット上で発達した代表

ただし，この時点で Microsoft が想定する流通は限られていた．Microsoft が提供するのは自社ゲー
ム開発ツールの配布やユーザーが開発したゲームの流通であり，3D データやサウンドを含む素材(アセット)については語られていなかった．これは 2008年当時はやむを得ないことだったが，今日の視点ではゲーム開発の民主化は素材(アセット)開発者についても考える必要があるだろう．

的な事例が 2007 年に発売された歌声制作ソフト(VOCALOID ソフトウェア)を使った楽曲データや画像データを発表する「ボカロ P」1のコミュニティである．
基本的に，著作物である画像データをベースとして別の画像をつくることは著作権者の許諾が必要で
1 VOCALOID コミュニティでは，それ以前から動画投稿コ

ミュニティを形成していたゲーム『アイドルマスター』の表記にならって，呼び名に「プロデューサー」の略である「P」をつける．

- 205 -

【平成26年度研究費助成ある．ソフトウェア産業ではフリーソフトウェアの研究成果報告書】

2.3 イノベーション事例: VR+3D データ活用ための一般共有ライセンス(ソフトウェア利用許

フォン・ヒッペルが指摘したように，ユーザー主諾)[1]が機能してきたが，ソフトウェア本体ではなく導のイノベーションでは個々のユーザーはすべてを

初音ミクをはじめとするキャラクターのパッケージ

独力で開発するのではなく，他人が開発したものを画像にまで利用許諾が多数寄せられることは販売元自由に使うことが強みとなる．こうしたメーカーが[4]には予想外の事態だった ．このため発売元はキャ予想もしなかったユーザー主導のイノベーションがラクター画像の二次利用を認めるピアプロ・キャラ

起こっているのがインディーゲームや同人ゲームとクター・ライセンス(PCL) と共有サービスとを発表呼ばれる，近年の自主制作のゲーム領域である．本する．この PCL ライセンスはクリエイティブ・コモ

節ではオープンな地図データと利用ツール，そしてンズ・ライセンス(フリーソフトウェア運動のライセ

VR(ヴァーチャルリアリティ)を用いた事例を紹介す

ンスをベースにいくつかの利用規程を選べるようにる．

したもの)を参考にしており，のちに海外からの利用

現実空間に CG マップを重ねて表示する、またはそ許諾にも対応するかたちで国際的なライセンスとしの反対に CG マップを拡大すると現実空間が表示さてクリエイティブ・コモンズ・ライセンスを採用すれる「現実データと仮想データの重畳」はこれまでることになる2．

VR や MR(Mixed Reality, 複合現実感) の研究テー

この VOCALOID の事例より，ユーザー主導のイノベマだったが，いよいよ実用レベルに入っている．たーションにはライセンスの採用が重要であるとの認

とえば Google が提供するサービスでは，Google

識が定着し，国の産業振興にも反映されるようにな

Earth で世界の各都市を表示し、「建物の 3D 表示」

る．たとえば経済産業省は「平成 25 年度我が国経で現実空間に CG が重ねて表示される．また Google

済社会の情報化・サービス化に係る基盤整（CG・VFX

Map で 2D の地図画面を拡大すると現実空間(Street

産業クラウド活用・高連携実証事業）」の成果として，

View)が現れる．これらは Mixed Reality の実現と言クラウドを利用した 3DCG データ利活用実験「Arkえる．

Project」の成果を公開した．これは，二次利用，及そしてこうしたデータを活用した事例として，ゲび改変可能な 3D モデルデータをクリエイティブ・コーム『水没都市』に注目する．このゲームはいくつ

モンズ・ライセンスに基づき公開・共有する事業でかのサービスを組みあわせている．まず3

OpenStreetMap(OSM)．これは，道路地図などの地理

ある ．
また，
独自ライセンスの模索も行われている．
2014

情報データを誰でも利用できるよう，フリーの地理

年には，TV アニメ『シドニアの騎士』の公式 3D モ

情報データを作成することを目的としたプロジェク

デルを独自ライセンスで販売する試みも行われた4．

トである．誰でも自由に参加して，誰でも自由に編

これは日本アニメ初の試みであり，一定期間を過ぎ集でき，誰でも自由に利用する事が出来るが，次にたら値段を 9 割引以下に下げるなど試行錯誤を行っ

OSM を API を介して取得するツール「シマダシステている．

ム」が開発される．そしてこのシマダシステムを使

国内ではこうした著作権者によるライセンス(利って、世界中の実在の都市をステージにした宝探し用許諾)を通じたユーザーへの取り組みが先行したゲーム『水没都市』(DropCity)が有志によって開発が，それ以外のツール，高品質データ，コミュニテされた．このゲームはアップデートしながら定期的

ィの取り組みがさらに続くことになる．

にゲームイベントで展示されており，開発者向けに配布されているOculus Riftのゴーグル(ヘッドマウ
ントディスプレイ)をつけて仮想空間を泳ぐ体験も2 http://blog.piapro.net/2012/12/post-608.html

可能にしている．

3 http://www.dcaj.or.jp/news/2014/02/3dcgark-project.html
4 販売期間：2014 年 11 月 5 日-2015 年 10 月 30 日（予定）,https://sidonia-3dmodel.com/- 206 -

