hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
ナノゲル工学による新規バイオマテリアル設計と細胞機能制御

タンパク質の機能の解明と共にこれらの新規医薬品への応用が期待されているが、その実用化にはその用途に応じてドラッグデリバリーシステムを開発する必要がある。申請者は、タンパク質内包能を有する疎水化多糖ナノゲルを用いて、新規ドラッグデリバリーシステムの構築を目指した。これまでにタンパク質の徐放性コロイドキャリアおよび長期徐放性スキャホールド材料の開発を目的とし、ナノゲルの階層構造体を設計し、これらの有用性を評価した。アクリロイル基修飾疎水化多糖ナノゲルを、末端にチオール基を有するポリエチレングリコール(PEG)とのマイケル付加反応により架橋した。低濃度条件下においては、ナノゲル架橋粒子(粒径は40100nm)が得られ、高濃度条件下では溶液全体がゲル化し、ナノゲル架橋マクロゲルが得られた。in vivoにおいて、ナノゲル架橋粒子によるIL-12の徐放に成功した。また、BMP-2およびプロスタグランジンE2などの骨形成因子を内包したナノゲル架橋マクロゲルにより、マウスの頭頂骨において高い骨形成能が確認できた。これらの結果より、ナノゲル構造を有する粒子およびマクロゲルは高い徐放能を有する新しい薬物担体として機能することが明らかとなった。低濃度条件下においては、粒径のよく揃ったナノゲル架橋粒子を形成することが分かった。調製時の濃度を変化させることにより、粒径は40100nmの範囲で制御できた。詳細な検討より、得られたナノ粒子は複数のナノゲルが集合することにより形成され、そのナノゲル構造は維持されていることが明らかとなった。さらに、このナノゲル架橋粒子は生理条件下で徐々に分解されて、架橋前のナノゲルに戻ることを確認した。本方法は、濃度依存的にナノゲルの集合数を制御し、サイズの揃ったナノ粒子を得ることができるという新しいナノ粒子調製法である。今後、ナノゲル架橋粒子のタンパク質徐放能について、評価を進める予定である。次に、前述の反応を高濃度条件において進行させたところ、溶液全体がゲル化することを確認した。得られたヒドロゲルは、ナノゲル構造を維持していた。インスリンを用いた検討により、このナノゲル架橋ヒドロゲルは高い薬物内包量・保持能をもつことが分かった。今後、細胞増殖因子などのサイトカインを内包し、組織再性能について評価する予定である。
フロントから背弧へ、島弧火山のイオウ供給量プロファイル-メルト包有物のイオウ濃度

この2年間の研究において,次の3つの内容で成果を得た.(1)東北・関東-中部地域における.火山フロントから背弧へ向かって,(1)急冷したスコリア・軽石を噴出し,(2)カンラン石斑晶をもたらした,(3)最も新しい時期の噴出物について,メルト包有物の記載岩石学的および化学的に調べてイオウ濃度データを得た.浅間火山については,現在進行中の2004年噴火の噴出物のメルト包有物データを得て,1783年の天明噴火に基本的に似たマグマが供給されたことを示すデータを得た.(2)この結果により,この地域の"メルト包有物のイオウ濃度マップ"をつくり,島弧の火山フロントから背弧火山へのマグマのイオウ供給量のプロファイルを検討するデータを蓄積した.一般に,フロント側の火山へ供給されるマフィックマグマは揮発性成分に富んでおり,イオウ供給量が大きい.背弧側の火山,とくに北アルプスの火山では,イオウ供給量が少ない.中部地域の活動的な火山について,今後の噴火活動によるイオウ放出を予測するために役立つメルト包有物のイオウ濃度データを補強してきた.これらを基礎にして,大気圏や地殻表層→海洋底スラブ→沈み込み帯→島弧火山→という"イオウのリサイクルの窓"としての日本の島弧火山の役割を定量的に検討するためのデータベースを新たに加えた.(3)メルト包有物の記載岩石学的研究方法を改善し,島弧の初生マグマのイオウ濃度を知る方法の精度を高めることに研究方法を工夫・改良してきた.この2年間の研究において,次の3つの内容で成果を得た.(1)東北・関東-中部地域における.火山フロントから背弧へ向かって,(1)急冷したスコリア・軽石を噴出し,(2)カンラン石斑晶をもたらした,(3)最も新しい時期の噴出物について,メルト包有物の記載岩石学的および化学的に調べてイオウ濃度データを得た.浅間火山については,現在進行中の2004年噴火の噴出物のメルト包有物データを得て,1783年の天明噴火に基本的に似たマグマが供給されたことを示すデータを得た.(2)この結果により,この地域の"メルト包有物のイオウ濃度マップ"をつくり,島弧の火山フロントから背弧火山へのマグマのイオウ供給量のプロファイルを検討するデータを蓄積した.一般に,フロント側の火山へ供給されるマフィックマグマは揮発性成分に富んでおり,イオウ供給量が大きい.背弧側の火山,とくに北アルプスの火山では,イオウ供給量が少ない.中部地域の活動的な火山について,今後の噴火活動によるイオウ放出を予測するために役立つメルト包有物のイオウ濃度データを補強してきた.これらを基礎にして,大気圏や地殻表層→海洋底スラブ→沈み込み帯→島弧火山→という"イオウのリサイクルの窓"としての日本の島弧火山の役割を定量的に検討するためのデータベースを新たに加えた.(3)メルト包有物の記載岩石学的研究方法を改善し,島弧の初生マグマのイオウ濃度を知る方法の精度を高めることに研究方法を工夫・改良してきた.日本の島弧の中部地域における火山フロントから背弧で活動する火山が,過去数10万年の間にどれだけイオウを供給したかを調べるために,箱根火山,富士火山,浅間火山,草津白根火山,妙高火山,そして白馬風吹岳火山について,軽石,スコリアまたは溶岩を採集して斑晶の包有物を記載岩石学的に調べた.斑晶のメルト包有物を記載して主成分とイオウ,塩素濃度をマイクロプローブ分析した.これらの火山噴出物は共通して,マフィックとフェルシックの2つのマグマが混合して噴出した,一般に,斜方輝石,単斜輝石,および斜長石斑晶はフェルシックマグマ起源であり,そのメルト包有物はフェルシックな組成をしてイオウ濃度が低い.これに対して,カンラン石はマフィックマグマ起源であり,捕獲されたメルト包有物の組成はマフィックな組成範囲に限られ,高濃度のイオウ含有量を有する.一般に,石基ガラスの組成はマフィックとフェルシックの2つの領域の間にある.全岩組成は両者の領域の間にある.カンラン石に捕獲されたマフィックメルトは酸化的な条件にあることがそのS-Ka波長シフトによって示された.そのために,イオウのSO42-/S2-が高く,高温の初生マフィックマグマは大量のイオウを溶解していた.浅間火山と妙高火山では,最もマフィックなメルト包有物3600ppmほどのイオウを含有している.箱根火山や富士火山のカンラン石では,すでに発泡しているマグマの一部を捕獲したので,メルト包有物のイオウ濃度はこれよりも低い(富士宝永噴火では<2000ppm,箱根中央火口丘期の噴火では<2000ppm).目下のこうした結果から,中部地域におけるフロントから背弧の間で活動する火山では,初生マフィックマグマは3000ppm以上のイオウ濃度を含有していたと推定される.この結果に加えて,次年度には東伊豆単成火山群,黒富士火山,北八ヶ岳,焼岳火山,鷲羽池火山,および立山火山のメルト包有物を調べて,この地域の火山のイオウ供給量を総括する.この2年間の研究において,次の3つの内容で成果を得た.(1)東北・関東中部地域における.火山フロントから背弧へ向かって,

