hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
ｐ型非磁性半導体におけるスピン流の生成と検出

強磁性半導体(Ga,Mn)As/非磁性半導体p-GaAsを用い、p-GaAs中にスピン・ポンピングによるスピン流の生成とその逆スピン・ホール効果による電気的検出が可能であることを示した。観測される電気的信号には(Ga,Mn)As中の電流磁気効果による信号が重畳しており、その定量的分離手法を確立した。確立した手法はPy/Pt等の金属材料に対しても適用できることを示した。本研究では固体中のスピン流の諸性質を明らかにするために、スピン流の生成とその検出について研究を進めている。これによりスピン流の高効率な生成手法と高感度な検出手法の確立が可能になることと期待される。平成23年度は、測定系の再構築を行うと同時に電気的に強磁性共鳴を誘起するための実験系の構築を予定した。主要物品の機材調達が間に合わず、一部内容を平成24年度に繰り越したものの、予定通りの成果を得ることができている。得られた成果は、1.強磁性共鳴を電気的に誘起し、電気的に検出することに成功した。得られた信号は電界効果及びスピン流によるトルクを考慮した計算によって再現可能であることを示した。2.歳差運動を介して生じる磁化の反転確率の外部磁界強度依存性を評価し、シミュレーションとの定量的比較を行った。具体的には、備品として購入した全方位磁界プローバを用い、CoFeB/MgO磁気トンネル接合に高周波電界を印加することで強磁性共鳴を誘起した。強磁性共鳴を電圧により検出し、その信号が対称・反対称成分の合成で与えられることを示した。これらの信号が電界効果に加えてスピン流の影響を考慮することで再現できることを計算により示した。また、同様の素子においてパルス電界印加による磁化反転確率の外部磁界角度依存性を評価した。ここでの実験配置においては、外部磁界角度を変えることは面内磁界強度依存性を変えることに相当する。シミュレーションにより、反転確率は熱擾乱の影響を受けている可能性を示した。上記成果は、論文投稿準備中である。本研究は、(Ga,Mn)As/p-GaAs接合を主たる研究対象としてスピン・ポンピングによるp型半導体中へのスピン流の生成とその検出を目的として研究を行った。平成24年度迄に、(Ga,Mn)Asがマイクロ波印加による強磁性共鳴下にある場合に、隣接するp-GaAsに発生する直流電圧の計測に成功した。平成25年度は、マイクロ波に付随する磁界・電界によって発生する電流磁気効果による直流電圧と逆スピン・ホール効果による直流電圧の分離手法の確立を目的に測定と解析を進めた。ランダウ-リフシッツ-ギルバート方程式を用いた計算により、測定配置で観測されると予想される異常ホール効果による電圧は分散型、プレーナ・ホール効果と逆スピン・ホール効果による電圧は吸収型の線型を持つことを明らかにした。ここで逆スピン・ホール効果がスピン流に関連する信号である。また、それぞれの信号の印加角度依存性が異なることを計算により明らかにし、線形と印加角度磁界依存性に注目して実験結果を解析することで、逆スピン・ホール電圧の大きさを定量的に決定することに成功した。これ迄は見落とされていた電流磁気効果の影響を明らかにし、スピン流の定量的的評価手法を確立することに成功した。また、同手法を強磁性金属Py/非磁性金属Pt積層構造に適用し、金属積層構造におけるスピン流の定量的計測にも有用であることを明らかにした。更に、非磁性狭禁制帯半導体の電子スピン共鳴の観測にも成功しており、新しいスピン流生成方法についても検討した。これによりスピン流の高効率生成手法と高感度検出手法が可能になるものと期待される。平成24年度、(Ga,Mn)As/p-GaAsの二層系において研究を進めた。(Ga,Mn)Asが強磁性共鳴状態にある時のスピンポンピングによるスピン流生成と、p-GaAs中の逆スピン・ホール効果によるスピン流の電気的検出を行った。(Ga,Mn)Asの強磁性共鳴スペクトルが観測された際に、p-GaAs中において明確なdc電圧が観測されることを見出した。(Ga,Mn)As単層試料においてもdc電圧が観測され、逆スピン・ホール効果以外の寄与の存在が明らかになった。これらの信号をランダウ-リフシッツ-ギルバード方程式に基づき磁化の動的運動を考慮して解析した。これにより、対称信号は電流磁気効果と逆スピン・ホール効果、反対称信号は電流磁気効果によることを示した。定量的解析により、観測されたdc信号の大部分は電流磁気効果に起因するものであり、その内の約1割がスピン流生成に起因するものであることを明らかにした。このことは、スピン流の定量的評価には、電流磁気効果の定量的評価が必要であることを示している。ここで確立したスピン流の定量的評価手法は、(Ga,Mn)As系のみならず、様々な材料に適用可能であると考えられる。

平成23年度の申請研究は繰り越しとなったものの、震災後の測定系の再構築と新測定系の構築は完了し、実験データの取得が継続的に加速して行われている。スピンポンピングと逆スピン・ホール効果によるp型半導体中のスピン流生成と検出、実験結果の解析手法について平成24年度のテーマとして並行して進めている。これまでに、逆スピン・ホール効果によると考えられていた信号の大部分が電流磁気効果に起因することを明らかにした。本研究で確立した解析手法は今後様々な材料に適用されるものと考えられる。25年度が最終年度であるため、記入しない。試料作製法・測定系の構築、測定手法・解析手法の確立を終え、結果を蓄積することでスピン流とそれに付随する現象についての理解を深める段階に至っている。これまでに、電流磁気効果(異方性磁気抵抗効果、異常ホール効果)が測定結果に与える影響について定量的に明らかにし、スピン流の定量的評価手法の確立を行った。この手法は、本年度対象とした(Ga,Mn)As系以外の材料系にも適用可能であるため、今後多くの場面で利用されるものと期待される。本研究で確立した実験手法・解析手法が材料によらず適用可能であることを明らかにすることは、本研究成果の意義を問うために重要である。金属を含む材料系を用いた研究に着手する。また、新規スピン流現象の観測が期待されるg因子・スピン軌道相互作用の大きい狭禁制帯半導体材料系を用いた研究にも着手予定である。本研究で用いた手法を様々な材料系に適用可能であることを示すことは、本研究成果の意義を問うために重要である。そのため、多くの研究者が対象としている金属材料系においても、ここで用いている手法の正当性を示す予定である。また、狭禁制帯半導体系は、キャリア移動度が高く、大きなg因子、大きなスピン-軌道相互作用、大きな熱電効果を持つため、スピン流にまつわる新規物理現象の観測の場を提供するものと期待される。狭禁制磁性半導体構造の結晶成長条件の最適化、素子設計、スピン流計測に着手する予定である。
霞ケ浦流域における流域水質管理計画の計画策定支援システムの作成

