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応用確率過程解析における「ホインの微分方程式の方法」の開拓

古典的な応用確率解析では,マスター方程式やフォッカー・プランク方程式などで記述されるマルコフ・モデルが「ガウスの超幾何微分方程式」を解く問題に帰着できるマルコフ・モデルに限られていた.本研究では「ホインの微分方程式の方法」を開拓し, (1)フラクショナル・マスター方程式で線形の生成・死滅率を持つ場合の解析法;(2)フラクショナル・フォッカープランク方程式で回帰項に3次までの非線形項,拡散項に2次までの非線形項が含まれる場合の解析法;(3)フラクショナル・ポアソン過程の重ね合わせを使って新しい(ホインのクラスを超える)確率過程を構成する方法;等を示し,付随した具体的応用例も示した.平成27年度の実施計画項目としては以下に列記するものを考えていた:(1)非平衡系における「様々な生成・死滅過程の実験や数理モデルの調査」;(2)「ホインの微分方程式」を解く問題に帰着可能と推定される確率モデルの分類;(3)具体的な実現象データの解析を通じた生成死滅過程を内包する応用解析の展開;(4)ホイン型微分方程式の「標準型方程式への変換理論」と解の「積分表示の一般理論」の展開等。(1)に関しては、複雑な非平衡開放系では位相特異点の生成・死滅ダイナミクスが系の重要な空間特性を反映することが分かってきており、プラチナ単結晶上の一酸化炭素の酸化反応、熱対流や液晶での欠陥形成、魚・プランクトンの群れ形成、量子乱流の渦ダイナミクス、心室細動時の位相特異点の生成死滅ダイナミクス、神経興奮要素(非線形振動子結合系)の2次元パタンダイナミクスなどの関連問題の存在を確認し、調査を継続している。(未発表)(2)に関しては1変数のマスター方程式の特殊な線形生成率・死滅率の場合、確率簿関数がホイン関数及び合流型ホイン関数で表現可能である特殊な場合の存在を発見し、結果は数理解析研(京都)、統数研(立川)、CDSA2016(インド)で発表した。(3)に関しては、心室細動などの心臓疾患と関連した位相特異点のダイナミクスに関連した解析を、マスター方程式を用いて実施し、結果の一部は数理解析研や統数研でも報告した。また、心拍変動の実データ解析や局所結合と対局結合の両方が存在する非線形振動子結合系への準備解析結果も統数研で発表している。(4)の標準型への変換理論に関しては、(2)で述べた、特殊なマスター方程式の解析に関する限り、特殊なホイン関数の積分表示と特殊な合流型ホイン関数の積分表示の表式を得ている。結果の一部は数理解析研(京都)、統数研(立川)、CDSA2016(インド)などの研究会ならびに国際会議で発表した。数学的な観点からは当初の計画どおりに進展してきたと考えている。しかし、応用確率解析という看板を掲げている以上、現実的な解析に応用できないと意味がない。特異点ダイナミクスに関しては空間1次元系や空間2次元系での解析を目指してきた。2次元の熱対流系やPtの酸化反応系の位相特異点に関してはそれで問題なかったが、心臓疾患、特に、心室細動に関連した位相特異点のダイナミクスは、現実のシステムでは3次元であるため、3次元のスクロール波が壊れることによって形成される位相特異点のダイナミクスであることに気がついた。そこで、空間3次元の大規模数値計算を行っている海外の研究者にコンタクトをとり、数値シミュレーションの数値データを送付していただき閲覧させていただいたところ、空間3次元の場合には空間1次元や2次元の場合とはかなり様相が異なり、心臓表面の位相特異点を支配する要素が極めて複雑であり、異なる種類の特異点が作る「空間形状の異なるフイラメント」が相互に非線形相互作用を行っており、それが心臓表面の位相特異点の遅いダイナミクスを支配していることになっていた。この問題をどのように解析するかを思案することに時間を割かれたため、研究の進展に若干遅れが生じている。すなわち、査読のある雑誌への研究結果の投稿が遅れている。当該年度の計画では(1)生成率及び死滅率が特異点数の1次関数になっている場合のマスター方程式による解析方法の展開。(2)生成率及び死滅率が特異点数の2次関数になっている場合のフォッカー・プランク(FP)方程式による解析方法の展開。(3)3次の非線形項を有する系の解析理論の展開。(4)記憶効果の導入の可否の検討。(5)解の積分表示の検討。(6)FP方程式の固有値問題計算法の検討、等であった。(1)の解析法はほぼ達成でき、成果は数理解析研究所、J.Phys. Soc. Jpn. 86巻(2017)で報告した。応用例として位相特異点の生成死滅過程ばかりでなく、Optical Rouge波の発生のモデル化に使えることも示した。(2)2重合流型ホインの微分方程式(HeunD方程式)を用いた解析方法に帰着可能であることを示し、統数研のレポートに報告した。投稿論文準備中である。(3)3次の非線形項を有する場合、合流型ホインの微分方程式(HeunC方程式)を用いた固有値問題に帰着できる。この結果は、国士舘大の紀要に報告し、熊本大理学部でも口頭発表した。(4)記憶効果はマスター方程式でも、FP方程式でも導入可能である。(5)解の積分表示はマスター方程式の場は求められたが、FP方程式の場合には級数展開の解のみが求められている。

(6)FP方程式の場合、ホインの微分方程式のアクセサリー・パラメーターは固有値に一致し、数値計算で決定可能である。(4、5、6)の結果は数理解析研(京都)、統計数理研(立川)、及び、アクセサリー・パタメーター研究会(熊本)で報告した。また、空間的に大局結合のある神経興奮要素の2次元練成系をPragmatic Information (PI)の確率過程を用いて解析する新しい複雑系の情報抽出法を提案し、MMCTSE2017 (イギリス)の国際会議で報告した。これまでの研究により、1変数の場合の応用確率過程解析に現れるホインの微分方程式は、基礎方程式であるマスター方程式及びフォッカー・プランク方程式が線形微分方程式であることによる特殊性から、その類型が非線形力学系の場合の類型に比べてかなり限定的であることが明確になった。(1)マスター方程式を用いた確率過程解析の場合、線形の生成率・死滅率を有する場合には1変数の場合、合流型ホインの微分方程式(HeunC)を使った方法論が、ぼぼ、完成の域に達している(出版済の論文)。HeunG微分方程式に帰着できるより一般的な場合の方法論の展開もHeunCの場合の延長線上にあるので、具体的な応用例をつけた上で公表する予定である。(2)フォッカー・プランク方程式を用いた確率過程解析の場合、生成率・死滅率が2次までの非線形関数の場合相乗性雑音が重要となり、2重合流型ホイン微分方程式(HeunD)となることが明確になっている。3次の非線形関数を含むシステムの場合などでは合流型ホイン微分方程式(HeunC)となること、さらに、臨界揺らぎなどが重要になる系では双合流型ホイン微分方程式(HeunB)になる等、数理構造が明らかになってきた。特に、(2)のFP解析の場合にはアクセサリパラメータが固有値に一致する特殊性から、アクセサリパラメータの決定問題は「固有値の正確な決定方法」により解消されることが確認できた。応用上重要なHeunC, HeunDの方法を中心に位相特異点のダイナミクスが重要な熱対流系、心筋梗塞、光学Rogue波発生などへの適用可能性を検討してきたが、さらに新しいシステムへの適用可能性を検証してゆく。応用確率過程解析における理論的枠組みの拡張方法には, (1)マスター方程式,(2)フォッカー・プランク方程式,(3)線形確率過程の重ね合わせ,等の方法がある.本年度はこれらの3つのアプローチを用いて「新しい確率過程の解析法の開拓」をおこなった.(1)では「人間の心室細動は3次元のスクロール波の負張力状態と関係している」と考えられる,この状態を表現する線形生成・死滅率を持つマスター方程式の解析を行った.確率母関数はホインの微分方程式に従う.母関数の積分表示や寿命分布が長期記憶のある場合でも,時間領域の解がMeixner多項式展開を使って表現出来ることを示した.
歯髄組織における骨芽細胞特異的転写因子Cbfa1の発現と調節

