hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
植物二次代謝産物クマリン類縁体の関与する生体防御機構

本研究では、植物の産生するクマリン類縁体の生理機能について解析した。またその生合成の場を可視化することで、病原菌等の侵入に伴って植物体内でその生合成酵素が局所的に発現誘導されることを見いだした。一方、これらの物質は落葉や根から周辺土壌の微生物によって分解された。これらの分解中間物質に生理活性は見られなかったが、クマリン分解微生物は食害昆虫腸管内など局所的に検出された。これは、クマリン類縁体が植物体周辺環境に何らかの影響を与えているものと考えられる。本年度はオルト位水酸化酵素発現部位の可視化を目指した、GFPもしくはGUSタグでラベルしたシロイヌナズナ植物体の作成およびクマリンを始めとするクマリン化合物の分解代謝についての追跡を行った。その結果、植物体の生育する環境から、クマリン分解菌の単離同定に成功した。結果、本菌はPseudomonas taiwanensisと同定した。本菌によるクマリン代謝を追跡したところ、クマリン添加培養液中では培養時間とともに、クマリン含量が減少するとともに、オレフィン結合が還元された3,4-dihydrocoumarinおよびmelilotic acid (2-hydroxycinnamic acid)が増加した。48時間培養後にはこれらの成分が減少し、72時間後には検出されなくなった。加えて、本菌はクマリンだけでなく、スコポレチン、ウンベリフェロンといったクマリン化合物を資化する能力を有していたが、その代謝能は基質の構造によって変化した。さらに、オルト位水酸化酵素の基質認識部位についても点変位もしくはドメインスワップにより探索を行い、桂皮酸類CoAチオエステルの桂皮酸芳香環部分の認識に関わる領域の特定を進め、抗菌性や代謝感受性の異なるクマリン化合物の生合成についても調べた。具体的にはサツマイモで得られた二つの基質特異性の異なる酵素のドメインもしくはアミノ酸を入れ替えた組換え酵素の酵素活性を測ることで進めた。その結果、本酵素のC末端の40残基程度の領域に基質認識に非常に重要な機能が存在していることを特定した。また、組換え植物体作成を目指したソライロアサガオおよびサツマイモの培養細胞の作成を進め、組換え体をつくるためのカルス培養から個体再生する条件までを検討した。またこれらの植物に形質転換するためのそれぞれの植物のもつオルト位水酸化酵素の同定に関しては完了した。本研究では植物の二次代謝産物クマリン類縁体について、植物の生育に関わる微生物や植物の生合成遺伝子を操作し、その生理機能の解明を試みた。注目した植物は、シロイヌナズナ、サクラ、サツマイモである。これらの対象植物はそれぞれスコポレチン、クマリン、ウンベリフェロンを生産する。サクラ、サツマイモに関してはその生育環境に存在する微生物におけるクマリン代謝能の追跡を行った。その結果、サクラ根圏および食害昆虫腸管からクマリン分解微生物を単離・同定した。本菌はPseudomonas sp.であることがrRNA部分配列より分かった。クマリンを資化できる菌はこれまで報告例がない。さらに本菌のクマリン代謝分解を追跡し、クマリンーメリロト酸さらに次の代謝物へと代謝されていた。本研究で見いだした代謝経路は既知のものと一致した。代謝中間体の植物に対する生理活性を追跡中である。シロイヌナズナにおいてはスコポレチン生合成欠損変異体を用いた種々の生理学的実験を行うとともに、マーカー遺伝子を用いた生合成鍵酵素遺伝子の発現部位の解析を行った。具体的には、スコポレチン生合成能欠損変異株に対してFusariumやPseudomonasによる微生物感染刺激を与え、植物体の応答を追跡した。その結果、試験に用いた微生物に対する感受性に大きな違いが見られなかった。また欠損株の生育速度が、野生株に比べてやや低かった。またGFPおよびGUSタンパク質によるスコポレチン生合成鍵酵素の可視化を進めた。これらの酵素遺伝子は微生物の感染刺激に応じて、感染部位で発現量が上昇するのが観察された。本年度においては、サツマイモ(Ipomoea batatas cv. Kokei No.14)およびサツマイモのモデル植物としてソライロアサガオ(I. tricolor cv. Heavenly Blue)からのクマリン化合物生合成鍵酵素遺伝子のクローニングを進めた。サツマイモからは4種類、ソライロアサガオから2種類のアミノ酸配列の異なるクローンを取得した。さらにこれらのクローンを大腸菌にて発現し酵素活性を比較したところ、基質特異性の異なる2つのグループを取得できたことがわかった。すなわち、フェルロイルCoAのみを基質としてスコポレチン生合成に関与するものと、フェルロイルCoAだけでなくp-クマロイルCoAも基質とし、スコポレチンに加えてウンベリフェロンも与えるクローンの2種類である。植物界にはスコポレチンやウンベリフェロンに加えて、さまざまな構造を持つクマリン化合物が存在し、それぞれ化学的な反応性が異なる。クマリン化合物がもつ抗酸化活性、抗菌活性も構造の違いによって異なると考えられる。

これらの酵素遺伝子配列を利用することで、組換え植物体内でスコポレチン、ウンベリフェロンの内生量をそれぞれ独立に制御できると考えられる。また、AtF6'H1関連の組換え体を作成のためのプラスミドベクターを構築した(欠損株に関しては取得済みである)。具体的には35Sプロモーターの下流にAtF6'H1をつけたもの、AtF6'H1プロモータ配列下流にGUS/GFP配列をつないだものである。さらに、サクラ植物体の周辺の土壌からサクラ葉に含まれるクマリン分解活性をもつ微生物の単離をすすめ、クマリンを資化する微生物の単離に成功した。微生物によるクマリン分解メカニズム、さらにはその分解中間体の構造解析をすすめることで根圏におけるクマリン代謝およびクマリンの生理機能の解明の一助となる。オルト位水酸化酵素の可視化に向けたGFPもしくはGUSタグを用いた組換えシロイヌナズナ植物体作成およびソライロアサガオ、サツマイモ培養細胞の立ち上げに関しての遅れがある。これは、分解代謝微生物の単離同定およびその代謝追跡に時間を費やしたこと、および代謝能に対応した生合成酵素の基質特異性についての実験に時間を取ったためである。しかしその一方で、クマリン代謝については非常に進展が見られた。すなわち分解菌の同定および代謝経路の同定である。これらの代謝中間体のもつ抗菌活性等、現在検討中である。また、同定した微生物は昆虫と植物の関係を考えてゆく上で興味深い代謝能をしめしており、植物二次代謝産物の機能を考える上で注目に値する。本来ならば最終年度に行う予定であった、クマリン代謝物の探索を初年度に前倒しで行った。それと並行して組換え植物体作成の準備を進めた。後者の進捗状況はやや遅れが見られるが、後の年度で行う予定であった前者の代謝物追跡を始めたことから、研究全体としてはおおむね遅れはない。さらには、ソライロアサガオから同鍵酵素遺伝子ホモログをクローニングできたことから、生合成酵素の基質特異性などに関して、バリエーションを増やすことがこの一年でできるようになった点は当初の目的に向かってより精度の高い実験が可能になったと考える。すなわち、さまざまな基質特異性を有する鍵酵素を導入して、植物体内に蓄積するクマリン化合物の構造を制御できる。以上の点から、おおむね順調に進んでいると考える。最終年は遅れを取り戻すため、オルト位水酸化酵素の可視化に向けたタグ付き組換え植物の作成および生合成酵素の過剰発現、発現抑制組換え植物作成におもに注力する。具体的には比較的簡単に個体再生のできるソライロアサガオから過剰発現体等を作成し、これにフザリウムなどの糸状菌を感染させる実験等を推進する。また、微生物によるクマリンを始めとする二次代謝産物の分解菌の探索をさらに行い、植物を取り巻く環境中におけるクマリンの動態を追跡し、クマリンの生理学機能の解析を行う。シロイヌナズナの過剰発現体の作出を進め、作出した植物体および欠損株における微生物に対する抵抗性の変化についてのアッセイ系の確立を重点的にすすめる。
過疎地域の在宅ケア体制づくりを促進する看護職の機能に関する研究

