hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
骨細胞ネットワークの形態異方性にもとづくスマート材料の提案

本年度の成果は次のように要約される.1)細胞間ネットワークの力学刺激感知・情報伝達挙動に対する確率モデルの導入実際の骨細胞の力学刺激感知感度および骨細胞ネットワークにおける隣接骨細胞への伝達情報量には,大きなばらつきが存在すると考えられる.そこで,前年度に構築した形態異方性を考慮した力学刺激感知・情報伝達モデルに確率モデルを導入した.これにより,骨形成・骨吸収の閾値と不感帯が数理モデル上で表現可能となった.2)各階層を貫く数理的枠組みの構築以上で構築した骨リモデリング現象の各階層での力学挙動・相互作用モデルを組み込んで,微視的な細胞ネットワークによる力学刺激感知(センサ)・情報伝達(プロセッサ)から,細胞活動による巨視的な骨構造リモデリング(アクチュエータ)までの全階層を貫く骨リモデリングのマルチスケール力学的数理モデルを構築した.3)皮質骨・海綿骨における骨梁・細胞間ネットワーク構造の3次元観察ブタ大腿骨を用いて,3次元マイクロCTスキャン及び共焦点レーザー蛍光顕微鏡を用いて,皮質骨および海綿骨における骨梁・細胞間ネットワーク実構造を観察した.4)骨再生/リモデリングシミュレーション3)で観察した実構造を対象として,2)で構築したマルチスケール数理モデルを用いて,骨再生/リモデリングシミュレーションを行い,細部のパラメータを訂正する.これにより,骨再生/リモデリングの精密な数理モデルを完成させた.骨梁の微細組織である骨細胞・破骨細胞・骨芽細胞からなる骨系細胞ネットワークと周囲の骨小腔一骨細管系は,主に荷重が負荷される方向,すなわち骨梁配向方向の直交方向に発達した形態異方性を有する.この異方性により骨細胞の力学刺激感知感度を向上させ,骨梁表面で骨吸収・骨形成を担う破骨細胞・骨芽細胞への迅速・優先的・効率的な情報伝達を可能にしていると考えられる.本研究では,骨微細構造の形態異方性,およびリモデリングの力学的階層性が,骨の再生と機能的適応のメカニズムにおいて果たす役割を検討するとともに,骨の自律的・適応的リモデリング現象に基づいて,複合材料のスマート化原理を探ることを目的としている.本年度の成果は次のように要約される.1)骨基質に埋め込まれた骨細胞は,骨小空一骨細管系の内部に存在し,細胞突起を介して三次元状のネットワーク構造を形成しているとしてモデル化した.2)骨細胞の周囲は間質液で満たされ,骨に力学的負荷が作用すると,骨基質の変形により間質液に流れが生じる.この流れを把握するため,多孔質弾性論を用いた.3)上記の解析に必要となる透水係数テンソルは異方性を有するが,実験的に求めるのは困難である.そこで,骨細管形態の異方性から推定した.共焦点レーザー走査型蛍光顕微鏡を用いて骨梁断面の観察画像を得た.次にvolume orientation法により形態を定量評価し,局所的な骨細管の配向を示すファブリックテンソルを得た.このファブリックテンソルが局所的な流速に比例すると考え,異方性の透水係数テンソルを得た.4)多孔質弾性論を用いて間質液の流体せん断力を評価し,それを骨細胞への力学刺激とみなすリモデリンの数理モデル構築に着手した.本年度の成果は次のように要約される.1)細胞間ネットワークの力学刺激感知・情報伝達挙動に対する確率モデルの導入実際の骨細胞の力学刺激感知感度および骨細胞ネットワークにおける隣接骨細胞への伝達情報量には,大きなばらつきが存在すると考えられる.そこで,前年度に構築した形態異方性を考慮した力学刺激感知・情報伝達モデルに確率モデルを導入した.これにより,骨形成・骨吸収の閾値と不感帯が数理モデル上で表現可能となった.2)各階層を貫く数理的枠組みの構築以上で構築した骨リモデリング現象の各階層での力学挙動・相互作用モデルを組み込んで,微視的な細胞ネットワークによる力学刺激感知(センサ)・情報伝達(プロセッサ)から,細胞活動による巨視的な骨構造リモデリング(アクチュエータ)までの全階層を貫く骨リモデリングのマルチスケール力学的数理モデルを構築した.3)皮質骨・海綿骨における骨梁・細胞間ネットワーク構造の3次元観察ブタ大腿骨を用いて,3次元マイクロCTスキャン及び共焦点レーザー蛍光顕微鏡を用いて,皮質骨および海綿骨における骨梁・細胞間ネットワーク実構造を観察した.4)骨再生/リモデリングシミュレーション3)で観察した実構造を対象として,2)で構築したマルチスケール数理モデルを用いて,骨再生/リモデリングシミュレーションを行い,細部のパラメータを訂正する.これにより,骨再生/リモデリングの精密な数理モデルを完成させた.
消化管における遺伝子発現リズム発振の分子基盤に関する研究

