hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
エマルション飛跡検出器を用いたタウニュートリノの生成についての研究

3世代あるニュートリノの中で、タウニュートリノについては実験データが少なく、その性質を調べる高精度の測定が必要である。基本的性質であるタウニュートリノ反応断面積の測定は、ニュートリノ振動実験や宇宙からのタウニュートリノ観測のための基礎データであるとともに、タウニュートリノ反応において標準理論を超える新物理からの影響の有無を検証する試みである。タウニュートリノ反応断面積測定は、高エネルギー陽子反応で生成されるタウニュートリノフラックスの推定と、タウニュートリノ反応の検出から成る。ここで、タウニュートリノの生成源であるDs中間子の微分生成断面積が陽子ビームを用いた固定標的実験では測定されていないことが反応断面積測定において最大の不定性になっており、タウニュートリノの生成についての研究が不可欠である。本研究では、タウニュートリノビーム生成の不定性を現在の50%相当から10%以下に減らすため、その生成源であるDs中間子の微分生成断面積をCERN-SPS加速器の400 GeV陽子ビームを用いて初測定することを提案した。実験プロポーザル(SPSC-P-354)を執筆してCERN-SPSCに提出し、2018年1月のSPSCにて2018年のパイロットランの承認と2021年のビームタイム確保の推奨を受けて本実験実施への見通しをつけた。2018年8月のパイロットランのために、本実験の1/10に相当する約50平米(4000フィルム)のエマルション検出器を製造し、400 GeV陽子ビーム照射実験を実施した。解析スキームを構築し、パイロットランの解析を遂行してきた。2019年末までに最初の測定結果をまとめ、2021年からの本実験を推進していく。将来的にタウニュートリノ反応における新物理の効果(標準理論に対して10%程度)を探索することを目指している。平成30年度が最終年度であるため、記入しない。3世代あるニュートリノの中でもタウニュートリノは、その検出の技術的困難さから、これまでの実験データが少なく、その基本的性質である反応断面積の測定も不定性が非常に大きい。タウニュートリノ反応断面積を精密に測定することは、ニュートリノ振動実験や宇宙からのタウニュートリノ観測のための基礎データになるとともに、タウニュートリノ-原子核反応において標準理論を超える物理があるかどうかを探索する試みである。ここで、タウニュートリノの生成源であるDs中間子の微分生成断面積が陽子ビームを用いた固定標的実験では測定されていないことが、反応断面積測定において最大の不定性(50%)になっており、タウニュートリノ生成についての研究が不可欠である。本研究では、タウニュートリノビーム生成の不定性を減らすため、生成源であるDs中間子の微分生成断面積を400 GeV陽子ビームに対して初めて測定する。Ds中間子の検出方法として、数mradという微小な折れ曲がりを特徴とするDs中間子のタウへの崩壊を捉えるため、50 nmという高い3次元位置精度を持つエマルション検出器を用いる。CERN SPS加速器の400 GeV陽子ビームを用いて研究を遂行するため、2016-2017年に実施したビームテストの解析を進めてそれを基に実験プロポーザルを執筆し、2017年8月にSPSCに提出した。2018年1月のSPSCによる審査にて、2018年8月の陽子ビーム照射(パイロットラン)の承認と2021年のビームタイム確保の推奨を受け、2021年の本実験実施への見通しをつけた。現在は、パイロットランに向けた検出器の準備、および、ビームテストのデータを用いた解析フレームワークの構築に取り組んでいる。2017年8月に実験プロポーザルをCERN SPSCに提出し、2018年1月のSPSCによる審査にて、2018年8月の陽子ビーム照射(パイロットラン)の承認と2021年のビームタイム確保の推奨という前向きな評価を得た。2018年8月のパイロットランに向けて検出器を製造・照射・現像する計画を立て、以下のように進めている。パイロットランのために製造するエマルションフィルム量は総面積48 m^2 (3900枚)を予定しており、2018年2月にそのためのフィルムベースの下処理を完了した。現在、5-8月のエマルションフィルム製造、8月末の陽子ビーム照射、9月のエマルションフィルム現像に向けた準備を行っている。並行して、従来のエマルション実験に対して2桁以上多い事象数となる10^8陽子反応の精密解析に向けた自動解析スキームの構築に取り組んでいる。2017年までに実施したビームテストにて陽子ビームを照射したフィルムの飛跡の読み出しを進め、従来より小角度空間に集中した高い飛跡密度(10 mrad以内に集中した10^5 tracks/cm^2)に対応できる飛跡認識を開発して、解析を進めている。400GeV陽子反応を再構成し粒子の崩壊トポロジーを選び出す解析フレームワークの構築とその評価に取り組んでいる。

タウニュートリノ反応断面積測定は、高エネルギー陽子反応で生成されるタウニュートリノフラックスの推定と、タウニュートリノ反応の検出から成る。ここで、タウニュートリノの生成源であるDs中間子の微分生成断面積が陽子ビームを用いた固定標的実験では測定されていないことが反応断面積測定において最大の不定性になっており、タウニュートリノの生成についての研究が不可欠である。本研究では、タウニュートリノビーム生成の不定性を現在の50%相当から10%以下に減らすため、その生成源であるDs中間子の微分生成断面積をCERN-SPS加速器の400 GeV陽子ビームを用いて初測定することを提案した。実験プロポーザル(SPSC-P-354)を執筆してCERN-SPSCに提出し、2018年1月のSPSCにて2018年のパイロットランの承認と2021年のビームタイム確保の推奨を受けて本実験実施への見通しをつけた。2018年8月のパイロットランのために、本実験の1/10に相当する約50平米(4000フィルム)のエマルション検出器を製造し、400 GeV陽子ビーム照射実験を実施した。解析スキームを構築し、パイロットランの解析を遂行してきた。2019年末までに最初の測定結果をまとめ、2021年からの本実験を推進していく。将来的にタウニュートリノ反応における新物理の効果(標準理論に対して10%程度)を探索することを目指している。2018年8月末の陽子ビーム照射(パイロットラン)のため、2018年5-8月に名古屋大学およびベルン大学のエマルションフィルム製造施設を活用し、総面積48 m^2 (3900枚)のフィルムを製造する。CERNにて陽子ビーム照射前に検出器を組み立て、照射を実施し、解体後ベルン大学にてフィルムの現像処理を行う。また、自動解析スキームを構築し、パイロットランの解析を遂行する。このランでは、タウニュートリノを生成するシグナル事象を約80事象検出することを見込んでおり、限られた統計ではあるがDs中間子の微分生成断面積を400 GeV陽子ビームに対して初めて測定する。過去のDONUT実験のデータと組み合わせてタウニュートリノ反応断面積測定の(系統的不確かさを減らした)再評価を行ってその物理結果を公表し、2021年の本実験承認につなげたいと考えている。また、主目的とするタウニュートリノ生成の研究の他にも、実験の副産物として高統計でチャーム粒子を含む事象を検出できることから、現在の知見を超える測定を行えるよう検討を進める。さらに、2021年の物理ランに向けて検出器および解析の課題を見極め、改良を進めていく。物理ランでは、タウニュートリノビーム生成の不定性を現在の50%相当から10%以下に減らし、将来的にタウニュートリノ-原子核反応における新物理の効果(標準理論に対して10%程度)を探索することを目指している。平成30年度が最終年度であるため、記入しない。
パイ共役分子による低次元超格子ヘテロ界面構造とその電子状態

