hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
オルニチンおよびポリアミンによる網膜色素上皮細胞傷害の機序解明

[目的]オルニチン網膜症の発症機序の解明を,in vitroにおいて試みた。[方法]牛網膜色素上皮細胞(RPE)を、オルニチン或いはその代謝物存在下に培養し、[3H]サイミジン取り込みを測定することによって、それらの細胞増殖能に与える影響を調べた。対照として同様の実験を大動脈血管内皮細胞(AEC)についても行った。また、3-(4,5-climethylthiazol-2-yl)-2,5-diphenyl tetrazolium bromide(以下MTT)formazanの呈色反応を用いて、細胞死の指標とした。更に蛍光物質であるdansyl基をスペルミンに結合させたdansylspermineを用いて、細胞内におけるスペルミンの局所を経時的に共焦点蛍光顕微鏡を用いて観察した。[結果]Ornithine decarboxyaseの代謝物であるスペルミンに、強い細胞増殖抑制効果がみられた。このスペルミンの細胞増殖抑制効果は、AECには認められずRPEに選択的であった。一方、オルニチンやその代謝物では、細胞増殖抑制効果は明瞭ではなかった。スペルミンの作用は、細胞増殖抑制が細胞死に先行していた。更にスペルミンを、一定時間作用させた後洗浄除去しても、細胞増殖抑制が認められた。又、培地中に加えたdansylspermineが、経時的に細胞質から核へと移行することが共焦点蛍光顕微鏡下に観察された。[結論]in vitroにおいて、オルニチンそのものではなく、その代謝物であるスペルミンに強いRPE増殖抑制効果がみられた。この効果は、RPEに選択的であった。スペルミンのRPE殖抑制効果は、スペルミンが細胞内に取り込まれて発現すると考えられ、その作用点が核である可能性が示唆された。
Trefoil Factorを軸としたBarrett食道発癌機序の解明

化学療法や手術療法を用いた集学的治療が発達した現在においても食道癌は致死率の高い悪性腫瘍であり、その病態の解明や新たな治療戦略が必須である。食道腺癌は食道の慢性炎症と相関し、食道胃逆流症(GERD; gastroesophageal reflex disease)と密接な関係がある。また食道腺癌のリスクファクターとして最も重要なものはBarrett食道(Barrett上皮)であり、Barrett食道からdysplasiaを経て腺癌へと進行するものと考えられる。またBarrett食道はTrefoil Factor Family (TFF)の発現が特徴的であり、TFFはBarrett上皮のマーカーとして用いられてきた。一方でTFFは消化管粘膜上皮再生に寄与するのと同時に、近年では癌抑制遺伝子としての役割が重要であることが示唆されている。Barrett食道におけるTFF発現の意義はこれまでに明らかにされていないが、同様の作用があるとするならば、TFFは食道腺癌に対する癌抑制遺伝子として作用していると考えられる。実験動物におけるBarrett上皮発生モデルについては、従来よりラットに対する食道空腸吻合が用いられてきたが、我々はマウスに対する食道空腸吻合術手技を確立した。これによりTFFノックアウトマウスモデル(TFF1-KO, TFF2-KO)に対して食道空腸吻合を施行し、Barrett上皮形成とBarrett腺癌発生に対するTFFの影響を検討することが可能となった。この研究の目的は、このTFF-KO/Barrett発生マウスモデルを用いて食道癌に対するTFFの役割を解明し、さらにはTFFを用いた新規食道癌治療戦略を展開することである。マウスに対する食道空腸吻合は、臓器のサイズが小さいことなどから非常に難易度が高い。しかしこれまでの報告で、食道空腸吻合よりも胃空腸吻合の方がBarrett上皮発生率が高いことが示唆されている。また手技的に、極端に細く壁の薄い食道よりも壁組織が強固である胃のほうが空腸を吻合する対象としては理想的である。我々は試行錯誤によりマウスに対する胃空腸吻合術を確立したが、術後縫合不全による死亡率を許容範囲まで改善するのに相応の時間を要した。最終的に野生型マウス、TFF1KOマウス、TFF2KOマウスそれぞれ約30匹に対して胃食道吻合術を施行し、術後死亡率は10%程度に抑えられており、また術後一年以上の長期間生存を達成した。当初の目標では術後10カ月のマウスにおいてBarrett食道が発生する公算であったが、術後10カ月の各マウス食道を組織学的に検索したところ、典型的なBarrett食道の発生は認められなかった。これは過去の報告と矛盾する結果でありその原因は現在のところ不明である。ただし、Squamocolumnar junction (SCJ:扁平円柱上皮境界)は胃空腸吻合マウスにおいて口側に移動していることが判明した。通常Barrett食道はSCJが食道胃接合部(EGJ: esophagogastric junction)を超えて口側、つまり食道内に移動することにより発生する。こうした発生機序を考慮すれば、SCJの移動という結果はBarrett食道発生の前兆であることが示唆される。また各TFFKOマウスにおいては野生型マウスよりSCJの移動幅が大きく、TFFKOではBarrett食道が発生しやすいことが示唆された。いずれにせよ我々のマウスモデルで典型的なBarrett食道や食道癌が発生するまでにはまだ時間が必要であり、総じて研究の進歩状況としては当初の見込みよりは遅れている。術後10カ月の食道空腸吻合マウスで典型的なBarrett食道が完成していないこと、およびTFFKOマウスにおける胃上皮異型性発生までの期間が20カ月という過去の報告などを踏まえ、今後は術後15カ月、20カ月、25カ月においてマウス食道標本を作製してBarrett上皮の有無、食道癌発生の有無を確認する。マウスの手術はすべて施行済みであり、すべての標本の作製が終了するまでに必要な期間はあと約1年となる見込みである。得られた標本は発生したBarrett上皮の進展度、異型上皮の発生頻度、食道癌の発生頻度などを比較することで、Barrett上皮または食道癌に対するTFFの役割を追求する。同時に、vitroにおける検討も開始する予定である。ヒト食道扁平上皮癌細胞株において、RNAおよびタンパクレベルの各TFFの発現を確認する。その後、強制発現ベクターまたはsiRNAを用いて食道癌細胞の各TFFの発現を制御し、細胞増殖活性および浸潤能を測定する。またEMT(上皮間葉転換)の程度を測定する。これらの結果を比較検討することで、TFFによる食道癌抑制作用の有無とそのメカニズムを明らかにする。さらに蛍光二重免疫染色により扁平上皮癌(SCC: squamous cell carcinoma)のマーカーとしてp63, CK5/6を、腺癌(AC: adenocarcinoma)のマーカーとしてTTF-1, Napsin A、KRT7およびPAS染色を用いることでTFFの食道癌分化傾向(SCCまたはAC)に対する影響を比較検討する。

