hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
磁気的手法によるアルツハイマー病治療の基礎的研究

先ず、体内に自然に存在するナノ粒子蛋白系である鉄の貯蔵蛋白質フェリチンに対する交流磁場の影響について、磁場印加により、鉄イオンの取り込みと放出の割合が影響を受けるということ、その原因として、磁気ナノ粒子と周りの蛋白質との間に明らかな相互作用が存在するということを見出した。なお、この実験では、通常の鉄イオン濃度の100倍の濃度のサンプルを用いており、通常のフェリチンの鉄イオン溶液での磁場印加による健康影響のリスクはない。次に、磁気ナノ粒子のコロイド溶液が数μg/mlの低い濃度でも可視光領域で蛍光発光を示すことを観測した。蛍光分光でナノ粒子水分子動的挙動のサイズを測定した。すなわち、βアミロイドへのナノ粒子の結合による機能化の判定や蛍光分光での測定限界内での社凝固サイズの決定を行った。磁気ナノ粒子はアミロイド凝固とリンクすることが出来るということで、このことは、アミロイド沈着を大いに促進させてMRIで検出できるということを意味している。この実験はin-vitro系で行われたが、磁気ナノ粒子は生物学的に無害であり、サイズは脳・血液関門より小さいから患者への拡張も可能である。更に、磁場印加群と対照群において、βシートアミロイド沈着の形成を比較した。すなわち、アミロイド溶液の赤外分光で、磁場印加の磁気ナノ粒子の群と、磁気ナノ粒子を含まない場合か、磁気ナノ粒子を含んだのもで磁場印加がない場合の群とを比較した。半定量的分析で、βシート領域のアミデピークのIR(Infra Red)信号での比較とαまたはアミロイドのランダム分布を比較した。その結果、磁気ナノ粒子と結合したアミロイドシートに交流磁場を印加したアミロイド溶液が赤外分光スペクトルのβシート領域でピークが小さくなることを見出した。このことは的本実験系で、予測通りに、交流磁場印加により、凝固の割合が減少したことを意味している。立体構造が不完全な蛋白質の凝集化は鉄イオンによって触媒されるが、これはアルツハイマー病をはじめとする多くの精神異常に共通してみられる現象である。鉄イオンは脳の組織内に貯蔵され、蛋白質を捕捉する(フェリチン)。我々はマウス胎児由来の皮質ニューロンにおける蛋白質繊維のin vitro凝集ダイナミクスを研究した。フェリチンを含む培養細胞に、周波数が1MHzで強度が30uTのRF磁場を印加した。磁場はヘルムヘルツコイルと交流電源により発生させた。フェリチンの分子構造と細胞間媒質に与える磁場の影響は、フーリエ変換近赤外分光計により1cm^<-1>の分解能でアミド領域を分析した。鉄イオンの吸収と蛋白質からの放出は吸光度、蛍光強度、蛍光偏光度により、蛍光光度計を用いて1nmの波長分解能で測定した。その結果、蛋白質にRF磁場を印加することによって、鉄イオンがフェリチンから細胞媒質へ放出され、フリーラジカル生成が促進されることで精神異常のリスクが高まることが明らかになった。さらに我々は鉄イオンが飽和したフェリチンとともに細胞を培養し磁場を印加することで、アルツハイマー病やパーキンソン病に共通して見られる蛋白質繊維の凝集体が形成されることを見い出した。この蛋白質繊維は数umの長さと約1umの幅をもち、細胞間媒質で発達することにより細胞寿命を短縮させる。以上の結果はRF磁場と生体分子の相互作用の新たなメカニズムを明らかにするもので、神経縮退性疾患の研究において顕著な意義を有する。次の3項目に焦点を当てて研究を行った。(1)高周波RF磁場のフェリチンへの作用機構、(2)アルツハイマー病の治療を目的として、アミロイド蛋白沈着過程、すなわち、アミロイドーシス過程に対する磁気ナノ粒子とRF磁場の影響、それに、(3)磁気ナノ粒子を蛍光イメージングに応用する基礎研究である。(1)については、鉄キレートのフェロジンを介して鉄貯蔵蛋白フェリチンからの鉄の放出とフェリチンへの鉄の取り込みが、1MHz、30μTのRF磁場により、1/3倍変化することを見出した。この効果は、RF磁場の周波数と振幅の積に依存して変化すること、また、6-ハイドロキシ・ドーパミンなどの鉄還元剤により消失すること、更に、フェロジンが通過するゲートの周りの分子の電荷の分布が負の場合は、鉄の放出がRF磁場により1/3に減少するが、電荷が中性になると1.3倍に増加することを明らかにした。すなわち、RF磁場の効果はフェロジンが通過するゲートの周りの分子の電荷分布の変化によるものであると考えられる。(2)システインとペプチドブレーカiAβ5を磁気ナノ粒子に結合させて、その機能をFe-O波長帯(1000-2000cm^<-1>)でのフーリエ変換近赤外分光法により評価した。しかし、Aβ1-40の凝固が少なすぎて、評価することが出来なかった。この問題を解決するために、迅速な凝固速度を有するトリフルオロアセチルパウダーのAβ1-42アミロイドとHClパウダーのAβ1-40アミロイドのサンプルを入手した。(3)磁気ナノ粒子の蛍光イメージングでは、磁気ナノ粒子が390nmでの最大吸光と460nmでの最大エミッションを持つ可視光帯の蛍光特性がイメージングに応用できることを明らかにした。蛍光の寿命は8μSと250μSであり、これらは、nsオーダの寿命の化学蛍光に比べて十分長い。先ず、体内に自然に存在するナノ粒子蛋白系である鉄の貯蔵蛋白質

フェリチンに対する交流磁場の影響について、磁場印加により、鉄イオンの取り込みと放出の割合が影響を受けるということ、その原因として、磁気ナノ粒子と周りの蛋白質との間に明らかな相互作用が存在するということを見出した。なお、この実験では、通常の鉄イオン濃度の100倍の濃度のサンプルを用いており、通常のフェリチンの鉄イオン溶液での磁場印加による健康影響のリスクはない。次に、磁気ナノ粒子のコロイド溶液が数μg/mlの低い濃度でも可視光領域で蛍光発光を示すことを観測した。蛍光分光でナノ粒子水分子動的挙動のサイズを測定した。すなわち、βアミロイドへのナノ粒子の結合による機能化の判定や蛍光分光での測定限界内での社凝固サイズの決定を行った。磁気ナノ粒子はアミロイド凝固とリンクすることが出来るということで、このことは、アミロイド沈着を大いに促進させてMRIで検出できるということを意味している。この実験はin-vitro系で行われたが、磁気ナノ粒子は生物学的に無害であり、サイズは脳・血液関門より小さいから患者への拡張も可能である。更に、磁場印加群と対照群において、βシートアミロイド沈着の形成を比較した。すなわち、アミロイド溶液の赤外分光で、磁場印加の磁気ナノ粒子の群と、磁気ナノ粒子を含まない場合か、磁気ナノ粒子を含んだのもで磁場印加がない場合の群とを比較した。半定量的分析で、βシート領域のアミデピークのIR(Infra Red)信号での比較とαまたはアミロイドのランダム分布を比較した。その結果、磁気ナノ粒子と結合したアミロイドシートに交流磁場を印加したアミロイド溶液が赤外分光スペクトルのβシート領域でピークが小さくなることを見出した。このことは的本実験系で、予測通りに、交流磁場印加により、凝固の割合が減少したことを意味している。
イオンビームを利用したフォトレジストレス磁性ナノパターニング法の開発

