hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
造船用ミリオーダー接着層厚の鋼/CFRP構造接着継手の長期信頼性評価法の構築

試験前では、接着剤Nと接着剤SがCFRP被着面側でほとんど界面破壊となったのに対して、接着剤Cの界面破壊率は540%となり、CがNとSより優れている。しかしながら、Cにおいても50°C90%RHでの100時間後ではCFRP被着面側ですべて界面破壊となった。一方、劣化促進前の初期の引張せん断強度は、Al-Alの同種接合部に対して鋼ーCFRP異種材接合部は、1mm厚と3mm厚のどちらも約60%程度である(NとSは更に低い)。しかしながら、50°C90%RHでの2000時間超後では、鋼ーCFRP異種材接合部の強度はAl-Al接合部の強度に対して、1mm厚ではほぼ等しく、3mm厚では約85%であり、また、1000時間を超えると鋼被着面側でCFRP被着面側より先に界面破壊となる場合も生じた。よって、金属向けの接着剤Cではあるが、高温高湿環境下で使用する場合、CFRP被着面側の方が劣化しにくく、CFRP用としても適していることを確認した。計画では、平成28年度は、接着層厚が3mmのみの一種類で高温高湿劣化促進試験を3温度条件×3湿度条件の9温湿度条件で行い、湿度毎のアレニウスプロットにより評価を行うアイリングモデルを用いて経時変化推定曲線を求める予定であった。しかしながら、平成27年度の強度評価試験結果から、鋼ーCFRP異種材接合に対応した造船向けミリオーダー接着層用に適した構造用接着剤として選定した接着剤は、主な被着体として金属を想定しており、鋼ーCFRP異種材接合部について、造船用ミリオーダー接着層厚を想定した3mmでの強度データだけでなく、その比較対象となる接着層厚1mmでの強度データも不十分であった。そこで、研究代表者が過去に実施した同種材接合部の強度データとも比較した評価が行えるようにするため、接着層厚が1mmと3mmの場合について3温湿度条件での高温高湿劣化促進試験を行うこととした。この変更は、申請時の研究が当初計画通りに進まない時の対応として検討していた、「進捗状況により計画を調整する必要が生じた場合は、湿度条件を1条件のみとし、アイリングモデル(温度・湿度9条件)からアレニウス法(温度3条件)に切り替えて実施する」に該当し、事前に検討されていた範囲内での計画変更であり、異なる二種類の接着層厚について経時変化推定曲線を求めることができた。また、高温高湿劣化促進試験の試験条件に合わせて平成29年度に予定している試験も、当初計画より充実させて1mmと3mmの二種類の接着層厚で実施する必要が生じたが、試験片を予定より早期に製作して試験を開始し、計画通りに完了させるため、平成28年度中に平成29年度用のCFRP板の製作に必要となる材料を先行して調達した。以上より、おおむね順調に進捗している。平成29年度は、吸水後乾燥回復試験、キセノンランプ促進暴露試験、塩水噴霧試験を実施し、昨年度実施した高温高湿劣化促進試験と併せて、各劣化条件における暴露時間と引張せん断強度保持率の関係曲線を用いて、統計的な評価を行った。本研究の初年度となる平成27年度に、一般財団法人日本海事協会に設置された申請者が座長を務める検討会において「構造用接着剤使用のためのガイドライン」を作成する必要が生じたため、申請時に提案書中でも引用した参考文献(原賀康介、「高信頼性を引き出す接着設計技術」、日刊工業新聞社、2013)を参照してAl合金被着材を想定した設計基準強度を設定した。
双対性の視点に基づく建築構造物の非線形挙動に対するロバスト設計法

本研究課題では,構造物のロバスト性の評価とロバスト最適設計法について,多様な角度から研究を行った.特に,最適化の理論の中心をなす双対性の概念を用いることで,従来は扱うことが困難であった構造物の形状の不確実性に対するロバスト最適設計法を開発した.また,弾性問題に限らず,種々の弾塑性問題における不確実性・ロバスト性を取り扱う手法を開発した.さらに,これらのロバスト最適設計法の基礎をなす理論として,組合せ的な性質をともなう最適設計問題に対する新しい定式化を提案した.本研究課題の主題である,建築構造物の「ロバスト性」「冗長性」という概念は,構造物の最悪シナリオにおける挙動と密接に関係する.最悪シナリオそのものは,数理的には,ある最適化問題の最適解とみなすことができる.そこで,本研究課題では,最適化の理論的基礎である双対性の概念を最悪シナリオに対して導入し,ロバスト性・冗長性の概念を整理し直すとともに従来よりも強力な定式化と数値解法を開発することを目指している.平成26年度は,主に,構造物の幾何学的な不確実性に着目して研究を行った.具体的には,節点位置の不確実性に対してロバストなトラスの最適設計法を開発した.数理的には,幾何学的な不確実性を2次形式の間の双対性として記述することにより,ロバスト最適化問題を半正定値計画として安全側に近似できることを示した.本研究課題の主題である,建築構造物の「ロバスト性」「冗長性」という概念は,簡単に言うと現実世界のさまざまな不確実性に対する抵抗力であり,構造物にとっての最悪シナリオと密接に関連する.そして,最悪シナリオは,ある種の最適化問題の解として定義される.本研究課題では,最適化問題の理論・解法の中核をなす双対性という数理的な道具を活用することで,建築構造物のロバスト性・冗長性を考慮した諸手法を展開することを目指している.平成27年度は,主に二つの観点から研究を展開した.一つめは,ポテンシャルエネルギーの双対性である.この概念を平面骨組構造物やトラス構造物の最適設計問題に導入することにより,連続と離散のハイブリッド型定式化が可能となることを明らかにした.この定式化により,通常の連続最適化で現れる脆弱な構造要素を排除することが可能となり,最適設計解にロバスト性を付与できる.二つめは,外力の不確実性モデルに対する双対性である.この概念により,荷重のばらつきに対する構造物の頑強さを適切に評価することが可能になった.「研究実績の概要」で述べたポテンシャルエネルギーへの双対性の導入により,種々の離散性の設計要件を考慮したトラス構造や平面骨組構造の最適化問題が大域的に解くことができる.提案した定式化は,既往のものと比べて,計算コストが格段に小さいことが実験的に示されている.また,通常の連続最適化で出現する脆弱な部材が排除される定式化であることから,今後,ロバストな構造物の設計法の確立にむけての重要な基礎ツールとなることが期待される.次に,外力の不確実性モデルに対する双対性の導入により,シェイクダウン解析に対する新たな知見が得られた.シェイクダウン解析は,外力のばらつきに対する構造物のロバスト性を評価するために古くから用いられてきた手法であるが,双対性の視点からはそれ自体がロバスト最適化と捉えることができることを明らかにした.そして,この視点に立つことにより,von Misesの降伏条件下で楕円体型の外力モデルを仮定したとき,シェイクダウン荷重を求める手法を新たに開発した.このような自然な仮定の下でシェイクダウン荷重を求める手法は,これまでまったく知られていなかったため,本研究課題の成果の強い独自性とみなされると考えられる.この研究課題の主題である建築構造物の「ロバスト性」および「冗長性」は,実世界のさまざまな不確実性に対する構造物の性能の余裕度を表す概念である.この余裕度は,当該の構造物にとっての最悪のシナリオを考察することにより,定量的に評価することができる.一般に最悪シナリオを求める問題はある種の最適化問題として定式化できるため,ロバスト性・冗長性の定量的な評価法は最適化と密接な関係をもつ.平成28年度は,主に次の二つの観点から研究を展開した.一つ目は,前年度までに得られたロバスト性評価法に関する手法を,弾塑性構造物に拡張することである.特に,断層近傍の地震動を想定した動的な荷重の下でのロバスト性や,繰り返し載荷の下でのシェイクダウン現象について研究を行った.特に,従来の構造物のロバスト性評価法では動的な外力を考慮することが困難であったが,本研究では弾塑性挙動におけるエネルギー保存則から得られる最悪シナリオの閉形解を活用することによりロバスト性の指標を厳密に評価できることを明らかにした.二つ目は,冗長性評価法を構造物の設計法へと組み込む研究である.つまり,与えられた条件の下で冗長性が最大の構造物の設計解を求める問題を最適化問題として定式化し,その問題に対する基本的なアルゴリズムを開発した.計算機実験により開発した手法の有効性を検証するとともに,冗長性最大化問題の解ではしばしば複数の最悪シナリオが重複するという特徴的な現象が起きるという知見を得た.「研究実績の概要」で述べた,弾性構造物から弾塑性構造物への拡張と,静的荷重から動的荷重への拡張の二つは,独自性の強い成果であり,本研究課題の計画当初は予期しなかった大きな成果である.