また食道腺癌のリスクファクターとして最も重要なものはBarrett食道(Barrett上皮)であり、Barrett食道からdysplasiaを経て腺癌へと進行するものと考えられる。またBarrett食道はTrefoil Factor Family (TFF)の発現が特徴的であり、TFFはBarrett上皮のマーカーとして用いられてきた。一方でTFFは消化管粘膜上皮再生に寄与するのと同時に、近年では癌抑制遺伝子としての役割が重要であることが示唆されている。Barrett食道におけるTFF発現の意義はこれまでに明らかにされていないが、同様の作用があるとするならば、TFFは食道腺癌に対する癌抑制遺伝子として作用していると考えられる。実験動物におけるBarrett上皮発生モデルについては、従来よりラットに対する食道空腸吻合が用いられてきたが、我々はマウスに対する食道空腸吻合術手技を確立した。これによりTFFノックアウトマウスモデル(TFF1-KO, TFF2-KO)に対して食道空腸吻合を施行し、Barrett上皮形成とBarrett腺癌発生に対するTFFの影響を検討することが可能となった。この研究の目的は、このTFF-KO/Barrett発生マウスモデルを用いて食道癌に対するTFFの役割を解明し、さらにはTFFを用いた新規食道癌治療戦略を展開することである。マウスに対する食道空腸吻合は、臓器のサイズが小さいことなどから非常に難易度が高い。しかしこれまでの報告で、食道空腸吻合よりも胃空腸吻合の方がBarrett上皮発生率が高いことが示唆されている。また手技的に、極端に細く壁の薄い食道よりも壁組織が強固である胃のほうが空腸を吻合する対象としては理想的である。我々は試行錯誤によりマウスに対する胃空腸吻合術を確立したが、術後縫合不全による死亡率を許容範囲まで改善するのに相応の時間を要した。最終的に野生型マウス、TFF1KOマウス、TFF2KOマウスそれぞれ約30匹に対して胃食道吻合術を施行し、術後死亡率は10%程度に抑えられており、また術後一年以上の長期間生存を達成した。当初の目標では術後10カ月のマウスにおいてBarrett食道が発生する公算であったが、術後10カ月の各マウス食道を組織学的に検索したところ、典型的なBarrett食道の発生は認められなかった。これは過去の報告と矛盾する結果でありその原因は現在のところ不明である。ただし、Squamocolumnar junction (SCJ:扁平円柱上皮境界)は胃空腸吻合マウスにおいて口側に移動していることが判明した。通常Barrett食道はSCJが食道胃接合部(EGJ: esophagogastric junction)を超えて口側、つまり食道内に移動することにより発生する。こうした発生機序を考慮すれば、SCJの移動という結果はBarrett食道発生の前兆であることが示唆される。また各TFFKOマウスにおいては野生型マウスよりSCJの移動幅が大きく、TFFKOではBarrett食道が発生しやすいことが示唆された。いずれにせよ我々のマウスモデルで典型的なBarrett食道や食道癌が発生するまでにはまだ時間が必要であり、総じて研究の進歩状況としては当初の見込みよりは遅れている。
組合せ構造に基づく関数近似とその応用

本年度は,昨年度から取組んでいる,従来のM凸関数(以下,MB凸関数)の定義を拡張してできる新たな関数(以下,MJ凸関数)についての研究を進展させた.本研究課題の主目的の一つは,MB凸関数で近似可能な関数を見出す問題に解答を与えることであり,その基礎付けとして,MJ凸関数がどれだけMB凸関数と同様の性質を持つかが重要と言える.なおMB凸関数とは,「離散凸解析」と呼ばれる,離散最適化の理論的枠組みを与える分野で室田らにより研究されてきた.具体的には,MJ凸関数に対する最小化アルゴリズムとして,昨年度に適用可能性を示した最急降下法に加え,領域縮小法の有効性を示した(「研究発表」の2番目).この領域縮小法は,最急降下法と同様,MB凸関数に対し既に確立された方法の拡張である.一方,この領域縮小法は,最急降下法と異なり,多項式時間アルゴリズムである.よって,この領域縮小法の確立により,MJ凸関数もまたMB凸関数と同様,効率的に最小化できる離散凸関数の一つだと主張できる.以上の結果は,東北大学の塩浦昭義助教授との共同研究である.本年度はさらに,関数近似および数値積分に対する高精度公式の誤差評価の研究も行った.これらは東京大学の杉原正顯教授,室田一雄教授との共同研究である。基本的な関数近似公式の一つにSinc関数と呼ばれる関数を用いた関数近似法(Sinc近似と呼ばれる)があり,数値積分公式もこの近似から導かれることが知られている.我々の研究では,この基本的な関数近似法および数値積分法を,適用対象となる関数の定義域の形に合わせて再構築し,それぞれの場合に基本的な場合と同様の誤差評価式が得られることを,数学的に厳密な不等式評価を以って示した.また,Sinc近似に対しては,Sinc関数を修正した関数を用いた変種を考えることもできる.そのような公式の一つに対しても,誤差評価式を導出した.本年度は、離散凸関数による関数近似を考察するための基礎として、M凸関数およびL凸関数全体の集合の構造を調べる研究を行った。具体的には、両者の関数を生成すると考えられる数理計画問題をそれぞれ考案し、実際にM凸性およびL凸性の証明を試みた。その結果、ある特殊な場合に関しては、考案した数理計画問題がそれぞれ実際にM凸およびL凸関数になることが証明でき、かつ両者がLegendre-Fenchel変換に関して互いに共役の関係にあることも分かった。ただし一方で一般の場合は現時点で未解決であるため研究を継続中である。考案した数理計画問題は具体例を与えて計算機実験を行うことができる。実際にM凸関数に対するものについて2変数の場合に実験を行ってみると、証明に成功した前述の場合の条件を満たさない場合でも、M凸性を示す不等式が成立していることが多くの例について数値的に確認された。このことからも、考案した数理計画問題は有効であろうと推察される。一方L凸関数に関しては、数理計画問題から生成されたものがL凸性を有しないという反例が見つかったため、L凸関数に対しては生成方法の再考が必要と思われる。尚、このことは、前述のように特殊な場合に対してはLegendre-Fenchel変換に関する共役性が成立していることと矛盾するものではない。また、任意のM凸関数およびL凸関数が考案した数理計画問題から生成されるかという問題も残されていることも付け加えておく。考案した数理計画問題は半正定値計画問題の形であるが、計算機実験による副産物として、この問題が別のある非凸計画問題と等価であるのではないかという予想が得られた。実際、前述の特殊な場合についてはこのことは正しい。よって本研究は半正定値計画問題による緩和が実は元の問題と等価であるような場合のある程度一般的な枠組みを与えることも期待できるものと言える。組合せ的な性質を持つ凸関数として,既に良く性質の知られたM凸関数と呼ばれる関数がある.これは「離散凸解析」と呼ばれる,離散最適化の理論的枠組みを与える分野において室田らによって研究されてきたものである.本研究課題の主目的の一つは,このM凸関数によって小さい誤差で近似できる関数を見出し,その近似手法を考察することによって,離散最適化における精度保証付き近似アルゴリズムに理論的枠組みを与えることである.昨年度は,近似可能な関数を見出す問題に対して一つの定式化を与え,特別な場合にはその定式化による関数がM凸関数に一致することまで考察を進めたのであった.今年度は,その定式化を見直し,従来のM凸関数の定義を拡張することによってできる新たな関数についての研究を行った.区別のため,従来のものをM^B凸関数,新たなものをM^J凸関数と呼ぶことにする.M^J凸関数は,室田によって,より広い範囲の離散最適化問題-グラフのマッチング問題およびその拡張など-を含む枠組みを与えるものとして考案された.M^J凸関数はM^B凸関数を含むものであるが,M^B凸関数に関して分かっている性質を同様に持っているかどうかという問題と,M^B凸関数によって良い近似が与えられるかという問題を調べることが必要になる.前者の問題は後者の問題を考えるための準備段階であり,今年度はこの問題に取り組んだ.具体的には,M^B凸関数に対して確立されている最小化アルゴリズムおよび基本演算をM^J凸関数に対して拡張する問題に対し,肯定的結果を得た.まず最小化アルゴリズムについては最急降下法が適用可能であることを示した.この結果は本報告書の雑誌論文の欄に記載した論文に述べられている.次に基本演算に関しては,畳込み演算が可能であることを示した.

