hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
分子生物学と構造解析の融合によるロドプシンの究極の長波長化への挑戦

本研究ではより組織透過性が高く、生体侵襲性の低い長波長光で動作が可能なオプトジェネティクスツールの実現のため、様々な微生物型ロドプシンの吸収波長の長波長化に取り組んだ。その結果新たに既存の分子より長波長に吸収を持つ、内向きH+ポンプ型ロドプシン(PoXeR)を新たに深海性の細菌P. oceaniより発見した。また比較的長波長に吸収を持つ分子に、本来短波長に吸収を持つ別の機能を持つロドプシンの重要なアミノ酸を導入することで、もともとのものよりもその吸収を長波長化できることを示した。また多くのロドプシンで高度に保存されているアミノ酸を変異することで、系統的に長波長化が可能である事を見出した。本研究ではオプトジェネティクス(光遺伝学)において高い需要がある長波長吸収型ロドプシンを作製するため、分子生物学的な手法による変異体作製と物理化学的な分子構造解析によって論理的な分子デザインを行うことを目的とする。今年度は新規長波長吸収型プロトン(H+)ポンプ型およびナトリウム(Na+)ポンプ型ロドプシンの作製を目指し、様々な野生型分子に対して変異体作製を試み、その吸収波長と活性の測定を試みた。その内我々が2013年に新たに海洋性真正細菌から発見したNa+ポンプ型ロドプシンについてはX線結晶構造解析により、その分子構造を決定することに成功した(Kato et al., Nature (2015))。これによりレチナール周辺の残基の配向を完全に明らかにすることができ、そこからシッフ塩基側の残基が特に吸収波長制御に重要であることを示唆する構造的特徴が見出された。それをもとに新たに変異体を作製したところ25 nm程度長波長シフトした分子を得ることに成功した。またさらにその活性を評価したところ野生型とほぼ同じイオンの輸送活性も保持されていることが示された。既に今年度我々は野生型Na+ポンプ型ロドプシンが、オプトジェネティクスに応用した際に強い神経の抑制能を持つことを明らかにしている。従って今回の結果はこの新規長波長吸収型Na+ポンプを用いることで、より細胞毒性の低い超波長光での抑制が可能であることが強く示唆され。今後はそれを実証するための電気生理学実験を試みる。一方でH+ポンプ型ロドプシンについては、レチナール周辺のアミノ酸を変異させたところ予想とは逆に短波長シフトを示したが、驚くべきことにこの分子はH+チャネル型のものへと変化しており(Inoue et al., J. Am. Chem. Soc. (2015))、今後新たなオプトジェネティクスツールとしての応用が期待される。本年度は本研究で作製した、最も長波長に吸収を持つロドプシン(GR NDQ λ= 607 nm)を含む成果をJ. Biol. Chem誌に報告した(Inoue et al., J. Biol. Chem. (2016))。さらにこの論文の中では、ロドプシンのレチナール周辺のアミノ酸残基を変異することで、Na+ポンプ型ロドプシンをH+およびCl-ポンプ型ロドプシンに、またCl-ポンプ型ロドプシンをH+ポンプ型ロドプシンへと容易に機能転換できることを示した。この事は本研究で目標とする、長波長吸収型機能性分子の作製に向けて、大きな知見を与える。一方でこれらと逆方向の三種の機能転換(H+→Na+ポンプ、H+→Cl-ポンプ、H+→Na+ポンプ)については、それぞれにより多くのアミノ酸変異を導入しても機能の転換が見られなかった。これら機能転換の成否と、三種類のロドプシンの進化的な関係の相関を見たところ、機能転換が転換されたのは全て進化を逆行する方向のものであり、進化を進める方向の機能転換がとても困難であることが示された。この事は祖先の分子の機能に重要な構造的エッセンスは、そこから派生した分子の中にも保持されており、アミノ酸変異によって容易に過去の機能が呼び起こされるのに対し、自然界において新機能獲得のためにはより多くのアミノ酸変異が必要であること示唆していると考えられる。これらについてはロドプシンの機能決定メカニズムの解明だけでなく、自然界におけるより広範な分子の進化に対する知見を与えるものであると考えられる。今年度はこれらを含めロドプシン研究についての成果を7報の論文と2報の解説、11件の招待講演などで発表した。また本年度研究代表者の井上は、ロドプシンのメカニズム研究について「第8回分子科学会奨励賞」および「日本化学会平成27年度進歩賞」を受賞し、本研究の注目度の高さが示されている。これまでの研究で607 nmという極めて長波長に吸収を持つロドプシンの構築には成功したが、そのままでは機能が消失してしまうという問題があった。これに対して、今年度オプトジェネティクスへの応用性を示した(Kato et al., Nature (2015))、Na+ポンプ型ロドプシンについて、新たに10種類以上の細菌の持つ分子をスクリーニングしたところ、従来研究に用いていたKR2よりも25 nm程度長波長に吸収を持ち、さらにイオン輸送活性を持つ分子の同定に成功している。すでに昨年度までに、KR2の変異体について同様の吸収を持つものが見つかっているが、今回新たに発見された分子は自然界における野生型のものとして、この領域に吸収を持ち、より高い安定性を持つことが期待される。

一方今年度は新たにCl-ポンプについて、長波長化を試みたところ、真正細菌型のCl-ポンプ型ロドプシンの持つ特徴であるNTQモチーフを、H+ポンプ型ロドプシン・GRに導入した変異体は567 nmに吸収を持ち、通常のCl-ポンプ型ロドプシンよりも40 nm以上長波長化することに成功した。しかしこの分子についてもまだイオンの輸送活性は見られていないため、更なる変異導入により長波長光でのイオン輸送を実現する。またこれまでの研究で、我々は数残基のアミノ酸変異によって、Na+→H+、Na+→Cl-、Cl-→H+3つについて、ロドプシンの機能転換が達成されることを実証した。これに対し、それぞれの逆方向の機能転換については、まだ成功していない。そこで今後はこれまで用いていたロドプシンに加え、進化的に異なる位置に存在する分子に新たなものに変異を加えることで、6パターンの全ての組み合わせの機能転換について、達成することを目指す予定であり、現在アミノ酸変異体の遺伝子構築をほぼ完了している。前年度までの研究において、ロドプシンの発色団周辺にアミノ酸変異を施すと、野生型よりも長波長に吸収を持つ多数の変異体を作製することができる一方で、それと共に輸送機能が消失してしまう問題点が生じていた。そこで今年度は更なる網羅的なアミノ酸変異による機能性分子の探索を実施した。その結果KR2について40 nm以上長波長シフトを示しながら、野生型とほぼ変わらない輸送能を持つ分子の作製に成功した。この分子については、本研究の主目的である従来よりも長波長の光を用いた神経操作が可能なオプトジェネティクスツールとして期待される。また新たに海洋性細菌から内向きにH+を能動輸送する、光駆動型内向きH+ポンプロドプシンを新たに発見し、その機能機構や輸送能を向上させた変異体作製についての成果を注目度の高い総合科学誌である、Nature Commun.誌に報告した。一方でJ. Biol. Chem.誌に報告した、H+、Cl-及びNa+ポンプ型ロドプシンの間の機能転換研究についての論文が、同誌の2016年のHighlight論文(掲載論文2,377報中23報)に選ばれた。このことは本研究で行った研究成果が国際的にも非常に高い評価と注目度を得ていることを示すものである。またこれまで集中的に研究が行われてきたKR2以外のNa+ポンプを用いた新規オプトジェネティクスツールや、Na+ポンプの輸送に関わる光反応の初期過程についての分光研究の成果をそれぞれPLOS ONE誌及びJ. Phys. Chem. Lett.誌に報告した。今年度はこれらを含めロドプシン研究についての成果を8報の論文と3報の解説、15件の招待講演などで発表した。また本年度研究代表者の井上は、ロドプシン研究について26th IUPAC International Symposium on Photochemistryで口頭発表を行い、その成果について「Awards for excellent presentations: Young researcher oral presentation awards」を受賞した。これは本研究の注目度の高さを示すものである。本研究ではより組織透過性が高く、生体侵襲性の低い長波長光で動作が可能なオプトジェネティクスツールの実現のため、様々な微生物型ロドプシンの吸収波長の長波長化に取り組んだ。その結果新たに既存の分子より長波長に吸収を持つ、内向きH+ポンプ型ロドプシン(PoXeR)を新たに深海性の細菌P. oceaniより発見した。
頻繁なノード参加における分散ハッシュ表の高速な検索アルゴリズムの開発

