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熱ルミネッセンスによる隕石の分類についての実験的研究

熱ルミネッセンス(TL)強度に基づいて定量的に隕石の岩石学的タイプを判定することは、非平衡コンドライトなどの弱い熱的な影響を受けた隕石の分類に極めて有効である。平成6年度に完成させたTLフォトンカウンティングシステムには、フィルタや光電子増倍管を交換することで検出波長領域を従来のSearsらによる研究(Sears et al.,1980)で詳しく調べられている青色領域だけでなく黄色・赤色領域にまで広げられ、また測定開始温度も室温から液体窒素温度にまで下げることができ、より多角的に隕石のTL特性を調べられるという長所がある。平成7年度には、完成したTL測定システムを用いて、隕石中で最も重要なTL発光体である長石類(小滝産Albite,余市産Anorthite,長谷産Orthoclase)のnaturalとinducedのTL特性(グロー曲線)と測定方法・手順を詳細に検討した。コバルト60-γ線照射とTL測定は、京都大学原子炉実験所で計10日間行った。特に今回は、ガンマ線照射量の効果、照射後の測定開始までの待ち時間の長短の効果、及び同一条件での繰り返し測定による経時変化(試料の黒化による)について詳しく調べ、長石類のTL測定方法の詳細を詰めた。フィルターを交換して青色黄色領域でのTL特性も調べた。また、液体窒素を満たしたデュワ-中でガンマ線照射を行った後に、液体窒素温度からのTLグロー曲線の測定を小滝産Albiteについて行った。その他の研究として、カソードルミネッセンスによるコンドリュールの分類、平衡エンスタタイト・コンドライトの岩石学的研究、エンスタタイト・コンドライトとオ-ブライトの赤色TL・CLの研究、ユ-クライトのTL・CL研究、南極隕石のペアリング、エネルギー最小化法によるC-H-O系の化学平衡計算などを行った。本研究の初年度である今年は、(1)熱ルミネッセンス(TL)測定システムの組み立て、を中心に行った。システムの製作に必要な主要部品は平成6年12月までには揃い、岡山の業者に作成を依頼していたTL測定容器も完成した。測定に必要なインターフェイスボードやヒーター部分部品などは、共同研究者である岡山理大の蜷川・山本らの技術協力により作成された。実際のTL測定システムの組み立てと動作確認のための試験は、京都大学原子炉実験所(大阪府熊取町)において行い、本測定システムはノートパソコンを用いた制御により正常に作動することが確認された。また、同実験所のコバルト60-γ線照射装置を使い、(2)鉱物試料によるTL予備測定、を実行した。鉱物試料としては長石類を用い、γ線照射線量や温度上昇速度などの実験条件とTL発光量の関係を予備的に検討した。TL測定システムの製作と並行にして、岡山理大・蜷川らとの共同研究として非平衡普通コンドライト中のコンドリュールのカソードルミネッセンス(CL)の研究を行った。CLの発光メカニズムは基本的にはTLと同じであるので、発光の色(波長分布)を大づかみに捉えるのに有用であるからである。Sears et al.(1992)の研究では、コンドリュールのメソスタシスのCL発光状態は、黄色・青色・にぶい青色・紫色・光らないの5種類であるのに対して、宮教大・佐藤(1995)のCL観察によると、これらに加えて緑系・白茶系・赤茶系の発光色が明らかに認められ、CLの色に予想以上の多様性のあることが新たに判明した。また、メソスタシスの発光の色が、その化学組成を敏感に反映することが明らかになった。青色領域のみでのTL強度に基づいてSears et al.(1980)の岩石学的サブタイプは、隕石のTL発光の全貌を捉えていないことが確実となった。

熱ルミネッセンス(TL)強度に基づいて定量的に隕石の岩石学的タイプを判定することは、非平衡コンドライトなどの弱い熱的な影響を受けた隕石の分類に極めて有効である。平成6年度に完成させたTLフォトンカウンティングシステムには、フィルターや光電子増倍管を交換することで検出波長領域を従来のSearsらによる研究(Sears et al.,1980)で詳しく調べられている青色領域だけでななく黄色・赤色領域にまで広げられ、また測定開始温度も室温から液体窒素温度まで下げることができ、より多角的に隕石のTL特性を調べられるという長所がある。6年度にはTLと同様の発光メカニズムを持つカソードルミネッセンス(CL)についての研究も行い、CL発光の色に基づく非平衡普通コンドライトのコンドリュールの新しい分類を検討した。平成7年度には、完成したTL測定システムを用いて、隕石中で最も重要なTL発光体である長石類(小滝産Albite,余市産Anorthite,長谷産Orthoclase)のnaturalとinducedのTL特性(グロー曲線)と測定方法・手順を詳細に検討した。コバルト60-γ線照射とTL測定は、京都大学原子炉実験所で計10日間行った。特に今回は、ガンマ線照射量の効果、照射後の測定開始までの待ち時間の長短の効果、及び同一条件での繰り返し測定による経時変化(試料の黒化による)ついて詳しく調べ、長石類のTL測定方法の詳細を詰めた。フィルターを交換して青色黄色領域でのTL特性も調べた。また、液体窒素を満たしたデュワ-中でガンマ線照射を行った後に、液体窒素温度からのTLグロー曲線の測定を小滝産Albiteについて行った。昨年度に引き続き行ったコンドリュールのCL研究についても、そのCL発光をより定量的に捉えるためにCL発光スペクトルの分光測定もいくつかの特徴的なコンドリュールについて行った。
ナノ秒パルス放電による汚染物質処理装置の車載化

研究目的:大気汚染物質である窒素酸化物(NOx)や硫黄酸化物(SOx)は、自動車の保有台数増加に伴って増加し続け、環境保全に深刻な問題となっている。現在、自動車の排気ガスの処理には、触媒方式が採用されているが、年々厳しくなっている排気ガス規制への対応が困難になりつつある。そこで本研究では、自動車搭載を目的とした小型のナノ秒パルス放電による汚染物質処理装置を開発する。本装置が完成することで、自動車内における高収率なオゾン生成および高効率な排ガス処理が期待でき、さらにオゾンの吸気への添加による燃焼効率の向上およびオゾンの排気への添加によるディーゼルパーティクルフィルターの再生、排気ガスの直接浄化によりメンテナンスフリー化を実現できる。研究成果:20kV直流電源、倍電圧パルス電源、ナノ秒パルス電源、ならびに放電リアクタにより構成される車載化を目的とした小型ナノ秒パルス放電による汚染物質処理装置のプロトタイプを設計・製作した。倍電圧パルス電源は、短絡スイッチとして使用したサイラトロンによりキャパシタの電圧を反転することで昇圧する。放電リアクタは、同軸円筒型電極を有し、オゾン生成への反応原料として乾燥空気を使用した。ナノ秒パルス電源は、昇圧した電圧をスパークギャップスイッチと数ナノ秒のパルス幅を持った電圧を形成する同軸ブルームライン線路および伝送線路によって構成され、形状は円筒型を有する。従来のナノ秒パルス電源にはシリコンオイルを使用していたが、本研究では誘電率の高いエチレングリコールにより、1/3以下に縮小でき小型化を実現した。これによって、倍電圧パルス電源とナノ秒パルス電源ならびに放電リアクタから構成されるプロトタイプのサイズは、D350mm-H400mm-W500mmにて形成することを可能にした。本試作機においてオゾン生成特性を調査すると、ナノ秒パルス電源印加電圧-27kV、繰り返し周波数1000pps、原料流量8.0L/minの条件にて、オゾン生成量0.98g/hrが得られた。さらなるオゾン生成量の増加を目指す。
水温変動に対するマコンブ、ガゴメ、スジメの幼胞子体の発生に関する研究

