hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
老人性難聴責任遺伝子多型の同定とその機能解析

・信州大学遺伝子解析コンソーシアムと連携し、「松本市熟年体育大学」の参加者を対象として、1)中高齢者ヘインターバル速歩を中心とした個人の体力に合わせた運動処方を実施した際の改善効果に対する個人差を規定する遺伝的要因の解明、2)老人性難聴などの中高齢者に特有な疾患の遺伝的要因の解明、を目的として活動を継続している。本年度は第1次コホートとして松本市熟年体育大学参加者100名、さらに2次、3次コホートとして、松本市以外(上田市、山形村、塩尻市、茅野市、日野市や国外のMayo clinic, Yale Universityなど)の熟年体育大学でもDNAの取得が行われ、現在では2000名に達している。遺伝子多型は機能から選択した約100個の遺伝子のSNP (Single Nuclear Polymorphism)をTaqman法やシークエンシングで決定している。解析に不可欠な参加者の生理的、体力的データの取得やメインコンピューターへの入力はJTRCに、遺伝情報などの個人情報の管理や匿名化は遺伝学教室にご協力を得ている。Taqman法でのSNPsの決定は愛媛大学医学研究科(統合医科学,加齢制御内科学)にご協力いただいている。プロジェクト開始から約3年が経過し、第2次コホートまでの解析がほぼ終了し、興味深い成果も得られつつあり、その成果を論文として発表する時期になっている。
ダイオキシン人体負荷低減化法の開発

ダイオキシン類による環境負荷管理は徐々にではあるが可能になってきている。しかし、人体汚染に関しては、主要発生源である焼却施設の解体作業等により作業員における高濃度の人体負荷が今なお大きな社会問題となっている。従って、本研究では人体負荷低減化法として、ダイオキシン類の体外排泄を促進させることに着目し、効率よくダイオキシンを排泄する新規排泄促進物質の開発に着手した。すでに、ダイオキシンの排泄効果を有することが知られている食物繊維は日常継続的に摂取可能である。しかし、16種の食物繊維について最も効率よく排泄する食物繊維の構造について検討したが、その有効摂取量は現実的なものではなかった。そこで、より強力にダイオキシンを排泄するポルフィリン誘導体に着目したが、長期摂取による生体影響が危惧される。従って、この両者の欠点を補うため、高分子の食物繊維であるキトサンにポルフィリン誘導体のクロロフィリンを結合させ、生体に吸収されにくい高分子不溶性としたポルフィリン誘導体結合型食物繊維を調製した。この結合型食物繊維をマウスに摂食させたところ、キトサンとクロロフィリンが結合している割合で混合したもので飼育したものより、ダイオキシンの吸収抑制効果が倍増していた。さらに、体内蓄積させたダイオキシンに対しても、わずか1.0%の割合で飼料に添加することで排泄を促進し、それに伴って主要蓄積臓器である脂肪組織濃度も低下させていた。これらの結果から、我々ヒトが1日に1kgの食事を取るとすると、その1.0%すなわち10gの結合型食物繊維でダイオキシンの体内濃度を下げることができる可能性がある推察した。現在の食物繊維摂取量は約15gで、厚生省の推奨する25gに対して10gが不足しており、結合型食物繊維は不足分を完補する量で、我々の体内に蓄積しているダイオキシンを低減することが期待できる。我々はヒト血液中の極微量ダイオキシン分析法を確立し、人体汚染レベルが既に世界的に高水準に達しており、特に、焼却場周辺地域の住民は重度に汚染を受けていることを明らかにしてきた。本研究では、ダイオキシン人体負荷軽減化法の開発を目的として、動物実験において明らかにされてきた食物繊維や葉緑素誘導体などが有するダイオキシン類排泄促進効果をヒトに適用することを試みた。まず、既に、健康食品として市販されており、実験動物においてダイオキシンを効率よく排泄した食物繊維のキトサンについて検討した。このキトサンを日常15g程度2年間以上摂取している大阪在住50歳代の男性2名および女性1名の血液を採取し、血液中ダイオキシン濃度を測定した。その結果、被験者男女3名の血中濃度は日本人の平均レベルに比べ68割程度の低濃度であり、汚染が比較的低度でキトサンの摂取により人体負荷が軽減されている可能性あると考えられた。しかしながら、排泄効果は不十分であると判断し、より強力な排泄促進物質の開発を行った。排泄促物質の開発はキトサンを基本に行ったところ、高分子かつ不溶性であることがダイオキシンの排泄に有効であることが明らかとなった。そこで、食物繊維と同様に排泄促進能が有する葉緑素誘導体の水溶性クロロフィリンを高分子キトサンに結合させ不溶性とすることに成功した。この不溶性高分子結合体をマウスに摂取させたところ、キトサンおよびクロロフィリンを結合体と同比率での混合したものおよび、それぞれ単独の摂取群に比べ、高分子結合体摂取群はダイオキシン糞中排泄率が増加しており、ダイオキシンの排泄能が増強した新規排泄物質が得られた。
Duffing方程式の周期解

研究代表者、中嶋文雄は、ダッフィング方程式の周期解曲線の変形について研究した。この方程式に対する計算機による秀れた研究業績として、京都大学、工学部の上田〓亮教授の仕事が知られている。その一部に、方程式の外力の大きさを変化して行くとき,周期解が持続的に存在して、その曲線の形状が著しく変化することが知られている。本研究は、この現象を、数学的に定式化し,定理として表現し,それに厳密な証明を与えることを目的とするものである。これに対する成果として,復元力の項が3次式の場合,解のパラメ-タ-に対する展開を用いて,上記の定理の証明に成功した。この成果は、本年9月の京都私学会館における,微分方程式の国際会議で発表した。研究分担者、佐伯卓也は、計算機を用いて、モンテカルロ法によるπへのアプロ-チを始めとし,計11編に登る論文を発表し,多大の成果を収めた。研究分担者、松本耕二は、DirichletのL関数の2乗平均値に関する研究を推進した。とくに桂田昌紀氏との共同研究において、HeathーBrown(1981),本橋(1985)の結果を深めて、q・漸近展開のほとんど最終的な形に到達した。研究分担者、沼田稔は、パ-ソナルコンピュ-タ-を用いて、有限体の原始根をさがし、それをもとに、さまざまなデザインを作った。又、コセクタ-の“regular polytope"の本に出てくるn次元正多面体の2次元への射影の図をコンピュ-タ-に書かせた。
可解格子模型の解析

