hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
AA-PET/CTによる粒子線照射時の生体内実線量分布を画像化する技術を確立する

前立腺癌症例に対する重粒子線治療後1年時のMRI(T2WI)画像上で、重粒子線が高線量照射されている範囲にMRI(T2WI)画像で高信号を示すことが確認された。治療計画上での、isocenterを通る水平線上の予測線量profileと、MRI画像について,isocenterを通る水平線上のMRI(T2WI)の信号強度profileを求め、この2つのprofile曲線から、MRI画像上における信号強度と、治療計画時の推定吸収線量との間の相関関数を得た。本研究により、生体に侵襲を加えず,生体に照射された吸収線量を計測できる手法を開発できる可能性が示唆されたと考える。研究計画に基づき、従来の線量計で得られたデータに基づく治療計画装置(群馬大学設置,XiO-N)において、より精確度の高い治療計画を行うための理論的再検討を行った。従来の放射線治療計画装置では、静止した状態の情報のみに基づいて計算と評価が行われており、動きを含めた経時的変化をその評価の中に加えられて来なかった。そこで新たに、各状態に存在確率と掛け合わせ合算することで、経時的変化を内在した形で、放射線治療計画を評価する手法を考案し、従来の放射線治療計画よりも、より現実に起きる形に近い状態の評価が可能な論理を構築した。具体的には、特に深部方向の線量分布が不均一になる炭素イオン線治療や陽子線治療のような粒子線治療において、従来の放射線治療計画では想定できなかったような、照射野中心域における線量の低下現象などを捉えることができる。頭頸部領域の悪性腫瘍に対する炭素イオン線治療において、処方線量の95%でカバーされる標的体積の割合(V95)は、従来の放射線治療計画の線量分布では99.4%であったのに対し、あたらな論理において、経時的なセットアップエラーを想定した場合、V95は80.4%に低下していた。これは十分な治療線量があっている範囲が、従来の放射線治療計画装置で想定されたものよりも、実際にはもっと少ない可能性を意味し、結果として、悪性腫瘍の局所再発など、従来の放射線治療計画装置では想定されなかった結果に結びつく可能性を意味している。現在、新たに検討した論理に基づく、治療計画装置の原案について、特許出願手続きと、論文作成を行っているところである。研究計画に基づき、従来の線量計で得られたデータに基づく治療計画装置(群馬大学設置,XiO-N)において、より精度の高い治療計画を行うための理論的再検討を行った。そこで新たに、各状態に存在確率と掛け合わせ合算することで、経時的変化を内在した形で、放射線治療計画を評価する手法を考案し、従来の放射線治療計画よりも、より現実に起きる形に近い状態の評価が可能な理論を構築した。具体的には、特に深部方向の線量分布が不均一になる炭素イオン線治療や陽子線治療のような粒子線治療において、従来の放射線治療計画では想定できなかったような、照射野中心域における線量の低下現象などを捉えることができた。また、粒子線照射時の生体内実線量分布を画像化する技術を開発するにあたり、前立腺癌重粒子線治療後のMRI画像上の信号変化を解析し、治療時の線量分布図との相関について解析を行った。当解析によって、粒子線照射時の生体内実線量分布をより正しく把握できる可能性があると考えており、前述の新たに検討した理論を実証できる一つの方法になると考えている。現在、前述の治療計画装置の原案について、学内における特許出願手続きを申請し、引き続き出願手続き継続している。また、上記案件について論文作成を行っているところである。また、粒子線照射時の生体内実線量分布を画像化する技術を開発するにあたり、前立腺癌重粒子線治療後のMRI画像上の信号変換を解析し、治療時の線量分布図との相関について解析を行った。当解析によって、粒子線治療時の生体内実線量分布をより正しく把握できる可能性があると考えており、前述の新たに検討した理論を実証できる一つの方法になると考えている。

