hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
βアミロイドN端を切断するプロテアーゼによるアミロイド蓄積機序の分子的解析

本研究計画の各研究目的について、平成7-8年度に達成された研究実績は以下のとうりである。(1)脳ホモジネートからの68kDaセリンプロテアーゼの効率的な精製法を確立した(抗体およびリガンを用いたaffinitychromatographyによる)(2)ヒト脳細胞外マトリクス疑似環境の作成:天然βアミロイド基質はアルツハイマー病患者脳および各年齢層正常人脳より、抗βアミロイド抗体を用い免疫沈降法により精製した。細胞外マトリックスはすべてヒト由来でラミニン、フィブロネクチン類、コラーゲン類およびヘパラン硫酸プロテオグリカンを用いた。プロテアーゼは患者リンパ球及び患者脳より精製した68kDaセリンプロテアーゼを用いた。(3)天然基質を用いた凝集・分解解析: (1)の基質のうちβアミロイドを含むC端側ペプチド(CTPs)を用いた解析ではコラーゲン(IV)が最も高率に高分子凝集体を形成した。APPの細胞外ドメインを含む数種の断片を基質とした分解解析から、本プロテアーゼはこれら天然基質分子上のヘパラン硫酸糖質の有無によりその分解効率が変化することを見いだした。(4)糖修飾酵素を用いた解析から本プロテアーゼはそれ自信がヘパラン硫酸残基を含むアスパラギン結合糖鎖をその分子内にもつことを明らかにした。このユニークな糖修飾は、リンパ球および脳由来の酵素双方に検出された。(5)本プロテアーゼのcDNA構造解析(6)今後の研究の展開に関する計画:(a)現時点で明らかになっている本プロテアーゼの特性から、一連の血液凝固の関連するセリンプロテアーゼ群及びとれらのインヒビターを強く想起させる。今後in vivoにおける本酸素の機能を解明するため、ヒト脳の系での特異的インヒビターの検索、各構成要素の糖の変化による凝集性βアミロイドペプチドの生成量、凝集能の変化に的を絞り研究を展開させたい。(b)(1)の研究過程でβアミロイド天然基質に作用し、かつその生化学的特性が類似した酵素(55-80kDa)を少なくとも4種類精製している。βアミロイド代謝の病態生理との関わりに注目しつつ、それらを酵素学・分子生物学的に解明したい。(1)68kDaセリンプロテアーゼ(βセクレターゼ)に対する特異抗体の作成について家族性アルツハイマー病細胞の無血清培養上清より精製した68kDaβセクレターゼを抗原として既に作成したポリクロナル抗体(adp-1)は58kDa蛋白(機能不明)と交差反応性を示す。このため本βセクレターゼのみを特異的に認識する抗体を得るため、本プロテアーゼの一部ドメインに対応するcDNAをプロテインA融合蛋白合成ベクターを用いてペプチド合成し、それを抗原としてポリクロナル抗体(adp-2)を作成した。(2)68kDaセリンプロテアーゼ(βセクレターゼ)の分子内陰性荷電の生化学的解明精製した68kDaβセクレターゼはadp-2抗体を用いたWestern解析から、2次元電気泳動上分子量68kDa、等電点4.7の単一スポットとして認識される。この標品をヘパリチナーゼあるいはグリコペプチダーゼで処理することにより、反応時間依存的に上記スポットの減弱と分子量51kDa、等電点9.2のスポットの発現増加を認めた。

このことから、本プロテアーゼはその分子内にヘパラン硫酸を含むアスパラギン結合糖鎖を複合糖質としてもつ糖蛋白であることが解明された。(3)68kDaβセクレターゼの脳における発現の解析adp-2抗体を用いた免疫組織化学的解析から、本プロテアーゼは検索した2例の孤発性アルツハイマー病患者脳および正常老人脳の皮質に程度の差こそあれ発現しており、とくにミクログリアに集積が著名であった。このことは、本プロテアーゼの分子構造解析から推定される急性炎症蛋白としての特性からみて合理的である。以上の成果を踏まえ、現在βアミロイド含有ペプチド(本プロテアーゼの直接基質である16kDaペプチド)の凝集、線維化におよぼす本プロテアーゼの複合糖質の機能の解析を行っている。最終的に脳の細胞外マトリックスにおける本プロテアーゼの機能の解明を目指す。本研究計画の各研究目的について、平成8年度に達成された研究実績は以下のとうりである。(1)脳ホモジネートからの68kDaセリンプロテアーゼの効率的な精製法を確立した(affinity chromatography)(2)ヒト脳細胞外マトリクス疑似環境の作成:天然βアミロイド基質はアルツハイマー病患者脳および各年齢層正常人脳より、抗βアミロイド抗体を用い免疫沈降法により精製した。細胞外マトリックスはすべてヒト由来でラミニン、フィブロネクチン類、コラーゲン類およびヘパラン硫酸プロテオグリカンを用いた。プロテアーゼは患者リンパ球及び患者脳より精製した68kDaセリンプロテアーゼを用いた。(3)天然基質を用いた凝集・分解解析:(1)の基質のうちβアミロイドを含むC端側ペプチド(CTPs)を用いた解析ではコラーゲン(IV)が最も高率に高分子凝集体を形成した。APPの細胞外ドメインを含む数種の断片を基質とした分解解析から、本プロテアーゼはこれら天然基質分子上のヘパラン硫酸糖質の有無によりその分解効率が変化することを見いだした。(4)糖修飾酵素を用いた解析から本プロテアーゼはそれ自信がヘパラン硫酸残基を含むアスパラギン結合糖鎖をその分子内にもつことを明らかにした。このユニークな糖修飾は、リンパ球および脳由来の酵素双方に検出された。(5)本プロテアーゼのcDNA構造解析
体脂肪量を制御する褐色脂肪の退縮・活性低下機構の解明と応用基盤研究