可解格子模型は統計力学,場の理論,数理物理学の重要な研究対象となっている。本研究では,量子アフィンリー代数,またはヤンギアンという量子群の対称性をもった可解格子模型を考察した。特にこれら量子群のいろいろな表現に対応して,転送行列もT_1,T_2,...と一般にある可換な族をなしている。これらは補助空間の表現によってラベルされるが,問題はこれらの固有値を決定することである。これに対し,今年度は解析的ベ-テ仮説法と関数方程式,更にヤング図形の類似物等の組み合わせ論的手法を融合して,多くの成果を収めた。まず,解析的ベ-テ仮説により,与えられたヤンギアンの基本表現に相当する転送行列のすべてについて,古典型Ar,Br,Cr,Drの場合に固有値を与えた。またそれらがみなヤング図形の類似物を用いて統一的に記述されることを示した。さらにそれら基本表現に関するデータを初期状態として,転送行列間の関数方程式を解くことによって高い表現の場合の固有値の予想を多くの場合に得た。これらは組み合わせ論的にも興味あるヤンギアンの有限次元既約表現の基底のラベルとして自然なものを示唆している。もう一つの大きな成果は,これら解析的ベ-テ仮説の知見に基づいて,いままで知られていなかったねじれ型アフィンリー環の表現に付随した転送行列間の関数方程式を提出したこと,をれらの解析的ベ-テ仮説による解を構成したことがあげられる。
病態進行を反映する三次元B型肝炎ウイルス持続感染モデルの確立

本研究ではB型肝炎ウイルス(HBV)持続感染モデルの開発と非実質細胞の機能解析及び疾患バイオマーカーの探索を目的としている。これまでにiPS細胞由来の肝前駆細胞及び、そこから分離したCPM陽性肝前駆細胞を用いたHBV複製モデルに最適な細胞外マトリクスを同定した。これらの細胞にHBV感染を行い、感染14日後の培養上清中HBs抗原量及び細胞中のHBV cccDNA量を測定し、HBV感染を認めた。またHBV受容体であるNTCPの発現量を解析したところ、肝がん細胞株ではその発現が見られないが、iPS由来肝前駆細胞では23割の細胞でNTCPが発現していることがわかった。NTCPの局在に影響すると考えられるiPS由来肝星細胞をiPS由来肝前駆細胞に重層する共培養を行なったが、今回の培養条件ではHBV複製レベルに差はみられなかった。これまでに樹立したiPS細胞から肝星細胞を分化誘導する手法は一部の細胞で活性化がみられた。分化誘導方法の改良を行い、静止期星細胞の入手が可能となった。この静止期星細胞とNTCP強制発現肝がん細胞株との三次元培養により、星細胞がHBV複製を亢進するという予備的な結果を得た。iPS由来肝前駆細胞にIFN阻害剤、IFN応答遺伝子阻害剤を加えてHBV複製レベルへの影響を調べたが、現在までのところ顕著な影響はみられていない。また、iPS細胞由来肝前駆細胞単独では培養の方法によっては三次元培養が困難であることが分かった。iPS細胞由来肝前駆細胞にHBV感染が認められ、またその最適な培養条件を同定した。これにより本研究の目的の一つであるiPS細胞由来肝細胞を用いたHBV感染モデルの構築が行えた。一方で共培養、三次元培養についてはさらに添加因子や培養器の検討が必要であることがわかった。HBV受容体であるNTCPの細胞表面での発現は認められたが、さらにその局在の検討など達成されていない点がある。HBV複製に細胞の自然免疫が関与するとの報告があるが、現在までの結果でIFN阻害剤等の影響はみられていない。この点については、感染レベルなどの検討がさらに必要と考えられる。他方で、これまでに得られていなかった静止期星細胞の調製方法樹立により、静止期星細胞と肝細胞の共培養系を用いたHBV感染に成功した。新規に樹立した静止期星細胞を用いた肝組織の三次元培養法について培養液、培養器などを検討することで最適条件を見出す。作製した肝組織でのHBV複製レベル及び肝細胞でのHBV複製関連転写因子やHBV受容体の発現レベル解析を行い、肝組織の有効性について検討する。さらに肝組織での星細胞の活性化をコラーゲン産生や活性化マーカーの発現を指標に測定する。HBV感染時に細胞で働く自然免疫応答について、感染レベルなども考慮し検討する。さらにHBV感染時の肝障害についてはALT、ASTの測定や組織学的評価にて観察を行う。完成した三次元培養肝組織を用いて、培養上清や肝組織をサンプルとしてプロテオーム、メタボロミクスなどの多変量解析を行い、疾患の早期診断を可能にするバイオマーカーの探索を行う。

他方で、これまでに得られていなかった静止期星細胞の調製方法樹立により、静止期星細胞と肝細胞の共培養系を用いたHBV感染に成功した。新規に樹立した静止期星細胞を用いた肝組織の三次元培養法について培養液、培養器などを検討することで最適条件を見出す。作製した肝組織でのHBV複製レベル及び肝細胞でのHBV複製関連転写因子やHBV受容体の発現レベル解析を行い、肝組織の有効性について検討する。さらに肝組織での星細胞の活性化をコラーゲン産生や活性化マーカーの発現を指標に測定する。HBV感染時に細胞で働く自然免疫応答について、感染レベルなども考慮し検討する。さらにHBV感染時の肝障害についてはALT、ASTの測定や組織学的評価にて観察を行う。完成した三次元培養肝組織を用いて、培養上清や肝組織をサンプルとしてプロテオーム、メタボロミクスなどの多変量解析を行い、疾患の早期診断を可能にするバイオマーカーの探索を行う。予定していた国際学会への参加を研究の進捗状況も鑑み、行わなかったため当該年度使用額が減少した。今後、肝組織の三次元培養を行うにあたり、研究費用が予定よりも増加すると考えられる。具体的には三次元培養用の培養器を検討するため数種類の培養器を購入する。また大量にiPS細胞由来の肝前駆細胞、肝星細胞、類洞内皮細胞を分化誘導するため培地中に添加するサイトカイン等を購入する。今年度も国際学会への参加は見送り物品の購入に充てる。可能であれば国内学会への参加を予定する。
複合的・高機能金属錯体の創製とそれらの基礎・応用物性

