hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
層モデルを用いた構成的逆数学の研究

また、それらの条件付き弱いケーニッヒの補題は、制限されたド・モルガンの法則と対応する条件付き可算選言選択公理と論理的に同値であることを明らかにした。平成29年度は、それらの条件付き可算選言選択公理のみに論理的に同値になる弱いケーニッヒの補題の解明を試みた。その結果、いずれの場合もそれぞれの条件付き可算選言選択公理のみに弱いケーニッヒの補題が同値になるための、2分木に対する統一的な条件を解明した。2および3に関しては、引き続き位相空間上および完備ハイティング代数上の層を用いたモデルの調査、および層モデルを構成的(かつ可術的)集合論CZFで展開するための調査を行った。研究目的の1.構成的逆数学における未解決問題の解決と新たな公理の発見では、制限されたド・モルガンの法則を除いた弱いケーニッヒの補題に対する条件が解明され、その条件の下では2進展開定理および中間値の定理に対応する弱いケーニッヒの補題と前年度解明した条件付き可算選言選択公理が同値になることを示した。2.層モデルを用いた公理や定理の体系的な分離手法の構築、および3.分離手法などメタ理論の構成的数学の枠組みでの展開では引き続き調査にとどまった。本研究は、1.構成的逆数学における未解決問題の解決と新たな公理の発見、2.層モデルを用いた公理や定理の体系的な分離手法の構築、3.分離手法などメタ理論の構成的数学の枠組みでの展開を目的とする。これにより、論理的公理・関数の存在公理および新たに発見された公理のなす束構造の解明と解析が大きく進展する。また、本研究では様々な公理を層モデルの性質により特徴づけ解析することにより、研究をより高次な視点から深化させる。メタ理論を構成的数学の枠組みで展開し実証することにより、研究に数学的・技術的な貢献以上の意味・意義を与える。平成30年度は、研究の進展が遅れていた2.に焦点をあて研究をおこなった。クリプキ層モデルを用いて公理や定理の体系的な分離手法の構築を目指した。クリプキ層モデルはフレームと呼ばれる順序構造の上に構築されるが、公理や定理を体系的に分離するためには単に順序構造のみでは不十分であることが分かった。そのため、2つの順序構造とその間の単調写像により構成される、拡張フレームの概念を提案した。拡張フレームを用いることにより、命題論理における様々な公理を体系的に分離できることを、排中律(PEM)、2重否定除去(DNE)、弱い排中律(WPEM)、ド・モルガンの法則(DML)、弱いド・モルガンの法則(WDML)、制限された排中律(RPEM)などを例に示した。また、拡張フレーム上のクリプキ層モデルを用いて、述語論理における様々な公理を分離する手法を開発した。これにより、上記命題論理の公理を含め、命題論理式に存在命題を代入して得られる公理が体系的に分離できることを示した。さらに、その手法を1階算術体系に適用し算術体系においてなどの様々な公理を分離するための体系的な手法を開発した。3.に関連して、上記分離手法のうち述語論理までの部分は1点を除き、構成的集合論の枠組みで展開できることを確認した。研究目的の1.構成的逆数学における未解決問題の解決と新たな公理の発見では、古典的逆数学において2進展開定理や中間値の定理と同様の振る舞いをするBaireのカテゴリー定理に注目し構成的逆数学の視点から解析を行う。2.層モデルを用いた公理や定理の体系的な分離手法の構築では、文献調査にとどまらず具体的なモデルの構成手法を1で明らかになった公理等の分離に実際に適用することによりケーススタディを実施する。
超音波造影剤の脳内スカベンジャー細胞(間藤細胞)に対する影響の研究

超音波法による臨床検査診断法の応用は全身広範囲にわたっており、その臨床的意義の大きさは万人の認めるところである。また、最近では超音波造影剤を用いて心臓内腔、血管内腔、心筋、肝癌などの造影による診断法が発達してきた。また、超音波造影剤の利用は、単に造影剤であるマイクロバブルからの反射エコーを捕らえるのでなく、バブルを超音波により破砕することにより造影効果を得ることも行われている。その一方で、超音波を用いた治療法が古くから行われてきていた。最近では、遺伝子導入にウイルスベクターを用いずに超音波を用いる手法も開発されている。このような現状を見たときに、超音波造影剤の影響を調査することは重要な研究である。今や手放すことができなくなっている超音波造影法を効果的に利用するためにも、造影剤と超音波の生体作用を調べる必要があると考えて、一連の研究を開始した。まず、肝のクッパー細胞への影響を調査する目的で行った実験で、確かにクッパー細胞にある種のバブルが取り込まれることが明らかになった。しかし、肝細胞ならびに肝類洞の内皮細胞などへの影響が起こることも明らかになった。そして、脳内スカベンジャー細胞をターゲットとして調査したところ、同細胞の内部における変化が監察されたことから、今後さらに、超音波造影剤の影響についての見当が必要であると考えられた。平成16年度は、ウイスター系ラット60匹を用いて、市販されている造影剤レボビスト及び第3世代と称される治験用DD723、オプチゾンを鼠径部静脈から注入し、脳内造影の状況を観察した。脳内血流は良好に造影される事が確認できた。静脈内投与の後、直後(5分と30分)、1週間、1ヶ月、3ヶ月、6ヶ月の観察を行なうために、グループ分けを行った。(1)コントロール群、(2)超音波照射のみの群、(3)レボビストのみの群、(4)レボビストと超音波照射群、(5)DD723のみの群、(6)DD723と超音波照射群、(7)オプチゾンと超音波照射群の7群に分け、直後処理群は5分後と30分後とした。それ以後は7日間、1ヶ月、3ヶ月、6ヶ月について処理を行い、資料を採取した。現在直後、1ヶ月のグループの光学、電子顕微鏡の標本を取った。標本の作製にあたり、エーテル麻酔下に開胸し、左室から冷生理食塩水を注入し、血液を排除した後に左室から冷2.5%グルタールアルデヒド、2%パラホルムアルデヒドを注入し、固定した。脳を取り出し細切し、固定液に保存し、標本を作製して光学顕微鏡、電子顕微鏡にて観察した。現時点で、脳内スカベンジャー細胞及び周辺の細胞にはコントロール比較して変化がある事が認められる。詳細はこれから顕微鏡像を分析し、その影響を解説する予定である。17年度に3ヶ月、6ヶ月のラットから標本を取る予定である。同時に肝臓の長期観察も行い、これまでの未解決の問題点も解決したいと考えている。平成17年度は、生後12週のウイスター系レット60匹を用いた超音波造影剤レボビスト、DD723、オプチゾンを鼠径部静脈から注入し,脳内への超音波照射と造影剤の影響を観察するために、静脈内注入後5分、30分、10日間のグループに分けた。コントロール群、超音波照射のみの群、レボビスト注入のみの群、レボビスト注入と超音波照射の群、DD723のみの群、DD723と超音波照射の群、オプチゾンと超音波照射の群について、冷2.5%グルタールアルデヒド、2%パラホルムアルデヒド注入により還流固定し、エーテル麻酔下に開頭し大脳皮質を摘出し細切した。標本は光学顕微鏡、電子顕微鏡によりスカベンジャー細胞の変化を観察した。結果;1)超音波照射のみで5分、30分では黒色顆粒と空胞が少し増加している。また、血管壁とスカベンジャー細胞との間のコラーゲンの変化は透過性の後進を示していると思われた。細管系の変化も見られる。