過疎地域の在宅ケア体制構築を促す看護職の機能を明らかにするため、過疎地域市町村の保健師が在宅ケア体制構築に取組み成果を挙げた活動の分析、並びに一過疎地域において個別事例の援助を支援関係者と共に実施・評価し、当該地域の在宅ケア充実上の課題を整理する取組みを実施した。先駆的活動から13件の看護職の機能が明らかになり、一過疎地域での事例検討から11件の課題が見出された。11件の課題解決に有効な看護職の機能を検討した結果、当事者主体の療養・介護を支える、当事者のニーズを住民に理解してもらう、支援関係者と協働するため看護職から働きかける、当事者のニーズを町の健康課題に位置づける機能が重要と考えた。今年度は2つの取り組みを行った。一つは、昨年度の調査でデータ収集した先駆的活動事例を分析し、在宅ケア体制構築を促す看護職の機能・役割の抽出に向けて作業を行った。もう一つは、一過疎地域の国保診療所看護職と共に在宅ケア体制構築に向けたモデル的な活動を行い、この活動を通してデータ収集を行った。先駆的活動事例の調査では、2つの活動事例を対象として分析作業を進めている。まだ分析途上ではあるが、看護職は過疎地域の高齢や病気を抱える住民が安心して暮らせる地域づくりをめざして活動しており、看護職の立場で率先して問題解決に取り組み、当事者の自立を重視しながら共に歩み、多様な関係者と連携・協働しながら活動を積み重ねていることを確認した。今後は、各活動事例の分析に加え、両事例を統合することにより、在宅ケア体制構築を促す看護職の機能・役割を抽出する予定である。一過疎地域におけるモデル的活動づくりの調査では、国保診療所利用者のうち、在宅療養継続に問題を抱えている2事例を選択して、支援関係者と研究者が集まって事例検討会を行いながら在宅療養を支える援助を展開している。事例検討会では、保健・医療・福祉・介護サービスはもちろん地域住民との連携・協力も含め幅広く支援の方向性を検討し、課題解決に向けた具体策を話し合って支援を行っている。2事例の支援過程は、支援の方向性と具体的な支援内容、支援結果に整理して記述し、データ化している。今後は、2事例の支援実績を支援関係者と共に振り返り、実施した援助の評価を行う予定である。過疎地域における在宅ケア体制構築に係る先駆的活動として、3地域の市町村保健師から情報収集した。その内、1在宅での看取りを支えるための活動、2在宅ケアを支える資源や仕組みを創った活動について、データ分析を行っている途上である。活動1では、市町村保健師が率先して24時間対応する体制をとり、医師、ヘルパー、訪問看護師、栄養士と協力して個別事例に対応することで、徐々に在宅で看取りができる事例が増加した。活動2は、難病患者がサービスを受けながら地域で暮らせることを核に展開した取り組みで、国保病院における難病医療システムの構築、地域の看護管理者による在宅ケア運営会議の開催など保健・医療が中心になって進めてきた。市町村保健師は、疾患や障害を抱える人々が互いの思いを表現し合う機会をつくり、患者が自分の病気を理解し、患者ができることは自分ですることを基本に据えて支援をしてきた。難病患者を支えるため、国保病院の協力を得て難病相談会を開催し、その成果を住民に返して難病の医療体制を整える必要性について人々の認識を高め、難病医療体制を整えた。他にも、訪問看護ステーションの開設、国保病院に地域医療連携室を設置することを推進してきた。地域連携室には看護管理者が配属され、社会的入院の増加を防ぐため、困難事例は在宅ケア運営会議で検討して問題解決を図っている。この会議の結果は市町村保健師が報告書を作成し、関係部門・機関に決済を回して行政の中で認められるよう工夫している。活動1は看護職がリーダーシップを発揮して援助関係者のチーム力を高めるよう機能することで、在宅での看取りを可能にしたが、新たな資源や体制の構築には至らなかった。一方、活動2では当事者をエンパワメントし、活動が行政で認められる形にする機能が確認されたことから、在宅ケア体制の構築を図る上でこれらの機能の重要性が示唆された。<最終年度に実施した研究の成果>一過疎地域の国保診療所看護師等の支援関係者と共に2事例の援助過程を振り返り、援助の成果と課題を分析した。さらに、2事例と類似する在宅ケアニーズを抱える住民への支援経験等も想起し、当該地域における在宅ケア充実に向けた課題について検討し、その内容を整理した。<研究期間全体を通じた研究の成果>先駆的活動として、過疎地域の市町村保健師が在宅ケア体制充実に向けて取り組み、成果が確認された2町の活動事例を調査対象とした。面接調査と面接対象者の著した文献から在宅ケア体制の構築を導いた活動を抽出した。その結果、48件の活動が抽出され、看護職が果たした機能の内容は13に分類することができた。

