hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
老化に伴うマクロファージＴＬＲシグナル伝達阻害におけるＯ－ＧｌｃＮＡｃ修飾の役割

【結論】MΦのGFAT2の発現量は老化により増加し、それに伴いヘキソサミン生合成経路の活性も高まる可能性が示唆された。平成24年度の研究計画では、TLR下流のシグナル伝達タンパク質や転写因子のO-GlcNAc修飾レベルと各種のO-GlcNAc修飾調節因子の発現レベルに及ぼす老化の影響を明確にするため、細胞内のタンパク質O-GlcNAc修飾レベル及びヘキソサミン生合成酵素やO-GlcNAc転移酵素・分解酵素の発現量について、高齢及び若年の各マウスとの間で比較・検討することを予定していた。このうちTLR下流のシグナル伝達タンパク質や転写因子など各タンパク質のO-GlcNAc修飾レベルの解析に必要なタンパク質試料に不足が生じたため、全細胞タンパク質を用いたO-GlcNAc修飾レベルの解析に留まった。一方、老化に伴って発現量が変化することが明確となったO-GlcNAc修飾調節因子の遺伝子の強制発現またはノックダウンによる細胞機能解析は、平成25年度の研究計画として予定していた。しかし、本年度に遂行した研究において老化に伴って発現量が増加することが明らかとなったGFAT2については、その全長cDNAを組み込んだプラスミド発現ベクターを作製し、マクロファージ細胞株RAW264.7細胞に一過性及び安定的に導入して、その機能解析をすでに開始している。以上より、本研究計画はおおむね順調に進展している。平成25年度は、老化に伴って発現量が増加することが明確となったGFAT2の機能的役割を明らかにするため、その全長cDNAを組み込んだプラスミド発現ベクターを導入したマクロファージを用いて細胞機能解析を遂行する。さらに、TLR下流のシグナル伝達タンパク質や転写因子のO-GlcNAc修飾レベルに及ぼす老化の影響を明らかにするため、高齢及び若年の各マウスとの間で比較・検討する。以上の検討より得られた結果をもとに、老化に伴うマクロファージ機能低下におけるヘキソサミン生合成経路及びO-GlcNAc修飾の役割を明確にする。平成25年度に繰り越した研究費は、TLR下流のシグナル伝達タンパク質や転写因子のO-GlcNAc修飾レベルに及ぼす老化の影響を明確にするために必要な実験動物(若年及び高齢マウス)を購入するために使用する。
熱的活動に基づく火山噴火活動の推移予測に関する研究

長崎県の雲仙・普賢岳では、溶岩の涌き出しが続くとともに火砕流が頻発した。従って本部研究においては、普賢岳で赤外熱画像装置を用いた溶岩ドーム・火砕流堆積物の表面温度測定を、空中および地上から、操り返し実施した。これにより、溶岩ドームの表面温度分布の詳細が明らかとなり、溶岩の涌き出し口の移口に伴う温度分布の変遷が追跡された。特に、1992年12月の第9溶岩ドーム、1993年2月の第10溶岩ドームの出現に際しては、いち早くその場所に高温域を見いだした、この種の火山での表面温度測定の有効性が再認識された。一方、火砕流堆積物の表面温度測定からは、堆積の新旧が温度の高低により明瞭に読みとられ、最新の火砕流の堆積物の分布を適確につかむことが可能となった。また堆積直後の温度測定により、火砕流そのものの性質の変化を把握することも可能と思われる。刈山活動の推移予測の面でみると、火口西側の噴気孔付近で、高温領域の拡大や縮小が起こっている可能性がでてきた。今のところ、これを直接火山活口の推移に結びつけらめるかどうかはわからないものの、第10溶岩ドーム出現前の状況としては、溶岩供給量の減少とともに、噴気孔周辺の高温領域の減少が観測された点が注目される。しかし、溶岩ドームそのものの温度については、溶岩の崩により高温を保った内部が露出した場合と、新溶岩の涌き出しによる場合の2通りで主に高温域となり、必ずしもその識別が容易でないこともわかった。普賢岳の噴火はなお活発な状態が続いており、今後とも継続的な熱的活動の観測が強く望まれる。
絶縁体・金属転移近傍に現れるエキシトンボーズ凝縮の研究

無限の寿命を持つ励起子(電子・正孔束縛状態)の波数空間における凝縮状態の実験的解明は、チャレンジングな課題である。本研究においては、圧力誘起絶縁体・金属転移を示す典型物質であるSmSに着目し、励起子凝縮の可能性を追求した。輸送特性、および角度分解光電子分光の実験から、これまで絶縁体相であると考えられてきたSmSの低圧相(Black phase)内において、絶縁体・金属移転を示すことを見い出した。また、その転移近傍において、負性微分抵抗を含む、明確な非線形伝導現象が観測された。これらの結果は、励起子凝縮の研究に重要な知見を与えるものである。電子とホールの束縛状態である励起子(エキシトン)は光励起によって生成し、通常は短寿命で再結合する。一方で、基底状態としてのエキシトンの生成は、理論的には予測されているものの、実験的には明らかになっていない。本研究では、無限の寿命を持つエキシトンの存在と、そのボーズ凝縮(エキシトニック絶縁状態)を実験的に見出すべく、絶縁体・金属転移を示す典型物質であるSmSの臨界圧力近傍に着目をして研究を進めている。本年度の実績は下記の通りである。(1)単結晶試料育成環境の整備:SmSは高融点・高蒸気圧を有するため、試料合成には極めて多くの手間と困難を伴う。特に汎用旋盤を用いたタングステン坩堝の切削は熟練した職員が行っても超硬ドリルの破損が頻発し、金銭的ロスが大きい。ドリル破損を抑えるためには、タングステン切子の排出をスムーズにすることが重要である点に着目した。ボール盤を用いて新たな切削システムを構築し、高硬度材料を用いた坩堝切削による時間的・金銭的コストの削減に成功した。(2)高圧下比熱測定システムの開発:これまでの圧力下における比熱測定は、最大発生圧力が1 GPa程度に抑えられており、且つ、測定バックグラウンドとなりうる圧力媒体と、それを封じるテフロンセルの熱容量が大きな圧力依存性を示し、試料の比熱が精度よく求まらないことが問題であった。本研究では、最大発生圧力が2 GPa程度のセルを新たに用い、液体媒体を封じる容器を金属製のものに変更することで、圧力変化をし得るバックグラウンドの寄与を大幅に削減することに成功した。また、測定最低温度も従来の550 mKから350 mKと大幅に改善された。電子・正孔の束縛状態である励起子(エキシトン)は、半導体中において光励起により生成し、短寿命の後に電子と正孔に再結合する。一方理論的には、無限の寿命を持ち、基底状態として存在するエキシトンと、そのボーズ凝縮相(エキシトニック絶縁体相)は、絶縁体・金属転移近傍において発現が予測されているものの、実験的には明らかになっていない。本研究の目的は、圧力誘起絶縁体・金属転移を示す典型物質であるSmSに着目し、エキシトニック絶縁体相の可能性を実験的に追求することである。本年度は、常圧から臨界圧力近傍までの領域において、非線形伝導現象の研究を中心に進めた。エキシトンの全電荷はゼロである為、それ自身は電流を運ばないが、束縛エネルギーに対応する電場エネルギーを加えると、電子と正孔に分離し、キャリアが生成されると考えられる。これは、電流・電圧特性に非線形性が現れることを意味している。SmSに対して電流駆動による電流・電圧特性を調べた結果、負性微分抵抗を含む非線形伝導現象が観測され、昇温や圧力印加によってその非線形性は弱まることを見出した。また、電圧駆動測定においては、電流の不連続なジャンプが見られ、これが電流駆動測定における結果と同じ起源を持つことを見出した。本研究の範囲内では、SmSの絶縁体・金属転移近傍におけるエキシトン描像は生き残るが、更なる確証を得る為、電場中における様々な物性測定を進める必要があると考えられる。本年度当初に計画していた研究内容は、エキシトンの束縛エネルギーの評価と、バンドギャップとの大小関係の評価である。本年度は、圧力下における非線形伝導現象の測定を行い、束縛エネルギーの圧力変化を追うことに成功した。また、次年度に計画していた、放射光を用いた蛍光分光測定も、予備実験が完了している。以上より、本研究はおおむね順調に進展しているといえる。電子とホールの束縛状態である励起子(エキシトン)は、半導体中においては光励起により生成し、短寿命の後に電子とホールに再結合することが知られている。一方、理論的には無限の寿命を持ち、基底状態として存在する励起子とそのボーズ凝縮相(エキシトニック絶縁体相)は、絶縁体・金属転移の近傍において発現が予想されているものの、実験的には明らかになっていない。本研究の目的は、硫化サマリウム(SmS)を研究対象に、圧力誘起絶縁体・金属転移近傍に発現しうる、励起子絶縁体相の可能性を実験的に追求することである。本年度は、SPring-8のBL12XUを利用した高圧下共鳴発光分光を行い、SmSの半金属相であるgolden phaseに特に着目し、Smイオン価数の温度・圧力変化の観測に取り組んだ。SmSは常圧においては絶縁体であり、Smイオンの価数は2価である。これに圧力を加えることで絶縁体・金属転移を示す臨界圧力において、およそ2.6価の中間価数状態に一次転移を示すことを明らかにした。