色をプローヴとした幅広いクロモトロピズム現象を示す新規錯体を合成開発することを目的として本研究を計画した。クロモトロピズム(物質を取り巻く化学的、物理的条件変化に応じて、その物質が可逆的に色変化する現象を総称するもの)には、その起源に応じて、Solvatochromism(solvent).Thermochromism(temperature).Piezochromism(pressure).Photochromism(light).Electrochromism(electron-redox reaction)等がある。これらの現象を示す錯体は、立体的にも、あるいは電子的にも興味ある特製を持つことが明らかとなった。たとえば、通常、平面構造をとりえない弱い配位子場を持つ混合配位子錯体が、立体効果によって平面錯体を形成することがある。これが溶液内で、溶媒の配位した八面体錯体と本来の平面錯体の平衡混合物を作り出す。したがって、溶媒の配位能に依存して、平面錯体と八面体錯体の比率が変化し大きな色変化が見られる(ソルバトクロミズム)。さらに、中間の配位能力のある溶媒中で、この溶液を冷却するとほとんど八面体錯体となり、加熱、高温にすると溶媒は配位圏からはずれ平面錯体となる(サーモクロミズム)。エレクトロクロミズムについては、表示素子材料の観点から興味あるもので、可逆的な酸化還元系を開発し、それらの両端の色変化が顕著なものを探索するということになるが、この系の開発はまだ成功していない。鎖状ジアミンとテトラケトンを含む複核混合配位子錯体の合成とクロモトロピズムの研究において、分子内のCH-π相互作用が弱いながらも認められた。現在研究継続している新しい系は、テトラアミンを架橋配位子とする混合錯体の合成である。すでに銅-複核錯体の合成に成功しているが、これについては、1999年春年会(日本化学会)で報告する。希土類高次混合配位子錯体の合成とその構造特性、d-f混合金属系のいくつかの興味ある結果も共同研究者たちと合成した。スピンクロスオーバ錯体の合成も試み、鉄(II).(III)錯体について、溶液内および固体でのスピン転移について検討した。新しい機能を持つ無機材料や機能性錯体を得ることを目的として以下の事を検討した。(1)サーモクロミズム、ソルバトクロミズムを示す新しいポリケトン配位子を検討した。ジケトン、トリケトン、ケトラケトンである。トリケトンについては、今までに報告されている論文では、テトラケトンが出来ることになっていた。しかしながら、結果はトリケトンであることが明らかになった。テトラケトンは、鎖状および分岐型のものを合成している。それらを用いたた単核、複核錯体の合成を行い錯体を得た。溶媒や温度の変化により可逆的な色変化を確認した。これらの錯体の色変化を見ることによって、用いた溶媒の極性が判定できるいわゆるカラーインジケーターとなるものである。(2)無機材料に関する最先端の研究を交流するために、研究解を企画し、討論をした。主に紹介された内容は、無機アモルファス(金属酸化物、薄膜)、無機光応答性化合物の開発・物性・応用、環境と無機材料等に関するものであった。

(3)その他の機能性錯体として、スピンクロスオーバー錯体、可逆性のある酸化還元可能な錯体の開発を行っている。これは、エレクトロクロミズム、フォトクロミズム関連のものである。種々の錯体系で可逆的な酸化還元を行わせて、ECD材料の可能性を検討しているところである。希土類と第一遷移金属との多核錯体の合成の試みも進めているが、現在良好な錯体の単離に至っていなく、継続して研究を進める。前年度に引き継ぎ、機能性の高い金属錯体の新規合成とそのキャラクタリゼーションを中心に研究を進めている。本年度の成果としては、2核錯体や3核錯体を多核錯体構築のためのbuilding brockを見い出された(パラジウム-テトラケトナト、混合配位子錯体の生成要因についてある種の経験則が用いて合成できたこと、錯体のクロモトロピズムとして、サーモクロミズム、ソルバトクロミズム等を示す金属錯体が合成できたことなどである。酸化還元触媒能のある多核金属錯体の構築を目指して、今までに報告のある系、マンガン-Trimethyl-triazacyclononane系が知られているのでそれを見習って、配位子が飽和のFacial型トリアミンとなっているものを合成することも試みた。このfac-強制3座配位子をいくつか合成してその金属錯体の組成、構造等の検討を行った。結果としてはしかしながら予想した多核錯体にはならず、単核5-あるいは6-配位錯体となった。特に過酸化物を取り込んだ錯体は得られず、酸化触媒としては働かなかった。次に、スピンクロスオーバ現象を示す種々の錯体を合成しその構造や磁気的挙動を調べた。ビス(ベンツイミダゾリル)ピリジンを配位した鉄(II)錯体の挙動は興味深い。アルカリ性を高くすることにより脱プロトン化した配位子となり、無電荷錯体を生成するが、結晶中での構造は2次元的超分子を形成し、極低温において半強磁性相互作用がみられたが、これは今までに報告例のない興味あるものである(現在、論文作成中)。そのほか同様の特性をもつと考えられる複核スピンクロスオーバ錯体も合成し、その固体および溶液中での磁気特性を検討した。用いた配位子はシッフ塩基5座配位子であり、架橋配位子が、4,4^1-bipyridineであることにも依るが、特に強い磁気的相互作用が見られない。さらに、どこまで高次の混合配位子錯体になるかという問題を明らかにすべく希土類混合配位子錯体を合成(この問題については単核であるが)し、4元系や5元系の今まで見られなかった高いキレート性混合配位子系を構築することが出来た(これについても論文を準備中)。色をプローヴとした幅広いクロモトロピズム現象を示す新規錯体を合成開発することを目的として本研究を計画した。クロモトロピズム(物質を取り巻く化学的、物理的条件変化に応じて、その物質が可逆的に色変化する現象を総称するもの)には、その起源に応じて、Solvatochromism(solvent),Thermochromism(temperature).Piezochromism(pressure).Photochromism(light).Electrochromism(electron-redox reaction)等がある。これらの現象を示す錯体は、立体的にも、あるいは電子的にも興味ある特製を持つことが明らかとなった。
大気微小粒子中のバイオマス起源有機粒子の同定と発生源の評価

