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樹木エッセンシャルオイルによるエンジン燃料の燃焼効率改善

ディーゼルエンジンの排ガス中の微粒子(PM)、窒素酸化物(NOx)の排出量は非常に多く、この二者はトレードオフの関係にある。この研究では5種の樹木エッセンシャルオイルをディーゼル燃料に少量添加してエンジンを駆動させた。排ガス中のPM濃度はエッセンシャルオイルの添加により著しく減少し、燃焼効率は向上した。一酸化炭素・二酸化炭素などの濃度には大きな変化はなかったが、NOxは少しながら減少する傾向にあった。以上、エッセンシャルオイル添加はディーゼル排ガスのPM濃度低下とNOx低下を同時に果たすことを明らかにした。ヒノキ精油をディーゼル燃料に05%の量で直接添加することで、排ガス中の環境汚染物質が低減されることを見出した。前回までは、ヒノキ精油(主に材油)を用いて、添加による排ガス成分中のディーゼル排ガス微粒子(DEP)濃度を中心に検討し、低速及び高速回転において著しく減少することを明らかにした。今回は、ヒノキ葉油、ユーカリ油、テレピン油についても同様の効果が得られるかを検討し、更に、精油添加による燃費の測定を行った。燃費は一定時間の運転の後、総回転数と消費燃料量を測定して所定回転数当たりの燃料消費量で表した。ユーカリ油はパルプ原料用の早生ユーカリ植林地で採取した林業廃棄物である枝葉から水蒸気蒸留により抽出して試験に用いた。軽油に各樹木精油を添加して、ディーゼルエンジンの運転試験を行った。排ガスの温度、排ガス中のDEP濃度、排ガス中のNOx、CO、CO2濃度、エンジンの回転数等を連続測定した結果、ヒノキ材油同様に0.53%添加で著しくDEP濃度が減少したが、その他の排ガス成分に対しても同様に最適の添加量は樹木精油の種類によって異なった。すなわち、DEP濃度では、ユーカリ油およびテレピン油ともに同等の効果が得られたが、テレピン油の方が、より低い濃度での効果が高かった。NOx、CO、CO2濃度についても低下傾向が見られたものの、バラツキが大きかったために、現在、再試験を行っているところである。一方、樹木精油をディーゼル燃料に添加することにより、一定時間の消費燃料量を回転数で割った値で示した燃費は改善傾向にあった。この場合にも、樹木精油の種類により最適の添加量は多少異なっていた。大気中のPM2.5は現在、国外および国内の社会的に大きな問題となっており、ディーゼルエンジン排ガスもその一因である。すなわち、何らかの対策は喫緊の課題である。今回、ヒノキ精油を燃料に直接添加することで、排ガス中の環境汚染物質が低減されることを見出した。ディーゼル燃料(市販の軽油)に05%(体積比)の量で樹木精油を添加して、ディーゼルエンジンの運転試験を行った。排ガスの温度、排ガス中のディーゼル排ガス微粒子(DEP)濃度、エンジンの回転数等を連続測定した結果、1%添加で著しくDEP濃度が減少したが、1%以上添加してもそれ以上の効果は得られなかった。1%以下の添加量では、0.1%添加でもいくらかの効果は見られるが、0.5%以上の添加であれば明らかに大きな効果が得られることを明らかにした。精油をディーゼル燃料に添加すると明らかにエンジンの回転数および排ガス温度は上昇する傾向にあり、燃料の燃焼促進に役立つことがわかった。更に、排ガスの汚染物質、今回は特に排ガス微粒子の著しい減少が見られることから、ヒノキ精油(ヒノキ材油あるいはヒノキ葉)をディーゼル燃料に添加することにより、エンジンの燃焼効率が向上することを明らかにした。ただし、エンジン運転の安定性は電子機器などによる精密な制御をされているわけではないので、多くの試験を行って傾向を正確につかむ必要があった。更に、市販の軽油は品質において精密な試験を行うには比較的大きな変動があることがわかり、使用する燃料の交換時には注意を要することも分かった。今回用いたディーゼルエンジンおよび測定機器のほとんどは本研究費により購入した。ディーゼルエンジンはガソリンエンジンに比べて燃焼効率が良く、二酸化炭素排出量が少ない。しかし、逆に排ガス中の微粒子(PM)、窒素酸化物(NOx)の排出量は多く、後二者はトレードオフの関係にある。この研究では4種の樹木エッセンシャルオイルをディーゼル燃料に少量添加(05%)してエンジンを駆動させた。ディーゼルエンジン駆動実験は低速回転(約700rpm)、中速回転(約1100rpm)、高速回転(約1800rpm)の3段階で、一定の負荷をかけながら行った。排ガス中のPM濃度はマフラーの出口において直接測定した。PM濃度はエッセンシャルオイルの添加により著しく減少した。COx、NOx濃度は検知管の測定範囲を超えていたため、プラスチック捕集バッグに排ガスを採集し、空気により測定範囲濃度に希釈した後、各汚染物質濃度を測定した。一酸化炭素・二酸化炭素などのCOxの濃度には大きな変化はなかったが、NOxは少しながら減少する傾向にあった。排ガス中の低分子有機物質をGCMSで測定したところ、添加するエッセンシャルオイルの種類によって含有量の違いが見られた。

3種のエッセンシャルオイル添加では排ガス中の低分子有機物質の減少が見られた。排ガス中のPM粒子はメンブレンフィルターで吸引ろ過して捕捉し、フィルター上のPM粒子を走査電子顕微鏡で観察した。その結果、エッセンシャルオイルの添加により、PM粒子の粒径が大きくなることを見いだした。このことも、PM濃度低下の原因の一つであることが示唆された。以上、エッセンシャルオイル添加はディーゼル排ガスのPM濃度低下とNOx低下を同時に果たすことを明らかにした。ここで用いたエッセンシャルオイルは林業廃棄物から採取したものであり、安価で低品質なものでも十分に使用可能であることを明らかにした。木材科学当初の計画通り、各種樹木精油を用いてディーゼル燃料への添加実験を行った。エンジンの低速回転(630900rpm)、高速回転(17801880rpm)の2条件で測定したところ、樹木精油の添加で著しく排ガス中のDEP濃度が減少した。NOx、CO、CO2濃度も樹木精油添加により減少傾向にあった。ただし、精油の種類によって最適の添加量は異なっていた。樹木精油添加による燃費測定の結果、低速回転において0.5%2%の精油添加で、燃費は36%の改善が見られた。その中でもヒノキ材油、テレピン油の効果が高かった。高速回転ではばらつきが大きく、はっきりとした燃費改善傾向は見られなかった。今回は予定通り、数種の樹木精油を試験に用いて、それぞれの特徴を知ることができた。なお、当初の予定通りタイ国のユーカリ植林地で林業廃棄物よりユーカリ油を採取して、試験を行った。当初の計画通り、ディーゼルエンジン、デジタル粉塵計、排ガス黒煙測定器を購入して、ヒノキ精油を中心にディーゼル燃料への添加実験を開始した。エンジンの低速回転(630900rpm)、高速回転(17801880rpm)の2条件で測定したところ、ヒノキ材精油1%添加で著しく排ガス中のDEP濃度が減少したが、添加量を増やしてもそれ以上の効果は得られなかった。ヒノキ材精油1%以下の添加量を検討した結果、0.5%以上で効果が現われた。精油の添加量の増加に伴い、エンジンの回転数および排ガス温度は上昇する傾向にあった。しかし、5%添加では逆に低下し、最適の添加量が存在することを示した。以上の結果を2013年3月に盛岡市で開催された日本木材学会大会で発表したところ、優秀ポスター賞を受賞した。大気中のPM2.5は現在、社会的に大きな問題となっており、ディーゼルエンジン排ガスもその一因である。今回、ヒノキ精油に拘らず、他の樹木精油、ユーカリ油、テレピン油などを燃料に直接添加することでも、排ガス中の環境汚染物質が低減され、燃費も改善傾向にあることを見出した。排ガス中の環境汚染物質としてDEP、NOx、CO、CO2を測定しているが、まだ、すべての精油に対する測定を完了しているわけではない。特に今回バラツキが大きかった部分については再試験を必要としている。今後は今までのデータの確認と同時に、完了していない項目の測定を行う。
放射線障害に対する予防・治療標的分子の探索

