hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
腫瘍細胞の増殖に現れる接触抑制モデルの数理解析

細胞には、増殖や移動によって外部境界や他の細胞集団と接触するとき、増殖・移動が抑制されるという接触抑制機構がある。正常細胞の一部が異常細胞に変化したとき、接触抑制機構が失われた状況では異常細胞は果てしなく増殖し、初期の癌細胞になる可能性がある。本研究では,異常細胞の拡大速度に注目することから、接触抑制機構を考慮した細胞増殖モデルを導出し、モデルに現れる進行波解の速度を考察した。その結果,正常及び異常細胞の増殖率、細胞間の相互作用に鋭敏に依存して、分離進行波、交差進行波、部分交差進行波と異なるタイプの進行波解が存在し、それに応じた進行波速度が与えられることが示された。正常細胞が増殖し、拡大したとき、境界や他の細胞集団と接触するとき、増殖及び移動が抑制されるという「接触抑制」現象が現れる。このような細胞の増殖拡大過程に現れる接触抑制を理解すること細胞の癌化を探るため一つの手段である。そのために、正常細胞の一部が突然変異などで接触抑制機能は失われていないが、(例えば)、増殖率が正常細胞のそれよりも高くなることから異常細胞になることが考えられる。このとき、異常細胞はどのように増殖し、拡大していくかという問題が提起される。その機構を理論的に解明するために、代表者はマクロレベルでのミニマルモデルとして2変数非線放物型ー双曲型方程式を提案した。本課題研究の第1段階としては、正常細胞と異常細胞が初期に分離していれば、両者が拡大しても、決して交わらない(分離する)ことを示した。この結果より、接触抑制問題は自由境界問題として扱うことが可能であることが示された。次の段階として、異常細胞が正常細胞集団の中で増殖拡大どのような速度で拡大するのかを研究課題として取り上げ、空間1次元問題において、異常細胞の増殖拡大を数理的に考察する手段として、進行波解を取り上げ、増殖拡大速度を進行波解の速度として扱うことから、進行波解の存在などその定性的性質の考察を開始し、数値シミュレーション及びそれを相補する数理解析法から考察した。この問題に対して数値シミュレーション結果から、驚くことに、状況によっては正常細胞と異常細胞が常に交わらない(分離している)進行波解だけではなく、交わる進行波解も存在する場合があることが確認された。このことは、これまで扱ってきた自由境界問題として扱うことができないことを意味しており、この研究が第3段階である。その結果、正常細胞と交わらない異常細胞の拡大速度は交じっている場合の進行波解の存在を、交わらない場合の進行波解のそれよりも速いことがわかった。平成27年度は、ある条件下で正常細胞と異常細胞が交わっていない分離している進行波解が、交わっている進行波かよりも速いということがわかったが、数値シミュレーションから交わっていない進行波解の空間形状は予想異常に複雑であることが数値シミュレーションから明らかになった。進行波解を大きく分けると次の3つである:(1)完全に交わっていない(分離している)。(2)交わっている。(3)部分的に交わっている所と交わっていない所が共存する。これまでの研究進捗状況は、(i)(1),(2)はほぼ解決したが、(3)の場合についての議論が十分ではなく、残念ながら、本年度期間内では行えなかった。(ii)2次元問題に対しては、初期に2つの細胞が分離している状況では、2つの細胞集団は増殖拡大するが、決して交わらないことを示したが、それではそのとき2つの異なる細胞集団の境界の変化を記述する自由境界問題はどのように定式化されるのかという2次元問題については数値シミュレーションにおいてはほぼ満足いく結果が得られたのだが、理論的考察はまだ充分に行われていない。このことが進捗が遅れていることが理由である。正常細胞には、増殖・拡大し,回りの境界や他の細胞集団と接触するとき,増殖及び移動が抑制されるという「接触抑制」現象が現れることは良く知られている.もしもこのような機能が失われるならば、増殖は限りなく拡がり、初期段階の癌細胞になる可能性がある.このことから,本研究では,数理科学の視点から接触抑制の機構を明らかにするために,数理モデルを提案し,そのことから,この問題の理論解明を研究課題にした.初年度では,巨視的視点から,接触抑制機構をもつ正常細胞と悪性細胞の相互作用を記述する非線形拡散方程式モデルを導出し,いくつかの数値シミュレーションを行なった.今年度は正常細胞の増殖速度を考察するために,モデルがもつ進行波解という特殊解に注目し,空間1次元解の定性的性質を進行波の速度の視点から解析を行なった.具体的には,2つの細胞の増殖率,相互作用に依存して,(接触抑制効果によって)交じり合わない状況での進行波の他に,交じり合った進行波が存在することを発見した.このような進行波は次のような状況で起こることが予想される.もしもあるとき,正常細胞が何らかの原因(例えば、突然変異)で異常細胞に変化したとするとき,2つの細胞がまじり合う、あるいは適当な状態で交じり合わなという2つの場合が考えられる.異常細胞は状態から増殖・拡大をしていくが,拡大速度はそれぞれ交じり合わない,交じり合うという異なる進行波の速度で記述されることがシミュレーションから確認された.

前者の進行波速度よりも後者の進行波速度が速いといことはすでに示されていたが,この結果を踏まえて、正常細胞から変化した異常細胞の拡大速度はその空間分布に依存して拡大速度が異なることが数理解析から明らかにしたのである.初年度は,正常細胞の持つ接触抑制効果を理論的に理解するために正常細胞と異常細胞の接触抑制効果を記述する非線形拡散方程式モデルを提案した.そして正常細胞から突然変異等が原因で異常細胞が現れたとき,正常細胞がもつ接触抑制効果のもとで,どのような振る舞いをするのかを考察した.先ず,接触抑制の元で互いに交じり合わない空間1次元状況を考えて,2つの細胞集団の境界を記述する自由境界問題を導出した.そしてその解析から,交じり合わない進行波解を議論した.更に,数値シミュレーションから空間1次元、2次元の場合に異常細胞がどのような拡がっていくかを考察した.今年度は,その成果に基づいて,正常細胞と異常細胞がが交じり合った状態での異常細胞の拡大速度を考察することである.そのために,交じり合った進行波解の性質を調べることに成功した.そこでの成果は,以上細胞の拡大速度は正常細胞と異常細胞の空間分布に依存して,大きく変化することが明らかになった。この点は満足いく結果であったが,区分が「おおむね順調に進展している」とベストではないことにしたのは,異常細胞の増殖・拡大に対する空間2次元問題がシミュレーション以外になされなかったことである.正常細胞には、増殖・拡大し,外部との境界や他の細胞集団と接触するとき,増殖及び移動が抑制されるという「接触抑制」機構がある.もしもこのような機構が失われるならば、増殖は限りなく拡がり、初期段階の癌細胞になる可能性がある.このことから,本研究では,接触抑制の機構を明らかにするために,正常細胞と異常細胞の総合作用を記述する非線形拡散方程式モデルを導出し,解析及びそれを相補するシミュレーションから,その数理的考察を行なった.2つの細胞の増殖速度を数理的に扱うために,進行波解という特殊解に注目し,その解が持つ速度を解析するから細胞の増殖と接触抑制の関係に対して考察を行なった.具体的には,2つの細胞の増殖率,相互作用に依存して,(接触抑制効果によって)交じり合わない状況での進行波(分離進行波)解の他に,交じり合った進行波(交差進行波)解が存在することがわかり、さらに、その混合形で表される進行波(部分交差進行波)解が存在することを発見した.すなわち、多様な進行波が存在することから、異常細胞の拡大速度が必ずしも一意でないことがわかった.もしも正常細胞の一部分が何らかの原因(例えば、突然変異)で完全に異常細胞に変ったとする.このとき、異常細胞はその後決して正常細胞と混じり合わずに増殖・拡大をしていき、異常細胞の拡大速度は分離進行波の速度で与えられる.一方、正常細胞と異常細胞が交差するような初期状況では、モデルに含まれるパラメータに依存して,交差進行波あるいは部分交差進行波に近づくことがシミュレーションから確認された.これらの結果より、異常細胞の拡大速度は進行波速度と密接な関係があること、そして進行波速度は2つの細胞の増殖率及び相互作用に鋭敏に依存して多重に存在していることが数理解析から明らかになった.細胞には、増殖や移動によって外部境界や他の細胞集団と接触するとき、増殖・移動が抑制されるという接触抑制機構がある。正常細胞の一部が異常細胞に変化したとき、接触抑制機構が失われた状況では異常細胞は果てしなく増殖し、初期の癌細胞になる可能性がある。
髄膜・脈絡叢に展開する免疫系の組織構築と精神・神経病態への関与