本研究を通して,歯髄細胞が骨芽細胞持異的転写因子Cbfa1を発現していることが明らかとなった。すなわち,ラット株化歯髄細胞RPC-C2Aを培養し,RT-PCR法およびノーザンブロット法によってCbfa1のmRNA発現を観察すると,培養5日目よりCbfa1のバンドが弱いながら認められ,培養25日目まで一様に発現していた。これに平行してオステオポンチンのmRNA発現も観察され,培養10日目でピークを示していた。一方,オステオカルシンmRNAの発現は認められなかった。また,培地中に100ng/mlのBMP4を添加し24時間作用させると,Cbfa1mRNAの発現が有意に増加した(日本歯科保存学雑誌,44巻,2001)。さらに,オステオポンチンの発現は,BMP4をはじめとするTGF-βファミリーの成長因子によってmRNAレベルおよび蛋白レベルの両方で著明に増強されていた。これとは別に,臨床症例から得られた歯髄結石標本の免疫組織化学染色を行った。その結果,オステオポンチン蛋白が歯髄結石に局在していることが明らかとなった(Journal of Endodontics, Vol.27、2001)。このことから,Cbfa1の発現に続くオステオポンチン発現の増加,さらに合成されたオステオポンチン蛋白が歯髄結石の石灰化促進に関与する可能性が示された。以上の結果から,歯髄組織中で起こる修復象牙質や歯髄結石などの硬組御形成が、骨芽細胞特異的因子Cbfa1によって調節を受けていることが強く示唆された。歯髄組織中の未分化間葉系細胞は、修復象牙質や歯髄結石の形成に関与していると考えられており、さらに培養歯髄細胞が、骨代謝に関与する基質蛋白であるオステオカルシン(OCN)、オステオポンティン(OPN)、オステオネクチン(ON)などを合成分泌することも報告されている。一方、Cbfa-1(Core binding factor-α1)は、骨形成および骨芽細胞の分化に必須の転写因子であり、OCN、OPNの発現制御因子である。我々が使用している株化ラット歯髄細胞(RPC-C2A)は、培養日数に従い分化し、アルカリフォスファターゼ活性が上昇する。さらにNorthern hybridizationやWestern hybridizationによりOPNを合成分泌していることも既に報告している。RPC-C2Aを5,10,15,20,25,30日間培養し、それぞれTotal RNAを抽出し、RT-PCRとNorthern hybridizationにより、培養の経時的変化に伴うCbfa-1、OCN、OPNの発現を調べた。その結果、RT-PCRではラット骨肉腫細胞ROS17/2.8をpositive controlとし、Cbfa-1の発現が確認された。しかしOCNに関しては、RT-PCRとNorthern hybridizationともにその発現を確認できなかった。現在Northern hybridizationによりCbfa-1の発現を確認中であり、今後Cbfa-1に影響を及ぼすとされているBone Morphogenetic Protein-4(BMP-4)を培養細胞に添加し、BMP-4とCbfa-1、OPNの関係をmRNAと蛋白レベルで追求していく予定である。
天井チャンバー吹出し空調による躯体蓄熱に関する研究

天井チャンバー吹出し空調の特長である輻射効果による居住性向上を評価するために、熱伝達率を時間変化させることが可能な放射吸収係数を用いる対流・輻射分離精算プログラムと相互輻射を近似的に考慮する相当輻射気温法を用いる実用プログラムを作成した。モデル事務所建築を使い同一の計算条件下で計算精度の検証を行ったところ両者はよく一致し、従来の総合熱伝達率法計算値は5%以上負荷を大きく見積もることを明らかにした。また作成したプログラムにより、天井チャンバー吹き出し空調による躯体蓄熱の特性について他の空調方式と比較した。昼間の平均輻射温度が最も低く吹き出し温度と室温の差が小さくなること、夜間の蓄熱効果を日中まで持続させるには、昼間の穏やかな室温変動の許容が特に天井チャンバー吹き出し方式には有効であることを明らかにした。尚、通常のダクト吹き出し空調設備を使って、昼間冷房運転と連続冷房蓄熱運転の比較実験を行った結果では連続運転時のピーク負荷は、昼間運転に比べ33%減少し、22°C位まで蓄熱温度を下げても居住性に問題がないことが分かった。更に「躯体蓄熱空調に関する研究会」などを開催し、躯体蓄熱の実用化に向けての問題点について検討した。躯体蓄熱を普及させていくには設備技術者が持っている不安や抵抗感を解消する必要がある。特に少しでも初期投資(建設費)を抑えたいとする施主に対し、安い夜間電力が適用され、ランニングコストが安くなることが説得のポイントである。研究会開催をきっかけとして電力会社では躯体蓄熱の夜間電力適用の検討を始めている。本研究の目的は、天井内や床下内を空調空気の吹き出し用サプライチャンバーとて、その輻射効果より快適性を高めながら、スラブの熱容量を躯体蓄熱に利用することにある。本年度は輻射伝熱を精度良く計算できるプログラムの開発に努め、放射吸収係数を用いる精算プログラムと,相当輻射気温法を用いる実用プログラムを完成することができた。また躯体の熱容量が蓄熱効果を発揮するには、緩やかな室温変動の許容が必要であり、従来の設定室温一定プログラムにはない巾を持った設定室温制御のアルゴリズムを考案した。この実用プログラムを使い、コンクリートブロックの外側に100mmの断熱をした3階建て住宅(札幌に実際に建設された)について、アジャスターフロア-の2重床を利用した夜間換気冷房のシミュレーションを行い、1997年1月に釧路で開かれたPassive and Low Energy Achitecture'97釧路国際会議で発表した。またモデル事務所ビルの夜間空調機運転による躯体蓄熱の特性について、天井チャンバー吹き出し空調方式を通常の空調方式と比較しながら精算プログラムを使って解析し、1997年6月に札幌で開かれるMEGASTOCK'97(国際蓄熱会議)に投稿し講演発表する予定である。また研究協力者である藤原陽三氏が、北海道電力北見営業所の設備設計に実用プログラムを利用して断熱建物の特徴を生かした冷暖房負荷の軽減法について検討を行い、夜間空調機の運転法が採用された。来年度は、室蘭の営業所の設計と実測の予定である。本年度は「躯体蓄熱空調に関する研究会」などを開催し、躯体蓄熱の実用化に向けての問題点について検討した。躯体蓄熱を普及させていくには1)冷房時のピークが午後にくることから空調システムの縮小化になるのかという疑問2)運転時間が長くなることによる搬送動力費増加の危惧3)放熱を少なくするための高断熱化による建設費が上昇することへの抵抗感などを解消する必要がある。躯体の熱容量が蓄熱効果を発揮するには、緩やかな室温変動の許容が必要であり、従来の設定室温一定プログラムにはない巾を持った設定室温制御のアルゴリズムを持つ新プログラムは1)や2)の疑問に対し有効である。