この結果は研究代表者の所属研究室の小林,室田との共同研究によるものであり,現在投稿準備中である.本年度は,昨年度から取組んでいる,従来のM凸関数(以下,MB凸関数)の定義を拡張してできる新たな関数(以下,MJ凸関数)についての研究を進展させた.本研究課題の主目的の一つは,MB凸関数で近似可能な関数を見出す問題に解答を与えることであり,その基礎付けとして,MJ凸関数がどれだけMB凸関数と同様の性質を持つかが重要と言える.なおMB凸関数とは,「離散凸解析」と呼ばれる,離散最適化の理論的枠組みを与える分野で室田らにより研究されてきた.具体的には,MJ凸関数に対する最小化アルゴリズムとして,昨年度に適用可能性を示した最急降下法に加え,領域縮小法の有効性を示した(「研究発表」の2番目).この領域縮小法は,最急降下法と同様,MB凸関数に対し既に確立された方法の拡張である.一方,この領域縮小法は,最急降下法と異なり,多項式時間アルゴリズムである.よって,この領域縮小法の確立により,MJ凸関数もまたMB凸関数と同様,効率的に最小化できる離散凸関数の一つだと主張できる.以上の結果は,東北大学の塩浦昭義助教授との共同研究である.本年度はさらに,関数近似および数値積分に対する高精度公式の誤差評価の研究も行った.これらは東京大学の杉原正顯教授,室田一雄教授との共同研究である。基本的な関数近似公式の一つにSinc関数と呼ばれる関数を用いた関数近似法(Sinc近似と呼ばれる)があり,数値積分公式もこの近似から導かれることが知られている.我々の研究では,この基本的な関数近似法および数値積分法を,適用対象となる関数の定義域の形に合わせて再構築し,それぞれの場合に基本的な場合と同様の誤差評価式が得られることを,数学的に厳密な不等式評価を以って示した.また,Sinc近似に対しては,Sinc関数を修正した関数を用いた変種を考えることもできる.そのような公式の一つに対しても,誤差評価式を導出した.
黒体放射の起源とする高励起状態間エネルギー緩和過程の研究

本年度はハロゲン分子(ヨウ素)を対象分子とし、電子励起状態間緩和過程における自然放射増幅過程(ASE)の重要性を評価した。ASEは反転分布を形成した媒質からの自然放射光が誘導放射過程によって増幅される光学過程であり、反転分布密度がある臨界値を超えた条件でのみ発振する。ヨウ素分子のf 0g+(3P0)状態からD 0u+(3P2)状態へのASEを対象とし、励起光とは別の3本目のレーザー光を導入することにより、それら電子状態間における反転分布を解消するASE緩和過程の制御を行った。本年度は対象分子を一酸化窒素からヨウ素分子へ変更した。その主な理由は、遠赤外検出器(ボロメーター)の不具合により、一酸化窒素の高い主量子数を有する電子励起状態からの自然放射増幅光の直接検出が困難となったためである。ヨウ素分子ではすでに自然放射増幅光の分光学的帰属は確定しているため、反転分布密度の制御による自然放射増幅光のON/OFFを目的としそれを達成した。より単純な系を実現するため、原子系(希ガスXe)の高励起リュードベリ状態を二光子レーザー励起で生成し、その準位からの中赤外自然放射増幅光の確認に成功している。研究最終年度である2019年度は、二種類の化学種を対象とした研究を展開する。まず、2019年度前半にはI2分子のイオン対状態と呼ばれる一連の電子励起状態のうち、基底状態から54000 cm-1程度のエネルギー領域に存在する2g (1D2)状態を対象とする。この2g (1D2)状態のエネルギー的近傍(227 cm-1)には同一解離限界に相関する2u (1D2)状態が存在しており、これらの電子状態間の遷移双極子モーメントは非常に大きな値を持つことが予想される。したがって、これら電子状態間の遠赤外誘導放射過程が期待されるため、まずはその観測を行う予定である。遠赤外領域の発光の観測と相補的に、紫外蛍光の測定や、その時間分解波形の速度論的解析を行い、黒体輻射が誘起する誘導放射過程の定量的な解析を行う。さらに、2019年度後半にはXe原子の高Rydberg状態をターゲットとした研究を展開する。Xe原子の高Rydberg状態は遠紫外光の二光子吸収により、容易に生成が可能であり、周辺準位の状態密度が非常に高いために、黒体輻射トリガーの誘導放射過程のみならず、黒体輻射の吸収による占有数移動過程を観測できると期待される。遠紫外光の二光子吸収からの黒体輻射の吸収に次いで、第二の紫外レーザー光による強制的な誘導放出を利用することで、黒体輻射の吸収過程の時間スケールを観測し、その速度論的な取り扱いから黒体輻射の関わるエネルギー緩和過程を詳細に解明する。孤立状態にある分子の高励起状態においては、放射過程(主に蛍光)および無放射過程(主に前期解離や自動イオン化)が競合している。我々はこれまで一酸化窒素分子(NO)の高リュードベリ状態の自然放射増幅光(Amplified Spontaneous Emission; ASE)や黒体放射誘起の誘導放射光を観測するで、高Rydberg状態におけるエネルギー緩和経路を決定した。今回、光光二重共鳴法を用いて生成したnf(n = 13-15)(v = 0)状態やnp(n = 14, 15)(v = 0)状態、nss(n = 14, 15)(v = 0)からの遠赤外発光の検出に成功し、これらの緩和経路を決定した。nf状態に関してはnf→(n-1)g→(n-2)fのカスケード的な遷移が観測され、遷移確率の議論よりこの遷移は黒体放射誘起の誘導放射過程であることを明らかにした。また、np状態に関してはnp→(n-1)f遷移のあと、nf→(n-1)gのカスケード的遷移が観測された。nss状態に関しては、黒体放射の吸収により、よりエネルギーの高い(n-1)fへ遷移し、そこからf状態と同様なカスケード的遷移が観測された。また、自動イオン化Rydberg状態(v = 1, 2)からの誘導放射光の検出を通じて、自動イオン化状態における誘導放射過程の重要性の評価を試みた。自動イオン化状態の励起スペクトルと分散発光スペクトルから、自動イオン化状態ではないv = 0と同様の緩和経路が示唆された。このことより、NOのRydberg状態間遷移において誘導放射、前期解離、自動イオン化の緩和過程が競合していることを明らかにした。光-光二重共鳴法を用いて一酸化窒素NOの高Rydberg状態であるnf(n = 13-15)(v = 0)状態、np (n = 14, 15)(v = 0)状態、nss(n = 14, 15)(v = 0)への励起を誘導放射光を信号光として達成し、各Rydberg状態からの誘導放射光の観測を行った。nf (n = 13-15)(v = 0)状態は分散発光スペクトルを測定することで、nf→(n-1)g→(n-2)fのカスケード的遷移が起こっていることが明らかになった。また、np (n = 14, 15)(v = 0)状態に関してはnp→(n-1)