脳と免疫系が細胞間相互作用を行う場所を特定したいと考え、遺伝子組み換えマウスと骨髄移植技術を応用して、骨髄で生まれた細胞だけが緑色に光るマウスを作製し、免疫細胞が骨髄を出てどのような時間経過で頭蓋内のどこへ分布するのか追跡した。その結果、免疫細胞は脳を覆う髄膜と髄液を作り出す器官である脈絡叢にまず展開し、次いで脈絡叢を経路として脳内へ進入した。この細胞は全身に生じた炎症を脳へ伝える役目を担っていた。さらに、認知症のような変性病態では、脳はより多くの免疫細胞を骨髄から呼び寄せた。脳が巧妙な組織構築を背景に免疫細胞を駆使して、全身に生じた異変を察知し、脳の異変を全身に伝える仕組みの一端を解明した。研究計画の「D.脈絡叢付着部組織が骨髄由来細胞を脳実質へと誘導するケモカインの仕組み」に関して、骨髄細胞が脳へ進入する経路と考えられた脈絡叢付着部の組織構築をサイトカイン発現の観点から検討した結果、脈絡叢付着部は上衣と髄膜に挟まれた狭い空間で、アストロサイトの線維性突起から成り、フラクタルカインを発現した。脈絡叢間質には、ミエロイド系のみならずCXCL12発現細胞も存在し、ともに骨髄由来であった。脈絡叢と付着部の脳領域からはフラクタルカイン、CXCL12および関連分子のmRNAが検出された。従って、脈絡叢間質・付着部・隣接脳領域は、CXCL12やフラクタルカインによって骨髄由来細胞を分化・リクルートする装置として、脳免疫連関に重要な場である。「C.髄膜・脈絡叢に展開する免疫系が末梢の炎症反応を脳組織に伝達することの証明」に関して、マウスにLPSを腹腔投与し、1, 4, 24時間後に海馬をホモジナイズして、サイトカイン濃度をマルチプレックス解析した。また、マウスを固定し、検出したサイトカインとその受容体に対する免疫染色を行った。その結果、LPS1時間後に脈絡叢間質・血管周囲細胞がTNFaを発現した。4時間後に増加したサイトカインのうちCXCL1は脈絡叢上皮・血管内皮細胞に、CXCL2は脈絡叢上皮・髄膜細胞・血管内皮細胞に、CXCL9は脈絡叢間質・血管周囲細胞に、CCL2は脈絡叢に発現した。24時間後に増加したCCL11、G-CSFはアストロサイトが発現した。従って、末梢の炎症に応答して、まず、脈絡叢間質細胞・血管周囲細胞が炎症性サイトカインを発現すること、次いで、脈絡叢・髄膜・血管内皮が脳組織ケモカイン環境を変化させ、アストロサイトにサイトカインを産生させることがわかった。「C.髄膜・脈絡叢に展開する免疫系が末梢の炎症反応を脳組織に伝達することの証明」に関して、成体雄マウスに内毒素LPSを腹腔投与し、1, 4, 24時間後に脾臓と海馬をホモジナイズして、33種のサイトカイン濃度を一斉定量出来るマルチプレックス解析を行い、saline投与1時間後の対照群と比較した。同じ時間経過でマウスを4%PFAにて灌流固定し、脾臓・海馬で検出したサイトカインとその受容体に対する免疫組織染色を行った。その結果、脾臓では15種のサイトカインの濃度がLPS投与1, 4時間後に上昇した。海馬では10種のサイトカイン(TNF-α, CCL2, CXCL1, CXCL2, IL-6, CXCL9, LIF, CXCL10, CCL11, G-CSF)がLPS投与後に増加したが、その経時変動パターンは脾臓とは異なった。LPS投与4時間後に、CCL2, CXCL1, CXCL2は、脈絡叢上皮細胞、脈絡叢間質・髄膜間質のCXCL12陽性細胞、脳血管内皮細胞が産生した。受容体であるCCR2, CXCR2はアストロサイトの突起/終足に発現していた。LPS投与4, 24時間後に増加したCXCL10は脈絡叢間質・髄膜間質のCXCL12陽性細胞、脳血管内皮細胞、アストロサイトが、また、CCL11はアストロサイトが産生した。LPS投与24時間後に増加したG-CSFはアストロサイトが広範に産生した。以上のことから、全身炎症が生じると、免疫系と脳のインターフェイスに位置する髄膜・脈絡叢のCXCL12陽性細胞、脈絡叢上皮、血管内皮が早期に応答し、多彩なサイトカインを介する細胞間相互作用をアストロサイト突起と行うことによって、免疫応答が脳に伝達されることがわかった。これに続くアストロサイトの広範なG-CSF産生は、神経保護的微小環境の形成を示唆している。成体雄マウスに内毒素LPSを腹腔内投与し、1, 4, 24時間後に海馬をはじめとする7つの脳部位と脾臓をホモジナイズして、33種のサイトカイン濃度を一斉定量出来るマルチプレックス解析を行い、saline投与1時間後の対照群と比較した。同じ時間経過でマウスを4%PFAにて灌流固定し、7つの脳部位と脾臓の切片を作製し、脳・脾臓で検出したサイトカインとその受容体に対する免疫組織染色を行った。

