hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
固液界面で機能する核酸－酵素ハイブリッド分子の創製とその高度利用

本研究においては機能性生体分子であるDNAアプタマーとタンパク質に注目し、その二機能を合わせもつDNA-タンパク質ハイブリッド分子の創製及び応用を行っている。DNAアプタマーとは、標的分子に対して特異的に結合する機能性一本鎖核酸である。タンパク質は発光特性、触媒特性など多様な機能を有し、分子認識機能を有するDNAアプタマーへタンパク質をハイブリッド化すると、標的分子に対してDNA-タンパク質複合体を穏やかな条件で配置することができる。即ちハイブリッド分子により、カスケード反応場やナノ構造体を容易に構築可能である。このような応用を視野に入れた場合、ハイブリッド化において双方の機能性を最大にする必要がある。そこで報告者は、二種類の異なる酵素反応、ターミナルトランスフェラーゼ(TdT)及び微生物由来トランスグルタミナーゼ(MTG)の基質特異性に着目し、部位特異的かつ高効率な複合化を進行させ、最終産物の機能損失を最小にする系を構築した。昨年度から引き続き、まず、DNAアプタマーを用いた人工酵素を開発した。モデルとしたのは、セルロース系バイオマスの加水分解を触媒するセルラーゼである。報告者が最適化した手法でセルラーゼ(触媒ドメイン)とセルロース結合性アプタマーの複合化を行い、固体セルロース基質の加水分解反応へと応用して天然のセルラーゼに匹敵する機能性を確認した。さらに、天然型のセルラーゼと異なり、塩濃度に応答して活性がスイッチングする性質を発見し、その塩濃度依存性の結合特性を詳細に解析した。並行して、癌細胞イメージング試薬の開発を行い、新たなハイブリッド化法を検証した。新規ハイブリッド化法では、MTGの基質として、DNA側を一級アミン、タンパク質側をグルタミン(Gln)として、基質の最適を行い、汎用的、効率的かつハイブリッド分子の精製が容易な手法を目指した。28年度が最終年度であるため、記入しない。本研究においては機能性生体分子であるDNAアプタマーと酵素に注目し、その二機能を合わせもつDNA-酵素ハイブリッド分子の創製及び応用を行っている。ハイブリッド化において双方の機能性を最大にするため、報告者は、二種類の異なる酵素反応、ターミナルトランスフェラーゼ(TdT)及び微生物由来トランスグルタミナーゼ(MTG)の基質特異性に着目し、末端特異的かつ高効率な複合化を進行させ、最終産物の機能損失を最小にする系を構築した。当年度においては、この手法を拡張し、DNAアプタマー鎖一本あたりに、さらなる末端特異的かつ酵素の標識間隔制御を目指した。結果として、チミンとペプチド修飾ヌクレオチドを混合することで酵素の反応用ペプチド標識率及びアプタマー鎖長が最大となることを示した。さらに検出試薬として応用すると、最大のシグナルを示すハイブリッド分子の作製を達成した。さらにハイブリッド化最適後、DNAアプタマーを用いた人工酵素の開発を行った。モデルとしたのは、バイオエタノールの効率的な生産胃重要な、セルロース系バイオマスの加水分解を触媒するセルラーゼである。固体セルロースに対して効率的な加水分解が進行するのは、約30%のセルラーゼが触媒ドメイン(CD)に加えて、セルロース結合モジュール(CBM)を有して、固液界面における有効触媒濃度を高めているためである。そこで、報告者らは新たなセルロース認識分子として、セルロース結合性DNAアプタマーに注目し、CD-DNAアプタマーをハイブリッド化することで新規人工セルラーゼの開発を行った。ハイブリッド化手法は前述の手法で最適化した条件で、CD:DNAアプタマー=1:1のハイブリッド分子を調製し、固体セルロース基質の加水分解反応において、CDのみの場合と比較して、DNAアプタマーとのハイブリッド分子は最大で約2倍の活性を示した。ハイブリッド分子の応用を視野に入れた場合、ハイブリッド化において双方の機能性を最大にする必要がある。そこで申請者は、二種類の異なる酵素反応、ターミナルトランスフェラーゼ(TdT)及び微生物由来トランスグルタミナーゼ(MTG)の基質特異性に着目し、部位特異的かつ高効率な複合化を進行させ、最終産物の機能損失を最小にする系を構築した。本年度はハイブリッド分子の応用として、DNAアプタマーを用いた人工酵素の開発を行った。セルラーゼはセルロースの加水分解により糖を生成し、バイオエタノールの原料を生産する。そのため、セルラーゼの触媒機能はバイオマスからの効率的なバイオエタノール変換へと重要な役割を果たしている。固体であるセルロースに対して効率的な加水分解が進行するのは、約30%のセルラーゼが触媒ドメイン(CD)に加えて、セルロース結合モジュール(CBM)を有してCDをセルロース表面に近接させ、固液界面における有効触媒濃度を高めているためである。よってCBMによるセルロースへの吸着は加水分解において非常に重要であり、CBMとセルロースの相互作用の解析は多く報告されている。そこで、申請者は新たなセルロース認識分子として、セルロース結合性DNAアプタマーに注目し、CDとDNAアプタマーをハイブリッド化することで新規人工セルラーゼの開発を行い、天然のセルラーゼに匹敵する機能性を確認した。また、人工セルラーゼ、CD-DNAアプタマーハイブリッド分子については、CD:DNAアプタマー=1:1のハイブリッド分子を調製し、固体セルロース基質の加水分解反応へと応用して天然のセルラーゼに匹敵する機能性を確認し、さらにセルロース-DNAアプタマー間の相互作用機構を解析及び顕微鏡で解析し、論文発表に値するデータを取得した。

