hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
網羅的リン酸化タンパク質解析のための３次元電気泳動イメージング技術の構築

当該年度においては,当初の予定通り,高次複合体プロテオームの質的・量的ダイナミクスの解明を視野に入れた3次元モニタリング法の確立を目指した。その結果,リン酸化が関わる複合体形成など,複数のタンパク質分子のダイナミクスを同一ゲル内で解析が可能になることを証明することで,本技術の有用性を立証した。具体的には,ブルーネイティブ電気泳動(生体内の複合体を未変性で分離)とSDS-PAGE(分子量で分離)を2次元展開の要素とし,3次元展目にフォスタグSDS-PAGEを導入することでリン酸化が関わる複合体形成など,複数のタンパク質分子のダイナミクスを同一ゲル内で解析が可能となった。さらには,細胞内において極めて発現の低いリン酸化タンパク質を検出する際に,フォスタグアガロースを用いた分離濃縮の前処理操作を行うことで,その検出感度が有意に改善されることを証明した。細胞内において極めて低発現のリン酸化タンパク質については濃縮による前処理操作の有効性を示すことができた。リン酸化タンパク質の網羅的分離濃縮を目的とした方法論はこれまでにも他にたくさん開発されているが,それらのほとんどは変性後の分離分析を行うものであり,複合体因子等の機能構造を無視するものである。フォスタグ法による濃縮法はそれらの技術を補填できるものと期待され,今後の展開にも活かされる。申請者はこれまでに,リン酸基を特異的に捕捉する亜鉛錯体(フォスタグ)にアクリルアミド基を導入した誘導体を分子デバイスとして利用することで,リン酸親和性電気泳動法(フォスタグSDS-PAGE)を開発している。本研究では,タンパク質の分離分析において活用される2次元電気泳動法を発展させ,独自に開発したフォスタグSDS-PAGEの原理を加えることで,電気泳動法における新しい3次元軸の構築を行う。これにより,深耕拡大する生体内の「リン酸化ワールドとシグナルネットワーク」を短時間(1回の電気泳動)で一網打尽に浮き彫りにするための新たな分離イメージング技術を創出する。当年度においては,タンパク質の分離分析において活用される2次元電気泳動法を発展させ,独自に開発したフォスタグSDS-PAGEの原理を加えることで,電気泳動法における新しい3次元軸の構築を行った。2次元展開よりも詳細で微量なタンパク質スポットの分離が実現することが予想されるため,可視化の手段として高感度なタンパク質蛍光標識法を採用した。これは,立体ゲル空間において染色等の作業を経ずにタンパク質をスキャニングするためにも最善の手法となった。生理的な状態の異なるサンプルを異なる蛍光色素で標識し,リン酸化状態に関する質的・量的差異を同一ゲルで解析するための3次元蛍光ディファレンシャル解析法に発展させた。本技術により,疾病に特異的なリン酸化亢進タンパク質(リン酸化バイオマーカー)の発見などが期待できる。さらには,フォスタグ立体ゲルのプロトタイプとそれを利用した電気泳動法の開発の目的のため,リン酸化タンパク質群のみを転写するためのリン酸親和性トラップゲル電気泳動転写法を開発を展開させた。本研究では,研究代表者らが独自に開発したリン酸化タンパク質分離解析のためのリン酸親和性電気泳動法,フォスタグSDS-PAGEを3次元電気泳動法に適用させた。
多段階適応反応による、新しい記憶機構に関する研究

まず、適応を示すモデル反応素子の結合系が外部刺激に対して示す振舞について調べた。このモデルは相互作用ネットワーク構造に応じて、全素子が完全に適応した状態、元の適応反応と同じ時間スケールでの振動、非周期運動、さらに元の適応反応とは異なる時間スケールをもつ振舞として、興奮だけを繰り返す速い振動、緩和の時間スケールよりも1桁以上大きい時間スケールでの遅い周期運動を示した。これは研究目的の1つである「適応反応が積み重なることで時間スケールの干渉が起き、長時間スケールの応答が生じる機構の研究」に合致するものである。ここでの結果は、生体内反応でみられる、多様な時間スケールをもつ応答を生み出すメカニズムの1つを与えるものである。また、これらの振舞は相互作用ネットワーク構造内のフラストレーション構造により分類できる事を示した。特に、大きく異なる時間スケールをもつ2つの運動は同一ネットワーク上に共存していること。それらは興奮と緩和の時間スケール比が無限大となる極限において、断熱近似をみたす場合(遅い周期運動)と破れる場合(速い振動)に対応していることを示した。さらに、大自由度力学系の中で適応応答が実現される仕組みについて理解するため、大自由度の遺伝子発現制御モデルにおいてターゲット遺伝子の適応応答が進化を通して獲得される過程について考察した。各遺伝子は他遺伝子からの相互作用入力に応じて発現し、一部の遺伝子に加えられた外部入力が相互作用を介して伝搬しターゲット遺伝子の応答を制御する。ここでは1個のターゲット遺伝子の応答のみに条件(適応応答)を課して進化させたにも関わらず、他の遺伝子も同様に適応応答を獲得していく様子が観察された(協同的適応応答)。この様な協同的な適応応答は酵母のストレス応答においても観察されており、多種のストレスに対する応答性を高める役割があると考えられている。外部環境から刺激を受けた時にバクテリア等のミクロ生物が示す応答について、理論的立場から研究を行った。これらの生物は人間の脳に対応する様な複雑な情報処理機構を持っているとは考えられず、シグナル伝達系で表される様な化学反応の連鎖により情報を伝達し処理していると考えられる。しかし、刺激の種類蕉応じた多様な応答や、以前におかれていた環境条件を記憶しているかの様な振舞を示すことが分かり、複雑な機構がなくとも複雑な情報処理を行い得る可能性がある。そこで、外部入力に対し適応応答を示すモデルを出発点としこれらを結合させた系を考える事とした。なお、この様な適応素子を結合させた系の研究はこれまで見られなかったものである。具体的には、まず、AsakuraHondaモデルと呼ばれるモデルを基にこれを発展させ、環境変化に対し適応を示すモデル(1段階適応モデル)を設計しその性質を調べた。このモデルはパラメータを変化させる事で、完全適応、不完全適応、遅い緩和、オーバーシュート等の多様な振舞を示す事ができるものになっており、用いる化学反応機構のわずかな差異が多様な応答を生み出す可能性を示している。さらにこの1段階適応モデル2個を結合させることで、短時間スケールでの不完全適応と長時間スケールでの完全適応という記憶構造を示すモデルを構築した。今後はこのモデルを出発点として、1段階適応モデルを結合させる際に各モデルの反応時間スケールに要求される条件等について調べていく。これらの生物は人間の脳に対応する複雑な情報処理機構を持っているとは考えられず、シグナル伝達系の様な化学反応の連鎖により情報を伝達し処理していると考えられる。しかし、刺激に応じた多様な応答や、以前の環境条件を記憶しているかのような振舞を示すことが分かっており、複雑な機構がなくとも複雑な情報処理をおこなっていると考えられる。ここでは環境変化に対して適応できるという性質に注目し、適応を示すモデル素子同士が相互作用によって結合した場合に示す振舞について調べた。適応反応としてLevchenkoらのモデル(A.Levchenko and PA.Iglesias,Biophysical Journal,2002)に修正を加えて用いた。このモデル素子を複数個用意し、外部からの入力が伝搬されるように相互作用を加え、適応反応が多段階に絡み合うモデルを設計した。相互作用には、生体内の反応で頻繁に表れるシグモイド型の関数を用いた。特に3個の素子を組み合わせた場合について、ネットワーク構造と振舞の関係について調べた。そこでは、元の適応反応に定義される時間スケールよりも1桁以上長い時間スケールでの振動(時間スケールの延長)も得られた。これは目的の1つである「適応反応が積み重なることで時間スケールの干渉が起こり、長時間スケールの応答が生じる機構を理論的に研究する」ことに対する1つの答えである。さらに、相互作用ネットワーク構造のうちモデルの振舞を規定する特徴的な構造を抽出し、時間スケールの延長などの非自明な振舞がネットワーク構造内のフラストレーションに基づいているということを明らかにした。