脳では11種のサイトカイン(TNF-α, CCL2, CCL3, CXCL1, CXCL2, IL-6, CXCL9, LIF, CXCL10, CCL11, G-CSF)がLPS投与後に増加したが、その経時変動パターンは脾臓とは異なった。IL-6, CCL2, CCL3, CXCL1, CXCL2, CXCL9, TNFαはLPS投与4時間後に上昇する「早期サイトカイン」であり、CCL11, CXCL10, G-CSFはLPS投与24時間後に上昇する「後期サイトカイン」であった。早期サイトカインは、脈絡叢上皮細胞、脈絡叢間質・髄膜間質のストローマ細胞、脳血管内皮細胞が産生した。受容体であるCCR2, CXCR2はアストロサイトの終足に発現していた。後期サイトカインはアストロサイトが産生した。本年度は、免疫組織染色に関して、抗体の特異性の確認と、二重蛍光染色の定量評価を重点的に行った。以上より、全身炎症が生じると、免疫系と脳のインターフェイスに位置する髄膜・脈絡叢のストローマ細胞、脈絡叢上皮、血管内皮が早期に応答し、脳の広範囲にわたって、多彩なサイトカインを介する細胞間相互作用をアストロサイト突起と行うことにより、免疫応答が脳に伝達されることがわかった。髄膜・脈絡叢に展開する免疫系が末梢の炎症反応を脳組織に伝達することの証明については、海馬のみならず脳の全範囲を対象としたひととおりの実験を完了した。海馬に関しては論文を国際誌(Scientific Reports)に出版することが出来た。さらに、脳の全領域へ炎症反応がいかに伝達されるのかについても、生化学的測定結果を論文にまとめ、国際誌に投稿した。本年度より一部計画を修正して解析を始めた嗅覚神経回路の変性に関する国際共同研究が軌道に乗り、年度末時点で順調にデータが得られつつある。平成26年度末より計画の一部を修正し、27年度には、鼻腔の持続的感染性炎症が嗅球のシナプス減少とグリオーシスを誘発する組織変化の解析に関する国際共同研究を軌道に乗せ、本年度はこの研究に進展があった。実験方法として、マウスの片側鼻腔に内毒素LPSもしくは生理食塩水(対照群)を1週3回反復投与し、初回投与の7,14,21日後に灌流固定した。鼻腔を含む吻側頭蓋を温存した嗅球の凍結切片を作製し、炎症細胞や嗅上皮・嗅球の組織構築に対する各種抗体をマーカーに用いて免疫蛍光染色を行い、形態計測した。以上より、鼻腔の持続的感染性炎症によってOSNが脱落し、軸索変性を介して、嗅球のシナプスが減少し、グリオーシスが生じることを示した。この内容はScientific Reports誌に投稿し、現在reviseの段階にある。研究グループの研究員のひとりが海外の大学へ転出したが、転出先の研究室との共同研究が順調に進展し、平成26年度より一部計画を修正して開始した嗅覚神経回路を場とする炎症と脳実質変性との関連性を探究する実験に一定の成果が出た。本年度はその成果を国際学術誌に投稿し、追加実験も終えて、年度末時点でreviseの最終段階にある。マウスにlipopolysaccharide(LPS)を腹腔投与して全身炎症を惹起すると、脾臓ではLPS投与1時間後からIL-1βなどの炎症性サイトカインが上昇する。一方、LPSやサイトカインは血液脳関門を通過しないものの、脈絡叢・髄膜の細胞および血管内皮の応答により、LPS投与4時間以降には脳実質でもCCL2、CXCL2、IL-6などのサイトカインが上昇する。これらのサイトカインは受容体を介してアストロサイト突起を刺激し、24時間後にはアストロサイト自身が独自のサイトカインを分泌して脳内微小環境が変化する。
頭頚部癌細胞由来α-N-アセチルガラクトサミニダーゼのクローニングと機能解析

【目的】本年度の研究では、分離された頭頸部癌培養細胞から抽出したα-N-acetyl galactosaminidase活性を示す蛋白に対するポリクローナル抗体を作成し、遺伝子クローニングを行った。【方法】1.頭頸部癌培養細胞から抽出したα-N-acetylgalactosaminidase活性を示す蛋白を抗原とし、ラビットを宿主としてポリクローナル抗体を作製した。2.頭頸部癌のHela細胞より抽出したmRNAを抽出し、1^<st> strand cDNAを調製後、Hela細胞より抽出したUNIZAP XRVECTORに挿入してcDNAベクターライブラリーを作製した。ファージベクターのホストとしてXL-1 Blueを用いた。3.XL-1 Blueを用いてファージタイターを測定したところ、2.4×10^<12>Pfu/mlであった。4.IPTGを添加したNZY平板培地に、ファージを吸着させたXL-1 Blueをまき、42°Cの温度シフト後に形成されたプラークをブロッティング膜に転写させた。作製したポリクローナル抗体を用いてECL法によってクローンを検出した。【結果】Hela細胞より抽出した、約2500塩基のリーディングフレームを持つ新規mRNAをクローニングした。本蛋白は、DEVD Boxを有し、N末端側に塩基性アミノ酸配列と核移行シグナルが、またC末端側には回文構造がみられた。NCBIのBlastnによる解析では、RNAヘリカーゼ様構造を持つとともに、α-ガラクトシダーゼやグルクロニダーゼとの相同性もみられ、糖鎖構造を脱糖鎖する機能を有すると考えられた。癌細胞より産生されるα-N-アセチルガラクトサミニダーゼ活性物質を抽出することを目的とし以下の結果を得た。1、培養細胞抽出液と培養上清中のエクソα-N-アセチルガラクトサミニダーゼ(エクソα-NaGalase)活性を測定したところ、頭頸部癌細胞のHSG(唾液腺癌由来)とSCCTM(口腔扁平上皮癌由来)で高い酵素活性が検出された。一方、ヒトケラチノサイト、ヒト歯肉線維芽細胞および肺線維芽細胞においては、頭頸部癌細胞に比べ低い活性が検出された。2、高いエクソα-NaGalase活性を示すHSG細胞より蛋白を抽出した後、イオン交換クロマトグラフィー、ゲル濾過クロマトグラフィーで高いエクソα-NaGalase活性を示す48kDaの蛋白を精製した。3、HSG由来α-NaGalase活性の生化学的特徴を検討したところ、広いpH領域で活性がみられ、熱処理後(40°C、30分処理した後、4°C、5分間冷却)では85%の酵素活性の回復がみられた。4、本酵素をGc proteinまたはマクロファージ活性化因子(Gc MAF)に作用させたところ、マクロファージの活性酸素産生能が低下することが明らかとなった。以上の結果から、唾液腺癌由来のHSG細胞は高いα-NaGalase活性蛋白を産生し、GcMAFの生理活性を低下させることが明らかとなった。今後、本酵素の抗体を作製し、cDNAライブラリーよりクローニングする予定である。本年度は,頭頸部癌細胞に由来するα-NaGalaseの精製を行った.唾液腺癌由来細胞をホモジナイザーで破砕し,12,000×g,4°Cで10分間遠心分離して得られた上清を細胞抽出液として実験に供した.培養上清と細胞抽出液中の蛋白を,70%飽和硫酸アンモニウムで沈殿させ,50mMクエン酸ナトリウム緩衝液(pH4.2)に溶解し4°Cで透析した.透析した酵素標品にp-nitrophenolで標識した酵素基質を5μmol/mlで添加して反応を開始した.37°Cで60分間反応させた後,10%