機能性分子の織りなす弱い相互作用による自己組織化構造と電子機能性の相関を評価すべく、高配向パイ電子共役分子とその超格子膜の構造および電子状態評価を行った。高分解能紫外光電子分光と走査プローブ顕微鏡により、弱い相互作用による僅かな構造の違いが電子状態に及ぼす影響を検出することに成功した。分子集合体における再配向エネルギーやトランスファー積分などの物理量を実測することに成功し、当初目的を達成した。本研究では極めて詳細な電子分光実験を通して、有機半導体薄膜の電子構造の観点から、その背景に広がる独特な電子物性を理解すべく研究を進めている。弱い相互作用で結ばれた分子性固体中の電荷の動きを如何にして捉えるか、電子論として如何に物理的に記述できるかが命題である。光電子分光法という古来の手法を高精度測定を通じて斬新に活用することにより、キャリア伝導機構の重要な因子である再配向エネルギーとトランスファー積分の両者に直接的に踏み込むことができる。今年度の主な成果として、(1)有機超伝導物質ピセンの単結晶試料におけるエネルギー分散関係の決定(雑誌Phys.Rev.Lett.にて発表)、(2)有機半導体ヘテロ界面の結晶性と電子構造の相関(投稿中)、(3)配向単分子層薄膜における分子ダイポールを利用した分子メモリ機能の評価、(4)分子骨格の自由度とポーラロン結合エネルギーの評価、(5)分子双極子を有するパイ共役分子の吸着構造の定量決定、があげられる。特に(3)については、極性フタロシアニン薄膜の単分子配向薄膜を作製し、走査プローブ顕微鏡の探針を利用して、分子双極子ベクトルの反転動作を確認した。これにより超高密度メモリへの応用展開が期待できる(雑誌Smallにて発表)。(4)については高精度電子構造測定により、高移動度分子材料であるルブレンの再配向エネルギーを実験的に初めて検証したものである(雑誌Advanced Materialにて発表)。今年度の主な成果として、以下があげられる。<有機ヘテロ超格子単分子膜の構造と局所電子状態>ドナー(D)・アクセプター(A)界面のモデル試料として、グラファイト基板上に銅フタロシアニン(CuPc:D)とフッ化銅フタロシアニン(F16CuOPc:A)の混合蒸着膜を作製した。自己組織化により単分子層内で超格子構造が観測され、D-A分子接合膜が実現していることを走査プローブ顕微鏡により確認した。走査トンネル分光により局所電子状態を評価したところ、隣接分子の違いにより結合エネルギーが顕著に変化している様子を見出した。密度汎関数理論による解析から、弱い相互作用よる分子内電荷分布の再構成が生じていることが分かった。ACS Nanoにて発表。今年度の主な成果として、1有機単分子膜の電子格子相互作用のフッ化効果(投稿中)、2極性有機分子の配向双極子場の電子準位接合への影響、3芳香族安定化による有機半導体膜の金属化の機構、4有機ヘテロ接合界面における結晶性と電子状態の関係、5有機結晶膜へのアルカリ金属ドープによるモット絶縁体転移、6有機単結晶の表面二次元構造とバンド分散関係、があげられる。特に3については、国際9グループの組織により分子吸着構造、価電子帯状態密度、理論計算による共鳴状態の評価など、多角的なアプローチにより、有機半導体分子が金属化する機構について解明した(雑誌Nature Chemistryにて発表)。6については有機単結晶(ピセン)の表面二次元構造の観測にて初めて成功し、角度分解紫外光電子分光によりエネルギーバンド分散関係の評価を行いトランスファー積分を求めた(雑誌Physical Review Letterにて発表)。これらにより界面電荷移動および電荷輸送機構に関する知見を深めることができた。23年度当初計画の実験は実施でき、有機半導体の電荷輸送問題において多くの成果が得られたが、有機ヘテロ界面の電子構造については、想定した事象外の結果も現れており、明確な成果を見出すにはいたっていない。25年度が最終年度であるため、記入しない。有機分子の低次元超格子ヘテロ界面については、想定以上に系が複雑であり現象の理解に苦難している。

しかし電荷輸送問題や電荷移動現象などの周辺実験データが多く排出され、有機半導体界面物性の全般に関わるより高次な段階の理解が進んでいる。極低温高精度角度分解測定のための改造に係る備品は揃い、実質的な稼働の調整段階にある。当初計画どおり、装置の改造を進める。すでに設計の最終段階に入っており、作業は予定通りである。また新奇に観測されたヘテロ界面における電子構造の起源を明確にするために、新たに走査プローブ顕微鏡による表面二次元構造を決定するための実験を検討する。25年度が最終年度であるため、記入しない。装置改造を早急に完了する。多軸モータの自動制御を行い、高精度データの取得を狙う。有機ヘテロ超格子界面の電子状態の極低温測定から、電子状態について高精度評価を行う。特に極低温成膜により分子の自己組織化運動を抑制し、任意に温度勾配を利用して超格子構造を時空間制御できる。これにより弱い分子間相互作用に関する未知の卓越した議論展開を行う。
キャピラリー電気泳動流動反応器による生体分子コンプレックスの動的挙動解析法の開発

