hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
3Dプリンターによる立体模型を用いた脳神経外科手術教育システムの確立

(はじめに)経錐体骨到達法の手技の中で乳様突起削除や錐体骨削除などの骨ドリリングは重要な手術操作である。本研究では、経錐体骨到達法のドリリング練習用に、3Dプリンターを用いて脳神経や脳幹とともに、錐体骨内の各解剖学的部位が色付けされた立体模型を作製した。本研究の目的は、元データである3D画像と比較することによって、本立体模型における解剖学的再現性、各解剖間の推測距離の正確性、骨ドリリング練習用としての有用性を評価することとした。(方法)当院である東邦大学医療センター大森病院で経錐体骨到達法を行った症例のうち、錐体斜台部に発生した脳腫瘍の1例を選択した。はじめに、CT, MRI, DSAの術前画像データを基に、三叉神経、顔面神経、聴神経、脳幹、内頚動脈、椎骨脳底動脈、および錐体骨内の三半規管、耳小骨、蝸牛、顔面神経管をそれぞれ色付けした3D画像を作成した。次いで立体模型においても同様にそれぞれの部位を色付けして造形した。被検者は脳神経外科医13名で、以下の項目を評価した。1) 3D画像および立体模型における解剖学的再現性、2) 3D画像および立体模型における各解剖部位間の推測距離、3)ドリリング練習用としての本立体模型の有用性(結果)本立体模型は元データである3D画像と解剖学的な再現性に差異はなかった。本立体模型における解剖部位間の推測距離は、3D画像の推測距離よりも実測距離との誤差が少なかった(p<0.0001)。本模型は、開頭および錐体骨削除のドリリング練習用として良好な評価を得た(p<0.05)。(結語)本立体模型は、解剖学的再現性、解剖部位間の推測距離の精度、ドリリング練習用としての評価が高かった。それゆえに、本モデルは、経錐体骨到達法における開頭から錐体骨削除までのドリリング練習用として有用であると結論した。今後、脳神経外科の手術教育システムとして、教科書や講義による基礎学習、実際の術前画像の読影と評価、手術動画や三次元合成画像を用いた解剖の理解、さらに立体模型のドリリングを行うことによる錐体骨削除を含む体系化された手術学習法を構築する。本研究の目的は、各脳神経外科疾患の神経放射線画像データをもとに、3Dプリンターを用いて様々な手術に則した立体模型を作製し、その手術教育方法を確立することにある。研究実施計画として、以下の5項目を挙げている。すなわち、1.三次元画像解析ソフトを用いて神経放射線画像データから三次元合成画像を作成する、2. 3Dプリンターを用いて各手術法に則った立体模型(部分的な網目状構造、内部が色付けされた骨)を開発する、3.立体模型の解剖学的再現性および精度を評価する、4.立体模型を用いた手術教育システムを構築する、5.本教育システム自体の評価を行う、である。初年度(平成28年度)はそれらのうち1から3の項目を行った。具体的な研究実績として、画像データの位置合わせを含む三次元合成画像の作成、医療画像データにおけるDICOMデータフォーマットからSTLデータフォーマットへの変換とその際の誤差の縮小の研究を行った。これらは、本研究における立体模型の解剖学的精度を担保する根幹をなし、今後の研究遂行における基礎的技術として重要である。その上で、3Dプリンターを用いた各手術法に則った立体模型のひとつとして、頭蓋底腫瘍を網目状構造へ変換することに成功し、その研究内容をいくつかの学会で発表するとともに、国際学会誌に掲載した。今後の研究計画は、項目2のひとつである骨内部を色付けした立体模型を作製し、実際に顕微鏡下でドリリングの手術ができる模型へと改善していくことである。最終的な目標は、各手術法に則った立体模型(部分的な網目状構造、内部が色付けされた骨)を用いた手術教育システムの構築であり、法的および経済的に制限のある遺体を用いた手術手技研修(Cadaver training)と相互補完できるようにすることである。研究実施計画として、1.神経放射線画像データからの三次元合成画像の作成、2. 3Dプリンターを用いた各手術法に則った立体模型(部分的な網目状構造、内部が色付けされた骨)の開発、3.立体模型の解剖学的再現性および精度の評価、4.立体模型を用いた手術教育システムの構築、5.本教育システム自体の評価の5項目を挙げ、初年度(平成28年度)はそれらのうち1から3の項目を行った。すなわち、神経放射線画像データからの三次元合成画像の作成として、CT、MRI、脳血管造影の複数の画像データの位置合わせ、およびその誤差の縮小に成功している。次いで、三次元合成画像をDICOMデータフォーマットからSTLデータフォーマットへ変換することで、3Dプリンターを用いた立体模型を造形した。さらに、コンピュータソフトの機能を駆使して、立体模型における腫瘍の網目状構造化に成功した。腫瘍の網目状構造化における手術シミュレーションへの有用性は、頭蓋底腫瘍において腫瘍を充実性にした模型、腫瘍を省略した模型、腫瘍を網目状化した模型の三種類を作製し、それぞれの立体的位置関係や深部の透見度を評価することで行った。その結果、腫瘍の網目状化は他の2種類の模型に比して統計学的有意差をもって有用であることが証明され、その研究内容を国際学会誌に掲載した。現在、骨内部を色付けした立体模型の造形に着手しており、脳神経外科として重要な手術手技のひとつであるドリリングにおける教育上の有用性を検討中である。