そして三報目の筆頭著者論文を2016年度中に投稿可能な状態であるため、研究はおおむね順調に進行している。本研究においては機能性生体分子であるDNAアプタマーとタンパク質に注目し、その二機能を合わせもつDNA-タンパク質ハイブリッド分子の創製及び応用を行っている。DNAアプタマーとは、標的分子に対して特異的に結合する機能性一本鎖核酸である。タンパク質は発光特性、触媒特性など多様な機能を有し、分子認識機能を有するDNAアプタマーへタンパク質をハイブリッド化すると、標的分子に対してDNA-タンパク質複合体を穏やかな条件で配置することができる。即ちハイブリッド分子により、カスケード反応場やナノ構造体を容易に構築可能である。このような応用を視野に入れた場合、ハイブリッド化において双方の機能性を最大にする必要がある。そこで報告者は、二種類の異なる酵素反応、ターミナルトランスフェラーゼ(TdT)及び微生物由来トランスグルタミナーゼ(MTG)の基質特異性に着目し、部位特異的かつ高効率な複合化を進行させ、最終産物の機能損失を最小にする系を構築した。昨年度から引き続き、まず、DNAアプタマーを用いた人工酵素を開発した。モデルとしたのは、セルロース系バイオマスの加水分解を触媒するセルラーゼである。報告者が最適化した手法でセルラーゼ(触媒ドメイン)とセルロース結合性アプタマーの複合化を行い、固体セルロース基質の加水分解反応へと応用して天然のセルラーゼに匹敵する機能性を確認した。さらに、天然型のセルラーゼと異なり、塩濃度に応答して活性がスイッチングする性質を発見し、その塩濃度依存性の結合特性を詳細に解析した。並行して、癌細胞イメージング試薬の開発を行い、新たなハイブリッド化法を検証した。新規ハイブリッド化法では、MTGの基質として、DNA側を一級アミン、タンパク質側をグルタミン(Gln)として、基質の最適を行い、汎用的、効率的かつハイブリッド分子の精製が容易な手法を目指した。申請者は研究実績の概要で報告した通り、二つの研究題目に対して論文執筆に値するデータを得、現在二つの論文を執筆中である。特に、交付申請書に記載した最初の目標である、DNAアプタマーを用いた人工酵素の開発も一年以内に成果を得たため、交付申請書通りに計画を進行させ、かつ論文として結果を報告できる状況にあり、順調に進展していると評価した。今後は、ハイブリッド分子のさらなる応用展開として、がん細胞イメージング、がん細胞特異的な医薬品の開発を行う予定である。まずイメージングに関しては、緑色蛍光タンパク質と、がん細胞に過剰発現しているc-Metを認識するDNAアプタマーを前述の最適化した手法でハイブリッド化し、c-Met発現量に依存した蛍光でイメージングできるかどうかで機能性評価を行う。がん細胞
伊東細胞の筋線維芽細胞化に伴い発現する核局在性蛋白のCDNAクローニング

肝臓の線維化の進展、ことにその終末像としての肝硬変では肝不全や肝細胞癌、食道静脈瘤、感染症などの合併症が直ちに生命予後に影響を及ぼすため、慢性肝疾患の治療では肝硬変への移行の防止、即ち肝線維化の抑制が極めて重要である。この線維化過程には形質転換した伊東細胞が主に関与する。従来、検討された伊東細胞の蛋白あるいは遺伝子発現の変化はコラーゲンなど変動が予知できるものに限られており、我々もα-平滑筋アクチン、cationic amino acid transporterなどの発現増強を明らかにしてきたが、このような形質転換に関与する可能性のある核蛋白を同定することは意義が大きいと考えられる。近年の肝臓潅流方法の改良によりラット肝より95%以上の純度の伊東細胞の分離精製が可能となり、その形質転換過程をin vitroで再現することが可能となり、光顕のみならず電顕的にも経時的に観察し得るようになった。このように高純度の細胞を得ることが可能になったので、伊東細胞の形質転換過程に関与する未知の蛋白を見いだすことが可能となった。我々はヒト硬変肝より採取した伊東細胞を家兎に免疫し、健常肝より採取した伊東細胞で吸収することにより、筋線維芽細胞化伊東細胞の核と特異的に反応する抗体を得た。今回、この抗体を用いて核蛋白抗原を精製し、モノクローナル抗体を作成した。この抗体を用いてこの抗原のアミノ酸配列の一部を決定し、この蛋白が筋細胞に表出されるエメリンであることを明らかにした。この蛋白質は伊東細胞の形質転換に伴って核に一過性に強く発現されることから、形質転換の制御機構への関与を明らかにすることによりin vivoにおける肝線維化抑制へと研究が進展する可能性を有している。生体の実質臓器に共通する代表的病態は炎症」と「線維化」である。肝臓も例外ではなく、慢性肝炎とこれに伴う肝線維化やアルコール性肝線維症、先天性肝線維症などがこれに相当する。その確定診断や進展の程度の評価に肝生検が有用であることからも分かるように基本的には「炎症」や「繊維化」は病理形態学約な概念である。肝臓でこのような線維化を惹起する細胞は主に筋線維芽細胞様に形質転換した伊東細胞である。近年の肝臓潅流方法の進展に伴いラット肝より99%以上の純度の伊東細胞の分離精製が可能となり、その形質転換過程をin vitroで再現することが可能となったので、今回、我々は伊東細胞を正常肝および肝硬変の剖検肝より分離し、differential display法により肝硬変への進展に伴い発現の増強するmRNAの分離を試みた。従来、この過程における蛋白あるいは遺伝子発現の変化はコラーゲンなど変動が予知できるものに限られてきた。今回我々が用いた方法により増強が明らかとなった遺伝子も、伊東細胞のトランスフォームに伴うc-mycなど増殖に関連する遺伝子群と、肝臓の線維化の進展に関与することがすでに知られているコラーゲンなどで、その発現の増強が予知できるものがほとんどであり、従来の知見を支持する成績であった。既知の遺伝子のうち、新たにmRNAの発現の増強が確認されたものはcationic aminoacid transporterで、次年度はその機能につき検討を行う予定である。

従来、検討された伊東細胞の蛋白あるいは遺伝子発現の変化はコラーゲンなど変動が予知できるものに限られており、我々もα-平滑筋アクチン、cationic amino acid transporterなどの発現増強を明らかにしてきたが、このような形質転換に関与する可能性のある核蛋白を同定することは意義が大きいと考えられる。近年の肝臓潅流方法の改良によりラット肝より95%以上の純度の伊東細胞の分離精製が可能となり、その形質転換過程をin vitroで再現することが可能となり、光顕のみならず電顕的にも経時的に観察し得るようになった。このように高純度の細胞を得ることが可能になったので、伊東細胞の形質転換過程に関与する未知の蛋白を見いだすことが可能となった。我々はヒト硬変肝より採取した伊東細胞を家兎に免疫し、健常肝より採取した伊東細胞で吸収することにより、筋線維芽細胞化伊東細胞の核と特異的に反応する抗体を得た。今回、この抗体を用いて核蛋白抗原を精製し、モノクローナル抗体を作成した。この抗体を用いてこの抗原のアミノ酸配列の一部を決定し、この蛋白が筋細胞に表出されるエメリンであることを明らかにした。この蛋白質は伊東細胞の形質転換に伴って核に一過性に強く発現されることから、形質転換の制御機構への関与を明らかにすることによりin vivoにおける肝線維化抑制へと研究が進展する可能性を有している。
高分子単結晶を配向基盤とする分子配列制御の研究

