hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
実形状肺内気流の計算力学解析に基づくCOPDの新しい診断・治療支援システムの構築

呼吸器疾患は流体力学との関連が非常に高く,数値流体解析をその診断・治療支援のために臨床現場で導入することができれば,より定量的な医療の実現が可能になると考えられる.数値解析を臨床応用する上で,解析結果を迅速に取得できる必要があるが,スーパーコンピュータを用いた高速並列計算は,コスト・設置面積の観点から不適切である.そこで,小型で安価ながら高い演算性能を持つGPU計算による高速肺内気流計算手法を提案する.数値解析手法には格子ボルツマン法(LBM)を用いる.LBMの最大の特長は全計算を陽的に行える点であり,GPU計算との相性が良い.さらに,従来の半陰解法による数値計算手法で肺気道のような複雑な管路内流れを計算する場合,圧力分布を解くためのポアソン方程式の収束性が問題となるが,LBMでその心配はない.GPU計算において性能はメモリアクセス方法によって大きく左右され,従来,複雑形状の計算ではGPUの充分な性能を発揮することができなかった.そこで,新しく複雑形状のGPU計算に適した計算格子の提案を行い,肺内気流の高速解析を実現した.例えば,最大13世代気道まである実形状3次元肺気道モデルの吸気1秒間の流れは,コスト・設置面積の点から臨床現場でも導入可能な合計8台の計算機で構成されるGPUクラスタを用いて1時間前後で解析することができた.本解析手法は,移流拡散解析,ラグランジュ的粒子追跡などの解析手法と組み合わせることにより,様々な呼吸現象の解析が可能である.そこで,開発した解析手法をCOPDの治療等に用いられる吸入型薬剤の効果的な利用法の解明のために利用し,結果,気道壁に吸着した薬剤量と薬剤粒子径・吸入流速・吸入時姿勢との詳細な関係を明らかにするに至った.これまで,呼吸の数値シミュレーションは,肺気道が複雑形状であるため,Weibelモデルに代表される理想気道モデルを用いた解析が多く行われてきた.そこで,CT画像から抽出した実形状気道モデルを用いて呼吸解析を行い,呼吸解析における実形状モデルの利用の有用性について示した.1.肺気道実形状モデルを用いる有用性理想気道モデルは気道を直円管で仮定しているため,過去の多くの気流解析では,比較的単純な流れが観察される.しかしながら,実際の肺気道の断面は真円ではなく,さらに曲率を持つ管であるため,肺内気流の複雑な様子を解析することができた.2.呼気と吸気の圧力損失の評価気管での流量Q_Tと,境界条件として与えた気管と末梢気道との圧力差|ΔP|との関係を解析した.この結果,Q_Tが呼気と吸気で等しいとき,|ΔP|は吸気よりも呼気で大きくなることがわかった.一般に,管内流れにおける流入口と流出口の圧力差ΔPは,圧力損失(形状損失+摩擦損失)ΔP_Vと流入口と流出口の動圧の差ΔP_Kの和となる.そこで,流体解析結果からQ_TとΔP_Vの関係を解析した.解析結果から呼気と吸気でQ_Tが等しいとき,ΔP_Vもほぼ等しくなることがわかった.このことより,呼気と吸気でQ_Tが等しいとき,圧力差ΔPに違いが発生するのはΔP_Kの影響であることが示された.流入口と流出口の間の動圧ΔP_Kは,その断面積の差により生じ,今回のモデルにおいて気管断面積は2.46[cm^3],全末梢気道断面積の総和は7.05[cm^3]であった。呼気と吸気では全く異なる流れ構造を形成するにも関わらず,ΔP_Vがほぼ等しくなる点に関して,今後,詳細な解析を進めていく.現在の医用画像を用いた診断は、病巣の形態を解析する方法が一般的であるが,より正確かつ定量的に診断を行うためには,病巣の力学的な特徴を詳細に解析する必要がある.このことを研究目的とし,特に肺内気流を対象とした高精度かつ高速に解析できる数値流体解析ソルバの開発を行っており,本年度は大きくわけて以下の2つの成果を得た.1.半年間のイギリス留学現在所属している研究室では,主に血流に関する研究を行っており気流解析に関するノウハウは少なく,より肺内気流に関する知識を深めるため,呼吸解析の権威である英国Imperial CollegeのSchroter教授およびDoorly教授のもとで半年間の研究を行った.現地では主に鼻腔内気流の解析に携わり,前年度までに開発してきた流体解析ソルバの有効性を検証した.また,海外の研究機関での活動は,世界的な人脈を形成するとともに,今後世界を相手にした研究を行うためのグローバルな視野を身につけることのできる経験となった.2.カットセル法の開発本研究では,臨床応用を目指して誰でも容易に使える数値流体解析ソルバの開発も目的としている.そのため,肺内気流を解析するための計算格子には,格子生成を容易に行える直交格子を利用してきたが,直交格子は流路の壁面形状を正確に表現できない欠点がある.そこで,この欠点を克服するため,直交格子でも適切に壁面形状を表現できるCut-cell法の導入を行った.特に,現在計算手法とて利用しているIDO法は微係数も変数として扱う特微があり,この特徴を活かしたCut-cell法を開発した.検証実験として円柱周りの流れを解析し,Cut-cell法を導入することにより過去の研究で得られた同条件での解析結果(円柱の揚力係数・抗力係数)と良い一致が得られるようになった.

このことから,新たに開発したCut-cell法の有効性を示すことができ,今後の呼吸解析を行う上で,より信頼性の高い結果を得られることを示した.呼吸器疾患は流体力学との関連が非常に高く,数値流体解析をその診断・治療支援のために臨床現場で導入することができれば,より定量的な医療の実現が可能になると考えられる.数値解析を臨床応用する上で,解析結果を迅速に取得できる必要があるが,スーパーコンピュータを用いた高速並列計算は,コスト・設置面積の観点から不適切である.そこで,小型で安価ながら高い演算性能を持つGPU計算による高速肺内気流計算手法を提案する.数値解析手法には格子ボルツマン法(LBM)を用いる.LBMの最大の特長は全計算を陽的に行える点であり,GPU計算との相性が良い.さらに,従来の半陰解法による数値計算手法で肺気道のような複雑な管路内流れを計算する場合,圧力分布を解くためのポアソン方程式の収束性が問題となるが,LBMでその心配はない.GPU計算において性能はメモリアクセス方法によって大きく左右され,従来,複雑形状の計算ではGPUの充分な性能を発揮することができなかった.そこで,新しく複雑形状のGPU計算に適した計算格子の提案を行い,肺内気流の高速解析を実現した.例えば,最大13世代気道まである実形状3次元肺気道モデルの吸気1秒間の流れは,コスト・設置面積の点から臨床現場でも導入可能な合計8台の計算機で構成されるGPUクラスタを用いて1時間前後で解析することができた.本解析手法は,移流拡散解析,ラグランジュ的粒子追跡などの解析手法と組み合わせることにより,様々な呼吸現象の解析が可能である.そこで,開発した解析手法をCOPDの治療等に用いられる吸入型薬剤の効果的な利用法の解明のために利用し,結果,気道壁に吸着した薬剤量と薬剤粒子径・吸入流速・吸入時姿勢との詳細な関係を明らかにするに至った.
多成分ボース・アインシュタイン凝縮体の非平衡ダイナミクス