分散ソフトウェアシステムの回復性のため、一定次数のオーバレイネットワークにおける単純な経路制御アルゴリズムを提案した。このアルゴリズムを用いることによって、P2P型システムのような分散システムにおいて、特定のリソースを持つノードを効率的に検索することができる。提案アルゴリズムの数学的評価によって、平均的な次数がノード数によらず一定であること、および、ノード数に対して経路長が対数となることを示した。次数が一定であることから、ノード数が多い場合でも、ノードの参加や離脱の時、隣接ノードを更新するための負荷が高くならず、スケーラブルなシステムを構築できると考えられる。シミュレーションの結果、Chordアルゴリズムに比べ、提案アルゴリズムにおける損失メッセージ数が少ないことが示された。分散ハッシュ表では,あるキーに対する担当ノードを検索するためにオーバレイネットワークを用いる.オーバレイネットワークを構成するために多数のアルゴリズムが提案されており,アルゴリズムがオーバレイネットワークの性能に影響する.オーバレイネットワークのアルゴリズムを評価するためには,実際に通信を行う実験や仮想的に通信を行うシミュレーションによる方法などがある.実験による方法では,より現実に近い結果を得られると期待されるが,多数のノードからなるオーバレイネットワークを構成することは難しい.シミュレーションによる方法では,多数のノードからなるオーバレイネットワークを構成することは可能であるが,その結果が現実に近いことが重要である.本研究では,実験とシミュレーションにおいて同一コードでアルゴリズムを実装可能なOverlayWeaverを用い,PlanetLab上の実験によって得たデータとシミュレーションによって得たデータとを比較した.その結果,統計的に有意な差があることを確認し,第9回情報科学技術フォーラムにて発表した.データの差の原因として,マルチスレッドによる実時間シミュレーション方式であったことが考えられる.マルチスレッドを用いると,1つのCPUで複数ノードの処理をシミュレートできる.しかし,ノード数が多くなるにつれてCPUの負荷が高くなり,1つのCPUで1つのノードを処理する実験と比べて処理時間の差が大きくなる.そこで,単一スレッドによる離散イベントシミュレーション方式を採用し,実験とシミュレーションにおいて同一コードでアルゴリズムを実装可能なシミュレータを新たに開発した.分散ハッシュ表では,あるキーに対する担当ノードを検索するためにオーバレイネットワークを用いる.オーバレイネットワークを構成するために多数のアルゴリズムが提案されており,アルゴリズムがオーバレイネットワークの性能に影響する.オーバレイネットワークのアルゴリズムを評価するためには,実際に通信を行う実験や仮想的に通信を行うシミュレーションによる方法などがある.実験による方法では,より現実に近い結果を得られると期待されるが,多数のノードからなるオーバレイネットワークを構成することは難しい.シミュレーションによる方法では,多数のノードからなるオーバレイネットワークを構成することは可能であるが,その結果が現実に近いことが重要である.本研究では,実験とシミュレーションにおいて同一コードでアルゴリズムを実装可能なOverlayWeaverを用い,PlanetLab上の実験によって得たデータとシミュレーションによって得たデータとを比較した.その結果,統計的に有意な差があることを確認し,第9回情報科学技術フォーラムにて発表した.データの差の原因として,マルチスレッドによる実時間シミュレーション方式であったことが考えられる.マルチスレッドを用いると,1つのCPUで複数ノードの処理をシミュレートできる.しかし,ノード数が多くなるにつれてCPUの負荷が高くなり,1つのCPUで1つのノードを処理する実験と比べて処理時間の差が大きくなる.そこで,単一スレッドによる離散イベントシミュレーション方式を採用し,実験とシミュレーションにおいて同一コードでアルゴリズムを実装可能なシミュレータを新たに開発した.昨年度までの研究で,実験とシミュレーションにおいて同一コードでアルゴリズムを実装可能なOverlayWeaverを用い,PlanetLab上の実験によって得たデータとシミュレーションによって得たデータとを比較した.その結果,統計的に有意な差があることを確認し,第9回情報科学技術フォーラムにて発表した.データの差の原因として,マルチスレッドによる実時間シミュレーション方式であったことが考えられる.マルチスレッドを用いると,1つのCPUで複数ノードの処理をシミュレートできる.しかし,ノード数が多くなるにつれてCPUの負荷が高くなり,1つのCPUで1つのノードを処理する実験と比べて処理時間の差が大きくなる.そこで,本年度は単一スレッドによる離散イベントシミュレーション方式を採用し,実験とシミュレーションにおいて同一コードでアルゴリズムを実装可能なシミュレータを新たに開発した.OverlayWeaverと開発したシミュレータを用いた単一CPUによる多数ノードのシミュレーション結果と,PlanetLab上の多数CPUによる多数ノードのシミュレーション結果を比較する実験を行った.その結果,マルチスレッド方式より離散イベントシミュレーション方式の方が誤差が小さくなることを確認し,第75回全国大会にて発表した.これまでの研究で提案した一定次数のオーバレイネットワークにおけるルーティングアルゴリズムの性能を離散イベントシミュレーション方式によるシミュレータを用いて評価する実験を行った.その結果,ノードの参加と離脱の頻度が高い場合,従来手法のChordと比べ,パケットの損失率が小さくなることを確認し,第22回ソフトウェア信頼性工学国際会議ISSREにて発表した.計画通り、実験とシミュレーションにおいて同一コードでアルゴリズムを実装可能なシミュレータ、および、そのアプリケーションを開発することができた。