本研究課題は、放射線によるがん治療の更なる可能性を拓くため、放射線障害の解決に向けた基礎研究であり、特にがん治療時の正常組織に対する放射線障害を効率的に防護する分子の探索を目的としている。重粒子線は、生物学的効果が高く、照射深度の調節が容易であることから、正常組織への副作用を最小限に抑えて体内のがん病巣に集中的に照射できる放射線治療技術であり、今後国際的な普及が予想される。しかしながら、周囲の正常組織への被ばくは皆無ではないことから、重粒子線組織障害を予防・治療する技術があれば、これまで以上に重粒子線は癌治療のパワフルなツールとなり得る。繊維芽細胞増殖因子(FGF)は、生体において発生から高次機能の調節に至るまで多様な機能を持ち、複数のリガンドが放射線障害に対する防御機能を持つことが明らかにされた。本研究課題では、重粒子線による組織障害に対してもFGFが防護剤として有効であるか検討することを目的とした。平成29年度までに、重粒子線照射による腸管障害を評価するマウスモデルを用い、細胞内移行能を高めたFGF変異体を予め投与し重粒子線照射を行ったところ、腸管障害が軽減することを見出した。重粒子線照射後のクリプトにおけるアポトーシスを検討したところ、FGF変異体の濃度依存的にアポトーシス細胞の減少が観察され、その効果はコントールであるFGF1に比べて優位である可能性が示された。平成30年度は、DNA二重鎖切断や細胞周期、細胞内シグナル伝達およびDNA損傷修復に対しFGF変異体がどのように関与しているか検討を行った。その結果、FGF変異体はFGF受容体を介したシグナルを抑制するとともに、G2M期移行を阻害することで細胞増殖活性を抑制することが示唆された。さらにDNA損傷修復を促進し、腸管クリプト細胞の生存を促進することで重粒子線による放射線障害から腸管を防護することが示唆された。本研究課題は、放射線によるがん治療の更なる可能性を妨げている放射線障害の解決に向けた基礎研究であり、特にがん治療時の正常組織に対する放射線障害を効率的に防護する分子の探索を目的としている。繊維芽細胞増殖因子(FGF)は、広範囲な組織での細胞増殖や分化において重要な増殖因子であり、現在までにヒトおよびマウスでそれぞれ22種類のリガンドと7種類の受容体が同定されている。FGFは生体において発生から高次機能の調節に至るまで多様な機能を持ち、複数のリガンドが放射線障害に対する防御機能を持つことが明らかにされた。これまでに、申請者が所属するグループでは、ガンマ線による放射線組織障害に対するFGFの防護効果を検討し、複数のFGFメンバーが防護効果を有することを報告してきた。マウスの全身に重粒子線を照射し、腸管に障害を誘導する線量をクリプトアッセイにより検討し、重粒子線障害マウスモデルを作製した。このモデルを利用して、重粒子線による組織障害/修復に関与するFGFの同定を試み、さらにその作用機序についての検討を実施した。重粒子線照射による放射線障害を評価するマウスモデルを構築するため、既に放射線腸管障害を誘導することを確認済みのガンマ線10Gy照射後3.5日目と同等の腸管障害を誘導する炭素イオン線の線量を検討した。我々の目的は、腫瘍に重粒子線を照射した際、周囲の正常組織を放射線障害から防護するためのFGFの機能解析であることから、低LETゾーン(RBEを1.21.5程度と予測)における照射を実施し、FGF投与による重粒子線腸管障害の軽減の評価に適した線量を決定した。FGFおよびFGF変異体を用いて、重粒子線腸管障害に対する防護能を検討したところ、有意に障害を軽減するメンバーを見出した。クリプトにおけるアポトーシスおよびDNA二重鎖切断等を経時的に検討し、作用機序解析を実施している。これまでに、申請者が所属するグループでは、ガンマ線による放射線組織障害に対するFGFの防護効果を検討し、複数のFGFメンバーが複数の放射線組織障害に対して防護効果を有することを報告してきた。

本研究課題では、重粒子線による組織障害に対してもFGFが防護剤として有効であるか検討することを目的とした。平成28年度までに、重粒子線障害マウスモデルを作製した。平成29年度はこのモデルを利用して、FGFおよびFGF変異体の投与による重粒子線照射後に起こる放射線組織障害の軽減に関して、その作用機序についての検討を実施した。前年度までに構築した重粒子線照射による腸管障害を評価するマウスモデルを用い、正常組織をガンマ線による放射線障害から防護することが報告されているFGF変異体が重粒子線による組織障害においても防護効果を発揮するかどうか、また効率的な投与方法等について検討した。細胞内移行能を高めたFGF変異体を予め投与し、重粒子線照射を行ったところ、腸管障害が軽減することを見出した。FGFのプロトタイプであるFGF1をコントロールとして比較したところ、重粒子線による腸管障害の軽減がFGF変異体の投与で有意であることが示唆された。そのため、重粒子線照射後のクリプトにおけるアポトーシスを検討したところ、FGF変異体の濃度依存的にアポトーシス細胞の減少が観察され、その効果はコントールであるFGF1に比べて優位である可能性が示された。したがって、さらにDNA二重鎖切断状況を経時的に検討すると同時に、細胞内シグナル伝達系、DNA損傷修復関連、細胞分裂への影響等について、タンパク質および核酸の両面から作用機序を解析している。本研究課題は、放射線によるがん治療の更なる可能性を拓くため、放射線障害の解決に向けた基礎研究であり、特にがん治療時の正常組織に対する放射線障害を効率的に防護する分子の探索を目的としている。重粒子線は、生物学的効果が高く、照射深度の調節が容易であることから、正常組織への副作用を最小限に抑えて体内のがん病巣に集中的に照射できる放射線治療技術であり、今後国際的な普及が予想される。しかしながら、周囲の正常組織への被ばくは皆無ではないことから、重粒子線組織障害を予防・治療する技術があれば、これまで以上に重粒子線は癌治療のパワフルなツールとなり得る。繊維芽細胞増殖因子(FGF)は、生体において発生から高次機能の調節に至るまで多様な機能を持ち、複数のリガンドが放射線障害に対する防御機能を持つことが明らかにされた。平成29年度までに、重粒子線照射による腸管障害を評価するマウスモデルを用い、細胞内移行能を高めたFGF変異体を予め投与し重粒子線照射を行ったところ、腸管障害が軽減することを見出した。重粒子線照射後のクリプトにおけるアポトーシスを検討したところ、FGF変異体の濃度依存的にアポトーシス細胞の減少が観察され、その効果はコントールであるFGF1に比べて優位である可能性が示された。平成30年度は、DNA二重鎖切断や細胞周期、細胞内シグナル伝達およびDNA損傷修復に対しFGF変異体がどのように関与しているか検討を行った。その結果、FGF変異体はFGF受容体を介したシグナルを抑制するとともに、G2M期移行を阻害することで細胞増殖活性を抑制することが示唆された。
定性的に非一様な結合振動子系における引き込み現象とカオスの研究

