hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
メタマテリアル構造を用いたTHz帯光変調デバイスの開発

マイクロ波・ミリ波からTHz帯で動作するメタマテリアル構造を用いて、無線信号で光を変調する高速光変調デバイスの解析・設計・試作・評価実験を行った。基板にはz-cutニオブ酸リチウムを用いた。光導波路の作製にはアニールプロトン交換法を、金属パターン作製には蒸着・リフトオフ法を、3次元メタマテリアル構造の作製には基板貼合法を用いた。試作したメタマテリアル構造光変調デバイスの光導波路に1550nm帯のレーザー光を入射した状態で上部から無線信号を照射したところ、無線信号によって生成された光変調サイドバンドを確認した。新しい3次元メタマテリアル構造光変調デバイスの基本動作実験に成功した。1.メタマテリアル構造を用いた光変調デバイスの解析と設計(村田・塩見・大学院生)メタマテリアル構造を電気光学結晶基板の表面に2次元的に敷き詰めた構造を基本として、その共振特性の解析と光変調デバイスの設計を行った。解析には、3次元電磁界解析シミュレーターを用いた。当初計画のスプリットリング構造に加えて、新たにボックス型のメタマテリアル構造も考案した。動作周波数を100GHz帯、動作光波長を1550nm(Cバンド)として、デバイスの設計を行った。2.試作・動作実験(大学院生・村田)設計したメタマテリアル構造デバイスを試作した。基板材料には、z-cutニオブ酸リチウムを用いた。分極反転構造の作製にはパルス電圧印加法を、光導波路の作製にはアニールプロトン交換法を用いた。メタマテリアル構造は、Al蒸着薄膜をリフトオフによりパターンニングして作製した。試作したデバイスの光導波路に波長1550nm帯のレーザー光を入射した状態で、上部から100GHz帯信号を照射したところ、光変調サイドバンドを確認した。ピーク変調周波数、変調周波数帯域は設計とほぼ一致した。変調サイドバンドレベルは、予想よりもやや小さかったが、これは測定上の問題だと思われる。基本動作実証実験に成功した。当初計画通り、100GHz帯で動作するメタマテリアル構造光変調デバイスの試作・動作実験に成功した。新しいタイプのメタマテリアル構造も考案して、その優位性を明らかにした。測定実験系には改善の余地があるが、全体としてはおおむね順調だと考える。1.メタマテリアル構造を用いた新しい光変調デバイスの解析と設計(村田・塩見・学生)昨年度の研究成果をベースにして、デバイスの構造について考究した結果、新しいデバイスとして、基板の表面と裏面に金属パターンを配置したCRLH線路構造を考案した。メタマテリアル構造を3次元化することになり、さらなる設計の自由度と電界増強が期待できることが判明した。3次元電磁界シミュレーターを用いて、詳細な解析を行い、その基本特性を明らかにした。さらに、光変調デバイスとしての動作解析・設計も行った。動作周波数は、プロトタイプとして10GHz帯、動作光波長は1550nm(Cバンド)として設計を行った。また、無線信号のIQ成分の分離を行うための構成についても考究した。2.試作・動作実験(学生・村田)設計したメタマテリアル構造デバイスを試作して動作実験を行った。メタマテリアル構造は、Al蒸着とリフトオフによりパターンニングをして作製した。3次元構造作製のために、ニオブ酸リチウム基板をベース基板(SiO2ガラス)に貼り合わせる構造として、それぞれの基板の表面にAlパターンを作製して精密な位置合わせをした後、貼り合わせた。試作したデバイスの光導波路に1550nm帯のレーザー光を入射した状態で上部から10GHz帯信号を照射したところ、明瞭な光変調サイドバンドを確認した。変調周波数帯域は、設計とおおむね一致した。偏波特性を設計通りであった。新しいタイプのメタマテリアル構造光変調デバイスの基本動作実証実験に成功した。昨年度の研究で、100GHz帯メタマテリアル構造光変調デバイスの試作・動作実験に成功した。今年度の研究では、これを高度化させた3次元メタマテリアル構造光変調デバイスの試作・動作実験に成功した。IQ成分分離の見通しも得られ、当初予定通りの成果が期待できる。おおむね順調だと言える。1.メタマテリアル構造光変調デバイスの動作解析および設計(村田・塩見・学生)昨年度の研究成果をベースとして、応用上重要と考えらえる周波数帯(30GHz、100GHz、200GHz)で動作するメタマテリアル構造を考究して、動作解析および設計を行った。特に、次世代移動体通信における利用が確実視されている28GHz帯において、右手/左手複合3次元メタマテリアルを用いて、無線信号で光を変調する光変調デバイスの解析を行った。このとき、メタマテリアル構造を、共振特性を維持しつつ空間的に数μm程度シフト・フリップさせることで、走行時間効果による光変調効率低下を補償することができる新構造を考案した。解析結果をベースとして、動作光波長1550nm(Cバンド)で動作する光変調デバイスの設計を行った。2.試作と動作実験(学生・村田)設計したメタマテリアル構造デバイスを試作して評価実験を行った。光導波路の作製にはアニールプロトン交換法を用いた。また、メタマテリアル構造のための微細金属パターン作製には、Al蒸着とリフトオフを用いた。微細金属パターンをニオブ酸リチウムと石英ガラス基板のそれぞれの表面に作製して、2枚の基板を貼り合わせることで3次元メタマテリアル構造を作製した。試作したメタマテリアル構造光変調デバイスの光

導波路に1550nm帯のレーザー光を入射した状態で上部から28GHz帯信号を照射したところ、明瞭な光変調サイドバンドを確認した。変調周波数帯は、設計とおおむね一致した。偏波特性も設計通りであった。新しい3次元メタマテリアル構造光変調デバイスの基本動作実験に成功した。マイクロ波・ミリ波からTHz帯で動作するメタマテリアル構造を用いて、無線信号で光を変調する高速光変調デバイスの解析・設計・試作・評価実験を行った。基板にはz-cutニオブ酸リチウムを用いた。光導波路の作製にはアニールプロトン交換法を、金属パターン作製には蒸着・リフトオフ法を、3次元メタマテリアル構造の作製には基板貼合法を用いた。試作したメタマテリアル構造光変調デバイスの光導波路に1550nm帯のレーザー光を入射した状態で上部から無線信号を照射したところ、無線信号によって生成された光変調サイドバンドを確認した。当初計画通り、メタマテリアル構造光変調デバイスの試作・実験に成功した。したがって、引き続き計画に沿って研究を推進する。引き続き、計画に沿って研究を推進する。29年度が最終年度であるため、記入しない。マイクロ波フォトニクス29年度が最終年度であるため、記入しない。
体幹の機能的トレーニングが転倒回避ステップ動作改善に与える効果の検証