トリクロロ酢酸を加えて反応を停止させた.放出された.p-nitrophenol量は420nmで分光光度計により測定した.蛋白濃度はBCA法で測定した.透析したHSG抽出蛋白を,0.05Mクエン酸ナトリウム(pH5.0)で平衡化したDEAEカラムに添加し,担体に結合した蛋白をNaClを含む0.05Mクエン酸ナトリウム緩衝液(pH5.0)で溶出させ,95フラクションに分画した.exo-α-NaGalase活性を示す分画をゲル濾過カラムに添加し,exo-α-NaGahse活性の高い分画を採取し濃縮した.イオン交換クロマトグラフィーとゲル濾過クロマトグラフィーを用いて精製した唾液腺癌由来α-NaGalaseの分子量は48kDaであった.本酵素は,pH4.2においてexo-α-NaGalase活性とともに,endo-α-NaGalase活性(32.0%),α-galactosidase活性(5.0%)を示した.本酵素をマクロファージ活性化因子に作用させたところ,その生物活性は低下した.現在,本精製蛋白のポリクローナル抗体を作製し,クローニング中である.【目的】本年度の研究では、分離された頭頸部癌培養細胞から抽出したα-N-acetyl galactosaminidase活性を示す蛋白に対するポリクローナル抗体を作成し、遺伝子クローニングを行った。【方法】1)頭頸部癌培養細胞から抽出したα-N-acetylgalactosaminidase活性を示す蛋白を抗原とし、ラビットを宿主としてポリクローナル抗体を作製した。2)頭頸部癌のHela細胞より抽出したmRNAを抽出し、1^<st> strand cDNAを調製後、Hela細胞より抽出したUNIZAPXR VECTORに挿入してcDNAベクターライブラリーを作製した。ファージベクターのホストとしてXL-1 Blueを用いた。4)IPTGを添加したNZY平板培地に、ファージを吸着させたXL-1 Blueをまき、42°Cの温度シフト後に形成されたプラークをブロッティング膜に転写させた。作製したポリクローナル抗体を用いてECL法によってクローンを検出した。5)クローンは、ヘルパーファージを用いてファージミドとし、塩基配列をギルバート法で決定した。【結果】Hela細胞より抽出した、約2500塩基のリーディングフレームを持つ新規mRNAをクローニングした。本蛋白は、DEVD Boxを有し、N末端側に塩基性アミノ酸配列と核移行シグナルが、またC末端側には回文構造がみられた。NCBIのBlastnによる解析では、RNAヘリカーゼ様構造を持つとともに、α-ガラクトシダーゼやグルクロニダーゼとの相同性もみられ、糖鎖構造を脱糖鎖する機能を有すると考えられた。
低温物質生産システムの開発を目指した新規低温適応微生物の探索

アラスカ永久凍土やスイス高山土壌から低温での生育特性やタンパク質の分泌生産特性に優れた細菌を分離した。アラスカ永久凍土由来の低温適応微生物がヘモリシン共制御タンパク質のホモログを分泌高生産することを見いだし、本タンパク質の分泌装置を利用した外来タンパク質分泌生産系構築に向けて分泌機構を解析した。一方、南極海水から分離した低温菌について、本菌を宿主としたタンパク質生産系構築において利用価値が高いと考えられる低温誘導性プロモーターを単離した。南極海水から分離した低温適応微生物について、低温適応機構の解明と低温物質生産システムへの応用を目的として、低温誘導性遺伝子群を同定した。広宿主域プラスミドpJRD215をベクターとして、プロモーター領域をもかないβ-ラクタマーゼ遺伝子の上流域にShewanella livingstonensis Ac10のゲノムDNA断片を挿入してライブラリーを構築した。E.coli S17-1を宿主としたライブラリーを接合伝達によってS.livingstonensis Ac10に導入し、アンピシリンを含む寒天培地上、4°Cでの生育速度を指標として高いβ-ラクタマーゼ活性を示すものを選抜した。得られた株を4°Cと18°Cで培養し、4°Cでβ-ラクタマーゼが誘導生産されるものを選抜した。それらが保持するプラスミドのβ-ラククマーゼ遺伝子の上流配列を解析することにより、低温誘導性のプロモーター配列を同定するとともに、S.livingstonensis Ac10ゲノムにおいてこれらのプロモーター配列の下流に存在する遺伝子を同定した。これらの研究により11種の低温誘導性遺伝子を明らかにした。微生物の低温適応機構を解析する上で重要な手がかりを与える知見と考えられ、また、低温適応微生物を宿主として低温誘導的に物質生産するシステムを開発する上でこれらのプロモーターは有用であると考えられる。一方、北極圏ツンドラ地帯から分離した低温適応微生物のうち、タンパク質の分泌生産能に優れたものについて、これを宿主とした低温物質生産システムを開発すべく、分泌高生産されているタンパク質の細胞外移行機構を解析した。アラスカ永久凍土から分離した低温適応微生物について、本菌がほぼ単一の分泌タンパク質としてヘモリシン共制御タンパク質(Hcp)ホモログを高生産することを見いだした。本菌を宿主としたタンパク質分泌高生産システムを開発すべく、Hcpの分泌機構を解析した。異種生物間で高度に保存されたHcpの配列に基づいてHcp遺伝子をクローニングし配列解析を行った。Hcpホモログの末端にHis-tagまたはmyc-tagを付与したHcpホモログの高発現ベクターを構築し、本菌に導入して分泌特性を解析した。いずれの場合も分泌効率は著しく低く、特にN末端にタグを付与した場合やC末端にmyc-tagを付与した場合は、分泌タンパク質が検出されなかった。また、いずれの場合も、ゲノムにコードされている野生型Hcpホモログの分泌効率が著しく低下することが見いだされた。タグを付与したHcpホモログが分泌装置に結合したまま細胞内にとどまり、野生型Hcpホモログの分泌を阻害した可能性が考えられた。タグを付与したHcpホモログと分泌装置が細胞内で結合している可能性が示されたので、His-tagged Hcpホモログと共精製されるタンパク質を解析することとした。His-tagged Hcpホモログを生産する細胞を可溶化し、ニッケルキレートカラムに供した結果、His-tagged Hcpホモログと相互作用すると考えられるタンパク質が見いだされ、当該タンパク質が分泌装置を構成する因子の一つである可能性が示された。一方、南極海水から分離した低温適応微生物について、低温での生育特性や物質生産能の改良に供することを目的として、低温適応機構を解析した。トランスポゾンを用いた変異導入によって低温感受性変異株を取得し、低温での生育に重要な役割を果たす遺伝子を同定した。
粒子モデル計算機を用いた高濃度粒子流動の数値解析法の開発