霞ケ浦流入河川では高い全窒素濃度が測定され、畑地を中心とする面源が大きな原因であるといわれている。本研究でも畑地面積の卓越する霞ケ浦(北浦)流入河川の山田川で水質測定を行ったが、5-12月で平均5.87(mg・1^<-1>)と高濃度だった。そこで、霞ケ浦流域水質管理の計画策定支援のため、窒素排出源データベースに基づく流域水質予測モデルの構築を目指した。データベースの項目は下水処理の形態別人口、畜産頭数、土地利用面積、畑作物種、作物ごとの施肥量など100以上に渡る。データは1980年から2000年で収集し、市町村単位及び流入河川流域単位で入力した。人口、畜産という点源と水田、畑地、宅地、森林等の面源に原単位を用い、流域内の窒素負荷を算定した。結果をGISにより解析し、霞ケ浦流域内の窒素負荷の空間分布を把握した。これより、流域水質管理計画の策定支援システムの基盤が構築できた。しかし、原単位法の弱点として、流域内の窒素負荷蓄積量の影響を表現できないことも明らかとなった。そこで、さらに山田川を対象とした水質予測モデルを構築し、霞ケ浦流域全体に適用した。モデルは土地利用別水質タンク法をもとに、入力データとして前述のデータベースを使用できるよう改良した。特に、畑地での施肥量や作物吸収量を忠実に再現できるのが改善点である。これより、畑地土壌中に蓄積された施肥由来窒素の、河川の全窒素濃度への影響を表現できるようになった。このモデルから、山田川の流量と窒素負荷量の月変動のシミュレーションを行った。シミュレーションに基づく予測から、施肥削減の効果を検討したが、削減効果が表れるのは10年以上先になるという結果であった。また霞ケ浦流域全体に同様の検討を行っている。本モデルはGISとの親和性を持っているので、詳細な立地条件を加味した水質改善対策の立案においても、有用な予測を例示することが期待される。本研究は、流域水質管理計画の策定支援システムの開発を目指している。本年度は、霞ヶ浦流域を対象としたGISによるメッシュデータベースの構築を行った。データベースは、標高、土地利用面積、人口、畜産データと窒素排出負荷の原単位データ、および水質データから構成される。標高データは、国土地理院発行の50mメッシュ標高データを用いた。土地利用面積については、ランドサットTMセンサーによるリモートセンシングデータを用いて、画像解析を行い、土地利用分類を行って得た。人口、畜産データについては茨城県の統計データを用いた。窒素排出負荷の原単位は、霞ヶ浦湖沼保全計画第3期の数値を採用した。水質データは公共用水域水質測定結果で公表された数値の年平均値を用いた。これら入力データは、1980年から1995年について収集した。また、このデータベースを活用し、流域内部の小河川について、窒素排出負荷量の算定を行い、GISによる表示を行った。経年的な窒素排出負荷の変動と水質変動の関係に時間遅れが認められ、その原因として、畜産廃棄物等の農業起因による窒素排出負荷の土中への堆積の影響があることがわかった。さらに、人口増加による水質変動の影響もGISによって表すことができた。以上、土地利用の変化が及ぼす、水質・水環境への影響を評価するシステムの核となるデータベースの構築と、原単位法による窒素負荷の評価ができた。今後、このデータベースを利用し、土地利用計画の策定による水環境への影響を予測するモデルの構築を試みる。具体的な手法として、分布型の流出モデル、水質モデルを構築し、上記データベースと組み合わせて利用することで、流域水質管理計画に有用な、策定支援システムの構築を目指す。

また霞ケ浦流域全体に同様の検討を行っている。本モデルはGISとの親和性を持っているので、詳細な立地条件を加味した水質改善対策の立案においても、有用な予測を例示することが期待される。
道徳の教科化を見据えた道徳授業モデルの開発と評価の在り方の開発的研究

道徳科の授業モデルの要件は、数師が明確な指導観をもって、ねらいとする道徳的価値について感じたことや考えたことを通して自己を見つめ、生き方について考えを深められる授業である。また、多様な考えをもつ他者を相互に認め合い広い心で異なる意見や立場を尊重し、共によりよく生きようという意欲を高める「主体的・対話的な深い学び」が実現された授業である。道徳科における評価は、子供を評定するための評価ではない。教師が授業改善を行うための資料となる評価であり、子供のよい点や成長の様子などを積極的に捉え、認め励まし、勇気付ける評価である。それは、学習状況や道徳性に係る成長の様子を適切に把握し評価することである。本研究の目的は、道徳の教科化の動向を踏まえ、「特別の教科道徳」(以後「道徳科」という)の道徳授業の指導法について検討し、道徳性を育むための授業モデルの開発と、その評価の在り方について実践的提案を行うものである。平成27年度は、将来出合う様々な問題や課題を主体的に解決し、よりよく生きていくための資質・能力に結び付くことのできる道徳科の指導法について、国内外の多方面の実践から検討し、その指導方法の有効性と課題を明らかにした。また、経験や体験を生かしながら子供に考えさ、家庭や地域社会の人々が参加できる道徳科の指導法についても検討した。このような指導法のためには、教師の価値観・生徒観・教材観を明確にするという、明確な指導観に基づく授業の構想の重要性であることが分かった。そして、この明確な指導観に基づく授業を展開するためには、1道徳的価値について主体的に理解する学習(価値理解と同時に人間理解や他者理解を深めていく展開)、2子供自らが考え、理解し、主体的に学習に取り組み、自己を見つめる学習、3物事を広い視野から多面的・多角的に考えることのできる学習、4道徳的価値の自覚を深める学習、5人間としての生き方について強く意識させる学習を展開することである。この成果は、平成27年度に文部科学省から発刊された小学校学習指導要領解説特別の教科道徳編、同じく平成27年度に文部科学省から発刊された初等教育資料7月号、道徳教育ジャーナルNO.90等にて、多数発表した。平成27年度の研究において指導法の要素を明らかにしたことは、今後の道徳科の発展に大きく寄与するものである。平成27年度の研究実施計画に沿って、ほぼ予定通り調査研究が遂行した。学校教育との連携も積極的に進めることができ、実践的な道徳授業モデルの要素を明らかにすることができた。また、全国から講演要請があり、全国の小中学校の教員そして各都道府県教育委員会に向けて発信することができた。道徳の教科化を見据えた道徳授業を進める上で重要なことは、子供にとって魅力的があり、子供の活力を生み出す「考え、議論する」道徳授業への質的転換を図ることであり、それに伴った評価の在り方を検討することである。その第一が、道徳科の目標である「道徳性」という資質・能力を育むための道徳授業や学習の姿の具体的イメージを共有することであり、具体的な学習の姿として、1道徳的諸価値について理解する学習、2自己を見つめる学習、3多面的・多角的に考える授業、4自己(人間として)の生き方について考える学習、を生み出すことである。第二は、評価とも大きく関連しているが、1一面的な見方から多面的・多角的な見方へと発展しているか、2道徳的価値の理解を自分自身との関わりの中で深めているか、とりわけ、この2つの視点を意識した道徳授業を構成することが大事である。具体としては、教材の登場人物の行為や考えのわけを「どうしてだろう」と問い、道徳的価値を様々な側面から分析的に深めていくことである。また、自分自身の生き方について「自分だったらどうする」などと、自分事として捉えていくことである。第三は、質の高い学びを子供に提供することである。これは、文部科学省の「主体的・対話的で深い学び」を実現することであり、問題意識と主体的・協働的な学習の展開が必要不可欠である。例えば、1読み物教材の登場人物への自我関与が中心の学習、2問題解決的な学習、3道徳的行為に関する体験的な学習を3つの型として捉えるのではなく、123を相互に組み合わせたり融合させたり、他の方法を開発したりして、子供の視点に立った多様な学習を生み出すことである。第四は、子供の学習状況や道徳性に係る成長の様子を評価することである。そのためには、教師と子供の共感的雰囲気のもと子供同士が切磋琢磨し高め合い、子供自身が成長を実感できる評価でなければならない。研究期間内の目標として掲げた、1「特別の教科道徳」の指導方法について、国内外の多方面の実践から検討し、指導方法の有効性と課題を明らかにする。2経験や体験を生かしながら子供に考えさ、シティズンシップ教育の充実の観点から家庭や地域社会の人々が参加できる道徳授業モデルを開発する。3道徳性の評価に当たって、指導のねらいや内容に照らし、子供の学習状況を把握するために、子供の作文やノート、質問紙、発言や行動の観察、面接など、資料等を収集する方法について検討し、その成果と課題を明らかにする。4道徳授業モデルと関連させながら、指導のねらいに即した観点別評価、パフォーマンス評価、ポートフォリオ評価、子供の自己評価の在り方などの有効性について明らかにするについて概ね達せすることができた。学校現場として筑波大学付属小学校及び秋田市内の学校等とも密接に連携しながら、「1多角的・批判的に考え、討論する授業」「2具体的な動作等を取り入れた授業」