褐藻コンブ目植物3種、マコンブLaminaria japonica Aresc-houg、ガゴメKjellmaniella crassifolia Miyabe、スジメCo-staria costata(C.Agardh)Saundersの幼胞子体を異なる水温下(5°C,10°C,15°C,18°C,22°C,25°C)と変動水温処理(15°C・1-24h,18°C・1-24h,22°C・1-24h,25°C・1-24h)させた後10°Cで約30日間観察を行った。3種の幼胞子体ともに5-15°Cでは正常に生長したが、18-22°Cではそれらの生長率に強い低下があった。さらに高い水温下(18-25°Cのガゴメ、22-25°Cのマコンブとスジメ)では、胞子体の70-90%のものが死滅した。様々な変動水温処理を施した際、マコンブ(18°Cand22°C・6-12h)、ガゴメ(22°C・6-24h,25°C・3-6h)、スジメ(25°C・3-6h)において、胞子体のほとんどの細胞は分裂を止めるがマコンブとガゴメの少数の細胞では正常な分裂を継続または再開していた。平成7年9-11月に函館と南茅部町の岩礁域において天然マコンブ成熟体を採取、遊走子を放出させ、これらを大型インキュベタ-(9°C一定水温)で培養、多数の幼胞子体を得て、以下の発生に関する実験を行った。水温は既往の発生学的研究報告と天然マコンブ生育地点で測定した変動幅より、通常水温を9°C、低水温を2.5°C、高水温を15、20、25°Cと定めた。水温可変型インキュベータ-システム下で、9°C→高水温(1、3、6、12、18時間処理)→9°C、9°C→低水温(1、3、6、12、18時間処理)→9°Cと設定、これら条件での幼胞子体生育状態を観察した。高水温変動させたものでは、25°C、3-12時間で著しい影響が認められた。20細胞期以上の藻体に葉状部構成細胞に死滅するものがあり、縁辺部または先端部欠損、中央部穴あき等の症状となった。これらの現象は処理時間が長い程増加する傾向を示した。また、1-数細胞期の藻体についてはほとんど全てが死滅していた。1時間処理で、死滅個体はないがその後の発生において生長量の低いもの、奇形体となるものが見られた。15°Cと20°Cで葉状部に死滅細胞は認められないが、20°Cでは幾分生長が抑制された。15°C、1-18時間では形態、生長に9°C一定水温のものと同じ状態であった。低水温変動させたものでは、細胞の死滅等の強い影響はなく、その後の生長も正常であった。コンブ類の幼胞子体について、形態並びに量的変化をできるだけ正確に把握する目的で、得た画像情報をピクセルに変換してパーソナルコンピュータ上での解析を試行している。適用可能性の高いことを確認したので、その解析方法を平成8年度当該研究へ計画通り用いる予定である。北海道、南茅部町臼尻、尾札部に生育するコンブ科3種、スジメ、ガゴメ、マコンブの幼胞子体を用い、5、10、15、18、22、25°Cの各々一定水温、1、2、3、6、12、24時間上記の水温で処理した変動水温が生長や形態に及ぼす影響について観察し得られた結果は、本年度申請備品、画像解析スキャナーシステムによってコンピュータに取り込み、解析と比較検討を行い、水温変動に対する各種の特性を明らかにしている。研究実績の概要は以下に記述する。

1.一定水温において、スジメは18°C以下の水温で69%以上、ガゴメとマコンブは15°C以下の水温で、86%以上の生存率を示した。2.スジメ、ガゴメ、マコンブの3種とも10°Cよりも低水温、高水温側で生長が緩やかであり、特に高水温側22°Cで生長が劣る。葉の形態については、ガゴメとマコンブは高水温で幅広で丸形に、低水温で細長形になる。スジメは低水温で先端部が幾分幅広の細長型、高水温で線状を呈し、前2種とは異なる形態を示した。3.変動水温処理実験では、25°C・24時間のスジメ、25°C・3時間6時間と22°C・6時間24時間のガゴメ、25°C・6時間12時間、22°C・12時間24時間、18°C・24時間のマコンブでは、著しい生長の停滞が見られた。4.25°C・6時間12時間処理のガゴメ、25°C・6時間12時間、22°C・12時間24時間、18°C・24時間のマコンブのにおいて葉体の縁辺部が数カ所で著しくくびれる特異な形態の胞子体が出現した。今後、これらのシステムを用いて高水温による影響からコンブ類の幼胞子体が回復する経過を調査する予定である。将来、地球規模の温暖化や気候の変動が海洋生物にどのような影響をもたらすのか。親潮海流と対馬海流が混合する北海道南部沿岸は、良質のマコンブLaminaria japonicaが生育しているが近年減少傾向にあり、着生と生育に競争関係にあるとみられる他のコンブ類の分布が広がっている。この沿岸域の褐藻コンブ科3種、マコンブ、ガゴメKjellmaniella crassifolia、スジメCostaria costataの幼胞子体について、様々な水温変化がそれらの成長、形態形成におよぼす影響を調べた。温度可変型インキュベータにおいて、5、10、15、18、22、25°Cの各々一定水温と1、2、3、6、12、24時間上記の水温で処理した変動水温が上記3種の生長や形態に及ぼす影響を連続的に記録し、画像スキャナーシステムによってデジタル化した資料を解析して比較検討を行い、水温変動に対する各種の特性を明らかにした。その概要は以下に記述する。1.一定水温条件では、マコンブ、ガゴメ、スジメの3種は15°C以下の水温で約90%以上の生存率を示した。30%以下の生存率となる水温はスジメとマコンブで22°Cから、ガゴメでは18°Cからであり、高水温に対する幼胞子の耐性は、スジメ>マコンブ>ガゴメの順となる。3種とも10°Cで最も生長がよく、それよりも低水温、高水温側では生長が穏やかとなり、特に高水温側22°Cでは生長が著しく劣る。葉の形態について、ガゴメとマコンブは高水温で幅広で丸型に、低水温で細長形になる。スジメは低水温で先端部が幾分幅広の細長型、高水温で線状を呈し前2種とは異なる。コンブ類の幼胞子体は水温変化に対し種によってほぼ一定の形態変化を示すことが推察された。2.変動水温処理実験(温度/時間)では、25°C/24時間処理のスジメ、25°C/3時間6時間と22°C/6時間24時間のガゴメ、25°C/6時間12時間、22°C12時間24時間、18°C/24時間のマコンブでは、その後、体細胞分裂がほとんど生じず、著しい生長停滞となった。また、25°C/6時間12時間処理のガゴメ、25°C/6時間12時間、22°C/12時間24時間、18°C/24時間のマコンブの一部の個体において、葉縁辺部が数カ所で著しくくびれる特異な形態の胞子体が出現し、高水温処理後に葉状部細胞の分裂が再開して回復生長することを確かめた。
アトピー性皮膚炎患者は、なぜヘルペスウィルスに感染しやすいのか？

