hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
沿岸農地における塩分ストレスのリスク予測と農業生産レジリエンスの向上

平坦で肥沃な沿岸農地は作業効率が良く,生産性も高いが,水路や地下水に海域から塩分が浸入することによって,塩害が発生するリスクも有している.本研究は,沿岸農地における塩分ストレスのリスクを予測し,これを踏まえて農業生産性を向上させるための具体的手法を提案することを目的とする.まず,干拓農地において水路網の流動解析を行い,水路の水位や塩分濃度の変動を予測した.この結果を境界条件とし,水路に隣接する農地の土壌水分および溶質輸送をシミュレートし,モデルの妥当性を確認した.シミュレーションの結果を用いて作物が受ける水分および塩分ストレスを予測し,これらのストレスを軽減するための具体策を提案した.本研究では,突発的な気象災害(津波)による塩害と地下水の塩水化の両者が生じた被災地の農地(岩手県陸前高田市)を対象地区として選定した.さらには,防潮水門の開閉の必要性が議論されている長崎県諫早市の干拓地内の農地も選定し,防潮水門開閉に伴う海域および地下水水質の変化を考慮に入れて農地の塩害リスクの予測を行った.本研究の体制は,水域ユニット,地下水ユニットおよび農地ユニットで構成され,それぞれが以下の役割分担の下で研究を遂行した.まず,水域ユニットは,過去に収集した東日本大震災時の津波や高潮の際の気象条件および湛水状況に関する情報を用いて,対象地区において想定される自然災害時の海域の流況を再現するモデルを構築した.地下水ユニットは,農地に隣接する水域の潮位および水質を境界条件とし,沿岸農地の地下水動態を予測するモデルを構築した.まず,地下水流動モデルであるMODFLOWとGISによる土地利用情報を組み合わせ,潮位を境界条件とした広域地下水流動を予測した.農地ユニットは,表面から浸入する塩水の流動ならびに地下水の動態の予測結果を境界条件とし,沿岸農地における作物ー土壌ー地下水系の塩分動態を解明するモデルを構築した.シミュレーションはSWAPモデルをベースに行った.各ユニットが構築するモデルの入力値を得るため,対象地区において現地観測を行う.水域では,水位や水質などの項目を測定し,農地においては土壌水分,地下水位および気象要素のデータ収集を行った.以上によって得られた成果は,学術雑誌に投稿するとともに国内外の学会において発表した.水域ユニットにおいては,干拓農地に縦横に走る水路網を対象に,大雨の際の幹線水路の流動解析を行うモデルを構築し,農地への影響を影響を明らかにした.まず,対象における用排水系統を現地調査によって明らかにするとともに,河床勾配などの基礎的なデータを収集した.モデルのインプットデータを得るために,水路の複数箇所に水位計を設置し,水位の連続データを得るとともに,降水量などの基礎的な気象データを収集した.また,大雨の際の水門操作やポンプによる強制排水などの人為的操作を聞き取り調査によって明らかにし,これをモデルに反映させて,より現実に即した解析を行った.その結果,大雨の際に溢水のリスクが高い地点を解明し,湛水状況を予測することができた.また,幹線水路に接続する支線水路や暗渠への流動も推定し,干拓農地への影響を評価した.地下水ユニットにおいては,大雨の際の幹線および支線水路からの溢水に加え,暗渠への逆流現象を考慮し,干拓農地一帯の地下水動態解析を行った.解析結果の妥当性を検証するため,農地に地下水位計を設置して連続観測を行い,計算値と実測値の比較を行った.また,大雨後の高い地下水位を平常時の状態に戻すための手法について具体的に検討した.水域ユニットおよび地下水ユニットが明らかにした大雨の際の湛水状況と地下水位の変動を境界条件とし,作物圃場における土壌水分動態解析を行った(農地ユニット).この結果を検証するために,実際の作物圃場において湛水や地下水の上昇に伴う湿害のリスクを定量的に評価し,農業生産性が受ける影響を予測した.今年度は,年間を通じて水路などの水域と,農地における現地調査を実施し,データを蓄積することができた.現地の水路に水位計を追加し,精度の良い水位の連続データを蓄積することができた.また,調査対象地区の行政機関や土地改良区から水位データの提供を受けることができ,さらには水門や排水ポンプの稼働状況などに関する情報を収集することができた.これらのデータによって,水路網の流動解析を行うためのモデルを構築することができた.陸域の農地においては,前年度から収集している土壌水分や各種気象要素のデータを蓄積することができた.現地で採取した土壌サンプルを用いて各種土壌物理試験を行い,土壌水分状態をより精緻に把握し,土壌水に含まれる塩分状態を把握することが可能となった.さらに,新たに地下水センサーを体調地区内にすることで,様々な作物の生育期間における地下水位および地下水中に含まれる塩分濃度の連続データを収集することができた.前年度に引き続き現地調査を実施して,水路,地下水および農地における各種データを収集し,それぞれの研究ユニットで構築したモデルにインプットするためのデータの充実を図った.干拓農地に縦横に走る水路の流動特性を明らかにするモデルを構築し,実測値と比較することでモデルの精度向上を図った.このモデルを用いて大雨時における流動解析を行うとともに塩分などの輸送現象の予測を行った.この結果を用いて,農地表面からの塩分の浸入過程について推定した.また,干拓農地における広域地下水流動および溶質輸送解析を行い,干拓農地に隣接する海域の塩分が地下水として農地に浸入する現象を解明した.これら表面水および地下水の流動および塩分濃度を境界条件とし,SWAPモデルを用いて農地に浸入する塩分の動態解析を行うシミュレーションモデルを構築した.

