研究成果報告書 目次■ ヒト下肢リンパ系の 3 次元構築の解明～解剖研究からリンパ浮腫診断・治療への応用～
岡山大学 大学院 医歯薬学総合研究科 助教 品岡 玲･･･････ 1■ 骨微小環境を介した制御性Ｂ細胞の維持機構の解明
岡山大学 大学院 医歯薬学総合研究科 助教 山田 大祐･･･････ 3■ ニコチンによる口腔癌リンパ節転移の促進機構の解明とその阻害効果の検討
岡山大学 大学院 医歯薬学総合研究科 助教 伊原木 聰一郎･･･････ 6■ 抗癌免疫破綻における新規チェックポイント阻害薬の作用機序の解明
岡山大学 大学病院 泌尿器科 医員 定平 卓也･･･････ 10■ SGLT2 阻害薬はメタボリック症候群において直接的に腎保護に寄与する
岡山大学 大学病院 腎臓･糖尿病･内分泌内科 講師 喜多村 真治･･･････ 13■ 含ホウ素機能性色素を基盤とした円偏光発光材料の開発
岡山大学 大学院 自然科学研究科 助教 前田 千尋･･･････ 16■ 腸炎の治療および大腸がん予防に効果のある化合物の免疫学的検討
岡山大学 大学院 ヘルスシステム統合科学研究科 助教 増田 潤子･･･････ 19■ 空間ネットワーク環境における二色逆最近傍探索に関する研究
岡山大学 大学院 自然科学研究科 准教授 後藤 佑介･･･････ 23■ エキシプレックス/エキシマー有機円偏光発光色素の開発
岡山大学 大学院 自然科学研究科 講師 高石 和人･･･････ 29■ 破骨細胞のアポトーシスを誘導する SB-203207 の全合成と高活性アナログの創製
岡山大学 大学院 自然科学研究科 准教授 早川 一郎･･･････ 32■ 高解像度の面的な地形データを用いた、旭川の河床変動解析の精度向上に関する検討
岡山大学 大学院 環境生命科学研究科 准教授 吉田 圭介･･･････ 36■ 歴史的砂防施設「別所砂留」の持続可能な保存整備に向けた調査研究
岡山大学 大学院 環境生命科学研究科 准教授 樋口 輝久･･･････ 42■ 疎水性キャピラリー・バリアを持った河川堤防の安全性に関する研究
岡山大学 大学院 環境生命科学研究科 助教 金 秉洙･･･････ 48■ 高精度氾濫解析と避難経路解析を組み合わせた防災シミュレーターの開発
岡山大学 大学院 環境生命科学研究科 准教授 赤穂 良輔･･･････ 57■ 日本で高度に多様化した植物群テンナンショウの多様性維持機構の解明
岡山大学 大学院 環境生命科学研究科 教授 廣部 宗･･･････ 63■ 含フッ素天然化合物をリードとした化合物ライブラリーの構築
岡山大学 大学院 環境生命科学研究科 准教授 泉 実･･･････ 66■ 母体-初期胚間の情報伝達を担う卵管エクソソーム中マイクロ RNA の網羅的解析
岡山大学 大学院 環境生命科学研究科 助教 山本 ゆき･･･････ 70■ 岡山県特産セイヨウナシ｢パスクラサン｣果実の成熟機構解析とその応用による貯蔵･流通技術の確立
岡山大学 大学院 環境生命科学研究科 教授 久保 康隆･･･････ 74

■ 光化学系Ⅱ修復過程におけるタンパク質酸化損傷の役割の解明
岡山大学 資源植物科学研究所 助教 加藤 裕介･･･････ 80■ 水素吸蔵法とμＳＲ法を用いた新規イリジウム酸化物超伝導体の開発
岡山大学 異分野基礎科学研究所 特任准教授 堀金 和正･･･････ 83■ 岡山県内の障害者就労支援に関する実態調査
岡山大学 全学教育・学生支援機構 講師 池谷 航介･･･････ 86■ 乳児を養育する親の産後うつと睡眠、生活状況に関する海外との比較研究
岡山県立大学 保健福祉学部 准教授 池田 理恵･･･････ 92■ 身体性アバタを介したリフレクションによる看護コミュニケーション教育支援システム
岡山県立大学 保健福祉学部 助教 高林 範子･･･････ 98■ 性同一性障害に関する看護師の知識･理解が影響を及ぼす看護ケアの態度
岡山県立大学 保健福祉学部 准教授 井上 幸子･･･････102■ 筋電･筋音ウェアラブルモニタを応用した骨格筋機能の可視化システムの開発
岡山県立大学 情報工学部 准教授 綾部 誠也･･･････107■ 接触により親近感を増大させる瞳孔反応ロボットの開発
岡山県立大学 情報工学部 助教 瀬島 吉裕･･･････113■ アバタ影コミュニケーションシステムを用いたインタラクション支援
岡山県立大学 情報工学部 准教授 石井 裕･･･････117■ 自然言語処理を用いたソフトウェア要件管理技術に関する研究
岡山県立大学 情報工学部 助教 天嵜 聡介･･･････123■ 無線ボディエリアネットワークにおけるデータとノードの優先度に応じた高信頼アクセス制御に関する研究岡山県立大学 情報工学部 助教 高林 健人･･･････129■ 使用者の状態推定に基づき動作と音声で反応する身体的引き込みキャラクタシステムの開発
岡山県立大学 デザイン学部 准教授 西田 麻希子･･･････135■ 展示空間の文脈を伝えるテキスタイルデザインの開発と提案①
岡山県立大学 デザイン学部 助教 岡本 汐加･･･････140■ 教育効果のある木育玩具のデザイン指標づくりと研究開発
岡山県立大学 デザイン学部 助教 林 秀紀･･･････146■ 含ヘテロパイ電子系ユニットを有するプリンタブル太陽電池材料の開発
岡山理科大学 理学部 准教授 岩永 哲夫･･･････152■ 布賀鉱山産ホウ酸塩鉱物のホウ素同位体に関する基礎的研究
岡山理科大学 理学部 教授 小林 祥一･･･････156■ 高分子基複合材料の衝撃層間せん断特性評価法の確立
岡山理科大学 工学部 准教授 中井 賢治･･･････162■ 防災気象情報基準を備えた雨量計システムの開発
岡山理科大学 生物地球学部 准教授 佐藤 丈晴･･･････167■ 日本産ヤリテンツキ(カヤツリグサ科植物)の系統分類学的研究～遺伝的な地理的境界線の成立要因の解明～
岡山理科大学 生物地球学部 講師 矢野 興一･･･････173

■ 運動は炎症性腸疾患を予防するポジティブ・アクションとなりうるか？
倉敷芸術科学大学 生命科学部 専任講師 椎葉 大輔･･･････176■ 筋音図・筋電図を用いた筋コンディションの定量評価法の開発
倉敷芸術科学大学 生命科学部 准教授 枝松 千尋･･･････180■ 内向き整流性 K+チャネル遮断ペプチドの探索と作用の解明
倉敷芸術科学大学 生命科学部 教授 岡田 誠剛･･･････185■ プラナリア多能性幹細胞集団内での生殖系列決定機構
津山工業高等専門学校 総合理工学科 准教授 前澤 孝信･･･････188■ 高演色ＬＥＤ光源を用いた農産物の外観色評価装置の開発
津山工業高等専門学校 総合理工学科 特命教授 眞鍋 由雄･･･････191■ 再生を保証する自己複製/分化スイッチング機構の解明
津山工業高等専門学校 総合理工学科 准教授 柴田 典人･･･････196■ 漏れ性向上効果を有する銅温間酸化被膜の構造と伝熱性評価
津山工業高等専門学校 総合理工学科 講師 竹村 明洋･･･････200■ 環境負荷の小さい硫化ズズ薄膜太陽電池の禁制帯不連続の制御による高効率化に関する研究
津山工業高等専門学校 総合理工学科 教授 中村 重之･･･････206■ Streptomyces cinnamoneus ゲノム情報を利用した有用酵素の探索
岡山県農林水産総合センター 生物科学研究所 ｸﾞﾙｰﾌﾟﾘｰﾀﾞｰ 畑中 唯史･･･････211■ 病害抵抗性植物の効率的選抜を可能にする免疫応答可視化ツールの開発
岡山県農林水産総合センター 生物科学研究所 特別研究員 中野 真人･･･････215■ 栽培化により失われたトマトの短日性を支配する鍵遺伝子の解明
岡山県農林水産総合センター 生物科学研究所 専門研究員 後藤 弘爾･･･････218■ 新たに見出されたモモ不稔現象の詳細解析
岡山県農林水産総合センター 生物科学研究所 専門研究員 小田 賢司･･･････221■ 発酵乳ホエーより単離した睡眠を誘導するペプチドの作用機序の解明
就実大学 薬学部 教授 坪井 誠二･･･････225■ ヒトシトクロム P450 分子種の基質特異性の予測
就実大学 薬学部 教授 丹羽 俊朗･･･････231■ 鳥類アデノ随伴ウイルス（AAAV）受容体の機能解析
就実大学 薬学部 准教授 工藤 季之･･･････235■ 慢性炎症を駆動する｢AGEs-RAGE 系｣の活性化メカニズムの解明
就実大学 薬学部 助教 渡邉 政博･･･････241■ 脳内液体循環システムを利用した経鼻薬物送達法による新規な認知症治療法の開発
就実大学 薬学部 助教 井上 大輔･･･････245■ ドイツ健康靴の日本市場への導入・定着に関する歴史的研究
就実大学 経営学部 講師 三浦 紗綾子･･･････250■ 新しい細胞動態評価法でスクリーニングした抗腫瘍薬の応用
川崎医科大学 教授 山内 明･･･････256■ 糖尿病性腎症における糸球体内皮・上皮細胞連関における Inflammasome を介した炎症遷延化（慢性炎症）機序解明
川崎医科大学 講師 長洲 一･･･････260

■ カルバペネム耐性大腸菌の駆除を目指したファージ療法の開発
川崎医科大学 講師 川野 光興

･･･････262■ 腸内環境維持とコンディションに関する研究 －外環境変化と腸内細菌叢の関連－
川崎医療福祉大学 医療技術学部 准教授 松生 香里･･･････265■ 食餌誘導性肥満マウスの不安様行動におよぼす運動の効果
川崎医療福祉大学 医療技術学部 助教 小柳 えり･･･････267■ 保育士の早期離職対策としての｢リアリティショック予防プログラム｣の開発
山陽学園大学 総合人間学部 准教授 松浦 美晴･･･････272■ 日常活動レベルの異なる対象者における筋音筋電センサの有効性に関する研究
環太平洋大学 体育学部 准教授 早田 剛･･･････278■ 新規ゲノム編集ラット作成法 rGONAD 法を用いた腎臓病モデルラットの開発
重井医学研究所 分子遺伝部門 室長 松山 誠･･･････283■ 音声・言語障害における新規代用音声法の開発
岡山済生会総合病院 耳鼻咽喉科 医長 平井 美沙都

･･･････289

海外渡航報告書 目次■ 岡山大学 大学院 環境生命科学研究科

准教授

頼藤 貴志

･･･････293■ 岡山大学 大学院 環境生命科学研究科

准教授

門田 有希

･･･････295■ 岡山大学 異分野基礎科学研究所

講師

寺嶋 健成

･･･････297■ 岡山県立大学 情報工学部准教授

大田 慎一郎･･･････299■ 岡山県立大学 情報工学部

助教

瀬島 吉裕

･･･････301■ 岡山大学 理学部

准教授

武安 伸幸

･･･････303■ 岡山県立大学 情報工学部

助教

高林 健人

･･･････304■ 岡山理科大学 教育学部

講師

笹山 健作

･･･････305■ 川崎医療福祉大学 医学技術学部

助手

氏川 拓也

･･･････306

長期間海外派遣滞在 研究成果報告書 目次【平成 29 年度長期間海外派遣滞在費助成】■ 口腔常在菌による骨代謝ネットワーク機構の解明
岡山大学 大学病院 予防歯科 講師 入江 浩一郎･･･････307

ヒト下肢リンパ系の 3 次元構築の解明～解剖研究からリンパ浮腫診断・治療への応用～
岡山大学大学院医歯薬学総合研究科
品岡 玲
リンパ系は心血管系と同様に体の隅々まで張り巡らされている。老廃物を回収する機能、免疫機能が主な機能であるが、消化管では脂肪成分を選択的に吸収・運搬する機能も持っている。また、癌手術後などで引き起こされるリンパ系の機能低下は四肢に異常なリンパの貯留を引き起こし、手足が腫れるリンパ浮腫が臨床現場で問題になっている。しかしリンパ系の基礎医学的な情報は未開な部分も多く、特に最も基本となりうる、マクロ解剖学的情報ですら定まっていない。その大きな原因は、リンパ系の解剖学的研究は難しく、それは、リンパ系は血管と違い透明で細いため、解剖体や実際の手術中には認識することすら適わないからである。そこで我々は、近赤外蛍光色素インドシアニングリーンを用いて新たな解剖学的研究方法を開発し、下肢リンパ管の分類をおこなった。次に CT リンパ管造影を用いて、3 次元的なリンパ管の走行解析、さらにはリンパ節の解剖学的分類を検証する。
リンパ系は心血管系と同様に体の隅々まで張系のマッピングに用いることができることを報り巡らされており、２大循環系の一つである。細

告した(Shinaoka et al, PRS 2018)。

胞からの老廃物を回収する機能、さらには細菌や癌細胞などに対する免疫機能も担っている。また
消化管では脂肪成分を選択的に吸収する栄養学的にも重要な器官である。臨床では、癌細胞の転移経路としてリンパ節の切除をする際に重要となる。またリンパ系の機能低下は四肢に異常なリンパの貯留を引き起こし、象のように手足が腫れるリンパ浮腫が問題になっている。
しかしリンパ系は解剖学の最後のフロンティ

図 1 遺体における ICG lymphography

アと呼ばれるように、未解明な部分が多く存在す

緑：注射部位 arrowhead：リンパ節る。それは、リンパ系は血管と違い透明で細い（太(Shinaoka et al, PRS 2018)

くても 1mm 程度）ため、解剖体や実際の手術中にこの方法の大きな特徴は近赤外色素であるたは認識することすら適わないからである。それもめ解剖をすることなくリンパ管の走行を皮膚表

画期的な可視化法がなく 200 年以上前に開発され面から観察することができるということである。

た色素注入法を用いて解剖研究しているのが現

これにより、多数のご遺体を用いた研究が短時間状である。そのため、他臓器に比べ解明が進んでで可能となった(Shinaoka et al, PRS in press)。

いない。特に無数に存在する、リンパ管の分類や下肢のリンパ系は解剖学的特徴に基づいて 4 グル

3 次元構築の情報はまったく存在しない。

ープに分類することができ、リンパ管の走行と起そこで、我々は臨床現場でリンパ管造影に用い始部の情報より解剖学的リンパ系支配地図(図 2られる近赤外線色素ジアグノグリン（ICG）が死

lymphosome)を作成することができた。しかし、体でも同様にリンパ系を可視化することが可能

この地図情報の大きな問題点は皮膚表面から得であることを発見し(図 1)、それが全身のリンパた情報であるため、深さ情報がなく 2 次元情報で- 1-

しかないことである。さらにはリンパ管が最終的

下肢末梢から、４つのリンパ系グループすべてにつながるリンパ節は深部に存在するため観察にリピオドール溶液を注入したところ、ネットワが難しく、3 次元的な情報が不十分であった。

ーク構造が複雑すぎて、解析が困難であった。そのため、特定のリンパ系のみ造影剤を注入し、そのリンパ系グループのリンパ管の走行と、到着す
るリンパ節の情報を解析することとした。1 グル
ープあたり 30 肢、4 グループに対し計 120 肢を用いて研究を行った。
この結果、4 グループ(前内側:AM, 前外側:AL,
後内側:PM, 後外側:PL)のうち AM と PM グループは浅鼠径リンパ節の大伏在静脈外側に接する最大のリンパ節に高率に到着し、AL グループは外側

図 2 下肢リンパ系支配地図

副大伏在静脈外側に接するリンパ節に高率に到

紫：Posteromedial 青：Anteromedial

着することがわかった。また PL グループは膝下

緑：Anterolateral 赤：Posterolateral

リンパ節に高率に到着することがわかった(図 4)。

(Shinaoka et al, PRS in press)

つまり図 2 で示したリンパ系の支配領域は中枢側

そこで、本研究で CT リンパ管造影による、3 次のリンパ節においても支配が異なっており、これ

元リンパ系ネットワークの解析を行った。死体にらのグループ間の機能的な独立性が示唆されておける血管造影では、硫酸バリウム-ゼラチン法いる。

が一般的だが、リンパ管は細く粒子状の造影剤は詰まってしまって不適だったため、油性造影剤リピオドール(ヨード化ケシ油脂肪酸エチルエステ
ル)を用いることとした。また室温でのリピオド
ールは粘度が高く、34 ゲージ注射針では注入が難しかったため、ジエチルエーテルを溶媒としたリピオドール溶液を作成し、造影剤とした。このリピオドール法では末梢リンパ管から１次リンパ

図 4 リンパ管グループと浅鼠径リンパ節の関係

節のみならず２次リンパ節まで造影することがAM と PM は IL1 リンパ節に、AL は IL2 リンパ節可能であり、本研究で目的とするリンパ管の３次に吻合する。

元構造解析とそれとリンパ節の関係を明らかに

紫：Posteromedial 青：Anteromedial

することができた(図 3)。

緑：Anterolateral 赤：Posterolateral

これらの結果は、リンパ浮腫患者に対するリン
パ管造影検査時における造影剤注射部位プロトコールの標準化に寄与し、さらにはリンパシンチ
グラフィなどリンパ節可視化画像診断時の関心領域の設定に応用されている。
最後になりましたが、本研究にご支援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

図 3 遺体における CT lymphography

感謝申し上げます。

arrow：リンパ節- 2-骨微小環境を介した制御性 B 細胞の維持機構の解明
岡山大学大学院医歯薬学総合研究科
山田 大祐
骨組織に存在する骨芽細胞は B 細胞の分化・成熟過程に関与することが明らかにされているが、その詳細な制御機構に関しては不明である。本研究では、薬剤誘導的な Runx2 の欠損マウスを利用することで、骨微小環境で発現している Runx2 が B 細胞の分化制御に関与しているかを解析した。生後のマウスで Runx2 を全身欠損させた場合、骨髄中の B 細胞の割合が減少した。次に、骨髄移植モデルを使用して、レシピエントあるいはドナーのみで Runx2 の欠損を誘導した場合、レシピエントで Runx2 を欠損させた時のみ骨髄中の B 細胞の割合が減少した。さらに、若齢マウスと比較した際、老齢マウスではストローマ細胞での Runx2 の発現量の低下と骨髄中の B 細胞の減少が観察された。以上の結果から、骨髄微小環境で発現している Runx2 は、B 細胞の分化を正に制御していることが示唆される。
[背景]

[結果]

加齢に伴う身体の老化作用によって、感染症の羅

薬剤誘導的な Runx2 欠損マウスの作成

漢率の上昇などの弊害が誘導されるが、それらがど初めに、タモキシフェン誘導的な Runx2 の欠損モのような機序で生じるかに関しては不明な点が多い

デルを作成するために、Runx2 の flox アリルを持つのが現状である。B 細胞は抗体産生を介して生体のマ ウ ス と ROSA26-CreERT2 マ ウ ス を 交 配 し て免疫反応を制御している細胞であるが、その分化・

ROSA26-CreERT2, Runx2fl/fl マウスを作成した(図1A)。

成熟過程には骨髄微小環境に存在している骨芽細胞

次に、骨髄並びに骨組織における Runx2 の欠損を誘1が重要であるとの報告がなされている 。B 細胞数は導するために、生後 4 週齢のマウスに 1mg のタモキ

老化に伴って減少するが、その減少に骨芽細胞の機シフェンを５日間連続投与し、投与終了から 6 週間

能変化が関係しているかについては未だ十分な解析

後に Runx2 の発現量をウエスタンブロットにて解析がなされていない。

した。その結果、タモキシフェン投与によって Runx2

Runt related homeobox 2 (Runx2)は転写制御因子の欠損が誘導されたことが確認された(図 1B)。

Aの一つであり、発生過程における骨形成に必須の遺TAM injection
1 mg/day(5 days)

ROSA26-CreER ;Runx2fl/fl
T2伝子である。生後においては、間葉系幹細胞から骨芽細胞への分化・成熟に伴ってその発現量が上昇す

Analysis

4w

P0

11w

ることも明らかにされている 2。Runx2 は様々な転写制御分子と複合体を形成することが報告されている
3

B

Bone

BM

Rosa26-CreER ; Rosa26-CreER ; Rosa26-CreERT2; Rosa26-CreERT2;
Runx2+/+
Runx2fl/fl
Runx2+/+
Runx2fl/fl
T2

が、その一つである Cbfb は老齢化によって発現量

Vehicle TAMが減少し、その影響で骨芽細胞における Runx2 の転

T2VehicleTAM

VehicleTAM

Vehicle

TAM

Runx2

写活性が低下することが示されている 4。しかし、Actb

老化に伴う骨髄微小環境の Runx2 活性の低下が、免図 1.タモキシフェン投与による Runx2 の欠損

疫機能に影響を及ぼすかに関しては不明である。

(A)タモキシフェンの投与スケジュール。

そこで本研究では、生後における骨髄微小環境のRunx2 と免疫系との関係を詳細に解明するために、(B) タモキシフェン投与後の骨髄(BM) と骨組織

薬剤誘導的な Runx2 の欠損マウスを使用して以下の(Bone)における Runx2 の発現。対照群:Runx2 が野生解析を行った。

型の ROSA26-CreERT2, Runx2+/+マウスを対照群とし、- 3-

vehicle にはコーンオイルを使用している。
Runx2 全身欠損時の B 細胞への影響

B 細胞への影響を比較するために、
Runx2 欠損マウ
スから骨髄細胞を回収後、フローサイトメトリーにて解析を行った。その結果、対照群と比較して、骨髄中のB220陽性なB細胞の割合が有意に減少していた(図 2)。
B cell7AAD negative gated

1.0K

図 3.骨髄移植モデルを使用した Runx2 の欠損モデル

25.1%±0.3

800
600
400
200
0

ュール。６週齢のレシピエントマウスに致死量の X
線を照射(9.5Gy)した後、ドナー由来の骨髄細胞を尾B cell10-1 100 101 102 103

1.0K
14.8%±1.180040静脈から 1x106 個移植した。移植してから 4 週間後***にタモキシフェンを 5 日間連続投与し、投与終了後

30

6 週間目に解析を行った。

20

600
400

SSC

(A)骨髄移植の手法とタモキシフェンの投与スケジ

Rosa26-CreERT2; Runx2+/+
Rosa26-CreERT2; Runx2fl/fl

200

10

(B)レシピエントあるいはドナーで Runx2 を欠損さ0せた際の B 細胞数への影響。レシピエントとドナー由来の骨髄細胞を区別するために、CD45.1(Ly5.1 マ

0 -1
10 100 101 102 103
B220ウス)と CD45.2(ROSA26-CreERT2, Runx2fl/fl マウス)

図 2.Runx2 の全身欠損による B 細胞の減少の染色も行っており、レシピエント欠損時は CD45.1、

タモキシフェン投与後の対照群あるいは Runx2 欠損

ドナー欠損時は CD45.2 陽性細胞中の B220 陽性細胞

マウスから骨髄細胞を回収し、7AAD 陰性の生細胞中の割合を算出している。

のB220陽性B細胞の割合をフローサイトメトリーにて解析した。Runx2 が野生型の ROSA26-CreERT2,

加齢による Runx2 の発現量と B 細胞への影響+/+

Runx2 マウスを対照群としている。

最後に、若齢マウスと老齢マウスにおける Runx2の発現量と B 細胞数の比較を行った。若齢マウスと骨微小環境あるいは骨髄細胞特異的な Runx2 の欠損

老齢マウスから骨髄細胞を回収し、フローサイトメ

次に、骨微小環境あるいは骨髄細胞のどちらで発トリーにて Runx2 の発現量を比較した結果、血球/現している Runx2 が重要かを確認するために、骨髄

血管内皮細胞を含む画分では差は認められなかった移植モデルを使用して、レシピエント(骨微小環境)

が、老齢マウスのストローマ細胞画分では Runx2 のあるいはドナー(骨髄細胞)のみで Runx2 の欠損を誘発現量が減少していた(図 4A,B)。また、これまでの導できる系樹立した(図 3A)。タモキシフェン投与後研究報告の通り、老齢マウスでは骨髄における B 細

6 週間後に、B220 陽性細胞の割合をフローサイトメ胞の割合が減少していた(図 4C)

トリーにて比較した結果、レシピエントで Runx2 を欠損させた時のみ、B 細胞の割合が減少していた(図
3B)。

- 4-

A

[参考文献]
Aged

Young
2.21%±0.09

102

102

101

101

0.31%±0.04
10-1
10-1 100Runx2

1.

1.71%±0.18

10-1
101 102 103 10-1 100

Endothelial cells
n.s.
150
40
100

30
20

50
0
Young Aged

100Young Aged2.

B cell30

by(2008).

101 102 103*

mediated

Proc Natl Acad Sci U S A 105, 16976-16981

Stromal cellsC

isGs{alpha}-dependent signaling pathways.

0.38%±0.08

Stromal cells

Wu JY, et al. Osteoblastic regulation of B
lymphopoiesis

Hematopoietic/
Endothelial cells

100

100

B Hematopoietic/
Runx2 MFI

103(% of live cells)

CD45/Ter119/CD31

103

*

20

Takarada T, et al. Genetic analysis of Runx2
function

duringintramembranous

ossification.

Development 143, 211-218(2016).

100Young Aged3.

Ito Y, Bae SC, Chuang LS. The RUNX

図 4.若齢マウスと老齢マウスの比較解析

family: developmental regulators in cancer.

(A,B) 若齢マウスと老齢マウスの骨髄におけるNat Rev Cancer 15, 81-95 (2015).

Runx2 の発現量の比較。骨髄中の血球/血管内皮細胞画分とストローマ細胞画分における Runx2 の発現量4.

Wu M, Wang Y, Shao JZ, Wang J, Chen W,

をフローサイトメトリーで比較した。

Li YP. Cbfbeta governs osteoblast-adipocyte(C) 若齢マウスと老齢マウスの骨髄中に存在する B

lineage commitment through enhancing

細胞数の比較。マウスから骨髄細胞を回収し、7AAD

beta-catenin signaling and suppressing

陰性の生細胞中のB220陽性B細胞の割合をフローサ

adipogenesis gene expression. Proc Natl

イトメトリーで比較した。

Acad Sci U S A 114, 10119-10124 (2017).

[考察]

以上の結果から、老化によって骨微小環境のRunx2 活性が低下することで、B 細胞の減少が引き起
こされることが推察された。しかし、骨微小環境に
は骨芽細胞以外の細胞も存在していることから、
SP7-Cre などの細胞種特異的な欠損モデルを使用した解析を実施することで、どの Runx2 陽性細胞が重要かを解明する必要があると考えられる。
また、我々の研究結果は、Runx2 の転写活性を上昇させること
で生体の免疫機能を向上できる可能性を強く示唆するものである。このことから、将来的には、本研究が免疫機能賦活化薬としての Runx2 活性化剤の研究開発に応用できることも期待される。
[謝辞]

本研究をご支援していただきましたウエスコ学術振興財団に深く感謝いたします。

- 5-ニコチンによる口腔癌リンパ節転移の促進機構の解明とその阻害効果の検討
岡山大学大学院 医歯薬学総合研究科 腫瘍制御学講座 口腔顎顔面外科学分野
伊原木 聰一郎
上皮成長因子（EGF）はその受容体（EGFR）に結合すると，EGFR のリン酸化と核内移行を起こし，細胞増殖を促進する．タバコの主要成分ニコチンは，喫煙により肺胞や口腔粘膜から吸収され中枢神経系のニコチン性ア
セチルコリン受容体（ニコチン受容体）に作用し，タバコ依存性に関与する．最近，主に神経系に局在すると考えられていたニコチン受容体が癌細胞に存在すること，またニコチンが EGFR を介して転移に関与していることが報告された．口腔はタバコ煙に最も曝露される臓器であるが，ニコチンが口腔癌の転移に与える影響は不明である．そこで，ニコチンが口腔癌細胞の EGFR リン酸化とリンパ節転移に与える影響を検討した.ニコチン
はニコチン受容体を介して EGFR のリン酸化と核内移行を惹起し，口腔癌細胞のリンパ節転移を促進していた．
さらにニコチン受容体阻害剤は口腔癌細胞のリンパ節転移を抑制することが明らかになった．

研究の背景
上皮成長因子（EGF）はその受容体（EGFR）に結合

口腔はタバコ煙に最も曝露される臓器であるが，ニすると，EGFR のリン酸化と核内移行を起こし，細胞

コチンが口腔癌の転移に与える影響は不明であるた増殖を促進する．

め，本研究で検討した．

ニコチンは，
喫煙により肺胞や口腔粘膜から吸収され中枢神経系のニコチン性アセチルコリン受容体

研究方法（ニコチン受容体）に作用し，タバコ依存性に関与

口腔癌細胞（HSC-2，HSC-3，OSC-19，OSC-20）を，する．

ニコチン存在下と非存在下で培養し解析を行った．

最近，
主に神経系に局在すると考えられていたニコ増殖能は TC10TM automated cell counter を用いてチン受容体が癌細胞に存在すること，またニコチン評価した．遊走能は Boyden chamber 法を用いて測定が乳癌細胞において EGFR を介して転移に関与してした．浸潤能は Boyden chamber と Matrigel を用いいることが報告された．

て測定した．
ニコチン受容体非選択的阻害剤（メカミラミン塩酸
塩），α7 ニコチン受容体選択的阻害剤（α-ブンガ
ロトキシン），抗ヒト EGFR キメラ化モノクローナル
抗体（Cetuximab），EGFR 阻害剤，MAPK 阻害剤，Akt
阻害剤を用いてニコチン-ニコチン受容体系のシグナル伝達因子を阻害した．
EGFR 発現，リン酸化 EGFR，リン酸化 ERK，リン酸
化 AKT などシグナル伝達因子およびニコチン受容体の発現は Western blot 法を用いて調べた．
ヌードマウス可移植性ヒト口腔扁平上皮癌のリン
パ節転移モデル（口腔癌リンパ節転移動物モデル）の作製を行った．5 週齢雄 BALB/C 系 nu/nu ヌードマ
ウスの足蹠皮下に口腔癌細胞 OSC-19 を移植し，
膝窩

- 6-

リンパ節への転移の有無を評価した．
移植後は連日，HSC-3 細胞， OSC-19 細胞を用いて，Western blot

ニコチンを腹腔内注射し，移植部の大きさを計測し法で細胞内シグナル伝達経路について検討した．

た．マウスを屠殺し，移植部と膝窩リンパ節を摘出

HSC-3 細胞，OSC-19 細胞ともに，ニコチン添加によして，4%パラホルムアルデヒドで固定後，パラフィ

り EGFR，Akt のリン酸化が亢進した．

ン包埋組織切片を作製した．移植部と所属リンパ節の病理組織学的検討を行った．移植部においてはニ(5)ニコチンが口腔癌細胞におけるリン酸化 EGFR のコチン受容体および EGFR，リン酸化 EGFR を免疫組

細胞内局在に与える影響

織化学的に評価した．膝窩リンパ節においてはリンリン酸化 EGFR の細胞内局在を，蛍光免疫染色を用

パ節転移陽性率を評価した．移植部のリンパ管新生

いて検討した． HSC-3 細胞，OSC-19 細胞をそれぞれ

は抗 LYVE-1 抗体を用いて，血管新生は抗 CD31 抗体

カバーガラス上で培養し，ニコチンを作用させた後を用いて，それぞれ免疫組織化学的に評価した．

メタノールで固定し，抗リン酸化 EGFR 抗体を用いて口腔癌リンパ節転移動物モデルにおいて，ニコチン

蛍光免疫染色を行った．ニコチンを作用させると経-ニコチン受容体系を阻害し，リンパ節転移の抑制効

時的に核内にリン酸化 EGFR が移行していく様子が果を調べた．
ニコチン-ニコチン受容体系の阻害には，観察された．

ニコチン受容体阻害剤（メカミラミン塩酸塩）を用

リン酸化 EGFR の細胞内局在について Western blot

いた．

法を用いて検討した．HSC-3 細胞と OSC-19 細胞から抽出した蛋白を，細胞質と核に分画し，EGFR とリン

研究成果

酸化 EGFR を Western blot 法にて検討した．EGFR の(1)ニコチンが口腔癌細胞の増殖能に与える影響

発現は，対照群およびニコチン添加群ともに細胞質

HSC-2 細胞，HSC-3 細胞，OSC-19 細胞，OSC-20 細胞で認めるが，核内ではほとんど認めなかった．EGFRを用いて細胞増殖能を検討した．いずれの細胞におのリン酸化は，ニコチン添加群において，核内で増いてもニコチン添加群が対照群と比較して増殖能が加していた．
ニコチンによって EGFR がリン酸化し核有意に上昇していた．

内移行したと考えられた．

(2)口腔癌細胞のニコチン受容体発現(6)ニコチン受容体阻害剤，
Cetuximab，
AKT 阻害剤，

HSC-2 細胞，HSC-3 細胞，OSC-19 細胞，OSC-20 細胞

mTOR 阻害剤が口腔癌細胞の細胞内シグナル伝達経のニコチン受容体発現を検討した．いずれの細胞に路に与える影響

おいてもニコチン受容体発現を認めた．

ニコチンとメカミラミン塩酸塩もしくはα-ブンガ
ロトキシンの共存下では，EGFR，Akt のリン酸化は(3)ニコチンおよびニコチン受容体阻害剤が口腔癌抑制された．ニコチンと AKT 阻害剤の共存下では，細胞の増殖能，遊走能，浸潤能に与える影響

ニコチン添加群と比較して，Akt，mTOR のリン酸化

HSC-3 細胞，OSC-19 細胞を用いて増殖能，遊走能，は抑制されたが，EGFR のリン酸化に変化はなかった．

浸潤能を検討した．ニコチン添加群は対照群と比較

また，ニコチンと mTOR 阻害剤の共存下では，ニコチして，増殖能，遊走能，浸潤能が有意に促進されてン添加群と比較して，mTOR のリン酸化は抑制された

いた．ニコチン受容体阻害剤であるメカミラミン，

が，EGFR，Akt のリン酸化に変化はなかった．また

α-ブンガロトキシンはニコチンの効果を有意に抑Cetuximab は EGFR のリン酸化を抑制したが，ニコチ制した．

ンはその効果を減弱させた．

(4)ニコチンが口腔癌細胞の細胞内シグナル伝達経(7)ニコチンが Cetuximab で抑制された口腔癌細胞路に与える影響の増殖能，遊走能，浸潤能に与える影響- 7-

Cetuximab は口腔癌細胞の増殖能，遊走能，浸潤能

パッチなどの形態で補給するニコチン置換療法が行を抑制したが，ニコチンはその効果を減弱させた．

われている．しかし近年，肺癌，乳癌においてニコチンが腫瘍増殖の促進に関与することが報告された．
口腔はタバコ煙中のニコチンに最も曝される臓器であるにも関わらず，口腔癌についての報告は今までなかった．
本研究において，
ニコチンはニコチン受容体を活性化することで，EGFR リン酸化を促進していた．また
リン酸化EGFRは細胞表面から核内へ移行しAKTおよびその下流の mTOR を活性化し，口腔癌細胞の増殖能，遊走能，浸潤能を促進し，リンパ節転移を惹起していた．さらに同機構は Cetuximab の耐性にも一部関与していると考えられた．

(8)ニコチン，ニコチン受容体阻害剤，Cetuximab が口腔癌細胞のリンパ節転移に与える影響
OSC-19 細胞を用いた口腔癌リンパ節転移動物モデルで，移植腫瘍の増殖およびリンパ節転移の頻度を検討した．ニコチン投与群では対照群と比較し腫瘍増殖が促進され，メカミラミンはその効果を抑制した．また Cetuximab 投与により腫瘍増殖が抑制されたが，ニコチンはその効果を減弱させた．
移植腫瘍のリン酸化 EGFR の核内陽性率を病理組織

謝辞

学的に検討した．ニコチン投与群では対照群と比較

本研究課題の推進にご支援いただいたウエスコ学

しリン酸化 EGFR の核内陽性率が上昇し，
メカミラミ術振興財団に深く感謝いたします．（なお本研究はンはその効果を抑制した．

JSPS 科研費 JP 26463004, 17K11836 の助成も受けてリンパ節転移に関しては，
ニコチン投与群では対照

おります．
）

群と比較し転移陽性率が上昇し，メカミラミンはその効果を抑制した．

本研究助成による研究成果に関する発表
Shimizu R, Ibaragi S, Eguchi T, Kuwajima D,

まとめKodama S, Nishioka T, Okui T, Obata K, Takabatake

ニコチンはタバコ依存性に関与するが発癌性物質でK, Kawai H, Ono K, Okamoto K, Nagatsuka H, Sasaki

はない．そのため禁煙治療には，ニコチンをガムや
- 8-

A.
Nicotine promotes lymph node metastasis andcetuximab resistance in head and neck squamouscell carcinoma.

International Journal of Oncology 54(1):283-294.
2019https://www.spandidos-publications.com/ijo/54/%201/283

参考文献
兒玉真一，ニコチンが口腔癌の増殖およびリンパ節転移に与える影響に関する研究，岡山歯学会雑誌，
学位論文，2013
桑島大介，ニコチンが口腔癌の上皮成長因子受容体
発現に与える影響の検討，岡山歯学会雑誌，学位論
文，2016- 9-抗癌免疫破綻における新規チェックポイント阻害薬の作用機序の解明
岡山大学病院 泌尿器科定平 卓也

がん治療において癌抗原特異的細胞障害性 CD8（+）T 細胞（CTL）の機能調節は非常に重要である。近年、癌免疫療法において T 細胞疲弊（T-cell exhaustion）という抗原特異的な細胞障
害性 T 細胞の機能喪失及び細胞死という現象が注目されている。T 細胞疲弊の分子メカニズムには、抑制性サイトカイン（TGF-β, IL-10 など）の関与や負の制御因子（CTLA-4, PD-1, TIM-3,
LAG-3 など）発現が関与しており、臨床的にはメラノーマ、腎癌、肺小細胞癌を中心に、抗 PD-1
抗体、抗 CTLA-4 抗体による抗体療法により劇的な腫瘍縮小効果があることが報告された（N Engl
Med 369(2):122-133, 2013）。一方で、我々岡山大学のグループは、embryonic development に関与する新規不死化関連遺伝子である Reduced Expression in Immortalized Cells / Dickkopf
3（REIC/Dkk-3）タンパク質が腫瘍微小環境において CD8（+）T 細胞の機能調節に関与することで抗腫瘍効果を発揮することを実証してきている。そこで本研究では、新規の免疫チェックポイ
ント阻害薬である REIC/Dkk-3 タンパク質による CD8（+）T 細胞の免疫疲弊解除およびその分子メカニズムを詳細に検証する。
また、既存の免疫チェックポイント阻害薬（抗 PD-1 抗体, 抗 PD-L1
抗体, 抗 CTLA-4 抗体, 抗 Tim-3 抗体）と併用することで、複合免疫療法への展開を目指した。
用メカニズムを検証した。in vitro において CD8（+）

はじめに
本研究は新規の免疫チェックポイント阻害薬である

T 細胞の刺激培養系（anti-CD3 および CD28）を立ち上

REIC/Dkk-3 タンパク質を用いたがん免疫治療において、げ、CD8（+）T 細胞における REIC/Dkk-3 タンパク質の従来の免疫チェックポイント阻害薬と同等もしくはそ作用評価が可能な系を作成した。また、in vivo におれ以上の治療効果を確認し、腫瘍内免疫疲弊解除機構

いてもヒト膵癌細胞株（AsPC-1, MIA Paca-2）の腫瘍を解明することを目的とする。すなわち、腎癌、膀胱

モデルにおいて REIC/Dkk-3 タンパク質の著名な抗腫

癌、前立腺癌を中心とした尿路性器癌において、この瘍効果をすでに確認した。本申請研究の実施により、

REIC/Dkk-3 タンパク質を用いたがん免疫治療の有用性

尿路の各種癌における REIC/Dkk-3 タンパク質によるならびに抗腫瘍効果を検証し、当該免疫治療の基盤を新規治療法の基盤が確立される可能性が高いことが確確立することである。具体的には、①免疫学的解析に認された、必要な独自のマウス腫瘍細胞株をそれぞれの尿路性器研究の特色癌で樹立する。そのモデルを用いて、②REIC/Dkk-3 タ

REIC/Dkk-3 の癌治療遺伝子としての臨床応用は近年

ンパク質による腫瘍浸潤 CD8（+）T 細胞の免疫疲弊解

脚光を浴びており、現在、岡山大学を中心としたグル除機構を介した抗腫瘍効果と、③REIC/Dkk-3 タンパクープにより、複数の難治性固形癌（前立腺癌、悪性胸質による腫瘍浸潤 CD8（+）T 細胞の代謝制御を介した膜中皮腫、肺癌、膵臓癌、悪性グリオーマ、肝細胞癌

抗腫瘍効果の両方の観点から抗腫瘍効果を解析する。

等）への癌遺伝子治療への応用が進められている。国さらに、臨床応用を目指すため、④免疫チェックポイ

際的にみて REIC/Dkk-3 に関連する一連の研究は岡山

ント阻害薬（抗 PD-1 抗体, 抗 PD-L1 抗体, 抗 CTLA-4

大学での独創的研究であり、遺伝子の機能に関する基抗体, 抗 Tim-3 抗体）と新規の免疫チェックポイント

本特許は 2000 年に出願、2006 年に日本、2010 年に欧阻害薬である REIC/Dkk-3 タンパク質を併用した場合

州で特許を取得している。また、関連特許「前立腺癌の抗腫瘍効果ならびに腫瘍浸潤 CD8（+）T 細胞への作

細胞のアポトーシス誘発剤」、「部分断片及び該断片を- 10 -

含むがん治療薬」等も出願済みである。これまでに的生物製剤（イメージング医薬を含む）の創製に携わ

REIC/Dkk-3 の癌抑制遺伝子としての重要性を指摘する

り、革新的治療薬により標的医療イノベーションを実

論文が相次いで報告されてはいるものの、正常細胞に現させるため、当該分野における最先端研究を行った。

おける細胞の分化、増殖に関する報告は少なく、今回基礎研究の成果の新知見である「REIC/Dkk-3 タンパク質による腫瘍内

癌抗原特異的細胞障害性 CD8（+）T 細胞の解析に必

免疫疲弊解除機構の解明」についての報告は存在せず、要な腫瘍細胞株の樹立をした：癌抗原特異的細胞障害

本申請研究の成果は国際的に大きな注目を浴びる可能性 CD8（+）T 細胞（CTL）を解析するために、モデル抗性が高い。このように REIC/Dkk-3 遺伝子研究の分野で、原を有するマウス癌細胞株を樹立する。モデル抗原と岡山大学は確実に世界をリードしている。近年、急激しては卵白アルブミン（ovalbumin, OVA）を使用する。

な高齢社会に直面している我が国では、高齢者の QOL

腎癌細胞株 （Renca）、膀胱癌細胞株（MBT-2）、前立腺を低下させる悪性腫瘍への対応は喫緊の課題であるが、癌細胞株（PC-3, DU-145, LNCaP）に OVA を遺伝子導入

残念ながら、劇的な治療効果をもたらす、副作用の少し OVA 発現癌細胞株を樹立した。これらの OVA 発現癌ない新規薬剤に関する研究は少ないのが現実である。

細胞株を用いることで免疫能正常マウスにおいて種々

岡山大学ではトランスレーショナル・リサーチの一環のモデルが構築可能であった。

として、遺伝子・細胞治療研究を全国に先駆け積極的

Tetramer を用いた癌抗原特異的反応とそれに関するに実施しており、これまでに尿路性器癌に対する樹状マーカーの検出を行った：抗原特異的反応の検出には細胞ワクチン療法や、本邦初の肺癌ならびに前立腺癌

tetramer 試薬によるフローサイトメトリー法（FACS）

遺伝子治療臨床研究を実施している。さらに関連したを用いて抗原特異的 CTL の誘導を確認した。腫瘍局所基礎研究も精力的に実施しており、学内にはトランス

へ 浸 潤 し た リ ン パ 球 （ Tumor-infiltrating

レーショナル・リサーチの効率的な推進のためのシス

Lymphocyte：TIL）の解析に加え、必要に応じて脾臓やテムが確立しており、当該研究の成果は直ちに臨床応

リンパ節におけるリンパ球も追加した。さらに、それ用される体制が整備されている。

ぞれの組織のリンパ球について、疲弊マーカーである

臨床研究の成果

PD-1, PD-L1, CTLA-4, Tim-3 の発現と多機能性マーカーである IFN-γ, TNF-α, IL-2 をフローサイトメト

新規の癌免疫療法「癌治療遺伝子 REIC/Dkk-3 を用リー法で検証した。

いた前立腺癌に対する in-situ 遺伝子治療」臨床研究を実施している。本臨床研究では CRPC 患者 A 群と、癌抗原特異的細胞障害性 CD8（+）T 細胞の機能評価

ハイリスク前立腺癌に対する術前投与療法としての Bを行った：tetramer で同定された抗原特異的 CTL は群 の二群に設定して施行している。両群とも Ad-REIC

MHC・抗原ペプチド複合体との親和性を有しているが、製剤を 2 回投与し、A 群では画像評価を B 群では画像

実際に癌細胞に対する細胞障害活性の有無に関しての評価に加えて、2 回目投与から 42 日後に前立腺全摘術

評価は不十分であっら。精製された CTL と元の細胞株を行い、摘出した前立腺での REIC 注入部の組織学的を反応させて MTT assay により細胞死の程度を評価し、評価を行っている。現在までに施行した症例で治療後CTL の細胞障害活性を評価した。また CTL のサイトカの PSA 低下を認め、画像上治療部位のアポトーシス、

イン産生能として、ペプチド抗原を提示した抗原提示

腫瘍縮小効果が確認された症例を経験している。さら細胞と反応させた際の IFN-γ 産生能を評価して治療に申請者は、これまでも世界をリードする形で、前立により誘導された抗原特異的 CTL の機能評価を行った。

腺癌に対する先端的遺伝子治療関する多数の基礎研究、脾臓から CD11c 陽性の樹状細胞を抗体ビーズで精製し、トランスレーショナル研究、臨床研究の推進に携わっペプチドを貪食、抗原提示させた状態で固定し、分離・ており、実務的役割を担っている。最近では、これま精製した CTL と反応させて IFN-γ産生を ELISPOT によでの遺伝子治療の基礎・臨床研究に加え、新規開発しる IFN−γ産生細胞の有無と ELISA による産生濃度に分た超高効率遺伝子発現システムを用いた次世代分子標

けて評価を行った。

- 11 -

REIC/Dkk-3 タンパク質と免疫チェックポイント阻害薬の併用:REIC/Dkk-3 タンパク質と免疫チェックポイ
ント阻害薬（抗 PD-1 抗体, 抗 PD-L1 抗体, 抗 CTLA-4
抗体, 抗 Tim-3 抗体）を併用し、in vivo での抗腫瘍効果を検証する予定である。さらに、併用した場合のCD8（+）T 細胞に対する免疫疲弊解除および代謝制御の分子メカニズムも同時に解析する。また、同所性/
異所性発癌マウスモデルを使用し、投与法（全身投与、
局所注入）の最適化を検証する予定している。
謝辞
最後に、本研究のサポートをしていただいた公益財団
法人ウエスコ学術振興財団に、心より感謝申し上げます。

- 12 -

SGLT2 阻害薬はメタボリック症候群において直接的に腎保護に寄与する
岡山大学病院 腎臓・糖尿病・内分泌内科
喜多村 真治【概要】
メタボリック症候群は腎障害を来し、その診断治療は重要である。一方、SGLT2 阻害薬は血糖降下のみならず
慢性腎臓病治療薬としても期待されている。今回我々はメタボリック症候群における SGLT2 阻害剤の腎保護効
果について検討した。
【方法】5 週齢 C57BL/6J マウスを通常食（ND）群、高脂肪食（HFD）群で 10 週間飼育、
SGLT2 阻害剤である Empagliflozin（EMPA）群 10 mg/kg、溶媒の 0.5 %HPMC（C）群にて 7 日間経口投与し、腎障害を比較検討した。
【結果】HFD 群は ND 群と比較し尿蛋白，尿中 NAG の有意な上昇を認めたが EMPA 群では有意に低下していた。近位尿細管でオートファジーのマーカーである p62 陽性細胞は、C 群の近位尿細管の割
合は HFD 群が ND 群に比して上昇を認めた（ND 群：HFD 群、15.25±5.79 vs. 28.92±2.93 (%)、p<0.01）が、EMPA を投与した HFD 群では有意な減少を認めた（C－HFD 群：EMPA－HFD 群、28.92±2.93 vs. 16.18±8.10(%)、p<0.05）。
【結論】メタボリック症候群における近位尿細管障害のオートファジー不全に対する SGLT2 阻害薬保護効果が示唆された。

【本文】
図１

【背景】肥満症は、日本人の食生活の変化から、日本においても増加しており、メタボリック症候群として、国民病の一つになっている。
そのメタボリック症候群は、高血圧症、脂質異常症、肥満、糖尿病などを含んだ症候群である。その中の糖尿病は生活習慣病の最たるものであり、その合併症は、心血管病に影響し、生命予後に深く関与する。
そのような糖尿病治療薬には、インスリンが有名だが、経口血糖降下剤には以下の 7 種類がある（図１）。インスリン抵抗性改善系でビグア
ナイド薬・チアゾリジン薬、インスリン分泌促
進系で DPP4 阻害剤・スルホニル尿素薬・速効型
インスリン分泌促進薬、糖吸収・排泄調節系でαグルコシダーゼ阻害薬・SGLT2 阻害薬である。
SGLT2 阻害剤は、腎臓の近位尿細管ある SGLT
（sodium glucose cotransporter の略、以下SGLT）2 に作用し、原尿内にある糖の再吸収を抑制することにより血糖排泄を促し、糖尿病患者
における血糖降下作用を発現する。そのような
SGLT2 阻害剤には、利尿効果があると推測されており、各種臨床研究において、心不全抑制効果などが示されており、現在腎機能改善効果の治験などもなされている。
しかし、そのような SGLT2 阻害剤であるが、腎臓に作用する薬剤であるにも関わらず、腎機能改善効果が報告されているが、その詳細な機序は不明であり、現在のところ、改善効果は TGF
フォードバックシステムによる糸球体濾過量改善によるものと推測されている。今回我々は、
その改善効果につき、検討を行った。

- 13 -

【material & method】
In Vivo study

図３

Material: C57BL/6 マウス
方法：SGLT2 阻害剤： Empagliflozin では 10mg/kg
濃度で投与する。C57BL/6J マウスに関しては、統計学的に有意差がでる数を使用した。コントロールのsham-ope 群を 10 週飼育する群、高脂肪食を与え、10 週飼育し、耐糖能異常を惹起させた群、また、
SGLT2 阻害剤：Empagliflozin 10mg/kg を７日間経口にて一日一回投与する群、SGLT2 阻害剤＋高脂肪食を与えた群の 4 群を作製した。SGLT２阻害剤投与

その機序として、細胞障害の一因であるオートファ

７日後に合わせ、全群のマウスに炭酸ガスによる安ジーについて検討した。ｐ62 は最も良く知られた

楽死を行い、腎臓を摘出。その腎臓の組織、遺伝子、

オートファジーの基質の一つであり、その発現を検

蛋白を回収し、解析を行った。

討した。p62 の染色では、高脂肪食にすると近位尿評価方法：マウスの安楽死前に 24 時間の蓄尿を行細管において、p62 陽性部位は有意に増加していたい、腎機能、尿量、尿中電解質を測定した。また、が、SGLT2 阻害剤の EMPA 群では高脂肪食群におい安楽死時に血圧測定、採血も行い、血液中の生化学て有意に減少していた（図 4,5）
。このことは、近検査にて腎機能、電解質も測定する。腎臓組織では切片で、遺伝子、蛋白、染色レベルにて検討した。

図４

【結果】
体重において高脂肪食群は全て有意に増加していた（図２）。また同様に、SGLT2 阻害剤投与群は有意に尿量が増加していた（図２）。しかし、血圧に
図２

図５

関しては、有意な変化は認められなかった（datanot shown）。同様に、血糖に関しても有意な変化は認められなかった（data not shown）。しかし、尿中 NAG は近位尿細管障害では通常上昇する
が、高脂肪食群はコントロール群と比較し尿蛋白，
尿中 NAG の有意な上昇を認めたが SGLT2 阻害剤
EMPA 群では有意に低下していた。
（図３）。

- 14 -

位尿細管障害のオートファジー不全により p62 陽性部位が増加するのに対し SGLT2 阻害薬により、オー
トファジー不全が改善することが示唆された。
【考察】
SGLT2 阻害剤については、最近 Perkovic らはカ
ナグリフロジンを使用した糖尿病性腎臓病の改善を報告した（CREDENCE 試験）。これまで、SGLT2 阻害薬の心血管イベントに対する有効性は EMPA-REG
OUTCOME、CANVAS Program、DECLAIR の 3 つの大規模試験で示されてきたが、CREDENCE 試験は SGLT2阻害薬による腎アウトカムを主要評価項目とした初めての大規模臨床試験であった。しかし、その中では改善機序の解明はなされておらず、TGF フィード
バックなど既存の改善機序と推測されている。
今回我々の検討では、TGF フィードバックといった糸球体濾過量改善機序ではなく、SGLT2 阻害剤による近位尿細管への直接的な結合による薬理作用が、近位尿細管細胞へどのような影響を与えるかを検討した。その中で、メタボリック症候群ではオートファジー不全を起こすが、それを SGLT2 阻害剤が抑制することを見出した。この知見は、既存の糸球
体濾過量の海前のみならず、直接的な尿細管改善作用があることを示唆している。
しかし、SGLT2 阻害剤がどの経路でオートファジ
ーを改善するかは現在検討中であり、その更なる解明が期待される。

- 15 -

含ホウ素機能性色素を基盤とした円偏光発光材料の開発
岡山大学大学院自然科学研究科
前田 千尋
近年円偏光発光（CPL）を示す有機キラル化合物の開発が盛んに行われている。CPL は直線偏光とは異なり、円を描きながら振動する光学特性である。左円偏光と右円偏光の二種類があり、キラル色素に励起光を照射することで発現する。CPL の強度を評価する異方性因子 glum は左円偏光と右円偏光の差を発光強度で割った値であり、CPL 特性を評価する上で重要な指標となる。最近、有機蛍光色素 BODIPY にキラリティーを付与すること
で、低分子においても溶液中で比較的高い蛍光量子収率、CPL を示すことが報告されている。しかし固体 CPLを示すキラル BODIPY の報告例はない。
そこで本研究では我々が開発した固体発光特性を有する含カルバゾール
BODIPY に軸不斉ビナフチルユニットを導入することで、固体発光特性を維持しつつ CPL を示す新規キラル
BODIPY を開発することとした。Et2AlCl を用いた新規反応条件により高収率で目的物を得ることに成功した。
これらは CPL を示し glum 値は溶液中で−5.2 ´ 10–4、固体状態で最大+7.0 ´ 10–3 を示した。BODIPY 誘導体における固体 CPL の初の例であり、これまでに報告されている有機色素の中で最高水準の値を記録した。

また近年 3D ディスプレイや植物の成長制御を指

１．研究目的

含ホウ素π共役系化合物は発光材料として有用

向して円偏光発光(CPL)材料が注目されている。
ヘリな色素である。溶液中で強く発光する色素が多数報

センやビナフチル骨格を有するものを中心に研究さ告されている一方、固体状態では消光しがちである。

れているが、CPL の効率上昇の方法はほとんど確立

これは分子間での自己光吸収が原因となる。一般的されていない。また固体 CPL の研究例は少ない。そに剛直な π 共役系化合物は溶液中で強い発光を示

こで我々が開発した色素にキラルユニットを導入すす一方で、固体状態では π−π スタッキングによりることで固体 CPL 材料の開発を行うこととした。配分子内での相互作用が強くなるため自己光吸収によ位子、またはホウ素上の置換基にキラリティーを導る消光が起きやすい。蛍光性色素の応用を考えると入する。配位子部分を螺旋型カルバゾールとするこ

有機溶媒中だけでなく固体状態でも発光することがとでヘリセンに、またホウ素上にキラルユニットを求められる。

導入することで目的物を合成する。
本年度は Et2AlCl

申請者は様々なヘテロ環を導入したカルバゾールを用いた新規反応により、ホウ素上に軸不斉ビナフ

誘導体を配位子として用いた BODIPY 類縁体の開発

チルユニットを高収率で導入することに成功したに成功してきた。1-4 一般的な BODIPY は溶液中で高（スキーム１）。これらは CPL を示し glum 値は、溶液

い量子収率を示す反面、固体状態では消光してしま

中で−5.2 ´ 10–4、固体状態で最大+7.0 ´ 10–3 を示しう。一方申請者らが開発したホウ素錯体は固体状態た。

でも比較的強い蛍光を示した（図１）
。
R

R
OH

R

X

OH
R

S
R

N

R = tBuR = OMe

R =H
R

N

N
F

F

N

R = CF 3

R = PhEt 2AlClF

R = Mes

スキーム１

図１ 固体発光を示す含カルバゾール BODIPY- 16 -

N
B

O
B

B
F

N

X

O

CPL

1b と 2b に関しては単結晶Ｘ線構造解析に成功し２．結果と考察

まず BODIPY 誘導体 3 及び 4 に対して AlCl3 存在下

その構造を確認した。
どちらもπ−πスタックにより(R)-BINOL との反応を行った（スキーム２a）。5 カ

一次元鎖を形成していた（図１）。

ルバゾール 3,6 位に H,Me,Ph,Mes 基を持つ 1b–e 及
び 2b–e が中程度の収率で得られたが t-Bu 基を持つ
1a や 2a は得られなかった。これらの場合脱ホウ素化体を含む複雑な混合物となったが、t-Bu 基が 1 つ
外れた 2f を単離することができた。このことは
AlCl3 により逆フリーデルクラフツ反応が起きたと考えられる。そこで用いるルイス酸を AlCl3 よりマ
イルドな Et2AlCl に変更したところ、1a-e 及び 2b–e がいずれも高収率で得られた（スキーム２b）
。
R

R1

X
N

X
R2

N

N

B
F
3 (X = S)
4 (X = O)(a) mehod A
3 or 4(b) method B
3 or 4N

1 (X = S)
2 (X = O)

BFO

a: R = t-Bu
b: R = H
c: R = Me
d: R = Ph
e: R = MesO

図１ 1b と 2b の結晶構造

a: R1 = R 2 = t-Bu
b: R1 = R 2 = H
c: R1 = R 2 = Me
d: R1 = R 2 = Ph
e: R1 = R 2 = Mes
f: R1 = t-Bu, R 2 = H

1. AlCl3
CH2Cl2
reflux, 10 min
2. (R)-BINOL
MeCN
rt, 6 h1a (0%)
1b (43%)1c (36%) or
1d (31%)1e (70%)2a (0%)
2b (62%)2c (36%)2d (57%)2e (68%)2f (39% from 4a)(R)-BINOL
Et 2AlCl
CH2Cl2
rt, 30 min

1a (85%)1b (93%)1c (91%) or
1d (82%)1e (98%)2a (89%)2b (95%)2c (89%)2d (99%)2e (92%)合成した 1 と 2 の光学特性を図２と表１に示す。
吸収スペクトルでは 200 nm 付近及び 400-500 nm にそれぞれビナフチル、BODIPY 由来の吸収帯が確認された。
CD スペクトルにおいて 230 nm 及び 400-500 nmにコットン効果が確認された。BODIPY 由来の吸収領域である400-500 nmでのコットン効果の発現は軸不

スキーム２

-1
-1

-3

ΔI / x10

ΔI / x10

-2
-4

1

0

x 10

-200

5

(c) 2

-6

1a
1b
1c
1d
1e

1.0
0.8
0.6

1a
1b
1c
1d
1e

FL Intensity-1Δε / M cm

0-100

ε / x10 M cm

(b) 0
-4

100

-1

(a)

斉ビナフチルからの誘起効果と考えられる。

0.4
0.2

1a
1b
1c
1d
1e

FL Intensity

R

0.0
200

300

400

500

450

500

wavelength / nm

500

550

600

650

700

750

wavelength / nm

x 10

0.6
0.4
0.2

-3

ΔI / x10

2a
2b
2c
2d
2e
2f

FL Intensity

0.8

2
0

-6

2a
2b
2c
2d
2e
2f

1.0

4

2a
2b
2c
2d
2e
2f

FL Intensity-4-2

ΔI / x10-1-1Δε / M cm

700

-4

-100

-1
-1

650

6

0

-200

5

600

0

100

ε / x10 M cm

550

wavelength / nm

0.0
200

300

400

wavelength / nm

500

450

500

550
wavelength / nm

600

650

450

500

550

600

650

700

750

wavelength / nm

図２ (a)ジオキサン中の CD 及び UV スペクトル (b) ジオキサン中の CPL 及び FL スペクトル (c) 固体状態
での CPL 及び FL スペクトル- 17 -

表１ 化合物 1 と 2 の光物性
compd
1a
1b
1c
1d
1e
2a
2b
2c
2d
2e
2f
2g
2h
2i
2j

lA (nm)lF (nm)a

467
452
472
476
468
438
425
443
448
439
432
438
438
438
439

540g
526h
541g
546g
538g
515
497
518
522
514
496
514
514
510
517

1,4-dioxane
DnSt (cm–1)b
FF
2890
0.259
3110
0.108
2700
0.229
2690
0.231
2780
0.315
3410
0.374
3410
0.245
3270
0.290
3160
0.300
3320
0.431
2990
0.487
3380
0.432
3380
0.418
3220
0.443
3440
0.358

powdergabsc–6.9 ´ 10–4
–9.4 ´ 10–4
–9.4 ´ 10–4
–6.4 ´ 10–4
–7.8 ´ 10–4
–9.2 ´ 10–4
–9.5 ´ 10–4
–8.4 ´ 10–4
–6.8 ´ 10–4
–7.9 ´ 10–4
–7.0 ´ 10–4
–6.5 ´ 10–4
–8.7 ´ 10–4
–6.7 ´ 10–4
+1.4 ´ 10–3

glumd,e–3.0 ´ 10–4
–4.2 ´ 10–4
–4.0 ´ 10–4
–3.0 ´ 10–4
–3.1 ´ 10–4
–5.0 ´ 10–4
–5.2 ´ 10–4
–4.4 ´ 10–4
–4.0 ´ 10–4
–3.9 ´ 10–4
–4.7 ´ 10–4
–4.4 ´ 10–4
–3.5 ´ 10–4
–2.5 ´ 10–4
+8.9 ´ 10–4

lF (nm)a

FF

576g
578h
597g
603g
581g
528
524
555
573
554
580
544
543
540
550

0.157
0.136
0.104
0.123
0.150
0.040
0.232
0.087
0.132
0.152
0.279
0.179
0.308
0.164
0.157

glume,f–3.4 ´ 10–4
+2.2 ´ 10–4
+1.5 ´ 10–3
–3.0 ´ 10–4
–i+7.0 ´ 10–3
+7.2 ´ 10–4
–8.7 ´ 10–4
–8.4 ´ 10–4–i
+4.8 ´ 10–3
+1.7 ´ 10–4
+1.8 ´ 10–4
+4.1 ´ 10–4
+2.2 ´ 10–4

aExcited at 420 nm. bStokes shift. cg = De/e at l . dg = 2(I –I )/(I +I ). Average value in the range of l ± 10 nm. eExcited at 320 nm. fExcited at 360 nm. gExcited at 460 nm. hExcited at 440 nm. iThe
abs
A
lum
L R L RF
CPL signals were too weak to detect.

これらは可視領域での発光と CPL を示した。溶液

2g-j を与えた（スキーム３）。いずれも溶液中、固中での蛍光量子収率FF は 0.11–0.49 であり CPL の強体状態で CPL を示した。

度 glum は−3.0〜5.2 ´ 10 であった。さらに固体発–4光も示し、FF は 0.04〜0.28 であった。Mes 基を持つ

３．まとめ

1e と 2e 以外固体 CPL を示し、いくつかの色素は溶

本研究では Et2AlCl を用いた新規反応条件により液中の値よりも向上した。特に 2a と 2f の glum 値

新規キラル BODIPY の開発に成功した。6 これらは固+7.0 ´ 10–3、+4.8 ´ 10–3 はこれまでに報告されてい体状態でも CPL を示し glum 値は最大+7.0 ´ 10–3 を示

る有機色素の中でも最高水準の値である。

した。BODIPY 誘導体における固体 CPL の初の例であり、最高水準の値を記録した。現在キロプティカル

t-Bu
t-Bu

t-Bu

N

N

F

t-Bu

N
O

４．参考文献t-Bu

N(1) C. Maeda, T. Todaka, T. Ema, Org. Lett. 2015,

O

O
t-Bu

N

N

17, 3090.

N
B

B
Ph

Ph
O

O

4a

F

t-Bu

t-Bu

BODIPY の開発を行っている。

N
B

CH2Cl2
rt, 30 min

B

特性に及ぼす置換基効果の調査及び螺旋型キラル

O

HO OH
Et 2AlCl

O

O

O

O

O

O

O

(2) C. Maeda, T. Todaka, T. Ueda, T. Ema, Chem. Eur.

O

J. 2016, 22, 7508.

RR

R
2g (41%)(3) C. Maeda, K. Nagahata, T. Ema, Org. Biomol. Chem.

2i (23%)t-Bu
t-Bu

2017, 15, 7783.
O
O

t-Bu

N

t-Bu

N

B
O

(4) C. Maeda, T. Todaka, T. Ueda, T. Ema, Org. Biomol.

N
B

N
O

O

O

O

Chem. 2017, 15, 9283.

O

O

O
R

PhPh

2h (50%)S

R(5) C. Tahtaoui, C. Thomas, F. Rohmer, P. Klotz, G.

2j (55%)

Duportail, Y. Mély, D. Bonnet, M. Hibert, J. Org.

Chem., 2007, 72, 269.

スキーム３(6) C. Maeda, K. Nagahata, K. Takaishi, T. Ema, Chem.

本研究で開発した反応を用いて基質 4a と種々のCommun. 2019, 55, 3136.

BINOL 誘導体との反応を試みたところ、キラル色素- 18 -

腸炎の治療および大腸がん予防に効果のある化合物の免疫学的検討
岡山大学大学院ヘルスシステム統合科学研究科
増田潤子
がんによる免疫機能の抑制はがんの特徴の一つとして考えられている。さらに、がん細胞は腫瘍微小環境のみならず、脾臓における免疫機能に影響することが示唆されている。しかしながら、がん細胞が腸内の免疫系に与える影響については未だ解明されていない。本研究では腸炎の治療および大腸がん予防に効果のある化合物の免疫学的検討をするための初期段階として、多くのヒト乳がんと同様に、骨、肺、肝臓および脳などの遠隔臓器に転移する性質を持つBALB/c系統由来乳がん細胞株4T1細胞を同種移植したがんモデルマウスを用いて、
脾臓および腸間膜リンパ節における免疫細胞の質的変化および機能変化を対照群と比較し、がんによる全身性
免疫抑制の機構を明らかにすることを目的とした。
緒 言ている [9]。これらは、がん細胞の増殖が腫瘍局所がんの原因になる遺伝子の変異により制御を失のみならず全身の免疫にも大きな影響を与えることった細胞は、過剰な細胞分裂と増殖能と遺伝子の複を示唆している。

製エラーの修復機能欠損を伴い、近隣の細胞との接

一方、腸管の表層を覆う粘膜組織にも多くの免疫着に関わる遺伝子変異による細胞社会性の崩壊、環細胞が存在するが、腸管免疫細胞が粘膜と他組織間境不適切なサイトカインや増殖因子の分泌など様々において何らかの作用があることは古くから示唆さな遺伝子の異常発現を引き起こし、最終的に遊走能れてきた [10,11]。そして近年になり行われた詳細の獲得を経て周辺組織への転移能、すなわち悪性化な研究によって、炎症反応に伴って腸管に遊走されを獲得する。腫瘍組織は、多様な遺伝子変異を伴う

る免疫細胞の解明が進みつつある。例えば、腸管で多数のサブクローン化したがん細胞集団により構成の外来抗原侵入時のみならず、肺に侵入したインフされており (腫瘍内不均一性)、
この不均一性に富んルエンザウイルスの侵入によっても活性化されただがん細胞が、がん関連筋線維芽細胞、血管内皮細CD4+ T 細胞は腸管へ遊走し、腸内細菌の恒常性の破胞、周皮細胞および免疫細胞等の多数の間質細胞と綻を伴う T ヘルパー (Th) -17 細胞性の粘膜障害を共に微小環境の構築し (がん微小環境)、
がんの進展引き起こすことや [12,13]、腸内細菌によって引きに関与している [1,2]。

起こされるトル様受容体 (Toll-like receptor:

腫瘍組織に含まれる免疫細胞には、樹状細胞

TLR)-5 依存的なシグナリングにより皮下移植した(Dendritic cells: DC) や マ ク ロ フ ァ ー ジ

がん細胞の悪性化が引き起こされることが明らかに(Macrophages :Mj) 等の抗原提示細胞 (antigen

なっている [14]。これらの報告は、がん細胞が腸管

presenting cells: APC)、ヘルパーT 細胞 (CD4 陽性に直接触れることがなくても活性化した T 細胞が腸++( ) T 細胞)、細胞傷害性 T 細胞 (CD8 T 細胞: CTL)

管の恒常性に影響を与える可能性を示唆する。そこ等が含まれるが [3]、免疫活性を抑制する骨髄由来で本研究では、骨、肺、肝臓および脳などの遠隔臓

免 疫 細 胞 (myeloid derived suppressor cells:器に転移する性質を持つ BALB/c 系統由来乳がん細MDSC) や CD4+制御性 T 細胞 (regulatory T cells:

胞株 4T1 細胞 [15] を同種移植したがんモデルマウ

Treg) の増加 [4–7] およびがん細胞を直接殺傷すスを用いて、腸間膜リンパ節と脾臓における免疫細る CTL の機能低下により [8]、抗腫瘍免疫は減弱し胞の質的変化および機能変化を対照群と比較するこている 。また、がん局部だけでなく全身免疫においとで、腸管免疫細胞に特異ながん細胞増殖との関連ても、MDSC の増加による CD4+ T 細胞と CD8+ T 細胞を探るための基礎的実験を行った。

の細胞数低下およびサイトカイン分泌の減少が生じ- 19 -

材料と方法また、5 µg/ml で抗 CsD3e 抗体が固相化された

1. マウス

96 穴プレート上で、脾細胞 (穴当たり 40 万細胞)

5 週齢 BALB/c 系統雌マウスを、チャールズリバー社

を 48 時間培養し、培養上清中に放出された IFN-g,より購入し、岡山大学動物資源部門津島北施設で飼IL-4 および IL-10 の濃度を、酵素結合免疫吸着法

育した。

（ELISA 法）にて各セット(BD OptEIA™ ELISA Sets,
BD バイオサイエンス社)の説明書に従って測定した。

2. 細胞培養
マウス脾細胞を、10%ウシ胎児血清および 50 µM 2-

6. 統計解析

メルカプトエタノール (ナカライテスク社) 含有

生存曲線はカプランマイヤー法を用い、ログランク

RPMI-1640 培地で培養した。ウォータージャケット

検定で解析を行った。また２群間の統計解析はスチ

インキュベーター (APC-30D; アステック社) を用ューデントの t 検定で解析を行った。グラフ値は平い、摂氏 37 度、5% CO2、湿度 100%条件下で細胞を均値±標準偏差で示した。これらの解析はグラフパ培養した。

ッドプリズム（バージョン 6; グラフパッドソフト
ウェア社）を用いた。P 値が 0.05 以下の時に有意差

3. 抗体および測定セットがあると判断した。

抗マウス CD3 e（145-2C11）、CD8（53-6.7）および
CD11b （M1/70）抗体 を BD バイオサイエンス 社

結 果

1.4T1 担がんマウスに見られる脾臓 MDSC の増加より購入した。抗マウス CD25（PC61.5）、CD16/CD32（93）、 および Gr-1 （RB6-8C5）抗体を e バイオサ

脾臓は血液循環に侵入した抗原を捉え、ナイーブ

イエンス社より購入した。抗マウス CD4 (RM4-5) 、T 細胞と自然免疫および適応免疫を開始させる二次CD11c（N418）および Foxp3 (3G3) 抗体を、トンボ

リンパ組織であり、多くの免疫細胞が集簇している。

バイオサイエンス社より購入した。IFN- g、IL-4 お

ヒト患者では全身免疫を知るために採血による末梢よび IL-10 測定セットを BD バイオサイエンス社

血単核球の抽出が容易であるが、マウスに存在するより購入した。

全血液は 1.8 ml ほどであり、このうち血漿は 6 割程度であるため、末梢血から実験に用いるほど多くの

4. 担がん原発巣モデル動物の作製

免疫細胞を抽出するのは不可能である。そこで本研

１週間訓化後（6 週齢）にマウス 1 匹当たり 200 µL

究ではマウスから脾臓を摘出し、免疫細胞の解析をの PBS(sham)、あるいは PBS に懸濁した 4T1-luc 株行うことで全身の免疫状態を知るための実験を行っ(4T1)を皮下に移植した。

た。
BALB/c 系統雌マウス由来大腸癌細胞株 CT26 を同

5. 全身免疫能の評価

種皮下移植したマウスの脾臓では、MDSC 数の増加がマウスを安楽死させ、無菌的に脾臓を摘出した。脾

認められる [9]。一方、4T1 を同種皮下移植したマ臓から脾単核球（脾細胞）を単離した。脾細胞中のウスの脾臓では、MDSC 数の増加が報告されている

骨髄由来抑制細胞（MDSCs）、ヘルパー（CD4 陽性）T[7]。そこで本実験で作製した 4T1 担がんマウスが細胞 (Th)、細胞傷害性（CD8 陽性）T 細胞 (CTL)、

CT26 担がんマウスや既報と同様に MDSC の増加が認

CD4 陽性 Foxp3 陽性制御性 T 細胞 (Tregs) の各

められるかを確認するために、4T1 担がんマウス脾

サブセットを、蛍光染色細胞解析装置（AccuriC6, BD

臓に存在する MDSC 割合を測定し、対照群と比較した。

バイオサイエンス社）と FlowJo ソフトウェア（ツマウス MDSC は、
Gr-1hi CD11b+を示す顆粒系 (G-MDSC)

リースター社）を用いたフローサイトメーター法と Gr-1intermediate を示す CD11b+単球系 (M-MDSC) の（FCM 法）により測定した。

サブセットからなる亜集団でどちらのサブセットも- 20 -

T 細胞抑制能を持つが、M-MDSC の方が抑制能が高い

種皮下移植したマウスの脾臓および腸間膜リンパ節[6,9]。

では、有意な MDSC 数の増加が報告されている。そこ
脾臓

Sham

8.36
4.27

で本実験で作製した 4T1 担がんマウスは、mPAC 担が4T1

んマウスと同様に腸間膜リンパ節の MDSC が増加す

37.7
9.89

るか確認するために、4T1 担がんマウスの腸間膜リ

Gr-1

ンパ節に存在する MDSC 割合を測定し、対照群と比較
した。ところが既報と異なり、BALB/c 系統マウスの

CD11b

腸間膜リンパ節に MDSC はほぼ存在せず、4T1 担がん

図 1. 4T1 担がんマウスに見られる脾臓 MDSC の増加. 5×105 個の4T1 細胞をマウスの右脇腹に皮下移植し 14 日後に脾細胞を抽出し、MDSC をフローサイトメトリーにて解析し、対照群 (Sham) と比較した.
Gr-1hi CD11b+は顆粒系 MDSC (G-MDSC)を示し、Gr-1intermediate CD11b+
は単球系 MDSC (M-MDSC)を示す.

マウスにおいても存在しなかった (図 2)。この結果
は、BALB/c 系統マウスにおいて、腫瘍に伴って増加する MDSC が腸管免疫を制御するメカニズムがほぼ

図 1 に示すように本研究においても 4T1 担がんマ

存在しないことを示唆した。

ウスは既報と同様に MDSC 細胞の顕著な増加が見られた。これらの結果は、本研究で用いた 4T1 担がん

3.4T1 担がんマウス腸間膜リンパ節に見られる T 細

マウスががん患者や既報のがんモデル動物と同様の

胞依存的炎症

全身免疫状態であることを示唆したため、4T1 担が最後に、4T1 担がんマウスの腸管免疫状態を総合的んマウスの全身免疫状態を知るためのさらなる解析に判断するため、腸間膜リンパ節に存在する T 細胞を行った。

を、抗 CD3e mAb によって刺激した時のサイトカイン量を測定した。

2.4T1 担がんマウス腸間膜リンパ節に MDSC は存在し

mLN
IFN-γ

腸間膜リンパ節(mLN)は腸管に侵入した抗原を捉え150遊走した DC が、
ナイーブ T 細胞と自然免疫および適皮は比較的硬い組織で、腸管上皮および粘膜固有層

ng/mL

ng/mL

100

応免疫を開始させる二次リンパ組織である。腸管上

50
0

Sham

IL-10

IL-4
3

****

4T1

0.6

ns

2

ng/mL

ない

1
0

Sham

4T1

*

0.4
0.2
0.0

Sham

4T1

から免疫細胞を抽出するには多くの時間を要し、得図 3. 4T1 担がんマウスに見られる抗腫瘍活性の減弱. 5×105 個の4T1 細胞をマウスの右脇腹に皮下移植し 14 日後に脾細胞を抽出し、抗 CD3ε mAb 固相化プレートにて 48 時間培養した後、培養上清を回収した.

られる細胞数も極めて少ない。一方、腸間膜リンパ節は容易に摘出することができ、簡単に多くの免疫細胞を抽出することができる。そこで本研究では、腸炎時に、炎症性サイトカインである IFN-gは有

4T1 担がんマウスの mLN に存在する免疫細胞につい意な増加を認めるが、4T1 担がんマウスの腸間膜リて解析を行った。
mLN

ンパ節由来リンパ球刺激後の培養上清中に含まれる
Sham

0.056
0.624

4T1

IFN-g量は、対照群と比べて有意に増加した (図 3)。

0.048
0.616

抗炎症性サイトカインである IL-4 は、IL-10 と共に

Gr-1

腸炎抑制を担うが、4T1 担がんマウスの腸間膜リン
パ節由来リンパ球刺激後の培養上清中に含まれる

CD11bIL-4 量は、対照群と変わらなかった (図 3)。

図 2. 4T1 担がんマウス腸間膜リンパ節(mLN)に MDSC は存在しない.
5×105 個の 4T1 細胞をマウスの右脇腹に皮下移植し 14 日後に腸間膜リンパ節からリンパ球を抽出し、MDSC をフローサイトメトリーにて解析し、対照群 (Sham) と比較した. Gr-1hi CD11b+は顆粒系 MDSC
(G-MDSC)を示し、Gr-1intermediate CD11b+は単球系 MDSC (M-MDSC)を示す.

抗炎症性サイトカインである IL-10 は、常に食物や腸内細菌に曝露されている腸管において免疫寛容を担うために大事な役割を担っている。4T1 担がんマ
ウスの腸間膜リンパ節由来リンパ球刺激後の培養上

膵臓がん細胞株 mPAC を C57BL/6 系統マウスに同- 21 -

清中に含まれる IL-10 量は、対照群と比べて有意に増加した (図 3)。

[9]

考 察

本研究において、転移能をもつ乳がん細胞株 4T1 を皮下注射することで作製した担がんマウスの全身と[10]

腸管の免疫細胞の質的および量的変化を調べた。全
身免疫能を示す脾臓では、T 細胞の機能抑制と抗腫
瘍免疫の抑制が生じていたが、腸間膜リンパ節ではT 細胞の IFN-g 産生能は有意に増加し、炎症状態が[11]

亢進していた。がんは局所だけでなく全身の免疫系に影響を与えるが、非常に初期の段階から腸管の免疫系においても、がん局所や全身とは異なる何らか[12]の免疫的機能が存在する可能性が示唆された。
参考文献

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空間ネットワーク環境における二色逆最近傍探索に関する研究
岡山大学大学院自然科学研究科
後藤 佑介
GPS を用いて目的地検索やカーナビゲーションを行う位置情報サービスでは，探索方式に応じて膨大なオブジェクトの中から探索候補を算出する必要がある．計算量が増加すると処理時間は長大化し，ユーザは探索を中止して別のサービスに移るため，問題である．そこで，申請者らの研究グループでは，探索の処理時間を短縮する二次元問合せ手法を提案してきた．本研究では，高次元の空間ネットワーク環境において，ネットワーク
距離を用いた二色逆最近傍探索技術の提案および評価を行った．はじめに，数式モデルを用いて探索手法のア
ルゴリズムを構築し，シミュレーションプログラムを実装して低次元評価用計算機を用いた評価を行った．次に，高次元評価用計算機を用いて提案手法のシミュレーション評価を行い，提案手法の有用性を検証した．

トグループに分けて，あるグループのクエリと他方

1. はじめにネットワーク上で移動端末による空間軸上の変化のグループに所属する複数のターゲットとの関係をを表現できる空間ネットワーク環境では，地理情報

もとに探索する二色逆最近傍(Bichromatic-RkNN)

を扱うシステムとして Geographic Information

探索に分類される．本研究では，二色逆最近傍探索

System (GIS) が広く用いられている．また，GIS のについて考える．

入力デバイスの一つである Global Positioning

既存の二色逆最近傍探索では，ネットワーク距離

System (GPS) を用いた位置情報サービスが注目さを用いた手法は，オブジェクトの探索数が 1 の場合

れており，様々な分野への応用が期待されている[1]．

に限定されていた．本研究では，ネットワーク距離

空間ネットワークにおいて，オブジェクト間の距において探索数が 2 以上の場合に対応した二色逆最近傍探索手法を提案する．

離を測定する方法は二種類に分けられる．一つ目はユークリッド距離，二つ目はネットワーク距離であ2. 二色逆最近傍探索る．本研究では，地理情報を考慮したオブジェクト間の距離を用いるため，ネットワーク距離について

二色逆最近傍(Bichromatic-RkNN，
以下，
BRkNN) 探

考える．空間ネットワーク環境では，位置情報の問索は，二つのグループで構成されたオブジェクト間合せ元となるクエリオブジェクト(以下，クエリ) がで逆最近傍を探索する．例えば，二つのコンビニエ

探索条件に応じて候補となる複数のターゲットオブ

ンスストアのグループ A，B がある営業エリア内でジェクト(以下，
ターゲット) を選択する．
このとき，それぞれ複数の店舗を営業している場合，グループ

クエリの位置情報をもとに，クエリからの距離が近A に所属するオブジェクトがグループ B に所属すいターゲットを探索する最近傍探索を用いることがるオブジェクトを対象にした RkNN の関係を図 1 に有効である．

示す．また，逆に，グループ B に所属するオブジェ

また，最近傍探索の考え方を用いて，クエリまで

クトがグループ A に所属するオブジェクトを対象にの距離が近いターゲットを探索する逆最近傍探索にした RkNN の関係を図 2 に示す．
このような関係は，対する注目が高まっている．逆最近傍探索は，同じあるコンビニエンスストアのグループが次にオープ

グループに所属するクエリと複数のターゲットとのンする新規店舗の場所を決める場合に利用できる．

関係を もと に探索する単色逆最近傍

しかし，二色逆最近傍探索に関する研究は，グルー(Monochromatic-RkNN) 探索と，二種類のオブジェク

プ間でオブジェクトの探索方法が複雑であるため，- 23 -

進んでいない．本研究では，グループ間でオブジェ
クト逆最近傍探索を行うため，二色逆最近傍探索を検討する．

図 3 : ボロノイ図

図 1 : グループ A がクエリとなる場合

s15 は母点以外のオブジェクトである．空間ネット
ワーク上におけるオブジェクト間の経路上に存在す
る四角形は，母点が構成する領域の境界を表す．
図 4 の場合，オブジェクト s1, s2, s3 は，母点p1 を自身の最近傍とするオブジェクトとなる．同様に，オブジェクト s7, s8, s9, s12, s13 は母点
p2，オブジェクト s4, s5, s6, s10, s11, s14, s15
は母点 p3 を自身の最近傍とするオブジェクトとなる．

図 2 : グループ B がクエリとなる場合

3. ネットワークボロノイ図
Voronoi Diagram (以下，ボロノイ図) は，空間ネットワーク上で任意の位置に複数個の点(以下，母点) を配置した状況で，同じ空間上に存在する点がどの母点に近いかに応じて領域分けした図である．
図 3 は，二次元の空間ネットワーク上でユークリッ
ド空間を用いたボロノイ図の例である．
黒点は母点，
白点は母点以外のオブジェクトである．白点のオブジェクトは，自身が存在する領域内にある母点を自図 4 : ネットワークボロノイ図

身の最近傍とする．空間ネットワークにおけるユー
クリッド距離を用いたボロノイ図について，領域の境界線は，二つの母点間で構成される垂直二等分線

4. 提案手法
空間ネットワークにおいて，探索数 k が 2 以上の一部となる．
Network Voronoi Diagram (以下，ネットワークの場合に対応した BRkNN 手法を提案する．提案手法

ボロノイ図) は，空間ネットワーク上でネットワー

では，ターゲットを母点としたネットワークボロノ

ク距離を用いたボロノイ図である．図 4 に，二次元イ図を作成した後，各ターゲットの kNN を三つのスの空間ネットワーク上でネットワーク距離を用いた

テップに分けて探索し，条件を満たさないターゲッ

ネットワークボロノイ図の例を示す．p1，p2 およびト候補の除外(以下，刈取り) を行う．ターゲットか

p3 は母点となるオブジェクトであり，s1, …,らの距離がクエリよりも短いオブジェクトを k 個- 24 -

検出した場合，このターゲットはクエリの BRkNN でブジェクトと pk とのユークリッド距離は，クエリはないため，除外する．すべてのターゲットに対すと pk とのユークリッド距離よりも短くなる可能性

る探索が終了した段階で除外されなかったターゲッが高い．これは，二つのオブジェクト間のユークリ

トは，クエリの BRkNN となる．

ッド距離が短い場合は，ネットワーク距離も短くなる可能性が高いためである．ステップ 2 を実行する

4.1 探索手順

ことで，ステップ 3 で候補となるオブジェクトをす𝑘𝑘 ≥ 2 の場合に対応した提案手法におけるター

べて探索する場合に比べて探索時間を短縮できる．

ズムは，𝑘𝑘 = 1の場合のみに対応した既存手法[2]4.2.3 ステップ 3 : ネットワーク距離を半径とす

ゲットの探索手順を説明する．提案手法のアルゴリのアルゴリズムを拡張して作成した．

る円を用いた刈取り

初めに，ターゲットを母点としたネットワークボ

クエリと pk とのネットワーク距離を半径，pk を

ロノイ図を作成する．次に，すべてのターゲットに中心とする円を作成し，円内の領域と重なるボロノ

対して三つのステップで刈取りを行いながら探索しイ領域のうち，ステップ 2 で探索した領域以外の領て，クエリの BRkNN となるターゲットを求める．

域に対して，ステップ 1 と同じ処理を行う．このとき，円の外側の領域にあるオブジェクトと pk との

4.2 ネットワークボロノイ図の作成

ユークリッド距離は，クエリと pk とのネットワー

初めに，n 個のターゲット p1, p2, …, pn を母点とク距離より長くなる．一般的に，二つのオブジェク

して，ネットワークボロノイ図を作成する．ネット

ト間の距離について，ネットワーク距離はユークリ

ワークボロノイ図の作成は，論文[3] で用いられてッド距離より長くなるため，円の外側の領域にあるいるアルゴリズムを使用する．

オブジェクトと pk とのネットワーク距離は，クエ
リと pk とのネットワーク距離より長くなる．した

4.2.1 ステップ 1 : ネットワーク距離を用いた刈がって，ステップ 3 が終了した時点で，クエリより取り

pk に近いオブジェクトが k 個未満である場合，pk

クエリとターゲット pk とのネットワーク距離を

はクエリの BRkNN となる．

測定した上で，pk を母点とするボロノイ領域 V

P(pk) 内に存在するクエリと同じグループに所属す

4.3 導入例

るオブジェクトとのネットワーク距離を比較する．

図 4 のネットワークボロノイ図を例にして，提案pk とのネットワーク距離がクエリよりも短いオブ手法を実行する．s3 をクエリ Q，k = 2 とし，p1 にジェクトが k 個以上存在する場合，pk は，クエリ

対してステップ 1 から 3 を適用した．以下で，処の BRkNN とはならないため，候補から除外し，次の理手順を順番に説明する．

ターゲットの処理に移行する．pk とのネットワー

1. ステップ 1 で，ボロノイ領域 V P(p1) 内におク距離がクエリよりも短いオブジェクトが k 個未

いて，クエリと同じグループでクエリを除くオブジ

満となる場合，ステップ 2 に移行する．

ェクトをすべて探索する．V P(p1) 内において，対象となるオブジェクトは s1, s2 であるため，この5.2.2 ステップ 2 : ユークリッド距離を半径とす

二つのオブジェクトと p1 とのユークリッド距離をる円を用いた刈取り

それぞれ求め，SQ に格納し，DE の長さをもとに SQステップ 2 では，クエリと pk とのユークリッドの各要素を昇順でソートする．

距離を半径，pk を中心とする円を作成し，円内の領

2. p1 と Q とのネットワーク距離 DN(p1,Q) を求域と重なるすべてのボロノイ領域に対して，ステッ

め，DE(p1,s2) と比較する．ステップ 1 の 3. より，

プ 1 と同じ処理を行う．ステップ 2 で探索するオDE(p1, s2) < DN(p1,Q) であるため，DN(p1,s2) を- 25 -

求め，DN(p1,Q) と比較する．このとき，DN(p1,s2)< DN(p1;Q) であるため，k の値を 1 減らし，k = 1とする．次に，DE(p1,s1) と DN(p1,Q) を比較する．

DE(p1,s1) > DN(p1,Q) であるため，ステップ 1 の3. より SQ を空にし，ステップ 2 へ．
3. e = DE(p1,Q) を求め，中心 p1，半径 e の円

C1 を作成する．図 5 に，DE(p1,Q) を半径とする円C1 を作成した様子を示す．円 C1 内の領域と重なる
ボロノイ領域を求め，キューPQ’に格納する．このとき，円 C1 内の領域と重なるボロノイ領域は存在しないため，PQ’は空となり，同時にキューPQ も空となる．ステップ 2 の 5. より，ステップ 3 へ．
4. e’= DN(p1,Q) を求め，中心 p1，半径 e’の円

C2 を作成する．図 6 に，DN(p1,Q) を半径とする円図 5 : DE(p1,Q) を半径とする円 C1 の作成

C2 を作成した様子を示す．円 C2 内の領域と重なる
ボロノイ領域となる VP(p3) に存在する各母点と p1とのユークリッド距離を求め，PQ’’に格納する．
次に，PQ’’にあり PQ’にはない VP(p) の要素をPQ に格納する．
5. PQ に格納されている先頭の要素 VP(p3) を取り出し，VP(p3) 内に存在するターゲット以外のオ
ブジェクトである s4, s5, s6, s10, s11, s14, s15と p1 とのユークリッド距離をそれぞれ求め，SQ に格納し，DE の長さをもとに SQ の各要素を昇順でソートする．
6. DE(p1,s4) < DN(p1,Q) であるため，DN(p1,s4) を求め，DN(p1,Q) と比較する．DN(p1,s4) >DN(p1,Q) であるため，ステップ 1 の 2. へ．
7. DE(p1,s5) > DN(p1,Q) であるため，ステップ

図 6 : DN(p1,Q) を半径とする円 C2 の作成

1 の 3. より，ステップ 2 へ．また，ステップ 2 のクエリとの距離より短いオブジェクトが k 個見つ

5. より， PQ が空であるため，ステップ 3 へ．ス

かった時点で次のターゲットの探索に移行する線形

テップ 3 の 4. より，探索処理を終了し，p1 は Q

探索を用いる．提案手法および線形探索のプログラの BRkNN となる．

ムは，C 言語で作成した．

5. 評価

5.1 評価環境
計算機シミュレーションによる評価環境について，提案手法の有用性を検証するため，計算機上でシ
ミュレーション評価を行った．
比較する手法として，

以下に示す．

あるターゲットに対して，クエリとの距離と，クエ・空間内のオブジェクト数は，100 とする．

リと同じグループに所属するクエリ以外のオブジェ

・空間の大きさは，縦 1000，横 1000 の二次元領域

クトとの距離の二つを順番に比較し，ターゲットととする．

- 26 -

・探索の実行時間を 110 回計測し，実行時間の上位

逆最近傍探索の実行時間である．ターゲット数は，5 回と下位 5 回を除く計 100 回の平均を用いて評10 から 90 まで 10 刻みとし，探索数は 1 個と 5価する．

個の場合で，提案手法と線形探索それぞれについて
BRkNN の実行時間を算出した．

5.2 探索数の影響
探索数 k の値を変化させた場合の探索時間の変化を図 6.1 に示す．横軸は探索数，縦軸は二色逆最近傍探索の実行時間である．比較評価として，提案
手法と線形探索の二つを用いる．探索数は，1 から10 とし，ターゲットの数は 10 個と 50 個の二つの場合で，提案手法と線形探索それぞれについて，
BRkNN の実行時間を算出した．

図 8 : ターゲット数と実行時間

図 8 より，探索数 k が同じ場合，提案手法の実行
時間は線形探索に比べて短いことが分かる．また，探索数が 5，ターゲット数が 60 以上の場合，提案手法と線形探索の実行時間の差はほとんど無い．一方
で，探索数が 5 でターゲット数が 70 以上の場合，ターゲット数の増加にともない，実行時間は短くなる．これは，ターゲット数がクエリと同じグループ

図 7 : 探索数と実行時間のオブジェクト数より多くなることで，提案手法と図 7 より，探索数が増加すると，距離の比較対象

線形探索のそれぞれで距離を比較するオブジェクトとなるオブジェクト数が増加するため，提案手法と数がほぼ同じになるとともに，距離を比較するオブ

線形探索のどちらでも実行時間は長大化する．
特に，ジェクト数が少なくなるためであると考えられる．

ターゲット数が同数の場合，ほぼすべての場合において，提案手法による探索の実行時間は線形探索に

6. おわりに比べて短いことが分かる．また，ターゲット数が 50，

本研究では，ネットワーク距離を用いた空間ネッ

探索数 k が 9 または 10 の場合，線形探索の実行時

トワーク上のオブジェクト探索において，オブジェ

間は提案手法に比べて短い．探索数とターゲット数

クトの探索数が 2 以上の場合に対応した二色逆最がどちらも多い場合，距離の比較対象となるオブジ近傍探索手法を提案した．提案手法は，ネットワー

ェクト数が多くなり，かつクエリと同じグループのクボロノイ図を作成した後，各ターゲットの kNN を

オブジェクト数が少なくなるため，提案手法と線形三つのステップに分けて探索し，条件を満たさない探索で探索するオブジェクト数はほぼ同じになる．

ターゲット候補の除外を行うことで，実行時間を短提案手法では，距離を比較すべきオブジェクトか否縮する．
評価の結果，
空間の大きさが縦 1000，
横 1000

かの判別処理を行うため，この処理時間の影響で，の二次元空間でオブジェクト数が 100 の場合，提案

線形探索に比べて実行時間が長くなると考えられる．

手法における実行時間は線形探索に比べて短縮できることが分かった．

5.3 ターゲット数の影響

今後の予定として，オブジェクトが空間ネットワ

ターゲット数を変化させた場合の探索時間の変化

ーク上を動的に移動する場合において，二色逆最近を図 6.2 に示す．横軸はターゲット数，縦軸は二色

傍探索の実行時間を短縮する手法を提案する．

- 27 -

【参考文献】[1] D. Taniar. and W. Rehayu, A Taxonomy for
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- 28 -

エキシプレックス/エキシマー有機円偏光発光色素の開発
岡山大学大学院自然科学研究科
高石 和人
近年、円偏光発光性 (CPL) を示す有機色素の開発研究が活発である。しかし既存の発光色素を CPL 色素に変える手法は限られていた。本研究では任意の多環芳香族炭化水素色素 (発光団) をエキシマー CPL 色素へ変える手法を見出すことを目指した。キラルナフタレン四量体に 1-, 2-, 4-ピレニル、2-, 3-ペリレニル、2-アンスリ
ルをエステル結合を介して 6 つ導入したところ、導入した発光団由来の強いエキシマー CPL が観測された。
理論計算により、基底状態と励起状態共に発光団はねじれて配置されていることが明らかになった。また、導入する発光団によって CPL の正負が異なり、右周りにねじれたエキシマーは正の CPL を、左回りにねじれたエキシマーは負の CPL を示すという経験則が導かれた。

【1. はじめに】させて脱ブチル化し、(R,R,R)-3 を得た。最後に各種

近年、円偏光発光性 (CPL) が注目されており、ヘカルボン酸 4a–f (Ar-COOH) と縮合させ目的物を得た (2 段階で 3–69% 収率)。

リセン、ビナフチル、シクロファンなどの骨格を利用した有機 CPL 色素の開発研究が展開されている。

Scheme 1. Synthesis of (R,R,R)-1a–f.

一方で多環芳香族炭化水素色素はエキシマー形成に伴う大きな蛍光量子収率とストークスシフトを併せ持つため、理想的な CPL 色素候補である。しかしながら一部のピレンを除くと、これらを CPL を色素に変えられる手法はほとんど知られていない。
我々はキラル軸が連続するナフタレン多量体の研究を進めている。本研究ではナフタレン四量体をキラルな足場として捉え、汎用性の高い CPL 色素の開発を目指した。各ナフタレン環には置換基の導入が可能であり、置換基を発光団とすると発色団はキラ
ルな環境に置かれる。それに伴い発光団由来の CPLが観測できるのではないかと考えた。
発光団として、
エキシマー発光性を示すピレン、ペリレン、アント
ラセンを選択し、以下の研究を行った。
【2. 発光団連結ナフタレン四量体の合成】(R,R,R)-ナフタレン四量体に 1-ピレニル (1a)、2ピレニル (1b)、4-ピレニル (1c)、2-ペリレニル (1d)、3-ペリレニル (1e)、2-アンスリル (1f) がエステル結【3. ナフタレン四量体 1a–f の光学特性】(R,R,R)-1a–f の溶液は無色または薄い黄色であっ合を介して 6 つ連結された化合物を設計し、合成したが、ここへ紫外光を照射するといずれも可視光領た (Scheme 1)。(R,R,R)-2 は (R)-BINOL から 3 工程域で発光し、様々な色調を示した (Figure 1)。

で合成した。次に、(R,R,R)-2 へ三臭化ホウ素を作用- 29 -

Figure 2 に CD, UV-Vis, CPL, FL スペクトルを示す。ナフタレン四量体骨格の吸収波長は 320 nm 以
下であることが分かっているため、それ以上の波長領域は導入した発光団のみに由来する。いずれも発光団のみに由来する吸収領域で CD が観測された。
これは発光団がキラルな環境にあることを示している。特に (R,R,R)-1e では明確な負の分裂型のシグナ
ルが観測され、隣接するペリレン環が反時計回りに
Figure 1. Photographs of solutions of 1a–f. Conditions:

位置していることが予想された。

6.6  10–6 M, rt, CH2Cl2 solutions for 1a–c and 1f and THF

FL スペクトルでは 1a–f はいずれもエキシマー

solutions for 1d and 1e.

発光と思われるシグナルを示した。蛍光量子収率(FL) は典型的なエキシマー発光の値を維持しており、1a: 0.24, 1b: 0.35, 1c: 0.67, 1d: 0.24, 1e: 0.38, 1f:
0.03 であった。また、1a–f はいずれも CPL を示した。私たちが知る限り、1b, 1c, 1d, 1f はそれぞれ CPLを示す初めての 2-ピレニル、4-ピレニル、2-ペリレ
ニル、2-アンスリルの例である。CPL の効率の指標となる異方性因子 |glum| は有機色素としては高い値を示し、1a: 0.037、1b: 2.8  10–3, 1c: 0.014, 1d: 3.3 
10–3, 1e: 0.013, 1f: 1.0  10–3 であった。中央の立体配置が異なるジアステレオマー (R,S,R)-1a の |glum|は 1.8  10–3 であり、(R,R,R)-1a の約 20 分の 1 であった。このことは、大きな |glum| を得るためには
ナフタレン四量体の軸の立体配置を統一させる必要であることを示している。興味深いことに CPL の
正負は化合物によって異なり、(R,R,R)-1a, 1c, 1d, 1f
は正の CPL を示し、(R,R,R)-1b, 1e は負の CPL を示した。CPL の正負は最も長波長の CD の正負と一致しており、基底状態と励起状態で立体配置がある程度近いことが示唆された。
【4. 理論計算による立体構造の推測】
CPL 特性と立体構造の相関を明らかにするため、
DFT 計算によって (R,R,R)-1a–f の最安定構造を求Figure 2. CD, UV-Vis, CPL, and FL spectra of (a) 1a–c in

めた (Figure 3)。計算は Coulomb-attenuating method

CH2Cl2, (b) 1d and 1e in THF, and (c) 1f in CH2Cl2.

(CAM)-B3LYP/6-31G(d,p) level で行った。1a–f は以

Conditions: ex = 355 nm for 1a and 1c, 338 nm for 1b,下の構造的な特徴 (1)–(4) を有していた。

380 nm for 1d and 1e, 340 nm for 1f, 20 °C, light path

(1) 1a–f のナフタレン四量体の隣り合うナフタレン

length = 10 mm, [1a–e] = 1.0  10–6 M, [1f] = 1.3  10–6環はおよそ直行し、左回りらせん状に配列する。
(2) R1 と R2, R3 と R4, R5 と R6 は互いの立体障M.

- 30 -

発光団のねじれの方向は 1a, 1c, 1d, 1f は時計回害によって離れて位置する。
(3) 隣り合うカルボニル基は双極子–双極子反発り、1b, 1e は反時計回りであった。強調すべきは発光団が時計周りの化合物は正の CPL を示し、反時によって互いに反対を向く。
(4) エキシマーを形成すると考えられる発光団の計周りの化合物は負の CPL を示すという経験則がペア (R2 と R3, R4 と R5) は一方向にねじれて位

導かれたことである。さらに、理論計算によって基置する。

底状態と励起状態のねじれ方向は同一であることもまた、準安定構造の計算結果から R1 と R6 はエ確認できた。

キシマーを形成しないが、この立体配座の固定に大きく関与していることが伺えた。R1 と R6 に由来【5. まとめ】

するモノマー発光が観測されなかったことから、発任意の発光団を CPL 色素に変えられる手法の確

光団間で早いエネルギー移動が起こっていることが立を目指し、ナフタレン四量体に 1-, 2-, 4-ピレニル、示唆された。

2-, 3-ペリレニル、2-アンスリルをエステル結合を介して 6 つ導入した化合物 1a–f を設計し、キラル
BINOL から 5 工程で合成した。いずれも導入した発光団に由来する優れたエキシマー CPL を示した。
蛍光量子収率も比較的高く、顕著な消光は観測されなかった。CPL の正負は化合物によって異なっており、発光団が時計周りの化合物は正の CPL を示し、
反時計周りの化合物は負の CPL を示した。このよ
うに発光団がねじれの方向と相関があることが明らかになった。本研究で見出した手法は任意の蛍光団に適用できる可能性が高い。また、CPL シグナルの符号から立体配置を予測するという使い方もできるのではないかと考えている。
【謝辞】
本研究の遂行に対して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。
【本助成による発表論文】“Evolving Fluorophores into Circularly Polarized
Luminophores with a Chiral Naphthalene Tetramer:
Proposal of Excimer Chirality Rule for CPL”
Takaishi, K.; Iwachido, K.; Takehana, R.; Uchiyama, M.;
Ema, T.
J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, in press. (DOI:
10.1021/jacs.9b02582)

Figure 3. Top views of the DFT-optimized structures of(R,R,R)-1a–f (PAHs are shown alternately in blue andorange) at the CAM-B3LYP/6-31G(d,p) level.

- 31 -

破骨細胞のアポトーシスを誘導する SB-203207 の全合成と高活性アナログの創製
岡山大学大学院自然科学研究科
早川一郎

アルテミシジンは，1989 年に放線菌から単離されたモノテルペンアルカロイドであり，抗腫瘍活性を示すことが知られている．また，類縁体の SB-203207 はイソロイシル tRNA 合成酵素阻害活性を示し，骨粗鬆症薬のリード化合物として期待されている．我々は，分子の立体化学に着目した構造活性相関研究，即ち『立体構造活性相関』への展開を指向した戦略により，SB-203207 の合成研究を行うことにした．その結果，SB-203207 のシクロ
ペンタン部分に対応する含窒素四置換炭素を含む四連続立体中心を，立体選択的に構築することができた．
ポトーシスへ誘導する可能性があるが，それらにつアルテミシジン(1)は，竹内らによって 1989 年に宮いて検討された報告はこれまでにない．リベロマイ

城県蒲生の海泥から発見された放線菌である

シン A と SB-203207 (2)は，構造が大きく異なること

Streptomyces sioyaensis SA-1758 から単離されたモノから，活性発現メカニズムは異なる可能性が高い．

テルペンアルカロイドであり，抗腫瘍活性を示すこ

すなわち，SB-203207 (2)は新しいタイプの骨粗鬆症薬

1のリード化合物として期待出来る．

とが知られている ．また，類縁体の SB-203207 (2)は GlaxoSmithKline の グル ープに よっ て放線 菌

一 方 ， GlaxoSmithKline の グ ル ー プ に よ る

Streptomyces sp. NCIMB 40513 から単離され，イソロ

SB-203207 (2)の tRNA 合成酵素阻害活性についての

2

イシル tRNA 合成酵素阻害活性を示す ．これら天然

構造活性相関研究より，側鎖上のアミノ酸の違い，1物の構造上の特徴として，5 員環上に含窒素四置換位の第四級炭素部分のカルボン酸の存在，および 2炭素を含む四連続立体中心を持つ点と側鎖上に天然

位の第 2 級ヒドロキシ基の置換基の有無などが生物物には珍しいスルホンアミド基を有する点が挙げら

活性に重要であると報告されている 4．しかし，これる．

れらの構造活性相関研究の結果に基づいた分子設計においては，活性に重要な四連続立体中心，特に 1位の第四級炭素部分を簡略化された誘導体しか検討されていない 5．そこで我々は，分子の立体化学に着目した構造活性相関研究，即ち『立体構造活性相関』への展開を指向した合成戦略により，SB-203207 (2)の全合成を行い，骨粗鬆症治療薬としてのポテンシ
ャルを評価することを計画した．酵素は三次構造を有する巨大な分子であり，その表面に基質との結合

Figure 1. Structures of altemicidin-type alkaloidsに適する凹凸型の活性部位が存在している．この活イソロイシル tRNA 合成酵素阻害活性を示す天然性部位と基質である低分子が水素結合，静電相互作

3

物としてリベロマイシン A が知られており，この天用，および共有結合することにより生物活性が発現

然物は，成熟破骨細胞をアポトーシスへ誘導するこする．そこで，基質の立体化学の改変により基質全とから，骨粗鬆症薬のリード化合物として期待され体の三次元構造が変わることで，基質と酵素が，よている．すなわち，同じイソロイシル tRNA 合成酵

り多点で相互作用をすることが可能となり，酵素特素阻害活性を示す SB-203207 (2)も成熟破骨細胞をア- 32 -

異性の向上や新たな生物活性の発見が期待できるとヒドロホウ素化は convex 面から反応が進行すると考えた．

考えられるが，アルケン 7 の 1 位のベンジルメチル
エーテル基が立体障害となり，より空いている
concave 面から反応が進行したため，2 位に目的の立四連続立体中心の構築
SB-203207 (2)のシクロペンタン部分に対応する，
四体化学を有するヒドロキシ基が導入できたと考えら

連続立体中心の立体選択的構築を検討した(Scheme

れる．以上の検討により，SB-203207 (2)のシクロペ

1)．ラクトン 3 に対して LDA を作用させ，生じたカ

ンタン上に全て目的の立体化学を有する官能基を導ルボアニオンを求電子剤であるベンジルクロロメチ

入することができた．

ルエーテルと反応させたところ，1 位に目的の立体
化学の不斉第四級炭素が導入された 4 を単一の立体3異性体として得ることができた．
この立体選択性は，

BnO

2

BH 3·SMe 2, THF, rt
1

H O

ラクトン 3 がお椀型構造をしていることから，生じ

O

H

H

then
NaBO 3·4H2O aq., rt

HO
BnO

2

O

7

たカルボアニオンの convex 面から立体選択的に求電子剤へ攻撃したことにより，立体化学が完璧にコ

H O
8desired43%

HO

ントロールされたと考えている．得られた 4 のH
3TBDPS 基を除去し，生じた第 1 級ヒドロキシ基を

BnO
H O
O
9
C3-isomer
48%

AZADO+·BF4–で酸化することでカルボン酸 6 へ変換
した．6 に対して四酢酸鉛と酢酸銅を用いて酸化的に脱炭酸を行い，アルケン 7 を得た．
Scheme 2.

Stereoselective introduction of thehydroxyl group at C2

含窒素四置換炭素の構築
続いて，1 位の含窒素四置換炭素を Curtius 転位によって導入するための前駆体である，カルボン酸 14の合成を行った (Scheme 3)．ラクトン 8 の第 2 級ヒ
ドロキシ基を TIPS 基で保護し，ラクトン部分を水
素化ホウ素化リチウムによって開環し，ジオール 10を得た．10 の第 1 級ヒドロキシ基を選択的に Piv 基で保護し，第 2 級ヒドロキシ基を AZADOL®で酸化することでケトン 11 へと変換した．11 に対するエ
ノールトリフラート化，続く Pd 触媒を用いた還元反応により 5 員環上にアルケンを導入し，Piv 基をScheme 1. Synthesis of alkene 7

除去することによってアルコール 12 を得た．
続いて，アルコール 12 の第 1 級ヒドロキシ基をアルケン 7 に対するヒドロホウ素化－酸化反応に

AZADOL®によりアルデヒド 13 へ変換し，13 に対しよる 2 位のヒドロキシ基の立体選択的導入を試みたて Pinnick 酸化を行う，2 段階の酸化反応によるカル(Scheme 2)．ホウ素反応剤として BH3·SMe2 を用いてボン酸 14 の合成を検討した (Table 1)．Entry 1 では反応を行ったところ，位置選択性は発現しなかった

一般的な Pinnick 酸化の条件下で反応を行ったとこ

が，2 位に目的の立体化学のヒドロキシ基を有する

ろ，目的のカルボン酸 14 を得ることはできたが，クラクトン 8 を得ることができた．
お椀型分子の場合，- 33 -

ロロラクトン 15 が大量に副生した．
クロロラクトン15 が生成した原因として，系中で発生した亜塩素酸換を検討した．しかし，目的の Boc カルバメート 17

ナトリウム由来のクロロニウムカチオンが，目的物は得られず，イソシアネート 16 が収率 92%で回収である 14 のアルケン部分と反応し，クロロラクトンされた．すなわち，Curtius 転位は問題なく進行して化を引き起こしたと考えられる．

いるものの，イソシアネート基がネオペンチル位でそこで，entry 2 では resorcinol をクロロニウムカチあるため，tBuOH の付加反応が進行しにくいことがオンのスカベンジャーとして用いたところ，クロロ

考えられた．そこで，求核性の高い tBuOLi を用いてラクトン化を大幅に抑制することができ，目的の 14反応を行ったところ，目的の反応は進行し，Boc カ

が収率 93%で得られた．

ルバメート 17 を 2 工程収率 52%で得ることができた（entry 2）．以上の検討により，含窒素四置換炭素を導入し，SB-203207 (2)のシクロペンタン部分に対応する四連続立体中心を立体選択的に構築することができた．

Table 2. Optimization of the Curtius rearrangent of 14

Scheme 3.