(1)急冷したスコリア・軽石を噴出し,(2)カンラン石斑晶をもたらした,(3)最も新しい時期の噴出物について,メルト包有物の記載岩石学的および化学的に調べてイオウ濃度データを得た.浅間火山については,現在進行中の2004年噴火の噴出物のメルト包有物データを得て,1783年の天明噴火に基本的に似たマグマが供給されたことを示すデータを得た.(2)この結果により,この地域の"メルト包有物のイオウ濃度マップ"をつくり,島弧の火山フロントから背弧火山へのマグマのイオウ供給量のプロファイルを検討するデータを蓄積した.一般に,フロント側の火山へ供給されるマフィックマグマは揮発性成分に富んでおり,イオウ供給量が大きい.背弧側の火山,とくに北アルプスの火山では,イオウ供給量が少ない.中部地域の活動的な火山について,今後の噴火活動によるイオウ放出を予測するために役立つメルト包有物のイオウ濃度データを補強してきた.これらを基礎にして,大気圏や地殻表層→海洋底スラブ→沈み込み帯→島弧火山→という"イオウのリサイクルの窓"としての日本の島弧火山の役割を定量的に検討するためのデータベースを新たに加えた.(3)メルト包有物の記載岩石学的研究方法を改善し,島弧の初生マグマのイオウ濃度を知る方法の精度を高めることに研究方法を工夫・改良してきた.
大規模学習データの分析・可視化と介入機能を有する知的PBL学習環境の運用と評価

本研究の目的は、アクティブラーニングの一環として、高等教育への導入が拡大しているプロジェクト学習(PBL)での学内外の協調学習状況をリアルタイムで分析・可視化し、学生のリフレクションや教員の早期の教育的介入の支援を可能とする知的学習環境を構築することで学習・教育の質を高めることである。具体的には、以下のような取り組み課題のもとで研究を行う。1.学習データのコーディングの自動化:CSCLシステムから取得されるデータや対面環境での会話データ等へのディープラーニング技術を活用した学習データの自動コーディングの精度向上2.学習プロセスの予測:ある時点のグループの学習状況の分析からその後の学習プロセスの進展を予想する技法の開発3.情報の可視化と効果検証:データ分析結果の視覚的提示方法の考案平成30年度は特に上の1については、平成29年度に開発した自動コーディングモデルを新たな協調学習データセットを対象に適用し、実運用におけるモデルの有効性を検証した。各ラベルの分布や頻度と協調活動を検討することで、学習の分析が実際に可能であるかを検証した。また、PBLの学習過程で学習者間で交わされるチャット上の会話データに対して、「Participation」、「Epistemic」、「Coordination」、「Argumentative」,「Social」の5つの次元を設定していたが、昨年度の機械学習の精度検証の結果に基づいて、各次元での個別のコードを部分的に再設計し、より機械学習による分類精度のさらなる改善を目指した。3については、平成30年度に発表した論文の中で学習状況をコーディング結果から評価するレーティングスキームおよびその可視的表示方法についても提案を行った。平成30年度は取り組み課題として、1.PBL学習環境の基盤の運用とデータの集積、2.協調学習状況の可視化の設計。3.深層学習によるモデルの改良の3点を設定していた。まず1.については、年度を通して学内の複数の授業のPBL活動のなかで、このシステムを運用してさらなるデータの集積を行った。また、自動コーディングの精度をさらに向上させるため、あらたに人力で相当規模の新しいデータにコーディングを行い、教師付きデータを新たに構築した。また、29年度の研究成果を踏まえて、コーディングスキームを一部改良した。2.については、学習状況を評価するレーティングスキームを設計し、またそのスキームの可視化の提案を行った。3.については各次元間の相関性を何らかの形で分類モデルに反映させることでモデルの改良が可能であるという知見を得たので、今後はそれを実装することが課題となる。1.と2.については、当初の計画通りに研究は進行したといえる。3.については、改良の方向性は明らかになったものの、その具現化には至らなかったので、来年度課題としたい。平成31年は以下の4点を取り組み課題として研究を進めていくこととする。1.今年度に引き続き、PBL学習環境の基盤の運用とデータの集積を継続:1稲葉、安藤、柴田、田胡で、PBL環境を学内の複数の授業で実運用し、データの集積を可能な限り続行する。また、そのデータへのディープラーニング技術を活用した自動コーディングの精度の検証と改良を行う。2稲葉、安藤、松永で自動コーディングの施された大規模データを解析し、協調学習進行中のグループ内での相互作用の変化や活性度を評価する指標を抽出し、実際の教育現場での活用の可能性を検討する。2.協調学習状況の可視化の実装:1稲葉、安藤で、今年度の可視化の提案を踏まえて、各グループや各個人の学習状況をリアルタイムで評価するレーティングスキームの実装とその提示方法をシステム内に実装する。3.深層学習によるモデルの改良:柴田と吉仲で、今年度の知見に基づき、コーディングスキームの各次元の相関性を数値化し、分類モデルに何らかの形で反映させるように、モデルを改良する。4.時系列を考慮した分析技法の検討:既存のコーディングによる定量的研究では分類ラベルの集積数や頻度によって学習過程を分析する手法が支配的あるが、協調学習プロセスの中でのラベルの出現の時系列での変動や、時系列における複数ラベルの同時出現数の増減などの時間的な視点の導入が必要と思われる。すでにいくつかの注目すべき既存研究もあるので、これらも参照にしつつこの時系列での学習状態やその変化の自動検出の手法を稲葉と安藤で検討していく。1.学習データのコーディングの自動化:CSCLシステムから取得されるデータや対面環境での会話データ等へのディープラーニング技術を活用した学習データの自動コーディングの精度向上2.学習プロセスの予測:ある時点のグループの学習状況の分析からその後の学習プロセスの進展を予想する技法の開発3.情報の可視化と効果検証:データ分析結果の視覚的提示方法の考案平成29年度は特に上の1について研究上、大きな進展があった。具体的には、PBLの学習過程で学習者間で交わされるチャット上の会話データに対して、「Participation」、「Epsitemic」、「Coordination」、「Argumetative」,「Social」の5つの次元を設定し、それぞれの次元に複数のラベルが属するような多次元で階層的構造を有するコーディングスキームを設計することで、より包括的かつ詳細な協調学習のプロセスの記述ができるようになった。