転倒リスクを持つ高齢女性に対する体幹機能トレーニングが,転倒回避に必要となる前方ステップ動作のバランス回復能力を改善させるかどうかを調査した.対象者14名は,2か月間の体幹機能トレーニング後に体幹と股関節の伸展筋力が向上した.ステップ反応は対象者を前傾姿勢から解放する方法で評価した.ステップ着地時に体幹の過度の前傾を防ぐ体幹と股関節の伸展筋の筋活動が増大していることが示された.一方,体幹前傾角度と一歩長の比で決定される安定性に関与するステップ着地姿勢は,改善を認めなかった.体幹機能トレーニングのみでは,転倒リスクを持つ高齢女性のステップ着地時姿勢の改善には不十分な運動課題かもしれない.つまずき等の転倒のきっかけの後,下肢を大きく踏み出すこと(以下,ステップ)で転倒を回避できるが,高齢者ではステップ後に不安定となり,実際の転倒に発展し易い.本研究の目的は,体幹の筋力や外乱に対する安定性を改善させる機能的トレーニングが,易転倒性のある高齢者のステップ動作を改善させ,転倒予防に効果があるか検証することである.今年度は,体幹筋の機能的トレーニング内容を考案するため,1)前方ステップ着地時に働く体幹筋は特にどの筋か,2)年齢や転倒リスクによって前述の体幹筋の活動が異なるのか調査した.健常若年者,健常高齢女性,転倒リスクを持つ高齢女性を対象に,腰部を牽引した状態で身体を前傾させておき,牽引が離れた瞬間から下肢を一歩前に踏み出すステップ動作における体幹や下肢の筋活動を記録した.特に着地時に活動する筋は両側の脊柱起立筋,および踏み出し側と同側の大殿筋であった.筋活動タイミングの解析から,脊柱起立筋と大殿筋は,着地時の体幹前傾を制動する働きがあることが分かった.さらに,若年者と比べ,高齢者はステップ着地時の大殿筋の活動が少なく,また転倒リスクを持つ高齢者はさらに小さかった.転倒回避ステップの機能向上を目的とした体幹の機能的トレーニングは,特に脊柱起立筋と大殿筋を主な対象とするべきと結論した.現在,体幹の機能的トレーニングが体幹伸展や股関節伸展の筋力を向上させるかどうか調査している.つまずき等の転倒のきっかけの後,下肢を大きく踏み出すこと(以下,ステップ)で転倒を回避できるが,高齢者ではステップ後に不安定となり,実際の転倒に発展し易い.本研究の目的は,体幹の筋力や外乱に対する安定性を改善させる機能的トレーニングが,易転倒性のある高齢者のステップ動作を改善させ,転倒予防に効果があるか検証することである.今年度は,転倒リスクのある高齢者とリスクのない健常高齢者において体幹の筋力に違いがあるかどうか,また体幹筋および大殿筋の筋力増強トレーニングが転倒回避ステップのパフォーマンスを改善するかどうか調査した.転倒回避ステップの誘発には,被験者の腰部を牽引した状態で身体を前傾させておき,牽引が離れた瞬間から下肢を一歩前に踏み出す方法を用いた.同方法によるステップ時,単一ステップでバランス回復できたものを転倒リスクなし群11名,複数回ステップでバランス回復したものを転倒リスクあり群8名とした.結果,転倒リスクなし群とあり群で体幹伸展筋力に差はなかった.一方,ステップ着地時の体幹伸展筋における筋電図活動量は転倒リスクあり群がなし群に比べて有意に小さかった.転倒リスクあり群8名に対し,6週間の体幹機能トレーニングを実施させた.体幹伸展筋力はトレーニング後に15%向上した.複数回ステップから単一ステップに変化したものは8名中2名であった.体幹筋力が向上したものの,ステップ着地時の体幹伸展筋の筋電図活動量はトレーニング前と比べて有意な増加が認められなかった.転倒回避ステップのパフォーマンスを改善するには,体幹筋力の向上だけでなく,体幹筋において適切なタイミングに強く筋出力させる協調性の機能を向上させる必要があることが示唆された.つまずき等の転倒のきっかけの後,下肢を大きく踏み出すこと(以下,ステップ)で転倒を回避できるが,高齢者ではステップ後に不安定となり,実際の転倒に発展し易い.この原因として,高齢者ではステップ着地後の姿勢が身体前傾位となりやすく,また下肢の一歩長が短くなりやすいこと等によって,身体重心の前方への慣性力を制止できずに,よろけるように転倒してしまうことが先行研究で明らかにされてきた.本研究では,このステップ着地時の不都合な体幹前傾姿勢に着目し,体幹の筋力や外乱に対する安定性を改善させる機能的トレーニングが,易転倒性のある高齢者のステップ着地時姿勢を改善させ,転倒予防に効果があるか検証することを目的とした.今年度は,転倒リスクのある高齢者14名に対し,8週間の体幹機能トレーニングを実施させ,介入期間の前後で転倒回避ステップの着地後の安定性がどのように変化するか調査した.転倒回避ステップの誘発方法は,被験者の腰部を牽引した状態で身体を前傾させておき,牽引が解かれた瞬間から下肢を一歩前に踏み出すものとした.踏み出した下肢が着地した際の姿勢を運動学的に分析し,体幹前傾角度と下肢一歩長の関係から得られる安定性を指標とした.介入は,特に体幹伸展や股関節伸展の最大筋力,パワー,筋活動電位の量的向上に特化したコアスタビリティトレーニングを応用した内容とした.結果,トレーニング後に各部位の最大筋力は1420%向上,パワーは913%向上,筋活動電位は1118%増大した.

