hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
汎用可能なコロナウイルス感染モデルマウスの開発

コロナウイルスに対する感染モデル細胞・疾患モデルマウスとして利用できるものと期待される。大腸菌発現系を用いて組換えfAPNを作製し、組換えfAPNを抗原として抗fAPNモノクローナル抗体(MAb:マウス)、抗fAPNポリクローナル抗体(PAb:ウサギ、ニワトリ)を作製した。抗fAPNポリクローナル抗体はType I、Type IIネコ伝染性腹膜炎ウイルス(FIPV)以外にも、宿主の異なるグループ1コロナウイルス(ブタ伝染性胃腸炎ウイルス:TGEV、イヌコロナウイルス:CCoV)の宿主細胞への吸着を阻止した。また、抗fAPNモノクローナル抗体3クローンはType II FIPVの感染は阻止したものの、Type I FIPVの吸着を阻止することはできなかったが、TGEV、CCoVの感染を阻止した。以上の結果から、Type I、Type II FIPV両者ともfAPNをレセプターとするが、fAPN上のType I, Type II FIPVの結合ドメインが異なること、宿主の異なるグループ1コロナウイルス、TGEV(ブタ伝染性胃腸炎ウイルス)、CCoV(イヌコロナウイルス)とType IFIPVはfAPN上の極めて近接した領域を吸着の標的としていることが示唆された。fAPNcDNAを組み込んだ哺乳類細胞発現ベクター(pCDNA3)をマウスマクロファージ系株化細胞(J774.1A)にトランスフェクトし、fAPN発現マウスマクロファージ細胞株を得たが、FIPVの感染効率は低いことから、発現系の改良を検討している。
Metabolic Autopsyを用いた新しい法医診断学の確立

乳幼児突然死における代謝疾患について検討を行った。1次世代シークエンサーにより遺伝子解析を行ったところ、乳幼児突然死症例に多く見られる遺伝子変異を見いだした。2ミトコンドリア疾患のモデルマウスに対するBezafibrate投与による症状改善のメカニズムを検討した。昨年度、我々は乳幼児突然死症例における代謝疾患のかかわりについて検討を行った。代謝疾患の中でも特に先天性の代謝異常症、とりわけ脂肪酸代謝異常症やミトコンドリア呼吸鎖異常症は乳幼児期に突然死を引き起こす可能性が示唆されている。従って、これらの疾患に焦点を当て、乳幼児突然死症例の原因究明を目指した。昨年度は、申請書に基づき、3段階に分けて実験を進めた。第1段階:検体抽出過去に保存されている解剖症例より、約50例の乳幼児突然死症例について解析を行っている。血液が保存されているものに関しては、既報(Yamamoto et al. Mol Genet Metab, 2011)に基づきDNA抽出を行った。皮膚が保存されているものに関しては、既報に基づき皮膚線維芽細胞培養を行った。第2段階:代謝産物測定上記約50例に対し、既報(Yamamoto et al. Mol Genet Metab, 2011)に基づきTandem Massを用いアシルカルニチン測定を行った。皮膚線維芽細胞培養が可能である症例に対しては、既報に基づき酵素活性測定を行った。第3段階:遺伝子変異の同定上記約50例に対し、先天性代謝異常症の候補遺伝子のエクソンスクリーニングを行った。第2段階の実験において、50例中数例に脂肪酸代謝異常症およびミトコンドリア呼吸鎖異常症を示唆する所見を得た。また、第3段階の実験において、数例の症例で代謝異常症の候補遺伝子に変異を認めた。これらの症例は後方視的にも明らかな形態異常を認めない症例が大半であり、MetabolicAutopsyを用いない従来の解剖方法では、見逃されていた可能性が考えられる。代謝疾患に焦点を当てたMetabolicAutopsyの手法は法医学的にも重要であり、代謝疾患を念頭に置いた解析が重要である。昨年度、引き続き乳幼児突然死における代謝疾患について検討を行った。1脂肪酸代謝異常症について:計60例の乳幼児突然死症例に対し、脂肪酸代謝異常関連・ミトコンドリア呼吸鎖関連遺伝子の変異解析スクリーニングを次世代シークエンサーにより行った。また、死亡時の血液の代謝産物測定をタンデムマスにより行った。検出された遺伝子変異の中から、過去に疾患との関連が報告されている変異を抽出し、乳幼児突然死群とコントロール群との統計学的解析を行ったところ、CPT2遺伝子F352C変異において、有意差が認められた。血中アシルカルニチン解析を行ったところ、ハプロタイプ間で統計学的有意差は認められなかった。2ミトコンドリア疾患について:ミトコンドリア疾患の一つであるLeigh脳症のモデルマウス(NDUFS4fky/fky)に対しBezafibrateを連日経口投与したところ、0.05%群で生存率の改善が認められることが知られているが、Bezafibrate投与群・非投与群について、ミトコンドリア関連蛋白質の発現について検討した。心臓・肝臓ではBezafibrate投与により複合体Iの発現が増加したが、生存率との関連は認められなかった。筋肉・脳では一定の傾向は認められなかった。今回の研究では、Metabolic Autopsyの手法を用いることで代謝疾患と突然死との関連を見いだした。従来の形態的変化に頼る解剖手法では解明できなかった新たな知見を見いだすことができたものと考える。さらに、薬物投与により早期治療・予防も可能であり、突然死自体の回避へと繋がる可能性が期待される。法医学最終的には100例から200例程度の乳幼児突然死症例の解析を予定している。過去の報告からは、数パーセントに代謝疾患の関与が示唆されており、現在関与が疑われる数例は、過去の報告からも矛盾しない割合である。(今後の推進方策)本年度以降、解析症例をさらに増やす予定である。また、分光光度計を用いた代謝酵素活性測定および細胞外フラックスアナライザーを用いた酸素消費量測定によるミトコンドリア機能解析を行う予定である。これらは、死後に機能的解析を行うという、従来の法医学領域では例を見ない検討方法である。(次年度の研究費の使用計画)上述したように、分光光度計を用いた代謝酵素活性測定および細胞外フラックスアナライザーを用いた酸素消費量測定に使用する予定である。
血管内皮前駆細胞の機能強化と磁気誘導による次世代型血管新生療法の開発