「3問題解決的な授業」を実施すると同時に評価についても併せて研究を行った。しかし、当初計画にあった「シティズンシップ教育の視点に立った授業」については、教員と打合せを行った結果、子供たちの実態とはそぐわないということになり、研究を見送ることになった。この研究の成果を発表する場として、代表研究者が、第88回日本道徳教育学会秋季大会(秋田公立美術大学)を開催し、大きな成果を得ることができた。道徳科の授業モデルは、教師が明確な指導観をもって、ねらいとしている道徳的価値について感じたことや考えたことを通して自己を見つめ、生き方について考えを深められる授業である。また、多様な考えをもつ他者を相互に認め合い広い心で異なる意見や立場を尊重し、共によりよく生きようという意欲を高めることができる「主体的・対話的な深い学び」が実現された授業である。留意すべきこととして、教科書の教材から道徳的問題を捉えさせ、考えてみたい、話し合ってみたいという本時の主題に対する問題意識をもたせることである。そのためには、授業の中で道徳的価値に根ざした問題を明らかにし、心の拠り所となる道徳的価値の意義について「自己を見つめ」「多面的・多角的に」考える学習活動を位置づけ、「自己の生き方・人間としての生き方」について学べるようにすることである。道徳科における評価とは、子供を評定するための評価ではない。指導に生かされ、子供の成長につながる評価である。つまり、教師が授業改善を行うための資料となる評価であり、子供のよい点や成長の様子などを積極的に捉え、認め励ます評価であることが重要である(指導と評価の一体化)。道徳科では、子供が「自己を見つめ」「多面的・多角的に」考える学習活動において、「道徳的諸価値の理解」と「自己の生き方についての考え」を、相互に関連付けることによって、深い理解、深い考えとなっていく。こうした学習における一人一人の子供の姿を把握していくことが子供の学習活動に着目した評価を行うことになる。道徳性を養うことを学習活動として行う道徳科の指導では、その学習状況や道徳性に係る成長の様子を適切に把握し評価することである。子供の学習状況は指導で変わる。道徳科における子供の学習状況の把握と評価のためには、教師が道徳科における指導と評価の考えを明確にした指導計画の作成が求められる。道徳科の授業モデルの要件は、数師が明確な指導観をもって、ねらいとする道徳的価値について感じたことや考えたことを通して自己を見つめ、生き方について考えを深められる授業である。また、多様な考えをもつ他者を相互に認め合い広い心で異なる意見や立場を尊重し、共によりよく生きようという意欲を高める「主体的・対話的な深い学び」が実現された授業である。道徳科における評価は、子供を評定するための評価ではない。教師が授業改善を行うための資料となる評価であり、子供のよい点や成長の様子などを積極的に捉え、認め励まし、勇気付ける評価である。それは、学習状況や道徳性に係る成長の様子を適切に把握し評価することである。今後は、道徳性を育むための授業モデルの開発とともに、その評価の在り方について実践的提案を行っていく。とくに、多様な子供の道徳性の評価に当たっては、多面的、継続的に個人内の成長過程を把握し、総合的に評価していく評価の在り方を模索する。
オブジェクト指向を用いた分散システムの統合的モデル化と解析

最近、分散システムのオブジェクト指向仕様記述により多くの注意が払われるようになってきている。オブジェクト指向アプローチが、システム構成に対して柔軟であることは知られている。しかしながら、主要な問題の1つは、開発工程とメンテナンス工程の間で、そうした仕様記述を動的に変更できる能力を提供することである。にもかかわらず現時点の研究では、分散システムの仕様記述の動的変更については言及されていない。本研究では、実行可能な仕様記述法の開発と動的変更を考慮した形式的記述の技術に論点を置く。大規模なオブジェクト指向仕様記述を進化させるために2つのレベルのモデルを導入する。第1のレベルは、型(クラス)の動的変更を扱う。一方、第2レベルはモジュールの変更を扱う。両方のレベルでその変更後、仕様記述の一貫性を保証するために、構造的かつ振る舞い的制約の集合を定義する。型とモジュールの動的変更を可能にするために、我々は変更の操作を支援するメタオブジェクトを用いるリフレクティブなオブジェクト指向仕様記述言語を開発し手。この言語において型とモジュールはオブジェクトである。仕様記述の技術を進化させていくことは、ソフトウェア開発工程と保守工程において、要求仕様と設計の意志決定の変化に対応していくために必要である。想定しうる変更の中でも、新たな特長の追加は、重要な問題である。大規模分散ソフトウェアシステムへの新たな機能追加のように、遠隔通信システムに対する特長追加の努力は、多大なものになるかもしれない。それぞれの新たな特長の追加、あるいは追加された機能性は、多くの既存の特長と相互に作用するかもしれない。そのような相互作用は、ブロッキングの状況(例えばデッドロック)やシステムの障害を引き起こすかもしれない。さらに、大規模で長期に稼働する分散システムにとって、その拡張を行うためにシステム全体を停止させることは不可能かもしれない。従って、重要でかつ困難な問題は、影響が及ばないシステムの部分の処理を中断することなく動的に拡張機能の修正を行うことにある。本研究では、仕様の振る舞いを拡張するための形式的アプローチとリフレクティブなオブジェクト指向仕様記述言語(RMondel)のコンテクスト仕様記述の動的進化のための方法論について述べる。しかしながら、主要な問題の1つは、開発工程とメンテンス工程の間で、そうした仕様記述を動的に変更できる能力を提供することである。一方、第2のレベルはモジユールの変更を扱う。型とモジユールの動的変更を可能にするために、我々は変更の操作を支援するメタオブジェクトを用いるリフレクティブなオブジェクト指向仕様記述言語を開発した。この言語において型とモジユールはオブジェクトである。