一方,ステップ着地時姿勢の安定性は3%の改善(体幹前傾角度が少なく,一歩長が大きくなった)が認められたが,統計学的に有意な改善は得られなかった.易転倒性のある高齢者のステップ着地時姿勢の改善には,体幹機能トレーニングのみでは不十分で,下肢の筋力トレーニングやバランストレーニングを含めた総合的な運動が必要であると考えられる.平成27年度が本研究課題の最終年度であったが,研究成果発表を年度内に行うことができなかった.その理由として,前年度に本研究課題の対象者数が少なく,追加実験を今年度に行い,データ解析が遅れてしまったことで研究成果が完成しなかったことが挙げられる.現在,学会報告は抄録が採択されており,平成28年度に報告予定である.また,現在論文執筆中であり,同論文の英文校正ができていなかった.そのため,本研究課題の事業期間延長申請を行い,助成金の残額を上述の学会発表費用と,英文校正費用に充てる.つまずき等の転倒のきっかけの後,下肢を大きく踏み出すこと(以下,ステップ)で転倒を回避できるが,高齢者ではステップ後に不安定となり,実際の転倒に発展しやすい.この原因として,高齢者ではステップ着地後の姿勢が身体前傾位となりやすく,また下肢の一歩長が短くなりやすいこと等によって,身体重心の前方への慣性力を制止できずに,よろけるように転倒してしまうことが先行研究で明らかにされてきた.本研究では,このステップ着地時の不都合な体幹前傾姿勢に着目し,体幹の筋力や外乱に対する安定性を改善させる機能的トレーニングが,易転倒性のある高齢者のステップ着地時姿勢を改善させ,転倒予防に効果があるか検証することを目的とした.まず,転倒リスクのある高齢者とリスクのない高齢者において体幹筋力の違いがあるかどうかを検証した結果,両群で体幹伸展筋力に差がなかったものの,ステップ着地時の体幹伸展筋における筋電図活動量は転倒リスクあり群がなし群に比べて有意に小さかった.このことから,ステップ着地時の前傾姿勢を防ぐためには,最大筋力よりも,適切なタイミングで筋力発揮することができる協調性や瞬発力が必要であることが明らかとなった.次に,転倒リスクのある高齢者14名に対し,8週間の体幹機能トレーニングを実施させ,介入期間の前後でステップ着地時の姿勢がどのように変化するか調査した.結果,トレーニング後に体幹と股伸展の最大筋力は14%と20%向上し,筋活動電位は11%と18%改善した一方で,ステップ着地時の体幹前傾角度と下肢の一歩長の比で示される着地時姿勢の安定性は3%変化したのみで統計学的に有意な改善は得られなかった.本研究の結果,転倒リスクのある高齢者のステップ着地時姿勢の改善には,体幹機能トレーニングのみでは不十分で,下肢の筋力トレーニングやバランストレーニングを含めた総合的な運動が必要であると考えられた.転倒リスクを持つ高齢女性に対する体幹機能トレーニングが,転倒回避に必要となる前方ステップ動作のバランス回復能力を改善させるかどうかを調査した.対象者14名は,2か月間の体幹機能トレーニング後に体幹と股関節の伸展筋力が向上した.ステップ反応は対象者を前傾姿勢から解放する方法で評価した.ステップ着地時に体幹の過度の前傾を防ぐ体幹と股関節の伸展筋の筋活動が増大していることが示された.一方,体幹前傾角度と一歩長の比で決定される安定性に関与するステップ着地姿勢は,改善を認めなかった.体幹機能トレーニングのみでは,転倒リスクを持つ高齢女性のステップ着地時姿勢の改善には不十分な運動課題かもしれない.平成26年度に明らかにすることは計画調書の通りに進展した.
単色放射光励起X線蛍光分析と微小血管造影による心筋微小血管容積の定量

平成7年度は、ビ-グル犬4頭で、微小冠動脈枝造影とマイクロスフェア-充填法による微小血管容積分布評価を併用する実験プロトコールを行なった。4頭中2頭では、麻酔し、開胸した後、第二および第三対角枝とさらにそれから分岐する心筋貫通枝の選択的造影をおこなった。他の2頭では、造影後、Br(ブロム)をラベルした非放射性マイクロスフェア-(直径15μm)1-5*10^8個をバイパス路内に注入し、心筋貫通枝以下の冠微小血管枝を非放射性マイクロスフェア-で充填した。他の2頭では直径60μmのZr(ジルコニウム)をラベルした非放射性マイクロスフェア-を注入した。心臓をホルマリン液中で固定し、左室前壁心筋を厚さ1mm毎に切り出し、X線蛍光強度の2次元マッピングを行なった。蛍光X線の相対強度分布からコンピューター上で2次元画像を再構築し、微小冠血管枝造影所見と比較した。両者はよく一致した。一部の標本から厚さ20μmの組織切片を作成し、顕微鏡写真の撮影と蛍光X線強度の2次元マッピングを行い、2次元画像と顕微鏡写真を比較し、両者がよく一致することを確認した。平成8年度は、ビ-グル犬5頭を用いて、平成7年度と同様の動物実験を行った。本年度はX線蛍光分析法の解像度を高め(ビームサイズ10μm*10μm)、前年度よりも微小な領域内(1mm*1mm)での血管容積の分布を検討した。前年度と同様に、局所の蛍光X線強度を局所重量(コンプトン散乱の強度で代用する)と励起X線強度(弾性散乱強度)で補正し、平均値に対する蛍光X線の相対強度を算出した。一部の標本では厚さ20μmの組織切片を作成し、顕微鏡写真を撮影した後に、蛍光X線強度の2次元マッピングを行い、その2次元画像と顕微鏡写真を比較した。次に、心筋標本ごとに補正した蛍光X線の相対強度のヒストグラムを心筋内層、中層、外層ごとに作成し、直系15μm以上の微小血管容積の分布と、直径60μm以上の微小血管容積の分布が、心外膜側と心内膜側のそれぞれの微小領域内(1mm*1mm)どのように異なっているかを比較した。両者はよく一致した。本年度は、ビ-グル犬4頭で、微小冠動脈枝造影とマイクロスフェア-充填法による微小血管容積分布評価を併用する実験プロトコールを行なった。麻酔し、左鎖骨下動脈から左冠動脈前下行枝にバイパス路を作成する。beselineおよび冠動脈血流量を減少させた状態で、ヨード造影剤(イオパミロン3ml)をバイパス路内に注入して、第二および第三対角枝とさらにそれから分岐する心筋貫通枝の選択的造影をおこなった。4頭中2頭では、造影後、Br(ブロム)をラベルした非放射線マイクロスフェア

-(直径15μm)1-5*10^8個をバイパス路内に注入し、心筋貫通枝の冠微小血管枝を非放射性マイクロスフェア-で充填した。他の2頭では直径60μmのZr(ジルコニウム)をラベルした非放射性マイクロスクフェア-を注入した。実験終了後、心臓を取り出しホルマリン液中で1週間かけて固定した。対角枝に沿って左室前壁心筋を厚さ1mm毎に切り出し、これを可動式の標本台に取付けX線蛍光強度の2次元マッピングを行なった。局所の蛍光X線強度を局所重量(コンプトン散乱の強度で代用する)と励起X線強度(弾性散乱強度)で補正し平均値にたいする蛍光X線の相対強度を算出した。蛍光X線の相対強度分布からコンピューター(設備備品欄参照)上で2次元画像を再構築し、微小冠血管枝造影所見と比較し、両者がよく一致することを確認した。一部の標本から厚さ20μmの組織切片を作成し、顕微鏡写真の撮影と蛍光X線強度の2次元マッピングを行い、2次元画像と顕微鏡写真を比較し、両者がよく一致することを確認した。次に、心筋標本ごとに補正した蛍光X線の相対強度のヒストグラムを心筋内層、中層、外層ごとに作成し、直径15μm以上の微小血管容積の分布と、直径60μm以上の微小血管容積の分布の部位による差を確認した。心臓内微小血管の容積分布を重元素ラベル非放射性マイクロスフェア-の充填法により評価した。第一に、微小冠血管枝の造影所見と対比することにより、非放射性マイクロスフェア-充填法の制度を評価した。第二に心筋内層-外層間で微小血管容積の相対分布がどうのように異なるのかを評価した。ビ-グル犬5頭を用いて、平成7年度と同様の動物実験を行った。本年度はX線蛍光分析法の解像度を高め(ビームサイズ10μm*10μm)、前年度よりも微小な領域内(1μm*1μm)での血管容積の分布を検討した。前年度と同様に、局所の蛍光X線強度を局所重量(コンプトン散乱の強度で代用する)と励起X線強度(弾性散乱強度)で補正し、平均値に対する蛍光X線の相対強度を算出した。蛍光X線の相対強度分布からコンピューター上で2次元画像を再構築し、微小冠血管枝造影所見と比較した。一部の標本では厚さ20mmの組織切片を作成し、顕微鏡写真を撮影した後に、蛍光X線強度の2次元マッピングを行い、その2次元画像と顕微鏡写真を比較した。次に、心筋標本ごとに補正した蛍光X線の相対強度のヒストグラムを心筋内層、中層、外層ごとに作成し、直径15μm以上の微小血管容積の分布と、直径60μm以上の微小血管容積の分布が、心外膜側と心内膜側のそれぞれの微小領域内(1mm*1mm)どのように異なっているかを比較した。
胸部大血管および心室筋形成における細胞分化の分子機構