また、半金属相において価数の温度依存性を調べたところ、温度の低下と共に価数が減少することを明らかにした。これらの結果は、SmSの絶縁体・金属相転移の発現メカニズム、及び、半金属相の基底状態(4f電子と5dホールがエキシトン的な束縛状態を形成していると示唆されている)においては、価数の不安定性が重要な役割を担っていることを示唆するものである。無限の寿命を持つ励起子(電子・正孔束縛状態)の波数空間における凝縮状態の実験的解明は、チャレンジングな課題である。本研究においては、圧力誘起絶縁体・金属転移を示す典型物質であるSmSに着目し、励起子凝縮の可能性を追求した。輸送特性、および角度分解光電子分光の実験から、これまで絶縁体相であると考えられてきたSmSの低圧相(Black phase)内において、絶縁体・金属移転を示すことを見い出した。また、その転移近傍において、負性微分抵抗を含む、明確な非線形伝導現象が観測された。これらの結果は、励起子凝縮の研究に重要な知見を与えるものである。本年度当初に計画していた内容は、(1)SmSの純良単結晶作成と(2)3He温度域における圧力下比熱測定システムの開発(バックグラウンド測定)である。各項目ごとの達成状況は下記の通りである。(1)現在のところSmSの純良試料のストックは十分である為、本年度は新たな単結晶は育成は行わなかったが、概要にも記した通り、必要時にはすぐに育成を行える環境の整備を進めた。(2)従来よりも最高到達圧力の高い圧力セル、およびアデンダの設計・作成を行った。液体媒体を封じるカプセルをテフロンから金属製のものに変更し、バックグラウンドの圧力変化を大幅に減少させた。現在は液体媒体の比熱の圧力依存性を調べている。以上より、本研究課題はおおむね順調に進展しているといえる。本年度得られた電場中に於ける輸送現象の異常が、バルクの性質と対応するか否かを調べるため、強電場中の磁化および熱膨張測定を行う必要があると考えられる。物性物理学(1)単結晶育成に関しては、試料のストックの状況を見て、速やかに行う準備は整っている。また、物理圧力下における実験が極めて困難な手法(光電子分光など)に際して、化学圧力効果を期待し、Sm1-xYxS (x:01)の単結晶育成も試みる予定である。(2)SmSの臨界圧力近傍における比熱測定を行い、エキシトンの生成、及びボーズ凝縮に伴う相転移を熱力学的物理量を通して直接観測することを目指す。精度不足により実験が困難の場合は、比熱測定とほぼ同様の情報が得られる熱膨張測定を圧力下において行う。(3)高輝度放射光を用いたX線吸収分光を用い、Sm L3吸収端の部分蛍光収量法により、Smイオンの価数の温度・圧力・組成依存性を詳細に追い、電子状態の直接観測を行う。(2)において得られる、熱力学的相図の解釈の一助とする。放射光を用いた高圧実験に使用するダイヤモンドアンビルセルの購入に際し、本研究ではなるべく低圧を制御する必要があるめ、適切なキュレット径を持つアンビルを使用しなければならない。事前行う予備実験の結果次第では、キュレット径変更の必要性が生じるため、複数個の購入は避け、単体で購入した。予備実験の結果を考慮し、適当なキュレット径を持つダイヤモンドアンビルを購入する予定である。
大規模知識基盤形成のための次世代半構造マイニング技術の展開