本研究の目的は、脳神経外科医の手術教育方法を確立するために、術前神経放射線画像データから3Dプリンターを用いて様々な手術に則した立体模型を作製することにある。研究実施計画として、以下の5項目を挙げており、1.三次元画像解析ソフトを用いて神経放射線画像データから三次元合成画像を作成する、2. 3Dプリンターを用いて各手術法に則った立体模型を開発する、3.立体模型の解剖学的再現性および精度を評価する、4.立体模型を用いた手術教育システムを構築する、5.本教育システム自体の評価を行う、である。初年度(平成28年度)にはこれらのうち、1から3の項目として、三次元合成画像の作成、医療画像データにおけるDICOMデータフォーマットからSTLデータフォーマットへの変換とその際の誤差の縮小の研究を行い、本研究における立体模型の解剖学的精度を向上させた。次いで、3Dプリンターによる立体模型のひとつとして、頭蓋底腫瘍を網目状構造に変換することで腫瘍深部を透見できるシミュレーション用模型を作成し、その有用性を学会で発表するとともに国際学会誌に掲載した。平成29年度には、頭蓋底外科手術の技術として必要な前床突起削除が可能な立体模型を作製した。本模型と元データである三次元合成画像との良好な解剖学的再現性を証明した上で、本模型の前床突起削除を行い、その手術練習用模型としての有用性を示すことができた。本内容は国際学会誌に掲載された。現在、錐体骨内部に包埋された微小解剖学的部位を様々に色付けし、経錐体骨到達法の手術練習用模型を作製、その解剖学的精度を検証中である。その後、本模型に対して、脳神経外科医に手術用顕微鏡下で経錐体骨到達法の開頭および錐体骨のドリリングを行わせて、その練習用模型としての有用性を評価する予定である。これらにより、研究実施計画の項目4および5に移行する。研究実施計画として、1.神経放射線画像データからの三次元合成画像の作成、2. 3Dプリンターを用いた各手術法に則った立体模型(部分的な網目状構造、内部が色付けされた骨)の開発、3.立体模型の解剖学的再現性および精度の評価、4.立体模型を用いた手術教育システムの構築、5.本教育システム自体の評価の5項目を挙げている。初年度(平成28年度)はそれらのうち1から3の項目として、神経放射線画像データからの三次元合成画像の作成、CT、MRI、脳血管造影の複数の画像データの位置合わせを行い、次いで、三次元合成画像をDICOMデータフォーマットからSTLデータフォーマットへの変換によって、3Dプリンターを用いた立体模型を造形した。加えて、立体模型における腫瘍を網目状構造化し、腫瘍深部を透見できる手術シミュレーション用模型の開発に成功し、国際雑誌に論文掲載させた。また、頭蓋底外科手術の手技のひとつである前床突起削除のための立体模型を作製し、その手術シミュレーションの有用性を国際雑誌に掲載発表した。現在、経錐体骨到達法用の立体模型の作製に着手しており、研究実施計画の項目4および5へと順調に進んでいる。(はじめに)経錐体骨到達法の手技の中で乳様突起削除や錐体骨削除などの骨ドリリングは重要な手術操作である。本研究では、経錐体骨到達法のドリリング練習用に、3Dプリンターを用いて脳神経や脳幹とともに、錐体骨内の各解剖学的部位が色付けされた立体模型を作製した。
蛋白分解系によるWNKシグナル調節機構の解明

偽性低アルドステロン症II型(PHAII)という遺伝性高血圧性疾患の原因遺伝子として報告されたWNKキナーゼは、腎臓において塩分出納の主たる制御機構の中心分子となり、電解質や血圧を生理的に調節していることを我々は発見しており、本研究課題では、PHAIIの病態解明だけでなく、血管、脂肪分化、筋組織分化などの全身臓器における機能を明らかにした。これらは、水電解質を高血圧や肥満などのメタボリックシンドロームや筋萎縮(サルコペニア)などの一般疾患につなげるという意味で重要な研究と考えられた。具体的には、PHAIIではKLHL3の発現量低下が起こることを、病態モデルノックインマウスを作成し証明した。(Clin Exp Nephrol. 2018 )。また、糖尿病治療薬であるメトホルミンが、腎遠位尿細管のNa-Cl共輸送体(NCC)のリン酸化を抑制し塩分排泄を増加させることを明らかにした(Metabolism. 2018)。血圧制御因子WNK1キナーゼが,骨格筋においてはFOXO4の転写活性を調節し骨格筋肥大を制御することを発見した。このWNK1-FOXO4シグナルの機能低下がCKDによるサルコペニアの一機序である可能性も示した(Sci Rep. 2018)。さらにProtein Kinase A (PKA)とPKAのアンカータンパクであるAKAPsとの結合を阻害する低分子化合物FMP-API-1は、腎臓集合管のAQP2水チャネルを強力に活性化した(Nat Commun. 2018)。CKDによって蓄積される尿毒素などが腎臓や心臓、骨格筋などにおいてAMPKの機能低下をもたらし、さらなるエネルギー状態不良を生み出すという負のサイクルを解明し、AMPKのエネルギーセンサー機能を介さない直接活性化薬などがCKDの新規治療薬になる可能性を明らかにした(Kidney Int. 2019)。平成30年度が最終年度であるため、記入しない。Cullin3/KLHL3複合体がWNKキナーゼを捕捉し、WNKキナーゼのユビキチン化を介して分解し、腎臓内でのWNKキナーゼ分解障害によるWNK蛋白増加が下流のWNK-OSR1/SPAK-NaCl共輸送体(NCC)シグナル系の過剰亢進を起こして、偽性低アルドステロン症II型の高血圧の原因となることを明らかにした。さらに常染色体優性遺伝形式を呈するKLHL3の発症メカニズムが、KLHL3の2量体形成によって、異常なkelch repeatをKLHL3が一つでもあるとWNKを捉えられなくなるというdominant negative effectによって優性遺伝型で発症することを明らかにした。( Mol Cell Biol. 2017)。さらにWNK4ノックアウトマウスが肥満抵抗性であることを、3T3-L1細胞においてWNK4が脂肪細胞分化に伴い強力に誘導され、WNK4抑制は培養細胞における脂肪滴蓄積を障害することを発見し、WNK4がメタボリック症候群の鍵分子になりうることを報告した(EBioMed 2017)。また、腎性尿崩症の治療を検討するためにAQP2水チャネルの制御機構についての研究を行い、Wnt5aがカルシニューリン活性化を通じて、cAMPを介さないAQP2活性化機序を有し、腎性尿崩症の新しい治療薬になりうる事を示した(Nat Commun. 2016)。また、腎臓近位尿細管細胞は、塩分負荷により、IFNγ受容体の発現減少を介して、下流のJAK1/STAT1シグナルが抑制され、IFNγ誘導性のケモカインの発現を直接的に抑制することを示した(Sci Rep. 2017)。またKLHL2ノックアウトマウスを作成し、生体においてWNKキナーゼを分解する機能を有することを明らかにした(BBRC 2017).英文誌9報を報告し、順調に計画は進行している。WNKシグナルに関わる研究として、KLHL3プロモーター下にβ-galactosidaseを発現するKLHL3 KOマウスを作成した。KLHL3 KOマウスの腎臓ではWNK1とWNK4の上昇を認め、高血圧など偽性低アルドステロン症2型(PHAII)の表現系を示し、変異KLHL3のドミナントネガティブ効果を明らかにした(Mol Cell Biol 2017)。KLHL2ノックアウトマウスの作成と解析を行った。(Biochem Biophys Res Commun. 2017)。WNK4ノックインマウスを用いたマイクロアレイから、塩分負荷がIFNガンマシグナルを制御することを報告した。(Sci Rep. 2017)最近のメタアナリシス研究でメトホルミンが糖尿病でない患者さんに対して血圧を低下させる効果があることが報告され、腎臓におけるメトホルミンの血圧調節作用やその機序は不明であったが、我々はメトホルミンの投与によって、マウスの尿中への塩分排泄量が増加することを明らかにし、腎臓の塩分輸送体について検討を行い、腎臓の遠位尿細管にあるナトリウム-クロライド共輸送体(NCC)のリン酸化が低下しており、NCCの活性化が低下するために尿中への塩分排泄が増加していた。単離した腎臓も、マウスでの実験と同様にNCCのリン酸化の低下を認め、メトホルミンがNCCのリン酸化を直接的に抑制することが示された。