その成果を、国際会議1件(査読付き)と国内会議2件(査読なし)で発表することができた。24年度が最終年度であるため、記入しない。今後は、様々な条件においてシミュレーションと実験を行い、その結果をまとめ、学術論文誌に投稿する。具体的には、ノードの参加と離脱が頻繁に生じる条件において、従来手法と提案手法とを比較するシミュレーションを行う。ノード数が急激に増加していく状態、ノード数が平均的に一定となる定常状態、ノード数が減少していく状態などに分類し、手法の違いによる特性の違いを比較する。さらに、提案手法を適用したアプリケーションの有効性を確かめるため、実証実験を行う。
要介護老人の家族介護者の介護力に関わる検討

平成12年度より、高齢夫婦世帯の介護状況について、客観的な評価指標による評価を試みるため、高齢夫婦世帯における被介護者の介護状況を環境・身体介護・心理的介護の3側面から既存の評価指標を用い評価し、それらの介護状況に影響を与えていると考えられる被介護者の介護ニーズ、介護者の介護力との関連を検討することを目的として保健婦による面接調査および保健婦からの聞き取り調査を行った。結果、介護状況に影響を与える因子は、介護者の健康状況、社会資源の認知度、ソーシャルサポート、被介護者の年齢、痴呆の有無であった。社会資源の認知に関しては、現在、社会資源を実際には利用してはいないが、資源の存在を認知しているもののほうが介護状況が良好であった。また、ソーシャルサポートもこれに関連しており、地域との関係が良好で、情報が多くもたらされ、周囲からサポートされることが、介護状況に大きく影響を与えることが伺える。また、介護状態の客観的評価、特に環境的な側面において、面接調査による評価得点が低くても、本人・家族の評価は必ずしも不満足なものではなく、評価にずれが生じている場合もあった。本研究は、介護の客観的な評価を行うことを目的として研究を行ったが、介護保険の認定時に求められる認定調査のような客観的な評価も求められるが、加えて、質的な評価が本人・家族のQOLを確保していくためには重要であることが明らかになった。また、従来から明らかになっているように、介護者の健康状態が被介護者の介護状況に大きく関わっており、被介護者の健康の維持増進とともに、介護者の健康の維持増進を行っていくことが重要である。本年度は高齢夫婦世帯における被介護者の介護状況を環境・身体介護・心理的介護の3側面から既存の評価指標を用い評価し、それらの介護状況に影響を与えていると考えられる被介護者の介護ニーズ、介護者の介護力との関連を検討することを目的として研究を行った。調査対象は一定地域内に居住する高齢夫婦世帯のうち、夫もしくは妻のどちらかが、被介護状態となっている70世帯であり、拒否1世帯、長期不在3世帯を除く66世帯に対し、保健婦による訪問面接調査を行った(回収率94.3%)。結果として、介護状況に影響を与える因子は、介護者の健康状況、社会資源の認知度、ソーシャルサポート、被介護者の年齢、痴呆の有無であった。介護者の介護状況には被介護者の状況のみならず、介護者の健康状況やソーシャルサポート状況といった家族全体の状況が影響しており、また、社会資源については、現在実質的に活用する必要はなくとも、適時そのサービスが活用できるよう情報を持っていることが重要なことが明らかにされた。平成12年度においては、農山村地域における高齢夫婦世帯における介護状況について、分析、検討を行った。次年度においては、さらに本研究を他地域に拡大し、各地域の社会資源および風土性といった特徴を踏まえ、介護力に関わる要因を明らかにしていきたいと考えている。
癌細胞膜アビジン発現とスカベンジャー受容体内在化による特異的普遍的内照射法の開発

1.副作用の少ないアイソトープ内用療法を行うために、ビオチンに高い親和性を有するアビジンとエンドサイトーシス機構により治療核種標識ビオチンの細胞内移行が可能なスカベンジャー受容体を融合したタンパク質(アビジン・スカベンジャー受容体複合タンパク質;スカビジン)の構築を行った。融合タンパク質を構築するためには、それぞれの遺伝子をクローニングしてくる必要がある。まず、ヒトスカベンジャー受容体(hSR-A-II)のクローニングを行った。THP-1細胞(ヒト単球性白血病細胞)に12-o-tetradecanoyl phorbol-13-acet ateを負荷し、トータルRNAの抽出を行った。次に、hSR-A-IIを認識するプライマーを用いてPCRによりhSR-A-II cDNAを増幅した。PCR産物のアガロース電気泳動を行い、予想されるバンドを切り出し、精製キットを用いてPCR産物の精製を行った。このPCR産物を用い、StrataClone PCR cloning Kitを使って、hSR-A-II cDNAのクローニングを行った。いくつかのシングルコロニーを選択し、制限酵素処理を行った後にPCR産物の導入の確認を行った。導入が確認されたコロニーに対し、シークエンス反応を行い、hSR-A-II cDNAであることを確認した。アビジンのクローニングは、ニワトリの卵管からトータルRNAを抽出した後、hSR-A-IIのクローニングと同様の方法で行い、シークエンスにより確認を行い、アビジンcDNAを得た。アビジンcDNAをhSR-A-II cDNAと融合させる部位については、hSR-A-IIのエンドサイトーシス機能を保持するために、hSR-A-IIのコラーゲン様ドメインとN結合糖鎖領域の間にアビジンcDNAを導入することを計画した。そのためには、hSR-A-II cDNAの813番目の塩基をチミンからシトシンに変換する必要がある。この点変異によりこの部分のアミン酸が変化することはなく、hSR-A-IIの機能を保持できると考えている。2.内用療法の効果・毒性に深く関与する放射性核種選択に関わる検討を行った。^<186>Reが^<131>Iに比べ、治療効果・毒性の双方において優位であることが明らかとなった。3.癌治療における治療前効果予測は、近い将来可能となるであろういわゆるテイラーメイド医療に深く関わっている問題である。^<99m>Tc-sestamibi等によるシンチグラフィ効果予測に関わる因子を検討した。遺伝子導入細胞による実験系における評価に先立ち、腹腔播種モデルの本実験計画における妥当性を検証した。1x10^7個のLS180ヒト大腸癌細胞をヌードマウス腹腔内に移植し、大腸癌腹腔内播種モデルを作成した。このモデルでは約1週間で径数ミリの播種腫瘍が形成される。癌細胞膜上に発現する糖タンパクをターゲット分子と仮定し、放射能標識アビジンによるターゲティングを試みた。アビジンをchloramin-T法、MAG3キレート、DTPAキレートでおのおのI125、Re186、Y90を用いて放射能標識した。