現地調査で得られた土壌中の水分状態および塩分濃度とモデルによる計算結果を比較し,モデルの妥当性を検証した.このモデルを用いて,湿潤または乾燥によって作物に生じる水分ストレス状態を定量的に評価するとともに,塩分ストレスのリスクについても予測した.この結果を踏まえ,湿害を回避するための表面排水および暗渠排水の計画や,乾燥および塩分ストレスを回避するための灌漑スケジューリングなど,具体策についても検討した.さらには,連続干天,集中豪雨および海水位上昇など,将来想定される様々なシナリオの下で,農地に生じる水分および塩分ストレスのリスクを圃場レベルから広域レベルにかけて予測し,干拓農地における農業生産性への影響を多角的に評価することができた.平坦で肥沃な沿岸農地は作業効率が良く,生産性も高いが,水路や地下水に海域から塩分が浸入することによって,塩害が発生するリスクも有している.本研究は,沿岸農地における塩分ストレスのリスクを予測し,これを踏まえて農業生産性を向上させるための具体的手法を提案することを目的とする.まず,干拓農地において水路網の流動解析を行い,水路の水位や塩分濃度の変動を予測した.この結果を境界条件とし,水路に隣接する農地の土壌水分および溶質輸送をシミュレートし,モデルの妥当性を確認した.シミュレーションの結果を用いて作物が受ける水分および塩分ストレスを予測し,これらのストレスを軽減するための具体策を提案した.今年度は,年間を通じて水域および陸域における現地調査を行って,様々な作物の生育期間を通したデータを収集することができた.こまめなデータ収集とセンサー類のメンテナンスを実施し,また,対象地区ごとの役割分担を適切に行ったため,精度の良いデータが得られたと判断される.なお,地下水に関するデータの欠損が目立ったため,来年度はセンサー類を充実し,データの蓄積に努めたい.また,今年度得られたデータを用いて,水域および地下水の流動モデルや農地の土壌水分動態など,基礎的なモデルも完成することができた.来年度以降はこれらのモデルに水質予測などを加え,より複雑な現象の解明を行う予定である.次年度は,引き続き現地調査を実施して,水路,地下水および農地における各種データを収集し,それぞれの研究ユニットで構築したモデルにインプットするためのデータの充実を図る.モデルの精度向上に努めるとともに,各ユニットで構築した手法を結び付け,干拓農地の生産性に生じる複合的なリスク予測を行う手法の確立し,持続可能な農業生産の方向性を検討することを目指す.今年度は,干拓農地に縦横に走る水路の流動特性を明らかにするモデルを構築し,大雨時における洪水解析を行ったが,来年度はこれに塩分などの輸送も考慮し,水質の変動を予測する手法に改良することを目指す.これを用いて,農地に表面および地下からからの塩分の浸入過程について明らかにする.農地においては,表面または地下からの水分および塩分状態を境界条件とし,農地に浸入する塩分の動態解析を行うモデルを構築する.これを用いて,加湿または乾燥によって作物に生じる水分ストレス状態を定量的に評価するとともに,塩害のリスクについても予測し,これらを回避するための対策について具体的に検討する.
動物の必須アミノ酸選択摂取能と必要量との関係

我々は幼ラットを用いての実験で、Met,Lys,Phe,Trp,Thrなどの必須アミノ酸を自由選択摂取させると、動物はこれら個々のアミノ酸を正常な成長をささえるように摂取する能力のあることを明らかにした。本研究では分岐鎖アミノ酸(Val,Len,Ile)およびHisとArgについての選択摂取実験を行った。10%カゼインにNRCの要求量に見合うように不足するアミノ酸を添加した飼料を基本飼料とし、これにL-Valを種々な量添加した飼料および10%カゼイン相当アミノ酸混合物からL-Valを除いた飼料、それにL-Valを必要量の半量(0.3%)添加した飼料等を用意した。これらの飼料を雄幼ラット(60g)にfixed feedingすると同時に、種々な組合せで種々の飼料をself-selection feedingして2週間飼育し、成長、飼料摂取量、Val摂取量,血漿,脳中Val濃度等を測定した。他の供試アミノ酸についてもValの場合と同様、種々な飼料群を設け、それぞれのアミノ酸の選択摂取実験を行った。Val,Leu,Ile,His,Argについて、それぞれのアミノ酸含量の異なる2つの飼料を選択摂取法によって与えた場合には、どの組合せでもすべて最大成長が得られた。選択摂取法での各アミノ酸の摂取量を飼料中のパーセントで表わすと、Valは0.532.07、Leuは0.783.58、Ileは0.502.96、Hisは0.252.22、Argは0.432.43の範囲にあった。これらのアミノ酸についても今までに成績の得られたアミノ酸の場合と同様、各必須アミノ酸の最小選択摂取量は、NRCやRama Raoの必須アミノ酸要求量にほぼ一致することが証明された。このことはこの種選択摂取法によりアミノ酸必要量を求め得ることを示唆している。必須アミノ酸の選択摂取の範囲はかなり幅のあることが特徴的だが、ラットは体内で余剰アミノ酸を処理できる能力の範囲内で各アミノ酸を選択摂取するものと推察される。
脳卒中発症に関わる遺伝・環境要因相互作用の解明

一般住民の代表サンプル2000人に対し、24時間自由行動下血圧および家庭血圧測定を実施し、コホート研究により脳卒中発症リスクとの関連及び種々の遺伝・環境要因に関する検討を行った。1.家庭血圧・24時間血圧と脳卒中発症リスクとの関連について(1)仮面高血圧の脳卒中リスクは高いが白衣高血圧のリスクは低いことを明らかにした。(2)夜間血圧下降度減は脳梗塞の、モーニングサージは脳出血のそれぞれリスクとなっていることを明らかにした。2.遺伝要因と脳卒中発症危険因子との関連について(1)β1アドレナリン受容体Gly389Arg多型と家庭血圧値および心拍数との関連について検討し、Argアリル保有群で血圧・心拍数が高値であることを発見した。(2)Urocortin3のR91G多型が白衣効果(随時血圧と家庭血圧値)と関連していることを発見した。(3)Interleukin10遺伝子多型(-592A/C)が寿命と関連している可能性を明らかにした。3.環境要因と脳卒中発症危険因子との関連について(1)運動不足・喫煙が家庭高心拍の要因であることを明らかにした。(2)肥満・白衣高血圧が家庭高血圧発症のリスクであることを明らかにした。1.家庭血圧・24時間血圧と脳卒中発症リスクとの関連について(1)家庭血庄の測定回数と脳卒中発症リスクとの関連について検討を行い、家庭血圧の測定回数が増す程、脳卒中発症予測能が高まることを明らかにした。また、家庭で一回のみ測定した家庭血圧値でさえ、随時血圧2回の平均に比べて優れた脳卒中発症予測能を持つことを見出した。(2)米国合同委員会の高血圧ガイドラインに準じた心血管危険度分類に基づいた場合の脳卒中発症リスク予測能は、家庭血圧値が随時血圧に比べ優れていた。早朝測定の家庭血圧と就寝前測定の家庭血圧値の予測能は同等であった。2.遺伝要因と脳卒中発症危険因子との関連について(1)アンジオテンシンII2型受容体(AT2)遺伝子C3123A多型と家庭血圧・24時間血圧により定義された高血圧との関連について検討し、60歳以下の女性においてのみAアリル保有群で高血圧頻度が有意に低いことを明らかにした。(2)β1アドレナリン受容体Gly389Arg多型と家庭血圧値および心拍数との関連について検討し、Argアリル保有群で血圧・心拍数が高値であることを発見した。(3)酸化ストレス除去に関与するhOGG1遺伝子Ser326Cys多型と家庭血圧・24時間血圧により定義された高血圧との関連について検討し、Cysアリル保有群でSerアリル保有群に比べ有意に高血圧頻度が高いことを見出した。1.家庭血圧・24時間血圧と脳卒中発症リスクとの関連について(1)家庭血圧の測定回数と脳卒中発症リスクとの関連について検討を行い、家庭血圧の測定回数が増す程、脳卒中発症予測能が高まることを明らかにした。また、脳卒中のサブタイプ(脳出血・脳梗塞)のいずれについても同様の関連が見られることを明らかにした。
培養胃酸分泌細胞におけるH^+, K^+ポンプ活性とイオン・チャネルの協同

