hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
臨床検体を用いたプロテオミクスによる転移性骨腫瘍の分子背景の解明と新規治療法開発

転移性骨腫瘍の病態の理解に基づいてバイオマーカーを開発するためにプロテオーム解析を行った。多様な分子背景をもつ腫瘍が骨に転移した結果できる転移性骨腫瘍は、多彩な分子背景を有している。転移しやすい腫瘍細胞が骨に生着する過程ではさまざまな選択バイアスがかかり、さらに、骨で増殖する際にも分子背景は修飾を受けることになる。オミクス解析によって、原発腫瘍が異なる転移性骨腫瘍において、どのような遺伝子が発現しているかを網羅的に調べることで、病態の理解を進めることができる。これまでの研究経過としては、主に蛍光二次元電気泳動法(2D-DIGE法)を用いてプロテオーム解析を行い、転移性骨腫瘍で高い発現レベルを示すタンパク質を同定し、バイオマーカーとしての有用性を調べるために、血液中での存在を確認した。2018年度は、異なる原発腫瘍組織に由来する転移性骨腫瘍において、どのようなタンパク質が発現しているかについて比較解析を行った。使用したサンプルは、肺がん、乳がん、骨髄腫、腎がん、悪性リンパ腫の転移性骨腫瘍組織である。質量分析装置を用い2800種類のタンパク質を定量的に調べ、それぞれの腫瘍組織のプロテオーム解析を行った。主成分分析による解析では、プロテオーム像は原発腫瘍にしたがってそれぞれに異なることがわかった。転移性骨腫瘍は多くの悪性腫瘍で発生し、病的骨折や疼痛そして高カルシウム血症を来す。近年、分子標的薬を用いた治療法が急速に発展し、転移を有しながらも長期間にわたって生存できる症例が増えた。したがって、転移性骨腫瘍を患う症例は今後ますます増加すると考えられる。骨転移の早期発見・治療はQOLの改善につながるので、血液バイオマーカーを用いた非侵襲的に骨転移を検出できる検査法の開発が望まれる。しかし、骨転移を感度・特異度高く検出できる血液検査は存在しない。本研究の目的は、転移性骨腫瘍の早期発見および病態モニターのための血液バイオマーカーを創出することである。これまでの研究から、プロテオーム解析を用いて骨転移腫瘍で原発腫瘍巣に比べて著しく発現亢進するタンパク質群を同定した。今年度は、同定したタンパク質の臨床的有用性を検証した。具体的には、千葉大学呼吸器内科で採取された肺がん症例75例の血漿を用いて、画像的に骨転移が存在する症例群におけるバイオマーカーの血中発現レベルを、画像的に骨転移が存在しない症例群と比較した。市販のELISAプレートはうまく稼働せずウェスタンブロッティングを用いた解析を行った。その結果、骨転移が陽性の症例群において高い確率で候補タンパク質が強く発現することが確認された。同タンパク質には複数のファミリータンパク質が存在する。そこで、一連のファミリータンパク質を調べ、同候補タンパク質の特異性を確認した。また、転移性骨腫瘍組織を液相トップダウン質量分析で調べ、転移性骨腫瘍で高い発現レベルを示すタンパク質の中に同ファミリータンパク質のものが複数含まれていることもわかった。転移性骨腫瘍組織からの初代培養細胞株の樹立については、入手可能な腫瘍組織の状態について関係者と打合せを行い、樹立に関わる課題を解決するための技術を検討した。プロテオーム解析でみいだされたバイオマーカー候補について、転移性骨腫瘍を有するがん患者の血漿中で、画像的に骨転移のないがん症例よりも発現が有意に高いタンパク質を簡便な手法で確認することができた。症例の数は75症例と限られているが、検証実験をこれから拡大する根拠を得ることができた。また、肺がん70例、悪性胸膜中皮腫27例の臨床病理情報について、バイオマーカー候補タンパク質の発現との相関解析を開始した。診断技術として開発するために、平成29年度以降、さらに症例数を増やした多施設共同の検証実験を行う必要がある。同定されたタンパク質は培養がん細胞においては培養上清中に放出されることは以前の実験でわかっていたが、血漿タンパク質としては知られていない。細胞中に発現する同タンパク質は腫瘍細胞の増殖や浸潤を促進することを以前のin vitroの実験で確認しており転移性骨腫瘍組織での発現亢進については機能的に矛盾しない。しかし、どのようなメカニズムで血中に放出され、しかも安定して存在しているのか不明である。分子量からすると分解されているわけではなさそうである。液相トップダウン質量分析を用いた新しい候補タンパク質の同定については、候補タンパク質を含む多数のタンパク質を観察できることがわかったので、臨床病理学的をそろえた解析を実施することで、新規のバイオマーカー候補が同定できると見込まれる。一方、転移性骨腫瘍組織からのPDXと初代培養細胞株の樹立および阻害剤の実験は達成できておらず、平成29年度以降の課題である。このように、決定的な結果は未だ得られていないものの、バイオマーカー候補の有用性の検討およびプロテオーム解析については平成28年度に計画していた実験はほぼ終了し、次のステージに進む根拠となるデータを得ることができた。したがって、総括としてはおおむね順調に進展していると結論した。転移性骨腫瘍の早期発見・治療はQOLの改善につながることから、非侵襲的に転移性骨腫瘍を検出できる血漿腫瘍マーカーの開発を試みている。血漿を用いた今までの解析から候補タンパク質を同定し、複数症例において特異的な抗体を用いてバイオマーカーとしての有用性を検討してきた。今年度は、転移性骨腫瘍の腫瘍マーカーとして同定しているタンパク質を含む分子パスウェイおよび関連タンパク質を網羅的に調べる目的で、転移性骨腫瘍の腫瘍組織を用いたプロテオーム解析を行った。原発悪性腫瘍が共通の転移性骨腫瘍(凍結腫瘍組織)からタンパク質を抽出し、高感度LC-MS/MSにて網羅的なタンパク質発現解析を行った。