特に、大きく異なる時間スケールをもつ2つの運動は同一ネットワーク上に共存していること。それらは興奮と緩和の時間スケール比が無限大となる極限において、断熱近似をみたす場合(遅い周期運動)と破れる場合(速い振動)に対応していることを示した。さらに、大自由度力学系の中で適応応答が実現される仕組みについて理解するため、大自由度の遺伝子発現制御モデルにおいてターゲット遺伝子の適応応答が進化を通して獲得される過程について考察した。各遺伝子は他遺伝子からの相互作用入力に応じて発現し、一部の遺伝子に加えられた外部入力が相互作用を介して伝搬しターゲット遺伝子の応答を制御する。ここでは1個のターゲット遺伝子の応答のみに条件(適応応答)を課して進化させたにも関わらず、他の遺伝子も同様に適応応答を獲得していく様子が観察された(協同的適応応答)。この様な協同的な適応応答は酵母のストレス応答においても観察されており、多種のストレスに対する応答性を高める役割があると考えられている。
地域に在住する独り暮らし老人の抑うつ症状・睡眠障害と日常生活時血圧変動との関連

本研究は,地域に在住する独り暮し老人の循環系疾患発症・増悪を予防する血圧管理指導に資するため,日常生活時の血圧変動に関連する要因,特に睡眠障害および抑うつ症状との関連を明らかにすることを目的とした.(1)居宅にて生活している65才以上の者2,756人を対象とした自記式質問紙調査を実施し,独り暮し老人の抑うつ症状と睡眠状況について検討した.独り暮し老人の割合は,前期高齢期で6.5%,後期高齢期で12.7%であり,その男女比は約1:3であった.独り暮し老人の基本的・手段的ADLの水準は同居者のいる者と同程度であった.独り暮し老人の睡眠状況は,同居者のいる者と特に差異がみられなかった.熟睡感が悪くなるほど抑うつ症状が強いとの関係は同居者の有無に関わらず同様であったが,熟睡感の比較的悪い群では独居が抑うつ症状を少し増強させていた.(2)地域に在住し自立した生活機能を持つ高齢者41人について,睡眠状況・抑うつ状況と日常生活時血圧変動との関連を検討した.高血圧者は,覚醒時・夜間睡眠時ともに高い収縮期・拡張期血圧値を示した.自覚的睡眠感の日常生活時血圧変動に対する影響は明らかでなかった.夜間睡眠時の覚醒時間が長いほど拡張期血圧・脈拍の変動が大きくなる傾向にあった.抑うつ状況と睡眠関連指標との間には明らかな関連がみられなかった.高血圧者では,抑うつ症状が強いほど夜間睡眠時の拡張期血圧の低下が少なかった.これらの結果より,抑うつ状況と睡眠状況の日常生活時血圧変動との関連はそれぞれ独立しており,また高血圧の有無にも影響を受けていることを示した.地域に在住する高齢者の循環系疾患予防のための血圧管理上の焦点として,(1)血圧が高いこと,(2)夜間睡眠時の血圧変動が大きいこと,(3)夜間睡眠時の血圧低下が少ないことが,抑うつ・睡眠障害との関連から問題であることが示唆された.本研究は,地域に在住する独り暮し老人の循環系疾患発症・増悪を予防する血圧管理指導に資するため,日常生活時の血圧変動に関連する要因,特に睡眠障害および抑うつ症状との関連を明らかにすることを目的とした.(1)居宅にて生活している65才以上の者2,756人を対象とした自記式質問紙調査を実施し,独り暮し老人の抑うつ症状と睡眠状況について検討した.独り暮し老人の割合は,前期高齢期で6.5%,後期高齢期で12.7%であり,その男女比は約1:3であった.独り暮し老人の基本的・手段的ADLの水準は同居者のいる者と同程度であった.独り暮し老人の睡眠状況は,同居者のいる者と特に差異がみられなかった.熟睡感が悪くなるほど抑うつ症状が強いとの関係は同居者の有無に関わらず同様であったが,熟睡感の比較的悪い群では独居が抑うつ症状を少し増強させていた.(2)地域に在住し自立した生活機能を持つ高齢者41人について,睡眠状況・抑うつ状況と日常生活時血圧変動との関連を検討した.高血圧者は,覚醒時・夜間睡眠時ともに高い収縮期・拡張期血圧値を示した.自覚的睡眠感の日常生活時血圧変動に対する影響は明らかでなかった.夜間睡眠時の覚醒時間が長いほど拡張期血圧・脈拍の変動が大きくなる傾向にあった.抑うつ状況と睡眠関連指標との間には明らかな関連がみられなかった.高血圧者では,抑うつ症状が強いほど夜間睡眠時の拡張期血圧の低下が少なかった.これらの結果より,抑うつ状況と睡眠状況の日常生活時血圧変動との関連はそれぞれ独立しており,また高血圧の有無にも影響を受けていることを示した.地域に在住する高齢者の循環系疾患予防のための血圧管理上の焦点として,(1)血圧が高いこと,(2)夜間睡眠時の血圧変動が大きいこと,(3)夜間睡眠時の血圧低下が少ないことが,抑うつ・睡眠障害との関連から問題であることが示唆された.本年度は,調査対象地域(兵庫県津名郡五色町,高齢化率25.9%)において在宅高齢者の健康と生活状況に関する総合的な実態を把握するため,65才以上の全住民に対して自記式のアンケート調査を実施した.回収率は91.4%であった.本研究では,この調査結果の中から,抑うつ症状(GDS日本語版),睡眠状況,日常生活行動能力,家族構成に注目し,本研究の調査測定対象者リストを作成した.本調査より,抑うつ症状と同居状況・日常生活動作との関連を確認し,その自覚的睡眠障害との関連についても検討を加えた.抑うつ症状が日常生活動作の低下に及ぼす影響については,第58回日本公衆衛生学会総会にて報告した.本年度は,在宅にて自立した生活を営んでいる独り暮らしあるいは高齢者世帯の約20名の測定を実施中である.測定については,携帯型自動血圧心拍測定装置とミニモーション・アクティグラフ(時計型)を装着し24時間の記録(30分毎の血圧測定)を実施した.この時30分毎の生活行動記録を依頼した.また,ミニモーション・アクティグラフにより覚醒・睡眠時の時間帯を区分し,時間帯区分別平均血圧値・血圧変動係数等の血圧評価指標のアルゴリズムを作成した.現在,ミニモーション・アクティグラフのデータから,睡眠障害判定指標のアルゴリズム作成中である.来年度は,約60名余りを対象として,血圧計の一日中装着に対して発汗等の阻害影響が少なくなる10月頃から測定を再開し,研究成果をまとめる予定である.