胃壁細胞による胃酸分泌には,分泌刺激によってtubulovesideから管腔側細胞膜へと組込まれるところのH^+, K^+ポンプと,何らかのメカニズムで活性化される各種イオンチャネルが関与するものと考えられる.管腔側細胞膜上で直接単一チャネル活動を観察するために,我々が開発した培養ラット壁細胞系にパッチクランプ法を適用した.分泌刺激前の管腔側細胞膜上においては, 25-40pSの単一チャネルコンダクタンスのNa^+, K^+, Cs^+をほぼ同等に透過させるところの非選択性カチオンチャネルの存在が見いだされた.このチャネルは細胞内Ca^<24>に対する依存性は示さなかった.酸分泌刺激後には新たに15-25pSの単一チャネルコンダクタンスを持つところのCl^-チャネルの発現が同定された.本チャネルのCl^-イオン選択性は高く,その活性はCl^-チャネル阻止剤SITSで抑制された. H^+, K^+-ATPase活性化による酸分泌をアクリジンオレンジ蛍光色素法によってモニターしたところ,分泌レセプター刺激によって増大し,オメプラゾールによって抑制されることが明らかとなった.細胞外の高濃度K^+はこれを更に促進し,キニンによっては強い抑制を受けた.またSITSによっても酸分泌能は著しい抑制を受けた.以上の結果から,管腔側細胞膜Cl^-チャネルが, H^+, K^+ポンプ活性と協同関係を機能的にもつことが結論された.Cl^-チャネル活性は酸分泌刺激後にはじめて出現するところから,このとき同時に管腔側膜に動員されるH^+, K^+ポンプとの分子的同一性が疑われた.しかし,オメプラゾール投与によってCl^-チャネル活性にはなんらの影響ももたらされないので, Cl^-チャネル分子とH^+, K^+ポンプ分子は機能的にみて部位を異にすることが結論された.胃壁細胞による胃酸分泌には,分泌刺激によってtubulovesideから管腔側細胞膜へと組込まれるところのH^+, K^+ポンプと,何らかのメカニズムで活性化される各種イオンチャネルが関与するものと考えられる.管腔側細胞膜上で直接単一チャネル活動を観察するために,我々が開発した培養ラット壁細胞系にパッチクランプ法を適用した.分泌刺激前の管腔側細胞膜上においては, 25-40pSの単一チャネルコンダクタンスのNa^+, K^+, Cs^+をほぼ同等に透過させるところの非選択性カチオンチャネルの存在が見いだされた.このチャネルは細胞内Ca^<24>に対する依存性は示さなかった.酸分泌刺激後には新たに15-25pSの単一チャネルコンダクタンスを持つところのCl^-チャネルの発現が同定された.本チャネルのCl^-イオン選択性は高く,その活性はCl^-チャネル阻止剤SITSで抑制された. H^+, K^+-ATPase活性化による酸分泌をアクリジンオレンジ蛍光色素法によってモニターしたところ,分泌レセプター刺激によって増大し,オメプラゾールによって抑制されることが明らかとなった.細胞外の高濃度K^+はこれを更に促進し,キニンによっては強い抑制を受けた.またSITSによっても酸分泌能は著しい抑制を受けた.以上の結果から,管腔側細胞膜Cl^-チャネルが, H^+, K^+ポンプ活性と協同関係を機能的にもつことが結論された.Cl^-チャネル活性は酸分泌刺激後にはじめて出現するところから,このとき同時に管腔側膜に動員されるH^+, K^+ポンプとの分子的同一性が疑われた.しかし,オメプラゾール投与によってCl^-チャネル活性にはなんらの影響ももたらされないので, Cl^-チャネル分子とH^+, K^+ポンプ分子は機能的にみて部位を異にすることが結論された.
リボヌクレオチドが引き起こす重篤なゲノム不安定化の分子機構

細胞内のリボヌクレオチドは、エネルギー産生の基質やRNA前駆体として必須である一方で、DNA複製中にDNA前駆体と間違われてゲノムに取り込まれることがある。その頻度は、細胞あたり実に100万分子にもなり、適切に除去されなければ極めて深刻な神経変性疾患や発がんの引き金になると言われている。本研究は、リボヌクレオチドによってゲノムにいかなる異常が、どの様な機構を介して引き起こされるかを問い、リボヌクレオチドの蓄積による疾患の発症機構を紐解く。
大電流屋体金属イオンビ-ムによる蒸着膜・結晶性・界面制御技術の開発

交付された補助金をもとに含浸電極型液体金属イオン源の大電流化及び、同イオン源を用いた薄膜形成装置の製作と金属薄膜の作製・評価に関する研究を行なった。研究経過と結果は以下のとおりである。1)イオン源の大電流化:従来の含浸電極型イオン源では、3点からのイオン放出が可能な多孔質焼結体チップにより、1.3mA程度の金属イオンビ-ムが得られていた。平成元年度には8点のイオン放出点をもつ大電流液体金属イオン源を開発し、さらに平成2年度にはそれらをさらに並列に運転できる構造を導入した。さらにイオン源のイオン引き出し電極を計算機シミュレ-ションと実験に基づいて最適化し、4.6mAの大電流ゲルマニウムイオンビ-ムを得た。さらに引き出し得る金属種の拡大に関する研究を行ない、新たにニッケル及びイットリウムのイオンを単体金属から得ることができた。含浸電極型液体金属イオン源では、これにより合計10種類の単体金属からのイオン引き出しが可能となった。2)金属薄膜形成装置の開発と薄膜成形、評価:平成元年度には大電流金属イオンビ-ムを用いた薄膜形成装置を計算機シミュレ-ションを利用して設計・開発した。平成2年度には、同装置の蒸着装置としての基礎特性を評価するとともに同装置を用いて金薄膜の作製を行ない、その結晶性を評価した。その結果、シリコン上の金薄膜は(111)配向することが明らかとなった。3)薄膜と基板界面特性の評価:平成2年度には、薄膜の界持特性を定量的に評価するために、ラザフォ-ド後方散乱スペクトルを定量的に解析する技術を確立した。実際にシリコン基板上の銅薄膜の基板と膜の界面の拡散を後方散乱スペクトルから定量化することができた。今回得られた結果より、今後の研究にとって蒸着膜の作製とその膜質制御が可能となると考えられる。含浸電極型液体金属イオン源を大電流化の研究を行い、最大4.2mAのGeイオンビ-ムを得ることができる大電流液体金属イオン源の開発した。研究経過として、平成元年度では、(1)多点放出による大電流化として、5点放出用及び、8点放出用の多孔質タングステンチップの開発を行い、イオンビ-ム引出しの大電流化を図った。(2)引出し電極形状の最適化を実験的及び計算機シミュレ-ションにより求め、イオン源の安定動作と引出し電流の増加を図った。また、(3)純金属をイオン化物質として用いる場合の引出し得るイオン種の拡大などの研究を実施した。得られた成果を概説することは次の通りである。1.含浸電極型液体金属イオン源において、これまでの三点同時放出型では、0.851.3mAの金属イオンビ-ムを得ていた。まず、5点同時放出チップ(幅5mm×厚さ2mm×長さ20mm)を開発し、引出しイオン電流を1.51.8mAまで増大した。更に、8点同時放出用チップ(幅10×厚さ2×長さ20)を開発すると同時にイオン引出し電極を最適化して、4.2mAのゲルマニウムイオン電流が得られるようになった。2.多点放出においては、これまでの楕円形やスリット形の平面図引出し電極では、チップの端部に強く電界がかかり、均一な引出し電界とならなかった。また、イオンの衝突による引出し電極からの二次電子流入によるイオン源動作に安定性がなかった。今回、傾斜角度を持つ引出し電極を開発した。