一過疎地域の国保診療所において、在宅療養支援中の診療所利用者2事例について、支援関係者に集まってもらい在宅ケア充実をめざした事例検討会を継続的に実施し、援助過程を記述した。援助過程を振り返り、援助の成果と課題、当該地域の在宅ケア充実に向けた課題を整理したところ、11件の課題が見出された。前述した11件の課題を解決するため、先駆的活動から分析した13の看護職の機能が有用かどうか検討した。その結果、[当事者による主体的な療養や介護を支える][当事者のニーズに対応する必要性や意義を住民に理解してもらう][関係者が協働して課題解決に取り組めるよう自ら動き働きかける][在宅ケア体制を支える援助関係者の力量を高める]が有用であると考えられた。特に、従来の方法では解決困難な事例に取り組むことにより、これらの機能は強化されると考えられた。また、[在宅ケアニーズを査定し、町の健康課題として位置づける]は、看護職が在宅ケア体制構築を図るために不可欠な機能であると考えられた。地域看護学平成24年度に先駆的活動事例のデータ収集を行ったが、その時期が予定より遅れたことで、分析作業に着手する時期が遅くなった。2つの活動事例のうち1事例には、活動事例に関する文献や報告等が複数あるため、面接記録に留まらず、前述した資料もデータ化したいと考えて取り組んだ。そのため、分析方法の検討に時間を要した。一過疎地域におけるモデル的活動づくりの調査は、国保診療所看護職が支援している利用者を対象にして事例検討会を行っている。事例検討会を行いながら利用者に支援した過程を記述することは計画通りに進んでいるが、研究対象とな事例が2事例に留まった。そのため、新たな研究協力者を確保するため、別の過疎地域看護職にも働きかけを行ったが、新たな過疎地域において研究協力者を得ることはできなかった。調査対象とする過疎地域の検索に時間を要した。在宅ケア体制構築に取り組んでいる過疎地域はあっても、医師のリーダーシップによって進められ、市町村保健師や診療所看護職の主体的な取り組みが確認できない事例が多かった。また、調査対象地域が遠方であることから、調査日の他に移動日が必要になり、調査実施可能日が限定された。結果、調査実施日が1地域は12月、2地域は3月となり、情報収集の時期が予定よりも遅くなった。そのため、年度内にデータ分析を完了できなかった。一過疎地域におけるモデル的活動づくりの調査は、現在データを収集している2事例の支援実績から、在宅ケア体制構築につながる看護職の機能、並びに機能を発揮する上での課題を整理していく。2事例への支援過程を振り返り、支援の成果と課題を整理するが、事例数が限られているため支援実績の評価を充実させたい。その方策として、援助関係者の立場からだけでなく、利用者からも支援の評価を得ることを計画し、当該調査の実施については、すでに岐阜県立看護大学研究倫理審査部会の承認を得ている。今後は、利用者評価の内容も踏まえて、支援の成果と課題を整理する予定である。
低次元の血球貪食機構と免疫系・鉄代謝系の相互応答機構の存在証明への挑戦

血球貪食症候群は一般的に免疫制御機構の破綻した病態として捉えられている。しかしながら、2013年、感染症マウスモデルにおいて血球貪食による免疫調節機構の存在が報告された(Ohyagi H, et al. Immunity 2013 )。一方、我々はこれまでの研究において免疫B細胞特異的VEGF-A過剰発現マウスにおける免疫寛容誘導の存在を報告してきた(J immunol, 2010)。今回この非感染症マウスモデルのリンパ節において血球貪食が観察され、感染状態のみならず、非感染状態における血球貪食と免疫調節機構の機能的関連の存在を明らかにするとともに、性差および加齢の関連を示唆するデータを得た。我々はこれまでの一連の研究において免疫B細胞特異的VEGF-A過剰発現マウスにおける免疫寛容誘導の存在を報告してきた(J immunol, 2010)。この非感染症マウスモデルのリンパ節において血球貪食が観察され、感染状態のみならず、非感染状態における血球貪食と免疫調節機構の機能的関連の存在を示唆するデータを性差および加齢との関連も含めて蓄積してきた。今年度は非感染症状態における低次元の血球貪食と免疫調節機構ならびに鉄代謝系の関連の存在を明らかにするとともに、性差医学、加齢医学への関与について検討した。免疫応答の一つのpathwayである免疫B細胞からのVEGF-A発現のup-regulationが持続することによりマウスの個体は免疫寛容の表現型となることを、13-14週齢の♂マウスにおいて報告してきたが、これらの個体応答が血球貪食系・鉄代謝系・血管/リンパ管の脈管系の動態と連動していることを検討した。更に、これらの個体応答の“性差による差異"と13ー14週齢と54-55週齢のマウスを比較することにより“加齢による変化"を検討した。血球貪食系のデータとして、54ー55週齢のメスマウスにおいて、腸間膜リンパ節における血球貪食の存在をヘモジデリンの沈着部位とマクロファージの染色部位の一致として確認した。免疫系に関する基盤データとして、13ー14週齢のオスマウスにおいて免疫寛容の個体環境となることを既に報告した。鉄代謝系のデータとして54-55週齢のメスマウスにおいて、鉄欠乏性貧血にcompatibleな表現型を示すことを確認した。脈管系におけるデータとして、13ー14週齢のオスマウスにおいて、本モデルマウスの腸間膜リンパ節においてリンパ管新生・血管新生およびリンパ節に特異的脈管構造であるHEV (high endothelial venule)の増加を報告してきた。2年計画の初年度であり、既に作出済みである免疫B細胞特異的VEGF-A産生tgマウスの解析を行った。本tgマウスのVEGF-A産生量はコントロールマウスの4倍程度であり生理的動態の考察の範囲内にある。解析項目は4つの柱である1血球貪食系の解析2免疫応答系の解析3鉄代謝系の解析4脈管系の解析より構成される。これらの4つの生体システムが相互応答してホメオスターシスをバランスしていることを検討した。相互応答の証明には上記の解析を可能な限り同一マウス個体にて行うことでアプローチした。加齢によるこれらの生体システムへの影響を調べることから、本年度は13ー14週齢のマウスの解析を行った。平成28年度には54-55週齢のマウスの解析を行ない、データを比較する予定である。また、4つの系の性差も解析することから、全ての解析をオス・メス双方にて行う。一方、我々はこれまでの研究において免疫B細胞特異的VEGF-A過剰発現マウスにおける免疫寛容誘導の存在を報告してきた(J immunol, 2010 )。今回、非感染症状態における低次元の血球貪食と免疫調節機構ならびに鉄代謝系の関連の存在を明らかにすることを目的として、更に性差医学、加齢医学へ寄与することを目指して検討した。炎症の病態反応として「所属リンパ節の腫脹」における血管・リンパ管新生の病理学的観察は古くより解析されてきたが、その分子メカニズムの詳細については2000年代に入り国内外の免疫系の研究の流れの一つとなった。そして国外より感染により所属リンパ節の免疫B細胞の産生するVEGF-Aが樹状細胞の所属リンパ節へのリクルートを促しその後の免疫応答を修飾することが報告された(Angeli V, et al. Immunity 2006 )。その後、我々は免疫B細胞の産生するVEGF-Aが獲得免疫におけるリンパ節の構造的リモデリングから機能的な免疫機構のバランス制御に積極的に関わっていることを報告してきた。今回その過程で得られた次の3つの観察1)リンパ節における血球貪食の観察2)免疫寛容反応の観察3)脾鉄含量の低下