本研究では主として、リミットサイクル振動子やカオス振動子(総称してアクティブな振動子)が広い意味での減衰振動子(インアクティブな振動子)と共存する非一様な結合振動子系において後者の割合が増えることにより、系全体のダイナミックスがどのような影響を受けるかを明らかにした。1.エイジング転移例として、スチュアート・ランダウ(SL)振動子やレスラーモデルを選び、結合強度Kがある臨界値より大きいとき、インアクティブな振動子の割合pを大きくしていくと、ある所(p<1)で系全体が振動を停止する(エイジング転移)ことを見いだした。2.エイジング転移点近傍での普遍的スケーリング則エイジング転移を特徴づけるオーダーパラメーターとして平均場の振幅Mを導入し、これがエイジング転移点の近傍で普遍的スケーリング則に従うことを明らかにした。3.脱同期ホーン-アクティブな振動子の同期の破れ-振動子の非等時性がある程度以上強いときに、アクティブな振動子のグループが(K, p)相図上のホーン状の領域(脱同期ホーン)でクラスタリングを起こすことを見いだし、SL振動子系について、この現象を詳しく調べた。4.拡散誘起の不均一性-スイングバイ機構-SL振動子系の脱同期ホーン内で起こる拡散誘起の不均一性の機構(スイングバイ機構)を明らかにし、不均一性がもっとも高まる結合強度の値を見積もる理論を提出した。5.オーダーパラメーターの実験的測定法結合振動子系の振る舞いを実験的に研究する際に、秩序パラメーターを一つのマクロな量の時系列データのみを用いて見積もる方法をバージニア大学の実験グループと協同で提案した。この方法をエイジングのある場合に拡張することは今後の課題である。本研究の目的は非平衡非線形系の代表的な数学的モデルの一つである結合振動子系の動力学(特に引き込み現象やカオス)を明らかにすることである。ただし、従来の研究とは異なり、一つの系内に定性的に異なる振動子や相互作用が共存する場合を主に扱う。このような系の振る舞いは、例えば、非平衡非線形系(脳神経系など)における経年劣化(エイジング)の効果を明らかにしたり、結合振動子系を工学的に応用する上で重要である。今年度の研究では以下の成果を得た。(1)エイジング転移と普遍的スケーリング則の発見振動子集団が自律的な振動子(active oscillator)と非自律的な振動子(inactive oscillator)の2種からなり、それらが拡散的に大域結合しているものとする。このとき、後者の割合(p)を増やしていくと、系全体の活動度をあらわすオーダーパラメーター(M)が、pのある臨界値でゼロになることを発見した。この臨界値は振動子問の結合強度に依存し、結合強度がある値(臨界結合強度)以上では1よりも小さい値となる。このような転移をエイジング転移と名付け、この転移点付近でMがある普遍的なスケーリング則に従うことを数値的かつ解析的に明らかにした。この結果はリミットサイクル振動子でもカオス振動子でも成り立つ。(2)引き込み相転移のオーダーパラメーターを実験的に測定する新しい方法本研究の対象のひとつである引き込み相転移は、最近、実験的にもかなり精密に研究されるようになってきているが、理論的なオーダーパラメーターを実験的に測定するための方法論は未発達のままである。本研究で得られる結果を将来、実験的に検証するためにも、そのような方法論を発展させることは重要である。このため、米国の実験者グループと協力し、一般化オーダーパラメーターを測定する簡単な方法を提案し、ある電気化学反応系に応用して、その有効性を実証した。本研究は定性的に非一様な結合振動子系の振る舞いを特に引き込み(同期)現象やカオスに重点をおいて3年間にわたって調べるものである。

初年度(平成16年度)においては大域的かつ拡散的に結合した振動子集団のなかの一部の振動子が劣化して減衰振動子に変わり、その割合(p)が増えていくときに、ある臨界割合で系全体の振動活性が失われる現象(エイジング転移)を見いだした。そして、この転移点近傍で系のオーダーパラメーターが普遍的なスケーリング則に従うことを明らかにした。今年度は、これらの結果がリミットサイクル振動子結合系のみでなくカオス振動子結合系でも成り立つことのより詳しい証拠を提出した上で(論文1)、主として以下の二つの課題に取り組み、様々な興味深い結果を得た。(1)クラスタリングの発生機構上で述べた結合振動子系において、自律的な振動子のグループは、あるパラメーター領域でクラスタリングを起こす。これは、拡散結合の強さを大きくしていくときに、かえって系の非一様性が増すという、直感に反する極めて興味深い現象である。簡単のためp=0として、このような現象(拡散誘起の不均一性)が起こる機構(スイングバイ機構)を明らかにした(論文2)。(2)クラスタリングのp依存性上述のクラスタリングが起こる領域や非同期の度合いが減衰振動子の割合pとともにどのように変化するかをシミュレーションによって明らかにした。そして、クラスタリングの種類を最も簡単なタイプ(1個をのぞくすべての自律振動子が同期するもの)に限定することにより、理論的にクラスタリングの起こる領域を求め、実際には様々なタイプのクラスタリングを含みきわめて複雑なシミュレーションの結果を、ある程度まで説明することに成功した(論文2および投稿準備中)。本研究は定性的に非一様な結合振動子系の振る舞いを特に引き込み(同期)現象やカオスに重点をおいて3年間にわたって調べるものである。初年度(平成16年度)においては大域的かつ拡散的に結合した振動子集団のなかの一部の振動子が劣化して不活性(減衰)振動子に変わり、その割合(p)が増えていくときに、ある臨界割合で系全体の振動活性が失われる現象(エイジング転移)を見いだし、その理論を構築した。昨年度(平成17年度)は、主としてクラスタリング(同期の破れ)の発生機構やそのp依存性について予備的な研究を行った。最終年度である今年度は、エイジングとクラスタリングの関わりを本格的に調べ、以下の結果を得た。1.クラスタリングの発生機構の一般化昨年度の研究で、エイジングの無い(つまりP=0)Stuart-Landau振動子結合系において、クラスタリングが振動子のスイングバイ運動によって起こることを明らかにしたが、今年度は、これをエイジングのある場合に拡張し、系の非一様性(同期の破れの度合い)が最大となる結合強度Kの値の理論的予測がシミュレーションの結果とよく一致することを確認した(ただし、pの値が1に近い場合を除く)。2.(K, p)相図の普遍的性質エイジングの進行によって系のダイナミックスがどのように変化するかは、(K, p)相図を描くことによって一目瞭然となる。これまでの研究に引き続いてStuart-Landau振動子結合系の(K, p)相図の構造を研究し、クラスタリングの起こる領域の形状が、他の振動子結合系でもみられる、かなり普遍的なものであることを見いだした。さらに、不平性振動子の減衰が強い極限では、この領域の形状を解析的に求めることができることを示した。
バイオリアクター方式による血清酵素活性の自動化計測法の開発