カポジ水痘様発疹症は、単純ヘルペスウィルスI型(HSV-1)の感染によって引き起こされるアトピー性皮膚炎患者でみられる重篤なウィルス性合併症であるが、なぜアトピー性皮膚炎患者がHSV-1に感染し易いのかは解っていない。本研究では、EH急性期の末梢血にみられるCD14dimCD16+ proinflammatory単球(pMO)が抑制機能を持ったTregを増殖させ、抗ウィルス作用を示すHSV特異的CD8+T細胞のIFN-γ産生を抑制し、その結果HSVの再活性化をきたす事が判った。実際に、病変部のpMOにHSV抗原が検出され、CD8+T細胞や多数浸潤しているTregに隣接するように分布していた。・昨年度同様にADEH患者の急性期・回復期、EHを未発症の血清HSV IgG陽性AD患者、そして健常人におけるTreg細胞の末梢血単核細胞(PBMC)中の割合及びTregの代表的な表面マーカーの解析と比較を行った。その結果、ADEH急性期で増加していたTregは、CTLA-4+ CD127dim/-CD39+ HELIOS+の典型的なTregの表現形を示した。またCD45RAとFoxp3の発現様式から、このTregはinduced Tregであることが判った。・PMA刺激でCD4、CD8、CD56 NK細胞のサイトカイン産生を測定した結果、IFN-γ及びTNF-αがADEH急性期で優位に低下していた。HSV特異的CD8+ T細胞を測定した所、ADEH急性期ではPBMCからTregを除去した場合IFN-γ産生が優位に増加した。さらに中和抗体を用いた実験では、IL-10がIFN-γ産生を抑制していたことを解明した。・次に、CD14dimCD16+ proinflammatory単球(pMO)は、Toll-like receptor (TLR)- 2を介してHSVを認識し、サイトカインを産生してウィルス排除を担う事がわかっている。そこでTLR-2アゴニストのPam3Cysで刺激し、pMOからのサイトカイン産生を調べた所、ADEH急性期ではTNF-α、IL-1β、IL-6の産生が低下し、IL-10の産生が優位に上昇していた。このpMOが末梢血Tregの増殖に深く関与している事が近年報告されているので、ADEH急性期と健常人のpMOのTreg増殖への影響を比較したところ、ADEH急性期のpMOはinduced Tregを優位に増殖させる事を見出した。・皮膚組織の染色から、病変部のpMOにHSV抗原が検出され、CD8+T細胞や多数浸潤しているTregに隣接するように分布していた。以上の結果から、HSVに感染したpMOがそれ自身のウィルス排除機能を低下させるとともに、抑制機能を有するTregを増殖、細胞性免疫機能を低下させ、その結果HSVの再活性化が起こりADEHを発症するというメカニズムを解明した。上記結果をまとめ、米国科学誌The Journal of Immunologyで発表した。本年度は、EHを合併したAD患者の急性期・回復期、および比較対象としてEHを発症していない血清HSV IgG陽性のAD患者、そして健常人におけるTreg細胞の末梢血中における割合の計測、皮膚ホーミングレセプタやケモカインレセプタ発現の頻度、及びTreg細胞の細胞増殖抑制機能の解析を行った。ADEH急性期の末梢血液中には、CD4+CD25++Foxp3+の制御性T細胞が著明に増加している事を明らかにした。Tregの表面マーカーを調べると皮膚指向性のCutaneous Lymphocyte-associated antigen (CLA)やケモカインレセプタのCCR4を発現しており、極めて皮膚へホーミングしやすいTregが増加していることがわかった。一方、ADEH回復期になると増加していたTregが健常人レベルまでに戻った。なお、EHを発症していないAD患者ではTregの増加は認められなかった。TregのエフェクターT細胞の増殖抑制機能を調べたところ、ADEH急性期・回復期、そしてEHを発症していないAD患者と健常人との比較では優位な差は見られなかった。これは、「正常」な抑制機能を保有した皮膚指向性のTregがADEH急性期の末梢血中で増加していることになり、免疫抑制状態になっていることが示唆され、故にヘルペスウィルスが再活性化しやすい状態である事がわかった。また、平成25年度移行に行う予定の単球の機能についても調査を開始した。ADEH急性期ではHVEM、PILRαの発現がCD14dimCD16+単球で増加していることを新たに見出した。また、これらの単球からのTLR-2刺激によるIL-1β及びTNFα産生が減少している事がわかった。

