hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
腓腹筋内側頭の効果的・選択的ストレッチング方法の考案

効果的・選択的ストレッチング方法の考案は平成24年度検証できたため,25年度は,(3)考案した方法の超音波装置を用いた検証を行っていく予定である.25年度が最終年度であるため、記入しない。25年度は,平成24年度に考案した方法を超音波装置を用いた検証していく予定である.対象は,神経学的及び整形外科的疾患を有さない健常成人男性8名を予定している.すでにヘルシンキ宣言の趣旨に則り,かつ本学倫理委員会で承認を受けた(承認番号17384)ている.方法は,対象者を等速性筋力測定器(BIODEX SYSTEM4,BIODEX社)に着座し,足部をフットプレートに膝関節伸展0°・足関節底屈10°(開始肢位)で固定する.ストレッチング(以下,ST)肢位は,コントロールST肢位(以下,CST)としてCST1:膝関節伸展0°・足関節背屈10°,CST2:股関節内旋15°・膝関節伸展0°・足関節背屈10°・外反10°,考案したST肢位(以下,DST):股関節内旋15°・膝関節伸展0°・足関節背屈10°・内反10°の3肢位とし,ランダムに実施する.超音波測定は,同一検者が開始肢位とST肢位とで,超音波装置(Prosound C3,日立AROKA株式会社)・Bモード・リニア型プローブ(6MHz)を用いて,STの変化が定常化する30秒以降に各部位を3回測定する.測定部位は,MGとLG(膝窩皮線と外果を結んだ線の近位30%)とする.また,プローブ位置の再現性を高めるため,独自にスポンジ製のプローブ固定枠を作成し,皮膚上で動かないように両面テープで接着する.解析方法は,画像解析ソフト(Image J,NIH)を用いて,測定した超音波画像から羽状角,筋厚,筋束長=筋厚/sinθ(θ:羽状角)を計測し3回の平均値を採用する.また,検者内信頼性は級内相関係数(ICC;1,1)を用いて確認する.25年度が最終年度であるため、記入しない。
心臓の能動素子としてのバイオメカニクス的研究:心室容積振動法による容積弾性等とエネルギー消費量の変化

本研究者が、これまでの一連の研究で用いてきたイヌ摘出交叉潅流心臓標本を用いた。麻酔はネンブタールでおこなった。左心室の前面に電磁加振器を接触させ、70Hz、+2mmの正弦波振動を与えた。振動を与えるや否や、容積一定の等容積収縮の収縮期最大心室圧は20%程度低下した。すなわち、収縮性の指標のEmaxも20%程度低下した。この点はすでに知られている事実と一致する。この収縮力低下の機序は、クロスブリッジが振動により力を発生し難くなる状態になるのではないかと考えられている。この実験で、同時に測定している心臓酸素消費量と心室の機械的エネルギー産生量をあらわす収縮期圧容積面積(PVA)も低下した。ところが振動を加える前後で、酸素消費量-PVA関係を調べたところ、その関係は振動によってほとんど変化しなかった。通常は、陰性変力作用でEmaxが低下すると、その程度に比例して酸素消費量-PVA関係も低下することを、これまで観察してきている。しかし、今回の結果は、そのようにはならなかった。このことは振動によるEmaxの低下の機序が特殊なものであることを示している。これまでの一連の研究から、酸素消費量-PVA関係の低下は、興奮収縮連関に与かる遊離カルシウム量に密接に関係すると考えられている。ところが、振動は心収縮力を低下させるが、その機序は、興奮収縮連関を抑制するのではなく、直接クロスブリッジの運動を抑制することを示唆している。なぜ振動がこのような結果を引き起こすのかは不明であるが、振動によってクロスブリッジの結合解離サイクルが不完全となり、ATPを消費して、力を発生する機会が少なくなるものと考えられる。
病院・在宅におけるケア情報共有のICT化－患者専用ケア手順書作成ツールの開発－

わが国は「病院完結型」医療から「地域完結型」医療への転換が迫られ,病院看護師は効果的な退院指導の実施が求められている.また患者のニーズに合わせた個別的ケアは、患者の合併症による重症化予防およびQOLの向上において重要であり、病院・在宅においてケア情報を共有する必要がある。これらのことから、病院・在宅におけるケア情報共有のICT化を目指し、研究1では、「患者専用ケア手順書作成ツール」を開発した。研究2では、「患者専用ケア手順書作成ツール」を用い,「患者専用ケア手順書」を作成し,研究3では、病院-在宅における「患者専用ケア手順書」共有の有効性および課題について検討した。平成27年度は、「病院・在宅におけるケア情報共有のICT化システム」の利用者(病院看護師・訪問看護師)のニーズに基づき、「患者専用ケア手順書作成ツール」および「病院・在宅におけるケア情報共有のICT化システム」に関する研究実施体制づくりと技術的準備を行った。技術的準備としては「患者専用ケア手順書作成ツール」を開発した。これは「患者専用ケア手順書」を簡易に作成するツールであり、画像とテキスト情報から構成される「患者専用ケア手順書」は、個別性の高い複雑なケアの手順および留意点を患者・家族にわかりやすく説明するための資料である。「患者専用ケア手順書」は「病院から在宅への移行期」において「退院時サマリーの補助資料」として、「在宅移行後」においては「訪問看護職間のケア情報共有資料」として活用できる資料である。当初計画では「患者専用ケア手順書作成ツール」のデータをクラウド保管とする予定であったが、利用者のニーズを分析した結果、コスト面および運用面において課題がありクラウド保管の必要性が低いこと、および、紙媒体での情報共有に関するニーズが高いことが確認されたため、クラウドを使用しない仕組みとし、印刷機能を追加するとともに運用方法について検討した。研究実施体制としては、研究フィールドとなる病院および訪問看護ステーションの責任者および関係部門に対し、研究協力を得るための説明を行い、内諾を得ている。平成28年度は、平成27年度に開発した「患者専用ケア手順書作成ツール(以下、本ツール)」を用いた実証実験を行った。当初計画では、病院をフィールドとした実証実験として、病院看護師が退院予定の患者を対象に「患者専用ケア手順書」を作成し、手順書を用いた退院指導の実施を通して本ツールを評価する予定であったが、病院看護師の業務多忙等の理由によりツールを活用できていない状況がある。平成29年度は引き続き本ツール活用における阻害要因の分析を行い、対策を講じる予定である。一方、平成29年度に研究フィールドとして予定していた訪問看護ステーションにおいては、既に平成28年度に実証実験を実施しており、訪問看護師が退院予定患者の個別的なケア手順について、病棟看護師と連携をとりながら、本ツールを用いて「患者専用ケア手順書」を作成している。従って、「患者専用ケア手順書作成者」は当初予定していた病棟看護師ではなく訪問看護師ではあるが、本ツールを用いて病院・在宅の看護職間における患者のケア情報共有を図るという本研究の目的を達成している。H29年度においても引き続き実証実験を継続し、ツールの改良を重ね、さらに病院・在宅の看護職間でケア情報を効率よく共有できる仕組み作りについて検討していく予定である。平成28年度は、平成27年度に開発した「患者専用ケア手順書作成ツール」を用いた実証実験を行った。当初計画では、病院看護師が退院予定の患者を対象に「患者専用ケア手順書」を作成し、手順書を用いた退院指導の実施を通して本ツールを評価する予定であったが、病院看護師の業務多忙等の理由によりツールを活用できていない状況である。この点においては、進捗状況に遅れが生じているため、本ツールの活用における阻害要因の分析を行い、対策を講じる予定である。一方、平成29年度に研究フィールドとして予定していた訪問看護ステーションにおいては、既に平成28年度に実証実験を実施しており、訪問看護師が退院予定患者の個別的なケア手順について、本ツールを用いて「患者専用ケア手順書」を作成している。従って、本ツールを用いて、病院・在宅の看護職間における患者のケア情報共有を図るという本研究の目的は達成しており、全体としては、おおむね順調に進展している。平成28・29年度は、平成27年度に開発した「患者専用ケア手順書作成ツール(以下、本ツール)」を用いた実証実験を実施した。病院をフィールドとした実証実験として、病院看護師が退院予定の患者を対象に「患者専用ケア手順書」を作成し、手順書を用いた退院指導の実施を通して本ツールを評価したが、本ツールによる「患者専用ケア手順書」の有効性は認められなかった。一方、訪問看護ステーションにおいては、訪問看護師が退院予定患者の個別的なケア手順について、病棟看護師と連携をとりながら、本ツールを用いて「患者専用ケア手順書」を作成していた。