アセトン溶液のスローエバポレーションによって得られた2, 4-hexadiynediol bis (p-toluenesulphonate(以下PTS)を熱重合することによって作成したpoly-PTSを基盤として、いくつかの有機化合物の溶融状態からのエピタキシャル成長を行い、これまで蒸着などに用いられてきた基盤と比較し、そのメカニズムを検討した。小型のヒ-ティングステージを組み込んだ反射型偏光顕微鏡により、エピタキシャル成長の過程をその場観察した結果、PTSモノマーの成長の場合、既存の基盤(KCl単結晶へき開面、ラビングポリイミド膜、グラフォエピタキシャル成長用基盤)の場合まったく方位制御が見られないのに対し、poly-PTS基盤では著しい方位制御が観測され、20分程度でミリメートル程度の薄膜単結晶が得られた。また、アフラミの理論に従った解析の結果、核生成は不均一機構であり、基盤により制御されていることが明らかとなった。成長したPTS薄膜単結晶のX線回折を観察した結果、得られた結晶の方位はpoly-PTS基盤とb, c軸を一致させて成長しており核生成だけではなく、成長方位も制御されていることが明らかとなった。また、他の化合物4BCMU, 3BCMUにおいても同様の制御が観察された。以上の結果より、核生成、結晶成長の制御は、基盤の幾何学的な構造に因るばかりでなく、基盤を構成する分子と成長する分子との化学的相互作用が重要な役割を果たしていることが示唆された。
アミロイドβペプチドの蓄積を抑制するβセクレターゼ阻害剤の合成研究

アミロイドβペプチドは、アルツハイマー病の老人斑の主成分であり、膜貫通型の蛋白質であるβアミロイド前駆体蛋白質(β-amyloid precursor protein : APP)がβセクレターゼ、および、γセクレターゼによって切断されて生じる。著者はアミロイドβペプチドの生成を抑制すべくβセクレターゼの阻害剤の創製に着手した。βセクレターゼがアスパルチルプロテアーゼであることから、阻害剤のデザインとしては、基質遷移状態に基づいた「hydroxyethylamine型のジペプチドイソスター(HDI)」を含む化合物が有用であると考えられた。著者は、以前からペプチド性医薬品の化学合成に関する研究を行っており、昨年度「aza-version Payne転位反応」と「O, N-acyl転位反応」を鍵基本反応とするHDI含有ペプチドミメティックスの効率的合成法を確立した。今年度、本法を用いて、コンビナトリアルケミストリー的に多数のHDI含有ペプチドを合成し、強いβセクレターゼ阻害活性を有するリード化合物の創出を目指した。その中からβセクレターゼ阻害活性が数十nMの化合物(分子量約900)を発見した。なお、本阻害剤は同時にassayして比較した市販品(ペプチド研究所、分子量1,650)の約5倍の活性を有しており(分子量は約半分)、今後βセクレターゼの阻害剤の創製研究を遂行するにあたって、十分な活性を有していると考えられる。今後、これをリード化合物として、低分子化、非ペプチド化、生体内安定化、高活性化、BBBの透過性の上昇に関する研究を行い、医薬品としてのプロフィールを向上させることを考えている。このような生体内安定性やBBB透過性の上昇のための分子変換に役立つジペプチドイソスターとして、適度な疎水性を有する(E)-アルケン型ジペプチドイソスター、(Z)-フルオロアルケン型ジペプチドイソスター、及び、塩基性を有する還元型ジペプチドイソスターがあり、今年度これらの立体選択的合成法を開発した。
濃縮・還元機能を備えた刺激応答性ポリマーによる貴金属イオンの高選択的分離法の開発

本研究では「濃縮・還元機能」をもつ刺激応答性ポリマーを創出し、水溶液中の貴金属イオンをナノ粒子として分離・回収する革新的技術開発を行った。新規に合成したポリマーは大量のベースメタルから貴金属イオンのみを高選択的に吸着・濃縮し、ポリマーの表面・界面で還元され、貴金属ナノ粒子が生成した。さらにポリマー膜表面に金ナノ粒子を高密度に生成させることに成功し、分離・回収だけでなく機能性材料開発への応用も期待される。本研究の目的は、廃電子機器やメッキ廃液中の貴金属に関する新しい次世代型の分離・回収システムを考案し、国家的弱点を克服する革新的リサイクル技術を創出することにある。本研究では分離メディアとして刺激応答性ポリマー(pH or温度)に焦点を絞り、そこに新しい「濃縮・還元機能」をハイブリッド化することによって、今までにない反応分離場を創出し、省エネで環境に配慮した高効率・高選択的な貴金属資源のリサイクルシステムを構築する。初年度はpH応答性ポリマーとして水溶性のグリシン型のキトサン誘導体(GAC)を新たに合成した。金ナノ粒子の生成は1金イオンを含む溶液にGACを溶解させ、そこに熱を加えることによって約2時間で直径5-20 nmの金ナノ粒子を得た。このときの最適温度は60°Cであった。この方法では金が還元される過程でGACの一部が酸化され、GACの水溶性が減少し、pHが低い領域では固体として沈殿した。次いで2GACと金イオンの混合溶液に30°Cで還元剤であるクエン酸、アスコルビン酸、水素化ホウ素ナトリウムを加えた。クエン酸の場合は30°Cでは金は還元されなかった。これはGACと金イオンの相互作用が強く、クエン酸による金イオンの還元反応が進まなかったと考えられる。反応温度を70°Cに上昇させると約7時間後より金ナノ粒子が確認され、48時間後には室温で赤から青紫(30 nm)へと色が変化した。アスコルビン酸の場合もほぼ同様な結果であった。水素化ホウ素ナトリウムでは瞬間的に金が還元され、金の濃度と共にGAC溶液中で金ナノ粒子が大きく成長した(50 nm)。またクエン酸はアスコルビン酸よりも強い酸であり、低pH領域で反応活性の高いAuCl4-イオンが大半を占め、核成長より核生成が優先して進み、より小さいナノ粒子が生成し、回収率の増加につながったと考えられる。このような結果は、今後の貴金属の革新的なリサイクル技術の発展につながる結果が得られたものと判断している。今年度はpH応答性を示すキトサンを架橋して不溶化したケトグルタル酸キトサン誘導体(KGAC),およびクエン酸キトサン誘導体(CAC)を新たに合成した。まず1mMの金イオンを含む各濃度の塩酸溶液と1Mの硝酸アンモニウム溶液に固体のKGACやCACを入れ、金イオンを吸着させた。吸着温度は30、45、60 °Cで24時間放置した。高pH領域や低塩酸濃度領域では直径5-20 nm程の金ナノ粒子を得た。その形状は真球状体ではなく、凝集体も含んだ多分散型のナノ粒子であった。金のナノ粒子生成率は酸濃度や温度に大きく影響することが明らかとなった。次いで、希塩酸に溶解したキトサン溶液と1 mMの金の混合溶液に、還元剤として1クエン酸ナトリウム、2アスコルビン酸ナトリウム、3シュウ酸、4四水素化ホウ素ナトリウムをそれぞれ加え、金ナノ粒子の生成に及ぼす影響について検討した。その結果、生成した金ナノ粒子は真球状体であり、粒径が大きく異なることを見出した。1や2の還元剤では400-500 nmの真球状体の金ナノ粒子が得られた。一方、3や4の還元剤では、40-50 nmの真球状体の金ナノ粒子であった。以上の結果より、生体高分子であるキトサンを金イオンの溶液に共存させることによって真球状体のナノ粒子が得られることを見出した。次に高機能性触媒や高感度センサーへ応用するために、金ナノ真球状体をキトサン膜上に規則正しく並べる方法にチャレンジした。まず、キトサンやキトサン誘導体をシャーレにキャストして固体膜を作成した。これらを吸着材として塩酸溶液から金の吸着を行い、それを上述した各種還元剤に30°Cで24時間浸漬することによって、キトサンやキトサン誘導体の膜上に金ナノ粒子を生成させた。上述した還元剤のうち1と3は膜が溶けてしまったが、均一な金ナノ粒子が溶液中に生成した。一方、2と4の還元剤では膜は溶解しなかったが、金粒子は生成しなかった。今後のさらなる詳細な検討が必要である。金や白金族金属は電子部品や自動車用排ガス触媒をはじめ、多くの分野で使用されている。しかし、これらのニーズの高まりと稀少性から、価格は急騰し、その安定確保が大きな課題となっている。そこで本研究では、従来型の“イオン"を“イオン"として回収するのではなく、貴金属イオンを含む廃液や浸出液から「貴金属イオン」のみを「固体ナノ粒子」として回収する、今までにはない貴金属イオンの革新的分離・回収技術の開発を目的としている。一年目は水溶性のグリシン型キトサン誘導体(GAC)を新たに合成し、金イオンを含む溶液に溶解させ、そこに熱(60°C)を加えることによって約2時間で直径5-20 nmの真球状の金ナノ粒子を得ることに成功した。

