hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
マイマイカブリのゲノム塩基配列と適応形態遺伝子

本研究の目的は,マイマイカブリをはじめとする陸貝食オサムシ亜族の形態分化に関わる適応遺伝子を解明するために,マイマイカブリの全ゲノム配列を解読し,リシーケンス,QTL解析,トランスクリプトーム解析,RADシーケンス解析を行って,多角的に適応遺伝子の解明を行うことである.今年度はマイマイカブリのゲノム配列のアセンブルの精度をあげるとともに,巨頭型亜種サドマイマイカブリと狭頭型亜種アオマイマイカブリのトランスクリプトーム比較による発現変動遺伝子の検出,RADシーケンスによる連鎖地図作成とQTL解析による亜種間形態変異の責任領域の特定とその領域に含まれる発現変動遺伝子のリストアップを行った.また,巨頭・狭頭亜種各6個体のゲノムDNAペアエンドライブラリーをイルミナHiSeq1500によってシーケンスした.このデータにより,亜種間のSNPの分布を調べ,亜種分化に大きな影響を持つゲノム上の領域を特定するとともに,巨頭・狭頭分化に関与するQTL領域における原因塩基配列の探索を行う予定である,マイマイカブリに近縁な陸貝食オサムシ亜族の系統分化と形態分化の対応を調べるために,巨頭型・狭頭型を含む複数の種について,全ゲノム配列のペアエンドシーケンス(9種10個体)と,RADシーケンス(44種47個体)を行った.これらのデータを用いて,系統樹作成を行うとともに,種間のSNP探索によって,形態多様化に関連するゲノム上の領域を特定する予定である.26年度が最終年度であるため、記入しない。26年度が最終年度であるため、記入しない。本研究では,マイマイカブリの全ゲノム解読をひとつの目的としている.今年度は,昨年度までのHiSeq2000による180bp, 500bpインサートのペアエンドシーケンスデータに加え,211bpインサートのHiSeq2000メイトペアシーケンスデータを追加した.これらのデータを,プログラムPlatanusを用いてアセンブルした結果,contigのN50が32kb,scaffoldのN50が3Mbとなった.また,k-mer解析で推定されたゲノムサイズは180Mb程度となった.アセンブルされたゲノム配列について,AUGUSTUSによる遺伝子予測を行ったところ,7845の遺伝子が推定された.本研究の2つめの目的として,狭頭型亜種と巨頭型亜種の形態分化をもたらす遺伝子の探索がある.形態分化の原因遺伝子のゲノム上の位置をQTL解析により推定するために,亜種間の戻し交雑集団について,RAD(制限サイト関連DNA)シーケンスに基づく連鎖地図作成を行った.昨年度に得られたシーケンスデータのカバレッジ不足を補うために,データの追加を行った結果,1422遺伝子座による1739cMの精密な連鎖地図が作成された.連鎖群の数は,染色体数n=14に一致した.この連鎖地図を用いて,QTL解析を進めている.また,マイマイカブリのトランスクリプトームのRNAシーケンスデータを得るため,本年度は,卵,幼虫,蛹,成虫の全ステージからmRNAのライブラリーを作成した.さらに,狭頭型亜種と巨頭型亜種の遺伝子発現比較を行うため,2亜種の前蛹,蛹期のmRNAのライブラリーを作成した.次年度においてこれらのシーケンスとデータ解析を行う.本研究の目的は,マイマイカブリをはじめとする陸貝食オサムシ亜族の形態分化に関わる適応遺伝子を解明するために,マイマイカブリの全ゲノム配列を解読し,リシーケンス,QTL解析,トランスクリプトーム解析,RADシーケンス解析を行って,多角的に適応遺伝子の解明を行うことである.今年度はマイマイカブリのゲノム配列のアセンブルの精度をあげるとともに,巨頭型亜種サドマイマイカブリと狭頭型亜種アオマイマイカブリのトランスクリプトーム比較による発現変動遺伝子の検出,RADシーケンスによる連鎖地図作成とQTL解析による亜種間形態変異の責任領域の特定とその領域に含まれる発現変動遺伝子のリストアップを行った.また,巨頭・狭頭亜種各6個体のゲノムDNAペアエンドライブラリーをイルミナHiSeq1500によってシーケンスした.このデータにより,亜種間のSNPの分布を調べ,亜種分化に大きな影響を持つゲノム上の領域を特定するとともに,巨頭・狭頭分化に関与するQTL領域における原因塩基配列の探索を行う予定である,マイマイカブリに近縁な陸貝食オサムシ亜族の系統分化と形態分化の対応を調べるために,巨頭型・狭頭型を含む複数の種について,全ゲノム配列のペアエンドシーケンス(9種10個体)と,RADシーケンス(44種47個体)を行った.これらのデータを用いて,系統樹作成を行うとともに,種間のSNP探索によって,形態多様化に関連するゲノム上の領域を特定する予定である.26年度が最終年度であるため、記入しない。全ゲノム配列のアセンブルが,scaffoldのN50で3Mbに達し,これまでのゲノム解読例に比べてもかなり長くなったことで,完成に近づいている.また,RADシーケンスによる連鎖地図作成もかなり精密になっており,この連鎖地図に基づけば,QTLの絞り込みができる.また,全ゲノムのアセンブル結果の検証にも使うことができる.このような結果が得られていることから,おおむね順調に進展していると自己評価した.ゲノム解読に関しては,取得しているPacBio RSによる長シーケンスデータ,フォスミドライブラリーによる20kbインサートのメイトペアシーケンスデータを活用し,アセンブルの改善とgap closingを行う.

QTLマッピングを行い,ゲノム配列の情報を参照して,原因領域内にある遺伝子をリストアップする.mRNAシーケンスのアセンブルと亜種間の遺伝子発現比較の結果から,亜種間形態分化に関与する遺伝子を特定する.QTLと亜種間で発現差のある遺伝子の情報を統合し,亜種間の形態差を産み出す遺伝子を明らかにする.最終年度にあたり,論文作成に着手する.
Bcr-Abl下流のrasGAP結合蛋白質Dok及びDok-2と慢性骨髄性白血病

Dok及びその類縁蛋白質Dok-2はチロシンキナーゼ活性を持つ癌遺伝子産物の基質であり、PHドメインとPTBドメインを持つマルチアダプター分子である。両者は血液系細胞に高く発現し、ヒト慢性骨髄性白血病(CML)患者の血液幹細胞においては、癌遺伝子産物Bcr-Ablによって強くチロシンリン酸化される。前年度までの本研究から、Dokが細胞の増殖やトランスフォーメーションに抑制性のシグナル分子であり、同時に、Ra/MAPキナーゼ系の抑制因子であることが判明した。本年度は、Dok、Dok-2欠損マウスにおける血液系細胞の増殖異常や、CMLモデル系(bcr-ablトランスジェニックマウス)へのDok、Dok-2欠損の導入実験等を計画した。1.Dokが細胞増殖を抑制することから予想されるように、その欠損マウスには16から18ヶ月齢の時点で脾臓の腫脹を呈するものが出現した。他方、その様な異常はDok-2欠損マウスには認められなかったが、Dok/Dok-2二重欠損マウスは、5から10ヶ月齢の時点で、高頻度に脾臓の腫脹を呈するようになり、腫脹した脾臓においては白脾髄の過形成と赤脾髄における髄外造血が認められた。また、そのように腫脹した脾臓においては顆粒球様細胞の過増殖が観察された。現在、この過増殖細胞の性状を詳細に検討するとともに、その過増殖の分子機構について解析を進めている。2.Bcr-ablトランスジェニックマウスとDok、Dok-2欠損マウスとの交配については、現在、トランスジーンを有する欠損マウス(単独、二重とも)が生後数週齢に達しており、間もなく血液成分の分析が開始される。3.Dokの作用機序については、我々の予想に反して、rasGAPとの会合やRasの抑制に依存せずにMAPキナーゼを抑制できることが報告された。現在、この抑制に必要な会合分子に関する解析を進めている。
量子常誘電体における光誘起巨大誘電ゆらぎの解明

