hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
超大規模有限要素解析の実用化に向けたヘテロジニアス型分散メモリ並列反復法の開発

超大規模有限要素解析を実用化するために,ヘテロジニアス型分散メモリ並列処理に適した領域分割型反復法アルゴリズムの研究開発を行った.特に,GPGPUやメニーコアCPUに対する最適実装,複数材料モデルに有効なScaled-BDD法,電磁場解析における複素対称線形方程式に有効なMINRES-like_CS法などを提案した.これにより,数十億自由度規模モデルを用いた高周波電磁場解析の実用化に成功した.本年度は,ヘテロジニアス型計算機アーキテクチャとしてメニーコアコプロセッサを搭載した並列計算機を対象とし,領域分割型反復法の実装及び基礎的性能評価を行った.メニーコアコプロセッサはIntel社Xeon Phiを対象とし,ネイティブ実行モデルによる有限要素解析の性能評価を行った.これにより,疎行列ベクトル積部分は非常に高い台数効果が得られ,4コアCPUに比べて3.5倍の高速化が得られることが分かった.しかし,要素行列の重ね合わせ処理など並列化に適さない部分は計算時間が増加するため,計算全体としては3倍の高速化にとどまった.さらに,前年度構築したOpenMP並列版領域分割法の性能評価を行った.これにより,メニーコアではCPUに比べて計算時間が1.5倍に増加することが得られた.これは,メニーコアアーキテクチャではコアあたりのメモリバンド幅がCPUに比べて小さくなることが原因であり,今後はアルゴリズムの変更を検討する必要があることが分かった.次に,磁場解析向けに複素数演算の高速化を行った.従来の構造体配列(AoS)型から,C99規格のcomplex型に変更することで,コンパイラによるSIMD化が促進され,複素数四則演算がIntelプロセッサにおいて24倍,Sparcプロセッサにおいて510倍の高速化が可能であることが得られた.さらに,超大規模自由度解析として,1,000億自由度規模解析の高速化を行い,約11.6時間で成功した.また,1兆自由度解析の実現に向けたメッシュ規模の予測を行った.これにより,4面体2次要素を用いた構造解析において約3,500億要素,4面体Nedelec 1次辺要素を用いた磁場解析において約5,200億要素が必要となることが分かった.1兆自由度規模メッシュ作成に向けて,ハイブリッド並列メッシュ細分割ツールを作成中である.本年度は,ヘテロジニアス型計算機アーキテクチャとしてGPUを搭載した並列計算機を対象とし,領域分割型反復法の実装及び基礎的性能評価を行った.GPU向けには,CUDA,CUBLAS及びCUSPARSEを用いた共役勾配法の実装を行った.これにより,CPU1コアに比べて6倍の高速化に成功した.また,OpenMPの動的スケジューリング機能を用いたCPUマルチコアとGPUに対する動的負荷分散に成功した.これにより,非構造格子FEMのCPU-GPUハイブリッド並列計算に成功し,マルチコアCPUのみに比べて,マルチコアCPU-GPUハイブリッド計算によって約2倍の高速化に成功した.次に,磁場解析を対象に,非正則や複素対称問題に対応した領域分割型反復法を開発した.大規模電磁界解析における反復法の収束性を数値実験で評価し,従来有効とされてきたCG法系よりもCR系に優位性がある知見が得られた.特に,非正則問題である非線形静磁場向けにDDM-MINRES法アルゴリズムを整備し,さらに,複素対称問題である高周波電磁場向けにDDM-CSMINRES法を開発し,それぞれにおいて収束性の改善と計算の高速化に成功した.また,計算機開発動向について調査し,メモリバンド幅性能が演算性能に比べて相対的に低下する可能性が高いことが得られた.よって,提案手法の要求B/F値を求め,複数の計算機で性能測定を行うことで,理論演算性能とメモリスループット値を用いた計算時間の予測が可能となった.さらに,100億自由度規模構造解析を目標として数値計算アルゴリズムを見直すことで,超大規模解析を実施した.特に,部分領域問題解析にEisenstat技法によるSSOR前処理付き反復法を適用するなど,省メモリ化及び実装最適化を行った.これにより,世界トップレベルとなる1,000億自由度規模解析に成功した.本年度は,磁場構造連成解析に向けて,電磁界解析向けの領域分割型反復法の開発を行った.特に,収束性が悪いことで知られるFull-wave電磁界解析を効率化するために,複素対称行列を係数に持つ連立1次方程式向け反復法としてDDM-MINRES-like_CS法を開発した.これにより,約2千万自由度規模の高周波電磁波解析において従来から用いられるDDM-COCG法と比べて計算時間を7割削減することに成功した.また,BDD法の高速化に向けて,並列計算アルゴリズムの見直しを行った.数値実験を行った結果,coarse問題解析がボトルネックである,そのためには領域分割法の多階層化が避けられないことが明らかになった.そこで,多階層領域分割法の有効性を確認するために,計算ノード1台によってBDD法で解くことができる問題規模の限界を調査した.これにより,32GiBメモリを搭載した近年の計算ノード1台によって1千万自由度規模問題解析を約2分で完了できることが分かった.さらに,超大規模自由度解析に向けて,ハイブリッド並列メッシュ細分割ツールの開発を行った.これにより,1兆自由度規模メッシュの生成を行い,名古屋大学FX10を用いて90時間程度で成功した.しかし,その規模の入出力データをストレージに出力することが困難であることが分かった.そこで,1兆自由度規模シミュレーションデータの操作を効率化するために,多階層精度圧縮数値記録を用いたデータ圧縮技法を実装した.