昨年度までの研究で、カポジ水痘様発疹症(ADEH)の急性期では、proinflammatory monocyte (pMO)が異常なサイトカイン産生を示し、それによってpMOは抑制機能を持った制御性T細胞(Treg)を増殖させ、その結果、抗ウイルス作用を示すHSV特異的CD8+T細胞のIFN-γ産生を抑制し、HSVの再活性化を来すことが判った。そこで、HSV-1が循環血液中のpMOに感染しているのかを確認するために、急性期ADEH患者の血液からセルソーターを用いて各種白血球分画を分取しDNAを分離後、栄研化学株式会社のLoopamp単純ヘルペスウィルス(HSV-1/2)検出試薬キット及びリアルタイムPCR法にてHSV-1またはHSV-2 DNAの検出を試みた。しかしながら、今回得られた約30検体からはHSV DNAを検出することができなかった。これは、検体採取をするタイミングが適切ではなかった事が考えられた。すなわち、急性期といえども患者がすでにアシクロビル等の抗ウイルス剤を投与していた場合や、病院に来院し採血するタイミングが遅れた場合等はHSV DNAを血液中から検出する事が難しい事が考えられた。今後は、より適切な時期に採血を行い、サンプルの解析を進めたい。皮膚科学本年度の実験から、ADEH急性期では、増殖しているTregがHSVに特異的に反応するCD8+T細胞を抑制している事を見出し、その結果、HSVの再活性化が発生する事を解明した。さらにADEH急性期で見られたユニークなpMOが、Tregの増殖に関与している事等も見出し、ADEH患者でなぜヘルペスウィルスが再活性化しているのかを解明した。以上をまとめて論文発表を行うことが出来た事は、予定されていた計画以上の成果である。当初の到達目標であった制御性T細胞の解析が順調に進行し、機能評価も行えた。これはすでに我々が確立しているアッセイ系を用いて検体を測定したためであり、今後も検体数を増やして評価を行なって行きたい。また、平成25年度に解析予定だった単球系の解析も開始している。HSV-1が単球に感染しているのか?:ADEH急性期では、pMOに異常な機能を示し、さらにTregを増殖させることが判った。pMOにはHSV-1が感染するためのレセプター(PILRα)が高率で発現しているため、HSV-1が感染している可能性が大変高い。そこで実際にHSV-1がpMOに感染しているのかを確認するために、pMOをセルソーターで分離後、PCR法にてHSV-1ウィルスDNAを検出する。本年度では、単球を中心に解析をすすめる。単球の解析は、Treg細胞の解析と同様に主にFCMを使用して解析を行う。対象患者のPBMCをanti-CD14、CD16等の抗体で染色し、CD14dim分画の割合を測定する。さらにCD14dim分画は、CD16の発現によって2つに分画に分けることが可能である。さらに、TLR2(HSV-1を認識)リガンド等で刺激し、それぞれの分画からサイトカイン産生をFCMで解析する。単球からのサイトカイン産生に際して、各TLRの発現が変化している可能性がある。そこで、各TLRに対する抗体で染色し、FCMにて発現を調べる。実際にHSV-1が単球に感染しているのか?
汎用合成ポリマーの微生物分解

本研究は、微生物の新機能開発研究の一環として、地球環境問題における重要な課題である廃棄物処理及び再利用について汎用プラスチックの微生物分解を追求するものである。現代の社会生活を支える膨大な量の汎用プラスチックは、自然界の物質循環サイクリルからはずれてまったく生物分解を受けないと考えられてきたが、本研究の結果、非水溶性の合成ポリマーとして極めて広範囲に利用されているポリエチレンの生分解性の可能性が明らかとなり、また、水溶性合成ポリマーであるポリアクリル酸ソーダの微生物分解についても新しい知見を得ることができた。1)ポリエチレン分解微生物の分離各種の土壌、汚泥などを分離源として、平均分子量約30、000の低密度及び高密度ポリエチレンを資化する微生物の分離を行った。溶媒処理によりポリエチレンを均一に分散させた寒天平板を作成することにより、数種のポリエチレン分解能を持つ微生物を初めて分離することができた。2)ポリエチレン分解条件高温ゲル浸透クロマトグラフィーを用いることにとり、ポリエチレンの分析が可能となり、残存ポリエチレンの分子量分布の変化を観察することができた。更に、分離微生物のポリエチレン分解能を高めるため、ポリエチレン物理化学的前処理について検討した。紫外線処理、金属イオン処理、熱処理などを行ったが、これまでのところ顕著な効果を認めるまでには至っていない。3)ポリアクリル酸ソーダの分解210量体のアクリル酸ソーダオリゴマー分解が、3種の微生物の混合共生系のうり行われることを見いだし、セルソーターを用いる共生系の解明に着手した。
フレーバーの物理と第三世代

KEKBファクトリーでBelle実験がチャーモニウムの対生成と、1チャーモニウム生成包含反応でのエネルギー角度分布に関する興味深いデータを最近発表した。生成断面積は、非相対論的量子色力学によって計算が可能だが、実験データは過去の計算結果と大きく異る。現在、及び将来のコライダー実験で、チャーモニウムやボトモニウムの生成と崩壊が、新しい物理のシグナルとなる可能性が高いので、その生成機構を理解することは重要である。我々は、KEKに於ける実験の成果を最大限生かすべく、関連する全てのチャーモニウム生成過程の計算を実施した。その結果Belle実験データは、チャームクォークフラグメンテーション過程の断面積が非相対論的量子色力学の最低次オーダーの予言の4倍程度で、且つ、グルオン対放出過程の断面積が並行グルオン領域で制限されることを考慮すると説明可能であることが示された。研究成果は専門誌Physical Review Dに発表された。上記の研究過程で、チャーモニウムJ/psiとchi_0の対生成に関する実験データの角度分布が、非相対論的量子色力学の予言とは全く異ることが分かった。データ自体の問題である可能性が否定しきれないが、もしそうでなければ、このデータは、chi_0質量付近に、未知の新粒子が隠れている可能性を強く示唆している。我々は、スピン0パリティー正のグルーボールがchi_0とほぼ同じ質量を持つ可能性、さらにこの2素粒子が混合する可能性を検討し、生成角度分布を説明できることを発見し、研究成果を専門誌Physics Letters Bに発表した。上記のチャーモニウム生成断面積の計算に必要な、量子色力学のソフトコリニアー有効理論が、スピン相関が重要である場合に破綻することを発見し、結果を専門誌Physics Letters Bに発表した。
iPS細胞由来血管構成細胞移植による重症下肢虚血に対する新たな血管再生療法の開発

