hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
プログラミング学習プロセスに着目した学習履歴分析手法の開発と状況把握支援への適用

プログラミング演習授業において,学習者のソースコードの編集パターンと学習状況の関連をあらかじめ明らかにしておくことで,ソースコード編集過程に基づいた学習状況推定の自動化が期待できる.そこで本研究では,ソースコードの編集パターンと学習状況との関連を明らかにするために,ソースコード編集過程分析手法とそのツールの開発を行った.本研究が提案する分析手法では,系列パターンマイニングにより,過去の学習者がソースコードに対して加えた編集を類型化し,頻出する編集パターンを抽出し,さらに編集パターンと学習状況を関連付けた.本手法を用いることにより,高い精度で学習状況推定が可能であることが示された.経験の積み重ねにより進められるプログラミング学習に対しては,学習プロセス(学習者が経てきた学習の過程)に基づいた学習履歴分析が必要とされる.本研究では,eポートフォリオシステムを併用した学習履歴の収集,教育データマイニング手法による学習履歴分析,学習状況の多角的な視覚化手法の3点の連携から上記課題の解決を図り,学習プロセスに基づいた学習状況把握支援を目指す.本研究で扱う学習履歴として,システムにより自動収集可能なすべてのデータと,自動収集できないデータをeポートフォリオシステムとの連携により収集する.学習履歴分析には,教育データマイニング手法に則り,学習プロセスに着目した系列データマイニングの適用を検討する.学習状況の多角的な視覚化では,データマイニングによる多角的分析,学習者の自己の活動の振り返り,学習プロセスと学習状況の関係など,インタラクティブな視覚化ツールの開発を行う.平成25年度は,詳細な学習履歴収集手法とその環境構築を目指した.まず初めに,プログラミング言語学習の最新動向の調査を行った.続いて,システムにより自動収集可能な学習履歴と自動収集できない学習履歴を収集する手法とプロトタイプシステムを開発した.自動収集可能な学習履歴については,Unix上で学習者が入力するコマンドのタイミングで収集する学習環境を構築する.それにより,ソースコード,エラーメッセージ,実行結果,コードの編集日時タイミングでリアルタイムに収集可能にした.システムにより自動収集できない学習履歴については,プログラミング学習用eポートフォリオシステムを開発し,上記コマンドと連携して,学習者が開発したコードの設計意図,エラー解決時の理解の深さや問題点,ファシリテータから得たアドバイス,自己評価などを自然言語として収集できるようにした.平成25年度に開発した学習環境とeポートフォリオシステムを用いて,実際の授業における学習履歴を収集した.平行して,学習プロセスに着目した教育データマイニング手法,特に系列データマイニング手法を開発した.そのためにまずデータマイニング手法の最新動向の調査を行った.続いて,系列データマイニング手法を開発した.収集した学習履歴の組み合わせにより,適用可能なマイニング手法を試行錯誤的に探した.具体的には,さまざまな変形や加工を施した学習履歴から時系列な系列集合を作成し各種データマイニングアルゴリズムに入力し,分析結果からその妥当性を判断した.マイニングアルゴリスムや学習履歴の組み合わせ,加工方法の変更による試行錯誤を繰り返すことにより,妥当なデータマイニング手法を探した.さらに,データマイニング結果やその意味付けを効果的に行うための補助ツールを開発した.従来の学習状況把握の研究は,学習のある時点での履歴データ(学習履歴)をもとに分析した結果を利用するものが多い.そのため,経験の積み重ねにより進められるプログラミング学習に対しては,従来手法では十分な学習状況把握は期待できない.そこで,学習プロセス(学習者が経てきた学習の過程)に基づいた学習履歴分析が必要とされる.しかしながら現状では,学習プロセスに基づくプログラミング学習履歴分析については,その手順や環境が確立されておらず,十分な支援がなされていない(問題点).そこで本研究では,eポートフォリオシステムを併用した学習履歴の収集,教育データマイニング手法による学習履歴分析,学習状況の多角的な視覚化手法の3点の連携からこの問題点の解決を図り,学習プロセスに基づいた学習状況把握支援を目指す.平成27年度は,平成26年度に引き続き系列データマイニング手法を開発した.その後,開発手法で得られた知見をもとに,効果的な分析手法を選出して視覚的分析ツールの開発に取り組んだ.プログラミング学習の分析に特化した視点で,可能な範囲での各種視覚化にチャレンジした.特に平成26年度に開発した補助ツールをベースとし,学習プロセスの遷移,学習状況の把握等,多角的分析が可能なシステムの開発を行った.当初の予定通り,進んでいると考えられる.従来の学習状況把握の研究は,学習のある時点での履歴データ(学習履歴)をもとに分析した結果を利用するものが多い.そのため,経験の積み重ねにより進められるプログラミング学習に対しては,従来手法では十分な学習状況把握は期待できない.そこで,学習プロセス(学習者が経てきた学習の過程)に基づいた学習履歴分析が必要とされる.しかしながら現状では,学習プロセスに基づくプログラミング学習履歴分析については,その手順や環境が確立されておらず,十分な支援がなされていない(問題点).そこで本研究では,eポートフォリオシステムを併用した学習履歴の収集,教育データマイニング手法による学習履歴分析,学習状況の多角的な視覚化手法の3点の連携からこの問題点の解決を図り,学習プロセスに基づいた学習状況把握支援を目指す.平成28年度は「データマイニング結果によるプログラミング学習支援環境の開発」に以下の手順に従い遂行した.(1)上記システムによる学習履歴分析の実施と評価:前年度開発した分析支援システムを用いて,これまでのプログラミング演習で収集した学習履歴データ(ソースコードの編集履歴)に対して系列パターンマイニングを実施し,学習状況把握推定のための知識構築を通して,開発した分析支援システムの評価を行った.(2)プログラミング学習支援への応用:本研究で開発した分析支援システムのプログラミング学習への応用について検討し,プログラミング学習支援環境を開発した.今回は,学習状況推定システムを開発し,学習者のソースコードの編集履歴から,学習者の学習状況の自動推定に適用し,その結果の評価を行った.