本研究では,実世界と情報世界が融合した巨大な情報空間から有用な知識を効率よくとりだすための大規模半構造マイニング技術の確立を目指す.とくに,大規模規模知識基盤形成システムのための基礎技術として,超高速半構造マイニングエンジンと,時空間情報を用いた半構造マイニング技術の研究開発,周辺技術として,確率的情報スキーマの導入と,知識連係技術と知識索引技術の研究開発を行った.開発した技術の実装と最適化によりプロトタイプシステムの構築を行った.本研究では,実世界と情報世界が融合した巨大な情報空間から有用な知識を効率よくとりだすための大規模半構造マイニング技術の確立を目指す.平成25年度は,大規模知識基盤形成システムのための技術調査と,基盤技術の開発,環境整備について,次の項目に関して研究・開発を行う.(1)最適パターン発見を用いた超高速半構造マイニングエンジンの研究開発(有村・宇野・平田).大規模実世界データにおける知識発見の先端技術調査に基づき,従来の超高速パターン発見アルゴリズムを拡張し,非巡回超グラフの種々の部分族に対する理論的性能保障付きパターンマイニングアルゴリズムを開発した.(2)時空間情報を用いた半構造データマイニングの研究開発(有村・宇野・平田・下薗).2次元とそれ以上の次元の時空間パターンに対する多項式遅延・領域の高速なパターンマイニングアルゴリズムを開発した.(3)確率的情報スキーマと半構造データマイニングの結合の研究(喜田・伊藤・有村)無限関係モデルに文脈と背景知識を取り入れて,関係データからの統計マイニングアルゴリズムを開発した.(4)大規模知識基盤形成システムのための知識連係技術の研究開発(伊藤,平田,喜田,有村).トラジェクトリデータに対する高速パターン照合手法を開発した.(5)大規模知識基盤形成システムのための高速な知識索引技術の研究開発(湊,宇野,有村).ZDDを元に,巡回に拡張したπDDや,系列集合に拡張したSeqBDD等の大規模知識索引の研究開発を行った.(6)知識基盤形成支援システムのプロトタイプ構築(全員).開発した知識発見技術を元に,実世界からの知識基盤形成システムのプロトタイプの構築を開始した.また,各研究項目に関して,随時,理論的な解析を元にさらなる最適化を行った.本研究では,実世界と情報世界が融合した巨大な情報空間から有用な知識を効率よくとりだすための大規模半構造マイニング技術の確立を目指す.平成24年度は,大規模知識基盤形成システムのための技術調査と,基盤技術の開発,環境整備について,次の項目に関して研究・開発を行う.(1)最適パターン発見を用いた超高速半構造マイニングエンジンの研究開発(有村・宇野・平田).大規模実世界データにおける知識発見の先端技術調査に基づき,従来の超高速パターン発見アルゴリズムを拡張し,限定サイズ部分木と非巡回超グラフの種々の部分族に対する理論的性能保障付きパターンマイニングアルゴリズムを開発した.(2)時空間情報を用いた半構造データマイニングの研究開発(有村・宇野・平田・下薗).2次元時空間パターンに対する多項式遅延・領域の高速なパターンマイニングアルゴリズムを開発した.(3)確率的情報スキーマと半構造データマイニングの結合の研究(喜田・伊藤・有村)無限関係モデルに文脈と背景知識を取り入れて,関係データからの統計マイニングアルゴリズムを開発した.(4)大規模知識基盤形成システムのための知識連係技術の研究開発(伊藤,平田,喜田,有村).ビット並列計算を用いた低メモリ超高速正規表現照合手法を,正規表現とXMLクエリ,複合イベントパターンの部分族に拡張し,ハードウェア実装技術を開発した.(5)大規模知識基盤形成システムのための高速な知識索引技術の研究開発(湊,宇野,有村).ZDDを元に,巡回に拡張したπDDや,系列集合に拡張したSeqBDD等の大規模知識索引の研究開発を行った.(6)知識基盤形成支援システムのプロトタイプ構築(全員).開発した知識発見技術を元に,実世界からの知識基盤形成システムのプロトタイプの構築を開始した.また,各研究項目に関して,随時,理論的な解析を元にさらなる最適化を行った.本研究では,実世界と情報世界が融合した巨大な情報空間から有用な知識を効率よくとりだすための大規模半構造マイニング技術の確立を目指す.平成26年度は,大規模知識基盤形成システムのための技術調査と,基盤技術の開発,環境整備について,次の項目に関して研究・開発を行った.(1)最適パターン発見を用いた超高速半構造マイニングエンジンの研究開発(有村・宇野・平田).従来の超高速パターン発見アルゴリズムを拡張し,グラフデータ中の誘導木など種々の部分グラフ族に対する理論的性能保障付きパターンマイニングアルゴリズムを開発した.(2)時空間情報を用いた半構造データマイニングの研究開発(有村・宇野・平田・下薗).群れパターンを初めとする多次元時空間パターンに対する多項式遅延・領域の高速なパターンマイニングアルゴリズムを開発した.(3)確率的情報スキーマと半構造データマイニングの結合の研究(喜田・伊藤・有村)無限関係モデルを拡張して,多重階層により背景や複数の分類を扱える統計的関係マイニング手法を開発した.(4)大規模知識基盤形成システムのための知識連係技術の研究開発(伊藤,平田,喜田,有村)知識連携の周辺技術として,高速検索を可能にする文法圧縮に基づいた高効率圧縮手法や,高次元空間における大規模近似検索手法を開発した.(5)大規模知識基盤形成システムのための高速な知識索引技術の研究開発(湊,宇野,有村).ZDDを元に,大規模非構造データに拡張した系列二分探索グラフ(SeqBDD)等の大規模知識索引の研究開発を行った.(6)知識基盤形成支援システムのプロトタイプ構築(全員).

開発した知識発見技術を元に,実世界からの知識基盤形成システムのプロトタイプの構築を開始した.群れパターン発見では大規模気象データからの知識発見実験を行った.各研究項目に関して,随時,理論的な解析を元にさらなる最適化を行った.本研究では,実世界と情報世界が融合した巨大な情報空間から有用な知識を効率よくとりだすための大規模半構造マイニング技術の確立を目指す.平成26年度は,大規模知識基盤形成システムのための技術調査と,基盤技術の開発,環境整備について,次の項目に関して研究・開発を行った.(1)最適パターン発見を用いた超高速半構造マイニングエンジンの研究開発(有村・宇野・平田).従来の超高速パターン発見アルゴリズムを拡張し,グラフや超グラフ中の種々の興味深い部分構造族に対する理論的性能保障付きパターンマイニングアルゴリズムを開発した.(2)時空間情報を用いた半構造データマイニングの研究開発(有村・宇野・平田・下薗).群れパターンなどの多次元時空間パターンに対する多項式遅延・領域の高速なパターンマイニングアルゴリズムを開発した.(3)確率的情報スキーマと半構造データマイニングの結合の研究(喜田・伊藤・有村)無限関係モデルを拡張して,多重階層により背景や複数の分類を扱える統計的関係マイニング手法を開発した.(4)大規模知識基盤形成システムのための知識連係技術の研究開発(伊藤,平田,喜田,有村)知識連携の周辺技術として,高速検索を可能にする文法圧縮に基づいた高効率圧縮手法や,高次元空間における大規模近似検索手法を開発した.(5)大規模知識基盤形成システムのための高速な知識索引技術の研究開発(湊,宇野,有村).ZDDを元に,大規模非構造データに拡張した系列二分探索グラフ(SeqBDD)等の大規模知識索引の研究開発を行った.(6)知識基盤形成支援システムのプロトタイプ構築(全員).開発した知識発見技術に対して,理論的な解析を元にさらなる最適化を行って実装し,実世界からの知識基盤形成システムのプロトタイプの構築を行った.群れパターン発見では大規模気象データからの知識発見実験を行った.本研究では,実世界と情報世界が融合した巨大な情報空間から有用な知識を効率よくとりだすための大規模半構造マイニング技術の確立を目指す.とくに,大規模規模知識基盤形成システムのための基礎技術として,超高速半構造マイニングエンジンと,時空間情報を用いた半構造マイニング技術の研究開発,周辺技術として,確率的情報スキーマの導入と,知識連係技術と知識索引技術の研究開発を行った.開発した技術の実装と最適化によりプロトタイプシステムの構築を行った.超高速半構造マイニングエンジンと研究開発に関しては,すでに目標を達成している.
超高速細胞配列化と高スループット細胞分化スクリーニング