鉄ロジウム合金に、いろいろな形状の高エネルギーイオンマイクロビームを照射して、その後、放射光光電子顕微鏡(PEEM)や磁気力顕微鏡(MFM)により、試料表面の磁性構造を観察した。その結果、ミクロンメートルスケールの強磁性、反強磁性、常磁性状態からなる2次元微細磁気パターンの作製に成功したことがわかった。また、クラスターイオンビームを用いることにより、鉄ロジウム合金の、より効率的な磁性改質ができることが、XMCDやSQUID測定により明らかになった。イオンスパッタ装置を用いて作成したFeRh薄膜を、原子力機構高崎の軽イオン(H,He)マイクロビームを用いて、いろいろなマイクロメートルスケールのパターンで照射を行った。昨年行った重イオンマイクロビームに比べ、ビームが安定しており、より良好な照射が可能であった。照射した試料は、大型放射光施設SPring8においてXMCDーPEEM観察を行った。その結果、反強磁性領域の一部に、強磁性を示すマイクロメートルスケールのドットパターン、幅1ミクロンm程度のラインパターン、"FeRh"といった曲線部を含んだ文字パターンを描くことに成功した。さらに、このマイクロメートルスケールの強磁性パターンを「その場」熱処理を行うことにより、もとの反強磁性に回復する現象もとらえた。熱処理による磁性の回復は、強磁性領域の大きさに依存することも見出された。イオン照射による磁性改質に加え、24年度は、イオン照射によるFeRhの結晶構造変化を調べる実験も行った。この実験には、結晶構造がより明確に定まっているバルク結晶を用いた。バルク結晶を高エネルギーイオン照射することにより、本来は融点直下でしか現れないFCC構造(A1相)が出現すること、そして、相図に存在しないL10相が常温常圧で発現することも見出された。前者は、イオン照射によるサーマルスパイクがもたらした現象、後者は、イオン照射による高応力がもたらした現象であると考えられる。これらイオン照射による結晶構造変態は、磁性変態のメカニズムを考えるうえで重要な知見である。イオンビームでFCC構造を発現させ非磁性に変化した試料をGeV領域の高速イオンで照射する実験も試みたが、今のところ、GeVイオンによる高励起反応場が磁性を回復するまでには至っていない。実験条件のさらなる最適化が必要であると思われる。イオンスパッタ法により作成したFeRh薄膜、およびインゴットから切り出したFeRhバルク試料の磁性のイオン照射効果を引き続き実施した。バルク試料に関しては、高エネルギー軽イオン(H,He)照射による深部磁性改質を試みた。SQUD磁束計による磁化測定とTRIM計算により、試料表面から約10マイクロmの深さに幅1μm程度の強磁性領域の発現を確認した。現在、磁化の深さ方向依存性に関して、MFM顕微鏡を用いて確認中である。また、イオンビームによる磁性変化をより効果的に行うため、FeRh薄膜試料において、単原子イオンでなく、原子が数個集合した高エネルギークラスターイオンを用いる照射実験も試みた。その結果、おなじ総エネルギー付与で比較しても、クラスターイオンを照射したほうが、単原子イオンを照射した場合より大きな磁化が得られ、また結晶配列の乱れを定量的に示す規則度も、クラスタービームのほうが大きく低下することも判明した。これは、結晶格子の乱れと強磁性発現が直接的な相関を持つことを示した重要な結果である。さらに、イオン照射による結晶構造変態により、FeRhバルク試料の硬度も系統的に変化することも見出した。高真空イオンスパッタリング装置を用いて、膜厚約100ナノmのFeRh薄膜をMgO基板上に作成した。作成膜をX線回折とSQUIDで評価した結果、B2構造のc軸配向膜でほぼ反強磁性であった。この膜を、原子力機構(高崎)のマイクロイオンビームシステムを用いて10MeVのヨウ素イオン照射を行った。マイクロビームの大きさは10マイクロm角から2マイクロm角であった。マイクロビーム照射を行った試料表面の2次元磁性パターンを磁気力顕微鏡(MFM)および大型放射光施設SPring8における光電子顕微鏡(PEEM)を用いて評価した。その結果、イオン照射した微少領域のみが強磁性に変化しており、その領域の磁化方向は、ほぼ膜面内に存在することが分かった。さらに表面磁性を放射光磁気円2色性(XMCD)で評価した結果、鉄由来の3dバンドが照射誘起強磁性に大きく寄与していることが分かった。重要なことは、照射した領域と未照射領域の境界がきわめてクリアに形成されている点であり、パターンドメディア作成に向けての1つの重要な点がクリアされた。さらに微細な2次元磁気パターンを作成すべく、30keV集束ガリウムイオン照射を試みた。その結果、1ミクロンmを切る微少磁気パターンの作成に成功した。次に、照射後の熱処理により、イオンビームで誘起された磁性状態がどのように変化するかを調べる実験を実施した。

300-400度C程度の熱処理により、照射によって生じた強磁性状態は反強磁性へと回復し、照射によって結晶性が乱れ、常磁性になってしまった状態が、旧磁性状態を経て反強磁性に戻るといった現象も見出された。これらの実験結果は、高速重イオンの熱スパイクによりナノスケールの磁性パターンを作成する上での重要な基礎的知見を与えるものである。FeRh中にマイクロメートルスケールの磁気パターンを形成することを目標に研究を進めてきた。前年度の集束ビーム照射に加えて、高エネルギーマイクロビームでの微細磁気パターニングが自在にできるようになったことは大きな進展である。また、磁性の変化と大きく関係していると思われる結晶構造変化とイオン照射との関連が明らかになりつつあるのも大きな進展である。研究成果に関する論文や国際学会発表も数多く行われており、本研究はおおむね順調に進展している、といえる。当初、磁気パターンの大きさを数ミクロンm程度を目標に研究を進めてきたが、集束イオンビーム照射などを用いて、1マイクロmを切るような微少磁気パターンの作成に成功したため、当初の計画以上に進展していると言える。また、マイクロイオンビームによる磁気状態が、SPring8での光電子顕微鏡(PEEM)によって非常にクリアに観測できたことも、想定以上の結果であると言える。さらに、照射して常磁性に変化した試料の磁性が、熱処理によって系統的に強磁性、反強磁性と変化する様子をとらえられたことも、今後の研究の展開を考えると、大変意義深いことである。まず、低いエネルギーのイオン照射でFeRhを非磁性化し、それをGeVイオンなどの高速イオンがもたらす高密度電子励起によるサーマルスパイク現象を用いて強磁性化、あるいは反強磁性化する実験を、実験条件を最適化して実施する。その後、高速イオンによる1次元ナノスケールトラック領域が強磁性あるいは反強磁性になっているかどうかを、結晶構造変化も含め、磁気力顕微鏡、放射光PEEM、EXAFS、XMCD,SQUIDによる磁化の磁場方向依存性などの手段を用いて確認する。25年度は最終年度であるので、得られた成果を、今まで以上に積極的に国内外の学会でアピールし、順次、論文にもまとめていく。まず、高速イオンによる高密度電子励起効果(スパイク効果)をマクロに見るため、低エネルギーイオン照射してFeRh試料全体を常磁性状態にしたあと、高速重イオンを照射し、SQUIDによる磁化測定から、高速重イオンによるスパイク効果が、熱処理と同じような磁性変化、すなわち、常磁性を強磁性に変化させることができるかどうかを、SQUID磁束計を用いて評価する。スパイク効果によるアニール効果が最も効果的に発現するために、イオン種、エネルギーといった照射パラメータの最適化を図る。最適な照射パラメータが決定できたら、その条件を用いて、重イオンのスパイク効果を用いた1次元磁性トラック形成にチャレンジする。1次元トラックの形成の確認は、外部磁場方向を変化してSQUID信号をとったり、MFM観察により行う。
原発性限局性皮膚アミロイドーシスにおけるアポリポ蛋白E代謝異常の研究