重度の虚血状態にある下肢を救済する治療法の一つに、血管新生細胞を虚血下肢に筋注投与する血管新生療法があります。ところが、その投与された細胞の多くは虚血組織内に存在する酸化ストレスによって死に至るため、その血管新生能力を十分に発揮できていないことが予想されていました。我々はFOXO4転写因子の発現を体外で人工的に減弱させ、酸化ストレスに対して強い抵抗性を持つ改良型血管新生細胞を作製することに成功しました。実際にその細胞を動物モデルの虚血下肢に筋注投与したところ、より多くの血管新生細胞が虚血組織内で生存し、血管新生能力が向上することを確認いたしました。重症虚血肢に血管内皮前駆細胞(EPC)を投与する血管新生療法は、動脈硬化危険因子が重責した患者では奏功しない場合が多く、原因として投与EPCが虚血部位から喪失することが報告されている。本研究ではまずラット虚血肢では非虚血肢に比べ投与EPCのアポトーシス率が高く、その理由として虚血肢では虚血による酸化ストレスが高いことが影響していることを確認した。さらにin vitroにおいて、酸化ストレス高値下では定常状態に比べEPCのFOXO4発現が高いこともウェスタンブロット法にて示された。FOXO4はアポトーシスへの関与が示されているため、EPC内のFOXO4の抑制が酸化ストレスによるEPCのアポトーシスを抑制するとの仮説をたてた。我々のグループが既に最適化したマグネトフェクション法によりFOXO4のsiRNAをEPC内に導入し、そのノックダウンに成功した。さらにTUNEL染色によりアポトーシス耐性であることを確認した。そのEPC内においてはcaspase-3やBimELの発現が低下しており、これらのタンパク発現を抑制することでアポトーシス耐性を有することを明らかとした。またこのマグネトフェクションによるFOXO4-siRNA導入はEPCの分泌能や表現型には影響を及ぼさないことも確認することができた。続いて、ラット虚血肢にこのFOXO4-siRNA導入EPCを筋肉内投与することでコントロールEPC投与群に比し有意に血管新生効果を増強することが、レーザードップラー法による血流評価およびCD34染色による毛細血管密度評価によって明らかとなった。以上、当該年度は1下肢虚血部位における酸化ストレスとEPCアポトーシスの関連、2FOXO4-siRNA導入によるアポトーシス耐性EPCの作製および3アポトーシス耐性EPCの筋肉内投与における血管新生能の向上という計画を達成することができた。我々は重症虚血下肢を救済すべく、前血管新生細胞(early pro-angiogenic cells:EPCs)の筋肉内投与による血管新生療法を実施しているが、十分な効果が得られない例も経験する。その理由の一つとして虚血筋組織内の酸化ストレスによるEPCsの生存能低下が考えられる。最近FOXO4 (Forkhead transcription factor 4)が酸化ストレスによるEPCsのアポトーシスに関与していることが報告された。そこで我々はEPCsのFOXO4発現を予めノックダウンすることで、虚血肢に投与されたEPCsの抗アポトーシス能および血管新生能が増強できるかを検証した。ヒト末梢血中の単核球細胞からEPCsを分離培養し、magnetofection法でFOXO4 siRNAを導入しFOXO4ノックダウンEPCsを作製した。同EPCsはin vitroにおいて酸化ストレスに対するアポトーシスが抑制され、EPCs内のアポトーシス促進蛋白であるBimELやcleaved caspase-3の発現も減少していた。また同EPCsをラット虚血肢に筋注投与したところ、アポトーシスの抑制によって生存能が増強した結果、血管新生効果が増強された。また、その虚血肢において、VEGF、b-FGF、SDF-1、IGF-1の発現が亢進しており、より多くのEPCsが虚血肢組織内の内皮細胞内に取り込まれていることが明らかとなった。FOXO4をノックダウンすることでEPCsの酸化ストレスに対する抗アポトーシス能力を高めることができ、既存の血管新生療法の効果を増強させる新たな手段となり得る可能性がある。重症虚血肢における血管内皮前駆細胞(EPC)投与による血管新生療法は投与EPCが虚血部位からアポトーシスにより喪失することにより奏効しないことも指摘されている。そこで本研究では磁気粒子によるsiRNA導入でアポトーシス促進因子であるFOXOをノックダウンしアポトーシス耐性EPCを作製、さらに磁気化EPCを磁場により虚血部位に集積させることで血管新生効率の飛躍的な向上を図ることを目的としている。平成23年度は動脈硬化危険因子を有した患者単核球由来のEPCに対して磁気粒子によるFOXO-siRNA導入(マグネトフェクション)を行い、EPC内のFOXOのノックダウンに成功している。

同時に我々のグループは磁気粒子を取り込ませた磁気化EPCを体外からの磁場により効率的に虚血部位に集積させることで血管新生を増強させることを報告した(Koiwaya, J Mol Cell Cardiol,2011)。すなわちマグネトフェクションによりFOXOをノックダウンしアポトーシス耐性EPCを作製、さらにそのEPCを体外磁場により虚血部位に集積させることが可能となった。次にFOXO1、3a、4それぞれに対するsiRNAをEPCに導入し、ウエスタンブロット法でその効率と特異性を検討した結果、EPCではFOXO4の発現量が最も多く、そのノックダウン効率もFOXO4において最も顕著であることが判明した。さらにH2O2刺激後のアポトーシス耐性をTUNEL染色およびフローサイトメトリー法で評価し、FOXO4ノックダウンEPCが最もアポトーシス耐性能力が高いことを発見し、さらにウエスタンブロット法にて各種タンパクを評価したところ、そのアポトーシス抑制にはCaspase-3、Bimを介した経路が重要であることが判明した。本研究の目的は、アポトーシス耐性を付与したEPCを作製することで虚血部位に効果的に集積させ、血管新生効率を向上させることである。この目的を達成するために、平成23年度はin vitroにおいて以下の2点を実施した。そのため平成24年度はin vivoの計画3を目標とした。計画1.虚血組織における酸化ストレスとEPC機能の評価、計画2.アポトーシス耐性EPCの作製、計画3.アポトーシス耐性EPCの下肢虚血筋内投与による血管新生能の評価を行う。免疫不全ラット(ヌードラット)の大腿動脈焼灼により下肢虚血を作製し、対側をコントロールとし、虚血作製24時間後にFOXO4-siRNAを導入したアポトーシス耐性EPCを筋肉的に投与す以下の項目を検討した。1、筋注EPCのアポトーシス評価:EPCを予め蛍光Dilでラベリングし、筋肉内投与したEPCのアポトーシス率をTUNEL染色により定量評価したところ、虚血肢では非虚血肢に比べ明らかにアポトーシスが亢進していた。2、血流評価:EPC投与14日後にレーザードップラー血流測定器で虚血改善効果を定量評価したところ、FOXO4 -siRNA導入EPCはnegative-siRNA導入EPCより明らかに血流が改善していた。3、組織解析:CD34染色により毛細血管密度を評価しても、同様にFOXO4-siRNA導入EPCは虚血筋肉内における毛細血管密度が明らかに亢進していた。4、アポトーシス評価:上記のごとくFOXO4-siRNA導入EPCを蛍光Dilでラベリングし、TUNEL染色で比較したがやはり同EPCのアポトーシスは抑制されていた。以上のごとく患者末梢血単核球由来EPCのFOXO4-siRNA導入はin vivoにおける血管新生能力評価については当初の実験計画どおり順調に経過している。本研究の目的は、アポトーシス耐性を付与したEPCを虚血部位に集積させ、血管新生効率を飛躍的に向上させることである。
結核菌のヒストン様蛋白質MDP1による菌の休眼誘導と潜伏感染成立/回避の分子機構