褐色脂肪細胞(褐色脂肪)は、熱産生を専門に営む唯一の細胞であり、活発に脂肪を消費し熱に変換する。その「退縮」と「活性低下」は、いわゆる「中年太り」の主要因となる。また、肥満や高脂肪食によりエピゲノム調節を介した遺伝子発現調節機構が変化し、肥満や肥満に伴う生活習慣病のの発症要因となることが示唆されている。本研究では、褐色脂肪の退縮と活性低下に関して、エピゲノム調節の関連性など諸々新規分子機構について検討、解明することを目的とした。本年度の主要な実績としては、脂肪組織の褐色化あるいは褐色脂肪組織の恒常性維持に関わる重要なメカニズムを解明した点が挙げられる。まず、脂肪組織の褐色化については、過去の多くの先行研究において、βアドレナリン刺激によって、Uncoupling Protein 1 (UCP-1)発現量が上昇することが重要であることが示されてきているが、その作用メカニズムについては不明確な点が多く残されていた。今回、我々の研究グループでは、この作用にhistone deacetylase (HDAC)の発現低下に伴うUCP-1プロモーター上のヒストン修飾の変化が重要な役割を果たすことを明らかにした。加えて、肥満状態の脂肪組織において惹起される小胞体ストレスが脂肪組織の褐色化に対して抑制的に機能することを見出し、本機構には核内受容体型転写因子、PPARgammaの活性低下が寄与することを明らかにした。また、褐色脂肪組織の恒常性維持に関する研究では、3-hydroxy-3-methylglutaryl-CoA reductase (HMGCR)が、褐色脂肪組織の恒常性維持において重要な役割を示すことを見出した。翌年度、交付申請を辞退するため、記入しない。生体には白色と褐色の2種類の脂肪細胞が存在する。白色脂肪細胞(白色脂肪)は、数、量共に多く白色脂肪組織(体脂肪)を形成し、エネルギーの貯蔵・放出を行う。一方、褐色脂肪は、少量しか存在しないが高い脂肪代謝活性と熱産生能力を持つ。褐色脂肪はミトコンドリアに富み、そこに存在する特異的分子(脱共役タンパク質、UCP1)によって、細胞内の脂肪酸を酸化分解し熱に変換する。UCP1は、エネルギーを熱として放散する分子であり,エネルギー消費の自律的調節に寄与している。褐色脂肪組織の熱産生能力は、他の組織のおよそ100倍と格段に高い。褐色脂肪は生体で熱産生を専門に営む唯一の細胞である。褐色脂肪は,ヒト新生児では生命保護のための体温維持機構の主役として極めて重要な役割を担っている。成人では褐色脂肪の減少と機能低下は肥満関連の各種病態の発症と強く相関する。また、現在社会的課題となっている「健康寿命の延伸」には男性においては肥満・メタボリックシンドロームの改善が最も重要であるとされる。また、肥満や高脂肪食により、遺伝子発現の抑制をもたらすDNAのメチル化(いわゆるエピジェネティクス)が過剰となり、糖尿病の発症要因となる。本研究においては、褐色脂肪の退縮と活性低下機構について、「食品摂取」と「代謝物変動」の視点から褐色脂肪特異的遺伝子のエピジェネティクス解析を行い、詳細な発生機構を解析することを目的としている。これにより、新たな視点からの肥満是正の解決策を見出し、糖尿病などの疾患の予防・改善や健康寿命の延伸に役立てる。当該年度は研究開始初年度にあたり、当初の計画5項目のうち、(1)褐色脂肪退縮・機能低下モデルマウスの作製、(2)既に作製したUCP1蛍光タンパク質発現Tgマウスからのベージュ株化細胞の樹立、の2項目について計画通り実験が推移いしており、上記の自己点検による評価区分を行った。本研究では、褐色脂肪の退縮と活性低下機構について、DNAメチル基転移酵素と脂肪組織炎症反応の関連性を評価することで解明し、さらには食品摂取と代謝変動の視点からマウス等を用いた動物実験を通してベージュ細胞の活性に影響をもたらす食品成分の有効性について解明することを目指した。本年度は、褐色脂肪細胞の機能に影響を及ぼす食品成分の動物での有用性の検証を実施し、その成果を原著論文として発表した。具体的には、食品に含まれる特定の脂肪酸代謝物がUCP1の遺伝子発現量を増加させ、生体内の代謝異常改善に一定の効果を発揮することを見出した。本研究で見いだされた知見は、単なる学術的新規性のみならず当該成分を含む機能性食品の創出に結びつけることで、食品産業界の活性化に寄与することが期待される。また、褐色脂肪特異的遺伝子のエピジェネティクス解析については、現在継続して解析中であり、褐色脂肪細胞で重要な役割を担うUCP1の発現制御にDNAメチル基転移酵素が関与しているか否かを今後検討し、UCP1発現とDNAメチル化の相関性を検証する。

褐色脂肪細胞に影響を与える食品成分の動物での有用性の検証については、概ね順調に研究が進んでいる一方、エピジェネティクス解析を用いたUCP1の発現制御及びDNAメチル基転移酵素との相関に関する検証については、予定よりやや遅れて研究が進行している。褐色脂肪細胞(褐色脂肪)は、熱産生を専門に営む唯一の細胞であり、活発に脂肪を消費し熱に変換する。その「退縮」と「活性低下」は、いわゆる「中年太り」の主要因となる。また、肥満や高脂肪食によりエピゲノム調節を介した遺伝子発現調節機構が変化し、肥満や肥満に伴う生活習慣病のの発症要因となることが示唆されている。本研究では、褐色脂肪の退縮と活性低下に関して、エピゲノム調節の関連性など諸々新規分子機構について検討、解明することを目的とした。本年度の主要な実績としては、脂肪組織の褐色化あるいは褐色脂肪組織の恒常性維持に関わる重要なメカニズムを解明した点が挙げられる。まず、脂肪組織の褐色化については、過去の多くの先行研究において、βアドレナリン刺激によって、Uncoupling Protein 1 (UCP-1)発現量が上昇することが重要であることが示されてきているが、その作用メカニズムについては不明確な点が多く残されていた。今回、我々の研究グループでは、この作用にhistone deacetylase (HDAC)の発現低下に伴うUCP-1プロモーター上のヒストン修飾の変化が重要な役割を果たすことを明らかにした。加えて、肥満状態の脂肪組織において惹起される小胞体ストレスが脂肪組織の褐色化に対して抑制的に機能することを見出し、本機構には核内受容体型転写因子、PPARgammaの活性低下が寄与することを明らかにした。また、褐色脂肪組織の恒常性維持に関する研究では、3-hydroxy-3-methylglutaryl-CoA reductase (HMGCR)が、褐色脂肪組織の恒常性維持において重要な役割を示すことを見出した。本研究の今後の推進方策は、応募者のこれまでの研究成果を発展させ、熱産生機能を持つ褐色脂肪の退縮と活性低下機構を個体および細胞レベルで解析し、褐色脂肪の有用特性を活用するための基盤研究の確立を目指すことにある。そのために、下記の5項目の研究方策を予定している。既に下記の(1)および(2)は実施できており、今後は、残りの3項目に取り組む方針である。(1)褐色脂肪退縮・機能低下モデルマウスの作製、(2)既に作製したUCP1蛍光タンパク質発現Tgマウスからのベージュ株化細胞の樹立、(3)褐色脂肪特異的遺伝子のエピジェネティック解析法の確立、(4)本解析法によるマウスおよびベージュ株化細胞を用いた褐色脂肪の退縮・機能低下に関わるDNAメチル化機構の解明、(5) DNAメチル化機構を促進あるいは抑制する食品因子および体内代謝物の特定を行う。ベージュ細胞の退縮と活性低下の防止及び改善をもたらす食品成分の動物での有用性の検証については、今後さらなる作用機序の解明あるいは新たな食品成分の探索に主軸を置いて研究を進める。また、UCP1発現とDNAメチル化の相関性の検証については、エピジェネティク解析を活用した詳細な検討を今後実施する。翌年度、交付申請を辞退するため、記入しない。
計算複雑性的アプローチによる量子多体系の理論研究