Synthesis of the precursor for theCurtius rearrangement

Table 1. Oxidation of the primary hydroxy group of 12

まとめSB-203207 (2)の立体構造活性相関研究を可能とする合成経路の開発を行った．三環性ラクトン 3 から分子の形状を利用した立体選択的アルキル化とヒド
ロホウ素化－酸化反応により，1 位不斉第四級炭素と 2 位ヒドロキシ基を導入した．さらに，Curtius 転位によるアミノ基の導入を行い，SB-203207 (2)のシクロペンタン部分に対応する含窒素四置換炭素を含む四連続立体中心の立体選択的構築を達成した．今得られたカルボン酸5 に対するCurtius 転位を検討

後，17 のベンジル基の除去，生じたヒドロキシ基のした (Table 2)．
Entry 1 では 14 に対して DPPA と Et3N

酸化，エステル化により 18 を合成し，オレフィン部

を用いてイソシアネート 16 へと変換し，TMSCl 存

分をオゾン分解によりジオール 19 を調製する

在下，tBuOH を用いて Boc カルバメート 17 への変- 34 -

(Scheme 4)．2 つのヒドロキシ基をメシル化後，M.; Lee, K. H.; Stern, P. H.; Nagi, K.; Osada, H. Proc.

MeNH2 と反応させることにより，SB-203207 (2)のNatl. Acad. Sci. USA 2006, 103, 4729–4734.
4. Banwell, M. G.; Crasto, C. F.; Easton, C. J.; Forrest,

N-メチルピペリジン環を構築する．その後，官能基変換を経て，SB-203207 (2)の全合成を目指す．

A. K.; Karoli, T.; March, D. R.; Mensha, L.; Nairn, M.
R.; O’Hanlon, P. J.; Oldham, M. D.; Yue, W. Bioorg.
Med. Chem. Lett. 2000, 10, 2263–2266.
5. a) Banwell, M. G.; Crasto, C. F.; Easton, C. J.; Karoli,T.; March, D. R.; Nairn, M. R.; O’Hanlon, P. J.;
Oldham, M. D.; Willis, A. C.; Yue, W. Chem.
Commum. 2001, 2210–2211; b) Crasto, C. F.; Forrest,
A. K.; Karoli, T.; March, D. R.; Mensha, L.;
O’Hanlon, P. J.; Nairn, M. R.; Oldham, M. D.; Yue,W.; Banwell, M. G.; Easton, C. J. Bioorg. Med. Chem.
Lett. 2003, 11, 2687–2694.

Scheme 4. Future plan
謝辞
本研究は岡山大学大学院自然科学研究科 永易杏
菜 修士によって遂行されたものです．日々の献身的な努力に厚く御礼申し上げます．また，本研究を財政的に支えて頂いた公益財団法人ウエスコ学術振興財団に感謝いたします．
参考文献
1. a) Takahashi, A.; Kurasawa, S.; Ikeda, D.; Okami, Y.;
Takeuchi, T. J. Antibiot. 1989, 42, 1556–1561; b)
Takahashi, A.; Ikeda, D.; Nakamura, H.; Nakagawa,
H.; Kurosawa, S.; Okami, Y.; Takeuchi, T., Iitaka Y. J.
Antibiot. 1989, 42, 1562–1566; c) Takahashi, A.;
Nakagawa, H.; Ikeda, D.; Okami, Y. Tetrahedron
1991, 47, 3621–3632.
2. a) Stefanska, A. L.; Cassels R.; Ready, S. J.; Warr, S.
R. J. Antibiot. 2000, 53, 357–363; b) Houge–Frydrych,
C. S. V.; Gilpin, M. L.; Skett, P. W.; Tyler, J. W. J.
Antibiot. 2000, 53, 364–372.
3. Woo, J.-T.; Kawatani, M.; Kato, M.; Shinki, T.;
Yonezawa, T.; Kanoh, N.; Nakagawa, H.; Takami,- 35 -

高解像度の面的な地形データを用いた，旭川の河床変動解析の精度向上に関する検討
岡山大学 大学院環境生命科学研究科 准教授
吉田 圭介
近年，航空レーザ測深（ALB：Airborne Laser Bathymetry）技術の向上により，水域・陸域を問わず，面的な地形データの取得が可能となった．詳細な河道地形は，河川の流れと河床変動の数値解析の精度を向上させることが期待できる．しかし，ALB データによる地形の再現性が河床変動解析結果に及ぼす影響についてはこれまで具体的に検討されていない．そこで本研究では，まず，ALB 計測により得られたデータについて測量精度を検証した．次に，ALB
データと定期横断測量データを用いて旭川洪水時の河床変動解析を行い，これらの結果と洪水前後の ALB 計測の河床高の差分を比較し，解析結果に与える地形データの影響について検討した．研究の結果，ALB 計測で得られた地形
データは，定期横断測量結果と同様の地形形状を描くことができた．また，河床変動解析結果と ALB 計測の差分の比較より，ALB データを用いた解析結果の方が差分と近い傾向を示した．
析においてALBデータを活用し，その影響並びに精度

１．はじめに河川の維持管理や河道改修等の河川整備計画の策定

向上等を検討した研究例は殆ど無いのが現状である．

のためには，河道形状を適切に把握することが必要不

以上の背景を踏まえて，本研究では岡山県を流れる可欠である．広域的に河道内の地形情報を取得する方

旭川の祇園地区を対象に，ALBデータと定期横断測量法として，従来，定期縦横断測量が行われてきた．こ

データを用いて，地形データの違いが洪水時の河床変の測量は縦断方向 200m を標準とし，河川の規模によ

動解析の結果に及ぼす影響について検討する．具体的

り適切な間隔で測線を設け，測線上の地形を計測するには，2017年に発生した洪水を対象に2つの地形データ方法であり，測線上での地形の起伏や河積の縦断的なで解析を行い，それぞれの解析結果と，洪水を挟む2

変化を把握することができる．しかし，この方法では時期のALB計測の河床高の差分を比較することで，用測線間の地形情報は得られないため，澪筋の蛇行や深いる地形データの影響について検討した．また，本研

掘れ等の局所的な地形の変化を捉えられない可能性が究では特に，著者らの既往研究を踏まえ，平面2次元モある．また，河岸からの目視点検と同様に，河床変動

デルによる祇園地区(KP15.2)周辺の河床変動の再現性や水衝たりに伴って生じる水面下の水理構造物の局所に及ぼす，400m上流の堰構造物の影響も検討する．

的な変状は調べられないため，定期縦横断測量は河川

以下では解析結果を中心に記述する．ALB計測デー
タの測量精度，および本研究で用いた河床変動解析手の維持管理において必ずしも十分とは言えない．

法(iRIC)に関しては著者等の既報1)およびiRICマニュ

近年，水域も含めた面的な河道の地形情報を取得すアル2)を参照されたい．

る 方 法 と し て ， 航 空 レ ー ザ 測 深 （ Airborne Laser
Bathymetry，以下ALBとする）の技術が向上している．
ALBは従来の航空レーザ（Laser Profiler，以下LPとす

２．ALB データを用いた河床変動解析
本研究で対象とする旭川祇園地区（図-1）は河道がる）計測で使用していた近赤外線レーザに加え，水中

湾曲し，瀬や淵，中州が存在する複雑な河道形状となを透過する緑レーザを用いることで，LP計測では困難っている．こうした河道で定期横断のみを内挿して地だった水域の地形データも取得でき，陸域・水域の連形データを作成した場合，詳細な地形を再現すること続的かつ面的な河道形状を把握することが可能であは容易ではない．LP を用いることで高水敷や砂州なる．現在，国内のいくつかの河川では計測が実施されどの陸域の詳細な再現は可能だが，水域に関しては基ており，精度検証を含め，河川測量への適用や河川管

本的に定期横断データを用いるため，陸域・水域の連理への応用を検討した研究が行われている．

続的な地形，
水域の詳細な地形は不明瞭なままである．

今後，ALBによる詳細な地形データは実河川の流況

一方，ALBデータは面的な河道形状を取得できるた解析や河床変動解析で必要な河床高の空間解像度の検め，祇園地区のような河道形状が複雑な箇所でも，水討，さらには解析モデルの性能把握の手段として活用

域を含めた地形を詳細に再現することが可能である．

できるものと思われる．一方で，実河川の河床変動解- 36 -

解析に用いる地形データによって，流況に変化が生じることから，それに伴って，河床変動の傾向も変化す
ることが考えられる．
そこで本章では，ALBデータと定期横断測量データを用いて，2017年に岡山県旭川で発生した2つの洪水を対象とした河床変動解析を行う．得られた解析結果と
洪水前後に計測された2時期のALB計測の河床高の標
図-1 解析範囲

高差分を比較し，用いる地形データが河床変動解析に及ぼす影響を検討した．
(1) 解析条件
本研究で対象とするのは，旭川のKP14.4～16.4区間である（図-1）．解析に用いた計算格子は流下方向に581
分割，横断方向に57分割，格子幅約4mである．また，計算時間間隔は0.05秒とした．
本解析では 2 つの地形データを用いて解析結果の比(a) Case-A

較を行う：①2017 年 3 月 ALB 計測から得られた地形データを用いた Case-A，②水域に 2013 年定期横断測量（縦断間隔 200m）の内挿データ，陸域に 2017 年 3
月の ALB データを用いた Case-MIP-A である．①は格子幅約 4m の計算格子の格子点から一番近い ALB デー
タを抽出して作成した．ここで，抽出に用いた ALB データは，計測されたランダムな点群を，内挿補間によ(b) Case-MIP-A

り 2m 間隔の正方格子に格納したデータである．②は，近年，陸域で LP 計測のデータが多く利用されていることを踏まえ，陸域を ALB のデータに置き換えた．それぞれの河床高のコンター図と河床高の差分（Case-Aの河床高から Case-MIP-A の河床高を差し引いた値：水域のみ）を図-2 に示す．図-2(a),(b)の黒破線で囲んだ箇
所のように，Case-A は Case-MIP-A に比べ，堰周辺の(c) 河床高差分（Case-A－Case-MIP-A：水域のみ）
図-2 河床高データ

急な地形の変化や，中州周辺の複雑な地形等，水域の地形も詳細に再現できている．図-2 (c)を見ても，低水
路内は Case-A の方が河床高の低い箇所が広範囲で確る KP11.6 まで広げて，別途行った流況解析結果から得認できる．これは，Case-MIP-A の場合，測線間は線形られた KP14.4 地点の水位を与えた．それぞれの流量-内挿されるため，深掘れ等の急な河床高の変化が再現

水位ハイドログラフを図-3 に示す．ここで，9 月洪水，

できないためと考える．例えば，KP15.0～KP15.2 や

10 月洪水は各ハイドロを与え，別々に解析を行ってい

KP15.6～KP15.8 の測線間では両データには 5m 程度相る．なお，10 月洪水の初期地形データに関しては，9違があり，ALB の有用性が理解できる．

月洪水の河床変動解析結果を反映させた地形データ（9上流端流量は，旭川で発生した 2017 年 9 月洪水（2017

月洪水の初期地形データに 9 月洪水の解析の河床変動

3，10 月洪水（2017年 9 月 18 日／ピーク流量：1142m /s）

量を加えた値）を用いて解析を行った．また，9 月洪

年 10 月 23 日／ピーク流量：1317 m3/s）である（生起

水と 10 月洪水の間の流量は平水流量であったため，河確率約 1/2 年）．また，下流端水位は，9 月洪水では解

床変動はほとんど生じていないと考える．

析範囲下流端付近に設置されていた水位計の値を与え

植生高については，図-4 に示すように，計算格子の10 月洪水では水位計が設置されていなかったため，た．

格子点から半径 2m 以内の ALB の植生高データ

解析範囲の上流端を KP17.4，下流端を三野観測所のあ（DSM-DTM）を抽出し，それらを平均した値を解析- 37 -

流量Q

900

水位H

9.0
8.8

700

8.6

500

8.4

300

8.2

水位H(m)

流量Q(m3/s)

9.2

1100

8.0

100
0

5

10
15
時間(hour)20

図-4 植生データ
抽出方法

25

図-5 竹林範囲(赤色部分)

9.2
9.0
8.8
8.6
8.4
8.2
8.0
7.8
7.6

流量Q

流量Q(m3/s)

1200

水位H

1000
800
600
400
0

5

10

15

20 25 30
時間(hour)

35

40

45

水位H(m)(a) 2017 年 9 月洪水
1400(a) 植生高

50(b) 2017 年 10 月洪水
図-3 流量-水位ハイドログラフに用いる植生高とした．密生度は，吉田ら 1)と同様の方法で 2m 間隔の ALB データごとに算出し，植生高と同様の抽出方法で，抽出範囲内に占める植生種ごとに割合を付けて平均した値を用いた．ここでの密生度の(b) 密生度
図-6 植生データ（白抜き箇所：値 0）

定義は，単位面積あたりの(樹木の本数)×(胸高直径の平均値)である．また，竹林は別途航空写真で判別し（図-5），
実測値を基に算出した値である 0.286m を与えた．
植生高・密生度のコンター図を図-6 に示す．ここで，竹林の密生度は iRIC のソフト上で直接与えたため，図-6(b)では竹林の密生度は含まれていない．
粒度分布は，低水路では解析範囲内で 2013 年に行わ

通過質量百分率(%)

100.0

-1

80.0

低水路

60.0

高水敷

40.0
20.0
0.0

れた岡山河川事務所の河床材料調査の平均的な結果を

0.01

0.1

用いた．砂州・高水敷では，本研究室で行った現地調
査で採取した祇園地区中州上の河床材料（2017 年 5 月）の粒度分布を用いた．各々の粒度分布を図-7 に示す．

1
10
粒径(mm)

100

1000

図-7 粒度分布(2) 解析結果と実測値の比較

また，2017 年 3 月の ALB 計測で，KP15.0 左岸付近

解析による最終的な河床変動量と，2017 年 3 月・11の低水路内に護床工が存在していることが確認できた

月の ALB 計測の地形データの差分を図-8 に示す．こ（図-1：黄破線箇所）．水面下の構造物は目視が困難な

こで，図-8(a)の白抜き部分は草本や水深などによる欠ため，定期横断の測線からずれてしまうと位置や範囲測のため 2 回の計測の差が算出できなかった箇所とすが把握できず，構造物を含めた地形データの作成は難しくなる．構造物周辺では局所的な洗掘が生じやすく，る．ここで，差分の算出に用いた ALB データは，地形データの作成に用いる場合のように内挿補間を行解析において無視できないデータであると考え，っていないため，前述のような欠測箇所が存在する．

Case-A では，護床工を固定床として設定した．一方，

2 章の精度検証を踏まえ，ALB 計測が妥当とした上で中井出井堰は目視で確認できる構造物のため，Case-A

解析結果を検討する．

と MIP-A の 2 つのケースで固定床とした．本解析では固定床とした箇所は洗堀が生じないものとする．また，

図-8(b)，(c)は，Case-A，Case-MIP-A の河床変動量の合計である．図を見て分かるように，どちらの解析

上流端からの流砂量の条件は平衡流砂量とした．

結果も上流や堰の周辺で，差分とは異なる過剰な洗- 38 -

(a) 分岐前後の測線
3.5

流速(m/s)(a) ALB計測差分(2017年11月-2017年3月)

3.0

Case‐A

2.5

Case‐MIP‐A

2.0
1.5
1.0
0.5
0.0
0

50

100

左岸

150
200
横断距離(m)

250

300

350

右岸

(b) 測線を通過する流速（分岐前）(b) Case-A

3.0

Case‐A

流速(m/s)2.5

Case‐MIP‐A

2.0
1.5
1.0
0.5
0.0
0

左岸

50

100

150
200
横断距離(m)

250

300

右岸

(c) Case-MIP-A
図-8 河床変動量(c) 測線を通過する流速（分岐後）
図-9 分岐前後の測線と流速

堀・堆積の傾向が見られる．まず，堰より上流側の低は，分岐前から流れが左岸側に偏っていることが分か

水路では，差分では全体的に洗掘傾向が確認できるのる．そのため，分岐後も流れは左岸側に集中しておりに対し，解析では，上流側での堆積が見られ，その下（図-9 (c)），これにより，左岸側での過剰な河床変動が流で局所的に洗掘・堆積が生じていることが分かる（図生じたと考える．一方で，Case-A は分岐前後ともに左-8(b)，(c)：黒破線）．次に，解析において堰周辺では，右岸での流速にあまり偏りがない（図-9(b)，(c)）．図-2(c)

堰上流側で大きく洗掘しており，堰下流では過剰な堆の KP15.2～15.4 区間の右岸側では Case-A の方が河床積・洗掘が生じている．これらの違いは，上流端から高が低いことが確認できる．このことから，右岸側にの供給土砂量が現地の状況とは異なっていることや，も洪水流が流れ易くなり，Case-MIP-A に比べて，分岐堰周辺の三次元的な流れを再現できないことが影響し後の右岸側で流速が大きくなっていることが分かるていると考える．

（図-9(c)赤丸箇所）．以上のことから，流路の分岐箇所
での地形の再現性により， 左右岸での流速の違いが生

一方，KP15.2 より下流のように，平面二次元で流況じ，河床変動の傾向に影響を及ぼしたと考える．

を扱えるような箇所においては，まず，Case-MIP-A（図-8(c)）では，KP15.2 より下流の左岸側で洗掘と堆積がこのことから，ALB データを用いることで流路の分繰り返し生じており，ALB 計測の差分とは異なる河床

岐点等の急な流路変化が生じる箇所の地形を再現で変動の傾向が目立つ．それに対し，Case-A（図-8(b)）

き，平面二次元解析で流況を扱えるような箇所で実際

では，KP14.8～15.2 右岸側に見られる洗掘・堆積の広の河床変動の傾向と近い結果を得られると考える．

がり方など，差分と近い傾向を示した．これは，中州

次に，堰周辺の過剰な河床変動結果に焦点を置き，によって分岐した左右岸の流路での流速の違いが要因

現地の状況を踏まえ，更なる解析条件の改善を試みる．

と考える．図-9(b)の赤丸で示すように Case-MIP-A で

一般に，堰周辺の流れは 3 次元的であり，平面 2 次元
- 39 -

100
15.6km右岸
15.6km中央

百分率(%)

80

図-10 中井出井堰(黒破線)周辺の河床高(2017年3月, ALB)

60
40
20
0
0.01

0.1

1

10
粒径(mm)

100

1000

図-12 2013年国交省河床材料調査結果（赤丸：KP15.6右岸の採取箇所）

実現象と違いが生じたと考える．

図-11 堰下流の航空写真

そこで，以下の点を変更し，Case-A の解析を再度行

モデルによる堰周辺の河床変動の再現は困難と考えらった．まず，図-13 の範囲で図-12 に示す KP15.6 右岸

れるが，河床と堰頂の落差や縦断勾配によっては流れの粒度分布を与えた．ここで，約 20m 左岸側で採取さの 3 次元性が弱く，平面 2 次元モデルで近似的に扱えれている KP15.6 中央の粒度分布（図-12）が，解析でる場合があるものと考えられる．図-10 には中井出井

低水路に与えている粒度分布とそれ程変わらなかった堰（黒破線）周辺の河床高(2017 年 3 月，ALB)を示す．

ことから，図-13 の範囲（流下方向に 4m メッシュ約 5

図より，KP15.8 に比べて KP15.6 付近では河床勾配はつ分）のみを KP15.6 右岸の粒度分布とした．次に，堰緩く，現地条件の精査により平面 2 次元モデルによっの表面は凹凸があることから，堰上の流速は低減するて河床変動の再現性が向上する可能性が考えられる．
堰上流の航空写真（図-11）を見ると，堰に沿って粗と考え，堰の粗度を 0.035m-1/3s に変更した．最後に，
堰下流の草本で覆われた箇所では洗掘が生じないとしい粒径が存在していることが確認できた．2013 年国土て，図-14 の範囲を固定床に設定した．

交通省の河床材料調査 KP15.6 地点右岸の粒度分布を変更後の解析結果を図-15に示す．まず，粒度が粗く

図-12 に示す．図から分かるように，河床材料の大半なったことにより，堰上流で生じていた深掘れが抑制

が粗い粒径であり，このような粗い粒径を有する粒度されたことが分かる．また，堰下流の左岸側では，ALB

分布が堰に沿って一定の範囲で広がっていたため，実計測差分で河床変動が生じていないのに対し，解析結際には洗掘に至らなかったと考える．また，堰下流側

果では堆積が確認できる．これは，ALB計測では植生に関しては陸域に草本が密生していることが分かる

被覆区間で最大で約30cm程度の誤差が確認されてい（図-11）．このように陸域が全体的に草本に覆われてることから，図-11のように草本が繁茂する箇所では草いるような状況の場合，草本によって河床の洗掘が妨本の高さよりも低い箇所に溜まった土砂をALB計測でげられる可能性がある．河床変動に対する植生の影響は捉えられなかった可能性があると考える．また，解に関しては，永多らの研究において，植生の根系を短析モデルでは草本周辺では流水抵抗のため流速が低減

繊維で模式化した移動床実験から，河床材料に繊維状して土砂堆積が促されるが，実際の草本類は洪水中にの物質が混入すると流砂量が低減することが示されて倒伏し，滑面水路のように土砂を輸送するメカニズム

いる．つまり，植生が密生している箇所では洗掘が生も考えられる．そのため，本解析結果ではALB計測結

じにくいことが考えられるが，本解析方法では植生の果と比べて過剰な土砂堆積が生じたと考えられる．い情報が直接的に河床変動に影響することはないため，

ずれにせよ，この箇所で現地での地上計測は実施して- 40 -

図-13 KP15.6右岸の粒度分布を与えた範囲(a) ALB計測差分(2017年11月-2017年3月)(b) Case-A

図-14 堰下流固定床範囲

図-15 河床変動量（条件変更後）

おらず詳細は不明のため，今後検証は必要である．一方で，図-14の箇所を固定床に設定したことにより，河さらに下流でのやや過剰な河床洗掘に現れ，現地の状

床変動の傾向が変化し，変更前には見られなかった低況(ALB差分結果)と異なるが，KP15.4より下流の河床水路での洗掘が確認できる（図-15(b)：黒破線）．実際

変動の傾向は現地と大きく異なることはない．そのたの差分と比べると，やや上流側で生じているものの，め，本解析で解析条件を改良したことで中井出井堰よ堰下流の主流の部分で洗堀が生じるという，差分と同り下流の祇園地区の河床変動の堆積・洗掘傾向の再現

様の傾向が見られた．

性は向上したものと考えられる．一方，本研究では解析の上流端からの供給土砂の条件を適切に設定できなかった．また，植生による土砂の堆積作用のモデル

６. まとめ化についても十分でない．そのため，今後，検討を行本研究で得られた知見を以下に纏める．

って改善を試みたい．

(1) 定期横断測量や，TS による現地計測結果と比較した結果，ALB 計測データは陸域・水域を問わず，現地

参考文献の河道地形を良好に再現した．

1) 吉田圭介ら：ALB 点群を用いた樹木群の密生度算(2) 中井出井堰周辺より下流箇所では，計算初期地形に定法の検討，土木学会論文集 B1（水工学），Vol. 74,

ALB データを用いた解析結果（洗掘・堆積傾向）が，No. 4, I_547-I_552, 2018．

より差分結果に近いことを示した．

2) 河川シミュレーションソフト iRIC，http://i-ric.org/ja/(3) 堰周辺の現地の状況を踏まえ，河床の粗粒化と草本類の浸食抑制効果を簡易に扱って解析条件を変更した

謝辞

ところ，解析結果は ALB 計測の差分結果の洗掘・堆積

本研究を遂行するにあたり，研究助成を賜りました

傾向により近づくことが分かった．

公益財団法人 ウエスコ学術振興財団に深く感謝いた以上のように，定量的な観点からはまだ十分ではな

します．また，国土交通省中国地方整備局岡山河川事

いが，初期地形の再現や解析条件の改良を通じて，ALB

務所からは多数の貴重なデータを提供頂きました．記

計測データは洪水時の河床変動解析の再現性の検討やして謝意を示します．さらに，株式会社パスコの間野

向上に役立てられることが分かった．また，特に，平

耕司様ならびに岡山大学大学院 山口華穂さん，小川

面2次元モデルによる河床変動解析では中井出井堰の修平君には現地調査，解析結果の整理等で大いにご協

影響が堰の上下流での過剰な堆積や，その反動として力頂きました．記してお礼申し上げます．

- 41 -

歴史的砂防施設“別所砂留”の持続可能な保存整備に向けた調査研究
岡山大学大学院環境生命科学研究科
樋 口 輝 久広島県福山市の“別所砂留”は、その規模、築造数から近世最大の歴史的砂防施設である。半世紀以上、手つかずで、鬱蒼としていた山中から、地域住民が新たに発見したこの砂留は、民有地内に存在することから、行政の管理下にない。したがって、現在ではボランティア団体である「別所砂留を守る会」が、草刈り等の定期的な整備作業と必要に応じて修復作業を実施している。そこで本研究では、世代が交代しても、将来的な石積の保存修復や砂留の維持管理が、継続的にできるように、修復作業の手法や様子を記録するとともに、３Ｄ
レーザースキャナ計測を行い、点群データを取得して図面を作成した。

１．はじめにいため、様々な機具を所有し、これらの作業にも慣広島県福山市は、江戸時代に築造された石造の砂れているが、人口の減少、離農が進んでいる今日、防施設である「砂留」が 50 基程度現存している全国

将来的にこうした人材、技術を維持していくことはでも希な地域である。その市内芦田町の有志が、平困難が予想される。

成 21（2009）年から平成 26（2014）年にかけて、半

そこで本研究では、ボランティア団体である「別世紀以上にわたって人の手が入ることがなかった山所砂留を守る会」が、砂留の保存修復、維持管理を中から、新たに 36 基から成る「別所砂留」を発見し世代が交代しても継続的に実施できるように、これた。それは、1 渓流としては最多の数で、鎧積みやまでの作業を記録保存するとともに、実施可能な方

アーチ形状等、様々な形態があることに加え、既存法を検討し、最終的には砂留の整備保存マニュアルの砂留の規模を超えるものもあり、わが国におけるを作成することを目指している。今年度は、7 月豪

1)

雨で九番砂留の一部が崩壊したため、その修復作業

近世砂防の歴史を大きく塗り替える砂留であった 。

を記録した。

しかしながら、「別所砂留」は、その存在自体が知られていなかったため、当然、管理者が存在しない。

また、平成 28（2016）年 10 月に七番砂留の一部

これらの砂留は現在でも砂防施設として機能しておが崩壊した際に、「別所砂留を守る会」が初めて石積り、長年にわたって土砂災害を防いできた歴史的砂の修復作業を実施したが、崩落した約 100 個の石材防施設でもあるが、地権者 500 名以上の民有地にあのうち元通りに復元できたものは半数であった。別るため、行政が土地を取得し、通常の砂防施設とし所砂留は、国指定重要文化財にも匹敵する価値も有て維持管理することは現実には不可能である。そこしているため、できるだけ元通りに修復することがで現在では、地域住民による「別所砂留を守る会」

望まれる。将来的な石積の修復作業や今後の維持管が中心となって定期的な草刈り等の整備作業を実施

理に向けて、
砂留の現況を記録保存しておくために、しているが、長年にわたって管理されていなかった

３Ｄレーザースキャナ計測を行い、点群データを取うえに、近年の頻発する豪雨のため、徐々に崩壊が得するとともに、それを基に図面を作成した。

進んでいる。技術的にも資金的にも行政からの支援
２．保存修復方法の記録保存がないボランティア活動の中で、土砂災害を防止するために、砂留の保存修復ならびに継続的な維持管

平成 30 年 7 月豪雨によって、九番砂留の水通し部

理をして行かなければならない 2,3)。しかも、現在のの石材が一部崩落した（写真-1）。平成 28（2016）

メンバーは、60～70 歳代が中心で、農業従事者が多

年に七番砂留が崩壊した際は、ユンボが入る場所で- 42 -

崩壊箇所

修復箇所

写真-1 修復前の九番砂留

写真-2 修復後の九番砂留

写真-4 超小型ユンボによる石材の運搬

写真-3 崩落防止対策工

写真-5 三つ叉による石材の据え付け
用いた道具は、超小型ユンボ、チェーン、鉄筋、
ロープ、
鉄パイプ、
チェーンブロック用三脚ヘッド、
チェーンブロック、じょうせん、玄翁、てみである。
まず、①崩壊箇所の上部が雪崩式に崩れないように、鉄筋を打ち込んで、ロープで牽引し、作業の安全を確保した（写真-3）。②流出した石材を超小型のユンボで運搬した。なお、九番砂留は平成 28（2016）
年 2 月に３Ｄレーザースキャナ計測を実施し、図面を作成していたが、崩壊した箇所は、この度の豪雨
で土砂が流出し、新たに姿を現した箇所であったた

写真-6 じょうせん、玄翁による据え付けの調整

め、石材の特定ができない。そこで、九番砂留の下あったが、九番砂留は急勾配なうえに、両岸が迫っ流にある大きめの転石を数個選んだ。③チェーンをた狭い谷に築造されているため、ユンボを導入する

かけた石材を三つ叉でつり下げ、崩壊部と石材の形ことができない。そこで、石材は超小型のユンボで状が合う箇所、向きに据え付けた。その際、砂留の運搬したが（写真-4）、据え付けは三つ叉を用いた人

表面の高さが揃うように、据え付ける石材の下にぐ力で行った（写真-5）。

り石を入れ、調整を行った。ぐり石は周辺の小石を- 43 -

図-1 七番砂留の点群データてみで集めておいたものである。④据え付けた石材

写真で記録保存した。なお、当初予定していた専門が隣の石材と接し、収まり良く座るように、じょう家を招聘し、維持管理や修復保存方法の指導を受け

せんで微調整をする（写真-6）。⑤据え付けた石材とることは、予算の関係で実施できなかったため、今石材の間に、形状の合う小石を詰めて、玄翁でしっ

年度、申請額が採択されれば、実施したい。

かりとはめ込む。

また、洪水や地震などの災害で砂留が崩壊した場

作業は、平成 31（2019）年 3 月 13 日の 1 日で終合でも、元通りに修復できるようにするための３Ｄ了し、既存の石積と違和感なく修復できた（写真-2）。

レーザースキャナ計測と図面の作成は、本研究助成

この様子を動画および写真で撮影し、作業手順、必で 3 基が実施できた。これで四番～十番砂留の 7 基

要な道具、注意点とともに記録しておいた。

が完了したので、残る 7 基についても、今年度以降の助成金の獲得をめざし、2 年程度で実施したい。

３．３Ｄレーザースキャナ計測と図面の作成
平成 31（2019）年 2 月 21 日に、五番、六番、七

参考文献

番砂留の 3 基について、
株式会社ウエスコに委託し、

1) 近世最大の砂防施設群“別所砂留“ ― その実態と３Ｄレーザースキャナ計測を実施した。土堰堤部分

地域住民による保存整備活動（第一報）―，樋口や両岸の斜面も含めた周辺部の点群データ（図-1）

輝久・戸谷宥貴・山科直生，
土木史研究
（講演集）
，

と石積のみの点群データの 2 種類を納品して頂いた。

Vol.36，2016.5，pp.243-246.

それをもとに、石の輪郭のみを描いた図面を、各砂

2) 近世最大の砂防施設群“別所砂留“（第二報）― 七

留について平面図、下流から見た正面図、上流から

番砂留の修復と今後の維持管理について―，樋口の背面図をそれぞれ作成した（図 2～4）。

輝久・山科直生・秋田哲志，
土木史研究
（講演集）
，
Vol.37，2017.5，pp.65-68.
3) 近世最大の砂防施設群“別所砂留”（第三報）― 保

４．まとめ
地域住民で組織された「別所砂留を守る会」が、存活用に関わる行政の支援―，樋口輝久・光成良

砂留の保存修復、維持管理を世代が交代しても継続

秀，土木史研究（講演集），Vol.38，2018.5，

的に実施できるように、平成 30 年 7 月豪雨で欠損

pp.37-40.

した九番砂留の石積の修復作業の様子を動画および- 44 -

図-2 五番砂留の図面- 45 -

図-3 六番砂留の図面- 46 -

図-4 七番砂留の図面- 47 -

疎水性キャピラリーバリアを持った河川堤防の安全性に関する研究:- 疎水性地盤材料の混合比による力学特性の影響 岡山大学大学院 環境生命科学研究科
金 秉洙

本研究では，表面が水を排斥するという性質をもつ疎水性地盤材料を用いてキャピラリーバリア盛土への適用性及び安全性について検討を行う。そのため，研究期間内に疎水性地盤材料の物理特性や力学特性・水理学特性について把握することを目指す。遮水層の土材料として疎水性地盤材料を用いるには，経済性や施工管理，
地盤の安全性などの検討が必要である。そこで，H30 年度では親水性地盤材料と混合し，疎水性地盤材料の混合率 0%，25%，50%，75%，100%を調整し，混合率による不飽和土力学特性を定量的に評価した。本研究の結果として，一定含水比圧縮試験の結果により，疎水性地盤材料の混合率が増加するほど，土のせん断強度が減少することが確認できた。また，三軸圧縮試験(CU)の結果からも同様の結果が得られ,親水材に比べ，疎水材は摩擦力が低い材料であると確認された。さらに，保水性試験の結果により，疎水材混合率が増加すると，水浸入値(WEV)が小さくなり，ヒステリシスが大きくなることが分った。一方，SSM により得られたサクション応
力や見かけの粘着力(Δc)の関係により，疎水材混合率による不飽和土のせん断強度の増分や飽和状態の破壊基
準との関係が明らかになった。

１．はじめに

２．保水性試験

近年，豪雨による地盤災害が頻繁に発生している。

２.１ 試験概要及び条件

その解決策の 1 つとして，地盤表層部に遮水層を設

本研究では，図 1 に示している連続加圧式の加圧けることが挙げられ，遮水シートのような様々な遮版方式の試験装置を用いて保水性試験を行った。段

水層が適用されている。しかし，それらの多くは自階加圧方式では供試体に対してある一定の空気圧力然に存在しない材料から成るものが多く，自然環境を与えて維持し，その状態での供試体の吸排水量が負荷が大きいと考えられる。そこで，自然材料であ平衡状態になってから次の圧力段階に移行する。こる疎水性地盤材料の適用が考えられるが，疎水性地

れに対して連続加圧方式では，供試体に与える空気

盤材料のみを遮水層の全体に用いるためには，コス圧を連続的に増加・減少させながら試験を行う。特

トや施工管理，安全性などを検討する必要がある。

に，この試験装置に設置されているマイクロテンシ

よって，本研究では日本の標準砂である親水性と疎オメーターから供試体内の間隙水圧を読み取り，保

水性豊浦砂を混合させ，一定含水比圧縮試験により水性を把握できる。連続加圧式を用いた試験装置に

その力学特性について調べた。特に，不飽和土力学

より，不飽和状態から飽和状態に移行する吸水過程

理論に基づいて，疎水材混合率によりサクション応の水分特性曲線を迅速に，工学的に充分な精度で得力(suction stress, ps) 1)や見かけの粘着力(Δc) 2)~4)の関ることができると考えられる。

係を検討した。

試験対象試料は，疎水材（water repellent soil, WRS）の混合比=25%，50%，75%であり，親水性(WRS=0%)と疎水性豊浦砂(WRS=100%)の場合は，前年度の研- 48 -Electro-pneumatic controller
D/A converter

表-1 連続加圧方式による保水性試験の初期条件
Air pressure
from Compressor

ch0…
ch1…
1 2 3
4 5 6
7 8 9

Pore air-pressuretransducer, ua

Controlled
air pressure

Computerwiρdi (g/cm3)

Sri (%)

25

0.10

1.57

40.4

50

0.11

1.55

41.8

75
0.11
1.56
41.5
Note: wi：初期含水比, ρdi：初期乾燥密度,
Sri：初期飽和度

Data Logger
Micro-tensionmeter(AEV 100kPa)

WRS(%)

Specimen

Pore water-pressuretransducer, uw

10.22 gElectronic scale

0.5

図-1 連続加圧方式の保水性試験装置の概念図
究成果 5)を利用した。本研究での供試体は，疎水材
混合率 WRS=25%，50%，75%の条件で混合された
標準砂を用いて三層静的締固め法によって作製した。
供試体サイズは，直径 50mm，高さ 50mm であり，
初期乾燥密度は，1.50g/cm3 である。保水性試験における各供試体の初期条件は，表-1 にまとめている。

Volumetric water content, Ceramic disc with a doughnut shape(AEV100kPa)

WRS=0%
WRS=25%
WRS=50%
WRS=75%
WRS=100%

0.4

0.3

0.2

0.1

0.0
0.1

２.２ 保水性試験結果

1

10

100

Suction, s (kPa)

疎水材混合率(WRS) =0%，25%，50%，75%，そ

図-2 疎水材混合率による保水性試験結果

して 100%における保水性試験の結果は，図-2 に示している。図より，疎水材混合率が大きくなる程，

表-2 空気侵入値(AEV)と水浸入値(WEV)

ヒステリシスが大きく，保水性に差があることが分WRS(%)

AEV(kPa)

WEV(kPa)

かる。しかし，WRS=0%と WRS=25%，さらに

0

2.4

1.3

WRS=50%と WRS=75%では水分特性曲線に大きな

25

3.0

1.6

差は見られなかった。本研究で用いた試料が砂質土

50

2.7

1.0

であるため，求められるサクションの範囲が狭いた

75

2.8

0.9

めであると考えられる。また，各疎水材混合率にお

100

2.9

0.6

ける水分特性曲線より得られた空気侵入値(air entry
value, AEV)と水浸入値(water entry value, WEV)を表ると，徐々に水が入る特性があると考えられる。さ-2 にまとめている。空気侵入値(AEV)は疎水材混合

らに疎水材が 25%程度混合された場合に水みちが形率によらず，ほぼ類似であった。しかし，水浸入値

成されやすく，浸潤が早い状態であると判断される。

(WEV)は疎水材混合率が大きい方がその値が小さい
ことが分かる。
つまり，疎水材混合率が増加すると，

３．一定含水比圧縮試験

吸水しにくいということである。これは疎水材の水を反発する特性が働いているものと考えられる。ま３.１ 試験概要及び条件

た，排水経路においてはあまり差がないが，吸水経一定含水比圧縮試験とは，供試体を飽和させずに，路においては WRS=25%の場合，水分特性曲線の傾

初期含水比を一定に保った状態で鉛直荷重のみを載

きが最も急になっていることが確認される。疎水材

荷し圧縮を行う試験のことである。すなわち，不飽は親水材に比べ，水が入りにくく，一度浸潤が始ま和状態での非圧密非排水三軸圧縮試験である。実験- 49 -

表-3 各供試体の初期条件

25

50

75

100

wi

ρdi (g/cm3)

Sri (%)

20
40
60
80
20
40
60
80
20
40
60
80
20
40
60
80
20

0.06
0.11
0.17
0.23
0.05
0.13
0.16
0.24
0.06
0.12
0.15
0.24
0.06
0.12
0.15
0.23
0.06

1.46
1.48
1.48
1.47
1.47
1.44
1.48
1.46
1.46
1.46
1.49
1.47
1.46
1.45
1.50
1.48
1.46

18.4
35.5
55.4
75.3
17.5
41.8
55.0
78.2
19.8
37.7
52.4
78.4
19.0
40.3
51.7
75.8
18.5

40

0.12

1.48

40.0

Deviator stress,  (kPa)0

Sr (%)

p0=20kPa
WRS=0%

100
80
60
40

Sr=20%
Sr=40%

20

Sr=60%
Sr=80%

0

0

3

6

9

12

15

18

Axial strain, a (%)(a) WRS=0%120

Deviator stress,  (kPa)WRS (%)

120

60
0.17
1.48
56.3
80
0.21
1.47
68.6
Note: Sr ：目標飽和度, wi：初期含水比, ρdi：初期乾燥
密度, Sri：初期飽和度p0=20kPa
WRS=100%

100
80
60
40

Sr=20%
Sr=40%

20

Sr=60%
Sr=80%の流れとしては，試料準備，供試体の作製，供試体

0の凍結，供試体の設置，供試体の解凍，そしてせん

0

3

6

9

12

15

18

Axial strain, a (%)

断の順に実験を行う。試験対象は WRS=0%，25%，
50%，75%，100%である。それぞれに対し，初期飽(b) WRS=100%

和度(Sri)20%，40%，60%，80%に対する 20 パターン

図-3 疎水材混合率による応力-ひずみ曲線行った。供試体の作製に関して，初期乾燥密度(ρdi)
が 1.50g/cm3 となるようにモールドに詰めた。
各供試

また，各疎水材混合率において，軸ひずみ(εa)が体の初期条件は，表-3 にまとめている。また，供試

1%〜3%の間に急激に上昇し，それ以降は緩く増加体を設置した後，有効拘束圧力を 20kPa 掛けた状態するという傾向を示した。これは，軸ひずみ(εa)と体で供試体を解凍させた。さらに，解凍が確認された

積ひずみ(εv)の関係を示している図-4 の体積ひずみ

後も 20kPa の有効拘束圧力を保ったまま，0.1%/min

曲線より，圧縮から膨張に変わるタイミングと同じのせん断速度でせん断を行った。

であることが確認できるが，疎水材混合率や初期飽和度(Sri)に関わらず，ピーク値を示すことはなかった。

３.２ 試験結果
図-3 は，疎水材(WRS)混合比 0%と 100%における一方，軸ひずみ(εa)と体積ひずみ(εv)の関係の図-4

軸ひずみ(εa)と軸差応力(Δσ)の関係を示す。まず，疎より，全ての試験結果においても軸ひずみが大きく

水材混合率が増えるほど，各疎水材混合率におけるなる程，体積ひずみが大きくなり，膨張しているこ

ピーク軸差応力の結果が低下する傾向を示している。

とが確認された。また，疎水材混合率が大きい程，

これにより，親水材より疎水材の方が摩擦力の低い

体積ひずみが小さくなり，圧縮から膨張になる変化材料であることが明らかになった。

が遅くなることが分かった。

- 50 -

WRS=0%-1.8

Volumetric strain, v (%)

Peak compressive strength, qmax (kPa)

-2.1

-1.5
-1.2
-0.9
-0.6
Sr=20%-0.3

Sr=40%
Sr=60%

0.0
0.3

Sr=80%

0

3

6

9

12

15

18

120

p0=20kPa
100
80
60
40

WS:WRS=1:0
WS:WRS=0.75:0.25
WS:WRS=0.5:0.5
WS:WRS=0.25:0.75
WS:WRS=0:1

20
0

Axial strain, a (%)

0

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Degree of saturation, Sr (%)(a) WRS=0%

図-6 初期飽和度(Sri)と最大軸差応力(qmax)の関係-2.1

WRS=100%120

p0=20kPa

-1.5

100

-1.2

qmax ave (kPa)

Volumetric strain, v (%)

-1.8

-0.9
-0.6
Sr=20%-0.3

Sr=40%

60
40

Sr=60%

0.0
0.3

80

Sr=80%

0

3

6

9

12

15

20
18

Axial strain, a (%)

0

0

25

50

75

100

Mixing ratio of W.R.S (%)(b) WRS=100%

図-7 疎水材混合率と qmax ave の関係

図-5 疎水材混合率による体積ひずみ曲線

うに疎水材混合率が大きいほど最大軸差応力(qmax)

３.３ 初期飽和度と最大軸差応力の関係
図-6 は，各疎水材混合率における初期飽和度(Sri)が小さくなることが確認された。これは疎水材の表と最大軸差応力(qmax)の関係を示している。各疎水材

面にはシラン処理によるコーティングが施されてお混合率において，初期飽和度(Sri)による最大軸差応り，その影響によりメニスカス水が存在しにくい。

力(qmax)の差は微小ではあるが，初期飽和度(Sri)がそのため，サクションの影響が小さく，見かけの粘40%〜60%の場合にそれぞれピーク値を取っている。

着力が小さくなったと判断される。

これは，試験時の初期飽和度(Sri)が約 20%〜80%であり，この飽和度(Sr)の範囲は保水性試験から得ら

３.４ 疎水材混合率と平均最大軸差応力の関係

れた水分特性曲線(図-2)より，空気侵入値(AEV)で

図-7 は，疎水材混合率とその混合率における平均ある約 2.4kPa〜3.0kPa を越えている。つまり，メニ

最大軸差応力(qmax ave)の関係を示している。疎水剤混

スカス水が徐々に増加していく過程に対応している。

合率が大きくなるほど平均最大軸差応力は小さくな

特に，初期飽和度(Sri)が 40%〜60%でメニスカス水ることが確認された。しかし，平均最大軸差応力のを持つ接点が多くなり，サクションの影響によりピ

低 下 率 は 一 定 で は な く ， 特 に WRS=75% とーク値が得られたと考えられる。また，前述したよWRS=100%では，変化が少ないことが確認できる。

- 51 -

1500

1200
c=200kPa

Shear stress, (kPa)

Deviator stress, q (kPa)1000c=100kPa

WRS=0%

c=100kPac=300kPa

800
600
400
200
0

3

6

9

12

15

c=200kPa

1200

c=300kPa
Failure Line900

c=0kPa, =30.9o

600

300

0
0

18

0

300

600

900

1200

1500

Effective stress, '(kPa)

Axial strain, a (%)(a) WRS=0%(a) WRS=0%

300

400
c=100kPa

250c=100kPa

WRS=100%

c=200kPa

WRS=100%

c=200kPa

Shear stress, (kPa)

Deviator stress, q (kPa)

WRS=0%

c=300kPa

200
150
100

300

c=300kPa
Failure Lineoc=0kPa, =18.5

200

100

50
0

0

1

2

3

4

0

5

Axial strain, a (%)

0

100

200

300

400

Effective stress, '(kPa)(b) WRS=100%(b) WRS=100%

図-8 各疎水材混合率においての応力-ひずみ曲線

図-9 モールの応力円とクーロンの破壊基準

これは，小さい摩擦力を持つ疎水材の量が 75%以上

４．圧密非排水三軸圧縮試験(CU)になると，土のせん断強度の増加にあまり寄与でき
試験対象は WRS=0%，25%，50%，75%，100%でないことであると判断される。
また，疎水材混合率と平均最大軸差応力(qmax ave)

あり，
初期乾燥密度(ρdi)は 1.50g/cm3 とである。
また，の関係により，以下のように WRS=75%を境に 2 つ供試体の作製や設置後の解凍，せん断速度についての関係式が求められた。この式により，疎水材混合は一定含水比圧縮試験と同様に行った。
図-8 に軸ひずみ(εa)と軸差応力(q)の関係の結果を率によるせん断強さの関係が予測できると期待され示す。WRS=25%，50%，75%において軸ひずみがる。

1%前後で変曲点が現れ，それぞれのせん断強度の増
qmax= -0.4×(WRS(%)) + 88.2

加傾向が類似していることが確認された。しかし，(式-1)

変曲点が現れた後も少し緩やかにはなるが，軸ひず
qmax= -0.12×(WRS(%)) + 67.5

み 15%まで供試体がせん断されながら強度がずっと(式-2)増加するということが分かった。一方， WRS=100%の場合のみ，ピーク値が現れた。

- 52 -

表-4 強度定数の結果
WRS(%)c (kPa)

φ(°)

Μ

0
25
50
75
100

0
0
0
0
0

30.9
30.8
28.0
25.4
21.1

1.24
1.23
1.18
1.00
0.82

図-9 にモール応力円とモール・クーロンの破壊規準による求められた強度定数を示す。また，内部摩擦角(φ)と共に軸差応力(p)と平均有効応力(q)の傾きである Μ の結果を表-4 にまとめている。
(a) WRS=0%100

不飽和土のせん断強度は，サクションによる影響が大きいことは一般的に知られている。
本研究では，
不飽和土のせん断強度に及ぼす疎水材混合率の影響を評価するため，圧密非排水三軸圧縮試験(CU)と一定含水比圧縮試験(CWCC)を行った。よって，本章
では，一定含水比圧縮試験においてのサクションに

Degree of saturation, Sr (%)

WRS=100%

５. 不飽和土せん断強度に対するサクション応力の
適用

80

60

40

20

0
0.1

よるせん断強度の増分の関係を明らかにするため，

1

10

100

Suction, s (kPa)

疎水材混合率による各供試体のサクション応力(ps)(b) WRS=100%

を，有効拘束圧力として適用し，疎水材混合率によ

図-10 SSM によるサクションの推定 6)

る不飽和土せん断強度の変化と飽和状態の破壊線の関係を評価する。また，式-3 から算定した見かけのより読み取り(図-10 参照)，計算されたサクション応

粘着力(Δc1)と飽和破壊線及び不飽和破壊線に基づ力(ps1)を式-4 より計算した。

いて求めた見かけの粘着力(Δc2)の値を比較する。
 S  Sr0 s   tan  c   r
 100  S r 0 

p

(式-3)

s



S r  S r0s*100  S r 0(式-4)

ここで，s*は，SSM により水分特性曲線から求めたサクションである。

５.１ サクション応力の適用

図-11 は，破壊時の飽和度によるサクション応力
不飽和土せん断強度は，サクションの影響によりの関係を示している。図により，本研究で用いた豊増加されるため，疎水材混合土におけるその関連性

浦砂の場合，サクションが小さい範囲になるが，飽について調べた。特に本研究では，疎水材混合率に和度が増加すると，サクション応力が大きくなるこ

よるサクションの変化がせん断強度に及ぼす影響にとが分った。

ついて注目した。
そこで，図-2 の水分特性曲線から，また，一定含水比圧縮試験の結果における(pnet，

WRS=0%，25%，50%，75%，100%においての破壊q)の関係について SSM により求めたサクション応時における飽和度(Srf)のサクションの値を SSM 6)に力(ps1)を適用した結果，(pnet +ps1，q)の関係により，- 53 -

100

120

M linep'p+p (c )Pnet
net + pss1 1

100

pnet
P
+ pnets2 (c2)
net+p

WRS=0%

Srf=18.0%

WRS=0%

Shear stress,  (kPa)

Deviator stress, q (kPa)

140

80
60
40

Srf=34.6%

80

Srf=53.5%
Srf=74.5%

60

40

F.L:Sr=100%

20

20
0

0

20

40

60

0

80

0

20

(a) WRS=0%

80

100

(a) WRS=0%

140

100

120

M linep'
pnet
P+ pss1(c1)
net+p

100

pnet
+p (c2)P
net + pss2

Srf=18.2%

WRS=100%

Shear stress,  (kPa)

Deviator stress, q (kPa)60

Net normal stress, net (kPa)p', pnet+ps (kPa)

80
60
40
20
0

40

0

20

40

60

WRS=100%

Srf=39.4%

80

Srf=55.5%
Srf=67.5%

60

40

F.L:Sr=100%

20

0

80

0

20

40

60

80

100

Net normal stress, net (kPa)p', pnet+ps (kPa)(b) WRS=100%(b) WRS=100%

図-11 サクション応力の適用

図-12 一定含水比圧縮試験の見かけの粘着力(Δc2)の求め方

三軸圧縮試験の結果から求めた M ライン(p’と q の傾きを表す直線)に近づくが，その変化量は微小であ

SSM によるサクション応力(ps1)と三軸圧縮試験(CU)った(図-11 参照)。そこで，飽和破壊線及び不飽和破で得た tanφを用いて導く 6)。一方，試験結果から求

壊線から求めた見かけの粘着力(Δc2)により新たにめた見かけの粘着力(Δc2)は，図-12 に示している通サクション応力(ps2)を求め，同様に比較した。そのり，三軸圧縮試験(CU)から求めた飽和破壊線の粘着結果， (pnet +ps2，q)の関係の方がより M line に近づ力(c)と，一定含水比圧縮試験から求めた不飽和破壊

く結果となった。これは，サクションにより増加し線の粘着力(c)を比較し導く。ここで，各供試体の不たせん断応力の増分と，低拘束圧条件(すなわち，飽和破壊線は，一定含水比圧縮試験から得たモール

20kPa)での過圧密状態の影響が供試体に働いて推定の応力円に飽和破壊線の傾きを適用して求めた。
二つの方法によって導いた見かけの粘着力(Δc)を値より試験結果が大きくなったと推定される。

図-13 に示す。疎水材混合率 WRS=0%，25%，50%，
75%において，見かけの粘着力(Δc1)はほとんど差が５.２ 見かけの粘着力(ΔC)の比較ない。これは豊浦砂が示すサクションの範囲が非常
理論式(式-3)から算定した見かけの粘着力(Δc)は，- 54 -に狭く，飽和度の差によるサクションの差が小さい

Apparent cohesion, c (kPa)

16

るため，日本の標準砂である豊浦砂をシラン処理にc1

14

WRS=0%

より疎水性地盤材料を作製し，親水材と疎水材の混

c2

12

合砂(WRS=0%，25%, 50%, 75%, 100%）における力10

学特性について調べた。強度試験としては，圧密非

8

排水三軸圧縮試験(CU)，一定含水比圧縮試験を行った。さらに，サクションによる不飽和土せん断強度

6の増分の関係を調べるため，保水性試験により水分4

特性曲線を得た。これらの結果を用い，不飽和土力

20

学理論に基づいて検討を行い，得られた結論を以下
0

20

40

60

80

に示す。

100

Degree of saturation at failure, Srf (%)(a) WRS=0%(1) 一定含水比圧縮試験の結果により，疎水材混合

Apparent cohesion, c (kPa)

16率が増えるほど，各疎水材混合率におけるピー
c1

14

WRS=100%

ク軸差応力の結果が低下する傾向が確認された。

c2

12

また，疎水材混合率とその混合率における最大10

軸差応力の平均(qmax ave)の関係から，平均最大軸8差応力の低下率は一定ではなく，
特に WRS=75%

6と WRS=100%では，平均最大軸差応力からあまり差がないことが確認された。これは，小さい

4摩擦力を持つ疎水材の量が 75%以上になると，

2

土のせん断強度の増加にあまり寄与できないこ
0

0

20

40

60

80

とを意味する。

100(2) 圧密非排水三軸圧縮試験(CU)の結果により，Degree of saturation at failure, Srf (%)(b) WRS=100%

WRS=25%，50%，75%において軸ひずみが 1%

図-13 見かけの粘着力(Δc)の比較

前後で変曲点が現れ，それぞれのせん断強度の増加傾向が類似していることが確認された。しため，サクションによるせん断強度の増加を正しくかし，変曲点が現れた後も少し緩やかにはなる

反映することに限界があると判断される。一方，見が，軸ひずみ 15%まで供試体がせん断されながかけの粘着力(Δc2)は疎水材混合率が大きくなる程，

ら強度がずっと増加するということが分かった。

小さくなっている。これは三軸圧縮試験(CU)で得た

一方， WRS=100%の場合のみ，ピーク値が現れ

内部摩擦角(φ)にあまり差がないのに，せん断強度た。これは，疎水材の摩擦力が低いので，ピーの低下が大きいからであると考えられる。しかし，

ク後の圧縮に耐えらなかったと判断される。

WRS=100%の場合には大きい値を示している。これ(3) 理論式と試験結果によって導いた 2 つの見かけは 2 つの試験の拘束圧条件がかけ離れていることがの粘着力(Δc)には大きく差があり，傾向も異なっ影響を及ぼしたと判断される。

ていた。これはサクションによる影響と疎水材のシラン処理による摩擦力の低下と共に，低拘束圧条件(すなわち，20kPa)での過圧密状態の影

６．結論

響が結果に影響を及ぼしたと考えられる。した本研究では，疎水性地盤材料を用いてキャピラリ

がって，サクション応力の適用によるサクショ

ーバリア盛土への適用性及び安全性について検討す

ンとせん断強度の関係性の究明までは至らなか- 55 -

ったため，拘束圧条件の変更や他の土試料を用いた研究を今後行う必要があると考えられる。

参考文献
1) 軽部大蔵，加藤正司，浜田耕一，本田道識：不飽和土の間隙水の状態と土塊の力学的挙動の関係について，土木学会論文集，No. 535，pp. 83-92，
1996.
2) Bishop, A.W., and Blight, G.E.: Some aspects ofeffective stress in saturated and partly saturated soils,
Geotechnique, Vol. 13, No.3, pp. 177-197, 1963.
3) Fredlund, D.G., Morgenstern, N.R. and Widger,
R.A.: The shear strength of unsaturated soils,
Canadian Geotechincal Journal, Vol. 15, No. 3, pp.
313-321, 1978.
4) Vanapalli, S.K., Fredlund, D.G., Pufahl, D.E. &Clifton, A.W.: Model for prediction of shear strengthwith respect to soil suction, Canadian Geotechnical
Journal, Vol.33, No.3 pp. 379-392, 1996.
5) 金 秉洙: 疎水性キャピラリーバリアを持った
河川堤防の安全性に関する研究, 平成 29 年度研究成果報告書集, 公益財団法人ウエスコ学術振興財団, 平成 30 年 3 月, pp. 17-22, 2018.
6) Kim, B.S., Shibuya, S., Park, S.W., and Kato, S.:
Applicationof suction stressfor estimating

unsaturated shear strength of soils using direct shear
testing under low confining pressure, Canadian
Geotechnical Journal, Vol. 47, No. 9, pp. 955-970,
2010.

- 56 -

高精度氾濫解析と避難経路解析を組み合わせた防災シミュレーターの開発
岡山大学大学院環境生命科学研究科
赤穗 良輔
近年、集中豪雨の発生頻度が急増し、深刻な氾濫被害が頻発している。現在、多くの自治体で作成されているハザードマップでは，浸水範囲や避難場所の確認を住民はできるものの，被災時おける迅速な避難行動へつながる情報提供は未だ不十分であると考えられる。したがって、より高度なソフト面からの防災・減災対策を策定していくためには、高精度な氾濫シミュレーションおよび避難シミュレーションを利用した防災計画の検討が今後より重要となってくると考えられる。本研究では、申請者が開発を進めて行きた高精度氾濫解析モデルと簡易型の避難シミュレーショ
ンモデルである避難経路策定モデルを組み合わせた防災シミュレーターの構築を目的とし、氾濫解析モデルに用いられている床上浸水による建物内への浸水を考慮できる半透過モデルの再現性の検証および、構築した防災シミュレー
ターによる 2018 年 7 月洪水による岡山県倉敷市真備町での避難時間と避難領域の時間変化について検討を行った。
１．序論
近年，全国各地で予測を大きく上回る集中豪雨の発生頻度が急増しており，深刻な氾濫被害が頻発している．今後，大規模な洪水氾濫が発生する可能性は益々高くなると予想される．そこで，ハード対策面だけでなくソフト面の防災対策の拡充が重要な課題となっている．ソフト対策には氾濫の数値解析が非常に有効なツールであり，高精度の市街地氾濫解析によって，市街地域の氾濫水の挙動と危険度を事前に把握し，適切な防災策を講じることが重要である．氾濫水の挙動を精度良く予測し，かつ広範囲の領域における氾濫解析を実施するためには，市街地内の建物や道路の配置を効果的に考慮できるモデルを用いる必要がある．
現在の氾濫流解析には、浅水流方程式を用いた平面
二次元解析モデルが一般的に使用されている。このモデルは、氾濫域の水深と流速の面的な分布を予測することが可能であり、洪水や津波による浸水想定区域図の作成に用いられている。一方で、より綿密な治水計
画を策定するためには、建物など複雑な地物形状や配置による影響まで精度よく計算できる、高精度の氾濫解析モデルを用いる必要がある。これらの地物形状を全て計算格子で表現するためには、膨大な計算コストがかかる。そこで、近年はサブグリッドスケールの地物をモデル化した研究が進められている。

そこで、本研究では、高精度な氾濫解析モデルと避難経路策定モデルを組み合わせ、実用的な避難計画策
定を支援する防災シミュレーターの構築を目的とし，
以下の 2 つのテーマについて研究を実施した。
(1)半透過建物モデルの再現性に関する実験的検討
浸水領域が市街地の場合、建物内への浸水量の影響は無視できないことを文献 4)で示している。同研究では，建物境界線を半透過壁として取り扱うモデルを使用しているが，同モデルによる流況再現性については行われていない。そこで、本研究では、基礎的な模型実験を実施し，半透過モデルの流況再現性について検討を行った。
(2)実際の被災地域を対象とした本防災シミュレーターを用いた避難計画例の策定
同氾濫解析モデルを用いて、実際の被災地域における氾濫シミュレーションを実施した。対象とした災害は、2018 年 7 月に発生した小田川氾濫による真備町の浸水災害とした。また、避難経路策定シミュレーショ
ンを実施し、歩行及び自動車による避難時間の変化について検討を行った。
本報告書の構成は、以下のようになる。第２章では、本研究で用いる計算モデルについて、第３章では、半透過建物モデルの再現性に関する実験について、第４章では、対象災害の氾濫シミュレーションについて、第５章では、避難経路策定シミュレーションについて、それぞれ記述し、第６章で、結論を述べる。

建物のモデル化としては、
BPモデル(Building-Porosity model)が注目されている。本モデルは、各計算格子に含まれる建物
占有率を算出し、空隙率を乗じた浅水流方程式を基礎方程式

２．計算モデルの概要
赤穂・石川が開発した洪水氾濫解析モデル 1)を用いる．このモデルは二次元浅水流方程式を基礎式とし，三角形非構造格子に有限体積法を適用して離散化し，Roe 法 2)により解を求める．詳細は文献 1)を参照いた
だきたい．本報告書では、半透過建物モデルについてのみ記載する。

として用いられ、実用的な計算コストで高精度な氾濫解析を行うことが可能である。ただし、実際の氾濫被害の再現計算の妥当性については、最大浸水深の分布による検討に留まっている研究が多い。特に、氾濫流況の時間的変化の再現性の検証が今後必要であると考えられる。

- 57 -

(1) 半透過建物モデル
本モデルでは、格子線が建物の境界に沿うように計算格子を設定する．建物外壁を以下では建物境界という．建物内部が浸水しない場合には建物境界を不透過境界とすればよい．しかし2章で述べた被災調査実際によれば，浸水区域のほとんど全ての建物の内部に氾濫水が侵入した．そこで建物境界を半透過とし，フラック
スQを式(1)のように仮定した．
 S pV p
Q=− S pV p

if hout > hinotherwise

hin + houtB
S p = C ×
2
where 
 V p = 2 g hout − hin

所で，上流側からポイント 1,2,3 と設定し，各箇所にメジャーを設置し計測した。
また，水中ポンプの流量を測るため，図-3.1 の 5 箇所の
黄色の楕円で示すように 0.3m で下流の流れを切り，容積3.0×10-3m3 のケースが水で貯まるまでの所要時間を測定し，単位幅流量を求め，その単位幅流量を水路幅で積分することにより流量を求めた。その結果，0.0018 ㎥/s と算出され，この値を数値解析の流量とした。

(1)(4) 実験結果と解析結果の比較
上述の実験条件より得られた水深の時間変化と、半透過モデルを用いた氾濫解析モデルによる解析結果との比較を(2)行った。計算条件としては、計算格子サイズは一律に 1cm,
地盤高は氾濫原部を0cm，水槽部を-50cm，氾濫原部の勾配

ここに Sp は透過面積，Vp は透過速度，hout は建物境界を 0.001 と設定し，粗度係数は，一律 0.018 とした。上流端

外側の水深，hin は内側の水深，B は当該セルの建物境

境界条件には、流量0.0018m3/s を与え，下流端境界条件には界長さである．式(2)のように，透過速度は水頭差を用

自由流出条件を与えた。式(2)に示した透過係数 C について

いた一般的な形で与えた．一方，透過面積は，窓や崩は，0.0(BH モデル)、0.05,0.15, 0.2 の４パターンについて実施

壊した壁の穴などに相当し，透過係数 C を用いて表現した。なお、BH モデルについての再現性については文献 3)

した．C=0 は不透過，C>0 で半透過となる．

で検討しており、本モデルによる流況再現性について示されているため、本報告書では、半透過建物モデルを用いた場

３．半透過建物モデルの再現性に関する実験的検討(1) 模型実験の概要
密集市街地における建物密度および建物配置による氾濫挙動への影響を検討するために，循環水路を用いた基礎的な氾濫実験を実施した。

合の結果のみ示す。

(2) 実験装置および建物配置図-3.1 に示すように，実験装置は上下流側の貯水槽部（木製）と氾濫域部（アクリル製）より構成されている。上流側の貯水槽と下流側の貯水槽は水中ポンプで接続されており，一定流量での循環が可能な機構になっている。氾濫域部
は幅1.3m，長さ2.0m の長方形断面の直線水路であり，勾配は 0.001 となっている。また流入部は幅 10cm の開口型で，流入時は水が波状に広がるようになっている。建物模型は，
BH モデルにおいては発泡スチロール板を用いた。また半透図-3.1 模型実験の概略図

過モデルでは図-3.2 に示すように，3D プリンタを用いてモ
デル内に水が流入できるよう，高さ 6mm 部分に横幅3ｃｍ，縦幅5ｍｍの流入出口を上流側と下流側に設けた。模型のサイズは両モデルとも10ｃｍ正方形である。氾濫域部は図-3.3に示すように，建物モデルが格子状と交互に設置されてい図-3.2 半透過壁を持つ建物模型る。ここで建物配置の各パターンの名称は，BH と半透過
（half）H，模型配置は，格子状（latticed）L と交互（mutual）
M，模型間隔x（x=2,4）とすると，case-BH-lx のように表す。
(3) 測定項目および計測方法
貯水槽部から氾濫域部へ一定流量を通水し，開口部から流入した時点から定常状態に至るまでの各パターンにおける段階的な水深を計測した。測定位置は，図-3.3 に示す箇

図-3.3 氾濫域の建物配置- 58 -

図-3.4 水深の時間変化の比較
高梁川上流端流量27.6KP

図-3.4 に，半透過建物模型を用いた格子状配置と交互配置

地盤高(T.P.m)による水深の時間変化について、C=0.05, 0.15, 0.2 とした場合の半透過モデルによる解析結果との比較を示す。上流部及び下流部では、より建物による抵抗が大きくなる交互配置の方
水深(mm)

水深(mm)

水深(mm)

が、格子状配置よりも水深が小さくなっていることが分かる。
40

40

40

上流部

30

上流部

上流部

20
10

30

30

20

20

小田川上流端流量12.0km

真備町

高梁川

これは、建物配置部の抵抗が大きくなり、氾濫域主要道路部
10

10

0

0

10

20

30

40

50

水深(mm)

60

0

0

0

10

20

30

40

50

0

60

10

20

30

40

50

60

水深(mm)

水深(mm)
20

20

20

へより多くの氾濫水が流入していることが要因であると考え
中流部

15

15

中流部

中流部

10

10

10

5

5

小田川

15

5

られる。また下流部へ行くと水深が小さくなり、射流場にな
0

0

0

10

20

30

40

50

0

0

60

10

20

30

40

50

60

15

10

20

30

40

50

60

水深(mm)

水深(mm)

水深(mm)

01515

高梁川下流端水位
6.4KPっていると考えられる。建物配置部の中心に相当する中流部
下流部

下流部

下流部

10

10

10

5

5

5

において、本解析モデルはC の値を適切に与えることで、建
0

0

0

0

10

20

30

40

50

60

0

10

20

時間(s)

30

40

50

60

0

時間(s)

10

20

30

40

50

60

時間(s)

図-4.1 解析領域

物配置による影響および建物内への流入について良好な再現性が示されている。一方、上流部、下流部ではC の値によら(a)支流の表現（末政川）(b)建物の表現

ず再現性が低い結果となっている。上流部については流況の３次元性、下流部については射流場になっていることが要因と考えられ、本解析モデルでは、今後再現性を向上されるためにより詳細な検討がひつようであると考えられる。
４．真備町における氾濫シミュレーション
本研究では，
河道および堤内地を含む全域を三角形非構造
格子で分割し，洪水流と氾濫流を同時に解析する包括型氾

図-4.2 地物の表現

濫解析モデルを用いて検討を行った．
建物モデルを適用した（図-4.2(b)）．計算格子サイズは，約(1)解析領域と解析メッシュ

10 m とし，計算格子数は 649,669 である．

解析領域を図-4.1 に示す．高梁川は上流端を日羽観測所(2) 解析条件

（27.6 km）
，下流端を船穂観測所（6.4 km）とし，小田川は

地盤高は，堤内地および河道内高水敷には，2013 年の国

矢掛観測所（13.0 km）を上流端とした．堤内地側は，現地調

土地理院の5m メッシュ標高データ，河道低水路については査から推定された氾濫域を含む形で設定した．また，小田川2011 年の定期横断測量データをそれぞれ用いて作成した．

支流の末政川，高馬川，真谷川，高梁川支流の新本川につい

ただし，堤防天端高については，5 m メッシュ標高データのても図-4.2(a)の末政川のメッシュに示すように全て二次みを使用した場合過小となる可能性があるため、高梁川及

元格子で表現した．更に，建物の取扱方法として，国土地理

び小田川については定期縦断測量データ,支流については院が公開している基盤地図情報の建築物の外周線データよ

RTK-GPS を用いた測量データを併用して作成した。

り作成したポリゴン（建物ポリゴン）を作成し，建物ポリゴ

高梁川および小田川の上流端流量は，国土交通省の 2017

ンを含有する計算格子に，赤穗らにより提案された半透過

年度の H-Q 式を用いて算出された値を用いた．また，支流- 59 -

図-4.3 水深の時間変化

図-4.4 流速の時間変化の上流端流量は， 佐山らがRRI モデルより算出した流量ハ定を行った。ダイクストラ法は，最短経路問題を効率

イドロを使用した．堤防決壊は，該当箇所の地盤高を 30 分

的に解くグラフ理論における動的なアルゴリズムで、かけて堤防周辺の地盤高と同じ高さになるように線形に減近い場所の明らかなことから順次確定していき，その少させることで表現した．

確定した情報を基にさらに遠くまで確定していく方法(3)解析結果

であり，スタート地点からゴール地点までの最短経路

図-4.3 及び 4.4 に氾濫解析から得られた水深と流速と距離を求めることが可能となる。コストは主に距離の時間変化を示す。避難勧告が発令された 7 月 6 日 22

や時間であるが，本研究では距離と，水深や流速，勾配時のデータでは浸水は見られない。7 月 7 日 0 時のデからの影響を考慮した歩行速度から算出した時間をコータでは，末政川の右岸側で一部流速が 1.5m/s を超えストとする。

ている範囲がある。これは，末政川右岸の堤防が決壊

まず，スタートとゴールを設定し，スタートの位置したためである。そのほかの地域では流速は比較的遅からいくことのできる場所への最短距離を算出し，そいが，水深は浸水範囲の大部分で 0.5m を超えることがの中でも最短のものを最適解として確定させる。次にわかる。避難指示が発令された 1 時 30 分のデータで確定した場所から辿れる経路を確認し，辿った場合のは，水深 0.5m を超える浸水範囲が広がり，また，一部距離を算出し。その段階で判明している距離より大きの地域では，流速が 1.5m/s を超えており，避難困難地

い倍位は更新せず，距離が小さい場合のみ新たな経路域が広がっている。これは高齢者の歩行限界水深，歩を採用することで最短経路を更新していく。この手順

行限界流速を超えており，高齢者は歩行不可能となる。

を繰り返し，経路を確定させていくことで，ゴールままた，自動車の走行限界水深，走行限界流速であるたでの最短経路・最短距離が確定する。この方法を利用

め，自動車も走行不可能となる。その後，時間が経つにし，避難場所をスタートとし，他のすべての点までのつれて，浸水範囲が広がり，水深・流速ともに大きい地

最短経路及び最短距離を求めることで，すべての地点

点が増えていくので，通行及び避難は困難になると予から避難場所までの最短経路及び最短距離を求めるこ想される。ただし、本報告書で示している氾濫解析結とができる。

果については速報値であり、境界条件や堤防決壊条件、(2) 避難速度の設定方法

粗度設定についてはさらなる検討が必要である。

氾濫解析から得られた水深及び流速から受ける抵抗，道路幅員による歩行速度，自動車走行速度の低下

５. 避難経路策定シミュレーションを考慮した避難速度の算出をする。道路の点がそれぞ(1)ダイクストラ法を用いた避難経路の策定

れどの三角形格子に対応しているかを抽出すること

本研究では、ダイクストラ法を用いた避難経路の策

で，各点における水深及び流速が算出でき，避難速度- 60 -

表-5.1 自動車の避難速度に用いる係数の設定
道路幅 d(m)Hmax(m)Umax(m/s)

Vmax(m/s)

ｄ<1.9

0.5

2.0

0

2.0≦ｄ<3.5

0.5

2.0

2.7

3.5≦ｄ<5.0

0.5

2.0

5.4

5.0≦ｄ<6.5

0.5

2.0

8.1

6.5≦ｄ<8.0

0.5

2.0

10.8

8.0≦ｄ

0.5

2.0

13.5

図-5.2 解析に用いた避難所位置が求められる。避難速度に関して，以下に示す避難速度減衰モデルを用いた。

v = vmax 1 −

h
hmax

−

u
umax

(3)

ここで，Hmaxは避難限界水深,Umaxは避難限界流速,Vmaxは最大避難速度を示す。また，Hは水深，Uは水の流速，Vは避難速度を表す。本研究では，歩行者の避難経路策定については高齢者を想定し、文献4)で用いられているHmax=0.3,
Umax=1.5 Vmax=1.2とした解析を行った。
一方、自動車の避難経路策定については，d ,Hmax, Umax Vmax,
を表-5.1に示す。また,自動車による避難の際，幹線道路
である国道486号線など，避難所までの道路において渋滞が発生しており，自動車走行速度は小さくなると考えられるため，渋滞を考慮した場合は，国道486号線を含めた大通りにおける自動車走行速度の計算係数を変えた試行計算を行った。

図-5.3 歩行避難解析から得られた避難時間の分布(3) 避難場所の設定示が発令された7月7日の1時30分に避難開始した場合，

図-5.2に真備町における避難所を示す。真備町の洪水時

河川氾濫による浸水が発生しており，歩行，自動車ともの避難所は避難所3の岡田小学校だけであるため，今回に限界水深を超え，避難が不可能となる地域がある。この解析では，氾濫域の外に避難することを想定し，解析の地域は，真備町で被害者の多かった地域であり，避難範囲外につながる道路を避難所として設定した。以下，指示が発令されるより前の避難が必要である。また，一避難所0から避難所7とする。

部の地域で最短避難所が変わっている。これは，浸水に(4) 歩行避難解析と自動車避難解析の比較

より避難所までの最短経路が通行不可能となってしま

歩行避難解析及び自動車避難解析の解析結果から得い，迂回する必要があるためである。よって，この地域られた避難時間の分布をそれぞれ図5-3, 5-4に示す。

は，避難に要する時間が増えることが予想される。ま

避難勧告が発令された7月6日の22時に避難開始した場

た，0時30分には，またこの地域は，1時には通行不可能

合，河川氾濫による浸水は起きておらず，歩行避難では地域になっており，歩行避難では避難時間がかかり過避難所に近い地域では600秒前後での避難が可能であぎてしまい，氾濫に巻き込まれる恐れがある。自動車にり，避難所から遠い避難所では1200秒程度の避難時間

よる避難では，300秒前後の避難時間であり，自動車にで避難可能となっている。一方，自動車避難では，どのよる避難が必要となる。0時には，高馬川右岸も決壊し地域も避難時間に大きな差は見られず，おおよそ300秒ており，0時のデータからも浸水が確認できる。この範前後で迅速な避難が可能であることがわかる。避難指囲は，歩行避難では避難所5が最短避難所であるが，自- 61 -

図-5.5 相対的な避難範囲の時間変化
図-5.4 自動車避難解析から得られた避難時間の分布(2) 氾濫解析モデルと避難経路策定モデルをカップリ

動車避難では，避難所6が最短避難所となっている。理ングさせ、避難時間および避難領域の時間変化に関す由として，この範囲の北側に国道486号線があり，自動る検討を、2018年7月に真備町で発生した氾濫を対象に車避難の場合，国道486号線を利用することで避難速度実施した。歩行および自動車による避難速度を考慮しが速くなり，避難時間の短縮になるためと考えられる。

た試行計算を行った結果、具体的な避難計画の策定にこのことから，自動車避難の場合，国道486号線を使っ今後利用可能であることが示唆された。

た避難が主な避難経路であると予想される。
図-5.5に浸水を考慮しない場合の避難範囲に対する参考文献

相対的な避難範囲の時間変化を示す。歩行避難解析で

1) 赤穗良輔，石川忠晴，畠山峻一，小島祟, 都丸真人, 中村

は，避難所3の避難範囲は7日の0時頃に減少しはじめる

恭志：岩手県釜石市街地における2011年東北地方太平洋沖地のに対し，自動車避難解析では，7日の7時ごろに減少し

震津波の氾濫解析，土木学会論文集B1，Vol.71，16-27，2015.

だすことがわかる。このことから，避難所3を最短の避

2) Roe, P. J. : Approximate Riemann Solvers, Parameter

難所とする地域では自動車による避難が有力的である

Vectors, and Difference Schemes, J. Comput. Phys., Vol.

ことが分かる。対照的に，歩行避難解析では，避難所2

43, pp. 357-372, 1981.

の避難範囲は7日の8時30分まで変化が無いのに対し，

3) 赤穗良輔，前野詩朗，小川俊，吉田圭介：都市氾

自動車避難解析では，7日の0時頃に減少することが分濫解析に用いる建物群の空隙率の設定方法に関するかる。

実験的検討、土木学会論文集B1（水工学）Vol.74，
No.4，I_1525-I_1530, 2018.
4) 赤穗良輔，前野詩朗，高橋巧武，工代健太，吉田圭介：”

６．結論
本研究で得られた主要な成果を以下に示す。

市街地レイアウトを考慮した岡山市における津波到達前後(1) 床上浸水による建物内への浸水を考慮した半透過の浸水範囲および避難時間の検討”，土木学会論文集B2(海モデルの再現性について、模型実験との比較から検討

岸工学)，Vol. 72, No.2, I_289-I_294，2016．

を行った。その結果、建物の配置が異なる場合においても、建物密集領域では同程度の再現性が確認できた。

- 62 -

  

180

  

53

2 5
(

)
5
5

)

(
1

(

)

)
1

(

5
3

3

2
3

1

2

1

)

5

7

(

10

1~3

(Wolf et al., 2001)(Coyne & Orr, 2004)
Lowry et al., 2008
Arisaema Martius(Araceae)
(

180

5

(

, 2018b)53, 2018) 2 ~ 5(, 1995;, 2018b)(Murata &Ohno, 1989;(, 2018)1,050 m)(

650 m)
8.2 ℃

2,500 mm(

Murata & Ohno, 1989;

2000)
2004;

(

1.5 m

(

,

1997)

,

900 m

,

, 2018)A. maekawae J.
()

Murata & S. Kakishima(

angustatum Franchet & Savatier

Vogel & Martens 2000)- 63 -

A.

1

5
(

A. ovale Nakai

A.

(

4

5

7

(n = 44 5/15~7/9)

5/18~7/5)

2

5

7

90 %

3

(
(

)

~7
(n = 58	 24(n = 53 4/28~6/21)(n = 67 4/27~6/16) 5, 2018b)

	
 

2018

)

(n = 61 4/25~6/21)

pseudoangustatum Serizawa var. pseudoangustatum
A. peninsulae Nakai

80 %

59 %)

25 m

(

(

88 %)

51 %)

5

(

GPS

53 %)

2
5

40~70

(

36 %

24 %)

5

10

7
3
–

)

–

)
2

–

–
(

(

–

(
5

(

)

–

–

)

800~900 m

3(n = 251 666~845 m)
m)(n = 94 671~909–(n = 117 662~890 m) 800 m

–

(
–

)

2

(n = 110810~1,083 m)(n = 516 669~1,073 m)

4
3(, 2018)(Watanabe et al., 1998)
4~6- 64 -

(Kobayashi et al., 2005)

reproductive isolating barriers in flowering plants.

5–

Philosophical Transactions of the Royal Society B 363:
3009–3021.
,,. 2004.
—–(—.

, 2018a)
VII 755: 67–73.

1

,

–
–

,

. 2018a.
(–
93: 143–146.

).
,

,

. 2018b.
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.

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.

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,

,

,
.

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,.

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- 65 -

含フッ素天然化合物をリードとした化合物ライブラリーの構築
岡山大学大学院 環境生命科学研究科
泉実

核酸系抗生物質 Nucleocidin の生合成経路の解明、低分子医薬および核酸医薬としての有効利用を目指し、
Nucleocidin をリード化合物とした化合物ライブラリーの構築を目的とした。Nucleocidin の効率的な合成経路および大量合成法の確立するために、安価なアデノシンを出発化合物として種々反応条件の検討を行い、二重結合を有する重要中間体の合成経路を確立した。また二重結合へのハロゲン基の導入方法の検討を行い、フラノース環上のジオール部分の保護基として TBDMS 基などの嵩高いものにすることで、高い立体選択性でフルオロ基を導入することに成功し、Nucleocidin の形式合成を達成した。しかしながら、既報ではスズ試薬などを用いていたことから、ヨード基からスルファモイル基への直接置換を試みたが、フルオロ基の存在により反応性が低くなっていると言う知見を得た。直接的な官能基の導入はあきらめ、二重結合を有する重要中間体に対してエポキシ化剤と MeOH を用いてエポキシ化と開環、ついでスルファモイル化と脱保護によって
Nucleocidin のメトキシ誘導体 を合成した。
今後はメトキシ基を種々の置換基への変換反応を検討する予定である。
【背 景】天然には塩素、臭素、ヨウ素と言ったフ

Nucleocidin の生合成経路の解明、低分子医薬およッ素以外のハロゲンを有する有機化合物が約 3500

び核酸医薬としての有効利用を目的とし、種類も見出されているのに対し、有機フッ素化合物

Nucleocidin をリード化合物とした化合物ライブラ

は極めて少なく約十数種の化合物のみである。我々

リーの構築を目的とした。そして、構築したはこれまでフッ素（F、フルオロ基）を有する糖質誘Nucleocidin 誘導体ライブラリーを用いて、生合成

導体の合成について検討してきたことから、そこで経路の解明、生物試験による医薬品候補の探索を行

本研究では天然物の一つである核酸系抗生物質

うこと、さらには集合化や中分子化を行い、医農薬

Nucleocidin（Fig. 1）に着目した。

としての可能性を検討することとした。

放 線 菌 Streptomyces

calvus が 生 産 す る【アデノシン誘導体の合成】

Nucleocidin は、タンパ

二重結合を有する重要中間体を大量に合成する目

ク質合成阻害により抗処はすでに前年度の段階で達成[1]できたので、本年菌作用を示す。リボース度の重要な課題として、二重結合へのフルオロ基の立体選択的な導入方法について検討することとした。

の 4 位（4'位）にフッ素が結合した独特の構造

Fig. 1 Nucleocidin

合成した二重結合体 A（1 ～ 3）に対して、ヨウを持っており、生合成経路に興味がもたれている。

素とフッ化銀を作用させ、ヨード基とフルオロ基の1957 年 に 単 離 、 1969 年 に 構 造 決 定 さ れ た導入を試みた（Table 1）。既報通りにヒドロキシ基

Nucleocidin の有機合成報告例はわずかである。まの保護基としてイソプロピリデン基で架橋した化合

た、現時点では有機フッ素化合物の資源を天然に求物 1 を用いてヨードフルオロ化を行ったところ、めることも、また医薬品のシーズとなるようなフッ目的物 ４ と立体異性体 epi-4 が 3：2 の割合で生

素系生理活性物質が天然に見出されることも期待で成していた（Entry 1）。この立体選択性の低さを打きないことから、有機合成することが重要な意味を開するため、嵩高い置換基で保護した A を用いて、有すると考えている。そこで、本研究では、ヨードフルオロ化を試みた。ベンゾイル基で保護し- 66 -

た 2 では、副副生成物が多多く精製が困困難であったがが、Nu
ucleocidin を合成するたをための既知化化合物[2]でああ5 を低収率なながらも高いい立体選択性
性で得ることとがる事から、既る
報に従うこととによって、Nucleocidiin

出 来 た （ Enntry 2 ）。 そ こ で 、 さ ら に か さ 高 いの効率的な形式の式合成を達成成したと考ええた。

tertt -butyldiimethylsilyl（TBDMS） 基で保護した基
た 3二重結合へのの付加反応（ヨードフル
ルオロ化）の立立を用いたとこをころ、高い立体体選択性かつつ高い収率で
で 6

体選択制の向上体上についてはは解決できたたので、次に、、を得ることがをが出来た（Entry 3）。

大量合成には不大不向きであるるアジド化やや毒性のあるス
ス
ズ試薬を用いるズ
る反応の代替
替法についてて検討した。何
何

Table
T
1 ヨー
ードフルオロ
ロ化の検討

故なら、重金属
故属は国際医薬薬品規制調和和国際会議のガ
ガ
NBz
N
N

N
N

NBz
Bz

N

I2 (2.0 eq.)eq.)
AgF (4.0 e

N
I

O
OR OR

MeCN, 0 °C, 20 min

AN

く管理されていいる。また過過酸化物やアジ化合物を大
大

N
F

O
FOR ORO

イドラインにおイ
おいて医薬品
品中への残留留が極めて厳し
し

Bz

I

B

O

量に使用する場量場合には、そその爆発危険
険性の懸念が生
生

ORepi- Bじる。以上のよじように、原薬薬合成におけける大量合成をを

Entry

A (R=)

B: yield

B : epi-B

含め、医薬品製
含製造に適した
た安価、安全
全、および環境境

1

1: C(CH3)2

4: 80%

3 :2

負荷の小さな酸
負酸化反応の開開発に対する要求が未だに
に

2

2: Bz

5: trace

99 > : 0が結合してい存在する。
存
5'位
位にヨード基がいることからら、

3

3: TBDMS

6: 79%

99 > : 0

容易に容SN2 反応応などによっってヨード基基を他の置換基基に交換ができるにると考えて種
種々の反応をを行ったが、既既報であるアジ報
ド化反応を含含め未反応、あるいは反応
応6 の構造おおよび立体選選択性の確認はは、NMR 測定 にが進んだとしてがても僅かでああった（Table 2）。以上ののより行った。
よまず、19F-NMMR において、-94.0 ppm に結果から、4'位
結位に強い電子
子求引性を有有するフルオロロ

シグナルピーシ
ークを観測したことから、フッ素原子子の基の影響によ基り、ヨード基基が結合していいるものの 5'5導入を確認し導した。さらにに、1H-19F ヘテロ核種相
ヘ
相関

+
位のδ
位
性が低
低くなり反応
応性が低くなっていると考考（1H-19F Hetero g-cosy）によって、に5'-H と 4'-F 基

えた。
え間の強い相関間関を確認したことから、目目的とする化
化合物を合成でき物
きたと考えた（Fig. 2）。

Taable 2 ヨーード基の官能基
基変換の検討
討
NBz
N
N
I
F
TBSO
T

Fig.
F
2 フル
ルオロ体 6 の 1H-19F Hete
ero g-cosy

N
N

O
OTBS
6

NH2
Bz

N

28 % NH3 aq.

condition

NNRO

1,4-dioxane,
r.t., 18 h
85 %
%

N

O

F
TBSO

OTBS
7

Entry
E

Reage
ent

Solventt

temp.

R

Yield

1

NH2SONaDMF

120 °C

NH2SO

n.r.

2

CH3CO2Ag

MeCN

C 3CO
120 °C CH

n.r.

3

CH3CO2Ag

DMI

C 3CO
120 °C CH

n.r.

4

AgNO3

acetone/H
H 2O

r.t.

H

n.r.

5

AgNO3

DMI/H 2O

r.t.

H

n.r.

【Nucleocidin【n メトキシ誘誘導体の合成成】
電子求引基で電であるフルオ
オロ基が 5'位位の反応性を低低化合物 6 のアミノ基保保護基であるる Bz 基とヒド
ドロ下させているこ
下ことを確認すする事も含めめ、フルオロ基基

キシ基保護基キ基である TBDMMS 基を脱保護護した化合物
物は、の代わりにメのトキシ基を有有する誘導体体 8 （Scheme 1）- 67 -

を合成することとした。化合物 3 に MeOH 溶媒中化においてスズ試薬が不要であったことから、ヒド

mCPBA を作用させ、一度にヒドロキシ基とメトキシ

ロキシ基の活性化をフルオロ基による誘起効果によ基が導入された化合物の合成を試みた。
MeOH 溶媒中、ってヒドロキシ基の反応性が低下させられているこ

低温下で mCPBA と NaHCO3 を作用させたところ、微とが確認できた。今回得た知見を基にして、種々の量ではあるが目的化合物を立体選択的に得ることが求核試薬を用いてエポキシ化と求核反応を行って、出来たが、収率の悪さや再現性に乏しかった。そこ

様々な Nucleocidin 誘導体の合成を試み、ライブラ

で、反応温度を室温に上げ反応時間を長くしたとこ

リーの構築を目指す。

ろ、TLC 上で目的化合物の生成を確認できたが、多量の塩が生成し精製は困難であった。以上の結果を【総 括】受け、核酸塩基部分のアミノ基の保護基を Bz 基か

本研究では、Nucleocidin の生合成経路の解明、ら変更することにした。
種々論文検索を行った結果、

低分子医薬および核酸医薬としての有効利用を目的

核酸塩基部分の一級アミノ基を ピバロイル（Piv）とし、Nucleocidin をリード化合物とした化合物ラ基により保護した 10 が付加反応に有効であるこ

イブラリーの構築を目的とした。そこで、アデノシとが分かった[3]ため、Piv 基に変更することにした。

ンを出発化合物として調整した二重結合を有する重別途合成した 10 の MeOH 溶液に mCPBA を加え、要中間体 A を用いてヨードフルオロ化について検室温で 24 時間撹拌したところ、メトキシ体 11 を討した結果、フラノース環上のジオール部分の保護収率 40％で得ることができた。
立体異性体との比は基として TBDMS 基などの嵩高いものにすることで、

1:1 であり、シリカゲルカラムトグラフィーを用い高い立体選択性でフルオロ基を導入することに成功て容易に分離出来た。11 にアンモニア水を作用さし、Nucleocidin の形式合成を達成した。しかしな

せて Piv 基の脱保護、スルファモイル化、最後にがら、既報では毒性のあるスズ試薬などを用いていTBDMS 基の脱保護を行って、Nucleocidin の誘導たことから、ヨード基からスルファモイル基への直体であるメトキシ誘導体 8 を得た（Scheme 1）。

接置換を試みたが、フルオロ基の存在により反応性が低くなっていると言う知見を得た。直接的な官能基の導入はあきらめ、二重結合を有する重要中間体に対してエポキシ化剤と MeOH を用いてエポキシ化と開環、ついでスルファモイル化と脱保護によって
Nucleocidin のメトキシ誘導体 8 を合成した。今後はメトキシ基を種々の官能基への変換反応を検討し、ライブラリーの構築を目指す予定である。
なお、ここに記載したデータは、岡山大学大学院環境生命科学研究科（農）博士前期課程・井上千枝李の実験結果である。また、NMR 機器測定は松本 恵 氏（岡山大学自然生命科学研究支援センター）のご指導・ご協力により測定したものである。
【謝 辞】
最後となりましたが、本研究の遂行にご支援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す。

Scheme 1 メトキシ体の合成
以上の結果から、メトキシ体ではスルファモイル- 68 -

【参考文献】[1] 泉 実, ウエスコ学術振興財団平成 29 年度研究成果報告書, 50-53.
[2] S. O. Thomas et al., Antibiot. Annu., 716,
(1956-1957).
[3] Y Kubota et al., Antiviral Chemistry &Chemotherapy, 19(5), 210 (2009).
【本研究助成により公表した研究成果】
1. Ryo Ota, Yumi Okamoto, Christopher J Vavricka,
Takuji Oka, Emiko Matsunaga, Kaoru Takegawa,
Hiromasa

Kiyota,MinoruIzumi.

Chemo-enzymatic Synthesis of p-Nitrophenyl
β-D-Galactofuranosyl

Disaccharides

fromAspergillus sp. Fungal-type Galactomannan.
Carbohydrate Research, 473, 99-103 (2019).
2.

Multigram-Scale
Chromatography-FreeandSynthesis

of

Acid

for

the

Nicotianamine

and

Its

L-Azetidine-2-carboxylic

SynthesisofColumnDerivatives. Takaishi, T., Wakisaka, K.,
Vavricka, C. J., Kiyota, H., and Izumi M.,

Heterocycles, 96(12), 2126-2134 (2018).
3. 小出祐実・小岩美月・清田洋正・泉 実，「NAADP
アンタゴニスト Ned-19 が有する植物生長阻害活性」，2017 年日本化学会中国四国支部大会，高知大学（高知），2019 年 1 月.
4. 井上千枝李・造田みなみ・松本 恵・清田洋正・
泉 実，「化合物ライブラリーの構築を指向した
含フッ素天然化合物 Nucleocidin の合成研究」，
2018 年日本化学会中国四国支部大会，愛媛大学（愛媛），2018 年 11 月.
5. 岡 本 有 未 ・ 太 田 涼 ・ 林 健 太 ・ Vavricka
Christopher J・岡 拓二・松永恵美子・竹川 薫・
清田洋正・泉 実，「Aspergillus 属真菌型ガラクトマンナンに存在するガラクトフラノース含有糖鎖の化学酵素的合成」，2018 年日本化学会中国四国支部大会，愛媛大学（愛媛），2018 年 11月.

- 69 -

母体-初期胚間の情報伝達を担う卵管エクソソーム中マイクロ RNA の網羅的解析
岡山大学 大学院環境生命科学研究科
山本ゆき
哺乳動物において、卵管で受精した後の初期胚は発育しながら数日間をかけて卵管内を進み、子宮に到達する。この時に卵管が分泌する様々な因子が、初期胚の発生に影響を与える。母体-初期胚相互に関わる因子として、卵管細胞が放出するエクソソームに着目し、特にエクソソームが内包する核酸の一つであるマイクロ RNA(miRNA) の役割を調査することを目的とした。そこで、ウシ卵管内液を各発情周期ステージ (1-4) で回収し、エクソソーム中 RNA の抽出および次世代シーケンサーによる網羅的発現解析を行った。全てのサンプルから100 以上の既知の miRNA 発現が確認された。発現している miRNA の Stage 特異性を調べたところ、全てのステージで発現していた遺伝子数は 67 で多かったが、各 Stage のみで発現している遺伝子も複数確認できた。
また、Stage 間で発現量の異なる遺伝子を比較解析したところ、有意な変化を示すものが複数存在した。これらの miRNA がどのような機能に関与するのかを調べるため、Target gene の予測を行なった。今回発現が明らかになった miRNA の役割を明らかにするために、今後もさらに詳細な検討を進める予定である。

＜緒言＞

そこで、卵管細胞が放出したエクソソームが初期

近年、女性の社会進出や晩婚化による出産の高齢胚に取り込まれ、その中の miRNA が初期胚の状態化に伴い、全国的に不妊治療件数が増加している。

を制御するとの仮説を立てた (下図)。本研究ではよ主な不妊治療技術である体外受精では、母体の卵巣り生体に近い体外受精および胚培養液作製に貢献す

から卵子を取り出して体外で受精させた後子宮内へるべく、ヒトと胚の発生機構が類似しているウシをと移植する。ところが体外受精で得られた新生児はモデル動物として用い、新たな情報伝達因子として低体重になる割合が高く、さらに他の動物種においの卵管内エクソソームの機能解析を目的とした。

ても、体内で受精・発育した初期胚と体外培養胚では遺伝子発現やエピジェネティック制御の状態が異なることが明らかになっている。これらは現在の体外受精・胚培養液や培養システムが未完成の状態であることを示唆しており、その改良は喫緊に解決すべき課題である。体内において、卵管で受精した後の初期胚は発育しながら数日間をかけて卵管内を進み、子宮に到達する。この時に卵管が分泌する様々な因子が、初期胚の発生に影響を与える (母体-初期
胚間相互作用) ことが報告されている。近年、細胞間の情報伝達を担う新たな因子として「エクソソー
ム」が注目されてきた。エクソソームとは細胞から放出される直径 50-150 nm の細胞外小胞の一種であり、内部には核酸やタンパク質などを含んでいる。
特にエクソソームが内包する核酸の一つであるマイ

仮説:エクソソーム miRNA による
母体-初期胚間相互作用

クロ RNA (miRNA) は、標的細胞内でメッセンジャーRNA と結合してその翻訳を制御する。

- 70 -

＜材料と方法＞

でライブラリの断片長をチェックし、qPCR

1.

ウシ卵管の採取および分類(KAPA Library Quantification Kit) で濃度をチェッ

食肉処理センターにおいて採取したウシ卵管をクし、各サンプル等量になるように希釈した。

氷冷した生理食塩水に浸漬して研究室に持ち帰った。
4. 次世代シーケンス

卵管間膜および子宮広間膜から卵管を切り取り解剖台に固定し、脂肪組織や結合組織などの余分な組織

Nextseq (Illumina) を使用してシーケンスを行なっを除去した。その後、卵巣及び子宮の肉眼的観察かた (Single Read 75 bp)。シーケンスに用いたいずれのら排卵後日数を推定し、Stage 1 (排卵後 1-4 日)、2

サンプルからも、 1G base 以上のクオリティの良い(排卵後 5-11 日)、3 (排卵後 11-17 日)、4 (排卵後 18-

シーケンスデータを得た。

20 日) に分けた。
5. フィルタリング
2. 卵管液の採取とエクソソーム精製

シーケンスリードの中からさらに質の良いものだ

それぞれの卵管内部に膨大部側からリン酸緩衝

けをふるいにかけた。以下のフィルタリング条件を液 (PBS) 500 mL をシリンジにて流し入れ、峡部側適用した。

より排出される PBS を回収した。血液が混入した・シーケンス時に使用したアダプター配列の除去

ものは除外した。その後遠心分離にて、混入してい・miRNA 由来ではないと思われる 15 bp 未満のおる細胞などの不純物を沈殿させて取り除いた。

よび 50 bp 以上の配列を除去

卵管液中のエクソソームを超遠心法によって精製、・Qvalue 10 未満のクオリティの低い配列を除去回収した。回収したエクソソームからトータル RNA

フィルタリング後も各サンプルで 600 万リードを抽出し、解析まで -80 C にて凍結保存した。

以上の配列が残っており、これらの配列を以降の解析に用いた。

3. 解析用サンプルの調整
3-1. RNA クオリティチェック

＜結果＞

RNAnanokit (Agilent) を使用し、BioAnalizer

1. 検出されたウシ miRNA(Agilent) で RNA の濃度とクオリティをチェック

各サンプルにおいて 100 以上の既知の miRNAが発現していた (表 1)。

し、シーケンスに用いるサンプルを決定した。

表 1. 検出された miRNA の数

3-2. ライブラリ調整
3-1 で選択したサンプルを用い、1000 ng のRNA を Illumina Truseq Small RNA Library Prep Kit＜まとめ＞

を使用してライブラリ調整を行なった。調整の流れは以下の通りである。

＜今後の展望＞

1) アダプターの付加
2) RNA を鋳型とした二本鎖 cDNA の合成＜謝辞＞

3) PCR 増幅 (15 サイクル)4) ゲル精製 (18-30 bp の miRNA 由来のラ
イブラリのみ抽出)3-3. ライブラリのクオリティチェック
バイオアナライザ (DNAHighSensitiveityKit)- 71 -

2. Stage 特異的 miRNA の検出

3. サンプル間における発現プロファイル

各ステージで発現する遺伝子のリストを作成し、ヒートマップを作成して各サンプルの発現プロ

その情報を用いてベン図を作成した (図 1)。全てのファイルを可視化した。発現量を Zscore に換算しStage で確認されたものは 67 遺伝子あったが、て示した (図 2)。その結果、サンプル間での相違点

Stage 1 のみは 12 遺伝子、Stage 2 のみは 4 遺伝子、および類似点は確認できたが、Stage ごとの特徴はStage 3 のみは 24 遺伝子、Stage 4 のみは 5 遺伝子

確認されなかった。

の発現が確認された。
4. Target gene の解析
各 Stage 間で発現の異なる miRNA について、
Target gene の予測を行なった。予測は Targetscan とmiranda にて、ヒト、マウス、イヌ、ラット、ニワト
リのオーソログ情報を使用し (ウシのデータが存在せず)、両方のプログラムで予測された遺伝子をTarget gene とした。Target gene として予測された遺伝子の数を表 2、3 にまとめた。

図 1. 各 Stage で発現する miRNA のベン図

図 2. 各サンプルの発現プロファイル
発現量の高いものは赤、低いものは緑、中間は黒で示されている。

- 72 -

表 2. 各発現変動 miRNA においてTarget gene と予測された遺伝子の数

表 3. 各 Stage 間で発現変動した miRNA 全体でTarget gene と予測された遺伝子の数

いと考えられる。今後さらに検討を進め、より詳細な胚発生メカニズムを解明し、生殖補助医療や家畜繁殖技術の向上への貢献を目指したい。
＜まとめおよび今後の展望＞＜謝辞＞

本研究において、ウシ卵管液から次世代シーケン

本研究に多大なご支援をいただきました公益財

ス解析に十分な量および質の RNA が回収された。

団法人ウエスコ学術振興財団に、心より感謝申し上

しかしながら解析に十分でないクオリティのサンプ

げます。さらに、多大なご助言をいただきました木

ルも多くあったことから、サンプリングの時期や方

村康二博士 (岡山大学教授) に深謝いたします。ま

法を再度検討する必要があると思われる。

た、技術的援助をいただきました東京農業大学生物

シーケンスおよび解析の結果、Stage 間において資源ゲノムセンターに感謝申し上げます。

発現している miRNA に特徴が見出せなかったものの、Stage 特異的な miRNA 遺伝子の発現も確認された。Target gene の予測結果も得られたことから、
今後はそれらの遺伝子の機能解析も進めていく必要がある。しかし、現在のデータベースではウシ
miRNA に関する情報が十分ではなく、卵管液中には未知の miRNA も含まれていることが考えられる。
未知の遺伝子の機能についても検討を進めていきたい。
本研究では哺乳動物の胚発生に影響を与えうる
新たな因子として卵管液エクソソーム中の miRNAを検討した。数多くの様々な miRNA が含まれていることが明らかになったため、これらの中で胚発生に必要な機構を制御するものが存在する可能性は高- 73 -

岡山県特産セイヨウナシ‘パスクラサン’果実の成熟機構解析とその応用による貯蔵・流通技術の確立
岡山大学大学院環境生命科学研究科
久保 康隆【概要】 低温遭遇前でも‘パスクラサン’果実はプロピレン処理により軟化したが、エチレン生成は誘導されなかった。一方、5℃以下の低温に６週間遭遇するとエチレン生成が誘導され、果実成熟が進行した。RNA
seq 解析により、低温遭遇前でもエチレンに応答する 437 個の DEGs(differentially expressed genes)を同定
し、グループ１(G1)とした。さらに、低温処理に応答する合計 763 個の DEGs を抽出し、1-MCP 処理を利用して、低温遭遇によって誘導されるエチレン信号伝達系に依存するグループ２(390 DEGs,G2)とエチレンに依存しな
い低温特異的遺伝子グループ３(373 DEGs,G3)に分類した。G1 の中には果実軟化に重要なペクチン分解酵素 PG
1 が、G2 にはエチレン生合成の鍵因子である ACS1 が含まれていた。G3 には転写因子である ERF98 や信号伝達系因子である WAT1-like が含まれており、これらが低温誘導性果実成熟の鍵因子であることが推察された。エ
チレン処理と低温処理の組み合わせにより、‘パスクラサン’果実の成熟を必要に応じて制御できることが明らかになった。
【緒言】 高貴な香りととろけるような舌触りを持

また，成熟に必ずしもエチレンを必要としないミ

つ晩生セイヨウナシ‘パスクラサン’は、明治からカンに注目し未熟果実を収穫後種々の温度下に保大正にかけて輸出品として岡山各地で広く栽培され持したところ，２０℃以上では着色の進行が抑制ていた。現在では、赤坂地域の特産高級贈答品果実されたが、10−15℃の温度域で顕著に着色が促進さとして、生産・販売されている。この果実は食味品れることを確認した。さらに、キウイフルーツで質が極上ではあるが、貯蔵・成熟管理が難しく、「食は次世代シーケンサーを使った RNAseq 法によっべごろ」期間が短いこと、貯蔵病害「輪紋病」に弱て、網羅的遺伝子発現解析を行い、約 3000 個の成いことなどから、その生産・流通量は限定されてい熟関連遺伝子を特定し、鍵となる転写因子遺伝子るのが現状である。

を抽出するとともに、エチレン信号伝達系と低温応答信号伝達系の共通性と特異性を解析した

セイヨウナシ果実は低温遭遇によって植物ホルモンであるエチレン生成が誘導され、それが引き(Asiche et al.2018, Mitalo et al.,2018,2019。

金となって成熟することが知られている(Klee,

これらの観察、経験から、セイヨウナシを含む温Giovannoni, 2011.)。特に、晩生の‘パスクラサ

帯性多年植物では低温遭遇が未知の信号伝達系をン’の成熟には低温遭遇が必須であるとされてい介して果実成熟を誘導することが示唆された。そる。セイヨウナシ果実のエチレンと成熟について

こで、本研究では、プロピレン処理と低温処理、は、筆者らの以前の研究も含め遺伝子レベルで解RNAseq 解析、Real-Time PCR 解析を利用して、‘パ

析が進んできたが、低温応答の分子機構について

スクラサン’果実の成熟機構の分子解析を行った。

は、ほとんど不明のままである。
最近、筆者らはエチレンによって成熟するとさ【材料及び方法】実験果実として 2016 年 10 月 25

れているキウイフルーツ果実の貯蔵技術研究の中日に岡山県赤磐市の農園から収穫した商業的収穫熟で、「低温遭遇によってエチレンの作用なしに成熟度のセイヨウナシ(Pyrus communis L.) ‘パスクラする」という全く予想外の現象を発見した(Asiche

サン’果実を用いた。収穫した果実を直ちに岡山大et al., 2016,2018, Mworia, , et al. 2011, 2012)。

学農学部に輸送し、極端に大きさが異なる果実、病- 74 -

害果実、エチレン生成果実を実験より除外した。収理果実は 10 日間の連続処理にも関わらず、エチレン

穫直後の一部果実に対して、エチレンアナログであ生成は有意に上昇しなかった(図 1)。一方、果実硬る プ ロ ピ レ ン を 10 日 間 、 連 続 的 に 処 理 し た

度は処理によって低下し、収穫時には 72N であった

(McMurchie,et. al.,1972,5000ppm、20℃)。残りの硬度が、処理 10 日目には 20N に低下した。

果実は、0℃、5℃、10℃、20℃に 6 週間貯蔵した後、6 週間の貯蔵期間中、エチレン生成は 0℃、5℃貯

全果実を 20℃に 6 日間移し追熟処理を行った。
また、蔵でのみ検知された(図 2)。
0℃、5℃貯蔵果実では 2、5℃貯蔵果実のみ一部の果実で収穫時から 2 週間毎

3 週目よりエチレン生成が検出された。貯蔵 6 週目に 1-MCP 処理(2ppm)をする区も設けた。乾燥によるのそれぞれの貯蔵温度下での生成量は 0.842 nl/g/h、

水分損失を防ぐために、実験で用いた全ての果実を1.20 nl/g/h であった。10、20℃貯蔵果では貯蔵・ポリエチレン袋で包装した。1-MCP(SmartFreshTM、

追熟期間中のエチレン生成は見られなかった。6 週

Rohm and Hass 社、アメリカ)およびプロピレンの処

間後の追熟処理では、0℃、5℃貯蔵果実で数日間の理時間は 12 時間とし、Mworia ら(2010、2012)と同一時的な低下の後、エチレン生成量は急増した(図様の方法で行った。

2B)。ピーク時のエチレン生成量はそれぞれ 6.70
nl/g/h、4.76 nl/g/h (追熟 5 日目)であった。1-MCP
処理によって、5℃貯蔵果の貯蔵中、後の追熟時エチ＜エチレン生成量の測定＞

ID 検出器付きガスクロマトグラフ(GC8 CMPF モデ
ル；島津社、
日本)に注入した(Mworia et al.,2012)。
インキュベートはそれぞれの貯蔵温度下で行った。

Flesh firmness (N)キュベートした後、2ml のヘッドスペースガスを、F

Ethylene production (µg kg -1 s-1)

レン生成は抑制された。

エチレン生成量は、果実を密閉容器で 1 時間イン

＜果実硬度の測定＞
収穫直後、プロピレン処理 10 日後、貯蔵後(6 週目)、追熟後(6 週+6 日目)の果実を用いて、貫入硬度の測定を各 3 反復で行った。硬度は果皮を取り除いた後、赤道部の貫入抵抗を直径 5mm のプランジャーを備えた貫入度計(SMT-T-50 モデル；東洋測器社、日本)で 2 回ずつ、一果実計 4 回測定した (Asiche
et al.,2016)。
＜RNAseq 解析と qPCR 解析＞
Hot Borate法を用いて、冷凍保存した果実の全RNAを抽出した(各処理区 3 反復)。抽出後、RNA Clean-up
キット(Favorgen Biotech 社、台湾)を使って、DNase

果実硬度は 5℃貯蔵果実でのみ低下し、貯蔵 6 週目

処理による RNA 精製を行った。全 RNA を用いて cDNA

では 0℃、5℃それぞれ 72N、33N であった。6 週間後

ライブラリーを構築し、次世代シーケンサーを用いの追熟処理では、0℃、5℃貯蔵果実で数日間の一時て、RNAseq 解析を行った。また q-PCR 解析を CFX的な低下の後、エチレン生成量は急増した。また、

ConnectTM Real-Time System(BIO-RAD 社)のプロト

追熟 6 日目でのそれぞれの果実硬度は 13N、5N であコールに基づいて行った。

った。1-MCP 処理によって、5℃貯蔵果の貯蔵中、後の追熟時エチレン生成は抑制された。
第３図に RNAseq 解析による DEGs の発現パターン【結果と考察】 収穫直後に処理したプロピレン処- 75 -

別の分類を示した。低温遭遇前のプロピレン処理にれた。すなわち、これらの遺伝子群は、エチレンシ

よって発現が増加する遺伝子が 117 個、減少する遺グナルの有無によって発現が制御される、完全エチ

伝子が 260 個、合計 377 個の遺伝子が抽出され、グレン依存性遺伝子であると考えられた。すなわち、

ループ１とした。

これらの遺伝子群は、パスクラサン果実が低温遭遇

260

284

479

5℃ vs 20℃

177

前であってもエチレン信号に応答し、一定の成熟プ

Chilling-responsive DEGs

5℃ vs 20℃

Down

Propylene vs Control

Up

Propylene vs Control

Overall DEGs

187

Suppressed by 1-MCP

97

No 1-MCP effect203

Affected by 1-MCP

276

ロセスを進行させる能力を担っていると考えられる。
P
c
A
C
O
1

2500

No 1-MCP effect

P
c
P
G
1

10000

2000

8000

1500

6000

1000

4000

500

2000

0

0

P
c
β
G
A
L
2

P
c
E
X
P
9

15

4000

12

5℃また 20℃下で６週間貯蔵した果実における

3000

9

RNAseq 解析によって、低温遭遇によって有意に発現

2000

レベルが高くなる遺伝子が 264 個、低くなる遺伝子

1000

6

3

0

0

が 479 個同定された。さらに、エチレン作用阻害剤

80

P
cA
M
Y

P
c
P
L
1
8
a

80

1-MCP 処理によって発現レベルが変動する遺伝子と60

60

して 187+203=390 個が抽出された。これらは、低温

40

40

20

20

れると考えられる。
さらに遺伝子発現制御機構を解析するために、

20 ℃

Storage(0 d)(10 d)(42 d)

Storage(42 d)

Real-Time PCR 法を用いて DEGs の遺伝子発現パターンの詳細解析を行った。グループ１には、エチレン
生合成の最終段階を触媒する ACC 酸化酵素遺伝子

第５図には、グループ２に属する 9 個の遺伝子の(ACO1)、果実軟化に主要な役割を占める細胞壁分解

発現様相を示した。これらの遺伝子は、低温遭遇前酵素であるポリガラクチュロナーゼ遺伝子にはプロピレン処理にも全く応答しないが、低温遭(PG1),β-ガラクトシダーゼ(β-GAL)、
ペクテートリ遇によって成熟が進行するセイヨウナシ特有の生理アーゼ(PL18a)、デンプン分解酵素遺伝子である α-現象に強く関わっている。ただし、エチレン作用阻

アミラーゼ(α-AMY)および転写因子である GRAS な害剤である 1-MCP 処理によって発現変化が抑制されどが含まれていた。これらの遺伝子は低温遭遇前のることから、これらの遺伝子はエチレン信号の支配

プロピレン処理によって顕著に発現が促進または抑下にあることは明らかである。この中にはエチレン制された。また、低温遭遇によっても発現が変動す

生合成の鍵因子である ACC 合成酵素遺伝子(ACS1)がる一方で 1-MCP 処理によってその発現変動は抑制さ含まれ、この遺伝子の活性化が低温誘導性エチレン- 76 -

20℃

10℃

5℃ 1-MCP

0℃

At-harvest

0

20 ℃(10 d)

20°C

誘導成熟機構の初発眼科医を制御する遺伝子が含ま

10°C

0.3

5°C

と考えられ流。この中に、セイヨウナシ果実の低温

5°C 1-MCP

0.6

0°C

達系の支配を受けず、低温刺激に特異的に応答する(0 d)

Control

0.9

Propylene

グループ３とした。この遺伝子群はエチレン信号伝

P
c
G
R
A
S
2

At-harvest

1.2

5℃

0

0

に応答しない遺伝子としては 97+276 個が抽出され、Control

義され、グループ２と命名した。一方、1-MCP 処理

Propylene

遭遇によってエチレン応答性を獲得した遺伝子と定を担っていると考えられる。なお、この遺伝子の低が低温誘導性成熟現象の中で最も中心的役割を果た

温誘導性現象は、Lelièvre ら(1997)の先行研究でもしていると考えられる。なお、ERF98-like 遺伝子は示されている。エチレン受容体遺伝子(ETR2)、転写

早生系セイヨウナシ品種のバートレット果実でも低因子(MADS2,BZR1)もこのグループに含まれており、

温遭遇によって発現が誘導されることが示されていエチレン信号伝達系の活性化が推定された。また。

る（久保ら未発表）。

これらの遺伝子発現変化がエチレンの自己触媒的エ

40

P
c
W
A
T
1
lik
e

A

50

a

P
c
E
R
F
9
8
lik
e

B

a

チレン生合成を担っていると考えられる。また、細

a

30

40

b

胞壁に作用するエンドグルカナーゼ遺伝子(EG3)、
エ

30
20

c

クスパンシン遺伝子(PXPA1-like)、ペクテートリア

20

d

10

b
10

ーゼ遺伝子(PL18a)も低温遭遇によって誘導された

e

e

e

e

0

エチレンによって制御されていることが明らかにな

c

c

c

0

P
c
A
T
L
6
5

C

10

った。すなわち、これらの遺伝子群は低温遭遇によ

c

c

15

a

ab

P
c
M
Y
B
6
lik
e

D

b

8
10

って初めて、エチレン誘導性を獲得したものであり、

6

c
ab

低温誘導性成熟の最終段階を担っていると考えられ

4

P
c
A
C
S
1

P
c
2
0
G
D

60

P
c
E
T
R
2

500

600
400

d

c

c

c

P
c
G
R
P
2
lik
e

E

6

5

4

bcd
4

c

200

cd

a
e

0

e

1

e

e

0

P
c
P
L
1
8
b

P
c
E
X
P
A
1
lik
e

e

e

0

1200

a

6000

P
c
P
S
B
O
1

G

3.0
900

2.0

ab

P
c
M
B
F
1
c

H

ab

ab
2.5

2000

300

2.0

0

1.5

abc

a

50

0

bc

11000

P
c
S
A
U
R
2
1
lik
e

P
c
M
A
D
S
2

P
c
B
Z
R
1

5

3

bc
c

1.0
4

d

0.5

Storage(10 d)(42 d)

(0 d)

20 ℃

Storage(10 d)(42 d)

(0 d)

20 ℃

Storage(10 d)(42 d)

20℃

10℃

5℃ 1-MCP

0℃

5℃

Control

Propylene

At-harvest

20℃

10℃

5℃ 1-MCP

0℃

5℃

Control

Propylene

0At-harvest

20℃

10℃

0℃

5℃

5℃ 1-MCP

Control

Propylene

At-harvest

(0 d)

20 ℃

(0 d)

20 ℃

Storage(10 d)(42 d)

(0 d)

0℃

5℃

10℃

20℃

0℃

Control

Propylene

1

0

0.0
At-harvest

1
300

d

0.0

2

0

d

3

5℃ 1-MCP

2

600

c

0.5

d

Control

9000

900

a

1.0

5℃

0

a

1.5

20 ℃

Storage(10 d)(42 d)

10℃

600

5℃ 1-MCP

4000

100

Propylene

150

At-harvest

Relative expression

0

300

250

c

2

2
100

200

bc

d

20

8000

a

P
c
T
C
P
7

F

a

abc

300

P
c
E
G
3

d

3

400

0

d

0

40

200

d

c

0

20℃

Relative expression

る。

d

5

b
c

2

以上の結果を総合して、パスクラサン果実の成熟
第６図にはグループ３の主要な遺伝子群の発現パ制御機構をまとめた模式図を第７図に示している。

ターンを示した。これらは低温遭遇前のプロピレン

セイヨウナシ果実は低温遭遇前にもエチレン信号が処理には応答せず、低温遭遇によって発現が有意にON になるとペクチン分解関連遺伝子を含む一定数

増減し、その変動は 1-MCP 処理によっても影響を受の細胞壁分解関連遺伝子が活性化され、果実軟化がけない遺伝子群である。すなわち、これらは低温応進行すると考えられる。ただし、この段階ではエチ

答特異的遺伝子であり、低温誘導性果実成熟の支配

レン生合成の鍵因子である ACC 合成酵素遺伝子の活遺伝子が含まれていると想定できる。グループ３に性化が見られないので、エチレン生成そのものは誘は 転 写 制 御 遺 伝 子 (ERF98-like,MYB6-like,

導されない。この遺伝子群の制御には転写制御因子

GRF2-like) お よ び 信 号 伝 達 系 遺 伝 子の GRAS2 が関与していることが推察される。果実が(WAT1-like,TCP7)が含まれており、これらの遺伝子

5°C 以 下 の 低 温 に ６ 週 間 程 度 曝 さ れ る と 、- 77 -

ERF98-like 遺伝子を始めとする転写制御因子と熟を誘導すると同時にその進行を抑制する両方の役

WAT1-like 遺伝子のような信号伝達系遺伝子が活性割の両方がある。必要な貯蔵期間に応じた適切な低化され、これらの変動によって多数の遺伝子がエチ

温(0-5°C)を利用することによって、パスクラサン

レン応答性を新たに獲得し、低温遭遇前からエチレ

果実の持つ最高品質を引き出すことができる。

ン誘導性を持っているプループ１の遺伝子群と共同して、果実自らのエチレン生成によって成熟プロセ【引用文献】

ス進行すると考えられる。

Asiche, W.O., Mitalo, O.W., Kasahara, Y., Tosa,
Y., Mworia, E.G., Owino, W.O., Ushijima, K.,
Nakano, R., Yano, K., Kubo, Y., 2018.
Comparative transcriptome analysis reveals
distinct ethylene–independent regulation of
ripening in response to low temperature in
kiwifruit.

