hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
表面電位計測による絶縁材料の性能評価に関する研究

本研究では研究計画に示したように、まず表面電位針を用いた絶縁材料表面の電位分布を2次元で測定するための測定システムの設計・製作を行った。X-Yステージに表面電位計の測定プローブを設置し、100×100 mmの範囲を2次元的に走査させ、10,000pointの表面電位を測定することとした。実験はPMMA板、Epoxy板、ガラス板を試料とし、試料の材質による表面の帯電状態の違いや、表面の粗面化による帯電状態の違いについて検討を行った。試料は50×50mm、厚さ1mmとし、試料板を針対平板電極間に設置し、針電極側から直流負極性放電を発生させ、開発したシステムにより試料の表面電位分布を測定した。なお、試料表面と針電極先端の距離は1mmとした。表面が滑らかな状態の試料を用いて行った実験の結果、PMMAおよびEpoxy試料では針電極直下あたりに負極性の円錐形の表面電位分布が認められたのに対し、ガラス試料においては低い電位がほぼ表面全体に広がる傾向が認められた。一般にガラスはPMMAやEpoxyに対して耐部分放電生が高いことが知られている。今回の結果から、表面全体に放電エネルギーが拡散することにより、放電に対する耐性が高くなることが示唆される。次に放電によって表面が劣化した状態を模擬した表面を粗面化させた試料と、表面が滑らかな試料の比較を行った。表面を粗面化した試料では表面電位の広がりが狭くなり、複数ヶ所で電位分布が認められた。これは表面が粗面化されることにより放電の広がりが小さくなったこと、表面のあれにより局所的に電界分布が変わり放電が発生しやすい状態となったことが原因であると考えられる。これまでの電気的計測では、放電による劣化が進むと放電電荷量が小さくなり、放電個数が増加する傾向が認められており、今回の表面電位の計測結果から、この原因が絶縁体表面の電位の広がりに起因していることが考えられる。以上の結果より、絶縁材料の表面での電荷の広がり易さおよび表面状態が、放電による劣化に影響を与えている可能性があることが明らかとなった。本研究では、研究計画に示したように、まず表面電位計を用いた絶縁材料表面の電位分布を測定するための測定システムの設計・製作を行った。本年度は、まず1次元的に表面電位を計測可能とするため、ステッピング・モータを用いて、等速で表面電位計の測定プローブを走査させ、一定時間間隔で表面電位計の出力をA/Dコンバータによりサンプリングし、パソコンにデータを取り込めるようにした。完成した測定システムを用いて基礎データを取り、測定条件を決定した。実験は、静電気により帯電した試料を用いて、プローブの移動速度およびデータのサンプリング間隔を様々に換えて測定を行った。実験の結果、50mm四方の試料の測定では、プローブの移動速度は45mm/s、サンプリング間隔は1msの条件で試料の表面電位分布を十分に測定できることが明らかとなった。次に、実際に放電により帯電した試料を用いて表面電位分布の測定を行った。試料は表面が滑らかなものと、放電により試料表面が劣化した状態を模擬するために、試料表面をサンドペ-パにより粗したものを用いた。これらの試料に針対平板試料形状で電圧を印加し、放電を発生させ試料表面を帯電させた。実験の結果、表面が滑らかな試料では放電はほぼ中心部に集中して発生し、放電の広がりもある程度大きいことが分かった。これに対して放電劣化を模擬した表面が荒れた試料では、放電の広がりが表面が滑らかな試料と比較して狭く、また放電も数カ所で発生していることが明らかとなった。この結果は、これまでの著者らの研究で得られた、放電劣化が進むにつれて放電電荷量が小さくなる現象を支持している。従って、表面電位分布を測定することにより、放電の広がりや放電状態を評価することが可能であることが明らかとなった。

これまでの電気的計測では、放電による劣化が進むと放電電荷量が小さくなり、放電個数が増加する傾向が認められており、今回の表面電位の計測結果から、この原因が絶縁体表面の電位の広がりに起因していることが考えられる。以上の結果より、絶縁材料の表面での電荷の広がり易さおよび表面状態が、放電による劣化に影響を与えている可能性があることが明らかとなった。
発達史的観点を取り入れた地熱構造の解明とその地熱資源探査への応用に関する研究

本研究で得られた成果は以下のようにまとめられる。1.我が国の地熱系とくに九重火山周辺の地熱系とその資源について総括的にまとめ、その地熱資源量評価を行い、地下3km深までに、1200MW・30年、地下10km深までに14000MW・30年の電気出力に相当する地熱資源が賦存することを明らかにした。2.九州中部地域の重力的構造を述べるとともに、九重火山・阿蘇火山・雲仙火山における地震学的・電磁気学的・熱学的構造について述べた。九州中部地域の第四紀テストニクスを論じ、この地域に発達する火山・地熱地域の構造的背景を明らかにした。4.九州中部地域に存在するいくつかの地熱地域を例にとり、流体挙動の実際を実証的に述べるとともに、深部流体に関する基本的な課題についても論じた。また、さらに、火山噴気による酸性雨・酸性土壌あるいは地熱流体生産に伴う地下流体挙動の変動など、火山活動あるいは地熱開発に伴う環境への影響に関する問題を実証的に明らかにした。5.九州中部地域における最も代表的な地熱系である大岳・八丁原地熱地域の地熱系発達時期を明らかにするとともに、1995年九重火山噴火に伴う地熱系発達の初期過程を総合的な観測に基づいて多面的にかつ実証的に明らかにした。6.より一般的な地熱系発達の数値モデル化を試みるため、非定常3次元気液2相の流体流動を扱える数値シミュレーターを作成し、九重火山の熱過程解明を行った。今年度は地熱系発達を検討するための一般的な作業仮説をもとに、地熱系の発達を示すインディケーターの検討を行い、数値シミュレータを作成し、基本的なモデルを検討した。また、平成7年10月11日、主要な研究対象地域である九重火山が噴火したため、同火山地域は地熱系発達の初期状態を解明するための格好のフィールドとなり、研究分担者のほとんどは九重火山の噴火活動調査研究に参加した。数値シミュレーションにおける主な研究成果は1.過熱状態まで取り扱える3次元数値シミュレータを開発した。その結果、マグマからのガスの供給により、初期状態では液相単相の貯留層が次第に、気液2相、過熱状態へと発達することがシミュレート可能となった。2.マグマの熱伝導的冷却に伴う熱水系発達の2次元数値シミュレータを開発した。その結果、マグマが単調に冷却する中で、地熱系が空間的にも、時間的にも消長を繰り返すという興味ある現象が明らかにされた。九重火山の噴火活動の観測に基づく主な研究成果は1.地熱系の熱源である浅部マグマの存在を明らかにした。2.火山ガス、放熱量および重力変動調査などから、マグマ性ガスの新たな注入により、新火口周辺に新たな熱と水の流れが生じたこと、すなわち、小規模の熱水系が新たに形成されたことが明らかになった。九重火山の活動は依然として活発であり、今後、観測を継続し、地熱系発達の過程を観測から明らかにするとともに、火山活動予測においても貢献して行きたいと考えている。今年度は前年度に開発された2つの数値シミュレータを用い、地熱系発達の数値シミュレーションを行うとともに、1995年10月より噴火活動を継続している大分県九重火山において種々の観測を継続し、地熱系発達の初期過程の解明を目指した。数値シミュレーションにおける主な研究結果は1.過熱状態をも取り扱える3次元非定常数値シミュレータにより、最近数万年間にわたり、マグマ性流体を放出しながら冷却する九重火山のマグマ上部に存在するマグマ性熱水系の発達を再現することができた。2.地熱系発達に重要な影響を与えるキャップロックの形態により、地熱系を4つに分類することができることを示した。3.上記2で分類された4つの地熱系モデルに関して、単相2次元非定常数値シミュータにより、マグマの熱伝導的冷却に伴う地熱系発達の数値シミュレーションを行い、キャップロックの違いによる熱水系発達を明らかにした。

