hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
変形性関節症の早期病態に即した治療標的分子の探索

本研究の平成30年度の課題は、平成29年度までに同定したヒト早期軟骨変性の疾患関連因子の培養軟骨細胞における機能解析とノックアウトマウスの作成によるin vivoにおける機能解析である。protein quality control(autophagy、proteasomeシステム、小胞体ストレスなど)の異常に関連するdecidual protein induced by progesterone (DEPP)および慢性炎症のリモデリングに関与するG protein-coupled receptor kinase 5(GRK5)が疾患関連因子として確認できた。それらにFOXO転写因子を追加した3因子について多角的な解析を進めた。DEPPについては、ヒト軟骨細胞において飢餓状態、酸化ストレスなどでその発現が亢進することを確認し、CRISPR/Cas9システムを用いたノックアウトマウスの作成を完了した。表現型は、雄のみに特徴的な外観を認め、なんらかの性差に関与する機能が予想される。生後早期の個体より軟骨細胞を採取し、マイクロアレイによる機能解析を開始した。GRK5については、GRK5ノックアウトマウスの軟骨細胞の遺伝子プロファイルをマイクロアレイによって解析した。野生型に比較し、著明な炎症性サイトカインやプロテアーゼの発現低下を認めた。GRK5インヒビターなどを用いて培養軟骨細胞での詳細な機能解析を行った。さらに、GRK5インヒビターは治療薬として国内特許出願を行った。FOXO転写因子については、主に関節軟骨形成に関わる機能解析を行った。FOXO転写因子は、加齢に伴う軟骨変性に重要な因子であることに加え、軟骨分化にも必須の因子であることを確認した。同定した疾患関連遺伝子のin vitroでの機能解析とノックアウトマウスの作成を滞りなく遂行し、詳細な解析へと進めることができた。それぞれのノックアウトマウスは特徴的な表現型を認め、疾患関連因子のさらなる機能解析へとつなげることができた。また、同様の研究手法を用いて新規の疾患関連因子を同定・評価するシステムを構築できた。平成29年度までに同定した2因子についての機能解析を引き続き継続する。両因子ともにノックアウトマウスの作成が完了しており、軟骨細胞の解析・変形性関節症モデルの作成などにより滞りなく研究を推進する。同時に、他の疾患関連因子の同定とそれらのクロストークを明らかにし、多角的な課題の遂行を目指す。本研究の平成29年度の課題は、ヒト早期変性軟骨の軟骨細胞のmRNAの発現プロファイルを行い、正常軟骨と比較して、有意にprotein quality control異常に関連する因子・シグナル系を明らかにして、機能解析をすることである。ヒト新鮮屍体膝より早期変性軟骨と正常軟骨を採取し、RNAと蛋白を分離して抽出した。高純度のRNAのみで、RNAライブラリーを作成し、RNAシーケンスを行った。得られたデータをフィルタリングし、発現に有意差がある遺伝子の抽出、解析を行ったところ、約300の遺伝子を同定した。発現差のあった各遺伝子群のうちで、protein quality control(autophagy、proteasomeシステム、小胞体ストレスなど)の異常に関連するdecidual protein induced by progesterone (DEPP)および慢性炎症のリモデリングに関与するG protein-coupled receptor kinase 5(GRK5)を疾患関連因子の第一候補とした。DEPPについては、ヒト軟骨細胞において飢餓状態、酸化ストレスなどでその発現が亢進することを確認した。詳細な機能解析のため、CRISPR/Cas9システムを用いたノックアウトマウスの作成を現在行っている。GRK5については、siRNAによりノックダウンしたヒト軟骨細胞においてIL-6およびMMP-13の発現量の低下およびNFκB経路の活性化の抑制を有意に認めた。GRK-5ノックアウトマウスの提供を受け、ノックアウトマウスの軟骨細胞の遺伝子プロファイルをマイクロアレイによって解析した。その結果、変形性関節症進行に深く関与する異化作用因子が著明に抑制されていることがわかった。膝内側半月板不安定モデルを作成し、早期病態について解析を行っている。変性軟骨組織の網羅的な解析の後に、厳選した疾患関連遺伝子のin vitroでの機能解析とノックアウトマウスの作成と入手を行い、今後の詳細な解析へと進めることができた。残りの多因子についても、同様の研究手法を用いて新規の疾患関連因子を同定・評価するシステムを構築できた。FOXO

転写因子は、加齢に伴う軟骨変性に重要な因子であることに加え、軟骨分化にも必須の因子であることを確認した。同定した疾患関連遺伝子のin vitroでの機能解析とノックアウトマウスの作成を滞りなく遂行し、詳細な解析へと進めることができた。それぞれのノックアウトマウスは特徴的な表現型を認め、疾患関連因子のさらなる機能解析へとつなげることができた。また、同様の研究手法を用いて新規の疾患関連因子を同定・評価するシステムを構築できた。平成29年度に同定した2因子についての機能解析を継続する。両因子ともにノックアウトマウスの入手ができており、ノックアウトマウスの受け入れ手続き(動物実験倫理審査、施設承認)を適正に行い、滞りなく研究を推進する。同時に、他の疾患関連因子の同定とその機能解析を追加し、多角的に課題の遂行を目指す。平成29年度までに同定した2因子についての機能解析を引き続き継続する。両因子ともにノックアウトマウスの作成が完了しており、軟骨細胞の解析・変形性関節症モデルの作成などにより滞りなく研究を推進する。同時に、他の疾患関連因子の同定とそれらのクロストークを明らかにし、多角的な課題の遂行を目指す。
低電圧動作、大電流密度の真空マイクロデバイスの開発に関する研究