平成29年度は8月1日付で異動となったため、特別研究員としては四か月の研究期間となった。その期間で、予定通り「quantum pseudo-randomness(ユニタリ・デザイン)」と呼ばれる量子系でのランダムなコヒーレントダイナミクスに関する研究に取り組んだ。特に、申請時の研究計画1,2に対応し、「1.昨年度に得られた『量子回路およびハミルトニアンを用いたquantum pseudo-randomnessの効率的な生成方法』のフォローアップ」、「2.系の対称性を保存するランダム・コヒーレントダイナミクスを用いたホログラフィック原理の導出、及びブラックホールの情報パラドクスの理解の深化」の二課題に力を入れて研究を行った。近年、量子情報科学の理論・実験両面においてランダム・コヒーレントダイナミクスの重要性が再認識されており、量子コンピュータの実現・量子通信への応用のために、実際にランダムダイナミクスを用いることが増えている。しかし、その重要性の一方で、ランダムなコヒーレントダイナミクスを大規模な実験系で実現することは容易ではないことが知られていた。今回の研究成果は、課題1によってそのようなダイナミクスを実際の実験系で実現する簡潔な手法を提案し、また、課題2によって新たな物理・工学への応用を提案することに成功しているため、量子情報科学の今後に大きく貢献するものである。これらの研究に並行し、申請時の研究計画3への予備研究として、複雑なコヒーレントダイナミクスが重要な役割を果たしていると考えられる「孤立量子系での熱緩和現象」を計算複雑性の観点から解析した。その結果、複雑なダイナミクスと熱緩和現象を結びつけるためには、従来の熱力学を少し広げた枠組みで議論した方がよいことが判明し、今後に繋がる成果を得られた。29年度が最終年度であるため、記入しない。平成27年度は「1.対角量子回路を用いたユニタリ・デザインとdecouplingの実装方法」および「2.相転移現象の計算複雑性の観点からの特徴づけ」の研究を行った。研究1は、交付申請時の研究実施計画の「ランダムユニタリを近似するユニタリ・デザイン」と「対角量子回路を用いたdecoupling」に該当する研究である。申請時はdecouplingに関してのみ対角量子回路を用いた研究を行う予定であったが、研究過程で新発見を得たため、対角量子回路を用いたユニタリ・デザインに関する研究も行った。対角量子回路は極めて古典に近い量子計算モデルだが、その「弱い量子性」でも達成可能な量子タスクを解析する本研究は、量子と古典の境界を操作論的に明らかにすることに繋がる。平成27年度は、二種の対角量子回路を用いることでユニタリ・デザインおよびdecouplingを近似実装可能であることを示した。ユニタリ・デザインやdecouplingは、量子情報処理で有用であるだけでなく、複雑な物理系における典型的なダイナミクスをうまく記述すると考えられている。そのため、本結果は、量子情報処理の容易な実装法の提案と、複雑な物理系の典型的ダイナミクスの理解の深化という二重の意味で、量子情報科学に貢献するものである。研究2は、近年の量子計算複雑性理論の急激な発展を踏まえ、研究実施計画「量子SAT問題の計算複雑性の理解の深化」を変更して新たに設定したものである。平成27年度は、「多体系の有限温度相図の一点において系の熱力学的情報を得ることができれば、同相内の任意の点における熱力学的性質もシミュレート可能」と予想し、研究を進めた。現在、その証明に向けて研究を進めている最中であるが、証明に向けての方針、および、その方針が無限次相転移を伴う相変化をも扱いうることが判明しており、次年度に繋がる成果を得られたと考えている。申請時の研究実施計画では、平成27年度は「A.ランダムユニタリを近似するユニタリ・デザインの精密化」「B.対角量子回路を用いたdecouplingの実装」「C.量子SAT問題に量子性を表すパラメータを導入し、その計算複雑性の解析」の三つを目標として定めた。それらの進捗状況は、目標A・Bに関する研究が著しく進展し多くの成果を上げた一方で、目標Cに関しては、より物理的に意義がある問題設定に転換したこともあり、少々進捗が遅れている。目標Aに関しては、ユニタリ・デザインの簡潔な実装方法を提唱することに成功したため、ユニタリ・デザインの精密化に向けての進捗は順調と言える。目標Bに関しては素晴らしい結果を得ることができ、既に二本の論文を国際雑誌に投稿済みである(査読に一年二年程度かかる数理物理の国際雑誌に投稿中のため、年度内に採択には至っていない)。また、AとBの結果を合わせて、国際学会での発表(口頭発表一件・ポスター発表一件)、他大学でのセミナー発表二件(招待発表)を経験するなど、発表の点でも順調に成果を上げることが出来た。一方で、予想以上に進展した目標A・Bの研究に多くの時間を割いたことにより、目標Cの進捗が少々遅れることとなった。近年の量子計算量理論の急激な発展に合わせて交付申請時の予定を変更した点も、目標Cの進捗に影響した。想定以上の結果を得た研究課題に時間リソースを割くことは理に適っているが、申請時の計画を変更したことは当初の予測が十分ではなかったことを意味しているため、今後は適切な研究課題を設定し、予定通り研究を進捗させられるようにしたい。以上、目標Cに関しては多少の遅れがあるものの、総合的にはおおむね順調な進捗状況にあると考える。

平成28年度は、「quantum pseudo-randomness(ユニタリ・デザイン)」と呼ばれる量子多体系におけるランダムな時間発展をいかに効率よく生成するか、という課題に主に取り組んだ。また、その応用に関する研究も行った。本研究成果は、平成28年度研究計画の「1.対角量子回路を用いたユニタリ・デザインの実装、およびユニタリ・デザインの精密化」に対応する。今年度はまず、研究実施計画通り、「二体相互作用のみで構成された量子回路を用いてquantum pseudo-randomnessを効率的に生成する方法」を得ることに成功した。この結果は、量子多体系において「ある種の量子カオス的な多体系においてはquantum pseudo-randomnessが極めて短時間で自発的に実現する」ことを意味している。Quantum pseudo-randomnessは多くの量子情報処理プロトコルで有意義なだけでなく、複雑な量子多体系での基礎物理においても重要な役割を果たすことが近年分かってきたため、本研究成果は量子情報及び基礎物理の双方に貢献するものである。さらに、quantum pseudo-randomnessの応用として、quantum pseudo-randomnessと、ある特殊な性質を持つ量子状態の関連を詳細に解析した。その特殊な性質は、ある数理物理的な予想に関連していると考えられるが、特定の状況下でのquantum pseudo-randomnessを仮定することで、その予想をミクロスコピックな描像から導出できる可能性を示唆する結果を得た。この結果は、特に基礎物理において大きな意義を持つ。これらの研究成果に並行し、平成27年度に得られた結果をさらに向上する結果や、共同研究として量子測定に必要なエネルギーコストに関する研究成果を挙げることにも成功した。平成28年度の研究実施計画では、「対角量子回路を用いたユニタリ・デザインの実装および、ユニタリ・デザインの精密化」および「有限温度多体系における相図の計算量的特徴づけ」を年度目標として定めた。前者の目標に関しては研究が著しく発展し、大きな成果を挙げることに成功した。一方で、その研究に時間を割いたため、後者の目標達成に関しては進捗が遅れている。その他、研究実施計画以外にも、「量子測定のエネルギーコスト」に関する共同研究で成果を得ることに成功した。より具体的な進捗状況としては、前者に関しては、異なる研究成果を三つの国際会議で発表し、それぞれの会議で多くの質問を受けて高評価を得た。得られた成果は三つの学術雑誌に投稿済みで、そのうちの一部は既にPhysical Review Xから出版された。さらに、得られた研究成果をさらに発展することにも成功しており、成果および発表の双方で非常に順調に推移している。一方で、予想以上の成果に繋がった前者の研究課題に多くの時間を割いたため、後者の研究課題の進捗状況が少し遅れが出た。この研究計画の遅延に関しては、前者の課題に関連する研究が世界的に盛り上がりを見せているため、そちらに研究リソースを割くべき状況であったこと、また、当初の計画外であった共同研究が進展したことも強く影響している。
組織再生因子誘導剤徐放性ステントグラフトの開発