これにより,有限要素解析データにも有効であることが分かり,1兆自由度規模解析の準備が整った.また,ヘテロジニアス型コンピューティングとして,x86系CPUとGPUの混在環境を対象とし,領域分割型反復法について,疎行列格納方式の違いによる計算時間を評価指標とし,性能評価を継続して実施している.本年度は,電磁場解析の高速化を行った.特に,A法時間調和渦電流問題解析向けにクーロンゲージ条件を満たすようLagrange乗数を導入した不定性のない定式化に反復型領域分割法を適用し,インターフェース問題の収束性を大幅に改善することに成功した.これにより,1億自由度規模を超える大規模解析が可能となった.また,E法高周波電磁界解析向けに,異材境界の平滑化処理を伴ったボクセルデータの自動メッシュ分割技術を開発した.これにより,CT等の医療画像から生成された3次元人体モデルのボクセルデータを用いた人体内電磁界解析において,骨や臓器などの異材境界付近における電界ノイズを低減し,高精度化することに成功した.また,BDD法の高速化として,複数材料向けアルゴリズムを整備した.地盤を含むRC橋脚モデルや建屋を含む原子炉圧力容器モデルなどの重要構造物の有限要素解析に適用し,反復回数を大きく削減することに成功した.さらに,1兆自由度規模有限要素解析の実現には現在の計算機システムではストレージ容量不足が生じることが分かり,多階層精度圧縮数値記録の有限要素解析における性能評価を行った.変位や応力の圧縮率,圧縮された変位が応力の計算精度に与える影響などを評価した結果,可視化や分析に有用な情報を保持したままで1/3以下に圧縮できることが明らかになり,将来の超大規模自由度数値計算のデータ保存に有効な技術であることが示された.近年のメニーコア型コンピューティングにおける反復型領域分割法として,部分領域ループと行列の行ループのそれぞれでスレッド並列化した場合の性能評価を実施し,将来の計算機には部分領域ループ並列が計算時間面で優れていることが分かった.また,ルーフラインに基づく性能予測とL2キャッシュ容量を考慮した分析を行った結果,最適な領域分割数にはキャッシュメモリサイズが大きく影響してくることが分かった.本研究は,エクサスケール級演算性能を持つスパコンによって解決されるべき課題で必要となる数兆から百兆自由度規模を実用時間内で実現する数値計算法の開発を行うものであり,最終目標として,数兆自由度規模モデルを用いた磁場構造連成解析の実現を目的としている.また,今後の大規模計算を支える計算機アーキテクチャの1つとして,異種演算装置の混在を想定し,ヘテロジニアスコンピューティングへの対応も目指すものである.1兆自由度を超える超大規模解析ではデータ圧縮が最重要課題であることが分かり,将来に向けて本年度は研究の優先度を変更してデータ圧縮に関する研究を実施し,可視化や分析などの後処理に有効な精度を保持したまま有限要素解析結果データを圧縮することに成功するなど,おおむね順調にすすんでいる.
肥満脂肪組織マクロファージにおける細胞内炎症のエピジェネティック制御機構の解明

メタボリックシンドロームの基盤病態として、肥満脂肪組織における慢性炎症が想定されているが、細胞内の炎症の慢性化機構は不明点が多く、環境素因と遺伝素因の相互作用による影響を受けていると考えられる。我々は、環境素因と遺伝素因の間をつなぐエピジェネティック因子の一つであるヒストンメチル化酵素Setdb1がマクロファージの新規炎症抑制因子であることを細胞レベルおよび個体レベルで明らかにした。マクロファージが様々な環境素因にどのように反応するかについて新たな知見が明らかになり、肥満脂肪組織の炎症におけるSetdb1の機能を明らかにしていくための基礎的知見を見出すことができた。メタボリックシンドロームの基盤病態として、肥満脂肪組織における慢性炎症が想定されているが、細胞内の炎症の慢性化機構は不明点が多い。申請者は、細胞記憶の観点から、エピジェネティック因子に注目し、マクロファージにおいて、転写抑制に関わるヒストンH3K9メチル化酵素ESET/SETDB1(以下SETDB1)が炎症性サイトカイン発現を負に調節することを予備的に見出した。本研究は、肥満脂肪組織におけるマクロファージSETDB1の病態生理的意義を探索し、エピジェネティック制御という切り口から肥満脂肪組織炎症の慢性化の分子機序を明らかにする。初年度である本年度は、SETDB1による炎症性サイトカイン発現制御の報告が全くないことから、炎症性サイトカイン発現解析の主要な実験系である急性炎症系(LPS(細胞内毒素)投与など)を用いて解析した。野生型およびSETDB1を機能欠損(ノックアウト、ノックダウン)したマクロファージを用いて、マイクロアレイ法により網羅的遺伝子発現解析を行った。野生型においてリポポリサッカライド誘導性に発現が上昇する遺伝子群のうち、SETDB1の機能欠損によって、より発現が上昇する遺伝子群をパスウェイ解析した結果、炎症性サイトカインが多く集積していた。定量的PCRにより、SETDB1の機能欠損はLPSによる炎症性サイトカイン発現誘導を増強することを確認した。この条件下におけるSETDB1の過剰発現は阻害効果をキャンセルしたが、酵素活性を有しない変異体の過剰発現は効果を示さなかった。さらに、SETDB1の欠損は、炎症性サイトカインプロモーター部位のヒストンを部分的に脱メチル化した。我々が同定したSETDB1は、ヒストンメチル化酵素活性を介して、マクロファージにおける炎症性サイトカイン発現を抑制することを明らかにした。本研究は、肥満脂肪組織におけるマクロファージSETDB1の病態生理的意義を探索し、エピジェネティック制御という切り口から肥満脂肪組織炎症の慢性化の分子機序を明らかにすることを目的とした。初年度である昨年度は、in vitroにおいて、SETDB1がヒストンメチル化酵素活性を介してマクロファージにおける炎症性サイトカイン発現を抑制することを明らかにした。これにより、これまで全く明らかでなかったマクロファージSETDB1についての意義、SETDB1による炎症性サイトカイン発現制御機構が初めて明らかになった。2年目である本年度は、生体での解析に主眼を置いた。昨年度のin vitroの解析結果を踏まえ、野生型およびマクロファージ特異的SETDB1ノックアウトマウス(KOマウス)を用いて、LPS投与の急性炎症モデルを作成した。KOマウスでは致死的なLPS投与での生存率が低下する傾向が認められた。肺および脾臓のIL6の発現量、血清中IL6分泌量がKOマウスで増加し、生体においてもSETDB1が炎症性サイトカイン発現抑制を担っていることが明らかになった。以上の結果から、肥満脂肪組織の炎症におけるSETDB1の機能を明らかにしていくための基礎的知見を見出すことができた。おおむね当初の実施計画に沿って研究が進展している医歯薬学慢性炎症でのSETDB1の意義について検討していく
インスリン開口放出過程における膜蛋白のacylationの意義に関する研究