このゲームは VR デバイスを用いるためにイベン【平成26年度研究費助成

トに出かけて体験する必要があるが，東京ゲームシ56

研究成果報告書】

おり，「プロフェッショナルだけでなく学生や趣味人も」対象にしている10．これはゲーム開発者コミュ

ョウ や IGDS2015 に出展され注目を集めた．

ニティよりも大学との産学連携を意識したものとな
2.4 イノベーション事例: ゲームジャム運営っている．こうした事例はゲーム開発技術が非エンゲーム開発で起こるイノベーションに注目して，企業が自社データをゲーム開発用に提供するだけでタテインメントへと転用される流れの始まりであり，
今後さらに増えていくと考えられる．

なく，ゲーム開発者コミュニティとの積極的な関係形成に取り組んだのが地図のゼンリンである．

2.6 アセットストアの発展と「アセット作家」の誕

ゼンリンはこれまでゲーム応用の実績がなかった

生ために，開発者コミュニティからの認知を得ること

前節のゼンリンや竹中工務店のプロモーションでから着手した．特に，セミナー開催や素材提供にと鍵となったのが，ゲーム開発環境の「ゲームエンジ

どまらず，2014 年からゲーム開発イベント「Globalン」上ですぐに試せるような形態での素材(アセッGame Jam」の会場の一つとして「お台場ゼンリン会ト)の提供である．これは近年のゲーム開発環境「ゲ7場」を開設したこと はゲーム開発メディアの注目をームエンジン」の発達によるところが多い．

集めた[6]．報道によれば温泉，仮眠室，シャワー室

最新の技術が投入されるゲーム開発では，ゲームなどが使える日本一の開発環境を学生からプロまで開発企業に開発ツールを提供する企業がいち早くたのゲーム開発イベント参加者に提供し，さらにゲー

ちあがった．フォン・ヒッペルが「イノベーション

ムで使うためのデータ容量の削減など開発現場のニの民主化」で注目したゲーム開発企業もその一つでーズを把握している[7]．この取り組みを通じて，会ある．やがて開発ツール群はミドルウェアからゲー

場ではさっそくいくつかのゲームでこのデータが利ムエンジンへと発達し[5]，異なるゲーム機(あるいは用された．さらにこのイベントの成果はさらに開発

VR 環境)への移植も支援するようになった．さらに

8

者のカンファレンスでも展示発表され ，一年間で広は開発環境だけでなくゲーム素材を配布できる「アい認知を獲得した．最近の Global Game Jam2015 でセットマーケット」たちあがり，ゲームエンジンのは開催にあわせて秋葉原以外の 3 都市のデータの提拡張機能として提供されるようになった．

供も発表し(利用条件として，
ゲームジャム終了後のアセットマーケットの価格は自由に設定でき，人ゲーム配布は構わないが生データは消去しなければ

気アセットが評判になる仕組みも取り入れられたこ

ならない)，地方会場からも注目を集めた9．

とで，ゲームエンジン Unity の国内法人であるユニ

2.5 イノベーション事例: 産学連携

ティ・テクノロジーズ・ジャパンは 2013 年以降か同じような開発イベントを主催する試みとしては，

ら「アセット作家になろう!(図 3)」という新たなプ

竹中工務店の「スマートライフハッカソン」もあげ

ロモーションをはじめている．これはゲーム開発者

ることができる[9]．これはゼネコン大手の竹中工務だけでなくさらに広い範囲のクリエイターを対象と店と 3D CAD ソフトを販売しているエーアンドエー、している．

ならびにゲームエンジン開発企業であるユニティ・

そしてアセット作家に企業がロールモデルとしてテクノロジーズ・ジャパンの三者が協力して行って脚光をあてるだけでなく，アセット作家がブログで自作アセットの評判を報告したり，さらには「海外5 http://www.gamespark.jp/article/2014/09/30/51931.html

から音楽の依頼が来た」11 といったアセットマーケ

6 http://www.igda.jp/?p=555
7 世界最大級のゲームハッカソン『Global Game Jam 2014』

ットの中に止まらない活動も起こっている．

に協賛 http://www.zenrin.co.jp/news/140109.html
8 ゼンリン、地図データをゲームや災害シミュレーションに
10 http://www.smartlife-hackathon.jp/wordpress

活用するためのコラボ施策を披露
http://response.jp/article/2014/09/05/231708.html
9 http://htn.to/7iLT9x

11

https://twitter.com/gt_k_2014/status/534895972048842753- 207 -

【平成26年度研究費助成

研究成果報告書】

テンツの VR コンテンツ化や新規 VR コンテンツ開発にすぐに着手できることをアピールしていた．こうした映画産業が 3D 映画製作を取り入れたように，ゲーム開発と VR コンテンツ開発も次の段階へと進みつつあることを印象づける展示発表だった．
日本の開発イベントとの違いとしては，「アセット
作家になろう!」に相当するセミナーもあったのだが，日本では同人活動の文脈や審美的なアピールが強いのに対して，GDC ではプロ志向，機能面でのアピー
ルが強いと感じた．アセット作家もアセットの日本

図 3 アセット作家になろう! (2015) [10]

語説明と英語説明とで口調を変えることが当たり前になるかも知れない．

3 GDC2015 に見る今後の展開

GDC の内容は日本国内でも注目されており，本視ここまで見たように，従来の 3D データサービス
からゲーム開発というプラットフォームに進出することで新しいイノベーションが起こっている．この動向調査として，GDC(Game Developers Conference)を視察した．