播種腫瘍へのアビジン集積は、腹腔内投与の2時間後から高値に認められたが、I125、Re186の標識体では放射能が経時的に腫瘍外に排泄される傾向にあった。この傾向は、アビジン投与量を増加するとより顕著になった。一方、Y90標識体の場合は、腫瘍に集積した放射能播種内に残存する傾向を示した。これらの結果は、腫瘍細胞内において放射脳標識アビジンが速やかに代謝を受けるため、I125、Re186では放射能が細胞外に排泄されるのに対し、Y90では代謝産物が腫瘍内に停滞するために放射能レベルが腫瘍内に高く維持されるのであろうことを示唆する。また、投与量を増加することにより、細胞内への内在化-代謝の過程が促進されるのであろうことが示唆された。以上の結果から、癌細胞膜にアビジン発現を誘導し、それに対する放射性リガンドを用いた治療系においても、内在化後の細胞内代謝によって生じる放射性代謝物が細胞内に留まる手法をとる必要性があるものと考えられた。前年度までに樹立したLS180ヒト大腸癌細胞のマウス腹腔内播種モデルにおいて、治療時の腫瘍サイズと内照射の効果の関連性を検討した。大腸癌腹腔内播種は、手術操作そのものにより惹起されることがある。そこで腹腔内播種モデルを用いて、超早期における内照射療法の意義を観察した。1x10^6の細胞をBalb/cヌードマウス腹腔内に移植した。移植後、chloramin-T法でI131標識した抗大腸癌抗体と、MAG3キレートでRe186標識した抗体を、このモデルにおける最大耐用投与量の70%の投与量で腹腔内投与し、マウス生存期間を観察した。治療時期は、m手術操作直後を仮定した細胞移植直後、肉眼的な腫瘍を形成していない移植3日後、径1mm程度の腫瘤を形成する7日後、腫瘍が互いに融合し大きな腫瘍塊となる14日後に設定した。治療効果を、大腸癌に対して頻用される抗癌剤である5-FUを用いてその最大耐用投与量で治療を行ったマウスと比較した。いずれの治療群も未治療の群にくらべ有意に生存期間が改善した。特に、腫瘍移植直後に治療を行った場合が最も効果的であった。さらに、Re186標識抗体の優位性が明らかであった。治療効果は、5-FUによる化学療法よりも有意に顕著であった。これらの結果で注目すべきは、細胞が腹腔内に浮遊した状態であるはずの移植直後の治療で最も有効であること、β線エネルギーの高い核種でも達成可能なことがあげられる。これらの結果は、本研究の目的であるビオチン標識体の放射能核種の選択に際し、有用な情報を与えてくれた。より副作用の少ないアイソトープ内用療法を行うために、ビオチンに高い親和性を有するアビジンとエンドサイトーシス機構により治療核種標識ビオチンの細胞内移行が可能なスカベンジャー受容体を融合したタンパク質(アビジン・スカベンジャー受容体複合タンパク質;スカビジン)の構築を行った。融合タンパク質を構築するためには、それぞれの遺伝子をクローニングしてくる必要がある。まず、ヒトスカベンジャー受容体(hSR-A-II)のクローニングを行った。
マイクロ・ナノ技術を駆使する組織レベルでの細胞機能制御

マイクロ流体デバイスや自己支持性高分子ナノ薄膜などのマイクロ・ナノ技術を眼科領域に適用し、眼底組織を模倣したオーガンチップデバイスの開発と、その解析で得られる組織レベルでの細胞機能に関する知見を基盤に細胞デリバリー療法の実現を目指した。網膜色素上皮(RPE)細胞等の神経支持細胞を3次元マイクロ流路デバイス内に配置・培養して、眼底組織機能を再構成し、細胞周囲環境の変化に対する組織レベルでの細胞応答を解析した。また、オーガンチップデバイスでの検討結果を、自己支持性高分子ナノ薄膜上で培養するRPE細胞の組織機能制御技術に還元し、狭小な網膜下に細胞をデリバリーできる手法を検討した。本年度は、3次元マイクロ流路デバイスの作製と自己支持性高分子ナノ薄膜の調製・微細加工・物性評価を主に検討した。3次元マイクロ流路デバイスに関しては、ポーラス膜で上層流路と下層流路が隔てられた2層式の流路デバイスを作製し、細胞導入や潅流操作等が問題なく行えることを確認した。さらに、血液内に網膜保護作用のある液性因子の存在が疑われていることから、培地に加え、血漿、全血の潅流を検討したところ、血漿であれば、24時間以上マイクロ流路内を潅流させることができることがわかった。今後、細胞培養下で合成培地および血漿による潅流培養の結果を比較することで、新たな液性因子の存在を示唆できる可能性がある。また、将来的にマイクロ流路デバイスに組み込む細胞への力学刺激負荷機構として、バルジ試験機構を検討した。ポリスチレン等の薄膜とそれに圧力を負荷する流路構造からなるデバイスを作製し、薄膜に圧を負荷することで薄膜を変形させた。この薄膜上で細胞を培養してから圧を加えることで、細胞の力学応答を容易に評価できると期待される。自己支持性高分子ナノ薄膜に関しては、スピンコートとスタンプ法あるいはステンシル法を組み合わせることで、数百マイクロからミリメートル径のナノ薄膜を作製することができた。ナノ薄膜の視認性向上のために、磁性微粒子を混合させたナノ薄膜も作製したが、磁性微粒子の有無で平均膜厚に変化はほとんど見られなかった。また、ナノ薄膜直径の半分の径の注射針等の細管でナノ薄膜の吸引・射出が可能であり、射出後もナノ薄膜が元の形状に戻ることを確認した。今後、このナノ薄膜を細胞の移植担体として用いることで、網膜下等の狭小な空間への細胞送達が期待できる。本年度は、網膜色素上皮(RPE)細胞の力学応答、および細胞担持ナノ薄膜の回収法を主に検討した。RPE細胞の力学応答評価に関しては、昨年度検討したバルジ試験機構を改良して力学的刺激負荷システムを作製した。円筒形状のプラスチックの片面にポリジメチルシロキサン(PDMS)の薄膜を張り付け、PDMS上で細胞を播種・培養する。PDMS薄膜には培養液の液圧がかかっており、システムを宙に浮かすことで薄膜が二軸引張により変形して細胞に力学刺激を負荷できる。軸性近視の眼球は、正常な眼球に比べ、眼軸長が長く網膜の面積が広がっていることが知られている。これを模してPDMS薄膜を変形させ、モノレイヤー組織を形成したRPE細胞に刺激を負荷したところ、負荷前に比べ、単位面積当たりの細胞数が減少し、個々の細胞面積が増加していることがわかった。また、刺激負荷後には、血管内皮成長因子の分泌量が減少した。加齢黄斑変性等の網膜疾患においては、RPE細胞が扁平、肥大化することが知られているが、今回得られた結果は、力学環境の変化がRPE細胞の肥大化を誘発する一要因であることを示唆している。細胞担持ナノ薄膜の回収法に関しては、チオール類の自己組織化単分子膜(SAM)の利用を検討した。金基板上にL-システインのSAMを形成させた金基板上に乳酸・グリコール酸共重合体(PLGA)のナノ薄膜を張り付け、その上で細胞を培養した。金電極に還元電位を印加し、金表面からSAMを脱離させると、わずかな水流で細胞担持ナノ薄膜が基板から剥離した。水溶性の犠牲層を利用した方法では細胞担持ナノ薄膜を回収するタイミングを制御することに課題があったが、今回開発した手法で細胞担持ナノ薄膜を必要に応じて回収することが可能になった。当初の計画通り研究が進行しているため。本年度は、初年度に作製した3次元マイクロ流路デバイスを用いて、網膜色素上皮(RPE)細胞と血管内皮細胞(HUVEC)の共培養を行い、培養環境制御下で両細胞種間の相互作用を検討した。マイクロ流路デバイス内に設置したポーラス膜の上下にRPE細胞とHUVECをそれぞれ培養し、HUVECの遊走性、およびRPE層の崩壊度を調査した。コントロール条件下でもHUVECがRPE細胞側に遊走し、当該領域でのRPE層の崩壊が観察されたが、RPE細胞に低グルコース負荷を与えると、RPE細胞側に遊走するHUVEC数が増加し、対応してRPE層の崩壊面積も増加した。さらに、低グルコース負荷に加えてCoCl2による擬似低酸素負荷を与えると、両指標ともさらなる増加が観察された。これは、低グルコース負荷、擬似低酸素負荷に対してRPE細胞が応答して血管内皮成長因子(VEGF)の分泌量が上昇し、それに対応してHUVECがRPE細胞側に遊走してRPE層を崩壊させたと考えられる。今後、3次元培養したHUVECを用いることで、脈絡膜新生血管モデルへの展開が期待できる。