さらに、粒子線治療の線量分布画像の現段階の評価を行うために、従来の放射線による強度変調放射線治療との線量分布の比較を行い、また、同じ粒子線治療間においても治療ポートの設定による違いによる線量分布の変化について検討を行った。また、粒子線照射時に評価を行っている線量分布と、生体内実線量分布の臨床的結果と考えられる有害事象との関連性について評価を行った。現在、前述の治療計画装置の原案について、学内における特許出願手続きを申請し、引き続き出願手続きを継続している。また、上記案件について論文作成を行っているところである。前立腺癌症例に対する重粒子線治療後1年時のMRI(T2WI)画像上で、重粒子線が高線量照射されている範囲にMRI(T2WI)画像で高信号を示すことが確認された。治療計画上での、isocenterを通る水平線上の予測線量profileと、MRI画像について,isocenterを通る水平線上のMRI(T2WI)の信号強度profileを求め、この2つのprofile曲線から、MRI画像上における信号強度と、治療計画時の推定吸収線量との間の相関関数を得た。本研究により、生体に侵襲を加えず,生体に照射された吸収線量を計測できる手法を開発できる可能性が示唆されたと考える。研究実績の概要で記載したごとく、新たな理論検討と、それに関する新たな解析研究を行っている。そのため、当初予定していたデータ取得に至っていないため。放射線治療研究実績の概要で記載したごとく、新たな理論検討と、それに関する新たな解析研究を開始した。また、これらに関する特許出願手続き等を行っている。当初予定していた研究計画からは予定を変更することになっているが、最終的な目標とするところが変わるものではなく、新たな成果をまとめつつ、予定の研究を推進していく方策である。研究実績の概要で記載したごとく、新たな理論検討と、その開発、特許出願手続き等を行っているため、当初予定していたデータ取得に至っていないため。研究実績の概要で記載したごとく、新たな理論検討と、その開発、特許出願手続き等を行っているため、その点においては、新たな成果が得られつつある一方で、当初予定していた研究計画からは予定を変更することになった。最終的な目標とするところが変わるものではなく、新たな成果をまとめつつ、予定の研究を推進していく方策である。上記のごとく、当初予定していた研究計画からは予定を変更することになったが、最終的な目標とするところが変わるものではなく、新たな成果をまとめつつ、使用計画についても、平成25年度、平成26年度に予定していた計画に基づいて、予定の研究を推進していく方策である。
孤立ナノ空間に形成された水クラスターの水素結合ダイナミクス解析

「かご状有機金属錯体」は、自己組織化により特異なナノメートルサイズの疎水的空間を内部に形成し、様々な化学反応の場を提供する「分子フラスコ」としてはたらく。本研究では、この特異なナノ空間中における水クラスターおよびアダマンタンの光化学反応メカニズムを赤外および可視分光法で比較解析し、ナノ空間に束縛された水クラスターの水素結合ダイナミクスを明らかにすることを最終的な目的としている。これまでにアダマンタンを内包したかご状錯体に対する低温赤外分光解析により、光電子移動によるアダマンタンおよびかご状錯体の構造変化を検出した(Y.Furutani et al., J.Am.Chem.Soc., 2009)。このような構造変化を実時間で捉えるために、2009年3月に異動した分子科学研究所において、新たに時間分解赤外分光計測系を立ち上げた。光受容タンパク質であるバクテリオロドプシンについては、内部結合水のO-H, O-D伸縮振動の変化を含む4000-900cm^<-1>領域での計測を12.5マイクロ秒の時間分解能で実現した。また、アダマンタンからかご状錯体への光誘起電子移動に伴う可視吸収変化を実時間で捉えるために、東工大資源研の藤井正明教授、酒井誠准教授、井上圭一特任助教(現、名古屋工業大学助教)に協力頂いて、266nm紫外光励起、500-750nm可視光プローブのピコ秒過渡吸収計測を行った(A01班内共同研究)。