同定できたタンパク質について、まずCOSMICデータベースを参考にがん関連タンパク質を調べたところ、560個のうち105個が含まれていた。バイオマーカー候補タンパク質のファミリーを検索したところ、そのすべてが検出された。一方、バイオマーカー候補タンパク質の分子パスウェイに含まれるタンパク質としては、Uniprotの定義にしたがうと231個が含まれていた。さらに、バイオマーカー候補タンパク質のファミリータンパク質を調べると、そのすべてが発現していることがわかった。すなわち、バイオマーカー候補として血中で検出されたタンパク質は、今までの機能解析から転移に関係するタンパク質ではあるが、同種の機能をもったタンパク質の中から血中に放出される過程で選択を受けていると考えられる。バイオマーカー候補タンパク質がどのような機構で選択的に血中に放出されているのかを調べること、そのための患者由来がんモデルの樹立が次の検討課題である。転移性骨腫瘍の血漿バイオマーカーの候補として多数症例(75症例)で発現を確認したタンパク質について、その腫瘍組織中での状態について検討した。転移性骨腫瘍の網羅的解析(質量分析)を実施し、候補タンパク質を含む分子パスウェイに含まれるタンパク質の発現、候補タンパク質のファミリータンパク質の発現、を確認した。何らかの分子機構によって腫瘍組織中で選択的に発現が亢進したり血中に放出されていると考えられる。バイオマーカーの検証実験および発現解析は順調に進展している。市販の細胞株を用いた機能解析は行い、さらなる機能解析のために患者由来がんモデルを樹立する計画なのだが、未だできていない。市販の細胞株よりも患者由来がんモデルの方がより生体を反映する結果が得られ、また、今後のバイオマーカーの開発に有用なリソースとなるため、本研究課題においてぜひ樹立したいと考えている。腫瘍組織からの細胞株の樹立については経験を積み、樹立に関連する実験の手技は確立したので、転移性骨腫瘍に取り組む体制は確立した。したがって、順調に進展しているるものの、完全ではないため、おおむね順調に進展していると結論した。転移性骨腫瘍の病態の理解に基づいてバイオマーカーを開発するためにプロテオーム解析を行った。多様な分子背景をもつ腫瘍が骨に転移した結果できる転移性骨腫瘍は、多彩な分子背景を有している。転移しやすい腫瘍細胞が骨に生着する過程ではさまざまな選択バイアスがかかり、さらに、骨で増殖する際にも分子背景は修飾を受けることになる。オミクス解析によって、原発腫瘍が異なる転移性骨腫瘍において、どのような遺伝子が発現しているかを網羅的に調べることで、病態の理解を進めることができる。これまでの研究経過としては、主に蛍光二次元電気泳動法(2D-DIGE法)を用いてプロテオーム解析を行い、転移性骨腫瘍で高い発現レベルを示すタンパク質を同定し、バイオマーカーとしての有用性を調べるために、血液中での存在を確認した。
オステオカルシンによる膵α細胞のグルカゴンからGLP-1への変換機構の解明

単離ラ氏島をオステオカルシン(OC)で刺激すると、GLP-1へのプロセシング酵素PC1/3の発現量が増加し、OCを長期間投与したマウスの膵臓組織切片ではGLP-1陽性細胞の増加がみられた。一方、GLP-1受容体欠損マウス(GLP-1R KO)ではこの現象が見られなかった。以上のことから、OCによってグルカゴン→GLP-1変換現象がおこるが、それにはGLP-1受容体が必須であることが示唆された。また、GLP-1R KOにOCを長期間投与しても野生型で見られた代謝改善は見られず、むしろ耐糖能が悪化したことから、OCの代謝改善効果にはGLP-1受容体が必須であることも明らかになった。本年度の成果は、オステオカルシン(OC)によるグルカゴン→GLP-1変換現象を明確化したことである。OCを継続して投与したマウスでは非投与マウスに比べて、膵ランゲルハンス島面積の増大と抗GLP-1抗体陽性細胞数の増加を認めた。また、マウスより単離したランゲルハンス島をOC添加培地で培養すると非添加培地での培養時と比較して、インクレチン(GLP-1)を発現する細胞が増加し、プロセシング酵素であるPC1/3の発現が上昇していた。一方、GLP-1受容体欠損マウス(GLP-1R KO)にOCを長期間投与しても野生型で見られたOCによる代謝改善は認められず、むしろ耐糖能は悪化することを明らかにした。両遺伝子型のマウスで、インスリン負荷試験によるインスリン感受性に変化は見られなかったが、グルコース負荷時のインスリン分泌がGLP-1R KOのOC投与群で低下しており、耐糖能の悪化はこれに起因するものと考えられた。単離したランゲルハンス島を用いてグルコース刺激インスリン分泌実験を行ったところ、野生型ではOC添加培地で培養したラ氏島でインスリン分泌が増強したが、GLP-1R KO由来のものはOC添加によって低下した。また、GLP-1R KO由来のラ氏島をOC刺激してもグルカゴン→GLP-1変換現象は、起こらないことを示唆するデータも得た。以上のことから、経口投与したGluOCは消化管からのGLP-1の分泌およびラ氏島におけるGLP-1産生を介して代謝改善効果を発揮している可能性が高いことが示唆された。本年度の成果は本研究における仮定を肯定するものであり、順調に進展していると言える。グルカゴン→GLP-1変換現象が明確化し、その過程にGLP-1シグナルが関わっている可能性が高いことは明らかになったが、その詳細な分子メカニズムは明らかにできていない。オステオカルシン(OC)によるグルカゴン→GLP-1変換現象について、単離ラ氏島ならびにα細胞様細胞株aTC1-6細胞をOC刺激したところ、プログルカゴンからGLP-1へのプロセシング酵素であるPC1/3の遺伝子発現量が増加することを明らかにした。OCを長期間投与したマウスの膵臓組織切片では抗GLP-1抗体陽性細胞の増加がみられ、血中GLP-1濃度がわずかに上昇したが、グルカゴン濃度に違いは見られなかった。OCによって膵β細胞からのインスリン分泌が促進する。GLP-1受容体欠損マウス(GLP-1R KO)ではOCは無効であること、GLP-1R KOのラ氏島ではグルカゴン→GLP-1変換現象が見られないことから、それは変換現象によって増加したGLP-1の作用によるものではないかと考えた。そこで、野生型とGLP-1R KO両遺伝子型の単離ラ氏島をOC刺激し、培養上清中に分泌されるGLP-1およびインスリンを測定したところ、両者で有意な違いは認められなかった。以上のことから、OCによるグルカゴン→GLP-1変換現象はわずかに見られるものの、全身のグルカゴン濃度に影響を与えるほどではないことが明らかになった。一方、GLP-1受容体欠損マウス(GLP-1R KO)、あるいはGLP-1受容体阻害薬を投与したマウスにOCを長期間投与しても野生型で見られた代謝改善は見られず、むしろ耐糖能が悪化し、脂肪細胞の肥大が見られた。両遺伝子型の単離ラ氏島を用いた実験およびOCを長期間投与したマウスに対するピルビン酸負荷試験等から、耐糖能悪化はグルコース刺激インスリン分泌の低下によるものではなく、肝臓における糖新生亢進によるものであることを明らかにした。OCによる代謝改善効果にはGLP-1シグナルが正常に機能していることが必須であることが明らかになった。引き続きグルカゴン→GLP-1変換現象に関して、単離ラ氏島およびマウス個体を用いて実験を行う。

特にOC刺激後のプロセシング酵素の変化について、細胞(単離ラ氏島)レベルで解析を行うと同時に、個体レベルでOC投与後の消化管および膵ランゲルハンス島におけるプロセシング酵素の変化を解析する。また、SGLT2阻害薬による高グルカゴン血症に対するGluOCの効果も検討する。生化学今まで各種ホルモンの測定に高額なELISAキットを使用していたが、本年度より半額以下のコストで済むシステムに変更したため、かなり支出を抑えることができた。また、ランゲルハンス島の単離の技術習得にやや時間がかかり、先に動物個体の解析を行ったため、ランゲルハンス島を用いた実験に使う物品の一部をまだ購入していない。次年度の早いうちにランゲルハンス島を用いた実験に使う各種ホルモン測定キットおよび各種抗体を購入するほかは当初の予定通りに使用する。
環境に適合した窒素ガス絶縁の高絶縁耐力化

