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虚血臓器の遊離カルシウムによる細胞障害過程ーーー細胞骨格の崩壊とミトコンドリアの機能障害

本研究では虚血臓器の細胞障害過程を、細胞内カルシウム動態を中心として、細胞骨格の崩壊とミトコンドリアの機能障害の面から解明することを目的とした。4年間にわたる系統的な研究の結果以下の成果が得られた。(1)肝臓や心臓では無酸素潅流によって細胞質酵素漏出が生ずる。これは無酸素下において、細胞骨格系の破綻によりblebが形成され、それが血流の応力や再潅流時の機械的な収縮力によって剥離されるためと判明した。(2)Fura2を負荷した潅流心にファイバ-誘導型反射蛍光分光光度計を適用し、心筋細胞内のカルシウムレベルをreal timeで測定することが可能となった。これにより心拍対した細胞内カルシウムの変動や、無酸素下でのカルシウム濃度の上昇過程、また再酸素化時におけるカルシウムの挙動と細胞障害の相関など、虚血応細胞障害とカルシウムの関連が動的に捉えられるようになった。(3)虚血後の再酸素化による障害の程度は、細胞内に蓄積されているカルシウム量に依存することが明らかとなった。また再酸素化には主にミトコンドリア酸素が漏出し、細胞質酵素とミトコンドリア酵素の漏出には、それぞれ異なったメカニズムが関与することが示された。(4)単離したミトコンドリアの再酸素化時には過酸化水素が発生し、それに応じてマトリクス酵素が漏出した。この漏出は、Phospholipase A_2活性化による内膜障害が原因ではなく、EGTA、Cyclosporin A、ATPなどによって仰制されることから、カルシウム依存性の非特異的内膜透過性亢進によるものと推測された。本年度はこのテーマを系統的に追求するとともに、細胞内へカルシウムの動員や蓄積をもたらす実験系を確立することに努め、以下の成果が得られた。(1)虚血心筋からの酵素逸脱機序は、虚血中に生じたsubsarcolemnal blebが、血流再開後の筋収縮の物理作用によって崩壊するためであることが判明した。blebの形成と細胞膜の脆弱化は、虚血下においてATP低下により生じた細胞骨格系の障害が原因であり、過酸化等による細胞膜の障害とは無関係であることを実証した。(2)ミトコンドリア内のカルシウムはCaATP^<2->複合体で存在することを報告したが、灌流肝にグルカゴンやノルアドレナリン等、カルシウム動員ホルモンを作用させるとミトコンドリア内のカルシウムとATPが上昇することを見出した。またこのホルモンの下でミトコンドリア内でPPi生成反応をもたらす物質(酢酸等)を投与すると、ミトコンドリアに大量のCappiが蓄積することを発見した。以上のように灌流臓器の外からの操作でミトコンドリア内へカルシウムを蓄積させる実験系を確立した。(3)ミトコンドリアの過酸化物除去はNADPーグルタチオン系に依存しており、その反応過程を定量的に解析した結果、過酸化物除去はNADPH供給力によって決定されることを見出した。またミトコンドリアを無酸素下におくとグルタチオンが漏出してくることが判明した。虚血解除直後は内膜ポテンシャル依存性トランスヒドロゲナーゼは作動せず、また基質供給も不十分なためNADPH供与力も低下しており、過酸化障害を受け易い状態であることが推察された。本研究は、虚血臓器障害過程を、細胞内カルシウムの変動に焦点をあて、細胞骨格の崩壊と、ミトコンドリアの機能障害の面から追求することを目的とした。本年度は、灌流臓器において細胞内遊離カルシウム濃度の測定系を確立すること、無酸素下および再酸素化時におけるミトコンドリア機能障害機序を、カルシウムの変動と過酸化障害の関点から解明することに重点をおき、以下のような成果を得た。

(1)Indo 1とファイバ-誘導型反射分光蛍光システムを用いて、灌流臓器における細胞内遊離カルシウムの測定系を確立した。これにより灌流心の細胞内カルシウムの変動が心の収縮弛緩と同調してreal timeで測定されるようになった。この系を用いて、灌流心では無酸素状態を約20分継続すると細胞内カルシウムの上昇が始まること、また再酸素化により再び下降していくことが確認された。(2)灌流心において、ミトコンドリア酵素の漏出は再酸素化時に生ずることが明らかになった。このことは単離したミトコンドリアでも確認され、ミトコンドリアは再酸素化時に大きな過酸化障害を受けることが明らかとなった。また、ミトコンドリアからのカルシウムの放出は、無酸素下において内膜ポテンシャルの減少とともにチャンネルより放出されるものと、再酸素化時の内膜の崩壊により、ミトコンドリア酵素とともに非特異的に放出されたものが存在することが示された。(3)グルタチオンは細胞質よりプロトンとの共輸送でミトコンドリアに取り込まれることを明らかにした。グルタチオンがマトリックス内に保持されるためには内膜ポテンシャルが必要であること、またこのため虚血時等内膜ポテンシャルが低下する条件下では、ミトコンドリアからのグルタチオンの漏出が生じ、過酸化障害が受けやすくなることが明らかとなった。本研究では虚血臓器の細胞障害過程を、細胞内カルシウムの動態を中心として、細胞骨格の崩壊とミトコンドリアの機能障害の関点から追求する事を目的とした。本年度は虚血下での細胞内カルシウムレベルを動的に追跡するとともに、再酸素化時におけるミトコンドリア内膜の障害をカルシウムとの関連で解析し、以下の成果が得られた。(1)ミトコンドリアを無酸素下においてもマトリックス酵素の漏出はみられないが、途中で再酸素化するとその瞬間急速な酵素の漏出が生じた。これは再酸素下時にマトリックス内の遊離カルシウムが上昇することによる内膜の障害であり、ホスホリパ-ゼの活性化によるものではないことが明らかとなった。またリポソ-ムを用いて膜に過酸化負荷を加えると、内部に含まれる物質の内、カルシウムのみが特異的に遊出してくることが判明し、過酸化障害とカルシウムの放出を考える上で有力な手がかりが得られた。(2)ファイバ-誘導型の反射蛍光分光装置を用いて、潅流心筋細胞内のカルシウムレベルをreal timeで追求することが可能となった。カルシウムレベルは筋収縮に同調して高低を繰り返すこと、また無酸素下ではカルシウムレベルは上昇するが再酸素化により再び低下することが証明された。しかし無酸素状態が長い場合には再酸素化と同時に一旦はカルシウムレベルは低下するがすぐに上昇に転じ、筋が拘縮状態となることが判明した。(3)ミトコンドリア内にはNADPーグルタチオン反応系による過酸化物除去機構が存在する。しかしグルタチオンの合成酵素系はミトコンドリア内には存在せず、グルタチオンは細胞質から輸送されてくるものと考えられていた。ミトコンドリア内膜におけるグルタチオンの輸送を解析したところ、リン酸との交換輸送でなされていることが判明した。本研究では虚血臓器の細胞障害過程を、細胞内カルシウム動態を中心として、細胞骨格の崩壊とミトコンドリアの機能障害の面から解明することを目的とした。本年度はこのテ-マに沿いつつ、虚血障害を主に再酸素化
第VIII因子/VWF複合体の機能制御に基づく新しい抗血栓症戦略