BMC

Plant

Biol.

18,

47.

https://doi.org/10.1186/s12870-018-1264-y.
Asiche, W.O., Mworia, E.G., Oda, C., Mitalo, O.W.,
Owino, W.O., Ushijima, K., Nakano, R., Kubo,
Y., 2016. Extension of shelf life by limited
duration of propylene and 1-MCP in three
kiwifruit cultivars. Hortic. J. 85, 76–85.
https://doi.org/10.2503/hortj.MI-066.
Klee, H.J., Giovannoni, J.J., 2011. Genetics andcontrol of tomato fruit ripening and quality
attributes. Ann. Rev. Genet. 45, 41–59.
https://doi.org/10.1146/annurevgenet-11041

これらの知見から、パスクラサン果実を収穫後、0-132507.

すぐに成熟させたい場合には、外生エチレン処理による一定の果実軟化とデンプン分解による甘みの向

Lelièvre, J.M., Tichit, L., Dao, P., Fillion, L.,

上作用が利用できる。エチレン処理には興行的に合Nam, Y., Pech, J.C., Latchè, A., 1997.

成されたエチレンガスやエスレルなどのエチレン発

Effects of chilling on the expression of

生剤を使用することもできるが、簡易には傷害や病

ethylene

気によってエチレン生成が誘導された果実を発生源

Passe-Crassane pear (Pyrus communis L.)として用いることもできる。一方、果実供給に一ヶfruits. Plant Mol. Biol. 33, 847–855.

月以上の余裕期間がある場合には、5°C 以下の低温

https://doi.org/10.1023/A:1005750324531.

貯蔵によって、徐々に果実成熟を進めることが推奨

McMurchie, E.J., McGlasson, W.B., Eaks, I.L.,される。低温遭遇によって活性化される転写因子、

1972. Treatment of fruit with propylene gives

信号伝達因子によって、新たにエチレン誘導性を獲

information about biogenesis of ethylene.

得した多数の遺伝子群が、内生エチレンによって協Nature

調的に制御され、果実成熟を総合的に進行させるとhttps://doi.org/10.1038/237235a0.

biosynthetic

genes

237,

in

235–236.

考えられる。これによって、パスクラサン果実が持Mitalo, O.W., Asiche, W.O., Kasahara, Y., Tosa,

つなめらかな食感と上品な甘みが確実かつ均一に得

Y., Owino, W.O., Mworia, E.G., Ushijima, K.,られると考えられる。すなわち、低温貯蔵は果実成

Nakano. R., Kubo, Y., 2018. Characterization- 78 -

ofripening-related

genes

involved

ethylene-independentinlowtemperature-modulated ripening in ‘Rainbow
Red’ kiwifruit during storage and on-vine.
Hortic.

J.

87,421–429.

https://doi.org/10.2503/hortj.OKD-035.
Mitalo, O.W., Asiche, W.O., Kasahara, Y., Tosa,
Y., Tokiwa, S., Ushijima, K., Nakano, R.,
Kubo, Y., 2019. Comparative analysis of fruit
ripening

andassociated

genes

in

two

kiwifruit cultivars (‘Sanuki Gold’ and‘Hayward’) at various storage temperatures.
Postharvest Biol. Technol. 147, 20–28.
https://doi.org/10.1016/j.postharvbio.2018.08.017.
Mworia, E.G., Yoshikawa, T., Salikon, N., Oda, C.,
Asiche, W.O., Yokotani, N., Abe, D., Ushijima,
K.,

Nakano,

R.,

Kubo,

Y.,

2012.

Low-temperature-modulated fruit ripening is
independent of ethylene in ‘Sanuki Gold’kiwifruit.

J.

Exp.

Bot.

63,

963–71.

https://doi.org/10.1093/jxb/err324.
Mworia, E.G., Yoshikawa, T., Yokotani, N., Fukuda,T., Suezawa, K., Ushijima, K., Nakano, R.,
Kubo, Y., 2010. Characterization of ethylene
biosynthesis and its regulation during fruit
ripening in kiwifruit, Actinidia chinensis‘Sanuki Gold’. Postharvest Biol. Technol.
55,

108–

113.https://doi.org/10.1016/j.postharvbio.
2009.08.007.

- 79 -

- 80 -

- 81 -

- 82 -

水素吸蔵法とμSR 法を用いた新規イリジウム酸化物超伝導体の開発
岡山大学 異分野基礎科学研究所
堀金和正
本研究課題ではメカニカルアロイ法による La 置換に加え、水素吸蔵による水素置換により 20%におよぶ電子ドープをおこなった Sr2-xLaxIrO4-yHy を合成し、高温超伝導体を開発することを目標としている。さらに、
Sr2IrO4 の超伝導は銅酸化物の類似性や磁気秩序相の近傍に超伝導相の存在が理論的に指摘されていることから Ir の磁性が超伝導メカニズムに強く関与していることが考えられる。そこで、本課題では磁性に敏感なミュ
オンスピン回転（μSR）法を用いることにより母物質 Sr2IrO4 の反強磁性絶縁体状態から超伝導相までの磁気相図を決定する。具体的にはすでに報告がなされている Sr2-xLaxIrO4(x=0, 0.1)を補完する濃度である x=0.05 お
よび 0.15 のμSR 実験を実施した。

(1) 高圧下における粉末 Sr2-xLaxIrO4-yHy の合成にまで減少している。この結果は、水素置換のみを行った過去の報告（TN ~ 190 K ）や La 置換のみのおよび物性評価

結果（TN ~ 114 K）と比べても低い値で、La 置換に

化学量論比よりも酸素量を増やして合成・焼成する

よるエレクトロンドープの効果の表れだと考えられことで、より純度の高い試料が得られていたため、

る。

2

7

1.9

Intensity（z = 0、0.1、0.2）の合成を行った。

3(1 1 2)(0 0 8)(0 0 4)

定し、
酸素量 z のみを変化させたSr1.9La0.1IrO4-y+zH0.2

Sr La IrO H

出発物質として SrO (1000℃で 24 h 加熱), La2O3(900℃で 24 h 加熱), IrO2, Ir, SrH2 を用いた．秤量につ

0.1

4

0.2

(2 2 16)(4 2 0)unknownIr
Sr Ir O(2 2 12)(2 1 15)(2 0 16)(4 0 0)

SrIrO

3

的には、Sr2-xLaxIrO4-y+zHy の x = 0.1 及び y = 0.2 で固(0 0 12)(2 2 0)(2 2 4)(3 1 2)(2 0 12)(0 0 16)生成物の酸素量依存性について検証を行った。具体(1 1 6)(2 0 0)(2 0 4)

これまで試料合成に成功している Sr2IrO4-yHy では、

Sr La IrO H
1.9

0.1

3.9

Sr La IrO H

いては、SrH2 以外の物質は大気中で速やかに秤量し、

1.9

0.1

3.8

SrH2 は Ar 雰囲気のグローブボックス内にて秤量を

0.2

0.2

Sr IrO
2行った。秤量したそれぞれの試料をグローブボック
ス内にて混合し、超高圧合成に用いる Au セルに詰

10

20

30

40

50

60

4

70

80

2 theta (deg.)

めた。 キュービック型の超高圧装置を用い、2GPa・

図 1 Sr1.9La0.1IrO4-y+zH0.2 の粉末 X 線回折測定結果

1150℃・15min の焼成条件で合成を行った。図 1 に、1.2合成した試料の粉末 X 線回折測定の結果を示す

Sr IrO
2

1（Sr2IrO4 はメカニカルアロイを用いて合成した）。

4

Sr La IrO H
1.9

0.1

3.8

0.2

Sr La IrO H
1.9

0.8

χ/χmax

酸素量を増加させるにしたがって不純物である
Sr3Ir2O7 の生成が抑制されていることが分かる。ここから、単純に H 置換が起こっているのではなく、OH-

3.9

0.2

Sr1.9La0.1IrO4H0.2

0.6
0.4

としてエレクトロンドープが行われている可能性が0.2示唆される。また、図 2 に直流磁化率温度依存性測0定の結果を示す。酸素量の増加に伴って磁気転移温-0.2

度が系統的に減少していることが確認できる。最も

0.1

0

50

100

150

200

250

300

Temperature (K)

図 2 Sr1.9La0.1IrO4-y+zH0.2 の直流磁化率温度依存

低い Sr1.9La0.1IrO4H0.2 で 磁気転移温度 TN は 90 K 程- 83 -

図 3 に、Sr1-xLaxIrO4H0.2 の直流磁化率温度依存性に和が見られる一方、磁気転移温度以下 (TN ≈ 190 K)ついて示す（Sr2IrO4 及び Sr1.9La0.1IrO4 はメカニカル

で微弱ではあるがミュオンの回転信号が観測された。

アロイを用いて合成.）。これまでの研究で Sr2IrO4-yHy

このことより、x = 0.05 では長距離秩序相が存在してでは水素量が磁気転移温度に大きく影響していない

おり、x = 0.05 から x = 0.1 の間で長距離秩序が完全にことを示したが、La および H を同時置換した場合消失することが考えられる。また、19 K 以下の低温は大きく影響していることが分かる

ではスペクトルに浅い落ち込みが見られる。このこ（La0.05Sr1.95IrO4H0.2：TN = 170 Kとより 19 K 以下の低温では x = 0.1 と同様にスピンLa0.1Sr1.9IrO4H0.2：

TN = 90 K）。また、メカニカルアロイの La 置換試料

グラス状態が実現していることが示唆される。
x = 0.15 の ZF-µSR タイムスペクトルを図 4-(b)にと比較して磁気転移がシャープであり、高圧合成で示す。室温付近では x = 0.05 と同様にゆっくりとし均一に置換することに成功している。
母物質と比較すると磁気転移温度は劇的に減少した指数関数的な緩和が見られ 50 K 付近からその緩ているが（Sr2IrO4：TN = 240 K Sr1.9La0.1IrO4H0.2：TN

和はより顕著になる。さらに TN 以下の回転信号が見= 90 K）、マイスナー効果は見られずキャリア量がまられない。また、最低温付近で乱れた磁気秩序によだ不足していると思われる。

る浅い落ち込みが見られる。これらより x = 0.1 と同様に長距離秩序が消失しており、また、低温でスピ

1.2

Sr IrO
2

4

Sr La IrO
1.9

1

Sr

0.1

La

1.95

ングラス相が実現していることが考えられる。

4

IrO H

0.05

4

Sr La IrO H
1.9

0.6

4

0.22

0.2

H = 100 Oe

0.18

301K

メカニカルアロイ

0.16

204K

0.14

107K

0.4

0.12

54K

0.10

0.2
0

(a)

0.20

Asymmetry

χ/χmax

0.8

0.1

0.2

35K

0.08

23K
15K
10K
3K

0.06

0

50

100

150

200

250

300

0

2

4

Temperature (K)

6

8

10

t (μs)

図 3 Sr1-xLaxIrO4H0.2 の直流磁化率温度依存性

(b)

0.20

302K

Asymmetry(2) μSR 法による Sr2-xLaxIrO4 の磁気相図の決定
x = 0.1 のゼロ磁場(ZF)-µSR タイムスペクトルより

202K
104K

0.16

53K
35K
26K

0.12

18K

0.08

12K
3K

La を x = 0.1 置換することにより長距離秩序が完全に0.04

消失し短距離秩序（グリフィス相）が実現している可能性があることを指摘した。この結果より x = 0 と x

0

2

4

t (μs)

6810

図 4 Sr1-xLaxIrO4 (a)x=0.05(b)x=0.15 におけるゼロ= 0.1 の間で長距離秩序が消失する転移点があること

磁場μSR スペクトルが予想される。そこで長距離秩序から短距離秩序への変遷を詳しく調べるために x = 0.05 の試料を、そし

次に縦磁場(LF)-µSR タイムスペクトルの解析にて、さらにドープ量を増やすことにより起こる変化

より、La ドープに伴い変化する Ir モーメントの大きについて調べるために x = 0.15 の試料について同様さを算出した。x = 0 の時、Ir モーメントは|µ | =に µSR による測定を実施した。

0.4 µ で あ っ た の に 対 し て x = 0.05 で |µ | =x = 0.05 の ZF-µSR タイムスペクトルを図４-(a)に0.053 µ 、x = 0.1 で|µ | = 0.045 µ 、x = 0.15 で示す。室温付近ではゆっくりとした指数関数的な緩|µ | = 0.033 µ と求まった。この結果より Ir モー- 84 -

メントは系統的に減少するのではなく x = 0 から x =門野良典、秋光純, メカニカルアロイ法による Sr2-

0.05 の間で大きく減少し、それ以降は僅かに減少す

xLaxIrO4 の磁気相図, J-Physics:多極氏伝導系の物理ることが示された。このことより、x = 0.05 の付近で

平成 30 年度領域全体会議、東北大学片平ホール、

Ir モーメントに何らかの変化があることが考えられ2018 年 5 月 25 日.

る。La のドープ量が x = 0.096 を超えると La 原子の[3] 町田一樹、堀金和正、藤井政徳、岡部博孝、小林

周りのギャップが変化しギャップが不均一な状態が夏野、堀江理恵、石井啓文、久保園芳博、幸田章宏、

出現するという報告がある [Nat. Phys. 13, 21 2016] 。

門野良典、秋光純, μSR 法を用いた Sr2-xLaxIrO4 の磁これらより、Sr2-xLaxIrO4 の磁性が大きく変化する La

気相図の決定, 2018 年 日本化学会中国四国支部大のドープ量が存在することが考えられる。

会、愛媛大学城北キャンパス 2018 年 11 月 18 日

最後に得られた研究結果をまとめる。本研究では[4] 町田一樹、堀金和正、藤井政徳、岡部博孝、小林

Sr1.9La0.1IrO4H0.2 の合成し、磁気転移温度 TN~90K ま

夏野、堀江理恵、石井啓文、久保園芳博、幸田章宏、で抑制することに成功した。また、これまで報告が門野良典、秋光純, μSR 法を用いた Sr2-xLaxIrO4 の磁

なされてこなかった x=0.05 および x=0.15 のμSR 実

気相図の決定, 日本物理学会 第 74 年次大会、九州

験を行う事により磁気秩序状態を明らかにし、中性

大学伊都キャンパス 2019 年 3 月 15 日

子実験では決定が困難であった Ir モーメントの大きさを決定した（図 5）。しかし、水素置換によりキャ
リアドーピングには成功したものの超伝導化には至らず絶縁体相から超伝導相までの磁気相図の決定には至らなかった。今後は更なる H 置換を試みるとともに F 置換等の他元素置換により超伝導化を目指す。
300

0.5
Susceptibility (T )N

0.4

Ir moment

0.3

spin glass

200
150
Long range
order

50

Antiferromagnetic

00

Short range
order

Paramagnetic

0.2

B

100

Ir moment [ ]Temperature [K]

250

0.1

0
0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3
La concentration x

図 5 直流磁化率測定およびμSR 測定により決定した Sr1-xLaxIrO4 の磁気相図(3) 主な発表論文等[1] K. Horigane, M. Fujii, H. Okabe, K. Kobayashi, R.
Horie, H. Ishii, Y. F. Liao, Y. Kubozono, A. Koda, R.
Kadono and J. Akimitsu, MLF annual Report 2017, p54(2018).
[2] 堀金和正、藤井正徳、岡部博孝、小林夏野、堀江
理恵、石井啓文、廖彦發、久保園芳博、幸田章宏、- 85 -

岡山県内の障害者就労支援に関する実態調査
岡山大学全学教育・学生支援機構※1
池谷 航介※1

岡山理科大学経営学部※2

原田 新※1

川島 聡※2

従業員に一定の割合で障害者を雇用することと定めた，いわゆる法定雇用率の明示（「障害者雇用促進法」）
により，障害者の就労機会の拡充が進められてきた。本研究は，障害者と社会の接点事業といえる「障害者就労移行支援事業」の調査を進めることにより，社会側・企業側における課題や問題点を把握するための基礎的な知見を得ることを目的とする。岡山県内全ての「障害者就労移行支援事業」事業所を対象に質問紙を送付し，その回答の分析と考察を行った。その結果，（1）事業所スタッフが所有している主な資格は社会・精神保健・介護の 3 福祉資格で半数以上を占めるが，その他の専門職の配置も進み，さらに対応範囲の拡大が目指されている事業所もあること，（2）個々の事業所の特色や強みが多様化してきていること，（3）地域交流・企業開拓・余暇支援・産学連携による学生向けのサービス展開等といった機能拡充が図られてきていること等，事業の今後の展開とそれに伴う課題が確認された。
Ⅰ 問題

ら，教育や生活の場面において，障害の有無に関わ障害者の就労機会を確保するため，
我が国では
「障

らず共に参加できる枠組みはまだまだ不十分であり，害者雇用促進法」によって是正が進められてきた。

共生社会の醸成は諸に就いたばかりである。現状で同法は 1960 年に「身体障害者雇用促進法」として定

は，「障害者が参加しにくい社会構造」と「障害者とめられてから，1987 年に知的障害者も対象とする現の接し方が分からない多くの人」という二重の社会行法に改正され，後にその対象として精神及び発達障壁が，障害者就労において存在していることが考

障害者が追加されるに至っている。同法では，従業えられる。

員に一定の割合で障害者を雇用することと定めた，

本研究では，
障害者と社会の接点事業といえる「障

いわゆる法定雇用率が示されており，2018 年 4 月の害者就労移行支援事業」の把握を実施し，「障害者の改正からは，精神及び発達障害者もこの法定雇用率

権利に関する条約」あるいは「障害者基本法」の示の算定基礎に加えられることとなった。しかしながす理念に則りつつ，障害者就労の問題を支援の方法

ら，この定めによって既存の就労の枠組みに障害者論ではなく，社会構造の瑕疵として検討することが雇用を位置付けることが進んだものの，いずれの場

ねらいである。そのため，本調査を基礎的探索的な所や場面においても多様性が受け止められ得る社会知見収集の段階と位置づけ，まず，岡山県内の「障の在り方自体を問うまでには至っていない。未だ我害者就労移行支援事業」事業所に対象を絞って調査が国における障害者を対象とした就労支援は，就労を進めることにより，今後のさらに広域的な研究の開始期と就労定着期において，「社会的なスキルを伸方向性を検討できればと考えている。

長させること」と「特性に応じたケアを実施すること」等，個々の障害者側に向けられたものが大勢をⅡ 方法

占め，社会側・企業側の姿勢や理解度に影響を与え

1 調査の対象および調査時期

るアクションとしては，十分に推進されていない状

岡山県内全ての「障害者就労移行支援事業」事業

況であるといえるだろう。

所（全 29 事業所）を対象に質問紙による調査を送付

他方，2014 年の「障害者の権利に関する条約」批

し，回答を得た。回答数は 18 件（回答率 62.1%）で，准以降，法令等の整備も含め，条約に基づく共生社

無効回答は認められなかった。調査は 2019 年 3 月

会を標榜する取り組みが進みつつある。しかしながに実施した。

- 86 -

相談支援・生活介護等事業が記載されていた。
2 調査内容（1）事業所に関する基本情報（Table 1）就労移行支援事業以外に法人が実施する①事業所名，②法人で他に実施している事業（就事業

労継続支援（A 型），就労継続支援（B 型）
，障害児通

事業

件数（%）

所支援（放課後デイ等），就労定着支援，その他），

就労継続支援事業（A 型）

2（11.1）③年間利用者数，④事業所専任スタッフ（パート・就労継続支援事業（B 型）

10（55.6）

非常勤含む）の性別，年代，役職，主な取得資格，

障害児通所支援事業

3（16.7）⑤現在対応可能な障害種別，⑥実施している「就労就労定着支援事業

11（61.1）

移行支援事業」範疇のサービス内容およびその中でその他

8（44.4）も特に重点を置いているサービス 3 点，⑦貴事業所のサービスの特色（強み）について尋ねた。

2 事業所スタッフ（2）「就労移行支援事業」の範疇とは言い切れない（1）事業所スタッフの性別及び年代

が，利用者に必要と考えられるサービス

施設長を含む事業所スタッフの性別及び年代構成①有料プログラムとして実施しているもの（実施の割合は（Table 2）の通りであった。なお，年代別

予定のもの），②無料プログラムとして実施しているの割合は年代が不明なものを除いて算出している。

もの（実施予定のもの），③実施（および実施予定）

特に 20 代と 30 代のスタッフが全体の 66%以上を占はしていないが，就労移行支援利用者の社会参加をめることが確認された。

さらに促進するため，障害者総合支援法が拡充されれば実施したいサービスについて，全て自由記述で（Table 2）事業所スタッフの性別及び年代構成の回答を求めた。

男性

女性（3）就労移行支援事業を実施する上での課題（課題

合計
人数（%）

や困難さ，あるいは制度の拡充が必要と思われる点
等）について，自由記述での回答を求めた。
3 倫理的な配慮
本研究は，岡山大学学生総合支援センター生活支援部門研究倫理委員会による倫理審査において承認（番号 201803）を受け，各調査対象から同意を得た上で実施している。

20 代

2

12

14（21.5）

30 代

12

17

29（44.6）

40 代

5

6

11（16.9）

50 代

3

5

8（12.3）

60 代

3

0

3（4.6）

不明

4

22

26

合計人数

29

62

91

（%）

（31.9）（68.1）

Ⅲ 結果（2）事業所スタッフが取得している主な資格

1 就労移行支援事業以外に法人で実施している事

施設長を含む事業所スタッフの取得している主な

業等

資格は，
（Table 3）の通りであった。複数の資格を

事業所を運営する法人が就労移行支援事業以外に保持する場合はどちらも計上し，延べ件数を分母と実施している事業は（Table 1）の通りであった。こして割合を算出した。なお，「サービス管理者」につの中で，就労継続支援事業（B 型）と就労定着支援

いては「その他」からも除いている。社会福祉士，事業については半数以上の事業所が行っていること

精神保健福祉士が割合としては最も多く，次いで介が確認された。

護福祉士が多いことが確認された。一方，医療（看なお，その他としては，共同生活援助・自立訓練・- 87 -護師）と心理（臨床心理士・公認心理師）系の資格

障害種別

件数（%）

保持者は比較的少なかった。

知的障害

17（94.4）

発達障害

17（94.4）

精神障害

16（88.9）

内部障害

13（72.2）

肢体不自由

12（66.7）

なお，その他は「手話関連の資格」や「調理師」
等といったものが記載されていた。
（Table 3）事業所スタッフの取得している主な資格
資格

人数（%）

聴覚障害

11（61.1）

社会福祉士

15（21.1）

視覚障害

9（50.0）

精神保健福祉士

15（21.1）

その他

4（22.2）

介護福祉士

10（14.1）

保育士

6（8.5）

4 サービス内容

作業療法士

6（8.5）（1）サービス内容の実施状況

社会福祉主事5（7.0）

就労移行支援事業に含まれるサービス内容の実施

看護師

2（2.8）

状況について，項目ごとに集計すると，（Table 5）

臨床心理士

2（2.8）の通りであった。

公認心理師

1（1.4）

この中で特に，「オリエンテーションや研修（障害その他

9（12.7）理解等）」及び「企業の雇用担当者を対象とした相談（障害の様子や就労事例のレクチャー等）」
は行って（3）事業所スッタフ 1 人あたりの利用者数いない事業所が，比較的多くみられた。

施設長を含むスタッフ 1 人あたりの利用者数を算

なお，その他には「生活支援・余暇支援・家族支

出したところ，平均値は 4.91 人（＝年間利用者総数

援」，「余暇支援・同行支援」を行っている事業所が506 人／スタッフ総数 103 名）（標準偏差 1.71）で，あった。

スタッフ 1 人あたりの担当人数が最も多い事業所は8.29 人，最も少ない事業所で 1.67 人であった。

（Table 5）サービス内容の実施状況
サービス内容件数（%）

3 対応可能な障害種別

相談支援（メンタルケア・手帳取得

16（1）対応状況による分類

相談等）（88.9）

各障害種別への対応状況を概観したところ，発達・精神・知的障害の全てかそのいずれかに特化して対事業所での基礎技能トレーニング

応している事業所（限定型）と，広く全般に対応し（体力づくり等）

17（99.4）ている事業所（総合型）に分類することができた。
回答のあった全 18 事業所中，限定型が 3 事業所，総事業所での職業技能トレーニング

合型が 15 事業所であった。

（軽作業・PC 技能等）

18
（100.0）（2）障害種別ごとの対応状況
障害種別ごとにみた対応状況は（Table 4）の通りであった。
なお，その他は「難病」や「高次脳機能障害」で事業所でのソーシャルスキルトレー

18

ニング（あいさつや対話・生活習慣（100.0）等）あった。

事業所での就職対策トレーニング（面接・履歴書作成支援等）（Table4）障害種別ごとの対応状況- 88 -

17（94.4）

オリエンテーションや研修（障害理13

企業でのトレーニング（職業体験等）

40.0

就職後の定着支援

40.0

相談支援（メンタルケア・手帳取得相談

33.3（72.2）

解等）

企業訪問・見学16（88.9）等）
企業でのトレーニング（職業体験等）

16

事業所での基礎技能トレーニング（体力（88.9）

づくり等）

33.3

企業訪問・見学
合同面接会・合同説明会等への参加

17（94.4）

支援33.3※他の項目はいずれの事業所からも選択無し。

企業の雇用担当者を対象とした相談

85 自由記述事項のまとめ（障害の様子や就労事例のレクチャ（44.4）（1）事業所の特色（強み）ー等）

特色（強み）に関する自由記述について記述内容

就職後の定着支援17ごとに分類名を付与してまとめると，（Table 7）の（94.4）ようになった。

2

その他（Table 7）事業所の特色（強み）（11.1）

分類名
個々への対応具体的な内容・利用者の長所を活かす。
・個々のニーズに応じたプログラ（2）重点が置かれているサービス内容

ムを設定する。

（Table 5）の各サービス内容項目の中から，個々・個々のペースに合わせて活動すの事業所において特に重点を置いていると考えるもる。

のを 3 つ選択してもらい，頻度の高いものから並べ

体験活動

ると，
（Table 6）の通りであった。

・スタッフとともに職業体験を行う。

「事業所でのソーシャルスキルトレーニング（あ・有給の実習を実施している。

いさつや対話・生活習慣等）」や「事業所での職業技

企業開拓

・実習先を多様な職種に広げる。

能トレーニング（軽作業・PC 技能等）」に重点を置

地域交流・地域のボランティア活動等を行く事業所が比較的多く，個に応じた技能等の向上がう。

図られている状況が確認できた。

・農福連携による体験を行う。

専門性（Table 6）重点が置かれているサービス内容
サービス内容置し，専門的な支援を進める。

割合

・障害種別を限定して，特化して（%）
事業所でのソーシャルスキルトレーニ

いる。

66.7

トレーニングング（あいさつや対話・生活習慣等）
事業所での職業技能トレーニング（軽作

・臨床心理士・作業療法士等を配・就労の基盤となる生活全般を支
援する。

46.7

・コミュニケーションスキル・マ

業・PC 技能等）

ナー等の向上を促す。

- 89 -

余暇支援（Table 9）のようになった。

・生活の質を向上させるための余
暇支援（交流会・レクリエーシ（Table 9）就労移行支援事業に関する課題ョン体験等）

支援の質

・スタッフの正規社員化を進める。

就労後の支援・就労後もサポートを継続する。

関係機関連携・家族との連携を行う。

分類名

具体的な内容多様化への対応

・テレワーク等，多様な就労形態に応じる。

関係機関連携・医療機関との連携を行う。

・他の福祉機関との連携を進める。
・医療機関との連携を進める。

（2）事業外プログラム

・行政との連携を進める。

事業外に実施しているプログラムに関する自由記述をまとめると，（Table 8）のようになった。

産学連携

・学生を対象とする。

制度の拡充・離職した場合は再支援を進める。離職後支援の拡充を進め（Table 8）事業外プログラム
有料プログラムる。
・転職支援の拡充を進める。

・講座開催（キャリアデザイン

・定着支援制度の拡充を進め

ワークショップ）

無料プログラム

・余暇支援（旅行体験・調理実る。
（期間の延長・定義から外習・宿泊体験・婚活・飲み会れる場合への対応充実・単価

体験）

設定の見直し）・実費負担を軽減する。

・地域活動（美化活動・祭への・（特に遠隔地の）交通費を支援

参加）

する。

・余暇支援（ダンス・ミュージ・訪問時や通院同行時，通勤時

ックセラピー・花見・調理実の支援に関する算定の見直し

習・外出体験・読書）を行う。

・トレーニング（ビジョントレ・利用機関の拡充を進める。

ーニング・コミュニケーショ

生活の支援

ン・通勤練習・身だしなみ・・就労の基盤となる生活の質の向上を進める。

安全運転講習）支援の質の向上・その他のサポート（通院同行・送迎）・スタッフの資質向上を図る。
・スタッフのモチベーション維持を図る。

その他，今後に計画しているプログラム
企業への啓発・家族支援
・産学連携（就学中の就労支援やひきこもり対策）

・企業側の理解を促すための働
きかけを行う。

・訪問型の移行支援
・関係機関と連携したチーム支援

Ⅳ 考察

・社会奉仕活動への参加支援

1 事業所の概要
就労移行支援事業以外の実施事業として，企業へ（3）就労移行支援事業に関する課題の移行支援後に想定される定着支援事業に次いで就就労移行支援事業に関する課題の自由記述につい労継続支援事業（B 型）が多かったが，雇用形態をて記述内容ごとに分類名を付与してまとめると，とらない支援事業として従来からある B 型に加え，- 90 -

就労移行支援事業を拡充する法人も多かったのでは業を進めることによって，その周辺に存在するニッないかと推察される。また，事業所スタッフの年代

チなニーズの掘り起こしが進んでいる印象を得た。

別構成をみると，20 代 30 代が全体の 66％を占め，

例えばスタッフで他の専門職を配置することによっ2006 年の制度化以降，企業における障害者雇用の拡て対応範囲を拡充する，あるいはスタッフの資質を充が進んできたことを受け，新しい事業所の参入が向上させるといった「内部の機能強化」，あるいは地増加してきた様子がみてとれる結果となった。

域交流・企業開拓・余暇支援・産学連携による学生

スタッフが所有している主な資格は社会・精神保向けのサービス展開等といった「外部への機能拡充」，

健・介護の 3 福祉資格で半数以上が占められており，といったことが確認された。中でも，就労そのもの

作業療法士や臨床心理士といった他の専門資格が散だけに着目して支援するのではなく，例えば「余暇見された。
さらに発展的な事業の拡充を図るために，を充実させる」といった生活の質の向上も含め，利

福祉士系以外の専門職が配置されつつある事業所が用者の生活を総合的に支援するアプローチは重要と確認された。今後は調査を継続し，どのような専門いえるだろう。多様なアプローチを実施できるよう職のニーズが増しているか，把握を進めたいと考えにするためにも，支援期間や単価設定等，現状の制ている。

度における具体的な課題が多数言及されており，よなお，スタッフ 1 人あたりの利用者数は年間でり総合的な制度が検討されるべきではないだろうか。

4.91 人となっており，利用者平均から算定した従業員（職業指導員・生活支援員・就労支援員）
・管理者・

3 今後の展望と課題

サービス管理責任者で構成されるスタッフ定員を考事業所のサービス内容の重点及び自由記述内容をえると，2 年満期利用だけではなく短期で利用者が総合的にみると，企業が求める人材像に合わせて利入れ替わっている状況も推察される。詳細な利用期

用者をトレーニングし，マッチングすることに重点間の実態に関しては今後の調査課題としたい。

が置かれている場合が多く，利用者の長所の活用方法を提案する等，企業側に働きかける仕組みといっ

2 事業所の多様化た言及等は少数であった。利用者の雇用を決定する

対応可能な障害種別について事業所ごとにみていのはあくまでも企業側であり，このような関係性のくと，障害種別を例えば精神・発達・知的障害の全もとで就労移行支援あるいは定着支援の範疇においてかそのいずれかに特化している限定型の事業所と，て企業側への働きかけを行っていくことは，構造上障害種別を限定せず広く全般に対応する総合型の事

容易ではないだろう。

業所に分類できると推察された。制度化から十余年

今回の調査ではこの点について詳細に把握するこが経過し，ひとえに「就労移行支援事業所」と括らとができなかったが，今後は，事業所あるいは利用れるのではなく，各々の特色が多様化してきている者（及び家族等）を対象に社会側・企業側の理解とと推察される。
このことは地域全体で捉えると，様々いった状況について聞き取りを進めていくことに加なニーズのある利用者にいずれかの事業所が対応可

えて，企業側への調査も実施し，本研究の目的であ能ということになり，個々の利用者にとって有益でる社会側・企業側の構造的な課題の検討に努めたい

あるだろう。今後は個々の事業所の重点サービスにと考えている。

ついてインジケーターを表示する等，各々の特色が利用者にも分かりやすくなるような仕組みがあれば，利用者が事業所を選ぶ際に指標とできるのではない

謝辞
本研究に多大なるご支援賜りました公益財団法人

かと考える。

ウエスコ学術振興財団に深く感謝申し上げます。ままた，特色（強み）・事業外プログラム・課題それた，貴重なご回答いただきました岡山県内の各就労ぞれの自由記述をまとめたところ，就労移行支援事

移行支援事業所の皆様にも心より感謝申し上げます。

- 91 -

乳児を養育する親の産後うつと睡眠、生活状況に関する海外との比較研究
岡山県立大学保健福祉学部看護学科
池田 理恵【目的】佐藤ら(2013)は、母親の愛着が低いほど虐待傾向が強いことを報告し、Tikotzky(2016)は、母親のマ
ターナルボンディングに、睡眠が影響すると明らかにした。本報告は海外との比較の事前調査として行い目的
は産後 1 か月時の母親の睡眠と産後 4 か月のマターナルボンディングの関連を確認することである。
【方法】研究対象者：産科医院に 1 か月健康診査のため訪れた母親 149 名。調査期間：2017 年 9 月〜2018 年
6 月末。調査方法：1 か月健診時に研究協力への依頼を配布し、協力の同意を得た女性に産後 4 か月に調査票を送付し、郵送にて回収した。調査内容：調査内容は基本属性（年齢, 家族構成, 職業有無, 最終学歴，経済状況)、出産歴、育児状況、ピッツバーグ睡眠調査票（PSQI）日本語版、Postpartum Bonding Questionnaire 日本
語版、エジンバラ産後うつ自己評価表（EPDS）である。分析方法：記述統計およびロジスティック回帰分析を行った。統計学的分析は SPSSversion22.0 を使用した。本研究は岡山県立大学倫理委員会の承認を得た（承認番
号 17−11）。
【結果および考察】対象者 149 名のうち 144 名(97.2%)から回答が得られ、産後 4 か月に継続して回答が得られた 59 名(40.9%)を分析対象とした。対象の平均年齢は 31.5(±4.5)歳、初産婦 25 名、経産婦 34 名であった。
6 点以上を睡眠障害とする PSQI は 1 か月で平均得点 7.6 点、睡眠障害あり 48 名(81.4%)、4 か月で平均得点が5.8 点、睡眠障害あり 27 名(45.4%)であった。従属変数を 4 か月のマターナルボンディング、独立変数を産後 1か月の睡眠の質、母親の年齢、帝王切開有無、子供の数、産後うつ傾向としロジスティック回帰分析を行った。
子供の数（β=-.294 ）と産後うつ傾向(β= .311) が有意な結果として得られたが、産後 1 か月の睡眠の質は有意な結果ではなかった。しかし、産後 1 か月時に睡眠障害のない人は 4 か月にボンディング障害はなく、産後 1 か月時に睡眠障害のある人の中から、ボンディング障害となる人が生じていた。ボンディング障害は 1 か
月の睡眠障害が 4 か月に改善していても生じていた。このことから 1 か月時に睡眠障害があれば、4 か月時にボンディング障害の可能性があるという視点を持ち、専門職によるアセスメントが必要である。

(affection)を意味するのではなく、子供たちに対し1．はじめに佐藤ら(2013)92 は、乳児健診時に母親のボンディて一方向性をもった関心および愛情によって、いかングが低いほど虐待傾向が強いことを報告している。

に関わり合えるようになったかという現象を表す用

また、Brockington(1996)は、ボンディング障害は、語と定義している。また、Brockington (2011) (83)

養育の拒否、ネグレクト、虐待へと発展する可能性

は、自分の子供に対して愛情がわかず、世話をし守を含んでいると報告している。また、北村ら(2013)

りたいという感情が弱く、かえってイライラしたり、はボンディング障害は、虐待に影響を及ぼす可能性

敵意を感じたり攻撃したくなるなどの衝撃が出てくがあると報告している。そのため、乳児期に母親にるよう な病理な心理状態をボンディン グ障 害

ボンディング障害がある場合、子供の発達にかかわ(bonding disorder)、あるいはボンディング不全

る深刻かつ長期的な母子関係に影響を及ぼすことが(bonding failure)と定義し、これらは同じ意味の言考えられる。

葉として使用されている。母親の子への情緒的な絆

Klaus&Kenell(1982)は、ボンディングとは、赤ち

は、子の健全な発育の為に重要であり、虐待予防やゃんとの大人の間にみられる相互の愛情

子育ての視点からも、母親から子供へのボンディン- 92 -

グすなわちマターナルボンディングは重要であると対象者は、 研究協力の得られた A 県内にある産いえる。よって、本研究ではマターナルボンディン

婦人科医院において産後 1 か月の女性に協力を得た。

グに着目した。

そのうち、産後 4 か月までの継続的な研究協力に同意が得られた女性を継続調査の対象として、 随時、

ボンディングに影響する要因として、金子ら調査を依頼した。

(2008)は母親が抑うつ状態にあると、子供へのボン

調査期間は 2017 年 9 月〜2018 年 6 月末である。

ディングが低くなることを明らかにし、下中(2017)は、産後 1 か月のマターナルボンディングに EPDS 得

3) 調査方法

点、子供の数、主観的な睡眠の質が影響しているこ

事前に研究フィールドとして協力を得ている産婦人とを報告している。また、Tikotzky(2016)は、産後科医院における責任者に対して、研究目的、方法、

3 か月から産後 18 カ月児を育てる母親のマターナル

倫理的配慮を書面と口頭で説明し承認を得た。調査

ボンディングに、母親の睡眠や、時間、覚醒時間、は、産後 1 か月、4 か月の 2 時期に無記名自記式に覚醒回数が影響することを明らかにしている。これよる質問調査を実施した。産後 1 か月は、1 か月健らの先行研究より、産後のマターナルボンディング

康診査のための来院機会を利用し、継続調査への協に睡眠が影響を与えていることがわかる。産褥期の力が得られた者を対象とした。産後 4 か月は郵送に女性の睡眠に焦点を当てた先行研究では、藤田て随時調査票を送付し、返信をもって同意とみなし(2015) ⑥は産後 1 か月の母親の 8 割以上の母親がた。

睡眠に満足していないことを示し、江藤ら(2000)53
は産後 4 か月の母親に、育児をしている中で夜中に4．調査内容沸き起こる気持ちを尋ねたところ、
69.9%の母親が途

1) 睡 眠 の 質 :Pittsburgh Sleep Quality Index

方に暮れ、
63.2%の母親が夜中の世話を誰かに変わっ(PSQI-J)てほしいと考えていたことを報告し、産褥期の多く

睡眠の質はピッツバーグ睡眠調査票(PSQI)を用いの女性が睡眠に悩まされていることが考えられる。

て測定した。PSQI はピッツバーク大学精神科学教授

したがって本研究の目的を、産後 1 か月時の母親

Kupfer らによって開発された睡眠の質に関する標の睡眠の質が産後 4 か月時のマターナルボンディン

準化された 18 項目の質問からなる自記式質問票でグを予測できるかを明らかにすることとする。母親ある。
土井ら(1998)によって日本語版が作成された。

の睡眠の質からマターナルボンディングを予測でき

18 項目、
4 段階のリッカート尺度の自記式質問票で、るかを明らかにすることで、マターナルボンディン

各項目を得点化しているものである。睡眠の質、入グを考慮した産後の女性の睡眠へのアセスメントの眠時間、睡眠時間、睡眠効率、睡眠困難、眠剤使用、

視点や介入方法を考える一助としたい。

日中覚醒困難の 7 要素(0〜3 点)を加算し、合計得点
PSQI(0〜21 点)を算出する。各項目のいずれも、高2．目的

得点ほど睡眠が障害されていると判断し、合計得点

産後 1 か月時の母親の睡眠の質が、産後 4 か月時ののカットオフポイントは 6 点とされている。6−8 点

マターナルボンディングを予測できるかを明らかに

を軽度障害あり、9 点以上を高度障害ありと判断さ

する。

れる。

3．研究方法2) Postnatal Bonding Questionnaire: PBQ
PBQ は産後の母親から子どもへのボンディングを

1) 研究デザイン

測るための尺度である。日本語版は金子(2010)によ自己記入式質問票による量的調査の手法を用いた
量的縦断研究である。

って翻訳され、信頼性妥当性が検証されている。252) 調査対象と調査時期

項目 6 件法で愛着形成、育児不安、児に対する拒絶- 93 -

や怒りの感情、虐待リスクの 4 因子により構成されていなかった。育児サポートありと回答した者は 1

る自記式質問票で、国際的にも広く普及されている。

か月時と 4 か月時ともに 58 名(98.3％)であった。
最終学歴は高卒以上が 58 名(98.3%)、家族構成は核家族が 57 世帯(96.6%)、三世代同居 2 世帯(3.4%)で3) 産後うつあった。

エジンバラ産後うつ自己評価表とは、産後うつのスクリーニングを目的として Cox ら(1987)によって2)研究脱落者の概要

開発された尺度である。産後うつのスクリーニング
ツールとして国際的に広く普及、活用されている。

1 か月での研究協力者は 144 名で、有効回答者はEPDS は産後うつを診断するものではなく、スクリー

140 名であった。4 か月までの研究継続者は 59 名でニングに使用するものであり、臨床診断によって産あった。継続者と脱落者の背景を分析するために、

後うつは診断される。10 項目 4 件法で構成される自カイ二乗検定を行った結果、職業の有無と、2 回目

記式質問票であり、合計得点は 30 点となり、9 点以の調査時期である 4 か月まで育児休暇を取得してい上は抑うつ傾向が高いとされている。

るかの有無で脱落者と継続者に有意差があった(p<0.05)。しかし、1 か月時の、ボンディング障害、睡眠障害、産後うつ傾向の有無等では有意差は得ら

5．分析方法れなかった。

記述統計を行い、2 群間の平均値の比較には t 検定、カテゴリカルデータの検定にはカイ二乗検定を用いた。
産後 1 か月時の母親の睡眠の質を独立変数、

3)産後 1 か月と 4 か月の PSQI・PBQ・EPDS 得点の平

4 か月時の PBQ を従属変数としたロジスティック分

均とその変化析を行った。先行研究では、ボンディングに影響を(1)産後 1 か月と産後 4 か月の睡眠障害の割合にお与える因子として、若年(Kinsey,2014) 、帝王切開

いて、PSQI の平均点は産後 1 か月で 7.6±2.4 点、(Sockol,2014)、産後うつ、子供の数(下中ら,2017)

4 か月は 5.8±2.7 点となり 4 か月の方が下がったが影響していることを報告している。よって、その(p<0.05) 。睡眠障害とされた人は 1 か月時では 48

他の独立変数を、年齢、帝王切開有無、子供の数、名(81.4%)で、4 か月時では 27 名(45.7%)となった。

産後うつ傾向とした。
(2)ボンディングを測る PBQ においては、平均点は 1
か月時が 12.9±9.5 点に対し、4 か月は 11.1±8.3

6．倫理的配慮点となり 4 か月の方が低い傾向にあった。ボンディ

本研究は、岡山県立大学倫理審査委員会の承認をング障害とされた割合は 1 か月が 4 名(6.8%)で 4 か得て実施した。(平成 29 年 承認番号：17-11)。

月が 6 名(10.2%)となり、4 か月に増加傾向があった。
7．結果

下位因子の愛着形成は 1 か月時が 4 名(6.8%)、4 か

1)研究協力者の背景

月時が5名(8.5%)であった。
拒絶や怒りは1か月時、産後 1 か月の回答者 144 名(回収率 97.2%)のうち、4 か月時ともに 1 名(1.7%)、育児不安は 1 か月時と産後 4 か月まで継続して回答が得られた 59 名を分

4 か月時ともに 2 名(3.4%)、虐待リスクは 1 か月時

析対象とした(有効回答率 4 0.9%)。1 か月時の研と 4 か月時ともに 0 名であった。4 か月時にボンデ究協力者の平均年齢は 31.5±4.5 歳、歳少年齢は 22

ィング障害のあった 6 名の背景をみると、6 名の内歳、最長年齢は43歳であった。
初産婦が25名(42.4%)、

5 名が初産婦であった。また、6 人全員が 1 か月時に経産婦が 34 名(57.6%)であった。分娩方法は経腟分睡眠障害であった。

娩が 54 人(91.5%)と多かった。里帰り出産は 22 名
(3)産後うつ傾向を測る EPDS においては、平均点は(37.3%)が行い、37 名(62.7％)は里帰り出産を行っ- 94 -

1 か月時が 3.2±3.4 点で 4 か月が 2.7±2.8 点で 4

下位因子 2 の拒絶や怒りの感情についても、拒絶やか月の方が低い傾向にあった。産後うつ傾向の割合

怒りの感情ある人は少ないが、1 か月時に睡眠障害

は 1 か月と 4 か月共に 4 名(6.8%)であった。

のない人は 4 か月時に拒絶や怒りの感情はなく、睡眠障害のある人の中に 4 か月時に拒絶や怒りの感情があることが示された。

4)4 か月時のマターナルボンディングの予測(4) 産後 1 か月の PSQI と産後 4 か月の PBQ 下位因

従属変数を、4 か月のマターナルボンディングの得点、独立変数を産後 1 か月の睡眠の質、母親の年

子 3：育児不安

齢、帝王切開の有無、子供の数、産後うつ傾向とし、下位因子 3 の育児不安においても、1 か月時に睡眠

ロジスティック分析を行った。Hosmer と Lemeshow

障害のない人は 4 か月時に育児不安はなく、1 か月の検定の結果、求めたモデルはデータに適合してい時に睡眠障害のある人の中に 4 か月に育児不安があると判断され、マターナルボンディングの予測度とることが示された。

期 待 度 と の 関 係 ( 正 判 別 率 ) は 89.8% 、 R ²
は.207(Cox&Snell), .43(Nagelkerke)であった。研6)産後 1 か月で睡眠障害のない人の特徴

究仮説である、産後 1 か月の睡眠の質は、本研究で産後 1 か月では、81.4%と多くの母親が睡眠障害かは有意な結果としては得られなかった。予測因子とある中で、睡眠障害がないとされた人は 18.6%であし て は 、 産 後 う つ 傾 向 が オ ッ ズ 比った。睡眠障害のない群の特徴としては、ある群に1.368(95%CI:1.044-1.792)で有意な結果として得ら

比べ、1 か月時の EPDS 平均得点は 2.81 点、PBQ 平均

れた。

得点は 9.36 点で共に低い傾向にあり、産後うつ傾向の人もボンディング障害の人もいなかった。
また、

5)産後 1 か月の睡眠障害と産後 4 か月のボンディン

睡眠障害のない群の 72.7%が経産婦であるという特グ障害徴があった。

(1)産後 1 か月の PSQI と産後 4 か月の PBQ
睡眠は 6 点以上、ボンディング障害は 26 点以上が7．考察

それぞれのカットオフポイトであり、それ以上高い

1)対象者の背景

場合が、睡眠障害あり、ボンディング障害ありと判

脱落者と継続者には、職業の有無と、2 回目の調査断される。1 か月時に睡眠障害がない人は 4 か月時時期である 4 か月まで育児休暇を取得しているかのにボンディング障害はなく、1 か月時に睡眠障害の有無で有意な差があった(p<0.05)。よって、産後 4ある人の中に 4 か月時にボンディング障害があるこ

か月時は育児休暇を終え、仕事を再開している場合とが示された。

もあるため、アンケートを行う時間の確保が難しく
4 か月までの調査の継続は困難だったと考える。

(2)産後 1 か月の PSQI と産後 4 か月の PBQ 下位因子

また、1 か月時の産後うつ傾向や、睡眠障害のボン

1：愛着形成ディング障害の有無等では継続者と脱落者に有意差

1 か月時の睡眠と 4 か月時の PBQ の下位因子 1 であはなかったが、4 か月にボンディング障害や、産後る愛着形成についても、1 か月時に睡眠障害がない

うつや睡眠障害などの影響を受けている人が、脱落

人は 4 か月時の愛着形成に問題はなく、1 か月時に者となった可能性もあると考える。

睡眠障害がある人の中に 4 か月時に愛着形成に問題
2) 産後 1 か月と 4 か月の PSQI・PBQ・EPDSがあることが示された。

(1)PSQI：睡眠の質(3) 産後 1 か月の PSQI と産後 4 か月の PBQ 下位因

産後 1 か月と 4 か月の PSQI 平均点は産後 1 か月で子 2：拒絶や怒りの感情

7.6±2.4 点、4 か月は 5.8±2.7 点となり 4 か月の- 95 -

方が下がった(p<0.05)。乾ら(2010)71 の調査では、

4 か月時にボンディング障害のあった 6 名の内 5 名

産後 1 か月の PSQI 平均値 6.6±3.1、4 か月の PSQI

が初産婦であった。下中ら(2017)は、子どもの数が平均値は 5.3±2.1 点となり、1 か月時では平均点が多いほど、マターナルボンディングがよいことを明カットオフポイントの 6 点を超えるが、4 か月時でらかにしていることから、初産婦は、育児経験が少はカットオフポイントよりも低いという結果であっなく、子どもをかわいいと思える心のゆとりが経産た。本研究も産後 1 か月では PSQI の平均値はカッ婦に比較し少ないと考えられる。

トオフポイントを超えるが、産後 4 か月ではカット
オフポイントより低いという同様の結果であった。

(3)EPDS：産後うつ傾向

また、睡眠障害とされた産後の女性は 1 か月時で産後うつに関しては、EPDS の平均点は 1 か月時が81.4%であった。産後 1 か月は、産後の生理的変化

3.2±3.4 点で 4 か月が 2.7±2.8 点で 4 か月の方がや、新しい家族を迎えての生活環境やリズムの変化、低い傾向にあり、1 か月と 4 か月ともに 6.8%が産後授乳や育児によって睡眠の質が低下しているため、うつの傾向があった。中板ら(2012)の研究では、産多くの女性が睡眠障害とされたと考えられる。國分

後 1 か月時の産後うつ傾向が 13.4%、産後 4 か月時

ら(2004)33 は、産後 4 か月の時点が出産後の睡眠とが 12.1%であり、本研究は、先行研究より産後うつ覚醒のリズムが安定し始める転換時期であり、睡眠傾向の割合は少ない傾向にあった。理由として、先時間と眠気とだるさ等の疲労自覚症状は改善する傾行研究では産後 1 か月時は新生児訪問時、4 か月時

向にあったことを報告している。よって、産後 1 かは乳児健診時に直接回答を得ているため、幅広い対月と比較すると、産後 4 か月では母親の睡眠のリズ

象者から継続的に研究協力が得られたと考えられる。

ムが安定してきたことや、児を迎えての新たな生活本研究は、産後 4 か月時は質問紙を郵送し、回答をに慣れてきたことにより、本研究でも、睡眠障害の得ているため、産後うつ傾向のない対象者からの回人は減少したと考えられる。また、新小田ら(2001)

答の方が得やすく、産後うつ傾向にある対象者の割㊿は児の睡眠・覚醒リズムの発達とともに産後 12 週

合は先行研究に比べ低かったと考える。また、金子以降に、母親の睡眠・覚醒リズムも復帰していくこ

ら(2008)62 は、産後 1 か月の抑うつ傾向にサポートとを示している。しかし、産後 4 か月においても 4の有無が影響していることを報告している。本研究

割以上の女性が睡眠障害とされていたことから、産では、産後 1 か月時と 4 か月時ともに、98.3%がサポ

後の女性の睡眠への支援の必要性は示唆された。まートを受けていると回答しているため、産後うつ傾

た、産後の女性は長期的に睡眠の影響を受けている

向のある対象者の割合は、先行研究と比較し低かっ

ことが明らかとなり、睡眠障害を抱えながら育児をたと考える。

していることが考えられる。よって、母親の睡眠の状態も含めたアセスメントを行い支援につなげる必3)産後 4 か月のマターナルボンディングの予測因子要があると考える。

本研究においては、研究仮説である産後 1 か月時の母親の睡眠の質は、産後 4 か月のマターナルボンデ(2)PBQ:ボンディング

ィングを予測することはできなかった。産後 4 か月

PBQ の平均点は、1 か月時が 12.9±9.5 点に対し、4のマターナルボンディングを予測できる変数としてか月は 11.1±8.3 点となり 4 か月の方が低い傾向には、産後うつ傾向が有意な結果として得られたと。

あった。ボンディング障害とされた割合は 1 か月がつまり、産後 1 か月時にうつ症状が高い母親は、産6.8%で 4 か月が 10.2%となり、増加傾向にあった。

後 4 か月に子供への否定的感情が高くなる可能性がよって、産後 1 か月以降に新たにボンディング障害あると考えられる。佐藤ら(2013)92 は新生児訪問時になる可能性があるという視点を持ち、専門職が関の産後うつ傾向が乳幼児健診時のマターナルボンデ

わり、支援を行う必要があると考えられる。また、

ィングに影響していることを報告し、本研究ではそ- 96 -

れらを支持している結果となった。よって、産後 1

らは、市町村による産婦健康診査事業が開始され、か月の母親の抑うつ傾向は、その後のマターナルボ

産後の初期段階における母子に対する支援が強化さ

ンディングにも影響するめ、産後うつ症状とボンデれている。(国民衛生の動向)。よって、産婦健診等

ィング障害を視野に入れた支援が必要と考える。まで退院後の母親の状態を専門職が評価し、支援につた、産後 1 か月睡眠の質が有意な結果として得られなげていくことは母子を支援する上で重要な機会となかった要因としては、1 か月時の研究対象者の 8なると考える。先行研究では、1 か月時のマターナ

割が睡眠障害レベルであったことと、縦断研究のた

ルボンディングに睡眠が影響していることを報告しめ、4 か月まで継続できた人数に限りがあったこと、ているが、それらは横断的な調査であり、睡眠とマ

脱落者の中にボンディング障害のある人がいた可能

ターナルボンディングの関係を一時点でみている。

性があると考えられる。

本研究では、4 か月時に新たにボンディング障害となった人もいた。
母子の状態や周囲の環境の変化等、

4) 産後 1 か月の PSQI と産後 4 か月の PBQ

子育て環境は経過とともに変わることから、一度支本研究結果より、睡眠障害の人の割合は、産後 1 か援の必要性がないと判断された者でも、その後、手月と 4 か月では、4 か月の方が減少し、ボンディン

厚い支援が必要な状況に陥ってないか、継続的に状グ障害の割合は産後 4 か月の方が増加傾向にあった。

況を把握することが重要であると考える。よって、更に、産後 1 か月時に睡眠障害のない人は、産後 4

産後長期におよびボンディング障害になる可能性がか月時にボンディング障害はなかった。つまり、1 かあるという視点を持ち専門職が関わることがボンデ

月の睡眠障害を軽減することで、4 か月時のボンディング障害や虐待予防を含む、育児支援として重要

ィング障害を防ぐ可能性があると考えられる。よっとなると考える。久慈ら(2018)は、母親はなじみのて、1 か月までの母親の睡眠状態も含めた評価と継専門スタッフの継続的な関わりや、母親仲間との子続的な支援が必要であると考える。また、1 か月時

育ての共有により安心感や喜びが持てることを報告

で睡眠障害ない群の 7 割以上が経産婦であったことしている。よって、専門職の継続的な関わりは、母から、初産婦と比較し経産婦の方が産後の睡眠の質

親が安心して育児ができることにつながると考えらは保てると考えらえる。新小田ら(2001)は、経産婦れる。また、鈴木ら(2015)は、ネウボラの保健師はと比較し、初産婦は産後 2 週から 6 週までの睡眠効

継続的な支援を通して家族の潜在的問題を早い段階率の減少が大きく、その後は両群の差は縮小していで見つけ出し、早期介入を行うことが可能であるこくことを明らかにしている。
そのため、本研究でも、とや、必要時に適切な支援につなげていくことがで

産後 1 か月では、睡眠障害のない割合は経産婦の方きる母子保健システムの重要性を述べている。平成が多いという結果になったと考えられる。よって、

29 年より、母子健康包括支援センターを市町村に設初産婦ヘのきめ細やかな支援が必要と考えられる。

置することが努力義務とされ、平成 32 年度末まで

Bienfait M(2011)は、マターナルボンディングに支に全国展開を目指すこととされた(厚生労働省 子

障をきたしている母親を特定しにくいとの報告をし育て世代包括センター業務ガイドライン)。
時代の流ているため、1 か月に睡眠障害の人は 4 か月時に睡れとともに変化する育児環境の中で、育児に関する眠障害が改善されても、4 か月時に愛着障害のある

すべての支援を 1 つの機関に集約することは困難で人もいるという視点を持ち、専門職によるアセスメ

はあるが、母子健康包括支援センターが軸となり、ントが必要であると考える。

関係機関を連絡調整し、切れ目のなく必要な支援を

現在、国では産後うつの予防や新生児への虐待予防受けられるような体制のさらなる強化が今後重要と等を図る観点から、産後 2 週間、産後 1 か月など出なると考える。

産後間もない時期の産婦に対する健康診査の重要性が指摘されているを実施している。平成 29 年度か- 97 -

身体性アバタを介したリフレクションによる看護コミュニケーション教育支援システム
岡山県立大学保健福祉学部看護学科
高林範子
看護の方向性として看護実践力の向上が求められており，看護者がどのように考え，判断しているかといった考える力を涵養するような教育が重要である．
「反省」「振り返り」「省察」とも訳されるリフレクション（reflection）は，そのような看護実践の基盤となる科学的問題解決志向を含む思考の仕方であり，看護者が直面する複雑で多様な問題に対応する力となることで，看護基礎教育にもその導入が試みられている．
そこで，看護コミュニケーションにおけるリフレクションに着目し，リフレクション機能を付加したシステムを開発している 1)．本研究では，開発システムを用い，視線や心拍などの生体反応を含めてリフレクションを行うこと
で，看護コミュニケーションにおけるリフレクションの有効性の検証，および生体反応リフレクションの有効性を検証した．先行研究 1)と同様にリフレクション機能の有効性が示され，視線行動のリフレクションでは，普段自身では把握することができない視線変化を客観的に見ることができる点が評価され，個人での振り返りが困難な部分を可視化することによるコミュニケーションスキル向上への有効性が示された．
１．はじめにてきた１)．このシステムは仮想空間内で自己アバタ

看護において，看護者が患者やその家族など対象を介してのコミュニケーションを行うため，友人同となる人と意志の疎通を図ることは，援助的人間関士のロールプレイングによるリアリティ不足や模擬係の確立のために大変重要である．そのため，看護患者演習における過緊張を緩和することが期待でき学生の看護実践時におけるコミュニケーション能力

る．さらに仮想空間内での視点切替が可能なため相の向上が求められている．そのための教育方法とし互のインタラクションをリアルタイムで観察するこて，近年ロールプレイングや模擬患者（Simulatedとができるので，客観的に自己の行動を把握するこ

Patient:SP）をコミュニケーション演習に活用するとができる．また，リフレクション機能によりロー試みがなされているが，さらなる看護師の実践能力

ルプレイング後も自身の行動を振り返り，落ち着い向上にはリフレクション（reﬂection）が有効であるて自己分析をすることが可能である．

と認知されつつある．田村らは「経験からの学びをコミュニケーションにおいて相手の目を見て対話基盤にするリフレクションは，看護師のレベルに拘をすることはとても重要だといわれている．
福井は，りなく，自己の成長への学びを得る最適なスキルで対人関係において最も基本的な出発点は二人の人間ある」，「リフレクションは思考のスキルであり，トの目の出会いから始まると述べており，相互の一瞥

レーニングすれば身に着けることが出来る」と述べがお互いの心を開くきっかけとなり，対話へと発展

2)ている ．リフレクションには行為の中での振り返するか，または警戒心を引き起こして関係を断ってり (reﬂection in action) と行為の後の振り返り

しまうかを決定するとしている 3)．看護においても(reﬂection on action) の二つがある．本研究では患者・家族との信頼関係を構築するための重要な非

特に行為の後の振り返りに焦点を当てた．著者らは

言語的メッセージの一つとされており，コミュニケ

これまで看護教育現場でのコミュニケーション教育

ーション教育において体験的な学習を通し，自己のの支援を行うため，リフレクション機能を付与した

視線行動の特徴を捉え，より良いコミュニケーショ

看護コミュニケーション教育支援システムを開発しンスキルの修得に繋げる必要がある．

- 98 -

そこで本研究では，看護コミュニケーション教育
支援システムを用い，視線や心拍などの生体反応を含めてリフレクションを行うことで，看護コミュニ
ケーションにおけるリフレクションの有効性の検証，および生体反応リフレクションの有効性を検証する．
２．システム概要
対話者のうなずき，身振り等の上半身の動きを身
体性アバタの動きとして忠実に再現するために，対話者の頭頂部，背中，両手首につけた 4 つの磁気センサ (POLHEMUS FASTRAK) で計測する各部位の角度

図 1 システム概要と位置に基づいて，うなずき等を含む頭部の動き，
胴体の動き，及び左右の腕の動きを表現する身体性
アバタが構築されている 4)．リフレクション機能は身体動作データと音声データを保存し，その情報をもとにロールプレイング時の空間を再現することができる．視線動作の計測ではアイマーク解析ソフト
ウェア(EMR-dStream2)，心拍状態の測定では自律神

看護学生

経バランス分析器 (TAS9 VIEW) を使用した．アイマ

模擬患者

図 2 実験場面

ーク解析ソフトウェア(EMR-dStream2)は，ディスプ
レイ外側に赤外線センサが設置されていることで視線を測定することができ，ディスプレイ入力を切り

イングを行った．視点は 3 人称視点から 1 人称視

替えることにより視線計測結果画面を見ることがで点の順番に 2 分経過時点で自動で切り替えた．終きる．
それにより視線の動きを測定することができ，了後に 8 項目の 7 段階評価と自由記述アンケート

計測結果はゲイズプロットやヒートマップなど様々(A) を行った．

な観点から確認することが可能である．自律神経バ

次に，ロールプレイング中の心拍に基づく自律神

ランス分析器 (TAS9 VIEW) は．左人差し指にセン

経活動等の評価結果，および視線計測による視線のサを装着してもらい，心拍変動の測定及び周波数解

動的変化を実験協力者に提示した．提示した自律神析を行った．ロールプレイング開始の 1 分後から 2

経活動等の評価結果の一例を図 3 に，視線計測結果

分 30 秒間計測した．システムの構築概要を図 1 にの一例を図 4 と図 5 に示す．その後，ロールプレイ

示す．

ング時の様子をリフレクション機能を用いて閲覧させた．終了後に 9 項目の 7 段階評価と自由記述アンケート (B) を行った．なお，今回使用したシナリ

３． 評価実験
３-１．実験方法

オは患者の病状などの状況設定のみ行い，身体動作

看護学生と模擬患者（実際の患者の症状や会話をや会話内容は実験協力者のアドリブで行った．実験再現する専門家：50 代女性）とのロールプレイング

協力者は看護学科 1 年生 16 名，4 年生 8 名の計によるコミュニケーション実験を行った（図 2）．ロ

24 名である．

ールプレイング時の視線の動きと心拍変動を計測し，実験協力者本人に提示することで，リフレクション
効果を検証した．実験はまず，4 分間のロールプレ- 99 -

の項目において有意水準 5 ％で有意差が認められた．自己の視線・心拍状態のリフレクション機能についての 7 段階評価では，
とくに視線変化のリフレ
クションが高く評価された．

図 3 提示した自律神経活動結果の一例
図 6 7 段階評価結果
自由記述においてはリフレクション機能について
は「自分の発言・視線・所作が振り返ることができる良いシステムだと思った」といった自己を客観視できる特性について評価する声が多く見られた．ま図 4 提示したゲイズプロットの一例

た，視線リフレクションについては「表情をしっかり見ていないことが多いということが視線を見て気付いた」などの視線の変化を意識することで新たな気づきを得た評価も見られた．心拍状態リフレクシ
ョンについての感想はあまりなかったが，「ロールプレイングを振り返る前に見た自分の心拍は安定していたが，自分の中では緊張していた」「驚くくらい緊張していて緊張しやすいのだと分かった」とい

図 5 提示したヒートマップの一例

う自分の認識と実際測った心拍状態のずれに驚く声もあった．これらのことから普段意識し辛い自己の３-２．実験結果

言動や生体反応を自覚することのできるシステムは，

箱ひげ図を用いて，ロールプレイング後とリフレコミュニケーションスキルの向上において有効であクション後での 7 段階評価を比較した結果を図６ると考えられる．一方で,「表情が分からないので非に示す．図に中央値と四分位，外れ値，そして平均

言語的な思いを十分読み取れなかった」「画面上で値を示す．
Wilcoxon 符号順位検定を行った結果，「コ

得られる情報が少なく，表情などは声のトーンから

ミュニケーションに対する課題を明確にできたか」聞き取ったので普段のコミュニケーションより難し- 100 -

く感じた」など表情をリアルタイムで把握できない

５. おわりに本システムの難点に触れる記述もあり，機能におけ本研究では，看護コミュニケーション支援システ

る課題が残された．

ムを用いて，生体反応リフレクションを行うことで看護学生も意識していなかった課題を自覚すること
４. 考察ができ，より効果的なコミュニケーション教育が可

４-１. 7 段階評価について能であることを示した．

7 段階評価では，ロールプレイング後とリフレク
ション後で比較して，「コミュニケーションに対する謝辞

課題を明確にできたか」の項目において有意水準

本研究を遂行するにあたり，公益財団法人ウエス

5 ％で有意差が認められた．しかし，その他の項目

コ学術振興財団による研究助成を賜りましたことを，については有意差は認められなかった．
「コミュニケ

深く感謝申し上げます．

ーションに対する課題を明確にできたか」の項目についてリフレクション後の評価が明らかに上がった

参考文献

ことは生体反応リフレクションおよびリフレクショ

１)高林，石井，渡辺: リフレクション機能を付加しン機能の有効性を示している．

た看護コミュニケーション教育支援システム,
人間工学(2017).

４-２．自由記述結果について

２)田村，池西: 看護の教育・実践にいかすリフレク

リフレクション機能・視線リフレクション機能にション, 南江堂 (2014).

対しての評価の声は多く聞かれたが，心拍状態リフ３)福井: まなざしの心理学, 創元社,pp156-191

レクションについての自由記述は少ない傾向にあっ(1991).

た．これは普段から自身の心拍状態（緊張状態）は

４)高林，山本，小野，渡辺，石井: アバタに微笑み

比較的自覚しやすい生体反応であり，提示した結果と眼球動作モデルを付加した看護コミュニケーシ

と自身の認識にギャップが少なかったことが原因な

ョン教育支援システム, 人間工学 (2016).

のではないかと考えられる．また．
「ロールプレイン
グを振り返る前に見た自分の心拍は安定していたが，自分の中では緊張していた」という意見もあり，数値的な結果はあまり評価されていない傾向にある．
看護コミュニケーションシステム自体への評価は，システムを介してコミュニケーションの様子を振り返ることができ，コミュニケーションに対する課題を見つけることができる等の意見が多く見られた．
看護コミュニケーション支援システムによるロール
プレイング・リフレクション練習がコミュニケーシ
ョンスキルの向上および，リフレクションという行為に対しても理解を深めることに有効であるといえる．視線リフレクションでは，普段自身では把握することが難しい視線変化を客観的に見ることができる点が評価され，個人での振り返りが困難な部分を可視化することによるコミュニケーションスキル向上への有効性を示した．

- 101 -

性同一性障害に関する看護師の知識･理解が影響を及ぼす看護ケアの態度
岡山県立大学大学院保健福祉学研究科看護学専攻
西 百々佳

井上 幸子

日本では LGBT に関する知識を学ぶ機会はほとんどなく，それは医療従事者であっても同様であり，現状では，看護師がケア対象者の理解のための十分な知識を持たないまま看護を行なっている.本研究は，看護師の性同一性障害の知識と理解の実態について明らかにし，その知識と理解がどのように看護ケアを行う際の態度に影響を及ぼしているか明らかにすることを目的に実施する.まず，性同一性障害の知識や理解の程度を測定するための調査票を作成するため，医療機関に勤務している看護師および看護学生の計 120 名を対象に，無記名自記式オンライン調査を用いた調査を実施した.基本属性，性同一性障害に関する知識，性同一性障害に関する理解と，看護ケアの態度について尋ね，得られたデータから，自己作成した調査票の質問項目について主成分分析を行い調査票の修正を行った.性同一性障害の知識は 10 項目，性同一性障害に関する理解は
15 項目を抽出した.今後は，本研究で作成した調査票を用いて全国に勤務する看護師を対象に，性同一性障
害の知識や理解の実態について調査を行い，看護ケアに対してそれらがどのように影響しているか検証する.

I.

日本における性同一性障害に関する動きとして，はじめに1997 年に日本精神神経学会により性同一性障害に近年，LGBT をはじめとするセクシュアルマイノリ
ティに対する人々の意識は著しく変化してきてい関する答弁と提言の中で「性同一性障害の診断と治る.1987 年米国精神医学会が発行した精神疾患の分療のガイドライン（初版）」を公表した（日本精神神類と診断の手引き改訂第 3 版（DSM-Ⅲ-R）の診断名

経学会・性同一性障害に関する特別委員会, 1997）

リストから同性愛が削除され，1992 年には，世界保14）

健機関 World Health Organization（以下，WHO）がてとなる性別適合手術が行われた.2004 年には，「性発行する疾病及び関連保健問題の国際統計分類第同一性障害の性別の取り扱いの特例に関する法律」

10 版（ICD-10）から同性愛という用語が削除されたが施行され，一定条件のもと，戸籍上の性別変更が（米国精神医学会, 1987; WHO, 1992）.性自認に関可能となった.戸籍上の性別変更に至るまでには，
一

しては 2013 年出版の DSM-5 の診断名から「性同一性定条件を満たしている必要があり，その条件の中に障害」が「性別違和」に名称変更された.また日本では性別適合手術を受けなければ，条件を満たすこと

は電通ダイバーシティ・ラボが 2018 年に「LGBT 調ができないものもある.しかし，2014 年に WHO は「生査」を実施し，LGBT に該当する人は 8.9％で，2015

殖機能をなくすような手術の強制は人権侵害である」

年調査（7.6％）
から増加していると報告している（電とし，性別変更の条件として「生殖腺除去手術」を

通ダイバーシティラボ, 2015; 電通ダイバーシティ

挙げている国は，その条件を削除するように求めた

ラボ, 2018）.また，トランスジェンダーと該当するが，現在日本では法改正は行われていない（中塚,者は 0.7％である（平松, 2019）.日本におけるトラ2017）.一方で，医療現場では，2018 年に診療報酬

ンスジェンダーの人数について正確に把握すること

改定により性別適合手術に対して公的医療保険が適は困難であるが，性に関する違和感を持ち，医療機用となり，医療体制の整備が進むにつれ，性別適合関に受診した者は 2015 年の時点で 29,000 人と推測

手術以外にも，現在は保険適用ではないホルモン療されており，受診者数は増加している（中塚, 2017）.

法を受ける人口の増加も見込まれ，性同一性障害と.このガイドラインを踏まえ，1998 年日本で初め- 102 -

日本の医療とのつながりも大きくなると考えられついて明らかにすること，さらに性同一性障害を含る.

む性の多様性に関する教育の必要性を明らかにする

2019 年に当事者の日常生活での困難をリスト化

ことにより，多様な性に対する看護師の理解を深めした「性的指向および性自認を理由とするわたした

る方法の検討や，性同一性障害当事者に対するよりちが社会で直面する困難リスト（第 3 版）」によると，よい支援を検討することができる.

医療に関して，医療従事者の知識不足，偏見が原因
II. 方法となった当事者の不快感，苦痛が日常生活での困難として挙げられている（LGBT 法連合会, 2019）.さ

まず，
本調査の概要について述べる.研究デザイン

らに若者の LGBT は同年代の人口と比べて薬物使用，は，観察的横断研究で，無記名自己回答式によるオ性感染症，がん，循環器疾患，肥満，いじめ，孤立，

ンライン調査とした.本調査の対象者は，国内の病院拒絶，不安，うつ病，自殺のリスクが高く（Hafeez etに勤務する看護師とし，性別適合手術の保険適用がal., 2017），ホルモン治療により，骨粗しょう症に認定された国内 6 病院を含む全国の入院施設を要しなる可能性が高まる（Sedlak et al., 2017）.ホルた病院を無作為に抽出する.そのなかから，研究協力

モン治療による副作用や性別適合手術による合併症への同意が得られた各病院 10 名程度ずつ，合計で看のリスクは数多くあり，見過ごせないものである.

護師 1000 人程度にオンライン調査への参加を依頼

このような現状にあっても，性同一性障害の者は保する計画である.性別適合手術の保険適用認定病院

険証を提示することや身体を見られること，フルネ

では，性同一性障害患者と関わる部門の看護師に回ームで呼ばれることに抵抗感を抱き，医療機関への答を依頼し，いずれの医療機関においても外来・病受診を避けることから，重症化するまで医療機関を棟看護師の別は問わない.本調査の前に，質問紙の信受診しない者が多く（平松, 2019; 富岡・中塚, 2010）

頼性・妥当性の検証を行うため，看護学生および看5）17）

有病率の高い集団であると考えられる.このよ

護師計 120 名を対象にプレテストを行なった.本研

うに，疾患リスクの高い集団であることを踏まえる

究報告では，プレテストまでを実施したので，そのと，医療従事者は LGBT に関する知識を持っておく必

内容について報告する.

要があると考えられるが，現状では，義務教育ある1.

プレテストの調査内容

いは看護師養成課程において，LGBT に関する知識を基本属性，性同一性障害に関する知識についての学ぶ機会はほとんどない（岩田ら, 2017）.さらに，正誤問題 21 項目（以下，知識），性同一性障害に関先行研究によると，看護場面における性同一性障害する理解について 4 件法 18 項目（以下，理解），性に対する差別的な対応は，看護師の知識の欠如によ

同一性障害患者に対する看護ケアの態度として，状るものであり，当事者に疎外感を感じさせているこ況設定問題 6 項目（以下，態度）について尋ねた.

とが明らかにされている（Anderson et al., 2017）.

知識，理解，態度についての調査は，本研究においこれは，看護師が対象理解のための十分な知識を持て独自に設定した質問項目である.

たないままケアを提供している可能性があることを（1）参加者の基本属性
参加者の属性について，年齢，性自認および性示唆している.
そこで本研究は，看護師の性同一性障害の知識・的指向，セクシュアルマイノリティと関わった経理解の実態を明らかにし，その知識・理解がどのよ験の有無，性教育を受けた経験の有無，メディア

うに看護ケアの態度に影響を及ぼしているかについや SNS でセクシャルマイノリティに関する情報にて調査することを目的とし，調査のための質問紙を暴露した経験の有無，セクシュアルマイノリティ

作成し信頼性・妥当性を検証することを目的に実施に対する否定的思考をもつ家族や友人などの存在，した.今後実施する本調査において，この質問紙を用宗教，性同一性障害の患者を受け持った経験の有いて，看護師の性同一性障害に対する知識や理解に無と受け持った際の困難感の有無・その内容につ- 103 -

いて回答を求めた.性同一性障害に対する知識や

1.性自認と性的指向は同じである.

理解の程度は年代により差があると考えられる.

2. FTM（身体の性：女性，心の性：男性）はホル

また，和田（2008）は，女性よりも男性の方が同モン療法により声が低くなり，月経が止まる.

性愛について好ましく思っていないと述べており，

3.戸籍の性別欄を変更することができる.

セクシュアルマイノリティに対する知識や理解の4.性同一性障害の人はうつ病に陥りやすい.

程度には性差があると考えられる.性同一性障害

5.性同一性障害と性分化疾患（インターセックを含むセクシュアルマイノリティ関して暴露したス）は同義語である.

経験は，過去に性の多様性について意識する機会があった集団であると推測され，性同一性障害に

表 2 性同一性障害に関する理解の質問項目の例

関する知識や理解の程度に影響を及ぼしているこ

1.私は私的に性同一性障害の人とは関わりたいとが考えられる.家族や友人など周囲にセクシュと思わない.

アルマイノリティに否定的な考えを持つ者が身近

2.私は性同一性障害の人を一人の人間の個性とにいることや，宗教上認められていないことも知

して見るべきであると考える.

識や理解の程度に影響を及ぼしていることが考え

3.私は職場で性同一性障害の患者のケア等をしられる.また，看護業務において，性同一性障害のたいと思わない.

患者を担当した経験の有無も，知識や理解に影響

4.私は性同一性障害の人と同じ職場で働きたいを与える可能性がある.

と思わない.

（2）性同一性障害に関する知識

5.もし，看護の対象者が性同一性障害であるなら性同一性障害についての知識は，日向ら（2007）

ば，私は配慮してあげたいと思う.

が作成した GID についての知識の項目を一部参考にし，独自で作成した（表１）.質問 21 項目の各項目

表 3 性同一性障害患者に対する看護ケアの態度に対して，正・誤・わからないの 3 つの選択肢を設の状況設定問題の例

けた.「わからない」を回答に加えることにより，憶状況設定

測での回答を減らし，正しい知識を有しているかをA さん，18 歳.性同一性障 a.女性の大部屋に入より正確に尋ねることができる.

害 FTM（身体の性：女性， ってもらう.

（3）性同一性障害に対する理解

心の性：男性）が骨折を b.男性の大部屋に入性同一性障害に対する理解は，牧田（2006）が作

看護ケアの選択肢

して大部屋に入院予定.A ってもらう.

成した統合失調症に対する社会的距離尺度（SDSJ），

さんの意向は男性の大部 c.男性の大部屋には日向ら（2007）の「性別適合手術に対する考え方」

屋希望.部屋の配置をす 規則として入室でき「GID 者の戸籍の性別変更についての考え方」を参る看護師の立場であなた ないことを A さんに考に独自で作成した（表 2）.合計 18 項目で「3 点：ならばどのように対応し 伝え，個室料金を払

よく当てはまる」「2 点：少し当てはまる」「1 点：あますか.

まり当てはまらない」「0 点：全く当てはまらない」

い，個室に入ってもらうようにする.

の４件法で回答を得て合計点を算出する.
（4）看護ケアの態度る患者-看護師のやりとりについて，6 つの状況を設

看護ケアにおける態度については，LGBT 法連合会

定し，その状況で，調査対象者がどのような看護ケ（2019）が報告した医療における当事者の困難リスアを行うか，実際に行うケアと理想だと感じるケア

トを参考に独自で作成した（表 3）.医療現場で生じについて別々に回答を求めた.これは，勤務先医療機表１ 性同一性障害に関する知識の質問項目の例

関の規則や方針に影響を受けるケアと，規則に影響を受けない理想的な看護ケアが異なる可能性を想定- 104 -

数を性同一性障害の知識および理解とし，従属変数したためである.

を看護ケアへの態度として，重回帰分析，多変量ロ2.

ジスティック回帰分析を用いて関連性を検証する.

アンケートの配布・収集方法(1) プレテスト
III. 研究結果

医療機関に勤務している看護師および看護学生計120 人を対象にプレテストを行った.独自作成したプレテストは，120 名を対象に配布し，80 名から

オンラインアンケートについて，再テスト法を用い回答を得た（66.6%）.再テスト法における 1 回目調て信頼性を検証した.対象者には，研究の概要と研究

査と 2 回目調査の回答に欠損のない有効回答者は 43

目的や同意方法について記載した説明文書を配布し，名であった.

調査に同意できる場合に回答の送信ボタンを押してプレテスト 1 回目データを用いて，知識，理解のもらい，送信完了をもって調査に同意したとみなす

質問項目について，主成分分析を用い質問項目の調ことを説明した.再テストは 2 週間後に実施し，対象整を行なった.まず，知識に関する質問 21 項目のう者が個別に入力した識別記号によって 1 回目と 2 回

ち，先行研究をもとに再検討した結果，知識の内容

目の回答データをペアリングした.

として含めることが適切でないと判断した 1 項目を(2) 本調査

削除した（市原ら, 2016; 日本精神神経学会・性同

本研究により再構成した調査票を用いて，今後本一性障害に関する特別委員会, 2012）.残りの 20 項

調査を実施する.国内の協力可能と回答のあった病

目を用いて主成分分析を行った.成分数を一つに設

院の看護師を調査対象として，郵送により調査票を定し，負荷量が 0.40 未満の項目を削除した結果，知配布する.回答はオンライン調査に直接回答する方

識 の 質 問 は 最 終 的 に 10 項 目 で 構 成 さ れ た法で実施する.

（Cronbach’sα=0.699）.理解に関する質問 18 項目について，知識と同様に一つの成分数を設定して主3.

成分分析を行なった結果，負荷量 0.40 未満の項目を

倫理的配慮

プレテスト，本調査ともにオンライン調査の最初除いた項目数は15項目であった.この15項目を理解のページに，研究説明文，研究協力の依頼文，協力について尋ねる質問の構成要素とした（Cronbach’s

可能な場合にアクセスし，回答の送信をもって同意

α=0.827）.

したものとみなすことを明記する.回答を収集した

再テスト法による質問紙の妥当性は，主成分分析

データは施錠できるロッカーなどの保管庫にて厳重において抽出された知識 10 項目，理解 15 項目におに保管し，本研究以外に使用することや，研究者以いて kappa 係数を算出する方法で検証した.いずれ

外のものがデータを利用することはなく，情報の保の項目も kappa 係数 0.4〜0.6 の範囲で有意であり，護に最大限の配慮をする.調査は無記名で匿名性を1 回目の回答データと 2 回目の回答データには中程遵守する.本研究開始前に，
岡山県立大学倫理審査委

度の一致があると判断され，概ね信頼性が示された.

員会の承認を得て実施している（2018 年 11 月 22 日

看護ケアの態度を尋ねる状況設定問題は，各設問の内容および教示文について再検討を行い，4 問を承認，受付番号 18-60）.

本調査に使用可能であると判断した.
4.

分析方法
IV. 結論質問項目について検討するために実施するプレテ
ストの 1 回目調査のデータを用いて主成分分析を行本研究において，性同一性障害に対する知識およなった.再テスト法による信頼性の検証では，kappa

び理解を測定するための質問項目を検証した.知識係数を算出した.

について10項目，
理解について15項目が抽出され，概ね信頼性も示された.看護ケアの態度についても，調査項目の検証後に実施する本調査では，独立変- 105 -

今回作成した状況設定問題を用いて調査することが

S: Health Care Disparities Among Lesbian,

可能である.

Gay, bisexual, and Transgender Youth: A
Literature Review. Cureus9（4）,2017.

V.

10) Sedlak CA, Roller CG, Dulmen M, Alharbi HA,

今後の計画，方針

今回作成した調査票を用いて，全国の医療機関にSanata JD, Leifson MA, Veney AJ, Alhawatmeh

勤務する看護師約 1000 名を対象に調査を実施し，
看

H, Doheny MO: Transgender Individuals and

護師の性同一性障害に対する知識や理解が看護ケア

Osteoporosis Prevention. Orthop Nurs36（4）にどのように影響しているか検証する.

259-268,2017.
11) 富岡美佳,中塚幹也:性同一性障害当事者と支VI. 参考文献

援者の医療システムに対する要望,母性衛生 51

1)

巻 3 号 246,2010.

The American Psychiatric Association 編, 高12) 岩田歩子,野崎章子,舘祥平:セクシュアルマイ

橋三郎 訳. DSM-Ⅲ-R 精神障害の診断・統計マ

2)

ニュアル. 米国精神医学会. 1988.医学書院.

ノリティの生きづらさと性教育に対するニー

東京

ズ調査, 日本性科学会雑誌 35 巻 1 号 37-44,

厚生労働省. 疾病，傷害及び死因の統計分類と2017.
13) Anderson AE, Moberg C, Bengtsson Tops A,

は.

3)

https://www.mhlw.go.jp/toukei/sippei/inde

Garmy P:Lesbian, gay and bisexualx.html（最終アクセス 2019 年 4 月 10 日）

parent’experiences of nurses’attitudes in

電通ダイバーシティラボ：LGBT 調査 2015,

child healthcare,J Clin Nurs26（23-24）,2017.
14) 和田実:同性愛に対する態度の性差-同性愛に

http://www.dentsu.co.jp/news/release/2015
4)/0423-004032.html

ついての知識，同性愛者との接触，およびジェ

電通ダイバーシティラボ:LGBT 調査 2018,

ンダータイプとの関連-,日本思春期学雑誌 26

http://www.dentsu.co.jp/news/release/2019

巻 3 号,2008.
15) 日向桂子,高田谷久美子,近藤洋子:看護学生と/0110-009728.html
5)

平松英寿:すべての診療科においてトランスジ

他領域の学生の性同一性障害に対する態度やェンダーの方々が安心して受診できるような知識と性差観に関する研究,山梨看護雑誌6 巻1

医療環境づくり, GID 学会第 21 回研究大会・総号,2007.
16) 牧田潔：統合失調症に対する社会的距離尺度

会収録集,39,2019.
6)中塚幹也:封じ込められた子ども，その心を聴（SDSJ）の作成と信頼性の検討,日本社会精神

く－性同一性障害の生徒に向き合う-,ふくろ医学会雑誌 14 巻 3 号,2006
17) 市原浩司,舛森直哉:性同一性障害の現状と治う出版,2017
7)

日本精神神経学会・性同一性障害に関する特別療-身体的治療：ホルモン療法-,医学のあゆ

委員会:性同一性障害に関する答弁と提み,256 巻 4 号,2016.
18) 日本精神神経学会・性同一性障害に関する特別言,19978)

http://www.geocities.co.jp/CollegeLife-La

委員会:性同一性障害に関する診断と治療のガ

bo/7835/gid/tousin_2.pdf

イドライン（第 4 版）,精神神経学雑誌 114 巻

LGBT 法連合会:性的指向および性自認を理由と11 号,2012

するわたしたちが社会で直面する困難リスト（第 3 版）, 2019. http://lgbtetc.jp/
9)Hafeez H, Zeshan M, Tahir M, Jahan N, Naveed- 106 -

筋電・筋音ウェアラブルモニタを応用した骨格筋機能の可視化システムの開発
1．岡山県立大学，2．中村学園大学
綾部誠也 1，花巻大成 1，大山剛史 1，熊原秀晃 2
本研究は，筋電・筋音ウェアラブルモニタを応用した骨格筋機能の可視化システムを開発するための基礎的研究として，大腿四頭筋を被検筋として，温熱冷却刺激条件下での筋電図・筋音図と筋疲労との関連性を検討した．右脚の大腿直筋について温熱，冷却を行った前後にて下肢筋力，筋硬度，筋電,・筋音を測定した．下肢筋力，筋硬度，筋電図積分値，筋音図/筋電図，%iEMG は，温熱と冷却の条件と処置前後での交互作用が認められた．下肢筋力，筋音図/筋電図は，温熱時に上昇し，冷却時に減少した．筋硬度，筋電図積分値，%iEMG は，
温熱時では減少し，冷却時は上昇した．しかし，筋音図積分値，%iMMG は，温熱と冷却の交互作用が認められなかった．また，温熱冷却前後の変化量は下肢筋力，筋硬度，筋電図積分値，筋音図/筋電図，%iEMG は，温熱に比して有意な差が認められたが，筋音図積分値，%iMMG では認められなかった．本研究の結果は，局所の温熱冷却刺激に伴う骨格筋のコンディションの変化をウェアラブル筋電・筋音センサを用いて可視化することが可能であるということを示唆する．

１．緒言運動野から下る神経線維と接続しているので，結局，ヒトが日常生活を過ごすためには筋肉の働きが必要

骨格筋は意志によって収縮させることが出来る．こ

不可欠である．筋肉の種類は通常 3 つに分けられての筋の興奮収縮連関の効率(筋収縮機能)を示す尺度

いる．骨格筋，心筋および内臓筋である．心筋や内として，筋電図の比(力/筋電図)を用いる方法がある．

臓筋は袋状または管状の内臓の壁を作っている筋で，これは単位当たりの神経系入力が加わった際に発揮

心筋はすなわち心臓の壁を構成している筋である．

しうる収縮能力を見たものである．筋収縮機能が低

また，胃腸や膀胱，子宮などの壁を作っているのが下する疲労筋や委縮筋ではこの値が著しく減少する

内蔵筋である．これらに対して骨格筋とは，手，足，ことが明らかになっている．しかし，この方法には

胸，腹などの皮膚のすぐ下にあって，骨と骨との間欠点が存在する．それは，関節を介して測定されるに張られている．その中で，ヒトが身体活動を行う

力信号は主動筋のみならず協働筋や拮抗筋の影響をためには骨格筋の収縮が必要不可欠である．骨格筋

受けやすく，対象とする筋だけの力を取り出すことの特徴としては，意志によって収縮させることが出が難しいとされている．また，筋音図と筋電図の比来ることである．心筋と内臓筋は脳幹や脊髄側柱に(筋音図/筋電図)を用いる方法である．
筋音図を用いある自律神経細胞からの繊維を受けているが，これることによって協働筋や拮抗筋の影響を受けること

らの神経細胞は運動野からの線維を受けていない．

なく特定の筋の機械的活動を測定可能となる．筋電したがってこれらの筋を自分の意志で動かすことは図と筋音図を 2 つ用いて実験を行った先行研究があできない．それに対して骨格筋は，脊髄前柱にあるる.そこでは，
筋電図と筋音を手掛かりとした筋収縮

運動神経細胞から 1 本の突起が長く伸びていわゆる能力の評価指標を提案し，これを中等度痙直型脳性

運動神経線維となり，その末梢が骨格筋線維にまで麻痺患者の筋機能の分析に適用していた．

到達しているので，運動神経を伝わってくる命令(興近年，ウェアラブル筋音・筋電同時計測ハイブリッ奮)は筋繊維に伝えられ，筋線維は収縮するのである．

ドセンサが岡山大学により開発された．このセンサ

運動神経細胞は大脳皮質のうち随意運動に関係あるの誕生により従来では測定困難であった筋音図の計- 107 -

測や筋音図と筋電図の比を用いることによって筋収制限などの幅広展開が期待される．本研究は，骨格縮能力を誰でも簡単に計測することが可能となった．

筋の状態を外部刺激によって変化させ，その時の骨ウェアラブル筋音・筋電同時計測ハイブリッドセン

格筋コンディションの可視化が可能かどうかという

サを用いた先行研究がいくつかある.まず 1 つ目は、ことを目的として実験を行った．温熱・冷却刺激に

4 名の被験者に対し，ペダル負荷の調節可能なリカ

より筋電図積分値は，温熱時では減少，冷却時ではンベントバイクを用いて，内側広筋の筋電図と筋音増加する．
筋音図積分値と筋音図/筋電図は温熱時で図の計測行っていた．また，筋パフォーマンスを表は増加し，冷却時では減少する．また，若者と比べす指標として動的 MMG/EMG を算出した．この研究のて骨格筋のコンディションが悪い高齢者と冷却後の目的は，開発したセンサを用いて動的運動中に筋音結果を比較すると有意な差が認められないと考え，

図と筋電図を同時計測し，運動中の筋パフォーマン

結果，筋コンディションの見える化は可能であるとスを評価することを目的としていた．その結果，ペいう仮説を立てた.

ダルの負荷の増加に伴い，動的 MMG/EMG はすべての被験者で減少傾向が見られた．この結果は，運動に2 方法

対する抵抗が小さいほど高い筋パフォーマンスを発本研究の対象者は，研究参加に同意した健常若年男

揮できることを示している．これにより，動的性であった．
対象者は，実験前夜からの激しい運動，

MMG/EMG は、動的運動中の筋パフォーマンスを反映

前日からのアルコール摂取，実験 3 時間前からの食された．次いで，20 代男性 2 名において，右足に，べ物の摂取を制限された．研究実施に際して，全てセンサを 4 個貼りつけ，両手は胸の前で組んだままの対象者に研究の目的や方法を説明し，研究参加ので，スクワット動作(膝関節屈曲が浅い(部分的)場合

同意を書面にて取得した.

と深い場合)を行っていた．センサは，大腿直筋，外対象者は，右足の大腿直筋について 20 分間の冷却，

側広筋，
ハムストリングス，
腓腹筋に貼付していた．

温熱を行った前後にて筋電図・筋音図，下肢筋力，

スクワット動作の実験姿勢は，部分的スクワットで筋硬度の測定を行った．

は膝関節屈曲角度が約 75 度，深いスクワットで約

冷却はアイスパック(日本シグマックス社製)で行

100 度である．結果は，膝関節が屈曲を始めると大った．温熱はホットパック(日本シグマックス社製)

腿直筋 EMG が増加し始め，最大屈曲で EMG も最大値をタオルで覆って行った．冷却，温熱ともに座位姿となるが，大腿直筋の変位 MMG はやや遅れて増加し勢をとらせバンテージで固定して行った．2 条件で始め，膝関節の伸展が始まると EMG とともに MMG はの実験の間には，3 日以上の間隔を取った．2 条件の減少し，立位姿勢に戻る直前にもう一度 MMG は増加，施行順序は無作為に決定した．実験環境については減少する．これに呼応して EMG もわずかに増加，減室内で行い，室温を 23.0±1.0℃に設定した．また，少する．
この傾向は深いスクワットでも同様である．

実験中の皮膚温の経時変化を確認するために皮膚温

しかし，膝屈曲角度が大きくなる深いスクワットでは DYNASCOPE(フクダ電子社製)のプローブを大腿直は，EMG の振幅が約 2 倍になり，それに呼応して MMG

筋に貼付し，実験開始時，測定開始時，刺激開始 1の振幅も二倍弱になっている．この結果より，従来

分後，刺激開始 2 分後，刺激開始 3 分後，刺激開始では測定できなかった運動下での MMG の測定がフォ4 分後，刺激開始 5 分後，刺激開始 6 分後，刺激開トリフレクタを用いたセンサを使用することによっ

始 7 分後，刺激開始 8 分後，刺激開始 9 分後，刺激て計測でき，しかも同時計測された EMG との関係を開始 10 分後，刺激開始 11 分後，刺激開始 12 分後，考察することが可能になった．

刺激開始 13 分後，刺激開始 14 分後，刺激開始 15

本研究は，このウェアラブル筋電・筋音センサを分後，刺激開始 16 分後，刺激開始 17 分後，刺激開用いて，筋コンディションの評価を試みた．筋のコ

始 18 分後，刺激開始 19 分後，刺激開始 20 分後，測ンディションは，スポーツ分野や日常生活での活動

定開始時，実験終了時の計 25 回を記録した．

- 108 -

筋電図と筋音
音図の装着部部位は，
右大腿
腿直筋の筋腹腹とが認められた．
が温熱後の値
値は温熱前と比して有意ににした．測定前し前にあらかじめ筋腹にマーーキングしたた．

高かった．冷却高却後の値は冷
冷却前と比しして有意に高かか

筋電図・筋音筋
音図測定は，ウェアラブル
ル筋電・筋音音ハった.
っイブリッドセイ
センサ(HOS-110)を用いてて実施した．
測測定
方法としては
方
は，10 秒間計
計測を行った．力発揮時のの最大値を筋電図大図・筋音図の結果とした．高齢者の場
場合
は，
は 測定方法法は同様で，最大筋力時の最のみを測定した
た.
被験筋は右右大腿直筋の筋腹とした．測定前にああらかじめ筋腹にかにマーキングした．筋硬度
度測定は，筋
筋硬度計(NEUTONE度E TDM-N1，TRY-ALL)を用用いて測定した
た．
マーキングのマの部位に対して 5 回測定をを行い，最大大値と最小値を除と除いた 3 回の測定値の平均均値を筋硬度
度の評価値とした評
た．
3．結果
3
温熱時の実験
験開始時の皮皮膚温は，300.8±
皮1.0(29.8℃か
1から 31.8℃)でで温熱時の実実験終了時の皮
膚温は、35.5
膚
5±0.7(34.8℃から 36.2℃℃)であった．

図２．冷却・温図
温熱条件下ででの膝関節進進展最大筋力のの冷却時の実験
冷
験開始時の皮膚温は、30.5±1.0(29.55℃

変化
変

から
か 31.5℃)で冷却時の実実験終了時のの皮膚温は，
筋硬度は，実実験条件(温熱
温熱と冷却)と時間(前後)でで22.0±2.1(192
9.9℃から 244.1℃)であっった（図１）．条
件間での皮膚
件
膚温には有意な差が認めらられた．

交互作用が認め交められた（図図 3）．冷却時時の変化量は温温熱時に比して有熱
有意な差が認認められた．温熱後の値はは温熱前と比して温て有意に高かかった．冷却
却後の値は冷却却
前と比して有意前意に高かったた．

下での大腿部
部皮膚温の変化化
図１．冷却・温熱条件下
下肢筋力は
は，二元配置
置分散分析によより，実験条条件(温熱と冷却)()と時間(前後後)で交互作用用が認められれた差(図( 2)．冷却却時の変化量はは温熱時に比比して有意な差図３．冷却・温図
温熱条件下ででの筋硬度のの変化- 109 -

性を検討した．
性
その結果，先行研究のの知見通りに，
筋電図積分値
値は，二元配配置分散分析ににより，実験
験条

温熱条件と冷却温
却条件によりり，それぞれれ，筋コンディィ件(温熱と冷却件却)と時間(前前後)で交互作作用が認めら
られ

ションの改善シと悪化が確認認された．そそれに伴い，筋
筋

た(図
た
4)．冷
冷却時の変化量は温熱時にに比して有意意な

電図と筋音図か
電から得られるる指標は，条
条件間での交互互差が認められ差
れた．温熱後の値は温熱前前と比して有有意作用を認めた．
作
これらの結結果は，本研研究の仮説を支支に高かった．
に持するものであ持あり，筋電・・筋音ハイブブリットウェア
ア
ラブルセンサにラ
による筋コンンディション
ン可視化の可能能性を示すもので性である．

温熱条件下での膝関節進
図４．冷却・
図
進展等尺性力力発揮時の積分筋揮
筋電図の変化
図５．冷却・温図
温熱条件下ででの膝関節進進展等尺性力発発筋音図積分値
値は，二元配配置分散分析ににより，実験
験条

揮時の積分筋音揮
音図の変化

件(温熱と冷却件却)と時間(前前後)で交互作作用が認めらられなかった(図な
５)．

本研究のオリ本
見は，骨格筋
筋への温熱冷却却
ジナルの知見

最大筋力時のの筋音図/筋
筋電図は，二元
元配置分散分分析

刺激を加えた時刺時のコンディ
ィションの変変化をウェアララ

により，実験
に験条件(温熱とと冷却)と時間間(前後)で交交互

ブル筋電・筋音ブ音センサで見見える化を可可能であることと作用が認めら作られた (図６)．

を明らかにしたをたことである
る．本研究のの結果は．温熱
熱
冷却刺激が骨格
冷格筋のコンデディションをを変化させそのの4．考察
4

変化をウェアラ変
ラブル筋電・・筋音センサ
サを用いて見ええ

本研究は，骨格筋の状状態を外部刺激
激によって変変化

る化が可能であるあるというこことを示したた．まず，筋音
音

させ，その時さ時の骨格筋コンディション
ン可視化の可可能

図/筋電図と下図
下肢筋力は，温温熱による影影響で，末梢神
神- 110 -

経伝達速度の経の上昇や筋繊
繊維電動速度上
上昇により温温熱

本研究は，
本
大腿直筋への温
大温熱・冷却刺刺激による骨格格時上昇したと時と考えられ，冷却時の影響
響では，末梢
梢血筋のコンディシ
筋
ションの変化化をウェアラブル筋電・筋
筋

流速度の減少流
少，神経伝達達速度の減少にによって減少少し

音センサを用い音
いて筋電・筋
筋音を同時にに測定した．ししたと考えられたれる．これらのことから，下肢筋力とと筋

かし，全てが仮か仮説と同じににはならなかかった．これまま

音図/筋電図は音
は，温熱時ででは上昇し，冷却時では減冷
減少での研究では，
で筋電のみももしくは筋音音のみで評価しししたと推測ししした．また，筋硬度が温熱熱では減少しし，たり，筋電と筋た
筋音を個々にに測定し評価
価したり，筋電電

冷却時では上冷上昇した．これらの結果は
は，筋温の上上昇と発揮張力で骨骨格筋の収縮縮を評価したたりというもののが骨格筋の柔が柔軟性を高め，逆に，筋温温の減少が骨骨格は様々あったがはが，温熱・冷冷却刺激を行
行い，筋電と筋筋

筋の柔軟性を筋を低下させたことを表してている．下肢肢筋

音を同時に測定音定し評価したたことが本研研究のオリジナ
ナ

力の測定と筋力
筋音図/筋電図
図の算出は，
様々な先行研様
研究リティーであるる．これまでで，筋電や筋
筋音などを用いいより筋収縮のよの評価指標とされている．さらに，筋筋硬て筋収縮力や骨て骨格筋のコンンディション
ンを評価してきき

度が温熱時で度
では減少，冷冷却時では増加
加したことかからた研究がある．
た
深部温と発発揮筋力につついては，加温温ウェアラブルウ
ル筋電・筋音センサでの骨骨格筋のコン
ンデすると発揮筋力す
力は末梢神経経伝達速度のの上昇，筋繊維維

ィションの変ィ
変化を見える化は可能でああったというう結

電動速度上昇に電に伴う筋張力力の増加が期期待できると述述論に至った.
論

べ，渡辺らは，
べ
冷却前と数
数パターンのの冷却後の筋力力を比較したとこをころ冷却前がが最も高値をを示したことがが報告されたいる報る．また，健健常若年者と高齢者の比較較
した研究においしいては，健常常若年者と比比べて高齢者のの筋音図/筋電図
筋図が低く，健常
常若年者より高齢者の方がが筋収縮力は低下筋
下しているこことが明らかかにされているる．
さらに，温熱冷さ
冷却刺激前後後の筋電図積
積分値における
る
筋活動の変化に筋についての研
研究成果によれば，冷却刺刺激を行ったとき
激きに増加し，温熱刺激をを行ったときにに減少し，冷却刺
減刺激では，錘
錘外筋線維のの粘弾性が低下下し，筋に同一負し負荷でありなながら効率のの悪い活動が起起こり，相対的にこに iEMG が上昇
昇する結果にになり，逆にに，温熱刺激では，
温錘外筋線維
維の粘弾性がが高くなり，最最少の筋放電量に
少にて同一負荷荷に抗する張張力を生み出しした結果，iEMGたが減少する可可能性が報告告されているる．
皮膚表面温度皮と筋音図の関関係についてては，骨格筋をを加温することで加で，筋収縮ががピークに達達する時間が短短
くなり，冷却すすることで長長くなることから，皮膚表
表面温度の変化に面による筋組織織の粘性の変変化や収縮速度度の変化が筋音図の図に影響を与与え，その結結果，皮膚表面面
温度の変化によ温より皮膚表面面温度の上昇昇により筋音図図の RMS は有意にに増加し，皮皮膚表面温度度の低下によりり

図６．冷却・
図
進展等尺性力力発
温熱条件下での膝関節進筋音図の筋
RMS は有意に減少は少する可能性性が報告されてて揮時の筋コン揮
ンディション指標（筋電図
図/積分筋音図図）

いる．これらのいの先行研究のの知見は，本
本研究の結果ををの変化の支持するもので
支であり，本研研究における加熱・冷却にに伴う筋電信号の伴の変化やそのの背景となる皮膚温や筋硬
硬- 111 -

度の変化を含めて，これまでの知見に基づいた合理の課題がある．本システムは，疲労や障害リスクに性を有していた．筋音信号の一部に先行研究との違関係する指標になり得ることを踏まえて，慎重なエいが得られたことについては，その背景には言及でビデンスの積み上げにより，精度高い同定に基づく

きない．ただし，本研究において，加温・冷却の効

安全で信頼性の高いシステムを構築する必要がある．

果を皮膚温として確認し，また，筋硬度と発揮筋力
５．謝辞も変化していたことから，生理的なメカニズムの不本研究の一部は，公益財団法人ウエスコ学術振興

一致よりも，筋音信号の計測システムの違いも影響

財団研究助成費の支援を受けて実施された．

していると考えた．
本研究の結果は，ウェアラブル筋電・筋音センサが骨格筋のコンディションの見える化が可能であるということを示唆する．骨格筋のコンディションを簡便に評価することができれば，過度のウォームアッ
プによる怪我リスクの軽減や疲労によるパフォーマ
ンス能力が低下の予測，また，加齢現象としての骨格筋のコンディションの変化などの観察に有効な技術である．
本技術にはいくつかの課題がある．先ず，本研究の結果を含めて，計測値の個人間の変動については検討されていないことである．
すなわち，本研究では，
温熱・冷却前後での計測値について，その個人内での変化を検証したに過ぎず，個人間の計測結果の比較には至っていない．筋電図・筋音図については，
個人間での比較に祭して正規化することが通常であり，本研究で利用した筋電・筋音ウェアラブルシス
テムについてもその必要性を排除できていない．次
いで，本システムの再現性についてである．図４から図６に示す通りに，本研究の加温・冷却前の数値
は，一定の差が認められた．このような筋電図信号の日差変動については，生理学分野では広く知られており，最大筋力発揮時などの対照条件での筋電図
信号にて正規化することが原則である．ただし，本システムの一般化を考えれば，最大力発揮時などの計測を避けたい．簡便な筋コンディション評価の判
定精度の確保を鑑みれば，最も困難な課題の一つであろうか．合わせて，上記のような測定条件の違いを考慮すれば，動的運動時の評価についても検討が必要であろう．その他、異なる被検筋や筋量，筋厚などが影響する可能性を否定できない．
このように，
本研究で示された筋電・筋音による筋コンディショ
ンの可視化については，その実用化に際しては多く- 112 -

接触により親近感を増大させる瞳孔反応ロボットの開発
岡山県立大学 情報工学部
瀬島 吉裕
人工知能の急速な発展により，高性能な音声認識機能が搭載されたインタフェースが数多く開発されている．
今後，深化した人工知能により，言語レベルでは単純な会話を楽しむことができるコミュニケーションロボッ
トが開発されると予想される．しかしながら，豊かな感情表現や親しみやすさといったコミュニケーションにおける本質ともいえる「かかわり」については，人工知能の発展・飛躍に比べ不十分である．今後，人間と同等のコミュニケーションがロボットに要求される以上，かかわりを支援する技術革新が強く求められる．
本研究の目的は，人とロボットとのコミュニケーションにおけるかかわりを促すことを目指して，コミュニケーション時の無意識的な感情や情動が反映される瞳孔反応に着目し，情動伝達メディアとして瞳孔反応を表現することでかかわりを強めるコミュニケーションロボットを開発することである．とくに，親しみやすさと密接に関係する「接触」を対象として，人とコミュニケーションロボットとの親近感を増大させるロボットのプロトタイプを設計し，その可能性を示している．

1. はじめにプレイを用いて眼球を模擬しており，入力された発

近年の情報通信インフラの高性能化に伴い，

話音声に同調して，瞳孔が拡大・縮小反応等の情動

Pepper[1]等の日常生活を豊かにする様々なコミュ表現を行うことができる．このインタフェースを用

ニケーションロボットが開発されている．その中でいてコミュニケーション実験を行った結果，対話相も，家庭向けに小型化を指向したコミュニケーショ

手の親近感や共感しやすさが向上する等，情動伝達

ンロボットの研究が精力的に行われており，人物識効果を高めることを明らかにしてきた．

別機能[2]や音声認識機能[3]，感情認識機能[4]等，

このように，コミュニケーションにおける情動伝

人と豊かなコミュニケーションを行うための機能に達のメディアとして瞳孔反応を用いることで，対話ついて様々な研究が盛んに行われている．さらに，相手へ親近感等の情動伝達効果が向上することが示

このようなコミュニケーションロボットには，会話されている．そのため，接触を伴う親和性強調表現

機能だけでなく，ロボットに内蔵されたタッチセン

を瞳孔反応により行うことで，情動伝達効果と親和

サ情報に基づいて情動表現を行う等，人との触れ合性向上効果との相乗効果によりかかわりの促進が期

いを通じて場を和ませ，かかわりを高める機能が求待される．

められる[5]．
このかかわりが安心感や癒し等の心地

そこで本研究では，瞳孔反応を用いた身体接触時

よさや共感を生み出し，親密なコミュニケーションのインタラクション表現を開発するために，人間同を形成している[6]．そのため，触れ合いを伴うコミ士の接触時における瞳孔反応を解析している．さらュニケーションにおいて親和性を強める情動表現をに，解析結果に基づいて，親和性を高める共感表現

開発することで，人の懐に入るようなコミュニケーを付加した瞳孔反応ロボットを開発している．

ションロボットの開発に繋がると期待される．
2. 接触を伴う瞳孔反応の解析

研究者はこれまでに，人の情動表出に強く関係す

2.1 実験方法

る瞳孔反応[7]に着目し，コミュニケーションにおける瞳孔反応を表現する瞳孔反応インタフェースを開実験システムの概略を図 1 に示す．実験システム

発してきた[8]．このインタフェースは，半球ディス

は，ワークステーション PC，ビデオカメラ，瞳孔計- 113 -

Camera

600mm

Timer

EMR-9

(A) Forearm
PC(B) Forehead

Fig.2 Experimental scene of physical contact.

