hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
微小重力下での着火および火災伝ぱのモデル化と数値シミュレーション

本研究は今後ますます盛んになると考えられる宇宙開発において,それに伴う事故の発生,特に火災発生の時の対応策あるいは未然防止策を構築するため,重力のほとんど無い,それゆえ,自然対流効果の顕れない宇宙空間での着火火災発生火災伝ぱ挙動を数値計算で予測することを目的とする.本研究で得られた成果は以下のとおりである.1.固相表面加熱→固相熱分解反応→気相着火→火災伝ぱ→固相への熱のフィードバックという履歴をシミュレートするコードを開発した.2.気相側気体燃焼反応には一般的な総括一段反応式を採用したが,固相(紙)の熱分解反応に対しては3種類の化学反応を仮定した.後者の反応速度式に関しては,他の研究者が得ている実験結果や理論研究と整合性を持たせるため,常温数百°Cの範囲で計算上反応がほとんど起こらないように修正・改善した.3.燃焼反応に関する計算コード開発に際して,燃焼反応領域での急激な熱発生による解の不安定化を避けるためタイムスプリット法を計算コードに組み込むとともに,計算時間の急増を避けるためコードのベクトル化,最適化ならびにマルチグリッド法の併用を可能な限り行った.4.酸素濃度,加熱熱流束,横風(例えば宇宙船内のベンチレーションによる流れ)流速などの初期条件,境界条件が,無重力下での気相着火から火災伝ぱに至る一連の燃焼現象に与える影響を調べ,宇宙空間での発火条件,火災の形状とその広がり方についての知見を得た.特に,着火とその後の火災伝ぱは酸素濃度に大きく依存しており,着火が固相上空で起こること,ならびに着火後,火災は地球上と異なり球核状に空間を伝ぱするが,燃焼反応の最も盛んな領域は固相直上の予混合燃焼領域にあることなどが分かった.本研究は今後ますます盛んになると考えられる宇宙開発において,それに伴う事故の発生,特に火災発生の時の対応策あるいは未然防止策を構築するため,重力のほとんど無い,それゆえ,自然対流効果の顕れない宇宙空間での着火火災発生火災伝ぱ挙動を数値計算で予測することを目的とする.本研究で得られた成果は以下のとおりである.1.固相表面加熱→固相熱分解反応→気相着火→火災伝ぱ→固相への熱のフィードバックという履歴をシミュレートするコードを開発した.2.気相側気体燃焼反応には一般的な総括一段反応式を採用したが,固相(紙)の熱分解反応に対しては3種類の化学反応を仮定した.後者の反応速度式に関しては,他の研究者が得ている実験結果や理論研究と整合性を持たせるため,常温数百°Cの範囲で計算上反応がほとんど起こらないように修正・改善した.3.燃焼反応に関する計算コード開発に際して,燃焼反応領域での急激な熱発生による解の不安定化を避けるためタイムスプリット法を計算コードに組み込むとともに,計算時間の急増を避けるためコードのベクトル化,最適化ならびにマルチグリッド法の併用を可能な限り行った.4.酸素濃度,加熱熱流束,横風(例えば宇宙船内のベンチレーションによる流れ)流速などの初期条件,境界条件が,無重力下での気相着火から火災伝ぱに至る一連の燃焼現象に与える影響を調べ,宇宙空間での発火条件,火災の形状とその広がり方についての知見を得た.特に,着火とその後の火災伝ぱは酸素濃度に大きく依存しており,着火が固相上空で起こること,ならびに着火後,火災は地球上と異なり球核状に空間を伝ぱするが,燃焼反応の最も盛んな領域は固相直上の予混合燃焼領域にあることなどが分かった.本研究は今後盛んになる宇宙開発に伴う事故発生,特に火災の未然防止のために,重力のほとんど無い(自然対流効果が現われない)宇宙空間での火炎発生あるいは火炎伝ぱ挙動を数値計算で予測することを目的としている.本年度の実績は以下のとおりである.1.すでに開発済みの横風を受ける固体表面を加熱する(非燃焼)場合の流れ場および温度場の計算コードに,固相熱分解反応による表面から気相側への燃料の吹き出しおよび気相燃焼反応による熱発生の効果を表すための非線形項を導入するとともに,燃焼により生成・消費される燃料・酸素についての質量分率の支配方程式を追加して,固体表面加熱→固相熱分解反応→気相着火→火炎伝ぱへの履歴をシミュレートできるコードを開発した.2.固体(紙)の熱分解反応の反応速度式に関しては,常温から数百度の範囲内で反応がほとんど起こらないように,他の実験結果や理論研究との整合性を持たせる修正・改善策を施した.3.静止雰囲気中での気相着火後,火炎が燃え広がるかどうかはその周囲の酸素濃度に強く依存していることが明らかになった.今後,横風(例えば宇宙船内のベンチレーションによる流れ)の着火および火炎伝ぱに及ぼす影響を検討するために,3次元コードの構築を目指すが,それには計算時間短縮を図らねばならず,現状コードの計算収束性ならびにベクトル化率の向上を図る必要がある.本研究は今後ますます盛んになると考えからる宇宙開発において,それに伴う事故の発生,特に火炎発生に対する対応あるいは未然防止のため,重力のほとんど無い,それゆえ,自然対流効果の現れない宇宙空間での着火火災発生火炎伝ぱ挙動を数値計算で予測することを目的としている.本年度の実績は以下のとおりである。

1.前年度予想されたとおり,燃焼反応領域での急激な熱発生によって解が不安定になり,発散しやすくなっので,その対処法として,Wichmanが開発したタイムスプリット法を計算コードに組み込んだ.2.固相側および気相側燃焼反応に関連するコードの改良・追加を行うに際して,計算時間の急増を避けるために,計算コードのベクトル化,最適化ならびにマルチグリット法の併用を可能な限り行った.3.前年度購入のパーソナルコンンピュータ並びに大型計算機センターを積極的に活用してプログラムコードおよびグラフック出力の改良を行なった.そして,酸素濃度,加熱熱流束,ベンチレーション空気流速などの初期条件境界条件が,無重力下での気相着火から火炎伝播に至る一連の燃焼現象に与える影響を調べ,宇宙空間での発火条件,火炎の形状とその広がり方,また,これら一連の現象と関連する火炎から紙面への熱輸送特性についての知見を得た.特に,着火が酸素濃度に大きく依存して,固相上空で起こること,並びに着火後,火炎は地球上と異なり,球形状に空間を伝播するが,燃焼反応の最も盛んな領域は固相直上の予想混合燃焼領域であることが分かった.
三次元表面き裂の疲労破壊・応力腐食割れシミュレーションシステムの構築

