hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
道路ネットワークの耐震化戦略に対する確率的アルゴリズム

本研究では,大規模震災による道路ネットワークの被災とそれがもたらす社会経済損失の軽減を目的として,橋梁やトンネルなどの道路施設の耐震化戦略---どれを耐震化し,どれを現状のままとするか---をシステマティックに決定するための方法論を開発した.提案手法では,起こり得る被災パターンや耐震化対象とする交通施設の膨大な組み合わせを列挙する代わりに,確率的アルゴリズムを駆使することで,費用対効果に優れた耐震化戦略を実用的な時間内に求められることを明らかにした.平成26年度は,第1に,関連研究のサーベイを行なった.第2に,道路ネットワークの耐震化問題(ASR)として, Nagae et al. (2012)を一般化したモデルを構築した.具体的には,任意の数の脆弱な施設を持ち,複数の異なる地震シナリオに曝される一般ネットワークを対象とし,震災によって生じる交通不便益を適当な交通配分(e.g.利用者均衡配分)で評価する枠組を提案した.そして,いくつかの施設を耐震化することによる効果を,それによる交通不便益の期待値の減少分として評価し,費用対効果を最大にする戦略を求める問題を定式化した.このASR問題は,一般的な道路ネットワークを対象とした場合,「目的関数の厳密な評価が極めて困難」な「非凸・非線形0-1整数計画問題」であり,大域的最適解を求めることが極めて困難である.そこで,第3に,乱択アルゴリズムの一種であるcross entropy(CE)法を用いて「ASR問題の目的関数を精度よく効率的に推計する手法」および,その推計手法をサブルーチンとして「ASR問題に対する優れた解を実用的な時間内に探索する手法」を開発した.最後に,厳密解が求められる最大のサイズの中規模な道路ネットワークを対象とした試算を行なった.これにより,提案手法が交通不便益を精度よく効率的に推計できること,および,大域的最適解もしくはその近傍の解を,大衆向けのパーソナルコンピュータで実用的な時間内に求められることを明らかにした.平成27年度は,まず,前年度に構築した道路ネットワーク耐震化(ASR: anti-seismic reinforcement)問題に対して,乱択アルゴリズムの一つであるGibb-cloner (GC)法を用いて費用対効果の高いASR戦略を効率的に求める方法を開発した.次に,小規模中規模のネットワークを対象として,「(厳密評価が困難な)目的関数の推計」と「(列挙法の適用が困難な)費用対効果の高いASR戦略の求解」のそれぞれに関して, GC法と前年度に開発したcross-entropy (CE)法を適用し,その優位性を検証した.これにより.目的に応じて異なる手法を採用して組み合わせる-----目的関数の推計にはCE法を,優良戦略の求解にはGC法を採用する-----ことで高い精度と効率性を両立できることを明らかにした.最後に,交通工学分野でベンチマークとしてたびたび利用されるSioux-Fallsネットワークを対象とした試算を行ない,CE法とGC法を組み合わせた提案手法が,ごく僅かな被災パターン/ ASR戦略のサンプルのみから,大衆向けパーソナルコンピュータでも実用的な時間内に目的関数の推計と優良戦略を求められることを明らかにした.本研究では,大規模震災による道路ネットワークの被災とそれがもたらす社会経済損失の軽減を目的として,橋梁やトンネルなどの道路施設の耐震化戦略---どれを耐震化し,どれを現状のままとするか---をシステマティックに決定するための方法論を開発した.提案手法では,起こり得る被災パターンや耐震化対象とする交通施設の膨大な組み合わせを列挙する代わりに,確率的アルゴリズムを駆使することで,費用対効果に優れた耐震化戦略を実用的な時間内に求められることを明らかにした.上記の通り,研究予定がほぼ達成できており,さらに,平成27年度に行う予定であった「CE法による優れた耐震化戦略の導出および効率性の検証」についても,手法の開発および効率性の検証が行なえている.以上の観点から「当初の計画以上に進展している」と判断した.交通計画平成27年度は,まず,CE法に代替する乱択アルゴリズムであるGibbs cloner法や,それらを組み合わせたCLONCE法との効率性の比較を行なう.そして,より現実的な規模の道路ネットワークに適用し,その有用性を検証する.ただし,当初の計画にあった神戸都市圏ネットワークは,耐震化対象とならない細街路を多く含むため,本提案手法を用いても,大域的最適解を大衆向けパーソナルコンピュータで求めることは極めて困難である.そこで,より小規模なネットワーク対象とした試算に留める予定である.
細胞レベルで起こった収斂進化のメカニズムの解明－孵化腺細胞をモデルとして－