その結果,提案手法の有効可能性が示唆された.この結果,申請課題が予定通り達成できた.プログラミング演習授業において,学習者のソースコードの編集パターンと学習状況の関連をあらかじめ明らかにしておくことで,ソースコード編集過程に基づいた学習状況推定の自動化が期待できる.そこで本研究では,ソースコードの編集パターンと学習状況との関連を明らかにするために,ソースコード編集過程分析手法とそのツールの開発を行った.本研究が提案する分析手法では,系列パターンマイニングにより,過去の学習者がソースコードに対して加えた編集を類型化し,頻出する編集パターンを抽出し,さらに編集パターンと学習状況を関連付けた.本手法を用いることにより,高い精度で学習状況推定が可能であることが示された.当初の予定通りのスケジュールで進んでいると考えられる.平成28年度は,平成26年度,27年度に開発した運用システムを用い,実運用による学習履歴収集とデータ分析を実施する.実際のプログラミング学習の場での運用システムの評価を行う.評価の結果をもとに得られた知見と筆者らのこれまでのプログラミング教育の経験から,本研究で開発した分析ツールのプログラミング学習への応用について検討し,支援システムを開発する.これまでに開発した各種システムとの連携によるプログラミング学習支援環境を目指す.最後に,研究成果として学会や研究会で発表し,論文誌への投稿を行う.28年度が最終年度であるため、記入しない。教育工学平成27年度は,平成26年度の引き続き系列データマイニング手法を開発する.その後,開発手法で得られた知見をもとに,効果的な分析手法を選出して視覚的分析ツールの開発に取り組む.プログラミング学習の分析に特化した視点で,可能な範囲での各種視覚化にチャレンジする.特に平成26年度に開発した補助ツールをベースとし,学習プロセスの遷移,学習状況の把握等,多角的分析が可能なシステムの開発を目指す.当初の予定通りのスケジュールで進んでいると考えられる.28年度が最終年度であるため、記入しない。28年度が最終年度であるため、記入しない。平成26年度は,平成25年度に開発した学習環境とeポートフォリオシステムを用いて,実際の授業における学習履歴を収集する.平行して,学習プロセスに着目した教育データマイニング手法,特に系列データマイニング手法を開発する.そのためにまず初めにデータマイニング手法の最新動向の調査を行う.続いて,系列データマイニング手法を開発する.収集した学習履歴の組み合わせにより,適用可能なマイニング手法を試行錯誤的に探す.
レトロトランスポゾンの抑制に関与する新規遺伝子 Cue110 の機能解析

マウス胎児期精巣における生殖細胞では、レトロトランスポゾンという変異原が発現するため、それが生体の設計図であるゲノムを傷つけてしまうのを防御する機構が存在する。本研究では、その機構においてCue110遺伝子産物が他の関連遺伝子産物と相互作用して重要な役割を果たしていることを明らかにした。マウス胎児期精巣におけるレトロトランスポゾン抑制機構は、piRNA増幅系(MILIが関与し、sense, antisense piRNAが相補性を利用して増幅される過程)を経て、核へ輸送され(MWI2が関与する過程)、piRNA配列と相同な領域のメチル化により発現抑制する過程であると考えられている。この過程のいずれかで異常が起こるとレトロトランスポゾンの抑制不全になる。これまでの我々のデータは、CUE110はこの過程のどこかで重要な働きをしていることを示している。24年度では、1)CUE110の欠失がpiRNA生成に影響を及ぼすか否か、及ぼすならばその変化はどのようなものか、2)CUE110タンパク質と直接相互作用するタンパク質を解析した。1)に関しては、CUE110-/-および+/-マウスのE17.5精巣からRNAを抽出し、Small RNAsのDeep sequencingを行った。その結果、MILIに結合するpiRNAに変化はないものの、MIWI2に結合するpiRNAは減少または消失している可能性が示唆された。この結果は、CUE110はpiRNAをMILIからMIWI2へ受け渡す際に必須な役割を果たしている可能性を示している。この結果を追認するために、CUE110-/-および+/-マウスのE17.5精巣からMIWI2に結合するpiRNAを精製し、2者の比較を行っている。2)に関しては、piRNA pathwayで働くタンパク質とCUE110の結合を培養細胞での強制発現系にて解析した。CUE110の局在解析においては、CUE110はMIWI2、TDRD9、MAELなどと結合することが予想されたが、実際に結合を示せたのはTDRD9のみであった。1)の結果と合わせて考察すると、CUE110はTDRD9を介してMIWI2の機能に影響を与えている可能性が考えられる。レトロトランスポゾン抑制機構は、primary piRNAの転写に始まり、primary piRNAは細胞質への輸送され、processingおよび増幅系を経て、核へ輸送され、piRNA配列と相同な領域を最終的にメチル化する過程であると考えられている(Genes Dev. 22, 970-975, 2008)。この過程のどこかで異常が起こるとレトロトランスポゾンの抑制が効かなくなると考えられる。これまでのデータは、CUE110タンパク質はこの過程のどこかで重要な働きをしていることを示している(Dev.Biol. 335, 216-227, 2009)。23年度では、CUE110タンパク質がこの過程の中で果たす分子メカニズムを知るために、1)レトロトランスポゾンの抑制に関わるnuage局在タンパク質のCUE110タンパク質欠失に伴う局在変化、2)CUE110タンパク質と直接相互作用するタンパク質を調べた。1)に関しては、CUE110タンパク質欠失に伴い、pi-bodyと呼ばれるnuageに局在するタンパク質の局在は変化しなかったが、piP-bodyと呼ばれるnuageに局在するタンパク質、MIWI2、TDRD9、MAELの正常な局在が失われていた。これは、CUE110タンパク質はpiP-bodyの機能に深く関わり、MIWI2、TDRD9、MAELが正常に機能するために重要である可能性を強く示唆している。2)に関しては、免疫沈降法と質量分析法を用いて、CUE110と相互作用するタンパク質として、TDRD9とHSPA2を同定した。この2つのタンパク質は、それぞれの欠失したノックアウトマウスにおいて、CUE110タンパク質が欠失した場合と非常に類似した表現型を示すため、CUE110タンパク質の機能と深く関わる可能性が高い。23年度の研究計画に示していた、CUE110の欠失がpiRNA発現に影響を及ぼすかどうかの検討は、現在進行中で間もなく結果が出る予定である。一方で、CUE110タンパク質と直接相互作用するタンパク質を調べるという計画は、24年度の研究計画に組み込まれていたが、すでに免疫沈降法と質量分析法を用いた方法を駆使して、当初の予想以上の結果を得た。CUE110タンパク質がpiP-body局在タンパク質であるTDRD9と結合する可能性は容易に推定できたが、HSPA2に関してはそのノックアウトマウスの精巣でレトロトランスポゾンの発現が上昇するという報告がなかったため、CUE110タンパク質との結合は予想外であった。HSPA2のCUE110分子機能との関わり、あるいはレトロトランスポゾン抑制機構との関わりという新たな研究の観点が生まれたため、23年度を総括すると予想以上に進展していると言える。まず、23年度から引き続き進行中の課題、"CUE110の欠失がpiRNA発現に影響を及ぼすか否か、及ぼすならばその変化はどのようなものか"を明らかにする。

すでに次世代シークエンサーを用いて網羅的なsmall RNAの配列データが得られており、現在そのデータ解析を進行させている。この結果によって、CUE110とpiRNA合成・増幅系との関わりに関して結論を得ることができる。次に24年度の課題として挙げていた、CUE110と結合するRNA分子の同定を進める。これらの課題の推進により得られた結果を23年度の結果と合わせて、総合的にCUE110タンパク質の分子機能に迫る。抗体やキットなどの試薬や消耗品に120万円、動物実験施設使用料として40万円の支出を見込んでいる。24年度の課題として挙げていた、CUE110と結合するRNA分子を同定する過程において、マイクロアレイや次世代シークエンスを行う必要が生じた場合は、試薬や消耗品経費を節約し、その費用に充てる。
光機能性強磁性ナノ粒子の創製

