hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
変分法を用いた液適や泡の運動モデルに対する数理解析

本研究は液滴やシャボン玉のモデル方程式の解析とシミュレーションを行った.ここでの方程式は離散勾配流法と呼ばれている変分的な手法を用いた上で,エネルギーの視点から解析を進めた.また変分法を使うことにより液滴の接触角度における運動をもモデル方程式に導入することができ,これを用いる事により液滴の合併と分裂のシミュレーションのための数値解法を作成した.さらに,今まで知られていなかった双曲型Threshold dynamicsの計算アルゴリズムを開発し,その数学的な根拠を明らかにすることに成功した.尚,本研究課題の実績が認められ日本数学会の2013年度応用数学研究奨励賞を受賞するに至った.今年度の研究は変分原理を使った数理モデリングと該当する問題の近似解法について,解析と数値計算の両面でいくつかの実績があった.特に,今年度の研究はエネルギーの設定で液滴と泡におけるモデル方程式を確立した.この方程式は自由境界問題型の非線形波動方程式であり,「Minimizing movements」(MM)で基づいた二つの数値解法を作成した.特に,モデル方程式に現れたデルタ関数に当たるエネルギーは,滑らかにした特性関数として近似することにより,当問題のMMを作り出す事が可能となった.更にもう一つの主となる実績として,液滴の接触エネルギーをモデル方程式に追加し,該当する自由境界条件も得ることができた.又,モデル方程式の自由境界条件を使用する事により,「Mesh refinement」を行わず,「Adaptive grid」のような近似解法を確立した.その上で,作成した近似解法により,約100個の液滴の運動に対するシミュレーションも行った.「Threshold dynamics」(TD)に関する大きな結果としては,慣性を含む新しいアルゴリズムを見つけ,このアルゴリズムが双曲型平均曲率フローをオーダーtで近似することが解析できた上で,該当する近似解法により,振動しながらシャボン玉のような運動に対する数値実験が可能となった.更に,形式的な解析により,TDにおける接触角度をコントロールすることが可能となり,これに当たる近似解法も作る事ができた.平成26年度の研究は「Threshold dynamics」(TD)の視点から液適運動に着目しました.平成25年度の研究では,従来の拡散方程式を使用するBMOに加え,波動方程式への変更より曲率に依存する法線加速度の界面運動を近似できた事が大きな一歩だった(HBMO).しかし,この結果では時間が短い場合を限定した上での証明のみ可能だったため,今年度は更にこの結果の延長に取り組んだ.中でも時間を飛ばしてもHBMOは収束する上,アルゴリズムの収束orderは時間のステップサイズであることを証明する事に力を注ぎ,それを証明する事ができた.この証明のポイントとしては,アルゴリズムの時間が離散化されているため,時間ステップごとの界面法線ベクトルにおける角度の評価における必要性が挙げられる.ここで初期速度が界面の法線方向のみに働くと,時間ごとの法線ベクトルにおける角度が小さいことが分かるため,各界面の符号付き距離関数のTaylor Expansionを書く事ができる.よって,昨年度の結果を用いて今年度はその証明が可能となった.さらに,作成したアルゴリズムの数値解析と,「Minimizing movements」(MM)により体積保存条件のMultiphase用アルゴリズムと接触角を制御するアルゴリズムの作成にも取り組んだ.本研究は液滴やシャボン玉のモデル方程式の解析とシミュレーションを行った.ここでの方程式は離散勾配流法と呼ばれている変分的な手法を用いた上で,エネルギーの視点から解析を進めた.また変分法を使うことにより液滴の接触角度における運動をもモデル方程式に導入することができ,これを用いる事により液滴の合併と分裂のシミュレーションのための数値解法を作成した.さらに,今まで知られていなかった双曲型Threshold dynamicsの計算アルゴリズムを開発し,その数学的な根拠を明らかにすることに成功した.尚,本研究課題の実績が認められ日本数学会の2013年度応用数学研究奨励賞を受賞するに至った.平均曲率流に比例する加速度による界面運動についてTDスキームの基本構造を提案した.これに対し,スキームの詳細な解析と拡張を行い,数値計算ライブラリーにも実装ができた.まず,HBMOの各ステップの初期値である符号付距離関数のTaylor Expansionから出発し,スキームの近似性質を調べた.これにより各ステップにおける界面への法線方向がずれる角度に最大で時間ステップに比例する誤差しか生じないことがわかり,スキームの収束を示すことができた.初期値界面が円の場合,解析解と照らし合わせることでスキームの解析も行った.また,開発したアルゴリズムに対し有限要素法と最小化法に基づいたプログラムを作成し,円の場合の収束を確認した.次に,開発したスキームの拡張も行った.特に符号付距離関数のベクトル値バージョンを考案することにより,多相の問題をシンプルに扱えるスキームを構成した.その上,時間の離散化を経た最小化法を用いることにより,相の体積保存をペナルティーとして組み込むことに成功した.

また,境界条件を変更することで接触角のダイナミックスの計算方法を確立した.体積保存条件付きHBMOアルゴリズム(VPHBMO)の作成により,振動する界面運動に着目したい.特にVPHBMOの収束性に着目し,それに関わる数理構造への理解を深めたいと考えている.数値実験により,VPHBMOのようなアルゴリズムは体積保存条件付双曲型平均曲率流の近似解法になることが期待できるため,この方針で研究を進める予定である.また,3次元HBMOの数値計算を行う際に界面の形状を見つけるアルゴリズムが必要となり,研究の数値解析を進める上での大きな課題となっている.加えて,スカラー液滴運動のモデル方程式の解の存在についても証明を試みたい.昨年度の研究目的はモデル方程式と近似解法の作成である為,以下の理由でおおむね順調に進展している.モデル方程式の解析と数値計算により,液滴運動に対する様々な現象を再発しながらも,エネルギーの解析によりそれぞれの原因が分かってきた.これにより本研究では,モデル方程式のエネルギーから現れた自由境界条件を使用し,液敵・泡の止まった形状を得る事ができた.又,この「inhomogeneous」接触エネルギーをMMに加えると,止まった形状は非対称であることが判明し,本研究では数値実験によりこの発想を確認することができた.中でも,外力を与えられた小さな複数の液滴の運動においては,互いに分裂や合併をしながら納まった形状のパターンが,液敵のように一瞬で変わる現象を数値計算により再現する事に成功した.又,数値解析においても,予想した通り作成したMMのアルゴリズムは,自由境界型の体積保存条件付き発展方程式の解を自然的に計算できることを示した.「Threshold dynamics」の研究においては,困難と思われていた双曲型アルゴリズムを手に入れた事は革新的な一歩である.このアルゴリズムにより,慣性を持つマルチフェーズ加速度界面運動を計算することが可能となり,振動している界面の様々な応用へと繋がる扉を開ける事ができた.更に,マルチフェーズ体積保存条件付き平均曲率フローにおいては,各相の体積における誤差はMMの「Penalty parameter」のルートで制約されていることが明確となり,数値のテストにより確認する事もできた.又,接触角度をコントロールするアプローチは,数値実験により定性的に有効であり,「hydrophobic」液滴を数値的に表現する事が可能となった.第8回の応用数理研究会までの予定していた旅費がかからなかったため.今後の研究はMMの収束性や3次元のアルゴリズム作成を目指し,今までに作成した近似解法を利用することにより複雑な障害物上における液滴運動に応用したいと考えている.3次元TDの場合,大きな課題としては界面の形状を見つけるアルゴリズムが必要である.それにより,拘束された運動の実際の数値計算が可能となる.又,参考研究者の発表による各相の表面張力を指定する方法を取り入れ,本研究のアルゴリズムに適応する事により,各相の表面張力をコントロールすることを目指している.更には,マルチフェーズフローの拘束された動きのアプローチを適応する事により,双曲型TDアルゴリズムにおける体積保存条件が追加された界面運動も確率したいと考えている.特には,界面の形状を見つけ,全ての相における体積の計算が可能となり,ぺナルティー項をつけたMMの解析を進めたい.変分法に関する教科書またはトナーを購入する予定です.金沢大学までの予定していた旅費がかからなかったため.トナーおよびSSDストレージ,又は数理ソフトウェアを購入する予定です.
理論的整合性を備えた重力理論の系統的構築