本研究は抗酸菌に特異的な核酸結合性蛋白質MDP1が標的として制御する遺伝子群やMDP1の転写抑制を免れ休眠期でも発現する遺伝子群(休眠維持分子)、MDP1の翻訳後活性に作用する分子群、すなわち定常期から休眠導入期にかけてMDP1を活性化する分子(休眠導入分子)、また休眠期から増殖期にかけてMDP1を不活化する分子(休眠解除分子)を全ゲノムレベルで同定し、結核菌の休眠導入-維持-解除の分子機構を解明することを最終の目的としている。MDP1が制御する遺伝子群の同定MDP1欠失抗酸菌株の蛋白質の二次元電気泳動を行い、野生株のパターンと比較した。MDP1を欠失させることにより、様々な蛋白質が大量に発現されていることが明らかとなった。変化の見られた蛋白質スポットを切り出しトリプシン処理した後、質量分析機にて解析し、MDP1により発現制御される蛋白質群の同定を行った。休眠維持分子探索を目的とした、MDP1大量発現株の作成と解析弱毒牛型結核菌(BCG)のMDP1遺伝子をシャトルベクターpSO246に導入しBCGの形質転換を行うことで、MDP1を大量に発現するBCGを得た。この形質転換体の発育はMDP1によりその発育が顕著に抑制されていた。MDP1大量発現株の蛋白質発現プロファイルを二次元電気泳動法により比較検討し、MDP1の転写抑制を免れ発現する蛋白質群(休眠維持候補分子)の同定を行った。MDP1結合性蛋白質(休眠導入/解除候補分子)の同定MDP1の活性を調節する分子の同定を目的として、MDP1結合性蛋白質の同定を行った。抗MDP1抗体を産生する三種のハイブリドーマ細胞を確立し特異抗体を調整した。この抗体を用いて免疫沈降反応を行い、MDP1と結合する蛋白質が存在することを明らかにした。MDP1結合蛋白質の同定を二次元電気泳動および質量分析と、結核菌ゲノム情報を利用して行った。
大気ナノ粒子中変異原性芳香族の高時間分解観測によるその場動態の解明と健康影響評価

微小大気浮遊粒子に存在する変異(ガン)原性芳香族の大気環境動態の解明は健康影響評価に必要である。新規制対応のディーゼル機関の登場で規制対象物質排出が低減する一方,未規制物質排出増大が報告されており,ナノ粒子の排出も懸念される。生体影響の観点から重要となるガン(変異)原物質はPAHとニトロ化PAHが主寄与物質だが,未同定物質が多く,これらの化合物の同定,定量および大気中動態の解明が微小大気浮遊粒子の環境影響を考える際に有効である。本研究は微小大気粒子中の変異原性芳香族の大気生成や濃度変動等の動態に関する基礎的な知見を得ることを目的として,以下の検討を行った。大気の変異原性に寄与が大きい多環芳香族化合物の多くが存在する微小大気浮遊粒子を粒径別に捕集して行った観測の結果から,ナノ粒子として大気中に放出されたものも大気中で速やかに凝集し,サブマイクロメートルレベルの粒子になることが示された。そこで,東京都心部の変異原性多環芳香族化合物の主要発生源である自動車排気に含まれる粒子について放出後の動態を解明するため,幹線道路沿道からの距離が異なる地点においてカスケードインパクターによる250nm2.5μmの範囲での粒径別捕集をし,粒径別の質量濃度測定とともに変異原性多環芳香族化合物濃度を前年度確立したHPLC法により分析した。その結果,自動車排気粒子は道路上にて放出された後に,沿道から100m程度もしくは沿道から50mの上空30mに到達した時点で粒径約1μmの粒径に凝集していることが明らかとなった。変異原性芳香族化合物の濃度も粒子の質量濃度に類似した変化を示したが,ガス状で放出されたものの粒子上への凝縮が相まって,変化の幅は大きかった。このことは自動車から排出される有害物質は吸入時,直接血管に侵入しうるナノ粒子としてではなく,肺胞へ沈着しやすいサブマイクロ粒子として人体に曝露されているといえる。本研究は微小大気粒子中の変異原性芳香族の大気生成や濃度変動等の動態に関する基礎的な知見を得ることを目的としており,今年度は以下の検討を行った。大気の変異原性に寄与が大きい芳香族は微小大気浮遊粒子に存在するが,石英繊維濾紙+ポリウレタンフォーム(PUF)による既往のろ過捕集では粒子のろ紙通り抜けによる粒子中濃度の過小評価,気相濃度の過大評価,全大気濃度の測定精度低下が問題となる。そこで正確な大気中濃度の測定のため,捕集媒体の選定を含めたサンプラーによる捕集条件(時間分解能,捕集サイト等)についてアーティファクトがないように最適化を行った。すなわち,大気中で粒子相のみにあるジニトロピレン類について,既往のエアサンプラーを用い,石英繊維ろ紙とPUFの分配への大気吸引速度,捕集粒子量,捕集時気象条件の影響を検討し,微小粒子をろ紙上に捕集するための運転条件としては大気吸引速度500L/minで30分間以上捕集することが最適と決定した。この条件下で同時にPAHの減衰も追跡し,捕集時の分解や生成のアーティファクトがないことを確かめた。大気ナノ粒子は捕集時にサンプラーに対しては空気動力学的に気体同様の挙動になる,すなわち,ろ過捕集では大気中のナノ粒子を捕集しきれない可能性がある。そこで気体捕集用環状デニューダーを装備した微小粒子の捕集に適したエアサンプラーによる捕集を行い,ニトロ芳香族について捕集の実際を検証した。しかしながら,市販の微小粒子捕集装置と既往のエアサンプラーでは捕集された試料の化学分析結果および変異原性試験結果に有意の差異は見られなかった。これはナノ粒子は発生したとしても大気中で速やかに凝集し,これまで観測されているものと同等のサブマイクロメートルレベルの粒子になるためと考えられた。

そこで,東京都心部の変異原性多環芳香族化合物の主要発生源である自動車排気に含まれる粒子について放出後の動態を解明するため,幹線道路沿道からの距離が異なる地点においてカスケードインパクターによる250nm2.5μmの範囲での粒径別捕集をし,粒径別の質量濃度測定とともに変異原性多環芳香族化合物濃度を前年度確立したHPLC法により分析した。その結果,自動車排気粒子は道路上にて放出された後に,沿道から100m程度もしくは沿道から50mの上空30mに到達した時点で粒径約1μmの粒径に凝集していることが明らかとなった。変異原性芳香族化合物の濃度も粒子の質量濃度に類似した変化を示したが,ガス状で放出されたものの粒子上への凝縮が相まって,変化の幅は大きかった。このことは自動車から排出される有害物質は吸入時,直接血管に侵入しうるナノ粒子としてではなく,肺胞へ沈着しやすいサブマイクロ粒子として人体に曝露されているといえる。
高速視覚情報処理に基づいた拡張現実による精密根管治療支援システムの開発

