hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
仮想実験環境における定性推論の技法を用いた誤りの可視化とその制御

知的教育支援システム研究分野では,計算機上に構築された仮想実験環境内での挙動シミュレーションを用いて,様々な物理概念を説明する機能の実現が,近年の重要な課題となっている.本研究の目的は,学習者が誤った物理概念を有する場合に,その発見・修正を支援するシミュレーションの生成・提示の枠組みの提案である.第1年度は,学習者の誤りを反映した挙動シミュレーションの生成法を提案・実装し,シミユレ一ション上のおかしな動きが予想と異なるとき,誤りへの気づきが生起することを確認した.シミュレータの設計においては提示された現象が予想される現象と「速度」において定性差を持つ場合に差異を認識できるという条件を仮定しこれに基づいて可視化効果を診断する機能を実現した.定性推論機構(QSlM)による自動化が実現されている.第2年度は,シミュレータの扱える誤りの範囲を拡大するため,提示された現象と予想される現象との定性差が「速度」のみならず「速度の変化率」の場合にも効果的であると仮定し,可視化効果の診断機能を拡張した.定生推論機構(DQ解析)による自動化が実現されている.また,可視化効果の診断条件を検証するための認知実験を,専用に設計されたシミユレータを用いて行い,仮説を裏付ける結果を得た.設計・構築されたシミュレーション制御システムは,人間の観察者による検証実験により,その効果が確認された.本研究により,シミュレーションを用いた仮想実験環境の,教育効果を考慮した運用法に関する指針が得られたと考える.また,人間の運動視に関する,有益な認知的知見も得られた.研究成果は,別掲の雑誌掲載論文,国際会議発表論文などにより公表されている.力学の問題において,学習者の有する誤った物理概念を反映した挙動シミュレーションを生成・提示できる環境を,パーソナルコンピュータ上に実装した.これは,学習者が立てた任意の(誤りを含む)運動方程式に対し,それを規則として物体が振る舞う仮想環境を生成するものであり,通常のシミュレータ(単一の正しい規則に従う)に比べると,柔軟性に富み,様々な教授戦略を実施する能力を持つ.シミュレーションは,正しい方程式に基づくもの(Normal Simulation:NS)と,学習者の(誤った)方程式に基づくもの(Error-Based Simulation:以下EBS)とが同時に提示され,学習者の誤りは,両者の差異として認識される.その上で,生成されるEBSが誤りの可視化に適するかどうかを判断するため,NSとEBSの振る舞いを定性的に解析・比較するメカニズムを,定性推論の技法を用いて実装した.具体的には,KuipersのQSIMを用いて定性シミュレーションを行い,導出された定性的振る舞いの系列(正しい方程式に基づくものと学習者の方程式に基づくもの)を比較して,差異を発見するという手続きを踏む.定性差が発見されれば,そのEBSは効果を持つものとして提示され,そうでない場合には,提示は行われない.このような制御を行うEBS制御システムを,C言語を用いてパーソナルコンピュータ上に実装し,その効果を確認するため,いくつかの例題を用いて実験を行った.10名程度の被験者に,本システムを用いて生成・提示された各種のEBSを見てもらい,それがシステムの意図通りの効果を持つかどうかの意見聴取を行ったところ,良好な結果が得られ,システムの有効性が確認された.次年度は,本システムでは考慮しなかった種類の定性差を扱うべく機能を拡張し,その有効性を確認する予定である.知的教育支援システム研究分野では,計算機上に構築された仮想実験環境内での挙動シミュレーションを用いて,様々な物理概念を説明する機能の実現が,近年の重要な課題となっている.本研究の目的は,学習者が誤った物理概念を有する場合に,その発見・修正を支援するシミュレーションの生成・提示の枠組みの提案である.第1年度は,学習者の誤りを反映した挙動シミュレーションの生成法を提案・実装し,シミユレ一ション上のおかしな動きが予想と異なるとき,誤りへの気づきが生起することを確認した.シミュレータの設計においては提示された現象が予想される現象と「速度」において定性差を持つ場合に差異を認識できるという条件を仮定しこれに基づいて可視化効果を診断する機能を実現した.定性推論機構(QSlM)による自動化が実現されている.第2年度は,シミュレータの扱える誤りの範囲を拡大するため,提示された現象と予想される現象との定性差が「速度」のみならず「速度の変化率」の場合にも効果的であると仮定し,可視化効果の診断機能を拡張した.定生推論機構(DQ解析)による自動化が実現されている.また,可視化効果の診断条件を検証するための認知実験を,専用に設計されたシミユレータを用いて行い,仮説を裏付ける結果を得た.設計・構築されたシミュレーション制御システムは,人間の観察者による検証実験により,その効果が確認された.本研究により,シミュレーションを用いた仮想実験環境の,教育効果を考慮した運用法に関する指針が得られたと考える.また,人間の運動視に関する,有益な認知的知見も得られた.研究成果は,別掲の雑誌掲載論文,国際会議発表論文などにより公表されている.