察の成果は国内の報告会でも発表した13[13]．大学教員からの講演者は筆者のみで，最新動向を国内の第一線の開発者と共有する貴重な場をもつことができた．
こうして，企業や大学の壁を越えたゲーム開発者

GDC は毎年 3 月にカリフォルニアで開催される世界最大のゲーム開発者の国際会議で，ゲーム開発のコミュニティのつながりは，国内外ともに今後ます
ます強くなっていくだろう．

大きなニュースはまずこの会議で発表されることが多い．たとえば第 1.2 節でとりあげたマイクロソフトによるゲーム開発の民主化は GDC08 の基調講演で発表されている[2]．そして今回は元 id software 社
で Oculus VR 社 CTO に転じた伝説的ゲーム開発者のジョン・カーマックの講演12も開催前から注目を集
めた．

4 まとめ
2013 年度から 2014 年度にかけての 3D データ活用の注目すべき動向として，ゲーム分野で起こり，ゲーム以外の分野にもひろがりつつあるユーザー主導のイノベーションについて報告した．
「イノベーションの民主化」や過去の事例を見る

今回はゲームエンジンの一部無料化が講演前に発表されたこともあり，参加して目を引いたのは講演よりもむしろ展示スペースであった．たとえばゲー
ム エ ン ジ ン 企 業 (Unity, Epic Games(Unrealと，このイノベーションはたんにデータを公開するだけではなく，上述したように以下の側面からなりたっている．
1.

Engine),Crytek) がゲーム機プラットフォーマーに素材を活用するオープンソースライセンスの匹敵するスペースをとり，Unity や Unreal Engineの無料版だけでなく高品質なサンプルが素材や作り

整備
2.

方も含めて同時に配布されていた．また Oculus な
どの VR 企業もゲームエンジン企業との連携をアピールし，ゲームエンジンを使うことで，従来のコン

オープンな利用許諾規程:

ツールの活用:
ユーザーフレンドリーなツールキットの提供

3.

高品質データの活用:
品質の高い素材の提供と共有

12
13 http://www.igda.jp/?p=408 この報告会ではゲーム開発・

http://www.gdcvault.com/play/1022304/The-Dawn-of-Mobilehttp://www.4gamer.net/games/195/G019528/20150311030/

VR コンテンツでは別に報告者があったため，アカデミック
領域の報告を担当した．

- 208 -

【平成26年度研究費助成

4.

研究成果報告書】

コミュニティの形成:

トバンククリエイティブ, May 2010.

ツールキットで開発し成長するユーザーコミ[6] 小野憲史. 地図のゼンリンが参戦「48時間でゲームを作ろュニティの形成う！」レポ. エキサイトレビュー, 2014. 2014年1月28日. Online

article available at

これらの動きをまきこんだイノベーションは今後もhttp://www.excite.co.jp/News/reviewapp/20140128/E13908468639

ますます強くなり，とりわけゲーム開発技術は(VR59.html.

コンテンツ開発への転用に見られるように) 多くの[7] 小野憲史. GlobalGameJam2015 直前企画: 会場責任者に聞分野に拡大していくと期待される．

くGGJ の魅力とは？ GAMER'S EXPRESS, 2015. 2015年01月16

今回はおよそ半年間の調査報告を行ったが，今後

日. Online article available at

は本研究が示唆する展望にもとづき，岡山および周http://g-x.jp/54b87b94-96d8-48f3-b2d7-05e9caac1ca2.

辺地域にて、大学や企業そしておよびホビイストに[8] 新清士. MOD 及びオープンコミュニティについて調査. 『デまたがる開発者コミュニティの形成について、長期

ジタルコンテンツ制作の先端技術応用に関する調査研究報告書』,

的に取り組んでいく計画である．

第9章, pp. 265-293. デジタルコンテンツ協会, March 2008. 平成

19年度 日本自転車振興会デジタルコンテンツの保護・活用に関謝辞:する調査研究等補助事業. Available online at

本報告書は，
平成 26 年度ウエスコ学術振興財団助http://www.dcaj.or.jp/project/report/pdf/2007/dc08_07.pdf (visited

成事業の研究助成の研究成果報告書として作成されSeptember 30, 2013).

た．

[9] 高橋睦美. ゲーム嫌いも知っておきたい3D CG/VRのエンタープライズ活用事例: Unity Solution Conference 2014 まとめ.

参考文献

ITmedia, 2014. 2014年12月25日. Online article available at[1] 引地信之, 引地美恵子（編）. 『Think GNU: プロジェクト

http://www.atmarkit.co.jp/ait/articles/1412/25/news056_4.html.

GNU日記とソフトウェアの憂鬱』. ビレッジセンター出版局,[10] 常名隆司. アセット作家になろう！: 作ったキャラクター

1993. ISBN 4-938704-10-2. Online version except for illustrations

やスクリプトをアセットストアに出品しよう！ Presentation atavailable at ftp://ftp.sra.co.jp/pub/gnu/sra/think-gnu-book.tar.gz

Unite 2015 Tokyo, April 2015.

(visited March 31, 2015).

http://www.slideshare.net/takashijona/ss-47008518 , Also available[2] 西川善司. Game Developers Conference 2008 現地レポート:

online at http://japan.unity3d.com/unite/unite2015/schedule.