本年度は孵化腺細胞の発生学的起源の進化を探る上で次の2つの解析を行った。1)孵化酵素遺伝子の分子進化真骨魚類と四足動物(陸上脊椎動物)の孵化酵素遺伝子の分子進化をそれぞれ追った。両群では相同遺伝子が孵化酵素としての機能を担っているとされていたが、両遺伝子はイントロンの数が大きく異なる(8イントロンと0イントロン)という相同遺伝子の一般的な保存性に反していることから、由来を異にする遺伝子である可能性が残されていた。このことは相同遺伝子を合成・分泌する機能を持った細胞の機能転移を示すことを目的とした本研究と矛盾している。そこで大規模なゲノム比較解析を行った結果、真骨魚類が相同遺伝子を元にしてイントロンを消失させながらゲノム上を動き回る非常にユニークな分子進化を遂げていることが明らかになった。本研究成果は学術論文として纏め、公表済みである(Nagasawa et al. Sci Rep 2019)。また、同解析から四足動物の孵化酵素遺伝子および真骨魚類のパラログ遺伝子の分子進化も明らかにすることができた。同成果は最終年度中に学術論文として公表する予定である。2)孵化腺細胞の分化カスケードの進化昨年度中にゼブラフィッシュとツメガエルのsingle-cell transcriptome解析の論文が公表されたのを受け、これを元に孵化腺細胞分化カスケードの推定および進化的考察を行った。申請者は既に真骨魚類に特異的な分化因子を破壊したゼブラフィッシュ、および両生類と真骨魚類に共通の分化因子を破壊したゼブラフィッシュをそれぞれ作製し、いずれも孵化腺細胞が分化しなくなることを確認している。この両因子を取り巻く遺伝子ネットワークの推定から、共通の因子の発言調節を支配する因子が変わることによって胚葉を越えた機能転移が起こるのではないかと推察している。最終年度はこの仮説の検証を行う。当初予定していた分子進化学的解析から、両群間の孵化酵素が相同遺伝子であることを明らかにすることができた。さらに予想外にも、真骨魚類孵化酵素遺伝子のイントロン消失メカニズムの解明にも大きく貢献する成果を派生的に得ることができ、それを原著論文として公表することができた。当初の計画にあった四足動物孵化酵素遺伝子の分子進化様式も大方終えることができた。本研究課題開始時には無かった、ゼブラフィッシュとツメガエルのsingle-cell transcriptomeデータが、本年度中に公表されたため、これを用いた解析へとシフトすることができた。これにより当初の予定よりも、分化カスケード全容を可視化できる可能性が出てきた。実際に解析を進めると、当初予定していた2つの分化因子のエンハンサー解析を行わずとも、両因子のカスケード上下関係を示すことができた。以上のような、予定していた解析による派生的な成果、および他研究分野の予期しなかった発展により、計画時よりも多くの成果を得られつつある。最終年度は分化因子破壊ゼブラフィッシュのトランスクリプトーム、およびCRISPR/Cas9による遺伝子破壊導入個体での評価を行う、これによりsingle-cell transcriptomeから推定した孵化腺細胞分化カスケードを実験的に検証する。またこれによって孵化腺細胞分化への関与が立証された因子をツメガエルsinge-cell transcriptomeデータへと反映させ、共通分化因子および特異的分化因子をそれぞれ炙り出す。これによって孵化腺細胞分化カスケード全体の進化的考察を行うことができ、孵化腺細胞の胚葉を越えたコオプションを可視化することができる。本申請研究の初年度にあたる29年度は、解析の土台となるトランスジェニックフィッシュ及び抗体作成に充て、当該遺伝子(遺伝子X)破壊ゼブラフィッシュ及び、同リコンビナントタンパクを抗原とした抗体を作製した。これらの作出には期間を要するため、初年度に行い、さらにその間に孵化酵素遺伝子の大規模なゲノム解析を行った。孵化酵素遺伝子は脊椎動物間で相同遺伝子であるとされているが、エクソン-イントロン構造が大きく異なり、具体的には真骨魚類ですべてのイントロンが失われている。これは真核生物間で相同遺伝子のエクソン-イントロン構造が保存されているという基本的な原則に反している。そこで我々はゲノム解析とレポーターアッセイを通して真骨魚類の孵化酵素遺伝子が、その進化過程において、レトロトランスポゾンのシステムを利用して、転写調節領域ごと何度もゲノム上を動き回っていることを明らかにした(レトロコピー)。このことは脊椎動物間で孵化酵素遺伝子が相同遺伝子であることを指し示すと同時に、孵化酵素遺伝子が「レトロコピーで生じた遺伝子は本来の転写調節制御下から外れる」という原則から外れたユニークな遺伝子であることを示している。申請者はこの成果をまとめ、学会における発表を行い、さらに現在論文として投稿中である。またチョウザメの孵化腺細胞の形態に関する研究成果についても経過をまとめ、研究会にて発表した。この成果も39年度中の論文投稿を目標として解析を継続する。当初の計画の通り、トランスジェニックフィッシュと抗体が作成できた点を評価している。これに加え、ゲノム解析から脊椎動物孵化酵素遺伝子の相同性を示すとともに、ユニークなレトロコピーとして初年度から論文投稿に辿りついた点を大きく評価している。その一方で孵化酵素遺伝子のレポーターアッセイの過程で、遺伝子Xが孵化腺細胞の分化のみならず、孵化酵素遺伝子の転写調節制御を直接行っている可能性が高いことが示唆された。計画当初はこのことを予期しておらず、次のような問題を新たに招いている。これまで、先行研究では遺伝子Xの抑制は孵化腺細胞の分化を阻害するとされてきた。

しかしこれらの解析では、孵化酵素遺伝子などのマーカーの発現抑制で孵化腺細胞分化の阻害を評価していた。今回遺伝子Xが孵化酵素遺伝子の転写調節を直接制御している可能性が新たに示されたことから、遺伝子Xは「孵化腺細胞の分化を制御しているのではなく、下流遺伝子の転写制御のみを司っている」可能性が新たに生じた。しかしこれに関しては、下記項目「今後の研究の推進方策」に記すように、解決策を講じているため、大きな問題としていない。以上の点から、おおむね順調な進展と評している。本年度は孵化腺細胞の発生学的起源の進化を探る上で次の2つの解析を行った。1)孵化酵素遺伝子の分子進化真骨魚類と四足動物(陸上脊椎動物)の孵化酵素遺伝子の分子進化をそれぞれ追った。両群では相同遺伝子が孵化酵素としての機能を担っているとされていたが、両遺伝子はイントロンの数が大きく異なる(8イントロンと0イントロン)という相同遺伝子の一般的な保存性に反していることから、由来を異にする遺伝子である可能性が残されていた。このことは相同遺伝子を合成・分泌する機能を持った細胞の機能転移を示すことを目的とした本研究と矛盾している。そこで大規模なゲノム比較解析を行った結果、真骨魚類が相同遺伝子を元にしてイントロンを消失させながらゲノム上を動き回る非常にユニークな分子進化を遂げていることが明らかになった。本研究成果は学術論文として纏め、公表済みである(Nagasawa et al. Sci Rep 2019)。また、同解析から四足動物の孵化酵素遺伝子および真骨魚類のパラログ遺伝子の分子進化も明らかにすることができた。同成果は最終年度中に学術論文として公表する予定である。2)孵化腺細胞の分化カスケードの進化昨年度中にゼブラフィッシュとツメガエルのsingle-cell transcriptome解析の論文が公表されたのを受け、これを元に孵化腺細胞分化カスケードの推定および進化的考察を行った。申請者は既に真骨魚類に特異的な分化因子を破壊したゼブラフィッシュ、および両生類と真骨魚類に共通の分化因子を破壊したゼブラフィッシュをそれぞれ作製し、いずれも孵化腺細胞が分化しなくなることを確認している。この両因子を取り巻く遺伝子ネットワークの推定から、共通の因子の発言調節を支配する因子が変わることによって胚葉を越えた機能転移が起こるのではないかと推察している。最終年度はこの仮説の検証を行う。当初予定していた分子進化学的解析から、両群間の孵化酵素が相同遺伝子であることを明らかにすることができた。さらに予想外にも、真骨魚類孵化酵素遺伝子のイントロン消失メカニズムの解明にも大きく貢献する成果を派生的に得ることができ、それを原著論文として公表することができた。当初の計画にあった四足動物孵化酵素遺伝子の分子進化様式も大方終えることができた。
日本列島諸方言音声の地域差と世代差に関する研究

