hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
国際化時代の教員養成における多文化音楽教育のCD-ROM教材開発

日本の小中学校の音楽において、これまであまり取り上げることのなかった日本の先住民族のアイヌの歌や踊り、自然と共生していく考え方などを取り入れた教材の開発を現在行っている。また、共同研究者のアメリカの多文化音楽教育実践の第一人者であり、すでに多文化教育のCD-ROMを制作しているアメリカ・インディアナ大学のメアリー・ギョッツェ教授とともに、富山県の「こきりこ」について教材化のCD-ROMを開発し、試作品がほぼ出来上がっている。インドネシア、バリ島のガムランについては、平成13年8月28日9月1日に現地に赴き、取材・収録を行った。現在は、映像や解説などCD-ROMを作るための素材の全ての準備を終え、分担者鵜川義弘氏の強力で部分的な試作を終え、製作に入った。平成13年9月28日10月2日には沖縄の池間島・小浜島にてフィールドワークを行い、厳しい歴史を経て今も生活の中に祈りや踊りが息づいている沖縄の教材を開発し、沖縄の音楽文化については、教材化CD-ROM製作の準備に入っている。本研究は、日本とアメリカの小中学校の生徒に、日本の伝統的な民俗音楽を、その本質を損なうことなく、真の文化理解を目指す多文化音楽教育の学習マニュアルとしてのCD-R0M制作を行うことを目的とする。アメリカの多文化音楽教育実践の第一人者であり、すでに多文化教育のCD-R0Mを制作しているアメリカ・インディアナ大学のメアリー・ゲッツ教授との共同開発により、富山県の「こきりこ」についての教材化CD-R0Mを完成した。また、宮城教育大学4年生黒澤智子の卒業研究における共同制作の結果、これまであまり取り上げられることのなかった日本の先住民族アイヌの音楽文化と、塩化ビニール管による篠笛作りの教材化CD-ROMが得られた。また、インドネシア・バリ島のガムランについての教材化CD-ROMは現在制作中である。平成14年8月11日から16日にかけてノールウェイのベルゲンで行われたISME(国際音楽教育協会)第25回大会においては、研究代表者の降矢が、パネルディスカッション『日本の音楽教育<現在・過去・未来>』のパネリストとして参加し、研究成果の一部を発表した。平成14年11月には研究代表者が沖縄県の竹富島と石垣島に赴き、八重山の子守歌やわらべうた、暮らしや文化など民俗の聞き取り取材・収録を行い、竹富島では種取祭の取材・録画を行った。平成15年3月24日から27日には再び研究代表者が沖縄県に取材に赴き、竹富島のわらべうた、子守歌、古謡ユンタ、ジラバー、アヨー、ユングトゥの取材・録画、機織りの取材を行い、波照間島では子守歌、わらべうた、神司、機織りの取材・録画を行った。これらの取材により、沖縄県については取材を完了し、現在はCD-R0M制作の準備に入っている。アジアの音楽についても、韓国とタイの音楽の取材を終え、CD-R0M制作のための資料と画像の準備がほぼ完了している。
退化した偏微分方程式およびウェーブレット変換とその応用

ウェーブレット解析,特にその中心にあるウェーブレット変換に関して,応用場面で現れる数学的問題のいくつかについて考察を加え,応用の基盤となる性質やどういう応用がありうるかについて,ある程度明確にすることができた.特に,ブラインド信号源分離(複数の原信号が混じった信号のみが観測できる際に,それら観測信号から原信号の情報を得るという問題)に関して現れる問題を中心として考察を行い,信号源分離の時間周波数解析を基にした手法をいくつか開発した.ウェーブレット解析,特にその中心にあるウェーブレット変換に関して,応用場面で現れる数学的問題のいくつかについて考察を加え,応用の基盤となる性質やどういう応用がありうるかについて,ある程度明確にすることができた.特に,ブラインド信号源分離(複数の原信号が混じった信号のみが観測できる際に,それら観測信号から原信号の情報を得るという問題)に関して現れる問題を中心として考察を行い,信号源分離の時間周波数解析を基にした手法をいくつか開発した.1. Blind Source Separation(複数のソース信号が混じっている観測信号から元のソース信号を分離する)の問題で,時間差をもって混ざっている場合(spatio-temporal mixture problemの簡単な場合)について,東京理科大の佐々木文夫教授との協力のもと,解析信号(analytic signal)になっているウェーブレット関数を用いたウェーブレット変換による時間周波数情報の比が実数値になる部分を用いる方法について,研究をまとめた.具体的なアルゴリズムの詳細,理論的な裏づけの考察,シミュレーションについての結果を論文にまとめ,Applicable Analysisに投稿,すでに掲載が決定した.さらに,この時間周波数情報の比の位相も利用することで,時間差がサンプリング間隔の整数倍とはみなせない場合も扱う手法の考察を進めた.シミュレーションではかなりうまくいっているが,数学的理論づけの困難が残っている.2.信号のフーリエ像の「中心」,「幅」について,どのような定義がもっとも適切であるかという問題について,数学的観点およびウェーレット解析の応用の観点から更なる考察を進め,さらに,関連して生じる数学的問題,特に「不確定性原理」の修正について考察した.3.信号とそのフーリエ変換について,両方をできるだけ局所化させる場合,重要な役割を果たす偏長楕円体波動関数(prolate spheroidal wave function)について,不確定性原理との関係で調査を進め,さらにBeylkinの論文などにおける使われ方(数値計算への応用)などについて,数学的にあいまいな点などを考察した.1.メイエのウェーブレットとそのヒルベルト変換を並行して使うと,離散ウェーブレットの持っている「平行移動不変性がない」という欠点を完全に補えるという事実の理由を,数学的に解析し,2つ以上のウェーブレットを使って,離散ウェーブレット変換による分解結果(ある種の射影作用素を施したと見ることができる)の平均が平行移動不変性を持っためのよい十分条件を与えることができた.この結果の基礎として,ヒルベルト変換を自然に拡張する作用素の族が重要な働きをすることが分かってきた.2.複素ウェーブレットを考える場合,実部のヒルベルト変換を虚部に取ることで,様々な利点があることが分かってきていた.虚部が実部(元の信号)のヒルベルト変換となる信号を解析信号と言うが,解析信号の絶対値が元の信号のエンベロープとみなせるという一種の経験則がある.しかし,信号によってはそうではない場合も多い.解析信号の絶対値がエンベロープの役割を果たすのはどういう場合かについて,理論的な考察を行い,「元の信号の帯域が高周波帯に集中している時に解析信号の絶対値がエンベロープとなる」ことが,理由とともに明らかになった.3.ブラインド信号限分離(Blind Source SeDaration,複数のソース信号が混じっている観測信号から元のソース信号を分離する)の問題で,今まで音声信号などの1次元信号に対して開発してきた方法を,2次元信号である画像信号の分離に応用し,ある程度成功した.1.ブラインド信号源分離(Blind Source Separation,複数のソース信号が混じっている観測信号から元のソース信号を分離する)の問題で,1次元信号の代表である音声信号について,時空間的混合問題(時間遅れのある混合)のもっとも簡単なモデルを考察した.源信号の推定において,遅れ時間の推定が悪いと混合行列の推定は全くうまくいかなくなるので,時間遅れの推定は重要である.観測信号の時間周波数情報の位相情報を使って時間遅れの推定の精度を上げる方法の理論的考察を行い,シミュレーションを行って,その有効性を確認した.2. 1の考察において,解析信号をウェーブレット変換に組み込むことが有効であることが明らかになった.これを一般化して,ウェーブレット解析とフーリエ乗算作用素との関係,特に表象が斉次関数である場合の関係について,基本的な性質を明らかにした.3. 2次元信号である画像信号のブラインド信号源分離に1次元信号の場合の手法を応用する際(ただし,現在は空間的混合問題のみ),どのようなウェーブレットが適切であるかの考察を進め,1次元の解析信号の自然な多次元化であるリース変換を使ったモノジェニックウェーブレット変換について,その基本性質などを明らかにした.4. 2の考察の際に,複数のウェーブレット関数から作られたウェーブレット族を用いるのが有効であることが明らかになったが,それらがフレームと呼ばれるよい関数系になることが望ましい.フレーム,特にパーセバルフレームについて,基本的な性質や構成法について考察を行った.この考察は,複数のウェーブレット関数を同時に使用するマルチウェーブレットの応用に重要な手掛かりとなるものと思われる.