量子常誘電体の一つであるタンタル酸カリウムに光照射をする事によって誘起される巨大な誘電応答の起源を明らかにするために、発光減衰形状のシミュレーションを行った。そのために、コンピュータの演算能力を高くし、光励起キャリアの拡散、再結合を計算するプログラムを作成した。そして、その結果と実験結果を比較することによって、タンタル酸カリウムの発光が、局在電子と局在正孔の間のトンネリング再結合過程と、局在正孔の熱活性による無輻射再結合過程を考慮することによって温度依存性を含めて説明できる事を示した。また、光励起密度依存性と、計算結果の比較を行うことで、局在電子の密度に上限があり、それが飽和していると考える必要がある事を示した。局在電子状態が飽和していることは、光誘起下で伝導度の高い遍歴キャリアが現れる事を示している。このことは、光誘起誘電率にこのような遍歴キャリアが大きな影響を与えている事を示唆しており、その起源としては、金属ドメイン生成を考えるMaxwell-Wagnerモデルが適切である。また、Liをドープして、量子常誘電性を破壊した結晶においても、同様の実験を行い、キャリアのダイナミクスが純粋な結晶と同様であることと、同様に巨大な誘電応答が観測された事を明らかにした。このことは、量子常誘電性と巨大誘電性とにあまり相関がない事を示唆しており、Maxwell-Wagnerモデルを支持する結果である。以上の結果をまとめて、Journal of the Physical society of Japanに投稿中である。量子常誘電体タンタル酸カリウムの光励起状態における誘電率を、100Hz以下の周波数領域で測定し、光励起誘電率は従来のMHz領域の誘電分散と、0.1Hz領域の分散の二成分よりなることを明らかにした。これまで、光照射下の誘電率増大は電極の効果など、外因的なメカニズムによるものであるとする説が根強かったが、それに二つのデバイ型誘電緩和があることを示す事で、この誘電率が電極の効果のみでは説明できない事を示した。また、発光スペクトルや発光減衰を系統的に測定することにより、タンタル酸カリウムの光励起状態では、電子と正孔はほとんどの時間局在している事を明らかにし、発光はそれらが再結合した際に自己束縛励起子を生成してから放出されることも示した。また発光減衰は時間に対してべき乗の依存性を示し、低温では1ms程度の時間スケールでその指数が変化する事を明らかにした。減衰の温度依存性や、励起波長依存性からこの指数の起源を類推し、この指数を電子、正孔対の拡散を考慮することで説明した。ベキの指数の変化は、電子・正孔が局在的な性質から、遍歴的な性質へと変化する時定数を表している。また、このとき、指数が変化する時間の温度変化を測定すると、それは発光強度や光伝導などの温度変化の形状と非常に似ている事も分かった。この結果は、発光や光伝導の熱消光が、光励起キャリアが拡散的になる事と対応する事を示しており、光励起キャリアのダイナミクスを知る上で重要である。これらの研究により、タンタル酸カリウムの光励起状態では、分離した電子・正孔が誘電率に寄与している事を明らかにした。
内分泌撹乱化学物質とライフスタイルに関する基礎的・予防医学的研究-フタル酸エステルと精巣障害を中心として-

Di-(2-ethylhexyl)phthalate(DEHP)はpolyvinyl chloride(PVC)などプラスチックの可塑剤として最も汎用されている物質であるが、近年は内分泌撹乱化学物質としてその毒性影響が注目されている。最近の研究で、DEHPが成熟期、成長期ラットのいずれにおいても精巣障害等の雄生殖毒性を発生させるが、この障害はmono-(2-ethylhexyl)phthalate(MEHP)が誘導した酸化ストレスにより引き起こされることが示唆されている。DEHPを含むPVCは消費材、食品の容器、玩具、医療器具などに広く利用されているためDEHPによる汚染は広範囲にわたり、一般住民は常時食品、飲料水、空気中のDEHPにさらされおり、このことからヒトの生殖機能への危害の可能性が懸念される。2%DEHP混餌とvitamin E C配合飲料水を摂取した4週齢ラットにおいて精巣萎縮があきらかに抑制された。また、caffeine(0.05w/w%)、nicotinic acid(0.5w/w%)、ethanol(25、5v/v%)配合飲料水においても、1%DEHP混餌投与4週齢ラットの精巣萎縮を防御することがわかった。これらの化合物による効果の作用機序はあきらかではない。しかし、これらの結果は、DEHP精巣障害の阻止には抗酸化作用やフリーラジカル消去能力が関連しているかもしれない。本年度はdi(2-ethylhexyl)phthalate(DEHP)精巣毒性検出系の確立と精巣毒性発現過程の解析を中心に検討を行った。雄SD(Sprague-Dawley)ラット5週齢を用い、DEHP1%、2%混合餌を各6週間投与し、精巣毒性の発現を観察した。1%混合餌投与群では2週以降対照群に比べて著明な肝臓肥大がみられたが、精巣萎縮はみられなかった。一方、2%混合餌投与群は2週目以降、著明な精巣萎縮、体重減少、肝臓肥大がみられた。2%混合餌投与群の精巣組織は、2週目で精祖細胞とセルトリ細胞は残存するものの、その他の細胞は強い障害を受けていた。フローサイトメトリーでは、ディプロイドの細胞がほとんどを占め、ハプロイドの細胞は少なく、減数分裂が著明に抑制されていることを示していた。またCD1マウス8週齢において、2%混合餌投与群を観察すると、2週間投与の後にDEHPを中断すると精子形成が回復することがわかった。よってDEHPによる精巣障害は可逆的病変であることが明かとなった。次に、同検出系を用いビタミンEC剤投与効果について検討した。市販E(d-α-トコフェロール)C(アスコルビン酸)剤をE:1.5mg/ml、C:3mg/mlの濃度で飲料水として与えた2%混合餌投与ラット群では著明な精巣萎縮抑制が認められ、体重減少の抑制や肝臓肥大の抑制などがみられた。2%DEHP混合餌投与でビタミン無投与群の血清ビタミンEは投与後3日目に有意に下がったが、造精障害の完成する2週目には正常レベルに回復していることがわかった。ビタミンEとCには強い抗酸化作用があることが知られており、本実験におけるビタミンEとCによるDEHP精巣毒性の抑制の観察は、DEHPが活性酸素の発生を介して造精障害を引き起こす可能性を示唆した。次にDEHP精巣毒性における活性酸素の関与を考え、マクロファージに対しDEHPを加えてみたが、10μMまで濃度を上げてもほとんど活性酸素の発生を惹起しなかった。従って、活性酸素が関与するにしても、さらに複雑な系が関わっていることが推察された。また女性生殖器への影響を解析すべく、卵巣由来の細胞の増殖に対するDEHPの影響を調べたが、効果は認められなかった。平成12年度は、DEHP、エチルアルコール、カフェイン、ビタミン等の複合曝露実験を中心に検討した。(エチルアルコール、カフェイン、ナイアシンの複合曝露実験)前年度に確立したDEHP