日本各地での音声を記録するため、全国47都道府県において老・中・若各年層3世代を対象にした音声収録調査を実施し、約300名を越える方々の協力を得られ、全国の音声収集を終えることができた。調査項目数は最終的に700項目を越え、これらを読み上げて頂いた音声を音声データベース構築のため、音声編集作業が、このうち、外来語発音などの分析も行なった。本研究の目的は日本列島における諸方言音声の地域差と世代差に注目し、変化の実態を解明すると同時に進行中の変化の様相をとらえ、その音声を記録・保存することである。23年度は日本列島の諸方言音声の47都道府県での各3世代(若・中・高年層)を対象とした収録調査のうち、大学生委託調査が西日本では計画どおり順調に進展し、近畿、中四国、九州各地方の各府県単位で約20地点、60名以上の方々の協力を得、音声収録調査を終えることができた。一方、東日本では東日本大震災の影響により東北地方のうち、岩手、宮城、福島の各県での調査が計画どおりに進められなかったが、その他の地域ではおおむね予定通り進めることができた。23年度に予定していた大学生委託調査は第一次調査であり、次年度の第二次調査(24年度前半)で計画どおり遅れを取り戻す予定である。フィールドワークを中心としたパイロット調査は順調に進み、北海道をはじめ、三重、奈良、徳島、香川、愛媛など各県単位で実施し、成果が得られた。特に調査員の面接による収録調査では、香川県高松市愛媛県愛南町間で各地教育委員会や公民館の協力のもと、約100名の各地の生え抜き話者の方々から音声・アクセントのご教示を得ることができた。これらのデータの編集作業を進めると同時に当地域に存する各種のアクセント体系の分析を音響音声学的な手法を交えつつ、進めはじめることができた。第1次の面接によるパイロット調査で収録した音声資料をデータベース化に向けた整理も始めることも順調に進めることができている。今後は音声データの分析をはじめ、「ヴァーチャル方言博物館」の完成をめざし、音声収録調査を継続する予定である。この目的を遂行するため、47都道府県各々の任意の2地点において若年層・中年層・高年層の3世代のいずれも生え抜きの方々を対象に音声の収録調査を実施した。この調査では、各都道府県の大学生に調査を委託する方法を採り、依頼を受けた大学生が調査員となり、まず自らの発音を録音したあと、父母世代、祖父母世代の話者に調査リストを提示し、読み上げてもらったものをすべて収録した。収集したデータは過去3年間において北海道から沖縄県までで300人以上に及んだ。当初予定していた各県2地点×老・中・若3世代では、47都道府県×2地点×3世代=282人分となり、今回、全体数としては大幅に予定を越えてはいるが、県毎で収集した地点が多かったり少なかったり、差が生じており、実際に収集ができなかったところもあるが、47都道府県すべてのデータは収集できた。また、音声データベースである『方言ヴァーチャル博物館』の完全な構築までには至らなかったが、構築するための編集作業として、収録した音声を話者毎に整理し、音声分析ソフトPraatによりほぼ全員の音声編集をほぼ終了した。今後、データベース化の完成をめざす。また、各音声データをもとに、地域差・世代差といった角度から全国的な傾向を把握する課題が完全には達成していないが、外来語発音などの分析も一部行なっている。今後、この厖大なデータをもとにして、日本語諸方言の音声の分析をさまざまな角度から分析する予定である。24年度の調査では、23年度に東日本大震災の影響を受けたため、調査ができなかった東北地方のうち、岩手、宮城、福島の各県を含め、大学生委託調査は全国47都道府県の音声調査(各県2地点×若・中・高年層3世代)はほぼ終了を目前とするまでに至った。しかしながら音声収集方法の性格上、音質や録音環境が好ましくないものも含まれることが、スクリーニング作業において判明した。25年度前半で調査員(代表者・分担者・連携研究者・研究協力者)が各自現地に赴き、臨地調査を実施することで24年度終了までに生じている空白地点での調査の補填を行う予定である。当研究の調査は、原則として、各自分担者・連携研究者が所属する各大学の学生に音声収録の調査を委託する方法をとっているが、47都道府県をすべて網羅することが難しいため、23年度と同様、24年度では積極的に代表者・分担者・連携研究者が調査地に直接赴き、収録調査を実施した。おもに9月末に甲信越、中部地方、北陸地方を中心にフィールドワークによる調査を行った。

山梨県甲府市、山梨県早川村奈良田、長野県岡谷市、同伊那市、岐阜県高山市、富山県氷見市、石川県羽咋市の7地点で各3世代の収録調査を実施した。そのほか、宮城県、千葉県のほか、集中的にではあるが、25年3月には沖縄県首里、同今帰仁、鹿児島県大島郡天城町、鹿児島県瀬戸内町で音声収録調査を実施した。音声のデータベース化にむけて、データ整理を並行して進めつつあるが、音声データの分析も外来語発音など着手している。25年度では予定通り、全国調査を完了させ、データベースの構築と各分担者や共同研究者による音声データの分析を進める。日本列島の諸方言音声の47都道府県の各3世代(若・中・高年層)を対象とした収録調査のうち、第1次の大学生委託調査が西日本では計画どおり順調に進展したが、東日本では東日本大震災の影響により東北地方各県でやや計画どおりに進められなかったところがある。面接によるパイロット調査はほぼ予定どおりに進めることができた。25年度が最終年度であるため、記入しない。日本列島の諸方言音声の47都道府県の各3世代(若・中・高年層)を対象とした収録調査は概ね順調に進んでいる。23年度は東日本大震災の影響により東北地方を中心とした地域の音声収集を実施することができず、予定の修正・変更を余儀なくされたが、当該地域を含めた他の地域における大学生委託調査は24年度末段階でほぼ完了している。その点では前年度で遅れた分を取り戻すことには成功しているが、各地で収録した音声データをスクリーニングにかけ、録音状況などを点検した結果、録音環境などに問題などがあるものや音量が低く、収録状況が悪いものなど、音声分析用に使用するレベルの音声としては適切とは言えないものが含まれている。これらについては25年度の補充調査によって再度、収録をし直す必要がある。音声データベース化のための音声編集作業の計画を立てているが、音声編集においては現段階で、praatによる音声編集(音声分析用)、各単語単位による音声ファイルの作成(ヴァーチャル博物館用)の2つの方法を検討している。加えて、収集が完了した地点から音声データに聞き取り作業を25年度で始めるべく、準備を進めている。また音声編集作業と並行して進めるべき作業として、日本各地の基本母音の周波数分析をはじめ、外来語音の分析などに着手する準備も進めている。パイロット調査として企画している南九州地方と東北地方および山陰地方から能登半島にかけての音声調査は、各地の高齢者を対象に方言音声の収録と、各地域の方言音声の地域差を見出すための調査であるが、一部、音声の収集を終えている。全国各地の方言音声の分布と世代差を明らかにするための音声調査を継続して進めるとともにこれらのデータを利用して音声・音韻・アクセントの分析を進める。本年度は出雲地方-能登半島間の漁村、奄美大島の各集落を対象とした母音収集のためのフィールド調査を通じで、日本列島の母音のバリエーションの分析を実地する。並行して全国諸方言音声データベースの構築の準備を進める予定である。前年度までに収集した音声データの空白地点を今年度前半で埋め、全国各地の方言音声の分布と世代差を明らかにするための音声調査を継続して進めるとともにこれらのデータを利用して音声・音韻・アクセントの分析を進める。
ニューラルネットを用いた海中運動体のシステム同定に関する研究

