hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
中性子MEM解析による軽イオン輸送型電池におけるイオン挙動の解明

軽イオン輸送型電池材料中の水素やLiの挙動を中性子回折実験およびRietveld/MEM解析によって調べた。LiCo_<1/3> Ni_<1/3> Mn_<1/3> O_2およびLiMn_2O_4のLiの拡散経路を3次元可視化でき、結晶構造の違いによるLiイオンの拡散挙動の理解が深まった。また、重水素溶解試料と軽水素溶解試料との構造因子の差を利用してMEM解析することで、水素イオン伝導体BaSn_<0.5> In_<0.5> O_<2.75>中の水素分布のみを浮き出して可視化することに成功し、水素挙動に関する理解が深まった。平成20年度は本研究課題を遂行するための主要な実験装置である中性子回折装置について、入射中性子の集光化と本研究に特化させるために同装置に設置して使用する電気炉の改造を進めた。さらにこれらの実験装置の性能評価として、粉末状テストサンプルを用い、室温および300°Cにおいて中性子回折実験を行った。テストサンプルとしては軽イオン輸送型電池の典型的な要素であり、Li伝導型電池の新しい正極材料候補と考えられるLiCo_<1/3>Ni_<1/3>Mn_<1/3>O_2を新たに合成して用いた。得られた中性子回折パターンは数時間でも解析可能なプロファイルであったことから実験装置の最適化が適切に施すれたことが判る。中性子回折実験によって得られたデータを基に高出力化や安定性に関与する重要な因子である結晶構造とLi拡散経路をRietveld解析/MEM解析によって検討した。LiCo_<1/3>Ni_<1/3>Mn_<1/3>O_2の結晶構造は既存材料であるLiCoO_2やLiNiO_2と基本的に同じ構造(空間群:R-3m)であり、3a、3b、6cの各サイトを各々Li、(Co,Ni,Mn)、酸素が占めることが明らかになった。また、Liサイトの一部にNiが入り込んでいることが判ったが、その置換率は約3.8%程度と見積られ、既存の材料であるLiNiO_2での置換率(10%以上)よりも大幅に低下することを明らかになった。これらのことから、Niの一部をMnやCoで置換することは、NiのLiサイトへの入り込みを低減させる効果があることを見出した。さらにMEM解析によって、Liの伝導を示唆する3a-9e-3aサイトを結ぶネットワーク状原子核密度分布像を得ることに成功した。軽イオン輸送型電池におけるイオン挙動の解明のため、軽イオン輸送型電池の典型的な要素である燃料電池用の水素イオン伝導固体電解質・BaSn_<0.5>In_<0.5>O_<2.75>およびLi電池正極材料用のLiイオン伝導体・LiCo_<1/3>Ni_<1/3>Mn_<1/3>O_2を合成し、中性子回折実験を実施して得られた測定データのRietveld/MEMにより、これら材料中における水素やLiの存在状態を解析した。水素イオン伝導体BaSn_<0.5>In_<0.5>O_<2.75>については、予め本材料にD_2Oを溶解させることによって重水素を導入した。中性子回折実験を実施して得られたデータを基にRietveld/MEM解析によって水素の位置を評価した。その結果、この材料中の水素は酸素から約1Åの距離と、酸素のごく近傍に存在することが明らかになった。さらに、中性子散乱法では、軽水素(H)と重水素(D)の散乱能力(中性子散乱長)が異なる点に着目し、重水素溶解試料と軽水素溶解試料の構造因子の差を利用した中性子回折実験を実施した。この結晶構造因子の差をMEM解析することで、本物質中の水素分布のみを浮き出して可視化ができ、これらからBaSn_<0.5>In_<0.5>O_<2.75>中の水素は48nサイトに分布していることを明らかにした。Liイオン伝導体LiCo_<1/3>Ni_<1/3>Mn_<1/3>O_2では、300°Cおよび450°Cの高温における材料中でのLiの存在状態を中性子回折実験およびRietveld/MEMによって評価した。測定温度の上昇によって、Li-Li原子間(3a-9e方向)におけるLi原子核密度の増加が観察されたことなどからLi伝導経路が特定できた。軽イオン輸送型電池における稼働イオン挙動の解明のため、主要な軽イオン輸送型電池であるLiイオン2次電池用の正極材料としての利用されるLiMn_2O_4を合成し、Liイオン2次電池の利用が考えられる150573Kの温度範囲にて、中性子回折実験を実施した。

得られた中性子回折データについて、Rietveld法およびMEMによる結晶構造解析を施して、電池材料中でのLiの状態を解析した。なお、天然組成のLiは中性子吸収能が高く、中性子回折実験には不適のため、材料の合成では、中性子の吸収能が低いLi-7同位体を濃縮した原材料を採用した。中性子回折実験・構造解析の結果、LiMn_2O_4は240270K付近の温度領域にて可逆的な相変化を起こす。イオンの輸送特性を表す一つの指標であるLiの等方性原子変位パラメータは、今回測定した温度範囲においては、相変態によらず温度に比例して増加する傾向を示したが、室温近傍ではこの傾向を大きく逸脱し、Liの高イオン輸送性を示唆する高い異常値をとることが判った。この室温付近において原子核密度分布を解析したところ、8bサイト-16eサイト-8bサイトを経由するLiの拡散経路を可視化することに成功した。この結果から、LiCoO_2系の正極材料物質がa-b面に平行な2次元平面上のLi拡散経路をとるのに対して、LiMn_2O_4中ではLiイオンの拡散経路は3次元網目構造をとることが判り、材料の結晶構造の違いにより軽イオンであるLiの拡散経路が大きく異なることを明らかにした。
斬新な抗腫瘍免疫活性化法の開発