さらに、A03班の須藤雄気准教授との共同研究として、光センサー蛋白質の分子機構について赤外分光計測を行い、3件の論文を発表した。以上の研究により、ナノ空間に束縛された水クラスターの水素結合ダイナミクスだけでなく、蛋白質場での特異な光誘起構造変化による情報伝達機構などについても様々な知見を得た。これまでにアダマンタン内包かご状錯体において、光誘起電子移動が生じることが明らかにされている。また、室温で氷と同じ水素結合構造を形成した水クラスターも報告されている。本年度の研究実績として主に以下のものが挙げられる。1,アダマンタン内包かご状錯体の光誘起電子移動反応の赤外分光解析かご状錯体を形成する4個の2, 4, 6-トリス(4-ピリジル)-1, 3, 5-トリアジンの1つが、1電子を受容して、赤外吸収変化をもたらしているものと結論づけた(Y. Furutani, et al., J. Am. Chem. Soc. 2009)。2,水クラスター内包かご状錯体の赤外分光解析これまで水和フィルム試料において、低温で紫外線照射することにより、水のOH伸縮振動が変化することを確認している。この変化がアダマンタン同様に光誘起電子移動によるものかを確認するために、試料の温度をヒーターで上げ、温度上昇に由来する赤外差スペクトルと比較した。両者のスペクトルはよく一致したため、水のOH伸縮振動の変化は熱に由来することが分かった。今後は、時間分解計測を行うことで、ケージが吸収した光エネルギーがどのようにして水クラスターに伝達されているのかを明らかにする予定である。

以上の研究により、ナノ空間に束縛された水クラスターの水素結合ダイナミクスだけでなく、蛋白質場での特異な光誘起構造変化による情報伝達機構などについても様々な知見を得た。
回転流体中の非線形波動と渦崩壊現象に関する基礎的研究

回転(旋回)流体が円管壁の起状(管径の変化)あるいは円管の中心軸上に置かれた物体に当たると,慣性波が下流側に立つが,同時に,上流側に伝播する一定周期,振幅,波長の孤立波(ソリトン)が生じる。この波の振幅が弱非線形理論で記述できる程度に小さい場合については,昨年までの研究(Navier-Stokes方程式の解)から,現象が,起伏あるいは物体の効果を外力項に取り込んだKdV型の方程式で記述されることがわかっている。本年度は,慣性波の振幅が十分大きくなった場合に生じる可能性があると考えられるVortex breakdown(渦崩壊現象)の発生のメカニズムを,非線形波動の増幅と砕波という観点から調べた。その結果,旋回が剛体回転(旋回の角速度が中心軸からの距離によらない場合)場合には,波の時間発展は,Grimshaw-Yi方程式(積分方程式)により,砕波(Vortex breakdown)がおこるまで,定量的にかなりよく記述されることがわかった。これは,この方程式が'有限振幅'の波を記述できることによる。一方,実験で最も普通に見られる代表的旋回流速であるBurgers渦の場合には,意外なことに,波の振幅がbreakdownが生じるほど大きい場合でも,KdV型の方程式でかなりよく記述できる。これは,波のモードの固有関数が中心軸付近で非常に大きな値を取るため,中心軸付近で逆流が生じやすくなり,KdVの振幅が小さくとも,流速に与える波の摂動が大きいことによる。以上のことから,渦崩壊現象は,非線形慣性波動の砕波と言う,基本的メカニズムによって引き起こされることが明かになった。
体細胞初期化因子の新規ヒト発現レポーター細胞システムの樹立とその応用

Nanogは分化した細胞を、分化多能能と自己複製能をもつ未分化な状態へ細胞を戻すこと(リプログラミング)ができる体細胞初期化因子であり、終末分化した細胞では発現していない。Nanog遺伝子がヒトES/iPS細胞の分化に伴い発現が抑制される機構を解明するために、選択薬剤存在下において、未分化な状態では生存できるが、分化すると死滅する体細胞初期化因子の発現に細胞の生死が依存するレポーター細胞を樹立し解析した。また、GPCRが分化多能性と自己複製能に関与することから、フォルミル・ペプチド受容体に関して、ホモロジー・モデリングによる3D構造の構築とリガンドのドッキング・シミュレーションを行い解析した。