f遷移のあと、nf→(n-1)gのカスケード的遷移が観測された。np→(n-1)f遷移に関しては発光波長が検出器の感度範囲外であったため、検出には至らなかった。nss(n = 14, 15)(v = 0)に関しては黒体放射の吸収により、よりエネルギーの高い(n-1)fへ遷移し、そこからf状態と同様なカスケード的遷移が観測された。また、13f→12gの約88マイクロメートルの発光の偏光特性を遠赤外用ワイヤーグリッドを用いて測定した。この発光はLIFの理論偏光度と比較して同等からそれ以下の偏光度を有していることがわかった。これは、無偏光である黒体放射誘起の誘導放射であることから、3光子過程としてのLIFよりも偏光度が小さくなったためであると結論づけた。NOの現段階の検出器で測定可能である遠赤外発光は125マイクロメートルまでであるので、さらに長波長の誘導放射光を測定するためには現在故障中の遠赤外検出器を修理する必要がある。本年度はハロゲン分子(ヨウ素)を対象分子とし、電子励起状態間緩和過程における自然放射増幅過程(ASE)の重要性を評価した。ASEは反転分布を形成した媒質からの自然放射光が誘導放射過程によって増幅される光学過程であり、反転分布密度がある臨界値を超えた条件でのみ発振する。ヨウ素分子のf 0g+(3P0)状態からD 0u+(3P2)状態へのASEを対象とし、励起光とは別の3本目のレーザー光を導入することにより、それら電子状態間における反転分布を解消するASE緩和過程の制御を行った。本年度は対象分子を一酸化窒素からヨウ素分子へ変更した。その主な理由は、遠赤外検出器(ボロメーター)の不具合により、一酸化窒素の高い主量子数を有する電子励起状態からの自然放射増幅光の直接検出が困難となったためである。ヨウ素分子ではすでに自然放射増幅光の分光学的帰属は確定しているため、反転分布密度の制御による自然放射増幅光のON/OFFを目的としそれを達成した。より単純な系を実現するため、原子系(希ガスXe)の高励起リュードベリ状態を二光子レーザー励起で生成し、その準位からの中赤外自然放射増幅光の確認に成功している。これまでに行ってきた前期解離と競合するNOの高Rydberg状態における誘導放射過程に関する研究の三原子分子への応用を考えている。そこで我々は、NOを前期解離状態として有する三原子分子である二酸化窒素NO2に着目した。二酸化窒素は比較的安定して存在できる非直線三原子ラジカルであり、可視光領域に吸収が存在することもあり、分光学的に長く研究がされてきた分子である。しかし、二酸化窒素は多くの電子状態からの摂動や、Fermi共鳴、Darling-Dennison共鳴などの振動状態どうしの相互作用によりとても複雑なポテンシャルを形成し、そのスペクトルの解析は困難を極める。そこで我々は比較的他の電子状態に対して孤立しているD 2B2状態に着目した。D 2B2状態は、他の状態との擬交差により振動励起状態は前期解離性を有するため寿命が短く、振動励起状態からの蛍光の観測は難しい。しかし、自然放射増幅光ASEは前期解離性状態からでも観測されることから、D 2B2状態のASE観測が成功すれば、D 2B2状態の高振動励起状態の解析が可能になると考えられる。また、Rydberg状態であるE 2Sigmau+状態より高い電子状態は蛍光が観測されていない。しかしASEは非蛍光状態からでも観測されることから、Rydberg状態を含む高励起状態からのASEを観測することで、解析が進んでいないNO2の高電子励起状態の解析を試みる。研究最終年度である2019年度は、二種類の化学種を対象とした研究を展開する。
ミトコンドリア機能障害の観点からみた慢性筋痛の病態解析