従って、「患者専用ケア手順書作成者」は当初予定していた病院看護師からの発信ではないが、訪問看護師が、本ツールを用いて病院・在宅の看護職間における患者のケア情報共有を図るという本研究の目的を達成していた。更に、病院と在宅の中間施設である介護老人保健施設(以下,老健)をフィールドとし、実証実験を実施した。その結果、本ツールは個別性の高いケアに関する記録の効率化に有効であった。本ツールを用いて相談員が療養者の入所前の生活状況に関する情報を老健のケアスタッフ(看護職、介護職、理学療法士)に提供することで、個別性に合わせた環境調整やリハビリテーションに活用していた。これらのことから、医療処置や日常生活援助に関するケア情報のみならず、療養者が生活の場を移行する際に必要となる生活環境やADLの情報共有において、本ツールの活用可能性が示唆された。わが国は「病院完結型」医療から「地域完結型」医療への転換が迫られ,病院看護師は効果的な退院指導の実施が求められている.また患者のニーズに合わせた個別的ケアは、患者の合併症による重症化予防およびQOLの向上において重要であり、病院・在宅においてケア情報を共有する必要がある。これらのことから、病院・在宅におけるケア情報共有のICT化を目指し、研究1では、「患者専用ケア手順書作成ツール」を開発した。研究2では、「患者専用ケア手順書作成ツール」を用い,「患者専用ケア手順書」を作成し,研究3では、病院-在宅における「患者専用ケア手順書」共有の有効性および課題について検討した。平成28年度は、平成27年度に開発した「患者専用ケア手順書作成ツール」の実証実験を行う。病院看護師が退院予定の患者を対象に「患者専用ケア手順書」を作成し、作成した手順書を用いて退院指導を実施する。また、病院看護師から「患者専用ケアケア手順書」についての課題および成果について質問紙調査により評価し、「患者専用ケア手順書作成ツール」の改良を行う。平成29年度は、「病院・在宅におけるケア情報共有のICT化システム」の実証実験を行う。病院看護師が作成した「患者専用ケア手順書」の情報を訪問看護師間で共有し、訪問看護師から、「病院・在宅におけるケア情報共有のICT化システム」についての課題および成果について質問紙調査により評価し、「患者専用ケア手順書作成ツール」および「病院・在宅におけるケア情報共有のICT化システム」の改良を行う。平成29年度は、「患者専用ケア手順書作成ツール」の実証実験を継続して行う。病棟をフィールドとした実証実験については、病院看護師の業務多忙等の理由によりツールを活用できていない状況があるため、本ツールの活用における阻害要因の分析を行い、対策を講じる予定である。訪問看護ステーションをフィールドとした実証実験については、既に病院・在宅の看護職間における連携ツールとしての活用がされているため、質問紙調査により「患者専用ケア手順書作成ツール」の課題および成果について明らかとする。
中国北部の砂塵を含む大気汚染物質とその個人暴露の量的・質的差に関する調査研究

大陸から飛来する砂塵を含む大気汚染物質の健康影響が問題視されている。本研究では、北京と農村部、久留米市で大気と個人暴露量を測定し、高齢慢性閉塞性肺疾患者(COPD)への影響についても調査研究を行った。その結果、粒径2.5μm以下の粒子状物質(PM2.5)は北京と久留米で春期に高値を示し、個人暴露量と相関した。汚染度は農村部より都市部で高かった。黄砂飛来時にはPM10とPM2.5が増加し、特に昼間に比較して夜間にSOx, NOx, NH_<4^+>量が高く、COPD患者で症状増悪傾向を認めた。近年、中国の重工業化に伴い、偏西風による大陸からの黄砂を含む砂塵などの越境長期輸送粒子の日本への影響が懸念されている。しかしながら、飛来粒子の性状や成分及びそれらの生体影響については未だ充分には解明されていない。そこで、中国北部の黄砂が飛来する北京市で春、黄砂飛来中、秋、冬の4期、黄砂飛来地帯より北部でむしろ砂漠化により主に砂塵が飛来する内モンゴル自治区ウランホトで冬期に、黄砂を含む越境長距離粒子が飛来する久留米市で春、黄砂飛来期、秋、冬の4期、各1週間、大気中粒子状物質PM2.5、粒径分布及び個人暴露量を、それぞれlow volume sampler、APS測定器、個人暴露測定器で測定した。その結果、個人暴露量は、大気中PM2.5重量とよく一致したが、喫煙者ではPM2.5重量よりも個人暴露量が明らかに高い値を示した。重量と成分分析には地域差が見られ、曜日や時間帯で異なった結果が得られた。内モンゴルでの冬季の測定は、外気が零下20度以下、電力供給の不安定さのために、low volume samplerが故障し、個人暴露量と粒径測定のみ可能であった。平成21年度は、ウランホトで春、夏、秋期に測定を行なう予定である。なお現在、大気中成分や重量の季節毎の変動及び地域的特性について詳細に検討中である。慢性閉塞性肺疾患患者で独自の調査票とCOOP/WANCAチャートを用いて黄砂の影響を把握する為に、2国間での国際比較のために調査票の信頼性・妥当性について高齢健常者、慢性閉塞性肺疾患患者、高齢喘息患者を対象に検討中である。特に、慢性閉塞性肺疾患患者で黄砂前、黄砂飛来次期、黄砂飛来後の3区間、同一被検者でCOOP/WANCAチャートで3回測定する為に質問内容の見直しや、肺機能測定の条件などを検討中している。平成20-21年度に実施した久留米、北京、内モンゴルでの大気及び個人暴露の測定結果について、データの解析を行い、春・秋・冬の季節変動と地域特性について比較検討を行った。久留米での測定結果では、(1)北京、久留米共にPM2.5個人暴露量と大気中粒子状物質PM2.5重量には相関性を認め、季節変動では冬期で春・秋期に比較して高値を示し、その要因として逆転層などの関与が示唆された。(2)PM2.5の週内変動では、週末に比較して平日に高値を示したが、交通量で比較した場合には明確な差は認めなかった。(3)構成成分分析では、化石燃料由来と考えられるPb,SO_4^<2->,有機炭素成分(日本環境衛生センター分析)が秋期に北京で久留米に比較して高値を示した。(4)PM2.5個人暴露量と喫煙行動と明確な相関を認めず、久留米では検出限界値以下であった。久留米と北京の測定結果の比較では、(1)北京のPM2.5個人暴露量と大気中粒子状物質PM2.5に相関性を認めた。(2)久留米では大気中PM2.5及び個人暴露量は共に低値を示した。(3)両地域ともに大気中PM2.5は、秋期よりもむしろ冬期と春期に高値を示した。(4)大気中PM2.5の高い地域での個人暴露の推定には、本実験で用いた個人暴露測定機器が有用であることが示唆された。一方、砂塵の内モンゴルと桜島噴火時の鹿児島市での大気中PM2.5の測定から、粒径0.5ミクロンよりも微小な粒子が各39.2%、44.4%程度含まれていた。これらの結果は、砂塵及び火山性粒子であっても抹消気道に影響を与える粒子が含まれていることを示唆していた。COOP/WANCAチャートを中国(北京、上海)、日本(下関、熊本)、韓国(ソウル、チェジュ島)で、健常者、呼吸器罹患者(COPD,喘息)で測定し、現在そのデータの入力と解析を行っているところである。平成21-22年度に実施した国内での大気及び個人暴露の測定結果について検討した。