本研究は,地域に在住する独り暮し老人の循環系疾患発症・増悪を予防する血圧管理指導に資するため,日常生活時の血圧変動に関連する要因,特に睡眠障害および抑うつ症状との関連を明らかにすることを目的とした.(1)居宅にて生活している65才以上の者2,756人を対象とした自記式質問紙調査を実施し,独り暮し老人の抑うつ症状と睡眠状況について検討した.独り暮し老人の割合は,前期高齢期で6.5%,後期高齢期で12.7%であり,その男女比は約1:3であった.独り暮し老人の基本的・手段的ADLの水準は同居者のいる者と同程度であった.独り暮し老人の睡眠状況は,同居者のいる者と特に差異がみられなかった.熟睡感が悪くなるほど抑うつ症状が強いとの関係は同居者の有無に関わらず同様であったが,熟睡感の比較的悪い群では独居が抑うつ症状を少し増強させていた.(2)地域に在住し自立した生活機能を持つ高齢者41人について,睡眠状況・抑うつ状況と日常生活時血圧変動との関連を検討した.高血圧者は,覚醒時・夜間睡眠時ともに高い収縮期・拡張期血圧値を示した.自覚的睡眠感の日常生活時血圧変動に対する影響は明らかでなかった.夜間睡眠時の覚醒時間が長いほど拡張期血圧・脈拍の変動が大きくなる傾向にあった.抑うつ状況と睡眠関連指標との間には明らかな関連がみられなかった.高血圧者では,抑うつ症状が強いほど夜間睡眠時の拡張期血圧の低下が少なかった.これらの結果より,抑うつ状況と睡眠状況の日常生活時血圧変動との関連はそれぞれ独立しており,また高血圧の有無にも影響を受けていることを示した.地域に在住する高齢者の循環系疾患予防のための血圧管理上の焦点として,(1)血圧が高いこと,(2)夜間睡眠時の血圧変動が大きいこと,(3)夜間睡眠時の血圧低下が少ないことが,抑うつ・睡眠障害との関連から問題であることが示唆された.
『迷い行動』の分析に基づいた歩行者サインシステムの高度化に関する研究

サインシステムは地理に不案内な来訪者に適切な情報を与えるために整備されており、サインシステムは来訪者の回遊行動を支援する重要な役割を果たしている。本研究は、サインシステムの整備によって、来訪者は以前に比べて観光スポットを容易に訪問することができ、またより多くの施設を訪問できることを詳細な実態調査から明らかにした。同時に、来訪者がより多くの観光スポットを訪問すれば、彼らが道に迷う可能性が高まることも示した。このような分析を通して、本研究は、来訪者の回遊行動とルート選択エラーの関係を分析するとともに、歩行者サインシステムの高度化について検討した。本研究は、サインシステムの整備による来訪者の行動変化について、回遊できる観光スポット数の増加、および迷い行動の減少という視点から捉えることとし、特に迷い行動の特徴を来訪者の経路選択行動によって把握するとともに、これを用いて、サインシステムの効果的な整備について論じることを目的としている。この目的を達成するために、研究代表者らは本研究が開始される以前(25年度)に、奈良県と共同で奈良公園における来訪者に対する行動調査を実施していた。26年度には、まず既存調査結果を用いて来訪者が目的施設を訪問する際の利用経路図を作成し、経路選択モデル構築のためのデータ整備および基礎分析を行った。その結果、来訪者が迷うことが多かった地点を利用経路上で明らかにし、迷い行動の発生率が高い地点を明確にすることができた。奈良公園における歩行者サインシステムの改善は、現時点では史跡区域(東大寺や春日大社等の所有地)等を除く区域で実施されているが、上記の迷い行動発生率の高い区域は、史跡区域等のサイン改善が十分でない区域であることを明らかにした。次に、迷い行動と経路選択行動の関係をさらに詳しく分析するために実態調査を実施した。この調査は、上記の分析で明らかとなったサイン改善が十分でない区域を対象とし、社会実験の形式で実施した。社会実験形式の調査は当初は予定されていなかったが、社会実験が可能となったので、実施することにした。具体的には、迷い行動が発生している地点およびその周辺に仮設の案内サインを設置し、来訪者の挙動を分析するとともに、仮設サインに対する意識も調べた。そして、それらの結果に基づいて、サインの設置効果について検討した。これにより、局所的ではあるが効果的なサイン設置方法について検討することができた。本研究は、サインシステムの整備による観光客の行動変化について、回遊できる観光スポット数の増加、および迷い行動の減少という視点から捉えることとし、特に迷い行動の特徴を観光客の行動分析を通して明らかにして、サインシステムの効果的な整備について論じることを目的としている。過年度の研究によって、サインシステムの改善に伴って、「訪問施設数の増加」、「目的施設への効率的接近」が認められたが、「迷い行動の減少」は見られなかった。この過程で、迷い行動が発生しやすい区域が明確となってきた。すなわち、奈良県設置の改善されたサインシステム導入区域と寺社が独自にサインを設置している区域(史跡区域と呼ばれている)の境界部分に多いようであった。そこで、今年度は、1迷いやすい区域において、迷い行動と思われる挙動を行っている観光客に対するヒアリング調査を実施して、迷い行動の理由を確認した。主な理由として、サインシステムの整合性に問題がある(奈良県が改善したサインシステムと寺社が独自に設置しているサインとの不整合)、訪問したい施設がサインシステムで取り上げられてない、サインボードの視認性がよくない、サインボードが不足している等の問題を確認することができた。次に、2研究代表者らが奈良公園において継続的に実施している観光客へのアンケート調査結果をトリップチェインの視点から再度分析した。その結果、迷い行動はトリップチェインの後半で発生することが多いことがわかった。このようなトリップは、上記の迷いやすい区域におけるトリップであることが多い。1、2の結果は、奈良公園におけるサインシステムの更なる改善のための資料となると考えられる。サインシステムの改善による観光客の行動変化について分析を着実に進めており、効果的なサインシステムの整備計画の提案に向けて、おおむね順調に進展していると考えている。本研究は、歩行者サインシステムの改善による観光客の行動変化について、回遊する施設数の増加、および迷い行動の減少という視点から捉えることとし、サインシステムの効果的な整備について論じることを目的としている。前年度までの研究において、サインシステムの整備によって来訪者は合理的な経路選択行動を行う傾向にあることが明らかとなった。すなわち、歩行者の行動特性は、直進を選択するという行動パターンと、目的地の方向に近付いて行くという行動パターンのどちらが優先されるかで表現できるが、サインシステム整備後は後者が優先されていることを明らかにした。さらに、訪問施設数が改善後には増加していることを明らかにした。一方、迷い行動に関しては、サインの改善によって迷い行動が減少しているとは言えない状況であった。その理由としては、サイン整備によって回遊性が高まり、訪問施設が増加した場合、サイン整備が必ずしも十分でないエリアにおいて迷い行動が増加するのではないかと推測された。そこで、28年度においては、改めて、奈良県が改善したサインだけでなく、東大寺や春日大社等の社寺が独自に設置しているサインも含めて悉皆調査を実施し、迷い行動が多い地点あるいはエリアと、サイン設置の関係を詳細に調べ、迷い行動の発生原因について分析した。その結果、奈良県設置のサイン数が少ない個所、県設置と社寺設置のサインが混在し来訪者に適格な情報を与えていない個所等を具体的に示すことができた。そして、それらを総合して、奈良公園における歩行者サインシステムの更なる改善について論じた。