マウスの給餌を明期に制限すると、空腸における時計遺伝子Per2および糖輸送担体Sglt1の遺伝子の発現量は、給餌開始前後に最大となるように位相がシフトすることが明らかになった。これらの遺伝子上への核内因子BMAL1およびアセチル化ヒストンの結合は、遺伝子発現の日内リズムと対応して量的に変動していた。この結果は、小腸における糖輸送担体の発現は、食事のリズムに依存して、時計遺伝子の発信機構を介して制御を受けていることを示唆する。1.小腸における時計遺伝子と消化吸収関連遺伝子発現の日内リズムの同調性の解析:12時間ごとの明暗サイクルの条件下でマウスに飼料を自由に摂取させると、空腸における時計遺伝子Per1およびPer2のmRNA発現量が、糖輸送担体(SGLT1、GLUT5、GLUT2)およびスクラーゼ・イソマルターゼ(SI)と同様に、暗期開始直後に最大となる日内リズムを示した。給餌を明期に制限すると、これらの遺伝子発現は給餌開始前後に最大となり、給餌のタイミングにあわせて日内リズムの位相がシフトした。Per2遺伝子の発現を制御する核内因子のうち、DBPのmRNA量は、Per2遺伝子発現がピークを示す4時間前に最大となり、BMAL1のmRNA量は、Per2mRNA量が増大し始める時期に最大となる日内リズムを示した。2.糖輸送担体遺伝子発現の日内リズム形成における時計遺伝子の関与機構:クロマチン免疫沈降法によりSglt1遺伝子とPer2遺伝子上に結合するBMAL1の量的変動を検討したところ、BMAL1はSglt1遺伝子とPer2遺伝子の転写領域に強く結合し、その結合の日内リズムはSglt1遺伝子およびPer2遺伝子の発現の日内リズムと対応していた。また、Sglt1遺伝子転写領域へのRNAポリメラーゼIIの結合量は、BMAL1の結合量と対応して日内変動を示した。それゆえ、小腸におけるPer2遺伝子と糖質消化吸収関連遺伝子の発現の日内リズムは、時計遺伝子のコアループを形成する転写因子BMAL1を介した転写のフィードバック機構によって、同調して制御されていることが示唆された。1.小腸における糖輸送担体遺伝子発現の日内リズム形成におけるヒストンコードの役割:12時間ごとの明暗サイクルの条件下で飼料を自由に摂取させたマウスから空腸を採取し、糖輸送担体Sglt1遺伝子上のヒストンH3およびH4のアセチル化の日内変動を、アセチル化ヒストンH3、H4抗体を用いてChIPアッセイによって解析したところ、Sglt 1遺伝子上のヒストンのアセチル化レベルの変動は、いずれのヒストンの場合も、プロモータ領域よりもむしろ転写領域に強くみられ、その日内変動は転写開始近傍領域へのRNAポリメラーゼIIおよびBMAL 1の結合量の日内変動と対応していた。Sglt 1遺伝子転写領域におけるヒストンアセチル化酵素集積促進因子Brd4ならびにmRNA伸長困子P-TEFb (Cdk9)の結合は、いずれもヒストンのアセチル化と対応した日内変動を示した。給餌を明期に制限すると、給餌のタイミングにあわせて、Sglt1遺伝子転写領域におけるヒストンH3およびH4のアセチル化の日内変動の位相が12時間シフトした。それゆえ、小腸におけるSglt 1遺伝子発現の日内リズムは、食事のリズムに依存しており、そのリズムの発振には、ヒストンコードによるヒストンの化学修飾とmRNA伸長反応の促進が関与していることが示唆された。2小腸と脂肪組織における時計遺伝子発振系制御因子の比較:時計遺伝子のコアループを形成するBMAL1の遺伝子発現は、マウスの空腸と脂肪組織のいずれでも、5倍以上の振幅で日内変動しており、その位相は両組織で一致していた。BMAL 1の遺伝子発現に関与することが想定される核内受容体の中で、空腸ではROR α、ROR β、ROR γ、REV-ERB αの発現量が著しい日内変動を示し、その位相は食事のリズムに依存してシフトした。一方、脂肪組織では、REV-EIB αの発現が著しい日内変動を示した。マウスを12時間ごとのLight-Darkサイクル(明期7:00-19:00)の条件下で飼育し、一方の群は標準固形飼料を自由摂取させ、もう一方の群には明期の8時間(9:00-17:00)のみに食事を可能とする明期制限給餌を10日間行った。DNAマイクロアレイ解析により、顕著な日内変動を示す遺伝子のスクリーニングを行ったところ、多くの消化吸収遺伝子の発現は日内リズムを示し、そのピークは自由摂取群では19:00付近、制限給餌群では3:00であり、およそ8時間シフトしていた。一方、ヒストンH1に関連するヒストンH1fx、H1hlb、H1hle、および転写反応阻害因子Hexim1の遺伝子発現のリズムは、自由摂取群、制限給餌群のいずれでも、位相は大きく変化せず、消化吸収関連遺伝子とは異なる固有のリズムを示した。消化吸収関連遺伝子発現の日内

リズムにおけるヒストンコードの役割を検討するために、SGLT1遺伝子をモデルとして、クロマチン免疫沈降法によって、遺伝子上に結合する修飾ヒストンおよび転写調節因子の量を調べたところ、ヒストンのアセチル化量は消化吸収関連遺伝子の発現増大に先立っていた。SGLT1遺伝子上へのBRD4とP-TEFbの結合は特に転写領域内で変動する日内リズムを示しており、その結合の増大はヒストンのアセチル化に先立って起こっていた。以上の結果より、小腸消化吸収関連遺伝子の日内リズム制御には、正の調節因子としてクロマチンリモデリング因子であるBRD4-P-TEFb複合体とそれに付随するヒストンのアセチル化が関与している可能性が示唆された。
核医学イメージの画質改善法の開発に関する研究

放射線を用いて得られる画像において、画質の良いイメージを得ることは読影による診断能を上げるために不可欠である。体内に放射性同位元素(RI)を投与して検査を行う核医学ではそのRIの分布、臓器・組織集積能をイメージにより調べ、病気の診断を行う。本研究の目的は体内に分布したRIから体外へ放射される線量の少ないgamma線をガンマカメラで検査する際の問題点を明らかにし、それらの解決法を見いだすことであった。まず、核医学検査で広く使用されているRIである^<99m>TCを用いて簡単な形状のファントム内におけるgamma線の挙動を調べるために、モンテカルロ法によるシミュレーションを熊本大学の大型計算機で行った。その結果、イメージを作るためのgamma線エネルギーウィンドウ内に、gamma線発生地点から真の位置情報をもつ直接線と偽の位置情報をもつ散乱線を分離することができ、この散乱線のエネルギー分布、空間分布の性質を知ることができた。従来のイメージは1つのエネルギーウィンドウで撮像されるが、今回このエネルギーウィンドウを2つに分割し、これらのエネルギーウィンドウにより同時に2つのイメージをデータ収集し、2つのイメージの差分を取り、イメージに含まれる散乱線を推定する方法を開発した。この推定にはシミュレーションで得られた散乱線分布の解析結果から導き出したサブトラクション係数を用いた。当初、人体模擬ファントムを購入し、実験を行う予定であったが入手できなかったために手持ちの簡単なファントムと^<99m>TCを用いてこの方法の有効性をイメージの視覚評価とデジタルイメージの数値による定量評価で確かめた。さらに、実際の^<99m>Tc標識製剤による患者の検査イメージにもこの方法を適用した結果、従来の撮像法よりもさらに診断能力を高めることがわかった。今後、患者での臨床データを集め、この方法の有用性について検討したい。
電磁場解析による局在表面プラズモン利用型色素増感太陽電池の設計と高効率化