8K(画素数7,680×4,320)等の超高精細映像は、人の視覚限界(眼の解像度)に近づくものであり、「画面上に再生された映像」であったものが、映像ではなく「そこにある現実」に見えてくる。また、歯内療法学は硬組織に囲まれ、直接見ることが困難な狭小な根管を治療対象としており、歯の内部に広がっている髄腔の三次元的な位置関係を把握することは重要である。本研究では、我々の特許出願技術である「コンピュータビジョンによる手術ナビゲーション方法並びにプログラム」により、患者のCT画像を元にコンピュータ上で仮想的に構築した三次元像との位置合わせを実現し、術前計画された画像情報を術野カメラの映像に拡張現実的に重ね合わせて表示することにより、高度な位置制御が可能な安全性の高い次世代精密根管治療支援システムの実現を目指す。新しい歯内療法学の展開には、最先端の情報学、ロボット工学、バイオなどの学際的な基盤技術体系を構築することが必要であると思われる。歯内療法学の分野にコンピュータビジョンや拡張現実などの最新のテクノロジーを導入することによって生まれる新たな技術は、歯内療法の新たな展開という観点からも重要と考えられる。立体映像により複雑な根管形態を誰にでも容易に把握することが可能となり、より確実な診断と治療が可能となる。低侵襲治療を大きく変貌させる可能性が高く、得られた成果は極めて広範な疾患の治療に有用なものとなる。研究計画調書の研究計画と進行状況がほぼ同一である。平成3132年度には、高速視覚情報処理に基づいた拡張現実による精密根管治療支援システムの実用化を行なう。コーンビームCTや320列面検出器CTによる高精細化した人体イメージング技術を用いて標的である歯を見ながら、リアルタイムにその根管内の構造を可視化し、「根管形態、隣接する歯周組織、歯根と上顎洞底や下顎管との関係はどうか」「今操作している位置に根管内部の側枝・破折があるか」「計画通りに根管治療が進んでいるかどうか」など三次元的な識別精度、処理速度を評価し、精密根管治療支援システムとしての将来的な可能性と問題点を検証する。計測には、レーザ変位計、3Dスキャナ、高精細カメラなどを用いる。高速視覚情報処理システム開発・改良に必要な部品を次年度に購入するため、高速視覚情報処理システム開発・改良費として、高精細カメラ、複数のCPUや複数のGPUを用いるワークステーション、手術ナビゲーションシステムおよび手術ナビゲーション方法並びにプログラムを構成する部品およびその改変が必要である。さらに、三次元プリンタのモデル材料費が必要である。
システムへの揺らぎを利用した量子アニーリングの誤り訂正

量子アニーリングの誤り訂正の研究において必要となる,量子ダイナミクスの理論的解析において重要な役割を持つ「多準位Landau-Zener理論」に関する研究と,実際の量子アニーリングマシンを量子シミュレータとして用いる研究の2種類の研究を行った.まず前者の研究に関して記述する.量子項を線形スケジュールで時間変化させた際に量子状態が基底状態から励起状態へと遷移してしまう確率を論じる理論であるLandau-Zener理論を,2準位模型のみならず一般の模型を扱う多準位Landau-Zener理論へと拡張することを試みた.その結果,時間発展の経路を変形する手法を用いて励起状態への遷移確率を近似的に見積もる手法を考案することができた.また,時間発展の経路の変形を可能にする条件が,Shortcuts to Adiabaticityと呼ばれる理論と密接に関わっていることも明らかにした.この手法を量子アニーリングにおけるベンチマークとしてよく用いられる無限レンジ模型に適用した結果,特に非断熱領域においてシュレーディンガー方程式を実際に数値計算した結果とほぼ等しい遷移確率を得ることができたため,考案した手法は理論的なものに留まらず実用的に使える手法であると言えることも判明した.続いて後者の研究に関して記述する.実際の量子アニーリングマシンを量子シミュレータとして用いることで,Griffiths特異性と呼ばれる物理現象を量子アニーリングマシンで観測する研究を行った.実際に量子アニーリングマシンが理論的に正しい振る舞いをしているかどうかを確認するために量子モンテカルロ法を用いた計算も同時進行で行った.この研究に関しては進行途中であるものの,現時点では理論的に予測される相転移点を実際の量子アニーリングマシンで再現できることが確認された.「多準位Landau-Zener理論」に関する研究に関する成果を論文として発表し,Griffiths特異性を量子アニーリングマシンで観測する研究に関しては着実に進展しているため.進行中のGriffiths特異性を量子アニーリングマシンで観測する研究を進展させ,量子モンテカルロ法との比較を通じてGriffiths特異性を特徴づける物理量の量子アニーリングマシンによる観測を目指す.量子アニーリングの誤り訂正の研究において必要となる,量子ダイナミクスの理論的解析において重要な役割を持つ「多準位Landau-Zener理論」に関する研究と,実際の量子アニーリングマシンを量子シミュレータとして用いる研究の2種類の研究を行った.まず前者の研究に関して記述する.量子項を線形スケジュールで時間変化させた際に量子状態が基底状態から励起状態へと遷移してしまう確率を論じる理論であるLandau-Zener理論を,2準位模型のみならず一般の模型を扱う多準位Landau-Zener理論へと拡張することを試みた.その結果,時間発展の経路を変形する手法を用いて励起状態への遷移確率を近似的に見積もる手法を考案することができた.また,時間発展の経路の変形を可能にする条件が,Shortcuts to Adiabaticityと呼ばれる理論と密接に関わっていることも明らかにした.この手法を量子アニーリングにおけるベンチマークとしてよく用いられる無限レンジ模型に適用した結果,特に非断熱領域においてシュレーディンガー方程式を実際に数値計算した結果とほぼ等しい遷移確率を得ることができたため,考案した手法は理論的なものに留まらず実用的に使える手法であると言えることも判明した.続いて後者の研究に関して記述する.実際の量子アニーリングマシンを量子シミュレータとして用いることで,Griffiths特異性と呼ばれる物理現象を量子アニーリングマシンで観測する研究を行った.実際に量子アニーリングマシンが理論的に正しい振る舞いをしているかどうかを確認するために量子モンテカルロ法を用いた計算も同時進行で行った.この研究に関しては進行途中であるものの,現時点では理論的に予測される相転移点を実際の量子アニーリングマシンで再現できることが確認された.「多準位Landau-Zener理論」に関する研究に関する成果を論文として発表し,Griffiths特異性を量子アニーリングマシンで観測する研究に関しては着実に進展しているため.進行中のGriffiths特異性を量子アニーリングマシンで観測する研究を進展させ,量子モンテカルロ法との比較を通じてGriffiths特異性を特徴づける物理量の量子アニーリングマシンによる観測を目指す.
共有メモリ型並列計算機のための処理スケジュール方式の研究