心筋梗塞や脳梗塞をはじめとした致死的な病的血栓症は多彩な要因で成立するが、生体防御に本来必須である止血機構が発症トリガーになると考えられている。止血機構は血小板粘着、凝集相と血液凝固相の2つが協調的に機能して成立するが、興味深いことに各々の相で中心的役割をはたすvonWillebrand因子(VWF:血小板粘着、凝集)と第VIII因子(FVIII:血液凝固)の2分子は生体では複合体を形成して存在することが知られている。本研究では古典的な血小板生物学や血液凝固学の枠組みを越えた視点で、第VIII因子/VWF複合体の包括的な血栓促進機能を生理的血流下で解析し、この複合体の適正な制御による新しい抗血栓症戦略の構築を目標とした。(1)第VIII因子の制御:我々は、強力な生理的線溶因子であるプラスミン(Plm)の第VIII因子制御機能の解明をおこない、PlmがFVIII活性を初期段階で約2倍上昇させ、その後速やかに低下させることを明らかにした。これらの知見で、今まで注目されていなかった凝固系と線溶系の密接なリンクが判明した。(2)VWFの制御:VWFの生物学的機能に大きく関与するマルチマーサイズの制御はADAMTS13がつかさどっているが、今回、ADAMTSI3によるVWF切断活性発現メカニズムを生理的な前血流動状況下で解析した。その結果、ADAMTS13は高ずり応力下での血栓形成現場でVWFを切断し、リアルタイムにVWF機能ならびに血栓成長を制御していることが判明した。このADAMTS13のVWF切断メカニズムはずり応力依存性であり、血流に直接暴露される血栓外表面部に優先的であった。今回明らかとなったADAMTS13のVWF切断メカニズムは、血栓性血小板減少性紫斑病(TTP)の病因論を明確に説明するのみならず、止血機転が機能した後に血管閉塞のみを特異的にブロックするユニークなものであり、止血機能と抗血栓機能とが両立する新世代型の抗血栓症戦略の可能性を示唆する。昨今、本邦では死因としての血栓性疾患の占有率が悪性新生物を上回る勢いで増大しており、血栓症に対する社会的な関心が高まっている。したがって、止血機構の適正な制御が血栓症対策には本質的であるが、反面、常に出血リスクと直面することになる。止血機構は血小板粘着・凝集相と血液凝固相の2つが協調的に機能して成立するが、興味深いことに各々の相で中心的役割をはたすvon Willebrand因子(VWF:血小板粘着・凝集)と第VIII因子(FVIII:血液凝固)の2分子は生体では複合体を形成して存在することが知られている。本研究では古典的な血小板生物学や血液凝国学の枠組みを越えた視点で、第VIII因子/VWF複合体の包括的な血栓促進機能を生理的血流下で解析し、この複合体の適正な制御による新しい抗血栓症戦略の構築を目標とする。研究初年度である平成17年度の経過を以下に述べる。(1)第VIII

因子の制御:新しく開発された高感度のトロンビン形成測定装置を導入し、従来の凝固アッセイでは検出不可能であった微妙な第VIII因子機能の解析をおこなった。これらの成果で出血リスクの低い理想の抗血栓創薬の第1ステップであるスクリーニングに結びつける予定である。(2)VWFの制御:数種抗VWF切断酵素モノクローナル抗体をスクリーニングし、この切断酵素のドメイン構造と生物学的機能の相関を蛋白生化学的手法で解析した。同時に、モノクローナル抗体を用いた新らしい活性測定法を確立した。これらの成果をもとに、フロー実験システムでの(3)第VIII因子/VWF複合体の制御の解析を進めていく予定である。心筋梗塞や脳梗塞をはじめとした致死的な病的血栓症は多彩な要因で成立するが、生体防御に本来必須である止血機構が発症トリガーになると考えられている。止血機構は血小板粘着・凝集相と血液凝固相の2つが協調的に機能して成立するが、興味深いことに各々の相で中心的役割をはたすvon Willebrand因子(VWF:血小板粘着・凝集)と第VIII因子(FVIII:血液凝固)の2分子は生体では複合体を形成して存在することが知られている。本研究では古典的な血小板生物学や血液凝固学の枠組みを越えた視点で、第VIII因子/VWF複合体の包括的な血栓促進機能を生理的血流下で解析し、この複合体の適正な制御による新しい抗血栓症戦略の構築を目標とする。研究初年度である平成17年度は、(1)第VIII因子の制御:高感度トロンビン形成測定装置を導入し、従来の凝固アッセイでは検出不可能であった微妙な第VIII因子機能の解析をおこなった。同時に、モノクローナル抗体を用いた新しい活性測定法を確立した。これら初年度の成果をもとに、研究第2年度である平成18年度は(1)第VIII因子の制御:強力な生理的線溶因子であるプラスミンの第VIII因子制御機能の分子メカニズムの解明をおこない、血栓形成メカニズムにおける第VIII因子の適正制御デザインの構築を進めた。(2)VWFの制御:初年度に確立したモノクローナル抗体を基盤とした新しいVWF切断酵素活性測定法を用いて、肝疾患を中心とした後天的ADAMTS13欠乏症の病態解析をすすめた。(3)同時に、VWF切断酵素活性を生理的血流下で評価する系を確立し、ずり速度依存性のADAMTS13活性発現機構を解析した。研究最終年度である平成19年度にはこれらの成果をもとに、包括的に第VIII因子/VWF複合体制御を基盤とする血栓形成制御戦略の構築を押し進める予定である。平成19年度には(1)第VIII
振動台実験に基づく木造立体架構のねじれ応答に地震動の入力方向が及ぼす影響