大気中微小粒子状物質(PM2.5)の低減対策の検討には、暖候期と寒候期の主要成分である有機粒子の生成過程(一次/二次)と起源(化石燃料/植物)の解明が必要である。2014年夏季と秋季に埼玉県北部の加須にて昼夜別に採取したPM2.5の有機分子マーカーと放射性炭素の分析を行い、次の点を明らかにした。(1)いずれの季節も植物起源粒子のPM2.5への寄与が無視できない。(2)夏季はイソプレンやテルペン由来の二次生成粒子、秋季はバイオス燃焼由来の一次発生粒子の割合が高い。(3)PM2.5高濃度対策として、夏季は化石燃料起源粒子、秋季はバイオマス燃焼由来粒子の排出抑制が効果的と考えられる。(一部28年度後半まで繰越したため、28年度末までの概要として記載)2009年に設定された微小粒子状物質(PM2.5)の環境基準(日平均値: 35 μg/m3、年平均値: 15 μg/m3)達成率は低く、非達成局は大都市部と西日本に偏在し、大陸からの越境汚染と都市部の汚染が問題となっている。PM2.5の低減対策を検討するためには構成成分ごとの発生過程の解明が必要である。中でも有機粒子は発生源から直接排出される一次発生粒子と大気中において揮発性有機物(VOC)から粒子化する二次生成粒子があり、そのそれぞれに人為起源のものと自然起源のものがあり、これらの生成過程の解明が求められている。本研究では、南関東でPM2.5高濃度が出現する夏季と秋季から初冬季にかけてPM2.5を日中と夜間に分けて採取し、同一試料について植物起源有機粒子の分子マーカーと炭素同位体の分析を行い、有機粒子の生成過程を調べ、次の点を明らかにした。(1)夏季ならびに秋季・初冬季におけるPM2.5の炭素同位体分析の結果から、PM2.5への寄与が無視できない割合で植物起源粒子が存在する。(2)植物から発生する揮発性炭化水素であるイソプレンやテルペンから二次生成する有機分子マーカーと植物の野焼きから一次発生する有機分子マーカーの分析結果から、植物起源粒子として夏季はイソプレンやテルペン由来の二次生成粒子の割合が高い。秋季・初冬季はそれらの二次生成粒子も存在するが田畑等での植物燃焼による一次発生粒子の割合が高い。(3)夏季は日中の方が夜間より人為起源粒子の割合が高いが、秋季はむしろ逆の傾向があり日中の二次生成粒子の寄与が夏季より低い。(一部28年度後半まで繰越したため、28年度末までとして記載)(1)試料採取装置の納入時期の遅れにより、試料採取時期が繰り越されため、大量のPM2.5試料についての有機分子マーカー、イオン成分、炭素成分の分析が年度内に集中し、その一部を繰り越さざるを得なかったこと。(2)採取されたPM2.5濃度が低濃度であったため、大量に試料を必要とする炭素同位体分析を他の成分分析実施後の残存試料について行うこととしたために、本研究で最も重要な炭素同位体分析の多くが本年度末まで遅れてしまったこと。2009年に設定された微小粒子状物質(PM2.5)の環境基準(日平均値: 35 μg/m3、年平均値: 15 μg/m3)達成率は低く、非達成局は大都市部と西日本に偏在し、大陸からの越境汚染と都市部の汚染が問題となっている。(1)試料採取装置の納入時期の遅れにより、試料採取時期が繰り越されため、大量のPM2.5試料についての有機分子マーカー、イオン成分、炭素成分の分析が年度内に集中し、その一部を繰り越さざるを得なかったこと。

2009年設定の微小粒子状物質(PM2.5)の環境基準(日平均値: 35 μg/m3、年平均値: 15 μg/m3)達成率は低く、大都市圏と西日本に比較的多くの高濃度局が偏在している。PM2.5の低減対策の検討にはPM2.5の主要構成成分ごとの発生過程とその起源の解明が必要である。中でも有機粒子は発生源から直接排出される一次発生粒子と大気中において揮発性有機化合物(VOC)から粒子化する二次生成粒子があり、そのそれぞれに化石燃料由来とバイオマス由来があり、有機粒子についての発生過程(一次/二次)と起源(化石燃料/バイオマス)の解明が求められている。本研究では、2014年に南関東内陸部である埼玉北部の加須で、PM2.5高濃度が出現しやすい夏季(7、8月)と晩秋季(11月)にPM2.5を日中と夜間に分けて採取し、同一試料について植物起源有機粒子の分子マーカーと炭素同位体の分析を行い、有機粒子の生成過程と起源を調べ、次の点を明らかにした。(1)夏季ならびに晩秋季におけるPM2.5の炭素同位体分析の結果から、PM2.5への寄与が無視できない割合でバイオマス起源有機粒子が存在する。(2)植物から発生する揮発性炭化水素であるイソプレンやテルペンから二次生成する有機分子マーカーと植物の野焼きから一次発生する有機分子マーカーの分析結果から、バイオマス起源粒子として夏季はイソプレンやテルペン由来の二次生成粒子の割合が高く、晩秋季はそれらの二次生成粒子も存在するが田畑等での植物燃焼による一次発生粒子の割合が高い。(3)夏季は日中の方が夜間より化石燃料起源粒子の割合が高いが、秋季はむしろ逆の傾向があり日中の二次生成粒子の寄与が夏季より低い。PM2.5の高濃度対策としては、夏季は化石燃料起源有機粒子、晩秋季はバイオマス起源有機粒子の排出抑制が効果的である。大気中微小粒子状物質(PM2.5)の低減対策の検討には、暖候期と寒候期の主要成分である有機粒子の生成過程(一次/二次)と起源(化石燃料/植物)の解明が必要である。2014年夏季と秋季に埼玉県北部の加須にて昼夜別に採取したPM2.5の有機分子マーカーと放射性炭素の分析を行い、次の点を明らかにした。(1)いずれの季節も植物起源粒子のPM2.5への寄与が無視できない。(2)夏季はイソプレンやテルペン由来の二次生成粒子、秋季はバイオス燃焼由来の一次発生粒子の割合が高い。(3)PM2.5高濃度対策として、夏季は化石燃料起源粒子、秋季はバイオマス燃焼由来粒子の排出抑制が効果的と考えられる。(一部28年度後半まで繰越したため、28年度末までとして記載)(1)炭素同位体分析用の試料調製後の他の成分分析を並行して行うことにより、必要な分析データを本年度前半中に得られようにする。(2)過去に採取した季節別試料についても、新たに植物起源分子マーカーの成分分析を行い、複数年にわたるデータから、植物起源粒子の生成過程を解析する。(1)炭素同位体分析用の試料調製後の他の成分分析を並行して行うことにより、必要な分析データを本年度前半中に得られようにする。29年度が最終年度であるため、記入しない。環境動態解析29年度が最終年度であるため、記入しない。
肺癌とその前癌病変における遺伝子異常の病理生物学的検討

