hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
電子ビーム照射処理を応用した粉体付着抑制及び耐摩耗表面改質処理技術の開発

本研究は電子ビーム照射技術を用い,金属材料表面に塗布した粉末材料を母材金属中に分散・反応させた表面層を形成し,耐摩耗性を改善する新しい表面改質法を検討したものである.検討の結果,固定した粉体層上に粉末飛散抑制膜としてAg薄膜を被覆することで粉体の溶込み量が増大増加すること,Ag薄膜の膜厚の増加に従って溶込み量が増加すること,比重の大きな粉末は母材表面に溶け込みやすいことなどを明らかにした.また,粉末を溶け込ませた表面層の硬度は大幅に増加し,耐摩耗性も向上することを明らかにした.平成25年度は母材に冷間金型用の合金工具鋼SKD11を用い,粉体の付着抑制及び耐摩耗性の向上に効果的な処理条件(使用粉末,電子ビーム照射条件)を明らかにすることを目的とした.そのために以下の項目について検討を行った.1.使用粉末の検討:母材表面中に分散・反応させる粉末として,固体潤滑剤である六方晶窒化ホウ素(hBN),高い摩耗特性を有するタングステン(W),炭化タングステン(WC)を用いた.これらの粉末をそれぞれ水のりと混ぜ合わせた後,母材表面に塗布し,真空チャンバー内で電子ビーム照射処理を行い,合金化と共に未反応の粉末粒子が分散した表面層の形成を試みた.処理によって得られた表面層については,X線回折法,エネルギ分散型X線分析,走査電子顕微鏡観察及び光学顕微鏡観察を行い,表面処理層の構造,成分,組織分析を行った.その結果,いずれの粉末を用いても粉末の成分が溶け込むこと,処理深さは20μm程度であること,母層の結晶構造がα-Feからγ-Feに変わること,硬度が大幅に上昇することおよび摩擦係数が下がることがわかった.また,WC,W粉末を用いると高い耐摩耗性が得られることがわかった.2.効果的な電子ビーム照射処理条件の検討:上記1で使用した3種類の粉末を用い,処理中の粉末の飛散を抑制するためにビーム電流を2mAから1mAに下げて1と同様の評価を行った.その結果,高い電流で処理を行った方が高い耐摩耗性を得られることがわかった.3.基板材料の影響:本年度は当初の計画に加えて,母材の合金元素の影響を検討するため,工業用純鉄および中炭素鋼S45Cも母材として使用し,上記と同様の評価を行った.その結果,これらの母材では処理を行っても組織がα-Feのままであること,S45Cを用いると自己焼入れが生じて耐摩耗性がさらに上がることがわかった.平成26年度は,電子ビーム照射による粉末の飛散を抑制し,粉末を母材表面に効率的に含有させる粉末固定化手法の開発及び工具鋼SKD11に電子ビーム照射処理を行った際に鋼の結晶構造がα鉄からγ鉄に変わる理由を明らかにすることを目的とした.そのために粉末物質としてWおよびhBN粉末を用い,以下の項目について検討を行った.1.溶込量に及ぼす金属膜被覆の影響:粉末の飛散抑制を目的とし,母材表面に塗布した粉末層の上に,傾斜対向型DCマグネトロンスパッタリング装置を用いて金属膜であるAgを成膜した.成膜に際しては塗布粉末層上に厚さ50nm程度のAg膜を一層コーティングしたものと塗布粉末層を厚さ0.5μmのAg層で挟み込んだ試料を用意した.これらの試料に電子ビーム照射処理を施した結果,W粉末を用いた場合では溶込量の増大が確認できた.特に塗布粉末層を厚さ0.5μmのAg層で挟み込んだ試料では塗布粉末層単体の場合と比べて2 at%程度の溶込量増大が確認できた.一方,hBN粉末を用いた場合では明確な溶込量の増大は確認できなかった.2.溶け込み量に及ぼす電子ビーム照射処理条件の影響:hBN粉末を用いた場合,粉末の溶込量増加に対しては金属層の利用よりも溶融過程時の電子ビーム照射電流値を低減させることが効果的であることがわかった.3. γ鉄化機構:SKD11に電子ビーム照射処理を行った際に生じるγ鉄化の原因を検討するため,S45Cを母材として用い,その上にCr粉末層を塗布して電子ビーム照射処理を行った.その結果,Cr塗布粉末層を用いることでS45Cでも一部の結晶でγ鉄化することがXRDの結果から確認できた.ただし,Cr粉末の溶込量が少なく,処理層全面がγ鉄化はしていなかった.平成27年度は,まず粉末を母材表面へ効率的に含有させる粉末固定化手法の検討を行った.また,EDSやXPSを用いて,深さ方向の粉末の溶込み分布等の検討を行った.さらに硬度試験や摩擦摩耗試験を行い,改質層の硬度や摩擦摩耗特性に及ぼす粉末溶込量の影響を検討した.1.溶込量に及ぼすAg膜厚の影響:粉末の飛散抑制を目的とし,母材表面に塗布した粉末層の上に粉末飛散抑制膜として昨年度までより熱い厚さ0.55μm程度のAgを成膜して電子ビーム照射処理を施した.その結果,Ag膜厚の増大と共に粉末の溶込量が増大することがわかった.また,EDS,XPS両分析結果から母材へAgが溶け込まないこともわかった.以上の結果から,飛散抑制膜として厚さ5μmのAg膜を粉体層上へ被覆することで,大幅な溶込み量の増加を実現できることがわかった.また,Cr及びNi粉末の場合では改質層内でほぼ均一に粉末成分が溶け込んでいること,W粉末では一部の粒子が粒子のまま改質層内に存在することがわかった.