本研究では、多成分量子凝縮体を非平衡系として捉え、そこに現れる非平衡構造の時間発展とゆらぎ、秩序形成について、理論と実験の密接な協力体制で研究を進めた。また、領域内の他の研究班とも連携し、多成分ボース・アインシュタイン凝縮体に現れる普遍的な現象の解明を目指した。本研究により実現した連携は非常に有意義であり、磁気双極子相互作用による空間構造形成、混和性が非平衡ダイナミクスに与える影響、混合スピノールBEC系の新奇な振る舞い、マグノン励起、スピン軌道相互作用、超流動体における層流-渦糸乱流転移の非平衡臨界現象等多くの成果を得ることができた。学習院大学の実験グループでは、非平衡現象を研究する際に重要となる磁場の制御や、勾配磁場中のスピンテクスチャのダイナミクス観測などの成果が得られた。磁場の制御については、BECをトラップした場所の磁場を、BEC自身をプローブとして用いて精密に測定する技術を開発した。この測定技術は、BECにスピンエコーの技術を応用したもので、DC的な磁場変動の影響を打ち消しつつ、交流的な応答特性を制御できるという特徴がある。達成した磁場感度は、100μmの空間分解能に対して12pT/√Hzであり、原子スピンの射影に伴うショット雑音限界に近い値であった。この交流磁力計を用い、交流磁場ノイズと逆位相の磁場を人為的に印加することにより、磁場ノイズを1nTオーダーまで低減することに成功した。学習院大学の理論グループでは、非平衡系における諸分野の課題・問題点の情報収集を行い、液晶で実現されているDirected Percolationの実験は冷却原子気体の系においても実現する可能性があることに注目し、研究を進めた電気通信大学の理論グループでは、今後の研究に使用する多成分グロス・ピタエフスキー方程式を3次元空間で高速に解くプログラムを開発した。それに加えて引力相互作用する原子のBECの量子トンネリングによる崩壊率を計算した。この系はある臨界原子数以下の場合は準安定であり、臨界原子数を超えると自らの引力に耐え切れずに崩壊することが知られている。崩壊に関する平均場理論を用いた研究は数多く存在するが、平均場近似では量子トンネル効果による崩壊は記述できない。そこで、本研究では直接量子多体計算を行い、量子トンネル効果によるBECの崩壊を初めて直接的に示すことに成功した。本研究は崩壊のダイナミクスを量子多体計算によって示した最初の結果であり、その手法は今後、非平衡量子揺らぎの研究に応用できる可能性がある。学習院大学の実験グループでは、光トラップ中のスピン自由度を持った87Rbボース・アインシュタイン凝縮体(BEC)を用いて、スピノールBECの磁気双極子相互作用による空間構造形成に関する研究、2成分BECの自発的な空間構造形成と流動性に関する実験等を行った。磁気双極子相互作用に関する研究では、BECのスピン自由度と高い空間コヒーレンスを巧みに利用し、BECスピンの空間構造形成を観測することに成功した。また、2成分BECの非混和性により形成される自発的な空間構造形成が2成分BECの流動性にどのような影響をもたらすのかを実験と理論シミュレーションから明らかにした。学習院大学理論グループでは、量子流体の層流ー渦糸乱流転移について、研究班をまたいだ共同研究を行い、転移の独立した臨界指数3つを全て得ることに成功した。そして、その臨界指数からこの非平衡相転移が異方的浸透現象(DP)クラスに属することを明らかにした。電気通信大学の理論グループでは、スピノールBECに関する研究、量子渦生成に関する研究、およびリングトラップ中のスピノールBECに関する研究を行った。スピノールBECに関する研究では、量子渦対が磁性相間の界面を通過するようなダイナミクスを研究し、通過後に様々なスピン渦対が生成されることが明らかになった。量子渦生成に関する研究では、速度を徐々に上げていった時に量子渦が生成する速度と、速度を徐々に下げていった時に量子渦生成が止まる速度が異なることを示し、ヒステリシスが存在することを明らかにした。リングトラップ中のスピノールBECに関する研究では、スピンテクスチャー状態を示すGross-Pitaevskii方程式の準安定な解析解を見出し、Nambu-Goldstoneモードとの関連を明らかにした。混和性の違いが平衡から遠く離れた多成分BECのダイナミクスにどのような影響をもたらすのかを明らかにすることを目的とした研究を行い、混ざり合うBEC間の反発やドメイン形成、混和性に敏感な混ざり合わないBEC間の通過など、一見直観に反する多様な振る舞いの観測に成功した。また、混ざり合わないBECにおける相分離ダイナミクスと外場による原子の内部状態遷移を利用することにより、混ざり合うBECの空間構造を制御することに成功した。更に、本手法を利用し、空間的な非平衡ダイナミクスを誘起し、振動的に変化する多様な空間パターンの観測に成功した。電通大理論グループでは、スピノールBECのマグノン励起に関する研究および量子流体に関する研究を行った。強磁性相互作用するスピン1のBECにおけるマグノン励起について、磁気双極子相互作用の効果を取り入れた平均場方程式を数値的に解くことにより、実験で測定された分散関係のずれが確かにルビジウム原子間の磁気双極子相互作用によるものであることを定量的に確かめ、もし磁気双極子相互作用のような長距離相互作用がない場合には、マグノンの励起エネルギーに上限が存在することを解析的方法で厳密に証明した。