粒子モデル専用機(GRAPE)の効果を調べるために、無重力真空の立方体容器内の粒子の運動計算を行った。各粒子は帯電しており、各粒子間にはクーロン力が作用する。通常の離散粒子法は近隣の粒子との相互作用を考えることで十分であるが、クーロン力の場では遠隔粒子の作用も考慮しなければならない。そこでGRAPEの威力が期待される。期待通り、粒子数の増加にともなって、GRAPEによって計算時間の短縮を確認することができた。さらに粒子接触判定を短縮する方法を考案し、GRAPEと併用すると計算時間のさらに大幅に短縮されることがわかった。上記研究と平行してクーロン力の作用する場での粒子運動を効率的に行うアルゴリズムの開発に取り組んだ。ある粒子に働くクーロン力にはその粒子を取り巻く全ての粒子からの寄与を含まれる。粒子個々についてクーロン力を求めることが最も厳密であるが、本研究では以下の近似的手法を考案した。つまり、領域を適当な大きなのセルに分割する。各セルには複数の粒子が存在する。セル内の粒子が遠隔のある粒子に作用するクーロン力を計算する場合、セル内の粒子の荷電量を合計し、セルを代表する1つの粒子に置き換えた。これを本研究ではグループ化と読んでいる。セル内の粒子群を代表する粒子の重心位置をどこに定めるか、などの点に関して、グループ化においても種々の方法が存在する。本研究では各グループ化による結果の差について考察した。また、帯電量の異なる同種粒子間接触にともなう電荷移動をモデル化して離散粒子法に導入する研究も行った。さらに離散粒子法の応用範囲を広げるために、2次元と3次元の関係、非球形の影響などについても調べた。本研究グループは一貫して離散粒子モデルによる数値解析法の発展にたずさわってきた。離散粒子法に対比されるのが連続体モデルである。微粉の場合には粒子数が膨大となるため離散粒子法は一般に微粉の場合には不適と考えられている。微粉の場合には連続体モデルによらなければならないが、本研究では離散モデルと連続体モデルをつなぐことを考えた。連続体モデルでは連続体と見なされる粒子群に対し歪みと応力の構成方程式が仮定される。本研究ではこの構成方程式の誘導を離散モデルで行うことを考えた。そこで単純せん断粒子流を離散モデルで計算した。粒子群中の応力は一般に2種類の運動量輸送機構によって発生する。1つは粒子が移動することにより持っている運動量を輸送する対流モードであり、もう1つは粒子間接触により運動量が輸送される接触モードである。本研究では単純せん断粒子流において2つのモードを求め、それぞれの応力が粒子形状によってどのように変化するかを調べた。次いで応力を無次元化し普遍的な性質の有無について検討した。その結果、粒子形状によらない関係として、対流モードと平均自由行程の関係、接触モードと粒子体積率の関係があることがわかった。なお本研究では2つまたは4つの球をつなぎ、それを1つの粒子とみなす方法を取った。従って非常に大きな数の粒子数を扱わなければならなかったが、導入した粒子モデル専用計算機はこの計算の実施においてきわめて有効であった。また本研究では2次元流動層実験装置を製作し、気泡を伴う流動層の現象を測定し計算と比較した。計算と同じ条件(粒径、密度、流動層の大きさ)で行った実験の結果は計算によく一致し、本研究グループが開発した計算方法の有効性を確認することができた。1.粒子モデル専用計算機の粒子流動数値シミュレーションへの適用粒子の接触帯電過程の数値シミュレーションに粒子モデル専用計算機を適用し、粒子モデル専用計算機を用いず、スパーパーソナルコンピューターのみによる場合との比較を行った。粒子モデル専用計算機は粒子間に作用する電気力の計算に用いた。

粒子の挙動は両者ともよく一致し、粒子モデル専用計算機により精度よく粒子間の電気力を評価できることを確認した。次に、粒子モデル専用計算機により計算時間の短縮の効果について調べた。粒子数が小さな場合には両者に差は見られないが、粒子数が大きくなると粒子モデル専用計算機を用いた場合に計算時間は短縮できた。計算時間短縮の効果は粒子数が200個程度であっても、用いない場合に比べて計算時間が約40%短縮できた。2.離散要素法による各種粒子流動の数値シミュレーション粒子モデル専用計算機を適用する対象としては種々の粒子流動が考えられる。そこでまず、粒子モデル専用計算機を適用する準備として、通常の離散要素法により転動ボールミル内の媒体運動、粒子群の単純せん断流れ、噴流層内の流動、粒子粉砕過程の数値シミュレーションを行った。3.2次元流動層の実験シミュレーション結果との比較を行うため2次元流動層の実験を行った。粒子の流動は高速度ビデオにより記録し,この画像をワークステーションで解析して、気泡径と気泡上昇速度の関係などを求めた。
認知レベルと対応した認知症アクティビティケア・マトリクスの開発

本研究は臨床・介護現場で良く使用されるアクティビティについて,認知レベルと対応した適切なアダプテーションが専門職に限らず簡便に可能なアプローチとして工程ごとの介助や難易度が視覚的に捉えやすいアクティビティケア・マトリクスを開発することを目的とする.本研究内容は以下の通りである.研究1)アクティビティケア・マトリクス試作版の内的妥当性を認知症ケアの経験を有する保健福祉専門職を対象としてデルファイ法により検討し完成版を開発する.研究2)アクティビティケア・マトリクス完成版を認知症高齢者に実際に使用し,主観的QOL,眼球運動,ケアスタッフの満足度といった側面から臨床的・基礎的な検討を行う.本研究は臨床・介護現場で良く使用されるアクティビティについて,認知レベルと対応した適切なアダプテーションが専門職に限らず簡便に可能なアプローチとして工程ごとの介助や難易度が視覚的に捉えやすいアクティビティケア・マトリクスを開発することを目的とする.本研究内容は以下の通りである.研究1)アクティビティケア・マトリクス試作版の内的妥当性を認知症ケアの経験を有する保健福祉専門職を対象としてデルファイ法により検討し完成版を開発する.研究2)アクティビティケア・マトリクス完成版を認知症高齢者に実際に使用し,主観的QOL,眼球運動,ケアスタッフの満足度といった側面から臨床的・基礎的な検討を行う.
損傷軽減機能を有する鉄筋コンクリート造に関する研究