特に黄砂飛来時期と非飛来時期の粒径、粒子数およびその成分についての比較検討では、(1)黄砂飛来時には、通常よりもより微小のナノ粒子で濃度や個数も増加が見られる、(2)春季と秋季には、気象庁、環境省の黄砂情報や黄砂予報で目視による地表での黄砂数や黄砂量が少ない、あるいは無しの時であっても、久留米地域で視界が悪い場合にナノ粒子濃度とその個数の増加が観察される時がある、(3)黄砂飛来時には有機炭素、硫酸塩濃度の増加が観察されるが、平成23年2月始めの中国の国慶節の際に久留米地域でナノ粒子の濃度と個数の増加を認めたが、成分分析では主成分は砂塵ではなく硫酸塩の可能性が高かった。健康影響調査は、WONCA/COOP調査票とSPF-36との関連性を検討するために、国内・外で100-200名の高齢者を対象に調査を行い、調査票の妥当性・信頼性について解析中である。黄砂の健康影響調査は、前年と同様に平成23年2月に黄砂飛来前の測定をソウル、内モンゴル、新潟、下関、熊本の健康管理センターや中堅病院の呼吸器科で、50歳から79歳の健常者(約562例)とCOPD・気管支喘息(347例)有症者で実施し、翻訳後、ID化して磁気媒体に入力中である。今後黄砂飛来時と飛来後に調査を実施予定である。下関地域の医療者との面接調査で、黄砂飛来1-2日後に気管支喘息患者で症状増悪を示すケースがみられると言う意見が多かった。公衆衛生学
GPU向けビットレベル並列化による超ハイスループット計算

本研究では, GPU向けビットレベル並列化による超ハイスループット計算手法を開発した.本手法では,大量の入力に対して,ビットレベルで並列計算をおこなうBPBC手法を開発した.BPBC手法とはバルク計算を高速化させるための手法であり,bitwise演算を用いることで高速化を行う.bitwise演算は32ビットまたは64ビットワードに格納された値に対して,ビット単位でANDやORなどの論理演算を実行する命令である.bitwise演算を用いてバルク計算を行うアルゴリズムに対応する組み合わせ回路をシミュレートすることで,複数の入力に対する処理を同時に実行することができる.BPBC手法の応用の一例として,CKYパージングとSmith-Watermanアルゴリズムを並列に実行するGPU実装を行った.CKYパージングは構文解析アルゴリズムの一つで,与えられた文法が入力された文字列を導出可能かどうか判定する.BPBC手法をCKY処理に適応した結果,32768の規則を持つ文脈自由文法のCKYパージング処理を長さ32文字の2百万個の文字列に対し,提案GPU実装は,逐次処理を行うCPU処理に対して最大400倍高速化を実現した.また,Smith-Watermanアルゴリズムを並列に実行するGPU実装を行った.Smith-Watermanアルゴリズムは動的計画法を用いて,ローカルアライメントを求める計算手法で,バイオインフォマティクスの分野において,DNA配列中に類似した部分列の探索に用いられる.BPBC手法をSmith-Watermanアルゴリズム計算に適応した結果,32768のシーケンス列に対し,長さ128のパターンのローカルアライメント計算を,提案GPU実装は逐次処理を行うCPU処理に対して最大646倍の高速化を実現した.平成28年度では,GPU向けビットレベル並列化による超ハイスループット計算手法の一例として,CKYパージングを並列に実行するGPU実装を行った.CKYパージングは構文解析アルゴリズムの一つで,与えられた文法が入力された文字列を導出可能かどうか判定する.CKYパージングでは,CKYテーブルと呼ばれる二次元テーブルの各要素を動的計画法を用いて計算することで判定を行う処理のことで,この計算をビットレベルで並列化して同時に大量のインスタンスに対してGPUを用いて同時に計算した.今年度はまず,大量の入力に対して,ビットレベルで並列計算をおこなうBPBC手法を開発した.BPBC手法とはバルク計算を高速化させるための手法であり,bitwise演算を用いることで高速化を行う.bitwise演算は32ビットまたは64ビットワードに格納された値に対して,ビット単位でANDやORなどの論理演算を実行する命令である.bitwise演算を用いてバルク計算を行うアルゴリズムに対応する組み合わせ回路をシミュレートすることで,複数の入力に対する処理を同時に実行することができる.このBPBC手法を文脈自由文法のパージングを行うCKY処理に適応し,ビット演算命令を用いて回路シミュレーションを並列に行うことで,GPUの計算リソースを効果的に使用する実装をおこなった.その結果,32768の規則を持つ文脈自由文法のCKYパージング処理を長さ32文字の2百万個の文字列に対し,提案GPU実装は,逐次処理を行うCPU処理に対して最大400倍高速化を実現した.平成28年度の結果より,本研究テーマであるGPU向けビットレベル並列化による超ハイスループット計算手法には,GPUに搭載される多数のプロセッサコアと広いメモリ帯域を効果的に利用することが重要であることが認識できた.特に,できるだけ多くのプロセッサコアを使用することが性能に大きく影響することより,本研究テーマに適した並列アルゴリズムの開発の指針を示すことができた.平成29年度では,GPU向けビットレベル並列化による超ハイスループット計算手法として,Smith-Watermanアルゴリズムを並列に実行するGPU実装を行った.Smith-Watermanアルゴリズムは動的計画法を用いて,ローカルアライメントを求める計算手法で,バイオインフォマティクスの分野において,DNA配列中に類似した部分列の探索に用いられる.今年度は,この計算をビットレベルで並列化し,複数のインスタンスに対してGPUを用いて同時に計算した.今年度は,昨年度開発したビットレベルで並列計算をおこなうBPBC手法をSmith-Waterman計算の類似計算の部分をbitwise演算で求めることで高速化を行う.bitwise演算は32ビットワードに格納された値に対して,ビット単位でANDやORなどの論理演算を実行する命令である.bitwise演算を用いてバルク計算を行うアルゴリズムに対応する組み合わせ回路をシミュレートすることで,複数の入力に対する処理を同時に実行することができる.このビット演算命令を用いて回路シミュレーションを並列に行うことで,GPUの計算リソースを効果的に使用する実装をおこなった.その結果,32768のシーケンス列に対し,長さ128のパターンのローカルアライメント計算を,提案GPU実装は逐次処理を行うCPU処理に対して最大646倍の高速化を実現した.平成28・29年度の結果より,複数の問題に対し,本研究テーマであるGPU向けビットレベル並列化による超ハイスループット計算手法には,GPUに搭載される多数のプロセッサコアと広いメモリ帯域を効果的に利用することが重要であることが認識できた.特に,できるだけ多くのプロセッサコアを使用することが性能に大きく影響することより,本研究テーマに適した並列アルゴリズムの開発の指針を示すことができた.本研究では, GPU向けビットレベル並列化による超ハイスループット計算手法を開発した.本手法では,大量の入力に対して,ビットレベルで並列計算をおこなうBPBC手法を開発した.BPBC手法とはバルク計算を高速化させるための手法であり,bitwise演算を用いることで高速化を行う.bitwise演算は32ビットまたは64ビットワードに格納された値に対して,ビット単位でANDやORなどの論理演算を実行する命令である.