肺癌発生過程において、前癌病変としての異型上皮(hyperplasia, metaplasia, dysplasia)に生じる遺伝子異常を評価し、さらに、癌化した組織との病理生物学的特徴を比較検討するために本研究を開始した。しかし、非腫瘍部分における前癌病変がけっして多くはないこと、癌細胞近傍における異型については癌病変か前癌病変かの識別が困難である等の問題点が明らかになってきた。そこで、まず経気管支生検組織における上皮異型を採取し、多数例の異型組織で解析を加えることとした。現在までに、計171例(肺癌115例、異型上皮56例)の検体についてp53免疫組織染色の結果を得た。癌組織においては、63/115(55%)が陽性を示した。一方、56例の異型上皮におけるp53過剰発現の頻度は41%であった。異型の程度による発現頻度は、hyperplasia 4/19(21%), metaplasia 10/19(53%), dysplasia 9/18(50%)であった。ただし、癌組織の多くが均一で強い染色性を示したのに対し、異型上皮では、異型の程度に応じたintensityがみられ、かつ、細胞ごとに染色性に差が大きかった。正常気管支上皮にはp53蛋白の過剰発現は認められなかった。上皮の異型を呈した症例の中には、慢性炎症性肺疾患の症例も15例含まれていた。現在、これらの異型上皮と癌組織においてmicrodissection法を用いたDNA採取ならびに、PCR法による変異の有無を確認中である。
機械学習技術の活用による職人的プログラミングの知能化

本研究ではプログラム中の潜在的に性能への悪影響が大きいアンチパターンを特定し、さらにはそれを改善する「性能最適化作業」の知能化を目指している。平成29年度までの検討から、機械学習技術を用いることによって演算カーネルの実装選択や、反復解法アルゴリズムの前処理選択、コンパイラオプション選択等、性能最適化作業において熟練者が経験的に行ってきた判断の一部を機械学習によって代替できる可能性を示した。平成30年度には、SpMVカーネルの実装選択を機械学習で実現する方法について詳細に検討・評価し、学術論文としてまとめた。また、多くの機械学習では多数のハイパーパラメータを学習の前に経験的に決めなければならないことから、その自動チューニングにも取り組み、成果をまとめた論文が最優秀論文賞を受賞した。平成29年度に得られた知見を基に、平成30年度にはディープラーニングを活用した反復解法アルゴリズムの前処理選択方式の自動チューニング方式を改良し、多種の疎行列事例に対して性能評価を行った。その結果、実用に耐えうる精度で最適な前処理方式が選択できることを明らかにした。その成果は当該分野の国際ワークショップにて最優秀論文賞を受賞するなど、有用性が高く評価された。静的解析ツールSTViewによる乱流シミュレーションコードを解析した結果を用いて、性能評価すべきコード部分、特にファイル入出力部分の抽出が容易に行え、計算システムの性能評価に用いることができた。また、その評価を通じてSTViewに関する今後の課題が明らかとなった.性能化最適手法の体系化に関しては、メモリやL2キャッシュのビジー時間に注目し、アプリケーションタイプごとのビジー時間の傾向を整理した。これまでの体系化の結果を英語の本としてまとめ、現在出版作業中であり2019年に出版されることが決まっている。平成30年度が最終年度であるため、記入しない。静的情報であるコード構造から有用な性能最適化技法を予測する機械学習の可能性を調査し、静的情報だけでは限界があり、入力データや性能プロファイル結果などの動的情報の必要性を明らかにした。また、そのような動的情報の利用例として、疎行列ベクトル積(SpMV)の実装選択問題を機械学習する研究に取り組んだ。計算対象となる疎行列および計算を実行するシステムの対に依存して最適なSpMV実装の選択は異なる。このため、疎行列のもつ特徴から、対象計算システム上で最適なSpMV実装を選択する問題を機械学習し、高い精度で正しく選択できることを明らかにし、その実現方法の改良にも取り組んだ。プログラムの高度化や並列化作業では、そのプログラム構造や高い計算コスト部分を知ることが必要である。本研究では、プログラム編集機能を持つ解析支援ツールSTViewを統合プログラム開発環境Eclipse上に開発、公開した。STViewは、Fortranプログラムから条件分岐、繰り返し、手続き呼出し等の主要な構成要素を取得し、Eclipseの一つのウィンドウとしてそれらの構造をツリー形式で表示するものである.また、文字列の検索機能、構造ツリーとソースプログラム行との対応付けなど豊富な機能が実装されている。複数のFortranプログラムに対する適用実験により、その有用性も確認した.他者が開発したアプリケーションを読み解き、性能を評価し、問題点を発見し、問題点を解決することは難しい技術である。本研究では、このような性能最適化技術を体系的にまとめることを目的として実施した。アプリケーションの性能最適化技術を高並列性能最適化技術とCPU性能最適化技術の2つに分け、前者については、高並列化に関する問題点を6パターンに、後者については、アプリケーションを6パターンに分類した。性能最適化技術をそれぞれのパターンについて体系化を実施した。それぞれのサブテーマに関して計画通りに研究が進展している。静的情報であるコード構造から適切な性能最適化技法を判断するのは当初の予定以上に難しいことが明らかになったが、その知見に基づいて動的情報の必要性を明確化し、平成29年度以降の研究方針の明確な見通しを立てることができた。