また,冗長性最大化問題に対するアルゴリズムは,損傷を受ける構造物に対する極限解析の双対を考えることから生まれたもので,本研究課題の「双対性の視点」という発想から自然な形で導かれたものである.これらの成果は,構造物のロバスト性・冗長性の評価・設計に関する基礎的で重要な成果と考えられる.一方で,構造物のロバスト最適設計の研究を遂行するうちに,ロバスト位相最適化を厳密に解くためには相補性制約とよばれる特殊な制約を課すことが必要不可欠であることが新たに明らかになった.相補性制約は特別な扱いを要する難しい制約であるため,計画を変更して,相補性制約を含む位相最適化問題に取り組む必要が生じた.今後は,相補性制約を含むロバスト位相最適化問題の解法を構築する.本研究課題の主題である構造物の「ロバスト性」は,実世界のさまざまな不確実性(ばらつき)に対して構造物が性能を維持できる余裕度を表す概念であり,工学のさまざまな設計問題で重要視されている.本研究課題では,特に,ばらつきの確率論的な情報が得られていない(または,不完全にしか得られない)場合を想定し,ばらつきの範囲のみを指定する方法論を扱っている.このとき,ロバスト性は,構造物にとっての最悪のシナリオを求めることにより,定量的に評価できる.この最悪シナリオを求める問題は,一般に最適化問題として定式化できるため,ロバスト性の評価と最適化とは密接な関係をもつ.本研究課題では,この関係性に着目し,構造物を取り巻くさまざまな不確実性を考慮して,構造物のロバスト性の評価法から設計法まで幅広い研究を展開した.平成29年度は,主に,次の二つの観点から研究を行った.一つ目は,前年度に明らかになったトラスの位相のロバスト最適設計の定式化の困難点を解決することである.つまり,節点外力のばらつきを考慮したロバスト最適化では,いわゆる中間節点の有無に解が依存する点が,従来は見過ごされてきた.大域的な最適解を得るためには,この中間節点の有無を扱える定式化と解法が必要となる.これを解決するために,相補性制約とよばれる制約を導入し,この定式化に基づく新たな解法を提案した.二つ目は,ある意味でロバスト性の上位概念とみなせるレジリエンスの定量的評価の手法の開発である.レジリエンスは,さまざまな定義があるが,一言で言えばロバスト性の概念に復旧までの時間軸を加えた概念である.この研究課題では,復旧時間の推定には必然的に不確かさが伴われることに着目して,その不確かさを考慮しながらレジリエンスを評価する手法を提案した.また,その応用として,耐震構造と免震構造のレジリエンスを比較した.本研究課題では,構造物のロバスト性の評価とロバスト最適設計法について,多様な角度から研究を行った.特に,最適化の理論の中心をなす双対性の概念を用いることで,従来は扱うことが困難であった構造物の形状の不確実性に対するロバスト最適設計法を開発した.また,弾性問題に限らず,種々の弾塑性問題における不確実性・ロバスト性を取り扱う手法を開発した.さらに,これらのロバスト最適設計法の基礎をなす理論として,組合せ的な性質をともなう最適設計問題に対する新しい定式化を提案した.構造物の幾何学的な不確実性に対するロバスト設計法は,建築力学のみならず機械・精密工学などの種々の分野で重要視されている.