重合メッシュ法を用いたき裂進展数値解析シミュレーションシステムの高度化を実現した。熱・残留応力場へ拡張し応力腐食割れシミュレーションを可能とし、異材接合材料中のき裂進展シミュレーションも可能となった。実験との比較によりき裂開閉口挙動の評価の重要性を指摘し、貫通き裂、表面き裂での開閉口比を求めた。モードIIIの影響を実験との比較により考察し、その影響を考慮した新たなき裂進展速度式を提案した。さらに数値解析の精度を向上させるためにグローバル要素を四面体二次要素に置き換えた。開発したソフトを10以上の国内外の研究機関に公開し共同研究を実施した。また研究成果を10編の論文と33件の学会発表で公表した。1重合メッシュ法の拡張を行った。ローカルメッシュがグローバルメッシュの外に出た場合、ローカルメッシュに内包されるき裂の応力拡大係数への影響について調べた。その結果、外に出たローカルメッシュのヤング率を小さく仮定することで、精度良く応力拡大係数が評価できることを明らかにした。これにより、表面き裂が進展し、貫通するまでのプロセスを一連の挙動としてシミュレーションできるようになった。この手法を用いて曲げ試験片と引張試験片における表面き裂の進展ー貫通解析を行った。引張疲労試験片では貫通き裂は長方形に近づくのに対して、曲げ試験片では台形を保ったまま進展することが確かめられた。2重合メッシュ法を複合材料問題へ拡張した。ローカルメッシュはき裂進展中に変形するので、複合材料の持つ層境界を表現することが困難である。しかしグローバルメッシュで層境界を表現し、ローカルメッシュのガウスポイントで対応するグローバルメッシュの材料定数を用いることとすることでこの問題を解決した。また同様の手法を異方性材料にも適用し、この問題でも重合メッシュ法が使用可能とした。これらを用いてき裂進展解析を行い、層境界がき裂進展に及ぼす影響について考察した。3内部き裂の進展を重合メッシュ法で数値シミュレーションした。内部血管からの疲労き裂進展をモデル化し、多くの内部き裂は作用応力方向に垂直な面内で円形状に進展することを確認した。また表面のごく近傍での内部き裂の進展を解析し、原子力設備の維持基準と比較・検討した。4これらの研究活動に対して日本機械学会から論文賞を授与された。5研究成果を学会で発表した。掲載論文は3編、学会発表15件である。1.重合メッシュ法を用いたき裂進展数値解析手法の高機能化重合メッシュ法の拡張を以下の点で行った。1残留応力・熱ひずみ場への拡張、2複合材料への適用、3応力腐食割れ問題の解析、4内部き裂から表面への貫通問題の解析、5Global要素を従来の六面体要素から四面体二次要素へ変更。1から4までにより、幅広い問題へ本手法を適用することが可能となった。また5によって全体剛性マトリックスが不安定になることがなくなり、安定した解析を続けることが可能となった。2.原子力設備維持基準の保守性の確認本手法を用いることで、現在日本機械学会が定めている原子力設備の維持基準の保守性の確認が可能となった。特に1複数き裂の相互作用の評価、2傾斜き裂の進展評価、3内部亀裂が表面へ貫通して表面き裂として進展する評価法等、4三つ以上のき裂の合体評価、などの点で、基準の保守性を確認した。特に3については日本機械学会基準が保守的すぎるケースが多くあることを指摘し、より適切な基準案を提案した。3.き裂進展クライテリオンの検討従来、三次元の複雑なき裂進展解析例がほとんどなかったことから、実験との比較もなく、き裂進展クライテリオンの妥当性は確認されてこなかった。これについて実験との比較を行い、1構造表面近傍のき裂進展評価には塑性誘起き裂開閉口挙動の考慮が不可欠であること、2表面き裂の内部ではモードIIIによる捩り変形によって生じるファクトリルーフがき裂面接触の原因となりき裂進展速度を低下させること、が明らかとなり、それぞれの場合、き裂進展をより精度よく予測できる方法を提案した。4.まとめと今後の課題以上により、複雑な三次元き裂の進展評価技術は本研究により大きく進展した。しかしき裂進展速度の予測においては実験と数値解析との一致が充分ではない点もしばしば確認された。この点は今後さらに研究が必要である。(1)溶接残留応力場での応力腐食割れ現象をシミュレーションするために重合メッシュ法の高度化を実現した。日本原子力研究機構から提供された溶接残留応力場を用いて配管内表面からの応力腐食解析を行った。き裂は応力の高い内表面に沿って扁平に進展することが観察された。また溶接の会始点と終点での残留応力分布の違いがき裂進展に及ぼす影響について考察した。さらに240のき裂が同時に進行する現象のシミュレーションを行った。(2)モードIIIを含む

混合モード状態での疲労き裂進展試験を行い、重合メッシュ法による解析結果と比較した。ファクトリールーフの生成とそれによるき裂進展速度の低下を観察した。それらをシミュレーションで再現できる疲労き裂進展クライテリオンの提案を行った。これを用いることでき裂進展形状とき裂寿命を、より実験値に近く、かつ保守的に評価できることを示した。また貫通き裂の混合疲労進展問題にもこのクライテリオンを適用し、その有効性を検証した。(3)き裂開閉口挙動の疲労き裂進展に及ぼす影響を評価した。表面き裂の進展評価には、パリス側の定数がき裂縁状の位置によって変化するとの仮定が従来用いられていた。これがき裂開閉口の影響であることを解明し、き裂縁状の位置によらず、材料定数が一定になることを示した。これを用いて表面き裂の進展評価を行い、実験とより近い疲労寿命の推定を行うことが可能であることを示した。(4)これらの研究成果を国内・外の学会で発表した。また学術誌に論文を投稿した。掲載論文は5編、学会発表11件、著書1冊である。重合メッシュ法を、従来扱えなかった問題に拡張することに成功し、適用範囲が大幅に拡大した。また学会での成果の発表は順調に進んでいる。すでにここで開発されたソフトを使用したいとの希望もいくつかの大学・企業から届いており、現在調整中である。当初の計画通り、応力腐食割れの数値解析と混合モード下でのクライテリオンの提案が行われた。また学会での成果の発表は予想よりも順調に進んでいる。今年新たに解析対象とした問題の実験との比較・検討を行い、本手法の精度を検証する。また国内・外での学会やセミナに参加し、研究成果の報告と開発したソフトの普及に努める。本年度の研究費の多くはこれらに使用される。さらに多くの実験を行い、今までに提案されたクライテリオンや解析手法の妥当性の検討を行う。基本的には今年度と同様である。しかし次年度は最終年度であるため、本研究で開発したソフトの普及活動のために研究費の多くを使用したい。
液液界面イオン移動の時間・空間制御による電位振動反応の精密化・定量化