血液酵素活性の自動化計測はすでに広く日常臨床検査として行われている。最近、固定化酸素カラムを用いたバイオリアクターによる血清透析性有機成分の自動化分析が実用化されるに至り、その安定性、迅速性とともに機器の小型化が広く注目されている。このバイオリアクター方式を、血清酵素活性にも適用してその用途を広め、また、同一系列機種による多項目分析を可能にするため、次のような研究を行い、大きな成果を得た。(1)酵素反応のためのインキュベーション方式の検討。同一反応液を数回分割吸引する方式と、分流反応コイルを用いて2つの反応の時差を利用する方式とがある。後者は装置が簡単で、プレカラムを用いての検体ブランクの除去が容易であるため、我々は後者を採用した。(2)バイオリアクター方式による血清酵素活性の自動化計測法の開発(1)血清乳酸脱水素酵素(LDH)活性の測定。LDH反応はFIAシステム内にバイパスとして設けられた反応コイル内で、ピルビン酸を基質とし、生成された乳酸は乳酸オキシダーゼバイオリアクターで酸化分解されて、過酸化水素が生成された。これを化学発光法で測定した。内在性の乳酸は乳酸オキシダーゼ・カタラーゼバイオリアクターで除去された。得られた結果は良好で、検体ブランクを必要とせず、日立726型自動分析計による結果とよく相関した。(2)血清アミラーゼ活性の測定。マルトペンタオースを基質として、アミラーゼ反応によって生成されたマルトースは、マルトースホスホリラーゼ・ピラノースオキシダーゼバイオリアクターにより酸化分解されて過酸化水素が生成された。内在性の大量のグルコースの除去には、グルコキナーゼカラムが使用された。得られた結果は良好であった。バイオリアクター方式を、血清酵素活性測定にも適用してその用途を広め、また、同一系列機種による多項目分析を可能にするため、次のような研究を行い、成果を得た。〈1〉バイオリアクター方式による血清酵素の自動化計測法の開発(1)血清乳酸脱水素酵素(LDH)活性の測定フローインジェクション(FIA)分析システム内にLDH反応のための反応コイルをバイパスとして設置する方式により行った。インジェクションされた血清は、まず、プレカラムとして使用される乳酸オキシダーゼ・カタラーゼカラムに入り、そこで血清中にもとから存在する乳酸は反応系から除去される。乳酸が除去された血清は、次に反応コイルに導かれ、血清が反応コイル内に入ったところで、電磁弁により流路が切り換えられ、反応コイル内で一定時間LDH反応が行なわれる。反応後、反応コイル側の電磁弁が開き、反応コイル内のLDH反応によって生成された乳酸は乳酸オキシダーゼバイオリアクタ夕ーに導かれて、そこで過酸化水素が生成され、過酸化水素は化学発光法で測定された。得られた結果は良好で、1mlの血清量で、2分間のLDH反応により、検体ブランクも必要とせず、検量線の直線性もよく、日立726型自動分析計による結果とよく相関した。(2)血清アミラーゼ活性測定血清LDH活性測定と同じ装置を使用し、マルトペンタオース(G5)を基質とし、内在性のグルコースの除去にはグルコキナーゼカラムを使用した。アミラーゼ反応によって生成されたマルトースはマルトースホスホリラーゼ・ビラノースオキシダーゼバイオリアクターによって分解され、過酸化水素が生成された。得られた結果は良好で、高濃度に存在する血清中グルコースの除去可能で、検体ブランクは不必要であった。
非線形分散型方程式の初期値問題に対する空間周期的な解の存在と大域挙動

本研究では物理学や工学の諸分野において重要となる非線形分散型偏微分方程式の空間周期的な解の性質を調べた.特に,初期値問題の解の自然なクラスにおける一意性(無条件一意性)について研究し,多くの分散型方程式に適用できる証明の枠組みを与えるとともに,無条件一意性が未解決だったいくつかの具体的な問題に適用した.また,非線形シュレディンガー方程式や回転流体の方程式に対し,非線形相互作用の制御において重要と考えられる共鳴周波数間の相互作用を,組合せ論や初等整数論の技法を用いて解析した.本研究では非線形分散型方程式の周期境界条件下での初期値問題について,関数解析的な手法により適切性や解の挙動などを調べている.初期値のクラスが広い場合や非線形項に微分が含まれる場合などは,解のクラスを適切に制限した上で解くことがしばしば効果的であるが,その場合には自然な解のクラス(例えば初期値と同じ空間に値を取る連続関数全体)における解の一意性,すなわち無条件一意性が成り立つかどうかは非自明な問題である.無条件一意性は,構成方法によらず同じ解が得られることを保証するための根拠となる重要な性質である.平成25年度の成果として,べき乗型の非線形項を持つ非線形シュレディンガー方程式(NLS),空間1次元で典型的な3次の非線形項を持つ微分型シュレディンガー方程式(DNLS),ベンジャミン・オノ方程式(BO)および修正ベンジャミン・オノ方程式(MBO)について,広いクラスの初期値に対する解の無条件一意性が得られた.周期境界条件下における無条件一意性については,常微分方程式における正規形(Normal form)への帰着の考え方を利用した証明により,KdV方程式や最も単純な1次元で3次の非線形項を持つNLS等で先行結果があった.まずNLSに対して,数論的な考察を用いて先行結果での議論を精密化し,空間次元・非線形項の次数を一般化した.次にDNLSについて,よく知られているゲージ変換とNLSでの手法を組み合わせることにより結果を得た.さらにBOとMBOに関しては,知られているゲージ変換が非常に複雑なため,変換後の方程式がより扱いやすいものとなるようゲージ変換を修正した上で正規形の議論を適用した.上記の成果においては,フーリエ制限ノルム法に代表される従来の適切性証明の手法では得られない無条件一意性を示している反面,証明の中心となる多重線形評価式の導出の際はフーリエ制限ノルム法に近い議論を行っているため,多くの分散型方程式への応用が期待される.本研究では,非線形分散型偏微分方程式の初期値問題の適切性を広いクラスの初期値に対して解明するとともに,解の正則性・特異性や時間大域挙動といった性質を調べることが目的である.特に解が空間周期性をもつ場合(即ちトーラス上の初期値問題)に興味がある.平成24年度は前年度からの冪乗型非線形項を持つ非線形シュレディンガー方程式の研究を継続して行った.空間2次元以上では異なる2方向に対して別々の周期を考えることができるが,2次元で3次の非線形項をもつ場合の先行研究では,2方向の周期の比が有理数であれば,尺度変換で不変な臨界正則性の空間で初期値から解への対応が滑らかになり得ないというトーラス特有の現象が起こることがわかっていた.本年度はこれを「ある条件」をみたす無理数の比の場合に拡張することができた.ここで「ある条件」とは,無理数を有理数列で近似する際の精度に関するもので,数論におけるディオファントス近似の理論と関連している.さらに,無理数の無限連分数展開を用いて「ある条件」を書き換え,ほとんどすべての無理数がこれをみたすことや,2次の代数的無理数はこれをみたさないことなどを示した.周期が無理数比の場合は有理数比の場合ほど精密な評価ができないといった数論的な困難さを伴うので,既存の結果も限定的なものであった.これに対し,本研究ではほとんどすべての無理数の場合に有理数比の時と同様の現象が起こることが示されている点が意義深い.周期の比によって実際に異なる性質を示す可能性は先行研究で指摘されていたが,本年度は結論を出すに至っておらず,今後の課題の一つとしたい.本研究では分散型に分類される非線形偏微分方程式について,周期境界条件下での初期値問題を中心に,解の存在や一意性などの基本的な性質を調べている.平成26年度は前年度に引き続いて解の無条件一意性と呼ばれる性質を研究し,大きな成果を得ることができた.無条件一意性は,初期値の属するクラスに応じて定まる自然な範囲において解が一意であることを指し,問題に応じて設定される特殊な範囲においてのみ解が唯一つであるという従来の一意性と区別される.全く異なる方法で構成された解であっても「自然な範囲にある限り」