抗体を固定化したITO製の交互くし型マイクロバンドアレイ(IDA)電極とITO電極を組み合わせたマイクロ流路型誘電泳動デバイスを作製し,迅速(2分)で簡便(蛍光ラベル化が不要でスイッチを押すだけ)な細胞膜表面に発現する抗原の表現型(フェノタイプ)の解析手法の開発を行った.上下基板のITO電極に負の誘電泳動(n-DEP)の作用する周波数領域(100 kHz)の交流電圧を印加すると,細胞は瞬時(数秒)にIDA電極のバンド電極間ギャップへと移動し配列した.ここで,下面バンド電極の片側(バンドB)の電圧をゼロにして電場強度パターンを変換すると,ギャップ間に集積されていた細胞はバンドB上へと移動する.電極間ギャップに抗CD33抗体を固定化した場合には,HL-60細胞に発現したCD33抗原との免疫反応により不可逆に捕捉されるため,バンドB上へと移動する細胞数が減少した.これにより,表面に特定の抗原を発現した細胞の識別が可能となった.また,発現細胞と非発現細胞の混合懸濁液を用いると,発現細胞の存在比率の向上に伴って,細胞捕捉率が直線的に増加することを示した.すなわち,細胞母集団の中の特定抗原発現細胞の存在比を迅速で簡便に調査可能であった.さらに,捕捉細胞の免疫反応時に細胞をスウィングさせる手法を組み込むと表面抗原と固定化抗体の接触確率の増加により,細胞の捕捉率が88%と格段に向上した.この手法を細胞の分化進行度の調査に応用した.レチノイン酸による処理で分化が誘発されるHL-60細胞のCD13抗原のダウンレギュレーションおよびCD11b抗原のアップレギュレーションについて調査を行ったところ,レチノイン酸処理日数に伴って,CD13発現細胞の減少とCD11b発現細胞の増加が観測された.これは,蛍光染色法により得られた発現細胞評価と同様の結果が得られており,本手法の簡便性と迅速性を立証した.25年度が最終年度であるため、記入しない。25年度が最終年度であるため、記入しない。抗体を固定化したITO製の交互くし型マイクロバンドアレイ(IDA)電極とITO電極を組み合わせたマイクロ流路型誘電泳動デバイスを作製し,迅速(2分)で簡便(蛍光ラベル化が不要でスイッチを押すだけ)な細胞膜表面に発現する抗原の表現型(フェノタイプ)の解析手法の開発を行った.上下基板のITO電極に負の誘電泳動(n-DEP)の作用する周波数領域(100 kHz)の交流電圧を印加すると,細胞は瞬時(数秒)にIDA電極のバンド電極間ギャップへと移動し配列した.ここで,下面バンド電極の片側(バンドB)の電圧をゼロにして電場強度パターンを変換すると,ギャップ間に集積されていた細胞はバンドB上へと移動する.電極間ギャップに抗CD33抗体を固定化した場合には,HL-60細胞に発現したCD33抗原との免疫反応により不可逆に捕捉されるため,バンドB上へと移動する細胞数が減少した.これにより,表面に特定の抗原を発現した細胞の識別が可能となった.また,発現細胞と非発現細胞の混合懸濁液を用いると,発現細胞の存在比率の向上に伴って,細胞捕捉率が直線的に増加することを示した.すなわち,細胞母集団の中の特定抗原発現細胞の存在比を迅速で簡便に調査可能であった.さらに,捕捉細胞の免疫反応時に細胞をスウィングさせる手法を組み込むと表面抗原と固定化抗体の接触確率の増加により,細胞の捕捉率が88%と格段に向上した.この手法を細胞の分化進行度の調査に応用した.レチノイン酸による処理で分化が誘発されるHL-60細胞のCD13抗原のダウンレギュレーションおよびCD11b抗原のアップレギュレーションについて調査を行ったところ,レチノイン酸処理日数に伴って,CD13発現細胞の減少とCD11b発現細胞の増加が観測された.これは,蛍光染色法により得られた発現細胞評価と同様の結果が得られており,本手法の簡便性と迅速性を立証した.本研究では,「誘電泳動を用いたフレキシブルな超高速細胞配列技術」により3次元細胞培養システムの創生に資する迅速な異種類細胞の配列体作製方法の開発と,この技術を基盤とした細胞膜表面に発現する抗原の表現型(フェノタイプ)を迅速(1分程度)で簡便(蛍光ラベル化不要)に解析する手法の確立を目指している.交互くし型マイクロバンドアレイ電極と透明電極を3次元的に配置した誘電泳動セルを用い,分散状態の微粒子を数秒と極めて迅速にセル内の様々な位置に細胞パターンを作製した.このデバイスを用いると,異なる位置への微粒子パターンの作製が可能であった.位相や強度を切り替えると,微粒子のラインパターンを迅速で可逆に変換することが可能であった.誘電泳動による細胞のマニピュレーション技術を用い,迅速で簡便な細胞表面抗原アッセイが可能であることを示した.バンド電極表面上に目的の表面抗原に特異的な抗体が存在すると,正の誘電泳動により集積化された細胞は免疫反応により不可逆的に捕捉され,負の誘電泳動による排除が抑制されてバンド電極上に残り存在比を決定できた.正の誘電泳動による配列化に数秒,免疫反応に1分程度,負の誘電泳動による未反応細胞の除去に30秒程度で1アッセイが可能であり極めて迅速であった.また,表面抗原のラベル化や人為的な洗浄工程を含まない極めて簡便なシステムである.