また、この多次元のスキームに依拠した人力によるにコーディングを大規模な強調学習データに対して行い、このデータをトレーニングデータおよびテストデータとして深層学習の対象とし、その精度を検証した。その結果、いくつかの問題点を除いて、極めて精度の高い自動コーディングが可能であることが判明した。さらに、この深層学習のモデルを実際に学内で運用しているチャットシステムに実装したことで、各発言に対してリアルタイムでコーディングを生成することが可能になった。平成29年度については、次の2つを研究上の取り組み課題とした。1.コーディングスキームの検討とディープラーニングの適用、2.PBL学習環境の基盤の構築。1については、実績概要で示したように、コーディングスキームを確定させ、実際のデータセットにコーディングラベルを付与した。また、コーディングのマニュアルの作成も行った。さらに、深層学習技術を用いた自動コーディングのモデルの構築とシステムへの導入も行った。2.については、PCのみならずスマートフォンでも利用可能なチャットシステムをMoodle上に構築し、実際のPBL講義でこのシステムを教員・学生の双方で利用している。2つの課題については、おおむね予定通りに達成できたと言って過言ではない。本研究の目的は、アクティブラーニングの一環として、高等教育への導入が拡大しているプロジェクト学習(PBL)での学内外の協調学習状況をリアルタイムで分析・可視化し、学生のリフレクションや教員の早期の教育的介入の支援を可能とする知的学習環境を構築することで学習・教育の質を高めることである。具体的には、以下のような取り組み課題のもとで研究を行う。1.学習データのコーディングの自動化:CSCLシステムから取得されるデータや対面環境での会話データ等へのディープラーニング技術を活用した学習データの自動コーディングの精度向上2.学習プロセスの予測:ある時点のグループの学習状況の分析からその後の学習プロセスの進展を予想する技法の開発3.情報の可視化と効果検証:データ分析結果の視覚的提示方法の考案平成30年度は特に上の1については、平成29年度に開発した自動コーディングモデルを新たな協調学習データセットを対象に適用し、実運用におけるモデルの有効性を検証した。各ラベルの分布や頻度と協調活動を検討することで、学習の分析が実際に可能であるかを検証した。また、PBLの学習過程で学習者間で交わされるチャット上の会話データに対して、「Participation」、「Epistemic」、「Coordination」、「Argumentative」,「Social」の5つの次元を設定していたが、昨年度の機械学習の精度検証の結果に基づいて、各次元での個別のコードを部分的に再設計し、より機械学習による分類精度のさらなる改善を目指した。3については、平成30年度に発表した論文の中で学習状況をコーディング結果から評価するレーティングスキームおよびその可視的表示方法についても提案を行った。
MR内視鏡(MR endoscopy)の臨床における確立

1,同意のもとボランティアおよび患者数名にて、MR endoscopyを施行し、standardとなる画像所見の収集を行った。咽頭反射が強く,MR endoscopyを嚥下することのできなかったボランティア1名を除いては,特に問題なく試行可能であった。傾向として,通常の内視鏡がが施行可能であれば,MR endoscopyは施行可能であると思われた。2,得られた画像情報を部位別、疾患別に検討を行った。具体的には消化器/消化管疾患においてはその進達度や他臓器への浸潤、周囲のリンパ節等について従来の検査法(CT、内視鏡等)と比較・検討を行った。ある種の病気(早期胃癌等)を除き,従来のMRIの撮像方法による画像と比較して,総じてMR endoscopyによる画像で病気の進達度等のさらなる情報が得られた。(1)食道癌胸部大動脈への浸潤の有無が,通常のMRIや超音波内視鏡より正確に診断可能であった。(2)進行胃癌超音波内視鏡で,膵臓への浸潤やリンパ節転位を疑われた症例で,実際にはなかったことをMR endoscopyで確認できた。(3)胃粘膜下腫瘍腫瘍および筋層の関係が超音波内視鏡同様にMR endoscopyで描出された。(4)胆嚢癌胆嚢癌の位置,腫瘍の大きさ,壁の進達度,周囲のリンパ節転位を正確に診断可能であった。膵腫瘍MR endoscopyでは,粘液産生膵腫瘍やリンパ上皮性膵嚢胞等の嚢胞性病変において,病変部の壁の不整等の詳細が,通常のMRIより明瞭に描出された。また,超音波内視鏡で描出不可能であった膵の島細胞腫瘍がMR endoscopyで描出可能であった。まず、同意のもとボランティア数名にて、MR endoscopyを施行した。MR endoscopyを飲みこむことそれ自体の行為は、咽頭反射の強い一名を除いて、特に問題無く行われた。また、得られた画像は従来のMRIの画像と同程度あるいはそれ以上の画質であった。上記の結果を踏まえて、実際に臨床応用可能であると判断し、同意の元患者数名においてもMR endoscopyを施行した。患者の内訳は、食道および胃における腫瘍性疾患8名、膵胆道系疾患(腫瘍およびその他病変)7名であった。この全ての患者において、従来の(通常の)撮像方法でもMRIを撮像した。また患者によっては通常の消化管内視鏡や経食道的超音波内視鏡も施行した。これらによって得られた画像に関して、現在のところ統計的処理が終了しておらず、その内容に関して確たる断定が今だ不可能である。しかし、MR endoscopyで得られた画像に関する全体としての印象は、従来のMRIによる通常の撮像法で得られたものより、より詳細な情報が得られた症例があった。また、通常の消化管内視鏡や経食道的超音波内視鏡にさらに付加する情報が得られた。具体的には消化器/消化管疾患においてはその進達度や他臓器への浸潤、周囲のリンパ節等について、従来の検査法(CT、内視鏡等)に付加する情報が従来のMRI以上であったと判断できた。MR endoscopyがどの疾患において、どの程度の有用性があるかは、次年度の結果及び統計的処理の終了を待たねばならないが、少なくとも臨床上有用であった症例が存在していたことは確実である。
磁気光学ファラデー効果を用いた磁束量子のダイナミクスおよび制御に関する研究