九重火山における地球物理学的および地球化学的な観測結果より、以下のようなことが明らかになった。1.今回の九重火山の噴火活動に伴い、地表には現れなかったが、比較的地下浅部でマグマが関与している可能性がより明確になった。2.噴火後、多量なマグマ性流体の供給により、火口周辺に存在していた地下水が蒸気化され、地上に放出されたが、次第に周辺より地下水が供給され、新たな熱水流動系が形成されつつあることが明らかにされた。九重火山の活動は依然として継続しており、今後も観測を継続し、地熱系発達の初期過程を解明するとともに、火山活動予測においても貢献していきたいと考えている。本研究で得られた成果は以下のようにまとめられる。1.我が国の地熱系とくに九重火山周辺の地熱系とその資源について総括的にまとめ、その地熱資源量評価を行い、地下3km深までに、1200MW・30年、地下10km深までに14000MW・30年の電気出力に相当する地熱資源が賦存することを明らかにした。2.九州中部地域の重力的構造を述べるとともに、九重火山・阿蘇火山・雲仙火山における地震学的・電磁気学的・熱学的構造について述べた。3.九州中部地域の第四紀テクトニクスを論じ、この地域に発達する火山・地熱地域の構造的背景を明らかにした。4.九州中部地域に存在するいくつかの地熱地域を例にとり、流体挙動の実際を実証的に述べるとともに、深部流体に関する基本的な課題についても論じた。また、さらに、火山噴気による酸性雨・酸性土壌あるいは地熱流体生産に伴う地下流体挙動の変動など、火山活動あるいは地熱開発に伴う環境への影響に関する問題を実証的に明らかにした。5.九州中部地域における最も代表的な地熱系である大岳・八丁原地熱地域の地熱系発達時期を明らかにするとともに、1995年九重火山噴火に伴う地熱系発達の初期過程を総合的な観測に基づいて多面的にかつ実証的に明らかにした。6.より一般的な地熱系発達の数値モデル化を試みるため、非定常3次元気液2相の流体流動を扱える数値シミュレーターを作成し、九重火山の熱過程解明を行った。
糖タンパク質を標的とした革新的がん特異的抗体の開発とその作用機序の解明

モノクローナル抗体は実験的ツールや診断薬としてだけでなく、様々ながん治療に応用されている。一方、がん細胞に特異的な抗体を樹立しなければ、常に正常組織への毒性が懸念される。しかし、がん細胞だけに高発現している分子は限られているため、新規の標的分子を発見するのは困難である。本課題においては、申請者が開発したがん特異的抗体作製法や糖鎖改変技術を駆使し、種々の糖タンパク質に対するがん特異的抗体を作製し、その有用性の証明および最適化を目指す。
生物のかたちづくりを利用したものづくり：力学的適応現象を利用した最適構造構築

A.組織に作用する力の分布を細胞レベルで明らかにする手法の開発:我々が開発したFRET型張力センサの遺伝子を電気パルスで培養細胞内に導入し,細胞内部の張力変化を見積もることができるようになってきている.これを一般の血管組織に応用することを目指し,1)小型の組織を使用する,2)組織に引張を加えた状態で導入する,3)超音波を負荷した状態で導入する,等の方法を試したが,遺伝子を発現する細胞は1画面あたりせいぜい数ケ,しかも組織表面に限られており,現状では組織内の応力分布を調べる方法として使えるものにはなっていない.来年度は,コラゲナーゼ,エラスターゼなど組織を溶かす酵素を少しだけ使用して導入する方法を試す.B.幼若骨組織の力学負荷下培養系の確立と最適構造の自発創生:孵化直後の鶏雛の幼若脛骨組織の薄切片を顕微鏡下で見ながら力学負荷をかける系の試作に成功し,無負荷状態の試料が体内の正常組織と同様の速度で石灰化していくことを確認した.C.珪藻の形態形成に及ぼす力学刺激の影響の検討:これまでに細長い筒状の被殻を有する珪藻であるAulacoseiraに3点曲げを加えつつ培養する系を確立したので,今度は4点曲げを加えられるPDMS基板の試作を試みた.3点曲げ装置同様にフォトリソグラフィ法で作製しようとしたが,加工を依頼していた業者の担当者の退社に伴い,3点曲げ装置同様に支点の鋭角なものの作製が困難になった.このため,ワイヤ放電加工を利用して支点の角の丸い基板を作製したが,曲げモーメントの影響は有意ではなくなってしまった.この原因の一つとして,新しい系がAulacoseiraの軸方向の成長を拘束して可能性が考えられた.また,被殻形成過程の詳細観察に使用する超解像顕微鏡については研究室の予算を合算して購入することができた.上手く行かないことが判明した課題もあるが,研究実施計画の内容は概ね実行できているから.A.組織に作用する力の分布を細胞レベルで明らかにする手法の開発:組織へのFRETセンサ遺伝子の導入方法として当初考えた4通りのうち,3通りが上手く行かないことが分かったので,最後の1通りを進めると共に,これが不調である場合に備えて他の手を考える.B.幼若骨組織の力学負荷下培養系の確立と最適構造の自発創生:装置の試作は順調に進んでいるので,当初の計画通り,今後は実験を繰り返し,データ蓄積を進める.C.珪藻の形態形成に及ぼす力学刺激の影響の検討:当初計画していた4点曲げ装置の試作を中止し,軸方向力を付加しつつ培養する系の確立を進めるとともに,超解像顕微鏡を用いて被殻形成の様子を詳細に観察する.A.組織に作用する力の分布を細胞レベルで明らかにする手法の開発:我々が開発したFRET型張力センサの遺伝子を電気パルスで培養細胞内に導入し,細胞内部の張力変化を見積もることができるようになってきている.これを一般の血管組織に応用することを目指し,1)小型の組織を使用する,2)組織に引張を加えた状態で導入する,3)超音波を負荷した状態で導入する,等の方法を試したが,遺伝子を発現する細胞は1画面あたりせいぜい数ケ,しかも組織表面に限られており,現状では組織内の応力分布を調べる方法として使えるものにはなっていない.来年度は,コラゲナーゼ,エラスターゼなど組織を溶かす酵素を少しだけ使用して導入する方法を試す.B.幼若骨組織の力学負荷下培養系の確立と最適構造の自発創生:孵化直後の鶏雛の幼若脛骨組織の薄切片を顕微鏡下で見ながら力学負荷をかける系の試作に成功し,無負荷状態の試料が体内の正常組織と同様の速度で石灰化していくことを確認した.C.珪藻の形態形成に及ぼす力学刺激の影響の検討:これまでに細長い筒状の被殻を有する珪藻であるAulacoseiraに3点曲げを加えつつ培養する系を確立したので,今度は4点曲げを加えられるPDMS基板の試作を試みた.3点曲げ装置同様にフォトリソグラフィ法で作製しようとしたが,加工を依頼していた業者の担当者の退社に伴い,3点曲げ装置同様に支点の鋭角なものの作製が困難になった.このため,ワイヤ放電加工を利用して支点の角の丸い基板を作製したが,曲げモーメントの影響は有意ではなくなってしまった.この原因の一つとして,新しい系がAulacoseiraの軸方向の成長を拘束して可能性が考えられた.また,被殻形成過程の詳細観察に使用する超解像顕微鏡については研究室の予算を合算して購入することができた.上手く行かないことが判明した課題もあるが,研究実施計画の内容は概ね実行できているから.A.組織に作用する力の分布を細胞レベルで明らかにする手法の開発:組織へのFRETセンサ遺伝子の導入方法として当初考えた4通りのうち,3通りが上手く行かないことが分かったので,最後の1通りを進めると共に,これが不調である場合に備えて他の手を考える.B.幼若骨組織の力学負荷下培養系の確立と最適構造の自発創生:装置の試作は順調に進んでいるので,当初の計画通り,今後は実験を繰り返し,データ蓄積を進める.C.珪藻の形態形成に及ぼす力学刺激の影響の検討:当初計画していた4点曲げ装置の試作を中止し,軸方向力を付加しつつ培養する系の確立を進めるとともに,超解像顕微鏡を用いて被殻形成の様子を詳細に観察する.
頭頸部血管閉塞に対するステントの応用