サインシステムは地理に不案内な来訪者に適切な情報を与えるために整備されており、サインシステムは来訪者の回遊行動を支援する重要な役割を果たしている。本研究は、サインシステムの整備によって、来訪者は以前に比べて観光スポットを容易に訪問することができ、またより多くの施設を訪問できることを詳細な実態調査から明らかにした。同時に、来訪者がより多くの観光スポットを訪問すれば、彼らが道に迷う可能性が高まることも示した。このような分析を通して、本研究は、来訪者の回遊行動とルート選択エラーの関係を分析するとともに、歩行者サインシステムの高度化について検討した。当初は奈良公園を来訪する観光客全体に対して、訪問施設および当該施設への経路、ならびにその際に生じた迷い行動について、公園全体に対する実態調査を行う予定であった。しかしながら25年度に事前調査を実施して以来、奈良公園における新たなサイン整備が実施されていないことが明らかとなった。そこで、25年度に実施された調査がほとんど分析されていないことも考慮して、まず25年度について詳細に分析することとした。その上で、奈良公園全体を対象とするのではなく、上記の詳細分析の結果より鮮明となった迷い行動の発生率が高い区域において、仮設サインの設置による社会実験を実施し、被験者の行動変化を把握することとした。このように、若干の計画変更があったものの、研究計画に示した研究目的の達成に向かって適切に遂行できていると考える。奈良公園のサインシステムは、図形標識、指示標識、および周遊促進標識から構成されている。27年度までの分析を総合すると、以下の2点が主要な検討課題となると考えられる。(1)奈良県設置の改善されたサインシステムと寺社等が設置しているサインとの整合性の確保(将来的には奈良県のサインシステムに統一することが望ましい)(2)周遊促進標識の改善そこで、従来は完全には調査されていなかった寺社等によって設置されたサインの現況を悉皆調査によって把握してサインシステムの更なる改善方針を明確にし、奈良公園における改善案を提示することとしたい。さらに、このようなサインシステムの改善手法を他の観光地にも適用できるように汎用化を図ることとしたい。交通計画本研究の目的はサインシステムの改善の影響を「迷い行動」という負の行動に注目し、サインシステムの効果的な整備について検討することを目指している。この負の行動に焦点を当てるという研究方針は本研究の特徴である。本研究では、サインシステムの改良に伴って経路選択行動が効率的に行われ、その結果として訪問される観光スポットが増加するが、その一方で、新たな観光スポットの訪問は迷い行動を発生させる原因ともなるとの仮設を設定し、これを検証していく。そして、それを通して奈良公園におけるサインシステムの高度化について論じることにしたい。
微弱高周波電界による生体内計測技術