想定しうる変更の中でも、新たな特長の追加は、重要な問題である。大規模分散ソフトウェアシステムへの新たな機能追加のように、遠隔通信システムに対する特長追加の努力は、多大なものになるかもしれない。それぞれの新たな特長の追加、あるいは追加された機能性は、多くの既存の特長と相互に作用するかもしれない。そのような相互作用は、ブロッキングの状況(例えばデッドロック)やシステムの障害を引き起こすかもしれない。さらに、大規模で長期に稼働する分散システムにとって、その拡張を行うためにシステム全体を停止させることは不可能かもしれない。従つて、重要でかつ困難な問題は、影響が及ばないシステムの部分の処理を中断することなく動的に拡張機能の修正を行うことにある。本研究では、仕様の振る舞いを拡張するための形式的アプローチとリフレクティブなオブジェクト指向仕様記述言語(RMondel)のコンテクストで仕様記述の動的進化のための方法論について述べる。最近、分散システムのオブジェクト指向仕様記述により多くの注意が払われるようになってきている。オブジェクト指向アプローチが、システム構成に対して柔軟であることは知られている。しかしながら、主要な問題の1つは、開発工程とメンテナンス工程の間で、そうした仕様記述を動的に変更できる能力を提供することである。にもかかわらず現時点の研究では、分散システムの仕様記述の動的変更については言及されていない。本研究では、実行可能な仕様記述法の開発と動的変更を考慮した形式的記述の技術に論点を置く。大規模なオブジェクト指向仕様記述を進化させるために2つのレベルのモデルを導入する。第1のレベルは、型(クラス)の動的変更を扱う。一方、第2のレベルはモジュールの変更を扱う。両方のレベルでその変更後、仕様記述の一貫性を保証するために、構造的かつ振る舞い的制約の集合を定義する。型とモジュールの動的変更を可能にするために、我々は変更の操作を支援するメタオブジェクトを用いるリフレクティブなオブジェクト指向仕様記述言語を開発した。この言語において型とモジュールはオブジェクトである。仕様記述の技術を進化させていくことは、ソフトウェア開発工程と保守工程において、要求仕様と設計の意志決定の変化に対応していくために必要である。
モデルマウスを用いた硬膜移植による脳βアミロイドーシスの個体間伝播についての研究

今年度は、文部科学省科学研究費助成事業新学術領域研究「学術研究支援基盤形成」「コホート・生体試料支援プラットフォーム」の高齢者ブレインバンク(地方独立行政法人東京都健康長寿医療センター)より剖検症例から得られたヒト硬膜を8症例分提供して頂いた。これらのヒト硬膜の一部を用いて、パラフィンブロックを作成し、ヒト硬膜の病理学的な評価を行った。具体的にはHE染色にて形態学的な評価を行い、アミロイドbeta蛋白(Abeta)に対する抗体(4G8)を用いて免疫染色を行った。これまでの報告にあるようにヒト硬膜には血管が豊富に存在していることを確認したが、現在までのところAbeta沈着を認めた症例は確認出来ていない。また、同じヒト硬膜をホモジネートし、一部は今後の生化学的な評価のために凍結保存した。ELISA法によるAbeta濃度の評価を行うため、マウス脳やヒト脳を用いてAbeta濃度を測定する予備実験を行ない、脳に沈着しているAbeta濃度については測定可能となっている。しかし、現在までのヒト硬膜のAbetaに対する免疫染色の結果を見ると、ヒト硬膜に沈着するAbeta量は非常に微量である可能性があり、より微量のAbeta濃度を測定する方法を考える必要がある。さらに、ヒト硬膜ホモジネートの一部をAPP遺伝子改変モデルマウスの脳の海馬に定位脳手術の方法を用いて注入した。現在、注入後のマウスの飼育を継続しており、注入1年後にそれらのマウス脳のAbeta沈着の程度を評価する予定である。文部科学省科学研究費助成事業新学術領域研究「学術研究支援基盤形成」「コホート・生体試料支援プラットフォーム」の高齢者ブレインバンク(地方独立行政法人東京都健康長寿医療センター)からのヒト硬膜の提供数がまだ少ない状態で、今後も引き続きヒト硬膜の提供をお願いしている。引き続き文部科学省科学研究費助成事業新学術領域研究「学術研究支援基盤形成」「コホート・生体試料支援プラットフォーム」の高齢者ブレインバンク(地方独立行政法人東京都健康長寿医療センター)からのヒト硬膜の提供からのヒト硬膜の提供をお願いする。また、提供を受けたヒト硬膜のAbetaに対する免疫染色を行い、ヒト硬膜へのAbeta沈着について引き続き検討を継続する。ヒト硬膜に沈着したAbeta濃度の測定法について検討を行い、実際のAbeta濃度を測定する。すでにヒト硬膜ホモジネートを脳内に注入したモデルマウスの飼育を継続し、注入1年後に脳内のAbeta沈着について評価を行う。更に、新たなヒト硬膜の提供を受けた場合は、新たにホモジネートを作成し、モデルマウス脳に注入を行う。今年度は、剖検症例からのヒト硬膜を入手する機関として、文部科学省科学研究費助成事業新学術領域研究「学術研究支援基盤形成」「コホート・生体試料支援プラットフォーム」の高齢者ブレインバンク(地方独立行政法人東京都健康長寿医療センター)に検体提供の申請を出し、審査及びヒアリングの後に承認を受けた。その承認に基づいて、金沢大学医学倫理審査委員会より研究の実施計画について承認を受けた(審査番号2678-1)。本研究で用いるアルツハイマー病モデルマウスの繁殖を行った。アルツハイマー病モデルマウス脳のアミロイドベータ蛋白沈着の程度を確認するために、15ヶ月齢のアルツハイマー病モデルマウスの脳の免疫染色を行い、アミロイドベータ蛋白の沈着程度について検討を行った。さらに、ウェスタンブロットやElISA法によってアルツハイマー病モデルマウスの脳ホモジネート内のアミロイドベータ蛋白量の定量を行った。また、ヒト硬膜ホモジネートをアルツハイマー病モデルマウスの脳内に接種する準備のために、ヒト脳ホモジネートやPBSのアルツハイマー病モデルマウスの脳内に接種した。また、接種したアルツハイマー病モデルマウスの脳をアミロイドベータ蛋白に対する免疫染色を行い、アミロイドベータ蛋白の沈着の程度の評価を行った。また、マウス脳のアミロイドbeta蛋白沈着の程度の評価を行うために、オールインワン顕微鏡(KEYENCE BZ-X700)を用いた評価方法の検討を行った。剖検症例からのヒト硬膜を手に入れるための機関の選定に時間がかかってしまい、書類審査やその後の倫理審査などで時間に時間を要したため、まだヒト硬膜を入手出来ていない。しかし、文部科学省科学研究費助成事業新学術領域研究「学術研究支援基盤形成」「コホート・生体試料支援プラットフォーム」の高齢者ブレインバンク(地方独立行政法人東京都健康長寿医療センター)から検体提供の承認を頂き、金沢大学医学倫理審査委員会より研究の実施計画について承認を受けることが出来たため、今後は順調に研究が進捗すると考えている。