原発性限局性皮膚アミロイドーシスの病変部組織にアポリポ蛋白E(アポE)とその分解産物が存在することが明らかになっている。その病変部に存在するアポEとその分解産物がどのように形成、沈着するかを明らかにすることが疾患の原因解明と治療に役立つと考え、次の検討を行った。1.病変部組織に存在するアポE分解産物のアミノ酸配列の解析アミロイドの存在する病変部から抽出したアミロイド蛋白を、SDS-ポリアクリルアミドゲル電気泳動後、PVDF膜にブロッティングした。アミドブラックで染色し、目的とする相対分子量14Kのところを切り取り、気相式プロテインシーケンサーABI-470Aでアミノ酸配列の決定を行った。結果:得られたアミロイド蛋白の純度が低く確定はできないが、14KのアポE分解産物はN末から166番目で切れたC末端ペプチドの可能性が考えられた。2.アポE分解産物の形成機序についての研究14KのアポE分解産物産物がどのように形成されるのか、血漿中に存在するアポEの経時的変化を調べた。健常者から採取した血漿を4°Cで保存し、1ヶ月、6ヶ月で生じるアポE分解産物の量をSDS-ポリアクリルアミドゲル電気泳動後、イムノブロッティングを行い検討した。また、アポEの酸化修飾の影響も調べるため、窒素充填の有無で同様に検討した。結果:採血直後では14KのアポE分解産物産物は確認されなかったが、1ヶ月後では、分解産物産物が出現し、6ヶ月後ではその量が増加した。アポE分解産物産物形成への窒素による影響は認められなかった。アポEは血漿中の成分(酵素)によって分解されることが示唆された。よって、アポEが病変部に沈着し、その後分解される可能性が考えられた。1.原発性限局性皮膚アミロイドーシス患者の病変部より、トリフルオロ酢酸、アセトニトリルを用い、アミロイド蛋白を抽出した。抽出したアミロイド蛋白にアポリポ蛋白E(アポE)が存在していることを、SDS-ポリアクリルアミド電気泳動(SDS-PAGE)、イムノブロット法で確認した。2.原発性限局性皮膚アミロイドーシス患者と健常者とで、血中に存在するアポEに差異があるかどうかを検討するため、患者及び健常者の新鮮血漿中アポEをSDS-PAGE、イムノブロット法を用いて分析した。3.時間経過によって、血漿中にアポEフラグメントが形成される可能性があることを同様の方法で確認した。以上が今年度の研究実績の概要である。次年度は、アミロイド沈着部に存在するアポEがどのように形成、沈着していくのかを明らかにするため、さらに研究を行っていく予定である。
高分散高担持貴金属ナノ粒子触媒による選択的水素化反応

本研究では、まず触媒調製法を確立し、しかるのちに実用触媒としての試験研究を行った。平成12年度は、溶液からの担体粒子への選択的析出手法の確立を目的として、溶液から担体粒子表面に貴金属ナノ粒子(Ru, Rh, Pd, Ir, Pt)を選択析出させる手法の開発研究を行った。すなわち、まず主にpH制御によって、各貴金属(Ru, Rh, Pd, Ir, Pt)酸化物あるいは水酸化物を担体粒子表面上に選択析出させるための前駆錯体を生成させ、次に、担体(単分散チタニア粒子、ヘマタイト粒子、シリカ粒子など)をよく分散させ経時させることにより、選択的に担体粒子上に各貴金属の(水)酸化物を析出させた。最後に、水素還元を施して、貴金属ナノ粒子を得た。そこで、平成13年度は12年度実績に基づき、触媒としての応用研究を重点的に行った。まず、CO水素化触媒として確立するために、水素化活性の比較と向上を行った。つまり、調製した触媒の活性試験として、まず1-オクテンの水素化反応を行い、水素化速度を比較し、調製法の効果を明らかにした。次に、選択性の比較と向上に関する研究を行った。多孔性担体とは違って、細孔の発達していない担体粒子を用いている長所を考慮に入れて、逐次反応の選択性制御の例として、ベンゼンの水素化によるシクロヘキセンの生成反応についても同様に行い、単分散チタニア粒子上に担持したPt触媒の活性・選択性試験を行った。最後に、CO水素化反応触媒として応用するために、高圧固定床流通式反応器を用いて、CO水素化反応を行ったところ、含酸素化合物合成に高い活性を有することがわかった。平成12年度は次のような2点を目的に研究を推進した。1.溶液からの担体粒子への選択的析出まず、(1)(3)の手順で、溶液から担体粒子表面に貴金属ナノ粒子(Ru,Rh,Pd,Ir,Pt)を選択析出させる手法を行った。(1)溶液中に前駆錯体を生成各貴金属(Ru,Rh,Pd,Ir,Pt)酸化物あるいは水酸化物を担体粒子表面上に選択析出させるため、その前駆錯体を生成することが必要である。そのため、溶液のpHの制御や、配位子の添加を行った。(2)前駆(水)酸化物の選択析出よく定義された担体粒子(単分散チタニア粒子、ヘマタイト粒子、シリカ粒子など)を用いた。上記前駆錯体を含む溶液によく分散させ、温度を上げて経時させることにより、選択的に担体粒子上に、各貴金属の(水)酸化物を析出させる手法を探索し、担体粒子とは離れて存在させないような反応条件を確立した。(3)貴金属ナノ粒子の調製水素還元条件を探索して、最終的に貴金属ナノ粒子を得た。還元中に凝集、凝結を起こさないような反応条件を確立した。2.水素化反応用触媒としての利用同時に、調製した触媒の活性・選択性試験として、1-オクテンの水素化反応実験を実施した。まず、活性について調べた。具体的には、次のように行った。調製した触媒の活性試験として、1-オクテンの水素化反応を行い、水素化速度を比較し、調製法の効果について、既存の手法であるイオン交換法や含浸法との調製手法と対比させながら、明らかにした。次年度はこれらの結果を踏まえ、より高活性・高選択性触媒の開発をめざして、研究を続行するつもりである。平成13年度は12年度実績に基づき、触媒としての応用研究を重点的に行った。具体的には次の通りである。