抗高脂血症剤服用によるミトコンドリアの機能障害が筋痛発症に関与している可能性が多数報告され,服用者の中でも,血中のビタミンDが欠乏した個体で筋痛の発症が有意に高いことが知られることから,ビタミンD機能と筋痛の関係の解明を試みた。その結果,マウスを対象とした筋組織内でのビタミンD受容体の遺伝子発現量は,筋痛を発症しやすい僧帽筋や咬筋において四肢筋よりも有意に高く,ビタミンD機能が筋痛と関連している可能性が示された。また,ラットの咬筋に侵害刺激を付加した際の中枢神経系の疼痛感受性マーカー(c-fos)の発現陽性細胞数は,ビタミンD欠乏状態で増加傾向にあり,疼痛感受性が亢進する可能性が考えられた。本申請研究は,慢性筋痛の発症メカニズムを明らかにすることを目的とした上で,1高脂血症治療薬であるスタチン服用による副作用として,骨格筋の痛みが濃度依存的に生じること,2スタチン服用によりミトコンドリア内でのATP産生に不可欠であるコエンザイムQ10の産生が妨げられ,組織代謝異常が生じることに着目し,慢性筋痛とミトコンドリア機能障害の関係を紐解く計画を立案した.しかしながら,最近になってスタチン服用者の中でも,血中のビタミンDが欠乏した個体でスタチン服用による筋痛の発症が有意に高いことが明らかとされた疫学研究が幾つか報告された.また,ビタミンD欠乏状態では,骨格筋の疼痛感受性が高まることが動物実験で明らかとされたことから,慢性筋痛の病態解明,特に疾患感受性を検討するにあたっては,ミトコンドリア機能を評価するよりもビタミンD欠乏との関連を評価する方がより直接的ではないかと考え,研究を開始した.まず,筋組織内のビタミンDの受容体の発現状態を評価した.実際には慢性筋痛の生じやすい僧帽筋,咬筋に加え,四肢の筋における筋組織内のビタミンD受容体の発現状態をマウスを対象として遺伝子レベルで確認した.その結果,四肢の筋に比較して,僧帽筋,咬筋では有意に受容体発現が増加していることが明らかとなり,その遺伝子発現はビタミンD欠乏食を与えることでアップレギュレートされることも突きとめた.すなわち,骨格筋の中でも慢性筋痛が生じやすい筋群ではビタミンDの需要が高いことが明らかとなった.今年度は,慢性筋痛の生じやすい僧帽筋や咬筋においてビタミンDの需要が高いことを明らかとした.また,筋痛とビタミンD欠乏の関係をより直接的に評価するため,ラットの咬筋組織内に侵害受容を加えた際の中枢変化をビタミンD欠乏状態とコントロール条件下で比較する実験を進めており,筋痛発症メカニズム解明のための新知見は順調に得られていると言える.本申請研究は,慢性筋痛の発症メカニズムを明らかにすることを目的とした上で,1高脂血症治療薬であるスタチン服用による副作用として,骨格筋の痛みが濃度依存的に生じること,2スタチン服用によりミトコンドリア内でのATP産生に不可欠であるコエンザイムQ10の産生が妨げられ,組織代謝異常が生じることに着目し,慢性筋痛とミトコンドリア機能障害の関係を紐解く計画を立案した.しかしながら,最近になってスタチン服用者の中でも,血中のビタミンDが欠乏した個体でスタチン服用による筋痛の発症が有意に高いことが明らかとされた疫学研究が幾つか報告された.また,ビタミンD欠乏状態では,骨格筋の疼痛感受性が高まることが動物実験で明らかとされたことから,慢性筋痛の病態解明,特に疾患感受性を検討するにあたっては,ミトコンドリア機能を評価するよりもビタミンD欠乏との関連を評価する方がより直接的ではないかと考え,研究を開始した.前年度,慢性筋痛の生じやすい僧帽筋,咬筋においてビタミンD受容体遺伝子の発現が増加しており,慢性筋痛が生じやすい筋群ではビタミンDの需要が高い可能性が明らかとなった.今年度は,筋組織内におけるビタミンD受容体の遺伝子発現の多寡と疼痛感受性の関係を検討するため,ビタミンD欠乏食と正常食を4週間摂取し続けたラットの咬筋組織内にアジュバンドを注入し,2時間後の中枢神経系におけるc-fos遺伝子の発現量を比較した.その結果,ビタミンD欠乏食を摂取したラット群では,中枢におけるc-fos遺伝子発現量が増加する傾向を示し,咬筋組織内の疼痛感受性が高まっている可能性が示された.抗高脂血症剤服用によるミトコンドリアの機能障害が筋痛発症に関与している可能性が多数報告され,服用者の中でも,血中のビタミンDが欠乏した個体で筋痛の発症が有意に高いことが知られることから,ビタミンD機能と筋痛の関係の解明を試みた。次年度は,今年度から実施しているビタミンD欠乏状態の動物モデルの筋組織に侵害受容を付加した際の,中枢に生じる特異的な変化を解明すべく実験を進める.また,ビタミンD欠乏状態の動物モデルにおける筋組織の疼痛反射を評価することで,実際に筋組織内で疼痛感受性が亢進するのかを明らかにするとともに,筋組織内局所における変化が生じているかを免疫組織学的手法で評価する予定である.

医歯薬学申請研究の計画内容を変更したことにより,各年度における研究進行に必要な費用にも変化が生じ,2年計画の本研究において,後半に実施する計画研究により費用が必要となったため.次年度に実施を計画している動物実験に必要な動物,分子生物学的実験に必要な消耗品や組織学実験に必要な抗体,試薬等を中心として使用を計画する.また,蓄積された研究成果を国内外で発表するための旅費としても使用を計画している.
潜伏感染ＥＢウイルスゲノムの宿主染色体付着機構の解析

潜伏感染EBウイルスゲノムは、感染細胞の核内において細胞染色体に組み込まれることなく二本鎖環状DNAとして安定に維持される。本研究では、ウイルスゲノムを染色体上につなぎとめる分子であるウイルス蛋白質EBNA1が宿主細胞染色体に付着する分子メカニズムの一端を解明した。またEBウイルスゲノム上にはマイクロRNAと呼ばれる小RNA分子が多数コードされている。こうしたウイルスマイクロRNAは感染上皮細胞において特定の細胞性因子の発現を強く抑制することを明らかにした。本研究成果は、EBウイルスの潜伏感染機構、さらにウイルス感染による発がん機構の解明に資するものである。EBNA1蛋白質のN末端側の二ヶ所に分かれて存在する「染色体結合ドメイン(chromosome binding domain, CBD)」には計24個のアルギニン残基が存在し、塩基性ドメインを形成している。平成24年度の研究において、これらアルギニン残基全てを(中性アミノ酸である)アラニンに置換した「アラニン置換体」を作製すると、EBNA1蛋白質の染色体結合能が失われることから、これらのアルギニン残基が染色体結合において重要性であると結論した。そこで本年度は、アルギニン残基を同じ塩基性アミノ酸であるリシンに置換した「リシン置換体」を作製することで、「アルギニン残基であることが重要なのか、それとも塩基性アミノ酸であることが重要なのか」を調べた。その結果、24個すべてのアルギニンをリシンに置換しても、EBNA1蛋白質の染色体結合能は維持された。また「アラニン置換体」、および「リシン置換体」のoriPミニプラスミド維持能を調べたところ、アラニン置換体はプラスミド維持能を示さないが、リシン置換体は野生型EBNA1蛋白質(ただしGAリピートは欠損するもの)とほぼ同等のプラスミド維持能を示すことを明らかにした。さらにEBNA1蛋白質の染色体結合ドメインの配列に由来する合成ペプチドと再構成ヌクレオソームとの結合をゲルシフトアッセイにより調べた。その結果、野生型EBNA1由来のペプチドおよびリシン置換体由来のペプチドはヌクレオソーム結合能を示す一方で、アラニン置換体由来のペプチドは結合能を示さなかった。以上の結果より、EBNA1蛋白質の染色体結合には、塩基性アミノ酸が集中する「塩基性ドメイン」と染色体ヌクレオソームとの間の静電気的相互作用が重要であると考えられた。EBNA1蛋白質は、N末端側およびC末端側の二つの異なる機能ドメインを介して、それぞれ宿主染色体およびウイルスゲノム(oriP領域)に結合し、両者のつなぎとめをおこなうことで、エピゾームの安定な核内維持に寄与する。N末端側の二ヶ所に分かれて存在する「染色体結合ドメイン(chromosome binding domain, CBD)」には計24個のアルギニン残基が存在し、塩基性ドメインを形成している。本研究では、CBD領域への変異導入による染色体局在能の変化について、蛍光蛋白質を用いた実験系により検討した。すなわちEBNA1蛋白質全長あるいは二つのCBD(CBD1, CBD2)領域を、赤色蛍光蛋白質mCherryとの融合蛋白質として発現するベクターを構築し、これをヒストンH2B-GFP発現HeLa細胞に一過性ないし安定発現させて生細胞で局在を観察した。CBD-mCherry融合蛋白質は、EBNA1-mCherry融合蛋白質と同様に、間期細胞核内および分裂期染色体上に局在した。CBD1、CBD2領域へ欠失変異、およびアルギニン残基へのアラニン置換変異を導入し、その影響を調べたところ、1CBD1およびCBD2が協調して機能すること、2アラニン置換変異導入によりアルギニン残基の数を減少させると、それに比例してCBD-mCherry融合蛋白質の核局在・染色体局在が減弱することが明らかになった。以上よりEBNA1蛋白質のCBD内に多数存在するアルギニン残基が、EBNA1蛋白質の染色体局在化において必須であることが明らかになった。またH2B-GFPとCBD-mCherryの両者を安定発現するHeLa細胞は、EBNA1蛋白質の染色体結合に対する阻害効果を生細胞で容易に判定できるという点で、新規EBNA1阻害薬探索に向けたhigh contentscreeningへの応用が考えられた。ウイルス蛋白質EBNA1の染色体結合ドメイン(chromosome binding domain, CBD)を蛍光蛋白質mCherryとの融合蛋白質(CBD-mCherry)として細胞内に安定発現させることで、EBNA1蛋白質の染色体結合能を迅速に評価できる。そこでヒストンH2B-GFP融合蛋白質およびCBD-mCherryの両者を安定発現するHeLa細胞を用いて、機能既知の標準阻害剤セットの添加によるCBD-mCherry融合蛋白質の局在変化を調べた。しかしながら今回の解析ではCBD-mCherry融合蛋白質の染色体付着のみを特異的に阻害する薬剤の同定には至らなかった。