我々は、従来よりブドウ糖がKATPチャネルの閉鎖とは別のメカニズムでインスリン分泌を刺激しうることを見い出し、その特性やメカニズムについて研究を継続してきた。本研究期間にその分子基盤につながる成績を発表できた(Endocrinology 144:5232-5241,2003)。この論文において膵ランゲルハンス島を、^3H-パルミチン酸を用いてラット膵β細胞の代謝ラベルをおこなうと数種類の蛋白がラベルされ、それらが生化学的にpalmitoylationであることを証明した。そのうち24KDの蛋白はブドウ糖などの栄養素で特異的にラベル量が制御されることがわかった。その後これらのpalmitoylationをうける一群の蛋白の同定やその特性について検討している。現在、膵ランゲルハンス島の蛋白を、SDS2次元電気泳動を基盤としたプロテオーム解析をおこなう準備段階である。Preliminaryではあるが、acylationのターゲットと考えられる蛋白を2つ同定し、アミノ配列を明らかにした。一方、今後糖尿病治療の治療で用いられるGLP-1アナログや類似の薬物治療の作用は膵β細胞内のcAMPがそのメディエーターであるので、cAMPのインスリン分泌に対する作用基盤の確立も重要な課題である。この観点からは、cAMPがブドウ糖と同様にインスリン分泌のreleasable poolを増加させることを報告した(Endocrinology 143;4203-4209,2002)。さらに従来はインスリン分泌を惹起するためには細胞内Ca2+濃度の上昇が一義的に重要と考えられていたが、cAMP刺激が十分存在すれば、ブドウ糖などの栄養素は細胞内Ca2+濃度の上昇がなくてもインスリン分泌を惹起する事実を見いだした。この成果の一部は論文として公表した(Diabetes 51:S29-S32,2002)。早期2型糖尿病患者にみられるインスリン分泌不全の原因を考える上でもきわめて興味深い現象である。このコンセプトを発展させた実験結果については現在、論文投稿準備中である。ブドウ糖がKATPチャネルを閉鎖して細胞内Ca^<2+>濃度([Ca^<2+>]i)を上昇させてインスリン分泌を惹起することは良く知られている。一方我々は、従来よりブドウ糖がKATPチャネルの閉鎖とは別のメカニズムでインスリン分泌を刺激しうることを見い出し、その特性や分子基盤について研究してきた。今年度は、膵β細胞からのインスリン分泌、膵β細胞の[Ca^<2+>]iの変動、膵β細胞内のcAMPの定量などを行うことで、次の二点を明らかにした。まず、生理的に重要なインスリン分泌シグナルの一つであるcAMPの増加したラット膵β細胞では、[Ca^<2+>]iの上昇が起こらなくてもブドウ糖がインスリン分泌を惹起しうることを見い出した(Diabetes 51 : S29-32,2002)。さらに、ブドウ糖がインスリン分泌を直接に惹起するのみではなく、何らかの蛋白のアシル化を介して、いわゆる"releasable pool"を増加させることでインスリン分泌に促進的に働いている事実を報告した(J Endocrinol 172: 345-354,2002)。このアシル化される蛋白の同定が現在の重要な課題であるが、そのため、^3H-パルミチン酸を用いたラット膵β細胞の代謝ラベル実験を遂行中である。現時点では、複数の膵β細胞の蛋白がラベルされることを確認している。現在、様々な条件でこれらのラベルされた蛋白がどのような挙動を示すのか詳細な検討を加えるとともに、二次元電気泳動でこれら蛋白の同定を試みている。

ブドウ糖がKATPチャネルを閉鎖して細胞内ca^<2+>濃度([ca^<2+>]i)を上昇させてインスリン分泌を惹起することは良く知られている。一方我々は、従来よりブドウ糖がKATPチャネルの閉鎖とは別のメカニズムでインスリン分泌を刺激しうることを見い出し、その特性や分子基盤について研究してきた。今年度は、まずcAMPがブドウ糖と同様にインスリン分泌のreleasable poolを増加させることを報告した(Endocrinology143;4203-4209)。この研究課題の本題であるアシル化されインスリン分泌に関連する蛋白の同定については次のような事実があきらかになり現在投稿中である。1)^3H-パルミチン酸を用いてラット膵β細胞の代謝ラベルをおこなうと数種類の蛋白がラベル去れること2)そのうち24KDの蛋白はブドウ糖などの栄養素で特異的にラベル量が増加すること3)これらのラベルは生化学的にPalmitoylationであること4)24KDの蛋白はSNAP25ではないこと、5)24KDの蛋白は酸性蛋白であること、などである。今後、この蛋白のpurificationをおこなう予定である。平成15年度は、本研究課題において大きな成果の得られた年である。我々は、従来よりブドウ糖がKATPチャネルの閉鎖とは別のメカニズムでインスリン分泌を刺激しうることを見い出し、その特性やメカニズムについて研究してきたが、その分子基盤につながる成績を発表できた。(Endocrinology 144:5232-5241,2003)コラゲナーゼ法を用いてラットから単離した膵ランゲルハンス島を、^3H-パルミチン酸を用いてラット膵β細胞の代謝ラベルをおこなうと数種類の蛋白がラベルされ、それらが生化学的にpalmitoylationであることを証明した。そのうち24KDの蛋自はブドウ糖などの栄養素で特異的にラベル量が制御されることがわかった。その後これらのpalmitoylationをうける一群の蛋白の同定やその特性について検討している。現在、膵ランゲルハンス島の蛋白を、SDS 2次元電気泳動を基盤としたプロテオーム解析をおこなう準備段階である。一方、糖尿病におけるインスリン初期分泌の低下のメカニズムについても基礎実験のレベルで検討した。初期糖尿病患者特徴的な、インスリン分泌遅延については、いくつかの総説を記したが、cAMPシグナルが、この初期分泌の維持に極めて重要であることを海外の学会で報告した。この知見は、将来の糖尿病治療薬の開発や、その理論的背景を支えるものであり、現在論文執筆中である。平成16年度は昨年の成果を発展させ、将来につながるあらたなデータの得られた年である。平成15年度には、コラゲナーゼ法によりラットから単離した膵ランゲルハンス島を^3H-パルミチン酸を用いて代謝ラベルをおこなうと数種類の蛋白がラベルされ、それらが生化学的にpalmitoylationであることを証明した。
バセドウ病の合併症、抗甲状腺剤の副作用や治療による寛解を規定する遺伝因子の解析