1.溶液からの担体粒子への選択的析出下記のような手順で、溶液から担体粒子表面に貴金属ナノ粒子(Ru,Rh,Pd,Ir,Pt)を選択析出させる手法の開発研究を行った。(1)溶液中に前駆錯体を生成主にpH制御によって、各貴金属(Ru,Rh,Pd,Ir,pt)酸化物あるいは水酸化物を担体粒子表面上に選択析出させるための前駆錯体を生成させた。(2)前駆(水)酸化物の選択析出担体(単分散チタニア粒子、ヘマタイト粒子、シリカ粒子など)をよく分散させ経時させることにより、選択的に担体粒子上に各貴金属の(水)酸化物を析出させた。(3)貴金属ナノ粒子の調製水素還元を施して、貴金属ナノ粒子を得た。2.CO水素化触媒として確立(1)水素化活性の比較と向上調整した触媒の活性試験として、まず1-オクテンの水素化反応を行い、水素化速度を比較し、調製法の効果を明らかにした。(2)選択性の比較と向上多孔性担体とは違って、細孔の発達していない担体粒子を用いている長所を考慮に入れて、逐次反応の選択性制御の例として、ベンゼンの水素化によるシクロヘキセンの生成反応についても同様に行った。(3)CO水素化反応触媒として応用最終的に触媒の実用化を目指して、CO水素化反応を行った。
衝撃的外力により損傷した鉄筋コンクリート部材の耐衝撃性向上法に関する研究

本研究では,衝撃的外力により損傷した鉄筋コンクリート(RC)部材の耐衝撃性向上法の確立を目的に,連続繊維(FRP)シート接着工法に着目し,その耐衝撃性向上効果を検討した.実験は,緩衝材の有無,シート補強の有無,損傷載荷レベルなどを変化させて行った.その結果,1)衝撃的外力により損傷したRC梁の耐衝撃性は,FRPシート接着工法により向上可能である,2) RC梁の載荷点変位は,補強の有無や損傷の有無によらず,重錘落下による入力エネルギーの増加に比例して増大することなどが明らかになった.連続繊維シートで曲げ補強したRC梁の耐衝撃性改善策の提案を目的として,目付量の大きいアラミド繊維(AFRP)シートやポリエチレンテレフタレート(PFRP)シートを併用して補強したRC梁の衝撃載荷実験を行った.試験体の形状寸法(梁幅×梁高×スパン長)は200×250×3,000 mmであり,軸方向鉄筋は上下端にそれぞれD19を各2本配置した.また,せん断補強筋にはD10を用い,100 mm間隔で配筋している.AFRPシートは,梁底面の補強範囲にブラスト処理を施した後,エポキシ系含浸接着樹脂を用いて接着した.PFRPシートを用いる場合には,PFRPシートを接着した後,目付量415 g/m2のAFRPシートを接着した.本実験の測定項目は,重錘衝撃力と支点反力,スパン中央点変位およびシート各点の軸方向ひずみである.また,実験時には,RC梁のひび割れやFRPシートの剥離および破断状況を高速度カメラを用いて連続的に撮影した.実験の結果,1) AFRPシートで曲げ補強することによりRC梁の変形量やシート破断を抑制可能であり,その効果はシート目付量が大きい場合ほど高い;2)シート目付量を大きくすることにより,AFRPシート曲げ補強RC梁の載荷点近傍におけるせん断コーン発生領域が拡大する.これにより,シートの局所的なひずみの増大が抑制され,シート破断しなかったものと考えられる;PFRPシートを併用する場合には,AFRPシートの部分破断を伴うもののシートの完全破断を抑制可能であることなどが明らかになった.本研究では,衝撃荷重の作用により損傷したRC部材の合理的な耐衝撃性向上法として,アラミド繊維製連続繊維(以後,AFRP)シート接着工法を提案し,その効果を敷砂緩衝材を設置した扁平RC梁の重錘落下衝撃実験により検討した.試験体の形状寸法は,実ロックシェッド頂版部の1/4程度の縮尺とした.すなわち,梁幅×梁高×長さは,450×150×2,400 mmであり,軸方向鉄筋は上下縁にそれぞれD13を4本ずつ配置した.また,スターラップおよび中間帯筋には,D6を用い150 mm間隔で配置した.敷砂厚は,400 mmとした.AFRPシート接着前の衝撃荷重載荷は,残留変位が純スパン長の0.5, 1および2 %程度となる落下高さで作用させた.なお,AFRPシートは,梁底面に補強範囲にブラスト処理を施した後,エポキシ系含浸接着樹脂を用いて接着した.測定項目は,重錘衝撃力,支点反力,載荷点変位,およびAFRPシートの軸方向ひずみ分布である.実験の結果, 1)残留変位がスパンの2 %程度の損傷を有する場合においてもAFRPシート曲げ補強によって,扁平RC梁の耐衝撃性を向上可能であること, 2) AFRPシート補強した扁平RC梁は,シートの部分剥離を伴い,上縁コンクリートが圧壊して終局に至ること, 3)重錘落下高さが大きい場合には,損傷の有無がひび割れ性状やシートの剥離性状に大きな影響を及ぼす傾向にあること,などが明らかになった。平成27年度の研究では,衝撃荷重により損傷を受けたRC梁に対してもAFRPシート接着工法により,その耐衝撃性を向上可能であることが明らかになった.損傷レベルは,1)主鉄筋が降伏せず残留変位をほとんど生じない(使用限界状態相当)レベル,2)主鉄筋は降伏するものの上縁コンクリートの圧壊には至っていない(修復限界状態相当)レベル,3)主鉄筋が降伏し上縁コンクリートも圧壊する(終局限界状態)レベルを設定した.衝撃荷重載荷実験の結果,上記の修復限界状態のみならず,終局限界状態相当の損傷レベルにおいても,AFRPシート接着工法により,耐衝撃性を向上可能であることが明らかになった.ただし,事前載荷による損傷度合いが大きい場合や,補強後の重錘落下高さが大きい場合には,AFRPシートは破断しないものの,部分剥離が生じることを,シートの軸方向ひずみ分布の経時変化から明らかにした.これらの研究成果や関連する成果は,土木学会構造工学論文集やコンクリート工学会年次論文に投稿済みである.本研究では,損傷度の異なる扁平RC梁を対象にアラミド製連続繊維(AFRP)シート曲げ補強による耐衝撃性向上効果を検討することを目的として,重錘衝突による損傷度,AFRPシート補強の有無,重錘落下高さなどを変化させた重錘落下衝撃実験を行った.試験体の形状寸法は,実RCロックシェッド頂版部の1/4程度の縮尺とした.研究の結果,以下のことが明らかになった:1)シート補強前における損傷載荷時に上縁コンクリートが圧壊する程度まで損傷した場合においても,シート接着による扁平RC梁の耐衝撃性向上効果を期待できる.ただし,緩衝材なしで損傷載荷している場合には,応答変位が多少大きくなる;