ライフスキル形成に基礎をおく包括的な食生活教育プログラムの開発

ライフスキル形成を強化する第二次の食生活教育プログラム改訂,指導者マニュアル作成,授業担当者研修,意志決定スキル,目標設定スキル尺度開発,家族への働きかけを試み,以下の成果を得た.I.2005年6月2006年7月,大阪府下の6小学校と山口県2小学校を研究対象校とする準実験デザインのもと,健康的な間食行動と朝食行動を主題とするスキル形成に焦点をあてた食生活教育プログラム(18時間)を実施し,計810名が参加した.(i)プロセス評価より,意志決定の下位尺度「選択肢の列挙」「結果の予測」を踏まえたおやつ選択法を,「意志決定をすべき問題の明確化」を踏まえ,朝食で野菜を食べるために具体的な,実行可能な目標設定ができた.(ii)影響評価より,女子は,健康的な間食行動の態度,自己効力感が高まり,低油脂おやつの選択が増加した.野菜摂取に焦点をあてた朝食学習により,朝食の野菜摂取率はおよそ倍増し,栄養バランスを改善した.(iii)意志決定スキル形成群において介入校の児童は,広告分析に関する自己効力感や食品選択スキルに有意な成果が認められたが,対照校児童には規則性はみられなかった.II.大阪府下の3小学校と山口県3小学校を研究対象校とし,2007年5月7月に,保護者通信,朝食モニタリングシートの家族点検,家庭での朝食野菜料理など保護者への働きかけを強化した朝食プログラム(6時間)を実施した.計417名が参加した.(i)全児童は,目標達成率,朝食の栄養バランスともに有意に高くなった.(ii)授業実施6カ月後には,児童の学習成果は有意に低下したものの家族強化群は,対照群に比べ,朝食得点,野菜摂取率ともにやや高い維持率を示した.さらにプログラム効果を高め,持続するために,教材や指導者研修,家族強化の改善を図り,学校健康教育に普及していく.ライフスキル形成を強化する第二次の食生活教育プログラム改訂,指導者マニュアル作成,授業担当者研修,意志決定スキル,目標設定スキル尺度開発,家族への働きかけを試み,以下の成果を得た.I.2005年6月2006年7月,大阪府下の6小学校と山口県2小学校を研究対象校とする準実験デザインのもと,健康的な間食行動と朝食行動を主題とするスキル形成に焦点をあてた食生活教育プログラム(18時間)を実施し,計810名が参加した.(i)プロセス評価より,意志決定の下位尺度「選択肢の列挙」「結果の予測」を踏まえたおやつ選択法を,「意志決定をすべき問題の明確化」を踏まえ,朝食で野菜を食べるために具体的な,実行可能な目標設定ができた.(ii)影響評価より,女子は,健康的な間食行動の態度,自己効力感が高まり,低油脂おやつの選択が増加した.野菜摂取に焦点をあてた朝食学習により,朝食の野菜摂取率はおよそ倍増し,栄養バランスを改善した.(iii)意志決定スキル形成群において介入校の児童は,広告分析に関する自己効力感や食品選択スキルに有意な成果が認められたが,対照校児童には規則性はみられなかった.II.大阪府下の3小学校と山口県3小学校を研究対象校とし,2007年5月7月に,保護者通信,朝食モニタリングシートの家族点検,家庭での朝食野菜料理など保護者への働きかけを強化した朝食プログラム(6時間)を実施した.計417名が参加した.(i)全児童は,目標達成率,朝食の栄養バランスともに有意に高くなった.(ii)授業実施6カ月後には,児童の学習成果は有意に低下したものの家族強化群は,対照群に比べ,朝食得点,野菜摂取率ともにやや高い維持率を示した.さらにプログラム効果を高め,持続するために,教材や指導者研修,家族強化の改善を図り,学校健康教育に普及していく.1.食生活教育研究プロジェクト発足の準備新プログラムを実施する地域ならびに教育実施校及び対照校の選定に関する準備を行い,大阪府衛星都市と山口県H市食生活教育推進校から理解,協力を得ることができた。大阪府衛星都市においては,教育センターとの協同研究,山口県においては学校長の了承を得,各小学校との連携の下に研究をすすめる環境設定ができた。2.食生活教育プログラムの改訂第一次プログラムの評価研究から明らかになったプログラムの問題点を解決するために,健康的な食行動およびライフスキル形成の促進を目指して意志決定・目標設定スキル形成を強化した食生活教育プログラム改訂を行い,平成17年度実施授業案を作成した。3.指導者マニュアル作成の準備プログラムの実効を高めるために指導者マニュアルの作成をした。4.食生活教育プログラム実施のための指導者研修プログラム改訂作業に関する検討会を重ねながら,授業を担当する学校栄養職員のライフスキルおよびプログラムの理解を深めることができた。また,研究分担者が行うワークショップに参加を呼びかけ,授業者の指導力を等しく高めることができた。5.ベースライン調査の準備新プログラムの実施校及び対照校におけるベースライン調査にむけて意志決定・目標設定スキル測定質問紙開発を行った。研究協力校のうち,箕面市内4小学校および山口県萩市内1小学校においてライフスキルのうち,意志決定・目標設定スキル形成を強化した「おやつをテーマとするプログラム授業全12時間」(2004年度改訂「ライフスキル形成に基礎をおく食生活教育プログラム」から抜粋)を5年生488名に実施し,その有効性評価を行った。1.ベースライン調査結果(間食について)授業実施校および対照校の児童(968名)は,油脂や砂糖の多く含む菓子類をほぼ毎日摂取している。心理社会的要因による間食行動が多い。菓子類成分やその健康影響の知識はある程度もっている。

2.指導者研修において,授業担当の学校栄養職員(研究協力者)は,前年度よりのプログラム改訂に引き続き,ライフスキル教育に関して多くの研究活動を行い,研究者や指導主事と共に指導過程の概略から指導細案の検討を重ねて行った。その結果,プログラムを十分理解し,適切に実行し,研究者や教育センター指導主事らによる授業観察評価において,よい授業評価を得ることができた。これらを整理し,指導者マニュアルを作成する予定である。3.改訂間食プログラムの評価(1)授業中のワークシート(セルフチェック)ならびにふりかえりカード(セルフモニタリング)による定性評価より,児童は,間食行動の問題点に自ら気づき,間食選択における意志決定プロセスを適確に学習し,意志決定スキル形成ができた。しかし,目標設定スキル形成に関しては,プロセス学習が十分できず,授業案の再改訂を必要とした。(2)知識・態度,意志決定・目標設定スキル形成,間食行動に関するプロセス・短期結果の定量評価は,3学期末授業終了後のデータを目下集計,解析中である。研究協力者:大阪府下小学校栄養職員7名,指導主事1名,山口県下小学校栄養職員1名研究協力校のうち,箕面市内4小学校および山口県萩市内1小学校において,意志決定・目標設定スキル形成を強化したプログラム"朝食を食べよう"授業全6時間を6年生478名に実施し,授業に用いたワークシートによるプロセス評価を行った。1.2005年ベースライン調査結果(朝食について)授業実施校および対照校の児童(857名)のうち,70%前後の児童は「朝食を食べることはとても大切である」と思い,80%前後の児童は「朝の食欲は普通またはかなりある」と答え,週当たり6.66.7日喫食。