本研究では、液|液界面に形成したランタノイドイオンとリン脂質の稠密層によってイオン移動が阻害されること、また、その阻害は界面電位差に依存して解除されることを見出した。このような界面分子集合体の形成・崩壊にともなうイオン移動は、生体膜でのイオン透過部位の開閉を想起させ、`極大波'を原因とする振動とは異なった新しい振動反応を生み出す可能性を示した。振動の時間的制御として、分子集合体の形成速度が、多価金属イオン、例えばランタニドイオンの種類・濃度、水溶液のpH、有機相中のリン脂質の濃度により制御可能であることを明らかにした。この関係を利用すれば、振動周期と系の化学的性質を定量的に結びつけることが可能となる。さらに、化学的性質の異なるリン脂質を混合することにより、リン脂質層の崩壊過程がより短時間で生じ、稠密度や安定な電位領域を大幅に改善できることが分った。これにより電位・電流振動の周期が短縮される。振動の空間的制御として、混合リン脂質系で水相のpHを制御することにより、混合リン脂質層が不均一に生成し、ある電位で一部のドメイン領域が崩壊することがわかり、振動の空間的制御を可能とする結果を得たこれにより、イオン透過量の制御が可能となり、そのサイズに依存してnAあるいはpAオーダーで量子化された電流振動の実現も可能となる。また、ドメインサイズの微小化は集合体形成・破壊の速度論や物質の拡散過程に影響を及ぼすと考えられ、msecオーダーの振動周期の実現も期待される。単純な4級アンモニウム型のカチオン性界面活性剤でありながら、強い界面活性能をもつビスアンモニウムイオンは、液液界面において印加電位でその吸脱着挙動を制御できる。本研究では、ビスアンモニウムイオンの側鎖と架橋鎖により吸着-脱着電位がどう変わるかを理論的・実験的に明らかにした。1.液液界面におけるリン脂質稠密膜の形成過程の解析振動を実現するために、液液界面イオン移動をほぼ完全に阻害するリン脂質稠密膜が形成する条件、形成過程の速度および律速段階を系統的に調査した。とくに、異種のリン脂質を混合することによる協同効果や不均一なリン脂質層の形成に注目した。ランタンイオンを含む水溶液とリン脂質を含む1,2-ジクロロエタンの界面において界面電位差を制御しながら、稠密膜の形成過程をイオン移動ボルタンメトリーおよび界面張力測定により評価した。中性リン脂質であるホスファチジルコリン(PC)に酸性リン脂質であるホスファチジン酸(PA)を混合した。リン脂質膜が安定に存在する界面電位差領域(ΔE_<layer>)はPC:PAが1:2のとき最大となった。その条件でイオン移動の抑制も最大となった。界面張力-電位差曲線の測定より、ΔE_<layer>の電位差領域で界面張力の減少がみられ、稠密層形成とリン脂質の吸着が関係付けられた。また、PA添加による協同効果は水相のpHが4を越えると失われることより、PAの荷電状態に基づいて協同効果の機構が説明された。ΔE_<layer>は電位振動の振幅に対応すると考えられる。pH3付近では、イオン移動電流の変化よりPCのドメイン形成の可能性が示唆された。2.界面活性アルキルアンモニウムの液液界面吸着挙動の調査陽イオン型界面吸着イオンによる振動発現の可能性を検討するために、1分子に2つのアンモニウムイオンを含むビスアンモニウムイオン(bis-A^<2+>)の液液界面分配・吸着挙動をイオン移動ボルタンメトリーにより調べた。とくに、長鎖アルキル基をもつ界面活性bis-A^

<2+>(Gemini型界面活性剤)間移動エネルギー、吸着エネルギー、脱着エネルギーが、bis-A^<2+>の側鎖、スペーサー鎖の炭素数に特異的に依存することを明らかにした。リン脂質層を横切るイオン移動にともなう振動現象の精密化のために、リン脂質層の形成や崩壊にともなうイオン移動の生起・停止を微細に制御できる条件の探査を目的とした。リン脂質層を横切るイオン透過を定量的に理解する上で有効な方法の一つとして、互いに混ざり合わない水相(W)と有機相(O)の界面にリン脂質が吸着した系における液液界面イオン移動ボルタンメトリーおよびWilhelmy法による界面張力測定を実施した。3価ランタニドイオン(Ln^<III>)を含むWとL-α-phosphatidylcholine (PC)を含む1,2-dichloroethane相(DCE)の界面でのイオン移動が、吸着したPCとLn^<III>との結合によりほぼ完全に阻害される実験事実にもとづいて、稠密層の微細な制御のために、正電荷と負電荷の両方を持つ両性リン脂質のPCと負電荷のみを持つ酸性リン脂質のL-α-phosphatidic acid (PA)との間で生じる協同効果を利用した。PCとPAが1:2のモル比で吸着したとき、稠密層形成における相乗効果がもっとも強く現れ、また、稠密層が安定な界面電位差領域が広くなり、正電位印加による稠密層崩壊はより急激に生じることが分かった。この条件は、短周期の振動出現に有利な条件であると考えられる。また、pHが4以上になると協同効果が消えて、PAのみの吸着に近くなることが分り、pHによる振動パラメータの制御につながると期待される。その他に、中性リン脂質としてL-α-phosphatidylethanolamine (PE)、酸性リン脂質としてL-α-phosphatidylserine (PS)を用いたところPE+PAでは稠密層が形成されるが、PC+PSでは形成されなかった。これは、PSのカルボキシル基のpK_aと配位能あるいは極性基全体の立体障害によるものと考えられる。
ニューロン細胞種決定に寄与するMec-3蛋白質の下流遺伝子制御機構の解析

(1)mec-3遺伝子の発現解析による、遺伝子ネットワークにおけるおのおのの遺伝子の作用様式の決定:C.elegansの弱い機械的刺激に対する反応を司るTouch receptor neuronsの分化決定において、LIM-homeodomain転写因子MEC-3および協同因子群が必要である。これらの遺伝子間の制御様式を明らかにするため、mec3-lacZ融合遺伝子の発現パターンをmec-3-lacZの発現が異所性に見られるか否か、消失がおこるか否かを検索することにより、協同因子の変異体のバックグランドで解析した。協同因子群のうち、egl-44とegl-46遺伝子はMEC-3がmec-7遺伝子を活性化するのをrepressすることにより機能していること、sem-4遺伝子の機能は、POU-homeodomain転写因子UNC-86がmec-3遺伝子の活性化を行うのをrepressしていることであること、lin-4とlin-14遺伝子は、mec-3遺伝子の下流で作用する(因子の発現調節を行う)ことにより、AVM/PVMとPVDニューロンの分化決定を行っていることなどが明らかになった。(2)mec-3遺伝子のターゲット遺伝子のクローニングの試み:触覚受容ニューロンの分化決定に関与するmec-3遺伝子は、下流遺伝子や他の分化決定遺伝子と相互作用を行いつつ、機能していることが予想される。遺伝学的手法で同定できなかった因子を探すために、mec-3遺伝子のターゲット遺伝子のクローニングを試みている。線虫ゲノムDNAを抗MEC-3抗体で免疫沈降して得られたDNA断片をクローン化し、塩基配列決定を行った。現在までに、2種のMEC-3結合コンセンサス配列(約300bpに2カ所)を有するクローンを得ている。これらの遺伝子についての解析を進めている。
新奇縮環π共役高分子の精密合成と構造制御