1.保険診療上は心臓用となっているパルマッツ・シャッツ・ステント(直径3.0mm)を購入し、頭頸部血管に対してステントを用いた治療を試みた。2.椎骨動脈起始部(入口部)狭窄は、通常の拡張だけでは十分に拡がらなかったり、再拡張が起き易い。3例の同部位病変に対してパルマッツ・シャッツ・ステントを挿入し、いずれも合併症なく、良好な拡張を得ることができた。手技は1時間も要しなかった。同部位は、外部からの圧迫の心配もなく、ステント挿入には適していると考える。拡張状態は、通常の拡張術だけの場合と比べてずっときれいに拡がっており、ステントは非常に有用であった。3.3ヶ月ないし6ヶ月後の血管造影を予定している。その結果再狭窄が少なければ、同部位病変に対するステント治療は、長期的にも非常に有用であると結論できる。
超伝導コイルの作る3次元磁場分布精密測定法の開発

ヘリカル方式の核融合装置に用いられる超伝導コイルでは、非常に高い磁場精度(誤差磁場の強度比が10^<ー4>以下)が要求される。本研究では、ヘリカル型超伝導試験コイルである全体モデル装置(大半径80cm、小半径20cm)に対して、磁場分布計測システムを開発し、これを用いて実際に計測を行い、ヘリカル装置における磁場計測方法に関する検討を行った。計測には、ホ-ル素子を用いたシステムを採用した。本研究で用いたシステムは、各空間点において3次元の磁場計測が可能で、トロイダル方向、鉛直方向、大半径方向にスキャンを行うことのできるものである。コイルの定格通電時における磁場計測の結果、今回の実験においては、誤差磁場の強度比として、5x10^<ー3>程度までの精度の計測を行うことができた。当初の目標である10^<ー4>の精度が達成できなかった理由としては、以下のことがあげられる。1)電源として、本実験に用いることを予定していたトランジスタ電源に不備があり、この代わりとしてサイリスタ電源を用いたため、磁場計測時にノイズが大きかった。2)計測システムの取り付け位置精度に問題があった。当初、計測システムは低温空間内に設置することを考えていたが、その後の検討で、常温空間に設置する方が望ましいことが判明した。これは、低温空間では、計測素子自身の位置が冷却により移動してしまうためである。そこで、実際には、装置の外部空間に計測システムを設備したため、コイル本体との相対位置の計測が難しく、十分な設置精度がでなかった。今後、上記の問題点を解決し、より精度の高い磁場分布計測を行うことを計画している。
下向きフィン付伝熱面を用いた液膜内混合による吸収伝熱促進に関する研究

本研究では、下向きフイン付伝熱面を用いて流下液膜内に密度対流を発生させ吸収伝熱促進する方法につき、実験的研究を行った。最初に実験装置の検定を行うために、平滑伝熱面を鉛直に設置し水蒸気の凝縮実験を行った。実験条件は、吸収式ヒ-トポンプの作動条件を考慮して主流蒸気が70°Cの飽和状態(蒸気圧力は約0.3気圧)とし、壁温を変化させて熱伝達率の測定を行った。その結果、膜状凝縮状態での熱伝達率はヌセルトの解に比べて約10%程度低い値となった。これは実験容器内の圧力が大気圧に比べて負圧となるため空気の混入が避けられないためと考えられ、空気が混入したときの熱伝達率を理論計算したところ、空気のモル濃度が約0.001%に相当した。このように僅かな空気の混入によっても熱伝達率は大きく低下し、実機において空気の混入の影響が重要であることが明らかとなった。次に、伝熱面としてフィンの高さ3mm、幅1mm、ピッチ4mmの矩形フィンを持つフィン付面と平滑面を用いて、LiBr水溶液による吸収実験を行った。伝熱面を下向きにすると、平滑面では、LiBr水溶液の表面張力が大きいために流下液膜が一様な厚さとはならず筋状に流れるが、フィン付面では一様に流下し、傾斜角がかなり水平に近い状態でも流下できることが明らかとなった。そこでフィン付伝熱面について、上向きと下向きの各場合について傾斜角を45°と22°に設定して熱伝達率の比較を行った。その結果、傾斜角が45°の場合には、上向きと下向きでその差は本実験精度では確認できなかったが、液膜が厚くなる傾斜角が22°の場合には、下向きの方が明らかに熱伝達率が大きい結果が得られた。これは液膜内の対流の影響と考えられ、今後、測定精度の向上を図るとともに、現在開発中のシミュレ-ションプログラムを完成させて、下向き伝熱面の効果をより明確にする予定でいる。
動的輪郭モデルを用いたグラフベース半教師付き学習に関する研究