運動時における血中免疫細胞動態と循環・自律神経・ホルモン分泌調節の関係性

本研究では,ハンドグリップ運動後の前腕阻血により筋代謝受容器を刺激し,大きな循環血流量の増加なしに交感神経活動の亢進とカテコールアミン分泌を引き起こした場合には,循環血中のNK細胞濃度と傷害活性が高まることを明らかにした.また,受動的自転車運動により循環血流量の増加とカテコールアミン濃度の低下を引き起こした場合には,ヘルパーT細胞,キラーT細胞およびB細胞の循環血中濃度が増加することが明らかになった.これらの研究成果は,運動時の血中免疫細胞動態の制御メカニズムの解明を進め,運動による健康増進の効果などを考える上で有意義な学問的基盤となると考えられる.運動時には,循環血液中の白血球数が増加する.これは,身体活動にともなう外傷や出血などに対して極めて効果的な生体防御システムであると考えられる.運動時の白血球数増加は,主に末梢血流量増加やカテコールアミン分泌増加によって起こると考えられているが,血中免疫細胞動態の制御メカニズムには不明な点が多く残されている.末梢血流量は,随意運動のみでなく,受動的運動によっても増加するが,受動的運動時においても免疫細胞動態に変化がみられるのかは明らかではない.平成25年度においては,受動的運動が血中免疫細胞動態に及ぼす影響を明らかにすることを目的とした.10名の健康男性を被験者とした.被験者は,半仰臥位姿勢をとり,前方に設置された自転車のペダルに足を固定した.この自転車のペダルを検者が漕ぐことで,被験者に受動的な自転車運動を行わせた(タンデムバイク法).受動的自転車運動のペダル回転数は,40回/分,60回/分,80回/分の3段階に設定し,それぞれ7分ずつ段階的に実施した.受動的運動前の安静状態および各ペダル回転数での運動開始後5分目に採血を行った.受動的運動により,動脈血圧と心拍数,心拍出量が上昇したが,血漿アドレナリンとノルアドレナリン濃度は増加しなかった.白血球の動態では好中球をはじめとする白血球分画には変化は見られなかった.また,リンパ球分画におけるNK細胞濃度やその傷害活性にも変化はみられなかった.これらの結果から,循環血流量の増加は,運動時における循環血への白血球動員の主要なメカニズムではないことが示唆された.本研究の成果は,運動時における血中免疫細胞動態の制御メカニズムの解明を進め,運動による健康増進の効果などを考える上で重要な資料となると考えられる.本研究では,ハンドグリップ運動後の前腕阻血により筋代謝受容器を刺激し,大きな循環血流量の増加なしに交感神経活動の亢進とカテコールアミン分泌を引き起こした場合には,循環血中のNK細胞濃度と傷害活性が高まることを明らかにした.また,受動的自転車運動により循環血流量の増加とカテコールアミン濃度の低下を引き起こした場合には,ヘルパーT細胞,キラーT細胞およびB細胞の循環血中濃度が増加することが明らかになった.これらの研究成果は,運動時の血中免疫細胞動態の制御メカニズムの解明を進め,運動による健康増進の効果などを考える上で有意義な学問的基盤となると考えられる.運動時には,循環血液中の白血球数が増加する.これは,身体活動にともなう外傷や出血などに対して極めて効果的な生体防御システムであると考えられる.運動時の白血球数増加は,主に末梢血流量増加やカテコールアミン分泌増加によって起こると考えられているが,血中免疫細胞動態の制御メカニズムには不明な点が多く残されている.平成24年度においては,筋代謝受容器反射が血中免疫細胞動態に及ぼす影響を検討することを目的とした.実験では静的ハンドグリップ運動後に阻血する方法で筋代謝受容器反射を賦活した.これにより血流量の大きな増加なしに交感神経を活性化することができ,その影響を検討した.被験者(10名)は,5分間の安静状態での測定の後,最大随意筋力の50%での静的ハンドグリップ運動を1分間行った.運動の終了直前に上腕を240 mmHgの圧で6分間阻血する阻血条件と阻血を行わないコントロール条件を設定して比較した.阻血期間中は,運動中に産生された疲労物質が前腕部に留まり,これにより筋代謝受容器反射を選択的に賦活することができる.運動前の安静状態および運動後4分目と11分目に採血を行った.阻血条件では,動脈血圧と心拍数が上昇し,血漿アドレナリンとノルアドレナリン濃度が増加した.白血球の動態では好中球をはじめとする白血球分画には変化は見られなかったが,リンパ球分画におけるNK細胞(主要分画であるCD56dim NK細胞)濃度だけが増加した.また,このNK細胞濃度の増加に伴い,傷害活性(Effector : Target = 20:1)が増加した.これらの結果から,NK細胞の循環血への動員には,他の白血球分画に比べてカテコールアミンが強く関与することが明らかとなった.本研究の成果は,運動時における血中免疫細胞動態の制御メカニズムの解明を進めるうえで貴重な資料となると考えられる.平成24年度の研究計画は,大きな変更や問題がなく進めることが出来た.平成25年度では,平成24年度に得られた研究成果を踏まえて,運動時の血中免疫細胞動態の制御メカニズムについてさらなる検討を加える予定である.次年度においては,免疫測定用の抗体の購入費用,他動式運動装置の購入費用,被験者と研究協力者(医師)への謝金,学会発表のための旅費などに研究費を使用する計画である.
社会的関係構築に内在するネットワーク形成問題への数理的アプローチ

社会的関係の構築メカニズムに対し数理的な観点から解明を行うのが本研究の課題であり,当該年度は結婚,すなわち婚姻関係にスポットをあて,特定の設定の下で様々なマッチングについてそれらが成立(均衡)するような条件の分析を行った.具体的な設定は以下のとおりである.永遠に生きる個人が無限に存在するような結婚市場を考える,個人たちは各時点において一定の確率で他の個人に出会いと仮定する.個人は高生産性タイプと低生産性タイプのどちらかに分類され,自身の利得は自身のタイプのみならず,マッチした相手のタイプにも依存する.ゆえに,出会った相手がどのように「見える」かによって各個人の態度(反応)は異なってくる.そこで,個人が他の個人と出会った際に受け取る相手の生産性の情報にノイズが存在し,一定の確率で逆のタイプであると伝えてくると仮定する.これが本研究の主眼となる仮定である.既存の文献においても同様のモデルが数多く存在するが,出会った相手のタイプに対し不確実性ないしは情報の非対称性が存在するケースを取扱う研究は他に類を見ない.しかしながら,本研究で想定するケースは現実においても少なからず起こりうる状況であり,現実の結婚市場における不確実な状況を描写する新たなモデルの一つとして有用であると考える.本研究の成果としては,非自明な均衡(少なくとも1タイプの個人が正確率で他の個人を受け入れているような均衡)の存在性の証明及び各戦略プロファイルの均衡条件の導出である.また,存在性の証明を通して,すべての個人は高生産性と見られる個人を必ず受け入れること,さらには,各個人が確率1で行動する純粋戦略均衡が存在しない場合があることを示した.既存のモデルでは純粋戦略によって十分に均衡の存在性が示されるため,その意味では本研究は新たな可能性を提案したといえる.固定されたコミュニケーションネットワークにおける資源配分問題に関して,個人らが協力をして生産を行う際にある特定されたメンバーを全員含んでいれば1単位の生産量,そのようなメンバーが1人でも欠けていれば0単位の生産量となるような協力ゲームのクラスに研究の対象を限定し,そのクラスにおいて効率性,ゲームに対する線形性(凸性),非負性,無関係なプレイヤーからの独立性などを満たす配分ルールの研究・考察などを行った。結婚や労働などに関するマッチング問題については,2種類の事例を題材として研究を行った。一つは,企業と労働者の間で行われる財の配分を含めた労使問題を協力ゲームの問題としてとらえ,前年度までの研究段階で安定的なマッチングをすべてかつそれらのみ均衡としてもたらすことのできる非協力ゲームを考案していたが,今年度の研究によって,生産にかかわる関数の仮定条件をゆるめさらに広範なケースを考慮しても同様の結果が得られることを示した。もう一つは,無限期間の中でランダムに別の個人と出会うような結婚問題のモデルをサーチ理論の観点から分析を進め,各個人の生産性にかかわるパラメータが個人情報となり,他の主体が観測する際には一定のノイズで読み違えが起きてしまうような場合に均衡となりうる戦略プロファイルを導出し,それについての考察を行った。具体的な結果としては,均衡となる戦略プロファイルの存在性,個人間での生涯期待利得の大小関係とその条件についてなどである。社会的関係の構築メカニズムに対し数理的な観点から解明を行うのが本研究の課題であり,当該年度は結婚,すなわち婚姻関係にスポットをあて,特定の設定の下で様々なマッチングについてそれらが成立(均衡)するような条件の分析を行った.具体的な設定は以下のとおりである.永遠に生きる個人が無限に存在するような結婚市場を考える,個人たちは各時点において一定の確率で他の個人に出会いと仮定する.個人は高生産性タイプと低生産性タイプのどちらかに分類され,自身の利得は自身のタイプのみならず,マッチした相手のタイプにも依存する.ゆえに,出会った相手がどのように「見える」かによって各個人の態度(反応)は異なってくる.そこで,個人が他の個人と出会った際に受け取る相手の生産性の情報にノイズが存在し,一定の確率で逆のタイプであると伝えてくると仮定する.これが本研究の主眼となる仮定である.既存の文献においても同様のモデルが数多く存在するが,出会った相手のタイプに対し不確実性ないしは情報の非対称性が存在するケースを取扱う研究は他に類を見ない.しかしながら,本研究で想定するケースは現実においても少なからず起こりうる状況であり,現実の結婚市場における不確実な状況を描写する新たなモデルの一つとして有用であると考える.本研究の成果としては,非自明な均衡(少なくとも1タイプの個人が正確率で他の個人を受け入れているような均衡)の存在性の証明及び各戦略プロファイルの均衡条件の導出である.また,存在性の証明を通して,すべての個人は高生産性と見られる個人を必ず受け入れること,さらには,各個人が確率1で行動する純粋戦略均衡が存在しない場合があることを示した.既存のモデルでは純粋戦略によって十分に均衡の存在性が示されるため,その意味では本研究は新たな可能性を提案したといえる.