ステントグラフトの作製には、局所濃度を長期間維持させるため、slow-releasing製剤であるONO1301含有Poly-lactic acid microsphere (ONO1301MS)を使用した。ステンレススチールZステントとウーブンポリエステルグラフトからなるステントグラフト(SG)に、ゼラチンに懸濁したONO1301 MSを塗布、乾燥固着させ、力学的引張試験、組織学的検討、mRNA解析を行った。ONO1301の大動脈内の組織濃度は3ヶ月においても有効な濃度が維持されており、2ヶ月後においても薬剤放出(0.57±0.57 ng/dl)が維持された。力学的引張試験では、5 x 10mm大の短冊状に切り出した大動脈壁とグラフトをTensilon RTC 1150Aにより牽引したところ、剥脱に必要な最大荷重は、大動脈内留置期間が長いほど増加し、2ヶ月においてONO1301投与群で有意な固着力の増加を認めた。組織学的検討では、新生内膜表面にはCD31陽性細胞を、その下層にα-SMA陽性細胞の増生を認め、時間を経るに従い良好な再組織化を認めた。またマッソントリクローム染色にてステントグラフト-大動脈壁間の間質の増生の程度を定量すると、2,3ヶ月においてONO1301投与群において有意に間質化の促進が認められた。さらに、残存グラフト線維内細胞数をカウントすると、1,2ヶ月においてONO1301投与群で有意に細胞数が増加していた。薬剤溶出性ステントグラフトによりステントグラフトと大動脈間の不十分な固着に起因する合併症を回避できる可能性が示唆された。
自動運転に向けた車載MIMOレーダにおける仮想センサアレーの多次元化

本研究では,自動運転を支える車載MIMO (Multiple-Input Multiple-Output)レーダの送信側に,空間領域,角度領域,符号領域のダイバーシチ技術を複合的に適用することにより,ターゲット推定性能を向上させることを目的としてきた.複合送信ダイバーシチ技術の導入により,受信側の仮想センサ(アンテナ)アレーの素子配置が多次元化され,目標物(ターゲット)の位置など様々な情報を得ることができる.2018年度(平成30年度)の具体的な成果を以下に述べる.(1)拡散符号を用いた送信ダイバーシチ平均手法(TCDS)を適用した場合,拡散利得と平均効果により,ターゲットからの受信角推定もターゲットの反射係数推定も推定精度の向上することが確認できた.(2)マルチビームを用いた送信ビームダイバーシチ(TBD)を適用した場合,マルチビームを形成する方向次第では,角度分解能が変化しターゲット推定が困難になる場合があることが分かった.また,適切にビーム形成すると角度領域のダイバーシチと送信電力の有効活用の効果により,従来のMIMOレーダより受信角推定の推定精度が明らかに高くなることを確認した.(3) TCDSとTBDを組み合わせた複合送信ダイバーシチ技術(TBCDS)をMIMOレーダに導入した場合は,受信角推定の更なる推定精度の向上が確認された.(4)ターゲットの角度広がりの推定においても,積分型モードベクトルを用いた推定手法(例えばCapon法)に複合送信ダイバーシチ技術(TBCDS)を導入することにより,ターゲット推定(中心角度と角度広がり)の性能が向上することを示した.特に低SNRにおける改善効果が大きいことも確認した.MIMOレーダにおいて,符号領域と角度領域の複合送信ダイバーシチの導入により,ターゲット方向の推定,ターゲットの角度広がり,およびターゲットの反射係数の大きさの推定精度が改善されることを示し,従来のMIMOレーダより大幅に性能向上することを確認できた.特に低SNR状況での性能向上が大きいことが示された.自動運転を支える車載MIMOレーダに要求される機能および性能としては重要なポイントである.(1)車載MIMOレーダ用推定アルゴリズムの高性能化MIMOレーダ用推定アルゴリズムとしてパラメータ探索型のCapon法を主に用いてきたが,今後はMUSIC法および非探索型のESPRIT法やDOA-Matrix法に基づく推定手法を提案し,その基本特性を明確にする.また,1スナップショット(1時間サンプル)で推定可能な圧縮センシング技術の適用可能性も探る.(2) MIMOレーダの受信アレーの仮想多次元化MIMOレーダの送信側で,空間領域,周波数領域,角度領域,符号領域など多次元にわたるダイバーシチ技術について検討してきたが,今後は多次元送信技術を用いて観測データ(仮想センサアレー)を多次元化し,より高い効率と精度で推定できる方式の実現を目指す.特に仮想アレーの2次元配列化を行うと,ターゲットの方位角と仰角の推定が可能となり,水平方向のみならず垂直方向においてもターゲット検知が出来るようになる.更には,送信側のマルチアンテナに適応ビーム形成機能をもたせることにより,個々のターゲットの大きさなどの特徴抽出をより精度良く行うことができる可能性が高くなるので,その実現可能性と有効性を探る.本研究では,自動運転を支える車載MIMO (Multiple-Input Multiple-Output)レーダの送信側に,空間領域,角度領域,符号領域のダイバーシチ技術を複合的に適用することにより,ターゲット推定性能を向上させることを目的としてきた.複合送信ダイバーシチ技術の導入により,受信側の仮想センサ(アンテナ)アレーの素子配置が多次元化され,目標物(ターゲット)の位置など様々な情報を得ることができる.2018年度(平成30年度)の具体的な成果を以下に述べる.(1)拡散符号を用いた送信ダイバーシチ平均手法(TCDS)を適用した場合,拡散利得と平均効果により,ターゲットからの受信角推定もターゲットの反射係数推定も推定精度の向上することが確認できた.(2)マルチビームを用いた送信ビームダイバーシチ(TBD)を適用した場合,マルチビームを形成する方向次第では,角度分解能が変化しターゲット推定が困難になる場合があることが分かった.また,適切にビーム形成すると角度領域のダイバーシチと送信電力の有効活用の効果により,従来のMIMOレーダより受信角推定の推定精度が明らかに高くなることを確認した.(3) TCDSとTBDを組み合わせた複合送信ダイバーシチ技術(TBCDS)をMIMOレーダに導入した場合は,受信角推定の更なる推定精度の向上が確認された.(4)ターゲットの角度広がりの推定においても,積分型モードベクトルを用いた推定手法(例えばCapon法)に複合送信ダイバーシチ技術(TBCDS)を導入することにより,ターゲット推定(中心角度と角度広がり)の性能が向上することを示した.特に低SNRにおける改善効果が大きいことも確認した.MIMOレーダにおいて,符号領域と角度領域の複合送信ダイバーシチの導入により,ターゲット方向の推定,ターゲットの角度広がり,およびターゲットの反射係数の大きさの推定精度が改善されることを示し,従来のMIMOレーダより大幅に性能向上することを確認できた.特に低SNR状況での性能向上が大きいことが示された.自動運転を支える車載MIMOレーダに要求される機能および性能としては重要なポイントである.(1)車載MIMOレーダ用推定アルゴリズムの高性能化MIMO