本研究では、金属ナノ粒子の電磁場解析等の論理的考察を行いながら設計指針を明確にし、「金属ナノ粒子の電磁場解析による局在表面プラズモン利用型色素増感太陽電池の設計と高効率化」を行った。つまり、局在プラズモンによって形成される入射光よりも強い磁場を有する近接場光を利用して、色素による光キャリア生成速度を向上させ、光電流の増加を実現することで、色素増感太陽電池のより一層の高効率化を目指した。研究の目的本研究では、金属ナノ粒子の電磁場解析等の理論的考察を行いながら設計指針を明確にし「金属ナノ粒子の電磁場解析による局在表面プラズモン利用型色素増感太陽電池の設計と高効率化」を行うことを目的とする。平成22年度は、下記のような研究を行った。1.局在表面プラズモン利用型色素増感太陽電池構造の理論的設計金属ナノ粒子の吸収と散乱および吸収によって励起される表面プラズモンによって形成されるナノ粒子近傍の電磁場は、その粒子径、形状、配列などに依存する。Mie理論では主に球状の粒子を扱うのに対し、FDTD法によるシミュレーションでは、様々な形状で配列するナノ粒子の散乱、吸収を対象とすることも可能であり、かつナノ粒子近傍の電磁場分布を解析することができる。金属の種類、粒子サイズ、形状、凝集状態、周辺誘電率をパラメータに金属ナノ粒子近傍の電磁場シミュレーションを行い効率向上のための理論設計をおこなった。また、同時に散乱スペクトル、吸収スペクトルの計算についても検討した。2.1で設計した金属ナノ粒子の表面修飾物の設計局所電場増強効果に適した、金属ナノ粒子の表面修飾基の設計下記3つの点に注目して表面修飾化合物を選定した。(1)金属の種類によっては、金属ナノ粒子の電解液への溶解を防ぐ必要がある。(2)金属ナノ粒子を経由した逆電子移動過程を防ぐために適切な表面修飾が必要である。(3)最小限の金属ナノ粒子で光吸収過程を促進させるために、チタニアー色素-金属ナノ粒子の位置をナノメートルオーダーで制御することが必要である。表面修飾基として金属に結合する官能基としてチオールを選定し、PNAによるハイブリダイゼーションによるチタニア多孔質膜内部への担持を設計・計画した。研究の目的本研究では、金属ナノ粒子の電磁場解析等の理論的考察を行いながら設計指針を明確にし「金属ナノ粒子の電磁場解析による局在表面プラズモン利用型色素増感太陽電池の設計と高効率化」を行うことを目的とした。本年度(平成24年3月31日)の研究実施計画平成23年度は、下記のような研究を行った。1.局在表面プラズモン利用型色素増感太陽電池構造の理論的設計・FDTD法による金蔵ナノ粒子近傍の電磁場シミュレーション金属ナノ粒子の吸収と散乱および吸収によって励起される表面プラズモンによって形成されるナノ粒子近傍の電磁場は、その粒子径、形状、配列などに依存する。金属の種類、粒子サイズ、形状、凝集状態、周辺誘電率をパラメータに金属ナノ粒子近傍のFDTD法による電磁場シミュレーションを行い効率向上のための理論設計をおこなった。2.局所電場増強効果に適した、金属ナノ粒子の表面修飾基の設計下記3つの点に注目して表面修飾化合物を引き続き選定した。本研究では、金属ナノ粒子の電磁場解析等の理論的考察を行いながら設計指針を明確にし「金属ナノ粒子の電磁場解析による局在表面プラズモン利用型色素増感太陽電池の設計と高効率化」を行うことを目的とした。本年度(平成26年3月31日)の研究実施計画平成25年度は、下記のような研究を行った。金属の種類、粒子サイズ、形状、凝集状態、周辺誘電率をパラメータに金属ナノ粒子近傍のFDTD法による電磁場シミュレーションを行い効率向上のための理論設計を24年度に引き続いておこなった。2.「1で設計した金属ナノ粒子の表面修飾物の設計」局所電場増強効果に適した、金属ナノ粒子の表面修飾基の設計を整理した3つの点に注目して表面修飾化合物を引き続き選定した。3.「2で設計した表面修飾金属ナノ粒子をTwo-phase arrested growth法を用いて作製」設計したチオールやアミンが修飾された金属ナノ粒子をTwo-phase arrested growth法を用いて合成した。4.金属ナノ粒子の溶液中におけるゼータ電位とチタニア表面の電位とを比較し、太陽電池作製に適した表面修飾物を選定し、この修飾物をもつ金属ナノ粒子を合成した。

5.提案、合成した金属ナノ粒子を使った色素増感太陽電池を作成し評価した。6.有機太陽電池へのプラズモン効果の適用を検討した。研究の目的本研究では、金属ナノ粒子の電磁場解析等の理論的考察を行いながら設計指針を明確にし「金属ナノ粒子の電磁場解析による局在表面プラズモン利用型色素増感太陽電池の設計と高効率化」を行うことを目的とした。本年度(平成24年3月31日)は、下記の点について研究を行った。1.局在表面プラズモン利用型色素増感太陽電池構造の理論的設計・FDTD法による金蔵ナノ粒子近傍の電磁場シミュレーション金属ナノ粒子の吸収と散乱および吸収によって励起される表面プラズモンによって形成されるナノ粒子近傍の電磁場は、その粒子径、形状、配列などに依存する。金属の種類、粒子サイズ、形状、凝集状態、周辺誘電率をパラメータに金属ナノ粒子近傍のFDTD法による電磁場シミュレーションを行い効率向上のための理論設計を引き続きおこなった。3.色素増感型太陽電池の構造に類似する太陽電池に対しても、局在表面プラズモンの電場増強効果による効率向上が可能であるかについて検討した。本年度の当初の計画を前倒しして実際の太陽電池を作成し、性能評価の検討に着手できているため。25年度が最終年度であるため、記入しない。本年度の当初の計画をほぼ達成し、色素増感太陽電池に構造が類似する太陽電池に対しても局在表面プラズモンの効果について検討を開始したため。今後、異なるPNAを用いた金属ナノ粒子の担持およびそのセル特性の評価を詳細におこなう予定である。太陽電池面内の電流密度分布の不均一性によるデータのばらつきが問題となっているが、太陽電池面内の電流分布測定を確立させることによって、セルをスクリーニングし、解析、考察を効率的におこなうことができるものと考えている。今後、異なるPNAを用いた金属ナノ粒子の担持およびそのセル特性の評価を引き続きおこなう予定である。また、これまでの成果をまとめていきながら、色素増感太陽電池に構造が類似する太陽電池への局在表面プラズモンの適用についてもさらに検討していく予定である。
小脳皮質内部モデルにおける情報変換原理の解明

最も有力な小脳の機能仮説によれば、小脳は進行中の運動の結果を予測する順モデルの座とされる。この仮説では大脳皮質から小脳への入力は、大脳皮質の活動の忠実なコピー、いわゆるefference copyであることが要請される。そこで我々は、平成21, 22年度に手首運動課題を実行している3頭のニホンザルで大脳皮質の出力を小脳に中継する苔状線維の活動を記録分析した。その結果、一次運動野、腹側運動前野の出力を小脳に中継する苔状線維の活動は、各大脳皮質活動の正確なコピーであることが証明され、仮説が支持された。そこで23年度は、1)小脳皮質への苔状線維入力の変換様式、2)その変換様式の意義の2点について検討するため、小脳皮質の出力を担うプルキンエ細胞および小脳の最終出力を担う小脳核細胞の活動を同じ条件下で記録した。その結果、予想に反して運動の実行時に強い抑制応答を示すプルキンエ細胞が約7割を占め、これまで主要とされた興奮性の応答を示すものは3割に満たなかった。この結果から、小脳皮質の主な出力経路とされるa)苔状線維→顆粒細胞→プルキンエ細胞興奮経路よりも、b)苔状線維→顆粒細胞→バスケット細胞→プルキンエ細胞抑制経路が小脳皮質の主出力を担い、小脳の出力生成が脱抑制によって行われることが初めて示された。更に我々はb)の経路を流れる情報の内容を分析し、それが運動の速度に極めて高い相関を示し、60ms後の実際の運動の状態を予測している直接的証拠を得ることに成功した。これにより小脳が順モデルの座であることが確実になった。我々はさらにb), a) 2タイプのプルキンエ細胞と、その入力を受ける小脳核細胞の活動を比較し、2つの出力が小脳核で合流し、その差分が小脳核の出力を規定していることを示した。我々の一連の研究により、小脳への入力から最終出力に至る情報処理のアルゴリズムが世界で初めて明らかになった。現在有力な小脳の機能的仮説によれば、小脳は現在進行中の運動の結果を予測するいわゆるフォーワードモデルの座であるとされている。この仮説では小脳への大脳皮質入力は皮質の運動指令の忠実なコピー、いわゆる(efference copy)であることが要請される。従って、機能的な観点からは脳幹の橋核は大脳から小脳への単純な中継核として働き、入力と出力は基本的に無変換であることが要請される。一方、神経解剖学的な観点からは、大脳皮質から橋核への投射は高度な発散と収束の複合した複雑な形態から、入力と出力の間に高度な情報変換が行われていることが推定されている。平成21年度はどちらの仮説が正しいのかの検証を行った。具体的には、小脳皮質の入力を同定することに焦点を絞り、大脳皮質一次運動野及び腹側運動前野からの入力を小脳皮質に中継する橋核ニューロン活動を小脳皮質の苔状線維の神経終末から記録した。その結果、大脳皮質一次運動野、腹側運動前野のどちらの皮質領域に由来する入力も、以前我々が同じ条件で記録した、各皮質のニューロン活動の正確なコピーであることが明らかになり、機能的な仮説の予想が支持された。