1997年6月に札幌で開かれたMEGASTOCK'97(国際蓄熱会議)でモデル事務所ビルの夜間空調機運転による躯体蓄熱の特性について、天井チャンバー吹き出し空調方式を通常の空調方式と比較しながら精算プログラムを使って解析し講演発表した。一方、少しでも初期投資(建設費)を抑えたいとする施主に対し、安い夜間電力が適用され、ランニングコストが安くなることが説得のポイントである。研究会開催をきっかけとして電力会社では躯体蓄熱の夜間電力適用の検討を始めている。また躯体からの放熱を少なくするためには外断熱が有効であり、外断熱建築協議会の協力によりコスト比較資料なども作成した。更に、断熱性能の向上と内部発生熱の増加した建物の熱特性を把握するため、北海道電力室蘭支店のマルチヒートポンプシステムの稼働状況と室内環境を1年間実測した。冬季間も水蓄熱槽に蓄熱が行われており、躯体蓄熱を併用することにより各種の蓄熱システムが縮小できて普及しやすくなることが明らかになった。
小児インスリン依存型糖尿病の免疫療法に関する研究

本年度はインスリン依存型糖尿病(IDDM)の動物モデルであるBBラットを用い、免疫調節剤の一つであるβー1,3DーglucanによるIDDMの免疫療法の可能性を検討した。雄性BBラットに5週齢よりβー1,3Dーglucan1mg/kg/週を20週間静脈内投与し、顕性糖尿病の発症率、膵島炎の出現率、リンパ球サブセットの変化を検討した。対照BBラット群では顕性糖尿病の累積発症率および膵島炎の出現率が44%(13/30)、および76%(13/17)であるのに対してβー1,3Dーglucan投与BBラット群ではこれらがそれぞれ7%(2/30)および21%(5/24)に有意に抑制された(P<0.005)。一方、βー1,3Dーglucan投与によりリンパ球サブセットには、変化は認められなかったが、全白血球数、リンパ球数が有意に増加しており(P<0.01)、βー1,3Dーglucanによる糖尿病抑制効果はILー3を介している可能性が示唆された。これらの動物実験の結果にもとづいて、同意に得られたIDDM患者に予備的にβー1,3Dーglucanの投与を行ったところ完全寛解の得られた例やインスリン投与量が極めて少量に抑えられた例が観察され、IDDMの免疫療法の可能性が示唆された。今後、BBラットにおけるβー1,3Dーglucanの糖尿病抑制効果の免疫学的機序を更に究明するとともに、IDDM患者に対するβー1,3Dーglucanの臨床応用の準備を進める予定である。
離散スライディングモードに基づく非線形システムの適応制御とエンジン制御への応用

特性が変化する複雑な非線形システムに対して、モデルベースでコンピュータ制御する方法を確立するため、セルフチューニング型適応制御理論のエンジン制御問題への適用を検討した。具体的には、制御器のパラメータを直接チューニングしながら、出力を目標値に追従させる直接型の非線形離散適応制御系の設計法を非線形多入出力システムに拡張した。また、実環境での適用を考慮し、突発的なノイズである外れ値ノイズを推定・除去して制御系を構築する方法を構築した。さらに、エンジン制御のための簡易的な検証用実機シミュレータとして、ハードウェアとソフトウェアを組み合わせた統合エンジンシミュレータ環境のプロトタイプモデルを構築した。本課題では、特性が変化する非線形システムに対して、モデルベースでコンピュータ制御する方法、すなわち、離散的に適応制御する方法を確立することを目的としている。具体的には、入出力に依存したARX(Auto-Regressive eXogenous)で表現された多変数システムに対して、制御則のパラメータを推定しながら、出力を目標値に追従させる直接型の非線形適応制御系の設計法を、離散スライディングモード制御に基づき確立することを目指している。さらに、性能評価を含めた設計手法の確立を目指すとともに、エンジン制御問題などの実問題への適用を検討している。本年度は、これまでに提案してきたスライディングモード制御とセルフチューニング型適応制御の設計法、ならびに、それら理論の多変数系への拡張を検討した。また、エンジン制御への適用を視野に入れ、直動モータ(スライダ)とクランクシャフトから構成される簡易的な実験機を設計・製作し、そのリアルタイム制御実験システムを構築した。多気筒(多入力)モデルに拡張可能な実機モデルを設計しているが、本年度は1気筒分のみを製作し、実験により回転動作を確認した。さらに、セルフチューニングコントローラに対する観測ノイズの影響を軽減するために、突発的なノイズ(アウトライヤー)があった場合のフィルタリングについて基礎的な検討を行った。システムとノイズのパラメータが既知の場合について良好な結果が得られており、今後パラメータが未知の場合に拡張予定である。具体的には、多変数システムに対して、制御則のパラメータを推定しながら、出力を目標値に追従させる直接型の非線形適応制御系の設計法を、離散スライディングモード制御に基づき確立することを目指している。本年度は、これまでに提案してきたスライディングモード制御とセルフチューニング型適応制御の多変数系への拡張を検討した。また、エンジン制御問題での検証のための、リアルタイムシミュレーション環境を構築した。昨年度の1気筒モデルに加え、2気筒モデルを構築した。さらに、エンジンの動作環境のような劣悪な環境では外れ値と呼ばれる観測外乱が混入することが良くあるため、そのような外乱を効率良く除去するための種々のアルゴリズムを開発した。また、対象のシステムが未知の場合で、さらに外れ値を含む観測外乱があるシステムの制御について、ロバストセルフチューニングコントローラを拡張した手法を開発した。今後はエンジンシミュレータに開発した手法を適用して、実験的にその有効性を検証する予定である。本課題では、特性が変化する複雑な非線形システムに対して、モデルベースでコンピュータ制御する方法を確立し、実システムへの適用を目指している。具体的には、非線形多変数システムに対して、制御器のパラメータを直接チューニングしながら、出力を目標値に追従させる直接型の非線形離散適応制御系の設計法を確立を目指すとともに、エンジン制御問題を例とする実問題への適用を検討している。昨年度までの結果を踏まえ、理論面においてはロバスト・スライディングモード制御の適応化を行った。また、その応用の1つとして本課題内で開発してきたハードウェア統合型エンジンシミュレータへの応用について議論し、数値シミュレーションによりその有効性を確認した。ハードウェア統合型エンジンシミュレータについては、1気筒モデルにおいて燃焼系のソフトウェアモデルの調整を行い、リアルタイムシミュレーションの結果について検証した。また、2気筒モデルの動作をシミュレーションにて検証した。26年度が最終年度であるため、記入しない。制御理論26年度が最終年度であるため、記入しない。本年度は理論検証・拡張とともに、実験システムの構築を計画していたが、おおむね予定通りに進行している。実験システムの構築では、改良は必要であるが、回転動作が実現され、次年度以降の実機による理論検証のための環境が構築できた。本年度は理論検証・拡張とともに、実験システムの構築を実施した。理論検証において、多変数系への拡張と設計法の確立がやや遅れている。実験環境の構築、リアルタイムシミュレータの開発は予定通り進行しており、次年度は、開発した統合シミュレータ環境において検証を進める予定である。これまでの計画通り、提案している理論の多変数系への拡張、設計法の検討を進めるとともに、実機検証を行う。