ラベル情報の少ない学習データを利用して、大量のデータを分類することはパターン認識や機械学習における大きな課題である。実際の利用場面では学習データにノイズデータが混入するため、問題は更に難しくなる。本研究が上記の問題点に基づき、画像処理の分野の一つ手法である動的輪郭モデルで2回微分によってノーズを効果的に削除できる特性を用いて、グラフベース半教師付き学習と組み合わせることによって、データに含まれるノイズを削除し、少ないラベル情報を元にラベルなしデータにラベルを付けることのできる手法を開発した。この手法を人工データと医用画像に応用し、その有効性について示す。機械学習分野では、近年、大量の学習データに手動でラベルを付ける作業を避けるため、半教師付き学習が盛んに研究されている。しかし、学習データに付与するラベルはできるだけ少なくしたいが、ラベル付けすべき学習データとその個数を定めることは半教師付き学習の非常に難しい問題である。つまり、ラベル情報の少ない学習データを利用して、大量のデータを分類することはパターン認識や機械学習における大きな課題である。実際の利用場面では学習データにノイズが混入するため、問題は更に難しくなる。また、グラフベース半教師付き学習はデータの構造を図示することができ、アルゴリズムを解釈しやすいという優れた点があるが、データにノイズが含まれている場合に敏感や、不安定になるという欠点がある。本申請者が上記の問題点に基づいて、画像処理の分野の一つ手法である動的輪郭モデルで二階微分によってノイズを効果的に削除できる特性を用いて、グラフベース半教師付き学習と組み合わせることによって、データに含まれるノイズを削除し、少ないラベル情報を元にラベルなしデータにラベルを付けることのできる新しい手法を提案した。また、提案したアルゴリズムの有効性を検討するため、医用画像のヒストグラムや、画素値の情報を利用して特徴量を抽出し、学習データからランダムに少数のデータを選び、正かいのラベルを付けた。提案したアルゴリズムをこのラベルのある学習データとラベルのないラベルデータに応用し、分類を行った。本研究の目的はラベル情報の少ない、またはノイズが混入された学習データを利用して、大量のデータを分類することである。申請者はグラフベース半教師付き学習と動的輪郭のモデルを組み合わせることによって、データに含まれたノイズを削除し、少ないラベル情報を利用してラベルなしデータにラベルを付ける。この研究の目的を達成するため、平成24年度は計画通り、動的輪郭モデルの初期値、パラメータの検討を行った。1.動的輪郭モデルの初期値を検討した。1.1.動的輪郭モデルの初期値をノイズではない、学習データのラベルとする。ラベルなしデータを参考にしなくても、ノイズを除去できるか検証した。1.2.1.1と同様に動的輪郭モデルの初期値をノイズではない、学習データのラベルとし、ラベルなしデータを参考にしながら、ノイズを除去できるか検証した。1.3.動的輪郭モデルの初期値をランダムに与え、ノイズを除去するため、ラベルなしデータを参照できるかどうか検証した。2.動的輪郭モデルのパラメータの検討は1.の各初期値の設定毎に、手動でパラメータを調整して最適な範囲を求めた。このモデルの初期値とパラメータの設定は大量のデータを分類できるかどうかと直接に関連である。特にこのモデルの初期値とパラメータの範囲の設定、モデルの初期値と分類した結果、モデルのパラメータの範囲の設定と分類した結果の関連性がわかると、動的輪郭モデルとグラフベース半教師付き学習法を有効的に統合することができる。基礎的なグラフベース手法はノイズが混入されたデータに敏感や、不安定という欠点がある。一方、画像処理の分野で、動的輪郭モデルでの二階微分を行ったので、ノイズを有効的に削除できることが知られている。この動的輪郭モデルは学習データノイズの除去に有効であることは本研究の意義であると考えられる。本申請者はグラフベース半教師付き学習と動的輪郭モデルを組み合わせることによって、データに含まれるノイズを削除し、少ないラベル情報をラベルなしデータにラベルを付ける手法を提案する。動的輪郭モデルは、内部エネルギーと外部エネルギーの和を最小にするように振る舞うモデルである。このモデルの初期値とパラメータの範囲の設定は難点であることがよく知られている。平成24年度、この初期値とパラメータの範囲の設定の検証を行った。1.動的輪郭モデルの初期値の検討1.1.動的輪郭モデルの初期値をノイズではない、学習データのラベルとする。ラベルなしデータを参考にしなくても、ノイズを除去できるかは学習データのラベルの数とどの学習データにプロトタイプにするかと関連がある.それを確認した。1.2.1.1と同様に動的輪郭モデルの初期値をノイズではない、学習データのラベルとし、ラベルなしデータを参考にしながら、ノイズを除去できることを検討した。1.3.動的輪郭モデルの初期値をランダムに与え、ノイズを除去するため、ラベルなしデータを参照できることを検討した。

以上の検討については基本的な考えがデータ分布図を描き、そのデータの分布に基づいて初期値の検討を行った。2.動的輪郭のモデルのパラメータの範囲の検討は1.の各初期値の設定毎に、手動でパラメータを調整して最適な範囲を求めたことであった。平成24年度の計画は動的輪郭モデルの初期値とパラメータの範囲の検討なので、以上で、当初の計画以上に進展している。本研究計画・方法では動的輪郭モデルを用いた半教師付き学習手法を提案・開発し、学習データに含まれたノイズを削除する。また、ラベルの付与されていないデータに正しいラベルを付けること。本手法を医用画像のベンチマークデータに対して応用して評価する。平成24年度に、本手法の肝心になった動的輪郭モデルの初期値とパラメータを検討した。平成25年度に、動的輪郭モデルの初期値とパラメータを検討した結果に基づいて、グラフベース半教師付き学習と統合する。また、この手法の有効性に関してはよく使われるベンチマークデータであるBrainwebとthe Internet Brain Segmentation Repositoryに応用する。Brainwebは脳の2つの主成分(白質と灰白質)をかけられるかどうかの評価データ、IBSRは脳の32種類構造(白質、皮質、その内部のグレーの構造:海馬、尾状核、視床、被殻等)を分けられるかどうかの評価データである。この医用画像を用いて動的輪郭モデルのグラフベース半教師付き学習を利用する前に、画像のヒストグラムや、画素値などの情報を利用して画像の特徴量を抽出する前処理を行う。次に、学習データからランダムに少数のデータを選び、正解のラベルを付ける。提案手法の初期値とパラメータを設定し、学習データを分類する。得られた結果をROC曲線(受信者動作性曲線)で評価する。以上が、今後の研究の推進方策である。該当なし。
MAPK経路を介した口蓋裂発症機序の解明