本研究は、1)初期化因子(Oct3/4やSox2あるいはNanog遺伝子)の発現を選択薬剤とGFPでモニターすることが可能な新規ヒトレポーター細胞株を樹立して、2)ゲノムワイドsiRNAライブラリー、あるいはES細胞由来のcDNAライブラリーをレポーター細胞株に導入して得られた生存細胞からsiRNAおよびcDNAを網羅的に同定し、初期化因子の発現を制御するネガティブ制御因子およびポジティブ制御因子を明らかにする。3)同定した発現制御因子群の立体構造をホモロジー・モデリングにより予測し、4)ドッキング・シミュレーションによるバーチャル・スクリーニングを行うことで、制御因子の活性化あるいは不活性化を引き起こす低分子化合物の検索と同定を行う。さらに今回、樹立した新規レポーター細胞を用い、制御因子群の活性を修飾する可能性のある候補低分子化合物の生物活性を検証することを目的とする。平成24年度では平成23年度において作製したOct3/4, Sox2およびNanogの5'アーム・エントリークローンおよび3'アーム・エントリークローンとネオマイシン、ハイグロマイシンあるいはピューロマイシンの薬剤耐性遺伝子(Drug resitant gene)をインターナル・リボゾーム・エントリーサイト(IRES)をもつpIRES2-EGFPプラスミドに組み込んだレポーター遺伝子をを用いてOct3/4, Sox2およびNanogのノックイン・ターゲッティングベクターを構築した。さらに、これらのベクターをヒトES細胞にエレクトロポーレーション法により遺伝子導入し、選択培地で選別することで初期化因子(Oct3/4やSox2あるいはNanog遺伝子)の発現を選択薬剤とGFPでモニターすることが可能な新規ヒトレポーター細胞株の樹立を試みた。本研究では、1)体細胞初期化因子(Oct3/4やSox2あるいはNanog遺伝子)の発現を選択薬剤とGFPなどの蛍光タンパク質によりモニターすることが可能な、新規のヒトレポーター細胞株を樹立して、2)ゲノムワイドsiRNAライブラリー、あるいはES細胞由来のcDNA発現ライブラリーをレポーター細胞株に導入して得られた生存細胞からsiRNAおよびcDNAを網羅的に同定し、初期化因子の発現を制御するネガティブ制御因子およびポジティブ制御因子を明らかにする。3)同定した発現制御因子群の立体構造をホモロジー・モデリングにより予測し、4)ドッキング・シミュレーションによるバーチャル・スクリーニングを行うことで制御因子の活性化、あるいは不活性化を引き起こす低分子化合物の検索と同定を行う。さらに、今回、樹立した新規レポーター細胞を用い、制御因子群の活性を修飾する可能性のある候補低分子化合物の生物活性を検証することを目的とする。平成25年度においては、体細胞初期化因子のノックイン・ターゲッティング・コンストラクトが正確に初期化因子のゲノムに組み込まれたレポーター細胞株を得ることが非常に困難であったため、ノックイン・ターゲッティング・コンストラクトの再考ならびに再構築を行い、エレクトロポレーション法やリポフェクション法によりレポーター細胞株の樹立を試みた。平成23年度においてはヒト・ゲノムDNAを鋳型にして、Oct3/4, Sox2およびNanogのエクソン1をはさむ上流側の5'相同領域(5'アーム)および下流側の3'相同領域(3'アーム)をLong-PCRにより増幅した。増幅した5'アームおよび3'アームを用い、それぞれの5'アーム・エントリークローン(5'Oct3/4, 5'Sox2および5'Nanog)および3'アーム・エントリークローン(3'Oct3/4, 3'Sox2および3'Nanog)を作製した。また、ネオマイシン、ハイグロマイシンあるいはピューロマイシンの薬剤耐性遺伝子(Drug resitant gene)をインターナル・リボゾーム・エントリーサイト(IRES)をもつpIRES2-