微小電子線源を低電圧で作動させるにはゲート,エミッタ間の距離を小さくし,電流密度をあげるにはエミッタの密度を大きくしなければならない.このような微小電子線源を開発するため以下の2つの実験を行った.1.ニッケル横型微小電子線源の試作低電圧で作動させるにはゲート,カソード間のギャップおよびカソードの曲率半径は小さい方がよいので,油浸レンズを用いた高解像度光リソグラフィによりパターンを作製した.このパターンをもとにリフトオフ法およびメッキ法でニッケルのパターンを作製した.リフトオフ法で作製されたギャップ長0.3μmの素子は印加電圧30Vで,メッキ法で作製されたギャップ長0.8μmの素子は印加電圧110Vで電界放出が確認できた.2.高密度縦型シリコンエミッタパターンの作製2光束の干渉を利用してレジストを露光するホログラフィックリソグラフィで試料を90度回転させて2重露光を行なった.これにより90度交差したグレーティングが露光でき,現像すると周期的なドットパターンができる.この方法で直径0.2μm,周期0.5μmのドットパターンを約2mm四方に作製できた.このエミッタパターンの密度は4×10^6コ/mm^2になる.このドットパターンをもとにシリコンをCF_4プラズマでエッチングしたところアスペクト比のよいシリコンエミッタパターンが作製できた.しかし,エミッタの先鋭度は十分でなく,断面形状は円錐台である.エッチング条件の検討,酸化による先端の先鋭化をはかる必要がある.今後,低電圧で動作する横型微小電子線源の性能改善を図るとともに,試作した電子線蒸着装置を用いてリフトオフ法で縦型シリコンエミッタを完成させる予定である.微小電子線源を低電圧で作動させるにはゲート,エミッタ間の距離を小さくし,電流密度をあげるにはエミッタの密度を大きくしなければならない.このような微小電子線源を開発するため以下の2つの実験を行った.1.ニッケル横型微小電子線源の試作低電圧で作動させるにはゲート,カソード間のギャップおよびカソードの曲率半径は小さい方がよいので,油浸レンズを用いた高解像度光リソグラフィによりパターンを作製した.このパターンをもとにリフトオフ法およびメッキ法でニッケルのパターンを作製した.リフトオフ法で作製されたギャップ長0.3μmの素子は印加電圧30Vで,メッキ法で作製されたギャップ長0.8μmの素子は印加電圧110Vで電界放出が確認できた.2.高密度縦型シリコンエミッタパターンの作製2光束の干渉を利用してレジストを露光するホログラフィックリソグラフィで試料を90度回転させて2重露光を行なった.これにより90度交差したグレーティングが露光でき,現像すると周期的なドットパターンができる.この方法で直径0.2μm,周期0.5μmのドットパターンを約2mm四方に作製できた.このエミッタパターンの密度は4×10^6コ/mm^2になる.このドットパターンをもとにシリコンをCF_4プラズマでエッチングしたところアスペクト比のよいシリコンエミッタパターンが作製できた.しかし,エミッタの先鋭度は十分でなく,断面形状は円錐台である.エッチング条件の検討,酸化による先端の先鋭化をはかる必要がある.今後,低電圧で動作する横型微小電子線源の性能改善を図るとともに,試作した電子線蒸着装置を用いてリフトオフ法で縦型シリコンエミッタを完成させる予定である.1.ニッケルの横型微小電子線源の試作ニッケルの横型微小電子線源の試作を行った。アノードとカソード間のギャップ、および、カソード電極の先端の曲率半径はできるだけ小さい方がよいので、高開口数の油浸レンズを用いた高解像度のフォトリソグラフィで電極パターンを作製した。ニッケルの電極はリフトオフ法、および、メッキ法で作製した。リフトオフ法の場合、抵抗加熱でニッケルの蒸着を行った。この結果、アノードとカソード間のギャップが0.3μmのものが作製でき、印加電圧30Vで電界放出が確認できた。メッキ法でもニッケル電極の作製はできたが、電界放出を確認するに到っていない。2.電子ビーム蒸着装置の試作ニッケルはプラズマエッチングが困難で、エッチングにより微細なパターンを作製することが難しいため、作製プロセスが限られてしまう。それに対して、モリブデンやタングステン等はフッ素系のガスでプラスマエッチングができ、基板との密着性も優れているため、微小電子線源の電極材料として適している。しかし、これらは高融点金属であるため、抵抗加熱法で蒸着することはできない。そこで、電子ビーム蒸着装置の試作を行った。電子銃は既製品(日電アネルバ、2kW、単発E型電子銃)を用いた。チェンバーは設計、試作を行い、抵抗加熱による蒸着、試料台の加熱、水晶マイクロバランサによる膜厚測定等が可能なようにした。現在、チェンバーの試作を終え、真空系のチェック、および、電子銃の調整を行っている。微小電子線源を低電圧で動作させるにはゲート,エミッタ間の距離を小さくし,電流密度をあげるにはエミッタの密度を大きくしなければならない.このような微小電子線源を開発するため以下の2つの実験を行った.1.ニッケル横型微小電子線源の試作低電圧で動作させるにはゲート,カソード間のギャップおよびカソードの曲率半径は小さい方がよいので,油浸レンズを用いた高解像度光リソグラフィによりパターンを作製した.

このパターンをもとにリフトオフ法およびメッキ法でニッケルのパターンを作製した.リフトオフ法で作製されたギャップ長0.3μmの素子は印加電圧30Vで,メッキ法で作製されたギャップ長0.8μmの素子は印加電圧110Vで電界放出が確認できた.2.高密度縦型シリコンエミッタパターンの作製2光束の干渉を利用してレジストを露光するホログラフィックリソグラフィで試料を90度回転させて2重露光を行なった.これにより90度交差したグレーティングが露光でき,現像すると周期的なドットパターンができる.この方法で直径0.2μm,周期0.5μmのドットパターンを約2mm四方に作製できた.このエミッタパターンの密度は4×10^6コ/mm^2になる.このドットパターンをもとにシリコンをCF_4プラズマでエッチングしたところアスペクト比のよいシリコンエミッタパターンが作製できた.しかし,エミッタの先鋭度は十分でなく,断面形状は円錐台である.エッチング条件の検討,酸化による先端の先鋭化をはかる必要がある.今後,低電圧で動作する横型微小電子線源の性能改善を図るとともに,試作した電子線蒸着装置を用いてリフトオウ法で縦型シリコンエミッタを完成させる予定である.
遺伝子改変ヒトiPS細胞由来マクロファージを用いた悪性黒色腫に対する免疫療法