地磁気擾乱時における電離圏電場分布の変動と電離圏擾乱ダイナモとの関係

本研究では、太陽風擾乱によって引き起こされる磁気嵐の発達期と衰退期の電離圏電場変動や熱圏中性風変動が与える電離圏電子密度構造への影響を評価するために、全球にわたる全電子数(TEC)データ、太陽風、地磁気指数、ならびに地磁気データの統合解析を行った。本解析では、磁気嵐時の電離圏変動を抽出しやすくするためにまず、地磁気擾乱日・静穏日リストから各月における地磁気静穏日10日分を選び出し、その日に該当するTECデータの平均値を求め、磁気嵐時のTEC値からその平均値を差し引いた。さらに、静穏日データを差し引いた値について静穏日の値で規格化を行った。その結果、磁気嵐の開始または惑星間磁場の南転から約1時間以内で、昼間側から午後側にかけての高緯度からサブオーロラ帯でTECの増加が開始し、その高TEC領域が磁気嵐の発達とともに低緯度側へ拡大していくことがわかった。その高TEC領域が低緯度側へ拡大する速度は、40-50 m/sと300-600 m/sの低速と高速の2種類があることも判明した。前者の低速で低緯度へ拡大する高TEC領域の高緯度側に狭い緯度幅を持ったTEC値の減少領域を示す中緯度トラフがあることから、この拡大速度は磁気嵐の発達に関連した電離圏対流の拡大速度を反映しているものと考えられる。一方、高速で低緯度側へ拡大する高TEC領域は、磁気嵐に伴うオーロラ活動の増加によって引き起こされた熱圏風によるものと推察される。また、午後から夕方側の磁気緯度20度以下の赤道域においてもTECの増大が観測され、磁気嵐の発達とともに高緯度側へ拡大し、高緯度から伝搬してきた別の高TEC領域と低緯度付近で一つになることも分かった。この観測事実は、赤道域に起源をもつとされる従来のstorm enhanced density (SED)の発生機構のみでは説明できないことを示唆する。本研究ではまず、地磁気擾乱時における赤道-高緯度の熱圏風と地磁気変動の関連性を明らかにするため、多点地磁気観測点のデータをアーカイブしている京大地磁気センターなどの国内外の研究機関から提供された地磁気1分値データを解析することに良より、全球的な電離圏等価電流ベクトルの導出を行った。ここでは、各観測点の地磁気のHとD成分に対して磁気嵐時のデータから各月の地磁気静穏10日分のデータを平均したものを差し引いた。ここで用いた地磁気静穏日は、京都大学地磁気センターから提供された地磁気静穏日リストから同定した。次に、磁気圏界面電流や環電流の作る磁場の影響を極力抑えるために、上で求めた各観測点の擾乱場から緯度補正を加えた低緯度の地磁気水平成分を差し引いた。これによって得られた地磁気変動成分のXとY成分を用いて電離層等価電流ベクトルの分布の変化を解析した。その結果、磁気嵐主相時の等価電流系は、昼間側の磁気赤道で東向き赤道ジェット電流の増大とともに地磁気静穏時ではあまり顕著で無かった2セル型の電離圏電流の発達が認められた。これらの渦電流の中心は、朝側と午後側でそれぞれ70度と65度に位置していた。また、その2セル型の電離圏電流は、磁気緯度30度以下の低緯度領域まで拡大していたことが判明した。その後、磁気嵐回復相に移行するにしたがって、中緯度領域に極域で見られた2セル型の電離圏電流渦とは極性が逆の電流系が30分-1時間程度の継続時間を持って出現していた。これは、内部磁気圏で発達した部分環電流に接続する領域2型の電流系によって駆動されたものと考えられる。さらに、磁気嵐回復相後期になると、赤道から中緯度にかけて通常の地磁気日変化の電流系を打ち消す方向の新たな電流渦が出現していた。この電流渦は、熱圏風擾乱によって引き起こされたものと考えられる。全球地磁気変動から電離圏電場を導出する際に電離圏電気電導度モデルから算出される情報が必要となる。すでに、我々の研究グループによって電離圏電気電導度を計算するコードを開発しているが、長期間にわたって全球的な電離圏電導度を算出するには膨大な時間がかかる。そこで平成27年度では、その計算時間をなるべく短くするために、一度計算した大気や地球磁場モデル値をデータベース化し、再度計算するときにはそのデータベースを参照することによって電離圏電導度を求めるルーチンを開発した。そして、その計算ツールを駆使することにより、1958年から現在までの期間について赤道域から両極域に分布する地磁気観測点上の電離圏電導度モデル値のデータベースを作成した。これにより、全球地磁気変動から電離圏電場の時間・空間変動を研究する解析環境が整備された。次に、それらの解析環境を用いて地磁気静穏日の電離圏電場分布の長期変動特性を調べるために、60年以上に及ぶ長期の太陽活動度と地磁気データから見積もられる電離圏電場との相関解析を行った。その結果、中緯度から赤道域で観測された地磁気日変化振幅は、明瞭な季節変化と太陽活動極大期に地磁気日変化振幅が大きくなるという11年太陽活動周期性を示した。特に、1947年以降で最も太陽活動が低調であった23/24サイクル極小期における地磁気日変化振幅が最も小さくなっていた。また、地磁気日変化振幅から見積もられる電離圏ダイナモ電場の長期変動についても、明瞭な季節変化と太陽活動周期性が見られた。

しかし、低緯度-中緯度における真昼付近の電離圏ダイナモ電場は、太陽活動極大期にその強度が小さくなるという太陽活動とは逆相関であった。その傾向は、南北両半球でも地理経度に関係なく見られた。その太陽活動とは逆相関になる要因としてイオンドラック効果が候補として考えられる。今年度は、当初の研究実地計画に従って電離圏電気電導度モデル値の全球分布を計算するルーチンを改良することに成功し、その計算時間を大幅に縮小することができた。その改良版の計算ツールを駆使することによって、1958年から現在までの期間について赤道域から両極域に分布する地磁気観測点上の電離圏電導度モデル値を算出することに成功し、そのデータベースを作成することができた。また、その解析環境を用いて地磁気静穏日の電離圏電場分布の長期変動特性の研究を実施することができ、地磁気擾乱時における電離圏擾乱ダイナモの研究を実施する基礎資料を得ることができた。磁気嵐およびサブストーム時における全球的な電離圏電流と電場の時間・空間変動を捉えるために、大学間連携プロジェクトで開発したデータ解析システムを駆使して、複数の磁気嵐イベントに対して太陽風、地磁気、および電離圏全電子数データの解析を行った。その結果、磁気嵐の発達期に領域1型の電流系に伴う地磁気変動が全球にわたって出現し、昼間側の赤道電離圏へ対流電場の侵入による赤道ジェット電流の作る磁場変動が観測された。一方、電離圏全電子数変動については、磁気嵐主相の開始から2-3時間以内に昼間側の中緯度(磁気緯度:50-55度)付近から電子数の増大が始まり、それが時間の経過とともに全球に拡大する様子を捉えることができた。