バセドウ病の合併症(眼症、1型糖尿病など)や難治性や抗甲状腺剤の副作用などと関連する遺伝因子の解析を行い、下記に成績を得た。眼症の重症度とTSH受容体遺伝子多型(rs179247)、眼球突出とPPARγ遺伝子多型(Pro12Ala)、ステロイドパルス療法への反応性とTBX21遺伝子多型(-T1514C)やFOXP3遺伝子多型との間に関連性が示唆された。GAD抗体の発現とPTPN22遺伝子多型との間に関連が示唆された。難治性とCTLA4遺伝子多型(A49G)との間に関連が認められた。(研究目的)バセドウ病の合併症(眼症、心房細動、1型糖尿病など)や寛解や抗甲状腺剤の副作用などと関連する遺伝因子の解明(研究実績)1)バセドウ病眼症:(1)甲状腺と後眼窩組織との共通抗原として注目されているcalsequestrinやcollagen XIIIに対する自己抗体について検討した。いずれも複視をきたした重症例で検討したが、陽性率は低く、日本人では活動性や重症度のマーカーとしての有用性は低いと考えられる。(2)最近、欧米人にてバセドウ病の発症との関連が報告されたTSH受容体の遺伝子多型について解析したが、バセドウ病の発症や眼症との関連はみられなかった。2)1型糖尿病のマーカーであるGAD抗体が陽性のバセドウ病患者を対象に免疫応答に関連する種々の遺伝子多型について、検討した。GAD抗体陽性バセドウ病群では、IL-18-4675多型CCジェノタイプ/PTPN22-1123多型CCジェノタイプの頻度がGAD抗体陰性群(OR 4.6)や健常者群(OR 4.7)に比較して有意に高かった。3)PTUにて加療中のバセドウ病患者におけるANCA陽性率は12%であり、腎炎と間質性肺炎をきたした1例は腎不全、呼吸不全が進行し、診断後10年で死亡した。現在までに15例の症例が蓄積されており、今後遺伝因子の解析を行う予定である。4)心房細動をきたす遺伝因子の解析:KCNH2遺伝子変異(rs1805120)とangiotennsinogen遺伝子のM235T変異について現在解析をすすめている。(研究目的)バセドウ病の合併症(眼症、心房細動、1型糖尿病)や抗甲状腺剤の副作用や抗甲状腺剤治療による寛解と関連する遺伝因子を解明する。(研究実績)バセドウ病眼症に関して:眼症は脂肪組織の増大を伴う型と外眼筋の腫大を伴う型に分けられる。サブ解析の結果、TSH受容体遺伝子多型(rs179247)のAA genotype頻度は重症の眼症を有する群で高い傾向がみられた。また昨年報告したように、線維芽細胞から脂肪細胞への分化に関連するPPARγ遺伝子多型(Pro12Ala)も眼球突出と関連することをから、繊維芽細胞が脂肪細胞へと分化・増殖し、分化に伴いTSH受容体の後眼窩組織での発現増加が眼症の病態に強く関連していることが示唆された。今後は外眼筋腫大と関連する遺伝因子の解析もすすめていきたい。また新らたにTSH受容体抗体の測定法であるThyroid stimulating immunoglobulin bioassayが開発されたので、この抗体と眼症との関連性も今後検討予定である。心房細動に関して:検討したKCNH2遺伝子多型、angiotennsinogenn遺伝子多型との関連は認められなかった。1型糖尿病に関して:これまで報告したIL-18遺伝子多型とPTPN22遺伝子多型以外に有意な関連は認めなかった。抗甲状腺剤による寛解に関して:TSH受容体抗体持続陽性群と5年以内に陰性化した群での比較を行っているが、現在のところ以前報告したIFNγ遺伝子多型以外に関連を認めていない。ANCA関連血管炎に関して:プロピルチオウラシルで1年以上加療中のバセドウ病患者の12%にMPO-ANCAが出現し、その2割に腎炎や間質性肺炎が発症している。サイトカイン遺伝子を中心に解析を進めているが、まだ症例の集積が少なく、結論は出ていない。今年度はPPARγ遺伝子多型、FOXP3遺伝子多型、TGFβ遺伝子多型、CD80遺伝子多型、CD86遺伝子多型などについて、バセドウ病の合併症(眼症、心房細動、1型糖尿病)や抗甲状腺剤の副作用や抗甲状腺剤治療による寛解との関連性について検討した。さらに無穎粒球症やバセドウ病に関連する遺伝因子の探索のために、理化学研究所との共同研究で、網羅的遺伝子解析を行った。(研究成果)1)線維芽

細胞から脂肪細胞への分化に関連するPPARγ遺伝子多型(Pro12Ala)が眼症と関連することはすでに報告したが、今回はサブ解析の結果、重症度や特に眼球突出と関連することを見出した。また調節性T細胞に関連するFOXP3遺伝子多型がバセドウ病の発症だけでなく、眼症に対するパルス療法の有効性と関連があることを見出した。TGFβ遺伝子多型、CD80遺伝子多型、CD86遺伝子多型についてはバセドウ病、眼症、心房細動、寛解との間に有意な関連性は認められなかった。網羅的遺伝子解析(GWAS)は現在、理化学研究所で解析が行われており、結果の報告を待っているところである。2)またMc4キメラ受容体を用いた新しいTSH受容体抗体測定法であるThyroid stimulating immunoglobulin bioassayが開発されたので、この抗体と眼症との関連性を検討し、従来の測定法に比較して眼症での陽性率が高く、特にeuthyroid Graves' diseaseやhypothyroid Graves'diseaseでの陽性率が高く、新しいバイオマーカーとしての有用性を示唆する成績が得られた。今後これらの抗体価と遺伝子多型の関連性については解析する予定である。
簡便かつ高感度LTE4測定法によるアトピー性皮膚炎診断法の開発

主に白血球において産生されるロイコトリエン(LT)のうち、LTC_4,LTD_4,LTE_4などのcysteinyl LTは、極微量で強力な生理活性を示し、アレルギー性疾患の進展に重要な役割を果たしている。そのため、その生体内挙動の定量的解析は、病態の把握や薬物療法の治療効果の判定に有用な情報を提供するものと期待される。cysteinyl LT産生の指標とされる尿中LTE4量の測定はこれまで様々な方法により行われてきたが、操作が煩雑であるため多検体の処理が困難で、測定値の再現性の問題などが残されており、より簡便で信頼性の高い測定法の開発が望まれている。本研究では、汎用性高いLTE_4定量法の確立を目的として、固相抽出カートリッジを用いた簡便で効果的な尿中LTE_4精製法と液体クロマトグラフィー/タンデムマススペクトロメトリー(LC/MS-MS)を併せ持ちいたSRM(Selected Reaction Monitoring)法による定量法を確立した。本測定法における検量線は10pgから10ng/tubeの範囲で良好な直線性を示すとともに、十分な信頼性と再現性を示し、測定値の日差変動も軽微であった。本法を用いるとき、小児から40才までの健常成人全例にLTE_4が検出された。小児、成人ともに喘息患者におけるLTE_4値は同年代の健常人に比して有意な高値を示し、特に成人においては気道狭窄の指標であるFEV1.0と有意な正の相関を示した。一方、同様に気管支喘息との関連性が報告されるトロンボキサン量の寄与は乏しかった。これまで、LTE_4の定量例の乏しかったアトピー性皮膚炎患者においても健常人に比して有意なLTE_4産生増加を明らかにした。特に有効治療例において産生量の減少を認め、治療効果の指標としての有用性が示唆された。しかしながら乾癬患者においても若干のLTE_4増加傾向が観察された。高感度で化合物選択性に優れ、高い信頼性と再現性を有するLC/MS-MSによる尿中LTE_4の超微量定量法を新規に確立した。また、喘息患者では健常人に比して高いLTE_4量の存在が明らかとなった。本研究により、cysteinyl LTの生体内動態の定量的解析を簡便に行うことが可能となり、従来病態マーカーの乏しいアレルギー性疾患の病態の診断・治療への応用性が期待された。アトピー性皮膚炎は、増悪、寛解を繰り返す、そう痒のある湿疹を主病変とするアレルギー性疾患であり、その治療にはステロイド剤、抗アレルギー剤や抗菌剤などが用いられるが、寛解例は乏しい。現在診断のマーカーとしてはIgEやCRP等が知られるものの、病態変化に即応する変化は認められておらず、アトピー性皮膚炎の明確な病態及び治療効果を反映するマーカーの開発は急務の問題となっている。