実験環境においては、多入力システムへの拡張を行うとともに、エンジン制御を視野に入れて、ソフトウェア上の内燃系モデルとハードウェア上の機械モデルを組み合わせた統合型エンジンシミュレータ環境を構築する。当初の計画通り、提案している制御理論の多変数系への拡張、設計法の検討を進めるとともに、実環境への適用を考慮して理論検証を行う。また、開発した実験環境である、統合シミュレータ環境を用いて、制御理論の検証を進める。26年度が最終年度であるため、記入しない。本年度は、実験機を外注せずに設計・製作したために、計画よりも支出が抑えられた。また、研究発表の旅費にも残額が生じた。次年度は、繰り越し分については、実験機の改良・拡張のための物品費や、研究発表のための旅費等に当てる計画である。また、研究発表の旅費が計画よりも残額が生じた。繰り越し分については、実験機の改良・拡張のための物品費や、研究発表のための旅費等に当てる計画である。
超小型自走機械による機械加工と物理蒸着の融合微細加工法の基礎的研究

平成8年度超小型加工および薄膜制御機器の設計・試作本年度はこの超小型自走機械にマイクロダイヤモンド切削工具と局所的薄膜制御機構を搭載し、微細領域での材料除去・堆積による微小要素の生成を試みた。その結果、次のような基礎実験結果が得られた。(1)マスクを保持した超小型機械と試料を保持したそれを相対的に精密位置決めできた。(2)その上で、蒸着を繰り返すことで、微細な金属薄膜パターンの連続生成に成功した。(3)また金属材料も別の自走機械が取得し、蒸着源に挿入することで種々の材料の蒸着が可能になった。(4)熱処理機器も設置し、材料の熱拡散による改質操作も可能になった。平成9年度機械的材料除去微細加工と蒸着制御動作の同時制御高真空容器(現有)内にスパッタ技術により準備した薄膜材料片を設置し、この試料に対して超小型自走機械が所定の位置に接近し、機械的材料除去微細加工と蒸着制御動作を試みた。その結果、次のような結果が得られた。(1)機械共振を利用したホッピング工具によってSiO_2薄膜をスパッタしたSi基板上に微細な点描(マイクロインデンテーション)加工を可能にした。(2)同時に異なる種類の金属材料を自動蒸着させ、細密なマスクを精密位置決めすることで任意の位置に微細な薄膜パターンを生成することが可能になった。(3)さらに熱処理工程を付加し、ド-ピング効果を与えて、半導体材料の試作を試み、非線形な(ゲート電圧-ドレン電流)特性を有する材料の生成を確認した。1.超小型加工および薄膜制御機器の設計・試作これまでに圧電素子と電磁石による超小型ロボットの基本的構造に関する設計方法は確立しており、種々の微細作業機器を搭載することで必要な機能を容易に実現できる。真空中での精密動作を保証するための基礎的なデータの収集完了しており、高真空中で精密動作する超小型自走機械を開発した。本年度はこの超小型自走機械にマイクロダイヤモンド切削工具と局所的薄膜制御機構を搭載し、微細領域での材料除去・堆積による微小要素の生成を試みた。次年度は高真空容器(現有)内にスパッタ技術により準備した薄膜材料片を設置し、この試料に対して超小型自走機械が所定の位置に接近し、機械的材料除去微細加工と蒸着制御動作を試みる。平成8年度超小型加工および薄膜制御機器の設計・試作本年度はこの超小型自走機械にマイクロダイヤモンド切削工具と局所的薄膜制御機構を搭載し、微細領域での材料除去、堆積による微小要素の生成を試みた。平成9年度機械的材料除去

微細加工と蒸着制御動作の同時制御高真空容器(現有)内にスパッタ技術により準備した薄膜材料片を設置し、この試料に対して超小型自走機械が所定の位置に接近し、機械的材料除去微細加工と蒸着制御動作を試みた。その結果、次のような結果が得られた。(1)機械共振を利用したホッピング工具によってSiO_2薄膜をスパッタしたSi基板上に微細な点描(マイクロインデンテーション)加工を可能にした。(2)同時に異なる種類の金属材料を自動蒸着させ、細密なマスクを精密位置決めすることで任意の位置に微細な薄膜パターンを生成することが可能になった。(3)さらに熱処理工程を付加し、ド-ピング効果を与えて、半導体材料の試作を試み、非線形な(ゲート電圧-ドレン電流)特性を有する材料の生成を確認した。
高ブドウ糖環境下に於ける神経細胞・表皮細胞・線維芽細胞の機能的・形態学的解析