EGFPプラスミドに組み込んだレポーター遺伝子を作製した。本研究では、1初期化因子(Oct3/4やSox2あるいはNanog遺伝子)の発現を選択薬剤とGFPでモニターすることが可能な新規ヒトレポーター細胞株を樹立する。2ゲノムワイドsiRNAライブラリーあるいはES細胞由来のcDNAライブラリーを分化したレポーター細胞株に導入し、選択薬剤存在下で生存可能な細胞からsiRNAおよびcDNAを解析することで、網羅的に初期化因子の発現を制御するネガティブおよびポジティブ制御因子を同定する。3同定した発現制御因子群の立体構造をホモロジー・モデリングにより予測し、4ドッキング・シミュレーションによるバーチャル・スクリーニングを行うことで、初期化因子の発現制御因子を活性化あるいは不活性化する低分子化合物の検索と同定を行う。さらに、今回確立した新規レポーター細胞システムを用いて、制御因子群の活性を修飾する可能性のある候補低分子化合物の生物活性を検証することを目的とする。最新の遺伝子編集技術であるCRISPR/Cas9systemを用いてNanog遺伝子のノックイン・ターゲッティング・コンストラクトをHEK293細胞に導入し、相同組み換えの効率を検討した。その結果、相同組み換えの効率は改善されたが、相同組み換えは両アレルで起こっており、レポーター細胞として使用可能な片方のアレルへの相同組み換えが起こった細胞株を得る確率が低い可能生が示唆された。そこで今後、CRISPR)/Cas9による相同組み換えで用いるgRNAおよびCas9 endonucleaseの発現量を変化させ、片方のアレルへの相同組み換え頻度が高くなる条件を検討してヒトiPSあるいはES細胞株でNanog遺伝子の発現モニター可能なレポーター細胞を樹立し、体細胞初期化因子の発現制御因子群を同定することで、初期化の分子機構を明らかにする。分子細胞生物学Oct3/4, Sox2およびNanogのノックイン・ターゲッティングベクターをヒトES細胞にエレクトロポーレーション法により遺伝子導入して、選択薬剤培地で選別することで初期化因子の発現を選択薬剤とGFPでモニターすることが可能な新規ヒトレポーター細胞株の樹立を試みたが、ヒトES細胞への遺伝子導入効率、また相同組み換えの頻度が予想以上に低く、ヒトレポーター細胞株の取得にはまだ至っていない。エレクトロポレーション法やリポフェクション法を用いた体細胞初期化因子のノックイン・ターゲッティング・コンストラクトの相同組み換えによる、ゲノムへの正確なノックインの効率が想定外の悪さであり、体細胞初期化因子の発現レポーター細胞株の樹立が困難な状況であった。
蛋白質リン酸化酵素GSK-3を介する細胞運動制御の分子機構

本研究ではGSK-3による細胞運動調節機構を分子レベルで明らかすることを目的としている。私はこれまでに、GSK-3結合蛋白質Bicaudal-D(BICD)がGSK-3によるリン酸化依存的に微小管を中心体に結合し、微小管の空間的配向を制御する可能性を見出した。今年度は、1)BICDIとnineinが結合することを見出したこと(nineinは微小管を中心体に結合する蛋白質として知られている)、2)BICD結合蛋白質Rab6をノックダウンしても微小管と中心体の結合には影響がなかったこと、の二点を見出した。以上の結果より、BICDは中心体蛋白質nineinを中心体に輸送する機能を持つこと、BICDによる微小管と中心体との結合にはnineinが必要であることが考えられた。また、BICD-Rab6複合体はBICD-GSK-3複合体とはことなる機能を有する複合体であることが示唆された。さらに私はGSK-3結合蛋白質としてBICDの他に、AIP(Aurora-A interacting protein)を同定した。Aurora-Aは細胞分裂期に形成される紡錘体形成に必須なセリンスレオニンキナーゼであり、その発現レベルの異常が癌と相関していることが知られている。AIPはAurora-Aと結合し、分解を促進することが報告されている蛋白質であるが、AIPの細胞分裂に対する影響は解析されていなかった。現在までに、1)AIPをノックダウンするとAurora-A蛋白質が増加し、細胞分裂期の進行が抑制されること、2)GSK-3はAIPと直接結合し、リン酸化することによりAIPとAurora-Aとの結合を阻害すること、を見出している。