hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
超並列多次元セルラコンピュータの創発的自動プログラミング方式

人工知能における問題解決アルゴリズムを対象として、セルオートマトンをベースとした超並列コンピュータのプログラムを創発計算を利用して自動設計するための基礎検討を実施した。1つの状態遷移ルールとその適用回数の組をプログラムの1ステップと見なし、複数のルールを逐次適用するモデルを提案した。これにより、進化的アルゴリズムによる自動設計を可能とした。本方式をベンチマーク問題と画像処理問題に適用し、有効性を確認した。1.計算方法の確立:密度分類問題に対して、これを解決する1次元セルラオートマトンの状態遷移ルールを獲得するための進化的アルゴリズムの構成方法を検討した。既に提案されている方法より優れたルールを獲得するために、ルールのデータ構造を最適化した。また、遺伝的演算方法、適応度の評価方法等を改良した。2.ルールの性質の分析:2つのルールを適用することによってCAの問題解決能力が向上する理由を考えるため,問題解決能力の高い1000個のルールを抽出し、Langtonのλパラメータを用いてルールの分布について検討した。その結果、1ルールの場合は、クラス4のルール(複雑なルール)が多いのに対して、2ルールの場合は、クラス1と2(単純なルール)の組合せも多く存在することがわかった。すなわち,簡単なルールの組み合わせでもお互いに協調して動作することによって問題解決能力が向上する可能性があることがわかった。3.パラメータ分類による処理能力の向上:獲得したルールをパラメータで分類した。パラメータとしては、λ、ND、μパラメータの3つを検討した。これらのパラメータを用いてあらかじめ有効なルールを抽出することができれば、探索効率を格段に向上することができると考えた。すなわち、ランダムに生成したルール集合からパラメータ値によりルールを選別し、それらのルールを進化的アルゴリズムの初期集団とした。これにより、高い正解率を持つルールを獲得することができた。これにより、ルール変化型CAの進化的設計に、パラメータガイドを導入することの有効性を確認することができた。一方、今回検討したパラメータでは十分でないと思われるので、今後は、独自のパラメータを開発する必要があると考える。1.新しいパラメータの開発探索性能の向上を目的として、進化計算により獲得したセルラオートマトンの状態遷移ルールをパラメータで分類した。平成18年度に、パラメータとしてλ、ND、μパラメータの3つを検討したが、十分な性能は得られなかった。平成19年度は、新たに情報伝搬の速度に着目したパラメータを提案した。2.処理能力の向上まず進化計算の部分に、多目的遺伝的アルゴリズムを導入した。2つの目的関数を用意して、これらを同時に最適化する方法を提案した。従来手法の遺伝的演算部(世代交代方法)を改良することにより探索性能の向上を図った。次に、適応度関数を改良した。従来研究ではランダムに生成したテスト問題を利用していた。これに対して本研究では、2状態セルラオートマトンの初期形態における1の密度を調整することによって、テスト問題の難易度を制御する方法を提案した。これにより、探索性能が更に向上した。3.基本問題への適用ベンチマーク問題として広く用いられている「密度分類問題」に本手法を適用し、従来方法と比較検討した。(1)従来手法、(2)上記2の改良を行った手法、(3)上記1と2の改良を行った手法を比較した。その結果、正解率がそれぞれ、(1)73.5%、(2)81.1%、(3)90.2%となり、改良の効果が確認できた。更に、密度分類問題に対して、現在までに知られている最も優れた手法2つと比較した結果、本手法は、良解を生成できる確率が最も高いことがわかった。4.今後の課題平成20年度は、本手法を2次元の画像処理問題に適用し、性能評価・適用限界について考察する。平成20年度は、18・19年度に開発した手法を2次元画像処理へ応用した。セルオートマトン(CA)は画像処理との適合性が高く、Cellular Programming、Cellular Neural Networkなどを含め、多くの応用例が存在している。またCAはモデルの単純さからハードウェア実装が容易であり、超高速画像処理への応用が期待されている。Rosinは二次元2状態CAのルールを対象に学習を行い、二値画像処理を行うCAを設計した。適応度関数を定義することができればノイズ低減、エッジ検出、凸包の計算など、様々な処理を行うCAを設計できることがこの研究において示された。同様の研究として、エッジ検出処理を行うルールをGAによって進化的に設計した例を挙げることができる。これらの研究は二値画像を対象としていた。Rosinは上記の研究において多値画像のノイズ低減を行ったが、処理には2状態CAを用いていた。この手法ではCAによる処理を繰り返し行うため、計算量が大きいという問題がある。そこで本研究では、多値画像のインパルスノイズ低減を行う多状態CAを進化的に設計する手法を開発した。ルールを木構造のプログラムとして表現するGEPを用いることで、多状態CAのルールを直接設計することが可能となった。評価実験によって提案手法の有効性を検討した結果、提案手法のノイズ低減性能は高く、また従来手法よりも高速な処理が可能であることを示した。

またCAでは、ルールを繰り返し適用する特徴を利用した処理が行われていたことがわかった。今後の課題としては、より性能が高くかつロバストな画像フィルタ設計のためルール変化型CAを改良すること。またエッジ検出など、ノイズ低減以外の画像処理へ提案手法を応用することなどが挙げられる。
DNAポリメラーゼ阻害物質の化学的研究とその作用機構の解明