本研究で、メトホルミンがNCCのリン酸化の抑制によって塩分排泄の増加をもたらすことが初めて明らかとなり、メトホルミンによる降圧作用の機序の一つが示された。近年、過食によって増加する、高血圧を有したメタボリック症候群症例などへのメトホルミンのさらなる活用が期待される。(Metabolism 2018)さらにKeap1-Nrf2阻害薬のスクリーニングも行い、CKDなどの治療の可能性を検討し、報告した。(Sci Rep. 2017)WNKシグナルの機能解明を進め、英文誌報に2017年度に10報の報告を行い、順調に進展していると考えられる。偽性低アルドステロン症II型(PHAII)という遺伝性高血圧性疾患の原因遺伝子として報告されたWNKキナーゼは、腎臓において塩分出納の主たる制御機構の中心分子となり、電解質や血圧を生理的に調節していることを我々は発見しており、本研究課題では、PHAIIの病態解明だけでなく、血管、脂肪分化、筋組織分化などの全身臓器における機能を明らかにした。これらは、水電解質を高血圧や肥満などのメタボリックシンドロームや筋萎縮(サルコペニア)などの一般疾患につなげるという意味で重要な研究と考えられた。具体的には、PHAIIではKLHL3の発現量低下が起こることを、病態モデルノックインマウスを作成し証明した。(Clin Exp Nephrol. 2018 )。また、糖尿病治療薬であるメトホルミンが、腎遠位尿細管のNa-Cl共輸送体(NCC)のリン酸化を抑制し塩分排泄を増加させることを明らかにした(Metabolism. 2018)。血圧制御因子WNK1キナーゼが,骨格筋においてはFOXO4の転写活性を調節し骨格筋肥大を制御することを発見した。このWNK1-FOXO4シグナルの機能低下がCKDによるサルコペニアの一機序である可能性も示した(Sci Rep. 2018)。さらにProtein Kinase A (PKA)とPKAのアンカータンパクであるAKAPsとの結合を阻害する低分子化合物FMP-API-1は、腎臓集合管のAQP2水チャネルを強力に活性化した(Nat Commun. 2018)。CKDによって蓄積される尿毒素などが腎臓や心臓、骨格筋などにおいてAMPKの機能低下をもたらし、さらなるエネルギー状態不良を生み出すという負のサイクルを解明し、AMPKのエネルギーセンサー機能を介さない直接活性化薬などがCKDの新規治療薬になる可能性を明らかにした(Kidney Int. 2019)。遺伝性高血圧疾患において新規に発見されたKLHL3とCullin3によるWNK分解系の発現部位や調節機構といった基本事項から、エピジェネティック制御まで幅広く行い、蛋白分解系による新規WNKシグナル制御機構の未知なる生理的役割と機能を詳細に明らかにする。また、生体での本制御系の破綻がもたらす病態を探求するためKLHL2,3およびCullin3遺伝子改変マウスの作成と解析ができており、さらに研究を発展させ、WNKシグナルに関わる遺伝子改変マウスを駆使して腎臓以外の臓器や病態での新たなWNKシグナルの機能探求を明らかにし、塩分感受性と臨床的に関連ある項目について検討を加えていく。
海底圧力計アレー観測による海洋／固体地球システム現象の解明

水深7000mの水圧をナノ分解能で測定する水晶式圧力センサーを組み込んだ海底圧力計10台を製作し、これらをアレーとして2014年5月から1年間青ヶ島東方沖の海底に、ついで場所を移し2015年5月から1年間鳥島はるか東方沖の海底に設置した。また、新規に開発された水晶式加速度センサーを組み込んだ海底3成分加速度計を宮城県沖海底に設置して試験観測を実施した(2013年5月から10か月間)。得られたデータを解析して、「日本海溝斜面を駆け上るボア」「火山性津波地震で励起された津波」「東青ヶ島海丘斜面を波源とする内部潮汐波」「北小笠原海溝沿いの超低周波逆断層地震」など多くの新奇海底現象を検出した。1.高感度水圧計アレーシステムの製作:当初計画に従って、ParoScientific社製水深7000m用水晶式ナノレゾルーション水圧計8B7000-I-005を10台、及び東大地震研究所塩原肇准教授開発のロガーを10台を購入した。当初計画にあった耐圧ガラス容器10台の購入は予算的に困難となったため、東大地震研から耐圧チタン容器10台を借り受け、それらの接続部分を測器と繋がるよう改造した。2.流速計システムの製作:別途予算で購入した超深度流速計(1台)は有用であるが最大2週間しかもたず、このままでは水圧観測と同時の長期観測はできない。このため流速計を分解しセンサー部分だけを取り出しその耐圧容器を特注して、水圧計システムと同じバッテリー群で長期駆動させることとした。この特注に時間がかかっため必要経費70万円を次年度繰越とし、次年度にこのシステムを完成させた。3.アレー海底設置のための海洋研究開発機構船舶利用申請書の提出:当初計画では、製作した水圧システムを次年度初旬に青ヶ島東方沖海底に設置することになっている。このための船舶利用の申請書を公募枠で申請し採択された。4.海洋長周期重力波励起源の探索:本計画の3番目の目的である海洋長周期重力波励起源の探索に向けて、海洋研究開発機構所有の熊野灘沖海底ネットワーク(DONET)の絶対圧水圧計及び海底広帯域地震計のデータを使って励起源探索を開始した。1.海底水圧計アレーの設置:平成26年5月12日から15日まで、海洋研究開発機構の深海潜水調査船支援母船「よこすか」にて、水圧計10台を青ヶ島東方沖海底(深さ1470-2258mの範囲)に正三角形状に設置した。各点を音響通信により測位し、XCTDを用いて水温、塩分濃度を深さ2000mまでの範囲で測定した。アレーの中心には広帯域海底地震計も設置した。2.海洋長周期重力波の励起源位置の探索:本計画の準備研究として、海洋研究開発機構の熊野灘沖海底ネットワークの水圧計アレーを用いて海洋長周期重力波を検出し、スラントスタック法を用いてそのアレーへの到来方向と伝播速度を測定した。到来方向に関しては、フィリピン海から南海トラフをほぼ直交して入射してくる波が圧倒的に卓越する。大陸棚からの反射は目立たない。強度には季節変化があり、夏に弱く冬に強い。3.海洋内部潮汐波の検出:本計画の準備研究として、海洋研究開発機構の熊野灘沖海底ネットワークの水圧計アレーを用いて、スラントスタック法により海洋内部潮汐波のアレーへの到来方向、伝播速度及び信号強度を測定する研究を開始した。4.流速計併用による海底擾乱の検出:平成25年5月から宮城県はるか沖海底でパロサイエンティフィック社の新型加速度計のテスト観測を行い、併せて改良前の超深海用流速計のパフォーマンスをテストした。システム全体は平成26年3月に回収され、観測期間10か月中に加速度計記録から42個の傾斜イベントが検出された。流速計は改良前のため観測開始後わずか2週間しか稼働していないが、傾斜イベントに伴って海水が2cm/s程度の流速で動き、0.02度程度温度低下するという驚くべき結果が得られた。5.平成27年度船舶利用の申請:平成27年5月に青ヶ島東方沖海底から水圧計アレーを撤収し、データを回収して鳥島はるか沖海底に再設置するための船舶利用申請を海洋研究開発機構に提出し採択された。当初計画1.青ヶ島東方沖海底に1年間設置した海底圧力計アレー10台と広帯域海底地震計+海底微差圧計1セットの引き上げ、データ回収、鳥島はるか沖への再設置を行う。2.熊野灘沖のDONET圧力計データから海洋内部潮汐波を検出するアルゴリズムを確立し、実際に検出を試みる。3.上記アルゴリズムを青ヶ島東方沖海底データに適用し、ここでも海洋内部潮汐波の抽出を試みる。4.新型海底加速度計を用いて検出した宮城県沖海底地滑りイベント群に関する論文を完成させる。5.次年度初頭における観測装置の最終回収に向けてJAMSTEC調査船公募利用を申請する。計画に沿った研究業績(下記項目は上記項目にそれぞれ対応)1.成功裏に全装置の引き上げ・データ回収・再設置を行った。但し再設置にあたって1台海底からの切り離し装置に不具合が見つかったため、1点は広帯域海底地震計+海底微差圧計1セットのみとした。2.アルゴリズムを完成し、実際に熊野灘沖DONETデータを解析して内部潮汐波を検出した。