悪性黒色腫に対して、遺伝子改変ヒトiPS細胞由来マクロファージ(iPS-MP)を用いた免疫療法の開発をマウスモデルで行った。抗腫瘍効果を負荷するために、インターフェロンαおよびβ遺伝子を導入し、腹膜播種マウスモデルでその効果を検討した。インターフェロン導入iPS-MPは強力な効果を示したが、その理由としては、サイトカインのオートクラインによって、抗腫瘍に有利なCD169陽性M1マクロファージフェノタイプになったことが考えられた。また、新たなメラノーマの治療標的としてFOXM1を見出し、非侵襲的な診断マーカーとして毛髪中micrRNA-221が有用であることを見出した。免疫不全マウス(SCID)においてヒトメラノーマ細胞を用いた抗腫瘍実験を行うために、まず治療に用いる細胞を作成した。ヒトiPS細胞をOP9フィーダー細胞上でミエロイド系細胞に分化誘導し、C-MYC遺伝子をレンチウイルスを用いて導入、不死化した。この細胞はM-CSF依存性ひ無限に増殖し、マクロファージ様の表面マーカー及び機能を持っている。以下この細胞をiPS細胞由来ミエロイド細胞ライン(iPS-ML)と呼称する。iPS-MLはそのままでは抗腫瘍効果は限定的であるため、抗腫瘍作用を持つ分子の遺伝子改変を行う必要があった。メラノーマにおいては、治療としてインターフェロンα(IFN-α)およびβ(IFN-β)が用いられていることから、これらを遺伝子導入した細胞を作成した。SCIDマウスにヒトメラノーマを腹膜播種させ、iPS-ML-IFNα、iPS-ML-IFN-βにて治療実験を行ったが、いずれも、コントロール群に対して、極めて強い腫瘍抑制効果を示した。抗腫瘍効果のメカニズムを検討するためにiPS-ML-IFNα、iPS-ML-IFN-βおよびコントロールのiPS-MLを用いて、腫瘍貪食能、サイトカイン産生能、表面マーカーの検討を行った。以上の結果については、論文作成中である。また新規メラノーマ抗原の探索として、FOXM1について検討したところ、メラノーマ細胞株、患者組織において高発現していた。また細胞株における細胞増殖実験、およびMAPK経路との関与についても検討し、論文を投稿中である。一方、新規腫瘍マーカーとしての血清microRNAについては、複数のmicroRNAを用いることで、転移の検出ができることを見出し論文報告した。さらに、皮膚組織を用いて、mir-146aのSNPが健常者に比べてメラノーマ患者では、有意にCGフェノタイプが多いことを見出し発表した。研究代表者らのグループは、ヒトiPS細胞から免疫調整機能を持った樹状細胞および抗腫瘍効果を有するマクロファージへの分化誘導に成功していた。強力な抗腫瘍効果を発揮するように遺伝子改変したiPS細胞由来マクロファージ(iPS-MP)を用いる計画であった。これまでに得たデータにより、iPS-MP治療には大量の細胞数(マウス一匹あたり1回の治療で1千万個)を必要とすることがわかっていた。将来、汎用化治療として臨床応用を実現化するためには、安定した治療細胞の準備不可欠である。そこでヒトiPS細胞から分化誘導した骨髄系前駆細胞に、cMYC+BMI1/MDM2を導入して不死化し、iPS細胞由来ミエロイドライン(iPS-ML)を樹立。その後にマクロファージ(iPS-MP)や樹状細胞(iPS-DC)を誘導し、治療に用いる方略をとった。まずiPS-MLの段階で、IFN-αあるいはβといったメラノーマに対する抗腫瘍活性が証明されている遺伝子の導入を行った。それを用いてiPS-MPを作製し、メラノーマに対する抗腫瘍実験を行った。免疫不全マウスにヒトメラノーマ細胞を腹膜播種させた後、種々の遺伝子改変iPS-MPで治療する実験を行なった。結果としてIFN-αあるいはβ遺伝子導入iPS-MPは非常に強力な抗腫瘍効果を示した。さらに抗腫瘍メカニズムを解明を行った。その結果、IFN-αあるいはβの遺伝子導入したiPS-MPは、遺伝子導入していないiPS-MLに比べM1マクロファージと呼ばれる抗腫瘍に機能するタイプに変化することを初めて見出した。マイクロアレイ解析から見出した癌特異抗原(KIF20A, FOXM1)について、ヒトメラノーマ組織での発現を確認し、その機能解析を行なった。また血清マーカーとしてのmicroRNAについても検討し、miR-221が早期診断に有用なこと、6つのmiRの組み合わせ(miR-9, miR-145, miR-150, miR-155, miR-203,miR-205)が転移巣の検出に有用であることを報告した。悪性黒色腫当初の計画で予定していたCSPG4のscFvの遺伝子導入については、共同研究者であるピッツバーグ大とMTAは締結しているが、まだ先方において、準備中とのことでscFvを入手できていない。

しかし、上述のようにCSPG4の遺伝子改変を行うまでもなく、IFN-αおよびIFN-βで十分な抗腫瘍効果が得られており、研究全体として進行に問題はない。新規がん抗原の探索については、FOXM1について成果を得てすでに論文投稿中である。また、新規腫瘍マーカーとしてのmicroRNAについても、上述のように論文発表することができた。さらに血清中のEGFRやレプチンレセプターがそれぞれ腫瘍マーカーとなりうることを論文報告した。以上より、おおむね順調に進展していると考えている。iPS-MLの研究については、さらにその遊走能等について抗腫瘍効果のメカニズム解明を進めていく。さらに、IL-15など他の遺伝子改変についても施行予定である。iPS-MLはM-CSF存在下ではマクロファージ様であるが、GM-CSFとIL-4存在下では樹状細胞(DC)様となる。今後は、iPS-ML由来DCについても抗腫瘍実験を進めていく予定である。また、将来の臨床応用にむけては、安全性や副作用の検討が必須である。その点についてもマウスを用いて検討してく予定としている。また新規メラノーマ抗原としては次にCDCA1についての検討を行う予定としている。さらに新規腫瘍マーカーとしては、最近microRNAが患者の毛髪からも検出可能という知見を得たので、メラノーマ患者でも検討して、さらに非侵襲的なマーカーの確立にむけて研究を進めて予定である。物品費に予算のほとんどを使用したが、端数として379円の残高が生じた。379円の残高については、次年度に物品費の一部として使用する予定である。
グリオーマ細胞の膜受容体に基く細胞応答と増殖・分化に関する研究

グリオーマに対する細胞増殖因子の作用の研究の一環として、鉄結合蛋白であるトランスフェリンとその受容体の役割をヒトグリオーマ培養細胞を使って調べた。〔材料と方法〕1.ヒトグリオーマ細胞U_<251>MGを〔^<35>S〕メチオニンにて標識したあと、細胞を融解させSDSポリアクリラミドゲルにて電気泳動し、セルロース膜にブロットし、フルオログラフィを行なった。2.FITC標識抗トランスフェリング抗体にて、細胞を染色し、フローサイトメーターにてその蛍光をヒストグラムとした。また一部は同時にプロビジウムイオダイドでDNA染色を行ない、緑色蛍光と赤色蛍光を二次元にて解析した。3.鉄飽和トランスフェリンを投与した細胞としない細胞とにおける、〔^3Hキコチミジン、〔^3H〕ウリジン〔^3H〕ロイシンのとり込みの違いをシンチレーションにて計測した。4.鉄飽和トランスフェリン投与による細胞内カルシウムイオンの動きを、Fura IIを媒介としてスペクトロフルオリメーターで計測した。〔結果と考察〕1.フルオログラフィでは、分子量94000の部位にバンドが検出され、他の細胞で検出されているトランスフェリン受容体の分子量と矛盾しない結果を得、U_<251>MG細胞がトランスフェリン受容体を生合成していることがわかった。2.フローサイトメトリーではこの細胞が、トランスフェリン受容体を細胞表面に発現させ、また発現させた細胞がどの細胞周期の磁気にも出現することがわかった。3.トランスフェリン投与により、細胞のDNA合成ならびにRNA合成が刺激されることがわかった。4.トランスフェリンが秒の単位で細胞内カルシウムイオン濃度を上昇させることがわかった。これらの事実により、トランスフェリンがその受容体を介して、グリオーマ細胞の増殖ならびに代謝の制御に関っていることが示唆された。細胞の代謝ならびに増殖に関して重要な働きを有しているトランスフェリン受容体はヒトグリオーマにも存在する.今年度は,主としてその機能について研究を行なった.トランスフェリン受容体の細胞表面上での発現の変化と細胞周期との関係をフローサイトメトリーにて,縦軸に抗トランスフェリン受容体抗体を用いて染色したFITCの螢光強度,横軸にDNA量を示すPIの螢光強度をとって解析すると,グリオーマ細胞ではどの細胞周期においてもトランスフェリン受容体を発現している細胞の存在することが判明した.また,グリオーマ細胞に対するトランスフェリンの作用をDNA合成, RNA合成,細胞数,細胞内カルシウムイオン濃度を指標としてみてみた.鉄飽和トランスフェリンを50μg/ml培養液に投与し, 3H-チミジン, 3H-ウリジンの細胞内へのとりこみを液体シンチレーションカウンターで計測するとDNA合成, RNA合成はトランスフェリン投与後48-72時間には,コントロールと比較して有意に増大することが明らかとなった.次いで,細胞内カルシウムイオン濃度をQuinIIを指標として螢光スペクトロメーターで計測すると,トランスフェリン投与後数秒にてイオン濃度は有意に増加することがわかった.異常のことより,グリオーマ細胞はトランスフェリン受容体を合成するばかりでなく,鉄飽和トランスフェリンの存在下では,細胞内カルシウムイオン濃度の増加, DNA合成, RNA合成の亢進など,活発な代謝活動を示すことが明らかとなった.トランスフェリンはグリオーマの代謝ならびに増殖に関して重要な働きを有していることが、今までの研究により明きらかとなったが、トランスフェリンは、神経組織の分化に関しても重要な働きを有していると言われている。一方、グリオーマは細胞骨格の中間径フィラメントとしてグリア線維(GFA)とビメンチンの両者を有しているが、分化度の違いによって、その合成ならびに発現に変化を生じると言われている。