(1)単層木造立体架構の振動台実験から、以下のことがわかった。同一地震波に対する試験体のねじれ応答は並振時に比べ斜振時に大きくなること、また、ねじれの指標である応力増分係数は偏心率が0.150.3の場合に大きくなること、すなわち、この領域で現行規準のねじれ補正係数や形状係数は危険側の評価となっていることがわかった。(2)種々の吹き抜けを有する2層木質立体架構の振動台実験から、弱壁側に床開口が存在する場合に建物はねじれやすくなること、1Fに質量偏心がある場合には、質量偏心の影響が質量偏心のない2Fのねじれの指標である応答変位比にも現れることがわかった。応答変位比への影響は、1Fでは質量偏心による影響が大きく、2Fでは床開口による影響が大きく現れることがわかった。数年前から直交壁が建物の振動特性に与える影響について,まず1層立体軸組,ついで2層立体軸組を用いて,1方向入力による振動台実験を行い検討してきた。さらに,試験体を加振方向軸線から15度回転させて,斜め方向入射についても検討を行ってきた。昨年度は,2階床の開口パターンの違いが,建物のねじれ振動特性に及ぼす影響について,振動台実験による検討を行った。ただし,影響因子とねじれ応答との関係を直接得ることができるように,試験体を単純化し,1,2階の加振方向剛性が全く同じになるような順偏心の耐力壁からなる試験体を用いた。その結果,床開口(吹き抜け)を加振方向壁のうち強壁側に設けると,ねじれ応答を抑える効果があることがわかった。しかし,一般の建物では,1階よりも2階の剛性は小さく,また,偏心が1,2階で異なる。そこで,本年度は,影響因子が増えて複雑になるが,逆偏心の場合について検討を行い,床開口パターンとねじれ振動との一般的な関係を明らかにする予定である。これらのことが明らかになれば,大きな床開口を設けたい場合に,床開口をどのような配置にすれば,ねじれ応答を小さくできるかを知ることができ,実務設計上有用である。本研究の目的は,2階建木造建物の2階床に開口が存在する場合に,開口の位置と大きさの違いが建物の振動特性(主にねじれ振動特性)にどのような影響を及ぼすのかについて振動台実験により検討することである.ただし,弾性範囲内での実験とする.床開口による影響は,純粋な床開口による影響と床開口が存在することで生じる質量偏心による影響からなる.そこで,これらの影響の違いを実験により検討するために,以下のような試験体シリーズを用いる.(a)床開口タイプの違いによる影響のみを検討する試験体シリーズ,(b)質量偏心の影響を検討する試験体シリーズ,(c)床開口タイプと質量偏心の影響が混在した性質を検討する試験体シリーズ,また,入力の影響を検討するために,El-Centro,JMA-Kobe,BCJ-Lv2を採用するとともに加速度の大きさがねじれ振動特性に及ぼす影響についても検討した。このように,できるだけ,ねじれ振動特性の一般性を追求するために,多くのケースについて丁寧な実験を行った。その結果分かったことは,以下の通りである。・床開口のみの影響をみる試験体シリーズ(a)の実験結果から,弱壁側に床開口が存在する場合に建物はねじれ易くなり,強壁側に床開口が存在する場合はねじれ難くなる。・質量偏心の影響をみるための試験体シリーズ(b)の実験結果から,弱壁側開口による質量偏心でねじれ難くなり,強壁側による質量偏心でねじれ易くなる。また,1Fに質量偏心がある場合には、質量偏心の影響が質量偏心のない2Fの応答変位比にも現れる。・床開口と質量偏心の生じる試験体シリーズ(c)の場合,層間変位比への影響は,1Fでは質量偏心による影響が大きく,2Fでは床開口による影響が大きく現れる。入力地震波の違いによる層間変位比への影響は,入力地震波により違いがみられる。研究開始当初の背景(1)地震時における木造住宅のねじれ応答は、必ずしも静力学的特性だけからでは評価できない。この理由として、建物の静的剛心と地震時における実際の動的ねじれ中心とが一致しないこと、斜め入射時の建物応答特性との関係が考慮されていないことなどが考えられる。従って、現行設計法におけるねじれ補正係数、あるいは形状係数Feによるねじれ評価は動的評価とはなっていない。(2)吹き抜けや階段室などにより床剛性が低い場合(柔床)には、床構面での応力の不連続、応力集中が生じねじれやすくなる。

柔床に関する既往の実験的研究例は数多くあるが、床開口の配置の違いに着目した実大架構を用いた振動台実験は現在のところ行われていない。研究成果の概要(1)単層木造立体架構の振動台実験から、以下のことがわかった。同一地震波に対する試験体のねじれ応答は並振時に比べ斜振時に大きくなること、また、ねじれの指標である応力増分係数は偏心率が0.150.3の場合に大きくなること、すなわち、この領域で現行規準のねじれ補正係数や形状係数は危険側の評価となっていることがわかった。(2)種々の吹き抜けを有する2層木質立体架構の振動台実験から、弱壁側に床開口が存在する場合に建物はねじれやすくなること、1Fに質量偏心がある場合には、質量偏心の影響が質量偏心のない2Fのねじれの指標である応答変位比にも現れることがわかった。応答変位比への影響は、1Fでは質量偏心による影響が大きく、2Fでは床開口による影響が大きく現れることがわかった。実験により,予想した成果が得られている。24年度が最終年度であるため、記入しない。本研究で用いた試験体は,振動台の制約から高さは実物大であるが小さい平面形のものであった。従って,規模の大きい試験体での検討が残された課題である。それとともに,順偏心,逆偏心時のねじれ振動特性を対比してまとめることも大事である。
確率的手法に基づく符号理論の新展開