小脳皮質の入力の特徴が明らかになったので、次の段階として、小脳皮質の出力細胞であるプルキンエ細胞の活動の分析に取りかかった。比較的単純な苔状線維の活動パターンに対して、プルキンエ細胞の活動パターンは、例外なく時間的にも空間的にも非常に複雑な様相を呈し、入力から出力にかけて非常に複雑な変換が行われていることが強く示唆された。今後はその変換アルゴリズムをシステム同定の手法を用いて解明して行く予定である。小脳は運動指令の結果を予測する、いわゆるフォーワードモデルの座と考えられている。この仮説では小脳への入力は大脳皮質の運動指令の忠実なコピー(efference copy)であることが仮定される。従って、大脳出力を小脳に中継する橋核は単純な中継核として働き、入力から出力へは無変換であることが要請される。平成21年度にこの大脳コピー仮説の検証を行い、大脳皮質一次運動野、腹側運動前野のどちらの皮質領域に由来する小脳皮質への入力も、各大脳皮質のニューロン活動の正確なコピーであることが明らかになり、小脳入力の大脳コピー仮説を初めて証明した。そこで今年度は、小脳皮質の出力であるプルキンエ細胞活動の分析を行った。プルキンエ細胞は興奮性の苔状線維入力を興奮性の顆粒細胞を介して受けるため、運動指令により活動が増加すると信じられてきた。しかし予想に反し、198個の課題に関連するプルキンエ細胞の大多数(82%)は運動開始時に活動を急激に減少させることが明らかになった。この結果は小脳の情報処理における小脳皮質の役割、いわゆるside-path仮説(小脳核への苔状線維の興奮性直接入力が小脳情報処理のmainpathと考え、小脳皮質のプルキンエ細胞を介する抑制性間接入力をside pathと考え補助的な役割を仮定する考え方)に根本的な変更を迫ることになる。なぜならプルキンエ細胞の小脳核への作用は抑制であるため、プルキンエ細胞活動の減少は脱抑制により小脳核の興奮をもたらし、main pathの興奮性入力(苔状線維の小脳核への直接入力)を不要とするからである。実際、神経解剖学的にmainpathの存在は否定的であり、side-path仮説の矛盾とされてきた。今年度の成果は小脳の動作原理の理解に根本的変更を迫るものであり、小脳と大脳が連関して働くパラダイムの更新を要求するものである。最も有力な小脳の機能仮説によれば、小脳は進行中の運動の結果を予測する順モデルの座とされる。この仮説では大脳皮質から小脳への入力は、大脳皮質の活動の忠実なコピー、いわゆるefference copyであることが要請される。そこで我々は、平成21,22年度に手首運動課題を実行している3頭のニホンザルで大脳皮質の出力を小脳に中継する苔状線維の活動を記録分析した。その結果、一次運動野、腹側運動前野の出力を小脳に中継する苔状線維の活動は、各大脳皮質活動の正確なコピーであることが証明され、仮説が支持された。そこで23年度は、1)小脳皮質への苔状線維入力の変換様式、2)その変換様式の意義の2点について検討するため、小脳皮質の出力を担うプルキンエ細胞および小脳の最終出力を担う小脳核細胞の活動を同じ条件下で記録した。その結果、予想に反して運動の実行時に強い抑制応答を示すプルキンエ細胞が約7割を占め、これまで主要とされた興奮性の応答を示すものは3割に満たなかった。この結果から、小脳皮質の主な出力経路とされるa)苔状線維→顆粒細胞→プルキンエ細胞興奮経路よりも、b)苔状線維→顆粒細胞→バスケット細胞→プルキンエ細胞抑制経路が小脳皮質の主出力を担い、小脳の出力生成が脱抑制によって行われることが初めて示された。
副腎皮質性高血圧のスクリーニングシステムの実用化の研究