本研究では,細粒度タスク群を共有メモリ型計算機の上で実行する際に,軽量プロセスの再利用を行ないスケジューリングを効率よく行なう方式の一つであるアクティビティ方式スケジューラを対象に,プロセッサ数やタスク数が多くタスク管理用のキューへのアクセスがネックとなる状況の改善法について検討した.ユーザからのタスク生成要求をプロセッサ毎に分散させたキューに保存し,大部分のスケジュール処理がプロセッサ毎に独立した情報のみで行なえる構成を提案し実現した.その処理系について処理速度や使用メモリ量の観点から評価を行ない性能の向上を確認した.ローカル・キューではLIFO順序でタスク・キュー管理を行ない,他プロセッサ上の情報にアクセスしてプロセッサ間で負荷を再分配する際はFIFO順序でタスクを取得する方式を用いることで効率良い分配ができることが判明した.また,メモリ遅延の大きな状況を想定し,マルチ・スレッド型のプロセッサを用いた構成についても研究を行った.メモリ遅延時間の許容にはスレッド数を大きく設定することが望ましいが,スレッド数が多過ぎるとプロセッサ内の複数のスレッドが限られたキャッシュ容量を奪い合うためヒット率を高くできない.プロセッサとキャッシュのモデル解析より,これら二要因により特定のスレッド数でプロセッサ稼働率がピークとなることを示した.さらに,プログラムの性質(並列度やヒット率)の変化に対応すべく実行可能スレッド数などの情報を収集する機能をプロセッサに付加し,動作スレッド数を変化させ常に適切なスレッド数を維持する方式を提案した.アクティビティ・スケジューラを基本として,個々の細粒度タスク終了を契機にして問題自身の制御構造を乱すことなく動作しているスレッド数を増減させる処理系を実現し,応用プログラムを走らせプロセッサ稼働率の向上を確認した.本研究では,細粒度タスク群を共有メモリ型計算機の上で実行する際に,軽量プロセスの再利用を行ないスケジューリングを効率よく行なう方式の一つであるアクティビティ方式スケジューラを対象に,プロセッサ数やタスク数が多くタスク管理用のキューへのアクセスがネックとなる状況の改善法について検討した.ユーザからのタスク生成要求をプロセッサ毎に分散させたキューに保存し,大部分のスケジュール処理がプロセッサ毎に独立した情報のみで行なえる構成を提案し実現した.その処理系について処理速度や使用メモリ量の観点から評価を行ない性能の向上を確認した.ローカル・キューではLIFO順序でタスク・キュー管理を行ない,他プロセッサ上の情報にアクセスしてプロセッサ間で負荷を再分配する際はFIFO順序でタスクを取得する方式を用いることで効率良い分配ができることが判明した.また,メモリ遅延の大きな状況を想定し,マルチ・スレッド型のプロセッサを用いた構成についても研究を行った.メモリ遅延時間の許容にはスレッド数を大きく設定することが望ましいが,スレッド数が多過ぎるとプロセッサ内の複数のスレッドが限られたキャッシュ容量を奪い合うためヒット率を高くできない.プロセッサとキャッシュのモデル解析より,これら二要因により特定のスレッド数でプロセッサ稼働率がピークとなることを示した.さらに,プログラムの性質(並列度やヒット率)の変化に対応すべく実行可能スレッド数などの情報を収集する機能をプロセッサに付加し,動作スレッド数を変化させ常に適切なスレッド数を維持する方式を提案した.アクティビティ・スケジューラを基本として,個々の細粒度タスク終了を契機にして問題自身の制御構造を乱すことなく動作しているスレッド数を増減させる処理系を実現し,応用プログラムを走らせプロセッサ稼働率の向上を確認した.
非侵襲的脳刺激法を用いた睡眠動態制御手法の開発

睡眠は健康の基盤を成すが、その実体は、睡眠段階と呼ばれる複数の状態が遷移を繰り返す動的で複雑な現象である。本研究では、睡眠中の脳の状態遷移現象に着目した、非侵襲的脳刺激法による睡眠動態制御手法を開発することを目的とする。2018年度の主な成果は以下の3点にまとめられる。1)睡眠段階遷移の動的モデルを構築し、睡眠段階遷移確率と各睡眠段階の持続時間分布の関数形のみの情報から、睡眠の超日リズムの中心位置を約90分として正確に表現できることを明らかにした(Kishi et al., 2018)。構築した動的モデルは2次のマルコフ過程を採用しており、ノンレム睡眠のStage2をハブとした3つの脳内振動子の情報が組み入れられていると考えられることから、睡眠の動的制御機構の背後には3つの脳内振動子が存在する可能性が示唆された。2)上述の結果から、ヒトの睡眠動態の制御を可能にするような非侵襲脳刺激法(刺激手法・刺激系・刺激パターン等)を複数考案し、そのうちの1つについて実験系の構築を行った。また、構築した系を用いて睡眠実験の遂行も行った。3)睡眠動態制御手法を開発するには睡眠動態の制御機序に関する理解を深める必要がある。こうした問題意識の下、睡眠動態に異常があると考えられる睡眠時ブラキシズム患者群の睡眠動態の特徴についての検討を行った。睡眠時ブラキシズム患者は健常者とは異なる睡眠動態の特徴を有していることが明らかになった(論文投稿中)。まず、数理モデルを用いた研究から、睡眠動態制御手法の開発の基盤となる知見を得ることに成功した。具体的には、2次のマルコフ過程の採用により3つの脳内振動子の情報を組み入れた睡眠動態の動的モデルが、睡眠の超日リズムの中心位置を約90分として正確に表現できることを明らかにし、この成果を原著論文としてPhysiological Measurement誌に発表した。次に、得られた知見から、ヒトの睡眠動態制御手法として2つの微弱電流刺激手法及び刺激系・パターンを考案し、そのうちの1つについては実験系の構築及び睡眠実験の遂行まで行うことができた。さらに、睡眠時ブラキシズム患者の睡眠動態の特徴や慢性疲労症候群患者の睡眠動態制御に関する共同研究(国内・国外)も進展し、睡眠の動的制御機構の解明に向けた研究が多角的に進展している状況である。引き続きヒトの睡眠動態制御手法の開発に向け、実験系の構築・洗練化を行うとともに睡眠実験の遂行及びデータ解析を進める。脳波に混入した刺激電流の除去に工夫が必要とされることが想定されるため、特に睡眠脳波データの解析に注力することとする。複数の脳内振動子に着目することにより睡眠動態の制御手法も複数考案されることが期待される。睡眠実験の遂行には時間がかかる側面もあるが、睡眠の質の向上に資する、より効果的な刺激系の構築を目指し、複数の手法を並行して検討していくことを考えている。

脳波に混入した刺激電流の除去に工夫が必要とされることが想定されるため、特に睡眠脳波データの解析に注力することとする。複数の脳内振動子に着目することにより睡眠動態の制御手法も複数考案されることが期待される。睡眠実験の遂行には時間がかかる側面もあるが、睡眠の質の向上に資する、より効果的な刺激系の構築を目指し、複数の手法を並行して検討していくことを考えている。当初の予定では電気刺激装置を2台組み合わせて行う非侵襲的脳刺激を行うことを想定していたが、配分額等の問題もあり、今年度は電気刺激装置1台のみで行うことが可能な刺激系の構築を行った。次年度使用額が生じたのは主にその理由による。生じた次年度使用額については、実験補助者への謝金、新たな刺激系構築のための物品及びソフトウェア経費、論文投稿・掲載料、国際学会及び国内学会出席のための旅費等に使用する予定である。
コク付与物質としてのメイラード反応生成物の解析