2)衝撃載荷時におけるひび割れ分布は,シート補強前の損傷がある場合には,ひび割れが載荷点近傍に集中する傾向にある.なお,ひび割れ注入により補修された初期ひび割れの衝撃載荷による開口は見られないことより,ひび割れ注入はひび割れ開口に伴うシート剥離や破断の抑制に寄与したものと考えられる;3) RC梁の最大変位は,補強の有無によらず入力エネルギーの増加に伴って線形に増加する.緩衝材がある場合の増加勾配は,緩衝材がない場合の増加勾配よりも小さくなる傾向にあり,さらにシート補強することによりその増加勾配は大幅に低減される.ただし,衝撃荷重により損傷したRC梁を補強する場合には,最大変位が多少大きくなる傾向にある;4)最大変位や残留変位が入力エネルギーと直線関係にあることから,緩衝材を設置する場合やAFRPシート補強する場合においても,既往の設計概念を準用して耐衝撃設計法を構築できる可能性があるものと考えられる.本研究では,衝撃的外力により損傷した鉄筋コンクリート(RC)部材の耐衝撃性向上法の確立を目的に,連続繊維(FRP)シート接着工法に着目し,その耐衝撃性向上効果を検討した.実験は,緩衝材の有無,シート補強の有無,損傷載荷レベルなどを変化させて行った.その結果,1)衝撃的外力により損傷したRC梁の耐衝撃性は,FRPシート接着工法により向上可能である,2) RC梁の載荷点変位は,補強の有無や損傷の有無によらず,重錘落下による入力エネルギーの増加に比例して増大することなどが明らかになった.平成26年度の研究では,アラミド繊維(AFRP)シート接着によるRC梁の耐衝撃性向上効果を確認した.具体的には,シートの有する高い伸び性能および引張強度により,衝撃荷重を受けるRC梁のたわみ量やひび割れを抑制可能であることが明らかになった.また,シートのひずみ分布やひび割れの推移状況を明確にすることができた.なお,入力エネルギーや衝撃荷重が大きい場合には,ひび割れ発生部における応力集中によりAFRPシートが破断しやすいことが明らかになった.破断抑制のためには,シート目付量を大きくすることや弾性係数が低く,破断伸びが大きいポリエチレンテレフタレート(PFRP)シートを併用することが極めて有効であることが明らかになった.ただし,数値解析については,未だ実験結果を再現可能な数値解析手法の確立には至っていないため,今後さらに解析モデルや各材料構成則を見直し検討を推進してゆく必要がある.平成28年度は,本採択研究テーマの最終年であるため,これまでの研究成果を総括して,AFRPシート接着工法によるRC梁の耐衝撃性向上効果におよぼす衝撃荷重による損傷レベルの影響について整理する.現在,構造工学論文に投稿すべく目下執筆中である.なお,AFRPシートの目付量が小さい場合や,炭素繊維製(以後,CFRP)シートを用いる場合についても比較検討するとともに,数値解析的検討を実施し,より汎用性の高い研究成果となるように努める予定である.構造工学今後の検討項目は,以下の通りである.2) FRPシート曲げ補強したRC梁の耐衝撃挙動を再現可能な数値解析手法を確立するため,種々の解析モデルや材料構成則を適用した場合の数値解析を行い,実験結果と比較検討する.3)衝撃荷重により損傷したRC梁の耐衝撃性やその向上法を検討するため,主鉄筋が降伏する程度に損傷させたRC梁を対象に,無補強およびFRPシート曲げ補強したRC梁の衝撃荷重載荷実験を行う.4)1)3)の研究成果に基づき,損傷RC梁やシート補強した損傷RC梁の耐衝撃挙動を再現可能な数値解析手法を確立するための検討を行う.
自由再生における能動的記憶方略の有効性判断に関する実験的研究

本研究の目的は、記憶場面において人間が自ら使用する記憶方略の有効性をどの程度的確に判断してするのか、またそうした判断の的確さは記銘学習の諸段階を通じてどのように変化するのか、を厳密な実験的状況のもとで検討することにある。一般成人(大学生・短期大学生)を対象に、自由再生課題を用いた記憶実験を実施し、被験者自身による記憶方略の有効性判断について検討する。記憶方略の有効性判断については、被験者自身が予想した再生可能項目数と実際の記憶課題成績とのズレの大きさに基づいて評価する。当初の研究計画のとおりに記憶実験が行われ、主として、次のような新たな知見が得られた。1.再生可能項目数の予想判断の正確度は、記憶方略の遂行の前・後において差は認められなかった。このことから、記憶方略の選択・実行に関連した記憶の制御活動と記憶モニタリング(memory monitoring)の正確度とは、直接的・即時的に結びついているのではないことが示唆される。2.しかし、再生可能項目数の予想判断の正確度は、項目リストの学習の進行に伴って改善され得る。3.言語材料を記銘する際に、被験者は、既有知識内の情報との言語連想を援用した覚え方(連想リハ-サル)の方が材料を単純に反復する覚え方(機械的反復リハ-サル)よりも有効性が高いと的確に判断できる。4.しかも、そうした記憶方略の相対的な有効性の違いは、項目リストへの学習の進行とともに、より的確に認識されるようである。上記の1と2の研究結果は清水(1995)に、同じく3と4の結果はShimizu(1996, in press)において公表された。なお、2と4の結果をもとに記憶モニタリングの正確度の向上過程をさらに詳しく検討する実験を計画中である。
羊水由来間葉系幹細胞の脱細胞化気管への投与による広範気管再生医療