・鉄欠乏性貧血より、これらの一連の現象が非感染モデルマウスにおける免疫寛容を誘導する生体システムであることを示した。血球貪食症候群は一般的に免疫制御機構の破綻した病態として捉えられている。しかしながら、2013年、感染症マウスモデルにおいて血球貪食による免疫調節機構の存在が報告された(Ohyagi H, et al. Immunity 2013 )。一方、我々はこれまでの研究において免疫B細胞特異的VEGF-A過剰発現マウスにおける免疫寛容誘導の存在を報告してきた(J immunol, 2010)。今回この非感染症マウスモデルのリンパ節において血球貪食が観察され、感染状態のみならず、非感染状態における血球貪食と免疫調節機構の機能的関連の存在を明らかにするとともに、性差および加齢の関連を示唆するデータを得た。血球貪食と免疫系・鉄代謝系の生理的相互応答機構の証明にあたり、その機序の理論的説明において、核のない細胞(赤血球・血小板)におけるプログラム細胞死の存在は必須の必要条件であると考えられた。そこで2007年、血小板におけるアポトーシスシグナルのプロセスがpro-apoptoticとanti-apoptotic分子の脱制御(molecular clock)として報告された(Mason,KD, et al. Cell 2007)。本報告は核を有さない細胞のプログラム死(アポトーシス)の概念の最初の報告であり、そして同じく核のない赤血球のアポトーシスがeryptosisとして提唱された。Eryptosisの概念は赤血球のアポトーシス(eryptosis)から血球貪食への理論を展開する上で極めて重要であり、我々の提案の妥当性をサポートする知見と考えられる。これらの、核の無い血小板と赤血球のプログラム細胞死の知見を今年度の研究に組み入れて検討を重ねて行く予定である。血管新生、血液凝固、免疫、HIV感染症
災害記録としての活用に向けた年代記の研究

本研究では、年代記(歴史上の出来事を年代順に記録した年表史料)から信頼できる記録を抽出し、1517世紀の日本列島各地における地震および地震にともなう津波・山崩れなどの自然災害が発生した年月日および地域を確定する。そのため、日本の地方各地に残る年代記の原本調査や、多種多様な年代記のデータベースの構築を行うことにより、年代記の史料学的な検討・分析を行い、信頼できる記録を抽出する。そして、その記録にある歴史地震の情報を正確に読み解き、過去の地震・気象データとして地震学・気象学などの分野に提示していく。
コゲラ個体群の生態的・分子生物学的比較

関東圏と屋久島・御蔵島など主な離島でコゲラの捕獲作業を行い,生態観察を行った。コゲラの生息記録のない島における直接の確認と環境の確認もした。捕獲時に,個体群比較のための外部形態情報として,嘴長,嘴峰長,嘴高,嘴幅,左右の翼長,左右のふ蹠長,尾長,右翼の各初列風切羽長および体重の計測を行い,羽色の記録のための写真撮影とDNA分析のための試料として採血を行った。外部計測等においては,個体群比較のための資料が蓄積され,従来山階鳥類研究所所蔵標本にもとづいて推定された結果と同様の示唆が得られた。すなわち,伊豆諸島,南西諸島等の島嶼個体群において,体各部の中型化や飛翔力の低下を示す翼の鈍端化などについて共通な傾向がなく,諸島ごとに異なる歴史的背景があることが示唆されている。従来の見解と異なる新しい知見として,伊豆諸島八丈島などには定着して生息しない(繁殖個体群はいない)ことや、奄美諸島の請島・与路島などに生息していることなども判明した。島嶼部を含めた未確認および未調査の地域個体群がまだ残っているが,分布様式の確認とデータの充実は相当に進んだ。DNA多型検出のための実験と分析が,コゲラにとっての適切なマーカー(プライマー)が得られない状態で遅延した。ノグチゲラやルリカケスといった絶滅危倶種の遺伝的分析と関連させて,分析の検討を行った。また,新たに,島嶼への分散様式に関する初期的なモデルを作成して,複数の仮説を検証することも試みた。これらは、本研究成果に基づいて、さらに発展性のある研究課題を提示している。主に関東圏でコゲラの捕獲作業を行い,色足環を付けて,生態観察を行った。外部計測等においては,個体群比較のための資料が蓄積され,従来山階鳥類研究所所蔵標本にもとづいて推定された結果と同様の示唆が得られている。すなわち,伊豆諸島,南西諸島等の島嶼個体群において,体各部の中型化や飛翔力の低下を示す翼の鈍端化などについて共通な傾向がなく,諸島ごとに異なる歴史的背景があることが示唆されいている。従来の見解と異なり,伊豆諸島八丈島などには,定着して生息しない(繁殖個体群はいない)ことなどが判明した。DNA分析のための,実験機器の整備を進め,PCR装置を購入した。引き続き,島嶼部を含めた未確認および未調査の地域個体群の資料収集に努め,分布様式の確認とデータの充実を進める。DNA多型検出のための実験と分析が,コゲラにとっての適切なマーカー(プライマー)が得られない状態で遅延しているが,引き続き情報を集め,試験を行う。ノグチゲラやルリカケスといった絶滅危惧種の遺伝的分析と関連させて,分析の検討を行う。また,新たに,島嶼への分散様式に関するモデルを作成して,複数の仮説を検証する試みも始める。佐渡島,伊豆大島などコゲラの生息記録のない島における直接の確認と環境の確認を行った。

外部計測等においては,個体群比較のための資料が蓄積され,従来山階鳥類研究所所蔵標本にもとづいて推定された結果と同様の示唆が得られている。すなわち,伊豆諸島,南西諸島等の島嶼個体群において,体各部の中型化や飛翔力の低下を示す翼の鈍端化などについて共通な傾向がなく,諸島ごとに異なる歴史的背景があることが示唆されている。従来の見解と異なり,伊豆諸島八丈島などには,定着して生息しない(繁殖個体群はいない)ことなどが判明した。DNA分析のための,実験機器の整備を進めた。引き続き,島嶼部を含めた未確認および未調査の地域個体群の資料収集に努め,分布様式の確認とデータの充実を進める。DNA多型検出のための実験と分析が,コゲラにとっての適切なマーカー(プライマー)が得られない状態で遅延しているが,引き続き情報を集め,試験を行う。ノグチゲラやルリカケスといった絶滅危惧種の遺伝的分析と関連させて,分析の検討を行う。また,新たに,島嶼への分散様式に関するモデルを作成して,複数の仮説を検証する試みも始める。関東圏と屋久島・御蔵島など主な離島でコゲラの捕獲作業を行い,生態観察を行った。コゲラの生息記録のない島における直接の確認と環境の確認もした。捕獲時に,個体群比較のための外部形態情報として,嘴長,嘴峰長,嘴高,嘴幅,左右の翼長,左右のふ蹠長,尾長,右翼の各初列風切羽長および体重の計測を行い,羽色の記録のための写真撮影とDNA分析のための試料として採血を行った。外部計測等においては,個体群比較のための資料が蓄積され,従来山階鳥類研究所所蔵標本にもとづいて推定された結果と同様の示唆が得られた。従来の見解と異なる新しい知見として,伊豆諸島八丈島などには定着して生息しない(繁殖個体群はいない)ことや、奄美諸島の請島・与路島などに生息していることなども判明した。島嶼部を含めた未確認および未調査の地域個体群がまだ残っているが,分布様式の確認とデータの充実は相当に進んだ。DNA多型検出のための実験と分析が,コゲラにとっての適切なマーカー(プライマー)が得られない状態で遅延した。ノグチゲラやルリカケスといった絶滅危惧種の遺伝的分析と関連させて,分析の検討を行った。また,新たに,島嶼への分散様式に関する初期的なモデルを作成して,複数の仮説を検証することも試みた。これらは、本研究成果に基づいて、さらに発展性のある研究課題を提示している。
微小炭酸塩鉱物の局所高精度同位体比分析による地球惑星表層環境研究への挑戦