これまで様々な観測により示されている現在の宇宙の加速膨張や、今後重力波の観測を通じて調査が劇的に進むと考えられる強重力場の現象を説明するためには、一般相対論の修正が必要となることも考えられる。他方で、仮に一般相対論が正しかったとしても、それを確立するためには比較対象となる別の重力理論を研究することが不可欠である。このような動機から、これまでさまざまな重力理論の修正ないし拡張が提案されてきたが、計量に加えスカラー場を一つだけ含んだ修正重力理論(スカラーテンソル理論)が特に詳しく研究されてきた。このような背景があり、研究代表者は以下の研究を行った。(ロ)2次元スカラーテンソル理論の定式化の整備:先述のように、4次元のスカラーテンソル理論の拡張が進んでいるが、量子重力の文脈で2次元のスカラーテンソル理論の拡張も研究されている。2次元スカラーテンソル理論の作用は、しばしば曲率とスカラー場との結合を含んだ形で書かれるが、他方ではスカラー場の高階微分を含んだ形の作用も考えられてきた。本年度は、曲率とスカラー場とが結合した項をスカラー場の高階微分項で具体的に書き直すことで、両者の等価性を実証した。得られた結果は、Classical and Quantum Gravity誌にて出版済みである。平成30年度が最終年度であるため、記入しない。これまでさまざまな観測により示されている現在の宇宙の加速膨張や、今後数年で観測が劇的に進むと考えられる強重力場の現象を説明するためには、一般相対論の修正が必要となることも考えられる。このような動機から、これまでさまざまな重力理論の修正ないし拡張が提案されてきたが、特にスカラー場を一つだけ含んだ修正重力理論(スカラーテンソル理論)が詳しく研究されてきた。近年、既存のスカラーテンソル理論を包括的に扱えるような、高階微分を含んだ一般的な重力理論の枠組みを構築しようという気運が高まっている。このような理論は通常高階微分由来の余分な自由度を含み、それに伴いOstrogradsky不安定性と呼ばれる問題が生じるが、それを回避するような理論として、Horndeski理論やGLPV理論、quadratic/cubic DHOST理論といった広い枠組みが発見された。さらに、これらの重力理論は独立ではなく、disformal変換という計量の変換により結びつくことが明らかとなった。一方で、既存の重力理論に特異なdisformal変換を施して得られるmimetic gravityなど、それらとは異なる系統の理論も認識されている。ところが、Ostrogradsky不安定性を持たないような重力理論の限界は全く不明であり、disformal変換を用いて既存の理論をさらに拡張可能かどうかもわかっていない。そこで本研究では、Ostrogradsky不安定性を持った理論に特異なdisformal変換を施すことで、余分な自由度を持たない新奇な重力理論が得られることを示した。得られた結果は、論文雑誌にて出版済である。また、その内容について国際会議で4回、国内学会で2回発表を行った。本研究課題では、一般的な変数変換によって理論の持つ物理的自由度がどのように変化するかを調べ、その結果を用いて整合的な重力理論の枠組みを系統的に拡張することを目標としている。そのための第一歩として、変数変換が一対一(可逆変換)である場合に、変換前後の系の運動方程式の等価性を示すことで、可逆変換の下で系の物理的自由度が不変であることの証明に成功した。さらに、実際に変数変換を通じて、既存のスカラーテンソル理論の枠組みを大きく越えた未知の重力理論を発見するに至った。また、こうして得られた理論について一様等方時空まわりの摂動を考えると、必ずゴーストないし勾配不安定性が生じることを示した。これにより、既存のスカラーテンソル理論の枠組みから大きく外れた理論では、同様の不安定性が普遍的に現れるという示唆を与えることとなった。

これまでの研究で用いた、特異な変数変換によりOstrogradsky不安定性を持った理論を健全な理論に移すという手法は、スカラーテンソル理論に限らず他の理論にも適用可能であることが期待される。そこで、今後はベクトル場を含んだ重力理論の枠組みでも同様に新たな理論を生成した上で、その宇宙論的摂動に対する安定性を調べたいと考えている。また、これらの拡張されたスカラーテンソル理論やベクトルテンソル理論においてブラックホール解が安定に存在可能かどうかも興味深い問題である。そこで、このような理論における静的球対称なブラックホール解を構成した上で、その解の安定性条件も明らかにしたい。こうした一連の解析結果に基づき、整合的な重力理論を特定することを目指す。平成30年度が最終年度であるため、記入しない。
食品中のコレステロール分解を目的とした優良細菌群の育種研究