メイラード反応最終生成物の褐色色素のメラノイジンは前駆体の青色、赤色などさまざまな「色素」から生成する。これらの色素には共通のピロロピロール構造を有している。本研究ではメイラード反応生成物が「コク」に対し、どのように関与するかを明らかにすることを目的としている。調味つゆのコク寄与成分についてmethional, L-Ethyllactate , 4-Ethyl-2-methoxyphenolはつゆにおいてコク増強効果を有した。一方、モデルメラノイジンや八丁味噌中に含まれるメラノイジンは、コク増強に寄与することが示された。メラノイジンのピロロピロール構造がコク増強効果を有すると示唆された。本研究では揮発性成分や食品の褐色化で生成するメラノイジンが「コク」に対し、どのように関与するかを科学的に明らかにすることを目的としている。本年度では調味つゆのコク寄与成分について揮発性成分を解明し、コク寄与の高い3種の成分について添加試験を行った結果、L-(-)-Ethyl lactate , 4-Ethyl-2-methoxyphenolはつゆにおいて2,5-Dimethylpyrazineと同等のコク増強効果を有した。グルコース-各種アミノ酸系(グリシン、グルタミン酸Naあるいはアスパラギン酸Na)で調製したメラノイジン(MEL)は、苦味抑制、うま味およびコク味増強に寄与することが官能評価によって示された。BIACOREを用いた相互作用解析による結果から苦味の抑制機構にMELと苦味物質との相互作用が一部関与している可能性が示唆された。また、MELとうま味物質は結合を示さないことからMELは受容体に関与しうま味を増強させる可能性が示唆された。官能評価および培養細胞評価系による検討から、MELが及ぼすコク味受容機構にカルシウム感知受容体(CaSR)が関与している可能性が示唆された。一方、メラノイジンの生成機構を調べるために、glycine-D-xylose系で生成する主要な青色色素Blue-M1の生成機構について2種の前駆体を推定した。これら前駆体は265nmに極大吸収を有するが常温で保存すると速やかに青変し、Blue-M1を生成する。またBlue-M1を単独でインキュベーとすると褐色化が起こるが、この褐色化機構についてBlue-M1が分解し重合することを明らかにした。申請者らは食品の褐色化の過程で青色、赤色などさまざまな「色素」が生成することを見出し、それらがピロロピロール構造を有することを明らかにしている。これらの色素が中間体となり最終的にはメラノイジンを生成するが生成機構については依然として不明である。本年度では八丁味噌中のMELがコクに与える影響について検討を加えた。八丁味噌の水溶性画分を限界濾過により3-5 kDa、5-10 kDa、10 kDa以上の3つの画分に分け、それぞれをHM-LMW、HM-MMW、HM-HMWの八丁味噌MELとした。各八丁味噌MELと八丁味噌の水溶性画分から分離した3 kDa以下の画分を、5%八丁味噌水溶液におけるそれぞれの含有量と同濃度となるようにうま味溶液(0.5% NaClと0.3%グルタミン酸ナトリウム水溶液)に添加し、再構成溶液を調製した。再構成溶液からHM-LMW、HM-MMW、HM-HMWをそれぞれ除いた溶液を調製し、コク(厚み、持続性)について再構成溶液と比較評価した。その結果、八丁味噌のコクにHM-LMWとHM-MMWが寄与することが示された。一方、メラノイジンの生成機構を調べるために、glycine-D-xylose系で生成する新奇青色色素Blue-M10を単離・生成し、構造解析を行った。Blue-M10は主要な青色色素であるBlue-M1の側鎖からC2H3(OH)が脱離したピロロピロール構造を有し、Blue-M1の還流によってBlue-M10が生成する結果より、Blue-M1の側鎖が開裂し、Blue-M10が生成すると示唆された。本年度ではD-Xylose (0.8 M)と6-Aminohexanoic acid (0.2 M)をインキュベートし、黄色色素PPA-AH1を各種クロマトグラフィーにより単離、精製した。PPA-AH1をハプテンとしてキャリアタンパク質であKLHに結合させることで抗原とし、BALB/c系雌マウスに免疫した。免疫したマウスから血清を採取して抗血清を得た。得られた抗血清で競合ELISAを行った。ELISAによる結果より、免疫したマウスから得た抗血清は7週目以降から顕著な抗体価の上昇を示した。

また、競合剤として、PPA-AH1生成時に用いる化合物、ピロール化合物、ピロロピロール化合物を用いた競合ELISAの結果、抗血清がピロロピロール構造特異的抗体であることを確認した。競合剤としてモデル系メラノイジン、タンパク質サンプル、みそサンプルを用いた競合ELISAの結果、抗血清はそれぞれのサンプルを認識した。この結果より、メラノイジン中、タンパク質サンプル中、みそサンプル中においてピロロピロール構造の存在が示唆された。さらに、メラノイジン前駆体の青色色素画分(BF)のうま味溶液におけるコク増強効果を官能評価したところ、持続性の増強効果が認められた。以上の結果より、メラノイジンは基本骨格としてピロロピロール構造を有し、この構造がコク増強効果を有することが示唆された。メイラード反応最終生成物の褐色色素のメラノイジンは前駆体の青色、赤色などさまざまな「色素」から生成する。これらの色素には共通のピロロピロール構造を有している。本研究ではメイラード反応生成物が「コク」に対し、どのように関与するかを明らかにすることを目的としている。調味つゆのコク寄与成分についてmethional, L-Ethyllactate , 4-Ethyl-2-methoxyphenolはつゆにおいてコク増強効果を有した。一方、モデルメラノイジンや八丁味噌中に含まれるメラノイジンは、コク増強に寄与することが示された。メラノイジンのピロロピロール構造がコク増強効果を有すると示唆された。申請時の計画では1)メラノイジン前駆体として青色色素および赤色色素、黄色色素が普遍的に生成するか明らかにするため、種々のアミノ化合物と5,6炭糖に対し黄色、赤色、青色色素の生成を解析し、HPLCにて生成物を単離・精製し、化学構造を明らかにする。2)主要青色色素Blue-M1の前駆体のI-265を単離・精製し構造解析を行い、青色色素の生成機構を明らかにする。一方、青色色素の重合によりメラノイジンが生成する機構を解明するために、青色色素の変化と生成する高分子化合物を同定する。3)市販つゆの成分の香気成分を分析し、つゆの香気特性に寄与度の高い成分を同定する。4)同定した香気成分のうち、コク付与に関わる香気成分を明らかにする。5)基本五味、コクについて官能評価を行い、メラノイジンの呈味特性について検討する。影響の認められた物質についてはBIACOREを用いて呈味物質との相互作用を調べる。6)コク付与物質のグルタチオンと反応するカルシウム感知受容体(CaSR)を発現する細胞を用い、メラノイジンに対する応答性を検討しコク付与成分であるメラノイジンのCaSRアゴニスト活性を明らかにする。これらの計画はおおむね順調に進捗している。農学平成26年度の計画1)6)について引き続き検討する。八丁味噌のメラノイジンにコク付与作用が認められた。引き続き、八丁味噌の香気成分のコク付与作用について検討を加える。また、メラノジン中間体と考えられる種々の色素に含まれる基本構造はピロロピロールであると考えられる。本年度で新たに同定した青色色素の基本構造もピロロピロール構造を有していた。今後は、ピロロピロールアルデヒド(PPA)構造がタンパク質と還元糖の反応によるメラノイジン形成においても関与するかについて検討する。具体的にはNα-acetyllysineをモデルとして用い、タンパク質にピロロピロール化合物が生成するか解析する。
フォノンエンジニアリングによるグラフェンヘテロ構造デバイスの環境発電への新展開