マルチコレクター型二次イオン質量分析計CAMECA IMS 1280-HRを用いて生体鉱物(クロマグロ耳石、有孔虫炭酸塩殻)の酸素2同位体比(18O/16O)分析、隕石試料の炭酸塩の酸素3同位体比(18O/16O, 17O/16O)と炭素同位体比(13C/12C)の分析研究を行った。また、確立した試料作製と分析技術を用いて隕石及び南極微隕石試料の珪酸塩粒子の酸素3同位体比分析も行った。クロマグロ耳石研究では50個体以上の成魚耳石試料の酸素同位体比分析を完了し、1)耳石試料分析値の補正係数が約0.3パーミルで安定していること、2)産卵地が南西諸島沖太平洋の個体と対馬沖日本海の個体で孵化水温が1°C程度異なる可能性があること、を明らかにした。成果の一部は2018年度に国際会議で報告し、現在は論文を準備中である。有孔虫炭酸塩殻研究では、南大洋の底生及び浮遊性有孔虫試料の炭酸塩殻の観察と酸素同位体比分析を実施した。成果は研究協力者である高知大学大学院生の修士論文の中で報告している。隕石の炭酸塩試料では結晶の形態・組成と酸素・炭素同位体比の比較を行い、太陽系初期の微惑星での熱水組成の多様性を明らかにした。隕石の珪酸塩試料では原始惑星円盤で発生した珪酸塩微粒子の溶融過程における周辺環境の酸化還元状態と酸素同位体比組成を明らかにした。これらの成果の一部は2018年度に国際会議で報告したほか、最初の論文が査読中であり、次の論文も準備中である。初年度に確立した試料準備法と局所酸素同位体比分析法を用いて、クロマグロの耳石試料や炭素質隕石試料から示唆的な同位体比変動を見つけることが出来た。これらのデータの科学的な解釈を確かなものにするために一年間の研究期間延長を申請した。特徴的な同位体比の傾向が見えてきたクロマグロの耳石試料と隕石の炭酸塩試料の同位体比分析を特に重点的に行う。クロマグロの耳石研究では、酸素同位体比から見えてきた二系統の産卵地海水温について耳石の形態や微量元素濃度との比較研究を行い、太平洋産と日本海産の判別可能性を検討する。隕石の炭酸塩研究では、小惑星での熱水活動に関係すると思われる微量元素累帯構造と酸素・炭素同位体比との相関の有無を調べ、温度変化(同位体比平衡)と熱水流体自体の同位体比変化の両方の変化を明確に分離して議論が出来るかを検証する。有孔虫試料研究については、平成30年度に新たに採取された南大洋試料の分類が終了した後に分析試料を選定し、酸素同位体比情報に基づく南大洋における有孔虫の生息環境の検証を行う。過去二年間の取り組みを踏まえ、議論をまとめる上で不足しているデータの取得を心がけ、学会発表と論文発表の形で成果を世に出すことを目指す。マルチコレクター型二次イオン質量分析計CAMECA IMS 1280-HRを用いて炭酸塩の酸素2同位体比(18O/16O)と酸素3同位体比(18O/16O, 17O/16O)の局所分析法を確立した。直径約10ミクロンのイオンビームを用いた分析では、d18O値で±0.3パーミル、D17O値(d17Oー0.52×d18O)で±0.5パーミルの分析精度を得た。また、直径約3ミクロンのイオンビームを用いた分析ではd18O値で±0.7パーミル、D17O値で±1.0パーミルの分析精度を得た。局所同位体比分析法の確立と並行して炭酸塩試料の研磨法の開発にも取り組み、複雑な形状を持つ魚類の耳石試料や1mmに満たない有孔虫炭酸塩殻を樹脂包埋によって直径1インチの樹脂円盤に固定し、削り出し量を調節しながら鏡面研磨する方法を確立した。これらの成果の一部は国際会議(PICES 2017 AnnualMeeting at Vladivostok, Russia)や国内研究会で報告している。手法の確立と並行して分析試料の検討と観察を実施した。研磨と分析点決定の難易度を考慮して、同位体比分析の試行的な研究課題として(1)クロマグロの耳石の酸素2同位体比分布の解析及び(2)隕石(炭素質コンドライト)試料の炭酸塩粒子の酸素3同位体比と形態の比較研究を選定した。両研究ともに、一部の研究試料の酸素同位体比分析が終了し、継続して研究を行うに足る有望な初期データが得られている。これらの成果は2018年度中に開催される国際会議で発表予定である。さらに、会議での質疑の内容や参加者との議論を踏まえた上で論文としてまとめる予定である。局所酸素同位体比について、目標としていた分析精度を達成できた。試料準備法についても、魚類の耳石や有孔虫の炭酸塩殻等、生物起源の柔らかく脆い炭酸塩試料を樹脂包埋し平滑に研磨する方法が確立できた。魚類の耳石や隕石試料の分析研究を開始し、一部の試料についてデータを取得する段階に到っている。マルチコレクター型二次イオン質量分析計CAMECA IMS 1280-