海洋構造物や船舶、あるいは潜水船などの海中ビ-クルの運動を考えるとき、低速域での非線形性や相互干渉やダイナミクスの変化など、古典的な運動理論では極めて取扱いにくい状況がある。学習機能を持つシステムであるニューラルネットワークは、不特定多数の入力に対して、ある出力を表すモデルを表現することができる。本研究ではコントローラをニューラルネットワークで構成し、同定モデルも同じくニューラルネットワークで構成して、その出力を利用してコントローラを適応的に調整しようとするものである。本年度の研究では、海中ロボットのコンピュータの並列処理機能を利用して、実ロボットを制御する実世界と、ロボットの動特性すなわちニューラルネットで同定された同定モデルを制御する仮想世界とを分離し、仮想世界では、数値シミュレーションにより仮想訓練を繰り返してコントローラを調整させ、ある程度調整が進んだ状況で実世界のコントローラを置き換えるシステムを構築した。この目的の為には、シミュレーションが仮想世界で閉じた形でおこなわれなくてはならない。そこで、差分型の3層のニューラルネットワークの降段に2層の積分層を設け、その出力を入力にもどす、という新しい同定モデルを構築し、その有用性を示した。これを海中ロボットのテストベッド「Twin-Burger」の回頭運動に適用して良好な結果を得た。そこに於いては、同定ネットワークの入力を回頭角速度と制御入力とし、制御出力は、左右のスラスタにより発生する回転モーメントとした。実ロボットを使った実験において、構築したシステムは良好なコントローラを実時間で作り出すことに成功しており、提案したシステムの有用性を示した。海洋構造物や船舶、あるいは潜水船などの海中ビークルの運動を考えるとき、低速域での非線形性や相互干渉やダイナミクスの変化など、古典的な運動理論では極めて取扱いにくい状況がある。すなわち、実験あるいは実操業において得られるセンサ出力を入力信号として、運動を表すパラメタを出力することができる。運動体のモデルとして研究室で開発した海中ロボットのテストベッド「ツインバーガー(以後TBと略す)」を使用する。すなわち、このTBに搭載されている運動計測装置をセンサとし、5機のスラスタをアクチュエータとするシステムが制御対象である。ニューラルネットの構造として、(1)時系列データを扱いやすくするために中間層から入力層への回帰結合を持つ、(2)基本となる出力は状態量の2階の微係数とする、(3)出力を積分してこれを入力信号とし、状態量の1階の微係数を求める、(4)これを積分して状態量とすることを考案した。これを内部から順次学習することにより精度のよいシステム同定をおこなう手法を提案した。この構造を、TBの回頭運動に適用してネットワークを作り、これが回頭運動をシミュレートすることを示した。さらに、運動制御のコントローラを同じくニューラルネットで形成し、先に得られたネットワークを使用して、適応的にコントローラを調整する構造を提案した。すなわち、同定ネットワークを使用して、シミュレーションにより仮想的なコントローラの調整をおこない、これを実ビークルのコントローラに置き換えることにより、実ビークルの操縦の危険性を避けて、安全にコントローラの調整ができることを示した。ビークルを運動させながら調整する場合には時間がかかっていたが、本法により極めて短時間に満足な調整ができることを示した。学習機能を持つシステムであるニューラルネットワークは、不特定多数の入力に対して,ある出力を表すモデルを表現することができる。

本年度の研究では、海中ロボットのコンピュータの並列処理機能を利用して、実ロボットを制御する実世界と、ロボットの動特性すなわちニューラルネットで同定された同定モデルを制御する仮想世界とを分離し、仮想世界では、数値シミュレーションにより仮想訓練を繰り返してコントローラを調整させ、ある程度調整が進んだ状況で実世界のコントローラを置き換えるシステムを構築した。この目的の為には、シミュレーションが仮想世界で閉じた形でおこなわれなくてはならない。そこで、差分型の3層のニューラルネットワークの降段に2層の積分層を設け、その出力を入力にもどす、という新しい同定モデルを構築し、その有用性を示した。これを海中ロボットのテストベッド「Twin-Burger」の回頭運動に適用して良好な結果を得た。そこに於いては、同定ネットワークの入力を回頭角速度と制御入力とし、制御出力は、左右のスラスタにより発生する回転モーメントとした。実ロボットを使った実験において、構築したシステムは良好なコントローラを実時間で作り出すことに成功しており、提案したシステムの有用性を示した。
駆動するバイオ・ソフトマター　－シンプルな界面現象からのアプローチ－

昨年度までに、遊泳単細胞微生物テトラヒメナが壁に集積する現象のメカニズムを明らかにしている。テトラヒメナは水底や石などの壁表面を好んで棲んでいる事が知られていたが、壁を認識してスライディングする機構はそれまで不明であった。昨年度は、この機構の大本が壁付近の繊毛の停止によるものであることを示したが、微生物の形の効果に関しては球と回転楕円体の2つを比較したのみで、どの程度の影響かは不明であった。本年度は、回転楕円体の長軸短軸比と繊毛の長さに相当する値のそれぞれを系統的に変化させた際のシミュレーションと、テトラヒメナとそれよりやや伸長形状のゾウリムシを用いた実験を比較検討した。定性的な結果として、繊毛の長さと細胞形状の比は壁をスライディングする条件の分岐線近くになっており、揺動によってスライディングが解除されやすい設定になっていることが示された。これは、繊毛長の調整などを通じて繊毛虫自身が壁への好適度を制御しやすい条件にしている事を示唆している。一方、自発運動液滴の研究を進め、油水界面での圧力・流速制御の検討を行うことで生成する液滴サイズを系統的に変化させ、液滴サイズに応じた自発運動の直進・回転の運動モード分岐を実験的に調べた。この結果と内部対流の各成分を粒子画像流速測定法によって計測した結果を合わせて議論した内容の論文を準備中である。また、同じ手法を液晶液滴のサイズ制御に応用した共同研究も行った。液滴サイズに伴って様々な運動状態と転移挙動を見出したほか、液滴内部の液晶欠陥位置の方位角が速度ベクトル方向から乖離すると共にヘリカル運動が現れる事を明らかにした。平成30年度が最終年度であるため、記入しない。シンプルな再構成モデル実験系において、生命らしさの一つである自律的な「うごき」を再現し、非平衡・非線形領域におけるソフトマターやバイオマターに共通する基本的な物性を解明する事を目標として研究を行った。この研究を通して、生き物の自発運動のしくみを、物理学の視点から原理的に追究できると考えている。具体的には以下の3つの小課題1)光照射によるマクロ物体の運動とモード分岐、2)アメーバ細胞とアクトミオシン小胞の両面からのブレブ運動の解明、3)実空間ミクロlimit cycle運動の熱ゆらぎによる確率共鳴駆動、に関して研究を進めた。1)に関して、これまでの我々の研究により、化学マランゴニ流で自発運動する液滴が、その駆動力を上昇させると直進運動から回転運動へとモード分岐する事が報告されている。本年度は、この運動モード分岐を光熱駆動液滴に関して詳細に調べ、熱マランゴニ流でも同様の分岐が起こる事と、駆動力に依存した分岐が起こる事を実験により明らかにした(論文出版済)。一方、全く異なる系である加振板上での非対称物体の運動に関して、異なるモード分岐が見られる事が分かってきたので、その詳細なメカニズムの研究も行った(論文掲載決定)。2)に関して本年度は、生体高分子を封入した系を作成する為の実験手法に開発に力点を置いて研究を行った。主に2系統の方法を検討中であり、DNAやタンパク質などの生体高分子を脂質二分子膜小胞内に効率的に封入する作成手法を新たに開発した(論文出版済)。3)に関しては、再現性良く安定的に駆動する実験系の構築を行うため、広く条件探索を行った。本年度の主要な成果は、脂質一分子膜でコートした油中水滴の中にATPと共にアクトミオシンを封入する事で、自発的に動くモデル系の作成に成功した事である。この系はATPが枯渇する前の状態でもアクトミオシンが自律的に構造形成し、界面の非熱的ゆらぎや非対称な変形が誘起される。ゆらぎの振幅のスペクトルや場所に関して相関を画像解析から算出する事で、大きな変形の緩和時間に相当する特徴的な時間を取得した。これらの実験により、対称的な状態の時にはポアッソン的なプロセスで大きな変形が起こる事が明らかになった。また、この系は膜表面にコルテックス様の構造を再構成する。このときATPが枯渇すると、表面のコルテックスが自発的に収縮し、液滴自体が座屈変形する事を発見した。変形の空間周波数とコルテックスの変形モデルからコルテックスの厚さを見積もると、実際の細胞での報告と近いサイズであった。これらの成果はモデル系として世界で初めてであり、細胞の様に動く人工細胞の創造に向けて前進した。直流電圧によるミクロ物体の確率共鳴駆動に関しては、ノイズ強度に対する物体の規則振動の強さを測定した。転移点付近の振動は不規則であり、不動時間も不規則に長い。その領域を含む振動強度を適切に表現する事を試み、ウェーブレット変換のスペクトルとその特定波長域の積分強度で定量化した。あるノイズ強度に対して共鳴的に振動が誘起されている事などを実験で確認した。また、自発運動物体のモード分岐については、加振板上でのダンベル様物体の自発運動において、加振強度の増大に伴ってダンベルの片側のみ振動振幅が減少し、逆側が勢い良く跳ね始める対称性の破れによって運動モードの分岐が起きることを明らかにした。また、光渦によって受動的に軌道運動するコロイド粒子が複数個有るときに見せる時空間パターンを調べ、規則性を明らかにした。研究計画に掲げた3つの小課題、1)光照射によるマクロ物体の運動とモード分岐。2)アメーバ細胞とアクトミオシン小胞の両面からのブレブ運動の解明。