ロイコトリエン(LT)は炎症性疾患のメディエーターとして知られるが、産生量が極微量で、これまで用いられてきた免疫測定法が固相抽出による試料の濃縮操作及びHPLCによる精製を必要とするなど煩雑で長時間を要したため、臨床への応用はなされていなかった。そこで液体クロマトグラフィー/タンデムマススペクトロメトリー(LC/MS-MS)を用いる簡便かつ迅速な尿中LTE_4の超微量定量法を新規に開発した。本法は10pg-10ngの測定が可能で、検体採取後2時間以内で結果を得ることができるという利点を有する方法である。次に、アトピー性皮膚炎患者の尿中LTE_4測定に応用した。その結果、アトピー患者群において有意に高いLT産生能とアトピーとの関連性が示唆されているIgEとの高い相関性を見いだし、LTのアトピーの病態マーカーとしての有用性を示唆した。また、各種薬剤による治療により、LT産生量の減少傾向を示し、寛解例では有意に低い値を示しした。今後は、より多検体による検討を行うとともに、乾癬など他の患者試料の検体についても同様に検討し、LTE4変動の疾患特異性を明らかにし、疾患に重症度との関連性や治療薬剤との関連性について精査し、その有用性を明らかにするとともに、実際の治療プロトコールへの組み入れを行う予定である。主に白血球において産生されるロイコトリエン(LT)のうち、LTC_4,LTD_4,LTE_4などのcysteinyl LTは、極微量で強力な生理活性を示し、アレルギー性疾患の進展に重要な役割を果たしている。そのため、その生体内挙動の定量的解析は、病態の把握や薬物療法の治療効果の判定に有用な情報を提供するものと期待される。cysteinyl LT産生の指標とされる尿中LTE4量の測定はこれまで様々な方法により行われてきたが、操作が煩雑であるため多検体の処理が困難で、測定値の再現性の問題などが残されており、より簡便で信頼性の高い測定法の開発が望まれている。本研究では、汎用性高いLTE_4定量法の確立を目的として、固相抽出カートリッジを用いた簡便で効果的な尿中LTE_4精製法と液体クロマトグラフィー/タンデムマススペクトロメトリー(LC/MS-MS)を併せ持ちいたSRM(Selected Reaction Monitoring)法による定量法を確立した。本測定法における検量線は10pgから10ng/tubeの範囲で良好な直線性を示すとともに、十分な信頼性と再現性を示し、測定値の日差変動も軽微であった。本法を用いるとき、小児から40才までの健常成人全例にLTE_4が検出された。小児、成人ともに喘息患者におけるLTE_4値は同年代の健常人に比して有意な高値を示し、特に成人においては気道狭窄の指標であるFEV1.0と有意な正の相関を示した。一方、同様に気管支喘息との関連性が報告されるトロンボキサン量の寄与は乏しかった。これまで、LTE_4の定量例の乏しかったアトピー性皮膚炎患者においても健常人に比して有意なLTE_4産生増加を明らかにした。特に有効治療例において産生量の減少を認め、治療効果の指標としての有用性が示唆された。しかしながら乾癬患者においても若干のLTE_4増加傾向が観察された。高感度で化合物選択性に優れ、高い信頼性と再現性を有するLC/MS-MSによる尿中LTE_4の超微量定量法を新規に確立した。また、喘息患者では健常人に比して高いLTE_4量の存在が明らかとなった。本研究により、cysteinyl LTの生体内動態の定量的解析を簡便に行うことが可能となり、従来病態マーカーの乏しいアレルギー性疾患の病態の診断・治療への応用性が期待された。
多機能性銅触媒による主要生体構成元素間結合活性化法の開発

銅触媒の多機能性に基づく主要生体構成元素間σ結合の開裂を伴う新合成反応の開発を行った。特にO-プロパルギルオキシムを基質とする銅触媒による骨格転位反応とカスケード反応を開発した。これらの反応ではC-OあるいはN-O結合の開裂を伴う。また、これらのカスケード反応において、銅触媒はアルキン・アレンのπ活性化のみならず、σ酸性触媒あるいは一電子酸化還元系触媒として、連続的に機能することを明らかにした。これらの反応により、4員環ニトロン、ピリジンオキシド、ジヒドロピリミジン、トリアジン、オキサゼピンなどの多様な新規ヘテロ環化合物が効率的に合成できるようになり、ケミカルスペースの拡大に貢献した。今回、2,3-転位-アザメタラサイクル形成の連続化によりヘテロ環を構築する新たな方法論を創成できると考えた。この構想のもと、シクロプロパンカルバルデヒド由来の基質のロジウム触媒反応を検討した結果、アゼピンオキシド誘導体が効率的に得られることを見出した。[RhCl(cod)]2および水溶性リン配位子TPPMSの存在下、Z体基質を80°Cで加熱撹拌した結果、アルキリデン基をもつアゼピンオキシド誘導体が良好な収率で得られた。アルキン末端の置換基はアリール基・アルキル基に適応可能である。一方、プロパルギル位の置換基効果は、アリール系置換基の場合その電子的性質に関わらず良好な収率で生成物を与えたのに対し、アルキルの場合反応性の低下が見られた。E体基質の反応は、DMF溶媒中、リン配位子の添加量を適切に調整することにより同一の生成物が良好な収率で得られる。一方、これまでに我々は芳香族アルデヒド由来のプロパルギルオキシムがど銅触媒により4員環ニトロンへ変換されることを報告している。この分子変換の反応機構を解明するためにキラル基質を用いた骨格転位反応を実施した。その結果、基質の不斉情報が生成物へ効率的に転写されることを明らかにした。特に基質のオキシム部位の立体化学に関わらず同一のエナンチオマーに変換された。この結果は、2,3-転位によって生じるN-アレニルニトロン中間体が、ニトロン部位が熱力学的に安定なZ体へ異性化した後に、同旋的4π電子環状反応が進行することを強く示唆している。銅のπ酸性に基づく反応設計;貴金属である金や白金が中心であったπ酸性遷移金属触媒を銅へと転換を目指し、π酸性触媒の多彩なσ結合切断経路(1直接開裂2ベータ脱離3電子逆供与に依る開裂4カルベン挿入)を生体構成元素間結合活性化に結びつける反応設計を行った。芳香族アルデヒド由来のオキシムが銅触媒によりC-O結合の開裂を経て、4員環ニトロンへ骨格転位することを以前報告した。特に[CuCl(cod)]2を触媒として用い70°Cアセトニトリル中で実施することにより、良好な位置選択性で生成物が得られる。今回、キラル基質を用いた骨格転位反応において不斉情報が生成物へ効率的に転写されることを明らかにした。また、この2,3-転位とアザメタラサイクル形成の連続化によりヘテロ環を構築する新たな方法論を創成できると考えた。