本年度は、グラフェンナノリボン(GNR)のようにモノマーユニット同士が二つ以上の結合でつなりかつπ共役高分子となる「縮環π共役高分子」の新規合成法の確立を目指して研究を開始した。その結果、これまで開発してきた縮環π拡張反応(Annulative π-Extension: APEX反応)を重合反応へと展開することに成功し、連続的なAPEX反応、すなわちAPEX重合法の確立に至った。本重合反応は、開始剤としてAPEX反応に活性なフェナントレンやジフェニルアセチレンを用い、ベンゾナフトシロールをモノマーとし、パラジウム錯体、トリフルオロ酢酸銀、オルトクロラニル存在化で加熱攪拌することによって進行することがわかった。反応初期段階では開始剤とモノマーが1:1でAPEX反応を起こすことによってまずより大きな多感芳香族炭化水素が生成し、この生成物の末端に二重結合性に富んだK領域が出現することによって、次のAPEX反応が進行し、これらが繰り返されることによって位置選択的に重合が進行することがわかった。生成物はfjord領域([5]ヘリセン構造)を繰り返しつポリベンゾフェナセンであり、これまで合成されたことのないグラフェンナノリボンであった。さらに本重合反応はリビング性を帯びることがわかり、炭素水素結合直接アリール化と縮環を伴いながら重合伸長する全く新しい形式の重合反応であることがわかった。リビング縮環π拡張重合(リビングAPEX重合)と名付けられた本重合反応では、開始剤とモノマーの混合比を変えるだけで分子量3000-150000 g/mol程度のfjord型GNRを分散度1.04程度に保ったまま合成できることがわかった。また、fjord型GNRを脱水素環化反応条件に伏すことで、N = 8 armchair型GNRへと変換できることも見出した。高分子化学、有機合成化学、材料化学などの様々な分野にとって革新的となる新規重合反応法である「リビング縮環π拡張重合法」を開発し、待望であった長さ・幅・構造を精密に制御したグラフェンナノリボンの合成を確立した。本重合反応は、今後の本研究課題の核心をなすものであり、様々な縮環π共役高分子の精密合成と構造制御を達成する強力な鍵となりうる。そのため、本年度の研究計画は当初の計画以上に進展しているものとみなした。今後は、開発したリビング縮環π拡張重合法をさらに発展させ、様々な幅や構造をもつグラフェンナノリボンの精密合成やブロック共重合などを試みる。またその他縮環π拡張重合法の開発にも取り組み、未だかつて合成されたことのない新奇縮環π共役高分子の合成に挑戦する。合成した高分子は適宜デバイス化や電荷移動度の測定、自己組織化能の評価なども行い、縮環π共役高分子がもつ機能などについての調査も開始する。
微生物酵素を用いる「低プリン食品」生産プロセスの開発と高尿酸血症の予防と治療

高尿酸血症は尿酸が体内に過剰蓄積するために生じる疾病である。尿酸蓄積の原因の一つとして食餌由来のプリンヌクレオシドがあり、これを低減することが高尿酸血症の予防に有効である。本研究では食餌中のプリンヌクレオシドを特異的かつ安全に分解しうるプリンヌクレオシダーゼの開発、および、解析例の無い細菌由来プリンヌクレオシダーゼについて基礎的知見を得ることを目的とした。前年度では、代表的な食品加工条件の一つである、酸性高温下で活性なプリンヌクレオシダーゼを微生物に探索した結果、細菌Ochrobactrum anthropiに目的酵素を見いだした。本年度においては、O.anthropiのプリンヌクレオシダーゼの単離精製、諸性質の解明、ならびに、酵素遺伝子の解析を行った。本酵素は、分子量40,000のサブユニットからなるホモテトラマー酵素であり、プリンヌクレオシドに特異的に作用する一方、ピリミジンヌクレオシドにより非拮抗的に阻害を受けた。また、精製酵素のN末端アミノ酸配列を基に作成したオリゴヌクレオチドを用いたゲノミックサザンハイブリダイゼーションを行い、本酵素遺伝子全長を含む約1.5kbpの断片をクローニングした。本酵素遺伝子の推定アミノ酸配列は、22残基のリーダー配列を含む363残基のアミノ酸から成り、カルシウム結合領域、活性中心領域、塩基認識領域において原生動物由来のプリンヌクレオシダーゼと相同性を示した。高尿酸血症の予防には食餌由来のプリンヌクレオシドを低減することが有効であるとされている。本研究では、酵素を利用して食品中のプリン含量を低減し、高尿酸血症の予防に有効な「低プリン食品」を開発することを目的とした。低プリン食品開発の端緒として、プリン含量が高い食品であるビールをモデルに、「低プリンビール」製造プロセスの構築を試みた。これは、原料である麦汁中のプリンヌクレオシドをプリンヌクレオシダーゼにより酵母の資化しやすいプリン塩基へと変換し、発酵中の酵母の代謝能力を利用してプリン含量を下げるものである。プリンヌクレオシダーゼは麦汁の糖化工程への添加を想定し、低pH、高温条件に耐性である酵素が要求されたため、この要件に見合うプリンヌクレオシダーゼを広く微生物界に探索した。その結果、Ochrobactrum、Flavobacterium、Serratia属のバクテリア、Saccharomyces、Pichia、Sporobolomyces属の酵母、Aspergillus属糸状菌に高いプリンヌクレオシダーゼ活性を見いだした。また、Aspergillus属糸状菌においては、菌体外にも有為な活性が存在することが見いだされた。このうち特に高い活性を示したOchrobactrum anthropi、Aspergillusniger、A.terreusの菌体内活性、およびA.terreusの菌体外活性について詳細を検討した。O.anthropiの酵素はアデノシン、イノシンに良く作用し、至適反応条件は、pH56、50°Cであった。A.niger,A.terreusの菌体内および菌体外酵素は、イノシンに良く作用し、至適反応条件は、pH34、5060°Cであった。また、A.terreusの菌体内酵素はpH4.5、60°C、1時間の処理に対して安定であった。
低分子化合物が植物に誘導する全身獲得抵抗性の誘導機構に関する研究

BITによって誘導される遺伝子の探索はディファレンシャル・ディスプレイ法によって行った。現在までに72通りのプライマーの組み合わせを用いてディファレンシャルディスプレイを行った結果、BIT処理により特異的に発現または増幅して検出される遺伝子が19断片見出された。これらのうち14断片のバンドについてクローニングを行い、ノーザンハイブリダイゼーションによって確認した結果、4断片についてBIT処理による誘導が確認された。現在、これらのDNA断片の配列の決定、残りのDNA断片の誘導性の確認を行っている。SARマーカー遺伝子を指標にして、新たなSAR誘導化合物の探索を行った。クロロイソニコチン酸誘導体NCIはイネにイネいもち病抵抗性を誘導することが報告されているが、そのメカニズムは明らかでなかった。アラビドプシスに処理した結果、0.1mg/mlでPR-1の誘導が認められた。また、NahGトランスジェニック植物においてはPR-1を誘導せず、NCIによるPR-1誘導はSA合成を伴って起こることが示唆された。NCIが双子葉植物において抵抗性を誘導することは、タバコ-TMV系で確認済みであるが、アラビドプシスにおいても病害抵抗性を誘導するか否かについて検討中である。バリダマイシンA(validamycin A)あるいはバリドキシルアミンA(validoxylamine A)100ppmの茎葉散布は、Fusarium oxysporum f.sp.lycopersiciが起こす土壌伝染性維管束病であるトマト萎凋病の発病抑制効果を示した。この活性は薬剤処理3週間後でも残存しており、BTH、PBZ等の茎葉散布に比べて高い抑制効果を示した。また、非病原性フザリウム菌の前接種よる抵抗性誘導に比較して安定した抑制効果が観察された。両化合物はF.oxysporumに対する抗菌活性を持たないことから、この効果は茎葉散布による抵抗性誘導によることが推測された。定量RT-PCR法により、PRタンパク質であるPR1aおよびWIPII遺伝子の発現を調査したところ、どちらも発現が誘導されなかった。したがって、本抵抗性誘導がSARとは異なるメカニズムによることが推定された。
乳癌早期診断のための低被曝型屈折コントラストＸ線ＣＴの開発

