hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
簡潔データ構造を用いた大規模かつ高速な機械学習手法の研究

本年度はこれまでの研究のまとめを行った。大規模な木構造カーネルのサポートベクターマシン(SVM)学習問題に対し、簡潔データ構造を用いた高速かつ省メモリな学習アルゴリズムを考案し、かつその性能を理論、実験の両面から評価を行った。この研究の意義は主に以下の2点である。1点目は木構造カーネルのSVMの学習問題に対する高速化である。一般にカーネル法を用いたSVMの学習時間はデータ数nに対し、O(n)の計算量がかかる。提案アルゴリズムでは木構造の共通部分の数え上げを高速化することによってO(nlogn)の計算量を達成した。なおかつそのために必要な空間計算量は非常に小さく情報論的下限に漸近する。2点目は機械学習と簡潔データ構造という2つの分野をつなぐ研究であるということである。本研究はこれまで独立して研究されており、接点が全くなかった両分野を利用したはじめての研究である。26年度が最終年度であるため、記入しない。本研究の目的は省メモリでかつ高速な操作を可能とする簡潔データ構造と機械学習を融合させ、大規模かつ高速な機械学習手法を構築することである。これについて昨年度の研究成果は主に以下の二つである。まず一つ目は機械学習分野におけるものであり、木カーネルの高速な計算アルゴリズムを構築したことである。木カーネルとは木構造間の類似度を計算することによって学習を行うという枠組みである。従来の木カーネルは計算に時間がかかり、大規模な木構造に対して用いることが困難であった。新たに構築した手法では予測精度を保ちつつ、計算時間が木構造の大きさについて線形時間で計算することができる。これによって大規模な木構造に対しても木カーネルが適用可能となった。この成果は機械学習で最も権威のある国際学会の一つであるICMLに論文が受理され、発表を行った。二つ目は簡潔データ構造と機械学習両分野にまたがるものである。機械学習の学習アルゴリズムに、木構造に対する簡潔データ構造を組み込むことによって高速かつ省メモリである計算手法を新たに提案した。この提案手法によって従来はデータ数の二乗の計算量が必要であった学習が、データ数について線形時間の計算量で可能となった。この手法によって大規模なデータからも学習を行うことが可能となり、近年大きな注目を集めているビッグデータの観点からも意義のある成果だと考えられる。この成果を日本最大の機械学習学会である情報論的学習理論ワークショップで発表し、両分野の融合を促した。これら二つの研究成果および発表は研究実施計画に記載していたものであり、昨年度の研究は当初の計画通りに進行している。これについて昨年度の研究成果は主に以下のとおりである。昨年度の主な成果は、一年目に理論構築した機械学習と簡潔データ構造を組み合わせた高速かつ省メモリな学習アルゴリズムに対する実験的な評価を行ったことである。このアルゴリズムはXBWと呼ばれるラベル付き木構造に対する簡潔データ構造を用いることによって高速かつ省メモリな学習を実現するものである。理論的な評価としては、従来データ数の二乗の計算量が必要であった学習が、データ数について線形時間の計算量で可能となった。また必要なメモリの大きさはラベル付き木構造の情報論的下限という非常に小さい大きさに漸近する。このアルゴリズムを実際の大規模データに対して実験を行い、実際にデータ数に対して線形かつ省メモリに働くことを確認した。この成果を日本最大の機械学習学会である情報論的学習理論ワークショップ2013と人工知能学会の全国大会2013で発表を行い、研究成果をアピールした。また機械学習分野のトップ会議の一つであるNIPS2013や、Web分野のトップ会議の一つであるWSDM2014に参加し、多くの機械学習研究者および周辺分野の研究者とディスカッションを行い、新たな方向性を模索した。以上から昨年度の研究は当初の計画通りに進行している。昨年度おける研究は、ほぼ研究実施計画どおりに進めることができた。まず前半では機械学習の最も権威のある国際学会の一つであるICMLに論文が受理され研究発表を行った。さらに後半では研究目的である簡潔データ構造と機械学習を融合させた研究を行い、IBIS2012で発表を行った。

また簡潔データ構造の世界的な第一人者であるレスター大学のRajeev Raman教授、ピサ大学のRoberto Grossi教授、国立情報学研究所の定兼邦彦准教授などとディスカッションを行った。以上から研究はおおむね順調に進展していると自己評価する。昨年度はそれ以前に理論構築したアルゴリズムに対して実験的な評価を与えることができ,国内の学会で発表を行った。さらに関連分野の研究者とのディスカッションによって、新たに簡潔データ構造の機械学習手法の融合の方向性が見えつつある。本年度における研究は当初の計画通り進める予定である。まず昨年度の後半の研究をさらに発展させたものを機械学習の国際会議であるNIPSに投稿し、発表を行う。ここで機械学習分野に簡潔データ構造を強くアピールし、両分野の交流を促す。さらにRajeev Raman教授らとのディスカッションを昨年度と同様継続していく予定である。まず昨年度までの成果を機械学習関連分野の国際会議で発表し、国際的に成果をアピールする。またこれまでの簡潔データ構造関連のプログラムを公開に向けて整備を行う。また昨年度のディスカッションで生まれた新たなアルゴリズムの理論評価、実験的な評価を与える。
日韓馬具生産体制の検討