デヒドロアルテヌシンは哺乳動物のDNAポリメラーゼ(pol)αのみを特異的に阻害し、その他のpolβ、δ、εなどは阻害しない。このため、この化合物はpolαの機能を詳細に調べるための鍵物質となることが期待されている。また、本物質は、ヒト胃がん細胞の増殖を抑制することから、抗がん剤としても期待されている。しかしながら、デヒドロアルテヌシン生産菌の生産量は不安定であり、安定した供給は望めない。さらにこの化合物の全合成は未だ報告がない。そこでデヒドロアルテヌシンを全合成することにした。市販のトリヒドロキシ安息香酸から3工程で目的とするアリールトリフラートを合成した。このアリールトリフラートとアリールボロン酸あるいはアリールボロン酸エステルとを鈴木カップリングさせ、脱保護、酸化を経て、二つの経路でデヒドロアルテヌシンを合成した。総収率は、7工程23%、あるいは6工程21%であった。現在、共同研究者によってデヒドロアルテヌシンの抗腫瘍活性試験を行っている。デヒドロアルテヌシンは、X線結晶解析によりδラクトン環を有する構造であることがRogersらによって既に報告されている。本研究で、極性溶媒(ジメチルスルホキシド、メタノール、水)中では、γラクトン環を有する互変異性体との平衡状態であることを明らかにした。構造活性相関について調べるために、デヒドロアルテヌシンをアセチル化した。それぞれのアセチル体のDNAポリメラーゼ阻害活性を測定したところ、これらの誘導体は全て阻害活性がデヒドロアルテヌシンと比較して20倍程度弱くなっていることが判明した。これらの結果から、デヒドロアルテヌシンの片方のヒドロキシル基ならびにエノン構造が阻害活性に重要であることを明らかにした。デヒドロアルテヌシンはDNAポリメラーゼ(pol)αのみを選択的に阻害し、その他のpolβ、δ、εなどは阻害しない。しかしながら、天然資源から得られるデヒドロアルテヌシンの量は少なく、これらの研究には不十分である。市販のトリヒドロキシベンゾイックアシッドから3工程で目的とするアリールトリフラートを合成した。このアリールトリフラートとアリールボロン酸あるいはアリールボロン酸エステルとを鈴木カップリングさせ、脱保護、酸化を経て、デヒドロアルテヌシンを合成した。以上のように、市販のトリヒドロキシベンゾイックアシッドから、鈴木カップリングを鍵反応として、7工程23%、あるいは6工程21%でデヒドロアルテヌシンの全合成を達成した。デヒドロアルテヌシンをジクロロメタン中、塩化アセチルーピリジンと反応させると、γ、δラクトン環を有するジアセチル体がそれぞれ約2:1で得られた。これら二つのアセチル体はpolα阻害活性を示さなかった。さらにデヒドロアルテヌシンの誘導体を合成し、そのDNAポリメラーゼ阻害活性を測定することにより、構造活性相関を調べている。これを基に、デヒドロアルテヌシンのビオチン化などを行い、polαの詳細な機能を調べるための分子プローブとして利用する予定である。
VUVマイクロ加工

本研究の目的は、波長172nmのVUV光を放射するXeエキシマランプを光源とする光微細加工技術の開発である。以下に記述する目標設定に基づいて研究を遂行し、VUV光化学に関わる基礎的な現象の理解を得るとともに、基礎的知見に基づいた実用性のある微細加工技術の開発に成功した。a)フォトレジストに依存しない微細加工技術の開発:高エネルギーフォトンにより有機分子材料の直接励起することで、フォトレジストを必要としない光微細加工技術を開発した。レジストの塗布・剥離工程が不要とし、微細加工プロセス工程を大幅に短縮化する可能性を有する新しい微細加工技術が誕生した。b)酸素増感VUV加工技術の開発:試料近傍にある酸素分子を励起し、一重項酸素原子に代表される活性酸素種を試料表面直上で発生させ、この活性酸素種の酸化力によって試料表面を酸化_表面修飾する。この酸素増感プロセスの開発によって、波長172nmの短波長紫外線であっても全く感光性を持たず、直接、光微細加工することのできない、例えば、飽和炭化水素単分子膜・高分子材料、の微細加工技術を開発した。c)再現性の高い加工線幅1μmの実現:VUV露光条件の最適化により、0.5μmレベルの微細加工が可能になった。この加工条件を採用することで、再現性の高い1μm加工が実現した。以上の研究成果に加え、加工速度を高めフォトマスク寿命を延ばすことができるナノプロキシミティ・フォトマスクの開発、高分子材料の表面改質技術への応用展開、VUV表面改質を駆使した単分子膜積層技術の開発など、研究申請時には考慮していなかった研究成果を得ることもできた。本研究課題では、真空紫外光(Vacuum Ultra-Violet, VUV)[波長域100200nmの紫外光。本研究では、主として波長172nm,光子エネルギー7.2eVのXeエキシマランプ光を使用]を光源とすることで、有機分子材料を直接励起し微細加工する。レジストの塗布・剥離工程を不要とし、プロセス工程を大幅に短縮化する、新しい光マイクロ加工装置およびプロセス技術を開発することを目標とする。本年度は、大きくわけて、次の2つの研究課題を実施した。1)露光メカニズムの機構解明炭化水素材料とC,H以外の元素(例えばN,O)を含有する場合とでは、VUV励起化学反応機構が異なる。本年度はCとHだけからなる有機分子材料(アルキル基単分子膜およびシクロポリオレフィンポリマー)と、C、H、Oからなる有機分子材料(ポリエチレンテレフタレートおよびポリカーボネート)例にとり、VUV露光による光化学反応過程および酸素増感効果を、分光学的手法(X線光電子分光,赤外分光,ラマン分光等)を中心とした分析手段によって明らかにした。2)表面化学変換露光法の開発アルキル単分子膜のVUV光エッチング加工では、1マイクロメートル近いパターンぼけがあり、シャープな切れ味が得られない。光の回折によるぼけは光の波長程度であるから、それよりも遥かに大きい。この理由は、酸素増感効果にある。膜厚2nm程度の単分子膜であっても、完全に光エッチングされるまで分オーダーの時間を要し、その間に、原子状酸素が非露光エリア内に拡散し、パターンエッジがぼける。そこで、試料最表面の官能基だけを光化学反応させる表面化学変換露光法を開発し、露光時間の短縮と反応拡散によるエッジぼけを縮小する可能性を探った。露光条件を制御することで、試料最表面の-CH3基を-COOH基へと化学変換できることを見いだした。

本研究では、主として波長172nm,光子エネルギー7.2eVのXeエキシマランプ光を使用]を光源とすることで、有機分子材料を直接励起し微細加工する。レジストの塗布・剥離工程を不要とし、プロセス工程を大幅に短縮化する、新しい光マイクロ加工装置およびプロセス技術を開発することを目標とする。本年度は以下に記述する研究課題を実施した。1)VUVマイクロ加工技術の開発昨年度に引き続き、VUVマイクロ加工データベースのさらなる充実を図るため、アルキル単分子膜、高分子材料表面のVUV露光データを収集した。さらに、VUVマイクロ加工の応用について研究を進め、・アルキル単分子膜をVUVフォトレジストとするシリコン基板の微細加工・複数の有機単分子膜からならる複合マイクロパターン形成・金属ナノ粒子のパターン化配列のための、マイクロテンプレート形成等に成功した。また、VUVマイクロ加工実験をより効率的に進めるため、VUVマイクロ露光治具の設計し試作した。2)VUV活性化接合現象の発見高分子材料のVUV露光現象の研究過程で、VUV露光した高分子素材同士を密着させ、加圧すると、通常の融着温度よりも低い温度で、高分子素材同士を強固に接合できることを見出した。VUV露光によって高分子表面が活性化し、この活性化表面同士が低温で化学結合することで、接着したと考えられる。この光活性化接合にVUVマイクロ加工技術を融合させることで、微細な部品の特定の領域だけを光活性化し接合するマイクロ接合技術として、マイクロ光学デバイスやマイクロ流路デバイス等の、微細化プラスチックデバイスの接合技術として実用化が期待できる。本研究課題では、真空紫外光(Vacuum Ultra-Violet, VUV)[波長域100200nmの紫外光。1)ナノプロキシミティフォトマスクの開発試料-フォトマスク間の距離を100nm単位で正確に制御できる、プロキシミティギャップ制御機能付きフォトマスクを開発した。露光時間を半分以下に短縮できるようになったばかりでなく、時間短縮による酸素拡散の抑制が顕在化し、露光パターンの解像度が向上した。2)VUVマイクロ加工によるITO基板上へのマイクロテンプレート形成ITO表面にSAMを被覆しそれをVUVマイクロ加工した。このマイクロテンプレート上には、さまざまなナノ粒子を選択は位置できる。金ナノ粒子の選択配列を実際に行い、その有効性を実証した。3)VUV表面改質による多層膜形成アルキル基SAMの最表層をVUV照射によって化学活性化し、その上にSAMを積層するプロセスを開発した。活性化一再積層を繰り返し10層膜まで作製できることを確かめた。
ダイヤモンドアンビルセルを用いたX線回折法による高圧下での鉱物融体の構造決定