これらのことから、GSK-3はAIPを介し、Aurora-Aの蛋白質量を制御しすることにより、細胞分裂の進行に関与していることが示唆された。グリコーグン合成酵素キナーゼ3(GSK-3)はグリコーゲン合成に関与するリン酸化酵素として同定されたが、現在多くの蛋白質をリン酸化して、細胞の増殖や分化等様々な細胞機能制御に関わることが明らかになっている。近年、GSK-3は低分子量G蛋白質であるCdc42及びその下流分子であるPar6-Cキナーゼによって制御され、細胞極性確立に関与することが報告された。しかし、細胞運動時におけるGSK-3の役割は不明である。そこで、本研究ではGSK-3による細胞運動調節機構を分子レベルで明らかすることを目的としている。今年度に得られた知見は下記のとおりである。1)酵母two hybrid法を用いて、GSK-3結合蛋白質を探索し、human bicaudal-D1 (hBICD1)を同定した。hBICD1は、哺乳類細胞内において細胞質ダイニンと複合体を形成し、細胞内小胞輸送に関与することが報告されている。2)GSK-3とhBICD1はリコンビナント蛋白質を用いたin vitroの実験おいて直接結合し、細胞内においてendogenouslevelで複合体を形成することを明らかにした。3)GSK-3阻害剤やRNA干渉により、ダイニン-hBICD-GSK-3複合体が解離した。このことからGSK-3活性はGSK-3-hBICDI-ダイニン複合体の安定性を制御することが示唆された。4)GSK-3のRNA干渉により、細胞内において微小管マイナス端と微小管形成中心(中心体)から解離し、解離した微小管はhBICD1-ダイニン融合蛋白質の発現により中心体と再結合した。上記の知見は、GSK-3-hBICD1複合体がGSK-3活性依存的に微小管マイナス端の中心体への係留に関与し、微小管の空間的配向を制御していることを示唆している。来年度以降は、GSK-3-hBICD1複合を,体の生理機能を明らかにすることを試みる。私はこれまでに、GSK-3結合蛋白質としてBicaudal-D(BICD)を同定し、GSK-3-BICD複合体がGSK-3活性依存的に微小管を中心体に結合し、微小管の空間的配向を制御する可能性を見出した。今年度に得られた知見は下記の通りである。1)RNA干渉法(RNAi)により細胞内のBICDをノックダウン(KD)した結果、微小管マイナス端が中心体から解離した。またRNAiのターゲット配列対しサイレント変異を導入したBICDをBICDKD細胞に発現させると微小管が再び中心体に結合した。2)GSK-3によるBICDのリン酸化サイトを同定した。また、そのリン酸化サイトに変異を導入した変異BICDの発現では、BICDのKDによって中心体から解離した微小管を結合することができなかった。3)GSK-3、BICD1それぞれのKD細胞において、中心体蛋白質の局在を解析した結果、GSK-3 KD細胞においてPCM-1及びnineinの中心体への局在が減弱し、BICD1 KD細胞においてはnineinの局在が減弱した。PCM-1及びnineinは微小管を中心体に結合する機能を持つ蛋白質としてすでに報告されている。またいずれのKD細胞においても微小管の重合に必要な蛋白質(gamma-tubulin)の局在は変化しなかった。

上記の知見より、BICDはGSK-3によるリン酸化依存的に微小管の中心体への結合に関与することが明らかになった。さらにGSK-3-BICD複合体が中心体蛋白質nineinの細胞内局在に関与していることをしていることを明らかにした。またGSK-3はPCM-1の局在も制御することから、BICD以外の結合蛋白質を介し微小管の中心体への結合に関与していることが示唆された。本研究ではGSK-3による細胞運動調節機構を分子レベルで明らかすることを目的としている。私はこれまでに、GSK-3結合蛋白質Bicaudal-D(BICD)がGSK-3によるリン酸化依存的に微小管を中心体に結合し、微小管の空間的配向を制御する可能性を見出した。