これは、GACの表面に金イオンが濃縮され、その後還元されてGACに包まれるように金ナノ粒子が生成したものと考えられる。二年目は、濃縮・還元機能を付与した架橋クエン酸キトサン誘導体とチオール化キトサン誘導体を新たに合成した。金の吸着温度は30°C、45°C、60°Cで24時間放置した。高pH領域や低塩酸濃度では吸着材表面や溶液中に直径10-20 nmの金ナノ粒子を得ることに成功した。しかし、そのナノ粒子は単一分散ではなく、凝集体も含んだ多分散型のナノ粒子であった。三年目は、キトサン膜を作成し、その膜に金を吸着させて還元剤の溶液に浸漬すると、その膜表面に真球状体の金の単分散ナノ粒子(10, 30-50nm)が大量に生成することを見出した。他の貴金属(Pd, Pt, Ag)についても検討し、還元剤の種類によって貴金属間の相互分離の可能性が示唆された。また、実用化を目指してチオールやアミド系抽出剤と還元剤を組み合わせることによって、Au, Pt, Pdの混合塩酸溶液から金のみを「金箔」として分離回収することに成功した。本研究では「濃縮・還元機能」をもつ刺激応答性ポリマーを創出し、水溶液中の貴金属イオンをナノ粒子として分離・回収する革新的技術開発を行った。新規に合成したポリマーは大量のベースメタルから貴金属イオンのみを高選択的に吸着・濃縮し、ポリマーの表面・界面で還元され、貴金属ナノ粒子が生成した。さらにポリマー膜表面に金ナノ粒子を高密度に生成させることに成功し、分離・回収だけでなく機能性材料開発への応用も期待される。本研究では「濃縮・還元機能」をもつ刺激応答型のポリマーを創出し、水溶液中に溶解している貴金属やレアメタルをナノ粒子として分離・回収する革新的技術の創出を目的に検討した。室温で水中に溶解している刺激応答性ポリマーは貴金属イオンを濃縮・還元し、貴金属ナノ粒子を生成する。本技術を廃棄電子機器・メッキ廃液に応用し、貴金属の分離・回収システムの実用化を目指した。今年度は昨年に引き続きグリシン型キトサン誘導体による実験を行うと共に、クエン酸やケトグルタル酸を導入したキトサン誘導体を新たに合成した。これらはpH応答性を示し、しかも「濃縮・還元機能」を有しており、金イオンが溶解している水溶液にそれらを共存させることによって高選択的に金を吸着・濃縮し、還元作用により金ナノ粒子が生成することを見出した。本法では生成した金ナノ粒子は真球状体ではなく、凝集体が観察された。さらに、これらのキトサンやキトサン誘導体を金の塩酸溶液と共存させると、これらの生体高分子の「静電気的作用・キレート作用」によって金イオンが生体高分子の表面に近づいて吸着される。すなわち、金イオンが高分子のキトサンやキトサン誘導体に包み込まれることによって、金ナノ粒子の核生成→核成長→真球状化が穏やかに進行することを見出した。その後、キトサンやキトサン誘導体を酸で溶解することによって、単一分散した真球状体の金ナノ粒子のみを得ることに成功した。このことは、pH応答性のポリマーを使用すれば水溶液中のpHを操作するだけでナノ粒子の生成速度、生成効率および粒径を制御でき、しかもキトサン誘導体が目的金属に対して高い選択性を発現すれば、廃電子機器などから「高選択的な濃縮・還元」によって特定の金属イオンを溶液から固体として分離することができ、特に白金族金属やレアメタルの革新的リサイクル技術としての応用・展開が期待される。分離機能材料工学
サブナノ秒屋内遅延プロフィール測定法の研究