精巣毒性検出系において、DEHP混合飼料投与により、4週齢と5週齢SDラットの精巣毒性を比較したところ、4週齢ラットは5週齢に比べ著しく感受性が高く、1%DEHP配合飼料1週間投与で明らかな精巣萎縮が発生した。そこで、この実験系を用いDEHPとエチルアルコール、カフェイン、ナイアシンの複合曝露実験を行った。その結果エチルアルコール、カフェイン、ナイアシンいずれも精巣萎縮を抑制する傾向が認められた。精巣毒性発現の原因物質とされるMEHPの体内動態や微量元素のレベルについて現在検討中である。(アスコルビン酸複合曝露実験)DEHPの投与による精巣障害は,7週齡以降ではほとんど起こらなかった。またSDラットとWistarラットの比較ではWistarラットにおいて障害が顕著であった。DEHP2g/kg単回投与実験でapoptosisを解析したところ,1日後にすでに多くの細胞がapoptosisに陥り2日目ではすでに減少していた。DEHPを投与したラットの精巣内グルタチオン(GSH)とアスコルビン酸(AA)の濃度はコントロール群に比べて有意に減少していた。DEHP投与群の精巣ではglutathione peroxidaseおよびcatalase活性が有意に上昇していた。一方、DEHPとAAの同時投与により、精巣のAA濃度が正常に保たれたラットでは、精巣の萎縮は改善された。これらの所見より、DEHPは生体内で酸化ストレスを増強して精巣を萎縮させている可能性が示唆された。(ビタミンE・C複合曝露実験)初期像CD1マウスに2%フタル酸含有食餌を与えたところ、5日後より精上皮の配列に乱れが生じ、15日後にはセルトリ細胞と僅かに残る精祖細胞のみからなる精細管を呈した。15日でフタル酸含有食餌を中止しすると、精上皮の回復に40日間を要したが、ビタミンE(1.5mg/ml)とビタミンC(3mg/ml)の合剤を飲料水に混入させて与えると、中止後30日で既に回復することがわかった。これはフタル酸によって精巣障害は可逆的であり、また上記ビタミンに回復促進作用があることを示している。(結果)前年度に見出されたDEHP精巣萎縮抑制効果はEthanol、Caffeineのいずれにも再現できたが、Caffeineの効果はやや小さかった。また、Ethanolは2.5%の濃度でも効果があることがわかった、複合投与では、2.5,5v/v% EthanolとCaffeineの複合投与にみられたDEHP精巣萎縮抑制効果はCaffeine単独効果よりもわずかに大であったが、2.5あるいは5v/v%Ethanolの単独効果よりも低かった。Nicotinic acidとCaffeineの複合投与でのDEHP精巣萎縮抑制効果はCaffeine単独よりも大きいことがうかがわれたが、体重抑制はDEHP単独投与よりも強くあらわれた。現在のところ、Caffeine、Ethanol、Nicotinic acidによるDEHP精巣毒性抑制のメカニズムは不明であるが、Caffeine、Ethanol、Nicotinic acidの脂質酸化系に及ぼす効果がDEHP精巣毒性抑制に関連している可能性が考えられた。
日本の前線性降雨に対する物理的最大規模降水量推定手法の適用

日本において昨今の豪雨時に計画降水量を超える降水が観測されており,2015年の水防法改正後,想定最大規模降水量の算出が求められている.想定最大規模降水量の推定には現在実務レベルでは頻度解析などの観測データを用いた推定手法が用いられており,推定値の信頼性は観測データの質と量に依存する.そこで本研究では,近年観測データへの依存性を克服を目的として,アメリカ合衆国の西海岸を対象として開発された領域大気モデルによる想定最大規模降水量の推定手法を用いる.そして,過去に前線性降雨による豪雨災害が発生した福岡県の朝倉地域を対象地として手法の改良を行い,実際に想定最大規模降水量の推定を行う.日本において昨今の豪雨時に計画降水量を超える降水が観測されており,2015年の水防法改正後,想定最大規模降水量の算出が求められている.想定最大規模降水量の推定には現在実務レベルでは頻度解析などの観測データを用いた推定手法が用いられており,推定値の信頼性は観測データの質と量に依存する.そこで本研究では,近年観測データへの依存性を克服を目的として,アメリカ合衆国の西海岸を対象として開発された領域大気モデルによる想定最大規模降水量の推定手法を用いる.そして,過去に前線性降雨による豪雨災害が発生した福岡県の朝倉地域を対象地として手法の改良を行い,実際に想定最大規模降水量の推定を行う.
並列分散型遺伝的アルゴリズムVLSIの高機能化