また、磁気赤道を挟んで磁気緯度10-20度付近に現れる赤道異常に関連した全電子数の値が時間の経過とともに増加していた。これは、赤道電離圏に侵入した東向きの対流電場が磁気嵐主相時に強められ、赤道電離圏が電場ドリフトで持ち上げられたことによるものと考えられる。さらに、午後側の中緯度において経度方向に帯状の構造をした全電子数の減少領域が出現し、それが磁気嵐の発達とともに低緯度側へ移動して行った。その構造は磁気嵐の回復相になると急速に消滅した。この全電子数の減少領域は、領域2型の電流系の発達に伴う西向きの早い電離圏フローによって形成されたものと考えられる。惑星間磁場の南向き成分が急速に弱まるか、または北向きに転じることで磁気嵐回復相に入ると、それまで発達していた領域1型の電流系が急速に弱まり、サブオーロラ帯・中緯度に領域1型の電流系が作る電離圏電流とは逆向きの電流系が卓越し、その電流系の継続時間は30分から1時間程度であった。これは、部分環電流と接続する領域2型電流系が作る電離圏電流であると推測される。この時、昼間側の電離圏全電子数も時間の経過とともに減少していく様子が捉えられた。本研究課題で利用する大学間連携プロジェクト「IUGONET」で開発されたデータ解析システムが2016年11月に大幅に変更され、これまで以上に太陽と超高層大気関連の観測データの検索と収集がかなりやりやすくなり、多種類の多量な観測データの解析が容易に行える環境が向上した。そのような環境整備によって、本研究課題で用いる太陽風、地磁気、中層・超高層大気レーダー、および世界各地のGNSS(全地球衛星測位システム)データの統合解析ができるようになった。そのため、本研究課題を順調に進めることができた。
河川堤防の豪雨時における間隙空気の噴発発生メカニズム

河川堤防が豪雨時に浸水を受けたとき,間隙空気圧が増大し地表面から噴発する現象が指摘されている.本研究では,模型地盤に降雨と河川による浸水を想定した実験に基づき,浸水時の間隙空気圧の発生原因を検討するとともに,噴発現象に対処するため透気・防水シートの適用を検討した.その結果,飽和透水係数が10の-3乗cm/sオーダーの土質材料で間隙空気圧の発生が懸念され,間隙空気圧の増大に伴い地盤内部で亀裂等の破壊が観察され,間隙空気が河川堤防の安全性に影響することが示唆された.そして,透気・防水シートを地表面付近に敷設することによってその透気性が確保され,間隙空気圧発生や破壊現象を解消できることが検証された.本研究は,豪雨時に河川堤防内部の封入間隙空気が地表面から噴出する事例を背景に,噴発現象の発生機構を明らかにするとともに,噴発に伴う堤防の弱体化への影響を究明するものである.初年度(H25年度)は,不飽和な模型地盤に降雨や河川水による浸水を想定した室内実験を行い,浸水時の地盤内部の飽和度,間隙水圧,間隙空気圧の経時変化を測定することによって,間隙水と間隙空気の挙動を調べた.特に,土の種類,降雨量と河川水位上昇速度の浸水条件による間隙空気圧や噴発現象の発生との関係を分析した.その結果,(1)透水係数が10の-5乗(m/s)のオーダーをもつ土試料について,降雨量が80mm/hrを超えるときに地盤内部で顕著な間隙空気圧が発生することが認められた.河川水位上昇速度が高いときほど,発生空気圧はより大きくなる傾向にあった.(2)降雨量を増加させたときほど地表付近の飽和度はより高くなり,透気性(間隙空気の排出のし易さ)が低下した状態が維持された.それが浸水に伴う間隙空気の排出を阻害するため,間隙空気が圧縮を受け圧力が高まる原因であることが考えられた.(3)間隙空気圧の発生によって,浸水による飽和度や間隙水圧の増加に時間的遅れがあり,間隙水移動が抑制されているとみられた.(4)間隙空気圧の増大に伴って,地表面から間隙空気が泡状に噴出するとともに,内部で亀裂が発達する特徴的な破壊形態が観察された.このように,浸水時の噴発現象が懸念される条件等が明らかになった.本研究は,不飽和な河川堤防が豪雨時に浸水を受けたとき,堤防内部の間隙空気が封入され,更にはその圧力増大に伴って地表面から空気噴発する現象が指摘されている状況において,噴発現象の発生機構を明らかにするとともに,噴発に伴う堤防の弱体化への影響を究明するものである.平成26年度は,前年度に引き続き,不飽和な模型地盤について,鉛直一次元方向で上面から人工降雨を浸水させ下面から河川水を想定した浸水をさせる再現実験を実施して,噴発現象の発生条件とその機構を究明した.その一方で,河川堤防の弱体化を回避するため,降雨や河川水の浸水を抑制しつつ間隙空気の地表からの排出を確保するための透気・防水性シートを適用することによる噴発現象の対策工についても言及した.対策工では,先ず,そのシートの要求性能である透気係数と透水係数を調べるため,覆土を想定してシート上面に載荷したときの室内での透気試験と透水試験を実施した.その結果,シートの透気係数や透水係数は,載荷(覆土)していない場合に比べると,12割程度減少する傾向にあった.しかし,シートの透気係数は,空気圧発生の抑制のために要求される10の-4乗(m/s)オーダーのものが乾湿のいずれの状態でも維持できることが確認された.また,飽和透水係数も低めにあって防水効果が高いことが得た.そして,上述の模型地盤の浸水実験において,間隙空気圧発生する土質条件や降雨等の境界条件に対して,模型地盤の地表付近にシートを敷設することによって,浸水時に間隙空気が地表面からスムースに排出するために間隙空気圧発生や噴発現象を解消できることを検証して,シート対策の有効性を基礎的に明らかにした.防災構造物である河川堤防では,豪雨時に降雨や河川からの浸水を受けたときに,堤防内部の間隙空気が封入され圧力発生し,更には,地表面からその空気が噴発する現象が指摘されている.このような現状において,本研究は,河川堤防の安全性向上に資することを目的に,間隙空気の封入や噴発現象の機構を究明するとともに,それに伴う堤防の弱体化への影響を考察したものである.間隙空気の封入・圧力は特に降雨時の地表面の飽和度増加・透気性低下が原因するため,平成27年度は不飽和地盤の降雨浸透特性の解明に主眼を置き,不飽和な模型地盤を用いて人工降雨を浸水させる再現実験の実施によって地盤内の間隙水と間隙空気の挙動を分析した.実験では,土試料に2種類の砂質土と1種類のシルト質土を用い,また,ある一定の降雨量を連続させて模型地盤の上面に散水して,そのときの地盤内の飽和度,間隙水圧,間隙空気圧のそれぞれの経時変化を測定した.その結果,飽和透水係数が3×10(-5)(10の-5乗)m/sを有する砂質土では,降雨量が40mm/hrを超える条件のとき,間隙空気が地盤内に封入され5kPa程度の空気圧が発生することが得られた.その他の試料では間隙空気圧発生は確認されなかった.