今年度は、1)BICDIとnineinが結合することを見出したこと(nineinは微小管を中心体に結合する蛋白質として知られている)、2)BICD結合蛋白質Rab6をノックダウンしても微小管と中心体の結合には影響がなかったこと、の二点を見出した。以上の結果より、BICDは中心体蛋白質nineinを中心体に輸送する機能を持つこと、BICDによる微小管と中心体との結合にはnineinが必要であることが考えられた。また、BICD-Rab6複合体はBICD-GSK-3複合体とはことなる機能を有する複合体であることが示唆された。さらに私はGSK-3結合蛋白質としてBICDの他に、AIP(Aurora-A interacting protein)を同定した。Aurora-Aは細胞分裂期に形成される紡錘体形成に必須なセリンスレオニンキナーゼであり、その発現レベルの異常が癌と相関していることが知られている。AIPはAurora-Aと結合し、分解を促進することが報告されている蛋白質であるが、AIPの細胞分裂に対する影響は解析されていなかった。現在までに、1)AIPをノックダウンするとAurora-A蛋白質が増加し、細胞分裂期の進行が抑制されること、2)GSK-3はAIPと直接結合し、リン酸化することによりAIPとAurora-Aとの結合を阻害すること、を見出している。これらのことから、GSK-3はAIPを介し、Aurora-Aの蛋白質量を制御しすることにより、細胞分裂の進行に関与していることが示唆された。
自己説明型ソフトウェアコンポーネントデータベース

ビジュアルプログラミング言語で記述されたソフトウェアコンポーネントをデータベース化し、プログラミングによる問題解決・シミュレーションの簡略化及びアルゴリズムの学習効率を改善するためのプログラミング環境の基盤を開発した。グラフアルゴリズム、計算幾何学、粒子シミュレーションのためのコンポーネントを新たに開発し、これまで開発されたコンポーネント部品をデータベースに格納し、さらなる研究活動へ〓げるためのサーバ・APIを開発した。アルゴリズム記述、問題解決、ソフトウェア開発のための自己説明型ソフトウェアコンポーネント(サイバーフィルム)の普及を図るため、現在までに開発されたライブラリを拡張し、自己説明型ソフトウェアコンポーネントデータベースを開発することが、本研究の目的であった。本年度はネットワーク流等のグラフアルゴリズム、木構造におけるアルゴリズム、計算幾何学に関する一部のアルゴリズムをコンポーネントとして実装した。実装したコンポーネントについてのユーザビリティテストの結果を分析した結果、改良点はあるものの本コンポーネントがプログラム開発や教育資料として有効であること、多くのアルゴリズムを記述できる表現力があることが実証された。また、コンポーネントを構成する部品のスキーマ定義などの一部のデータベース設計、それらを入力するサブシステムの設計・実装を行った。これらは、次年度にデータベースコンポーネントをWEB上で表示・操作するためのユーザインタフェース開発の基盤となる。データベース内のコンポーネントを指定するためのビジュアル言語開発については、コンポーネントのインタフェースである入力・出力の特徴を定義するためのビジュアル言語の言語構造を設計し、いくつかのアイコンを開発した。この言語は、アイコン言語によりコンポーネントの「意味」を指定することを可能とし、視覚的なクエリによるデータベース検索のみではなく、ソフトウェアコンポーネントのセキュリティ向上に有効である。本言語の形式的な言語仕様書の作成については計画通りに実施することができなかったため、次年度の研究計画に加えて実施する。アルゴリズムの記述、シミュレーション、問題解決、ソフトウェア開発におけるプログラミングをより直観的・透過的に行うためのサイバーフィルム及び対応するビジュアルプログラミング言語の普及を図るため、様々なアルゴリズムを本言語で記述し、言語要素をデータベースとして格納することが本研究の目的である。本年度は、平面幾何アルゴリズム、物理シミュレーションにおける粒子運動に関するサイバーフィルムを開発し言語を拡張した。これらの成果により、本言語の表現力をさらに実証することができた。