本研究は、伝統的な有用細菌種を育種するための効率の良い技術を開発し、コレステロールの分解能を付与した優良菌株を育種して、食品材料を処理し、食品中のコレステロール価の低減を目的とした基礎的研究を行おうとしたものである。本年度は以下のような研究を行った。1。日本、インドネシア、フイリッピン、タイ、ネパール、ベトナムおよびエジプトの伝統的な醗酵食品よりさらにいくつかの乳酸菌株を分離した。2。フイリッピンの発酵食品より分離した乳酸菌、Lactobacillusplantarumのプラスミドを解析した。L137株は1.8から60kbの大きさの15種のプラスミドを持っていた。これを薬剤処理により、8種類にキュアリングした株を宿主として検討した。また、この株の持つプラスミドを組み換え、2種類(pRN14,pRN96)のベクターを作成した。3。乳酸菌への遺伝子導入のためのベクターの構築のため、広宿種グラム陽性菌ベクター(pSA3,pGK13)を用いて、乳酸菌株への効率的な遺伝子導入条件を、本研究補助金により購入した遺伝子導入装置を使用して検討した結果、L. plantarumに形質転換することに成功した。この条件を使用し、L. plantarumからのベクターも同菌株へ導入された。4。乳酸菌への形質転換系ができたので、ついでコレステロール分解系の最初の遺伝子、コレステロール酸化酵素遺伝子(choA)を上記ベクターに挿入し、このベクターをL.plantarumに導入した。5。乳酸菌内でのchoA遺伝子の発現量が低いため、プロモーターを種々置き換えて酵素活性量の増大を検討している。1。2。3。4。5。(1)世界の伝統醗酵食品、市販乳酸菌飲料等より乳酸菌群の分離:日本、インドネシア、フィリッピン、タイ、ネパール、エジプトの伝統的な醗酵食品より微生物を分離し、乳酸菌群の同定を行った。各国の伝統醗酵食品すべてより数種類の乳酸菌が分離された。市販乳酸菌飲料、整腸剤、市販パン酵母より、それぞれ8、3、7株の乳酸菌を分離した。(2)乳酸菌のプラスミドの検索:分離した乳酸菌のいくつかの株がさまざまなサイズのプラスミドを保持することを確認した。(3)乳酸菌への遺伝子導入のためのベクターの構築:まず、広宿種グラム陽性菌ベクターを用いて、乳酸菌株への効率的な遺伝子導入条件を、本年度購入した遺伝子導入装置を使用して検討している。(4)コレステロール分解酵素遺伝子のクローニングと構造解析:コレステロール分解活性の強い菌株を4株選択した。その内2株についてコレステロール転換酵素遺伝子のクローニングに成功した。この遺伝子の分離・解析に本年度購入した遺伝子増幅装置が威力を発揮している。現在、塩基配列の90%を終了した。(1)昨年度、日本、インドネシア、フイリッピン、タイ、ネパール、エジプトの伝統的な醗酵食品より分離した、20数種類以上の乳酸菌より、さまざまなサイズのプラスミドを検出した。これらのいくつかのプラスミドを分離し、ベクター化を試みた。

(3)乳酸菌への遺伝子導入のためのベクターの構築:まず、広宿種グラム陽性菌ベクターを用いて、乳酸菌株への効率的な遺伝子導入条件を、昨年度購入した遺伝子導入装置を使用して検討した結果、エレクトロポレーションの再生過程で、薬剤耐性菌が出現する問題点が明らかとなった。このてんをふまえて、さらにプロトプラスト導入系の開発を進めている。(4)コレステロール分解酵素遺伝子のクローニングと構造解析:コレステロール分解活性の強い、Arthrobacter simplexより、ケトステロイド転換酵素系遺伝子群のクローニングに成功した。全塩基配列を決定した結果、ケトステロイドデヒドロゲナーゼ及びケトステロイドイソメラーゼとその制御遺伝子を含むことが分かった。(5)ケトステロイドデヒドロゲナーゼの放線菌株内での高発現系を開発し、さらに当酵素を精製して、その酵素学的性質を明らかにした。本研究は、伝統的な有用細菌種を育種するための効率の良い技術を開発し、コレステロールの分解能を付与した優良菌株を育種して、食品材料を処理し、食品中のコレステロール価の低減を目的とした基礎的研究を行おうとしたものである。本年度は以下のような研究を行った。1。日本、インドネシア、フイリッピン、タイ、ネパール、ベトナムおよびエジプトの伝統的な醗酵食品よりさらにいくつかの乳酸菌株を分離した。2。フイリッピンの発酵食品より分離した乳酸菌、Lactobacillusplantarumのプラスミドを解析した。L137株は1.8から60kbの大きさの15種のプラスミドを持っていた。これを薬剤処理により、8種類にキュアリングした株を宿主として検討した。また、この株の持つプラスミドを組み換え、2種類(pRN14,pRN96)のベクターを作成した。3。乳酸菌への遺伝子導入のためのベクターの構築のため、広宿種グラム陽性菌ベクター(pSA3,pGK13)を用いて、乳酸菌株への効率的な遺伝子導入条件を、本研究補助金により購入した遺伝子導入装置を使用して検討した結果、L.plantarumに形質転換することに成功した。この条件を使用し、L.plantarumからのベクターも同菌株へ導入された。4。乳酸菌への形質転換系ができたので、ついでコレステロール分解系の最初の遺伝子、コレステロール酸化酵素遺伝子(choA)を上記ベクターに挿入し、このベクターをL.plantarumに導入した。5。乳酸菌内でのchoA遺伝子の発現量が低いため、プロモータを種々置き換えて酵素活性量の増大を検討している。
水環境における水質変換に対する植物の役割に関する基礎的研究