本研究では,高速無縁LAN実現の基本的な技術開発を可能にする超高遅延時間分解能(サブナノ秒)を持つ屋内遅延プロフィール測定装置の実現を目指し,装置の開発に重点を置き,検討を行った.しかしながら,装置開発の要である高速論理回路用いたM系列発生器を中心とした回路設計に手間取り,研究機関内の装置完成を達成できなかった.しかし検討を続行し,鋭意,装置完成に向け研究を継続する.装置の設計段階における検討において,(1)反対称M系列符号の使用により複数送信点による送信ダイバーシチ効果の検討を同時に検討できる,(2)その際の振幅ダイナミックレンジに損失がないことが明らかになった.一方,本研究の成果を応用する屋内無線LANシステムの計算機シミュレーションについて検討を行った.これは,これまでの計算方式を更に拡張し,屋内全体に亙って計算機シミュレーションを可能にするもので,本年度,導入した仮想並列計算機を利用する事で可能になった.これまで長大な計算時間の必要な計算機シミュレーションを32個のPentium II 450MHz CPUを持つ16台の計算機を同時に使用する事で,計算時間を短縮し,耐多重波変調方式を適用した10Mb/sを超えるLAN方式の検討を行う事が可能になった.その結果,従来方式では指向性アンテナを用いて,見通し伝搬を確保しなければ,10Mb/sを超える通信を屋内全体に亙って実現する事は不可能である事が判明したが,研究者らが提案する耐多重波変調方式(PSK-RZ)と人工的なフェージング(Active Fading)を組合わせる事で,部屋全体に誤り率1x10^<-5>を確保できることを明らかにする事が出来た.これには遅延波を含めた屋内電波伝搬特性を含めた動的な計算機シミュレーションの実現で可能になったものであり,本研究の成果として期待される屋内におけるサブナノ秒代の伝搬遅延特性測定結果の応用が期待される.本研究では,高速無縁LAN実現の基本的な技術開発を可能にする超高遅延時間分解能(サブナノ秒)を持つ屋内遅延プロフィール測定装置の実現を目指し,装置の開発に重点を置き,検討を行った.しかしながら,装置開発の要である高速論理回路用いたM系列発生器を中心とした回路設計に手間取り,研究機関内の装置完成を達成できなかった.しかし検討を続行し,鋭意,装置完成に向け研究を継続する.装置の設計段階における検討において,(1)反対称M系列符号の使用により複数送信点による送信ダイバーシチ効果の検討を同時に検討できる,(2)その際の振幅ダイナミックレンジに損失がないことが明らかになった.一方,本研究の成果を応用する屋内無線LANシステムの計算機シミュレーションについて検討を行った.これは,これまでの計算方式を更に拡張し,屋内全体に亙って計算機シミュレーションを可能にするもので,本年度,導入した仮想並列計算機を利用する事で可能になった.これまで長大な計算時間の必要な計算機シミュレーションを32個のPentium II 450MHz CPUを持つ16台の計算機を同時に使用する事で,計算時間を短縮し,耐多重波変調方式を適用した10Mb/sを超えるLAN方式の検討を行う事が可能になった.その結果,従来方式では指向性アンテナを用いて,見通し伝搬を確保しなければ,10Mb/sを超える通信を屋内全体に亙って実現する事は不可能である事が判明したが,研究者らが提案する耐多重波変調方式(PSK-RZ)と人工的なフェージング(Active Fading)を組合わせる事で,部屋全体に誤り率1x10^<-5>を確保できることを明らかにする事が出来た.これには遅延波を含めた屋内電波伝搬特性を含めた動的な計算機シミュレーションの実現で可能になったものであり,本研究の成果として期待される屋内におけるサブナノ秒代の伝搬遅延特性測定結果の応用が期待される.本年度は以下の研究を行った。1.スライディング相関器の設計製作スライディング相関器の設計を行ない、製作にかかるべく準備にかかったが、本年度は製作を完了できなかった。これは、プリント基板設計用CADを導入しなかったため、自前のツールを用いて行なったが使用するICの細かさにうまく対応できず困難を究めたためである。今後は新しいCADツールを手に入れ、早急に基板製作を完了し、測定装置を完成させる予定である。2.屋内ディジタル伝送誤り率シミュレーションこれまで行なってきたPSK-RZとActive Fadingを組合せた屋内無線LAN高速伝送システムを例に伝送シミュレーションの基本的な方法を改め、短時間により多くののシミュレーションを実行できるように工夫を行なった。これは、伝搬路のインパルス応答と伝送波形をあらかじめ畳み込んでおくことにより、受信信号の発生を大幅に高速化できることが明らかになったからである。これにより従来の数倍の効果を得ることができ、更なるシミュレーションの実行が可能になった。本年度は,昨年度に引き続き,送信装置の試作と改良に取組んだが,残念ながら,年度当初に検討したM系列符号から導かれる新たな系列を利用するため,M系列発生器に付加回路を予め加えた設計を試みたが,2GHzで動作する論理回路の設計に手間取り,製作を終了する事が出来なかった.このため,今後もその検討を続行し,鋭意,装置完成に向け研究を継続する.一方,本研究の成果を応用する屋内無線LANシステムの検討を行った.これは,これまでの計算方式を更に拡張し,屋内全体に瓦って計算機シミュレーションを可能にするもので,本年度,導入した仮想並列計算機を利用する事で,可能になった.

これまで長大な計算時間の必要な計算機シミュレーションを32台の計算機を同時に使用する事で,計算時間を短縮し,耐多重波変調方式を適用した10Mb/sを超える無線LAN方式の検討を行う事が可能になった.その結果,従来方式では指向性アンテナを用いて,見通し伝搬を確保しなければ,10Mb/sを超える通信を屋内全体に瓦って実現する事は不可能である事が,判明したが,報告者らが提案する耐多重波変調方式(PSK-RZ)と人工的なフェージング(Active Fading)を組合せる事で,部屋全体に誤り率1×10^<-5>を確保できることを明らかにする事が出来た.これには遅延波を含めた屋内電波伝搬特性を含めた動的な計算機シミュレーションの実現で可能になったものであり,本研究の成果として期待される屋内におけるサブナノ秒代の伝搬遅延特性測定結果の応用が期待される.
タッチパネル操作の挙動分析に基づく人のコンテキスト認識と応用