しかし、現在までのヒト硬膜のAbetaに対する免疫染色の結果を見ると、ヒト硬膜に沈着するAbeta量は非常に微量である可能性があり、より微量のAbeta濃度を測定する方法を考える必要がある。さらに、ヒト硬膜ホモジネートの一部をAPP遺伝子改変モデルマウスの脳の海馬に定位脳手術の方法を用いて注入した。現在、注入後のマウスの飼育を継続しており、注入1年後にそれらのマウス脳のAbeta沈着の程度を評価する予定である。文部科学省科学研究費助成事業新学術領域研究「学術研究支援基盤形成」「コホート・生体試料支援プラットフォーム」の高齢者ブレインバンク(地方独立行政法人東京都健康長寿医療センター)からのヒト硬膜の提供数がまだ少ない状態で、今後も引き続きヒト硬膜の提供をお願いしている。文部科学省科学研究費助成事業新学術領域研究「学術研究支援基盤形成」「コホート・生体試料支援プラットフォーム」の高齢者ブレインバンク(地方独立行政法人東京都健康長寿医療センター)より検体提供を受け次第、計画に沿って研究を推進していく予定である。引き続き文部科学省科学研究費助成事業新学術領域研究「学術研究支援基盤形成」「コホート・生体試料支援プラットフォーム」の高齢者ブレインバンク(地方独立行政法人東京都健康長寿医療センター)からのヒト硬膜の提供からのヒト硬膜の提供をお願いする。また、提供を受けたヒト硬膜のAbetaに対する免疫染色を行い、ヒト硬膜へのAbeta沈着について引き続き検討を継続する。ヒト硬膜に沈着したAbeta濃度の測定法について検討を行い、実際のAbeta濃度を測定する。すでにヒト硬膜ホモジネートを脳内に注入したモデルマウスの飼育を継続し、注入1年後に脳内のAbeta沈着について評価を行う。更に、新たなヒト硬膜の提供を受けた場合は、新たにホモジネートを作成し、モデルマウス脳に注入を行う。
大動脈瘤の発生及び伸展におけるHMGB1の役割

塩化カルシウム塗布によるマウス大動脈瘤モデルで検討を行った。大動脈瘤モデル群はsham群(生理食塩水塗布)に比して著明にhigh-mobility group box 1 (HMGB1)の発現が亢進していることが確認された。次に、大動脈瘤モデルに抗HMGB1中和抗体もしくはコントロール抗体を投与して検討したところ、中和抗体投与により大動脈瘤径拡大は抑制された。また炎症性サイトカイン発現、細胞外マトリックス分解酵素(matrix metalloproteinase ; MMP)-9活性、及びマクロファージ浸潤が中和抗体投与群では軽減することを明らかにした。マウス大動脈瘤(塩化カルシウム塗布)モデル群及び生理食塩水塗布を行うshamモデル群をそれぞれ作成した。動脈瘤モデル群では術後4週の時点で安定して動脈瘤形成されていることを確認した。術後4週に腎動脈分岐下の腹部大動脈壁を摘出し、High mobilily group box 1 protein(HMGB1)の発現の定量解析をWestern blotting法を用いて行った。大動脈瘤モデル群はsham群に比して著明にHMGB1の発現が亢進していることが確認された。HMGB1の免疫組織染色も施行したが、同様に大動脈瘤モデル群でHMGB1陽性細胞数が有意に増加しており、HMGB1の発現は主に浸潤する炎症細胞に由来していた。以上の通りマウス大動脈瘤モデルにおけるHMGB1発現を確認した後に、HMGB1と大動脈瘤発生及び伸展の関連を検討するために抗HMGB1中和抗体を用いた。24時間生存したマウス大動脈瘤モデルに、抗HMGB1中和抗体(200ug/日、3日毎、4週間; n=6)もしくはコントロール抗体(200ug/日、3日毎、4週間; n=6)を投与した。抗体投与量は既報に基づいて決定した(Biochem Biophys Res Commun. 2007 ; 360(2) : 394)。現時点(両群ともにn=3)では両群の間で統計学的な有意差は認めていない。術後4週に腎動脈分岐下の腹部大動脈壁を摘出し、high mobility group box 1 protein(HMGB1)の発現の定量解析をwestern blotting法を用いて、MMP-2及び-9の活性をZymographyで検討したところ、HMGB1発現とMMP-2/-9活性の間には有意な正の相関関係があることが確認された。またHMGB1発現は動脈瘤径との間にも相関を示した。次にHMGB1と大動脈瘤発生及び伸展の関連を検討するために抗HMGB1中和抗体を用いた。24時間生存したマウス大動脈瘤モデルに、抗HMGB1中和抗体(200ug/日、3日毎、4週間;n=10)もしくはコントロール抗体(200ug/日、3日毎、4週間;n=10)を投与したところ中和抗体投与により有意に動脈瘤径が縮小していることが確認された。また病理学評価でも、中膜層の菲薄化と弾性線維の破壊などの動脈瘤の特徴的変化が、HMGB1中和抗体投与により軽減されることが明らかにされた。HMGB1中和抗体投与によりMMP-2及び-9活性が著明に抑制され、マクロファージ浸潤も軽減していることを明らかにした。定量的RT-PCR法により確認したところ、tumor necrosis factor-α(TNF-α)、monocyte chemoattract protein-1(MCP-1)、inter-cellular adhesion molecule 1(ICAM1)、CD68の発現もHMGB1中和抗体投与により抑制されることを明らかにした。
アカネ属の基礎生態の解明および保全のための水管理手法の検討