Toucher
Non-toucher
Pupil measurement device

2）．実験協力者は，19 歳〜24 歳までの男女学生 24

Fig.1 Setup of the experimental system.

人（男性 12 人，女性 12 人）であった．

測装置 (nac EMR‑9) から構成される．実験協力者間の距離は，親しい友人関係におけるパーソナルス

2.2 接触時における瞳孔反応の解析

ペース[9]を考慮して 600mm とした．瞳孔は，瞳孔計

接触時における瞳孔反応を解析した．
解析対象は，

測装置により 60Hz でサンプリングした．取得した

キャリブレーションの不具合によりデータ欠損が多

データはリアルタイムに記憶媒体に記録している．

い 5 人を除く 19 人とした．実験開始から終了まで

コミュニケーションにおける接触は，その目的にの 30 秒間における瞳孔径の時系列変化の一例を図

よって行為の速度や強度が異なる．本研究では，触3 に示す．平常時となるキャリブレーションの瞳孔れ合い等の接触における親近感を高める効果を目指径と比較して，接触時では瞳孔が顕著に拡大していしているため，看護場面で用いられている「撫でる」

る様子が観察された．また，接触部位に拘らず，散行為[10]を採用した．先行研究において快情動が喚瞳に伴う変動は小さいことがわかる．そこで，キャ起されやすい行為（撫で方）について調査を行ってリブレーション時の瞳孔を基準として，身体接触におり，約 50 mm/秒の速度で触れた場合は副交感神経

伴う瞳孔の変化比率を評価した．ここで，コミュニ優位に伴うリラックス効果が高まり，約 200 m/秒でケーションにおける瞳孔反応は大きさとして知覚さ触れた場合は交感神経優位に伴う覚醒度上昇があるれると予想されることから，瞳孔を正円と仮定して，と報告している[11]．このことから，本研究では被瞳孔面積で評価した．具体的には，瞳孔径の平均値

接触者に対して約 50 mm/秒の速度（約 2 秒で 1 往復

を 1/60 秒で算出し，その径に対する正円面積としの運動）でゆっくり撫でる行為とした．また，接触て算出した．

部位は，先行研究において「手」
「前腕」
「上腕」
「頭」

図 4(a)に瞳孔面積の変化比率の平均と標準偏差が同性友人間で接触の多い部位であると報告されてを示す．両接触条件において，瞳孔面積が約 1.5 倍いる[12]．そこで，男女 10 人に対して予備実験を行に拡大することが示された．
統計処理を行った結果，った結果，「前腕」と「頭」では，撫でられることで接触部位間において有意差は認められなかった．ま快情動が喚起されやすい傾向であったが，
「手」
と
「上

た，先行研究において，男性と比較して女性はスキ腕」では，快情動の喚起は困難であることを確認しンシップ許容度が高いことが報告されている[12]．

た．このことより，本研究では快情動が喚起されや
8.0

すい「前腕」と「頭」の接触時における瞳孔反応の計測を行った．

[mm]

7.0

実験は，以下の手順で行った．まず被接触者に瞳6.0

孔計測装置を装着させ，瞳孔径のキャリブレーショ
ンを 30 秒間行った．その後，接触者が被接触者に対5.0

して接触対象部位を 30 秒間撫でる行為を行った．

30 [s]0(A) Forearm

本実験では，接触対象部位を(A) 前腕部，(B) 額付(B) Forehead

Caliblation

Fig.3 Pupil diameter variations with time.

近の頭部として，ゆっくり撫でるよう指示した（図- 114 -

[ratio]
2.0[ratio]
2.0

1.8

1.8

Light source

CTS

Pupil

ID
1.6

1.6

1.4

1.4

1.2

1.2

1.0

1.0

(a) Total

ID

Video distributor

PC

Iris

CTS Capacitive touch sensor(A) Forearm(a) System configuration

FemaleMale(b) 3D model

Fig.6 Setup of the developed robot.

(b) Gender(B) Forehead

す．本ロボットは，Windows7 を搭載したワークステ

Fig.4 Result of ratio in the pupillary area.

ーションPC，半球ディスプレイ(Gakken WORLDEYE)，
そこで本研究においても性別による瞳孔反応を解析

映像分配器(SANWA SUPPLY VGA‑HDSP2K)，ヘッドセッ

した．その結果を図 4(b)に示す．性別に拘らず，両ト(BUFFALO BSHSH12BK)，静電容量型タッチセンサ

条件において瞳孔面積が顕著に拡大することが示さ(BitTradeOne ADFCS01) から構成される．本ロボッれた．また，統計処理を行った結果，性別間およびトでは，瞳孔と虹彩の 3D モデル（図 6(b)）を半球

接触部位間において有意差は認められなかった．以

ディスプレイに投影し，音声入力に同期して 3D モ

上の結果は，接触部位や性別に拘らず，接触によりデルの瞳孔部を Z 軸方向へ前後移動させることで瞳瞳孔が顕著に拡大することを示している．

孔反応を表現する．瞳孔反応は，通常時と比較して瞳孔面積が 1.5 倍に拡大する動作としている[8]．

3. 瞳孔反応ロボットの開発

3D モデルの描画には Microsoft DirectX 9.0 SDK

3.1 コンセプト(June 2010) を用い，描画フレームレートは 30fps

前章の解析結果を基に，接触に伴う親近感を増大である．音声は，16bit 11kHz でサンプリングしてさせる瞳孔反応ロボットを開発する．本ロボットのいる．静電容量型タッチセンサは，電導性のあるもコンセプトを図 5 に示す．コミュニケーションロボのに接続すると，領域内の静電容量の増減を取得でットが親和性の高い情動表現を行うには，身体動作きる．そこで本研究では，タッチセンサを鉛線に接や視線方向を提示するだけでなく，情動に密接に関続し，帯電性を持つ半球ディスプレイの周囲に巻く連する瞳孔反応による強調表現が有効である．提案

ことで，ディスプレイ表面上のあらゆる方向から触する瞳孔反応ロボットは，これまでに開発してきたれた場合においても，データの取得と自然な触覚入瞳孔反応インタフェース[8]を応用し，聞き手として力を可能とした．さらに，前章の解析結果に基づい対話者の発話音声に同調して瞳孔を拡大する．とくて，接触に伴う共感表現として，瞳孔反応を生成すに，接触に伴う共感表現を行うことで，対話者は親る．具体的には，タッチセンサからの触覚入力に基近感を実感しつつ，かかわりを深めることができる．

づいて，瞳孔面積が 1.5 倍に拡大する動作としてい3.2 瞳孔反応ロボットの開発

る．ここで，先行研究の知見より，音声入力から生開発した瞳孔反応ロボットの概要を図 6(a)に示成される反応も瞳孔面積が 1.5 倍まで拡大する動作となっており[8]，
対話者は接触に伴う共感表現として知覚しにくい．そこで本研究では，親和性を強調
する共感表現としてハイライト表現を提案する．この手法は，眼球からの反射光を誇張することで，眼球表面上の水分の増減を表現[13]し，情動的共感を高める．そこで，図 6(b)に示すように，3D モデルを構成している仮想空間上に誇張用光源を新たに配置

Fig.5 Concept of the developed robot.
- 115 -

[3] 船越孝太郎，木村法幸，中野幹生，岩橋直人, 音
声対話ロボットによる語彙と言い回しの制限がない名称学習， 電子情報通信学会誌, D, 情報・システム, Vol.93,No.5, pp.610‑620, 2010.
[4] 館宜伸，辻澤成久，参沢匡将，阿部孝司，木村春彦，南保英孝, ペットロボットを用いた感情
認識システム， 電子情報通信学会誌, D, 情報・Fig.7 Example of communication scene.

システム, Vol.89,No.3, pp.447‑456, 2006.

し，
光度を変化させることでハイライトを表現する．
さらに，自然なハイライトを生成するため，最大光[5] 柴田崇徳，和田一義, 動物型ロボットを用いた心のケア「ロボットセラピー」， 電子情報通信
学会誌, Vol.95,No.5, pp.442‑445, 2012.

量の調節機能と，また最大光量までに段階的な光量の調節機能を設け，予備実験よりそれらを設定した．
このハイライト表現により，対話者は接触に伴う共[6] Tomio Watanabe, Human‑Entrained Embodied
Interaction and Communication Technology，
Springer, Emotional Engineering, pp.161‑

感表現が音声入力とは異なる表現として容易に知覚

177, 2011.

できる．

[7] Eckhard H. Hess, Attitude and Pupil Size，

開発した瞳孔反応ロボットの使用感を数人の協力

Scientific American, pp.46‑54, 1965.

者に求めた（図 7）．その結果，「ロボットに触りた[8] Yoshihiro Sejima, Yoichiro Sato and Tomio

くなる」，「ロボットの生命感を強く感じる」，「ロボ

Watanabe, Development of an Expressible

ットが嬉しそう」等のコメントが得られ，開発した

Pupil

ロボットがかかわりを強める可能性があることを確

Response

Interface

Using

Hemispherical Displays ， Proceedings of

認した．

24th IEEE International Symposium on Robotand Human Interactive Communication (RO‑

4. おわりに

MAN2015), pp.285‑290, 2015.

本研究では，親密なコミュニケーションの形成に[9] 池田理知子， Kramer, E.M., 異文化コミュニ重要な役割を果たしている接触に着目し，人間同士

ケーション・入門， 有斐閣アルマ, 2000.

の接触時における瞳孔反応を解析した．その結果，[10] 堀内園子, 触れるケア ―看護技術としてのタ

接触部位や性別に拘らず，身体接触により瞳孔が顕ッチング―， ライフサポート社, pp.87‑92,

著に拡大することが示された．さらに，解析結果に2010.

基づいて，これまでに開発してきた瞳孔反応インタ[11] 山口創, 手の治癒力， 草思社, pp.74‑77,

フェース[8]を用いて親和性を高める共感表現を付

2012.

加した瞳孔反応ロボットを開発し，その可能性を確[12] 大坊郁夫, しぐさのコミュニケーション ―人認した．

は親しみをどう伝えあうか―， サイエンス社,
pp.47‑49, 1998.

参考文献[13] 中井優理子，岡崎龍太，蜂須拓，佐藤未知，梶[1] Pepper ： https://www.softbank.jp/robot/ ，

本裕之, 鏡面反射を利用した目がゆらぐぬいぐ(2019/3/12 access).

るみに関する研究，エンタテインメントコンピ[2] 南保英孝，木村春彦，原未來，阿部孝司，田嶋ュ ー テ ィ ン グ シ ン ポ ジ ウ ム 2014 論 文 集 ,拓也, 癒し型ペットロボットの飼い主判別手法

pp.50‑54, 2014.

の改善， 電気学会論文誌 C, Vol.129,No.9,
pp.1662‑1668, 2009.
- 116 -

アバタ影コミュニケーションシステムを用いたインタラクション支援
岡山県立大学 情報工学部 情報システム工学科
石井 裕（概要）先行研究において，対話者自身のアバタの頭部動作に自動生成によるうなずき反応を重畳合成した
場合，内容を制限しない自由対話による評価実験では有効性が示されたものの，話し手聞き手を設ける役割対話においては，聞き手評価において期待されるほどの効果が得られなかった．コミュニケーション支援効果を狙ったうなずき反応であっても，対話者とアバタの間に身体的な矛盾によってインタラクションに影響を与えた可能性がある．本研究では，アバタの頭部動作にうなずき反応モデルによるうなずき反応を重畳合成した動作を行うアバタ影を開発した．アバタの影が対話者の語りかけに対し反応することにより，アバタと対話者の身体動作の間に矛盾を生じさせずにその反応を想起させ，円滑なコミュニケーションを支援することができると考えられる．このアバタ影を身体的バーチャルコミュニケーションシステムに導入した身体的引き込みアバ
タ影システム，及びアバタ影色を変化させて発話の盛り上がり効果を視覚化するシステムを開発し，コミュニケーション実験によってシステムの有効性を示している．
の反応を想起させ，アバタ影を操作することでアバ

1. はじめにタとアバタ影間に矛盾を生じさせて，対比的に身体仮想の対話空間において，アバタは対話者自身で動作を観察しながら対話を行うことができるため，あり，仮面を持った身体として振る舞っていると考円滑なコミュニケーションを支援することができる

えられる[1]．対話者とアバタの間に身体的な矛盾をと考えられる．このアバタ影を身体的バーチャルコ

生じさせずにコミュニケーションを支援するため，

ミ ュ ニ ケ ー シ ョ ン シ ス テ ム (Embodied Virtual

対話者の代役であるアバタにとって非分離な存在でCommunication System: EV-COS)に導入し，身体あり，通常は強くその存在が意識されない対象とし的引き込みアバタ影システムを開発するとともに，て影に着目する．この影について河合の報告によると，シャミッソーの「シュレミールの不思議な物語」
やアンデルセン童話「影法師」をイメージに，身体日常会話を想定したコミュニケーション実験によってシステムの有効性を示している．
さらに，場の盛り上がりを熱伝達として捉え，熱と影における主従関係の逆転を題材として，影が心伝導方程式を用いた場の盛り上がり推定モデルを用の一部の表れであるとして二重身の心理現象が説明いて，身体的アバタ影に色表現を付加した身体的コされている[2]．また一般にも影踏み遊びなど，影のミュニケーションシステムを開発し，システムを用存在は時にコミュニケーションの主体になり得る．

いたコミュニケーション実験により身体的アバタ影

また実空間での影を利用した映像表現は，実体のに色情報を付加することの有効性を示している．

存在強化と共に身体の拡張や相手とのつながりを想起させる効果的な演出として有効である[3]．よって

2. 身体的引き込みアバタ影システム

仮想空間に存在するアバタに対しても，その影の利

2.1 コンセプト

用が場面の演出に効果があると考えられる．

本システムのコンセプトを図 1 に示す．仮想空間

本研究では，アバタの頭部動作にうなずき反応モで行われるアバタを介したコミュニケーションにおデルによるうなずき反応を重畳合成した動作を行う

いて，アバタ影は他のオブジェクト同様に対話者にアバタ影を開発している．アバタの影が対話者の語

対し実体の存在や位置づけを強化する．ここでアバ

りかけに対し反応することにより，アバタの身体動

タ影は，その実体と同じ動作をするだけではなく，作と対話者の身体動作の間に矛盾を生じさせずにそ

部分的に異なる振る舞いをすることにより，実体で- 117 -

平面描画を行い，壁の影はビルボードにより 2 次元的に描画している．アバタ影の描画において深度バッファテストにより深度値が小さく通過した部分は，半透明テクスチャを使用したためポリゴンが重なる部分ができる．したがってポリゴンが重なる部分の色が濃く描画されアバタ影全体の色の濃さを不均一
図 1 身体的引き込みアバタ影システムのコンセプトにする．そのためステンシルバッファテストにより影の描画が重なる部分をマスクで覆い描画をピクセあるアバタの振る舞いを想起させ，アバタ影が対話

ル単位で設定した．これにより，ポリゴンの重なり

者間のインタラクションへ影響を与えることが可能

により濃く描画されていた色の濃さを均一にした．

である．著者らは対話音声と身体動作の引き込みに着目し，対話者の発話音声のリズムからコミュニケ

3. コミュニケーション実験

ーション動作を自動生成する iRT（InterRobot

3.1 実験概要

Technology）を開発している[4]．アバタ影は，対話アバタを介したコミュニケーションにおいて，ア者の発話音声を入力とするiRT のタイミングに基づ

バタの影の存在とアバタの影がうなずき反応モデル

いてうなずき反応を重畳合成することで，仮想空間の重畳合成によりうなずき反応を示すことによる効に一体感のあるコミュニケーション場が生成され，果を分析・評価するため，コミュニケーション実験

対話者はアバタ影と一体となって身体的リズムを共を行った．比較モードとして，アバタに対し対話者有することができる．この身体的引き込みにより，の動作をそのまま反映させ，アバタの影の表示を行

コミュニケーション場の盛り上がりを実感しつつイわない「A:計測動作」，アバタの影を表示させアバタ

ンタラクションが促進される．

とその影に対し対話者の動作をそのまま反映させる

2.2 EVCOS「B:アバタ影表示」，
アバタの影を表示させアバタに身体的バーチャルコミュニケーションシステム

対し対話者の動作をそのまま反映させ，その影に対

EV-COS は，仮想空間に自己と相手のアバタとしてし対話者の動作にうなずきモデルによるうなずき反振る舞う CG キャラクタ VirtualActor(VA)を配置し，応を重畳合成した動作をさせる「C:アバタ影うなず

対話者が VA を介してコミュニケーションを行う．

き」の 3 条件とした．実験参加者は 18 歳～24 歳まVA は対話者の頭部，背部，両手首に取り付けた 4

での同性同士 2 人 1 組の男女各 12 組ずつの計 24 組

個の磁気センサ(POLHEMUS FASTRAK)によって48 名であった．
各モードを 3 分ずつ合計 9 分間の対

各部位の角度と位置を計測し，それを基に，頭部の話を行わせ，各対話終了時に「楽しさ」
，
「好み」
，
「対

動き，胴体の動き，及び左右の腕の動きを生成して話しやすさ」，「一体感」，「場の盛り上がり」，「親近いる．対話者は同一空間内の VA を介することで，感」の 6 項目による 7 段階のリッカート尺度（中上半身の動きと音声のインタラクションを把握しな

立 0）の官能評価をさせた．続いて，2 モードを用

がらコミュニケーションを行うことができる．VA

い各モード 1 分ずつ順に対話を行わせた後，一対比はコミュニケーションリズムに着目したキャラクタ

較評価をさせた．

制作を行っており，互いの振る舞いによって対話相

3.2 実験結果

手との対応を確認できる．

実験参加者全体の官能評価結果を図 2 に示す．帰2.3 アバタ影描画手法

無仮説をモード間に差はないとして，Friedman 検

アバタ影は，アバタのポリゴンにテクスチャを張定および Wilcoxon の符号順位検定によって評価しり付け生成している．床や壁に落ちた物体の射影とた．
「A:計測動作」と「C:アバタ影うなずき」の間に，しての影の色を表現するため灰色の半透明テクスチ

全 6 項目において有意水準 0.1%の有意差が認めら

ャを使用した．アバタの足から壁までの影は床面へれ，帰無仮説が棄却され，「C:アバタ影うなずき」が- 118 -

図 2 7 段階評価結果
高く評価された．
「A:計測動作」と「B:アバタ影表示」

され，「B:アバタ影表示」は「A:計測動作」に比べ約

の間に，
「楽しさ」
，
「好み」
，
「一体感」
，
「場の盛り上7 倍の高い評価を受け，「C:アバタ影うなずき」は「A:がり」の 4 項目において有意水準 0.1%，「対話しや計測動作」に比べ約 12 倍の高い評価を受けた．

すさ」，「親近感」の 2 項目において有意水準 1%で3.3 考察有意差が認められたことから，帰無仮説が棄却され，実験結果より，アバタ影を提示する手法について「B:アバタ影表示が高く評価された．
「B:アバタ影表

は，表示しないモードとの比較により有効性が確認

示」と「C:アバタ影うなずき」の間に，「楽しさ」のされた．また，対話の流れに応じ，話し手，聞き手

項目において有意水準 1%，「対話しやすさ」の項目が交互に入れ替わるコミュニケーションモードであにおいて有意水準 5%で有意差が認められたことかる自由対話においては，アバタ影によるうなずき反ら，帰無仮説が棄却され，「C:アバタ影うなずき」が応が高く評価され，肯定的な影響を与えることが示

高く評価された．

された．

次に一対比較結果に対して， Bradley-Terry モデ

4. 身体的アバタ影色表現システム

ルを想定し，モードの好ましさを定量的に評価した（図 3）．自由対話において「C:アバタ影うなずき」，「B:アバタ影表示」，「A:計測動作」の順に高く評価

人は人工物の色情報に対して感情や雰囲気等の印
象を持つことが報告されている[5]．さらに，コミュ
ニケーションにおいても，色情報の付加が情動やインタラクションの表現を強めることが報告されている[6]．また，勅使らは，エージェントロボットが状
況に応じて目の LED を変化（発色・発光パターン）させることで，異なる感情を表現できることを示している[7]．このように，コミュニケーションにおける色表現は，情動や場の盛り上がり等のインタラク
ション情報を伝達する手法として有効であると考え

図3 一対比較評価結果Bradley-Terryモデルにられる．したがって，アバタを介したコミュニケーに基づく好ましさπ- 119 -

(B) 熱量提示(A) 通常提示(C) 盛り上がり提示

図 4 身体的アバタ影色表現システム
ションにおいても，色表現によるインタラクション

身体的アバタ影色が変化する「(B)熱量提示」，場の情報を付加することで，コミュニケーション場にお盛り上がり推定モデルにより得られた推定値に基づける視認性が高まり，身体的インタラクションの促いて両者の身体的アバタ影色が同時に変化する「(C)進が期待される．この表現メディアについては様々

盛り上がり提示」の 3 モードとした（図 4）．

なメディアが考えられるが，身体そのものをメディ

実験は 2 人 1 組で行い，実験協力者にはそれぞれアとして表現することで，直観的に把握しやすいと別室でシステムを用いて対話を行わせた．各室の対予想される．しかしながら，上述したように直接身話の様子はビデオカメラにより録画した（図 5）．実体メディアに表現する場合，コミュニケーションに験協力者は友人の間柄で，18～24 歳までの同性同士

おいて本来共有されるべき身体性が損なわれる恐れの男女 12 組の計 24 人であった．実験は，以下の手がある．そのため，抽象的存在である身体的アバタ

順にて行った．実験概要説明後，実験協力者の 2 人

影を表現メディアとすることで，身体性を損なうこをそれぞれ別室に入室させ，2 分間システムを試用となく直観的に把握できる表現手法として期待されさせ，システムに慣れさせた．その後，3 モードのる．

中から 2 モードをランダムに選択し，各モードを 2分間使用させ，総合的に良い観点で一対比較を行わ

5 影色表現評価実験せた．次に，各モードを 3 分間使用させ，各モード

5.1 実験概要

終了時に，7 段階（中立 0）のアンケートを行わせ本システムでは，場の盛り上がりに応じて身体的た．ここでは，身体的インタラクションの促進の観

アバタ影の色情報を変化させる[8]．この色情報につ点から「(a)楽しさ」「(b)対話しやすさ」，提示法によいては，人間の情動にはたらきかけ，かつ盛り上がる印象の差異を評価する「(c)盛り上がり」「(d)一体りを直観的に把握できる色彩にすることで，効果的感」「(e)安心感」，直観的評価である「(f)好み」，提な支援が可能になると期待される．そこで，身体的示による他者理解の支援を調査する「(g)(相手の)感

アバタ影の色変化実験を行った．比較モードは，先情の理解しやすさ」の 7 項目とした．各モードの提行研究において暖色系の色が活動性を高める印象を与えることが報告されており，予備検討の結果，赤色(H:0, S:240, V:120)を採用する．色変化は，式(1)のように，身体的アバタ影の基準値となるグレー(S:0)からアバタ影としての違和感を与えないように彩度値のみを線形的に変化させた．
本実験では，自然に対話が盛り上がると想定される日常対話を対象として自由対話実験を行った．比較モードは，身体的アバタ影色が変化しない「(A)通常提示」，
対話者それぞれの熱量に比例して各々の図 5 影色実験場面の一例- 120 -

次に，7 段階評価結果を図 7 に示す．図には参考

示順は順序効果を考慮して組ごとにカウンターバラ
ンスを取った．

として平均値とその標準偏差を示している．

5.2 実験結果

Friedman の検定および Wilcoxon の符号順位検定

一対比較の結果を表 1 に示す．
得られた結果から，による多重比較を行った結果，モード(A)とモード

Bradley-Terry モデルを用いて各モードの好ましさ(B)との間に「楽しさ」「対話しやすさ」「盛り上がり」

を推定した．推定されたモードの好ましさπを図 6

「一体感」
「好み」
「感情の理解しやすさ」の項目にに示す．このモデルの整合性を検討するために，適おいて有意水準 1%で有意差が認められ，「安心感」

合度検定および尤度比検定を行った結果，モデルはの項目において有意水準 5%で有意差が認められた．

棄却されず，πの妥当性が保証された．図 6 より，モード(A)とモード(C)との間には，
「楽しさ」
「対話

影色が変化するモード(B)とモード(C)がともに高くしやすさ」「盛り上がり」
「一体感」
「好み」
「感情の

評価され，影色が変化しないモード(A)に対して約 4

理解しやすさ」の項目において有意水準 1%で有意倍好まれた．

差が認められ，「安心感」の項目において有意水準
5%で有意差が認められた．また，モード(B)とモー
表 1 一対比較結果

ド(C)を比較した結果，全ての項目において有意差は認められなかった．さらに，モード(B)に対する自由
記述は，「相手の感情を感じられる」，「盛り上がって話すと楽しい」，「相手の反応が少ないと，相手はあまり楽しんでないように感じる」等の意見が得られた．モード(C)に対する自由記述は，「笑ったときに両方の影が反応するので，相手の感じが分かった」，「会話の盛り上がりは一番感じられた」，「相手の感情が分かりにくかった」等の意見が得られた．これ
らの結果から，身体的アバタ影の色情報を変化させるモード(B)およびモード(C)が高く評価されたことより，身体的アバタ影の色情報を盛り上がり等のイ
ンタラクション情報に応じて変化させることの有効

図6 影色実験におけるBradley-Terryモデルに性が示された．

に基づく好ましさπ

図 7 影色実験における 7 段階評価結果- 121 -

5.3 考察

コミュニケーションシステムを開発し，システムを

インタラクション情報の提示法によって対話者の用いたコミュニケーション実験において，身体的ア

印象が異なるという仮説を設定した．具体的には，

バタ影に色情報し，場の盛り上がりを表現すること

自己の活性度合いを提示するモード(B) と，コミュの有効性を示した．

ニケーション場の活性度合いを提示するモード(C)

参考文献

では，たとえ同一のメディアであっても異なる印象[1] 鷲田清一，野村雅一編：表象としての身体，大が形成されると想定した．しかしながら，一対比較

修館書店，pp.153–173 (2005)．

および 7 段階評価においてモード(B) とモード(C)[2] 河合隼雄：影の現象学，思索社，pp.5–103 (1976)．

との間に顕著な差が認められなかった．さらに，自[3] Miwa, Y., Itai, S., Watanabe, T., and Nishi, H.:

由記述において，対話者は身体的アバタ影が表現す

Shadow Awareness: Enhancing theater space

るインタラクション情報が異なることを理解していthrough the mutual projection of images on a

た．これは，対話内容を自然に対話が盛り上がるとconnective slit-screen, Leonardo, the journal of

想定される日常対話としていたため，話し手と聞き

the International Society for the Arts, Sciences

手が短時間で入れ替わり，自己の発話が影色としてand Technology (SIGGRAPH 2011 Art paper),

適度に反映されることから，提示法に差が見られにVol.44, No.4, pp.325–333 (2011).

くかったと考えられる．加えて，両提示法における[4] Watanabe, T., Okubo, M., Nakashige, M., and

色表現と対話者の想定との差異が小さかったため，

Danbara, R.: InterActor: Speech-Driven Embodied

コミュニケーションに対する身体性が損なわれるこInteractiveとなく「盛り上がり」や「一体感」等において高い

Actor,

Human-Computer

評価が得られたと考えられる．これらのことから，

International
Interaction,

JournalVol.17,of

No.1,

pp.43–60 (2004).

自由対話というコミュニケーションスタイルでは，[5] 長町三生, 瀬沼勲, 岩重律子, 室の雰囲気に関影色変化によるかかわりを可視化することが重要でする感情分析, 人間工学, Vol.13, No.1, pp.7–14

あり，提示法による印象の違いは小さかったと考え(1977).

られる．ただし，この知見は場の盛り上がりモデル[6] 勅使宏武, 寺田和憲, 伊藤昭, ロボットの目のの前提条件となる，話者同士が活発にコミュニケー

動的色発光が語り聞かせ時の人の感情認識に与ションを行う場面において適用可能であり，例えばえる影響, ヒューマンインタフェース学会論文

じっくり話を聞くなどのコミュニケーションスタイ

誌, Vol.17, No.4, pp.129–140 (2015).

ルが異なる場合，提示法による差異が生じると予想[7] Degiorgi, M., Garzotto, F., Gelsomini, M.,

される．そのため，対話における発話量等のコミュ

Leonardi, G., Penati, S., Ramuzat, N., Silvestri,

ニケーションスタイルに応じた色表現やモデルを検J., Clasadonte, F. and Kinoe, Y., Puffy - an

討する必要があり，今後の検討課題として進めていinflatable robotic companion for pre-schoolers,

く．

Proceedings of the 26th IEEE International

6 おわりにConference on Robot Human Interactive

本研究では，仮想空間においてアバタの影に対話

Communication, pp.35–41 (2017).

者の身体動作と自動生成によるうなずき反応を重畳[8] Sejima, Y., Watanabe, T. and Jindai, M.,

合成する身体的引き込みアバタ影システムを開発しEstimation model of interaction-activated

た．日常会話を想定した自由対話による実験を行っcommunication based on the heat conduction

た結果からアバタ影表示の効果が確認され，本シス

equation, Journal of Advanced Mechanical

テムの有効性が示された．また，場の盛り上がりにDesign, Systems, and Manufacturing, Vol.10,

応じて身体的アバタ影の色情報を変化させる身体的No.9, Paper No.15-00548, pp.1–11 (2016).
- 122 -

自然言語処理を用いたソフトウェア要件管理技術に関する研究
岡山県立大学 情報工学部 情報システム工学科
天嵜 聡介
ソフトウェア開発を成功に導く施策は様々であるが，中でも上流工程の強化は特に重要であると考えられている． 上流工程では自然言語で書かれた文書の扱いが主である．そこで，自然言語処理を用いて，要件文書の分類やソースコードとのトレーサビリティなどを自動で管理する方法について検討及び調査を行なった．調査の結果，要求文書をデータとする際のベクトル化手法としては，古典的な TFIDF などだけでなく，Word2Vec など
近年提案された手法を用いることで自動分類の精度が向上する可能性が明らかとなった．

1. はじめに

2. 関連研究

ソフトウェア開発を成功に導く施策は様々である

自然言語処理(NLP)技術はソフトウェア工学分野かが，中でも上流工程の強化は特に重要であると考えら高い注目を集めている．
例えば，
バグ票の分析 [1]，

られている [1]．上流工程では，何をソフトウェア

バグ局所化 [2]，議論の分析[3]，リンクトレーサビで実現するのかについて日常用いられる言葉（日本

リティの管理 [4]などが挙げられる．特に要求工学語など）で要件として記述される．要件の管理は煩分野では自然言語で記述された文書を扱うことが多雑なため，自然言語で書かれた文書をデータとしていため，NLP 技術の活用が盛んである [4-7]．

扱い，要件文書の分類やソースコードとのトレーサ収集された要求は，まず，個々の要求を様々なトピ

ビリティなどを自動で管理したいという要望は古くックに分類してから分析に回される[6]．
近年は要求

からある．

の自動分類に関する研究が増加している．

近年，計算機の性能向上や自然言語処理技術の発Cleland-Huang ら[8]の提案では，カテゴリに特有展によって，このような要望に応えるための研究がのキーワードを定めた上で，それらのキーワードを行われてきている．しかしながら，現状では，初歩含む割合などから個々の要求があるカテゴリに属す的な自然言語処理技術のみが適用されるにとどまっる確率を計算している．

ており，そのため，多くの課題において性能改善のAbad ら [9]は，要求文書の記述の揺れを補正する余地が残されている．

ための書き換え規則を提案している．その上で要求

本研究では，
ソフトウェア開発における労働集約的文書に登場する単語の出現頻度を用いたベクトル化

な作業を自動化し，価値を産む作業に人的資源を配を施した上で機械学習を用いた分類を行なっている．

分することで，小規模なソフトウェア開発組織であKurtanović と Maalej [10] は非機能要求の自動分っても迅速にソフトウェアの開発や保守を可能にす

類手法の精度評価を行なっている． Amazon のレビる技術の開発・評価に取り組んだ．具体的には以下

ューに手作業でラベル付けを行ったデータセッの２点である．

ト [14]を用いた評価実験の結果，一定の精度で分類

a.

自然言語処理技術を用いた要件文書の自動カが可能であることが示された．

テゴリ分類手法の提案・評価

Munaiah ら [11]はセキュリティに関連する要求の要件文書とソースコードのトレーサビリティ

識別に特化した手法を提案した．この手法では，管理技術の基礎調査

Common Weakness Numeration (CWE)を用いて用語のb.

本報告では，a について詳しく述べていく．

収集を行なっている．
多くの研究では，単語の出現頻度を用いたベクトル- 123 -

Table 1: Requirements
dataset summary
表 1: データセットの概要

supplied the two approaches foromposite Document Vec-

methods for documents are prowas proposed. One of their mount for a distinction of semantic
mong documents. Doc2Vec sharesross documents though the same
rent meanings. This study exams called Sparse Composite DocuV) [13] because of its recency andtechnically combines Word2Vec
orithm called Gaussian Mixture
ccount for the distinction.

ent

Category# of reqs

ratio (%)

ave. # of words

Functional

255

40.80

20

Availability (A)Fault Tolerance (FT)
Legal (L)Look & Feel (LF)
Maintainability (MN)
Operational (O)Performance (PE)Portability (PO)
Scalability (SC)Security (SE)Usability (US)

21
10
13
38
17
62
54
1
21
66
67

3.36
1.60
2.08
6.08
2.72
9.92
8.64
0.16
3.36
10.56
10.72

19
19
19
20
28
20
22
14
18
20
22

Total

625

100

–

requirement
for Portability
while Usability
require化を用いているが，近年ではWord2Vecなど深層学
1. サイズN の標本をデータから復元抽出する

ments hold approximately 10% of all requirements.
習に端を発するベクトル化手法も提案されている．
2. 標本を用いて機械学習モデルを訓練する
averagean out-of-sample
bootstrap pro- The rightmost column of the table shows
lengthsofrequirementsinthecategories.
The
lengths
he eﬀect of vectorization
method
これらを比較評価することで有用なベクトル化手法
3. 標本に含まれないデータで性能を評価する
erformance of requirements clas- do not so vary among the categories, and each re4. 以上を 100 回繰り返す
ormance wasを特定できる．
evaluated with F1 quirement is relatively short for a document.
funcFor RQ1 , the classification performance
popular for binary classification
本 実 of
験に用 い た 機 械 学 習 手 法 は ， Logistic
ditions except
vectorization tional and non-functional requirements was evalu3. for実験方法
Regression[19],NaiveBayes[20], Support Vectorof nonand higher F1 in a result means ated. For RQ2 , the classification performancethe same Random Forests[22]である．
. The experimentis also set to functional requirements was evaluated with
3.1. データセット
Machine[21],implementations with intent for categories as [10]: Operational, Performance, Secu評価実験には，DePaul
大学の大学院生向け講義で
評価尺度
and Usability. The selection of3.4.
categories
isplicability. Details
are described rity,
due
to
the
diﬃcultyofpredicting
rareclassesforthesections.
得られた要求文書を用いた[8].一般にデータが公開
本研究では F1 値を用いて分類精度を評価した．
これclass imbalances and the shortage of training data.
[17]されており，先行研究[9-11]でも用いられていThe selection eases the evaluation forらの評価尺度は先行研究においても広く用いられて
selected categories
whileit
prevents
us
from
the
overallる．表 1 にデータを示す．カテゴリ分類の詳細は文いる． performance evaluation.
used were 献[8]を参照.
developed as term
dents at DePaul University [8].
4. 実験結果
3.2. ベクトル化手法
pository [17] provides
the dataset. 4.2 Vectorization
ed in past studies[9–11]. Table
4.1. 機能・非機能要求の分類
実験対象としたベクトル化手法は以下の通りであy statistics. The dataset contains All vectorization methods are a kind of unsuper機能・非機能要求の分類精度を図1 に示す．F1 値
る．
merely apirements and
370 NFRs. The vised learning methods, and this study
plied
them
to
the
whole
datasetandthentrainedd into 11 requirement
categories
はどの箱ひげ図においても 0.8 程度であり，TF のよ
1. Term Frequency (TF)[15]
te. Details are in [8]. A distri- classification models with a part of it. Before vecうな古典的な手法でも比較的高い分類精度が実現で
2. TFIDF[15]were aper of the requirements
is not flat torization, some preprocessing techniques
plied.
First,
each
requirement
wastokenized,
ands; for example,
there
is
only
one
きていることが読み取れる．統計的検定[24]の結果
3. Word2Vec[16]4.

Doc2Vec[12]5.

SCDV[13]からは Word2Vec などの方が高い性能であると読み4取れるが，Word2Vec のような計算コストがかかるベ

Word2Vec, Doc2Vec, SCDV については，文献[18]をクトル化手法を採用する理由が小さいことを示す．

参考にパラメータを設定した．

図 1(c)は Random Forests を用いた実験結果である

3.3.

が，性能が他と比べて極端に低下するベクトル化手

実験手順

最 近 の 不 具 合 予 測 研 究 [23] で 採 用 さ れ た法が存在した．
具体的には Doc2Vec を DBOW オプショ

out-of-sample bootstrap を用いて評価実験を行なンで用いた場合である．統計的検定を行なって，こった．手順は以下の通り．

の差が有意水準 5%で有意であることが確認された．

- 124 -

0.8

0.8

0.8

0.8

0.6

0.6

0.6

0.6
F1

1.0

F1

1.0

F1

1.0

F1

1.0

0.4

0.4

0.4

0.4

0.2

0.2

0.2

0.2

0.0

0.0

tf

f

tfid

0.0

tf

pv cdvow kipow
vcb w2vs 2vdb 2vdm sddw2(a) Logistic Regression

f

tfid

0.0

tf

pv cdvow kipow
vcb w2vs 2vdb 2vdm sddw2(b) Naive Bayes

f

tfid

tf

pv cdvow kipow
vcb w2vs 2vdb 2vdm sddw2(c) Random Forests

f

tfid

pv cdvow kipow
vcb w2vs 2vdb 2vdm sddw2(d) SVM

Figure 1:図Performanceof non-functional requirements
1: 機能・非機能要求の分類性能（F1値） (F1)
diﬀerent among the vectorization methods.
vectorization method depended on a classification
These results bring the conclusion that TF was al- method used. However, TF and TFIDF were rarely
most always enough because it worked stably with found in the best performance cluster.
simple and complex classification methods. One exception was Random Forests.
0.8

0.6

0.6

0.6

0.6

0.4

0.4

0.2

0.2

F1

1.0

0.8

F1

1.0

0.8

F1

1.0

0.8

F1

1.0

0.4

5.3
0.2

0.4

Performance Requirements Classification
0.2

5.2 tf Operational
Classiffv
v Requirements
v v
pp
tf tfidf
tf
tf tfidf
pv cdvow kipow kip dbow mpv scdv
ow
ski vdbow dmp scd
bow2vperformancetfid vcbow2vski vdbow vdmp scd
dFiguretfid3w2showsof F1-values
vcb w2vs 2vdb 2vdm s
vcb w2vs boxplots
vcfor
2
2
2
2
w
w
d
d
d2v d2v
d2 d2vddw
w
w2
fication
0.0

0.0

0.0

0.0

requirements classification. All boxplots are scat(a) Logistic Regression(b) Naive Bayes(c) Random Forests(d) SVM
Figure 2 shows boxplots of F1-values for operational tered from 0.0 to 0.8 and imply that vectorizationinfluenced
requirements classification. MostFigure
boxes2:place
below methods
Performanceof operational(F1)on the classification performance.
図 2:operational
OperationalrequireRequirementsの分類性能（F1値）
Figures3(a) and 3(b)show similar trends among
0.6 and imply that classifying
ments was diﬃcult without additional information the vectorization methods. The figures suggest that
Doc2Vec methods
worked well while
SCDV
such
as part-of-speechtags [10].
2(a) and the
5.5twoUsability
Requirements
Classifiand TFIDF
were rarely foundin theFigures
best performance
low performance. The Scott-Knott test re2(b)show similar trends among the advanced vector- stayed cation
cluster.
ization methods. The figures suggest that the two vealed that the two Doc2Vec methods were signifiDoc2Vec methods worked well while SCDV stayed cantly better than the others with Logistic Regression
low performance. The Scott-Knott test revealed that and that Doc2Vec (DBOW) and Word2Vec (Skipin boxplots
the bestofperformancewiththe
Doc2Vec methods
were significantly
better gram)
5.4 twoSecurity
Requirements
ClassificaFigure 5wereshows
F1-values forcluster
usability
reNaive
Bayes.
than theothers
with
Logistic
Regression
and
that
tion
quirements classification. All boxplots are scattered
Doc2Vec(DBOW) and Word2Vec(Skipgram) were
Figure3(c)av diﬀerent
from oFiguresv
v v
tf ttrend
w kshowsw
ippanddff todff
o0.8
ow vsskkiipp dbmethods
ow implyttff ttfifiddff cbbooww vsskkiipp dbbooww dmppvv sccddvv
ttff ttfifiddff cbbooww vsskkiipp dbbooww dmppvv sccddvv fromttff 0.0
ow
mppv ssccddv thattfvectorization
mppv ssccddv
dm
ttfifid 2vvccbboww22vvsski 2vvddbbow2vvddm
tfifid 2vvccbbow
vd
vdm s
2vvc ww22v d22vvd d22vvdm s cluster with
2vvc ww22v d22Bayes.
22v d22vvdbRandom
wwith
d2The
d2 best performance
d22vvdw23(b).
w2
in the best
w
w
3(a)
and
d
d v dd22v
ddddd
ww2 performance
ww2Naivew
w
Figure 4 shows boxplots of F1-values for security re- influenced on the classification performance. Figureswaswith trends
SCDV.among
The
Scott-KnottFigure2(c) Regression
shows a diﬀerent trend
fromFigures Forests(a) Logistic
Logistic
Regression(b) Naive
Naive
Bayes
(c)
RandomForests(d) SVM
SVM(a)(b)
RandomForests(d)and5(b)achieved
show
similarthe vectorquirements
classification.
All boxplots
areBayesscattered 5(a)(c)actually
supported
that
SCDV
was
significantly
2(a) and 2(b). Random Forests did not work well for test
ization methods. The figures suggest that the twofrom 0.0 to 0.8 and imply that vectorization
methods
Figure3: Performanceof performance(F1) 値）
betterthan
the others.
Figureshows
moderateclassifying operational requirements
with
Doc2Vec.
図 3:performance.
Performance
Requirementsの分類性能（F1Doc2Vec
methods
workedwell3(d)while
SCDV
stayedinfluenced on the classification
Figuresamong
thevectorization
methods.
The
The best performance was achieved with SCDV diﬀerences
4(a) and 4(b) show similar trends among the vector- low performance. The Scott-Knott test revealed thattest
revealedthat
theWord2Vec(Skipthough the box places lower than 0.5. Figure 2(d) Scott-Knottization methods. The figures suggest that the two the two Doc2Vec methods were significantly better
SCDV, TF and TFIDF formed the best pershows moderate diﬀerences among the vectorization gram),
Doc2Vec methods worked well while SCDV stayed than the others with Logistic Regression and Naive
cluster.
methods. The Scott-Knott test revealed that the two formance
low performance. The Scott-Knott test revealed that Bayes.
Word2Vec methods, SCDV, and TF formed the best
We thus reached the same conclusion as we did in
the Doc2Vec (DM) was significantly better than theperformance cluster.
Section 5.2: the best vectorization method is depenothers with Logistic Regression, and that Word2Vec
Figure5(c)classificationshows a diﬀerent
trend
fromAlso,
Figures
on whatmethodis used.
TF
These results lead to the conclusion that the best dent
(Skipgram) was the best one with Naive Bayes.
5(a) and 5(b). The best performance with Random
was achieved with SCDV.
The Scott-KnottFigure4(c)w showsa diﬀerenttf trend
from Figures Forests
f
f
f
f
f
v v
v v
tff tfiddff
w kipp bow
w kippw
w
ow kiipp dbooww mppvv scddvv
ow
tf ttfifiddf cbbooww vsskkiipp dbbooww dmppvv sccddvv 7
ttf ttfifiddf cbboow
ttf ttfifiddf cbboow
mSCDV
mppv scddv
ppv ssccddv
dbo 2vddm
dm sc performanceb 2vvbest
tfi 4(b).
2v 2vvRandom
vccbbo w22vvsskThevc withvc w22vvsski 2thatv w22vvsski 2vvddbbo 2vvbetter
m s
v
v
test
supportedwassignificantlyvddd4(a) t and
2
2
2
d
d
ddm sc
2
2
w
2
v
v
v
v
v
v
v
w2
w22vc ww
w
w
dd2 dd2
dd2 dd2
dd2 dd2
dd2 dd2ww2
ww2
ww
than(c)theothers.
Figure 5(d) shows(d)moderate
diﬀerForests
was achieved
with SCDV.(b)The
Scott-Knott(a) Logistic
Logistic
Regression
Naive
Bayes
Random Forests
Forests
SVM(a)Regression(b) NaiveBayes(c) Random(d) SVM
test supported that SCDV was significantly better ences among the vectorization methods. The Scotttest revealed
than the others. Figure 3(d) showsmoderate
dif- KnottFigure4: Performance
Performanceof security
security(F1) that the classification perforFigure
4:
of
(F1)
mance
of SVM was 値）
not significantly diﬀerent among
図 4:methods.
SecurityHowever,
Requirementsの分類性能（F1ferences among the vectorization
the Scott-Knott test revealed that SCDV was the best the vectorization methods.
one.
0.8
0.8

0.6
0.6

0.6
0.6

0.6
0.6

0.6
0.6

F1
F1

1.0
1.0

0.8
0.8

F1
F1

1.0
1.0

0.8
0.8

F1
F1

1.0
1.0

0.8
0.8

F1
F1

1.0
1.0

0.2
0.2

0.2
0.2

0.2
0.2

0.2
0.2

0.0
0.0

0.0
0.0

0.0
0.0

0.0
0.0

1.0
1.0

1.0
1.0

1.0
1.0

1.0
1.0

0.8
0.8

0.8
0.8

0.8
0.8

0.8
0.8

0.6
0.6

0.6
0.6

0.6
0.6

0.6
0.6

F1F1

0.4
0.4

F1F1

0.4
0.4

F1F1

0.4
0.4

F1F1

0.4
0.4

0.4
0.4

0.4
0.4

0.4
0.4

0.4
0.4

0.2
0.2

0.2
0.2

0.2
0.2

0.2
0.2

0.0
0.0

0.0
0.0

0.0
0.0

0.0
0.0

1.0
1.0

1.0
1.0

1.0
1.0

1.0
1.0

4.2. These
Operational
Requirementsの分類 that the best
results leadto the conclusion

それなり高いが，SCDVの性能が低いことがわかる．
As
same as Sections 5.2 and
5.3, we concluded that
vectorization
method depended
on a classification
best vectorization
method depended on a1 classiOperational
Requirementsの分類精度を図2 に示す． theRandom
Forests を用いた場合の結果は図の場合とmethod. However, TF and TFIDF were not found fication method while TF and TFIDF were rarely
先ほどと異なり，
F1 値は 0.6
あたりを中心に大きく同様に低い傾向にあることがわかる．一方，TFや
in the best performancecluster.
foundin the best performance cluster.
0.6
0.6

0.6
0.6

0.6
0.6

0.6
0.6

F1F1

0.8
0.8

F1F1

0.8
0.8

F1F1

0.8
0.8

F1F1

0.8
0.8

0.4
0.4

0.4
0.4

0.4
0.4

0.2
0.2

0.2
0.2

0.2
0.2

ばらついている．図 2(a),(b)から Doc2Vec の性能は
0.0
0.0

tf
tf

f
v v
p
bow skip bow mppv sccddv
tfidf
tfid w2vvccboww22vvskid2vvddbodw2vvddm
s
w
d2 d2
w2

(a) Logistic
Logistic Regression
Regression
(a)

0.0
0.0

0.4
0.4

0.2
0.2

TFIDF が最良である場合が少ないこともわかる．

0.0

tf
tf

0.0
f
v v
p
bow skip bow mppv sccddv 8
tfidf
tfid w2vvccboww22vvskid2vvddbodw2vvddm
s
w
d2 d2
w2

(b) Naive
Naive Bayes
Bayes
(b)

tf
tf

f
v v
p
bow skip bow mppv sccddv
tfidf
tfid w2vvccboww22vvskid2vvddbodw2vvddm
s
w
d2 d2
w2

(c) Random
Random Forests
Forests(c)- 125 Figure
5:
Performanceof usability
usability (F1)
(F1)
Figure 5: Performance of

0.0
0.0

tf
tf

f
v v
p
w
bow2vsskkiip vdboow
tfidf
mppv scddv
tfid w2vvccbow
w v 2 b 2vdm sc
w2 dd2vd dd2vd
w2(d) SVM
SVM
(d)

0.0

0.0

tf

f

tfid

0.0

tf

pv cdvow kipow
vcb w2vs 2vdb 2vdm sddw2(a) Logistic Regression

f

tfid

0.0

tf

pv cdvow kipow
vcb w2vs 2vdb 2vdm sddw2(b) Naive Bayes

f

tfid

tf

pv cdvow kipow
vcb w2vs 2vdb 2vdm s
d
d
w2

f

tfid

pv cdvow kipow
vcb w2vs 2vdb 2vdm sddw2(c) Random Forests(d) SVM

Figure 4: Performance of security (F1)

0.8

0.8

0.8

0.8

0.6

0.6

0.6

0.6

F1

1.0

F1

1.0

F1

1.0

F1

1.0

0.4

0.4

0.4

0.4

0.2

0.2

0.2

0.2

0.0

0.0

tf

f

tfid

pv cdvow kipow
vcb w2vs 2vdb 2vdm sddw2(a) Logistic Regression

0.0

tf

f

tfid

0.0

tf

pv cdvow kipow
vcb w2vs 2vdb 2vdm sddw2(b) Naive Bayes

f

tfid

pv cdvow kipow
vcb w2vs 2vdb 2vdm s
d
d
w2

tf

f

tfid

(c) Random Forests

pv cdvow kipow
vcb w2vs 2vdb 2vdm sddw2(d) SVM

5: Performanceusability (F1) 値）
図 5: Figure
Usability
Requirementsofの分類性能（F16Discussion

found the diﬀerence among the vectorization methods for Logistic Regression, Naive Bayes, and Ran5. まとめ
dom Forests. TF was supported by two of the threetests. The diﬀerence was not found for SVM, which
本報告では，
要求文書の自動カテゴリ分類において
could
achieve better
performance than the others.
Therefore,
the answer to RQ1 is: Yes, if one
用いられる文書のベクトル化手法について，分類性

RQ1 DoRequirements
vectorization
methods af4.3.6.1Performanceの分類
fectthe performanceof classifying
Performance
Requirementsの分類精度を図3 に示す．
functional and non-functional re-

F1 値は 0.0から 0.8 程度まで大きくばらついており，
quirements?
ベクトル化手法の違いが大きな影響を及ぼすことがFigure 1 shows the diﬀerence of F1-values among
the vectorization
methods. The
Scott-Knott
test
わかる．
SCDV の性能は低い一方でDoc2Vecを用いた能に与える影響を評価した．評価では複数の機械学
9

習モデルを用いて，ベクトル化手法との関連性につ場合の性能は相対的に高い．先ほどと同様に Random

いても調査した．その結果，以下の点が明らかとな

Forests の性能は低い．その中では SCDV が最も性った．
a. 機能・非機能要求の分類は TF など古典的な能が高い．一方，TF や TFIDF が最良である場合が少手法でも十分精度が高い

ないこともわかる．
4.4.

Security Requirements の分類

b. 非機能要求のカテゴリ分類には Word2Vec な

Security Requirements の分類精度を図 4 に示す．

ど新しい手法を用いることで分類精度が向先ほどと同様に F1 値は 0.0 から 0.8 程度まで大きく上する可能性がある

ばらついており，ベクトル化手法の違いが大きな影

c. ベクトル化手法と機械学習手法の間には相響を及ぼすことがわかる．SCDV の性能は低い一方で性があり，適切な組み合わせを行わないとDoc2Vec を用いた場合の性能は相対的に高い．先ほ

分類精度が著しく低下する

どと同様に Random Forests の性能は低い． その中要求文書のベクトル化手法はトレーサビリティ管

では SCDV が最も性能が高い．一方，TF や TFIDF

理技術にも大きく関係している．次年度以降は，トが最良である場合が少ないこともわかる．

レーサビリティに関する技術におけるベクトル化手

4.5.

法の影響を調査していく．

Usability Requirements の分類

Usability Requirements の分類精度を図 5 に示す．
先ほどと同様に F1 値は 0.0 から 0.8 程度まで大きく

参考文献

ばらついており，ベクトル化手法の違いが大きな影[1] Qiang Fan, Yue Yu, Gang Yin, Tao Wang, and響を及ぼすことがわかる．SCDV の性能は低い一方でHuaimin Wang. Where Is the Road for Issue Reports

Doc2Vec を用いた場合の性能は相対的に高い．先ほClassification Based on Text Mining? In Proc. ofどと同様に Random Forests の性能は低い． その中ESEM, pages 121–130, 2017.

では SCDV が最も性能が高い．一方，TF や TFIDF[2] Saket Khatiwada, Miroslav Tushev, and Anas

が最良である場合が少ないこともわかる．

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- 128 -

無線ボディエリアネットワークにおけるデータとノードの優先度に応じた高信頼アクセス制御に関する研究岡山県立大学 情報工学部 情報通信工学科
高林 健人
近年，人びとの間での健康意識や健康長寿社会を目指す機運の高まり，将来の医療費高騰への対策として，医療・ヘルスケア機器・ロボットを用いた在宅医療や遠隔医療システムを構築するための医療・ヘルスケア IoT（Internet of Things）に注目が集まっている．例えば，2015 年 4 月には，欧州電気通信標準化機構（ETSI）
が進めている医療・ヘルスケア向け標準規格である，「Smart Body Area Networks (SmartBAN)」における，物理層(PHY)，メディアアクセス制御層(MAC)に関するシステム規格書が発行された．本研究課題では，SmartBAN
におけるセンサのアクセス制御に着目し，中でも Control and Management Period で用いられるランダムアク
セス方式の Slotted ALOHA について，データとセンサノードの両方の優先度を考慮したパラメータの設定方法を提案した．加えて、物理層の性能を考慮した性能評価も行った．特に，プリアンブル検出のための SFD の系
列として，ITU-T Rec. H.223 の 16 ビットフラッグを用いた場合，計算機シミュレーションの結果，SmartBAN
プリアンブル単体や他の系列を用いた場合よりも良い特性が得られることを確認出来た．
ステムが主に検討された [8-13]．

1. はじめに近年，人びとの間での健康意識や健康長寿社会を我々はこれまでの研究において，SmartBAN の物

目指す機運の高まり，将来の医療費高騰への対策と理層における性能評価を行った [14-16]．
特に，[16]

して，医療・ヘルスケア機器・ロボットを用いた在においては，[14, 15]で評価を行った誤り制御方式と宅医療や遠隔医療システムを構築するための医療・プリアンブル構成について統合的に評価を行い，最ヘルスケア IoT（Internet of Things）に注目が集ま適なペイロード長や Start Frame Delimiter (SFD)っている [1-6]．例えば，2012 年にはそのシステム

長を計算機シミュレーションと理論解析により求めの一つとして知られる「無線ボディエリアネットワ

た．

ーク」(WBAN：Wireless Body Area Networks)の標準規格の一つである「IEEE802.15.6」が策定された [7]．また，2015 年 4 月には，欧州電気通信標準化機構（ETSI）が進めている医療・ヘルスケア向け標準規格である，「Smart Body Area Networks(SmartBAN)」における，物理層(PHY)，メディア
アクセス制御層(MAC)に関するシステム規格書が発行された [8-13]．
本研究では，中でも SmartBAN に注目した．
SmartBAN では，センサ機能を持つノードで生体情
図 1: WBAN の概要．

報を計測し，コーディネータ機能を持つハブに送信
し，ハブから外部サーバや，ディスプレイ，病院等に情報が送られ，治療や診断に役立てられる（図 1）．

本研究では，SFD の系列として，[17]で提案されSmartBAN の標準化では，IEEE802.15.6 で問題とている 16 ビットフラッグを用いて，プリアンブルなっていた仕様の複雑性を軽減や，低遅延での緊急検出と物理層における統合的な性能評価を行った．

信号の送受信を含めたハブ-ノード間の無線通信シ

加えて，[14-16]で考慮していなかった MAC 層におけるアクセス制御方式の特性も考慮に加えた，クロ- 129 -

スレイヤでの性能評価についても検討を行った．とる

りわけ，Control and Management (C/M) Period

4 もしノードが Slotted ALOHA での送信にで用いられるランダムアクセス方式の Slotted

成功した場合，CP を𝐶𝑃

ALOHA について，データとセンサノードの両方の

5 もしノードが Slotted ALOHA での送信に優先度を考慮したパラメータの設定方法を提案した．

失敗した場合，計算機シミュレーションの結果，ITU-T Rec. H.223(1)の有効性と，Slotted ALOHA を用いたランダムア

値を維持するクセス区間における許容遅延時間や最大スループッ(2)

トを達成するノード数について確認出来た．

値を半分にする（ただし𝐶𝑃に設定する

奇数回目の衝突であれば CP の
偶数回目の衝突であれば CP のは下回らないようにする）
2. SmartBAN MAC 層の概要
図 2 は SmartBAN のデータチャネル (D-Ch) に

3. 修正プリアンブル構成とシステムモデル

おける MAC 層のアクセス区間を表している．

[15, 16]ではプリアンブルの検出能力の向上のた

SmartBAN のアクセス区間は，ハブからノードへブめに図 3 のような修正を施した．この主な理由としロードキャストされる D-Beacon を送信するスロッては，標準規格のプリアンブル構造が非常に単純で

トと，何も送受信を行わない Inactive Period を除あり，医療・ヘルスケア情報を扱う場合，信頼性のくと，Scheduled Access Period と C/M Period に分高い通信を行うことが出来ないからである．具体的

かれており，前者では時分割のスケジュールアクセには，ノイズやフェージング等によってプリアンブ

ス方式の MAC プロトコルを用い，後者ではランダ

ルの前後に「10」の 2 ビットが検出された場合，

ムアクセス方式の Slotted ALOHA を用いる．

PLCP Header の先頭の検出が失敗する． これにより，パケット誤りが頻繁に発生し，同時にエネルギ
ー効率が大きく低下してしまう．
図 4 では，PLCP Header の位置を正しく検出するために，16 ビットのプリアンブルと PLCP
Header の間に SFD が追加されている．プリアンブ
ル信号を検出すると，既知の変調 SFD シンボルに対して相互相関が行われる．この方法の利点は，標

図 2: データチャネルのアクセス区間．

準規格を大幅に変更することなく実現出来る点にある．つまり，16 ビットのプリアンブルも従来の役割

この時，C/M Period で用いる Slotted ALOHA でを果たすことが可能となる．

は，データの優先度 (User priority: UP) に応じてContention Probability (CP) の最大値 (𝐶𝑃
最小値 (𝐶𝑃) と) が設定されている．C/M Period の各タイムスロットの開始時に，ノードは以下の規則に従ってその CP を選択する．
1 UP を決定する
2 表 1 を基に UP に応じた CP の範囲を得る
3 もしノードが Slotted ALOHA の動作を始めていないのであれば，CP を𝐶𝑃

図 3: 修正された物理層パケット構成．

に設定す- 130 -

4. ノードの優先度に応じた CP の設定方法
本研究では，データの優先度だけでなく，センサ

表 2: シミュレーション諸元

ノードの優先度も考慮したアクセス方式の考案し，Channel model

IEEE model CM3

優先度の高いノード程各性能を上げることも目的のPass loss model

IEEE model CM3一つである．そのため，ノードの優先度 (NodeFrequency Spectrum

2401-2481 MHz

priority: NP) を High と Low に分け，C/M Period

Bandwidth (𝐵𝑊)2 MHz

で用いる Slotted ALOHA の動作をノードの優先度

Modulation

GFSKに応じて変化させることを提案した．まず，NP に

Bandwidth-Time product

0.5

Modulation index

0.5

FEC (PLCP Header)(36,22) 短縮BCH 符号

応じた CP の最大値 (𝐶𝑃) と最小値 (𝐶𝑃)を

表 1 のように設定した．ここで，NP が Low の方がCP を低くなるように設定している．次に CP の選
SmartBAN の標準規格と同様である．一方，NP が

Thermal noise density

半分にする．これにより，NP が高いノード程優先(𝑁 )的にアクセスが促されることになる．
と𝐶𝑃

NP: High

NP: Low

UP

𝐶𝑃

𝐶𝑃

𝐶𝑃

BCH 符号

Transmission power (𝑃 )Low のノードに関しては一回の衝突毎に CP の値を

表 1: NP と UP に対する𝐶𝑃(127, 113), (127, 64)

FEC (PSDU)

択方法であるが，NP が High のノードに関しては

5 dB

Receiver noise figure (𝑁𝐹)

10 dB

(𝐿

)

Time slot duration (𝑇 )Maximum number of

0

1/8

1/16

1/8

1/16

1

1/4

1/8

1/4

1/16

2

1/2

1/4

1/2

1/8

3

1

1/2

1/2

1/4

transmissions
Symbol rate (𝑅)𝑃-174 dBm/Hz

Implementation losses (𝐼)Information bit length

𝐶𝑃

0 dBm

678 bits
1.5 ms10
1.0 Msps

チャネルモデルについては，
ウェアラブル WBANのチャネルモデルのひとつである IEEE モデル
CM3 を使用した [18]．パスロスモデルも同様にIEEE モデル CM3 をした．2.4GHz 帯使用時のIEEE モデル CM3 のパスロスモデルは以下の表 35. 計算機シミュレーションによる性能評価
本章では，SmartBAN 物理層におけるプリアンブと式(1)で表される．本研究では，Hospital Room の

ル検出を含めた統合的な性能評価，及び MAC 層のパラメータを用いた．

C/M Period を想定した物理層の特性を考慮に入れたクロスレイヤでの性能評価について，計算機シミ

表 3: IEEE モデル CM3 パスロスモデルの各パラュレーションにより行う．シミュレーション諸元はメータ

表 2 のとおりである．本性能評価では，修正された

Hospital

Anechoic

物理層パケット構成で追加された SFD として，[15,RoomChamber16]で性能評価を行った 16 ビットのアダマール系列，

a

6.6

29.3

直交 M 系列，マンチェスター符号化直交 M 系列の

b

36.1

-16.8

他に，ITU-T Rec. H.223 で提案された 16 ビットフ

𝜎

3.8

6.89

ラッグについても検討を行った．

- 131 -

SmartBAN プリアンブルのみを用いた場合の UP 0
𝑃𝐿 𝑑

𝑎

𝑙𝑜𝑔 𝑑

𝑏

𝑁 .

の平均遅延時間はおよそ 100ms まで増加した．す(1)

なわち，今回の想定環境では 1 スロット長が 1.5ms
𝑎と𝑏は線形化のための係数，𝑑は送受信間距離，𝑁であるため，C/M Period では最低でも 66 スロットは平均 0，標準偏差𝜎 の正規分布の分散を意味する．

を用意する必要があることが確認出来た．一方で，一方，周波数フラットフェージング想定時の𝐾ファ

ITU-T Rec. H.223 16 ビットフラッグを用いた場合，クタと各パラメータは表 4 と式(2)のとおりである．

SmartBAN プリアンブルを用いた場合よりも遅延時間を抑えることが出来た．これは，物理層でのプ

𝐾

𝐾𝑚 𝑃𝐿 𝑑𝜎 𝑛 .

(2)

リアンブル検出能力の向上によるものである．
また，
図 7-8 での同様のことが言える．
加えて，
図 9 より，

表 4: IEEE モデル CM3 の𝐾ファクタに関する各

ネットワーク全体の平均スループットが最大となるのは，ノード数が 6 の時であることが確認された．

パラメータ
𝐾 [dB]

30.6

また，SmartBAN プリアンブルのみの場合，ITU-T𝑚 [dB]

0.43

Rec. H.223 16 ビットフラッグを用いた場合より

𝜎

3.4

10%程度最大スループットが減少することも確認出来た．ところで，各 CP について各 NP を比較する

各パラメータの意味については文献[18]を参照さと，わずかながら High NP のデータの方が良い特れたい．式(4)より，パスロスが大きくなるにつれて，性となった．しかしながら，想定よりも High NP

𝐾 が小さくなることがわかる．

と Low NP の差が小さかったため，各 NP における
CP の設定には更なる検討の必要がある．

図 4 は IEEE モデル CM3 環境における𝐸 /𝑁 に対する検出失敗率を示す．なお，K ファクタは送受
信機間距離が約 d =1m の場合に相当する 4.5 とした．
また，図 5 は IEEE モデル CM3 環境における送受信機間距離に対する検出失敗率を示す．この時，送信出力は𝑃 =0 dBm とした．これらの図より，
ITU-T Rec. H.223 の 16 ビットフラッグが最も良い検出特性が得られたことがわかった．とりわけ，10以下の検出失敗率が得られたのはどちらの性能評価でも ITU-T Rec. H.223 の 16 ビットフラッグ
のみとなった．
図 6-9 は MAC 層の C/M Period を想定した物理
層の特性を考慮に入れた平均遅延時間，
送信成功率，
送信回数，スループットを示す．なお，前提条件と

図 4: 𝐸 /𝑁 に対する検出失敗率 (K=4.5, d ≅ 1.0m)．

して，各ノードが常に送信データを保持している飽
和状態を想定し，各優先度の生成確率は UP が 0 か
ら 2 は同じ確率(0.33)とし，UP3 のみ 0.01 とした(緊急情報のため)．また，比較対象として，SmartBAN
プリアンブルのみを用いた場合，ITU-T Rec. H.223
16 ビットフラッグを用いた場合について評価を行った．図 6 より，ノード数が 15 まで増えた場合，- 132 -

図 5: 送受信機間距離に対する検出失敗率 (𝑃 =0

図 8: C/M Period を想定した平均送信回数 (d ≅dBm)．

1.5 m, 飽和状態)．

図 6: C/M Period を想定した平均遅延時間 (d ≅図 9: C/M Period を想定した平均スループット (d1.5 m, 飽和状態)．

≅ 1.5 m, 飽和状態)．
6. まとめと今後の課題
本研究では，修正を行った物理層パケット構成で用いる SFD の系列として，新たに ITU-T Rec.
H.223 で提案されている 16 ビットフラッグについて検討を行い，プリアンブル検出の性能評価を行った．加えて，MAC 層の C/M Period を想定し，物理層の特性も考慮に加え，データとセンサノードの両方の優先度を考慮した CP の設定方法を提案し，クロスレイヤでの性能評価についても検討を行った．
計算機シミュレーションの結果として，ITU-T Rec.
H.223 16 ビットフラッグの有効性と C/M Period に

図 7: C/M Period を想定した平均送信成功率 (d ≅おける許容遅延時間や最大スループットを達成する

1.5 m, 飽和状態)．

ノード数について確認することが出来た．

- 133 -

"Evaluation of Preamble Detection in ETSI SmartBAN
PHY," in Proceedings of the 13th EAI International
Conference on Body Area Networks (BODYNETS 2018),
Oulu, Finland, Oct. 2018.

今後の課題として，Scheduled Access Period も考慮に入れた MAC スーパーフレーム全体での性能評価が挙げられる．
文[16] Kento Takabayashi, Hirokazu Tanaka, Katsumi Sakakibara,"Integrated Performance Evaluation of the Smart Body Area
Networks Physical Layer for Future Medical and Healthcare
IoT," Sensors, 2019, vol.18, issue.1, 30, Dec. 2018.

献[17] Multiplexing protocol for low bit rate multimedia
communication, ITU-T Recommendation H.223, Jul. 2001

[1] C. R. Costa, L. E. Anido-Rifón and M. J. Fer-nández-Iglesias,"An Open Architecture to Support Social and Health Services
in a Smart TV Environment," IEEE Journal of Biomedicaland Health Informatics, vol. 21, no. 2, pp. 549-560, March
2017.

[18] Kamya
Yekeh
Yazdandoost,
KamranSayrafian-Pour,"Channel Model for Body Area Network(BAN)," IEEE P802.15Working Group for Wireless Personal
Area Networks (WPANs), IEEE P802.15-08-0780-10-0006,
Apr. 2009.

[2] M. Chen, S. Gonzalez, A. Vasilakos, H. Cao, V. C. M. Leung,"Body Area Networks: A Survey. Mo-bile Networks andApplications," Mobile Net-works and Applications, vol. 16,
no. 2, pp. 171-193, Aug. 2010.
[3] H. Cao, V. Leung, C. Chow and H. Chan, "Ena-bling
technologies for wireless body area net-works: A survey andoutlook," IEEE Communi-cations Magazine, vol. 47, no. 12,
pp. 84-93, Dec. 2009.
[4] J. M. L. P. Caldeira, J. J. P. C. Rodrigues and P. Lorenz,"Toward ubiquitous mobility solutions for body sensor
networks on healthcare," IEEE Communications Magazine,
vol. 50, no. 5, pp. 108-115, May 2012.
[5] R. Cavallari, F. Martelli, R. Rosini, C. Buratti and R. Verdone,"A Survey on Wireless Body Area Networks: Technologies
and Design Chal-lenges," IEEE Communications Surveys &Tu-torials, vol. 16, no. 3, pp. 1635-1657, Third Quarter 2014.
[6] S. Movassaghi, M. Abolhasan, J. Lipman, D. Smith and A.
Jamalipour, "Wireless Body Area Networks: A Survey," IEEE
Communications Surveys & Tutorials, vol. 16, no. 3, pp.
1658-1686, Third Quarter 2014.
[7] Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer(PHY) Specifications for Wireless Personal Area Networks(WPANs) used in or 12 around a body, IEEE Standard forInformation technology - Telecommunications andinfor-mation exchange between systems - Local andmetropolitan area networks- Specific require-ments: Part 15.6,
2012.
[8] Smart Body Area Network (SmartBAN); Low Complexity
Medium Access Control (MAC) for SmartBAN, ETSI TC
Smart BAN TS 103 325 V1.1.1, 2015.
[9] Smart Body Area Network (SmartBAN); En-hanced
Ultra-Low Power Physical Layer, ETSI TC Smart BAN TS
103 326 V1.1.1, 2015.
[10] 松尾綾子，鍋谷寿久，ウーン ハウ チン，”高信頼なボ
ディエリアネットワークを実現する SmartBAN 標準化への取組み，”東芝レビュー = Toshiba review，vol.70,
no.5, pp. 38-41, May 2015.
[11] 田中宏和，南重信，長谷山美紀，新實朋子，高橋透，“ボ
ディエリアネットワークと今後の技術課題 -ETSI
SmartBAN 標準化最新動向から-，”電子情報通信学会総合大会，B-20-12，pp. 659，Mar. 2016.
[12] 田中宏和，畠山泰貴，“ヘルスケア IoT と国際標準化動向，”IT ヘルスケア学会 第 11 回学術大会，名古屋，IT
ヘルスケア 第 12 巻 1 号，pp. 61-62，May 2017.
[13] 小森達也，松隈剛，畠山泰貴，田中宏和，”次世代ボディエリアネットワーク規格 Smart-BAN の実装と評価，”
IT ヘルスケア学会 第 11 回学術大会，名古屋，IT ヘル
スケア 第 12 巻 1 号，pp. 63-64，May 2017.
[14] Kento Takabayashi, Hirokazu Tanaka, Katsumi Sakakibara"Performance Evaluation of Error Control Scheme in ETSI
SmartBAN PHY," in Proceedings of the 2018 Global IoT
Summit (GIoTS 2018), Bilbao, Spain, pp.7-12, Jun. 2018.
[15] Kento Takabayashi, Hirokazu Tanaka, Katsumi Sakakibara,- 134 -

使用者の状態推定に基づき動作と音声で反応する身体的引き込みキャラクタシステムの開発
岡山県立大学 デザイン学部
西田 麻希子
著者らは，発話音声の有無から身体的引き込みを伴ううなずきなどのコミュニケーション動作を自動生成する音声駆動型身体引き込みキャラクタInterActorを開発してきた．
従来のInterActorは発話内容に依存せず，身体性の共有に特化して開発・展開されており，使用者の状態によって動作を変化させる機能は実装されていなかった．そこで，これまでに InterActor に発話内単語の感情極性を用いて状態推定を行うシステムを開発した．しかし実際の人間の感情には多くの感情区分が存在する．そこで本研究では，発話活性度および発話内単語の感情極性から話者の感情を推定し，結果に基づいて反応動作を変化させる身体的引き込みキャラクタシス
テムを開発した．また開発したシステムを用いて，発話活性度を考慮した状態推定の有効性を検討する評価実験を行った．

1.はじめに開されてきた．そのため，自己否定などの否定的な

今日，音声認識・音声合成技術は日常的に使用で発話内容に対してもうなずき動作を行い，使用者がきる身近な技術となっており，これらの技術を用いそれを肯定動作と解釈した場合，否定的な発話感情

た受付ロボットや CG キャラクタなどの対話エージを助長してしまう可能性がある．そこで，著者らはェントの研究開発も積極的に進められている．しかこれまでに発話内単語の感情極性から話者の感情をし，これらを活用した自動応答システムは言語情報

推定し，結果に基づいて反応動作を変化させる身体に基づくもので，音声リズムなどの非言語情報に基的引き込みキャラクタシステムを開発した(4)．しかづいた応答は十分に検討されていない．また，身体し，実際の人間の感情には多くの感情区分が存在す

動作や情動表出による社会的相互作用に着目し，エる(5) (6)．単語の感情極性のみの対応では，その単語

ージェントとのインタラクションに応用しようとすが良い印象を持つか(Positive)，悪い印象を持つか(1)る研究も進められており ，使用者の感情の推定に(Negative)の判断しか行うことができず，使用者の基づく応答動作を行うことで，より心地よいコミュ

多様な感情に対応することは困難であると推測されニケーションのできる対話エージェントの開発が期

る．
そこで本研究では，発話活性度および発話内単語

待されている．
人の対面コミュニケーションでは，言葉だけでなの感情極性から話者の感情を推定し，結果に基づいく，音声に対する頷きや身振り・手振りが相互に同て反応動作を変化させる身体的引き込みキャラクタ

期することで対話者同士が互いに引き込み合い，円システムを開発した．また開発したシステムを用い

滑なコミュニケーションが行なわれている(2)． 著者て，発話活性度を考慮した状態推定の有効性を検討

らは，これまでに会話音声と身体動作が同期する身する評価実験を行った．

体的引き込みに着目し，発話音声の有無から身体的引き込みを伴ううなずきなどのコミュニケーション

2.発話活性度および発話内単語の感情極性に基づき動作を自動生成する音声駆動型身体引き込みキャラ

反応動作を行う身体的引き込みキャラクタシステム

クタ InterActor を開発し，コミュニケーション支援

2.1 コンセプトの有効性を示している(3)．従来の InterActor は発話

人の様々な感情を Arousal（覚醒度）と Valence

内容に依存せず，身体性の共有に特化して開発・展（快・不快）の二軸で分類するラッセルの円環モデ- 135 -

ル(7)（図 1）に基づいて，5 つの状態を推定したモデの ON 区間の占める割合）の線形結合で表せる

ルを定義した（図 2）．本システムでは発話時間率

MA(Moving-Average)モデルを用いる．雑音は身体のSpeechActivity(SA)を発話活性度とし，Arousal を

ゆらぎを示すノイズ成分である．予測値が閾値 0.20

SA， Valence の Pleasant を Positive，Unpleasantを超えて，うなずきが存在すると予測された場合は，を Negative として位置付けている．キャラクタは，処理はミクロ層に移る．ミクロ層では音声の ON-OFF

話者の語りかけに対して自動生成される身体的引きデータ（30Hz,60 個）を入力とし，MA モデルでうな込み動作に加えて，推定した状態に対応した動作をずきの開始時点を推定する．
予測値が閾値 0.47 を超行う.システム概要を図 3 に示す．

えた場合には InterActor をうなずかせる．
瞬きにつ

Positive，Negative の閾値は，従来の発話内単語

いては，対面コミュニケーション時における瞬き特の感情極性を用いたシステムと同様とした．SA の閾性に基づいて，うなずきと同時に瞬きをさせ，それ値は，実験参加者に「楽しかった話」「悲しかった話」

を起点にして次の瞬きまでの時間間隔を指数分布さをキャラクタに 2 分間程度話させ，全体の SA を算出せている．その他の身体反応の推定にはうなずきのした．各個人の SA を統計し，平均したものを SA の予測値を用い，うなずきよりも低い閾値で閾値とした．

InterActor の各部位（頭部，胴部，右肘，左肘）のうちいくつかを選択して動作させることで話し手の発話音声と関連付けている(8)．
2.3 感情極性値算出方法
本研究では，高村らの提案する単語感情極性対応
表(9)を用い，発話文中の単語から正負の感情推定を行った．単語の感情極性は，その単語が一般的に良

図 1：ラッセルの円環モデル

い印象（Positive）を持つか，悪い印象（Negative）

図 2：状態推定モデルを持つかを表した二値属性である．本システムでは対応表に登録された単語の一部を使用し，単語に紐づけられた極性値に基づいて発話文の極性値を推定した．
入力音声を音声認識ツールによってテキスト化し，得られたテキストを感情極性対応表内の単語と照合

図 3：システム概要

する．一致する単語があればその感情極性値を抽出する．一文中で一致した単語の感情極性値を xi ，単2.2 InterActor のインタラクションモデル
音声駆動型身体引き込みキャラクタ InterActor

語数を n とし，文全体の感情極性値を（1）の式にのインタラクションモデルは，
音声の ON-OFF パターて算出した．文中に感情極性を含む単語が存在しなンに基づくうなずき反応モデルを導入している．音

かった場合は値を 0 とした．

声データは 16bit 22.050kHz でサンプリングし，閾値で二値化するとともに，音節間の短時間の無音区

文の感情極性値

間による発話の断片化を除去するために 133msec で

1

1
1

ハングオーバー処理を施している．
このモデルでは，マクロ層とミクロ層からなる階層モデルを用いて，2.4 発話活性度算出方法

InterActor のうなずきの予測を行っている．予測に

図 4 のように，
2 値音声をハングオーバー（133ms）

はユニット以前のユニット時間率（ユニット区間で処理した i ユニット（1 ユニットは ON 開始時点から- 136 -

次の ON 開始時点までの区間）での ON 区間を T(i)，3.発話活性度および発話内単語の感情極性に基づいOFF 区間を S(i)とし，式（2）を用いて逐次 SA を算出

た状態推定の評価実験

した．

3.1 実験方法
開発したシステムの有効性を評価するために実験を行った．実験は 2 つのモードを用意した． A モー
ドは，従来の単語の感情極性を用いて推定した 3 つの状態（Positive/Negative/Default）に対応してキャラクタが動作を行うモードで，キャラクタは，Positive/Negative それぞれ 4 種類の動作を行う．B

図 4：Burst-pause of speech with hangover.

モードは，SA および単語の感情極性を用いて推定し∑た 5 つの状態に対応してキャラクタが動作を行うモ

2∑

ードで，キャラクタの動作は前章で記述した通りである．実験参加者には発話感情（Positive またはNegative）を指示し，自由に発話させた．指示した

2.5 動作表現

発話感情の順序は順序効果を考慮して，総当たりに推定された状態に対応した動作として，それぞれよるカウンターバランスをとった．

2 パターン用意した．Positive̲Low では状態を維持するために 1:うなずき＋笑顔，2:深いうなずき＋笑

まず，各モード 3 分間ずつ話をさせ，どちらが良顔の同調動作，Positive̲High では盛り上がりに呼かったかを一対比較法により比較させた．次に，モ応するために 3:連続うなずき＋笑顔，4:うなずき＋

ード毎に 3 分間話をさせ，終了時に「楽しさ」「好み」

拍手＋笑顔の盛り上げ動作を行う．Negative̲Low で「話しやすさ」「盛り上がり（Positive）／緩和されは肯定的な発話へ変化させるために 5:手と頭を左たか（Negative）」「親近感」「システムを使用したい

右に振る，6:体を傾けて手を横に出す（ツッコミ動か」の 6 項目について 7 段階官能評価を行った．ま作）の否定動作，Negative̲High では落ち着かせる

た，自由記述欄に気づいたことを記入させた．実験ために 7:口の開閉＋体を傾ける＋腕を上下させる

参加者は 18~23 歳の学生 20 名（男性 10 名，女性（宥める）
，8:腕を組む＋首をかしげる（疑問）の緩

10 名）である．

和動作を行う（図 5）.また，感情極性値が Positive
3.2 実験結果の閾値よりも小さく，Negative の閾値よりも大きい

Positive な発話内容による実験について，一対比

場合（Default）は通常のうなずき動作を行う．

較の結果，両モードに大きな差は見られなかった（表
1）．また，7 段階評価の結果についても大きな差は見られず（図 6），Wilcoxon の符号順位検定を行ったが有意差は見られなかった．Negative な発話内容による実験についても，一対比較の結果，両モードに大きな差は見られなかった（表 2）．また， 7 段階評
価の結果についても大きな差は見られず（図 7），
Wilcoxon の符号順位検定を行ったが有意差は見られなかった．

図 5：動作表現- 137 -

意見が見られ，評価が低かった．今後は各状態に適した反応動作の検討を行うことで，より話者の状態に対応したシステムになると考えられる．

表 1：一対比較結果

4.結語
本研究では，発話時間率に基づく活性度および発
話内単語の感情極性を用いて話者の状態を推定し，推定に基づき反応動作を行う身体的引き込みキャラ
クタシステムを開発した．従来の発話内単語の感情
極性による状態推定システムとの比較実験を行った

図６：7 段階評価結果

が，十分な効果は認められなかった．今後さらに検討が必要である．
謝辞

表 2：一対比較結果

本研究を遂行するにあたり，ご支援賜りましたウエ
スコ学術振興財団に深く感謝いたします．
文献(1) アレックス(サンディ) ペントランド著，
柴田裕
之訳，安西祐一郎監訳，正直シグナル非言語コ
ミュニケーションの科学，みすず書房(2013)

図 7：7 段階評価結果(原著：Pentland, A., Honest signals: how they
shape our world, The MIT Press (2010)).

3.3 考察両モードに大きな差が見られなかった原因として，(2) Condon, W.S.and Sander, L.W., Neonate

モードの判別の難しさが考えられる．本実験では自Movement is Synchronized with Adult Speech,

由に発話させたが，実験参加者に対して発話感情をScience, Vol.183 (1974), pp.99‒101.

指示したものの，Positive/Negative の閾値を超え(3) Watanabe, T., Okubo, M., Nakashige, M. andる単語があまり発話されなかった．また短時間の実

Danbara, R., InterActor: speech-driven

験中で SA が大きく変動しなかったため，出現する動

embodied interactive actor, International

作が従来のシステムと比較して半分になっただけの

Journal of Human-Computer Interaction,

場合や，偶然両モード共に高頻度で出現する動作がVol.17, No.1 (2004), pp.43‒60.
(4) 西田麻希子，太田靖宏，渡辺富夫，石井裕：発ある場合など，実験参加者にはモードの判別がつき

話内単語の感情極性に基づき反応動作を行う身にくかった可能性がある．
キャラクタの動作表現については，Positive な発体的引き込みキャラクタシステム，日本機械学

話内容に対する動作については「話の頂点で笑って会論文集，vol.83,No.846(2017)，p.16-00148

くれたときはうれしかった」などの肯定的な意見が(5) Ekman, P., Friesen, W. V. and Ellsworth, P.,見られた．一方で，Negative な発話内容に対する動What emotion categories or dimensions can

作については，宥める動作は評価が高く，首を横にobservers judge from facial behavior emotion

振るなどの否定的な動作については「ツッコミを入in the human face , New York: Cambridge

れるのは，話を聞いてほしいのでよくない」などのUniversity Press (1982), pp.39‒55.

- 138 -

(6) Parrott, W.， Emotions in social
psychology ，Psychology Press (2001).
(7) Russell, J. A.

A circumplex model ofaffect ，Journal of Personality and Social
Psychology, Vol.39, No.6(1980), pp.1161‒
1178.
(8) Watanabe，T.，Okubo, M., Nakashige，M. andDanbara, R.， InterActor: speech-driven
embodied interactive actor ，International
Journal of Human-Computer Interaction，
Vol.17，No.1(2004)，pp.43‒60.
(9) 高村大也，乾孝司，奥村学， スピンモデルによる単語の感情極性抽出 ，情報処理学会論文誌，
Vol.47, No.2 (2006)，pp.627‒637.

- 139 -

- 140 -- 141 -- 142 -- 143 -- 144 -- 145 -教育効果のある木育玩具のデザイン指標づくりと研究開発
岡山県立大学 デザイン学部
林 秀紀
概要
日本は国土面積の約 7 割を森林が占めるものの、国産材の使用率は約 3 割程度に留まり利用促進の取組みが行われてきた。林野庁が推進する「木育」は木の文化や理解を深め国産材利用の意義を学ぶ教育活動である[注 1]。著者らは、予備研究において、「木育玩具による遊びの種類と教育効果との関係指標」をまとめ、消費者や生産者にとって利用価値のある資料の作成を目指した。本稿は、木の里工房木薫と岡山県立大学林研究室の産学プロジェクト活動の中で行われた未就学児を対象とした木育玩具のデザイン開発について報告する。開発プロセスは、予備研究の資料や保育園での観察調査で得られた知見より木育玩具のプロトタイプを制作し、保育園や地域の木育イベントでの実験検証を実施した。検証の結果、子どもの身体能力や知的能力の成長を促す効果が確認され、購入の際に指標を参考にすれ
ば、玩具の選択が容易になる可能性が明らかになった。
玩具による遊びの種類と教育効果との関係指標をまとめた。本稿では、この指標と保育園での観察調査を踏

１．はじめに
素材に木材を使い子どもの知育や成長を促す効果の

まえて、未就学児を対象とした教育効果のある木育玩

ある玩具を木育玩具と呼ぶこととする。林野庁では、具のプロトタイプを制作し、保育園や地域の木育イベ

2010 年から、東京おもちゃ美術館が厳選した木のおもント（2017 年 12 月）において、デザイン指標の有効性

ちゃのセットを各地に運び、子どもたちが木のおもちについて実証評価した結果について報告する。

ゃに触れる機会を全国に広める「木育キャラバン巡回

なお、本活動は岡山県英田郡西粟倉村を活動フィール事業」や新生児に木製玩具をプレゼントするなどの取ドとした。西粟倉村は 2009 年に百年の森林事業を開始

組「ウッド・スタート」等の開発を支援している[注２]。

して以来、県内で唯一ウッド・スタート宣言をした自この状況にともない、国産材を使用した木育玩具が治体である。木育玩具の研究制作活動を行うには大変

徐々に注目されるようになってきたが、保育士や幼児都合が良く、西粟倉村役場の協力を得、木の里工房木を持つ父母へのヒアリング調査（2017 年 9 月）による

薫と岡山県立大学林研究室の産学プロジェクトとしてと、「木育玩具を購入する際に子どもの発達段階に合わ実施した。

せて玩具を選ぶための明確な指標がない。高価な木育
２．予備研究について玩具を購入しても直ぐに飽きてしまい楽しく学びながら遊んでもらえない場合がある」などと言った意見が本開発において参照した予備研究「木育玩具の分類寄せられた。そこで、単なる遊びのおもちゃというだとその教育効果の調査分析」は次のプロセスで進めた。

けではなく、教育効果のある玩具として両親が安心し(1) はじめに、認定 NPO 法人日本グッド・トイ委員会て選び、購入できるガイドの必要性を感じた。それにが 2004 年～2017 年に選定した木育玩具 164 点の加え、生産者側にとっても、子どもの発達段階の理解

カタログ写真をもとに、KJ 法と数量化理論Ⅲ類、を踏まえた玩具の指標があれば、教育効果を考えながクラスター分析を用いて、遊びの種類ごとに新たら的確に創作ができ、長く愛用してもらえるような玩な分類を行った。

具を製造できるのではないかと考えるに至った。こう(2) その分類された代表的なサンプル 58 点を用いていった背景から、消費者や生産者が有効活用できる資5 段階評定尺度のアンケート調査を行い、その回料の必要性を感じ、著者らの「木育玩具の分類とその答結果を用いて因子分析とクラスター分析、重回

教育効果の調査分析」[注３]の予備研究の中で、木育

帰分析を計算して教育効果の分析を行った。

- 146 -

のような要点であった。

(3) さらに、5 段階評価の平均値の折れ線グラフを分・ 身体能力の発達度合いにより遊び方が大きく変化す析して、遊びの種類と教育効果との関係指標（表る。

1）をまとめた。

・ 1 歳前後で言葉を話し始めると見立てやままごと遊
表 1 遊びの種類と教育効果の関係指標

びが始まる。
・ 3 歳児以上になると細かい手先の動きが可能になり創造力も備わるため、バランス、パズル、迷路、組立遊びが子どもの好奇心を刺激する。
・ 乗り物のおもちゃは年齢問わず関心が高く子ども同士のコミュニケーションを促進させる。
予備研究により明示した指標では、子どもの成長段
階で獲得できる能力と遊びの関係性については触れられていなかったが、保育園での観察調査により子どもの教育時期についてさらに詳しい情報が得られた。

図 2 保育園での観察調査（高島第一保育園）

３－２.要求仕様の整理とデザインの可視化予備研究で得られた指標および子どもの遊び行為の観察調査（図 2）で得られた項目をプロジェクトメンバ
ーとレビューした。具体的には、子どもが遊ぶ場面に
３．木育玩具デザイン開発のプロセス

おいて他の子どもと関係しながら、どのように木育玩

３－１.保育園での観察調査

具を扱い遊びの体験をしているかについて、映像を確予備研究で得られた表 1 の指標の有効性について確認しながら分析し、教育効果のある木育玩具の要求仕認し、子どもへの教育効果を考える上で必要となる部様を把握した。その後、各プロジェクトメンバーが仮分を補完する目的で保育園での観察調査を実施した。

説としてデザインコンセプトを考案し、複数案のアイ予備研究では木育玩具による遊びを 13 種類に分類しデアスケッチから「積み木」「音で遊ぶ」「ままごと（ごたが、それに該当する代表的な木育玩具既存製品の 20

っこ遊び）」「バランス遊び」「ゲーム」「くるま（乗り点を選定し、保育園に持ち込んで子どもが実際に遊ん物）」の 6 種類に含まれる 9 点のデザイン案のプロトタでいる様子を観察するとともに特徴的な行為についてイプを制作した。制作は産学プロジェクトの協力企業

保育士へのインタビュー（2017 年 7 月）を行った。

先である西粟倉村の木の里工房木薫で行い、材料は西0 歳児クラス（10 名）、1 歳児クラス（17 名）、2 歳児ク

粟倉村の山林から伐採されたスギ、ヒノキの間伐材でラス（17 名）
、3 歳児以上のクラス（29 名）の 4 クラスある。これらの木材は比較的柔らかく温かみのある素で園児の遊ぶ様子を観察した結果分かったことは以下

材で香り高いことが特徴である。建材としても利用さ- 147 -

れているため安全性に関して問題はない。

してデザインした。創造性を育むために基本造形で構

３－３.保育園および木育イベントでのデザイン評価

成し、安全性を考え、大きなコーナーアールを採用し制作したプロトタイプ 9 点について、評価のポイントた。各プロトタイプのデザインコンセプトを以下に述は以下の通りである。

べる。

・ 安全性の確認、けがの恐れがないか

なお、教育効果の評価用語は、筆者らの予備研究で用・ 想定した遊び方やデザインの意図が伝わっているか

いた 6 用語、「手先の発達に役立つ」「創造力がつく」

・ 子どもへの教育効果が確認できるか「集中力がつく」「空間を認識する力がつく」「パター

・ 子どもの関心度合いはどうかンを認識する力がつく」「考える力が付く」に、「コミュ

これらの評価と指標の検証を行うため、再び保育園（図ニケーション力がつく」を加えた７用語を用いた。

3）や西粟倉村木育イベント（図 4）での実験を行いそ

４－１.ままごとセット（ごっこ遊び）の結果を評価表にまとめた。
（表 2）

子どもが興味を引く食べ物を抽象化した造形である。

３－４.デザインの改良

ハンバーガーの具が動いたり、フライパンを上下に振プロトタイプの評価から問題が指摘されたモデルにつるとカタカタと音が鳴ったりする構造を加えて、見立いて原因と改良方法についてプロジェクトで議論した。

てと音の遊びを複合させ子どもの創造力を高めるよう

特に遊び方が理解されなかったもの、想定通りの教育にした（図 5・玩具 1）。

効果を期待できないもの、安全上の問題点を解決する

４－２.リンゴの木（ゲーム）必要があるものに関して、改良モデルを制作した。

リンゴのシルエットボードに円形の窓を空け、その蓋をする扉を指で押すとマグネットにより開閉する仕組みである。反対側からはどこから指がでてくるのか分からず、モグラたたきゲームのような遊び方もできる。親と子どものコミュニケーション力を促進する効
果を期待した。
（図 5・玩具 2）
４－３.立体パズル
7 種類の大きさの箱がすべて 1 つの箱に収納され入れ子構造になっている。箱の組み合わせ方が理解できる
ように色の変化を付けた。パズルのように遊びながら立体的な空間

図 3 保育園でのデザイン評価（高島第一保育園）

認識力を育てる。
（図 5・玩具 3）
４－４.創造の木（バランス）
樹木の幹である本体部品と枝葉を抽象化した複数の円盤部品で構成される。円盤を部品の溝に差し込みながら様々な形に組み上げ１本の大きな木のようにもなる。バランス遊びやブロック遊びのように楽しむことのできる玩具である。創造力や手先の器用さが身につく効果を期待した。
（図 5・玩具 4）４－５.魚釣りゲーム（ゲーム）
岩を模した穴の開いた積み木の下側に空間があり、
図 4 西粟倉村木育イベント

積み木越しに釣り竿で魚を釣り上げるゲームである。

４．デザインプロトタイプについて
9 点のプロトタイプは、子どもへの教育効果を優先- 148 -

玩具 1 ままごとセット

玩具 2 リンゴの木

玩具 3 立体パズル

玩具 4 創造の木

玩具 5 魚釣りゲーム

玩具 6 回転パズル

玩具 7 乗り物-1

玩具 8 乗り物-2

玩具 9 どうぶつ乗り物

う効果を期待した。
（図 5・玩具 9）魚はマグネットにより吸着する。魚と積み木をつかったごっこ遊びも可能であり、複数人で楽しく遊べる創造力とコミュニケーション力を養う玩具である。
（図 5・

５．プロトタイプの評価と考察
以上の 9 点のプロトタイプを、保育園および西粟倉

玩具 5）４－６.回転パズル

村木育イベントで実証評価（2017 年 12 月）し、各作品

虫食いのように穴の開いた大小の円柱を重ね合わせ中による個別評価について表 2 のようにまとめた。

に小さなビー玉が入っている。円柱を回転させて穴の各プロトタイプの考察を実証評価に立ち会った幼児位置が一致すると中からビー玉が飛び出す仕組み。ガ

教育の専門家である保育士の意見も一部反映し、以下

ラガラのように音も楽しむことができる。集中力とパに述べる。

ターン認識力を養う。
（図 5・玩具 6）

５－１.ままごとセット

４－７.乗り物-1、乗り物-2（ごっこ遊び・くるま）

音を加えたことで適用年齢の広がりを見せ、言葉を話

乗り物-1、乗り物-2 は、昆虫をイメージさせるようなせない 0 歳児も遊べた。創造力がつく教育効果が見ら形の乗り物である。土台より上部が共用部品で脚部をれたのは食物の模型であると理解ができる 2 歳以上の差し替えれば、揺れる動きや走る遊びを体験できる。

子どもであった。

子ども同士で揺らしたり、引っ張ったりしながら手先

５－２.リンゴの木の発達やコミュニケーション力を養う効果を期待した。

1～2 歳児で、友達同士でコミュニケーションを促進さ（図 5・玩具 7、玩具 8）せる効果が見られた。遊び方が限定されているため、3

４－８.どうぶつ乗り物（ごっこ遊び・くるま）

歳児以上は興味が少しずつ薄れていくように見られた。
５－３.立体パズル

動物の背中に乗るような感覚でまたがり、キャスタ
ーで前後左右に動かせて遊ぶ乗り物である。創造力とプロトタイプの大きさと重さの問題やパズルの理解の手先の発達、子ども同士のコミュニケーション力を養難しさのため 2 歳児未満は遊びが困難であった。

- 149 -

あった。魚が密集することも釣り上げを難くしていた。

５－４.創造の木
積み木とバランス遊びの複合により適用年齢が広がそのため改良案では、図 10 のように魚が密集しないよった。保育士からは、円盤を差し込んだり上に積んだ

うに底面に仕切りの枠板を設け、バラバラに配置できりする行為により手先の器用さを発達させるには大変るように改良を加えた。また、図 11

効果的と言う意見が寄せられた。大きな木をイメージのように魚のサイズを小型化し、底面で倒れてもマグしながらたくさんの円盤を積上げてゆく遊び方から、ネットへ容易に吸着するように金属部品の配置とサイ

創造力の発達効果もある。2 歳～6 歳児に有効であるとズを変更した。

考えられる。
５－５.魚釣りゲーム
手先の微妙な動きや集中力を養う効果が見られたが、プロトタイプの構造的な問題による遊びの難しさのため、各年齢共通で意図した教育効果の測定が不十分であった。
５－６.回転パズル

図 6 魚釣りゲーム改良案-1

意図した遊び方が理解されなかった。また、小さい

図 7 魚釣りゲーム改良案-2

６－２.回転パズル（図 5・玩具 6）の改良

ボールを誤飲する危険性が判明し改良が必要とされた。

回転パズルの問題点は筒状の円柱を回転させて内外５－７.乗り物-1、乗り物-2、どうぶつ乗り物の穴の重なりから玉が出る仕組みが理解されておらず、各年齢で共通して高い関心が見られ、1 人～2 人乗り

筒を外して中身の玉を口に含む行為をした子どもがいしながら興奮して遊ぶ様子から子どもの好奇心への発たため根本的な改良が必要とされた。主な改良点は以見があった。保育士の意見によると、乗り物遊びは興下の 3 点である。

味が長く続かず飽きられ易い傾向にあると示唆された。

(1) 玩具の構造を単純化し遊び方を分かりやすくする。

教育効果としては手先の発達や遊びを通じた他人との(2) 玉を誤飲しないよう取り出せないような構造とする。

コミュニケーションの促進効果が見られた。1～6 歳未(3) 子どもが片手で持てる小さなサイズに変更する。

満すべての子どもへ適用可能と思われた。なお、乗り改良案では、斜めに輪切りした円柱の内側に空洞を物の安全性に関しては、大きな脚や４つキャスターに設け大小のビー玉を封入した。円柱の窓からは透明感より安定し、転倒する危険性が少ないことや、２～３のあるカラフルなビー玉が見えるが取り出すことはで人で激しく動かしても部品の破損が見られなかったこ

きない。内部の空洞はビー玉が動く空間を設け、振るとから、確認ができた。

と内部でコトコト音がなる仕組みになっている。上面が斜めになっており積み木として遊ぶことができる。

６．デザインの改良点

教育効果は、指先の細やかな動きとバランスを養う感

前節の保育園での観察評価で改良が必要とされた玩

覚、創造力がつく効果を期待した。
（図 8）

具は、４（５）釣りゲーム、４（６）回転パズルの 2 点であり、これらの改良制作を行った。なお、４（３）立体パズルの問題点はスケールと重さが原因とみられ、教育効果上の問題とは見なされなかったため改良制作は見送った。
６－１.魚釣りゲーム（図 5）の改良
魚釣りゲームの問題点は、魚が横倒しの状態ではマグネットに吸着させることが困難であり、細かな手先の動きが未発達の子どもにはさらに難しく感じたようで

図 8 コトコト積み木- 150 -

表 2 プロトタイプの評価表る自治体である。
「コトコト積み木」はウッド・スター

７．まとめ
本開発では「木育玩具の分類と教育効果の調査分析」

トの品として選定されるよう現在西粟倉村役場協議を進めている段階である。

の予備研究において導出した木育玩具による遊びの種
類と教育効果との関係指標および保育園での観察調査

今後は本開発によるプロトタイプ検証で得られたデから、教育効果のある木育玩具の要求仕様を把握した。

ータを遊びの種類と教育効果の指標に反映するとともに、プロトタイプの改良を予定している。

これに基づき、仮説としてデザインコンセプトを考案し、複数案のアイデアスケッチから「積み木」「音で以上のように、本開発プロセスは、既存製品や使用遊ぶ」「ままごと（ごっこ遊び）」「バランス遊び」「ゲー

実態の調査分析より仮説を構築し、デザイン試作と検ム」「くるま（乗り物）」の 6 種類の遊びに含まれる 9 点

証評価を反復して行い、デザインをブラッシュアップのデザイン案に集約し、プロトタイプを制作した。

してきた。

プロトタイプは保育園、および西粟倉村木育イベン

従来市販されてきた木育玩具は、子どもの興味を引トにおいて検証実験を行い「木育玩具による遊びの種

く遊び方に重点を置いて、設計・製造されてきたもの

類と教育効果の指標」およびデザイン実証評価を行っが多くみられるが、本開発プロセスや「遊びの種類とた。評価結果からは、問題の改良が必要とされた 2 点

教育効果の関係指標」が今後の開発の一助になると考の玩具（魚釣りゲーム、回転パズル）について更に改良えている。

制作を行った。
注および参考文献

回転パズルはデザインが大きく変更され、パズルから積み木遊び（コトコト積み木）への変更となったが、

1） 林野庁 HP ： (1)木材利用の意義と普及（「木づか0 歳～6 歳児の子どもによる実証評価を再度実施し、安い運動」を展開）（「木育（もくいく）の取組の広がり：

全性と教育的な効果（手先の発達、バランス感覚、創造

http://www.rinya.maff.go.jp/j/kikaku/hakusyo/26h力）が確認された。積み木は、予備研究においても、そakusyo_h/all/a40.html,の教育効果は十分に実証されている。本作品はそれに

2） 認定 NPO 法人日本グッド・トイ委員会 ： ウッド

加え「音で遊ぶ」要素も合わさりデザインの新しさがスタートガイドブック

備わった玩具である。

3） 林秀紀、櫛勝彦、井上勝雄 ： 木育玩具の分類と(2017/12/14 閲覧)

その教育的効果の調査分析, 日本感性工学研究論文誌,

西粟倉村は、地域の新生児に木製玩具をプレゼント

17, 4, pp. 489-497

するなどの取組「ウッド・スタート」事業を推進してい- 151 -

含ヘテロパイ電子系ユニットを有するプリンタブル太陽電池材料の開発
岡山理科大学・理学部化学科
岩永 哲夫
電子豊富な含ヘテロパイ電子系ユニットは，正孔輸送材料など有機機能性材料としての利用が期待されている．本研究では，含ヘテロパイ電子系ユニットのひとつであるカルバゾールユニットの 3,6 位を窒素で連結した大環状化合物を合成し，それらの物性から機能性材料としての有用性を検討したので以下に報告する．
これら標題化合物は，Buchwald-Hartwig カップリングを用いてそれぞれ中程度の収率で合成できた．環状 3
量体は DFT 計算による最適化構造から，3 つのカルバゾールユニットが窒素原子を介してねじれた配座で連結していることがわかった．これは酸化電位の値からも分子内のカルバゾールユニット同士の相互作用が小さい
ことが支持された．環状 4 量体は，分子全体が平面的になることにより窒素原子を介したパイ共役の拡張が影響することを明らかにした．これらの結果から，環状構造を変化させる分子設計によりパイ共役の拡張やユニット同士の相互作用をコントロールすることができ，多様な電子物性を発現させる指針が得られた．今後，合成した分子を正孔輸送層に用いた太陽電池素子を作製し，その有用性を明らかにしていく予定である．

特性を発現するような準平面（一部だけ平面）に近

１．はじめに効率の高い光電変換素子の開発は，21 世紀の重要い構造をとることが予想される．[1] また大環状化

課題の一つである光エネルギー(太陽エネルギー)の合物の適切な位置に可溶性置換基を導入し，ドナー有効利用と関連して，化石燃料使用による温暖化な性の向上とラジカルカチオン種の安定性を向上させ

ど，地球規模の環境問題に立ち向かう科学からの取る．基板状での集積構造も明らかにし，次世代の有り組みとして，極めて重要な研究課題である．しか機―無機ハイブリッド型太陽電池として期待されてし代表的な光電変換デバイスである有機薄膜太陽電

いるペロブスカイト型太陽電池の正孔輸送材料への池は，低コストかつ低環境負荷の次世代太陽電池と利用を検討する．

して幅広い応用が期待されているが，これまでに達

含ヘテロパイ電子系ユニットとして，カルバゾー

成されている光電変換効率は最大 15 %程度であり，

ル骨格を利用した．これらユニットへの置換基の導新規材料の提案や方法論の開発は急務である．
また，入は，通常はハロゲン化などの官能基導入を経由す

このような材料に用いられる芳香族炭化水素やポルることで可能となる．官能基を導入することでパイ

フィリンなどのパイ電子系ユニットは，置換基を修電子系ユニット同士を連結することも可能となる．

飾することやユニット同士を連結することで光吸収

今回，カルバゾールを基盤とした大環状化合物の合や発光，酸化還元特性など分子の性質を自在に制御

成とその分光学的性質および電気化学的性質を明らできる．パイ電子系ユニットの特性を理解し，電子かにしたので，以下に報告する．

状態などを自在に制御することは，新機能の発現には不可欠な要素である．

２．結果と考察本研究では，汎用元素のひとつである窒素を含ん（１）合成

だヘテロパイ電子系ユニットを組み込んだ大環状化

目的化合物であるカルバゾール基盤大環状化合物

合物を合成し，有機機能性材料として利用すること

3 量体 1 と 4 量体 2 の合成を示す（Scheme 1）．原料を目的とする．大環状化することでパイ電子系ユニとなるジブロモカルバゾール 6 は，市販のカルバゾ

ットを効率よく配置・集積化でき，高い正孔輸送性ールより２段階の反応で合成した．得られた 3,6-ジ- 152 -

ブロモカルバゾール誘導体と p-アニシジンとの 1 段（２）構造合成した化合物の X 線単結晶構造解析を試みたが，階の Buchwald-Hartwig カップリングにより環状 3 量
体 1 と環状 4 量体 2 をそれぞれ収率 15%，12%で合解析が可能な単結晶が得られなかった．そこで DFT成した．
これらより環サイズの大きな誘導体として，計算により環状 3 量体 1 と環状 4 量体 2 の構造最適

環状 5〜8 量体の分子イオンピークを確認できたが，化を行った．計算を容易にするためにメトキシ基を不安定であったため単離できなかった．

水素に置換した 1’と 2’を用いて計算した(Figure

また環状構造をもつことの効果を調べるために，

1&2). 環状 3 量体 1’の最安定構造では，3 つのカル対照化合物である鎖状体 3 と 4 も同様の方法で合成

バゾールユニットが窒素原子を介して，ねじれた配を試みたところ，合成のステップ数は増えたが中程座で固定されていた．カルバゾールユニットと向か度の収率で合成できた(Scheme 2)．

いの窒素原子との距離は 7.1 Å であった．環状 4 量

OCH3
Cu
K2CO3

H
N

体 2’は 4 つのカルバゾールユニットが交互にねじれ

OCH3

た 1,3-alternate 型に近い構造となっていた．カルバゾ

NBS

N

NMP
180oC

N

ールユニット間の距離は最短で 6.1 Å であった．

CH2Cl2r.t.
Br

Carbazole

6 (94%)

5 (87%)Br

OCH3

Top view

Side view

N
OCH3

H3CO
OMe

Pd(t-Bu3P)2
NaOt-Bu

+

6

7.1Å

toluenereflux

NH2

N

N

N

N
N

p-Anisidine

H3CO

n

OCH3

1 (n = 1)
2 (n = 2)OCH3

Scheme 1. カルバゾール基盤大環状化合物の合成
Figure 1. 環状 3 量体 1’の最適化構造
OCH3

OCH3

OCH3

N

N

OCH3

Pd(t-Bu3P)2
NaOt-Bu

N
N

Br

+

HN

NH

HN

toluenerefluxTop view

N

7
OCH3

8

OCH3

OCH3

6.1Å 7.9ÅOCH3

9 (51%)
OCH3

OCH3
OCH3
N

Pd(OAc)2BINAP
NaOtBu

N

+

Br

Br

6

NH2

toluenereflux

HN

Br

Side view

p-Anisidine
OCH3

10 (37%)Pd(t-Bu3P)2
NaOt-Bu
9+

10

toluenereflux

OCH3

OCH3

OCH3

N

N

N

HN

N

OCH3

OCH3

n

N

OCH3

3 (n =1)
4 (n =2)

Figure 2. 環状 4 量体 2’の最適化構造

Scheme 2. 対照化合物の合成- 153 -

N atom( )

（３）電子スペクトルと比べてほとんど変化がなかった．

紫外可視吸収スペクトルを CH2Cl2 中で測定した
ところ，環状 3 量体 1 の最大吸収波長は 310 nm と

20 µA

+0.33

-0.04

+0.17

1

なり、環状 4 量体 2 と比べて 8 nm 短波長にシフトしていた(Figure 3)．鎖状体でも同様傾向が観測され+0.26ており，カルバゾールユニットの増加に伴う，パイ

+0.15

-0.03

-0.14

2

共役の拡張の大きさに起因するものと考えられる．

+0.26

また長波長側には幅広い吸収が 400-500 nm にかけ

+0.08

-0.09

3

て観察された．環状体と鎖状体を比較すると，最大+0.28

吸収波長の変化は観測されなかった．各化合物の蛍+0.16 +0.01

-0.11

4

光スペクトルでは蛍光波長が 470 nm 付近に観測さ0.6

れ，大きな変化は観測されなかった．蛍光量子収率

0.4

0.2

0

-0.2

-0.4

Potential /V (vs. Fc/Fc+)
0.1 M n-Bu4NPF6 in CH2Cl2 scan rate : 100 mV/s.