骨格σ結合の開裂を伴う触媒的骨格転位反応は、他の手法では調製困難な反応性中間体を温和な条件下効率的に発生させる手法として、当研究室では、O-プロパルギルオキシムの銅触媒によるC-O結合開裂を伴う2,3-転位反応により過渡的に生じるN-アレニルニトロン中間体が多様な反応性を示すことを見出してきた。今回我々はこの鍵中間体の新たな反応性の開拓と合成的有用性の実証を進めるとともに、新たな触媒的活性化法の適応と類縁基質の反応性探求を実施した。(1)電子豊富な芳香族置換基を持つO-プロパルギルオキシムと電子不足オレフィンとの銅触媒反応により、C-O、N-O、および2つのC-H結合の開裂を伴ってアミドジエン誘導体が高収率で生成することを見出した。この反応はN-アレニルニトロン中間体への2,3-転位後、オキシム由来置換基からの電子供与によりニトロンC=N結合が回転しオキサジリジン中間体を形成する。更にこの電子供与置換基が促進する1,2-水素移動によりN-アレニルアミド中間体が生じ、これより銅触媒によって生成物に異性化したと考えられる。(2)これまでO-プロパルギルオキシムに対するアルキン部位のπ活性化を触媒反応の起点としてきたが、末端アルキンを持つO-プロパルギルオキシムに対してアセチリド中間体形成によって活性化すれば異なるカスケード反応が進行すると期待される。特にChangらの報告に従えば、スルホニルアジトとの銅触媒反応では、銅アセチリドを経由するケテンイミン中間体が先ず発生し、さらに近傍に位置するオキシム窒素の求核攻撃と比較的弱いN-O結合の開裂を伴うカスケード反応が進行すると予測される。この作業仮説のもと、O-プロパルギルオキシムとスルホニルアジトとの銅触媒反応により、α、β-不飽和アミジン誘導体が効率的に生成することを見出した。26年度が最終年度であるため、記入しない。反応有機化学26年度が最終年度であるため、記入しない。本年度ロジウム触媒が鍵転位反応を促進することを見出すことができたため、本方法論が生理活性物質合成において極めて重要なヘテロ環骨格を網羅的に合成することが可能であることを実証した。本研究の方法論が、学術的のみならず実践的な見地からも有効なアプローチであることが証明できた。上記報告には述べていないが、既に多機能性銅触媒を活用する極めて新規性の高い反応を本年度見出しており、これらの完成により、本研究が当該分野に大きなインパクトをもたらす成果をもたらすものと確信している。特に、従来多用されている金・白金触媒との比較において単なる「触媒価格」ではなく、反応性の本質において異なることを明らかにしつつあり、計算化学を含めてこの銅触媒の性質を正確に活用する反応系を開発することにより、次年度に大きく進展すると考えている。また、本年度ロジウム触媒が鍵転位反応を促進することを見出すことができたため、本方法論が生理活性物質合成において極めて重要なヘテロ環骨格を網羅的に合成することが可能であることを実証した。これをより確かなものにするために、引き続き研究を展開する予定である。最終年度において、この研究の遂行により多置換ヘテロ環を代表とする有機合成への貢献できることを実証する。
予測誤差により脊髄損傷後の巧緻運動の機能回復が駆動される神経機構の解明

中部頚髄において皮質脊髄路を損傷したサルが手指の巧緻運動を機能回復させる過程において、「損傷直後に観察される感覚運動野の高γ帯域の活動亢進」が予測誤差(運動指令の内部コピーと運動結果のフィードバックとの差)によって生じることを示す。次に、その予測誤差が計算される部位が後索系なのか小脳を介する経路なのかを感覚性視床(VPL核)及び運動性視床(VA核)からの神経活動記録によって明らかにする。そしてこの予測誤差信号が機能回復を引き起こすのに必須であることを、VPL核ないしはVA核の薬理学的機能阻害ないしはウィルスベクターを用いた経路遮断をこれら視床核から皮質感覚野への投射経路に適用することによって証明する。本研究計画は、研究代表者らがこれまでに用いてきたマカクザルの頚髄損傷モデルを用い、予測誤差をもとに代替経路が動員されるという仮説について検証を行う計画である。損傷後に運動前野および一次運動野において高ガンマ帯域の活動が運動時に顕著に上昇するという代表者らの以前の観察がその仮説の根拠となっている。本課題では予測誤差の形成回路を特定し、活動測定と阻害実験を行うことにより仮説を検証する計画となっている。予測誤差により代替経路が駆動・動員されるとの仮説は魅力的であり、新規性が高いと評価される。研究代表者らが長年にわたり取り組んできた頚髄損傷後の手指の巧緻運動の回復モデルを確立していることが強みである。さらに、ウイルスを用いた経路特異的ラベリングを用いた分子的マニピュレーションも用いる計画で、実現可能性が高い。有効な結果が得られればインパクトの高い成果となることが予想される。
ヒドリド導電メカニズムの開拓とデバイス開発

「ヒドリド導電メカニズムの開拓とデバイス開発」を目的として、ヒドリドイオン(H-)が固体内を拡散する物質を基に、新規材料探索、導電機構の解析を行った。酸水素化物系におけるヒドリド導電体の基本構造であるK2NiF4型のヒドリド導電は、主にペロブスカイト層内で進行することを見出し、岩塩層内におけるヒドリドよりペロブスカイト層内のヒドリドが相対的に高速拡散することを明らかにした。K2NiF4型LaーSr-Li-H-O系材料は、水素雰囲気で密封したコンテナでの焼成で合成が可能であり、高圧合成と比較して一度により多くの試料が得られるため、デバイス検証に適したプロセスが確立できた。「ヒドリド導電メカニズムの開拓とデバイス開発」を目的として、ヒドリドイオン(H-)が固体内を拡散する物質を探索し、その構造、導電メカニズムを調べた。高圧法により合成した酸水素化物La-Sr-Li-H-O系のヒドリドイオン導電体の結晶構造をX線、中性子回折測定データを用いたリートベルト解析法により明らかにした。その結果、この酸水素化物材料はK2NiF4型の結晶構造を有し、La/Sr比,H/O比を様々に変化させた固溶体を形成することが明らかになった。特にアニオン副格子中のH, O比を制御すると、ヒドリドイオンの占有位置が変化し、H/O比が小さい組成ではLiX6(X=O, H)八面体のaxial位置、大きい組成ではLiX6(X=O, H)八面体のaxialおよびapical位置に存在することが明らかとなった。これらの結果から、ヒドリドイオンは主にペロブスカイト層内のaxial位置を通じて拡散することが示唆された。Axial位置およびapical位置のアニオンに隣接するカチオンはそれぞれ、LiとLa/Srであることを考慮すると、より強く正に帯電したカチオンとO2-の結合が優先的に形成し、一価のLi+がH-と結合したと考えられる。このアニオン配列の性質を利用し、ペロブスカイト層に酸化のカチオンであるSc3+を導入したBa-Sc-H-O系の酸水素化物の合成を行った。その結果、O2-がaxial位置を、H-がapical位置を優先的に占有することが明らかになった。このことから、カチオン価数を制御することで、結晶構造中のアニオン配列を制御できることを見出した。本研究の主軸となるLa2LiHO3系材料の結晶構造解析が進み、アニオン分布の状態を明らかにすることができた。またアニオン分布の様子から、ヒドリドイオン拡散がペロブスカイト層内のLiX6(X=O, H)八面体のaxial位置を介して進行することを見出した。これらの実験および解析結果をもとに、Ba-Sc-H-O系においてアニオン分布を変化させた材料を見出しており、La2LiHO3系材料とは異なるイオン拡散メカニズム発現が期待できる。今後の探索の中心となる新材料系が発見され、当初予定していた研究が順調に進捗している。さらに、デバイス化に向けた電解質合成のため、合成プロセス開発に着手した。ヒドリド導電体の(1)ヒドリド導電メカニズムの多様性、(2)導電メカニズムに基づく高イオン導電材料の探索、(3)ヒドリド導電体を用いたエネルギーデバイスの開発、の三項目を実施し、以下の成果を得た。酸水素化物系におけるヒドリドイオン導電体の基本構造であるK2NiF4型のヒドリドイオン導電は、主にペロブスカイト層内で進行することが明らかになった。また、岩塩層をヒドリドが占有する新物質を合成し、結晶構造とイオン導電特性の相関を調べた。その結果、岩塩層内におけるヒドリドよりペロブスカイト層内のヒドリドが相対的に高速拡散することを明らかにした。この結果をもとに、構造内により多くのペロブスカイトユニットを含むRuddlesden-popper(An+1BnX3n+1)型構造で材料探索を行った。組成La2SrLi2H4O3においてはA3B2X7(n=2)型は得られず、合成条件や組成の最適化が必要であることが明らかになった。一方、デバイス化を進めるためには、合成プロセスの簡略化が必須であるため、常圧合成を検討した。その結果、K2NiF4型LaSrLiH2O2は、水素雰囲気で密封したコンテナでの焼成で合成が可能であることを明らかにした。高圧合成と比較して一度により多くの試料が得られるため、デバイス検証に適したプロセスが確立できた。La2LiHO3を固体電解質、Ti/TiH2を電極とした全固体型デバイスを作製し、Hー伝導を利用した電池反応が進行することを初めて明らかにした。