現在の耐震設計では、地震による大きなエネルギーを吸収するため、梁などの部材の端部を積極的に塑性化させる設計方法が主流となっている。しかしながら鉄筋コンクリート造が塑性化すると鉄筋とコンクリートとの一体性が損なわれ、コンクリートには大きな曲げやせん断ひび割れなどによる損傷が生じ、場合によっては、構造物は大破あるいは倒壊にいたる。このため、本研究では、梁端部のヒンジ領域における梁主筋の付着を除去する一方で、付着除去部に曲げ及びせん断に対して抵抗機構を形成しうる補助的な曲げ補強筋を配置することによって、地震時に梁端部と柱の境界面のひび割れ以外の損傷を軽減させるとともに、梁主筋の付着除去部の塑性化により優れたエネルギー吸収能力を有する降伏機構分離型鉄筋コンクリート造を開発することを目的とし、梁の構造実験を行った。平成17年度では本研究で目標とする性能を実現するための配筋方法やコンクリート強度などをパラメーターとした構造実験を行い、考案した構造が目標性能を発揮しうることを確認し、実験結果の考察より、その基本的な構造特性を明らかにした。また、本構造においては、部材中にほとんど損傷を生じないことから、通常の鉄筋コンクリート造では困難な梁端部の開孔を設けることについても検討しその開孔の補強方法などを明らかにした。平成18年度では、本構造の設計指針作成のために残された課題である、せん断応力度のレベルの上限、主筋の付着除去の長さ、開孔位置と開孔間隔などについての確認実験を行い、部材角跳程度までは殆ど損傷が生じず、且つ、3%を超えるような変形でも殆ど耐力低下を生じない良好な耐震性能を有する梁の構造方法をならびに復元力特性などの性能評価方法を明らかにした。以上の研究成果に基づき、本研究課題である損傷軽減機能を有する鉄筋コンクリート造の適用範囲、配筋方法、性能評価法などからなる梁の設計指針を作成した。損傷軽減機能を有する構造として、梁の端部の主筋の付着を除去し、その部分にコンクリートと一体となって応力に抵抗しうる曲げ主筋を配した、重ね継手形式の降伏機構分離型の鉄筋コンクリート造の梁の実験を行った。試験体の縮尺率は約1/2でせん断スパン比は2、せん断応力度レベル0.06Fcで主筋の付着除去区間は梁の端部から梁成(D)の2/3とした。試験体数は6体であり、以下にその特徴を示す。試験体1・・Fc=48N/mm^2、無開孔試験体2・・Fc=48N/mm^2、有開孔(D/3)、開孔位置(材端からD/2)、開孔斜め補強筋(梁端側折り曲げ定着)試験体3・・Fc=48N/mm^2、有開孔(D/3)、開孔位置(材端からD/2)、開孔斜め補強筋(全て折り曲げ定着)試験体4・・Fc=48N/mm^2、有開孔(D/3)、開孔位置(材端から2D/3)、開孔斜め補強筋(主筋に緊結)試験体5・・Fc=60N/mm^2、無開孔試験体6・・Fc=60N/mm^2、有開孔(D/3)、開孔位置(材端からD/2)、開孔斜め補強筋(梁端側折り曲げ定着)載荷実験は明治大学にて大野式逆対称載荷方式にて行った。得られた成果は以下のとおりである。1.全試験体において損傷は部材端部の曲げひび割れに伴う開きを除けば、大変形時においても極めて軽微であった。部材の変形はこの部材端部の開きによりその変形の過半が生じている。2.有開孔の物は無開孔の物とほとんど同じ履歴性状を示し、従来の有開孔梁に比べ、大変形時まで耐力低下が無く、極めて安定した履歴性状を示した。

また主筋の付着除去の境界位置に開孔を設けた試験体も同様な履歴性状を示した。3.施工方法の改善のため、開孔斜め補強筋の端部を主筋に緊結することなく、あばら筋に沿って折り曲げ定着とした試験体も十分な開孔補強性能を示した。以上のように本年度は当初目的とした損傷軽減機能を有する梁の基本的な開発とその性状の解明を行った。平成17年度は、梁端部のヒンジ領域における梁主筋の付着を除去する一方で、付着除去部に曲げ及びせん断に対して抵抗機構を形成しうる補助的な曲げ補強筋を配置することによって、地震時に梁端部柱面以外のひび割れ損傷を輻減させるとともに、梁主筋の付着除去部の塑性化により優れたエネルギー吸収能力を有する降伏機構分離型鉄筋コンクリート造(RC造)の梁の開発を行い、その基本的な性状を明らかにした。また、本構造においては、部材中にほとんど損傷を生じないことから通常のRC造では困難な梁端部の開孔補強方法も開発した。平成18年度は、本構造の設計指針作成のために残された課題についての確認実験を行い、部材角2%程度までは殆ど損傷が生じず、且つ、3%を超えるような変形でも殆ど耐力低下を生じない良好な耐震性能を有する梁の構造方法および性能評価方法を明らかにした。以下に得られた確認実験の成果を示す。・有開孔の試験体は無開孔のものとほぼ同様の安定した履歴性状を示した。本構造における有開孔梁は無開孔梁とほぼ同等の復元力特性を有している。・開孔位置を付着除去区間との境界に設けた試験体は、付着除去区間内に開孔を有する試験体とほぼ同様の安定した履歴性状を示した。本構造における有開孔梁は開孔位置をスタブ境界面からD/3以上とすれば、その位置はいずれの位置に設けてもよい。・降伏機構分離型RC造梁と従来の通常RC造梁の初期剛性および曲げひび割れ後の剛性にはほとんど差異は見られない。本構造における梁は、曲げ戻し効果もあり、一般の梁と同様な剛性評価ができる。・降伏機構分離型RC造梁試験体では開孔間内法長さとして梁せいの間隔を確保すれば複数開孔を設けることによる影響はほとんど見られない。以上の研究成果に基づき、本研究課題である損傷軽減機能を有する鉄筋コンクリート造の適用範囲、配筋方法、性能評価法などからなる梁の設計指針を作成した。
レーザー超加熱分子の有機固体内伝播と局在化過程に関する研究

レーザー光を吸収する有機分子を含んだ高分子フィルムに、何も含まない高分子フィルムを重ねあわせて裏面よりナノ秒パルスレーザーを照射する。この照射によって、何も含まれていなかったフィルムに光を吸収した分子が移動したことが、吸収・蛍光スペクトルから明らかとなった。以下に得られた結果を列記する。1.レーザー光を吸収する有機固体の表面到達温度はLambert-Beerの法則により見積もって矛盾が無い。2.有機分子が高分子表面から進入する深さは、角度可変型全反射蛍光測定によると30170nmであった。この深さは高分子のガラス転移温度に依存する。3.移動した有機分子の蛍光強度の対数を表面到達温度の逆数に対してプロットすると直線になる。すなわち、現象全体としての見かけの活性化エネルギーが得られ、アントラセンの場合には高分子のガラス転移温度に依存して50100k J/mol程度になる。4.レーザーのショットごとに高分子表面を電子顕微鏡観察すると、最初の1ショットではサブμmの微粒子が表面に付着することがある。これに重ねてレーザー照射を行うと、微粒子は消失し表面は滑らかになった。このような形態変化に伴って、蛍光スペクトルも変化する。以上の結果より、光を吸収した有機分子が高分子固体内を移動する機構として、光吸収部分とその周囲の高分子の局所的熱平衡が成立し、熱的活性化による拡散過程が主であると考えられた。また、高分子表面での微結晶析出は熱拡散に比して物質拡散が甚だしい場合、すなわち気相からの凝集によるものと推測される。高分子表面の微結晶が固体内部へと拡散する過程については未解明であり、今後さらなる検討を要する。高分子固体内部に分散している芳香族分子をレーザー励起により超加熱し、固体内部での過渡的移動と凝集局在化過程を調べるのが本研究の目的である。今年度は、二枚の高分子フィルムを接触させた試料にパルスレーザーを照射することにより、高分子中に分散している蛍光性有機分子のフィルム間移動の実験を行うと同時に、顕微鏡下における分子注入装置の試作も進めた。種々のガラス転移温度を有する高分子フィルムを用いて、アントラセンを分散させたフィルムから何も含まないフィルムへのレーザー注入を行い、蛍光スペクトルの強度測定より定量的解析を行った。その結果、ガラス転移温度の低い高分子フィルムほどレーザー注入が容易に起こることを確認した。注入された分子の量はレーザー光強度に対して指数関数的に増大し、アレニウス型のプロットにより解析できた。レーザー照射により300°C程度の温度上昇が瞬間的に起こり、物質拡散が迅速に起こるものと考えられた。さらに、ジシアノアントラセンをヘキサメチルベンゼンを含むフィルム中にレーザー注入し、高分子固体内部で電荷移動錯体が生成することを蛍光スペクトルの変化より確認した。すなわち、レーザー照射により位置選択的に物質移動を誘起し、固体内反応を引き起こすことが可能となった。倒立型落射蛍光顕微鏡の試料台を加工し、中空ガラス管を100ナノメートル程度の垂直分解能で支持できる装置を組み上げた。中空ガラス管内に紫外領域用の光ファイバーを導入し、マイクロからサブマイクロ領域に光照射ができるように光学系を組んだ。パルスレーザー光源として小型のNd:YAGレーザーを用いファイバー内に導入できることを確認した。これを用いて、直径100ナノメートル程度の有機分子の注入パターンが高分子フィルム上に作成できるよう取り組んでいる。レーザー光を吸収する有機分子を含んだ高分子フィルムに、何も含まない高分子フィルムを重ねあわせて裏面よりナノ秒パルスレーザーを照射した。この照射によって、何も含まれていなかったフィルムに光を吸収した分子が移動したことが、蛍光スペクトル、蛍光顕微鏡像、走査型電子顕微鏡像から明らかとなった。本年度に得られた結果を以下にまとめる。1.移動した有機分子の蛍光強度の対数を表面到達温度の逆数に対してプロットすると直線になる。