そこで、トランスフェリンがグリオーマの中間径フィラメントの合成ならびに発現にどのような変化をもたらすのかを調べた。〔材料と方法〕ヒトグリオーマ細胞U_<25.1>MGを75cm^2flaskでconfluentとしたあとトランスフェリン50μg/mlの存在する環境下と、トランスフェリンの存在しない環境下とで培養し、1週間目ならびに2週間目に、その中間径フィラメント蛋白量に差を生じるかどうかをみた。それぞれの細胞を、SDSを含むTris緩衝液にて融解させ、β-mercaptoethanolを添加後、熱処理し、それぞれの細胞の全蛋白量を同一とした条件下で10%SDS-poly-acrylamide gelにて電気泳動した。gelをCoomasie brilliantblueにて染色後、densitometerにてGFA蛋白、vimentin蛋白に相当するbandの濃度を測定し、それぞれの相対的蛋白量を算定した。〔結果と考察〕培養液中のトランスフェリンの有無で、ヒトグリオーマ細胞U_<251>MGの中間径フィラメント蛋白量には明確な差は生じなかった。染料の蛋白量への結合能と、densitometerの感度にも問題があると思われる現在[C^<14>]leucine,[^<35>S]methionineを用いて、単位時間内に生合成される中間径フィラメント蛋白量に、トランスフェリンが影響をもたらすかどうかを検索中である。またmRNAの段階でも、差異がみられるか、in vitro蛋白合成系での実験を予定している。
都市地盤の変形予測手法の開発とライフサイクルコストによる品質管理に関する研究

大都市が展開する沿岸域は,軟弱粘土層が厚く堆積する環境にあり,大規模構造物,海上埋立などによって大きな変形が長期間継続し,上部インフラストラクチャーに悪い影響を及ぼすことが知られている。特に深部の洪積層は,堆積年代が古く,時間効果によって構造が発達したいわゆる高位構造を有しており,載荷による圧縮しろが大きいという問題を抱えている。小荷重であれば構造が頑張って変形を小さく押さえ込むことができるため,陸上構造物構築に対してはこれらの層の変形はあまり問題視されてこなかった。ところが,構造物の大型化,沖合展開に伴い,上載荷重が大きくなり,塑性降伏による大変形が生じるケースが現れてきた。沖積粘土層に対して実施される地盤改良も大深度の洪積層には不可能であり,自然の圧縮に任せておかざるを得ないという弱点もあって,有効に対処できる状況にはない。本研究では,大阪湾に厚く堆積する洪積粘土層に照準を合わせ,堆積過程を考慮した圧縮モデルを構築した。すなわち,100万年間にわたって沈降する基盤上に海進・海退によって粘土砂の美しい互層地盤を形成しているという堆積環境下では,圧密試験によって見かけの過圧密を示すものの実体的には正規圧密粘土であるという視点に立ち,載荷を受ける全過程で非弾性ひずみが生じるという仮定を与え,p_c以下のいわゆる擬似過圧密領域での時間依存性変形を考慮したモデルを構築した。これを弾粘塑性有限要素コードに組み込み,大阪港,関西国際空港建設による洪積基礎地盤の変形解析を実施した。これらの埋立地では詳細な沈下計測が実施されており,解析結果の妥当性を直ちに検証することができる。現段階では,構築した解析モデルは,大阪港の3つの埋立人工島(咲洲,舞洲,夢洲)の時間遅れ沈下を非常に精度良く予測できることが確認できている。特に埋立によってもp_cを超えない層であっても顕著な時間遅れ沈下がシミュレートできており,実際の挙動を定性・定量的に評価できる枠組みを構築することができている。次年度は関西国際空港の二期島建設による一期島下の過剰間隙水圧の環流(水枕効果)現象のシミュレートと空港島の長期沈下が今後どのように推移するかについての検討を行い,実測値をよく再現できることがわかった。以上より,大阪湾における海底洪積地盤の長期沈下特性を統一的に評価する枠組みの構築を達成し,その妥当性を検証することができた。