10日後にも変化は続いていた。細胞質が黒く濃い変化を示しライソゾームノ破壊が見られた。2)DD723のみでは、ライソゾームの浮腫、破壊があり、DD723に超音波照射を行ったものでも同様の変化が認められた。3)レボビストと超音波照射においてもDD723と同様の変化であった。4)オプチゾンと超音波照射ではレボビスト、DD723よりも強度の変化が見られた。脳内の微小血管周囲のマクロフアージであるスカベンジャ細胞は中枢神経系の細動静脈周囲隙(血管を構成する最も外層の血管平滑筋細胞基底膜と星状膠細胞基底膜との間である所謂ウイルヒョウロバン腔)に常在する細胞で、細胞内に大型の顆粒を有している。この細胞は脳浮腫のマーカーとなり、脳微小血管から漏出した液体を速やかに取り込む。超音波造影剤として用いられるマイクロバブルの破壊による影響を調査した結果、各種造影剤と超音波照射による変化が見られた。以上の結果から、超音波造影剤と超音波照射は脳内のスカベンジャー細胞の変化をもたらすことが明らかとなったことから、今後もさらに造影剤の影響に関する研究が必要であるとおもわれた。
力量ある新規フェナントロリン不斉配位子を利用する金属触媒反応の多角的研究

古典的な窒素系二座配位子であり極めて幅広い金属カチオンとの錯形成が可能である1,10-フェナントロリンを母骨格として利用するキラル配位子の創成は不斉合成化学において未開拓であり、申請者らは配位性のフェノール性水酸基を同一分子内に組み込んだ三座キラルフェナントロリン配位子を新たに設計し、各種金属を用いる不斉分子変換反応への適用に取り組んだ。本年度では新たに以下に示す2種類の金属を用いる不斉変換反応に成功した。1、銅触媒を用いるβ-ケトエステル類の不斉ヒドロキシル化およびクロロ化反応昨年度に開発した銅触媒を用いるオキシインドール類の不斉デイビス酸化反応の触媒システムの基質適用範囲の拡充を目指し種々検討したところ、環状β-ケトエステル類のヒドロキシル化反応において、反応が高エナンチオ選択的に進行することを見出した。反応機構の考察の結果、立体選択性の発現は銅エノラート種のプロキラル面選択制御が鍵となっていることが示唆された。この仮説に基づき、本触媒システムを他の求電子剤へと拡大させることに目的にとして種々検討したところ、N-クロロコハク酸イミドを用いるβ-ケトエステル類の高エナンチオ選択的な不斉クロロ化反応を開発することに成功した。2、ニッケル触媒を用いるオキシインドール類の不斉マイケル付加反応1と同様に、銅触媒によるオキシインドール類の不斉分子変換の開拓を目指し、不斉四級炭素中心を与える効果的な反応の一つであるマイケル付加反応を行った。金属スクリーニングにおいて本反応ではニッケル錯体が効果的な触媒であることを見出し、メチルビニルケトンをマイケル受容体とする反応が良好な立体選択性で進行した。古典的な窒素系二座配位子であり幅広い金属イオンとの錯形成が可能である1,10-フェナントロリンを主たる骨格として利用するキラル配位子の創製は不斉合成化学において未開拓であり、我々は配位性のフェノール性水酸基を同一分子内に組み込んだ三座キラルフェナントロリン配位子を新たに設計し各種の金属を持ちいる不斉分子変換反応への適用に取り組んでいる。本年度では以下に示す三種類の金属を用いる不斉変換反応に成功した。1、ロジウム触媒を用いる分子内ヒドロシリル化反応:本配位子から調製したロジウム錯体が、オレフィンの分子内ヒドロシリル化反応を経由するヒドロシラン類の不斉脱対称化に対する効果的な触媒として働くことを見出した。本反応で得られる生成物は、近年注目をあつめつつあるキラルケイ素中心を含む有機ケイ素化合物であり、同化合物の新規構築法を提供することに成功した。2、亜鉛触媒を用いるβケトエステル類の不斉アミノ化反応:本配位子から調製した亜鉛錯体が、βケトエステルとアゾジカルボン酸エステルとを用いる求電子的不斉アミノ化反応に効果的な触媒であることを見出した。3、銅触媒を用いるオキシインドール類の不斉ヒドロキシル化反応:酢酸銅と本配位子から調製した銅錯体が、オキシインドール類の不斉ヒドロキシル化反応に有効であることを見出した。酸化剤としてはN-スルホニルオキサジリジン(Davisオキサジリジン)が効果的であり、良好なエナンチオ選択性で酸化体を与えた。本錯体のエックス線結晶構造解析の結果、銅は予想通りフェナントロリンと三座配位をとっていることを確認した。この単離した錯体を用いて反応を行ったところ、反応系内で調整した銅錯体と同様の活性を示したことから、本錯体が実際に触媒として機能しているものと考えている。キラルフェナントロリン三座配位子の金属触媒反応における多角的な適用への検討を標榜し、本年度はロジウム、亜鉛、銅という族も周期も異なる三種類の金属に着目し各種不斉分子変換反応に対する有効性を実証できた。またこの際、三座配位子であることの触媒活性の発現に対する重要性や配位子内の置換基修飾がエナンチオ選択性にもたらす効果など、設計上の指針に対しても一定の知見が得られ今後の検討へとフィードバックできるものと考えている。2、ニッケル触媒を用いるオキシインドール類の不斉

マイケル付加反応1と同様に、銅触媒によるオキシインドール類の不斉分子変換の開拓を目指し、不斉四級炭素中心を与える効果的な反応の一つであるマイケル付加反応を行った。金属スクリーニングにおいて本反応ではニッケル錯体が効果的な触媒であることを見出し、メチルビニルケトンをマイケル受容体とする反応が良好な立体選択性で進行した。まず本配位子に適用可能な金属触媒の種類を拡充を前年度に引き続き検討していく。これと並行し、前年度に触媒活性の創出に成功したロジウム、亜鉛、銅錯体に関して、これらを用いる新規な不斉分子変換の検討を行っていきたいと考えている。試薬などの必要な物品費が当初の計画と比較し、少額にて購入できたため。次年度、高額となる遷移金属触媒の購入費や、当初の予定されていなかった学会参加のため、本年度分の予算余剰分をこの費用に充当する予定である。
ロイヤル・エピジェネティクス：社会性昆虫の超長寿化の分子基盤