フィプロニルやイミダクロプリドを成分とする箱施用浸透性殺虫剤は,稲の吸汁性害虫を対象とした殺虫剤であり,稲の組織内に吸収させるために育苗箱に用いる.本研究では''本薬剤がアキアカネ幼虫の生存率,羽化数,羽化行動に及ぼす影響を小型ライシメータにより検証した。小、型ライシメータ(350mm×500mm×300mm(H))には,地下水を供給し水深3cmとした。各ライシータは,フィプロニル区,イミダクロプリド区および無処理区とし,それぞれ3反復で実験を行った。アキアカネ卵は,それぞれのライシメータに300卵散布した.そして,各ライシメータ中のアキアカネ幼虫の生存率,羽化数を求めた。アキアカネ幼虫の生存率の減少が最も顕著だったのはフィプロニル区となり,羽化個体が観察されなかった。イミダクロプリド区では,田植後初期の生存率の低下がフィプロニル区と比較して小さかった。また,羽化個体が確認できた。しかし,幼虫の平均成長率および成虫の後翅長が無処理区よりも低下した。また,羽化異常を示す個体が無処理区に比べて高い割合で発現した。イミダクロプリドは,アキアカネ幼虫への直接的影響は小さいが,生物間の相互作用による羽化不全という間接的な影響をおよぼす可能性が示された。本研究により,フィプロニルやイミダクロプリドを成分とする箱施用殺虫剤の使用は,アキアカネ幼虫の大きな減少を招くことが示唆され,箱施用殺虫剤の影響について基礎的な情報を得ることができた。今後は,実際の水田の農薬濃度の挙動とアカネ属種の発生の応答を明らかにするとともに,餌動物への影響について詳細な検討を実施する必要がある。18年度は,アキアカネ,ナツアカネ,ノシメトンボ卵の孵化におよぼす光と水温の影響を検討した.3種の卵の採集は,秋田県大潟村の水田で行い,採集した卵は水田圃場で2005年10月から2006年の4月まで保管したのち,水田入水期にあたる4月下旬に実験に供した.実験では,明条件(明期14hr・暗期10hr)の水温23°C,18°C,13°Cおよび8°C,ならびに暗条件・23°Cの計5条件下に卵をおき,孵化の調査を行った.実験は3反復で行い,1反復に供した卵数は50とした.アキアカネとナツアカネの卵は,23°C・暗条件において孵化が確認された.ノシメトンボの卵は暗条件下で孵化が観察されなかった.アキアカネ卵およびナツアカネ卵の23°C・暗条件と23°C・明条件の孵化率には有意差が認められなかった.しかし,両種とも孵化期間および斉一孵化係数には有意な差が認められ,暗条件では明条件に比べ孵化期間,斉一孵化係数が増大した(ANOVA P<0.01).代かき作業で生ずる濁水や卵の埋土は,卵を減光あるいは暗条件下におくことが想定される.上記の結果から,そのような光条件の変化はアキアカネ卵,ナツアカネ卵の孵化には大きく影響しないがノシメトンボ卵の孵化には影響をおよぼすと推察される.アキアカネ,ナツアカネ,ノシメトンボの卵の孵化の様態には違いが見られた.アキアカネ卵の平均孵化日数は,水温間で有意な差が認められ(ANOVA P<0.01),低温ほど大きな値を示した.斉一孵化係数は,水温が高い条件で斉一的に孵化が起こる傾向にあった.ナツアカネ卵の平均孵化日数は23°C条件と18°C,13°C条件の間に有意な差が確認された(ANOVA P<0.01).孵化期間は,18°C条件が41.0日を示し,23°Cの13日,13°Cの20日よりも有意に大きい値を示した(ANOVA P<0.01).ノシメトンボ卵の平均孵化日数および斉一孵化係数には水温間で有意な差が認められなかった.孵化期間は,18°C条件において最も長期化し,有意な差が認められた.フィプロニルやイミダクロプリドを成分とする箱施用浸透性殺虫剤は,稲の吸汁性害虫を対象とした殺虫剤であり,稲の組織内に吸収させるために育苗箱に用いる.本研究では''本薬剤がアキアカネ幼虫の生存率,羽化数,羽化行動に及ぼす影響を小型ライシメータにより検証した。

しかし,幼虫の平均成長率および成虫の後翅長が無処理区よりも低下した。また,羽化異常を示す個体が無処理区に比べて高い割合で発現した。イミダクロプリドは,アキアカネ幼虫への直接的影響は小さいが,生物間の相互作用による羽化不全という間接的な影響をおよぼす可能性が示された。本研究により,フィプロニルやイミダクロプリドを成分とする箱施用殺虫剤の使用は,アキアカネ幼虫の大きな減少を招くことが示唆され,箱施用殺虫剤の影響について基礎的な情報を得ることができた。今後は,実際の水田の農薬濃度の挙動とアカネ属種の発生の応答を明らかにするとともに,餌動物への影響について詳細な検討を実施する必要がある。
ミクロ・マクロの遷移と場の量子論