K2NiF4型LaーSr-Li-H-O系材料は、水素雰囲気で密封したコンテナでの焼成で合成が可能であり、高圧合成と比較して一度により多くの試料が得られるため、デバイス検証に適したプロセスが確立できた。Ba-Sc-H-O系を主軸として、さらなるカチオン組成の制御、アニオン欠陥、格子間位置の導入により物質系の多様化を図る。ペロブスカイト層、岩塩相、さらには両層を利用したヒドリドイオン拡散を実現させ、そのイオン導電メカニズムを明らかにする。さらにはK2NiF4型構造からAn+1BnO3n+1で記述されるRuddleseden-popper型構へと構造の多様性を展開し、イオン導電率に優れた材料を探索する。電気化学デバイスの構築を視野に入れたセル構成の検討も行う。無機工業材料
スクアレン合成酵素阻害剤、スクアレスタチン類及びザラゴジックアシッド類の合成研究

スクアレスタチン及びザラゴジックアシッド類に共通な中央のトリカルボン酸を有する2,8-ジオキソビシクロ[3,2,1]オクタン骨格の合成を検討した。特に連続する二つの三級水酸基の構築を目指し、まず予備実験としてメチルプロピオ-レとジイソプチルアルミニウムより調製したメチルα-アルミノアクリレートとイソプチルアルデヒドのアルドール型反応によりアリルアルコールを合成した。このものの立体選択的オスミウム酸化を検討したところ、単一のトリヒドロキシ体が得られたが低収率だった。そこでアリル位の水酸基をt-プチルジメチルシリル基で保護した後、オスミウム酸化したところ、収率は89%と向上したが、選択性は逆に9:1と減少した。このことは、オスミウム酸化において水酸基が立体選択性に大きく関与していることを示している。次に立体選択的に得られたトリオールを用い、そのエステル部の化学変換を検討した。まずトリオール部の一級水酸基を選択的にt-ブチルジメチルシリン基で保護し、次いでジイソブチルアルミニウムや水素化リチウムアルミニウムで還元したが、反応はほとんど進行しなかった。これはとなりの四級炭素の大きな立体障害のためにエステル部の反応活性が大きく低下したものと考察される。そこでその四級炭素を環構造で固定することにより立体障害の低下を期待した。トリオール体をアセトナイドで保護した後、還元反応を行ったが、反応はほとんど進行しなかった。つぎに、われわれが開発したニトロオレフィン類とγ-ヒドロキシイノアートとの二重共役付加反応で得られるエキソ2重結合を持つ5員還エーテル化合物を出発原料とした連続する二つの三級水酸基の構築の検討を開始したが、まだ新しい知見は得られていない。今後さらなる検討を行う予定である。
ニアフィールド光による2次元高分子鎖の形態と光プロセスの研究

本研究では、2次元平面内に束縛された高分子単分子膜に対して、蛍光観測モードで動作する走査ニアフィールド光顕微鏡(蛍光SNOM)を適用し、単分子膜内での高分子鎖の形態や光プロセスを明らかにする目的で研究を行った。1)蛍光SNOMの整備蛍光観測のできるSNOMとして動作させるため、装置の様々な改良や光ファイバープローブの作製を行った。その結果、装置の性能として325nm紫外線励起ができ、かつ100nmの空間分解能があることが、ラテックスをはじめとする様々なモデル試料により確認された。2)光機能色素が一次元配列された単分子膜形成能をもつポリペプチドの合成と累積膜の作製剛直鎖高分子であるポリグルタメートを試料として、光機能基によるラベル化を行い、それらの基板上への累積配向性や分子鎖の凝集形態を調べた。これらの高分子は高配向かつ良好な累積性を与えることが認められた。この結果をもとに、ポリグルタメートにSNOMに適した波長特性をもつ色素ラベルを行った。3) 2次元単分子膜内での単一高分子鎖の広がりの評価SNOMによる蛍光観測により単一高分子鎖の広がりを評価することをめざしたが、現状では検出感度が不足しており、この目標に関しては所期の成果を上げられていない。4)混合単分子膜における相分離構造の観測単分子膜形成能をもつ2種類の高分子を混合し、水面上での2次元相分離形態をSNOMにより観測した。蛍光ラベルを施した各成分の分離状態が子分な空間分解能で観測され、かつ両者の境界におけるエネルギー移動を選択的に観測することができた。これらの結果により、膜構造研究における蛍光SNOMの有用性を示すことができた。
ヒトｉＰＳ細胞を用いたエリスロポエチン産生細胞の検討