現代符号理論の深化,ならびにその学際分野への展開を目指して、本研究課題は、(1)統計力学的手法に基づくLDPC/LDGM符号の理論の深化(三村・和田山)(2)疎グラフに基づく観測系における推定理論の構築(和田山)(3)疎なランダムグラフの理論への貢献と応用(和田山・泉)を中心に研究に取り組んだ。主たる研究成果として、疎グラフに基づくグループテストに対する情報理論的解析、疎グラフに基づく非線形符号の重み分布解析、ランダムグラフにおける種々の問題、ロバースの局所補題の応用、分散グラフアルゴリズムにおける通信複雑性とそれを用いた計算時間限界解析が挙げられる。平成25年度の本研究課題に関する研究実績を下記の通り報告する。[1]グループテスト方式に関する情報理論的解析:本課題については、基本的な部分はほぼ終了した。正しく復元が行われるための条件に関して、ファノの不等式に基づく誤り率下界と典型系列復号器の考え方に基づく誤り率上界を証明した。これらの理論は、LDPC符号の性能解析の理論に強く影響を受けており、本研究課題の狙いとする「符号理論の他分野への展開」のひとつの実証事例になったことと考えている。本研究成果の一部は、25年7月にイスタンブールにて開催されたIEEE ISITにて発表が行われた。現時点では、研究の総括ならびに論文準備の最終段階に入っている。[2]母関数的手法に基づくランダムグラフの最小カットに関する解析:本研究においては、次数分布を指定するランダムグラフアンサンブルにおいて、その最小カットの統計的振る舞いについて理論的な研究を行った。最小カットは、ネットワークの通信路容量と深く関係する量であり、情報通信の文脈では非常に重要なグラフの特徴量である。本研究では、カット重みと符号の重み分布の関係を利用し、LDPC符号アンサンブルの平均重み分布の結果を拡張することにより、最小カットの確率的評価手法を見出した。類似の結果は見当たらず、工学的見地からみて、ネットワーク通信の文脈で貢献ができたと考えている。本研究もその成果の一部を2013 IEEE ISITにて発表している。また、その内容は論文にすでにまとめて投稿済みである。以上が研究成果に関する実績報告であるが、本研究プロジェクトの活動として、定期的なセミナーを開いたり、プロジェクト参加者間での成果報告会を催すなど意見交換やアイデアの交換の場を多く作り出すことができた。来年度以降の研究活動に良い影響を及ぼすものと考えている。平成26年度の本研究課題に関する研究実績を下記の通り報告する。新しい研究として、状態遷移グラフにより定義される書き込み系に対する書き込み容量を吟味する研究を開始した。書き込み容量は、任意の有向グラフに対して定義される量であり、その評価はわれわれが``Subgraph domaticproblem''と呼ぶ組み合わせ最適化問題の解くことが求められる。本問題に関して、26年度中にわれわれは、いくつかの理論的な結果を得ることができた。確率的手法における重要な技法として知られるロヴァースの局所補題を利用した密グラフの書き込み容量の評価に関する仕事は、本年のISIT2015に採録されている:T.Wadayama, T. Izumi, and H. Ono, “Subgraph DomaticProblem and Writing Capacity of Memory Devices with Restricted State Transitions," to apper, IEEE ISIT2015:情報理論と理論計算機科学にまたがる課題について、確率的手法を応用して得られたこの結果は、本プロジェクトの成果として相応しいものであると考えている。また、ファクターグラフにおけるホログラフィック変換の新しい応用として、グループテストの文脈で新しい双対公式を導くことに成功した。この双対公式は、グループテストにおける事後確率計算の高速化に寄与できる可能性もあり、理論的のみならず工学的な見地からも興味深い結果であると考えている。その成果の一部もISIT2015の採録が決まっている:Tadashi Wadayama, Taisuke Izumi, and Kazushi Mimura, “Bitwise MAP Estimation for Group Testing based on Holographic Transformation," to appear, IEEE ISIT2015:本研究課題は、確率的手法の視点から、現代符号理論の深化,ならびにその学際分野への展開}を目標とするものである。確率的手法(probablistic method)は、符号理論,情報理論,アルゴリズム解析,ランダムグラフ理論などの分野において重要な証明技法となっている。現代符号理論において培われた疎グラフに基づく基づく重み分布解析における理論的知見と確率的手法の融合に基づき,本研究課題では、(1)統計力学的手法に基づくLDPC/LDGM符号の理論の深化、(2)疎グラフに基づく観測系における推定理論の構築、(3)疎なランダムグラフの理論への貢献と応用を目指して研究を実施した。本年度は、最終年度であるので、研究計画全体の総括として本報告を行う。(1)統計力学的手法に基づくLDGM符号の解析の研究の進展として、非線形疎グラフ観測系における理論的展開が挙げられる。統計力学的手法を用いることで非線形符号の重み分布の解析が可能となった(本成果については、国際会議に投稿中)。従来解析が困難であった雑音のある状況下でのグループテストの解析が可能となるなど今後のさらなる研究の進展が期待される。(2)疎グラフ観測系における推定理論の構築においては、母関数的手法に基づくグループテストの性能解析手法の確立が挙げられる。解析の結果、従来グループテスト研究の分野で、それほど重視されていなかった疎レギュラー観測行列(グラフ)が検出性能の点で優れていることが明らかとなった。この結果は、国際論文誌に投稿中であり、すでに同論文(arxiv版)を引用して同様の観測行列を利用する他グループの研究も登場しつつある。

(3)疎なランダムグラフでの理論展開として、ネットワーク信頼度の問題、カット重み分布の母関数的手法を用いた解析などで研究成果を得ている。現代符号理論の深化,ならびにその学際分野への展開を目指して、本研究課題は、(1)統計力学的手法に基づくLDPC/LDGM符号の理論の深化(三村・和田山)(2)疎グラフに基づく観測系における推定理論の構築(和田山)(3)疎なランダムグラフの理論への貢献と応用(和田山・泉)を中心に研究に取り組んだ。主たる研究成果として、疎グラフに基づくグループテストに対する情報理論的解析、疎グラフに基づく非線形符号の重み分布解析、ランダムグラフにおける種々の問題、ロバースの局所補題の応用、分散グラフアルゴリズムにおける通信複雑性とそれを用いた計算時間限界解析が挙げられる。おおむね順調に進展していると認識している。主な理由としては、当初計画していたグループテストに関する仕事が論文提出完了し一段落したこと、また、ランダムグラフ理論への展開、Invertible Bloom Look Up Tables (IBLT)に関する仕事のまとめも終えた。また、当初計画にはなかった興味深いアイデアといくつかの萌芽的技術が生まれたことは、本プロジェクトの一つの成果物といえるだろう。例えば、Subgraph domatic problemに関する検討は始まったばかりであり、今後さらなる進展が期待される。国際会議投稿、論文投稿も比較的順調に進んできており、成果の公開という観点からも、計画はほぼ順調に進展してきているのではないか、と思われる。27年度が最終年度であるため、記入しない。符号理論今後の研究推進の方策は次のとおりである。比較的順調に研究が進んでいる従前の研究計画に加えて、新たに重点検討課題として、(a) Subgraph domaticproblemに関する理解の深化と展開(和田山、泉)、(b)インデックス符号に基づくブロードキャスト再送方式の提案と解析(和田山)、(c)圧縮センシングにおけるAMPアルゴリズムの解析(三村)を加えて検討を進める。特に(a)は、グラフ理論と符号理論の両方の色彩を持つ符号化理論であり、本プロジェクトの特色を色濃く反映している研究である。ロヴァースの局所定理の応用は、他の文脈でも有効であると思われるので応用も考えていきたい。26年度の成果を論文として、まとめ上げることも最終年度の重要な課題である。また、プロジェクト3年間を総括し、次のプロジェクトに繋がる問題・課題を明確に見極めることにも取り組みたい。
ヒト骨格筋由来幹細胞を用いたラット尿道括約筋の再生