遺伝的アルゴリズム(Genetic Algorithms;以下GAと略す)は生物集団の適応進化に範を得た確率的探索および最適化の手法であり,汎用で適用範囲が広く探索空間が組合せ爆発を引き起こすような問題にも適用できることから,約30年前に最初に提案されて以来,急速に注目を集めており,実用化も進んでいる.GAの高速化を目指すアプローチの内,特に有望なのが並列分散処理VLSIハードウェア化である.我々はGAのVLSI化について我国で先鞭をつけ,さらにGA-VLSIの並列分散処理化について世界でもほぼ最初の設計を行ってきた.本研究ではこの並列分散GA-VLSIについて,さらなる効率化を目指した.具体的には,すでに計算機クラスタ上でのソフトウェア実装で効果を確認している分散GAの動的パラメータ調整方式を我々の並列分散GA-VLSIに新たに組み入れて,効果を検証した.これは世界でも全く初めての試みである.本研究にはハードウェア設計,並列分散処理,動的最適化,問題解決技法など多岐に渡る背景があり,研究の遂行にはそれぞれについて最新の研究成果が必要である.そこで,研究成果をまとめ上げるにあたっては,あわせて上記の各々についても各種方式を追求した.具体的には,ハードウェアの効率的設計方式,分散処理の動的最適化方式,などである.そして,システム設計から回路設計まで完成させて,シミュレーションによる性能評価,論理合成による回路評価を行い,良好な成果を得た.遺伝的アルゴリズム(Genetic Algorithms;以下GAと略す)は生物集団の適応進化に範を得た確率的探索および最適化の手法であり,汎用で適用範囲が広く探索空間が組合せ爆発を引き起こすような問題にも適用できることから,約30年前に最初に提案されて以来,急速に注目を集めており,実用化も進んでいる.GAの高速化を目指すアプローチの内,特に有望なのが並列分散処理VLSIハードウェア化である.我々はGAのVLSI化について我国で先鞭をつけ,さらにGA-VLSIの並列分散処理化について世界でもほぼ最初の設計を行ってきた.本研究ではこの並列分散GA-VLSIについて,さらなる効率化を目指した.具体的には,すでに計算機クラスタ上でのソフトウェア実装で効果を確認している分散GAの動的パラメータ調整方式を我々の並列分散GA-VLSIに新たに組み入れて,効果を検証した.これは世界でも全く初めての試みである.本研究にはハードウェア設計,並列分散処理,動的最適化,問題解決技法など多岐に渡る背景があり,研究の遂行にはそれぞれについて最新の研究成果が必要である.そこで,研究成果をまとめ上げるにあたっては,あわせて上記の各々についても各種方式を追求した.具体的には,ハードウェアの効率的設計方式,分散処理の動的最適化方式,などである.そして,システム設計から回路設計まで完成させて,シミュレーションによる性能評価,論理合成による回路評価を行い,良好な成果を得た.遺伝的アルゴリズム(Genetic Algorithms;以下GAと略す)では解の品質をあげようとすると,計算量が大きくなって処理性能の低下を招く.そこで高速化に向けて研究がなされているが,それらの内でも有望なのが並列分散処理とVLSIハードウェア化である.特に後者はソフトウェア実装に比較して数百倍以上の高速化が達成できる.研究代表者らはGAのVLSI化について我国で先鞭をつけ,さらにGA-VISIの並列分散処理化について世界でもほぼ最初の設計を行った.本研究ではこの並列分散GA-VLSIについて,さらなる効率化を目指した.具体的には,分散GAにおいて,遺伝子を集団間で移住させる際の頻度などのパラメータが全体の収束性能を大きく左右するので,すでに計算機クラスタ上でのソフトウェア実装で効果を確認している「収束状況を監視しつつパラメータを動的に調整する方式」を実装して並列分散GA-VLSIを拡張し,その効果を検証する.本年度は以下の成果をあげた.第1に収束状況監視のために,集団内の遺伝子について適応度の変化を遺伝的操作の度ごとに計算する方式をVLSI実装に適した形で設計した.第2に動的調節のために,特に集団間の個体移住頻度をパラメータとして,これまでは一定頻度に固定されていたものを,適応度変化に応じて制御する方式を設計した.以上について,実際に具体的な回路設計まで行い,VLSI CADを用いた論理シミュレーションによる性能見積りを実行し,これまでの固定頻度GA-VLSIよりも収束性能の向上が達成されていることを,例題を用いた実験で確認した.今後は,論理合成による回路量評価,実際のFPGA実装に向けた準備,様々な例題を用いたさらなる実験などに取り組んでいく.遺伝的アルゴリズム(Genetic Algorithms;以下GAと略す)は生物集団の適応進化に範を得た確率的探索および最適化の手法であり,汎用で適用範囲が広く探索空間が組合せ爆発を引き起こすような問題にも適用できることから,約30年前に最初に提案されて以来,急速に注目を集めており,実用化も進んでいる.GAの高速化を目指すアプローチの内,特に有望なのが並列分散処理VLSIハードウェア化である.我々はGAのVLSI化について我国で先鞭をつけ,さらにGA-VLSIの並列分散処理化について世界でもほぼ最初の設計を行ってきた.本研究ではこの並列分散GA-VLSIについて,さらなる効率化を目指した具体的は,すでに計算機クラスタ上でのソフトウェア実装で効果を確認している分散GAの動的パラメータ調整方式を我々の並列分散GA-VLSIに新たに組み入れて,効果を検証した.これは世界でも全く初めての試みである.本研究にはハードウェア設計,並列分散処理,動的最適化,問題解決技法など多岐に渡る背景があり,研究の遂行にはそれぞれについて最新の研究成果が必要である.

そこで研究成果をまとめ上げるにあたっては,あわせて上記の各々についても各種方式を追求した.具体的には,ハードウェアの効率的設計方式,分散処理の動的最適化方式,などである.そして,システム設計から回路設計まで完成させて,シミュレーションによる性能評価,論理合成による回路評価を行い,良好な成果を得た.
蛍光色素超薄膜を用いた微小光共振器に関する研究

有機薄膜ELデバイスは、光の波長のオ-ダ-の厚みの発生部を2枚の反射鏡(注入電極)で挟んだ微小光共振器の構造を持っている。本年度の研究目的は、(1)有機ELデバイスで観測された微小共振器の効果と考えられる現象を詳しく解析しその実態を明確にする。(2)有機薄膜系で蛍光発光寿命を放射場の閉じ込め構造との関連で調べ、有機薄膜ELデバイスで放射場の閉じ込め効果が発現することを確かめる。(3)電気刺激(EL発光)のモ-ドで明確な微小共振器の効果を発現させるための素子構造を設計する、の3つであった。本年度の実施事項と成果は以下のようにまとめられる。(1)有機ELデバイスの発光挙動の解析有機3層積型EL素子で、金属電極(反射鏡)と発光部の間の距離を変化させて発光効率を観測した。この距離がおよそ発光波長の1/4の光路差に相当するところで発光が大きく増強される現象が見いだされた。古典電極気理論に基づいた発光強度の計算によって、発生部と反射鏡の距離が波長のオ-ダ-の場合、この距離を動かすと発光の放射パタ-ンが大きく変化することが分かった。この放射パタ-ンの解析から有機EL素子の発光効率の発光部ー反射鏡距離依存性はほぼ理解できた。(2)有機積層薄膜系の蛍光発光寿命の解析放射場の閉じ込め効果は蛍光の発光寿命を放射場閉じ込め構造の関数として観測すれば明らかに出来る。電気刺激(EL)モ-ドで発光寿命を観測するのは困難であるので、ピコ秒レ-ザを用いた光刺激モ-ドで実験を行った。確かに蛍光発光寿命は発光部ー反射鏡間距離を変えると大きく変動し、波長のオ-ダ-のサイズの共振器では放射場の閉じ込め効果が発現することが確められた。
歯根膜上皮細胞-免疫担当細胞間の相互作用と、異質性細胞集合体の解析