これまで、地球内部構造を調べるために、鉄およびケイ酸塩結晶について、高温高圧条件下におけるX線回折実験が数多く行われてきた。一方、これら結晶性物質に比べ、地球内部に存在する"鉱物融体"については、実験的困難からその構造および物性はあまりよく分っていない。今回、下部マントル以深の温度圧力条件下(P>23万気圧)における鉱物融体の構造を知るために、液体X線回折用ダイヤモンドアンビルセル(DAC)高圧発生装置を開発し、放射光を用いたX線回折法による鉱物融体の構造決定を試みた。高温高圧発生を行うために、高圧発生装置に抵抗加熱式ヒーターを組み込んだ外熱式DACの開発を行った。より高い温度・圧力条件を実現するために、伝熱を考慮に入れ、以下の改良を行った。(1)大きな投入電力を与えるため、二段式ヒーターを使用する。(2)熱伝導による熱の流出を防ぐため、熱流出経路に断熱材を設置する。(3)輻射による熱の流出を防ぐために、試料周りに反射体を設置する。(4)対流による熱の流出を防ぐため試料周りの気体を密閉する。これらの工夫を行うことによって、これまで困難とされてきた1000Kの温度発生に成功した。また、この装置を放射光施設に持ち込み、液体試料のX線回折実験を行った。テスト試料として、液体CS_2の回折強度測定を行った結果、現時点において、約8万気圧、600Kの圧力温度条件における安定した液体の回折強度測定が可能であることが分った。この技術は、まだ発展途上であるが、この装置を改良することで、より高い温度、圧力における液体のX線その場観察が可能であると思われる。この装置は、従来困難であった、蒸気圧の高く漏れやすい液体の高圧下におけるX線その場観察を行う際にも、有効であることが分った。地球内部の高温高圧条件下における鉱物融体の構造を知るために、高圧力発生可能なダイヤモンドアンビルセル(DAC)高圧発生装置を用いた液体のX線その場観察法の開発を行った。超高圧発生可能なレバー式DACに、試料部の温度を局所的に上昇させることが可能なマイクロヒーターおよびセル全体を温めるラージヒーターを取り付け、2段式ヒーターによる抵抗加熱を行った。試料部からの熱の流出を防ぐため、ダイヤモンドの台座として、高温下でも圧縮強度の強く、優れた断熱性を持つ、窒化珪素を使用した。さらに、ラージヒーター周囲には、空気の対流による熱の流出を防ぐため、断熱材および金属保護管を取り付けた。その結果、比較的低い投入パワーで、効率よく試料温度を上昇させることに成功した(3.1度/W)。つぎに、どの程度、液体のX線その場観察ができるかテストするため、テストサンプルとして常温常圧下で液体である二硫化炭素を選び、放射光を用いたX線その場観察を行った。その結果、約5GPa、600Kまでの温度圧力条件を同時発生できることが確認でき、かつS/N比の高い(1:1)良好な液体のX線回折パターンを得ることに成功した。この際、CS_2分子の重合に伴う液体の構造変化を見ることができた。温度圧力決定においても、熱電対、および圧力マーカーを用いることで、それぞれ数%の精度で決定できることがわかった。現時点において、セルおよびヒーターを、限界と思われる荷重、ヒーター投入パワーにくらべ、かなりあまい条件で、使用しており、このDACを用いた場合でも、潜在的には、数10GPa、800Kまで温度圧力発生が可能であると思われる。今後、このようにして開発したDACを用い、レーザー加熱法を導入して実験を行うことにより、これまでの研究にくらべ、飛躍的に高い温度(2000K以上)、圧力(100GPa)条件下における鉱物融体の構造を調べることができると思われる。
土地改良施設における安全性評価手法の開発