SortilinはproNGFと共にp75に結合すると、細胞死シグナルが細胞内へ伝達される。糖尿病の創傷治癒遷延に表皮細胞のsortilinが関与しているかを調べるため、培地中の糖濃度によって培養表皮細胞のsortilin遺伝子(SORT1)の発現量が変化するかを検討した。その結果、培養後24時間では、糖濃度の高低にかかわらずSORT1の遺伝子発現量は100mg/dLのSORT1の遺伝子発現量と有意差はなかった。培養後48, 72時間では0mg/dLのSORT1の遺伝子発現量は100mg/dLのSORT1の遺伝子発現量に比べ有意に高かったが、他の濃度では有意差がなかった。継代した表皮細胞は60-80%のコンフルエントにした後、無血清、無糖培地で24時間培養した。次いで0,20(低濃度),40,60(軽度低濃度),80,100(通常濃度)mg/dlの各種glucose濃度で24,48,72時間培養したうえで、Sortilin-1, NGF, MMP-9のmRNA expressionを測定した。低濃度で24, 48時間培養後のNGFは、通常濃度での培養に比べて高値の傾向がみられたが、72時間では逆転した。軽度低濃度で72時間培養した際のNGFは通常濃度と有意差はなかった。Sortilin-1は24時間の培養では濃度間で有意差はみられなかったが、48,72時間では通常濃度に比べて低濃度と軽度低濃度で低値であった。MMP-9は24時間の培養では20,40 mg/dlで高値の傾向がみられたが、48,72時間では通常濃度で有意に高い値であった。以上から表皮細胞のSortilin-1, NGF, MMP-9のmRNA expressionは低ブドウ糖環境の程度と培養時間によって変化することが明らかになった。糖尿病の創傷治癒遷延に表皮細胞のsortilinが関与しているかを調べるため、培地中の糖濃度によって培養表皮細胞のsortilin遺伝子(SORT1)発現が変化するかを検討した。実験結果は、新たな培地での24時間の培養では、いずれの糖濃度においてもSORT1の遺伝子発現量は100mg/dLのSORT1の遺伝子発現量と有意差はなかった。培養後48時間では0mg/dLのSORT1の遺伝子発現量は100mg/dLのSORT1の遺伝子発現量に比べ有意に高かった(p=0.002)。培養後72時間では0mg/dLのSORT1の遺伝子発現量は100mg/dLのSORT1の遺伝子発現量に比べ有意に高かった(p<0.001)。表皮細胞を高ブドウ糖培地で培養すると、細胞の増殖と分化、さらにcell mobilityが抑性されるため、培地中の糖濃度が高くなるとSORT1の発現が増加するのではないかと考えられたが、結果は予想に反して、高ブドウ糖においても100mg/dLにおけるSORT1発現と比べて有意な変化はなかった。一方、低血糖を含め低栄養は創傷治癒に悪影響を与えるが、0mg/dL以外の低ブドウ糖においてもSORT1の発現は100mg/dLのSORT1と有意差がなかった。すなわち生命活動を維持できるレベルの糖濃度であれば高ブドウ糖と同様に低ブドウ糖においても表皮細胞のSORT1発現は臨床において問題はないことが示唆された。[方法]無血清、無糖培地で24時間培養した表皮細胞を、0,20, 40, 60, 100, 200, 400, 800 mg/dLの各種glucose濃度に調整した培地でさらに24, 48, 72時間培養した。各培養期間、糖濃度におけるSORT1の遺伝子発現量を、対応する培養期間の糖濃度100mg/dLにおけるSORT1の遺伝子発現量と比較した。[結果]新たな培地での24時間の培養では、いずれの糖濃度においてもSORT1の遺伝子発現量は100mg/dLのSORT1の遺伝子発現量と有意差はなかった。培養後48時間では0mg/dLのSORT1の遺伝子発現量は100mg/dLのSORT1の遺伝子発現量に比べ高かった(p=0.002)。

培養後72時間では0mg/dLのSORT1の遺伝子発現量は100mg/dLのSORT1の遺伝子発現量に比べ高度に有意に高かった(p<0.001)。[考察]表皮細胞をhigh glucose培地で培養すると、細胞の増殖と分化、さらにcell mobilityが抑性されるため、培地中の糖濃度が高くなるとSORT1の遺伝子発現量が増加するのではないかと考えられたが、結果は予想に反して、high glucoseにおいても100mg/dLにおけるSORT1の遺伝子発現量と比べて有意な変化はなかった。一方、低血糖を含め低栄養は創傷治癒に悪影響を与えるが、0mg/dL以外のlow glucoseにおいてもSORT1の遺伝子発現量は100mg/dLのSORT1の遺伝子発現量と有意差がなかった。すなわち生命活動を維持できるレベルの糖濃度であればhigh glucoseと同様にlow glucoseにおいても表皮細胞のSORT1の遺伝子発現量は臨床において問題はないことが示唆された。形成外科平成23年度、高ブドウ糖環境が表皮細胞と線維芽細胞にどのような影響を及ぼすかを主眼に検討した。その結果、低ブドウ糖環境が表皮細胞に与える影響を明らかにする必要性が提起されたため、本年度の研究遂行となった。すなわち当初予想していた研究成果以上に展開されているので、現在までの研究はおおむね順調に進展していると考える。本研究を開始するにあたり、培地中の糖濃度によってSORT1だけでなく、NGF、proNGF、MMP-9も有意な変化がみられると予想した。しかし、上記の研究業績の概要のようにSORT1だけで有意な変化がみられた。そのため、「当初の計画以上に遂行している」という区分選択は不適当と判断した。しかし、概要で記載した研究成果は雑誌論文に掲載されたので「おおむね順調に進展している」という自己評価にいたった。本年度の研究から低濃度のglucose濃度で表皮細胞を培養すると24, 48時間では通常濃度に比べてNGFのmRNA expressionは高く、72時間では低値をとることが明らかになった。次年度はNGFのタンパク量を測定することによって、どのようなフィードバック機構に基づいてmRNA expressionの変動が生じるかを検討する。同様にSortilin-1とMMP-9のタンパク量も測定し、それぞれのフィードバック機構を検討する。今後は糖尿病による表皮細胞レベルでの創傷治癒遷延を「糖尿病罹患表皮角化幹細胞のクローナル・コンバージョン解析による創傷治癒能の評価」という視点で研究を推進する。ホロクローンとも呼ばれる表皮角化幹細胞は、分化能を維持したうえで高い増殖活性を示すが、細胞を取り巻く微小環境(niche)の変化によって、ホロクローンはクローナル・コンバージョンを生じ、増殖活性が低いパラクローンになる。創傷治癒が遷延する糖尿病では、nicheの変化が予想されるため、クローナル・コンバージョンに関与するRac1タンパク質活性と細胞内アクチン繊維の配向性を糖尿病罹患表皮角化細胞で検討する。平成24年度の研究成果は遺伝子レベルではおおむね順調に進んでいる、これらの研究費を繰り越し引き続き、次年度も更なる遺伝子レベルとタンパク質レベルでの解析を進めていきたい。
局所体上のハーディ・ソボレフ空間について