bitwise演算を用いてバルク計算を行うアルゴリズムに対応する組み合わせ回路をシミュレートすることで,複数の入力に対する処理を同時に実行することができる.BPBC手法の応用の一例として,CKYパージングとSmith-Watermanアルゴリズムを並列に実行するGPU実装を行った.CKYパージングは構文解析アルゴリズムの一つで,与えられた文法が入力された文字列を導出可能かどうか判定する.BPBC手法をCKY処理に適応した結果,32768の規則を持つ文脈自由文法のCKYパージング処理を長さ32文字の2百万個の文字列に対し,提案GPU実装は,逐次処理を行うCPU処理に対して最大400倍高速化を実現した.また,Smith-Watermanアルゴリズムを並列に実行するGPU実装を行った.Smith-Watermanアルゴリズムは動的計画法を用いて,ローカルアライメントを求める計算手法で,バイオインフォマティクスの分野において,DNA配列中に類似した部分列の探索に用いられる.BPBC手法をSmith-Watermanアルゴリズム計算に適応した結果,32768のシーケンス列に対し,長さ128のパターンのローカルアライメント計算を,提案GPU実装は逐次処理を行うCPU処理に対して最大646倍の高速化を実現した.平成28年度までに得られた結果より,次年度以降も様々な問題に対して,GPU向けのハイスループット計算手法を提案していく.具体的には,深層学習やDNA解析などの問題に適用させていきたい.最近,GPUベンダから新しいアーキテクチャのGPUがアナウンスされており,本研究テーマとマッチした最新のGPUを搭載したボードを購入する予定である.平成29年度までに得られた結果より,次年度以降も様々な問題に対して,GPU向けのハイスループット計算手法を提案していく.具体的には,深層学習やグラフアルゴリズムなどの問題に適用させていきたい.また,BPBCのアイデアをCPUのSIMD命令に適用することで,GPU以外の環境への応用も検討する予定である.GPUベンダから新しいアーキテクチャのGPUがアナウンスされており,本研究テーマとマッチした最新のGPUを搭載したボードを購入する予定であるため.GPUベンダから新しいGPUの発売が予定されており,本研究テーマとマッチした最新のGPUを搭載したボードを購入する予定である.上記GPUを搭載したボードを購入する予定である.
骨髄線維症におけるfibrocyteの線維化・髄外造血誘導機構の解析