腫瘍組織にはがん抗原を認識する細胞障害性T細胞が浸潤するものの、ほとんどは疲弊(exhaustion)し、有効な殺細胞機能を発現しない。さらに、抑制性T細胞や抑制性ミエロイド細胞が誘導され腫瘍組織に浸潤することで腫瘍免疫が無効化される。本研究では、細胞障害性T細胞機能をおさえ、抑制性T細胞分化を促進する転写因子Bach2に着目し、Bach2を阻害することで腫瘍免疫を活性化する、という斬新な治療戦略を開発することを目指した。Bach2欠損T細胞では細胞傷害性T細胞の応答が増強していること、細胞傷害性に関わる多数の遺伝子の発現がより上昇、あるいは早期に上昇することを見いだした。本研究では、細胞障害性T細胞機能をおさえ、抑制性T細胞分化を促進する転写因子Bach2に着目し、Bach2を阻害することで腫瘍免疫を活性化する、という斬新な治療戦略を開発する。阻害法としては、補欠分子ヘムがBach2のリガンドとして転写調節作用を抑えるという独自の知見に着目する。必要に応じて、Bach2をリン酸化により調節する上流シグナル伝達系の操作も視野に入れていく。本年度は野生型およびBach2ノックアウトマウスから単離したナイーブT細胞を試験管内で刺激し、その活性化の過程を比較した。そして、Bach2ノックアウトT細胞では細胞傷害性T細胞の応答が増強していることを確認した。さらに、野生型マウスに対してヘムを腹腔注射し、T細胞分化等に及ぼす影響を比較した。ヘムにより著しい炎症応答が生じることから、ヘム量やヘム注射のタイミングなども検討する必要があると判断した。T細胞のヘム量測定を試みたが、これまで使ってきたポルフィリン環の蛍光測定では十分な感度を得ることができなかった。パーオキシダーゼ活性などを用いる系を検討する必要がある。系を確立した上で、δアミノレブリンサンのT細胞内ヘム量に対する効果を調べていく。本研究の最終的な目標は治療戦略の開発に資する基礎データを得ることにある。その点では、マウス個体へのヘム投与の条件などを検討できたこと、ヘム測定法の技術的課題を特定できたことなどから、次年度の研究を進める上で有益な結果を得ることができたと言える。また、Bach2ノックアウトマウスに対する腫瘍移植実験を繰り返すことで、同マウスが腫瘍免疫活性化状態を反映する優れたモデルマウスであることを確認でき、この系から重要な腫瘍免疫疲弊関連遺伝子などを同定できる可能性が見えてきたことも、注目すべき進展と考えている。本年度は野生型およびBach2ノックアウトマウスから単離したナイーブT細胞を試験管内で刺激し、その活性化の過程、特に遺伝子発現プロファイルの変動を比較した。Bach2ノックアウトT細胞では細胞傷害性に関わる多数の遺伝子の発現がより上昇、あるいは早期に上昇することを見いだした。Bach2のクロマチン免疫沈降実験のデータと統合解析することで、これら細胞障害性に関わる遺伝子の多くがBach2により直接転写抑制を受けることが示唆された。前年度の研究でマウス個体にヘムを投与することでBach2の働きを変化させられるか検討したが、有意な変化は認められなかった。そこで、シグナル伝達経路やBach2コファクターを標的にできるかどうか、検討を開始した。その結果、Bach2の不活性化に関わると思われる複数のタンパク質キナーゼやコファクターを特定することができた。得られた条件などを用いて以下の実験を進める。1)試験管内評価(ALA添加実験):まず、試験管内培養系を用いて、ヘム量増加がCD8 T細胞活性化に及ぼす影響を検討する。野生型マウス脾臓よりナイーブCD8 T細胞を単離する。これをT細胞受容体と補助受容体をそれぞれの抗体にてクロスリンクすることで、T細胞活性化のシグナルを入れる。さらにδアミノレブリン酸(ALA)添加することで、細胞内ヘム合成を亢進させる。ヘム量の変化は、分光学的手法を用いて確認する。その上で、経時的に細胞レベルと遺伝子レベルで応答を測定する。

2)試験管内評価(ヘム添加実験):ALAの効果が十分に得られない場合は、培地にヘムを添加した上で1)と同様の検討を行う。遊離ヘムは酸素分子を活性化して活性酸素種を産生するという、細胞毒性も有する。この問題に対して申請者らは、ヘムキャリアタンパク質のヘモペキシン組み換えタンパク質を用いてヘム・ヘモペキシン複合体を調製し、毒性を最小限にするシステムを開発しているので活用する。医歯薬学
食細胞による死細胞および微生物の貪食機構と意義

生体内で生じた除去すべき細胞にはアポトーシスが誘導され,食細胞による食食により生体から排除される。また,細菌やウイルス,およびこれらに感染細胞も食細胞の攻撃で排除される。本研究は,1)精巣セルトリ細胞による精子形成貪食が導く精子形成支持機構,2)Toll様受容体の病原微生物排除への役割の解明,そして3)インフルエンザウイルス感染細胞のマクロファージによる貪食の意義の解明を目的として行われ,以下の成果を得た。1)貪食を行ったセルトリ細胞が産生する精子形成支持因子の解析:ラットセルトリ細胞のプロテオーム解析より精子形成支持因子候補タンパク質を同定した。この分子が貪食依存に遺伝子転写レベルで発現誘導されることを見いだすとともに,セルトリ細胞で選択的に遺伝子欠損させたノックアウトマウスを作成中であり,精子形成進行への役割が解明される。2)Toll様受容体を介する細菌感染時の細胞性自然免疫調節:マクロファージに貪食された黄色ブドウ球菌は,TLR2-JNK経路の活性化を介して活性酸素産生を抑制し,宿主免疫を逃れて生き延びることを見いだした。これは,宿主免疫系を利用した微生物の生き残り戦略と考えられる。3)インフルエンザウイルス感染細胞によるマクロファージ活性化因子の産生:ヒトインフルエンザウイルス感染細胞は,アポトーシスに依存して,マクロファージの貪食能を活性化する因子を産生することを見いだした。この因子はタンパク質性であるが,新たなタンパク質合成を必要とせずに作り出されるとわかった。生体内で生じた除去すべき細胞にはアポトーシスが誘導され、食細胞による貧食により生体から排除される。また、細菌やウイルス、およびこれらに感染細胞も食細胞の攻撃で排除される。本研究は、1)精巣セルトリ細胞による精子形成貧食が導く精子形成支持機構、2)インフルエンザウイルス感染細胞のマクロファージによる貧食の意義、そして3)Toll様受容体の病原微生物排除への役割の解明を目的として計画され、今年度は以下の成果が得られた。1)貧食を行ったセルトリ細胞が産生する精子形成支持因子の解析セルトリ細胞によるアポトーシス精子形成細胞の貧食を抑制すると精子形成が抑制されたことから、セルトリ細胞は貧食後に精子形成を促す因子を作ると推測される。そこで、貧食を行ったセルトリ細胞のプロテオーム解析により、貧食後に存在量が増加する5つの分子を同定した。現在、これらについて遺伝子転写レベルでの発現調節機構とノックアウトマウス作成の準備を進めている。2)インフルエンザウイルス感染細胞によるマクロファージ活性化因子の産生ヒトインフルエンザウイルスを感染させたヒト培養細胞の培養上清の存在により、マクロファージの貧食能が充進することを見いだした。同じ細胞に放射線照射や薬剤処理等による細胞死を誘導した場合には、このような活性は見いだされなかった。また、培養上清に各種阻害剤や温度処理を行ったところ、蛋白質合成阻害剤の影響はないが、加熱処理により活性が失われた。これより、マクロファージ活性化因子は、ウイルス感染時の細胞から新たな蛋白質合成を必要とせずに放出される、熱感受性分子と考えられる。生体内の要除去細胞は,食細胞に貪食され排除される。本研究は,1)精巣セルトリ細胞による貪食依存の精子形成支持機構,2)インフルエンザウイルス感染細胞のマクロファージによる貪食の意義,3)Toll様受容体の病原微生物排除への役割の解明を目的とし,昨年度に引き続き以下の成果を得た。1)貪食を行ったセルトリ細胞が産生する精子形成支持因子の解析ラットセルトリ細胞のプロテオーム解析より精子形成支持因子候補としてタンパク質Aを選択し,その発現を解析を行い,この分子は精子形成の進行が開始する生後2週齢から3週齢に遺伝子転写レベルで発現増加し成獣では一定するとわかった。一方,セルトリ細胞で選択的に遺伝子Aを欠損させたノックアウトマウス作成は進行中であり,精子形成の組織化学的及び機能的解析を行える目処が立っている。