電力機器用絶縁用ガスとして,重用されているSF_6ガスは温室効果ガスであるため,電力機器の環境への対応も急務となっている。N_2/SF_6混合ガスを用いた低環境負荷システムが実用化段階に入っているが,SF_6ガスを不用とする根本的な解決は図られていない。本研究では,コロナによるN_2ガス中における絶縁耐力の制御(向上)を図り,純N_2によるガス絶縁機器の実現への基礎的知見を得ることを目的とする。これまでの不平等電界下の複合絶縁特性(沿面放電特性)における検討から,負極性の場合,N_2ガス中においてSF_6ガス中と同等の高い沿面絶縁破壊電圧を示すこと,N_2ガスに微量のSF_6ガスを混合する沿面破壊電圧が急激に低下する現象を見出しており,これが空間電荷やコロナによる蓄積電荷と関連していると推定している。まず,本年度では,コロナによるN_2ガス中における絶縁耐力の制御(向上)を図るため,上述の特徴的な現象のメカニズム解明を図った。具体的には,下記のような測定を行い,SF_6ガス中やN_2/SF_6混合ガス中と比較検討した。(1)直流バイアスによる沿面破壊電圧への影響と空間電荷,蓄積電荷の相関性検討(2)ガス中におけるコロナの発光測定と発光過程の検討(3)高速度カメラによる沿面コロナ進展の時間分解像と解析特に,(1)の直流バイアスの影響について中心にその結果,以下のようなことが明らかとなった。(1)同極性である負極性バイアスでは,バイアス電圧の上昇とともに沿面破壊電圧が上昇した。(特に,SF_6微量混合時において顕著)(2)異極性である正極性バイアスでは,N_2ガス中の沿面破壊電圧のみが顕著に低下した。(3)沿面破壊電圧の混合比依存性において,バイアス電圧の上昇とともに,SF_6ガスの微量混合による沿面破壊電圧の低下量が小さくなった。特に,異極性である正極性バイアス電圧が大きくなった場合,SF_6ガスの微量混合による沿面破壊電圧の低下はほぼ消失した。これらの結果は,かかる現象が空間電荷や蓄積電荷の影響を受けて発現することを示している。
反射赤外光弾性法を用いた半導体プロセス誘起歪みの測定

1,昨年度、赤外光カメラ、ビーム分技型グラン・トムソン偏光プリズム、レンズやフィルタなどの光学部品を組み合わせた光学機構部分、並びに、赤外光カメラからの画像信号をA/D変換した後フレーム・メモリに取り込み、コンピュータ上で処理ができる赤外画像処理システムを一体化した反射型顕微転外光弾性装置に関して、歪みを定量的に評価する手法を考案した。2,開発した反射型顕微赤外光弾性装置と歪み定量評価手法を用いて、実際に化合物半導体のチップマウンティングプロセスで誘起される2次元的な歪み場が定量評価できることを示した。また、その歪みはチップマウンティングのプロセス温度から室温に冷却されるときのGaAsチップとCuヒートシンクの熱膨張差による熱応力により生じるものであり、その熱応力は軟らかい半田材料で完全に緩和するのではなく、1/10程度がチップに残留し、チップマウンティング誘起歪みとなっていることを明らかにした。3,以上の研究結果を研究発表の欄に記載している国際会議に発表したところ、その有用性が大いに認められた。チップマウンティング以外の他の半導体プロセスにおけるプロセス誘起歪みの定量評価にも適用できる本反射型顕微赤外光弾性装置の各方面での利用が大いに期待された。1,反射型顕微赤外光弾性装置を開発するために、赤外光カメラ、ビーム分枝型グラン・トムソン偏光プリズム、レンズやフィルタなどの光学部品を組み合わせて、光学機構部分を設計製作し、赤外光カメラからの画像信号をA/D変換した後フレーム・メモリに取り込み、コンピュータ上で処理ができる赤外画像処理システムを、フレームメモリボード、CPUボードなどを用いてボードベースでシステム構築した。2,光学機構部分と赤外画像処理システムを一体化し、申請者が今までに進展させてきた光弾性測定アルゴリズムをシステムに移植して、反射型顕微赤外光弾性装置を試作した。3,試作した反射型顕微赤外光弾性装置を用いて、放熱板への化合物半導体チップのダイボンディングによって誘起される複屈折を世界で初めて測定することに成功した。誘起された複屈折からダイボンディングによって生じる歪みの大きさを定量評価することはまだ困難ではあるが、反射型顕微赤外光弾性装置を用いれば半導体プロセス誘起歪みが測定可能なことを研究発表に記載した国際会議に発表したところ、研究の新規性と重要性が大いに認められた。
大学でのSCOPE3の実施と産業への適用

近年SCOPE3と呼ばれるCO2排出量の算定が、大企業に注目されている。従来から測定されている事業者自身が排出する直接排出量(SCOPE1)、及び電気、熱、蒸気の使用に伴って排出される間接排出量(SCOPE2)に加え、事業活動より排出される間接排出量(SCOPE3)を算定する試みである。SCOPE3は今まで企業で行われており、学校法人で実施は見られない。本研究では、工学院大学が現在把握している会計の支出データとエネルギー使用に関するデータを用いて、工学院大学のSCOPE3を計算した。その結果、工学院大学全体のCO2排出量は1.61E+04tとなった。2011年にWRI/WBCSDが実施ガイダンスを発行したSCOPE3と呼ばれる温室効果ガス排出量の算定が、日本だけでなく世界中の大企業に注目されている。これに対応するために、日本の環境省と経済産業省も2012年3月にScope3のガイドラインを発表している。従来から測定されている事業者自身が排出する直接排出量(SCOPE1)、及び他者から供給された電気、熱、蒸気の使用に伴って排出される間接排出量(SCOPE2)に加え、原材料の調達、輸送、使用、廃棄等の事業活動より排出される間接排出量(SCOPE3)を測定する試みである。そこで、本研究では、工学院大学が現在把握している会計の支出データと環境負荷に関するデータを用いて、工学院大学のSCOPE3を計算した。工学院大学のSCOPE3の排出量はWRI/WBCSDが示す15カテゴリ中の7カテゴリに分類された。カテゴリ別に見ると、カテゴリ1(購入した製品・サービス)が54%と一番多く、次いで、カテゴリ5(事業から出る廃棄物)が25%、カテゴリ2(資本財)が10%、カテゴリ6(出張)が6%などとなっている。
大脳皮質の局所神経回路