HRを用いて生体鉱物(クロマグロ耳石、有孔虫炭酸塩殻)の酸素2同位体比(18O/16O)分析、隕石試料の炭酸塩の酸素3同位体比(18O/16O, 17O/16O)と炭素同位体比(13C/12C)の分析研究を行った。また、確立した試料作製と分析技術を用いて隕石及び南極微隕石試料の珪酸塩粒子の酸素3同位体比分析も行った。クロマグロ耳石研究では50個体以上の成魚耳石試料の酸素同位体比分析を完了し、1)耳石試料分析値の補正係数が約0.3パーミルで安定していること、2)産卵地が南西諸島沖太平洋の個体と対馬沖日本海の個体で孵化水温が1°C程度異なる可能性があること、を明らかにした。成果の一部は2018年度に国際会議で報告し、現在は論文を準備中である。有孔虫炭酸塩殻研究では、南大洋の底生及び浮遊性有孔虫試料の炭酸塩殻の観察と酸素同位体比分析を実施した。成果は研究協力者である高知大学大学院生の修士論文の中で報告している。隕石の炭酸塩試料では結晶の形態・組成と酸素・炭素同位体比の比較を行い、太陽系初期の微惑星での熱水組成の多様性を明らかにした。隕石の珪酸塩試料では原始惑星円盤で発生した珪酸塩微粒子の溶融過程における周辺環境の酸化還元状態と酸素同位体比組成を明らかにした。これらの成果の一部は2018年度に国際会議で報告したほか、最初の論文が査読中であり、次の論文も準備中である。初年度に確立した試料準備法と局所酸素同位体比分析法を用いて、クロマグロの耳石試料や炭素質隕石試料から示唆的な同位体比変動を見つけることが出来た。これらのデータの科学的な解釈を確かなものにするために一年間の研究期間延長を申請した。クロマグロの耳石試料と隕石の炭酸塩試料の同位体比分析を継続して行い、クロマグロの生態や小惑星での水質変成過程に関する研究を推進する。南太洋産有孔虫の炭酸塩殻試料を用いた海洋(古)環境研究に着手する。炭酸塩の局所炭素同位体比分析法を確立させ、同一炭酸塩試料から酸素同位体比と炭素同位体比の独立した二つの情報を得る事で、環境変動や炭素循環、炭酸塩を形成した流体物質の起源を詳しく議論出来るようにする。特徴的な同位体比の傾向が見えてきたクロマグロの耳石試料と隕石の炭酸塩試料の同位体比分析を特に重点的に行う。クロマグロの耳石研究では、酸素同位体比から見えてきた二系統の産卵地海水温について耳石の形態や微量元素濃度との比較研究を行い、太平洋産と日本海産の判別可能性を検討する。隕石の炭酸塩研究では、小惑星での熱水活動に関係すると思われる微量元素累帯構造と酸素・炭素同位体比との相関の有無を調べ、温度変化(同位体比平衡)と熱水流体自体の同位体比変化の両方の変化を明確に分離して議論が出来るかを検証する。有孔虫試料研究については、平成30年度に新たに採取された南大洋試料の分類が終了した後に分析試料を選定し、酸素同位体比情報に基づく南大洋における有孔虫の生息環境の検証を行う。過去二年間の取り組みを踏まえ、議論をまとめる上で不足しているデータの取得を心がけ、学会発表と論文発表の形で成果を世に出すことを目指す。生物起源の炭酸塩鉱物の研磨が既存の方法の応用で可能である事が判明し、研磨テスト用の消耗品費を大きく抑制出来た。また、研究協力者の成果発表に関しては別の研究経費から支出する事となり、初年度の成果発表費用の支出が少なかった。繰り越した研究費は本年度の分析試料作製の為の消耗品購入のほか、国際会議の場で発表する為の費用として積極的に活用し、本研究の成果が広く国内外に周知されるように努める。効率的な分析試料作製と局所分析の運用を徹底する事で消耗品費の節約を図った。また、研究成果発表費用を別の研究経費から支出する事となったため、次年度使用が生じた。追加分析の消耗品費、国内外での研究成果発表費用、論文投稿費用として活用する予定である。
有機塩素への選択的エネルギー注入による廃棄物の高効率脱塩処理

本研究では事前脱塩素処理において、有機塩素に対するマイクロ波の選択的励起作用に着目し、マイクロ波加熱方式を提案する。廃プラスチックの中で有機塩素はほとんどポリ塩化ビニル(PVC)の形で含まれているので、ここでは研究対称をPVCとした。熱重量分析装置を用いてPVC試料の熱分解特性について検討した結果、PVCの熱分解反応は二段階反応であり、第一段階反応の起こる温度は約483K573Kで、当該温度下において脱塩素反応が起きていることがわかった。PVCの脱塩素反応特性について、マイクロ波照射時と対流加熱時の相違について検討した。実験は463K493Kの各温度において、等温条件となるようにマイクロ波出力またはガス温度を調整することで脱塩素反応を行った。その結果463K483Kの温度範囲では脱塩素反応はマイクロ波照射の方が反応速度が大きく、脱塩素率も高いことが明らかとなった。さらに、マイクロ波均一照射を確立するため、マイクロ波に対して透明なガラスビーズを流動媒体とした流動層型反応試験装置を用いて、塩化ビニル樹脂粒子からの脱塩素挙動に関する検討を行った。実験パラメータとしてポリ塩化ビニル樹脂の重合度、流通ガス温度(層初期温度)、マイクロ波照射強度およびガス流量を変化させ、層内温度および脱塩素率の経時変化を測定した。流通ガス温度を変化させマイクロ波照射実験を行った結果、334K以下の温度下ではポリ塩化ビニルの誘電損失が小さく照射されるマイクロ波のほとんどが透過し、脱塩素反応は確認されなかった。334K以上の温度下では照射開始後徐々に層内温度が上昇し、層内温度が約450Kに到達したところで急激な温度上昇が確認されるとともに脱塩素反応が開始することが明らかとなった。重合度の影響についてはマイクロ波照射強度によって異なり、マイクロ波出力が600Wの場合は重合度が小さい試料の方が脱塩素率が高くなるが、出力800Wの条件下においては、その差はほとんど見られなかった。現在有機廃棄物処理の解決策として、地域ごとに回収された廃棄物を高温ガス化し電力や熱エネルギーとして再利用しようとする有機廃棄物高温ガス変換プロセスが提案されている。そのプロセスでガス化炉に廃棄物を投入する際、有機廃棄物に含まれる有機塩素によってガス化炉が腐食し、ダイオキシンが発生するので事前脱塩素処理が必要である。まず、熱重量分析装置を用いてPVC試料の熱分解特性について調べた。その結果PVCの熱分解反応は二段階反応であり、第一段階反応の起こる温度は約483K573Kで、当該温度下において脱塩素反応が起きていることがわかった。次に、PVCの脱塩素反応特性について、マイクロ波照射時と対流加熱時の相違について検討した。固体側の質量減少分に対する脱塩素量(脱塩素効率)を求めた結果、いずれの条件においてもマイクロ波照射時の方が脱塩素効率が高く、マイクロ波照射による選択的な脱塩素反応が可能であることが示された。昨年度に引き続き、マイクロ波照射による有機塩素化合物からの選択的脱塩素技術の開発に関する検討を行った。

昨年度行った対流加熱およびマイクロ波加熱による脱塩素特性の比較から、マイクロ波照射の脱塩素反応速度および脱塩素率への有効性が示されたが、照射条件によっては不均一に加熱・反応する結果が得られている。そこで、マイクロ波均一照射を確立するため、マイクロ波に対して透明なガラスビーズを流動媒体とした流動層型反応試験装置を用いて、塩化ビニル樹脂粒子からの脱塩素挙動に関する検討を行った。実験パラメータとしてポリ塩化ビニル樹脂の重合度、流通ガス温度(層初期温度)、マイクロ波照射強度およびガス流量を変化させ、層内温度および脱塩素率の経時変化を測定した。流通ガス温度を変化させマイクロ波照射実験を行った結果、334K以下の温度下ではポリ塩化ビニルの誘電損失が小さく照射されるマイクロ波のほとんどが透過し、脱塩素反応は確認されなかった。334K以上の温度下では照射開始後徐々に層内温度が上昇し、層内温度が約450Kに到達したところで急激な温度上昇が確認されるとともに脱塩素反応が開始することが明らかとなった。従来の伝熱加熱では450Kにおける脱塩素反応はほとんど確認されておらず、このことからより低温条件でも十分脱塩素処理が可能であることが明らかとなった。重合度の影響についてはマイクロ波照射強度によって異なり、マイクロ波出力が600Wの場合は重合度が小さい試料の方が脱塩素率が高くなるが、出力800Wの条件下においては、その差はほとんど見られなかった。また、脱塩素反応が見かけ上平衡に到達した後の試料外観を観察した結果、層内部まで均一に変色していることが確認されマイクロ波が均一に作用していることが明らかとなった。
ヒトアポ蛋白E欠損症における冠動脈硬化発症機序の解明