2)Toll様受容体を介する細菌感染時の細胞性自然免疫調節黄色ブドウ球菌がマクロファージに貪食されると,マクロファージ内ではTLR2を介してMAPキナーゼJNK経路が活性化し,これがマクロファージによる活性酸素産生を抑制して,細菌が死ににくくなる機構を見いだした。現在,黄色ブドウ球菌のどの因子が,TLR2-JNK経路の活性化を導くのかを解析中であり,細胞壁のある成分がその候補として見いだされている。
妊娠中毒症の発症に関与する遺伝素因の分子遺伝学的解析

解析の結果、このうちPAI-1遺伝子4G/5G多型の4G/4Gホモ接合型の頻度および4G対立遺伝子の頻度が、コントロール群と比較して、妊娠中毒症群では有意に増加していることが認められた。このことより、PAI-1遺伝子4G/5G多型4G対立遺伝子が妊娠中毒症の感受性遺伝子であることが初めてあきらかとなった。PAI-1遺伝子4G/5G多型4G対立遺伝子によるPAI-1活性増強による血栓形成傾向が、妊娠中毒症の病態発生に関連していることが推測された。また、MTHFR遺伝子677C/T多型T対立遺伝子が妊娠中毒症の感受性遺伝子であることは以前の研究で我々が指摘していたが、それを再確認する成果も得ることができた。本研究により、妊娠中毒症の発症に関与する遺伝素因についての新たな知見を得ることができ、きわめて意義のある研究成果が得られたといえる。今後さらに研究を重ね、妊娠中毒症の病態解明に努力していきたいと考えている。妊娠中毒症は妊娠前、妊娠中の様々な子宮内外の環境要因がその発症の第一の原因ながら、従来よりこれに何らかの遺伝素因も関与しているのではないかという考え方があり、最近注目されはじめている。そこで本研究は、これら妊娠中毒症の遺伝素因について分子遺伝学的手法を用いて解析することを目的とした。具体的に平成10年度は、妊娠中毒症の遺伝素因となりうる遺伝子多型の同定を行うために、血管内皮型一酸化窒素合成酵素endotherial Nitric Oxide synthetase(eNOs)遺伝子の遺伝子多型と妊娠中毒症の関連性を検討した。対象は、日本産科婦人科学会の診断基準により重症妊娠中毒症と診断された妊婦113名、ならびに年齢および妊娠週数をマッチさせた正常妊婦130名とした。遺伝子多型の解析は、polymerase chain reaction-restriction fragmentlength polymorphism(PCR-RFLP)法を用いた。eNOs遺伝子の第7exonに存在するG894T多型およびpromoter領域に存在するT(-786)C多型と妊娠中毒症の関連性を検討した。その結果、G894T多型については、重症妊娠中毒症妊婦と正常妊婦の間でその遺伝子頻度に差がある傾向が認められた。しかしながら、統計学的有意差はなかった(p=0.09)。一方T(-786)C多型については、その遺伝子型頻度、遺伝子頻度ともに差は全く認められず、この多型が妊娠中毒症の発症に関与する可能性は否定してよいことが初めて明らかとなった。来年度は、さらに新しい未知の妊娠中毒症関連遺伝子の多型について検索、同定するとともに、できれば妊娠中毒症の発症要因となる未知の遺伝子異常(塩基置換、欠失、挿入など)を同定したいと考えている。以上のように、今年度、本研究は概ね当初の計画どおりに進行することができた。平成10年度は、血管内皮型一酸化窒素合成酵素endotherial Nitric Oxide synthetase遺伝子の遺伝子多型と妊娠中毒症の関連性を検討したが、本年度も引き続き本症の遺伝素因となりうる感受性遺伝子の多型の同定を行った。具体的には、PAI-1遺伝子4G/5G多型、凝固第V因子遺伝子1691G/A多型、Prothrombin遺伝子20210G/A多型と妊娠中毒症の関連性を検討した。対象は、日本産科婦人科学会の診断基準により重症妊娠中毒症と診断された妊婦115名、正常妊婦230名、ならびに日本人一般集団としての人間ドック受診者558名とした。いずれも口頭および文書によるインフォームド・コンセントを得て採血を行い、DNAを抽出した。遺伝子多型の解析は、polymerase chain reaction-restriction fragment length polymorphism(PCR-RFLP)法を用いた。その結果、解析を行った遺伝子多型のうち、PAI-1遺伝子4G/5G多型の4G/4Gホモ接合型の頻度および4G対立遺伝子の頻度が、正常妊婦および人間ドック受診者と比較して、妊娠中毒症群では有意に増加していた。このことにより、日本人においてはPAI-1遺伝子4G/5G多型が、妊娠中毒症の感受性遺伝子であることが初めて明らかとなり、PAI-1遺伝子4G/5G多型4G対立遺伝子によるPAI-1活性増強による血栓形成傾向が妊娠中毒症の病態発生に関連していることが推測された。なお、凝固第V因子遺伝子1691G/A多型、Prothrombin遺伝子20210G/A
自閉症におけるマイクログリア依存的シナプス除去機構の破綻とBDNFによるその回復