また、超流動体中で泳ぐことができるかを、平均場近似の範囲内で数値的に研究し、泳者が量子渦を発生する場合、しない場合ともに自己推進が可能であることが示された。学習院大学理論グループでは、超流動体における層流-渦糸乱流転移の非平衡臨界現象の詳細な研究を行い、転移点よりも下で、ランダムな揺動による効果を受けて渦の生成が起こっていること、それらの統計性はボルツマン分布と一致することから、熱的効果が入っていることを示し、さらに、DP普遍クラスが明確に現れる領域での渦の統計性を見ると、べき的な振る舞いをしており、それが何らかのスケール普遍性を持った状態であることを明らかにした。本研究の目的は、多成分量子凝縮体を非平衡系として捉え、そこに現れる非平衡構造(密度分布、スピンテクスチャー)の時間発展とゆらぎを実時間で観測し、秩序形成についての物理的理解を深めることである。理論と実験の密接な協力体制で研究を進め、領域内の他の研究班とも連携することで普遍的な現象の解明を目指して研究を実施した。研究はおおむね順調に進展し、学習院大学と電気通信大学の実験・理論グループの共同で研究を行い、多成分ボース・アインシュタイン凝縮体(BEC)の混和性が流れや空間構造形成のような非平衡ダイナミクスにどのような影響を与えるのかを明らかにすることができた。パターン形成に代表される空間的な非平衡ダイナミクスについても、混ざり合うBECの空間構造を制御することに初めて成功し、空間的な非平衡ダイナミクスを誘起し、振動的に変化する多様な空間パターンの観測することができた。そして、理論シミュレーションとの比較から、振動のダイナミクスが系の全エネルギーと密に関連することを明らかにした。平成27年度の交付申請書に記載した光双極子力トラップの形状の改良についても、光トラップ用のビームを新たに導入し、実験装置の改良について進展があった。また、電気通信大学と学習院大学の理論グループでは、スピノールBECのマグノン励起に関する研究、超流動体における層流-渦糸乱流転移の非平衡臨界現象に関する研究等も行い、これらも順調に進展した。マグノン励起については、磁場の向きを変えるだけで、ずれの符号が逆転することを理論的に示した。マグノンの励起エネルギーに上限が存在することを解析的方法で厳密に証明した結果は、フェルミ粒子系や格子系にも応用できるものであり、量子多体計算などによる補正に対して、厳密な指針を与えることができる。学習院大学実験グループでは、理論グループと共同で研究を行い、スピン1とスピン2の混合スピノールBEC系については、2つのスピンの相対的な角度や方向を制御する方法を提案・実証した。スピン2BECを用いた実験では、磁気副準位がmF=0のみを占有する状態を準備し、その後のスピノールダイナミクスを観測したところ、100ms程度の時間スケールで、強磁性スピンの基底状態へと時間発展することを見出した。また、2次元的に広がりを持った形状のBECの実現に向けて、光トラップ装置の改良を行った。電通大理論グループでは、スピン1のBECにRashba型のスピン軌道相互作用と磁気双極子相互作用を入れて葉巻型のトラップでの基底状態を調べ、スピン渦のらせん構造など新奇な基底状態を見出し、基底状態の相図を明らかにした。
18F-フルオロチミジン(FLT)-を用いたPEによる頭頸部悪性腫瘍の予後予測

機能を温存し根治性を持つ悪性腫瘍への放射線療法で、必要かつ十分な治療効果を得るためには、効果や予後の予測は重要で、侵襲性の高い治療を避けられることが期待される。形態上の変化は一般的にある程度の時間経過で出現するため、PETなどの機能画像による評価が期待される。F-18-フルオロデオキシグルコース(FLT)よりも、腫瘍細胞の増殖能を反映するF-18-フルオロチミジン(FDG)を応用し、予後の予測が可能かどうか検討した。根治目的の放射線療法(一部化学療法併用)予定の頭頚部癌患者8名に治療前にFLTとFDG-PET計16検査を施行した。うち1名ではFDG-PETで多発性転移を認め対象から除外された。7例に治療4週後にもFLTとFDG-PET計14検査を実施した。病変への集積度を最大Standardized Uptake Value(SUV)、SUV低下率%decSUVを測定、臨床経過と比較した。7例8病変を対象としたが、1例は経過観察期間が短く検討対象から除外した。SUVはFDGで11.7±9.7(3.1-30.2)から治療4週間後に6.0±3.7(2.9-12.2)、FLTでは4.6±1.6(2.4-6.7)から2.2±0.6(1.6-3.1)に低下し、FDGとFLT-PETの平均%decSUVは各々27%、42%でFLT-PETの方が治療により大きく低下した。FDG-PETで治療前SUV>17を呈した2病変では治療後SUV>9.2を呈した。経過観察期間中に全例で局所再発は認めないが、FDG-PETで3病変、FLT-PETで1病変にて治療後にSUVは上昇した。%decSUV-FDG>0.59、%decSUV-FLT>0.57あるいはFLTで治療後SUV<1.7への低下例では再発を認めない。FLT-PETは放射線療法の予後に関連する可能性があると考えられる。頭頚部腫瘍などの悪性腫瘍は切除困難であることもあり、治療効果を保ちながらの機能温存に放射線療法が期待される。治療効果判定のために従来からのMRIやCTの形態画像より、機能画像として期待されるポジトロン放出断層画像(PET)のうちF18-フルオロデオキシグルコース(FDG)とF18-フルオロチミジン(FLT)を比較した。複数存在するF18-フルオロチミジンの合成方法は、先に合成収率が最も高く安定的に合成できることが確認されているMartinらの方法を引き続き採用した。頭頚部腫瘍などの悪性腫瘍患者での放射線治療前と治療後に、FDG,FLTの両方のトレーサを用いたPETを行い、放射線治療の前後で視覚的評価やStandardized uptake value(SUV)の変化等にて検討を行った。FDG-PETで腫瘍への集積が治療前に比し放射線療法後では増加や集積範囲が拡大したのに対し、FLT-PETでは集積度が治療後に低下するという乖離が認められた症例を経験した。FDGは炎症細胞にも集積することが知られており、FDG-PETでの集積度は必ずしも腫瘍の活動性のみを反映せず、放射線による腫瘍内の炎症により修飾されている可能性があると考えられた。