古墳時代馬具生産は、従来古墳副葬馬具の各属性から地方生産の有無が論じられてきた。しかし、馬具のライフヒストリーを考えた場合、古墳出土馬具は消費地での使用機能終了形態のため、製作や生産地の様相を直接は反映せず、馬具生産研究の最適な研究対象資料とは言い難い。つまり、馬具生産研究の対象資料には、馬具製作工房や生産遺跡出土馬具といった生産段階資料が最適だが、現在まで明確な馬具製作工房跡は未検出で、検討資料には恵まれていない。そこで筆者は、小地域内で出土する鉄製馬具と鉄・鉄器生産関連遺跡、鍛冶具を照合・対比することで、生産段階的視点に基づく研究するという研究方法を確立し、検討を進めてきた。最終年度であった本年度は、昨年度韓国で収集した韓国嶺南地域の蔚山、大邱・慶山地域、および豊前北部地域、日向中部地域を検討し、前回検討した福岡平野の検討結果と併せ、博士論文を執筆した。結果、古墳時代日本列島内の馬具生産は従来指摘されてきた中央による一元生産・配布的な生産体制ではなく、各地域内でも馬具を生産した可能性が高いことを解明した。地域内で生産する馬具は地域住民が必要とする馬具だけでなく、一部の規格品馬具・装飾馬具も生産する様相が見えたが、金・銀・銅素材や難しい彫金技法の必要な装飾馬具は各地域での生産の様相が窺えず、王宮付属工房での中央生が想定された。その結果、古墳時代日本列島馬具生産体制は、地域生産・地方生産・中央生産の3つのレベルが重層的・組織的に絡まりながら構成され、列島内の様々な馬具が生産されるとともに、この組織的な生産体制が王権や中央首長の社会的地位を示す役割をも担ったと結論付けた。しかし、地域生産と地方生産は、実際に分析した地域の馬具生産からその様相が窺えたものの、中央生産の様相は、装飾馬具の生産を行ったと目される畿内地域の馬具生産を直接検討していないため、予察段階にとどまった。29年度が最終年度であるため、記入しない。昨年度は福岡平野および東北地域での資料調査成果をまとめた。福岡平野の検討では、福岡平野の豊富な鍛冶関連遺物・鍛冶関連遺構を弥生時代前期末古墳時代まで通時的に検討しその鍛冶技術水準の変化をIVIIの7段階に分類した。そして、騎馬文化導入期であるIII段階には福岡平野では馬具製作技法を獲得し、III段階からVII段階まで一部の馬具生産は可能であった。生産開始はV段階の馬匹生産開始に伴う可能性が高い。また馬具製作工人には、V・VI段階は在地首長の傘下にいる渡来系鍛冶工人が馬具生産にあたり、在地首長の指示・要請の下馬具生産を行う様相、VII段階は村方鍛冶と部民制下の工人が、地域住民や公的権力の要請に基づき馬具製作する様相が想定された。この検討では、日韓馬具生産体制の検討方法を確立した。同様の方法で他地域も検討すれば、日本列島および韓半島の馬具生産体制は解明可能と確信した。東北地域の検討では、山形県大之越古墳で鍛冶具と馬具が共伴し、近隣の嶋遺跡での鍛冶関連遺物の出土、お花山24号墳で2条線鉄棒と捩りのある鉄棒が組み合う鉄器(ヒョウ※1轡か?)の存在から、5世紀後半に山形盆地でも鉄製馬具生産があった可能性を想定した。また嶋遺跡では木製鞍・鐙が出土し、東北地域が皮革の供給地であることを踏まえれば、複合的な馬具生産の可能性も十分あり得る。よって5世紀後半には東北地域でも馬具生産した可能性がある。日本列島では騎馬文化導入後に比較的早い速度で関東・東北地域まで馬具製作をした可能性、馬の導入に合わせて馬具生産が現地で行われた可能性など、日本列島全体の馬具生産体制の様相を探る重要な手がかりを得ることができた。その他比較的重要な資料はあらかた調査を行った。2016年度はこれらの遺物の検討を重点的に行い、研究会発表・論文作成に力を注ぎたい。※1文字化けのためカタカナで表記した。漢字は金偏のくつわ。昨年度のうちに概ね重要な遺物の資料調査は終えることができた。また、調査を行った福岡平野と東北地域の馬具生産体制については十分な検討ができ、その成果をまとめることもできた。特に福岡平野の検討を通じ、研究の方法を確立したが、この方法で他地域の検討を行えば、確実に馬具生産体制の解明は可能と確信できた点は大きい。ただ、多くの資料調査を行ったものの、その全ての成果をまとめ、報告できなかった点は反省点である。本年度、および来年度の内に遺物の検討を行い、研究会発表・論文作成することで成果を公表していきたい。平成27年度に修士論文の際用いた研究方法を再検討、練磨し、方法論として確立させたが、その内容を福岡平野の馬具地域生産の検討とあわせて内容をまとめ、論文を執筆した。この論文は2017年4月に選考委員の推薦を受けて、『季刊考古学』第139号の論文展望に論文要約を掲載している。2016年9月2017年2月まで、韓国釜山大学校に留学し、韓半島南部の資料の収集・調査を行った。その中で、特に蔚山地域と大邱・慶山地域での調査・集成内容から両地域の検討をした。

蔚山地域の検討の結果、従来達川鉱山での鉄鉱石採鉱に合わせて鉄・鉄器生産が開始したとする意見が多いが、同時期に該当する鉄・鉄器生産遺構がまだ未検出であることから、十分な裏付けがないと考え、今現在蔚山地域で鉄器生産が確実に開始したと言えるのは3世紀以降であることを指摘した。そして3世紀以降は蔚山地域でも馬具を製作した可能性があり、その背景には、3世紀以降地域内での馬の運搬・交通面での利用の増加を想定した。また、蔚山地域内では日本の福岡平野と同様、鉄地金銅張、金・銀・銅製、透彫技法の必要な馬具は、素材や必要な道具の入手がなく、製作痕跡もないため終始製作できず、地域内での馬匹使用の需要に応えるために、地域工人による実用的な馬具生産が行われたと考えた。大邱・慶山地域では、時至生活遺跡出土不明鉄器を心葉形杏葉と判断し、時至遺跡が三国時代の大規模鉄・鉄器生産集落であり、鍛冶具もあって、出土した心葉形杏葉は簡単な技術で製作できるので、遺跡内で製作された可能性があると考え、地方の鉄器生産集落でも実用馬具だけでなく装飾馬具が作られた可能性があることを指摘した。また、これまで規格性の高い杏葉は中央で一元的に生産し、配布されたと想定されていたが、威信財の模倣製作が許可されていた場所では規格性・階層性の高い装飾馬具の杏葉も製作された様相を推測した。研究方法の確立・論文化に予想以上に時間がかかったこと、韓半島事例検討のためにまず語学習得をせねばならなかったこと、韓半島で制約のため十分に集成・資料調査できなかったこと、の大きく3つを理由に挙げられる。初めの2つは、単純に筆者の力量不足である。ただ、既に方法論は確立したし、9か月にわたる留学のおかげで、現在は不自由なく調査するだけの韓国語能力も身に付けた。また、今後検討予定の日本列島の各地域の資料調査は既に実施しているし、韓半島の事例は検討は不十分だが資料の集成作業は終わっている。申請当初考えていた程、日本列島および韓半島の広範囲の多くの地域の資料を集成し、調査・検討することは難しいと思われるが、昨年度蔚山地域の資料を検討している際に、今回の研究目的とは少しずれるが、面白い検討内容を思いついたので、現在、そちらの方向と絡めつつ研究を行っていこうかと、若干の研究方向の転換検討している。古墳時代馬具生産は、従来古墳副葬馬具の各属性から地方生産の有無が論じられてきた。しかし、馬具のライフヒストリーを考えた場合、古墳出土馬具は消費地での使用機能終了形態のため、製作や生産地の様相を直接は反映せず、馬具生産研究の最適な研究対象資料とは言い難い。つまり、馬具生産研究の対象資料には、馬具製作工房や生産遺跡出土馬具といった生産段階資料が最適だが、現在まで明確な馬具製作工房跡は未検出で、検討資料には恵まれていない。そこで筆者は、小地域内で出土する鉄製馬具と鉄・鉄器生産関連遺跡、鍛冶具を照合・対比することで、生産段階的視点に基づく研究するという研究方法を確立し、検討を進めてきた。最終年度であった本年度は、昨年度韓国で収集した韓国嶺南地域の蔚山、大邱・慶山地域、および豊前北部地域、日向中部地域を検討し、前回検討した福岡平野の検討結果と併せ、博士論文を執筆した。結果、古墳時代日本列島内の馬具生産は従来指摘されてきた中央による一元生産・配布的な生産体制ではなく、各地域内でも馬具を生産した可能性が高いことを解明した。地域内で生産する馬具は地域住民が必要とする馬具だけでなく、一部の規格品馬具・装飾馬具も生産する様相が見えたが、金・銀・銅素材や難しい彫金技法の必要な装飾馬具は各地域での生産の様相が窺えず、王宮付属工房での中央生が想定された。
犬における造影超音波検査を用いた糸球体濾過率低下の早期診断