以下に成果の概要を示す。1.独自の高感度・高分解能磁気光学顕微鏡システムを構築し、高温超伝導体単結晶試料BSCCOにおける磁束量子の分布観察に成功した。TSFZ法により育成した試料においては、侵入した磁束が結晶成長中に導入される欠陥のため再現性よく結晶a軸方向に配列するのに対し、LPE法により育成した単結晶試料においては明瞭な三角格子状のアブリコソフ格子が観測された。2.有機金属分解法により、磁気光学材料であるBi,Ga置換型の希土類鉄ガーネット膜の作製を行い、その膜厚、基板、熱処理条件の最適化を行った。その結果、約1.4μm厚の試料において最大の磁気検出感度が得られた。基板については、超伝導薄膜作製用に用いているMgO単結晶基板を用いた場合も、ガーネット膜と比較的膨張係数が近いため、良好な膜が得られることを見出した。3.磁束量子状態をダイナミック検出可能な高分解能レーザー走査型磁気光学顕微鏡の開発を行った。これを用いて、超伝導磁束フロー型トランジスタのコントロール電流ラインに電流を流した時に発生する磁界のダイナミック観測、超伝導ブリッジ中に補足された磁束量子の観察に成功した。また、システムの空間分解能は0.5μm以下であることを確認した。4.上記システムの高速性能および感度を評価した結果、準静的な条件下では、現行システムでもローパスフィルターなどの使用により数μT(テスラ)以下の磁気感度を有すること、また、フィルター等を一切使用しない高速シグナル検出に対しても地磁気以下の数10μTの磁気感度を有していることが判明した。この結果は、現行システムにおいても、デバイス構造の最適化を行なえば、磁束量子のダイナミック観察が可能であることを示しており、今後の展開が期待される。5.ジョセブソンボルテックスフロー型トランジスタを作製し、電流印加、光パルス照射により磁束フローに対応した検出シグナルの観測に成功した。本年度の主な研究実績について以下に示す1.独自の高感度・高分解能磁気光学顕微鏡システムを構築し、高温超伝導体単結晶試料BSCCOにおける磁束分布観察を行った。これまでTSFZ法により育成した薄片試料においては、侵入した磁束が結晶a軸方向に配列するという結果を得ていたが、この性質がBSCCO試料固有のものであるかを確認するため、LPE法により育成したBSCCO単結晶薄片試料を用いて観察を行った。その結果、LPE試料においては磁束のこのようなa軸配列構造は一切観察されなかった。このことから、TSFZ試料においてはその育成方法に由来する固有の磁束ピンニングサイトが結晶a軸に沿って存在する可能性が示唆された。これについては、TSFZ試料では、育成時の結晶育成方向(a軸方向)に沿って原子欠陥が導入されるという報告があり、コヒーレンス長の極端に短い高温超伝導体ではこれら原子欠陥がピンニングサイトとしてある程度有効に働いているものと考えられる。2.この高感度・高分解能磁気光学顕微鏡システムを用いた上記LPE法により成長した単結晶薄片試料中の磁束観察において、アブリコソフ格子状の三角格子配列が観察された。この際印加した外部磁場条件で計算上得られるアブリコソフ格子間隔と観測された格子間隔がほぼ一致することから、この観測された格子配列像は単一磁束量子の配列を観察したものと考えられる。このように高温超伝導体試料中の単一磁束量子の観察を磁気光学法を用いて行った例はこれまでに報告されておらず、世界で始めての成功例である。(本成果については現在論文執筆中)

3.磁気光学顕微鏡観察における感度および分解能は、検出に用いる光に対する透過特性や偏光特性と密接に関係するファラデー素子の厚さに強く依存する。今後計画しているさまざまな研究に対応するためには、目的に合わせて膜厚を制御したファラデー素子の入手が必要不可欠であり、この素子作製を行った。用いた作製法は有機金属分解(MOD)法であり、Bi, Ga置換型の希土類鉄ガーネット膜の作製を行った。この方法ではMOD溶液の塗布回数により容易に膜厚の制御を行うことが可能である。現在までにガラス基板上での多結晶膜の作製およびGGG基板への単結晶膜の作製に成功しており、多結晶膜では、これまで使っているLPE成長した単結晶ガーネット膜と比べて、磁気光学特性および透過特性ともに優れた素子の作製に成功している。今後は、このように作製したガーネット膜を使って高温超伝導体デバイス中の磁束量子状態の観察を行う予定である。本年度の主な研究実績について以下に示す1.これまでの従来型の磁気光学顕微鏡システムでは、磁束量子の準静的な観測は行えるものの、そのダイナミック状態について実時間計測することは不可能である。この点を改善するため、これまでの経験を生かし高感度・高分解能を有する走査型レーザー磁気光学顕微鏡の開発に着手した。この開発に先駆け、今年度はプロトタイプのシステムの構築を行った。このプロトタイプシステムの評価を行うため、高温超伝導体YBCO薄膜をストリップ状に加工した電流ラインをフォトリソ加工により作成し、電流を印加した状態で発生する磁界の分布について測定を行った。その結果、この簡易システムにおいても数10mA程度の電流により発生する磁界の観測が出来ることを確認した。今回使用した光検出器は汎用のフォトダイオードであり、実際に構築する正規システムで、これを光電子増倍管に切り替えることにより更なる高感度化が十分期待できる。2.磁気光学効果を利用した磁束量子状態の観察では、インジケータとして用いるファラデー光学素子の性能が重要である。このため昨年度より有機金属分解法によるビスマス(ガリウム)置換型希土類鉄ガーネット膜の作成に取り組んでいる。今回、構築する走査型レーザー磁気光学顕微鏡のレーザー強度、波長などの仕様を特定するため、作成したガーネット膜の磁気光学特性について詳細に調べた。その結果、波長635nmのレーザーを用いた計測では、膜厚に関係なく磁気光学特性を決定するヴェルデ定数は(2.05±0.2)×1^<-5>[rad/μm・Oe]であることがわかった。またこの結果は、膜厚2μmのガーネットを作成した場合、約4×10^<-5>[rad/Oe]程度のファラデー回転能を有することを意味しており、例えば磁束量子(φ_0=2.07×10^<-7>gauss・cm^2)が直径1μmの領域に閉じ込められているとすれば(これは28 Oeの磁界に相当する)、ファラデー回転角として約5.6×10^<-4>radを生じさせることが出来る。よってこの時、この領域に照射するレーザー強度を10mWにすれば、透過率を50%程度としても、磁束量子に相当する信号として数nW程度の強度の光を検出できることになる。
ポリコーム遺伝子発現制御に着目した歯周組織構成細胞の多方向制御メカニズムの解明