上下水道の国内料金格差に対する事業効率化の効果に関する研究

本研究は,上下水道の国内料金格差に対する事業効率化の効果に関する定量的分析を行うものである.特に,事業効率化の具体的な施策として(1)水利権制度改革と(2)上下水道事業の広域化に注目し,上下水道事業広域化推進と並行して水利権制度を改革することによって,上下水道料金低下ならびに国内料金格差が縮小することを実証的に明らかにすることを目指している.平成30年度は,平成29年度に英文査読誌へ投稿した結果を受けて,研究を進化・発展させた.その結果,学術論文1本が英文査読誌に採用が決定した.採用が決定した論文は,水利権が再配分されない制度上では水道需要変化への対応が柔軟的になされないという仮説を検証し,水利権が再配分されない制度によって水道事業者がどの程度効率性を損ねているのかを定量的に測定したものである.2008年から2014年までのデータを用いて分析した結果,水利権が再配分されない制度によって水道事業者は効率性を損ねており,過剰な水利権を効率性向上可能な事業者へ仮想的に委譲した場合,7.19%効率性が向上することがわかった.この研究結果を英文査読誌Water Economics and Policyへ投稿し,改訂を経て平成31年12月に採用が決定した.現在,出版待ちである.さらに,平成28年度・平成29年度に引き続き平成29年度は『地方公営企業年鑑』や『水道統計』から各上下水道事業の施設・業務概況に関するデータを,『統計でみる市町村』および市町村統計から地域特性データをそれぞれ追加収集・整理を行い,より長期にわたるデータセットの構築を行った.また,文献やインターネットを介して,水道事業広域化地域および水利権取引市場の現状と課題について調査を行った.本研究は,上下水道の国内料金格差に対する事業効率化の効果に関する定量的分析を行うものである.特に,事業効率化の具体的な施策として(1)水利権制度改革と(2)上下水道事業の広域化に注目し,上下水道事業広域化推進と平行して水利権制度を改革することによって,上下水道料金低下ならびに国内料金格差が縮小することを実証的に明らかにすることを目指している.平成28年度は,(i)上下水道事業者および地域特性データの収集・整理,(ii)上下水道事業広域化地域の調査,(iii)いままでの研究の発展の3点を行なった.第一に,上下水道事業者および地域特性データを一つのデータセットとして構築した.日本の上下水道事業者データは主に『地方公営企業年鑑』から得た.『地方公営企業年鑑』には各上下水道事業者の施設・業務概況に関するデータや損益計算書,貸借対照表が収録されている.また地域特性データは『統計でみる市町村』および市町村統計から得た.第二に,上水道事業を広域化している八戸圏域水道企業団を調査した.国会図書館で資料収集を行なった上で,八戸圏域水道企業団にインタビュー調査をした.これによって,事業広域化に関する実務的な問題や関連する諸制度の背景的知識を得た.第三に,下水道事業の事業統合に関する実証分析を行なった.Satoh (2012)において下水道事業において市町村統合に伴う費用削減の計測を行ったものの費用関数の説明変数が不十分であった.先行研究をもとに説明変数を再考し,改めて分析を行なった.現在,その分析結果を学術論文として取りまとめている最中である.研究実施計画では,平成28年度に(i)上下水道事業者および地域特性データの収集・整理,(ii)上下水道事業広域化地域の調査,(iii)いままでの研究の発展の3点を行うこととしている.(i)上下水道事業者および地域特性データの収集・整理はおおむね順調に進展できた.しかしながら,(ii)上下水道事業広域化地域の調査についてインタビュー対象事業者が八戸圏域水道企業団のみとなってしまった.さらに,いままでの研究の発展として下水道事業の事業統合に関する実証分析を行なったものの推定結果が予想と不整合な部分があり分析結果を固めるのに時間がかかってしまった.したがって,現在までの進捗状況はやや遅れていると判断した.本研究は,上下水道の国内料金格差に対する事業効率化の効果に関する定量的分析を行うものである.特に,事業効率化の具体的な施策として(1)水利権制度改革と(2)上下水道事業の広域化に注目し,上下水道事業広域化推進と並行して水利権制度を改革することによって,上下水道料金低下ならびに国内料金格差が縮小することを実証的に明らかにすることを目指している.平成29年度は,平成28年度に行ったデータ収集・整理ならびに調査結果をもとに,研究を進化・発展させ学術論文2本を執筆した.1本目は,Satoh (2012)で行った下水道事業における市町村統合に伴う費用削減効果を,データを追加し費用関数の再考を行った上で分析をしたものである.2本目は,水利権が再配分されない制度上では水道需要変化への対応が柔軟的になされないという仮説を検証し,水利権が再配分されない制度によって水道事業者がどの程度効率性を損ねているのかを定量的に測定したものである.いずれも英文査読誌に投稿し,現在その査読結果待ちである.さらに,平成28年度に引き続き平成29年度は『地方公営企業年鑑』や『水道統計』から各上下水道事業の施設・業務概況に関するデータを,『統計でみる市町村』および市町村統計から地域特性データをそれぞれ追加収集・整理を行い,より長期にわたるデータセットの構築を行った.