胎児期における心血管系の正常な構築は、個体の血液循環にとって不可欠な要素である。しかしながら、心血管構造の形成機構については分子経路や細胞系譜の面から未知な点が多い。本研究では、Notch/Rbpjシグナリングの標的遺伝子として知られるHeyファミリー因子に着目し、心血管系におけるHeyファミリー因子の発現制御機構と分子機能の理解および、胸部大血管および心室筋の形成における転写ネットワークや細胞分化制御の新たな知見を得ることを目指す。本研究は、形態形成の原理解明を命題とする発生生物学的にも、疾患の発症機構を分子的・解剖学的に理解して診断や治療に応用する臨床医学的にも重要な課題である。
高精度高速分子動力学計算システムの開発

分子動力学シミュレーションは,生体分子の構造や機能の解明あるいは分子設計などにおいて,重要な方法のひとつとなっている.この手法の最大の難点は,その計算量にある.計算時間を短縮するために,各種の高速アルゴリズムが報告されているが,完全に実用化されているとは言い難い.本研究では,まず,最も有望な高速アルゴリズムである高速多重極法(FMM)の定式化を見直すことにより,計算時間をより短縮すると同時にメモリ要求量を大幅に削減した.また,本研究では,FMMにおいて周期境界条件を取り扱うための信頼性の高い二種の方法(Ewald総和の技法あるいは巨視的階層セル構造を利用するもの)を考案した.生体分子系では,周期境界条件下のシミュレーションが不可欠であるが,従来,周期境界・条件におけるFMMの信頼性は疑問視されており,このことが,FMMの普及を阻害していた.本研究のFMMに関する成果を利用することにより,生体分子系に対する信頼性の高いシミュレーションを行うことが可能となった.また,FMMなどの高速アルゴリズムは,いずれも一種の近似法であるため,その計算精度に問題があるが,本研究では,専用計算機とFMMを併用することにより,精度の劣化を防止できることを見出した.そのような併用に必要となるいくつかのアルゴリズムを開発し,それをもとに,そのような併用システムを実際に構築した.これにより,高い計算精度を保ったまま,通常のワークステーションの数百倍の高速化が可能となった.結果として,本研究の目的である分子動力学計算のための高精度かつ高速な計算システムを開発することができた.これらの成果を利用することにより,生物物理学において,分子動力学計算は今以上に強力なツールとなるであろう.なお,さらなる高速化と精度の保証のため,FMMの並列アルゴリズムと空間分割法に関する研究を継続中である.分子動力学シミュレーションは,生体分子の構造や機能の解明あるいは分子設計などにおいて,重要な方法のひとつとなっている.この手法の最大の難点は,その計算量にある.計算時間を短縮するために,各種の高速アルゴリズムが報告されているが,完全に実用化されているとは言い難い.本研究では,まず,最も有望な高速アルゴリズムである高速多重極法(FMM)の定式化を見直すことにより,計算時間をより短縮すると同時にメモリ要求量を大幅に削減した.また,本研究では,FMMにおいて周期境界条件を取り扱うための信頼性の高い二種の方法(Ewald総和の技法あるいは巨視的階層セル構造を利用するもの)を考案した.生体分子系では,周期境界条件下のシミュレーションが不可欠であるが,従来,周期境界・条件におけるFMMの信頼性は疑問視されており,このことが,FMMの普及を阻害していた.本研究のFMMに関する成果を利用することにより,生体分子系に対する信頼性の高いシミュレーションを行うことが可能となった.また,FMMなどの高速アルゴリズムは,いずれも一種の近似法であるため,その計算精度に問題があるが,本研究では,専用計算機とFMMを併用することにより,精度の劣化を防止できることを見出した.そのような併用に必要となるいくつかのアルゴリズムを開発し,それをもとに,そのような併用システムを実際に構築した.これにより,高い計算精度を保ったまま,通常のワークステーションの数百倍の高速化が可能となった.結果として,本研究の目的である分子動力学計算のための高精度かつ高速な計算システムを開発することができた.これらの成果を利用することにより,生物物理学において,分子動力学計算は今以上に強力なツールとなるであろう.なお,さらなる高速化と精度の保証のため,FMMの並列アルゴリズムと空間分割法に関する研究を継続中である.本研究の目的は,生体分子など巨大な系の分子動力学シミュレーションを,高速かつ高精度で行うためのシステムを構築することである.この目的は基本的には分子動力学専用計算機“MD-Engine"と,高速アルゴリズムの一種である高速多重極法を併用することにより達成する.高速多重極法は近似的な手法であり,速度を優先し近似の度合を増せば,当然,計算精度が低下する.MD-Engineを併用することにより,この精度の劣化を防止すると同時に,さらなる高速化が期待できる.本研究では,数値実験により,両者の併用が極めて有効であることを示した.この結果は,日本生物物理学会第36回年会(九州大学,1998年10月),並びに,第12回分子シミュレーション討論会(物質工学工業技術研究所,1998年12月)において発表した.なお,現MD-Engineは,このような併用を行う際に,データ通信において非効率的な面がある.この点を改善した新MD-Engineが,現在,開発段階にある.さらに本研究では,高速多重極法を並列化することにより,さらなる高速化を図った.具体的には,高速多重極法の,バルク同期並列モデルに基づく並列アルゴリズムを開発し,それをいわゆるPCクラスタ(パソコンのネットワークからなる並列計算環境)上に実現した.同時にメッセージ通信に基づくアルゴリズムの実装も行った.数値実験の結果,超線形スピードアップが観測された(8台のパソコンにより約11倍の高速化).また,ふたつのプログラムは,概して,同程度に高速であった.バルク同期並列モデルに基づく実装では,各種のプラットフォームにおける計算時間が予測できる点において,メッセージ通信に基づくものよりも優れていると思われる.以上の結果については.現在,発表の準備中である.分子動力学シミュレーションは,生体分子の構造や機能の解明あるいは分子設計などにおいて,重要な方法のひとつとなっている.この手法の最大の難点は,その計算量にある.計算時間を短縮するために,各種の高速アルゴリズムが報告されているが,完全に実用化されているとは言い難い.