慢性腎疾患(CKD)はイヌやネコで多く認められる。しかし現在の腎機能検査は、病気が進行して初めて異常値を示すため、より早期に腎臓へのダメージを知る検査が必要である。本研究では、造影超音波検査(CEUS)による腎血流量の評価がイヌのCKD診断に応用できるか検討した。最初に健常犬6頭を用いてCEUSの方法を確立し、正常値を求めた。次にCKDの犬15頭に対しCEUSを実施した。CKDでは、腎機能障害が重度になるとCEUSによる造影増強効果の減弱が認められた。しかし腎障害が軽度の場合、健常犬のCEUS所見と比べ明かな変化は観察されなかった。今後は本検査が腎疾患の進行予測に利用できないか検討したい。perflubutane microbubbleを用いた第2世代超音波造影剤ソナゾイドは、少量で優れた造影効果を有し、従来の造影剤に比べ気泡が壊れにくくリアルタイムでの経時的な血流評価が可能である。近年ヒトの慢性腎疾患患者にソナゾイドを用いた造影超音波検査を実施したところ、腎実質の造影強度や造影持続時間といったパラメーターが健常人に比べ有意に減少しており、GFRとの相関が認められたと報告されている。本研究では、健常犬と腎疾患犬における腎臓のソナゾイド造影超音波検査を比較検討した。これまで健常犬6頭、症例犬4頭の造影超音波検査を実施した。腎臓の皮質、髄質に関心領域(ROI)を設定し、造影剤投与後からの経時的なエコー輝度の変化を測定した。健常犬の腎皮質は、造影剤投与後7秒±1秒で造影増強のピーク(Peak intensity)に達し、その後は徐々に造影効果が減衰した。一方症例犬では、Peak intensityは低く、Peakに達するまでの時間(TTP:time to peak)も延長している傾向を得た。Peak intensityはROI設置深度に依存するため、症例犬では体格の違いがその造影強度に影響を及ぼすと考えられたが、TTPはその影響を受けないためより適切な指標になると考えられた。今後も症例数を増やし、統計解析を進める予定である。perflubutane microbubbleを用い第2世代超音波造影剤ソナゾイドは、少量で優れた造影効果を有し、従来の造影剤に比べ気泡が壊れにくくリアルタイムでの経時的な血流評価が可能である。近年ヒトの慢性腎疾患患者にソナゾイドを用いた造影超音波検査(CEUS)を実施したところ、腎実質の造影強度や造影持続時間といったパラメーターが健常人に比べ有意に減少しており、GFRとの相関が認められたと報告されている。本研究では、健常犬と腎疾患犬における腎臓のソナゾイドCEUS所見を比較検討した。これまで健常犬6頭、腎疾患犬15頭にCEUSを実施した。健常犬から算出した造影開始時間(SP)、最大エコー輝度(PI)、最高点到達時間(TTP)、減衰率(WR)、曲線下面積(AUC)は、腎皮質でSP:3.3±1.1秒、PI:117.8±11、TTP:2.2±0.7秒、WR:75±7.5%、腎髄質でSP:7.3±2.2秒、PI:76.7±16.4、TTP:4.2±1.5、WR:84.7±6.4%であった。皮質の各測定項目の日差変動の変動係数(CV)は7.2-26.6%であり、中でもAUC(8.1%)とWR(7.2%)は良好な再現性を示した。髄質の各測定項目のCVは11.8-28.4%であり、いずれも皮質に比べ検査間変動が大きい傾向を認めた。以上の結果から各測定項目はある程度の検査間変動を認めるものの、臨床的に許容できるものと考えられた。腎疾患犬では、腎機能が重度に低下している症例では、皮質のSPの延長およびPI、AUCの低下、髄質のAUCの低下を認め、本検査が腎臓の血流評価に有用である可能性が示唆された。健常犬6頭に対し、各々3回の造影超音波検査を実施し正常所見を確立を試みた。Peak intensityはROIを設置する部位の深度に大きく依存するため、健常犬であっても超音波プローブの当て方次第で腎臓の描出深度が変化し、3回の検査でもばらつきが大きかった。何度が再検討が必要であったが、超音波プローブを当てる強さを調節しROI深度を一定に保つことで解決することができた。臨床例に糸球体濾過率(GFR)測定を実施する予定であったが、飼い主の同意が得られず症例の蓄積が困難であった。

25年度が最終年度であるため、記入しない。クレアチニン、尿タンパク/クレアチニン比、血圧から決定)を実施し、健常群とそれぞれのstageにおける造影超音波検査の結果を比較検討することとした。これによって臨床例の蓄積が容易になると考えている。
超短電子ビームによる高強度ラジアル偏光テラヘルツを用いた巨視的光ピンセットの開発

フォトカソードRF電子銃をベースとしたSバンド小型リニアックからの高輝度電子ビームを磁気パルス圧縮器を用いてキロアンペア級のピーク電流量まで圧縮し、ターゲットからのコヒーレント遷移放射により、ラジアル偏光テラヘルツ光を生成し観測した。直線光学系で集光し、ラジアル偏光特有のドーナッツプロファイルを確認した。集光点でのテラヘルツ光ピンセット実現のため、Z軸方向の電場に感度のある微細プローブを導入し、Z軸の電場強度を概算する目途が立った。今後のテラヘルツ光ピンセットとその応用の実現が期待できる。今年度は、産業技術総合研究所のSバンド小型リニアック施設において、磁気パルス圧縮器を用いてキロアンペア級のピーク電流値を持つ高輝度・超短パルス電子ビームを生成し、2種類のコヒーレント放射(誘電体チューブからのコヒーレント・チェレンコフ放射とコヒーレント遷移放射)により、ラジアル偏光テラヘルツ光生成を実施し、生成を確認した。同時に、ラジアル偏光テラヘルツを集光することで焦点付近が、径方向電場に感度のある検波器によって計測するとドーナツ状プロファイルになることが確認できた。また、検出器周りの問題が多々あることがわかり、次年度以降の光ピンセット実現のための対策検討を行った。産業技術総合研究所のSバンド小型リニアック施設において、フォトカソードRF電子銃からの高輝度電子ビームを磁気パルス圧縮器を用いてキロアンペア級のピーク電流量までパルス圧縮し、特にターゲットからのコヒーレント遷移放射により、ラジアル偏光テラヘルツ光を生成し観測した。これまで直線光学系により集光することでドーナッツプロファイルを確認していたが、放射ノイズ等のバックグラウンド軽減のため、オフアクシス集光光学系の構築を行った。更に、集光点でのテラヘルツ光ピンセット実現のため、Z軸方向の電場に感度のある微細プローブを導入し、Z軸の電場強度を概算する目途が立った。今後の実現が期待できる。本研究では、高出力のピーク強度を持つテラヘルツパルスを生成しているが、散乱パルスの多重回り込み等に起因する、もしくは、加速器による放射線ノイズや電磁ノイズが原因と思われるテラヘルツ検波器の多頻度故障があったため進捗が遅れてしまった。現在は散乱パルスを抑えるための対策等を検討している。工学次年度は、検波器の多頻度故障対策を実施し、ラジアル偏光テラヘルツ光を集光した際に生成されるZ偏光電場を用いたテラヘルツ光ピンセットの原理実証を行う。集光点ではポインティング・ベクトルがゼロとなるため、微粒子に対してP偏光成分のみの光が照射されることになり、粒子表面でのフレネル反射係数が小さくなる。そのため粒子の散乱力が低減し、電場勾配による光引力のみが作用する極めて効率の高い光ピンセットを実現できる。高出力のピーク強度を持つテラヘルツパルスを生成しているが、散乱パルスの多重回り込み等に起因する、もしくは、加速器による放射線ノイズや電磁ノイズが原因と思われるテラヘルツ検波器の多頻度故障があり、その原因を精査する必要があったため。また、加速器の不安定性による実験が計画通り行えなかったことにより、次年度使用額が生じた。次年度は、検波器の多頻度故障対策を実施し、ラジアル偏光テラヘルツ光を集光した際に生成されるZ偏光電場を用いたテラヘルツ光ピンセットの原理実証を行う。単色テラヘルツ光を用いる場合では、波長に応じた特定粒径の微粒子をピックアップ可能な光ピンセットとなることを実証する。広帯域テラヘルツ光を用いる場合では、集光点サイズが回折限界により波長依存があることを利用し、光放射圧の違いによって粒子径ごとに微粒子を整列させるテラヘルツ光クロマトグラフィの実験を行う。
金属酵素蛋白質の多元的構造と反応過程制御機構の精密解析