これに対し細胞増殖を画像化できるPET薬剤であるFLT-PETで治療に伴い、集積が低下していることは、より鋭敏に抗腫瘍効果を反映し治療効果の判定のためのPETトレーサとして期待される知見を得た。ただし、治療後の経過観察期間が短い例が多く、真の有用性や増殖能と予後の関連を論ずるには尚早と考えられる。今後症例数を増やし、臨床上の腫瘍制御率と合わせて検討していく必要がある。また、放射線照射野内に骨髄が含まれた例で、FDGに比しFLT集積が顕著に低下した症例を認め、FLTの方が鋭敏に骨髄の増殖能低下を反映すると考えられたのも、重要な知見である。悪性腫瘍への放射線療法で機能温存し根治性を保つ為、必要かつ十分な治療効果を得るためには、効果や予後の予測は重要で、侵襲性の高い治療を避けられることが期待される。形態上の変化は一般的にある程度の時間経過で出現する為、PETなどの機能画像による評価が期待される。F-18-フルオロデオキシグルコース(FLT)よりも、腫瘍細胞の増殖能を反映するF-18-フルオロチミジン(FDG)を応用し、予後の予測が可能かどうか検討した。根治目的の放射線療法(一部化学療法併用)予定の頭頚部癌患者8名に治療前にFLTとFDG-PET計16検査を施行した。うち1名ではFDG-PETで多発性転移を認め対象から除外された。7例に治療4週後にもFLTとFDG-PET計14検査を実施した。病変への集積度を最大Standardized Uptake Value(SUV)、SUV低下率%decSUVを測定、臨床経過と比較した。7例8病変を対象としたが、1例は経過観察期間が短く検討対象から除外した。SUVはFDGで11.7±9.7(3.1-30.2)から治療4週間後に6.0±3.7(2.9-12.2)、FLTでは4.6±1.6(2.4-6.7)から2.2±0.6(1.6-3.1)に低下し、FDGとFLT-PETの平均%decSUVは各々27%、42%でFLT-PETの方が治療により大きく低下した。FDG-PETで治療前SUV>17を呈した2病変では治療後SUV>9.2を呈した。経過観察期間中に全例で局所再発は認めないが、FDG-PETで3病変、FLT-PETで1病変にて治療後にSUVは上昇した。%decSUV-FDG>0.59、%decSUV-FLT>0.57あるいはFLTで治療後SUV<1.7への低下例では再発を認めない。FLT-PETは放射線療法の予後に関連する可能性があると考えられる。
水素吸蔵合金アクチュエータを利用した関節可動域訓練システムに関する生体工学的研究

高齢化が急速に進んでいる国内のみならず,欧米やアジア諸国などでもQOL(Quality of Life)の維持とその向上を目的とする健康・福祉技術に対する人々の関心は年々高まっている.本研究課題では,脳卒中や転倒による骨折から加齢等による運動機能低下,いわゆる廃用症候群から関節運動障害を抱えてしまう人たちのホームヘルスケアのための関節可動域訓練システムの開発を目指し,生体工学的な基礎研究によるリハビリ運動や転倒予防の指標探索,および水素吸蔵合金を利用した生体適合性の高いソフトアクチュエータシステムの応用研究を医工連携で横断的に行った.高齢者を突然襲う脳血管障害,交通事故等による骨折,健康増進でのスポーツ活動等で関節運動障害を抱えてしまう人たちが増えている現代社会では,いつでもどこでも患者自身が手軽に医師や理学・作業療法士の指導のもとで客観的なEBM(Evidence-BasedMedicine)の運動機能治療を行えるポータブルな関節可動域訓練システムに対する期待は大きい.しかし,現状では,単純な機構の可動域訓練装置はいくつか存在するが,ヒトの関節でみられる柔らかな動きや身体への装着性を十分に考慮した生体適合性に優れるデバイスは残念ながらない.そこで,私たちは生活環境や生体機能との調和を考慮した新しい関節可動域訓練システムを実現するために,ロボット等の機械とは異なるヒト特有の関節運動に伴う冗長性・柔軟性・可塑性などを生体工学や臨床運動学の立場から多角的に調べ,そこで得られた知見に基づき運動リハビリ向けのアクチュエータを水素吸蔵合金などの新素材を利用して設計し,次世代の関節リハビリの在り方について学際的な医工連携の研究体制のなかで探る総合的な生体工学研究を行う.高齢化が急速に進んでいる国内のみならず,欧米やアジア諸国などでもQOL(Quality of Life)の維持とその向上を目的とする健康・福祉技術に対する人々の関心は年々高まっている.本研究課題では,脳卒中や転倒による骨折から加齢等による運動機能低下,いわゆる廃用症候群から関節運動障害を抱えてしまう人たちのホームヘルスケアのための関節可動域訓練システムの開発を目指し,生体工学的な基礎研究によるリハビリ運動や転倒予防の指標探索,および水素吸蔵合金を利用した生体適合性の高いソフトアクチュエータシステムの応用研究を医工連携で横断的に行った.本年度は,本課題の初年度であるため,水素吸蔵合金(MH合金)を利用した新しいコンセプトの関節リハビリ機器の設計基盤となる基礎データを得ることを目的として,ヒトの上肢や下肢の可動範囲や機能計測を中心とした生体工学的な基礎研究から開始した.また,関節リハビリ機器に欠かせないソフトアクチュエータの動力源として利用予定の水素吸蔵合金(MH合金)の改良に関する予備調査も併せて実施した.具体的には,まず,関節運動リハビリの対象となるユーザの上肢が取り得る範囲をリーチ可能な手先位置全域にわたって調べた.その結果,肘(屈曲角)や肩(仰角・回旋角)は手先位置の調整によってリハビリのための関節可動域訓練が可能であるが,その他の関節(例えば,手関節)に関しては,冗長性のために何らかの物理的な拘束条件をリハビリ機器に加味する必要のあることがわかった.さらに,下肢に関しては,転倒などによる骨折で関節リハビリが必要となることの多い高齢者ユーザの転倒リスクを簡便かつ安全に評価する生体計測に基づく研究に着手した.膝間力と足指力およびバランスに関連する重心動揺量について計測し,ヒューマンモデルの基礎データとした.その他では,新しい組成による関節リハビリ向けのMH合金の実現性を探る物性科学的な調査・検討を行い,従来のMH合金に比べて加熱冷却系がシンプルなアクチュエータを構成できる常温負圧型MH合金の試作に取り組んだ.また,MH合金を利用したアクチュエータの関節リハビリ機器以外の応用も視野に入れて,ヒトの移乗動作をサポートする車いす向けのシンプルな座面位置調整器に関する研究の一部を行った.これらは,ヒトの身体運動機能や心理的側面の双方に関する親和性を熟慮した,実質的に人間中心指向的な関節可動域訓練システムや福祉機器を実現していく上で欠かすことのできない研究の重要な基礎資料となるものである.脳血管障害のみならず,事故による骨折や健康増進でのスポーツ活動等で関節運動障害を抱えてしまう人たちの増加が予測される現代の高齢社会では,いつでもどこでも患者自身が手軽に医師や理学・作業療法士の指導のもとで客観的なエビデンスに基づく運動機能の治療を行えるポータブルな関節可動域訓練システムに対する期待は大きい.また,このようなリハビリシステムの開発は元気で長生きというサクセスフルエイジングにも貢献できる.しかし,残念ながら,単純な機構の可動域訓練装置(CPM機器)はいくつか存在するが,ヒトの関節でみられる独特な柔らかな動きや身体への装着性を十分に考慮した生体適合性に優れる関節運動リハビリ装置はない.そこで,本研究では,昨年度に引き続き,水素吸蔵合金(MH合金)を利用した新しいコンセプトの関節リハビリ機器の設計基盤となる基礎データを得ることを目的として,ヒトの関節運動に関する生体計測と駆動源であるMH合金に関する要素技術開発を進めた.前年度は上肢の関節リハビリに要求される動作範囲を数理的に検討したが,本年度は下肢の関節運動を利用した褥瘡予防などのベッドサイドリハビリのための基礎データを収集した.