朝食授業より,朝食内容は,主食と主菜または,主食のみが多く,朝食における野菜摂取は明らかに不足していた。2.前年度の間食プログラム実施により,五大栄養素を多く含む食品とその働きについては,有意な学習成果が確認されていたことから,朝食プログラムに野菜摂取の大切さと望ましい朝食献立を考える学習プロセスを加え,目標設定スキル学習を工夫し,強化することとした。さらに,家庭実践を促すために朝食に向く野菜料理レシピ作成を行い,調理実習を実施した。3.改訂朝食プログラムの評価(1)朝食摂取における意志決定スキルと目標設定スキル演習に重点をおき,授業中のワークシート(セルフチェック)とふりかえりカード(セルフモニタリング)より,児童は,朝食内容の問題点に自ら気づき,実行可能な具体的で自己評価しやすい目標設定をすることができた。(2)朝食献立は,2.3点から3.0点(4点満点)に有意に改善し,野菜摂取有りの児童は35.0%から66.2%に増加した。(3)箕面市の教育実施児童の男子は,朝の食欲が増し「学校が楽しい」と回答する割合が有意に増加したが,女子および山口県の児童には変化がみられなかった。(3)意志決定・目標設定スキル尺度得点に変化はなかった。(4)家族の朝食準備・共食行動や食卓の会話は総じて,有意に改善された。18年度の研究成果を踏まえ、栄養教育による児童の行動変容をさらに高め、維持するために、家族への働きかけをプログラムに取り入れた。大阪府3小学校と山口県2小学校(参加児童263名、対照児童154名)を研究対象とする準実験デザインを用いた。
スマート植物生産を支援するモバイル生体情報モデリングガジェットの提案

計測地点の局所環境計測値から、植物物質生産、植物光形態形成、病害微生物の感染可能性などの推定値を表示・警報・記録する小型ツール(ガジェット)を開発した。400800nmの分光環境を1nm毎に計測する3万円の部品コストで開発・製造できるガジェット(Zelko)を開発した。前年度までにトマト生産施設の4か所の分光環境を計測し、LAIやフィトクロム平衡値の分布を推定可能なことを確かめた。研究成果は、本年度に論文掲載(Hoshiら、2018)された。Zelkoは計測結果を5分毎にSDメモリーカードに記録する仕様で開発したため、生産者が植物生産現場で光環境を簡単に確認できなかった。そこで、分光グラフを測光時に目視できる液晶表示を備え、同時に光合成、青、緑、赤、遠赤色の各波長域の光量子束密度と放射束密度も計測できる、改良分光ガジェット(ALBunko)を開発した。前年度までに、局所的な気温、光合成光量子束密度、CO2濃度を計測し、Farquharモデルを使って光合成速度推定値をリアルタイム表示するガジェットを開発した。本年度は、コマツナを使った各種の栽培環境での栽培試験を実施し、期間同化量の実測値でガジェットによる推定値の積算値を検証した。その結果、実測値より平均して約3.8倍の高い値になった。理由として、葉肉細胞のCO2濃度をガジェット設置場所のCO2で計算したこと、光呼吸の影響が考えられた。この結果を踏まえ、風速(対流伝達速度)、飽差(気孔コンダクタンス)を測定するセンサを備え、さらに、露点温度と風速から葉の結露を推定する病害リスク警告機能を備えた疑似葉のようなガジェット(PseudoLeaf)を最終的に開発した。開発したガジェットは一般的な部品を使用し、自作容易なため、製作記事をCQ出版社月刊Interface誌に連載し、研究成果の活用促進を狙いアウトリーチ活動を行った。コンピュータを付加した低コスト小型センシングシステムに、生体情報モデリングソフトウェアを内蔵し、その計測地点の局所的環境計測値から、植物物質生産、植物光形態形成、病害微生物の感染可能性などの推定値を指標として、表示・警報・記録する小型ツールを開発することを目的とする。低コストマイクロ分光器を用いた植物の光環境を計測する分光ガジェットを開発・試作した。400800nmの光量子束を1nm毎に取得でき、PPF相当で0.052000μmol m-2 s-1の広いレンジで測定できる性能になった。デジタルファブリケーションの技術を用いて、3Dプリンタで植物葉を模した筐体を製造して収め、外形寸法171×100×36mmで、重量144gになった。モバイルバッテリを使用すると、電源不要で3日間程度連続して5分間隔でスペクトルデータをマイクロSDメモリカードに取得できた。部品価格は1台約3万円で、5台試作した。これを用いて、施設トマトの群落を試験測定し、計測値から、スペクトロミクス図生成、LAI推定値の非破壊計測、フィトクロム平衡値の推定などが、多点で連続的に行えることを確認した。学会発表やテスト計測を通じて、試作機を紹介したところ、和歌山県農業試験場をはじめ複数の機関から、使用してみたいとの要望が出され、試作機を提供した。評価結果を今後の改良に活用する予定である。光合成ポテンシャルを簡易測定するガジェットについては、最近製品販売された9800円の低コストCO2センサを採用できるか、機器の評価試験を実施した。種々のセンサを利用して環境情報から病害防除の適切なタイミングを予測する防除支援ガジェットについて、病害拡大に関与すると考えられる「光環境」に着目した。本年度ではその「光環境」を適切に測定するためのガジェットの試作、検討および設置場所の検討を実施した。研究補助の予定でアルバイトの雇用契約をした院生が疾病により、休学・退学してしまい試作実務のマンパワーが不足してしまった。学部生等の複数の研究室学生がボランティアで試作を支援してくれたので、分光ガジェット開発は想定以上に研究が進捗した。次年度に開始予定の、小課題(2)の試作機の中小規模施設使用者の試用・評価・改良にも先んじて着手することができた。その一方で、光合成ポテンシャルを簡易測定するガジェットの開発については、マンパワーを分光ガジェットに回さざるを得なかったため、超小型風速センサの評価試験ができず、CO2センサの評価までに止まってしまい、研究の進捗が予定よりやや遅れている。両者を総合して、おおむね順調に進展していると進捗状況を評価した。コンピュータを付加した低コスト小型センシングシステムに、生体情報モデリングソフトウェアを内蔵し、その計測地点の局所的環境計測値から、植物物質生産、植物光形態形成、病害微生物の感染可能性などの推定値を指標として、表示・警報・記録する小型ツールを開発する。前年度3万円/台程度の部品コストで開発・製造できた分光ガジェットについては、マイクロ分光センサが改良され、より高感度になったのを受けて、回路設計とプログラムを改良した。和歌山県農業試験場と共同して、養液栽培トマト群落内外の4か所に設置して400nm800nmの光スペクトル環境を連続測定した。その測定結果より、群落のLAIを推定したところ、当初のLAIが2.63だったものが、摘葉後には1.89に低下した。摘葉による受光体勢の変化を数値化することができた。