そして,空気圧発生によって降雨浸透が抑制され地表面に降雨の湛水が生じ,間隙空気の地表面からの排出が阻害されたため空気圧が更に増加する結果であった.従来,飽和透水係数の値よりも小さな降雨量に相当する場合には降雨は地表面に湛水せずにスムースに地盤浸透すると考えられているが,上記の砂質土では降雨量が飽和透水係数の3割程度の大きさに相当した.即ち,間隙空気圧の発生によって降雨浸透が抑制される現象が明らかになった.一方,平成27年度は最終年度にあたり,間隙空気の噴発現象の機構とそれによる河川堤防の損傷や安全性への影響,噴発現象の対策工について総括した.河川堤防が豪雨時に浸水を受けたとき,間隙空気圧が増大し地表面から噴発する現象が指摘されている.本研究では,模型地盤に降雨と河川による浸水を想定した実験に基づき,浸水時の間隙空気圧の発生原因を検討するとともに,噴発現象に対処するため透気・防水シートの適用を検討した.その結果,飽和透水係数が10の-3乗cm/sオーダーの土質材料で間隙空気圧の発生が懸念され,間隙空気圧の増大に伴い地盤内部で亀裂等の破壊が観察され,間隙空気が河川堤防の安全性に影響することが示唆された.そして,透気・防水シートを地表面付近に敷設することによってその透気性が確保され,間隙空気圧発生や破壊現象を解消できることが検証された.初年度に引き続いて浸水時の間隙空気による噴発現象の機構解明を進めるとともに,噴発現象による堤防弱体化を防御する対策工についても焦点を充てて研究を遂行した.当初予定の数値解析による噴発現象の理論的評価は検討段階にあるが,対策工などに関する成果は得られていて,研究はおよそ順調に進んでいると考えた.地盤工学最終年度は(H27年度)は,噴発現象の機構を解明し,浸透流解析手法に基づいた噴発現象発生条件および堤防の要対策箇所の抽出方法などを明らかにして,噴発現象による堤防の安全性低下への影響を考察しつつ,堤防弱体化を防御する対策工について総括的な研究を進める予定である.初年度は,浸水時の間隙空気の挙動と透水性への影響の分析,間隙空気による噴発現象の発生条件とその機構の解明に焦点を充て,前述のようにこれらの成果はおおよそ得られていて,研究は順調に進展していると判断した.実験の消耗品としての各種センサーについて,当該年度に購入予定であったが前年度のもので対処できたため,次年度の消耗品費に充てることとした.2年目(H26年度)は,前年度に引き続き,浸水実験等を継続して行い,噴発現象の発生条件とその機構の究明を行う.その一方で,浸水試験で得られる間隙水と間隙空気の挙動に対して,間隙水と間隙空気の連成による浸透流解析手法によって再現計算を行い,浸水に伴う空気圧発生や噴発現象発生の条件・機構を数値解析に基づき理論的に検証する.なお,最終年の3年目(H27年度)は,噴発現象による堤防の弱体化(特に,浸透に対する安全性低下)への影響関係を検討する予定である.実験における各種センサーの購入費,実験棟補助の謝金,成果発表旅費に主に充てる計画である.
高圧下の誘電体液体中の速い電荷輸送機構

1.高圧下の2成分系液体中の電子移動度測定((1)n-ヘキサン-2,2-ジメチルブタン(DMB)系,(2)トルエン-n-ペンタン系)(1)それぞれ電子局在化状態(n-ヘキサン),準自由状態(2,2-DMB)が優勢な液体の混合系を用いて,電子状態の分布の移行の圧力及び濃度依存性を電子移動度μをプローブとして観測した。μの圧力依存性から,常温でn-ヘキサン<25mol%では準自由状態,>25mol%で局在化状態が徐々に優勢となることが判明した。さらにlog μは気-液共存系同様,混合比に比例することが分かった。μの圧力依存性を,2状態モデルを用いて局在化状態と準自由状態間の平衡移動と結び付けて解釈すると,電子局在化に伴う体積変化(局在化電子の部分モル体積)はDMB>75%では正,<75%では負となる。このことから電子は混合液体中で空孔中に存在し,その半径はDMB濃度増加とともに増大し,圧力上昇により減少(混合比50:50; 125 bar, 0.33nm, 2375bar, 0.24nm)とすると結論した。2.未測定液体中の電子移動測定((1)m-キシレン,o-キシレン,(2)ヘキサメチルジシロキサン(HMDS),ビストリメチルシリルメタン(BTMSM))(1)ベンゼン,トルエン中同様陰イオン-分子間のホッピングによる電子移動が観測されることを期待してμ測定を高圧下のm-キシレンに拡張した。測定結果は,予期に反してμは圧力と共に一旦増加,次いで減少に転じることを示した。これまでに2,2-ジメチルブタン,イソオクタン等μ≧10の液体でのみμの増加は観測されたが,m-キシレン中(μ値<0.1)のμの圧力変化は全く新しいパターンである。引き続きo-キシレン中で測定したところ,μの圧力変化はさらに複雑で,低温(<40°C)ではm-キシレン中と同様の変化を示すが,高温(>60°C)では減少後増加して極大値を通り減少することを観測した。このようなμの圧力依存性も極大値に達するまでは,局在化電子の部分モル体積の圧力依存性により,また極大値を越えた後は陰イオン生成と電子ホッピングの優勢化の結果と解釈される。(2)未測定の液体として珪素原子を含む対称性の高い化合物を選んだ。理由の一部はシロキサン類は絶縁性の液体として高電圧工学的に興味があるからである。シロキサンは酸素原子をも含み,エーテル類似物で電子の溶媒和の可能性も考えられたが,HMDS中では高対称性と分子表面をメチル基が覆っているため,酸素原子と電子の相互作用は小さくμは20付近で移動度の高い液体の分類に属することが分かった。BTMSMは酸素原子を持たないため,さらに高移動度を示しμ>60を示し,高沸点と併せて高エネルギー物理学用液体電離箱媒体に好適であることが分かった。その他テトラメチルエチレン,トリメチルエチレン,1-ペンテン中でもμを測定した。ペンテンはμ値が0.010.2の典型的低移動度液体であるが,二重結合の分極性をメチル基で覆うと,テトラメチルエチレン812,トリメチルエチレン25となり電子-分子間相互作用が近距離性であることを示している。(いずれも低いμ値は0°C)3.高圧下の液体中における電子捕捉反応速度の測定(1,3-ブタジエンのn-ヘキサン溶液)1,3-ブタジエンのn-ヘキサン溶液中における電子捕捉反応速度を圧力12500bar,温度-1060°Cの範囲で測定した。この反応は平衡反応で,平衡は圧力上昇および温度低下と共に陰イオン生成側にシフトする。-10°Cでは1barでも電子捕捉を観測した。反応体積変化は400bar,2°Cで-181cm^3/molにも達する。大きな負の体積変化は主として陰イオンによる溶媒の電縮現象によるもので,反応のエントロピー変化も-40cal/kmol付近で負である。