本研究は、水環境の富栄養化を生じさせる窒素・りんを、水環境自身の力で水中から除去する、いわゆる自浄能力に重要な役割を果たしている植物、特に水生植物の窒素・りん除去機能を定量的に評価することを目標としている基礎研究である。今年度は、水中の窒素の存在形態(NH4-N、NO3-N)と濃度(7mg/L28mg/L)を影響因子として取りあげ、それらが水生植物による窒素の除去に、どのような影響を与えるかについて検討した。今年度の実験によって得られた知見は、以下のようである。◇NH4-NとNO3-Nを、それぞれ単一窒素源とした場合、水生植物(マコモ)による、それぞれ(NH4-NとN03-N)の除去量(水生植物湿潤重量1g、1日当たりの窒素量)に対して、7mg/L28mg/Lの範囲の濃度の違いは、8月10月の時期では、はっきりとした影響を与えなかった。◇NH4-NとNO3-Nを、それぞれ単一窒素源とした場合、水生植物(マコモ)による窒素の除去量を、IT-N(無機態全窒素)で比較すると、8月10月の時間で、窒素源がNO3-Nの場合の方が、各初期濃度条件において除去量が大きくなる場合が多かった。◇NH4-NとNO3-Nを等量ずつ混合して窒素源とした場合、水生植物(マコモ)による窒素の除去は、NH4-Nの除去が先行し、引き続きN03-Nの除去が進行することが認められた。◇NH4-NとNO3-Nについて、単一窒素源の場合と混合窒素源の場合の、水生植物(マコモ)の窒素除去量を、IT-Nで比較すると、同じ初期IT-N濃度の場合、8月10月の時期で、混合窒素源の場合の方が、除去量が大きくなる場合が多かった。本研究は、水環境中の窒素・リン除去を中心とした水質浄化能力(自浄能力)に重要な役割を果たしている植物の機能を評価するため、水性植物(マコモ)を水耕栽培し、マコモの生長と水質変化との関係を明らかにすることを目的としている。'97年7月から50本の水生植物(マコモ)を用いて水耕栽培を開始した。12月までの6ヵ月間(25週間)、マコモ重量などの生育量と蒸散量、栽培量からの栄養塩吸収量などを測定した。今年度の実験によって得られた知見は以下のようである。◇蒸散量は、810月に大きくなり、11月以降はほとんどなくなる。最大蒸散量は、560g/週(80g/日)であった。◇生育初期の蒸散量は、気温低下や日射量の減少によってかなり減少する。◇マコモの重量増加と蒸散量との間には、良好な線形関係が見られた。しかし、単位増加重量に対する蒸散量の値は、かなり幅がある。◇窒素吸収量について、NH_4-NとNO3-Nが共存している場合、両者を吸収するがNH_4-N吸収量の方がNO3-N吸収量より大きい。◇窒素吸収量の最大値は、1生育シ-ズン全体(25週間)の平均値として次のようになった。(マコモ増加重量:240g,9.6g/週)◇リン吸収量の最大値は、1生育シ-ズン全体の平均値として次のようになった。本研究は、水環境中の窒素・リン除去を中心とした水質浄化能力(自浄能力)に重要な役割を果たしている植物の機能を評価するため、水生植物(マコモ)を水耕栽培し、マコモの生長と水質変化との関係を明らかにすることを目的としている。これまでの実験によって得られた知見は以下のようである。◇水生植物(マコモ)の吸水量(単位重量当り)は、7月8月上旬の期間で最も大きくなり、約1015g/g・週であった。このあとこの値は減少し、11月中旬以降は約12g/g・週の値でほぼ一定した。このような傾向は、一日の平均気温の変化と関連しており、平均気温の低下にともなって吸水量が低下し、平均気温がおよそ12°C以下になると吸水量は低い値で一定した。◇吸水量は水生植物(マコモ)の湿潤重量の増加と関連しており、約1kgの吸水によって、湿潤重量約20gが増加するという関係が得られた。◇水耕栽培期間初期(6月)において、吸水量と窒素除去量から算定される、「除去濃度」は、約74mg/L142mg/Lであった。これをNH_4-NとNO_3-Nに分けて算定すると、NH_4-Nは、約51mg/L103mg/L、NO_3-Nは約20mg/Lであった。これらの濃度は、水耕栽培の栽培液窒素濃度(NH_4-N :約14mg/L、NO_3-N :約14mg/L)に対して、それぞれ約3.610倍、1.4倍である。つまり、水生植物(マコモ)による窒素の吸収は、栽培液から濃縮して行なわれていることが明らかとなった。そして、この場合はNH_4-Nの濃縮の方が、NH_3-Nの濃縮より大きかった。◇1生育シ-ズン(7月9月:重量増加期)、13週間の水生植物(マコモ)によるNH_4-N除去量は約200mg、NH_3-N除去量は約150mgであった。またこの間の植物体湿潤重量増加は約130gであった。

つまり、水生植物(マコモ)1g(湿潤重量)の生成に約2.7mg(NH_4-N : 1.56mg、NH_3-N : 1.15mg)の窒素が用いられたことになる。本研究は、水環境の富栄養化を生じさせる窒素・りんを、水環境自身の力で水中から除去する、いわゆる自浄能力に重要な役割を果たしている植物、特に水生植物の窒素・りん除去機能を定量的に評価することを目標としている基礎研究である。今年度は、水中の窒素の存在形態(NH4-N、NO3-N)と濃度(7mg/L28mg/L)を影響因子として取りあげ、それらが水生植物による窒素の除去に、どのような影響を与えるかについて検討した。今年度の実験によって得られた知見は、以下のようである。◇NH4-NとNO3-Nを、それぞれ単一窒素源とした場合、水生植物(マコモ)による、それぞれ(NH4-NとN03-N)の除去量(水生植物湿潤重量1g、1日当たりの窒素量)に対して、7mg/L28mg/Lの範囲の濃度の違いは、8月10月の時期では、はっきりとした影響を与えなかった。◇NH4-NとNO3-Nを、それぞれ単一窒素源とした場合、水生植物(マコモ)による窒素の除去量を、IT-N(無機態全窒素)で比較すると、8月10月の時間で、窒素源がNO3-Nの場合の方が、各初期濃度条件において除去量が大きくなる場合が多かった。◇NH4-NとNO3-Nを等量ずつ混合して窒素源とした場合、水生植物(マコモ)による窒素の除去は、NH4-Nの除去が先行し、引き続きN03-Nの除去が進行することが認められた。◇NH4-NとNO3-Nについて、単一窒素源の場合と混合窒素源の場合の、水生植物(マコモ)の窒素除去量を、IT-Nで比較すると、同じ初期IT-N濃度の場合、8月10月の時期で、混合窒素源の場合の方が、除去量が大きくなる場合が多かった。
対称空間の部分多様体とグラスマン幾何の研究

この研究は対称空間の部分多様体論をグラスマン幾何の枠組の中で展開することであった。すなわち、対称空間の等長変換群を対称空間上のグラスマン束への変換群と考えるとき、それぞれの軌道は対称空間の形式的部分多様体論を定義する。これはリーマン部分多様体論では自然なものと考えられる。この研究課題ではとくに、その枠組の中で得られた形式的部分多様体論を分類し、さらにおのおのの形式的部分多様体論の構造を調べることであった。得られた成果は強曲率不変型の形式的部分多様体論がリー代数論・対称空間論を用いて具体的に分類できた事が一つである。この分類はBergerによるaffine対称空間の分類の別分類にもなっている。もう一つは分類された形式的部分多様体論のそれぞれについて、その構造が表現論を用いて明らかにされた事である。すなわち、おのおのの部分多様体論が全測地的部分多様体以外の部分多様体をもつかどうかが判定された事である。成果は3つの論文として公表される予定である。1つは投稿中、1つはプレプリントの段階、残りは準備中である。今後の研究は一般に強曲率不変型でない超曲面のグラスマン幾何及びリーマン面のグラスマン幾何を明らかにする方向で展開される。これによって一般の形式的部分多様体論の分類及びその構造の解明に対する方針が見えることが期待される。
大学病院改革に関する基礎的研究