平成9年度10年度の本研究において以下の実績を上げた.グラムスケールの合成法を確立し高純度標品を大量に調製した。特異性,親和性に優れる実用レベルのモノクロナル抗体を大量に調製した。3)磁性分離方式高感度化学発光イムノアッセイの確立アクリジニウム標識による高感度化により測定範囲は0.1-10ng/tube(血清濃度換算で2-200ng/ml)まで向上した.本システムを全自動イムノアッセイ装置にインストールして15分での測定が可能となった。4)簡便診断法の確立乾燥濾紙尿を試料として用いる方法を確立し液相法と良好な相関を得た。また,ゲルマトリックスに抗体を固定し,アフィニティイムノアッセイを作製し,0.5ng/mlのカットオフ付近では良好な性能を示した。5)臨床応用化学発光法により求めた原発性アルドステロン症患者の血清18-OHF濃度は10.6±3.5 (mean±SD,range;5-15.5)ng/mlであったが,術後は全例が2ng/ml以下に低下した.Conn-Cushing症候群の1例では29ng/mlと著しい高値を認めた.北海道大学医学部の関連病院に通院中の高血圧患者(n=261)から随時尿を採取し18-OHF測定を行った.18-OH-Fは250ng/mg creatinine付近をピークとして23-1050ng/mlに分布した.creatinine補正値と未補正値との相関はr=0.605と比較的良好であった.6)高値例の解析18-OH-Fが>600ng/mg creatinineの高値を呈した7例についてグルココルチコイド反応性アルドステロン症の原因であるキメラ遺伝子をPCR法にて検索したが検出されなかった.画像診断により最も高値の2例(1050,861ng/mg creatinine)に副腎皮質腫瘍が発見され原発性アルドステロン症と診断された.総括)本研究により初めて原発性アルドステロン症のスクリーニングが可能となり,実際に高血圧患者から0.8%の頻度で患者を検出できた.また,グルココルチコイド反応性アルドステロン症は高値例の中にも見いだされず,日本人の高血圧の原因としては頻度が低い可能性が示唆された.平成9年度10年度の本研究において以下の実績を上げた.グラムスケールの合成法を確立し高純度標品を大量に調製した。5)臨床応用化学発光法により求めた原発性アルドステロン症患者の血清18-OHF濃度は10.6±3.5 (mean±SD,range;5-15.5)ng/mlであったが,術後は全例が2ng/ml以下に低下した.Conn-Cushing症候群の1例では29ng/mlと著しい高値を認めた.北海道大学医学部の関連病院に通院中の高血圧患者(n=261)から随時尿を採取し18-OHF測定を行った.18-OH-Fは250ng/mg creatinine付近をピークとして23-1050ng/mlに分布した.creatinine補正値と未補正値との相関はr=0.605と比較的良好であった.6)高値例の解析18-OH-Fが>600ng/mg creatinineの高値を呈した7例についてグルココルチコイド反応性アルドステロン症の原因であるキメラ遺伝子をPCR法にて検索したが検出されなかった.画像診断により最も高値の2例(1050,861ng/mg creatinine)に副腎皮質腫瘍が発見され原発性アルドステロン症と診断された.総括)本研究により初めて原発性アルドステロン症のスクリーニングが可能となり,実際に高血圧患者から0.8%の頻度で患者を検出できた.また,グルココルチコイド反応性アルドステロン症は高値例の中にも見いだされず,日本人の高血圧の原因としては頻度が低い可能性が示唆された.平成9年度においては以下の実績を上げた.我々の既報の方法で,18-OH-Fの結晶10グラムの調製に成功した.2)アミノ誘導体合成およびアクリジニウム標識アクリジニウム標識を効率的に行うことができるハプテンを合成する目的で,18-OH-Fアミノ誘導体を合成する試みを行い成功した.これに対して,化学発光物質であるアクリジニウムエステルN-ヒドロキシスクシンイミドを反応させることにより,18-OH-Fアグリジニウムエステル標識体を得た.既報のクローンを大量に培養することによりモノクロナル抗体を大量に得た.4)全自動化学発光イムノアッセイ装置へのインストール現在,その最終段階にある.5)酵素免疫測定のゲルマトリツクスへの移行抗体のゲルマトリックスへの固定化の基礎実験に成功した.

6)ゲルマトリックス酵素免疫測定法のパッケージ化現在検討中である.以上のように,ほぼ予定どおり研究計画は進行しており,平成10年度の臨床応用に向けて進んでいる.平成10年度においては以下の実績を上げた.研究1)高感度化学発光イムノアッセイの確立18-hydroxycortisol(18-OHF)の磁性分離方式化学発光イムノアッセイを確立し,血中濃度の非放射能免疫測定を初めて可能とした.本法の測定範囲は0.1-10ng/tube(血清濃度換算で2-200ng/ml)であった.研究2)血清濃度測定研究3)尿中濃度測定北海道大学医学部の関連病院に通院中の高血圧患者(n=151)から随時尿を採取し18-OHF測定を行った.18-〇HFは250ng/mg creatinine付近をピークとして23-1050ng/mlに分布した.creatinine補正値と未補正値との相関はr=0.605と比較的良好であった.研究4)尿中18-OHF高値例の解析18-OHFが>600ng/mg creatinineの高値を呈した7例についてグルココルチコイド反応性アルドステロン症の原因であるキメラ遺伝子をPCR法にて検索したが検出されなかった.画像診断により最も高値の2例(1050,861ng/mg creatinine)に副腎皮質腫瘍が発見され原発性アルドステロン症と診断された.総括)本研究により初めて原発性アルドステロン症のスクリーニングが可能となり,実際に高血圧患者から2/151(1.3%)の頻度で患者を検出できた.また,グルココルチコイド反応性アルドステロン症は高値例の中にも見いだされず,日本人の高血圧の原因としては頻度が低い可能性が示唆された.
皮膚自然免疫機構からみた掌蹠膿疱症の発症機序に関する研究

掌蹠膿疱症の病態生理については未だ不明な点が多く、故に決定的な治療方法の開発が全く進んでいない。本研究では、掌蹠膿疱症の最も初期症状である水疱形成の場が表皮内汗管であるという事実を元に、エクリン汗に関する自然免疫系(TLR発現様式、IL17関連サイトカイン発現様式、膿疱内抗菌ペプチド発現様式、KLK発現様式)の動態を観察評価し、本疾患が自然免疫系の異常を有することを明らかにした。掌蹠膿庖症における病変部でのToll Like Receptor(7,8,9)に関する発現の検討を行った。患者の水庖天蓋部組織及びコントロールの正常表皮を採取し、定量的realtime PCR、western blot、免疫染色によりTLRファミリーの発現形式の変化・異常のスクリーニングを行った。健常人皮膚に対して、病変部皮膚では検索したTLRに関してmRNA及び蛋白発現の増加が認められ、その発現の局在を免疫組織化学により確認することができた(英文学術雑誌投稿中)。病変部水庖内の抗菌ペプチド(cathelicidin)には異常パターンが確認されなかったものの、その後にrecruitされる好中球cathelicidinに異常なフラグメントが確認された。Hagforsen(BJD2010)及びPeric(JI2008)の報告に基づき、Cathelicidinと掌蹠膿疱症の病態を検討するうえでIL-17の関与についての検討が必要となったため、さらに患者血清及び生検サンプルを用いてIL-17関連サイトカイン及びリセプターの発現様式について検討を施行した。検討の結果、掌蹠膿疱症におけるIL-17関連サイトカインプロファイルは、尋常性乾癬における既報プロファイルと異なることが確認された(英文学術雑誌投稿中)。現時点で、掌蹠膿疱症の病態形成に自然免疫系ことにTLR、抗菌ペプチドcathelicidinが関与しているという我々の仮説が正しいことを示すことができたが、さらに詳細なメカニズムの解析の検討を継続中である。掌蹠膿疱症の病態を検討するうえで、表皮内汗管周囲に集簇するIL-17陽性細胞の存在が重要となったため、局所組織中および血清中のIL-17関連サイトカインプロファイルについての検討を行った。48人の掌蹠膿疱症患者及び20例の健常人ボランティアの血清を採取し、ELISAにてTNF-alpha、IL-23、IL-17、IL-22,IL-8、IFN-gammaの計測を行った。これと並行して患者手掌病変部組織および健常人手掌部組織各5例を採取し、関連mRNAの発現様式をPCR-arrayにて計測した。検討の結果、膿疱形成に最も関わるとされるIL-8の発現は、病変部組織中では有意に増加しているものの、血清中発現量について両者間に有意な差は認められず、このIL-8の発現は極めて病変部局所でのものであることが証明された。さらに、患者血清中で、TNF-alpha、IL-17、IL-22、IFN-gammaの有意な高値が認められたものの、IL-23は低値を示していたことから、いわゆるTh17細胞由来のIL-17ではない、IL-17(例:IL-17c, Nat Immunol 2011)の関与が強く示唆された(Murakami M et al, Exp Dermatology 2011)。昨年までの検討で、自然免疫系としてTLR、抗菌ペプチドcathelicidinの関与が重要な役割を果たすことが判明しているが、さらに表皮内汗管および周囲角化細胞におけるTLR、cathelicidin、IL-17(IL-17c?)の相互作用とダイナミクスについての検討、さらにTLR発現を誘導するagonistの同定が本疾患の発症メカニズムの解明に重要であることが明らかとなってきた。疱エクリン汗内に含まれるセリンプロテアーゼが病変部組織に及ぼす影響をみるために、kallikrein related peptidase(KLK)に注目し、免疫組織学的検索、realtime PCRによるmRNA発現の検索、角層内KLK発現評価のためにWestern blotting、セリンプロテアーゼ活性の評価のためのin situ zymographyを施行した。患者及び健康人からの角層を採取し、タンパク抽出後エクリン汗関連KLK (KLK5、7、14)の発現をWestern blotting及び半定量的dot blottingにて評価したところ、正常人平均量よりも高濃度のKLKが含有されていることが明らかとなった。病変部組織内のKLKmRNAの発現は定量的リアルタイムPCR法にて計測され、KLK5、7、14のmRNA発現の増加が確認され、免疫組織学的検索により、KLK5、7、14の角層から顆粒層上層における発現とその局在も確認された。これらのことから掌蹠膿疱症の病変部組織ではKLK5、7、14の活性が増強していることにより、異常な剥離現象が生じている可能性が明らかとなった。