一方で、EBNA1蛋白質変異体をコードする組換えEBウイルスの作製をめざして実験系の改良を行っている過程で、EBウイルス関連上皮系がんで高発現するBART (BamHI A rightward transcript)マイクロRNA群が宿主遺伝子の発現制御を行うという興味深い実験結果を得た。そこでBARTマイクロRNA群を欠損する組換えウイルス、および全てのBARTマイクロRNA群を保持する組換えウイルスを作製し、両者がそれぞれ感染した上皮細胞を樹立した。樹立した細胞における宿主遺伝子発現を網羅的に解析し、BARTマイクロRNA群の標的遺伝子として上皮細胞特異的に発現するNDRG1遺伝子を同定した。さらにBARTマイクロRNA群の複数のマイクロRNAが協調してNDRG1の発現抑制に関与すること、またEBウイルス陽性上咽頭がん組織においてもNDRG1の発現抑制が認められることを明らかにした。以上の結果より、EBウイルスの上皮細胞感染時において、上皮細胞の分化特異的因子・転移抑制因子であるNDRG1蛋白質の発現を抑制し、上皮細胞の分化異常へ関与する、あるいは上咽頭がん細胞の転移の亢進に関与する可能性が示された。ウイルス学EBNA1蛋白質の染色体結合ドメインにおいて、塩基性アミノ酸が集中して存在していることが一義的に重要であることを初めて明らかにした。またEBNA1蛋白質由来のペプチドと再構成ヌクレオソームの結合を調べる新規アッセイ系を用いて、EBNA1蛋白質とヌクレオソームとの相互作用は静電気的な相互作用であることを示した。以上の結果を原著論文として発表した(J Biol Chem, 2013年8月16日号表紙)。EBNA1蛋白質の染色体結合ドメインの変異体作製および各種変異体の細胞内局在の解析が順調に進んだ。その結果、染色体結合ドメイン内に存在するアルギニン残基の数が重要であることが明らかになった。またEBNA1蛋白質の染色体結合の阻害薬のスクリーニングに有用であると思われる新しい実験系を構築することができ、平成25年度に行う研究の基盤ができた。1既に樹立したヒストンH2B-GFP融合蛋白質およびEBNA1の染色体結合ドメイン-mCherry融合蛋白質(CBD-mCherry)の両者を安定発現するHeLa細胞を用いて、機能既知の標準阻害剤セット、さらに他の寄託化合物ライブラリーを添加することで、CBD-mCherry蛋白質の染色体結合を特異的に阻害し、H2B-GFP蛋白質の局在に影響しない低分子化合物を蛍光顕微鏡下でスクリーニングする。2EBNA1蛋白質変異体をコードする組換えEBウイルスの作製をめざして実験系の改良を行っている過程で、EBウイルス感染上皮細胞においてウイルスのコードするマイクロRNAが宿主遺伝子の発現制御を行うという興味深い実験結果を得た。そこで一部研究計画を変更し、ウイルスマイクロRNA遺伝子を欠損する組換えウイルス作製により、ウイルスマイクロRNAによる宿主遺伝子発現制御機構の解析を行う。
非対称細胞分裂:細胞の非対称性から多様性を形成する機構の解析