本申請課題では,Si単結晶薄板からなる透過型ラウエケースアナライザと,アナライザーから2方向へ出射する回折波の伝播方向に垂直に設置した2台のCCDカメラからなる新しい屈折コントラストCT撮像方式を提案した.このシステムを用いて,屈折率分布の再構成に必要であるX線伝搬方向の角度偏差情報を抽出するデータ処理アルゴリズムと,得られた角度偏差からノイズに対してロバストな3D-CT再構成アルゴリズムを開発した.これらのことがらを理論・シミュレーション・実験により確認し,実際の乳がん病理サンプルを撮像した結果,約10μmのがん細胞により変形した組織を明瞭に描出した.提案する,アナライザー結晶として,シリコン製ラウエ結晶を用いたDFI (Dark Field Imaging)法に基づく屈折コントラストCT撮像システムを高エネルギー加速器研究機構フォトンファクトリー内にあるビームラインBL-14Cに構築し,撮像実験を行った.下記の成果を得た.また,本システムの撮像過程をシミュレートするためのプログラムを作成した.さらに,CS (Compressed Sensing)に基づく新しい再構成方法を検討した.詳細を以下に示す:(1)空間解像度の評価:テストチャートを用いて,本システムの空間解像度を評価した.撮像実験により,本システムは約10ミクロンの空間解像度を有することがわかった.現在,論文として取りまとめており,近々投稿する予定である.(2)生体試料の撮像:乳がん,眼球,石灰化を有する動脈,腎臓などの患者から切除したサンプルを撮像し,明瞭な3次元再構成画像を得た.とくに,乳がんサンプルでは,乳管および癌部位を明瞭に描出できた.現在,論文として取りまとめており,近々投稿する予定である.(3)シミュレーターの開発:被写体内のX線の伝播を幾何光学的に計算し,アナライザー結晶に入射させる.結晶のロッキングカーブにより,検出器により検出されるX線強度を求めることができる.ここで,ロッキングカーブは動力学的理論に基づき計算した.サンプルを回転させながら,以上の計算を繰り返すことで,投影画像を取得する.得られた投影画像から,提案した再構成方法を用いて,再構成画像を得る.本シミュレーターを用いることで,再構成画像の画質に及ぼす,撮像パラメーターの影響を知ることが可能になった.(4)新しい再構成方法の検討:CSに基づいた,より少ない投影から再構成画像を得る再構成方法を考案した.ファントム実験から得られたデータに対しては,良好な結果を得ている.屈折率コントラストCTは高いコントラストで軟組織を描出することができる.この手法を乳がんの早期診断に適用するためには,低被曝化を実現することが不可欠である.本研究では,低被曝でデータを取得するために,シリコン製Laue型角度アナライザーを用いるCT方式を考案した.この方式により,再構成に必要な投影データを一回の計測で得ることができる.得られた投影データからCT像を形成するための再構成方法を,幾何光学理論に基づいて考察した.本再構成方法は,幾何光学の基本方程式から得られたものであり,確固とした理論的な基盤を有する.得られた再構成アルゴリズムは,計算時間も比較的少なく,高精度にCT像を3次元再構成することが可能である.シミュレーションにより,良好な再構成が可能であることを確認した.さらに,実現可能性を検討するために,高エネルギー加速器研究機構のビームラインBL-14CにCTシステムを構築した.乳癌患者から切除した組織標本を撮像することで,本システムの実現可能性を実証した.得られたCT像を組織標本を比較したところ,著しい一致を確認した.従来のX線撮像では観察することのできなかった微細な構造を描出することに成功した.従来の屈折率コントラストCT方式では,複数回の計測が必要であったのに対して,本提案方式では,一回の計測で3次元断層画像を得ることが可能となり,被曝量を少なくとも従来の半分に低減することができた.本申請課題では,Si単結晶薄板からなる透過型ラウエケースアナライザと,アナライザーから2方向へ出射する回折波の伝播方向に垂直に設置した2台のCCDカメラからなる新しい屈折コントラストCT撮像方式を提案した.このシステムを用いて,屈折率分布の再構成に必要であるX線伝搬方向の角度偏差情報を抽出するデータ処理アルゴリズムと,得られた角度偏差からノイズに対してロバストな3D-CT再構成アルゴリズムを開発した.これらのことがらを理論・シミュレーション・実験により確認し,実際の乳がん病理サンプルを撮像した結果,約10μmのがん細胞により変形した組織を明瞭に描出した.屈折率コントラストCTは高いコントラストで軟組織を描出することができる.この手法を乳がんの早期診断に適用するためには,低被曝化を実現することが不可欠である.本年度は,低被曝でデータを取得するために,シリコン製Laue型角度アナライザーを用いるCT方式を考案した.この方式により,再構成に必要なデータを一回の計測で得ることができる.得られたデータからCT像を形成するための再構成方法を,幾何光学理論に基づいて考察した.本再構成方法は,幾何光学の基本方程式から得られたものであり,確固とした理論的な基盤を有する.得られた再構成アルゴリズムは,計算時間も比較的少なく,高精度にCT像を再構成することが可能である.シミュレーションにより,良好な再構成が可能であることを確認した.さらに,実現可能性を検討するために,高エネルギー加速器研究機構のビームラインBL-14CにCTシステムを構築した.これまでに,乳癌患者から切除した組織標本を撮像することで,本システムの実現可能性を実証した.得られたCT像を組織標本を比較したところ,著しい一致を確認した.従来のX線撮像では観察することのできなかった微細な構造を描出することに成功した.