自然免疫機構のうち、抗菌ペプチドおよびToll like receptorが本疾患の病態に関与することが明らかとなり、さらにIL-17関連サイトカインの関与を示すことができた。24年度が最終年度であるため、記入しない。TLRの発現異常、抗菌ペプチドの発現パターン異常が認められることは、掌蹠膿疱症の病態に自然免疫異常が関与していることを示す。しかしながら、その直接的原因を突き止めることと、対照的にとはいえ発現異常を改善する方策を検討しないことには、将来的な治療応用への展開を期待することができない。Translational researchとして始めた研究であるが、発現異常のメカニズムに迫るbasic researchを行っていくことが、最終的に臨床応用への近道であると考える。
局在スピンを導入したハロゲン架橋一次元混合原子価錯体の構築と物性に関する研究

昨年度に引き続き、ハロゲン架橋一次元混合原子価白金錯体の系内に面内配位子として安定有機ラジカルを導入した系の構築を行なった。従来から知られている混合原子価白金錯体では、白金(II, IV)イオンが反磁性であるため興味ある磁気物性が見られなかったが、本研究で面内配位子に局在スピンを導入した結果、常磁性白金(II)錯体が得られた。現在までに一分子あたりS=1/2局在スピンを1,2,4個持つ白金(II)錯体の合成に成功しており、結晶構造および磁気物性の解析を行なうことが出来た。その結果、いずれの系においても、系内に弱い反強磁性的相互作用があることがわかった。さらに、得られた白金(II)錯体を他の白金(IV)錯体(K_2Pt(CN)_4)や鉄(III)錯体(Na_2Fe(CN)_5NO)と反応させ、複塩型化合物を得ることに成功した。これらは本研究本来の目的である一次元構造を有する化合物ではなかったものの、いずれもニトロキシドラジカル由来の常磁性を示し、系内に局在スピンを導入した効果を確認できた。今後、光物性などを調べることでd-π複合系の持つ物性相互作用が見出される可能性がある。本研究で得られた局在スピン含有白金錯体については、2003年3月末に行なわれる日本化学会第83春期年会で口頭発表を行ない、複塩型化合物については2002年10月に行なわれた錯体化学討論会にて発表することが出来た。現在論文を作成中である。
金属錯体ー脂質界面におけるセシウム吸着機構の解明と高機能化

本研究では、金属錯体粒子と脂質界面を利用した新しいセシウム吸着剤の創出を目指して、(1)金属錯体粒子ー脂質界面構造ならびに界面へのセシウムイオン吸着機構の解明と高い吸着能実現に向けた系の最適化を推進し、(2)脂質二分子膜と金属錯体ナノ粒子複合体へと展開する。リポソームにイオンチャネル形成物質であるアンフォテリシンB (AmB)を加え、内水相においてプルシアンブルー(PB)を直接合成することで、PBーリポソーム複合体(PB@Lipo)の合成に成功した。PBは安価なセシウム吸着材として注目されており、そのセシウム吸着能の向上を目指したナノ粒子化が研究されているが、溶液中でコロイドを形成して吸着能が低下する問題がある。本手法で得られたPB@Lipoでは、リポソームがPBの凝集を阻害するために、高いセシウム吸着能が期待される。また、この合成手法を応用して、リポソーム内水相におけるリン酸カルシウムの合成にも成功し、この手法の有用性を実証した。さらに、AmBの添加量によりイオンチャネルの形成量を制御することで、内水相へのFe(II)イオンの流入速度を変えて、形成するPBナノ粒子のサイズ分布を制御することにも成功した。得られたPB@Lipoを用いて、セシウム吸着能の評価を行うと、粒子サイズが大きなメゾ粒子の方が、ナノサイズのものより吸着量が多く、さらに両者ともバルクのPB粒子よりも吸着量が多い事を確認した。また、リポソームのヘッドユニットの違いによっても吸着量が変わることが見出され、PBとリポソーム界面の吸着への関与が示唆された。リン脂質のヘッドユニットの構造と電荷により界面特性を制御することで、セシウム吸着能の向上が期待される。基本的には、予定通りにPB-リポソーム複合体のセシウム吸着能の評価を進めることができた。リポソーム内水相におけるPBの直接合成、ならびにAmBによるイオン透過能制御の手法を確立することができ、さらにリポソーム内水相におけるリン酸カルシウムの合成にも展開することで、この手法の有用性を実証するとともに、Cs含有微粒子の吸着への足掛かりを作ることができた。吸着能にヘッドユニットの影響が示唆されたことからは、PB粒子とリポソームの界面のセシウム吸着への効果の解明に近づくことができた。実験の再現性の確認に少し時間を要したが、来年度には放射性セシウムの吸着へと展開できる。平成31年度は、前年度の結果を踏まえて、機能の向上と応用を目指した研究を展開する。セシウム吸着能に関しては、希薄溶液や生体環境における吸着能評価を進め、放射性137Csの濃縮効果を評価する。吸着機構の解明に関しては、電子顕微鏡を用いたトモグラフィーと元素分布解析を中心に、粒子サイズと界面の寄与を可視化し、その効果を見定める。合成面では、PB@Lipoの作成手法は、PBや金属錯体に限らず多様な金属錯体に適用できるため、PB以外の金属錯体の直接合成、およびリン脂質のヘッドユニットの構造と電荷による界面特性の制御を推進する。これまでに行ったリン酸カルシウムの系のセシウム吸着への利用も検討する。リン脂質のヘッドユニットの構造と電荷による脂質界面の化学的修飾も合わせて、高機能化を目指した化合物展開も検討する。また、より安価で多様な用途への応用展開を視野に入れて、リポソームよりも作成が簡便な脂質二分子膜や高分子膜への適用範囲の拡張を検討する。また、実際の環境汚染物質はCs+ではなく放射性Cs含有微粒子であるので、研究結果次第では、微粒子の吸着にも展開する。この場合は、イオンチャネルのサイズなど、Cs含有微粒子に合わせた系の最適化が必要になる。