本研究の目的は、新医師臨床研修制度等、昨今の様々な制度改革により大きく影響を受けた「医師の生涯教育」および「医学部の教育病院としての在り方」の実態を明らかにすると供に、今後の大学病院の在り方を考察することにある。文部科学省は、平成20年度より大学病院が緊密に連携して医師のキャリア養成を行なう循環型の医療人養成システムの推進を支援すると公表した。現在の医師不足の環境で、大学病院を中心とした循環型医療人養成システムを構築には、地域病院の集約化が不可欠である。本研究班では、今年度、山形県を対象に、病床数と標準医師数充足率の観点から病院の集約化と医師の適正配置に関する考察を行った。研究テーマ:「山形県に於ける主要医療機関の標準医師数充足率と病床稼働率からみた医師の適正配置に関する検討」山形県内の精神単科等を除く病院52施設を対象に病床利用率、標準医師数の充足率を算出した。データは、病床利用率については、良好な経営状況の目安とされる90%と平成14年度の一般病床の全国平均83.4%を、医師充足率は100%を基準として解析した。対象となる医療機関を、病床利用率・医師充足率を基に4つのグループに分類し医師の適正配置と統廃合の必要性に関して検討した。その結果、標準医師数のみの観点からだけでなく、病床利用率とクロスして比較評価することにより、医師の充足を第一に考えるべき医療機関と集約化を優先すべき医療機関を区別し、医師の適正配置を計画できることが明らかとなった。今回得られた結果が、「大学病院が緊密に連携して医師のキャリア養成を行なう循環型の医療人養成システムの構築」の一助となれば幸いである。平成18年度は、全国の国立大学病院42、公立・私立大学病院54、一般病床を半数以上有する500床以上の病院271を対象に、200項目以上に亘る詳細な調査を行い、これを集計し、解析した。回収率は、国立大学90.5%、公立・私立大学42.6%、一般病院13.7%であった。その、主なものを示す(以下は国立大学病院の結果)。教員は1週間に65.1時間勤務し、収入は国立病院機構に比べ、月給は40歳代で48.8万円の差がある。65%が労働基準法を遵守していないと答えている。一般病院に比べて、大学病院はハイリスクな疾患を多く扱い、ハイリスクローリターンで98%が疲弊していると答え、40歳代の医師は、この3年間に差し引き、1大学平均23人減っている。「このままでは大学病院の経営が難しい」と答えたのは92%で、これらの解決策として、「国立大学法人○○大学にすべき」56%、「独立行政法人○○大学」に50%と、何らかの根本的な改革が必要と感じていた。これらの調査結果から、大学病院の医師は多忙で、ハイリスクな症例を扱い、ローリターンで、中堅・若手はburnoutし、大学病院から医師が減り、大学病院の医療の質及び研究機能は低下し、牽いては我が国の医療の低下を招くことが危惧された。さらに、地域への医師の派遣が少なくなり、一部の地域では"医療の崩壊"の危機に瀕していることが推察された。平成19年度は、これらのデータを詳細に分析すると共に、根本的な改革について研究し、その成果を提言として取り纏め、これを政策に反映させたい。なお、研究協力者には国立大学医学部長会議・附属病院長会議合同ワーキンググループ「国立大学医学部の教育病院の在り方に関する検討委員会」のメンバー7人が参加しており、この研究班の成果は、今後の大学病院改革に活かされるものと考える。

本研究の目的は、新医師臨床研修制度等、昨今の様々な制度改革により大きく影響を受けた「医師の生涯教育」および「医学部の教育病院としての在り方」の実態を明らかにすると供に、今後の大学病院の在り方を考察することにある。文部科学省は、平成20年度より大学病院が緊密に連携して医師のキャリア養成を行なう循環型の医療人養成システムの推進を支援すると公表した。現在の医師不足の環境で、大学病院を中心とした循環型医療人養成システムを構築には、地域病院の集約化が不可欠である。本研究班では、今年度、山形県を対象に、病床数と標準医師数充足率の観点から病院の集約化と医師の適正配置に関する考察を行った。研究テーマ:「山形県に於ける主要医療機関の標準医師数充足率と病床稼働率からみた医師の適正配置に関する検討」山形県内の精神単科等を除く病院52施設を対象に病床利用率、標準医師数の充足率を算出した。データは、病床利用率については、良好な経営状況の目安とされる90%と平成14年度の一般病床の全国乎均83.4%を、医師充足率は100%を基準として解析した。対象となる医療機関を、病床利用率・医師充足率を基に4つのグループに分類し医師の適正配置と統廃合の必要性に関して検討した。その結果、標準医師数のみの観点からだけでなく、病床利用率とクロスして比較評価することにより、医師の充足を第一に考えるべき医療機関と集約化を優先すべき医療機関を区別し、医師の適正配置を計画できることが明らかとなった。今回得られた結果が、「大学病院が緊密に連携して医師のキャリア養成を行なう循環型の医療人養成システムの構築」の一助となれば幸いである。
免疫系細胞の賦活化を促する抗原提示能強化型人工抗原の開発

本年度の研究ではマウスを用いて生体内での特異的抗体産生が、マクロファ-ジのエンドサイトーシスを利用する抗原取り込みの増大によりどの程度増大するかを何回かの実験で検定する計画を実行した。抗原提示には酵母のチトクロムCを用い、これを血清タンパク質、アルファ-2ーマクログロブリンにプロテア-ゼの作用を利用して結合した。マウスをチオグリコレ-ト処理してから、腹腔よりマクロファ-ジをとり出した。マクロファ-ジを培養する培地に抗原チトクロムCを、(1)マクログロブリンとの複合体の形で2,10,20ピコモル入れたもの,(2)遊離の抗原として2,40,2000ピコモル添加したもの,(2)抗原を入れないものの3種を作り培養した。培養マクロファ-ジが抗原を十分とり込んだところで、各グル-プ5匹づつのマウスにマクロファ-ジを戻し、腹腔内での抗原提示を行わせた。以后、マウス飼育5日目に各マウスより血液を採取し、ELISA法により血清中のチトクロム特異性抗体の量を測定した。その結果、動物の個体による変異はあるものの平均すると、抗原をアルファ-2ーマクログロブリンとの複合体として与えた場合は、遊離の抗原を与えた場合に比べて、同じ抗原量の場合5ー10倍の抗体産生がある事がわかった。2の結果は、アルファ-2ーマクログロブリンの受容体を持つマクロファ-ジが、抗原複合体を効率よくとりこみ、高い能率で抗原提示を行なった結果であると解釈できる。免疫反応は、何段階ものカスケ-ド的細胞反応を介して開現されるので、抗原としての入力と、出力としての抗体産生量の間の関係が単なる比例関係、あるいは単調な増大関係にない事はよく指摘される事であり、免疫系賦活化が、目的通りの入出力関係を実現するのは難しいとされている。本研究では、抗原として与える量が極わめて小量である場合に、エンドサイトーシスを利用する事で免疫系が有意に活性化される事を示した。
人間を身体的・情報的に拡張する個人用知的移動体の研究開発