従来の屈折率コントラストCT方式では,複数回の計測が必要であったのに対して,本提案方式では,一回の計測で3次元断層画像を得ることが可能となり,被曝量を少なくとも従来の半分に低減することができた.これまでに,撮像方式の特性評価および医学応用とくに病理応用の基礎的な検討を終えた.研究実績の概要で述べたように,以下の成果を得ていることに鑑み,当初の目標は,現段階ですべて達成できたと考えている:(1)空間解像度の評価(2)ヒト病理サンプルの撮像(3)シミュレーターの開発さらに,本年度は新しい試みとして,より少ない投影数からでも良好な再構成画像を得ることができる再構成方法の検討を行っている.データ取得方式,再構成アルゴリズム,実験ともに当初の計画以上の成果を挙げている.とくに,これらの実現可能性を,実験により実証できたことが何よりの成果である.得られた乳癌病理サンプルの再構成画像を共同研究者である名古屋医療センター病理検査科の市原周医師に評価していただいたところ,病理学的に非常に有効な情報が得られているとのことであった.今年度は,高エネルギー加速器研究機構での実験は3回を予定している(初回は5月9日から5月16日と確定).初回の実験では,乳がんの一種であるLCISを明瞭に撮像することを目標としている.これまで,スライス後染色された病理サンプルとしての観察の報告があるが,3次元的な観察がなされた報告はない.もし,明瞭に撮像されれば,病理学へのインパクトは大きいものとなる.2回目および3回目の実験においても,異なる種類の乳がんのサンプルを撮像する予定である.今後は,提案したCT撮像方式の基本的な撮像特性について,検討を行う.とくに,空間分解能や濃度分解能は,システムの性能を評価するために,不可欠である.実験およびシミュレーションにより,どこまでの性能が得られるかを厳密に評価する予定である.該当なし所有する計算機が老朽化してきているので,高スペックの計算機およびソフトウェアを導入する予定である.また,今年度得られた成果を,国際会議にて報告するための旅費も計上する.
細胞間接着に着目したプラスマローゲンの新たな生理機能の解明

エーテルリン脂質プラスマローゲンの新たな生理機能の解明を目的とした。プラスマローゲンは、セルトリ細胞のギャップジャンクション構成タンパク質であるコネキシン43の発現や、上皮細胞様の形態を示すヒト乳腺癌由来培養細胞MCF7細胞のアドヘレンスジャンクションの構成タンパク質であるE-カドヘリンの細胞間接着構造への局在性に必要であることを明らかにした。さらに、プラスマローゲンはコレステロール生合成を調節すること、その制御機構はコレステロール合成の中間産物であるスクアレンのエポキシ化を触媒するスクアレンエポキシダーゼの分解速度を調節することを見出した。MCF7細胞はプラスマローゲンが著しく減少している。プラスマローゲン合成中間体をMCF細胞に添加するとプラスマローゲン合成が回復したことから、プラスマローゲン合成の最初のステップを担うペルオキシソーム局在性酵素の機能不全であると推察された。次いで、ペルオキシソームに局在するプラスマローゲン合成酵素群の発現を検討し、エーテル結合形成を担うAlkyldihydroxyacetonephosphate synthase (AGPS)の発現が著しく低下することを見出した。さらにMCF7細胞にAGPSを発現させるとプラスマローゲン量が増加したことから、MCF7細胞のプラスマローゲンの合成不全は、AGPSの発現抑制が原因であると結論した。また、幾つかの細胞間接着因子の発現量がプラスマローゲン依存的に変化する結果も得た。プラスマローゲン合成不全マウスのセルトリ細胞では、細胞間接着構造の異常が報告されている。ラット由来培養セルトリ細胞のプラスマローゲンを検討したところ、炭素鎖16のアルコールを有するプラスマローゲンが比較的少ないものの、全プラスマローゲン量は通常の培養細胞と同程度に存在することを明らかにした。セルトリ細胞におけるプラスマローゲンの機能を解明するため、プラスマローゲン欠損性セルトリ細胞を樹立しつつある。プラスマローゲンが著しく減少しているMCF7細胞に対して、プラスマローゲン合成の最も重要なステップであるエーテル結合の形成を担うAlkyldihydroxyacetonephosphate synthase (AGPS)を発現させた細胞(MCF7/AGPS)では、プラスマローゲン量が増加する。MCF7とMCF7/AGPS細胞を比較することによりプラスマローゲンの回復依存的に細胞間接着領域への局在が増加する細胞接着因子を見出した。プラスマローゲン合成不全性ラット由来培養セルトリ細胞を2系統樹立し、細胞間接着への影響を検討した。その結果、いずれのプラスマローゲン合成不全性ラット由来培養セルトリ細胞においても細胞間接着因子の発現量が減少することを見出した。また、本研究過程において、細胞膜の構造と機能維持に重要なコレステロールの生合成がプラスマローゲン依存的に制御されることを見出した。さらに、プラスマローゲンが増加、あるいは欠損した細胞におけるコレステロール生合成中間産物の合成量の解析などから、プラスマローゲンの恒常性は、コレステロール生合成の第2律速酵素であるsqualene monooxygenase (SQLE)の分解を制御することも明らかにした。これらの知見は、小胞体におけるプラスマローゲンの機能を初めて明らかにした成果である。当初、設定していたプラスマローゲン合成不全性セルトリ細胞の樹立に成功し、正常細胞との間で発現量が異なる細胞間接着因子を新たに見出すなど、プラスマローゲン依存的な細胞間接着構造の制御を解明するための基盤を得ることができたため、順調に進展していると判断した。また、プラスマローゲン合成不全性のセルトリ細胞とMCF7細胞では異なる細胞間接着因子の発現や局在性に障害が生じていたことから、プラスマローゲンは異なる作用機序でこれらの細胞の細胞間接着構造の維持に機能するものと推察される結果を得たものの、その分子機構の解明には至っておらず、当初の計画以上に進展しているとは評価できない。プラスマローゲン(PlsEtn)は極性頭部にエタノールアミン(Etn)を有し、同じく極性頭部にEtnを有するホスファチジルエテノールアミン(PtdEtn)とともに細胞膜の内葉に多く存在することが知られている。このようなPlsEtnの細胞膜における偏在性は、細胞膜におけるPlsEtnの機能発現にも重要であると推察される。今年度はまず、細胞膜の外葉に存在するPlsEtnのアミノ基を膜非透過性化合物で修飾することで細胞膜の外葉に存在するPlsEtnとそれ以外の部位に存在するPlsEtnを検出する系を確立した。ついで、リン脂質の細胞膜の外層から内層への輸送を能動的に担うフリッパーゼ(P4-ATPase)に着目した。そこで、P4-ATPaseの機能発現に必須なCDC50Aの発現を抑制したところ、細胞膜外葉に存在するPlsEtnが増加し、PlsEtnの細胞膜での偏在性が障害された。さらに、PlsEtnの細胞膜での偏在性の障害は、PlsEtnの生合成の律速酵素であるペルオキシソーム局在性酵素Far1の分解を抑制することも見出した。また、このとき細胞内PlsEtnの量は減少していなかった。したがって、P4-ATPaseの機能障害は、細胞膜内葉におけるPlsEtnの一過的な減少をもたらし、その結果、PlsEtnの生合成を促進するため、律速酵素であるFar1の分解が抑制されたものと推察された。