神経発達障害を含む脳疾患の非侵襲的な治療法として、運動の有効性が注目されている。しかしながら、運動を行動に反映する分子細胞生物学的メカニズムの解明は後手を踏んでいる。そこで、我々は、母体免疫活性化(MIA)によって子に生じるMIA関連性行動異常に運動が有効な可能性と、その分子細胞生物学的メカニズムを明らかにすることを目的とした研究を行った。ウィルス感染を模倣したMIAを誘導するため、妊娠マウスにpoly(I:C)を投与した。その結果、このマウスより産まれた仔では、社会性の低下や常同行動の顕在化、そして不安行動の増加などのMIA関連性行動異常が成体期に顕れた。そして、これらのMIA関連性行動異常は、飼育箱に車輪を入れ、自発的に30日間運動をさせることによって抑制された。本研究では、歯状回顆粒細胞層の軸索である苔状線維の興奮性シナプスに着目した。その結果、MIA群では、発達期におけるシナプス除去が阻害される結果、成体期においてコントロール群よりもシナプス数が上昇していた。さらに、このシナプス数の上昇は運動によってコントロールレベルにまで低下することも明らかになり、運動による積極的なシナプス除去機構が働く可能性が示唆された。そこで、貪食によってシナプス除去を行うマイクログリアの動態に着目した。まず、発達期において、MIA群の海馬CA3野では、マイクログリアによるシナプス貪食がコントロール群より低下していた。さらに、成体期においてもMIA群のシナプス貪食は低下していたが、運動を行うことにより、シナプス貪食はコントロールレベルにまで回復した。なお、運動による効果はマイクログリア活性化を抑制するミノサイクリンの投与で阻害された。以上の結果は、成体期の運動による神経回路再編成に、マイクログリアが関与する新規メカニズムを提唱するものである。29年度が最終年度であるため、記入しない。発達期の脳では、脳内免疫細胞であるマイクログリアが不要なシナプスを貪食により刈り込む。一方で、成体期の脳におけるシナプス再編成にマイクログリアが関与する可能性とそのメカニズムは未解明である。本研究では、シナプス密度の過度な上昇が病因の一つとされる自閉スペクトラム症(autism spectrum disorder, ASD)をモデルとして、成体脳におけるマイクログリアのシナプス刈り込み能力を海馬歯状回ーCA3野神経回路に着目し検証した。特に、運動がASD症状を緩和する可能性が示唆されているため、マウスの自発的な運動がマイクログリアによるシナプス刈り込みを誘導してシナプス密度を正常レベルに戻す可能性を検証した。本研究では、ASD様行動を示す母体免疫活性化モデルマウス(poly(I:C)マウス)を利用した。コントロールマウスでは、歯状回顆粒細胞の軸索である苔状線維のシナプスは生後2-4週において除去された。一方で、poly(I:C)マウスでは、苔状線維シナプスが除去されず、成体期において苔状線維シナプス密度が増加していた。また、成体期の運動により、poly(I:C)マウスにおいてシナプス密度がコントロールレベルにまで減少した。次に、これらの現象へのマイクログリアの関与を検証した。まず、発達期のpoly(I:C)マウスではマイクログリアによるシナプスの貪食度合いが減少していた。また、成体期の運動により、貪食度合いが増加した。さらに、運動と同時期にマイクログリアを抑制したところ、運動によるシナプス密度の減少が抑制された。以上の結果より、poly(I:C)マウスにおいて、成体期における自発的な運動が海馬のマイクログリアを活性化させ、シナプスの刈り込みを誘導することが示された。自閉症モデルマウスにおけるシナプスレベルでのE/Iバランスの破たんを、in vivoおよびin vitroの系で再現良く捉えている。具体的には、海馬における興奮性上昇を、組織学や電気生理学を含む複数の手法によって確認することができた。さらに、自閉症モデルマウスにおける興奮性シナプス除去の不全メカニズムとして、マイクログリアによるシナプス貪食の不全が起こることを明らかにした。そして、この現象が神経活動に依存することを突き止めた。さらに、マウスに運動をさせることにより、神経活動を上昇させ、結果としてマイクログリアを介した興奮性シナプス除去の誘導に成功した。以上より、自閉症におけるシナプスE/Iバランスの興奮性への傾斜の細胞メカニズムを一定度合い明らかにすることに成功したといえる。また、環境の変化(運動)によってシナプス貪食を誘導できたことは、将来の自閉症の治療法に貢献しうる知見となる。

本研究では、歯状回顆粒細胞層の軸索である苔状線維の興奮性シナプスに着目した。その結果、MIA群では、発達期におけるシナプス除去が阻害される結果、成体期においてコントロール群よりもシナプス数が上昇していた。さらに、このシナプス数の上昇は運動によってコントロールレベルにまで低下することも明らかになり、運動による積極的なシナプス除去機構が働く可能性が示唆された。そこで、貪食によってシナプス除去を行うマイクログリアの動態に着目した。まず、発達期において、MIA群の海馬CA3野では、マイクログリアによるシナプス貪食がコントロール群より低下していた。さらに、成体期においてもMIA群のシナプス貪食は低下していたが、運動を行うことにより、シナプス貪食はコントロールレベルにまで回復した。なお、運動による効果はマイクログリア活性化を抑制するミノサイクリンの投与で阻害された。以上の結果は、成体期の運動による神経回路再編成に、マイクログリアが関与する新規メカニズムを提唱するものである。今後は、マイクログリアによるシナプスの貪食にBDNFが関与する可能性をより詳細に検証する。マイクログリアとニューロンの相互作用にBDNFが関与する可能性の有無やそのメカニズムは、神経科学の中のトピックでもある。この検証を可能にするために、BDNFをRNA干渉によってノックダウンするための遺伝子ベクター等を準備済みである。実験系としては、主に海馬切片培養系を用いて、マイクログリア-ニューロン相互作用のタイムラプスイメージングなども行う。29年度が最終年度であるため、記入しない。
点滴漏れに対する罨法の効果の検証と罨法用具の開発

静脈注射を行っていく上で少なからず経験するであろう点滴漏れに対するケアは冷罨法や温罨法と様々であり,統一性がないのが現状である.本研究では,点滴漏れ時のケアを確立することを目的に,実験動物(ラット)を用いて抗生物質製剤を中心とする基礎的研究を実施した.静脈注射を行っていく上で少なからず経験するであろう点滴漏れに対するケアは冷罨法や温罨法と様々であり,統一性がないのが現状である.本研究では,点滴漏れ時のケアを確立することを目的に,実験動物(ラット)を用いて抗生物質製剤を中心とする基礎的研究を実施した.その結果,パンスポリン^<【○!R】>(セフェム系抗生物質製剤,pH5.77.2,浸透圧比1)が漏れた直後に冷罨法(1620°C)を30分間施行すると,皮下組織への炎症性細胞の浸潤が抑制され,温罨法(4043°C)を30分間施行すると,炎症性細胞の組織浸潤,筋壊死が促進されることを明らかにした.また,パンスポリン^<【○!R】>が漏出した際の組織傷害の種類は,表皮の壊死を伴わない真皮層の炎症(以後,起炎症とする)であることが明らかとなった.次に,pHの違いによる組織傷害の程度と種類,罨法の効果を明らかにするために,異なる薬剤を用いた実験を行った.その結果,セフェム系抗生物質製剤であるファーストシン(8)(pH7.59.0,浸透圧比1)とグリコペプチド系抗生物質製剤である塩酸バンコマイシン^<【○!R】>(pH2.54.5,浸透圧比1)による組織傷害の程度に違いは認められなかったが,パンスポリン^<【○!R】>と同様,起炎症性の薬剤であることが明らかとなった.これらの薬剤が血管外に漏出した場合,温罨法を実施することにより,皮下組織の炎症性細胞の浸潤が促進されることを明らかにした.全ての実験において罨法を実施するために用いた素材は,吸水ポリマーを使用した凍結タイプの保冷剤であり,皮膚へ密着しにくい特徴があったため,現在不凍タイプの素材にて同様の実験を行い検討中である.また,薬剤漏出直後に実施する罨法の適切な継続時間を10分から60分の間で検討中である.静脈注射を行っていく上で少なからず経験するであろう点滴漏れに対するケアは冷罨法や温罨法と様々であり,統一性がないのが現状である.本研究では,点滴漏れ時のケアを確立することを目的に,実験動物(ラット)を用いて抗生物質製剤を中心とする基礎的研究を実施した.静脈注射を行っていく上で少なからず経験するであろう点滴漏れに対するケアは冷罨法や温罨法と様々であり,統一性がないのが現状である.本研究では,点滴漏れ時のケアを確立することを目的に,実験動物(ラット)を用いて抗生物質製剤を中心とする基礎的研究を実施した.その結果,パンスポリン^<【○!R】>(セフェム系抗生物質製剤,pH5.77.2,浸透圧比1)が漏れた直後に冷罨法(1620°C)を30分間施行すると,皮下組織への炎症性細胞の浸潤が抑制され,温罨法(4043°C)を30分間施行すると,炎症性細胞の組織浸潤,筋壊死が促進されることを明らかにした.また,パンスポリン^<【○!R】>が漏出した際の組織傷害の種類は,表皮の壊死を伴わない真皮層の炎症(以後,起炎症とする)であることが明らかとなった.次に,pHの違いによる組織傷害の程度と種類,罨法の効果を明らかにするために,異なる薬剤を用いた実験を行った.その結果,セフェム系抗生物質製剤であるファーストシン(8)(pH7.59.0,浸透圧比1)とグリコペプチド系抗生物質製剤である塩酸バンコマイシン^<【○!R】>(pH2.54.5,浸透圧比1)による組織傷害の程度に違いは認められなかったが,パンスポリン^<【○!R】>と同様,起炎症性の薬剤であることが明らかとなった.これらの薬剤が血管外に漏出した場合,温罨法を実施することにより,皮下組織の炎症性細胞の浸潤が促進されることを明らかにした.全ての実験において罨法を実施するために用いた素材は,吸水ポリマーを使用した凍結タイプの保冷剤であり,皮膚へ密着しにくい特徴があったため,現在不凍タイプの素材にて同様の実験を行い検討中である.また,薬剤漏出直後に実施する罨法の適切な継続時間を10分から60分の間で検討中である.
曲がった時空上の場の量子論のスペクトル解析とその応用