本研究で開発された個人用知的移動体AT(Attentive Townvehicle)は、搭乗者である人間や、自分をとりまく環境に適応し、個体間通信によって協調的に動作可能な個人用の乗り物である。ATに乗り込むことによって、実世界状況や文脈に合わせて、その時点で最適な情報サービスを受けることができる。具体的には、博物館や美術館などの屋内施設において、移動体の現在位置に応じた情報を施設側が提供できると同時に、個人の過去の体験履歴を利用して、特に興味を持つ情報を自動的に取捨選択して提供することができる。ATの最大の特徴は、全方位に平行移動できることである。また、全方位を同時に計測するレーザーレンジセンサーを装備することで、任意の方向から接近する障害物を早期に検出できる。これによって、障害物を柔軟に回避し、安全に走行することができる。しかし、安全な移動のために、移動体そのものに実装できる機能では、センサーの死角からの接近に対処できないなど、安全性を確保するのに十分ではないため、移動体を取り巻く環境に何らかの工夫を施して、移動体の機能を拡張する必要がある。そこで、本研究では自律移動が可能な無人移動体と連携・協調することで有人移動体の安全性を向上させる仕組みを実現した。これは、個人用知的移動体のセンサーの死角を補完するために、小型無人移動体(以下では、SUV : Small Unmanned Vehicleと呼称)を用いる仕組みである。ATとSUVを連携・協調させることで、移動体単体では実現が困難であった、安全性を飛躍的に向上させる仕組みを実現した。この仕組みは、SUVが自律的に周辺環境の地図を作成する機能、ATとSUVが自己位置推定をして、お互いのセンサー情報を統合する機能、ATが自動走行を開始するとSUVがその経路を先回りして死角領域をセンシングすることで事前に安全確認をし、ATがその情報に基づき、自動走行の経路を動的に変更するなどして可能な限り安全に目的地に移動する機能から成る。SUVは周辺環境のセンサー情報に基づいて3次元地図を自動生成することもできる。また、本研究では、搭乗者の手の動きをトラッキングし、そのパターンによって移動体の速度・方向・回転を制御する手法を実現した。さらに、ジェスチャによる大まかな指示を移動体のセンサー情報で補完し、周辺の障害物を避けつつ指定された動きをする、ジェスチャ安全走行と呼ばれる仕組みを実現した。このような仕組みによって、人間を身体的および情報的に拡張することができると思われる。本研究の成果は、知的移動機械の研究開発および実用化を促進させ、高齢者やハンディキャップを持つ人たちが自立して生活できる安全で安心な社会の実現に貢献する。個人用知的移動体(personal intelligent vehicle)は、情報端末の発展形として考案された移動型情報マシンであり、個人の能力を拡張して社会に適応しやすくする。

本研究で提案する手法は、個人に適応した情報環境を人間と一体化させ、個人の情報処理機能だけでなく身体機能をも強化して日常生活をより安全で快適なものにする。本研究では、全方位に移動可能な個人用知的移動体を製作し、センサーによる障害物回避や環境とのインタラクションに基づく安全なナビゲーションと自律走行、搭乗者の状況認識を支援し、その行動を支援する仕組みを設計・開発し、実機による実験で詳細に検証した。人間の実世界での活動と連動しながら、個人に特化された情報が与えられる必要がある1つの例として美術館を取り上げた。実世界の美術館において、各利用者に適応する情報を、利用者の活動に連動させて提示することで、われわれの生活する実世界と情報の世界をシームレスにつなぐことができる。本研究では、既に効果的な鑑賞方法を熟知した美術の専門家ではなく、美術鑑賞の初心者を主な対象とし、開発した個人用知的移動体を用いて、実世界の美術館において利用者1人1人の鑑賞体験を豊かにするシステムを提案・構築した。利用者が予め設定した美術館滞在時間に合わせて、システムが生成した鑑賞コースを、移動体が利用者を乗せて自律走行し、コース上のいくつかの作品の前で停止する。作品の前で停止中に、利用者は作品に関する解説を、手元のディスプレイに提示される画像と、ヘッドフォンから流れる音声で視聴することができる。本研究で構築したシステムにより、利用者の過去の記憶と新しく出会った作品を結び付けることで、美術鑑賞の初心者でも、作品を見て様々なことを考えることや、より強く印象に残る作品を増やしていくことが可能となった。このように、搭乗者である人間は、移動に伴う負担を感じることなく、実世界状況や文脈に合わせて、その時点で最適なサービスを受けることができることが実験によって示された。移動体間の連携・協調の仕組みとその応用技術を実現した。特に、小型無人移動体によって個人用知的移動体の自動走行をより安全にする仕組みについて、実機による実験と、より大規模で複雑な状況を想定したシミュレーションによって、提案手法の有効性を詳細に検証した。本研究で開発した、移動体間の連携・協調による安全自動走行技術には2種類あり、その一つは、自律移動が可能な小型移動体の地図生成および位置認識(SLAM : Simultaneous Localization and Mapping)によって有人移動体のセンシング領域を拡張し、移動障害物回避をより高度にしたものである。小型無人移動体は有人移動体の死角をカバーし、搭乗者の指定した領域のセンシング情報をリアルタイムに有人移動体に送信する。それによって、死角から接近する移動障害物を正しく認識することができる。また、もう一つの移動体間の連携・協調による安全走行技術は、複数の移動体が非同期に協調するものである。具体的には、複数の無人移動体がプローブカーの役割を担い、走行可能範囲の探査を行い、その安全性と走行容易性を計算してデータベースに登録し、自動走行中の有人移動体がその情報を用いて最適な走行経路を動的に決定する。それによって、有人移動体は目的地までの安全で効率的な経路を計算できる。
情報通信技術を用いた電磁場信号処理の高度化と地下構造モニタリングへの適用