1.浸透破壊に対する安全性Prismatic failureの概念を用いて基礎地盤の浸透破壊に対する安全率を定義し,複列矢板を設置した場合の限界水頭差(二次元集中流)を,掘削幅,矢板の根入れ深さをパラメータとして解析した。その結果,掘削幅が小さく,根入れ深さが大きいほど浸透破壊に対する安定性が低下し,単列矢板と仮定して解析すること(二次元流)が極めて危険であり不合理であることを明らかにした。さらに,土の異方透水性の値が大きくなると,二次元流二次元集中流のいずれの場合も地盤の力学的安定性が低下し,特に二次元集中流の場合に顕著であることを明らかにした。2.水理破砕に対する安全性初期亀裂長を各種変化させた円柱供試体を用いてアースダム築堤材料の破壊靭性試験を実施した。その結果,破壊靭性値には寸法効果が存在し,実験・解析結果より供試体直径が初期亀裂長の約7倍以上なければ実際の値を過小評価することを明らかにした。さらに三軸圧縮試験の結果より,不撹乱土や含水比が低下した撹乱土の場合,側方への伸びによる初期亀裂が低応力レベルで発生した。従って,施工の状態・条件によっては築堤過程で縦亀裂が生じ,貯水時に水理破砕へと進展する危険性が十分に考えられることを明らかにした。3.コンクリート構造物の安全性圧縮引張の二軸応力下におけるくさび挿入試験装置を作成し,川砂利,砕石コンクリートの破壊エネルギーを求めた。その結果,破壊エネルギーは一軸応力の場合に比べて減少し,また砕石コンクリートの破壊エネルギーの方が大となり,既往の研究結果を立証した。さらに,多直線近似解析法を適用して引張軟化曲線を推定する解析プログラムを作成しその適用性を検証した。その結果,二軸応力下における引張軟化曲線の形状は圧縮応力比によって異なること,弾性係数は圧縮応力比の増加に伴い低下することを明らかにした。4.干拓堤防の地震時安全性地盤統計学の手法を多次元に拡張して土質パラメータの空間分布に関する統計モデルを構築し,干拓堤防の液状化確率分布を地震発生の統計モデルを考慮して求める手法を開発した。さらに,サンドコンパクション(SCP)工法による地盤改良効果に関する統計モデルを用いて,3つの改良パターンにおける最適砂置換率および最適総費用を期待総費用最小化規準によって決定した。その結果,全面改良のパターンが最適砂置換率が最も小さく,また最適総費用も,破壊損失・耐用年が大である重要構造物に対して最小となることを明らかにした。1.基礎及び堤体中の水理破砕水理破砕を定量的に扱う上で破壊靱性は有効であるが、理論上は半無限地盤において考えているため、供試体による測定では仮定が満たされない場合がある。本研究では同一サイズで大きさの異なる初期亀裂をもつ幾つかの供試体において破壊靱性を測定し、初期亀裂長が破壊靱性に及ぼす影響を調べた。その結果、供試体直径が初期亀裂長の7倍程度あれば理論的仮定を満たすことを実験的に明らかにした。2.浸透破壊に対する安全性評価地下水位の高い地点における矢板背後の地盤は浸透破壊に対して十分注意する必要がある。実例解析から、複列矢板に囲まれた地盤への浸透流の二次元的な集中は浸透破壊に対する安全率を著しく低下させ問題であることがわかった。ここでは、実際に実験的に考察を行うため試験装置を試作した。現在予備実験を行っている段階であり、今後実験を積み重ねてゆく予定である。また、Prismatic Failureの考え方を用いて理論的に二次元集中による浸透破壊安全率の降下について考察を行っているところである。3.コンクリート構造物の安全性評価二軸応力下におけるコンクリートの破壊特性を調べるためのくさび挿入試験装置を作製した。また、この試験装置により得られた結果から、破壊エネルギーおよび引張軟化曲線などの破壊力学パラメータを算定するための解析プログラムを作成した。4.土地改良施設の信頼性設計干拓堤防の圧密沈下予測を行うに際し、今回は手法の確立のため、精度の良い計測結果を得る目的で三軸供試体による異方圧密実験を実施した。試験から得られた供試体の鉛直および側方変位、供試体底部における間隙水圧を用いて同定および予測を実施したところ、有効ヤング率E',有効ポアソン比n',透水係数κが同定され、その結果、間隙水圧計測結果の圧密挙動予測に対する有効性が示された。

さらに三軸圧縮試験の結果より,不撹乱土や含水比が低下した撹乱土の場合,側方への伸びによる初期亀裂が低応力レベルで発生した。従って,施工の状態・条件によっては築堤過程で縦亀裂が生じ,貯水時に水理破砕へと進展する危険性が十分に考えられることを明らかにした。3.コンクリート構造物の安全性圧縮引張の二軸応力下におけるくさび挿入試験装置を作成し,川砂利,砕石コンクリートの破壊エネルギーを求めた。その結果,破壊エネルギーは一軸応力の場合に比べて減少し,また砕石コンクリートの破壊エネルギーの方が大となり,既往の研究結果を立証した。さらに,多直線近似解析法を適用して引張軟化曲線を推定する解析プログラムを作成しその適用性を検証した。その結果,二軸応力下における引張軟化曲線の形状は圧縮応力比によって異なること,弾性係数は圧縮応力比の増加に伴い低下することを明らかにした。4.干拓堤防の地震時安全性地盤統計学の手法を多次元に拡張して土質パラメータの空間分布に関する統計モデルを構築し,干拓堤防の液状化確率分布を地震発生の統計モデルを考慮して求める手法を開発した。さらに,サンドコンパクション(SCP)工法による地盤改良効果に関する統計モデルを用いて,3つの改良パターンにおける最適砂置換率および最適総費用を期待総費用最小化規準によって決定した。その結果,全面改良のパターンが最適砂置換率が最も小さく,また最適総費用も,破壊損失・耐用年が大である重要構造物に対して最小となることを明らかにした。1.基礎及び堤体中の水理破砕ダム堤体から採取した不撹乱試料を用いて圧縮試験を行った結果,供試体の上下端面の拘束条件によって,せん断亀裂よりも縦亀裂が優先される場合が見られた。この場合,縦亀裂はせん断強度の約半分程度の荷重で生じたため,せん断強度を基準として設計を行うと,強度的には許容できる荷重でも縦亀裂が生じ水理破砕の危険性が生じることが明らかになった。2.浸透破壊に対する安全性評価種々の流れの条件(二次元流,二次元集中流,軸対称流及び一次元仮定流)に関して,浸透流解析及び浸透破壊に対する安定解析(Prismatic failureの考え方による)を行い,浸透流の集中による浸透破壊安全率の低下について理論的に考察した。また,軸対称地盤の浸透破壊実験を行い,「変形時水頭差がPrismatic failureの考え方による限界水頭差とよく合うこと」,「地盤には大きなSelf stabilizing効果があること」などについて明らかにした。3.コンクリート構造物の安全性評価くさび挿入法に基づく二軸破壊試験装置を作製して砕石および川砂利コンクリートの破壊試験を行い,二軸応力下における破壊エネルギーおよび引張軟化曲線などの破壊パラメータについて検討した。4.土地改良施設の信頼性設計軟弱地盤において計測された地盤の変形と間隙水圧を用いて圧密挙動の将来予測を行う手法の開発を目的とし,今年度は沈下予測に二次圧密を考慮する解析法,バーチカルドレーンからの放射排水を考慮するための軸対称解析について検討した。また,解析法の完成に向けて,二次圧密や軸対称放射排水圧密の圧密挙動を得るための室内実験を重点的に実施した。この実験に対して,連結型圧密試験装置および放射排水圧密試験装置を試作し,有効な計測データを得ることができた。1.フィルダム堤体の水理破砕
バンド軌道制御によるシリサイド半導体の光学機能創出