本研究で、ヒト間葉系幹細胞(MSC)におけるポリコーム遺伝子発現が低酸素および低酸素誘導性マイクロRNAにより影響されることから、酸素濃度が低酸素誘導因子HIF-1α、ポリコーム遺伝子群およびマイクロRNAの発現調整を介してMSC細胞機能を制御する可能性が示唆された。これにより、酸素濃度調整を主としたポリコーム遺伝子群とマイクロRNAの発現制御により、効果的な歯周組織再生が実現することが期待される。平成25年度における本研究では、低酸素環境が歯周組織再生に対して重要であり、酸素濃度調整によって低酸素誘導性micro RNA群およびポリコーム遺伝子群が制御されることによる“歯周組織の効果的な歯周組織再生"を最終的な目的として、低酸素環境が分化能を中心とした培養細胞の機能に及ぼす影響を、低酸素誘導因子HIF-1αおよびポリコーム遺伝子群およびmicro RNA群の関与という観点から研究を推進した。具体的な内容としては、ヒト間葉系幹細胞(MSC)を用いて、1ポリコーム遺伝子発現に対する低酸素およびHIF-1αの影響2micro RNA発現プロファイルに対する低酸素およびHIF-1αの影響3低酸素誘導性micro RNAのポリコーム遺伝子発現に対する影響の解析を行なった。結果として、1HIF-1α誘導条件下において、ポリコーム遺伝子Bmi1とEzh2の発現上昇が2472時間で認められた。また、HIF-1αの発現抑制を行なうと、両者の発現の促進が抑制された2HIF-1α誘導条件下において、すべての誘導因子刺激において上昇を示したmicro RNAは29種であった。3HIF-1α誘導条件下において誘導されたmicro RNAの中で、miR-628, miR-629およびmiR-210の機能抑制をおこなったところ、HIF-1α誘導条件下におけるポリコーム遺伝子発現の抑制がわずかではあるが認められた。以上の結果により、MSCのポリコーム遺伝子の発現制御には低酸素で誘導されるHIF-1αおよびmicroRNAが関与していることが明らかとなった。このことにより、MSCにおけるポリコーム遺伝子発現に対して影響を与える因子の同定が可能となり、最終的には、酸素濃度調整を中心としたポリコーム遺伝子群の制御による効果的な歯周組織再生を行なうことにつながることが期待される。平成26年度における本研究では、低酸素環境が歯周組織再生に対して重要であること、低酸素誘導性microRNA群およびポリコーム遺伝子群が制御されることによる“歯周組織の効果的な歯周組織再生"を最終的な目的として、低酸素誘導因子HIF-1alpha、microRNA群およびポリコーム遺伝子群の関与という観点から研究を推進した。平成26年度に行なった研究の具体的な内容として、ヒト間葉系幹細胞(MSC)を用いて、1低酸素誘導性microRNAのポリコーム遺伝子発現に対する影響、2低酸素条件下でのmicroRNAのポリコーム遺伝子発現に対する影響の解析を行なった。得られた結果として、低酸素誘導性microRNAのうち、miR-628およびmiR-629に着目し、これらの過剰発現をおこなったところ、PRC1を構成するポリコーム遺伝子Bmi1の発現が誘導され、反対にPRC2を構成するポリコーム遺伝子Ezh2の発現が抑制された。さらに、低酸素によるHIF-1alpha誘導条件下において、低酸素誘導性micro RNAであるmiR-210の機能抑制をおこなったところ、低酸素で誘導され、HIF-1alphaの発現抑制で抑制され、miR-210の過剰発現で促進されるBmi1と抑制されるEzh2のmRNA発現は、それぞれ逆の反応を示した。以上より、MSCにおけるポリコーム遺伝子の発現制御にはHIF-1alphaおよび低酸素誘導性microRNAであるmiR-210, miR-628およびmiR-629は、相互に影響しあうことによってポリコーム遺伝子の発現を制御していることが明らかとなった。本課題の研究成果により、MSCにおけるポリコーム遺伝子発現に対するmicroRNAに着目し、酸素濃度調整を中心としたこれらの発現制御による効果的な歯周組織再生をおこなうことにつながることが期待される。歯周病学平成25年度における研究により、1.ポリコーム遺伝子発現に対する低酸素およびHIF-1αの影響:MSCを低酸素条件下および低酸素誘導因子HIF-1α誘導因子存在下で培養し、polycomb-repressor complex(PRC)1を構成するBmi1とPRC2を構成するEzh2の2種類のポリコーム遺伝子の発現に対する評価を行なったところ、両者の発現上昇が2472時間で認められた。さらに、siRNAによってHIF-1αの発現抑制下での低酸素条件下およびHIF-1α誘導因子存在下で培養したところ、両者とも発現の促進が抑制された。2.Micro RNA発現プロファイルに対する低酸素およびHIF-1αの影響:MSCを低酸素条件下およびHIF-1α誘導因子存在下で24時間培養し、miRNA arrayを用いてmicro RNA発現を網羅的に解析した結果、すべての誘導因子刺激において上昇を示したmicro RNAは29種であった。

これらの結果は、交付申請時の平成25年度研究実施計画をほぼ満たしており、また平成26年度研究実施計画の一部に及んでいるため、現在までの達成度はおおむね順調に進展していると考える。当初はMSCおよびHPL cellsでの検討を行なう予定であったが、研究期間を考慮し、MSCに限定し、以下の推進方策にておこなう。1.低酸素誘導性micro RNAのポリコーム遺伝子発現に対する影響:低酸素およびHIF-1α誘導因子存在下で発現上昇が認められたmicro RNAのうち、miR-628, miR-629およびmiR-210をトランスフェクションし、ポリコーム遺伝子のmRNA発現を検討する。2.低酸素誘導性ポリコーム遺伝子の細胞機能に対する影響:低酸素で誘導されるポリコーム遺伝子の発現調整をおこない、MSCの細胞機能に対する影響を検討する。発現調整は強制発現用ウイルスベクターおよびsiRNAにより行ない、MSCの細胞機能について検討する。3.低酸素誘導性ポリコーム遺伝子により発現が影響されるmicro RNAの同定:MSCにおいて、低酸素で誘導されるポリコーム遺伝子の過剰発現または抑制により変化するmicro RNAを網羅的に解析する。変化が認められたmicro RNAの中から、ポリコーム遺伝子により直接的に発現調整されうるmicro RNAを検討する。4.ポリコーム遺伝子誘導性micro RNA発現調整による細胞機能に対する影響:ポリコーム遺伝子により影響を受けるmicro RNAの発現を調整し、MSCの細胞機能に関する影響を検討する。Micro RNAの発現調整はmiRNAmimicとinhibitorにより行ない、MSCの細胞機能について検討する。5.細胞機能に影響を与えるポリコーム遺伝子・micro RNA群の誘導因子の検討:MSCにおいて、上記の結果により得られたポリコーム遺伝子・micro RNA群の発現を制御しうる因子の検討を行なう。低酸素、Nogginの他、トリコスタチンAおよび種々の成長因子、炎症性サイトカインなどを候補として検討する。
細胞接着分子による精子形成調節の分子ネットワークの解明