これまでの体系化の結果を英語の本としてまとめ、現在出版作業中であり2019年に出版されることが決まっている。本研究ではプログラム中の潜在的に性能への悪影響が大きいアンチパターンを特定し、さらにはそれを改善する「性能最適化作業」の知能化を目指している。平成28年度の検討から、プログラムの構造などの静的情報だけではアンチパターンの特定や改善が困難であり、機械学習の適用可能な範囲は限定的であることが明らかになった。そこで、平成29年度は、動的情報も用いて性能最適化作業の知能化を試みた。具体的には動的情報である性能プロファイル情報と、静的情報であるソースコードの構造情報の両方を用いて、効果的な性能最適化手法を予測する機械学習を検討した。その結果、静的情報と動的情報の両方を入力とする機械学習モデルは、どちらか一方のみを入力とするモデルよりも高い精度で有効な性能最適化手法を予測できることが明らかになった。また、数値計算ライブラリにおける反復解法アルゴリズムにおいては、疎行列構造に応じた前処理方式の選択が性能に決定的な影響を及ぼす。しかし、その選択は高度な専門性が必要である。平成29年度、前処理選択の自動チューニングにおいて、ディープラーニングを活用した方式の提案と予備評価を行った。さらに、平成29年度には静的解析ツールSTViewを地盤-建築物の地震動解析コードや乱流シミュレーションコードに適用し、コード全体のツリー構造が容易に把握できること、および初めてコードを扱う者にとって有益な情報が与えられることが明らかになった。この結果を用いて、地盤-建築物の地震動解析コードの並列化の指針が立てやすくなった。性能最適化手法の知見の体系化にも引き続き取り組み、平成29年度には高並列化に関する問題点を6パターンに、ノード単体性能に関してはアプリケーションを6パターンに分類し、性能最適化技術をそれぞれのパターンについて体系化した。当初の予定通り、静的情報に加えて動的情報も用いた機械学習を検討し、その有効性を評価することができた。その結果として、機械学習技術を用いることによって演算カーネルの実装選択や、反復解法アルゴリズムの前処理選択、コンパイラオプション選択等、性能最適化作業において熟練者が経験的に行ってきた判断の一部を機械学習によって代替できる可能性を示すことができた。当初の予定どおり、性能プロファイル情報などの動的情報を機械学習のデータとして利用することを検討する。また、平成28年度に研究開発したコード解析ツールをプロファイラと連携させる。さらには、自動チューニング技術との効果的な連携方法についても調査を進める。平成30年度が最終年度であるため、記入しない。平成29年度に投稿した論文の査読に時間がかかっており、その成果の公開が遅れてしまったが、条件付き採録となっていることから条件をクリアすることで採録されるように努めることとする。
長周期火山性振動を解明するための新たなアプローチ

本研究では,励起源近傍での観測データに非線形動力学や位相幾何学的なアプローチを適用して,その励起源の力学機構の数理構造を推定する手法を開発し,他の多項目観測と併せることで,長周期火山性振動の火山活動における役割が明らかにする.2018年度は,2011年の霧島山新燃岳噴火で発生したハーモニックな微動に非線形動力学的手法による解析を適用し,それらが非線形システムによるリミットサイクルに起因することを明らかにした.また,既存の非線形微動モデルを拡張することより倍周期分岐の現象を再現できることも示した.これらの成果を纏め,欧文学術誌に公表した. 2016年度から2018年度の期間で実施した「遠隔操作の多項目観測による西之島形成プロセスの解明(基盤研究(A))」において,新たに誕生した西之島の火口近傍に設置した広帯域地震観測により,2017年4月18日の再噴火の溶岩流出に先行して,相似な波形を持つ長周期地震群と周期1.51時間の鋸波状の傾斜変動が発生していることを明らかにした.この現象は2011年及び2018年の霧島新燃岳噴火で記録された長周期地震や傾斜変動に対応するものであり,これらのデータも含めて新たなアプローチの開発に取り組む必要性が生じた.また,2011年霧島新燃岳噴火のハーモニックな微動について,火道浅部で想定される流体制御の機構を組み込んだ数理モデルにより,供給源における圧力を変化させるだけで,観測された微動の相図上の軌道の時間変化を再現することに成功した.浅間山の非線形微動の検討では,2004年9月1日の噴火に至るまでの火山ガス噴出イベントの推移と地震活動・非線形微動活動の整理を進め,これらの非線形微動が火道浅部における火道の閉塞状況を示唆している可能性があることを明らかにし,数理モデルから物理モデルに発展させる上での手がかりを得ることが出来た.本研究計画では,1)振動の位相幾何学的分類,2)相図による局所的な数理構造の解明,3)観測量に基づく制御因子の定量化への着手,を柱として研究を進めてきた.1)の課題では,2011年の霧島新燃岳の微動データを解析して,ハーモニックな微動に現れる倍周期分岐とその非線形動力学的な特徴を明らかにし,欧文学術誌にその成果を公表した.2)の課題では,これまで2011年の霧島新燃岳噴火に伴うマグマ湧出期の鋸波状の傾斜変動について,その相図を分析することにより,単純な構造を持つ数理モデルを構築してきた.それに加えて,新たに西之島の2017年4月18日のマグマ湧出噴火に先行する傾斜変動データと2018年3月に再開した霧島山新燃岳噴火での一連の噴火活動の際の傾斜変動データを加えることにより,異なる条件下での局所的な数理構造の検討も開始した.また,2011年の霧島新燃岳のハーモニックな微動については,観測された相図上の軌道の時間変化を再現できる数理モデルの構築に成功した.3)の課題に関連する情報を得るためには,非線形微動の火山活動における位置づけをより明確にする必要がある.これまで浅間山において,2007年10月2018年1月に亘る約10年間の火山ガス噴出イベントの推移と地震活動・非線形微動活動を整理し,その特徴を明らかにしてきた.それに加えて,2003年10月から2004年9月1日の噴火に至るまでの同様のデータを整理し,非線形微動が火道浅部における閉塞状態を示唆している可能性のある事を明らかにした.以上を纏めると,全体としては,ほぼ,当初の計画通り順調に進捗しているといえるが,新たに2017年4月の西之島噴火におけるデータを加えることで,より広範に適用可能なアプローチと数理モデルの開発を進める.2019年度は先ず,2018年度における2)相図による局所的な数理構造解明の課題への取り組みにより,2011年霧島火山新燃岳噴火の湧出期からブルカノ式噴火期にかけて観測されたハーモニックな火山性微動の相図上の軌道時間変化を再現する事に成功した局所的数理モデルについて,その非線形力学的な特徴を解明する.この数理モデルは,2004年浅間山噴火前に発生した非線形な火山性微動について構成した局所的数理モデルとは異なる構造を持っているので,様々な自励振動を引き起こす発振回路との類似に注目して,この両者の比較検討を進め,これらの数理構造を発振回路の基本である【時定数回路】,【振幅安定回路】,【制御因子回路】の3つに分類して整理する.また,2011年霧島火山新燃岳噴火の際に観測されたマグマ湧出期の傾斜変動,2018年3月の霧島山新燃岳噴火の際に観測された傾斜変動,微動データ,及び2017年4月の西之島再噴火での溶岩流流出に先行して観測された傾斜変動,長周期地震の分析も加え,既に蓄積された相図上の様々な軌道の特徴について整理・分類し,それが現れる象限に対応した数理構造の分類も進め,より広範に適用可能なアプローチと数理モデルの開発を目指す.また,昨年度から引き続き,傾斜変動・微動活動と他の火山活動を示す観測データとの対比をさらに進め,より具体的な物理プロセスの推定に基づいて,制御因子の定量化を図る.さらに,今年度は最終年度となるので,最終的な研究成果の取り纏めを行う.