シリサイド半導体β-FeSi2の伝導帯下端と価電子帯上端はFeの3d軌道成分が支配的であり、この3d軌道バンドに起因してβ-FeSi2は特徴ある光学機能を発現する。しかし、3d電子の軌道は異方性が大きいため、電子・正孔の局在性が強くなる。また、選択則から3dー3d準位間の遷移は禁制遷移であるため、伝導帯(3d)ー価電子帯(3d)間の光学遷移確率(振動子強度)が極めて小さくなるデメリットがある。β-FeSi2のデバイス特性を改善するには、3d軌道バンドの特徴(利点)を失わず、このデメリットを抑制または解消する新たな学術研究が必要不可欠である。そこで本研究課題では、8族元素であるFeの一部を同族元素のRuで置換したβ-(Fe1-xRux)Si2に着目した。β-FeSi2とRu2Si3の混晶半導体であるβ-(Fe1-xRux)Si2の価電子帯では、Si 2p軌道とFe 3d軌道が混成したpd混成軌道バンドが形成され、その軌道混成度はRu組成により制御できると期待される。この価電子帯でのpd混成軌道バンド形成により、β-(Fe1-xRux)Si2では3d軌道バンドの利点が失われず、デメリットである正孔の局在、バンド間禁制遷移が解消できると考えられる。本研究課題では、実際に分子線エピタキシー法とマグネトロンスパッタリング法によりβ-(Fe1-xRux)Si2薄膜をSi基板上に作製し、電気および光学評価によりpd混成軌道バンド形成の検証を目的としている。β-(Fe1-xRux)Si2薄膜の作製を念頭に、2018年度は本研究グループで作製実績のなかったRu2Si3薄膜の作製と、その物性評価を行った。まずはマグネトロンスパッタリング法によるSi基板上のRu2Si3薄膜の作製を目指し、その作製条件の最適化を行った。その結果、Ru : Si組成比が2 : 3の膜厚約800 nmのRu2Si3多結晶薄膜の作製に成功した。そのRu2Si3多結晶薄膜の電気特性を評価した結果、残留電子濃度が1×1016 cm-3、電子移動度が930 cm2/V&#8729;sという値が得られた。この残留キャリア濃度は、従来報告値より2桁以上低い値であり、高移動度を示すことから高品質Ru2Si3多結晶薄膜が作製できた判断される。また、光学特性評価から単結晶とほぼ同じバンドギャップ(0.75 eV@300K)と誘電関数を示すことを確認した。そして、低温における発光特性評価では、約0.8 eV付近にRu2Si3のバンド間遷移による発光をはじめて観測した。一方、β-(Fe1-xRux)Si2薄膜を作製した際には、RuがFeサイトを置換しているかの確認が必要となる。ラマン分光法によるFeーFe振動の波数位置測定が原子置換の評価方法として適しているが、β-FeSi2の4つのFeーFe振動モード(Ag, B1g, B2g, B3g)と波数位置との対応関係が未知であった。そこで、β-FeSi2エピタキシャル膜において偏光ラマンスペクトルを測定し、ラマン散乱強度の試料回転角度依存性の解析から、各モードの波数位置の同定に成功した。2018年度の研究成果により、発光を示す高品質Ru2Si3多結晶薄膜の作製に成功し、β-FeSi2のFeーFe振動のモード同定にも成功した。これらの成果により、β-(Fe1-xRux)Si2薄膜を作製する下地と、その評価技術が構築できたといえる。2019年度はマグネトロンスパッタリング法によりβ-(Fe1-xRux)Si2混晶半導体の作製に取り組む。Ru組成の異なるβ-(Fe1-xRux)Si2多結晶薄膜を系統的に作製し、ラマン分光法によりRu置換率を評価する。また、変調分光法によるバンド構造評価技術を構築し、pd混成軌道バンドの形成を検証する。その際、Ru組成に依存してpd混成軌道バンドのp軌道寄与度が変化するかを検証し、その最適化を行う。その後、光学特性評価、発光スペクトル評価を行い、pd混成軌道バンドの形成による光学特性の向上について調べていく。上記のβ-(Fe1-xRux)Si2多結晶薄膜の作製と評価と平行して、Si基板上のβ-(Fe1-xRux)Si2エピタキシャル膜の作製にも取り組む。申請者等の研究により、Si基板上のβ-FeSi2ではSi基板から導入されるひずみによりβ-FeSi2のバンド構造が変化することが実証されている。Si基板上のβ-(Fe1-xRux)Si2エピタキシャル膜においても、ひずみ導入によるバンド構造変化が期待されるため、pd混成軌道バンドの形成とともに、ひずみとバンド構造変化についても評価していく予定である。

β-FeSi2のデバイス特性を改善するには、3d軌道バンドの特徴(利点)を失わず、このデメリットを抑制または解消する新たな学術研究が必要不可欠である。そこで本研究課題では、8族元素であるFeの一部を同族元素のRuで置換したβ-(Fe1-xRux)Si2に着目した。β-FeSi2とRu2Si3の混晶半導体であるβ-(Fe1-xRux)Si2の価電子帯では、Si 2p軌道とFe 3d軌道が混成したpd混成軌道バンドが形成され、その軌道混成度はRu組成により制御できると期待される。この価電子帯でのpd混成軌道バンド形成により、β-(Fe1-xRux)Si2では3d軌道バンドの利点が失われず、デメリットである正孔の局在、バンド間禁制遷移が解消できると考えられる。本研究課題では、実際に分子線エピタキシー法とマグネトロンスパッタリング法によりβ-(Fe1-xRux)Si2薄膜をSi基板上に作製し、電気および光学評価によりpd混成軌道バンド形成の検証を目的としている。β-(Fe1-xRux)Si2薄膜の作製を念頭に、2018年度は本研究グループで作製実績のなかったRu2Si3薄膜の作製と、その物性評価を行った。まずはマグネトロンスパッタリング法によるSi基板上のRu2Si3薄膜の作製を目指し、その作製条件の最適化を行った。その結果、Ru : Si組成比が2 : 3の膜厚約800 nmのRu2Si3多結晶薄膜の作製に成功した。そのRu2Si3多結晶薄膜の電気特性を評価した結果、残留電子濃度が1×1016 cm-3、電子移動度が930 cm2/V&#8729;sという値が得られた。この残留キャリア濃度は、従来報告値より2桁以上低い値であり、高移動度を示すことから高品質Ru2Si3多結晶薄膜が作製できた判断される。また、光学特性評価から単結晶とほぼ同じバンドギャップ(0.75 eV@300K)と誘電関数を示すことを確認した。そして、低温における発光特性評価では、約0.8 eV付近にRu2Si3のバンド間遷移による発光をはじめて観測した。一方、β-(Fe1-xRux)Si2薄膜を作製した際には、RuがFeサイトを置換しているかの確認が必要となる。ラマン分光法によるFeーFe振動の波数位置測定が原子置換の評価方法として適しているが、β-FeSi2の4つのFeーFe振動モード(Ag, B1g, B2g, B3g)と波数位置との対応関係が未知であった。そこで、β-FeSi2エピタキシャル膜において偏光ラマンスペクトルを測定し、ラマン散乱強度の試料回転角度依存性の解析から、各モードの波数位置の同定に成功した。2018年度の研究成果により、発光を示す高品質Ru2Si3多結晶薄膜の作製に成功し、β-FeSi2のFeーFe振動のモード同定にも成功した。これらの成果により、β-(Fe1-xRux)Si2薄膜を作製する下地と、その評価技術が構築できたといえる。2019年度はマグネトロンスパッタリング法によりβ-(Fe1-xRux)Si2混晶半導体の作製に取り組む。Ru組成の異なるβ-(Fe1-xRux)Si2多結晶薄膜を系統的に作製し、ラマン分光法によりRu置換率を評価する。また、変調分光法によるバンド構造評価技術を構築し、pd混成軌道バンドの形成を検証する。その際、Ru組成に依存してpd混成軌道バンドのp軌道寄与度が変化するかを検証し、その最適化を行う。その後、光学特性評価、発光スペクトル評価を行い、pd混成軌道バンドの形成による光学特性の向上について調べていく。
周辺車両ドライバの状態推定