本研究課題による主な研究成果は以下の通りである。1)西洋わさびペルオキシターゼにおいて、そのヘム遠位側の系統的なアミノ酸置換により、触媒活性に必須の水素結合ネットワークを同定し、ペルオキシターゼ反応過程の精密な分子制御機構を解明した。2)ルミノール酸化活性が特異的に高いペルオキシターゼ(ARP)の結晶構造を明らかにし、基質との結合様式を明らかにした。また、このペルオキシターゼと過酸化水素との反応を時間分割共鳴ラマンスペクトルを用いて検討し、西洋わさびペルオキシターゼと比較することにより、基質特異性と反応機構の相関について考察を行った。3)牛心筋チトクロム酸化酵素と過酸化水素との反応を、高分解能の時間分解共鳴ラマンスペクトルで追跡することにより、いくつかの反応中間体を捕捉し、その構造を詳細に検討した。4)大腸菌末端酸化酵素における反応過程制御機構を系統的なアミノ酸置換より詳細に検討した。5)チトクロムcd1型亜硝酸還元酵素における電子移動速度をパルスラジオリシスにより追跡し、この酵素による亜硝酸還元反応の分子機構を明らかにした。6)フェレドキシンと亜硫酸還元酵素との相互作用部位をアミノ酸置換体を用いて推定した。7)亜硝酸還元酵素であるチトクロムP450norの結晶構造を明らかにし、亜硝酸の還元機構における分子メカニズムを明らかにした。8)チトクロムP450camとその電子供与体であるプチダレドキシンとの相互作用をEPRを用いて明らかにし、その電子伝達機構について検討した。ペルオキシターゼについては、森島らによる西洋わさびプルオキシターゼの部位特異的アミノ酸置換により、遠位ヒスチジン側の水素結合のネットワークによってヘム近傍の構造がペルオキシターゼ活性発現に最適化されていることが示された。一方、福山らのX線構造解析の結果から、従来、機能発現に必須であるとされながらも詳細が不明であった、カルシウムイオンの結合位置についての知見が得られた。ペルオキシターゼと共に代表的なヘム酵素であるチトクロムP450については、島田らによる非天然アミノ酸の部位特異的導入によって、酸素活性化に必要なヘムポケット内のプロトン伝達機構について検討が進められ、堀らはEPRを用いてチトクロムP450NO還元酵素のヘム近傍構造を詳細に検討、他のヘム蛋白質との比較を行った。チトクロムP450NO還元酵素に関連する酵素として、ヘム型及び非ヘム型の亜硝酸還元酵素について小林はパルスラジオリシスの実験から、その反応過程を解析した。ごく最近そのX線構造解析によって立体構造が明らかになったチトクロム酸化酵素については、茂木らが大腸菌の酵素に部位特異的アミノ酸置換を適用することにより、電子移動に伴うプロトンチャンネルの検討を行い、いくつかのアミノ酸残基の役割について明らかにすることができた。北川らは共鳴ラマンスペクトルを用いて、ウシ由来のチトクロム酸化酵素と過酸化水素の反応について中間体の構造、特にヘム鉄と過酸化水素の配位様式を中心に検討し、従来予想されていた中間体とは異なった構造の存在を提唱した。また、城らは最近、生体内の酸素センサーとして注目されているFixLについて、種々の分光法からそのヘム近傍構造についての検討を行った。さらに、非ヘムの金属酵素についても長谷らがフェレドキシンとその相互作用する酸化還元酵素との間の相互作用部位を系統的なアミノ酸置換で明らかにした。森島らは、今年度も昨年度に引き続き、いくつかのアミノ酸置換ミオグロビンを作製し、その配位子結合反応の圧力依存性を検討することによってヘムポケット内の疎水性が、配位子結合反応に重要な役割を果たしていることを示した。また、ルテニウム修飾亜鉛置換ミオグロビンの電子移動反応の圧力依存性から、従来注目されていなかった、電子伝達反応における蛋白質構造の熱揺らぎの効果についても明らかにした。ペルオキシターゼに関しては、福山らを中心にして、バクテリア由来のペルオキシターゼ(ARP)のX腺構造解析が、種々の基質存在下で行われ、その基質結合様式について多くの構造的知見が得られた。

北川らはARP反応中間体の共鳴ラマンスペクトルをはじめて観測することに成功し、その構造について検討を行った。長谷はいくつかのアミノ酸置換フェレドキシンを作製し、亜硫酸還元酵素との分子認識および電子伝達反応特性を明らかにした。茂木はいくつかのアミノ酸置換大腸菌ユビキノール酸化酵素を作製し、その反応機構、特に電子移動と基質認識についてのメカニズムを明らかにした。小林は亜硝酸還元酵素およびそのモデル化合物に対してパルスラジオリシス法を応用し、亜硝酸の還元反応機構について検討を行った。城は一酸化窒素還元酵素の立体構造をX線構造解析によって明らかにし、その構造を類縁のP450と比較を行い、両酵素の機能の相違の構造的要因を検討した。堀は、一酸化窒素結合型酸化型ミオグロビンの光解離中間体分子種のEPRを測定することにより、ヘム鉄と一酸化窒素との間の相互作用についての新たな方法論と不安定中間体について考察を行った。
脱ハロゲン酸素化酵素機能を発現する金属錯体の分子設計

申請者らは,最近世界に先駆けて機能モデル非ヘム鉄錯体により4-CI-および3-CI-カテコールの酸素化開裂反応を見いだした。本研究では,上記のようにハロゲン置換フェノールやカテコール類の脱ハロゲン酸素化開裂機能を有する非ヘム鉄錯体やその他の金属錯体の分子設計を行い,それらの錯体の構造解析,触媒機能を明確にすることにより,新規機能錯体を創設することができた。1.クロロカテコールジオキシゲナーゼ型酸素化機能を有する非ヘム鉄錯体の創製本研究のおいて,TPAのような4座配位の配位子が最も高い活性を示すことが明らかになった,2.クロロカテコールジオキシゲナーゼ型酸素化機能を有する非ヘム鉄以外の金属錯体の創製酵素類似にこだわらず非ヘム鉄以外で触媒活性を有する金属錯体の設計としてマンガン錯体が可能性を検討し。3,5-ブチルカテコールは酸素化開裂を受けることが明らかになった。3.ハロゲン置換芳香族炭化水素の脱ハロゲン分解機能を発現する金属錯体構造の解明ハロゲン置換芳香族炭化水素の脱ハロゲン分解機能を発現する非ヘム鉄錯体の構造についてX線吸収スペクトルやESRなどのスペクトロメーターなどの測定も行い,錯体の配位構造と電子状態について明らかにした。
エイズの動物モデル(ネコ免疫不全ウイルス感染ネコ)に関する基礎的研究