これらの改質層の硬度は母材よりも高硬度となっていることがわかった.また,EBSD分析の結果,結晶粒が微細化し,一部で粒径1μm以下の超微細結晶が生じていることもわかった.2.摩擦摩耗特性:摩擦摩耗試験の結果,Ag膜を厚くした試料ほど摩擦係数が低くなることがわかった.これはAg膜を厚くすることで,粉末の溶込み量が増加し,硬度が増加したためと考えられる.また,摩耗については,未処理材に比べて全ての粉末の場合で摩耗量が1/10程度と大幅に耐摩耗性が向上した.この要因として溶込量の増加や改質層領域で比較的均一な硬度増加が生じたためであると考えられる.以上の検討を通して,電子ビーム処理による粉末溶込量の改善を達成し,硬度及び摩擦摩耗特性に優れた様々な製造機器開発分野や機械部品分野に応用できる新しい表面改質技術の開発の端緒を開けたものと考えている.本研究は電子ビーム照射技術を用い,金属材料表面に塗布した粉末材料を母材金属中に分散・反応させた表面層を形成し,耐摩耗性を改善する新しい表面改質法を検討したものである.検討の結果,固定した粉体層上に粉末飛散抑制膜としてAg薄膜を被覆することで粉体の溶込み量が増大増加すること,Ag薄膜の膜厚の増加に従って溶込み量が増加すること,比重の大きな粉末は母材表面に溶け込みやすいことなどを明らかにした.また,粉末を溶け込ませた表面層の硬度は大幅に増加し,耐摩耗性も向上することを明らかにした.本年度の結果より,W粉末層を金属膜で挟み込むことで電子ビーム照射時の粉末の飛散を抑制でき,母材への粉末の溶込量を増加できること,hBN粉末層の場合は溶融時の電子ビーム電流を下げることで溶込量を増加できること,電子ビーム照射処理によるγ鉄化にはCrが重要な役割を果たすことなどを明らかにできた.したがって研究の目的は,当初の計画通り順調に進展していると考えている.工学今後の方針としては,改質層の詳細を明らかにするためにEDSやXPSを用いた深さ方向の粉末の溶込み分布および粉末の存在状態の検討を行う.また摩擦摩耗試験および粉体の付着特性試験を行い,十分に粉末が溶け込んだ表面改質層の摩擦摩耗特性及び粉体の付着抑制特性に及ぼす電子ビーム照射処理の影響を明らかにする.なお,粉体の付着特性はステアリン酸マグネシウム粉末等の実際の錠剤の成型に用いられる粉体を用いた打錠試験によって検討を行う.以上の検討を通して,粉末を用いた電子ビーム処理による摩擦摩耗特性に優れた表面改質技術および金属表面への粉体の付着抑制手法を開発する.本年度の結果より,粉末を用いることで粉末を用いない場合よりも耐摩耗性を向上できること,処理電流は高い方が適していること,処理層の各種特性に及ぼす母材中の合金成分の影響などを明らかにできた.したがって研究の目的は,当初の計画通り順調に進展していると考えている.今後の方針としては,処理時の粉末の飛散を抑え,粉末を母材表面に効率的に含有できる合金用粉末の固定化手法を検討する.その一つの方法として,塗布した粉末層の上からスパッタリング法で金属膜を薄く被覆する方法を試みる.また,平成25年度に得られた知見に基づき新しい固定化手法を用いた場合での効果的な電子ビーム照射処理条件の検討を行う.さらにSKD11を母材とした場合に生じたγ-Fe化の原因を明らかにするため,S45Cを母材としてCr粉末等の金属粉末を使用して検討を行う.これらの検討に際しては,各種表面分析を用い,効率的な処理方法及び表面処理条件を明らかにする.処理前の母材表面を磨く際の研磨条件の見直しを行った結果,ダイヤモンドスラリーの使用量が予想使用量よりも少なくなったことと,本年度は学生への謝金が必要なくなったこと,旅費の使用額が予定よりも少なかったため,次年度使用額が生じた.
内在する時間遅れ構造とその抽出：時間遅れ構造を用いたダイナミクス研究の展開と発展

未知関数の時間微分がその現在の値だけでなく過去の情報にも依存する遅延微分方程式は,たとえば情報の伝達速度が有限であることに起因して現れる.本研究では,時間遅れを持つネットワーク上の力学系や時間発展する偏微分方程式のような空間相互作用を伴う時間発展システムに対して,内在する時間遅れ構造や,有限伝播性に着目することで取り出された時間遅れ構造を用いて,それらのシステムのダイナミクスを理解することを目指す.未知関数の時間微分がその現在の値だけでなく過去の情報にも依存する遅延微分方程式は,たとえば情報の伝達速度が有限であることに起因して現れる.本研究では,時間遅れを持つネットワーク上の力学系や時間発展する偏微分方程式のような空間相互作用を伴う時間発展システムに対して,内在する時間遅れ構造や,有限伝播性に着目することで取り出された時間遅れ構造を用いて,それらのシステムのダイナミクスを理解することを目指す.
ゲノミクス、プロテオミクス解析による脊柱靭帯骨化の骨化抑制療法の開発

脊柱靱帯(後縦靱帯: OPLL、黄色靱帯: OLF)骨化症は進行性かつ重篤な脊髄症状を生じうる疾患であるが、現在有効な治療法は神経症状を緩和・改善させる投薬、四肢機能の維持を目的としたリハビリテーション、脊髄の圧迫を除去する外科的治療に限られており、骨化の進行を抑制する治療は未だ確立されていない。本研究の目的はプロテオミクスによる疾患関連タンパク質の網羅的解析を行い、新しい“骨化抑制療法"の開発に向けた新しい知見を得ることである。これまで我々は、骨化巣形成に重要である骨化前線の内軟骨性骨化に関する研究を行い、OPLL/OLFでは骨化前線部においてRunx signaling、Wnt signaling、Indian hedgehog signalingなどの軟骨細胞分化、骨芽細胞分化を誘導・促進するシグナルのmRNA発現が亢進し、さらに外的負荷を加えるとこれらの発現量は有意に上昇することを明らかにできた(Spine, Arthritis Res Ther)。また、これらのmRNAの発現を抑制的に制御すると考えられるmicroRNAの網羅的解析を行った結果、OPLLに特異的なmicroRNAとしてhsa-miR-483b-3p/downregulationの存在、およびその標的因子の骨化前線における発現と局在について報告することができた(J Orthop Sci)。microRNAの発現パターン変化についての解析を進め、また現在行っているプロテオミクス解析を相関させることで、ゲノミクス、プロテオミクスを組み合わせた観点からみたOPLL/OLF疾患関連因子について研究を行っている。遺伝子発現は特定の生物に均一であるのに対し、実際のタンパク質発現は同一生物でも細胞組織、時間経過、細胞外環境によって発現が変化することが特徴であり、その原因として選択的スプライシング、タンパク修飾などが挙げられている。したがって、ゲノミクス、プロテオミクス解析を組み合わせることで、OPLL/OLFに特異的な遺伝子発現という“共通性"と、それに対する骨化形態の“多様性"について検討している。現在、連続型OPLL、分節型OPLL、頚椎症性脊髄症(比較対照)のそれぞれの症例から得た培養細胞に対するプロテオミクス解析を中心に研究を進めている。各群より代表的な4症例を抽出し、iTRAQによるタンパク質定量解析、LC-MS/MS解析によるタンパク質同定を行った結果では、発現がみられた総蛋白数は4353種となった。連続型OPLL群と頚椎症性脊髄症群の比較では、連続型OPLL群にて発現が上昇したタンパク質は2113種、ほぼ同量であったものが12種、発現が低下していたものが2228種であった。さらに発現量を2倍でcut lineとすると37種のタンパク質が抽出できた。先行実験であるmicroRNAの発現解析による結果に相関させると、これら37種のタンパク質を標的とし、かつOPLL群に有意に発現していたmicroRNAは6因子であった。今後、発現タンパク質のパターンから考えられるシグナル伝達解析など、さらなる検討を進める予定である。以上の結果については、日本整形外科学会、日本脊椎脊髄病学会、日本リハビリテーション医学会などにて学会発表を行い、結果についての考察、討論を行っている。プロテオミクス解析に関しては、連続型OPLL群、分節型OPLL群、頚椎症性脊髄症群の3群についてそれぞれの解析を進め、OPLLの形成に関する因子、およびOPLLの骨化進展に関する因子について検討を進める予定である。本年度の実験計画では、プロテオミクス解析を継続して進める予定である。有意な発現を認めたタンパク質に対しては、標的とするmicroRNAの発現解析および組織標本上での発現局在を観察する予定である。また、タンパク質に関連したサイトカイン発現に着目し、骨免疫の観点からOPLL/OLFに関与する骨芽細胞、軟骨細胞の分化に関する機構の解析を進める予定である。今後、これらの結果についての十分な裏付けを行った後、学会発表、英文雑誌への投稿を計画している。