また,文献やインターネットを介して,水道事業広域化地域および水利権取引市場の現状と課題について調査を行った.研究計画では,平成29年度は(i)水道事業広域化地域および水利権取引市場の調査,(ii)水利権制度に起因する上水道事業者の配分非効率性の定量的分析を行うものであった.(i)に対しては双方の都合が合わず現地調査ができなかったものの,文献やインターネットを介しての資料収集などである程度代替できた.しかしながら,上述の研究実績の概要の通り査読が長期にわたり,かつ加筆修正に時間がかかったため(ii)の分析が十分にできておらず結果も出ていない.したがって,現在までの進捗状況はやや遅れていると判断した.本研究は,上下水道の国内料金格差に対する事業効率化の効果に関する定量的分析を行うものである.特に,事業効率化の具体的な施策として(1)水利権制度改革と(2)上下水道事業の広域化に注目し,上下水道事業広域化推進と並行して水利権制度を改革することによって,上下水道料金低下ならびに国内料金格差が縮小することを実証的に明らかにすることを目指している.平成30年度は,平成29年度に英文査読誌へ投稿した結果を受けて,研究を進化・発展させた.その結果,学術論文1本が英文査読誌に採用が決定した.採用が決定した論文は,水利権が再配分されない制度上では水道需要変化への対応が柔軟的になされないという仮説を検証し,水利権が再配分されない制度によって水道事業者がどの程度効率性を損ねているのかを定量的に測定したものである.2008年から2014年までのデータを用いて分析した結果,水利権が再配分されない制度によって水道事業者は効率性を損ねており,過剰な水利権を効率性向上可能な事業者へ仮想的に委譲した場合,7.19%効率性が向上することがわかった.この研究結果を英文査読誌Water Economics and Policyへ投稿し,改訂を経て平成31年12月に採用が決定した.現在,出版待ちである.さらに,平成28年度・平成29年度に引き続き平成29年度は『地方公営企業年鑑』や『水道統計』から各上下水道事業の施設・業務概況に関するデータを,『統計でみる市町村』および市町村統計から地域特性データをそれぞれ追加収集・整理を行い,より長期にわたるデータセットの構築を行った.また,文献やインターネットを介して,水道事業広域化地域および水利権取引市場の現状と課題について調査を行った.平成29年度も当初の研究計画の通り行うこととする.平成29年度は(1)平成28年度まで行なってきた研究のさらなる発展,(2)構築したデータセットを用いた実証分析の開始,(3)水利権取引市場の調査の3点を行う.第一に,昨年度まで行なってきた研究のさらなる発展として下水道事業の事業統合に関する実証分析の結果を学術論文としてとりまとめ英文校閲を経て英文査読誌へ投稿する.これは平成28年度に遅れている部分を確実な成果とすることになる.第二に,構築したデータセットを用いて水利権制度の問題点を明らかにする実証分析を試みる.体的にはデータ包絡分析を用いて効率性の指標を計測し,計測された効率性指標を被説明変数としてブートストラップ法で推定する.第三に,水利権取引市場の調査として現存する文献,可能であればインタビューを実施したい.以上のように,当初の研究計画にそって研究を推進することとする.平成30年度は当初の研究計画に加え,3年分の研究総括も行うこととする.
緑内障視神経障害に応答する内因性神経保護機構に基づく治療開発に関する研究

本研究においては、緑内障性視神経障害に免疫応答やストレス応答反応が神経保護的に働くという我々の作業仮説を治療開発に役立てるために行われた。まず第一に、炎症性サイトカインであるIL-1とその受容体アンタゴニスト、またIL-6が網膜障害と神経保護に複雑な反応を惹起することを認めることを報告した(EER 73:661,2001;BBRC 302:226,2003)。さらに、緑内障視神経障害に関連した免疫応答を解析するために、開放隅角緑内障患者血清を用いた遺伝子ライブラリスクリーニング(SEREX法)を行い、いくつかの自己抗体を発見した(ARVO,2003発表)。第二に、緑内障視神経障害と免疫異常の関連に出発して、白血球・血管内皮間相互作用に着目して、新しい治療開発に結びつけることを考えた。この観点から残した我々の実績が、スタチンや抗トロンビンIIIなどの神経保護効果(Arch Ophthalmol 120:1707,2002; IOVS 44:332,2003)や抗LOX-1抗体による炎症抑制効果の発見であった(Pro Natl Acad Sci USA 100:1274,2003)。第三に、従来行ってきた生体内保護因子としての成長因子として、BDNFやLEDGFの神経保護作用の検証も治療的観点から行って有意な効果を証明した(J Neurochem 87:290-296,2003; Brain Res, in press)。第四に、特殊な緑内障視神経障害の形態として、熊本地域に局在していた家族性アミロイドーシスの続発緑内障について解析した(Arch Ophthalmol 121:351,2003; Am J Ophthalmol 135:188,2003; Amyloid 9:247,2002)。緑内障性視神経障害の内在性神経保護機構の解明のため、本年度我々はラットでのN-Methyl-D-aspartate (NMDA)誘発網膜障害モデルを用い、神経保護因子として働く可能性のある内在性物質を検討した。まず多様な生理活性を持つInterleukin-6(IL-6)に着目した。硝子体内にNMDAを注入すると、網膜内層の障害生じることが知られている。IL-6およびその可溶型のレセプターであるsoluble Interleukin-6 Receptor(sIL-6R)を硝子体注入にて前投与し、その神経保護効果について検討した。評価は形態計測、TUNEL methodによるアポトーシスの検出、上丘標識による生存している網膜神経節細胞の計測を行った。NMDA注入後のgp130の発現についてwestern blotting解析した。形態計測、上丘標識の結果より、IL-6(5-500ng)単独、およびsIL-6R(2.5-250ng)単独の前投与では網膜内層の障害は抑制されなかったが、IL-6およびsIL-6Rの混合前投与にて障害が有意に抑制された。TUNEL法にてNMDA注入後に網膜内層でTUNEL陽性細胞が観察され、混合前投与にて陽性細胞の減少を認めたことより、神経保護効果によりアポトーシスを抑制している事が示唆された。western blottingではNMDA注入後gp130の発現上昇を認めた。以上よりIL-6,sIL-6R, gp130を介するシグナル伝達に神経保護効果に関与していることが強く示唆された。次に同様のモデルを用いて1ens epithelium-derived growthfactor (LEDGF)について検討した。