は環状 3 量体 1 が 0.17 となり，他の化合物と比べて高い値を示した．このことは環状 3 量体 1 が剛直な

Figure 4. サイクリックボルタモグラム

構造であるため，他の化合物と比べて，熱エネルギ
ーとして失活されにくいためだと考えられる．

（５）酸化種の電子スペクトル
酸化状態における分光学的性質を明らかにする31423344

UV-vis
Normalized Intensityε(/104 Lmol-1cm-1)

5

5

400

5
5 10

4

00

250
250

300
300

ため，酸化剤を加えて吸収スペクトルを測定した．

15

Oxidant

450

400
350

500

450
400

550

500
450

600

550
500

3 eq.
2 eq.
1 eq.
0 eq. 10

5

Wavelengthnm/ nm

Figure 3. 化合物の電子スペクトル（CH2Cl2 溶液）

0

400

800

1200

1600

2000

Wavelength / nmFigure 5. 環状 3 量体 1 の酸化種の吸収スペクトル（４）サイクリックボルタンメトリー(CH2Cl2 溶液)

酸化還元電位を調べるために，サイクリックボル
タンメトリーを測定した．環状 3 量体 1 は 3 対の 3電子酸化波，環状 4 量体 2 は 4 対の 4 電子酸化波を15観測した．鎖状体も同様に可逆な酸化還元波を観測
Oxidant

できたことから，酸化種が安定に存在することが示

ε(/104 Lmol-1cm-1)

e

1 10
10

FL

ε(/104 Lmol-1cm-1)

1.5 15
10

唆された．環状 3 量体 1 の酸化電位が，他の化合物と比べて高くなることが分かった．この結果からカ

4 eq.
3 eq.
2 eq.
1 eq.
0 eq. 10

5

ルバゾールユニット同士の相互作用が小さく，3,6ビス(ジフェニルアミノ)カルバゾールの酸化電位

0

400

800

1200

1600

2000

(Eox= −0.02 V) [2]に近い値になったと考えられる．環

Wavelength / nm

サイズが大きくなると，酸化電位が低電位シフトしFigure 6. 環状 4 量体 2 の酸化種の吸収スペクトル

ドナー性が向上した．鎖状体の酸化電位は，環状体(CH2Cl2 溶液)- 154 -

環状 3 量体 1 に対して酸化剤を 3 当量加えたとこ

５．参考文献ろ，824 nm に新たな極大吸収波長が現れた(Figure 5)．

[1] H. Nishimura, N. Ishida, A. Shimazaki, A. Wakamiya,

これは先にも述べたとおり，環状 3 量体 1 の構造は

A. Saeki, L. T. Scott, Y. Murata, J. Am. Chem. Soc. 2015,

カルバゾール同士がねじれた配座をとり，分子内の137, 15656.

カルバゾール間で相互作用が小さくなるため，3,6-[2] B. Xu, E. Sheibani, P. Liu, J. Zhang, H. Tian, N.

ビス(ジフェニルアミノ)カルバゾール誘導体のラジ

Vlachopoulos, G. Boschloo, L. Kloo, A. Hagfeldt, L. Sun,

カルカチオン種の吸収に相当するものだと考えられAdv. Mater. 2014, 26, 6629.

る．一方，環状 4 量体 2 に対して酸化剤を 4 当量加
えた場合，799 nm の極大吸収に加え，1200 から 2500

６．研究成果nm 以上にも吸収が観測された(Figure 6)．鎖状体で(1) 「ユニークな電子構造を有する剛直な含窒素大も同様に 1200 から 2500 nm 以上にも吸収が観測さ環状化合物の合成と応用」，○岩永哲夫，日本化学会

れた．これは DFT 計算の結果から，構造が平面性を中国四国支部「固体物性化学の最前線」講演会，愛有することで窒素原子を介したパイ電子系の拡張が

媛大学（松山市），2018 年 12 月（招待講演）

影響することにより，ラジカルカチオン種同士が分子内で相互作用している結果と考えられる．
３．まとめ
今回，カルバゾールユニットを窒素原子で連結した大環状分子および鎖状分子の合成に成功した．電子スペクトルとサイクリックボルタモグラムより
種々の物性を明らかにした．本研究で得られた分子は酸化還元電位が可逆に観測されたため，酸化種が安定であることが示唆された．また酸化剤を用いた吸収スペクトル測定により酸化状態における電子状態を明らかにすることができた．
今後，合成した化合物を正孔輸送層に利用した有機太陽電池を作製し，その有用性を立証する予定で
ある．
４．謝辞
本研究は，
平成 30 年度公益財団法人ウエスコ学術振興財団の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．また本研究の遂行にあたり，東京工業大学理学院・豊田真司教授，大阪大学大学院基礎工学研究科・鈴木修一准教授，岡山理科大学理学部化学科・山田晴夫教授，若松寛准教授に有益な助言を頂いた．ここに記して感謝申し上げます．

- 155 -

布賀鉱山産ホウ酸塩鉱物のホウ素同位体に関する基礎的研究
岡山理科大学 理学部 基礎理学科
小林 祥一
岡山県高梁市布賀鉱山は高温型スカルンを形成し，CaO-B2O3-H2O 系ホウ酸塩鉱物が多数報告されている．そのうちスカルン化作用初期に生成したとされる初生鉱物は，無水のカルシウムホウ酸塩鉱物で，その後の熱水活動により種々の含水のホウ酸塩鉱物が生成したとされている．そこで今回これらホウ酸塩鉱物およびスカルン形成に関係した石灰岩，結晶質石灰岩，モンゾ閃緑岩，石英モンゾニ岩のホウ素同位体組成およびホウ素含有量を，溶融後 ICP-MS で，また研磨片を用いた LA-ICP-MS により分析した．分析の結果，初生鉱物の takedaite
および shimazakiite の δ11B 値は，-10‰前後で，これら鉱物が生成したスカルン化作用初期のモンゾ閃緑岩に伴う熱水のホウ素同位体組成と同様な値を示した．一方，初成鉱物である takedaite, shimazakiite の後期熱水作用により生成した uralborite, nifontovite, olshanskyite, frolovite, pentahydroborite の δ11B 値は，鉱物の含水量の増加に伴って次第に減少し-35‰前後となり，これは石英モンゾニ岩に近い値を示すことがわかった．また，石灰岩と結晶質石灰岩中のホウ素含有量は，0.1~0.6ppm 程度含まれており，結晶質石灰岩の方が若干多く含まれている．
1.はじめに出されたとする説（草地他，1999）があるが，ほと布賀鉱山は世界的にも極めて希な高温型スカルン

んど議論されていない．そこで今回，布賀鉱山で採の産地であり，これまでに新鉱物および日本新産鉱取したスカルン化作用により生成した CaO-B2O3-

物が多数報告されている．スカルンとは，石灰岩やH2O 系鉱物，およびスカルン形成に関係した岩石の苦灰岩のような炭酸塩岩に，花崗岩などの火成岩マ

ホウ素同位体組成（δ11B 値）およびホウ素含有量のグマが貫入した際に，炭酸塩岩と火成岩マグマの間分析を，さらにスカルン化初期に生成したとされるで行われた交代作用によって生成した，Ca，Mg，Fe，

いわゆる初生鉱物の無水ホウ酸塩鉱物と，高温スカ

Al などからなるケイ酸塩鉱物の集合体をさす．布賀

ルンを特徴付ける gehlenite および spurrite とのホウでは，石灰岩にモンゾ閃緑岩あるいは石英モンゾニ

素同位体組成を比較検討する．これらの基礎的デー

岩 の 貫 入 を 受 け ， そ の 接 触 部 に gehlenite

タから布賀鉱山に産するホウ酸塩鉱物の生成過程と，［Ca2Al(AlSi)O7］や spurrite［Ca5(SiO4)2(CO3)］など

ホウ素の起源を解明するための検討を行うことにしのスカルン鉱物が生成している．通常のスカルン鉱

た．なお，本研究は岡山理科大学大学院理学研究科

物である garnet や wollastonite は，一般に約 500℃で

西居俊基君との共同研究である．

生成されるが，gehlenite や spurrite は，約 900℃で生成されるため高温型スカルンと呼ばれる．布賀鉱山

2．地質および試料の採集地点

坑内の数か所では，不規則な脈状ないしスポット状

布賀鉱山は岡山県高梁市備中町にあり，岡山市のに，多種多様なホウ酸塩鉱物を産する．先行研究か

西北西約 40km に位置する（Fig．1）．布賀では，Mg

らスカルン化初期に生成したとされるいわゆる初生をほとんど含まない石灰岩にモンゾニ岩質の火成岩

鉱物は，無水ホウ酸塩鉱物であり，その後の熱水活が貫入し，スカルン化に伴うゾーニングを形成し，動により種々の含水ホウ酸塩鉱物に変質したとされ石灰岩側が spurrite 帯，貫入岩側が gehlenite 帯となている（草地，2013）．

っている．基盤をなす古生層は砂岩，頁岩の互層を一方，これらホウ酸塩鉱物のホウ素の起源についなす冨家層と，その上に重なるペルム紀石灰岩を主ては，例えば石灰岩が再結晶する際に，ホウ素が放とする中村石灰岩層よりなる（大前他，2002）．石灰

1 - 156

岩中にはモンゾ閃緑岩，石英モンゾニ岩，安山岩な作用により生成したとされる sibirskite, uralborite,

どの岩脈が見られる．これら貫入岩は，モンゾ閃緑

nifontovite, pentahydroborite などの含水ホウ酸塩鉱物

岩が石英モンゾニ岩に切られる関係が見られることを産する．

から，貫入時期が異なり，石英モンゾニ岩よりもモ

ホウ素同位体組成を検討するための試料は，鉱物

ンゾ閃緑岩の方が先に貫入したことがわかる．布賀としては takedaite および shimazakiite 露頭に産する

鉱山坑内の数か所では，結晶質石灰岩中に不規則な

CaO-B2O3-H2O 系鉱物の takedaite, shimazakiite,

脈状ないしスポット状に，無水あるいは含水のホウuralborite, nifontovite, olshanskyite, frolovite, penta-

素を含む鉱物を産する．このうち，今回は布賀鉱山

hydroborite（Fig. 2）である．Fig. 2 にはこれら露頭

4 番抗に見られる takedaite (Kusachi et al., 1995)およに産する鉱物も併せて示した．また Table 1 にはび shimazakioite (Kusachi et al., 2013)を初成鉱物とす対象とした各鉱物の化学分析値と理想化学式を示る 2 露頭（前者を takedaite 露頭，後者を shimazakiite

した．

露頭）を対象に検討することにした．

1．Takedaite：Ca3B2O6 ，2．Shimazakiite：Ca2B2O5 ，3．
Calciborite：CaB2O4，4．Sibirskite：Ca2B2O5・H2O，5．Priceite：
Ca2B5O7(OH)5 ・ H2O ， 6 ． Uralborite (○)&Vimsite (□) ：CaB2O2(OH)4，7．Nifontovite：Ca3B6O6(OH)12・2H2O，8．
Olshanskyite：Ca3B4(OH)18，9．Frolovite：Ca[B(OH)4]2，10．
Pentahydroborite：CaB2O(OH)6・2H2O，11．Hexahydroborite：
Ca[B(OH)4]2・2H2O

Fig. 1. Map showing the location of the Fuka mine.

Fig. 2. Minerals in the system CaO-B2O3-H2O from Fuka.

Takedaite 露頭では，CaO-B2O3-H2O 系鉱物は結晶質石灰岩とそれを貫く幅約 0.7~1.5m の石英モンゾ

Table 1. Chemical compositions and ideal formulae of theborate minerals in this study

ニ岩との境界部付近に発達し，石英モンゾニ岩岩脈

CaO-B2O3-H2O系鉱物

化学組成

CaO (%) B2O3 (%) H2O (%)に沿って，やや延びた厚みのあるレンズ状に産する．

Takedaite

Ca3B2O6

71.13

28.41

0.14

後期熱水作用により takedaite の周辺部では，
sibirskite,

Shimazakiite
Uralborite

Ca2B2O5CaB2O2(OH)4

61.09
34.87

36.39
43.42

1.19
22.42

parasibirskite, frolovite, olshanskyite などの含水ホウ酸

Nifontovite

Ca3B6O6(OH)12・2H2O

32.31

39.31

27.91

Olshanskyite

Ca3B4(OH)18

34.50

29.64

35.75

塩鉱物集合体をなしている．Shimazakiite 露頭では，

Frolovite
Ca[B(OH)4]2
27.67
34.57
37.63
Pentahydroborite
CaB2O(OH)6・2H2O
25.71
32.09
41.60
Takedaite : Fuka Okayama Prefecture, Japan. Kusachi et al. (1995).
Shimazakiite : Fuka Okayama Prefecture, Japan. Kusachi et al. (2013).
Uralborite : Fuka Okayama Prefecture, Japan. Kusachi et al. (2000).
Nifontovite : Fuka Okayama Prefecture, Japan. Kusachi et al. (1994).
Olshanskyite : Fuka Okayama Prefecture, Japan. Kusachi et al. (1994).
Frolovite : Fuka Okayama Prefecture, Japan. Kusachi et al. (1995).
Pentahydroborite : Fuka Okayama Prefecture, Japan. Fuziwara et al. (1982).

幅約 3~4m のホウ酸塩鉱物集合体が見られ，その周囲は結晶質石灰岩によって囲まれている．このホウ酸塩鉱物集合体の中心部には，無水の shimazakiite が
幅約 2m で産し，その周囲に shimazakiite の後期熱水
2 - 157

スカルン形成に関係した岩石については，
石灰岩，（11B/10B=4.044）を用いた．

結晶質石灰岩，モンゾ閃緑岩，石英モンゾニ岩を，

Takadaite，shimazakiite，石灰岩，結晶質石灰岩を P-

さらに高温スカルンを特徴付ける鉱物 gehlenite，

レジンを用いて包埋し研磨片を作製後，カナダの

spurrite を研究の対象とした．

Actlabs 社に依頼し，アブレーションシステムを用いた LA-ICP-MS で固体試料を直接分析した．この実験で準備した takedaite の研磨片と組成像を Fig. 3 と3．ホウ素同位体
ホウ素には 2 つの安定同位体である 10B と 11B が4 に示す．

存在する．ホウ素の原子量は 10.811 ± 0.005 と与えられており，これをホウ素同位体比（11B/10B）で表すと，11B/10B = 4.02 ± 0.12 となる．すなわち，天然における 10B と 11B の存在比は約 1 : 4 である．
ホウ素同位体組成の変動を表すためには，同位体比ではなく，以下の式で表される標準物質からの千分率偏差（δ11B 値）が用いられる．
δ11B（‰）= {(11B/10B)sample / (11B/10B)standard – 1} × 1000
地球表層物質中のホウ素同位体組成は，約 90‰の変動幅を示すことが報告されている．天然物中のホウ素同位体組成では，海水が最も高く，+40‰とされている（大井，2001）．
4．実験方法
ホウ素同位体組成およびホウ素含有量の分析は，
ICP-MS を用いて，液体試料を分析する方法（溶融Fig. 3. Photograph of takedaite polished sample.

法）と固体試料を分析する方法（laser ablation 法）の
2 通りの方法で行った．前者の方法は岩石試料および均一な鉱物に，後者の方法は単一鉱物の分離が難しい鉱物試料に用いた．また，分析精度および再現性を見るために，takedaite，shimazakiite，石灰岩，結晶質石灰岩については，両方の方法で行い確認した．
TAK

EPMA, XRD および XRF で試料の確認し，ホウ酸塩鉱物は約 1mg，スカルン形成に関係した岩石については約 10mg 量り，硝酸 6ml とともにテフロン製の密閉容器に入れ，マイクロウェーブ試料分解装置を用いて約 100℃で 1 時間溶融した．濾過した各試料を 100ml メスフラスコに入れ，milli-Q 水を加え100ml にし，これを分析用液体試料とし，ICP-MS をFig. 4. Composition image. The same as A in Fig. 1.

用いて分析した． ICP-MS は SPQ 9700 Plasma

Tak= takedaite.

Quadrupole Mass Analyzer（SII 製）を，マイクロウェ
ーブ試料分解装置は Multiwave 3000（AntonPaar 製）

標準試料は一次標準試料として NIST の NBS610を使用した．標準試料として，NIST の NBS951

を，二次標準試料として B4（高濃度試料の測定時）

3 - 158

および UWC-1（低濃度試料の測定時）を用いた．なえている．一方，石灰岩は再結晶によってモンゾ閃

お，一般的にホウ素同位体比の基準として用いられ緑岩の値に近づくことが，また，後期貫入の石英モる NIST の NBS951 は，粉体試料もしくは溶液試料

ンゾニ岩の δ11B はモンゾ閃緑岩に比べ 20‰程度低であるため，レーザーアブレーションによる固体分

いことがわかった．

析での利用は困難である．このため均質性が保証さ

今回の主なテーマ，CaO-B2O3-H2O 系鉱物の生成過れたガラス試料である NIST の NBS610 を用いた．

程とホウ素の起源に関しては，考察が十分進んでい装置は，ICP-MS は Neptune （Thermo Scientific 製）

ないが takadaite 露頭および shimazakiite 露頭それぞを，レーザー装置は RESOlution M-50-LR（Resonetics

れについて概略を示し，以下に考察を述べる．

製）である．レーザーの波長は 193nm，Integration time
は 0.52 秒，ablation time は 24 秒前後の条件で測定し5-2．Takedaite 露頭

た．

ホウ素同位体組成の検討は，CaO-B2O3-H2O 系鉱物の takedaite, nifontovite, olshanskyite, frolovite，そして

5．結果

スカルン化作用に関係した石灰岩，結晶質石灰岩，

5-1. スカルン化に関係した岩石鉱物のホウ素同位モンゾ閃緑岩を対象とした．
まず，ホウ素同位体組成は，2 通りの方法で分析

体組成
高温スカルンを特徴づける gehlenite および spurrite

したことから，それぞれの分析値を比較検討した．

のホウ素同位体組成を，スカルン形成に関係した石溶融法および Laser ablation 法による takedaite の δ11B

灰岩，晶出石灰岩，モンゾ閃緑岩および石英モンゾ

は，
前者は-19‰，
後者では-8‰で，shamazakiite では，ニ岩と共に Fig. 5 に示す．

それぞれ-9‰および-11‰であった．
Shimazakiite の値はそれぞれ良く一致しているが，takedaite では 10‰程度の違いがある．
この原因はFig. 4に示すように，
組成像で明るい部分の takedaite は，含水のホウ酸塩
鉱物（暗い部分）と密雑して産するためで，溶融法用の試料の分離が十分できてないためと考えた．含水のホウ酸塩鉱物は主に nifontovite で，溶融法による分析結果は nifontovite などとの混合物の値で，実際より低い値を示したことが推定される．また，
frolovite の分離試料も XRD で確認したところ，複数のFig. 5. Comparison of boron isotope compositions of rocks

含水のホウ酸塩鉱物および未同定鉱物，さらには方related to skarn formation, and of spurrite - gehlenite zone

解石，caspidine などが僅かに混入していたことから，こfrom Fuka.

の結果は参考試料とした．
以上を考慮した上で takedaite 露頭においてはホウGehlenite および spurrite のスカルン鉱物を産するゾ酸塩鉱物の含水量が増加するに従い，δ11B 値はーンは，晶出石灰岩とモンゾ閃緑岩との間のゾーン

takedaite の-8‰から次第に減少し，
nifontovite の-19‰，に産することから，図ではこれら鉱物を両岩の間にolshanskyite の-28‰と減少し，いくらか不純物を含む示した．これら鉱物はばらつきが大きいもののモン

frolovite では-40‰と大きく減少した．また，スカルゾ閃緑岩と同じ値を示し，モンゾ閃緑岩の貫入によン形成に関係した岩石の δ11B 値は，Fig. 5 に示したってこれらスカルン鉱物が生成したことを示していよう に，モン ゾ閃緑岩 の値は初 生鉱物で ある

る．このばらつきは，両鉱物がホウ酸塩鉱物ではな

takedaite の Laser ablation 法による値（-8‰）に近い

くホウ素が微量成分のために誤差が生じたものと考値を示し，含水のホウ酸塩鉱物の olshanskyite の δ11B

4 - 159値は，石英モンゾニ岩の値に近い傾向を示した．
5-3．Shimazakiite 露頭
本露頭のホウ素同位体組成の変化も，takedaite 露頭と同様，
ホウ酸塩鉱物の含水量が増加するに従い，
δ11B 値は減少する傾向を示した．具体的には
shimazakiite の-9〜-11‰から，uralborite の-20‰，
nifontovite の-20‰，そして pentahydroborite の-21‰を示した．また，スカルン形成に関係した石灰岩，

Fig. 6．Comparison of boron content between limestone

結晶質石灰岩，モンゾ閃緑岩の δ11B 値(Fig. 5)は，初

and crystalline limestone．

生鉱物である shimazakiite の値に近い値を示し，そり，石灰岩中の Ca との反応で，初めに takedaite やして含水ホウ酸塩鉱物の δ11B 値は，含水量の増加に

shimazakiite のような無水ホウ酸塩鉱物が生成した

伴って次第に石英モンゾニ岩の値に近づく傾向を示と考えられる．ホウ素のイオン半径は小さいため，した．

石灰岩中の深部まで移動し，結晶質石灰岩中にこれ

一方，takedaite および shimazakiite の δ11B 値は，Fig.

ら初生鉱物が生成したと示唆される．

5 に示すように gehlenite - spurrite ゾーンと同じ同位

第 2 ステージ：モンゾ閃緑岩より後期の石英モンゾ

体組成を示すことから，これら鉱物もスカルン化初ニ岩の貫入である．この系の鉱物中の含水量の増加期のほぼ同時期に生成したことが推定される．

に伴いホウ酸塩鉱物は石英モンゾニ岩の δ11B 値に近い値を示したことから，石英モンゾニ岩に伴う
δ11B 値の低い熱水によって，5-2 に示したように

5-4．炭酸塩岩のホウ素含有量の比較

スカルン形成に関係した炭酸塩岩である石灰

takedaite からは含水ホウ酸塩鉱物の nifontovite およ岩と結晶質石灰岩のそれぞれのホウ素含有量をび olshanskyite に，また shimazakiite からは 5-3 に示

Fig. 6 に示し比較した．前者は 100~400 ppb，後者

し た よ う に uralborite ， nifontovite お よ び

は 150~600 ppb の範囲に分布した．ホウ素含有量

pentahydroborite が生成したことが考えられる．

の平均値は，結晶質石灰岩の方が若干多い値を示

第 3 ステージ：CaO-B2O3-H2O 系鉱物は低温で生成したが，その値はほとんど変わらない．

された鉱物ほど含水量は多いとされている（Hart and
Brown., 1962）．研究対象としたホウ酸塩鉱物集合体を産する 2 露頭では，初生鉱物から隔たるほど，含6．ホウ素の起源
上記の結果より，
布賀鉱山に産するCaO-B2O3-H2O

水量の多いホウ酸塩鉱物が卓越して生成している．

系鉱物の生成過程およびホウ素の起源について検討

温度と δ11B 値との関係についてはこれまで報告がした結果，ホウ酸塩鉱物は以下の 3 つのステージをないことから，低温になるにつれ同位体比が変化す

経てホウ素が供給され，各種ホウ酸塩鉱物が生成しることの詳細はわからない．一方，石英モンゾニ岩たと考えた．

の同位体組成は，布賀の各露頭でほぼ同じ値を示す

第 1 ステージ：モンゾ閃緑岩の貫入である．スカル

ことが Fig. 5 の誤差線からわかる．

ン形成に関係した石灰岩，結晶質石灰岩，モンゾ閃

含水ホウ酸塩鉱物に変化する過程で認められる緑岩の δ11B 値と初生鉱物である takedaite および

δ11B 値の減少は，11B の相対的減少，10B の相対的増

shimazakiite の値がほぼ同じ値を示している．従って，

加が生じたことに起因する．この原因の一つに同位高温のモンゾ閃緑岩による石灰岩の再結晶作用およ体の質量の差異による拡散の違いが考えられる．すび高温型スカルンの形成，さらにこのマグマ活動に

なわち，軽い同位体の方が重い同位体より拡散速度

伴ったホウ素に富み，δ11B 値の高い熱水の貫入によが速いため，含水ホウ酸塩鉱物に変化する過程で，

5 - 16010B の割合が相対的に増加したことが考えられ，石

参考文献

英モンゾニ岩に伴う熱水による含水化の際に，同位藤原卓，高田雅介，益富寿之助，磯部敏雄，岡田久，

体交換反応によって δ10B 値が次第に増加したこと

中井泉，長島弘三 (1982) 岡山県布賀産五水灰ホが推定される．

ウ石 pentahydroborite CaB2O4・5H2O．地学研究，一方，石灰岩が再結晶する際に放出されたホウ素が33(1-3), 11-20.

布賀のホウ酸塩鉱物生成に寄与したとする説（草地Hart, P.B and Brown, C.S. (1962) The synthesis of new

他，1999）は，Fig. 6 に示したように石灰岩と結晶質

calcium borate compounds by hydrothermal methods.

石灰岩との間でホウ素含有量にほとんど違いが見らJournal of Inorganic and Nuclear Chemistry, 24, 1057-

れず，しかも結晶質石灰岩の方が若干多いことから

1065.
草地功 (2013) 高梁市備中町布賀地域から発見されこの説では説明が難しいことがわかった．
以上から，布賀鉱山ではモンゾ閃緑岩および石英モた多くの世界新種の鉱物について．高梁川流域連

ンゾニ岩のマグマ活動に伴った熱水によってホウ素

盟機関誌「高梁川」掲載原稿，71，104-116．

が供給され，
石灰岩との反応によってCaO-B2O3-H2O

Kusachi, I., Henmi, C. and Kobayashi, S. (1995) Takedaite,a new mineral from Fuka, Okayama Prefecture, Japan.

系鉱物が生成したことが示唆された．

Mineralogical Magazine, 59, 549-552.
草地功，小林祥一，逸見千代子，武智泰史 (1999)

7．まとめ
同位体組成の研究から，布賀鉱山ではモンゾ閃緑

CaO-B2O3-H2O 系のホウ酸塩鉱物：特に岡山県備岩および石英モンゾニ岩のマグマ活動に伴った熱水

中町布賀産の例について．鉱物学雑誌，28(2)，41-

によってホウ素が供給され CaO-B2O3-H2O 系鉱物が46.

生成したことが示された．これら鉱物の生成過程

Kusachi, I., Kobayashi, S., Takechi, Y., Nakamura, Y.,は，以下の 3 ステージによって行われたと考えた．

Nagase, T., Yokoyama, K., Momma, K., Miyawaki, R.,

第 1 ステージ：高温のモンゾ閃緑岩の貫入とこれに伴Shigeoka, M. and Matsubara, S. (2013) Shimazakiite-う δ11B 値の高い熱水と石灰岩との反応によって，初4M and shimazakiite-4O, Ca2B2O5, two polytypes of a

生鉱物である無水の takedaite や shimazakiite が生

new mineral from Fuka, Okayama Prefecture, Japan.

成した．これら鉱物は gehlenite および spurrite が生

Mineralogical Magazine, 77, 93-105.

成したスカルン化初期にほぼ同時期に生成した．

Kusachi, I, Shiraga, K., Kobayashi, S., Yamakawa, J. and第 2 ステージ：マグマ活動後期に貫入した石英モンゾ

Takechi, Y. (2000) Uralborite from Fuka, Okayama

11

ニ岩と，これに伴ったより低温で δ B 値の低い熱水

Prefecture, Japan. Journal of Mineralogical andにより，初成鉱物が含水ホウ酸塩鉱物に変化した．

Petrological Sciences, 95, 4-47.

第 3 ステージ：石英モンゾニ岩に伴った熱水活動に

Kusachi, I., Henmi, C. and Kobayashi, S. (1995) Frolovite

よるホウ素交換反応によって含水量の多い，δ11B 値

from Fuka, Okayama Prefecture, Japan. Mineralogicalの低い種々のホウ酸塩鉱物が次第に生成した．

Magazine, 17(7), 330-337.
Kusachi, I. and Henmi, C. (1994) Nifontovite andolshanskyite from Fuka, Okayama Prefecture, Japan.

謝辞

Mineralogical Magazine, 58, 279-284.

本研究を実施するにあたって，多大なご支援を賜大井隆夫 (2001) ホウ素同位体地球化学．日本海水りました公益法人ウエスコ学術振興財団並びに財団

学会誌，55(1), 3-10．

関係者の各位に，またホウ素同位体およびホウ素

大前暁政，草地功，小林祥一 (2002) 岡山県布賀に産含有量の分析を指導くださった岡山理科大学工学部猶原順教授に心より感謝申し上げます．

する高温型スカルンを形成した火成岩類の岩石学的研究．岩石鉱物科学，31, 1-14．

6 - 161高分子基複合材料の衝撃層間せん断特性評価法の確立
岡山理科大学 工学部 機械システム工学科
中 井

賢 治

本研究の目的は，圧縮型ホプキンソン棒法を利用して，一方向強化カーボン／エポキシ複合材の衝撃層間せん断強度を決定することである．試験片形状としては，修正イオシペスクせん断（MIS）試験片を使用した．
衝撃圧縮せん断荷重－変形関係の最大荷重から静的な評価式に基づいて，衝撃層間せん断強度を決定した．同一形状の MIS 試験片を使用して行なった静的圧縮せん断試験から得た層間せん断強度との比較により，変形速度の影響を明らかにした．その結果，層間せん断強度は，変形速度が上昇するにつれて約 1.5 m/s 以下の範囲では増加することがわかった．

を明らかにしている．さらに，Harding と Dong [6] は

１．緒 言
複合材料は金属材料と比較して比強度，比剛性が2 重重合わせせん断試験片によりカーボン／エポキ

高く，疲労寿命や耐食性にも優れているため，近年

シ複合材の衝撃層間せん断強度を同様な試験法によ

航空機，自動車，スポーツ用具などの分野で広範にり決定している．一方，Yokoyama ほか [7] は DNS

使用されている．しかし複合材料は積層構造を有す試験片を用いて，一方向強化カーボン／エポキシ複るため，横荷重を受けたときに層間に剥離を生じ破合材について，圧縮型ホプキンソン棒法により衝撃壊し易い固有の弱点を有している．そのため，層間せん断強度を評価している．この DNS 試験片は機（面外）せん断強度は，複合材構造物の設計におけ械加工が比較的簡単であるが，板厚が厚くなると切る重要な特性値であり，これを測定する 2 種類の試

欠き底部の近傍での応力集中が大きくなり，せん断験法が，ASTM（アメリカ材料・試験学会）に規定

面での応力分布の一様性が低下することが，有限要されている．一つは短いはり状せん断（SBS）試験

素法による平面応力解析により判明した．

片による 3 点曲げ試験法 [1] であり，他の一つが 2

本研究の目的は，圧縮型ホプキンソン棒法 [8] を重切欠きせん断（DNS）試験片による引張り試験法

利用して，一方向強化カーボン／エポキシ複合材の[2] である．しかし衝撃荷重下における層間せん断

衝撃層間せん断強度を測定することである．試験片強度を測定する試験法は，未だ規格化されていない．

形状としては，DNS 試験片よりも一層精密にせん断

Harding と Li [3] は 2 重重合わせせん断試験片を使強度が測定できる修正イオシペスクせん断（MIS:

用して，引張り型ホプキンソン棒法により平織りガ

Modified Iosipescu Shear）試験片 [9] を採用した．衝

ラス／エポキシ複合材と平織りカーボン／エポキシ

撃圧縮せん断荷重－変形関係の最大荷重から静的な複合材との組合せによる 3 種類の層間の衝撃せん断評価式に基づいて，衝撃層間せん断強度を決定した．

強度を測定している．
Bouette ほか [4] は単純重合わ

同一形状の MIS 試験片を使用して行なった静的圧

せせん断試験片を使用して，引張り型ホプキンソン

縮せん断試験から得た層間せん断強度との比較によ棒法により，一方向強化カーボン／エポキシ複合材

り，変形速度の影響を明らかにした．

の衝撃層間せん断特性を決定している．Dong とHarding [5] は，
Bouette ほかと同様に単純重合わせせ２．供試材と試験片形状

ん断試験片を使用して，圧縮型ホプキンソン棒法に試験に供した複合材料は，サカイ・コンポジット

より，カーボン／エポキシ複合材とカーボン／社製の厚さ 10.05 mm（42 プライ）の一方向強化カ

PEEK 複合材の層間せん断強度のひずみ速度依存性

ーボン／エポキシ複合材である．このカーボン／エ- 162 -

ポキシ（T700/2592）複合材に使用した強化繊維，マトリックス樹脂の種類及び繊維体積含有率を，表 1に示す．層間せん断強度試験に使用した厚さ h =10.05 mm の MIS 試験片の形状寸法を，
図 1 に示す．
図中の座標軸 1, 2, 3 は直交異方性材料の主軸方向を表し，それぞれ繊維（縦）方向，面内横方向，板厚
方向を示す．その試験片の諸寸法については，MSC
Nastran 有限要素応力解析より決定し，長さ L = 23mm，幅 b = 6.7 mm とし，2 つの切欠き底を結ぶせん

図 1 修正イオシペスクせん断（MIS）試験片の断面の長さを l = 3 mm とした．この一方向強化カー

形状寸法

ボン／エポキシ複合材の基本的機械特性を測定するために，ASTM (D3039-76) に規定された帯板引張試

３．試験方法と測定原理

験片（幅 25 mm, 長さ 250 mm, 厚さ h/10）を製作し３・１ 衝撃圧縮せん断試験方法て，インストロン試験機によりクロスヘッド速度 2

衝撃層間せん断強度を測定するために使用した圧

mm/min で試験した．その測定した静的面内引張り

縮型ホプキンソン棒装置の概略図を，図 2 に示す．

特性値を，表 2 に示す．L は繊維方向を，T は繊維

弾性棒（入力棒と出力棒）は，直径 15 mm のマグネと垂直の方向を表す．表 2 より，一方向強化カーボ

シウム合金（AZ80A–F）であり，入力棒と出力棒のン／エポキシ複合材の T 方向の引張特性は，L 方向

長さはそれぞれ 2000 mm, 1000 mm である．打出しのそれに比べて著しく低いことがわかる．即ち，繊棒は直径 15 mm，長さ 350 mm のマグネシウム合金

維の配向[0]42 から予測されるように，一方向強化カ（AZ80A–F）である．試験手順を以下に説明する．

ーボン／エポキシ複合材は極めて強い異方性を示す．

まず曲げによる座屈を防止する治具（図 3 参照）を取付けた MIS 試験片を，入出力棒間に挟み込む（治表 1 本試験で使用した炭素繊維，マトリックス

具と試験片の上下面には，固体潤滑剤を塗布し，摩樹脂の種類及び繊維体積含有率

擦による変形拘束を低減している）．
右端の支持ブロックと入力棒に取り付けた停止リング（PVC 製）を

Unidirectional carbon/epoxy
Fiber

T700 (Torayca)

Matrix resin

Epoxy #2592

Fiber volume ratio Vf

0.65

使用して MIS 試験片に予圧縮をかけ，入出力棒とMIS 試験片の両端面の接触面を密着させる．
その後，圧縮空気により発射した打出し棒を，入力棒左端面に衝突させる．このとき，入力棒左端面にクッションとしてアルミニウム円板（直径 10 mm, 厚さ 0.2

表 2 一方向強化カーボン／エポキシ複合材の静的mm）3 枚を，固体潤滑剤により貼付けている．これ

面内引張り・物理的特性値

により，入力棒内に立上がりのゆるやかな入射圧縮

Tensile and Physical Properties

L (1-d)T (2-d)Young’s modulus E (GPa)

135

8.6

Tensile strength TS (MPa)

2016

37

Fracture strain f (%)

1.8

0.5

Wave velocity co (m/s)

9273

2340

Mass density  (kg/m3)

パルスを発生させ，MIS 試験片内に動的な力のつりUD T700/2592

合いが成立つ以前の破壊を防止している．入力棒内に発生したこの入射圧縮パルスは左から右へ伝ぱし
MIS 試験片に達すると，機械的インピーダンスの違いによりその界面で一部は反射し，残りは MIS 試験
片を透過して出力棒へ伝ぱする．この過程においてMIS 試験片に作用する圧縮負荷パルスが限界値を越1570

えると MIS 試験片は，切欠き部の底付近からき裂が- 163 -

図 2 圧縮型ホプキンソン棒法を使用した衝撃層間せん断試験装置の概略図
発生してせん断破壊を生じる．

ここで，圧縮ひずみを正（＋）とする．A と E はそれぞれ弾性棒の断面積とヤング率（= 44.4 GPa）
，coは入出力棒内の縦波弾性波の伝ぱ速度（= 4953 m/s）を表す．但し，これらの式は試験片の両端での動的な 力 の つ り 合 い P1 (t )  P2 (t ) 即 ち ，Supporting jig

 i (t )   r (t )   t (t ) を仮定している．
４．試験結果および考察

Output bar

Input bar

４・１ 静的圧縮せん断試験結果
静的層間せん断強度はインストロン試験機を使用
MIS specimen

して，MIS 試験片による圧縮せん断試験（クロスヘ

10 mm

ッド速度 Vc = 1, 50 mm/min）を行って測定した．治具を取付けた MIS 試験片の圧縮せん断試験より得

図 3 ホプキンソン棒間に挟み込んだ座屈防止用られた圧縮荷重－変形関係の一例（Vc = 1 mm/min）

治具付き MIS 試験片の写真

を，図 4 に示す．試験片の変形は，試験片に圧縮負荷を加える上下のアンビル間に伸び計を取り付けて３・２ 測定原理測定した．この図からわかるように，圧縮荷重－変

MIS 試験片両端に作用する圧縮荷重と圧縮変位を

形関係はほぼ線形関係を示し，約 0.14 mm の変形量それぞれ P1, P2 と u1, u2 とすると，一次元弾性波伝ぱで圧縮荷重が急激に 0 まで低下している．この結果理論に基づき，試験片の圧縮変形  (t ) ，変形速度(t ) ，圧縮荷重 P (t ) はそれぞれ次式より求めること

から，圧縮荷重の最大値で切欠き底付近からせん断ができる[10]．

下の評価式 [2] に代入して，MIS 試験片の切欠き部

 (t )  u1 (t )  u 2 (t )  2co  (t )   (t )dt 
t

i

0

t

(2)

P(t )  P2 (t )  AE t (t )

(3)

2

o

i

t

間の平均層間せん断強度 を決定した．

(1)

(t )  u (t )  u (t )  2c  (t )   (t )
1

破壊したと考えられる．この最大圧縮荷重 Pmax を以

 ILSS Pmax
AsPmax：最大圧縮荷重，As：せん断破壊面積- 164 -

(4)

破壊時の変形速度（ f   f / t f ；t f は破壊開始時刻）

2に対してプロットした結果を，図 8 に示す．この図

Compressive load P (kN)UD-CFRP

より，層間せん断強度は，破壊時の変形速度が上昇.
Static ( = 1.7x10 -5 m/s)

1.5

母材であるエポキシ樹脂自身が正のひずみ速度依存

X: Failure

Pmax

1

するにつれて増加していることがわかる．これは，性を示すためである．

X
Pmax = 0.954 kN
ILSS = Pmax/As = 46.1 MPa

f = 0.14 mm

0.5

0

f
0

0.1
Deformation

0.2

0.3

Gage
no.1

 (mm)

r

i

図 4 MIS 試験片の静的層間せん断試験より得られた圧縮荷重－変形関係の一例
Gage
no.2

４・２ 衝撃圧縮せん断試験結果

t

ホプキンソン棒試験より MIS 試験片を使用して得られたひずみゲージ出力の代表的なオシロスコー
Sweep rate: 100s/div
Vertical sensitivity:
Upper trace: 200mV/div (497/div)
Lower trace: 100mV/div (250/div)

プ記録を，図 5 に示す．この記録の横軸は時間，縦軸は出力電圧を表している．ひずみゲージ 1 より入射ひずみパルス  i (t ) ，反射ひずみパルス  r (t ) が，
ひずみゲージ 2 より透過ひずみパルス  t (t ) が測定

図 5 MIS 試験片の衝撃層間せん断試験より得られされている（注：それ以降に記録された反転ひずみ

たオシロスコープ記録例

パルスは，入出力棒の自由端からの反射波であって，試験結果には全く影響しない）．
これらひずみパルス
2すると，図 6 のようになる．これより両荷重はよく一致していることから，測定原理における仮定の妥当性が立証できた．つぎに MIS 試験片の圧縮荷重－
変形速度－変形関係を，図 7 に示す．MIS 試験片は圧縮荷重の最大値 Pmax で層間せん断破壊したと考えられるので，この Pmax を式(4)に代入して衝撃層間せん断強度を評価した．図 7 から最大圧縮荷重 Pmax でCompressive force P (kN)から MIS 試験片の両端に作用する圧縮荷重を決定

MIS 試験片がせん断破壊を開始すると圧縮荷重は急

UD-CFRP
1.5

Striker bar velocity: Vs = 6.6 m/s

Pmax

1
Pmax = 1.32 kN
tf = 61 s

0.5

0

激に低下するが，それに対応して変形速度が急激にP1 (Front force)
P2 (Back force)

tf

0

50

100

150

200

Time t (s)

上昇することがわかる．その後，変形速度がさらに上昇し続けるのは，せん断破壊後も MIS 試験片の両

図 6 MIS 試験片両端面に作用する衝撃圧縮荷重の端が初期負荷パルスの持続により圧縮変形を受ける

時間的変化ためである．変形速度が層間せん断強度に及ぼす影響を調べるために，静的及び衝撃層間せん断強度を- 165 -

せん断強度が得られない．そのため，破壊時の変形

8

速度は最大 1.5 m/s 程度に限定される．また，静的及Striker bar velocity: Vs = 6.6 m/s

1.5 P
max

6

.

X



X: FailureP1

 (m/s)

UD-CFRP.

Deformation rate

Compressive force P (kN)

2

4
Pmax = 1.32 kN

0.5
.

0

 = 1.0 m/s
f0ILSS = Pmax/As = 62.2 MPa
f = 0.045 mm

0.1

0
0.3

0.2

Deformation

2

び衝撃層間せん断強度に及ぼす負荷様式の影響も明らかにするため，今後 MIS 試験片を使用して引張り及びねじり試験を実施する予定である．
謝 辞
本研究の遂行にあたり，ご助成いただいた公益財
団法人 ウエスコ学術振興財団に深く感謝致します．

 (mm)
参考文献

図 7 MIS 試験片の衝撃層間せん断試験より得られ[1] ASTM D2344-84: ASTM Standards and Literature

た圧縮荷重－変形速度－変形関係

References for Composite Materials, 2nd Ed.,Interlaminar shear strength ILSS (MPa)

American60

TestingandMaterials,[2] ASTM D3846-79: ASTM Standards and Literature

UD-CFRP

References for Composite Materials, 2nd Ed.,

80
70

for

Philadelphia (1990).

100
90

Society

SHPB (impact)
Instron (intermediate)
Instron (low)Americanfor

TestingandMaterials,

Philadelphia (1990).

50[3] J. Harding and Y.L. Li: Composites Science and40

Technology, 45 (1992), 161-171.

30[4] B. Bouette, C. Cazeneuve and C. Oytana: Composites

20

Science and Technology, 45 (1992), 313-321.

10
0 -6
10

Society

10-5

10-4

10-3

10-2

Deformation rate at failure

10-1

100

101

f / tf (m/s)[5] L. Dong and J. Harding: Composites, 25 (1994),
129-138.
[6] J. Harding and L. Dong: Composites Science and

図 8 層間せん断強度に及ぼす破壊時の変形速度のTechnology, 51 (1994), 347-358.

[7] 横山 隆，中井賢治：材料, 55 (2006), 831-836.

影響[8] H. Kolsky: Proceedings of the Physical Society, B62(1949), 676-700.

５．結 言
一方向強化カーボン／エポキシ複合材（T700/2592）の衝撃層間せん断強度を，MIS 試験片を使用して圧[9] 宮島達也：日本実験力学会 2004 年度年次講演会
講演論文集, (2004), 141-145.

[10] U.S. Lindholm: Journal of the Mechanics and

縮型ホプキンソン棒法により決定する方法を開発しPhysics of Solids, 12 (1964), 317-335.

た．変形速度依存性を検討するために，インストロ
ン試験機による圧縮せん断試験から決定した静的層
間せん断強度と比較した．その結果，層間せん断強度は，変形速度が上昇するにつれて約 1.5 m/s 以下の範囲では増加することがわかった．現状の衝撃速度より大きくすると，MIS 試験片内に動的なつり合いが成立つ前にせん断破壊が生じるので，妥当な衝撃- 166 -

防災気象情報基準を備えた雨量計システムの開発
岡山理科大学 生物地球学部 生物地球学科
佐藤丈晴
近年多発する局所的な集中豪雨によって、全国各地で土砂災害が発生している。雨の降り方が、局所的、集中的に発生することに対して、都道府県や自治体からの情報提供の側面からさまざまな課題が取り上げられている。その中でも避難情報の適切な伝達については、大きな課題となっている。情報提供は自治体の役目であるが人材不足等解決困難な問題が山積している。本研究は、このような公助に頼らず、自助・共助に視点を移し、自分たちの避難情報を確保するために簡易な警戒避難システムを構築する方針に基づき、極小かつ簡易な情報提供システムの開発を試みた。その結果、自治会単位での降雨量を的確に観測・評価し、住民の避難に寄与した。
１．はじめにを設置，避難情報を表示し，当該施設に応じた避難のタイミングを提供する方策が挙げられる。

集中豪雨によって，要配慮者利用施設の被災事例

佐藤（2018）５）は，防災気象情報発表に使用すが数多く報告されている。例えば，岩手県の要配慮

る解析雨量と地上雨量計の雨量値で回帰分析を実施

者利用施設において，利用者 9 名全員が避難の遅れ

し，地上雨量計による防災気象情報の基準値作成方

によって被災した１）。平成 21 年山口県防府市で発生法を提案した。その際に地上雨量計を設置した自治

した土石流災害では，要配慮者利用施設に土石流が体では大雨注意報が 31 回発表された期間中に，地上直撃し大きな被害となった２）。このような状況を踏

雨量計の補正基準は 4 回しか超過しなかった。このまえ，H29 に土砂災害防止法が改正され市町村地域

結果は，対象となる市町村で防災気象情報が発表さ防災計画に定められた要配慮者利用施設は，避難確れたとしても，当該地域では防災気象情報発表に相３）

保計画作成および避難訓練の実施が義務化された 。

当する降雨でなかったことを示している。この方法

筆者は，要配慮者施設における避難計画作成等に

は地上雨量計に付与する基準設定を可能にし，基準関するモデル事業に参画し要配慮者施設の管理者及超過を伝達する方法があれば，施設や自治会等に設

び自治体の方々とワークショップや現地調査に同行置し，警戒避難に利用することができる。

した。要配慮者利用施設には，移動そのものが大変

地上雨量計を用いた警戒避難システムの開発事となる方々もおり，避難訓練も相当な規模となる。

例としては，福岡他（2016）６）がある。福岡他のプ

避難確保計画の策定において，避難開始のタイミン

ロジェクトは，地域住民が理解しやすい降雨指標を

グは，自治体の避難勧告や避難準備・高齢者等避難提案し，web 配信システムを構築することで，いつ開始，あるいは気象庁発表の大雨警報（土砂災害），

でも降雨状況を確認でき，早めの警戒避難に結びつ

土砂災害警戒情報が目安となる４）。しかし，ワーク

ける取り組みである。県市町村などが自主避難に用ショップを行った施設の管理者は，役所からの情報

いるツールとして大変有効なシステムである。しかを待つことなく，前兆現象を確認した際には，直ちしながら，通信コスト，専用サーバが必要となり，に施設内避難を開始する方針とした。避難情報や防規模が大きくなることから，小さな施設や自治会が災気象情報は，ある一定の地域を考慮して発表され独自に運用することを目的としたシステムではない。

るものであり，当該施設を対象とするピンポイント

個々の施設および自治会が自助能力を発揮し，効の情報ではないという意見を踏まえてのものであっ果的な警戒避難に結びつけるためには，その施設周た。この点の改善策の 1 つとして，各施設に雨量計

辺の気象情報を明確に捉え，かつ施設管理者に的確- 167 -

に情報を伝達する必要がある。本研究は，防災気象メールなどで遠隔地への通信，あるいはサイレン，

情報に相当する基準値を付与した地上雨量計に基づ

ブザー等情報伝達の機能拡張は，各種市販品の採用

き，誰もがわかりやすい情報伝達機能を備えた極めを可能にした。

て小規模で簡易な警戒避難システムを開発し，実際

2.1.4 電源に観測を行った事例を報告する。

電源は AC100V を用いる。施設や自治会等で実施する目的のため，電源が近辺にあり常に利用できると考えた。また，提案する警戒避難システムは，降２．システムの概要

雨中はランプが点灯し続けるため，大量の電力を必要とする。事故や停電などに対応するため，観測制

2.1 開発仕様

御器内に蓄電池を内蔵した。ランプが常時点灯した

提案する警戒避難システムは，対象とする施設や場合最大 24 時間までの容量を持つ。

自治会等で降雨量観測を行い，その観測結果を演算してあらかじめ設定しておいた基準値と比較して超2.1.5 時計（時刻補正）

過した場合，警報を表示するシステムである。提案

時計は CPU に内蔵されている。クロック精度の高さのみで CPU を選択するとかなりオーバースペック

する警戒避難システムの概要を図－1 に示す。
2.1.1 リアルタイム方式となるため，現状の内蔵＋GPS 補正という構成とし，雨量計は 10 分単位で観測できる機器を使用し，コスト最適化を図った。毎日午前 2 時に時刻補正を行う。

10 分毎に得られた観測データを用いて演算し，リア

2.1.6 コスト

ルタイムに表示する。

自治会や個別の施設が利用するため，出来る限り

2.1.2 単一センサー対応
提案する警戒避難システムには，当地の降雨量にのコストダウンを図り，独自に購入できる価格帯と基づいたリスク評価を目的としているため，一つのした。そのため，雨量計，観測制御器のみの極めて

雨量計に一つの観測制御器を配置するシステムとしシンプルな構成である。小さな施設が最も重視するた。データロガーを含む観測制御部分を極めてシンランニングコストは，電源のみとした。基準値につプルにし，最大限のコストダウンを図る。

いては，警戒避難システムが設置される場所に応じ

2.1.3 拡張性て初期設定時から付与されており，そのまま設置，提案する警戒避難システムは，10 分毎に得られ運用できる状態とした。

た観測データを用いて演算し表示するのみの最小限
2.2 基本構成の機能しか有していない。しかし，必要に応じて

上記の仕様に基づき本研究で提案する警戒避難システムの基本構成を以下に示す。
2.2.1 観測機器（地上雨量計）
計測機器メーカーが販売している気象庁検定付
きの地上雨量計を用いることができる。転倒マス方式の雨量計から信号パルスを受信し，読み取る設計としている。
2.2.2 観測制御器（写真－1）
本研究は，この観測制御器を開発したものである。
観測制御器は，制御部，データロガー，電源，表示部から構成される。
制御部は，16bit のマイコン制御で雨量のカウン

図－1 システム概要図- 168 -

ントから電源を引き観測制御器に接続する。このAC100V の他に事故および停電用にバッテリーを内蔵した。
表示部は，データロガー正面に 3 色（赤，黄，青）のランプを信号機の並びに取り付けた。これにより誰でも現在の危険度をイメージできるようにした。
夜間の豪雨時でも，数十メートル先からランプははっきりと識別できた。
写真－1

３．開発段階での検討課題と対応策

観測制御器

本システムは 2017 年 6 月に完成し，試行観測を実施している。試行前から懸念された課題とその対応について以下に示す。
3.1 高温（熱）問題
季節を問わず安定的に常時観測を行うためには，
高温・発熱問題を解決しなければならない。今回は防水規格を満たすために密閉性を重視した構造となっている。そこで，観測制御器はやや大きめの 250
写真－2

×400×160(mm)の樹脂製ボックスに格納した。また，

現地観測状況

通気性を考慮し，水を通さず，空気のみを通す構造のものを用いた。

トは最大 1,200mm/10 分まで対応とした。
データロガ
ーは microSD（最大 32bit，FAT32）を用いた。電源発熱問題について対応策を施した観測制御器を

は AC100V である。
雨量計接続ケーブルの短絡や断線用いて 2017 年 6 月から試行観測を行った。
岡山理科

判定機能も搭載し，GPS モジュールによる時刻補正

大学 C2 号館屋上のほぼ日中日向の場所で，
屋上コン

も行う。
観測制御器は，野外に設置することもあり，

クリートに直置きする悪条件にて観測を行い，9 月

豪雨時の水の影響を受ける。そのため，観測制御器

末まで実施した。最も近接した岡山地方気象台のアの防塵防水性は，IP43 クラスの保護能力を備えた樹

メダスデータ７）では，7 月以降 30 度以上の夏日が脂製ボックスに収納した。

64 日，35 度以上の猛暑日が 9 日と，例年以上の猛暑となったが，特に異常は見られず正常に観測したデまた，基準超過などに関する情報をメールなどで遠隔地に発信する場合は，別途市販の通信システム

ータを回収できた。

を取り付けることを可能としている。

3.2 基準超過表示

データロガーは，microSD に保存させる方式を採降雨を観測し，解析した結果安全，注意，危険の用した。
観測値を 10 分間隔で microSD に csv 形式で三段階を表示することを考慮して三つのランプを並保存する仕様である。
観測値は 10 分毎に時刻と観測べることを考案した（写真－1）。しかし観測管理を

値が行方向に保存蓄積される。MicroSD には，10 分

行ううちに，降雨があることを認識しているか，あ毎の観測値保存用の log ファイル，基準値データをるいはある程度のまとまりのある降雨を認識してい含む param ファイル，システム動作確認用の syslog

るかを確認したい意見があり，表示について工夫のファイルの 3 つのファイルが保存される。

必要性が生じた。そこで，赤，黄，青のイメージと合致するような基準を考慮し，基準超過と表示につ電源は通常 AC100V を用いる。施設内外のコンセ- 169 -

図－2図
観測箇
箇所（岡山県
県美咲町）
いて，以下のいの 5 段階とした。
・Level1 青点滅：降雨
雨検知（1mm 以上）

図－3
図
地上雨
雨量計に付与した防災気象
象情報基準値
値

・Lebel2 青点灯：まととまった降雨雨（10mm 以上
上）・Lebel3 黄点灯：注意
意（大雨注意意報相当）・Lebel4 赤点灯：危険険（大雨警報
報相当）・Lebel5 赤点滅：非常に危険（土土砂災害警戒
戒情
報相当）
報
降雨がある
るごとに青色
色の点滅によって，本シスステ
ムが正常に動ム
動いていることを確認でききる。一連降降雨が 10mm 以上となったとき
きに青色が点点灯し，危険度度を知ることがで知できる。注意基準までは土土砂災害の恐恐れが小さいと判が判断し安全をイメージでき
きる青点灯ででよ

図－4
図
10 月 21
2 日～23 日の降雨と基準
準超過いと判断したいた。本警戒避避難システムでで設定できる
るの
は注意，
は
危険，
，
非常に危険
険の三段階の基基準値としたた。

及び観測制御器及器は，ケーブブルで接続されていれば，この基準値はこ
は，現行の気象
象予報で用いいられている 60

任意に設置可能任
能であり，雨
雨量計のみを
を自宅の庭あるる

分間積算雨量
分量と土壌雨量
量指数値の二つつの指標を用用い

いは屋根に取いり付け，観測測制御器を室
室内に設置するるて 1mm 単位でで設定できる。
この基準値
値を 10 分単位位で案も考えられる
案る。

確認表示する確
ることができる。

観測開始時時からの観測デ
データを整理理した。すべてての観測においのて 10 分間雨
雨量を回収した（充足率率４．観測事例
４
例

10
00％）
。基準値
値は，佐藤（22018）の方法
法を基にして，
当該地区の大雨当
雨注意報，大大雨警報（土砂
砂災害）
，土砂
砂

岡山県美咲
咲町においてて，本警戒避難難システムをを設

災害警戒情報に災に相当する地地上雨量計のの基準値を算定定

置し観測を開置開始した（図－2）。当地はは三郡変成岩岩類した。観測デー
しータと基準値
値との関係をを図－3 に示ししに覆われ，岡に
岡山県内でも土砂災害の多多発地域とししてた。基準値と観た
観測データをを確認すると一事例のみ大大知られている知る。平成 27 年と平成年
29 年には集中豪
年豪雨

雨注意報を超過雨
過した。このの事例のハイエトグラフををによって土砂に
砂災害が多発し，合わせてて民家が 3 件
件被

図－4
図
に示した
た。この降雨
雨中に大雨注
注意報が発表さ
さ

８）

災した
災
（佐藤
藤，中島，2015） 。谷部にに集落があり，れたのが，22
れ日の 5 時 533 分であった
た。観測データ
タ

土砂災害危険土険箇所が集中している地域域である。

が大雨注意報基が基準値を超過過した時刻はは 22 日 14 時でで観測機器のの設置状況をを写真－2 に示示した。本観
観測

あり，約
あ
8 時間
間の差を生じじた。

では，自治会で会の防災担当部長宅の庭にに設置し，観観測

22 日 6 時のの美咲町周辺辺のアメダスデータを整理
理

制御器は地上制
上雨量計と同じ位置に設置置した。雨量量計したし （図－5）。このとき，美美咲町の大半
半は，40～50mmm- 170 -

任意の設置箇所に対して任意の基準値を解析して，あらかじめ基準値を付与しなければならない。現時点では，著者が対応しているが，今後の普及を考える上で改善する必要がある。
現在岡山県美咲町の他、奈良県、静岡県、広島県等の地域において本システムを設置、運用を開始しており、その効果を今後評価する予定である。
謝辞
本研究は，公益財団法人ウエスコ学術振興財団の学術研究費助成事業において研究助成を頂き実施し

図－5 10 月 22 日 6 時の等雨量線図ているものである。
ここに記して感謝申し上げます。
の降雨となっていたが，観測地点である美咲町の北西部はまだ 30mm 前後の降雨しかない。
土壌雨量指数
参考文献

値も 52.9mm と大雨注意報基準の 81.2mm を大きく下回っていた。図－5 のように，当該地域のみ雨量値

1)国土交通省砂防部：平成 28 年の土砂災害，p.39，が少ない状況から防災気象情報より基準値超過時刻

http://www.mlit.go.jp/river/sabo/jirei/h28dが遅れた。

osha/H28_dosyasaigai.pdf，参照 2018-05-01，
2018

この豪雨で，美咲町南部の栃原で道路災害が発生
９）が，観測箇所周辺での災

2)古川浩平・海堀正博・久保田哲也・地頭園隆・権害はなかった。美咲町では，10 時 20 分に大雨警報

田豊・杉原成満・林真一郎・池田暁彦・荒木義則・（土砂災害）が発表されたが，警戒避難システムは

柏原佳明：2009 年 7 月 21 日山口県防府市での土大雨警報（土砂災害）の基準値を超過することはな

砂災害緊急調査報告，砂防学会誌，vol.62，No.3，

かった。

p62-73，2009

した（24 日 17 時報告）

3)国土交通省砂防部：土砂災害警戒区域等における土砂災害防止対策の推進に関する法律（H29 改正

５．まとめと今後の課題

後

本

文

）

，

ｐ

.14,

http://www.mlit.go.jp/common/001195611.pdf，

本研究は，防災気象情報に相当する基準値を付与

参照 2018-05-11，2018

した地上雨量計を配置し，誰もがわかりやすい情報伝達機能を備えた極めて小規模で簡易な防災気象シ

4)国土交通省水管理・国土保全局，砂防部砂防計画

ステムを構築することを目的とした。写真－2 で示

課：要配慮者利用施設管理者のための土砂災害避したとおり，極めて簡易で小規模な警戒避難システ

難確保計画作成の手引き，p.24，2017.6

ムであり，電源以外のランニングコストを必要とし

5)佐藤丈晴：地上雨量計観測値に基づいた防災気象

ない。雨量データの観測およびデータ蓄積と観測値

情報基準の設定方法，土木学会論文集 B1（水工を用いて当該地区における防災気象情報基準との比学），Vol.74，No.2，pp.23-31，2018.5

較から，現時点の降雨状況を表示することができた。

6)福岡浩，井ノ口宗成，内山智文，堀松崇，小林雄

自治会の自主避難，要配慮者利用施設の避難確保計

三，木村浩和：裏山雨量計プロジェクトによるデ画，工事現場での豪雨状況表示等さまざまな現場でータ配信と住民の防災意識の変化，平成 28 年度

雨量状況を表示することができる。

砂防学会研究発表会概要集，pp.B-180～B-181，

課題は，基準値をあらかじめ付与する点である。

- 171 -

20167)岡山地方気象台：岡山県の気象（2017 年 6 月～2018
年 4 月まで），
http://www.jma-net.go.jp/okayama/guide/gepp
ou.html，参照 2018-05-06，20188)佐藤丈晴，中島翔吾：大規模崩壊の兆候となる微地形の抽出手法 －天川村における評価事例－，
日本地すべり学会誌，Vol52，No.3，pp.29-33，
20159) 岡山県土木部道路整備課：岡山県道路規制情報，
http://dosei.pref.okayama.jp/dourokisei/index.php，参照 2018-05-06，2018- 172 -

日本産ヤリテンツキ（カヤツリグサ科植物）の系統分類学的研究〜遺伝的な地理的境界線の成立要因の解明〜
岡山理科大学 生物地球学部
矢野 興一
カヤツリグサ科植物のヤリテンツキは多年生草本であり、日本では本州、九州、および南西諸島各島の日当りの良い海岸沿いの草地に生育している。継続的に行われている申請者らの研究から、日本産ヤリテンツキには遺伝的に大きく異なる 3 系統があることが分かってきた。
しかしながら、
なぜこのような遺伝的に異なる系統があるのか、
未だに明らかになっていない。本申請課題では、これらの遺伝的に異なる系統の境界と考えられる地域からヤリテンツキを収集し、その遺伝的多様性を調べることによって、1）DNA 系統の地理的境界はどこにあるのか、2）異なる系統がどのような過程で生じてきたのかを明らかにすることを目的とした。その結果、本州（神奈川県、和歌山県、山口県）・九州（長崎県）
・沖縄本島に広域分布する系統①と南西諸島・台湾に分布する南方系統③との境界は南西諸島にあり、特に系統③の分布の北限は種子島であることがわかった。また、長崎県と佐賀県に局所的に分布する系統②は、過去の気候変動に伴って九州西部のレフュジアに分断された結果、独自に遺伝的に分化した系統であることが考えられた。

はじめにまた、昨年度に新たに検出された長崎県の系統②がどヤリテンツキ（Fimbristylis ovata（Burm. f.）Kern）のような過程で生じたのか未だに明らかにされていなは、カヤツリグサ科植物の多年生草本であり、日当りい。そこで本年度の研究助成では、遺伝的に異なる系の良い海岸沿いの草地に統の境界と考えられる地域からさらなるヤリテンツキ

生育している（図1）。日のサンプルを収集し、その遺伝的多様性を調べること

本では本州（千葉県、神によって、1）DNA 系統の地理的境界はどこにあるのか、

奈川県、和歌山県、山口

2）
長崎県の DNA タイプはどのような過程で生じてきた県）、九州（長崎県、佐のかを、DNA と染色体解析データに基づいて明らかに賀県、鹿児島県）、南西することを目的とした。

諸島各島に分布している材料および方法（初島 2004、山口県高等現在までに日本各地から合計 34 地点 201 個体のヤ

学校教育研究会ほか
2002、星野・正木 2011）。
昨年度の本研究助

リテンツキ標本を収集しており、このうち、今年度の図 1. ヤリテンツキの花穂.

本研究助成によって 2018 年 9 月に長崎県（壱岐島）・成も含め継続的に行われている申請者らの研究から、佐賀県・鹿児島県（種子島）から 6 地点 55 個体を収集

日本産ヤリテンツキには遺伝的に大きく異なる次の 3した。

系統があることが分かってきた (Yano and Hoshino

収集した個体のうち、現在までに染色体解析には 162006、田村 他 2018、2019、矢野 2018)。系統①：本個体、葉緑体 DNA 解析には 201 個体、核 DNA 解析には

州と沖縄本島に分布するヤリテンツキ。系統②：長崎

184 個体を用いた。証拠標本は岡山理科大学標本庫

県に分布するヤリテンツキ。系統③：南西諸島に分布（OKAY）とその一部が東京大学植物標本室（TI）に保するヤリテンツキ。

管している。
解析方法は、昨年度の報告書（矢野 2018）に基づ

しかしながら、これらのヤリテンツキの遺伝的に異いて、染色体解析と DNA 解析を行った。

なる系統の詳細な境界地域は未だに分かっておらず、- 173 -

核 DNA は ITS 領域（610bp から 617bp）を解析し、結果および考察

合計で 19 つ（A〜S）のタイプ（リボタイプ）が認めら

1. 染色体解析れた（図 3）。このうち、長崎県の集団にはリボタイ

これまでに日本産ヤリテンツキの染色体数は 2n=20が知られており (Yano and Hoshino 2006、田村 他

プ A と B の個体が混在していた。佐賀県の集団はすべ

2018、矢野 2018)、今回、系統②の長崎県のヤリテンてリボタイプ B であった。また、種子島の集団はすべツキの染色体数を調べたところ、2n=20 であり、染色てリボタイプ C であり、南西諸島南部や台湾で見られ体の種内変異は見られなかった（田村 他 2019）。なたタイプと同じであった。これらのリボタイプ A と C

お、申請者らによって、現在までに 13 地点 16 個体のは遺伝的に大きく異なっていたが、リボタイプ A と B

日本産ヤリテンツキの染色体解析がされており、すべは最も近縁であった。
そのほかのリボタイプ D〜S は南て 2n=20 であることがわかっている。

西諸島中北部（宮古から奄美大島）で見られ、リボタ
イプ A と C の両方の塩基配列を共有していることがわ

2. DNA 解析

かった。

葉緑体 DNA は 3 領域（rpL16 intron、rps16 intron、

trnL intron & trnL-F IGS）約 2900bp を解析しており、
日本産ヤリテンツキには、合計で 4 つ（a〜d）のタイ
プ（ハプロタイプ）が認められた（図 2）。このうち、長崎県の集団にはハプロタイプa とb が混在していた。
佐賀県の集団にはハプロタイプ b であった。また、種子島の集団はハプロタイプ d であり、新たなタイプが検出された。また、ハプロタイプ間の系統関係を調べた結果、ハプロタイプ d は、これまでにわかっている
系統③の南西諸島のタイプと最も近縁であることがわかった。

図 3. 核 DNA ITS 領域のリボタイプの地理的分布．
19 つのリボタイプが認識された（A〜S）．各タイ
プの円の大きさはサンプル数を示す.
今回の解析結果とこれまでの結果から、現存している日本産ヤリテンツキの葉緑体 DNA には遺伝的に大きく異なる 3 系統があり、その分布は次の通りである。
系統①は本州（神奈川県、和歌山県、山口県）、九州（長崎県）、沖縄本島のヤリテンツキ。系統②は長崎県と佐賀県に局所的に分布するヤリテンツキ。系統③は種子島以南の南西諸島および台湾のヤリテンツキ（図 4）。したがって、系統①は比較的に広域分布す
図 2. 葉緑体 DNA 領域のハプロタイプの地理的分る系統であり、系統③は南方系の系統であり、その境

布．4 つのハプロタイプが認識された（a〜d）．各

界は南西諸島になり、特に系統③の分布の北限は種子タイプの円の大きさはサンプル数を示す.

島であることが明らかとなった。
さらに、
核 DNA から、
南西諸島中北部（宮古から奄美大島）において、系統①と系統③の交雑が起きていることが示唆された。

- 174 -

星野卓二・正木智美（2011）日本カヤツリグサ科植物図譜．229pp．平凡社,東京.
池田 啓・瀬戸口浩彰（2007）地球環境変動による植物の分布の変化と遺伝的構造．清水健太郎・長谷部光泰監修：植物細胞工学シリーズ 23 植物の進化－
基本概念からモデル生物を活用した比較・進化ゲノム学まで．pp.153-160．秀潤社,東京.
田村優希・齊藤由紀子・矢野興一（2018）日本産ヤリテンツキ（カヤツリグサ科）の遺伝的多型．日本植物分類学会第 17 回大会研究発表要旨集．p.50．日
図 4. ヤリテンツキの 3 系統の地理的分布図．

本植物分類学会第 17 回大会実行員会.

また、系統②は九州西部の非常に狭い地域に特異的

田村優希・齊藤由紀子・池田 博・矢野興一（2019）であることがわかった。日本列島の植物の遺伝的な分日本産ヤリテンツキ（カヤツリグサ科）における遺化は、第四紀の氷期・間氷期の繰り返しによる気候変伝的多型の地理的構造．日本植物分類学会第 18 回動が大きな影響を与えているとされている（Yano et al.

大会研究発表要旨集．p.54．日本植物分類学会第2010）。特に、植物種は氷期・間氷期にそれぞれの生

18 回大会実行員会.
中西弘樹（1996）九州西廻り分布植物：定義，構成，育適地（レフュジア）に分布を縮小させていたことが起源．植物分類, 地理 47(1):113-124

報告されており、この地理的に隔離・分断されたレフ
ュジアにおいて、種の分布が縮小し、集団が細分化さ山口県高等学校教育研究会・生物部会・山口県野外植れることで、地域集団間の遺伝的分化が起こったと推物研究委員会（2002）山口県の海岸植物 1999～

定されている (池田・瀬戸口 2007)。中西（1996）に2001 年の調査報告．206pp．山口県高等学校教育研

よると、九州西部にも南方系の植物種のレフュジアが究会・生物部会・山口県野外植物研究委員会, 山口．

あったと考えられており、ヤリテンツキ系統②は九州

矢野興一 (2018) 日本産ヤリテンツキの（カヤツリグ

西部のレフュジアで独自に遺伝的に分化した系統であサ科植物）の系統分類学的研究．平成 29 年度公益ると考えられる。

財団法人ウエスコ学術振興財団 研究成果報告書集．
pp.70-71．
公益財団法人ウエスコ学術振興財団, 岡山．

謝辞

Yano O, Hoshino T（2006）Phylogenetic relationships

本研究は、田村優希氏の協力を得て行いました。また、サンプルの収集には、池田 博准教授（東京大学）、

and chromosomal evolution of Japanese

斉藤由紀子准教授（琉球大学）および矢野研究室の皆Fimbristylis (Cyperaceae) using nrDNA ITS and様に御世話になりました。記してお礼申し上げます。

ETS 1f sequence data. Acta Phytotax Geobot

最後になりましたが、本研究を行うにあたり、平成 29

57:205-217.
Yano O, Ikeda H, Hoshino T（2010）Phylogeography

年度・30 年度に研究助成をして頂きましたウエスコ学

of Japanese common sedge, Carex conica complex

術振興財団に深謝いたします。

(Cyperaceae), based on chloroplast DNA sequencedata, and chromosomal variation. Am J Bot 97:

参考文献

1365-1376.

初島住彦（2004）九州植物目録．鹿児島大学総合研究
博物館研究報告 No.1．343pp．鹿児島大学総合研究
博物館, 鹿児島.

- 175 -

運動は炎症性腸疾患を予防するポジティブ・アクションとなりうるか？
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，炎症性腸疾患モデルであるデキストラン硫酸ナトリウム誘導性大腸炎マウスを用いて，自発運動の実施が大腸炎症状に及ぼす効果について検討を行った。その結果，3 週間の自発運動の実施により，DSS
大腸炎症状である体重減少，疾患活動指数の上昇および大腸の短縮が抑制される傾向が観察された。一方で，この抑制効果は 1 週間の自発運動実施では観察されなかった。以上の結果は，マウスにおいて自発運動の実施により DSS 誘導性大腸炎を抑制できる可能性があり，その抑制効果には運動期間が影響することを示唆するものであった。

めには，より一層の知見の蓄積が必要である。

[緒言]
炎症性腸疾患（Inflammatory Bowel Disease ; IBD）

そこで本研究では， DSS 誘導性大腸炎マウスを用

は，主にクローン病（Crohn Disease ; CD）と潰瘍

いて，運動の実施が大腸炎に及ぼす影響とそのメカ性大腸炎（Ulcerative Colitis ; UC）に大別される

ニズムについて明らかにすることを目的として検討

炎症性疾患であり，国の指定難病である。IBD の発を行った。

症には，遺伝要因および環境要因が影響することが[方法]知られている。さらに近年では，前述の要因により影響を受けると考えられる腸内細菌の関与が知られ実験動物：実験には 6 週齢の雄性 C57BL/6J マウスており，その全容は未だ不明な点も多い。一方で，（日本 SLC）を用いた。マウスは予備飼育ののち，

IBD の発症は青年期で観察されることが多く，環境

安静群（SED 群），1 週間運動群（1WEX 群）および 3

要因の影響を長期間受けていることが推察されるこ週間運動群（3WEX 群）に振り分けた。その際，各グとから，環境要因により制御できる可能性も期待さ

ループ間で平均体重値および分散に差異が出ないよれる。

うに留意した。
飼育条件は室温 21℃〜24℃，
湿度 40%

運動が IBD，特に UC に対して抑制的に作用する可〜60%および 12 時間毎の明暗サイクル（明期 8:00〜

能性について，ヒトおよび実験動物を対象とした報

20:00，暗期 20:00〜8:00）とし，全てのマウスは個告がなされている。Elsenbruch ら（Psychother

別ケージにより飼育した。飼料および飲料水は自由

Psychosom, 2005）は UC 患者を対象とした調査にお摂取とした。実験は倉敷芸術科学大学動物委員会のいて，中等度の運動を含む 10 週間のプログラムを実承認を受けた上で，倉敷芸術科学大学の動物実験指施した結果，UC 患者の IBD 特異的 QOL 尺度が改善さ針を遵守し行った。

れたと報告している。また Cook ら（Brain Behav
実験プロトコール：

Immun, 2013）は UC モデルとして知られるデキスト
ラン硫酸ナトリウム（Dextran Sulfate sodium：DSS）

飼育は全てのグループで同時に開始した（図 1）。

誘導性大腸炎を用いた報告から，自発的な運動によ大腸炎誘導前の事前飼育期間は，予備飼育期間を 1り大腸炎症状が軽減されたことを報告している。一週間および運動実施期間を 3 週間とした。自発運動

方でこれらの抑制／軽減メカニズムは明らかとはな

は飼育ケージ内にワイヤレス型ランニングホイールっておらず，「UC に対する運動療法」を確立するた（ブレインサイエンス・イデア）を設置することで- 176 -

実施させた。このシステムは，機器本体（レシーバ

ポストホックテストとしてボンフェローニテストをー）に円形のランニングホイールを設置することで行った。有意水準は 5%とし，以上の解析は GraphPad

運動実施が可能となるとともに，その運動量につい

Prism 5 for Mac（GraphPad）にて行った。

てホイールの回転数から定量できるものであった。
運動実施期間中，3WEX 群には自発運動を 3 週間実施

[結果]させた。1WEX 群は，運動実施期間の最初 2 週間はレ

1. 自発運動が DSS 摂取による体重変化に及ぼす影響（図 2）

シーバー部分のみ設置してホイール運動を実施できない形で飼育し，最後の一週間のみランニングホイ

全ての群において，DSS 非摂取群（未発表データ）ールを設置して運動を実施させた。SED 群は運動期に比べ，DSS 摂取により体重の減少が観察された。

間中，レシーバーのみを設置し飼育した。

自発運動の影響については，SED 群に比べ 3WEX 群において体重の減少が有意に抑制された。一方，1WEX
群においては，体重減少への抑制傾向は観察されなかった。

DSS 大腸炎の誘導と評価
運動期間終了 72 時間後，DSS 大腸炎の誘導を開始した（図 1）。DSS 大腸炎は先行研究を参考に，DSS（MP バイオメディカル）
を 1.5%濃度になるよう蒸留
水で溶解した溶液（DSS 溶液）を，飲料水として自由摂取させることで誘導した。DSS 溶液の摂取期間
は 7 日間とした。
DSS 大腸炎の重症度は，体重変化量の単独評価に加え，体重変化量，便性状および便への血液混入の有無をスコア化することで評価する疾患活動指数（Disease Activity Index ; DAI）と大腸長により評価した。上記 DAI 項目は DSS 溶液摂取期間中，毎2. 自発運動が DSS 摂取による DAI に及ぼす影響（図

日測定した。DSS 溶液摂取 7 日目の DAI 項目測定終3）

了後，マウスより血液および大腸組織を採取した。

全ての群において，DSS 摂取により DAI 値の上昇

血液は遠心分離を行い，血漿を回収した。大腸組織が観察された。自発運動の影響については，SED 群

は，長さを測定したのち，組織標本作成および炎症に比べ3WEX 群においてDAI 値の上昇が抑制される傾関連因子測定に用いた。

向を示し，7 日目において有意に低値を示した（p<0.01）。一方，1WEX 群においては，DAI 値上昇へ

統計処理の抑制傾向は観察されなかった。

データは平均値±標準偏差で示した。体重および DAI は，繰り返しのある二元配置分散分析を行い，ポストホックテストとしてボンフェローニテストを

3. 自発運動が DSS 摂取による大腸長に及ぼす影響（図 4）行った。また，大腸長は一元配置分散分析を行い，全ての群において，DSS 非摂取群（未発表データ）- 177 -

UC が，より幼少期に発症する疾患に比べ，環境要因に比べ，DSS 摂取により大腸の短縮が観察された。

による制御を期待できる疾患である可能性を示唆するものである。
本研究で用いた DSS 大腸炎は短期間で再現性よく大腸炎を発症する実験モデルであり，UC モデルとして汎用されている。本研究の結果，DSS 摂取による体重減少がSED 群に比べ3WEX 群において有意に抑制された（図 2, p<0.01）。一方で，1WEX 群では体重減少に対する抑制効果は観察されなかった。体重はDSS 大腸炎における典型的な変化項目の一つであり，大腸の組織の障害とともに摂食量および摂水量の減
少により引き起こされることが知られている。本研
究の結果は，自発運動により DSS 摂取による体重減
少が抑制される可能性があること，またその効果は一定期間以上の運動実施により発現することを示唆
自発運動の影響については，SED 群に比べ 3WEX 群にするものであった。また，DSS 大腸炎指標に用いら

おいて大腸の短縮が抑制される傾向が観察された。

れる DAI も体重と同様に SED 群に比べ 3WEX 群におい一方，1WEX 群においては，大腸短縮への抑制傾向はて抑制される傾向が観察された。さらに大腸炎によ観察されなかった。

り引き起こされる大腸長の短縮も SED 群に比べ 3WEX
群において抑制される傾向が観察された。摂食量および摂水量も影響する指標である体重のみならず，[考察]
UC の発症は遺伝要因および環境要因により引き大腸炎の直接的な指標である DAI および大腸長にお起こされることが知られており，その発症機序は不いても 3 週間の運動による大腸炎抑制効果が観察さ明な点も多い。一方で，UC は青年期での発症が最もれたことは，運動の大腸炎抑制効果をより明確に示

多く，
幼児期での発症は少ないことが知られており，したものであると考えられる。以上の結果は，マウ

多くの場合に UC 発症までの環境要因の暴露期間がスにおいて一定期間以上の自発運動の実施により長い（〜15 年以上）ことが推察される。このことはDSS により引き起こされる大腸炎が抑制される可能性を示唆するものであった。
本研究で観察された運動期間による抑制効果の違いは，運動による大腸炎抑制効果のメカニズムを明らかにする上で重要なヒントを有する可能性を示唆
している。
即ち，
SED 群と 3WEX 群の比較のみならず，
1WEX 群と 3WEX 群を比較することで，多岐にわたる
運動実施による生体の変化のうち，より大腸炎抑制に重要な要因を明らかにすることができると期待できる。これらを明らかにする為，現在，血漿サンプ
ルおよび大腸組織サンプルについて分子生物学的／組織学的に評価を行なっている。
今後は本研究で観察された結果および現在解析中のデータをもとに，抑制候補因子に対する阻害実- 178 -

験を加え，その抑制機序について検討を進める予定
である。
[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。

- 179 -

筋音図・筋電図を用いた筋コンディションの定量評価法の開発
倉敷芸術科学大学
枝松千尋（概要）一般的に、アスリートのパフォーマンスには不確定な部分が多く、大事な試合に向けてコンディショ
ンを整えることは必要不可欠だが難しい。また、高齢者に対するリハビリを含めたトレーニングの効果を判定する際には、実際の生活では効果を実感しているものの、筋力や体力測定等の結果に反映されないことも多い。
そこで、本研究では筋コンディションの定量評価法の開発の一助として、
筋音図と筋電図の同時測定によって、腓腹筋の筋コンディションを定量的に評価できるかを明らかにすることを目的とした。被験者は健康な成人男
性 5 名、対象筋は右脚の腓腹筋内側頭とした。筋音図・筋電図の測定には、同時測定が可能な Measee システムを用いた。筋コンディションは、ウォーミングアップによって向上し、筋疲労によって低下し、マッサージによって回復すると仮説を立て、それぞれの条件で筋音図・筋電図を計測した。その結果、等尺性筋力発揮中の腓腹筋内側頭近位部の筋音図において、筋コンディションの評価ができる可能性が示された。しかしながら、今後更なる測定方法の改良を重ねる必要がある。
Ⅰ. 緒言

れるような筋の持続的な拡大変形を観察でき、筋の一般的に、アスリートのパフォーマンスには不確収縮特性を調べるのに有益とされる 5） 。一方、加定な部分が多く、大事な試合に向けてコンディショ

速度型は皮膚表面上で筋線維の膨張方向の振動を測ンを整えることは必要不可欠だが難しい。また、高定するが、筋収縮に伴う四肢の動きによってノイズ

齢者に対するリハビリを含めたトレーニングの効果が入り易く定量的な評価が難しい 5） 。そのため加を判定する際には、実際の生活では効果を実感して速度型は、測定部位（筋）をしっかりと固定しなけいるものの、筋力や体力測定等の結果に反映されな

ればならない 5）。本研究では、運動中でも測定可能

いことも多い。その課題の解決策として、本研究はな変位型を用いて実験を行うこととする。本研究で生理学的指標を用いて筋コンディションを評価するは筋音図と筋電図の同時測定が可能な Measee シス

方法を検討する。

テムを用いた。Measee システムの筋音図・筋電図セ

筋機能の生理学的指標として、筋音図と筋電図がンサーの被験筋への標準的な取り付け方法は専用のある。現在、筋疾患の臨床診断においては、筋電図

バンドを使用した固定である。しかし、この方法でが用いられることが多い１,2,3）。筋電図は、運動単位

は他の筋の収縮による周囲径変化の影響を受ける可活動電位の伝播による電気的活動を記録する。
一方、能性があるため、別の方法によるセンサーの取り付

筋音図は生体表面に振動（加速度）センサーや変位け法を検討する必要がある。

レーザーセンサーを貼付し、骨格筋収縮に起因する

一方、腓腹筋は下腿後面の浅層に位置するパワフ

微細な振動や表面変位を記録する。筋音図は筋の機ルな筋肉である。その働きは、走・跳などのスポー

械的な機能を反映し、筋電図とは異なる特性を備え

ツ動作や日常動作で非常に重要な役割を果たす 8）。

ているため、筋疾患や筋疲労を診断する独自の検査

本研究では、アスリートや高齢者の筋コンディショ

法として、岡らのグループによって研究がなされてンへの応用を想定していることから、被験筋を腓腹いる１,2,3,4,5）。

筋とする。

筋音図には、加速度型、変位型といった２種類が以上のことから、本研究は筋音図と筋電図の同時ある。変位型は、レーザー光で対象筋との距離を測計測によって、腓腹筋の筋コンディションを評価でる方法である

3,5)

きるかを検討することを目的とする。

。ノイズが入りにくく、強縮に見ら- 180 -

認を得て行われた。
3. 解析

Ⅱ. 方法

解析方法として LabChart を使用した。
筋電図につ

1. 被験者
被験者は健康な成人男性 5 名（年齢 21.2±1.6 歳、

いては、全波整流した後に積分値にて筋放電量を求

身長 171.8±4.6cm、体重 60±5.9 ㎏）とした。

めた。
筋音図についてはカットオフ周波数 10Hz にて

2. 測定方法

デジタル・ローパスフィルターをかけた後に、筋音

被験者の右脚の腓腹筋内側頭（MG）に、十分な皮

振れ幅（最大値と最小値の振幅）を求めた。さらに膚処理の後に筋音図・筋電図センサー（Measee シス

筋音図を微分し筋音速度の立ち上がり速度と立ち下テム）を貼付した。筋音図・筋電図センサーは、MG

がり速度を求めた。測定値としては、５回の最大底の近位・遠位の 2 カ所に医療用両面テープを用いて屈のうち２～５回目の平均値を用いた。
統計処理は対応のある一元配置分散分析を行った。

貼り付けて固定した。センサーを貼る位置は、膝裏有意水準は 5％とした。

を 0％、MG からアキレス腱への筋腱移行部を 100％とし、30％と 70％の位置に一直線になるように固定した 8）。

Ⅲ. 結果
1. 自覚的コンディション

静的な筋力発揮時と動的な筋力発揮時の筋電図・筋音図の測定を行った。静的な筋力発揮は右足関節

図 1 に自覚的コンディションの結果を示す。Pre

底屈の等尺性最大筋力発揮（MVC）とし、動的な筋力条件に対して WUP 条件で有意に向上した。WUP 条件

発揮はカーフレイズとした。MVC は、等速性筋力測に対して FT 条件で有意に低下した。

定装置（KINCOM-500H）を用いて、被験者を伏臥位に

2. MVC 時の最大底屈力および力の立ち上がり・立
ち下がり速度て右脚の膝関節角度 180°及び足関節角度底屈位10°で固定し測定した。その際に 1 秒間の最大努力

図 2 に力の等尺性最大筋力の結果を示す。有意なの底屈、1 秒間の弛緩を 5 回連続で行わせ測定した。

差はなかったものの、ウォーミングアップを行うこ

カーフレイズは、立位にて 30bpm で 10 回行わせた。

とにより 5 名中 4 名の被験者の力の最大値は大きく最初にウォーミングアップ・ストレッチ等を行わなった。FT 条件および MS 条件には、各被験者に共通する変化はみられなかった。

ない状態で pre 条件を測定した。同一日にウォーミ
ングアップを行い、ウォーミングアップ条件（WUP

図 3 に力の立ち上がり速度の結果を示す。力の立条件）の測定を行った。次に 1 週間のトレーニング

ち上がり速度はWUP条件に対してMS条件が有意に低により筋疲労を起こさせ 1 週間後に疲労条件(FT 条下した。FT 条件に対して MS 条件で 5 名中 4 名の被件)の測定を行った。さらに、FT 条件と同一日にマ

験者の力の立ち上がり速度が低下した。力の立ち下ッサージ条件（MS 条件）の測定を行った。筋コンデがり速度には各被験者に共通する変化はなかった。

ィションを変化させるためのウォーミングアップの

3. MVC 時の MG 近位部の筋電図・筋音図

内容は、200ｍジョグ、ラダー10 往復、ホッピング

図 4 に MVC 時の MG 近位部の筋電図・筋音図変化を

20 回とした。筋疲労は、毎日 200 回のカーフレイズ示す。筋音図変化は筋力発揮時にセンサー部から皮を 1 週間行わせた。マッサージはストレッチポール

膚までの距離が、通常は短縮する(0mm に近づく)。

を用いた筋膜リリースマッサージとし、腓腹筋を対しかし、今回の実験では筋力発揮時にセンサー部か象として 5 分間のセルフマッサージをさせた。

ら皮膚までの距離が増大する被験者もいた。

自覚的コンディションとして、各条件測定後に 5

図 5 に MG 近位部の筋音振れ幅を示す。
筋音振れ幅回程度のホッピングを行った際の筋コンディションは、有意な差はなかったものの、pre 条件に対してを 10 段階で評価させ、聞き取りによって調査した。

WUP 条件で 5 名中 4 名の被験者の筋音振れ幅が大き

なお、本研究は倉敷芸術科学大学倫理委員会の承くなった。他の条件間には各被験者に共通する変化- 181 -

はみられなかった。筋放電量では、pre 条件に対し筋力と同様に pre 条件に対して WUP 条件で大きくなて WUP 条件で放電量が大きくなることはなかった。

る傾向であった。筋放電量には変化がみられないこ

筋音の立ち上がり速度は、条件間に有意な差はなとから、筋放電よりも筋音振れ幅の方が筋力発揮のく各被験者に共通する変化もなかった。図 6 に筋音

状況を反映している可能性が考えられた。また、筋の力の立ち下がり速度の結果を示す。筋音の力の立

音の立ち下がり速度は pre 条件に対して WUP 条件でち下がり速度は、有意な差はなかったものの、pre

速くなる傾向であった。これはウォーミングアップ

条件に対して WUP 条件で 5 名中 4 名の被験者の力のによって筋コンディションが向上し、筋の粘性低下

立ち下がり速度が速くなった。

7)

4. MVC 時の MG 遠位部の筋電図・筋音図

らわしている可能性がある。

によって素早く脱力できるようになったことをあ筋放電量、筋音の振れ幅・立ち上がり速度・立ちMG 遠位部の筋音・筋電図については MG 近位部に下がり速度の条件間に有意な差はなかった。各被験

おける WUP 条件と同様の変化はみられなかった。MG

者に共通する変化もなかった。

遠位部は羽状角が小さいため筋線維が発揮する筋

5. カーフレイズ時の筋電図・筋音図（近位部・遠力・筋線維長変化の余弦成分が大きく、そのためカーフレイズにおいて筋活動が高まる 8)。しかしなが位部）
筋放電量、筋音の振れ幅・立ち上がり速度・立ち

ら、変位式筋音図変化を考えた場合、羽状角の大き

下がり速度の条件間に有意な差はなかった。各被験

い MG 近位部は正弦成分が大きく筋の横断方向（深さ

者に共通する変化もなかった。

方向）の変化が大きい可能性がある。Bolsterlee etal.は腓腹筋内側頭の受動的な長さ変化と筋形状のⅣ. 考察

変化の関係について調査し、30%付近（近位）の深さ

本研究では、MG の筋コンディションの状態はウォ方向の変化（筋厚変化）が大きく、70%付近（遠位）ーミングアップによって向上し、疲労によって低下の筋厚変化はほとんど無いこと報告した 9)。このこ

し、マッサージによって回復するのではないかと仮とから、本研究において、遠位部ではなく近位部の説を立てて、その変化を筋電図・筋音図で評価でき

筋音図に、条件による差異がみられたのではないか

るかを検討した。

と考えられた。つまり、MG の筋コンディションを評

その結果、各個人の自覚的コンディションは、おお価する場合は、近位部の筋音をターゲットとすればよそ仮説の通りであった。しかし、最大筋力は、仮よい可能性が考えられた。ただし、筋収縮中の筋音

説の通りにはならなかった。ウォーミングアップを

図変化について、基本的には筋収縮によって筋厚が行うことにより力の最大値は大きくなる傾向であっ

増しセンサーとの距離が減少するが、被験者によったが、FT 条件と MS 条件には被験者に共通する変化てはセンサーとの距離が増大する被験者もいた。こはみられなかった。このことから、FT 条件の設定にれについては、腓腹筋は羽状筋であるために紡錘筋

おいて 200 回/日のカーフレイズの実施では筋を疲のように筋収縮の際に一様に膨張方向へ変形するの労状態にできなかった可能性が考えられた。また、ではなく、部位によっては筋厚が大きく増す部位と、MS 条件については、先行研究の越智らの結果では、

そうではない部位が存在する可能性があり、このた

1 分×2 回の最大静的ストレッチによって最大筋力

めに Measee 電極の台座部分の筋収縮による隆起がが低下していた 6)。しかしながら、本研究の MS 条件

大きく、それに対してセンサー部の隆起が小さけれにおいて、力の立ち上がり速度には低下傾向がみらば、まるで筋収縮によって筋厚が減少するようにみれたものの、最大筋力の低下はみられなかった。こえるのではないかと考えられた。つまり、バンドにれは本研究で用いた筋膜リリースマッサージの時間

よる電極の固定ではなく、今回のような両面テープ

および強度が足りなかった可能性が考えられた。

による電極の貼付固定の場合においては、羽状筋の筋音図計測は難しいのかもしれない。このことにつ

筋音図について、MG 近位部の筋音振れ幅は、最大- 182 -

バイオメカニズム，20(0)，207-216，2010

いては、今後、対象とする筋の選定および測定方法
5)についてさらに改良を重ねる必要がある。さらに、

岡 久雄，
栗山 雄樹，
渡辺 彰吾，
北脇 知己，

今回の方法ではカーフレイズを用いた筋コンディシ

岡本 基：フォトリフレクタを用いた変位

ョンの評価の実現可能性はなかった。フィールドでMMG センサの開発，電子情報通信学会技術研

筋コンディションを評価する場合、カーフレイズの究報告 ，107(541)，77-80，2008
6)

ような器具を用いない単純な動作で行うことができ

越智亮，中村雅俊，梅垣雄心，小林拓也，西れば、大変有用である。今後は、このことについて

下智，梅原潤，田中浩基，岡久雄，市橋則明：も測定方法の改良を重ねる必要がある。

スタティックストレッチング後の腓腹筋最大随意収縮時の筋音図変化，理学療法学
Supplement，2014(0),1367,2015

Ⅴ. 結論
7)

本研究では、筋コンディションの定量評価法の開

公益財団法人 日本体育協会：公認アスレテ

発の一助として、筋音図と筋電図の同時測定によっィックトレーナー専門科目テキスト 第 6 巻て、腓腹筋の筋コンディションを評価できるかどう

予防とコンディショニング
8)

かを明らかにすることを目的とした。その結果、等

枝松千尋，飯田智行：運動様式が腓腹筋内側尺性筋力発揮中の近位部の筋音図において、筋コン

頭の筋活動部位に及ぼす影，第 21 回日本バディションの評価ができる可能性が示された。しかイオメカニクス学会大会論集，2010
9)

しながら、今後更なる測定方法の改良を重ねる必要

Bolsterlee B, D'Souza A, Gandevia SC,
Herbert RD: How does passive lengtheningがある。

change the architecture of the human
medial gastrocnemius muscle?, J Appl

【謝辞】

Physiol, 122(4), 727-738, 2017

本研究を遂行するにあたり、研究課題として採択いただいた（財）ウエスコ+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いたします。
【参考文献】
1)

渡辺彰吾，北脇知己，岡久雄：筋内圧力測定による筋音図発生メカニズムに関する考察，
電子情報通信学会技術研究報告，104(756)，
17-20，2005

2)

渡辺彰吾，北脇知己，岡久雄：筋音と筋張力を用いた筋線維別収縮および疲労特性の評
価，電子情報通信学会技術研究報告，
105(221)，27-30，2005

3)

渡辺彰吾，北脇知己，岡久雄：筋内圧力および生体表面の変位に着目した筋音図発生メ
カニズムの検討，
バイオメカニズム，
18(0)，
209-218，2006

4)

渡辺彰吾，北脇知己，岡久雄：変位筋音図のFusion index 曲線と筋線維構成比との関係，- 183 -

- 184 -内向き整流性 K+チャネル遮断ペプチドの探索と作用の解明
倉敷芸術科学大学生命科学部
岡田誠剛
内向き整流性 K+チャネルは多くのサブタイプがあり、様々な細胞で多様な生理的役割を果たしている。同チャ
ネルファミリーの一つである ROMK(Kir1.1, KCNJ1)は腎で K+分泌に貢献するだけでなく、脳にも発現しているが、その役割は未解明である。本研究で我々は、ROMK 遮断作用を持つハチ毒由来のペプチド Tertiapin をマウス脳室内に投与し、うつ様行動、不安様行動を検討した結果、抗うつ作用と不安誘発作用があることを見出した。Tertiapin のアミノ酸に変異を導入し、ROMK 遮断の構造活性相関を明らかにした。これまで、うつ、不安障
害治療の標的にとして考えられていなかった内向き整流性 K+チャネルの標的としての有望性を示している。

14

「緒言」
Q

内向き整流性 K+チャネルは 15 のサブタイプからH

なり、様々な組織に発現し、多様な生理的役割を果たしていると考えられるが、各サブタイプが各々の臓器で果たす役割は未解明の点が多く残されている。
+

内向き整流性 K チャネルファミリーの一員である
ROMK(Kir1.1, KCNJ1)は腎臓ヘンレループ上向脚、遠

P

L

I

A
I

R

C

W

C
5

R

K

N

3

K

C

C

N

G

18

K

K

NH2

図 1. Tertiapin の環状構造とアミノ酸配列

位尿細管、集合管に発現し、Na+吸収と共役した K+分泌への関与がよく知られており、その阻害薬は降圧

本研究は、1)Tertiapin の脳室内投与によって薬としての開発が試みられている(Tang et al.,ROMK の中枢作用を検討する。2) TPN-RQ の Kir2.1 の2016)。ROMK は腎だけでなく、中枢神経系に発現し遮断活性を検討する。3)アミノ酸変異を導入したているがそこでの役割は未解明である。近年、ROMK

Tertiapin を合成し、ROMK 遮断に必要な構造を解明と精神疾患との関連が示唆されている。例えば、うすることを目的として研究を行った。

つ患者脳では ROMK 発現が 2.5 倍に増加している(Smolin et al., 2012)、開放的な性格は ROMK 遺伝「結果」

子と連鎖している(Amin et al., 2013)などが報告

１） Tertiapin の抗うつ作用と不安誘発作用されている。

ICR マウス(6 週齢)に TPN-RQ と遮断活性がほとんど

Tertiapin はヨーロッパミツバチ毒液から単離さない Tertiapin-Cys3Ser（C3S）(後述)を脳室内投与れた 21 アミノ酸のペプチドであり、分子内に 2 つし、尾懸垂試験で抗うつ活性を検討した。TPN-RQ のの SS 結合をもつ環状の構造している(図１)。

用量依存的な無動時間の減少が認められ、Tertiapin は ROMK と GIRK(Kir3.1/2, kcnj3/6)遮断Tertiapin-RQ の抗うつ活性が示唆された（図２左）。

活性があることが報告されているが、Kir2.1(IRK,

C3S も同じ傾向を示したが有意差はなかった。強制

kcnj2)は遮断しない。Hilder らは ROMK 遮断薬の水泳試験でも TPN-RQ 投与で無動時間の短縮が認め

Tertiapin の Ile-8 を Arg（TPN-RQ）に置換すると、られ、抗うつ作用が確認できた。

Kir2.1 も遮断する可能性があることをコンピュー
ターでシュミレーションした(Hilder and Chung、2013)。

- 185 -

3)アミノ酸変異を導入した Tertiapin の ROMK 遮断、並びにマウス行動への作用
次に、Tertiapin のアミノ酸配列に変異を導入し、ROMK 遮断に必要な Tertiapin の構造を検討した。まず、全長ではなく各部分 8 アミノ酸の断片を合成したが、いずれにも活性は認められなかった(表)。次に環を形成する 2 つの SS 結合を 1 つに減らした変図２．Tertiapin の尾懸垂試験による抗うつ作用（左）異体にも活性は認められなかった。同様に SS 結合と、高架式十字迷路における不安誘発作用（右）関与する 4 つの Cys を順に Ser に置換したところ（C3S、C5S、C14S、C18S）、いずれにも活性が認めら

次に、マウスの不安様行動への作用を高架式受持

れず、環を形成する SS 結合の重要性が示唆された。

迷路で検討すると、Tertiapin-RQ 投与で open arm

次に Tertiapin の環内 Ile、Arg のアミノ酸を欠失

entry と滞在時間の減少が見られ、不安感、恐怖心させて環を小さくしても活性は減弱した。逆に環内を強くしていることが示唆された(図２右)。この不に Ile の数を増やしても活性は消失した。したがっ

安促進作用は、オープンフィールド試験でも認めらて、Tertiapin の ROMK の結合には 2 つの SS 結合にれ、TPN-RQ 投与で運動量と central entry の減少がよって形成される環状構造が必須であり、その環の見られ、不安感、恐怖心を強くしていることが示唆

大きさも重要であることが示唆された(表)。

された。さらに、明暗箱試験でも TPN-RQ 投与で、次にアミノ酸を 1 つずつ Ala に変異させると、6、Light box 滞在時間と Light/Dark の移行回数の減少

7、20、21 番目の塩基性のアミノ酸が遮断活性に必が認められ、本化合物の不安誘発作用が確かめられ要であることが示唆された（表）。
Tertiapin は、ROMK だけでなく、GIRK1/2 チャネ

た。

ルも遮断することが知られている。そのため、上記
２） Tertiapin-RQ は Kir2.1 を遮断しなかったの抗うつ作用、不安誘発作用が ROMK の遮断による

Hilder らのシミュレーションは、Tertiapin の I8Rかは区別できない。そこで Tertiapin の His-12 を変異体(TPN-RQ)は ROMK だけでなく Kir2.1 も阻害すLeu への変異を入れると(TPN-QL)、ROMK の遮断活性る可能性を示した。そこで、我々の同チャネルを発を残したままで、GIRK 遮断活性が大幅に減弱した。

現する細胞株を樹立しパッチクランプ（全細胞記録）によって遮断活性を検討したが、Kir2.1 チャネル遮断活性は認められなかった（図３）。

図 4．TPN-RQ は ROMK と GIRK1/2 を同程度に遮断するが（左）、TPN-QL は ROMK 選択的に遮断する。
図３．ROMK チャネルは Tertiapin-RQ で遮断される

この TPN-QL を用いて、抗うつ作用を尾懸垂試験で、が、C3S に遮断活性はない(左)。Kir2.1 は TPN-RQ で不安誘発作用を高架式十字迷路で検討すると、両方も遮断されない（右）。

とも TPN-RQ と同等の作用が認められた。したがっ- 186 -て、Tertiapin の抗うつ作用は ROMK の遮断を介したものであることが示唆された。
1 RRIIPHQK
2 ARIIPHQK
3 RAIIPHQK
4 RRAIPHQK
5 RRIAPHQK
6 RRIIAHQK
7 RRIIPAQK
8 RRIIPHAK
9 RRIIPHQA
10 RIIIPHQK
11 RIIIPHQC
12 RIIIPHMC
13 RRIIPHQC
14 RRIIPHMC
15 ALCNCNRI
16 LCNCNRII
17 CNCNRIII
18 NCNRIIIP
19 CNRIIIPH
20 NRIIIPHM
21 IIIPHMCW
22 IIPHMCWK
23 IPHMCWKK
24 PHMCWKKC
25 HMCWKKCG
26 MCWKKCGK
27 CWKKCGKK
28 AAAAAAAA
29 CNRRIIPHQC
30 CNRRIIPKQC
31 CNRRIPHQC
32 CNRRIPKQC
33 CNRRIIPHQCWKK
34 CNRRIIPKQCWKK
35 NCNRRIIPHQCWKK36 NCNRRIIPKQCWKK
37 CNSNRRIIPHQCWK
38 CNSNRRIIPKQCWK
39 QCNSNRRIIPHQCWK
40 QCNSNRRIIPKQCWK
41 ALCNCNRIIIPHQCWKKCGKK42 ALCNCNRRIIPHQCWKKCGKK43 ALSNCNRIIIPHQSWKKCGKK44 ALSNCNRRIIPHQSWKKCGKK45 ALCNSNRRIIPHQCWKKCGKK46 ALCNCNRRIIPHQSWKKCGKK47 ALCNCNRRIIPHQCWKKSGKK
48 ALCNCNRIIPHQCWKKCGKK49 ALCNCNRIPHQCWKKCGKK50 ALCNCNRRPHQCWKKCGKK
51 ALCNCNRRIIIPHQCWKKCGK
52 CNCNRRIIPHQCWKKCGKK
53 ALCNCNRRIIPHQCWKKCG
58 ALCNCNRIIIPLQCWKKCGKK59 AACNCNRRIIPHQCWKKCGKK60 ALCACNRRIIPHQCWKKCGKK61 ALCNCARRIIPHQCWKKCGKK56 ALCNCNAAIIPHQCWKKCGKK62 ALCNCNRRAIPHQCWKKCGKK63 ALCNCNRRIAPHQCWKKCGKK
55 ALCNCNRRIIAHQCWKKCGKK57 ALCNCNRRIIPAQCWKKCGKK64 ALCNCNRRIIPHACWKKCGKK
65 ALCNCNRRIIPHQCAKKCGKKPartial TPN 8 amino
acids

Circular TPN with Single
S-S bond

TPN-Q
TPN-RQ
TPN-Q-C3S
TPN-RQ-C3S
TPN-RQ-C5S
TPN-RQ-C14S
TPN-RQ-C18S
TPN-RQ-Δ8R
TPN-RQ-Δ8R-Δ9I
TPN-RQ-Δ9I-Δ10I
TPN-RQ-ins9I
TPN-RQ-Δ1A-Δ2L
TPN-RQ-Δ20K-Δ21K
TPN-Q-H12L
TPN-RQ-L2A
TPN-RQ-N4A
TPN-RQ-N6A
TPN-R7A-R8A
TPN-RQ-I8A
TPN-RQ-I9A
TPN-RQ-P11A
TPN-RQ-H12A
TPN-RQ-Q13A
TPN-RQ-W15A

TPN-Q
TPN-RQ

TPN with Three Cys

TPN smaller Ring
TPN larger Ring
TPN-RQ-ΔN-terminal
TPN-RQ-ΔC-terminal
TPN-L
TPN-RQ-L2A
TPN-RQ-N4A
TPN-RQ-N6A
TPN-R7A-R8A
TPN-RQ-I8A
TPN-RQ-I9A
TPN-RQ-P11A
RPN-RQ-H12A
TPN-RQ-Q13A
TPN-RQ-W15A

++++
++++
++
+++
+
+++
+++
+++
+++
+++
++
++++
++
+
+

表.Tertiapin のアミノ酸配列に変異を入れると、大半は活性をなくす。
＋は遮断活性の強さをしめす。
「結論」
本研究によって、ROMK は中枢神経系において、うつ、不安様行動に関与することが明らかとなった。
これは、これまでうつ、不安障害治療薬の標的になっていない K+チャネルがその標的になることを示している。しかし、ROMK がどの神経核にどのように作用して、これらの作用を発揮したかは今後の問題として残されている。また、Tertiapin にアミノ酸変異を入れると活性がなくなるものがほとんどであり、
Tertiapin の ROMK への特異性の高さが示された。

- 187 -

- 188 -- 189 -- 190 -高演色ＬＥＤ光源を用いた農産物の外観色評価装置の開発
津山工業高等専門学校
眞鍋 由雄
農作物などの出荷や品質検査において外観検査は重要であり，光学的な方法が有用である．また，農作物の外観色としてよくみられる色彩として，イチゴの赤色，リンゴの赤色部分，トマトの赤色，パプリカの赤色成分など外観色の赤色成分が農作物における重要な指標となっている．これらの赤色成分を高感度に検査するには，
照明光源として演色性（平均演色評価数のＲａや特別演色評価数Ｒ９）が高いものをよしとされる．ところで，
照明光源は，電球や蛍光灯から，省エネを考慮したＬＥＤ光源に移行している．しかしながら，蛍光灯やＬＥＤの演色性は，電球に比べると非常に低い．光源の演色性は，光源の発光スペクトルの分光分布と関係があり，昨
年度，加法混色法によってＬＥＤ光源の発光スペクトルの分光分布を計算して，ＬＥＤ光源の演色性を改善できる可能性を報告した．本年度は，白色ＬＥＤ，緑色，赤色ＬＥＤによる簡単な構成で高いＲ９を得るために，
各種ＬＥＤ素子を実装できる基板を設計，作製した．さらに，作製したＬＥＤ光源を用いて，実際の農作物を撮
影して，農作物の外観色を比較評価し，高演色ＬＥＤ光源が優れている事を確認できた．

いている．しかし，ＬＥＤ光源は，赤色成分を評価する
Ｒ９の高いものがなかった．第２図に３光色（電球色，昼白色，昼光色）の市販のＬＥＤ光源の演色評価数を示す．見てわかるように，演色評価数 No.1～8 までの平均演色評価数が 80 を越えるのに対して，特別演色評
価数Ｒ９は 10 程度と極端に低い．第１表に電球，蛍光ランプ，および既存のＬＥＤ光源における平均演色評
価数や赤色の特別演色評価数を示す．また，赤色，緑色，青色の単色ＬＥＤで構成したＬＥＤ光源（ＲＧＢ
三原色ＬＥＤ）のＲａ，Ｒ９も示す．ＲａやＲ９の値は１．はじめに農作物などの出荷や品質検査は、人間によって良否を決める官能検査で行われている．この外観検査は，照明光源が重要である．農作物の外観色の色彩として
は，赤色が重要視される．赤色を重要視される農作物
は，イチゴ，トマト，リンゴ，桃や，食肉などがある．
このように赤色成分を高感度に検査するには，演色性が重要とされている[1，2]．この光源の演色性を評価する指標に平均演色評価数（Ｒａ）や赤色の特別演色
評価数（Ｒ９）があり，高い指数ほど赤色を評価する照明光源を良いとされる．第１図に，平均演色評価数が80 と 90 の光源で，トマトを撮影した写真を示す．

100

演色評価数

80
60
40
20
0

LED（Ra80)

LED（Ra90)

電球色
昼光色
昼白色

1

3

5

7

9

11

13

15

演色評価数

第２図 市販品 ３光色ＬＥＤ光源の演色評価数
第１図 Ｒａの違う光源によるトマトの撮影写真
第１表 各種光源（電球，蛍光灯，Ｒａの違う既存白色
ＬＥＤ，ＲＧＢ三原色ＬＥＤ）のＲａ，Ｒ９
表 各種光源のＲａ，Ｒ９比較
Ｒａ=80 の写真（左）の赤色は，少しどす黒さがあり，右のＲａが 90 で撮影された方が、赤色は鮮やかにみえる．このような事は，例えば，百貨店内の試着室で選んだ衣服が，試着室外で見ると，衣服の色の鮮やかさが違う事を体験するのと同じである．
ところで，最近，光源は電球や蛍光ランプからＬＥＤ光源へと移行している．ＬＥＤ光源の消費電力は，電球の１／４，蛍光ランプの１／２となり，省電力に向- 191 -

Ra

R 9 （ 赤）蛍光灯

8 6 .5

4 0 .1

L ED光源（ R a8 0 ）8 2 .28 .0

L ED光源（ R a9 0 ）9 4 .6

7 2 .6電球

9 7 .49 3 .9ＲＧ Ｂ 三原色Ｌ ＥＤ

1 0 .9- 1 7 9 .1

が容易といわれている．第３図に，白色ＬＥＤと蛍光ランプの発光スペクトルを示す．蛍光ランプは，菅内で発生する紫外線によって，青色，緑色，赤色の蛍光体を発光させる．一般的なＬＥＤ光源は，青色ＬＥＤと，青色ＬＥＤによって励起された１種類以上の蛍光体で発光させている．発光スペクトルの分光分布の形状が単純なので，ＬＥＤ光源の方が制御しやすいと考えられている．

基準光による試験色の見えを 100 としているので，電球のＲａ，Ｒ９は共に高い値であり，蛍光灯のＲａ，Ｒ
９は 86.5，40.1 であり，Ｒａは高いがＲ９は低い．Ｌ
ＥＤ光源の場合，Ｒａは 80，90 と高いが，Ｒ９は 8.0，
72.6 と低い．さらに，赤色，緑色，青色の単色ＬＥＤで構成したＬＥＤ光源（ＲＧＢ三原色ＬＥＤ）のＲａ，
Ｒ９は，10.9，-179 と非常に低い値であった．
さらに，映像分野であるが，高精細度４Ｋ、８Ｋ映像
や次世代移動体通信の第５（５Ｇ）世代において、映像のあざやかさは技術の発達に伴い、撮影照明に演色性の高い（とくに、赤色を鮮やかに見える）高演色光源が要望されている[3]．また，高演色光源は，遠隔手術や機械学習作業でキーデバイスとして期待される．

1.0
LED
蛍光ランプ
光強度 （a.u.）

0.8

本年度の研究では，昨年度作製した赤色を鮮やかに見えるプロトタイプのＬＥＤ光源の構成を基に，多数個のＬＥＤで構成される高光束光源下で実際の農作物における演色性の違いを実証することを目的とする．

0.6

0.4

0.2

２．光源の演色性の改善
0.0

2.1 光源の演色性
350

一般に光源の演色性は平均演色評価数Ｒａで表わせる．ＬＥＤ電球のパッケージにはＲａ８０などと記載されている．現在の演色性評価方法は，ＣＩＥ（国際
照明委員会）が定めた方法で，相関色温度ごとに決められた基準光による試験色の見えを 100 としたとき,演色性を評価する光源の下では試験色がどの程度ずれているかを数値化したものである．ＣＩＥの規格では１４種類の試験色を用いるが，日本では平均的な日本
人女性の肌の分光反射率をもとに No.15 の試験色を追加している．試験色ｉに対して計算される演色評価数
Ｒｉは，次式により計算される[4]．

Ri  100  4.6Ei

450

550
波長 （nm）

650

750

第３図 ＬＥＤ，蛍光ランプの発光スペクトル2.2 加法混色法による発光スペクトルの制御
本研究では白色ＬＥＤ，赤色ＬＥＤ，緑色ＬＥＤの３つの発光スペクトルを混合する加法混色法を用いてＬＥＤ光源の演色性を改善できることを示す．
まず，各ＬＥＤを受光器で測定し，３つの等色関数を用いて得られる測光値を，ＬＥＤごとに Xi,Yi,Zi（各ＬＥＤを i=w,g,r とする）とすると，色度座標（xi,yi）との関係は以下のようになる[4]．

xi 

（式 1)

Xi
Yi
, yi 
(i  w, g , r )X i  Yi  Z i
X i  Yi  Z i（式２)

白色ＬＥＤ，緑色ＬＥＤ，赤色ＬＥＤの光強度を変えても，それぞれの発光スペクトルの形状が変化しないと仮定すると，各ＬＥＤを加法混色して得られた発光スペクトルの形状で，式２で得られた色度座標をｘ，ｙとする．ここで，白色ＬＥＤ(w)，緑色ＬＥＤ(g)，赤色ＬＥＤ（r）の各ＬＥＤを混色するための光強度の比率係数ａi(w,g,r)とすると，加法混色した発光スペク
トルの色度座標(x,y)は，

ここで，ΔＥｉ（i＝1～15）は，CIE1960 均等色空間における色差であり，CIE1960uv 色度座標上での基準光源下の色度と試験光源下の色度との差である．
これらの 15 種類の試験色に対して計算されたＲｉのうち，平均演色評価数Ｒａは，Ｒ１～Ｒ８に対する演色評価数の平均値であり，2010 年に改訂された JIS
Z9110 照明基準総則に加えられた．演色評価数は色の見えの良さを表すのではなく，基準光の演色性をどれだけ忠実に再現しているかという色再現の忠実性を表す指標である．よって試験光源の下では何色があざやかにみえるのか，またはくすんでみえるか，どの色相が変化するのかといったずれの方向はわからない．しかし，電球や外光などの基準光に近い光源で，今まで外観色の差異を検査してきたので，ＬＥＤ光源の演色性は重要と判る．演色性は，光源の発光スペクトルの分光分布の形状と関係している．ＬＥＤ光源は、従来光源に比べて発光スペクトルの分光分布の形状の制御

x

 aX
i

i

 a (X Y  Z )i  w, g ,ri  w, g ,r

i

i

i

i

, y

 aY

i i

 a (X Y  Z )i  w, g ,ri  w, g ,r

i

i

i

i

（式３)
となる[4]．各ＬＥＤの光強度から得られる測光値を
Xi,Yi,Zi（各ＬＥＤを i=w,g,r とする）とする．ここでaW=1 とし，加法混色した発光スペクトルの色度座標を(x,y)とすると，- 192 -

X W  aG X G  aR X Rx
X W  Yw  Z w  aG  X G  YG  ZG   aR  X R  YR  Z R 
YW  aGYG  aRYR
X W  Yw  Z w  aG  X G  YG  ZG   aR  X R  YR  Z R 

（式４)

（式５)
となり，緑色，赤色ＬＥＤの光強度係数ａi が求めることができる．白色，赤色，緑色ＬＥＤの発光スペクトル特性について述べる．第４図に白色ＬＥＤ，赤色ＬＥ
Ｄ，緑色ＬＥＤの光強度の電流依存性を示す． 使用した各ＬＥＤの 400ｍＡまで増加させた．この電流範囲
で，３つのＬＥＤは電流値に対して線形性がある．第５図，第６図に，赤色，緑色ＬＥＤにおける電流値ごとの光強度の最大値で規格化した発光スペクトルを示す．
5000
光強度 [a.u.]