したがって、ゲノミクス、プロテオミクス解析を組み合わせることで、OPLL/OLFに特異的な遺伝子発現という“共通性"と、それに対する骨化形態の“多様性"について検討している。現在、連続型OPLL、分節型OPLL、頚椎症性脊髄症(比較対照)のそれぞれの症例から得た培養細胞に対するプロテオミクス解析を中心に研究を進めている。各群より代表的な4症例を抽出し、iTRAQによるタンパク質定量解析、LC-MS/MS解析によるタンパク質同定を行った結果では、発現がみられた総蛋白数は4353種となった。連続型OPLL群と頚椎症性脊髄症群の比較では、連続型OPLL群にて発現が上昇したタンパク質は2113種、ほぼ同量であったものが12種、発現が低下していたものが2228種であった。さらに発現量を2倍でcut lineとすると37種のタンパク質が抽出できた。先行実験であるmicroRNAの発現解析による結果に相関させると、これら37種のタンパク質を標的とし、かつOPLL群に有意に発現していたmicroRNAは6因子であった。今後、発現タンパク質のパターンから考えられるシグナル伝達解析など、さらなる検討を進める予定である。以上の結果については、日本整形外科学会、日本脊椎脊髄病学会、日本リハビリテーション医学会などにて学会発表を行い、結果についての考察、討論を行っている。プロテオミクス解析に関しては、連続型OPLL群、分節型OPLL群、頚椎症性脊髄症群の3群についてそれぞれの解析を進め、OPLLの形成に関する因子、およびOPLLの骨化進展に関する因子について検討を進める予定である。本年度の実験計画では、プロテオミクス解析を継続して進める予定である。有意な発現を認めたタンパク質に対しては、標的とするmicroRNAの発現解析および組織標本上での発現局在を観察する予定である。また、タンパク質に関連したサイトカイン発現に着目し、骨免疫の観点からOPLL/OLFに関与する骨芽細胞、軟骨細胞の分化に関する機構の解析を進める予定である。今後、これらの結果についての十分な裏付けを行った後、学会発表、英文雑誌への投稿を計画している。本年度の研究ではプロテオミクス解析を中心に科研費を使用いたしました。その他の物品代として細胞培養関連試薬、免疫染色関連試薬を使用しましたが、これらの試薬、抗体の購入にかかる費用の一部を次年度使用額とさせていただきました。次年度では免疫染色を多く実験予定としておりますので、次年度使用額が大きくなることが予想されます。
界面不安定性に基づく制限域形態制御とボトムアップ型立体光造形技術の確立

フォールディング現象は様々な空間スケールや構造化により機能している。一方、流体を利用した三次元造形物の作製には鋳型への流入や液状光硬化樹脂へのレーザー照射によるマイクロ加工が挙げられる。本研究では独自の立体伸張により座屈不安定性(buckling instability)を誘起して大面積リンクル薄膜を作製し、この薄膜を利用した液滴の毛管力を駆動力とする全く新しいタイプの三次元光造形(フォールディング型自動流体造形)の作製及びその機能化を検討した。近年、インクジェット方式を基盤とした3Dプリンティング技術が目覚ましく進歩している。工程の簡易化、製造装置の小型化が可能であり、従来の真空プロセスを経ないためコスト面においても大幅な生産性の向上が期待できる。しかしながら、ナノオーダーからの微細凹凸構造を精密、周期的かつ簡便に付与できる立体造形技術は未だ達成されていない。本研究では微細凹凸構造を有する弾性薄膜の自発的フォールディング(薄膜の三次元折りたたみ)を利用して、薄膜内に自動内包された液滴を光硬化させると同時に、凹凸構造を転写するという全く新しいタイプの3D光造形技術の確立を目指した。スピンコーティングにより作製したPDMS薄膜(膜厚:約50 μm)を伸張装置に固定し、開口部から曲率を有する金属円柱で下から立体的に伸張後、最表面に所定時間プラズマ酸化処理を施した。その後、初期状態に円柱を戻し、伸長を解放した。解放する過程において、新たに形成された最表面の硬シリカ層(SiOx layer)と、下地弾性体層との弾性率のミスマッチに起因する座屈不安定性が誘起されるため、PDMS薄膜表面にリンクルが形成される。このプロセスにより得られるリンクルの波長、振幅は薄膜の伸張率に依存しており、伸張率の変化に伴う表面積や表面自由エネルギー、薄膜の曲げエネルギー変化をそれぞれ算出することで、フォールディング挙動とリンクル構造の相関性を検討した。今年度は、接触角装置、インクジェット装置、エレクトロスピニング装置を購入してフォールディング挙動観察や応用のためのセットアップを行い、リンクル表面との濡れ性評価などの基礎実験を行った。新規に研究室の立ち上げもあったが、設備が大まかに揃い、基本的な実験環境が整った。本研究では、エラストマー弾性体に『界面不安定性』に基づく表面座屈を誘起し、周期的微細凹凸構造(リンクル)を構築する。リンクルフィルムの表面形状に同調した弾性毛管力フォールディングをインクジェット塗布により誘起して高速立体光造形を行う『ボトムアップ型立体光造形技術』を確立することを目的としている。今年度はフォールディング挙動の基礎解析やリンクル表面制御を行なった。また最終年度に向けた機能化を目指し、リンクル表面へのエレクトロスピニングファイバー塗布実験を行なった。インクジェット塗布による実験をまだ行えていないので、迅速に行う必要がある。工程の簡易化・製造装置の小型化が可能であり、従来の真空プロセスを経ないためコスト面においても大幅な生産性の向上が期待できる。しかしながら、ナノオーダーからの微細凹凸構造を精密・周期的かつ簡便に付与できる立体造形技術は未だ達成されていない。このフォールディング挙動はpHや温度などの外部刺激により誘発することも可能であり、内包物のリリースやマイクロロボットとして応用されている。しかしながら、内包物を固化し、同時に、その表面へ薄膜の構造を立体転写するというコンセプトは皆無である。本系では、長軸立体伸張により形成したストライプ(正弦波)状リンクル構造を鋳型微細凹凸構造として適用した。今年度は、これまで手動で行ってきた伸長操作を自動化してリンクル形成のプロセスの効率化を図った。このプロセスにより得られるリンクルの波長・振幅は薄膜の伸張率に依存しており、伸張率の変化に伴う表面積や表面自由エネルギー、薄膜の曲げエネルギー変化をそれぞれ算出することで、フォールディング挙動とリンクル構造の相関性を検討した。