基本的には、予定通りにPB-リポソーム複合体のセシウム吸着能の評価を進めることができた。リポソーム内水相におけるPBの直接合成、ならびにAmBによるイオン透過能制御の手法を確立することができ、さらにリポソーム内水相におけるリン酸カルシウムの合成にも展開することで、この手法の有用性を実証するとともに、Cs含有微粒子の吸着への足掛かりを作ることができた。吸着能にヘッドユニットの影響が示唆されたことからは、PB粒子とリポソームの界面のセシウム吸着への効果の解明に近づくことができた。実験の再現性の確認に少し時間を要したが、来年度には放射性セシウムの吸着へと展開できる。平成31年度は、前年度の結果を踏まえて、機能の向上と応用を目指した研究を展開する。セシウム吸着能に関しては、希薄溶液や生体環境における吸着能評価を進め、放射性137Csの濃縮効果を評価する。吸着機構の解明に関しては、電子顕微鏡を用いたトモグラフィーと元素分布解析を中心に、粒子サイズと界面の寄与を可視化し、その効果を見定める。合成面では、PB@Lipoの作成手法は、PBや金属錯体に限らず多様な金属錯体に適用できるため、PB以外の金属錯体の直接合成、およびリン脂質のヘッドユニットの構造と電荷による界面特性の制御を推進する。これまでに行ったリン酸カルシウムの系のセシウム吸着への利用も検討する。リン脂質のヘッドユニットの構造と電荷による脂質界面の化学的修飾も合わせて、高機能化を目指した化合物展開も検討する。また、より安価で多様な用途への応用展開を視野に入れて、リポソームよりも作成が簡便な脂質二分子膜や高分子膜への適用範囲の拡張を検討する。また、実際の環境汚染物質はCs+ではなく放射性Cs含有微粒子であるので、研究結果次第では、微粒子の吸着にも展開する。この場合は、イオンチャネルのサイズなど、Cs含有微粒子に合わせた系の最適化が必要になる。放射性セシウムの吸着実験を次年度に持ち越したこと、並びに予定していた学会参加の出張旅費を校費から支出したことにより、翌年度への繰り越し金が生じた。既に放射性セシウムの吸着実験に着手しており、国際学会も含めて積極的に成果発表する予定があるため、研究費の使用計画には特に問題はない。
「国際音楽コンクールにおける地域振興の可能性　－国内外の比較研究－」

国際音楽コンクールの多くは開催地の自治体から支援を受けているため、国際音楽コンクールと開催地住民との関係に着目したい。地域のなかで、どのように住民とつながり、コンクール開催の意義に対する理解を得ているのか、を問いかける。1980年代以降に始まった、国内外における新興の国際音楽コンクールを比較分析することで、同コンクールが存続・継続していくための環境づくりを考える。開催都市は、運営に追われており、他の実態を知らない面があるため、研究自体が地域貢献活動になると期待される。
管理会計技法の普及と定着化に対する影響要因の解明に関する研究

本研究は,わが国企業の実務において,広く普及し,継続的な利用を通じて定着化した伝統的な管理会計技法(例えば予算管理など)と,それほど普及がみられず,継続的な利用にも至らず定着化していない新しい技法(例えば活動基準原価計算やバランスド・スコアカードなど)との本質的相違はどこにあるのかを解明するために,管理会計技法の普及ならびに継続的利用を通じた定着化に対する影響要因に対して,技術面,環境面,社会・制度面からアプローチし,管理会計技法の実務への普及ならびに定着化に関する理論的枠組みの構築を目指すものである。
骨関連細胞と神経に関する分子薬理学的研究

本研究は、RT-PCR法を用いた遺伝子発現を指標に、正常なヒト骨芽細胞および破骨細胞がアドレナリン受容体およびニューロペプチド受容体を備えており,交感神経および知覚神経からの情報伝達を授与し得ることを示た。また、骨芽細胞や破骨細胞には神経伝達物質の受容体だけでなく、伸長中の神経線維に対して化学的誘引や反発を担う軸索誘導因子も恒常的に発現していることを認めた。この知見は、骨組織に存在するニューロペプチドやノルアドレナリンを含有する神経線維がこれら神経伝達物質の受容体を介して骨代謝を制御していること、およびこれら神経線維の仲長が骨芽細胞や破骨細胞により動的に制御されていることを示している。これら神経のうち、交感神経活動の骨代謝に及ぼす生理的役割をヒトおよびマウスの骨芽細胞を用いて検討したところ、β-作用薬がinterleukin(IL)-6,IL-11およびprostagrandin(PG)E_2を産生・分泌することを認めた。このような破骨細胞形成促進因子は、骨芽細胞/ストローマ細胞におけるODF/RANKLおよびOCIF/OPGの遺伝子発現を促進した。ODF/RANKLおよびOCIF/OPGの発現促進はアドレナリンにおいても認められたが、この発現促進はIL-11およびPGE_2の産生を介していなかった。また、アドレナリンによるODF/RANKLの発現にはβ-受容体が、OCIF/OPGの発現にはα-受容体が介在していた。マウス骨髄細胞における破骨細胞の形成は、アドレナリンに比べ、β-作用薬のイソプレナリンでより顕著に認められた。このように、アドレナリンによる破骨細胞形成の増大は骨芽細胞で産生されるODF/RANKLとOCIF/OPGのバランスにより制御されている可能性が高い。本実験結果から、骨組織に認められる神経は骨代謝に関わる細胞に情報伝達し、交感神経は破骨細胞形成の促進に基づく骨吸収過程に寄与している可能性を示した。ヒト骨芽細胞および破骨細胞におけるアドレアリン受容体の発現をRT-PCRで調べたところ、IP3/DGを伝達系とするα1B受容体、cAMP産生を制御するα2B受容体、さらにcAMP産生に関わるβ2受容体のmRNAが恒常的に発現していることを認めた。そこで、これら受容体のアゴニストが骨芽細胞に及ぼす影響を検討したところ、エプネフリン(1μM)のβ受容体を介したIL-6,IL-11,PGE2,ODF(Ostcoclastogenesis differentiation factor)の誘導を観察した。現在、エピネフリンによるIL-6およびIL-11産生には、protein kinase Aやp-38 mitogen-activated protein kinase系およびAP-1(activating protein-1)が関与している可能性を、各種阻害剤を用いた実験で示している。また、エピネフリンが、このような破骨細胞の形成を促進するサイトカインを誘導することから、エピネフリンの破骨細胞形成に及ぼす影響を骨髄培養系で検討した。その結果、βーアゴニストであるイソプロテレノールが著しい破骨細胞形成を示し、エピネフリンの破骨細胞形成作用に新たな知見を加えた。次に、ニューロトロフィン(NGF,BDNF,NT-3)やネトリン(神経回路の形成において、神経線維を誘引する因子「ケモアトラクタント」としての役割を担う)とセマフォリンIII(神経線維に反発する因子「ケモリペラント」の発現をヒト