白色 LED

0.4

1000

0

100

200

300

400

電流 [mA]

500

0.0

0.0

0.2

0.43

0.4

0.41

120
100

100

80

200

0.39

300

60

20
400

500

600

波長 [nm]

700

800

120
100
200

80

300

60

400

40
20
0

400

500

600

波長 [nm]

700

0.46

0.6

x 0.480.80.50

色度座標(x,y)をパラメータとして，第７図に示した色
度座標範囲で，式（３）～（５）を用い各ＬＥＤの光強度係数ａi が求め，色度座標(x,y)ごとに，発光スペク
トルを合成し，平均演色評価数と特殊演色評価数を求めた．各ＬＥＤは，日亜化学工業製の白色ＬＥＤ（NF2L757GRT）,緑色ＬＥＤ（NE2G757GT），赤色ＬＥＤ（NCSR119BT-V1）を使った．白色，緑色，赤色ＬＥＤの電流値として 200mA，200ｍA，400ｍA 印加した時の発光スペクトルを初期値とした．白色ＬＥＤの平均演色
評価数Ｒａ，特別演色評価指数Ｒ９の実測値は，94.5，
58.5 であった．第８図に色度座標(x,y)の色度座標範囲（第７図）における特殊演色評価数Ｒ９（赤色）の計
算結果を示し，第９図に平均演色評価数Ｒａを示す．
赤色の特別演色評価指数（Ｒ９）は，色度座標(x,y)の範囲内において，白色ＬＥＤの測定値である 58.5 以上であり，最大値は 93 に達した．この結果から R9 は大幅に改善された．一方，平均演色評価数Ｒａの値は，第５図 緑色ＬＥＤの発光スペクトルの電流値依存

100

0.44

x

第７図 計算する色度座標(x,y)の範囲

400

40

赤色 LED0.45

0.2

第４図 白色,赤色，緑色ＬＥＤの光強度の電流依存性

光強度 [a.u.]

緑色 LEDy2000

光強度 [a.u.]

1.0

0.6

3000

0

前節の式１～４を用いて，演色性を予測する．演色性を求める色度範囲として， ｘ座標を 0.46～0.48，ｙ
座標を 0.41～0.43 であり，その範囲を第 7 図に示す．

0.8

4000

0

2.3 計算結果

yy

緑色ＬＥＤの発光スペクトルの場合，100～400ｍＡの電流値で 535 nm 付近に最大となり，各電流値の発光スペクトルの形状は，電流値に関係なくほぼ同形であった．赤色ＬＥＤの発光スペクトルの場合でも 100～
400ｍＡの電流値で 630 nm 付近に最大となり，各電流値の発光スペクトルの形状は，電流値に関係なくほぼ同形であった．すなわち，各ＬＥＤに上記方法で求めた電流値を供給すれば，色度座標(x,y)となる発光スペクトルが得られ，演色性を求めることができる．

800

第６図 赤色ＬＥＤの発光スペクトルの電流依存- 193 -

第８図 計算結果 特別演色評価指数 Ｒ９

色度座標(x,y)の範囲内においてほぼ 80 以上であり，色度座標(x,y)のｘ，ｙの色度座標値の大きな領域で，減少傾向であった．第４表に，計算結果においてＲ９が最大になった時の演色評価数の値を示す．

第１０図 高演色性ＬＥＤ光源（上図：構成図，下図：実装した写真）

光源の各ＬＥＤは三元の定電流電源で駆動させた．高演色性ＬＥＤ光源に，第２章で求めた電流値を，三元の定電流電源で供給してＬＥＤ光源を発光させた．発
光スペクトルをミノルタ製照度計にて，色度座標，平
均演色評価数，特殊演色評価数を測定した．

第９図 計算結果 平均演色評価数Ｒａ

定電流電源

第２表 市販品と計算結果の演色性の比較
Ra

R9

R10

R11

R12

R13

R14

R15

市販品

82

8

76

80

71

82

99

72

本研究

93

95

93

74

91

90

95

96

高演色ＬＥＤ光源
第１１図 実験方法の説明

特別演色評価数 Ｒ９は 93 の最大値となり，その他の平均演色評価数，特殊演色評価数も 80 以上を示した．
この演色性の特性は，高精度４Ｋ，８Ｋテレビの撮影
用照明の演色性の条件を十分満たしている[3]．

３．高光束高演性ＬＥＤ光源の作製
第２章で示したように，白色ＬＥＤに赤色，緑色ＬＥＤを加えた構成で，白色ＬＥＤの演色性を改善できる可能性を示した．この構成を実現するために，白色
ＬＥＤ２０個，緑色ＬＥＤ１６個,赤色８個を用いて高演性ＬＥＤ光源を作製した．第１０図に，アルミニウ
ム基ＬＥＤ実装基板の構成図と各ＬＥＤを実装した写真を示す．実装基板の構成は，アルミニウム基板上に絶縁性薄膜，その上に銅箔のＣｕメタル配線層，各Ｌ
ＥＤの配線パッドと銅箔と接続させるためのレジスト層である．各ＬＥＤは，各ＬＥＤの配線パッドと銅箔とを半田を介して接続して，高演色性ＬＥＤ光源を作製した．第１１図に実験方法を示す．高演色性ＬＥＤ

第１２図，第１３図に，赤色の特殊演色評価数（Ｒ９）
平均演色評価数（Ｒａ）の測定値を示す．ｙ座標を一定して，ｘ座標を変化させて，Ｒａ，Ｒ９を求めた．Ｒａは，計算結果の結果とよく一致し，80 以上であった．
赤色の特殊演色評価数（Ｒ９）は，計算結果で最大値となる色度座標で，最大値 96 を得た．測定した色度座標の範囲においてＲ９は，計算結果と同様の挙動を示した．既存白色ＬＥＤに赤色，緑色ＬＥＤを加えて，演色性の改善ができた[1，2]．

第１２図 測定結果 赤色の特殊演色評価数（Ｒ９）- 194 -

第４表 本研究ＬＥＤ光源と市販品との演色性
Ra

R9

R10

R11

R12

R13

R14

R15

市販品

82

8

76

80

71

82

99

72

本研究

93

93

91

73

90

90

97

97

４．まとめ
既存白色ＬＥＤの演色性は低い，とくに，特殊演色
評価数のＲ９(赤色)は低い．この既存の白色ＬＥＤに赤色，緑色単色ＬＥＤを加える単純な構成で，加法混色法を用いてＬＥＤ光源の演色性の改善し，高いＲ９を有する高い光束のＬＥＤ光源を開発した．既存ＬＥ
Ｄ光源のＲ９が 61.8 である光源を，本提案の構成でＲ９が 90 を超えることができた．また，加法混色法を用いた計算結果は，白色ＬＥＤに，赤色，緑色ＬＥ
Ｄの構成による試作品の演色性の値と一致した．アルミニウム基板による実装基板上に各ＬＥＤを配置した
高演色ＬＥＤ光源を作製した．高演色ＬＥＤ光源を用いて，現実の農作物を照らすと，低演色ＬＥＤ光源に比べて，赤色の色再現があることが分かった．

第１３図 測定結果 平均演色評価数

本研究と低演色ＬＥＤ光源で，農作物（イチゴ，トマ
ト，リンゴ）を照らしたときの写真を，第３表に示す．本研究（R9：93）のＬＥＤ光源の場合，どの農作物も，赤色の色再現があった．一方，低演色ＬＥＤ光源（R9：8）の場合，どの農作物も赤色が一様で赤色の鮮やかさがなく，色再現されてないことが分かる．

今後，高演色ＬＥＤ光源の実用化に向けた先行的技術が確立できたと考えられる．
第３表 各ＬＥＤ光源による，農作物の撮影結果
光源：本研究（R9:93），低演色ＬＥＤ光源（R9：8）

５．謝辞
農作物：イチゴ，トマト，リンゴ，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す．

参考・引用文献
1) 熊﨑竣二 et.al,平成 29 年度（第 64 回）電気・情報関連学会中国支部連合大会論文集,R17-11-05(2017.10.21).
2) 熊﨑竣二 et.al,2018 年度 照明学会第 51 回全国
大会①-P-02(2018).
3) T.Hayashida, et al., “Appropriate indices forcolor rendition and their recommended values
for UHDTV production using whiteLED
lighting,”Optics EXPRESS, vol. 25, no.13, pp.
15010-15027, 2017.

4) 大田登 色彩工学 第２版,東京電機大学出版局出版

本研究のＬＥＤ光源と市販品の光源における演色性を第４表に纏める．見てわかるように，本研究で得られたＬＥＤ光源の演色性は，市販品に比べて，大きくＲ９が改善されただけでなく，Ｒａや他の特殊
演色評価数も改善できたとわかる．
- 195 -

- 196 -- 197 -- 198 -- 199 -濡れ性向上効果を有する銅温間酸化被膜の構造と伝熱性評価
津山工業高等専門学校 総合理工学科
竹村 明洋
熱交換器用材料として多く使用されている銅の伝熱性能を向上させることを目的に研究を行った．本研究室
ではこれまでに，簡便な表面処理方法である 200～500oC の温度域で熱交換器用材料である銅を温間酸化させた
場合，材料表面の濡れ性が向上することを報告した．材料表面の濡れ性と伝熱性能は相関性が深いことが示されてり，温間酸化処理が及ぼす濡れ性向上効果により伝熱性が向上できることを示唆した 1)．
本報告では温間酸化により生成した酸化物層を詳細観察及び分析することにより，材料表面の濡れ性向上効
果を検討した．材料表面を SEM により微視組織観察を行った．温間酸化無処理の条件で材料表面は試験片作
製時に生成した加工痕が確認された．温間酸化初期で，材料表面に微細な酸化物粒子が確認された．この微細酸化物粒子は温間酸化の進行に伴い，成長すると共に増殖していた．また，生成した温間酸化被膜を XRD 分
析した結果，Cu2O を主成分とする銅酸化物であることがわかった．表面状態が濡れ性の高い Cu2O に置き換わったことにより濡れ性向上効果が得られたと考えられる．

1．緒 言
近年の省資源化や機械構造の小型化に伴い，熱交Young-Dupre の式の関係を有する 4)．

換器や冷却器も小型化が求められるようになっていLcos = S - SL ・・・式 1

る．他方、電子機器技術の発展に伴い，熱発生量もここで，SL は固液界面エネルギー，L は気液界面エ増加しているため，更なる熱輸送性能・冷却性能のネルギー，S は気固界面エネルギー，は材料と液体向上も求められている．これらの産業界の需要に対の接触角を示している．材料表面の液滴接触角を評

して熱交換器や冷却器の高性能化を目指した新技術価することにより温間酸化処理面の伝熱性能向上のの研究開発が盛んに進められている．

可能性を評価することが報告されている 5)．本研究

性能向上方法としては，クーラントの性能向上とでも同様な手法を用いて，温間酸化により生成した熱交換器及び冷却器の性能向上という二種類に大別

銅酸化物層が濡れ性を向上させる効果について報告される．クーラントの性能向上方法として，ナノ流を行ってきた 1)．Fig. 1 にこれまでに報告した温間体に代替する方法が報告されている 2)．また，熱交

酸化処理による銅材料の濡れ性向上結果を示す．縦換器及び冷却器の性能向上方法としては，構成材料

軸が温間酸化した銅試験片と純水との接触角度，横を伝熱性の高いものに代替する方法や伝熱面を改質

軸が温間酸化時間を示している．全ての温間酸化温する方法が報告されている．特に表面改質ではナノ度において，温間酸化処理により接触角が著しく小粒子バイポーラス構造にする手法が注目されているさくなった．これは試験片表面が親水性となったこ

3)．ナノ粒子バイポーラス構造はナノ粒体を塗布しとを示している．つまり，温間酸化により生成したた材料を沸騰蒸着させることにより付与され，微視

温間酸化物が銅材料の表面濡れ性を大きく改善する的なポーラス構造を有する．微視的なポーラス構造

ことを明らかにした．しかし，温間酸化物相の分析

は伝熱面積を増加させる等，伝熱性能を向上させる

等，濡れ性向上効果に及ぼす因子の検討には至って効果が報告されている．

いない．そこで，本研究ではこれまでに確認された
温間酸化処理による銅材料の濡れ性向上効果を明ら

材料表面の濡れ性は，材料表面上の液体との接触

かにすることを目的に行った．

角と表面エネルギーの関係より式 1 に示す- 200 -

方向に伸張した加工痕が確認された．

2．実験方法
本研究の供試材には無酸素銅を供した．板厚 3mm

Fig. 4 に温間酸化した試験片表面の SEM 観察結の無酸素銅板より走査型電子顕微鏡（以下，SEM と果を示す．200oC で温間酸化した場合，温間酸化時略称）観察用 3W×15Lmm の試験片を切り出した．

間 30min で材料表面に酸化核になったと考えられる

切り出した試験片は表面粗度を定型化する目的で表

微粒子のような酸化物が確認された．温間酸化面研磨を行った．研磨は#500 のエメリー紙を用いて60min の場合，酸化が進行したため微粒子が成長し，

300oC

70
contact angle (°)

200 °C
250 °C
300 °C

bare surface

60
50

200oC

40
30

furnaceheating20

aircooling10

in air

0
0

30

60
90
120
150
warm oxidation duration (min)180

Fig. 2 Thermal history of warm oxidation treatment.

Fig. 1 Results showing the contact angles of the

増殖していた．さらに，温間酸化 180min で温間酸

water droplets on the warm oxidized copper化物粒子がわずかに成長していた．300oC で温間酸

specimens.

化させた場合，温間酸化時間 30min で，材料表面が一方向 30 往復の乾式研磨を行った．
これにより表面成長した等軸形状の温間酸化物粒子に覆われている

粗度は算術平均粗さ約 0.2m に定型化した．乾式研ことがわかった．温間酸化 60 分で，これらの温間酸

磨後，エタノールにより表面洗浄を行った後，乾燥化物粒子は更に成長し，増殖していた．こられの酸を行った．

化物粒子は積層するように増殖していた．温間酸化作製した試験片に対して温間酸化処理を施した．

180min で材料表面は温間酸化物粒子の成長と積層

Fig. 2 に温間酸化処理の熱履歴を示す．温間酸化処により温間酸化物層を形成していた．さらに，温間理は大気雰囲気にて行った．温間酸化処理温度は酸化させることで，表面構造は局所的なポーラス構o°200，300 とした．また，温間酸化時間は 30，60，

造及び酸化物の生成によるナノレベルの粗面化が発

180min とした．温間酸化処理後，試験片を炉から取生していることがわかった．

り出し，30min の空冷を行った．空冷後，SEM により試験片表面に生成した温間酸化物構造を微視観察した．また，試験片上に生成した温間酸化物を同定する目的で厚さ 20m の無酸素銅箔より 10W ×
10Lmm の試験片を切り出した．
濡れ性試験及び SEM
観察と同様な温間酸化処理を施した後，XRD により
温間酸化物の同定を行った．比較材として，温間酸化無処理材に対しても同様な観察と分析を行った．

3．実験結果Fig. 3 SEM observation results of bare surface.

Fig. 3 に温間酸化無処理の試験片表面の SEM 観

Fig.5 に温間酸化無処理面の XRD 分析結果を示

察結果を示す．試験片表面には，表面粗度を一定とす．Fig. 6 に 300oC で温間酸化を行った試験片のするため温間酸化処理前に行った乾式研磨による一XRD 分析結果を示す．各 XRD 分析結果は回折角度- 201 -

warm oxidation temperature
o

300oC

60 min
180 minwarm oxidation time

30 min200 C

Fig. 4 SEM observation results of warm oxidized surfaces.

Fig. 5 XRD analysis results of bare surface specimen.

- 202 -

30 min60 min

180 minwarm oxidation time

Fig. 6 XRD analysis results of specimens oxidized at 300°C.

0o～90o の測定結果と，25o～50o の回折角度範囲を拡ことがわかった．

大したものを示している．温間酸化無処理面では回折角度 50.5o と 74o に Cu を示す回折ピークが確認さ4．考 察れた．25o～50o の回折角度範囲では回折ピークは確

濡れ性試験結果より，温間酸化によって銅材料の認されなかった．Cu を示す 50.5o と 74o の回折ピー

濡れ性が向上することがわかった．これは温間酸化

クは 300oC で温間酸化を行った試験片でも同様に確された銅材料の伝熱性能向上効果を示唆している．

認された．300oC で温間酸化を行った試験片では，

XRD 分析結果より，温間酸化相は主に Cu2O であ

全ての温間酸化時間で 25o～50o の回折角度範囲でいることがわかった．本研究に於ける温間酸化による

くつかの回折ピークが確認された．回折角度 37o と濡れ性向上効果は Cu2O の生成によると考えた．

42.5 o において Cu2O を示す回折ピークが確認された．

Cu2O が生成することで固液界面に作用する分子間また，回折角度 45.5 o において CuO を示す回折ピー

力が変化し，固液界面エネルギーが変化したことがクが確認された．特に 37 o における回折ピークは温考えられる．分子間力を考慮した場合の固液界面エ

間酸化時間が長くなるのに伴い，回折強度が高くな

ネルギーは式 2 で示される 4)．
SL = L + S -VSL ・・・式 2

っていた．つまり，温間酸化相は主に Cu2O である- 203 -

ここで，VSL は分子間力を示している．さらに，分1．温間酸化処理により，材料表面に温間酸化層が生

子間力 VSL は式 3 で表される 4)．

成し，濡れ性が向上した．

VSL = SL ・・・式 3

2．SEM 観察より，生成した温間酸化層は酸化物粒

ここで，はボルツマン定数，S は固体の分極率，子の積層と成長により構成されていたことがわかっ

L は液体の分極率を示している．つまり，固液界面た．さらに，生成した酸化物層は局所的なポーラス

エネルギーは分子間力が増加した場合，減少する．

構造を有していた．温間酸化層がナノサイズの温間

つまり，式 1 より固液界面エネルギーが減少するこ

酸化物粒子により構成されることで，材料表面がナとで接触角が小さくなり，濡れ性が向上する．

ノレベルで粗面化した．

Lorentz-Lorenz の式より分極率は式 4 で示される．

3．XRD 分析結果より，生成した温間酸化相は主にCu2O であることがわかった．

3M(n2 −1)

α = 4πρN(n2 +2) ・・・式 44．生成した温間酸化相が Cu2O であったことより液ここで，M は分子量，は密度，n は反射率を示して滴との接触面の分子間力が大きくなることで濡れ性いる．Table 1 に本研究に用いた液滴である純水とが向上すると考えた．

Cu 及び Cu2O の反射率を示す．
Table 1 及び式 4 より，

5．
温間酸化による表面構造の変化も材料表面の濡れCu よりも Cu2O の方が分子間力は大きくなる．つま性向上効果を有していると考えられる．

り，温間酸化により Cu2O が生成することにより表面状態及び分子間力が変化することで濡れ性が向上

謝 辞したと考えられる．

本研究を遂行するにあたり，公益財団法人ウエスコ学術振興財団による研究助成を賜りましたことをTable 1 Reflective indexes of H2O, Cu and Cu2O.

深く感謝いたします。
また，SEM 観察結果より温間酸化層表面は局所的

参考文献

なポーラス構造やナノレベルの粗面化等，表面構造[1] A. Takemura, K. Yuki and A. Sadayuki, “Influence ofが変化していた．先述したナノ粒子バイポーラス構

Warm Oxide Layer on Wettability and Contact Angle for造のような表面改質による濡れ性向上効果は毛細管

Heat Transport Devices”, Journal of Mechanics and現象によると考えられている 3)．温間酸化により生Automation Engineeringp, Vol.7, 11(2017), 341-347.

成した局所的なポーラス構造も擬似的な毛細管現象[2] H. B. Ma, C. Wilson, B. Borgmeyer, K. Park, Q. Yu, S.

により濡れ性向上効果を有すると考えられる．さらU. S. Choi, and Mu, “Effect of nanofluid on the heatに，Wenzel の式より材料表面が親水性の場合，粗面

transportcapability in an oscillating heat pipe”, APPLIED化によって濡れ性が促進されることが提唱されてい

PHYSICS LETTERS 88, 143116 (2006).

る 4)．ナノサイズの温間酸化被膜の生成によって材[3]

料表面がナノレベルで粗面化したことで濡れ性向上“Boiling/Evaporation characteristics of a droplet on a

効果が得られたことが考えられる．

nanoparticles-assembled biporous layer”, Transactions of

K.Yuki,T.SugiuraandK.Suzuki,

the Japan Society of Mechanical Engineers, 81(2015),
5．結 言

824.

本研究では熱交換器用材料として使用される銅材[4] Pierre-Gilles de Gennes, Francoise Brochard-Wyart,

料に対して温間酸化処理を施した場合，濡れ性向上

David Quere. Capillarity and Wetting Phenomena: Drops,

効果が得られた．この濡れ性向上効果の要因を調査

Bubbles, Pearls, Waves. Springer-Verlag New York.,

検討する目的で研究を行った．得られた結果を以下

2004, p17-19, p92-93, p215-216.

に示す．

[5] C.Hsu and P.Chen, “Surface wettability effects on- 204 -

critical heat flux of boiling heat transfer using
nanoparticle coatings”, International Journal of Heat andMass Transfer , 55 (2012), 3713–3719.
本研究助成により公表した研究成果
本助成により，下記に示す研究報告を行った．
国際会議 Proceeding 査読付，2 件[1] ○A.Takemura and K.Yuki,” Influence of Formationof Warm Oxide Phase on Hydrophilicity”, International
Conference on Machining, Materials and MechanicalTechnologies 2018 (IC3MT 2018), September 20, REX
Hotel, Ho Chi Minh City, Vietnam.
[2] ○A.Takemura, K.Yuki and A.Sadayuki, ” Influenceof Warm Oxide Layer on Wettability and Contact Angle
for Heat Transport Devices”, The 9th International
Conference on Leading Edge Manufacturing in
21stCentury

International(LEM21),

Conference

NovemberCenter15,

Hiroshima(ICCH), Hiroshima City, Japan..
論文査読付，1 件[1] A.Takemura, K.Yuki and A.Sadayuki, ”
Influence of Warm Oxide Layer on Wettability
and Contact Angle for Heat Transport Devices”,
Journalof

Mechanics

EngineeringandAutomation Vol.7, Number 7, 2017 of JMEA,
341-347.
国内学会発表，2 件[1] ○定行明則，竹村明洋，結城和久，“濡れ性向上効果に及ぼす酸化被膜の影響”，
日本金属学会日本鉄鋼協会軽金属学会中国四国支部第 38 回若手フォー
ラム．
[2] ○定行明則，竹村明洋，結城和久，“濡れ性向上効果に及ぼす酸化被膜の影響”，金属第 57 回・鉄鋼
第 60 回中国四国支部講演大会，努力賞．

- 205 -

環境負荷の小さい硫化スズ薄膜太陽電池の禁制帯不連続の制御による高効率化に関する研究
津山工業高等専門学校 総合理工学科
中村 重之
太陽電池は環境問題の解決手法の一つとして注目されているが，今後さらに導入するには高品質シリコンの不足の懸念があり，材料が少なくて済む薄膜太陽電池が注目されてきている．現在，実用化している薄膜太陽電
池は有害元素や希少金属を含む．そのため，そのような元素を含まない薄膜太陽電池の開発が急がれている．
硫化スズ（SnS）は，地殻に豊富に存在し比較的毒性の少ない元素から構成されており，太陽電池にふさわしい
禁制帯幅（1.3 eV）と高い光吸収係数（波長 500nm で 104 cm-1 以上）を持ち，新たな薄膜太陽電池の光吸収層材料として期待されている．本研究では，SnS 薄膜太陽電池のための透明電極としてガリウムを添加した酸化亜鉛（ZnO:Ga, GZO）の薄膜を対向ターゲット式スパッタ法で製膜することを目的とした．
禁制帯に不連続ができるとキャリアの流れを阻害し１．はじめに2050 年に日本では 300GW 規模の太陽光発電装置のたり，ｐｎ界面での再結合電流が流れたりして変換

生産量を予想している．その達成の問題点の一つと効率の低下を招く．さらに薄膜太陽電池で一般的にして高品質シリコンの生産量が挙げられる．そこで行われているバッファ層（ｐ型半導体とｎ型半導体

必要な原料の使用量が少なくて済む薄膜太陽電池にの間に薄い高抵抗の半導体膜を挟む）には硫化カド

期 待 が寄 せら れて いる． し かし ，現 在主 流のミウム(CdS)が用いられているが，これは有毒である．

CuIn1-xGaxSe2(CIGS)薄膜太陽電池では，希少金属のインジウムやガリウム，有毒元素のセレンを使うといった問題点がある．そのため，将来的に導入量が増加すれば原料が不足することも予想される．
そこで，①

希少元素を含まない，汎用原料だけで構成できる太

②
③

酸化亜鉛層

④

SnS 層

陽電池に着目し，スズと硫黄が主原料の硫化スズ（SnS）
半導体薄膜を光吸収層として用いた薄膜太陽電池の研究開発を世界に先駆けて行ってきた[1-2]．

⑤

SnS の構成元素は地殻中に豊富に存在し（Sn:2.2 ppm,
S:260 ppm）
，毒性が低い特徴を持っている．SnS 薄

図 1 一般的な SnS 薄膜太陽電池の断面構造

膜太陽電池は，図 1 に示すように①上部電極(アルの模式図．①上部アルミ櫛形電極 ②酸化亜ミ：Al)，②透明電極(不純物添加酸化亜鉛：n-ZnO)，

鉛上部透明電極③バッファ層(硫化カドミウム：CdS)，④光吸収層(硫ァ層 ④硫化スズ（SnS）光吸収層 ⑤モリ

化スズ：SnS)および⑤下部電極(モリブデン：Mo)か

ブデン下部電極③硫化カドミウムバッフ

ら構成され，厚さはすべて合わせて３～４μｍ程度である．これまでに得られている SnS 薄膜太陽電池

そこで，CdS バッファ層を省くことで禁制帯の不CIGS 太陽電池の 22％の最高変換効率は 4％台[3]で，連続を軽減することを提案する．SnS 薄膜上に直接，に比べ大きく劣っている．その原因の一つに禁制帯

アルミニウムを添加した酸化亜鉛薄膜を堆積するこの不連続が考えられる．薄膜太陽電池では，禁制帯とで，図 2 に示すように硫化カドミウムバッファ層幅の異なる異種の半導体を組み合わせてｐｎ接合をの際のクリフ型不連続からスパイク型不連続となり形成させるが，その際，ｐ型半導体とｎ型半導体の変換効率の向上が期待できる[4]．
ただしｐ型半導体- 206 -

であり光吸収層である SnS 膜の上に直接，ｎ型層で広い空間で成膜すると基板からの再蒸発が起こり上あり透明電極を兼ねる酸化亜鉛層をスパッタ法で形

手く堆積できないからである．図４に近接昇華法に成すると SnS 膜がダメージを受ける．そのため，本用いるサセプターの断面図を示す．基板と SnS 原料

研究ではダメージの少ないスパッタ製膜法として対パウダーの間の距離は１ミリメートルである．この向ターゲット式スパッタ法での酸化亜鉛層の成膜をサセプターをガラス管に入れる．ガラス管は筒状の採用する．図３に対向ターゲット式スパッタ装置のヒーターに挿入されているので，外部から加熱する

概念図を示す．これらの装置は真空容器に入れられことができる．成膜手順は以下のとおりである．サ-4ている．まず，真空容器を 10 Ｐａ程度の真空にし，セプターに基板と SnS パウダーをセットし，ガラス

アルゴンガスを圧力が１Ｐａ程度になるように導入

管に導入したのち，まず，サセプター下部のヒータ＋ と記されたターゲットフォルダーと○
－ と記
する．○

ーを通電し 200 ℃程度まで温度を上げておく．次に，されたターゲット裏板に高電圧を掛けることでアルガラス管の外部ヒーターに通電し 500℃程度に加熱

ゴンガスを電離させプラズマ状態にする．するとアする．そのことによってサセプターの上部と下部にルゴンイオンがターゲットに衝突し，その衝撃で弾下部のほうが上部より温度が高くなるように温度差

き飛ばされたターゲット成分が基板に付着し堆積さをつけることができる．図 5 に，典型的な温度プロれる．基板がプラズマの外に置くことができるのでファイルを示す．

ダメージの少ない製膜が可能となる．希少金属や有害元素を含まない薄膜太陽電池においてダメージのプラズマ

少ない製膜法でｎ型酸化亜鉛透明電極層を製膜する

アルゴンイオンターゲット粒子

ことが本研究の目的ある．酸化亜鉛は不純物をドープしないと電気抵抗率が高く電極には不向きである．
そのため一般にアルミニウムの添加が行われてきた

磁石
タ
ー
ゲ
ッ
ト

が，近年はより高性能を目指してガリウムを添加するようになってきている．そこで，本研究でも，ドーパントとしてガリウムを選択することにした．

クリフ型不連続－スパイク型不連続

タ
ー
ゲ
ッ
ト

タ
ー
ゲ
ッ

＋

基板

＋

－

Ecn

Ecp
SnS
Evp

SnS

ｎ型層

図3． 対向ターゲット式スパッタ法の概念図．
これらは真空容器に入れられている．

ｎ型層
Evn

次に，酸化亜鉛薄膜の作製手順について述べる．
図 2． SnS 太陽電池での禁制帯不連続の概念図上の方法で作製した SnS 薄膜の上にガリウムをドープした酸化亜鉛（ZnO:Ga 略してＧＺＯ）を堆積する．
堆積に際して変更できるパラメータは，スパッタ電

２．実験

流，スパッタ圧力，スパッタ時間である．今回は，まず，近接昇華法により SnS 薄膜を堆積した．近

初めての実験であったので，スパッタ電流を設定可接昇華法とは，堆積するため原料と基板を距離１ｍ

能な最低値（0.07 A）に，スパッタ圧力をやや高めｍ程度で対向させ原料を基板より高温にして堆積さの 1.5 Ｐａに固定し，スパッタ時間を２時間，20せる薄膜作製法である．
近接昇華法を使用するのは，

時間，100 時間と変化させて製膜を行った．20 時間

SnS は蒸気圧が高く，通常の真空蒸着装置のようなの成膜でもＸ線回折や定量分析ができるほどの膜厚- 207 -

を持った薄膜ができなかったので，最終的に 100 時

たＸ線のピーク強度が 20 時間のそれに比べて５倍間の成膜を行うことにした．ここでは 20 時間と 100ほどあり，後で示すように薄膜の厚さを反映してい時間の薄膜の比較を行う．以下，20 時間堆積させたるものと推測される．

薄膜を 20 時間膜，100 時間のそれを 100 時間膜と呼
ぶ．
２０ｈ
温度センサ

Ｘ線強度 任意単位

基板

蒸着された
SnS

500℃
1mm

蒸着される
前の SnS

570℃

１００ｈ

ヒーター

20

図 4． 近接昇華法のサセプターの断面図．これらはガラス管容器に入れられている．また，容器全体を外部ヒーターで加熱することができる．

40

60

80

回折角 ２θ °図１ GZO 薄膜の XRD パターン

３．結果と考察
図１にＧＺＯ薄膜のＸＲＤパターンを示す．
35 °付近に強い反射が見られる．酸化亜鉛はＪＣ
ＰＤＳカードと照合すると（００２）面からの反射と分かる．酸化亜鉛のＪＣＰＤＳカードはいくつかあるが，（００２）面の反射は 34.4 °付近である．
一方，図１の測定結果ではピークの角度は 34.24 °であり，約 0.15 °の誤差がある．この誤差はかな
り大きく，このピークが酸化亜鉛の（００２）面からの反射であるとは言い切れないが，他に考えられ

図２ ２０時間膜の走査電子顕微鏡写真．矢

ないので，
（００２）
面のピークであると結論付けた．

印の先がガラス基板と酸化亜鉛の境界

酸化亜鉛のＪＣＰＤＳカード（例えば＃０１－０
７９－０20６）には，（００２）面以外にも，（１０

図２に 20 時間膜の走査型電子顕微鏡の鳥瞰図を，０）面（２θ＝31.768 °，強度比＝57.8 ％），（１

図３に 100 時間膜の表面および断面の走査電子顕微０１）面（36.253 °，100％），47.539 °，21.4 ％），鏡写真を示す．図２から 20 時間の成膜では膜厚が（１１０）面（56.594 °，30.3 ％），（１０３）面

大変薄いことが分かる．本校の電子顕微鏡の能力で（62.858 °，26.5 ％）などが載っている．しかし，は膜厚を正確に測ることができなかった．次に 100

これらのピークは観察されず，得られた薄膜は（０時間膜では図３(ａ)の断面写真から比較的平坦で一０２）面に極端に配向していることが分かる．20 時

定の厚さの薄膜が得られており，膜厚が約 0.2 μｍ

間膜と 100 時間膜を比べると 100 時間膜から得られであることが分かる．100 時間の成膜なので，製膜- 208 -

たものと言える．

速度はわずか２ｎｍ／ｈであることが分かる．図３（ｂ）の表面写真からは比較的粒径が小さいがとこ

図５に，SnS 上にＣＢＤ法で ZnS を堆積させ，ろどころに大きな塊があることが分かり，その部分その上に対向ターゲット式スパッタ法で作製したＧは結晶の成長が促されたものと考えられる．

ＺＯを堆積させ，更にアルミ上部電極を堆積させた

表１に，エネルギー分散型Ｘ線分析装置で測定し太陽電池セルの写真を示す．くし型の電極が上部電た，各薄膜の元素定量分析結果を示す．薄膜の材料

極で大きさは 25 mm×7 mm である．この中に３個である亜鉛と酸素以外にも珪素，ナトリウム，カルのセルがある．100 mW/cm2，AM1.5 の疑似太陽光

シウムなどが検出された．これはガラスの主成分でをこのセルに当てて電流－電圧特性を測定したが，あり，電子線が酸化亜鉛薄膜を通り抜けて基板まで残念ながら発電しなかった．原因は，特定できてい達し，そこから放射されたガラス基板を構成する元

ないが SnS，ZnS の品質に問題が有るのではないか

素からの特性Ｘを検出したものと考えられる．ガラと考えている．

スの主成分であるこれらの元素がその酸化数に応じた酸素と結合している（SiO2，Na2O，CaO，MgO）と仮定すると 20 時間膜では，これらと結合している酸素がと 67.01 ％必要になると推定できる．これは分析で得られた酸素のパーセンテージより大きくなってしまうが，100 時間膜では 59.34 %の酸素のＧＺＯ

内，34.99 ％がこれらの元素と結合していると推測

ガラスされ，したがって亜鉛と結合している酸素は２４．
３５％と計算される．これは測定された亜鉛の組成とほぼ一致し，化学式がＺｎＯで表される所望の酸化亜鉛が得られていることが示唆される．
（ａ） 断面ＳＥＭ写真
表１ エネルギー分散型Ｘ線分析による定量分析の結果
元素20 時間膜100 時間膜

亜鉛

3.15 %

22.07 ％

酸素60.19 ％

59.34 ％

珪素

24.38 ％

16.42 ％

ナトリウム

8.08 ％

未検出

カルシウム2.60 ％

マグネシウム1.61 ％

2.15 ％
未検出

図４に 100 時間膜の光透過率と光反射率のスペク
トルを示す．これらを足すと 100％になるはずであ（ｂ） 表面ＳＥＭ写真

るが，実際には 100%を超えてしまっている．波長

図３ 100 時間膜の走査電子顕微鏡写真

300 nm から急速に透過率が上昇し，波長 400 nm
で 90 %を超える．酸化亜鉛の禁制帯幅は 3.4 eV と報告されており波長に直すと約 360 nm である．したがって，図４の透過率は酸化亜鉛の物性を反映し- 209 -

［ １ ］ A. Yago, S. Sasagawa, Y. Akaki, S.

100

透過率／反射率 ％Nakamura, H. Oomae, H. Katagiri, and H.
Araki, "Comparison of buffer layers on SnS

透過率

thin-film

solar

cells

preparedbyco-evaporation", Phys. Status Solidi C 14,501600194 (2017).
［２］Aimi Yago, Takashi Kibishi, Yoji Akaki,
Shigeyuki

反射率0Nakamura,

HirotoOomae,

Hironori Katagiri, and Hideaki Araki,"Influence of SnS composition ratio on SnS

1000

thin-film

2000

波長 nm

solar

cells

producedvia

co-evaporation method", Japanese Journal

図４ １００時間膜の光透過率と光反射率のof Applied Physics 57, 02CE08 (2018)

スペクトル

［３］
P. Sinsermsuksakul, L. Sun, S. W. Lee, H. H.
Park, S. B. Kim, C. Yang, and R. G. Gordon,"Overcoming

Efficiency

Limitationsof

SnS ‐ Based Solar Cells", Adv. Energy
Mater. 4, 1400496 (2014).
［４］
Hiroki Sumi, Keisuke Asaka, Atsushi Okubo,
Ishwor Khatri and Mutsumi Sugiyama,"Band

図５ 作製した SnS 薄膜太陽電池の外観

Alignmentofn-typeSemiconductor/p-type SnS Heterojunction
for Earth-Abundant SnS Solar Cells" The26th International Photovoltaic Science

４．まとめ
硫化スズ薄膜太陽電池の表面透明電極の作製のた

and Engineering Conference (PVSEC-26),

め対向ターゲット式スパッタ法を用いてガリウム添

Marina Bay Sands Sands Expo and

加酸化亜鉛薄膜の作製を行った．はっきりしたＸ線

Convention Centre, Singapore, Oct. 24-28

回折ピークが１本しか得られなかったが，定性分析(2016) (poster). 3_4-0019

では亜鉛が堆積されていることを確認したので，（００２）
面に配向した酸化亜鉛のピークと結論付けた．
100 時間の堆積でも膜厚 200 ナノメートルの薄膜しか得ることができず，極端に製膜速度が遅いことが分かった．今後は，製膜速度の向上を目指してスパッタ電流を上げて実験していく予定である．
謝辞
本研究の遂行に当たり，助成いただいた公益財団
法人ウエスコ学術振興財団に深く感謝申し上げます．
参考文献- 210 -Streptomyces cinnamoneus ゲノム情報を利用した有用酵素の探索
岡山県農林水産総合センター生物科学研究所・酵素機能研究グループ

畑中 唯史（概要）筆者はこれまでに、独自の放線菌を宿主とした発現系を構築しているが、本研究ではこの発現系で、食感を改善することに役立つ酵素トランスグルタミナーゼ（TGase）を発現させ、基質認識に関わる部位の探索を目的に、市販酵素である S. mobaraensis 由来 TGase と S. cinnamoneus 由来 TGase との遺伝子間で、キメラ酵素を作成し、親酵素・キメラ酵素との性状比較を行った。さらに、カゼインのトリプシン消化物に含まれる放線菌由来トランスグルタミナーゼの好適基質（アシルドナー）配列の探索を行い、β-カゼイン由来のペプチ
ド 2 種（VLPVPQK および AVPYPQR）を同定した。さらに、これら 2 種のペプチドに対して、親酵素・キメ
ラ酵素の反応性の比較についても報告する。
中のグルタミンとリジンの側鎖間でペプチド結合を１．はじめに放線菌から有用酵素を見出すことが近年注目され作り、タンパク質同士を架橋させる接着剤として広つつあるが 1)、放線菌はゲノムの GC 含量が約 70％

く使われている食品加工用酵素である。TGase の酵と高く、酵素の大量生産は大変難しいため、生産性

素反応では、アスパラギン酸残基がアシル基受容体の高い新たな酵素生産技術の開発が望まれている。

リジンのアミノ基を活性化し、活性中心システイン

岡山県農林水産総合センター生物科学研究所では、にトラップされたアシル基供与体グルタミンの側鎖

独自の放線菌 Streptomyces cinnamoneus TH-2 株を土とペプチド結合を形成する。しかしながら、TGase

壌より単離しており、本菌株を 2%のグルコース及の天然物由来のペプチドに対する詳細な活性の違い

び 0.8%のリン酸を含む PG 培地で培養すると、培養は未解明のままであり、さらに基質認識部位につい

3 日目以降に培養上清中に大量のプロテアーゼては明らかにされていない。

（SCMP）を分泌する。この SCMP をコードする遺本報告では、市販酵素である S. mobaraensis 由来

伝子 scmp のプロモーター領域（scmp プロモーター）

TGase（SMTG）と S. cinnamoneus 由来 TGase（SCTG）

は、非常に特異な DNA 塩基配列を示し、近縁株な

2 種の遺伝子間で、キメラ酵素を作成し、基質認識

どのゲノム情報上には類似の配列は見られなかった。

を担う部位を探索するとともに、TGase の好適基質

そこで、この塩基配列を利用して、放線菌由来酵素

配列の探索を行った結果についても記載する。

を大量に生産させる発現ベクターpTONA を創出した 2)。このベクターを用いた放線菌酵素生産法は、

２．実験方法すでにナガセケムテックス株式会社の 2 種の放線菌（１）SMTG 遺伝子のユニークサイトである制限

酵素生産に利用されている 3)。これら酵素は、セル酵素 CpoI 切断部位を利用して、SCTG 遺伝子とフクローニングおよびナチュラルオカレンス（組みのキメラ酵素 2 種（N 末端 SMTG/C 末端 SCTG＝換え体と同等の遺伝子構成をもつ生細胞が自然界にMC および N 末端 SCTG/C 末端 SMTG＝CM）
を存在する）の概念にあてはまり、食品添加物として作成した。これらを改良型 scmp プロモーター（論使用できるグレードである。

文作成中）の下流に挿入した放線菌用発現でベク

そこで本研究では、この発現系を応用して、放線ターを作成し、常法 4)により、S.lividans 1326 株形菌由来トランスグルタミナーゼ（TGase）の基質認

質転換体を得た。形質転換体を、Tryptic soy broth

識に関わる部位を探索する。TGase は、タンパク質で種培養を行った後、本培養をバッフルフラスコ- 211 -

で、2%グリセロール, 0.8%K2HPO4, 0.05%MgSO4･

して、L-Lys（終濃度：10mM）を用いて、

7H2O, 0.5%ポリペプトン, 0.5%酵母エキスを含む

TGase による反応を行った後、逆相カラムを装着

培地で、30℃, 150rpm, 5 日間培養を行い、活性をしたイオントラップ型 LC-MS により、反応によ含む培養上清を遠心にて回収した。

って消失し、なおかつ、リジン付加物に相当する
ピーク（2 価イオンとして、分子質量が 64 増加す（２）酵素簡易精製法

るピーク）が出現した組み合わせを指標に基質の培養上清を 70％飽和硫安で処理し、遠心にて探索を行った。最終的な同定は、別途同定配列を得た沈殿物を、20mM リン酸バッファー（pH8.0）

合成したものと比較することによって確認した。

に溶解し、同バッファーに対して透析した。これ

また、酵素反応の経時変化を追う場合は、LC-MS

を遠心にて分離・精製できる陰イオン交換体（ザ分 析 時 に 、 内 部 標 準 と し て 、 0.02 mM

ルトリウス社製 Vivaspin Q）にかけ、夾雑タンパ

4-methoxybenzamide を加えることによって、値をクを吸着させ、非吸着画分を精製酵素として用い標準化した。

た。

３．結果と考察（３）HPLC による TGase 活性測定法（１）酵素の発現

アシルドナーとして、Z-Gln-Gly を用い、37℃
で反応を行った後、酵素反応液を、0.1％ギ酸を含キメラ酵素のうち、MC（＝N 末端 SMTG/C 末端

む水で希釈したものを、逆相カラム（ウォーター

SCTG）は活性体が得られなかったため、SMTG、

ズ社製 Symmetry C18）を装着した HPLC にて、CM（＝N 端 SCTG/C 末端 SMTG）、SCTG の 3 種の0.1％ギ酸を含む水及び0.1％ギ酸を含む10％アセ精製酵素での比較検討を行った。

トニトリルを用いて、溶出した。254nm の波長で（２）カイネティックス・パラメーターの比較分析することにより、生成物を検出し活性測定しアシルドナーとして Z-Gln-Gly を、アシルアクセ

た（図１）
。

プターとしてヒドロキシルアミン、L-Lys および
D-Lys を用い、3 種の酵素について、カイネティック
ス・パラメーターの比較を行った（表１）。

図１ HPLC による基質および生成物の検出
また、酵素反応による生成物は、別途 LC-MS
を用いて、当該ピークの質量分析を行い、生成物

一般的に、キメラ酵素は、親酵素よりも、低い活であることを確認した。

性・安定性を示す場合が多いが、全ての基質（Z-Gln-Gly、ヒドロキシルアミン、L-Lys および（４）カゼイントリプシン消化物の基質探索

D-Lys）に対するパラメーターにおいて、キメラ酵素

ウシ由来カゼインを市販トリプシンで消化し

CM は、
SMTG と SCTG との中間的な値を示した（表

たものをアシルドナーに、アシルアクセプターと

１）。また、いずれの酵素も、リジン以外のアミノ酸- 212 -

を、アシルアクセプターとして認識することは出来

イン由来の VLPVPQK および同じくβ-カゼイン由なかった。

来の AVPYPQR を、放線菌由来 TGase のアシルドナ
ーとして見出した。前者の VLPVPQK については、（３）熱安定性および至適温度

我々の既報論文 5)で存在を明らかにしていたが、アシルドナーとして Z-Gln-Gly を、アシルアクセ

AVPYPQR については、別途ペプチドを合成し、そプターとしてヒドロキシルアミンを用いて、3 種のの配列を同定した。

酵素について比較を行った。

ついで、3 種の酵素について、これらのペプチドに対する経時変化を追った（図４）。

図２ 熱安定性および至適温度
熱安定性および至適温度についても、カイネティ

図４ カゼインペプチドを基質とした反応経時変化

ックス・パラメーターと同様に、キメラ酵素 CM は、

上段：基質の消長、下段：生成物の生成

SMTG と SCTG との中間的な挙動を示した。

示すように、カゼインのトリプシン消化物に含ま（３）pH 安定性および至適 pH

れる VLPVPQK および AVPYPQR に対する反応性について、キメラ酵素 CM は、SMTG と同様な挙動を示した。また、SCTG による反応においては、6 時
間後には、両基質とも消失したが、そのリジン付加
物の強度は、SMTG、CM の半分程度しか示さなかった。これは、VLPVPQK および AVPYPQR と、カゼインのトリプシン消化物に含まれる別のペプチドとの結合によるものと示唆されたが、生成ペプチドの同定には至らなかった。
４．まとめ
カイネティックス・パラメーター、熱安定性およ

図３ pH 安定性および至適 pH

び至適温度において、キメラ酵素 CM は、SMTG と示すように、pH に対する挙動は、これまでと異な

SCTG との中間的な挙動を示した。また、pH 安定性

り、キメラ酵素 CM は、SMTG に類似した性状をもおよび至適 pH においては、キメラ酵素 CM は、

つことが明らかとなった（図３）。

SMTG に類似した性状を示した。さらに、SMTG、
CM および SCTG の 3 種の酵素の、アシルドナーと（４）カゼインペプチドを基質とした反応

して新たに見出した 2 種のカゼインペプチド

反応によって消失し、なおかつ、リジン付加物に（VLPVPQK および AVPYPQR）に対する反応性（図相当するピークが出現した組み合わせから、β-カゼ- 213 -

４）およびカイネティックス・パラメーターの比較（表１）から、基質認識に関わる部位は、図５の赤色で示す C 末端部分に含まれることが推測された。
今後、よりきめ細かなキメラ酵素を作成し、放線菌由来 TGase におけるアシルドナーの認識配列を明らかにすることを計画している。

図５ キメラ酵素 CM のアミノ酸配列

５．参考文献1) Anné J. et al., Protein secretion biotechnology inGram-positive bacteria with special emphasis on
Streptomyces lividans. Biochim. Biopys. Acta 1843(8):1750-1761 (2014)
2) Hatanaka T. et al., pTONA5: a hyperexpression vector
in streptomycetes. Protein Expr. Purif. 62:244-248 (2008)
3) 畑中唯史ら, プロモーター及びその活性化方法. 特許第 4586149 号
4) Hopwood DA. et al., Genetic manipulation ofStreptomyces: a laboratory manual. Norwitch: The John
Innes Foundation, (1985)
5) Wan K. et al., Enzymatic degradation of allergen
peptides from bovine casein by a combination ofStreptomyces aminopeptidases. Appl. Biochem. Biotech.
First Online: 16 July (2018)https://doi.org/10.1007/s12010-018-2839-7
謝辞
本研究をご支援いただきましたウエスコ学術振興財団に、深く感謝いたします。

- 214 -

病害抵抗性植物の効率的選抜を可能にする免疫応答可視化ツールの開発
岡山県農林水産総合センター生物科学研究所
中野真人
青枯病菌（Ralstonia solanacearum）はナス科作物を中心に様々な植物に病気を引き起こす土壌伝染性の植物病原細菌である。本菌は宿主への感染を成立させるために、エフェクターと呼ばれる分泌タンパク質を植物細胞内に注入し、免疫応答を攪乱する。病害抵抗性を有する植物では、細胞内に存在する抵抗性遺伝子産物がレセプターとして機能し、病原菌のエフェクターを異物として認識する。エフェクターを認識した植物細胞内
では、活性酸素種の生成をはじめとする様々な免疫応答が誘導されるため、これらの応答を特異的に検出することができれば抵抗性を有する植物個体を効率的に選抜できると考えられる。本研究では、免疫応答のひとつである活性酸素種の生成を可視化する実験手法を構築し、これを用いて青枯病菌の認識に関わる抵抗性遺伝子を特定した。

1. はじめにエフェクターは宿主植物において病原菌の病原性

青枯病菌（Ralstonia solanacearum）は、ナス科因子として機能するだけでなく、非宿主植物では非作物を中心に 200 種類以上の植物を加害する植物病

病原力因子（Avr）としても機能する。非宿主植物は原細菌である 1)。本菌は土壌深部や水中で生存して病害抵抗性タンパク質と呼ばれる細胞内受容体によおり、根の自然開口部や傷口から植物内に侵入する

り Avr エフェクターを感知し、非常に強い免疫応答と維管束内で増殖しながら全身に広がり、最終的にを誘導する 3)。この反応は抵抗性遺伝子の存在を示

多糖類を大量に分泌することで導管閉塞を引き起こす指標となるため、Avr エフェクターを利用して抵し、植物を枯死させる。青枯病の防除においては農

抗性育種選抜を実施できると考えられる。これまで薬を用いた化学的防除や輪作による耕種的防除の効に、
ナス科植物が認識する Avr エフェクターとして、果が限定的であることから、病害抵抗性品種が農業

RipAA、RipP1、および RipAX2 エフェクターが同定さ現場で広く利用されてきた。ところが、青枯病菌はれている 4,5)。しかしながら、これらの Avr エフェク

病原性や宿主域が変異しやすく、遺伝的に同一な抵ターを認識する抵抗性タンパク質は特定されておら

抗性品種の連続使用により、新たな病原性を獲得しず、Avr エフェクターの認識に関わる分子機構は依た菌株が出現し、甚大な被害を引き起こしている。

然として未解明である。そこで本研究では、青枯病

病原菌は宿主の防御反応を乗り越えて感染を成立菌に対する植物の免疫機構を明らかにするために、させるために、特殊な分泌装置により自身のタンパ

ナス科のモデル植物であるベンサミアナタバコク質を宿主の細胞内に注入する。このような分泌タ（Nicotiana benthamiana）を用いて、青枯病菌の新ンパク質はエフェクターと総称されており、病原細規 Avr エフェクターの探索を行うとともに、このエ菌の主要な病原性因子として機能する。日本で分離フェクターを認識する抵抗性遺伝子を同定することされた青枯病菌 RS1000 株は約 70 種類のエフェクタを目的とした。

2)

ーを植物細胞内に注入することが報告されている 。
青枯病菌エフェクターは Rip（Ralstonia-injected

2. 結果と考察

protein）と呼ばれており、様々な方法で植物の免疫

免疫応答を指標とした Avr エフェクターの探索

応答を攪乱することが近年の分子生物学的解析によエフェクターが認識されると過敏感細胞死の形成って明らかになってきた。

に先立ち、NADPH オキシダーゼを介して ROS の生成- 215 -

が誘導される 6)。この様な ROS の生成は、青枯病菌
だけでなく糸状菌やウイルスなど、様々な病原体由来の Avr エフェクターを認識した植物で観察されている。そこで、青枯病菌の新規 Avr エフェクターを同定するために、ROS の生成を指標とした Avr エフ
ェクターのスクリーニングを行った。アグロバクテ
リウム法により青枯病菌 RS1000 株のエフェクター
をベンサミアナタバコ葉で一過的に発現させ、ROSの化学発光プローブ L-012 を用いて ROS の生成が誘導されるかどうかを調べた。
青枯病菌 RS1000 株が有する約 70 種類のエフェクターについて調べたとこ

図 2．Roi1 による防御関連遺伝子の発現誘導

ろ、ROS の生成を顕著に誘導するエフェクターとし

アグロバクテリウム法により Roi1 と GFP をベンサミアて Roi1（ROS inducer 1）を見出した。ROS の生成はナタバコ葉で一過的に発現させ、防御関連遺伝子の発Roi1 エフェクターの発現により誘導され、その生成現量を測定した。

量はポジティブコントロールとして用いた既知のAvr エフェクターRipP1 と比較して約 2 倍増加した

新規 Avr エフェクターの機能解析

（図 1）
。

Roi1 エフェクターがベンサミアナタバコに認識される Avr エフェクターかどうかを明らかにするために、青枯病菌 RS1000 株の roi1 遺伝子を欠損させたΔroi1 変異株を作出し、ベンサミアナタバコにおける表現型を観察した。野生株（WT）を接種したベ
ンサミアナタバコは接種 21 日後まで健全に生育し、萎凋症状は認められなかった（図 3）。一方、Δroi1

図 1．エフェクター発現による ROS の生成

変異株を接種したベンサミアナタバコは接種 10 日

アグロバクテリウム法により GFP、RipP1、および Roi1

後から萎凋症状が認められ、接種 21 日後に全ての接をベンサミアナタバコ葉で一過的に発現させ、ROS の種個体が枯死した。なお、既知の Avr エフェクター

生成を検出した。

である ripAA と ripP1 を欠損させたΔripAA ΔripP1
変異株を作出し、
ベンサミアナタバコに接種したが、次に、アグロバクテリウムを介して Roi1 エフェク

萎凋症状は認められなかった。これらの結果から、ターを一過的に発現させたベンサミアナタバコ葉か

青枯病菌 RS1000 株の Avr エフェクターは Roi1 であら mRNA を単離し、リアルタイム PCR により防御関連

り、
RipAA と RipP1 ではないことが明らかになった。

遺伝子の発現を解析した。Roi1 エフェクターの発現は、サリチル酸情報伝達経路のマーカー遺伝子

NbPR1 および過敏感反応のマーカー遺伝子 NbHIN1 とNb203J の発現量を顕著に誘導した（図 2）。これらの結果から、Avr エフェクターの候補として同定した
Roi1 エフェクターは、ベンサミアナタバコにおいて

図 3．変異株接種植物における萎凋症状

ROS の生成や防御関連遺伝子の発現といった免疫応

青枯病菌野生株（WT）、ripAA ripP1 変異株（ΔripAA Δ

答を誘導することが明らかになった。

ripP1）、および roi1 変異株（Δroi1）をベンサミアナ
タバコに接種した。接種 21 日後に写真を撮影した。

- 216 -

3. まとめInteract. 22(5):538-550.

本研究では、ナス科のモデル植物であるベンサミ

5)

アナタバコにおいて、青枯病菌の Avr エフェクター

15(3):297-303.

の探索とその認識機構の解析を行った。ベンサミア

6)

ナタバコを含むニコチアナ属植物は、青枯病菌のと従来考えられてきた。しかしながら、青枯病菌
RS1000 株のΔripAA ΔripP1 変異株はベンサミアナ
タバコに対して病原性を示さなかったことから、未知の Avr エフェクターの存在が示唆された。
そこで、植物免疫応答を指標とした Avr エフェクターの網羅的スクリーニングを実施し、免疫応答を顕著に誘導する新規 Avr エフェクターとして Roi1 を見出した。
本エフェクターは、RipAA や RipP1 よりも強く植物に認識されることが明らかとなり、この発見は従来の定説に対して再考を促す新知見といえる。
さらに、抵抗性遺伝子群のノックダウン植物を用いた解析か
ら、当該エフェクターを特異的に認識する青枯病抵抗性遺伝子を特定した（データ不掲載）。ナス科植物
の青枯病抵抗性遺伝子は、有史以来多くの研究者が特定を目指してきたが、今日まで単離・同定されていなかった。従って本研究は、ナス科植物の青枯病
抵抗性遺伝子を単離・同定した世界で初めての成功例といえる。今後は、本抵抗性遺伝子が病害防除上有用かどうかを検証するとともに、本抵抗性遺伝子を活用した防除方法を構築する予定である。
4. 謝辞
本研究を遂行するにあたり、公益財団法人ウエスコ学術振興財団の支援を賜った。ここに記して感謝の意を表する。
5. 参考文献
Hayward (1991) Annu Rev Phytopathol.
29:65-87.
2)

Mukaihara et al.(2010) Mol Plant Microbe
Interact. 23(3):251-262.

3)

Cui et al.(2015) Annu Rev Plant Biol.
66:487-511.

4)

Nakano et al. (2015) J Plant Physiol.
184:15-19.

RipAA と RipP1 を Avr エフェクターとして認識する

1)

Nahar et al.(2014) Mol Plant Pathol.

Poueymiro et al.(2009) Mol Plant Microbe- 217 -

栽培化により失われたトマトの短日性を支配する鍵遺伝子の解明
岡山県農林水産総合センター 生物科学研究所
後藤 弘爾（概要）植物は、光や温度などの環境要因および、植物ホルモン、栄養状態、成長年数などの生理的要因が刺激となって、茎頂から花芽を発生させる(このことを花成と呼ぶ)。日長は季節により正確に変化するので、植物は日長の変化に鋭敏に反応し、花成を誘導する(日長応答的花成)。植物は日長応答の様式により、明期が長
いと花成が起きる長日植物と暗期が長いと花成が起きる短日植物とに分類されるが、日長感受性を示さない中性植物も存在する。花成ホルモンとも呼ばれるフロリゲンは、日長に応答して葉で生産され、長距離シグナル伝達によって、茎頂から発生する器官を葉から花に転換させるホルモン様の物質として定義された。近年の研究により、フロリゲンの分子実体は、FT 遺伝子がコードするタンパク質であることが明らかとなった。
トマトは典型的な中性直物とされているが、トマトの近縁野生種の多くが短日植物であることから、人類が栽培化の過程で中性化した変異体を品種として固定した可能性が高い。本研究では、トマトが栽培化の過程で失った日長応答的花成の鍵となる遺伝子の特定を目指している。また、日長応答的花成を農業形質として利用
し、人為的に花成制御可能なトマトを育種するための遺伝学的基盤も構築する。
1．はじめに

日長応答的花成を制御する長距離シグナル伝達物質

現在農作物として栽培されている植物の多くは、として定義されたものであるが、FT 遺伝子のホモロ

栽培化の過程で野生種(原種)の中から四季咲き性、グは中性植物にも保存されている。このことからフ

多収性、早生性などの農業上の有用形質を持つもの

ロリゲンは、一般的な花成応答に関与していると考を人為的に選抜し、遺伝的に固定したもの(栽培品

えられるようになった。また、FT 遺伝子は、日長応種)である。

答的花成経路だけではなく、温度および植物ホルモ

トマトも例外ではなく、南米アンデス地方に起源

ンなどの生理的要因による花成経路の遺伝子群の働を持ち、中南米で栽培されていた祖先種が 16 世紀にきにより発現制御されている。従って、FT 遺伝子のヨーロッパにもたらされ、18 世紀に一般的な食用作機能と発現とを解析することは、その植物の花成制

物となるまでの約 200 年に渡る品種改良がなされた。

御を理解する上での第一歩となる。

その後も、栽培上および食用上有用な形質に関して
人為的な選抜が行われた結果、現在みられる様な、2．結果と考察

四季咲き性で大きな赤い果実をつけるトマト品種に2-1.トマトゲノム上に存在する FT 遺伝子群なったと考えられている。
日長感受性を示す(短日性トマトの全ゲノム解読 1 により、トマトのゲノムや長日性)原種から、栽培化の過程で日長非感受性に

上には、14 個の FT ホモログ遺伝子が存在することなった変異体が選択され、現在は中性植物(四季咲きが予想された。これらの中から発現している遺伝子性)であるとされている栽培植物は少なくない。

を全てクローニングすることにした。フロリゲン遺植物の日長応答的花成に関する研究は、国内外で伝子 FT は、主として葉で発現していることから、ト100 年以上に渡って続けられてきた。近年、モデル

マトの成熟葉を材料とし、そこから調整した cDNA

植物のシロイヌナズナを用いた研究により、花成経を鋳型に、ゲノム情報に基づいてプライマーを設計

路の遺伝学的枠組みと花成ホルモン(フロリゲン)のし、PCR 法による遺伝子増幅を行った。

分子的実体が FT というタンパク質であることが解

その結果、12 個の FT ホモログ遺伝子のクローニ明された。また、FT 遺伝子は被子植物に広く保存さングに成功した。残りの 2 個の遺伝子については、れていることも明らかになった。
フロリゲンは、
元々

発現遺伝子では無いか、遺伝子アノテーションに誤- 218 -

S. galapagense

短日性S. pennellii

短日性S. pimpinellifolium

中性

S. cheesmaniae

短日性S. lycopersicum
var. cerasiforme【図 1】トマト FT ホモログ遺伝子の分子系統樹。
各遺伝子のコード領域から予測されるアミノ酸配列を近隣結合法(Neighbor-Joining 法)により分子系
統樹を作製した。
SP__はトマトの遺伝子で、
MFT、FT、
TSF、BFT、ATC と TFL1 はシロイヌナズナの遺伝子である。Human_PEBP は root を計算するためのヒトの短日性S. peruvianum

中性

S. corneliomulleri

中性

S. neorickii

短日性

S. chilense

中性

S. huaylasense

短日性

S. arcanum

中性

S. chmielewskii

中性

S. chilense

中性

S. chmielewskii

短日性

S. habrochaites

短日性【表 1】トマト近縁野生種の日長応答性

ホモログ遺伝子。

いて、日長応答性を調べた結果を表 1 に示す。このりがある可能性が示唆された。クローニングに成功

様に過半数の種が短日性を示す結果となった。

した 12 個の FT ホモログ遺伝子について、塩基配列を決定し、コードするアミノ酸配列に基づいた分子

2-3．トマト FT ホモログの遺伝子構造

系統樹を作製した(図 1)。FT clade は、フロリゲン
FT に近いアミノ酸配列を持つタンパク質群である。
また、TFL1 は、シロイヌナズナでの研究の結果、花トマト栽培品種からクローニンした FT ホモログの遺伝子と、表１のトマト近縁野生種からクローニングした FT ホモログの遺伝子との塩基配列とを比成を抑制する機能を持ち 2、アンチフロリゲンと呼較した結果、多くの一塩基多型(SNP)が観察された。

ぶことのできるタンパク質である。従って、TFL1

それらの中にはアミノ酸配列に影響を及ぼすものもclade のタンパク質は、その配列が FT と相同性を持存在した。

っているのにもかかわらず、花成に対しては抑制的

アミノ酸置換に伴う遺伝子機能への影響は、今後に作用すると考えられている。

の機能解析によって明らかにしていきたいと考えている。さらに、本解析による重要な知見として、FT

2-2．トマト近縁野生種の日長応答性

clade に属する 2 つの遺伝子において、栽培品種か現存するトマトの栽培品種は、全て日長感受性をら得られた遺伝子に、ナンセンス突然変異とフレー

示さない中性植物である。実際に日本で栽培されてムシフト突然変異が見つかった。対応する近縁野生いる品種とヨーロッパ系と呼ばれる品種の内、いく
つかについて調べたところ、全て中性植物であった。
そこで、中南米の自生地から採取されたトマト近縁

種の遺伝子は完全長のタンパク質をコードしており、これらの突然変異により、栽培品種では遺伝子機能が失われている可能性が極めて高いと考えられる。

野生種の日長応答性を調べた。トマト遺伝資源スト
ックセンター(Tomato Genetics Resource Center、

2-4.トマト FT ホモログ遺伝子の組織特異的発現

U. C. Davis)が所有しているトマト近縁野生種につこれまでの研究から、フロリゲン遺伝子は葉で発- 219 -

現することが知られている。一方、FT ホモログ遺伝子群の中でもアンチフロリゲンとして働く TFL1 遺伝子は、シロイヌナズナでは茎頂で発現することが知られている。トマト FT ホモログ遺伝子には、FT
clade と TFL1 clade の両方の遺伝子群が存在している。そこで、本研究によってクローニングした 12
遺伝子について、栽培トマトにおける組織特異的発現を調べた(図 2)。図に示した遺伝子は、葉と茎頂の両方で発現がみられた。残りの遺伝子の内、4 個の遺伝子については主として葉で発現が観察され、3遺伝子については主に茎頂で発現がみられた。最後【図 2】
トマト FT ホモログ遺伝子の組織特異的発現。

の 3 遺伝子については、発現量がどの組織において蓄積している RNA 量を定量的逆転写リアルタイム

も低く、かつ組織特異的な発現は観察されなかった。

PCR 法により測定した。縦軸はハウスキーピング遺また、長日条件と短日条件とで遺伝子発現の違いを伝子に対する相対的な発現量。青は長日条件、赤は調べたところ、長日条件特異的な発現を示した遺伝

短日条件での値。Root:根、Hyp:下胚軸、Cot:子葉、子が 1 個、短日条件特異的な発現を示した遺伝子がJleaf:幼若葉、Aleaf:成熟葉、Mleaf:第一花房後の3 個あり、残りは日長条件特異性を示さなかった。

葉、VM:栄養茎頂メリステム、IM:花序茎頂メリステ以上の発現パターンから、
トマト FT ホモログ遺伝ム、FM:花メリステム、Fruit:果実。

子の中に、日長に応答して葉で発現するという、典型的なフロリゲン遺伝子と同じ発現パターンを示す

成の性質の変化に関与している可能性が示唆された。

ものが見つかった。一方、図 2 に示したように、葉

次年度の研究においては、クローニングしたトマと茎頂の両方で発現しているという、これまでの考ト FT ホモログ遺伝子の機能解析を進める計画であえ方では説明できない発現パターンを示す遺伝子もる。これにより、栽培化の過程で失われた遺伝子機

存在することが明らかとなった。

能を明らかにし、それがどの様なメカニズムでトマ

トマト FT ホモログ遺伝子は、12 個存在しており、トの日長応答的花成の変化に関与しているのかについて解明して行きたいと考えている。

被子植物の中では、比較的遺伝子メンバーの数が多い。従って、遺伝子メンバーの中にはフロリゲンの謝辞

機能から機能分化したものや他の機能を持つように

本研究を実施するにあたりご支援を戴きました公リクルートされたものが存在する可能性が考えられ

益(財)ウエスコ学術振興財団に感謝致します。

る。今後行う予定の機能解析と合わせ、それらの遺伝子の働きを解明していきたい。

引用文献
3．まとめと展望

1

本年度の研究によって、トマトの持つ FT ホモログ

The tomato genome sequence provides insights into
fleshy fruit evolution. Nature 485, 635-641, (2012).

遺伝子を全てクローニングすることに成功した。こ2Hanano, S. & Goto, K. Arabidopsis TERMINAL

れらの遺伝子構造解析により、２つの遺伝子においFLOWER1 is involved in the regulation of floweringてトマト栽培種で機能欠失をもたらすような変異がtime生じていることが明らかとなった。これらに対応すtranscriptional repression. Plant Cell 23, 3172-3184,

る遺伝子は、トマト近縁野生種では変異が起きてお(2011).

らず、これらの遺伝子変異がトマトの日長応答的花- 220 -

andinflorescencedevelopment

through新たに見出されたモモ不稔現象の詳細解析
岡山県農林水産総合センター生物科学研究所
小田賢司
モモ（Prunus persica (L.) Batsch）の中には花粉形成能力を失った雄性不稔品種が存在する。このような品
種は人工授粉が必要となるため、モモの新品種育成に際しては、不稔形質を排除することが育種目標の一つになっている。DNA マーカーは不良個体を定植前に排除できるため、栽培に手間のかかるモモ育種では稔性を識別する DNA マーカーの開発に期待が寄せられている。このため、日本の栽培品種に広まっている不稔遺伝子を同定し、簡便に稔性を識別できる DNA マーカーを開発した。しかし、このマーカーでは検出できない不稔交配
樹が存在することが明らかとなり、本研究では、このような新しいタイプの不稔現象について解析を行った。
その結果、新しいタイプの不稔品種が少なくとも中国品種には複数存在することが確認され、ごく一部の個体のみが有する特別の形質ではないことが明らかになった。さらに、不稔個体の花粉発達を観察したところ、これまでに見出した不稔変異以外に、モモには少なくとも 2 つの遺伝変異が存在すると推察された。
１． はじめにドする遺伝子の 1 塩基変異が花粉の形成不全を引き

日本の栽培モモの中には、‘白桃’・‘大和白桃’
・‘川

起こすことを明らかにした。さらに、この 1 塩基多

中島白桃’
・‘浅間白桃’
・‘おかやま夢白桃’等のよ型（SNP）を簡便かつ安価に検出するマーカーを開発

うに単独で受精できない不稔品種が存在する。不稔

し、稔性の有無を開花する前に予測することを可能

品種を確実に着果させるため、農業現場では可稔品にした。この手法は、岡山県農林水産総合センター

種から花粉を採取し、満開時に人工授粉を行ってい農業研究所におけるモモ育種に利用され、育種の効る。栽培の手間を減らすため、モモの新品種育成に率化に貢献している。

際しては、花粉稔性を持つ品種を開発することが求作成したマーカーは日本の栽培品種の稔性形質をめられる。モモの不稔現象は、詳細な観察研究が古正確に識別できた。しかしながら、同農業研究所にくに行われたが、不稔の原因遺伝子やそのメカニズ

おいて過去に作られた交配樹の中には、可稔とのマムは長らく不明であった。そこで、昨年度、（公財）

ーカーの判定に関わらず、不稔の形質示すと記録さウエスコ学術振興財団の支援の下、モモの不稔形質れた交配樹が、少数ながら見つかった（表 1）。これの分子遺伝学的解析を行い、輸送タンパク質をコー

らの交配樹は、数百通りの交配組み合わせのうち、

表 1．県農業研究所が作成した過去の交配樹に見出された新しいタイプの不稔個体
組合せ番号

種子親

花粉親

#10-14

岡山モモ 2 号

福州

#11-5

岡山 PEH8 号（自然交雑）

系統番号

マーカー

予測形質

観察結果

#10-14-06

T/C

可稔

不稔

#10-14-15

T/C

可稔

不稔

#11-5-03

T/C

可稔

不稔

#11-5-08

T/C

可稔

不稔

#11-5-15

T/T

可稔

不稔

#11-5-16

T/C

可稔

不稔

#11-5-22

T/C

可稔

不稔

マーカーの T/T は正常型の輸送タンパク質遺伝子をホモに持つことを表し、T/C は正常型と変異型の両方の遺伝子を持つことを表す。いずれも花粉が正常に発達できると予測される。

- 221 -

表 2．県ジーンバンクの不稔品種の稔性マーカー解析結果
品種

稔性形質

マーカー

予想形質

品種

稔性形質

マーカー

予想形質

森上白桃

不稔

C/C

不稔

美晴白桃

不稔

C/C

不稔

中津白桃

不稔

C/C

不稔

紅錦香

不稔

C/C

不稔

池田中生

不稔

C/C

不稔

陳圃蟠桃

不稔

C/C

不稔

あきぞら

不稔

C/C

不稔

未央 2 号

不稔

C/C

不稔

明鳳

不稔

C/C

不稔

早花露

不稔

C/C

不稔

神玉

不稔

C/C

不稔

芝罘

不稔

C/C

不稔

かなめ

不稔

C/C

不稔

深州白雪

不稔

T/T

可稔

夢しずく

不稔

C/C

不稔

円桃

不稔

T/T

可稔

西王母

不稔

C/C

不稔

温州水蜜

不稔

T/T

可稔

一宮水蜜

不稔

C/C

不稔

マーカーの C/C は変異型の輸送タンパク質遺伝子をホモに持つことを表す。この場合、花粉が正常に発達できないと予測される。

わずか 2 通りの交配組み合わせ（岡山モモ 2 号 x‘福州’、および‘岡山 PEH8 号’の自然交雑）に由来していた。これらの交配樹の多くはすでに伐採されていたが、唯一残っていた樹（#11-5-16）を改めて調べたところ、マーカー判定とは異なり、確かに花粉を失っていた。これまでと異なる新しいタイプの不稔交配樹の存在は、輸送タンパク質遺伝子以外に不稔を引き起こす遺伝子が存在することを示唆している。存在が示唆された新しい不稔遺伝子は育種親である岡山モモ 2 号（
‘砂子早生’の自然交配で作られた中間母本）、‘福州’、‘岡山 PEH8 号’に由来するのではないかと推察される。県農業研究所での育種で図 1．県ジーンバンクの不稔品種の稔性マーカ

は、これらの品種・系統を育種母本として広く利用

ーによる判定している。このため、現在および将来に作られる交T 印のバンドが検出される場合、正常型の輸送タ

配樹には、輸送タンパク質遺伝子のマーカーでは可ンパク質遺伝子を有すると考えられ、C 印の 2 本稔と予測されたにもかかわらず、実際には不稔の形のバンドが検出される場合、変異型の輸送タンパ

質を示す個体がしばしば生まれてくる恐れがある。

ク質遺伝子を有すると判断される。

そこで、本研究では、輸送タンパク質遺伝子マーカ
ーでは判別できない、
この新たな不稔現象について、他の品種にも広く見られる現象なのかを明らかにす

詳細な解析を試みた。

るため、県農業研究所が保有するジーンバンクで栽培されている多様な品種の中で花粉ができない 19

２． 研究内容

品種に着目し、昨年度作成した稔性識別マーカーに① 新しい不稔形質を示す品種・交配樹の探索

よる判定を行った。その結果を表 2 に示す。19 品種

交配樹#11-5-16 に見いだされた、‘白桃’等とは中 16 品種はマーカーが C 型（輸送タンパク質遺伝子

異なる不稔が、#11-5-16 に特異的現象であるのか、が変異型）ホモであり、‘白桃’等と同様に輸送タン- 222 -

表 3．県 2015 年交配樹に見出された新しいタイプの不稔個体
組合せ番号

種子親

花粉親

#15-2

#10-14-4

（自殖）

#15-7

#10-14-10

（自殖）

系統番号

マーカー

予測形質

観察結果

#15-2-28

T/T

可稔

不稔

#15-2-36

T/C

可稔

不稔

#15-7-52

T/T

可稔

不稔

#15-7-57

T/T

可稔

不稔

#15-7-66

T/T

可稔

不稔

#15-7-70

T/C

可稔

不稔

#15-7-85

T/C

可稔

不稔

パク質の機能欠損が原因で花粉が形成できないのでらなかった。このことから、新しい不稔形質は遺伝あろうと考えられた。
しかし、残りの 3 品種（‘円桃’、

的に支配されたものであると考えられる。

‘深州水蜜’、‘温州水蜜’）については、マーカーがT 型（輸送タンパク質遺伝子が正常型）ホモであっ② 不稔個体の花粉観察た（図 1）。これら 3 品種はいずれも中国の品種であ‘上海水蜜桃’の子どもである‘白桃’は不稔品

るが、#11-5-16 同様、輸送タンパク質遺伝子の変異種である。花粉の発達は、減数分裂による四分子形とは異なる別の原因により花粉形成能を欠失してい成やその後の小胞子形成までは正常であるものの、ると推察された。以上のように、交配樹#11-5-16 で続く液胞期には異常を示し、やがて花粉が消失して観察された不稔現象は#11-5-16 に特異的ではなく、しまうことが知られている（石田ら、1974）。交配樹

中国品種の中に広く認められることが明らかとなった。
県農業研究所が 2015 年に行った交配では、新しタ
イプの不稔個体とされた#10-14-8 および#10-14-15の兄弟個体（#10-14-4、#10-14-10）を育種親とした交配を行っていた。
これらの交配樹が 2018 年に初開花することから、花粉の観察を行い、稔性マーカーによる判定と一致するかを調査した。その結果、稔性マーカーでは可稔と判定されたにも関わらず、不稔形質を示す個体が 7 個体見いだされた（表 3）。これらは、#15-2（#10-14-4 の自殖由来）および#15-7（#10-14-10 の自殖由来）の 2 通りの交配組み合わせに由来していた。以上のように、岡山モモ 2 号と‘福州’の子である#10-14-8 と#10-14-15 はマーカ
ー判定では可稔とされたにも関わらず不稔であったが、孫世代に当たる#15-2-28、#15-2-36、#15-7-52、

図 2．四分子期頃の花粉の様子#15-7-57、#15-7-66、#15-7-70、#15-7-85 も同様の可稔品種の‘白鳳’（上）、不稔の交配樹

性質を有することが明らかになった。一方、同じ#11-5-16（下）。
‘白鳳’の花粉は四分子期を2015 年に作られた、他の 34 通りの交配組み合わせ迎えている。同じ頃には、#11-5-16 は葯から由来の交配樹にそのような性質を持つ個体は見当た

花粉が消失した。

- 223 -

#11-5-16 等に見いだされた新しい不稔現象が‘上海の花粉が観察され、#11-5-16 とは明らかに異なる変水蜜桃’や‘白桃’と異なる原因で生じる場合、花異形質を示した（図 3）。このことから、#15-7-52

粉に生じる異常が‘白桃’で観察される異常と異なの不稔は#11-5-16 と異なり原因遺伝子により引きる可能性がある。そこで、#11-5-16 等の花粉の発達起こされると考えられ、モモには不稔を引き起こすの様子を光学顕微鏡で観察した。鉢植えされた変異が少なくとも 3 種類ある可能性がある。

#11-5-16 複製樹の花芽を 1 月末頃から 2 月末頃まで#15-7-52 の花粉消失時期は、‘白桃’の時期と類似

連続的に採取した。スライドガラス上で葯から花粉していた。#15-7-52 の不稔の原因は、‘白桃’の不を押し出し、酢酸カーミンで染色後、光学顕微鏡で稔の原因である輸送タンパク質遺伝子と同時期に働観察した。この手法では初期の頃の花粉の様子は観く別の遺伝子の変異か、輸送タンパク質遺伝子の別

察しにくかったが、2 月上旬には可稔品種の‘白鳳’

アリルの変異が原因であろうと思われる。

の花粉は四分子期にまで達した。これに対し、

今後、#11-5-18 および#15-7-52 の花粉異常を引き#11-5-16 の花粉を観察すると、四分子期に達するこ起こす遺伝子変異を同定し、稔性の予測をこれまでとなく消失することが明らかとなった（図 2）。この以上に正確に実施できるようにしたいと考えている。

ことから、#11-5-16 は四分子期に入る以前の段階である減数分裂期頃に発達異常が起こるのであろうと

３． 謝辞

推察された。これは、‘白桃’に見られる花粉の発達

本研究は、（公財）ウエスコ学術振興財団の支援の異常とは明らかに異なっており、#11-5-16 は‘白桃’下に行われました。研究に用いたモモは、岡山県農とは異なる原因により不稔形質を示すものと考えら

林水産総合センター農業研究所果樹研究室より分与れる。今後は、#11-5-16 の葯の切片を作成し、花粉

いただきました。厚くお礼申し上げます。

の発達に変異が生じる時期を明確にしたいと考えている。

４． 参考文献

中国品種‘円桃’、‘深州水蜜’、‘温州水蜜’も新石田ら（1974）京都府大學術報告 21-26

しいタイプの不稔品種であるが、これらの花粉も稔性品種の花粉が四分子期を迎える頃にはすでに消失しており、#11-5-16 と類似の花粉異常を示すのではないかと考えられた。
一方、2015 年交配樹に新たに見出された不稔個体のうち#15-7-52 の花粉を観察したところ、興味深い
ことに、#15-7-52 の花粉は四分子期に続く小胞子期

図 3．小胞子期頃の花粉の様子
可稔品種の‘白鳳’（左）、不稔の交配樹#15-7-52（右）。いずれの品種も小胞子期までは花粉が正常に発達した。#15-7-52 はそれ以降、花粉は発達せずに消失した。

- 224 -

発酵乳ホエーより単離した睡眠を誘導するペプチドの作用機序の解明
就実大学 薬学部
坪井 誠二
我々は，睡眠ホルモンであるメラトニンを作り出す酵素 serotonin-N-acetyltransferase (NAT) 活性が，内因性トリペプチドであるグルタチオンによってレドックス制御をうけることを明らかにした．乳酸菌による発酵乳ホエーをラットに与えることにより，内因性メラトニン分泌リズムの位相調整又は振幅増強作用があることをみいだしており，この作用は，発酵乳ホエー成分が細胞内グルタチオンレベルを上昇させ，メラトニン合成の律速酵素である NAT 活性を増強させていることによっていると考えている．そこで，今回我々は，発酵
乳ホエーのグルタチオン上昇作用を明らかにするため，アセトアミノフェン肝障害への影響について検討した．
その結果，アセトアモノフェン肝障害の原因となる肝臓中のグルタチオンの減少が抑制され，肝障害の抑制効
果がみられた．これらの結果により，in vivo においても発酵乳ホエー成分により細胞内グルタチオンレベルが上昇することが明らかとなった．

1.

よる作用機構であり，これはバイオジェニックスとはじめにいう名前が提唱されている 4) 5) ．バイオジェニック

発酵乳ホエーとその生理機能について
発酵乳とは，乳酸菌により乳を発酵させた物，例えスは「腸内フローラを介することなく，直接，血圧降ばヨーグルトやチーズなどの総称であり，その上清下作用，免疫抑制作用，コレステロール低下作用，整部分を乳清または，ホエーと呼ぶ．19 世紀末，微生腸作用，抗腫瘍作用などの生体調節・疾病予防・老化

物学者 Metchnikoff が，発酵乳を伝統食とする特定制御などに働く食品成分」のことを指し，広義には，の地域に高齢者が多いことに着目し，発酵乳の寿命

生理活性ペプチド，植物性ポリフェノール，カロチノ

延長効果を紹介して以来，発酵乳の生理機能に関す

イド，DHA，ビタミンなどもこれに該当する 2) 6)．今る研究は数多くなされてきた 1）．これまでに生理機回用いた L. helveticus CM4 発酵乳（以下発酵乳ホ能への有効性が確認されている乳酸菌の代表的なもエーとする）より見出されたバイオジェニックス効の で は ， Lactobacillus casei ， Bifidobacterium ，果として，Ile-Pro-Pro (IPP) や Val-Pro-Pro (VPP)

Lactobacillus helveticus などが知られており，整腸などのラクトトリペプチドによる血圧降下作用が明作用・抗アレルギー作用・抗腫瘍効果などが明らかとらかとなっている 7) 8)．また，我々のグループでは，なっている 2) 3)．

発 酵 乳 ホ エ ー の 生 理 機 能 と し て ， serotonin-N-

発酵乳の生理機能への効果は作用機構の観点から

acetyltransferase (NAT) の活性化による松果体内

大きく 2 つに分けられる．1 つ目は微生物自身によメラトニン合成量の増加作用を明らかにしている 9)．

る効果で，プロバイオティクスと呼ばれる微生物のメラトニンは時間情報ホルモンとして睡眠・覚醒・腸内増殖によってもたらされる効果と菌体成分が直代謝など様々な活動の概日リズムを制御しており，接あるいは腸内菌叢を介して作用する機構で，２つNAT はメラトニン合成の律速酵素として働いている．

目は微生物の働きにより生成された生理活性物質に我々は，以前，NAT の活性制御機構として，グルタ- 225 -

チオンを介した NAT の構造自体の変化，つまり，還活 性 代 謝 産 物 で あ る N-acetyl-p-benzoquinone

元型 (活性型) 及び酸化型 (不活性型) の２つの形

imine (NAPQI) が生産される 17)．NAPQI はグルタをとることで活性が調節されていることを明らかに

チオン抱合を受け，メルカプツール酸やシステイン

した 10)．そして，発酵乳ホエー投与による NAT 活性

抱合体となり排泄されるが，過剰生産により肝臓中化は，このレドックス制御によるものだということ

グルタチオンが枯渇すると，親電子性化合物であるを見出した 9)．

NAPQI により，蛋白質のチオール基の修飾が起きる

グルタチオンとは，グルタミン酸，システイン，グ

18)．
つまり，グルタチオン枯渇によって代謝経路が滞リシンから構成されるトリペプチドで，細胞内のチり，処理しきれないラジカル体によって，細胞膜及びオール環境の維持やグルタチオン抱合による有害物

蛋白質等が攻撃され，肝障害が引き起こされる (参質の代謝排泄に重要な物質である 11)．グルタチオン

考図 1)．このことは，グルタチオンの前駆体であるは，γ-glutamylcysteine synthetase (γ-GCS) と，

N-acetylcysteine (NAC) の投与によって肝障害が抑glutathione synthetase の二つによって段階的に合制されることからも明らかであり 19)，APAP 肝障害

成される 12) 13)．このうちγ-GCS はグルタチオン合の治療薬として添付文書に記載されている．さらに，

成の律速酵素であることが知られている 14)．グルタ

グルタチオン合成の律速酵素であるγ-GCS をノッ

チオンは還元型 GSH (glutathione, reduced form)とクダウンさせたラットにおいて，APAP 肝障害が比酸化型 GSSG (glutathione, oxidized form)が存在し

較的低用量でも引き起こされるという報告がある 20)．

ており，酸化型は二分子の還元型 GSH がジスルフィ
ド結合によってつながった分子である．細胞内のグ
ルタチオンは，通常，90%以上が還元型であり，この状態はグルタチオン還元酵素によって維持されている．グルタチオンは細胞内で発生した活性酸素種や過酸化物と反応して還元し，消去することで，細胞内のチオール環境を維持している 15)．発酵乳ホエーはグルタチオンを介して生体内抗酸化作用を向上させ，
図 1 アセトアミノフェンの代謝経路

メラトニン合成の上昇の他にも様々な生理機能へ影響すると推測できる．
アセトアミノフェン肝障害について

本研究の目的

アセトアミノフェン (APAP) は，非ピリン系の解熱

我々は，以前，発酵乳ホエー投与による NAT 活性

鎮痛剤であり，消化器障害や腎障害などの毒性が低上昇作用に関する研究において，その活性制御にグいため広く利用されている．しかし，APAP の過量投

ルタチオンを介したレドックス制御が関与している

与，または，アルコールや CYP 誘導薬物との相互作ことを見出した．発酵乳ホエー投与によってグルタ

用によって肝障害が引き起こされ，劇症肝炎の原因

チオン量が増加し，生体内の抗酸化作用の向上によとなることも報告されている 16)．
通常，APAP は 80％ってメラトニン合成が促進されたと考えられる．同

以上がグルクロン酸抱合や硫酸抱合を受け排泄され様に発酵乳ホエー投与により肝臓内グルタチオン量

る．その他は cytochrome P-450 によって代謝され，の増加が導かれれば，APAP による肝障害が抑制さ- 226 -

れると予想される．そこで，肝障害の指標として血清対照群に APAP を投与した場合，血清中 GOT は

中 glutamic oxaloacetic transaminase (GOT) 及びAPAP を投与しない群と比較して，2 時間後に約 3

glutamic pyruvic transaminase (GPT) を測定し，倍，4 時間後に約 4 倍となった (図 2 A，B)．また，

マウスへの発酵乳ホエー投与による APAP 急性肝障

血清中 GPT においては 2 時間後に約 11 倍，4 時間

害への抑制効果について検討した．同時に，乳を発酵後に約 22 倍と上昇し (図 2 C，D)，APAP 投与によさせずに遠心分離により上清に分けたものを未発酵

り肝障害が起こっていることが確認された．この実

乳ホエーとして比較実験を行った．

験条件下において，発酵乳ホエー群では，2 時間後，(A)

G O T (2hr)
700

方法

600

G O T (karm en)

2.

動物飼育条件

500
400
300
200
100

ICR 系マウス（雄）３週齢を用い，a.m. 8:00 – p.m.

ホ
エ
ー

ホ
エ
ー
+A
PA
P

未
発
酵
ホ
エ
ー

8:00 明期，その後暗期のサイクルで，発酵乳ホエー

未
発
水
酵
ホ
エ
ー
+A
PA
P

水
+A
PA
P

0

群，未発酵乳ホエー群及び対照群を飼育した．発酵乳(B)

G O T (4hr)
1000
800

GOT (karmen)

ホエー群には 10％発酵乳ホエー水溶液，未発酵乳ホ
エー群には 10％未発酵乳ホエー水溶液，及び対照群には水を自由摂取させた．また，飼料として，オリエ

600
400
200

た後，絶食させ，40℃に加温した APAP 水溶液 (700

ホ
エ
ー

ホ
エ
ー

+A
PA
P

ホ
エ
ー
未
発
酵

+A
PA
P

(C)

ホ
エ
ー

+A
PA
P
ホ
エ
ー

ホ
エ
ー

未
発
酵

定し肝障害の程度を測定した．血清中 GOT 及び GPT

未
発
酵

水
+A
PA
P

2 及び 4 時間後の血清中 GOT 及び GPT 活性を測

+A
PA
P

肝機能測定

水

800
700
600
500
400
300
200
100
0

臓を採取した．

ホエー

GPT (karmen)

G P T (2hr)
180
160
140
120
100
80
60
40
20
0

GPT (karmen)

mg/kg) を腹腔内投与し，2 及び 4 時間後に血液，肝

ホ
エ
ー
未
発
酵

水
+A
PA
P

ンタルＭＦ飼料を自由摂取させた．約一ヶ月飼育し水

0

活性の測定は，トランスアミナーゼ CII テストワコ

(D)

ホ
エ
ー

+A
PA
P
ホ
エ
ー

ホ
エ
ー
未
発
酵

未
発
酵

定した．

+A
PA
P

パクした後，DTNB 方を用いてグルタチオン量を測

水

肝臓をホモジナイズし，上清を過塩素酸で除タン

ホエー

肝臓中グルタチオンの測定

G P T (4hr)

水
+A
PA
P

ー（和光純薬工業）を用いて行った．

蛋白質の定量BSA を標準とし，Bio-Rad protein assay (Bradford
法) を用いて測定した．

3.

結果

肝障害指標 GOT 及び GPT の変動- 227 -

図2
活性
(A)
(B)
(C)
(D)

2 時間及び 4 時間後の血清中 GOT・GTP
APAP 投与 2 時間後の GOT 活性
APAP 投与 4 時間後の GOT 活性
APAP 投与 2 時間後の GPT 活性
APAP 投与 4 時間後の GPT 活性

昇がほぼコントロール値まで抑えられた (図 2 A，B)．

(A)

G S H (2hr)
14

GSH (μmol/g tissue)

4 時間後ともに血清中 GOT の APAP 投与による上

未発酵乳ホエー群においても，発酵乳ホエーほどではないが，抑制が見られた．また，血清中 GPT につ

12
10
8
6
4
2

未発酵乳ホエー群ともに有意な抑制が見られた (図2 C，D)．

(B)

これらの結果より，APAP 投与によって引き起こ

ホ
エ
ー

ホ
エ
ー
＋
AP
AP

未
発
酵
ホ
エ
ー

水
＋
AP
AP

いては，2 時間後及び 4 時間後に，発酵乳ホエー群，

未
発
水
酵
ホ
エ
ー
＋
AP
AP

0

G S S G (2hr)

GSSG (μmol/g tissue)

0.3

される肝障害が発酵乳ホエー投与により抑制される
ことが明らかになった．

0.25
0.2
0.15
0.1
0.05

ホ
エ
ー

ホ
エ
ー

(C)

ホ
エ
ー
＋
AP
AP

ホエー投与によるグルタチオンを介する抗酸化力向

ホ
エ
ー
＋
AP
AP

発酵乳ホエーの APAP 肝障害抑制作用は，発酵乳

未
発
酵
ホ
エ
ー

肝臓中グルタチオン量の変動

未
発
水
酵
ホ
エ
ー
＋
AP
AP

水
＋
AP
AP

0

G S H (4hr)
12

GSH (μmol/g tissue)

上によるものだと考え，肝臓中の還元型グルタチオ
ン (GSH) 及び酸化型グルタチオン (GSSG) 量を

10
8
6
4
2

後に約 5%まで減少した (図 3 A，C，図 4 )．GSSG(D)G S S G (4hr)
0.35

GSSG (μmol/g tissue)

APAP を投与しない群と比較して，2 時間後，4 時間

未
発
酵
ホ
エ
ー

水
＋
AP
AP

対照群に APAP を投与した場合，肝臓中 GSH は

未
発
水
酵
ホ
エ
ー
＋
AP
AP

0

測定した．

においては，2 時間後に約 20%，4 時間後に約 30%まで減少し (図 3 B，D)，APAP 投与により肝臓中グ

0.3
0.25
0.2
0.15
0.1
0.05

時間後の GSH の減少がコントロールに対して約

ホ
エ
ー

ホ
エ
ー
＋
AP
AP

未
発
酵
ホ
エ
ー

水
＋
AP
AP

された．しかし，発酵乳ホエー群では，APAP 投与 4

未
発
水
酵
ホ
エ
ー
＋
AP
AP

0

ルタチオンの著しい減少が起こっていることが確認

図 2 発酵乳ホエー投与による肝臓中グルタチ
オン量の変動APAP 投与 2 時間後の肝臓中 GSH 量(A)
APAP 投与 4 時間後の肝臓中 GSH 量(B)
APAP 投与 2 時間後の肝臓中 GSSG 量(C)
APAP 投与 4 時間後の肝臓中 GSSG 量(D)75％まで維持されていた．また，GSSG についても
ほぼコントロールの値まで抑えられていた．このよ
うな結果は未発酵乳ホエーについては見られなかった．
これらのことから，発酵乳ホエー投与によってAPAP 投与によるグルタチオン量の減少後の回復が4.

早まることが明らかになった．また，発酵乳ホエーのグルタチオン合成系への影響が示唆された．

考察
グルタチオンは自身を還元させることで細胞内のチオール環境を維持する重要な役割を持つ 11)．グル
タチオンはグルタミン酸・システイン・グリシンから構成されており，γ-GCS (律速酵素) と glutathione- 228 -

synthetase の二つによって合成される 12) 13)．

オン量維持機構に関与していると考えられる．

以前我々は，発酵乳ホエー投与によるメラトニン

APAP は標準的な服用法では非常に安全な薬物で量とその合成酵素 NAT 活性上昇に関する研究におあるが，その広い薬効のため服用量が過剰となる事いて，その活性制御機構がグルタチオンを介したレが少なくない．本実験で明らかとなった発酵乳ホエ

ドックス制御によるものであることを見出し，発酵ー投与による APAP 肝障害への抑制効果から，抑制

乳ホエー投与による生体内グルタチオン量の増加，機構の詳細な解明さらに発酵乳ホエー中の有効成分

つまり，生体内抗酸化作用の向上効果を明らかにしの探索を進めることで，肝障害予防・改善法への新たている 9) 10)．この研究を進めてきた中で著者は発酵な道が開けると考えている．

乳ホエー投与による生体内グルタチオン量の増加に着目し，発酵乳ホエーのグルタチオン枯渇を起因と5．引用文献する APAP 肝障害に対する抑制効果について検討を

1) Metchnikoff, E. (1908) The prolongation of life.
C. P. Putnam's Sons, New York.

行った．
APAP は過量投与されると，代謝経路中のグルタチ

2) 光岡知足 (1976) 乳酸菌の分類と発酵乳の効用の諸問題，J. Dairy Sci. 25, A170-176

オンが枯渇し，処理しきれないラジカル体によって肝障害が引き起こされる 17) 18)．つまり，APAP によ3) 原宏佳 (1993) ビフィズス. 6, 169

る肝障害に対してはグルタチオン量の維持が重要で

4) Fuller, R. (1989) Probiotics in man and animals.

J Appl Bacteriol 66, 365-378

あるといえる．このことは， APAP 肝障害において，グルタチオンの前駆体である NAC の投与によって

5) Mituoka, T. (2000) Significance of dietary障害が抑制されることからも明らかである 19)．さら

modification of intestinal flora and intestinalに ， グ ル タ チ オ ン 合 成 酵 素 の 阻 害 薬 で あ る L-

environment. Bioscience Microflra 19, 15-25

buthionine (S,R)-sulfoximine (BSO) の投与によっ

6) 光岡知足 (1998) 機能性食品－プロバイオティて生体内グルタチオン量が減少し，APAP 肝障害がクス，プレバイオティクス，バイオジェニックス，

比較的低用量でも引き起こされるという報告もある

腸内フローラとプロバイオティクス，光岡知足

22)．

編，学会出版センター，1-13

本研究では，in vivo において発酵乳ホエーの APAP

7) Nakamura, Y., et al. (1995) Purification and

肝障害への抑制効果を明らかにした．この抑制効果

characterization of angiotensin I-converting

は，以前我々が研究していた発酵乳ホエー投与によenzyme inhibitors from sour milk. J. Dairy. Sci.

る生体内グルタチオンへの影響によるものだと推測

78, 777-783

できる．そこで，APAP 肝障害時のグルタチオン変動

8) Nakamura, Y., et al. (1996) Decrease of tissue

について検討をしたところ，APAP 肝障害時のグル

angiotensin I-converting enzyme activity upon

タチオン減少は発酵乳ホエー投与によって有意に抑feeding

えられ，グルタチオン減少の早い回復が見られた．一

hypertensive rats. Biosci. Biotechnol. Biochem.

方，未発酵乳ホエーにおいてこれらの抑制効果はあ60, 488-489

まり見られなかったことから，生理活性ペプチドや

Sour

Milk

in

spontaneously9) 平成 18 年度 岡山大学大学院医歯薬学総合研究

アミノ酸など，発酵によって生じた物質がグルタチ- 229 -

科 三宅教子修士 修論10) Tsuboi, S., et al. (2002) An intramolecular19) Wu, G., et al. (2004) Glutathione metabolism

disulfide bridge as a catalytic switch forand its implications for health. J. Nutr. 134,

serotonin N-acetyltransferase. J. Biol. Chem.

489–49220) Meister, A. and Anderson, M. E. (1983)

277, 44229-44235

Glutathione. Annu. Rev. Biochem. 52, 711–760

11) Hopkins, F.G. (1925) Glutathione: Its influencein the oxidation of fats and proteins. J. Biol.

21) Koivusalo, M., et al.

Chem. 19, 787-819

for the quantitative determination of reduced12) McCaul, T.F., et al.

(1986)

glutathione. Anal. Biochem. 59, 34-45

Fulminanthepatitis. An ultrastructural study. J.Hepatol.

22) Watanabe, T., et al. (2003) A novel model ofcontinuous depletion of glutathione in mice2, 276-290

13) Potter,

D.W.

and

Hinson,J.A.

(1974)

Mechanisms of acetaminophen oxidation to Nacetyl-p-benzoquinone imine by horseradish
peroxidase and cytochrome P-450. J. Biol.

Chem. 249, 7130-7139
14) Richman, P. and Meister, A. (1975) Regulationof gamma-glutamyl-cysteine synthetase by
nonallosteric

feedback

inhibition

byglutathione. J. Biol. Chem. 250, 1422-1426
15) Kidd,

P.M.

(1974) Enzymic method(1997)

Glutathione:

systemicprotectant against oxidative and free radical
damage. Altern. Med. Rev. 2, 155-176
16) Mitchell, J.R., et al. (1973) Acetaminopheninduced hepatic necrosis. I. Role of drug
metabolism. J. Pharmacol. Exp. Ther. 187,
185–19417) Corcoran, G.B. and Wong, B.K. (1986) Role ofglutathione in prevention of acetaminopheninduced hepatotoxicity by N-acetyl-L-cysteine
in prevention of N-acetyl-D-cysteine in mice. J.

Pharmacol. Exp. Ther. 238, 54-61
18) Akai, S., et al. (2007) Knock down of gammaglutamylcysteine synthetase in rat causes
acetaminophen-induced hepatotoxicity. J. Biol.

Chem. 282, 23996-24003- 230 -

treated with L-buthionine (S,R)-sulfoximine. J.