3)実空間ミクロlimit cycle運動の熱ゆらぎによる確率共鳴駆動。これらについて、1では昨年度の成果を基に更に実験を進めると共に、関連する内容の論文を2件発表しており、順調に進展している。2では課題として目指していた内容で2件の論文を発表したほか、アメーバ細胞の運動解析の実験を進めており、想定以上に進捗した。3は今年度の段階で、得られた実験結果としては当初定めた目標に到達した。今後はそれをまとめて報告する段階にあり、概ね順調に推移している。総じて期待通りに進展しており、概ね順調であると判断した。本年度の主要な成果として、直流電圧によるミクロ物体の往復運動現象を報告した。確率共鳴(コヒーレントレゾナンス)によるリミットサイクル振動の誘起を実験で検証したものとなっている。ミクロ物体の軌道の時系列をウェーブレット変換し、得られたスペクトルとその特定波長域の積分を指標にして、ノイズ強度に対する物体の規則振動の強さを定量化した。適度なノイズ強度に対して共鳴的に振動が誘起されている事や、その振動スペクトルのなだらかな山が印加ノイズのバンドから外れている事も実験で確認した。熱ゆらぎやノイズの大きいミクロな系で規則運動を起こすひとつの手段として、リミットサイクルとコヒーレントレゾナンスとの組み合わせが有効であるという事を実証しており、ミクロな駆動機械や分子機械の設計にも貢献するものである。初年度に報告した脂質膜小胞に生体高分子を高濃度で封入する手法について、これまで不明であった水和の初期プロセスを放射光エックス線回折実験で明らかにした。高分子の封入に際しては、前段階として乾燥脂質膜フィルムの水和が起こる。次に水和による水の流入に伴って膜間に存在する高分子が小胞に包み込まれると予想していた。実際に水和による膜間膨潤のダイナミクスに高分子同士の絡まり合いの効果が強くあらわれる結果が得られ、浸透圧による膨潤加速と高分子の粘弾性による鈍化によってダイナミクスが決まる事が確認された。また、脂質膜小胞の自発曲率を制御する事で、相分離や小胞の形状を操作する事に成功した。一方、昨年度までに行った脂質一分子膜でコートした油中水滴の中にATPと共にアクトミオシンを封入したモデル系については、異なる生物種由来のアクトミオシンでも同様の現象が起きる事を確認し、その結果の一部を論文として提出中である。研究計画に掲げた3つの小課題、1)光照射によるマクロ物体の運動とモード分岐。2)アメーバ細胞とアクトミオシン小胞の両面からのブレブ運動の解明。これらについて、1では昨年度までに光照射の系に関して概ね当初目標に到達した。自己推進粒子との相同性から遊泳微生物の運動を明らかにする実験も開始しており、成果が出始めている。また、新たな展開として光照射なしで推進する液滴の興味深い結果が得られている。この自己推進液滴の運動モード分岐について、国際共同研究などを通じて更に実験を進めている。2ではアメーバ以外の生物種から抽出したアクトミオシンで現象の一般性を検証する実験を進めているほか、アメーバ細胞の運動解析に関して得られた成果をまとめて論文を作成中である。また、初年度に行った生体高分子を封入した小胞の作成
餌料・輸送環境解析に基づくニホンウナギの回遊生態の解明と資源管理方策の提言