本年度は、フォトクロミック分子と無機機能性ナノ構造体との有機-無機複合化による新奇な光機能性材料の創製とそのメカニズムの解明を目的とした。実際に、フォトクロミック分子との複合化のターゲットとなる無機物質をこれまでの磁性体から半導体や超伝導体、半導体-金属ショットキ接合などへと展開し、興味深い現象の観測とそのメカニズムの解明に成功した。半導体(酸化亜鉛)ナノ粒子にフォトクロミック分子を修飾したシステムにおいては、界面の化学結合に伴う室温強磁性の発現と、その光可逆制御に成功した。このシステムにおいては、磁性という電子のスピンという自由度のみならず電子の電荷、すなわち電気伝導との多重物性制御が可能であることを意味しており、スピントロニクス分野に新たな可能性をもたらす研究になったものと思われる。超伝導ニオブ薄膜にフォトクロミック分子を修飾したシステムにおいては、光照射に伴った超伝導体転移温度及び臨界電流値の光可逆スイッチングに世界で初めて成功した。本成果は、これまでに存在しなかった光超伝導という新分野を開拓する重要な礎になりうるものと考えている。また、現在も研究を継続中ではあるが、半導体(ガリウムヒ素)-金属(金)ショットキー接合にフォトクロミック分子を組み込んだシステムにおいては、このショットキー接合間に流れる電流の光照射によるON/OFF特性を観測した。これは、光によって電流をON/OFF出来る新たな光ダイオード開発の基盤となる技術になるものと期待されるため、更なる高性能化に取り組んでいる。以上のように、本年は、昨年度までの光磁性制御に関する研究によって培ったノウハウを新たな物性へと拡張することを試み、実際に多くの重要な成果を残すことが出来たものと考えている。本研究では、高速・高密度磁気記録を可能とするフォトンモード磁気記録への応用を目指した光制御型強磁性ナノ粒子の開発を目的とし、特に実用化を視野に入れた(1)光磁気制御の効率の向上、(2)垂直磁気異方性を付与したパターニングの二点を具体的な目的とした。(1)に関しては、金及びアルカンチオールという元来非磁性体である二物質の結合界面に発現する界面強磁性を利用し、この界面強磁性をフォトクロミズムによって制御するという新概念を提示し、この界面強磁性の光磁気制御に成功した。このときの、光磁気制御幅はこれまでの最高値であった10%からおよそ30%へと格段に向上し、本手法の有要性を示すと共に、フォトンモード光磁気記録実現へ大きな指針を与えるものであると考えている。(2)に関しては、強磁性ナノ粒子に対して大きな外部磁場を印加しながら交互積層法を行うという新規な概念を提示し、強磁性ナノ粒子の磁気異方性を制御したパターニングに成功した。この時の、垂直磁気異方性は非常に大きな値を示し、これまで非パターニング材料にて達成されているものとほぼ同等の値を実現した。また、この手法はウェットプロセス(水用液中プロセス)によって磁気異方性を付与したパターニングに成功した初めての例であり、工業的にも大きな意義のある結果であると考えている。以上のように、今年度は当初の計画以上に研究を推進することが出来たと考えている。
多軌道系における励起子凝縮と超伝導の光誘起ダイナミクスの理論

近年、時間分解測定法による実験技術の進展によって、光誘起による系の秩序状態の変化が注目を集めている。励起子絶縁体においては、その実証に向けて、候補物質Ta2NiSe5及び1T-TiSe2に対するポンプ・プローブ実験が盛んに行われている。しかし理論的研究は十分になされておらず、実験結果に対する明確な解釈は未だ得られていない。また外場の印加によって平衡状態では発現しない秩序状態へと転移する光誘起相転移現象も注目を集めている。本研究では、励起子絶縁体の光誘起ダイナミクス及び多軌道系における光誘起相転移の発現可能性を、数値的解析によって理論的に研究し、その解明に取り組む。
昆虫の雄が分泌する性フェロモンに関する化学生態学的研究

昆虫には,配偶行動における雌・雌のコミュニケーションの手段として化学物質を利用しているものが多い.その大部分は雌が分泌し遠くの雄を誘引する物質であり,逆に雄が分泌し雌に作用する性フェロモンについての研究例は少ない.雌がフェロモンを放出する場合でも雄がフェロモン源に到達した後に何らかの相互認知段階を経て交尾に至り,そこに雄フェロモンの介在している場合が多い.以下の数目の昆虫類について雄フェロモンの機能および化学性質の解明を目的に研究を進めた.1)鱗翅目昆虫の雄フェロモンマダラチョウ類の雄はヘアペンシルをひろげ雌にプロポーズする.オオゴマダラ雄のヘアペンル成分(ダナイドン,ネシン酸β-ラクトン,モノテルペンチオエーテルなど)の雌に対する性フェロモン活性を実証した.一方,ハマキガ類の雄もヘアペンシルを有し,配偶行動の場でフェロモンとして利用している.ナシヒメシンクイ雄のヘアペンシルに含まれる性フェロモン成分の生成過程について追跡した結果,ジャスモン酸メチル,桂皮酸エチルは幼虫および成虫時代の食物に由来することが示唆され,フェロモンの蓄積過程がマダラチョウの場合に類似することが明らかになった.2)双翅目昆虫の雄フェロモンミカンコミバエの雄の直腸腺から分泌される揮発性成分の性フェロモン作用について追跡した結果,雄ミバエ誘引植物より摂取したフェニルプロパノイド関連物質が,雌に強い誘引作用を示すことを実験的に証明することができた.クウィーンズランドミバエ雄の蓄積するフェロモン腺成分についても明らかにした.3)直翅目昆虫の雄フェロモンチャバネゴキブリおよびアオマツムシ雄の背面より分泌物される化学物質の雌に対する性フェロモン効果を追跡した.いずれの場合もメタノールに可溶の画分より得られた活性因子は複数成分から構成されていることが判明した.昆虫には,配偶行動における雌・雌のコミュニケーションの手段として化学物質を利用しているものが多い.その大部分は雌が分泌し遠くの雄を誘引する物質であり,逆に雄が分泌し雌に作用する性フェロモンについての研究例は少ない.雌がフェロモンを放出する場合でも雄がフェロモン源に到達した後に何らかの相互認知段階を経て交尾に至り,そこに雄フェロモンの介在している場合が多い.以下の数目の昆虫類について雄フェロモンの機能および化学性質の解明を目的に研究を進めた.1)鱗翅目昆虫の雄フェロモンマダラチョウ類の雄はヘアペンシルをひろげ雌にプロポーズする.オオゴマダラ雄のヘアペンル成分(ダナイドン,ネシン酸β-ラクトン,モノテルペンチオエーテルなど)の雌に対する性フェロモン活性を実証した.一方,ハマキガ類の雄もヘアペンシルを有し,配偶行動の場でフェロモンとして利用している.ナシヒメシンクイ雄のヘアペンシルに含まれる性フェロモン成分の生成過程について追跡した結果,ジャスモン酸メチル,桂皮酸エチルは幼虫および成虫時代の食物に由来することが示唆され,フェロモンの蓄積過程がマダラチョウの場合に類似することが明らかになった.2)双翅目昆虫の雄フェロモンミカンコミバエの雄の直腸腺から分泌される揮発性成分の性フェロモン作用について追跡した結果,雄ミバエ誘引植物より摂取したフェニルプロパノイド関連物質が,雌に強い誘引作用を示すことを実験的に証明することができた.クウィーンズランドミバエ雄の蓄積するフェロモン腺成分についても明らかにした.3)直翅目昆虫の雄フェロモンチャバネゴキブリおよびアオマツムシ雄の背面より分泌物される化学物質の雌に対する性フェロモン効果を追跡した.いずれの場合もメタノールに可溶の画分より得られた活性因子は複数成分から構成されていることが判明した.昆虫には,雄雌のコミュニケーションの手段として化学物質を利用しているものが多い.その大部分は雌が分泌し遠くの雄を誘引する物質であり、逆に雄が分泌し雌に作用するフェロモンについての研究例は少ない.雌がフェロモンを放出する場合でも雄がフェロモン源に致達したあと,何らかの相互認知段階を経て交尾に至り,そこに雄フェロモンの介在している場合が多い.数種の鱗翅目ならびに直翅目についての雄フェロモン機能および化学的性質の解明を目的に以下の研究を実施した.1)鱗翅目昆虫の雄フェロモンマダラチョウ類の雄はヘアペンシルをひろげ雌にプロポーズする.一般に雄はヘアペンシルに蓄えるフェロモン成分を獲得するためピロリジディンアルカロイドを含む植物を訪れなければならないが,同アルカロイドを含有する植物を寄主としている先祖種オオゴマダラ雄のヘアペンシル成分を調べた結果アルカロイドフラグメントのダナイドンとネシン酸部により生成した新規ラクトンの存在を明らかにすることができた。このほか脂肪族、テルペン、フェノール系物質を同定した.またオオゴマダラの雄は一連のフェノール性物質に強く誘引され,その成分をヘアペンシルに選択的に摂取することが判明し,その取込み過程を追跡した.一方、ハマキガ類のヘアペンシル成分についても化学分析を進めた。2)直翅目昆虫の雄フェロモンチャバネゴキブリの雄は背面より分泌物を放出し,雌がこれをなめている間に交尾する.多数の雄成虫より背面腺組織を摘出し,その抽出物の雌に対する効果ならびに成分検定を行った.