すなわち、現象全体としての見かけの活性化エネルギーが得られ、アントラセンの場合には高分子のガラス転移点に依存して50100kJ/mol程度になることが見出された。2.レーザーのショットごとに高分子表面を電子顕微鏡観察すると、最初の1ショットではサブμmの微粒子が表面に付着した。これに重ねてレーザー照射を行うと、微粒子は消失し表面は滑らかになった。このような形態変化に伴って蛍光スペクトルも変化することが明らかとなった。3.Nd^<3+>:YAGレーザーの基本波により近赤外領域の色素を励起した場合にも、光を吸収しなかった蛍光分子の移動が観測された但し、この場合には蛍光色素は表面で凝集し微結晶を形成する傾向が見られた。4.時間分解暗視野光学顕微鏡観察装置を開発し高分子表面上の微結晶消失過程のダイナミクスを調べるた。この結果、サブμmの微結晶が高分子中に進入する時間スケールは、レーザーパルス幅内の極めて速い時間内であることが明らかとなった。以上の得られた実験結果より、見かけの活性化エネルギーについては高分子内拡散過程の活性化によるものであること、表面に析出する凝集体のレーザー誘起拡散には高分子表面が局所的に融解し、キャピラリー力によって凝集体を包み込むという新しいプロセスが含まれている可能性が見出された。
Can-Doリストを超えるアチーバブル・ベンチマークの設計と開発およびWeb公開

英語運用能力の指標として英語学習・指導に資するべく,このデータベースを開発した。標準テストのスコアは簡便な指標ではあるが,そのスコアを所持することと,何がどの程度できるのかということについてはわかりづらい。また,Can-Doステートメントについては,あくまで学習者の自己申告に基づく評定であることが多く,また,実際のパフォーマンスに基づかない。そこで,従来の問題点を克服する,当ベンチマークを開発した。本年度は学習者のアプチチュード・データベースを構築するための方法やデータベース自体に必要な事項の精選に焦点を当て,次のように研究を実施した。1.学習者の特性を明らかにするため,特に習熟度に関しては約700人の学習者に対して, TOEICテストあるいはTOEIC Bridgeテストを用いて,英語力を測定した。2.いわゆる個人差要因である,学習観・動機づけ・学習方略についてもあわせて質問紙調査を行って,調査票を電子化した。3.学習者の適性(習熟度ならびに個人差要因)を分析して,学習者を分類した。また,パフォーマンス・データベースに関しては,言語運用を引き出すためのタスクとして主に多肢選択形式の読解クスクと与えられた状況に応じた自由英作文タスクを用いることによって,次のように実施した。1. 300語程度の英文をクローズ形式にし,文脈から推測して適語を選択するタスクを用い,総合的な読解力を測定した。2.往復書簡の形式の,それぞれ200語程度の英文レターを読んだ後,復信に対してなんらかの言語機能(依頼・謝罪等)を明確にしたうえで返事を書くというタスクを用い,英作文の能力を測定した。3.これらのデータを電子化した後,アプチチュード・データベースと組み合わせた。このような手順を踏まえ,3年計画の2年目となる来年度は,話すこと・聞くことに対するデータ収集を行うほか,データベースとして実用に耐えうる標本数を収集し,さらに研究を進めたい。本年度は,学習者のアプチチユード・データベースを構築するためデータ収集に焦点を当て,次のように研究を実施した。1.学習者の特性を明らかにするため,特に習熟度に関しては約200人の学習者に対して, TOEICテストあるいはTOEIC Bridgeテストを用いて,英語力を測定した。また,パフォーマンス・データベースに関しては,言語運用を引き出すためのタスクとして,多肢選択形式の読解タスク,与えられた状況に応じた自由英作文タスク,そして音読タスクを用いることによって,次のように研究を実施し。1. 100語程度の英文の段落をクローズ形式にし,文脈から推測して適語を選択するタスクを用いることで,総合的な読解力を測定した。2.場面・状況・目的を設定して, 30分間で300語程度のエッセイを書くというタスクを用い,英作文の能力を測定した。3. 100語程度のダイアログのスクリプトを示し,一方の話者の役割を与えて自然なイントネーション等で音読するよう指示を与え,発話能力を間接的に測定した。このような手順を踏まえ, 3年計画の最終年度となる来年度においては,アプチチュード・データとパフォーマンス・データを連携させることで,研究を完成させる予定である。本年度は,さらなる学習者のパフォーマンス・データの収集と,アプチチュード・データの収集を行うとともに,蓄積されたデータの分析を行い,両データベールの関連づけを行った。具体的には,次のように研究を実施した。1.学習者の特性を明らかにするため,特に習熟度に関しては約120人の学習者に対して,TOEIC Bridgeテストを用いて,英語力を測定した。3.学習者の適性(習熟度ならびに個人差要因)に関して,特に個人差要因の観点から学習者の類型化を行って,個人差要因の類型別と習熟度の関連や,具体的なパフォーマンスの実例を整理した。また,パフォーマンス・データベースに関しては,言語運用を引き出すためのタスクとして,多肢選択形式の読解タスク,与えられた状況に応じた自由英作文タスク,そして音読タスクを用いることによって,次のように研究を実施した。2.場面・状況・目的を設定して,30分間で300語程度のエッセイを書くというタスクを用い,英作文の能力を測定した。このような手順を踏まえ,3年の研究期間における最終年度である本年度には,アプチチュード・データとパフォーマンス・データを連携させた,どのような習熟度・個人差要因を背景とした学習者が,どのようなパフォーマンスを行うのかというアチーバブル・ベンチマークを開発した。
肺がん放射線治療における吸気呼吸同期照射の開発と評価に関する研究