レーダ用推定アルゴリズムとしてパラメータ探索型のCapon法を主に用いてきたが,今後はMUSIC法および非探索型のESPRIT法やDOA-Matrix法に基づく推定手法を提案し,その基本特性を明確にする.また,1スナップショット(1時間サンプル)で推定可能な圧縮センシング技術の適用可能性も探る.(2) MIMOレーダの受信アレーの仮想多次元化MIMOレーダの送信側で,空間領域,周波数領域,角度領域,符号領域など多次元にわたるダイバーシチ技術について検討してきたが,今後は多次元送信技術を用いて観測データ(仮想センサアレー)を多次元化し,より高い効率と精度で推定できる方式の実現を目指す.特に仮想アレーの2次元配列化を行うと,ターゲットの方位角と仰角の推定が可能となり,水平方向のみならず垂直方向においてもターゲット検知が出来るようになる.更には,送信側のマルチアンテナに適応ビーム形成機能をもたせることにより,個々のターゲットの大きさなどの特徴抽出をより精度良く行うことができる可能性が高くなるので,その実現可能性と有効性を探る.(理由)当初,電磁界シミュレータ(FEKO)を購入する予定であったが,レイトレーシング機能など,より自動車用のレーダ解析に適合した機能をもつ電磁界シミュレータの購入を次年度に行うこととした.(使用計画)レイトレーシング機能を有する電磁界シミュレータ(HFSS)を購入する予定である.この電磁界シミュレータにより,ターゲットへの放射電磁界およびターゲットからの反射電磁界を現実に近い形で得ることができ,MIMOレーダのより高い性能評価が出来る.
実時間的な台風風災害予測法の研究

本研究の目低は、台風が日本に上陸した時点で気圧場の性質を実時間的に解析し、数時間先まで予測を行い、風災害による被害を発生する少し前に推定し、短期的な防災対策に役立てることにある。したがってこの研究の根幹は、1)台風の気圧場と風の予測2)風と住宅およびその他構造物の被害予測3)風と風波、高潮、海塩粒子生成の予測にある。1)について光田、藤井は長年研究を続け、予測法を確立したが、本年度はその方法を最近の顕著台風に適用し、解析例を増やし、気圧場の予測、風速の予測の精度を上げた。2)について桂、林等は本年度1998年日本に上陸し被害をもたらした台風7号10号に伴って発生した住宅、電柱、構造物の被害から被害予測の精度の向上を期した。松本等は強風の土木構造物への影響について調べるため基礎的な実験を行った。本年度は4カ年継続した研究の最終年度にあたる。12月18日京都大学防災研究所において、メンバーとそれに加えて、この問題に興味をもつ研究者の出席を得て「実時間的な台風風災害予測法」の研究会を開催した。本研究によって木造住宅、配電柱の被害、沿岸での高潮被害、海塩粒子による塩害などがある程度予測することが出来るようになった。この研究期間が終了するにあたり、この研究に関連した報告文をあつめ1.台風の性状に関する研究(7編)2.強風の性状に関する研究(17編)3.構造物の台風災害に関する研究(25編)4.台風による農林災害に関する研究(4編)5.台風による沿岸海洋災害に関する研究(13編)6.台風による風災害の実時間的予測法に関する研究(8編)計74編からなる報告書を出版した。本研究の目的は、台風が日本に接近してきた時点で、気象庁各観測所の観測資料及び人工衛星画像からその台風の諸特性を求め、これに過去の台風の性質及び風による被害に関する諸統計を利用して、台風の日本接近あるいは上陸後の進路及び強度の予測を行う。さらに、それに伴う風の推定値から、風による災害の程度を予測するための方法を確立することにある。本研究グループでは、台風とその被害について長年にわたり研究しており知識の蓄積が充分にある。したがって、本研究においてもまず今日までに得られている知識を再整理し、その不足している点についての補充研究を行うこと、及び実時間的な処理を行い迅速に被害予測を行うために、気象情報を簡単に入手するための方策を確立することが初年度の目標である。まず、台風に関する研究の補充としては、台風の気圧分布型について、指数関数型の気圧分布のパラメータを1つ増して3個とすることによって正確な表現が可能かどうかについて過去の観測データの集積から再検討を行った。その結果は最大風速半径の極端に小さいもの以外については、その効果はそれほど大きくないことがわかった(藤井・光田, 1995)。また、台風の最大風速半径が気圧場に対応するものよりも、地表で観測される実際の風速場から求められたものが小さいということに注目し、数値シミュレーション上で確かめることを試みたが、定量的な結果を得るまでには至らなかった(光田・石川, 1996)。さらに、1991年19号台風について、計算で求めた風速と実際の建物被害の関係について推計を行い実験式を求めて、それを1990年19号台風について調べてみた(光田・藤井, 1996)。また、被害計算法の一つの試みをまとめて発表することにした(Mitsuta & Fujii, 1996)。データ収集については、気象協会のMICOSの情報を専用回線で入手するシステムを初年度に完成することができた。