沖積粘土層に対して実施される地盤改良も大深度の洪積層には不可能であり,自然の圧縮に任せておかざるを得ないという弱点もあって,有効に対処できる状況にはない。本研究では,大阪湾に厚く堆積する洪積粘土層に照準を合わせ,堆積過程を考慮した圧縮モデルを構築した。すなわち,100万年間にわたって沈降する基盤上に海進・海退によって粘土砂の美しい互層地盤を形成しているという堆積環境下では,圧密試験によって見かけの過圧密を示すものの実体的には正規圧密粘土であるという視点に立ち,載荷を受ける全過程で非弾性ひずみが生じるという仮定を与え,p_c以下のいわゆる擬似過圧密領域での時間依存性変形を考慮したモデルを構築した。これを弾粘塑性有限要素コードに組み込み,大阪港,関西国際空港建設による洪積基礎地盤の変形解析を実施した。これらの埋立地では詳細な沈下計測が実施されており,解析結果の妥当性を直ちに検証することができる。現段階では,構築した解析モデルは,大阪港の3つの埋立人工島(咲洲,舞洲,夢洲)の時間遅れ沈下を非常に精度良く予測できることが確認できている。特に埋立によってもpcを超えない層であっても顕著な時間遅れ沈下がシミュレートできており,実際の挙動を定性・定量的に評価できる枠組みを構築することができている。次年度は関西国際空港の二期島建設による一期島下の過剰間隙水圧の環流(水枕効果)現象のシミュレートと空港島の長期沈下が今後どのように推移するかについての検討を行い,大阪湾における洪積地盤の長期沈下特性の統一的な解明を目指す。昨年度までに構築した,大阪湾更新統粘土の擬似過圧密性に起因する圧縮モデルを弾粘塑性有限要素コードに組み込み,大水深海域で実施された大規模埋立工事である関西国際空港基礎地盤の変形解析を実施した。大阪泉州沖の大水深海域において埋立によって建設されている関西国際空港基礎地盤は,第四紀更新統の堆積層において大きな沈下を引き起こしている。本稿では,その主たる要因が,更新統粘土の擬似過圧密性と時間依存性,更新統砂礫層のマクロ透水能をであると考えた。既に著者らによって提案されている構造を有する粘土の新たな圧縮モデルを適用し,砂礫層の不連続性や細粒分による透水性低下を等価な透水係数を与えることによってマクロな透水特性をモデル化し,これらを弾粘塑性有限要素法に組み込むことによって,現地で起こっている現象を評価することを試みた。解析結果は,基礎地盤内の過剰間隙水圧分布,各更新統粘土層の沈下挙動の実測値を表現し得ており,提案している解析手法が妥当なものであることがわかった。また,二期空港島を200m沖合に隣接して建設するにあたり,透水性の悪い更新統砂礫層を介して過剰間隙水圧が環流し,いわゆる水枕効果と呼ばれる現象が起こり,基礎地盤の中には一時的に有効応力が減少して除荷状態となる領域が出てくる。この時,過剰間隙水圧が停留し,沈下の進行が一時的に抑制されるものの,時間の経過とともに再度圧密を開始し,長期的にはこれによる一期空港島の沈下抑制効果は認められないことが明らかとなった。また,室内試験から除荷時挙動が従来言われているような弾性的なものではなく,膨潤後に載荷されなくても再圧縮を始めるという現象が室内試験からわかった。このため,近接施工による水圧環流などの複雑な応力径路を採る地盤の変形挙動を正しく評価するためには,除荷・再載荷時の圧縮性の新しいモデル化が今後の課題として浮上した。
流域水循環を考慮した水利調整ルールの策定・評価に関する基礎的研究

流域水循環を考慮した水利調整ルールの策定・評価に資するため,水利調整が河川流況に及ぼす影響を定量化できる分布型水文流出モデル(鬼怒・小貝モデル)の再現性の向上,水利調整の効果を定量的に評価することができる利水安全度指標の導出に取り組んだ.モデルに関連しては,対象流域での地下水の揚水パターンの実態把握に努め,地域毎のおおよその揚水パターンを把握し,モデルに反映させた.この結果,河川流況の再現性の向上には結び付かなかったものの,地下水位については再現性を向上させることができた.一方,指標の導出については,その前提となる農業用水使用者(水利団体)の水利条件の把握,耐渇水性の類型化を重点的に行った.関東地方の水利団体に対するアンケート調査を通じて,1)パイプラインの導入は受益地区内の上下流間の格差を緩和する方向に働くこと,2)渇水対応を行う際には地区全体での公平性が重視されること,3)水利団体によっては渇水による影響の程度が1未満の実数を指数に持つ不足率の累乗で表されること,4)関東地方における県別の耐渇水性は,上流県である栃木,群馬が高く,利根川以南に位置する埼玉,千葉で低くなる傾向があること,などを示した(農業土木学会論文集236).この結果をもとに,農業水利のための利水安全度指標の関数形について検討し,利水安全度が用水の不足率を変数とするロジスティック曲線で表されることを示した.しかし,その曲線の係数を外的な条件(水源,降水量,水源の種別,送水方法など)から推定することは難しく,汎用性を持った係数の導出方法を提示するには至らなかった.したがって,農業水利のための汎用的な利水安全度指標の導出は容易でないことを例証する結果となった.利根川水系の水利団体に対するアンケート調査結果をもとに,農業用水利水者の1)利水条件の把握,2)耐渇水性の類型化を行った.アンケートは大きく水利団体の規模,水利システム,渇水対応から構成され,想定した12渇水(不足率4通り×継続日数3通り)に対する厳しさを訊ねる問いが特徴となっている.まず1)の結果は大きく次の3つに整理される.(1)水利用の制約期・緩和期:制約期としてシロカキ・田植え期を挙げる回答が約9割,出穂期が約半数であった.一方,緩和期には6割強の団体が中干し期を挙げた.(2)渇水対応:節水の呼びかけが最も多く,地区全体での送配水量の調整,番水と続いた.全体での調整と比較して一部地区での調整を挙げる回答が少なかったことから,受益地区全体での水利用の公平性を重視した管理を行っている団体の多いことが推察された.(3)配水方法と渇水の影響が顕著な地区の関係:パイプラインの割合が増すに連れて,上流および全体に渇水の影響が出やすいとする回答が増加した.これはパイプラインによって,地区内の上下流の格差が均質化されているためと考えられた.次に2)の結果は大きく次の3つに整理される.(1)渇水被害関数の形状:一般に渇水被害は下に凸の関数で示されるが,今回の結果では上に凸となる団体が多かった.これは水管理者が渇水の規模ではなく,渇水状態に陥ることを警戒していることの表れと考えられた.(2)耐渇水性の類型およびその有意性:想定した12渇水に対する厳しさに対するクラスター分析により,制約期は4グループ,緩和期は5グループに分類された.この分類は,各渇水対応を始動する渇水強度との関係からも有意性が示唆された.(3)類型の地理的分布:利根川の右岸と左岸に大別でき,県別に見ると、栃木,群馬には耐渇水性が高い団体が多く、埼玉,千葉には耐渇水性が低い団体が多くなっていた.流域水循環を考慮した水利調整ルールの策定・評価に資するため,水利調整が河川流況に及ぼす影響を定量化できる分布型水文流出モデル(鬼怒・小貝モデル)の再現性の向上,水利調整の効果を定量的に評価することができる利水安全度指標の導出に取り組んだ.モデルに関連しては,対象流域での地下水の揚水パターンの実態把握に努め,地域毎のおおよその揚水パターンを把握し,モデルに反映させた.この結果,河川流況の再現性の向上には結び付かなかったものの,地下水位については再現性を向上させることができた.一方,指標の導出については,その前提となる農業用水使用者(水利団体)の水利条件の把握,耐渇水性の類型化を重点的に行った.関東地方の水利団体に対するアンケート調査を通じて,1)パイプラインの導入は受益地区内の上下流間の格差を緩和する方向に働くこと,2)渇水対応を行う際には地区全体での公平性が重視されること,3)水利団体によっては渇水による影響の程度が1未満の実数を指数に持つ不足率の累乗で表されること,4)関東地方における県別の耐渇水性は,上流県である栃木,群馬が高く,利根川以南に位置する埼玉,千葉で低くなる傾向があること,などを示した(農業土木学会論文集236).