本研究では、ショウジョウバエの突然変異の大規模スクリーニングにより、非対称分裂の働く因子を系統的に同定し、その知見をもとに、幹細胞の分裂、卵割、上皮細胞を制御する細胞極性を総合的に理解することを目的とする。ショウジョウバエの神経幹細胞は、それ自身とより小さい姉妹細胞に非対称に分裂する。その際、神経の運命決定因子である転写因子ProsperoやNotchシグナルの制御因子Numbを姉妹細胞である神経前駆細胞に不等分配する。Prosperoを直接結合し、その非対称な細胞内分布と不等分配を規定するアダプター分子Mirandaの細胞内局在を指標として、神経幹細胞の非対称性に異常をきたす突然変異を系統的にスクリーニングした。その結果、X染色体と第2染色体に関して計10遺伝子座のMiranda局在異常変異を分離することができた。このなかで、本研究で新たに分離された変異は、1)運命決定因子の不等分配は正常だが、娘細胞のサイズが等しくなる変異(4系統、2遺伝子座)。2)神経幹細胞は正常な極性を保ち、分裂軸の方位がその極性と一致しない変異体(5系統3遺伝子座)3)神経幹細胞は正常な非対称分裂を行うが、その方向がランダムになる変異(1系統)4)運命決定因子の細胞内非対称局在に異常をきたす突然変異(2系統2遺伝子座)。の4種である。(1)の変異体の原因遺伝子は3量体Gタンパクのβおよびγサブユニットをコードする遺伝子であることが判明し、細胞のサイズの非対称性には3量体Gタンパクシグナルがかかわることが明らかになった。また、(2)の遺伝子座のひとつは、成虫の脳の構造に異常をきたす変異の原因遺伝子mushroom body defect(mud)であることが判明し、分裂軸と細胞極性のカップリングに働くしくみの一端が明らかになった。の4種である。ショウジョウバエの神経幹細胞は、それ自身と姉妹細胞に非対称に分裂する際、神経の運命決定因子である転写因子ProsperoやNotchシグナルの制御因子Numbを姉妹細胞に不等分配する。これらの因子の不等分配は神経細胞の運命決定に必須なプロセスであり、本研究では、そのメカニズムと背後にある細胞極性の分子実体を明らかにすることを目標にしている。神経幹細胞の分裂に際してMiranda分子はProsperoに直接結合し、その細胞内分布と不等分配を規定するアダプター分子であるが、この因子のダイナミックな細胞内の局在は、神経幹細胞の細胞極性を敏感に反映する。このMirandaの細胞内局在を指標として、神経幹細胞の非対称性を制御する因子の系統的な検索を行っている。このスクリーニングは、まだ途中の段階だが、Mirandaの局在に異常をきした突然変異を現在までに24系統分離し、10遺伝子座に分類されている。そのうち、以下の3つの突然変異グループは全く新しい表現形を示す。(1)ガン抑制遺伝子であるgiant larvaeと似た表現形を示し、遺伝的な相互作用を持つ。(2)神経幹細胞は正常な極性を保っているが、その方向がランダムになる。(3)神経幹細胞とその姉妹細胞の大きさが非対称性を失い、形態的な等分裂を行う。(1)のグループに属する突然変異の原因遺伝子は運命決定因子の局在のメカニズムに機能する未知の因子と予想される。(2)の表現形は、神経幹細胞が自律的に極性を維持すること、また、その極性を外部から方向付けする仕組みのあることを示唆している。

形態的な等分裂を引き起こす変異(3)は、細胞軸上に、収縮環の位置を非対称に指定する遺伝子の変異であると考えられ、その原因遺伝子の解析は、細胞内の位置情報の形成に新しい視点を提供する。本研究で行っている突然変異のスクリーニングと解析が非対称分裂と細胞極性の理解に大きな貢献を果たすことを以上の結果は期待させる。ショウジョウバエの神経幹細胞は、それ自身とより小さい姉妹細胞に非対称に分裂する。その際、神経の運命決定因子である転写因子ProsperoやNotchシグナルの制御因子Numbを姉妹細胞である神経前駆細胞に不等分配する。これらの因子の不等分配は神経細胞の運命決定に必須なプロセスであり、本研究では、そのメカニズムと背後にある細胞極性の分子実体を明らかにすることを目標にしている。Prosperoを直接結合し、その非対称な細胞内分布と不等分配を規定するアダプター分子Mirandaの細胞内局在を指標として、神経幹細胞の非対称性に異常をきたす突然変異の系統的な検索を行ってきた。新しい表現型を示す突然変異群のうち、神経幹細胞とその姉妹細胞の大きさが非対称性を失い、形態的な等分裂を行う変異系統を2種類について解析がもっとも進んだ。一般に、母細胞の細胞質分裂の際、収縮環の位置が分裂軸上で中央からずれることによって、娘細胞の大きさは非対称になる。収縮環の位置は、紡錘体の両極からの微小管がオーバーラップする「midzone」によって規定される。ショウジョウバエの神経幹細胞が分裂する際、紡錘体自身の形態的な非対称性と紡錘体が中心からのずれによって収縮環の位置のずれが起こることが知られ、娘細胞の大きさの非対称性に対しては前者の寄与が大きい。本研究で分離された二つの突然変異は、ともに、紡錘体の非対称性を失っていることが判明した。原因遺伝子の解析から、両者は3量体G蛋白質のβ,γサブユニットをコードすることが判明した。ショウジョウバエの神経幹細胞は、娘細胞の運命と大きさの異なる典型的な非対称分裂を行い、転写因子ProsperoやNotchシグナルの制御因子Numbを姉妹細胞の神経前駆細胞に不等分配する。本研究では、神経幹細胞を実験系として非対称分裂のメカニズムとその背後にある細胞極性の分子実体を明らかにすることを目標とし、神経幹細胞の非対称性に異常をきたす突然変異の系統的な検索を行ってきた。分離された変異系統のなかで、神経幹細胞とその姉妹細胞の大きさが非対称性を失う変異系統を2種類について解析を進めている。一般に、母細胞の細胞質分裂の際、収縮環の位置が中央からずれるため、娘細胞の大きさが非対称になる。ショウジョウバエの神経幹細胞の場合、紡錘体が非対称性な形態をとることによって収縮環の位置にずれが起きる。分離された二つの突然変異は、ともに、紡錘体が非対称性を失っていること、3量体G蛋白質のβ,γサブユニットをそれぞれコードする遺伝子の変異であることが判明した。一方で、神経幹細胞では、aPKC-Par3複合体とGαi-Pins複合体という二つのシグナル伝達系がapical側に局在し、細胞極性を制御することが知られ、娘細胞のサイズの非対称にっいても、両者が平行して機能することが判明している。Gβγシグナルとapicalシグナルの関係を追及したところ、Gαi-Pinsの非対称局在にはGβγシグナルが心要とされるが、aPKC-Par3の局在には必須でないことが判明した。
低周波数域散乱波形情報を活用した大規模構造用欠陥評価システムの開発