この手法を採用すると,超高速(1分)に表現型を識別し空間的に分離できることを示した.マイクロ電極をプローブとした電気化学顕微鏡(SECM)を用いて,単一細胞に発現する抗原に修飾した酵素(グルコースオキシダーゼ,GOx)活性イメージングを行った.SECMを用いると,ウェル内に捕捉された細胞の表面抗原に修飾されたGOxの活性を評価できるため,単一細胞の抗原量を定量できる可能性があることを示した.平成24年度に予定していた研究を遂行し,目的を達成できた.3電極を3次元に配置した誘電泳動セルを作製し,誘電泳動を用いて分散している微粒子や細胞を数秒レベルで目的位置に集積化することができた.3電極に印加する交流電圧の強度,周波数および位相を制御することにより,マイクロ空間内の異なる位置に集積化して異なるパターンを作製できた.さらに,電圧印加条件の変換によりパターンを可逆的に変更できることを示した.この結果については,平成25年1月にJournal of Robotics and Mechatronics誌に投稿し,審査員から極めてポジティブなコメントをいただいた.改訂論文を投稿し,現在,審査結果を待っている.配列化細胞のポリビニルアルコールを主成分とする光架橋性ゲル内への包埋固定を行い,異種類の細胞を配列化することもできた.この細胞配列化技術を免疫捕捉による表面抗原発現細胞の分離を行った.HL60細胞に発現するCD33抗原をモデルターゲットとし,わずか2分でCD33陽性細胞を母集団から分離することに成功した.細胞の捕捉方法を調査し,最適化により発現細胞捕捉率85%を達成した.この結果は,平成24年に米国化学会の国際誌であるAnalytical Chemstry誌に投稿し掲載された.また,国際学会で発表し成果の発信を積極的に行っている.分化誘導処理前のHL60(CD13+, CD11b-)および分化処理後のHL60(CD13-, CD11b+)の免疫捕捉にも着手し,リーズナブルな結果を得ている.さらに,電気化学顕微鏡を用い,単一細胞に発現する表面抗原の発現量定量に踏み込んだ.酵素標識細胞からの電流応答の増加が観測され,発現量定量の可能性を示した.単位面積当たりの抗原発現量は細胞の免疫捕捉に関わる抗原ー抗体反応数を推測できるため,識別分離システム構築のために有用である.細胞分化および分化誘導剤スクリーニングへのシステム拡張のため,異なる表面抗原を発現する細胞の混合懸濁液から,両細胞の混合比に対応した捕捉パターンの取得を目指す.昨年度,HL60細胞に発現するCD13およびCD11bについて鋭意検討を行い,分化誘導前ではCD13を,分化誘導処理による好中球ではCD11bを発現していることが確認された.そこで,本年度は,本手法をマルチ識別システムへと応用展開する.まず,バンドアレイ電極に直交した抗体アレイを作製する.PDMS製のマイクロ流路をバンド電極に直交させて配置し,異種類の抗体(抗CD33抗体,抗CD13抗体および抗CD11b抗体)を固定化する.この電極基板を用いて誘電泳動セルを作製し,ヒト前骨髄球性白血病細胞株(HL60)を導入する.誘電泳動により細胞を一括で抗体アレイ上に免疫捕捉し,捕捉位置から表面抗原の発現パターンを得る.
インターネット望遠鏡の南半球への設置にむけた基礎調査

平成30年(2018年)度の研究実績としては,以下の4点がある:1インターネット望遠鏡システムの南米設置先の第1候補であるブラジル・サンパウロ大学のL. A. Ferreira氏が来日し,詳細な打ち合わせを行った。(昨年度は日本側の二名が先方の大学に滞在し,事前打ち合わせを行った。)2昨年度は中国国内の設置を目指して,北京市内の複数大学や研究機関にて実演などを行ったが,今年度は台湾の国立台湾大学(台北)や中国科学院(台北)などで同様に本研究プロジェクトの広報活動を行った。3平成28年度に米国・ニューヨーク,平成29年度はイタリア・ミラノ郊外にそれぞれ設置してあるインターネット望遠鏡システムのハードウェア面の修理を行った。これにより,北半球に設置してある全てのインターネット望遠鏡システムによる天体観測が再び可能となった。今年度はこれらのシステムのソフトウェア面の再整備を行った。南半球へのインターネット望遠鏡設置を確実にするためには,北半球でのインターネット望遠鏡プロジェクトの拡大が重要である。ブラジル側の動機付けとなるので,2や3のような活動は極めて重要と考える。4これまでに引き続き,青少年のための科学の祭典2018・鹿児島大会(7月),青少年のための科学の祭典2018・全国大会(7月),富山県立大学ダ・ヴィンチ祭2018(8月),青少年のための科学の祭典2018・名古屋大会(10月),第8回インターネット望遠鏡シンポジウム(12月)などでインターネット望遠鏡システムおよび本研究プロジェクトの一部を実演により紹介した。5昨年度に引き続き,インターネット望遠鏡システムマニュアルの外国語版の作成も随時行っている。研究代表者は平成29年(2017年)度から学内業務について多忙を極め,研究時間が十分に取れなかった。このことが本研究プロジェクトの進捗状況が遅れている最大の原因である。また,ブラジル国内の研究協力者の一人が病気となり,研究期間の最初の平成28年(2016年)7月より約14ヶ月間入院した。そのため,ブラジル国内での研究活動が当初予定より半年以上の遅れを生じた。(その後は,研究計画通りにブラジル側との打ち合わせを行うことはできている。)さらに,イタリア国内に設置してある望遠鏡が平成29年(2017年)2月に落雷により故障し,クラウドファンディンによりその修理自体を完了したのが平成30年(2018年)4月であった。しかし,その後に電源周りの根本的な問題点が見つかり,現在もその問題解決を行っている。一方で,インターネット望遠鏡システムマニュアルの多言語化や国内外での本プロジェクトの広報活動などは研究計画通りに着実に行えている。平成30年(2018年)度が本科研費プロジェクトの最終年度であったが,上述の通りに当初計画を約8ヶ月遅延している。よって,一年間延長し,本プロジェクトの主目的である「インターネット望遠鏡システムの南米への設置」を推進させる。そのために再度研究代表者または分担者が,ブラジル・サンパウロ大学(ブラジル側の代表者であるL. A. Ferreira氏)に滞在し,ブラジル国内設置に関する入念な最終的な打合せを行う予定である。また,日本国内設置の複数のインターネット望遠鏡システムの実物の見学やシステム別の管理法の紹介を企画している。また,「インターネット望遠鏡システムのマニュアルの多言語化」,とくに「英語版マニュアルの完成および公開」を着実に推進させる。マニュアルの多言語化はすぐにはできないが,英語版,中国語版,ロシア語版,ドイツ語版,フランス語版,ポルトガル語版などを今後も着実に進めていきたい。加えて,利用者の更なる増加を目指して「インターネット望遠鏡システムおよび本研究プロジェクトの広報活動」を積極的に行う。高等学校でのインターネット望遠鏡システムの利用による成果の報告が複数あるので,これらの成果実績も広報に活かしていきたい。令和元年(2019年)度もこれまで通り「インターネット望遠鏡シンポジウム」を開催したい。今年度の研究実績としては、以下の4点がある:1南米にインターネット望遠鏡システムを設置するための初期活動として,先方との打合せを開始した。とりあえず,Skypeと電子メールによる双方間の意思形成を行っている。ブラジル国内では,サンパウロ州が第一候補であり,サンタカタリーナ州が第二候補である。この双方と現在密接に連絡を取っている。すぐにでも現地調査ができる体制を構築した。また,南米のその他の国への設置の可能性も模索している。2インターネット望遠鏡システムの英語版マニュアルの作成を行い,試用を開始した。既に韓国語版は公開されている。インターネット望遠鏡システムを世界中で利用してもらうために,英語版,中国語版,スペイン語版,ロシア語版は最低限作成したい。3米国・ニューヨークに設置しているインターネット望遠鏡システムの修理などの保守管理を行った。これにより,北米におけるインターネット望遠鏡システムによる天体観測が再び可能となった。本研究プロジェクトの最終目的を達成するためには,北米と南米に設置するインターネット望遠鏡システムが対で活用できる必要があるので,最優先で修理を行った。4青少年のための科学の祭典2016・鹿児島大会(7月),サイエンスカフェとやま(8月),青少年のための科学の祭典2016・名古屋大会(10月),サイエンスアゴラ2016(11月)などで,インターネット望遠鏡システムおよび本研究プロジェクトの一部を実演により紹介した。また,中国において,セミナー講演などにより本研究プロジェクトの広報活動を行った。今年度に実施する予定であった,ブラジル国内の研究機関とのインターネット望遠鏡システム設置に関わる会合および現地調査を,先方の都合により行うことができなかった。また,イタリア・ミラノに設置しているインターネット望遠鏡システムが落雷により故障しており,その復旧計画の策定に時間がかかっている。