4.媒質中の電子に関する熱力学的考察準自由状態エネルギーVoについて熱力学的考察を行い,光電効果法による実験的Vo決定法はエントロピー,圧力一定条件に近いが,低圧下では等温,等容条件で近似できて,Voの圧力変化から準自由状態電子の部分モル体積は40200cm^3/molと求められた。14を通じて最も重要な結論は,媒質中の電子の輸送,反応等の電子の振る舞いに電子の部分モル体積が密接に関係し,媒質中の電子状態,即ち準自由状態か極在化状態のいずれであるか,また極在化状態ではその空孔体積の大小を決定する最大の要素は,その媒質の圧縮率であることが判明したことである。いずれも電子の部分モル体積が,電荷による媒質の電縮現象によって決まり,その大きさは媒質の圧縮率によって支配されているからである。5.超臨界流体中の電子の振る舞いの研究測定用セル及び精製用真空系の準備に時間がかかり,セル,真空系の完成を見ただけで測定には至らなかった。流体として臨界温度の低いエタン,3フッ化メタン等を使用するため,真空系自体も十気圧程度の耐圧性を必要とし,セルも常温で液体の化合物と違い,圧力変化にベローズを利用できない等,高圧下の液体の取扱いと著しく異なり,設計,製作に時間を要した。

高圧下の液体中の電子の振る舞いに液体の圧縮率が最も重要な因子であることが判明したため,臨界点付近の圧縮率極大となる領域での測定を計画したもので,この計画が実行に至らなかったことは極めて残念である。平成8年度に「超臨界流体中の荷電種:輸送及び反応過程」なる課題で,笛木賢二教授を代表者として国際学術研究に応募したが採択にならなかったことを付記する。1.高圧下の2成分系液体中の電子移動度測定((1)n-ヘキサン-2,2-ジメチルブタン(DMB)系,(2)トルエン-n-ペンタン系)(1)それぞれ電子局在化状態(n-ヘキサン),準自由状態(2,2-DMB)が優勢な液体の混合系を用いて,電子状態の分布の移行の圧力及び濃度依存性を電子移動度μをプローブとして観測した。μの圧力依存性から,常温でn-ヘキサン<25mol%では準自由状態,>25mol%で局在化状態が徐々に優勢となることが判明した。さらにlog μは気-液共存系同様,混合比に比例することが分かった。μの圧力依存性を,2状態モデルを用いて局在化状態と準自由状態間の平衡移動と結び付けて解釈すると,電子局在化に伴う体積変化(局在化電子の部分モル体積)はDMB>75%では正,<75%では負となる。このことから電子は混合液体中で空孔中に存在し,その半径はDMB濃度増加とともに増大し,圧力上昇により減少(混合比50:50; 125 bar, 0.33nm, 2375bar, 0.24nm)とすると結論した。2.未測定液体中の電子移動測定((1)m-キシレン,o-キシレン,(2)ヘキサメチルジシロキサン(HMDS),ビストリメチルシリルメタン(BTMSM))(1)ベンゼン,トルエン中同様陰イオン-分子間のホッピングによる電子移動が観測されることを期待してμ測定を高圧下のm-キシレンに拡張した。測定結果は,予期に反してμは圧力と共に一旦増加,次いで減少に転じることを示した。これまでに2,2-ジメチルブタン,イソオクタン等μ≧10の液体でのみμの増加は観測されたが,m-キシレン中(μ値<0.1)のμの圧力変化は全く新しいパターンである。引き続きo-キシレン中で測定したところ,μの圧力変化はさらに複雑で,低温(<40°C)ではm-キシレン中と同様の変化を示すが,高温(>60°C)では減少後増加して極大値を通り減少することを観測した。このようなμの圧力依存性も極大値に達するまでは,局在化電子の部分モル体積の圧力依存性により,また極大値を越えた後は陰イオン生成と電子ホッピングの優勢化の結果と解釈される。(2)未測定の液体として珪素原子を含む対称性の高い化合物を選んだ。理由の一部はシロキサン類は絶縁性の液体として高電圧工学的に興味があるからである。シロキサンは酸素原子をも含み,エーテル類似物で電子の溶媒和の可能性も考えられたが,HMDS中では高対称性と分子表面をメチル基が覆っているため,酸素原子と電子の相互作用は小さくμは20付近で移動度の高い液体の分類に属することが分かった。BTMSMは酸素原子を持たないため,さらに高移動度を示しμ>60を示し,高沸点と併せて高エネルギー物理学用液体電離箱媒体に好適であることが分かった。その他テトラメチルエチレン,トリメチルエチレン,1-ペンテン中でもμを測定した。ペンテンはμ値が0.010.2の典型的低移動度液体であるが,二重結合の分極性をメチル基で覆うと,テトラメチルエチレン812,トリメチルエチレン25となり電子-分子間相互作用が近距離性であることを示している。(いずれも低いμ値は0°C)3.高圧下の液体中における電子捕捉反応速度の測定(1,3-ブタジエンのn-ヘキサン溶液)1,3-ブタジエンのn-
CCDの特性を活かした銀河団の観測・研究

我々はFujita & Takahara (1999)によって示された、新しい銀河団の年齢推定法を用いて、銀河団の年齢とBCGの特性(銀河団中心からのずれや明るさ)との比較を行なった。その結果、BCGは銀河団が進化するに伴って、銀河団の中心へ落ち込んでいくこと、および、BCGの明るさは銀河団の進化とは無相関であることを明らかにした。論文はApJ(Astrophysical Journal)に掲載された。2.銀河団における暗黒物質分布のX線による研究銀河団はその質量の90%をダークマターが占める。銀河団中の高温ガスをX線により観測することで、静水圧平衡の仮定のもとに銀河団の質量分布を求めることができる。すなわち間接的にダークマターの分布を求めることになる。銀河団のような宇宙の大規模構造の形成は、従来Cold Dark Matter (CDM)モデルにより説明されてきた。銀河団における暗黒物質の分布は、このCDMモデルを検証する上で重要なテーマとなっている。我々は、チャンドラX線天文衛星で観測された23の銀河団のデータを用い、これらの銀河団の質量分布を求めた。チャンドラの優れた空間分解能と新しいデプロジェクション法により、銀河団の中心部における高温ガスの温度と密度プロファイルを半径の関数として測定することができた。さらに、静水圧平衡を仮定することで、これらの銀河団の質量プロファイルを得た。その結果幾つかの銀河団ではCDMモデルが予想するよりも中心で平坦なプロファイルを示すものがあることが分かった。さらに我々は、このようなプロファイルを示す銀河団の中心部では、ダークマターに対するガスの割合が大きくなっていることを明らかにした。これは銀河団中心部での質量プロファイルに高温ガス等のバリオンが深く関係していることを示唆している。これらの結果を博士論文にまとめた。またISAS research noteとして出版予定である。