CERの概念をマイクロチップキャピラリー電気泳動法に応用して,新しい手法を開発した.すなわち,金属錯体の解離反応速度論解析法の新しい手法としてMicrochip Capillary Electrophoretic Reactor (μCER)を開発することに成功した.ポリアミノカルボン酸の一種であるQuin-2を配位子として選択し,そのCe(III)錯体(CeL)をモデル化合物として解離反応速度論解析を行った.通常,CEの分離時間は数分数十分であるのに対して,マイクロチップCEは数秒数十秒と分離時間が短いため,CERでは観測できないようなより早い反応系の解離反応速度論解析がμCERを用いることで可能となる.また,μCERでは,分離チャンネル全長の時間分解イメージ(時間分解電気泳動図)が取得できるため,一回のマイクロチップCE実験を行うだけで速度解析データの取得が可能である.この様な,データ取得,解析のハイスループット化もμCERの特徴である.生体分子コンプレックスの動的挙動解析の新しい手法としてキャピラリー電気泳動反応器(Capillary Electrophoretic Reactor : CER)を利用することを試みた.モデル系として,抗ジゴキシン抗体(aDiglgG)-ジゴキシン(Dig)の抗原-抗体複合体系,および二本鎖DNA(dsDNAS)-エチジウムブロマイド(EtBr)のインターカレーション複合体を選び,CERを用いて各複合体の自己解離反応速度定数(k_d)の算出を試みた.dsDNA-EtBr系では,CE分離のタイムスケールに比べィンターカレーション複合体の解離反応が早いため,CERによるk_dは不可能であった.一方,aDiglgG-Dig系では,抗体(lgG)自体の電気泳動移動度が極めて小さい事に加え,またその分子量(約150,000)が抗原のDigのそれ(約800)に対して極めて大きく,CEにおけるaDiglgG-Dig複合体とフリーのaDiglgGとの相互分離を達成することができず,CERでの速度解析を行うことができなかった.CERの概念をマイクロチップキャピラリー電気泳動法に応用して,新しい手法を開発した.すなわち,金属錯体の解離反応速度論解析法の新しい手法としてMicrochip Capillary Electrophoretic Reactor (μCER)を開発することに成功した.ポリアミノカルボン酸の一種であるQuin-2を配位子として選択し,そのCe(III)錯体(CeL)をモデル化合物として解離反応速度論解析を行った.通常,CEの分離時間は数分数十分であるのに対して,マイクロチップCEは数秒数十秒と分離時間が短いため,CERでは観測できないようなより早い反応系の解離反応速度論解析がμCERを用いることで可能となる.また,μCERでは,分離チャンネル全長の時間分解イメージ(時間分解電気泳動図)が取得できるため,一回のマイクロチップCE実験を行うだけで速度解析データの取得が可能である.この様な,データ取得,解析のハイスループット化もμCERの特徴である.生体分子コンプレックスの動的挙動解析の新しい手法としてキャピラリー電気泳動反応器(Capillary Electrophoretic Reactor : CER)を利用することを試みた.モデル系として,抗ジゴキシン抗体(aDiglgG)-ジゴキシン(Dig)の抗原-抗体複合体系,および二本鎖DNA(dsDNAS)-エチジウムブロマイド(EtBr)のインターカレーション複合体を選び,CERを用いて各複合体の自己解離反応速度定数(k_d)の算出を試みた.dsDNA-EtBr系では,CE分離のタイムスケールに比べィンターカレーション複合体の解離反応が早いため,CERによるk_dは不可能であった.一方,aDiglgG-Dig系では,抗体(lgG)自体の電気泳動移動度が極めて小さい事に加え,またその分子量(約150,000)が抗原のDigのそれ(約800)に対して極めて大きく,CEにおけるaDiglgG-Dig複合体とフリーのaDiglgGとの相互分離を達成することができず,CERでの速度解析を行うことができなかった.生体分子コンプレックス系のキャピラリー電気泳動流動反応器(CER)確立の端緒として,ハプテン-抗体系に着目した.抗原-抗体系の解離反応速度解析にCERを適用する上で,その解離反応速度定数が適度に小さいことが条件の一つとなる.強心配糖体の一種であるジゴキシン類縁体と抗ジゴキシンモノクローナル抗体の抗原-抗体系に関して,活性炭を用いる一種の置換反応による方法でその抗原-抗体複合体の解離反応速度に関する報告例があることから,これをモデル系として研究を開始した.CER法の確立に先んじて,ジゴキシン-抗ジゴキシン抗体系のCE分離条件の検討を行った.フューズドシリカキャピラリーチューブによるキャピラリーゾーン電気泳動(CZE)モードでの分離を試みたが,抗原-抗体複合体とフリーの抗体の移動度がほぼ等しく,これらの相互分離が困難であることがわかった.ついで,ジゴキシンの糖鎖部分を酸化開裂しジカルボキシル化して,二価アニオンとすることで,抗原-抗体複合体とフリーの抗体の相互分離を計ったが,これもあまり効果がなかった.これらの原因は,抗体自体の移動度(見かけの電荷)が小さいためであり,故に,この抗体を例えばフルオレセインイソチオシアネートなどアニオン性の官能基で多点修飾し,多価アニオンとしてCZE分離することの有効性が示唆された.

また,プロテインA-lgG複合体系やDNA-エチジウムブロマイド複合体系についても同様の検討を行った.金属錯体の解離反応速度論解析法の新しい手法としてMicrochip Capillary Electrophoretic Reactor(μCER)を開発することに成功した.ポリアミノカルボン酸の一種であるQuin-2を配位子として選択し,そのCe(III)錯体(CeL^-)の解離反応速度論解析を行った.1,3-diaminobene zene(DB),および,anthraquinone-b-sulfate(AS)を,それぞれ,内標準物質,外標準物質として用いた.CeL^-とDBを含むサンプルと,ASとDBを含むサンプルについて,泳動時間の異なるMCEエレクトロフェログラムを各々取得し,DBのピーク高さ用いてCeL^-およびASのピーク高さを規格化しサンプル注入量の補正を行った.規格化したCeL^-のピーク高さに対する,同じく規格化したASのピーク高さの比からCeL^-の残存率を見積もった.次いで,泳動時間(反応時間)を変えて取得したエレクトロフェログラムの各々に同様の操作を行い,CeL^-の残存率と泳動時間の関係をプロットし,これを一次反応の解離反応(CeL→Ce+L)として解析して,CeL^-の自己解離反応速度定数(K_d)として,6.22×10^<-3>s^<-1>を得ることに成功した.CERを用いて同様の解析を行ったところ,極めてよい一致を示した.通常,CEの分離時間は数分数十分であるのに対して,マイクロチップCEは数秒数十秒と分離時間が短いため,μCERを用いることでCERでは観測できない,より早い反応系の解離反応速度論解析が可能である.また,μCERでは,分離チャンネル全長の時間分解イメージが取得できるため,一回のCE実験を行うだけで泳動時間の異なるエレクトロフェログラムの取得が可能である.データ取得,解析のハイスループット化もμCERの特徴である.
東南アジア沿岸域の持続的利用を目的とした水産物貿易制度の構築