マウス気管に対する脱細胞化プロトコールを作成し、脱細胞化気管を作成した。細胞遺残はなかったが、気管の強度が保たれず、プロトコールを改定し再度作成したところ、細胞の遺残をほぼ認めず、強度の保たれた脱細胞化気管を作成することに成功し、再生気管作成の足場となりえると思われた。再生気管作成の細胞ソースとして間葉系幹細胞を設定し、donor間で軟骨分化能の差を認めた。その原因としてEpigeneticsに焦点を当てて検討したところ、クロマチン構造の差を認め、軟骨分化能の差の原因である可能性が示唆された。本研究は,先天性気管無形成のような生命予後不良な先天性気道疾患に対して,生命予後改善のために,胎児組織工学を臨床応用し,再生医療による気管再生,移植技術を確立させることが目的である.組織工学では従来,気管再生には生体吸収性ポリマーであるポリグリコール酸や温度応答性ジェルを足場としたバイオ人工気管が用いられてきたが,本研究では生体誘導のscaffoldを作成し,その素地の上で免疫応答のない分化誘導を目指す.生体誘導scaffoldとしてラット新生仔(甲)から気管を摘出し,脱細胞化した後に羊水中の間葉系幹細胞を精製し,羊膜から上皮系幹細胞を精製し,これらの細胞を脱細胞化気管内に散布して再生気管を作成し,これらを新生仔(乙)へ移植することで気管再生を行う研究である.本年度の研究は主にin vitroにおける実験を主体とした検証実験とし,脱細胞化の手技を確立させることを目標とした.研究工程としては,在胎21から23に出生したラット新生仔を出生直後に犠死せしめ,気管を摘出する.脱細胞化は,まず海面活性剤を有する処理液を用いて生体組織を処理し,生体組織に超高静水圧を印加することで細胞を破壊する.その後,破壊した細胞を除去するための洗浄液を用いて細胞を除去し.エタノール水溶液に当該細胞を接触させて再度洗浄する.この場合の当該細胞とは,間葉系幹細胞から分化誘導された軟骨細胞・繊維芽細胞と上皮系幹細胞から分化誘導された気管上皮細胞を示す.本年度は,この工程の中でラット新生仔から気管を摘出し,脱細胞化しscaffoldを作成する技術の確立に務めた.ラット新生仔(甲)から摘出した気管の脱細胞化の工程において,組織を浸すための緩衝液の選択及び,その後の超高静水圧での印加の圧と時間の調整に難渋している.本研究は,出生直後より重篤な呼吸障害を来す先天性気管無形成に対して,長期生存を目指すべく,出生前診断のついた患者に対して,妊娠後期からRegenerated Trachea(RT)を作成し,新生児期に移植する治療法を確立することを目的としている.現在,再生気管のscaffoldのためのラットの気管摘出および脱細胞化のための動物実験申請を行い認可を得ているが,マウスでの同様実験のために動物実験申請を再申請中である.認可されれば,摘出した気管を脱細胞化しscaffoldの作成が可能かを検証する実験へ移行する.並行して,scaffoldへ散布する上皮細胞および軟骨細胞を培養するため,間葉系幹細胞を培養し,軟骨への分化誘導を行なっているところである.上皮細胞への分化誘導誘導はまだ開始できていない.施設内での研究場所が変更となり,scaffold作成のための動物実験を再度申請中である.散布細胞の分化誘導実験に関しては,羊水から採取した胎仔幹細胞の培養を行なっているところで,やや遅れている.本研究は、出生直後より重篤な呼吸障害をきたす先天性気管無形性症に対して、長期生存を目指すべく出生前診断のついた患者に対して妊娠後期からRegenerated Trachea(RT)を作成し、新生児期に移植する治療法を確立することを目的としている。ラットでの気管摘出及び脱細胞化のための実験計画申請を行い、気管摘出手技獲得を目指していたが、マウスでも同様の実験を行うため再度実験計画申請を行った。また、マウスでの気管摘出手技の修練を行い、摘出気管によるscaffoldの作製を行った。並行して、scaffoldに使用するべく、間葉系幹細胞から気管軟骨への分化誘導を行い、その解析を行っている。脱細胞化の手技を確立させ,安定してscaffoldを作成する.羊水からの間葉系幹細胞と羊膜からの上皮系幹細胞採取を行い,分化誘導された細胞に細胞免疫染色及びフローサイトメトリーを用いて細胞表面マーカーを確認する.

軟骨細胞,線維芽細胞,上皮細胞を脱細胞化した気管内に混合して散布し,Regenerated Tracheaを作成する.今後は,摘出気管の脱細胞化を進め,scaffoldを作成する技術を安定させる.また,胎仔幹細胞から軟骨細胞および上皮細胞へ分化誘導を行い,scaffoldへの散布を行う.小児外科ラット新生仔(甲)から摘出した気管の脱細胞化の工程において、組織を浸すための緩衝液の選択及び、その後の超高静水圧での印加の圧と時間の調整に難渋しており、次年度に継続する必要があるため。散布細胞の分化誘導実験に関して、羊水から採取した胎仔幹細胞の培養を行なっているところで、やや遅れているため。脱細胞化の手技を確立させ、安定してscaffoldを作成する。羊水からの間葉系幹細胞と羊膜からの上皮系幹細胞採取を行い、分化誘導された細胞に細胞免疫染色及びフローサイトメトリーを用いて細胞表面マーカーを確認する。胎仔幹細胞から軟骨細胞および上皮細胞へ分化誘導を行い、scaffoldへの散布を行う。
新規BACE1阻害剤の開発:低分子量化へのアプローチ

アミロイβペプチドの産生に関与する酵素であるBACE1は、アルツハイマー病の治療のための薬剤開発のターゲットとなっている。本研究では、低分子量のBACE1阻害剤の設計・合成を行い、比較的高活性なKMI-927などの種々のテトラペプチド型のBACE1型阻害剤を報告した。高齢化社会を迎える我が国では、加齢に伴ってその発症率が増加するアルツハイマー病の患者数増加が懸念されている。アルツハイマー病患者の脳では、Aβ(アミロイドβペプチド)などから構成されるアミロイドプラークの沈着が認められ、アルツハイマー病発症の基盤と考えられるようになった。従って、Aβの産生に関与する酵素であるBACE1の阻害剤を開発することは、アルツハイマー病の予防・治療に向けて大変重要であると考えられる。そこで本研究では、低分子量で高活性なBACE1阻害剤を開発することを目的として研究を行なった。アスパルティックプロテアーゼ阻害研究において確立された基質遷移状態概念に基づき、BACE1阻害剤の構造最適化を行なって阻害活性の向上を図ると同時に、薬剤の実用化に必要であると考えられる阻害剤の低分子量化を目指して実験を行なった。その結果、テトラペプチド型BACE1阻害剤であるKMI-927などの開発に成功した。従来のペプチド型KMI化合物は主にアミノ酸5残基以上から構成されており、更なる構成アミノ酸数の減少が望まれた。本研究では、ペプチド型のBACE1阻害剤において阻害活性の向上に比較的弱い影響を持つprime sideのアミノ酸残基を減らすと同時に構造最適化を行ない、低分子量で比較的高活性なKMI-927等の一連のテトラペプチド型阻害剤開発へと研究を発展させた。また、ペプチド型の阻害剤は基質のアミノ酸配列に基づいて設計されることが一般的であることから、各部位の最適構造の簡便なスクリーニング方法として基質ライブラリを用いたBACE1アッセイを採用し、基質切断部位近傍に適合するアミノ酸を特定したため、今後の更なる薬剤設計に役立てる予定である。アルツハイマー病は加齢に伴ってその発症率が増加するため、高齢化社会を迎える我が国では迅速な対応が望まれている。アルツハイマー病患者の脳では,Aβ(アミロイドβペプチド)などから構成されるアミロイドプラークの沈着が見られるため、Aβの産生に関与する酵素であるBACE1の阻害剤を開発することは、アルツハイマー病の予防・治療に向けた重要な課題であると考えられている。そこで本研究では、高活性なBACE1阻害剤を開発することを目的とするとともに、実用化に向けた低分子量の化合物開発を目指して研究を行なった。BACE1はアスパルティックプロテアーゼであり、ペプチド型の阻害剤は基質のアミノ酸配列に基づいて設計されることが一般的であることから、本研究においても基質配列に基づいたペプチド型阻害剤の合成を行った。アスパルティックプロテアーゼ阻害研究において確立された基質遷移状態概念に基づき、フェニルノルスタチン(Pns)などを中心とした阻害剤合成を行った。当該年度に、アミノ酸45残基程度で構成される小型のペプチド型BACE1阻害剤を合成し、リコンビナントBACE1を用いた活性の評価を行った。また、基質ライブラリを用いたBACE1アッセイを採用し、基質切断部位近傍に適合するアミノ酸をスクリーニングして特定した。側鎖の小さいアミノ酸も数種類特定できており、今後の更なる薬剤設計と構造活性相関に役立てる予定である。
テロメラーゼ選択的ヌクレオシド系阻害剤の分子設計とその作用機構