これにより、一放出点当たりの引出し電流をこれまでの0.36mAから0.5mAに増大できた。3.これまで、本含浸電極形液体金属イオン源ではAg、Au、Cu、Ge、In、Sn、Li、Gaの単位金属イオンビ-ムを得ていたが、これに加えて、今回、ニッケルとイットリウムの単体金属イオン引出しが可能となった。含浸電極型液体金属イオン源の大電流化及び薄膜形成とその評価に関する研究を行なった。結果として、4.6mAのゲルマニウムイオンビ-ムを得、また含浸電極型液体金属イオン源を用いた薄膜作製装置を開発し実際に薄膜形成とその評価を行なった。研究経過として、平成2年度では以下のような項目について研究を行なった。1)前年度に開発した8点放出用の多孔質タングステンチップを並列に設けたイオン源を開発し、引き出されるイオンビ-ムの大電流化を図った。2)大電流金属イオンビ-ムによる薄膜形成装置を製作し、実際に金のイオン源を用いて薄膜形成を行ない、その結晶性を評価した。3)さらに作製した薄膜の界面特性を評価する技術を確立した。得られた結果は以下のとおりである。1.含浸電極型液体金属イオン源においては、前年度の研究結果として、8点同時放出型で4.2mAのゲルマニウムイオンビ-ムを得た。このチップをさらに複数同時に設置してより多くの点からイオンを放出できるイオン源を開発した。結果として、4.6mAのイオンビ-ムを引き出すことができた。得られた結果は、複数のチップを用いた場合も放出点数に比例したイオン電流を得ることができることを示した。2.前年度に設計・製作した含浸電極型液体金属イオン源を用いたイオンビ-ム蒸着装置を用いて金薄膜の作製を行ない、蒸着装置としての基礎特性を評価するとともに、作製した金薄膜の評価を行なった。作製した薄膜の結晶性は(111)が優先配向することが明らかになった。3.液体金属イオン源を用いて作製した薄膜の界面特性を定量的に評価するために、ラザフォ-ド後方散乱スペクトルを定量的に解析する技術を開発した。実際に、シリコン基板上の銅薄膜の基板と膜の界面の拡散を後方散乱スペクトルから定量化することができた。
ネマチックコロイド分子が形成する異方的構造の研究

近年、1粒子内に複数の異なる性質の領域を有したマルチパッチコロイド粒子系で新規構造体が形成されることが報告されている。本研究では、ネマチック液晶中に分散した球状コロイド粒子間相互作用が双極子的であることに着目し、これらを用いた2次元・3次元構造体の作成を行った。その結果、配向が反平行の粒子からなる正多角形構造体、正8角形構造体からなる2次元構造体(アルキメデス格子)、正方形構造体からなる穴あき正方格子構造体、四面体からなるカゴメ格子状構造体など新規構造体の作成に成功した。また、数ボルトの交流電圧下でこれら構造体の1次元サイズが1秒以下の応答時間で最大20%可逆的に収縮することを見出した。本年度は、液晶が表面に対して垂直配向するように表面処理したコロイド粒子を、液晶がセル表面に対して垂直配向した液晶セル中に分散させたダイポール型コロイド粒子を用いて構造体の形成を行った。この際、コロイド粒子近傍に点欠陥が自発的に発生するが、その方向は上下2方向あり、スピンのアップとダウンとのアナロジーが成り立つ。このとき、反対向きの粒子間には引力が、同方向の粒子間には斥力が発生する。これら2種類の状態にある粒子を光ピンセットを用いて操作することで、従来の等方性液体中では実現されていないさまざまな構造体の形成に成功した。特に、粒子鎖が環状に閉じた多角形構造、反対向きの粒子数が1:1である正方形構造体、反対向きの粒子数が3:1である四面体構造を作成し、これらを構造単位とした種々の2次元周期構造の実現に成功した。電場で液晶に配向変化が誘起されることを反映して、これらの構造体は10V程度の交流電場により、1次元的な長さが20%収縮することを見出し、構造体のサイズ制御を実現した。従来報告されていた直鎖状の構造体に対して、これを閉じた円環状の構造体の作成に初めて成功し、さらにその構造の安定性を理論的に説明した。また、これらの構造体を単位としてより複雑なアルキメデスタイリングなども実現した。、さらに、電場に対して大きなサイズ変化を観測し、これら構造体が特徴あるフォトニクス構造体に応用できることを示唆した。本年度の成果の一部はすでにApplied Physics Lettersに掲載され、研究を実施した修士学生が第5回ソフトマター研究会でポスター賞を受賞した。本年度はまず、昨年度に光ピンセットを用いて階層的に作成を行った新規コロイド構造体を自己組織的に実現する方法の検討を行った。自己組織化を行う際にクリアすべき課題として、効率的な欠陥の方向制御方法の実現である。昨年度に行ったコロイド構造体の電場応答の研究で見出した、「粒子の移動方向が欠陥の方向に依存する」という興味深い物性を利用すれば電場下で両者を空間的に分離可能であることが予想される。そこで我々は、コロイド粒子を分散したネマチック液晶をセルに注入する際に交流電場を印加することで、欠陥が上向きの粒子と下向きの粒子を空間的に分離し、その後両者を混合する方法を開発した。まず、電場を印加した状態では予想通り同じ方向に欠陥を持つ粒子がセルの上面と下面に分離し、しかも相互の斥力により2次元の六方格子を形成した。この構造が十分に形成された後に電場を切ると、電場無印加の際には観察されなかった、長い直鎖状構造体、6角形リング構造体、4面体構造体、小規模の正方格子などが自己組織的に形成された。この結果、本年度新たに開発した方法を用いれば、階層的作成の際に最も時間を要していた多数の単位構造体作成が自己組織的に実現可能であることがわかった。次に、自己回転する液晶液滴を用いて流体相互作用で結合した液晶コロイド構造体の作成することを目指し、その基礎となる液晶液滴の回転を光制御する方法の研究を行った。その結果、水中に分散したネマチック液晶液滴では、円偏光照射によりその回転方向と回転速度の制御が可能なこと、コレステリック液晶では、液晶の掌性と同じ向きの円偏光のみで回転運動が誘起されることを明らかにした。今後、本年度に得られた知見を用いて回転液晶液滴の構造形成(動的構造体制御)の研究を展開する計画である。今後は、媒質である液晶として配向方向に空間的なねじれが自発的に発生するコレステリック液晶を用いることでより複雑な3次元構造体の作成を行う。この際、光ピンセットによる操作ではなく、より自己組織的な方法で構造体の作成を進める。ことに昨年度は利用しなかったひも状の欠陥で結合された構造体の作成を目指す。