NMDA注入1-7日前にLEDGFを前投与し、形態計測での評価を行った。LEDGF(100ng)を2-4日前に前投与した群では有意に網膜障害が抑制されていた。また2日前に前投与した群ではLEDGF 10-1000ngの投与全てに神経保護効果を認め、上丘標識法でも同様の結果を得られた。TUNEL法よりLEDGF前投与によりTUNEL陽性細胞の減少を認め、アポトーシスを抑制することが示唆された。western blottingによりLEDGF注入後の網膜において、heat shock protein 25(Hsp25)およびαB-crystallinの発現が上昇しており48時間まで継続したことより、神経保護効果のメカニズムとしてこの2つの蛋白質(Hsp25、αB-crystallin)が深く関与していることが示唆された。本年度我々はIL-6およびLEGDFという内在性因子に対する解明を行った。今後このメカニズムの詳細を検討する予定である。本研究においては、緑内障性視神経障害に免疫応答やストレス応答反応が神経保護的に働くという我々の作業仮説を治療開発に役立てるために行われた。ます第一に、炎症性サイトカインであるIL-1とその受容体アンタゴニスト、またIL-6が網膜障害と神経保護に複雑な反応を惹起することを認めることを報告した(EER 73:661,200;BBRC 302:226,2003)。さらに、緑内障視神経障害に関連した免疫応答を解析するために、開放隅角緑内障患者血清を用いた遺伝子ライブラリスクリーニング(SEREX法)を行い、いくつかの自己抗体を発見した(ARVO,2003発表)。第二に、緑内障視神経障害と免疫異常の関連に出発して、白血球・血管内皮間相互作用に着目して、新しい治療開発に結びつけることを考えた。この観点から残した我々の実績が、スタチンや抗トロンビンIIIなどの神経保護効果(Arch Ophthalmol 120:1707,2002;IOVS 44:332,2003)や抗LOX-1抗体による炎症抑制効果の発見であった(Pro Natl Acad Sci USA 100:1274,2003)。第三に、従来行ってきた生体内保護因子としての成長因子として、BDNFやLEDGFの神経保護作用の検証も治療的観点から行って有意な効果を証明した(J Neurochem 87:290-296,2003;Brain Res,in press)。第四に、特殊な緑内障視神経障害の形態として、熊本地域に局在していた家族性アミロイドーシスの続発緑内障について解析した(Arch Ophthalmol 121:351,2003;Am J Ophthalmol 135:188,2003;Amyloid 9:247,2002)。
新世代の蛍光検出ＣＤによる実用的タンパク質立体構造解析法の開発

蛍光検出CDによるタンパク質立体構造解析法の実用化を目指して、蛍光性アミノ酸残基であるTrpを含むオリゴペプチドのライブラリーにより、構造・スペクトル相関を調べた。Trpに長さの異なる棒状のオリゴプロリン鎖を伸長させた単純なTrp含有ペプチドを系統的に合成し、FDCDスペクトルを解析した。C末端側を伸長させると、Trpの近傍のペプチド結合との相互作用と、Trpへのエネルギー移動を示すPhe周辺の相互作用、という2つの構造情報を反映することが示唆された。一方、N末端側を伸長させると前者だけ沈黙することを示す結果も得られた。また、従来の1/10量の試料溶液に対応した小型セルを開発した。本研究で目指しているのは、蛍光検出円二色性(FDCD)法の実用化である。研究代表者らの開発した楕円鏡型FDCD測定装置は、蛍光偏光の影響なしに常に正しいFDCDスペクトルを与える。これをタンパク質へ適用すると、ペプチドを含む混合物中からでも特定のタンパク質だけを選択的に観測しながら、三次構造の変化を鋭敏に追跡できる。FDCDの試料は溶液でさえあれば良く、測定も簡便かつ迅速であるという特長があるので、FDCDはX線法やNMR法に続く第三のタンパク質立体構造解析法となる可能性がある。実用化のためには、微量のタンパク質でも測定可能であり、得られたスペクトルが立体構造について解釈可能であるのが望ましい。当該予算申請時は、学外研究施設のCD測定装置を使用する予定であったところ、幸運にも別の研究機関よりCD測定装置の譲渡を受けることができた。この装置を研究代表者の実験室に移設し、同時にデータシステムの更新などを行い自前のCD測定環境を構築した。これと並行して、円筒セルの小型化を検討した。第一世代として、円筒の直径を従来モデルの半分にし、さらに試料交換口のマージンを小さくすることにより、約1/10程度の試料溶液で測定できる小容量セルを試作した。この第一世代小型セルが、従来の円筒セルと同等の信頼性を持つかどうかを、まず有機小分子で評価した。その結果、有機小分子の測定のうち最も難しい場合である蛍光偏光を無視できない試料でも、ひと手間の光量調整だけで信頼できるスペクトルが得られた。しかし、代表的なタンパク質の一つであるDNS-CaM(蛍光ラベルであるダンシル基を導入したカルモジュリン)を用いた際には、光量調整だけでは蛍光偏光を解消できなかった。従って、現状で微量タンパク質の構造解析への展開には、小型セルの改良がまず必要である。本研究の目的は、研究代表者の開発した楕円鏡型蛍光検出円二色性(FDCD)測定装置の実用化である。この装置を使えば、従来のFDCD測定装置で問題となっていたニセ信号の影響を、常に回避できる。本研究の前に、これをタンパク質へ適用すると、ペプチドを含む混合物中でも特定のタンパク質だけを選択的に観測して、三次構造の変化を鋭敏に追跡できることを明らかにしていた。実用化のために、(1)微量のタンパク質でも測定可能とし、(2)得られたスペクトルを解釈可能とすること、を目指した。前年度に試作した第一世代の少容量セルでは、試料の必要量を従来比1/10程度に抑えることには成功したが、タンパク質に適用するには蛍光偏光の解消が充分でなかった。今年度は第二世代の少容量セルとして、試料口での散乱光を遮断でき、かつ光量調整マスクを兼ねるカバーを取り付け、少容量化以前のセルと同程度の蛍光偏光の解消に成功した。