本研究課題は,近年注目を集めつつあるマクロ系あるいはメソスコピック系の挙動をミクロ・マクロ遷移という観点から統一的に捉え,これらの系に対する量子論の確立を目指したものである.特に,量子論の基本に関わる極めて重要な問題であるばかりでなく,ミクロ系とマクロ系との相互作用が本質的な役割を果たすと考えられている量子論的観測問題と関連する基本的諸問題を主要なテーマとして取り上げてきた.具体的研究成果・課題としては, 1.量子系の時間発展の一般論を展開し,関連する諸問題を検討した.特に,多自由度系としての"環境系"のもとで量子系が時間発展する様子を,量子コヒーレンスの消滅過程,あるいは生存確立に対する崩壊則という観点から考察した.2.前項目とも関連して,中性子スピンを利用した量子ゼノン効果の干渉実験を,実際の実験的状況を考慮して分析した.特に,波束としての中性子の磁場領域通過における反射を考慮すると,最終的に得られる生存確率は理想的な場合とは全く異なる可能性のあることが判明した.反射によるロスを取り入れた場合に実際の実験結果と比較すべき数値がどうなるのか,引き続き具体的な評価を試みている.3.Nelson流の確率過程量子化を用いることによって,量子論での時間の問題を取り扱った.特に,いわゆるトンネル時間の評価では,振動型摂動ポテンシャルの印加によってどのような時間スケールが現われるのか,詳細な検討を加えている.4.古典系で良く知られた確率共鳴現象を量子系に適用するために,長時間・弱結合極限の一つである確率極限近似を用いて定式化した。5.系の安定性・不安定性が議論できるような量子力学系として,非線形効果を持つ量子光学系を提案し,その理論的解析を進めるとともに実験的実現可能性を追求した.今後とも実験グループとも連絡を取りながら引き続き研究を進める予定である.本研究課題は,近年注目を集めつつあるマクロ系あるいはメソスコピック系の挙動をミクロ・マクロ遷移という観点から統一的に捉え,これらの系に対する量子論の確立を目指したものである.特に,量子論の基本に関わる極めて重要な問題であるばかりでなく,ミクロ系とマクロ系との相互作用が本質的な役割を果たすと考えられている量子論的観測問題と関連する基本的諸問題を主要なテーマとして取り上げてきた.具体的研究成果・課題としては, 1.量子系の時間発展の一般論を展開し,関連する諸問題を検討した.特に,多自由度系としての"環境系"のもとで量子系が時間発展する様子を,量子コヒーレンスの消滅過程,あるいは生存確立に対する崩壊則という観点から考察した.2.前項目とも関連して,中性子スピンを利用した量子ゼノン効果の干渉実験を,実際の実験的状況を考慮して分析した.特に,波束としての中性子の磁場領域通過における反射を考慮すると,最終的に得られる生存確率は理想的な場合とは全く異なる可能性のあることが判明した.反射によるロスを取り入れた場合に実際の実験結果と比較すべき数値がどうなるのか,引き続き具体的な評価を試みている.3.Nelson流の確率過程量子化を用いることによって,量子論での時間の問題を取り扱った.特に,いわゆるトンネル時間の評価では,振動型摂動ポテンシャルの印加によってどのような時間スケールが現われるのか,詳細な検討を加えている.4.古典系で良く知られた確率共鳴現象を量子系に適用するために,長時間・弱結合極限の一つである確率極限近似を用いて定式化した。5.系の安定性・不安定性が議論できるような量子力学系として,非線形効果を持つ量子光学系を提案し,その理論的解析を進めるとともに実験的実現可能性を追求した.今後とも実験グループとも連絡を取りながら引き続き研究を進める予定である.本研究計画の目標は,マクロ系あるいはメソスコピック系の挙動をミクロ・マクロ遷移という観点から統一的に捉え,これらの系に対する量子論を確立することであるが,特に本年度は,量子論や基本原理に関わる問題を中心に取り組んできた.具体的には,1.可解な力学的模型(modified Coleman-Hepp模型)の弱結合・マクロ極限で出現する確率過程(Wiener過程)に関して,量子論的相関関数の物理的意味に考慮して分析を進めた.特に,2点相関関数においては,物理的(測定)操作を反映するように演算子積を構成することが重要であり,この事を考慮した新たな相関関数を用いて確率過程の再吟味を行なった.2.中性子スピンを利用した量子ゼノン効果の干渉実験を,実際の実験的状況を考慮して分析した.特に,波束としての中性子の磁場領域通過における反射を考慮に入れると,最終的に得られる生存確率は理想的な場合とは全く異なる可能性のあることが判明した.3.Nelsoll流の確率過程量子化を用いることによって,量子論での時間の問題を取り扱った.特に,いわゆるトンネル時間の評価では,振動型摂動ポテンシャルの印加によってどのような時間スケールが現われるのか,詳細に検討した.また,この方法によって領域滞在時間を評価することにより,量子カオスへのアプローチが可能であるか試みた.4.不安定系の生存確率の問題では,可解な場の理論の模型として知られるLee模型にMaiani-Testaの提案を適用し,特に短時間での振る舞いについて考察した.5.量子系での確率共鳴現象の可能性に関して理論的に解析した.本研究計画の目標は,マクロ系あるいはメソスコピック系の力学をミクロ・マクロ遷移という観点から統一的に捉え,これらの系に対する量子論を確立することである.本年度も昨年度に引き続き,量子論の基本原理に関わる問題を中心に取り組んできた.具体的には,1.中性子スピンを利用した量子ゼノン効果の干渉実験を,実際の実験状況を考慮してさらに詳細に分析した.

既に,波束としての中性子の磁場領域通過における反射を考慮すると,最終的に得られる生存確率は理想的な場合と全く異なり得るということが分かっているので,反射によるロスを取り入れた場合,実際の実験結果と比較すべき数値がどうなるのか具体的な評価を試みた.2.系の安定性・不安定性が議論できるような量子力学系として,非線形効果を持つ量子光学系を提案し,その理論的解析を進めるとともに実験的実現可能性を追究した.この系では,非線形効果による光子の指数関数的生成過程(不安定性)がそれに引き続く線形相互作用で抑制され得る(安定性)と理論的に予言されており,古典力学で有名なアーノルドの倒立振動子の量子力学版とも考えられ,大変興味深い.今後,実験グループとも連絡を取りながら引き続き研究を進める予定である.3.古典系で良く知られた確率共鳴現象を量子系に適用するために,長時間・弱結合極限の一つである確率極限近似を用いて定式化を行った.特に,量子性が古典的確率共鳴現象にどのような影響を与え得るのかを調べるため,メソスコピック系での共鳴現象を詳しく調べた.また,確率極限近似の拡張を行って他の量子系(スピン・ポソン系)への適用を試みた.
クライオ電子顕微鏡法による個々のタンパク質複合体の構造揺らぎの検出方法の開発

本研究では、タンパク質のもつ動的構造情報にもとづく構造機能相関の分子メカニズムを明らかにすることを目的として、クライオ電子顕微鏡法をもちいて、水和した状態のタンパク質およびその複合体の電子顕微鏡画像を撮影し、タンパク質分子の構造多型を注出し、構造アンサンブルに繋がる情報を撮り出すことが目標そしている。まず、ベイズ推計を用いたライブラリを我々自身が開発してきたEos(画像処理システム)上に構築し、それらを用いて、コントラスト変調関数の決定、及び、三次元再構成プログラムを開発し、試験したところ一定の構造情報を得ることに成功した。まだ、CTF補正を三次元再構成中に導入していないため、補正が終了した画像を利用する必要がある。今後、CTF補正、とくに、強度補正も含めた構造解析を行うプログラムへと更に更新をかけることを目指す。次に、ネットワークを越えたGUI(グラフィカルユーザーインターフェース)付のプログラム実行環境として、Zephyrとよぶツールを作成した。ネットワーク越しにプログラムのメニュを自動生成し、かつ、実行できることを確認した。このツールは、Eos以外にも他のプログラムも、UI定義ファイルを設定することにより、実行可能である。まだ、利用しやすいUIで無い部分もあり、今後、整理していくことが必要がある。最後に、異なるハードウェア資源をもつコンピュータ群を活用しやすくするためにpioneとよばれる、分散環境での並列計算のためのシステムの継続的な開発を行った。pione-clientはその環境をwebを通して実行するための環境である。このツールもまだ不十分なUIであり、また、機能のチューンアップが必要である。ここで述べた開発したツールは、現時点で、Eospediaと呼ぶHP上,及び、オープンソース公開サーバ上に公開した。28年度が最終年度であるため、記入しない。電子顕微鏡法を用いた、タンパク質及び生体構造の構造解析のための画像処理システムEos(Extensible object-oriented system)において、ベイズ推計を主としたライブラリの構築を行った。加えて、フーリエ空間での三次元再構成プログラムを作成し、フーリエ空間の補間法によるプログラム開発を進めた。これらの結果は、開発途中のものを含めて、全て、OSDN上にオープンソースとして公開し、複数人による開発を進めている。今年度は、上述のベイズ推計のためのライブラリをコントラスト伝達関数(CTF)の推定、及び、投影角度決定のために用い、その正当性と可能性をモデルデータ及び電子顕微鏡の実際の写真について試行した。いずれも、雑音量に依存しながらも、複数回の学習の後、解を与えることが明らかとなった。下記にそれぞれの問題点について述べる。CTFの推定に関しては、複数回の学習によりデフォーカス量の推定が可能であることがわかったのものの、MTF及び構造因子を適切に与えることがその精度に重要であることが分かった。今後、構造因子の学習のために適切な関数もしくは構造因子そのものを推定することを検討する。また、想定されていたことではあるが、雑音の問題が大きく影響を与えている。次年度は、雑音の改善を行うために、雑音の関数の推定を行うと共に、粒子画像の平均プロファイルをもとめる手法について検討する。また、適切な尤度関数を探索する。投影角度の決定に関しては、基本的な動作は実現できたものの、推定出来た画像と推定出来ていない画像が存在していることが明らかとなった。その主な理由は、フーリエ空間の補間と尤度関数にある。前者に関しては、高速のフーリエ変換補間のアルゴリズムを開発する。後者に関しては、尤度関数を複数試行する。ベイズ推計、フーリエ空間の画像処理法に注力した部分は着実に進んでいる。一方で、今回の申請研究の中心となっているのは、ベイジアンネットワーク等を使った多型構造の分類と画像処理方法自動化と効率化にある。構造多型に関連して、特に、2Dと3Dの行き来実施する部分に遅れがある。本年度はその点に注力する。