本研究では,まず,最も有望な高速アルゴリズムである高速多重極法(FMM)の定式化を見直すことにより,計算時間をより短縮すると同時にメモリ要求量を大幅に削減した.また,本研究では,FMMにおいて周期境界条件を取り扱うための信頼性の高い二種の方法(Ewald総和の技法あるいは巨視的階層セル構造を利用するもの)を考案した.生体分子系では,周期境界条件下のシミュレーションが不可欠であるが,従来,周期境界条件におけるFMMの信頼性は疑問視されており,このことが,FMMの普及を阻害していた.本研究のFMMに関する成果を利用することにより,生体分子系に対する信頼性の高いシミュレーションを行うことが可能となった.また,昨年度は専用計算機とFMMを併用することの可能性と有用性を予測したが,本年度は,実際に,そのような併用システムを構築した.FMMなどの高速アルゴリズムは,いずれも一種の近似法であるため,その計算精度に問題があるが,本研究では,専用計算機とFMMを併用したシステムを開発することにより,高い計算精度を保ったまま,通常のワークステーションの数百倍の高速化が可能となった.結果として,本研究の目的である分子動力学計算のための高精度かつ高速な計算システムを開発することができた.これらの成果を利用することにより,生物物理学において,分子動力学計算は今以上に強力なツールとなるであろう.なお,さらなる高速化と精度の保証のため,FMMの並列アルゴリズムと空間分割法に関する研究を継続中である.
炎症病態に関わる新規DAMPsの解析

本研究では細胞が死を迎える際に放出される自己由来分子(以下DAMPsと呼ぶ)のうち、炎症反応を活性化するような分子の同定を行った。生化学的、分子生物学的手法を組み合わせてこのDAMPsの候補分子を得ることが出来た。また、癌は炎症反応がその病態に深く関与する疾患であることから、本分子が癌死細胞から放出され、周囲に炎症反応を引き起こすことで癌の進展に関わるのではないかという仮説を立てた。実際、この分子を欠損する癌細胞を作成したところ、マウス皮下においてその増殖が顕著に低下した。本研究は、炎症反応および癌病態に極めて重要な役割を果たすDAMPsの同定に迫ったと言える。前年度の研究実施計画に基づき、TNF-αの誘導を行う新規DAMPsの同定を行った。マウス大腸癌細胞株であるSL4細胞を、prostaglandin E2 (PGE2)産生の阻害剤であるインドメタシンで処理した後ネクローシスを惹起し、その上清中のTNF-αを誘導する分子を同定した。これまでに、ゲル濾過クロマトグラフィーによって分離した各々の分画をマウス腹腔マクロファージに添加すると、約100kDa以下の分子を含む分画にTNF-αの誘導能が存在するという結果を得ている。これに陽イオンおよび陰イオン交換クロマトグラフィーを行うことで目的分子の精製を進め、銀染色を行ったところ、TNF-α誘導活性とタンパク量が相関するバンドが複数個見られた。新規DAMPs分子はタンパク質であるという知見が得られているために、これらのバンドに対して質量分析を行った。質量分析の結果、得られた候補分子につき、SL4細胞にレトロウイルスベクターにより候補分子の安定ノックダウン株を樹立した。これらの細胞株を用いてネクローシス細胞上清を作成し、TNF-α誘導能が減弱するか否かqRT-PCR法によって検討したところ、一つの分子(以後分子Xと称する)に対する安定ノックダウン株において、TNF-α誘導能の減弱が見られた。この分子の遺伝子組み換え体をマウス腹腔マクロファージに加えると、TNF-αmRNAの誘導が認められ、分子Xが新規DAMPであることが示唆された。この遺伝子組み換え体はタグタンパクが付属しており、本来の機能とは異なる可能性もあるため、タグタンパクのない、遺伝子組み換え体を新たに作成し、現在そのDAMPとしての機能を確認している。また、分子Xは大腸癌において、高発現していることが知られているため、分子Xの発現を欠損させたSL4細胞細胞を作成し、大腸癌の進展における役割についても検討を進めている。本研究ではネクローシス細胞より放出され、TNF-αの誘導を行うような新規DAMPsの同定を目指している。各種クロマトグラフィーを組み合わせることで、ネクローシス細胞上清中のTNF-α誘導能を持つ分画を精製し、質量分析を行った。質量分析により得られた候補分子の安定ノックダウン株を作成し、新規DAMPの候補として分子Xを得ることが出来た。分子Xの遺伝子組み換え体を用いて、マウス腹腔マクロファージを刺激するとTNF-αmRNAの誘導が認められ、分子Xが炎症応答を惹起するDAMPであることが示唆された。分子XはこれまでDAMPs分子としての機能は知られておらず、新規DAMPである可能性が高い。前年度計画していた、分子Xがネクローシス以外のどのような細胞死で放出されるか、またどのような受容体、シグナル経路を介してTNF-αの誘導を行うかについては、現在解析を進めている。また、分子Xは大腸癌を含めた種々の癌腫で高発現を認めることが報告されていることから、分子XがDAMPとして、発癌および癌の病態進展に関与している可能性が高い。このように、前年度計画した一部の実験について結果が得られていないものの、新規DAMPの同定およびその病態との関与が示唆されており、概ね順調に進展していると考えられる。研究実施計画に基づき新規DAMPs候補分子の遺伝子組み換え体を作成した。これをマウス腹腔マクロファージに作用させるとTNF-a mRNAの誘導が見られた。この分子は比較的低分子(約20kDa)でもあり、新規DAMPsである可能性が示唆された。また、過去の報告からこの分子は大腸癌細胞において高発現していることが知られていた。そこで大腸癌細胞が細胞死を起こす際にこの分子がDAMPsとして細胞外に放出され、周囲に炎症反応を惹起することで癌の進展に何等かの影響を及ぼすのではないかという仮説を立てた。実際、CRISPR/Cas9システムを用いてこの分子を欠損した大腸癌細胞株(以下KO細胞)を作成すると、マウス皮下において野生型細胞と比較し顕著な増殖遅延を示した。興味深いことにこのKO細胞はin vitroにおいて野生型細胞と同程度の増殖を示した。これはこの分子が癌そのものの増殖ではなく、癌の周囲環境、すなわちがん微小環境に働きかけ、癌の進展を促進しているものと考えられた。がん微小環境においては、多様な細胞種が機能を発揮しているが、なかでも免疫細胞は中心的な役割を担っている。そこで、がん微小環境中の免疫細胞集団をフローサイトメトリーによって解析したところ、KO細胞由来の腫瘍において、骨髄由来免疫抑制細胞(Myeloid-derived suppressor cells; MDSCs)の顕著な低下が見られた。MDSCsは未熟な骨髄系細胞であり、抗腫瘍免疫応答を強力に抑制することでがんの進展を促進する。すなわちこの分子はMDSCsのがん微小環境への動員を介して、癌の進展を促進していると考えられる。