近年アポ蛋白E欠損マウスで著明な動脈硬化が発症することが立証され、アポ蛋白Eの重要性が注目されている。しかし、アポ蛋白E欠損のヒトにおけるリポ蛋白代謝に及ぼす影響については依然不明のままである。本研究では、安定同位体による内因性標識法を使ってアポ蛋白E欠損症患者にみられるリポ蛋白代謝異常を検討した。患者は60歳の女性で、早朝空腹時にD3-leucine、600ug/kg静注し、引き続いて12ug/kg-minで14時間持続点滴した。点滴開始時とその後10分、1、2、3、4、6、8、10、12、14、18、24、36、48、72、96、120時間に採血し、超遠心法にてVLDL,IDL,LDL,HDLを分離した。SDS-PAG法、等電点電気泳動法にてアポ蛋白B100、A-I、A-IIを分離し、アミノ酸分解後、ガスクロマトグラフ・質量分析計にてtracer/tracee ratioを求めた。さらに、代謝モデルにあてはめ代謝パラメーターを算出した。その結果、IDLの異化速度力征常の10分の1に遅延(0.8 vs 7.2 pools/day)、LDLの異化は50%上昇(0.71 vs 0.51 pools/day)、アポ蛋白A-1の産生速度は正常の2.5倍に増加(25.1 vs 10.5mg/kg-day)していることが明らかになった。以上から、高レムナント血症の原因はIDLの異化遅延によること、LDL異化促進による低LDL血症とアポ蛋白A-1合成亢進による高HDL血症が、ヒトでは動物モデルほどの顕著な動脈硬化を来さない原因と考えられた。研究目的:安定同位体による内因性標識法を使ってアポ蛋白E欠損症患者にみられるリポ蛋白代謝異常を解明し、アポ蛋白Eのヒトリポ蛋白代謝における役割を確立するとともにアポ蛋白機能異常と動脈硬化症との関係を解明する。本年度は、アポ蛋白E欠損症患者と対照者に上記アポ蛋白代謝実験を実施した。方法:1,代謝実験のプロトコール実験対象者は入院の上、早朝空腹時に^2H_3-leucine、600μg/kg静注し、引き続いて12μg/kg-minで14時間持続点滴する。点滴開始時とその後10分、1、2、3、4、6、8、10、12、14、18、24、36、48、72、96、120時間に採血した。2,血清リポ蛋白、アポ蛋白に分離超遠心法にてVLDL,IDL,LDL,HDLを分離した。また血清を比重1.25g/mlに調整後、超遠心し全リポ蛋白を分離した。リポ蛋白分離後、5mMNH_4 HCO_3にて透析し、凍結乾燥、脱脂した。その後、gradient SDS-PAGE(5-15%)法によって、VLDL、IDL、LDL分画のアポ蛋白B-48、B-100を分離した。また、全リポ蛋白分画のアポ蛋白A-IはgradientSDS-PAGE(5-15%)法によって、アポ蛋白A-IIはisoelectric focusing(IEF)法にて分離した。結果・結論:1.アポ蛋白E欠損症患者では、HDL-C、アポ蛋白A-Iともに高値であった。HDL粒子サイズをnative-PAGE法で検討した結果、粒子サイズの増大はみられず、アポ蛋白A-Iの異化速度は正常か亢進していることが予想された。2.アポ蛋白Bを含むリポ蛋白(VLDL,IDL,LDL)をSDS-PAGEでみると全分画においてアポ蛋白B-48バンドが濃染された。このことは、カイロマイクロンレムナントの著明な異化の遅延が予想された。以上の点を明らかにするため、次年度では、アポ蛋白をアミノ酸に分解後、ガスクロマトグラフィー・質量分析計に注入しラベルしたアミノ酸の比率(tracer/tracee ratio)を測定し、代謝モデルに当てはめアポ蛋白の代謝パラメーターを算出する計画である。

その結果、IDLの異化速度力征常の10分の1に遅延(0.8 vs 7.2 pools/day)、LDLの異化は50%上昇(0.71 vs 0.51 pools/day)、アポ蛋白A-1の産生速度は正常の2.5倍に増加(25.1 vs 10.5mg/kg-day)していることが明らかになった。以上から、高レムナント血症の原因はIDLの異化遅延によること、LDL異化促進による低LDL血症とアポ蛋白A-1合成亢進による高HDL血症が、ヒトでは動物モデルほどの顕著な動脈硬化を来さない原因と考えられた。
骨折手術の次世代プランニングの開発-３次元整復計画と固定強度解析の妥当性の検討-

現在のところ骨折治療手術における術前計画は2次元上の画像に頼っていた背景があった。そのため今回の研究では3次元での術前計画を行い、術前での正確な3次元骨折整復を再現し、そのモデルからシミュレーションを行うことによって骨折固定強度を推定することが目的であった。本研究においてはまずはじめに3次元術前計画方法の確立を目的として研究を行った。術前に治療が困難であると予想された患者に対して実際にCT撮影を行い、CT画像データから骨折の骨片それぞれの表面データを作成し、皮質部をそれぞれ健側の鏡面平面画像上にSurface Registration法によって位置合わせをすることによって3次元整復データを作成した。整復データをCADソフトにて融合することによって骨折治療モデルを再構成した。実際の臨床現場においてこのモデルに従いインプラントを成型して手術を行い、術後の評価を整復のアラインメント、骨折短縮率、関節表面転位の項目別にわけて3次元的に評価を行ったところいずれの指標もほぼ術前計画に近い整復がえられており、術前3次元計画の有用性が示された。次に手術後の整復画像を用いた固定性評価のシミュレーションを有限要素法を用いて解析することを目的として研究を行った。対象としては上肢骨折の術後インプラント固定によるシミュレーションを選択した。下肢の骨折整復モデルでは単純な荷重に対する有限要素を行うが、我々は上肢の運動中の正確なシミュレーションをおこなうため、4DCTから得られた偏位をセグメントの節点集合に入力して自動運動を再現することにより、上肢運動中の骨折整復部、インプラントにかかる負荷を計算する手法を確立した。今後は上記有限要素手法を用いて実患者での骨折治療のシミュレーションを行い、術後のインプラント固定強度との整合性を評価することが課題である。1骨幹部骨折の3次元骨折治療計画の確立:3次元表面データ作成ソフト(AVIZO)を用い、骨折した患者の健患側データの骨表面画像を作成した後、健側を反転して患側骨片表面形状より治療計画を行うシステムを確立した。具体的には骨表面形状を作成した後解剖学的ランドマークを3点抽出することで初期位置設定を行い、これをもとに計算アルゴリズム(Iterative Closest Point)で健側と位置合わせする過程をプログラミング言語Pythonにより作成し簡便に使用できるようにした。2関節内骨折、骨幹端近傍の粉砕骨折の3次元治療計画の確立:骨幹部骨折は両端が一定量残っている骨折の治療シミュレーションであったが、関節内骨折や近傍骨折は骨片1つ1つが小さいため位置合わせが不可能であった。これに対しては同AVIZOを用いて骨片の点データを抽出し、点を健側骨の面データに一致させることで位置合わせが可能となった。3上肢関節運動の3次元計測手法の確立:下肢の骨折治療後のインプラントの安定性確立は主に荷重時にインプラントが受ける応力を解析するものだったが、肘周囲や肩関節周囲は動きの中での骨片・インプラント間のストレスを解析する事が重要であると考えられた。そのため慶應義塾大学病院内の4DCTを用いて健常人の肩関節・手関節の詳細な関節運動を測定し、この運動を骨折固定シミュレーションに導入することでより妥当性の高い固定性評価が行えると考えられた。そのため肩関節、肘関節、手関節を対称とし、4DCTを用いて健常人の関節運動を詳細に計測する手法を確立させた。当初の予定では初年度には表面形状解析からの三次元術前計画の確立と屍体実験からの安定性をもとにしたシミュレーションソフトの解析を行う予定であった。実際は表面形状から骨折シミュレーションを行うプロセスはほぼ完成し、単純な骨幹部骨折であれば画像データからデータ処理までを約1時間程度で終了できるようになった。また、当初は困難と考えられていた関節部分や骨端部の骨折であっても計算手法を変更することにより実現可能となった。一方骨折強度に関するシミュレーションソフトでは現在使用している3D-FEM(ラトック社)では荷重ストレス負荷は可能であるが、上肢帯のように動きの大きい骨モデルの解析は困難であった。この問題を克服すべく、慶應義塾大学病院内にある4DCTを用いて健常者の上肢運動撮影することで、漸時的な骨形状の変位を求めることができ、これをシミュレーションソフトに入力する事で骨折固定の不安定性を予測できると考えた。今後下肢骨折に関しては荷重シミュレーションを行い、上肢骨折モデルのシミュレーションは4DCTから得られた変位を入力することでより生理的な負荷下でのシミュレーションが可能となると考えられる。