細胞担持ナノ薄膜の回収法に関しては、昨年度に平板電極上でL-システインの自己組織化単分子膜(SAM)の還元脱離を検討したが、本年度は電極基板にポーラス膜を利用することで、センチメートルレベルの細胞担持ナノ薄膜を1分程度で電極基板から脱着可能なことを示した。さらに、回収したRPE細胞担持ナノ薄膜のラット眼球内への送達を検討したところ、キャピラリーニードルで網膜下に射出することで、当該領域で展開していることが確認された。今後、病態モデル動物を用いた治療効果の検証が期待される。マイクロ流体デバイスや自己支持性高分子ナノ薄膜などのマイクロ・ナノ技術を眼科領域に適用し、眼底組織を模倣したオーガンチップデバイスの開発と、その解析で得られる組織レベルでの細胞機能に関する知見を基盤に細胞デリバリー療法の実現を目指した。網膜色素上皮(RPE)細胞等の神経支持細胞を3次元マイクロ流路デバイス内に配置・培養して、眼底組織機能を再構成し、細胞周囲環境の変化に対する組織レベルでの細胞応答を解析した。また、オーガンチップデバイスでの検討結果を、自己支持性高分子ナノ薄膜上で培養するRPE細胞の組織機能制御技術に還元し、狭小な網膜下に細胞をデリバリーできる手法を検討した。当初の計画通り研究が進行しているため。大幅な研究計画の変更は考えておらず、当初の計画に沿って、眼底組織を模倣するオーガンチップデバイスと自己支持性高分子ナノ薄膜を用いる細胞デリバリーを相互に関連付けながら研究を遂行する。28年度が最終年度であるため、記入しない。バイオ工学大幅な研究計画の変更は考えておらず、当初の計画に沿って、眼底組織を模倣するオーガンチップデバイスと自己支持性高分子ナノ薄膜を用いる細胞デリバリーを相互に関連付けながら研究を遂行する。人件費の支出がなかったため。分担者の旅行計画に変更があったため。次年度に試薬を予定より多く購入する必要があり、その費用に充てる。次年度の旅行計画を変更予定であり、その分の支出に充てる。
粒子線治療における高精度線量評価技術の開発と品質管理システムの構築

カロリーメータ用の制御装置の開発ならびに評価を行った。今回開発中の制御装置は、直流駆動のホイートストンブリッジ回路とナノボルトメータを組み合わせたものである。ブリッジ回路の可変抵抗の範囲を0Ωから25kΩ(5Ωステップ)と、これまでの可動範囲の2倍以上にした。これにより、カロリーメータの動作温度ならびに線量範囲を拡大することが可能となる。開発した制御装置の性能を評価するため、標準抵抗をつなぎ、抵抗値の精密計測を行った。その結果、カロリーメータの精密制御にはSN比を2倍程度改善する必要があることが分かった。アラニン線量計については、研究計画通り粒子線(290MeV/n炭素線)に対する応答特性の評価を行った。物理線量が均一な拡大ブラッグピーク(sSOBP)、物理線量が均一でない(生物学的効果比を乗じることで線量が均一となる)拡大ブラッグピーク(rSOBP)、プラトー領域の三種類のビームを、空気中でアラニン線量計に照射した。線量を変えて複数個のアラニン線量計に照射することで、それぞれのビームの校正曲線を取得した。これらの結果を、ガンマ線を照射したアラニン線量計の校正曲線と比較した。得られた校正曲線は、どのビームでも線量と信号値の間に線形性があることが確認できた。校正曲線の傾きはガンマ線、プラトー領域、rSOBP、sSOBPの順に大きい結果となった。rSOBPとsSOBPの傾きは近い値を示していた。以上の結果から、アラニン線量計が粒子線のビームのLETに依存して応答が変化することが明らかとなった。カロリーメータについては、制御装置の開発ならびに評価を行った。制御装置は、直流駆動のホイートストンブリッジ回路とナノボルトメータで構成し、測温抵抗体の抵抗値の数キロΩをミリΩの精度で測定できることを目標に設計した。その結果、カロリーメータの精密制御には十分なSN比ではなく、直流回路固有のノイズ成分の除去が必要であることが明らかとなった。そのため、回路系の遮蔽の強化ならびにグラウンドの見直しなどのノイズ低減に向けた改造を進めている。アラニン線量計については、本年度は実験においてLET依存性を確認することができた。LETが大きくなるほどアラニン線量計の校正曲線の傾きが小さくなっており、信号値が小さいほど信号ノイズ比が小さくなり不確かさが大きくなる傾向があるため、LETの小さいプラトー領域で第三者出力線量評価を行うことが望ましいと考えられる。本年度は、来年度以降に第三者出力線量評価を模擬するための固体ファントムの加工設計を行った。固体ファントムにアラニンペレットを4つのみ封入できるようなもの、アラニンペレット4つと電離箱線量計を固定できるもの、電離箱線量計のみを固定できるものの3パターンを設計した。カロリーメータについては、今年度明らかとなった制御装置のSN比の改善に向けた改良を行い、重粒子線治療装置での測定を目指すことが基本的な推進方針である。そのためには先ずは回路系の遮蔽の強化ならびにグラウンドの見直しを行い、直流回路固有のノイズ成分の低減を図る。もし直流駆動で十分な精度を得ることが難しい場合は、交流駆動式への移行を検討する。制御装置の精度の確認が取れ次第、重粒子線施設にカロリーメータを持込み、吸収線量の測定を行う。アラニン線量計については、来年度は、本年度設計した固体ファントム中にアラニン線量計を固定し、実際の第三者出力線量評価を想定した形でアラニン線量計への照射を行う。本年度に加工設計したアラニン線量計を封入できる固体ファントムのうち、どれが最も第三者出力線量評価に適しているか確認する。また、固体ファントム中において線量を変化させて照射し、校正曲線を取得する。