がん微小環境は抗腫瘍免疫応答抑制などの機構により、がんの治療反応性に極めて重要な役割を果たすものとして近年注目されている。本研究はがん微小環境を標的とした新規治療法開発につながる可能性がある。本研究では細胞が死を迎える際に放出される自己由来分子(以下DAMPsと呼ぶ)のうち、炎症反応を活性化するような分子の同定を行った。生化学的、分子生物学的手法を組み合わせてこのDAMPsの候補分子を得ることが出来た。また、癌は炎症反応がその病態に深く関与する疾患であることから、本分子が癌死細胞から放出され、周囲に炎症反応を引き起こすことで癌の進展に関わるのではないかという仮説を立てた。実際、この分子を欠損する癌細胞を作成したところ、マウス皮下においてその増殖が顕著に低下した。本研究は、炎症反応および癌病態に極めて重要な役割を果たすDAMPsの同定に迫ったと言える。分子XのDAMP分子としての機能について詳細な検討を行う。分子Xがネクローシス以外のどのような細胞死で放出されるか、ELISAを用いて検討を行う。また、ネクローシス細胞上清はアダプター分子であるMyD88を介してTNF-α誘導を行うという知見を得ており、分子XがMyD88をアダプターとして用いる受容体によって認識されるか否か、これらの受容体のノックアウトマウス由来の細胞を用いて検討する。また、分子Xの生体内での機能を検討する。分子Xのコンベンショナルノックアウトマウスは胎性致死であるため、コンディショナルノックアウトマウスを用いる。同マウスは既に樹立されており、種々のCreリコンビナーゼを持つマウスと交配することで、時期、臓器特異的な分子Xの機能を解析する。具体的にはこれらのマウスにおいて、プリスタンによるSLEモデルやCIAによる関節リウマチモデルなどの自己免疫疾患、およびdiethylnitrosamineを用いた肝細胞癌モデルなどのモデルで、病態が改善するか否か検討する。また、LPS shockにおける生存率、臓器障害が改善するか否かの検討も行う。これらの解析を踏まえて論文の作成を行う予定である。29年度が最終年度であるため、記入しない。免疫学、腫瘍学29年度が最終年度であるため、記入しない。
天然由来の微量抗酸化活性脂質(フラン脂肪酸)の薬理作用の解明

天然に広く存在する微量抗酸化活性脂質であるフラン脂肪酸の単離および検出方法を確立し、これまでにその存在が報告されてこなかったミドリイガイにフラン脂肪酸が含まれていることを明らかにした。その生物活性を明らかにするために、ラット関節炎モデルに対する抗炎症活性を評価したところ、EPAよりも強力な抗炎症活性を示した。本研究によってフラン脂肪酸のin vivoでの生物活性を初めて明らかにすることができた。サメ胆汁由来のフラン脂肪酸代謝産物からフラン脂肪酸の合成を行った。フラン脂肪酸は天然より大量に精製することが難しいため,合成原料となるフラン環を有するジカルボン酸を胆汁より精製し,フラン脂肪酸の合成を試みた。ジカルボン酸は一方のみがα,β-不飽和カルボン酸であるため,一方の側鎖のみオスミウム酸化,続く過ヨウ素酸による酸化によってアルデヒドへ導いた。続いてWittig反応を用いてアルキル側鎖を導入した。一方の側鎖はメチルエステルをDIBAL還元でアルデヒドへ導き,同様にWittig反応にようてカルボン酸側鎖を導入した。ミドリイガイ中のフラン脂肪酸の定量分析を行った。非天然型の側鎖長を有する合成フラン脂肪酸を内部標準物質に用いて定量分析を行った。ミドリイガイの超臨界二酸化炭素抽出物をナトリウムメトキシドでメタノリシス後,遊離脂肪酸をさらにジアゾメタンで確実にメチル化し,シリカゲルフラッシュクロマトグラフィーで脂肪酸メチルエステルを精製した。得られた脂肪酸メチルエステル画分をさらに接触還元し,不飽和脂肪酸を飽和脂肪酸へ導いた。得られた還元体は再度シリカゲルフラッシュクロマトグラフィーによって分離することによって,フラン脂肪酸画分を得ることが出来る。GC-MSを用いた定量分析の結果,ミドリイガイ由来のオイルLyprinol中にペンチル側鎖を有するF6が2.7mg/g,プロピル側鎖を有するF4が2.3mg/g含有されている事が分かった。合成による供方法の確立,および天然の有量を評価できたことから,現在,動物を用いた炎症モデルによって抗炎症活性を評価する系の立ち上げており,次年度において薬理作用を明らかにしていく。(1)フラン脂肪酸の定量分析オイル成分を主成分とする市販のサプリメントを中心にフラン脂肪酸の定量分析を行った。その結果、亜麻仁油や月見草油などの植物性オイルには検出されなかった一方で、スッポン、サメ、タラなどの水圏生物由来のオイルには高含量でフラン脂肪酸が含まれていることを明らかにした。すでに市販の製品レベルにおいてフラン脂肪酸が含有されていることが明らかになり、その摂取による安全性が確認できた。次年度では分析対象を海洋生物に特化して定量分析を試みる。(2)フラン脂肪酸の薬理作用の解明アジュバント関節炎モデルラットを用いてフラン脂肪酸の抗炎症活性を検討してきた。その結果、EPAよりも低濃度で抗炎症活性を示すことが明らかになった。このことは本研究によって初めて見出された知見であり、本年度はその活性発現機構も含めて検討していく。現在までに明らかにされているフラン脂肪酸の生物活性は抗酸化活性と、今回見出した抗炎症活性のみである。そこで、脂肪細胞の分化に対する作用やプロスタグランジン産生系に対する作用など、その他の生物活性についても検討して行く。天然における微量抗酸化活性脂質であるフラン脂肪酸は不安定であるが故に、その機能は明らかにされていない。海洋、陸上生物に広く分布していると考えられているが、微量かっ不安定であるために、機能解析へ供するに十分な試料を得ることが難しい。我々はサケ白子からの大量精製法を確立した。また、サメの胆汁に大量に含まれるフラン脂肪酸代謝産物より、半合成的にフラン脂肪酸を合成する方法を確立した。側鎖長の種々改変や、フラン環アナログの合成には全合成的な手法が不可欠であるが、そのように柔軟な化学修飾に対応できる合成経路は未だに存在しない。そこでフラン脂肪酸の全合成経路の確立を試みた。フラン環2位ヘリン酸エステル基を導入し、パラジウム触媒によるカップリンング反応によって側鎖の導入を試みた。種々カップリング反応条件を検討したものの、現在のところ望む反応成績体は得られていない。引き続き、全合成経路の確立を試みている。
発火タイミングの相関と神経回路ダイナミクスの相互作用による機能発現