1.大脳皮質は原則的に6層から構成され、錐体細胞はその主要な構成ニューロンであり、錐体細胞は皮質外へ出力するばかりでなく、皮質局所に軸索側枝を多数出力し皮質内の情報処理にも重要な機能を持つと考えられる。大脳皮質出力ニューロンを逆行性に細胞体・樹状突起をGolgi染色様に標識する方法により前もって出力ニューロンを標識したラットの大脳皮質スライス標本を用いて、微小ガラス電極を各層のニューロンに刺入し、基本的な電気的性質を記録し、分類した。記録後、ニューロンにBiocytinを注入し、スライス標本を固定する。組織学的な検索として、まず三重蛍光法を用いてBiocytinを注入したニューロンが興奮性あるいは抑制性であるか検討した。Biocytinを注入したニューロンと特にその出力である神経軸索をAvidin-biotinylated peroxidase complex法によって青黒色に染色した。この神経軸索の入力先として逆行性に標識された出力ニューロンをPeroxidaseanti-peroxidase酵素免疫染色法で赤く染色した。III層錐体細胞の出力はV層錐体細胞へ多く入力してたが、VI層錐体細胞へはその4分の1しか入力していなかったことを報告した。さらにVI層の錐体細胞への入力を調べII/III層及びV層の錐体細胞からの入力は少ないが、IV層・VI層からの入力が多いことを見いだした。3.大脳皮質GABA作動性の内在性抑制ニューロンをGolgi染色様に染色する手法を、トランスジェニックマウスを利用して作ろうとしている。現在、GABAニューロンのマーカーであるParvalbuminとCalretininというカルシウム結合タンパク質のプロモーター部位をクローニングし、特異性の検討をしている。これらのGABAニューロンに2と同じく膜移行シグナルを導入したGFPを発現させる予定である。
DNAの自己組織化によるナノケージの構築と分子カプセルとしての応用

3'-末端に自己相補性の一本鎖を有する三叉路DNAを形成するように設計された三本のオリゴデオキシリボヌクレオチド(ODN)を等モルで全ODN濃度が120μMとなるように、0.5M NaCl水溶液中に混合し、一旦70°Cまで昇温後、10°Cまで自然冷却することにより、DNAケージを構築した。このDNAケージを蛍光染色し、共焦点レーザー顕微鏡により観察したところ、このDNAナノケージは多層構造を形成しており、濃度や塩強度、冷却速度に依存して数十ナノから数マイクロメートルの大きさにまで変化することが明らかとなった。さらに興味深いことに、このDNAナノケージにカチオン性界面活性剤を添加すると、中空構造に変化することも明らかとなった。このDNAケージのカプセル材料としての特性を調べるために、各種蛍光色素の取り込み実験を行った。環境応答性色素のANS存在下、DNAケージを構築すると、ANSがケージ内部に取り込まれたような顕微鏡像が得られた。また、その蛍光スペクトルから、ケージ内が若干疎水的な環境であることが示唆された。色素の電荷にかかわらず、DNAケージはある程度疎水的な色素を内部に効率よく取り込むことができた。色素内包DNAケージは、純水中に置かれたとき、少なくとも二週間は色素を安定に内包したままであることがわかった。この色素内包DNAケージに熱をかけると、DNA二重鎖の解離に伴った色素の除放が観察された。また、酵素DNase Iによる加水分解やpH変化によっても色素の除放ができることがわかった。以上のように、低分子化合物を効率良く取り込み、ある刺激を与えることにより除放する新規ソフトマテリアルが構築できた。今後、ドラッグデリバリーシステムのキャリヤーとしての応用が期待できる。3'-末端に自己相補性の一本鎖を有する三叉路DNAを形成するように設計された三本のオリゴデオキシリボヌクレオチド(ODN)を等モルで全ODN濃度が1μMとなるように、0.5MNaCl水溶液中に混合し、一且70°Cまで昇温後、10°Cまで自然冷却することにより、DNAナノケージを構築した。この溶液を、透過型電子顕微鏡(TEM)および動的光散乱(DLS)測定することにより、約50nmの球状の集合体が形成していることを確認した。これをT7 DNAリガーゼで連結反応し、Mung BeanヌクレアーゼおよびExonuclease IIIで切断実験を行ったところ、通常の一本鎖および二本鎖末端が切断される条件において、このDNAナノケージは全く切断されないことが明らかとなった。すなわち、一本鎖および二本鎖末端をもたない閉じた球状構造であることが示唆された。また、乾燥状態ではなく、水溶液中での形態観察を行うために、DNAナノケージを蛍光染色し、共焦点レーザー顕微鏡により観察した。その結果、このDNAナノケージは多層構造を形成しており、濃度に依存して数十ナノから数マイクロメートルの大きさにまで変化することが明らかとなった。また、このDNAナノケージ存在下において塩化金酸の水素化ホウ素ナトリウムによる還元を行うことで、ナノケージ周辺に金微粒子が集積した特異なナノ構造を構築することに成功した。
イメージングによる心筋虚血再灌流障害とナトリウム・カルシウム交換機構の役割の解明

本研究ではNa^+/Ca^<2+>交換機構(NCX)とミトコンドリアの観点から、心筋虚血-再灌流障害の機序を解明することを目的とした。細胞膜とミトコンドリアの各NCXの選択的阻害薬等を用いた薬理学的手法に加え、生細胞内の事象を捉える蛍光イメージング技術を適用して検討した結果、心筋虚血-再灌流障害時には、ミトコンドリア内のCa^<2+>濃度の上昇を防ぐために、ミトコンドリア上のNCXに作用せずに、細胞膜上のNCXを選択的に抑制する薬物が心保護薬として有用であることが明らかになった。本年度はイオン環境に応じたミトコンドリアNa^+/Ca^<2+>交換機構の回転方向の基礎的検討を行い、心筋虚血-再灌流障害時における細胞膜およびミトコンドリアNa^+/Ca^<2+>交換機構の役割の解明を目指した。まず単離心筋細胞の細胞膜を透過性にする技術によってミトコンドリア外液の環境を制御し、ミトコンドリアの活性を画像化によって検出する系を構築した。この系に脱共役剤のFCCPを適用した結果、虚血時ではミトコンドリア内にCa^<2+>が流入することによってミトコンドリアの膜電位が消失し、ATP合成能が低下することが明らかになった。また外液Ca^<2+>濃度を変化させることで、ミトコンドリアでは正常時および虚血時ともにCa^<2+>ユニポーターを介してCa^<2+>が流入し、Na^+/Ca^<2+>交換機構を介してCa^<2+>が排出されることを見出した。さらに単離心室筋細胞に、ミトコンドリア膜電位プローブのTMREを導入し、虚血時のミトコンドリア膜電位を測定した。その結果、虚血時に膜電位のオシレーションが見られる細胞があり、このオシレーションは細胞質内Ca^2+濃度の上昇と共に不可逆的な脱分極状態で終了した。よって膜電位オシレーションのきっかけとなる細胞質、およびミトコンドリア内のCa^<2+>濃度の上昇を防ぐことは、ミトコンドリアを介する心保護に重要だと考えられる。以上より、心筋虚血-再灌流障害時には、ミトコンドリア内のCa^<2+>濃度の上昇を防ぐために、ミトコンドリア上のNa^+/Ca^<2+>交換機構に作用せずに、細胞膜上のNa^+/Ca^<2+>交換機構を選択的に抑制する薬物が心保護薬として有用であることが明らかになった。本年度は、単離モルモット心室筋細胞のミトコンドリア膜電位について高速走査型共焦点顕微鏡、落射蛍光顕微鏡を用いてミリ秒単位の速いオシレーションを観察するとともにCa^<2+>動態、電子伝達系との関連を検討した。単離心室筋細胞に、ミトコンドリア膜電位プローブのTMREを導入し、虚血時のミトコンドリア膜電位を測定した。その結果、虚血時に膜電位のオシレーションが見られる細胞があり、このオシレーションは細胞質内Ca^<2+>濃度の上昇と共に不可逆的な脱分極状態で終了した。しかし膜電位オシレーションはCa^<2+>free栄養液中においては観測されなかった。次にミトコンドリア膜電位と細胞質内Ca^<2+>濃度を同時測定したところ、両輝度に逆相関性が見られた。すなわち先行する細胞質内Ca^<2+>濃度の上昇をきっかけに膜電位が脱分極していることが判明した。また電子伝達系の活動の指標として、酸化還元状態を反映するNADHやFAD、FMN等の自家蛍光を測定した結果、この自家蛍光にもオシレーションが観測される細胞があった。そこでミトコンドリア膜電位と同時測定したところ、その両輝度におおまかな相関性が見られることがあり、膜電位は電子伝達系の瞬間的な活性の後に毎回脱分極することが読み取れた。以上より、ミトコンドリアの膜電位オシレーションにはCa^<2+>の存在が不可欠であり、ミトコンドリアと細胞質間でCa^<2+>の移動があることが示唆された。虚血再灌流時において、ミトコンドリア膜電位オシレーションのきっかけとなる細胞質、およびミトコンドリア内のCa^<2+>濃度の上昇を防ぐことは、ミトコンドリアを介する心保護に重要だと考えられる。
多倍長数値計算環境下での逆問題・非適切問題の数値解析手法の確立