Microsoft、チーフXNA アーキテクト クリス・サッチェル氏イ[11] Eric von Hippel. Democratizing Innovation. MIT Press, 2005.

ンタビュー. GAME Watch, February 2008. Online article available

http://web.mit.edu/evhippel/www/books.htm 邦訳はサイコム・イ

at http://game.watch.impress.co.jp/docs/20080222/sat.htmx.

ンターナショナル監訳『民主化するイノベーションの時代: メー[3] 西川善司. Microsoft基調講演: MicrosoftはXbox LIVE上にゲ

カー主導からの脱皮』(ファーストプレス, 2005).

ーム民主国家を建国する. GAME Watch, February 2008. Game

[12] 山根信二. Hackers 1950s-1990s. The Basic, No. 166, pp.

Developers Conference 2008 現地レポート. Online article

64-67, April 1997. 技術評論社.

available at[13] 山根信二. GDC 視察報告. GDC2015 報告会(IGDA 日本主

http://game.watch.impress.co.jp/docs/20080221/mskn.htm.

催), 2015年3月21日新宿での発表．http://www.igda.jp/?p=408,[4] 岡田有花. 「出口がない」「権利者は誰」: 初音ミク2次創作

March 2015.

の課題. ITmedia ニュース, 2008. 2008年03月27日. Online article

available at
http://www.itmedia.co.jp/news/articles/0803/27/news128.html.
[5] 大前広樹. ミドルウェア. 『デジタルゲームの教科書: 知っておくべきゲーム業界最新トレンド』, 第21章, pp. 369-393. ソフ- 209 -

【平成26年度研究費助成

海外渡航報告書】

平成２６年度 海外渡航報告書
岡山大学 大学院自然科学研究科
前田 千尋
私は公益財団法人ウエスコ学術振興財団のご支援を賜り、2014 年 6 月 22 日から 6 日間の日程でトルコ国イスタンブールにおいて開催された ICPP-8(Eighth International Conference on Porphyrins and Phthalocyanines) に出席し、“Highly Active Bifunctional Triporphyrin Catalysts for the Synthesis of Cyclic Carbonates from Epoxides andCO2”という題目で口頭発表を行った。

1. 会議の概要
本渡航にて参加した研究会 ICPP-8 はポルフィリンとフタロシアニン類縁体に関する国際会議である。これらの類縁体の研究を行っている世界中の研究者が集まり、発表・討論を行ない最新の知見を共有することを目的としている。また関連する国内外の一流の研究者の招待講演が行なわれる。本研究会は第 8 回目であり、世界各国からの参加者が集まり、口頭発表約 300 件、ポスター発表約 300 件行われた。申請者の研究内容に最も関連する会議であり、過去２回(ICPP5,7)に参加した際にも有意義な成果を収めている。
本発表で対象とする二酸化炭素固定化のための二官能性ポルフィリン多量体触媒は、最近
申 請 者 ら が 開 発 し た 非 常 に 高 い 活 性 を 示 す も の で あ る 。 “Sustainable Chemical Processes Catalyzed by
Metal Porphyrins and Phthalocyanines”というテーマに合致したセクションで口頭発表することができ、大 き な
価値があった。
本 発 表 で は “触 媒 ”の カ テ ゴ リ ー で 口 頭 発 表 を 行 っ た が 、 申 請 者 は そ の 他 構 造 有 機 化 学 、 光
化学に関するポルフィリンの研究も展開しており、他の発表を聴講し情報収集したことは、
申 請 者 の 今 後 の 研 究 の 発 展 に 大 き く 貢 献 で き る 。ま た 普 段 会 う こ と の な い 国 外 の 研 究 者 と 対話し交流を深めた。
2. 研究発表の内容
二酸化炭素は豊富に存在する再利用可能な炭素源であるため、近年二酸化炭素 Scheme 1の固定化反応が有機合成化学分野で注目されている。二酸化炭素の固定化の一つとして二酸化炭素とエポキシドを用いた環状炭酸エステルの合成が挙げられる

O+ CO 2O

catalyst

O

O

Bu
Bu

(Scheme 1)。環状炭酸エステルはポリカーボネートの原料、リチウムイオン二次電池の電解質、極性非プロト
ン性溶媒として利用されている。しかしながら二酸化炭素は安定で反応性が低いため、反応を促進させるための適切な触媒が必要である。申請者らの研究室では側鎖に第四級アンモニウムブロミドを有する二官能性ポルフィリン錯体触媒の開発に成功している(Figure 1)。この触媒では、Lewis 酸として働く中心金属と求核剤として働くブロミドがエポキ

Figure 1

シドに対して協同的に作用することで高い反応加速効果(TON = 103,000,
TOF = 12,000 h–1)を示した。

- 210 -

【平成26年度研究費助成

今回新たに側鎖に第四級アンモニウ
ムブロミドを６個有するポルフィリン

海外渡航報告書】

Figure 2

二量体および９個有するポルフィリン
三量体触媒を開発した(Figure 2)。いずれも単量体よりも高い触媒活性を示し、特にポルフィリン三量体触媒がこれまで で最 も高 い活 性 (TON = 310,000,
TOF = 46,000 h–1)を示した。本発表ではこれらの触媒の合成と触媒活性について口頭発表を行った。
3.感想等
はじめは 10 分間の一般講演の予定であったが、１つ余っていた招待講演の枠に入れてもらったため 20 分間の発表となり、研究内容をより詳細に発表でき好評を得た。
4. おわりに最後になりますが本国際会議に参加するにあたりご支援を頂いたウエスコ学術振興財団に厚く御礼を申し上げます。この会議で得た経験を生かして今後の研究により一層励む所存であります。