3.青ヶ島東方沖では更に精度よく内部潮汐波を検出し、海洋流シミュレーショングループによる計算結果と比較し驚くべき良い一致を得た。この結果をもとに、同グループとの共同研究が生まれつつある。4.検出したのは地滑りではなく、海溝斜面を駆け上るInternal boresであることが判明。この意外な結果をJGR-Oceansに投稿し、査読過程を経て今、in pressの状態にある。5.JAMSTEC調査船利用の申請は採択され、2016年6月後半に新青丸で全装置とデータの回収を行う予定その他.2015年5月2日に発生した鳥島津波地震の地震波と津波が100-kmの近距離で記録された。これは津波地震の海底アレー記録としては世界初のものである。記録の初期的なアレー解析結果を2015年AGU大会で報告した。自己評価としては(1)と(2)の間と判断する。「研究実績の概要」にまとめたように、当初計画に挙げた5項目の目標は全て達成した。但し4項目目については、2011年東北沖地震の震源域の海底下で起きている現象を検出することが目的であったが、検出された現象は予想外の海洋物理現象であった。この現象は海洋物理学的に大きな意義を持つものであったため観測結果はJGR-Oceansに掲載されることになった。当初目的とは異なる発見であったが、大きな成果であったと自己評価する。それ以外にも偶然ではあったが、観測アレーから近距離で発生した津波地震の地震波と津波をアレーで記録するという稀有のチャンスを得た。これは世界的にも珍しい記録であり、当初計画外と言えども大成果として挙げることができる。(1)2016年6月27日から7月2日にかけて実施した海洋研究開発機構「新青丸」によるKS-16-J08回収航海において、1年間鳥島はるか東方沖に設置していた水圧計9台と広帯域改訂地震計1台を回収した。水圧計1台を除いて全て全期間順調に記録されていた。2015年9月2日にアレーのわずか50km北東の小笠原海溝近傍で起きたM6.1の衝上断層地震とその余震群の記録には海洋レイリー波エアリー相が卓越することを確認した。(2)2014年から2015年までの10か月間、新規開発された水晶式加速度計を宮城県沖の3400mの海底に設置して測器の試験観測を行った。記録から日本海溝斜面を駆け上る海洋ボア現象50イベントを検出し、結果をJGR-Oceansに発表した。(3)2015年5月2日の鳥島近海地震(M5.7)は地震の規模の割に津波が異常に大きいいわゆる津波地震であった。2014年5月から2015年5月にかけて青ヶ島東方沖に設置した海底圧力計アレーは震央からわずか100kmに位置し、この地震波と津波を見事に記録していた。この記録を解析し、波源域がスミスカルデラに一致すること、地震波から求めた津波波高では観測を全く説明できないことを示し、地震波を励起せずに津波だけを生成するエレメンタリーな断層型が存在すること指摘し、結果を論文にまとめてNatureに投稿した。(4)青ヶ島東方沖アレー記録からM2内部潮汐をスラントスタック法により抽出し、海洋潮汐を取り込んだJCOPE海流モデルと比較して、位置的・規模的に両者の良い一致を見た。結果は2017年JpGU-AGU大会で発表の予定。同じく青ヶ島東方沖アレー記録から海洋重力波をスラントスタック法により海洋長周期重力波を抽出し、到来方向を逆伝播させることにより波源域は南米太平洋岸にあることを確認した。
洪水－渇水を連続的に解析できる低平地対応型の水循環モデル開発

分布型水循環モデルに低平地域の特徴である農地湛水/排水プロセスを組み込み、上流から下流までの流域水循環を一体的に評価するためのアルゴリズムを構築する。それに加え、農業水利施設(用排水路、ポンプ場その他)の施設操作をルール化してモデルに組み込むことで、洪水から渇水までの一連解析が可能となる水循環モデルを開発する。これにより、洪水、渇水の両面に対する気候変動リスク評価や、洪水時のリスクレベルに応じた段階的な対策を講じる等の流域一体管理方法に繋がる情報を発信する。
遺伝子異常からみた排卵障害の新しい概念の構築

多嚢胞卵巣症候群(PCOS)と早発卵巣不全(POF)を主な対象として、難治性排卵障害遺伝子異常を検討し、従来の病態ではなく、病因による排卵障害の分類を試みた。(2)FSHレセプターこれまで海外で報告されているinactivating mutationは認めなかった。一部の症例にmissensemutationを認めたが、正常コントロール症例との間に有意な頻度差は認めなかった。一部の症例のD1、D2、D3、D4に、アミノ酸変異を認めたが、正常コントロール症例との間に有意な頻度差は認めなかった。以上のように、これまで卵胞のリクルートメントや発育に重要な役割を果たしていると言われている遺伝子、PCOSの成因に関与していると言われているドーパミンのレセプターに有意な異常は認めなかった。今後、さらに対象遺伝子を拡大して、排卵障害の遺伝子異常から見た新たな概念の構築と個別的治療の開発に関する検討を進めていく予定である。なお、本研究は滋賀医科大学倫理委員会の承認を受け、患者より同意を得た上で試料の採取を行った。
情報モラルにおける変容の研究-教育倫理学の観点から-