その結果,足趾関節の単純な他動運動の繰り返しによって,褥瘡好発部位である外果などで血流量の増加することを定量的に確認し,これより褥瘡や関節拘縮の予防効果の可能性が示唆された.また,新しい関節リハビリ機器のデバイス開発としては,従来のMH合金に比べて加熱冷却系がシンプルなアクチュエータを構成できる常温負圧型MH合金の試作しその評価実験を行った,その結果,柔軟性を備え,かつ無負荷時や自然冷却時において,従来の常温常圧タイプと比べて駆動媒体である水素の吸収が速く行えることがわかった.今後は,これらの成果をもとに,常温負圧タイプのMH合金を力源に利用した関節リハビリ機器の設計とその有効性を検討していく予定である.高齢者を突然襲う脳血管障害,交通事故等による骨折,テニスやスキーなどによるスポーツ障害で関節運動障害を抱えてしまう人たちが増加している現代社会では,いつでもどこでも患者自身が手軽に医師や理学療法士等の指導のもとで,安全かつ効果的な運動器リハビリのできるポータブルな関節機能訓練システムへの期待は大きい.しかし,現状では,電動式モータを利用したタイプはいくつか存在するが,人間に生来備わる柔らかな動きや装着性を十分に考慮した生体適合性に優れる装置は見あたらない.そこで,私たちは生体機能と生活環境を考慮した関節機能訓練システムを実現するために,ヒトの関節運動特性などを生体工学や臨床運動学の立場から調べながら,水素吸蔵合金などの新素材を応用したリハビリ向けの新しいソフトアクチュエータの開発に取り組んでいる.本年度は,昨年度に引き続き,関節リハビリや褥瘡予防の対象となる部位の身体運動効果に関する基礎研究を行った.その結果,自動・他動に拘わらず,足趾関節のゆっくりとした屈曲・伸展の往復運動によって,外果・足首・母趾の付け根の褥瘡好発部位で血流増加が観察された.また,関節拘縮や褥瘡と共に高齢者のQOLへの影響が大きい転倒の定量的リスク評価のための基礎研究も行った.その結果,従来の重心動揺のパラメータ(軌跡長や面積)に比べて,時間成分を考慮した拡散分析(SDA)法に基づくパラメータが転倒リスク推定に有効な指標であることが示唆された.応用研究としては,関節リハビリ向けの小型・軽量・柔軟なデバイスとしてデザインしている水素吸蔵合金アクチュエータの実用性向上を目指す素材に関する調査研究を実施し,食品パッケージ向けのラミネートフィルム材が安価で比較的安定した水素バリア性を具備することを確認した.さらに,これらを利用して足趾関節運動支援システムの簡易試作版を製作した.我が国では世界に類を見ない速さで人口構造の高齢化が進み,QOLの維持のために,健康寿命の延伸が社会的に重視されつつある.そして,脳卒中,加齢や疾病を契機とする廃用症候群,スポーツ活動やリウマチによる関節障害等々,運動器に関わる様々な障害予防が問われている.そのため,在宅や施設などで,いつでもどこでも,安全かつ手軽にリハビリや褥瘡予防を支援する関節可動域訓練システムへの期待は大きい.本背景のもと,前年度に続き,日常の生活環境や身体機能との親和性に配慮した関節可動域訓練システムの設計指針を得るため,高齢者の身体特性や理学療法の徒手動作などを生体計測で多角的に調べる基礎的研究を行った.転倒リスクの高い虚弱高齢者の下肢筋力(足趾力と膝間力)は健康高齢者と比較して有意な低下(約2割)が認められ,理学療法士の徒手訓練時においては,足趾関節の屈伸運動に必要な外力と最大可動域は屈曲と伸展で異なり,個人差も大きい(約2倍)ことがわかった.
公私協働組織のガバナンスに関する公法学的研究

本研究は、公私協働組織のガバナンスについて、公法学の観点から検討を行うものである。これまで、わが国の学説・法制度においては、公私協働のあり方について組織法的な観点からガバナンスの議論は、必ずしも十分には展開されてこなかった。このような問題意識に立脚して、本研究は、公私協働組織(第三セクター、外郭団体等)のガバナンスに関連する日独の法理論・法制度の比較研究を行うとともに、両国の公私協働組織の実態を把握するための現地調査(ヒアリング)を実施し、実証的な視点も取り入れながら、公私協働組織のガバナンスに係る法理論の構築と法制度設計について検討を行うとともに、一定の提言を行うことを目的とする。
高出力テラヘルツ光による高磁場中磁気共鳴励起の X 線円二色法による解析手法の開発