ニホンウナギの回遊生態と生息環境の解明を目的として、産卵域が位置する北赤道海流域および代表的な生息水域である利根川水系での調査を中心に研究を実施したものである。その結果、レプトセファルス幼生は表層で懸濁態有機物を摂餌し、同じ形態を有していても種によって摂餌する水深が異なっていること、幼生の輸送過程は大西洋と大きく異なること、成魚は餌生物が多様な自然堤防域を好んで生息することなどを明らかにした。本研究は、資源の減少が著しいニホンウナギの回遊生態を解明することを目的として、産卵域が位置する北赤道海流域での海洋観測とウナギ・レプトセファルス幼生の採集、および生息域が位置する日本を中心とする東アジア沿岸域での環境調査とシラスウナギ・ウナギ成魚の採集から実施するものである。本年度は、学術研究船・白鳳丸を用いてニホンウナギの産卵海域周辺および卵・幼生が輸送される北赤道海流域で、物理データの取得、レプトセファルス幼生の採集、海水中の懸濁態有機物のろ過を実施した。また、日本でのシラスウナギのサンプリング調査を実施し、得られた試料は北赤道海流域で得られた試料と併せて炭素窒素安定同位体比分析に供した。また、海洋研究開発科学機構が開発した流動場データ(OFES)を用いて、レプトセファルス幼生の採集海域からその後の東アジアへの輸送過程を検討する数値シミュレーションを行い、大西洋に生息するヨーロッパウナギと比較した。その結果、ニホンウナギのレプトセファルス幼生は水深50m以浅の表層で懸濁態有機物を摂餌していること、また、同じ形態を有していても種によって摂餌する水深が異なっていること、成長とともに異なる懸濁態有機物を摂餌する可能性があることなどを明らかにした。さらに、大西洋での仔魚輸送期間は太平洋に比べ2倍程度長いが仔魚の経験水温は大きく低下することを定量的に明らかにし、耳石輪紋の形成速度をそのモデルに組み入れることによって生理生態的な側面からも合理的な仔魚輸送過程を初めて示した。本年度は、学術研究船・白鳳丸を用いてニホンウナギの産卵海域周辺および卵・幼生が輸送される北赤道海流域で、物理データの取得とレプトセファルス幼生の採集を実施した。また、利根川を中心とする日本でのシラスウナギのサンプリング調査を実施する一方、東アジアに分布するニホンウナギのシラスウナギとの違いを検討するために、中国上海・長江河口域と台湾台北・宣蘭流域においてシラスウナギの採集を1月から毎月4ヶ月にわたって中国と台湾の研究者と協力しながら実施した。それぞれ得られた試料は、北赤道海流域で得られた試料と併せて炭素窒素安定同位体比分析に供するべく、脱脂や計量、スズカップ封入などの前処理を行った。さらに、利根川流域で成魚を捕獲し、護岸と自然堤防別に生息密度調査を行う一方、胃内要物を分析した。シラスウナギの詳細な化学分析は23年度に行うが、ニホンウナギ幼生はこれまでに研究代表者が明らかにしてきた海洋条件とよく対応して採取され、また、河川における成魚の分布形態には護岸の有無が重要な役割を果たしていることが示唆された。加えて、シラスウナギの日本沿岸への来遊機構を解明するため、黒潮の離接岸と浜名湖での漁獲量を解析し、黒潮の蛇行の形態によって来遊量に違いが起こることを明らかにした。本年度は、利根川を中心とする日本でのシラスウナギのサンプリング調査を実施する一方、東アジアに分布するニホンウナギのシラスウナギとの違いを検討するために、中国上海・長江河口域と台湾台北・宣蘭流域において採集したシラスウナギの炭素窒素安定同位体比分析を実施した。その結果、3力国間の違いはあまり大きくはなく、北赤道海流域における摂餌生態が大きく異なるわけではないことが示唆された。これは、12月から4月にかけて河川遡上時期が異なっていても輸送経路の違いが遡上時期の違いをもたらす原因とはならない可能性があることを示している。さらに、利根川流域で成魚を捕獲し、護岸と自然堤防別に生息密度の調査を継続して行い、分布密度、胃内容物、餌環境の分析を行った。その結果、護岸域おける成魚の生息密度は自然堤防域に比較し優位に低く、また、胃内容物中にある餌の多様性は自然堤防域で高かった。

河川における成魚の分布形態には、コンクリートによる人工護岸の有無が強く関係しており、それは餌料生物の密度や多様性に起因している可能性が示唆された。また、シラスウナギの河川遡上時期が遅れていることに対応して、産卵時期を初冬に設定した数値シミュレーションを行い、来遊量の比較検討を行った。本研究は、資源の減少が著しいニホンウナギの回遊生態を解明することを目的として、産卵域が位置する北赤道海流域での海洋観測とウナギ・レプトセファルス幼生の採集、および生息域が位置する日本を中心とする東アジア沿岸域での環境調査とシラスウナギ・ウナギ成魚の採集から実施するものである。本年度は、利根川水系本流と同水系印旛沼において、ウナギ成魚の採集を継続して行い、胃内容物分析から胃内容物出現率、胃充満度指数、胃内容物の多様度指数を求める一方、護岸と非護岸水域を含む調査水域で捕獲した本種未成魚に超音波発信機を取り付け放流することによって、その水平位置の推定を行った。その結果、努力量当たりの捕獲数は護岸に比べ非護岸水域で高い値を示し、本種は非護岸水域に高密度で分布する傾向にあることが分かった。また、護岸水域では、非護岸水域で胃内容物の大部分を占めた陸上に生息する貧毛類が全く出現しなかったことから、護岸は水域での餌生物の多様性を低下させるだけでなく、陸から水域への餌生物の供給を遮断している可能性があることが示唆された。超音波発信機を用いた野外実験からは、移動時間帯は夜間に限定され摂餌もその時間帯に行われるとみられるが、行動範囲は河岸から河川中央に至る広い範囲であることが分かった。しかし、大部分の個体は護岸または非護岸のどちらかの水域に限定して分布する傾向が強く、両水域間の移動は極めて少なく、個体毎にどちらか一方の水域のみを利用している可能性があることが分かった。安定同位体比を用いた摂餌生態、数値シミュレーションによる輸送経路、河川における成魚の生息環境について、当初の予定通りの成果があがっているため24年度が最終年度であるため、記入しない。利根川を中心として生息環境の違いによる成魚の摂餌生態の解明を目指す一方、シラスウナギの来遊量激減に対応した数値シミュレーションも行ってその原因を検討する。また、24年度は最終年度であるため、得られた成果を学術雑誌へ投稿することによって取りまとめを図る。24年度が最終年度であるため、記入しない。
子宮内膜間質細胞脱落膜化に伴う遺伝子発現におけるエピジェネティ クス調節機構の関与