逆問題は、医用CTなど、各種非破壊検査や断層撮影などの先端技術と関係する実用的かつ重要な問題である。この問題の多くは微分方程式や積分方程式で記述されるが、数学的には「Hadamardの意味で非適切(ill-posed)」な問題に分類されるものが殆どであり、逆問題の数値シミュレーションにおいては、その計算結果の信頼性の保証が重要課題となる。医学・工学などの応用分野では、個々の逆問題解析において、新たな解析手法が次々に提案されているが、その多くは数学的に見ればアドホックな手法と言わざるを得ない。本課題研究では、これらの手法の中から有効な普遍的的アイデアを精査し、その新しいアプローチに基づく逆問題あるいは非適切問題に対する数値解析手法を数学の視点から確立すると共に、それを多倍長数値計算環境で実現することを目標として研究が行なわれ、成果を得ている。具体的には、平成16年度には、スペクトル法、特にスペクトル選点法の高精度性と利便性に目をつけ、データ誤差を含まない第1種積分方程式の直接離散化による数値解法を提案し、その多倍長数値計算環境上での実現を図った。前年度の研究により、Tikhonov正則化法の離散化を利用した第1種積分方程式の数値計算では、観測誤差・打ち切り誤差・正則化誤差・丸め誤差のバランスの重要性がしてされていた。今年度は、この前年度の問題点への取り組みを観測誤差と正則化誤差を切り放した純粋数学的条件下で議論を行なったうことを試み、スペクトル法の活用を行なった。この結果、これらの誤差のない環境では、今年度の成果として提案する「誤差を任意に制限できる離散化手法」の有効性が数値実験によって確認され、将来の観測誤差・正則化誤差を含めた解析に対する一つの判断基準が与えられた。さらに、この数値計算において重要な役割を果たす、多倍長数値計算環境上での高精度数値積分公式も得ている。本研究は、基盤研究B(1)「正則化法の適用による逆問題・非適切問題の解の構成に対する数学解析と数値解析」(課題番号:13440031)で得られた先駆的なアイデアの将来性に対する検討を行なっている。上記基盤研究B(1)では、多倍長数値計算環境が非適切問題の数値計算に有効であることが確認されたが、これは典型的な事例についての検証に留まっており、その汎用性や限界については十分な議論がなされていなかった。研究初年度は、汎用性に焦点を当てて研究を行なった。本研究で利用する多倍長数値計算環境は(10進法で)100桁から数千桁程度の有効数数字を持つ環境を想定している。この環境を十分に活用するには、従来の差分あるいは有限要素法を基礎とした離散化手法は精度の点で不十分であり、スペクトル法に準じた数値解法が有効であることが確認された。すなわち、多倍長数値計算環境を利用した非適切問題の数値計算手法しては、打ち切り誤差が採用する項数に対して指数的に減少する方法の採用が必要あることが本研究の成果から示唆される。しかし一方で、従来のスペクトル法は1次元に特化されており多次元への適用が困難という問題点もあった。これに対して、分担者の今井と藤原は適当な条件下でスペクトル法の2次元化を行ない、幾つかの仮定は伴っているが数学的な評価も示すに至った。さらに藤原は、区間演算を用いたアプローチを行ない、非適切問題の数値計算における有効桁数の事後評価についての道を拓いた。これにより、多倍長数値計算に必要な桁数が、数値計算の課程でアダプティブに評価できることとなる。また、本課題研究の前提となる多倍長数値計算環境の高速化では、藤原が自身で設計と実装を行なった64bit上での高速多倍長数値計算環境の速度向上を図ると共に、多くのエンドユーザにこの環境が提供できるよう、Windows版の試作を行なった。この環境は、試作的には初年度に完成している。

この結果、これらの誤差のない環境では、今年度の成果として提案する「誤差を任意に制限できる離散化手法」の有効性が数値実験によって確認され、将来の観測誤差・正則化誤差を含めた解析に対する一つの判断基準が与えられた。さらに、この数値計算において重要な役割を果たす、多倍長数値計算環境上での高精度数値積分公式も得ている。
遺伝子治療用核酸キャリアー分子開発に関する基礎研究

アミノ酸であるリジンから構成される塩基性デンドリマー(枝分かれ状高分子)の細胞内への遺伝子導入能について評価した。プラスミドDNAとの凝集体形成について蛍光顕微鏡を用いて観察した結果、500nm程度の球状の凝集体が観察された。また、サイトカラシンBでレポーター遺伝子の発現効率が低下したことから、この凝集体は細胞内へマクロピノサイトーシス様の機構で細胞内に取り込まれていることが示唆された。また、デンドリマー表面のアミノ基のpKaが低下していることから、そのスポンジ効果で、DNA複合体のエンドソームから細胞質へ積極的な移行が起きていることが考えられた。in vivoでの遺伝子キャリアーとしての有効性を評価するためにデンドリマーDNA複合体をマウスへ尾静脈より投与した。その結果、肝臓と肺において僅かながら発現が認められた。また、ガラクトース修飾したデンドリマーを合成し、マウスに投与した結果、肝臓に発現が認められたが、その効率は低いものであった。今後、ガラクトース修飾のパターンやデンドリマー自身の構造をさらに改良すれば、高発現かつ組織選択的な遺伝子導入を可能にする機能性遺伝子キャリアー分子が構築できると期待される。
フィールドサンプルにおける熱帯熱マラリア原虫クロロキン耐性原因遺伝因子の探索