シロアリの王・女王、ミツバチの女王の長寿を可能にする分子基盤について検討し、次の結果を得た。1ヤマトシロアリの全カーストのトランスクリプトーム解析により、カースト・性・年齢特異的に発現する免疫遺伝子、DNA修復遺伝子、エピジェネティック修飾遺伝子を特定した。2シロアリ女王の高い抗酸化能をもたらす抗酸化酵素遺伝子を特定した。3ワーカーの抗酸化物質が尿酸であることを特定した。4シロアリのゲノムインプリンティングによるカースト決定機構を特定した。5ミツバチ女王の長寿が、ヒストン修飾を介したヘテロクロマチン化、および脂肪酸のβ酸化を利用した効率の良いエネルギー代謝と密接に関係することを明らかにした。ヤマトシロアリの齢間、カースト間、雌雄間および有性生殖子と単為生殖子の間で発現の異なる遺伝子を網羅的に探索するため、野外コロニーの生殖中枢のサンプリングと有翅虫のサンプリングを行い、また、室内創設させたコロニーの創設虫とブルードのサンプルを得た。これらのサンプルについてNGS Illumina HiSeq2000を用いてmRNA-seq解析を行った。また、遺伝子型が完全ホモ型となっている二次女王を用いて全ゲノムのドラフト解析をNGS Illumina HiSeq2000を用いて行った。現在ゲノムデータのアセンブル作業を行っている。ヤマトシロアリの単為生殖卵の生産は、女王が卵門の無い卵、つまり精子による授精が不可能な卵を産むことで制御されていることを発見した。ヤマトシロアリの各種カーストの抗酸化能について、近縁種・遠縁種を含む様々な昆虫種間で比較した。生体内で発生する活性酸素除去に直接働く主要な抗酸化酵素、スーパーオキシドディスムターゼ(SOD)、カタラーゼ(CAT)、グルタチオンペルオキシダーゼ(GPX)およびペルオキシレドキシン(PRX)についてその酵素活性を測定することで抗酸化能の評価を行った。ヤマトシロアリから高い抗酸化能を担う物質の存在を見出し、その活性成分が尿酸であることを特定した。ミツバチの寿命の制御機構を解明することを目的として、ロイヤラクチンを摂取させた後のミツバチの染色体の網羅的なメチル化解析およびヒストン修飾解析を行った。現在、メチル化因子と寿命との関係についての解析を行っている。RNA-seqにより、ヤマトシロアリのカースト間、性間および年齢間で有意に発現量の異なる遺伝子を多数明らかにすることが出来た。特に複数の化学受容体遺伝子の発現に顕著なカースト特異性と年齢間差が認められた。シロアリの女王の年齢間で卵門の数が異なることで、老齢の女王は無卵門の卵を産み、それが単為発生することで単為生殖による女王継承が行われていることを明らかにした。この研究はPNASに掲載され、Nature誌でも紹介されるなど、国際的な注目を集めた。長寿命で知られるヤマトシロアリ生殖虫の寿命戦略について抗酸化システムから検討した。まず本種の持つ抗酸化物質について検討したところ、他の短寿命の昆虫種に比べて尿酸含有量が顕著に高く、その尿酸が積極的に長寿命に関与する可能性を示唆するデータを得た。さらにメタボローム解析により、本種が生息すると考えられる低酸素環境では呼吸を抑制することで活性酸素産生を抑制していることが明らかになった。線虫やショウジョウバエなどでは、エピジェネティックなクロマチン修飾を介したヘテロクロマチン化が寿命に影響を及ぼすことが報告されている。本年度新たにミツバチ(女王蜂と働き蜂)のクロマチン修飾の違いを組織化学的に解析できる方法を確立し、この方法を用いて女王蜂と働き蜂におけるクロマチン修飾の違いを解析した。その結果、ヘテロクロマチン化に関与するヒストン修飾の変化が働き蜂に比べ女王蜂で増加していた。これらの結果から、女王蜂では働き蜂に比べクロマチン修飾を介したヘテロクロマチン化が進行し、これが女王蜂の長寿命化に関与している可能性が示唆された。ヤマトシロアリの女王と他のカースト間で酸化ストレスによるタンパク質、DNAおよび脂質の傷害レベルを比較し、女王が他のカーストに比べて生体分子の傷害を受けにくいことを明らかにした。また、抗酸化酵素活性のカースト間比較により、カタラーゼ(CAT)およびスーパーオキシドディスムターゼ(SOD)のうちの一つCu/Zn-SODにおいて、女王が他のカーストより有意に高い活性を示した。このシロアリ女王のカタラーゼ活性は、ショウジョウバエ、カイコガ、オオカマキリ、ムネアカオオアリ、キイロスズメバチなど他の昆虫と比較しても有意に高いことが分かった。さらに、RNA-seqとリアルタイムPCRにより抗酸化酵素遺伝子の発現量比較を行ったところ、カタラーゼ遺伝子とペルオキシレドキシン(PRX)の一つである1cys-PRX遺伝子において女王で有意に高い発現が確認された。シロアリの王・女王の長寿と抗酸化システムが密接につながっていることを示すきわめて重要な結果が得られた。羽化直後の人工飼育の女王蜂と天然の働き蜂におけるクロマチン修飾の違いを解析した結果、ヒストンH3K4のトリメチル化の割合が働き蜂に比べ女王蜂で減少しており、このH3K4のメチル化の減少は、頭部、腹部で見られた。また、ヒストンH3K27のトリメチル化の割合が働き蜂に比べ女王蜂で増加していた。女王蜂では働き蜂に比べクロマチン修飾を介したヘテロクロマチン化が進行し、これが女王蜂の長寿命化に関与している可能性が示唆された。トランスクリプトーム解析の結果、羽化直後の女王蜂と働き蜂の腹部において、H3K4メチル化酵素の遺伝子発現の減少とH3K27脱メチル化酵素の遺伝子発現の減少が見られた。

従って、女王蜂でのヘテロクロマチン化には、ヒストン修飾酵素が関与していることが明らかとなった。シロアリの王・女王の長寿命に生殖虫特異的な抗酸化システムが関与していることを明らかにするなど、当初の目的通りの研究成果が得られつつある。ヤマトシロアリの野外コロニーにおける巣内の酸素濃度・二酸化炭素濃度の測定に成功した。また、RNA-seqおよびリアルタイムPCRにおいてシロアリの女王特異的な発現を示した抗酸化酵素カタラーゼに着目し、女王の組織別に発現解析を行った結果、卵巣で特に高い発現を示すことを見出した。また、カースト間の免疫関連遺伝子の網羅的発現比較を行い、197の免疫関連遺伝子のうち174の遺伝子がカースト間で有意な発現差を示し、162の遺伝子が王および女王の年齢特異的な発現をすることが明らかになった。さらに、DNA修復酵素遺伝子をはじめとするDNA修復関連遺伝子の発現比較解析の結果、長寿命をもつ王・女王で特異的に高い発現を示す遺伝子が50余り特定された。ゲノムインプリンティングによってシロアリのカースト決定がなされていることを明らかにした。これまで遺伝的カースト決定が考えられていたヤマトシロアリ属シロアリについて、ゲノムインプリンティング理論モデルを確立し、実際のデータへの適合性を分析した結果、極めて高い一致度を示した。また、ネバダオオシロアリの腸内微生物除去コロニーを用いて、腸内微生物の多面的機能の解析を行い、セラチア菌をはじめ巣内環境微生物の制御に腸内微生物が寄与していることを発見した。ミツバチの女王の長寿命について、これまでの解析から女王蜂は働き蜂に比べヘテロクロマチン化が増加していることが分かった。女王蜂と働き蜂を対象としたRNA-seq解析の結果、女王蜂が働き蜂に比べヘテロクロマチン化の抑制に関与するヒストン修飾酵素の遺伝子発現の低下が見られた。この女王蜂と働き蜂との間の遺伝子発現の変動は、クロマチン修飾の変化と一致するものであり、女王蜂で見られたヘテロクロマチン化は、ヒストン修飾酵素の遺伝子発現の変動によりもたらされたものであることが明らかとなった。ヤマトシロアリの王と女王の長寿命に関連する抗酸化酵素や免疫関連遺伝子、DNA修復酵素などが明らかになり、さらに、シロアリのカースト決定にゲノムインプリンティングが関与していることを発見するなど、インパクトの高い研究成果が上がっている。ヤマトシロアリのカースト決定にゲノムインプリンティングが関与していることを明らかにし、数理モデルによって子のカースト運命にかかるインプリンティングの効果を定量的に予測することを可能にした。また、インプリンティング強度とDNAメチル化酵素遺伝子DNMT1およびDNMT3の発現パターンが一致することから、インプリンティング因子としてDNAのメチル化が関与していることが示唆された。さらに、野外の巣の王室内酸素濃度・二酸化炭素濃度の測定に基づき、酸素・二酸化炭素制御インキュベータを用いて女王の繁殖に与える効果を評価したところ、王室と同様の低酸素・高二酸化炭素環境において女王妊性とビテロジェニン遺伝子の発現が高まることを明らかにした。
LCP法とLSP法を併用した膜タンパク質の結晶構造解析