リンクルフィルムに光架橋性モノマー(PEGDA)と光開始剤(Irgacure2959)の混合液を滴下し、フォールディング挙動を誘起した。その後UV照射による光架橋を行い、リンクルフィルムを剥離することで立体造形物単体を得た。この造形体表面は周期構造に由来した構造色を発しており、SEMやAFM観察の結果、波長および振幅が鋳型ストライプ構造と完全に一致した。またフォールディング挙動はストライプ方向や種々カッティングしたフィルムの形状(矩形・三角形・十字)を反映するため、様々な形状の造形体を作製することに成功した。当初の計画通りに順調に研究が進行していると考える。インクジェット塗布装置を用いてリンクル基板上への液滴着弾試験を行い、液滴のダイナミクス観察からラプラス圧、弾性毛管長を加味したフォールディング挙動の動力学解析を行う。リンクルの方向依存性、形状特性を整理し、平滑フィルムにおけるフォールディングの曲げ弾性モデルと比較、検証して微細構造を有した場合の各弾性モデルを構築し、屈曲エネルギーを算出する。またエレクトロスピニングファイバーとの融合も図る。インクジェット塗布による実験の他にも、金属膜やファイバー転写などを行い立体造形の機能化を行う予定である。29年度が最終年度であるため、記入しない。高分子材料科学AFMおよびSEMによる顕微鏡観察の他、形状測定レーザー顕微鏡により効率的な構造解析を行う。またAFMプローブ法により表面弾性率、凝集エネルギーを測定し、有限要素FEM解析を併用して構造力学的な観点からシミュレーションして弾性理論式(オイラー座屈方程式)及び界面付着に関わるJKR理論と照らし合わせる。リンクル形状と表面力学特性の相関性を抽出して、立体伸張特有の力学座屈モデルを構築し定式化する。また、リンクル内へのナノマテリアル挿入により、造形体の機能拡張を図る予定である。当該年度に必要な高額機器を購入できたが、未使用分額だけではその他の必要な機器購入ができなかったため当該年度に必要な高額機器を購入できたが、未使用分額だけではその他の必要な物品購入ができなかったため29年度が最終年度であるため、記入しない。当該年度に必要な高額機器を購入できたが、未使用分額だけではその他必要な機器購入ができなかったため次年度の研究に必要な物品購入に使用する予定次年度の研究に必要な物品購入に充当する予定である。次年度の研究に必要な物品購入に使用する予定29年度が最終年度であるため、記入しない。
血中タンパク質ＡＩＭによる１型糖尿病抑制機構の解明と治療応用

1型糖尿病は、インスリン産生細胞である膵β細胞が選択的に破壊されインスリン欠乏に陥る自己免疫疾患である。インスリン注射や膵島移植などいまだ患者にとって負担が大きく根本的な治療が難しいうえ、長期にわたっての治療が必要とされる1型糖尿病において、病態メカニズムの解明は新たな治療法開発の基盤を築く上で重要な課題である。1型糖尿病の発症メカニズムとして、死んだ膵β細胞の除去の遅延が自己反応性の免疫反応を惹起することが考えられていることから、死細胞除去を亢進させる機能を持つAIMが1型糖尿病の病態に関与しているのではないかと考えた。これまで、AIMが死んだ膵β細胞の除去を促進することで自己免疫の惹起を抑制しているのではないかという仮説のもと、1型糖尿病モデルマウスであるNOD(non-obese diabetes)マウスを用いて検討を重ねたが、上記仮説を裏付けるような結果は得られなかった。そこで今回、これまでの一連の実験の過程で得た結果を基にして、新たな仮説を立てることとした。糖尿病と骨代謝の関連についてはいくつか報告があるものの、糖尿病によって変化する体内での骨髄微小環境と免疫細胞の初期分化についての詳細は不明である。そこで、糖尿病マウスにおける骨髄中の骨構成細胞、および造血幹細胞、免疫前駆細胞を観察することとした。まずはその検証に必要なマウスコロニーを拡大、同時にNODマウスにおける破骨細胞や骨芽細胞の分化状態、膵島炎や糖尿病発症との関連について検討すべく準備を進めた。平成30年度が最終年度であるため、記入しない。1型糖尿病は、インスリンを産生する膵β細胞のTリンパ球による破壊を特徴とした自己免疫疾患であるが、その病態メカニズムは未だ不明な点が多い。膵島における死細胞除去の不全は自己免疫発症の原因と考えられるが、これまでの研究から、血中タンパク質AIMには、マクロファージなどによる死細胞除去を亢進させる機能があることが分かっている。また、1型糖尿病モデルであるNODマウスでAIMを欠損させると、糖尿病発症時期が早まる傾向が認められている。これらの事から、AIMには1型糖尿病抑制作用があるのではないか、という仮説を立てた。1型糖尿病に対するAIMの発症抑制効果について検討するため、まず野生型およびAIM欠損NODマウス、10、20週齢における膵島炎の状況を組織学的に解析した。膵島炎の程度を6段階で評価したが、有意な差は認められなかった。しかし、メスNODの90%が膵島炎を発症する20週齢以降の野生型、およびAIM欠損NODマウスについて血糖、尿糖、体重を週1回計測し、糖尿病の発症の時期・頻度を調べたところ、AIM欠損NODマウスにおいて、野生型NODマウスに比べて糖尿病発症時期が早まる傾向が認められた。さらに、AIMの投与により疾患の進行を制御できるかを検証するため、膵島炎が顕著になる前(3週齢)から組換えAIMを野生型NODマウスに毎週週2回投与して、15週齢における膵島炎の軽減の状況を膵島炎スコアリングにより検証した。その結果、PBS投与群に対してAIM投与群の方が有意に膵島炎のスコアが低く、リンパ球浸潤が顕著に抑制されていることがわかった。これによりAIMを投与することによる1型糖尿病の予防・治療という新しい疾患制御の可能性が示唆された。AIM欠損NODマウスの解析、さらに野生型NODマウスに対するAIMの継続投与により、AIMに1型糖尿病抑制作用があることが明らかとなった。AIMによる自己免疫抑制メカニズムの解明のため、膵島内マクロファージの貪食能に対するAIMの関与についても検討中であり、おおむね順調に進展しているといえる。今後は、AIMによる自己免疫抑制メカニズムの解析を行う。