骨髄線維症は骨髄の線維化と髄外造血を特徴とする難治性疾患である。fibrocyteはマクロファージと線維芽細胞両者の性質を持つ細胞で、種々の臓器線維化疾患での関与が報告されている。我々はヒト及びマウス骨髄線維症でのfibrocyteの役割についてこれまで検討を加えてきた。その結果、fibrocyteがトロンボポエチン刺激に反応して末梢血単球から分化すること、トロンボポエチン受動態作動薬を用いた骨髄線維症モデルマウスでfibrocyteが線維化に必要であること、SLAMF7がfibrocyteとその前駆細胞で重要な細胞表面マーカーとなることを報告した。今回の研究では、fibrocyteが産生するChitinase-3-like 1 (CHI3L1)が骨髄の線維化に一定の役割を果たしており、骨髄間質細胞を刺激して線維化のもととなるコラーゲンを産生させることを示した。同時に、骨髄線維化を伴う骨髄増殖性腫瘍症例で、末梢血中のfibrocyteの割合が増加し、CHI3L1の血中濃度も上昇していることも明らかになった。骨髄増殖性腫瘍の原因遺伝子変異はいずれもトロンボポエチン受容体シグナルを活性化してfibrocyteへの分化を促進し、増加したfibrocyteがCHI3L1の濃度上昇を介して骨髄の線維化を促進していると考えられる。平行して、抗SLAMF7抗体がfibrocyteの分化を抑制しマウスの骨髄線維化を軽減することも見出している。このように骨髄線維化の細胞学的、分子的機序が明らかになることで、複数の治療標的を設定することが可能になり新規治療法開発の基盤を得ることができる。fibrocyteの骨髄線維化誘導能の解析では、マクロファージに比較して発現が増加しているChitinase-3-like 1 (CHI3L1)に着目した。ヒト末梢血からのfibrocyte誘導培養系で、時間経過とともにCHI3L1 mRNAが上昇し、培養上清中のCHI3L1濃度が増加することを確認した。骨髄増殖性腫瘍症例52例を線維化なしとありの2群に分けると、血清のCHI3L1濃度は線維化あり群で有意に上昇していた。他の背景因子を加えた多変量解析を行ってもCHI3L1濃度上昇は線維化に対する有意な因子として抽出された。ROC解析の結果から、CHI3LIは38 ng/mlを閾値として感度54.8%、特異度81.0%で線維化を予測した。同様に末梢血中のfibrocyteの割合やIL-1Raが骨髄線維化と相関することを見出した。トロンボポエチン受容体作動薬ロミプロスチムで誘導するマウス骨髄線維化モデルを用いてCHI3L1の役割を検討した。線維化誘導に伴いマウスのCHI3L1血中濃度は経時的に上昇した。骨髄のCHI3L1 mRNAも増加し、fibrocyteを含むマクロファージを除去するクロドロン酸リポソームの投与でこの増加は消失した。さらにCHI3L1ノックアウトマウスで同様の骨髄線維化誘導を行ったところ、野生型に対して骨髄の線維化が軽減されたが、血算値の変化や脾腫には影響しなかった。骨髄のmRNA解析では野生型で見られたIII型コラーゲンα1の発現上昇がノックアウトマウスでは消失していた。ヒトfibrocyteの培養上清を骨髄間質細胞株HS-5に添加すると、fibrocyteの分化程度に応じてI型コラーゲンα1及びIII型コラーゲンα1のmRNAの増加が誘導され、この効果はCHI3L1の中和抗体の添加で消失した。1fibrocyteが単独で骨髄線維症を引き起こすことができるか作成済みのレトロウイルスベクターをマウスfibrocyte細胞株に遺伝子導入し、これを用いてマウスに接種実験を行い、骨髄線維化誘導について検討する。2fibrocyteの線維化誘導能の解析fibrocyteがCHI3L1を産生し、これが骨髄間質細胞のI型及びIII型コラーゲン産生を刺激することが明らかになった。IL-13受容体α2(IL-13Rα2)あるいはprostaglandin D2 receptor 2(PTGDR2)のどちらの受容体を介しているかについて検討を加え、この部分をまとめて学会発表及び論文発表を行う予定である。CHI3L1は分泌蛋白で、フローサイトメトリーで解析するため抗CHI3L1抗体を用いた細胞内染色を行ったが結果が安定せず、fibrocyteの分化マーカーとするにはさらに手技的な調整が必要である。また、末梢血fibrocyteの割合やIL-1Raの増加が骨髄線維化と相関することについては抗SLAMF7抗体の効果と併せて英文誌に投稿中である。3fibrocyteの髄外造血誘導能の解析CHI3L1ノックアウトマウスでの検討から、線維化誘導モデルにおいて血算値の変化や脾腫はCHI3L1の有無に影響を受けず、別の経路で惹起されていると考えられる。すでに着目しているMMP9とCXCL12の変化を中心に当初の計画に従い解析を進める予定である。

その結果、fibrocyteがトロンボポエチン刺激に反応して末梢血単球から分化すること、トロンボポエチン受動態作動薬を用いた骨髄線維症モデルマウスでfibrocyteが線維化に必要であること、SLAMF7がfibrocyteとその前駆細胞で重要な細胞表面マーカーとなることを報告した。今回の研究では、fibrocyteが産生するChitinase-3-like 1 (CHI3L1)が骨髄の線維化に一定の役割を果たしており、骨髄間質細胞を刺激して線維化のもととなるコラーゲンを産生させることを示した。同時に、骨髄線維化を伴う骨髄増殖性腫瘍症例で、末梢血中のfibrocyteの割合が増加し、CHI3L1の血中濃度も上昇していることも明らかになった。骨髄増殖性腫瘍の原因遺伝子変異はいずれもトロンボポエチン受容体シグナルを活性化してfibrocyteへの分化を促進し、増加したfibrocyteがCHI3L1の濃度上昇を介して骨髄の線維化を促進していると考えられる。平行して、抗SLAMF7抗体がfibrocyteの分化を抑制しマウスの骨髄線維化を軽減することも見出している。このように骨髄線維化の細胞学的、分子的機序が明らかになることで、複数の治療標的を設定することが可能になり新規治療法開発の基盤を得ることができる。fibrocyteの骨髄線維化誘導能の解析では、マクロファージに比較して発現が増加しているChitinase-3-like 1 (CHI3L1)に着目した。ヒト末梢血からのfibrocyte誘導培養系で、時間経過とともにCHI3L1 mRNAが上昇し、培養上清中のCHI3L1濃度が増加することを確認した。骨髄増殖性腫瘍症例52例を線維化なしとありの2群に分けると、血清のCHI3L1濃度は線維化あり群で有意に上昇していた。他の背景因子を加えた多変量解析を行ってもCHI3L1濃度上昇は線維化に対する有意な因子として抽出された。ROC解析の結果から、CHI3LIは38 ng/mlを閾値として感度54.8%、特異度81.0%で線維化を予測した。同様に末梢血中のfibrocyteの割合やIL-1Raが骨髄線維化と相関することを見出した。トロンボポエチン受容体作動薬ロミプロスチムで誘導するマウス骨髄線維化モデルを用いてCHI3L1の役割を検討した。線維化誘導に伴いマウスのCHI3L1血中濃度は経時的に上昇した。骨髄のCHI3L1 mRNAも増加し、fibrocyteを含むマクロファージを除去するクロドロン酸リポソームの投与でこの増加は消失した。さらにCHI3L1ノックアウトマウスで同様の骨髄線維化誘導を行ったところ、野生型に対して骨髄の線維化が軽減されたが、血算値の変化や脾腫には影響しなかった。骨髄のmRNA解析では野生型で見られたIII型コラーゲンα1の発現上昇がノックアウトマウスでは消失していた。ヒトfibrocyteの培養上清を骨髄間質細胞株HS-5に添加すると、fibrocyteの分化程度に応じてI型コラーゲンα1及びIII型コラーゲンα1のmRNAの増加が誘導され、この効果はCHI3L1の中和抗体の添加で消失した。1fibrocyteが単独で骨髄線維症を引き起こすことができるか作成済みのレトロウイルスベクターをマウスfibrocyte細胞株に遺伝子導入し、これを用いてマウスに接種実験を行い、骨髄線維化誘導について検討する。
社会階層論への合理的選択理論の応用に関する理論的・計量的研究