第二世代の少容量セルを開発した際、タンパク質のFDCDスペクトル生データの形状に装置依存性があることが分かった。そこで小分子およびタンパク質試料の両方を用いて種々検討し、この装置依存性はデータ処理過程を工夫することで解消できること、この装置依存性をなくしたデータでもタンパク質の三次構造変化をFDCDにより容易に追跡できること、を明らかにした。タンパク質の立体構造解析において、得られたFDCDスペクトルとタンパク質の立体構造との相関を明らかにするため、オリゴプロリンの棒状配座を利用した単純なTrp含有ペプチドのライブラリーを合成した。このとき相互作用すると予想されるペプチド鎖の長さ(プロリン残基の数)を変化させた。このライブラリー解析から、(1)Trpは近くのペプチド結合との相互作用をFDCDに反映すること、(2)Trpはこれとエネルギー的に相互作用するPheが示すFDCDのレポーターになること、が示唆された。本研究の前までに、これをタンパク質へ適用すると、ペプチドを含む混合物中でも特定のタンパク質だけを選択的に観測して、三次構造の変化を鋭敏に追跡できることを明らかにしていた。初年度には、試料の必要量を従来比1/10程度に抑える第一世代の少容量セルを試作した。このセルはタンパク質に適用すると蛍光偏光の解消が充分でなかったため、昨年度から今年度にかけて散乱光の遮断と光量の異方性を調整するマスクを兼ねるカバーを取り付けた第二世代の少容量セルを作成し、少容量化以前のセルと同程度の蛍光偏光の解消にこぎ着けた。この過程で、タンパク質のFDCD

スペクトル生データに装置依存性が見つかり、種々検討して、この装置依存性はデータ処理過程の工夫により解消できることを明らかにした。昨年度から今年度にかけて、タンパク質の立体構造がFDCDスペクトルにどう反映するかを明らかにするため、TrpのC末端またはN末端に棒状構造をもつオリゴプロリン鎖を伸長させた単純なTrp含有ペプチドのライブラリーを合成した。このときプロリン残基の数を変化させて得られるFDCDスペクトルを比較しながら解析した結果、C末端側では、少なくとも(1)Trpの近傍のペプチド結合との相互作用、(2)Trpへのエネルギー移動を示すPhe立体環境、という2つの相互作用を反映することがつよく示唆された。予想外なことに、N末端側では(1)の相互作用が沈黙することを示す結果も得られた。蛍光検出CDによるタンパク質立体構造解析法の実用化を目指して、蛍光性アミノ酸残基であるTrpを含むオリゴペプチドのライブラリーにより、構造・スペクトル相関を調べた。Trpに長さの異なる棒状のオリゴプロリン鎖を伸長させた単純なTrp含有ペプチドを系統的に合成し、FDCDスペクトルを解析した。C末端側を伸長させると、Trpの近傍のペプチド結合との相互作用と、Trpへのエネルギー移動を示すPhe周辺の相互作用、という2つの構造情報を反映することが示唆された。一方、N末端側を伸長させると前者だけ沈黙することを示す結果も得られた。また、従来の1/10量の試料溶液に対応した小型セルを開発した。タンパク質の立体構造解析法の確立を目指す上で、当該研究で最初の目標であった試料セルの少量化を達成した。現段階では性能試験ではあるものの特に大きな問題は見当たらない。以後はスペクトル-構造相関の解析を進めるのと並行して、比較的量の少ないタンパク質に対しても、応用研究を視野に入れられるようになった。また、FDCDスペクトルの装置依存性とその対処法も明確になったことから、研究前にあった不明点も徐々に解消されている。タンパク質の立体構造の変化がFDCDスペクトルにどう影響するかを解明するために、単純なペプチドライブラリーの解析が有効であった。ただしこのとき、Trp含有ペプチドの場合だと、タンパク質の立体構造変化はすべてTrp由来の単一ピークに集約されてしまうことも分かった。本年度終了時点でこのピークへの集約を解く方法は分かっておらず、現在、蛍光ラベル化によりこれらの構造変化を分離し、スペクトル変化をきめ細かに構造変化へと翻訳する方法の検討を開始した。構造有機化学まずFDCDスペクトル-構造相関の解明への方策として、蛍光ラベルを導入したペプチドライブラリーを構築する。蛍光ラベルの特性を利用することで、ペプチド鎖由来の相互作用と芳香族性残基由来の相互作用を分離し、タンパク質の特定の局所立体構造を意図的にFDCDで観測する方法を検討する。オリゴプロリンの棒状配座は、ペプチドの長さを変化させてFDCDへの影響を解析するのに有効であった。このライブラリーの基本骨格は変えずに、蛍光基としてTrpの代わりにダンシル基を検討する。ダンシル基は波長の異なる複数の電子遷移をもつので、ペプチド鎖と相互作用する電子遷移と、他の芳香族アミノ酸と相互作用する電子遷移を分離できると予想される。
LiNbO3材を用いた高性能な音響コム型アコースティックエミッションセンサの開発

本研究では,まず,これまでのAEセンサの研究開発経過(DC10MHzに渡る高速応答の広帯域型AEセンサの開発やMEMS技術による小型カンチレバーによるデジタル式AEセンサの開発)に触れ,本論では,LiNbO3(ニオブ酸リチウム)材を用いた高性能な開発した音響コム型AEセンサの概要,設計およびそのシミュレーション方法について検討した.つぎに.そのAEセンサのLiNbO3一体型カンチレバーアレイの製作工程について検討し,試作した.最後に,試作したその音響コム(櫛)型デジタル式デジタルAEセンサの設計計算値と基本特性との比較および,その電気特性など評価方法について検証し,実用化した.本研究課題は,高額な半導体装置を使用し,複雑な構造を持ったMEMSアコースティック・エミッションセンサ(以下,AEと略す,)の代替として,比較的安価な装置で製造することができ,かつシンプルな構造にすることができるLiNbO3(ニオブ酸リチウム)材を用いた高性能な音響コム(櫛)型AEセンサの開発を行う.これは,異なる共振周波数(長さにより制御)を有した複数のカンチレバーを製造して,アレイ状に形成することで各共振周波数に応じた変位をディジタル式に検知し,その周波数特性の分解・検出(ディジタル化)を可能とする.H27年度では,LiNbO3材を用いた高性能な音響コムであるカンチレバー部の製作,合わせて検出部について一体化に向けた個々の特性評価を行った.具体的には,音響コム型AE(振動検出)センサには,電気ー機械エネルギーの変換効率が高く,高分解能が期待できるニオブ酸リチウムを使用した.