- 211 -

【平成26年度研究費助成- 212 -

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【平成26年度研究費助成- 213 -

海外渡航報告書】

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海外渡航報告書】

平成 26 年度 海外渡航報告書
岡山大学大学院環境生命科学研究科
永禮 英明「イオン液体のオゾン分解に関する国際会議発表と共同研究推進」と題し，海外渡航に関する助成をいただ
いた。本課題では，H26 年 8 月に米国サンフランシスコで開催された米国化学会（American Chemical Society）の全国大会に出席し，イオン液体の分解に関する研究成果を発表することを目的としている。
イオン液体とは，不揮発性，不燃性，低粘性，高導電率の液体の塩であり，従来の溶媒にはない特徴をもつ
ことから近年利用が進みつつある比較的新しい化学物質である。しかし，生物への有害性が懸念される一方，分解処理技術が確立されていない。筆者らはイオン液体の一種である bmimCl という物質を対象とし，オゾンを用いた分解処理について検討を行っており，今回はこの研究成果について発表した。
発表は，学会の中の Environmental Chemistry 分科会の Advanced Oxidation セッションで行った。本セッシ
ョンでは 4 日間にわたり合計 72 編の発表が行われ，非常に活発な討議が行われていた。筆者らの発表に対しても多数の質問が寄せられた。
当初，会議終了後に共同研究者であるミシガン工科大学・南方大輔博士を訪問する予定であったが，博士の都合により訪問はとりやめ，会議開催中に最新情報を共有し，今後の実験・解析方法について議論した。
最後に，本助成により海外において最新の研究成果を発表する一方，米国での研究動向をみる機会を得ることができた。助成に対し心より感謝を申し上げる。
表1 旅 程日程

内容

2014.8.10

移動：岡山→羽田→成田→サンフランシスコ

2014.8.11-13

会議参加（American Chemical Society 248th National Meeting）

2014.8.14-15

移動：サンフランシスコ→成田→羽田→岡山

図 1 会議パンフレット- 214 -

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平成２６年度 海外渡航報告書
岡山大学
山本 ゆき
渡航先 ：パリ (フランス)
渡航日程：2015 年 1 月 8-14 日 (7 日間)
渡航目的：国際学会 “41st Annual Conference of the International Embryo Transfer Society” での研究成果発表
平成 27 年 1 月 10-13 日に行われた ”41st Annual Conference of the International Embryo Transfer Society (第 41回国際胚移植学会)”に指導学生 (博士前期課程 1 年) とともに参加した。本学会は動物 (家畜、コンパニオン
アニマル、希少動物など) の生産性向上を目指し、胚移植技術向上ならびに科学研究の推進を目的として研究者や教育者らによって設立されたものである。研究については、胚の生存・発育に関するエピジェネティ
ックス制御機構や胚移植時に必要な超音波画像診断技術、体外胚培養のサプリメントとして効果的な物質の探索といった内容が主である。今回渡航者は、”Expression of activin A as a local regulator in the bovine oviduct (ウシ卵管における局所調節因子としてのアクチビン A の発現)”という内容で研究成果発表を行った。
＜発表内容＞[目的] 卵管は受精および初期胚発育にとって最適な環境を提供する役割を担う。アクチビン A は局所調節因子として卵胞発育や着床に関与する糖タンパク質であり、体外胚培養法においてアクチビン A を培養液中に添加したところ、ウシ初期胚発育が促進されることが報告されている。そこで卵管内の環境を調節する
候補因子としてアクチビン A に着目し、ウシ卵管におけるアクチビン A の役割を検討することを目的に関連因子の発現を調査した。
[結果] ウシ卵管中にアクチビン A およびアクチビン A の作用を阻害する因子 「フォリスタチン」の各タ
ンパク質が確認された。それぞれの遺伝子発現を検討したところ受精や初期胚発育が起こる時期にアクチビ
ン A 発現が最も高くなることが明らかとなった。細胞培養法を用いた実験によって、ウシ卵管上皮細胞においてエストラジオール17βがアクチビンAならびにフォリスタチン遺伝子発現を制御することが示された。また、アクチビン Aの標的を検討したところ、卵管組織にアクチビン受容体発現が確認された。
[考察] これらの結果から、
ウシ卵管内のアクチビン A 活性は、排卵直前に卵巣からの分泌量が増加するエストラジオール 17βの制御を受け、排卵前後に最も高くなるよう調節されている可能性が示された。さらにアクチビン受容体の発現が卵管で確認されたことから、アクチビン A はウシ卵管内において受精前の卵母細胞および初期胚に直接的に、また卵管細胞に作用して細胞