最近の生理学実験の結果から、神経ネットワークの発火の相関が視覚刺激の情報統合や注意の切り替え等の高次機能に重要な役割を果たしている可能性が示されている。本研究では、[1]神経ネットワークがどのように発火相関を制御するのか?[2]逆に、現時点で系統的な数理モデルの研究がほとんど無い、発火相関が神経ネットワークの機能を制御できるのか?という双方向の機構を理論的に検証し、最終的に両者の自律分散的な協調過程を通じて高度な機能が実現するメカニズムを探ることが目的である。現時点では、[1]に関して、大脳皮質に広く偏在している同種の抑制性ニューロン間のギャップ結合の存在意義について、多様な発火パターンの実現という観点から理論的に説明を試みた。結果として、抑制ニューロン間に通常の化学シナプス,結合とギャップ結合が共存することで、その結合強度比を生理学的に妥当な範囲で調整することにより、同期・非同期状態を多様に実現できることが解析により示された。[2]に関しては、例えば、カラム形成に重要な競合型神経回路網において、入力の発火タイミングの相関により機能を制御可能である点を理論的に示した。また、更に大脳皮質の回路構造を基礎に連想記憶モデルを構成し、想起パターンの切り替えが同期発火入力により制御可能である点を示した。これは、同期発火が神経活動の切り替わり(すなわち行動の切り替え等)の為のシグナルになり得る点を示した興味深い結果である。
ヤマトシロアリにおける遺伝的カースト決定の検証

ヤマトシロアリにおいて幼形生殖虫の単為生殖で生じた個体はワーカーにはならずニンフに分化し、また各個体のカーストが内的要因が影響し決定することを昨年度の研究で明らかにした。本年度では、ヤマトシロアリにおいて各個体のカーストの決定に内的要因のみでなくフェロモンなどの外的要因も影響するか明らかにすることを目的とし、以下の飼育実験を行った。まず幼形生殖虫に単為生殖をさせ、その卵を(1)ワーカーのみ、(2)ワーカーとメスワーカー型幼形生殖虫、(3)ワーカーとオスワーカー型幼形生殖虫、(4)ワーカーとメスニンフ型幼形生殖虫、(5)ワーカーとオスニンフ型幼形生殖虫、(6)ワーカーと雌雄のニンフ型幼形生殖虫を含む人工コロニーに移動し養育させた。そして、それぞれの人工コロニー内で、その卵から孵化した個体がニンフとワーカーのどちらのカーストに分化したか調べた。その結果、ワーカーのみの人工コロニーで養育された個体はほとんどがニンフに分化したが、生殖虫を含む人工コロニーではワーカーに分化する仔虫が多く見られた。以上の本年度の研究結果と昨年度の研究結果から、ヤマトシロアリのカースト決定はまず遺伝子等の内的要因に影響されるが、内的要因のみでなく、ふ化後にさらされる外的要因も影響し個体のカーストが最終的に決定されることがわかった。これらの研究結果を踏まえ、カースト間の遺伝子発現解析等を行うことにより、ヤマトシロアリにおいてカースト決定の分子レベルの機構を明らかにすることができる。ヤマトシロアリにおける最近の研究で、幼虫がニンフまたはワーカーのどちらに分化するかは遺伝的に決定されていることが示唆された。本年度ではヤマトシロアリのカースト決定において遺伝的要因が関与するか検証することを目的とし、以下の単為生殖実験と交配実験の2つの飼育実験を行った。単為生殖実験ではニンフ型(N)・ワーカー型生殖虫(E)に単為生殖をさせ、交配実験では♀Nと♂N、♀Nと♂E、♀Eと♂N、♀Eと♂Eの組み合わせで交配をさせた。その結果、単為発生個体は染色体数の調査により2倍体であること、また、親ではヘテロ接合であるマイクロサテライト遺伝子座においてホモ接合になっていることが明らかになった。このことからヤマトシロアリのニンフ・ワーカー型生殖虫の単為生殖は、オートミクシス型であるといえる。180日の飼育期間内での産卵数について、単為生殖・交配実験ともにニンフ型とワーカー型生殖虫の間で有意な差がみられた。一方、同型の生殖虫間では、単為生殖・交配による産卵数のちがいはなかった。単為生殖・交配実験で生まれた仔の性とカーストを調べると、実験ごとに性比・カースト比は異なっていた。以上の実験から幼虫がニンフ、ワーカーのどちらのカーストに分化するかは、ふ化前の内的要因が強く関与して決定されることが示された。個体間での遺伝的な差異が、何らかの外的要因(たとえば、カースト分化フェロモンや栄養物質)の感受性の差異に関係する可能性があるため、今後外的要因のカースト分化に対する影響も調査する。
肺静脈起源興奮による心房細動の発生機序の解明と治療戦略の確立

心房細動の発生・維持に肺静脈を起源とする異常興奮が重要な役割を果たすことが示唆されている。本研究では、肺静脈における異常興奮発生の分子基盤を明らかにするとともに、心房細動発生における伸展活性化チャネルの関与について検討した。(1)肺静脈におけるイオンチャネル発現:ウサギおよびラット肺静脈におけるイオンチャネルmRNA発現を定量的PCR法で計測し、その蛋白発現分布を免疫組織化学により調べた。生理的自動能の形成に重要な過分極活性化内向き電流チャネル(HCN1,HCN4)やL型Caチャネル(Cav1.3)は洞房結節に多く発現していたが肺静脈では心房筋よりも少なかった。肺静脈における内向き整流Kチャネル(Kir2.1,Kir2.2)やNaチャネル(Nav1.5)の発現は心房筋よりも少なかった。また、細胞内Ca調節蛋白(ryanodine receptorや筋小胞体Caポンプ)の発現も肺静脈では心房筋よりも少なかった。これらより、肺静脈では、興奮伝導遅延を基盤とするリエントリーや、細胞内Ca調節異常によるtriggered activityが生じやすい基質を有していると考えられる。(2)伸展活性化チャネルの関与:ウサギ摘出灌流心の心房に静水圧を加えると、圧依存性に心房細動の誘発性が高くなり、持続時間が延長した。非特異的な伸展活性化チャネル阻害剤Ga^<3+>は圧負荷に伴う心房細動の発生を抑制した。伸展活性化チャネル阻害作用を有するタランチュラ毒素GsMtx-4の活性中心ペプチド(TVP003,TVP017)やCl^-チャネル阻害剤は圧負荷による心房細動の受攻性には変化を与えなかった。心房細動の発生には伸展活性化チャネルが関与している可能性が示唆された。チャネルタイプの同定と心房における発現の確認が必要である。心房細動は日常臨床で最も遭遇する頻度が高い持続性不整脈であるが、社会の高齢化に伴ってその発症頻度はますます増加傾向にあり、その有効は予防・治療法の確立が望まれている。近年、心房細動の発生・維持に肺静脈を起源とする異常興奮が重要な役割を果たすことが示され、アブレーション治療の面から注目を集めているが、肺静脈がどのような電気生理学的特性を基盤として異常興奮を生じるについてはこれまで十分に解明されていない。今年度の研究では、異常興奮の発生に関与するイオンチャネル発現が肺静脈と心房筋あるいは洞房結節でどのように異なるかについて、real-time PCR法によるmRNA定量と、免疫組織化学による蛋白分布の観察から検討した。その結果、ウサギおよびラット肺静脈では、洞房結節タイプの自動能の発現に重要な過分極活性化内向き電流チャネル(HCN1,HCN4)や深い膜電位から活性化されるL型Caチャネル(Cav1.3)の発現は心房筋よりもむしろ少ないが、静止電位の形成に重要な内向き整流Kチャネル(Kir2.1,Kir2.2)や興奮伝導を規定するNaチャネル(Nav1.5)の発現が心房筋よりも少ないことが明らかになった。更に、肺静脈ではCa調節蛋白であるryanodine receptorや筋小胞体Caポンプの発現も心房筋よりも少ないことが判明した。以上より、肺静脈では、興奮伝導遅延を基盤とするリエントリーや、細胞内Ca調節異常によるtriggered activityが生じやすい基質を有しており、これらを基盤として異常興奮が発生する可能性が示唆された。また、今年度の研究では、ウサギを用いて心房-肺静脈の圧負荷誘発心房細動モデルを作成し、活動電位光学マッピングによる興奮伝播や発動電位波形変化の解析にも着手した。