ひも状欠陥の粒子に対する巻き付き方が組みひも群により分類されており、どのような構造体が実現されるかは位相欠陥の数理的基礎問題と関連しており、これらに関して新たな知見を得ることを期待している。ソフトマター物理学研究成果をまとめた論文の英文添削が年度をまたがる時期となったために、それに対する予算を次年度に繰り越す結果となった。論文の英文添削代金として次年度はじめに執行する予定である。
日常生活音シーン理解をめざした屋外集音とその応用

日常生活音を理解するための音声信号処理について研究した.まず日常生活環境音中の個々の音源の方向を検知し,音源を分離するための要素技術を開発した.日常音の音源は,多岐に渡るため,あらかじめ録音レベルを最適に設定することが難しい.そこで,従来の機器で録音がどの程度困難であるかを調査した.更に音源方向を検出する課題と,背景に音楽が流れている環境における音声信号強調手法について検討した.その他,日常音環境では,環境中の音源数を事前に知ることができないため,マイクロホン数以上の音源が存在する環境での音源分離課題について,特に音声に特化した目的信号強調手法とそのパラメータ学習手法を開発した.非防水型の従来型マイクロホンアレイと防水型マイクロホンアレイの音源定位・音源分離の性能比較を行うための準備を行った。防水型マイクロホン素子を使用してアレイを構成することによる集音特性の変化をシミュレーションにより評価する仕組みを考えた。具体的には周波数帯域、振幅特性を調整可能な音源定位アルゴリズム開発を試みた。これはアレイを構成する防水型マイクロホン素子の周波数特性が、非防水型マイクロホン素子の特性に比べ、振幅特性と位相特性がばらつくことへ対処可能なアルゴリズム開発に当たる。素子の振幅特性と位相特性のばらつきにロバストなマイクロホンアレイの開発と言い換えられる。この条件下で音源定位・音源分離手法を確立することが、屋外使用可能な防水型マイクロホンアレイの開発と見做される。本年度は、MUSIC法を用いた音源定位手法(ここでは音源方向の推定のみを行い、音源までの距離の推定を行わないため、音源到来方向推定と同義である)について検討した。MUSIC法による音源到来方向推定において、前処理に当たる周波数分析の周波数分解能によって、音源到来方向推定結果が受ける影響を調査した。MUSIC法で音声を扱うと厳密には定常ではない信号の相関行列を扱う必要がある。そのため相関行列の平滑化が必要である。ここでは行列の移動平均を導入した。入力信号の周波数分解能と相関行列の移動平均長が、MUSICスペクトル尖度に与える影響を比較した。帯域幅が広いほど高い尖度が得られることが確認されたことから、防水型化により周波数分解能が低下しても、音源定位性能が低下しない可能性を示唆できた。また、移動平均長も長いほど尖度が高い傾向を確認できた。以上のことから、今回の実験条件下では、MUSIC法による音源定位には、周波数分解能・時間分解能ともに鈍感であり、評価対象外であった位相が重要であることが示唆された。当初の計画では、防水型マイクロホンアレイを設計・開発し、実アレイで比較する計画であった。実際の防水型マイクロホンアレイの開発も並行して研究計画を進めている点と、実アレイに替わるシミュレーション環境を用意し計画を進めている点から、おおむね順調に進展していると判断した。また、シミュレーション環境を用意したことにより、実アレイの設計に理論上の性能をフィードバックでき、実アレイの製作が進めやすくなった。実アレイは手作りであるため製作に時間がかかる。今後も慎重に設計し製作を進めたい。平成27年度までに用いた音源到来方向推定手法(MUSIC法)の高精度化を行った.定常雑音を考慮したアルゴリズムを実装し挙動を確認した.定常雑音の統計的性質が既知である場合の音源到来方向推定精度は,屋内および屋外で改善できた.一方で,定常雑音の統計的性質の推定を精緻化しなければならないという課題が残った.平成27年度は,音源到来方向を中心に研究を進めてきた.平成28年度は,音源到来方向推定に加え,音源分離と分離音のパターン認識の研究を行った.位相情報やエネルギー情報を正確に収集困難な屋外において,雑音に埋もれずに使用可能な情報は限られる.そこで,音のエネルギーの高低に限定した情報表現であるバイナリクロマスペクトルを用いた音響パターン認識実験を行った.音楽音と音声が混合された人工環境で,音楽音の再生時刻を検索する実験を行った.従来から用いられている音響特徴であるクロマベクトルに比べて,バイナリクロマスペクトルを用いると高い検索精度を達成できた.このことから,雑音に埋もれずに使用可能な情報,すなわち,音声スペクトルのエネルギーの高低の情報によってパターン認識が可能であることが示唆できた.定常雑音下での録音レベルの調整問題について検討した.屋外では予め適切な録音レベルに調整することが困難という課題がある.最大入力が録音可能レベルを超えないように設定せざるを得ない.そのため,通常の音の振幅は,AD変換のダイナミックレンジ(例えば16bit)を活かし切れない.屋外録音ではAD変換の実効的な量子化ビット数が機器性能に比べ小さくなりがちである.実行的な量子化ビット数が下がるとSNRが上昇することを確認した.屋外収録では,アクティブに録音レベルを調整する技術(Active Gain Control)が特に重要であることが示唆された.屋外音を収集しパターン認識することが目的であった。そのためのアルゴリズムの改良や使用する音響特徴量の設計と改良が必要であった。音源定位手法をSEVD-MUSIC法からGEVD-MUSIC法へ改良し評価を行い、屋外での新たな課題を明らかにすることができた。屋外で使用する音響特徴量としては、屋内で有効な複素スペクトルを使用することが困難なことから、エネルギーの高低に特化した特徴を用いた実験を行い、効果を明らかにできた。また、音楽と音声の混じった環境で、マイクロホンアレイを用いた楽曲再生時刻推定の実験を行った。楽曲のパターン認識においても音源定位や音源分離が役立つことを示すことができた。これらの進捗は、研究計画通りと言える。