2.標的遺伝子の設定:口蓋突起挙上時期に特異的に発現する遺伝子のうち、口蓋突起挙上前後で発現量の変動が大きい複数の遺伝子を標的遺伝子として設定した。FGFシグナルおよびEGFシグナル、Wntシグナル下流に存在する転写因子などの分子にターゲットを絞っている(Spry2、Foxf2、TGFα、TGFβ3など)。また、新たな候補遺伝子として、野生型マウスの癒合前口蓋および癒合後口蓋組織より採取したRNAを用いて抽出したDNAマイクロアレイデータの中から、発現量の大きな変化がみられた遺伝子をピックアップした。Gene ontology解析により発現上昇を認めた中で、Cell adhesion、Reguration of cell proliferation等の遺伝子群に注目し、疾患感受性遺伝子として可能性が高いものを選定している段階である。3.標的遺伝子の口蓋における発現量確認:定量的real-time PCRにて口蓋癒合時期のターゲット遺伝子のmRNAレベルでの発現量確認を行った。当初はFGFシグナル経路に標的を絞っていたが、他機関からの報告によりEGFシグナル、Wntシグナル関連分子にもターゲットを拡大しているため。また、標的遺伝子候補が複数あり、絞り込みに時間を要しているため。・標的遺伝子の機能阻害実験ターゲット遺伝子の口蓋間葉細胞における役割について検討するため、ターゲット遺伝子のsiRNAを添加して細胞培養を行い、細胞増殖実験、TUNEL染色、アネキシンV染色などにより口蓋突起挙上への関与が報告されている細胞増殖やアポトーシスの観点から観察する。・標的遺伝子KOマウスの表現型解析標的遺伝子の口蓋癒合への直接的な関与が示唆される場合はKOマウスの口蓋表現型を解析する。標的遺伝子の絞り込みに時間を要しているため、多くの薬品を使用する遺伝子機能解析を次年度以降に実施する予定である。
マウスES細胞の超未分化状態の解明と他種ES/iPS細胞の初期化への応用

我々は、蛍光蛋白Venusをレポーターに用いて、マウスES細胞で発現がON/OFFを繰り返す遺伝子を同定した。さらに、この遺伝子のON/OFFに応じて、ES細胞の細胞集塊の形態が変化することも見出した。これより、この遺伝子の発現の変動は、マウスES細胞の多能性の変動を反映する可能性が示唆された。さらに、Venusが挿入されたゲノム領域には、類似の配列をもつ遺伝子がクラスターをなして存在することも見出し、このクラスター全体がES細胞の多能性を制御している可能性も示唆された。本年度は、Venus発現レベルの変動とES細胞の多能性との関係を調べるために、Venus陽性ES細胞とVenus陰性ES細胞をcell sorterで分離後、マウス初期胚への注入によりキメラマウスを作製し、キメラ率を評価した。まず、sorting前のES細胞の品質自体を評価するために、Venusをノックインした複数のES細胞株について、sortingを行わない状態でのキメラ率を調べ、標準的なキメラ率を示すES細胞株を特定した。このES細胞株に対して、cell sorterを用いて、Venus陽性、陰性の細胞を分画してキメラマウスを作製したところ、Venus陰性のES細胞において、高いキメラ率を示した。これより、我々が新規に特定した遺伝子発現の揺らぎが、ES細胞の多能性の揺らぎを反映することを証明できた。さらに、このキメラマウスを野生型マウスと交配させて、Venusをノックインしたマウス系統を樹立した。このマウスは、今後、Venusが挿入した遺伝子の発現部位を個体レベルで解析するために有用と考えられる。Venusの挿入部位の遺伝子クラスターの機能を調べるために、前年度に作製したguide RNAの発現ベクターを用いて、本遺伝子クラスター全体の欠失を試みた。その結果、一方のアレルが欠失したES細胞株を得ることができた。Venusの発現レベルによるES細胞のsortingとキメラマウスの作製実験から、我々が新規に同定したES細胞の揺らぎが、ES細胞の多能性の揺らぎを反映することを証明できた。これは、本研究課題で最も重要な検討項目であった。sorting前の細胞の品質評価に時間を要したものの、上記の最重要項目を達成できたことから、研究はおおむね順調に進展していると考えている。遺伝子クラスターの欠失実験を継続し、両アレルともに破壊したES細胞株を樹立し、表現型を解析する。Venusの発現状態をマウス個体で解析し、ES細胞で認めた遺伝子発現揺らぎの個体レベルでの意義を検討する。ES細胞の遺伝子発現揺らぎの制御機構を解析するために、1細胞でのATAC-seqやRNA-seqを行う。本年度はまず、ES細胞の多能性の変動状態を遺伝子レベルで記載するために、Venus陽性ES細胞と陰性ES細胞をcell sorterで分離後、RNA-seq法によって全遺伝子の発現レベルを定量し、Venus陽性、陰性細胞間での違いを特定した。発現に差のある遺伝子群を、遺伝子オントロジー解析によって分類したところ、Venus陽性細胞と陰性細胞の性状の違いが、遺伝子の機能的な差異によって説明できることがわかった。さらに、Venus挿入部位の遺伝子クラスターの機能を調べるための、CRISPR/Cas9システムによってクラスター全体を欠失することを試みた。まず、遺伝子クラスターの上流域、下流域の境界を明らかにするためにゲノム配列を詳細に解析し、約2Mbの領域に限定した。次に、この領域の上流域と下流域にCRISPR/Cas9システムで用いるguide RNAを3つずつデザインし、guide RNA発現ベクターを構築した。今後、各guide RNAのゲノム切断効率を調べ、切断効率の高いguide RNAの組み合わせによって、遺伝子クラスター全体を欠失させる。蛍光蛋白Venusを用いたcell sortingの際に、Venusの発現レベルが前年度までの予備実験と異なることが判明したため、実験条件の再検討が必要となり、数ヶ月の遅延が生じたが、その後は順調に研究が進展している。

このES細胞株に対して、cell sorterを用いて、Venus陽性、陰性の細胞を分画してキメラマウスを作製したところ、Venus陰性のES細胞において、高いキメラ率を示した。これより、我々が新規に特定した遺伝子発現の揺らぎが、ES細胞の多能性の揺らぎを反映することを証明できた。さらに、このキメラマウスを野生型マウスと交配させて、Venusをノックインしたマウス系統を樹立した。このマウスは、今後、Venusが挿入した遺伝子の発現部位を個体レベルで解析するために有用と考えられる。Venusの挿入部位の遺伝子クラスターの機能を調べるために、前年度に作製したguide RNAの発現ベクターを用いて、本遺伝子クラスター全体の欠失を試みた。その結果、一方のアレルが欠失したES細胞株を得ることができた。Venusの発現レベルによるES細胞のsortingとキメラマウスの作製実験から、我々が新規に同定したES細胞の揺らぎが、ES細胞の多能性の揺らぎを反映することを証明できた。これは、本研究課題で最も重要な検討項目であった。sorting前の細胞の品質評価に時間を要したものの、上記の最重要項目を達成できたことから、研究はおおむね順調に進展していると考えている。次年度は、Venus陽性・陰性ES細胞の性状の違いをマウス個体発生の観点から明らかにする。このために、Venus陽性および陰性のES細胞を、マウス初期胚(8細胞期胚、胚盤胞など)へ注入してキメラマウスを作製し、ES細胞のキメラマウス個体への寄与率を評価する。遺伝子クラスターの機能解析については、平成28年度で作製したguide RNA発現ベクターを用いて、本遺伝子クラスター全体の欠失を試みる。遺伝子クラスターの欠失実験を継続し、両アレルともに破壊したES細胞株を樹立し、表現型を解析する。Venusの発現状態をマウス個体で解析し、ES細胞で認めた遺伝子発現揺らぎの個体レベルでの意義を検討する。ES細胞の遺伝子発現揺らぎの制御機構を解析するために、1細胞でのATAC-seqやRNA-seqを行う。
脳における味覚の情報処理メカニズムに関する神経生理学的および認知心理学的研究