極めて微量かつ複雑な成分素であり活性成分の特定には至らなかった.同様の雌誘引分泌腺をもつアオマツムシの分泌物を集積し,主成分の一つであるクエン酸を同定した.本物質は雌に対して顕著な摂食刺激活性を示すことから性フェロモンとしての役割を実証することができた.雌による雄背面分泌物の摂取は単なる栄養補給のみならず,内分泌系に作用して卵巣発育を促進する可能性も考えられ,生理学的な効果についても追究を試みた.昆虫の性フェロモンの多くは,雌が分泌し遠くの雄を誘引するか、直接接触することによって雄を性的に刺激する物質である。逆に雄が分泌し雌に作用するフェロモンについての研究例は少ない。雌がフェロモンを放出する場合でも雄がフェロモン源に到達したあと,何らかの相互認知段階を経て交尾に至る。その過程で雄側からのフェロモンが作用している場合も多いと考えられる。数種の鱗翅目,双翅目ならびに直翅目について雄フェロモンの機能および化学的性質の解明を目的に以下の研究を実施した。1)鱗翅目昆虫の雄フェロモンマダラチョウ類の雄はヘアペンシルをひろげ雌にプロポーズする。オオゴマダラ雌は,雄のヘアペンシル成分に対して鋭敏に反応し、交尾受け入れポ-ズをとることが実験的に明かになった。ヘアペンシル成分を化学的に分析した結果、ピロリジディンアルカロイドに由来するフラグメントのダナイドンとネシン酸β-ラクトン、新規のモノテルペンチオエーテルなどの存在を明らかにすることができた。これらの揮発性物質混合物は、雌に対して粗抽出物と同等の高いフェロモン活性を示した。2)双翅目昆虫の雄フェロモンミカンコミバエの雄の直腸腺から分泌される揮発性成分の雌および雄に対するフェロモン作用について調べた。また、雄ミバエ誘引植物に含まれるフェニルプロパノイド関連物質の直腸腺への取り込みについて分析した。クウィーンズランドミバエ雄の蓄積するフェロモン腺成分についても明らかにした。3)直翅目昆虫の雄フェロモンチャバネゴキブリの雄は背面より分泌物を放出し、雌がこれをなめる間に交尾する。雄成虫より背面腺組織を摘出し、その抽出物の雌に対する効果ならびに成分検定を行った。その結果、メタノールに可溶の画分より成熟雌に対する摂食刺激性の活性因子を得ることができた。複数成分が関与していることから、現在それらの成分の精製を行っている。昆虫の多くは,配偶行動において性フェロモンによって異性同士化学交信している.その多くは雌が分泌し遠くの雄を誘引するか,直接接触することによって雄に作用するタイプである.本研究では,逆に雄が分泌し雌に作用するタイプの性フェロモンについて解析を進めてきた,本年度は,とくに1)マダラチョウ類の雄の性フェロモン分泌器官に含まれる化学成分の解明とその機能の解析,2)ミカンコミバエの雄の直腸腺に含まれるフェニルプロパノイド類の雌に対する効果の検証,3)チャバネゴキブリの雄背面分泌成分の生物学的機能の解析に焦点を絞り研究を進めた.1)鱗翅目昆虫の雄フェロモンオオゴマダラの雄は雌にプロポーズするとき腹部末端のヘアペンシルを広げ,性フェロモンを放出する.雌は,雄のヘアペンシルに含まれる一連の揮発性成分に対して鋭敏に反応し,交尾受け入れポ-ズをとる.雌の受入れ行動に重要な成分は,ピロリジディンアルカロイドに由来するフラグメントのダナイドンとネシン-β-ラクトンなどであったが,ヘアペンシルにはこれ以外に百種を上回る高沸点成分が検出され,その化学組成の解明と雌に対する作用について調べた.2)双翅目昆虫の雄フェロモン
多粒子離散モデルの導入によるバクテリアコロニーパターン形成への数理的接近