地磁気地電流(Magnetotelluric: MT)法による地下電気抵抗率構造の時間的変動の評価を行うため,取得した電磁場データの高度な処理法を開発した.具体的には,(1)電磁場データに含まれるノイズの分離・除去法,および(2)自然磁場変動の空間特性を評価する手法を新たに開発し,それぞれ以下に示すような成果が得られた.また,(1)・(2)に示した手法を今後適用するために,(3)自然電磁場データの取得を行った.(1)電磁場データに含まれるノイズの分離・除去法について:時間-周波数領域で多成分の観測データから独立な要素(信号・ノイズ)を分離・抽出する手法のアルゴリズムを改良し,MTデータの新たな解析法を開発した.本手法を適用することで,従来法では解析が困難な程ノイズを含んでいるMTデータから,時系列長が短いという条件下においても,地下のインピーダンスを小さな推定誤差で導出することに成功し,ノイズ除去性能および時間分解能の向上が見られた.また,ノイズに侵され地下構造解析に用いることが困難なデータも本手法で処理することで,地下構造の解析に使用可能となることも明らかとなった.(2)自然磁場変動の空間特性を評価する手法について:膨大な情報量を持つ磁場スペクトログラムから,その構成要素を抽出する手法を新たに開発した.抽出した構成要素が示す地磁気の空間特性の評価指標を導出した.地磁気観測所の磁場アレイデータを解析した結果,地磁気変動の空間特性をスペクトログラムで評価することに成功した.本手法を用いることで,自然磁場変動の空間特性の評価が従来に比べ高い精度で可能となった.(3)自然電磁場データの取得:本研究では,(1)および(2)の手法の応用例に用いるため,(a)日向灘付近の海底,および(b)飛騨信濃直流幹線地域での自然電磁場データの取得を行った.地磁気地電流(Magnetotelluric: MT)法は地下数十kmまでの電気抵抗率構造を求め,その電気的性質から岩石の力学的性質,マグマの存在位置や分布,流体(例えばガス貯留槽や地熱システムにおける熱水)を明らかにできる深部地下構造調査に優れた手法である.しかし,MT法で導出する地下インピーダンスは人工的な電磁ノイズや自然磁場変動の空間的な偏りにより,見掛上変動する.これらを解決するため,(1)ノイズ除去法の開発及び性能評価,および(2)自然磁場変動の時空間特性を評価する手法の開発,を行った. (1)の理論的な内容は,現在国際論文誌に投稿し査読を受けている.アルゴリズムを一部改良し,実データ解析の際の性能の限界についての内容も現在,投稿準備中である.(2)において,実データの解析を行い,自然磁場変動の時空間特性の評価に成功した.その結果,地磁気の空間特性が及ぼす地下インピーダンスの変動への影響について,従来に比べ高い精度で評価ができるようになった.この内容についても,現在国際誌へと投稿準備中である.これら2つに関連する内容は,国内・国際会議でにおいて筆頭著者として8件発表を行う等の成果も得られた.以上のように,当初の1年目の計画であった,「ノイズ除去法の開発及び性能評価」および「自然磁場変動の空間特性の評価手法の開発」は達成できたと考えられる.また,開発したノイズ除去法および自然磁場変動の空間特性の評価手法の応用例に用いるため,日向灘付近においてMTデータを取得した.その結果,データの取得は予定通り順調に進み,更には,飛騨信濃直流幹線地域におけるMTデータの取得にも参加することができ,今後開発した手法を適用するデータは十分なものとなった.そのため,現在までの進捗状況は「おおむね順調に進展している」と考えることが出来る.空間的に不均質な自然磁場変動が与える,地下インピーダンスへの影響について,理論値を導出する.理論値に基づき,インピーダンスが安定して求まるための自然磁場変動の空間特性の条件を導出する.インピーダンスが不安定になる際の自然磁場変動の空間特性が,前述の条件を満たさない場合に発生することを示す.これらにより,地下インピーダンスの時間的変化の原因が,地下環境の変化に由来するものか否か議論することが可能となる.以上の内容について,国内会議で発表を行った後,国際誌へと投稿を行う.これまでに開発した自然電磁場データのノイズ除去法を,都市域や海底等の悪条件下で取得されたデータに適用し,小さい推定誤差かつ高い時空間分解能の地下インピーダンスを導出する.悪条件下でのノイズ除去性能の限界および,実データに含まれているノイズの特性などについてまとめたものを国際誌へと投稿する.長期的に取得された自然電磁場データに対して,開発したノイズ除去法を適用し,高い時空間分解能の地下インピーダンスを導出する.取得された期間における,自然磁場変動の時空間的特性の評価を行い,自然磁場変動が空間的に一様かの議論を行う.自然磁場変動の空間特性が与える地下インピーダンスへの影響を評価し,地下インピーダンスの時間的変動の有無およびその原因について,地下環境由来のものか評価する.地下環境の変化を反映しているものについては,降雨など表層の変化が与える地下インピーダンスへの影響を評価し,その変動の原因について議論する.

その際,表層の変化が与える地下インピーダンスへの影響を定量的に評価し,表層の変化が妥当なものかを検証する必要がある.以上の内容を国内会議において発表する.地磁気地電流(Magnetotelluric: MT)法による地下電気抵抗率構造の時間的変動の評価を行うため,取得した電磁場データの高度な処理法を開発した.具体的には,(1)電磁場データに含まれるノイズの分離・除去法,および(2)自然磁場変動の空間特性を評価する手法を新たに開発し,それぞれ以下に示すような成果が得られた.また,(1)・(2)に示した手法を今後適用するために,(3)自然電磁場データの取得を行った.(1)電磁場データに含まれるノイズの分離・除去法について:時間-周波数領域で多成分の観測データから独立な要素(信号・ノイズ)を分離・抽出する手法のアルゴリズムを改良し,MTデータの新たな解析法を開発した.本手法を適用することで,従来法では解析が困難な程ノイズを含んでいるMTデータから,時系列長が短いという条件下においても,地下のインピーダンスを小さな推定誤差で導出することに成功し,ノイズ除去性能および時間分解能の向上が見られた.また,ノイズに侵され地下構造解析に用いることが困難なデータも本手法で処理することで,地下構造の解析に使用可能となることも明らかとなった.(2)自然磁場変動の空間特性を評価する手法について:膨大な情報量を持つ磁場スペクトログラムから,その構成要素を抽出する手法を新たに開発した.抽出した構成要素が示す地磁気の空間特性の評価指標を導出した.地磁気観測所の磁場アレイデータを解析した結果,地磁気変動の空間特性をスペクトログラムで評価することに成功した.本手法を用いることで,自然磁場変動の空間特性の評価が従来に比べ高い精度で可能となった.(3)自然電磁場データの取得:本研究では,(1)および(2)の手法の応用例に用いるため,(a)日向灘付近の海底,および(b)飛騨信濃直流幹線地域での自然電磁場データの取得を行った.地磁気地電流(Magnetotelluric: MT)法は地下数十kmまでの電気抵抗率構造を求め,その電気的性質から岩石の力学的性質,マグマの存在位置や分布,流体(例えばガス貯留槽や地熱システムにおける熱水)を明らかにできる深部地下構造調査に優れた手法である.しかし,MT法で導出する地下インピーダンスは人工的な電磁ノイズや自然磁場変動の空間的な偏りにより,見掛上変動する.これらを解決するため,(1)ノイズ除去法の開発及び性能評価,および(2)自然磁場変動の時空間特性を評価する手法の開発,を行った. (1)の理論的な内容は,現在国際論文誌に投稿し査読を受けている.アルゴリズムを一部改良し,実データ解析の際の性能の限界についての内容も現在,投稿準備中である.(2)において,実データの解析を行い,自然磁場変動の時空間特性の評価に成功した.その結果,地磁気の空間特性が及ぼす地下インピーダンスの変動への影響について,従来に比べ高い精度で評価ができるようになった.この内容についても,現在国際誌へと投稿準備中である.これら2つに関連する内容は,国内・国際会議でにおいて筆頭著者として8件発表を行う等の成果も得られた.以上のように,当初の1年目の計画であった,「ノイズ除去法の開発及び性能評価」および「自然磁場変動の空間特性の評価手法の開発」は達成できたと考えられる.また,開発したノイズ除去法および自然磁場変動の空間特性の評価手法の応用例に用いるため,日向灘付近においてMTデータを取得した.
Th2プロフィールは皮膚バリア機能を改変する-アトピー性皮膚炎憎悪の新仮説-