前立腺全摘除術の際に生じる尿道括約筋の損傷は、術後尿失禁の原因となる。筋肉・神経・血管系細胞への分化を有する骨格筋由来幹細胞(Sk-SCs)を用いて、この尿失禁治療を目標とした。ヒト腹直筋から採取、精製した骨格筋由来幹細胞(Sk-SCs)を、ヌードラット尿道括約筋損傷モデルに移植した。移植細胞は、CD34+/45-(Sk-34)とCD29+/34-/45-(Sk-DN/29+)として抽出した。移植群では、6週後に尿道内圧の回復を認めた。移植細胞は、骨格筋細胞、シュワン細胞、神経周膜細胞、血管系細胞に分化することが証明され、さらに移植細胞のパラクライン効果による活発な血管形成が証明された。2016年度はヒト骨格筋由来幹細胞を用いたラット尿道損傷モデルへの移植実験を行った。以下に詳細を示す。【方法】移植に使用した細胞は、ヒト腹直筋から酵素処理(コラゲナーゼ)処理により抽出、フローサイトメトリーでCD34+/45-(Sk-34)とCD29+/34-/45-(Sk-DN/29+)分画として分離・精製した。その後、両細胞群を最適な条件下で、個別に2週間培養・増幅した。ヌードラットをレシピエントとし、尿道括約筋損傷モデルを作成した。Sk-34とSk-DN/29+両細胞群を移植直前に混合し、ペレット化して、尿道損傷部位に直接貼付し、フィブリンゲルにより周囲をカバーした。同量のフィブリンゲルのみを使用した群を非移植群とした。回復期(6週間後)の機能評価として仙骨部からの経皮的電気刺激による尿道内圧変化を測定した。細胞の生着と分化能については、免疫組織化学さらに免疫電子顕微鏡的検索を行った。細胞の分化能とパラクライン効果を調べるために、骨格筋・神経周囲細胞・血管細胞系統の特異的マーカーならびに神経栄養因子・血管因子の発現をRT-PCR法により解析した。血管新生に関わるキーサイトカインのタンパクレベルでの発現については、抗体アレイキットを用いて解析した。【結果】移植6週後に、移植群では有意に高い尿道内圧の回復を認めた(移植群:70.2%、非移植群:39.1%、p<0.05)。移植したヒト細胞は、活発に尿道損傷部に着床・増殖し(移植細胞数の約2.5倍)、骨格筋細胞、サテライト細胞、シュワン細胞、神経周膜細胞、血管周皮細胞に分化していることが確認された。また、CT群の尿道損傷部において血管形成が促進していた(非移植群の約3倍)。さらに、血管新生に関連するサイトカイン分泌が、mRNAとタンパク質の両レベルで確認され、活発なパラクライン効果による血管形成を裏付けていた。ヒト由来骨格筋由来幹細胞を用いた実験的ラット尿道損傷モデルの再生の研究結果については、既にTransplantationにacceptされており、当初の2016年度の目標は達成されているものと考える。昨年度の研究に引き続き、ヒト腹直筋から分離・精製した骨格筋由来幹細胞のパラクライン効果について検討した。ヒト骨格筋由来幹細胞は、各種のサイトカインを分泌することで、既に報告したレシピエント由来の血管新生のみならず神経、骨格筋系細胞の再生を促進していることが推測された。また、ヒト骨格筋由来幹細胞のうち、血管・神経への分化能を有するSk-34細胞を使用し、神経の再生について検討した。マウスの坐骨神経を約7mm切除したモデルを作成し、神経欠損部にSk-34細胞を充填したtubeを移植することで、神経系細胞の再生と運動能力の回復を証明した。今回の結果は、今後尿失禁や勃起障害に対する勃起神経の再生等にも応用できる可能性があると思われる。臨床応用を目指した大型動物での研究については、外部機関と供給を含めた共同研究を締結し、本学の生命科学統合支援センターにおいて飼育を既に開始している。ミニブタの骨格筋を採取し、ミニブタにおける骨格筋幹細胞の抽出と精製法の検討を行い、その方法についてはほぼ確立した。また、ミニブタにおける尿道への幹細胞移植法と機能評価法を検討するための実験を重ねている。本研究は臨床応用前段階に到達していると考える。次年度以降は、引き続き大型実験動物における効果と安全性の確認を行うとともに、PMDA薬事相談等をはじめとした事務的手続きについても並行して行い、数年以内の治験開始を目標とする。当初の予定では、2017年度は大型動物(ブタ)を用いた臨床前実験を行う予定であったが、現状では資金が不足している状況である。

そのため、臨床応用を見据え、大型動物実験の前段階として、ヒト骨格筋幹細胞の長期の移植効果の検討、さらにはNOD SCIDマウスを用いた幹細胞の腫瘍化のチェック等を行う。並行して、大型動物実験を行うための資金獲得を行っていく予定である。再生医療尿道機能測定法における手技が、先行研究において確立していたため、データ収集が当初の計画よりも順調に進んだことと、移植細胞の良好な生着分化能によって当初の計画よりもラットや試薬等の節約が可能であったことが原因と考える。2017年度は大型動物実験の前段階として、主に以下の3点の検討を行う予定である。12016年度と同様の実験モデルを用いたより長期間の移植効果の検討、2骨格筋幹細胞の腫瘍化の有無のチェック、3移植によるパラクライン効果についての詳細な解析。以上の実験ための動物ならびに試薬費、成果発表の費用等して研究費を用いる予定である。
再構築キメラ・ラ島移植による免疫寛容の誘導

細胞移植は糖尿病に代表される内分泌疾患、下垂体性疾患から、代謝性疾患など種々の分野での新しい治療法となりうる。本研究では、我々がこれまで注目してきた細胞移植における免疫寛容の誘導法、いわゆる“すり抜け現象"を効果的に誘導することを目的とした。具体的には再構築ラ島を形成することによって抗原提示能を減弱させる方法と、抗原提示細胞と免疫担当細胞の細胞接着を抑制する方法により免疫寛容の誘導を試みた。現在、前者ではその作成条件の設定が完了した。細胞接着の抑制効果については、同種、及び異種移植の系において、解析が可能であった。C57BL/6(H-2^b)をレシピエント、BALB/c(H-2^d)をドナーとした同種ラ島移植の系では無処置群が全例40日以内に拒絶されるのに対し、抗マウスLFA-1抗体を0.05mg、あるいは0.1mgを2日間投与することによって約半数の動物で100日以上の長期生着が得られた。移植直後の投与のみならず、無処置群でリンパ球浸潤とラ島の破壊が認められる移植後7日目に投与を開始しても、同様の生着延長効果が得られ、この接着分子を介した免疫反応が同種細胞移植における拒絶反応に重要な役割を持つことを明らかにした。一方、WSラットをドナー、C57BL/6(H-2^b)をレシピエントとした異種移植の系では、無処置群は10日前後で拒絶されたが、抗マウスLFA-1抗体0.05mg単独投与では生着延長効果は少なく、ドナーに対する抗ラットICAM-1抗体を併用投与することによって9例中6例において50日以上の長期生着が得られた。さらにin vitroの脾細胞をもちいたMLRの系において、in vivoと同様の抗体処置によってその増殖反応が抑制可能であり、ドナー細胞による直接的な抗原提示反応様式が存在すること、さらにこの免疫反応を介した細胞接着が異種細胞移植の拒絶反応において重要な役割を持つことを明らかにした。
音波を利用した量子アルゴリズム計算機の実現