ネコにおいてネコ免疫不全ウイルスのCTLのエピトープとして報告されている部分のペプタイド2種類(J:17-residue 196-208plus 395-398:CAADK EILDESLKWK QR、Fel:17-residue 390-406:RAISSWKQRNRWEWRPD)を使用し、4種類の異なるハプロタイプのマウスに1回免疫と2回免疫を行い、どのハプロタイプのマウスにネコが認識するエピトープに対するCTLが誘導できるかを調べた。その結果、1回免疫では、H-2^dのハプロタイプを持つBALB/cにおいて2回の実験よりペプタイドFelにそれぞれ15.1%および42.3%の抗原特異的細胞障害性が見られた。また、H-2^kのハプロタイプを持つC3H/HeNにおいても3回の実験よりFelにそれぞれ9.7%、31.6%、および13.6%の抗原特異的細胞障害性が見られた。DBA/2(H-2^d)とC58BL/6(H-2^b)では全く抗原特異的細胞障害性は誘導されなかった。また、2回免疫では、C3H/HeNにおいてのみ、1回免疫では見られなかったペプタイドJに13.3%の抗原特異的細胞障害性が見られ、ペプタイドFelについても17.8%の抗原特異的細胞障害性が見られた。しかし、BALB/c、DBA/2、C57BL/6については抗原特異的細胞障害性は誘導されなかった。以上のことより、H-2^dおよびH-2^kのハプロタイプをもつマウスのMHC class Iがネコの認識するCTLエピトープを認識していると考えられた。このことは、ネコを用いてのエイズワクチン開発のネコのMHC class Iを考慮する上で参考になると考えられ、有意義なデータと考えられた。今回の実験では、ハプロタイプが異なる2匹のマウスでネコが認識するエピトープに対して抗原特異的細胞障害性を誘導することができた。しかし、1回免疫の場合と2回免疫の場合では認識されるCTLエピトープがなぜ違うのかはわからないが、今後の課題として、今回見られた細胞障害性細胞についてさらにAlloのtargetに対する反応を調べ、MHC class IのrestrictionおよびCD8+のCTLによる細胞障害性かどうかを確認し、FIVに特異的な細胞障害性の誘導ができたマウスBALB/cとC3H/HeNのMHC class Iのハプロタイプとネコが認識するCTLエピトープの組み合わせについて、さらに検討を加えていくことは重要である。
地殻水理環境の長期変動とその計測・予測技術に関する研究

本研究は、地殻内部の流体・物質移行を評価するための統合化された数値解析技術の開発を主たる目標としたもので、以下の研究成果を得た。(1)陸水系の包括的なモデル化を目的として、空気・水2成分2相流れの定式化、およびマニング型地表流と地下2相流れの結合を行った。(2)地下の物質移行問題を包括的に捉えるため、3成分3相系への拡張、および相間の物質移動(溶解、吸着・脱着)、拡散を含めた定式化を提案した。これにより水溶性物質移行から難溶性物質移行に至る広範囲の問題に対処できる。(3)多相流動と熱の移流拡散を結合し、多孔質体や割れ目中における熱流体流動の新たなモデルを提案した。(4)上記のモデルを組み込み汎用的3次元数値シミュレータを開発した。実フィールドにおける様々な問題に対処するため、種々の水文・水理現象・人工改変を表現するための入力機能、高速処理の方法を組み入れ、周辺ソフトウエアの作成を行った。(5)開発したシミュレータを使い、いくつかの数値ケーススタディ、実験を行い、基本的適用性の検討を行った。広域・長期の水理環境評価を目的として、いくつかのフィールドスケールシミュレーションを行い、ヒストリーマッチングや予測計算を行った。同時に、シミュレータの安定性、解の妥当性、データの操作性、計算速度、周辺プログラムとの親和性、などをチェックし、適用性の確認を行った。本年度の研究内容及び得られた結果は次の通りである。(1)文献調査地層流体中の化学種の移流拡散に関する文献として、地下水塩水化を扱ったもの、各種化学物質の吸着・イオン交換を扱ったもの、および既存数値手法に関するものを収集整理した。(2)三次元数値シミュレータの基本コード開発と適用(a)広域・長期の問題に対応できる三次元シミュレータの骨格として、地形、地層表現の自由な差分型手法の開発を行った。また、境界条件(地表の水文、気象条件、海面変動など)を任意の時点で変更出来るようにした。(b)水、空気、化学種の吸着、移流、分散を含む地殻流体系の定式化を行った。本研究においては、従来の移流拡散方程式を解くのではなく、相間に物質交換のある多相多成分系として定式化することで、様々な形の汚染問題を表現することが出来るようにした。(c)開発された基本コードは広域地下水問題に適用され、その適用性が確かめられた。化学種を含む移流拡散コードは2次元数値ケーススタディによって適用性を検討した。とくに、難溶性の物質が地下水と共に流れ沈降、溶解、拡散して行く過程を表現することが出来た。(3)物質移動パラメータの実験室計測および定式化流れにともなう化学種の分散の程度をみるため、塩水を使い、流速、流路長、流向などを変化させた1次元実験、2次元実験を行った。特に、流速による混合の変化、流向変化による混合領域の拡大の様子が観察された。また、実験結果を数値計算により再現することでバラメータの定量的検討を行った。本年度の研究内容、および得られた結果は次の通りである。(1)シミュレータ入出力系の作成、およびパ-フォーマンスチェックと改良前年度までに作成した多成分多相型統合水理シミュレータを様々な問題に適用し、プログラムコードの修正、挙動チェックを行い、適用性の改良(特に、大規模問題のデータ入出力関係の整備、3相流れにおける収束性の改良、数値分散の逓減手法)を行った。(2)岩石に対する化学種の吸着・脱着、濃度拡散に関する実験と定式化地下水中の溶質移動のモデル化の妥当性を検討するため、塩水による一次元実験を行った。特に、流速変化による機械的拡散(混合)の変化を計測し、その実験結果からシミュレータの再現性を確かめた。また、有機塩素系溶剤(トリクロロエタン)の多孔質体内2相移動に関し実験を行い、多相パラメータの定量化を図った。(3)実地域の地質、水文、物性データ収集、および広域水理モデルの作成とケーススタディ