ヒトiPS細胞由来血管細胞のマウス下肢虚血モデルへの移植において、血管内皮細胞および血管壁細胞をゼラチンスポンジとともに投与した群において有意に血流改善効果を認めたのに加え、組織学的評価において血管密度が有意に高いことが示され、それらの新生血管に、Ku80陽性のヒト由来細胞が含まれていることが確認された。このことは移植した血管細胞が、虚血組織における血管再生に寄与したことを示している。この血管再生に加え、移植によるパラクライン因子にともなう宿主に対する血管新生促進効果が得られた。これらの結果は、ヒトiPS細胞由来血管細胞を用いた重症下肢虚血に対する新規の治療法開発に向けた基礎的基盤になりうる。(研究の目的)ヒトiPS細胞由来の血管内皮細胞および血管壁細胞の局所投与による血管再生効果の検討し、そこから近い将来予想される医療用iPS細胞の実用段階に向けて技術的基盤を確立することを目的とする。(研究内容)非疾患・免疫抑制マウス下肢虚血モデルは、大腿動脈の結紮および完全除去を行うことにより作製した。また、ヒトiPS細胞から血管内皮細胞および血管壁細胞を分化誘導により作製し保存しておいた。虚血モデルへの細胞投与は筋肉注射による局所投与であるが、細胞単独ではなく、移植後の生着効率の改善を期待するため、Drug Delivery Systemとしてゼラチンを用いることとした。細胞とゼラチンの混合方法については、適切な細胞活性効果および生着効果が得られる方法を電子顕微鏡等を用いて検討した。実際のヒトiPS細胞の移植検討の前段階として、ヒト臍帯静脈内皮細胞(HUVEC)を用いてゼラチンと混合し、下肢虚血モデルマウスに移植し、その生着効率の検討を行った。引き続き、ヒトiPS細胞由来血管内皮細胞および血管壁細胞のゼラチンを用いた局所投与を行い、その下肢血流評価および組織学的評価を行っていく。その後、糖尿病マウス下肢虚血モデル、中動物へ進めていく予定である。(意義・重要性)高齢化および食生活の欧米化に伴い、動脈硬化を原因とする重症下肢虚血性疾患の患者は増加している。細胞移植による血管新生療法は有望な治療的アプローチのひとつであり、臨床研究が行われてきたが、その治療効果は移植した細胞がさまざまサイトカインを放出することによる血管新生の機序が大きく、長期的効果が不十分と考えられた。今回、我々はヒトiPS細胞由来の血管内皮細胞および血管壁細胞の同時移植が、従来のパラクライン効果を超えた移植細胞自身による真の血管再生療法を可能とし、より効果的かつ持続的な下肢虚血救済効果が期待できると考える。マウス下肢虚血モデルの安定した作製が可能であり、さらにはヒトiPS細胞からの血管内皮細胞および血管壁細胞への分化誘導も安定しており、おおむね順調に移植を進めることが出来ている。(研究の目的)ヒトiPS細胞由来の血管内皮細胞および血管壁細胞の局所投与による血管再生効果を検討し、そこから近い将来予想される医療用iPS細胞の実用段階に向けて技術的基盤を確立することを目的とした。(平成28年度の研究内容)非疾患・免疫抑制マウス下肢虚血モデルは、大腿動脈の結紮および完全除去を行うことにより作製した。また、ヒトiPS細胞から血管内皮細胞を高効率に誘導する方法を本年度に確立した(Ikuno, PLoS One 2017)。これらのヒトiPS細胞からの血管内皮細胞および血管壁細胞を分化誘導により作製し保存しておいた。実際のヒトiPS細胞の移植検討の前段階として、ヒト臍帯静脈内皮細胞を用いてゼラチンと混合し、下肢虚血モデルマウスに移植し、その生着効率の検討を行い良好な結果が得られた。引き続き、ヒトiPS細胞由来血管内皮細胞および血管壁細胞のゼラチンを用いた局所投与を行い、レーザードプラ血流計による下肢血流評価にて、移植による有意な血流改善効果を認めた。移植群において、下肢の壊死は認めず、良好な治療効果を認めることができた。マウス下肢虚血モデルの安定した作製が可能であり、さらにはヒトiPS細胞からの血管内皮細胞および血管壁細胞への分化誘導も安定している。特に本年度は、ヒトiPS細胞からの血管内皮細胞の効率的な分化誘導法を確立することができた。これは本治療法における基礎となる技術基盤である。現在は、実際にゼラチンを用いた細胞の局所投与を行い、良好な血流改善が得られており、さらに組織学的な評価を進めているところである。(平成29年度の研究内容)前年度までに作製した、非疾患・免疫抑制マウス下肢虚血モデルに対し、前年度までに確立した方法により得た(Ikuno, PLoS One 2017)、ヒトiPS細胞由来血管内皮細胞および壁細胞を下肢筋肉中に、Drug Delivery Systemとして前年度までに開発したゼラチンスポンジを用いて局所投与した。

その結果、血管内皮細胞および血管壁細胞をゼラチンスポンジとともに投与した群において、有意に血流改善効果を認めたのに加え、組織学的評価において、aSMA陽性の血管密度が有意に高いことが示され、さらにそれらの新生血管に、Ku80陽性のヒト由来細胞が含まれていることが確認された。このことは、移植したヒトiPS細胞由来血管内皮細胞および血管壁細胞が、虚血組織における血管再生に寄与したことを示している。定量PCRにより、移植群で血管内皮細胞増殖因子の遺伝子発現が増加していた。このことは、前述の血管再生に加え、移植によるパラクライン因子にともなう宿主に対する血管新生促進効果が得られたことを示しており、これらの相乗効果により優れた血流改善効果が得られたことが示唆された。これらの結果は、将来的なヒトiPS細胞由来血管細胞を用いた重症下肢虚血に対する新規の治療法開発に向けた基礎的基盤になるものと思われる。ヒトiPS細胞由来血管細胞のマウス下肢虚血モデルへの移植において、血管内皮細胞および血管壁細胞をゼラチンスポンジとともに投与した群において有意に血流改善効果を認めたのに加え、組織学的評価において血管密度が有意に高いことが示され、それらの新生血管に、Ku80陽性のヒト由来細胞が含まれていることが確認された。このことは移植した血管細胞が、虚血組織における血管再生に寄与したことを示している。この血管再生に加え、移植によるパラクライン因子にともなう宿主に対する血管新生促進効果が得られた。これらの結果は、ヒトiPS細胞由来血管細胞を用いた重症下肢虚血に対する新規の治療法開発に向けた基礎的基盤になりうる。マウス下肢虚血モデルに対する移植後の評価として、血流検査および組織学的検査を進めていく。iPS細胞由来血管細胞のマウス下肢虚血モデルへの注入移植を進めていく。マウス下肢虚血モデルに対する移植後の血流改善効果が得られており、さらに組織学的検査を進めることにによりその効果を実証していく。また、糖尿病マウス下肢虚血モデル、中動物における効果の実証を進めていく予定である。心臓血管外科学
「アメリカン・ウェイ・オブ・ライフ」の原型と変遷に関する学際的、実証的研究