特にAIMの死細胞除去促進機能に着目し、AIMが死んだ膵β細胞の除去を促進することで自己免疫の惹起を抑制しているのではないかという仮説のもと、in vitro phagocytosis assayや、特異的に膵β細胞を破壊するSTZ(steptozocin)を用いたマウスモデルで、AIM投与による死細胞除去促進効果の検討を行う予定である。平成30年度が最終年度であるため、記入しない。
粉体の摩擦則を考慮した火砕流のモデル化と災害評価への応用

粉体の流れの物理量により表される無次元数を用いた摩擦則を導入し,浅水流近似のもとで濃密な火砕流のモデル化を行った.改良した火砕流数値モデルを天然の実例へ適用した結果,従来のモデルでは難しかった堆積物分布や形状を再現することができるようになった.火砕流堆積物の形成過程の理解だけでなく,噴火発生時の火砕流挙動の即時予測やハザード評価の際にも,適切な粉体摩擦則を導入した数値モデルを用いることが重要であることが本研究により示された.平成25年度は,主にカリブ海スフリエールヒルズ火山における2006年溶岩ドーム崩壊イベントに伴った火砕流とその堆積物の形成過程について,二次元浅水流型モデルを用いて数値実験を行い,堆積物の観察事実(分布,形状)との整合性およびモデルの妥当性について考察した.火砕流数値モデルには,前年度に室内実験スケールでの有用性を示した,摩擦係数の物理量依存性を考慮した粉体摩擦則にもとづくモデルを用いた.また,前年度に不十分であった初期条件,摩擦係数や粒子サイズに関するパラメータ・スタディを多数行い,より多面的に計算結果を検討した.とくに初期条件については,実際の地球物理学的観測(崩壊に伴う地震の強度変化や継続時間)をもとに推定される火砕流流量の変化を時間関数で表現することにした.その結果,2006年イベントで形成された火砕流堆積物の特徴,すなわち,堤防状の構造を有し,流走方向に長く伸びた堆積物は,上記数値モデルを用いることにより再現できることがわかった.その他の初期条件や境界条件についても従来の研究や観測,観察事実と矛盾せず,妥当なものである.また,火砕流の流速や堆積物形状の時間発展の様子など,堆積物の観察結果のみからは構築できない火砕流の流走・定置のダイナミクスに関する知見を得ることができた.一方,前年度に単純な系を用いた数値実験をもとに,火砕流がSlope break point(摩擦角と山体傾斜角が等しくなる点)を通過後に堤防状構造が発達することを見出したが,スフリエールヒルズ火山の場合もこの条件を満たしていることがわかった.これらの成果は国内および国際学会で発表し,また,論文化を進めている.現在,前年度から引き続き,複数の事例について火砕流の流走面の傾斜,摩擦角などの粉体物性,堆積物形状との関係について考察を進めている.粉体の流れの物理量により表される無次元数を用いた摩擦則を導入し,浅水流近似のもとで濃密な火砕流のモデル化を行った.改良した火砕流数値モデルを天然の実例へ適用した結果,従来のモデルでは難しかった堆積物分布や形状を再現することができるようになった.火砕流堆積物の形成過程の理解だけでなく,噴火発生時の火砕流挙動の即時予測やハザード評価の際にも,適切な粉体摩擦則を導入した数値モデルを用いることが重要であることが本研究により示された.平成24年度は,(1)ガラスビーズを用いた室内での粉体流実験で観察された現象について,二次元浅水流型モデルによる再現実験を行い,数値モデルと摩擦則の適用性について評価を行った.また,(2)スフリエールヒルズ火山での溶岩ドーム崩壊イベントに伴った火砕流とその堆積物の形成過程についての考察と,北海道駒ケ岳1929年噴火の火砕流堆積物の特徴についてコンパイルを進めた.(1)については,主に異なる粉体摩擦則(係数一定摩擦則と,摩擦係数の物理量依存性を考慮した摩擦則)が計算結果に及ぼす影響について評価を行った.その結果,定常流に近い粉体流が生じる条件の下では,後者の摩擦則を用いた場合に流走距離や流れの先端形状などについて良い再現性が得られたが,非定常性が強い場合には前者の摩擦則において再現性が良いことがわかった.この研究により,物理量依存性を考慮した摩擦則の有用性が示されたとともに,その適用限界についての理解が進んだ(Maeno et al., 2013).一方(2)については,2003年と2006年の火砕流イベントを対象とし,崩壊に伴う地震の強度と継続時間から推定される火砕流の流量変化と,地形データをもとに,火砕流の発生・流走過程および堆積物形状を再現する試みを行っている.とくに2006年イベントでは,堤防状の形態を有する特徴的な火砕流堆積物が形成されたが,この堆積物形状は,浅水流型モデルに物理量依存性を導入した摩擦則を導入することにより再現可能であることがわかった(平成25年度国内・国際学会にて発表予定).また,単純な系を用いた数値実験からは,火砕流がSlope break point(摩擦角と山体傾斜角が等しくなる点)を通過後にこの特徴が発達していく様子が観察された.現在,火砕流の流走面の傾斜,摩擦角などの粉体物性,堆積物形状との関係について,他の事例も含めて考察を進めている.粉体摩擦則を考慮した浅水流型火砕流モデルを改良し,溶岩ドーム崩壊イベントなど天然の火砕流の実例へ適用し,モデルの妥当性や計算条件について検討した.カリブ海スフリエールヒルズ火山の研究では,地震観測データをもとに推定される火砕流の初期流量変化を時間関数で表現することにより,火砕流堆積物の特徴を浅水流型数値モデルにより概ね再現できることがわかった.一方,単純化した初期条件のもとでは堆積物の再現は難しく,天然の系に適用する際には観測データ等を用いて初期条件に制約を与えることが重要である.