人の脳における味覚の情報処理メカニズムの一端を明らかにするため、塩味による苦味抑制効果について検討した。舌の離れた左右の2つの場所の一方を苦味刺激しもう一方を同時に塩味刺激した場合に、苦味強度が抑制されることが示された。このことは塩味による苦味抑制効果の少なくても一部は、脳における情報処理を介して起こっている示唆すると考えられる。さらに、NaClとNa-Gluconateでは同等の苦味抑制効果が見られたが、塩味は後者が前者に比べて弱いことが明らかになった。塩味がNaだけで決まるものではないこと、及び苦味抑制効果の機序が複雑であることを示唆している。本研究は、ヒトの脳における味覚の情報処理メカニズムの一端を明らかにするため、平行して3つの課題を進めている。すなわち;1「味覚の事象関連脳電位図の測定」2「味の相互作用と味覚認知」、3「言語化による味覚認知への影響」、の3者である。1に関して、事象関連脳電位測定が可能な味覚刺激装置を開発し、現在業者が装置を作成中である。27年度の早いうちには完成し実験に入れると考えられる。2に関しては、舌の左右対称的な2カ所を独立に味覚刺激する方法を開発した。この方法で塩味と苦味の相互作用を予備的に検討したところ、一側に与えられた苦味の感覚は、もう一側に同時に塩味刺激が与えられると弱まることが明らかになった。すなわち塩味による苦味抑制効果は脳での認知過程で起こっている錯覚の一種あることが示唆された。これを踏まえて27年度は、塩濃度や苦味物質の種類を変えて、さらに詳細に検討する。3に関しては、当初の計画を少し変えて、記憶に関する実験を行うことにより味覚認知機構の理解を深めることとし、「選択が味覚記憶に及ぼす効果」に関して検討した。その結果、自分で選択した味試料の方が、強制的に指定された試料に比較しその試料の記憶がやや勝っている傾向が得られた。これらの結果をもとに27年度はさらに試料に工夫を加え、味の記憶における選択の効果についてさらに実験を進めることにより、味覚認知機構を明らかにしていく。その他に、塩味の閾値を調べる方法を改良した。それを用い、27年度は個人個人の塩味の閾値と食塩摂取量との関係を明らかにし、その背景にある塩味の認知機構について手がかりを得ることを計画している。1.選択することによって選択しない場合よりも記憶が促進される現象(自己選択効果)が、味覚に関しても見られるか否か検討した。「飲んだ」と回答した割合を比較したところ、選択条件と強制条件の有意差は認められなかったが、飲んだと回答した率は、強制条件に比べ選択条件が高かった。つまり、記憶に関する自己選択効果が味覚に関しても存在する可能性が示唆された。2.炭酸水の飲用が、食生活に関連した生理機能、とくに消化管機能や味覚に与える影響を検討した。炭酸水は、食前より食後に飲んだ方が飲みやすくなったことから、消化管機能に大きく影響することが明らかになった。炭酸脱水酵素阻害剤を服用したときの影響を調べたところ、炭酸水の味に対する発泡感(ぴりぴり感)を抑えるのみならず、苦味などの他の味刺激にも影響する可能性が示された。さらに、炭酸は甘みを抑える可能性が示された。3.季節によって味覚感度にどのような変化をもたらすかについて調査を行い比較検討した。五味の識別検査で、全て正答した人は夏季で69.1%、冬季で30.9%であり冬季の方が低かった。誤答した人の中で誤答率の最も高かった味は、両季ともうま味であり、冬季の方がうま味を酸味、無味に、また無味を酸味、うま味に誤答している人が多かった。五味の刺激閾値では、塩味、酸味、甘味で夏季より冬季の方が高い傾向にあった。認知閾値では夏季において塩味が冬季より低くなり(p<0.01)、酸味、甘味でも夏季の方が低くなる傾向にあった。以上のことから冬季の方が味覚感度は低くなる傾向にあった。4.味覚誘発脳電図の測定に向けて、刺激装置であるガストメータの改良と、解析ソフトの改良を行った。味覚誘発脳電図の測定に関し、刺激装置(ガストメータ)の改良を行う必要があり、遅れている。1塩味による苦味抑制効果の陰イオン効果塩味を加えると苦味は抑制される。一方塩味は、対となる陰イオンにより塩味の強さが異なることが知られている。今回NaCl、Na-gluconate、KCl、K-gluconateを用い、ゴーヤの苦味に対する抑制効果を比較検討した。摺りおろしたゴーヤ5gに、各種塩を0、0.2、0.5ないし1 mol/g加えた試料を口に入れ、塩味と苦味を評価した。NaCl、KClを加えたものは塩味が強くNa-gluconate、K-gluconateでは弱かった。NaCl、Na-gluconate、K-gluconateの3種類の塩はいずれも同等にゴーヤの苦味を抑制したが、KClは苦み抑制が弱かった。Gluconate塩はそれ自体の塩味は弱いにもかかわらず、Cl塩と同等の苦み抑制効果を持つことが示された。2塩味刺激による事象関連脳電位の検出事象関連脳電位は、体性感覚、聴覚刺激など比べ、味覚に関してはこれまで報告が少なかった。今回刺激装置を試作し、塩味刺激による事象