同一のものであることを保証するだけでなく,一意性の成り立つ範囲が一様であることから,極限操作や非線形変換等を介した別の方程式の解との関係を調べる際にも用いられ,基本的で重要かつ非自明な性質である.前年度はノーマルフォームを用いた手法をいくつかの具体的な方程式に適用して無条件一意性を示したが,今年度はそれらの結果における証明の本質的な部分を再考することで,非常に広いクラスの非線形分散型方程式に適用できる,無条件一意性を示すための一般的な枠組みを与えた.ノーマルフォームの手法では通常,一意性を証明するのに必要な先験評価式を導くために無限個の非線形評価式を示す必要があるが,今回与えた枠組みを適用することにより,それらすべての非線形評価式は基本となる35個(最も単純な場合)のシンプルな評価式に帰着される.実際の適用例として,分散型方程式のシステムであるザハロフ方程式を考え,空間1次元及び2次元における(周期境界条件下での)解の無条件一意性をエネルギー空間において示した.特に2次元の場合は時間局所解の存在でさえ最近まで知られていなかった困難な問題であり,今回与えた枠組みの有用性を示している.平成27年度はまず,初期値問題の解の無条件一意性に関する前年度までの研究を継続し,周期境界条件を課さない初期値問題の解や,時間変数に関する連続性を必ずしも持たないような弱解についても,ほぼ同様の結論が得られることを示した.このうち弱解の一意性については特異極限問題への応用があり,非線形シュレディンガー方程式等について得られた一意性の結果をもとに,小さなパラメータを含む近似方程式の解がパラメータを0とする極限で元の方程式の解に強収束することを示した.特にザハロフ方程式から非線形シュレディンガー方程式への極限問題については,周期境界条件下では非周期的な場合と同じ解の収束が必ずしも起こらず,極限方程式に修正を加える必要があることを見出した.この他にも,回転流体の運動を記述する方程式を考察し,ある種の共鳴状態にある非線形相互作用(共鳴相互作用)を引き起こす波数がそれほど多くないことを,組合せ論に基づいた手法で証明した.分散型方程式の手法を用いた回転流体方程式の研究は近年発展しており,本研究で得られた結果や証明方法は,これらの方程式の大域解の存在定理などへの応用が十分に期待される.研究期間全体を通じての成果として,まずノーマルフォームを用いた一意性証明の一般的な枠組みの構築が挙げられる.これにより,個々の方程式の性質に基づく非常に緻密な議論を要した無条件一意性の証明は大幅に単純化され,より多くの研究者がこの問題にトライできるようになった.一方,非線形シュレディンガー方程式に対する平成24年度の成果や回転流体の方程式に対する上述の成果は,ノーマルフォームでは制御が困難な共鳴相互作用について,組合せ論的な考察によりその寄与の大きさを評価する試みであった.組合せ論との関連は共鳴構造がより複雑な方程式を扱う際に益々重要になると予想され,本研究ではその技術を大いに進展させることができた.本研究では物理学や工学の諸分野において重要となる非線形分散型偏微分方程式の空間周期的な解の性質を調べた.特に,初期値問題の解の自然なクラスにおける一意性(無条件一意性)について研究し,多くの分散型方程式に適用できる証明の枠組みを与えるとともに,無条件一意性が未解決だったいくつかの具体的な問題に適用した.また,非線形シュレディンガー方程式や回転流体の方程式に対し,非線形相互作用の制御において重要と考えられる共鳴周波数間の相互作用を,組合せ論や初等整数論の技法を用いて解析した.無条件一意性の証明についてはこれまで統一的な手法がなく,個々の方程式に対して非線形共鳴構造や平滑化等の性質を詳細に調べ,それらを用いた非常に緻密な,いわば職人芸的な議論を展開する必要があった.
再配達・梱包数削減を目的とした物流拠点における出荷行程最適化の研究