本年度は、合理的選択理論の若年の非正規雇用と無業への応用を中心に研究を行った。近年の若年層における非正規雇用と無業の増大に関しては、労働力の供給側(若者)に原因を求める供給側仮説と、労働力の需要側(企業)に原因を求める需要側仮説が考えられる。需要側仮説は、企業が人件費削減のため非正規雇用の比率を増大させてきたことを述べており、合理的選択理論での説明が支配的である。しかし、供給側についてははっきりしないことが多い。そこでまずは予備的にオーソドックスな社会階層論の手法で非正規雇用と無業の実態を明らかにすることを中心に研究を進めた。父職の本人従業上の地位(正規雇用、非正規雇用、無職など)への効果はあまり大きくないが、本人学歴の効果は顕著である。中学3年生の時の成績がよいほど非正規雇用や無業にはなりにくいが、大学進学率の高い高校の出身者であることは効果がない。また、学校に仲の良い友達のいた者ほど非正規雇用や無業にはなっていないこともわかった。総合的に考えると、偏差値であらわされるような「学力」が非正規雇用・無業になる確率を規定しているのではなく、むしろ、学校文化・社会へうまく適応できない者ほど非正規雇用・無業になりやすいと考えられる。また、ある種の合理的選択理論からは、未婚女性に限定して考えると、性別分業意識が強い女性ほど、無職や非正規雇用になりやすいことが予測されたが、実際にはそのような傾向は見られなかった。確かに、無職の未婚女性は専業主婦志望が強いが、データの分析結果を総合的に勘案すると、専業主婦志望だから合理的に無職を選んだというよりも、無職だから専業主婦志望が強まったと考えたほうがよいと結論した。荒巻(1997)、原・盛山(1999)によれば、階層間の大学進学率の格差は、1955-1995で不変である。欧米の多くの国でも同様の傾向がみられる。進学率が上がったのに、なぜ階級間格差は縮小しないのか?これが解明すべきそもそもの問題である。これに対するひとつの説明が、相対的リスク回避仮説である。子供は、親と同じかそれ以上の階級に到達する確率を最大化しようとする、とこの仮説は仮定する。大学に進学すると、成績がよければ、サービス階級に到達する確率が上がり、下層階級へ落ちる確率は下がるが、成績が悪ければ、下層階級に落ちる確率が上がるとさらに仮定する。大学に行かなければ、サービス階級に到達する確立は非常に低いので、サービス階級の子は可能な限り大学進学し、労働者階級は、成績の良い子だけが大学進学する、とこのモデルからは予測される。このような選好と信念は、戦後不変なので、大学進学率の階級格差は変化しなかった、という説明が考えられる。相対的リスク回避仮説を検討するために、1995年のSSM調査データを再分析したところ、男子に関しては仮説は支持されたが、女子に関しては支持されなかった。分析の手続きは以下のとおりである。仮説が想定するような選好や信念を人々が持っているかどうかはSSMのデータでは確かめられない。しかし、もしも仮説が正しいとすると、成績、出生年、出身家庭の資産、父母学歴など関連するどんな変数でコントロールしても、出身階級が大学進学率に有意な効果を及ぼすはずである。また、サービス階級では、成績の効果が小さいはずである。男子に関しては予測どおりの結果が出たが、女子に関しては、成績とサービス階級の交互作用項かが見られなかった。父職の直接効果はあるので、所属階級が女子の選好にも何らかの影響を及ぼしていると思われるが、相対的リスク回避仮説が想定したメカニズムとは異なることはまちがいない。本年度は、合理的選択理論に関する理論的な整理と若年非正規雇用の社会階層への応用の可能性を検討した。合理的選択理論は、しばしば「現実に合わない経験的に誤った理論」と評価されたり、逆に「何でも説明できるが反証不可能で非科学的な理論」と評価される。これらの批判が妥当ならば、社会階層論への応用も無駄である。しかし、仔細に検討すると、前者の批判はいくつかの個別の経験的理論に向けられたもので一定の妥当性はあるが、合理的選択理論がうまく説明できる現象がたくさんあることを看過している。後者の批判はいわば合理的選択理論の存在論的なレベルに向けられたもので、個別の経験的な理論は反証可能であるし、十分に科学的であることを示した。これと平行して、若年の非正規雇用・無職の社会階層・社会移動についても予備的に調べた。その結果、若年の非正規雇用・無職は比較的低い階層から多く輩出されており、初職が非正規雇用・無職の場合、30代でも非正規雇用・無職にとどまっている率は、相対的に非常に高い(オッズ比で7.6倍)ことがわかった。また、合理的選択理論の観点からは、性別分業意識の強い女性のほうがそうでない女性よりも非正規雇用・無職になりやすいことが予測された(専業主婦志向が強ければ、常雇で働くよりも非正規雇用・無職で働くほうが合理的だから)が、0次のレベルではごく弱い関連しか見られなかった。おそらく学歴でコントロールすれば消えてしまう程度の関連である。つまり、女性側の合理的選択というわけではないと思われる。

近年の若年層における非正規雇用と無業の増大に関しては、労働力の供給側(若者)に原因を求める供給側仮説と、労働力の需要側(企業)に原因を求める需要側仮説が考えられる。需要側仮説は、企業が人件費削減のため非正規雇用の比率を増大させてきたことを述べており、合理的選択理論での説明が支配的である。しかし、供給側についてははっきりしないことが多い。そこでまずは予備的にオーソドックスな社会階層論の手法で非正規雇用と無業の実態を明らかにすることを中心に研究を進めた。父職の本人従業上の地位(正規雇用、非正規雇用、無職など)への効果はあまり大きくないが、本人学歴の効果は顕著である。中学3年生の時の成績がよいほど非正規雇用や無業にはなりにくいが、大学進学率の高い高校の出身者であることは効果がない。また、学校に仲の良い友達のいた者ほど非正規雇用や無業にはなっていないこともわかった。総合的に考えると、偏差値であらわされるような「学力」が非正規雇用・無業になる確率を規定しているのではなく、むしろ、学校文化・社会へうまく適応できない者ほど非正規雇用・無業になりやすいと考えられる。また、ある種の合理的選択理論からは、未婚女性に限定して考えると、性別分業意識が強い女性ほど、無職や非正規雇用になりやすいことが予測されたが、実際にはそのような傾向は見られなかった。確かに、無職の未婚女性は専業主婦志望が強いが、データの分析結果を総合的に勘案すると、専業主婦志望だから合理的に無職を選んだというよりも、無職だから専業主婦志望が強まったと考えたほうがよいと結論した。
レット症候群モデル動物及びES/iPS細胞による自律神経システム異常の研究