また研究計画になかった音源方向推定結果の可視化といった応用研究例を示すことができた。研究計画全体として、予定通り計画が進んでいると考える。一点例外として、多様な屋外音の収集が不足しているため今後収集活動を強化したい。日常生活音は,屋内外を問わず音と音が混合するシーンに遭遇する.本課題では,混合音を観測し、観測信号から各音源への分解を実現する方法を開発することである.特に,日常生活空間すなわち複数の音がありかつ残響がある音環境において実現することを検討してきた.特に劣決定条件(音源数が観測マイクロホン素子数より多い条件)では,時間・周波数・空間情報いずれを用いても音源間の干渉を避けることが困難である.統計的独立性を利用する音源分離や,空間情報の差を利用する音源分離を用いても干渉を除去することが難しい.日常生活空間での音環境理解に必要な技術は,単一チャネルに適用可能な音源分離手法である.平成29年度は,単一チャネルで観測した混合音から特定の音源情報を強調する手法を開発した.非負値行列因子分解と音声スペクトル分析を統合した信号モデルを用いた.具体的には,非負値行列因子分解と音声スペクトル分析に用いる評価尺度を双方とも板倉斎藤歪尺度を用いた後,これらを統合一し,統一尺度の下で最適化するアルゴリズムを導出した.これにより基底ベクトルには音声スペクトルモデルに当てはまるベクトルを獲得可能となった.提案非負値行列因子分解アルゴリズムで観測信号のパワースペクトルを分解することで,狭帯域雑音の干渉を受けにくい音声の基底ベクトルを推定可能となり,基底ベクトルとそのアクティベーションの積を用い音声強調可能になった.本成果により,日常生活空間で,マイクロホンアレイを用いた音源分離結果に残留する干渉を除去する手段を提供可能となった.従来から数多くの音源分離手法が研究開発されてきたが,音声と非音声の混合を扱うことが多く,音声と音声の混合を扱くことが少なかった.本成果は,複数スペクトルモデルを同時に扱うことが可能な枠組みであり,この点については今後検討が必要であるものの,新たな研究課題を明らかしたといえる.日常生活音を理解するための音声信号処理について研究した.まず日常生活環境音中の個々の音源の方向を検知し,音源を分離するための要素技術を開発した.日常音の音源は,多岐に渡るため,あらかじめ録音レベルを最適に設定することが難しい.そこで,従来の機器で録音がどの程度困難であるかを調査した.更に音源方向を検出する課題と,背景に音楽が流れている環境における音声信号強調手法について検討した.その他,日常音環境では,環境中の音源数を事前に知ることができないため,マイクロホン数以上の音源が存在する環境での音源分離課題について,特に音声に特化した目的信号強調手法とそのパラメータ学習手法を開発した.当初の平成28年度計画では、屋外の様々な場所・環境での音を収録することになっている。
外国語学習におけるTTS合成音声の有効性と可能性

本研究は日本人英語学習者を対象として、外国語学習におけるTTS(Text-To-Speech)合成音声の有効性と可能性を、特に知覚学習という観点から明らかにしようとするものである。汎用性の高いTTS合成音声の効率的な活用が話しことばの習得に貢献するならば、英語を外国語として学ぶ環境にあり、音声インプットの絶対量が不足している日本人英語学習者にとっての意義は大きい。TTS合成音声を活用した場合の1学習者の習熟度、2学習者の年齢、3学習期間、4自己関連づけ効果、5組み合わせるタスクの複雑さ、6音声の特異性(声・性別・なまり等の違い)の6項目について各種実験を用いて学習効果を調査し、TTSを使用した、より効果的な外国語の学習・指導方法を提案する。初年度(平成29年度)に、先行研究の調査・検討を行った上で、学習者の要因(1習熟度)と学習内容による要因(5組み合わせるタスクの複雑さ、6音声の特異性)がTTS合成音声を活用した知覚学習にどのような影響を及ぼすかを探るために、実験用の刺激文の作成と改訂を重ね、パイロット調査の実施準備を整えていた。しかし、勤務先の変更が決定し、実験用の機器やソフトウェアを二重に購入する事態を回避するために、平成30年度は実験を保留する必要があった。また、平成31年度に実施予定のTTS合成音声を活用した場合の長期的な学習効果の調査(3学習期間)については管見の限り先行研究が見当たらないため、初年次にあらかじめ単語単位で半年に渡るパイロット調査を実施したが、平成30年度も引き続きパイロット調査を実施し、調査方法や刺激を更に見直した。さらに、TTS合成音声を使用したフレーズ単位の実験結果をまとめた。なお、平成30年度は研究協力者とのミーティングを2回(8月7日と9日)実施した。平成31年度4月から勤務先が近畿大学に変更となることが決まり、平成30年度まで勤めていた藍野大学と近畿大学で実験用の機器やソフトウェアを二重に購入する事態を避けるために、平成30年度は実験を保留する必要があった。そのため、本実験の実施が予定より遅れている。平成30年度にはパイロット調査を実施し、またTTS合成音声を使用したフレーズ単位の実験結果をまとめたため、本研究課題は総合的に見てやや遅れていると判断した。令和元年度は即座に研究に従事する体制を整える予定である。平成29年度と平成30年度に準備し、実施したパイロット実験の成果を踏まえて予定していた本実験を開始し、発表・論文を執筆する。初年度(平成29年度)は、先行研究の調査・検討を行った上で、学習者の要因(1習熟度)と学習内容による要因(5組み合わせるタスクの複雑さ、6音声の特異性)がTTS合成音声を活用した知覚学習にどのような影響を及ぼすかを探るために、実験用の刺激文の作成と改訂を重ね、パイロット調査の実施準備を整えた。また、平成31年度に実施予定のTTS合成音声を活用した場合の長期的な学習効果の調査(3学習期間)については管見の限り先行研究が見当たらないため、あらかじめ単語単位で半年に渡るパイロット調査を実施した。これにより、調査方法や刺激を更に見直し、平成30年度も引き続きパイロット調査を実施する予定である。なお、平成29年度は研究協力者とのミーティングを5回(5月28日、8月5日、8月6日、8月7日、9月17日)実施した。平成29年度から藍野大学に着任し、採択後即座に研究に従事する体制を整えるのが困難であったため、本実験の実施が予定より遅れている。ただし、平成31年度に実施予定の調査に先立つパイロット調査を単語単位ではあるが並行して行ったため、本研究課題は総合的に見てやや遅れていると判断した。初年度(平成29年度)に、先行研究の調査・検討を行った上で、学習者の要因(1習熟度)と学習内容による要因