微弱な高周波電流を用いた、安全で簡便な生体計測技術に関する基礎的研究を行った。水分含有率の高い生体組織に見立てた小型水槽について、測定実験と数値シミュレーションの結果を比較したところよく一致し、本測定技術の基本的な原理が説明できた。また、これまでの高周波電界の電界強度に加えて,位相が測定できるように実験装置の改良を行い、動作が確認できた。位相情報を活用した信号解析手法の開発,および本技術の応用分野について、今後検討していく予定である。高度な医療・福祉機器は人類に大いに貢献しているが、その経済的負担は大きい。研究代表者は、医療・福祉に応用できる、簡便で安全な、電気・磁気による生体計測技術の開発を進めていて、健康管理のためのモニター装置などとしての実用化を目指している。開発中の計測技術では、生体内の情報(誘電率分布等)が受信側プローブ側の信号強度の変化分として現れるが、この変化が小さいと二次元画像化等の処理のために十分な精度が得られない。これまでの実験装置は汎用の測定器(スペクトルアナライザー)が中心の構成のため、信号変化が数値シミュレーションとの比較では十分得られず、ノイズの影響も大きかった。また、測定プローブの間隔は2030cmとしてきたが,人の胴体の横断面を測る場合には,50cm程の間隔が必要である。信号強度は距離の2乗に反比例して大きく低下するため間隔を広げると、条件はいっそう厳しくなる。測定精度と安定性の改善を図るため、デジタル式受信機(Software Defined Radio=SDR)を導入した。高速A/Dコンバータでデジタル化した信号をソフトウェアで構成した受信機で処理するため、用途に合った特殊な構成の受信機・測定器を柔軟かつ経済的に構成できる。通信の研究ばかりでなく、生体医用工学でも利用されはじめている。SDRで構成した装置で測定を行ったところ、従来よりもノイズの少ない安定した信号が得られた。また、生体と誘電率が同等である水を満たしたファントムの測定を行ったところ、信号の変化が大きくなり、シミュレーションで得られる変の割合と一致するようになった。これは、SDRの導入に合わせて、送信側の発振器を独立した装置にしたことにより不要な入出力の結合が減ったためと考えられる。さらに改良を進めて、実際に人を測定して二次元画像を描画するのに十分な精度を得たい。微弱な高周波電界を用いることで、生体内の誘電率分布を測定し、体内の水分量(血液、体液、膀胱内尿量)や脂肪、空隙の分布を求め、内臓脂肪、皮下脂肪、膀胱内尿量、肺機能を計測する技術の開発を行っている。実験装置の主要な機能である生体内の組成により強度が変化した高周波信号の測定を、これまでは計測装置であるスペクトルアナライザーで行ってきたが、汎用の測定装置であるため、測定の条件や得られる精度等に制約があった。そこで信号処理の大部分をソフトウェアで行うことのできるソフトウェア受信機(SDR)を導入して、計測に適した測定と信号処理を行うように改良を行った。これによって、測定の精度と安定度が大きく改善され、測定の繰り返し回数を大幅に減らすことができた(従来10から20回のところが、1往復=2回程度)。人体の測定で、16方位からスキャンを行う場合でも、全計測に要する時間が30分程度となり、実験者自身を被検体とした試験的な計測を行うことができた。得られたデータは、予備実験の結果から想定されていたように、誘電率による信号強度の増加分と、電界遮蔽効果による信号強度の減少分が合成されたもので、そのデータから、研究の目的の一つである、生体内の誘電率分布を求めるには至らなかった。また、アンテナ系の改善を行うために、ベクトルネットワークアナライザーを導入して計測を始め、プローブの送受信特性の改良に着手した。この経緯を踏まえ、最終年度となる次年度では、測定信号の位相情報から、誘電率による信号強度の増加分と、電界遮蔽効果による信号強度の減少分を分離できないか、実験的に検討し、測定装置の改善を行っていく。微弱な高周波電界を用いることで、生体内の誘電率分布を安全に測定し、体内の水分量(血液、体液、膀胱内尿量)や脂肪、空隙の分布を求め、内臓脂肪、皮下脂肪、膀胱内尿量、肺機能を計測する技術の開発を行っている。実験装置の主要な機能である生体内の組成の影響によって強度が変化した高周波信号の測定に、従前は計測装置であるスペクトルアナライザーを用いたが、汎用の測定装置であるため、測定の条件や得られる精度等に制約があった。そこで前年度までに信号処理の大部分を高速処理のできるコンピューターのソフトウェアで実行できる、ソフトウェア受信機(SDR)を導入して、計測に適した測定と信号処理を行うように改良した。さらに、本年度は、SDRを増設して、アンテナを含む測定系に改良を施し、高周波信号の位相情報を含めた測定ができるようにした。

この新たな計測システムで、水分含有量が大きい人の組織と同程度の誘電率を持つ水をアクリル製の槽に入れてファントムとして用いたモデル実験と、実際の人の腹部の測定を行った(3MHzおよび48MHz)。その結果、水槽の測定では水槽を水平方向にスキャンしても、信号の振幅は大きく変化するのに対し、位相には変化が表れなかった。一方、人体の腹部を水平にスキャンした際には、信号の振幅の変化と同時に位相にも変化が現れた。測定された位相の変化は、測定開始点からの相対的な変化であり、この情報だけでは誘電率によって電解強度が高められる効果と、人体内を高周波電流が流れることによる損失分とを分離することはできないが、少なくとも損失による影響を測定できたことが確認できた。今後、装置にさらに改良を加え、実験の条件を工夫することで、損失の分離を目指したい。東日本大震災で、一部実験機器が破損するなどしたが、大きな影響はなかった。24年度が最終年度であるため、記入しない。平成23年度に新規に導入したネットワークアナライザーを活用し、最終年度となる平成24年度は全体計画通りに、研究を進めていく方針である。
多眼ステレオ法を用いた高精度シーンフローの並列計算法に関する研究

シーンフローは,複数の異なる位置から撮影した時系列画像を用い,実空間での対象の動きを3次元のベクトル場として推定・表現したものである.近年,CG,VR,運動解析など様々な分野での利用を目的として,高精度なシーンフローを高速に求める手法の実現が強く求められている.本研究では,高精度なシーンフローを高速に求める手法の検討を行い,その成果として,ボクセルベースの多眼ステレオ法を用いてシーンフローを高精度に推定する手法,および,本シーンフロー推定手法をPCクラスタ上で効果的に並列計算する手法を開発した.また,複数のアプリケーションへ,今回開発した手法の適用を図り,その有効性を実証した.平成24年度は,平成23年度に行った提案手法に対する動作検証実験での検討結果に基づき,シーンフロー推定法と並列計算法に関しての改良を進めた.さらに,これと並行して,他手法との比較実験や,具体的なアプリケーション(人物の位置推定,実空間と仮想空間の連携)を対象とした推定精度,処理速度に関する中間的な評価実験を行った.主に阿部は,シーンフロー推定の効率化・高精度化を図るため,処理単位となる画素やボクセルの階層化方法,画像中の特徴的箇所やシーンフローを優先的に計算する箇所の事前選択方法の検討を今年度に行った.さらに,提案手法の具体的な評価を行うために,汎用的な距離画像センサを利用した他手法の実装,および,実験用の具体的アプリケーション(複数のカメラで撮影した映像に基づき人物の位置・動作を推定するアプリケーション,実空間での人物の動作を距離画像センサで求め仮想空間内のアバターに反映するアプリケーション)の実装を行った.また,主に福士は,具体的なアプリケーションへの提案手法の適用を通じて,各PEでの負荷・通信の状況に関する計測・分析を行い,並列計算におけるパラメータやPE間通信方式の最適化を本年度に進めた.さらに,得られた計測・分析結果と本申請者らのノウハウに基づき,パラメータや通信方式を状況に応じて自動的に最適化する手法の実現について検討を行った.今年度は,以上の成果をまとめ,国際会議1件,国内会議7件の発表を行った.最終年度である平成25年度は,提案手法(多眼ステレオ法を用いた高精度シーンフローの並列計算法)についての詳細な評価実験を行い,さらに,具体的なアプリケーションへの適用を図った.提案手法の評価実験に関しては,使用するProcessor Element (PE)数,対象空間に割り当てるボクセル数,使用するカメラの台数,および,その配置を変化させた場合についての性能評価を行った.この評価実験から,提案手法は,PE数,および,カメラ台数が増加した場合の通信量増加を抑えることが可能であり,その効果は,使用するカメラの配置による影響を受け難いことが確認できた.また,対象とするボクセル数が増加すると,提案手法における通信量削減の効果が高くなることも確認された.これらの実験結果は,実際のアプリケーションに対する提案手法の有効性を示すものである.また,具体的なアプリケーションへの提案手法の適用に関しては,主に人物動作認識を対象とした検討を行った.具体的には,カメラネットワークを用いた人物動作認識,人物動作認識システムのQoS制御,および,人物動作認識結果を用いた仮想空間のアバタ制御へ提案手法を導入し,人物動作認識精度,処理能力の改善の度合を評価した.これらの検討結果から,各アプリケーションにおいて,認識精度,処理能力の改善が確認でき,様々な実アプリケーションに対する提案手法の有用性が実証できた.以上の成果については,国際会議(3件),および,国内会議(4件)で発表を行い,関連分野の他の研究者から高い評価を得ている.シーンフローは,複数の異なる位置から撮影した時系列画像を用い,実空間での対象の動きを3次元のベクトル場として推定・表現したものである.近年,CG,VR,運動解析など様々な分野での利用を目的として,高精度なシーンフローを高速に求める手法の実現が強く求められている.本研究では,高精度なシーンフローを高速に求める手法の検討を行い,その成果として,ボクセルベースの多眼ステレオ法を用いてシーンフローを高精度に推定する手法,および,本シーンフロー推定手法をPCクラスタ上で効果的に並列計算する手法を開発した.また,複数のアプリケーションへ,今回開発した手法の適用を図り,その有効性を実証した.今年度は,本研究で開発を目指すシーンフロー推定法の三つの構成要素(物体表面判定・オプティカルフロー計算・シーンフロー計算)について基本設計と実装を行った.物体表面判定には,申請者らが提案しているボクセルベースの多眼ステレオ法を,オプティカルフロー計算には,申請者らが並列化を行った時間評価型オプティカルフロー検出法を用い,シーンフロー計算には,Vedulaらにより提案されている手法を用ている.阿部(研究代表者)は,これら3つ部分を効果的に連携・統合し,高精度なシーンフローを得るための手法の検討を行った.また,ボクセルベースの多眼ステレオ法(物体表面判定法)に対し本申請者らが提案した並列計算法は,カメラが直線的に配置されることを前提としており,この前提から外れる場合は処理効率が低下する.そこで,任意のカメラ配置に対しても高い処理効率を得るためには,並列計算法の改良が必要となる.福士(研究分担者)は,主にこの部分を担当した.今年度の実施を計画していた,シーンフロー推定法の改良,通信方式の最適化に関しては,ほぼ予定通り完了することができている.