膜タンパク質の結晶構造解析における、結晶化法の技術開発を行った。通常、膜タンパク質の精製、結晶化は界面活性剤により可溶化された不安定な条件で行われることが多かったが、近年モノアシルグリセロールの形成する特殊な連続相を用いて、脂質中で膜タンパク質を結晶化させるLCP法が、高分解能の結晶構造解析に有効であることが示されてきた。本研究ではLCP法と、その発展形であるLSP法を併用することで、比較的幅広いターゲットに対してこの技術を適用することができるようになり、Ca2+/H+交換輸送体であるCAX、タイトジャンクション形成タンパクであるクローディンなどの構造解析に成功した。本研究では、結晶化の困難である膜タンパク質を、脂質の連続層中に再構成した状態で結晶化を行うin-meso結晶化と呼ばれる方法の技術開発を行った。通常、膜タンパク質の精製、結晶化の過程において、膜タンパク質は界面活性剤により可溶化された不安定な条件で行われることが多く、結晶化が困難であったが、、近年になってモノアシルグリセロールの形成する特殊な連続相を用いて、脂質中で膜タンパク質を結晶化させるLipidic Cubic Phase(LCP)法が、高分解能の結晶構造解析に有効であることが示されてきた。この方法では、膜タンパク質が脂質層に再構成された状態で結晶が成長するので、生理学的条件に近い条件のもとで結晶構造解析を行うことができるという利点に加えて、良質の結晶が得られる傾向があるため、GPCRを含めた多くの膜タンパク質において高分解能の構造解析が実現されてきた。本研究ではLCP法と、その発展形であるLSP法を併用して用いることで、結晶化条件の探索を比較的容易に行えるようにした。その結果、比較的幅広いターゲットに対してこれらの技術を適用することが可能となった。さらに、これらの方法によって得られた微結晶を用いて、SPring-8 32XUマイクロフォーカスビームラインにおける回折実験を行い、Ca2+/H+交換輸送体であるCAX、タイトジャンクション形成タンパクであるクローディンなどの高分解能での構造解析に成功した。
脱離基中にアルデヒド基をもつ糖供与体を用いた分子内グリコシル化法の開発

生物学的に重要な糖鎖がもつ1,2-シス型グリコシド結合の立体選択的な構築法の確立を目指し、遊離可能なアルデヒド基を脱離基に持つ糖供与体を用いた効率的な分子内グリコシル化法の開発を試みた。糖供与体と糖受容体をアセタール結合によって複合体へと導き、これを用いて分子内グリコシル化反応を検討した結果、二級水酸基がフリーな複合体においては分子内でグリコシル化反応が進行することを見出した。上記研究においてチオフェニル基のオルト位にアルデヒド基を持つ糖供与体が通常のチオグリコシドは活性化されないTMSOTfなどのルイス酸によって活性化されグリコシル化反応が進行することを明らかとした。生物学的に重要な糖鎖がもつ1,2-シス型グリコシド結合や、α-シアル酸結合の立体選択的な構築法の確立を目指し、遊離可能なアルデヒド基を脱離基に持つ糖供与体を用いた効率的な分子内グリコシル化法の開発を試みた。まずチオサリチル酸を脱離基に持つガラクトース型糖供与体に対して、けん化、還元および酸化反応を順次施すことでアルデヒド基を脱離基に持つ糖供与体の合成法を確立した。得られた糖供与体をアセタール結合を介して糖受容体に導入して複合体を形成する手法を検討した結果、pートルエンスルホン酸を触媒に用いてトルエン中加熱還流することで、糖供与体を位置選択的かつ高効率にて糖受容体に導入するできることがわかった。続いてガラクトースおよびグルコースを糖供与体とする複合体を用いてグリコシル化における反応性と立体・位置選択性を評価した。その結果、活性化剤としてNIS/TfOHもしくはDMTSFを用いると効率よく二糖を与えること、そして複合体の構造によって高いα-選択性が発現することがそれぞれ明らかとなった。平成25年度に引き続き、1,2-シス型グリコシド結合の立体選択的な構築法の確立を目指し、遊離可能なアルデヒド基を脱離基であるチオフェニル基に持つ糖供与体を用いた効率的な分子内グリコシル化法の開発を試みた。糖供与体と糖受容体をアセタール結合によって複合体へと導き、これを用いて分子内グリコシル化反応を検討した結果、分子間で行う常法に比べて反応性が低くなることがわかった。その原因をチオエーテルのオルト位にアセタール結合があるために糖供与体としての反応性が低下しているためと予想し、チオフェニル基のオルト位にアルデヒド基を持つ糖供与体を糖受容体と複合化せずに分子間グリコシル化を行った。その結果、反応はスムーズに進行し対応する二糖を良好な収率で与えたことから、複合体の低い反応性は反応するアルコールの近傍にアセタール結合を介した糖供与体が存在することによる立体的な要因であることが推測された。そこで、アセタールを位置選択的に還元開裂することで糖供与体と糖受容体の結合様式をより柔軟な構造を持つベンジルエーテルに変換し、これを用いた分子内グリコシル化反応を検討した。様々な形状の複合体のなかでも糖受容体の一級水酸基がフリーでそのβ位の二級水酸基にベンジルエーテルを介して糖供与体を導入したものにおいて分子内グリコシル化が進行することを確認した。また、チオフェニル基のオルト位にアルデヒド基を持つ糖供与体が通常のチオグリコシドは活性化されないTMSOTfなどのルイス酸によって活性化されグリコシル化反応が進行することを見出した。平成26年度の研究において、アルデヒド基を持つチオグリコシドによって糖供与体と糖受容体を結合した複合体を用いたグリコシル化が、ほとんどの場合分子間で進行することが示唆された。平成27年度は、分子内反応を引き起こすために必要な複合体の構造の探索と反応条件の検討を行った。ベンジルエーテルで糖供与体と糖受容体を結合した複合体に対して活性化剤としてNIS/TfOHとMeOTfを用い、ジクロロメタン中様々な反応温度にてグリコシル化反応を行った結果、一級水酸基がフリーの複合体ではいかなる条件でも分子間反応が優先することがわかった。その一方で二級水酸基がフリーな複合体においては、MeOTfを活性化剤に用いた場合において分子内でグリコシル化反応が進行することがわかり、反応温度が高いほど優れた立体選択性を示すことを見出した。また、平成26年度にチオサリチルアルデヒド基を持つ糖供与体が通常のチオグリコシドは活性化されないTMSOTfによって活性化されグリコシル化反応が進行することがわかったため、本糖供与体の立体選択性や活性化剤感受性などを調べた。その結果、TMSOTfの代わりにTf2Oを活性化剤として用いると反応収率が大幅に向上することが分かった。また、イミデート糖供与体とチオサリチルアルデヒドをアグリコンとして有する糖受容体を共存させてTMSOTf用いてグリコシル化を行ったところ、イミデートが特異的に活性化され対応する二糖のみを与えることを新たに見出した。