近年の物流業界では、電子商取引市場の拡大などに伴う取り扱い荷物数の増加とトラックドライバー不足に起因した労働環境の悪化が深刻な問題となっており、荷物の配達に遅延が生じるなど、全ての荷物配送需要を満たすことが困難になりつつある。そこで業界では、再配達比率の低減によるドライバーの負荷軽減を目的として、宅配ボックスの設置やコンビニエンスストア・営業所等での受取の普及促進などの対策が進められている。しかし根本的な解決には至っておらず、危惧される破綻を防ぐためのシステム構築・手法提案が強く求められている。そこで本研究では、製品の生産から出荷、配送に至る工程について効率化・全体最適化を図るためのシステム・手法の提案を行い、期待される効果を定量的に評価することを主な目的としている。これにより、物流業界において問題となっている再配達比率の低減及び梱包数の集約・削減、配送事業者・ドライバーの負担軽減が実現され、その結果コスト削減につながると期待される。一方で、各種他産業においてもサプライチェーンの構築と改善は重要な課題となっている。そこで本研究では、生産物流におけるサプライチェーン設計・改善技術を他産業へ応用・適用することも併せて検討を行う。2018年度はまず製品の生産工程を対象に、時間と費用のトレードオフを考慮したプロジェクトスケジューリング問題についてモデル化を行い、数値実験による評価を行った。次に、複数の物流拠点間での在庫融通問題についてモデル化を行い、数値実験による評価を行った。また、需要分布に基づき、顧客の購買行動モデルと配送ルート決定モデルからなる多段階複合モデルとして立地戦略モデルを構築し、数値実験による評価を行った。さらに、他産業への技術・手法の移転例として電力サプライチェーンを対象とし、蓄エネルギー機器の運転計画最適化についてモデル化を行い、数値実験による評価を行った。本研究では、1.物流拠点の立地最適化、2.物流拠点の構内レイアウト・設計最適化、3.物流拠点における入出荷のスケジューリングなどに代表される複数の最適化問題を統合した多段階最適化モデルを提案し、シミュレーション実験の結果を解析することにより、効率化の効果を定量的に評価することを主な目的としている。上記多段階モデルを構成する各階層のモデル化については前年度までも検討を行ってきたが、2018年度はこれらモデルの発展・深化について主に検討を行った。まず上記1については、顧客の購買行動モデルと配送ルート決定モデルからなる多段階複合モデルとして立地戦略モデルを構築し、需要分布が所与の条件における数値シミュレーション実験を行うことで、効率化・収益改善の効果について評価を行った。ここで提案した多段階モデルはNP困難である最適化問題の複合であるため、計算規模の拡大とともに膨大な求解時間を要するが、ここではワークステーションによる計算の並列化粒度を調節するとともに、遺伝的アルゴリズムに逐次解法の1つである2-opt法を併用することにより求解時間の短縮を実現している。次に、上記3で述べたスケジューリングについて、時間と費用のトレードオフを考慮したプロジェクトスケジューリング問題を確率計画によってモデル化を、また複数の物流拠点間の在庫融通についても多期間の確率計画モデル化を行い、それぞれ数値実験の結果をもとに効率化の効果について評価を行った。これら研究成果については、国内学会において口頭発表を行っている。さらに、他産業へのサプライチェーン設計・改善技術の移転例として電力サプライチェーンを対象とし、蓄エネルギー機器の運転計画最適化についてモデル化を行い、数値実験による評価を行っている。以上より、当初の計画からの変更は生じているが、研究テーマ全体としては概ね順調に進捗している。2019年度は引き続き、多段階複合モデルを構成する各階層のモデルについて、発展・深化を進める計画である。特に、物流拠点内の入荷・梱包・出荷のオペレーションについては、これまで構内ラインの稼働率向上、全投入ジョブの工程完了までの経過時間最短化、そしてJIT (Just-In-Time)の考えに基づく梱包後の出荷待ち時間最短化の3つの評価尺度に基づきスケジューリングの検討を行ってきた。しかし、これら単一拠点内のみの最適化であっても、時にトレードオフ関係となるこれら評価尺度の同時最適化を目的とした場合、目標追跡法などの逐次効率化には限界がある。さらに複数の拠点間での在庫融通・移転と梱包の集約についても同時に行うモデルへと拡張する場合、複数の評価尺度を変換・統一により目的関数を単一化することが不可欠となる。そこで、投入されるジョブ情報に基づき全体最適化を図るためのモデルについて、評価尺度の変換・統一を含め検討を継続して行う。なお、これら最適化問題はNP困難となるだけでなく、特にインターネット通信販売のようにリアルタイムに受注を行う事例においては、投入ジョブの情報も随時更新されるため、効率的運用を行うためには、膨大な計算が随時必要となると予測される。そのため、これまでの検討を踏まえ、厳密解法により検討を行った一部モデルについても、遺伝的アルゴリズムを援用した近似解導出モデルへと拡張することで計算時間の短縮を図り、提案モデルの導入実現性を向上させるとともに、導入効果の評価を進める計画とする。なお、提案した各モデルのパラメータ決定へのビッグデータの利用の可否については、継続検討とする。また、本研究の発展として、生産物流業界以外へのサプライチェーン設計・改善技術の移転・応用についても、継続検討とする。近年の物流業界では、トラックドライバーの不足が問題となっており、荷物の配送が困難となりつつある。業界ではこれを「トラックドライバー2015年問題」と呼んでおり、危惧される破綻を防ぐためのシステム構築・手法提案が強く求められている。本研究では、製品の生産から出荷、配送に至る工程について、効率化・全体最適化を図るためのシステム・手法の提案を行う。

特に、従来それぞれ独立に効率化・最適化が図られてきた生産・出荷工程と出荷後の顧客までの配送工程を、事業者間の連携強化を通してサプライチェーンに組み込むことにより、1.ハフモデル等の顧客吸引モデルに基づく最適配送センター立地選定問題、2.自動倉庫の最適規模決定・レイアウト設計問題、3.配送センターの入出荷順序・タイミング決定問題、の3つからなる多段階最適化モデルの構築を行う。そして、期待される効果を定量的に検討・評価することを目的としている。これにより、近年物流業界において問題となっている再配達比率の低減及び梱包数の集約・削減、配送事業者の負担軽減等が実現され、その結果、コスト削減につながると期待される。平成28年度は、まず、通信販売事業者の物流拠点に着目し、再配達比率の低減を目的とした商品入出荷タイミングの効率化・最適化モデルの提案を行った。また、通信販売の利用者層を対象としたアンケート調査を実施し、提案したモデルにおけるパラメータの一部を決定するための指標を得た。次に、物流拠点の立地問題について、実務的制約を考慮した選定手法の提案を行った。そして、物流拠点内レイアウトの効率化手法に関する提案を行った。さらに、物流拠点内及びサプライチェーン全体におけるオペレーションについて、平準化・効率化手法の提案を行った。本研究では、1.ハフモデル等の顧客吸引モデルに基づく最適配送センター立地選定問題、2.自動倉庫の最適規模決定・レイアウト設計問題、3.配送センターの最適出庫順序・タイミング決定問題、の3つを統合した多段階最適化モデルを提案し、シミュレーションによる数値解析によって、効率化の効果を定量的に評価する。平成28年度は、このうち上記3.で述べた配送センターにおける入出荷タイミング最適化の検討のため、モデル構築及びシミュレーションプログラムの構築を進めるとともに、アンケート調査を行うことで、提案したモデルにおけるパラメータの一部を決定するための指標を得る実施計画としており、計画通り実施を行った。さらに、上記12についても、前年度までの検討事項をさらに発展させている。これら研究成果は、学会講演及び論文投稿を通して発表を行っている。なお、上記13で述べた各段階の最適化問題は、それぞれがNP困難と呼ばれるカテゴリに属しており、解の導出には膨大な計算時間を要する。そのため、ワークステーションの導入により計算資源の確保を行い、環境整備を進めた。所属機関の異動及び機種選定作業の長期化・見直しにともない、ワークステーションの導入時期については当初計画より2ヶ月の遅延が発生したが、全体としては概ね順調に進展している。近年の物流業界ではトラックドライバー不足が深刻な問題となっており、全ての荷物配送需要を満たすことが困難になりつつある。そのため、危惧される破綻を防ぐためのシステム構築・手法提案が強く求められている。
比較免疫から読み解くウイルス核酸認識受容体を介した植物免疫システムの分子基盤