この結果をもとに,農業水利のための利水安全度指標の関数形について検討し,利水安全度が用水の不足率を変数とするロジスティック曲線で表されることを示した.しかし,その曲線の係数を外的な条件(水源,降水量,水源の種別,送水方法など)から推定することは難しく,汎用性を持った係数の導出方法を提示するには至らなかった.したがって,農業水利のための汎用的な利水安全度指標の導出は容易でないことを例証する結果となった.
湿式ペーパ摩擦材の動荷重応答

昨年度製作したペーパ摩擦材を圧縮加振する試験機の摩擦材試料取り付け台座と荷重ロッドの間に独自に設計したセルフアライメント機構をつけ加えることによって,摩擦材試料・相手面間の当たりのばらつきと試験機の変形や振動応答による測定誤差を同時に解決し,測定精度の改善と測定範囲の拡大を図った.この試験機を用いて,正方形接触面の一辺の寸法と厚さを数段階に変化させたペーパ摩擦材試料に対して,潤滑油を含む場合(湿)と含まない場合(乾)それぞれについて圧縮加振による変形応答の測定を加振周波数を変化させて行った.そして,Voigt固体(2要素粘弾性固体)モデルのあてはめにより算出した弾性率および粘性率から湿/乾の比率(弾性率比,粘性率比)を求め,これらの周波数応答を試料間で比較することで接触面積の効果と厚さの効果を評価したその結果,10Hz以上の高周波数域において粘性率比は著しく大きくなり,その程度は接触面積が大きいものほど大きく,厚さには依存しなかった.理論的考察より,粘性率比(潤滑油が摩擦材内部を流動するときの抵抗の程度)は摩擦材試料側面積と摩擦材厚さ変化によって流入出する潤滑油体積との比率によって定まることがわかり,これによって実験結果の接触面積と厚さの効果を定性的に説明できた.弾性率比(潤滑油が圧縮を受ける程度)にも程度は小さいものの粘性率比と同様の傾向があり,同じ考察より説明がついた.以上より,湿式ペーパ摩擦材の動荷重応答に及ぼす摩擦材形状の影響を明らかにすることができ,当初の目的を達成できたと考える.厚さ0.5mmほどの湿式ペ-パ摩擦材試料を潤滑油中で圧縮加振し,その際の荷重変動と厚さ変動(およそ1μm)を精密に連続測定できるような実験装置を作成した.装置構造の工夫や荷重検出部の剛性確保によって,構造の変形や構成部品の慣性力の影響はごくわずかであることを確認した.直動案内機構(ダブルカンチレバ-)の共振の影響は,板ばねの長さによって固有振動数を変化させることで回避できた.この実験装置で,標準的材質で接触面形状が一辺5mmの正方形の摩擦材試料と実用油相当の潤滑油試料を用い,潤滑油の有無(乾・湿)と加振周波数をパラメータにして実験を行った.動的変形特性の評価は,荷重と変形量の測定波形間の振幅比と位相遅れから,試料をVoigt固体(2要素線形粘弾性固体)でモデル化したときの弾性率・粘性率を算出し,これらを比較することで行った.その結果,まず乾の場合,加振周波数1Hz以下の低周波数ではペ-パ摩擦材固有のクリープ挙動のため位相遅れを生ずるが,数Hz以上の高周波数では位相遅れはなく(粘性率が0に近づき)弾性的な挙動を示した.次に湿の場合は,低周波数で乾の場合に比べて位相遅れが大きく,周波数増加につれてこの位相遅れは減少するもののなくなることはなく(粘性率は0にならず),またそれに伴い弾性率の増加が見られた.これらの傾向は多孔質弾性理論から導かれる定性的な予測と一致していることから,以上の結果はペ-パ摩擦材の変形と内部に含まれる潤滑油の流動の相互作用が固液混合体の見かけの動的変形特性に影響を及ぼしていることを実験的に確認したものと考えることができる.昨年度製作したペーパ摩擦材を圧縮加振する試験機の摩擦材試料取り付け台座と荷重ロッドの間に独自に設計したセルフアライメント機構をつけ加えることによって,摩擦材試料・相手面間の当たりのばらつきと試験機の変形や振動応答による測定誤差を同時に解決し,測定精度の改善と測定範囲の拡大を図った.この試験機を用いて,正方形接触面の一辺の寸法と厚さを数段階に変化させたペーパ摩擦材試料に対して,潤滑油を含む場合(湿)と含まない場合(乾)それぞれについて圧縮加振による変形応答の測定を加振周波数を変化させて行った.そして,Voigt固体(2要素粘弾性固体)モデルのあてはめにより算出した弾性率および粘性率から湿/乾の比率(弾性率比,粘性率比)を求め,これらの周波数応答を試料間で比較することで接触面積の効果と厚さの効果を評価したその結果,10Hz以上の高周波数域において粘性率比は著しく大きくなり,その程度は接触面積が大きいものほど大きく,厚さには依存しなかった.理論的考察より,粘性率比(潤滑油が摩擦材内部を流動するときの抵抗の程度)は摩擦材試料側面積と摩擦材厚さ変化によって流入出する潤滑油体積との比率によって定まることがわかり,これによって実験結果の接触面積と厚さの効果を定性的に説明できた.弾性率比(潤滑油が圧縮を受ける程度)にも程度は小さいものの粘性率比と同様の傾向があり,同じ考察より説明がついた.以上より,湿式ペーパ摩擦材の動荷重応答に及ぼす摩擦材形状の影響を明らかにすることができ,当初の目的を達成できたと考える.
長周期地震動に対する免震建物の構造計算法-応答スペクトル法の再構築-