図：ウシ卵管におけるアクチビン A (ACVA) の役割に関する仮説- 215 -

【平成26年度研究費助成

海外渡航報告書】

機能を制御することにより間接的に、受精や初期胚発育に関与することが推察された。
初期胚発育に関する研究は、国内外において主に体外胚培養法を用いて進められている。体外胚培養は、不妊や低受胎といった問題を抱えるヒトや家畜にとって効果的な手段となり得るため、その技術向上に関する研究報告は非常に多い。卵管の機能制御の解明は、体外受精および胚培養技術の向上にも貢献しうる。他の生殖関連学会では卵管の研究発表は少ないが、今回参加した学会では卵管機能に関する発表が多く、他国の研究者と深くディスカッションを行う機会があった。また、卵管機能と密接に関係する配偶子や初期胚に関する研究を知ることができたため、今後の自身の研究について新しい着想を得ることができた。本学会の前には Pre-conference として Equine Reproduction (ウマの生殖) に関わるシンポジウムにも参加した。欧米ではウマの生殖に関わる研究が盛んであり、日本においてもウマは家畜や愛玩動物としての需要が高まってきていることから、ウマの生殖制御技術についての最先端の研究を学ぶことができたことは今後研究を展開して行く上で有意義であった。また、同行した修士学生の発表指導も行った。本人にとって初めての国際学会・
英語発表であったために難しいことも多かったと思うが、今後国際的に活躍できる研究者候補の一人として良いきっかけになったと思われる。
折しも渡航直前 滞在中に、パリでテロおよびデモ騒ぎが起こりやや不安があったものの、特に大きな問
題もなく今回の目的を達成し、渡航を終了することができた。渡航費助成を頂いた公益財団法人ウエスコ学術振興財団と関係者各位には、この場を借りて感謝申し上げたい。

- 216 -

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岡山大学資源植物科学研究所
杉本 学
２０１４年８月２ １０日の９日間にわたりロシア連邦モスクワで開催された第４０回宇宙空間研究委員会（Committee on Space Research 2014,COSPAR 2014）総会に参加した。本委員会はフランスに本部を置く国際学術団体であり、米国、ロシア、日本等の４４ヶ国が加入している。本総会は２年に１度世界各地で開催されており、４０回目となる本総会会場のモスクワ大学には世界４０ヶ国以上から約２，５００人の参加者が集まり、４，０００題を超える発表が行われた。また、オープニングセレモニーではプーチン大統領とメドヴェージェフ首相の祝辞が披露された。
本総会では９つの科学コミッションと１つのパネルディスカッションに別れて研究発表が行われた。私は科学コミッションＦ「Life Sciences as Related to Space」で以下の研究成果を口頭発表した。
Sugimoto, M., Oono, Y., Gusev, O., Matsumoto, T., Yazawa, T., Levinskikh, M.A., Sychev, V.N., Bingham,
G.E., Wheeler, R. and Hummerick, M. Genome-wide expression analysis of reactive oxygen species gene
network in Mizuna plants grown in long-term spaceflight.
ミズナ種子を国際宇宙ステーション（ISS）のロシアモジュール内ある植物栽培装置「LADA」のルートユニッ
トにセットし、日照 24 時間、気温 25℃、湿度 70%の条件下で栽培を行った。栽培 27 日目に収穫したミズナは直ちに超低温庫で保存し地上に搬送した。地上にある LADA で気温、湿度、給水量等 ISS 中での栽培条件と同じにして栽培したものを対照とした。
葉全 RNA から cDNA ライブラリーを作成し NGS によるリード長 100 塩基ペア
エンドシーケンスの結果、７千万余リード数を得た。ハクサイゲノムデータベースにマッピングし統計学的に発現変動した遺伝子を検出したところ、宇宙栽培ミズナで発現量が増加、減少した遺伝子それぞれ 8,258 個と14,170 個を得た。そのうち ROS 酸化マーカー遺伝子 32 個中 20 個と ROS 消去遺伝子である Thioredoxin、Glutaredoxin, AOX が５倍以上増加し、宇宙環境がミズナに酸化ストレスを引き起こすことが示唆された。また、MEKK1-MKK4-MPK3、OXI1-MKK4-MPK3、OXI1-MPK3 カスケード、MEKK1-MKK4-MPK3 による WRKY22 の発現誘導、
Zat12 による WRKY25 の発現誘導と Zat7 の抑制から、宇宙栽培ミズナでは宇宙環境に適応するために
abiotic/biotic ストレスで誘導される共通の遺伝子や特定の遺伝子を発現し、ROS gene network 遺伝子をコントロールしていることを明らかにした。