ハーディ・ソボレフ空間F^α_p(K)はg_αfεL^p(K),(0<p<∞)をなる超函数fのクラスとする.この空間はR^n上の非同次Triebel-Lizorkin空間,F^<α,2>_p,に対応している。このように定義されたF^α_p(K)は,1.平均振動,函数の連続度,アトムそして最良近似により特徴付けられることが出来た.またこの特徴付けは,次を示すために応用することが出来る.2.(1).乗法因子(マルテプライヤー)について,"各点毎の函数の積は乗法因子代数になること,""コンパクト空間と局所コンパクト空間の間の乗法因子には同値性があること."(2).この空間の函数または超函数は最小有界性,一様有界性の性質を持つこと.(3).Bessel Capacityに対するMaz'ya型のstrong typeの評価が出来ること.(4).Hardy-Besov空間B^α_<p,q>を(Σ^∞_<j=0>2_<qαj>||Δ_j*f||^q_p)^<1/q>εL^pなる超函数fのクラスと定義すると,F^α_p(K)と類似の性質を持つこと,そして特にチェザロ平均の最大値函数のについてのweak typeの評価を得ること.ハーディ・ソボレフ空間F^α_p(K)はg_αfεL^p(K),(0<p<∞)をなる超函数fのクラスとする.この空間はR^n上の非同次Triebel-Lizorkin空間,F^<α,2>_p,に対応している。このように定義されたF^α_p(K)は,1.平均振動,函数の連続度,アトムそして最良近似により特徴付けられることが出来た.またこの特徴付けは,次を示すために応用することが出来る.2.(1).乗法因子(マルテプライヤー)について,"各点毎の函数の積は乗法因子代数になること,""コンパクト空間と局所コンパクト空間の間の乗法因子には同値性があること."(2).この空間の函数または超函数は最小有界性,一様有界性の性質を持つこと.(3).Bessel Capacityに対するMaz'ya型のstrong typeの評価が出来ること.(4).Hardy-Besov空間B^α_<p,q>を(Σ^∞_<j=0>2_<qαj>||Δ_j*f||^q_p)^<1/q>εL^pなる超函数fのクラスと定義すると,F^α_p(K)と類似の性質を持つこと,そして特にチェザロ平均の最大値函数のについてのweak typeの評価を得ること.
第9回数学教育世界会議ICME9での研究発表成果の総合化の準備研究

第9回数学教育世界会議(ICME9)は、世界で4年ごとに開催される日本最初の4千人規模の数学教育の国際会議である。本研究では、ICME9組織委員会とは別の立場から、会議の成果を拡大するために、数学教育におけるテクノロジ利用に関連して次の研究開発を行うことを課題とした。○プロシーディングスの提出書式をPDFファイル形式化して、電子出版(DTP)をも可能にするなど、研究成果の総合のための研究開発。本研究費は,そのための旅費などの支援活動に活用され,ICME9に関連して筑波大学附属中学校数学科の研究集録として,中学校数学研究会誌の臨時増刊号として,日本の数学教育誌の準備業務が実現した。また,講演からは,能田伸彦の講演,三輪辰郎の講演などの支援業務が実現した。他に,多くの研究発表をICME9において実現した。最終的な成果は,プロシーディングス等にまとめられるが,本研究費では,そのための支援周辺業務を行ったもので,プロシーディングスの発行自体は,準備委員会によって行われるもので,本研究は,それとは並列的な研究企画成果をあげたものである。海外との研究交流が,一層充実したことが本研究の成果である。
複合極限環境下におけるイッテルビウム化合物の磁気量子臨界現象の研究

物質の新機能・新物性を探索する手段として圧力・磁場・温度をコントロールパラメーターとした多重極限環境下での物性測定が注目を集めている。最近、圧力を印加することによって磁気秩序が絶対零度において消失する、いわゆる量子臨界点近傍においてエキゾチックな超伝導を示すことが数多く報告されている。しかし、複合極限環境下での物性測定の困難さのため、その本質は解明されていない。本研究では、高圧下においても熱力学的物理量の詳細な温度依存性が観測可能となる装置の開発を行い、イッテルビウム系化合物における磁気量子臨界現象に関わる電子状態の解明をめざした研究を行った。本研究では重い電子系物質YbT_2Zn_<20>(T=Ir,Rh,Co)の単結晶育成及び高圧下物性測定を行った。これらの一連の物質群の中で最も大きな電子比熱係数を有するYbCo_2Zn_<20>の磁場中における電気抵抗・比熱測定を行った結果、近藤温度は非常に小さくおよそ1K程度、結晶場分裂のエネルギースケールも同程度の大きさであることがわかった。さらに圧力下比熱測定からは、過去に我々のグループで行った圧力下電気抵抗測定において1GPa以上の低温域で観測された異常が相転移によるものであることを実験的に明らかにした。解析の結果得られた電子比熱係数と電気抵抗率におけるT^2の係数Aはいずれも1GPaに向かってエンハンスされており、また臨界圧力付近における低温での比熱の温度依存は非フェルミ流体的振る舞いを示すことから、約1GPa付近に磁気秩序相が出現する臨界圧力が存在することが明確となった。この1GPaという低圧領域に磁気臨界圧力が位置するYb化合物は極めて稀であり、今後のさらなる研究により磁気臨界圧力近傍の電子状態の理解が深まると期待される。また遷移金属元素の異なるYbIr_2Zn_<20>,YbIr_2Zn_<20>において圧力下電気抵抗測定を行った結果、約3 GPa付近に磁気臨界圧力が存在することを示唆する実験結果を得た。YbCo_2Zn_<20>よりも格子定数が大きなYbIr_2Zn_<20>,YbIr_2Zn_<20>に対する圧力効果は、YbCo_2Zn_<20>において常圧から観測されたものと類似している。これらの系統的な研究から、近藤温度のエネルギースケールが磁気秩序の出現に重要な関係を持つことを見出した。研究課題の目的は、圧力や磁場によって制御される磁気秩序の生成・消失が起こる磁気臨界点近傍で発現する特異な電子状態の起源を解明することである。研究対象としては、前年度から研究を行っているYbCo_2Zn_<20>に加えて、重い電子系Yb化合物YbPtSbにも着目し、単結晶試料の育成に取り祖んだ。育成に成功した単結晶試料を用いて、希釈冷凍機温度域における圧力下および磁場中での電気抵抗、交流磁化率、比熱測定を行った。YbCo_2Zn_<20>は約I Gpa以上の圧力領域の低温において圧力誘起磁気秩序を示すことは前年度までの研究で明らかとなっていたが、この物質は圧力のみならず、磁場印可によっても相転移を示すことを新たに見いだした。磁場誘起相の起源が磁気転移によるものか否かに関してはまだ明らかとなっていないが、常圧・ゼロ磁場において圧力・磁場の外傷によって制御される相転移点近傍に位置していることが、この系におけるエンハンスされた重い電子状態の発現に寄与している可能性を指摘した。また、低温物性がほとんど調べられていなかったYbPtSbに関しては、約400mKの低温で磁気秩序を示すこと、また磁気秩序状態はわずかIT以下の磁場印可により消失することが明らかとなった。今後はYbCo_2Zn_<2o>と合わせて研究を進めていくことで、磁気臨界点近傍における電子状態に関する理解が深まることが期待される。
膜タンパク質のオルガネラ標的化とトポロジー構築