本研究は昨年度に引き続き台風による風災害(高潮、塩害を含む)の解析とその結果を風災害予測モデルに集成していくための作業を行った。そして、その中間的な結果を米国土木学会において発表するとともに日本語による論文を作成した。予測システムについては、気象情報受信装置の記録保存部分を改良し毎月の資料を記録・保管できるようになった。データ表示用にカラーモニタ装置を購入し増設した。また、台風毎時観測記録を自動的にプロットし、同時に計算機にデータを入力して自動的に台風の気象要素を計算するシステムを完成した。次年度には風速分布、被害予測の部分に着手する予定である。そのシステムに組み込むため被害、高潮、塩害などについての研究を各分担者が続行中である。本研究の目的は、台風が日本に上陸した時点で、日本国内において生ずるであろう風災害を定量的に予測することが可能なソフトウエアを確立することにある。初年度の成果に基づいて主に以下の研究が進められた。台風の進路予測(光田、石川、藤井担当):過去、日本に接近した台風を詳細に解析し、領域毎に進入する速度と、出ていく速度の比を統計値として求めた。台風進路はこの統計値に標準偏差の巾を持つ乱数をかける事によって誤差を含んだ予測進路を求めることが可能である。気圧分布と風の予測(藤井担当):風速は台風の気圧場を求め、これとバランスする傾度風風速を算出する方法によるが、基となる台風内の気圧分布を決める実験式を改良し、傾度風から、地表風に換算する方法についても、地表の摩擦の効果を取り入れた。台風の進路と風速分布の予測は本研究の基礎をなすテーマでこの成果から、台風情報から風速、さらにそれによる被害率の確率を予測する事が可能となる。住宅およびその他構造物被害予測(桂、林、松本、亀田担当):桂は「台風による住宅災害の集中性について」住宅被害の発生が台風に伴う大規模な強風のみならず、局地的な強風によるケースもあることを指摘した。林は「台風9019号と台風9119号の住宅の強風被害について」強風の被害率は、地域によって異なることを指摘した。塩害の予測(田中担当):台風が日本に接近し、または通過したとき、海上で生成された塩分が、どの程度内陸に輸送され、塩害を起こすか、推定する手法の開発を目的として、台風9119号の際各地で得られた塩分の実測試料と輸送理論から算出される量とを比較した。海上での海塩生成は、実験式によるが、海上風速の他、風波、波浪(山下担当)など海の状態も関連し、複雑な問題となる。試算によればかなりの部分の算定が可能である事がわかった。第3年度以降は、台風による冬種被害を求める手法を確立し、台風進路、風速の予測、さらに被害の予測法を作成する。本研究の目的は、台風が日本に上陸した時点で気圧場の性質を実時間的に解析し、数時間先まで予測を行い、風災害による被害を発生する少し前に推定し、短期的な防災対策に役立てることにある。したがってこの研究の根幹は、1)台風の気圧場と風の予測2)風と住宅およびその他構造物の被害予測3)風と風波、高潮、海塩粒子生成の予測にある。1)について光田、藤井は長年研究を続け、予測法を確立したが、本年度はその方法を最近の顕著台風に適用し、解析例を増やし、気圧場の予測、風速の予測の精度を上げた。
人工ウイルスを用いた動物細胞への効率的な遺伝子導入法の開発

本研究では、申請者が開発した遺伝子導入用のカチオニックリピッドベシクルからなる人工遺伝子キャリヤーに対し遺伝子導入効率の向上のために、(1)導入するDNAの保護のためのDNA側のDNA結合性タンパク質による処理、(2)細胞指向性をもたせるためのリピッドベシクルへのリガンドの導入、および(3)ゲノムへの目的遺伝子の組込み機能を付与するためのレトロウイルスインデグラーゼの導入について検討した。まず、導入したDNAの細胞内での分解を抑制し、核への移行を促進する機能を付与するために、安全性が確認されており、DNAと複合体を形成することが知られているプロタミンを遺伝子導入の際に加えることを検討したところ、用いた全ての細胞株およびプラスミドで、プロタミンの添加による遺伝子導入効率および発現量の向上が認められ、最大20倍以上の導入効率および発現量の増大が達成できた。つぎに、組織や細胞への指向性を増すために、細胞表面レセプターと結合するリガンドのリピッドベシクルへの導入を検討し、ターゲットとする細胞で34倍の遺伝子導入効率の増大を達成できた。さらに、本研究の遺伝子キャリヤーリピッドベシクルに対象細胞のゲノムへの組込能を付与するため、レトロウイルスの宿主ゲノム組込みにおいて中心的な役割を担っているインテグラーゼの発現ベクターを作製し、インテグラーゼの認識配列であるLTR領域を部分的に組み込んだ目的遺伝子とともにCHO細胞に遺伝子導入したところ、ゲノムへの組込み効率を十数倍向上させることができた。本年度は、申請者が開発した遺伝子導入用のリピッドベシクルの遺伝子導入効隼の向上のために、ウイルスの遺伝子導入メカニズムの中で重要と考えられる、導入するDNAの保護のためのDNA側の処理と、細胞指向性付与のためのリピッドベシクルへのリガンドの導入を検討した。まず、導入したDNAの細胞内での分解を抑制し、核5への移行を促進する機能を付与するために、安全性が確認されており、DNAと複合体を形成することが知られているプロタミンを遺伝子導入の際に加えることを検討した。5種類の細胞株および3種類のプラスミドを使って、DNAとプロタミンの複合体を形成させたあとリピッドベシクルを混ぜて細胞に遺伝子導入したところ、用いた全ての細胞株およびプラスミドで、プロタミンの添加による遺伝子導入効率および発現量の向上が認められた。適当量のプロタミンの添加によって、最大20倍以上の導入効率および発現量の増大が達成できた。つぎに、遺伝子キャリヤーとして用いているリピッドベシクルに組織や細胞への指向性を増すために、細胞表面レセプターと結合するリガンドのリピッドベシクルへの導入を検討した。非特異的なリガンドとしてインスリンをステアリン酸と結合してリピッドベシクル表面に配位させて遺伝子導入実験を行ったところ、検討した全ての細胞株で34倍の遺伝子導入効率の増大が認められた。特異的なリガンドとしては、肝細胞への指向性をもたせるためにアシアロ糖タンパクレセプターのリガンドとなるラクトースをラクトン化してステアリルアミンと結合させリピッドべシクルに導入したものを作製し、遺伝子導入に用いたところ、肝ガン細胞株であるヘパトーマ細胞でのみ34倍の遺伝子導入効率の増大を達成できた。前年度の研究で組織や細胞への指向性をますために細胞表面のレセプターに対するリガンド物質をリピッドベシクルに取り込ませた遺伝子キャリアーを調整し、特異的な遺伝子導入効率の向上を達成した。また、DNAと複合体を形成することが知られているタンパク質であるプロタミンをリピッドベシクルと複合体を形成させる前にDAN溶液と混合することで導入するDNAのDNaseによる分解からの保護や核への移行を促進し、結果として遺伝子導入効果を向上させることに成功した。これらはいずれもウイルスが宿主細胞に自らの遺伝子を発現させるための戦略と通ずるものであった。本年度はさらに、この遺伝子キャリヤーリピッドベシクルに対象細胞のゲノムへの組込能を付与することを検討した。