翻訳後修飾による腎臓内シグナル伝達機構の解明と慢性腎臓病治療への展開

腎臓は異なる機能を有する多様な細胞から構成されており、それぞれの細胞の独自の機能が相互に連関することで腎臓としての適切な応答が誘導されている。我々はこれまで、翻訳後修飾を介した細胞選択的なシグナル伝達が腎臓内でレニン・アンジオテンシン・アルドステロン系(RAA系)の作用を修飾し、腎臓の機能発現に重要な役割を果たすことを示してきた。本研究では、これまでの成果に基づき、ミネラロコルチコイド受容体(MR)の局所制御機構とその生理的意義の詳細解明、ユビキチンリガーゼ構成分子KLHL3を介するシグナル伝達機構の解明、さらにはこれらのメカニズムの腎疾患における病的役割の解明を目指して検討を進めている。これまでの検討にて、遠位尿細管細胞においてはprotein kinase CがユビキチンリガーゼKLHL3のリン酸化を誘導し、その活性を修飾することでNa-Cl共輸送体(NCC)の機能を制御することが分かっている。当該機構の病態への関与について検討を進めた結果、肥満糖尿病において本機構の異常が惹起されていることを見出した。また、集合管間在細胞においてはオテンシンIIシグナルがMRの脱リン酸化を促し、MRのリガンド結合能を可逆的に制御している。このメカニズムの詳細を明らかにするため、197のrecombinant kinase panelを用いたスクリーニングアッセイを行った結果、アンジオテンシンIIの下流にてmTOR-ULK1系がMRのリン酸化に関与していることを明らかにした(Cell Reports 2018)。平成30年度が最終年度であるため、記入しない。本邦における慢性腎臓病(CKD)患者は増加の一途を辿っており、新たな治療薬の開発は喫緊の課題である。レニン・アンジオテンシン・アルドステロン系(RAA系)はCKDの発症・進展に強く関与しており、特に腎臓内においては全身とは独立した機序でRAA系が制御されているが、詳細は必ずしも明らかでない。これまで、我々はリン酸化やユビキチン化を介した細胞選択的なシグナル伝達が腎臓内RAA系の制御に重要な役割を果たす可能性を示してきた(Shibata et al. Cell Metab 2013 and PNAS 2014)。本研究はこれらのシグナル伝達機構の詳細な解析と、CKDの進展因子としての腎臓内RAA系の病的活性化の役割解明をその主目的としている。アルドステロンの受容体であるmineralocorticoid receptor (MR)の作用はリガンド結合領域のリン酸化によって細胞特異的に制御されているが、我々はこの機構の病的役割について様々なモデルを用いて検討をすすめ、血清カリウム濃度の低下に伴ってMRの脱リン酸化が誘導され、腎臓のアルドステロンに対する感受性が亢進することを見出している。その病的意義について今後更なる検討を重ねる予定である。また、当該機構を担う責任キナーゼを同定するためにrecombinant kinaseを用いた包括的スクリーニングを行い、200のセリン・スレオニンキナーゼの中から候補キナーゼの選定を行った。現在、詳細な生化学的解析を行っている。病態モデルでのMRリン酸化の役割解明やキナーゼ同定の進捗など、研究はおおむね順調と考えられる。これまで、申請者らはリン酸化やユビキチン化を介した細胞選択的なシグナル伝達が腎臓内RAA系の制御に重要な役割を果たす可能性を示してきた(Shibata etal. Cell Metab 2013 and PNAS 2014)。本研究はこれらのシグナル伝達機構の詳細な解析と、腎臓内RAA系の病的活性化の役割解明をその主目的としている。アルドステロンの受容体であるmineralocorticoid receptor (MR)の作用はリガンド結合領域のリン酸化によって細胞特異的に制御されているが、本研究ではこの機構の病的役割について様々なモデルを用いて検討をすすめ、血清カリウム濃度の低下に伴ってMRの脱リン酸化が誘導され、腎臓のアルドステロンに対する感受性が亢進することを見出した(Xu et al. Hypertension 2017)。さらに、血清カリウム濃度の低下に伴い、アルドステロンとは独立に腎臓内RA系のeffector分子であるユビキチンリガーゼKLHL3の活性が修飾され、Na-Cl共輸送体の活性化をきたすことも明らかとなっている(Ishizawa K et al. BBRC 2016)。このことから、血清カリウム濃度の低下はMRの脱リン酸化およびKLHL3の不活性化を介してアルドステロンと相乗的に高血圧を進展させ、臓器障害に関与する可能性が考えられる(Shibata et al. J Endocrinol 2017)。高血圧・腎障害モデルにおける、MRの脱リン酸化やユビキチンリガーゼKLHL3の活性異常といったメカニズムの関与が明らかとなりつつあり、概ね順調に進行していると考えられる。

我々はこれまで、翻訳後修飾を介した細胞選択的なシグナル伝達が腎臓内でレニン・アンジオテンシン・アルドステロン系(RAA系)の作用を修飾し、腎臓の機能発現に重要な役割を果たすことを示してきた。本研究では、これまでの成果に基づき、MRの局所制御機構とその生理的意義の詳細解明、ユビキチンリガーゼ構成分子KLHL3を介するシグナル伝達機構の解明、さらにはこれらのメカニズムの腎疾患における病的役割の解明を目指して検討を進めている。これまでの検討にて、血清カリウム濃度の低下に伴って腎臓集合管間在細胞におけるMRの脱リン酸化が誘導され、同細胞におけるMR下流分子であるpendrinが活性化されることが明らかとなっている。更に、その生理的意義を明らかにすべく、ノックアウトマウスを用いた解析を行い、本機構を介したpendrinの誘導が血圧調節のみならず、血清カリウム濃度の制御にも関与することを見出している(Hypertension 2017)。また、血清カリウム濃度の変化とは独立してアンジオテンシンIIの作用も重要であり、間在細胞におけるMR活性化にはアンジオテンシンIIとアルドステロンが相互依存的に関与することも明らかにしている(J Am Soc Nephrol 2018)。MRの責任キナーゼについてはこれまでにスクリーニングを終え、現在詳細な機能解析を施行している。遠位尿細管細胞においては血清カリウム濃度の変化がユビキチンリガーゼKLHL3のリン酸化を誘導し、その活性を修飾することでNa-Cl共輸送体(NCC)の機能を制御することが分かっており、当該機構の他の病態への関与について検討を進めている。間在細胞におけるmineralocorticoid receptor (MR)の局所制御機構とその生理的意義が明らかとなりつつある。