クロロキン(CQ)耐性熱帯熱マラリア原虫の拡散はマラリア流行地における大きな問題であるが、CQはその安全性や易入手性により依然として有用性の高い化学療法薬である。1999年Wellemsらが原虫第7染色体上に約4kbの遺伝子pfcrtを発見。観察された76,220,271,326,356,371位の変異のうち、76位変異とCQ耐性能との完全連鎖を証明したことにより耐性機序の解明の糸口が開けた。本年度はパプアニューギニアにおいて行われたCQ薬剤感受性試験のサンプルを解析し、マラウイにおける結果と比較することによって、CQ薬剤圧と耐性関連遺伝子の関係についての探索を行った。パプアニューギニアではCQが三日熱のみならず熱帯熱マラリアの治療薬として使用されており、当地におけるCQ薬剤圧は高い。2002年11月、北東部ウェアクにて行われたin vitro薬剤感受性試験では、38%が耐性、62%が境界型であり、耐性の深刻化が明らかにされた。pfcrtは全例、356位以外全て変異を持ったタイプ、またpfmdr1は86位変異を90%に認め、当地における原虫のCQ耐性関連遺伝子変異が非常に高い段階まで進行していることが明らかになった。マラウイは1980年代後半よりCQ耐性原虫が増加。1990年には80%を超えたため保健医療政策を変更、1993年よりCQ投与は全面的に禁止された。マラウイにおいて我々が1998および2000年に行った調査ではCQ耐性は9%と急激に低下しており、K76T変異の割合も7%とCQを使用している他のアフリカ諸国(50-80%)に比べ著しく低いことを見出した。また、全ての耐性原虫は326,356以外の部位に変異を持つタイプだった。一方pfmdr1の86位における変異の頻度は48%であり他のアフリカ諸国での報告とほぼ同様であった。両フィールドにおけるpfcrt変異原虫の頻度が大きく異なることは興味深い。強力なCQ薬剤圧下において原虫はpfcrt遺伝子に変異を起こすことにより環境に適応していったが、変異によるfitness costが高いため非CQ薬剤圧下では淘汰されてしまったことが示唆される。今回5-7年という短期間のCQ使用中止で急激なCQ感受性の回復およびそれを裏付ける耐性関連遺伝子変異原虫の減少が示されたことは、今後のマラリア対策上極めて重要な医学的意義があると思われる。1.Chloroquine(CQ)耐性熱帯熱マラリア原虫の拡散はマラリア流行地における大きな問題であるが、CQはその安全性や易入手性により依然として有用性の高い化学療法薬である。76位のアミノ酸置換(K76T)とCQ耐性能との完全連鎖を証明したことにより耐性機序の解明の糸口が開けた。我々はCQ薬剤圧と耐性関連遺伝子変異の関係について検討を行っている。マラウイ国は1980年代後半よりCQ耐性原虫が増加。一方pfcrt同様CQ耐性能獲得との関連が示唆されているpfmdr1の86位におけるアミノ酸置換(N86Y)の頻度は48%であり他のアフリカ諸国での報告とほぼ同様であった。原虫は強力なCQ薬剤圧下でpfcrt76位変異を起こすことにより環境に適応していったが、変異コストが高いため非CQ薬剤圧下では生存し得なかったことが示唆される。5-7年という比較的短期間のCQ使用中止で急激なCQ感受性の回復を見たことは、マラリア対策上極めて重要な医学的意義があると思われた。2.一方、今回検討したマラウイにおけるin vitro CQ耐性原虫はpfcrt76位および220,271,326位変異、pfmdr186位変異とも相関しておらず、K76T変異とCQ耐性能との相関を示している他の報告例と大きく異なっていた。しかし、これらは「原虫多遺伝子変異によってCQ耐性能獲得が起こる」という従来の仮説を支持しており、CQ薬剤圧の非常に弱い環境下ではpfcrt76位変異によらないCQ耐性メカニズムが起こりうることを予測させる重要な結果であると考えられる。

パプアニューギニアではCQが三日熱のみならず熱帯熱マラリアの治療薬として使用されており、当地におけるCQ薬剤圧は高い。2002年11月、北東部ウェアクにて行われたin vitro薬剤感受性試験では、38%が耐性、62%が境界型であり、耐性の深刻化が明らかにされた。pfcrtは全例、356位以外全て変異を持ったタイプ、またpfmdr1は86位変異を90%に認め、当地における原虫のCQ耐性関連遺伝子変異が非常に高い段階まで進行していることが明らかになった。マラウイは1980年代後半よりCQ耐性原虫が増加。1990年には80%を超えたため保健医療政策を変更、1993年よりCQ投与は全面的に禁止された。マラウイにおいて我々が1998および2000年に行った調査ではCQ耐性は9%と急激に低下しており、K76T変異の割合も7%とCQを使用している他のアフリカ諸国(50-80%)に比べ著しく低いことを見出した。また、全ての耐性原虫は326,356以外の部位に変異を持つタイプだった。一方pfmdr1の86位における変異の頻度は48%であり他のアフリカ諸国での報告とほぼ同様であった。両フィールドにおけるpfcrt変異原虫の頻度が大きく異なることは興味深い。強力なCQ薬剤圧下において原虫はpfcrt遺伝子に変異を起こすことにより環境に適応していったが、変異によるfitness costが高いため非CQ薬剤圧下では淘汰されてしまったことが示唆される。今回5-7年という短期間のCQ使用中止で急激なCQ感受性の回復およびそれを裏付ける耐性関連遺伝子変異原虫の減少が示されたことは、今後のマラリア対策上極めて重要な医学的意義があると思われる。
改革・開放時代の中国における幹部制度の構造、運用および変容

1.資料の収集最も基礎的な資料集である「人事工作文件選編」の他、「幹審工作政策文件選編」、「中華人民共和国人事政策法規選編(1949-1991)」、「幹部管理工作文件選編」、「組織工作文件選編」などの主要資料集を購入し、規模では国内有数の資料を所蔵した。2.資料のデータベース化資料の整理とデータベース構築のために、本研究の科研費補助金で購入したパーソナル・コンピューターにより、各資料1点ごとに(1)資料の制定時期、(2)発出主体の名義、(3)資料の題名、(4)当該資料を掲載した刊行物名、(5)翻訳のある場合はその関連データ(翻訳は実際にはほとんど存在しない)、(6)検索用キーワード、(7)他の資料との関連づけなどについての備考、の7項目に分類して入力した(この作業にあたって、研究補助者の協力を得た)。3.研究内容の公表上記のような資料の収集・整理と平行して、現代中国の支配体制における幹部制度の具体的な位置づけについての基本的な考え方をまとめることに努めた。その成果の一端は、「シリーズ中国領域研究」第6号(平成9年10月)8690項に掲載された拙稿「「単位」・「部門」・「系統」」に発表した。
コンピュータ支援による探求学習のための幾何教材の開発