例題となる地域の地質、水理、物性データを取得すると共に、実地域の三次元格子システムを作成し、メッシュポイントのデジタイズ、物性データ、河川・雨量データ、の用意を行った。本研究は、地殻内部の流体・物質移行を評価するための統合化された数値解析技術の開発を主たる目標としたもので、平成八年度には以下の研究成果を得た。(1)前年度までに開発された基本コードに新たに地表・地下の熱移動を表現するモデルをつけ加えた。このモデルでは、割れ目系岩盤を想定し、2成分(水と空気)の質量保存則、液相のエネルギー保存則、固相のエネルギー保存則を解き、地下の圧力、飽和率、液相温度、固相温度を別々に算出するものである。液・固相間の非平衡状態の熱交換は解析的に取り扱われている。結果としてこのモデルは、多孔質媒体中と割れ目系岩盤中の熱移動を包括的に表現するものとなっている。モデルの妥当性は実験室実験では確かめた。(2)統合型モデルの地表流の運動方程式として採用している近似式の精度、適合性に関して検討しその妥当性を確かめた。(3)シミュレータ全体の見直しを行い、特に入出力関係のプログラム整備を行った。(4)いくつかの実フィールドにおいて得られているデータを使い、地形・地層などを考慮した三次元シミュレーションを行った。計算結果と観測データとのヒストリーマッチング、および将来予測を行った。
高齢者・障害者転倒予防用感覚刺激型立位・歩行支援システム開発

高齢者のバランス能力低下は、筋力などの運動機能の衰えだけでなく、感覚機能の衰えによる姿勢制御への影響が指摘されている。本研究は、立位バランスに重要な立位時の高齢者の足趾・足底感覚を新型感覚検査機器で評価し、その評価に基づきバランス能力を改善するための最適な立位・歩行時の重心移動を足底へ振動感覚刺激で呈示する方法を確立し、加えて、転倒の危険を回避する注意喚起可能な感覚刺激内蔵型靴の開発研究を実施する。結果として、高齢者の姿勢の動揺を回復するうえで靴内振動刺激は特に、前後方向の動揺に効果を期待できる結果となった。本研究は、ヒトの立位バランスに重要な立位荷重時の足趾・足底感覚を新型感覚検査機器で評価し、その評価に基づき高齢者・障がい者のバランス能力を改善するための最適な立位・歩行時の重心移動を足底へ振動感覚刺激で呈示する方法を確立し、加えて、転倒の危険を回避する注意喚起可能な感覚刺激内蔵型靴の開発研究を実施する。平成22年度は振動装置による足底感覚評価および動的バランス能力評価のための床振動装置の製作を実施する。具体的課題は(1)振動刺激装置による足底感覚評価および(2)床揺動刺激装置の製作を実施した。(1)に関しては、振動子を用いて足底面に振動刺激を負荷することにより,健常若年者および高齢者の立位バランスに重要な足底面触圧覚機能を検証することを目的とした。本新型足底感覚検査機器は、小型扁平型振動モータを床面上に複数個配置することにより、足底の任意の部位にコンピュータ制御により振動触覚刺激を負荷することができる。振動子は片足あたり9個を使用し個々の振動子による刺激は独立に制御可能とした。振動子を足底母趾、第一五中足骨骨頭,踵部位に計9ヶ所配置し、各振動子の振動数は約100Hz、1回の振動刺激の継続時間を0.5secとした。被験者は立位および座位において、足底部配置の振動子によるランダム刺激を知覚できるか否かの二件法によりその正答率に関し統計処理を行った。被験者は健常若年者7名(平均年齢21.3歳)、高齢者5名(平均年齢66.2歳)とした。結果として、高齢者内および若年者内では踵の振動覚が立位時、座位時ともに他の部位に比べ感度が低下した。また、若年者に比べ高齢者は全ての部位で感覚が立位、座位ともに低下していた。(2)床振動刺激装置は構成としてサーボモータ式可動式台および外乱床振動刺激操作盤であり、仕様は1軸方向刺激、床可動範囲最大500mm、最大推力1000N程度、最大速度は2m/sとし製作した。来年度、動的立位バランス能力評価の指標として使用するため予備実験を行い、本装置の操作性、刺激精度、安全性などを検討した。以上、本年度研究目標は概ね達成された。平成23年は適切な振動刺激方法の検討のため靴底等の検討を行い試作し、床振動装置で動的条件下でのバランス能力の改善につながるかを以下の2項目を実施した。(1)振動刺激装置による触感覚刺激伝達度の検討:振動刺激装置と足底部の間に靴下や圧感覚刺激用突起シートなどを挟み、振動刺激の伝達増幅・減衰度を評価するため、靴型インソール式振動・圧センサシステムを製作した。また、昨年度の振動刺激による足底感覚検査をさらに詳細に検討した結果、振動周波数217Hz、0.5秒間の振動刺激を足底に与えた場合、足底の感覚は2点刺激よりも1点刺激の感度が高いこと、高齢になると感度が低下すること、高齢になると踵部分の感覚が低下することがわかった。これらの結果をもとに、特に高齢者に振動刺激で情報を呈示する場合、足底への振動刺激情報を伝えるには1点刺激が有効であること、また母趾や母趾球、小趾球など、足底の前部に刺激を入力するのが良いという結果を得た。(2)床揺動刺激装置による動的バランス能力評価:床揺動刺激装置を用いて、床振動刺激を加えたときの動的バランス能力を評価した。結果として、床振動外乱刺激への動的バランス方法として高齢者と若年者では筋活動、重心位置、各関節運動に特性を見いだした。特に、高齢者は足底部への感覚入力および視覚入力を撹乱する状況での床振動刺激に対する動的バランス能力(筋活動、重心変位、姿勢制御回復時間等)が顕著に低下した。なお、平成23年における被験者は総数、若年者10名以上、健康高齢者10名以上から分析データを収集した。以上の成果をふまえ、平成24年度は新型振動刺激内蔵型転倒防止靴の試作とその検証を実施する。平成24年度は振動刺激内蔵型靴を製作した。次に足底への振動刺激が立位バランスに与える影響を検証した。

本装置は、振動モータと圧力センサを組み込んだ振動モジュールおよびコントロールボックスから構成される。振動モジュールは床面、あるいは靴やサンダルなどの履物内の母趾、第一中足骨頭、第五中足骨頭、踵骨下に4箇所、左右で計8箇所に配置した。身体の動揺や重心位置の移動などによって、センサ毎の変換器に設定した圧力の上限値を超えると該当箇所の振動モータが回転し足裏に振動刺激を与えるシステムである。次に、本装置を用いて足底への振動刺激が立位バランスに与える影響を検証した。被験者は重篤な疾患・既往歴のない生活自立高齢者6名および健常若年者5名であった。手順は、電動プラットフォームを用いて、前後及び左右方向の並進外乱刺激を被験者に加えた。外乱強度は1.9秒間で0.18mの移動とした。立位時の感覚撹乱には足底感覚撹乱用のマットおよび視覚撹乱用ゴーグルを使用した。条件として、外乱前後左右4方向で4条件、振動有無の2条件、感覚撹乱有無の2条件の計16条件で実施した。分析項目は床反力計による足圧中心軌跡COPデータ、下肢筋活動、下肢関節運動を計測した。以上の分析項目に関して振動の有無での比較分析を行った。結果としてCOP復元時間について、若年者では前後外乱時の左右成分に振動あり条件で有意な短縮が見られた。高齢者では、前方外乱時に同様の結果が得られた。以上から、高齢者の姿勢の動揺を回復するうえで靴内振動刺激は、特に前後方向の動揺に効果を期待できる結果となった。今後は本件データを元に被験者を増やし、障碍者の立位・歩行支援へと展開したい。実験予定していた振動刺激装置による触感覚刺激伝達度の検討および床揺動刺激装置による動的バランス能力評価をおおむね実施でき、平成24年度での新型振動刺激内蔵型転倒防止靴に関する仕様に必要な情報を蓄積できた。25年度が最終年度であるため、記入しない。平成24年度での新型振動刺激内蔵型転倒防止靴を試作し検証する。このため、平成21, 22、23年度で得られた結果を基に、正常歩行での足底荷重時の重心移動を高齢者・障害者に最適な重心移動を振動刺激でガイドする方法、また転倒の危険のある重心移動を位置センサおよび圧センサで感知して振動刺激で注意喚起可能な刺激方法を検討し、新型振動刺激内蔵靴を試作する。被験者総人数に関しては予定する実験時期により高齢者、若年者の参加に若干の増減が生じる可能性がある。以上から平成24年度の研究計画に関しては大きな変更、問題点はない。
前立腺癌に対する外照射と小線源治療の３Ｄ線量統合による直腸障害閾値の算出