曲がった時空における粒子の系のスペクトルの性質が解析された.特に,離散化された空間をグラフと考え,多粒子系のスペクトルと粒子が運動する(配位空間としての)グラフの構造との関係が研究された.粒子の(エネルギーを記述する)ハミルトニアンに対する零(エネルギーに対応する)固有空間やウィッテン指数があるグラフの変形に対して不変であることが示された。また,これと同じ変形をしても,もしスペクトルギャップがあれば,そのギャップが開いたままであることも示された。本年度は,昨年度に引き続き1粒子ハミルトニアンのスペクトルの性質を研究した。特に,無限グラフ上を運動する粒子を考え,グラフの変形とともにスペクトルがどのように変化するかについて考察した。頂点を新たに付加する変形について,以下の結果を得た。(1)零固有値が存在するための必要十分条件:有限グラフにおいて知られている零固有値存在のための条件を無限グラフに一般化し,零固有空間の次元を不変にする変形があることがわかった。また,そのような変形で,ウィッテン指数も不変であることを明らかにした。(2)周期的な場合のスペクトルギャップが存在するための必要十分条件:スペクトルギャップが存在するための必要十分条件は,(1)で述べた零固有空間の次元を不変にする変形をしたグラフがスペクトルギャップをもつことであることがわかった。(3)周期的とは限らない場合のスペクトルギャップが存在するための条件:周期的ではなくても,(1)に述べた変形をしたグラフがスペクトルギャップをもつことが十分条件であることがわかった。以上述べた結果を応用することにより,さまざまなグラフの零固有空間の次元やウィッテン指数が簡単に計算できるようになった。一般に,周期的でない無限グラフのスペクトルを計算するのは容易ではないが,頂点を付加する変形でスペクトルギャップが出現するかどうかの判定がグラフの構造から容易に判定でできるような例が比較的たくさんあることもわかった。本年度は,本研究の目的である空間の幾何学的な構造がその上で定義される模型の基底状態や平衡状態の性質とどのように関係しているかをより深く理解するために,1粒子ハミルトニアンのスペクトルの性質に着目した。簡単のため,離散化された模型を考え,グラフ上を運動する粒子のスペクトルとグラフの変形との関係を調べた。その結果,以下に述べるいくつかの知見を得ることができた。まず,d次元の格子をグラフと考え,それに次数1の頂点を付加することで新しいグラフをつくることを考える。このようなグラフの上を運動する粒子の模型は超対称的構造を持つことがわかる。d次元の格子の場合は,超対称的ハミルトニアンに基底状態は存在しないが,次数1の頂点を付加してグラフを変形することで,基底状態が現れたり消えたりする。また,スペクトルギャップの有無も頂点の付加の仕方で変化する。このような模型の超対称的ハミルトニアンの基底状態が存在するための,頂点の付加に関する条件を導いた。また,基底状態をもつ場合には,超対称的ハミルトニアンのスペクトルギャップの大きさに関する下からの評価を得ることができた。さらに,この評価が最良となるような具体例も構成することができた。離散化された模型に関して得られた上述の結果は,連続的な模型における背景時空の幾何学的構造と基底状態や平衡状態の性質との関係を調べるための予備的検討として,次年度の研究に活かされることが期待される。「研究の目的」を達成するための準備段階として,離散的な模型に関する成果が得られている。その成果は研究集会等で報告され,一部は論文として投稿されている.また,連続的な模型に関しても,海外の研究者(パリ11大学のC. Gerard氏やトゥーロン大学のA. Panati氏)と情報を交換するなどして,目的達成に向けた研究が進められている。本年度の離散的な模型を用いた予備的検討の結果を踏まえ,連続的な時空における場の量子論の模型のスペクトルに関する研究をすすめる。必要があれば,Gerard氏やPanati氏らとも意見交換を行い,研究に役立てる。また,これまでに得られた成果は,学会等発表したり,論文にまとめたりする。当初計画で見込んだよりも安価に研究が完了したため,次年度使用額が生じた。次年度使用額は,本年度の研究成果を発表するために使用する旅費等に充てる。
フッ素及びフッ化水素の気流反応ラインによる導電性重金属フッ素化合物の創製