子宮内膜間質細胞の脱落膜化によって特異的に発現が誘導される遺伝子であるIGFBP-1とPRLの発現には、そのpromoter領域のepigenetic statusが発現調節に寄与しており、特にヒストンアセチル化によるクロマチン構造が重要な役割を果たしていると考えられた。Insulin-like growthfactor-binding protein-1(IGFBP-1)とProlactin(PRL)は、子宮内膜間質細胞(ESC)においてプロゲステロンによる脱落膜化に伴い特異的に発現が誘導されることから、脱落膜化マーカーとして知られている。この遺伝子のエピジェネティクスstatusを検討した。ま.ず、増殖期の子宮内膜からESCを分離培養し、脱落膜化を誘導させる前の細胞を用いて検討した。DNAメチル化状態を検討したところ、両遺伝子のpromoter領域}ま脱メチル化状態になっていることが分かった。また、ヒストンアセチル化状態を検討したところ、両遺伝子のpromoter領域は高アセチル化状態であることが分かった。つまり、クロマチン構造はactiveな状態になっており、転写因子が結合しやすい状態になっていると考えられた。次に、エストロゲンとプロゲステロンを用いて培養し、脱落膜化を誘導させた。脱落膜化を誘導することでこのエピジェネティクスstatusに変化が起こるか検討した。DNAメチル化状態、ヒストンアセチル化状態ともに脱落膜化前後で変化を認めなかった。しかし、転写因子C/EBPはそれぞれのpromoterにrecruitされた。ここで、他のヒストン修飾を見るために、ChIPassayで用いる抗体を他のリジン残基修飾を認識する抗体(H3k27aety1抗体)を用いて検討したところ、IGFBP-1、PRLpromoterにおけるH3k27ac状態は脱落膜化にともない上昇する傾向が認められ、現在追試を施行している。子宮内膜間質細胞(ESC)の落膜化によって特異的に発現が誘導される遺伝子であるIGFBP-1とPRLの発現に関するepigenetic調節機構について検討した。ESCの比較対照細胞として皮膚線維芽細胞(SFC)を用いた。ESCとSFCを培養したところ、ESCにおいてIGFBP-1、PRL mRNA発現はcAMPにより誘導されたが、SFCではPRLのみが誘導された。IGFBP-1 promoterは、ESCにおいて、SFCに比べ高アセチル化状態であった。PRLのpromoter領域については、両細胞間に差を認めなかった。これらの結果より、IGFBP-1promoterについては、ESCではヒストン高アセチル化のために、転写因子がpromoterに入り込み発現を誘導できる一方、SFCではヒストン低アセチル化のため、転写因子が入り込めずIGFBP-1発現が誘導されないと考えた。さらに、SFCに対してHDAC阻害剤を用いることでIGFBP-1promoterのヒストンアセチル化を誘導した上でcAMPを投与したところ、転写因子C/EBPβのpromoterへの結合とともにIGFBP-1 mRNA発現が誘導された。以上よりIGFBP-1 promoter領域のヒストンアセチル化がその発現誘導には重要な役割を果たしていると考えらえた。十分な試薬を取りそろえることができたことや、すでに実験方法が確立した状態で開始できたから。24年度が最終年度であるため、記入しない。これまで通り、月一回のカンファレンスにて研究の推進状況を報告し、研究成果に対して討論を行い、研究の方向性を適宜調整することにより研究効率の向上を図る。
炎症サイトカイン受容体シグナル伝達における多様なTRAF5機能の統合的理解

Protein-fragment complementation assayにより、gp130をIL-6ーIL-6R複合体により架橋することでgp130の二量体化に伴うJAK1ーJAK1の二量体化形成反応をルシフェラーゼ活性として検出する実験系を構築した。この実験系において、TRAF2やTRAF5を共発現させたときにシフェラーゼ活性の減弱を検出した。また、gp130におけるTRAF結合領域を欠失させた変異体を用いて本アッセイを施行したところ、シフェラーゼ活性の低下は認められなかった。以上から、TRAF分子がgp130に結合することでgp130の近接が妨げられ、これによりJAK1の近接も起こりにくくなることが明らかになった。すなわち、TRAF分子のgp130への結合が、JAK分子の近接化(活性化)を阻害し、これによりJAK1によるgp130のリン酸化やそれに引き続いて起こるSTAT3のリン酸化と活性化が抑制される分子機序を明らかにすることができた。(2) IL-6以外のファミリーサイトカインOSMにおいてもTRAF5の抑制作用が認められるか?TRAF5欠損マウスの鼻腔内にOSMを投与することで誘導される好酸球増多症や繊維化などの炎症病態が野生型マウスに比較して減弱することがわかった。当初TRAF5の欠損によりOSM受容体シグナルが増強し、炎症が増悪することを予想していたが、これとは逆の結果になった。したがって、OSMによる肺炎症応答の惹起には、未知の機構でTRAF5が促進的にはたらくことがわかった。研究実績の概要に記載する2項目に関して、それぞれ原著論文として報告した。(1) TRAF5のgp130への結合における、他のTRAFファミリー分子の関与について検討する。(2) TRAF5は、CD4+ T細胞においてIL-6受容体シグナルを抑制するようにはたらくため、IL-6ファミリーサイトカインであるOSMでも同様の機能が推測されたが、実際に肺組織における炎症応答の観点からはこのような機能の存在は確認できなかった。CD4+ T細胞には、IL-6受容体と同じく、IL-27受容体(gp130とWSX-1から構成される)が発現し、IL-27-gp130を介するシグナル伝達がTRAF5の作用により影響を受けることが予想された。予備実験結果から、TRAF5がIL-27受容体シグナルを抑制するという予備知見を得たため、今後、TRAF5欠損CD4+ T細胞を用いてTRAF5の関与について解析する。(3)従来のTNF受容体型分子の調節に関与するTRAF5の炎症促進性の機能と、CD4+ T細胞で認められるIL-6受容体シグナルに対するTRAF5の抑制機能(抗炎症機能)の両機能が混在することから、これら相反するTRAF5の機能が炎症のコンテクストでどのように発現するかが不明である。今後、TRAF5欠損マウスを用いて、DSS (デキストラン硫酸ナトリウム)による急性腸炎モデルを用いて、TRAF5の炎症性機能について解析する。(4)予備実験結果より、TRAF5がIL-33受容体シグナルに対し抑制的に機能することが示唆された。今後、TRAF5欠損CD4+ T細胞を用いて、IL-33受容体に対するTRAF5の関与機構をサイトカイン産生の観点から解析する。

CD4+ T細胞には、IL-6受容体と同じく、IL-27受容体(gp130とWSX-1から構成される)が発現し、IL-27-gp130を介するシグナル伝達がTRAF5の作用により影響を受けることが予想された。予備実験結果から、TRAF5がIL-27受容体シグナルを抑制するという予備知見を得たため、今後、TRAF5欠損CD4+ T細胞を用いてTRAF5の関与について解析する。(3)従来のTNF受容体型分子の調節に関与するTRAF5の炎症促進性の機能と、CD4+ T細胞で認められるIL-6受容体シグナルに対するTRAF5の抑制機能(抗炎症機能)の両機能が混在することから、これら相反するTRAF5の機能が炎症のコンテクストでどのように発現するかが不明である。今後、TRAF5欠損マウスを用いて、DSS (デキストラン硫酸ナトリウム)による急性腸炎モデルを用いて、TRAF5の炎症性機能について解析する。(4)予備実験結果より、TRAF5がIL-33受容体シグナルに対し抑制的に機能することが示唆された。今後、TRAF5欠損CD4+ T細胞を用いて、IL-33受容体に対するTRAF5の関与機構をサイトカイン産生の観点から解析する。
超早期リンパ節転移診断・治療システムの開発