また、植被面、群落中位、群落下面のフィトクロム平衡値(PE: Pfr/Pr)を推定したところ、群落下面の午前と午後で0.05程度の変動があり、植物体の部位により、太陽光の入射状況の変化によるPEの日変動に違いがあることが明らかになった。群落の多点の光スペクトルを低コストで連続測定できるようになり、生産者の植物生産温室の群落光環境、光形態形成の非破壊測定の可能性を示すことができた。本研究成果を国際会議で発表することができた。また、光合成評価ガジェットについては、Farquharの光合成モデルを利用し、9000円台と2000円台の新型低コストCO2濃度センサを用いてArduino汎用CPU基板をプラットホームにした試作機を製造し、設置された環境を計測しながら、光合成速度のポテンシャル値をリアルタイムに表示できることを確かめた。そして、光環境を測定する病害防除支援ガジェットの評価を行い、その結果、機体毎に測定値のバラツキがありその原因解明を行うとともに修正プログラムの作成を行った。分光ガジェットの改良を進めることができ、3Dプリンタを使って筐体製造し、製品に近い完成度にすることができた。学会発表したところ、大学や県試験場の研究者から、入手・自作したいという問い合わせが数件あり、研究成果の活用が期待できる。また、光合成評価ガジェットは、本体の試作がほぼ完成し、この機材を病害防除支援ガジェットと共通で使える見通しも得られ、おおむね順調に進展していると進捗状況を評価した。計測地点の局所環境計測値から、植物物質生産、植物光形態形成、病害微生物の感染可能性などの推定値を表示・警報・記録する小型ツール(ガジェット)を開発した。400800nmの分光環境を1nm毎に計測する3万円の部品コストで開発・製造できるガジェット(Zelko)を開発した。前年度までにトマト生産施設の4か所の分光環境を計測し、LAIやフィトクロム平衡値の分布を推定可能なことを確かめた。研究成果は、本年度に論文掲載(Hoshiら、2018)された。Zelkoは計測結果を5分毎にSDメモリーカードに記録する仕様で開発したため、生産者が植物生産現場で光環境を簡単に確認できなかった。そこで、分光グラフを測光時に目視できる液晶表示を備え、同時に光合成、青、緑、赤、遠赤色の各波長域の光量子束密度と放射束密度も計測できる、改良分光ガジェット(ALBunko)を開発した。前年度までに、局所的な気温、光合成光量子束密度、CO2濃度を計測し、Farquharモデルを使って光合成速度推定値をリアルタイム表示するガジェットを開発した。本年度は、コマツナを使った各種の栽培環境での栽培試験を実施し、期間同化量の実測値でガジェットによる推定値の積算値を検証した。その結果、実測値より平均して約3.8倍の高い値になった。理由として、葉肉細胞のCO2濃度をガジェット設置場所のCO2で計算したこと、光呼吸の影響が考えられた。この結果を踏まえ、風速(対流伝達速度)、飽差(気孔コンダクタンス)を測定するセンサを備え、さらに、露点温度と風速から葉の結露を推定する病害リスク警告機能を備えた疑似葉のようなガジェット(PseudoLeaf)を最終的に開発した。開発したガジェットは一般的な部品を使用し、自作容易なため、製作記事をCQ出版社月刊Interface誌に連載し、研究成果の活用促進を狙いアウトリーチ活動を行った。来年度は、超小型風速センサの評価
恵山文化の研究

1.北海道伊達市有珠10遺跡の発掘調査文部省科学研究費(昭和60年・61年:解剖学部門,昭和62年:人類学部門)の交付を受けて実施してきた有珠10遺跡の発掘調査を継続した。2ケ年の発掘で,新たに13ケ所の墓を検出した。続縄文時代恵山期の墓10ケ所の他,これまで本遺跡では未発見であった縄文時代晩期の墓3ケ所も、合わせて検出することができた。続縄文時代恵山期の墓は,改葬されたものが多く,これは,縄文時代晩期の墓にも認められた。縄文時代の墓では,人骨に抜歯があり,オオツタノハ製貝輪の装着が認められ,また,続縄文時代恵山文化期の墓においても南海産貝製品の副葬が認められるなど,本州縄文・弥生文化の影響が,これまで考えられてきた以上に強いものであることが明らかになった。2.出土遺物・人骨の研究貝製品や骨角器には,本州文化の影響が認められた。特に,オオツタノハやイモガイなで,南海産の貝製品については,西日本などの地域からの伝播の可能性が考えられた。出土人骨は,計測可能なもの6個体が得られた。計測値の統計処理(縄文人,渡来来弥生人,北海道アイヌ男性の頭骨計測値を基墓にした正準判別分析)の結果,これらの人骨は,縄文,アイヌに近いことが明らかになった。しかし,一方では,恵山人の顔高が縄文人のそれよりも高いことが指摘されるなど,弥生人の遺伝的影響も考慮された。当初計画どうり昭和63年7月に、北海道伊達市有珠10遺跡の発掘調査を実施し、次のような成果をえた。1.恵山期の埋葬遺構10ケ所認めた。いずれも改葬墓であった。改葬のかたちは様々であったが、なかでも特徴的なのは、複数個体の骨が、特に墓壙を設けずに、乱雑に集積されているもので、3ケ所検出した。いずれも各個体の全身骨がすべて揃っておらず、部分骨の集積である。おそらく、改葬にともなって生じた現像と思われるが、これが二次埋葬としての構造かどうかは、さらに検討が必要である。2.縄文晩期の埋葬遺構この時期の埋葬遺構の検出は、本遺跡でははじめてである。3ケ所発見した。3ケ所のうち2ケ所は原埋葬であったが、残る1ケ所は改葬された原埋葬墓で、とり残されたと思われる手および足の指骨が、壙底面に散在していた。原埋葬墓のうち16号墓としたものには、2体の女性成人骨が仰臥屈葬で埋葬されていた。特筆すべき点は、両人骨とも左前腕に、貝製腕輪を装着していたことである。1体には6枚、もう1体には2枚の貝輪がつけられていた。このうち、それぞれの1枚は、南海産オオツタノハ製の貝輪であった。北海道におけるオオツタノハ製貝輪の出土は、今回がはじめてで、その装着例は全国的にも皆無である。3.もっとも重要と思われる出土遺物貝製品である。これまでに出土していたものも含めると、約6000点に達するが、いずれも本州からの伝播品である可能性が高く、当時の交易のあり方などを考える上での重要な資料といえる。昨年にひきつづき、北海道伊達市有珠町所在の有珠10遺跡の発掘調査を実施した。当初の調査目的にしたがい、その成果を記す。1.続縄文恵山期の墓について:昨年からの精査をひき次いだ墓2基の他、新たに2基の墓を発見した。いずれも恵山期の改葬墓である。当初より問題となっていた改葬の要因については、その検出例から判断して、かなり風習的に行なわれていたことが予測されてきた。