本研究の目的:「フッ素及びフッ化水素の気流反応ライン」を用い、導電性を初めとして種々の機能性をもつ無機フッ化物の固体材料を設計・創製し,その機能と構造の関係を明らかにすることである。研究実績:本研究に必要不可欠な「フッ素及びフッ化水素の気流反応ライン」を完成させ,種々の無機フッ素化合物の合成を可能にした。そして下記のような研究成果を挙げた。1.フッ化物イオン超イオン伝導性フッ化物ガラスおよび結晶の創製・機能・構造フッ化物ガラスに関してはフッ化物イオン伝導性ZrF_4系ガラスについて,ZrのF配位状態とそのZrFn多面体の結合状態をSORによるZrーEXAFSと分子動力字シミュレ-ションにより解析した。また、^<19>FーNMRによりフッ化物イオンの存在状態とフッ化物イオン伝導との関係を明らかにした。フッ化物結晶に関してはフッ化物イオン超イオン伝導性結晶PbSnF_4への1価,3価あるいは4価の金属フッ化物の固溶反応を詳細に調べ,PbSnF_4関連構造をもつフッ化物イオン超伝導性化合物の創製を行い,そのフッ化物イオン伝導と結晶構造の関係を明らかにした。2.電子伝導性フッ化物結晶の創製・機能・構造酸化物高温超導体へのフッ素ド-ピングによる効果を検討することを目的に実験を進め、フッ素ド-ピングの条件を確立し,フッ素ド-ピングによる超伝導への効果を明らかにした。3.(赤外→可視)光変換重金属フッ化物の創製・機能・構造高効率のEr^<3+>の(赤外→可視)光変換蛍光機能材料であるErF_3固溶ZrF_4系フッ化物ガラスの創製を進め,光変換効率とEr^<3+>の周りの局所構造との関係を明らかにした。
メカノバイオロジーを用いたインプラント周囲再生支持組織のシステム制御戦略

抜歯後の歯槽骨(顎骨歯槽突起)や移植骨,GBR等で造成された骨は,廃用性萎縮に似たメカニズムで術後吸収を起こすことが知られている.一方で軌道上の宇宙ステーションに滞在する宇宙飛行士は,同じく廃用性萎縮に似た現象として,重力の物理刺激が失われると骨量が減少することが知られているが,そのメカニズムについては明らかではない.そこで我々は人工無重力装置と物理刺激である低出力超音波装置を用いてメカノバイオロジーによる骨吸収メカニズムを解明することを目的とした.その結果,無重力(CL)群では1G群と比較して細胞数の増加率が約半分に抑えられる傾向が示された.またLIPUSが株化歯肉上皮細胞GE1のCCN2/CTGF mRNA発現量を増加させる傾向が認められた.抜歯後の歯槽骨(顎骨歯槽突起)や移植骨,GBR等で造成された骨は,廃用性萎縮に似たメカニズムで術後吸収を起こすことが知られている.一方で軌道上の宇宙ステーションに滞在する宇宙飛行士は,同じく廃用性萎縮に似た現象として,重力の物理刺激が失われると骨量が減少することが知られているが,そのメカニズムについては明らかではない.そこで我々は人工無重力装置と物理刺激である低出力超音波装置を用いてメカノバイオロジーによる骨吸収メカニズムを解明することを目的とした.その結果,無重力(CL)群では1G群と比較して細胞数の増加率が約半分に抑えられる傾向が示された.またLIPUSが株化歯肉上皮細胞GE1のCCN2/CTGF mRNA発現量を増加させる傾向が認められた.抜歯された後の歯槽骨(顎骨歯槽突起)や移植骨、GBR等で造成された骨は術後吸収を起こすことが知られているが、その吸収量やスピードは個人差がある。インプラント補綴治療における長期的予後を考えると、骨吸収の制御手段の確立は大きなブレークスルーとなる。しかし、これらの生理的骨吸収を制御することは、現状では不可能である。そこで、本研究の目的は、生理的な術後骨吸収に密接に関わっている『骨細胞』と『物理刺激』に焦点を当て、いわゆるメカノバイオロジーによる研究デザイニングにより骨吸収メカニズムの一端を解明することよって、臨床における生理的骨吸収制御のストラテジー構築を目的として本研究を行っている。平成22年度においては、骨細胞を通常3D培養(1G環境)と3D-クリノ(人工無重力環境発生装置)で培養した骨細胞の性質を確認、正常に培養できている確認を行い、で培養した骨細胞の培地中の成分を培養破骨細胞の培地に加え、破骨細胞の増殖や骨小腔形成能を用いた骨吸収活性への影響について検討を行うことを目指した。まず、骨細胞の3次元培養ゲルを培養容器に入れ、3D-クリノ(人工無重力環境発生装置)に搭載したところ容器の固定方法に問題が発生し、その対応を行い、培養を開始したところである。現在、培養した骨細胞の性質を複数のマーカーを用いて検討しているが、3D-クリノ搭載中に培養液漏れが発生し、培養容器の密閉性に問題がある可能性が出てきており、現在原因を追求している。抜歯された後の歯槽骨(顎骨歯槽突起)や移植骨、GBR等で造成された骨は術後吸収を起こすことが知られているが、その吸収量やスピードは個人差がある。平成22年度において骨細胞の3次元培養ゲルを培養容器に入れ、3D-クリノ(人工無重力環境発生装置)に搭載したところ培養液漏れが発生したため、平成24年度は培養容器の密閉性と固定方法を改善した新しい容器を開発し、当該装置を用いて研究を行った。株化骨細胞様細胞を1Gおよび人工無重力下で培養し、マーカーとしてsclerostinおよびFGF-23を用いて検討を行っている。また、物理刺激が途絶えると、骨細胞から指示が出てRANKLを介した破骨細胞の活性化が起こっている可能性があるため、RANKLも合わせて検討している。抜歯された後の歯槽骨や移植骨、GBR等で造成された骨は術後吸収を起こすことが知られているが、その吸収量やスピードは個人差がある。2012年度は、メカノバイオロジーを応用した医療用低出力超音波パルス(LIPUS)照射に着目し、マウス由来株化正常歯肉細胞(GE1 cell)を用いて組織修復や細胞増殖、血管新生に関わる重要なサイトカインとして注目されているCCN2/CTGFの遺伝子発現およびタンパク発現をin vitroで検討した。まず、GE1 cellをSFM-101培地中で培養後、1日目から周波数3MHz、出力240mWのLIPUSを15分間照射した。リアルタイムPCR法およびWestern blotting法を用いてCCN2/CTGFの検討を行ったところ、RNA量およびタンパク量ともに増加する傾向が認められた。

さらに、ラット口蓋に創傷治癒モデルを作製し、軟組織の治癒促進に対するLIPUSの影響をin vivoで検討した。ラット口蓋に直径5 mmの創傷を作製後、創傷のモデル作製翌日よりLIPUSプローブをラット口腔内に設置し、LIPUS照射(周波数3 MHz、出力160 mW、照射時間15分)を創傷部に1週間毎日行った。LIPUS照射終了直後およびLIPUS照射終了1週間後および2週間後に屠殺後、それぞれただちに10%中性ホルマリン溶液にて固定しH-E染色を行った。口蓋粘膜の創傷治癒を検討するため、粘膜欠損部の両端の距離の割合および粘膜欠損部の面積を計測したところ、LIPUS照射群における粘膜欠損部の面積はコントロール群と比較して有意に減少し、距離の割合においても減少傾向が認められた。骨細胞の3次元培養ゲルを培養容器に入れ、3D-クリノ(人工無重力環境発生装置)に搭載したところ容器の固定方法に問題が発生し、その対応に追われたのに加え、3D-クリノ搭載中に培養液漏れが発生し、培養容器の密閉性の改善に予想以上に時間を要したため。24年度が最終年度であるため、記入しない。株化骨細胞様細胞について、ミズーリ大学のProf.L Bonewaldとの共同研究の話が進んでおり、MLO-Y4およびMLO-A5などの細胞株を用いて検討することにより、骨芽細胞が骨細胞に分化する分化ステージによって異なるマーカー分子の動きを明確に分析することが可能になる。これらの細胞株を3D-クリノに搭載し、重力による物理刺激の影響をFGF-23やsclerostinを用いて解析する予定である。
豪雨による土砂崩壊の予測に関する研究