本年度は、スイス国内におけるスイス輸入促進プログラム(SIPPO)の活動について以下の調査・研究を行った。なおスイスではディレクターのマーカス・スターン氏にインタビューを行った。(1) SIPPOのプログラムは、大きく2つに大別できる。一つは、スイスの中小企業が海外で事業を行う時のサポートや情報提供である。もう一つは、スイスの中小企業と取引を希望する外国企業を仲介することにある。本研究のトピックである水産物では、SIPPOが開発途上国の情報収集に当たり、現地企業を選別してスイス企業に紹介する業務が主なものとなっていた。ただ、SIPPOの特徴は、スイスやEUに食品を輸出するために必要なHACCPやIFS、EurepGapなどの認証を輸出企業が取得できるよう生産システムの向上を促すプログラムを推進していた。また、食品原料の生産において、持続的な資源の利用や貧困削減を柱とするプログラムを独自に開発していた。(2)制度的側面では、SIPPOが日本の特殊法人に相当するスイス経済省の外郭団体であることが判明した。ただ、本省からの出向などはなく、SIPPOのプロパーで運営が行われていた。運営費の10%は国の一般会計より支出されていた。以上のように、SIPPOは輸入に関する特殊法人であるが、生産国の持続的資源利用や貧困削減を主題としたプログラムを実施していた。これは、一種のフェアトレードと言えるが、本調査において問題点も浮かび上がった。それは、一旦プロジェクトが開始されると、企業間の取引が優先されるため、生産現場(とりわけ地域社会)とSIPPOの直接的な関係が希薄になることであった。こうした問題を解決するためには、今後、NGOなどとの共同プログラムを企画する必要があるだろう。本研究は、ベトナムにおけるスイス輸入促進プログラム(SIPPO)のマングローブ保全に留意した有機エビの輸入プログラムについて調査を行った。平成18年度はベトナムにおいて、以下の調査・研究に従事した。(1)ベトナムにおけるSIPPOプログラム内容(2)SIPPOプログラムに対するベトナム側の対応(1)では、同プログラムが大きく二つの活動から構成されていることが判明した。第一の活動は、ベトナムの特定企業(CAMIMEX)と国営林漁場(184林漁場)と提携した輸入プログラムで、林漁揚内でエビ養殖に従事する個別の契約世帯からCAMIMEXがエビの買い付けを行い、それを自社工場で加工してスイスに輸出するものであった。第二の活動は、スイス本国で水産物の見本市を開催し、ベトナムの水産物企業のEU市場への進出をサポートするものであった。(2)では、(1)との関連で二つの対応がみられた。まず、特定企業との直接取引による有機エビのスイス輸出では、SIPPOの本国オフィスとCAMIMEX間で情報のやり取りが行われており、184林漁場との直接的なやり取りは行われていなかった。また、有機エビの養殖方法の査定はC酬IM3Xに委託され、SIPPOによる現地調査はすでに完了していた。次にスイスでの水産物見本市のプロジェクトでは、ベトナム水産物輸出・加工協会がSIPPOのカウンターパートとなって、ベトナムの水産企業の取りまとめを行っていたことが判明した。また、各企業の見本市参加への経済的サポートも同協会が行っていた。以上の調査研究から、SIPPOのベトナムでのプログラムはSIPPO自らがベトナムで業務に従事する段階から、ベトナム側のカウンターパートがSIPPOの意向を受けて業務を行う段階へと移行していることが判明した。なお、上記の調査研究に関する報告は、現在執筆中である。
サイトカインシグナルを分子基盤とした癌細胞の増殖制御機構の解析

生体内各器官の形成と維持においては、それらを構成する種々の細胞群の増殖と分化がサイトカインなど細胞外来性のシグナルにより精妙に制御されることが必要であり、その破綻が発癌に至ると考えられる。また、癌の再発や転移に癌幹細胞が関与していることが示唆されていることから、癌幹細胞の特性を知り、その維持機構や増殖・分化制御機構を解明することは癌幹細胞をターゲットとした治療法の開発に重要であると考えられる。本研究は、細胞増殖を正に制御するサイトカインシグナルと負に制御するシグナルの相互作用に焦点をあてた癌細胞の増殖制御機構の解明を目指すとともに、癌細胞株における癌幹細胞の同定とその悪性度への関与の解析を目的とした研究も実施した。前者のプロジェクトについては特に、SCF、bFGFおよびOSMの3つのサイトカインで血球が出現する胎生期マウス造血組織であるAGM領域のin vitro培養系を用いて、細胞増殖を負に制御するしくみに取り組んだ。AGM領域で起こる血球細胞の輩出機構の詳細を明らかにするために、OSMによるシグナルの下流で働き、AGM領域から輩出される血球細胞の増殖に関与する転写因子STAT3をリン酸化するHIPK2の血球細胞分化に対する影響を解析した。AGM領域についE10.5胚の大動脈とその周辺領域におけるHIPK2の発現を認めた上で、野生型HIPK2をAGM分散培養系に強制発現させたところ、未分化血球マーカー陽性細胞の輩出が減少することを確認した。この結果から、HIPK2は血球細胞の輩出を負に制御していることが示唆された。さらにHIPK2の各ドメインの機能を欠失した変異体を用いて解析したところ、血球細胞輩出の抑制には核移行シグナルを含む配列とキナーゼドメインが重要であることがわかった。また後者のプロジェクトについては、グリオーマ細胞株C6における癌幹細胞を、Hoechst33342dyeでの染色性に基づいて同定し、その悪性度への関与を明らかにすることができた。サイトカインシグナルの異常が白血病や多発性骨髄腫などの癌においてその発症ならびに癌細胞増殖に関与することが知られている。本研究はサイトカインシグナルの観点から癌細胞の増殖促進と増殖抑制の新たな分子基盤を得ることを目的に行われた。(1)造血前駆細胞増殖誘導性サイトカインSCFの受容体c-Kitの変異体が白血病細胞で同定されている。c-Kit結合性アダプター分子Lnkの胎生期造血組織AGMにおける造血前駆細胞増殖に果たす役割を検討した。マウスAGM組織の分散培養系へのLnk発現ベクター導入あるいは、Lnk欠損マウスAGM分散培養などの結果からLnkはAGM細胞の造血前駆細胞増殖を抑制することを見いだした。(2)IL-6ファミリーサイトカインの信号伝達に必須の膜蛋白gp130の下流で機能する転写因子STAT3は、癌遺伝子的役割が示唆されている。AGMの造血前駆細胞の増殖におけるgp130とSTAT3の役割を検討した。gp130欠損マウスのAGM分散培養からはCD45陽性の血球系の細胞増殖がほとんど見られなかった。gp130欠損マウスあるいは正常マウスのAGM分散培養系に野生型や変異型gp130、優性抑制型STAT3を導入して造血前駆細胞の増殖を定量する実験などにより、STAT3の重要性が示された。(3)増殖を正に制御するSTAT3と負に制御するp53とのシグナルクロストークの観点から進めた実験により、STAT3のセリン727残基リン酸化酵素HIPK2がSTAT3とp53の双方と物理的会合能力を有していることがわかり、正負の細胞増殖シグナルの接点についての新しい糸口を得た。サイトカインシグナルの破綻による細胞の異常な増殖が発癌に至る機構の一つであることを考慮すると、本研究の知見は発癌の仕組みの解明ならびにその抑制法の開発に関して興味深い示唆を与えるものと考える。生体内各器官の形成と維持においては、それらを構成する種々の細胞群の増殖と分化がサイトカインなど細胞外来性のシグナルやエピジェネティックな修飾を基盤とする細胞内在性のプログラムにより精妙に制御されることが必要であり、その破綻が発癌に至ると考えられる。本研究は、細胞増殖を正に制御するサイトカインシグナルと負に制御するシグナルの相互作用に焦点をあてた癌細胞の増殖制御機構の解明を目指した。特に、研究代表者らが取り組んできたサイトカイン受容体コンポーネントgp130を刺激するoncostatin M(OSM)と相乗作用して細胞増殖を誘導することが知られているstem cell factor(SCF)やbasicfabroblast growth factor(bFGF)などのサイトカインシグナル経路に対してシグナル抑制性分子Spred-2やLnkあるいは白血病関連分子fused in myeloproliferative disorder(FIM)などがどのように相互作用して細胞の増殖応答を決定するか解明を図った。OSM、SCFおよびbFGFの3つのサイトカインで血球が出現する胎生期マウス造血組織であるaorta-gonad-mesonephros(AGM)領域のin vitro培養系を用いてこの点に取り組んだ結果、(1)AGM造血期に発現を確認したRas/MAPK経路を負に制御する分子であるSpred-2がAGM領域からの造血前駆細胞集団の拡大を負に制御していることがわかった。(2)SCFの受容体c-Kitに結合するアダプター分子として知られているLnkがAGM領域における造血を制御することを見いだした。