本研究の目的は、歯根膜中の上皮の分布と構造、および上皮と非上皮性細胞との相互関係を免疫組織化学的に明らかし、歯根膜中の上皮の機能に対する形態的な根拠を付与することである.Wister系ラットの上顎大臼歯部とネコの犬歯歯根膜を対象とし、顕微鏡にて観察を行い、機能的な考察を重ねた結果、歯根膜中の上皮は、歯根膜の保護、物質の分泌・吸収、外界刺激の受容能を備えたheterogeneousな細胞集合体と考えられた.本研究の目的は、歯根膜中の上皮の分布と構造、および上皮と非上皮性細胞との相互関係を免疫組織化学的に明らかし、歯根膜中の上皮の機能に対する形態的な根拠を付与することである.Wister系ラットの上顎大臼歯部とネコの犬歯歯根膜を対象とし、顕微鏡にて観察を行い、機能的な考察を重ねた結果、歯根膜中の上皮は、歯根膜の保護、物質の分泌・吸収、外界刺激の受容能を備えたheterogeneousな細胞集合体と考えられた.生後約6週齢のWistar系ラットを用いて、歯根膜上皮細胞集合体の微細形態的解析と、上皮細胞一免疫担当細胞間の相互関係の解析を行ったところ、以下の観察所見を得た.(1)ラット上顎臼歯部のマラッセの上皮遺残(以下単に上皮細胞塊と記す)は、6週令にて上皮細胞の集団の形成が完了していた.(2)上皮細胞塊は、主に歯頸部と歯根の分岐部の歯根膜に分布を示す一方で、OX6免疫陽性細胞は細長い細胞質突起を四方に伸長しており、歯根膜に広く分布していた.(3)まれにではあるが、複数のOX6免疫陽性細胞が、上皮細胞塊周囲を、囲むように取り巻いていたため、両細胞を電子顕微鏡によって、さらに詳細に観察を行った.(4)電子顕微鏡による観察では、上皮細胞塊と、その細胞塊を取り巻いていた複数のOX6免疫陽性細胞は、小さな棘突起をお互いに伸長しながら噛み合っていた.上皮細胞塊の内部には、OX6免疫陽性細胞の細胞質突起が入り込んでいた.また、上皮細胞にはlysosomeが観察されたものの、接触していたOX6免疫陽性細胞には多形性を認めた.上皮細胞と、その上皮細胞に接触したOX6免疫陽性細胞には、貪食されたような所見は観察されなかった.また、OX6免疫陽性細胞は、上皮細胞との接触を示す一方で、線維芽細胞とも接触していたことが観察され、線維芽細胞の接触表面と細胞質内部には、豊富なカベオラや小胞体が観察された.以下の研究結果から、ラットの歯根膜では、1)上皮細胞とOX6免疫陽性細胞の相互作用、2)OX6免疫陽性細胞と線維芽細胞の相互作用、および、3)OX6免疫陽性細胞を介した、これら3種の異なった細胞、すなわち、上皮細胞-OX6免疫陽性細胞-線維芽細胞間の複雑な相互作用の存在が示唆された.これらの相互作用は、その組織学的位置関係から、セメント芽細胞への分化と制御に関与する可能性もあり得るものと考えられた.目的:健常な歯根膜における上皮細胞の機能の解明が本研究の目的である。方法:本研究に使用した動物は、Wistar系ラット(6週齢,平均体重約150g, 14頭)である。麻酔薬により十分に鎮静させ、開胸後、左心室から化学固定液により灌流固定を行った.頚部で切断し、切り離した頭部を同固定液にて6時間さらに固定を行った。その後、Caキレート剤含有水溶液により脱灰を行った。歯を含む顎骨が柔らかくなったことを確認したのちに、専用の包埋剤にて浸透させ、液体窒素により凍結させた。そして薄切器を用い、歯頚部から根尖部にかけて厚さ約6-8μmの連続組織切片を作製した。そして、組織切片上の歯根膜上皮細胞と免疫担当細胞の局在を顕微鏡下で可視化させるために、CK抗体とED1, OX6抗体を用いて免疫二重組織化学染色を施し、光学顕微鏡と電子顕微鏡にて観察を行った。結果:歯根膜において、CK抗体に免疫陽性を示した上皮細胞は、様々な形状の細胞集塊を呈し、主として歯頸部や根分岐部のセメント質表面近くに分布していた。また、脈管の周囲、歯根象牙質とセメント質の間、歯槽骨の近傍や骨の中にも分布していた。ED1免疫陽性の細胞は、主に歯根膜中央付近から歯槽骨側にかけて認められ、上皮細胞との接触はほとんど認められなかった。一方、OX6免疫陽性の細胞は、歯根膜内に広く分布し、CK免疫陽性の歯根膜上皮細胞にもしばしば接触していた。電子顕微鏡による観察では、OX6免疫陽性細胞は、細胞集塊を取り囲むだけでなく、集塊中へ細胞質突起を伸長していた。その接触部位では、上皮細胞とOX6免疫陽性細胞が、互いに噛み合うような像がしばしば観察された。考察:本研究の結果より、ラットの歯根膜皮細胞は、(特にOX6免疫陽性の)免疫担当細胞と密接な関係にあることが明らかとなった。上皮細胞は、免疫担当細胞との相互作用を通じ、健常な歯根膜の恒常性の維持等に関与する可能性が考えられた。

歯根膜中に存在する上皮細胞塊を免疫組織化学的に調べ、上皮細胞の潜在的機能の解明を目的とした.0.5mm厚の歯科用ゴムを、ラットの上顎臼歯の間に挿入し、歯の移動と歯周炎を惹起させた(Waldo法).ゴム挿入開始後より14日後までの臼歯歯根膜における上皮細胞塊、および免疫担当細胞の反応を免疫組織化学的に調べた.歯根膜の切片中の上皮細胞塊に対してサイトケラチン抗体を、免疫担当細胞にはOX6抗体を用いて免疫二重染色を施した.観察は主として蛍光顕微鏡を用いた.また、ネコの犬歯歯根膜にPGP9.5免疫組織化学染色を施し、歯根膜中の上皮細胞塊について電子顕微鏡にて観察を行った。ラット臼歯歯根膜の所見、および考察ゴム挿入部に近くの歯根膜では、1.大きな上皮細胞塊の出現、2.上皮細胞塊同士の近接、3.上皮細胞塊の周囲を樹枝状のOX6免疫陽性細胞が取り囲んでいた.各日を通じてOX6免疫陽性細胞による上皮細胞塊への貪食所見は得られなかった.ゴム挿入部から離れた歯根膜では、小さな上皮細胞塊と小さな突起を伸ばしたOX6免疫陽性細胞がときおり観察された.両細胞の近接関係はほとんどみられなかった.14日後では、ゴム挿入部直下の歯肉上皮が肥厚し、上皮の脚部が歯根膜中の大きな上皮細胞塊に近接していた.上皮細胞塊の周囲は、樹枝状のOX6免疫陽性細胞によって取り囲まれていた.以上の所見から、歯根膜上皮細胞とOX6免疫陽性細胞が協調し合いながら、炎症に対する防御反応に関与する可能性が強く示唆された.ネコ犬歯歯根膜の所見、および考察ネコの犬歯において、上皮細胞塊は歯頸部近くの歯根膜にしばしば観察された.68個程度の上皮細胞が塊をつくり、上皮細胞の辺縁部には取り込み能を窺わせる複数の小さな凹みや細胞質突起、細胞塊中には神経内分泌能を窺わせるPGP9.5免疫陽性の細胞が観察された.以上より、ネコ歯根膜中の上皮細胞塊は機能的にheterogeneousな細胞塊である可能性が示唆された.
非線形数値解析における粘性解の方法