周辺車両ドライバの状態に応じた運転支援システムのコンセプトを提案し,そのようなシステムが周辺車両ドライバの状態に適応的ではない従来型のシステムと比べ,より効果的に運転支援が行えることを明らかにした。そして,そのようなシステムを実現するための要素技術として,後続車両の車両挙動からその車両を運転するドライバの反応時間や不注意運転傾向の度合いを推定する手法などを提案した。本研究は,自車両の周辺車両のドライバの状態に応じて適応的に運転支援を行う技術を実現することにより,交通事故件数の大幅な低減に寄与することを目的としている。本研究はそのために,周辺車両ドライバの状態や意図を推定し行動を予測する技術,およびこれらの推定情報に基づく適応的な運転支援の方法について検討を行った。本研究では周辺車両として後続車両を対象とし,自車の後続車両ドライバの状態を推定する技術およびそれに基づく効果的な運転支援の方法について検討した。その結果,後続車両ドライバの反応時間を,自車から観測可能な情報から推定する手法として,後続車両の横方向変位の周波数スペクトルから,その車両のドライバの先行車急減速に対する反応時間の確率分布を推定する手法を考案し,ドライビングシミュレータを用いた実験によりその有効性を明らかにした。また,後続車両ドライバの「不注意運転傾向」を,自車から観測可能な情報から推定する手法として,自車両減速時の後続車両の自車両に対するTTCの最小値から,その車両のドライバの「不注意運転傾向」を推定する手法を考案し,ドライビングシミュレータを用いた実験によりその有効性を明らかにした。さらに,周辺車両ドライバの状態に応じた支援システムのコンセプトを提案し,その有効性を,後方プリクラッシュセーフティシステムを仮定したシミュレーション計算により示した。すなわち,後続車両ドライバの反応時間の確率分布に応じて自車両システムの動作を適応的に決定することにより,後続車両ドライバの状態を考慮しない場合と比べ,より効果的なシステムが実現できることを明らかにした。本研究は,自車両の周辺車両のドライバの状態に応じて適応的に運転支援を行う技術を実現することにより,交通事故件数の大幅な低減に寄与することをねらいとしている。本研究はそのために,周辺車両ドライバの状態や意図を推定し行動を予測する技術,およびこれらの推定情報に基づく適応的な運転支援の方法の研究を目的としている。本年度は,これまでドライビングシミュレータでの実験データを基に検討をしてきた後続車両の車両挙動からその車両ドライバの突発事象に対する反応時間の確率分布を推定する手法について,実車で一般道を走行することにより計測された運転行動データを使って,この手法の現実世界の車への適用可能性を検討した。その結果,検討対象にしたデータの範囲では,悪天候下や運転初心者などの例外的な場合を除き,車両挙動からドライバの突発事象に対する反応時間の確率分布を推定できる可能性が確認された。また本年度は,対向車両ドライバの状態に応じて自車両ドライバを支援することにより,交差点における人為的ミスに起因する自動車交通事故を防止することを狙いとして,周辺車両ドライバとして交差点における対向車両ドライバを取りあげた。対向車線を走行する車両のドライバが実行しようとしている運転行動が,その状況における通常の運転行動から逸脱しているか否かを,その車両挙動から検出する手法を,ドライビングシミュレータでの実験データを基に基礎的な検討を行い,交差点における対向車両の右折行動の通常からの逸脱を予測する手法を提案した。本研究は,周辺車両ドライバの状態に応じて適応的に自車両の運転支援システムを動作させることによってより効果的な運転支援を実現し,交通事故件数低減に寄与することを狙いとしたものである。本研究ではそのために,周辺車両ドライバの状態や意図を推定し行動を予測する技術,およびこれらの推定情報に基づく適応的な運転支援の方法の研究を実施した。昨年度までに,後続車両の車両挙動からその車両ドライバの突発事象に対するアクセル反応時間の確率分布を推定する手法を提案し,ドライビングシミュレータおよび実車両の走行データを用いて手法の評価を行った。本年度は更に多くの実車両の走行データの統計的分析により,提案手法の更なる評価を行うとともにこの手法の推定モデルのパラメータを明らかにした。本研究ではまた,対向車両ドライバの状態に応じて自車両ドライバを支援することにより,交差点における人為的ミスに起因する自動車交通事故を防止することを狙いとした研究を実施した。昨年度,対向車線を走行する車両のドライバが実行しようとしている運転行動が,その状況における通常の運転行動から逸脱しているか否かを,その車両挙動から検出する手法を提案したが,この手法は対象とする状況が複雑となった場合に適用が困難となる課題があった。本年度はこの課題を解決するため,より複雑な場面に適用できるように改良した手法を考案し,ドライビングシミュレータを用いた実験によりその有効性を確かめた。さらに本年度は,他車両ドライバが道路上の物体に気付いているか否かをその車両挙動から推定する手法についても基礎的な検討を行った。
水熱劣化を抑制し色調付与に配慮した高透光性ジルコニアセラミックスの開発