制御装置は、直流駆動のホイートストンブリッジ回路とナノボルトメータで構成し、測温抵抗体の抵抗値の数キロΩをミリΩの精度で測定できることを目標に設計した。その結果、カロリーメータの精密制御には十分なSN比ではなく、直流回路固有のノイズ成分の除去が必要であることが明らかとなった。そのため、回路系の遮蔽の強化ならびにグラウンドの見直しなどのノイズ低減に向けた改造を進めている。アラニン線量計については、本年度は実験においてLET依存性を確認することができた。LETが大きくなるほどアラニン線量計の校正曲線の傾きが小さくなっており、信号値が小さいほど信号ノイズ比が小さくなり不確かさが大きくなる傾向があるため、LETの小さいプラトー領域で第三者出力線量評価を行うことが望ましいと考えられる。本年度は、来年度以降に第三者出力線量評価を模擬するための固体ファントムの加工設計を行った。固体ファントムにアラニンペレットを4つのみ封入できるようなもの、アラニンペレット4つと電離箱線量計を固定できるもの、電離箱線量計のみを固定できるものの3パターンを設計した。カロリーメータについては、今年度明らかとなった制御装置のSN比の改善に向けた改良を行い、重粒子線治療装置での測定を目指すことが基本的な推進方針である。そのためには先ずは回路系の遮蔽の強化ならびにグラウンドの見直しを行い、直流回路固有のノイズ成分の低減を図る。もし直流駆動で十分な精度を得ることが難しい場合は、交流駆動式への移行を検討する。制御装置の精度の確認が取れ次第、重粒子線施設にカロリーメータを持込み、吸収線量の測定を行う。アラニン線量計については、来年度は、本年度設計した固体ファントム中にアラニン線量計を固定し、実際の第三者出力線量評価を想定した形でアラニン線量計への照射を行う。本年度に加工設計したアラニン線量計を封入できる固体ファントムのうち、どれが最も第三者出力線量評価に適しているか確認する。また、固体ファントム中において線量を変化させて照射し、校正曲線を取得する。
新規メカノクロミックアモルファス分子材料の創出とアモルファス化度評価法の開拓

新たなメカノクロミック発光材料の開発と発現機構の解明は興味ある重要な研究課題である。また、アモルファス状態における分子の乱れの度合いの評価は、メカノクロミック特性の評価と関係する学術的な重要な検討課題である。本研究では、光反応性官能基を導入した発光性アモルファス分子材料を設計・合成するとともに、結晶状態ならびにアモルファス状態における光反応特性を比較・検討することにより、光反応特性をアモルファス化度の評価の指標とすることを提案する。さらに、摩砕によってアモルファス化することに基づくメカノクロミック発光現象について、アモルファス化度とメカノクロミック発光特性との相関を解明する。
超原子評中間体への反応機構論的アプロ-チ

5および6員環状のスルフィン酸エステルとして3Hー2,1ーベンツオキサチオ-ル1ーオキシド(1__a)および3,4ージヒドロー2,1ーベンツオキサチイン1ーエキシド(1__b)を合成し,その水溶液中での反応挙動を調べた。アルカリ水溶液中では速やかに開環して対応するヒドロキシスルフィン酸(2__aおよび2__b)を与えるのに対し,強酸中では2__が閉環して再び1__を生成することがわかった。反応速度を測定したところ,開環速度比は1__a/1__b=160,閉環速度比は2__/2__b=1.5となり,ともに5員環の方が反応性が高いことがわかった。H_2^<18>Oを含む酸性水溶液中で1__aおよび1__bの酸素同位体交換を行い,^<18>Oで標識された基質(^<18>O含量3335%)を得た。この標識基質を用いてアルカリ開環(加水分解)を7090%進行させたのち,未反応の基質を抽出回収して^<18>O含量をマススペクトで調べた。しかし,アルカリ加水分解中には酸素同位体の交換は殆んど起っていなかった。一方,2MHCeO_4水溶液中での酸素同位体交換を調べたところ,その速度比はおおよそ1__a/1__b=1/4.7であった。開環,閉環ともに5員環エステル1__aの方が速いにもかかわらず,同位体交換は6員環エステル1__bの方が速い。この結果は,同位体交換が開環ー閉環という過程を経て起こるのではないことを強く示唆している。すなわち,超原子価中間体を経て同位体交換が起こっていると考えられる。酸性条件ではスルフィニル酸素がアピカル位に配置した中間体を生成するのに対し,アルカリ条件ではスルフィニル酸素がエクアトリアル位に配置するために同位体交換が起こらないものと理解される。
家蛋の胚発生における形質発現機構とその制御因子

家蛋卵から翻訳活性を有するRNAの抽出法の確立に成功した。これにより受精後のタンパク質合成活性の変動、および発生分子マーカーとしてきわめて有用な、特異的変動を示す酵素アルドラーゼのアイソザイム切り換えを分子レベルで追求できた。さらにまたヒト遺伝子の構造解析を深く追究した技法を適用して、家蛋卵ゲノムのDNAによるライブラリーを作成、利用するための基礎が固まった。一方、胚子の主要卵黄タンパク質については、その精製が行われ、ついで卵巣で発現されるcDNA全配列決定、mRNAの翻訳と翻訳後プロセッシングなどの詳細な知見を確立した。次に胚発生中の特異的プロテアーゼによる上述の主要卵黄タンパク質分解の様式を追究し、それが限定分解であることから、卵黄利用初発反応の分子機構を他の生物に先駆けて明らかにした。より高次の調節機構であるホルモンについては、卵巣の結合型エクジステロイドの分子構造が決定された。ついで、その修飾基の加水分解による除去が、胚発生において利用されるべきフリータイプ、すなわち作用型をもたらすことから、その加水分解酵素に着目して追究し、これまで全く不明であった胚発生における活性ホルモン分子の動態について知見が得られるようになった。また、休眠という複合作用を支配する単独遺伝子pndの産物が同定でき、その作用様式が推定されたと同時に休眠と卵殻の酸素透過性についても議論が深められた。これらは休眠開始機構追究の突破口を与えるものである。逆に休眠覚醒に活性化するシグナル酵素、エステラーゼAが単離・結晶化され、その基質と作用様式が解析された。本酵素は試験管内で時間を計ることができる「ペースメーカー」分子の一種ではないかと目される。また、カイコの休眠を変更させる特殊核酸塩基、とくに5-メチルシトシンの作用が明らかになったことから、休眠システムに外乱を加える新しい追跡方法が提案された。家蚕卵は,変異株が多数保存されていること,休眠という胚発生の節目が存在することなどから,発生制御ないし形質発現追及のためのこの上ない材料となる.本研究は,家蚕卵の卵形成の段階から初期発生,休眠,覚醒を対象として多角的な専門分野を組織し,発生における形質発現制御のポイントを探ることを目的としている.初年度は,まず,簡便なcDNAとゲノミックライブラリーの作製法を確立した.また,家蚕の発生分子マーカーとして,特異的変動を示す酵素(アルカリホスハターゼ)並びに新発見の卵殻異常突然変異における特異コリオンタンパク質が適当であることを見いだした.今後は,これらの技法・基見を結び付けることにより変異系と正常系でのmRNAの利用性を比較・追究することができるようになった.一方,産卵後の休眠決定を支配する遺伝子として着目されてきたpnd^+の産物が初めて単離された.同時に,休眠覚醒を支配する分子時計(酵素エステラーゼA_4)の天然の基質としてコレステロールが重要であることが明らかとなった.また,卵形成中に休眠性を決定する機構の一つとしてアデノシンデアミナーゼ活性が着目に値することも判明した.これらの成果により,カイコ卵の休眠支配機構の理解が一段と深まりつつある.さらにまた,これまで見出されていたカイコ卵中のfreeとconjugateタイプのエクジステロイドの構造を総て解明した.このタイプ交換こそが,カイコ発生・休眠に直接関与する重要な調節因子であろう.この変換に上記アルカリホスハターゼが働く可能性があり着目される.一方,胚発生期にタンパク質合成のためのアミノ酸供給源として,主要卵黄タンパク質であるESPを限定分解するプロテアーゼの作用機構が判明し,作用の時期および化学量論的対応関係が解明された.