前年度熱伝導率計測を試みた基板上の同位体グラフェン周期構造では、レーザーを照射した際、一般的なグラフェンに対し1.6倍の温度上昇が見られたことから、熱伝導率が低下していることは明らかであったが、基板への熱の逃げのために定量的な評価は困難であった。今年度は単結晶の同位体ヘテロ周期グラフェンをCVDにより作製した後、架橋構造としてラマン分光法を用いて熱伝導特性を詳細に評価した。さらに単結晶グラフェンに歪みを印加した際の熱伝導特性も計測した。1.CVDにおいて、ガスを切り替えることにより12Cと13Cからなるグラフェンを交互に組み合わせ、ボトムアップで界面数を制御して架橋構造グラフェンを作製した。2.界面数が3までのグラフェンにおいては、界面数に比例して熱抵抗が上昇し、一界面あたりの界面熱抵抗は、およそ125um^2K/Wと見積もられた。3.界面数が4のグラフェンでは、熱抵抗が劇的に上昇した。このとき界面間隔はおよそ600nmとなり、グラフェン中のフォノンの平均自由行程と同程度以下になることから、熱輸送において、フォノンの擬弾道的輸送が支配的になったためであると考えられる。4.単結晶グラフェンでも多結晶グラフェン同様、歪みにより熱伝導率の低下が確認できた。このことから、グラフェン中のドメイン境界が熱抵抗変化に起因しているのではなく、グラフェン格子に印加された不均一歪みがフォノン伝導の抑制に寄与していると考えられる。平成30年度が最終年度であるため、記入しない。グラフェン内に質量の異なる同位体炭素を導入すると、フォノンの散乱が促進され、結果としてフォノンをキャリアとする熱の伝導が抑制される。同位体をランダムに導入したグラフェンと比較し、任意に同位体を配置し、異なる同位体のヘテロ界面を作製すると、フォノンの周波数が界面でずれるため、さらなる熱伝導率の低下が期待できる。今年度は大幅なフォノン変調に向け、従来のフォトリソグラフィと酸素プラズマからなるトップダウン合成に代え、ガスのシーケンシャルな導入が可能な装置を構築し、ボトムアップ合成による同位体ヘテロ構造の作製を行った。ヘテロ構造の周期はガスの流入時間と流入回数により任意に調整可能であり、フォノン伝導の制御性の向上が期待できる。ボトムアップ合成により作製したグラフェンは、従来のトップダウン合成と比較して、電界効果移動度が500cm2/Vs程度から3,000cm2/Vsまで向上した。これは作製したグラフェンが単結晶からなり、異なる同位体グラフェンの界面が電気的にも良好に接合していることを表している。ボトムアップ合成により作製したヘテロ界面を有する単結晶グラフェンの熱伝導率をラマン分光法により測定した。単一の同位体炭素からなるグラフェンでは、熱伝導率はおよそ2,000W/mKで現在報告されているグラフェンの値と同程度であるのに対し、ヘテロ界面の導入により熱伝導率が35%(1界面)、50%(2界面)減少した。さらなる界面の導入でより大幅な熱伝導率の低減が期待できる。今後は界面状態の評価とともに、周期構造としたときのフォノンの波動性を生かした制御性の向上を目指す。当初の計画通り、今年度はボトムアップ合成法の確立と周期ヘテロ構造の作製、熱、電気特性評価を行った。ボトムアップ合成ではヘテロ界面を有する単結晶グラフェンが再現よく作製可能であり、これは当初の期待以上であった。このため電気特性は飛躍的に向上し、他方、界面構造の増加により熱伝導率が大幅に低下していくことも確認した。これらの成果はグラフェンという物質を、熱電変換デバイスに応用するための基盤となる重要な知見であるといえる。今年度は計画に従い、まず同位体を用いたグラフェン周期構造の熱伝導率測定を試みた。用いたグラフェン周期構造は、化学気相成長法によりガス導入を切り替えることで、ボトムアップで合成した。得られたグラフェンは単結晶であり、周期幅はおよそ1μm、同位体のヘテロ界面はジグザグ端を有していると考えられる。1.熱伝導率測定において、基板への熱の逃げを考慮する必要のない架橋構造の作製に向け、先にグラフェン単結晶を基板上に転写し、後からBHFによりSiO2をエッチングする方法と、先にSi基板に無数の細孔を設け、後からグラフェン単結晶を転写する二通りの方法を検討した。2.架橋構造を用いた熱伝導率測定の予備実験として、基板上に転写した単結晶グラフェン周期構造に対し、中心にレーザを照射した際の温度上昇をラマン顕微鏡で測定した。同じ強度のレーザ照射において、単位強度あたりの温度上昇に換算して、ヘテロ周期構造を有するグラフェンではおよそ1.6倍温度上昇が大きいことが分かった。ヘテロ界面でフォノンの伝搬が阻害され、結果としてグラフェンの中心温度が高くなったと推察される。3.グラフェンのフレキシブルデバイスとしての応用を見据え、歪みを印加した際のグラフェン内の熱伝導率変化を測定した。0.1%の歪み印加時の熱伝導率は、歪みを印加していないものと比較しておよそ80%減少した。今後、研究協力者との理論的解析も踏まえ、メカニズムを解明する予定である。当初検討課題であったグラフェン周期構造の熱伝導率測定では、基板上グラフェンにおいて検証ずみであり、周期構造における熱抵抗の見積もりは既に完了している。