バクテリアコロニー形成のモロフォロジーダイアグラムを数理モデルによって再現するために,連続モデルと粒子モデルからのアプローチによってパターン形成問題を研究した.非線形拡散を導入した連続モデルにおいては5種類のパターンを再現することはできたが,モロフォロジーダイアグラムを完全に再現することはできなかった.また,モロフォロジーダイアグラムの再現が可能のある連続場での多粒子モデルの構築を行った.バクテリアコロニー形成のモロフォロジーダイアグラムを数理モデルによって再現するために,連続モデルと粒子モデルからのアプローチによってパターン形成問題を研究した.非線形拡散を導入した連続モデルにおいては5種類のパターンを再現することはできたが,モロフォロジーダイアグラムを完全に再現することはできなかった.また,モロフォロジーダイアグラムの再現が可能のある連続場での多粒子モデルの構築を行った.本年度は,枯草菌コロニーのパターン形成を理解するための数理モデルを構成するために,二方面からの数理モデルの構成に取り組んだ.一つは従来から用いられている反応拡散系を基礎とした数理モデルであり,もう一つは個々のバクテリアの運動を粒子運動として近似し,多粒子運動モデルとして近似する数理モデルである.反応拡散系モデルにおいては同心円パターンとイーデンパターンの再現に重点を置いて数理モデル化を行った.その結果,能動的バクテリア(移動と分裂を行う)を移動バクテリアと分裂バクテリアに分離した数理モデルを構築すると,実験結果と定性的に同じ同心円パターンを再現することに成功した.このとき、分裂バクテリアはバクテリア密度に依存した非線形拡散によってのみ動くと仮定した.この結果から,バクテリアの移動には線形拡散と非線形拡散があることが示唆された.粒子モデルにおいては,バクテリアのランダム運動を記述するために並進と回転運動を持つ剛体近似運動モデルを構築した.そのモデルに分裂機能を持たせることで個体バクテリアモデルとした.分裂機能付き剛体運動モデルを多数用意することで多粒子バクテリア運動モデルとした.このモデルに対して,バクテリア間の相互作用を導入する必要があるが,現在のところ反発相互作用を用いているため,共同したパターン形成を起こす可能性が極めて低いことがわかった.今後は,多粒子モデルにおける粒子間相互作用に対して反発だけでなく引き合うような相互作用も導入することによってパターン形成の可能性を探して行く予定である.また,反応拡散系モデルにおいてはモロフォロジーダイアグラムを再現できるか数値計算を進めて行く予定である.本年度は,枯草菌小集団運動の数理モデルの構成,枯草菌コロニーパターン形成の数理モデル構築を行い,最後に他のバクテリアに対する数理モデルへの適応を目標として研究を推進してきた.枯草菌小集団の数理モデル化については,前年度構成した枯草菌1個体モデルの数値計算データに基づいて統計データを取り,小集団運動を一つの粒子として考えたときの粒子間相互作用を記述する数理モデルを構築した.この数理モデルと栄養場の反応拡散系を融合した数理モデルを使って枯草菌コロニーパターン形成のモロフォロジーダイアグラムの再現を目指して数値計算を行った.その結果,同心円パターン以外のパターンを再現することに成功した.しかしながら,寒天媒質の堅さ(粒子運動の抵抗)と寒天中の栄養濃度の2パラメータによるモロフォロジーダイアグラムとしてイーデンパターン,PBMパターン,DLAパターンを再現することができなかった.すなわち,「寒天の堅さに依存して相互作用の関数形を変化させること」や「栄養濃度に依存して分裂に対する関数形を変化させること」によって円盤パターン,イーデンパターン,DBMパターン,DLAパターンを再現することしかできなかった.この研究結果は,相互作用関数や分裂が栄養濃度場に依存している可能性を示唆しているとも考えることができる.この結果を踏まえて,昨年度に挑戦した反応拡散系モデルに対して相互作用を考慮した拡散や濃度に依存した分裂に対応する関数形を再考することによってモロフォロジーダイアグラムを再現することが可能となるのではないか考えられる.今年度の研究は成功裏に終えることができなかったが,これまでの数理モデルに対して新しい依存性を考慮することが必要であることを示唆した点で重要な成果を得られたと考えられる.
低次元ナノ材料の合成、組織化、および物性評価

1.単分散磁気ナノ粒子安定剤としてn-アダマンタンカルボン酸とトリアルキルホスフィンの組合せを用いて、アセチルアセトンパラジウムの多価アルコール還元と、ペンタカルボニル鉄の熱分解によって単分散FePdナノ粒子を調整した。平均粒径は濃度と安定剤の種類と反応条件をコントロールすることによって、1116nmまで調整出来る。この合成経路は、ナノサイズのFePd材料の磁気的特性を研究するための有望な候補となる。2.磁気ナノ結晶の集合(1)マグネタイトの三次元(3D)集合体マグネタイト微粒子の合成と三次元(3D)球状集合体の作成はワンポット処理で実現した。Fe(acac)_3 (acac=acetylacetonate)がエチレングリコールとヒドラジンで部分的に還元され、β-シクロデキストリン、オレイン酸とオレイルアミンを含む界面活性剤の組み合わせの存在下で自発的に球状ナノ構造集合体を形成する。集合した球のサイズは反応温度とβ-シクロデキストリンの濃度に依存して、100nm2μmの範囲でコントロールできた。均一なCo球状集合体の調整は、界面活性剤の存在下で簡単な水熱還元によって行った。ナノ構造の集合体は、電子顕微鏡(SEM)と走査電子顕微鏡(TEM)によって約20nmの厚みで規則的なナノプレートを構成していることが確認できた。この材料は強磁性で広い表面積を持ち、ナノ磁石と、もしくは触媒としての潜在的な応用を示している。(3)FePtナノワイヤーFePtナノワイヤーは界面活性剤無しの簡単な加溶媒熱還元過程によって調整した。この合成経路の柔軟性を考えると、Ptを元にしたナノワイヤーへの拡張が期待できる。さらに、FePtナノワイヤーは電子-磁性デバイスの構築へのビルディングブロックとして展開できる。
質量分析法及び関連技術を用いた機能性ポリマー材料の劣化解析