レット症候群(RTT)はMeCP2遺伝子変異が主因の女児で発症する発達障害である。しかし、QT延長などの不整脈が約3割で認められ、本研究ではMecp2欠損ES細胞やマウスにおいてMeCP2が心筋分化や心臓機能に及ぼす影響を解析した。その結果、Mecp2欠損ES細胞における心筋幹細胞の発生や分化の異常やMecp2欠損マウスで心機能と関連不明の心電図異常、介在板構造の異常を見出し、潜在的な不整脈を明らかにした。更に、DNAメチル化解析やクロマチン免疫沈降法により、MeCP2は心筋分化に必須のTbx5遺伝子の発現調節に関わる可能性を示し、心臓における新たなMeCP2機能を発見した。最近、申請者は、RTT動物の心拍変動パラメーター解析から心臓自律神経の機能異常を見出した。しかし、RTTにおける自律神経異常の病態メカニズムは明らかではない。そこで、本研究では、心機能など心臓に着目して、RTTにおける自律神経系の病態メカニズムを解明するために、RTTモデル動物やiPS・ES細胞を用いて、以下の3点について明らかにすることを最終目標としている。1)RTTモデル動物における自律神経異常病態の同定と評価法の確立2)RTTモデルiPS・ES細胞による自律神経系ニューロン分化と機能解析3)RTTモデル動物、細胞における自律神経異常病態に対する治療法の開発その結果、RTTモデル動物では不整脈など機能的に明らかな異常は認められないものの、コントロールのWTマウスに比較して、心電図のパラメータの違いが認められることが明らかとなった。また、心臓自体の構造や働きを調べるために、RTTモデルES細胞を用いて心筋分化能を調べたところ、MeCP2の欠損は心臓の分化誘導にはほとんど影響しない一方で、心筋前駆細胞の発生やその後の分化能に影響を及ぼすことが明らかとなった。現在、Mecp2遺伝子欠損の心臓における遺伝子の発現や構造に及ぼす影響を解析している。前年度までに、申請者は、Rett症候群(RTT)の心臓病態のメカニズムを明らかにするために、RTTモデル(MeCP2欠損)マウス、ES細胞を利用して心機能など心臓そのものに着目して研究を行ってきた。その結果、RTTモデルマウスは、不整脈など機能的な異常は認められないが、コントロールの野生型(WT)マウスに比較して、心電図のパラメータの違いが認められることが明らかとなった。また、RTTモデルES細胞により心臓発生過程におけるMeCP2の役割を調べたところ、心筋前駆細胞の発生やその後の心筋分化能に影響することを示してきた。本年度は、RTTモデルマウスの心臓を詳細に解析するとともに、心臓におけるMeCP2のターゲット分子の同定を試みた。RTTモデルマウスの心臓は大きさが個体に比例して小さいものの解剖学的に構造的な異常は認められなかった。一方、電子顕微鏡による解析の結果、RTTモデルマウス心臓は、介在板構造が未熟であり、また間接蛍光抗体法におけるCx43の介在板への局在が十分でないことが明らかとなった。また、RTT心臓における遺伝子発現を調べた結果、イオンチャネルなど心臓特異的な遺伝子の発現に異常が認められた。また、発現変化する遺伝子のCpGメチル化を解析した結果、Tbx5遺伝子は高度にメチル化されており、クロマチン免疫沈降法によりMeCP2がTbx5遺伝子のメチル化領域に結合する可能性が示された。以上の結果から、MeCP2は、心臓そのものの遺伝子発現を制御し、構造や機能に関わることことが明らかとなった。当初の予想に反して、RTTモデル動物では明らかに病的な心電図の異常は認めれなかったものの、RTTモデルES細胞由来の心筋前駆細胞の発生やその後の心筋分化にMecp2が関与する可能性を示す興味深い成果が得られた。これまでRTT患者の不整脈など心臓機能異常の原因は神経系異常とされてきたが、本研究により、RTTでは心臓の組織そのものにも問題を抱えている可能性を示す成果であり、まずは、RTT患者の心臓機能異常のメカニズムを探る手掛かりを得ることが出来た。小児科学本年度の結果に基づいて、更なる詳細な心臓組織の解析を行なうとともに、心臓の発生過程、心臓組織におけるMeCP2の標的分子の探索を行なう予定である。研究がほぼ計画通り進み、当初の予定よりも少ない予算内で研究費を効率的に利用できたため、未使用金が出てしまった。次年度の交付助成金とあわせて、研究用消耗品を購入するための物品費として利用を予定している。
チロシンホスファターゼによるドーパミン・トランスポーターの活性制御の解明

PTPRZは、脳神経系で発現している受容体型チロシンホスファターゼである。PTPRZのヌル型ノックアウト(KO)マウスでは、覚せい剤の作用サイトであるドーパミントランスポーター(DAT)活性が低下している。本課題の目的は、PTPRZによるDAT活性の制御機構を解明することと、覚せい剤依存形成の動物モデルに対してPTPRZ阻害剤が有効性を示すのかを評価することである。当該年度までの研究成果により、PTPRZが、そのホスファターゼ活性を介して、覚せい剤に対するDATのドーパミン遊離応答性を調節していることが判明した。DATトラフィッキングに関わるPI3K/AKT経路とPTPRZとの結びつきを示唆する分子として、PI3K/AKTの活性化に関わるAFAP1L2がPTPRZによって脱リン酸化される基質分子であると同定された。またPTPRZのホスファターゼ活性はダイマー形成によって制御されていることが実証された。これら研究成果をまとめて国際誌(査読付き)に論文3報として投稿中である。覚せい剤依存に対するPTPRZの阻害効果については、ラット自己投与モデルを用いた評価を検討中である。課題代表者の異動に伴う研究環境の再セットアップのため1)PTPRZによるDAT活性の制御機構:本実施項目の目標は概ね達成された。2)覚せい剤依存に対するPTPRZの阻害効果:課題代表者の異動に伴い実施が遅れているが、当該年度でその実施は可能と判断している。その有効性が確認された場合は、PTPRZの低分子阻害剤による薬物依存症の治療に向けた新たな研究開発のり組みを検討している。PTPRZは、主に脳神経系で発現している受容体型チロシンホスファターゼである。PTPRZのヌル型ノックアウト(KO)マウスでは、覚せい剤の作用サイトであるドーパミントランスポーター(DAT)活性の低下が認められている。本課題では、PTPRZシグナルによるDAT制御機構の全容を解明する。さらに覚せい剤依存に対するPTPRZ阻害の治療効果について動物実験レベルでの評価を実施することを目的にした。1)PTPRZによるDAT活性の制御機構:当初計画通り、蛍光タンパク質GFP融合DATを安定発現する細胞株を樹立し、その細胞のPTPRZをノックダウンした細胞株を用いてDATの細胞内トラフィッキングのイメージング解析を実施している。またPTPRZによって脱リン酸化される基質分子の一つとDATとの免疫共沈を確認した。DATトラフィッキングを制御するPI3K経路とPTPRZを結びつける基質分子(とその脱リン酸化サイト)を同定することに成功した。2)覚せい剤依存に対するPTPRZの阻害効果の評価:当初計画通り、マイクロダイアリシスおよび条件付け場所嗜好試験を用いたPtprzの変異型ノックイン・マウスの評価が完了したが、ラットレバー押しオペラント学習テストの構築については、当該装置の導入が大幅に遅れたため、平成29年度実施できなかった。3)その他特記事項:申請者は、PTPRZの活性が覚せい剤感受性に反映するという仮説を提唱しているが、これに関わる発見としてPTPRZの新規スプライシングアイソフォームを同定した。本新規アイソフォームの脱リン酸化活性(Kcat/Km)は、これまで知られていたアイソフォームの約10倍であると判明し、論文発表した。またPTPRZの活性制御モデルとして、細胞外リガンド分子の結合に伴うPTPRZ受容体のダイマー形成が提唱されているが、平成29年度、その正当性の裏付けとなるPTPRZのダイマーインターフェイスを実験的に同定した。本年度、PTP阻害剤の覚せい剤依存に対する影響を評価するために、採択後はすぐにラット用レバー押し学習装置を購入する計画であった。しかし所内動物実験施設内にスペース的制限もあり、関係者間で調整し、より汎用性のある解析システムが共通施設に設置されることになったが、その納品が平成29年度末と当初の予定から大幅に遅れたため、平成30年度から実施する。課題代表者の異動に伴う研究環境の再セットアップのため1)PTPRZによるDAT活性の制御機構平成30年度からの解析では、DATトラフィッキングの制御に関わるPTPRZシグナルを解明する。また野生型マウスとPtprz変異型マウスの線条体組織を用いて、その相互作用の生理的妥当性を実証する。2)覚せい剤依存に対するPTPRZの阻害効果当初予定が遅れて、平成30年度からのラットレバー押しオペラント学習テスト系を構築し、PTP阻害が覚せい剤依存に及ぼす効果を評価する。以上(1,2)の結果をまとめて論文投稿する。