強力かつ選択的なヌクレオシド・ヌクレオチド系テロメラーゼ阻害剤を獲得するための分子設計を行った。テロメラーゼは制がん剤の研究開発を行う際の恰好な標的酵素と考えられる。また、良い阻害剤はテロメラーゼの構造や機能を研究するための試薬として有用であると考えられる。まず、いくつかの糖部変換ヌクレオチドアナログのテロメラーゼに対する阻害効果を塩基部がチミンとグアニンの場合を比較しながら調べた。その中で、3'-アジド-2',3'-ジデオキシグアノシン(AZddG)5'-トリりん酸(AZddGTP)とカーボサイクリックオキセタノシンGトリりん酸(c-oxtGTP)などのいくつかのグアニンヌクレオチドアナログがチミンのものに比べて強い阻害効果を示した。特にAZddGTPが強い阻害を示し、阻害機構はdGTPに関する拮抗阻害とプライマー3'末端に取り込まれるための鎖伸長停止と考えられる。AZddGTPは、脊椎動物DNAポリメラーゼαおよびδに対する阻害は弱かったことから、テロメラーゼ選択的阻害剤といえる。次に、ヒトHL60培養細胞を用いて、数十日の長期間にわたるAZddG処理がテロメアDNA長および細胞増殖速度にどのような影響を及ぼすかを調べた。AZddGは再現性良くテロメアの短小化を引き起こした。また、細胞増殖への影響はそれほど顕著ではなかったが、わずかな増殖速度の低下が認められた。DNAポリメラーゼα阻害を作用機構とするアラビノルラノシルシトシン(araC)がAZddGの効果を増強するかどうか調べたが、特に観察されなかった。現在、既存の制がん剤の効果をAZddGが増強するかどうかを検討中である。がん細胞のテロメラーゼを阻害することによって、テロメアDNAの伸長阻害に起因する細胞増殖の停止を引き起こすようなヌクレオシド・ヌクレオチドアナログの獲得を目的とした。1.サクラマス精巣テロメラーゼの部分精製がん細胞においてさえもテロメラーゼ活性の含量は低い。本酵素に対する阻害剤の検索や阻害機構の解析のための、十分量の酵素の確保を目的とし、テロメラーゼ活性を豊富に含むサクラマス精巣からの部分精製を検討した。高度精製には至らなかったが、十分に濃縮された部分精製標品を得た。ヒトのものと類似した性質を示したが、至適温度がヒトのものが約40°Cに対してサクラマスのものは約25°Cと異なっており、興味深い。2.テロメラーゼに対するヌクレオチド系阻害剤の合成と検索テロメラーゼ活性の測定は、Stretch PCR法によって定量的に行った。いくつかの糖部変換2'-デオキシグアノシン5'-トリりん酸を合成し、ヒトHeLa細胞のテロメラーゼに対する阻害効果を調べた。そのうち、2'-デオキシ-2'-フルオロアラビノフラノシルグアニン(FaraG)および3'-アジド-2',3'-ジデオキシグアノシン(AZddG)の5-'トリりん酸(各々、FaraGTPおよびAZddGTP)に強い阻害効果が認められた。両化合物の阻害様式はいずれもdGTPに対して拮抗的であり、阻害定数(K_i)はdGTPのK_m値(12μM)より小さかった。サクラマス精巣テロメラーゼを用いて、これらのアナログがDNA中に取り込まれるかどうかを調べた。中でも、AZddGTPは、2',3'-ジデオキシグアノシン5'-トリりん酸(ddGTP)よりも効率的に伸長DNA鎖3'末端に取り込まれ、鎖伸長停止を引き起こすことが示された。現在、AZddGなどのアナログによってテロメアDNAが短小化するかどうかを細胞レベルで検討中である。がん細胞のテロメラーゼを阻害することによって、テロメアDNAの伸長阻害に起因する細胞増殖抑制を引き起こすようなヌクレオシド・ヌクレオチドアナログの獲得を目的とした。

1.テロメラーゼに対するヌクレオチド系阻害剤の合成と検索カーボサイクリックオキセタノシンG(C-OxtG)のトリりん酸誘導体(C-OxtGTP)およびその類縁体を合成し、テロメラーゼに対する阻害効果を調べた。テロメラーゼの測定は、伸長されたDNA産物をStretch PCR法で増幅することにより定量的に行った。その結果、C-OxtGTPは強いテロメラーゼ阻害剤であることが明らかとなり、dGTPと拮抗的であり、dGTPのKm値(11μM)より小さな阻害定数(Ki)値2μMを示した.3'-アジド-2',3'-ジデオキシグアノシン(AZddG)のトリりん酸体(AZddGTP)が、ヒトテロメラーゼの強力な阻害剤であることを昨年度に報告した。AZddGTPおよびC-OxtGTPの真核生物DNAポリメラーゼαおよびδに対する阻害は、AZddGTPで認められず、C-OxtGTPでは認められた。AZddGTPはテロメラーゼの選択的阻害剤といえる。2.ヒト培養細胞HL60細胞のテロメア長に及ぼす影響AZddG(50μM)の存在下HL60細胞を継代培養すると、AZddG非存在下に比べ、細胞の増殖速度が20日以降で少し低下した。これとほぼ相関してテロメアDNAの短小化が認められた。一方、同様の実験をC-OxtG(50μM)を阻害剤として行うと、15日以降に細胞増殖速度が顕著に減少した。しかし、テロメアDNAの短小化との相関は認められなかった。C-OxtGの増殖抑制効果は、テロメラーゼ阻害以外の作用機構によるものと考えられる。今後、さらに検討を加え、より強力なテロメラーゼ阻害剤を獲得したい。
神経幹細胞の網膜移植に関する研究

アメリカへ渡航しGage研究室を訪問したことによって、神経系幹細胞の培養方法を習得し、また最適な網膜移植法の検討を行った。Gageが確立した海馬由来神経系幹細胞(LacZ遺伝子でマーキング済み)を、生後5日以内の幼若ラット網膜に移植すると、2週間では移植細胞は網膜表面に付着するのみであるが、移植後4週間では移植細胞は多数網膜内に侵入、分化した。移植細胞の形態は、視細胞、水平細胞、双極細胞、アマクリン細胞に酷似し、しかもそれぞれの細胞に適した層に生着していた。このような現象はコントロールとして使用した線維芽細胞や死滅させた幹細胞などではおこらなかった。生着した神経系幹細胞を様々な網膜細胞特異抗体で免疫染色を行ったところ、移植した細胞の中にはGFAPおよびS-100β、Map2,5などグリアあるいは神経のマーカーは陽性のものがあったが、HPC-1、opsinなど網膜神経に特異的な蛋白は陰性であった。このことは移植した未分化な神経系幹細胞は環境因子に反応し神経やグリアに分化するが、網膜細胞へと完全に分化するためには、さらになんらかの内因的あるいは外因的因子を要することを意味する。以上の結果を受けて、今後の研究の方向性を検討し、不足している内因的因子としてRxなどのhomeobox遺伝子をアデノウイルスをもちいて導入し、網膜細胞への分化を促すことを計画しており、そのためのRx,Crx,Chx10のhomeobox遺伝子を入手した。また、今回は海馬由来の神経系幹細胞を用いたが、網膜から神経系幹細胞を培養することにより、網膜細胞へ分化しやすい幹細胞を得ることも計画している。
最新のアレイデータおよび波形インバージョン手法による詳細な最下部マントル構造推定