研究実績は以下のとおり.小川は研究分担者の後藤、松本とともに、平均曲率流方程式に対するBMOアルゴリズムに対して解析を加え、特に研究協力者の三沢正史(電気通信大)の協力のもと、類似の手法のp-Laplace型作用素を持つ退化放物型の偏微分方程式の解に対するlevel set functionによる数値解析の手法を試みた。そこでは、p-Laplace型の方程式にはBMPアルゴリズムの直接の適用が不可能であることが判明した。次に、小川は共同研究者である、石井克幸(神戸商船大)とともに、BMOアルゴリズムとAllen-Charn方程式の特異極限による平均曲率流方程式への近似理論の類似性に着目して、BMOアルゴリズムとAllen-Charn方程式の特異極限を統一的に扱う理論の構築を構想し、証明を試みた。現在その漸近展開における解析で部分的な結果を得ている。この手法は、Charn-Hiliard方程式のような、さらに高階の放物型方程式における特異極限問題に、適用が可能であると予想され、さらに複雑な界面運動を記述する、Eguchi方程式系への応用が見込まれる。さらに小川は研究協力者の山田想(ヴィジュアルテクノロジー)と共同でモンテカルロ法による非線形楕円型方程式の境界値問題についての数値解析に関するシュミレーションを行い、並列高速への可能性を探った。ことに並列化において有利な領域における特定の部分のみに対する解の高速計算処理に力点を置いて、研究を行った。杉田は複雑な関数の数値積分におけるさまざまな現象を確率数値解析の視点から考察した.とくにランダム性が小さくて複雑な関数に対しても安定した数値積分を可能にする離散的ランダムワイルサンプリングを提唱した.伊藤は表面拡散による3相境界運動を記述する幾何学的偏微分方程式に対して,3相が含まれる領域の境界が長方形的である場合に,初期値がエネルギーのミニマイザーに近ければ時間大域解が存在すること,解は時間無限大でエネルギーのミニマイザーになることを考察した.研究実績小川は研究分担者の加藤と共同で、KdV方程式の初期値が一点だけディラック測度のような強い特異点を持つ場合に、その解が時間が時刻0以外で時間-空間両変数方向に実解析的となることを証明した。この手法を発展させ、非線形Schrodinger方程式や一般の半線形分散型方程式で非局所作用素を含まない場合に、類似の結果を証明した。また小川は谷内靖と共同で3次元Euler方程式の初期値問題の解の爆発のための新しい十分条件を一般化されたBesov空間の記法で表現した。これにより、逆に過度が高々対数程度の特異点を持つ場合にはEuler方程式の解は、なめらかに延長できることも示した。一方、隠居は無限層状領域におけるOberbeck-Boussinesq方程式のある種の定常解に対して、定常解が線形化安定性の臨界状態にあっても、初期撹乱の大きさに関係なく無条件安定であることを示した。研究協力小川は富士ゼロックス(株)の山田想研究員と共同で高速並列計算機を用いたモンテカルロ法による高速並列数値シュミレーションを楕円型境界値問題に適用し、高速シュミレーションのためのアルゴリズムの検討を行った。同時に、非線形楕円型境界値問題への適用と粘性解理論によるそれらの手法の数学的正当化への糸口を探った。杉田は複雑な関数の数値積分におけるさまざまな現象を確率数値解析の視点から考察した.とくにランダム性が小さくて複雑な関数に対しても安定した数値積分を可能にする離散的ランダムワイルサンプリングを提唱した.伊藤は表面拡散による3相境界運動を記述する幾何学的偏微分方程式に対して,3相が含まれる領域の境界が長方形的である場合に,初期値がエネルギーのミニマイザーに近ければ時間大域解が存在すること,解は時間無限大でエネルギーのミニマイザーになることを考察した.
トポロジカル相における熱輸送現象の理論的研究

2018年度には、3本の原著論文の出版、6回の学会発表、2回のセミナー講演を行なった。特に精力的に取り組んだのは、(1)量子開放系における非平衡定常状態の近似表現、(2)一般化イジング模型の熱平衡状態に関する厳密表現の2つのテーマである。特に、(1)については、研究計画当初には想定していなかった内容であるが、新奇領域に身を投じたことで、当初の計画を包括的に含むような目標再設定が可能となった。具体的な実績について、以下に詳しく述べる。(1)では、ボルツマン機械型の表現関数を用いて、量子開放系の非平衡定常状態を変分的に求める手法を開発した。近年は、量子開放系のエンジニアリングに関する実験的進展が大きいことから、定常状態に関する理論的な探索手法の構築が急務である。一方で、混合状態を扱う以上、次元爆発が速やかに起きることから、系全体のヒルベルト空間を扱わず、効率的な近似表現が必要とされる。本研究では、ニューラルネットワークにより量子エンタングルメントの大きな密度行列を表現可能なこと、1次元・2次元的なモデルにおいて、変分状態を最適化することで高精度に定常状態を近似可能なことを示した。(2)では、古典系における熱平衡状態を、ボルツマン機械により厳密に表現し、モンテカルロ・シミュレーションの高速化に応用可能であることを示した。熱平衡状態における各状態の重み、つまりボルツマン因子の表式が変わらないような補助スピンを導入する方法を確立すれば、多体相互作用する任意のイジング模型のボルツマン因子を、ボルツマン機械の表現関数により書ける。さらに得られた表式を、大域的更新法に応用すると、相転移点近傍における臨界減衰を軽減できることを示した。昨年度に研究代表者は、トポロジカル超伝導体の量子相図を調べるために機械学習の手法を開発した。この研究は注目を集め、また物性物理におけるニューラルネットワークや機械学習の有用性が認識され始めたことから、研究代表者は当初の研究テーマから目標を設定し直し、上記のように(1)ボルツマン機械を用いた量子開放系の定常状態の近似表現、(2)一般化イジング模型の熱平衡状態に関するボルツマン機械による厳密表現に取り組んだ。前者はボルツマン機械による高い表現能力を活用したことから注目を集め、発表直後からすでに複数のプレプリントなどに引用されている。また、(2)では、統計力学の長い歴史の中で埋もれていた変換手法を再発見し、ボルツマン機械の定式化に新たな視点を与える研究となったことから、現在までの本研究課題はおおむね順調に進展していると考えられる。本年度は、昨年度に開発したニューラルネットワーク状態による近似手法の研究を引き続き推し進め、トポロジカル相を孤立系で発現させるような系に散逸を導入した場合に、非自明な非平衡定常状態が実現されうるかを探索する。外界との相互作用により非ユニタリな時間発展をする系を「量子開放系」と呼ぶ。相互作用が詳細釣り合い条件を満たす場合には長時間の後に熱平衡状態への緩和が生ずる一方で、一般には非自明な定常状態に落ち着くことも許される。特に近年、量子開放系のエンジニアリングに関する実験的な進展が大きいことから、非平衡定常状態に関する理論的な探索手法の構築が急務であるなか、昨年度の変分状態の開発により、有限サイズの量子スピン系における進展が見込まれている。本年度は具体的には、テンソルネットワーク状態による記述が困難であるような非平衡状態に関する研究を行う。例えば、レーザー照射により基底状態および高エネルギーの励起状態を用いた2準位系を構成する「リュードベリ原子」を用いたリュードベリ・ブロッケード模型におけるZn相の発現や、量子状態準備(Quantum State Preparation)プロトコルにより実現されるAKLT状態の安定性などを調べる。1.ノードを伴う3次元カイラル超伝導体における内因性熱ホール効果時間反転対称性の自発的な破れ(BTRS)に起因して、クーパー対が有限のスピン角運動量を持つものを、「カイラル超伝導体」と呼ぶ。超伝導性と有限磁化の共存という、数ある非従来型超伝導体の中でもひときわ異彩を放つカイラル超伝導性に関して、検証方法がいくつか考案されてはいるが、いずれの物質も合意を形成するには至っていない。BTRSの決定的な証拠となりうるのは、自発的な熱ホール効果、すなわち磁場印加のない状況で熱勾配に対し垂直方向に温度差を生ずる現象の観測である。この事実を念頭に、熱ホール係数に対するBerry曲率の寄与を調べることで、BTRS以外にも得られる付加的な情報を洗い出し、ペアリングに強力な制限が加わることを明らかにした。本研究の結果は国内外の学会で発表されたほか、国際的な学会誌に投稿された。2.統計的対称性の回復による乱れたトポロジカル超伝導体の相判定バルクの電子/準粒子スペクトルにノードが存在せず、波動関数の大域的な性質を反映する「トポロジカル不変量」により特徴付けられる系は、トポロジカル絶縁体/超伝導体と呼ばれている。乱れのある系のトポロジカル不変量は、非自明な問題であり、理論的理解が限られているため、熱輸送を含めた、有限温度における物理的性質を探る土台として、絶対零度における相の判定方法を構築する必要がある。本研究では、画像認識などで特に有効性の認められている、ニューラルネットワークの手法を新たに導入し、独立な手法との比較・整合性の確認を行った。我々の提案した手法は、転送行列法・非可換幾何による手法と整合する。