当初の計画通り、平成9年には8月に松田、依田、9月に東元、9月から10月にかけて飯田、薮野、柏岡の計6名が渡米し、それぞれの現代アメリカ対日外交政策、の諸側面、レジャー活動、日系米国人社会、原理主義宗教に関する資料収集および聞き取り調査を行った。それぞれが持ち帰った資料や聞き取り調査の結果は研究班メンバーに配布し、研究会を開催して詳細に検討した。また年度末の平成10年3月には日米関係を中心として「ポスト・バブル期日本の経済と社会:脱アメリカに向かって」と題するシンポジウムを3日間にわたって開催し、研究班以外のゲスト・スピーカーと共に、公共性とアメリカ型リベラリズムの現状、労働とレジャーへの新しい対応などを議論した。3年間にわたる研究の結果、印刷・映像資料、インタビュー記録、研究会における議論の記録など、相当量の資料と知見の蓄積を果たしたので、今後出版に向かって作業を進める予定である。ただし、まだ未整理の部分も多く残されているので、今後も何らかの形で研究を継続し、研究の全容を明らかにする予定である。(1)文献・理論研究。1995年6月から1995年12月の間に3回の共同研究会を開催した。この共同研究会では、戦後日本人によるアメリカ体験記の合評、アメリカ論の古典や新しく出版されたアメリカ社会論の書籍や論文を収集し、検討を行った。前者に関しては「戦後日本人による体験的アメリカ論」リストを作成し、そのかなりの部分を購入した。これについては、研究分担者の木村英憲が分析をほぼ完了し、論文を執筆中である(1996年中に発表予定)。「嫌米論」についても雑誌論文を収集し、分析した。1996年1月には2日間にわたるシンポジウムを行い、ゲスト・スピーカーを含む5人の研究者が研究成果を発表し、それらについて活発な討議が行われた。(2)フィールドワーク。木村と柏岡は1995年6月に渡米し、ボストン地区とニューヨーク地区で約10件のインタビューを行い、また集約的に情報を収集するためハ-ヴァード大学、ボストン大学、およびコロンビア大学で、数名のアメリカ研究者と会合をもった。とくに、『孤独の群衆』の著者として日本でも名高いデイビッド・リ-スマン教授と、元アメリカ社会学会会長ハーバート・ガンズ教授に長時間にわたるインタビューを行った。研究者とのインタビューについては、1995年8月に関西大学で開催された「政治システム論研究会」で柏岡が報告を行った。また1995年12月に研究代表者および分担者3名が渡米し、米国南部においてポピュラーカルチャーを中心とするフィールドワークを行った。別記(「調査研究(派遣・招へい等)実績」)の通り、3回にわたる調査研究を行った。(1)欧州各国(フランス、スペイン、イタリア、ギリシャ、オーストリア、ハンガリー、ドイツ、デンマーク、スエ-デン、オランダ、およびベルギー)の主要大学を歴訪し、資料閲覧、専門家とのインタビューや討論、学生とのセミナーなどを通じ、各大学におけるアメリカ研究の実態や欧州の対米基礎認識を調査した。また、欧州共同体の公式文書、現地の新聞・雑誌、その他の資料に基づいて、欧州の対米観および対日観に関する資料収集を行った。後者の調査については、その成果の一端を印刷中である(「研究発表」覧参照)。(2)米国北西部におけるアメリカン・ウエイ・オブ・ライフの現実に関する調査を行った。近代文明を拒否した宗派の人々の暮らしぶり、人間の自然回復力に根ざした医学(オステアパシー)が近代医学への同化、統合の過程の中で事故の独自性を保とうとする努力、などにつき、観察および聞き取り調査を行った。その他、アメリカ現代文明の中で民衆文化がいかに保持されているかを、農産物共進会、祭りなどのポピュラーな行事について観察・考察を行った。その成果は現在執筆中である。(3)米国北西部において、市、群、町単位の地方政治について、資料収集、観察、聞き取り調査を行った。その成果は、現在執筆中である。上記調査のうち、前2者については調査報告会を開催し、活発な討論が行われた。調査(3)については、近日中に調査報告会を開催する予定である。

それぞれが持ち帰った資料や聞き取り調査の結果は研究班メンバーに配布し、研究会を開催して詳細に検討した。また年度末の平成10年3月には日米関係を中心として「ポスト・バブル期日本の経済と社会:脱アメリカに向かって」と題するシンポジウムを3日間にわたって開催し、研究班以外のゲスト・スピーカーと共に、公共性とアメリカ型リベラリズムの現状、労働とレジャーへの新しい対応などを議論した。3年間にわたる研究の結果、印刷・映像資料、インタビュー記録、研究会における議論の記録など、相当量の資料と知見の蓄積を果たしたので、今後出版に向かって作業を進める予定である。ただし、まだ未整理の部分も多く残されているので、今後も何らかの形で研究を継続し、研究の全容を明らかにする予定である。
尿路性器腫瘍の悪性進展における細胞間相互作用の研究

本研究では、尿路性器腫瘍における細胞間相互作用を細胞間コミュニケーション(IC)の面から、主としてdye transfer法を用いて検討した。対象は初代培養および継代培養された尿路精路の正常上皮、癌細胞、間質細胞であり、細胞自身および各種細胞相互のICを測定するとともに、ICに影響を与える物質の検索も試みた。また、細胞の悪性化に伴うICの変化を詳細に観る指摘として細胞骨格と細胞表面抗原を選択し検討した。1.ヒト膀胱腫瘍におけるIC。異なる分化度を示す膀胱腫瘍継代培養細胞では、分化度とICの強さとが比較的並行していた。分化度の異なる膀胱腫瘍細胞間のICは、欠如している組合せと良好な組合せとが認められた。膀胱腫瘍と間質細胞とのICはなかった。2.ヒト前立腺腫瘍におけるIC。良性の前立腺組織片よりout growした上皮細胞は良好なICを示し、前立腺癌組織片よりout growした上皮細胞より高いICを示した。骨転移巣、リンパ節転移巣由来の前立腺癌細胞は極めて低いICを示した。良性の上皮と癌細胞との間には良好なICはなかった。間質細胞と上皮細胞とのICはなく、間質細胞のICに疾患毎の差異はなかった。3.膀胱腫瘍のICに影響を与える物質の検討。テストステロンは膀胱腫瘍のICを濃度および時間依存性に抑制した。この抑制はテストステロンの除去により速かにコントロールレベルに回復した。一方エストラジオール、コルチゾールはICを抑制しなかった。また線維芽細胞ではテストステロンのIC抑制作用はなかった。4.尿路上皮の悪性度の指標の検討。(1)細胞骨格の検討。正常膀胱上皮に比し、癌細胞ではサイトケラチン線維の太さの大小不同、蛇行、細胞内分布の不均等がみられ、この変化の強さは組織学的悪性度と比較的並行していた。(2)細胞表面抗原の検討。膀胱腫瘍細胞(JTC-30)を用いて作製したモノクローナル抗体はA型に関連していたが、悪性化に伴いより不安定となる抗原を認識していた。尿路性器腫瘍の細胞間相互作用について、膀胱癌,前立腺癌を対象に検討している。方法は螢光色素注入法およびACAS-470を用いており、現在の所以下の知見が得られている。1.BBN-実験発癌により得たラット膀胱癌細胞の細胞間コミュニケーション(IC)の検討。BBN-誘発ラット膀胱癌では良好なIC(100個以上/injection)が得られ、現在この細胞を用いて、発癌プロモーターを含めた薬剤のICへの作用を検討している。2.ヒト膀胱癌継代培養細胞におけるICの検討。膀胱腫瘍として教室の患者より樹立された培養株HUB-4,6,15,40,41とT-24を、間質細胞として線維芽細胞を用い、同一腫瘍内,異なる悪性度の腫瘍間,及び各悪性度の腫瘍と間質とのICを検討した。また用いた腫瘍細胞をヌードマウスに移植しその形態を観察した。同一腫瘍内のICは各腫瘍とも約20分で最高値に達した。HUB-4,6,15,40,41の5種はいづれも良好なICを示し、中でもヌードマウス移植にて乳頭状形態を示すHUB-6は最も良いICを示した。一方低分化癌であるT-24のICはほとんどなかった。