高磁場中でのテラヘルツ領域の磁気共鳴現象の励起過程を高時間分解で計測することは、磁場中の物質の挙動(物性)の基本的特性を解明する上で重要な手法であり、その実現が嘱望されている。このため、本研究では、周波数の安定したテラヘルツ高出力光源-ジャイロトロンにより発生した高出力テラヘルツ光を高磁場中に置かれた試料に照射し、X線円二色法により高時間分解計測を行う装置の開発を行うことを目的とする。以下の項目に従って本研究を実施し、所定の研究計画を完了した。1)平成23年度に福井大学遠赤外領域開発研究センターで整備調整したテラヘルツ光源-Gyrotron FU IIとグルノーブル(フランス)にある欧州放射光施設(ESRF)に設置済みのESR装置を用いて、同施設の放射光リングから供給されるX線を照射することにより、X線円二色法により磁気共鳴の励起過程を高時間分解で計測する装置の動作試験を行い、装置全体の総合評価を行った。2)本装置を実用化し、国内外の物性研究に展開することを検討し、ジャイロトロンの周波数を高め、テラヘルツを超える領域への応用を目指した装置の開発研究の計画を立案し、テラヘルツビームとX線ビームの融合化研究へと発展することを検討した。本研究では、周波数の安定したテラヘルツ光源-ジャイロトロンにより発生した高出力テラヘルツ光を高磁場中に置かれた試料に照射し、X線円二色法により高時間分解計測を行う装置の開発を行うことを目的とする。磁気共鳴現象の励起過程を調べるために必要なテラヘルツ光の出力は、数Wから十数Wが必要であり、周波数の安定度も要求されることから、ジャイロトロンがこの条件を満たす唯一の光源である。X線円二色法との併用により、画期的な分光法の開発を行い、欧州放射光施設(ESRF)との共同研究により、開発した分光法の実用化試験を行うため、前年度に引き続き以下に示す研究を行った。1)福井大学遠赤外領域開発研究センターで整備調整したテラヘルツ光源-Gyrotron FU IIとESR装置をグルノーブル(フランス)にある欧州放射光施設に搬入し、同施設の放射光リングから供給されるX線を照射することにより、X線円二色法により磁気共鳴の励起過程を高時間分解で計測する装置の動作試験を行い、装置全体の総合評価を行った。この研究項目を出原、小川、光藤、Rogalev, Goulonが担当した。2)本装置を実用化し、国内外の物性研究に展開することを検討すると共に、ジャイロトロンの周波数を高め、テラヘルツを超える領域への応用を目指した装置の開発研究の検討を行った。この研究項目を出原、小川、光藤、Goulonが担当した。1) 8テスラ超伝導マグネットと封じきりのジャイロトロン管及び高電圧電源、電子銃の動作をコントロールするための補助コイルからなる既存のGyrotron FU IIを用いて、超伝導マグネットの磁場強度を変化することにより、各々の共振器モードが対応する磁場強度で発振を促し、基本波動作で得られる周波数76GHz (磁場強度2.86T), 107GHz (4.09T), 138GHz (5.25T), 200 GHz( 7.62T)及び2次高調波動作で得られる354GHz (6.84T)での動作を達成した。また、これらの周波数での動作を安定化することを目指し、電子ビームのフィードバック制御を行うことにより、目標値である周波数の安定度10-8、出力の安定度10-3を実現した。2) 17T超伝導マグネットを装備した高周波ESR装置を用いて、ジャイロトロンを光源とするサブテラヘルツ領域の高磁場、高周波数ESR計測に成功した。高出力テラヘルツ光の照射による試料の加熱を抑えるためと磁気共鳴現象の励起過程の進行速度を調整するためジャイロトロン出力のパルス化を試み、周波数一定のもとでのパルス発生を実現するため、YAGレーザーが発生する短パルスと半導体シートを用いて、ジャイロトロン出力をパルスに切り出すことを試み、これに成功した。ジャイロトロンは、CW動作しているため、周波数不変のパルス列発生を達成した。平成23年度研究実施計画の通り、研究が進展している。平成24年度の研究実施計画に沿って、以下のように研究を推進する。

1)整備調整したテラヘルツ光源-Gyrotron FU IIとESR装置をグルノーブル(フランス)にある欧州放射光施設(ESRF)に搬入し、同施設の放射光リングから供給されるX線を照射することにより、X線円二色法により磁気共鳴の励起過程を高時間分解で計測する装置の動作試験を行い、装置全体の総合評価を行う。2)本装置を実用化し、国内外の物性研究に展開することを検討する。ジャイロトロンの周波数を高め、テラヘルツに至る周波数領域への応用を目指した装置の開発研究の検討を行う。上記のように、欧州放射光施設(ESRF)との共同研究を実施するが、このため研究者を同施設に派遣する必要がある。このための旅費、滞在費を必要とする。ジャイロトロンの周波数を高め、高性能化した装置を完成するため、新たな設計に基づくジャイロトロン管の製作が必要である。このための開発費を必要とする。
潜在顧客の感情の推移を考慮した商品推薦提示手法

色彩は人の感情を推定できるという色彩心理学の原理を活用して,購買活動中の潜在顧客の感情の推移を考慮し,その潜在顧客の感情に合った商品提示手法の確立を目指している.実現に向けて,色彩情報から人の感情を推定する手法の確立,人の感情の推移を考慮した商品推薦手法の確立,人の感情の推移に着目した商品提示システムの構築と商品選択効果の検証が必要となる.初年度は,最初の課題である色彩情報から人の感情を推定する手法の確立を目指した.実現にあたり,顧客をとりまく色彩情報をもとに,購買前後の感情をそれぞれ推定し,感情の推移を分析する必要がある.そのためにも,購買前後における感情の推定に必要な色彩情報を検討し,購買行動調査の実施を目指した.感情を推定するための色彩情報として,服装や未来の自分の姿や生活を思い描くために日々収集している画像を活用することとした.購買行動調査では,調査協力者は画像リストの提供,および,服装の撮影を行い,サイバー空間上に表示した商品提示システムを利用して,購買行動を行う.初年度は,調査協力者からこれらの一連のデータを取得した後,商品棚を表示するシステムを開発した.調査対象商品には,デジタルサイネージ自動販売機として馴染みがあり,購買活動に感情が重視されると考えられる飲料を選択した.感情のすり合わせに関する影響も考察できるよう,商品提示方法として,ブランドイメージや消費後の印象など人の感情を反映させたパッケージの生成を試みた.感情を表現する言葉と色彩の関連性を表現する色彩データベースを構築した後,ブランド調査やレビューから抽出した感情を表現する言葉を色彩に変換し,販売パッケージに適用する手法を提案した.大型タッチパネルディスプレイを活用して,既存の販売パッケージと生成した商品パッケージを商品棚に表示した.購買行動調査に向けて,調査対象者をとりまく色彩情報の取得と,人の感情を反映させたパッケージ画像の生成,および,生成したパッケージ画像を商品棚に提示するシステムを開発した.なお,初年度では本システムを利用した調査実施までを予定していたが,研究代表者の所属変更に伴い,視線追跡装置の確保が難しくなり,調査の準備にとどまった.商品の表示における感情を反映させた商品パッケージの生成では,既存の販売パッケージにおいて,消費者の印象からかけ離れた色彩を変換する手法を提案した.そのために,ブランドイメージや味覚印象など,消費者がその商品にいだく印象と,パッケージが与える印象の相違を軽減させることを目指した.印象と色彩を変換するための色彩データベースとして,心理的に色彩経験をとらえる代表色130色と,内面的な性質や状態を表す形容詞や形容動詞3,204語の関連性,および,色と形容詞の関連度を定義した.アンケート調査によるブランドイメージの抽出や,商品レビューから消費者の商品に対する印象の抽出を行った.一方で,既存の商品パッケージからは特徴色を抽出し,色彩データベースを用いて,パッケージが与える印象に変換した.抽出した印象を比較し,最も異なる印象を与える色を,既存の商品パッケージにおける被変換色として選択した.1つの色彩は複数の印象を与えるため,既存の商品パッケージで提供できていた印象や,商品の特性を変化させないような色を,変換色として選択した.4商品に対する96名の消費者による評価では,本手法により生成されたパッケージ画像から得られる印象と,消費者がその商品にいだく印象のギャップを埋めたことを確認した.また,7名のデザイナーによる評価では,本手法により生成されたパッケージ画像はデザインの観点から大きな問題がないだけでなく,新たな色彩の組み合わせによるデザイン支援を提供できることがわかった.早急に開発したシステムを使用し,購買行動調査データを実施する.思考発話法を用いた購買活動と,購買活動後のインタビューに加え,視線追跡装置を用いた商品閲覧状態を収集する.収集したデータを吟味しながら,感情をより表現するための要素を検討し,構築した色彩データベースを拡張することで,1つ目の目的である色彩情報から人の感情を推定するアルゴリズムの確立を目指す.2つの目的である人の感情の推移を考慮した商品推薦手法の確立では,購買行動における人の感情に着目した商品選択特徴の抽出と,人の感情に基づく商品推薦アルゴリズムの検討を行う.1つ目の目的を達成するために確立したアルゴリズムを用いて,購買活動前後における色彩情報から感情をそれぞれ抽出し,購買活動における感情の推移と選択した商品の関連性を検証する.関連性の評価では,購買行動調査で収集した調査データを活用し,従来手法(商品特性や顧客特性からの購買特徴抽出)と比較することによって,感情に着目し抽出した購買特徴の有効性を検証する.その後,抽出した感情と商品選択特性の関連性に基づき,商品推薦アルゴリズムを検討する.アルゴリズムの評価では,従来手法に基づく商品推薦と,提案手法による商品推薦を比較した主観評価実験を実施し,感情に基づく情報推薦に対する有効性を検証する.3つ目の目的である人の感情の推移に着目した商品提示システムの構築と商品選択効果の検証を行うために,人の感情の推移に着目した商品提示システムの構築と,構築したシステムを活用した商品選択の効果を検証する.