また、(3)白血病においてキメラ分子を作るFIMがAGM領域における造血前駆細胞集団の拡大を抑制することもわかった。サイトカインシグナルの破綻による細胞の異常な増殖が発癌に至る機構の一つであることを考慮すると、本研究の知見は発癌の仕組みの解明ならびにその抑制法の開発に関して興味深い示唆を与えるものと考察される。生体内各器官の形成と維持においては、それらを構成する種々の細胞群の増殖と分化がサイトカインなど細胞外来性のシグナルにより精妙に制御されることが必要であり、その破綻が発癌に至ると考えられる。また、癌の再発や転移に癌幹細胞が関与していることが示唆されていることから、癌幹細胞の特性を知り、その維持機構や増殖・分化制御機構を解明することは癌幹細胞をターゲットとした治療法の開発に重要であると考えられる。本研究は、細胞増殖を正に制御するサイトカインシグナルと負に制御するシグナルの相互作用に焦点をあてた癌細胞の増殖制御機構の解明を目指すとともに、癌細胞株における癌幹細胞の同定とその悪性度への関与の解析を目的とした研究も実施した。前者のプロジェクトについては特に、SCF、bFGFおよびOSMの3つのサイトカインで血球が出現する胎生期マウス造血組織であるAGM領域のin vitro培養系を用いて、細胞増殖を負に制御するしくみに取り組んだ。AGM領域で起こる血球細胞の輩出機構の詳細を明らかにするために、OSMによるシグナルの下流で働き、AGM領域から輩出される血球細胞の増殖に関与する転写因子STAT3をリン酸化するHIPK2の血球細胞分化に対する影響を解析した。AGM領域についE10.5胚の大動脈とその周辺領域におけるHIPK2の発現を認めた上で、野生型HIPK2をAGM分散培養系に強制発現させたところ、未分化血球マーカー陽性細胞の輩出が減少することを確認した。この結果から、HIPK2は血球細胞の輩出を負に制御していることが示唆された。さらにHIPK2の各ドメインの機能を欠失した変異体を用いて解析したところ、血球細胞輩出の抑制には核移行シグナルを含む配列とキナーゼドメインが重要であることがわかった。また後者のプロジェクトについては、グリオーマ細胞株C6における癌幹細胞を、Hoechst33342dyeでの染色性に基づいて同定し、その悪性度への関与を明らかにすることができた。
天然変性蛋白質に含まれる残存構造とその機能解析

αシヌクレインはアミロイドを形成しパーキンソン病を誘発する。アミロイド形成能に変化を与えると報告されたA30PとA53T変異体は家族性パーキンソン病の患者に見られる。本研究では、溶液NMRを使って構造解析し、アミロイドを形成する前段階において、野生株と変異体で構造に違いがあるかを調べた。CLEANEX-PMにより得られる交換速度定数を異なる温度で求め、その比の値によって蛋白質構造の揺らぎの増加や構造形成の増加を評価した。A30Pの変異によって、Cドメインの一部の揺らぎ構造の増加が導かれた。また一方、変異の部位を含むNドメインの一部では、両変異体において構造化の上昇が観測された。この部分の初期の構造化によって線維の核形成速度が上昇すると考えられた。さらにシグナル強度が上昇する場合、その部位の揺らぎが上昇したと考え、シグナル強度を解析した。A30PにおいてCドメインの一部で揺らぎ構造が上昇した。シグナル強度を測定し、温度を変えた時のシグナル強度の比を求めた。シグナル強度の比からも、両変異体においてCドメインの広い領域で揺らぎ構造の増加が観測された。さらにA30Pにおいて、Nドメインの一部の領域の安定化と同時に、他の領域の揺らぎ構造の上昇が見られた。またシグナル強度の変化の値の標準偏差を求めた。その結果A30PのCドメインにおいて、最も大きなシグナル強度のランダム度を観測した。即ちこのCドメインで、最も大きな揺らぎ構造も見られていたことより、シグナル強度の変化がバラバラであれば、分散度が高くなり揺らぎ構造が増加すると考えた。このようにアミロイドを形成する前段階の溶液構造中でも、野生株と変異体間で構造の差が見られた。さらにNドメインの変異の影響がCドメインにおいても観測されたので、溶液中のαシヌクレインにおいて構造変化または複合体形成などのあることが示された。天然変性蛋白質の残存構造を観測するには、まず化学シフトとアミドプロトン交換による方法が考えられた。しかしαシヌクレインは天然変性度が高く、残存構造を感知することは難しかった。さらにCドメインには酸性残基が15残基も存在するところがあり、その影響で環境としてpHが低くに保たれ、見かけの交換速度が遅くに見える可能性が、シグナル強度などの別の測定により考えられた。従って現段階では、絶対的な値としては、これをとり扱いにくいという結論に達した。代わりに温度2点以上で交換速度定数を計測する方法がうまくいっていると考えられた。また、Nドメインの部位特異変異の影響がCドメインの構造変化に結びついたことが考えられるので、残存構造が実際実験で観測できている点で、うまくいっていると考えられた。1)今後は天然変性蛋白質の折り畳み機構の速度論的な解析と、さらに天然変性蛋白質のNMRによるシグナル帰属法の開発などを行っていく予定である。共同研究を行っているβラクトグロブリンやアポミオグロビンの折り畳み研究も順調に遂行されており(Sakurai et al., 2017)、本研究でも取り入れていく。2)速度論的な研究を成功させるには、野生株や数種の変異体だけの扱いでは難しいので、効果的な変異体の使用が必要である。3)アミドプロトンの交換速度と、温度依存性を組み合わせた実験系は有用だと思われる。アミドプロトン交換速度は、pHやサンプル調整条件に敏感に影響を受けるので、温度だけを変えて測定する場合には、正確なその変化の値を求めることができる。さらに温度変化の実験では、範囲内であれば可逆的な系として扱える。今後は温度変化の条件を有効に使って、速度論的な実験系を組み立てていく。4)アミドプロトンの交換速度の変化ともに、シグナル強度の変化を追跡することも重要であることがわかった。他にも残存構造解析にふさわしい実験系を見出していく。5)機能であるアミロイド形成能と残存構造の存在の関連を示していく。6)確かに残存構造は観測されているので、部位特異変異などと組み合わせて残存構造の位置を示していく。緩和に関わる実験やpHジャンプの実験により、残存構造を明らかにしていきたい。アルファーシヌクレインは天然変性蛋白質であり、生理的条件でもランダムコイル様に構造がほどけている。本研究では少し構造形成している残存構造がアミロイドやオリゴマーの構造形成につながるかを調べている。野生株を用いて主鎖のシグナル帰属を行い、化学シフト値をもとめて2次構造の量をdelta2Dで計算した。Nドメイン、NAC領域、Cドメインのそれぞれ両端の領域で、若干のベータ構造が観測された。ドメインの中では、NAC領域で最も多いベータ構造を観測した。家族性パーキンソン病に見られるA30PとA53Tのアルファーシヌクレイン変異体では、前者は野生株よりも遅く、後者は野生株よりも速く、アミロイド線維を作る(Conway et al, PNAS, 2000)。そこでNMRを用いて両変異体に特徴的な溶液中の残存構造を調べた。A30Pでは、アミノ酸変異をした領域で大きな化学シフト変化が観測された。一方A53Tでは、異核NOEとアミドプロトン交換の結果から、NドメインとCドメインにおいて、抑制された残存構造が存在し、両ドメインが相互作用する可能性が示された。この結果より、A30Pでは野生株よりも高いベータ構造の傾向が化学シフトから観測されたが、おそらくそれは非天然的構造であり、アミロイド線維形成に向かうベータ構造が形成されるのは、さらに後の段階と考えられた。