音響コム型AEセンサの共振の狙いであるが,900MHz帯無線通信の2次中間周波数に使用された455kHzを中心に0.52倍程度の周波数にての試作を実施した.上記設計指針より,ニオブ酸リチウムの弾性定数より設計パラメータを計算すると,W×Tを300×200μmとすると,カンチレバー長は600900μmで設計できた.また,作製したカンチレバーの共振周波数特性(変位,Q値)の評価を行い,シミュレーションをしたうえで,デバイスの最適化を図った.また,得られた共振周波数の特性に基づいて,カンチレバー部の変位を電気信号に変換するためのLiNbO3素子の設計を行い,高感度計測を実現するための電気的回路設計を行った.これらの結果をもとに,LiNbO3材カンチレバー製作するためのプロセスを確立し,目標とするAEセンサの試作および最適化をとおして,周波数範囲10kHz140kHz,周波数分解能5kHzを実現するディジタル検出方式AEセンサを実現した.カンチレバーの共振周波数に関するシミュレーション結果より,簡易な半導体技術を用いることでデバイスを実現可能であることを検証し,さらに実際に変位測定部であるカンチレバーLiNbO3材を用いた素子の形成を行い,「LiNbO3材を用いた高性能な音響コム型アコースチック・エミッション・センサ」の実現させた.H27年度の計画では,LiNbO3材を用いた高性能な音響コムであるカンチレバー部の製作,合わせて検出部について一体化に向けた個々の特性評価を行えた.デバイスの設計指針に基づき, LiNbO3材を用いた高性能な音響コム型カンチレバーを製作するためのプロセスを確立した.センサの試作には同じLiNbO3を用いた音さ型センサ(MEMSジャイロ)を製造している多摩川モバイル電装へ委託をした.その際にウェハ加工パターニングが特注となり,特に半導体製造にも使われるフォトマスクであるが,センサ特性の調整に密接な役割を持つことになる.作製したカンチレバー型センサの共振周波数特性を評価するため,デバイスをLiNbO3素子に張り付けた状態で強制振動を付加し,ネットワークアナライザにより変位測定を行うことで,共振特性(変位および周波数)を各カンチレバーに対して取得した.マスクレイアウトの再設計およびデバイス作製を繰り返すことによって作製プロセスの最適化を図る.同時に,計測された変位を周波数解析してQ値の評価を行うことで,各カンチレバー間のクロストークの影響も調査を行った.Q値は,カンチレバー間で分離可能な周波数分解能に影響するため,高いQ値を得る必要がある.これは,減衰係数を考慮した構造解析も行うことによって作製プロセスの最適化を図る.デバイスの設計指針に基づき,LiNbO3材抵抗素子によるカンチレバー用のフォトマスク作製を行い,LiNbO3材抵抗素子を形成して抵抗率などの電気的特性について評価を行った本研究の課題は,比較的安価な装置で製造することができ,かつシンプルな構造にすることができるLiNb03(ニオブ酸リチウム)材を用いた高性能な音響コム(櫛〉型AEセンサの開発を行う.これは,異なる共振周波数(長さにより制御)を有した複数のカンチレバーを製造して,アレイ状に形成することで各共振周波数に応じた変取をデジタル式に検知し,その周波数特性の分解・検出(デジタル化)を可能とする.平成27年度では,LiNb03材を用いた高性能な音響コムであるカンチレバー部の製作,合わせて検出部について一体化に向けた個々の特性評価を行った.具体的には,900 MHz帯無線通信の2次中間周波数に使用された455 kHzを中心に0.52倍程度の周波数にての試作を実施した.LiNb03の弾性定数より設計パラメータを計算して,W×Tを300×200μmとして,カンチレバー一長は600900μmで設計した.また,作製したカンチレバーの共振周波数特性(変位,Q値)の評価を行い,シミュレーションをしたうえで,デバイスの最適化を図り,高感度計測を実現するために電気的回路設計を行った.

これらの結果をもとに,LiNb03材カンチレバーを製作するためのプロセスを確立し,目標とするAEセンサの試作および最適化をして,周波数範囲10 kHz140 kHz,周波数分解能5 kHzを実現するデジタル検出方式のAEセンサを実現した.平成28年度では,超音波洗浄機とレーザドプラー振動計測装置を用いて一定の周波数で捩動させた際にAEセンサで検出された電位変化から,共振しているカンチレバーを同定することにより,その応答特性を評価した.そのため,関連するデータ取得方法やそれらの検証のための測定法の考え方やアルゴリズムを適正化した.今後,開発したセンサをNC旋盤に取り付けて切削加工の加工状態を検知する予定である.H27年度中に,LiNb03材を用いた高性能な音響コムであるカンチレバー部の製作,合わせて検出部について一体化に向けた個々の特性評価を行い,目標とするAEセンサの試作および最適化をして,周波数範囲10kHz140kHz,周波数分解能5kHzを実現するデジタル検出方式のAEセンサを実現してしまった.H28年度では,超音波洗浄機とレーザドプラー振動計測装置を用いて一定の周波数で捩動させた際にAEセンサで検出された電位変化から,共振しているカンチレバーを同定することにより,その応答特性を評価した.そのため,関連するデータ取得方法やそれらの検証のための測定法の考え方やアルゴリズムを適正化した.一方,開発したセンサをNC旋盤に取り付けて切削加工の加工状態を検知するシステムを構築し,この切削加工において集めたデータをサーバに収集し,波形解析することにより,工具の寿命の計算やメンテナンス時の計画などに応用できるか否か検討する.これらについては,29年度以降の開発テーマと想定している.本研究では,まず,これまでのAEセンサの研究開発経過(DC10MHzに渡る高速応答の広帯域型AEセンサの開発やMEMS技術による小型カンチレバーによるデジタル式AEセンサの開発)に触れ,本論では,LiNbO3(ニオブ酸リチウム)材を用いた高性能な開発した音響コム型AEセンサの概要,設計およびそのシミュレーション方法について検討した.つぎに.そのAEセンサのLiNbO3一体型カンチレバーアレイの製作工程について検討し,試作した.最後に,試作したその音響コム(櫛)型デジタル式デジタルAEセンサの設計計算値と基本特性との比較および,その電気特性など評価方法について検証し,実用化した.本研究の2年目では,試作したLiNbO3材を用いた高性能な音響コム型デジタル式AEセンサの実用化するうえで必要なデータ取得方法や計測システムの有用性,妥当性の検証を行うものとする.