細胞接着分子を介した造精細胞とセルトリ細胞の相互作用は精子形成に重要な役割を持つ。特に、造精細胞に発現する細胞接着分子Cadm1は精子形成に必須である。最近我々は、Cadm1と結合するアダプター蛋白質としてMpp6を見いだした。ウエスタンブロット法および免疫組織化学により精巣におけるMpp6の発現と局在を明らかにした。また、免疫沈降によりCadm1とMpp6の相互作用を確認し、さらにMpp6と相互作用する新規分子を複数同定した。Cadm1が造精細胞に及ぼす作用の細胞内分子機構は分かっていないが、蛋白質のリン酸化によるシグナル伝達機構の存在が示唆されている。そこで本研究では、Cadm1とMpp6の造精細胞内での相互作用についてCadm1を含む細胞接着分子のKOマウスを用いて解析するとともに、Cadm1-Mpp6を介した細胞内分子のリン酸化を解析し、さらにMpp6と細胞内で相互作用する分子を同定して、Cadm1によるシグナル伝達機構を明らかにし、これにより、細胞接着分子による精子形成調節の分子ネットワークを解明することを目的とした。本年度はMpp6のGST融合蛋白質を抗原として、ラット抗体作製法(当研究室で安価で迅速な抗体作成法として確立済、Acta Histochem Cytochem 39,79,2006)により抗体を作製し、Westernブロット法および免疫組織化学により精巣における発現と局在を明らかにした。精子形成でのMpp6の役割を検討するために、野生型マウスだけでなくMpp6と相互作用するCadm1 KOマウスとMpp6と相互作用しない細胞接着分子Nectin-3 KOマウスの精巣を用いて解析した。平成24年度はMpp6のGST融合蛋白質を抗原として、ラット抗体作製法(当研究室で安価で迅速な抗体作成法として確立済、Acta HistochemCytochem 39,79,2006)により抗体を作製し、Westernブロット法および免疫組織化学により精巣における発現と局在を明らかにした。平成25年度はCadm1およびMpp6抗体を使い、免疫沈降により相互作用を確認し、さらにMpp6と相互作用する新規分子について質量分析により複数同定した(論文執筆中)。Mpp6のGST融合蛋白質を抗原として、ラット抗体作製法により抗体を作製し、Westernブロット法および免疫組織化学により精巣における発現と局在を明らかにした。25年度が最終年度であるため、記入しない。前年度作製したMpp6抗体を使い、免疫沈降により、Mpp6と相互作用する細胞内蛋白質の同定を行う。野生型マウスの精巣の蛋白質を可溶化(可溶化分画)する。この可溶化分画と抗Mpp6抗体を反応させて免疫沈降を行う。対照として正常ラットIgGを用いる。抗Mpp6抗体でのみ免疫沈降される蛋白質のバンドをSDS-PAGEと銀染色で見いだす。免疫沈降により得られたバンドを比較検討し、選別されたバンドのペプチダーゼ消化とMALDI TOF/TOFによるMS/MS解析によりペプチドの配列を決め、蛋白質を同定する。質量分析は、本学学際科学実験センター遺伝子実験部門に受託研究として依頼する。Mpp6と相互反応する分子のGST融合蛋白質を抗原として、ラット抗体作製法により抗体を作製する。

この抗体を用いた免疫沈降とウェスタンブロットにより、野生型マウス精巣において確認する。また野生型マウス、Cadm1 KOマウスおよび他の細胞接着分子KOマウスの精巣におけるこの分子の発現と局在を調べ、Cadm1の有無によるこの分子の挙動の変化を解析する。Mpp6と相互反応する分子が同定されてもなお造精細胞におけるCadm1の下流にあるシグナル伝達経路の全容が解明できない場合は、さらにこの分子と相互反応する分子を免疫沈降法やGST融合蛋白質によるpull-down法で探索することを繰り返す。25年度が最終年度であるため、記入しない。
乳癌におけるHOXB9スプライスバリアントの探求

HOX遺伝子群は発生期におけるマスターレギュレータであるとともに、近年は悪性腫瘍での異常発現が注目されている。本研究の目的は、我々が今回新たに発見したHOXB9スプライスバリアントの乳癌における生物学的・臨床的意義を明らかにし、HOXB9の腫瘍制御メカニズムを解明することである。これまでの実験では同バリアント高発現クローン株では増殖亢進・アポトーシスが抑制されており、トリプルネガティブ乳癌との関連が強く示唆された。また、同バリアントの定量検出系の確立にも成功した。これらのクローン株や検出系を用いて、当施設乳癌検体における同バリアント量と臨床病理学的因子との比較や分子生物学的な解析を行う。
がん細胞の転移能を制御する遺伝子の単離・同定

発がん機構の解明が遺伝子レベルで急速に進んでいるが、現在までの研究ではがんの個々の病態を遺伝子変化との対応で把握するまでには至っていない。特にがんの臨床上大きな問題である転移に関与する遺伝子についてはその全容は未だに不明である。そこで、本研究ではがん細胞の転移能を制御する遺伝子の単離・同定を目的として、以下の2点についての研究を進めた。第一には、マウス実験転移モデルを用いて、転移能と相関して発現変動している遺伝子を単離・同定する。第二に、がん抑制遺伝子の異常について種々のヒト腫瘍で検討し、さらに異常を起こしている遺伝子の正常化によるがん細胞の性状変化を検討して、がんの悪性化の要因となっている遺伝子異常を明らかにする。第一の研究に関しては、mRNAのフィンガープリント法であるDifferential Display法を用いて、K1735マウス黒色腫細胞株の転移能と相関して発現変動している遺伝子を探索し、高転移株のみで発現している3つの遺伝子と低転移株のみで発現している5つの遺伝子を単離した。うち4個は新規遺伝子だったので、その構造を解析中だが、うち一つは新しいSox Familyの遺伝子だったのでSox21と命名し、その全構造を決定した。第二の研究に関しては、肺非小細胞がんで第2、9、18、22染色体欠失ががんの悪性化に関わっていることを示した。また、正常のp53遺伝子導入によってがん細胞にアポトーシスを誘導でき、正常のp16あるいはRB遺伝子では細胞周期を停止させることができることを示した。さらに、神経芽腫の悪性化にはp16遺伝子が関わっていることを明らかにした。がん細胞の転移能を制御する遺伝子の単離・同定を目的として2つの方向から研究を進めた。マウス黒色腫を用いた研究では、転移能と相関して発現変動している遺伝子を8つ単離した。それぞれの遺伝子について転移能との関連を遺伝子導入実験で検討中だが、その解析が終了すれば、実験モデル系ではあるが、転移能を制御する遺伝子の概要が把握できると考えている。臨床検体を用いた研究は、主にがん抑制遺伝子ついて検討しているが、肺がん・神経芽腫ともp16遺伝子が悪性化に関与していることが示唆された。今後は生物活性及び臨床的意義をさらに追及していくことによって、これらの遺伝子が転移あるいはがんの悪性化にどのように関わっているかを明らかにしていきたいと考えている。
β4-ガラクトース転移酵素-I欠損によるIga腎症発症機構の解析