上記研究においてチオフェニル基のオルト位にアルデヒド基を持つ糖供与体が通常のチオグリコシドは活性化されないTMSOTfなどのルイス酸によって活性化されグリコシル化反応が進行することを明らかとした。平成26年度における目標として設定したガラクトース・グルコース複合体の合成と、これを用いたグリコシル化における反応挙動の検討を行い、一部の系において分子内グリコシル化の進行が確認できたため、達成度区分を(2)とした。複合化学複合体を用いたグリコシル化における反応挙動の検討を続けていくとともに、チオフェニル基のオルト位にアルデヒド基を持つ糖供与体の反応性についても調べる。またオルト位にアルデヒド基を持つ糖供与体の合成が煩雑であるため、その工程数を大幅に減らした効率的な合成法を模索する。平成25年度における目標として設定したアルデヒド基を脱離基に持つ糖供与体の合成とその糖受容体への導入法を確立したこと、ならびにガラクトース・グルコース複合体を用いたグリコシル化における反応挙動の検討を開始できていることから、達成度区分を(2)とした。平成26年度に分子内グリコシル化について検討を行った結果、一部の系において分子内でグリコシル化反応が進行することを確認したが、ほとんどの系においては分子間で起こっている可能性が生じたため、研究の最終年度を1年延長して反応の詳細なメカニズムを解明することとした。ガラクトース・グルコース複合体を用いたグリコシル化における反応挙動の検討を続けていくとともに、異なる糖を組み合わせた複合体を用いてグリコシル化反応を検討する。また、シアル酸を糖供与体とする系の確立を目指す。当初の使用計画に加えて、チオフェニル基のオルト位にアルデヒド基を持つ糖供与体の反応性を調べるために必要なルイス酸系試薬類や、研究成果を学会で発表するための経費に充てる。計画当初は減圧濃縮装置一式を購入予定であったが、近隣研究室から装置を譲り受けることができたため該当分の予算を使用しなかった。当初の使用計画に加えて、グリコシル化反応における立体選択性や反応性を高めると予想される貴金属をベースとした有機金属系試薬類や、グリコシル化生成物の分離・精製に必要なフラクションコレクターなどの購入に充てる。
微分方程式の関数解析的及び数値解析的研究

1.水の波の初期値問題を時間軸で差分近似,空間軸で有限要素法で近似,収束性と誤差の解析を与えた。又,スキムの拡張を与えた(牛島)2.(1)対称化有限要素法を移流拡散方程式へ適用,URR機計算の実用性を示した。(2)水の自由境界問題のLagrange要素近似で良好な結果を得た。(3)高精度上流近似を高Reynolds流れに適用した(田端)。3.Schrodinger作用素の正固有値非存在のための条件を求めた(田吉)。4.無限遅れを持つ関数微分方程式に関する共役半郡及び関数微分方程式の解の漸近安定性について成果が得られた(内藤)。5.石鹸膜について,解の分岐,安定性について数値結果が得られ,新しい知見が得られた(渡辺)。6.変数成分の行列のブロック対角化について結果を得た(平沢)。7.低抵性MHO方程式のスペクトル及びその常微分方程式モデルの近似スペクトルの数値近似について知見が得られた(加古)。8.ガロア拡大についてのBelyiの論文についての結果を得た(小嶋)。9.群上Involution及び球面関数のEuler型積分公式の結果を得た(関口)。10.応用上頻出する微分代数系の高精度陰的ルンゲクッタ法の理論について成果を得た(小藤)。11.磁気ベナ-ル問題の分岐解の存在証明,常微分方程式系モデルの提案及びその数値実験,それらの検討を行った(中村)。12.水の凝固に対し,密度変化を考慮したモデルを提案し,その数値実験及びその検討を行った(花田)。13.上流型有限要素近似を分担者田端と共に高Roynolds流れに適用,良い結果を得た。円柱まわりの流れで多くの成果を得た(藤間)。14.多孔領域の境界上半線形境界条件を満たすPoisson方程式の解の漸近挙動について多くの知見を得た(海津)。
PI 3-kinaseシグナル伝達の解明による膵臓癌発生メカニズムと治療法の究明

細胞内のシグナル伝達を司るタンパク質は数多く存在し、それぞれ細胞増殖に作用するもの、アポトーシスに作用するものその他様々な働きをしている。その中で、PI 3-kinaseおよびAktは細胞内においてsurviving signalとして作用しているといわれている。そこで、膵臓癌における細胞増殖に係わるシグナル伝達物質としてPI 3-kinaseおよびAktに注目し、膵臓癌細胞内での発現の有無とその程度、およびその作用に関しての検討を行い、膵臓癌の増殖を抑制する事を目的としている。まず、膵臓癌細胞株を用いてPI 3-kinaseおよびその下流にあるAkt発現に関して検討を行った。その結果、膵臓癌細胞株においてAktの発現が優位に高いことが判明した。また、PI 3-kinase inhibitorの存在下ではAktのリン酸化が抑制されたことによりAktはPI 3-kinaseの下流にあり、PI 3-kinaseによってそのリン酸化が調節されていることが証明された。PI 3-kinase inhibitorの存在下で膵臓癌細胞株の増殖を観察したところ、Aktの発現と正の相関関係があることが分かり、Aktを選択的に抑制することにより膵臓癌の発育を抑制できる可能性が示唆された。次いで、Aktの調節に関して検討を行った。Aktの直接制御しているタンパク質をイーストツーハイブリッドの手法を用いて検索した結果1つのタンパク質を見いだした。Akt Binding Protein (ABP)を名付け現在そのタンパク質に関して検討を行っている。今後は正常細胞に影響を及ぼさず癌細胞の増殖を特異的に抑制する方法も含めて検討を進めていく予定である。細胞内のシグナル伝達を司るタンパク質は数多く存在し、それぞれ細胞増殖に作用するもの、アポトーシスに作用するものその他等様々な働きをしている。そこで、膵臓癌における細胞増殖に係わるシグナル伝達物質としてPI 3-kainaseおよびAktに注目し、膵臓癌細胞内での発現の有無とその程度、およびその作用に関しての検討を行い、膵臓癌の増殖を抑制する事を目的としている。まず、膵臓癌細胞株を用いてPI 3-kinaseおよびその下流にあるAktの発現に関して検討を行った。今後は、Aktの調節に関して検討を進め正常細胞に影響を及ぼさず癌細胞の増殖を特異的に抑制する方法に関して検討を進めていく予定である。
エンドトキシン血症肺毛細血管モデルにおけるヒスタミン受容体発現と血管透過性の関係