(5組み合わせるタスクの複雑さ、6音声の特異性)がTTS合成音声を活用した知覚学習にどのような影響を及ぼすかを探るために、実験用の刺激文の作成と改訂を重ね、パイロット調査の実施準備を整えていた。しかし、勤務先の変更が決定し、実験用の機器やソフトウェアを二重に購入する事態を回避するために、平成30年度は実験を保留する必要があった。また、平成31年度に実施予定のTTS合成音声を活用した場合の長期的な学習効果の調査(3学習期間)については管見の限り先行研究が見当たらないため、初年次にあらかじめ単語単位で半年に渡るパイロット調査を実施したが、平成30年度も引き続きパイロット調査を実施し、調査方法や刺激を更に見直した。さらに、TTS合成音声を使用したフレーズ単位の実験結果をまとめた。なお、平成30年度は研究協力者とのミーティングを2回(8月7日と9日)実施した。平成31年度4月から勤務先が近畿大学に変更となることが決まり、平成30年度まで勤めていた藍野大学と近畿大学で実験用の機器やソフトウェアを二重に購入する事態を避けるために、平成30年度は実験を保留する必要があった。そのため、本実験の実施が予定より遅れている。平成30年度にはパイロット調査を実施し、またTTS合成音声を使用したフレーズ単位の実験結果をまとめたため、本研究課題は総合的に見てやや遅れていると判断した。令和元年度は即座に研究に従事する体制を整える予定である。平成29年度に準備したパイロット実験の成果を踏まえて29年度実施を予定していた本実験を開始し、発表及び論文の執筆を行う。平成29年度と平成30年度に準備し、実施したパイロット実験の成果を踏まえて予定していた本実験を開始し、発表・論文を執筆する。平成29年度に参加を予定していた国内学会への参加ができなかったことや、パイロット調査を実施する段階であるため、本実験の参加者への謝礼金が生じなかったこと等が原因である。平成30年度は、研究成果の発表を学会において行うための旅費や、研究に必要な物品の購入(心理学実験ソフトのライセンス等)、実験参加者への謝礼金及び本調査の実施後のデータ入力にかかる協力者への謝礼金等に使用する予定である。勤務先の変更が決定していた関係で本実験に進むことができなかった。そのため、平成30年度に参加を予定していた国際学会への参加ができなかったこと、参加者への謝礼金が生じなかったことなどが原因で次年度使用額が生じている。令和元年度は、研究成果の発表を学会において行うための旅費や、研究に必要な物品の購入(心理学実験ソフトのライセンス等)、実験参加者への謝礼金及び本調査の実施後のデータ入力にかかる協力者謝礼金などに使用する予定である。
面内圧縮荷重を受ける連続防撓パネルの信頼性解析

本年度は,昨年度開発した,防撓材方向に面内圧縮荷重を受ける連続防撓パネルの最終強度算式を用いて,最終強度信頼性解析を実施した。はじめに,既存の防撓パネルの最終強度算式としてDNV(ノルウェー船級協会)の強度算式を選び,本研究で開発した強度算式とDNVの強度算式より得られる最終壊強度信頼性を比較した。DNV算式では,防撓材深さが深い場合に,最終強度をかなり過小に評価する場合があり,この場合,得られる信頼性指標は最終強度以上に小さな値を示す。このようにDNV算式では,最終強度の推定値自体の問題があり,正しい信頼性を求めることはできない。一方,本研究で提案した強度推定法は,高い精度で最終強度を推定するため,精度の良い信頼性指標が得られる。ところで,同じ防撓材形状でパネル板厚を増加していくと最終強度が上昇していくが,ある板厚を過ぎると,最終強度は逆に低下する。このように強度のピークを与えるパネル板厚が存在するが,最終強度信頼性のピークを与えるパネル板厚は,最終強度のピークを与えるパネル板厚に比べ小さくなることが分かった。次に,本研究で開発した強度算式より得られる最終強度信頼性に対して,防撓材の初期捩れ量及び溶接による圧縮残留応力量のばらつきが及ぼす影響について調べた。その結果,初期捩れ量のばらつきの影響は小さいことが分かった。また,溶接残留応力のばらつきの影響は大きく,これを考慮することで,最大8%程度信頼性指標が低下する。ただし,防撓パネルが梁・柱として崩壊する場合には,溶接残留応力のばらつきの影響は小さくなる。今年度は、面内圧縮荷重を受ける連続防撓パネルの信頼性解析を行う上で必要な、連続防撓パネルの圧縮強度を精度良く推定できる強度算式の開発を行った。まず、面内圧縮荷重を受けるflat-bar、angle-barおよびtee-bar防撓材を有する連続防撓パネルを対象として、FEMによる弾塑性大たわみ解析を実施し、連続防撓パネルの圧壊挙動の特徴を詳細に分析した。その結果、連続防撓パネルの圧壊は、防撓パネル全体が梁・柱として全体座屈を生じ、全体座屈変形の曲げの圧縮側となる防撓材頂部で降伏域が拡がった時点で起こることが分かった。また、防撓材とパネルの相互影響や隣接スパン間の相互影響が連続防撓パネルの圧壊挙動に大きく影響していることが分かった。次にこれらの解析結果を基に、連続防撓パネルの圧壊強度推定算式の開発を行った。この推定式は以下に示す特徴を有する。1)連続防撓パネルを隣接スパンにわたる範囲からなる1本のダブルスパン梁・柱に置き換える。2)防撓材とパネルの相互影響として、防撓材の捩り剛性によるパネルの局部座屈強度の上昇および、防撓材の捩り変形に対するパネルの抵抗を考慮する。3)面内圧縮荷重を受けるダブルスパン梁・柱の曲げあるいは捩り変形によって生じる軸方向応力と圧縮溶接残留応力の和が、ある判定点において降伏応力に達した時点の荷重を圧壊強度とする。そして、この強度算式による圧壊強度推定値とFEM解析結果あるいは既存の圧壊試験結果と比較し、既存の圧壊強度算式と比べ提案手法が非常に有用であることを確認した。
大腸癌幹細胞を標的とした新しい光線免疫療法の開発応用