平成29年度は、昨年度開発した高分解能マススペクトルのデータ解析法(Kendrick mass defect法)の改良と機能性ポリマー材料の構造解析への応用を行った。この方法は、観測されたポリマーの質量について、分子量を反映する整数部分と元素組成(すなわち化学構造)の違いを反映する小数部に分割し、それぞれを二次元プロットしてポリマーの組成分布を表現する方法である。この計算過程で識別したい化学構造のプロット間距離を大きくなるような高感度な信号分離ができるデータ変換方法(fractional base unit法)を考案し、その理論的な考察を行った。これをさらに発展させて、複雑なマススペクトルから共重合体の組成分布を反映する信号を効率よく抽出するデータ解析法(referenced Kendrick mass defects法)を開発した。こうしたデータ処理技術は分析化学分野のトップジャーナルであるAnalytical Chemistry誌や質量分析の国際専門誌などで論文で発表するとともに、共同研究を行っている企業と共同でソフトウェア開発を進めている。この方法を用いて、企業と共同で非イオン系界面活性剤やポリエステル系多元の組成解析に応用し、原材料の成分分布を二次元プロットで表現した。さらに、加水分解や経年劣化などによって起こるポリマー材料の組成変化を視覚的に表現した。このように本研究で開発した技術は、企業における品質管理法になり得ることから、その実用化に向けた研究を企業と共同で進めている。一方、このデータ解析法は、マトリックス支援レーザー脱離イオン化法によるデータの解析に用いてきたが、国際共同研究によりエレクトロスプレー法やペーパースプレー法などの他のイオン化法で観測されたマススペクトルへの適用範囲の拡大を行った。29年度が最終年度であるため、記入しない。平成27年度は、太陽光発電(PV)モジュールの封止材として用いられているエチレン-酢酸ビニル共重合体(EVA)の化学構造及び劣化解析を中心に研究を行った。まず、EVA樹脂の化学構造を高分解能質量分析法により解析する技術を確立した。ここでは、サイズ排除クロマトグラフィーによる低分子量画分の分取とその質量分析による共重合組成および末端基構造解析、分光分析法による全体構造の確認を組み合わせることによって、EVAの詳細な化学構造解析を達成し、論文発表した。次に、加水分解および熱分解によるEVAの劣化挙動の解析を試み、脱酢酸伴いマススペクトルの変化のパターンを明らかにし、その成果の一部を論文投稿した。また、PVモジュールで用いられるEVA樹脂は架橋しているため、架橋ポリマーから可溶成分を抽出して、架橋反応過程における高分子鎖の構造変化を明らかにした。現在、劣化加速試験を行ったPVモジュールより回収したEVA樹脂の構造解析を試みているところである。上記に加えて、本研究で用いる高分解能質量分析法が、JSPSフェローアこれまで手掛けてきたプラズマ重合ポリマーの構造解析にも有用であることがわかり、その構造解析も行った。エレクトロスプレーイオン化法(ESI)でイオン化した分子を、さらに質量分析計内で分解することによって構造解析を行うMS/MS法において、研究代表者らが開発したデータ解析法を応用すると、フラグメントイオンの形成機構を可視化できることが分かり、論文発表した。この方法を発展させて、JSPSフェローが在籍していたエクス=マルセイユ大学と共同でプラズマ重合ポリマーの構造解析も行った。PVモジュールで使用されるEVA樹脂の化学構造解析及び劣化解析に関しては、EVA純品の詳細な構造解析、架橋EVA樹脂の構造変化の解析、PVモジュール内のEVA樹脂の構造解析へと順調に発展している。それぞれの樹脂の劣化に関する基礎データの取得も進んでおり、熱酸化劣化、加水分解劣化、UV照射による劣化、架橋処理における加熱劣化をそれぞれマススペクトルで識別できる技術を開発した。本成果はEVA樹脂の分子構造を質量分析法により分子鎖レベルで解析した世界初の事例であり、再生可能エネルギーの開発において中心的な役割を果たすPVモジュールの高信頼性を確保するうえで、極めて重要な結果であると考えている。こうした成果は順次発表していく予定であり、現時点で論文受理1報、投稿中1報のほか、国内学会及び国際学会での発表各1件を予定している。さらに本解析技術を応用して、当初の予定にはなかったプラズマ重合ポリマーの解析も試み、フランスとの国際共同研究を行って、関連論文2報を投稿した。以上のように、研究は予定していた内容のみならず、派生的に新しいテーマを生み出し、着実に成果を出すことができ、当初の計画以上に研究が進展しているものと自己評価した。平成28年度は、ポリマー材料の劣化により生じる複雑な成分の組成および構造を解析するために、高分解能マススペクトルのデータ解析法の開発を行った。ポリマーが劣化すると多種多様な分子構造を有する成分が生じる。これを高分解能マススペクトル測定すると、膨大な数のピークが観測され、データ解析が困難になる。これを解決するために、ポリマー成分の精密質量のうち小数点以下の値が構成元素により異なることに注目した成分分布プロット法について、計算方法を改良してより高分解能な成分分布プロット法を開発した。この方法を用いて、エレクトロスプレーイオン化法で観測される多価イオンの価数ごとの分布や、これまでは不可能であると考えられてきた分子量1万を超える成分の成分分布プロットも可能になることを見出した。この成果は、分析化学分野のトップジャーナルであるAnalytical Chemistry誌にて発表した。この新しいデータ解析法を用いて、太陽光発電(PV)モジュールの封止材として用いられているエチレン-酢酸ビニル共重合体(EVA)の加水分解劣化や熱劣化に伴う化学構造解析を行った。また、水処理膜の次亜塩素酸洗浄で起こる劣化機能の解析に取り組み、膜素材ポリマーの劣化過程における構造変化を明らかにした。

さらに複雑な構造をもつ界面活性剤の化学構造及び組成解析と、その加水分解劣化を評価することにも成功した。これらの成果についても、国内および国際学会にて発表するとともに、国際誌に掲載された。本研究で開発してきた解析手法が様々な機能性ポリマーの構造解析に有効であることから、JSPSフェローが在籍していたエクス=マルセイユ大学やルクセンブルク科学技術研究所との共同研究で、バイオベースポリマーやプラズマ重合ポリマーなどの構造解析にも応用した。平成28年度の研究遂行により、新しい高分解能マススペクトルのデータ解析法を開発することによって、非常に複雑な成分から解析上注目すべき成分を迅速かつ容易に識別・検出することが可能となった。この技術等を応用して、当初計画していたPVモジュールで使用されるEVA樹脂や水処理膜用ポリマー材料の劣化解析のみならず、工業的に利用されている組成が複雑な界面活性剤の化学構造解析や劣化評価にも展開した。すなわち、本研究の遂行により機能性ポリマー材料の化学構造解析及び劣化解析に対して画期的なデータ解析法を提案することができた。この方法は、本研究で中心的に用いている超高分解能マトリックス支援レーザー脱離イオン化質量分析法(MALDI-TOFMS)のみならず、エレクトロスプレーイオン化法や、汎用のMALDI-TOFMSでも成分分布プロットによる組成解析が(限定的ではあるが)可能になり、本法の応用は範囲を一気に拡大化した。こうした成果は、現時点で論文掲載9報、国際学会2件、国内学会6件の発表を行った。なお、当初は「膜分離活性汚泥法(MBR)」の分離膜の閉塞機構の解明を行うことを計画していた。しかし、当初研究協力を期待していたグループにおいてMBR装置が稼働できなくなったこと、研究代表者が年度途中で異動して当該テーマに関与できなくなったことから、本テーマは膜材料の次亜塩素酸洗浄家庭での劣化解析のみを行った。以上のように、研究は予定していた計画の一部は遂行できなかったが、様々な機能性ポリマー材料の解析にとどまらず、新しい解析法の開発を行って多くの成果を出すことができ、研究全体としては順調に進捗しているものと自己評価した。平成29年度は、昨年度開発した高分解能マススペクトルのデータ解析法(Kendrick mass defect法)の改良と機能性ポリマー材料の構造解析への応用を行った。この方法は、観測されたポリマーの質量について、分子量を反映する整数部分と元素組成(すなわち化学構造)の違いを反映する小数部に分割し、それぞれを二次元プロットしてポリマーの組成分布を表現する方法である。
プラズマと静電気力による微粒子制御の検討