特に、相境界が近づく場合、転送行列法による検出には、多大なる数値的労力が必要とされるが、ニューラルネットワークを用いた場合にはこの問題を回避できる。本研究の結果は国際的な学会誌に受理された。第一の研究成果である、カイラル超伝導体における熱ホール効果の研究に関しては、概ね当初の想定通りの進捗具合が得られた。3次元物質における熱ホール係数の量子化は必ずしも観測されない一方、高次補正項に内在するノードの情報は、クーパー対のペアリングという、本質的な性質を引き出す可能性を持つことを明らかにすることができた。トポロジカル相における熱流から引き出される情報として、もっとも豊富な物理現象を扱うことで、カイラル超伝導体の検証という未解決問題に対し、理論的な貢献がなされた。本研究が、スイスのチューリッヒ工科大学のManfred Sigrist教授との国際共同研究の賜物である点もまた、研究代表者にとって非常に大きな経験となった。第二の研究成果である、機械学習を用いた量子相図の決定は、完全に当初の予定を外れた、思いもよらない結果である。機械学習、特にニューラルネットワークの有用性が実世界で認知され始めた今、物性物理学への応用可能性の探索は急務かつ誠に実りの多い試みである。知られているだけでも、トポロジカル相を含めたエキゾチック相の分類、変分波動関数の表現、モンテカルロシミュレーションの高速化など、非常に幅広い応用の可能性がこれまでに示されている中、乱れのある系への応用という、角度の異なる切り口からの研究を形にすることができた。本研究の結果は国際的にも広く受け入れられており、セミナーや国際会議での発表などで忌憚ない意見を交わす経験を積むことに繋がった。自身の研究者としてのキャリアを押し広げる形となったことに、大きな達成を感じている。2018年度には、3本の原著論文の出版、6回の学会発表、2回のセミナー講演を行なった。特に精力的に取り組んだのは、(1)量子開放系における非平衡定常状態の近似表現、(2)一般化イジング模型の熱平衡状態に関する厳密表現の2つのテーマである。特に、(1)については、研究計画当初には想定していなかった内容であるが、新奇領域に身を投じたことで、当初の計画を包括的に含むような目標再設定が可能となった。具体的な実績について、以下に詳しく述べる。(1)では、ボルツマン機械型の表現関数を用いて、量子開放系の非平衡定常状態を変分的に求める手法を開発した。近年は、量子開放系のエンジニアリングに関する実験的進展が大きいことから、定常状態に関する理論的な探索手法の構築が急務である。一方で、混合状態を扱う以上、次元爆発が速やかに起きることから、系全体のヒルベルト空間を扱わず、効率的な近似表現が必要とされる。本研究では、ニューラルネットワークにより量子エンタングルメントの大きな密度行列を表現可能なこと、1次元・2次元的なモデルにおいて、変分状態を最適化することで高精度に定常状態を近似可能なことを示した。(2)では、古典系における熱平衡状態を、ボルツマン機械により厳密に表現し、モンテカルロ・シミュレーションの高速化に応用可能であることを示した。
巨大電波望遠鏡群を用いて探る宇宙再電離期にある銀河の星間媒質の研究

宇宙が誕生してから約2-10億年の頃に生じた宇宙空間の相転移を宇宙再電離と呼ぶ。宇宙再電離の研究は、観測可能な範囲で最も遠い(つまり過去の)宇宙を観測することで理論物理学を検証する、現代天文学のフロテンィアである。しかし、遠方銀河は一般的に大変暗いため、観測の観測データの取得自体が困難を極める。本研究は、アルマ望遠鏡等を用い、宇宙の再電離史と銀河の進化史を解き明かすことを目的とする。特に、我々がこれまでの研究で有用性を示してきた二階電離酸素の輝線([OIII] 88ミクロン)を利用して、初めて宇宙再電離が完了する前の時代の分光銀河サンプルを構築する。
ナノＤＮＡワクチンを基盤とした樹状細胞エンジニアリングと難治性癌治療への展開