前年の実験で良好な耐劣化性を示した高透光性ジルコニアでブロックを試作した。まず、上顎右側第一大臼歯エポキシ模型をフルジルコニアクラウン用に形成し、それを歯科用CAD/CAMシステムのスキャナーによりスキャンしCADソフトウェア上で大臼歯クラウンをデザインした。その後、完全焼結ジルコニアブロックからミリングマシンでクラウンを切削加工した。作製したクラウンの適合性を確認するため、クラウンと支台歯の間に適合試験材を挿入し辺縁間隙量をマイクロスコープで観察した。また、内面に残った適合試験材の質量から内面間隙量を算出した。そのクラウンを支台歯にセメントで固定し咬合面より万能試験機にて荷重を加え、破壊試験を行った。破壊後の試料を用いてX線回折を行い、クラウンの劣化について評価した。比較の対象には市販高透光性ジルコニアクラウンを用いた。ミリングマシーンによって完全焼結ジルコニアブロックからジルコニアクラウンが作製された。完全焼結ブロックの切削のため半焼結ジルコニアブロックの切削と比べて長い時間がかかった。辺縁間隙量、内面間隙量ともに市販高透光性ジルコニアクラウンと有意な差を認めなかった。クラウンの破壊試験では、市販高透光性ジルコニアクラウンよりも高い破壊荷重を示した。また、破断面のX線回折から市販高透光性ジルコニアクラウンには有意な劣化が認められたが、試作ジルコニアには認められなかった。また、試作ジルコニア粉末に酸化鉄を微量に添加し焼結させたジルコニアは黄色みがかかっており色調付与することに成功した。近年、透光性ジルコニアの需要が増加しているが、口腔内での長期使用すると水熱劣化により破折につながる可能性が危惧される。本研究ではシリカ添加により劣化を抑制し、かつ透光性を高め、さらにミストCVD法によるステイン陶材との焼付強さ向上を試みる。まず、アルミナを使用せずシリカを添加し透光性と耐劣化性を向上させたジルコニアの製作を試みた。実験には、シリカを0.2 wt%添加し、焼結温度を1400 °C、1450 °C、1500 °C、1600°Cに変化させた4種類の試作イットリア系ジルコニア(Y-TZP)を用いた。コントロールとして市販フレーム用Y-TZPと市販高透光Y-TZPを用いた。試作Y-TZPは、アルミナを含まずイットリアを3 mol%含むジルコニア粉末にシリカ粉末を0.2 wt%添加しボールミルにて粉砕・混合した。次に、冷間等方圧加工法により、粉末をプレス成形した。試作YーTZP、市販Y-TZPともに指定温度まで焼結炉の温度を上昇させ、その後、2時間の係留を行い、焼結させた。各試料の密度を比重測定キッドにて測定した。その後、試料を直径20 mm、厚み0.5 mmに加工し分光測色計を用いて標準白板および黒板上でY,L*,a*,b*を測定し各試料のコントラスト比と透光性パラメータを算出した。試作YーTZPのかさ密度は、1400 °Cで焼結させた試料のみ約5%低く、他の試料はほとんど変わらなかった。透光性パラメータ、コントラスト比から試作Y-TZPは1400°Cで焼結させた試料の透光性が最も低く、1450°C、1500°Cと焼結温度を上昇させるごとに透光性が高くなった。しかし、1600°Cの試料は1500°Cの試料よりも透光性が低かった。市販Y-TZPと比較すると、1500°Cで焼結させた試作Y-TZPは市販フレーム用Y-TZPよりも透光性が高く、市販高透光性Y-TZPよりも透光性が低かった。私が以前に行った研究では、シリカを微量添加して複合化したジルコニアは、強度や靭性が高く、水熱劣化しにくい材料であることが示された。市販の高透光性ジルコニアは透光性を向上させるため、劣化の抑制に働き、光の散乱因子となるアルミナを減少させている。そこで、本研究ではジルコニアの透光性を向上させるために、アルミナを含有しないイットリア系ジルコニア(Y-TZP)に、シリカを0.2 wt%添加し複合化させることで、劣化しにくくかつ、透光性が高いいジルコニア系ナノ複合材料の開発を試みた。1400 °Cで焼結した試作Y-TZPのかさ密度は他の試作Y-TZPよりも約5 %低く、透光性も低かった。これは、焼結されたジルコニアの内部に気泡が存在し、光を散乱していることが原因と考えられた。1500 °Cで焼結した試作Y-TZPは、試作Y-TZPの中で最も透光性が高かった。これは、焼結温度の上昇により、粒成長が起こり、内部の気泡が減少したことが原因と考えられた。焼結温度が1600 °Cの試作Y-TZPは1500 °Cで焼結した試作Y-TZPよりも透光性が低かった。ジルコニアの焼結温度が高くなると、結晶構造が正方晶から立方晶に移行しやすくなることや、シリカの融点が1650 °Cであることから、焼結温度を高くしても透光性は高くならず、強度が低下する可能性が高いと考えられた。

今回試作したY-TZPは1500 °Cで焼結すると、市販フレーム用Y-TZPよりも透光性が高くなることが示され、シリカを添加し、かつ透光性の向上させることに関して、目的が達成できた。本研究では、シリカ添加により劣化を抑制し、かつ透光性を高め、さらにミストCVD法によるステイン陶材との焼付強さの向上を試みることを目的とし、昨年度は、アルミナを使用せず、シリカを0.2wt%添加した試作イットリア系ジルコニア(Y-TZP)を製作し、かさ密度と透光性を評価した。今年度は、まず試料の中で最も透光性の高かった1500°Cで焼結した試作YーTYPの物性評価を行った。実験にはシリカを0.2wt %添加し、1500°Cで2時間係留し焼結した試作Y-TZPとコントロールとして市販高透光性Y-TZPを用いた。各試料を薄板に加工し試料を5群(非劣化群、劣化群4群)に分け、劣化群には134°C水中で最大40時間まで加速劣化試験を行った。その後、万能試験機を用いて曲げ試験を行った。また、各試料に対し、X線回折によりジルコニアの単斜晶割合を測定し、劣化の程度を検討した。非劣化群では試作Y-TZP、市販高透光性Y-TZPともに約800MPaの曲げ強度を有していたが、劣化試験40時間後では,市販高透光性Y-TZPの曲げ強度が試作群と比べて有意に低下した。また、市販高透光性Y-TZPの単斜晶割合は劣化試験40時間後に約80%であったが、試作Y-TZPの単斜晶割合は25%以下であった。これらの結果から、シリカを添加することで水熱劣化を抑制したY-TZPを製作することができたと考えられた。曲げ試験で使用した試料に対し、ミストCVDによるシリカ皮膜の付与を行った。成膜を行った試料に対し、蛍光X線分析装置を用いて表面の組成定量分析を行い、表面および断面の微細構造観察を走査型電子顕微鏡(FE-SEM)にて観察した。表面の組成定量分析の結果、CVD処理後には0.08%のSiO2が認められた。FE-SEMによる表面および断面の観察の結果、処理前とCVD群を比較しても、明確な膜の形成は認められなかった。試作Y-TZPの劣化試験を行った結果、市販高透光性Y-TZPよりも劣化しにくいことがわかり、試作Y-TZPには高い強度と劣化しにくい性質があることが明らかとなった。ミストCVD装置によるシリカ成膜の実験では、表面および断面の微細構造観察を走査型電子顕微鏡(FE-SEM)にて観察した。ところが、FE-SEMによる表面および断面の観察の結果、処理前とCVD群を比較しても、明確な膜の形成は認められなかった。そのため、着色付与の方法をステイン陶材による着色からY-TZPそのものに色調を付与させる方法を考えることが必要と考えられた。前年の実験で良好な耐劣化性を示した高透光性ジルコニアでブロックを試作した。まず、上顎右側第一大臼歯エポキシ模型をフルジルコニアクラウン用に形成し、それを歯科用CAD/CAMシステムのスキャナーによりスキャンしCADソフトウェア上で大臼歯クラウンをデザインした。その後、完全焼結ジルコニアブロックからミリングマシンでクラウンを切削加工した。作製したクラウンの適合性を確認するため、クラウンと支台歯の間に適合試験材を挿入し辺縁間隙量をマイクロスコープで観察した。また、内面に残った適合試験材の質量から内面間隙量を算出した。そのクラウンを支台歯にセメントで固定し咬合面より万能試験機にて荷重を加え、破壊試験を行った。破壊後の試料を用いてX線回折を行い、クラウンの劣化について評価した。比較の対象には市販高透光性ジルコニアクラウンを用いた。ミリングマシーンによって完全焼結ジルコニアブロックからジルコニアクラウンが作製された。
ケラチン病の病態生理に関する研究