今後は、さらに本州の改葬例とも比較しながら慎重に分析を進めたい。2.縄文晩期の貝層について:今調査のもうひとつの目的は、縄文晩期の貝層の調査を通して、従来資料的に不十分であった該期の骨角製品、特に銛頭を中心とする狩捕・漁撈貝を充実させ、恵山文化の銛頭との系譜関係を明らかにする点にあった。しかし、今回の調査では、調査面積が16m^2と少ないこともあってか期待した成果が得られなかった。そうした中で、4点検出したオ-プンソケットの銛頭の中に、恵山文化期の銛頭にみられる装飾が、萠芽的に出現していることが明らかになった点は収穫であった。3.周辺文化との関連性:昨年、一昨年の調査資料を整理してゆく過程で、恵山期の遺物の中には多数の南海産あるいは暖海産の貝製品の含まれていることが明らかになり、にわかに弥生文化との関連性がクロ-ズアップされてきた。従来指摘されてきたように、極東方面の文化との関連性もあり、恵山文化が予想以上に複雑な文化の形成過程を内包している可能性がでてきた。2ケ年(昭和63年度・平成元年度)にわたって実施した北海道伊達市有珠10遺跡の発掘調査の整理作業を実施すると同時に、出土資料や遺構についての研究を行なった。1.有珠10遺跡発掘資料の整理当初計画どうり、土壌(貝層を主体とする)サンプルの水洗と分類作業を実施した。30×50cmの資料袋580点の処理を終えた。処理後、自然遺物は、種別の分類と種名の同定を行なった。文化遺物は、保存処理を施した後、前年度までの出土品も含め、実測図の作成と写真の撮影を行なった。人骨資料については、復原作業の後、計測を行なった。2.資料の分析文化遺物については、特に前年度までにその出自などに関して問題となっていた貝製品を中心に,本州の出土例との比較検討を行なった。結果の一部については,すでに論文発表した(「11.研究発表」参照)。人骨についても,本州各地の出土人骨との比較検討が行なわれ,すでにその概要が発表されている(「11.研究発表」参照)。自然遺物については,恵山期の生業活動の復原をテ-マに,主として狩猟・漁撈具との関連性が追求された(調査本報告書に発表予定)。3.研究のまとめ/報告書の作成本研究は、昭和60年より実施した予備的調査も含め,5ケ年の発掘調査からなる。発掘調査の所見,出土遺物・人骨の研究成果の報告書については,本報告とは別に刊行を予定し、現在製作中である。
日本国内の林地にみられるアーバスキュラー菌根菌群集に関する研究

アーバスキュラー菌根(AM)は陸上植物とグロムス亜門に属する菌群との共生によって形成される最も普遍的な菌根である。森林生態系のAM菌共生に関するこれまでの知見は乏しく、特に日本国内の林地については外生菌根に関する知見は豊富であるものの、AM菌群集に関する研究はほとんどなされていない。そこで、本研究では関東以西の様々な林地を対象としてAM菌群集の解明を進めている。昨年度までに、岡山県真庭市(二次林、ヒノキ林)、鹿児島県川内市(二次林)、滋賀県大津市(二次林、ヒノキ林)、三重県津市(二次林、ヒノキ林)、神奈川県南足柄市(二次林、ヒノキ林)、真鶴市(二次林)、千葉県柏市(二次林)、白井市(ヒノキ林)、栃木県塩谷郡(二次林、ヒノキ林)を対象としてリボソームRNA遺伝子の小サブユニット領域(SSU rDNA)の部分塩基配列をPCR法によって増幅し、次世代シーケンサーIon PGMを用いたシーケンシングを行なった。得られた配列を元に塩基配列の相同性97%で操作的分類群(OTU)を定め、各OTUのリード数を解析した。いずれかの調査地で検出割合が5%を超えたAM菌のOTUは23個となり、そのほとんどが地域的に離れた複数の調査地から検出されていたことから、林地特有のAM菌群集の存在が示唆された。また、真庭市、津市、南足柄市、大津市、塩谷郡の近接する二次林とヒノキ林ではいずれも類似したAM菌群集がみられ、植林地への改変はAM菌群集に及ぼす影響は小さいと考えられた。また、様々な林地からAM菌の胞子果を収集し、記載、同定、分離培養を進めており、Glomus属(広義)の初記載種として知られるG. microcarpumについて、分子系統学的位置を明らかにし、これを新属Kamienskiaに含め、Kamienskia microcarpaとして記載論文を執筆している。理由岡山県真庭市、鹿児島県川内市、滋賀県大津市、三重県津市、神奈川県南足柄市、真鶴市(二次林)、千葉県柏市、白井市、栃木県塩谷郡と日本各地において、アーバスキュラー菌根(AM)菌共生樹種が有占する二次林およびヒノキ植林地を対象としてAM菌群集に関する調査を進めている。これまでの結果から、距離的に離れた複数の林地から高頻度で検出されるAM菌の操作的分類群(OTU)を見出しており、森林のAM菌群集に関する特徴づけが進んでいる。また、真庭、足柄、大津の近接する二次林とヒノキ林ではいずれも検出されたOTUの構成は類似しており、植林地化はAM菌のリソースにはあまり影響しないことが示唆された。林地環境から得られたAM菌DNAをデータベースに照合し、類似配列の地理的および環境的分布について検討する予定であったが、データの解析、特にデータベースへの照合作業が手間取り、論文を執筆するに至らなかった。今年度はこれまでの結果をまとめ、学会発表と論文発表をそれぞれ行う予定である。2019年度はこれまでの結果をまとめ、地域、植生、環境因子が林地環境のAM菌群集に及ぼす影響について解析を行う。さらに林地環境から得られたAM菌DNAをデータベースに照合し、類似配列の地理的および環境的分布について検討する。以上の結果を林地特有のAM菌群集に関する報告としてまとめ、学会発表と論文発表を行う。アーバスキュラー菌根(AM)は陸上植物とグロムス菌門に属する菌群との共生によって形成される、最も普遍的にみられる菌根である。AM菌は胞子の形態によって種の記載が行われ、これまでに約250種が同定されている。一方、リボソームRNA遺伝子などを対象としたAM菌特異的プライマーの開発によって植物根内のAM菌を分子同定することが可能となり、様々な生態系においてAM菌群集に関する研究が進められ、多様な未同定AM菌群の存在が明らかとなっている。森林生態系のAM菌共生に関する知見は不十分であり、特に日本国内の林地は国土の約7割を占めるにもかかわらず、AM菌についてはほとんど研究がなされていない。我々はこれまで二次林(Yamato and Iwase 2005)や菌従属栄養性のAM菌群集に関する研究(Yamato et al. 2011)を行っており、その中で長野のヒノキ植林地、岐阜および京都の二次林において、得られた7つのAM菌の系統タイプ(97%相同性で区分)のうち6つが3ヶ所で共有されるという結果を得ている。そこで、「日本国内の林地には、地上部の生物多様性とは対照的に、地域や樹種の影響をあまり受けない林地特有のAM菌群集がみられるのではないか」との仮説を立て、本研究では、日本国内の林地におけるAM菌群集の類似性に関する上記の仮説を検証することを目的として、日本国内の様々な地域において、AM菌共生植物が優占する二次林とスギ・ヒノキなどのAM菌共生植物の植林地を対象としAM群集の解析を行っている。また、さまざまな森林からAM菌の胞子果を収集し、分子同定、形態的特徴の記載、菌根形成試験を行う。この2つのアプローチ(根内菌糸の分子同定と胞子果の記載および分子同定)を統合し、日本国内における林地特有のAM菌群集を明らかにする。岡山県、鹿児島県、神奈川県の3地域において、AM菌共生樹種が優占する二次林およびヒノキ植林地を対象としてAM菌群集に関する調査を行った。