生理的で安価な腎性貧血治療法の開発が渇望されている。そこでヒトiPS細胞を用い、エリスロポエチン産生細胞に分化させることに成功した。ヒトiPS細胞由来エリスロポエチン産生細胞は、生体と同様に低酸素に反応してエリスロポエチンを産生し、赤血球前駆細胞の分化を促進した。また腎不全マウスの腎性貧血を改善した。貧血改善効果は市販エリスロポエチン製剤に比較して高効率であった。エリスロポエチン産生細胞分化誘導法の確立は、基礎研究において詳細が明らかとなっていないエリスロポエチン発現機序の解明に有用であるとともに、臨床においてiPS細胞を用いた生理的な腎性貧血治療の可能性を示唆した。本研究の目的は、iPS細胞技術を利用し、iPS細胞から分化誘導したエリスロポエチン産生細胞を生体に移植することによって、腎性貧血の生理的な改善を可能にすることである。平成25年度は、前年度までに確立した技術によりヒトiPS細胞からエリスロポエチン産生細胞を分化誘導し、産生されたエリスロポエチンの機能評価を行うことを計画していた。研究の結果、ヒトiPS細胞から分化誘導されたエリスロポエチン産生細胞は、生体内と同様に低酸素下でエリスロポエチンの産生と分泌を増加させ、また分泌されたエリスロポエチンは臍帯血から得られた造血幹細胞であるCD34陽性細胞を赤芽球系へ誘導した。この結果はiPS細胞から誘導されたエリスロポエチン産生細胞が、貧血改善機能を有する可能性が高いことを示唆している。ヒトiPS細胞から貧血改善効果のあるエリスロポエチン産生細胞を分化誘導したという報告は、私が検索した限りこれまでない。そのため、これまでの研究成果で確立したエリスロポエチン産生細胞の分化誘導法は、基礎研究においてはエリスロポエチン産生・分泌の機序解明に大きく貢献すると考えられ、また臨床応用としては、渇望されるヒトiPS細胞を用いた生理的な腎性貧血治療を提供できると考えている。現在、ヒトiPS細胞から分化誘導したエリスロポエチン産生細胞を生体に移植すること目的に研究を行っている。平成24年度は、ヒトiPS細胞からエリスロポエチン産生細胞を分化誘導する技術を確立し、分化した細胞が発現するエリスロポエチンについて評価・検討することを計画していた。研究の結果、ヒトiPS細胞に種々の刺激を加えることで、エリスロポエチン産生細胞を分化誘導することに成功した。産生細胞の培養液または細胞溶解液のエリスロポエチン発現を、PCR、Western blot法、ELISAを用いて確認したところ、分化誘導されたエリスロポエチン産生細胞は、ヒトエリスロポエチンをmRNAおよび蛋白質レベルで発現していた。また産生されたエリスロポエチンは細胞培養液中に分泌され、生体内と同様に低酸素下で培養すると、エリスロポエチン分泌はさらに増加していた。ヒトiPS細胞からエリスロポエチン産生細胞を分化誘導したという報告は、私が検索した限りこれまでない。そのため、平成24年度の研究成果で確立したエリスロポエチン産生細胞の分化誘導法は、基礎研究においてはエリスロポエチン産生・分泌の機序解明に大きく貢献すると考えられ、また臨床応用としては、渇望されるヒトiPS細胞を用いた生理的な腎性貧血治療の可能性を示唆した。現在、産生されたエリスロポエチンの機能評価と、iPS細胞から分化誘導したエリスロポエチン産生細胞を生体に移植すること目的に研究を行っている。研究の結果、ヒトiPS細胞由来エリスロポエチン産生細胞の分化誘導法を新規に開発し、産生されたエリスロポエチンの機能評価を行った。ヒトiPS細胞から分化誘導されたエリスロポエチン産生細胞は、生体内と同様に低酸素下でエリスロポエチンの産生および分泌を増加させ、また分泌されたエリスロポエチンは臍帯血から得られた造血幹細胞であるCD34陽性細胞を赤芽球系へ誘導した。この結果はヒトiPS細胞から誘導されたエリスロポエチン産生細胞が、貧血改善機能を有する可能性が高いことを示唆していた。またエリスロポエチン産生細胞の細胞上清は、市販のエリスロポエチン製剤に比較して慢性腎不全マウスの腎性貧血を高効率に改善した。

ヒトiPS細胞から貧血改善効果を有するエリスロポエチン産生細胞を分化誘導したという報告は、私が検索した限りない。そのため、これまでの研究成果で確立したヒトiPS細胞由来エリスロポエチン産生細胞の分化誘導法は、基礎研究においてはエリスロポエチン産生・分泌の機序解明に大きく貢献すると考えられる。また臨床応用としては、渇望されるヒトiPS細胞を用いた生理的な腎性貧血治療を提供できると考えている。現在、ヒトiPS細胞から分化誘導したエリスロポエチン産生細胞の臨床応用を目的に研究を継続している。腎臓内科学、再生医学、薬理学平成25年度に予定していた研究内容については、ほぼ全て終了しており概ね予想された結果を得ることができた。得た知見をもとに測定系などを流用し、平成26年度に計画している研究内容に関しても一部予備実験を既に開始している。現時点では、研究計画の立案に際し問題になると予想された点についても順調に遂行できている。そのため交付申請書に記載された研究目的に対する達成度としては、おおむね順調に進展していると考えている。平成24年度に予定していた研究内容については、ほぼ全て終了しており、概ね予想された結果を得ることができた。得た知見を参考にし、また測定系などを流用し、平成25年度に計画している研究内容に関しても、一部予備実験を開始し、既に準備を行っている。現時点では、研究計画の立案に際し、問題となると予想された点についても順調に遂行できている。これまでの研究計画に関しては、おおむね順調に推移している。平成26年度以降は、ヒトiPS細胞から分化誘導したエリスロポエチン産生細胞をモデル動物への移植する実験を計画している。腎性貧血モデル動物に関しては、これまでに構築したシステムを利用し、既に予備実験を開始している。予備実験から得られた結果からは、エリスロポエチン産生細胞は腎性貧血を改善する効果を有する可能性を示唆している。この予備実験結果の確証を得るように平成26年度は研究を行う。研究を遂行する上で課題が生じた場合には、研究計画書に挙げた対策に沿って研究を行う予定である。平成25年度以降は、ヒトiPS細胞から分化誘導したエリスロポエチン産生細胞の機能評価と、モデル動物への移植実験を計画している。機能評価としては、平成24年度に構築したシステムを利用し、既に予備実験を開始している。予備実験から得られた結果からは、分泌されたエリスロポエチンは十分な機能を有していることを示唆している。この予備実験結果の確証を得るように平成25年度は研究を継続して行う。平成25年度は産生されたエリスロポエチンが生理的な機能を有するか確認することを目的にしている。そのため血球分化の標準的評価法であるコロニーアッセイを用いて、骨髄前駆細胞にエリスロポエチン産生細胞溶解液や培養液を反応させ、赤血球系譜に効率よく分化を誘導するかを評価する。臨床で用いられているエリスロポエチン製剤と比較し、力価の強いエリスロポエチンを分泌させる条件を検討することも予定している。平成25年度は、これらの実験を効率よく行うために、設備備品としてスペクトロフォトメーター(Bio-Rad 170-2525)を購入予定である。