1.斜面地下水の集中流の機構:斜面の内部構造の調査や試験流域での飽和不飽和地中流の観測および3次元的な地中水分の観測等により,土層の水理的不連続面の形状特性,地中水の集中流の発生場の地形,地質的特徴,集中流の発生機構について明らかにした.今後,土層の構造をさらに詳細に調べるとともに,集中流のモデル化を試みる.2.崩壊発生時刻の予測:タンクモデルや浸透流解析に基づく斜面安定解析により,崩壊発生の限界貯留量や危険降雨量を求める方法を提案し,それを58年島根災害に適用して,この方法の有効性を検証した.また,まさ土斜面において降雨による間隙水圧の変化を測定し,崩壊発生の前兆現象について調べるとともに,それに基づく崩壊発生予測法に関して基礎的知見を得た.今後,土の浸透物性やせん断特性について検討を加え,より合理的な安定解析法を開発する.3.崩壊発生位置の予測:六甲山系の土砂災害のデータベースを利用し,六甲山系の崩壊危険度のランク分けを行った.また,比良山系では,試験流域において,水質,水文観測を行い,崩壊の発生と係わる地質,地形,水文学的要因について明らかにした.今後,レーダー雨量と崩壊の関係を明らかにし,レーダー雨量計データを利用した崩壊発生場所の予測手法を検討する.4.崩壊規模と危険範囲の予測:土層の一次元的な分布特性と崩壊規模との関係を,理論と実験との比較より検討するとともに,崩土の運動を支配する式を導き,その妥当性を実験より検証した.また,過去の崩壊資料より,崩壊の規模を調べ,土質によって規模が異なることを明らかにした.今後,崩壊規模や崩壊の危険範囲について,理論を二次元的な場に拡張するとともに,表土層厚と崩壊規模との関係についても検討する.1.斜面地下水の集中流の機構:斜面の内部構造の調査や試験流域での飽和不飽和地中流の観測および3次元的な地中水分の観測等により,土層の水理的不連続面の形状特性,地中水の集中流の発生場の地形,地質的特徴,集中流の発生機構について明らかにした.今後,土層の構造をさらに詳細に調べるとともに,集中流のモデル化を試みる.2.崩壊発生時刻の予測:タンクモデルや浸透流解析に基づく斜面安定解析により,崩壊発生の限界貯留量や危険降雨量を求める方法を提案し,それを58年島根災害に適用して,この方法の有効性を検証した.また,まさ土斜面において降雨による間隙水圧の変化を測定し,崩壊発生の前兆現象について調べるとともに,それに基づく崩壊発生予測法に関して基礎的知見を得た.今後,土の浸透物性やせん断特性について検討を加え,より合理的な安定解析法を開発する.3.崩壊発生位置の予測:六甲山系の土砂災害のデータベースを利用し,六甲山系の崩壊危険度のランク分けを行った.また,比良山系では,試験流域において,水質,水文観測を行い,崩壊の発生と係わる地質,地形,水文学的要因について明らかにした.今後,レーダー雨量と崩壊の関係を明らかにし,レーダー雨量計データを利用した崩壊発生場所の予測手法を検討する.4.崩壊規模と危険範囲の予測:土層の一次元的な分布特性と崩壊規模との関係を,理論と実験との比較より検討するとともに,崩土の運動を支配する式を導き,その妥当性を実験より検証した.また,過去の崩壊資料より,崩壊の規模を調べ,土質によって規模が異なることを明らかにした.今後,崩壊規模や崩壊の危険範囲について,理論を二次元的な場に拡張するとともに,表土層厚と崩壊規模との関係についても検討する.
エネルギー移動法に基づく高効率固相フォトン・アップコンバージョンの実現

太陽光利用技術を大幅に高効率化しうるフォトン・アップコンバージョンの実現において、従来の分子拡散に依存したメカニズムではなく、分子集合体中でのエネルギーマイグレーションに基づく新しい方法論の開拓を行った。中でも、金属錯体骨格中にアクセプター分子を規則配列させ、三重項増感剤を結晶表面に修飾することで、これまで困難であった太陽光程度の弱い励起光強度でのアップコンバージョン効率の最大化に世界で初めて成功した。社会的要請の高いフォトン・アップコンバージョンの発現において、従来は色素分子の拡散に依存してきたが、本研究では分子ではなくエネルギーを移動させるという全く新しい方法論を開拓することで、分子が拡散できない状況下においても機能するシステムの構築を目的としている。本年度は特に、超分子ゲルファイバー中に色素分子を高密度に自己組織化させれば、大気下においてもアップコンバージョンを発現できることを見いだした。超分子ゲルを形成する際にドナーとアクセプターを加えておくだけで、空気中においてアップコンバージョン発光を観測できた。これは超分子ゲルを用いたアップコンバージョンの初めての例である。大気中においてアップコンバージョン発光が観測された理由を調べるため、走査型電子顕微鏡、示差走査熱量、粘弾性の測定を行ったところ、色素の添加によりゲルファイバーの太さとゲルの強度が増し、またゲルー溶液相転移温度が上昇した。これらの結果より、色素分子がゲルファイバー中に取り込まれていることが示唆された。また、全ての分子運動が凍結する77 Kにおいてもアップコンバージョン発光が明確に観測されたことから、ゲルファイバー中で色素が密に集合化し、その集合体中で三重項エネルギーがマイグレーションすることでアップコンバージョンを発現したことが示唆された。更に、色素の種類を変えるだけで、近赤外光から可視光、赤色光から緑色光、緑色光から青色光、可視光から紫外光への波長変換を達成し、今回開発した手法の一般性を示すことが出来た。本年度の検討において、金属錯体骨格(MOF)中にアクセプター分子を規則的に配列させ、MOFを用いたアップコンバージョンに世界で初めて成功した。これまで、太陽光のような弱い光を用いたアップコンバージョンの高効率化は困難を極めており、その実現には1いかにドナーからアクセプターに励起三重項エネルギーを効率よく移動し、かつ2その励起三重項エネルギーをアクセプター分子間で高速に拡散させるか、といった2つの課題をクリアする必要があった。まず1つ目の課題に関しては、これまで固体状態ではドナー分子が凝集してしまい、アクセプター分子にうまくエネルギーを渡せていなかったが、MOFのナノ結晶を合成し、そのナノ結晶表面をドナー分子で修飾することで解決した。次に2つ目の課題に関しては、MOFの構造中にアクセプター部位(ジフェニルアントラセン)を規則的に配列させることで、励起三重項エネルギーを高速に拡散させることに成功した。このように2つの課題を新しい手法により解決し、太陽光程度の弱い光でもアップコンバージョンの効率を最大化(約2%)することに世界で初めて成功した。更に、分子を拡散させる既存の手法では力学特性の劣る柔らかい高分子しか用いることができなかったが、今回開発したドナー修飾MOFナノ粒子はPMMAなどの力学特性に優れた硬いプラスチック中に分散させて用いることが可能であり、汎用性の高いプラスチック材料を高機能化して再生可能エネルギー分野に応用する新たな道を拓いた。本研究では従来の色素拡散型のメカニズムではなく、エネルギー拡散型の新しいメカニズムによるアップコンバージョンの達成を目的としている。本年度は超分子ゲルにおいてその目的を達成したが、これは超分子ゲルを用いたアップコンバージョンの初めての例である。更に、当初は予想をしていなかった空気安定性も発現できたことから、アップコンバージョンの実用化に向けて重要な知見を得ることが出来た。以上の理由により、当初の計画以上に研究が進展していると考えられる。機能性材料科学今後は太陽光など、より弱い励起光強度でのアップコンバージョンを可能にするために、色素が規則正しく配列した固体系での展開を目指す。そのために複数の色素を複合化する手法を新たに開発し、また空気中におけるより高い安定性の確保を行う。これらの方策により、低光強度かつ空気中で機能する理想的なアップコンバージョン分子システムの構築を目指す。当初の計画よりも消耗品やガラス器具等にかかる費用を抑えることが出来たため、当該助成金をより有効に予算を活用するために次年度に使用することとした。研究の進行に伴い、波長532nmのレーザーの導入が必要であることが分かった。そこで波長532nmの半導体レーザーを導入し、アップコンバージョン発光の測定に使用する予定である。
生命システムの統合的理解のための生物情報ネットワークの構造および動的挙動解析