1.散乱振幅を計測し,固体内部の欠陥形状を再構成する線形化逆散乱解析法を定式化した.ここでは,計測との対応を考慮し,使用するセンサーのビーム特性と周波数域特性を取り入れた欠陥形状再構成システムとした.また高周波数域近似と低周波数域近似に基づいた2種類の線形化式を組み込み,面状欠陥と体積状欠陥の識別機能を有するものとした.欠陥形状再構成システムにはFFTを活用し演算の高速化を図った.2.非均質材料としてコンクリート製の円柱供試体の内部欠陥を対象とし,全方向からの計測波形を用いて欠陥形状の再構成を行った.現場での計測を意図した場合,同じ非均質材料から参照波形を計測することが困難である場合が多いため,均質材料であるとみなせるセメントペースト中の平面空洞からの反射波形を参照波形として利用するデータ処理方法を提案した.このデータ処理では非均質部の影響を考慮する必要があるが,骨材による位相速度の周波数変化が見られないことから,コンクリートとセメントペーストの群速度の違いのみを考慮する伝播距離・時間に関する補正項を導入した.このデータ処理方法を適用して導出された散乱振幅を用いた場合,ボルン,キルヒホフ両逆散乱法において欠陥形状が再構成できることを示した.3.円柱供試体における計測では探触子と座標原点の距離が計測点によらず常に一定であったのに対し,平面計測の場合は各計測点によってその距離が変化するためこれを考慮する必要がある.そこで,探触子と送信焦点間の距離の補正項を導入した.また超音波の透過係数や母材の減衰量を考慮するデータ処理方法を提案した.そして,P波およびSV波を用いた逆散乱解析を行い,欠陥形状がある程度再構成できることを示した.これらにより,非均質性や平面構造を有する土木構造物に対するリアルタイムイメージング技術として線形化逆散乱解析法が適用できる可能性を示したと考える.1.散乱振幅を計測し,固体内部の欠陥形状を再構成する線形化逆散乱解析法を定式化した.ここでは,計測との対応を考慮し,使用するセンサーのビーム特性と周波数域特性を取り入れた欠陥形状再構成システムとした.また高周波数域近似と低周波数域近似に基づいた2種類の線形化式を組み込み,面状欠陥と体積状欠陥の識別機能を有するものとした.欠陥形状再構成システムにはFFTを活用し演算の高速化を図った.2.非均質材料としてコンクリート製の円柱供試体の内部欠陥を対象とし,全方向からの計測波形を用いて欠陥形状の再構成を行った.現場での計測を意図した場合,同じ非均質材料から参照波形を計測することが困難である場合が多いため,均質材料であるとみなせるセメントペースト中の平面空洞からの反射波形を参照波形として利用するデータ処理方法を提案した.このデータ処理では非均質部の影響を考慮する必要があるが,骨材による位相速度の周波数変化が見られないことから,コンクリートとセメントペーストの群速度の違いのみを考慮する伝播距離・時間に関する補正項を導入した.このデータ処理方法を適用して導出された散乱振幅を用いた場合,ボルン,キルヒホフ両逆散乱法において欠陥形状が再構成できることを示した.3.円柱供試体における計測では探触子と座標原点の距離が計測点によらず常に一定であったのに対し,平面計測の場合は各計測点によってその距離が変化するためこれを考慮する必要がある.そこで,探触子と送信焦点間の距離の補正項を導入した.また超音波の透過係数や母材の減衰量を考慮するデータ処理方法を提案した.そして,P波およびSV波を用いた逆散乱解析を行い,欠陥形状がある程度再構成できることを示した.これらにより,非均質性や平面構造を有する土木構造物に対するリアルタイムイメージング技術として線形化逆散乱解析法が適用できる可能性を示したと考える.平成13年度においては,以下の課題について研究を推進した.1.三次元線形化欠陥形状再構成法の基盤部の開発(1)散乱振幅を計測し,三次元欠陥形状を再構成する逆散乱法を定式化した.ここでは,計測との対応を考慮し,使用するセンサーのビーム特性と周波数帯域特性を採り入れた欠陥形状再構成システムとした.(2)面状欠陥と体積型欠陥の識別機能を有する形状再構成システムとした.このために,高周波数域近似と低周波数域近似に基づいた2種類の線形化逆散乱式を組み込んだ.(3)高速化を図るために,FFTを活用した画像データ処理のアルゴリズムを形状再構成システムに採り入れた.2.散乱波形計測との対応を考慮した三次元均質化法の開発(1)非均質材料の組成を考慮して均質化法の三次元への拡張を図り,非均質材料と等価な弾性定数が推定可能となった.(2)コンクリートや複合材料等の実際の土木構造材料に対して均質化法を適用するために,ミクロ構造の三次元画像からモデルを生成するシステムを構築した.(3)散乱波計測との対応を考慮して,ミクロ構造領域の適切な大きさについての基礎検討を行った.3.低周波数域センサーの開発と波形計測(1)フェライト製コアの縦振動を利用した100kHz域磁歪センサーを試作した.(2)セメントペースト供試体により,ここで試作した磁歪センサーを用いて超音波の送・受信を行い,受信波形の周波数特性を調べた結果,圧電型(狭帯域)センサーとほぼ同程度の帯域特性を有していることがわかった.本年度の主な研究実績をまとめると次のようになる.

1.材料の非均質性を考慮した欠陥形状の再構成法への拡張昨年度の均質体に対する欠陥形状の再構成法に関する基礎的検討を基に,非均質体中を伝播する波動の波速の周波数依存性を形状再構成式に組み込むことにより,非均質体中に存在する欠陥の形状再構成式へと拡張した.ただし,ここでは散乱体間の多重散乱の影響は無視しており,多重散乱効果が卓越する場合は考慮していない.欠陥形状の再構成式において非均質体中の波速の静的極限が必要となるが.これは均質化法により算定した.また,欠陥形状の再構成式は,位相速度の周波数依存性を採り入れた波数と計測角からなる座標系における散乱振幅のフーリエ逆変換の形式に整理された.このため、散乱振幅データを直交座標系に変換することにより,高速化手法が適用可能となる.2.磁歪センサーと圧電型センサーを利用した欠陥による散乱波形計測磁歪センサーの広帯域化を図るため,磁歪振動子の後部にダンパーを装着することにより,磁歪振動子の共振を制御することを試みた.この結果,中心周波数100kHz付近における広帯域化が実現され,試作した磁歪センサーは100kHz付近に周波数帯域を有する送信用センサーとして計測に利用可能であることがわかった.散乱波形の計測用供試体として,セメント材料を基本とする母材中に円形と長方形の欠陥モデルを含む供試体を作成した.この供試体をもとに,磁歪センサーと圧電型センサーを併用して欠陥モデルからの散乱波形を計測し,参照波形を利用して形状再構成式への入力波形となる散乱振幅データを抽出した.本年度のおもな研究業績をまとめると次のようになる.1.非均質材料としてコンクリート製の円柱供試体の内部欠陥を対象とし,全方向からの計測波形を用いて欠陥形状の再構成を行った.現場での計測を意図した場合,同じ非均質材料から参照波形を計測することが困難である場合が多いため,均質材料であるとみなせるセメントペースト中の平面空洞からの反射波形を参照波形として利用するデータ処理方法を提案した.このデータ処理では非均質部の影響を考慮する必要があるが,骨材による位相速度の周波数変化が見られないことから,コンクリートとセメントペーストの群速度の違いのみを考慮する伝播距離・時間に関する補正項を導入した.このデータ処理方法を適用して導出された散乱振幅を用いた場合,ボルン,キルヒホフ両逆散乱法において欠陥形状が再構成できることを示した.2.既往の円柱供試体における計測では探触子と座標原点の距離が計測点によらず常に一定であったのに対し,平面計測の場合は各計測点によってその距離が変化するためこれを考慮する必要がある.そこで,探触子と送信焦点間の距離を考慮した散乱波に関する逆散乱法を定式化し,散乱振幅と散乱波の関係を導いた.この関係を利用し,二点での散乱波から散乱振幅を導出するための距離補正項を導入した.また,理論上の散乱波と実際の計測波形とは一致しないため,ウェッジ-母材間の透過係数や母材の減衰量を考慮するデータ処理方法を提案した.そして,P波およびSV波を用いた逆散乱解析を行い,欠陥形状がある程度再構成できることを示した.