本研究は,スマートフォンを用いて使用者のコンテキスト(状態や状況)を認識することを目的とし,通常は入出力手段であるタッチパネルをセンサとして活用し,タッチ操作にあらわれる挙動からユーザのコンテキストを認識することを提案する.まず,それを実現するために,スマートフォン上でのあらゆるタッチ操作を認識するシステムTouch Analyzerを開発し,実際に100%近い精度で取得可能であることを示した.その上で,ユーザの操作形態を識別するアルゴリズムを提案した.最終的に,ユーザの指の長さ情報が分かれば,96.5%の精度で8通りの操作形態を識別できることを示した.初年度は,スマートフォンの全タッチ操作を横断的に,取得蓄積するためのロギングシステムの開発と,取得したログからどのようなタッチ操作が行われているかを逆解析するアルゴリズムの確立に取り組んだ.提案手法は,Android OSのOSの仕組みに着目し,タッチパネルのデバイスドライバとOSの間でデータを渡す部分である,デバイスイベントファイルをADB経由で読み出すことによって,非rootでありながら,すべてのアプリケーションのすべてのタッチ操作を取得することができるようになった.これらをヒートマップで可視化するとともに,起動中のアプリケーションの画面も取得し,どのアプリの上でどのようなタッチ操作をしているのかを取得と可能にした.本システムはイノベーション・ジャパンにも出展し,携帯端末メーカーとの共同研究もスタートしている.収集したログは,そのままでは単なる座標の羅列にすぎないが,提案システムはそれを逆解析し,どのようなタッチ操作をしているのかを分類,カウント可能にした.評価の結果,提案システムは95%以上の精度でタッチ操作を把握することが可能である.また,これと並行して,将来の内面的なコンテキスト分析に向けて,心拍計の開発を開発した.開発した心拍計は安価でありながら,リアルタイムで心拍情報を取得できるため,今後タッチ操作を取得するとともに,緊張状態やストレス状態といった内面的な情報をこの心拍計で計測して,関係性を見出したいと考えている.2015年6月に施行された改正労働安全衛生法によって,ストレスチェックが義務化された.近年では,Windowsパソコンも画面がタッチパネルとなり,マウスの代わりにタブレット端末のように画面をタッチすることも増えている.そこで,Android OSを利用しているスマートフォン上でのタッチ操作を取得可能にした提案システムを拡張し,Windowsパソコンでも同様にタッチ操作を取得できるようにした.さらに,タッチ操作だけではなく,表情や視線,顔面温度,タイプ音,タイプ速度など,パソコン操作にかかわるさまざまな操作挙動をまとめて収集するシステムの開発に着手した.また,最終的な目標である内面的なコンテキストの取得に向けて,脳波計や心拍計を利用した生体信号の計測も始めて,コンテキストの相関分析にも開始した.当初計画では,1年目に実施した内容の性能を改善する方向に発展させることを狙っていたが,改正労働安全衛生法という社会的な動きを見据えて,適用範囲を増やす方向に研究を拡張した.その結果,当初の計画に掲げた課題については若干遅れが出ている.しかしながら,タッチ操作以外のセンサも取り込んだことで,最終課題であるコンテキスト認識に対しては概ね順調に進展していると考えている.今年度は、タッチ操作の挙動によるコンテキスト認識に関して、タッチ操作と通信トラヒックの関係分析について分析を行った。これは、タッチ操作の挙動から、どのようなアプリケーションを利用しているのかを推定し、そのときのトラヒックがどのように変化をするかを確認した。さらに、その通信がZigbeeで構築したホームネットワークにどのような影響を与えるかについて実験を行い、標準化会議で発表を行った。また、ストレスや感情といった内面的なコンテキストの分析に向けて、いくつかの領域と組み合わせた研究を進めた。昨年度から実施しているオフィス環境におけるストレス分析では、タッチ操作だけではなく、マウスやキーボード、椅子など、オフィス環境のさまざまな場所にセンサを取り付け、仕事中のさまざまな状態を計測するシステムの構築を進めている。基本的には、加速度やジャイロと行ったモーションセンサから得られるデータを機械学習することによって状態をある程度分類できることを明らかにしている。これらの成果は、国内会議および国際会議でデモ発表をし、国内会議では賞を受賞した。さらに、スマホ同士でビーコン信号を送受信することで、オフィス内の人間関係を明らかにするシステムの構築も進めている。また、感情については、音に対して、クラウドソーシングによって感情のタグ付けを行い、写真に対して適切な音を選択するシステムを構築した。同じく、ユーザの嗜好を分析する手法として地図を用いた手法を提案し、過去に作成した地図から嗜好を判定し、その嗜好に応じた地図を推薦するシステムを構築した。昨年度から、タッチ操作だけではなく、ユーザを取り巻く様々なモノにセンシング対象を広げたが、今年度はそれぞれの提案を実装まで勧め、デモ発表を行ったり、長期的な計測が可能になっている。ストレスの認識は、個人に依存するため、計測が難しいという点が今後の課題となるが現時点では概ね順調に推移している。今年度は,タッチ操作の挙動によるコンテキスト認識に関して,これまでの研究成果をまとめ,海外英文ジャーナルに投稿し,採択された.この論文では,Android上で,あらゆるアプリケーション上でのタッチ操作を,アプリケーションを改変することなく取得する仕組みを詳細に解説し,実装した上で,その性能を評価している.1本指から8本までのタッチ,スワイプ,ピンチイン,ピンチアウト,ローテーションのタッチ操作を評価し,85%から100%の精度で認識できることを示した.さらに,開発したシステムを用いて,スマートフォンをどのような持ち方で使用しているかという持ち方判定へと発展させた.被験者

10名による実験を行い,Random Forestを用いて判定モデルを構築した結果,支持手(左手or右手)と操作指(親指or人差し指)の組み合わせ4通りに関して,平均96.5%の精度で識別できることを明らかにした.また,これまではスマートフォンのタッチ操作のみに着目してきたが,運動時の外界へのタッチへと範囲を広げ,タッチセンサを多数配置したスマートグローブの開発とワークアウト時の運動形態の認識に取り組んだ.同時に,ワークアウトのその他の運動についても,加速度センサなどを用いた動作識別およびカウントシステムを開発した.外界とのタッチを取得するためには,ピエゾ素子という圧力や振動によって電圧が変化するデバイスを用いている.このデバイスは圧力センサとして使っているが,発電素子とも捉えることができる.このように,物理現象から電気を生み出す環境発電素子の代表例は太陽電池であり,コンテキストによって変化するこれらの素子の発電量からコンテキストを推定する仕組みを検討した.この仕組み及び結果は,電子情報通信学会総合大会において優秀ポスター賞を受賞した.本研究は,スマートフォンを用いて使用者のコンテキスト(状態や状況)を認識することを目的とし,通常は入出力手段であるタッチパネルをセンサとして活用し,タッチ操作にあらわれる挙動からユーザのコンテキストを認識することを提案する.まず,それを実現するために,スマートフォン上でのあらゆるタッチ操作を認識するシステムTouch Analyzerを開発し,実際に100%近い精度で取得可能であることを示した.その上で,ユーザの操作形態を識別するアルゴリズムを提案した.最終的に,ユーザの指の長さ情報が分かれば,96.5%の精度で8通りの操作形態を識別できることを示した.初年度の目標は,タッチ操作取得分析システムの完成であったが,それはすでに完成し,それを用いた応用研究を初めている.具体的には,大型化が進むスマートフォンをどのように握ってどのように操作しているのかという操作形態を認識する手法を研究中である.また,心拍計やそれを用いた機械学習によるコンテキスト分析についても,並行して進んでおり,今後これらを融合できれば,さらに発展させることができると考えている.タッチ操作はいろいろな機器に利用されており,今回Windowsにも対応したことで,今後は,スマートフォンとパソコンの両方の性能を改善していく予定である.特にオフィス内のメンタルヘルスに関しては,医学部や病院関係者で形成するコンソーシアムに幹事として参画しており,その連携の中で本研究で開発した機器を活用した実証実験を行いたいと考えている.タッチ操作の挙動に関しては、スマートフォンアプリとして単独動作するものを用いて、10名x10日程度のデータセットを構築したいと考えている。その上で、挙動に基づく持ち方認識アルゴリズムの公開、さらにストレス検知手法の提案を行いたい。
化学遺伝学的手法による新規認知症治療法の開発

申請者は最近、タウオパチー患者で観察される変異型ヒトタウを視神経細胞に発現させたタウオパチーハエモデルの作出に成功した。このハエは、神経細胞死やそれに伴う生存率の低下を示した。本研究ではこのモデルにおいて全キノームの遺伝学的解析を実施し、タウオパチー促進キナーゼTauopathy-Promoting Kinases (TPKs)を同定して、それらがタウオパチー発症を促進する分子機序や細胞間相互作用を解明する。さらに、それらを阻害する認可薬がハエや患者由来細胞で細胞死を抑制するか検討する。
火山噴火災害の地域社会に及ぼす影響と住民意識(続)