このため、レトロウイルスの宿主ゲノム組込みにおいて中心的な役割を担っているインテグラーゼをニワトリレトロウイルスであるRSVからクローニングして発現ベクターを作製し、RSVインテグラーゼの認識配列であるLTR領域を部分的に組み込んだ目的遺伝子をPCR法によって増幅調整し、両者を本研究で開発したリピッドベシクルによってCHO細胞に遺伝子導入した。宿主細胞のゲノムの組み込み効率を評価するために、目的遺伝子としてネオマイシン耐性遺伝子を用い、遺伝子導入処理後G418存在下の培養で生育してきた細胞コロニー数からゲノムへの組込効率を測定したところ、インテグラーゼや部分的なLTRを使わないものと比べて、十数倍向上させることができた。
内圧変動を考慮した強風災害発生メカニズムの解明

近年,台風上陸数の増加や,突発性気象現象の頻発による自然災害が増加している。建築物の安全性を確保する上では,強風に対する安全の確保が重要である。本研究では,特に,強風災害発生の特徴を考慮することにより,建物内外圧の影響を考慮する点が特徴的である。強風災害調査では,平成16年度に発生した台風,竜巻,ダウンバーストに対し精力的な現地調査を実施した。佐賀市竜巻被害,栃木突風被害,静岡県富士市突風,北海道門別町厚賀竜巻,前線による強風東京,台風06号滋賀県近江八幡市新幹線架線被害,台風16号台風18号広島,北海道被害,台風21号愛知豊橋突風,台風22号伊東市宇佐美被害と10件以上に上る。平成17年度は台風自体の上陸数が少なかったため,調査件数は少ないものとなった。しかし,これまで強風は夏から秋にかけての台風が主要因と考えられていたが,冬季に日本海側の低気圧性前線に伴い発生する突風は,秋田県,山形県で大きな被害をもたらした。これらの突風により山形県では羽越線脱線事故が発生した。現地調査を実施し,この脱線事故が,極めて局地的に発生する突風によるものであることをつきとめ,日本風工学会緊急報告会でその調査結果を公表し,突風に対する注意と,災害抑制のための調査研究の必要性をアピールした。また,米国でハリケーンカトリーナが発生し大きな被害をもたらした際,避難所であるスーパードームが被害を受け,十分な機能を果たさなかったことが問題となっている。この事故は建物の内圧の影響が無視できない大空間構造物の風に対する脆弱性の一つの例であり,本研究が目指す建築物内外圧の影響考慮の重要性を示している。建物室内圧の影響については,建物室内圧に関する数理モデルを構築した。数理モデルを用いて,複数の室内が連結されたモデルの内圧の計算をおこない,突風により風上に大きな開口が突然発生する場合の非定常な内圧の様子が再現された。強風災害に関する直接的な現地調査および建築物を対象とした風洞実験,数理モデルによる解析の三位一体の研究姿勢を維持している。強風災害調査では,平成14年度に発生した台風,竜巻,ダウンバーストに対し精力的な現地調査を実施した。具体的には,6月27日佐賀市竜巻被害,6月29日栃木突風被害,9月8日静岡県富士市突風10月22日北海道門別町厚賀竜巻,12月5日前線による強風東京,台風06号滋賀県近江八幡市新幹線架線被害,台風16号Spring8被害,台風18号広島,北海道被害,台風21号愛知豊橋突風,台風22号伊東市宇佐美被害と10件以上に上る。風洞実験による建物に作用する風圧力の調査では,特に強風時に被害の多い屋根部に関する詳細なデータを取得した。これらのデータを解析し,屋根部に作用する風圧力の分布を明らかにした。また,より詳細な資料を得るため,512点の物理量を同時に計測可能なデータ収集装置を開発し,300チャンネル以上の風圧力センサをあわせて用いることにより,風圧力の詳細なデータを得られる環境を整備した。建物室内圧の影響は,外圧の影響と共に強風被害では無視し得ない可能性がある。このため,建物室内圧に関する数理モデルを構築した。

数理モデルの妥当性の検証として,風洞実験による建物モデルの内圧の周波数特性と,数理モデルによる予測値の比較を行い,両者の対応を確認した。数理モデルの適用に当たっては,過去の強風災害事例を参考に,大きな開口部が大空間に存在する場合の被害が顕著である傾向を,構築した数理モデルから明らかにした。近年,台風上陸数の増加や,突発性気象現象の頻発による自然災害が増加している。建築物の安全性を確保する上では,強風に対する安全の確保が重要である。本研究では,特に,強風災害発生の特徴を考慮することにより,建物内外圧の影響を考慮する点が特徴的である。強風災害に関する直接的な現地調査および建築物を対象とした風洞実験,数理モデルによる解析の三位一体の研究姿勢を維持している。強風災害調査では,平成16年度に比べると台風自体の上陸数が少なかったため,調査件数は少ないものとなった。これまで強風は夏から秋にかけての台風が主要因と考えられている。しかしながら,冬季に日本海側の低気圧性前線に伴い発生する突風は,11月8日,12月25日,26日に秋田県,山形県で大きな被害をもたらした。これらの突風により山形県では羽越線脱線事故が発生した。現地調査を実施し,この脱線事故が,極めて局地的に発生する突風によるものであることをつきとめ,日本風工学会による緊急報告会でその調査結果を公表し,突風に対する注意と,災害抑制のための調査研究の必要性をアピールした。また,米国でハリケーンカトリーナが発生し大きな被害をもたらした。この際,避難所であるスーパードームが被害を受け,十分な機能を果たさなかったことが問題となっている。この事故は建物の内圧の影響が無視できない大空間構造物の風に対する脆弱性の一つの例であり,本研究が目指す建築物内外圧の影響考慮の重要性を示している。建物室内圧の影響については,建物室内圧に関する数理モデルを構築した。数理モデルを用いて,複数の室内が連結されたモデルの内圧の計算をおこない,突風により風上に大きな開口が突然発生する場合の非定常な内圧の様子が再現された。
αシヌクレインを削減するエキソソームの生成過程の解明と新規PD治療法開発