また,粉体摩擦角や粒子サイズの効果についてもパラメータ・スタディを行うことにより検討し,堆積物形状に及ぼす効果を具体的に明らかにすることができた.とくに従来広く用いられている係数一定型摩擦則による粉体流モデルでは流走距離を過大評価する傾向があったが,本研究で考慮した粉体摩擦角や粒子サイズに依存した無次元数をモデルに導入することによりこの点が改善され,堆積物の分布や形状の再現性が良くなることがわかった.このモデルや手法を用いることにより,火砕流の流速や堆積物形成の時間発展の様子など,堆積物の野外観察結果のみからは構築できない火砕流の流走・定置のダイナミクスに制約を与えられる可能性がある.また,噴火発生時の火砕流挙動の即時予測や,火砕流の流走距離に注目したハザードマップ作成の際にも,適切な粉体摩擦則を導入した数値モデルによる評価が重要であることが本研究により示された.研究成果は国内および国際会議等で公表された.火山地質学本研究では,火砕流と粉体流の類似性に着目し,粉体流の摩擦則を考慮した火砕流の二次元数値モデルの開発・改良を行うこと,また,国内外のいくつかの活火山を対象とし,過去に発生した火砕流の数値シミュレーションを実施し,観察・観測データとの比較にもとづきモデルの妥当性について検証することを目的としている.平成25年度は,この目標の後半部分に関する研究の一部として,スフリエールヒルズ火山における2006年溶岩ドーム崩壊イベントに伴った火砕流を例にして,数値モデルや計算手法の天然の系への拡張を試み,ほぼ当初の予定通り研究を進めた.火砕流の挙動や堆積物の分布・形状が数値モデルにより再現可能かどうかについて,観察・観測データと矛盾しない初期条件,境界条件のもとでの多数のパラメータ・スタディを行い,粉体摩擦則の導入が重要であるという結果が得られ点は,本研究の最も大きな成果の一つである.一方,火山体の斜面角度や地形が火砕流の挙動や堆積物の特徴に及ぼす影響など,まだよくわかっていない点は残されており,スフリエールヒルズ火山を含めて他の複数の事例について今後さらに検討する必要がある.本研究では,火砕流と粉体流の類似性に着目し,粉体流の摩擦則(摩擦係数の物理量依存性)を考慮した火砕流の二次元数値モデルの開発・改良を行うこと,また,国内外のいくつかの活火山を対象とし,過去に発生した火砕流の数値シミュレーションを実施し,観察・観測データとの比較にもとづきモデルの妥当性について検証することを目的としている.平成24年度は,この目標の主に前半の項目に関する研究として,二次元浅水流型モデルを用いて,室内での粉体流実験の結果の再現を試みた.とくに浅水近似の妥当性と摩擦則の影響について議論し,その成果をPhysics of Fluids誌に公表した.数値モデルの適用性とその問題点について整理できたことは本年度の大きな成果である.またこの研究では,実験結果とスケーリング解析をもとに,初期条件と堆積物形状を結び付ける無次元パラメータを導き,粉体の物理に関する新知見が得られたことも大きな成果である.さらにこの研究成果を踏まえて,当初の予定通り,スフリエールヒルズ火山での火砕流イベントを例にして,数値モデルや計算手法を天然の系へ拡張する試みを開始した.実際の観測量や地形データをもとに,火砕流の挙動や堆積物の分布・形状が数値モデルにより再現可能かどうかについて調べているが,現在のところ,物理量依存性を考慮した粉体摩擦則の導入が,火砕流の特徴を再現するために重要であるという予察的成果が得られている.また,火山体の斜面角度や地形が火砕流の挙動に及ぼす影響について,スフリエールヒルズ火山だけでなく,北海道駒ケ岳の事例なども含めて検討を開始した.
豊岡市所蔵和算書の調査・研究

○研究目的:豊岡市所蔵和算書の調査研究を通して,和算の歴史やその社会的背景・和算の特徴を研究し,和算を1つの文化として捉えて,可能な限り教材化を図りたい。○研究方法:1和算書の解読・現代語訳を行う。また,現代解を行い,報告書・冊子を作成して,市民に還元する。2豊岡市所蔵和算書の内容を整理し,「地域の和算」として可能な限り教材化を行う。○研究成果:1豊岡市所蔵和算書38冊(内15冊は未見)について,解読・現代語訳・現代解を行った。その結果,「雜題飼食撰問」「新算梯比例全」「新算梯巻之一」の3つの和算書については報告書を豊岡市教育委員会に提出するとともに,豊岡市立図書館等へ寄贈した,また,「八線表用法」については,現代語訳に取り組んでいるところである。このうち,「雜題飼食撰問」については,多様な問題の中に,和歌に関する問題が含まれていた。和歌の文字に数字をあてはめ,その数字を17次方程式にして和歌の内容に合うような問題にしたものであった。和算は元来芸術的要素が強く,「芸に遊ぶ」ということがよくいわれた。そこで,「数学と和歌」という題目で,和算以前(奈良時代江戸時代)・和算成立以後における数学と和歌の関連をまとめ,近畿和算ゼミナールで発表を行った。2数学と和歌の関連は,「趣味数学の普及芸術」と移り変わっていったと考えられる。物事を学び習得するには暗唱という方法がよく用いられる。それには簡潔さが必要とされるため,当時の和算家は和歌という形式で内容をまとめたのである。そこで,実際の数学の授業(1年空間図形:立体の計量)で,角錐・円錐等の体積の公式を和歌で生徒に紹介したところとても好評で,その定着もよかった。教材化にあたっては,新潟大学人間科学部山田和美教授に直接指導を受けながら進めていった。豊岡市所蔵和算書の多くは初学者向きの内容であるため,中学生にも解ける問題である。教材化をさらに進め,できるだけ多くの先生方に使ってもらえるよう,内容を精選していきたいと考えている。
実験アニメーション作成のための動作の美化による直接操作インタフェース