糸状菌や細菌の認識と防御応答に関わる受容体タンパク質は、植物と動物の間で構造的な共通性が認められることが広く知られている。一方、ウイルス防御システムについては、動物では、TLRやRIG-Iなどの核酸認識受容体タンパク質を介した自然免疫システムが中心的な役割を果たしている。しかし、植物では、RNAサイレンシングシステム以外に、核酸認識受容体タンパク質を介したウイルス防御システムの存在が明らかになっていない。本申請課題では、植物において核酸認識受容体を介して活性化される新規な植物免疫システムの存在を明らかにし、そのウイルス防御システムの分子基盤を解析する。
ヘリカル磁束収束型電磁浮揚溶解装置の開発に関する研究

本研究の遂行のなかで得られた結果の概要を以下に述べる。1.浮揚金属の回転を制御し,均一加熱を実現するために三次元境界要素法を用いた渦電流磁界解析手法とステップバイステップ法を用いた浮揚金属の運動シミュレーション手法を開発し詳細な定式化を報告した。(浮揚電磁溶解法,日本AEM学会誌,Vol.2,No.3,1994)以上の成果により,浮揚金属を回転させることは,磁場の僅かな乱れを用いればよく,当初の予定であったヘリカル磁場を用いるよりも,コールドクルシブルのスリット間隔の不均一性あるいは励磁コイル端部を利用する方が容易であるという結論に達し,回転制御に関しては金属の浮揚位置を制御する方向で今後継続的に研究を行う予定である。
脳のプリン作動性シグナリングとATPチャネル

本年度は、まずマウス大脳皮質由来のアストロサイトにおける低浸透圧刺激(浸透圧性細胞膨張)によるATP放出の通路を検討した。RT-PCR法で、これまで報告されてきたATP放出通路の候補分子の発現を調べたところ、各種コネキシン、バネキシン、MDR、MRP、P2X7などの発現が確認されたが、CFTRの発現の確認はできなかった。次に薬理学的な検討を行ったところ、上記いずれの候補分子のブロッカーも低浸透圧性ATP放出に影響を与えなかった。しかし、未だ分子同定されていないマキシアニオンチャネルのブロッカーは著しくこれを抑制した。従って、本チャネルの低浸透圧ATP放出の通路を与えるものと考えられた。次に、アストロサイトとニューロンの共培養系を用いて、炎症メディエータであるブラジキニン刺激下におけるアストロサイトからニューロンへのシグナル分子とその放出通路について検討した。ブラジキニン刺激は、アストロサイトからのATP放出はもたらさないが、グルタミン酸放出をもたらした。この時には、アニオンチャネルの活性化がみられることが、パッチクランプ法によって明らかとなった。本チャネル電流は、その生物物理学的性質や薬理学的性質から(マキシアニオンチャネルではなく)容積感受性外向整流性(VSOR)アニオンチャネルであることが明らかとなった。事実、ブラジキニン刺激によるアストロサイトからのグルタミン酸放出も、ニューロンへのカルシウムシグナルの伝達も、本VSORチャネルのブロッカーで選択的に抑制された。また、ブラジキニンはアストロサイトのB2レセプターを刺激して、ROS産成を促し、このROSによってVSORアニオンチャネルの活性化をもたらすことが明らかになった。マウスアストロサイトには大型単一チャネルコンダクタンス(約400pS)を持ったマキシアニオンチャネルと中間型単一チャネルコンダクタンス(数10pS)を持った容積感受性・外向整流性(VSOR)アニオンチャネルのいずれもが発現しており、それらはそれぞれ虚血刺激と細胞膨張刺激で活性化され、それらのアニオンチャネルのボアサイズはグルタミン酸のサイズ(有効半径0.35nm)はより大きく、有意のグルタミン酸透過性(それぞれP_<glutamate>/P_<Cl>は0.2と0.15)を示した。アストロサイトは虚血刺激に対してグルタミン酸放出応答を示し、マキシアニオンチャネルのプロッカーは最も強くこれを抑制し、VSORプロッカーも弱いながら有意に抑制した。一方、これまでグリアからのグルタミン酸放出に関与すると報告されてきたグルタミン酸コトランスポータ逆回転やギャップジャンクションヘミチャネルやエクソサイトシスに対するプロッカーは無効であった。またシスチンは添加していないので、シスチン/グルタミン酸交換輸送の関与も除外された。以上の結果より、アストロサイトの虚血性及び細胞膨張性のグルタミン酸放出の通路に主としてマキシアニオンチャネルが、そしてマイナーながらVSORアニオンチャネルも関与することが明らかとなった。一方、虚血刺激下でアストロサイトはATPも放出する。この四価アニオン型ATPはマキシアニオンチャネルは通るが、VSORアニオンチャネルは通らないことが他の細胞で示されている。事実、アストロサイトにおける虚血性ATP放出もマキシアニオンチャネルのブロッカーでは抑制されるが、VSORブロッカーでは影響を受けぬことを明らかにした。
MRI装置勾配磁場コイルドラムの振動制御システムの試作開発

高周波振動を起こさない能動勾配磁場コイルドラムシステムを試作開発し、高性能MRI装置を試作開発することを目指し、下記の項目について研究した。まず、勾配磁場コイルドラムに発生する衝撃電磁力によるドラムの衝撃応答実験を行い、理論解析と比較検討した。次いで、勾配磁場コイルドラムに発生する衝撃電磁力を圧電アクチュエータの最適配置により外乱相殺できることを理論的に明らかにした。外乱相殺後に残る振動をH∞制御理論により殆ど完全に抑制できることを明らかにした。更に超伝導マグネット中に能動勾配磁場コイルドラムを置き、衝撃電力を加え、圧電アクチュエータで外乱相殺できることを実験的に確認し、設計指針を作成した。なお研究成果を第2回インテリジェント材料国際会議ならびに日本機械学会論文集に発表し、好評を得た。高周波振動を起こさない能動勾配磁場コイルドラムシステムを試作開発し、高性能MRI装置を試作開発することを目指し、今年度は下記の項目について研究した。まず勾配磁場コイルドラムに発生する衝撃電磁力によるドラムの衝撃応答解析を行った。また傾斜機能圧電材料の衝撃応答ならびに弾性表面波伝播特性を明らかにした。次いでアーチならびに円筒殻の曲率を有する構造物の強制振動の振動制御を、圧電アクチュエータとセンサを用いてH∞制御理論に基づきシミュレーションと実験で実現した。次いで、勾配磁場コイルドラムに発生する衝撃電磁力を圧電アクチュエータの最適配置により外乱相殺できることを明らかにした。
A群レンサ球菌性子宮内感染症の病態解明と薬物耐性・分子疫学解析