一方A53Tは、Nドメインに存在するベータヘアピンになると考えられる領域の変異であり、この変異によってベータヘアピン領域の構造がさらに形成され、同時にCドメイン領域の構造も、より多く形成された。したがってA53T変異はこれらの部位の構造形成を助長し、アミロイド構造の形成を野生株より速くにすると結論した。さらにp17マトリックス蛋白質などの天然変性部位の揺らぎ構造と、はしかウイルス核蛋白質などの残存構造も調べ、蛋白質の揺らぎを考察した。アルファーシヌクレイン変異体のNMR解析により、アミロイド形成能と揺らぎ構造の関連を調べた。NMR解析には速い時間領域を調べる緩和実験とミリ秒オーダーのCLEANEX-PMを用いることにより行った。アミロイド形成能の上昇したA53Tと下降したA30Pの変異体の解析を行い、構造活性相関を論じることができた。つまりA30PとA53Tの影響をみたときに、化学シフト、異核NOE、アミドプロトン交換の結果が、両者間で異なる傾向をみせ、これらの変異体のアミロイド形成の際の性質と結びつけて考えることができた。今後はマイクロからミリ秒オーダーの遅い時間領域のR2緩和分散などの方法によって解析していく。さらにCドメインにおけるV118Aの変異体の緩和実験を現在実施中である。特にCドメインは残存構造が観測された部分なので、この変異によってその残存構造がなくなるかが興味深い。またクエンチフローの速度論的実験条件も、pH滴定と温度変化の予備実験NMRデータにより確認できた。はしかウイルス核蛋白質断片とペリフェリン2蛋白質C端ドメインに関しては、アルファーシヌクレインよりも残基数が少ないので、側鎖を含めたシグナル帰属を試みている。すなわち、この2つの蛋白質の場合には、残存構造の解析を残基の側鎖を含めて行うことを計画している。アミノ酸配列より約50%の割合で、生理的な条件下でも変性状態をとると予測されるHIV-1p17マトリックス蛋白質においても、E12Aという塩橋のスイッチのオフで、大きな動的構造の変化が観測された。おもしろいことにE12-H89塩橋がなくなると、逆に安定化したが、動的な化学交換が特定の領域で顕著に見られた。このようにαシヌクレインや他の天然変性度の高い蛋白質において、アミノ酸のポイント変異の影響を、残存構造などにおいて観測でき、今後は速度論的実験において観測していく。α-シヌクレインは天然変性蛋白質であり、本研究では残存構造の解析を行ってきた。アミドプロトン交換などにより、家族性パーキンソン病に見られるA30PとA53Tの残存構造に違いがあるかを調べてきたが、その違いが今回少しはっきりしてきた。温度を15°Cの一定条件でこれまで解析してきたが、二つの変異体の構造の結果はほぼ同じだった。しかし温度を変化させた測定法にすると、二つの変異体の結果に違いが見られた。A53Tの方の残存構造が、温めた時に多くあるように観測された。アミドプロトン交換を、交換の起こる割合とその速度定数に分けて解析した。
モルヒネ耐性の新たな分子機構の解析