そのためにも,購買前の潜在顧客の感情を推定するための色彩情報を自動で取得する仕組みを構築,潜在顧客が直観的に自身の感情をすり合わせられるような商品配置や商品表示方法の検討,商品探索課程におけるユーザの行動や意思決定のゆれを含めた定性的な評価の実施などに取り組む.色彩は人の感情を推定できるという色彩心理学の原理を活用して,購買活動中の潜在顧客の感情の推移を考慮し,その潜在顧客の感情に合った商品提示手法の確立を目指している.実現に向けて,色彩情報から人の感情を推定する手法の確立,人の感情の推移を考慮した商品推薦手法の確立,人の感情の推移に着目した商品提示システムの構築と商品選択効果の検証が必要となる.初年度は,最初の課題である色彩情報から人の感情を推定する手法の確立を目指した.実現にあたり,顧客をとりまく色彩情報をもとに,購買前後の感情をそれぞれ推定し,感情の推移を分析する必要がある.そのためにも,購買前後における感情の推定に必要な色彩情報を検討し,購買行動調査の実施を目指した.感情を推定するための色彩情報として,服装や未来の自分の姿や生活を思い描くために日々収集している画像を活用することとした.購買行動調査では,調査協力者は画像リストの提供,および,服装の撮影を行い,サイバー空間上に表示した商品提示システムを利用して,購買行動を行う.初年度は,調査協力者からこれらの一連のデータを取得した後,商品棚を表示するシステムを開発した.調査対象商品には,デジタルサイネージ自動販売機として馴染みがあり,購買活動に感情が重視されると考えられる飲料を選択した.感情のすり合わせに関する影響も考察できるよう,商品提示方法として,ブランドイメージや消費後の印象など人の感情を反映させたパッケージの生成を試みた.感情を表現する言葉と色彩の関連性を表現する色彩データベースを構築した後,ブランド調査やレビューから抽出した感情を表現する言葉を色彩に変換し,販売パッケージに適用する手法を提案した.大型タッチパネルディスプレイを活用して,既存の販売パッケージと生成した商品パッケージを商品棚に表示した.購買行動調査に向けて,調査対象者をとりまく色彩情報の取得と,人の感情を反映させたパッケージ画像の生成,および,生成したパッケージ画像を商品棚に提示するシステムを開発した.なお,初年度では本システムを利用した調査実施までを予定していたが,研究代表者の所属変更に伴い,視線追跡装置の確保が難しくなり,調査の準備にとどまった.商品の表示における感情を反映させた商品パッケージの生成では,既存の販売パッケージにおいて,消費者の印象からかけ離れた色彩を変換する手法を提案した.そのために,ブランドイメージや味覚印象など,消費者がその商品にいだく印象と,パッケージが与える印象の相違を軽減させることを目指した.印象と色彩を変換するための色彩データベースとして,心理的に色彩経験をとらえる代表色130色と,内面的な性質や状態を表す形容詞や形容動詞3,204語の関連性,および,色と形容詞の関連度を定義した.アンケート調査によるブランドイメージの抽出や,商品レビューから消費者の商品に対する印象の抽出を行った.一方で,既存の商品パッケージからは特徴色を抽出し,色彩データベースを用いて,パッケージが与える印象に変換した.抽出した印象を比較し,最も異なる印象を与える色を,既存の商品パッケージにおける被変換色として選択した.1つの色彩は複数の印象を与えるため,既存の商品パッケージで提供できていた印象や,商品の特性を変化させないような色を,変換色として選択した.4商品に対する96名の消費者による評価では,本手法により生成されたパッケージ画像から得られる印象と,消費者がその商品にいだく印象のギャップを埋めたことを確認した.
メチオニン生合成の鍵酵素遺伝子における翻訳停止とmRNA安定性制御の分子機構