PTP阻害剤の評価実験の開始時期が予定より大幅に遅れたこともあり、他研究グループとの競合が懸念されるPI3K経路とPTPRZを結びつける基質分子(脱リン酸化サイト)の同定および、ダイマー化のインターフェイスの同定については、それぞれ独立して論文発表を急ぐことにする。1)PTPRZによるDAT活性の制御機構:本実施項目の目標は概ね達成された。2)覚せい剤依存に対するPTPRZの阻害効果:課題代表者の異動に伴い実施が遅れているが、当該年度でその実施は可能と判断している。その有効性が確認された場合は、PTPRZの低分子阻害剤による薬物依存症の治療に向けた新たな研究開発のり組みを検討している。
In vivoで機能する近赤外光駆動性ケージド化合物の創製

ケージド化合物は、高い時空間分解能で細胞機能を制御することが出来る強力な研究ツールである。本研究では、boron dipyrromethene (BODIPY)の4位ホウ素にフェノール誘導体を導入した化合物が光分解性を示すことを利用し、500 nm以上の可視光で活性化可能なBODIPYケージド化合物を開発した。本化合物は、1)長波長の光での活性化が可能であるため生体組織深部への適応が期待できる、2)蛍光性であるためその細胞内局在の確認が可能である、といった従来のケージド化合物にはない特徴を有し、標的分子の局在に合わせた効果的なケージド化合物の創製が可能になると考えられる。当研究室ではこれまでに、可視光蛍光色素である1,3,5,7-tetramethyl-BODIPYの4位ホウ素にフェノール誘導体を導入した化合物に可視光を照射すると、B-O結合の開裂が誘起され、アンケージ反応が起こることを見出した(未発表)。さらにこの光化学反応の収率が、近傍の電子供与体の電子密度に依存して変化することから、この電子供与体から励起状態の色素分子への電子移動が初発となり、結合の開裂が誘起されることが強く示唆された。そこで本知見に基づきBODIPY骨格をケージ基として用いることで、500 nm以上の可視光で活性化可能なケージド化合物を合成した。具体的には、BODIPY骨格にbenzyloxycarbonyl linkerを介してヒスタミンを導入したBODIPYケージドヒスタミン(BcHA)を合成した。開発したBcHAは、光照射に応じてヒスタミンを放出し、また光照射により生きた細胞内におけるCa2+濃度上昇を引き起すことが示された。BODIPYケージド化合物は、1)既存のケージド化合物と比して長波長の光での活性化が可能であるため生体組織深部への適応が期待できる、2)蛍光性であるためその細胞内局在の確認が可能である、といった従来のケージド化合物にはない特徴を有し、標的分子の局在に合わせた効果的なケージド化合物の創製が可能になると期待される。H26年度においては、H25年度までに開発した「可視光で駆動するBODIPYケージド化合物」の有効性を確認するべく、グルタミン酸、セロトニン誘導体等の種々の生理活性分子・神経伝達物質を導入したBODIPY誘導体を開発した。これらの誘導体はいずれも、500 nmの光照射依存的に生理活性分子を放出することを確認し、可視光で駆動する一連のケージド化合物の開発に成功した。同時に、BODIPYケージド化合物の光化学反応機構を精査するべく検討を行った。具体的には、電子供与体やBODIPY色素の電子密度を種々に変化させた一連の誘導体を合成開発し、アンケージ量子収率・蛍光量子収率・溶媒依存性を評価したところ、より高いアンケージ量子収率(光依存的結合開裂)で生理活性分子を放出し得る新たな候補骨格を得ることに成功した。さらに、本研究で得られた知見を、より長波長の吸収蛍光特性を示すBODIPY誘導体に適用することで、長波長で機能する新たなケージド化合物の開発を試みた。具体的には、電子共役系を拡張したBODIPY誘導体に各種フェノール誘導体を導入した一連の誘導体を開発し、これらの光化学特性を精査した結果、光照射依存的なB-O結合の開裂が誘起されアンケージ反応が起こることを確認した。つまり、600 nm以上という長波長で生理活性分子を放出するケージド化合物の分子設計指針が確立されたことから、今後、長波長の光で駆動するケージド化合物を開発することで、生体深部で生理活性分子を添加できる光機能分子の開発が期待される。ケミカルバイオロジー平成25年度における検討から、これまでは蛍光色素として汎用されてきたBODIPYがケージ基としても機能することを見出し、適切な構造修飾を施すことで500 nm以上の可視光励起で駆動するケージド化合物の開発に成功した。本知見は、本研究課題の達成目標である近赤外光で駆動するケージド化合物の設計にも拡張可能であることから非常に重要な成果であると考え、上記の評価とした。このようなケージド化合物の創製により、生体深部において時空間を制御して生理活性分子を添加することが可能となり、生体機能を解明するツールに成り得ると考えている。平成25年度までに開発した可視光で駆動するBODIPYケージド化合物を用いた生物学的アプリケーションを積極的に推し進めていく。具体的には、生理活性分子としてグルタミン酸などの神経伝達物質を導入した誘導体を合成し、可視光照射依存的に神経細胞の活性化を誘導できるか検討する。

また、この光化学反応の詳細な機構解析を行い、電子供与体の電子密度・電子供与体と色素の間の距離等を最適化することで、効率的な結合開裂を引き起こすための条件を検討していく。ここで得られた知見を生かし、まず可視光照射により駆動するケージド化合物の創製と設計ストラテジーを確立する。さらに本設計法をより長波長のケージド基に適用することで、近赤外光照射により薬物を放出する新たなケージド化合物の設計開発にも取り組む。このように、独自の分子設計法に基づき、長波長の光による開裂反応効率、開裂前後での生理活性のOFF/ON率などを最適化した新たな光機能性分子を開発していく。