前立腺癌に対して小線源療法後に外照射を追加する併用放射線療法において、両治療法で直腸が被曝する線量を3次元的に統合してひとつの体積-線量ヒストグラム(DVH)に集約する方法を考案した。本併用療法を施行した症例の直腸出血の頻度とDVHを対比したところ、直腸のある線量-体積パラメータが直腸出血と相関することが証明された。本手法を用いれば個々の症例でばらつく小線源療法での直腸被曝線量に対応して外照射で許容され得る直腸線量を算出することが可能となり、併用療法の安全性向上に大きく寄与する。37の前立腺癌に対する小線源治療(BRT)後30日にCTを撮像し、BRTを再現して線量計算を行い(ポストプラン)同時に外照射(EBRT)の治療計画を立案した。ポストプランとEBRTのDICOM-RTファイルを取り出し物理線量を個別の計算式で生物学的等価線量(BED)に置換してDICOM-RTを書き換え、EBRT治療計画装置にもどした。各DICOM-RTを既存のモジュールを用いて3次元的に合算し直腸の線量-体積ヒストグラムをプロットし、被曝線量パラメータを算出した。治療後grade 2以上の直腸出血をおこした症例(出血群:5例)とおこさなかった症例(対照群:32例)とのあいだで各パラメータの平均値を比較し、出血群の比率が高くなるパラメータの閾値を求めた。いずれのパラメータにおいても対照群に比べて出血群の平均値が高く(p>0.05)、また、直腸が150Gy(BED)被曝する体積が1.2cc以上になると出血群の比率が高くなる(p<0.05)ことが示された。初年度に、異なる放射線治療モダリティの組み合わせ(前立腺癌に対する密封小線源永久挿入療法[BRT]後に外照射放射線治療[EBRT]を追加)において、BRTポストプランとEBRT照射計画(これらは同一のCT画像を用いて線量計算が行われる)のDICOM-RT物理線量を生物学的等価線量(BED)に置換して、両プランを3次元的に統合する方法を確立した。これによりBRT+EBRTによる直腸被曝線量を一元的な体積-線量ヒストグラム(DVH)の指標(rV100, rV150)で評価することが可能となった。次年度には当院でBRT+EBRTで治療した症例を用いて、rV100, rV150と治療後直腸出血の頻度とを対比し、rV150>1.2ccの場合に出血が有意に増加することを証明した。これらの成果は国内・外の学会で発表し、論文として掲載した。[研究成果]ヨウ素密封小線源永久挿入療法(BRT)と外照射放射線療法(EBRT)の合計線量-直腸体積ヒストグラム(Dose-Volume Histogram: DVH)をプロットする方法を確立した。BRTのプラン(30日後のポストプラン)とEBRTの照射プランのDICOM-RTファイルを用い、両者を一元的線量単位(生物学的等価線量:BED)に換算した上で3次元的に統合し線量-直腸体積ヒストグラム(Dose-Volume Histogram: BED-DVH)をプロットした。これによりBRTまたはEBRT単独治療の場合と同様に標準的な直腸線量指標(TG-43)を用いた解析が可能となった。[意義]高リスク前立腺癌に対してBRT後にEBRTを追加する併用療法(BRT+EBRT)が標準治療になりつつあるが、治療後に隣接する直腸粘膜から高率に出血する。そのためBRTでの直腸線量からEBRTの照射範囲から直腸の遮蔽範囲を段階的に調整する経験的戦略がとられてきたが、これは前立腺線量を低下させ治療効果を劣化させるリスクを内包している。本研究で直腸の合計線量閾値があきらかになれば、EBRTで許容される直腸線量を算出できる。近年登場した強度変調放射線治療(IMRT)は本併用療法のEBRTに適用されるようになってきたが、患者ごとに異なる直腸線量制約を用いてIMRTを施行することで個別の放射線治療最適化が図られる。DICOM-RTファイルを書き換えるプログラムを開発できたことで、線量率の異なる物理線量を単一のBED単位の3次元分布が得られ被曝線量の正確な比較が可能となった。本法により被曝線量と直腸出血との相関が示唆され、さらに出血を予防する閾値が得られた。本研究「方法」前段のBRTとEBRTの生物学的等価線量を3次元的に統合する課題を、in-house soft-wareを開発して解決し、当院で使用しているBRT、EBRT治療計画装置を用いて統合線量マップをプロット出来ることが確認できた。BRTポストプランの結果に基づいて直腸出血を回避するEBRTによる直腸線量の上限値(Max値)が算出される。

EBRTとして強度変調放射線治療(IMRT)を用いてMax値を線量制限に組み込みインバースプランを行う方法を確立する。BED合算線量による前立腺のDVHパラメータからPSA再発を予測する因子を探索する。当院で本併用療法を施行した症例のTG-43と治療後直腸出血の有無との相関を解析し、直腸出血を回避する合計線量閾値をあきらかにする。英文校正料、画像ファイルを保存するメディアの購入に用いる。医療統計ソフトウェアを購入して統計学的検定を行う。
クロロフィルa蛍光の高速動画像計測システムの開発と光合成電子伝達反応の診断