サルコペニア対策としての熱刺激の有用性に関する実験的アプローチ

今回、サルコペニアの予防対策として熱刺激が有用であるかどうかを明らかにする目的に、廃用性筋萎縮を起こした加齢ラット(60週齢)に下半身の温水浴を行った。その結果、熱刺激による廃用性筋萎縮の進行抑制効果が得られ、熱刺激はサルコペニアの予防対策として有用である可能性が示唆された。ただ、温水浴だけでは十分な効果を得られにくく、運動を併用することが効果的であると思われた。【目的】本研究では、運動負荷による筋力トレーニングが適応できない高齢者に対する廃用性筋萎縮とサルコペニアの予防方法の開発を目的としている。具体的には、熱刺激により筋細胎内にHeat Shock Protein (HSP)70を誘導し、また酸化ストレスを抑制することができれば廃用性筋萎縮とサルコペニアの進行抑制効果が得られると期待して実験的研究を行う。今年度はまず若齢ラットを用いて廃用性筋萎縮の進行と酸化メトレスに対する熱刺激の効果を検討した。【方法】7週齢Wistar系雄ラットを対照群と実験群に振り分け、実験群は両側足関節を最大底屈位の状態で14日間ギプス固定した。実験群はさらに固定のみの群(固定群)とギプス固定の過程で温水浴(42°C)による熱刺激を毎日1時間負荷する群(固定+熱刺激群)に振り分けた。実験終了後、両側の腓腹筋とヒラメ筋を採取し、各タイプの筋線維直径、HSP70含有量、酸化ストレスマーカーであるCuZnSODならびにMnSOD含有量を測定した。【結果】(1)筋線維直径:各タイプの平均筋線維直径は各筋ともすべて固定群に比べ固定+熱刺激群が有意に高値を示した。(2)HSP70含有量:各筋におけるHSP70含有量は固定群に比べ固定+熱刺激群が有意に高値を示した。(3)酸化ストレスマーカー: CuZnSODは固定群、対照群、固定+熱刺激群の順に高値を示したが、有意差は認められなかった。MnSODは全群とも変わらなかった。【考察】混合筋である腓腹筋、赤筋であるヒラメ筋ともに熱刺激による廃用性筋萎縮の進行抑制効果が認められ、その背景には熱刺激により発現したHSP70の作用が伺われた。酸化ストレスに関しては今回用いたギプス固定モデルでは十分な上昇が認められず、そのため熱刺激の効果を判断するには至らなかった。来年度の加齢ラットを用いた実験はモデルの再検討を行った上で進める必要がある。1.目的:本研究では、運動負荷による筋力トレーニングが適応できない高齢者に対する廃用性筋萎縮とサルコペニアの予防方法として、熱刺激を利用した筋萎縮の進行抑制方法の開発を目的としている。今年度は昨年度に得られた成果を踏まえて、老齢ラットの廃用性筋萎縮の進行と酸化ストレスに対する熱刺激の効果を検討した。2.対象と方法: 60週齢Wistar系雄ラットを対照群と実験群に振り分け、実験群は足関節を14日間ギプス固定した。実験終了後、両側の腓腹筋・ヒラメ筋を採取し、各タイプの筋線維直径、HSP70含有量、酸化ストレスマーカーSODを測定した。3.結果:(1)腓腹筋の各タイプの平均筋線維直径はすべて固定群に比べ固定+熱刺激群が有意に高値を示した。しかし、ヒラメ筋の平均筋線維直径は固定群と固定+熱刺激群に差はなかった。(2)固定+熱刺激群のHSP70含有量は、腓腹筋。ヒラメ筋とも固定群より増加していた。(3) CuZnSOD・MnSODは固定群、対照群、固定+熱刺激群の順に高値を示したが、有意差は認められなかった。4.考察:加齢ラットの腓腹筋においては、若年ラットと同様に、熱刺激による廃用性筋萎縮の進行抑制効果が認められた。しかしながら、ヒラメ筋では熱刺激によるHSP72発現は増加したものの、廃用性筋萎縮の進行抑制効果は認められなかった。つまり、廃用性筋萎縮とサルコペニアに対する熱刺激の効果は骨格筋により異なってくることが示唆された。その原因としては、今回の結果から酸化ストレスの影響は否定され、今後は筋特性や炎症性サイトカインの影響について検討を加えていく。本研究では、運動負荷による筋力トレーニングが適応できない高齢者に対する廃用性筋萎縮とサルコペニアの予防方法として、熱刺激を利用した筋萎縮の進行抑制方法の開発を目的としている。昨年度までの結果によれば、熱刺激は60週齢の加齢ラットにおける廃用性筋萎縮に対して好影響を及ぼすものの、酸化ストレスに対しては影響を及ぼさなかった。その原因としては、老齢モデルラットの加齢(60週齢)が不十分であったため、骨格筋においてサルコペニアに伴う酸化ストレスが十分でなく、また炎症性サイトカインの動態も少なかったこと等があげられた。

そこで今年度は、100週齢の老齢ラットを作成・飼育しつつ、疑似老化骨格筋として後肢懸垂(HS)による廃用性筋萎縮進行モデルを作成し、それに対する熱刺激の影響を検討した。加えて、本研究を次ぎの展開に繋げる目的に、熱刺激と同じメカニズムにより筋萎縮の進行抑制効果が見込める低出力レーザーを用いて実験を行った。7週齢のWistar系雄ラットを対照群と実験群に振り分け、実験群には2週間のHSを施して下肢骨格筋に廃用性筋萎縮を惹起させた。その後、実験群を1)HSを解除して通常飼育する群、2)HSを持続しながら熱刺激を負荷する群、3)HSを持続しながら熱刺激と荷重を負荷する群、5)HSを解除してレーザー照射する群に振り分けた。実験期間は2週間とし、熱刺激、荷重は隔日、レーザー照射は毎日行った。実験終了後、ヒラメ筋または腓腹筋を採取し、各タイプの筋線維直径、HSP70含有量、毛細血管数、各種サイトカインを測定した。結果、廃用性筋萎縮進行モデルに対して熱刺激を加えると、HSP70の発現と筋萎縮の進行抑制効果が認められ、また熱刺激と荷重の併用による助長効果が確認された。しかし、筋萎縮の進行を完全に予防し、筋線維肥大を誘導することはできなかった。一方、同モデルの回復過程において低出力レーザーを照射すると、筋萎縮の回復、ならびに毛細血管、筋衛生細胞、成長因子の増加が認められたが、HSP70の発現は確認できなかった。以上のことから、熱刺激はサルコペニア、特に筋萎縮に対して好影響を及ぼすが、それだけで回復を被ることはできず、他の運動刺激との併用が重要と思われた。また、低出力レーザーによっても同じ効果が期待することができるが、そのメカニズムは熱刺激の場合と異なることが示唆された。
老化による男性不妊を引き起こすメカニズムの解明

男性は自己増殖が可能な精子幹細胞(SSCs)により何十年にもわたって精子を産出できるため、老化による影響が女性より少ないと考えられてきた。近年の研究で老化により精子数が減少し、男性不妊を引き起こす可能性が高いことを示唆しているものの、SSCsの老化メカニズムはほとんど明らかになっていない。精子形成能を維持しながら生体外で無限に継代培養可能な精子幹細胞株(GSCs)が樹立され、in vitroでSSCsの増殖・分化の解析が可能となりつつある。一方でGSCsを微小量の培地で培養すると精子形成能を消失したdGSCs(defective GSCs)が約30%の頻度で出現することも報告されている。このdGSCsは微小量培養による細胞へのストレスもしくはエピゲノム異常により精子形成能を消失したと考えられ、生体内のSSCsで生じる老化のメカニズムを模倣している可能性があるものの、精子形成能喪失の原因は明らかになっていない。そこで本研究では、正常SSCs、老化SSCs、GSCs、dGSCsを遺伝子発現パターンとエピジェネティックな修飾の観点から解析を行う予定だった。しかし、急遽留学が決定し、研究途中で事業廃止をしなくてはいけなくなってしまい、GSCsとdGSCsにおける遺伝子発現パターンとエピジェネティックな修飾解析のみしか出来なかった。これらの解析結果では予想通り、dGSCsにおいてDNAのメチル化レベルが上昇し、遺伝子発現の変化が見られた。このエピジェネティックな変化が、個体の老化とどの様に結び付けられるかが今後の課題となってくるが、dGSCsが老化SSCsのモデル細胞なりうる可能性を見出した。