シロイヌナズナのシスタチオニンγ-シンターゼ(CGS)はメチオニン生合成の鍵段階を触媒するが,他の多くの鍵段階の酵素とは異なってアロステリック酵素ではなく,S-アデノシルメチオニン(SAM)をエフェクターとして,CGS mRNAの分解段階でフィードバック制御を受ける.この制御にはCGSの第1エキソン領域にコードされるMTO1領域と名付けた十数アミノ酸からなる領域がシス配列として重要な機能を持つ.また,mRNA分解に際しては,分解中間体として5'末端領域を欠いた短いRNAを生ずる.CGSの制御は翻訳中に起こり,コムギ胚芽抽出液の試験管内翻訳系で再現される.試験管内翻訳系を用いた解析により,mRNA分解に先立ってSAMに応答した翻訳伸長の停止が起こり,これが引き金となってmRNA分解が起こることが示された.翻訳伸長の停止はMT01領域の直後のSer-94で起こり,これに伴ってペプチジル-tRNA(Ser)が蓄積する.翻訳停止領域近傍のアラニン置換により,MT01領域のアミノ酸配列に加えて,Trp-93とSer-94コドンが翻訳停止に重要であることが明らかになった.リボソームで合成された新生ペプチドはリボソームの大サブユニットの中を貫いている出口トンネルを通って外に出る.この出口トンネルは直径15-20Å,長さ約100Åと見積もられており,30-40アミノ酸残基の新生ペプチドが出口トンネル内に存在するとされている.翻訳停止位置(Ser-94)とMT01領域の位置関係から考えると,翻訳を停止したリボソームにおいて,MT01領域の新生ペプチドは出口トンネル内に存在すると考えられる.一方,CGSの制御を遺伝学的に解析するため,シロイヌナズナ変異株の分離と解析を行い,CGS発現の転写後制御に関わると考えられる新規遺伝子を同定した.シロイヌナズナのシスタチオニンγ-シンターゼ(CGS)はメチオニン生合成の鍵段階を触媒するが,他の多くの鍵段階の酵素とは異なってアロステリック酵素ではなく,S-アデノシルメチオニン(SAM)をエフェクターとして,CGS mRNAの分解段階でフィードバック制御を受ける.この制御にはCGSの第1エキソン領域にコードされるMTO1領域と名付けた十数アミノ酸からなる領域がシス配列として重要な機能を持つ.また,mRNA分解に際しては,分解中間体として5'末端領域を欠いた短いRNAを生ずる.CGSの制御は翻訳中に起こり,コムギ胚芽抽出液の試験管内翻訳系で再現される.試験管内翻訳系を用いた解析により,mRNA分解に先立ってSAMに応答した翻訳伸長の停止が起こり,これが引き金となってmRNA分解が起こることが示された.翻訳伸長の停止はMT01領域の直後のSer-94で起こり,これに伴ってペプチジル-tRNA(Ser)が蓄積する.翻訳停止領域近傍のアラニン置換により,MT01領域のアミノ酸配列に加えて,Trp-93とSer-94コドンが翻訳停止に重要であることが明らかになった.リボソームで合成された新生ペプチドはリボソームの大サブユニットの中を貫いている出口トンネルを通って外に出る.この出口トンネルは直径15-20Å,長さ約100Åと見積もられており,30-40アミノ酸残基の新生ペプチドが出口トンネル内に存在するとされている.翻訳停止位置(Ser-94)とMT01領域の位置関係から考えると,翻訳を停止したリボソームにおいて,MT01領域の新生ペプチドは出口トンネル内に存在すると考えられる.一方,CGSの制御を遺伝学的に解析するため,シロイヌナズナ変異株の分離と解析を行い,CGS発現の転写後制御に関わると考えられる新規遺伝子を同定した.シロイヌナズナCGS1遺伝子の第1エキソン領域とルシフェラーゼレポーター遺伝子を読み枠を合わせてつなぎ,SP6ファージプロモーターとポリA配列の間に挿入した融合遺伝子を構築し,キャップアナログ存在下で試験管内転写反応を行ってRNAを調製した.CGS1遺伝子第1エキソン領域内のMTO1領域近傍のコドンを翻訳終止コドンに置き換えたRNAをS-アデノシルメチオニン(AdoMet)存在下で試験管内翻訳させることにより,AdoMetに依存した翻訳の停止位置を同定した.AdoMetに依存した翻訳停止位置よりも下流に終止コドンが存在すればAdoMetに依存した翻訳停止が検出されるが,上流に終止コドンが存在すればAdoMetに依存した翻訳停止は検出されなくなると期待される.その結果,MTO1領域の直ぐ下流の特定コドンで翻訳停止が起きており,その位置はコムギ胚芽抽出液の試験管内翻訳系とウサギ網状赤血球ライセートの試験管内翻訳系で同一であると考えられた.また,CGS1遺伝子第1エキソン領域の5'末端部分に相補的なオリゴヌクレオチドを用いたハイブリッド選択法によりCGS1 mRNA分解中間体の片割れと考えられる5'側断片の解析を行った.期待される位置に3'末端を持つRNA断片がAdoMet添加に依存して検出されたが,エキソヌクレアーゼによる分解を受けたと考えられるバンドも多く検出され,方法論的改良の余地があると判断された.こうした制御に欠損を持つと期待される変異株について詳細なマッピングを進め,原因遺伝子を数Mbの領域にまで狭めた.シロイヌナズナのシスタチオニン

γ-シンターゼ(CGS)遺伝子のmRNAはS-アデノシルメチオニン(SAM)に応答して特異的な翻訳停止が起こり,これが引き金となってmRNAが分解される.CGSはメチオニン生合成の鍵段階を触媒するが,他の多くの鍵段階の酵素とは異なってアロステリック酵素ではなく,SAMによるCGS mRNAの分解でフィードバック制御を受けている.この制御に必要なシス領域内部のCys-Serの2アミノ酸を他のアミノ酸に置換したmRNAを試験管内転写で調製し,コムギ胚芽試験管内翻訳系を用いた解析を行った.野生型配列を持つmRNAの場合には,SAMのアナログであるS-アデノシルエチオニン(SAE)に対してSAMと同程度に応答する.Cys-Serを置換した配列を持つmRNAでは,SAMとSAEに対する応答の程度に違いが見られた.この制御を遺伝学的に解析するため,シロイヌナズナ変異株の分離・解析を行った.CGS第1エキソン領域とレポーター遺伝子を読み枠を合わせてつなぎ,カリフラワーモザイクウイルス35Sプロモーターの制御下に置いた融合遺伝子を導入したシロイヌナズナ株を用いて,レポーター活性を指標としたスクリーニングと得られた変異のマッピングを行った.このうち,cms1-1と名付けた変異株では,レポーター活性が高まると共に,CGS mRNAの半減期が長くなっている.マップベースト・クローニングにより原因遺伝子を同定したところ,MATHドメインを持つタンパク質をコードしていることが明らかになった.高等植物のシスタチオニンγシンターゼ(CGS)は,メチオニン生合成の鍵段階を触媒するが,他の多くの鍵段階の酵素とは異なってアロステリック酵素ではない。シロイヌナズナのCGSをコードするCGS1遺伝子は,S-アデノシルメチオニン(SAM)に応答してmRNAの分解段階でフィードバック制御を受ける。これまで,この制御に必要な因子としては,MTO1領域と名付けたCGS1自身がコードするアミノ酸配列がシス因子として作用することを明らかにしているが,この制御にトランスに作用する因子の研究は進んでいなかった。MTO1領域とレポーター遺伝子をつなぎ,カリフラワーモザイクウイルスの35Sプロモーターの制御下においた遺伝子を持つトランスジェニック・シロイヌナズナを用いたスクリーニングにより,CGS1の発現をトランスに制御すると期待される突然変異株を分離した。昨年度の研究で,cms1(CGS1 mRNA stability)変異の原因遺伝子を同定したのに続き,今年度はcms2変異の原因遺伝子の同定に成功した。興味深いことに,cms2変異株では導入遺伝子のレポーター活性が高まっているが,内在CGS1 mRNAの蓄積量には大きな違いは見られない。一方,メチオニン添加に応答したCGS1 mRNAの分解産物の蓄積量は野生型株に比べて増加していた。もう一株の突然変異株についての解析から,cms2変異のアレルが1株得られ,それぞれcms2-1,cms2-2とした。