関連脳電位の検出を試みた。刺激として0.3ないし0.6 M NaCl液刺激を用いた。被験者は装置の開放部分を口にくわえ、刺激溶液(または対照液)が口に近づく数秒前に閉眼した。脳電位誘導は標準的な10-20電極配置法に従い、誘導電極としては双極誘導法を基本とした。全部で9症例を測定したうち、主観的に見て事象関連脳電位が現れたのは3例であった。塩味刺激に伴う事象関連脳電位は、刺激開始後0.05ー0.2秒当たりにピークを持ち、頭蓋頂部、左前頭部、右前頭部で主に観察された。さらに明確に検出するために、測定の繰り返し数を増やすことは被験者の負担(現在30分)から考えて現実的ではなく、信号処理によりノイズ成分を減らす方法を開発していく必要があると思われた。人の脳における味覚の情報処理メカニズムの一端を明らかにするため、塩味による苦味抑制効果について検討した。舌の離れた左右の2つの場所の一方を苦味刺激しもう一方を同時に塩味刺激した場合に、苦味強度が抑制されることが示された。このことは塩味による苦味抑制効果の少なくても一部は、脳における情報処理を介して起こっている示唆すると考えられる。さらに、NaClとNa-Gluconateでは同等の苦味抑制効果が見られたが、塩味は後者が前者に比べて弱いことが明らかになった。塩味がNaだけで決まるものではないこと、及び苦味抑制効果の機序が複雑であることを示唆している。事象関連脳電位測定が可能な味覚刺激装置は、既製品が高価なため、業者と共同で新たに開発、作成することとした。そのため予定より遅れた。現在作成中でまもなく完成する予定であり、実験を開始できる。1)ガストメータをさらに改良し、味覚誘発脳電図の測定を進める。2)味覚感度に関する調査と食生活状況調査もあわせて分析を行う。3)食塩摂取量を減らすための基礎的研究で、和風だし単独素材を用いた内容としたが、洋風だしにおいても検討する。4)炭酸脱水酵素の味覚における役割を明らかにする。5)栄養摂取状況の分析を行い、現代の女子大生の問題点を探る。6)味覚の自己選択効果に関する研究を進める。試料に大きく左右されるため、提示の方法について、既知味・未知味や提示順を固定せずランダム化することで、味の違いの要因を相殺する方法をとる。生理学1作成中の味覚刺激装置を使用し、味覚の事象関連脳電位図の測定を行う。2味覚刺激後の脳波の周波数変化を解析する。3舌上の2カ所を、それぞれ別な試料で刺激し、相互効果を明らかにする。特に苦味と塩味の相互作用、苦味と甘みの相互作用について検討する。4より適切な試料(味)を使って、自分で選択した試料の方が、強制的に指定された試料に比較しその試料の記憶が勝っていること、を明らかにする実験を行う。5塩味について、その閾値や味覚強度の個人差と食塩摂取量との関係を明らかにする。味覚刺激装置(ガストメーター)の改良に手間取って、誘発脳電図測定を多くの回数行うことが出来なかった。そのための予算が執行できなかった。本年度は昨年度の予定分も含めて脳電図測定を行う予定である。味覚刺激装置は1,620,000円と見積もられている。
ディーゼル排気粒子による酸化ストレスのマウス肺線維症病態への寄与に関する研究

本研究では、マウスのブレオマイシン(BLM)肺線維症モデルを作製し、ディーゼル排気粒子(DEP)吸入曝露の肺線維症病態への寄与に関して検討した。その結果、DEPは酸化ストレス作用によりBLM肺線維症病態を増悪するリスクファクターである可能性が示唆され、抗酸化による肺線維症増悪作用への予防効果が期待される。平成21年度(初年度)では、まずC57BL/6J、WTマウスを用い、BLM肺線維症モデルを作製し、BLM投与前、投与同時、投与後DEP(1mg/m^3,東京理科大学のDEP曝露装置を利用)吸入曝露を行い、DEPのBLM肺線維症の線維化病態への影響について検討した。実験群:G1:生食水投与;G2:BLM投与;G3:BLM投与4週間前からDEP曝露;G4:BLM投与2週間前からDEP曝露;G5:BLM投与同時からDEP曝露;G6:BLM投与後1週後からDEP曝露。G1G5群ではBLM投与後1週目にBALを行い、細胞分画算定を行った。BLM投与後28日目に、いずれの群ともエーテル麻酔下にてsacrificeし、肺病理組織標本を作製し、Ashcroft scoreに準拠し肺線維化評価を行った。DEPの前曝露群では、DEP貪食マクロファージがBAL液中に見られ、特にBLM投与4週目前からのDEP曝露群では、マクロファージ数が上昇し,好中球数は減少したが、肺線維化スコアの上昇傾向が認められた。BLM投与同時からのDEPの曝露群では、BAL液中の好中球数が上昇し、肺線維化スコアの上昇傾向が認められた。BLM投与後1週目からDEPを曝露した群においても、肺線維化スコアの上昇傾向が認められた。これらの結果から、DEPはBLMによる好中球を中心とした炎症期、および修復期の病態を増悪させる可能性が示唆され、DEPは肺線維症の病態に関わる重要な環境因子である可能性が示唆された。C57BL/6、Wild Type(WT)Nrf2+/+、Knockout(KO)Nrf2-/-マウスを用いた。BLM(0,70,80,90mg/kgBW)を経尾静脈的に1回投与し、BLM投与後28日目に肺病理組織学的検討を行った。その結果により、BLM(80mg/kgBW)を経尾静脈的に1回投与し、BLM投与後0,3,7,10,14,21,28日目にBALを行い,総細胞数と細胞分画を算定した。その結果、Nrf2+/+ではBLM90mg/kg、Nrf2-/-では70mg/kg投与により、肺組織の明らかな線維化病巣が見られた。Nrf2+/+、Nrf2-/-ともBLM投与後7日目からBAL液中の総細胞数、マクロファージ数が上昇し、Nrf2+/+はNrf2-/-に比較し、総細胞数、マクロファージ数は有意に高値を示し、好中球数はやや上昇した。Nrf2はBLM肺線維症病態を制御する主要因子と考えられた。興味深いのは、BLM肺線維症モデルにおいて、Nrf2欠損マウスでの肺線維症の増悪は炎症病態増悪によるものではなく、リモデリング病態に関わる可能性が示唆された。以上の実験結果を踏まえて、下記の実験群を設定し、東京理科大学の曝露装置を利用し、DEP曝露実験を行った。G1:生食水投与群;G2:DEP単独曝露群;G3:BLM投与群;G4:BLM投与4週間前からDEP曝露群;G5:BLM投与同時からDEP曝露群。各群において、BLM(80mg/kgBW)を経尾静脈的に1回投与後10日目に、右肺にてBALを行い、左肺組織を採取し、次年度に予定する酸化ストレスマーカー解析、および抗酸化酵素・リモデリングに関わる因子の発現検討に供するため、-80°Cに冷凍保存した。BLM投与後28日目に、いずれの群とも左肺組織を取り出し、肺病理組織標本を作製に供した。右肺組織を取り出し、HOP含有量を測定に供するため、-80°Cに凍結保存した。本研究により、BLM肺線維症病態におけるDEPの影響、およびNrf2の役割について明らかにし、DEP曝露の予防対策に寄与できることが期待される。H23年度は、C57BL/6、Nrf2+/+、Nrf2-/-マウスを用いて行ったH22年度の実験I*により採取した気管支肺胞洗浄液(BALF)サンプルを用いて炎症性サイトカイン含有量の測定を行った。その結果、BLM投与7日目に、Nrf2-/-ではNrf2+/+に比較し、BALF中のTGF-βの含有量が有意に上昇した。また、実験II*各群のBALF細胞の分画算定、および炎症性サイトカインの含有量の測定を行った。その結果、BLM肺線維症モデルにおいて、DEP曝露により総細胞数とマクロファージはいずれのマウスにおいても増多したが、Nrf2-/-ではNrf2+/+に比較し、DEP貪食したマクロファージが有意に多かった。