本研究は低電圧駆動マイクロプラズマアクチュエータ(以下PA)を用いた室内空気環境などに影響を与える微粒子の除去と制御を目的として柔軟かつ可撓性を持つ厚さ100 um以下の多層グリッド型PAを試作し配管内部の混合部位に堆積した微粒子除去(表面清浄)や混合時の流入抵抗抑制といった内部流動の精密制御に挑戦する。低電圧駆動マイクロプラズマの特徴を最大限に生かしたアクティブなXYZ方向の誘起流制御を提案する事で微粒子制御や複雑な流体制御が求められる分野への応用を視野に入れている。本研究の挑戦により管内流体の電源信号の応答性やアクティブ制御の可能性を見出すことで微粒子制御などの新たな応用展開が期待される。
上皮性癌細胞の産生するムチンによるマクロファージの活性化とその影響

上皮性癌細胞の産生するムチンの生物学的機能を検討する過程で、ムチンが単球/マクロファージを活性化することを見出した。ヒト腸癌細胞LS180細胞の産生するムチンを精製し、ヒト末梢血より調製した単球の培養液に加えると濃度依存的にIL-1βなどのサイトカインや生理活性物質のPGE2の産生が亢進した。PGE2の場合、律速酵素であるシクロオキシゲナーゼ2(COX2)mRNAおよび酵素タンパク質の誘導が認められた。ヒト腸癌組織を用いた組織化学的研究では、腫瘍組織に浸潤したマクロファージの中で、ムチンが近傍に存在する場合のみCOX2酵素タンパク質が検出された。従って、in vivoにおいても同様の機構でCOX2が誘導されているものと考えられる。次にマウス乳癌細胞由来細胞株でムチン(エピグリカニン)産生株のTA3-Haと非産生株のTA3-Stを用いて、皮下腫瘍組織の形成について比較した。両細胞株のin vitroにおける増殖速度は、ほぼ同様であるにも拘わらず、マウス皮下腫瘍においてはTA3-Haの方が著しく早く増殖した。組織より調製したタンパク質およびRNA画分を用いて解析し、TA3-Haのみにムチンが検出されることを確認すると共に、COX2mRNAもTA3-Haで著しく誘導されていることがわかった。また、組織化学的に観察するとTA3-Haでは、ムチンは組織全体に分布し、全体に浸潤したマクロファージにCOX2が検出された。これらの結果は、ムチンによるCOX2の誘導が腫瘍組織形成に大きな役割を果たしていることを示している。上皮性癌細胞の多くが産生するムチン型糖タンパク質(ムチン)が単球/マクロファージを活性化し、IL-1βなどのサイトカインの分泌を亢進することを明らかにしてきた。ヒト末梢血単球やヒト単球由来細胞株THP-1細胞を用いてさらに詳細に検討した。これらの細胞とヒト腸癌細胞LS180,CaCo2,CoLo205細胞との共培養により、培養上清へのIL-1βの分泌が著しく高まった。すなわち、THP-1細胞とヒト末梢血単球で、単独培養に比して、それぞれ約4倍、25倍のIL-1βが分泌された。これらの腸癌細胞の培養上清を加えた場合よりも著しい効果が認められ、細胞表面に存在するムチンの効果と考えられた。次に、LS180細胞の培養上清よりムチンを単離し、活性化機構について検討した。上記の細胞からのIL-1βの分泌は、ムチンの濃度依存的に上昇し、1μgタンパク質/ml程度でその効果は認められ、同濃度のLPSの効果に匹敵する作用が認められた。ヒト末梢血単球(2×10^5細胞)の場合、24時間で約900pgのIL-1βが分泌された。また、THP-1細胞を用いた系において、ムチンを加えた15分後に細胞を回収し、りん酸化された成分を検索したところ、ホスホリパーゼCγ1であった。次に、THP-1細胞を^<35>S-メチオニンで代謝標識した。細胞の溶解物をウシ顎下腺ムチンを結合したセファロースカラムに通した。1M塩化ナトリウムを含む溶出で溶出した。結合物をSDS-PAGE後、フルオログラフィーとした。主要なバンドは、スカベンジャーリセプターの分子サイズと一致した。これらの結果は、ムチンがスカアベンジャーリセプターを介して、単球/マクロファージを活性化することを示している。単球/マクロファージにおけるCOX-2の誘導と生物学的意義について検討した。ヒト腸癌細胞LS180とヒト末梢血単球を共培養すると上清へのPGE2の産生が亢進することを見いだした。

LS180細胞の培養上清を単球の培養液に加えても同様の現象が起こることから、LS180細胞の分泌物にその作用が存在することがわかった。LS180細胞の培養上清をセファロース6Bにより分画したところ、素通り画分にその活性が認められ、ムチンの溶出位置と一致した。さらに、過塩素酸沈殿ついでHPLCによるゲルろ過によりムチンを精製し、最終的にムチンに単球/マクロファージを活性化する作用があることを確認した。PGE2の産生が亢進することからCOX-2の誘導についてmRNAおよびタンパク質レベルで検討した。mRNAについては、RT-PCRおよびノーザンブロットにより検討した。タンパク質レベルでは、抗COX-2抗体を用いてCOX-2タンパク質を免疫沈降し、電気泳動後ウエスタンブロットにより、ナイロン膜に転写した。膜上のCOX-2は同抗体を用いて検出した。mRNAおよびタンパク質レベルでムチンの濃度依存的に誘導されることがわかった。時間的には2時間でmRNA,4時間でタンパク質の誘導がピークとなった。また、PGE2の分泌も4時間以後に急激に増加した。次に、ヒト結腸癌組織を用いて、組織化学的に浸潤したマクロファージでのCOX-2の発現、ムチンの分布を調べた。浸潤したマクロファージでは、癌組織周辺に認められ、近傍にムチンが存在する場合には、COX-2の誘導が認められた。従って、in vitroで認められたムチンによるCOX-2の誘導が癌組織においても強く示唆された。我々はムチンによる単球/マクロファージの活性化に伴い、シクロオキシゲナーゼ(COX2)の誘導とPGE2の産生亢進を示してきた。PGE2はアポトーシスの抑制、免疫抑制及び血管新生等の作用を通じて、癌細胞の増殖に有利な環境を整えていると考えられている。この現象を証明するためにマウス乳癌由来細胞株TA3による皮下腫瘍形成におけるムチンの効果を検討した。TA3には、エピグリカニン(ムチン)を産生するTA3-Ha株と非産生株であるTA3-St株があり、双方で比較検討した。TA3-Haと-St細胞のin vitroにおける増殖速度は同等であったが、マウス皮下においては、TA3-Ha細胞の方が著しく早く増殖することがわかった。それぞれの腫瘍組織からtotalRNAおよびタンパク質画分を調製し、前者を用いてCOX2mRNAの誘導をRT-PCRにより検討した。後者からはエピグリカニン及びCOX2酵素タンパク質の免疫沈降物をSDS-PAGE後、膜に転写し、同抗体によりそれぞれのタンパク質を検出した。その緒果、TA3-Ha腫瘍組織には、エピグリカニンが存在することを確認すると共に、COX2mRNAおよび酵素タンパク質が著しく誘導されていることがわかった。TA3-St腫瘍組織では、エピグリカニンはほとんど検出されず、COX2mmRNAおよび酵素タンパク質の誘導も見られなかった。更に、腫瘍組織のエピグリカニン、COX2タンパク質、マクロファージをそれぞれの抗体を用いて、組織化学的に検出した。TA3-Ha腫瘍組織では、エピグリカニンは組織全体に分布し、マクロファージも均一に浸潤し、その内の多くのマクロファージでCOX2が検出された。一方、TA3-Stでは、マクロファージの浸潤は、TA3-Haと同様であるが、エピグリカニンは存在せず、COX2も検出されなかった。これらの結果は、ムチンの存在とCOX2の誘導は、腫瘍組織形成に密接な関係があることを示している。
ラット心停止ドナー肺の肺障害評価