これらの成果については,「13.研究発表」に示すように,複数の国際会議,国内会議で発表を行っている.以上のことから,本研究計画は,おおむね順調に進展していると考える.今年度の実施を当初計画していた,シーンフロー推定法の三つの構成要素の基本設計と実装,および,ボクセルベースの多眼ステレオ法に対する並列計算法の拡張は,ほぼ予定通り完了することができている.これらの成果については,「13.研究発表」に示すように,複数の国際会議,国内会議で発表を行っている.以上のことから,本研究計画は,おおむね順調に進展していると考える.最終年度である平成25年度は,前年度までに開発・改良を行ったシーンフロー推定法に対し,パイプライン処理やGPUの利用など他の高速化法を導入するための拡張を行う.シーンフロー推定精度と処理速度に関し,カメラ配置,対象物体,ボクセル数,PE数等を種々変化させた場合の評価実験を行い,シーンフロー計算法と並列計算法の改良・拡張の効果を逐次検証する.さらに,新たに撮影した時系列画像,および,計算センターの大型計算機等を使用し,大規模な対象(多数台のカメラによる時系列画像,多数のボクセルで構成された対象空間)に対する提案手法の最終的な評価実験を行い,今後の研究課題の洗い出しを行う.次年度以降は,これまでに行った動作検証実験での検討結果に基づき,シーンフロー推定法と並列計算法の改良を行う.これと並行して,シーンフロー推定精度,処理速度に関し,中間的な評価実験を随時行う.主に阿部は,シーンフロー推定の効率化を図るため,処理単位となる画素やボクセルの階層化方法,画像中の特徴的箇所やシーンフローを優先的に計算する箇所の事前選択方法の検討を行う.さらに,オプティカルフロー計算を種々の異なる手法に交換し,物体表面判定・シーンフロー推定の精度を比較する.その結果,より有効なオプティカルフロー計算手法が見出された場合は,その手法の並列計算化を福士と協調して行い,シーンフロー推定法中の手法の変更を図る.また,主に福士は,各PEでの負荷・通信の状況を計測し,並列計算におけるパラメータやPE間通信方式の最適化を図る.さらに,得られた計測結果と本申請者らのノウハウに基づき,パラメータや通信方式を状況に応じて自動的に最適化する手法の実現について検討を行う.
人工呼吸中の気道上皮免疫機構におけるGABAB受容体の役割

培養気道上皮細胞においてTNFα刺激で産生されるIL-8が麻酔薬プロポフォールによりGABAA受容体を介して増加した。GABAB受容体作動薬はIL-8産生量を変化させなかった。TGFα刺激における分泌型ムチンMUC5ACの産生を麻酔薬ミダゾラムが抑制したがGABAA受容体拮抗薬はその作用を抑制しなかった。気道炎症に重要なIL-8の産生過程をGABAA受容体が修飾している可能性があり、今後新しい治療ターゲットとなりうる。培養気管上皮細胞の一種であるNCI-H292細胞を継代培養して実験に使用した。細胞に炎症性サイトカインTNF-aやエンドトキシンLPSで刺激して18時間インキュベーションし培養液中に産生、分泌されたインターロイキン8の濃度をELISA法を用いて測定した。TNF-aは濃度依存性にインターロイキン8の産生を促進させた。次にGABA受容体を介して作用するといわれている麻酔薬のプロポフォールで前処置を行い同実験をすると、プロポフォールによってTNF-aの作用は増強され、この作用はGABAA受容体拮抗薬によって抑制された。この作用機序を解明するためにウェスタンブロット法を用いた実験を行い、プロポフォールがTNF-aによるp44/42 mitogen-activated proteinkinase (MAPK)のリン酸化をGABAA受容体を介して増強していることが判明した。GABAB受容体拮抗薬を使用した実験データを現在収集中である。気道上皮細胞や気管平滑筋にGABA受容体が発現していることをわれわれは以前報告しているが、その機能は不明であった。今回の研究により気道上皮における免疫機構にGABA受容体が関与していることが示唆された。気道上皮におけるインターロイキン8の産生は好中球遊走を惹起して炎症カスケードを進行させる可能性が考えられる。より明確な作用機序を解明することで周術期や集中治療領域での気道炎症に対してGABA受容体作動薬、拮抗薬が将来応用できる可能性がある。麻酔薬はGABA受容体を介して作用するものが多いと考えられているが、今回の研究から中枢神経系への作用のみならず、非神経系の末梢組織にも重要な影響をもつ可能性が示唆された。培養気道上皮細胞のNCI-H292細胞を継代培養して実験に用いた。炎症性サイトカインであるTNFαで細胞を刺激するとインターロイキン8(IL-8)が産生され、その産生が麻酔薬であるプロポフォールによって増強されること、それがGABAA受容体を介してp42/44 mitogen-activated protein kinaseのリン酸化を促進することにより引き起こされることを発見した。このことから気道上皮細胞に発現しているGABA受容体がサイトカイン産生の調節を担っている可能性が示唆された。次にGABAB受容体の関与を検討するためにGABAB受容体拮抗薬や作動薬を用いてTNFα刺激によるIL-8産生への影響を測定したが、GABAB受容体拮抗薬や作動薬の前処置ではIL-8産生量は変化しなかった。さらに、気道免疫のfirst stepとなる気道粘液(ムチン)産生においてGABA受容体が関与するか検討した。TGFαによって細胞を刺激すると濃度依存性に分泌型ムチンの一種であるMUC5ACの分泌が促進された。GABAA受容体に作用するといわれている麻酔薬、プロポフォールとミダゾラムで前処置すると、ミダゾラムは濃度依存性にTGFα刺激によるMUC5AC産生を抑制した。しかし、プロポフォールは抑制しなかった。ミダゾラムの作用がGABAA受容体を介したものか知るためにGAB飴受容体拮抗薬で前処置して実験を行ったが、GABAA受容体拮抗薬はミダゾラムの作用を抑制しなかった。よってムチン産生においてGABAA受容体の関与は証明されなかった。GABAB受容体拮抗薬や作動薬もTGFα刺激によるMUC5AC産生量を変化させなかった。気道上皮におけるIL-8の産生は好中球遊走を惹起するなど気道炎症に重要な役割を持っており、GABAA受容体はその産生過程を修飾している可能性があり、今後新しい治療ターゲットとなりうることが示唆された。
戦後の日本における芸術とテクノロジー