Toxicol. Sci. 28, 455-469

ヒトシトクロム P450 分子種の基質特異性の予測
就実大学 薬学部
丹羽 俊朗
各種ヒトシトクロム P450（CYP）サブファミリー間の触媒機能の相違の原因を明らかにすることを目的とし、最終年度である本年度は、前年度に引き続き CYP2C サブファミリーである CYP2C9 及び CYP2C19 の酵素活性を測定した。今年度はテストステロン及びコルチゾールを基質として、CYP2C9 では遺伝子多型の影響も検討した。
また、文献値も含めて、種々の化合物の酵素反応速度論的パラメータ（Michaelis 定数、Km）を分類した。CYP2C9及び CYP2C19 によるテストステロン及びコルチゾール 6β水酸化活性は CYP3A4 に比べ非常に低く、CYP2C9、
CYP2C19 間に大きな差は無かった。文献値も含めた Km 値では、①CYP2C9 活性を示さない、②CYP2C9 の方がCYP2C19 より高い Km 値、③CYP2C9 と CYP2C19 で同程度の Km 値、④CYP2C9 の方が低い Km 値の群に分類された。
この基質親和性の差の原因は化合物の分子量によるものでないことは示されたが、CYP2C サブファミリー間での三次元構造と触媒機能の関連をさらに検討して必要がある。
１．はじめに環として、テストステロン及びコルチゾール 6β 水

ヒトに投与された薬物は肝臓などの薬物代謝酵素

酸化活性を測定した。この中で、代表的な変異体でによって代謝され、体外に排泄される。ヒト肝臓ミ

ある CYP2C9.2（Arg144Cys）
及び CYP2C9.3（Ile359Leu）

クロゾーム画分に存在する薬物代謝型シトクロム

3)P450（CYP）は、多くの薬物の代謝に関与する最も重の遺伝子多型の影響も検討した。また、今までに報要な酵素の１つであるが、そのアミノ酸配列（1 次

告された種々の代謝反応に対する CYP2C9 及び構造）の相同性からさまざまな分子種に分類されてCYP2C19 の Michaelis 定数（Km）及び最大速度（Vmax）

おり、一般的に基質特異性が低い 1,2)。また、同一のを用いて、CYP2C サブファミリー間の活性の相違をサブファミリー（アミノ酸配列の相同性が 55%以上）考察した。

という CYP2C9 の 1 アミノ酸変異体を用い、CYP2C9であっても基質特異性が異なっており、多くの CYP
で遺伝子多型があることが知られている 1,2)。例えば、

２．方法

肝臓の総 P450 含量の約 25%を占め、医薬品の約 30％

1. 材料の代謝に関与している CYP2C サブファミリーである大腸菌に発現した CYP2C8、CYP2C9.1、CYP2C9.2、

CYP2C8、CYP2C9、CYP2C18 及び CYP2C19 は 77%以上の

CYP2C9.3、CYP2C19 及び CYP3A4（Bactosomes®）は、

アミノ酸相同性を示すが、その基質特異性は CYP2C

Cypex 社 (Dundee、英国)より入手した。

サブファミリー内で大きく異なっている 3)。さらに、
CYP2C9 及び CYP2C19 には遺伝子多型があることが知2. 薬物代謝酵素活性及び阻害活性の測定られており、CYP2C9 の変異体では野生型（CYP2C9.1）
3)

テストステロン及びコルチゾール 6β 水酸化活性と異なった薬物代謝活性を示す 。しかし、このよは既報 4)の HPLC 法で測定し、CYP2C9 と変異体、うなサブファミリー内での基質特異性の相違の原因

CYP2C19 及び CYP3A4 における酵素活性を算出した。

は、立体構造と機能の観点で詳細に解明されていな

また、昨年度までに算出した CYP2C9 及び CYP2C19い。そこで、この原因の解明のため、種々の化合物のトルブタミド水酸化活性及びアミノピリン N-脱を用いた代謝実験からの酵素反応速度論的パラメー

メチル化活性の Km 及び Vmax 値並びに種々の化合物のタを集積してきた。最終年度である本年度は、前年

文献値 3)を用いて、CYP2C サブファミリー間の活性度に引き続き、種々の化合物を用いた代謝実験の一の相違を考察した。

- 231 -

３．結果

り、CYP2C9 及び CYP2C19 での代謝活性を比較している報告が多いため、CYP2C9 及び CYP2C19 の Km 値のCYP2C9 と変異体（CYP2C9.2 及び CYP2C9.3）及びCYP2C19 のテストステロン 6β水酸化活性を、基質相違を検討した（表 1）。

濃度を 100 µM と 500 µM の 2 種類で検討したが、CYP2C9、CYP2C19 共に CYP3A4 の 5.3%以下の低い活表 1．CYP2C9 及び CYP2C19 の各種薬物代謝活性における Km 値の比較性であった（図 1）。また、コルチゾール 6β水酸化
活性も、基質濃度を 100 µM と 500 µM の 2 種類で比薬物反応

較したが、基質濃度 100 µM では CYP3A4 以外の CYPCYP2C19／

分子量CYP2C9では酵素活性が検出されず、基質濃度 500 µM では① CYP2C9 の代謝活性未検出

CYP2C9、CYP2C19 共に CYP3A4 の 5.5％以下の低い活ジクロフェナク

5-水酸化

－

296.1

性であった（図 2）。

ピオグリタゾン

C-水酸化

－

356.4

ｸﾛﾋﾟﾄﾞｸﾞﾚﾙ

2-oxo 体－321.8

テストステロン6β水酸化活性(nmol/min/nmol P450)250② CYP2C19／CYP2C9 比：0.5 倍以下

200

マグノリン

M2 生成

0.50

416.5

マグノリン

M1 生成

0.32

416.5

モルヒネ

N-脱メチル化

0.25

285.3

アミノピリンN-脱メチル化

0.12

231.3

5-ﾒﾄｷｼ-N,N-ｼﾞｲｿ

N-脱イソプロ

0.02

274.4

ﾌﾟﾛﾋﾟﾙﾄﾘﾌﾟﾀﾐﾝ

ピル化

1.21

354.5

150
100

50
0
1
CYP3A42
3
4
5
CYP2C9.1
CYP2C9.2
CYP2C9.3
CYP2C19

図１．CYP3A4、CYP2C9 変異体及び CYP2C19 によるテ

③ CYP2C19／CYP2C9 比：約 1 倍

ストステロン 6β水酸化活性

セラトロダスト

コルチゾール6β水酸化活性(nmol/min/nmol P450)

テストステロン濃度 □：100 µM、■：500 µM

4'-水酸化④ CYP2C19／CYP2C9 比：3～4 倍
セラトロダスト

5-水酸化

3.86

354.5

30

トルブタミド

水酸化

3.53

270.3

25

⑤ CYP2C19／CYP2C9 比：9 倍以上20(S)-ﾌｪﾝﾌﾟﾛｸﾓﾝ

4'-水酸化

127.9

280.3

15

(R)-ﾌｪﾝﾌﾟﾛｸﾓﾝ

4'-水酸化

68.0

280.3

10

(S)-ﾌｪﾝﾌﾟﾛｸﾓﾝ

6-水酸化

37.9

280.3

5

(R)-ﾌｪﾝﾌﾟﾛｸﾓﾝ

6-水酸化

9.54

280.3

ジクロフェナク4'-水酸化

29.3

296.1

0
1
CYP3A42
3
4
5
CYP2C9.1
CYP2C9.2
CYP2C9.3
CYP2C19

Niwa らの総説 3)で調査した報告値も含めて算出した。

図 2．CYP3A4、CYP2C9 変異体及び CYP2C19 によるコ
ルチゾール 6β水酸化活性

ジクロフェナク 5-水酸化、ピオグリタゾン C-水

コルチゾール濃度 □：100 µM、■：500 µM

酸化及びクロピドグレル 2-oxo 体生成反応ではCYP2C9 は活性を示さず、マグノリン O-脱メチル化、

前年度、CYP2C19 におけるトルブタミド水酸化活

モルヒネ N-脱メチル化、アミノピリン N-脱メチル

性の Km、Vmax 及び Vmax/Km 値は CYP2C9 より大きいこと

化及び 5-メトキシ-N,N-ジイソプロピルトリプタミ

及び CYP2C8 では CYP2C9 及び CYP2C19 の活性値に比

ン N-脱イソプロピル化では CYP2C9 の方が CYP2C19

べ非常に低い値であったことを報告した。また、より高い Km 値が報告されている。一方、セラトロダ

CYP2C8 は CYP2C サブファミリーの中でマイナーであスト 5-水酸化、トルブタミド水酸化、フェンプロク

- 232 -

モン水酸化及びジクロフェナク 4’-水酸化ではな予測ができていない状況であるので、今後、CYP3A

CYP2C9 の方が低い Km 値が報告されている。N-脱アルサブファミリーでの進展も参考にして、CYP2C サブ

キル化反応では、CYP2C9 の方が CYP2C19 より高い Km

ファミリーでも良好に予測できる技法を開発する必値が報告されていた。調査した化合物の分子量は要があると考えられる。

231～416 とほぼ同程度であり、CYP2C9 及び CYP2C19の基質親和性の相違の原因は、基質の分子量ではな

５．謝辞

いことが示された。

本研究を遂行するにあたり、公益財団法人ウエスコ学術振興財団による研究助成を賜りましたことを、

４．考察

深く感謝申し上げます。

昨年度、テストステロンは CYP2C19 によるトルブ
タミド水酸化活性に対して 100 µM までほとんど影

６．参考文献響しないが、CYP2C9 に対しては 100 µM で約 1/2 に

1) Rendic S, Di Carlo FJ. Human cytochrome P450

活性が低下するのに対し、コルチゾールは CYP2C9、

enzymes: a status report summarizing theirCYP2C19 のいずれに対しても阻害しないことを示し

reactions,substrates,

inducers,

た。また、CYP3A4 はテストステロン及びコルチゾー

inhibitors.

Drug

Rev.

ルの 6β位水酸化反応を示すことが報告されている(1997).

2)

Metab

and

29:413-580。
そこで、CYP2C9と変異体（CYP2C9.2及びCYP2C9.3）

2) Rendic S. Summary of information on human

及び CYP2C19 のテストステロン及びコルチゾールのCYP enzymes: human P450 metabolism data.

6β水酸化活性を比較したが、CYP2C9、CYP2C19 共に

Drug Metab. Rev, 34: 83-448 (2002).

CYP3A4 の 5%以下の低い活性であり、CYP2C サブファ

3) Niwa T, Yamazaki H. Comparison of cytochrome

ミリーへの阻害活性とこれらのステロイドの代謝活

P450 2C subfamily members in terms of drug性には相関性が認められなかった。

oxidation rates and substrate inhibition.

CYP3A4 は、ヒトの肝臓の総 CYP 含量の約 30%を占め、約 50%の医薬品の代謝に関与するがCurr Drug Metab, 13: 1145-1159 (2012).

5,6)

、ヒト肝

4) Niwa T, Inoue S, Shiraga T, Takagi A. No

臓には CYP3A5 も存在し，その基質特異性は多くの

inhibition of cytochrome P450 activities in

場合 CYP3A4 と類似しているものの、CYP3A4 の基質

human liver microsomes by sulpiride, an

特異性と異なることがあると報告されている 7,8)。

antipsychotic drug. Biol Pharm Bull, 28:188-

我々は、以前に CYP3A4、CYP3A5 間の三次元構造と触191 (2005).

媒 機 能 の 関 連 を 明 ら か に す る 研 究 （ Docking5) Shimada T, Yamazaki H, Mimura M, Inui Y,

Simulation）を実施してきたが、その指標となる U

Guengerich FP. Interindividual variations in

値は Km 値と若干の相関傾向を示すが、Vmax とは相関

human

9)

liver
in

cytochrome
the

P-450

oxidationofenzymes

しないことを報告した 。本研究においても、CYP2C

involveddrugs,

サブファミリー間での三次元構造と触媒機能の関連

carcinogens and toxic chemicals: studiesを検討することを目標にしていたが、三次元構造がwith liver microsomes of 30 Japanese and 30

良好に構築できていない。また、セラトロダスト 4'-

Caucasians. J Pharmacol Exp Ther, 270: 414-

水酸化では CYP2C9 と CYP2C19 で Km 値が同程度であ423 (1994).

るのに対し、5-水酸化では CYP2C19 の方が大きいと6) Williams JA, Hyland R, Jones BC, Smith DA,

いうように、同一の基質でも反応部位によって基質

Hurst S, Goosen TC, Peterkin V, Koup JR,

親和性が異なることが示された。CYP3A サブファミ

Ball SE. Drug-drug interactions for UDP-

リー間でも若干 Km 値と相関するという程度で、良好

glucuronosyltransferase- 233 -

substrates:apharmacokinetic explanation for typicallyobserved low exposure (AUCi/AUC) ratios.
Drug Metab Dispos, 32: 1201-1208 (2004).
7) Niwa T, Murayama N, Emoto C, Yamazaki H.
Comparison of kinetic parameters for drugoxidation rates and substrate inhibition
potential mediated by cytochrome P450 3A4
and 3A5. Curr Drug Metab. 9: 20-33 (2008).
8) Niwa T, Murayama N, Yamazaki H. Comparisonof the contributions of cytochromes P450 3A4
and

3A5

in

drug

oxidation

rates

and

substrate inhibition. J Health Sci, 56: 239256 (2010).
9) Niwa T, Yasumura M, Murayama N, Yamazaki H.
Comparisonofcatalytic

propertiesofcytochromes P450 3A4 and 3A5 by moleculardocking simulation. Drug Metab Lett, 8: 4350 (2014).

- 234 -

- 235 -- 236 -- 237 -- 238 -- 239 -- 240 -慢性炎症を駆動する「AGEs-RAGE 系」の活性化メカニズムの解明
就実大学 薬学部
渡邊 政博，豊村 隆男，森 秀治
生体内において生成・蓄積する終末糖化産物（Advanced glycation endproducts, AGEs）は，受容体（Receptor for
AGEs, RAGE）を介して持続的に炎症反応を活性化し，慢性炎症の要因となる可能性が示唆されている．これまでに我々は，AGEs が他の分子と複合体を形成して RAGE に作用する可能性を見出している．この知見は，
AGEs-RAGE 系の活性化メカニズムの解明につながる手がかりとなる可能性がある．本研究では，この可能性について新たな知見を得ることを目的として，独自に見出した AGEs 結合分子 AGEs-BP-L の作用と，AGEs の共存がこの分子の作用に与える影響を検討した．AGEs 受容体欠損細胞等を用いた解析の結果，AGEs-BP-L は自然免疫系の活性化に寄与しており，AGEs の共存はこの分子の機能を阻害することが示唆された．
合することにより分子の作用を変化させる可能性が

1. 背景と目的
本邦における老齢人口の増大に伴う諸問題を解決示唆された [4, 5]．これまでに，AGEs と他の生体分するために，健康寿命を延伸することが強く求めら子が相互作用することが生理機能の変化に寄与するれている．このためには，メタボリックシンドロー

現象は，ほとんど報告されていない．この研究によムなどの生活習慣や加齢に伴って進行する疾患の発り得られた知見は，AGEs が他の生体分子と複合体症機序を解明し，新規治療戦略を確立することが必を形成して AGEs-RAGE 系を活性化するメカニズム要である．最近の研究により，これらの疾患の発症が存在する新たな可能性を示唆している．

機序に非感染性の炎症の遷延（慢性炎症）が関与しそこで前年度に我々は，この可能性を検証するこている可能性が示唆されている．我々は，この慢性とを目的とした評価系として，受容体欠損細胞の作炎症が生じる要因として，加齢や高血糖に伴い生体製を試みた．基盤となる細胞として，AGEs の作用

内に蓄積する終末糖化産物（Advanced glycation

解析に汎用されている免疫担当細胞モデルである

endproducts, AGEs）に注目している [1, 2]．AGEs は

RAW264.7 を用いた．この細胞において，RAGE や糖類と生体分子が非酵素的に結合することによってAGEs が RAGE と同様にリガンドとして作用するこ

生じ，マルチリガンド受容体である Receptor forとが示唆されているマルチリガンド受容体 Toll-likeAGEs（RAGE）を介して炎症反応を活性化すると考receptor（TLRs）を欠損させた細胞を作製した．こ

えられている．したがって，生体内に蓄積した AGEs

れらの細胞を用いることで，AGEs 複合体の作用をが，持続的に AGEs-RAGE 系を活性化することによより詳細に検討することが可能となる．
本研究では，TWEAK とは別種の過去に AGEs とり，慢性炎症が生じる可能性が考えられる [3]．
一方で，AGEs-RAGE 系の活性化に関わるメカニ

複 合 体を 形成 する 可能性 を 見出 した 生体 分子

ズムは完全に明らかになっていない．そのため，

AGEs-BP-L（仮称）について，受容体欠損細胞を用

AGEs-RAGE 系を標的とした慢性炎症病態の治療戦いることにより複合体形成による作用の変化を検討

略は確立されていない．これまでに我々は，AGEs

した．

と相互作用する内在性分子のスクリーニングを試み，AGEs と複合体を形成する可能性をもつ分子を複数

2. 方法同定している．これらの分子のひとつである Tumor

AGEs との複合体形成による AGEs-BP-L の作用のnecrosis factor-like weak inducer of apoptosis（TWEAK）

変化の評価

ついて解析を進めたところ，AGEs はこの分子と結AGEs は ， 過 去 に 報 告 し た 方 法 に 従 っ て- 241 -

glyceraldehyde（Sigma）と BSA（ナカライテスク）

AGEs-BP-L による TNFの発現の促進が生じた（図から調製した [1]．AGEs-BP-L は，市販の標品を購

1B）．このときに生じる TNFの発現の促進は，
AGEs

入して使用した．これらの分子を培地（10%FBSと AGEs-BP-L をそれぞれ単独で作用させた場合の（Gibco）を添加した DMEM（Sigma））に混合し，

作用を単純に合算した結果とはなっていない．この野生型 RAW264.7 細胞および受容体欠損細胞に与えことは，AGEs と AGEs-BP-L の間に何らかの相互作

た．1 時間培養後，FastGene RNA 精製キット（日本

用が生じている可能性を示唆していると考えられた．

ジェネティクス）により total RNA を抽出し，ReverTra Ace qPCR RT Master Mix with gDNA
Remover（TOYOBO）により逆転写し cDNA を合成した．続いて，THUNDERBIRD SYBR qPCR Mix（TOYOBO）を用いて Thermal Cycler Dice Real Time
System Lite（タカラバイオ）による real time PCR 解析に供した．プライマーは，タカラバイオより購入した（-actin ，MA050368-F および-R ；TNF，MA154015-F および-R）．
統計解析
統計解析は R（version 3.1.3，The R Foundation for
statistical computing）を用い，Dunnett の検定，もし

図 1．AGEs-BP-L の作用 野生型 RAW264.7 細胞

くは Student の t 検定により行った．
有意水準は 5%，に，（A）10 g/mL の AGEs-BP-L もしくは 10 g/mL

1%および 0.1%とした．全てのデータは平均値 ± 標の AGEs，（B）10 g/mL の AGEs-BP-L もしくは準誤差にて表記した．

1,000 g/mL の AGEs を与え，1 時間培養後に total
RNA を精製し，real time RT-PCR により TNFの3. 結果と考察

mRNA レベルを相対定量した．***, p < 0.001 vs.

AGEs-BP-L の作用の検討

vehicle (n = 3).

本研究では，AGEs と複合体を形成する可能性を見出している新規分子 AGEs-BP-L について，複合体受容体欠損細胞における AGEs-BP-L の作用の検討

形 成 によ る作 用変 化を検 討 した ．は じめ に，

ここまでの検討により AGEs-BP-L は，AGEs と同

AGEs-BP-L の 作 用 に つ い て 検 討 を 行 っ た ．

様に免疫担当細胞を刺激して炎症性サイトカインのAGEs-BP-L を免疫担当細胞モデルである RAW264.7

発現を促進することが示された．そのため，AGEs

細胞に与えたところ，炎症性サイトカインの一種でと AGEs-BP-L の間に生じる可能性を見出した相互

ある TNFの発現を促進することが示された（図作用について検討するためには，AGEs が作用しな

1A）．この結果は，AGEs-BP-L は AGEs と同様に免い評価系を用いる必要があると考えられた．そのた

疫担当細胞を刺激して炎症反応を促進する分子であめ，さらに検討を進めるために，既知の AGEs 受容ることを示唆している．

体である RAGE，TLR2，および TLR4 を欠損させた

そこで次に，この AGEs-BP-L の作用に AGEs の共受容体細胞を評価系として用いることとした．これ

存が与える影響を検討した．単独で作用しない量のに先だって，受容体欠損細胞における AGEs-BP-L

AGEs を共存させた場合，AGEs-BP-L の作用に変化の作用を検討した．

は生じないことが示された（図 1A）．また，単独でこの受容体欠損細胞では，野生型細胞において作用する量の AGEs を共存させた場合，AGEs とTNFの発現を促進する量の AGEs を与えたとき，- 242 -

TNFの発現は促進されない（図 2A，B）．すなわち，

AGEs-BP-L のみが作用を発現する評価系となる受AGEs 単独の刺激には応答しない．同様に，この受容体欠損細胞を用いて，これらの分子の複合体形成

容体欠損細胞に，野生型細胞において TNFの発現が AGEs-BP-L の作用に与える影響を検討した．

を促進する量の AGEs-BP-L を与えたところ，TNF

先の検討と同様に，受容体欠損細胞にそれぞれ単の発現が促進されることが示された．なお，このと独で作用する量のAGEsとAGEs-BP-Lを与え，
TNF

きの，TNFの発現レベルは，野生型細胞と比較しの発現変化を検討した．その結果，共存する AGEsて低下していることが示唆された（図 2C，D）．この濃度依存的に AGEs-BP-L による TNFの発現促進

れらの結果は，AGEs-BP-L は，AGEs の受容体であが抑制されることが示された．この結果は，AGEs

る RAGE と TLRs に加えて，これら以外の受容体をは複合体形成を介して AGEs-BP-L の作用のうち介して，もしくは別種類の機序により RAW264.7 細AGEs の受容体を介さない部分の作用を阻害するこ胞を刺激し，TNFの発現を促進することを示唆しとを示唆していると考えられた．一方で，AGEs のていると考えられた．

受容体を介した作用における複合体形成の影響を解析するためには，AGEs-BP-L に特有の作用メカニズ
ムが存在しない評価系，もしくはメカニズムを破壊した評価系を用いる必要がある．現時点において，AGEs-BP-L に特有の作用メカニズムの詳細が不明であるため，
この点において解析を進めるためには，
AGEs-BP-L の作用メカニズム自体を解明する必要がある．

図 2. 受容体欠損細胞における AGEs-BP-L の作用
野生型 RAW264.7 細胞に，（A）500 g/mL の AGEs，（C）10 g/mL の AGEs-BP-L，受容体欠損細胞に，

図 3. 受 容 体欠 損細 胞に お ける AGEs 共存が（B）500 g/mL の AGEs，（D）10 g/mL のAGEs-BP-L の作用に与える変化の検討 受容体欠AGEs-BP-L を与え，1 時間培養後に total RNA を精損細胞に，10 g/mL の AGEs-BP-L と 500 g/mL の製し，real time RT-PCR により TNFの mRNA レベ

AGEs，もしくは 1,000 g/mL の AGEs を同時に与ルを相対定量した．***, p < 0.001 vs. Vehicle (n = 3).

え，1 時間培養後に total RNA を精製し，real time
RT-PCR により TNFの mRNA レベルを相対定量し受容体欠損細胞における AGEs 共存が AGEs-BP-L

た．**, p < 0.01 vs. AGEs-BP-L (n = 3).

の作用に与える変化の検討
ここまでの検討により，AGEs と AGEs-BP-L はそ

本研究の初期段階において，AGEs-BP-L は，AGEs

れぞれ単独で作用させた場合，RAGE および TLRsと同様に免疫担当細胞における炎症反応を促進するを介して TNFの発現を促進することが示された．

分 子 であ るこ とが 示され た ．こ のこ とか ら，

これに加えて AGEs-BP-L は，AGEs の作用機序以外

AGEs-BP-L は AGEs と複合体を形成し，炎症反応ののメカニズムによって TNFの発現を促進すること増悪化に寄与する可能性を想定していた．しかしなが強く示唆された．そこで，AGEs が作用せず，がら，両分子を同時に作用させた場合，顕著な炎症- 243 -

反応の増悪化はもとより相加的な作用増加も見出さ[2] Li, S.-Y., Du, M., Dolence, E.K., Fang, C.X., Mayer,

れなかった．この結果は，これらの分子の相互作用

G.E., Ceylan-Isik, A.F., LaCour, K.H., Yang, X., Wilbert,

は少なくとも部分的に分子単独で生じる作用を阻害

C.J., Sreejayan, N., Ren, J., 2005. Aging induces cardiac

する可能性を示唆していると考えられた．そこで，

diastolic dysfunction, oxidative stress, accumulation of

前年度の検討により作製した AGEs 受容体を欠損さadvanced glycation endproducts and protein modification.

せた細胞を用いた検討を行ったところ，①

Aging Cell 4, 57–64.

AGEs-BP-L は AGEs よりも多彩なメカニズムを介し[3] Takeuchi, M., Yamagishi, S., 2004. TAGE (toxicて炎症反応の活性化を誘導すること，および ②AGEs) hypothesis in various chronic diseases. Medical

AGEs の共存は，AGEs-BP-L に特異的な炎症反応のHypotheses 63, 449–452.

活性化メカニズムを阻害することが示唆された．

[4] Watanabe, M., Toyomura, T., Wake, H., Liu, K.,

以上の本研究において見出した知見の生理的な意

Teshigawara, K., Takahashi, H., Nishibori, M., Mori, S.,

義について考察すると，以下の可能性が考えられる．

2017. Advanced glycation end products attenuate the

先行研究により，AGEs-BP-L は自然免疫に関与する

function of tumor necrosis factor-like weak inducer of

分子であることが示唆されている．本研究での検討

apoptosis to regulate the inflammatory response.

結 果 は， 生体 内へ の病原 菌 等の 侵入 に応 じてMolecular and Cellular Biochemistry 434, 153–162.

AGEs-BP-L が免疫担当細胞を活性化するメカニズ[5] Watanabe, M., Toyomura, T., Wake, H., Liu, K.,ムが機能している可能性を示唆していると考えられ

Teshigawara, K., Takahashi, H., Nishibori, M., Mori, S.,る．これに対して AGEs は，加齢や生体内のエネル

2019. The C-terminal region of tumor necrosis factor-like

ギー需給等によって蓄積量が変化するものの，そのweak inducer of apoptosis is required for interaction with

変化は比較的長いスパンで生じる．従って，AGEs

advanced glycation end products. Biotechnol Applの存在は感染の有無にかかわらず，免疫担当細胞をBiochem 66, 254–260

活性化しており周囲の細胞や組織を障害していると考えられる．この状態で感染が生じた場合，AGEs
は AGEs-BP-L が免疫担当細胞を活性化するメカニ
ズムを抑制し，自然免疫系の正常な機能を阻害する可能性が考えられる．
今後，さらに詳細な解析を行い，本研究により見出した複合体形成を介した AGEs の疾患形成メカニ
ズムを明らかにしていきたい．
4. 謝辞
本研究をご支援いただき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す．
5. 参考文献[1] Kaji, Y., Usui, T., Oshika, T., Matsubara, M.,
Yamashita, H., Araie, M., Murata, T., Ishibashi, T., Nagai,
R., Horiuchi, S., 2000. Advanced glycation end products
in diabetic corneas. Investigative ophthalmology & visualscience 41, 362–368.

- 244 -

脳内液体循環システムを利用した経鼻薬物送達法による新規な認知症治療法の開発
就実大学 薬学部 薬物動態学研究室
井上 大輔
本研究では、認知症治療法の新規確立を目指し、直接的に脳内へ薬物送達が可能な経鼻投与経路を利用した薬物送達法の可能性を探るべく、経鼻投与された薬物の脳移行特性に関する薬物動態学研究を試みた。基礎的知見を得るため caffeine の経鼻投与後の脳移行動態を解析した結果、経鼻投与後の caffeine は鼻粘膜から血中に吸収され脳へと取込まれる経路と直接移行経路の両経路により脳内送達されることが示された。経鼻投与後の脳移行では、覚醒下では血中を介した経路が優位であった一方で、麻酔下では直接移行経路の寄与が増大することが明らかとなった。麻酔下では脳内液体循環が活性化することが知られており、経鼻投与後の caffeine は鼻粘膜から嗅神経周辺部に存在する脳脊髄液へと移行した後、脳脊髄液とともに脳内循環し、脳実質まで送達される可能性が示唆された。従って、脳内液体循環を活性化させることで経鼻投与後の薬物脳移行が促進されたことから、中枢疾患治療薬の効率的な脳内送達法として経鼻投与が有用であることが示された。今後は caffeineを含む認知症治療薬の経鼻投与による実際の治療効果の検証を進める予定である。

現在、日本を筆頭に世界規模で超高齢化社会を迎え、の存在により、薬物を含むすべての物質の脳への移

加齢に伴う様々な精神神経疾患が社会問題化してい行は厳格に制限されている 3)。従って、治療効果がる。認知症は、日本国内において現在 500 万人いる得られる有効濃度域に達する高い脳内薬物濃度を維とされており、今後、増加の一途を辿り、2025 年に持するためには、
高用量での適用となり、その結果、は 700 万人（65 歳以上高齢者の 5 人に 1 人）に達す

全身性の副作用が発現することが懸念される。あるると推測されている（厚生労働省 2017 年発表 1)）。

いは、
副作用を回避するために有効量を投与できず、

また、世界では、2010 年に 3560 万人、2030 年に 570

治療薬として成立しないケースもある 4)。即ち、有万人、2050 年には 1 億人を超えると予想されており効な中枢神経系疾患の薬物治療法としては、薬物の

2) 、認知症は世界中で急増している疾患である。し全身組織への移行を抑え、脳への選択的送達が可能

かしながら、いまだ神経変性疾患に対する優れた根であることが理想であり、効率的な脳内薬物送達法

治的治療効果を示す薬物や有効な治療戦略がなく、の確立が重要な戦略的アプローチとなる。そこで、認知症をはじめとする神経変性疾患はメディカルニ

薬物の低い脳内送達率を克服するための有用な手段

ーズが極めて高い疾患分野となっており、早急な治として、近年、「経鼻投与経路」による薬物投与法が療薬の開発および根治的治療が可能な新規治療戦略注目されており、脳組織への選択的な薬物送達法との確立が喫緊の課題となっており、活発な研究が進して経鼻投与の適用が多数報告されている 5)。

められている。これら中枢系疾患に対する病態メカにおいを感知する嗅神経が脳内から鼻腔上部へとニズムの解明や新しい創薬研究・開発が急速に進め伸びており、鼻腔内投与された薬物はこの嗅神経領られている現在にあって、有効な薬理効果を示す薬域（Olfactory region）を介して脳内へと直接的に移物が見出されても、一般的な注射剤や経口製剤では、行することが知られている 6)。
（図 1）この「鼻腔－全身性の副作用が問題となることも多い。中枢神経

脳直接移行経路」を利用することで、全身循環血を疾患の薬物療法では、脳組織や神経組織内へ有効量

介さず、直接的に薬物を脳内に送達できるため、脳の薬物を送達する必要があるが、全身循環血と脳組移行における最大のバリアである BBB を回避でき、織を隔てる生理的バリアである血液脳関門（BBB）

かつ脳組織へと選択的に薬物を送達できる可能性が- 245 -

方法
Caffeine の脳移行性評価
本検討では、薬物の体内動態及び脳移行特性を評価するため caffeine をモデル薬物として選択した。本
研究では、経鼻投与（IN）と静脈内投与（IV）における脳移行性の詳細を解析するため、両投与後の脳内薬物動態を比較検討した。IV 群では、ラットの左大腿静脈より caffeine 溶液（0.4 mg/mL, 0.2 mL）を静脈内投与した。また、IN 群では、urethane 麻酔下ラットに caffeine 溶液（2.0 mg/mL）を片鼻腔に 20 L、

図 1 ヒトの鼻腔の組織学的構造（Illum L7）より）鼻腔から脳への直接移行では、嗅神経領域（olfactory region）を介して薬物は脳へと送達されると考えられている．

左右両鼻腔で計 40 L 点鼻投与した。投与後一定時間経過した後（5, 15, 30, 60, 120, 240 min）
、ラットよある。従って、「鼻腔－脳直接移行経路」を利用した

り脳脊髄液（CSF）を採取した。その後、氷冷した薬物送達法は、全身性副作用の軽減と、高い脳内薬

リン酸緩衝液を経心的灌流することで全身脱血処置

物送達を可能にし、中枢神経疾患治療薬の有望な送を施した後、脳組織を採取した。脳組織は、海馬（HI）、

達法となり得る。実際、経鼻投与経路を利用した動嗅球（OB）、大脳（CR）、小脳（CL）に分割した。

物及びヒトでの検討が報告され、注射剤や経口投与に比べ、投与薬物の脳移行性および治療効果が高い

血中濃度推移の評価ことが認められた研究も多数報告されている 5)。そCaffeine の血中薬物動態を得るために、caffeine 溶液

こで本研究では、有効な認知症に対する薬物治療法（1.0 mg/mL, 1.0 mL/kg rat weight）をラットの左大腿の新規開発を最終目標として、BBB を回避でき、直静脈より注射投与した。右大腿動脈に挿入した採血

接的に脳内へ薬物送達が可能な「経鼻経路」を利用用カニューレより経時的に血液を約 200 L ずつ採した薬物送達法の可能性を探るべく、中枢系疾患治

取し、血漿中 caffeine 濃度を測定し、caffeine の血中療モデル薬物を経鼻投与した後の詳細な脳移行特性

濃度時間推移を観察した。

を解明するため薬物動態学的解析を試みた。
さらに、近年、脳内では脳脊髄液（CSF）と細胞

麻酔／覚醒下による脳移行性の変動評価

間液（ISF）との交換およびこれら体液の脳内循環が生理状態の変化が caffeine の脳移行性に及ぼす影響

活発に行われており、この脳内体液循環システムを評価するため、麻酔下群と覚醒群における caffeine（the glymphatic system）が-アミロイドなどの脳活

投与後の体内動態を比較した。麻酔群では、urethane

動に伴い蓄積する脳内老廃物の脳外排泄機能を担っ（1.2 g/kg, i.p.）麻酔を施した後、麻酔状態を維持していることが報告された 8)。また、この脳内体液循た。覚醒群では、isoflurane による一時的な麻酔下、環システムは、睡眠時や麻酔下で活性化されること

IV では投与用カニューレを左大腿静脈に挿入したが報告され 9)、脳内老廃物を排除するという睡眠の後に覚醒させ caffeine 溶液を静脈内投与した。
一方、新たな生理機能とし提唱された。従って、CSF は脳IN では覚醒直後に caffeine 溶液を点鼻投与した。麻内を循環することから、この glymphatic system の活酔／覚醒両群で、投与後の経時的な血中濃度推移お性変動が経鼻投与後の脳実質内薬物送達性に影響す

よび脳内濃度推移から脳移行性を比較評価した。

る可能性が考えられるため、本研究では、脳内体液循環の活性化が投与薬物の脳移行性に及ぼす影響を脳中 caffeine 濃度の測定

評価することとした。

各脳組織（OB, HI, CR, CL）は、リン酸緩衝液中でホモジナイズし、遠心分離後、得られた上清に- 246 -

methanol を加えて攪拌した。さらに遠心分離して得に吸収されて血中から BBB を通過して脳へ移行すられた上清を蒸発乾固し、残留物に水／アセトニトる経路（経 BBB 経路）と、鼻腔から脳へと直接移

リル混合液に加え溶解後、LC/MS/MS により caffeine

行する経路（直接移行経路）のいずれかで脳へ移行濃度を定量した。CSF 中の caffeine 濃度は、CSF をすると仮定した場合、経鼻投与後、直接移行経路に遠心分離して得られた上清を LC/MS/MS にて定量

より脳へ移行した割合 DTP は上記の式（2）で表現することで測定した。血液サンプルは、遠心分離にできる。ここで、(AUCtissue)x は経鼻投与後に経 BBB

より血漿を採取し、methanol による除タンパク質処経路により脳へ移行した caffeine 量であり、式（3）

理後、蒸発乾固して得られた残留物を水／アセトニの通り、静脈内投与後の血中に対する脳中 AUC 比

トリル混合液に溶解して、caffeine 濃度を定量した。

と経鼻投与後の血中 AUC 値から算出が可能である。

脳部位別 caffeine 移行性の薬物動態学的解析

結果と考察

経時的な caffeine 濃度推移から、各種薬物動態学的

各脳組織における caffeine の脳移行動態

パラメータを算出し、脳移行特性の指標として以下

麻酔下および覚醒状態における IV および IN 後の各のパラメータを解析した。脳移行量は脳移行量血中

脳組織中 caffeine 濃度推移を図 2 に示した。IV では

濃度－時間曲線下面積（AUC）、脳移行性は血中に投与後 5 分から caffeine 濃度が観察され、caffeine は

対する脳中 AUC の比（AUCtissue/plasma）、覚醒群に対血中からも脳移行し、脳移行性は比較的良好である

す る 麻 酔 下 群 の AUCtissue/plasma 比 （ Ratio of

ことが示された（図 2a, 2b）。麻酔下群では、投与後

AUCtissue/plasma）を指標として用いた。また、IV 群に

120 分以降の脳内濃度が高く維持されており、対する IN 群の優位性の指標として DTI（drugcaffeine の血中から脳への移行は麻酔の影響を受け

targeting index）を算出し、さらに、経鼻投与後に鼻る可能性が示唆された。そこで、IV 後の血漿中濃度

腔から脳へ直接移行経路により脳へ移行した割合

推移を観察すると、麻酔群では caffeine の消失が遅（DTP; direct transport percentage to the brain, %）を算延することが明らかとなった（図 3）。Caffeine は主出した。

に肝代謝により体内から消失するため、麻酔による血流の低下が caffeine の消失を遅延させた結果、脳内濃度が維持される現象が観察されたものと思われ

𝐴𝑈𝐶𝑡𝑖𝑠𝑠𝑢𝑒(⁄𝐴𝑈𝐶

𝐷𝑇𝐼 = 𝐴𝑈𝐶𝑡𝑖𝑠𝑠𝑢𝑒(

た。IN では、投与後 5 分から高い脳内濃度が観察さ)

𝑝𝑙𝑎𝑠𝑚𝑎 𝐼𝑁式（1）れ、経鼻投与後、caffeine は速やかに脳移行した（図)⁄𝐴𝑈𝐶
𝑝𝑙𝑎𝑠𝑚𝑎2c, d）。IV と比較して、IN では麻酔下および覚醒両𝐼𝑉群において、投与初期からより高い脳内 caffeine 濃
𝐷𝑇𝑃 (%) =(𝐴𝑈𝐶𝑡𝑖𝑠𝑠𝑢𝑒 )𝐼𝑉(𝐴𝑈𝐶𝑝𝑙𝑎𝑠𝑚𝑎 )𝐼𝑉(𝐴𝑈𝐶𝑡𝑖𝑠𝑠𝑢𝑒 )𝐼𝑁 −(𝐴𝑈𝐶𝑡𝑖𝑠𝑠𝑢𝑒 )𝑥(𝐴𝑈𝐶𝑡𝑖𝑠𝑠𝑢𝑒 )𝐼𝑁

(𝐴𝑈𝐶

)

= (𝐴𝑈𝐶 𝑡𝑖𝑠𝑠𝑢𝑒 )𝑥

度が得られており、IN ではより速やかかつ良好に脳式（2）内送達される可能性が示された（図 2）。
Caffeine 脳移行性に関する薬物動態学的解析

式（3）Caffeine の脳内および血中濃度推移から、薬物動態

𝑝𝑙𝑎𝑠𝑚𝑎 𝐼𝑁

学的パラメータを算出し、経鼻投与後の各脳部位別の薬物移行特性について詳細な薬物動態学的解析を
ここで、AUCtissue は各脳組織における AUC 値、行った。各種薬物動態学的パラメータは表 1 にまと

AUCplasma は血漿における AUC 値、IN は経鼻投与にめた。AUC は、両投与経路とも麻酔下群で高値を示おけるパラメータ、IV は静脈内投与におけるパラメ

し、麻酔による caffeine 消失遅延の影響を反映したータである。経鼻投与後、caffeine は鼻粘膜から血中結果が得られた。

- 247 -

図 2 静脈内投与（IV）および経鼻投与（IN）後の caffeine 脳内濃度推移
麻酔下で静脈内投与 (a)、覚醒下で静脈内投与 (b)、麻酔下で経鼻投与 (c)、覚醒下で経鼻投与 (d) した後の各脳組織中 caffeine 濃度の時間的推移．OB：嗅球、CR：
大脳、CL：小脳、HI：海馬．データは平均値±標準誤差（n=3-9）．

図 3 静脈内投与（IV）後の caffeine 血中濃度推移
静 脈 内 投 与 後 の caffeine 血 漿 中 濃 度 推 移 ．
Anesthetic：麻酔下群、Conscious：覚醒群．データは平均値±標準誤差（n=3-9）で示し、両群間の統計学的有意差を*p<0.05、**p<0.01 で表記．

次に、経鼻投与後の脳移行効率を評価するため、DTI
表 1 脳移行性に関する各種薬物動態学的パラメータおよび DTP を算出した（表 2）。DTI は両群で脳、CSF ともに 1 より高い値が得られたことから、IV と比較して IN の優位性が示された（DTI; 1.31-6.29）。
さらに、経鼻投与後に鼻腔から脳へ直接移行した割合 DTP から、経鼻投与後の脳移行経路に関する定量解析を試みた。覚醒時と比較して、麻酔下では脳、CSF ともに DTP が高値となった。従って、IN では、麻酔により直接移行経路を介した caffeine の脳移行が促進されることが明らかとなった。
近年に報告された脳内体液循環システム glymphatic
system により脳内の物質はダイナミックに脳内循環

表 2 経鼻投与後の脳移行効率に関するパラメータ

することが明らかとなり、脳実質と CSF など脳内体液との間で物質交換が頻繁に行われていることが知られるようになった 8)。さらに、この glymphatic
system は麻酔下や睡眠時に活性化されることが報告され 9)、生理機能の変動が物質の脳内循環に影響をAUCtissue/plasma は、IV では覚醒群で、IN 群では麻酔与えることが考えられた。本研究では、麻酔下で、下群で高値であった。また、麻酔／覚醒両群間

経鼻投与後の脳移行性が改善することが明らかとな

AUCtissue/plasma 比（Ratio of AUCtissue/plasma）は、IV では 1 より低く、IN では 1 より高い値であった（IV：脳; 0.39-0.83、CSF; 0.50、IN：脳; 1.10-1.87、CSF; 1.33）。
これらの結果から、IV では麻酔下で脳移行性が低下

り、さらに、直接移行経路を介した脳内送達が促進されることが明示された。
本結果から、
経鼻投与後、
caffeine は嗅神経周辺部 CSF に移行した後、CSF とともに脳内を循環し、CSF-ISF 交換機構で脳実質内する一方で、IN では麻酔により脳移行性が向上するまで送達される可能性が示された。鼻腔から脳へのことが明示された。
- 248 -

薬物移行経路を評価した報告はこれまでになく、本

treatment of central nervous system dysfunction in

成果が新規知見であると同時に、現在でも不明瞭な

humans, Pharm. Res., 30 (10), 2475-2484, 2013.

鼻腔から脳への薬物移行メカニズムの解明に繋がる

6) Mistry A, Stolnik S, Illum L., Nanoparticles for direct

重要知見が得られた。実用性のある経鼻薬物送達シ

nose-to-brain delivery of drugs. Int. J. Pharm., 379

ステムとして確立するためには、実際の治療効果を(1), 146-157, 2009.

検討し有効性を明確に示す必要があるため、今後は、

7) Illum L, Is nose-to-brain transport of drugs in man a

中枢疾患モデル動物に対する治療効果の検討を予定

reality?, J. Pharm. Pharmacol., 56 (1), 3-17, 2004.
8) Iliff JJ, Nedergaard M, et al., A paravascular pathway

している。

facilitates CSF flow through the brain parenchyma
結論

and the clearance of interstitial solutes, including

過去に、経鼻投与後の直接移行経路の寄与度や変動

amyloid β. Sci. Transl. Med., 4 (147), 147ra111, 2012.

を定量評価した例はなく、本研究成果が初知見と考

9) Xie L, Kang H, Xu Q, Chen MJ, Liao Y, Thiyagarajan

えられる。脳部位別に薬物移行動態を解析し、DTP

M, O'Donnell J, Christensen DJ, Nicholson C, Iliff JJ,を利用した脳移行経路の分離評価を行うことで、経Takano T, Deane R, Nedergaard M, Sleep drives

鼻投与後の脳移行動態を詳細に定量評価できること

metabolite clearance from the adult brain. Science,が明らかとなった。今後は、経鼻投与後の脳移行メ342 (6156), 373-377, 2013.

カニズムの詳細解明に向けた研究を継続し、脳内薬物送達性の変動因子を解明することで、経鼻投与を
有用な脳内薬物送達システムとして確立させ、中枢系疾患に対する有効な薬物治療戦略の開発を目指したい。
参考文献
1) 厚生労働省「認知症施策推進総合戦略～認知症高齢者等にやさしい地域づくりに向けて～」（新オ
レンジプラン）, 2017.
2) Prince M, Bryce R, Albanese E, Wimo A, Ribeiro W,
Ferri C.P, The global prevalence of dementia: A
systematic review and metaanalysis. Alzheimers
Dement. 9 (1), 63-75, 2013.
3) van Rooy I, Cakir-Tascioglu S, Hennink WE, Storm G,
Schiffelers RM, Mastrobattista E., In vivo methods tostudy uptake of nanoparticles into the brain, Pharm.
Res., 28 (3), 456-471, 2011.
4) 中林哲夫、玉浦明美、近野健一、日本における医薬品開発の現状と展望 精神神経疾患領域の臨床開発を中心に, ファルマシア, vol. 47, No. 9,
2011.
5) Chapman CD, Frey WH 2nd, Craft S, Danielyan L,
Hallschmid M, Schiöth HB, Benedict C., Intranasal- 249 -

ドイツ健康靴の日本市場への導入・定着に関する歴史的研究
就実大学 経営学部
三浦 紗綾子
概要
本研究の目的は、ドイツ健康靴及びその関連技術（靴を足に合わせる調整技術）が、日本にいかに定着したかを明らかにすることにある。本研究では、とりわけ、ドイツ健康靴市場の定着に寄与した企業の、雑誌記事
や書籍といった資料に残されていない行動や戦略的意図について、インタビュー調査によって明らかにする。
本件研究によって明らかになった事実は大きく分けて 3 つある。第一に、日本でドイツ健康靴を最初に輸入したアリス社の設立経緯を明らかにした。第二に、ドイツ健康靴に関連する技術を学ぶ研修の場を設けた 4 大
卸と、小売の間では、ビジネス上の戦略や志向性の違いによる相互作用があり、それ故に時期によって異なる研修の場が栄えたことと、そのプロセスの詳細が明らかになった。第三に、ビジネス上の思惑による相互作用を超えて、業界を横断する団体が設立されたが、その経緯も明らかになった。

1の形成に結びつく（佐々木、2009）。このように、本研究の目的
本研究の目的は、ドイツ健康靴とその関連技術が生活の質の向上に関わる製品が導入され日本市場にいかに日本に根付いたのかを明らかにすることであ定着したプロセスを明らかにすることは、魅力的なる1。ドイツ健康靴が日本に輸入されはじめた 1980

研究課題である。

年代当時、それは特異な存在だった。
「コッペパン」

ドイツ健康靴についての限られた既存研究から明や「ナマズ」と言われるような“おしゃれ”ではな

らかになっているのは、以下の点である（三浦、

い靴なのに、当時でも 3 万円ほどする高価な靴だっ

2018）
。

たからである。本研究では、とりわけ、雑誌記事や① 「コッペパン」や「ナマズ」と言われるような書籍といった資料に残されていない、ドイツ健康靴“おしゃれ”ではない靴なのに、1980 年代半ば

市場の定着に寄与した企業の行動や戦略的意図につ

当時でも 3 万円ほどする高価な靴だったので、いて、インタビュー調査によって明らかにする。

最初は売れなかったが、1990 年ごろから売れ始
め、バブル崩壊後も市場は拡大した。

2② 1980 年代半ば頃に日本への組織的輸入が始ま学術的背景
日本人の健康にとって靴は重要であるにもかかわった（それ以前にも持ち込まれたことはあった

らず、ドイツ健康靴導入・定着の経緯についてこれかもしれないが、企業が商品として輸入を開始

までほとんど研究は進んでいない。またそもそも、したのはその頃から）。その最初の会社は 1983

産業規模の小ささ故、靴産業に関する研究自体がほ年に設立されたアリス社であった。
③

とんど見られない状況である（三浦、2017）。しか輸入卸大手として活躍したのはアリス社と、バし靴は「生活の質」（Quality of life）に関わる重要

ン産商、清水要（足と靴の科学研究所）、シュ

な製品である。生活の質と密接な関係があるにもか

リット、の 4 社であった。
④

かわらず国の経済力には大きな影響を与えてこなか

それらの 4 社は、初めはドイツ健康靴を輸入すった産業の歴史的研究は、靴産業に限らず相対的にるだけであったが、1990 年前後から、整形外遅れていることが指摘されている（佐々木、2009）。

科靴マイスターを招いて、ドイツ健康靴を顧客

しかし、生活の質の向上に関わるが故に、そうしたの足に合わせるようにする調整技術に関する製品を人々に根付かせるための活動は、新たな文化研修を、小売相手に始めた。整形外科靴マイス- 250 -

ターとは、整形外科的知識を持って、医師の処

健康靴の輸入会社 K. K. アリスを 1983 年に開始す方に基づいて靴を制作する、国家資格に合格しるに至った4。

た職人のことである。
⑤

クリスチャンスは、靴には素人とはいえ関心があそうした場で小売店が学ぶことで、小売店は、ったといわれているが、靴に関心があった理由とし「コッペパン」や「ナマズ」のような“おしゃては、息子の存在が挙げられる。
クリスチャンスは、れ”ではないが高価なドイツ健康靴が、いかに知り合いの川村義肢株式会社川村一郎社長（当時）

足の健康によいかを説得し販売する技術を身に対して、息子ステファンに履かせるために、ドイに付けて行った。

ツには良い靴が色々あるのに日本にはないと述べていた5。子どもを育てる上で、靴に関心を持っていた

3

本研究の成果ことが伺える。

インタビュー調査とその裏づけを取るための文献

なお、川村は、「やってみなはれ」が口癖で、クリ調査から、①アリス社設立の経緯と、②ドイツ健康

スチャンスに対しても、「ほんならあんたが［輸入を］靴関連技術の研修にまつわる卸 4 社の相互作用と、やらはったらよろしいねん。
［ドイツに］あるなら」

それらと小売との相互作用の詳細、③それを経た業と言ったという6。そうした経緯故、アリス社が 1987

界横断組織の発足の経緯が明らかになった。

年に神戸に直営小売店を設立して開始した、月 1 回の消費者向けの相談会には、毎回、川村義肢の社員

3.1を手伝いに派遣していた7。

アリス社設立の経緯

ドイツ健康靴の日本における最初の輸入卸である
アリス社は、1983 年にドイツ人女性アリス・クリス

3.2

チャンスによって神戸で設立された。神戸医科大学

ドイツ健康靴関連技術の研修にまつわる
卸・小売の相互作用

整形外科学講座（当時。現、神戸大学医学部整形外

ドイツ健康靴の 4 大卸会社が 1990 年前後から靴科）の学生や教員にドイツ語を教えに行っていた彼

小売向けの教育・研修の場を設けたのは既知の事実女が、同講座教授の柏木大治（当時）から、足の悩である（表 1）
。いずれも、整形外科靴マイスターをみに対応した靴がドイツにはあるようだから紹介しメイン講師として研修が行われていた。また、ドイてもらえないかと相談を受けたことが会社設立のきツ健康靴を扱う小売店が、自主研修の場としてG. O.

っかけである2。また素人ではあったが靴には関心が

S. R.（German Orthopaedic Shoe Research、ドイ

あったので、ドイツ健康靴の輸入に乗り出すことにツ整形靴研究会）を 1999 年に発足したことも既知

したことは既知の事実である。

の事実である（表 1）。

しかし、（1）なぜクリスチャンスが日本にいたか、

アリスと足と靴の科学研究所、バン産商、シュリ（2）靴に関心を持っていたのはなぜか、（2）靴にットが、卸として、小売店をある程度組織化して研ついては素人だったクリスチャンスがなぜ靴の輸入

修の場を提供していく理由としては、自社が扱うドビジネスを開始することができたのは不明であり、

イツ健康靴を正しく取り扱うことによって販売を拡本研究でこの点が明らかになった。

大してもらうためだと解釈できる。しかし、（１）4

アリスが日本にいたのは、クリスチャンスの夫が、社という限られた企業が提供する各研修の場にどの

ドイツの産業機械メーカー、ヨハネス・リッカーマ

ような相互作用があったか、（２）なぜ小売によってン社の日本総代理店リッカーマン社の副社長としてG. O. S. R.が設立されたかについては十分に明らか日本にいたからであった3。リッカーマン社はドイツになっていなかった。

健康靴を扱っていたわけではなかったが、医療関係機器の取り扱いはあった。したがって、夫の知識やネットワークを活用して、クリスチャンスはドイツ- 251 -

表 1 ドイツ健康靴関連技術研修の場
開始

運営主体

1987 アリス1992 シュリット

1993 バン産商

1999 小売有志

ョップ・シュリットを開設し、研修の定期開催を始

研修期間
（頻度）

学校名、講座名

めた11。久世の考えに賛同した小売はそれ以前から

フィッティング研修（正式名
詳細不明
称不明）

足と靴の科学 フット・アンド・シューアカデ

1989 研究所

1992 年には研修の場として直営のテクニカルシ

ミー

不定期の研修に参加してきたが、それが口コミで広がって、1993、1994 年ごろには研修は最盛期を迎約2年えた12。シュリットは、ドイツに研修に出かけるとシュリット・オーソペディッ
ク・セミナー（2000年から 約2年
は学校、フロイデに）ベーウントエムハウグ・フ
スフレーゲ専門学校東京
数日～
店によるトータル・コン
フォート・セミナー（1996年 数週間
からはフスウントシューイ
ンスティテュートに）定期的に勉
G. O. S. R
強会開催

いうツアーも定期的に企画した。
ただし、久世のセミナーに対して満足できない小売も出てきた。第一に、整形外科靴マイスターの研修内容が必ずしも一貫しない、第二に、かなりの研修代を払って研鑽を積んできたのに、研修終了証の類が一切発行されない、というのが不満の理由だった。第一の点については、当時はまだ制度が整っておらず観光ビザでマイスターを呼ぶしかなかったの（出所）筆者作成。

で、人が頻繁に入れ替わっていたことが挙げられる調査の結果、ドイツ健康靴関連技術の研修に際し13。小売店モネ・テラモトの社長寺本雅映は、今にて、卸 4 社は相互に影響を与え合ってきたこと、卸して思えば、マイスターにもそれぞれ癖や特色があとその研修に参加した小売の間にも相互作用があり

り、同じことをさまざまな角度から述べているのがG. O. S. R.が設立されるに至ったことが分かった。

分かるが、当時学び始めたばかりの自分たちはそれ最初に整形外科靴マイスターをドイツから招聘しが分からなかったと述べている14。第 2 の点についたのはアリス社であった。アリス社が 1987 年に直て、シュリットの意図は不明であるものの、学んだ営小売店を開設し、そこを取引先への研修の場にも証をと求める小売に対して証書は結局出されなかっ活用したのである。扱っていたゾリドゥスやその他た15。

の靴のフィッティングについての研修を行った8。ド

それ故、シュリットの研修に参加していた企業は、

イツ健康靴に注目し、先駆的にそれを扱ってきた靴

自ら研修の場を作ることを考え、G. O. S. R.が結成

小売店は、この研修に参加した。

された。これは、資金をプールしてマイスター等の

ただし、フィッティングについての研修は行った講師を自ら呼ぶとともに、共同購入を行って卸に対ものの、アリス社のアリス・クリスチャンスの姿勢するパワーを持つことも意図された組織だった16。

は、靴の中に入れるアインダーゲン（英語でフット

小売 20 人程度で発足した17。

ベッド。中敷）の調整まで行うのは資格を有する整

ただし、この小売のネットワークに拘束されたく形外科靴マイスターで、そうでない人は靴の中をいないと考える小売もいた18。彼らが求めた新たな研じるべきではないというものであった9。

修の場が、バン産商社長の遠藤道雄が 1990 年代半

これに満足しなかったのが、シュリット社長の久ば以降にマイスターを招聘して始めたセミナーであ

世泰雄である。久世は、顧客の足にあった靴を提供る。こちらも研修代を払うことに変わりはなかった

するためには、アインダーゲンの調整が必要と考えが、最終的にはドイツに行って試験を受けて、合格た。
そこでドイツのクレマー社、
シュピース社から、したら証書が出るという仕組みになっていた19。こ

靴とアインダーゲンの輸入を開始した。これらを、の 1 期生の栗林によれば、それはオートテッククラ

整形外科靴マイスターではない日本の小売店に正しブという名称で呼ばれていた。なお、おそらくこれ

く使ってもらうために、彼は小売店に対する研修をと同じものを指していると思われるが、バン産商は開始した10。

1996 年にはフス・ウントシュー・インスティテュー- 252 -

年にはビジネスの思惑を超えて、ドイツ健康靴関連

トという学校を正式に設立している。
こうした流れとはあまり関りがなかったのが、足企業 500 社が参加して、I. V. O. Japan（日本整形靴と靴の科学研究所の清水昌一によるフット・アン

技術協会）が設立された24。ここには、卸 4 社全て

ド・シュー・アカデミーである。アリス社が日本にとそれぞれに連なる小売も、G. O. S. R のメンバー

始めて招聘したドイツ人整形外科靴マイスター、カも参加した。

ール・ハインツ・ショットを、自らの研究所に引き設立の端緒としては、ドイツを発祥とする I. V. O.

入れて、彼を中心に独自の健康靴を開発したり、研本部が開催する国際大会への日本人の参加が増えて修プログラムを開発したりしたというつながりはあいたことが挙げられる。各卸が研修ツアーを組んでった（清水、1995）。しかしその研修の場に参加し小売を連れて参加し、G. O. S. R.も参加し、個人でた小売は、他とあまり重複がなかった。

も参加があり、合計 50 名程度が参加していた25。そこの理由として考えられるのは、以下の４点であこで、アジア初の世界大会を 2003 年にやらないかる。第一に、シュリットとバン産商は東京を本拠とと本部からもちかけられて、その準備のために 2001する会社であるが、足と靴の科学研究所は名古屋が年に I. V. O. Japan が発足した。2003 年には、I. V.

本拠地で、地理的に距離があった20。

O.世界大会東京大会の開催が実現した。その後は、
年 1 回の国内大会の開催を続けてきた。

第二に、他のセミナーは必ずしも一人のドイツ人
マイスターが前面に出てくることはなかったが、フビジネス上でライバルにあるシュリットやバン産

ット・アンド・シュー・アカデミーでは、ショット

商、足と靴の科学研究所が一同に介して I. V. O.

がメイン講師であった21。第三に、足と靴の科学研

Japan が発足し、活動を続けてきたのは画期的であ究所が主力で扱ったのはショットと開発した「ショった。それが可能だったのは、ビジネス上の思惑がット・シューズ」であり、輸入したドイツ健康靴であったとしても、ドイツ整形外科靴とそれに関するはなかった。この第二、第三の理由が、自然と、そマイスター制度の素晴らしさについては各企業ともれに共鳴する小売店を選別したと思われる。

合意していたからであり、それを日本でも広めたいとの目的は共有していたからである26。

さらに第四に、清水自身にも、卸としての事業拡
大の志向性が強くはなかった。彼には、ドイツ健康靴を扱う以前に父が経営していた卸を、自らの拡大

3.4

志向によって倒産させた経験があり、健康靴を扱う

発見事実のまとめ

本件研究によって明らかになった事実は大きく分
けて 3 つある。

会社として同社を再建した際には量を追わないことを決めていた（清水、2015）。直営小売店で会員制

日本でドイツ健康靴を最初に輸入したのは 1983

をとって自社開発のショット・シューズの販売を行

年にクリスチャンスが設立したアリス社である。そっていたので、その最低ロットを売るのに自店ではの背後には、クリスチャンスの夫であるリッカーマ

足りない分だけ他店に卸す必要があった。それ故、ン社副社長や、川村義肢株式会社川村一郎の存在が4、5 社の小規模で取引を開始した22。またアカデミあったことが本研究で明らかになった。

ーへの参加者も毎年 5 名程度と限定していた23。

またそうして輸入され始めたドイツ健康靴は、お以上をまとめると、卸 4 社と小売の互いの戦略やしゃれでないのに高価というハンディがあったが、志向性の違いにより、時期によって栄えた研修の場

卸が研修の場を提供して、小売がそこで技術を学ぶが異なったり、新たな研修の場が出来たりした。

ことで、消費者を説得するすべを小売が身に付けていった。
研修の場を設けた 4 大卸と、小売の間では、

3.3

ビジネス上の戦略や志向性の違いによる相互作用が業界横断組織設立

このように、互いがビジネスを行っているので、あり、それ故、時期によって異なる研修の場が栄え分かれたりまとまったりが繰り返されたが、2001

た。本研究では相互作用の詳細が明らかになった。

- 253 -

さらに、こうしたビジネス上の思惑による相互作

4 注 3 と同じ。

用を超えて、業界を横断する団体が設立されたが、5 川村義肢株式会社製造本部製造第 1 部製靴課主任

その経緯も本研究にて明らかになった。I. V. O.本部
からアジア発の世界大会を持ちかけられたことがその端緒であるが、I. V. O. Japan の設立が実現したのは、ビジネス上のライバルでありながらも、ドイ
ツ健康靴とその関連技術の日本への普及を目指すことは各社共通の目的だったからである。
本研究で明らかになった事実を踏まえた、ドイツ
健康靴の日本への定着の歴史は、論文として出版予定である。
謝辞
インタビュー調査に快く応じてくださった靴業界の皆さまに感謝申し上げます。またその遂行に対して助成下さったウエスコ学術振興財団に心から感謝
申し上げます。
1 本稿でドイツ健康靴といいうとき、日本で流通する、医療制度を介さないドイツ・オーソペディ・シ
ューズとヘルシー・シューズの両方を含む。ドイツ
では、両者は明確に区別されている。医師の処方を基に、整形外科的技術を用いて整形外科靴マイスターが作成する保険適応の靴がオーソペディ・シュー
ズである。そうした医療制度を介さない、足の健康に配慮した靴は、ヘルシー・シューズ（コンフォー
ト・シューズ）と呼ばれる。しかし日本では、上記のような医療保険制度がなく、後述するように、整形外科靴マイスターの持つ整形外科的技術を一般の靴屋（卸・小売）が取り入れてきた。それ故、ドイツ製の足に配慮した靴やその関連サービスについて、それが医師を介さない一般に流通するものだとしても、オーソペディというラベルが付されてきた。
2 『フットウエア・プレス』「インタビュー 創業
15 周年を迎えたアリス ドイツの健康靴を日本に紹介 コンフォートシューズ市場を開拓」1999 年 3月，p．104-105。
3 マキの靴 シューズライフコーディネーター 真
喜屋光子インタビュー、2017 年 10 月 1 日。インタ
ビュー自体は助成期間以前に行われたものだが、助成金によってテープ起こしをすることで、この事実が発見できた。このインタビューは、筆者が私用で沖縄を訪れた際に予定外に偶然行われた非構造的なもので、多岐にわたる話題を 4 時間にわたって聞いたため、全体のテープ起こしをするまで本事実を拾えていなかった。なお、東洋経済新報社・アイアー
ルエム（1985）、p．300 に、副社長ウィリー・クリ
スチャンス名前が見られる。
- 254 -

技師 義肢装具士 1 級義肢装具技能士 眞殿浩之
インタビュー 2018 年 12 月 12 日。
6 注 5 と同じ。
［ ］は筆者。川村グループ社内報川村一郎巻頭言集のタイトルは『やってみたらええ』
である（川村義肢株式会社広報室、2013）。
7 そこに参加していたのが注 5 の眞殿である。
8 注 1 と同じ。
9 株式会社シュリット、株式会社アルカ 取締役社
長 久世泰雄インタビュー、2018 年 3 月 9 日。
10 注９と同じ。
11『フットウエア・プレス』「シュリット 直営のテ
クニカルショップをオープン」
1992 年 8 月、
p．
102。
12 注 9 と同じ。
13 モネ・テラモト 代表取締役 寺本雅映インタビ
ュー、2019 年 2 月 1 日。
14 注 13 と同じ。
15 FOOTMIND 代表取締役 栗林薫インタビュー、
2019 年 1 月 31 日。
16 注 15 と同じ。モネ・テラモトの寺本も、「靴業界的には G.O.S.R というのは煙たいんですよ。どこにも属さない、どこにもこび、売らない。そのくせ整形靴としてはそれなりにみんな販売していこうとするから」と述べている（インタビュー、2019 年 2
月 1 日）。
17 注 13 と同じ。
18 注 15 と同じ。FOOTMIND の栗林もその一人だった。
19 注 15 と同じ。
20 ただし、場所を問わずさまざまな場に研修に出かけた小売も見られるため、これだけでは十分な理由にはならないだろう。
例えば、アルファ美輝代表 木田倫子は、北海道の小売ながら、シュリットやバン
産商の研修に参加し、G. O. S. R.のメンバーでもある（インタビュー、2018 年 10 月 4 日）
。また彼女
は、当時の熱心な小売は研修の機会があればどこともいとわず飛んでいったと別の場で述べている（第14 回日本整形靴技術協会学術大会京都大会での発言、2018 年 2 月 18 日）。
21 それ故、ショットが来日しなくなってからは、ア
カデミーは開講されなくなった（足と靴の科学研究所 所長 清水昌一インタビュー、2017 年 12 月 14日）。
22 足と靴の科学研究所 所長 清水昌一インタビ
ュー、2017 年 12 月 14 日。
23 ただし清水は、小売店では会員制をとり、また1992 年からは消費者向けに「靴のフェスティバル」と称した啓蒙イベントを企画して毎回数千人を集めていた（清水、1995）。シュリットの久世によれば、
清水は、これらの場を通じて、消費者に直接、かなりの量のショット・シューズを販売していた（インタビュー、2018 年 3 月 9 日）。
24 注 22 と同じ。
25 注 15 と同じ。
26 足と靴の科学研究所 所長 清水昌一インタビ
ュー、2017 年 12 月 14 日；FOOTMIND 代表取締役 栗林薫インタビュー、2019 年 1 月 31 日。
参考x

川村義肢株式会社広報室編（2013）『やってみたらええ 川村一郎』川村義肢株式会社。

x

三浦紗綾子（2017）「戦前の革靴産業―軍需と民需の推計―」『一橋商学論叢』Vol．12，No．
1，pp．54－61。

x

三浦紗綾子（2018）「ドイツ健康靴を売る―先人たちの挑戦」第 14 回日本整形靴技術協会学術大会京都大会，京都大学芝蘭会館（京都府京都市），2018 年 2 月 18 日。

x

佐々木聡監修（2009）『暮らしを変えた美容と衛生』芙蓉書房出版。

x

清水昌一（1995）『歩くこと・足そして靴』風濤社。

x

東洋経済新報社・アイアールエム編（1985）『外資系企業総覧 1986 年版』東洋経済新報社。

- 255 -

新しい細胞動態評価法でスクリーニングした抗腫瘍薬の応用
川崎医科大学 生化学教室
山内 明（概要）悪性新生物（癌）は日本人の死因第 1 位であり死亡率は増加の一途である。癌は転移・浸潤を抑えることができれば手術により治癒が期待できることから、我々は転移・浸潤を標的に治療法を模索してきた。その試みの一つとして、最近我々は癌細胞の細胞動態を評価する実験系を確立した。この評価系を用いて、既知・新規の化合物をスクリーニングし、新規化合物 4 種が癌細胞の移動を抑制することを見出した。この化合物は細胞生存には影響がなく移動のみを抑えることが示された。ヒット化合物の 1 つは、担癌マウスの腫瘍の増大と転移の両方を抑える効果があることが分かった。現在この抗腫瘍効果の分子メカニズムを解析中である。本
ヒット化合物は癌転移抑制という新しい機序に基づいた癌治療薬となりうると考えられる。
【背景】
悪性新生物（癌）は 1980 年代に日本人の死因の第1 位となり、その後高齢化社会の到来とともに死亡率が右肩上がりに増大している（文献 1）。癌細胞は増殖する形質と転移・浸潤する形質の両方を併せ持ち、死因の主たる原因とされるのは転移・浸潤であると考えられている。ほとんどの癌の病期分類では遠隔転移があるとステージⅣとされ、手術の適応が無くなり、抗癌剤や放射線などの集学的治療が主になってくる。つまり、転移・浸潤を抑えることができれば、手術によって取り除くことで治癒を目指す
ことができると考えられる。
癌細胞が転移するのは、細胞が移動する形質を持っており、正常細胞よりも移動する能力が高いからだと考えられる。
細胞の移動を評価する方法として、
Boyden 法（図 1、文献 2）、Zigmond 法（文献 3）、Dunn
法（文献 4）などいくつかの方法が開発されたが、どれも一長一短で、限界があった。例えば Boyden法を使った評価法は、
厚さ 10µm 程の多孔性の膜をすり抜けた細胞の数を数えて評価する方法で、細胞数は計測することができるが、細胞の形や移動の速さなどは不明である。また、Dunn 法、Zigmond 法では画像解析が主で、細胞の形は捉えることができるが、動する細胞の数と速さ・方向性に加えて細胞形態も同時に解析できるものである（文献 6）。筆者らはこ細胞集団全体の評価には向かない。近年、これらのの方法を応用して、白血球の細胞遊走の解析を行っ

短 所 を克 服す る画 期的な 細 胞動 態評 価方 法がKanegasaki らによって考案された（図 2、文献 5）。

てきた（文献 7）。最近、癌細胞、特に膵癌細胞の細胞動態を評価する実験系を確立した
（図 3、
文献 8）
。

TAXIScan 法と呼ばれるこの方法は、画像解析による

この評価方法では、細胞の移動に影響を及ぼす物資

細胞動態の計測方法であり、微量のサンプルで、移- 256 -

細胞動態アッセイ：細胞動態測定および細胞遊走抑制効果の判定は EZ-TAXIScan（ECI 社）を用いて行った（文献 5）。予め BxPC-3 細胞と各化合物（最終濃度 10µM）を 24 時間または 72 時間共培養した後に、細胞を培養皿から剥離し、アッセイバッファー（0.1%ウシ血清アルブミンおよび 20mM HEPES
含有 RPMI1640 培地）に 2x106 個/ml の濃度で懸濁し、EZ-TAXIScan へアプライした。遊走を刺激するリガンドは 10％ウシ胎児血清含有 RPMI1640 培
地を使用した。移動する細胞の数、速さ、方向性の解析は、アッセイした画像を取得後にTAXIScanAnalyzer2 ソフトウェアを用いて行った（文献 6）。
細胞毒性評価：WST-1 アッセイキット（タカラバイ
オ社）を用いて細胞生存能力を評価した。
動物実験（異種異所移植実験）：生体内での抗腫瘍効
果を評価するために、ヌードマウス（BALB/c-Ajcl-nu-/nu, 6 週齢、雄）に BxPC-3 細胞
を 1 匹あたり 1x106 個、背部に接種し、1 週間後に米粒大の腫瘍形成を確認した後、既存薬
Gemcitabine（腹腔投与、1mg/匹）、または化合物の効果も評価できる。

（経口投与、1mg/匹）を週 1 回、7 週間に渡って投本研究では、TAXIScan 法を用いて、膵癌細胞の遊与した。腫瘍径を週 1 回計測し、次の変換式で腫瘍走を制御する化合物を見出し、新しい癌治療薬へ応体積を推定した。

用することを目的としており、その初期段階である化合物のスクリーニングと抗腫瘍効果の評価を行っ腫瘍体積 [mm3]=(長径[mm])×(短径[mm])2 ×1/2たので報告する。
【材料と方法】
試薬：RPMI1640 培地は Sigma 社から、ウシ血清アル
ブミンはナカライテスク社から購入した。
細胞：ヒト膵癌細胞株 BxPC-3 を用いた。BxPC-3細胞は、10％ウシ胎児血清含有 RPMI1640 培地にて培養し、実験日に接着した培養皿から剥離して用いた。緑色蛍光タンパク質 GFP を発現した BxPC-3
細胞は AntiCancer 社から購入した。
化合物ライブラリー：市販の化合物ライブラリー（CaymanChemical 社）およびアカデミア保有の化合物を用いた。合計 200 種の化合物について評価した。

- 257 -

動物実験（異種同所移植実験）：ヒット化合物による細胞は BxPC-3 細胞を用い、確実に細胞毒性を示す

癌転移抑制効果を評価するために、ヌードマウス

コントロールとして、膵癌治療の既存薬（BALB/c-Ajcl-nu-/nu, 6 週齢、雄）に GFP ラベル

Gemcitabine を用いた。その結果、Gemcitabine でした BxPC-3 細胞（AntiCancer 社、一部の実験をは 1µM の濃度で増殖抑制が観られたが、ヒット化

委託）を 1 匹あたり 1x106 個、背部に接種し、数週合物 4 種どれも 32µM では毒性は観られず、100µM

間後に形成された腫瘍形成を外科的に取り出した。

ではじめて増殖抑制が観られた（図 5）。このことか取り出した腫瘍を 4 mm3 の大きさに刻んだ後、別のら、ヒット化合物の細胞毒性は Gemcitabine よりもヌードマウスの膵臓へ移植した。移植後 50 日間に少なくとも 100 倍は低いこと、さらに、細胞移動抑渡って体表から GFP の蛍光を検出し、1 週間毎に蛍

制効果は、細胞毒性ではなく、細胞移動機構の抑制

光の個数を評価するとともに蛍光量を測定した。

であることが分かった。
これらの化合物は、in vitro 実験にて細胞走化性【結果と考察】を制御することから、新たな癌治療薬となる可能が膵癌細胞の移動を抑制する化合物示唆され、in vivo での抗腫瘍効果を確かめるために

細胞動態解析方法 TAXIScan 法を用いて、膵癌細

動物実験へ進んだ。

胞株 BxPC-3 の胎児血清への移動に対して、既知・新規をともに含む 200 種類の化合物の中から、移動を抑制する化合物をスクリーニングした。この中から 4 種の化合物について、BxPC-3 細胞移動の速さを抑制する新規化合物（A, B, C, および D）を見出した（図 4）。この結果は、これらの化合物が膵癌細胞の胎児血清への走化性を抑えることを示している。
この抑制効果が、細胞移動機構の抑制によるものか、
細胞毒性によるものかを検討する必要があり、次の担癌マウスを用いた抗腫瘍効果

実験に進んだ。

免疫不全マウスであるヌードマウスにヒトの膵癌
細胞 BxPC-3 を背部に移植し、癌の増殖能を検討した（異種異所移植モデル）。in vitro 実験にて膵癌細胞の移動を抑制した化合物 4 種のうち 1 種（化合物D）を膵癌治療の既存薬 Gemcitabine と比較した（n=3）
。膵癌細胞を移植後、Gemcitabine を腹腔投与あるいは化合物 D を経口投与してその抗腫瘍効
果を比較した。その結果、移植 7 週後には、薬剤なしの腫瘍体積（平均値）よりも Gemcitabine または化合物 D を投与したグループでは明らかに腫瘍体積（平均値）が小さかった（図 6）。
さらに、ヌードマウスの背部に緑色蛍光色素 GFPを発現した膵癌細胞 BxPC-3 を移植してできた腫瘍を取り出し、4mm3 大に刻んだ腫瘍塊を別のヌード

ヒット化合物の細胞毒性
細胞動態評価にてヒットした化合物 4 種について、
WST-1 アッセイ法にて、細胞生存能力を評価した。

- 258 -

マウスの膵臓へ移植し、癌の増殖能を検討した（異種同所移植モデル）。4 つのグループ（各 4 匹）で検討した（グループ１：薬剤投与なし、グループ 2：

Gemcitabine, 1mg/匹, 腹腔投与, グループ 3：化合物 D, 1mg/匹, 経口投与, グループ 4：Gemcitabine+
化合物 D、n=4）。体表から 50 日間に渡って蛍光を測定したところ、グループ 1 では 29 日目に、グループ 2 では 43 日目に転移巣とみられる蛍光が検出された。一方、グループ 3 およびグループ 4 では 50
日目までに転移巣とみられる蛍光像は検出されなかった（図 7A）。この結果は、化合物 D を投与したグ【謝辞】

ループ 3、4 では癌転移が抑制されたことを示している。また、最終日（移植 50 日後）におけるそれ

本研究を支援してくださいました公益財団法人ウらの蛍光量を比較したところ、グループ 1 よりもグ

エスコ学術振興財団に深く感謝申し上げます。
また、

ループ 2、3 で低い傾向がありグループ 4 で有意にアカデミア保有の新規化合物をご提供くださいまし蛍 光 量 は 低 か っ た （ 図 7B ）。 こ の こ と は 、た福山大学薬学部町支臣成先生に感謝いたします。

Gemcitabine または化合物 D を投与したグループ

本研究は国立研究開発法人日本医療研究開発機構

では腫瘍増大が抑制されたことを示している。

（AMED）橋渡し研究加速ネットワークプログラム（課題番号 JP18lm0203008）の支援を受けていま
す。

【まとめ】
今回、我々は新規化合物の中から、in vitro 実験にて癌細胞の走化性を制御し、in vivo 実験にて癌転【文献】

移・浸潤を抑制する化合物を見出した。本ヒット化

1. がんの統計 2017, 公財がん研究財団編

合物は癌転移抑制という新しい機序に基づいた癌治

2. Boyden S. J Exp Med. 115:453-466, 1962

療薬となりうると考えられる。今後は、本化合物が3. Zigmond SH. J Cell Biol. 75:606-616, 1977

癌転移を制御する分子メカニズムを解明し、治療の4. Zicha D, et al. J Cell Sci. 99:769-775, 1991

ターゲットとすべき分子を見出すとともに、これら

5. Kanegasaki K, et al. J Immunol Methods.
282:1-11, 2003のヒット化合物を新しい抗腫瘍薬として開発できる

6. Nitta

よう努力したい。

N,et al.

J Immunol Methods.

320:155-163, 2007
7. Yamauchi A, et al. J Immunol Methods.
404:59-70, 2014
8. Yamauchi A, et al. BMC Cancer. 17:234, 2017

- 259 -

糖尿病性腎症における糸球体内皮・上皮細胞連関における
Inflammasome を介した炎症遷延化（慢性炎症）機序解明（所 属）川崎医科大学 腎臓・高血圧内科学（氏 名）長洲 一（概要）
アルブミン尿は糖尿病以外にも、高血圧、肥満、メタボリックシンドローム等でも共通して出現し、この病態は慢性腎臓病（Chronic Kidney Disease:CKD）と総称される。糖尿病性腎症を代表とする生活習慣病関連 CKD では、共通して血管内皮機能障害（Endothelial cell dysfunction:ECD）が付随する。多くの臨床研究よりアルブミン尿出現がCVD 発症と関連することからも内皮障害によってアルブミン尿が出現する蓋然性は高い。本研究では糸球体内皮細胞障害から糸球体上皮細胞障害への移行機序に Inflammasome 活性化の関与があることを示した。特に内皮機能の中で重要な eNOS-NO 経路の破綻は糸球体上皮細胞におけるミトコンドリア障害を介して NLRP3-Inflammasome 活性化を促す。この Inflammasome の活性化制御により糸球体硬化病変の形成を抑制しうる。今後はより直接的なInflammasome 制御を介した慢性腎臓病治療開発を目指して研究を続ける。

（本文）には糸球体内皮障害が関与し、その後の腎不全に

背景：本邦における腎臓病患者は増加傾向にあり、死至る過程には、糸球体上皮障害が深く関与するこ因の第 8 位を占め、約 30 万人が透析療法を余儀なくとが想定される。このため糸球体内皮細胞から上皮されている。アルブミン尿は糖尿病性腎症の早期指標

細胞への障害機序伝搬・クロストーク機序（内皮―上であり、同時にアルブミン尿が脳卒中、虚血性心疾患

皮連関）が想定されるが、実態は不明である。

等の心血管病（Cardiovascular Disease:CVD）、認知症発

そこで申請者は腎疾患進展における Inflammasome症と強く連関していることも判明している。アルブミ

活性化に着目した。申請者自身も腎疾患の進展におけン尿は糖尿病以外にも、高血圧、肥満、メタボリック

る Inflammasome 活 性 化 の 重 要 性 を 報 告 し て い る

シンドローム等でも共通して出現し、この病態は慢性(Kidney Int. 2013)。特に近年は糸球体上皮細胞における腎臓病（Chronic Kidney Disease:CKD）と総称される。

Inflammasome 依存的慢性炎症の重要性が指摘されてお糖尿病性腎症を代表とする生活習慣病関連 CKD では、り、その制御機構の解明は臨床的意義が高い。

共 通 し て 血 管 内 皮 機 能 障 害 （ Endothelial cell

以上より「糸球体内皮細胞における eNOS-NO 経路は

dysfunction:ECD）が付随する。多くの臨床研究よりア

糸球体上皮細胞における Inflammsome 活性化を抑制的

ルブミン尿出現が CVD 発症と関連することからも内に制御する」との仮説が想起される。つまり糸球体内皮障害によってアルブミン尿が出現する蓋然性は高い。

皮細胞機能正常に機能している時には NO により糸球

しかしながら既存の基礎研究から糸球体上皮細胞障体上皮細胞内の NLRP3 Inflammsome は抑制的に制御さ害が腎不全に至る糸球体硬化病変の形成に重要であるれている。一方で内皮機能障害により eNOS-NO 経路ことが判明している。糸球体上皮細胞障害（特にミト破綻を来すと Inflammsome が活性化され糸球体上皮細コンドリアストレス、apoptosis）の結果、上皮細胞が胞障害が惹起される。

脱落し糸球体硬化が進行する。これらの事実から糖尿病性腎症はその進展とともに病態形成の主座が変① eNOS-NO 経路の破綻は糸球体上皮細胞障害をわっていく。つまり最早期病態（アルブミン尿）進行させる。

- 260 -

内皮障害モデルマウスとして eNOS 欠損マウスを使用する。糖尿病モデルを作成するため
eNOS 欠損マウスおよび野生型マウス（WT）にStreptozocin（STZ）投与行い糖尿病を発症させた。継時的にアルブミン尿を測定したところ高血糖確認後４週でWT-STZ で軽微なアルブミン尿を認めたが eNOS-STZ では有意に増加していた。アルブミン尿の透過性には糸球体上皮細胞が大きな役割を担っている。このため糸球体上皮細胞障害を Desmin 染色で確認したところ、
WT-STZ では認めない Desmin 陽性細胞が
eNOS-STZ で顕著に認めた。また上皮細胞障害と密接に関連があるミトコンドリア障害を電子顕微鏡 (TEM)で評価したところ eNOS-STZ
ではミトコンドリアの小型化と数の減少を認めた。次に Inflammasome 活性化を免疫染色（ASC: apoptosis- associated speck-like protein
containing CARD）で評価した。ASC は NLRP3Inflammasome 活性の Key molecule である。ASC—Podocalyxin 染色を行い Inflammasome 活性化の主座を検討する。糸球体内の Inflammasome 活性化(下図 Podocin-ASC２重染色)は糸球体上皮細胞で活性化していることがわかった。

なった。ASC 欠損マウスより採取した糸球体上皮
細 胞 に ASC-GFP plasmid を transfection 行 いInflammasome 活性化の指標である ASC の重合化
を 可 視 化 し た 。 LPS-ATP は 一 般 的 な
NLRP3-Inflammasome の活性化刺激であり、これにより ASC が重合化することを確認した。また
NO ドナーでこの重合化が抑制され、同時にInflammasome 依存的細胞死（pyroptosis）が抑制された（下図）。しかしながら NO 下流のシグナルである sGC 活性化薬では Inflammasome 活性化を抑制出来ず、NO による直接的作用であることが示された。

以上の結果を踏まえ現在以下のような作業仮説を立て治療介入を試みている。
多くの生活習慣病主体の腎疾患では糸球体上皮細胞
障害により糸球体硬化病変が形成される。その過程でミトコンドリア障害が重要であることは既知の事
実である。

②Inflammasome 活性化制御は糸球体硬化病変の本研究よりこのミトコンドリア障害、特にミトコン

治療ターゲットとなりうる。

ドリア活性酸素が Inflammasome 活性化を介して糸in vivo 実 験 で 糸 球 体 上 皮 細 胞 に お け る

球体病変形成に重要であることが示された。

Inflammasome 活性化と糸球体病変形成の関連について検討を行う。eNOS-ASC double 欠損マウスを作成し STZ 投与により糖尿病発症させた。
eNOS-ASC-DKO では高血糖モデル作成してもア
ルブミン尿出現が抑制され、糸球体硬化病変が軽減すしていた。本知見より糖尿病性腎症による糸球体効果病変形成には Inflammasome 活性化が重要であることが示された。
③ Nitric Oxide は Inflammasome 活性化を制御する。
マウスより糸球体上皮細胞を採取し研究を行- 261 -

カルバペネム耐性大腸菌の駆除を目指したファージ療法の開発
川崎医科大学 微生物学教室
川野 光興
本研究では、アンチセンス RNA を発現するファージを用いて、薬剤耐性の性質を付与する接合伝達プラス
ミドを保有する細菌のみを標的とする新規抗菌法の開発を行った。まず、細菌の生存に必須な遺伝子を標的とするアンチセンス RNA (asRNA) の発現により細菌の生育を阻害することのできる遺伝子発現系の構築を行った。次に、そのアンチセンス RNA による遺伝子サイレンシングシステムを、ファージとプラスミドの両方の性質を兼ね備えた M13 ファージミドに組込み、F 性線毛特異的感染作用を用いて宿主大腸菌株に導入し、それら細菌への生育阻害効果を調べた。その結果、臨床分離カルバペネム耐性腸内細菌科細菌において99.999%以上の抗菌効果のある人工アンチセンス RNA 配列を複数同定することができた。この結果、ファージ療法研究において世界で初めて asRNA を用いた抗菌作用を得ることができた。本法は一般的なファージ療法と異なり、ファージ感染自体による殺菌および溶菌反応を伴わないため、エンドトキシンショックの誘発を低減でき、耐性菌の蔓延も防止できると考えられる。
法である。抗菌薬と比較した場合のファージ療法の1. はじめに抗菌薬の濫用により、従来の抗菌薬が効かない薬

利点は、その宿主特異性の高さにある。一般的にフ剤耐性 (AMR) 細菌が世界中で増えている。さらに、

ァージはある特定の細菌種（株）にのみ感染し宿主複数の抗菌薬に耐性をもつ様々な「多剤耐性菌」が菌を殺す。標的細菌以外には一切影響を与えず、そ確認されている。特に「カルバペネム耐性腸内細菌

れ以外の生体内の常在菌といった良性の細胞を殺す科細菌 (CRE) 」は、細菌感染症治療において最後ことはない。ただ、現在のファージ療法には大きなの切り札とされるカルバペネム系抗菌薬に対しても欠点があり、現在治療に使われているバクテリオフ

耐性を示し、
臨床医療の現場での脅威となっている。

ァージは自身の増殖のために宿主細菌の細胞を破裂

このため、感染症の治療が困難になるケースが増加させるため、それと同時に細胞内のエンドトキシン

しており、その拡散伝播防止対策が臨床的にも公衆も外部に放出され、最悪の場合は患者の死につなが衛生学的にも最重要課題となっている。抗菌薬と耐るといった望ましくない副作用をもたらす可能性が性菌の問題は国内だけの問題ではなく全世界的な問ある。また、利点として述べたファージの高い宿主題となっており、このまま対策が取られなければ、特異性であるがこれは同時に欠点でもあり、患者に全世界における死者数は2050 年までに1000 万人にファージを薬として処方する際には感染症とその原

のぼり、1000 兆ドルの国内総生産が失われるとの試

因菌を正確に診断し、それに厳密に対応したファー算もある[1]。しかし、製薬企業による新薬開発の重ジを処方しなければいけない。ただ、この点に関し

点はより多くの収益が見込める慢性病治療薬へと移ては複数種のファージを混合した「ファージカクテ

り、抗菌薬の開発は急減している。耐性菌に対してル」を処方することでも対応でき、この手法によっ抗菌薬以外の方法で制御可能な治療法を見出すことてファージ耐性菌の出現を抑えることもできる[2]。

は重要かつ急務である。薬剤耐性菌の急速な増加に

ファージ感染により生育阻害を引き起こす方法はよる諸問題が明らかとなったことで、世界では薬剤

いくつかあり、毒性タンパク質発現遺伝子を細胞内耐性菌に対する代替治療法を模索している。そこで

で発現させて殺菌作用を発揮する方法[3]や、抗生物研究者に注目されている治療法の一つがファージ療質を無力化するタンパク質発現遺伝子の mRNA に- 262 -

結合し、翻訳を阻害することのできる小分子 RNA

4) LB+Cm(25)+ara(0.2%) プレートを発現させることで抗生物質への感受性を高める方

LB プレートと同じ組成で混合液を作製し、121°C

法[4]などが報告されている。我々は、まだ研究報告で 20 分間オートクレーブにより高圧蒸気滅菌した。

の例がない、大腸菌の必須遺伝子や Toxin-Antitoxin

溶液の温度が下がった後、クロラムフェニコール溶

system（TA system、毒素-抗毒素システム）の液 (25 mg/ml) を終濃度 25 μg/ml、20% L-アラビノ

antitoxin（抗毒素）を標的とした aRNA を利用しースを終濃度 0.2%となるように入れ、固まる前にデて細菌を殺す方法を考案した。この方法の利点は、ィッシュ 1 枚あたり約 23 ml の培地を入れ、固まる

大腸菌の生育に必須なタンパク質の翻訳阻害や大腸まで静置し、4°C で保管した。

菌に元々備わっている TA system における毒素タ

5) ファージアッセイ

ンパク質の発現を阻害する抗毒素タンパク質の翻訳

ファージミド保持ファージを標的菌に感染させ、阻害が小分子の asRNA によってのみ行われるため、菌体内に侵入したファージミドによってアラビノー

大腸菌にとって有害となる asRNA が何らかの形でス入りプレート上で生育阻害がみられるかを確認す

細胞外に放出されても副作用が起こりにくいというるために行った。大腸菌 MV1184 を 2 ml の 1×M9

点である。今回、我々は大腸菌生育阻害の標的必須

グルコース培地で一晩振とう培養した菌液 100 µl遺伝子として rplN を、TA system の標的抗毒素タ

を 10 ml の 2×YT 培地に加え、50 ml チューブを用

ンパク質発現遺伝子として relB を選び、これらのいて 37°C で振とう培養した。OD600 が 0.8 のとき

mRNA に相補的に結合する asRNA を発現する遺伝に振とう培養を止め、培養液 1 ml とファージミド

子をファージミドの系に組み込んで実験を行い、こ保持ファージ溶液 1 ml を混合し、37°C で 2 時間イのシステムが組込まれた人工ファージミド保持ファ

ンキュベートした。2500×g で 15 分間遠心分離したージに感染した大腸菌の生育が阻害されるか調べた。

後上清を除き、200 µl の 2×YT 培地を加えて菌体を懸濁した。懸濁液を 100 µl ずつ、LB+Cm(25)プレ2. 材料と方法

ートと LB+Cm(25)+ara(0.2%)プレートの組み合わ

1) プラスミド pMKN104

せで、または LB プレートと LB+ara(0.2%)プレー
トの組み合わせで塗布し、37°C で一晩培養した。翌

クロラムフェニコール耐性遺伝子を持つ pAZ3 プ

日、コロニー数を測定した。

ラスミドを改変し、アラビノース誘導プロモーターの下流にマルチクローニングサイトを持たせた
5192 bp のプラスミドである。1 細胞あたり約 20 の3. 結果と考察

コピー数を保持する。以下、pMKN104-no insert

今回のファージ感染実験では、pMKN104-noとする。

insert 、 pMKN104-ArplNU 、 pMKN104-ArelBU

2) プラスミド pMKN104-ArplNUを用いた。これらのファージミドのうち、

pMKN104 の PBAD プロモーターにより、アラビ

pMKN104-ArplNU、pMKN104-ArelBU は、事前ノース存在下において 50S リボソームを構成するに形質転換にて大腸菌 TOP10 に導入し、アラビノ

L14 タンパク質をコードする rplN mRNA の翻訳をースを添加した LB+Cm(25)液体培地を用いて、阻害する ArplNU RNA (asRNA) を発現するプラaRNA 発現による生育阻害が起きることを確認し、スミドである。

ファージ感染実験でこれらのサンプルが同様の生育

3) プラスミド pMKN104-ArelBU

阻害効果を発揮するかを調べた。次に、M13 ファー

pMKN104 の PBAD プロモーターにより、アラビ

ジにファージミドをパッケージングさせるために大ノース存在下において抗毒素タンパク質を産生する

腸菌 TG1 を形質転換し、各種 pMKN104 ファージ

relB mRNA の 翻 訳 を 阻 害 す る ArelBU RNA

ミドを導入した。次に、pMKN104 ファージミド保(asRNA) を発現するプラスミドである。

持菌でのモデル実験を行う際に作製した M13 ヘル- 263 -

パーファーパ
ジ液を用い
い、M13 フ ァージに各
各種

pM
MKN104-ArelBU
U ファージミドででのファージアッ
ッセイの結果。(AA)

pMKN104pフ
ファージミド
ドをパッケージ
ジングさせ、各

ファージに感染したた大腸菌 MV11884 をプレートに塗塗布し、37°C で一
一種 pMKN10
04 ファージミドを保持すするファージジ液

培養した後のコロ
ロニー数を示したたグラフ。LB+C
Cm(25)プレートを晩培

このファージミド保持フを調整した。
をファージのタタイ

用いてアッセイを行行い、アラビノーース無しは■、アアラビノースありはターを測定しタ
したところ、1.0×109～5
5.0×109 pfu//mlで示した。(B)アッッセイを行ったプ
プレートの様子。上段の写真はアラ■でであった。こでこれらファージを用いてフファージアッッセ

ビノース (Ara) 無し、無
下段の写真ははアラビノースあありのものである
る。

イを行ったとイ
ところ、pMK
KN104-ArelBBU ファージ
ジミ
4. おわりにド感染ではコ
コロニー形成能の低下は観観られなかっったが 、ア ラ ビ ノー ス存 在下にお いて 、本研究課題をを遂行するこことにより薬
薬剤耐性菌を駆駆pMKN104-A
p
ArplNU ファァージミド感感染によりココロ

除できる方法を除を確立できれ
れば、水平伝伝播による薬剤剤

ニーの形成をニ
を 0.1%程度
度に減少する
ることができきた耐性遺伝子の拡耐拡散防止や、新規薬剤耐耐性遺伝子によよ(Figure
(
1A, B
B)。

る耐性菌の出現る
現を遅らせる
ることができ公衆衛生的ななこれらの結結果から、生生育必須遺伝子子を標的とす
する問題に貢献でき問きると思われれる。将来的
的には、医療費
費

aRNA
a
を発現
現するファージを用いて世世界で初めてて抗を含む社会的を・経済的負担担の大幅な軽軽減にもつながが菌作用を得る菌
ることができた。今回開発
発した方法はは、ると考えられるるる。

耐性遺伝子の耐の種類に依存存せず、薬剤耐耐性プラスミミド
5. 謝辞

保有菌に特異保異的な抗菌作作用をもたらす
す方法であるるた
め、新規の薬め
薬剤耐性菌においても応用用可能である
る。

本研究を遂行
行するにあたたり、公益財
財団法人ウエスス

最近の臨床分
最分離カルバペネム耐性腸内内細菌科細菌菌をコ学術振興財団
コ団による研究
究助成を賜りましたことをを用いた実験で
用
では、99.999%以上の抗抗菌効果を示示す

心より感謝いた心
たします。ままた、研究代代表者が 201
19

aRNA
a
を同定
定することもできた。今後後は感染モデデル

年 3 月末まで所
所属していたた川崎医科大大学微生物学教
教

動物実験を行動
行い、治療効果果の検証を行
行う予定であるる。

室の齊藤峰輝教室
教授をはじめめ教室員の方方々には、研究究支援をいただい支いたことに厚厚く御礼申しし上げます。
6. 参考文献
bial Resistan
nce: Tacklin
ng a crisis foor
1. Antimicrobthhe health annd wealth off nations. Th
he Review onoAnntimicrobiall Resistancee Chaired. (22014)
2. Tanji Y, Shiimada T, Yoiich M, Miyaanaga K, Horri
K,
K

Unno

H.
H

Towarddrational

controloofEscherichia
Escoli
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H7 by a phhage cocktaiil.
Ap
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ol Biotechnool 64:270–27
74 (2004)
3. Russell K,
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P
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15 (7
7),
48
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4. Vincent L, Aude B, Cloovis B, et all, Silencing ofoAnntibiotic Resistance in E. coli withh EngineereedPhhage Bearinng Small R
Regulatory RNAs. AC
CS
FigureF1.

pMKN104-noinsert,Syynthetic Biology 3(12):10003-1006 (2014)

pMKN104-ArplNp
NU,- 264 -

腸内環境維持とコンディションに関する研究 —外環境変化と腸内細菌叢の関連—
川崎医療福祉大学 医療技術学部 健康体育学科
松生香里 脇本敏裕 斎藤辰哉 門利知美
（概要）
本研究は、外環境・季節変化と腸内細菌叢の変化の関連性を突き止めるため、3 年間の研究計画で実施している。春から夏への暑熱に対する順化（環境変化）に伴い、腸内環境（腸内細菌叢）が変化するかどうかを明らかにし、暑熱におけるコンディション維持のための一資料を作成することが目的である。将来的には、暑熱順化に関連する腸内細菌を同定し、夏季における腸内環境維持対策や、夏場の効率の良い水分摂取方法の確立などの運動を含めたコンディション処方の一助として現場貢献を目指している。
昨年度は、研究計画の 1 年目であることから、川崎医療福祉大学倫理委員会への申請・承認、さらに、運動生理学会へ参加し、類似研究の報告から意見収集を行った。また、研究実施に必要な消耗品を購入し、実験・測定準備が整い、全て計画通り順調に遂行している。2 年目に向けた 2019 年 3 月から実験協力者を募り予備実験を開始している。春から夏への暑熱に対する身体の順化を鍵とし、一過性の運動に伴う直腸温の上昇変化か
ら、生理・心理学的指標と合わせて腸内細菌叢の関連について実験中である。

（背景）

実践的研究の結果から、外環境の変化と生理学的指腸内細菌は骨格筋の適応や恒常性維持に重要な役割を担っていることから、動物実験を用いて、「腸と標および腸内細菌叢との関連は密接であることが考えられる。

筋」の関連を明らかにしてきた（Matsuo ら 2009）。
一方、運動処方を目的とした実践的研究では、中（目的）

高年の運動習慣者を対象に、腹腔内圧を高めるトレ

これらの実践的・現場的研究背景より、本研究はーニング（腹圧トレーニング）を実施した。その結春から夏への暑熱に対する順化（環境変化）に伴い、果、ベースラインの腸内細菌叢に異なりが見られ、腸内環境（腸内細菌叢）が変化するかどうかを明ら

体組成との関連性が認められた。体脂肪率が高い対かにし、運動処方現場やスポーツ選手のコンディシ

象者は、腸内細菌叢のクロストリジウム属が多いこ

ョン現場に活用できる資料を作成することを目的ととが示され、さらに、腹圧トレーニングの実施によした。本研究の初年度は、本研究課題の基礎となるって、便通の改善および、便形状の改善が認められ研究の学会発表および運動可能な対象者の選定を中た（河村、松生 2018）。

心とした情報収集の実施、川崎医療福祉大学倫理委

さらに、アスリートを対象とした研究で、高所ト員会への申請・承認を得ることを目的とした。

レーニング前後を含め、合計 4 回の腸内細菌叢を調べた結果、同じ食生活であるにも関わらず、各選手（進捗状況）の腸内細菌叢のパターンが異なることを報告した

本研究課題は３年間の継続課題であり、1 年目の（松生ら 2015）。興味深いことに、腸内細菌叢の変進捗状況は、
全て予定通りに遂行できている。
また、化が少ない選手は、安静時心拍数や体温等、自律神本研究の特徴が、春から夏への季節の変化が研究の経系指標において、変化が小さいこと、また、高所

中心的要素となる。そのため、昨年度は、川崎医療

順化・適応が容易にできる選手と適応困難な選手が福祉大学倫理委員会への申請・承認および、研究実

存在することが明らかになった。これらの現場的・施に必要な消耗品類を揃え、実験・測定準備、運動- 265 -

生理学会へ参加して、類似研究の報告から意見収集と BMI の間に相関関係が認められた。被験者の便形を行った。このようにして初年度の研究は、全て計状は、便通異常の対象者においては、腹圧トレーニ

画通りに遂行できている。引き続き、春から夏へのングによって改善される傾向が認められた。

暑熱環境に変化していく際の身体の順化を鍵とし、一過性の運動に伴う直腸温の上昇変化を基準とし、（参考文献）

生理・心理学的指標と併わせて、腸内細菌叢との関

1.

Matsuo K, Zhang X, Ono Y, Nagatomi R. Acutestress-induced

連を調査して行く。

colonic

tissue

HSP70

研究の被験者は、
一般健康成人男性 10 名程度を予

expression requires commensal bacterial

定している。実験は、夏前の 4-6 月を目安に、春かcomponents and intrinsic glucocorticoid:

ら夏へ身体が暑熱順化していく期間に実施をスター

Brain, Behavior, and Immunity. Vol.23.

トしている。直腸温の測定、腸内細菌叢の測定およp108-115. 2009.

び、アンケート調査への協力が得られた上で実施す

2.

河村孝幸, 松生香里. 中高年の運動習慣者にる。
一過性の運動は、
自転車エルゴメータを用いて、おける腸内細菌叢の特徴と体脂肪率の関連性

50%HRmax 強度で 30-60 分間実施する。また、コント―末瑞標識制限酵素断片多型分析法による解

ロールの環境条件として、秋から冬 9-11 月への環境

析一. 42(45),111-118. 2018.
3.

においても同様に実施予定である。

松生香里, 岡崎和伸,杉田正明．長距離・マラ

なお、昨年度の運動生理学会における発表と情報

ソン選手の腸内環境とコンディションの関収集および、倫理委員会の審査において、被験者の連.—意識調査と外環境の変化に伴う影響につ

年齢・特徴に関する変更を行った。本研究の申請時いて—. 陸上競技研究紀要. 10:140-145.2014.

の被験者は、川崎医科大学の運動教室に通う中高年者であった。被験者は、自転車エルゴメータを用い（謝辞）

た 60 分の有酸素運動と、運動時の直腸温の測定を取本研究課題の実施準備・遂行にあたり、平成 30

り入れるため、心身への負担度を考慮し一般健康成

年度、公益財団法人ウエスコ学術振興財団に感謝申人に変更した。このようにして、1 年目の実験準備し上げます。

（情報収集、倫理委員会への申請・承認）は滞りなく実施された。
（学会発表）

Effect of intestinal microbiota on Abdominal
Pressure Training in Older Adults. Kaori Matsuo,
Takayuki Kawamura. The 26th Annual Meetings ofJapan Society of Exercise and Sports Physiology.
July 28-29.Osaka. Advance in Exercise and Sports
Physiology. p65.vol24.4.2019.
研究概要：普段から運動習慣がある中高年者を対象とし、腹腔内圧を高めるトレーニングで呼吸筋や腹部周囲の筋へ刺激を与えることによって、腸内細菌叢が変化するかどうかを調べた。腹圧トレーニング
前の腸内細菌群において、各々の対象者による異なりが観られた。腸内細菌の Clostridium subcluster- 266 -

食餌誘導性肥満マウスの不安行動におよぼす運動の効果
川崎医療福祉大学 医療技術学部 健康体育学科
小栁 えり
（概要）
【背景】運動習慣は、肥満予防とともに、精神疾患に対する予防効果も期待できるものと考えられるようになったが不明な点も多い。そこで本研究では、食餌誘導性肥満モデルマウスの抑うつおよび不安行動に対する運動習慣の発症予防効果について検討することを目的とした。
【方法】C57BL/6 雄マウス 4 週齢 (n=60)を、通常食餌安静（CDSED）群、通常食餌自発運動（CDWR）群、高脂肪食餌安静（HFDSDE）群、高脂肪食餌自発運動（HFDWR）群に分け、通常食および高脂肪食は自由摂取とし、自発運動には、24 時間アクセス可能
な回転ケージを使用し、10 週間飼育した。行動テスト後、脳内（大脳と海馬）の各種遺伝子発現解析を実施した。
【結果】オープンフィールドテストでは中央滞在時間に運動群で安静群と比較して高い値が示され、不安様行動の回避が観察された。一方で、ガラス玉覆い隠しテストでは、運動群で常同行動を示す傾向であった。強制水泳テストでは、運動群で無動作時間の短縮が生じており、うつ様状態の抑制効果が観察された。
しかしシュークロース嗜好テストで観察された高脂肪食による無欲状態に対する運動の効果は観察されなかった。大脳での BDNF および NPY の遺伝子発現に顕著な影響は観察されなかったが、海馬では高脂肪食による明らかな発現抑制が生じていた。
脳内炎症性サイトカイン発現には、明らかな変化は観察されなかった。
【結論】
以上の結果から、運動による不安様行動、あるいはうつ様行動の抑制効果が示されたが、その影響は通常食および高脂肪食にかかわらず誘導されることが示された。一方で、脳内遺伝子発現結果からは、運動の不安様行
動・うつ様行動の抑制効果に関する脳内分子機構は明らかとはならなかった。
【背景】
全世界の肥満人口は 21 億人とも報告され 1)、抑制される 7) ことが報告されており、運動は脳機能「減量に成功した国はひとつもない。
」とさえ言われの変化を介して不安障害の改善効果を有する可能性る現状である。精神疾患も、将来的な肥満リスクがが推測される。そこで本研究では、食餌誘導性肥満

2 倍となることが示唆される一方で 2)、肥満そのもモデルマウスの抑うつおよび不安行動に対する運動のが精神疾患のリスクファクターと言われるように習慣の発症予防効果について検討することを目的となった 3)。精神疾患患者は、2014(平成 26)年にはし、運動の精神疾患予防効果の可能性について明ら

392.4 万人となってあおり、いわゆる 4 大疾患(がん、かにすることとした。

脳卒中、急性心筋梗塞、糖尿病)よりも多い状況とな【方法】っている(厚生労働白書、2017)。事実、脂肪を多く実験動物

含む食事を摂取する割合と肥満者の増加、さらにそ

実験動物には C57BL/6 雄マウス 4 週齢 (n=60)

れらを要因として発症する生活習慣病が問題とされを用い、それぞれ通常食餌安静マウス（CDSED）ている。さらに、高脂肪食摂取による行動異常 4)が群 (n=8) 、通常食餌自発運動マウス（CDWR）群

報告されていることから、運動習慣は、単に肥満の(n=8)、 高脂肪食餌安静マウス（HFDSDE）群

予防効果にとどまらず、精神疾患に対する予防効果(n=8) 、高脂肪食餌自発運動マウス（HFDWR）群も十分期待できるものと考えられる。実際に、運動(n=8)に分け、通常食 (CD) および高脂肪食 (HFD)

習慣による抑うつ様行動の改善効果が報告されていは自由摂取とし、自発運動には、24 時間アクセス

る 5)。
これらのメカニズムとして脳内 BDNF や NPY

可能な回転ケージ (WR) を使用し、10 週間の飼育の活性化と行動変容 6)さらに運動による脳内炎症がをおこなった。

- 267 -

cD
DNA

本研究は、川崎医療福祉
祉大学動物実実験委員会の
の承

Reve
erse

Transscription

kitk(Applieed

認を受けて実認実施した (17--004) 。

Biiosystems, Carlsbad,
CCAA) を用いてて、逆転写反応
応

行動テスト
行

により
に
cDNA を作製した。
。その後、cD
DNA は、Fasst
SY
YBR

オープンフ
フィールドテスト (Open Field
F
Test: OF
FT)

Gree
en

PCR

M
MasterMix
M(Applieed

は、マウスをはを行動テスト用の箱（32 cm
c x 32 cm）に

Biiosystems) を用いて、F
Fast real-tim
me PCR Steep入れ入 30 分間滞滞在させた。行動評価のために、0~5 分

onne Plus (Appplied Biosysttems) によりり PCR を行っっおよびお25~300 分の各 5 分間の行動をデ分
デジタルカメ
メラ

た。PCR
た
条件
件は、cDNA の変性に 95
5℃、3 秒、アア（COOLPIX P6000, Nikonn, Tokyo, Japaan）で撮影ししマ

60℃、30 秒
ニーリングにニ秒の条件を用いいて、40 サイイイクロイSD カードに保保存した。動
動画解析にはは、

クル繰り返したク
た。標的遺伝伝子のプライマーは、マウウ

Frame-DIAS
F
V 3D (DKH, Tokyo,
T
Japan)) を用い、10 分スの行動に関連ス
連する脳内（大脳、海馬馬）遺伝子発現現間の位置座標間
標を解析した。1 秒間のサ
サンプリンググレとして神経由来来栄養因子 (Bdnf, Npyy) および炎症
症

ートは
ー
2 コマ
マとし、5 分間の動画より
り 600 枚の静静止

マーカーの脳内マ
内遺伝子発現
現（Il-1β, Tnfnf-α）を評価しし画像を作成し画した。動画解
解析から得られれた位置座標標よた(Tableた1)。

り総移動距離離、移動速度、中央移動時
時間、およびび中央以外での移央
移動時間を算出した。
ガラス玉覆
覆い隠しテ スト (Mablee Burning Teest:
MBT)
M
は、透
透明なケージ (30 cm x 30 cm) を用いてて、約 5cm の深さで床敷きをを敷き詰め、環境に慣れさ
環
させ

【結果】
【

るために、
る
300 分間放置しした。その後、床敷き上に 16

1. 高脂肪食餌
餌摂取および
び自発運動による体重の推
推個のガラス玉個
玉を均等に配配し 30 分間自自由に探索さ
させ

移

た。30
た
分後、
、真上から観観察した時、2
2/3 以上床敷敷き

高脂肪食餌なならびに自発発運動負荷にによる体重の変変が覆いかぶさがさっているガラス玉の数をを数え評価しした化は、高脂肪食
化
食餌摂取によより有意に高高値を示し、運運

4)4

動による体重増動増加抑制を確確認した (Figg. 1 )。

。
強制水泳テ
テスト (Forceed Swim Test: FST) は、水
水温

25℃の水道水2水を張った円筒状の容器内
内でマウスのの無動時間
動(呼吸
吸及び浮くために必要な動動作以外は動動かないでいる時な時間) を測定した 8)。
シュークロ
ロース嗜好性性テスト (Succrose Preferennce
Test:
T SPT) はは、3%シュークロース水溶溶液と滅菌水
水道
水を用意し、
水
1 ケージにそそれぞれ 1 本ずずつ設置したた。
飲水は自由飲飲
飲水とし、24 時間後の飲水水量を測定し
した
9)
9

。

2.
2 高脂肪食餌
餌摂取および
び自発運動がマウスの行動
動

試料採取
試

テストに及ぼ
テ
ぼす影響

行動測定終
終了後、イソフルラン麻酔
酔下で、眼下下静(1) OFT

脈叢より採血脈
血の後、脳 (大脳および海(海馬) 摘出をを実

オープンフ
フィールド内内でのマウス
スの総移動距
距施した。
施

離、および移離移動速度には、、運動およびび食餌の影響響

脳内遺伝子発脳発現解析は観察されなはなかった。一方方、中央滞在在時間は、両両RNA 抽出出には、RNeaasy Mini Kiit （QIAGE
EN,

食餌条件とも食
もに運動群で
で安静群と比比較して有意意Valencia,VCAA）を用いた。その後、NannoDrop systeemに高い値を示に示した (p<0.005, Fig. 2)。

を用いてをTottal RNA 濃度度を測定し、High Capaccity- 268 -

は明明らかな差はは観察察されなかっった(Fig. 5C
C,

D) 。

【考
考察】
本研究は、10本
0(2) MBT週間
間の自発運動動

動条件で隠しした
MBT は、両餌群ともに、自発運動が高高脂肪食餌にに数が多く、 常同行動を示す傾向が観察され たよっって誘導されれ(p=0.054,(
Fiig. 3A) 。しかしながら、高脂肪食餌
餌摂た不安
安様行動を抑抑取による影響取響は示されなかった。

制するると仮説をたた(3) FSTて実験験を行った。

FST は、両両餌群ともに、自発運動条
条件で無動作作時

高脂肪肪食摂取によ間の短縮が生間生じており (pp<0.01, Fig. 3B)
3 、うつ状状態

る明ららかな体重増増の改善効果がのが観察された。しかしなががら、高脂肪
肪食

加と運運動トレーニニ

餌摂取による餌
る影響は示されなかった。

ングにによる体重減減(4) SPT少が観観察された。

ヒトのうつつ病で認められる無欲状態
態を反映する
ると

OFT の結果からされる
さ
SPT122)は、CD 群とと比較し、HFD 群で有意
意な

高脂肪
肪食摂取に
に

低下を示し
低
((p<0.01, Fig. 3C) 、高脂肪肪食餌摂取に
によ

より誘
誘導された
た

る無欲状態がるが観察された。しかしなががら、自発運運動

不安行動が、
不運動によってて改善された
たことになりり、による影響はには示されなかかった。

マウスの不安マ
安行動に及ぼぼす運動の影影響についてての評価がのOFTT で可能とななることが示示唆された。
さらに、FST の結果かららも、うつ様様行動の改善をを生じる可能性が生が示された。FST では、うつ様行動をを示すと水に入れ示れた直後、マ
マウスはストレスを回避ししようと精力的よに動き回る が、次第に動動かない時間間(無無動作時間) が増え、いわわゆる回避「あきらめるる」

3.
3 脳内の行
行動関連分子 mRNA 発現
現の変化

ようになるが、よ、抗うつ薬をを投与すると無動作時間がが大脳の Bddnf および Npy
N 遺伝子発発現には明ららか減少することが減が報告されてている 9)が、本結果では、、な差は観察さなされなかった (Fig. 4A, B) 。また、Il-1-1β運動群で無動作運
作時間の明ららかな短縮がが観察されたこ
こ

および
お
Tnf-α
α遺伝子発現
現にも明らかな
な差は観察さされとから、運動にによるうつ様様行動の改善善が示されたももなかった
な(Fiig. 4C, D) 。

のと考えられるのる。抗うつ薬薬投与による無動作時間のの一方、海馬
馬の Bdnf 遺伝子発現は、遺CD 群と比比較減少と同様の結減結果が運動ででも観察されれたことから、
、

し、HFD
し
群
群で有意に低低くなる結果果が観察されれた運動が抗うつ効
運
効果をもたららす可能性がが FST によっっ(p<0.05,(
Fig.. 5A) 。Npyy 遺伝子発現も、CD 群とと比て示されたものてのと考える。

較し、HFD較
群で有意に低低くなる結果果が観察されれた

一方で、MB
BT は、試行
行後に覆いかかぶさっているる(p<0.01,(
Fig.. 5B) 。Il-1ββおよび Tnf-α-α遺伝子発現
現にガラス玉の数がガが多いほど、不安様行動動の中でも常同同- 269 -

行動が亢進しているとされる 10)。常同行動とは、無20 週間の自発運動で BDNF 発現が増加したことが目的に同じ行動を何度も繰り返すことであり、何の報告されている 13)ことから、本研究では、自発運動

害もないガラス玉を次々と床敷きで覆い隠そうとすを負荷した期間が短かったことも考えられる。

る行動がヒトの常同行動のモデルとされている。本結果では、運動群で高値を示したことから、運動に【結論】

より常同行動が増大するという負の作用が示された

以上の結果から、運動による不安様行動、あるいことになる。ヒトでは知的障害、自閉症スペクトラ

はうつ様行動の抑制効果が示されたが、その影響は

ム、遅発性ジスキネジア、常動運動障害、前頭側頭

通常食および高脂肪食にかかわらず誘導されること型認知症や前頭側頭葉変性等で常同行動が観察されが示された。一方で、脳内遺伝子発現結果からは、ることから、負の作用とも考えられるが、原因が同運動の不安様行動・うつ様行動の抑制効果に関するじであるのかについてさらに詳細に調べる必要があ

脳内分子機構は明らかとはならなかった。

る。
さらに、3％ショ糖溶液の摂取量で評価する SPT【謝辞】

では、FST と同様にうつ様行動を評価できるテスト

本研究に、ご協力いただいた、川崎医療福祉大学とされているが、自発運動による改善効果は観察さ

渡邉知央氏、矢野博己教授に深謝する。本研究は、れなかった。一方で、CD 群と比較して、HFD 群で

公益財団法人ウエスコ学術振興財団、ならびに有意な摂取量の減少が観察された。したがって、嗜

JSPS 科研費 18K17876 の助成を受けて実施され好性の低下すなわち HFD 群でうつ様行動が観察さた。

れたことになる。このテストでは、FST とは異なり運動の影響があらわれなかったことになる。このよ【利益相反開示】

うに、すべての行動テストの結果は必ずしも一致し本研究に関して利益相反関係にある企業等はない。

た結果とはならず、いくつかの行動テストを併用することで、マウスの不安行動を詳細に評価すること【参考文献】の必要性が示唆された。

1) Ng M, Fleming T, et al., Global, regional, and

本研究では、さらに、マウスの不安行動メカニズ

national prevalence of overweight and obesity

ムを遺伝子発現から評価を行った。先行研究によるin children and adults during 1980-2013: aと、海馬における BDNF の減少がうつ様行動に深systematic analysis for the Global Burden of

く関連することが報告されている 11)。また、海馬にDisease Study 2013. Lancet. 2014, 384:

おける BDNF 発現が低下することで、SPT で嗜好

766-781.