正常肺照射容積低減の上で有利と考えられる吸気時同期肺定位照射の確立を目的として、体幹部プレート、吸引式バックロック、体幹部固定用シェルおよびアームホールドを用いた一体型体幹部定位照射用固定システムを作成。Body Castによる体幹部固定時の呼吸性移動と吸気位相の安定性を評価した。「対象と方法」九州大学病院にてBody Castを用いて体幹部定位照射を行った11症例(肺腫瘍10例、肝腫瘍1例)。治療計画時にX線シミュレーターおよびRPM-Respiratory Gaiting System(Varian社)を用い、シェル装着前・後の呼吸波形およびX線シネ画像を5周期収集し、横隔膜の呼吸性の動きを、最大振幅値、平均振幅値、標準偏差について解析した。「結果」最大振幅値が、装着前:15.2+-5.4mm(522.5mm)、装着後:10.0+-4.7mm(2.517.5mm)とシェル装着後に平均5mm程度の減少が見られた(p=0.03)。平均振幅値は、装着前:12.6+-5.5mm(519.5mm)、装着後:9.4+-4.7mm(2.517.5mm)と有意差なかったが(p=0.12)、標準偏差(絶対値)は装着前:2.2+-1.1mm(03.8mm)、装着後:0.6+-0.7mm(02.1mm)と装着後で有意な減少が見られた(p=0.0008)。「結論」BodyCastを用いた体幹部定位固定法は安定した吸気位相が得られ、吸気呼吸同期照射を行う上で有用と考えられた。Body castにより患者の胸郭および腹部の動きが一定レベルで制限されることによるものと考えられた。前任地(筑波大学)にて行われた肺癌51症例の陽子線治療成績を解析した。多くが呼吸同期照射(呼気同期)である。全例の2年および5年原病生存率はそれぞれ72%および47%と良好で、また、肺毒性に関してNational Cancer Institute(NCI)Common Toxicity Criteria(CTC)に基づき解析した結果、47/51例(92%)がgrade1以下と極めて軽微であり、改めて呼吸同期を用いた陽子線治療の有効性と安全性を示す結果であった(International Radiation Oncology Biology Physicsに投稿し受理)。陽子線の場合には線量分布に優れている為、呼気同期照射でさほど問題ないものと思われた。一方、3次元X線治療計画シュミレーションを用いたDose-Volume-Histogram解析の結果、通常の放射線治療で用いられる高エネルギーX線の場合は、肺の膨らみの違いが正常肺の照射容積に影響しやすく、吸気同期の必要性および有益性があると考えられた.しかし、呼吸波形解析の結果、吸気は各呼吸位相での安定性が悪い(ばらつきが大きい)ことが最大の問題点であることも判明した。現在、体幹部プレートと固定用シェルを用い、患者腹部の膨らみをあるレベルで制限をかけるよう固定することにより比較的安定した吸気位相が得られることがわかり、さらには、呼吸誘導コンピュータープログラムを併用し、さらに安定した吸気終末相が得られる方法を検討中である。また、本研究で確立を目指している吸気呼吸同期照射は、肺癌の放射線治療の中でも特に、1回大線量を照射することが多い定位照射の際に最も威力を発揮するもと考えられる.実際の臨床応用に向けての前準備として、肺癌を含む体幹部腫瘍に対する定位放射線治療のプロトコールを作成し学内倫理委員会に提出した。近々受理される見通しである.体幹部プレート、吸引式バックロック、体幹部固定用シェルおよびアームホールドを一体化した体幹部定位照射用固定システムを作成、予備実験を行った結果、体幹部固定用シェルにより患者腹部の動きが制限され、呼吸性移動が小さくなるとともに、安定した呼吸位相が得られることが確認された。また、学内倫理委員会にて肺癌を含む体幹部腫瘍に対する定位放射線治療が承認されたのをうけ、まずは、固定精度と安全性確認のため、上記固定システムを用い呼吸性移動が10mm以内の肺腫瘍を対象に定位放射線治療を開始した。対象は原発性肺癌4例(5病変)、転移性肺癌4例で、男性2例、女性6例、年齢は54-85才である。腫瘍型は10-35mm。原発性肺癌の臨床病期は、1期3例(4病変)、術後再発1例で、扁平上皮癌2例、腺癌2例、小細胞癌1例であった。転移性腫瘍の原発巣は子宮癌3例、中咽頭癌1例であった。治療法はノンコプラナー固定7門照射、1回12Gy、総線量48Gyとした。線量処方はアイソセンターでおこなった。CTおよび正側のX線写真にてセットアップエラーを解析した結果、左右方向2-5mm、前後方向1-5mm、頭尾方向2-8mmで、平均では全方向で5mm以内の固定精度が確認された。初期治療成績は、CR2例(3病変)、PR6例(6病変)と全例でPR以上の効果が得られ、観察期間はまだ2-9ヵ月と短いが、再発および重篤な有害事象は認められていない。以上より、本体幹部固定システムの固定精度および治療法の安全性が概ね確認できた。次年度は10mm以上の呼吸性移動を認める腫瘍にも対象を拡げ、それらに対して、本研究の最終目的であるところの、吸気呼吸同期照射の精度検証と臨床的有用性を行う予定である。

正常肺照射容積低減の上で有利と考えられる吸気時同期肺定位照射の確立を目的として、体幹部プレート、吸引式バックロック、体幹部固定用シェルおよびアームホールドを用いた一体型体幹部定位照射用固定システムを作成。Body Castによる体幹部固定時の呼吸性移動と吸気位相の安定性を評価した。「対象と方法」九州大学病院にてBody Castを用いて体幹部定位照射を行った11症例(肺腫瘍10例、肝腫瘍1例)。治療計画時にX線シミュレーターおよびRPM-Respiratory Gaiting System(Varian社)を用い、シェル装着前・後の呼吸波形およびX線シネ画像を5周期収集し、横隔膜の呼吸性の動きを、最大振幅値、平均振幅値、標準偏差について解析した。「結果」最大振幅値が、装着前:15.2+-5.4mm(522.5mm)、装着後:10.0+-4.7mm(2.517.5mm)とシェル装着後に平均5mm程度の減少が見られた(p=0.03)。平均振幅値は、装着前:12.6+-5.5mm(519.5mm)、装着後:9.4+-4.7mm(2.517.5mm)と有意差なかったが(p=0.12)、標準偏差(絶対値)は装着前:2.2+-1.1mm(03.8mm)、装着後:0.6+-0.7mm(02.1mm)と装着後で有意な減少が見られた(p=0.0008)。「結論」BodyCastを用いた体幹部定位固定法は安定した吸気位相が得られ、吸気呼吸同期照射を行う上で有用と考えられた。Body castにより患者の胸郭および腹部の動きが一定レベルで制限されることによるものと考えられた。