この酵素は発生中のde novoの系によって合成されることを見いだし,この酵素自体が一つの発生マーカーとしても役立つことを明らかにした.発生中および受精前の家蚕卵から、翻訳活性を有するRNAの抽出法の確立に成功した。これに基づいて、遺伝子発現マーカーとして有効であるアルドラーゼアイソザイムについて、その切換えを分子レベルで追求することができた。次に、遺伝子分析の面では、ヒト遺伝子の構造解析を深く追求した技法を適用して、家蚕卵ゲノムのDNAによるライブラリーを作成、利用するための基礎を固まった。一方、卵形成時に合成される卵黄タンパク質の主成分(ESP)を胚発生時に気質として分解する特異的プロテアーゼの存在が明かとなり、同酵素がESPを部分的すなわち限定分解することを突き止めた。高分子を限定分解する酵素はタンパク質を基質とするものではめずらしい。これによって胚発生におけるアミノ酸源として卵黄利用機構の初発反応過程が詳細に明らかにされた。高次調節機構であるホルモンについては、卵巣のエクジステロイドのコンジュゲート分子を胚発生中に脱修飾する酵素ホスハターゼなどが解析できた。この結果、これまで明瞭でなかった胚発生・休眠における昆虫ホルモンの作用が解析できるようになった。また、休眠を支配する遺伝子pnd突然異変を指標として休眠開始期のタンパク質とRNAの生合成の変動様式が解析された。休眠卵では特異的に酵素透過性が低いとされるが、これは論争となるポイントが多い。今回、改良された酸素透過性測定装置を用いてさらに詳細が追求された。これらは休眠開始の機構に関してであったが、逆に、休眠覚醒に関してはシグナル酵素、すなわちエステラーゼAの作用が明確になった。これは、単一分子が試験管内で一定時間後に活性化するもので、時間を測定しうる、いわゆる分子時計であることが明かである。さらに、胚の休眠を変更させる低分子調節物質の存在が見出された。これは、休眠というシステムを解析するためのいわゆる外乱因子としても有用であると思われる。
ASPのためのSCM最適化技術の基礎研究

研究の目的は,サプライ・チェイン・マネジメント(SCM)で必要とされる最適化問題の良質な解をWeb経由で提供するための基礎技術の開発である.具体的には在庫方策,安全在庫配置,ロジスティクスネットワーク設計,ロットサイズ決定,機械スケジューリング,配送計画,需要予測,収益管理を扱った.これらの問題の解をアプリケーションサービスプロバイダー(ASP)として提供するための基礎技術を開発した.顧客が手元のコンピューターで問題を解く場合と異なり,ネットワーク上で問題や解をやりとりするため,それに適した問題や解の表現形式を開発した.ASPの一つのサーバーに問題求解要求の負荷が集中すると,一つの問題あたりの計算速度が落ちるため,十分良質な解を顧客に提供できない.よって複数のサーバーでの分散計算に適したアルゴリズムを開発した.具体的には,整数計画問題の緩和問題(あるいは部分問題)を近傍探索に用いる大近傍ヒューリスティクスを開発した.計算機の計算速度の向上や数理計画法理論の充実に伴い,大近傍ヒューリスティクスは近年最も注目されている体系である.より良質な解を計算するためにグリッド技術の利用も取り入れた.グリッド計算では応答時間を見積もれず,最悪の場合,応答が返ってこないこともある.以上をふまえ,応答が返ってこなくても処理が中断されないロバストなアルゴリズムを開発した.これは従来の並列計算で用いられてきたアルゴリズムとは異なるアルゴリズムである.本研究の成果をソフトウェアとして実装し,Web上で公開し,エンドユーザーの便宜を考慮し親切な解説を付けた.本研究で得られた学術的成果は国内外のオペレーションズ・リサーチあるいは離散アルゴリズム関連の会議,論文誌,機関誌を通じて発表した.また,初心者がこの成果を比較的簡単に利用できるようにするため入門書も出版した.比較的高価であり敷居が高いと言われてきたSCM最適化ソフトウェアの敷居が下がったことは間違いない.研究の目的は,サプライ・チェイン・マネジメント(SCM)で必要とされる最適化問題の良質な解をWeb経由で提供するための基礎技術の開発である.具体的には在庫方策,安全在庫配置,ロジスティクスネットワーク設計,ロットサイズ決定,機械スケジューリング,配送計画,需要予測,収益管理を扱った.これらの問題の解をアプリケーションサービスプロバイダー(ASP)として提供するための基礎技術を開発した.顧客が手元のコンピューターで問題を解く場合と異なり,ネットワーク上で問題や解をやりとりするため,それに適した問題や解の表現形式を開発した.ASPの一つのサーバーに問題求解要求の負荷が集中すると,一つの問題あたりの計算速度が落ちるため,十分良質な解を顧客に提供できない.よって複数のサーバーでの分散計算に適したアルゴリズムを開発した.具体的には,整数計画問題の緩和問題(あるいは部分問題)を近傍探索に用いる大近傍ヒューリスティクスを開発した.計算機の計算速度の向上や数理計画法理論の充実に伴い,大近傍ヒューリスティクスは近年最も注目されている体系である.より良質な解を計算するためにグリッド技術の利用も取り入れた.グリッド計算では応答時間を見積もれず,最悪の場合,応答が返ってこないこともある.以上をふまえ,応答が返ってこなくても処理が中断されないロバストなアルゴリズムを開発した.これは従来の並列計算で用いられてきたアルゴリズムとは異なるアルゴリズムである.本研究の成果をソフトウェアとして実装し,Web上で公開し,エンドユーザーの便宜を考慮し親切な解説を付けた.本研究で得られた学術的成果は国内外のオペレーションズ・リサーチあるいは離散アルゴリズム関連の会議,論文誌,機関誌を通じて発表した.また,初心者がこの成果を比較的簡単に利用できるようにするため入門書も出版した.比較的高価であり敷居が高いと言われてきたSCM最適化ソフトウェアの敷居が下がったことは間違いない.本研究において特に力を入れるべきは、ユーザーから問題を受け取る方法、受け取った問題を解く方法である。以下その2点に分けて実績の概要を述べる。【ユーザーから問題を受け取る方法】我々は長年SCM最適化技術の研究を行ってきた。しかし一方でASPに関する研究は行ってこなかったため、それに関する調査をした結果、WWW上でSCM最適化問題を解くことが利便性・頑強性の点から最も良いと判断した。実際にサーバを構築し既に試験中である。また、多種多様なユーザーに対応しかつなるべく少ない労力で対応するため、多くのSCM最適化問題を含みかつ比較的効率的に解ける問題モデルを構築した。全ての問題を統一することは適切でないと判断したため、ロットサイズ決定問題、ロジスティクス・ネットワーク設計問題、在庫計画問題、サービス・ネットワーク問題、収益管理問題、配送計画問題に分けデータベース仕様を構築した。実際にデータを送受信するクライアントプログラムを作成し負荷の高い通信試験をすることが今後の課題である。【受け取った問題を解く方法】一般にSCM最適化問題は計算困難な問題が多い。よって一つのサーバが多数のリクエストを受け、これら全てを解く仕組みはうまくない。我々は問題を受け取るサーバと解くサーバは概念上別のものとし最適化問題を解くためにはグリッドコンピューティングを利用するのが適切であると判断した。実用化するためにはグリッドコンピューティングに適した解法が必要であるが、SCM最適化問題に対して従来から提案されてきた並列計算法の多くはプロセッサ間の通信負荷の高いものであった。我々はよりグリッドコンピューティングに適した解法、すなわち通信負荷が低く効率的な解法として、大近傍探索(サブルーチンとして整数計画などを利用)をベースとしたアルゴリズムを開発した。数値計算実験による評価は今後の課題である。なお、アルゴリズム開発に関する実績のいくつかは投稿論文および国際会議における発表として発表済みであり、来年度も発表する予定である。