現在、有用性が認識されている量子アルゴリズムは3つある。ところがこれらの実装には波のコヒーレンスのみが重要であって量子性や非古典性が不要な事実は意外と知られていない。本研究はこの点に注目して光よりもコヒーレンスが良いとされる音波を用いて量子計算・コンピューティング高速検索の実践的なプラットフォームを構築し、ビット型量子計算(「音で量子コンピューティング)の可能性を模索するものである。とくに音の周波数自由度を利用して音響量子論理ゲートの具現化を試みる点に特長がある。延長年度に入ったH30年度では前年度までの一連の結果をさらに発展させることに主眼をおいた。とくに3Dプリンティング技術を駆使した導波路の作製に注力し、フォノニック結晶導波路による音響ダイクロイックミラーなど音響ハードウエア開発を試みた。その一方で秘匿性の音波プロトコルとして前年度に着手をはじめたゴーストイメージングの発展形を模索した。空間モードの音波位が反射、残響などに影響されることに鑑みて光の1次元導波との類似性に注目し、時間ドメインゴーストイメジングの技術体系を音の体系に移植することを試みた。その結果、1次元音響導波路において音波をリソースとするはじめてのゴーストイメージングに成功したが、この方法はスタート時点において差動モード動作という付加価値をもつ特徴がある。さらにフォノン計算機を視野に入れたプロトコルの創出を試みた。音響光学変調器を用いた光音響結合系により単一光子制御を通じた音響量子制御への道筋をつけた。この過程において見出された周波数プロトコルによる単一光子へテロダイン干渉縞を利用することで長年誤解されてきた空間ドメインのゴースト回折が光源・検出器配置が逆転した逆線二重スリットの文脈によって初めて整合的に理解されることを見出した。実際にこの結果は直ちに時間ドメインの光のゴースト回折の実証につながった。量子アルゴリズムの実装に「波」のコヒーレンスだけが必要な事実は意外にもあまりよく知られていない。本研究はこの点にいち早く注目し、光よりもコヒーレンスの良い音波を用いることで量子計算・ビッグデータ高速検索のための実践的なプラットフォームを構築、ビット型量子計算(「音で量子コンピューティング」)の可能性を模索するものである。とくに音波の「周波数自由度」を利用して量子論理ゲートモジュールの具現化を試みる点に特長がある。H28年度では、大気中を伝播する弾性波を対象に周波数自由度にもとづく量子ゲート構築に必要な要素技術の確立を急いだ。キャリアには40kHz帯の超音波を選択し、3Dプリンティング技術を駆使することで導波管、分波器、合波器等のプロトタイプを作製するとともにこれらの周波数特性を詳細に調べた。さらにコムフィルタ製作の準備段階として穿孔ダイヤフラム型の狭帯域バンドパスフィルタを設計・製作し、スペクトラムアナライザによる特性評価を行った。一方、アダマールゲート、制御ノットゲートには周波数上方・下方変換が必要であり、非線形音響効果を利用した周波数変換素子の開発を試みた。回転翼によるドップラー効果と流体自身のもつ非線形性を用いたパラメトリック変換素子のふたつを検討し、先鋭スペクトル確保の観点から後者に対して検討を進めた。その結果、進行超音波と直交する進行密度波によってサイドバンド抑圧比の高い(>20dB)ペデスタルフリーな高調波が高効率発生する可能性を示唆する実験結果を得た。さらに当初計画の枠を超える関連研究項目として音波ゴーストイメージングにもとづく秘匿性プロトコルに関する検討を加えた。個別要素技術に対する検討が計画的に進み、ほぼ問題点が洗い出された状況にある。一方、予備検証的に量子ゲートの構築を試みたところ、機械的振動の結合や自由伝播音波の回り込みによる受音素子のクロストークが発生する一方で、音波の振幅減衰が予想以上に大きくなる事実が判明した。これらを回避あるいは根本的に抑制するための試みを通じて最終目標に向かって全力で研究を推進する。ところがこれらの実装には「波」のコヒーレンスのみが重要で量子性や非古典性が不要な事実は意外と知られていない。本研究はこの点に注目し、光よりもコヒーレンスが良いとされる音波を用いて量子計算・ビッグデータ高速検索の実践的なプラットフォームを構築、ビット型量子計算(「音で量子コンピューティング」)の可能性を模索するものである。とくに音の「周波数自由度」を利用して音響量子論理ゲートの具現化を試みる点に特長がある。H29年度は3Dプリンティング導波路、分波・合波器と共振器型バンドパスフィルタを組み合わせた超音波帯域の量子論理ゲート試作を試みた。その結果、ゲート構成部品の結合損失と伝送損失に加え、機械力学系の振動励起にともなう損失が予想以上に大きくなることが判明し、受動部品だけを用いた論理ゲート構築への困難が生じた。そこで熱音響効果他を利用した音響増幅器の設計と回路の試作を検討した。さらに回折損失や背景音他、自由空間伝播における問題を回避すべく水中を伝播する超音波や連続体内の孤立波の利用を模索した。一方、秘匿性音波量子計算として前年度から検討しているゴーストイメージングプロトコル実装の予備検証を試みた。空間ドメインから時間ドメインへの転換を図り、実装の容易な光シミュレータを利用することで時間ドメイン上の差動ゴーストイメージングを検証した。また、擬似乱数光源のデューティー比の関数として自己相関と相互相関の比で決まる信号雑音比が差動プロトコルでは劣化しないことを指摘した。これは背景音の影響で明瞭度が低下する音響ゴーストイメージングにおいて重要な意味をもつ。さらにフォノン計算機を視野に入れた新しい時間ドメイン信号計測法を検討した。

再び光シミュレータを用いることで周波数プロトコルによる単一光子へテロダイン干渉縞の捕捉に成功した。音波を利用した量子アルゴリズム計算機の実現には構成要素の綿密な動作検証が必須である。試行錯誤を重ねつつ概ね計画にしたがって研究を遂行してきたが、最終年度の平成29年度には予測になかった業務負荷の増大とともに構成要素を統合する過程で新たに発生した技術障壁の影響によって量子論理ゲートと最終的な計算機動作検証のためのフェーズが予定よりも遅延している。その一方で派生的産物として差動ゴーストイメージングと単一光子ヘテロダインを光ベースではあるものの達成できた。これらは秘匿性の音響量子計算プロトコルとしてあるいは当初計画を超えたフォノン計算機の実装に直結しており、最終的な目標の上方修正に寄与できる可能性がある。現在、有用性が認識されている量子アルゴリズムは3つある。ところがこれらの実装には波のコヒーレンスのみが重要であって量子性や非古典性が不要な事実は意外と知られていない。本研究はこの点に注目して光よりもコヒーレンスが良いとされる音波を用いて量子計算・コンピューティング高速検索の実践的なプラットフォームを構築し、ビット型量子計算(「音で量子コンピューティング)の可能性を模索するものである。とくに音の周波数自由度を利用して音響量子論理ゲートの具現化を試みる点に特長がある。延長年度に入ったH30年度では前年度までの一連の結果をさらに発展させることに主眼をおいた。とくに3Dプリンティング技術を駆使した導波路の作製に注力し、フォノニック結晶導波路による音響ダイクロイックミラーなど音響ハードウエア開発を試みた。その一方で秘匿性の音波プロトコルとして前年度に着手をはじめたゴーストイメージングの発展形を模索した。空間モードの音波位が反射、残響などに影響されることに鑑みて光の1次元導波との類似性に注目し、時間ドメインゴーストイメジングの技術体系を音の体系に移植することを試みた。その結果、1次元音響導波路において音波をリソースとするはじめてのゴーストイメージングに成功したが、この方法はスタート時点において差動モード動作という付加価値をもつ特徴がある。さらにフォノン計算機を視野に入れたプロトコルの創出を試みた。音響光学変調器を用いた光音響結合系により単一光子制御を通じた音響量子制御への道筋をつけた。この過程において見出された周波数プロトコルによる単一光子へテロダイン干渉縞を利用することで長年誤解されてきた空間ドメインのゴースト回折が光源・検出器配置が逆転した逆線二重スリットの文脈によって初めて整合的に理解されることを見出した。実際にこの結果は直ちに時間ドメインの光のゴースト回折の実証につながった。今年度の成果を踏まえて次年度に予定されている音響量子ゲート構築への道筋をつける。この際、超音波減衰の小さな材料を選択し、ゲート構成部品のサイズの最適化を試みる。さらに音波増幅の可能性を積極的に検討する。
水田土壌の硫黄肥沃度ダイナミクスの実態評価とその制御機構の解明