性が低下することも報告されている 12)。本結果では、

2) Kivimäki M, Lawlor DA, et al., Common

CD 群と比較し、HFD 群で有意に BDNF 発現が低mental disorder and obesity: insight from four値を示したことから、高脂肪食摂取でうつ様行動がrepeat measures over 19 years: prospective

観察された SPT の結果を支持するものとなった。
さWhitehall II cohort study. BMJ. 2009, 339:

らに、海馬における NPY 発現が高脂肪食摂取で有b3765.

意に低値を示したことから、食欲促進に関わる NPY

3) Bruce-Keller AJ, Keller JN, et al., Obesity andが嗜好性の評価である SPT の結果を支持するもの

vulnerability of the CNS. Biochim Biophysとなった。海馬での BDNF と NPY の発現低下が、Acta. 2009, 1792: 395-400.

SPT で観察されたうつ様行動を誘導した可能性が

4) Bruce-Keller AJ, Salbaum JM, et al.,

示唆された。自発運動でうつ様行動の改善が観察さ

Obese-type gut microbiota induce

れなかった理由として、Venzia らの研究によると、

neurobehavioral changes in the absence of- 270 -

obesity. Biol Psychiatry. 2015, 77: 607-615.
5) Agudelo LZ, Femenía T, et al., Skeletal muscle
PGC-1α1 modulates kynurenine metabolism
and mediates resilience to stress-induced
depression. Cell. 2014, 159: 33-45.
6) Caviedes A, Lafourcade C, et al., BDNF/NF-kB
signaling in the neurobiology of depression.

Curr Pharm Des. 2017, 23: 3154-3163.
7) Duda W, Kubera M, et al., Suppression of
pro-inflammatory cytokine expression andlack of anti-depressant-like effect of fluoxetine
in lipopolysaccharide-treated old female mice.

Int Immunopharmacol. 2017, 48: 35-42.
8) West AP, Neurobehavioral studies of forced
swimming: the role of learning and memory in
the forced swim test. Prog

Neuropsychopharmacol Biol Psychiatry. 1990,
14: 863-877.
9) Iniguez SD, Riggs LM, et al., Social defeat
stress induces a depression-like phenotype inadolescent male c57BL/6 mice. Stress. 2014,
17: 247-255.
10) Njung'e K, Handley SL, Evaluation of
marble-burying behavior as a model of anxiety.

Pharmacol Biochem Behav. 1991, 38: 63-67.
11) 山田伸子, 勝浦五郎, 他，レプチンの抗うつ作用と肥満に合併するうつ病態における意義. 肥満
研究． 2010, 16: 188-191.
12) Grillo CA, Piroli GG, et al., Downregulation ofhypopthalamic insulin receptor expression
elicits depressive-like behaviors in rats. Behav

Brain Res. 2010, 222: 230-235.
13) Venezia AC, Guth LM, et al., Sex-dependentand independent effects of long-term voluntary
wheel running on Bdnf mRNA and protein
expression. Physiol Behav. 2016, 156: 8-15.

- 271 -

保育士の早期離職対策としての「リアリティショック予防プログラム」の開発
山陽学園大学総合人間学部 1・山陽学園短期大学幼児教育学科 2
1 松浦美晴・1 上地玲子・2 荒島礼子

新人保育士の早期離職の理由として「リアリティショック」（Kramer，1974）がある。本研究では，ラザラ
スらのストレス理論の枠組みを用い，新人保育士へのサポートプログラムとして，①新人保育士交歓会，②新人保育士研修会，③主任・管理職保育士研修会の 3 つを実施した。プログラム参加者の反応から，新人保育士
は就職後 1 か月後には既にギャップを経験していること，3 カ月後にはギャップを経験するとともに具体的な対処を行っていること，③主任・管理職保育士は新人保育士の求めるサポートを実施しようとするが，新人保育士と同様業務負担の問題にさらされていることや新人保育士とのコミュニケーションの困難により，サポー
トを妨げられていることが浮き彫りになった。②の参加者は，異なる施設で同じ立場に立つ者同士の分かち合
い，知識の獲得，の意義があったと述べた。③の参加者は，情報交換，新人保育士の要望についての知見獲得，の意義があったと述べた。
1. 背景

ティショックが生じるとされる。そこで新人保育士

保育士の早期離職問題の背景に「リアリティショ

へのサポートとして，その前の段階である，就職後ック」，すなわち，「新卒の専門職者が就職後数か月

1 か月が経過した 5 月下旬に，新人保育士同士の意以内に予期しなかった苦痛や不快さを伴う現実に出見交換会を開催した。RS をもたらすギャップやサ

くわし，身体的，心理的，社会的なショック症状をポートについて保育士としての経験や意見を参加者表わす状態」（Kramer，1974）があると考えられる。

間で共有し，理解を深める話し合いを行った。本研

子どもと接する仕事というイメージを持たれがちな究代表者の所属機関を会場とし，就職 1 年目の保育保育士であるが，実際の業務には保護者対応や事務士 16 名が参加した。

が多く，新人保育士は就職前に予期しなかった現実

まず，研究代表者が「保育士のリアリティショッに出くわしやすい。本研究では，保育士のリアリテク」の要点と，交歓会の目的を説明した。続いて，

ィショックを，ストレス理論（Lazarus & Folkman,

参加者が 4 名ずつの 4 グループに分かれ，研究代表

1984)の枠組みで捉える立場をとる。新人保育士が者，共同研究者計 3 名も加わって，「就職してびっく

就職前に抱いていた予想と就職後の現実とのギャッりしたこと」（本研究の枠組みにおいては，ストレップがストレッサーとなり，ストレスが喚起された状

サーに相当），「困ったときや思い通りにならないと態を，新人保育士のリアリティショックと考える。

き，どうしますか」（ストレスへの対処に相当）につ

本研究では，新人保育士を対象とするサポートする

いて語り合った。テーマごとにグループの再編成をプログラムを考案する。プログラムは，①新人保育

行い，異なるメンバーで語り合いを行うようにした。

士交歓会，②新人保育士研修会，③主任・管理職保語り合いの際，
グループごとに 1 枚，用紙を配布し，育士研修会の 3 つからなる。プログラム参加者の感メモを記録するよう求めた。交歓会の終了後，参加

想や自由記述などをデータとし，保育士が抱える問者の同意を得て，メモのコピーを回収した。記録さ題を抽出するとともに，サポートプログラムの効果れた内容の類似するものをカテゴリー化し，表 1 にを検証することが，本研究の目的である。

示す。なお，語り合いの最中にメモした内容である
ため，必ずしも設定したテーマ（問い）への回答に

2.新人保育士意見交歓会（プログラム①）

はなっていないものがある。

水田（2004）によれば，就職後 3 ヶ月後にリアリ- 272 -

3. 新人保育士研修会（プログラム②）

研修の始めに，参加者に上記をデータとして使用

厚生労働省の「待機児童解消加速化プラン」は，することについて，プライバシ－の保護，匿名性の保育士を対象とするリアリティショックについての保持，不利益はないこと，結果は学会などで公表す研修が必要である，としている。そこで A 県の委託

るが個人が特定されないこと，提出は任意であり提により，県内新人保育士を対象に「RS 対応研修会」

出をもって同意とみなすことを口頭で説明した。

を開催した。参加者の反応をデータとし，新人保育参加者の概要士の経験する「就職前と就職後のギャップ」とそれ参加者 54 名，うち常勤保育士 49 名，非常勤保育への対応，新人保育士が先輩保育士に求めるサポー

士 2 名，任期付き 1 名，記載なし 2 名であった。セトの内容，研修会の効果を検討した。

ルフチェックにおける保育士 RS 尺度（取りうる得新人保育士研修会の概要

点範囲 1 から 5）では，「業務負担の重さ」の平均
3.63，標準偏差 0.70，「職場の問題」の平均 2.96，

対象 平成 30 年 4 月より A 県内の保育施設に勤

標準偏差 0.73，「力量不足」の平均 4.08，標準偏差務する，就職 1 年目の新人保育士を対象とした。
研修の目的 「新人保育士が RS についての知識

0.63，「心理的孤立」の平均 2.17，標準偏差 1.22 でを得，ストレッサーとしてのギャップとその対応策あった。ソーシャルスキル（取りうる得点範囲 6 かについて考え，同じ立場の新人保育士とそれらを共ら 30)の平均 17.69，標準偏差 4.21 であった。

有し，理解を深めること」が目的であった。

経験されたギャップと対処方法

開催時期 就職 3 カ月後の平成 30 年 7 月に開催

セルフワークシートに記述された「就職前の予想」「就職後の現実」のそれぞれの組み合わせからギャした。
研修内容 (1) RS についての講義： 「RS とはップの内容を抽出し，分類した。
抽出にあたっては，何か」について，ストレスモデルに沿った内容を解予想と現実が同じであったものを除いた。ポジティ

説した。 (2) RS とソーシャルスキルのセルフチェ

ブな方向のギャップについては，早期離職にはつな

ック： RS のチェックリストとして，保育士 RS 尺

がらないと考え，分類から除いた。ギャップのカテ度（松浦・上地・皆川・岡本・岩永，2018），ソーシ

ゴリーを，同様に分類した対処方法のカテゴリーとャルスキルのチェックリストとして，Kiss-18（菊池，ともに，表 2 に示す。

1988）から 6 項目を用いた。(3)ストレッサーとして先輩保育士にサポートとして望むこと 「先輩保育のギャップと対応のセルフワーク： 参加者にワー

士にしてほしいサポート」を内容の類似により分類

クシートを配布し，「就職前の予想」，「予想についてした（表 3）。

の就職後の現実」「予想と現実のギャップにどのよう参加者の感想に対処したか」記入するよう求めた。(4) ギャップと感想の記述を，内容の類似により分類した。分類の結果を表 4 に示す。

対応策についてのグループワーク： 5，6 名ずつのグループに分かれた参加者が，「就職前の予想」，「予

4. 主任・管理職保育士研修会（プログラム③）

想についての就職後の現実」「予想と現実のギャップにどのように対処したか」を，出し合い，分類し，新人保育士は，周囲からのサポートを必要とする。

3 つを対応付ける形で，模造紙に配置した。(5)発表

新人保育士に対しサポートを行う立場にあるのが，による情報共有：各グループの代表が，グループワ

職場の先輩である主任・管理職保育士である。彼ら

ークで得られた予想と現実のギャップと，対処方法が効果的にサポートを行うことで，新人保育士のRSについて口頭発表を行った。(6) アンケート記入：を緩和できると考えられる。そこで，A 県の委託に「研修会の感想」，「先輩保育士にしてほしいサポーより，県内の主任・管理職保育士を対象とする研修ト」について，自由記述を求めるアンケートを行っ

会を開催した。

た。

主任・管理職保育士研修会の概要- 273 -

対象 A 県内の保育施設に勤務する主任・管理職

サポートの実現可能性
セルフワークシートに記述された「具体的で可能

保育士を対象とした。
研修の目的 「主任・管理職保育士が新人保育士

なサポート方法」「サポートの難しい点とその理由」の RS を理解し，サポートについて考えること」がを，内容の類似によりそれぞれ分類した。概要を表目的であった。

3，表 4 に示す。新人保育士の要望するサポートごとに登場したそれらのカテゴリーを表 3 に示す。

開催時期 保育施設の仕事の繁忙期ではない，平成 30 年 12 月に開催した。

参加者の感想研修内容 (1) RS についての講義： 新人保育士

感想の記述を，内容の類似により分類した。分類の結果を表 5 に示す。

研修会と同様に行った。(2) 新人保育士研修会の報
告 研修に参加した新人保育士の反応を，個人が特定できない形で次のように紹介した。まず，保育士

5.プログラム参加者の反応からの考察

RS 尺度と Kiss-18 からの 6 項目について，新人保保育士交歓会における語りの内容

育士研修会参加者のセルフチェックによる得点分布

就職後 1 か月が経過した 5 月の時点で，新人保育を紹介した。次に，新人保育士研修会参加者から得士が既にギャップの多くを経験したことがわかる。

られた「先輩保育士にしてほしいサポート」のカテ対応として，職場内外の相手に相談したことがわか

ゴリーを紹介した。(3)サポートの具体的な実践方法

る。

のセルフワーク：参加者は 5，6 名ずつのグループ

研修会に見られるギャップの内容に分かれた。各グループに，課題として(2)の「先輩

新人保育士の「就職前と就職後のギャップ」と対保育士にしてほしいサポート」が 2 カテゴリーずつ

応 新人保育士の記述から抽出されたギャップの多割り振られた。ワークシートを配布して，各カテゴ

くは，従来の研究（松浦・上地・皆川・岩永・岡本，

リーに対する「具体的で可能なサポート方法」「サポ

2019，印刷中）でも見られたものであった。ギャッートの難しい点とその理由」を記入するよう求めた。

プへの対応として，行動面における問題焦点型のス(4) サポートの実践についてのグループワーク：各

トレス対処（Folkman & Lazarus, 1980）が多く見グループで，「具体的で可能なサポート方法」「サポられた。新人保育士が具体的な対処行動を起こしてートの難しい点とその理由」を出し合い，分類し，いることがうかがえる。また，先輩保育士からのサ

2 つを対応付ける形で，模造紙に配置した。さらに，ポートを受けていることがわかる。

「困難を超えた実践策」について，話し合った。(5)

新人保育士が先輩保育士に求めるサポートと，主アンケート記入 「研修会の感想」，「新人保育士の任・管理職保育士によるサポート実現可能性 主任・指導で困っていること」「これまで保育の仕事を続け

管理職保育士の考案したサポートは，新人保育士がることができた理由」について，自由記述を求める

求めるサポートの内容に対応していた。しかし，サ

アンケートを行った。自身が保育士を辞めたいと思

ポートを困難にする要因も多くあがった。
「仕事の画ったことがあるかどうかについても，1：「まったく一化の困難」「子どもの個性や状況に左右される」「命ない」から 5：
「いつも思う」までの 5 段階評定を求に係わる業務であること」は，子どもを相手とするめた。本報告書ではこのうち，「研修会の感想」のみ

対人専門職である保育士に特有の問題と考えられる。

結果を示す。倫理的配慮は，新人保育士研修会と同また，業務量の多さに関して新人保育士のギャップ様であった。

の経験と重なっており，中堅以上の保育士が新人と参加者の概要同様の問題に曝されていることがわかる。
「新人との参加者 29 名，うち園長 7 名，主任保育士 9 名，

関係づくりの困難」は，先輩保育士がコーチングや副主任保育士 6 名，分野別リーダー1 名，役職なし

メンターの技術を習得する機会を増やすことが対策

3 名，記載なし 3 名であった。

になると考えられる。総じて，新人保育士のサポー- 274 -

らすと期待できる。

トに必要とされる時間と人員の確保が難しく，サポート不足による早期離職をもたらし，人員不足ひいては時間の不足へとつながるという，悪循環が生じ

文献ているといえる。

Folkman, S., & Lazarus, R. S. (1980). An analysis of
coping in a middle-aged community sample. Journalof Health and Social Behavior, 21, 219-239.
菊池章夫 (1988). 思いやりを科学する 川島書店．
厚生労働省(2013) 待機児童解消加速化プラン 厚生労働省
2014 年 4 月 3 日<http://www.mhlw.go.jp/bunya/kodomo/pdf/taikijidokaisho_01.pdf>(2019 年 1 月 23 日)
Kramer, M. (1974). Reality Shock: Why Nurses Leave
Nursing? The C.V. Mosby Co.
Lazarus, R. S., & Folkman, S. (1984). Stress, Appraisal, andCoping. Springer.
松浦美晴・上地玲子・皆川順・岡本響子・岩永誠 (2018). 新
人保育士のリアリティショック尺度の開発 ―予備尺度再因子分析と基準関連妥当性の検討― 日本健康心理学会大会発表論文集 30，56.
松浦美晴・上地玲子・皆川順・岡本響子・岩永誠（印刷中）
新人保育士のリアリティショックを引き起こす予想と現実のギャップの抽出 －カテゴリーと分類軸－ 保
育学研究．
水田真由美 (2004). 新卒看護師の職場適応に関する研究:－
リアリティショックと回復に影響する要因－ 日本看護研究学会雑誌，27, 91-99.

研修会の効果
感想として，新人保育士において最も記述数が多かったのは，異なる施設で同じ立場に立つ者同士の分かち合いの意義についてであった。また，知識の獲得の意義があげられていた。主任・管理職保育士
においては，情報交換の意義，新人保育士の要望について知見を得ることの意義があげられた。研修についての要望として，時間の確保を求めるものがあった。
新人保育士によってあげられたギャップに対する対処，主任・管理職保育士のサポート案は具体的であり積極的なものであった。これらを振り返り，検討し，参加者間で共有することは，今後の現場におけるリアリティショック対策に，一定の効果をもた

表 1 新人保育士交歓会の語り合いの記録から得られたカテゴリー①「就職してびっくりしたこと」
仕事の大変さ

力量への不安
職場の人間関係施設の問題

書類作成が大変/子ども対応への不安←遊びの方法の工夫/子どもの問題/行事や習い事の多さ/給食の時間が足りない/子どもの人数の多さ←子どもの人数で担当者を調整できている→クラス運営の連携の難しさ/子どもの退園
子ども対応への不安←遊びの方法の工夫/先輩保育士に助言を求めることの難しさ
先輩保育士とうまくやっていけている←→先輩保育士との上下関係がある園の方針の合う合わない/待遇が悪い/施設の装備に問題がある②「困ったときや思い通りにならないとき，どうしますか」
相談する
先輩保育士や同期に相談する/園外の相談相手に相談する子どもから認めてもらう
子どもから認めてもらえない→子どもの注意を集める工夫をする
仕事の負担が解消しない
仕事が負担/なかなか帰宅できない/人手不足
仕事で求められる判断が難しい
自分で判断ができないときがある/問題を抱える子どもへの対応の困難
先輩保育士から理不尽な要求をされる
先輩保育士から理不尽な要求をされる

表 2 新人保育士が記述したギャップと行った対応のカテゴリー
ギャップカテゴリー（記述数）

対応カテゴリー予想と違い，人間関係が難しい（13)周囲との関係を作る努力をする/人間関係の作り方を習得する/同業の友人に相談する/上の先生に相談する/話しかけやすい先輩から仲良くなってゆくようにする/ある程度はあきら
め，割り切るようにする/解決できない

予想より書類作成の負担が大きい（13)

書き方の本を読んで学ぶ/先輩から学ぶ/子どもをよく観察する/時間を見つけてコツコツと書く/何とかやっていく

予想と違い，子どもとの関わりが難しい（12)先輩保育士からやり方を教わる/関わり方を工夫する/勉強し経験を積む/子どもの成長過程だととらえる/保護者と共通理解をする

予想より，子どもに手がかかる（5）

関わり方を工夫する/先輩から学ぶ/担任間で連携し，子どもの体調に注意する

予想と違い，時間に余裕がない（5）時間配分を工夫する/落ち着いて行動する/アイテムを工夫する

予想と違い，新人でも責任が重い（5）先輩保育士に助けてもらう/仕事をできるよう努力をする

予想より，配慮が必要な子どもが多い（4）

関わり方を工夫する/先輩から学ぶ/職員間で連携する予想と違い園の方針が一貫していない（3）

自分から提案すると同時に言われた方法も試してみる/複数の方針から自分がやりたいものを選ぶ- 275 -

予想を超えて保護者対応が難しい（2）先輩保育士からやり方を教わる

思ったより，悩みの相談ができない（2）

自分から先輩保育士に相談する予想と違い，休日が少ない（2）遊ぶ予定を立てておく/1 年目は仕方がないと思う

予想と違い，職員間の連携が必要（2）

連携を心がける

予想より，園独自の方針がある（2）先輩保育士から聞いて勉強する

予想より仕事が多い（2）

施設に相談する/同期と協力する予想を超えた残業がある（2）

我慢するしかない/定時で上がっていいといわれたときは従う

予想を超えた持ち帰り仕事がある（1）

頑張ってこなす予想と違い，同期の早期退職が多い

自分も 1 年働いたら辞めようと思っている予想と違い，最初から主担当はさせてもらえない（1） いつか主担当になる日のために先輩保育士の技やアイテムを見て準備をする

表 3 新人保育士の要望するサポートに対し主任・管理職保育士があげた「具体的で可能なサポート方法」「サポートの難しい点とその理由」として登場したカテゴリー
新人保育士の望むサポート
子どもや保護者への接し方を教えてほしい書類の書き方を教えてほしい

書類を減らしてほしい

勤務時間中に仕事ができる時
間づくりをしてほしい

研修や巡回指導は適度にしてほしい先輩同士だけでなく新人にも情報共有させてほしい

指示は具体的にしてほしい

休みを取りやすくしてほしい

定時で帰りやすい雰囲気づく

先輩保育士が考える具体策
ポイントを絞って指導

困難の理由
仕事の画一化の困難/仕事をしながらの細かい指導の困難/新人との関係づくりの困難

具体的に指導教えたことができたか後で確認する
仕事の目的や重要性を説明する
フィードバックを与える
一対一での指導
新人との関係づくり
職員間で仕事の分担
具体的に指導環境整備
フィードバックを与える
ポイントを絞って指導
まず困っている点を聞く
仕事の目的や重要性を説明する
職員間で仕事の分担
ポイントを絞って指導一対一での指導
具体的に指導環境整備
時間の確保
職員間で仕事の分担
新人との関係づくり
時間の確保

仕事の画一化の困難/新人との関係づくりの困難
新人との関係づくりの困難

職員間で仕事の分担
環境整備
環境整備
時間の確保
ポイントを絞って指導仕事の目的や重要性を説明する
職員間で仕事の分担
環境整備
新人との関係づくり
指導の工夫 教えたことができたか後で確認する
フィードバックを与える
ポイントを絞って指導一対一での指導
具体的に指導仕事の目的や重要性を説明する
時間の確保
職員間で仕事の分担
新人との関係づくり
環境整備
環境整備

時間確保の困難/職員間の協力の困難
新人の成長を妨げてしまう

時間確保の困難
時間確保の困難
新人との関係づくりの困難
仕事量を減らすことの困難

仕事の画一化の困難/仕事量を減らすことの困難/時間確保の困難/人手が足りない
子どもの個性や状況に左右される/新人との関係づくりの困難
仕事の画一化の困難
新人との関係づくりの困難
臨機応変な対応の困難

時間確保の困難/管理職の動きづらさ/仕事をしながらの細かい指導の困難
時間確保の困難/新人との関係づくりの困難
新人との関係づくりの困難/臨機応変な対応の困難
仕事をしながらの細かい指導の困難/新人との関係づくりの困難
仕事をしながらの細かい指導の困難
子どもの個性や状況に左右される新人との関係づくりの困難
仕事をしながらの細かい指導の困難
新人との関係づくりの困難
仕事の画一化の困難
人手が足りない/管理職の動きづらさ/仕事の画一化の困難
人手が足りない/臨機応変な対応の困難
臨機応変な対応の困難
臨機応変な対応の困難/時間確保の困難- 276 -

りをしてほしい相談しやすい雰囲気を作ってほしい
優しく接してほしい

えこひいきをやめてほしい

時間の確保
新人との関係づくり
職員間で仕事の分担
新人との関係づくり
環境整備
ポイントを絞って指導
新人との関係づくり

時間確保の困難
仕事量を減らすことの困難
時間確保の困難/新人との関係づくりの困難
人手が足りない
新人との関係づくりの困難
新人との関係づくりの困難/命に係わる業務であること/仕事をしながらの細かい指導の困難
新人との関係づくりの困難
時間確保の困難

一対一での指導
新人との関係づくり
フィードバックを与える
職員間で仕事の分担
新人との関係づくり

新人との関係づくりの困難
新人との関係づくりの困難

表 4 新人保育士研修会の感想カテゴリーの概要と記述例
カテゴリー（記述数）
同じ悩みを持つ人が多いとわかって少し楽になった（35）
いろいろな人の話や意見を聞くことができた（12）施設による悩みの違いを知ることができた（3）概要
他の施設の新人保育士同士話をすることで，同じ悩みを持つ人がおり，自分だけが辛いわけではない，自分が間違っているわけではないとわかり，気が楽になった。
普段他の人の意見を聞くことは難しいが，研修の場を通じて他の人の意見や工夫を聞くことができた。
施設によって悩みが違うことを知った。自分の勤務する園については自分で確認する必要があると思った

ギャップをなくす対策の必要性を感じた（3）

大学教育や，学生時代のボランティアなどによって，ギャップを減らす対策が必要と思った

リアリティショックのチ
ェックができた（2）

自分がリアリティショックにあてはまることがわかった。自分が困っていることを整理することができた。

リアリティショックについて 知ることが できた（1）
これから先，ギャップを感じた時に参考になると思った（1）
やる気が出た（1）リアリティショックについて知らなかったが，理解することができた

待遇を上げてほしいと思った（2）

残業をなくし給与を上げてほしい

今はギャップを感じていないが，これから感じたり辛くなったとき参考にしたい
頑張りたい

記述例
「同じことを思っている人がたくさんいて少し嬉しかった」「 悩みを共有でき，自分だけではないと思えました」「様々な園の方のお話を聞くことができ，園ごとの内容などにもギャップを感じました」「園によってやはり違うので，そこで自分ができることをどうやってやるかを
先輩に自分から聞いていかなければならないと思った」「大学ではより現実に近い勉強が必要」「ボランティア
に行っていた園に就職をするのは，かなりメリットが多い」「チェックリストに当てはまるものが多く，驚きました」「チェックリストを通して自分が何が大変だと思っているのか整理できてよかった」「聞き慣れない言葉でしたが，よくわかりました」「今の所現実とのギャップを感じていないので，これから先辛くなったり，ギャップを感じたら今日のことを思い出したい」「保育教諭になれたことに誇りを持ち，日々頑強の気持
ちを持ち頑張りたい」「もう少し給料を上げてください」「残業 0 になったらな…」

表 5 主任・管理職保育士研修会の感想の上位・下位カテゴリーと記述例
上位カテゴリー情報交換ができた

新人保育士対応を学ぶことができた
研修についての要望

下位カテゴリー（記述数）
他施設の同じ立場の職員の声を聞くことができた（10）
保育士同士悩みを共有することができた（7）
新人保育士の気持ちを知ることができた（6）
新人保育士を育ててゆきたい（3）もっと時間をとってほしい（2）
研修の手法がよかった（2）もっと具体的な情報を提供してほしい（1）

記述例「同じ立場上で働いている先生方の話を聞く，共有し合うことができて良かった」「新人の育成の難しさを，同じ目線で話し合え，それぞれの意
見が聞けた」「それぞれの園での悩みを聞くことができて良かった」「話を聞けて共感できたり，話を聞いてもらって悩み事も少し解決できたと思う」「“昔はこうだったのよ”はダメなんですね」「新人保育士の SOS を見ながら自分が新人の頃と比較し，気持ちがわかる部分もあるなと感じた」「新人保育士を大切に育てていかないとと改めて感じた」「時間が少なく残念でした。また，こういう機会を多く設けていただきたい」「テーマを 2 つすることは時間が短くできなかった」「グループワークや話しをすることで学ぶことや方法，サポートをわかりよかった」「参考になった部分もありましたが，具体的にもっとわかるとよかった」- 277 -

日常活動レベルの異なる対象者における筋音筋電センサの有効性に関する研究
環太平洋大学 体育学部 健康科学科
早田 剛（概要）コンディショニングを把握することは、アスリートであっても、介護予防に参加する人であっても、パフォーマンスを向上させるために重要である。そんな中、筋音図と筋電図が同時に計測できる筋音筋電センサ「Measee」が開発された。そこで本研究の目的は、日常活動レベルの異なる対象者（一般成人・アスリート・高齢者）における筋音筋電センサの有効性について検討することとした。
[実験 1：筋音筋電センサによるパラメータの検討] 実験１では、筋音筋電センタによるパラメータを決定する
ため、各解析項目の級内相関係数を基に検討することを目的とした。5 回試技中に計測された各解析項目について、被験者を因子として、級内相関係数を求めた。その結果、①筋電図 RMS、③筋音図傾き(+)、⑤筋音図 RMS、
⑥筋音図/筋電図については級内相関係数が高かく、更に平均の信頼性が高かった。
[実験２：下腿へのストレッチポールが筋音筋電図へ及ぼす影響] 実験２では、ストレッチポールの「ほぐす」
効果について、筋音筋電センサによる測定を行い、各パラメータの変化を検討することを目的とした。ストレッチポールによる 1 分間の介入前後に筋音筋電センサの測定を行った。その結果、③筋音図傾き（+）において、Post は Pre と比較し有意に傾きが小さくなった。筋電図 RMS の活動電位は変化がなかったことから、筋の柔ら
かさが影響していると考察された。以上より、筋音筋電図によってストレッチポールの効果が示唆された。
（本文）

ンディショニングへのアプローチが変わってくるこ【背景】 現在は、
65 歳以上の高齢者が人口の 26.7%、とが考えられる。

4 人に 1 人となり（総務省, 2016）、そのおかげで、

日常生活やスポーツ現場では、「筋肉が硬くなった」

介護の負担が大きくなっている問題と、年金、医療「筋肉が張っている」など、「筋の硬さ」
がしばしば、

といった社会保障給付費が増えている問題が顕在化問題となる。
筋硬度の測定方法としては、筋硬度計、している。そのため、介護予防への取り組みは、ど超音波検査のエラストグラフィー、筋音図が用いらの地域においても重要な課題となっている。健康づれている。それら多くの研究から、疲労に伴って筋くり運動の継続については、運動教室に参加する約が硬くなることが報告されている（Murayama et al.,５０％が６ヶ月以内にドロップアウトするという報2000, 2005）。運動後の筋硬度変化は、運動後に起こ告（Dishman, 1988）があり、容易ではない。それは、る浮腫によって筋内圧が増加するためといわれてい運動の効果が直ぐに可視化できないことが理由の 1る（Lacourpaille et al., 2014）。また、Murayama

つであると考える。そこで運動教室への参加がトレら（2005）は、筋の張力発揮により筋が硬くなるとーニングとなり得ているのか、オーバーロードにな報告し、筋の長さ-張力関係と筋硬度の関係性を示唆

りすぎていないのかを明確にしていくことは、運動している。
米須らは筋硬度そのものの問題としては、継続への後押しとなると考えられる。その他病後の筋硬度が何を反映しているのか、まだ詳細な事柄が早期リハビリテーションを行うことで、筋力の維持・

明らかにされていないと述べている。更に今後の発増強を促し、生活の質（QOL）を向上させることが求展として、筋に対するミクロな視点、骨格筋系だけ

められている。また、アスリートにおいても、コン

でなく、神経系からのアプローチも必要であると述

ディショニングを把握することは、パフォーマンス

べている（米須ら, 2014）。

を向上させるために重要である。そのためトレーニ

近年、筋音筋電センサ（「Measee」, ㈱エヌ・シー・

ングの効果、疲労度が可視化できることにより、コ

ピー社製：岡山県）が開発された。筋音図は筋収縮- 278 -

にともなって体表面上に発生する微細振動を記録し運動条件は、両足を肩幅に開き、基本的立位姿勢た信号を取得するものであり、一方、筋電図は神経にて、ヒールレイズ運動を繰り返し行った。ヒール的な活動電位を信号として取得するものであり、波レイズ運動の実施リズムは、100BPM とした。リズム

形が異なる（島, 2014）。この装置は波形だけでなく、に合わせる練習を 2 回行い、実行可能になったこと

筋の硬さ・筋の反応・筋の疲労を 10 段階評価で示すを確認した後、実験を行った。被験者のヒールレイことが可能となっており、トレーニングが効果的でズ運動中における筋音筋電センサによる計測はより継続性の高いものとなると謳っている。

1000Hz にて 10 秒間記録した。

【目的】そこで本研究の目的は、日常活動レベルの次に筋音筋電センサの解析は、筋音筋電データを

異なる対象者（一般成人・アスリート・高齢者）に

MicroSD カードより CSV ファイルとして、Excel における筋音筋電センサの有効性について検討するこ

インポートした。その後、Excel VBA を用いて、筋ととした。

電図の全波整流し、ローパスフィルターをかけ、平実験 1．筋音筋電センサによるパラメータの検討

均値による基線の確定及びグラフ化を行った。典型【背景】筋音筋電センサについては、同時に筋音図的なグラフを Figure 2 へ示した。

と筋電図が測定できることにメリットがある。しか18060610515_129.CSV
MMG変換(mm)EMG_LP(mv)

しながら、筋電図と筋音図の相互的なパラメータは

0.6

450

明らかな指標となっていない。

0.5

400

【目的】そこで実験１では、筋音筋電センサによる

0.4

パラメータを決定するため、各解析項目の級内相関

0.3

350

係数を基に検討することを目的とした。
【方法】被験者は、下肢に既往歴のない健常な成人

250
0.2
200
0.1

150

大学生 9 名とした（男性：3 名・女性 6 名、平均年0

齢 20.1±0.8 歳）。被験者には、研究目的・実験内容

-0.1

50

を十分説明した上で研究内容を理解し、承諾しした

-0.2

0

者が本研究へ参加した。

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

100
10000

Figure 2 ヒールレイズにおける筋音筋電図の典型例

筋音筋電センサ（「Measee」, ㈱エヌ・シー・ピー
社製：岡山県）は、軸足（ボールを蹴るときの軸脚）

ヒールレイズは、筋放電開始から筋放電終了までの腓腹筋内側頭へ電極 2 つの上に筋音筋電センサをを 1 試技と判断した。解析対象の試技は、前半はば貼付した。腓腹筋内側頭への貼付位置は下腿（踵骨

らつきが大きかったため、運動条件中の最後の 5 試

隆起から腓骨頭）の長さの上部 1/3 とした(Figure

技を解析対象とした。解析項目は、各試技における1)。その後、ベルクロ付き伸縮ベルトにてセンサの①筋電図の RMS（Root Mean Square）：以下、筋電固定を行った。

図 RMS(mv)、②筋放電開始からの筋音図最大値の時
間：以下、筋音図ピーク時間（msec）、③筋放電開始後の筋音図最大値に向かう正の傾き：以下、筋音
図傾き(+)、④筋放電開始後における筋音図最大値からの低下する負の傾き：以下、筋音図傾き（-）
、⑤筋放電中の筋音図の平均値：以下、筋音図
RMS(㎜)、⑥⑤筋音図の平均値を①筋電図 RMS で除したもの：以下、筋音図/筋電図（㎜/v）とした。
Figure 3 に解析項目を図示した。

Fig.1 筋音筋電センサ貼付位置（下腿上 1/3）

統計処理は、各被験者にヒールレイズを 2 回実施- 279 -

EMG(mv)

MMG(mm)300

してもらい、その結果における再現性の評価を級内る割合と定義される（桑原ら、1993）。その結果、①相関係数（Intraclass correlation coefficient:

筋電図 RMS、③筋音図傾き(+)、⑤筋音図 RMS、⑥筋

ICC）を使用した。ヒールレイズ間の比較には、一元

音図/筋電図については級内相関係数が高かった。

配置分散分析を用い、有意水準は 5%未満とした。全

Bartko（1966）は、ICC による再現性評価として、ての統計は、Excel 統計（株式会社 社会情報サービ

ICC 0.81～1.00 を excellent、0.61～0.80 を good、

ス社製：東京）を用いて解析した。

0.60 以下を poor と分類している。これに従えば、
上記の①筋電図 RMS、③筋音図傾き(+)、⑤筋音図 RMS、18060610515_129.CSV

筋放電（試技）開始

0.6

0.5

の④
傾筋
き音
（図
－
）

の③
傾筋
き音
（図

0.3

+

MMG(mm)

筋放電（試技）終了②筋音図ピーク時間

0.4

0.2

）

⑤筋音図
平均値

0.1

⑥筋音図/筋電図は、平均の信頼性において、good 以

EMG_LP(mv)450
400

上を示しており、今後の検討に対する可能性を示唆

350

した。
逆に②筋音図ピーク時間及び④筋音図の傾き
（－）

300
250
200

は、ICC は低い結果となった。これにはヒールレイ

EMG(mv)

MMG変換(mm)ズの動作方法が影響していると考えられた。特に力

150
0
4500

5500

-0.1

をあまり必要としない、ヒールレイズの落下時期は100

バラツキを大きくすることが考察された。
今屋らは、

50

①筋電図
RMS

-0.2

スポーツ復帰に直結するヒールレイズの評価方法に0

関しては、上肢による支持や評価肢位の違いにより

Figure 3：解析項目

代償動作が生じることが多く、これによりヒールレ
イズの能力を見誤る可能性が高いと述べている【結果】各解析項目における ICC（1,1）（1,2）の結（2017）。このことからも、踵のあげ方や下ろし方に果を Table 1 へ示した。すなわち、5 回計測されたついての統一性を高めていくことが今後の課題とな

各解析項目について、被験者を因子として、ICC（1,1）

ると考えられた。

（1,2）を求めた。その結果、①筋電図 RMS、③筋音

また、本実験では、下肢のコンディショニングの図傾き(+)、⑤筋音図 RMS、⑥筋音図/筋電図につい指標として評価すべきと考え、腓腹筋内側頭におけては級内相関係数が高かった。また、単一の信頼性

る級内相関係数を検討した。しかしながら、スポーと平均の信頼性を比較するとすべての解析項目におツ復帰と片足ヒールレイズ 20 回以上の時間が相関

いて、平均の信頼性が高かった。

していると報告もあり、片足や外側頭での検討など、【考察】本実験１では、各解析項目について級内相

さらに別部位や筋腹部での影響なども今後検討して関係数（ICC）を用いて評価した。ICC は測定対象いく必要があると考えられた。

（object of measurements）の分散が全分散に占め
Table 1 各解析項目における級内相関係数〔ICC(1，1)、
（1，2）
〕
解析項目
①筋電図RMS(mv)②筋音図ピーク時間（msec）③筋音図傾き(+)④筋音図傾き（-）⑤筋音図RMS(㎜)⑥筋音図/筋電図（㎜/v）

一元配置変量級内相関係数単一の信頼性 ICC(1,1)
0.739

95%信頼区間
F検定（H0:級内相関係数=0）
下限値
上限値
F 値
自由度1 自由度2
P 値
0.573
0.847
6.671
44
45
P < 0.001 **平均の信頼性 ICC(1,2)

0.850

0.728

0.917

6.671

44

45

P < 0.001 **単一の信頼性 ICC(1,1)

0.125-0.170

0.400

1.285

44

45

0.202

平均の信頼性 ICC(1,2)

0.222-0.410

0.571

1.285

44

45

0.202

単一の信頼性 ICC(1,1)

0.530

0.275

0.716

3.253

41

42

P < 0.001 **平均の信頼性 ICC(1,2)

0.693

0.431

0.834

3.253

41

42

P < 0.001 **単一の信頼性 ICC(1,1)-0.009-0.310

0.295

0.982

40

41

0.523

平均の信頼性 ICC(1,2)-0.019-0.900

0.455

0.982

40

41

0.523

単一の信頼性 ICC(1,1)

0.828

0.708

0.901

10.611

44

45

P < 0.001 **平均の信頼性 ICC(1,2)

0.906

0.829

0.948

10.611

44

45

P < 0.001 **単一の信頼性 ICC(1,1)

0.610

0.390

0.765

4.131

44

45

P < 0.001 **平均の信頼性 ICC(1,2)

0.758

0.561

0.867

4.131

44

45

P < 0.001 ****：P<0.01- 280 -

実験２．下腿へのストレッチポールが固定を行った。

筋音筋電図へ及ぼす影響

計測中の運動条件は、両足を肩幅に開き、基本的【背景】スポーツ現場では、よくポール系器具を使

立位姿勢にて、
ヒールレイズ運動を繰り返し行った。

った下腿筋群のケア方法が用いられている。下腿筋

ヒールレイズ運動の実施リズムは、100BPM とした。

群には、前脛骨筋や腓腹筋、ヒラメ筋などが含まれ、リズムに合わせる練習を 2 回行い、実行可能になっ

もちろんアキレス腱も同様の方法で「ほぐす」ことたことを確認した後、実験を行った。被験者のヒーができるといわれている。

ルレイズ運動中における筋音筋電センサによる計測

多くの研究から、疲労に伴って筋が硬くなること

は 1000Hz にて 10 秒間記録した。

が報告されている（Murayama et al., 2000, 2005）。

次に筋音筋電センサの解析は、筋音筋電データをストレッチポールを用いることにより、筋の硬さをMicroSD カードより CSV ファイルとして、Excel に「ほぐす」ことを定量化することができることによ

インポートした。その後、Excel VBA を用いて、筋り、有用性は高まる。それら筋の硬度筋音筋電セン

電図の全波整流し、ローパスフィルターをかけ、平サについては、同時に筋音図と筋電図が測定できる均値による基線の確定及びグラフ化を行った。そのことにメリットがある。しかしながら、ストレッチ

後、実験１の結果より、①筋電図 RMS、③筋音図傾

ポールに対する効果を筋電図と筋音図の相互的なパき(+)、⑤筋音図 RMS、⑥筋音図/筋電図を解析パラ

ラメータから検証した研究は見当たらない。

メータとした。

【目的】そこで実験２では、ストレッチポールの「ほ統計処理は、ストレッチポール前後（Pre vs Post）

くず」効果について、筋音筋電センタによる測定をの比較には、paired-t 検定を用いた。また、正規分行い、各パラメータの変化を検討することを目的と布していないデータに関しては、ウィルコクソンのした。

符号付き順位検定を用いた。有意水準は 5%未満とし【方法】被験者は、下肢に既往歴のない健常な成人た。全ての統計は、Excel 統計を用いて解析した。

大学生 23 名とした（男性：12 名・女性 11 名、平均

【結果】ストレッチポール前後（Pre vs Post）の比

年齢 20.5±1.0 歳、下腿長：40.3±3.2 ㎝）。被験者

較結果を Table 2 に示す。その結果、③筋音図傾きには、研究目的・実験内容を十分説明した上で研究（+）において、Post は Pre と比較し有意に傾きが内容を理解し、承諾しした者が本研究へ参加した。

小さくなった（P=0.016）。また⑤筋音図 RMS におい

下腿へのストレッチポールのアプローチ方法は、て、Post は Pre と比較し、低くなる傾向がみられた

片足を伸ばして、筋音筋電センサを付けた部分に、（P=0.073）。⑥筋音図/筋電図において、Post は Pre

ポールにのせた。
その後、逆足を下腿部の上にのせ、と比較し、低くなる傾向がみられた（P=0.089）。

上から足を押さえるようにし、痛気持ちいいくらい

Table 2 ストレッチポール前後における結果比較の強度でポールを転がした。ストレッチポールの時
間は左右 1 分間ずつとした。
ストレッチポールによるアプローチの前後に筋音
筋電センサによる測定を行った。ストレッチポール

解析パラメータPre

Post
36.292

108.390 ±37.779

検定方法

P値

paired-t0.460①筋電図RMS(mv)104.971 ±③筋音図傾き(+)

0.000269 ± 0.000297 0.000157 ± 0.000176 Wilcoxon signed rank

0.016 ※

⑤筋音図RMS(㎜)0.054 ±

0.033

0.051 ±

0.047

Wilcoxon signed rank

0.073

⑥筋音図/筋電図（㎜/v）

0.645 ±

0.631

0.544 ±

0.538

Wilcoxon signed rank

0.089
※P＜0.05

介入前を Pre 測定、介入後を Post 測定とした。
筋音筋電センサ（「Measee」, ㈱エヌ・シー・ピー【考察】本実験２の結果、①筋電図の変化は認めら

社製：岡山県）は、軸足（ボールを蹴るときの軸脚）れなかった。しかしながら、③筋音図の傾き(+)は、の腓腹筋内側頭へ電極 2 つの上に筋音筋電センサを有意な低下が認められ、⑤筋音図 RMS、⑥筋音図/筋貼付した。腓腹筋内側頭への貼付位置は下腿（踵骨

電図についても、低下傾向を示した。このことは、隆起から腓骨頭）の長さの上部 1/3 とした(Figure③筋音図の傾きの低下については、「ほぐす」効果に1)。その後、ベルクロ付き伸縮ベルトにてセンサのより筋の硬さが取れたことにより、活動電位が同等- 281 -

であれば、柔らかい筋は緩やかに収縮されることが考えらえた。この結果が、有意差は認められなかったものの、⑤筋音図 RMS と⑥筋音図/筋電図にも影響がでていると推察された。
一方、生波形を確認すると、筋音図は筋電図 1 波に対して、2 波が発生している被験者が多くみられた。このことは、1 回目：踵の挙上時の短縮性収縮、
2 回目：踵接地時での、伸張性収縮ではないかと推察される。従って、今後の課題は、筋音図の波形が説明できるために、筋力と筋音筋電図の関係や皮下脂肪への影響など、基礎的研究も進めていく必要があると考えられた。
以上- 282 -

新規ゲノム編集ラット作製法 rGONAD 法を用いた腎臓病モデルラットの開発
重井医学研究所 分子遺伝部門
松山 誠
CRISPR-Cas9 に代表されるゲノム編集技術の発展により，これまで遺伝子改変が困難であった生物においてもゲノム編集が行われるようになった．ラット（Rattus norvegicus）は腎臓病や高血圧など様々な疾患モデル動物として古くから利用されてきた．マウスよりも個体サイズが大きく，扱いやすいなど実験的利点がある一方で，近年まで ES 細胞が樹立されず，ノックアウトラットの作製や遺伝的解析を行う上での欠点となっていた．
現在はゲノム編集技術を利用した遺伝子改変ラットの作製法が発達し，遺伝的解析の有用なモデル動物となりつつある．しかし，実際の作製過程においては，ex vivo での受精卵の取り扱いやマニピュレーターによるマ
イクロインジェクションなど非常に高度かつ専門的な技術が必要とされる．しかし，2015 年遺伝子改変マウス作製を簡便にする手法「GONAD (Genome-editing via Oviductal Nucleic Acids Delivery)法」が開発された．
この研究により，マウス体外に受精卵を取り出すこと無く，卵管内にある着床前の受精卵の細胞膜に微細な穴を開け，細胞外の核酸・タンパクを受精卵に入れることで着床前胚のゲノム編集を行い，特定の遺伝子が改変されたマウスを作製することが可能になった．本研究では，肥満や高血圧など代表的な疾患モデル系統が存在するラットにおいて，遺伝子改変ラットの作製を簡便にする rGONAD 法の開発に成功した．今後 rGONAD 法は，ラットの疾患モデル系統を用いた基礎医学研究だけでなく，マウス・ラットと比較して胚操作が困難であるブ
タ，ウシなど家畜への応用も可能であると期待される．
はじめにた私たちは，GONAD 法より高効率に遺伝子改変マウ

これまで遺伝子改変マウスの作製には，ES 細胞の培スを作製できる i-GONAD 法の開発に成功した 3)．し養，相同組み換え技術，遺伝子改変 ES 細胞の受精卵

かし，この GONAD 法の技術はまだマウスだけしか成への顕微注入など，熟練した技術と高価な設備が必功しておらず，他の哺乳類での報告はまだ無かった．

要であった．近年では，ZFN, TALEN, CRISPR/Cas9

そこで本研究では，肥満や高血圧など代表的な疾患といったゲノム編集技術が次々と登場し，ES 細胞をモデル系統が存在するラットにおいて，遺伝子改変

使わない遺伝子改変マウスの作製方法が爆発的に広ラットの作製を簡便にする GONAD 法の開発に取り組

まった 1)．しかし，顕微鏡下でガラス針を操作し受んだ．その結果，ラットにおいても GONAD 法を用い精卵に遺伝子導入するマイクロインジェクション法て 遺 伝 子 破 壊 （ Knockout; KO ） や 遺 伝 子 挿 入は，熟練した技術が必要である．そのため誰もが容（Knock-in; KI）が可能であることが分かった．

易に遺伝子改変マウスを作製できる状況にはなかった．
2015 年遺伝子改変マウス作製を簡便にする手法

材料と方法「GONAD (Genome-editing via Oviductal Nucleic

1.

Acids Delivery)法」が開発された 2)．この研究にWKY ラットをチャールズリバー，
DA ラットを日本 SLCより，マウス体外に受精卵を取り出すこと無く，卵から購入した．動物を 12:12-h の明暗時間で飼育し管内にある着床前の受精卵の細胞膜に微細な穴を開た．

け，細胞外の核酸・タンパクを受精卵に入れること

図 2a にあるように，ラットを用いた GONAD 法のエレで着床前胚のゲノム編集を行い，特定の遺伝子が改

クトロポレーションの効率を検討するために，雌ラ変されたマウスを作製することが可能になった．まットに 20U の PMSG と 10U の hCG のホルモンを腹腔に- 283 -

実験動物

投与した．投与した雌を雄と一晩交配した．図３と図４の CRISPR/Cas9 の実験では，雌にホルモンを投5. 蛍光の検出とジェノタイピング

与せずに交配を行った．

エレクトロポレーションの効率を検討するために，テトラメチルローダミンをラベルしたデキストラン

2. 蛍光デキストランの作製とインジェクションした雌ラットから，インジェク

エレクトロポレーションの効率を検討するために，ション後 2 日後に採卵した．
採卵した胚を IX73 顕微

0.5mg/ml のテトラメチルローダミンをラベルした鏡（オリンパス）を用いて，蛍光の確認を行った．

デキストラン（Thermo）と 0.1％トリパンブルーを

ゲノム編集によって生じた遺伝子変異を，PCR 法と使用した．

シーケンス法により検討を行った．ラットのゲノム
DNA を耳や尻尾から採取した．
PCR とシーケンスでは，

3. CRISPR/Cas9 溶液の作製

下 記 の プ ラ イ マ ー を 使 用 し た ： Tyr-fw (5 ′CRISPR/Cas9 を用いたゲノム編集を行うために，-ttggttttcacagatcatttg-3 ′ ), Tyr-rv (5 ′ -CRISPR/Cas9 溶液を Alt-R CRISPR/Cas9 システム

gctgaaattggcagttctatc-3′).

（IDT）の取扱説明書にしたがって作製した．gRNAの 配 列 をCHOPCHOP

ホ ー ム ペ ー ジ（http://chopchop.cbu.uib.no/）のアルゴリズムを結果使用して作製した．
IDT 社によって合成された crRNA

1. 蛍光デキストランを用いたラット GONAD 法の最と tracrRNA を 200uM にそれぞれ調整し，両者を混合

適条件の検討95℃5 分加熱後，室温までゆっくり冷却した． IDT

これまで，マウスを用いた i-GONAD 法では，インジ社の Cas9 タンパク，ユーロフィンジェノミクス社でェクションする胚が 1 細胞期になるように，交配後合成した KI 作製のための一本鎖 DNA（ssDNA）を使

0.7 日の雌を用いて実験を行っていた．ラットにお用した．

いて受精卵の確認を行ったところ，交配後 0.75 日において，１細胞期の胚を得る事ができた．そのため

4. rGONAD 法

以後のインジェクションを交配後 0.75 日にて施工

受精卵が1細胞期にある交配後0.75日の雌ラットをすることにした．次に，ラットにおける GONAD 法の用いた（図 2a）
．インジェクション直前に，終濃度

エレクトロポレーションの条件を検討するために，が 30uM gRNA，1mg/ml Cas9，1mg/ml ssDNA になるよ

テトラメチルローダミンをラベルしたデキストラン

うに試薬を調整した．背中側から卵管を露出させ，を用いて検討した．WKY ラットにおいて，交配した

実体顕微鏡（オリンパス社）（図 2b）下で，2-2.5ul

雌の卵管に 2-2.5ul の溶液を注入後，エレクトロポの調整した混合液を卵管に注入した（図 2c,d）．試

レーションを行った．今回，5 種類の電気条件

薬を注入後，卵管に PBS を濡らしたキムワイプをつ（voltage with poring pulse: 50 V, or 40 V, or 30

け，ネッパジーン社の電極を用いてエレクトロポレ

V; number of pulses with transfer pulse: 3 timesーションを行った．使用したエレクトロポレーター

or 6 times; 図 2e,f,i 参照）
を用いて検討を行った．

は，NEPA21（ネッパジーン社）（図 2b）．エレクトロインジェクション 2 日後に採卵し，蛍光を有する胚

ポレーションの条件は，次の通り：Poring pulse; 50の割合を確認した．その結果，多く胚が蛍光を有しor 40 or 30 V, 5 msec pulse, 50 msec pulse interval,ていることが確認できた（図 2g,h）．また，今回のnumber of pulse 3 times, 10% decay (± pulse

エレクトロポレーションの条件では，「電圧が 50V・

orientation) and Transfer pulse; 10 V, 50 msec

トランスファーパルスが 6 回」の時，1 番効率が高pulse, 50 msec pulse, number of pulse 3 or 6 times,

いことが明らかになった．次にラットの系統間によ

40% decay (± pulse orientation) （図 2e,f） ．

ってエレクトロポレーションの効率に差がないかを- 284 -

検討するために，WKY 系統，DA 系統，WKY/DA（F1）

この遺伝子変異を修復するため，変異 Tyr 遺伝子を系統のラットを用いてその比較を行った．3 つの系認識する gRNA，Cas9 タンパク，さらに変異変異 Tyr

統間において，エレクトロポレーションの効率に大遺伝子を修復するための ssDNA を，交配した雌の卵

きな差は見られなかった（図 i-k，表 1）．以上の結管にマイクロインジェクション・エレクトロポレー

果から，ラットにおける GONAD 法の条件は，「電圧がションを行った（図 4a）．施術した雌から出産した

50V・トランスファーパルスが 6 回」が最適であるこ個体から，一部黒色の毛色を持つ仔を得た（図 4b）．

とが示唆された．よって私たちは，この技術をシーケンス解析によって，生まれてきた仔ラットの

rGONAD 法（Rat improved GONAD）と名付けた．

Tyr 遺伝子を確認したところ，黒色を持つ仔の Tyr
遺伝子が修復されていることが分かった（図 4c）．

2. rGONAD 法を用いた KO ラット作製の試み

以上の結果から，rGONAD 法が KI も可能であること

次に，rGONAD 法が CRISPR/Cas9 を用いたゲノム編集が分かった．

が可能であるかを検討した．ターゲットとする遺伝子として，毛色に関連する Tyr 遺伝子を用いた．野

考察

生型の Tyr 遺伝子に対する gRNA を作製し，Cas9 タ

今回の研究により，受精卵を体外に取り出さずに遺ンパクとともに，WKY と DA 系統を交配した雌の卵管

伝子改変ラットを作製できる手法 rGONAD 法の開発にマイクロインジェクション・エレクトロポレーシに成功した 4)．この研究成果により，これまで遺伝ョンを行った（図 3a）．エレクトロポレーションの子改変が困難であったラットにおいても簡便に作製

条件を，3 種類の電気条件（voltage with poring

できることが明らかになった．

pulse: 50 V, or 40 V, or 30 V; number of pulses

ラットには，高血圧や関節炎などマウスには無くラwith transfer pulse: 6 times）にて行った．エレットにある独特な疾患モデル系統も存在する．特にクトロポレーション後，施術した雌は妊娠し，仔を腎臓の分野では，腎炎を発症する WKY 系統を用いた出産した（表 2）．出産した個体の一部は，白色の毛

基礎医学研究がある．しかし，近年まで遺伝子改変

色の仔であった（図 3b）．シーケンス解析によって，ラットの作製が不可能であったため，ラットは遺伝

生まれてきた仔ラットの Tyr 遺伝子を確認したとこ

子の機能を個体レベルで解析することが困難であっ

ろ，白色の仔の遺伝子に変異が入っていることが分た．GONAD 法により簡便な遺伝子改変ラットの作出

かった（図 3c,d）．またエレクトロポレーションのが可能となれば，腎臓病の研究がより進展すること効率を検討したところ，50V，40V，30V におけるゲが期待される．
さらに GONAD 法によるゲノム編集は，ノム編集の効率は，それぞれ 58.7％，35.３％，

マウスと比較して胚操作が困難であるブタ，ウシな13.4％であった（図 3e，表２）．さらに系統間によど家畜への応用も可能であると考えられる．

るゲノム編集の効率に大きな差はなかった（図 3f，
表２）．以上の結果から，さまざまな系統のラットに文献

おいて，rGONAD 法を用いたゲノム編集が可能である

1.

ことが示唆された．

Cheng, AW Zhang F, Jaenisch R: Cell, 153: 910-8

Wang H, Yang H, Shivalila CS, Dawlaty MM,(2013)
3. rGONAD 法を用いた KI ラット作製の試み

2.

また rGONAD 法が遺伝子変異だけでなく，
ラット遺伝

Miura H, Sato M, Ohtsuka M: Sci Rep, 5: 11406

子の修復や外来遺伝子の挿入にも可能かを検討した．

(2015)

今回もターゲットとする遺伝子として，毛色に関連

3.

する Tyr 遺伝子を用いた．アルビノ個体は，Tyr 遺S, Matsuyama M, Koyano T, Arifin N, Nakamura S,

伝子に変異が入っているために，
毛色が白色になる．

Wada K, Gurumurthy CB: Genome Biol, 19: 25 (2018)- 285 -

Takahashi G, Gurumurthy CB, Wada K,

Ohtsuka M, Sato M, Miura H, Takabayashi

4.
4

Kobbayashi

T,

Namba

M,

KoyanoT,

FukushimaF
M, Sato M, Ohtsuka M, Mattsuyama M: BBMC
18: 19 (2018)
Biotechnol,B- 286 -

- 287 -- 288 -音声・言語障害における新規代用音声法の開発
岡山済生会総合病院耳鼻咽喉科
平井美紗都
（概要）
頭頸部腫瘍などによる喉頭機能の障害で、自分自身の声を失うケースの中には、他者とのコミュニケーショ
ンが良好にとれないことで活動意欲の低下に繋がる事例が少なくない。
口頭コミュニケーションの代替法には、
非侵襲的な代用音声法として電気式人工喉頭、食道発声があるが、長期的なトレーニングを要し、習得までの個人差も大きい。われわれは、非侵襲、かつ、長期訓練を要しない新規代用音声法の開発に取り組むため、喉頭機能障害をもつ代用音声使用者にアンケート調査を行い、発話シーンを収集した。対象者は 23 名（男性 21
名、女性 2 名）、平均年齢は 74.6 歳（62～92 歳）、いずれも喉頭全摘術を受けた成人であった。現在使用中の代用音声法によるコミュニケーション満足度は、罹患前（健常時）に比べ 50％程度であった。Voice Handicap
Index は食道発声群で 67.8 点、電気式人工喉頭群は 30.9 点であった。高齢発話障害者に対する読唇認識率は、健常若年者との間に大きな差は認めず、年齢や頸部手術による影響なく読み取り可能であり、さらに本技術を発展させることで代用音声法の１手段になると考えられる。
（本文）のトラブルで発声困難になるケースも多く、定期的

１．はじめにな交換・通院が必要であり、またその交換等による頭頸部腫瘍（喉頭癌、咽頭癌、甲状腺癌など）や交処置にも多少の苦痛を伴う。いずれの代用法も、家通外傷等による頸部損傷で、喉頭機能障害あるいは庭内の日常生活活動（電話対応など）に難渋し、外喪失により自身の声を失うケースに遭遇することは出先では欲しい物品を要求できない（通じない）な

稀ではない。また、高齢化社会による難聴者の増加

どの問題がある。

等で聞き取りもうまくできない例も多く、コミュニ本研究ではカメラ画像から発話内容を読み取る読ケーションがうまくとれず社会生活に適合できない

唇技術を用いて前述の問題を解決し、患者のニーズ

人がいることも深刻な問題である。口頭によるコミに合致した次世代の代用音声法の開発を目的としてュニケーションの代替法として、筆談、手話が知らいる。本研究で開発する代用音声法は、現行の代用れているが、喉頭摘出者は専用の機械を用いて発声音声法が何らかの理由で使用困難になった場合の代する人工喉頭、手術による気管食道瘻（シャント）替法として有用である。喉頭機能障害者は精神的な形成、食道発声法を用いている。コミュニケーショ

不安から突発的な通院に至ることがあり、代替法のンが良好にとれないことは本人の生活の質（Quality

存在は患者の精神的な不安を軽減でき、医療費抑制

of Life；QOL）に影響する。事実、患者自身やそのにも繋がる。読唇技術は、患者の選択肢が増えるだ

家族からコミュニケーション障害・活動意欲低下のけでなく、非侵襲かつ長期トレーニングを要しない

悪循環に陥っている話を聞く。喉頭の全摘出を受け代用音声法でもあり、重症・高齢・合併症などで現ると「音声を全く発することができない状態」にな行法の獲得困難な患者への適応が期待できる。
「意思り、「音声機能の喪失」として身体障害者 3 級に該当表示ができる」、「他人とコミュニケーションをとれする。術後の代用音声法として食道発声法は習得がる」という自信・安心感により活動意欲が上昇し、難しく、日本では人工喉頭、欧米ではシャント形成

QOL 改善にも繋がると考えられる。本報告では新規術による外科的代用発声法の選択者が多い。シャン

代用音声法開発に向けた最初の取り組みとして頭頸ト形成術では瘻孔部分に留置するボイスプロテーゼ

部癌等の治療にて喉頭の全摘出術を受けた患者への- 289 -

表１ 日本音声言語医学会推奨版 VHI

アンケート調査、発話シーンの収集、また収集した発話シーンを用いた読唇実験を実施した結果を報告する。
２．研究方法アンケート対象者は、当院に通院、あるいは日本
喉摘者団体連合会による発声教室に通われている人
で、頭頸部癌等の治療にて喉頭の全摘出術をうけた
成人、かつ、本研究への参加同意を得た方とする。
アンケートの項目として、現行の代用音声方法、これまで受けた治療、現在の発声方法の簡易的な満足度（罹患前の声を 10 点として比較）を調べた後、現在のコミュニケーション満足度や社会活動の指標として、アメリカにて音声障害患者の自覚的評価尺度として用いられている Voice Handicap Index（VHI）
を基準に作成された日本音声言語医学会推奨版 VHI（表１）を用いる。VHI は機能的側面（F）
、身体的
側面（P）
、感情的側面（E）の 3 つの観点から構成され、それぞれ 10 項目ずつ質問があり、ランダムに配置されている。機能的側面は自身の声の障害による社会生活での支障度や活動制限を問う項目からなる質問である。身体的側面は自分の声の状態がどの程度悪いと感じているか、それに対する努力発声の度合いについての質問である。感情的側面は自分の声に対する不安や精神的な抑圧などを問う項目となっ３．結果ている。これらの 30 項目について、0～4 点の 5 段

３．１ アンケート結果

階で選択回答形式（全く当てはまらない・問題ない：

アンケート対象者は 23 名でいずれも喉頭全摘術

0 点、少しある：1 点、ときどきある：2 点、よくあを受けた成人であった。性別は男性 21 名、女性 2

る：3 点、いつもある：4 点）で、120 点満点での評

名で、年齢は 62～92 歳で平均 74.6 歳（男性 73.3

価である
（点数が高いほど障害 Handicap を強く感じ

歳、女性 88.5 歳）であった。現行の代用音声で最もている）。

使用しているものについては、電気式人工喉頭 13

次に対象者の発話シーンを撮影した。撮影には市名、食道発声 8 名、気管食道瘻発声 1 名、筆談 1 名

販のタブレット端末を用いた。発話シーンのデータであった。
これまでに受けた治療内容（重複例あり）

は九州工業大学と共有し、画像処理技術により、保としては、手術 23 名、放射線治療 11 名、化学療法

存する患者の発話シーンは顔下半分画像を切り出し、5 名であった。

個人を特定できない画像に変換した（図２）。得られ罹患前の自身の声を 10 点満点として、現行の代用たデータを、健常若年者の発話シーンから作成した音声法の満足度は何点かという質問では、回答数 21

既存読唇技術を用い、読唇認識実験を行った。

例で平均 5.1 点であった。
VHI によるアンケートでは、女性 1 名（92 歳）がなお本研究は、
岡山済生会総合病院倫理委員会（承未回答であり、結果は全体平均では 41.6 点で、食道認番号：180610）の承認を得て実施している。

- 290 -

発声群では平発
平均 67.8 点、
電気式人工喉喉頭群では平平均

ーンはー
27000 サンプルであ
サ
ある。

30.9
3
点であっ
った。

全ての認識実験
全験では、学習習データとテストデータにに異なる人物の発異発話シーンをを用いる不特特定話者認識実実

３．２ 高齢
齢発話障害者
者の発話シーンン

験を実施した。
験。若年者の発発話シーンののみで学習デーー

発話シーン
ン撮影に用いる発話内容はは表 2 に示すす。

タを作成しテタ
ストデータ を認識実験させたところ
ろ
（条件
（
1）
、認識
識率は 76％でであった。高齢発話障害者
高者

表 2 発話内容

で学習データをでを作成しテス
ストデータをを認識実験させ
せ
たところ
た
（条件
件 2）
、認識率
率は 45.3％とと低下した。これらの学習デーれータ数は条件件 1 の約 1 割であり、学習割
習データ数が少なデ
ないため認識識精度が低くなったと推測測する。若年者のすの学習データタを用い、高高齢発話障害者者の発話シーンをのを用いて追加加学習させ、高齢者のテス
ス
トデータで認識ト
識実験させたたところ（条件件 3）、認識率
率
は 73.2％と条
条件 1 とほぼ同同等の認識精精度を得た。若年者群と高齢発年
発話障害者群
群での単語毎毎の読み取り認
認
識率の相関係数
識
数は 0.761 でで認識率の傾傾向には強い相相関を認めた（図関
図４）。15 挨
挨拶語の平均均認識率はそれ
れぞれ若年者
ぞ85.5％、高齢発発話障害者 81
1.3％だが、一方、10方
数字単
単語の平均認
認識率はそれれぞれ若年者者
61
1.7％、高齢発
発話障害者 661.2％であっった。数字単語
語の方が、音素数の数が少ないた
ため、認識がが難しいと推測
測
する。
す

撮影におけ
ける話者への負担を軽減すするため、撮撮影
機器はモニタ機
タサイズの大きいタブレッ
ットに統一しして、発話内容が画発
画面上部に表示される図１１に示す専用用ソフトウェアをフを利用した。
一一度の撮影でで話者は 25 単
単語を 1 回ずつ順
順番に発話した。男性 16 名、女性 2 名
名、
計 18 名の発話話シーンを収収集した。年
年齢は 62～92 歳であり、平均で
均 74.8 歳でああった。18 名より抽出し名した
口唇
口 ROI（対対象領域：Region of Int
terest）を図図２に示す。17に名
名は 5 回ずつつ撮影し、1 名のみ撮影回
名回数
は 3 回でありり、18 名よりり 2200 サンプ
プルの発話シシー
ンを撮影したン
た。
３．３ 発話話シーンの解解析
本研究ではは、従来の健健常若年者発話
話シーン 36 例（一部を図３３に示す）と高齢発話障害
害者 18 名のの 2
種類の発話シ
種
シーンを比較解析した。撮
撮影方法およよび
発話内容は同発同じとしていいる。健常若年者は 20～
～26
歳の大学生
歳
336 名（男性 21
2 名、女性 15 名）で発話
話シ- 291 -

図 1 発話シーン撮影用ソフ
フトウェアのの撮影画面いたが、結果的には逆であった。年齢による結果の

図 2 高齢発話障害者 18 名の口唇ＲＯＩ

差異について検討したところ、食道発声群の平均年
齢は 71.8 歳、電気式人工喉頭群の平均年齢は 75.1
歳であり、参加者全体の年齢中間値 73.5 歳でそれよ
り年齢の低い群と高い群にわけたところ、年齢の低い群では平均 45.3 点、高い群では平均 41.8 点と大きな違いはなく、年齢による偏りではないと思われる。食道発声群 7 名、電気式人工喉頭群 13 名と少な
いため、さらに回答者数を増やす必要がある。また

図 3 健常若年者の口唇ＲＯＩ

アンケート結果が 2 点～111 点と個人差が大きかっ
たことも気になる点ではあった。今回の研究参加者
は高齢者であり、VHI 調査は質問項目が 30 と多く、回答に負担を要する印象を持った。
質問を 10 項目に絞った VHI-10（Rosen ら提唱）という簡易版も従来の VHI の結果と相違がなかったという報告もあり、
VHI-10 の導入を今後は検討したい。
発話シーン解析については、高齢発話障害者を対象としたため、多数のシーンを収集することは困難と考え、健常若年者の発話シーンを用いた既存読唇

図 4 単語毎の認識率

技術を用いて解析を進めたところ、認識精度が若年者を対象にした場合より低いという結果であった。
これは、図２と図３の比較に見られるように、高齢発話障害者の方が皺の彫りが深く、加齢に伴う外観変化が原因と考えられ、従来の健常若年者の発話シーンを用いたアルゴリズムに高齢発話障害者の発話シーンを用いて追加学習させ、再度認識実験をした
ところ、認識率は 73.2％と健常若年者が対象の場合とほぼ同等の認識精度を得た。画像からの読唇技術
は年齢や、健常者と頸部手術後の区別はなく読み取

４．考察・まとめり可能であるといえる。

罹患前（健常時）の自身の声によるコミュニケー
ションと比較して、現行の代用音声によるコミュニ

以上より、高齢発話障害者は現行の代用音声へのケーション満足度は平均 5.1 点（10 点満点）であっ

満足感は未だ低く、高齢発話障害者に対する読唇認た。つまり健常時のコミュニケーションの約 50％程

識率は、健常若年者との間に大きな差は認めず、年度の満足度しか得られていない。その理由を含めた

齢や頸部手術による影響なく読み取り可能であるこ詳細調査のため、日本音声言語医学会推奨版 VHI にとがわかり、さらに本技術を発展させることで代用

よるアンケートを行ったところ、食道発声群では平音声法の１手段になると考えられた。

均 67.8 点、電気式人工喉頭群では平均 30.9 点であった。自身の声に近く、また、外観上は通常発声のように見え、さらに発声の充実感があるという点か
ら、電気式人工喉頭群よりも点数が低いと推測して- 292 -

平成３０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
頼藤 貴志
■概要
カナダのオタワで 2018 年 8 月 27 日～2018 年 8 月 30 日に開催された ISEE（国際環境疫学会) 2018 に参加し、アジア・太平洋地域の研究者と、当該地域で喫緊の課題である大気汚染の健康影響に関するシンポジウムを開催した。シンポジウムの中で、各地域における大気汚染の慢性曝露の健康影響について発表し、その後質疑応答を行った。シンポジウムを通し、アジア・太平洋地域の研究者間における研究協力・方法論の統一化、若手研究者の育成を目指した。その他、学会会期中に様々な知見を入手した。今後、アジア・太平洋地域での大規模な研究協力、知見の政策への応用を目標とする。
■渡航内容□渡航先：カナダ オンタリオ州 オタワ市
□渡航日程：2018 年 8 月 26 日～2018 年 9 月 2 日□渡航の背景：近年、世界的に（室外）大気汚染による健康影響が注目されている。2015 年には世界中で，大気汚染により
420 万人の死亡が引き起こされたと推計され，大気汚染は世界中の死亡における第 5 位のリスク要因と考えられている（Cohen et al., Lancet 2017）。その 420 万人の大気汚染による死亡数の中でアジア地域が占める割合は大きく、59%が南～東アジアで生じたとされており、アジア地域における喫緊の課題と考えられる。
このような背景を受け、アジア・太平洋地域の大気汚染や地球温暖化などの健康影響に取り組んでいる研究者の間で、AIRCAP（Asian Initiative for Research on Climate and Air Pollution）というネットワークを作り、活動を行っている。AIRCAP の活動を通し、研究協力、若手研究者の育成、研究成果の政策や実践への応用を目指している。今回の渡航者・頼藤は AIRCAP の 9 人の運営委員会の中の一人である。
今回、International Society for Environmental Epidemiology (ISEE、国際環境疫学会)という我々の領域における最大規模の学会の 2018 年の集会がカナダのオタワで開催された。その学会において、AIRCAP として
大気汚染の健康影響に関するシンポジウムを開催した。
□渡航の目的：ISEE 2018 において、アジア・太平洋地域の研究者とシンポジウムを開催すると同時に、学会のその他の企画に参加し、大気汚染やその他の環境物質による健康影響に関する最新の知見を手に入れる。
□内容：
シンポジウム概要
学会 3 日目 8/29 木曜日に「Effects of Long-Term Exposure to Ambient Air Pollution in the Asia-PacificRegion（座長: Prof. Bin Jalaludin, University of New South Wales, Sydney, Australia）」と題し、シンポジウムを開催。各地域における大気汚染の慢性曝露の健康影響について発表し、その後質疑応答を行った。
今回の渡航者・頼藤は、シンポジウムの 5 人の発表者のうちの１人である。その他、韓国、中国、オーストラ
リア、また他地域からの研究者としてオランダの研究者が発表を行った。それらを通し、アジア・太平洋地域の研究者間における研究協力・方法論の統一化、若手研究者の育成をシンポジウムの成果として目指した。
ちなみに、AIRCAP の運営委員会の一人であるソウル国立大学の研究者は、世界保健機構（WHO）西太平洋事務局と国連環境計画（UNEP）が事務局を務めるアジア各国の国際会議である「Regional Forum on Environment- 293 -

and Health」の「大気汚染部会」の部会長を務めており、AIRCAP より得られる知見のアジア各国の政策への応用は可能と考えている。
発表内容
私は、「Long-term exposure to PM2.5 and all-cause and cause-specific mortality in Japan」と題し、岡山県岡山市の住民を対象にした研究発表を行った。具体的には、衛星画像より推測された PM2.5（微小粒子状物
質）濃度を研究対象者約 6 万人に割り振り、全死亡・死因別死亡との関係を解析。結果として、日本においても PM2.5 の曝露により、全死亡や死因別死亡が増加していることが示された。発表は、好評であり、フロアより様々な質問を受けた。現在、当該内容について論文を執筆しているところである。
その他の学会会期中の活動
その他、他の環境物質への曝露ということで、メチル水銀中毒に関するポスター発表を行ったり、様々なシンポジウムや口頭・ポスター発表の場へ参加したりし、多くの知見を手にいれた。また、AIRCAP ではもう一つ
ワークショップを開催しており、こちらにも参加し、大気汚染の曝露濃度の割り振り方について更なる知見を得た。これらの知見を今後の日本・アジアにおける研究へ活用していく予定である。
□今後の展望：
今後、AIRCAP を通した、アジア地域の研究者との共同研究やシンポジウムなどの開催により、アジア地域における大気汚染の健康影響に関する知見を集積していく。我々の研究から得られた知見がアジア地域における大気汚染政策に応用されることが期待される。
□謝辞：今回、旅費を支援いただきました公益財団法人ウエスコ学術振興財団学術研究費助成事業「海外渡航費助成」に感謝いたします。

写真１．発表中の渡航者

写真２．学会場から見えるリドー運河- 294 -

平成 30 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
門田 有希（概要）平成 30 年 9 月 5 日～8 日にかけて韓国（全州市）の Rural Development Administration（RDA：和名では，農村振興庁）で開催された 8th International Sweetpotato Symposium に参加し，研究発表を行った．このシンポジウムはサツマイモに関する唯一の国際シンポジウムであり，日本・中国・韓国を含め，アメリカやインド，
カザフスタンなど世界各国からの研究者が集う場となっている．第８回目となった本シンポジウムでは総勢120 名を超える参加者があり，「Promoting High-value Added Industry of Sweetpotato for the Forth Industrial
Innovation」というテーマのもと，開催された．以下詳細を示す．
【日程】
本海外渡航に関する旅程

日程

内容

詳細
岡山桃太郎空港－仁川空港（大韓航空利用 10:30 発－12:00 着）

9月5日

移動日

仁川空港から全州市までバス移動
シンポジウム受付
Committee member での打ち合わせに参加

Opening Ceremony
Keynote Lectures
9 月 6 日 シンポジウム一日目 General Session I: Genetic Resources, Breeding and Cultivation
General Session II: Physiology and Biotechnology
Genetal Session III: Biochemistry and Processing

Poster Presentation
Special Session I: Genomics
9 月 7 日 シンポジウム二日目

Special Session II: Biomaterials
Special Session III: Yong Scientists
Technical Tour (RDA Institutes)
Closing Ceremony

9月8日

移動日

全州市－仁川空港までバス移動
仁川空港－岡山桃太郎空港 （大韓航空利用 8:00 発－9:30 着）- 295 -

【活動内容】
申請者は，シンポジウム二日目の Special Session III (Young Scientists)にて口頭発表を行った．このセッション
では，日本・韓国・中国から１名ずつ若手の研究者が最新の研究成果を披露した．申請者はトップバッターであったが，ここ数年進めてきたサツマイモの遺伝解析結果について紹介した（参考写真 1）．発表タイトルは「Genome-wide Genetic Analysis for Several Agronomical Traits in Sweetpotato」であり，サツマイモを対象に次世代シーケンサー（以降 NGS とする）を利用してゲノムワイドな遺伝解析を行っている内容を紹介した．従来，
サツマイモは遺伝解析が極めて困難な作物種とされてきた．しかしながら，最近申請者らは，NGS を駆使することで病害抵抗性や塊根の着色など，様々な農業形質についての遺伝解析を実施してきた．実際に，線虫抵抗性に関する遺伝子座の特定ならびに抵抗性個体の選抜 DNA マーカーの開発にも成功しているため，それら研究内容を紹介した．加えて申請者らは，農作物品種の保護，食の安心・安全に関わる品種識別技術の開発にも力を入れてきた．農林水産業・食品産業科学技術研究推進事業（実用技術開発ステージ）「現場での検査導入を実現する農作物品種 DNA 判定法の開発」という研究プロジェクトでは，サツマイモをはじめ，カンキツ・リ
ンゴ・イチゴ等複数の作物種を対象にレトロトランスポゾンという複製 DNA 配列を利用した品種識別マーカ
ーを開発した．その際も NGS を駆使することで，効率的に多数の品種識別 DNA マーカーを開発することができている．共同研究先の農研機構九州沖縄農業研究センター（都城拠点）では，申請者らのデータを使い，育成されたばかりの新品種についてもいち早く DNA マーカーを開発している（未発表データ）．今回はこれら研究内容を紹介するとともに，新たな研究費の獲得に向けて，共同研究者
らと研究内容に関するディスカッションを行った．現在進めている研究内容についても，お互いの進捗状況を報告することができ，今後取り組むべき問題点などについても協議することができた．
また，研究に関するディスカッションだけではなく，国際シンポジウムの開催・運営に関する打ち合わせにも参加した（9 月 5 日の Committee member での打ち合わせ）．本シンポジウムでは，中国・韓国・日本から選ばれた数名が committee member となっている．申請者もその一人であるため，学会の運営・開催に関する打ち合わせに参加した．今後益々このシンポジウムが発展するよう，
メンバー同士が意見交換し，President や Vice-president の決定，また今後のシンポジウム開催地域や時期（２年後には中国，４年後には日本）の決定についても協議した．シンポジウム最終日には Closing Ceremony にて，メンバーで手を取り合い，写真撮影を行った（写真 2）．
以上のことから，本シンポジウムに出席することで自身の研究内容の紹介，また研究費の獲得に向けた打ち合わせや Committee member としての打ち合わせに参加することができた．夜のパーティでは，多数の研究者と意見交換することができ，新たな研究者ネットワークも広げることができたと思う．宴会の途中，乾杯の音頭を担当させて頂いたことも良い思い出となった．もちろん，他の講演者の発表からも重要な情報を得ることができた．今後自身の研究に大いに役立てようと思う．この度は，海外渡航への助成をいただき，本当にありがとうございました．

- 296 -

平成３０年度 海外渡航報告書
岡山大学異分野基礎科学研究所
寺嶋 健成
（概要）
イタリアローマ大学の N. L. Saini 教授との超伝導体の局所構造解析に関する共同研究のため渡欧し、スペインの放射光施設 ALBA およびフランスの放射光施設 ESRF にて x 線吸収微細構造および x 線発光の測定を行った。鉄系超伝導体および類似物質の Pd 基超伝導体の測定を行った。ALBA における追加実験参加のため滞在を 1 ヶ月弱延長し、7/26 に帰国した。
日程：
2018/6/7: 岡山空港発 イタリア ローマ大学に移動
6/11-6/15: スペイン バルセロナ郊外の放射光施設 ALBA にて x 線吸収・発光実験を実施
6/15-6/26: ローマ大学にてデータ解析・議論。
6/26-7/4: フランス グルノーブルの放射光施設 ESRF にて x 線吸収実験を実施。
7/4-7/18: ローマ大学にてデータ解析・議論。
7/18-7/22: スペイン バルセロナ郊外の放射光施設 ALBA にて x 線吸収実験を実施。
7/22-7/25: ローマ大学にてデータ整理
7/25: ローマ発、7/26: 関西空港着、7/27: 岡山着
実施した実験、背景、結果
1. 鉄系超伝導体
鉄を含む超伝導体は、2008 年の東工大細野教授による発見以来、現在でも超伝導転移温度の向上した物質
報告が続いている。現在の最高転移温度は鉄セレン薄膜が 60-100 K(ケルビン、絶対温度)である。この鉄セレンは、単体では~8 K で、加圧下で~35 K で超伝導を示す。また鉄セレン層間にアルカリ元素を導入した場合(例:KxFe2Se2)~35 K で超伝導を示すことが知られている。これらの物質における転移温度向上を統一的に理解できるメカニズムは未だ解決されておらず、固体物理の重要課題の１つとして残っている。
我々はごく最近合成された別のアルカリ元素含有鉄セレン系物質、
Lix(FeOH)yFeSe, Lix(NH3)yFeSe に着目し、これまで様々な手段で研究されてきた KxFe2Se2 との局所結晶構造・磁気状態の比較を行うべく、これらの試料における x 線吸収微細構造(EXAFS)および x 線発光分光測定を行った。
図１に、測定で得られた Lix(FeOH)yFeSe の Fe 原子周りのボンド長の分布を示す。その分布は、過去に我々が報告した Lix(NH3)yFeSe[1]とよく対応しており、両者が基本的に同様な構造を有することを示す。次頁に示すような原子の平均位置を考慮したモデル計算による解析を現在進行中で、今後ボンド長や結合角の詳しい比較をアル
カリ元素含有鉄セレン超伝導体に対し行う予定である。

- 297 -

図 1 Lix(NH3)yFeSe の Fe K 端 x 線吸収微細構造から得たボンド長の分布.

2. Pd 基超伝導体
Pd 基超伝導体は、Fe 系超伝導体と同様の結晶構造を有する関連物質である。Fe 系超伝導体では、特定の条件下で Fe の磁気モーメントが消失するとともに As-As 距離が大きく減少して超伝導が大きく抑制される、いわゆる格子コラプス転移の存在が知られている。このような物質の Fe を他の遷移金属で置換した場合、超伝導
転移温度は Fe の場合よりも低いものの超伝導を示す。Pd 基超伝導体はその１つである。近年この Pd 基超伝導体で「比熱から見積もられたデバイ温度が低いほど超伝導転移温度(Tc)が高い」という、従来の超伝導機構である BCS 理論とは一見真逆の相関関係が報告された[2]。ボンド毎に分解した格子振動の情報を得てこの系をより理解するため、BaPd2As2 (Tc = 3.5 K)、CaPd2As2 (Tc = 1.3 K)、SrPd2As2 (Tc = 0.9 K)
試料の Pd K 端および As K 端 x 線吸収微細構造の測定を行った。
この３試料は、電子比熱係数が同等であることが報告されている[2]。従って BCS 機構においてデバイ温度の他に Tc に寄与する重要な物理量である状態密度が３試料で同程度と考えられる
ため本研究の測定試料に選定した。
図 2 に、BaPd2As2 および SrPd2As2 の As K 端 x 線吸収微細構造より得た As 周りのボンド長の分布を示す。実験結果は赤点で、青線は As-Pd, As-As, As-Ba/Sr の３ボンドを考慮したモデル計算による再現結果である。このモデル計算から、各ボンド長とその平均変位の温度変化を見積もった結果を図 3 に示す(CaPd2As2 は解析中のため省略)。両試料における平均変位の温図 2 BaPd2As2(a)および SrPd2As2(b)の度変化を比較から、As-Pd ボンド(図中赤丸)に 2 つの差異を見出As K 吸収端の微細構造から得たした。即ち(i) BaPd2As2 の方が SrPd2As2 よりも昇温に伴い値の上

As まわりのボンド分布(赤点)とモ

昇が大きい。 (ii) BaPd2As2 の方が SrPd2As2 よりも低温(100 K 以

デル計算による再現結果(青線).

下)での値が大きい。特徴(i)は、２つの試料で As-Pd ボンドに由来する格子振動数が異なっており、BaPd2As2 がより"柔らかい"結合を有することを示す。これは両試料における比熱のデバイ
温度の違いに対応し、その原因が As-Pd ボンドに由来することを示唆する。特徴(ii)は、BaPd2As2 の方が原子位置の"乱れ"が大きいことを示す。BCS 機構では通常原子位置の乱れは超伝導を抑制する方向に働く。BaPd2As2 は準安定な結晶構造をとることが知られており[2]、その不安定性が"柔らかい"格子振動の原因と解釈した。本研究結果は、結晶の構造不安定性を利用することにより超伝導転移温度が上昇しうることを示唆する。
現状では Pd 原子まわりの情報が欠如しているが、Pd K 吸収端測定結果を解析中である。
最後に、本助成の援助をいただくことにより、今回の海外渡航を実現することができたことを感謝申し上げます。
[1] E. Paris et al., Sci. Rep. 6:27646, (2016).

図 3 BaPd2As2(a)および SrPd2As2(b)のAs K 吸収端の微細構造から得たAs まわりの各ボンドの平均変位の温度変化. 点線はアインシュタイ
ン温度 220 K の場合のシミュレー[2] K. Kudo et al., J. Phys. Soc. Jpn. 86, 063704 (2017).

ション結果.

- 298 -

平成３０年度 海外渡航報告書
岡山県立大学情報工学部人間情報工学科
大田 慎一郎（概要）
IMECE2018（International Mechanical Engineering Congress and Exposition2018）は ASME（American
Society of Mechanical Engineers）が開催する年 1 回開催される当該分野最大規模の国際会議である．今年はアメリカ合衆国，ピッツバーグで開催され，機械工学分野を中心としたエネルギー，振動，流体，伝熱工学など全２０分野に分かれ，最新の技術の研究発表がなされた．申請者は，共同研究者の講演や振動関連「DYNAMICS, VIBRATION AND CONTROL」のセッションを中心に聴講を行い振動制御技術に関する世界最新の研究成果を調査した．さらに，申請者は「DEVELOPMENT OF VEHICLE SEAT BY EMBEDDING URETHANE WITHIN AIR
CELL」と題して講演した．
【日程】
2018・11・10 移動日（岡山発→ピッツバーグ着）
2018・11・11-14 IMECE2018 へ出席し，発表・討論，情報交換等を行う．また，関連する研究発表について公聴を行う．
2018・11・15-16 移動日（ピッツバーグ発→岡山着）

図 1 学会会場の風景

図 2 発表セッションにおける写真- 299 -

【発表内容】
申請者は自動車走行時における乗り心地を向上させるため，「発泡ウレタン封入エアセルを用いた新規自動車用シート」を研究開発している．
図 3 は本研究で構築したプロトタイプシートを示している．図に示すように発泡ウレタンを封入したエアセ
ルをシート座面に挿入し，エアポンプを用いてセル内の空気圧を変化させ，自動車用シートの振動特性を制御する．
自動車用シートの振動特性を明らかにするために，図 4 に示す振動測定システムを構築した．これはプロト
タイプシートが加振テーブルに設置してあり，セル内の空気圧を変化させた場合の振動特性を，加振機を用いた加振実験により調査することが可能である．
本研究の成果として，図 5 に示す通りエアセルの空気圧を 0k Pa～10k Pa まで制御することで，シートの共振周波数を 0.75 Hz 変化させることができた．以上の結果から，発泡ウレタン封入エアセルがプロトタイプシ
ートの振動特性へ及ぼす影響が明らかとなった．

図 3 発泡ウレタン封入エアセルを用いた

図 4 振動測定実験

プロトタイプシートの試作

図 5 共振周波数と空気圧の関係- 300 -

平成３０年度 海外渡航報告書
岡山県立大学 情報工学部
瀬島 吉裕（概要） 2018 年 7 月 15 日（日）から 20 日（金）までの 6 日間，米国・ラスベガスで The 20th International
Conference on Human-Computer Interaction (HCII2018) 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，2018 年 7 月 16 日（土）に出国して，3 日間ラスベ
ガスに滞在し，7 月 20 日（金）に帰国した．
申請者が研究成果発表を行ったのは，International Conference on
Human-Computer Interaction （略称 HCII）という人間-機械を対象としたインタフェース設計や，それらのインタラクション等を網羅した国際会議
で，該当分野に関する国際学会では発表件数が最も多い学会である（図 1）．
開催地であるラスベガスは，砂漠気候であるため気温が 40 度を超えることが多いが，湿度が低いため日本と比較して比較的過ごしやすい気候であった．また，会場である Caesars Palace Hotel（シーザーズ パレス ホテル）
は，ラスベガスの中心部にあり，多くの人で賑っていた．
HCII2018 では，初日から 3 日間，ワークショップ・チュートリアルが全21 件開催され，ソーシャルメディアの評価法や音声入力インタフェース設計だけでなく，人工知能やセキュリティ等，様々な分野に関する議題が取り上げられていた．翌日から 3 日間に渡って研究発表がなされた（図 2）．

図 1 会場の様子

本年は参加者が 74 カ国から 1700 人（主催者発表）で，一般講演 1,170 件，
ポスター発表 195 件であった．また，HCII2018 では，2 種類の賞 (Best Paper Award: 14 件 (各発表領域より
1 件), Best Poster Award： 1 件) が設けられていた．
申請者は 1 日目に口頭発表を行った（図 3）．発表内容は後述するが，発表会場に来場した参加者に興味を持っていただき，有意義な議論を行うことができた．ポスター発表の会場は，件数が多いため，広い会場での行われており，参加者の多くが活発な議論を行っていた．

図 2 講演会場の様子

図 3 発表時の様子- 301 -

申請者は，HCII2018 において，「A Video Communication System with a Virtual Pupil CG Superimposed on
the Partner's Pupil」という題目で研究成果発表を行った．この研究は，遠隔地で人間同士が映像を介して行うビデオコミュニケーションを支援することを目的として，瞳孔反応による感情伝達効果に着目し，瞳孔 CGをビデオ映像上にリアルタイムに重畳合成するシステムを開発した（図 4）．このシステムでは，カメラ映像から対話相手の眼球位置（目頭と目尻）を検出し（図 5(a)），個人の眼の大きさに応じて黄金比となるように瞳孔 CG を調節して（図 5(b)），リアルタイムに重畳合成している．さらに，対話者の発話に同調して瞳孔を拡大反応させることで，対話相手への興味や親近感等の感情伝達を向上させる．このシステムを用いて，コミュニケーション実験を行い，重畳合成した瞳孔 CG が反応することで，感情伝達効果が高まることを示した．この内
容を口頭発表し，来場した参加者と議論した．その結果，「個人に応じて瞳孔の大きさが変化するのは良い」，「瞳孔反応で感情伝達が高まるのは面白い」，「瞳孔反応により本人の意図とは異なる感情が伝達される可能性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，一般発表およびポス
ター発表において，人の瞳孔反応から興味特性を推定する研究等，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 21 回会議となる次回のHCII2019 は，米国のフロリダで 2019 年 7 月 26 日から 7 月 31 日の期間に開催される予定である．
（参考 URL
http://2019.hci.international）
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．

Pupil response

Pupil response

Favorable
impression

Favorable
impression

Pupil CG

Voice

Voice

図 4 瞳孔 CG をビデオ映像上に重畳合成するビデオコミュニケーションシステムの概要

Inner corner
Pupil

Outer corner

Pupil

Outer corner(a) 対話相手の眼球位置の検出
図 5 瞳孔 CG の重畳合成手法- 302 -(b) 黄金比による瞳孔 CG の調節平成３０年度 海外渡航報告書
岡山大学大学院自然科学研究科
武安 伸幸（概要）公益財団法人ウエスコ学術振興財団のご支援を賜り、フランスのストラスブールにて2018年6月18-22
日で開催されたE-MRS(European Materials Research Society) Spring Meeting 2018に出席した。会場は、Strasbourg Convention Centreで、6月20日から22日で学会に参加し、21日に講演を行なった。
今回の講演内容は以下の通りである。
表面プラズモン形成に伴い、貴金属表面には、増強電場が生じる。この際、貴金属ナノ表面に吸着した分子
は、その増強電場に曝されることとなり、著しく増強されたラマン散乱光（表面増強ラマン散乱）が観測される。この表面増強ラマン散乱を利用すると、通常のラマン散乱計測では検出することが困難な極微量試料をも検出することが可能となり、物理・化学分野だけにとどまらず、バイオ・医療分野においてもニーズが高まっている。一方で、表面増強ラマン計測は、通常のラマン計測とは異なるスペクトルを与えることが知られていた。この原因は、金属-分子間の電荷移動と考えられてきたが、近年、測定中に分子自身が化学変化を起こし、その化学変化が表面増強ラマンと通常ラマンスペクトルとの差異を生じ得ることが指摘されてきた。本研究では、パラ-アミノチオフェノール (p-ATP)を試料に用い、銀ナノ粒子２次元アレイ表面を表面増強ラマン活性基板として利用し、表面増強ラマン計測を行い、p-ATP が化学変化を起こすことを示した。
銀ナノ粒子２次元アレイは、水中油滴型エマルションを利用して、油水界面にナノ粒子を集めることによって作製した。それをガラス基板に移し取り、表面増強ラマン活性基板として用いた。計測においては、励起レーザー強度を 4, 40, 400, 4000 W/mm2 で変化させた。強度を上昇、下降させて計測を行い、それぞれ上昇中、下降中では同じポイントで計測した。試料に最初に 4 W/mm2 を照射した時、1080、1595 cm-1 に大きなピークが観測された。レーザー強度を 10 倍の 40 W/mm2 にすると、1142、1386、1426 cm-1 に新たにピークが生じた。これらのピークは、レーザー強度の上昇とともに、さらに大きくなった。一方、最初に 4000 W/mm2 を照射し、その後、レーザー強度を下降させても、ピーク強度は低下するものの、スペクトル形状に大きな変化は見られなかった。同じ 4 W/mm2 で計測したスペクトルでも、一旦、高強度光を照射すると、全く異なる形状のスペクトルが得られた。これらの結果から、p-ATP は表面増強ラマン計測中に化学変化を起こすことがわかった。
表面増強ラマン計測においては、その計測中の分子自身の化学変化は回避したい。そこで、金属ナノ表面にガラス薄膜を形成し、増強電場を活用できるが、分子が金属に接触しない環境で表面増強ラマン計測を行った。
試料には同じく p-ATP を用いた。励起レーザー波長は 633 nm であった。金ナノ粒子２次元アレイに p-ATP をつけたサンプル（緑）からは、銀ナノ粒子２次元アレイを用いた時と同様に、1138、1389、1434 cm-1 に化学変化
由来のピークが観測された。一方、金ナノ粒子２次元アレイの表面に 5 nm の SiO2 薄膜を付けた基板を用いて

p-ATP を計測すると、化学変化由来のピークは観測されなかった。以上の結果から、SiO2 薄膜がその化学変化の抑制に有効であることが示せた。これは同時に、金属表面が化学変化を起こしていることを意味している。
このように、SiO2 薄膜を用いて、化学変化を抑制しながら増強ラマン散乱を観察することができたが、分子と金属表面とにギャップが生じ、その結果、ラマン信号強度は低下した。今後は、反応を抑制しながらも大きな
ラマン信号が得られる手法の開発と、それとは逆に、光触媒としての利用を展開して行く予定である。
発表の日には、セッションオーガナイザーらと夕食をともにするなど、大変有意義な時間であった。公益財
団法人ウエスコ学術振興財団に御礼申し上げる。

- 303 -

平成３０年度 海外渡航報告書
岡山県立大学 情報工学部 情報通信工学科
高林 健人
本申請者は 2018 年 6 月 3 日(月)から平成 30 年 6 月 7 日(木)までの間，スペイン バスク州 ビスカヤ
県 ビルバオ エウスカルドゥナ国際会議場で開催された，米国電気電子学会（IEEE）通信ソサエイティ主催の国際会議「2018 Global Internet of Things (IoT) Summit (GIoTS 2018)」において，「Performance Evaluationof Error Control Scheme in ETSI SmartBAN PHY」と題した研究成果発表及び研究調査を行った．今回の国際会議 GIoTS 2018 は IoT Forum が主催する IoT Week 2018 内で行われ，7 件の基調講演の他，約 80 件の研究成果発表が 9 つの並列セッションから 2 並列セッションを利用して発表され，各会場ともに活発な議論がなされていた．
本国際会議では，Internet of Things（IoT）に関する様々な分野について，最新の研究発表が為されていた．例えば，IoT を構成する通信システムなどの基礎的な技術に焦点を当てたセッションの他，IoT のセキュリティに関するセッション，IoT の応用事例やサービスについてのセッション，IoT を利用した実験についてのセッションなど，様々な分野からの研究発表が報告された．とりわけ IoT の通信システムについてのセッションでは，申請者自身の研究にも応用できそうな内容が発表されており，非常に参考になった．加えて，本国際会議では，学術的な側面からの研究報告の他に，欧州の産業界における IoT の応用事例の紹介や，産業界のリーダーによる IoT をとりまく今後のビジョンについての講演なども為されており，ビジネス的な側面からも参考になりそうな話を聞くことが出来た．
申請者は今回の研究発表では医療・ヘルスケア向け無線ボディエリアネットワークの最新の標準規格の一つである「SmartBAN」における物理層で定められている誤り制御方式について評価を行い，現実に即した通信路における情報パケットの再送の有効性を示した．限られた時間の中で 2 件の質問を受け，有意義な質疑応答が出来た．また，前述のように幅広い専門を持つ研究者が多数集まる国際会議であるため，研究者同士の示唆に富む意見交換を行うことができた．
最後に，この度の渡航費助成を賜りました公益財団法人ウエスコ学術振興財団様に深く感謝を申し上げます．

図 1 研究発表時の様子

図 2 会場内展示スペースの様子- 304 -

平成 30 年度 海外渡航報告書
岡山理科大学教育学部
笹山 健作
1．概要
国際会議名称：International Society of Behavioral Nutrition and Physical Activity Hong Kong 2018
渡航先：香港期間：2018 年 6 月 3 日～6 日
発表演題：Walking distance to/from school is associated with objective physical activity, but notwith physical fitness in Japanese children
発表者：Kensaku SASAYAMA (Faculty of Education, Okayama University of Science)
Minoru ADACHI (Graduate School of Education, Okayama University)
International Society of Behavioral Nutrition and Physical Activity が主催する国際会議に，私自身
はじめて参加した。参加者は，開催地が香港ということもあり，香港を中心に中国からの参加者が多く，次いでヨーロッパ，オーストラリア，アメリカの参加者が多い印象であった。シンポジウムや口頭，ポスター発表
では世界各国の身体活動や栄養に焦点をあてた最新の研究内容があり，多くの情報を収集することができた。
特に，今回発表した内容に近い子どもを対象に加速度計を用いて身体活動量を調査した研究が多く，今後の研究調査に大いに役立った。上記演題のポスター発表では，方法と結果についての質問を多く受けた。中でも，方法の身体活動のデータ選別について多くの質問があった。また，通学歩行距離は身体活動量と関連があるにも関わらず，体力とは関連しなかったことについても多くの質問があった。また，数名の研究者とは連絡先を交換し，今後，研究についての情報交換を行うことが可能となり，研究ネットワークを広げることができた。
2．発表の内容
本研究の目的は 9 歳から 10 歳の日本人児童を対象に学校へ（から）の通学歩行距離と身体活動量，体力との関連を検討することであった。対象者の 633 名（9.3 ± 0.5 歳）は通学手段，形態，体力が調査された。対象者のうち，572 名（男子の 89.8%，女子の 90.9%）が学校へ（から）徒歩通学をしていた。対象者は通学歩行距
離に基づいて 3 分類（tertile1，2，3）された。平日の歩数と中高強度身体活動（MVPA）は 1 軸加速度計によって評価した。体力は握力，上体起こし，長座体前屈，反復横跳び，20m シャトルラン，50m 走，立ち幅跳び，
ソフトボール投げで評価した。3 分位による学校へ（から）の通学歩行距離は tertile1，2，3 でそれぞれ男子
1.0 ± 0.4，2.0 ± 0.1，3.6 ± 1.3（km/day），女子 0.7 ± 0.3，1.9 ± 0.2，3.7 ± 1.5（km/day）であった。男子の平日における歩数と MVPA は tertile2，3 に比べて tertile1 で有意に低かった。女子の平日における歩数と MVPA は 3 群間に有意な差が認められた。
体力の結果は男女ともにどの項目にも 3 群間で有意な差が認められなかった。結論として，本研究では学校へ（から）の通学歩行距離は平日の身体活動量と関連することが示唆された。一方，本研究の結果では学校へ（から）の通学歩行距離は体力と関連しないことが示唆された。
3．謝辞
最後に，今回の渡航に対して公益財団法人ウエスコ学術振興財団より，渡航費の助成を賜りました。このことに対して，心より感謝申し上げます。

- 305 -

平成 30 年度 海外渡航報告書
川崎医療福祉大学 医療技術学部 リハビリテーション学科
氏川 拓也
（概要）
2018 年 7 月 8 日から 12 日の日程で，フランスのパリで開催された 12th International Society of Physicaland Rehabilitation Medicine World Congress（12th ISPRM World Congress，ISPRM 2018）に出席し，“The
influence of cooling down exercise after steady loading exercise at the anaerobic metabolic thresholdintensity on autonomic nervous activity”という題目で発表を行った．この研究は，嫌気性代謝閾値（Anaerobic
Threshold；以下，AT）での定常負荷運動後のクーリングダウンの適正強度を決定することを目的として，心拍変動解析を用いた心臓自律神経活動に着目して検討した．その結果，心臓自律神経活動からみたクーリング
ダウンの適正強度は AT レベルの 50%強度であった．
ISPRM 2018 には，リハビリテーションに携わる研究者が世界各国から参加されており，発表・討論を行い最新の知見を共有していた．他に運動療法後のクーリングダウンに関する研究発表は見受けられなかったが，研究発表を通して学会参加者と意見交換を行い，有意義な時間にすることができた．また，他分野における研究発表を聴講でき，これからの研究活動を進めていく上での良い刺激となった．なお，報告者の渡航日程および概要を表 1 に示す．
最後に，本国際会議に参加するにあたり，渡航費助成を賜った公益財団法人ウエスコ学術振興財団および関係各位には，心より感謝申し上げたい．

表 1 渡航日程および概要
日程

概要

2018 年 7 月 7 日

移動：岡山⇒関西国際空港⇒パリ

2018 年 7 月 8～12 日

12th ISPRM World Congress に出席・発表

2018 年 7 月 13～14 日

移動：パリ⇒仁川国際空港⇒関西国際空港⇒岡山

写真 2．ポスターと報告者（右）写真 1．会場の様子- 306 -

口腔常在菌による骨代謝ネットワーク機構の解明
岡山大学病院予防歯科
入江 浩一郎常在菌は腸内組織や免疫応答に加えて、骨代謝にも影響を与える。常在菌は破骨細胞形成の促進によって、骨量を減少させる事が報告されているが、骨芽細胞への影響についてはほとんど調べられていなかった。本研究では、無菌状態の germ free (GF) マウスと常在菌を有する specific-pathogen-free (SPF) マウスを用いて、骨芽細胞の石灰化制御に対する常在菌の影響について検討した。骨吸収マーカーである血清中の tartrate-resistantacid phosphatase form 5b (TRAP-5b) 濃度は、GF マウスよりも SPF マウスの方が有意に高かった。またアリザリンレッド染色では、SPF マウスよりも GF マウスの方が石灰化領域が有意に拡大していた。つまり常在菌は破骨細胞だけでなく、骨芽細胞に影響を及ぼす事によって下顎骨を含め全身の骨代謝に関与している事が示唆された。特に骨芽細胞における RANKL / OPG 比や osteocalcin の遺伝子発現に影響を及ぼし、石灰化を制御している可能性が示唆された。

【緒言】

る上で重要である。
本研究では、骨芽細胞に着目し、常在菌は健康と密接に関係しており、宿主組織の構GF マウスと SPF マウスを用いて、常在菌の有無に造や免疫応答に影響を及ぼしている ( 1 ) 。腸内のよる骨芽細胞側から見た、骨代謝への影響を、多角

みならず口腔内にも常在菌が共存している。
しかし、的・網羅的に解明することとする。

口腔常在菌と宿主組織である歯周組織にどのような【方法】

関連があるかは不明な点が多い。当研究室では、動8 週齢のGFおよびSPFマウス (n = 6) を用いた。

物実験において、無菌状態の germ free (GF) マウス

血清を採取し、骨形成マーカーとして osteocalcin を、の歯肉接合上皮の厚さや面積は、常在菌を有する

骨 吸 収 マ ー カ ー と し て tartrate-resistant acidspecific-pathogen-free (SPF) マウスに比べて小さく、

phosphatase form 5b (TRAP-5b) を ELISA 法で定免疫応答細胞の遊走が不十分であることを報告した

量した。頭蓋冠より通法に従い骨芽細胞を単離し、( 2 ) 。また、顎骨形態の比較から、口腔常在菌は歯分化誘導培地中で 5 週間培養後、アリザリンレッド

槽骨の代謝を促進していることも明らかにした染色で石灰化度を比較した。

( 3 ) 。一方、歯周病が発症・進行すると歯槽骨吸収

また骨芽細胞から RNA を抽出し、骨形成・骨吸収に関与する遺伝子の発現を調べた。さらに骨芽細胞が生じるが、破骨細胞の機能に関する研究は数多く

内における転写因子発現解析を PCR アレイを用いされているのに対して、骨芽細胞に関する研究は少て網羅的に行った。

ない。

また下顎骨からも直接 RNA を抽出し、骨形成に

歯周組織の恒常性維持のために、口腔常在菌と骨芽関わる遺伝子発現を PCR アレイを用いて解析した。

細胞がどのように影響し合っているかは未だ不明である。それゆえに、口腔常在菌よる骨芽細胞の形態【結果】学的な変化や自然免疫への影響を明らかにすること

8 週齢の GF および SPF マウスの体重を比較した
ところ、SPF マウスの方が有意に高かった (P＜は、歯周病における歯槽骨吸収の予防対策を検討す- 307 -

0.01)。

receptor の遺伝子発現が GF マウスと比較して増加し、GATA3 の遺伝子発現が減少した。

血清中 TRAP-5b 濃度は、GF マウスよりも SPF マ
ウスの方が有意に高かった (P＜0.01)。骨芽細胞におけるアリザリンレッド染色では、SPF マウスよりも GF マウスの方が石灰化領域が有意に拡大していた (P<0.05)。
下顎骨由来 RNA の PCR アレイ解析では、SPF マ
ウスにおける osteocalcin や cathepsin K といった
骨のリモデリングに関与する遺伝子の発現が GF マ
ウスと比べて有意に増加していた (P＜0.05)。

また骨芽細胞における遺伝子発現において、Receptor activator of nuclear factor kappa-B
ligand (RANKL) / osteoprotegerin (OPG) 比は、GF
マウスよりも SPF マウスが有意に高かった (P<0.05)。さらに，osteocalcin の発現は SPF マウス
が GF マウスよりも有意に高かった (P <0.05)。

転写因子の網羅的解析から，SPF マウスでは，Forkhead box protein G1 (FOXG1) および androgen- 308 -

【謝辞】
統計解析は、平均値（Mean）± 標準偏差（SD）で本研究を遂行するにあたり、ウエスコ学術振興財団

示した。有意差検定は、Student’s two-tailed unpaired t-

長期間海外派遣滞在費助成事業から支援を賜りましtest を使用した。P < 0.05 の場合を有意差ありと判たことを深く感謝いたします。

定した。
【参考文献】【考察】

1. Sjögren K, Engdahl C, Henning P, Lerner U, Tremaroli

本研究から、常在菌は破骨細胞だけでなく、骨芽細V, Lagerquist M, Bäckhed F, Ohlsson C. The gut

胞に影響を及ぼし、下顎骨を含め全身の骨代謝に関microbiota regulates bone mass in mice. J Bone Miner

与している事が示唆された。

Res., 27(2012), 1357–1367.

今回、骨芽細胞におけるアリザリンレッド染色の結2. Irie K, Novince C, Darveau RP. Impact of the oral

果から、SPF マウスよりも GF マウスの方が石灰化

commensal flora on alveolar bone homeostasis. J Dent

領域が有意に拡大していた。また、SPF マウスの骨Res., 93(2014), 801-806.

芽 細 胞 は GF マ ウ ス の 骨 芽 細 胞 と 比 較 し て

3. Irie K, Tomofuji T, Ekuni D, Morita M, Shimazaki Y,

Osteocalcin の遺伝子発現が高かった。
過去の報告かDarveau RP. Impact of oral commensal bacteria on

ら Osteocalcin KO マウスでは、石灰化の亢進を認

degradation of periodontal connective tissue in mice. J

めることがわかっている (4)。つまり、GF マウスに

Periodontol., 86(2015), 899-905.

おける石灰化の亢進は、Osteocalcin の発現が抑制さ

4. Ducy P, Desbois C, Boyce B, Pinero G, Story B,

れていることが要因と考えらえる。

Dunstan C, Smith E, Bonadio J, Goldstein S, Gundberg C,

また血清中 TRAP-5b 濃度は、GF マウスよりもBradley A, Karsenty G. Increased bone formation in

SPF マウスの方が有意に高かった。GF マウスでは、

osteocalcin-deficient mice. Nature., 382(1996), 448-52.

破骨細胞形成が低下することから、SPF マウスでは骨芽細胞からの破骨細胞誘導シグナルが亢進したと推測される。特に骨芽細胞における RANKL / OPG
比や osteocalcin の遺伝子発現に影響を及ぼし、石灰化を制御している可能性が示唆された。
また下顎骨の PCR array では、Osteocalcin やCathepsin K といった骨のリモデリングに関与する遺伝子の発現が高かった。つまり、常在菌があることで骨代謝回転速度が亢進している可能性が考えられる。
本研究を通じて、常在菌は破骨細胞だけでなく、骨芽細胞に影響を及ぼす事によって、歯槽骨を含め全身の骨代謝に関与している事が分かった。特に骨芽細胞における RANKL / OPG 比や osteocalcin の遺伝子発現に影響を及ぼし、石灰化を制御している可能性が示唆された。

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