本年度に実施した主な作業は、以下の二つである。1.全国主要火山についての資料の整理。この作業は、火山噴火災害の地域社会に及ぼす影響を明らかにするためのもので、北海道駒ケ岳、十勝岳、浅間山、伊豆大島、三宅島、阿蘇山、雲仙岳、桜島の8火山について、以下の資料を整理した。(1)噴火災害に関する資料:明治期以降の大規模噴火災害に関する資料(公的記録、統計資料、新聞記事など)。(2)地域社会の変動に関する資料:昭和20年以降に大規模噴火が発生した火山の周辺市町村の社会変動に関する統計資料。(3)噴火災害後の複興過程に関する資料(統計資料、自治体史、新聞記事など)。(4)防災対策に関する資料:火山周辺市町村の防災対策(地域防災計画など)や自主防災組織の現状、及びそれらの形成過程の資料。これらに資料については、資料目録を作るとともに、カードによる検策が可能な形式で整理を行った。また、(2)、(3)による統計資料で、火山地帯周辺地域の人口、産業構造、自治体財政、住民生活などの時系列的変化の分折に着手した。2.住民意識調査の実施北海道駒ケ岳、十勝岳周辺の6町で、一般住民を対象に、(1)火山噴火災害の知識、(2)火山活動の観測・予知体制の知識、(3)自治体の防火対制の知識、(5)災害観などを主要調査項目とする住民調査を実施した。また、浅間山、伊豆大島、阿蘇山、桜島などの他の火山周辺の住民を対象とする調査も企画した。これらの作業は、当初3年の計画で始ったものであり、そのため本年度で完了することができなかった。残された作業については、今後早急に完了する予定である。
デジタル映像を用いた顔面補綴物(エピテーゼ)の誘目性低下に対する研究

顔面欠損を有する患者にどのような他者が見て自然と感じるかを調べるために8種類のエピテーゼの装着を想定した画像をコンピュータで制作しアンケート調査を行った。その結果、静止したエピテーゼよりも健側と同調してまばたきするエピテーゼがより自然に感じることが解明された。次いで実際に健側と同調してまばたきをする装置を試作した。1つは赤外線照射でまばたきを探知する方法、もう1つはまばたきにより細いワイヤーを振動させ、それを電流に変換する方法である。両方法とも正確にまばたきを探知でき、小型の動力部も製作できた。今後、臨床への応用が可能な段階にすることができた。1、誘目性の低下に最適な条件の検討を行った。小型カメラで健側(右側)の眼球と眼瞼を撮影し、顔面全体の像と重ねて眼球周囲を含む範囲に小型ディスプレー上にその映像を映写する。小型ディスプレー上の映像は以下の条件で映写し、これを約40名の観察者に観察させ、欠損部(左側)の映像の誘目性を検討した。(1)左眼は本人の左眼に枠を設定しただけ。(2)左眼は本人の左眼で、瞬きは右眼と同調してない。(3)左眼は本人の右眼で瞬きは同調している。(4)左眼は本人の左眼で視線が合っていない、瞬きも同調してない。(5)左眼は他人の左眼で瞬きが同調しない。(6)左眼は本人の左眼で、瞬きしない。(7)左眼は本人の左眼で、瞬きせず、視線が合っていない。(8)左眼は他人の左眼で、瞬きしない。その結果、被験者の付けた最も良かった順位は動画1が1位、動画2が2位動画4が3位、動画5,6が4位動画3が6位、動画7が7位、動画8が8位であった。人間の顔貌として表情が許容できるかとの問いにたいしては、50%以上の被験者が許容できると答えたのは、動画1の100%、動画6の78%、動画2の70.7%のみであった。その他の動画は、46,3%から31.4%に分布しており半数以上の被験者が許容出来ないと判断していた。すなわち、左右の眼が同調して動き、眼瞼の形態が正確に再現されたエピテーゼ、眼瞼は動かないが、形態が正確に再現されたエピテーゼであれば、周囲の人からはあまり違和感がなく受容された。2、超小型電動モーターを用いた機械駆動式のエピテーゼの試作品を、さらに高度な装置に作り上げる為、小型のテレビカメラと受像機を購入してディスプレー式の瞬きをするエピテーゼをを試作した。1、誘目性の低下に最適な条件の検討顔面欠損の修復法には再建手術と顔面補綴,すなわちエピテーゼがある.エピテーゼは顔面形態の精致な再現が可能であるが,動かないために表情の変化に追随できず,患者の完全な満足を得ることは難しい.そこでエピテーゼにまばたき機能を付与することにより,自然感が改善するかを検討した.さらにエピテーゼの眼が健側のまばたきに同調して動かす方法を検討した.エピテーゼ装用を想定した8種類の顔の画像を製作し,41名の被験者に画像を見せ,Visual Analog Scaleで各画像の自然感の評価を行ってもらい,さらに自然感の順位,その画像の顔が人の顔として受容できるかを評価させた.画像0105はまばたきをするエピテーゼを想定したもの,画像0608は動かないエピテーゼを想定したものである.その結果、健側の眼と視線が合いまばたきが同調していた画像が自然観,その順位,および人の顔としての受容で最も高い評価を受けた.次いで,形態は良好で視線が合っているがまばたきが健側と同調しない画像と,まばたきはしないが視線が合っていて形態も良好な画像が高い評価を受けた.また受容の点では画像まばたきしない画像よりまばたきするが健側に同調しない画像が上回っていた.2、健側のまばたきを再現する方法の開発、試作。健側のまばたきを赤外線の照射で探知し,エピテーゼの眼瞼を動かす方法を開発した.現在、健側の眼と同調してまばたきをするエピテーゼのプロトタイプの完成に至った。エピテーゼの自然感は目立たせないことで、他者がエピテーゼ装着者に違和感を持たないようなエピテーゼを製作することが重要である。

我々は8種類のまばたきをするエピテーゼと動かないエピテーゼ装着を想定した動画を製作し、歯科医師および非医療従事者を検者として自然感を評価させた。その結果、自然感が最も高いと評価されたのは、健側と同調してまばたきをするエピテーゼ、次いで健側と同調しないがまばたきをするエピテーゼ、および眼瞼は動かないが精巧にできたエピテーゼであった。この結果を踏まえて、健側と同調してまばたきするエピテーゼ試作のために、患者の健側のまばたきを探知する方法を追求した。最初に試作した探知装置は赤外線を健側眼瞼に照射してまばたきによる乱反射による赤外線の反射の変化をセンサーで探知し、その信号を電流に変え増幅して動力のモーターを動かし、エピテーゼにまばたきを再現した。動力には携帯電話のマナーモードの振動を起こすモーターを使用し、眼窩部欠損に装着できるだけの小型化に成功した。しかし、赤外線探知装置から放射される赤外線は微弱なため屋外での使用が困難であった。もう1つの探知装置は微細な金属線でできたブラシを眼瞼の動きで振動させ、振動から出るピエゾ素子を電気的に増幅して電流を流し、これを増幅して動力のモーターを動かし、やはりエピテーゼにまばたきを再現した。この方法は環境の明るさに影響されないもで、健側と同調してまばたきをするエピテーゼの製作が可能となった。まだ臨床応用を可能にするには多くの問題は残っているが、実用化への基本線は完成したと考える。
多周波インピーダンスCTによる体水分分布及びその変化の推定