本件は,本研究プロジェクト遂行のためにも,関連研究プロジェクト遂行のためにも,至急行う必要がある。平成29年度中(のしかも前半)には行いたい。平成29年度の研究実績としては、以下の5点がある:1インターネット望遠鏡システムの南米設置先の第1候補はブラジルである。サンパウロ州内にあるサンパウロ大学の複数キャンパスに滞在し,設置のための現地調査を行った。また,サンタカタリーナ州にあるサンタカタリーナ連邦大学にも滞在し,同様の現地調査を行った。加えて,全ての滞在先においてインターネット望遠鏡システムの広報活動を行うことができた。2中国国内の設置を目指して,北京市内の複数大学や研究機関でのコロキウムやセミナーにおいて,インターネット望遠鏡システムに関する口頭発表およびデモンストレーションを行い,本研究プロジェクトの広報活動を行った。3平成28年度の米国・ニューヨークに引き続き,平成29年度はイタリア・ミラノ郊外にあるブレラ天文台(http://www.brera.inaf.it/?page=home;lingua=inglese)内設置のインターネット望遠鏡システムの修理を行った。これにより,北半球に設置してある全てのインターネット望遠鏡システムによる天体観測が再び可能となった。本修理には,クラウドファンディングの活用(https://readyfor.jp/projects/itp201301)により修理資金の一部を捻出した。クラウドファンディングの活用は,修理費用の捻出のみならず,広報の観点からの効果が期待以上にあった。4平成28年度に引き続き,青少年のための科学の祭典2017・鹿児島大会(7月),富山県立大学ダ・ヴィンチ祭2017(8月),青少年のための科学の祭典2017・名古屋大会(10月),サイエンスアゴラ2017(11月)などで,インターネット望遠鏡システムおよび本研究プロジェクトの一部を実演により紹介した。5インターネット望遠鏡システムマニュアルの外国語版の作成も随時行っている。平成28年度に先方の都合で中止となったブラジル国内での現地調査を行うことができた。また,ブラジル国内の大学や研究機関とのインターネット望遠鏡システム設置に関わる会合を行うことができた。現在,設置にむけ前向きな交渉を続けている。更に,イタリア・ミラノに設置してあるインターネット望遠鏡システムの落雷による故障からの復旧ができ,その過程でクラウドファンディングの活用法も修得できたことは今後の活動に非常に有益であった。クラウドファンディングは今後も積極的に活用していきたい。加えて,インターネット望遠鏡システムの英語版簡易マニュアルを完成させることができた。国内外での広報活動も着実に行えている。
転写終結RNAシグナルの機能構造

1)プラスミド上のcrp遺伝子の転写終結領域にいくつかの制限酵素部位をPCR法により導入し、変異ターミネーター作製のための系を確立した。2)このプラスミドの制限酵素部位と合成DNAおよびPCRを利用して、変異ターミネーターを作製した。今回はヘアピン構造のステム部分およびTのクラスターを変えた変異ターミネーターを数種構築した。3)変異ターミネーターDNA断片をlacZおよびgalKをレポーターとする転写終結機能検定用のプラスミドにクローニングしてin vivoにおける転写終結機能を定量的に解析した。また、変異ターミネーターがcrpオペロンの発現(mRNAの安定性)に及ぼす影響を定量的に解析した。この結果、T(U)のクラスターの部分的欠失が転写終結機能を大きく低下させるが、mRNAの安定性には影響しないことが明らかになった。逆にステム部分の変異体のひとつは比較的強い転写終結能を示す一方、mRNAの安定性を顕著に下げることが判明した。これらの結果は、転写終結機能とmRNAの安定性を規定するRNA(DNA)シグナルが同一ではないことを示しており、今後の解析の糸口が得られたと考えている。4)mRNAの3'末端には一般にポリUが検出されることからRNAポリメラーゼはターミネーター領域のTクラスター部分で転写を終結すると広く信じられているが、転写終結能の解析を行なう中で、転写ははるか下流まで進行しており、3'末端の生成はRNAのプロセシングによることを示すデータを得た。
網羅的翻訳後修飾解析をめざした新しい質量分析適用法の確立

『目的』生体機能を解析する上では、遺伝子レベルから蛋白質レベルまで様々なレベルで解析が行われているが、最近プロテオミクス(プロテオーム解析)、中でも蛋白質の翻訳後修飾解析の重要性が注目されている。蛋白質の大規模な効率的解析の有力な手法としての質量分析法を用い、翻訳後修飾解析を目標とする網羅的な「全アミノ酸配列」決定方法の確立を目指すための2D-HPLC/MS/MS法を用いた基礎的検討を行った。2D-HPLC方は、1次元目と2次元目のHPLC溶出条件を変えることで、2次元目の溶出ピーク当たりに含まれる成分数を減らすことができ、質量分析のイオン化に伴うイオンサプレッション効果の減少に有効である。『方法』既知タンパク質のウシ血清アルブミン(bovine serum albumin : BSA)とβ-カゼインを同量混合したタンパク溶液を還元アルキル化、Trypsinで消化し、ペプチド混合液を作成した。作成したペプチド混合液を、分画せずにLC/MS/MS測定を行いそれぞれのタンパク質のシーケンスカバレージを求めた。次いで、同試料を、1次元目の塩基性移動相を用いた逆相HPLCで20分画し、3分画から17分画までの15分画をそれぞれLC/MS/MS測定を行い、測定データを結合しMASCOT検索を行いBSAとβ-カゼインのカバレージを求め、分画によるシーケンスカバレージを解析した。『成果』BSAとβ-カゼインの混合試料を分画せず測定した場合のそれぞれのカバレージは、BSAは59%、β-カゼインは8%であった。同試料を20分画し、各分画の測定データをマージした場合の各カバレージは、BSAは71%、β-カゼインは19%であった。BSAの場合は、分画によりHPLCの各ピークに含まれるペプチド数が減ったため、質量分析計のイオン化に伴うイオンサプレッション効果が低減出来シーケンスカバレージの上昇が見られたと想定出来る。β-カゼインの場合もシーケンスカバレージの上昇は認められたが、BSAほどではなくまだ条件検討が必要と思われる。今回の研究では、1次元目のHPLC分離条件の検討や分画数の検討を行った。分画数を増やすほどシーケンスカバレージが上昇するが、測定コストがかさむため無闇に分画数を増やすこともできなかった。今回の結果を踏まえ、1次元目のHPLC溶出条件や分画の間隔等の再検討、2次元目のHPLC溶出条件の検討など、これから更なるシーケンスカバレージの上昇を目指し研究を進めて行く予定である。
油の流れの局所的微小温度分布のレーザー干渉計測法の開発