本研究は,時刻歴応答解析によらない長周期地震動対応の免震建物の構造計算法(応答スペクトル法)の開発を目的としている。平成30年度は,応答スペクトル法による地震応答予測に関連する各種評価式の更なる合理化を図るとともに,地震動の長周期成分による免震層の過大変位と繰返し変形による免震部材の特性変化の影響評価の方法について検討した。1.免震層の最大変位:免震層の最大変位の評価に大きく影響する減衰補正式について,設計用地震応答スペクトルの周期特性を考慮した新たな提案式を作成した。さらに,履歴系ダンパーと流体系ダンパーを有する免震建物を想定した1質点系モデルによる時刻歴応答解析との比較から提案式の適用性を検証した。2.上部構造の層せん断力係数分布:告示波を対象に提案された層せん断力係数分布の評価式に基づき,長周期地震動を対象とした場合の各種構造特性が,層せん断力係数分布に及ぼす影響について把握した。また,最上層の応答層せん断力係数のばらつきについて分析し,長周期地震動を対象とした新たなばらつき補正式を提案した。3.免震層の過大変位:極めて稀に発生する地震動における設計クライテリアに基づき設計した基礎免震構造に対し,入力を漸増させた時刻歴応答解析を行うことにより,積層ゴムのハードニングや上部構造の塑性化を考慮した免震構造の余裕度を把握した。免震層に大きな変形を許容することができれば,連層耐震壁など建物全体に耐震要素をバランス良く配置することで余裕度と冗長性を向上させることが可能となることを把握した。4.免震部材の特性変化:時刻歴応答解析を用いた簡易応答評価法との比較から,応答スペクトル法に繰返し変形による免震部材の特性変化の影響を取り入れた地震応答予測法の適用性について検討した。免震層への入力エネルギーの算定手順によって応答の予測値が変化することが把握された。設計用地震応答スペクトルの周期特性を考慮した新たな減衰補正式の提案ならびに層せん断力係数分布の提案式の適用性の確認から,長周期地震動に対する応答スペクトル法の合理化が図られた。しかしながら,繰返し変形による免震部材の特性変化の影響を取り入れた応答スペクトル法は,その適用に関して課題があるため,引き続き改善に向けた検討を行う必要がある。令和元年度は,平成30年度までの分析結果を考慮して,応答スペクトル法に関する検討項目を再検証する。長周期地震動の影響とその対策の効果を評価できる工夫を施し,長周期地震動対応の応答スペクトル法を開発する。これにより時刻歴応答解析によらず海溝型巨大地震に起因する長周期地震動の影響を評価できる免震建物の構造計算法を提案する。平成29年度は,応答スペクトル法による地震応答予測に関連する各種評価式の合理化を図るために,時刻歴応答解析と従来の応答スペクトル法による応答値の比較に基づいて,応答スペクトル法の改善を行った。1.免震層の最大変位:免震層の最大変位の評価に影響する減衰補正係数と地盤増幅率について分析を行った。減衰補正係数については,長周期地震動への適用性の高い新たな評価式の提案を行い,地盤増幅率については,一次元波動伝播理論(SHAKE)を用いることにより,精算法による地盤増幅率の下限値が応答予測に及ぼす影響を分析した。各評価式を用いた予測値と時刻歴応答解析結果を比較することで各評価式の適用性を確認した。2.免震層の最大速度と係数λ:擬似速度応答スペクトルに対する速度応答スペクトルの比として係数λを定義し,これに基づいて免震層の応答速度の評価式を提案した。また,時刻歴応答解析結果との比較から提案した評価式の適用性を確認した。3.免震層の層せん断力:長周期地震動を入力地震動とし,履歴系ダンパーと流体系ダンパーを併用した免震層の最大せん断力を時刻歴応答解析により算定し,既往の評価式により算出される予測値と概ねよい対応を示していることを確認した。4.上部構造のせん断力係数分布:履歴系ダンパーと流体系ダンパーを併用した免震建物を対象に時刻歴応答解析を実施し,せん断力係数の高さ方向分布の増幅を分析した。数種のダンパーが負担するせん断力の割合が上部構造に及ぼす影響を表現できる等価免震係数を用いて,設計用せん断力係数分布の評価式の適用性について確認した。流体系ダンパーと履歴系ダンパーを併用した場合の応答予測について,応答スペクトル法の各種評価式の改善により,応答予測の精度が全般的に向上した。しかしながら,地震動によっては,応答スペクトル法の適用性に課題の残るケースも存在するため,引き続き改善に向けて検討を行う必要がある。

2.上部構造の層せん断力係数分布:告示波を対象に提案された層せん断力係数分布の評価式に基づき,長周期地震動を対象とした場合の各種構造特性が,層せん断力係数分布に及ぼす影響について把握した。また,最上層の応答層せん断力係数のばらつきについて分析し,長周期地震動を対象とした新たなばらつき補正式を提案した。3.免震層の過大変位:極めて稀に発生する地震動における設計クライテリアに基づき設計した基礎免震構造に対し,入力を漸増させた時刻歴応答解析を行うことにより,積層ゴムのハードニングや上部構造の塑性化を考慮した免震構造の余裕度を把握した。免震層に大きな変形を許容することができれば,連層耐震壁など建物全体に耐震要素をバランス良く配置することで余裕度と冗長性を向上させることが可能となることを把握した。4.免震部材の特性変化:時刻歴応答解析を用いた簡易応答評価法との比較から,応答スペクトル法に繰返し変形による免震部材の特性変化の影響を取り入れた地震応答予測法の適用性について検討した。免震層への入力エネルギーの算定手順によって応答の予測値が変化することが把握された。設計用地震応答スペクトルの周期特性を考慮した新たな減衰補正式の提案ならびに層せん断力係数分布の提案式の適用性の確認から,長周期地震動に対する応答スペクトル法の合理化が図られた。しかしながら,繰返し変形による免震部材の特性変化の影響を取り入れた応答スペクトル法は,その適用に関して課題があるため,引き続き改善に向けた検討を行う必要がある。平成30年度は,海溝型巨大地震による長周期地震動の影響分析として,地震動の長周期成分による免震層の過大変形と免震部材の繰り返し変形による特性変化を試設計モデルで分析する。また,その対策としてダンパーの増設および多種・多仕様の免震部材の組み合わせを検討し,免震層の部材配置への影響についても分析を行う。令和元年度は,平成30年度までの分析結果を考慮して,応答スペクトル法に関する検討項目を再検証する。長周期地震動の影響とその対策の効果を評価できる工夫を施し,長周期地震動対応の応答スペクトル法を開発する。これにより時刻歴応答解析によらず海溝型巨大地震に起因する長周期地震動の影響を評価できる免震建物の構造計算法を提案する。論文投稿が予定より遅れたため、論文掲載料の支出が次年度に持ち越しとなった。翌年度分として請求した助成金と合わせて、論文掲載料として使用する計画である。
緑葉液胞のMATE型トランスポータのアルカロイド輸送能とシンク機能分化