理科実験の映像教材を制作する際に,実写ではなく,コンピュータアニメーションで制作するためのシステムを開発する.このようなシステムは,一般教員にも制作できることと,誤解を与えず実験の内容を正確に伝えるため,必要以上のリアリティを排除することが必要である.そこで,(実験器具等の)動作データをキャプチャし,その動作データから意図を推測し,美化されたアニメーションを制作する仕組みを開発した.本研究は,理科実験の手順や結果を説明するアニメーションを,学校の教員などが直接その実験の操作を行い,その動作をキャプチャすることで,アニメーション化しようとするものである.教員(操作者)の手の震えや操作の遅れなどを含まないアニメーションを作成するために,本研究では,教員の動作の意図を読み取り,動作データを「美化」することを目指している.そこで,初年度である平成25年度は,以下の手順で研究を進めた.最初に,科学実験の器具(試験管,ビーカー,フラスコ,ピペット,アルコールランプ,三脚台など)を整備した.平成25年度はまだ薬品等は一切扱っていない.次に,実験操作する手と実験器具のキャプチャのために,手と実験器具にマーカーを貼付し,ARの技術を応用して,動きのキャプチャを試みた.ある程度のキャプチャは可能であることを確認できたが,それで十分かどうかは,後で美化アルゴリズムと組み合わせてアニメーションが適切に生成されるかどうかで検証されることになる.さらに,操作(動作)データの美化アルゴリズムの開発に取り組んだ.まず,美化の手法にはいろいろな可能性があるので,まずその検討結果を,11月30日12月1日に玄海ロイヤルホテル(福岡県)で開催されたビジュアルコンピューティングワークショップ2013で発表し,いろいろな意見交換を行った.その結果をもとに,現在までに様々な方法を試行しているが,当初の予想通り,単一の手法では難しく,いろいろな手法の組み合わせ/使い分けを必要とすることが予想される.本研究は,理科実験の手順や結果を説明するアニメーションを,学校の教員などが直接その実験の操作を行い,その動作をキャプチャすることで,アニメーション化しようとするものである.操作者(教員)の手の震えや操作の遅れなどを含まないアニメーションを作成するために,本研究では,操作者の動作の意図を読み取り,動作データを「美化」することを目指している.初年度である平成25年度は,ARの技術を利用して動きのキャプチャを試み,さらに操作(動作)データの美化アルゴリズムの開発に取り組んだ.そこで2年目である平成26年度は,以下の手順で研究を進めた.まず,操作者は,「ビーカを三脚の上に乗せた」や「フラスコを振った」といった意味のある動作を順に実行することによって実験を遂行するものと考え,その意味のある動作(単位動作)を主に器具の動きから抽出することを考えた.実験器具等にマーカを貼付することにより,20種類の単位動作を識別できるようにし,その識別した基本動作を順に3Dアニメーション化することにより,雑音を排除した単純な実験アニメーションを生成することができた.また,キャプチャが困難な動きに対しても,単位動作を挿入・削除することにより,一種の編集を可能にした.これによって,直接操作により実験アニメーションの生成が可能であることが示された.なお,平成26年度は,研究代表者の体調不良により,外部での発表等は実施できなかった.平成25年度には,器具を含めて化学実験の環境を整備した後に,実験操作する手と実験器具のキャプチャのために,手と実験器具にマーカーを添付し,ARの技術を応用して,動きのキャプチャを行った.さらに,操作(動作)データの美化アルゴリズムの開発に取り組み,様々な美化の手法の選択肢を検討した.平成26年度には,前年度の知見から,操作者は,「ビーカーを三脚の上に乗せた」や「フラスコを振った」といった意味のある動作を順に実行することによって実験を遂行するものと考え,その意味のある動作(単位動作)を主に器具の動きから抽出することを考えた.実験器具等にマーカーを貼付することにより,20種類の単位動作を識別できるようにし,その識別した単位動作を順に3Dアニメーション化することにより,雑音を排除した単純な実験アニメーションを生成することができた.また,キャプチャが困難な動きに対しても,単位動作を挿入・削除することにより,一種の編集を可能にした.これによって,直接操作により実験アニメーションの生成が可能であることが示された.平成27年度には,当初液体や固体(粉末)などのキャプチャを検討したが,計算機環境の安全性や安定したキャプチャなどの面で困難であるとの結論に達し,他の対話デバイスを併用して直接入力する方針に変更した.加えて,動作の識別や美化の改良を進めた.当初は,プロトタイプシステムを実現し実際にアニメーションコンテンツを作成する予定であったが,研究代表者の体調等の問題により,システムは完成に至らなかった.今後は,現有の資源を利用して,プロトタイプの実現から実験までを引き続き進める.理科実験の映像教材を制作する際に,実写ではなく,コンピュータアニメーションで制作するためのシステムを開発する.このようなシステムは,一般教員にも制作できることと,誤解を与えず実験の内容を正確に伝えるため,必要以上のリアリティを排除することが必要である.そこで,(実験器具等の)動作データをキャプチャし,その動作データから意図を推測し,美化されたアニメーションを制作する仕組みを開発した.【研究実績の概要】でも述べたように,平成26年度は,動作の美化により実験アニメーションが生成できるところまでは達成できたが,主に研究代表者の体調不良により,当初計画の水準には達しておらず,また外部発表等はできなかった.コンピュータグラフィックス【研究実績の概要】

および【現在までの達成度】で述べたように,平成27年度は,26年度の当初予定も含め,研究を進展させる.【研究実績の概要】でも述べたように,平成25年度は,当初予定していた科学実験環境の整備,手と器具のキャプチャ技術の実験,動作データの美化アルゴリズムの開発まで進めており,おおむね予定通りに進展したといえる.平成26年度使用額が,当初予定額に達しなかった主たる原因は,研究代表者の体調不良のため,外部発表等が実施できなかったことと,研究室学生の関係で,研究補助の人件費・謝金が不要になったことがある.【研究実績の概要】および【現在までの達成度】でも述べたように,現在まで研究はおおむね順調に進展しており,次年度は,主に動作美化アルゴリズムの完成と,キャプチャ技術の検証を進める予定である.平成26年度に使用しなかった予算により,外部発表の旅費・参加費,開発や実験のための人件費・謝金をより多く使用できることになったので,その分を利用してより積極的に研究を進めたい.平成25年度使用額が,当初予定額に達しなかった主たる原因は,意見交換のために参加したワークショップの会場が,当初想定していた東京などではなく,地元であったことと,研究室学生の関係で,研究補助の人件費・謝金が不要になったことがある.平成25年度で使用しなかった予算により,外部発表の旅費・参加費,開発や実験のための人件費・謝金をより多く使用できることになったので,その分を利用してより積極的に研究を進めたい.
最尤法によるゲノム情報の並列多重解析システムの開発

本研究では,進化過程における塩基およびアミノ酸の置換/挿入/欠失のプロセスを,マルコフ連鎖に基づく確率モデルによりモデリングし,(a)ORF (Open Reading Frame)の予測,(b)配列のアラインメント,(c)分子系統樹の推定といった種々の推定を,最尤法の枠組で統一的に扱えるシステムを開発することを目的とした.1.まず第一段階として,ゲノム情報多重解析システムのプロトタイプを,UNIXワークステーション上で開発した.この開発では,研究目的の項であげた種々の推定処理をそれぞれUNIXのプロセスとして動作させ,それらの間のフィードバックはファイルを介して通信することで実現した。2.分子系統樹の推定に関しては現在のところDNA塩基配列に基づくものがほとんどであることから,最尤法によりアミノ酸配列から分子系統樹を推定するシステムを新たに開発した.3.さらに,このプロトタイプシステムを,ワークステーション・クラスタ(LANで結合されたワークステーション群)上で並列実行可能なように拡張した.ワークステーション・クラスタとしては,神戸大学工学部情報知能工学科の教育用計算機設備の一部である61台のUNIXワークステーションを使用した.この結果15種のタンパク伸長因子(EF-1α)のアミノ酸配列からの分子系統樹推定が,1台のワークステーションで49715秒かかるのを,16台のワークステーションにより4668秒と約1/11にまで実行時間を短縮できた.4.また,分子系統樹の推定において,多数生成される候補系統樹の中から尤度最大のものと効率良く探すため,従来行なわれてきた逐次付加法に加えて,A^**アルゴリズムや遺伝的アルゴリズムによる分子系統樹の推定も行なった.本研究では,進化過程における塩基およびアミノ酸の置換/挿入/欠失のプロセスを,マルコフ連鎖に基づく確率モデルによりモデリングし,(a)ORF (Open Reading Frame)の予測,(b)配列のアラインメント,(c)分子系統樹の推定といった種々の推定を,最尤法の枠組で統一的に扱えるシステムを開発することを目的とした.1.まず第一段階として,ゲノム情報多重解析システムのプロトタイプを,UNIXワークステーション上で開発した.この開発では,研究目的の項であげた種々の推定処理をそれぞれUNIXのプロセスとして動作させ,それらの間のフィードバックはファイルを介して通信することで実現した。2.分子系統樹の推定に関しては現在のところDNA塩基配列に基づくものがほとんどであることから,最尤法によりアミノ酸配列から分子系統樹を推定するシステムを新たに開発した.3.さらに,このプロトタイプシステムを,ワークステーション・クラスタ(LANで結合されたワークステーション群)上で並列実行可能なように拡張した.ワークステーション・クラスタとしては,神戸大学工学部情報知能工学科の教育用計算機設備の一部である61台のUNIXワークステーションを使用した.この結果15種のタンパク伸長因子(EF-1α)のアミノ酸配列からの分子系統樹推定が,1台のワークステーションで49715秒かかるのを,16台のワークステーションにより4668秒と約1/11にまで実行時間を短縮できた.4.また,分子系統樹の推定において,多数生成される候補系統樹の中から尤度最大のものと効率良く探すため,従来行なわれてきた逐次付加法に加えて,A^**アルゴリズムや遺伝的アルゴリズムによる分子系統樹の推定も行なった.
基質の軟らかさによって誘引される細胞の協調的集団運動に関する研究