リンパ節転移の早期診断・治療という非臨床試験は少なく,この理由として正常マウスのリンパ節の大きさが1-2 mmであるためにリンパ節を肉眼的に同定することが困難であり,かつこの微小なリンパ節を高精度に検出し得る診断機器の開発の遅れに起因しているものと考えられる.本研究では,ヒトのリンパ節の大きさまでリンパ節が腫脹するマウスを用いて,転移リンパ節に対するマクロCTと造影高周波超音波との画像を融合した超音波/CT高精度診断システム,ならびに転移リンパ節を治療するために,ナノ・マイクロバブルと超音波を用いたリンパ行性薬剤送達法を開発した.本手法は今後の臨床応用に展開されるものと期待される.【研究目的】ヒトのリンパ節の大きさ(短径10mm)までリンパ節が自然に腫脹するリンパ節腫脹マウスMXH10/Mo-lpr/lprを使用して,微小転移期にある短径10mm以下の転移リンパ節を対象に, (1)超音波/CT高感度診断システムと(2)ナノ・マイクロバブルと超音波を用いたリンパ行性薬剤送達法を開発し,超早期リンパ節転移診断・治療システムに展開することを目的とする.【研究成果】(1)超音波/CT高感度診断システムの開発において,マウスの尻尾をマイクロX線CT像で解析し,これを正解データとして時間・空間解析法に基づいた高感度な造影超音波画像解析アルゴリズムを作成した.(2)ナノ・マイクロバブルと超音波を用いたリンパ行性薬剤送達法の開発において,ナノ・マイクロバブルと蛍光分子からなる溶液を上流側リンパ節に注射し,リンパ管を介して下流側リンパ節に送達させ、下流側リンパ節に超音波を照射することで下流側リンパ節の内部の血球細胞に蛍光分子を導入することに成功した.【意義、重要性】以下の点において本成果の意義・重要性があった.(1)時間・空間解析法を基本とした超音波解析手法を開発したことで,従来のフレーム間の差分に基づく解析手法よりも高精度な血管描出が可能になった.(2)転移リンパ節の治療において従来化学療法が使用されてきたが,転移リンパ節への選択制が低く,全身の副作用の惹起が指摘されてきた.本成果は転移リンパ節への選択的で高濃度の薬剤送達をおこなうことで転移リンパ節の治療法の開発の可能性のみならず、将来のがん免疫療法の開発の可能性を示唆するものである.【本研究の目的】本研究では,ヒトのリンパ節の大きさ(短径10 mm)までリンパ節が自然に腫脹するリンパ節腫脹マウスを使用して,微小転移期にある短径10 mm以下の転移リンパ節を対象に,超音波/CT高感度診断システムとナノ・マイクロバブルと超音波を用いたリンパ行性薬剤送達法を開発し,超早期リンパ節転移診断・治療システムに展開することを目的としている.【研究実績】(1)造影超音波像で得られた時間空間像から高精度な血管像な抽出可能な数値コードを開発し,マクロCT像の血管分布を定性的に一致することを明らかにした.(2)ナノ・マイクロバブルと超音波を用いたリンパ行性薬剤送達法により,転移リンパ節への薬剤導入を実施した.転移リンパ節内の薬剤分布および抗腫瘍効果を定量化した.本手法は全身化学療法よりも効果的な抗腫瘍効果が得られることが確認された.(3) CT高感度診断システムを用いて,転移リンパ節内での経時的な血管分布,血管密度,血管の総延長,血管分岐数などを定量化した.【意義・重要性】(1)開発した数値コードを使用して得られた転移リンパ節の血管像がマイクロCT像で得られた血管像と定性的に一致したことで,臨床応用への可能性が示唆された.(2)リンパ行性薬剤投与法が全身投与に比べ抗腫瘍効果が期待できることから,臨床応用への可能性が示唆された.当初の実験計画内容にしたがい,実験を遂行し,問題を解決しながら上記成果を得た.得られた成果は英文雑誌,国内・国際会議,ホームページにおいて公表し,成果開示に努めている.本研究では,ヒトのリンパ節の大きさ(短径約10 mm)までリンパ節が自然に腫脹するリンパ節腫脹マウスを使用して,微小転移期にある転移リンパ節を対象に,造影高周波超音波とナノ・マイクロバブルと超音波を用いたリンパ行性薬剤送達法を開発し,超早期リンパ節転移診断・治療システムに展開することを目的とする.本年度は,ナノ・マイクロバブル(音響性リポソーム)と超音波を用いたリンパ行性薬剤送達法により微小転移期にある転移リンパ節に悪性リンパ腫や乳がんの治療で使用されているドキソルビシンを腫瘍細胞に導入し,抗腫瘍効果を評価することを目的にする.まず,マウスの固有腋窩リンパ節に腫瘍細胞を移植し,つぎに固有腋窩リンパ節のリンパネットワーク上流に位置する腸骨下リンパ節に音響性リポソームとドキソルビシンの混合液を注射し,リンパ行性薬剤送達法により固有腋窩リンパ節内の腫瘍を治療する方法論をとる.腸骨下リンパ節から固有腋窩リンパ節に向かう混合液のリンパ管内の流れを造影高周波超音波で可視化し,混合液が固有腋窩リンパ節の辺縁洞を走行して内部に入り込む現象が確認された.この状況下で破壊用超音波を固有腋窩リンパ節に照射し音響性リポソームを破壊することで,固有腋窩リンパ節の腫瘍体積減少,血管密度低下,固有腋窩リンパ節の体積減少が確認され,効果的な抗腫瘍効果が得られた.

マウスの体重減少は見られずリンパ行性薬剤送達法による副作用は発生しないものと判断された.音響性リポソームとドキソルビシンの混合液を尾静脈に注射し,混合液が固有腋窩リンパ節に送達された段階で破壊用超音波を照射しても,顕著な抗腫瘍効果は確認できなかった.リンパ行性薬剤送達法は転移リンパ節の効果的な治療法であり,今後の臨床応用が期待される.リンパ節転移の早期診断・治療という非臨床試験は少なく,この理由として正常マウスのリンパ節の大きさが1-2 mmであるためにリンパ節を肉眼的に同定することが困難であり,かつこの微小なリンパ節を高精度に検出し得る診断機器の開発の遅れに起因しているものと考えられる.本研究では,ヒトのリンパ節の大きさまでリンパ節が腫脹するマウスを用いて,転移リンパ節に対するマクロCTと造影高周波超音波との画像を融合した超音波/CT高精度診断システム,ならびに転移リンパ節を治療するために,ナノ・マイクロバブルと超音波を用いたリンパ行性薬剤送達法を開発した.本手法は今後の臨床応用に展開されるものと期待される.本研究では,ヒトのリンパ節の大きさ(短径10mm)までリンパ節が自然に腫脹するリンパ節腫脹マウスを使用して,微小転移期にある短径10mm以下の転移リンパ節を対象に,超音波/CT高感度診断システムとナノ・マイクロバブルと超音波を用いたリンパ行性薬剤送達法を開発し,超早期リンパ節転移診断・治療システムに展開することを目的としている.本年度は以下の成果を得た.1)超音波/CT高感度診断システムの開発に成功した.精度評価により従来の造影超音波手法よりも高感度な診断システムが達成されたことが示された.2)リンパ行性薬剤送達法の開発をおこない,外来分子の選択的な薬剤送達を実現した.超音波/CT高感度診断システムを使用した転移リンパ節の早期診断法ならびにリンパ行性薬剤送達法による抗腫瘍効果を評価し,臨床応用を展開する.28年度が最終年度であるため、記入しない。医用工学実験計画に則り,研究活動を実施する.28年度が最終年度であるため、記入しない。