私たちの立っている地殻の下には、地球の全体積の8割を超える、岩石で構成されているマントル、そしてさらにその下には金属で構成されるコアがある。マントルは長い年月をかけて対流しており、その最下部数百km厚さの領域(D"層領域、「ディー・ダブル・プライム」領域)は地球の物理的・化学的進化を考える上で重要である。これまで地震波を用いて地震波速度の地域的分布を推定することによって、地球内部の状態(温度や組成の分布)についての情報を得てきた。従来の研究によって、西太平洋下でのマントル最下部における大規模なS波速度の伝播が遅くなる領域(以後、の低速度領域と呼ぶ)の存在が示唆されたが、その成因については議論の的であった。本研究では、独自に開発を行った「波形インバージョン」と呼ばれる最新のデータ解析手法を用いて、西太平洋下の低速度領域の構造推定を行った。その結果、他の地域でのD"領域構造と異なる、S波速度の「S字型」深さ依存性のモデルが得られた。これは、西太平洋のD"領域での玄武岩質地殻の存在を示唆しており、地球浅部から対流によって最下部まで運ばれることも示唆する。本研究では、「波形インバージョン」と呼ばれる新しい高解像度のデータ解析手法を用いて、D"層内の詳細な地震波速度モデルを推定することに成功した。推定されたモデルは、高速度領域がD"層の上半分100kmに集中していることを示唆している。この結果は、D"層の物質組成分布について重要な示唆を与える。D"層の最上部において、下部マントル主要鉱物であるペロプスガイドがその高圧相であるポストペロプスガイドに相転移し、さらにD"層の真ん中ほどの高さ(D"層最上郡から100km下戸より下で、再び低圧相であるペロプスガイドに相転移すること(理論的に提案されていた二重相転移モデル)を支持している。これは、二重相転移モデルの直接的証拠の、世界で初の発見であり、地球内部ダイナミクスを理解するための手がかりになると期待される。
２Ｄと３Ｄ配置問題に対する解法の研究とその応用

配置問題とは,配置すべきもの(製品と呼ぶ)の集合と配置される空間が与えられたとき,製品を空間内に,様々な制約の下で効率よく配置する問題である.計算の複雑度という観点から見ると,ほぼ全ての配置問題はNP困難に分類され,多項式時間で厳密な解を求める手法はおそらく存在しない.このような状況にあるため,性能の良い近似解法の開発が非常に重要であると考えられている.このような状況のもと、本年度は以下のテーマについて研究を進めた.(1)ギロチンカット制約および配置コストを考慮する長方形詰込み問題に対する近似解法を開発した.ギロチンカット制約とは,容器を端から端まで切り取る操作を繰り返すことで全ての長方形を切り出す制約で,生産工程における手順や機械の構造などにより現実の問題においてしばしば要求される.また,各長方形の配置に対して配置コストを導入した.具体的には,各長方形にx軸方向,y軸方向それぞれに関するコスト関数が与えられる時に,得られた配置における各長方形のコストのうち最も大きいコストを最大配置コストとし,その最小化を目的とする.この問題に対して効率的な反復局所探索法を提案した.(2)レクトリニア図形配置問題に対する局所探索法を開発した.先行研究で提案した高速なbottom-left法の配置順序に変化を加えることで局所探索を行い,初期解から解を改善する手法を提案した.さらに,効率的な局所探索の方法について検証した.(3)レクトリニア図形配置問題に対する厳密解法を開発した.レクトリニア図形を幅1の長方形に分解し,分解されたそれらの長方形の相対的位置を緩和した配置問題を考え,整数計画問題として定式化した.この緩和問題を解くことで,元問題の下界を計算できる.さらに,緩和問題の解を利用し,元問題の上界を求める手法を提案した.そして,これらの手法を用いた厳密解法を提案した.27年度が最終年度であるため、記入しない。27年度が最終年度であるため、記入しない。主な研究成果は以下の3点である。(1)一般の図形をビットマップ図形に近似し、ビットマップ図形配置問題を解いた。一般の図形をビットマップ図形に近似し、ビットマップ図形を効率的に扱うためのデータ構造を提案することで、レクトリニア図形配置に対する高速な解法を開発した。計算時間を削減するための手法を5つ考案し、多角形配置問題に対する代表的なベンチマーク問題例と、それらをもとに生成した大規模な問題例に対して計算実験を行い、計算時間を比較した。計算実験により非常に短い時間で良質の解を構築できることが確認されている。(2)ギロチンカット制約付き長方形詰込み問題に対する解法を開発した。長方形詰込み問題は、様々な大きさの長方形を与えられた容器内に互いに重ならないように配置する問題であり、機械部品の板取りや服の型紙の配置などの実用的な問題に応用される最適化問題の一つである。ギロチンカット制約とは、容器を端から端まで切り取る操作を繰り返すことで全ての長方形を切り出す制約で、生産工程における手順や機械の構造などにより現実の問題においてしばしば要求される。本研究では、ギロチンカット制約を満たす配置構造を表現するスライス木から最適な配置を線形時間で計算するアルゴリズムを提案した。(3) 3次元物体詰込み問題に対する解法を開発した。3次元物体詰込み問題は、直方体の容器に3次元物体を詰め込む問題である。本研究では、国際会議ESICUPがルノーと共同で実施したコンペティションで出題された課題で、現実問題に近い様々な制約条件が課された3次元物体詰込み問題である。本研究では、ナップサック問題を用いて効率的な物体の組み合わせをあらかじめ求め、それらを詰め込むという手法を提案し、コンペティションでは3位に入賞した。配置問題とは,配置すべきもの(製品と呼ぶ)の集合と配置される空間が与えられたとき,製品を空間内に,様々な制約の下で効率よく配置する問題である.計算の複雑度という観点から見ると,ほぼ全ての配置問題はNP困難に分類され,多項式時間で厳密な解を求める手法はおそらく存在しない.このような状況にあるため,性能の良い近似解法の開発が非常に重要であると考えられている.このような状況のもと、本年度は以下のテーマについて研究を進めた.(1)ギロチンカット制約および配置コストを考慮する長方形詰込み問題に対する近似解法を開発した.ギロチンカット制約とは,容器を端から端まで切り取る操作を繰り返すことで全ての長方形を切り出す制約で,生産工程における手順や機械の構造などにより現実の問題においてしばしば要求される.また,各長方形の配置に対して配置コストを導入した.具体的には,各長方形にx軸方向,y軸方向それぞれに関するコスト関数が与えられる時に,得られた配置における各長方形のコストのうち最も大きいコストを最大配置コストとし,その最小化を目的とする.この問題に対して効率的な反復局所探索法を提案した.(2)レクトリニア図形配置問題に対する局所探索法を開発した.先行研究で提案した高速なbottom-left法の配置順序に変化を加えることで局所探索を行い,初期解から解を改善する手法を提案した.さらに,効率的な局所探索の方法について検証した.(3)レクトリニア図形配置問題に対する厳密解法を開発した.レクトリニア図形を幅1の長方形に分解し,分解されたそれらの長方形の相対的位置を緩和した配置問題を考え,整数計画問題として定式化した.