昨年度までに開発した共焦点三次元クロロフィルa蛍光高速動画像計測システムを用いて,シダ植物の孔辺細胞,表皮細胞,葉肉細胞内の葉緑体の光合成電子伝達の量子収率を比較した。これら3種の葉緑体はそれぞれ高さ方向の存在位置が異なるため,本システムによって初めて同時に立体画像としてとらえることが可能となった。その結果,葉肉細胞内の葉緑体,表皮の葉緑体,孔辺細胞の葉緑体の順に光合成電子伝達の量子収率が大きいことが明らかになった。また,クロロフィルa蛍光画像,熱赤外画像,PRI画像を,イメージングライダーを用いて構築した三次元データにテクスチャマッピングすることによって,植物個体の形状と各種パラメータの関係を解析することが可能となった。植物葉に,除草剤の一種であるバスタを塗布したところ,バスタによる光合成機能障害は,塗布葉の下位葉には見られず,上位葉のみに進行することが示唆された。また,このとき,熱赤外画像から,気孔閉鎖が確認された。しかしながら,PRI画像には変化は見られなかった。さらに,有用物質を産生する微細藻類の簡便かつ安定した計数および光合成活性の診断を行うため,自家蛍光を利用した。まず,励起光波長および蛍光波長を網羅的に分光する励起-蛍光マトリックス計測によって,微細藻の計数に適した波長を選択した。その結果,クロロフィル蛍光波長域において藻体濃度と蛍光強度が高い相関を示したため,クロロフィル蛍光画像計測システムを用い,一度に多サンプルの藻体濃度を計測できるようにした。また,このシステムを用いて,微細藻類の懸濁液のΦ_<PSII>画像を算出し,異なる光質下で培養された微細藻類の光合成活性の違いを見出した。クロロフィルa蛍光は,光合成生物から発せられる自家蛍光であり,光合成反応の状態を反映した強度変化を示すことが知られている。クロロフィル蛍光画像計測では,計測面において不均一な光合成活性の分布や障害の移行を調べることができる。本研究では,高速高感度カメラを用いることで,光合成電子伝達の初期反応を診断できるシステムを構築し,さらに,植物のクロロフィル濃度によらない計測手法の開発を行った。まず,高速高感度カメラを用いたクロロフィル蛍光画像計測システムの開発を行った。このシステムを用い,根から電子伝達阻害剤DCMUを吸収させたキュウリ葉を計測対象とし,光照射後の多層のクロロフィル蛍光強度変化であるO-J-I-P過程の画像解析を行った。その結果,葉脈周辺部では,O-J-I過程にクロロフィル蛍光強度の上昇が見られた(J<I=P)。従来のクロロフィル蛍光画像計測システムでは計測できないO-J過程を解析に加えることで,より詳細な光合成電子伝達反応の診断が可能となった。次に,クロロフィル濃度によらない計測手法の開発のため,飽和パルス法を用いた分光画像計測によるオゾン曝露されたヒマワリ葉の診断を行った。オゾン暴露後に葉面に可視害(ブリーチング)が認められたが,赤色蛍光画像(680nm)では可視害と対応しない光合成機能障害が確認され,遠赤色蛍光画像(740nm)では可視害に対応した不均一な蛍光パラメータの変化と不可視の光合成機能障害の両方が確認された。これは,赤色蛍光と遠赤色蛍光の再吸収率の違いによると考えられた。このことは,赤色および遠赤色蛍光計測結果の比較により,クロロフィル濃度が葉面に不均一な分布をしている場合でも,植物葉の光合成電子伝達に関する情報を抽出し,診断することができることを示唆していた。昨年度開発したクロロフィルa蛍光高速動画像計測システムを,ピエゾによる精密高速Zスキャン可能な共焦点顕微鏡システムに組み込んだことで,Z方向の蛍光スライス画像が高速で計測できるようになった。このことで,比較的変化の速い現象の3D蛍光画像構築が細胞レベルで可能となった。また,計測面における光強度を計測できるようにし,共焦点顕微鏡システムのレーザー光強度をNDフィルターによって制御したことで,クロロフィル蛍光計測における飽和パルス法の適用が可能となった。さらに,飽和パルス法における飽和パルス光照射時の飽和継続期間中に高速Zスキャンさせることで,飽和パルス法によって取得できるパラメータであるΦPSIIおよびNPQの3D画像の構築ができるようになった。このシステムを用いて,Z軸方向にずれのある孔辺細胞内のクロロフィルとその周辺の葉肉細胞内のクロロフィルのΦPSIIおよびNPQ画像の3D構築を行った。また,明期光条件を変えたときのこれらのパラメータを比較した。その結果,明期光強度が大きくなるほどΦPSIIは小さくなり,NPQは大きくなる傾向が見られた。これは,より強い光が照射されたときに熱放散活性が大きくなったことで,光合成電子伝達の量子収率が小さくなったためと考えられる。また,孔辺細胞内のクロロフィルのΦPSIIにくらべ,葉肉細胞内のクロロフィルのΦPSIIが常に大きかった。一方,NPQは両者に顕著な差は見られなかった。このことは,孔辺細胞内のクロロフィルと葉肉細胞内のクロロフィルの間に,受光様式の違いがあることを示唆していた。

その結果,葉肉細胞内の葉緑体,表皮の葉緑体,孔辺細胞の葉緑体の順に光合成電子伝達の量子収率が大きいことが明らかになった。また,クロロフィルa蛍光画像,熱赤外画像,PRI画像を,イメージングライダーを用いて構築した三次元データにテクスチャマッピングすることによって,植物個体の形状と各種パラメータの関係を解析することが可能となった。植物葉に,除草剤の一種であるバスタを塗布したところ,バスタによる光合成機能障害は,塗布葉の下位葉には見られず,上位葉のみに進行することが示唆された。また,このとき,熱赤外画像から,気孔閉鎖が確認された。しかしながら,PRI画像には変化は見られなかった。さらに,有用物質を産生する微細藻類の簡便かつ安定した計数および光合成活性の診断を行うため,自家蛍光を利用した。まず,励起光波長および蛍光波長を網羅的に分光する励起-蛍光マトリックス計測によって,微細藻の計数に適した波長を選択した。その結果,クロロフィル蛍光波長域において藻体濃度と蛍光強度が高い相関を示したため,クロロフィル蛍光画像計測システムを用い,一度に多サンプルの藻体濃度を計測できるようにした。また,このシステムを用いて,微細藻類の懸濁液のΦ_<PSII>画像を算出し,異なる光質下で培養された微細藻類の光合成活性の違いを見出した。
極微小な機能性磁性粒子による新しいガン治療法の開発

1.本研究により作製された機能性磁性微粒子(マグネットリポソ-ム)の高周波磁場中での発熱特性を調べるため、生体模擬材料(ファントム)を用いて発熱実験を行った。ファントムには4%寒天ゲルブロックを用い、ブロックの中心の発熱部位(癌組織)に6.0mg/mlのマグネトリポソ-ムを共存させた。出力は240V、6.6A、周波数232kHz、磁場100Gaussで行った。定常状態の温度分布から発熱部位の発熱量を計算したところ45600W/m^3、マグネトリポソ-ム1gあたり108cal/minであった。この値は先に報告した別の方法で求めた値(200Gaussで150cal/min・g)と比較して妥当であると言える。この値を用いて、癌治療のコンピュ-タ-シミュレ-ションを二次元非定常熱伝導方程式を用いて行った。その結果患部の昇温には患部血流量と腫瘍のサイズが大きく影響することがわかった。例えば2cm角の脳腫瘍を42°C以上に保つためには、腫瘍内に6.0mg/mlのマグネトリポソ-ムを送り込み、200Gauss、500kHz程度の磁場が必要となることがわかった。2.マグネトリポソ-ムの培養癌細胞への吸着およびその取り込みについて調べた。細胞にはヒト大腸癌細胞株BM314を用い、マグネトリポソ-ムに固定化する抗体としてerbBー2産物に特異的に吸着するマウスモノクロ-ナル抗体を用いた。細胞を37°Cでマグネトリポソ-ムを培地に加え培養後、細胞をグルタルアルデヒドにより固定し、電子顕微鏡観察及び元素分析を行った。その結果、細胞表面に吸着、貧食作用により細胞内に取り込まれていることを確認した。