本研究では,励起源近傍での観測データに非線形動力学や位相幾何学的なアプローチを適用して,その励起源の力学機構の数理構造を推定する手法を開発し,火山活動を表す他の多項目観測データと併せることで,長周期火山性振動の火山活動における役割が明らかにする.2016年度は火口近傍で観測された微動データから振動の非線形性を検証する方法と励起源の力学機構のシステム次元を制約する手法の開発に取り組んだ.開発の方針は,時間遅れの埋め込み座標系を用いてアトラクタ再構成を行い,埋め込み写像を実現する最小次元と再構成アトラクタの相関次元から力学機構のシステム次元の範囲に関する必要条件を求める方向で進めた.その結果,適切な時間遅れを推定する方法としては高次自己相関係数を用いる方法が,最小埋め込み次元を推定する方法としてはCao[1997]の方法が有効であることを,非線形な火山微動モデルであるJulian[1994]のモデルを使った数値シミュレーションで示した.微動の非線形性の検証にサロゲート解析が有効であることも,同様のシミュレーションで確認した.この手法を2004年浅間山噴火の前に発生した非線形な火山性微動と長周期地震に適用することで,その励起源のシステム次元が3-7の間にあることを明らかにした.さらに,火道浅部が流体回路モデルに類似できることを考慮して,この次元の範囲にあるモデルとしてControl valveに因る流体制御の数理モデルを設定し,シミュレーションを行った結果,非線形な微動も長周期地震も同じ数理モデルで説明可能であること,このようなシグナルは火道の状態が閉塞する方向に変化することで励起されることを明らかにした.この変化は,2004年浅間山噴火の前に観測された地震活動や火山ガス噴出イベントの推移と整合的であり,火山性微動や長周期地震を観測することで火道内の変化を把握できる事を示した.本研究計画では,2016年度は,1)観測された振動の非線形性の検証と力学機構の次元推定,2)振動の位相幾何学的分類及び相図による局所的な数理構造の解明への着手,を予定していた.1)の課題では,微動の非線形性の検証にはサロゲート解析が有効であること,力学機構の次元推定のための手法としては時間遅れの埋め込み座標系を用いたアトラクタ再構成による手法が有効であり,適切な時間遅れを推定する方法としては高次自己相関係数を用い,最小埋め込み次元を推定する方法としてはCao[1997]の方法を用いることが妥当であることを,非線形の火山性微動数値モデルを用いたシミュレーションで確認した.このように,1)の課題は当初の研究計画通りに進捗した.さらに,2)の課題と関連して,1)で確立した手法を2004年浅間山噴火の前に山頂火口近傍で観測された非線形な火山性微動と長周期地震に適用して,その励起源の力学機構のシステム次元の範囲を推定し,その次元内に入る数理モデルを構築して,観測データの再現を試みた.その結果,観測された非線形な微動,長周期地震は火道内の閉塞状況の進行という状態変化を示唆していることが明らかとなり,火山性地震や火山ガス噴出イベントの推移とも整合的に説明できることが判った.この成果は,今年度以降予定している観測からの定量化と物理モデルの解明につながるものであると同時に,相図による局所的な数理構造の解明への手がかりとなる成果ともいえる.2)の課題の振動の位相幾何学的分類については,当初予定していたほどには進捗していないが,全体としては,ほぼ,当初の計画通り順調に進捗しているといえる.
眼球運動測定を応用した下顎前突症術後理想的顔貌に関する研究

健常者およぴ術前術後の下顎前突症患者に対し呈示し、眼球運動を測定する為の資料とする下顎前突症患者の術前写真のデータベース化をするため、光磁気DISKを購入し記録しつつある。理想的術後顔貌を求めるために数種類の術後予想顔貌を画像操作により作成する必要があるが、従前の保有機器(Macintosh)では画像作成に時間を多大に要すため、Macintoshコンピューターの高速化を図り、Power Macintoshへのアップグレードロジックボードを購入した。現在の所得られた健常人の眼球運動計測では、下顎前突症患者術前顔貌写真では、オトガイ部に視点が集中、静止する傾向にあり、正常領域に近似した予想顔貌写真では、眼部次いでオトガイ部に視点が集中、静止する傾向にある、また、下顎を過度に後退させた予想顔貌写真では、眼部のみに視点が集中する傾向があり、過度の下顎後退術は、上顔面のみにしか個性が保たれない事を意味すると思われる。一方、下顎前突症患者本人より得られた眼球運動計測の結果では、健常人のデータに比べ、どの写真においても、視点がオトガイ部に集中、制止する度合いが強く、健常人から見る正常顔貌と、患者側から見る理想的な術後顔貌の間には、差がある事が予想されている。現在の所、その理想顔貌を求めるべく資料の採集中であるが、結論を出すための絶対数、特に患者の眼球運動資料が未だ不足しており、学会報告にまでは至っていない。
迅速・簡便な生体高分子定量技術の開発とそれを用いた環境微生物生態の解明