肺の急性炎症では、肺毛細血管の透過性は亢進し、結果として免疫細胞浸潤や組織浮腫を引き起こす。今回我々は、毛細血管細胞透過性に及ぼすn-3 PUFAsの効果を検討した。fibronectin-coaed transwellのapical surfaceに播種したヒト肺毛細血管内皮細胞を用いた。細胞はn-3 PUFAsであるドコサヘキサエン酸(DHA)もしくはエイコサペンタエン酸(EPA)にて前処置をおこなったのちに、LPS投与にて急性肺障害モデルとした。LPS刺激前のDHAおよびEPA投与は、細胞透過性を有意に軽減させた。EPAはLPS刺激後に、ヒスタミン受容体1のmRNA発現を抑制した。過大侵襲下の急性呼吸窮迫症候群(以下ARDS)は、肺毛細血管透過性亢進、両側肺水腫、重度の低酸素症を特徴とする致死率の高い急性病態である。ARDSでは様々な炎症性メディエーターが病態形成に関与するが、中でもヒスタミンは肺毛細血管の拡張と血管透過性の亢進作用により肺水腫の形成に直接的な役割を演じるとされる。しかし、ARDSにおける肺毛細血管の透過性亢進をヒスタミンおよび受容体発現の視点で検討した研究はかつて無い。本研究の目的は、侵襲度を詳細に調整出来るヒト肺毛細血管内皮細胞エンドトキシン血症モデルで、肺毛細血管内皮細胞のヒスタミン受容体発現と血管透過性亢進の関連を検討することでヒスタミンシグナルの役割を解明し、さらにその受容体発現を抑制することでARDSの新たな治療戦略を提示しようとするものである。平成26年度は、微小血管内皮細胞培地キット-2(5%-FBS; EGMTM-2-MV-BulletKitTM)を用いて正常肺微小血管内皮細胞(HMVED-L)を播種した。培養した正常肺微小血管内皮細胞(HMVED-L)を標準モデルとした。これを基にLPS添加モデル、siRNA組み込みモデル、siRNA組み込みLPS添加モデルを作成した。全てのモデルにおいて、ヒスタミン受容体H1R/H2Rの発現はmRNAをリアルタイムPCR法、Western blotなどにて、血管透過性はtranswellを用いた蛍光測定法にて解析検討した。救急集中治療平成25年度は、血管内皮透過性亢進の分析を蛍光標識を用いて行ったのちに、siRNAを用いた透過性亢進阻害作用を検討する予定であった。そして、その結果を国内外の学会において発表する予定であった。しかし血管透過性亢進の分析結果が不均一であったため、予備実験による実験系の確認・再確立に時間を費やさざるを得ず、実験計画に遅れが生じた。血管透過性亢進の程度を測るモデルであるアルブミン標識を用いたtranswell下層へのアルブミン漏出と、LPS添加後の経時的ヒスタミン受容体mRNA測定は実施できていない。HMVEC-LBIの増殖速度やviabilityの確認、confluent monolayer形成までに要する時間と電気抵抗測定の関係、実際にconfluent monolayerとなったか否かの染色による確認、蛍光染色に用いる試薬濃度の設定に時間を要した事と、ヒスタミン受容体mRNAプライマー設定に不備が重なったためである。一年間の延長申請をおこない、了承された。次年度は、siRNAを用いた透過性亢進阻害作用と国内外学会での発表を次年度に行うこととし、遅延している実験の実施に充てることとしたい。尚、蛍光標識を用いた透過性亢進分析実験系は、現時点でほぼ確立されている。基礎および予備実験はほぼ完了している。平成24年度予定の研究のうち残る課題は、アルブミン標識による血管透過性の評価を残すのみである。平成25年度は、血管内皮透過性亢進の分析を蛍光標識を用いて行ったのちに、siRNAを用いた透過性亢進阻害作用を検討する予定であった。しかし血管透過性亢進の分析結果が不均一であったため、予備実験による実験系の確認・再確立に時間を費やさざるを得ず、未使用額が生じた。上記事由により、siRNAを用いた透過性亢進阻害作用と国内外学会での発表を次年度に行うこととし、未使用額はその経費に充てることとしたい。平成24年度の残りの課題を遂行するために、今年度の残研究費は次年度に必要である。それらを早期に終え、次年度の研究を行う予定である。
細菌－宿主細胞インターフェースにおける膜小胞を介した感染戦略の機構解明

病原細菌が細胞外に分泌する「膜小胞」は、病原因子を内包し宿主の上皮細胞に侵入して炎症を引き起こすことから、感染における重要な病原因子運搬体として知られている。実際の感染患部に着目すると、病原細菌は宿主の防御機構を回避しつつ上皮細胞に“バイオフィルム"を形成して膜小胞を分泌している。本研究では、実際の感染状態における細菌由来膜小胞の感染機構の包括的理解とその制御への応用を目的に、バイオフィルム形成時特有で起こる膜小胞分泌メカニズムの解明とともに、その膜小胞による生体応答の解明という謎解きに挑む。
長距離走者のパフォーマンスにもたらすスプリントトレーニングの効果の解明

長距離走者のパフォーマンスに対して,有酸素性能力といった要素だけではなく,スプリント能力の重要性が明らかとなっている.そこで本研究では,長距離走者において,スプリント能力を向上させるようなトレーニングを実施することで,スプリント走のパフォーマンスや大腰筋の筋横断面積の増大といったスプリント能力の向上に伴い,長距離走者のパフォーマンスがさらに向上するのかどうかを検証することを目的とする.長距離走者のパフォーマンスに対して,有酸素性能力といった要素だけではなく,スプリント能力の重要性が明らかとなっている.そこで本研究では,長距離走者において,スプリント能力を向上させるようなトレーニングを実施することで,スプリント走のパフォーマンスや大腰筋の筋横断面積の増大といったスプリント能力の向上に伴い,長距離走者のパフォーマンスがさらに向上するのかどうかを検証することを目的とする.
CATにおける開発・運用コストの削減と汎用性向上に関する研究