1.非定常細線加熱法で測定した細線の温度変化に対して,ラプラスの数値逆変換法を用いて解析を行った結果,従来の方法に対して測定開始初期の温度変化までも計算でき,さらに熱伝導率,熱拡散率を同時に測定できることがわかった.ベンゼン,油について,この方法を用いて熱拡散率,比熱を求めた.2.加熱した細線にレーザ光を照射し,レーザ透過光の位置の変化,及びマッハツェンダー干渉計による縞の変化を測定した.その結果,細線周囲の温度変化によってレーザ光の透過位置が変化することが確かめられ,この測定によって油の熱物性値の変化を光干渉法で測定できることが確かめられた.3.温度差のある2平行平板間に流れる油の温度分布・流速分布の数値計算を行った結果,主に層流熱伝達によって冷却を行っているオイルクーラーでは,流量を上げるだけでは冷却能力はそれほど上がらないことがわかった.冷却効率を高めるためには,流れを乱し,冷却面近傍の油と冷却されていない油とを積極的に混ぜる必要がある.また,この計算結果の有効性を確認するために,上下壁面の温度を調節することが出来る矩形流路を製作し,温度分布・流速分布の測定を行った結果,温度・流速分布とも数値計算結果とよく一致し,温度差のある粘性流体の流れのシミュレーションが正しく行われていることを確認した.4.絞り内を流れる油には流線がはっきりと見える.この流線の温度を熱電対によって測定した結果,キャビテーション発生時には周りの油に比べ最大2°Cもの温度上昇があることがわかった.さらに絞り内部に直接熱電対を取り付けてキャビテーションを発生させると,同様の温度上昇が見られた.速度境界層幅を10μm程度に考え,流体の変形による発熱量を計算すると,この程度の油温の上昇があり得ることから,この流線は,油の速度上昇による屈折率の変化によって光が曲げられた結果生じたものであることがわかった.1.非定常細線加熱法で測定した細線の温度変化に対して,ラプラスの数値逆変換法を用いて解析を行った結果,従来の方法に対して測定開始初期の温度変化までも計算でき,さらに熱伝導率,熱拡散率を同時に測定できることがわかった.ベンゼン,油について,この方法を用いて熱拡散率,比熱を求めた.2.加熱した細線にレーザ光を照射し,レーザ透過光の位置の変化,及びマッハツェンダー干渉計による縞の変化を測定した.その結果,細線周囲の温度変化によってレーザ光の透過位置が変化することが確かめられ,この測定によって油の熱物性値の変化を光干渉法で測定できることが確かめられた.3.温度差のある2平行平板間に流れる油の温度分布・流速分布の数値計算を行った結果,主に層流熱伝達によって冷却を行っているオイルクーラーでは,流量を上げるだけでは冷却能力はそれほど上がらないことがわかった.冷却効率を高めるためには,流れを乱し,冷却面近傍の油と冷却されていない油とを積極的に混ぜる必要がある.また,この計算結果の有効性を確認するために,上下壁面の温度を調節することが出来る矩形流路を製作し,温度分布・流速分布の測定を行った結果,温度・流速分布とも数値計算結果とよく一致し,温度差のある粘性流体の流れのシミュレーションが正しく行われていることを確認した.4.絞り内を流れる油には流線がはっきりと見える.この流線の温度を熱電対によって測定した結果,キャビテーション発生時には周りの油に比べ最大2°Cもの温度上昇があることがわかった.さらに絞り内部に直接熱電対を取り付けてキャビテーションを発生させると,同様の温度上昇が見られた.速度境界層幅を10μm程度に考え,流体の変形による発熱量を計算すると,この程度の油温の上昇があり得ることから,この流線は,油の速度上昇による屈折率の変化によって光が曲げられた結果生じたものであることがわかった.(1)非定常細線法による油の熱伝導率,熱拡散率の測定を行うための実験装置の製作,及び実験を行った.これまでこの測定では,温度変化が定常状態になった時の傾きから熱伝導率を求めるのが一般的であったが,今回,測定を開始した瞬間からの温度変化までも計算できるよう,ラプラスの数値逆変換法を用いて解析を行った.その結果,測定値全体にわたって理論計算値はよく一致し,これから熱拡散率を求めることに成功した.この方法をベンゼンを用いて確認するとともに,油の熱拡散率を求め,温度に対する傾向を得た.(2)非定常細線法においては,白金の温度変化に伴い周囲の液体の屈折率が変化する.この屈折率の変化から液体の温度を求めようと,レーザの屈折角の測定,及びマッハツェンダー干渉測定を行う準備を進めている.(3)温度差を与えた2平行平板間に流れる油の温度分布を測定するための装置の製作を行った.この装置は,熱電対を操作することによって平板間の温度分布を測定でき,また側面に窓をつけているため,光干渉測定による温度測定が可能である.またLDVによる流速分布も測定できる.(4)温度場のある流れの数値シミュレーションを行い,温度差のある2平行平板間の温度,流速分布を計算した.その結果,温度・流速変化が定常的となるためには長い管路が必要であることがわかった.(5)油の屈折率を測定し,温度上昇に対して屈折率が減少する結果を得た.また,二酸化炭素を溶解させた油の屈折率を測定し,溶解気体によって液体の屈折率が変化することを調べた.