癌性疼痛や慢性疼痛に対してモルヒネは強力で有効な鎮痛薬である。しかし連続使用により耐性が形成され、鎮痛効果が損なわれる。モルヒネの耐性形成の機序については様々なメカニズムが提唱されているが、不明な点も多い。本研究において我々は、モルヒネ耐性形成の新たな分子機序として、小胞体ストレス反応によるmuオピオイド受容体細胞内情報伝達系の変化を提唱し、これに基づいた臨床的なモルヒネ鎮痛法の改善策を検討した。癌性癒痛やその他の慢性疼痛に対して、モルヒネは強力で有効な鎮痛薬である。しかし、連続使用により耐性が形成され、鎮痛効果が損なわれることが問題となる。モルヒネの耐性形成の機序については、様々なメカニズムが提唱されているが、不明な点も多い。本研究において我々は、モルヒネ耐性形成の新たな分子機序として、小胞体ストレス反応によるmuオピオイド受容体(MOR)細胞内情報伝達系の変化、を提唱し、これに基づいた臨床的なモルヒネ鎮痛法の改善策を検討する。小胞体ストレス反応およびmuオピオイド受容体(MOR)細胞内情報伝達機構におけるGSK3βの役割を明らかにするために、マウスにモルヒネを連続投与し、モルヒネ耐性形成モデルを作成した。モルヒネの鎮痛効果は熱刺激を加えるホットプレイトテストで評価した。テスト後にマウスの脳、脊髄を摘出し、組織学的に、また、生化学的に、GSK3βなどの細胞内情報伝達分子やBipなどの分子シャペロンの発現を調べ、モルヒネの鎮痛効果との相関を検討している。また、マウス胚性線維芽細胞やヒトあるいはマウス由来の培養細胞にMORを発現させ、同様の生化学的検討や、GSK3βの細胞内の分布を検討している。さらに、小胞体ストレス反応とMOR細胞内情報伝達系との関連をin vivoで検討するために、変異Bipノックインマウスを用いて、モルヒネ耐性形成を検討した。Bipは小胞体ストレス1Si応を担う中心的な分子シャペロンであり、細胞にとって不可欠の分子である。変異Bipヘテロマウスではモルヒネ連続投与による耐性形成が抑制されていた。今後以上の結果をさらに解析し仮説に基づいた分子機序に沿って、臨床投与可能な適当な薬剤をマウスに投与して、モルヒネ耐性形成が抑制されるかどうかを検討する。癌性疼痛やその他の慢性疼痛に対して、モルヒネは強力で有効な鎮痛薬である。本研究において我々は、モルヒネ耐性形成の新たな分子機序として、小胞体ストレス反応によるmuオピオイド受容体(MOR)細胞内情報伝達系の変化、を提唱し、これに基づいた臨床的なモルヒネ鎮痛法の改善策を検討した。昨年度に引き続いて、小胞体ストレス反応およびmuオピオイド受容体(MOR)細胞内情報伝達機構の相互関連について検討し、特に、GSK3βの役割を明らかにした。マウスにモルヒネを連続投与し、モルヒネ耐性形成モデルを作成した。テスト後にマウスの脳、脊髄を摘出し、組織学的に、また、生化学的に、GSK3βなどの細胞内情報伝達分子やBipなどの分子シャペロンの発現を調べ、モルヒネの鎮痛効果との相関を検討した。さらに、小胞体ストレス反応とMOR細胞内情報伝達系との関連をin vivoで検討するために、変異BiPノックインマウスを用いて、モルヒネ耐性形成を検討した。BiPは小胞体ストレス反応を担う中心的な分子シャペロンであり、細胞にとって不可欠の分子である。変異BiPヘテロマウスではモルヒネ連続投与による耐性形成が抑制されていた。また、変異BiPノックインマウスではGSK3βの活性化が抑制されていた。前年度に引き続いて、小胞体ストレス反応およびmuオピオイド受容体(MOR)細胞内情報伝達機構の相互関連について検討した。今までの検討で、GSK3βの役割が重要な事が分った。そこで、マウスにモルヒネを連続投与し、モルヒネ耐性形成モデルを作成した。

テスト後にマウスの脳、脊髄を摘出し、組織学的に、また、生化学的に、GSK3βなどの細胞内情報伝達分子やBiPなどの分子シャペロンの発現を調べ、モルヒネの鎮痛効果との相関を検討した。さらに、小胞体ストレス反応とMOR細胞内情報伝達系との関連をin vivoで検討するために、変異BiPノックインマウスを用いて、モルヒネ耐性形成を検討した。BiPは小胞体ストレス反応を担う中心的な分子シャペロンであり、細胞にとって不可欠の分子である。変異BiPヘテロマウスではモルヒネ連続投与による耐性形成が抑制されていた。また、臨床投与可能な、小胞体機能を補助する化学シャペロンをマウスに投与した所、モルヒネ耐性形成が抑制される事が示唆された。
隠れマルコフモデルに基づくテキスト音声合成システムの実現

従来の音声合成手法では実現することの難しかった多様な音声の合成を可能とする音声合成システムを,隠れマルコフモデル(HMM)に基づいて実現することを目的として研究を行い,以下の成果が得られた。1.HMMによる音韻情報と韻律情報のモデル化:多空間上の確率分布に基づいたHMM(MSD-HMM)の概念を導入することにより,特別な仮定なしにピッチパターンをHMMにより直接モデル化する手法を開発し,スペクトル,ピッチ,継続長をHMMの枠組みで統一的に同時モデル化する手法を確立した。2.HMMからのパラメータ生成:動的特徴量を考慮したHMMからのスペクトルパラメータ系列生成法を一般化し,状態系列あるいはその一部を非可観測としたまま尤度を最大にするアルゴリズムを開発し,HMMからのパラメータ生成法を確立した。また,韻律情報についても,MSD-HMMに基づいてピッチパターンを生成する手法を開発した。3.HMMに基づくテキスト音声合成システムの実現:テキスト解析部として,品詞に基づいたNクラスモデルを利用した統計的形態素解析器とEDR辞書及び規則に基づくアクセント付与システムを構築し,上記HMMによる音韻・韻律情報のモデル化及びHMMからのパラメータ生成法に基づいて音声合成部を構成することにより,ワークステーションやパソコンで動作するテキスト音声合成システムを実現した。4.多様な声質による音声合成:実現したHMM音声合成システムにおいて,音声合成単位HMMを話者適応することにより,合成音声の声質を他の話者の声質に変換する手法を開発した。さらに,任意の異なる話者間の声質を補間する手法も開発し,これらの手法により多様な声質による音声合成が実現可能なことを示した。近年,人工現実感に関する研究が盛んに行われているが,より現実に近い仮想空間を構築したり,コンピュータエージェントとの自然な対話を実現するためには,多様な表現が可能な音声合成システムが必要となる.そこで本研究では,音声の統計モデルとして音声認識の分野で広く用いられている隠れマルコフモデルに基づき,任意のテキストから,多様な声質や感情を含む様々な発話形式を表現することのできる音声合成システムを実現することを目的としている.音声を合成するためには音韻情報と,音の高さ(ピッチ),強さ(パワー),音韻継続長からなる韻律情報が必要である.我々は既に隠れマルコフモデルから音韻情報を生成する方法を提案しているが,韻律のモデル化および生成手法や,韻律に影響を与える様々な要因については,検討が不十分であった.そこで,隠れマルコフモデルに基づくピッチのモデル化,生成手法について,アクセント型や文の係り受け構造など,ピッチに影響を与える要因の検討,さらにそれらの要因を学習データを用いて自動的に統計的にクラスタリングする手法の検討を行った.この手法により得られたモデルを用いることにより,自然性の高いピッチを生成できることが確認された.さらに,多様な声質で音声合成するために,音声認識の分野で研究されている話者適応手法の適用について検討を行った.話者適応手法を用いてモデルのパラメータを変換することにより合成音声の声質を変換できること,2つの異なる話者適応方式でほぼ同等の性能が得られることが確認された.従来の音声合成手法では実現することの難しかった多様な音声の合成を可能とする音声合成システムを,隠れマルコフモデル(HMM)に基づいて実現することを目的として研究を行い,以下の成果が得られた。本研究では,音声の統計モデルとして音声認識の分野で広く用いられている隠れマルコフモデルに基づいて,任意のテキストから多様な声質や感情を含む様々な発話形式を表現することのできる音声合成システムを実現することを目的としている。任意のテキストから音声を合成するためには,任意の文章から音素列,アクセント型,形態素,アクセント句境界などを求めるテキスト解析部と,テキスト解析の結果得られたラベル列から音声を合成する音声合成部を構築する必要があり,本年度はテキスト解析部と音声合成部のそれぞれについて検討を行った。テキスト解析を行う際には,形態素解析,構文解析,アクセント・読み情報の付与などを実現する必要がある。そこで,まず一般に公開されている自然言語処理ツールを用いた場合のテキスト解析の性能と合成音声の品質について予備的な検討を行った。