すなわち、PlsEtnの生合成は、細胞膜内葉におけるPlsEtnのセンシングと、そのプラスマローゲン量の情報に基づいたペルオキシソーム局在性Far1の分解を調節する高度な時空間的制御機構であること示すとともに、細胞膜の内葉に偏在するPlsEtnは細胞内PlsEtn量の指標として機能することを明らかにした。エーテルリン脂質プラスマローゲンの新たな生理機能の解明を目的とした。プラスマローゲンは、セルトリ細胞のギャップジャンクション構成タンパク質であるコネキシン43の発現や、上皮細胞様の形態を示すヒト乳腺癌由来培養細胞MCF7細胞のアドヘレンスジャンクションの構成タンパク質であるE-カドヘリンの細胞間接着構造への局在性に必要であることを明らかにした。さらに、プラスマローゲンはコレステロール生合成を調節すること、その制御機構はコレステロール合成の中間産物であるスクアレンのエポキシ化を触媒するスクアレンエポキシダーゼの分解速度を調節することを見出した。MCF7細胞のプラスマローゲン合成が著しく減少する原因を明らかにし、プラスマローゲン合成能を有するMCF7細胞を樹立できたことは、計画通りである。一方、プラスマローゲン欠損性セルトリ細胞の樹立に関しては、クローン化の段階で問題が生じたため計画より遅くなっている。また、先行するMCF7細胞を用いた研究により、プラスマローゲン依存的に発現量が変化する因子も見出していることから、ほぼ順調に進展していると判断した。プラスマローゲン合成不全性のセルトリ細胞とMCF7細胞で見出したプラスマローゲン欠損を原因とする細胞間接着因子の発現や局在性の障害発症機構を明らかにする。プラスマローゲンが細胞膜の内葉に偏在することにも着目し、細胞内プラスマローゲン量だけでなく、細胞膜におけるプラスマローゲンの偏在性の障害が細胞間接着因子の発現や局在に与える影響を明らかにする。そのため、プラスマローゲンの偏在性を維持すると推察されるP4-ATPaseの機能障害による影響を検討する。特定の分子種のプラスマローゲンが細胞間接着因子の発現や局在を制御するのか、特定の長鎖アルコール鎖や脂肪酸分子種をそれぞれsn-1位とsn-2位二有するプラスマローゲン分子種を選択的に回復させ検証する。細胞生物プラスマローゲン合成復帰MCF7細胞株で見出した発現量が変化する細胞間接着構造形成因子群が、培養セルトリ細胞においてもプラスマローゲン依存的な発現様式を示すのか検証する。また、セルトリ細胞の細胞間接着構造に障害を発する化合物に対する感受性などに着目し、細胞間接着構造形成・維持におけるプラスマローゲンの機能を明らかにする。
南部アフリカ、モパネサバンナの自然環境の特性と人間活動の関わり

当該年度は,昨年度まで行っていたナミビア北部のモパネ植生帯における植生とシロアリ塚の関わりに関する調査・研究に加え,ナミビアにおいて近年活発になっている自然保護,特に森林保護区(コミュニティーフォレスト)の調査を行った.ナミビアは豊富な動植物をもつ国として知られ,自然を求めて他国からも観光客が訪れる,1990年の独立以前から国立公園が設置され,独立以降は特に北部の共有地がその対象となってきた.野生動物保護区は1990年代から北部の各地に設置され,野生動物の保護と地域の発展が図られる。2000年代からはより住民参加に重点を置いた森林保護区政策が始まった.調査地であるナミビア北東部のM村も2008年にコミュニティーを含む地域の森林が保護区に制定され,選挙によって選ばれた数人の委員を中心にその活動が行われている.保護区として制定された地域では,キャンプサイトの運営や植林・木材販売,燃料の販売など地域住民が活動を決め,森林局の管理・援助のもとに行う.これらの保護区活動から得た利益はコミュニティーの道路建設や貯水タンクの設置,活動資金として利用される.コミュニティーの成員は木材伐採の許可の取得などが科せられる.しかし,調査を行った2009年10月から2010年12月の間,ムヤコでの保護区活動は順調に進んでいるとは言えない状況である.保護区やその活動の認知度も低く,樹木の違法伐採や委員の人手不足,負担の多さなどから活動自体が滞りがちである.また,地域住民による建材としての木材利用などからみると,森林資源の利用は破壊的ではないものの,人口増加や生活様式の変化などから持続的な利用であるとも言い難いことが調査から明らかになった.以上から,これまで行ってきた植生の動態を明らかにする生態学的な調査を行いながら,地域での資源利用や自然保護などの活動を見て行くことで,自然と人の共生を考え,今後ナミビアにおいてもますます活発化するであろう,住民参加型の自然保護活動などにも貢献していきたい.平成21年度は、9月から12月にかけてナミビアに渡航し、現地での調査を行った。また、所属大学大学院の教育支援プログラムの院生発案共同研究に同科所属の2名の院生とともに申請、受理され同年8月から9月にかけてはナミビア・マラウィ・ザンビアにおいて広域調査を行い、マラウィにおいて報告会を開いた。平成22年度2月にはこれまでの研究成果をまとめた論文がAfrican Study Monographsに掲載された。共同研究として行った広域調査では、南部アフリカにのみ分布するモパネ植生が、気候・人為の影響など、環境の異なる地域においてどのような共通点や相違点をもっているか、またその共通点・相違点を生み出す要因は何かを解明することを目的とした。モパネ植生は同植生帯内で景観や動態に大きな違いがみられることが指摘されているが、モパネの分布の規定要因や樹形の違いを生み出す要因、隣接植生との関係など不明な点が多い。モパネ植生は南部アフリカの数カ国にわたり分布し、地域に暮らす人々の生業や生活様式も多様であることから、地域の植生を含めた自然環境の動態を明らかにすることは人々の持続的な自然資源利用を考える上でも重要である。9月から12月に行ったナミビアでの調査では、ナミビア北東部のモパネサバンナにおいてシロアリ塚と植生との関わりについて調査を行った。平成18年から20年まではナミビア北西部において調査を行ってきたが、これらの2つの地域は気候や地形、地域に暮らす人々などあらゆる面で異なる。特に大きな違いとしては、降水量の違いや人々の生業の違いなどがあげられる。このように環境の異なる地域において調査を行い、現地での植生の動態を地域の特徴から明らかにしていくことで、各地域の植生の変化を捉えるが可能である。また、環境の異なる地域の比較から、地域の共通性や差異を明らかにし、地域の特性に沿った自然と人との関わりについて検討していくことにつながる。2000年代からはより住民参加に重点を置いた森林保護区政策が始まった.調査地であるナミビア北東部のM村も2008年にコミュニティーを含む地域の森林が保護区に制定され,選挙によって選ばれた数人の委員を中心にその活動が行われている.