好中球数はNrf2-/-で有意に増多した。BALF中のTGF-βの含有量はNrf2-/-で減少する傾向が見られた。実験Iの結果により、Nrf2はBLM肺線維症病態を制御する主要因子と考えられ、肺線維症のリモデリング病態に関わる可能性が示唆された。実験IIの結果により、DEPの曝露実験系において、Nrf2の欠損はマクロファージの貪食機能を低下させ、好中球による炎症病態を増悪させる可能性が示唆された。本研究では、DEPが肺線維症病態を増悪することを確認し、Nrf2はその増悪病態を制御するキーファクターであることを示した。肺線維症病態に係る分子、抗酸化酵素の肺組織での発現、HOP測定は本課題最終段階での検討中であり、結果が出次第論文にまとめる予定である。*実験I:BLM(80mg/kgBW)を経尾静脈的に1回投与し、0,3,7,10,14,21,28日目にBAL施行。*実験II:DEP曝露実験:Group1:生食水投与群;Group2:DEP単独曝露群;Group3:BLM投与群;Group4:BLM投与4週間前からDEP曝露群;Group5:BLM投与同時からDEP曝露群。各群において、BLM(80mg/kgBW or生食水)を経尾静脈的に1回投与後10日目にBAL施行;蛋白・RNA解析のため肺組織を-80°C凍結保存。BLM投与後28日目に、肺病理組織標本を作製、Hydroxyproline含有量を測定のため肺組織-80°C凍結保存。
標的タンパク及び糖鎖を光分解する光感受性生体機能分子の創製と応用

本研究課題において、疾病に関連するさまざまなタンパク及び糖鎖を、特定波長の光照射によって、標的選択的に分解する新しい生体機能分子を創製した。さらに、これら生体機能分子が、疾病に関連する細胞内で機能し、これら細胞の機能を制御可能なことを見出した。これらのことにより、光照射によって生理活性の発現が制御可能な、これまでに類例のない分子標的薬の開発に向けた新たな指針を確立した。本研究では、特定波長の光照射をトリガーとして、標的タンパクを、時・空間的制御により、選択的に光分解する人工生体機能分子の創製研究として、初年度において、HIV-1プロテアーゼを、光照射を機能発現のスイッチとして選択的に光分解する光感受性生体機能分子の分子デザイン、化学合成および機能評価を行った。標的タンパクとして選定したHIV-1プロテアーゼは、HIVの機能発現における要因物質であり、HIV-1プロテアーゼを選択的に光分解することが出来る低分子化合物は、HIVの治療を目的とした光線力学療法における分子標的薬剤として期待される。これまでに、HIV-1プロテアーゼは、種々のフラーレン誘導体と高い結合能を持つこと、また、フラーレンは、長波長の紫外光および可視光を照射することにより光励起されることが知られている。そこで本研究では、フラーレンが疎水性の化合物であり一部の有機溶媒にしか溶解しないため、フラーレンに親水基を多く持つ糖をハイブリッド化させた新たなフラーレン-糖ハイブリッド分子を、分子計算ソフトMOEにより分子デザイン、化学合成した。合成した化合物とHIV-1プロテアーゼとの結合能を、酵素阻害活性試験により阻害定数として算出した。その結果、本化合物は、HIV-1プロテアーゼに対して高い阻害定数を有することを見出した。次に、この化合物を用いてHIV-1プロテアーゼを、標的タンパクとした光照射による分解について検討した結果、フラーレン-糖ハイブリッド分子は、紫外光および可視光の光照射下、タンパクを光分解することを初めて明らかにした。さらに、本ハイブリッド分子は、他のタンパク(牛血清アルブミンや鶏卵リゾチーム)の共存下において、HIV-1プロテアーゼのみを選択的に光分解することを見出した。本研究では、特定波長の光照射をトリガーとして、標的タンパク及び糖鎖を選択的に光分解する光感受性生体機能分子の創製研究としての2年目において、以下のことを行った。アルツハイマー病に関与しているアミロイドβに着目し、アミロイドβモノマー及びそのオリゴマーを、光照射下、効果的に分解する光感受性生体機能性分子のデザイン、化学合成、及びその機能評価を行った。すなわち、アミロイドβに対して高い親和性と親水性を有する、フラーレン-糖ハイブリッド分子をデザイン、化学合成し、これがアミロイドβに対して強い親和性及び凝集阻害活性を有することを見出した。さらに、このフラーレン-糖ハイブリッド分子が、ブラックライト(365nm)の光照射下、アミロイドβのモノマー及びオリゴマーを効果的に光分解することを見出した。また、糖研究室において、糖鎖を、ブラックライト(365nm)の光照射下において光分解する機能を有することが見出されている小分子有機化合物であるアントラキノン誘導体に、糖鎖が有する特異なジオールを選択的に認識するボロン酸を付与したアントラキノン-ボロン酸ハイブリッド分子を分子デザイン、化学合成し、これが糖の中でも、ガラクトフラノシド残基が有する5,6位のジオールを選択的に認識すること、さらに、これがブラックライト(365nm)の光照射下、ガラクトフラノシド残基を有する糖鎖を選択的に光分解することを見出した。また、このアントラキノン-ボロン酸ハイブリッド分子が、ガラクトフラノシド残基を有する病原菌である結核菌の増殖を、光照射下、選択的かつ効果的に抑制することを見出した。アルツハイマー病は、難治性疾患の一つであり、この疾患の発症には、アミロイドβが深く関与している。本年度のタンパクを光分解する光感受性生体機能分子の創製研究においては、アミロイドβを光分解する新たなフラーレン誘導体の創製と神経様細胞PC12に対する効果について検討した。すなわち、スルホ基を親水性官能基として有する、水溶性の高い新規フラーレン誘導体をデザイン、化学合成した。さらに、本フラーレン誘導体が、高いアミロイドβ凝集阻害活性及び光分解活性を有することを見出した。また、本フラーレン誘導体が神経様細胞PC12におけるアミロイドβの細胞毒性を軽減させる効果について検討した結果、本フラーレン誘導体が、光照射下、アミロイドβのPC12に対する細胞毒性を顕著に軽減させ、PC12細胞の生存を可能にする新たな光感受性生体機能分子であることを見出した。一方、細胞膜上の複合糖鎖は、細胞同士の認識やシグナル伝達などの役割を担い、また、多くの疾病とも深く関与していることから、標的糖鎖のみを特異的に認識・分解する人工生体機能分子の創製が重要である。本年度の糖鎖を光分解する光感受性生体機能分子の創製研究として、糖鎖を光分解する小分子であるアントラキンとシサクラシメジレクチンとのハイブリッド分子をデザイン、化学合成した。

さらに、本ハイブリッド分子が、種々のマンノシドの中で、サクラシメジレクチンと最も親和性が高いMan(α1-6)Manを選択的かつ効果的に光分解することを見出した。このことにより、糖鎖を構成する単糖の種類だけでなく、その結合様式をも識別して標的糖鎖を選択的に光分解する光感受性生体機能分子の開発に成功した。