骨芽細胞および破骨細胞にて検討したところ、これら因子が遺伝子および蛋白レベルで構成的に発現していることを認め、これら骨代謝を担う細胞には交感神経や感覚神経などの神経線維の誘引を制御する機構を備えている可能性を示した。RT-PCR法によりヒト骨芽細胞および破骨細胞におけるアドレアリン受容体の発現を調査した結果、IP3/DGを伝達系とするα1B受容体、cAMP産生を制御するα2B受容体、さらにcAMP産生に関わるβ2受容体の恒常的発現を認めた。そこで、これら受容体のアゴニストが骨芽細胞に及ぼす影響を検討した。エピネフリンはβ受容体を介してIL-6,IL-11,PGE2,ODF(Osteoclast differentiation factor)の誘導を惹起した。そして、このエピネフリンによるIL-6およびIL-11の産生に、Protein kinase A,p-38mitogen-activated Protein kinaseおよびAP-1(activating Protein-1)が介在している可能性を示した。また、エピネフリンはα1B受容体を介したOCIF(osteoclastogenesis inhibitory factor)の誘導およびβ受容体を介したODFの誘導を起こし、osteoclastogenesisの調節に関与している可能性を示した。そこで、骨髄培養系を用いてエピネフリンの破骨細胞形成に及ぼす直接的な影響を検討したところ、β-アゴニストであるイソプロテレノールは著しい破骨細胞形成を惹起し、このイソプロテレノールの破骨細胞形成作用はOCIF処理により完全に抑制された。これらの知見は骨芽細胞のβ受容体刺激がODFを介して破骨細胞の形成を促進していることを明示している。また、ヒト骨芽細胞および破骨細胞はニューロトロフィン(NGF,BDNF,NT-3)やネトリン(神経回路の形成において、神経線維を誘引する因子「ケモアトラクタント」としての役割を担う)とセマフォリンIII(神経線維に反発する因子「ケモリペラント」)をも恒常的に発現しており、これら因子が交感神経や感覚神経などの神経線維の骨芽細胞や破骨細胞への誘引を制御している可能性を示した。これらの知見は、交感神経が関わる骨吸収機構の存在を示しているかもしれない。本年度は、交感神経の伝達物質としての役割を有しているVIP(vasoactive intestinal peptide)およびノルエピネフリンの破骨細胞の形成および活動に及す相互の影響を調べることを目的とした。破骨細胞の形成にはマウスの骨髄細胞培養系を、破骨細胞活動に対してはヒトあるいはウサギより単離した破骨細胞を用いた。すなわち、骨芽細胞および破骨細胞に存在している種々のニューロペプチド/アドレナリン受容体の骨吸収に関連する生理的意義を検討した。マウス骨髄培養系を用いた研究において、β-受容体刺激(イソプロテレノール)はマウス骨髄細胞培養系での破骨細胞形成およびODF(osteoclast differentiation factor)のmRNA産生を促進したが、この作用はVIPにより抑制され、さらに、破骨細胞の活動に抑制的な影響を及すCGRP(calcitonin gene-related peptide)およびIFN-γによっても抑制された。一方、単離破骨細胞を用いた研究では、β-受容体刺激されたヒト破骨細胞が象牙切片上の骨吸収能を著しく亢進させることを見い出した。
量子力学で記述されるシステムの制御理論

(研究課題1)量子系に対して連続的な測定を行い、その測定データに基づいたフィードバック制御器の設計理論を構築することを目標とする。つまり、ある対象系について、どのような測定を行い、どのような制御構造(具体的には、ハミルトニアンの構造)を与えれば望ましい制御目的が達成できるのかを明らかにする。このことについて、以下の結果を得た。1.制御理論が直接的に適用可能なダイナミクスの表現を求めた。(2003年度の結果)2.上記ダイナミクスの平衡点解析を行った。つまり、いかなる制御目標が達成できるのかを明らかにした。特に、純粋状態なる重要な量子状態が平衡点となるための必要十分条件を求めた。3.上記ダイナミクスに従う状態(量子状態)に対して、制御入力がいかなる効果を及ぼすのかを明らかにした。具体的には、制御理論において開発された「局所可到達性解析」を量子ダイナミクスに適用して、効果的な制御を実現するハミルトニアンの構造を求めた。(研究課題2)量子情報を伝送する際、通信路から受ける雑音の影響を低減する必要がある。そのため、一般に送信者、受信者の間で情報の圧縮、解凍を行う。このような誤り訂正プロセスの設計を、制御理論で発展を遂げた「LMIに基づく半正定値計画問題」として定式化し、具体的な問題(量子ビットフリップ通信路)に対して解を与えた。本定式化は、多の量子デバイスの設計にも有用な知見を与えるものと考えられる。測定、制御のもとで量子システムは「確率マスター方程式(SME)」によって記述され、これにより測定値を用いたフィードバック制御則を構成することができる(1993年).しかし従来では、制御系設計のための理論が確立されておらず、アドホックなもののみが提案されていた.そこで本研究では、量子システムの制御理論を確立するための基礎付けを与えた.具体的には、まずSMEを従来の制御理論が適用可能であるように変形した.その際、式変形およびシステム解析を容易ならしめる数学的設定を開発した.得られたシステム表現に基づいて、以下の結果を得た.1.いかなる量子状態を制御目標とできるのかを明らかにした(平衡点解析).2.制御目標となる量子状態の安定性を調べた.3.制御によって、量子状態をどのように遷移させることができるかを明らかにした(可到達性解析).4.測定データが、対象の量子システムについてどれくらいの情報量を有するかを明らかにした(可観測性解析).以上の結果はいずれも制御系設計に不可欠な情報を与えるものである.実際に、結果を「スピン系」に適用し、不安定目標状態を安定化するフィードバック制御則を提案した.本研究は自然科学としての量子力学にも大きな貢献を与える.実際、上記3において次の結果を得た.理想環境におけるSMEは「連続測定」を記述しており、これは大域的には「直交測定」による効果と一致する.しかし、局所的な連続測定の効果は物理学においても知られていなかった.これに対して本研究は、連続測定による量子状態の遷移は、局所的に2次元の多様体上に拘束されていることを明らかにした.これは連続測定による確率的反動は局所的には非常に小さいことを意味し、直交測定が十分に確率的な反動を与えることを考えると、意外な結果である.(研究課題1)量子系に対して連続的な測定を行い、その測定データに基づいたフィードバック制御器の設計理論を構築することを目標とする。