β4GalT-I KOマウスが自然発症するIgA腎症の病態の進行を明らかにするために,生後2ヶ月齢から12ヶ月齢にわたって2ヶ月ごとに複数匹のマウスの腎臓切片を作成し,PAS染色による糸球体の病変領域の同定,PAM染色による糸球体硬化の程度,蛍光免疫染色によるIgAとC3の沈着程度について定量的な解析を行った。β4GalT-I KOマウスのIgA腎症病変は,生後2-3ヶ月齢ですでに75%の糸球体が分節性病変を示し,12ヶ月齢では25%の糸球体が全節性の病変に進行した。糸球体硬化も半年齢までは約20%の領域が,半年齢から1年齢では約30%の領域が硬化病変を示した。また,IgAとC3の沈着も生後3ヶ月齢から顕著に見られ,加齢と共に沈着の程度が進行した。以上のことからβ4GalT-I KOマウスは,2-3ヶ月齢の若年からIgA腎症を発症し,患者と同じように糸球体病変が進行することがわかった。これまでの結果と今年度の結果をまとめて,Am J Patholに論文として発表すると共に,平成15年4月に出願していた特許「IgA腎症の治療薬のスクリーニング方法」が,平成18年6月に登録された。一方,β4GalT-II KOマウスの乳腺の発達異常については,分娩前後の乳腺上皮の増殖が有意に低下していることを見いだし,乳腺上皮の初代培養系を樹立した。また,C57BL/6に戻し交配したβ4GalT-II KOマウスの一連の行動学的解析から,このマウスは情動性が低い傾向にあり,強い刺激の記録には問題がないが,正確な空間記憶に問題があり,運動学習にも顕著な障害があることが明らかとなった。脳での機能的糖鎖の発現を解析したところ,HNK-1の発現が顕著に低下していることがわかり,行動学的異常の一部はこれが原因であることが示唆された。我々はβ-1,4-ガラクトース転移酵素-I(β4GalT-I)欠損マウスが、IgA腎症様病態を発症することを見いだした。β4GalT-I欠損マウスの腎臓糸球体の病理像は、ヒトIgA腎症の診断基準に合致するものであった。さらに、この欠損マウスは高IgA血症と血清IgAの多量体形成を示し、これらもIgA腎症患者によく見られる現象である。マウスはヒトと異なりIgAのヒンジ領域にO型糖鎖の結合部位が存在しないが、ヒトIgA1と同じようにN型糖鎖は2か所に結合し、欠損マウス由来の血清IgAのN型糖鎖は完全にガラクトースが欠損していた。さらに、コントロールマウスの腎臓を欠損マウスに移植したところ、移植腎に対して若干ながらIgAの沈着が認められたことから、腎臓の糖鎖不全ではなく、IgAの糖鎖不全がこのIgA腎症の原因である可能性が示唆された。IgAの糖鎖不全に加えて高IgA血症がIgA沈着の重要な因子と考えられ、その原因としてIgAの粘膜輸送、産生、代謝などの異常が考えられた。まず、糞便中のIgA濃度を定量したところ、欠損マウスとコントロールマウスに差はなかったことから、IgAの粘膜輸送は正常であることが示唆された。また、脾臓、パイエル板、腸間膜リンパ節におけるIgA陽性細胞率は、いずれもコントロールより高い傾向が見られたが、10倍近い血中IgA濃度の上昇を説明できる程ではなかった。さらに、各々のマウス由来の血清IgAをRIで標識して、B6マウスに静注して血中代謝速度を解析した結果、欠損マウス由来の糖鎖不全IgAは正常IgAに比べ、投与後30分間は代謝速度が遅くなったが、60分後には差は認められなかった。以上の結果は、一つの原因ではなく、複合的な原因が高IgA血症を引き起こしている可能性が考えられたが、さらに解析を進める必要がある。

また,C57BL/6に戻し交配したβ4GalT-II KOマウスの一連の行動学的解析から,このマウスは情動性が低い傾向にあり,強い刺激の記録には問題がないが,正確な空間記憶に問題があり,運動学習にも顕著な障害があることが明らかとなった。脳での機能的糖鎖の発現を解析したところ,HNK-1の発現が顕著に低下していることがわかり,行動学的異常の一部はこれが原因であることが示唆された。
市民参加および計画文書に着目した、都市づくりのビジョンと戦略形成に関する研究

本研究は、90年代以降の、市民参加の時代の都市ビジョンに基づくマスタープランのスタイルを見出すことを目的としている。研究では、このようなマスタープランは、マスタープランの担い手、担い手と作り手の間に設けられる市民参加の場、その結果つくられる計画文書の3点の相互作用によって作られると考え、各点において充実した取り組みが見られる事例の資料を11都市分収集し、7都市のインタビュー調査を行い、データベース化の作業を行った。マスタープランの担い手については、行政以外の担い手(NPOや市民組織など)を、滋賀県近江八幡市や岡山県津山市における調査を通じて抽出した。担い手は、従来のまちづくり協議会や住区協議会というモデルを超えて多様化しており、8程度のモデルが存在することが分かった。また、各担い手を調整するパートナーシップモデルがあり、そこにおけるNPOセンターなどの調整セクターの役割を明らかにした。市民参加の場については、行政主体型と主体形成型の2つのスタイルがあることが分かり、主体形成型において有効なワークショップなどのテクニックを抽出した。計画文書については、従来の地区カルテ型のもの、イメージ図型のものに加えて、景観形成分野で発達した景観資源の調査図や、商工観光の分野で発達した博物館都市構想、環境保全の分野で発達したエコミュージアムなどで作られる計画文書、市民活動の中から提案的にまとめられた計画文書が実際の市民まちづくり活動に影響を与えていることが分かった。これらの図書の編集様式は、白書型、提案集型、計画型、ルール型の4つに類型化され、それぞれがパタンランゲージなどにより表現されていることが分かった。以上の分析で得られた一連の計画文書の組み立てを法令や自治体の条例などの手段を用いながら、制度化する手法の検討を、具体的に山形県鶴岡市においてケーススタディした。これらテクニックの理論的な体系化を進めたい。計画文書については、従来の地区カルテ型のもの、イメージ図型のものに加えて、景観形成分野で発達した景観資源の調査図や、商工観光の分野で発達した博物館都市構想、環境保全の分野で発達したエコミュージアムなどで作られる計画文書が実際の市民まちづくり活動に影響を与えていることが分かった。これらの表現(パタンランゲージなど)をさらに分析し、これらを含めた計画文書の理論的な体系化を進めたい。
変調副調律モデルによる不整脈発生機序逆解析システムの開発