各調査林を代表する植生がみられる地点で5 ×5 mの調査プロットをそれぞれ約10 m離れるように3カ所設定し、高木と低木に関する植生分布図を作成した。中心地点とその上下50 cmの3カ所にサンプリング点を設け、直径5 cm、深さ10 cmの土壌コアサンプルを採取し、3つのサンプルを一つにまとめ、調査プロットのサンプルとした。土壌コアサンプルから洗い出した植物細根からDNAを抽出し、プライマーAMV4.5NF-FとAMDGR-RでAM菌のrDNAのSSU領域を、プライマーtrnLh-FとtrnLc-Rで葉緑体trnL(UAA)遺伝子のイントロン領域をそれぞれPCRによって増幅し、次世代シーケンサーIonPGMを用いてシーケンスを行った。いずれかのサンプルで5 %以上の検出がみられたAM菌の19 OTUうち、約半分の9 OTUはYamato et al. (2016)で岐阜県の二次林、長野県のヒノキ林、京都の二次林から検出されたAM菌に該当し、これらのAM菌が広く関東以西の林地に分布していることが確認された。これまでDNAデータが存在していなかったGlomus microcarpumの胞子果を栃木県宇都宮市のヤブツバキ樹下から採取し、SSU-ITS-LSU rDNA領域の塩基配列(1548-1553 bp)による分子系統学的解析を行ったところ、Blaszkowski (2015)によって報告された新属Kamienskiaに近縁であることが明らかとなった。アーバスキュラー菌根(AM)は陸上植物とグロムス亜門に属する菌群との共生によって形成される最も普遍的な菌根である。森林生態系のAM菌共生に関するこれまでの知見は乏しく、特に日本国内の林地については外生菌根に関する知見は豊富であるものの、AM菌群集に関する研究はほとんどなされていない。我々はこれまでの研究で長野県のヒノキ植林地、岐阜県および京都府の二次林において、AM菌群集が類似していることを見出しており、本研究では林地のAM菌群集は類似しているのではないかとの仮説の元に、関東以西の様々な林地を対象としてAM菌群集の解明を進めている。昨年度までに、岡山県真庭市(二次林、ヒノキ林)、鹿児島県川内市(二次林)、滋賀県大津市(二次林、ヒノキ林)、神奈川県南足柄市(二次林、ヒノキ林)、真鶴市(二次林)、千葉県柏市(二次林)、白井市(ヒノキ林)を対象としてリボソームRNA遺伝子の小サブユニット領域(SSU rDNA)の部分塩基配列をPCR法によって増幅し、次世代シーケンサーIon PGMを用いたシーケンシングを行なった。得られた配列を元に塩基配列の相同性97%で操作的分類群(OTU)を定め、各OTUのリード数を解析した。いずれかの調査地で検出割合が5%を超えたAM菌のOTUは23個となり、そのほとんどが地域的に離れた複数の調査地から検出されていたことから、林地特有のAM菌群集の存在が示唆された。また、真庭、足柄、大津の近接する二次林とヒノキ林ではいずれも類似したAM菌群集がみられ、植林地への改変はAM菌群集に及ぼす影響は小さいと考えられた。また、様々な林地からAM菌の胞子果を収集し、記載、同定、分離培養を進めており、Glomus属(広義)の初記載種として知られるG. microcarpumについて、分子系統学的位置を明らかにした。岡山県真庭市、鹿児島県川内市、滋賀県大津市、神奈川県南足柄市、真鶴市、千葉県柏市、白井市と日本各地において、アーバスキュラー菌根(AM)菌共生樹種が有占する二次林およびヒノキ植林地を対象としてAM菌群集に関する調査を進めている。これまでの結果から、距離的に離れた複数の林地から高頻度で検出されるOTUを見出しており、森林のAM菌群集に関する特徴づけが進んでいる。
ハミルトン力学系におけるエルゴード問題の研究

本研究では次の点を新しく解明できた。1.古典ハミルトン系の長時間相関の発生の原因は相空間のフラクタル的構造に由来している。トーラスとカオスの境界領域の淀み層の理論を発展させ、そこでの運動が非定常性と多重エルゴード性をもつことを明きらかにした。我々の淀み層理論は、異常拡散、散乱カオスさらに格子振動系で計算機実験によっても確められた。2.エネルギーレベルや波動関数の不規則さを量子力学的に精密に表現するとともに、半古典論の立場からカオスの効果を評価することができた。グッツウィラ-公式の収束性や周期軌道の寄与の仕方に強い相関があることを明らかにした。古典系および量子系に共通の問題,不可逆性の出現の根拠がカオスの分布関数の弱収束性にあることを示した。とくに量子系のエルゴード及び不可逆性の発生がh→oの極限であり得ることを伏見関数の数値計算から予想した。ハミルトン力学系のカオス運動は,従来単一のエルゴ-ド成分(ルベ-グ測度)で記述できるものと考えられて来た。しかし、相沢は、近可積分系の研究から、それが多重エルゴ-ド運動であることを理論的に示した。その結果として、カオスの一つの特性量であるリャプノフ指数が一般のハミルトニアン系では零であることを数値計算によっても確めた。また、それに伴う中心極限のやぶれをLorge DeviationTheoryの立場から説明することができた。また、ハミルトン系の多重エルゴ-ド性を生み出す力学系の構造は、KAMト-ラス及びP.Bト-ラスの自己相似的な分布に由来するという予想の下に数値計算を行い、スケ-リング則が実際にあることを確め、そのスケ-リング指数を決定することができた。斎藤は、分布関数のt→∞の極限での挙動から、エルゴ-ド性を論じた。一般に、t→∞の極限で分布関数が一定値(一様分布)に達すれば、エルゴ-ド性が成立することが示される。可積分系でト-ラスの上でのエルゴ-ド性は、その極限を長時間平均であるとすればよい。非可積分系では、分布関数は、どの点でも収束しないが、法則収束の意味で収束し、それが一定値であれば、エルゴ-ド性、混合性、エントロピ-の増加を示すことができる。このことは量子系でも成り立つが、h→0,高エネルギ-の極限が必要である。多自旧度系では最後の条件はゆるめられることが期待される。首藤は、古典的に最も強いカオスを示すスタジアムビリヤ-ド系のレベル統計を調べ、リアプノフ数(対応する古典系)の大きさが、分布の収束速度に反映することを示し、レベルの統計測において、何が普偏的で、何が普偏的でないかを明らかにした。ハミルトン力学系の多重エルゴ-ド性は多様な現象を生み出すことが明らかになってきた。相沢は、散乱カオスの研究において衝突時間の分布が逆べき則に従うことを計算機実験によって確かめた。また、格子振動子系の誘導現象を説明する淀み層理論を提案した。さらに、それによって格子振動系の1/fスペクトルゆらぎが普遍的であることを示し、クオ-ツ振動子の実験も、これによって説明できることを明らかにした。統計力学の基礎である等分配則の実現過程は、多重エルゴ-ド性を反映して複雑であるが最終的にカノニカル分布に漸近することを計算機実験で確認した。斎藤はエルゴ-ド測度の点収束にかわって、法則収束の理論を提案し、これによってカオス・力学系の不可逆性が発生することを精密に議論した。量子系においてもh→0で法則収束が生じる条件を提案した。首藤は、リャプノフ指数が大きいほど、エネルギ-固有値の最近接間隔分布が、GOEから予想されるものに早く接近することを示した。さらに、強いカオス系の性質は、古典的周期軌道の分布によってほぼ決定できることをビリア-ド系に対して明らかにした。本研究で新らしく解明できた点は次の事柄である。1.まづ古典ハミルトン系の長時間相関の発生の原因は,KAMトーラス,PBトーラス,そしてカオスが相空間の中にフラクタル的に分布し共存していることに由来している。その結果,ハミルトン系の運動は非定常性と多重エルゴード性をもっていることが示せた。淀み層の理論によると,淀み時間の分布が指数1の逆べき則に従い,その結果パワー・スペクトルは普遍的にf^<-2>を持つことが導びかれた。