平成17年度から18年度にかけて行われた本研究は、とりわけ教育に関わる応用倫理学的場面において、情報モラルの変容の実態を明らかにすることに主な狙いがあった。この目的は、2年間の研究によりほぼ達成されたと言うことができる。研究代表者がこの課題を教育という場面で考察したのは、教育改革の中に情報教育及び情報倫理教育(ここでは「情報モラル」という言葉が使用されている)が位置づけられてきたからであり、またその際、情報モラルが固定的なものとして扱われていたからである。こうした狙いで進められた2年間の成果は、多くの論文、著書となって結実した。また他の研究機関と協力しながら、新たな情報モラル的状況の一面を明らかにすることもできた。たとえば、日常世界と電子ネットワーク世界の連接傾向を高校生のコミュニケーション形態に即して検討したが、両世界の連接が進むとともに、情報モラルも変容しつつあることが確かめられた。さらに、そうしたコミュニケーション状況を変えることが可能であるか否かを実践的に検討することにし、「P4C」(Philosophy for Children)と呼ばれる方法を参考にしつつ、コミュニケーションスタイルの変容(=改善)の方策を模索することにした。そのための授業プログラムを開発し、研究協力関係にある高校の授業の中で実際に試行した。以上のように、全体の研究目標はほぼ達成されたと考えている。とりわけ若い世代において、情報モラルと日常モラルとは連接しており、場合によってはすでに同化していると言ってよいほどに区別されえない状況が確認された。こうした成果を踏まえて、今後、コミュニケーションスタイルの変容の方策を目指す授業プログラムの研究に進む予定である。本年度は、研究実施計画に従って、研究課題の三つの目的のうち1と2(情報モラルと日常モラルの相違点の比較解明、及び日常世界のコミュニケーション形態とコンピュータ・コミュニケーションの形態との比較)を重点的に追求した。これらについてはこれまでの研究である程度の研究実績があるが、「情報モラルの変容」という観点での研究においては十分な考察には達していなかった。そのため、1では、研究目的に記した具体的な問題(時間空間的な条件と諸概念の意味の相違)に沿いながら、そうした実績を出来る限り精緻にするようつとめた。これにより、日常モラル側の変容が情報モラルの内容に大きく影響していることが確かめられた。しかも、この傾向は近年顕著になりつつある。このことは、日常モラルと情報モラルの連接ひいては日常世界と電子ネットワークの世界との連接が(予想した以上の速度で)進んでいることを意味している。それが同時に、現実世界がますます情報化されつつあることの1つの証左であることは言うまでもない。2においては、電子ネットワークに特有の表記形態と電子診断プログラム等を考察対象にする予定であったが、それ以前に、日常のコミュニケーション形態の変容状況を確認する必要があると判断し、コミュニケーション状況の実態調査に着手することにした。具体的には、約80名の高校生に対してインタビューを試み、彼らのコミュニケーションのあり方と電子ネットワークにおけるコミュニケーションの特徴との類似点等を取り出し、それが先に述べた「日常世界と電子ネットワークの世界との連接」の問題とどのように関わってくるのかを調査した。そのデータについては、現在、分析を進めている最中であり、結論を得るには至っていない。以上の成果を踏まえて、来年度の研究においては、情報モラルと日常モラルの連接の状況をさらに具体的なレベルに踏み込んで論及したいと考えている。本年度は、昨年度の研究成果に基づき、全体の研究目標(情報モラルと日常モラルの連接の状況)をさらに踏み込んで論及した。ただし、三つの下位課題のうち第三の課題については、むしろ追求すべきでないと判断し(その主な理由は、学校のガイドラインが今日では教育委員会レベルで作成されたものを踏襲している場合が多く、それゆえガイドラインそのものが事例分析のための材料になりにくいことが判明した点にある)、1と2の課題を実践的な観点から掘り下げるべきとの結論に達した。

本年度は、日常世界と電子ネットウーク世界の連接傾向を高校生のコミュニケニション形態に即して検討することにした。とりわけ携帯電話を介したコミュニケーションスタイルは、目常レペルのそれとほぼ同質的であることが確かめられた。ただし、この場合、両コミュニケーションスタイルの同質性は因果的な関係によってもたらされると言うよりも、むしろ、それ以前に一体化されていた。それほどに、日常世界と電子ネットワークの世界との連接は進んでいる、と考えられてよい。さらに、そうしたコミュニケーション状況を変えることが可能であるか否かを実践的に検討することにし、「P4C」(Philosophy for Children)と呼ばれる方法を参考にしつつ、コミュニケーションスタイルの変容(=改善)の方策を模索することにした。そのための授業プログラムを開発し、研究協力関係にある高校の授業の中で実際に試行した。その有効性については、現在、その成果が出つつある。以上のように、全体の研究目標はほぼ達成されたと考えている。とりわけ若い世代において、情報モラルと日常モラルとは連接しており、場合によってはすでに同化していると言ってよいほどに区別されえない状況が確認された。こうした成果を踏まえて,今後、コミュニケーションスタイルの変容め方策を目指す授業プログラムの研究に進む予定である。
住居室内の快適空気環境に関する研究

生活環境において不快の原因となるにおいについてアンケート調査した結果、住居室内では、「生ゴミ臭」「トイレ臭」「調理臭」「排水口臭」「タバコ臭」の順で気になる割合が高く、気になる程度への影響はにおいの強さより感じる頻度が影響していた。また、台所が不快なにおいを感じる場所であり、生ゴミの貯留方法や換気に注意しており、臭気感覚へは貯留時間や容器の密閉性が影響している実態が把握できた。生ごみ臭発生実験では、生ゴミの材料や貯留条件の発生特性への影響について被験者実験を行った。感覚測定には被験者を用いて臭気濃度は三点比較式臭袋法により求め、機器測定ではより臭気濃度を測定した。細かく切った材料を水切りせずに高温で貯留すると発生臭気量は増加した。また、生ゴミ容器からの漏出臭は蓋の開口時の臭気漏出量は閉鎖時に比べ420倍多くなった。さらに、生ゴミ臭の許容レベルを用いて臭気除去のための必要換気量を算定し、貯留状態での生ゴミ臭の発生抑制、高密閉容器で漏出臭の防止、漏出臭や開口時の発生臭気は換気により除去する管理システムが有効であることを示した。住居の空気環境の実測調査では、ニオイセンサーや環境測定器を用いて炭酸ガス濃度、臭気濃度、換気量などを測定した。住居の台所での臭気感覚とニオイセンサー値はポリ容器の蓋のい開口時に高くなり貯留日数が長い程高くなる傾向が認められることから生ゴミの貯留日数や蓋の開閉が影響していることを明らかにした。現在、データーを詳細に分析中であり、学会等で発表する準備を進めている。今年度は、主として住宅の空気環境の実測調査および生ごみ臭発生実験を行った。家庭から排出される生ごみは、台所又はベランダに貯留され、ごみ収集日に排出する方法がとられ、生ごみを貯留している間に生ごみ袋や生ごみ容器から臭気が漏出している。住宅の空気環境の実測調査では、その生ごみ臭について、実際の住宅における臭気濃度、ニオイセンサー値、炭酸ガス濃度などの空気環境要素を測定し、住宅の空気環境の実態を検討した。その結果、生ごみ臭の発生状況を把握するには臭気強度評価およびニオイセンサー値が有効であることが示された。次に、住宅における臭気感覚とニオイセンサー値の経時変動をみると、生ごみ容器の蓋の開閉時や生ごみの排出時にレベルが高くなり、生ごみ容器の蓋を開けた時の生ごみ臭の値は貯留日数が長くなる程増加する傾向が認められた。また、許容レベルをニオイセンサー値から検討し、これを超える時間をみると、台所で生ごみを貯留する日数や容器の開閉状態・密閉性が関係していた。さらに、臭気成分の分析では、臭気濃度に影響する物質はメチルメルカプタンであることを明らかにした。生ごみ臭発生実験では、生ごみ容器が入る大きさのアクリル製の箱に生ごみ容器を入れて臭気発生量を測定し、漏出臭気、蓋の開口時に拡散する臭気の発生特性を検討した。その結果、漏出臭気は生ごみ収納袋の違いや生ごみ容器により異なり、水分を吸収し易い素材程、密閉性が悪い容器程多くなり、容器開口時の拡散臭気は漏出臭気の約430倍となった。また、臭気濃度に影響する物質はメチルメルカプタであり、生ごみ臭の許容レベルはメチルメルカプタンを指標とすると0.0003ppmとなることを明らかにした。
マウス化学発癌モデルを応用した口腔粘膜前癌病変の癌化予防遺伝子療法に関する研究