異なる細胞間のICは乳頭状形態を示すHUB-6と非乳頭状のHUB-15との間にのみ良好に認められた。また各腫瘍細胞と線維芽細胞とのICは認められなかった。3.前立腺継代培養細胞に対するICの検討。PC-3のICは数個程度であり、薬剤(cAMP,Letinoic acid等)による変動を検索中である。4.膀胱,前立腺初代培養細胞におけるICの検討,正常膀胱上皮,膀胱癌,前立腺肥大症,前立腺癌組織のoutgrowth細胞においてICを検討した。前2者は、短期間培養では低いICであり、後2者は培養開始後約1カ月の時点でも高いICを示した。前立腺肥大症培養細胞と前立腺線維芽細胞との間にはICはなく、PC-3との間にも明らかなICはなかった。実験に用いた膀胱,前立腺組織のoutgrowth細胞はケラチン染色にて上皮性であることを確認した。尿路性器腫瘍の細胞間コミュニケーション(IC)について,膀胱,前立腺を対象として検討している. ICの測定には主として螢光色素注入法を用いており,現在の所,以下の知見が得られている.1.前立腺の上皮および間質のICの検討.(1)良性前立腺組織片よりout growした上皮細胞と前立腺癌組織片よりout growした上皮細胞を比較すると,そのICは後者の方が低い傾向を示した.(2)今回検索した前立腺癌転移巣(骨,リンバ節)由来の細胞は極めて低いICを示した.(3)前立腺組織片よりout growした上皮細胞は前立腺炎,前立腺肥大症,前立腺癌にかかわらず,間質細胞との間に明らかなICは認められなかった.(4)良性の照は腺上皮細胞と前立腺癌継代培養細胞PCー3との間には良好なICはなかった.しかしながら,一部の細胞間には軽度のICと思われる所見が認められた.(5)前立腺の各種疾患の組織片より得られた線継芽細胞のICはいづれも良好であり,前立腺炎,肥大症,癌の間には明らかな差はなかった.2.尿路上皮のICの検討.(1)強力な発癌プロモーターであるTPA(12-0-tetradecanoylphorbol-13-acetate)の膀胱腫瘍継代培養細胞(HUB-6,HUB-15)に対する作用を検討し, TPAがこれらの細胞に対し激しい障害性を持つことを認めた.そこでこの継代培養細胞をヌードマウスに移植した後,移植部に高濃度のTPAを1ヵ月以上注入することにより, TPA耐性の膀胱腫瘍細胞を分離採取し得た.耐性細胞はヌードマウスにおいて,非耐性細胞より未分化な形態を示した.現在,耐性細胞,非耐性細胞各々のICおよび両者間のICを比較検討している.(2)膀胱腫瘍継代培養細胞のICに影響を与える物質を検討している.特にHB-6,HUB-15,HUB-41のICに対する,各種ステロイドの抑制作用が明らかとなりつつあり,その詳細については,第47回日本癌学会総会で報告する予定である.(1)膀胱腫瘍の細胞間コミュニケーション(IC)に影響を与える物質の検討、を行なうとともに、尿路上皮の悪性化に伴うICの変化を詳細に調べるため組織学的所見以外の新たな悪性度の指標として(2)細胞骨格および(3)細胞表面抗原を検討した。(1)膀胱腫瘍JTC-30のICに対するホリモンすなわちテストステロン、エストラジオール、コルチゾールの作用を検討した。
リスク予防と自立支援を基軸とした子育て主体者の成長支援モデルの構築

子育て当事者の成長と自立、そして抱える課題についてデータ収集し、分析することを中心に取り組んだ。また年度後半は、子育て当事者を支える子育てや保育を専門とする保育者の成長と学びについてのデータ収集と分析について取り組んだ。1子育て当事者の成長と自立について:従来指摘されているように、都市部を中心とした核家族の孤立状態が散見され、乳幼児を抱える家族の困難な状況が目立った。特に、転居も重なり、子育て当事者が地域に居場所を見つけることへの大変さをもつ例も目立ち、子育て支援者はその実態にあわせた対応に追われていた。継続中の子育て支援者へのインタヴューでは、子育て当事者の多様なニーズを把握する中で、子育て支援施設の利用のきっかけや人間関係の構築への苦慮、支援施設の利用目的など個々に合わせた対応を求められていた。中でも施設の居心地を重視しつつ、子育て当事者が安心して学びながら子育てを行えるようにという施設の雰囲気づくりやその声かけを行う役割を共通して担っていた。2子育て当事者を支える保育者の成長と学びについて:保育者の成長と学びの方法について保育者がカンファレンスを通して課題を明確化し、対応方法を示し、解決する過程をデータ化し分析を継続中である。子どもや子育て当事者が抱える課題に対応する保育者の質の向上はより重要性を増しており、その方法の確立が求められている。3海外の支援事例について:ドイツミュンヘンの支援事例を収集し、なお分析継続中である。子育て当事者へのインタヴューは継続して収集中。子育て当事者を支える保育者等へのインタヴューの実施とデータ分析も継続中。また海外支援事例も収集分析継続中である。子育て当事者の成長と学び、およびその支援を行う保育者等の成長と学びの方法についてプログラム化にむけて実施中である。保育者の成長と学びの方法である保育カンファレンス等も援用しながら、プログラム開発の予備実践を行い、本実践を行うことをめざしている。多様な子育て当事者にあった子育て支援を提案していくために、子育て当事者の成長と自立について、焦点をあてている。リスク予防を明確化して学ぶことで、子育て支援の支援対象全体を底上げし、知識を全体に広げることに寄与するとリスク予防と自立支援を中心に、子育てに対する前向きな意識はどのように生じるのか。子育て当事者全体の成長と自立には、リスク予防を明確化したうえで考えていくことが必要と考えられ、多様な対象への子育ての支援につなげられると考えている。本調査ではまず、初年度としての研究の動向の整理と、予備的調査データ収集として、当事者の自立、特に核家族で乳幼児を育てている母親が子育てをどのように感じているか、特にどのようなときに喜びや困難を感じるのか、また仕事と子育ての両立についてどのように考えているか、両立のために必要なこと、就労していない母親は長く子どもと接することによりどのような困難や喜びを感じているかなどを整理検討し、実態に即したリスク予防に対する働きかけへの示唆を得ることを目的とする。本年度は初年度であり、定義のための概念整理や研究の動向についても整理しつつ、予備的調査も着手した。1、子育ての喜びを感じるときとは具体的にどのようなときでどのように生じるのか、2、子育てでの親としての成長自立に対するイメージはどのようなものか、3、自己肯定感に関する意識等実際に、当事者にインタヴューを行っている。研究1年目であり、前提となる先行研究の整理や定義の整理、研究全体の再調整のためのメンバーとの話あいを行った。調査1として、子育て中の保護者へのインタヴュー調査を行った。調査結果から、子どもの成長を実感できることで子育てに喜びを感じる母親の姿が見られており、子どもの成長や甘えてくる子どもの姿が、子育てに自信を持つことや親としての成長や自分を肯定することに繋がっていると考えられた。逆に子どもの成長を実感できないと、子育ての喜びを得にくいことも示唆された。日常の子育ての中で困ることは多々あるが、相談できる家族や仲間のサポートが母親にとって子育てをする不安を和らげていることが分かった。