Halo Tag;CD63をH4細胞に発現したのち、Halo Tag; STELLA Fluor; 650 Ligandを投与してCD63を蛍光色素で可視化し、超解像顕微鏡でライブイメージングを行った。まずintravesicular vesicles(ILVs)の形成過程を観察した。超解像顕微鏡にてmultivesicular bodies(MVBs)は容易に同定され、MVBs中のILVsも観察し得た。そこでmultivesicular bodies(MVBs)の内向き出芽により極めて短時間でILVsが形成されることがライブで観察され、これまでのILVsの生成過程の仮説が正しいことが裏付けられた。また形成されたILVsは絶え間なく細胞質へ放出されており、形成と放出の過程はダイナミックでMVBs内のILVs数は常に変動していることを観察した。そしてILVsが減少することが知られているパーキンソン病の原因遺伝子産物の1つであるATP13A2の発現抑制とmultivesicular bodiesのpHを上昇するBafilomycin A1の投与を行なったところ、共にMVBsの内向き出芽が抑制されることによりILVsが減少することを観察した。さらにMVBsは細胞内を比較的自由に移動しており、神経系の細胞における樹状突起や軸索側への移動は、超解像顕微鏡にてライブで観察することは困難であった。これまでにMVBsを細胞膜へ移動することが知られているionomycin投与でもMVBsの一定方向への動きは観察されなかった。また他の小胞を分離して観察する実験では、ライソゾームのマーカーとしてHalo Tag&;LAMP-1をearly endosomeのマーカーとしてHalo Tag&;EEA1を用いたが、多くの小胞がこれらの膜タンパク質を共発現しており、分離して観察は困難であった。昨年度1年間で予定していた実験は概ね完了することができており、順調に進展していると言える。同時に超解像顕微鏡のライブイメージングの限界もあり、本年度は予定通り、α-synucleinの神経細胞間伝播にエキソソームの果たす役割りの解析に移る。平成31年度の実験にあたり、すでにiPS細胞の培養を開始し、順調に増殖しており近いうちにmicrofluidicsを用いた培養システムに移す予定である。またAlexa555でラベルしたα-synucleinをH4細胞に取り込ませて、放出されたAlexa555-α-synを含有するエキソソームも分離している。これらを用いて、上のチャンバーに健常人のドパミン細胞もしくはKRS患者由来のATP13A2の変異を有するドパミン細胞を培養し、下のチャンバーに健常人のドパミン細胞を培養する。そしてまず、上のチャンバーの細胞に取り込ませたAlexa555-α-synを含有するエキソソームが下のチャンバーの細胞に伝播するのか検討する。そしてATP13A2の変異によるエキソソームの放出低下が与える影響を、KRS患者由来のATP13A2の変異を有するドパミン細胞を上のチャンバーに培養して解明する。またレンチウイルスを用いたATP13A2の過剰発現が与える影響も解明する。

これらを用いて、上のチャンバーに健常人のドパミン細胞もしくはKRS患者由来のATP13A2の変異を有するドパミン細胞を培養し、下のチャンバーに健常人のドパミン細胞を培養する。そしてまず、上のチャンバーの細胞に取り込ませたAlexa555-α-synを含有するエキソソームが下のチャンバーの細胞に伝播するのか検討する。そしてATP13A2の変異によるエキソソームの放出低下が与える影響を、KRS患者由来のATP13A2の変異を有するドパミン細胞を上のチャンバーに培養して解明する。またレンチウイルスを用いたATP13A2の過剰発現が与える影響も解明する。
クロムの体内動態に関する基礎的研究

本研究では、クロムと糖尿病の関連性を明らかにするために、血糖値変動が生体内クロム動態に及ぼす影響を検討した。また、ヒトにおけるクロム必要量には不明な点が多いため、健常若年女性を対象とした出納試験を行った。その結果、体内クロム動態は一時的な高血糖状態では変化せず、高血糖状態が数日継続することで尿中クロム濃度および排泄量の変動が認められた。出納試験では、生活習慣や食生活の内容が出納の正負に影響していることが推察された。クロム(Cr)は糖代謝に関与する必須微量元素であるが、糖尿病の発症や進行に関連しているかどうかは不明である。我々は、尿中Cr排泄量が数日間の継続的な高血糖状態で増加することをこれまでの研究から明らかにしている。そこで本研究では、高血糖でのCr動態を解析することを目的として、ストレプトゾトシン(STZ)を投与して高血糖を誘発したマウスまたはラットを用いて体内Cr動態および尿中Cr排泄量を検討した。まず、実験1として、c57BLマウスにSTZを投与して高血糖マウスを作製し、正常マウスを対照として、STZ投与後3日目の24時間尿と各臓器中Cr濃度を測定した。その結果、高血糖マウスの尿中Cr濃度および排泄量は正常マウスと比較して著しく低値を示し、先行の知見と同様であった。一方、高血糖マウスの臓器中Cr濃度は正常マウスと比べて腎臓で有意に高値となった。先行研究において糖尿病マウスでは腎臓中Cr濃度の低下が認められていることから、腎臓中Cr濃度は高血糖惹起後一時的に上昇する可能性が示唆された。以上の結果をふまえて、実験2ではカニューレ手術を施したSDラットにSTZ投与した高血糖ラットを作製し、カニューレ手術のみを施したSDラットを対照として、血糖値の変動が体内Cr動態に影響するかどうか血漿中Cr濃度を指標として検討した。STZ投与後3日目にグルコース投与後経時的に採血し、血糖値および血漿中インスリン濃度と血漿中Cr濃度を測定した結果、血漿中Cr濃度はグルコース投与による血糖値上昇に伴って低下し、血漿中インスリン濃度や高血糖状態の影響を受けないことが明らかになった。したがって、体内Cr動態は高血糖状態が数日続くと尿中Cr濃度および排泄量とともに変化し始め、高血糖状態の期間によって変動する可能性があり、血漿中Cr濃度と体内Cr動態との関連性は今後詳細に検討する必要がある。現在我が国で用いられている「日本人の食事摂取基準」では、クロム(Cr)の推定平均必要量および推奨量が海外のデータを基に策定されている。これは、日本人を対象としたCrの調査が乏しいためであり、今後は日本人における基礎的なデータの蓄積が重要であると考えられる。そこで、当該年度の研究では、研究の趣旨に同意を得られた20歳前後の日本人若年健常女性5名を被験者とし、Cr出納試験を行った。試験期間は1週間とし、その1週間前より食事調査、生活調査等を行い、試験期間中の食事は陰膳法により回収した。試験期間中の尿および糞便は、24時間ごとに全量回収した。回収した食事、尿および糞便はそれぞれ均一化後、マイクロウェーブで湿式分解し、ICP質量分析装置を用いてCr濃度測定した。被験者の尿中Cr排泄量は1日当たり0.18±0.08μgとなり、先行の知見と合致した。総Cr摂食量では9.36±1.83μg/日となり、「日本人の食事摂取基準(2005年版)」で設定されているCrの推定平均必要量を大きく下回る結果となった。また、糞便を採取できた3名の被験者においてCr出納を算出したところ、1名は正の出納を示し、2名は負の出納を示した。負の出納を示した被験者では、正の出納を示した被験者と比べて糞便中Cr排泄量、尿中Cr排泄量ともに高値を示した。この被験者について食習慣および生活習慣を調べたところ、1名は普段の食生活における食物繊維摂取量が多いことが明らかとなった。また、負の出納を示した1名は全く運動習慣のないことが確認され、正の出納を示した1名には習慣的な運動習慣があることが確認された。先行研究において、食物繊維がCrなどの微量元素の排泄を促進することが報告されおり、運動習慣の有無で尿中Cr排泄量が変化することが明らかにされている。以上の結果より、Cr出納では個人差が大きいものの、生活習慣や食生活の内容と関連性があると推察された。