植物の生産するアルカロイドは、強い細胞毒性を有し、補食生物や病原微生物から植物を守っているとされる。アルカロイドは液胞内に隔離されることが多いが、これによりアルカロイドを安全に生産・蓄積しながら傷害ストレス時にはその機能が果たせる。タバコのアルカロイドであるニコチンは、傷害応答等に応答し根で生産誘導され、葉に転流されて高蓄積する。申請者は、タバコ培養細胞BY2のニコチン生産がジャスモン酸で誘導されることを利用し、ニコチントランスポータの候補遺伝子としてMATEのcDNA3種を得た。本研究ではMATE蛋白について、その液胞局在とニコチン輸送機能を生化学的に解明し、根からのアルカロイド転流の分子機構の解明と、アンローディング時の物質移動の実態を突き止め、障害・感染応答に寄与する液胞機能について明らかにすることを目的とした。Nt-T401(NtJAT-1と命名)については、特異的ペプチド抗体を用いて緑葉の液胞に局在すること、また酵母において発現させ明確なニコチン輸送活性を示すことを証明した。また、プロテオリポソーム再構成系を用いて、プロトン/ニコチン対向輸送体であることを示した。Nt-C215は通常の育成条件下ではほとんど発現が見られないのに対し、ジャスモン酸投与で特異的、かつ飛躍的に発現が上昇することが判明した。またその発現組織は葉に特異的であり、他の組織では全く検出されなかった。なお、この遺伝子に関しては、パラログが存在しており、アミノ酸配列がわずかに異なるものが約3:1の割合で発現していた。Nt-T449に関しては、ジャスモン酸に応答して茎での発現のみが上昇することが判明した。それぞれの発現パターンは特有であり、高次機能としては別々の役割を果たしていることが示唆された。アルカロイドは強い細胞毒性を有し、補食生物や微生物・真菌による感染から植物を守っているとされる。タバコのアルカロイドであるニコチンは、傷害応答により根で生産誘導され、葉に転流されて蓄積するが、筆者はニコチン輸送体の有力候補として、MATE型トランスポータのcDNAを3種得ており、それらの膜局在性と発現特性、またニコチン輸送機能を総合的に解析する事で、障害・感染応答に関する高次機能発現に寄与する液胞機能について明らかにすることを目的としている。19年度ではT-401と仮称しているMATEを優先的に解析をした。この遺伝子は根、茎、葉のいずれでも発現しているが、メチルジェスモン酸(MJ)の投与で全ての組織でその発現が上昇する。MJによる発現誘導は速やかで、約2日持続した。酵母にてT-401を発現させ、ニコチンの細胞輸送を測定した所、細胞外への排出活性を示した。T-401をGFP融合タンパクにして酵母で発現させると、予想通り細胞膜に局在していた。しかしその植物での局在は特徴的で、緑葉においては液胞に局在している事を、ショ糖密度勾配超遠心法による膜分画とウエスタンブロットにより証明したが、根においては細胞膜に局在する事が認められた。プロテオリポソームを使った輸送解析からは、この膜蛋白質はニコチン以外にもアルカロイドであれば基質として認識する事と、その駆動力はプロトン勾配である事が明らかとなり、プロトン対向輸送体としてアルカロイドを輸送するトランスポータである事が示された。これは、植物の液胞型アルカロイド輸送体として初めてのものである。
超対称性のないゲージ理論の弦理論による解析

超弦理論を用いて超対称性のないゲージ理論の性質を解明する研究を行った。主として行った研究は超対称性のないゲージ理論におけるS双対性と3次元ヤン・ミルズ・チャーン・サイモンズ(YMCS)理論のホログラフィック双対の研究である。前者については、相互作用が強く解析が困難なゲージ理論を相互作用が弱く解析が容易な別のゲージ理論と結びつける新しいS双対性を超弦理論のS双対性を用いることによって見出し、カラーの閉じ込めや対称性の自発的破れなどの現象を弱結合の物理を用いて理解できることを示した。後者については、YMCS理論にドメインウォールがある系を詳しく解析し、新種の相転移現象の発見などの成果があった。平成25年度は主として2つの研究を実施した。一つ目は、超対称性のないゲージ理論における双対性に関する研究である。これは平成24年度に行った研究を拡張し、さらに発展させる研究である。双対性の候補はいくつか見つかったが、残念ながらまだ確たる証拠を得ることができず、発表には至っていない。もう一つは、3次元のヤン・ミルズ・チャーン・サイモンズ理論のホログラフィック双対に関する研究である。特に境界を含み、境界上にカイラルフェルミオンが住んでいるのようなゲージ理論を考察した。まず、この理論を弦理論の枠内に埋め込む方法を考案し、ホログラフィック双対な記述を得た。電場や磁場が入った場合のDブレインの配位に対する解析解を求めることに成功し、ある特定の解の周りの摂動論的な解析も行った。その他にも、弦理論の境界状態を用いてあるゲージ理論のβ関数を1ループの近似で求める計算を行い、超対称性が破れた背景に対応する超重力理論の運動方程式の解をいくつか求めるなどの研究も行った。これらの計算はまだ試行段階であり、上記の3次元ヤン・ミルズ・チャーン・サイモンズ理論の研究がまとまり次第、本腰を入れて考察したいと考えている。タイプIIB型の超弦理論にはS双対性と呼ばれる著しい性質がある。これは結合定数が大きな状況と小さな状況が物理的に等価になるという性質である。これを利用すると強結合の解析が困難な理論がそれと等価な弱結合の理論を用いて解析できるようになる。2012年度は、このS双対性を4次元の超対称性のないゲージ理論に応用する研究を行った。まず、タイプIIB型の超弦理論にD3ブレインとオリエンティフォルド3プレインと呼ばれるものをうまく配置することで、超対称性の破れた4次元のゲージ理論を実現し、S双対性を用いると、超対称性の破れた4次元のゲージ理論における双対性を得ることができる。一方の記述(電気的理論)はゲージ群がUSp(2n)の強結合理論で、もう一方の記述(磁気的理論)はゲージ群がSO(2n)の弱結合理論である。電気的理論は強結合理論であるため、解析は大変難しいが、カラーの閉じ込めや対称性の力学的な破れなどの現象が起こるものと予想されている。それに対して、磁気的理論は弱結合であるため、解析は比較的容易である。実際、磁気的理論の方はスカラー場に不安定モードが生じ、非自明な真空期待値を持つことが示される。それによって、磁気的理論のゲージ対称性は破れ、同時に大域的対称性も一部自発的に破れることになる。これらの現象が電気的理論におけるカラーの閉じ込めや対称性の力学的な破れに対応することが議論できる。このように超対称性の破れた4次元のゲージ理論で説得力のある双対性の証拠がある例は非常に少なく、また超弦理論のS双対性を用いて超対称性のない4次元ゲージ理論におけるカラーの閉じ込めや対称性の力学的な破れの現象を説明することに成功した例は(私の知る限り)これが初めてであり、大変重要な成果だと考える。弦理論を用いて、さまざまなゲージ理論の非摂動的な性質を解析する方法を開発する研究を行ってきた。主に行ったのは、超対称性のない4次元のゲージ理論における双対性の研究、弦理論を用いてゲージ理論のベータ関数を計算する方法の開発、3次元ヤン・ミルズ・チャーン・サイモンズ理論のホログラフィック双対に関する研究などである。まず、双対性の研究では、超弦理論においてオリエンティフォルドとDブレインを組み合わせて超対称性を破り、超対称性のないゲージ理論を実現し、弦理論で知られているS双対性を使って、そのゲージ理論における双対性を議論した。超対称性のない4次元のゲージ理論で双対性の存在について説得力のある議論ができる非常に稀な例を与え、ゲージ理論の閉じ込めや対称性の破れの現象を双対性を使って弱結合側で議論することができた。