不整脈の発生機構に位相応答解析による非線形同期理論を導入し,これに不整脈発生に特徴的な電気生理的機序として伝導系内各組織の興奮伝達特性を組み込んだ不整脈数理モデルを作成し,心興奮伝導系内の異常同期現象を解析した.このため従来のセルモデルに代わり,心興奮方程式を偏微分方程式で表わし,これによって連続媒体を想定した空間モデルを構築した.その結果,心臓の形態や伝導時間・不応期などの不均一性の影響を,有限要素法などの演算によって,精密に分析した.また,細胞内の代謝過程とイオン・チャンネルの相互関係を電位生成方程式に組み込む方法を提案した.これには心筋細胞間を接合する親水性チャンネルを介する興奮伝播を,二次元構造として近似しホジキン・ハックスレイ方程式に代わる簡潔なモデルとした.また逆問題的アプローチによって,体表面電位と体型および心臓の三次元形態情報を使って,心臓内興奮到達時間分布を計算し,ついで異所性興奮や伝導遅延部分を含んだ興奮伝導系のネットワークを参照して,各要素の不整脈モデルに関与する程度を,パラメータとして推定し,たとえば同期結合の強さ,位相応答曲線,伝導遅延時間などの推定を試みた.これは心電源の逆問題推定に比べ,モデルの特性パラメータが多いだけ有利であり,体表面電位,または単独の心臓内電位からでも先験的知識の助けによって,実用上充分な精度で解を得る可能性が明らかになった.その結果,不整脈,ことに異所性興奮焦点の正確な位置推定を可能とする理論体系の基本的な要件を明らかにすることができた.この成果を発展させて,不整脈自動認識機能を心臓モニターに付与するとか,人工心臓ペースメーカに心房・心室センシング方式の期外収縮検出能力を組み込んで早期診断と即時治療に供するなどの応用開発につながるものと期待される.不整脈の発生機構に位相応答解析による非線形同期理論を導入し,これに不整脈発生に特徴的な電気生理的機序として伝導系内各組織の興奮伝達特性を組み込んだ不整脈数理モデルを作成し,心興奮伝導系内の異常同期現象を解析した.このため従来のセルモデルに代わり,心興奮方程式を偏微分方程式で表わし,これによって連続媒体を想定した空間モデルを構築した.その結果,心臓の形態や伝導時間・不応期などの不均一性の影響を,有限要素法などの演算によって,精密に分析した.また,細胞内の代謝過程とイオン・チャンネルの相互関係を電位生成方程式に組み込む方法を提案した.これには心筋細胞間を接合する親水性チャンネルを介する興奮伝播を,二次元構造として近似しホジキン・ハックスレイ方程式に代わる簡潔なモデルとした.また逆問題的アプローチによって,体表面電位と体型および心臓の三次元形態情報を使って,心臓内興奮到達時間分布を計算し,ついで異所性興奮や伝導遅延部分を含んだ興奮伝導系のネットワークを参照して,各要素の不整脈モデルに関与する程度を,パラメータとして推定し,たとえば同期結合の強さ,位相応答曲線,伝導遅延時間などの推定を試みた.これは心電源の逆問題推定に比べ,モデルの特性パラメータが多いだけ有利であり,体表面電位,または単独の心臓内電位からでも先験的知識の助けによって,実用上充分な精度で解を得る可能性が明らかになった.その結果,不整脈,ことに異所性興奮焦点の正確な位置推定を可能とする理論体系の基本的な要件を明らかにすることができた.この成果を発展させて,不整脈自動認識機能を心臓モニターに付与するとか,人工心臓ペースメーカに心房・心室センシング方式の期外収縮検出能力を組み込んで早期診断と即時治療に供するなどの応用開発につながるものと期待される.初年度計画では不整脈数理モデルの作成および犬冠潅流摘出心を用いたモデルの実験的検証を行った。(1)不整脈数理モデル:近年の変調副調律およびリフレクション説を加えた不整脈の数理モデル作成した。モデルは、190個の心筋活動節点とこれらをつなぐ約1400個の興奮伝導枝よりなり、節点は心筋の興奮状態を脱分極時間、絶対不応期、相対不応期、再分極時間の4つで記述し、自動能を持つ節点にはその固有周期を与えた。興奮伝導枝の状態はインパルスの前後方向伝導位相、前後方向残余不応期、衡突後の状態指標で規定し、時間経過に伴う興奮の伝播はこれを差分方程式で記述した。不整脈生成機序は、一方向性および両方向性のブロック(【I】,【II】a,【II】b,【III】),房室結節性頻拍などのミクロエントリー,WPW症候逆行性伝導などのマクロ・リエントリー,同一心筋線維の興奮旋回によるリフレクション,変調副調律,虚血心傷害電流などを組み込むことが可能である。またモデルによって不整脈に対する人工ペースメーカの効果を評価できる。(2)冠潅流心を用いた興奮旋回路作成:交叉循環法による冠潅流出心標本を生体と等導電率の等張性蔗糖・電解質溶液で満たした円筒トルソ容器内に懸吊し、人工ペーシング装置を介して興奮フィードバック回路を作製し、実験的に興奮旋回性不整脈を実現した。これによって、マクロリエントリーの興奮可能間隙や成立条件を明らかにした。(3)逆解析法の開発:体表面電位から心外膜電位を逆問題によって求める際、同時に心興奮到達時間分布を推定する方法を考案し、不整脈における心外膜電位興奮異常を対照して不整脈の原因判別を試みた。

不整脈ことに異所性興奮焦点に起因する発作性心室頻脈の臨床的意義に鑑みその発現形態をシンミュレートするモデルとして興奮旋回理論と副調律理論の統一をめざして研究を行った。[1]初年度構築したモデル、すなわち心房・刺激伝導系・左右心室の4ブロック、計115節点よりなるモデルを拡張し、中間段階として190個の心筋活動節点と約1,400個の興奮伝導枝からなるモデルを作成した。節点は心房群,刺激伝導系,右心室群,左心室群に区分し、刺激伝導系は房室結節,His束,左右両脚,プルキンエ繊維に分け、とくに結節性興奮旋回との関連で結節内はα,β繊維の縦解離を模擬した。[2]不整脈逆問題解のための基本方程式の作定:心電図波形の時間積分によって体表面上の等積分電位図を構成し、これに逆問題解を適用して心外膜上の興奮到達時間分布を推定した。[3]不整脈実験動物による検証:不整脈逆問題の妥当性を検証するため、興奮旋回路の一部を刺激する実験システムで、犬心臓にレエントリーを再現した。心臓は冠灌流によって体液と等滲透圧の電解質溶液に浸たし、円筒トルソモデル上および心外膜上で表面電位を同時計測した。[4]今後の方向として、心興奮法定式を微分方程式として記述し、連続媒体のおける不整脈空間モデルを作成するとともに、細胞内代謝過程との関連を組み込んだモデルによって、とくにイオンチャンネルとの相互関係を取り扱うために、予備実験を行った。