COSPAR 2014 の会場となったモスクワ大学- 217 -

【平成26年度研究費助成

海外渡航報告書】

また、共同研究として以下に示す３つの研究成果を発表した。
Tanaka, S., Kihara, M., and Sugimoto, M. Expression of nudix hydrolase genes in barley under UV
irradiation.
２８種類のシロイヌナズナ由来 Nudix hydrolase (NUDX)のアミノ酸配列と相同性を示すアミノ酸配列をコードするオオムギ由来遺伝子を BLAST 検索したところ、14 種類の NUDX 遺伝子を得ることができた。これら遺伝
子の紫外線応答について、オオムギ幼芽に 340、312、260nm の紫外線を 24 時間照射後に全 RNA を抽出してリア
ルタイム PCR 法により解析した。その結果、AtNUDX9 相同性遺伝子は UV-A と UV-B でそれぞれ、1.3、1.4 倍、
AtNUDX12、13、16 相同性遺伝子は UV-B と UV-C でそれぞれ 7.8、14.9 倍、AtNUDX14 相同性遺伝子は UV-C で 2.6
倍、AtNUDX15 相同性遺伝子は UV-C で 2.0 倍、AtNUDX25 相同性遺伝子は UV-C で 1.2 倍増加した。以上の結果から、オオムギ由来 NUDX 遺伝子は紫外線の種類により応答性が異なること、4 種類の NUDX 遺伝子が UV-C に応答することを明らかにした。
Novikova, N., Orlov, O., Polikarpov, N., Deshevaya, E., Sychev, V., Levinskikh, M., Poddubko, S.,
Alekseev, V., Okuda, T., Sugimoto, M., and Gusev, O. Resutls of studies on long-term exposition of dormant
forms of various organisms in outer space environment.
大麦種子、ネムリユスリカ乾燥幼虫、バチルス属細菌を ISS 船外に１３ヶ月間曝露したところ、大麦種子は、発芽率、生育、農業特性に影響がなかった。ネムリユスリカ乾燥幼虫は、８０％以上の蘇生率を示し、蛹、成虫へと成長した。また、コメット解析から曝露後の乾幼虫のＤＮＡにはニックが入っているが水に戻し再生する
段階で修復が行われることを明らかにした。細菌は、Bacillus subtillis #2335, #20, #24, #25, Penicillium

expansum は１３ヶ月、１８ヶ月、３１ヶ月曝露後増殖したが、Aspergillus sydowii, Aspergillus versicolor,
Penicillium aurantiogriseum は完全に死滅することを明らかにした。
Katayama, N., Yamashita, M., Sugimoto, M., Kihara, M., and Hashimoto, H. Low GI food with barley inspace foods.
主食である米に対して食物繊維を多く含む大麦（はるな二条）を 30％混合し、食事摂取後の血糖値の測定を行った。食材料は主に低ＧＩ食材である玄米、麦、大豆、サツマイモ、青菜、ドジョウ、キノコを用いて、献立は主食（玄米 70％＋麦 30％）
、ドジョウハンバーグ、キノコスープ、トマトサラダを使用した。その結果、本献立摂取後の血糖値はグルコース摂取後に比べ血糖値の上昇が低くなることが明らかとなり、宇宙食としてふさわしい血糖値の上がりにくい献立ができた。
宇宙環境は宇宙放射線、微小重力等地上とは全く異なる環境が複合したものであり、宇宙植物科学研究では ISS を利用した宇宙環境での実験が重要である。ISS を利用した我々の研究発表では、多くの質問が寄せられ有意義な討論ができた。また、ロシア科学アカデミー生物
医学研究所と NASA ケネディ宇宙センターの共同研究者たちと会合し、ISS での研究計画について情報交換をおこない、今後の研究についての打合せをすることができ、「宇宙環境における植物の生存能力とライ
フサイクルの解析」に関する研究をさらに進展させる機会となった。
科学コミッション F での口頭発表- 218 -

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平成２６年度 海外渡航報告書（所 属）岡山県立大学 情報工学部（氏 名）瀬島 吉裕（概要） 2014 年 8 月 25 日（月）から 29 日（金）までの 5 日間，イギリスにおけるスコットランドの首都であるエジンバラで IEEE International Symposium on Robot and Human Interactive Communication (RO-MAN2014)が開催された．上述の国際会議に，申請者は公益財団法人ウエスコ学術振興財団からの助成金を得て研究成果を発表した．ここに，関係者の皆様に感謝の意を示すとともに，渡航報告を行う．なお，申請者の渡航日程は，2014 年 8 月 24 日（日）に出国して，4 日間エジンバラに滞在し，8 月 31 日（日）に帰国した．
申請者が研究成果発表を行ったのは，IEEE International Symposium on Robot and Human Interactive
Communication （略称 RO-MAN）というロボットと人間とのコミュニケーションを対象とした国際会議で，今回で 23 回目の開催となった．これまでに欧州では数回開催されているが，イギリスでは初めての開催であった．
開催地であるエジンバラは，イギリス北部（北緯 56°）に位置し，北海道札幌市（北緯 43.05°）よりも遥か高い緯度に位置している．エジンバラでの 8 月の平均気温は 18 度で，夏場でも快適に過ごせる気候であった．
さらに，8 月下旬には「エジンバラ・フェスティバル」と呼ばれる芸術と文化の祭典が毎年行われており，滞在期間中は音楽や芸術を披露するアーティストや多くの観光客で賑っていた．また，会場である Heriot-Watt
University （ヘリオット・ワット大学）は，エジンバラ中心部から南西に少し離れた位置にあり，市街地からバスに約 40 分程度乗車するが，アクセスは良い場所であった．
RO-MAN2014 は 5 日間開催された．初日はワークショップが開催され，これからのロボットと人間とのかかわり方や教育分野での役割等が紹介された．翌日から 4 日間に渡って研究発表がなされた（図 1）．本年は一般講
演 122 件，ポスター発表 64 件が行われた．欧州での開催であったが，日本人の参加率も高く，活発に議論がなされていた．申請者は 3 日目にポスター発表を行った（図 2）．ポスター発表の会場は，少し狭い展示スペース
であったが，
参加者の多くが来場し，活発な議論が行われていた．
また，
RO-MAN2014では，3種類の賞 (Best Paper
Award, Kazuo Tanie award, RSJ/KROS Distinguished Interdisciplinary Research Award) が設けられており，受賞された研究は全て研究着想が豊かな研究であった．