ケラチン病は、ケラチン遺伝子に点突然変異、欠失が入ることにより、正常なケラチン中間径線維が形成されなくなることが、原因と考えられてきた。正常なケラチン中間径線維が形成されない角化細胞は、外力に対する抵抗性が低下し、微細な外からの外力により、細胞が壊れやすくなる。今回われわれは、細胞質に変異ケラチン凝集塊が存在する角化細胞では、ERストレスが生じていることを見つけた。かつ変異ケラチン凝集塊を持つ角化細胞では、TNF-αの産生が亢進していることも明らかにした。TNF-αの産生亢進には変異ケラチン凝集塊による20Sプロテアソームの機能抑制が直接関係していた。さらに、TNF-αの中和抗体を用いると角化細胞のアポトーシスが抑制された。これらの結果は、角化細胞内に変異ケラチン凝集塊が生じるとTNF-αが産生され、オートリン・パラクリン経路により角化細胞がアポトーシスにおちいることを示すものである。ケラチン病の代表的疾患である単純型先天性表皮水疱症は、ケラチン14蛋白質の変異により生じることが分かっている。変異ケラチン14cDNAをトランスフェクションした細胞では、TNFα産生が増加していることおよび細胞自身がアポトーシスに陥っていることが判明した。近年ケラチン8およびケラチン18蛋白質は、肝細胞においてTNFαにより誘導されるアポトーシスを抑制することが証明された。今回の研究結果より単純型先天性表皮水疱症の病変皮膚で観察される細胞の空胞変性にアポトーシスが関与している可能性が示唆された。ケラチン病の原因として、変異ケラチン凝集塊を生じた角化細胞がアポトーシスにおちいるという現象も考慮すべきだと思われた。ケラチンは細胞質内に線維状に分布する細胞骨格蛋白であり、細胞の形態維持に重要な役割を果たしている。近年のケラチン研究の進展には目覚ましいものがあり、ケラチン遣伝子および蛋白の研究は一部の遺伝性皮膚疾患の発症機序を明らかにするという全く予想されなかった展開をみせるに至った。しかし現在ケラチン病の疾患概念が確立したものの、解決すべき課題は多々残されている。また、先天性表皮水疱疾患者の病変皮膚を、電子顕微鏡で観察すると、基底細胞の細胞質(特に各周囲)にケラチン蛋白の異常凝集物が観察されるが、有棘層より上層の細胞では、そのような凝集物の数は次第に減少し有棘層上層の細胞において消失する。これらの凝集塊が何故消失するかに関しても現時点ではその機序は解明されていない。更に一般にケラチン病では空胞変性(vacuolar degeneration)と呼ばれる病理組織像も観察されるが、何故このように細胞質に空砲が生じるかについてもよく分かっていない。今回のわれわれの研究目的は、ケラチン病に認められる空砲変成が生じる機序ならびに異常ケラチン凝集塊の消失機序を明らかにすることである。平成14年度の研究目標は、トランスフェクション用コンストラクトの作製と、Transient Transfectionの系の樹立を目標としていた。ヒトケラチン14cDNAをcultured humankeratinocyte cDNA libraryよりクローニングする。このcDNAを用いて、PCR法によりケラチン14cDNAに変異を導入した。こうして得られた変異ケラチン14cDNAをpcDNA3.1/V5-HisTOPOvectorにサブクローニングしトランスフェクション用のベクター(transfection vector)を作製した。上記のtransfection vectorとHis-tagged wild-type ubiquitin cDNAを含んだtransfection vectorをHaCaT細胞にcontransfectionを行った。contransfectionした細胞をV5に対する抗体で染めることにより、細胞質内に変異異ケラチン14とケラチン5よりなる凝集物が生じていることを確認した。

現在免疫電顕を施行して、凝集物が変異ケラチン14ケラチン5よりなることを確認した。contransfectionした細胞をユビキチンに対する抗体で染めることにより、凝集物がユビキチン化されていることを確認した。さらにcontransfectionした細胞に対して免疫沈降法を施行、その後抗ユビキチン抗体で免疫部ブロットを施行して、変異ケラチン蛋白(変異ケラチン14)がユビキチン化されていることを確認中である。ケラチン病は、ケラチン遺伝子に点突然変異、欠失が入ることにより、正常なケラチン中間径線維が形成されなくなることが、原因と考えられてきた。正常なケラチン中間径線維が形成されない角化細胞は、外力に対する抵抗性が低下し、微細な外からの外力により、細胞が壊れやすくなる。今回われわれは、細胞質に変異ケラチン凝集塊が存在する角化細胞では、ERストレスが生じていることを見つけた。かつ変異ケラチン凝集塊を持つ角化細胞では、TNF-αの産生が亢進していることも明らかにした。TNF-αの産生亢進には変異ケラチン凝集塊による20Sプロテアソームの機能抑制が直接関係していた。さらに、TNF-αの中和抗体を用いると角化細胞のアポトーシスが抑制された。これらの結果は、角化細胞内に変異ケラチン凝集塊が生じるとTNF-αが産生され、オートリン・パラクリン経路により角化細胞がアポトーシスにおちいることを示すものである。ケラチン病の代表的疾患である単純型先天性表皮水疱症は、ケラチン14蛋白質の変異により生じることが分かっている。変異ヶラチン14cDNAをトランスフェクションした細胞では、TNFα産生が増加していることおよび細胞自身がアポトーシスに陥っていることが判明した。近年ケラチン8およびケラチン18蛋白質は、肝細胞においてTNFαにより誘導されるアポトーシスを抑制することが証明された。今回の研究結果より単純型先天性表皮水疱症の病変皮膚で観察される細胞の空胞変性にアポトーシスが関与している可能性が示唆された。ケラチン病の原因として、変異ケラチン凝集塊を生じた角化細胞がアポトーシスにおちいるという現象も考慮すべきだと思われた。