保護区として制定された地域では,キャンプサイトの運営や植林・木材販売,燃料の販売など地域住民が活動を決め,森林局の管理・援助のもとに行う.これらの保護区活動から得た利益はコミュニティーの道路建設や貯水タンクの設置,活動資金として利用される.コミュニティーの成員は木材伐採の許可の取得などが科せられる.しかし,調査を行った2009年10月から2010年12月の間,ムヤコでの保護区活動は順調に進んでいるとは言えない状況である.保護区やその活動の認知度も低く,樹木の違法伐採や委員の人手不足,負担の多さなどから活動自体が滞りがちである.また,地域住民による建材としての木材利用などからみると,森林資源の利用は破壊的ではないものの,人口増加や生活様式の変化などから持続的な利用であるとも言い難いことが調査から明らかになった.以上から,これまで行ってきた植生の動態を明らかにする生態学的な調査を行いながら,地域での資源利用や自然保護などの活動を見て行くことで,自然と人の共生を考え,今後ナミビアにおいてもますます活発化するであろう,住民参加型の自然保護活動などにも貢献していきたい.
脂肪変性したヒト筋組織の再生能評価法の確立

腱板断裂修復術において、術前の腱板筋の脂肪変性は術後成績の不良因子とされている。また、腱板断裂修復術後に脂肪変性が改善するかどうかは不明で、患者は治療後も日常生活動作の制限を強いられ、そのためにリハビリテーション期間も長くなっている。医療費抑制の観点からも早急に筋肉の脂肪変性の病因を解明し、効果的な治療法の開発が望まれる。本研究では、廃用萎縮・脂肪変性した筋組織から筋衛星細胞を単離し、筋再生能力の評価を行った。廃用萎縮し、脂肪変性した筋肉から得られた筋衛星細胞でも、十分な筋分化能をもっていることが示され、筋委縮・脂肪変性の予防には、筋収縮刺激などが必要であることが示唆された。鏡視下腱板修復術を行った患者(19例)から、断裂のない肩甲下筋(SSC)および断裂のある棘上筋(SSP)からサンプルを採取した。サンプルはコラゲナーゼで処理し、Fluorescence Activated Cell Sorting (FACS)によって筋衛星細胞(CD11b-CD31-CD34-CD45-CD56+ cell)と脂肪前駆細胞(CD11b-CD31-CD34-CD45-PDGFRα+ cell)を分離し、それぞれの筋での構成比を算出した。単離した筋衛星細胞および脂肪前駆細胞を増殖培地で分化させた。筋衛星細胞は筋細胞に分化したが、脂肪前駆細胞は分化しなかった。また、通常の蛍光顕微鏡が不得意とする不透明標本の深部観察を、生体組織の深部を非侵襲のまま蛍光観察できる2光子顕微で観察した。筋衛星細胞/脂肪前駆細胞比はSSCで高く、SSPでは脂肪変性が進行していた。筋衛星細胞はSSC,SSPともに筋細胞まで分化可能であった。両者の遺伝子発現をDNAマイクロアレイで比較した。SSPではMYH2やMYL1、コラゲンタイプ6など、筋分化や細胞外骨格に関わる遺伝子が上昇し、MMP3やC1Sなど、炎症関連の遺伝子、MBPやPCSK1など、神経関連の遺伝子の発現上昇を認めた。SSCではHOX C4やC6、HOXA11など、ホメオボックス関連の遺伝子の発現の上昇していた。2光子顕微鏡では、SSCでは脂肪細胞を取り巻くように線維性組織と血管新生が認められた。また、SSCの方が自家蛍光が強かった。2光子顕微鏡は肉眼ではわかりにくい、微細な構造を3次元で可能であり、術中での筋組織の診断装置としての可能性を期待させた。症例数を順調に増やし、目的とする結果を得ることができたため。肩関節鏡による腱板断裂の手術の際、断裂して脂肪変性を起こした棘上筋・棘下筋(断裂群)と、断裂していない正常な肩甲下筋(コントロール群)から筋組織を採取した。コラゲナーゼによる細胞単離を行い、先行研究(Cell Death Dis. 2014 Apr 17;5:e1186)より判明している細胞表面マーカーを用いて、フローサイトメーター(FACS)により筋前駆細胞と脂肪前駆細胞を単離した。コントロール群からより多くの筋前駆細胞が単離でき、断裂群からはより多くの脂肪前駆細胞が単離できた。術前のMRIによる筋の萎縮の程度とFACSによる筋前駆細胞/脂肪浸潤の比は正の相関係数が認められた(脂肪浸潤が進行すると、脂肪前駆細胞の割合が増える)。脂肪前駆細胞は培養できなかったが、筋衛星細胞は断裂群、コントロール群とも筋細胞に分化可能であった。この両者の筋分化能(ミオシン重鎖陽性細胞数、核融合率)には有意な差がなかった。DNAマイクロアレイでは、断裂群ではMYH2やMYL1、コラゲンタイプ6など、筋分化や細胞外骨格に関わる遺伝子の発現の上昇を認めた。また、MMP3やC1S,など、炎症関連の遺伝子、MBPやPCSK1など、神経関連の遺伝子の発現上昇を認めた。また、コントロール群ではHOX C4やC6、HOXA11など、ホメオボックス関連の遺伝子の発現の上昇を認め、発生関連の遺伝子の減少を認めた。Gene Ontology Analysisでは、断裂群では細胞外マトリックスや細胞外骨格にかかわる遺伝子の発現の上昇を認めた。コントロール群では発生に関わる遺伝子の上昇を認めた。得られた筋衛星細胞を運動できる培養系で培養し、筋細胞に運動負荷をかけた際の応答能の比較を行う予定である。筋衛星細胞のみでの培養が難しい場合、フィーダー細胞との共培養も検討する予定である。整形外科
消化管粘膜修復における上皮の再構築に関する研究

上皮細胞の遊走を中心とした胃粘膜損傷の修復(上皮再構築現象)におけるアクアポリン(AQP)の役割について、主としてラット正常胃粘膜上皮細胞株RGM1を用い、他種の細胞の影響を受けないin vitro条件下において検討を行い、以下のことを明らかにした。これまでに細胞遊走との関連が報告されているAQPアイソフォームのうち、RGM1細胞はAQP1を発現していた。AQPを非選択的に阻害する水銀イオン(HgCl_2)は濃度依存的に胃粘膜損傷の修復を抑制した。AQP1をRNA干渉によりノックダウンしたRGM1細胞では明らかな細胞遊走の遅延が観察され、上皮の再構築は著明に抑制された。また、AQP1をノックダウンしたRGM1細胞では遊走細胞の先端におけるラメリポディアの形成が明らかに減少していた。以上のことから、AQP1は上皮細胞の遊走を中心とした胃粘膜修復において重要な役割を果たしていることを薬理学的および遺伝学的に明らかにし、AQP1は恐らくラメリポディアの形成に必要な細胞先端におけるアクチン線維の進展に関与しているものと推察された。本研究により得られた結果は、胃粘膜の恒常性維持に不可欠である上皮再構築の解明に貢献するものであると考える。また、in vitroによるデータではあるが種々の消化管疾患の病態にAQPが関与する可能性を示唆するものであり、興味深い知見であると思われる。本研究の成果は現在、論文投稿準備中である。