(1)油の熱物性値を求めるために,非定常細線加熱法を用いて熱伝導率,比熱の同時測定を試みた.その結果,熱伝導率については精度良く求められたが,比熱に関しては十分な精度で測定することができなかった.これは温度,実験開始時間の決定に誤差が含まれるためと考えられ,さらに検討することとなった.(2)細線を加熱したときの周囲流体の温度分布を光干渉法を用いて測定し,その分布から熱物性値を求めることを試みた.測定方法は,細線にレーザ光を照射し,細線周囲の温度分布によって生じる密度変化を,レーザ透過光の位置の変化,及びマッハチェンダー干渉計で測定した.これらの実験によって細線周囲の温度変化によって変化が現れることが確かめられた.現在,幾何光学による光の曲がり量の計算結果と透過光位置の変化を検討しているところであり,今後回折理論も含めた検討を行う予定である.(3)温度差を与えた2平行平板間に流れる油の温度分布・流速分布の測定を行った.温度分布は流路中を熱電対を操作することによって測定し,流速はLDVを用いて測定した.この結果,温度,流速とも数値計算結果と良く一致しており,温度差のある粘性流体の流れをシミュレーションできることがわかった.(4)温度変化,圧力変化に対する油の絶対屈折率の測定を行った.その結果,屈折率は温度が上昇するほど小さくなり,また圧力が上昇するほど大きくなることが確かめられ,このことから油の屈折率は密度にほぼ比例することがわかった.1)温度差を与えた2平行平板間に流れる油の温度分布・流速分布の数値計算を行った.短形流路の高さ・流量を変えて計算した結果,流量の対数に比例して冷却能力が上がることがわかった.即ち,主に層流熱伝達によって冷却を行っているオイルクーラーでは,流量を上げるだけでは冷却能力はそれほど上がらないことがわかった.冷却効率を高めるためには,流れを乱し,冷却面近傍の油と冷却されていない油とを積極的に混ぜる必要がある.2)気泡の圧縮前後の挙動を調べるために重要な,単一気泡発生装置を制作した.発生させる気泡径の範囲は限られているが,気泡一つだけ発生させることが可能であり,本来の目的を達成することができる.また過渡的に圧力上昇させたときの気泡の挙動を観察するための容器を製作した.3)絞りの油の流れを観察すると,絞り部に流線がはっきりと見える.この流線の温度を熱電対によって測定した結果,キャビテーション発生時には周りの油に比べ最大2°Cもの温度上昇があることがわかった.さらに絞り内部に直接熱電対を取り付けて流量を上げ,キャビテーションを発生させると,同様の温度上昇が見られた.速度境界層幅を10μm程度に考え,流体の変形による発熱量を計算すると,この程度の油温の上昇があり得ることから,この流線は,油の速度上昇による屈折率の変化によって光が曲げられた結果生じたものであることがわかった.またキャビテーション発生時における発光現象を,超高感度カメラを用いて撮影することに成功し,フォトマルによる発光強度の測定,針先の電位の測定を同時に行うことによって,両者の間に関係があることを明らかにした.
X線のスペクトル情報を利用した次世代X線CTの開発

平成16年度は、まずX線光子の輸送計算を行うモンテカルロシミュレーションコードを作成した。次に、このシミュレーションプログラムを用いてパルスカウンティング方式の有効性の検討を行った。有効性の検討は、(1)コントラスト分解能がどれほど改善するか、(2)X線の線量をどこまで低減することが可能か、(3)X線のビームハードニングの影響をどこまで抑えることができるか、の3点について行った。この結果、コントラスト分解能は従来法の3倍まで改善し、ビームハードニングの影響は加重関数を最適にすることでほとんど見えない程度まで改善できることがわかった。さらに、実際のX線CT装置で用いられているエネルギースペクトルに基づきシミュレーションを行い有効性を確認した。また、エネルギー情報の利用の仕方に関しても、複数の方法を考案し有効性の検証を行った。最後に、これらの結果に基づいて検出器の設計仕様を検討し、光子計測型検出器の試作を行い、性能試験の後、雑音に対する対策や感度の均一性を確保するためのハードウェア仕様を再検討し、改良を行った。平成17年度には、この検出器を用いた基礎実験を開始し、実験とシミュレーションとの比較を行った。まず、X線管の電流値に対する応答特性、温度特性、雑音特性などを計測した。また、この検出器をもちいて、水、アルコール、Ca、Feなどから混成されるファントムを作製しそれぞれの物理量が厳密に測定可能かどうかを明らかにした。さらに、散乱線の影響、物理計測値の再現性などを検討した。また、検出器の個々の画素の感度不均一性がCT画像の再構成に対して非常に敏感に働き、リングアーチファクトを容易に発生させることもわかった。また、積分型の超高分解能CdTe検出器も試作したが、この検出器では100ミクロンの高い空間分解能の画像を映像化することに成功した。さらに、この検出器を用いて小魚の断層面の画像を映像化することを試みた。現在のX線CT方式と提案方式のデータ収集をシミュレートするために、X線光子の輸送計算を行うモンテカルロシミュレーションコードを作成した。次に、実際のX線発生装置を用い、発生するX線のスペクトル形状をGe検出器を用いて測定し、シミュレーション結果と比較した。上記の精度を確認したモンテカルロシミュレーションプログラムを用いてパルスカウンティング方式の有効性の検討を行った。こめ結果、コントラスト分解能は従来法の3倍まで改善し、ビームハードニングの影響は加重関数を最適にすることでほとんど見えない程度まで改善できることがわかった。この他、線量の低減についても実現できることが明らかになったが、これは画質との関係で議論されるべき事柄である。さらに、実際に医療現場で稼働しているX線CT装置で用いられているX線のエネルギースペクトルを入手し、このデータに基づきシミュレーションを行い、有効性を確認した。最後に、これらの結果に基づいて検出器の設計仕様を検討し、光子計測型検出器の試作を行った。そして、この検出器における性能試験を実施し、雑音に対する対策や感度の均一性を確保するためのハードウェア仕様を再検討し、改良を行った。平成17年3月現在、この検出器を用いた基礎実験を開始した。本年度は試作したフォトンカウンティング型X線検出器を用いた詳細な実験とシミュレーションとの比較を行った。

試作した検出器は、エネルギー弁別を行うThresholdを1本持つものであり、このthresholdエネルギーを変化させながら、X線管の電流値に対する応答特性、温度特性、雑音特性などを計測した。また、この検出器をもちいて、水、アルコール、ハイドロキシアパタイト、鉄粉などから混成されるファントムを作製しそれぞれの物理量が厳密に測定可能かどうかを明らかにした。X線の散乱線の影響については5%程度混入しており、物理計測値(それぞれのエネルギーにおける線源弱係数)を低下させることがわかった。また、実際の実験系ではシミュレーションと比較して、低エネルギーのX線を正確に計測することができないために、荷重関数を設定しても水とアルコールのような成分の分離においてコントラストをつけることが困難であることが明らかになった。これは低エネルギーのX線成分は検出器の回路系の雑音と区別することが困難であり、低めのエネルギーの光子成分は抑制される傾向にあるためである。シミュレーションから検出器の個々の画素の感度不均一性がCT画像の再構成に対して非常に敏感に働き、リングアーチファクトを容易に発生させる傾向があったが、この程度は感度むらで0.1%程度であり、この感度均一性をCdTe半導体検出器で実現するためにはかなり困難であることもわかった。CdTe結晶には、結晶生成上の不均一性があるが精度をさらに向上させる必要があることも明らかになった。また、積分型の超高分解能CdTe検出器も試作したが、この検出器では100ミクロンの高い空間分解能の画像を映像化することに成功した。さらに、この検出器を用いて小魚の断層面の画像を映像化することを試みた。