またユビキチンリガーゼ構成分子Kelch-like 3 (KLHL3)を介するシグナル伝達機構についても順調に研究が進んでいると考える。腎臓は異なる機能を有する多様な細胞から構成されており、それぞれの細胞の独自の機能が相互に連関することで腎臓としての適切な応答が誘導されている。本研究では、これまでの成果に基づき、ミネラロコルチコイド受容体(MR)の局所制御機構とその生理的意義の詳細解明、ユビキチンリガーゼ構成分子KLHL3を介するシグナル伝達機構の解明、さらにはこれらのメカニズムの腎疾患における病的役割の解明を目指して検討を進めている。これまでの検討にて、遠位尿細管細胞においてはprotein kinase CがユビキチンリガーゼKLHL3のリン酸化を誘導し、その活性を修飾することでNa-Cl共輸送体(NCC)の機能を制御することが分かっている。当該機構の病態への関与について検討を進めた結果、肥満糖尿病において本機構の異常が惹起されていることを見出した。また、集合管間在細胞においてはオテンシンIIシグナルがMRの脱リン酸化を促し、MRのリガンド結合能を可逆的に制御している。
周術期乳癌患者への予知的口腔支援システムの構築

乳癌は女性で最も罹患率が高い悪性腫瘍である。微小転移、骨転移しやすいこと、骨密度の低下を伴うことから長期的な病状の制御と薬物療法が必要とされる。薬物療法の有害事象である口腔粘膜炎や顎骨壊死の発症を予測し予防することは長期的なQO L維持のために極めて重要である。2型アルデヒド脱水素酵素のALDH2遺伝子多型はアセトアルデヒドの体内蓄積を引き起こし骨折と関連することが報告されている。本研究では、ALDH2遺伝子多型を背景因子とし、治療による代謝産物ならびに口腔環境因子の変化をアセトアルデヒドを含む呼気口内気体分析から、口腔粘膜の変化を狭帯域光観察内視鏡による粘膜表層の毛細血管と粘膜微細模様から、解析する。口腔粘膜炎のみならず骨折などの骨関連有害事象の予測可能性についても検討し、予防に活かせる周術期乳癌患者への予知的口腔支援システムの構築を目指す。初年度は倫理委員会での承認後、乳腺外科の過去の患者情報から処方歴とその予後についての情報を得ること、すなわちタキソイド系抗悪性腫瘍剤のアルコールフリー症例について骨折ならびに予後についての情報を集積し分析することが目的であった。「乳がん患者のアルコール感受性と骨転移・骨関連事象に関する症例対象研究」という課題名で東北大学大学院歯学研究科研究倫理委員会へ研究計画を申請し、承認を得た(受付番号:2018ー3ー20)。承認後、タキソイド系抗悪性腫瘍剤のアルコールフリー症例についての情報を集積中である。また、呼気・口内気体中のアセトアルデヒド分析装置として、センタータイプのガスクロマトグラフを購入し、分析の準備を開始している。初年度は過去の症例についての症例対象研究について倫理委員会での承認を得た後、乳腺外科の過去の患者情報から処方歴とその予後についての情報を得ることを目的としていた。タキソイド系抗悪性腫瘍剤のアルコールフリー症例について骨折ならびに予後についての情報を集積し分析し、その情報を基盤として、次年度以降は現在の乳がん患者のALDH2遺伝子多型と顎骨壊死、骨折などの骨関連事象発現、呼気分析との関係について解析する予定であった。「乳がん患者のアルコール感受性と骨転移・骨関連事象に関する症例対象研究」という課題名で東北大学大学院歯学研究科研究倫理委員会へ研究計画を申請したが、最終承認を得たのは2018年12月下旬であった(受付番号:2018ー3ー20)。承認後、東北大学病院ITセンターなどから情報の集積を開始している。その情報を基盤として、次年度以降は乳がん患者のALDH2遺伝子多型と顎骨壊死、骨折などの骨関連事象発現、呼気分析との関係について解析する予定であったが、今回は症例対象研究を始めたばかりのため研究結果としての情報が不足しており、次年度以降予定していたコホート研究の倫理委員会申請には着手できていない。一方で、ALDH2遺伝子多型と関連する可能性を持つアセトアルデヒドの呼気・口内気体分析については、アセトアルデヒド分析装置を購入し、測定条件などについて検討を開始している。これまでの研究で健常者の唾液由来細菌叢からアセトアルデヒド産生を確認しているので、長期乳がん治療が口腔環境に及ぼす影響について、唾液中由来の細菌、唾液自体の性状などを口腔環境因子の候補として検討中である。「乳がん患者のアルコール感受性と骨転移・骨関連事象に関する症例対象研究」という課題名で東北大学大学院歯学研究科研究倫理委員会へ研究計画を申請し(受付番号:2018ー3ー20)承認されたので、東北大学病院ITセンターなどから情報を収集し、その集積を開始している。対象症例数が多いため乳腺外科と連携しながら効率的な集積を図る。集積情報の確認、分析を行い、その情報を基盤として、乳がん患者のALDH2遺伝子多型と顎骨壊死、骨折などの骨関連事象発現、呼気分析との関係についてコホート研究計画を作成、倫理委員会に申請し承認を目ざす。その間、ALDH2遺伝子多型と関連する可能性を持つアセトアルデヒドの呼気・口内気体分析について、購入したアセトアルデヒド分析装置で測定条件などについて検討を重ねる。また、長期乳がん治療が及ぼす代謝産物あるいは口腔環境の変化について指標となりうる因子の候補を検討していく。

口腔粘膜炎のみならず骨折などの骨関連有害事象の予測可能性についても検討し、予防に活かせる周術期乳癌患者への予知的口腔支援システムの構築を目指す。初年度は倫理委員会での承認後、乳腺外科の過去の患者情報から処方歴とその予後についての情報を得ること、すなわちタキソイド系抗悪性腫瘍剤のアルコールフリー症例について骨折ならびに予後についての情報を集積し分析することが目的であった。「乳がん患者のアルコール感受性と骨転移・骨関連事象に関する症例対象研究」という課題名で東北大学大学院歯学研究科研究倫理委員会へ研究計画を申請し、承認を得た(受付番号:2018ー3ー20)。承認後、タキソイド系抗悪性腫瘍剤のアルコールフリー症例についての情報を集積中である。また、呼気・口内気体中のアセトアルデヒド分析装置として、センタータイプのガスクロマトグラフを購入し、分析の準備を開始している。初年度は過去の症例についての症例対象研究について倫理委員会での承認を得た後、乳腺外科の過去の患者情報から処方歴とその予後についての情報を得ることを目的としていた。タキソイド系抗悪性腫瘍剤のアルコールフリー症例について骨折ならびに予後についての情報を集積し分析し、その情報を基盤として、次年度以降は現在の乳がん患者のALDH2遺伝子多型と顎骨壊死、骨折などの骨関連事象発現、呼気分析との関係について解析する予定であった。