1.Th2サイトカインは、バリア機能破壊時に生じる層板顆粒の形成・分泌作用を抑制し、バリア機能修復を阻害する。2.Th2サイトカインにより、デスモグレイン1の発現が低下し、角層が剥がれ易くなる。3.Th2サイトカインは、表皮におけるPPAR?の低下を介して、アトピー性皮膚炎におけるバリア機能低下と難治化に関与ている可能性が示唆される。以上より、アトピー性皮膚炎の病態における、アレルギー炎症と皮膚バリア機能異常との相互作用の重要性が示唆され、PPAR?の活性化が、アトピー性皮膚炎における新しい治療戦略のひとつとなる可能性を示唆する。1.バリア修復阻害作用のメカニズムテープストリッピングにより角層バリアを破壊し、その後の回復を解析するマウスの系において、Th2サイトカインであるIL-4をマウスに皮内投与するとバリア機能の回復が阻害されるが、その機序を検討し、以下の結果を得た。(1)角層を電子顕微鏡学的に観察し、定量的解析を行ったところ、角層バリア形成に重要な層板顆粒の形成と層板顆粒内容の顆粒層・角層細胞間への分泌の両者が、IL-4投与群では抑制されていた。この結果は、IL-4は、層板顆粒の生成、分泌を抑制することによりバリア回復阻害作用を有することを示している。(2)IL-4投与時に、IL-4受容体からの情報伝達に不可欠な情報伝達分子であるSTAT-6のデコイを投与すると、IL-4のバリア回復阻害作用は認められなかった。この結果は、IL-4のバリア機能阻害作用が、STAT-6系を介したものであることを示している。2.バリア機能形成・表皮分化に対する影響マウスにTh2サイトカインであるIL-4を5日間連続で皮内投与し、角層の剥がれ易さを解析することにより、Th2サイトカインのバリア機能形成を検討したところ、IL-4投与により、表皮・角層の主要な接着分子のひとつであるデスモグレイン1の発現低下と、角層の剥がれ易さの亢進を認めた。これらの結果は、IL-4が正常な角層バリアの形成を阻害し得ることを示唆している。Th1サイトカインであるIFNgamma投与群では、このような結果は得られず、角層バリア形成阻害は、Th2サイトカイン特異的な作用と考えられた。1. Th2サイトカインと皮膚バリア機能バリア機能形成、表皮分化において重要な役割を担うと考えられているperoxisome proliferator activated receptor (PPAR)αの培養表皮角化細胞における発現を検討したところ、TNF-αとIFN-γの刺激によりPPARαの発現は亢進し、この亢進作用はTh2サイトカインであるIL-4により阻害された。この結果は、IL-4によるバリア形成機能の低下にPPARαを介したシグナルが関与している可能性を示唆する。2. Th2サイトカインとアトピー性皮膚炎マウスをハプテンであるオキサゾロンで感作した後、2日に1回の頻度で繰り返しオキサゾロンを塗布し、アトピー性皮膚炎様の皮膚炎を惹起させるモデルを構築した。10回以上オキサゾロン塗布を繰り返し、経皮的水分蒸散量の増加と角層水分量の低下を伴い十分にアトピー性皮膚炎のフェノタイプが確立した時点で、表皮を採取し、PPARα、PPARβ、PPARγの発現を検討した。mRNAレベルと蛋白レベルの両者において、PPARαの発現低下を認めた。一方、PPARβ、PPARγの発現レベルは、コントロールマウスと同等であった。この結果は、アトピー性皮膚炎の病態に、表皮におけるPPARαの発現低下が重要な役割を果たしている可能性を示唆する。1.の結果と合せて考えると、Th2サイトカインは、表皮におけるPPARαの発現低下を介して皮膚バリア機能構築において負の方向に作用することによって、アトピー性皮膚炎の発症や難治化に関与している可能性が示唆される。1.Th2サイトカインと皮膚バリア機能マウスにTh2サイトカインであるIL-4を皮内投与すると、表皮・角層の主要な接着分子あるデスモグレイン1(DSG1)の発現が低下し角層が剥がれ易くなった。電子顕微鏡的検討により、角層の接着に必須の構造物であるコルネオデスモゾームの減少と角層数の減少がIL-4投与群で観察された。更に、培養表皮角化細胞(NHK)で検討を行った。カルシウム濃度を上昇させて培養NHKの分化を促進したところ、分化関連分子であるトランスグルタミナーゼ1の発現上昇と共にDSG1の発現も亢進し、これらの発現亢進はIL-4によって抑制された。これらの結果は、Th2サイトカインが、NHKの分化を阻害することでDSG1の発現を抑制して角層を剥がれ易くし、皮膚バリア機能を低下させることを示唆する。

2.アトピー性皮膚炎(AD)におけるTh2サイトカインと皮膚バリア異常との相互作用機構皮膚のバリア構築に重要な役割を果たすperoxisome proliferator activated receptor (PPAR)αの発現が、AD炎様皮膚炎モデルの表皮で低下していた。更に、PPARαの発現がTh2サイトカインや角層バリア破壊によって低下すること、PPARαの発現をsiRNAを用いて低下させた培養NHKではケモカインの発現が増強することを見出した。これらの結果から、ADの病態においては、PPARαの発現低下を介するTh2サイトカインと皮膚バリア機能異常との相互作用機構が存在すると考えられた。