心停止ドナーを心停止導入条件の違いにより検討することにより、臨床的背景に応じたドナー肺の評価と利用を促進することを目的としているラット肺Flush実験を行った。この実験により心停止導入条件による肺障害の違いと特徴を確認することができた。次に、ラット体外循環モデルを用いて虚血再環流後のラット肺の生理学的機能解析を行った。再灌流後半では肺血管抵抗はVF群が無呼吸群と心拍動群よりも高いことが確認された。臨床的背景に応じたドナー肺の評価の所見の確立に繋がっていくこととなる。肺移植治療における克服すべき問題点のひとつにドナー肺不足が挙げられ、その解消の一手段として心停止(DCD)ドナー肺移植が世界的に始まっている。一方、DCDドナー肺を使用して安全かつ有効な肺移植治療を行うためにはドナーの臨床状況に応じた肺障害評価が必要不可欠である。本研究では、心停止ドナーを心停止導入条件の違いにより検討することにより、臨床的背景に応じたドナー肺の評価と利用を促進することを目的としている平成21年度は、まずラット肺Flush実験を行った。すなわち、異なる心停止導入条件によるラット肺の肺血管抵抗を肺血管床をFlushすることにより評価する。次に、我々が確立し、他の研究でもこれまでにその有効性を証明してきたラット体外循環モデルを用いて虚血再環流後のラット肺の生理学的機能解析を行った。すなわち280-320gのオスLewis ratを用いて、心拍動群、無呼吸群、VF群の3群(n=8)を設定した。無呼吸群、VF群では心停止後、150分の温虚血の後、20ml 4°Cの細胞外液低Kデキストラン保存液を用いて20cm水柱より肺血管床のFlushを行ったのち、Total lung capacity(TLC)maneuverにより同一条件下に気道を十分に開存させた。心拍動群では心拍動下にFlushを行った後、同様にTLC maneuverを行った。ラット肺体外循環装置を用いて肺の生理学的検討を行った。この結果、ラット体外循環モデルにおける生理学的機能評価においては酸素化能、気道抵抗、再灌流中の浮腫では有意に無呼吸群、VF群、心拍動群の順で肺傷害は重度であった。また、再灌流後半では肺血管抵抗はVF群が無呼吸群と心拍動群よりも高いことが確認された。平成22年度はラット体外循環モデルでの生理学的機能評価の病態生理学的機序解明のため、これらの再灌流評価後のラット肺組織を用いて肺組織内高エネルギーリン酸化合物、病理所見、RT-PCRによるmRNA発現の評価その他の検討を行う予定である。本研究では、心停止ドナーを心停止導入条件の違いにより検討することにより、臨床的背景に応じたドナー肺の評価と利用を促進することを目的としている。平成22年度はラット体外循環モデルでの生理学的機能評価の病態生理学的機序解明のため、これらの再灌流評価後のラット肺組織を用いて肺組織内高エネルギーリン酸化合物、病理所見、RT-PCRによるmRNA発現の評価を行った。
診療報酬改定による医療生産性・効率性向上に関する研究

平成28年4月と平成30年4月の2回の診療報酬改定を総合評価することを目標とした。まずは平成30年度の手術データを前年同様に収集した。データ収集の具体的方法としては、帝京大学医学部附属病院電子カルテから必要な手術データを抽出する作業が中心となった。必要に応じて政府統計やレセプトデータなど既存データの活用も考慮した。しかしながら、帝京大学医学部付属病院電子カルテデータ以外のデータに頼る必要はほとんどなかった。次に収集したデータを用いて診療報酬改定前後の生産性変化・効率性の科学的解析を開始した。効率性・生産性の解析手法としては、他産業分野で確立されているデータ包絡分析を中心に据える。解析ソフトウェアは、DEA-Solver-Pro (V 12.0)を利用する。これを駆使して、集積したデータに対して、データ包絡分析法を用いて外科医の技術的効率性と雇用期間の関係を明らかにした。この段階の研究は経済学的分析方法に精通した中田が中心となって遂行した。これらの収集したデータを用いて「外科医の技術効率性と雇用期間との関係」を明らかにした。その結果を国際学会に抄録を提出し、平成30年度に学会発表した。またその結果を英文論文にまとめて国際雑誌に論文を投稿し採択された。また、掲載予定の論文も存在する。さらに、これらの成果をもとに海外大学で学術講演を複数回行い、海外研究者との交流も行った。国際学会発表や論文の具体的な情報は下記で明らかにする。不測の事態が予想されたデータ収集が予定通りに行われており、その解析も一部ではあるが順調に行えているから。また、海外学会発表や国際雑誌論文などの成果が順調に生まれ始めているから。前年度と同様に平成31年度分の手術データを収集する。データ収集の具体的方法としては、帝京大学医学部附属病院電子カルテから必要な手術データを抽出する作業が中心とする。また、収集したデータをもとに効率性の科学的解析を継続する。これをもとに海外学会発表や国際雑誌論文発表を継続してゆく。平成27年度から平成29年度までの手術データを収集した。手術医療データは帝京大学医学部附属病院中央手術部で行われた年間約8000件の手術データから抽出した。解析する期間は各年度とも4ー9月期とし、手術症例の季節的変動等の要因を除外した。このデータ収集は以降の分析研究の質を決定する非常に重要なプロセスである。データ収集では、手術医療の独立変数・従属変数を決定し、目標とする生産性・効率性分析に必要かつ十分なデータを正確に収集する。具体的には手術医療の独立変数として「手術を行う医師の人数」・「手術に要する時間」などのデータを集めた。また手術医療の従属変数としては、「手術診療報酬額」データを収集する。また、意思決定単位(Decision making unit; DMU)としては術者となる外科医を設定し、このDMUごとに効率性・生産性を計測する。これらの収集したデータを用いて「外科医の技術効率性と雇用期間との関係」を研究した。その結果を国際学会に抄録を提出し、平成30年度に学会発表予定である。またその結果を英文論文にまとめて国際雑誌に論文を投稿中である。平成28年4月と平成30年4月の2回の診療報酬改定を総合評価することを目標とする。