【1】小胞体トランスロコンは予想外に幅広いアミノ酸配列を識別して膜貫通配列の配向を決定する:シグナル配列が膜に進入する時点で配向を決定するポリペプチド鎖上の正荷電アミノ酸残基が,疎水性配列から25残基離れた場所からも作用できること,正荷電残基はリボソームから外に出て作用していることを明らかにした。トランスロコンは予想以上に広い範囲のアミノ酸配列を識別していると考えられる。【2】小胞体トランスロコンは2本のポリペプチド鎖を許容できる:ストレプトアビジンに結合するベプチドタグ(SBP-tag)を使って,ポリペプチド鎖のトランスロコン内での移動を停止・再開できる実験系を確立した。これを用いて,トランスロコンには2本のシグナル配列と2本の膜透過途上の親水性ポリペブチド鎖を収容できることを明らかにした。収容されたポリベプチド鎖は,ストレプトアビジンから解離後速やかに膜の反対側に移行し,膜内で正常に配向を決定できた。トランスロコンはきわめて柔軟で,多数のポリペブチド鎖を収容できると結論した。【3】シグナル配列がポリベプチド鎖の膜透過を駆動する:力学的アンフォールディング特性が詳細に判明しているタイチン127ドメイン(及びその変異体)をアミノ末端に付加したモデル蛋白質を用いて,N-末端ドメイン膜透過駆動作用を解析した。シグナル配列のトランスロコン内への進入がN-末端の膜透過を引き起こす主要な駆動要因であることが明らかになった。シグナル配列が,ポリベプチド鎖の小胞体への標的化や配向決定にかかわると同時に,駆動の原動力になっていることを示した。本研究では、これまでに明らかにした小胞体への膜タンパク質の組み込み様式をもとに、いくつかの代表的なマルチスパン膜蛋白質のすべての膜貫通セグメントの膜内配置機構を徹底的に解析した。アミノ末端側を膜透過させる1型シグナルアンカー配列が、予想外に長いドメインを膜透過できることを明らかにし、その際に、燐酸高エネルギー化合物や小胞体内腔の熱ショック関連タンパク質(hsp70,Bip)は関与せず、リボソームが膜透過自体に寄与し、膜透過の駆動力が初期段階とその後の連続的段階とで異なることを明らかにした。また、われわれが明らかにしてきた、内在性シグナルアンカー配列による他律的な低疎水性セグメントの膜組み込みモデルを支持する、新たな事例を見出した。並行して、疎水性度の高い膜蛋白質が小胞体への標的化を回避し、ミトコンドリアやペルオキシソームなどの分泌経路以外のオルガネラに標的化するためのシグナル配列を解析し、膜蛋白質に特化したミトコンドリア標的化シグナルを明らかにした。このシグナルは小胞体への合成に共役した標的化を抑制し、ミトコンドリアへの合成後の輸入を実現するものであった。さらに、より制御しやすいポリペプチド鎖膜透過制御実験系を確立し、小胞体トランスロコン内には複数のシグナル配列と複数の親水性膜透過途上セグメントが収容されること、膜透過制御要因であるポリペプチド鎖上の正荷電アミノ酸残基が予想外に長距離での効果を発揮できことなどを明らかにしつつある。
インスリン抵抗性が歯周炎の進行へ及ぼす影響とそのメカニズムの解明

肥満によるインスリン抵抗性モデル動物のZucker Fatty(ZF)ラットと対照動物の下顎臼歯部の辺縁歯肉を解析したところ、ZF群でプロテインキナーゼCの活性と、炎症性マーカー、酸化ストレスマーカーの発現が有意に高かった。さらにインスリンシグナリング阻害の評価として歯肉へのインスリン刺激を行ったところAkt、eNOSのリン酸化が対照群に比べて有意に低かったが、PKC阻害薬、抗酸化剤によりAkt、eNOSのリン酸化が一部回復をした。本研究により、肥満状態での歯肉におけるインスリンシグナルの阻害は血管内皮も含めて生じており、その阻害にはPKC活性化、酸化ストレスの関与が示唆された。本研究では、歯周組織におけるインスリンシグナリングと、インスリン抵抗性が歯周炎の進行に及ぼす影響について検索することを目的としている。そのために、以下の3点について明らかにする計画を立てている。1.肥満および糖尿モデル動物の歯肉における内皮型一酸化窒素合成酵素(eNOS)の発現の定量と、血流量の測定を行い、両モデルが歯肉の血管内皮細胞の機能障害を引き起こしうるかを評価。2.肥満および糖尿モデル動物の歯肉に対してインスリン刺激を行い、歯肉のインスリン経路のどの段階に阻害が生じ、インスリン経路にどの程度の阻害が生じるか評価。3.歯肉におけるインスリン抵抗性の発現があった場合に、阻害因子としてプロテインキナーゼCや酸化ストレスが想定され、それらの関与の検証。本研究により、未だ十分な解明がなされていない歯周炎と肥満・糖尿病の関連性を説明するメカニズムの一つになりうる。さらに、糖尿病患者における歯周病の悪化や、治療効果の低さが、易感染性によるだけでなく、糖尿合併症の細小血管障害のとしての側面に起因していることがより明確となれば、今後の増加が予測されている糖尿病患者における歯周病の治療に有効な、新たなアプローチの開発につながると考えられる。具体的な方法として、肥満モデルおよび糖尿病モデルの歯肉におけるインスリンシグナルの解析し、同動物モデルに実験的歯周炎を惹起し、その進行をそれぞれの対照群と比較をin vivoにて行う。さらに、in vitroにおいてインスリン抵抗性が骨吸収の促進におよぼすメカニズムを解明する。この計画により、インスリン抵抗性が歯肉および歯槽骨に及ぼす影響を検索し、肥満および糖尿病での歯周炎の進行機序を明らかにする。糖尿病や肥満が、歯周病の悪化に影響を及ぼし得ることは、多くの疫学的調査ならびに動物実験によって示されているが、その詳細なメカニズムは未だ明らかにはされていない。歯周組織も、糖尿合併症として血管障害がみられる臓器と同様に、糖尿病や肥満によるインスリン抵抗性の発現と、それに伴う血管内皮機能不全が起きていると考えられる。さらに、炎症時には組織破壊が促される可能性も考えられる。そこで、本研究では、歯周組織におけるインスリンシグナリングと、インスリン抵抗性が歯周炎の進行に及ぼす影響について検索する。申請者はその説明のひとつとして、他の糖尿合併症を発症する臓器と同じく、歯周組織も血管を豊富に有するため、インスリン抵抗性の発現を介した血管内皮機能不全が、糖尿病と歯周組織破壊の進行を結び付けうると考えた。そこでインスリン抵抗モデル動物(Zucker肥満ラット)の歯肉でのインスリンシグナルの解析を行い、血管内皮型の一酸化窒素合成酵素(eNOS)の発現量の低下と、Akt-eNOS経路が阻害されるインスリン抵抗の発現を示した。さらに詳細に検索することで、プロテインキナーゼC(PKC)活性や酸化ストレスにより血管内皮細胞で生じている潜在的な炎症状態に起因している可能性を報告した。