次に手術後の整復画像を用いた固定性評価のシミュレーションを有限要素法を用いて解析することを目的として研究を行った。対象としては上肢骨折の術後インプラント固定によるシミュレーションを選択した。下肢の骨折整復モデルでは単純な荷重に対する有限要素を行うが、我々は上肢の運動中の正確なシミュレーションをおこなうため、4DCTから得られた偏位をセグメントの節点集合に入力して自動運動を再現することにより、上肢運動中の骨折整復部、インプラントにかかる負荷を計算する手法を確立した。今後は上記有限要素手法を用いて実患者での骨折治療のシミュレーションを行い、術後のインプラント固定強度との整合性を評価することが課題である。実臨床における上腕骨近位端骨折と大腿骨転子部骨折の患者患者のCTデータを蓄積し、それらを骨折型の三次元解析を行う事で、骨折転位方向をパターン化する事ができる。この転位方向を実際の骨接合手術を行ったモデルの有限要素解析に入力することにより、インプラントと各骨片にかかる応力を計算することができ、固定の不足している部分が推定できる。術後可動域訓練、荷重訓練を行った後に骨折転位をCT画像から再計算し、そのシミュレーション結果と照合することで妥当性を知ることができる。また、単純骨折に対しても同シミュレーションを行い、こちらは新鮮凍結屍体からの骨を用いて骨折モデルを作成しインプラントで固定したのち、力学的負荷試験を行い、有限要素法解析の結果と照合することでその妥当性とインプラント固定の問題点を抽出する事ができる。シミュレーションソフトとしては3D-FEM(ラトック社)の使用を考えていたが、4DCTデータの入力などをスクリプト処理から行うことが困難であり、汎用性が高く4DCTなど動作解析から求められた変位データを入力しやすいABAQUS(Simulia)を使用する予定である。また、実臨床データの入手の点において、大学病院では新鮮骨折患者の手術数が限られており、画像データの入手がやや困難であったが、研究代表者が2018年4月より三次救急病院である済生会宇都宮病院に異動したため、より多くの転子部骨折・上腕骨頚部骨折の画像データを入手可能であり、3Dプリンターも同施設に配置予定のため、実患者の治療直前のシミュレーションを行っていく予定である。初年度ではシミュレーション手法の確立を中心に研究を行ったため、屍体実験などで使用される実験器具や消耗品の使用が少なかった事が理由として考えられる。次年度使用額は英文校正費用などに使用する予定。
オンライン超音波3次元ボリューム可視化のシステムの研究

本研究は、3次元ボリュームレンダリング技術と超音波断層映像装置を結合して動きのある臓器の動特性を可視化し、診断に役立てることを目的とした。ボリュームレンダリングそのものは従来から研究されているが、診断装置とオンラインとなった環境で可視化を行うという例は見当たらず、本研究の特色といえる。超音波診断装置から遂次送られる断層データはMRIなどと比較すると幾何学的制度も低く、雑音も多い反面実時間で映像が得られる特徴がある。本研究では、その特徴を踏まえて、オンライン処理を行うことで計測とほぼ同時に動きのあるボリューム画像を再生する実験システムの構築を行った。また、リアルタイムシステムを構築する場合に必要となる並列ボリュームレンダリングのアルゴリズム開発を行った。平成9年度は、超音波診断装置による3次元画像計測時間と同程度で可視化処理を行うための基本レンダリングアルゴリズムの開発及びそのプログラム化を中心に実施した。従来型のボリュームレンダリングは、MRIやX線CTのような直交座標系で表現されたボリュームデータを前提に作られているが、超音波映像装置が出力する画像は極座標あるいは円筒座標系であり、それに適したリアルタイムレンダリングアルゴリズムの開発が必要であった。また、超音波断層装置では、データがスライス単位で逐次入手でき、従来型の一括レンダリングだけでなく、逐次型のレンダリングアルゴリズムによって計測途中の診断も可能となることが明らかになった。以上、平成9年度の研究実績を要約すると以下のようになる。1.リアルタイム超音波診断装置から出力されるデータを漸進的に可視化するボリュームレンダリングアルゴリズムの開発。2.実際に計測された超音波断層画像に上記アルゴリズムを適用した結果、計測時間と同程度の時間で画像化可能であることが示された。3.より高速な実時間ボリュームレンダリングアルゴリズムとしてテクスチャマッピングによるアルゴリズムを開発し、汎用PC上で実時間レンダリングが可能となることが示された。本研究は3次元ボリュームレンダリング技術と超音波断層映像装置を結合して動きのある臓器の動特性を可視化し、診断に役立てることを目的とした。ボリュームレンダリングそのものは従来から研究されているが、診断装置とオンラインとなった環境で可視化を行なうという例は見当たらず、本研究の特色と言える。超音波診断装置から逐次送られる断層データはMRIなどと比較すると幾何学的精度も低く、雑音も多い反面実時間で映像が得られる特徴がある。本研究ではその特徴を踏まえて、オンライン処理を行なうことで計測とほぼ同時に動きのあるボリューム画像を再生する実験システムの構築を行った。