全体として、雑音の改善を行うために、粒子画像の平均プロファイルをもとめる手法について検討する。また、適切な尤度関数を探索する。投影角度の決定に関しては、基本的な動作は実現できたものの、推定出来た画像と推定出来ていない画像が存在していることが明らかとなった。その主な理由は、フーリエ空間の補間と尤度関数にある。前者に関しては、高速のフーリエ変換補間のアルゴリズムを開発する。後者に関しては、尤度関数を複数試行する。28年度が最終年度であるため、記入しない。
抗生物質による腸内細菌変化を介した脂質酸化依存的心不全突然死の新規抑制機構の解析

心臓特異的GPx4欠損マウスは、ビタミンE添加食では生存できるが、ビタミンEを添加しない通常食では、餌を変えてから約10日で心臓突然死を起こして致死となる。昨年度我々は、このビタミンE低下による心臓突然死を、抗生物質セフォペラゾン(CPZ)の飲水投与によって抑制できること、腹腔投与では抑制できないことから、腸内細菌の変化が関与している可能性を示唆した。本年度は、CPZによって致死となった悪い腸内細菌が心不全に重要なのか、またはCPZに耐性を示す生き残った腸内細菌が心不全の抑制に重要であるのかを明らかにするために、抗生物質の4剤合剤前処理によって腸内細菌をほぼ無菌状態にした場合(擬似無菌マウス)にCPZの効果が見られるのか。また本当に心臓特異的GPx4欠損マウスの無菌マウスを作成した場合にどうなるのかについて検討を行った。その結果、4剤合剤前処理をした後に、ビタミンEを低下させると、CPZを飲水投与しても致死の抑制効果は見られなくなった。また無菌マウスにおいてもビタミンEを低下させるとCPZ投与しても心不全の延長効果が見られなくなった。このことから、CPZ処理で生き残った腸内細菌が心不全の抑制に関与していることが明らかになった。そこで次に次世代シークエンサーにより、腸内細菌叢の解析を行ったところ、ほぼ1種類の属の腸内細菌叢に変化してることが明らかとなった。また単離した数種類の腸内細菌の培養液を用いて、PHGPx欠損MEF細胞死の抑制効果を調べたところ、弱いながら細胞死を抑制する腸内細菌がいることが明らかとなった。現在さらにこの心不全を制御できる腸内細菌の単離同定を試みている。本年度において、無菌マウス及び擬似無菌マウスの系を用いて、腸内細菌が心不全の制御に直接関与していること、次世代シークエンサー解析によって、腸内細菌の属を明らかにすることができた。単離した腸内細菌を用いて、擬似無菌マウスや無菌マウスに移植することにより、心不全を制御できる腸内細菌の同定を試みる。またメタボローム解析を試みることにより、抗生物質による腸内細菌を介した脂質酸化依存的心不全突然死の抑制メカニズムの一端を明らかにしたい。このビタミンE低下による心突然死を抑制できる医薬品をスクリーニングしたところ、抗生物質であるセフォペラゾン(CPZ)の飲水投与により、心突然死が完全に抑制されることを見出した。CPZを腹腔投与しても効果がなかったことから、腸内細菌の変化が関与していることが予想された。抗生物質CPZは培養細胞レベルでGPx4を欠損できるMEF細胞におけるGPx4欠損細胞死は直接抑制できなかったことから、CPZは抗酸化能によって心突然死をc直接抑制していないことが明らかとなった。また抗生物質の種類と濃度依存性について検討したところ、主にグラム陽性菌に作用するバンコマイシン、アスピリンは心突然死を抑制できたが、グラム陰性菌に作用するポリミキシンBは心突然死を抑制できなかった。また致死抑制において抗生物質の濃度依存性も見られた。このことからCPZ処理の際に生き残った何らかの腸内細菌が心突然死を抑制する物質を産生している可能性が高いことが明らかとなった。またCPZによる心突然死の抑制メカニズムを明らかにするために、通常食に変えてから9日目の心臓におけるリン脂質ヒドロペルオキシド生成とビタミンE量の変化について解析したところ、CPZ処理により心臓のリン脂質ヒドロペルオキシド量の生成の抑制及びビタミンE量の低下の抑制が観察された。CPZは直接脂質酸化抑制能を有していないことから、CPZ処理した際に変化した腸内細菌により、心臓での脂質酸化の抑制に関与する物質が産生されていることが考えられた。心突然死を抑制できる抗生物質に特異性があることなど、抗生物質による心突然死の抑制メカニズムについてある程度明らかにすることができた。

また単離した数種類の腸内細菌の培養液を用いて、PHGPx欠損MEF細胞死の抑制効果を調べたところ、弱いながら細胞死を抑制する腸内細菌がいることが明らかとなった。現在さらにこの心不全を制御できる腸内細菌の単離同定を試みている。本年度において、無菌マウス及び擬似無菌マウスの系を用いて、腸内細菌が心不全の制御に直接関与していること、次世代シークエンサー解析によって、腸内細菌の属を明らかにすることができた。来年度は、CPZ投与における腸内細菌叢の変化を次世代シークエンサーの解析により明らかにしたい。次にCPZ投与における腸内細菌を単離して、心突然死を抑制できる物質を産生しているのかについて、タモキシフェン誘導型GPx4欠損MEF細胞を用いて明らかにしたい。またこの系がうまくいった場合には、腸内細菌が産生する致死抑制物質についてノンターゲットな脂質解析により候補物質の絞り込みをしたい。CPZ投与により致死を誘導している腸内細菌を殺している場合と良い物質を産生する腸内細菌が増加してくる可能性も考えられるため、ビタミンE添加食でレスキューした心臓特異的GPx4欠損マウスを無菌マウスとして作出し、無菌条件下でもビタミンE低下により心突然死が起きるのか否かについて解析したい。単離した腸内細菌を用いて、擬似無菌マウスや無菌マウスに移植することにより、心不全を制御できる腸内細菌の同定を試みる。またメタボローム解析を試みることにより、抗生物質による腸内細菌を介した脂質酸化依存的心不全突然死の抑制メカニズムの一端を明らかにしたい。