心房細動は日常臨床で最も遭遇する頻度が高い持続性の不整脈であり、自覚症状や心機能低下によるQOL悪化や血栓塞栓症による脳梗塞などが臨床上大きな問題となっており、その有効な予防・治療法の確立が望まれている。弁膜症や高血圧、先天性心疾患などで心房に圧負荷や容量負荷が加わって心筋組織が伸展されると心房細動に対する受攻性が高まることが知られている。しかしその機序はこれまで十分解明されていない。本研究では、ウサギ摘出心臓の圧負荷誘発心房細動モデルを作成し、伸展活性化イオンチャネル抑制剤の作用について検討した。ウサギ摘出Langendorff灌流心の大静脈と肺静脈にカニューレを挿入し、左右両心房に静水圧を加えた。圧負荷を加えない状態で心房にバースト電気刺激を加えて誘発した心房細動は数秒以内に停止したが、圧負荷を加えると圧依存性に心房細動の持続時間が延長し、15cmH_2O以上の圧負荷では持続性心房細動となった。非特異的伸展活性化チャネル阻害剤Ga^<3+>は心房圧上昇による心房細動の誘発を有意に抑制した(心房細動持続時間の圧依存性曲線を左方に移動させた)が、伸展活性化チャネル阻害作用を有するタランチュラ毒素GsMtx-4の活性中心ペプチド(TVP003,TVP017)やCl^-チャネル阻害剤は圧負荷による心房細動受攻性を変化させなかった。これらの薬物が作用する伸展活性化チャネルの同定と、心房筋におけるその発現について今後検討を進めることが必要である。
tRNAと低分子RNAの新機能

大腸菌の低分子RNAの10Sa RNAはアラニンをチャージしてtRNAとして働く一方、メッセンジャーRNAとしても働くことからtmRNAとも呼ばれている。我々は10Sa RNAをコードするssrA遺伝子の欠失株が45°Cで温度感受性を示すこと、10Sa RNAに依存する温度感受性の大腸菌ミュータントが分離できること、それらのミュータントはいろんな必須遺伝子に変異をもつものであるが、thymidylate synthase遺伝子の温度感受性株のthyAts12-20ミュータントは10Sa RNAに対して最も鮮明な表現型を示す。DNA塩基配列の解析からP228LとT216Aの二つの変異を持つことが判明した。このミュータントの10Sa RNAによる温度感受性の相補には、さらにsmall RNAをコードする遺伝子のspf(spot42)遺伝子の関与が必要であることが明らかになってきた。どのようにこのsmall RNAが働いて温度感受性を相補するのかについては引き続き研究している。大腸菌のtRNA Leu_6はタンパク質合成に際してはwobblingが可能な別のtRNA Leuが存在するので、non-essentialなtRNAの一つである。これまでの分子遺伝学的な研究により、このtRNAはgidAと命名されている細胞分裂に関与する遺伝子と機能的に関わりをもつことを明らかにした。大腸菌ではこのようなnon-essentialなtRNAはあと7種類存在する。これらのtRNA遺伝子に的を絞り、遺伝子破壊を試みている。tRNA Thr_2遺伝子の欠失株より野生型tRNA遺伝子で相補されるような温度感受性ミュータントの分離に成功し、温度感受性変異を調べてみると、脂肪酸代謝に関与する一つの遺伝子におちることが判明した。同様の実験をSer_2,Pro_1,Arg_4,Gly_1,Gln_2,Leu_1などについても開始している。
B型肝炎ウイルス増殖制御機構の解明と新たな治療法の開発

約200例のHCV陽性患者(HBs抗原陰性190例、HBs抗原陽性10例)を対象として肝生検と採血施行し、Taq Man chemistryにもとずいたPCR法により血清及び肝組織中のHBV DNAの有無を確認し定量した。その結果HBs抗原陽性者においても、肝組織中と血中のHBV DNAはHCV陰性のHBV単独感染者の約1000分の1であった。またHCV陽性の慢性肝疾患患者においては、肝疾患の進行につれてHBV陽1生の頻度が増加した。血中および肝組織中のHBV DNA量はHBs抗原陽性の重感染例の約100分の1から1000分の1であった。HCVがHBVの複製を抑制している可能性が示されたので、現在HCVとHBVの発現ベクターを構築してHBVの遺伝子複製のどの段階をHCVが抑制するかを検討している。まずはじめにHCV core蛋白の発現とそのリン酸化がHBVの遺伝子複製に影響を与えるかどうかを検討した。HCVcore蛋白を発現させるとHBVの遺伝子複製を抑制することが示された。HCVのNS3/4A蛋白を発現させるとむしろ、HBVの増殖は促進されHBVの増殖制御にインターフェロン系が密接に関与している可能性が示唆された。1.本年度は約20例のB型慢性肝炎患者に十分なインフォームドコンセントを取得した上で、ラミブジン+サイクロスポリン中断療法を施行した。患者からは毎週採血を行い血中のトランスアミナーゼ値、血中のウイルス量のモニターを行った。その結果約3分の1の患者で免疫抑制剤のサイクロスポリンを中断した後にトランスアミナーゼの有意の上昇が認められた。トランスアミナーゼの有意の上昇が認められた症例においては、血中のウイルス量がサイクロスポリン中断前の約1万倍以上増加していることが判った。一方トランスアミナーゼ値の有意の上昇が見られなかった症例においては、ウイルス量の増加は100倍以下であった。本年度の臨床的な解析から、トランスアミナナーゼの上昇はウイルスの急速な増殖を宿主が認識することにより起こり、サイクロスポリン中断による免疫抑制と再賦活化だけでは起こらないことが判明した。現在ラミブジンでウイルス量を一旦減らした後にステロイド中断を行い、ステロイド中断前後で肝生検を行ってdifferential displayおよびDNA tip用のサンプルを収集している。2.HBV DNAの測定系としてTaq Man chemistryにもとずいたreal time detection PCRを構築した。この系では数コピー/wellから10^8コピー/wellまで高い再現性と直線性をもってHBV DNAの測定が可能である。