本研究では、これまで体系的な研究がじゅうぶんに行われてこなかった、戦後の日本における新しいテクノロジーを用いた芸術に関して、基礎資料を収集し、時代ごとの個別研究を行うとともに、アーカイヴ化やデータベース化を試みた。モデルケースとして、この分野における先駆的なアーティストであり、その後も指導的立場で活動してきた山口勝弘氏のもとに集積されてきた資料を調査対象とした。資料の内容は、紙媒体(図録、目録、書籍、雑誌、書簡、ドローイング)、写真(フィルム、プリント)、ビデオテープなど多岐にわたる。これらの多様な資料類についてデジタル化を行い、データベースを作成した。展覧会の構想メモのような散逸しやすい資料から目録、会場写真など、個々の資料を有機的に関係づけることができた。また、研究分担者の太田泰人と三本松倫代は、調査をふまえた展覧会「山口勝弘展」を2006年2月4日3月26日に神奈川県立近代美術館で開催し、あわせて連続講座を企画、磯崎新、松本俊夫、小林はくどう等、山口氏とともに戦後の日本におけるテクノロジー・アートを推進してきた作家から貴重な証言を得た。さらに、アメリカのポール・ゲッティ研究所の調査、イギリスの批評家ヤシャ・ライハート女史の招聘と意見交換、フランスの二人の研究者へのインタビューを通して、日本のテクノロジー・アートが早くから国際的に重要な位置を占めていたことを明らかにした。以上の調査研究をもとに研究成果報告書では各研究分担者が戦後日本のテクノロジー・アートの歴史的展開を考察し、あわせて関係者の証言を収録した。またアーカイヴ構築のための基本概念についても考察した。これにより、今後ますます重要性を増すことになると思われる当該分野研究の基礎を形成することができた。戦後の日本におけるテクノロジーを用いたアートに関するデジタル・アーカイブ作成のため、メディア・アートの先駆者であり、その後も今日に至るまでこの分野で指導的な立場で活動を続けてきた山口勝弘の所蔵する、1950年代から現在に至るまでのわが国のメディア・アート関連の作品画像(ポジフィルム、紙焼き写真)、関連資料(図面、展覧会パンフレット、雑誌・新聞記事)などを調査し、これらをスキャニングしてデジタル化する作業を行った。これらの中には、1950年代に活動した、わが国のメディア・アートの先駆的グループである実験工房、また1960年代における空間や環境を意識した造形の動向、1970年の大阪万国博覧会におけるテクノロジー・アート、1980年代のグループ「アール・ジュニ」に関するものなど、わが国の戦後のメディア・アートに関する広範な記録が含まれている。今回の資料のスキャニングにより、作品画像については2,701点、関連資料については1,900点のデジタルデータを得ることができた。また1970年の大阪万国博覧会に関する映像資料(8ミリフイルム)10本を収集し、デジタル化を行った。これらの資料の調査、収集に基づいて、井口壽乃が「ある前衛の疾走」(『山口勝弘:1950年代』展カタログ、横田茂ギャラリー、2004年7月5日30日)を執筆発表した。井口はまた、メディア・アート作品の画像デジタル化とデータベース化について、人文・社会科学振興のためのプロジェクト研究「日本の文化政策とミュージアムの未来」(科学技術館、2005年3月17日)において口頭発表「メディア・アートと新しいミュージアム」を行った。太田泰人と三本松倫代は「山口勝弘展:ヴィトリーヌからテアトリーヌへ」(2006年2月4日3月26日)を企画し、神奈川県立近代美術館にて開催のための準備をすすめている。