さらにインスリンシグナリング阻害の評価として歯肉へのインスリン刺激を行ったところAkt、eNOSのリン酸化が対照群に比べて有意に低かったが、PKC阻害薬、抗酸化剤によりAkt、eNOSのリン酸化が一部回復をした。本研究により、肥満状態での歯肉におけるインスリンシグナルの阻害は血管内皮も含めて生じており、その阻害にはPKC活性化、酸化ストレスの関与が示唆された。糖尿病や肥満によるインスリン抵抗性の発現と、それに伴う血管内皮機能不全が起きている可能性や、炎症時に組織破壊が促される可能性について検討する。そのために、肥満モデル動物、糖尿病モデル動物のそれぞれにおいて、1.eNOSの発現の定量と血流量の測定により歯肉の血管内皮細胞の機能障害を引き起こしうるかを評価、2.歯肉に対してインスリン刺激を行い、歯肉のインスリン経路のどの段階に阻害が生じ、インスリン経路にどの程度の阻害が生じるか評価、3.歯肉におけるインスリン抵抗性の発現があった場合に、想定される阻害因子であるプロテインキナーゼCや酸化ストレスの関与の検証が遂行されている。肥満モデル動物については平成26年度に原著論文として出版され、研究課題の進捗としては順調と考えられる。歯周病現段階までに行ってきた研究により、肥満モデル動物の歯肉にはインスリン抵抗性が生じていることが示されてきており、今後は糖尿病モデル動物において同様の検証を行う予定である。また、実験動物に歯周炎を惹起することで、インスリン抵抗性が歯周炎による組織破壊にどのように関与していくかを検討してゆく。歯周病の最終的な目標は失われた歯周組織の再生であり、歯周治療後の治癒過程における組織の修復や再生が臨床的には重要となる。歯肉組織や歯根膜などの歯周組織は比較的血管が豊富な組織であり、肥満などの前糖尿病段階や、糖尿状態によって血管内皮細胞におけるインスリン抵抗性の発現が起きていれば、組織修復や再生において中心的役割を果たす「血管新生」に支障が生じて影響がでることは十分考えられる。そのため、肥満モデルおよび糖尿病モデル動物において歯周炎モデルを作製し、その治癒や組織再生をマイクロCTや組織像、血管新生や組織の治癒に関わるサイトカイン(VEGF, IL-1b, BMP4, TGF-b, OPN, OCN, Runx2など)のmRNA発現レベルの検索により検討してゆく。また、分子生物学的なメカニズムの探索のためには、動物実験だけでなく、in vitroの実験も実施する。培養歯肉上皮細胞を高血糖および低血糖下にて培養し、増殖能や創傷治癒レベルの評価を行う。これにより、歯肉上皮細胞へのインスリン抵抗性の影響を検索し、インスリン抵抗性モデル動物での歯周炎進行のメカニズムおよび組織再生や創傷治癒の遅延のメカニズムを解明する。
精神障害における神経有棘赤血球症遺伝子群の関わりに関する総合的研究

気分障害や統合失調症患者において神経有棘赤血球症(NA)関連遺伝子(VPS13AおよびXK)の包括的変異解析を行った。疾患変異の可能性がある変異をヘテロ接合性に持つ者を認めたことから、NA関連遺伝子はこれら精神疾患の病因に関与している可能性が示唆された。また、マウス脳や赤血球膜分画を用いたVPS13A遺伝子産物と相互作用するタンパク質を解析した結果、細胞骨格系のタンパク質の関与が示唆された。有棘赤血球舞踏病(Chorea-acanthosis; ChAc)の臨床から分子的研究を精力的に進めており、研究発表の[雑誌論文]の項にもあげている総説の執筆に至っている。平成20年度においては、孤発性の統合失調症100例、感情(気分)障害100例を対象とした検体の採取収集を行うとともに、VPS13A遺伝子73エクソン1およびXK遺伝子に関してすべての直接塩基配列決定法およびreal time PCRを用いたcopy number variationsの解析を網羅的に行っている。Prosaposinの選択的スプライシング産物の顔面神経核での発現をin situ hybridizationを用いて解析した。機能性精神疾患の分子遺伝学研究としては、統合失調症でのNDE1遺伝子多型との非関連性、統合失調症におけるCGHアレイを用いた解析での欠失例、phosphodiesterase 4B遺伝子多型と統含失調症及び大うつ病性障害の関連を明らかにした。本年度は、精神障害(気分障害および統合失調症)における有画棘赤血球をしもなう舞踏病(有棘赤血球舞踏病およびMcLeod症候群)病因遺伝子VPS13AおよびXKの直接塩基配列決定法での変異解析とリアルタイムPCRを用いたCNV(Copy Number Variation)の解析を総合的に行った。その結果、患者群のみでみられる新規変異を数種類見出した。これらの結果については論文投稿中である。次に、上位運動ニューロン変性をともなった有棘赤血球舞踏病症例の剖検例を報告し、新規の変異である3719_3420 delCA and 3970_3973 delAGTCを複合ヘテロ性に持つことを明らかにした。また、有棘赤血球舞踏病症例の遺伝子解析(VPS13Aの直接塩基配列決定およびCNV解析)とウェスタンブロット法を用いた総合的分子診断法を開発し、国際的な34名の患者を対象に解析を行った。その結果、2種類のCNVを含め23種の変異を同定した。直接塩基配列決定法の結果、premature stop codonを生ずるミスセンス変異もしくはフレームシフト変異をホモ接合性もしくは複合ヘテロ接合性に有すものは30名であり、ヘテロ接合性の変異を一カ所にのみ有すものは4名であった。この4名のCNV解析の結果、1名にdeletion、1名にduplicationを見出した。また上記患者4名を含む15名に対して行ったウェスタンブロット法では全例について対照者にみられる全長choreinは検出されておらず、遺伝子変異により正常choreinが産生されていないことが示唆された。これらの結果は、投稿準備中である。有棘赤血球舞踏病責任遺伝子であるVPS13A遺伝子、McLeod症候群(XK遺伝子)に関して気分障害や統合失調症患者についてリシークエンシングを行った。その結果、患者群のみに認められるいくつかのrare variantsを発見した。それらのうちいくつかは疾患変異や遺伝子産物の機能と関係する可能性がある変異であったため神経有棘赤血球症関連遺伝子は、気分障害及び統合失調症の病因に関与している可能性があり、論文報告を行った。さらにVPS13A遺伝子産物choreinと結合し相互作用するタンパク質を同定するために、抗chorein抗体を用いて、赤血球膜分画のタンパク質について免疫沈降法による解析を行った。免疫沈降法によってchoreinと共沈させたタンパク質をSDS-PAGE後、銀染色もしくはCBB染色し、質量分析を行った。また、健常者とChAc患者由来の赤血球膜タンパク質、野生型マウスとChAcモデルマウスの脳から抽出したタンパク質を二次元電気泳動して、それぞれ濃度差のあるバンドについて質量分析を行った。これらの結果、chorein結合候捕タンパク質としていくつかの細胞骨格系のタンパク質を同定した。さらに全長VPS13A遺伝子を過剰発現したHEK293細胞株を用いて、同様に免疫沈降法と質量分析を行うことにより、chorein結合候補タンパク質としてやはり同種の細胞骨格系タンパク質を同定した。これらからchoreinは細胞骨格系のタンパク質と関連することが推測された。