1.ヒト大腸癌オルガノイドに関する検討10症例の大腸癌オルガノイドの樹立ならびに継代培養に成功した。がん幹細胞マーカーである、LGR5、CD133、CD44v6に対して免疫染色ならびにフローサイトメトリーを行い、発現量を評価した。発現量は個体により様々であることが確認された。また、大腸癌のキードラッグである5-FUおよびオキサリプラチンを用いて50%阻害濃度(IC50)による薬剤耐性を評価するとともに、ヌードマウスにオルガノイドを移植し、増殖能および薬剤耐性を評価した。薬剤耐性を比較した結果、IC50は大腸癌オルガノイドが大腸癌細胞株より高値であった。これは大腸癌オルガノイドが、分化した癌細胞よりも薬剤抵抗性が高いこと、つまり癌幹細胞の性質を有していることが示唆された。フローサイトメトリーの結果を照合すると、Lgr5陽性細胞陽性細胞中でCD133陽性率が高いものは薬剤感受性が高く、CD133陽性率が低いものが薬剤耐性に関わっている可能性が考えられた。2.光線免疫療法について消化管間葉系細胞であるGIST細胞株を用い、IR700-c-KIT抗体(12A8)抗体反応下に近赤外レーザーを照射したところ、照射量依存的に細胞生存率の低下を認め、100J/cm2照射で0%となった。また、Annexin V (+)細胞の増加とcleaved PARPの発現増加を認め、アポトーシスによる細胞死が示唆された。ヌードマウスにGIST細胞を移植後、IR700-12A8を静脈投与した。続いてレーザー照射を定期的に行い、腫瘍の縮小率をコントロール群とで比較した。全治療マウスで90%以上の腫瘍縮小率が得られ,そのうち4匹では腫瘍が完全に消失した。TUNEL染色によるApoptotic Indexは,対照群(約3%)に対して治療群(約58%)で有意に高かった(p<0.01)。ヒト大腸癌よりオルガノイドの培養・継代を行う技術は安定し、ライブラリー構築が順調に進んでいる。ソーティングによるLGR5発現細胞、CD133発現細胞の数が十分に収集できるように工夫が必要であるが、現時点では代替細胞として消化管間葉系細胞を用いて光免疫治療の基盤技術の確立を行っており、照射量依存性に効果があがることが確認された。今後は大腸癌幹細胞からLGR5陽性細胞あるいはCD133陽性細胞をソーティングするとともに、それぞれの陽陰性分画で薬剤耐性、細胞増殖能をin vitroで評価する。続いて小動物に各オルガノイドを移植し、in vivoレベルで同様に評価を行う。今年度の実績で確立された光免疫療法技術をオルガノイド移植マウスに行い、大腸癌幹細胞の抑制実験を進める。大腸癌幹細胞を同定するために、徳島大学病院臨床試験センターの承認を得て、ヒト大腸癌より内視鏡下に検体を採取し、様々な臨床的背景(K-ras変異の有無、局在など)を有する大腸癌オルガノイド培養の樹立、継代に成功した。続いて大腸癌幹細胞のマーカーとして代表的かつ重要な役割を担う、CD133, CD44v6, LGR5の免疫染色をオルガノイドに対して行った。いずれの分子も細胞膜に強い発現がみられ、大腸オルガノイドが癌幹細胞の動態を反映することが確認された。一方、われわれは消化管間質細胞(Gastrointestinal Stromal Tumor:GIST細胞)を用いて免疫不全動物(ヌードマウス、ヌードラット)に対して皮下移植および同所移植モデルを作成し、GIST細胞膜で95%以上に発現するc-KIT抗体をターゲットにした光免疫療法に着手した。本法は腫瘍に対する特異的抗体に光感受性物質をラベルして標識抗体を作成、動物モデルに標識抗体を静脈投与し、IVISで光感受性物質の集積を確認するとともに、腫瘍部位に対して特定の波長でレーザー治療を行うものである。その結果、レーザーの用量依存性に治療効果が得られ、7匹中4匹で完全消失に至った。これは癌幹細胞の光免疫療法に応用する前段階の実験であるが、光免疫療法の安全性と有効性を強く示唆する成績と考えられた。癌幹細胞においては可塑性を有することが知られていることから、分化の過程で各種の幹細胞マーカーがどのように増減するかを評価する目的で、今後免疫蛍光染色やフローサイトメトリー法、ウェスタンブロッティング法を用いて定量的に評価を行う。これらの検討により得られた基礎的なデータを参考にして既存の治療法と癌幹細胞の動態を明らかにし、光免疫療法への応用へと展開する方針である。オルガノイドライブラリーの検体数が予定よりも若干少なめであるが、樹立培養は順調に行えている。ヒト腫瘍の再現性はヌードマウスに皮下移植モデルを作成し、確認を行った。CD44,CD133,LGR5の発現強度は少ないサンプルながら評価を継続的に行ってきており、今後サンプル数の増加に伴いデータの傾向が明確になると予測する。また、GIST細胞を用いて並行して行った光免疫治療は細胞種は異なるものの、in vitro, in vivoともに良好な結果が得られている。

また、大腸癌のキードラッグである5-FUおよびオキサリプラチンを用いて50%阻害濃度(IC50)による薬剤耐性を評価するとともに、ヌードマウスにオルガノイドを移植し、増殖能および薬剤耐性を評価した。薬剤耐性を比較した結果、IC50は大腸癌オルガノイドが大腸癌細胞株より高値であった。これは大腸癌オルガノイドが、分化した癌細胞よりも薬剤抵抗性が高いこと、つまり癌幹細胞の性質を有していることが示唆された。フローサイトメトリーの結果を照合すると、Lgr5陽性細胞陽性細胞中でCD133陽性率が高いものは薬剤感受性が高く、CD133陽性率が低いものが薬剤耐性に関わっている可能性が考えられた。2.光線免疫療法について消化管間葉系細胞であるGIST細胞株を用い、IR700-c-KIT抗体(12A8)抗体反応下に近赤外レーザーを照射したところ、照射量依存的に細胞生存率の低下を認め、100J/cm2照射で0%となった。また、Annexin V (+)細胞の増加とcleaved PARPの発現増加を認め、アポトーシスによる細胞死が示唆された。ヌードマウスにGIST細胞を移植後、IR700-12A8を静脈投与した。続いてレーザー照射を定期的に行い、腫瘍の縮小率をコントロール群とで比較した。全治療マウスで90%以上の腫瘍縮小率が得られ,そのうち4匹では腫瘍が完全に消失した。TUNEL染色によるApoptotic Indexは,対照群(約3%)に対して治療群(約58%)で有意に高かった(p<0.01)。ヒト大腸癌よりオルガノイドの培養・継代を行う技術は安定し、ライブラリー構築が順調に進んでいる。ソーティングによるLGR5発現細胞、CD133発現細胞の数が十分に収集できるように工夫が必要であるが、現時点では代替細胞として消化管間葉系細胞を用いて光免疫治療の基盤技術の確立を行っており、照射量依存性に効果があがることが確認された。まず、フローサイトメトリーで各癌幹細胞のマーカーであるLGR5,CD44,CD133の発現強度がどの程度であるかを各オルガノイドで評価する。キードラッグである5-FUやオキサリプラチンを投与することで発現強度に差が出るかどうかを評価する。続いてin vitroで光免疫療法を行う。免疫不全動物を用いてマウス皮下移植モデル、マウス腹腔内播種モデル、ラット同所移植モデルを作成していく予定である。これら動物モデルに対して光免疫療法を行い、治療効果を評価する。また、既存の治療(殺細胞性化学療法剤)により癌幹細胞の動態(ゲノム変化も含めた)を評価する。癌幹細胞を個別に治療標的とした場合に他の癌幹細胞が代償的に機能するかどうかを評価する目的で検討を進める予定である。今後は大腸癌幹細胞からLGR5陽性細胞あるいはCD133陽性細胞をソーティングするとともに、それぞれの陽陰性分画で薬剤耐性、細胞増殖能をin vitroで評価する。続いて小動物に各オルガノイドを移植し、in vivoレベルで同様に評価を行う。今年度の実績で確立された光免疫療法技術をオルガノイド移植マウスに行い、大腸癌幹細胞の抑制実験を進める。オルガノイドライブラリーの樹立が予定よりもやや遅れたことにより、オルガノイド培養に必要なマトリゲルや培地、構成材料費を翌年度分に移行する必要が生じた。次年度はオルガノイド培養の樹立件数が増加することが見込まれることから、支出実績の累積が予測される。