これらの結果は近可積分系の異常拡散,散乱カオス,さらに格子振動系の平衡への接近の計算機実験によって確認された。(相沢)2.次に量子系に対するカオスの影響を精密に決定することが出来た。これまで非可積分系個有の現象と考えられていた波動関数やエネルギーレベルの不規則さは決っしてカオス特有のものではなく擬可積分系(非カオス系)にも出現することを明確に示し,さらに半古典論の収束性と有効性および限界を不定定周期軌道の長距離相関の出現によって説明することが出来た。(首藤)3.さらに古典系および量子系に共通の問題として,不可逆性の出現の根拠が分布関数の弱収束性にあるとの立場から,エントロピーの増大則,平衡への緩和,さらにエルゴード性の発生が統一的に整理できることを示し,とくに量子系でのエルゴード性,不可逆性の起原がプランク定数h→0の極限に発生することを伏見関数の精密計算から予想した。(斎藤)
近赤外光を用いる光音響法によるがんの生体分子イメージング法と治療法の開発

臨床利用に優れた性質をもつ近赤外光を利用した光学的手法による、新しいがんの診断ー治療ワークフローシステムの構築を目的とした。すなわち、近赤外光を吸収して超音波を発生する光音響効果を示すがん集積型化合物を創製し、それを用いて、体深部のイメージングを可能とする新規光音響診断法、及び、その光音響シグナル発生過程で生じる熱による細胞死滅作用を利用したがん治療法の開発を目指した。その結果、低分子、ポリマー、抗体、金属ナノ粒子を母体とする、強い光音響効果を示す化合物を見出し、また、近赤外光照射により細胞傷害作用を示すに十分な温度上昇を認めたことから、光音響効果を利用したがん診断・治療の可能性を見出した。本研究の目的は、臨床利用に優れた性質を有する近赤外光を利用した光学的手法による、新しい効率的ながんの診断ー治療のワークフローシステム構築のために、光音響効果を生じるがん集積型化合物(分子プローブ)を創製し、それを用いて、現在の光イメージング法の課題である体深部のイメージングを可能とする新規イメージング法、及び、その光音響シグナル発生過程で生じる熱による細胞死滅作用を利用したがん治療法を開発することにある。これにより、新規分子標的診断・治療法を提供し、がんの診断・治療の発展に寄与し得る。今年度は、高い光安定性をもつ光音響シグナルユニットの開発およびその光音響シグナルユニットを腫瘍部位へ効率よく送達しうるがん標的認識ユニットの最適化について検討した。(1)光音響シグナルユニットの開発:研究代表者らが開発した近赤外蛍光色素IC7-1-Buを光音響イメージングに適用するために、強い励起光照射に対する安定性を有するよう、IC7-1-Buに励起三重項状態クエンチャーであるTSQを導入したプローブを開発した。その結果、本プローブは高い光安定性を有し、かつ、担がんマウスで腫瘍に集積し、がんの光音響用分子プローブとなりえることを見出した。(2)がん標的認識ユニットの最適化:(1)で開発した光音響シグナルユニットを腫瘍部位へ効率よく送達するキャリアとして、単鎖抗体と水溶性ポリマーの可能性について評価した。抗HER2単鎖抗体を部位送達キャリアとして導入した酸化鉄ナノ粒子はHER2陽性腫瘍に高く集積し、腫瘍のインビボ光音響イメージングに成功した。また、ポリエチレングリコール(PEG)を部位送達キャリアとして、これにインドシアニングリーンを結合したプローブはEPR効果によって腫瘍に集積し、光音響イメージングに成功した。さらに、分子量20kDaのPEGが本目的に最適であることを認めた。研究実績の概要に示した通り、平成27年度は、研究計画調書に沿って、高い光安定性を有する光音響シグナルユニットの開発に成功するとともに、それらをがん組織に送達しうるがん標的認識ユニットの最適化について検討した。よって、本研究課題は順調に進展していると評価できる。本研究の目的は、臨床利用に優れた性質を有する近赤外光を利用した光学的手法による、新しい効率的ながんの診断ー治療のワークフローシステム(セラノスティック(Therapy + Diagnostic)法)構築のために、近赤外光を吸収して超音波を発生する光音響効果を生じるがん集積型化合物(分子プローブ)を創製し、それを用いて、現在の光イメージング法の課題である体深部のイメージングを可能とする新規がん分子イメージング法(光音響イメージング法)、及び、その光音響シグナル発生過程で生じる熱による細胞死滅作用を利用したがん治療法を開発することにある。今年度は、前年度に引き続き、高感度化を目指した光音響シグナルユニットの開発および光音響シグナルユニットを腫瘍部位へ送達しうるがん標的認識ユニットの最適化について検討した。光音響シグナルユニットを腫瘍へ送達するキャリアとして、水溶性ポリマーのひとつであるポリオキサゾリン(POZ)に着目し、その側鎖であるアシル基を酸により加水分解することにより生じた第二級アミンにインドシアニングリーン(ICG)を複数分子導入したプローブを設計、合成した。プローブの腫瘍集積性に対するPOZの分子量、加水分解割合、ICG導入数の影響を調査した結果、分子量50 kDa、加水分解割合5%、ICG導入数約8個の条件で最も良好な腫瘍集積性を示した。また、ポリマー1分子あたりのICG導入数が増加するにつれて、ICG濃度あたりの光音響シグナルは増加することを見出し、高感度化の可能性を示した。最適化されたプローブを用いて、光音響イメージング実験を実施した結果、腫瘍部位を明瞭に描出することに成功した。平成28年度は、光音響シグナルの高感度化につながる新たな化合物の設計方針を見出し、それに基づき合成した、ICGを複数分子導入したPOZ誘導体を用いて、腫瘍部位を高いコントラストで明瞭にイメージングすることに成功した。本研究の目的は、臨床利用に優れた性質を有する近赤外光を利用した光学的手法による、新しい効率的ながんの診断ー治療のワークフローシステム(セラノスティック(Therapeutic + Diagnostic)法)構築のために、近赤外光を吸収して超音波を発生する光音響効果を生じるがん集積型化合物(分子プローブ)を創製し、それを用いて、現在の光イメージング法の課題である体深部のイメージングを可能とする新規がん分子イメージング法(光音響イメージング法)、及び、その光音響シグナル発生過程で生じる熱による細胞死滅作用を利用したがん治療法を開発することにある。