本研究では,受検者の解答状況に合わせて適切な問題項目を提示するコンピュータ適応形(型)テスト(CAT)に焦点を絞り,開発・運用のコストを大幅に低減した簡易型CATの実用化に向けた開発に取り組む。具体的には,1)簡易型CATによって得られるスコアについて,テスト理論的な観点からその特徴を解明する,2)簡易型CATのスコアリングシステムを,紙筆式テストや質問紙などの項目固定形テストについて応用化することを試みる,の2点となる。
クラスプ義歯の機能時における支台歯と義歯の動態解析に関する研究-リジット・サポーを意識した設計(Rクラスプ義歯)の場合-

当教室ではクラスプ義歯のリジッド・サポートの可能性について研究を行ってきたが,これまでは静荷重のみであり,咀嚼運動を考えると動的な荷重条件による負担圧の分散,伝達状態を把握する必要がある.そこで今回は.繰り返し荷重を負荷し,さらに荷重方向を変化させたときの支台歯歯根部と義歯床部の変位量について検討を行った.765片側遊離端欠損を想定し,歯根膜,顎堤粘膜をシミュレートした模型を使用した.実験義歯は直接支台装置として4に形態の異なる4種類のクラスプ(従来型のエーカースクラスブ,それに板状舌側腕,ガイドプレートの一方あるいは両方を付与したもの)と,43コーヌスクローネの5種類とし,間接支台装置は45にダブルエーカースクラスプとした.荷重点は義歯床上の6相当部で,頂上部が咬合平面に対して平行な水平面と,近遠心と頬舌側に45度の傾斜を有するピラミッド構造の台座上に設定した.荷重は19.6Nとし,静荷重と毎秒1回の繰り返し荷重を加えた.測定は支台歯歯根部に設定した圧力センサー,義歯床部変位量を非接触型変位計によって行い,得られた信号をダイナミックデータロガーに集積変換後,パーソナルコンピューターで処理し,以下の結果が得られた.繰り返し荷重では静荷重に比べ,最後方支台歯歯根部遠心の負担圧の割合が大きくなった.ガイドプレートと板状にした舌側腕は,単独で付与するよりも併用した方が,支台歯への負担圧分散や床の変位量がコーヌスクローネに近似し有利であった.今回の荷重部位では,頬側斜面よりも舌側斜面へ荷重した方が義歯床の回転沈下を鍼少させる傾向にあり,支台歯歯根部負担圧も歯根各部位で均等化することから,義歯の安定には有利であると考えられた.765欠損の下顎片側遊離端欠損症例を想定した金型模型に,欠損歯槽骨部分を即時重合レジンにて作製し,擬似歯根膜と擬似粘膜をシリコーン印象材を用いて付与した.支台歯は有根型金属歯でありその歯冠部は6度のコ-ヌス角を有しており,各種の前処置を施されたクラウンをネジ止めする構造としてコ-ヌステレスコープおよび種々のクラスプの装着を可能にした.支台装置は白金加金にてそれぞれ3組,連結装置はコバルト・クロム合金にて1個作成した.支台装置としてエーカースクラスプを選択し,コンベンショナルとクラスプの連結強度を向上できるとされているプロキシマルプレート,板状アーム,近心インターロックを単独あるいは複合してコンベンショナルに付加したもの計6種類を作製し,その6種類のクラスプが装着されるクラウンを金銀パラジウム合金にてそれぞれ1個づつ作製した.コントロールとしてリジッドサポートを達成できるとされているコ-ヌステレスコープを作製した.連結装置と支台装置はネジ止め可能な構造とすることで各種支台装置の交換を可能にした.支台歯歯根部の負担圧を測定するために金属歯根周囲に改良型圧力センサーを,義歯床の変位量測定のために非接触型変位センサーを設置し,それぞれのセンサーから得られた信号をダイナミックデータロガーにて同時変換し,歯根部負担量と義歯床部変位量として求めた.現在,予備実験により圧力センサーの繰り返し荷重に対する感度も良好と判断されたため,繰り返し荷重装置の作製を進めていると同時に,繰り返し荷重に先立ち垂直1点定荷重による動態を分析中である.今後,近遠心および頬舌側からの斜め45度荷重を負荷しどの構成要素がどのような機能力に有効であるかを分析した後に,動的荷重条件である繰り返し荷重での義歯の動態の分析へ進む予定である.その結果を今後のRクラスプ義歯の設計指針とする.当教室ではクラスプ義歯のリジッド・サポートの可能性について研究を行ってきたが,これまでは静荷重のみであり,咀嚼運動を考えると動的な荷重条件による負担圧の分散,伝達状態を把握する必要がある.そこで今回は.繰り返し荷重を負荷し,さらに荷重方向を変化させたときの支台歯歯根部と義歯床部の変位量について検討を行った.765片側遊離端欠損を想定し,歯根膜,顎堤粘膜をシミュレートした模型を使用した.実験義歯は直接支台装置として4に形態の異なる4種類のクラスプ(従来型のエーカースクラスブ,それに板状舌側腕,ガイドプレートの一方あるいは両方を付与したもの)と,43コーヌスクローネの5種類とし,間接支台装置は45にダブルエーカースクラスプとした.荷重点は義歯床上の6相当部で,頂上部が咬合平面に対して平行な水平面と,近遠心と頬舌側に45度の傾斜を有するピラミッド構造の台座上に設定した.荷重は19.6Nとし,静荷重と毎秒1回の繰り返し荷重を加えた.測定は支台歯歯根部に設定した圧力センサー,義歯床部変位量を非接触型変位計によって行い,得られた信号をダイナミックデータロガーに集積変換後,パーソナルコンピューターで処理し,以下の結果が得られた.繰り返し荷重では静荷重に比べ,最後方支台歯歯根部遠心の負担圧の割合が大きくなった.ガイドプレートと板状にした舌側腕は,単独で付与するよりも併用した方が,支台歯への負担圧分散や床の変位量がコーヌスクローネに近似し有利であった.今回の荷重部位では,頬側斜面よりも舌側斜面へ荷重した方が義歯床の回転沈下を鍼少させる傾向にあり,支台歯歯根部負担
広周波数帯での不可視化を目指したワイドバンド光学迷彩のトポロジー最適化法の開発