野生型C57BL/6マウスに、発癌剤4-NQOまたはB[a]P溶液を経月投与する化学発癌モデルを確立した。発癌剤投与群の舌組織を採取したところ、投与後3-6週間で、舌粘膜上皮に著明な異形成変化(基底細胞の極性の乱れ、基底細胞層の多層化、有棘細胞の核・細胞質比の増大など)が観察された。これらの異形成上皮組織において、細胞周期G1期進行の抑制因子p21の発現増強が免疫組織学的に観察された。また、その標的因子であるcyclinD/CDK4複合体の発現増強も認められた。加えて上皮の異形成変化に伴い、転写因子E2Fの阻害因子であるRbの高リン酸化が誘導されることが分かった。さらに、Affymetrix社のGeneChip Expression Analysis Systemを用いて発癌剤処理マウス舌組織におけるmRNA発現プロファイルの網羅的解析を続いて行った。その結果、解析された遺伝子は、処理期問にかかわらず発現増強する遺伝子群、keratin6のように処理時間依存的に発現上昇する群、処理直後に著明に減弱し、その後増強するその他のケラチン遺伝子を含む遺伝子群に大別された。また、レーザーマイクロダイセクションを用いて上皮組織のみを採取し、RT-PCRにて上皮細胞分化マーカー遺伝子の解析を行ったところ、loricrin遺伝子の発現が上皮異形成の進行に伴って増強されることが分かった。これらの結果より、細胞周期調節に関与する遺伝子群、keratin遺伝子群、上皮分化マーカーloricrinなどが標的遺伝子として利用できる可能性が示唆された。現在、クローニングされたこれらの遺伝子をプラスミドベクターに組み込んで治療用ベクターを作製し、マウス3T3への遺伝子導入実験を行っている。この結果から遺伝し導入効率が優れたベクターを複数選び、マウスを用いたin vivo実験を行う予定である。野生型C57BL/6マウスに、発癌剤4-NQOまたはb[[a]p]溶液を経口投与する化学発癌モデルを確立した。発癌剤投与群の舌組織を採取し、病理組織学的検索を行ったところ、4-NQO投与群で23週間、b[a]p投与群では約6週間後に、基底細胞数の増加と細胞極性の乱れ、有棘細胞の形態異常と核/細胞質比の増大、染色性の増強など、軽度から中等度の異形上皮の所見が得られた。このような変化が起きるまでの細胞周期調節因子の発現変化を、免疫組織化学的に解析した。細胞周期G1期進行の抑制因子p21の発現は、未処理群の舌組織においてはほぼ検出レベル以下であったが、4-NQOまたはb[a]p処理後時間依存的に発現増強されているのが認められた。同様の結果は、Western blot analysisにおいても得られた。G1期進行の促進因子であるcyclin DおよびCDK4、抑制因子p27の発現増強は、RT-PCRにおいては弱いながら認められたが、Western blottingでは明らかでなかった。しかし、免疫組織学的解析において、cyclin Dの細胞内局在性の変化が観察された。すなわち、未処理群において、cyclin Dは主として細胞質内に認められたが、処理群においては、代わって核がcyclin D強陽性となった。これは、発癌剤処理時間が長くなるに伴って顕著となった。G1-S進行を制御する転写因子E2Fと、その抑制因子Rbの発現変化は、mRNA、タンパクいずれのレベルでも著明には認められなかったが、Western blottingにおいて、高リン酸化Rbの割合の増加を強く示唆する結果が得られた。これらの結果から、本研究で解析しているマウス化学発癌過程において、G1-S進行に関与する因子の発現変化が重要である可能性が示され、潜在的に遺伝子療法のターゲットとなり得ると考えられた。

現在、クローニングされたこれらの遺伝子をプラスミドベクターに組み込んで治療用ベクターを作製し、マウス3T3への遺伝子導入実験を行っている。この結果から遺伝し導入効率が優れたベクターを複数選び、マウスを用いたin vivo実験を行う予定である。
哺乳動物の選択的なフェロモン受容機構

神経細胞の一種であるフェロモン受容細胞は、フェロモン情報を電気的信号に変換することにより中枢に情報を伝える。フェロモン受容細胞での情報伝達に関与するセカンドメッセンジャー系の解析するために、ラット鋤鼻器感覚上皮より調製した膜標品に尿フェロモンを与えたときのcAMPとIP_3濃度変化を測定した。フェロモンは、cAMP濃度を全く変化させなかったが、IP_3濃度を増加させた。また、IP_3をフェロモン受容細胞内に投与すると興奮性の応答が測定されたのに対し、cAMPを与えても膜電流は全く変化しなかった。これらの結果から、IP_3がセカンドメッセンジャーとしてフェロモン受容に関与していることが示唆された。感覚上皮には、GiおよびGoを有する感覚細胞が層構造をもって分布している。一方、動物は数種類のフェロモンを受容しているために、その分布とフェロモン選択性が関連することを予想した。そこで、Wistar系のオスとメスおよびDonryu系のオスラットの尿フェロモンを様々な層に存在するフェロモン受容細胞に投与した。感覚上皮上部に存在するGo陽性細胞は、Wistar系オスラットの尿フェロモンに選択的に応答し、下部に存在するGi陽性細胞はWistar系メスラットおよびDontyu系オスラットの尿フェロモンに選択的に応答した。フェロモン情報は、まず、副嗅球に入力する。副嗅球には、GiおよびGo陽性細胞が入力する2つの領域が存在する。そこで、種々のフェロモンが副嗅球でどの領域の神経細胞を興奮させるかを抗Fos抗体を用いて調べた。Wistar系オスラットの尿フェロモンを投与すると副嗅球の前半部に、wistar系メスラットの尿フェロモン投与すると後半部にそれそれ特異的にFos陽性細胞を発現させた。これらの結果は、フェロモン情報が特異的な経路で中枢に伝達されることを示した。(1)細胞レベルでのフェロモン受容細胞の解析神経細胞の一種であるフェロモン受容細胞は、フェロモン情報を電気的信号に変換することにより中枢に情報を伝える。ラット鋤鼻器感覚上皮より調製した膜標品をGTPγSで刺激したところ、IP_3が産生したことから、IP_3合成酵素が存在することを確認した。さらに、フェロモンが含まれている尿標品を与えたところ、濃度依存的にIP_3が産生した。また、IP_3の産生は、GiおよびGiをADPリボシル化する百日咳毒素で抑制された。これらの結果から、尿フェロモンはGiあるいはGoを介してIP3各成酵素を活性化し、IP_3の産生を引き起こすことが示唆された。(2)受容細胞におけるフェロモン選択性の解析感覚上皮には、異なるタイプのG蛋白質およびG蛋白質共役型受容体が層構造をもって分布していることが報告されている。そこで、異なる種類のフェロモンを様々な層に存在するフェロモン受容細胞に投与して、フェロモン受容の選択性を解析した。その結果、ウィスター系オスラット尿は、感覚上皮上部に存在するGi陽性細胞に、ウィスター系メスラットおよびドンリュー系オスラット尿は感覚上皮下部に存在するの陽性細胞に応答を引き起こした。この結果は、フェロモンが異なるG蛋白質を有する感覚細胞で選択的に受容されていることを示唆した。フェロモン受容細胞での情報伝達に関与するセカンドメッセンジャー系の解析するために、ラット鋤鼻器感覚