環境バイオテクノロジーのキープレイヤーである微生物の動態を解明するためのブレークスルー技術として、分子量分画膜を用いた生体高分子であるRNAの新規定量法の開発を行った。提案技術のコンセプトの証明から、実験プロトコールの確立、交雑ストリンジェンシーの制御による特異的検出条件の最適化などを検討することにより、廃水処理システム中に存在する特定微生物群の定量を行うことが出来た。実験に要する時間は、RNA抽出を入れても、最短で3時間程度であり、迅速で簡便な技術を開発することが出来た。本課題で開発している技術の改良及び環境試料から抽出したrRNAの定量を行った。プローブとrRNAの交雑物を分子量分画膜により回収するためのろ過条件、交雑条件を検討したところ、ろ過は-10 kPaで行うとより核酸の回収効率が良く、交雑時間は15分、交雑反応溶液中のプローブ/RNA比は50(mol/mol)、NaCl濃度は400 mMが交雑物の回収に最適であることがわかった。この条件下で、Bacteriaを標的とするプローブ(EUB338)により、Escherichia coli(標的)とMethanosarcina mazei(非標的、EUB338と5塩基ミスマッチ)の識別を試みたところ、標的と非標的から得られたシグナル比(S/N比)は5.4であった。そこで、本手法の特異性の向上を試み、反応溶液に尿素を入れ、交雑ストリンジェンシーの制御を試みた。尿素を4 Mにしたところ、S/N比を25.8まで高めることに成功した。また、Methanosaetaceaeを標的とするプローブ(MX825m)により、Methanosaeta concilii(標的)とMs. mazei(非標的、MX825mと2塩基ミスマッチ)の識別を試み、尿素4 Mの実験系において、S/N比を17.9まで高めることができた。EUB338とMX825mを同じ反応溶液内で混合した2種の同時定量を試みた。ビール工場廃水を処理するUASBグラニュールから抽出したRNAに適用したところ、Bacteriaは38.5±4.5%、Methanosaetaceaeは29.4±5.8%であった。本課題で開発している技術の基礎的知見の収集を行った。蛍光標識オリゴヌクレオチドDNAプローブと人工合成RNAを用いて、まず分子量分画膜の選定を行い、RNAの回収率が70%以上でかつプローブの通過率が99.5%以上を有する分画膜を選定した。次に、反応溶液中のプローブとRNAの量、反応溶液の組成、反応時間、ろ過方法等の条件の最適化を行った。その結果、反応温度をコントロールすることで、2塩基ミスマッチでも識別可能であることが明らかとなった。この最適化した実験条件により、人工合成RNAによるモデルコミュニティーの定量を行ったところ、既知値と定量値の間に高い相関が示された。また、本手法の高感度化およびハイスループット化を図るため、本手法に適用可能と考えられた蛍光分光光度計、プレートリーダー、バイオイメージャー、シーケンサー、定量PCR装置について妥当性を検討した。このうち、最も高感度であったのは励起光源にレーザーを用いているシーケンサーであった。しかし、シーケンサーを用いると、感度が高い反面、塩基配列によってピークが得られる時間に若干の誤差が生じやすく、今後解析を行っていく際に不都合が生じる可能性が高いと判断された。シーケンサーと同様にレーザーを励起光源に用いているバイオイメージャーは、いかに狭い面積でスポットを行うか等,克服しなければならない問題がいくつか見受けられたため、本手法には適さないと判断された。他の機器についても検討したところ、シーケンサー程の検出感度を有する機器はなかったが、本技術の高感度化およびハイスループット化に向けて最も適当であろうと判断されたのはモノクロメーター式の蛍光プレートリーダーであった。今後はこのプレートリーダーを解析機器をして用い、本手法の高感度化とハイスループット化を図っていく。本研究では、環境バイオテクノロジーのキープレーヤーである微生物の動態を解明するためのブレークスルー技術として、生体高分子である核酸を定量する技術を開発する。本研究課題で用いていた分子量分画膜が販売中止となり、新たに他の分子量分画膜の検討を行う必要が生じた。そこで,再度,使用する膜について新しく出た製品の検討を行った。その結果、これまで使っていた膜とほぼ同等の性能が得られることが分かったため、代替とすることとした。これまでに得られた尿素を変成剤として交雑ストリンジェンシーを制御する方法を用いて、定量性能の評価を行った。まず、Eeschericha coliとMethanosarcina mazeiの人工合成RNAを様々な割合で混合した系を用意し、それぞれについて定量したところ、既知の割合と測定結果がほぼ一致した。

そこで、マルチプレックス定量系を確立するために、人工合成したEeschericha coliのRNA、Methanosarcina mazeiのRNA:Methanosaeta conciliiのRNAをそれぞれ1:1:1で混合した系を用意し、プローブとして、異なる蛍光色素を標識したEUB338、ARC915s、MX825mを用いて定量を試みた。その結果、EUB338、ARC915s、MX825mはそれぞれ33.4±2.4%、61.8±7.9%、30.0±3.0%となり、理論値上の定量値(それぞれ33.3、66.7、33.3%)に近似した値を示した。この結果、本法により、トリプレックスまでの定量が可能であることが明らかになった。環境衛生工学配列特異的な核酸を検出・定量を行うための特異性をコントロールしやすくするための実験プロトコルの改良に成功している。また、解析装置として蛍光分光光度計とプレートリーダーの両者でデータを比較し、プレートリーダーによるハイスループットな解析も可能であることを確認できているなど、順調に進んでいる。技術の基本的なところを確立することが出来、また、特異性や定量性などについてもデータを得ることが出来ている。また、解析装置としての妥当性をプレートリーダーとシーケンサーで比較し、プレートリーダーで解析を行っていくことを決定できるなど、順調に進んでいる。本手法による配列特異性の更なる向上(1塩基ミスマッチの識別)及び、核酸/プローブ交雑物と余剰なプローブの分画方法においてもハイスループットに行えるよう、技術全体のハイスループット化ができるような技術の開発を行う。環境サンプルへ適用するための問題点を洗い出し、それらを克服可能なプロトコールや実験条件を最適化し、環境サンプルをハイスループットで解析できるような技術の開発を行う。24年度にrRNAを指標とした微生物定量技術を開発し、25年度に高感度ハイスループット技術を開発し、国際学会にて発表する予定であったが、ハイスループット化のためには、分子量の分画方法を変更する必要が生じたため、計画を変更(補助事業期間を延長)し、膜ではなくビーズによる分画に変更してハイスループット化を行うこととしたため、次年度使用額が生じた。上記の理由から、ビーズによる分画方法を用いたハイスループット化に関わる物品費用および国際学会発表・学術論文作成のための費用として使用する。一般試薬やチップ類、合成オリゴヌクレオチドなどの消耗品。国内学会での成果発表の他、打ち合わせを行うための旅費。研究補助や論文校閲などの謝金。会議費や論文投稿料、遺伝子解析などのその他経費。