本研究では光学迷彩構造の1つであるカーペットクロークのトポロジー最適化を行い,複数の周波数において透明マント効果を出現させた.カーペットクロークは平坦面上の凸を無散乱化し,凸が無い場合と同じ平坦面による反射を実現することで.凸を不可視化することができる.形状表現方法としてはレベルセット法を用い,格子点上に配置したレベルセット関数を線形に補間し,レベルセット関数のゼロ等位面を誘電体構造の境界として有限要素モデルを作成した.複数の周波数において,散乱を数値化した評価関数の和を最小化する誘電体構造を設計した.得られた最適化構造の評価関数の周波数応答を計算し,複数の周波数で透明マント効果を確認できた.本年度は広帯域において不可視となる光学クロークの最適化法の開発に先立ち,高周波において不可視となる光学クロークを設計した.しかし,得られた構造が極めて微細な構造を最適化構造内に有すること,正則化パラメータの設定が煩雑で設定によっては最適化構造が得られないなど,未だ検討すべき課題が多い.また,材料パラメータである比誘電率により得られる最適化構造が大きく変わり,場合によっては最適化計算が破綻するため,最適化構造を得ることが可能で,かつ実際に作成が容易な最適化構造を得ることのできる材料パラメータに関してもさらなる検討が必要である.また,設計に必要とされる時間が非常に長く,構造更新のパラメータを小さい値に設定しなくては最適化計算が破綻することが多い.そこで,これまでの評価関数履歴から計算が破綻しないような構造更新パラメータを決定するプログラムコードを開発中した.具体的には最近の評価関数履歴を二次関数以上の次数の関数として求め,次の目的関数値が現在の目的関数値より1%改善されるような構造更新パラメータを求めるプログラムを開発した.このプログラムにより大幅な計算時間の改善が期待される.現在のところ出ている結果としては,いくつかの高周波数においてはすでに最適化構造の設計に成功している.現在,複数の周波数において性能を向上させる最適化コードの開発中である.一方で,開発した最適設計プログラムの他のデバイス設計への応用・拡張も進めている.本年度は複数の周波数で不可視化を実現するためのトポロジー最適設計プログラムを開発した.複数の周波数でのデバイスの性能をそれぞれ評価し,各周波数でのトポロジー導関数をそれぞれ計算し,それらの平均に基づいて構造を更新していくプログラムを開発した.また,光学クローク以外のクローキングデバイスとして,カーパットクロークの設計も可能となるよう,プログラムを拡張した.カーパットクロークに関しても,同様に複数の周波数で不可視化の性能を有する構造を設計することが可能となっている.また,最適設計の最適解は初期構造にも依存するため,良い性能を得ることが可能な初期解に関する調査も完了している.さらに,最適設計の計算も途中で破綻することなく,最適化構造を得ることが可能となった.最適化の対象としている周波数はクロークの設計領域を代表長さとして無次元化周波数2.5を中心とし,2.0から3.0程度の範囲において計算をおこなった.無次元化周波数2.5を500nmの波長の光であると仮定すると,400nmから600nm程度の可視光域の波長に相当する.現状として良い性能を実現できるものの,得られた構造は微細かつ複雑な構造が含まれており,実際に作成可能な最適化構造を得るところまでは至っておらず,性能と形状を両立した最適化結果が得られない.細かいスリットの入った初期構造から最適化計算を開始しているが,その初期構造が微細かつ複雑な構造として最適化構造にも残存している.光学クロークおよびカーペットクロークのトポロジー最適設計プログラムの開発はすでに完了した.しかし,現状として良い性能を実現できるものの,得られた構造は微細かつ複雑な構造が含まれており,実際に作成可能な最適化構造を得るところまでは至っておらず,性能と形状を両立した最適化結果が得られない.原因としては初期構造に微細な構造を含むため,最適化構造を得るまでの間に感度が低い箇所の構造に変化させることができていないと考えられ,初期構造が残存したような最適化構造が得られている.初期構造が残存した微細構造を周囲長を調整するパラメータにより,制御することを試みるが,1つの計算に2週間ほどかかり,本年度終盤にやっと適切なパラメータの範囲が明らかになりつつある.本研究では,先行研究での一つの周波数と一つ入射方向に対し性能の高い光学迷彩構造の設計に対し,不可視化を実現する周波数を広げるための光学迷彩構造のトポロジー最適化の開発とその構造設計を行った.平成28年度は自由空間内の物体を不可視化する光学クロークに対し,平坦面上の物体を不可視化する光学迷彩であるカーペットクロークの設計も行った.カーペットクロークの構造設計は波動散乱を制御する最適化問題であり,その種類によっては多峰性の強い最適化問題になることが明らかとなった.レベルセット形状表現は誘電体構造の境界を明瞭に与えることができ,境界上での反射散乱を厳密に取り扱うことができる反面,感度に基づいた単点探索では性能の十分でない局所最適化解に陥ることも多く,初期構造の探索に時間を要したが,凸がある場合とない場合の電磁場の差を最小化することでカーペットクロークの設計が可能となり.最終的に良い性能を得ることができた.さらにカーペットクロークについて,複数の周波数において不可視化を実現するためのトポロジー最適化の開発を行った.

複数の周波数での性能評価関数の和と幾何的制約項の和を最小化する正則化された目的関数として,最小化することで最適化構造を得ることに成功した.設計された構造に対し,カーペットクロークの性能を評価する目的関数の周波数応答を調べると,複数の周波数において目的関数の改善が確認できた.これらの成果を韓国のソウルで開催された計算系の国際会議であるWCCM/APCOM2016において発表した.本研究では光学迷彩構造の1つであるカーペットクロークのトポロジー最適化を行い,複数の周波数において透明マント効果を出現させた.カーペットクロークは平坦面上の凸を無散乱化し,凸が無い場合と同じ平坦面による反射を実現することで.凸を不可視化することができる.形状表現方法としてはレベルセット法を用い,格子点上に配置したレベルセット関数を線形に補間し,レベルセット関数のゼロ等位面を誘電体構造の境界として有限要素モデルを作成した.複数の周波数において,散乱を数値化した評価関数の和を最小化する誘電体構造を設計した.得られた最適化構造の評価関数の周波数応答を計算し,複数の周波数で透明マント効果を確認できた.さまざまなパラメータ設計の適切な値を検討する必要はあるものの,初年度の研究計画である高周波数における光学クロークの最適化はすでにいくつかの最適化構造の設計に成功している.現在,形状に関する制約の度合いを決めるパラメータに関する調査を行っている.また,形状を決定するレベルセット関数の値および,その勾配に関して調査し,適切な制約を効かせることを検討している.問題はほぼ解決しつつあるので,次年度ではマルチコアの計算機を購入し,並列して最適化計算を行う.論文執筆に必要な計算結果,データを収集し,迅速に結果を公表する.また,物理的な側面からは,複数の周波数で無散乱化を実現するためには複数の周波数の組み合わせも重要になってくることが予想される.これは物理的に不可能となりうる組み合わせ,例えば長い波長と短い波長を同時に無散乱化する等,現実的に実現できる範囲の周波数域を模索することが必要となってくる.これらの周波数はクロークの構造全体やその内部の構造からどの程度の波長に構造が作用することができるかを見積もり,効率的に探索することが重要である.計算力学今後は複数の周波数に対して不可視となる光学クロークの設計を行う.現在開発済みの最適化プログラムに周波数のループを組み込み,異なる周波数に対して散乱解析,随伴場計算,感度計算を行い,異なる周波数で得られた感度の平均値をもとに構造更新を行う.また,初期構造設定,各種パラメータ設定の検討なども必要である.現在のところ,プログラムの開発段階にあり,本格的な計算を行う段階にないため,計算機の購入を来年度に先送りした.現在,すでに大型計算機の見積もりをとっており,繰り越した科研費が使用可能になり次第,発注する予定である.また,試験的な計算はほぼ完了しているため,その研究成果を発表するために7月にソウル(韓国)で開催される国際会議に参加し,その渡航費として使用する.これらの費用は平成28年度請求額と合わせて使用する.本年度購入予定であった大型計算機を購入し,参加が決定している国際会議WCSMO(2015年6月,シドニー・オーストラリア)およびSPIE(2015年9月,Jenaドイツ)への参加渡航費に使用する.