樹状細胞ワクチンは、抗原特異的な免疫応答に重要である「樹状細胞」を用いて、人為的に抗原特異的免疫を誘起する技術である。申請者はこれまで、樹状細胞に対し、効率的に抗原遺伝子導入・免疫活性化を可能とするDNA封入ナノ粒子の開発に成功している。平成29年度においては、平成28年度において開発した、mRNAを効率的に樹状細胞へ導入可能なナノ粒子を用いて、ヒト実弾がん抗原を用いたmRNAワクチンの開発をおこなった。以前より樹状細胞への遺伝子導入に用いていた、KALAペプチド修飾多機能性エンベロープ型ナノ構造体(KALA-MEND)は、リポソーム内にpDNAを内封し、その表面にαへリックス構造を有するKALAペプチドを修飾していた。しかし、本システムではヒト臨床において用いられている抗原(実弾抗原)に対する抗原特異的な免疫応答の誘導は達成できなかった。そこで、より効率的に抗原遺伝子を導入可能なmRNAの応用を試みた。その際に、KALAペプチド修飾リポソームの表面に静電的相互作用により搭載した、KALAリポプレックスを用いた。その結果、KALAリポプレックスによりmRNAを導入する事で、KALA-MENDによるpDNA導入に比べ、50倍以上遺伝子導入効率が上昇した。また、樹状細胞型mRNAワクチンに適切なアジュバントを選定するため、4種類のアジュバントを抗原mRNA搭載KALAリポプレックスにより樹状細胞へ共導入し、マウスへ免疫した際の抗原特異的CTL活性について評価した。この際、抗原として、ヒト臨床で広く用いられるNY-ESO-1を用いた。その結果、いずれのアジュバントでも有意にCTL活性が向上する処理量が存在した。そこで、NY-ESO-1発現腫瘍に対する治療的抗腫瘍効果について検証したところ、モノホスホリルリピドAの共導入が最も強力な抗腫瘍効果を示す事を明らかとした。29年度が最終年度であるため、記入しない。DNAワクチンは抗原遺伝子をDNAにより導入する事で、獲得免疫を誘起する技術である。私はこれまでに、抗原提示細胞である樹状細胞に対し、遺伝子導入・免疫活性化を可能とするDNA封入ナノ粒子の開発に成功した。平成27年度においては、より強力な活性を有するナノ粒子設計の改変、及びヒトへの臨床応用可能性を探るため、ヒト単球由来樹状細胞を用いた検討をおこなった。以前より樹状細胞への遺伝子導入に用いていた、KALAペプチド修飾多機能性エンベロープ型ナノ構造体(KALA-MEND)は、脂質二重層からなるリポソーム内にpDNAを内封し、リポソーム表面にαヘリックス構造を有するKALAペプチドを修飾していた。本粒子はDNAの封入のため、プロタミンと呼ばれるポリカチオンを用いていたが、ポリカチオンによる転写・翻訳機構の阻害や毒性の影響を減らすため、KALA修飾リポソームとプラスミドDNAを混合して得られるKALAリポプレックスを設計し、調製に成功した。本粒子は従来のKALA-MENDと比べ、高い遺伝子発現活性・免疫活性化効果を有している事が明らかとなった。更に、段階的に長さを短くしたKALAペプチドを用いた検討により、KALAペプチドの機能発揮には脂質膜上でのαヘリックス構造が鍵となる事が明らかとなった。本成果により樹状細胞に対して、より効率的に遺伝子導入・免疫活性化を可能とするDNAベクターの基礎と、その活性に重要なペプチドの構造を明らかとした。以上の結果はマウス樹状細胞を用いた検討であり、ヒトへの臨床応用に向けてはヒトの樹状細胞を用いて活性を評価する必要がある。そこで健常人ボランティアより採取した単球を用いて、ヒト単球由来樹状細胞を誘導し、KALA-MENDの活性を評価した。その結果、マウス樹状細胞と同様に、遺伝子発現活性・サイトカイン産生が認められた。本成果により、KALA修飾ナノ粒子のヒトへの臨床応用可能性を見出した。平成27年度においては本研究の基盤となる、樹状細胞への遺伝子導入ベクターの改良が製剤設計の変更により達成された。また本ベクターの重要な構成要素であるKALAペプチドに関して、機能発揮に重要な条件を明らかにしたことからも、本研究が順調に進展していると考えられる。また、当初は2年目以降に行う予定であった、ヒト単球由来樹状細胞における活性評価も前倒しでおこない、臨床応用へ繋がるような結果が得られたことは、計画以上の進展であると考えられる。一方で、研究実施計画に記載したミニサークルDNAに関しては、活性上昇が困難であることが明らかになったため、これを補填する戦略(今後の研究の推進方策に記載)を既に立案しており、また良好な結果が得られつつあることから、本研究の遂行に関して問題は無いと考えている。以上を総括して、おおむね順調に進展していると考えている。樹状細胞ワクチンは、抗原特異的な免疫応答に重要な役割を持つ「樹状細胞」を用いて、人為的に抗原特異的免疫を誘起する技術である。申請者は現在までに、樹状細胞に対し、効率的に抗原遺伝子導入・免疫活性化を可能とするDNA封入ナノ粒子の開発に成功している。平成28年度においては、より効率的な抗原導入を可能とするナノ粒子の開発を試みた。また、腫瘍内免疫抑制機構の1つである慢性炎症環境を改善するため、デキサメタゾン搭載ナノ粒子の開発をおこない、腫瘍内炎症環境改善効果の検証をおこなった。

以前より樹状細胞への遺伝子導入に用いていた、KALAペプチド修飾多機能性エンベロープ型ナノ構造体(KALA-MEND)は、リポソーム内にpDNAを内封し、その表面にαヘリックス構造を有するKALAペプチドを修飾していた。しかし本システムでは、ヒト臨床において用いられている抗原(実弾抗原)に対するin vivo抗原特異的免疫応答の誘導は達成できなかった。そこで、より効率的に遺伝子を導入可能な核酸搭載ナノ粒子を設計し、オボアルブミン(OVA)遺伝子を樹状細胞へ導入したところ、従来システムに比べて効率的な抗原提示を誘導する事に成功した。近年、腫瘍局所において、がん細胞に対する免疫が抑制されている事が明らかとなった。腫瘍内慢性炎症環境はその要因の1つであり、がん細胞自身や浸潤免疫細胞による炎症が、腫瘍免疫環境の変化を引き起こしている。そこで私は、腫瘍内慢性炎症の解消を通して、樹状細胞ワクチンの効果を更に高めるため、ステロイド系抗炎症薬の1つであるデキサメタゾンの誘導体を搭載するナノ粒子を開発した。本ナノ粒子をOVA発現リンパ腫担癌マウスへ静脈内投与することで、腫瘍組織における炎症性サイトカインやマクロファージマーカー、血管新生促進因子受容体のmRNA発現量を低下させる事に成功した。平成28年度においては、本研究の基盤となる樹状細胞への遺伝子導入に関して、従来用いていたKALA-MENDよりも、効率的な遺伝子導入をおこなう事に成功した。また、樹状細胞からの抗原提示、及びin vivoにおける抗原特異的免疫の誘導の増強にも成功した事から、本研究が順調に進展していると考えられる。また、腫瘍内慢性炎症環境をターゲットとした、デキサメタゾン誘導体搭載ナノ粒子の開発にも成功し、mRNA発現レベルではあるが、腫瘍内の炎症性サイトカインやマクロファージ浸潤の減少を達成した。これらの結果は、がん免疫療法の両輪を担う、抗原特異的免疫の誘導と腫瘍内免疫抑制機構の改善を達成する技術となり得るものである。最終年度である平成29年度における併用効果の検証の基盤となる技術の開発に成功した事からも、本研究が順調に進展していると言える。樹状細胞ワクチンは、抗原特異的な免疫応答に重要である「樹状細胞」を用いて、人為的に抗原特異的免疫を誘起する技術である。申請者はこれまで、樹状細胞に対し、効率的に抗原遺伝子導入・免疫活性化を可能とするDNA封入ナノ粒子の開発に成功している。平成29年度においては、平成28年度において開発した、mRNAを効率的に樹状細胞へ導入可能なナノ粒子を用いて、ヒト実弾がん抗原を用いたmRNAワクチンの開発をおこなった。以前より樹状細胞への遺伝子導入に用いていた、KALAペプチド修飾多機能性エンベロープ型ナノ構造体(KALA-MEND)は、リポソーム内にpDNAを内封し、その表面にαへリックス構造を有するKALAペプチドを修飾していた。しかし、本システムではヒト臨床において用いられている抗原(実弾抗原)に対する抗原特異的な免疫応答の誘導は達成できなかった。そこで、より効率的に抗原遺伝子を導入可能なmRNAの応用を試みた。その際に、KALAペプチド修飾リポソームの表面に静電的相互作用により搭載した、KALAリポプレックスを用いた。