病原細菌(A群溶血性レンサ球菌)感染に関する全国規模のデータベース(菌株情報・患者背景)を構築し、膣分泌物由来株・咽頭ぬぐい液由来株・重症感染症由来株が選別された。咽頭ぬぐい液由来株が保有する微生物学的特性との比較により、膣分泌物由来株における有意な微生物学的特徴を見出し、同結果と子宮内感染症由来株における微生物学的特性との類似性を確認し得た。当該年度において以下の研究内容を行い、その知見が得られたので報告する。1.2012年8月2013年7月までに全国規模で収集したA群レンサ球菌株とその患者背景に関するデータベースを利用した。夏期において分離した膣分泌物由来87株および咽頭ぬぐい液由来78株をその患者背景と共に同データベースより抽出した。両菌株群が保有する分子疫学的特徴[emm遺伝子型・sequence type (ST)]に関する差異を解析した。その結果、咽頭ぬぐい液由来株における所見と比較して、膣分泌物由来株では分子疫学的特徴となるemm11/ST403クローンの存在やemm1/ST28-ST440クローンの分布を見い出すことができた。本所見は膣分泌物由来A群レンサ球菌株の細菌学的特性を示している。2.2014年8月2015年7月までに全国規模で収集したA群レンサ球菌株とその患者背景に関するデータベースを構築した。同様に、夏期において分離した膣分泌物由来66株をその患者背景と共に同データベースより抽出し、その分子疫学的特徴を解析した。その結果、前回のサーベイランスでは認められない新たなクローンとしてemm6/ST382-ST37-ST411やemm82/ST36が観察された。特に、emmクラスター解析においてemm6はsingle protein emm-cluster clade Yに相当することから、膣分泌物由来A群レンサ球菌株における多様性・経時的流動性を示唆している。全国規模で収集した臨床分離A群レンサ球菌株(特に膣分泌物由来株)が保有する病原因子・分子疫学的特徴を経時的に把握することによって、今後展開すべき基礎実験に対して同データを有機的に反映することが可能となった。当該年度において以下の研究内容を実施し、その知見が得られたので報告する。1.劇症型感染症を惹起した膣分泌物由来A群レンサ球菌分離株における全ゲノム配列(ドラフト)を決定し、そのデータに基づいて遺伝子発現カスタムマイクロアレイを構築した。ヒト細胞間透過前および同透過後において同分離株よりRNAを抽出し、同アレイを用いて遺伝子発現プロファイルを網羅的に解析した。その結果、透過前と比較して透過後に発現量が増加した遺伝子群として、病原因子群(sic他)・代謝遺伝子群(collagen-like protein他)を認めたが、転写調節因子群ではその変動は見られなかった。この妥当性評価として、同RNAを用いて逆転写リアルタイム核酸増幅法を行い、透過前と比べた透過後でのsic遺伝子の発現量増加を確認した。本知見は膣分泌物由来A群レンサ球菌株における細菌学的特性を示唆している。2.2012年夏季に分離した膣分泌物由来A群レンサ球菌株(n=87)および同咽頭ぬぐい液由来A群レンサ球菌株(n=78)を用いて、外毒素プロファイル(speA-speB-speC-ssa-smeZ)を核酸増幅法により評価した。その結果、咽頭ぬぐい液由来株と比較して膣分泌物由来株ではspeAに関する検出が多い所見が得られた。同speA遺伝子の保有と劇症型感染症発症との関連性が既に報告されている点を踏まえ、同所見も膣分泌物由来株における特徴を示している。3.上記膣分泌物由来A群レンサ球菌株を用いて薬物感受性試験を行い、当該薬物耐性遺伝子に関する評価も実施した。テトラサイクリン系薬およびマクロライド系薬に対する同MIC値の上昇が認められ、各々tet(M)耐性遺伝子およびerm(B)耐性遺伝子の主たる関与が示唆された。当該年度において臨床分離A群レンサ球菌株(特に膣分泌物由来株)が保有する細菌学的特性が明らかとなり、今後展開する基礎実験(ヒト細胞感染・動物感染)へと有機的に反映することが可能となった。1.2012年夏季に分離した膣分泌物由来A群レンサ球菌株(n=87)および同咽頭ぬぐい液由来A群レンサ球菌株(n=78)を用いて、テトラサイクリン(TC)耐性遺伝子[tet(M)-tet(O)]およびマクロライド(ML)耐性遺伝子[erm(A)-erm(B)-mef(A)]の保有状況を解析した。その結果、咽頭ぬぐい液由来A群レンサ球菌株と比較して、膣分泌物由来A群レンサ球菌株はTC耐性遺伝子の保有率において有意差があることが判明した。患者年齢を10歳以下または60歳以上に層別化し、TC/ML耐性遺伝子の保有状況を確認した。両年齢層において、膣分泌物由来A群レンサ球菌株はTC/ML耐性遺伝子の保有率が有意に低値であった。本知見は膣分泌物由来A群レンサ球菌株における抗菌薬耐性上の特性を示している。2.上記膣分泌物

由来A群レンサ球菌株において最も分離頻度の高いemm89型(n=33)が保有する細菌学的特性を同咽頭ぬぐい液由来A群レンサ球菌株でのemm89型(n=17)とともに解析した。その結果、膣分泌物由来・咽頭ぬぐい液由来の両群において、emm89型はヒアルロン酸合成遺伝子座を欠損し、NAD-glycohydrolase遺伝子(nga)においてnga promoter variant3+nga allele 1の塩基配列を有している所見が得られた。このemm89型は新規cladeとして報告されており、emm1型と同様な高度NADase活性を保有することで病原性を惹起することが想定された。3.子宮内膿瘍・骨盤内腹膜炎由来A群レンサ球菌株におけるemm89型が有する細菌学的特性も同様に検討した。その結果、このemm89型も上記新規cladeであり、侵襲性または劇症型感染症へ係るcladeであることが想定された。病原細菌(A群溶血性レンサ球菌)感染に関する全国規模のデータベース(菌株情報・患者背景)を構築し、膣分泌物由来株・咽頭ぬぐい液由来株・重症感染症由来株が選別された。咽頭ぬぐい液由来株が保有する微生物学的特性との比較により、膣分泌物由来株における有意な微生物学的特徴を見出し、同結果と子宮内感染症由来株における微生物学的特性との類似性を確認し得た。収集できた膣分泌物由来A群レンサ球菌株の中から強毒株および弱毒株を選別して、細胞間透過性に関する実験や動物子宮感染モデルの実験へ用いる。収集した膣分泌物由来A群レンサ球菌株の中から強毒株および弱毒株を選別して、ヒト細胞感染の実験および動物子宮感染の実験を展開する。感染症学、臨床微生物学、感染制御学2014年2015年での全国収集A群レンサ球菌株数が前回・2012年2013年における同収集菌株数より若干少ないため。当該年度における旅費に関連する支出がないため、次年度使用額が生じた。細胞間透過性の実験あるいは動物子宮感染モデルの実験へ活用する予定である。次年度、学術集会において研究成果を発表する予定である。保健産業事報「ホッとひと息ティータイム」欄において『化膿レンサ球菌による産科婦人科疾患とその研究』(2015年8月1日付け)に関する記事を掲載した。