多周波インピーダンスCT装置の製作と多周波インピーダンスCTの応用前に済ましておくべき生体電気特性の基礎的検討を以下の様に行った。1.多周波インピーダンスCT装置の作成:位相検出のため高精度の電子素子を用いた回路設計と試作を行った。その結果、振幅に関し周波数50kHzでの従来のインピーダンスCTで得られた精度と同等の結果が得られた。しかし、高周波数(約100kHz以上)で、浮遊容量の影響、周波数切り替え時での相互干渉が大きく、充分な位相検出の精度が上がらず、設計変更をする必要があった。2.細胞内外液量分布の変化と生体組織の電気インピーダンス変化との関係:細胞内外液量分布の変化と生体組織の電気インピーダンス変化との関係を流動血液を用い、理論と実験を持って検討した。また、有限要素法による数値解(ラプラスの方程式の解)によりシャドウイフェクトの影響を検討した。以上の結果,シャドウイフェクトの影響により、細胞外液抵抗の変化率は細胞外液量の変化率より小さいが、細胞内液抵抗の変化率は細胞内液量の変化率にほぼ等しいことが分かった。3.人工透析時の細胞内外液変動の検討:人工透析時に患者の下肢での電気インピーダンス変化の測定を行ない、人工透析中の細胞内外液の変動を裏付ける結果が得られた。特にショック時でのインピーダンス値は不定期で急激な変動が見られ、細胞内外液量に大きく急激な変動が見られることが示唆された。4.組織温度の変化による組織内血液量の変化の測定:電気インピーダンス法を用い筋組織温の変化による組織内血液量の変化を推定した。温度の上昇により血液量の増加が推測され,従来考えられている通りの結果が得られた。1。アルゴリズムの開発2次元インピーダンスCTアルゴリズムを3次元的に使用出来るように改良を行った。コンピュータシミュレーションとファントム実験により、改良されたアルゴリズムが有効であることを確かめた。修正したアルゴリズムは収束に関し問題点を残しており、次年度にこの点を検討する。研究成果はハイパーサーミア学会誌に発表2。電極配置の問題多周波数インピーダンスCTでは誤差1度以下の精度で位相角を測定する必要があり浮遊容量、漏れ電流などの影響を極力避けなければならない。従来のインピーダンスCTでは一つの電極を電流電極と電圧電極とで共用できたが、上記の理由でそれが不可能である。新しい電極配置を検討した。また、その結果、従来の電子回路を改良する必要性が生じ、新しい電子回路の設計、装置の開発を行っている。3。体水分分布の研究多周波数インピーダンスCTの研究目的である体水分分布の解析の基礎的研究を行ったa)人口透析時での体水分分布の変化の研究(研究続行中)a-1)腹膜透析による水分分布の変化と、従来の血液透析による体水分分布の変化の違いの検討を行った。測定例が少なく、結論に達していない。a-2)赤血球の形状変化によるインピーダンスの周波数特性の変化より、細胞内外液分布の変化基礎的研究。本研究も結論に達していない。b)組織加温による水分分布変化の研究組織が加温されると、組織温を一定に保つため組織内血流および血液量変化、細胞内外液分布の変化が起こる。血液のβ分散周波数より充分低い周波数帯域では血液は細胞外波と考えられる。加温された組織のインピーダンスの周波数特性より、血流量変化、組織温変化の測定が可能かどうかの検討を行っている。研究成果は日本ME学会大会にて発表予定。(1)インピーダンスCT装置の作成インピーダンスCT装置用の電子回路の設計が終わり、プリント基板による装置の作製、調整を行っている。装置は多チャンネル、高周波回路、多周波使用と作製にとって非常に困難な電子回路で、調整に時間を必要としている。(2)実験

a)人工透析による検討本研究の目的である、体水分分布の推定を行うためには生体の生理学的変動とインピーダンスの変動との関係を、定性的にかつ定量的に理解しておく必要がある。本年度は人工透析患者の透析時でのインピーダンスの変化を測定し、患者の生理学的変動とインピーダンスの変化との比較検討を行った。通常の透析では細胞外液より除水が起こると同時に細胞内へ水分の浸透が考えられている。このため、細胞外液抵抗が上昇し、細胞内液抵抗が減少すると考えられる。高ナトリュウム透析では細胞外液の浸透圧が高く保たれるため、細胞外液からの除水は保たれるが、細胞内への水分の浸透がほとんどない。このため、細胞外液抵抗は増加するが、細胞内液抵抗には変化がみられないと考えられる。今回の測定では以上の推論通りのインピーダンスの変化がみられた。b)血液による検討測定結果を定量的に検討するため血液のインピーダンスを測定した。血漿の濃度を変化させることにより、赤血球の大きさ、形状を変化させることができる。赤血球の形状、大きさの変化を血球計数計(血球の大きさの測定可能な装置)及び顕微鏡で測定した。血液のインピーダンスをLCRメータで測定し、細胞内外液抵抗の変化と血球の形状の変化との関係を定量的に検討した。この結果、細胞内液抵抗の変化率は細胞径の変化率に比例していた。細胞内液量の変化率は細胞径の変化率の約3倍に等しいことがヘマトクリットの変化より確認された。以上のことより、細胞内液抵抗の変化率より体水分分布の変化が定量的に測定できることが分かった。1)多周波インピーダンスCTの作成周波数約50kHzでのインピーダンスCT装置が完成し、従来のファントム実験により得られた精度と同等の結果が得られた。高周波(約100kHz以上)で、浮遊容量の影響、周波数の切り替え時(マルチプレックサー部分)に相互干渉が大きく従来の精度が得られず、設計変更の余地あることがわかった。2)細胞内外液量分布の変化と生体組織の電気インピーダンス変化との関係細胞内外液量分布の変化と生体組織の電気インピーダンス変化との関係を有限要素法による数値解とラプラスの方程式による解析解とによる理論的検討と流れている血液による実験的検討によりもとめた。シャドウイフェクト(絶縁物の存在により電流の流れない部分が絶縁物周囲に存在してしまう現象で、実際の絶縁物より大きな絶縁物が存在したことと等価になってしまう)の影響により、細胞外液抵抗の変化率は細胞外液量の変化率より小さいが、細胞内液抵抗の変化率は細胞内液量の変化率にほぼ等しいことが分かった。3)人工透析時の細胞内外液変動の検討人工透析時に患者の足での電気インピーダンス変化の測定を行ない、2)の結果を元に、人口透析中での細胞内外液量分布の変動を検討した。従来、生理学的に考えられている人工透析による細胞内外液の変動を裏付ける結果が得られた。特にショック時にインピーダンス値に不定期な大きい急激な変動が見られ、細胞内外液量に大きな変動が見られることが示唆された。