本研究においては,以下のような研究成果を得ることができた。(1)中学校の教科書を中心とした様々な図形の問題を収集,分析し,主として次の8つの学習活動を支援する問題群を同定した。(a)観察,推測,検証,(b)不変要素,関数関係の抽出,(c)条件と生活の対応,(d)特殊化,一般化,定理の成立する境界の明確化,(e)不可能性,扱えない事例の発見,(f)条件を満たす点の集合としての作図題への取り組み,(g)動きの記録としての軌跡と図形を生成する手段としての軌跡,(h)操作概念の利用。(2)問題例に関する検討と授業化のための検討を協力校の教諭にしていただいた。(3)10回の授業実践を行い,本研究以前のものと合わせて20の授業実践が蓄積できた。(4)教材開発の過程,特徴,教材の特徴をまとめ発表した。(5)「インターラクティブ」という観点から本研究の基礎を分析し発表した。(6)ソフト(Geometric Constructor)をver.4.6まで改良した。98とFMR50,TOWNSでの動作が安定し,国内のほとんどの学校で利用可能になった。(7)本研究に関する共同研究によって,広域にわたる教師間の共同研究と情報交換の窓口ができた。なお,本研究では,愛知教育大学附属名古屋中,愛知県豊田市立石野中,上越教育大学附属中,新潟県板倉町板倉中,北海道教育大学附属札幌中,札幌市立北辰中,白石中,あやめ中,栄町中,忠類村忠類中,幌延町幌延中,神奈川県川崎市立白山中,向ヶ丘中,稲田中,新作小,島根県美保関町南中,大社町大社中,富山県魚津市西部中のご協力と,島根県松江教育センター,川崎市立総合教育センター,新潟県立教育センターのご協力をいただいた。
癌代謝を制御するPKM2を標的とした胃癌、膵癌治療の基礎的検討

PKM2を標的とした治療法確立のために、1)PKM2は癌遺伝子として治療標的と成り得るのか;2)PKM2の発現抑制が正常細胞に対して影響するのか;3)なぜ、癌はPKM1ではなくPKM2型となるのかを明らかにすることを目的とした。臨床検体及び細胞株を用いた検討の結果、胃癌および膵癌においてPKM2は癌細胞の増殖に関わることが明らかになった。PKM2は胃癌、膵癌の進展に重要な役割を演じており、治療標的となる可能性が示唆された。癌特有の代謝(Warburg効果、酸素が十分にある状態でも好気性ではなく嫌気性呼吸を行う)にピルビン酸キナーゼtypeM2 (PKM2)が関与している。様々な癌でPKM2の発現上昇がみられるが、なぜ、癌において、酵素活性の低いPKM2がPKM1に比べ優位に発現しているのか不明な点が多い。私の基礎検討により胃癌、膵癌においても癌の進展にはPKM2が関与していることが明らかとなった。。一方で、膵癌や胃癌ではもともとPKM1の発現も低下しており、PKM2の発現抑制によってPK活性が著しく低下するために癌細胞が生存不能となる可能性も否定できない。つまり、PKM2は癌遺伝子として機能しているのか?あるいは代謝酵素として癌の悪性化に寄与しているのかについては結論が得らていない。そこで、申請者はPKM2を標的とした膵癌、胃癌の治療法の確立に向けたさらなる検証について計画した。さらに、PKMの発現型の癌への関与を追求するために、当施設ではPKM1、PKM2のそれぞれのノックインマウスとPKMノックアウトマウスを作製した。本年度は遺伝子改変胃癌マウス(Ganマウス、K19-Wnt1/C2mEマウス),遺伝子改変膵癌マウス(Pdx1-Cre;LSL-KrasG12Dマウス)とPKM1、PKM2ノックインマウスをそれぞれ交配させた。現在順調に遺伝子改変胃癌、膵癌モデルにおけるPKM1のみ、あるいはPKM2のみ発現するマウスが作製されている。交配により、PKM発現型の異なる胃癌、膵癌マウスが順調に生まれている。1.胃癌におけるPKM2健常ボランティアの正常胃粘膜においてPKM2が、PKM1より優位に発現していた。胃癌ESD症例、手術症例の癌部でも、PKM2が優位に発現しており、その発現は正常粘膜と比べ有意に増強していた(図1)。手術症例80例においてPKM2発現と臨床病理学的因子との関連を検討すると、PKM2高発現群で静脈侵襲例が有意に多かった。PKM2発現抑制胃癌細胞株は、コントロール細胞株と比べ、in vitroで細胞増殖能、遊走能、足場非依存性増殖能、sphere形成能が低下し、in vivoにおいて皮下腫瘍増殖と肝転移が抑制されていた。また、PKM2ノックダウン胃癌細胞ではセリン依存性の細胞増殖亢進を認めなかった。さらに、CagAはErk経路を介してPKM2の発現を誘導していた。2.膵癌におけるPKM2 10例の膵癌手術検体を用いて、癌部、正常膵管をマイクロダイゼクションによって削り出し、PKMの発現を検討すると、正常部、癌部ともにPKM1と比べPKM2が優位に発現していた。正常部と比べ癌部でPKM2の高い発現を認めた。膵癌細胞株ASDPC-1,MIAPaCa-2, PANC-1において、PKM2がPKM1より優位に発現していた。PKM2をこれらの細胞株でノックダウンすると細胞増殖能はin vitro, in vivoにおいて抑制された。さらに、細胞移動能も低下していた。以上の結果より、PKM2は胃癌、膵癌の進展に重要な役割を演じており、治療標的となる可能性が示唆された。PKM発現型の異なる胃癌、膵癌マウスの癌化、進展について継時的に観察する。また、これら発現型と代謝との関連、治療標的としての妥当性を検討する。腫瘍学遺伝子改変マウスの癌化に時間がかかっているため。遺伝子改変マウスの癌化、進展とともに網羅的遺伝子解析やメタボローム解析を行う。
新型光検出器を用いたSPECT用高分解能γ線源位置検出器の開発