多数の細胞が集団で協調的に運動することは,生体組織の形成や維持など様-な生命現象において重要な役割を果たす.本研究では,細胞集団に自発的な協調運動を誘引させるため,軟らかいコラーゲンゲルを作成し,その上に上皮細胞(MDCK細胞)を培養した.細胞外基質との接着構造を解析し,リーダー細胞の出現機構について調べた.さらに,細胞間に「力」を伝達するセンサーの探索を行った.多数の細胞が集団で協調的に運動することは,生体組織の形成や維持など様-な生命現象において重要な役割を果たす.本研究では,細胞集団に自発的な協調運動を誘引させるため,軟らかいコラーゲンゲルを作成し,その上に上皮細胞(MDCK細胞)を培養した.細胞外基質との接着構造を解析し,リーダー細胞の出現機構について調べた.さらに,細胞間に「力」を伝達するセンサーの探索を行った.in vitroの上皮細胞に自発的な集団運動を誘引させるため,タイプI型コラーゲンからなる軟らかいゲル基質上に上皮細胞(MDCK細胞)を播種し,下記の実験を行った.(1)細胞-基質間の接着構造の解明軟らかいゲル基質においては,リーダー細胞のみが基質との接着部位にintegrin-β1を発現し,リーダー細胞以外の細胞(フォロワー細胞)はintegrinファミリーとは異なる接着タンパク質を発現していることが明らかとなった.さらに,integrin-β1の活性阻害剤として作用するモノクローナル抗体(AIIB2)を集団運動中の細胞に投与したところ,リーダー細胞のみが運動を停止し,フォロワー細胞は運動し続けた.このことは,リーダー細胞の運動にとってintegrin-β1の活性化が必須であることを示している.(2)リーダー細胞の出現解析ゲル基質の硬さが上昇するにつれて上皮-間質転換が誘引され,リーダー細胞の出現頻度が上昇することが明らかとなった.さらに、リーダー細胞では細胞内張力を制御するII型ミオシン調節軽鎖二重リン酸化されており,細胞が基質に加え把握力が顕著に上昇していることも明らかとなった.(3)細胞間接着におけるメカノセンサーの探索細胞間接着構造の構成タンパク質のひとつであるp120-cateninが,細胞間に「力」を伝達するメカノセンサーである可能性が免疫蛍光染色およびRNA干渉実験によって示唆された.さらに,軟らかい基質上では,細胞の基底部にもp120-cateninが局在することが明らかとなった.このことは,p120-cateninが細胞間接着のみならず,基質との接着にも関与することを示唆している.次年度で,p120-cateninと集団運動との関係を明らかにする.細胞集団に自発的な協調運動を誘引させるため,コラーゲンゲルを作成し,その上に上皮細胞(MDCK細胞)を培養した.平成22年度では,細胞外基質との接着構造を解析し,リーダー細胞の出現機構について調べた.さらに,細胞間に「力」を伝達するセンサーの探索を行った.(1)細胞-基質間の接着構造の解析これまでの実験結果によって,軟らかいゲル基質上においては,リーダー細胞のみが基質との接着部位にintegrin-β1を発現し,リーダー細胞以外の細胞は別の接着タンパク質を発現していることが示唆されていた.平成22年度では,RT-PCRにより,リーダー細胞以外の細胞における接着構造の解明を目指した.しかし,integrin-β3,β4,β7など幾つか候補が見つかったものの,接着タンパク質の同定には至らなかったので,次年度も継続して実験を行う予定である.(2)リーダー細胞の出現機構の解明これまでの実験結果によって,基質の硬さに伴って上皮-間質転換(EMT)が誘引され,リーダー細胞が出現することが示唆されていた.平成22年度では,MDCK細胞のサブクローニングを行い,発現遺伝子と表現型を調べることでEMTを検証した.その結果,ガラス基盤上でも集団運動を示すサブクローンの獲得に成功した.そのサブクローンは細胞間接着が極めて強固であり,E-cadherinが有意に発現していることが明らかとなった.さらに,他のサブクローンに比べて,リーダー細胞の出現頻度が少ないという結果が得られた.これらのことから,EMTとリーダー細胞の出現との相関が明らかとなった.細胞の集団に自発的な協調運動を誘引させるため,I型コラーゲンのゲル上に上皮細胞(MDCK細胞)を播種し,以下の実験を行った.(1)細胞-基質問の接着構造の解明RNA干渉法によってlaminin-10のサブユニットであるlaminin-α5の発現を抑制したところ,コラーゲンゲル上での協調的な集団運動が阻害された.このことから,軟らかい基質上の細胞集団は細胞外基質にlaminin-lOの濃度勾配を形成することで協調的な集団運動を行うことが明らかとなった.(2)リーダー細胞の出現機構の解明前年度までの実験結果から,基質の硬さに伴って上皮-間質転換が誘引され,リーダー細胞が出現することが示唆されていた.そこで,コラーゲンゲル上の細胞集団にTGF-β1受容体の阻害剤を投与した.その結果,リーダー細胞のみが運動を停止し,後続の細胞集団は運動を継続し,結果的に協調的な集団運動が阻害された.このことから,TGF-β1のシグナル経路によって誘引される上皮-間質転換がリーダー細胞の出現要因であることが明らかとなった.(3)集団運動を司るシグナル伝達経路の解明

Rac1の活性阻害剤を投与すると,リーダー細胞のみが運動を停止し,コラーゲンゲル上での協調的な集団運動が阻害された.このことから,laminin-10の濃度勾配とTGF-β1由来の上皮-間質転換をつなぐシグナル経路には,Rac1の活性が関与していることが明らかとなった.