本研究では,サプライ・チェイン・マネジメント(SCM)で必要とされる最適化問題の高質な解をWeb経由で提供するための基礎技術の開発を目標とした。具体的には,収益管理問題,スケジューリング問題,配送計画問題,ロットサイズ決定問題,ロジスティクスネットワーク設計問題,在庫配置問題を扱い,そのソルバーをアプリケーションサービスプロバイダー(ASP)として提供するための基礎技術を開発した.クライアントがローカルで問題を解く場合と異なり,ネットワークで問題や解をやりとりするため,それに適した問題や解の表現形式を開発した.ASPのサーバーに負荷が集中すると,計算速度が落ちるため,十分なサービスをクライアントに提供できない.よって解を分散して計算するために適したアルゴリズムを開発した.具体的には,整数計画問題の緩和問題(あるいは部分問題)を近傍探索に用いる大近傍ヒューリスティクスを開発した.計算機の計算速度の向上や数理計画法理論の充実に伴い,大近傍ヒューリスティクスは近年最も注目されている体系である.より高質な解を計算するためにグリッド技術を用いて分散計算するしくみも作った.グリッドコンピューティングにおいては応答時間を見積もれない。あるいは応答が返ってくるとは限らない.これをふまえて応答が返ってこなくても処理が中断されないロバストなアルゴリズムを開発した.これは従来にないアルゴリズムである.本研究の成果をソフトウェアとして実装し,Web上で公開し,エンドユーザの便宜を考慮し親切な解説を付けた.本研究で得られた学術的成果は国内外のオペレーションズ・リサーチあるいは離散アルゴリズム関連の会議,論文誌,機関誌を通じて発表した.また,初心者がこの成果を比較的簡単に利用できるようにするため入門書も出版した.比較的高価であり敷居が高いと言われてきたSCM最適化ソフトウェアの社会的認知が広がったことは間違いない.
セメント質と歯根膜をともなったハイブリッド型人工歯根の開発

欠損歯修復法の一つに骨癒着型の人工歯根(通称歯科インプラント)が広く用いられているが、このシステムは、必須の緩衝装置である歯根膜を欠くため早晩、歯槽骨を損傷し、多くは数年で脱落あるいは機能不調に陥る。そこで我々は、この点を根本的に改善するため自然の歯根膜とセメント質を再生する原理と技術を確立し、さらに歯根膜とセメント質付きの人工歯根を創製することにした。我々はこれまでに、骨形成サイトカインである骨形成蛋白質(BMP)の抽出方法を確立し、強力な活性BMP(BMPカクテル)を大量に準備した。次に我々が開発検討した8種類以上の細胞支持体が、それぞれ、独自の組織誘導のパターンを示すことに注目し、BMPによる組織誘導の担体依存性を見いだした。この結果に基づいて、BMPは骨・軟骨のみならず、歯根膜とセメント質も担体の工夫によって誘導できると予想し、それをネコの犬歯歯槽骨において部分的に証明することができた。即ち、BMPとコラーゲン線維膜(FCM,fibrous collagen membrane)との複合体を組織工学的素材として用いることで歯根膜とセメント質を再生できた。そこで次に、ビ-グル犬の歯を抜去し、再植する時に歯根膜を、ベルト状(Belt type defect)と、根尖側2分の1(Apical-half type defect)という2種の規格にしたがって部分削除し、その欠損部にBMP複合コラーゲン線維膜を巻き付けて再植し、歯根膜とセメント質を再生する実験系を開発した。その結果、6週目のapical half型組織学的所見では、残存部と欠損部の境界から有細胞セメント質と歯根膜が再生するのが確認された。しかし、根尖部に近づくにしたがって、歯根膜形成よりも骨癒着(Ankylosis)が多くなった。これに対し、belt-typeでは良好な歯根膜とセメント質の再生が見られた。新生セメント質は、切除された象牙質の表面に僅かに露出したコラーゲン線維を足場にして、先ず線維性の層状組織をつくり、次第に石灰化してセメント質を作る。この線維性組織層中のコラーゲン線維が、連続して層外に延び出し、大略、垂直性に走行し歯槽骨にまで達している。今後、担体としてのコラーゲン線維膜の幾何学的構造を改善することによりさらに広範囲の歯根膜とセメント質が再生できる見込みである。[問題点]従来ひろく行われてきた人工歯根による歯科治療の考え方と方法には基本的な誤りがあった。哺乳類以上では歯とそれを支える歯槽骨の間に歯根膜がありこれが咬合圧由来の衝撃を緩和し、顎骨との調和を保っている。現在の人工歯根膜機能を無視した結果、数年以内に顎骨の障害をまねいた。[目的]本研究では、自然の歯根膜とセメント質を伴った人工歯根の創製を目的とする。