子育てにおける親自身の成長と自立について、データ数を増やして分析をより明確化して行う。またリスク予防という視点からもデータを収集していく。子育て当事者の成長と学び、およびその支援を行う保育者等の成長と学びの方法についてプログラム化にむけて実施中である。保育者の成長と学びの方法である保育カンファレンス等も援用しながら、プログラム開発の予備実践を行い、本実践を行うことをめざしている。調査継続進行中であり、5月開催の学会発表で共同発表者の発表経費、参加費、ポスター作成費等の諸費用での使用が決まっている。現在、継続進行中かつ分析中であること、国際会議に複数エントリーしており、そこでの発表費等も必要であり、使用を予定している。
ペタスケールコンピューティングに適したBDDC法による構造物健全性評価

構造物健全性評価における大規模構造解析シミュレーションの期間短縮と高精度化を可能とするために,ペタスケールコンピュータに適した数値解析手法として,バランシング領域分割法に基づく並列有限要素法を開発した.これにより,京コンピュータ3千ノードを用いて2億自由度規模大規模プラントモデルの静解析が約1分で完了するなど,有効なシステムの構築に成功した.構造物健全性評価における大規模構造解析シミュレーションの期間短縮と高精度化を可能とするために,ペタスケールコンピュータに適した数値解析手法として,バランシング領域分割法に基づく並列有限要素法を開発した.これにより,京コンピュータ3千ノードを用いて2億自由度規模大規模プラントモデルの静解析が約1分で完了するなど,有効なシステムの構築に成功した.本研究は,ペタスケールの演算性能を持つ大型計算機システムに適した数値解析手法として,制約条件付きバランシング領域分割法(BDDC法)に基づく並列有限要素法を研究開発することで,構造物健全性評価における大規模構造解析シミュレーションの期間短縮と高精度化を同時に実現するものであり,平成21年度には以下の成果が得られた.事前調査済みであったBDDC法アルゴリズムについて,計算機への実装に適した行列形式による書き下しを行った.これにより,従来手法であるBDD法に比べて線形代数演算の性能がより重要となることが判明したため,並列計算機実装の基礎となる階層型領域分割法の次世代計算機向け並列実装の最適化を行った.特に,CPU内に複数の演算コアを持つメニーコアCPUにおけるコア間並列化方法として,行列非記憶方式(Matrix Storage-Free)に基づく領域分割法実装を提案し,Intel Core i7などの4コアCPUに対して3倍以上の並列効率を出すことに成功した.またBDDC法はBDD法と同様にコース問題の計算コストが重要となるため,その予備調査としてBDD法におけるコース問題演算性能の定量的評価を行い,それに基づく最適領域分割数の提案を行った.これにより,超並列計算機上において計算時間を準最適化するパラメータ設定を容易にした.実用問題への応用準備としては,BDD法の鈍化き裂付きモデルの大変形弾塑性解析を実施し,塑性の進行に伴って収束性の改善が得られにくくなることが分かった.これはBDDC法においても同様の傾向となることが推定できたため,塑性が大きく進行したときの条件数悪化を改善するための手法開発が不可欠であることが得られた.本研究は,ペタスケールの演算性能を持つ大型計算機システムに適した数値解析手法として,制約条件付きバランシング領域分割法(BDDC法)に基づく並列有限要素法を研究開発することで,構造物健全性評価における大規模構造解析シミュレーションの期間短縮と高精度化を同時に実現するものであり,平成22年度には以下の成果が得られた.平成21年度に行列形式での書き下しを行ったBDDC法を並列計算機上に実装することに成功した.簡易形状モデルを用いた収束性評価により,従来手法であるBDD法と比較して収束性の向上を得ることができた.しかし,各領域において制約条件を課すprimal自由度の選択によっては収束性が悪化することが分かった,また,大規模有限要素解析で重要となるDelaunay四面体分割とMETIS領域分割を組み合わせたモデルに対しては,収束性が大きく悪化した.これは,文献調査によって,primal自由度の選択方法によって対応できることが分かったため,BDD法とBDDC法の両方とも開発を継続していく.次に,ペタコンの次の世代における計算機アーキテクチャについて調査し,メニーコアCPUとGPUなどの拡張演算装置のハイブリッド型が主流となることが分かった.よって,GPU向けの並列有限要素法の実装を行った.BDD法における係数行列ベクトル積で必要となるローカルシュアコンプリメント行列を陽に作成するアルゴリズムを提案し,CUBLASライブラリを用いることで,プログラムの大幅な改良なくGPUへの移植を実現し,約100万自由度規模解析において単一GPUで単一CPUと比較して2倍の高速化に成功した.また,高圧圧力容器への応用に向けて,FRP材料の引張り試験を数値解析で行い,繊維強化軸と荷重方向の関係でBDD法の反復回数に2倍程度の差が生じる結果が得られ,アルゴリズムを改良する必要があることが分かった.本研究は,ペタスケールの演算性能を持つ大型計算機システムに適した数値解析手法として,制約条件付きバランシング領域分割法(BDDC法)に基づく並列有限要素法を研究開発することで,構造物健全性評価における大規模構造解析シミュレーションの期間短縮と高精度化を同時に実現するものであり,平成23年度には以下の成果が得られた.平成22年度までに構築したBDDC法について,規則的な領域分割問題に比べて収束性が大きく悪化するjagged interface問題の収束性評価を行った.これにより,primal自由度を領域間境界面の重心などに追加することで一定の改善効果を得ることに成功した.しかし,根本的な改善とは言えず'四面体要素モデルが多く用いられる実問題に対しては,総計算時間の観点からもBDD法の方が優れていることが分かった.次に,BDD法の京コンピュータに実装し,性能評価を行った.マルチコアCPUに対する並列処理として,BDD法の領域内部自由度問題,Neumann-Neumann前処理,及びCoarse Grid行列作成で現れる部分領域方向に対するループ処理をOpenMPでスレッド並列化し,ループの静的ブロック分割と動的サイクリック分割を適切に使い分けることで,効率的なハイブリッド並列化に成功した.また,大規模疎行列向け直接法ライブラリを調査し,MUMPSライブラリの有効性が確認されたため,Coarse Grid修正に適用した.

これにより,従来手法に比べて計算時間の大幅短縮に成功した.結果として,京コンピュータ3,000ノード以上を用いて2億自由度規模大規模プラントモデルの静解析が約1分で完了するなど,構造物健全性評価に有効なシステムの構築に成功した.