本研究は,水稲の硫黄欠乏対策に不可欠な「水田土壌の硫黄肥沃度評価法」の開発を目標とし,土壌の可給態硫黄の実態評価,土壌診断による硫黄肥沃度評価法(還元の進行と難溶性金属硫化物の生成を考慮する)の確立,土壌理化学性に基づいた水田土壌における硫黄肥沃度ダイナミクスの制御機構を明らかにすることを目的とする。研究実施計画では,3年間で供試土壌を可能な限り増やして水稲の硫黄欠乏の実態(潜在的なものも含む)を把握する予定としているが,2年目の本年は水稲の硫黄欠乏が報告されている広島県世羅町の4箇所および秋田県北部の2箇所から採取した水田土壌を新たに供試土壌に加え,ポット栽培試験を実施して水稲の石膏施与への応答を確認した。得られた結果は,土壌に含まれる可給態硫黄および難溶性硫化物を形成する可溶性亜鉛や銅の存在により水稲の石膏施与への応答を説明可能であるという仮説を強く支持するものであった。さらに今年度は,亜鉛ばかりでなく銅の人工的添加によってもポット栽培試験で水稲の硫黄欠乏が誘発されることを初めて確認し,難溶性硫化物の形成が水田土壌における硫黄肥沃度に関与するメカニズムの一端を実証することができた。以上の結果は,水田土壌における硫黄肥沃度ダイナミクスを明らかにする研究目標達成への大きな前進であると確信している。また,1年目に検討に着手した水田土壌の硫黄肥沃度の広域評価について,2年目は実際に岩手県(n=257)と広島県(n=60)の農地の可給態硫黄を測定し,硫黄欠乏の発生が懸念される水田土壌がマイナーではない点を明らかにすることができた。さらに,両県が保管している過去の定点調査試料と現在の試料との比較により,農地の可給態硫黄レベルが長期的に減少している可能性を指摘し,水田の可給態硫黄の実態評価を深化させることができた。予定通りに供試土壌のバリエーションを増やしたポット栽培試験を実施することができた。さらに岩手県と広島県の協力により,可給態硫黄の広域評価や定点調査試料の再利用による可給態硫黄レベルの長期的変化の検討に着手することができた。前年までと同様に,水田土壌の硫黄肥沃度が異なると思われる地点の情報収集を広く行い,疑いのある圃場で土壌試料を採取して持ち帰り,ポット栽培試験を実施して水稲の石膏施与への応答を引き続き検討する。さらに,これまでに得られた試料群を対象として可溶性金属の形態分析を行い,栽培試験結果との対比により難溶性硫化物の形成に関わる土壌中の亜鉛や銅の画分を検討し,それらをもとに水田土壌における硫黄肥沃度ダイナミクスの制御機構の解明と実用的硫黄肥沃度評価法の完成を目指す。また,最終年ではあるが,今後のために可給態硫黄の広域調査等を関係者の協力を得ながら可能な限り拡充しておきたい。本研究では,水稲の硫黄欠乏対策に不可欠な「水田土壌の硫黄肥沃度評価法」の開発を目標とし,各種水田土壌を用いたポット栽培試験により水田土壌の硫黄肥沃度の実態を評価し,栽培試験の結果を説明する土壌の可給態硫黄の評価法(還元の進行と難溶性金属硫化物の生成を考慮する)を確立すると同時に,土壌の理化学性に基づいた水田土壌における硫黄肥沃度ダイナミクスの制御機構を明らかにすることを目的とする。研究実施計画では,3年間で供試土壌を可能な限り増やして水稲の硫黄欠乏の実態(潜在的なものも含む)を把握する予定としており,今年度は秋田県北秋田市の4箇所から採取した水田土壌を新たに供試土壌に加え,ポット栽培試験を実施して水稲の石膏施与への応答等を検討した。得られた結果は,土壌に含まれる可給態硫黄と難溶性硫化物を形成する可溶性金属量(主に銅)により水稲の石膏施与への応答を説明可能であるという仮説を支持するものであった。また,水稲の石膏応答指数が既にわかっている20種以上の土壌(予備試験で水稲のポット栽培試験を実施済み)に新たに採取したこれらの土壌も加え,亜鉛や銅といった難溶性硫化物を形成する可溶性金属濃度と可給態硫黄濃度を基礎とした水田土壌の硫黄肥沃度を広く検討するためのデータセットを得ることができたのは,研究目標の達成のための大きな前進であると確信している。水田土壌の硫黄肥沃度評価法の確立に目処が立ちつつあることから,申請書にも記述していた「わが国水田の硫黄肥沃度全国調査プロジェクト」の実施を関係機関に働きかけるために,水稲の硫黄欠乏に関心のある県の試験研究・普及関係者との情報交換会を開催し,水田土壌の硫黄肥沃度の広域評価の実施について検討を開始した。予定通りに供試土壌を採取して栽培試験を実施することができ,水田土壌の硫黄肥沃度を広く検討するためのデータセットを充実させることができた。また,水稲の硫黄欠乏に関心のある県の試験研究・普及関係者との情報交換を通じて,水田土壌の硫黄肥沃度の広域評価の実施について検討をはじめた。