上皮より調製した膜標品に尿フェロモンを与えたときのcAMPとIP_3濃度変化を測定した。フェロモンは、cAMP濃度を全く変化させなかったが、IP_3濃度を増加させた。また、IP_3をフェロモン受容細胞内に投与すると興奮性の応答が測定されたのに対し、cAMPを与えても膜電流は全く変化しなかった。これらの結果から、IP_3がセカンドメッセンジャーとしてフェロモン受容に関与していることが示唆された。感覚上皮には、GiおよびGoを有する感覚細胞が層構造をもって分布している。一方、動物は数種類のフェロモンを受容しているために、その分布とフェロモン選択性が関連することを予想した。そこで、Wistar系のオスとメスおよびDonryu系のオスラットの尿フェロモンを様々な層に存在するフェロモン受容細胞に投与した。感覚上皮上部に存在するGo陽性細胞は、Wistar系オスラットの尿フェロモンに選択的に応答し、下部に存在するGi陽性細胞はWistar系メスラットおよびDonryu系オスラットの尿フェロモンに選択的に応答した。フェロモン情報は、まず、副嗅球に入力する。副嗅球には、GiおよびGo陽性細胞が入力する2つの領域が存在する。そこで、種々のフェロモンが副嗅球でどの領域の神経細胞を興奮させるかを抗Fos抗体を用いて調べた。Wistar系オスラットの尿フェロモンを投与すると副嗅球の前半部に、Wistar系メスラットの尿フェロモン投与すると後半部にそれぞれ特異的にFos陽性細胞を発現させた。これらの結果は、フェロモン情報が特異的な経路で中枢に伝達されることを示した。
脳の神経生理・生化学的変化のネットワークによる連続モニタシステムの開発-脳梗塞急性期の血行再建術施行患者を対象として-

■クモ膜下出血患者5例を対象に,脳低温療法(内頸静脈球部血液温:3334°C)を施行した.■脳循環,生理機能評価経頭蓋超音波ドプラー法では,全症例で中大脳動脈平均血流速度が増大した(166±29cm/sec,mean±SD,以下同様),脳低温療法導入により脳波は徐波化(δθ波),聴覚誘発脳波は潜時が延長し,復温によりいずれも正常化した.近赤外線分光法による測定では,体温と酸化および総ヘモグロビンとの間に正の相関関係がみられた.各症例で得られた体温変化(ΔBT)と総ヘモグロビン変化(ΔtHb)の間には正の相関がみられた(ΔtHb=4.2×ΔBT+3.6;r^2=0.72).■脳生化学的評価高速液体クロマトグラフィーによる髄液中の興奮性アミノ酸(EAA),すなわちグルタミン酸(GLU),アスパラギン酸(ASP)の測定では,脳低温療法導入前のEAAはともに対照群(GLU/ASP:16±0.7/0.6±0.5μmol/L)に比して有意に高値(11.4±8.7/3.1±2.3)を示したが,脳低温療法導入によりいずれも低下した(2.2±1.1/1.3±0.8).キャピラリー電気泳動法による髄液中の窒素酸化物(NO2+NO3)測定では,脳低温療法導入前は,対照値の(0.36±0.10μmol/L)に比べて有意に高く,脳低温療法導入後も高値が持続した(0.54±0.17→0.57±0.14).■オンライン・ネットワークモニタリング今回の研究により,各種モニタ機器のオンラインデータ収集,ネットワーク接続の基盤が得られたが,ネットワーク転送速度とコンピュータ処理速度の限界から,複数のモニタリング項目を統合したリアルタイム評価は実用レベルには至らなかった.これらの点をふまえて,脳低温療法における"オンライン・ネットワークモニタリングシステム"環境の構築を進めていく予定である.■クモ膜下出血患者5例を対象に,脳低温療法(内頸静脈球部血液温:3334°C)を施行した.■脳循環,生理機能評価経頭蓋超音波ドプラー法では,全症例で中大脳動脈平均血流速度が増大した(166±29cm/sec,mean±SD,以下同様),脳低温療法導入により脳波は徐波化(δθ波),聴覚誘発脳波は潜時が延長し,復温によりいずれも正常化した.近赤外線分光法による測定では,体温と酸化および総ヘモグロビンとの間に正の相関関係がみられた.各症例で得られた体温変化(ΔBT)と総ヘモグロビン変化(ΔtHb)の間には正の相関がみられた(ΔtHb=4.2×ΔBT+3.6;r^2=0.72).■脳生化学的評価高速液体クロマトグラフィーによる髄液中の興奮性アミノ酸(EAA),すなわちグルタミン酸(GLU),アスパラギン酸(ASP)の測定では,脳低温療法導入前のEAAはともに対照群(GLU/ASP:16±0.7/0.6±0.5μmol/L)に比して有意に高値(11.4±8.7/3.1±2.3)を示したが,脳低温療法導入によりいずれも低下した(2.2±1.1/1.3±0.8).キャピラリー電気泳動法による髄液中の窒素酸化物(NO2+NO3)測定では,脳低温療法導入前は,対照値の(0.36±0.10μmol/L)に比べて有意に高く,脳低温療法導入後も高値が持続した(0.54±0.17→0.57±0.14).■オンライン・ネットワークモニタリング今回の研究により,各種モニタ機器のオンラインデータ収集,ネットワーク接続の基盤が得られたが,ネットワーク転送速度とコンピュータ処理速度の限界から,複数のモニタリング項目を統合したリアルタイム評価は実用レベルには至らなかった.これらの点をふまえて,脳低温療法における"オンライン・ネットワークモニタリングシステム"環境の構築を進めていく予定である.
バイオフィルム内の微小環境測定による齲蝕発生のメカニズムの解析と予防法の開発