その結果,テキスト解析に形態素・構文解析システムであるMSLRパーザを利用し,アクセントおよび読み情報をEDR日本語単語辞書から求めた場合,MSLRに付属する単語辞書中,発音情報を付加できたものが96.5%,その中で発音が一意に決まらないレコード数は4.8%となった。このテキスト解析部を音声合成部と組み合わせて非公式な受聴を行ったところ,任意の文章からの合成音声においても,自然な韻律を持つ音声を合成できることを確認できた。さらに,音声合成に使用する音声単位を,HMMに基づいてスペクトル・ピッチ・状態継続長を同時にモデル化する新たな手法を提案し,自然性の高い合成音声を生成できることを示した。今後の課題として,テキスト解析部の性能の向上,音声合成に適したテキスト解析手法の検討,多様な声質,発話スタイルで音声を合成するシステムの構築が挙げられる。隠れマルコフモデル(HMM)に基づいて,与えられた任意のテキストから,自然性が高くしかも多様な声質による音声出力が可能な音声合成システムを実現することを目的として研究を行った。本研究課題の最終年度となる今年度は,これまでの成果として得られたプロトタイプHMM音声合成システムに検討・改良を加え,多様な声質や話者性で音声合成が可能なシステムを実現した。1.パラメータ生成法の検討:HMMからのパラメータ生成法として,状態系列あるいはその一部を非可観測としたまま尤度を最大にするアルゴリズムを提案し,音声合成システムに実装してその評価を行った。2.多様な声質による音声合成:MAP/VFS及びMLLRに基づく音声合成単位HMMの話者適応手法を確立し,合成音評価実験を通して,不特定話者モデルから任意の話者の声質に変換可能であることを示した。3.テキスト解析部の実現:品詞に基づいたNクラスモデルを利用した統計的形態素解析器とEDR辞書及び規則に基づくアクセント付与システムを構築し,HMM音声合成システムに組込んで評価を行った結果,ATR音韻バランス文に対し人手修正の場合とほぼ同程度の性能が得られることを示した。4.合成音の品質向上:合成フィルタの駆動音源として,従来のインパルス列/白色雑音音源に代わる混合音源を検討し,より自然性の高い合成音声が得られることを確認した。さらに,合成音声の品質に影響を与える音韻・韻律に影響を与える変動要因の検討を行った。5.音声合成システムの実現:上記の成果を取り入れた音声合成システムをワークステーション上に実現した。今後の課題としては,本研究で実現した音声合成システムをより発展させて,感情,発話スタイルを含むより高度の多様性を実現する音声合成システムの実現があげられる。
人工呼吸回路下で使用可能な過渡解析応力の経時的肺機能測定法

機能的残気量と死腔量は換気条件に最も重要なパラメータであるが、特殊な測定装置を必要とするために一般肺機能検査の項目で測定されることは無い。特に全身麻酔あるいは人工呼吸器の管理下に置かれている患者の気道回路は安全のために半閉鎖回路や非再呼吸回路が用いられ、既存の閉鎖回路を用いたこれらの肺機能測定法を人工呼吸下で利用することが出来ない。本研究はこのような環境下でも機能的残気量および死腔量を同時に測定できる非再呼吸回路による肺機能測定法を開発したので報告する。本測定装置の測定原理は本質的には窒素洗い入れ法と呼べる。しかし従来のこの方法は呼気窒素濃度と呼吸流量を求め、逐次積分して機能的残気量を算出する方法である。この方法は原理的には単純で良いが流量と呼吸ガス濃度との同期を正確に取ることは困難である。われわれは逆に人工呼吸下である利点を利用してコンピュータ駆動で正確に換気できるレスピレータを開発し、換気回数を一定に保ち一回換気量を変更する方法で呼吸ガス濃度のみの測定を行った。換気モデルは従来より提唱されている連続流モデルと換気のたびに肺胞容量が一回換気量の分だけ変動する離散モデルを組み立て、解析を試みた。成人10人の肺機能正常者の術中測定の結果、連続流モデルの解析法は死腔量を少なく、逆に肺胞容量を大きく算出した。しかし、われわれが考案した離散モデルでは正確な死腔量と肺胞容量を求めることが出来た。レスピレータの駆動、データサンプリング、そして回帰曲線を求めるカーブフィティングを一台のマイクロコンピュータで作動させることは困難であるために、現在は手術室のディジタル通信回路を用いて分散処理を行う方法で計算処理とデータ記録を行っている。本研究は、コンピューター・スケジュールに基づいてトレーサーガスの吸収排出曲線を過渡解析し、気管内插管され人工呼吸下の患者の肺機能測定を、容易にしかも頻回に行なえるシステムを作りあげることを目的とする。即ち、窒素などの不活性ガスは肺への摂りこみ、洗い出しの指標となり、過渡解析より機能的残気量および死腔などを数分以内で算出する原理に基づく。また、笑気など生体に溶けこむ脂溶性ガスであると、溶解量は心拍出量に比例し、循環動態を反映することが期待される。60年度は窒素ガスを用いて、肺の換気の動態を実時間で算出する方法を考査した。60年8月にカセットデータレコーダーとマイクロコンピューターを入手し、ガスマス及び熱線流量計と接続しプロトタイプの術中肺機能測定装置を稼動させた。以後、肺機能正常の成人手術患者を被験者にし、非再呼吸回路で窒素ガスの流入流出過程を測定し、またデータの解析を行なっている。窒素ガスは生体内にほとんど溶け込まず、受動的で純物理的な拡散過程で流入流出が生じるため、死腔量、肺内残気量の算出が可能となる。これらの容量を算出するための仮定として、死腔及び肺胞全体を一つの均一なコンパートメントとみなすことは当然であるが、過渡解析の方法として、1)肺胞換気を連続的な動きをするとみなし解析を行なう方法、(換気計数を肺胞気量分の分時換気量とする)2)1呼吸毎の離散的な肺胞換気で解析する方法、(換気計数を肺胞気+一回換気量分の肺胞気+死腔量とする)などが考えられ、両者について比較検討した。結果は1分間に12回以下の呼吸回数では1)法による算出は2)法に比べて死腔量が大きく見積もられ、従来測定されている値と等しくなった。本法による解析法は如何なる換気回数でも死腔量と肺胞気量が論理的に同時に測定されるため、今後の換気生理に一石を投じると期待されうる。これらについては、第5回臨床麻酔学会で発表した。