最終年度にはSPECT装置の構造最適化に関連する測定を実施した。研究実施計画で挙げたシンチレータで発生した光を検出器の有効領域に効率的に入射させるためのライトガイドを製作した。これにより限られた有効領域を使ってより広い範囲で発生した光を取り込むことが可能になった。また,研究計画では明示されていなかったシンチレータの変更を行った。研究代表者の所属機関において開発が進められている複雑な形状も容易に整形でき,機能性物質の添加も可能なプラスチックシンチレータを用いた測定を行った。通常プラスチックシンチレータはγ線と反応しづらいが,線源の有無で有意な信号カウント数の違いが観測された。期間全体では既存のSPECT装置のγ線観測部分に新型の光検出器を組み込んで密封線源を移動させた際の検出器で観測したヒットカウント情報の変化を解析し,線源位置が1 mm程度で決定できることを確認した。また,線源の位置特定精度に相関のある装置の特性を評価するためにγ線の入射位置を限定してシンチレータ内で発生した光の伝搬分布を測定し,その広がりを評価した。その観測データをより理解するためにシミュレーションデータを作成し比較した。以上の測定結果から既存のSPECT装置の構成要素で用いられているNaIシンチレータは発生する光量が多く広がりをもつために高感度の光検出能力を持つ新型光検出器に対してはあまり適切でないことが判明した。その考察に基づき,さらなる線源位置測定精度向上のため,シンチレータ素材を含めた装置デザイン最適化の研究を進行中である。また,研究計画の中での未解決課題として広がりを持って分布する線源の画像再構成がある。今後は今までに得られたデータを解析し,画像化するためのアルゴリズムを確立させる。そのための設備等はすでに整っているため,科研費の最終年度以降も継続して研究を実施できる見込みである。本研究の目的であるSPECT診断装置の放射性同位体(RI)の画像認識における位置分解能向上を達成する上で重要である新型ハイブリッド光検出器HAPDを調達した。申請時の計画では本研究経費でHAPDを4本購入する予定であったが、配分額では不足していたため、2本を購入し、製造企業から2本を貸与という形で準備した。新潟大学医学部保健学科において実習に使用されていたSPECT装置のガンマ線検出部分を新潟大学理学部へ移設し、光電子増倍管を取り除いてHAPDを組み込み試作機を製作した。システムを動作させるために必要となる高電圧配線、HAPD等を取り付けるフレーム等を製作した。HAPD用に開発された信号読み出し回路を使用してトリガー信号に応じてHAPDのヒットカウント情報をPCで取得するソフトウェアを開発し、点状に放出位置を絞られたRI線源からのガンマ線に起因する信号を取得した。線源の有無によってHAPD内のピクセルヒットマップが有意に変化がしたことを確認後に線源設置位置を変化させてそれに応じた変化がライトガイドを導入しない状態においても明確に見られることを確認した。その変化を定量的に評価するため、HAPD上の二次元ヒットマップ分布を縦横それぞれに投影して得られた分布に関数フィットをしてその最頻値から線源位置を決定した。その値と実際に設置した位置を比較して点線源に対する位置決定精度を1mm程度と見積もった。この値は本研究の最終目標である5mmを上回るものである。最終目標である広がりをもった線源分布の画像再構成の際などにおいて精度の劣化が予想されるが、その前段階の目標は十分達成できたと評価される。また、以上の結果を日本物理学会や東北がんプロジェクト医学物理合同セミナーにおいて発表した。研究実施計画に平成28年度分として記載した項目については実績の概要に記載した通り概ね実施済みであり、特に予期していない事象による遅延は発生していない。当初の計画にあったライトガイドについては使用しない状態においても明確なヒットパターンの変化が観測されたため、現在は使用していない。試作機を用いて線源位置、放射性同位元素核種(ガンマ線エネルギー)などの測定条件を変えてデータを取得し、性能評価を継続中である。昨年度に引き続き、新型光検出器1本を使用したSPECT試作機を用いてコバルト60密封線源からのガンマ線のデータ取得を行った。特に放射線源の位置決定性能に影響を与えるシンチレーション光の広がりについて詳細に理解するため、光検出器のヒットマップ測定の際に対消滅ガンマ線によるトリガー情報を使ってその方向を限定した測定を実施した。さらにその過程をより詳細に理解するためのシミュレーションによる評価に向けた準備を行った。現在の測定で用いられている密封線源では放射線源は狭い領域に集中してほぼ点状であると仮定できるため、多くの事象のヒット分布を積算してその形を解析し、位置を特定している。一方、実際の診断で広がりを持って分布する線源の画像を描写するためには一つののガンマ線入射事象の広がりを測定する必要がある。その際の統計量の低下を検出器の設置数を増やして補うため、電源装置やデータ読み出しシステムの拡充を行った。また、新潟大学医学部保健学科で最近まで実習で用いられていたSPECT装置のシンチレータやコリメータなどを含んだガンマ線測定部分の提供を受けたため、それを新潟大学理学部の高エネルギー物理学実験室に移送して新型光検出器でガンマ線の信号をを取得した。より現行機に近い形の試作機ではあるが、光検出器全体に一様なヒットが見られ線源位置を特定するのは難しかったため、新たな部品の特性についてより深い理解が必要であるということを明らかにした。

線源位置の位置特定精度を向上させるため、その大きな原因要素のひとつであるシンチレーション光の広がりについて密封線源からのガンマ線を用いた測定を通し理解が進んだため。また、最近まで使用されていた装置の構成部品が利用可能になり、より現行機に近い状況で性能評価をする環境が整いつつあるため。最終年度にはSPECT装置の構造最適化に関連する測定を実施した。研究実施計画で挙げたシンチレータで発生した光を検出器の有効領域に効率的に入射させるためのライトガイドを製作した。これにより限られた有効領域を使ってより広い範囲で発生した光を取り込むことが可能になった。また,研究計画では明示されていなかったシンチレータの変更を行った。研究代表者の所属機関において開発が進められている複雑な形状も容易に整形でき,機能性物質の添加も可能なプラスチックシンチレータを用いた測定を行った。通常プラスチックシンチレータはγ線と反応しづらいが,線源の有無で有意な信号カウント数の違いが観測された。期間全体では既存のSPECT装置のγ線観測部分に新型の光検出器を組み込んで密封線源を移動させた際の検出器で観測したヒットカウント情報の変化を解析し,線源位置が1 mm程度で決定できることを確認した。また,線源の位置特定精度に相関のある装置の特性を評価するためにγ線の入射位置を限定してシンチレータ内で発生した光の伝搬分布を測定し,その広がりを評価した。その観測データをより理解するためにシミュレーションデータを作成し比較した。以上の測定結果から既存のSPECT装置の構成要素で用いられているNaIシンチレータは発生する光量が多く広がりをもつために高感度の光検出能力を持つ新型光検出器に対してはあまり適切でないことが判明した。その考察に基づき,さらなる線源位置測定精度向上のため,シンチレータ素材を含めた装置デザイン最適化の研究を進行中である。また,研究計画の中での未解決課題として広がりを持って分布する線源の画像再構成がある。今後は今までに得られたデータを解析し,画像化するためのアルゴリズムを確立させる。そのための設備等はすでに整っているため,科研費の最終年度以降も継続して研究を実施できる見込みである。引き続き試作機を用いて条件を変えてデータ取得および解析を行う。現在までに取得したデータは主にエネルギーが比較的高いガンマ線のものであるため、臨床において用いられる比較的低エネルギーのガンマ線に近いエネルギーの線源を用いて測定を行う。また、それと同時に線源位置イメージを再構成するためのシステムを開発する。現在はある時間の間に積算したヒット分布を使い点線源の位置を特定しているが、イメージングのためには1回のガンマ線入射によって起こる事象毎に位置を決定し、その分布を描画する必要があるため、データ取得のためのトリガーやデータ解析アルゴリズムに変更を加え、本研究の最終目標であるガンマ線の位置分解能を評価する。また、ライトガイド等の導入など試作機デザインに可能な範囲で変更を加え、より高効率での信号収集の可能性を探る。研究業績の概要で記載した新しい試作機で線源位置を特定するため、シンチレーション光の分布を光電子増倍管を使用して測定する。