図 1 会場の様子

図 2 ポスター発表- 219 -

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申請者は，RO-MAN2014 において，「Development of an Interaction-activated Communication Model Basedon a Heat Conduction Equation in Voice Communication」という題目で研究成果発表を行った．この研究は，ロボットと人間との円滑なコミュニケーションを実現するために，互いの共感を高めるのに重要な役割を果たしている場の盛り上がりに着目し，伝熱工学における熱伝導方程式を用いて対話音声から場の盛り上がりを推定するモデルを提案したものである（図 3）．さらに，モデルの有効性を確認するために，コミュニケーション
実験を行い，人間が感じる場の盛り上がりと，推定モデルとの時系列相互相関解析を行った（図 4）．その結果，
人間が感じる場の盛り上がりと，提案モデルによる推定値が強い相関関係にあることが示された．この内容をポスター発表で行い，来場した参加者と議論した．また「熱工学の考えを場の盛り上がりに適用するのはユニークな発想だ」「音声以外にも場の盛り上がりのパラメータがあるのではないか」，
等のコメントをいただく等，有意義な議論の場となった．さらに，ロボットを介した子ども遊びの提案や生活支援ロボット等，一般発表およびポスター発表において，本研究を発展・応用させる可能性がある研究が数多く紹介され，今後の研究を展開するために重要な情報が収集できた．なお，第 24 回会議となる次回の IEEE RO-MAN2015 は、日本の神戸国際会議場で 8 月 31 日から 9 月 4 日の期間に開催される予定である．
（参考 URL：http://ro-man2015.org/）
末筆になるが，このような貴重な機会を与え，ご支援していただいた公益財団法人ウエスコ学術振興財団の関係者各位に感謝したい．

TO
QAO
TA

QFO

TF
QAF

QBF

QBO
TB

TA: Temperature of talkerA
TB: Temperature of talkerB
TF: Temperature of field
To: Temperature of outside

Entrainment

QAF: Quantity of heat from T A to TF
QBF: Quantity of heat from T B to TF

TalkerA

TalkerB

QFo: Quantity of heat from T F to To

図 3 研究のコンセプト

10

Number of subjects

500(a) Change in the interaction-activated communication with time, based on the number of 180[s]subjects by whom the scene is subjectively selected as the activated communication scene.

Activation level
0.4
0.2
0.0

0

180[s](b) Change in the model-based estimated value with time.
5

[s]

0
-5

0-30

30-60

60-90

90-120120-150

150-180[s]図 4 人間が感じる場の盛り上がりと提案する推定モデルとの時系列相互相関解析の一例- 220 -

【平成26年度研究費助成

海外渡航報告書】

平成２６年度 海外渡航報告書（所 属）岡山理科大学 生物地球学部（氏 名）大橋 唯太（概要）
渡航期間：平成２６年１０月１１日 ～ 平成２６年１０月１７日
渡航場所：イタリア・ベネチア
参加会議：Third International Conference on Countermeasures to Urban Heat Island
発表題目：Numerical Simulations of Influence of Heat-Island Countermeasures on Outdoor Human Heat Stressin the 23 Wards of Tokyo, Japan.
著者：Yukitaka OHASHI, Tomohiko IHARA, Yukihiro KIKEGAWA, and Nanami SUGIYAMA

本研究では、東京 23 区をモデルケースに、夏季屋外の熱中症リスクを評価できる数値モデルを開発した。このモデルでは都市気象・建物排熱・熱中症リスクの関連を地域メッシュ・マップとして計算することが可能である。シミュレーションでは、建物の緑化や高反射塗装といった主要なヒートアイランド対策技術が大規模に導入された場合の、熱中症リスクの低減を定量的に予測評価することを試みている。都市の広域について熱中症リスクをマッピングし、対策導入時の熱中症リスクの変化を予測する数値モデルであり、会議内でも独創的な研究手法として注目された。結果の一部では、高反射塗料を都市建築物群に広域導入した場合に、日射の反射光増加によって熱中症リスクが増加する恐れが予測された。本研究は海外研究者にも興味をもってもらうことができ、知り合った何人かの研究者と引き続き情報交換していく予定である。
近年、地球温暖化やヒートアイランド現象の影響で、人口が集中する都市部での気温が上昇している。これは日本に限らず高緯度帯の欧米諸国でも問題となってきており、熱中症患者や死亡者の増加が深刻化している。
このような背景から、今回のヒートアイランド対策国際会議でも熱ストレスの評価手法や将来予測などの研究が報告され、本研究の日本を対象にした熱中症
リスクの数値シミュレーション
手法も海外諸国での適用に期待できる。そういった意味でも今回の会議で報告できたことは大きな成果であったと同時に、諸外国における熱ストレスの実態や対策研究の進展状況についても知ることができた。

図 東京 23 区における熱中症リスクのマッピング結果（左図）。2010 年7～9 月の 3 か月の熱中症患者数の再現。数値モデルで計算された日最高
WBGT（熱ストレス指標）の結果（右下図）に昼間人口分布（右上図）
を組み合わせることで、作成された。

- 221 -