一方、フレキシブルデバイス応用を指向した歪み印加時における熱伝導率測定では、熱伝導率変化の予備実験が完了しており、概ね計画通りに進捗しているといえる。前年度熱伝導率計測を試みた基板上の同位体グラフェン周期構造では、レーザーを照射した際、一般的なグラフェンに対し1.6倍の温度上昇が見られたことから、熱伝導率が低下していることは明らかであったが、基板への熱の逃げのために定量的な評価は困難であった。今年度は単結晶の同位体ヘテロ周期グラフェンをCVDにより作製した後、架橋構造としてラマン分光法を用いて熱伝導特性を詳細に評価した。さらに単結晶グラフェンに歪みを印加した際の熱伝導特性も計測した。1.CVDにおいて、ガスを切り替えることにより12Cと13Cからなるグラフェンを交互に組み合わせ、ボトムアップで界面数を制御して架橋構造グラフェンを作製した。2.界面数が3までのグラフェンにおいては、界面数に比例して熱抵抗が上昇し、一界面あたりの界面熱抵抗は、およそ125um^2K/Wと見積もられた。3.界面数が4のグラフェンでは、熱抵抗が劇的に上昇した。このとき界面間隔はおよそ600nmとなり、グラフェン中のフォノンの平均自由行程と同程度以下になることから、熱輸送において、フォノンの擬弾道的輸送が支配的になったためであると考えられる。4.単結晶グラフェンでも多結晶グラフェン同様、歪みにより熱伝導率の低下が確認できた。このことから、グラフェン中のドメイン境界が熱抵抗変化に起因しているのではなく、グラフェン格子に印加された不均一歪みがフォノン伝導の抑制に寄与していると考えられる。今のところ研究は順調に推移しており、今後も計画通り周期ヘテロ構造の作製と評価を行っていく。特に前年度末に導入したプローバーによる熱電特性の評価は、熱電変換デバイス応用には必要不可欠な知見を与えると期待している。熱キャリアであるフォノンの伝導制御に関しては、実験と理論の両面から最適な構造を模索していく。1.グラフェン架橋構造の作製より詳細な熱伝導率測定にはグラフェンデバイスの架橋構造作製が急務である。細孔を設けた基板上に後からグラフェンを転写する方法において、孔のサイズと密度を最適化する必要があり、あわせて転写後の乾燥方法も検討する。これらは研究協力者と協力して作製法確立に向け進めていく予定である。2.グラフェン周期構造の熱伝導率測定大気への熱の逃げ、基板への熱の逃げの影響をなくすため、温度可変ステージ内を減圧可能になるよう改良し、架橋構造デバイスを用いて熱伝導率測定を行う。同一デバイスで電気測定、熱電特性、熱伝導率測定を実現することで、グラフェンで熱電変換デバイスを実現するために最適なパラメータを検討する。3.歪み印加による熱伝導率への影響歪みをより正確に制御した上で熱伝導率測定を行い、理論計算とあわせて熱伝導率低下のメカニズムを明らかにする。最終的にはグラフェンの周期ヘテロ構造における歪み印加時の熱伝導率の測定を行い、フレキシブル高効率熱電変換デバイス試作へと展開する。平成30年度が最終年度であるため、記入しない。
新興アルボウイルスの牛に対する病原性の病理学的研究

牛異常産の病因として疑われる新興アルボウイルスの病原性の有無を証明するため、胎齢早期、中期および満期の牛胎子由来培養筋芽細胞系を確立し、ウイルス接種後の遺伝子量を計測して胎齢ごとに増殖親和性を比較した。また、胎齢中期牛胎子にピートンウイルス(PEAV)を接種し、異常産の再現を試みるとともに接種後10日の牛胎子を検査した。その結果、PEAVは胎齢早期の筋芽細胞に高い増殖親和性を示し、胎齢早期牛胎子に対する感受性の高さが示唆された。また、胎齢中期牛胎子へのPEAV感染実験により体形異常産子の再現はできなかったが、非化膿性髄膜脳脊髄炎の発症、ウイルス遺伝子と抗原局在から牛に対する病原性を確認した。筋芽細胞に対するアルボウイルス感染の親和性を比較・検討するため,胎齢の異なる牛胎子の骨格筋由来培養細胞系を確立するとともにアルボウイルス接種実験を試み,以下の結果を得た。1.牛胎子骨格筋由来培養細胞系の確立:胎齢早期,中期及び後期の牛胎子大腿部骨格筋から得られた細胞は,いずれも培養開始後24時間でシートを形成し,3日目からは筋細管と思われる合胞体の形成が観察され,骨格筋由来の筋芽細胞であることが示唆された。2.免疫組織化学的染色による筋芽細胞マーカーの検出:培養細胞が筋芽細胞であることを証明するため,培養した細胞を筋分化転写因子である抗Myogenin家兎ポリクローナル抗体と横紋筋マーカーの抗デスミンマウスモノクローナル抗体を用いた免疫組織化学的染色を実施した結果,いずれの培養細胞の核にも抗Myogenin抗体に対する陽性反応が認められ,合胞体を形成する形態的特性を有する骨格筋の筋芽細胞であることが証明された。また,培養3日目以降に形成された合胞体では,抗Myogenin抗体とともに抗デスミン抗体にも陽性となり,培養細胞が横紋筋へ分化する性状も確認された。3.牛胎子骨格筋由来培養筋芽細胞を用いたアカバネウイルス接種実験:筋芽細胞であることが証明された上記細胞にアカバネウイルスを接種し,増殖したウイルスの遺伝子量をリアルタイムRT-PCR法で計測した。ウイルス接種濃度が高い場合,胎齢中・後期の細胞で36時間にウイルス増殖がピークを示した。一方,胎齢早期の細胞では,接種後24時間でもっともウイルス遺伝子量が多く,時間とともに減少する傾向がみられた。免疫組織化学的染色により感染筋芽細胞内に多数のアカバネウイルス抗原が検出された。今後,本牛胎子由来培養筋芽細胞を用いて,ピートンウイルスやシャモンダウイルス等の新興アルボウイルスについても増殖動態を比較・検討する予定である。新興アルボウイルスの一種であるピートンウイルス(以下PEAV)の牛に対する病原性の有無と病態を明らかにするため、異なる胎齢の牛胎子骨格筋由来筋芽細胞および牛胎子にPEAVを接種し、in vitro系ではアカバネウイルス(以下AKAV)との感染動態を比較するとともにin vivo系では流死産や体形異常等の病原性を再現することを試み、本年度は以下の結果を得た。1)胎齢早期の牛胎子(胎齢84日)由来の培養筋芽細胞では接種後12時間以降、PEAVはAKAVに比較して4.7倍ゲノムコピー数が増加したが、胎齢中期(胎齢150日)の筋芽細胞では接種後48時間以降にPEAVよりAKAVのゲノムコピー数が増加した。また、胎齢後期(胎齢216日)の筋芽細胞ではいずれのウイルスも増殖性は低下し、接種後12時間以降でAKAVの方がゲノムコピー数は多かった。2)妊娠母牛の胎子(胎齢146日)に子宮外から外科的にPEAVを接種した。接種後28日目から41°Cを超える体温上昇が1週間ほど継続した後、平熱に復したが発熱から18日後に妊娠192日で流産した。流産した母牛は、PEAV接種後2週間でPEAVに対する抗体価が64倍に上昇していた。流産胎子には病理解剖学的な異常は認められなかったが、PEAVに対する抗体価は、剖検時64倍で感染していたことが証明された。3)妊娠母牛2頭の胎子(胎齢149日および159日)に同様にPEAVを接種したところ、接種後138日および132日に自然分娩で娩出された。妊娠期間は、それぞれ287日と291日でいずれの新生子にも病理解剖学的な異常はみられなかった。新興アルボウイルスであるサシュペリウイルス(SATV)とピートンウイルス(PEAV)の牛に対する病原性の有無と病態を明らかにするため、SATVは胎齢の異なる牛胎子骨格筋由来の培養筋芽細胞に接種し、感染動態からアカバネウイルス(AKAV)やPEAVに対する培養筋芽細胞での感染親和性の比較を試みた。また、PEAVは牛胎子に外科的に接種して流死産や体型異常等の病原性の再現を試み、以下の結果を得た。1)胎齢84日の培養筋芽細胞ではSATV接種(M.O.I 0.01)後12時間以降、ウイルスのゲノムコピー数をリアルタイムRT-PCR法で計測するとSATVの増殖は昨年度実施したAKAVと同等であり、一方、接種後36時間で最も増殖したPEAVの10万分の1で、AKAVとは同等であった。