平成18年度は主に以下の3種類の研究を行った。平成17年度の本研究において、外部刺激に顕著に反応する遺伝子や部分ネットワークを遺伝子発現データから同定する手法を開発した。平成18年度は、腫瘍の進行段階を刺激に対応させ、開発した手法をマウスの遺伝子発現データに適用することにより、腫瘍の段階と発現データの分布を関連づけた。その結果として、正常細胞とアデノーマ細胞の違いの方が、アデノーマ細胞と癌細胞の違いより大きいという結果を得た。これまでの既存研究および我々の研究により、遺伝子発現量の分布がべき乗則にほぼ従うことが示されてきた。さらに、そのべき乗則を再現する数理モデルも提案されてきた。本研究では、それらの数理モデルを更に発展させ、細胞内部および細胞外部から受けるノイズの影響を分離し、かつ、mRNAの分解の影響を取り入れた数理モデルをStratonovich型確率微分方程式に基づいて開発した。その結果として、べき指数とmRNAの分解速度とを定量的に関連づけることができた。多くの生物における代謝ネットワークは、次数分布がべき乗則に従い、かつ、モジュール構造を持つと報告されている。しかしながら、代謝ネットワークの構造は生物種ごとに異なっている。そこで、生育環境と代謝ネットワークの関係を調べるために、細菌および古細菌のネットワーク構造と生育温度との関連性を調べた。その結果、高い温度で生育する生物の代謝ネットワークは、ランダムグラフに近い均一性の高い構造をしているが、生育温度が低くなるにつれて、均一性が低くなり、モジュール性の高い構造を持つようになることがわかった。代謝ネットワークは複雑かつ細胞中で重要な役割を果たしている。それらは化合物を生成し、そして酵素は化合物間で化学反応を触媒とし、さらに、これらの酵素は遺伝子発現を制御している。代謝ネットワークの構造は一般には静的なものとして表現されることが多いが、環境の違いにより、どの部分ネットワークが活性化するかが異なる。すなわち、代謝ネットワークは静的なものではなく、環境に対する動的適応性が存在する。この動的適応性に関する情報(の一部分)は遺伝子発現データにより得ることができる。それゆえ、本研究の目的とする生命理解のための統合アプローチを発展させるために、これら三つの要素、すなわち、化合物、化学反応、遺伝子発現を統合して扱うことが重要となる。我々は酵母(S.cerevisiae)の遺伝子発現反応を認識するため、13種類の外部シグナルに関する遺伝子発現データから統計解析を行った(シグナルの例としてはhydrogen peroxide treatment (H2)やnitorogen depletion (N)がある)。我々は、特に特定の条件に敏感な遺伝子を同定し、これらのサインを引き起こす遺伝子発現データと酵母のネットワーク構造上のデータを統合することにより、シグナルにより誘導もしくは抑圧される部分ネットワークを同定し、解析した。その結果、これらの部分ネットワークがランダムネットワークとは大きく異なることを明らかにし、また、高い連結性を持っていることを明らかにした。また、上記の研究とは別に、以前に解析したタンパク質ドメインの分布のスケールフリー性(べき乗則)に関する結果を拡張することにより、タンパク質相互作用ネットワークにおいて観測されるスケールフリー性を再現するという結果も得た。
代数的手法を用いたハードウェアの仕様記述と実現に関する研究

1.同期式順序回路の仕様を代数的言語で書くときの記述のスタイルを提案した。そのスタイルはいわゆる抽象的順序機械型の記述であり、動作の実行順序制御部は、その動作を行うべきときの条件を指定するという形で記述する。この記述スタイルによって、回路の抽象的な機能の仕様から、バス・レジスタの接続や、既存のIC等を用いた具体レベルにおける入力論理式まで、同じ言語・同じスタイルで記述することができる。検証等の形式的な議論には、形式的・厳密に定義された同一言語による記述が必要である。また、このスタイルに従って、回路の実現や詳細化問題の定式化を行った。2.マイクロコンピュータとクィックソートIC(後者は日本電子工業振興会のLSI設計用記述言語の標準化の調査研究で用いられたもの)を例題にして、仕様記述・詳細化を行った。前者では、命令の意味定義の記述からレジスタなどの入力線の論理設計まで、後者では、ソーティングの一般的な要求仕様から、クィックソートアルゴリズム採用レベルの記述を経て、同じくレジスタ等の入力論理の設計まで行った。これにより、状態遷移図やレジスタ転送レベルの記述より抽象的なレベルの記述から、論理設計レベルまで段階的に記述できることがわかった。3.上記2.の記述・設計経験によって、設計者は上位レベルと下位レベルの回路動作の対応のみを孝案し、それを基に下位レベルの実行制御部の記述を自動生成するのが実用的であることがわかった。この自動化の問題は、回路動作を詳細化する一般の場合と入力論理式を導出する具体レベルの二つに分かれる。両者に対してアルゴリズムを孝案し、プログラム化し、我々の代数的記述支援系に組み込み、2.の例の一部に適用してみた。仕様記述及び段階的詳細化に代数的手法の有効性が確認できたが、今後は、検証(正しさの証明)手法の確立が望まれる。