戦後の日本におけるテクノロジーを用いたアートに関するデジタル・アーカイブ作成のため、メディア・アートの先駆者であり、その後も今日に至るまでこの分野で指導的な立場で活動を続けてきた山口勝弘の所蔵する、1950年代から現在に至るまでのわが国のメディア・アート関連の資料に関して、昨年度の紙媒体資料・静止画像資料のデジタル化に引き続き、今年度は動画資料(ビデオ作品)をデジタル化する作業を行った。これらは、1950年代に活動した、わが国のメディア・アートの先駆的グループ「実験工房」が制作したオートスライド、また1970年代の、わが国におけるビデオを用いた作品のパイオニア的な活動を行ったグループ「ビデオひろば」の記録、そして山口の最近作に至る、広範な内容を含むものである。比較的最近に作られたビデオは武蔵野美術大学で、また古い形式のビデオは専門の業者に依頼して、DVDへと変換、整理した。今回のDVD化により、85件の動画についてデジタルデータを得ることができた。また、昨年度スキャンした資料画像を整理し、データベース化に向けての項目の整理、文字データの入力に着手した。さらに、ロサンゼルスのポール・ゲッティ研究所(井口)やパリの研究者などの訪問、調査(シャルル)や、ロンドンのテクノロジー・アート専門の評論家であり日本とも関係の深いヤシャ・ライハート女史の招聘、意見交換など、海外の研究機関や研究者との交流も行った。これらの資料の調査、収集に基づいて、井口壽乃が台湾における国際デザイン学会で発表を行った(11月2日)。太田泰人と三本松倫代は神奈川県立近代美術館(鎌倉)で「メディア・アートの先駆者山口勝弘展:『実験工房』からテアトリーヌまで」(2006年2月4日3月26日)を開催し、同展カタログに太田、三本松、井口、シャルルが執筆した。また同展関連の講演会で、大谷省吾が講演を行った(2月19日)。戦後の日本におけるテクノロジーを用いたアートに関するデジタル・アーカイブ作成のため、メディア・アートの先駆者であり、その後も今日に至るまでこの分野で指導的な立場で活動を続けてきた山口勝弘の所蔵する、1950年代から現在に至るまでのわが国のメディア・アート関連の資料に関して、過去2年間にわたってデジタル化の作業を行ってきた紙媒体資料・静止画像資料、動画資料(ビデオ作品)を整理し、若干の追加資料のデジタル化を行った上で、データベース化する作業を行った。データ件数は約5,200件におよび、それぞれについて資料番号、題名、作者名、撮影者、掲載誌名、年月日、出品展覧会名、寸法、材質、現所蔵などの文字データと画像データを入力した。また、過去2年間の調査をふまえて研究成果報告書を作成した。各研究分担者が分担して歴史的視点から論文を執筆し、1950年代の「実験工房」における総合芸術の運動、1960年代における環境造形の展開と1970年の大阪万博、そして1970年代以降に台頭したビデオ・アートの問題などについて考察した。またアーカイブ構築のための基本概念についても研究論文を収めた。さらに、昨年度に開催した神奈川県立近代美術館(鎌倉)における「メディア・アートの先駆者山口勝弘展:『実験工房』からテアトリーヌまで」(2006年2月4日3月26日)の会期中に開催した連続講座、およびイギリスから招聘したヤシャ・ライハート女史の講演を活字化して収録し、あわせて昨年度、クリストフ・シャルルがフランスで行ったビデオ・アート関係者のインタビューも翻訳・収録して、日本のテクノロジー・アートの展開を国際的な視点からも位置づけるよう努めた。
骨折治癒における末梢血由来細胞関与のメカニズムと低出力超音波による作用促進の研究

GFPマウスと野生株マウスを体側で結合するparabiosisペアを作製し、末梢血のキメリズムを形成後、野生株マウスに骨膜除去を伴う難治性骨折を作製した。骨折部に低出力超音波照射を行った結果、骨折治癒が促進され、GFP陽性骨前駆細胞のホーミングが観察された。本研究により、低出力超音波刺激が難治性骨折モデルの骨形成を促進し、そのメカニズムの一つとして骨前駆細胞の骨折部へのホーミングを促進することが示唆された。【目的】骨折治癒における低出力超音波刺激の有用性はよく知られており、臨床で広く用いられている。しかしその詳細なメカニズムは不明な点も多い。今回われわれは新しい骨折治癒のメカニズムとして報告されている末梢血由来骨前駆細胞のホーミングに着目し、低出力超音波刺激がこれに与える影響を検討したので報告する。【方法】GFPマウスと野生株マウスを外科的に結合し、末梢循環を共有するparabiosisを作製した。末梢血においてGFP陽性細胞のキメラを形成後、野生株マウスの大腿骨を骨幹部で骨切りし、骨折モデルとした。骨折作製後、翌日より連日で麻酔下に骨折部へ1日20分間の低出力超音波(LIPUS)照射を行った。2週および4週で検体を採取し、組織標本を作製した。HE染色を行い骨折部の形態を観察した。アルカリフォスファターゼ染色により、骨形成の活性とGFP陽性骨前駆細胞の骨折部へのホーミングを評価した。【結果】骨折部周囲の仮骨形成はLIPUS照射群、非照射群とも乏しかったが、LIPUS照射群では骨髄内での骨形成がみられた。骨髄内におけるアルカリフォスファターゼ活性は、2週/4週のそれぞれで、骨折中心部(骨折部の中心より0.5mm以内)および周辺部(骨折部の中心より0.5-1.0mm)でLIPUS照射群が非照射群より有意に高かった。末梢血由来のGFP陽性細胞は骨折部の周囲および骨髄内で観察され、特にLIPUS照射群の骨折部においてはアルカリフォスファターゼ活性を示すGFP陽性細胞が多数確認された。【結論】低出力超音波刺激により骨折モデルにおける骨形成の活性は促進され、末梢血由来骨前駆細胞の関与が示唆された。低出力超音波刺激の骨折治癒促進効果のメカニズムとして、われわれは末梢血由来骨前駆細胞のホーミングに着目し検討を行った。前年度の結果から、骨膜を広範に除去した骨折モデルにおいては、低出力超音波刺激の有無に関わらず、外仮骨形成は不良であることが分かった。今年度は骨膜除去の範囲を限定した骨折モデルに対し、低出力超音波刺激の有用性と末梢血由来骨前駆細胞のホーミングに与える影響を検討した。骨折作製前にGFPマウスと野生株マウスを外科的に結合し、末梢循環を共有するparabiosisを作製した。この時、骨切り部から2mmのみ骨膜を除去した。2週および4週で検体を採取し、X線および組織標本にて評価を行った。骨折部周囲の外仮骨形成量は、LIPUS照射群が非照射群に比べ有意に多かった。アルカリフォスファターゼ活性陽性率もLIPUS照射群が非照射群より有意に高かった。LIPUS照射群の骨折部においてはアルカリフオスファターゼ活性を示すGFP陽性細胞が多数確認された。このことより低出力超音波刺激の骨折治癒に対する効果と末梢血由来骨前駆細胞の関与は残存する骨膜に影響されることが示唆された。来年度はホーミングを促進する因子についても検討する。LIPUSの骨折治癒促進効果と末梢血由来骨前駆細胞の関与について検討した。末梢血中の細胞をトラッキングするため、GFPマウスと野生株マウスを外科的に結合し、末梢循環を共有するparabiosisを作製した。LIPUS照射を1日20分間連日行い、非照射の場合と比較した。骨折後4週のX線評価では、骨癒合率はLIPUS照射群が100%であったのに対し、非照射群では20%であった。組織学的評価では、骨折部における末梢血由来GFP陽性細胞は、LIPUS照射群の2週で7.6%、4週で7.4%、非照射群の2週で2.4%、4週で6.3%であり、LIPUS照射群の2週において有意に多くみられた。アルカリフォスファターゼ活性陽性率は、LIPUS照射群の2週で77.9%、4週で36.4%、非照射群の2週で9.2%、4週で25.8%であり、LIPUS照射群において有意に高かった。

このことより、LIPUS照射により末梢血由来骨前駆細胞のホーミングが促進されることが確認された。また、LIPUS照射群の骨折部仮骨内において、免疫組織化学的にケモカインstromal cell-derived factor 1 (SDF-1)の発現がみられた。その受容体であるCXCR4の発現もみられ、さらに、末梢血由来GFP陽性細胞での発現が確認された。LIPUSによる末梢血由来骨前駆細胞ホーミングのメカニズムとしてSDF-1/CXCR4システムが関与している可能性が示唆された。