「乳がん患者のアルコール感受性と骨転移・骨関連事象に関する症例対象研究」という課題名で東北大学大学院歯学研究科研究倫理委員会へ研究計画を申請したが、最終承認を得たのは2018年12月下旬であった(受付番号:2018ー3ー20)。承認後、東北大学病院ITセンターなどから情報の集積を開始している。その情報を基盤として、次年度以降は乳がん患者のALDH2遺伝子多型と顎骨壊死、骨折などの骨関連事象発現、呼気分析との関係について解析する予定であったが、今回は症例対象研究を始めたばかりのため研究結果としての情報が不足しており、次年度以降予定していたコホート研究の倫理委員会申請には着手できていない。一方で、ALDH2遺伝子多型と関連する可能性を持つアセトアルデヒドの呼気・口内気体分析については、アセトアルデヒド分析装置を購入し、測定条件などについて検討を開始している。これまでの研究で健常者の唾液由来細菌叢からアセトアルデヒド産生を確認しているので、長期乳がん治療が口腔環境に及ぼす影響について、唾液中由来の細菌、唾液自体の性状などを口腔環境因子の候補として検討中である。「乳がん患者のアルコール感受性と骨転移・骨関連事象に関する症例対象研究」という課題名で東北大学大学院歯学研究科研究倫理委員会へ研究計画を申請し(受付番号:2018ー3ー20)承認されたので、東北大学病院ITセンターなどから情報を収集し、その集積を開始している。対象症例数が多いため乳腺外科と連携しながら効率的な集積を図る。
狭い空間での反応に関わる内膜微小揺動に関する研究

細胞内内膜内の反応はごく狭い容積において行われるので、その容積の変化が反応自体に影響すると予想される。細胞内の内膜を高い時空間分解能で観察した場合に小胞体で不規則な細かな揺らぎが発生している事に注目し、この現象の定量的解析とその細胞機能への影響の可能性について調べた。内腔にトラップされた凝集体の速度解析等により、この動きは小胞体に特有で他の内膜では観察されず、多くの細胞でほぼ一定量の変化率からなることがわかった。これは小胞体膜の活性により発生し微小管結合により抑制され温度依存性は見られない。解析ではこの構造揺動は少なくとも内腔での蛋白の熱運動による変位を増大させる事が示唆された。本研究は、これまで新たに我々が見いだした、細胞内の膜構造、特に小胞体自体に観測される微小な揺らぎに焦点を置き、その発生機序と細胞機能における役割について明らかにすることを目的とする。28年度は、この動きの普遍性・一般性について検討し、同時に、細胞内で観察される顕著な偏りがなぜ起きるのかについて調べ、その発生機序を調べるための実験系の作成を行った。前者の結果として、調べたすべての細胞種、これは体細胞だけでなく生殖細胞においても同様であり、特定の細胞においてのみ起きる現象ではないことが明らかになった。動きの発生は極めて不均一であるために、その機序を知るためには、単一細胞で同一の場所への作用を知る必要があり、モニターする分子と調べる分子を別々に調節的に発現する必要がある。それを可能にするために、様々な測定系を検討した。結果的に組み合わせて使用できたのは、ラパマイシン由来化合物の存在によりタンパク間の結合を引き起こすrtTAを改良して作成した単一ベクター系と、ecDHFRに蛍光タンパクを融合させたタンパクにさらに調べたい遺伝子を融合させる系であった。後者ではecDHFRを安定化する試薬の添加により融合タンパクの発現をオンオフできるシステムである。現在、この2つの調節的発現システムを用いて、shRNAにより新たに関与が示唆された因子群について膜構造の微小な動きを作る機構への関与を解析しており、この現象が予想外の制御を受けることを見いだしている。また、この現象の生理作用を知るために、新たに作成したshRNAベクターを用いて抑制することが示唆された微小管と結合する小胞体膜タンパクの遺伝子の調節性発現を行うためには、後者のベクター系のみが可能であることがわかり、この系で揺らぎを外部より抑制する安定な系を作成した。これにより内腔での反応速度が変化する知見が得られた。目的とする構造揺らぎは、不均一性が高いために、単一細胞で、同じ場所における、様々な因子の影響を調べる必要がある。測定には速い動きをモニターする分子と、調べたい因子を別々のタイミングで発現させる必要があり、技術的なハードルが高かったが、新たに登場してきたベクター構築技術を取り入れることで、必要なシステムを作ることができた。本研究では、新たに見いだした小胞体の微小な揺らぎについて研究を行った。この現象は極めて不均一な動きを特徴として、従来の方法が容易に適応できないために、新たな定量方法として、小胞体構造自体の単純な画像統計と、内腔にトラップされたカーゴ凝集体の動きについては統計物理の考え方を取り入れた。その結果、小胞体の揺らぎは幅広い周波数特性を持ち、固有の周波数は持たないが、本研究で注目する数十Hzの揺らぎにおいては特定のパターンを持つことがわかった。これは小胞体構造の弾性による受動的なものではなく、(不定型な)小胞体構造の形とは無関係に発生していることも示された。細胞内での高分子の挙動を調べると、熱揺らぎによらずStokes-Einsteinの関係を持たない成分が観察されることが近年注目されている。これらはエネルギー依存的で、ひとつには後生生物ではミオシンIIなどのアクトミオシン系により発生する力に寄ることがあきらかにされている。小胞体の遅い揺らぎはミオシンIIによって起こされている可能性が最近報告されたので、詳細に検討したものの全く無関係であり、アクトミオシン系により起こされているのではないことを示した。そこで新たに制御因子をスクリーニングした結果、これは酸化ストレスに対して敏感で、それらにさらされた場合には、数分のうちに停止することを見いだした。この制御は可逆的で、構造揺らぎと酸化ストレスの新たな関連が明らかになった。また、新たに本課題において作成したshRNAベクター、p7SKU6iRと誘導発現を行うベクターpTonによって、微小管のテザリングが揺らぎを止めることもほぼ証明でき、小胞体の構造揺らぎはこのような因子によって制御されていることが示された。さらにこの役割を知るために内腔でのカーゴ分子の広がりを正確に調べるための新たなツールを開発した。この現象を適切に記述するための、定量的解析について、妥当性を詳細に検討する過程で、これまで見逃していた重要なパターンの意味に気がついた。これにより本現象は小胞体に固有の特性であるとの、当初想定以上の普遍性がわかったことは大きい。この制御機構について、特定の生体要因が関わることを見いだしたのも、本現象の意味を知る上で重要な知見と判断される細胞内での様々な反応は膜により隔離された微小な空間で行われる。本研究では特に狭い容積の管腔を作る小胞体自体が、高い周波数で揺動することを観測し、その生物学的な意味合いについて研究を行ってきた。