う蝕発生の前段階を詳細に解析すると、歯の硬組織が特徴ある脱灰の過程を経て歯の表層が崩壊してゆく。しかしながら、歯面の表層の微小環境は測定することが難しい上に、これに隣在する口腔内微生物と唾液の微小環境に及ぼす影響は多大である。歯の表面を覆う微生物の塊である歯垢内部の相互作用を解析すると同時に、そのバイオフィルム内の微小環境の測定を試みた。口腔内バイオフイルム底面と歯質との境界における微小環境のダイナミズムを観察する微小環境プローブは、東北大学大学院歯学研究科・口腔生化学分野において世界に先駆けて開発した半導体センサを用い、これの制御装置と記録装置を兼ね備えた、超小型・可搬型であり、かつ小型の電池で駆動する測定装置を開発した。この可搬型小型読取装置は、高集積型マイクロコンピュータを核とし、多チャンネルでアナログ出力をデジタルに変換できる複合LSIを応用し、数十万回の測定データを記録できる装置である。これと平行して、口腔内の隅々まで満たし、口腔内の微小環境を制御している唾液の生化学的性状と物性を検索し、バイオフイルム内の微小環境への外乱因子としての唾液の研究を行った。唾液の分泌量と物性は、口腔乾燥症をモデルとして考えた場合、口腔の自浄作用・湿潤作用・抗菌作用・緩衝作用・希釈作用・消化作用・味覚の媒体等の機能を持つ。この内、唾液の緩衝作用と希釈作用は直接的に歯垢内の微小環境へと影響することが考えられるので、口腔内の唾液の機能を分析し、同時に口腔内に起こると考えられる病態と関連付けて検索した。これらの研究成果から、歯垢内部の微小環境でのう蝕発生のダイナミズムを連続的・多面的に観察する事が可能となった。これからは、開発した装置と得られたデータの詳細を解析し、バイオフイルム内の微小環境が関与する齲蝕発生のメカニズムの考察を通して、う蝕予防の方策を考えてゆく。本研究事業の中心テーマとなるとなる、口腔内バイオフイルム底面の歯質との境界における微小環境のダイナミズムを観察するために、微小複合環境プローブとその制御・読み取り装置が必要となる。本研究事業で使用するpH測定用のセンサは、東北大学大学院歯学研究科・口腔生物学講座口腔生化学分野において、世界に先駆けて開発した半導体センサで、数多くの実験データが得られて実績を挙げている。実際に、微小点の局所環境を測定する現行の半導体センサを使用して口腔内の環境測定が可能であることは確認できたが、実生活時の歯垢底部の長期間に渡る微小環境モニタリング時には、センサを制御する測定装置と記録装置が可搬型でない事が実験に大きな支障をきたすことが新たに問題になった。よって、このセンサの制御・読取装置として、電池駆動型の可搬型小型読取装置を製作し、併せてセンサの組み込みの形状を模索した。さらに、この可搬型小型装置に、臼歯部において頬側面・舌側面・近心隣接面・遊離端遠心面のバイオフイルム底部のpHを経時的に観察する為に、多チャンネル化に対応する事を考慮に入れた。現時点での可搬型小型読取装置は、8ビットマイクロコンピュータを核とし、多チャンネルでアナログ出力をデジタルに変換できる複合LSIを応用することが選択候補として残り、現時点で制御プログラムを考案中である。さらに、取り込んだデータを如何に転送するかの課題も、通信先のコンピュータにプログラムを組み込むことにより解決する目処が立っている。

この新しい読取装置を使用すると、これまで不可能であった口腔内微小環境の長期的・多面的な観察が可能になり、バイオフイルムによって引き起こされる齲蝕発生のメカニズムに新たなEvidence-Based Medicineを提示するだろう。本研究事業の中心的な技術的課題は、口腔内バイオフイルム底面と歯質との境界における微小環境のダイナミズムを観察する微小環境プローブとその読み取り装置の開発である。微小環境プローブとしてのpH測定用センサとして、東北大学大学院歯学研究科・口腔生物学講座・口腔生化学分野において世界に先駆けて開発した半導体センサを用いて、超小型・可搬型であり、かつ小型の電池で駆動可能な測定装置の開発とデータを記憶させる大容量のメモリの実装を試みた。実際に微小点環境測定するセンサは、半導体タイプであるので、電池で使用可能なレベルまで電源電圧を低下させると、測定感度が低下し、この低下を補正する電気的な回路の開発に時間を費やした。現時点での可搬型小型読取装置は、高集積型マイクロコンピュータを核とし、多チャンネルでアナログ出力をデジタルに変換できる複合LSIを応用し、数十万回の測定データを記録できる装置を制作中である。また、これと平行して、口腔内の隅々まで満たし、口腔内の微小環境を制御している唾液の生化学的性状と物性を検索し、バイオフイルム内の微小環境への外乱因子としての唾液の研究を行った。唾液の分泌量と物性は、口腔乾燥症をモデルとして考えた場合、口腔の自浄作用・湿潤作用・抗菌作用・緩衝作用・希釈作用・消化作用・味覚の媒体等の機能を持つ。この内、唾液の緩衝作用と希釈作用は直接的に歯垢内の微小環境へと影響することが考えられるので、口腔内の唾液の機能を分析し、同時に口腔内に起こると考えられる病態と関連付けて検索した。これらの研究成果から、歯垢内部の微小環境でのう蝕発生のダイナミズムを連続的・多面的に観察する準備が整えられた事になる。本研究事業の中心的な技術的課題であり、口腔内バイオフイルム底面と歯質との境界における微小環境を観察する事のできる微小環境プローブとその読み取り装置を開発した。この微小環境計測用pH測定プローブは、東北大学大学院歯学研究科・口腔生物学講座・口腔生化学分野において世界に先駆けて開発した半導体pHセンサであり、2つのpHセンサを搭載することにより、試験用プローブと参照用プローブの双方を同時に測定することが可能となった。また、小型の電池で駆動可能な超小型計測用コンピュータとその計測アンプ回路、および測定用プログラムを開発し、6日間の連続測定を可能とするメモリを搭載した。現在、これを実装した口腔内測定装置のテストを行って、実装時に関わる唾液の侵入などの諸問題を解決している所である。同時に、口腔内の隅々まで満たし、口腔内の微小環境を制御し、う蝕の発生に強く関与しているている唾液の生化学的性状と物性を検索し、バイオフイルム内の微小環境への外乱因子としての唾液の研究を行った。唾液の多くの作用のうち、直接的に歯垢内の微小環境へと影響することが考えられるのは、緩衝作用と希釈作用なので、唾液の流出量とその物性・生化学的性状を検索した。これらの研究成果から、歯垢内部の微小環境でのう蝕発生のダイナミズムを連続的・多面的に観察するシステムが構築されたこととなり、う蝕発生の予防法を考え得る情報を得ることが可能となった。