研究実施計画では,3年間で供試土壌を可能な限り増やして水稲の硫黄欠乏の実態(潜在的なものも含む)を把握する予定としているが,2年目の本年は水稲の硫黄欠乏が報告されている広島県世羅町の4箇所および秋田県北部の2箇所から採取した水田土壌を新たに供試土壌に加え,ポット栽培試験を実施して水稲の石膏施与への応答を確認した。得られた結果は,土壌に含まれる可給態硫黄および難溶性硫化物を形成する可溶性亜鉛や銅の存在により水稲の石膏施与への応答を説明可能であるという仮説を強く支持するものであった。さらに今年度は,亜鉛ばかりでなく銅の人工的添加によってもポット栽培試験で水稲の硫黄欠乏が誘発されることを初めて確認し,難溶性硫化物の形成が水田土壌における硫黄肥沃度に関与するメカニズムの一端を実証することができた。以上の結果は,水田土壌における硫黄肥沃度ダイナミクスを明らかにする研究目標達成への大きな前進であると確信している。また,1年目に検討に着手した水田土壌の硫黄肥沃度の広域評価について,2年目は実際に岩手県(n=257)と広島県(n=60)の農地の可給態硫黄を測定し,硫黄欠乏の発生が懸念される水田土壌がマイナーではない点を明らかにすることができた。さらに,両県が保管している過去の定点調査試料と現在の試料との比較により,農地の可給態硫黄レベルが長期的に減少している可能性を指摘し,水田の可給態硫黄の実態評価を深化させることができた。予定通りに供試土壌のバリエーションを増やしたポット栽培試験を実施することができた。さらに岩手県と広島県の協力により,可給態硫黄の広域評価や定点調査試料の再利用による可給態硫黄レベルの長期的変化の検討に着手することができた。前年と同様に,水田土壌の硫黄肥沃度が異なると思われる地点の情報収集を広く行い,疑いのある圃場で土壌試料を採取して持ち帰り,ポット栽培試験を実施して水稲の石膏施与への応答を引き続き検討する。また,新たに採取したこれらの土壌に関しても湛水保温静置培養法による可給態硫黄量の測定と培養法によらない各種可給態硫黄を測定し,水田土壌の硫黄肥沃度と土壌分析値の関係を検討するためのデータセットを拡充する。得られたデータセットを基に共存する金属元素等の土壌理化学性と金属硫化物の生成速度や難溶化の程度との関係等から水田土壌の硫黄肥沃度ダイナミクスの制御機構を検討するとともに,可能な範囲で硫黄肥沃度の広域調査に着手する。前年までと同様に,水田土壌の硫黄肥沃度が異なると思われる地点の情報収集を広く行い,疑いのある圃場で土壌試料を採取して持ち帰り,ポット栽培試験を実施して水稲の石膏施与への応答を引き続き検討する。さらに,これまでに得られた試料群を対象として可溶性金属の形態分析を行い,栽培試験結果との対比により難溶性硫化物の形成に関わる土壌中の亜鉛や銅の画分を検討し,それらをもとに水田土壌における硫黄肥沃度ダイナミクスの制御機構の解明と実用的硫黄肥沃度評価法の完成を目指す。また,最終年ではあるが,今後のために可給態硫黄の広域調査等を関係者の協力を得ながら可能な限り拡充しておきたい。本研究では土壌および植物体の全硫黄の分析を外注とし,費用は「その他」の項目に計上した機器分析委託(硫黄元素,単価2,800円)として計上していたが,全硫黄の分析について他大学の装置を使用することができることになり,分析に出向く旅費と消耗品(物品費)のみで済むことになったのが次年度使用額が生じた理由である。全硫黄の分析は,引き続き他大学の装置を使用して実施する予定なので,次年度使用額は分析可能試料数を増やし,より詳細な検討を行う費用として使用する計画である。
実トラフィックを利用した高効率高帯域ルータアーキテクチャの構築と評価

インターネットは我々の生活に欠かせないインフラとしての地位を確立しており、その中の中枢部分で情報を交換するバックボーンルータやコアルータは単に物理配線の高速化に追従するだけに留まらず、数多くのプロトコルへの柔軟に対応し、より厳しいQoS要求にこたえる必要がある。しかしながら、これらの全てを満足に満たすルータの実現手段には決め手がない。この様な状況に対応する新しいルータアーキテクチャTera-Gearsの提案と評価を行った。ルータの主要機能を1.パケットのヘッダ解析を行い必要な処理を行うネットワークプロセッサ2.QoSに基づきパケットを目的地へ分配するスイッチ3.パケットのあて先を高速検索するルーティングテーブルの3つに分割し、それぞれの部位で100Gbpsの高帯域スループットを高効率で獲得する新しいルータアーキテクチャである。1.として、既提案のProcess Learning Cacheを発展させ、さらにキャッシュ利用効率を向上させるMulti-Aware Cacheを提案し評価した。このMulti-AwareCacheを利用することで、voIPなどリアルタイム性が必要かつ小さなパケットが大量に入力される新しいプロトコルにおいてキャッシュ利用効率を3%程度向上させ、かつ必要なプロセッサコア数の低減させることを提案し証明した。2.として、既提案のS-GearにQoS機能を盛り込み評価した。結果、従来問題であった回路規模の増大を抑えるとともに、柔軟なQoSに対応しつつ大容量細粒度通信を行うスイッチを構成可能であることを示した。特に細粒度通信では従来の2.5倍程度の性能が得られた。3.として階層メモリアーキテクチャを利用しかつ、最終段に従来のパトリシアツリーよりも効率よく検索ツリーを管理できる拡張パトリシアツリーを取り入れた新しいL-Gearを提案し、その性能を評価した。結果、電力消費量が大きく、拡大する経路数への対応が困難なTCAMを利用しない場合でも、80Gbps程度のスループットで高速にルーティングテーブル検索が可能であることを示した。今年度成果として、まず、ネットワークプロセッサアーキテクチャ(P-Gear)について、HLC(Header Learning Cache)方式の応用としてVoIP処理を高速化するNPについて検討を行っている。VoIPはRTPを用いて通信するが、再粒度パケットが連続してコアルータに集中するため、VoIPはP-Gearに適したアプリケーションといえる。さらに、VoIPではRTPに先行してSIPによる情報交換を行うため、SIPの情報をもとにキャッシュのインジェクションや外部メモリへのスワップ、キャッシュエントリのデリートを行う機構を新規提案し、評価を進めている。別の応用として、将来ルータはセマンティックルーティングを行う必要があると考えており、XPathの様にセマンティックをXMLベースで記述し応用する方向に向かうと考えられる。XMLの処理は一般にルータにとって重い処理であり、広帯域ルータでは採用が難しがP-Gearにより効率よく処理できると考え適用を検討している。もう一つの柱がスイッチアーキテクチャである。ユビキタスなど通信形態が多様化する結果、インターネットバックボーンルータは大容量細粒度通信への対応が迫られており、ルータアーキテクチャにおいてブレイクスルーが必要となっている。そこで本報告では新しいアービタS-Gear、及びQoSを提供するS-Gearルータの提案を行い従来法との比較を行った。提案したS-Gearは階層木構造を有し、MINであると共にクロスバと完全互換で動作する。また、各層毎でパイプライン処理を行うことにより細粒度大容量通信を実現することが可能である。ハードウエア記述言語を用いた評価により、従来のクロスバとアービタでは不得意とされていたパケット長が1という極端な細粒度通信において提案手法では従来手法に比べて3倍程度の最大スループット向上が見込めることを示した。

結果、電力消費量が大きく、拡大する経路数への対応が困難なTCAMを利用しない場合でも、80Gbps程度のスループットで高速にルーティングテーブル検索が可能であることを示した。