データベースの実装においては、昨年度の成果である設計を基にデータベースサーバを構築した。サイバーフィルム、構造、計算の流れ、関数、式等のスキーマを定義し、これまで開発されたサイバーフィルムを表現するための部品を格納した。さらに本サーバをアプリケーションサーバに拡張し、外部システムがデーターベースの部品を取得するためのAPIを開発し公開した。本APIを利用し、データベース内のコンポーネントを検索するためのインタフェース、プログラムの部品であるビジュアルシンボルを適時取得し送信するためのサーバ及びそれらを言語構造に従って表示するためのクライアントインタフェース(エディタとなるもの)のプロトタイプを開発した。本インタフェースはWEBブラウザ上で稼働するサービスとして実装され、サイバーフィルムの検索、観覧及び実行可能コードの取得が可能となった。これらデータベース、アプリケーションサーバ、及び各種インタフェースにより、サイバーフィルムへのアクセスがより容易となり、エンドユーザがWEB上で最小限のタイピングでプログラミングを遂行することができる環境の基盤が得られた。さらに、本年度の成果は、サイバーフィルムのエディタ開発、データ可視化言語開発、並列アルゴリズムの分散処理サーバの構築等に関する応用研究へと繋げることができる。
歯周病原細菌感染度と腎機能の関連－歯周病が慢性腎臓病に与える影響の解明－

日本の成人人口における慢性腎臓病(Chronic Kidney Disease:CKD)患者数は約1,330万人(12.9%)と推定され,CKDは日本人の健康を脅かす重要な疾患群である。本研究は歯周病原細菌感染度と腎機能の関連を調査することにより,歯周病がCKDに与える影響を解明することを目的とした。79歳高齢者215名を対象とした調査により歯周病原細菌感染度の高い者でCKDの有病率が高いことが明らかとなり、歯周病とCKDに関連があることが示唆された。CKDの予防には関連する危険因子に対する対策が重要であるが,これまでの研究から歯周病がCKDの危険因子となりうる可能性が示唆されている。これらの報告は主にアメリカでの調査研究結果を基にしたものが主であり,日本人を対象とした調査研究による報告はない。本研究は血漿抗体価測定を用い,歯周病原細菌感染度と腎機能の関連を調査することにより,歯周病がCKDに与える影響を解明することを目的とした。2007年の調査に参加した79歳高齢者215名を本研究対象とした。歯周病原細菌,Porphyromonas gingivalisに対する血漿抗体価測定を行った。血漿抗体価上位25%を抗体価上昇者と定義し,説明変数とした。また糸球体濾過量(glomerular filtration rate:GFR)が60mL/分/1.73m2以下の者をCKD有病者と定義し,目的変数とした。ロジスティック回帰分析の結果,血清抗体価上昇者はCKDのオッズ比が有意に高かった(調整済オッズ比=2.59,95%信頼区間=1.05-6.34)。本解析結果は日本人高齢者を対象とした歯周病原細菌感染度と腎機能の関連をみた初の調査結果であり,この結果は日本人高齢者においても歯周病がCKDの潜在的なリスクファクターの一つである可能性を示している(J Dent Res. 2012; 91: 828-833)。さらに本研究の結果は歯周病治療がCKDおよびその合併症の予防・治療に効果がある可能性を示唆している。まず我々は75歳日本人高齢者317名を対象として,歯周病が腎機能に与える影響についての2年間(2003-2005年)のコホート研究を行い,日本高齢者においても歯周病がCKDの潜在的なリスクファクターの一つである可能性を日本で初めて報告した(Am J Kidney Dis. 2012;59:202-209)。その後,我々は血漿抗体価測定を用い,歯周病原細菌感染度と腎機能の関連を評価した。79歳高齢者215名を対象とした横断調査により得られたデータを基にしたロジスティック回帰分析の結果,歯周病原細菌,Porphyromonas gingivalisに対する血清抗体価上昇者はCKDのオッズ比が有意に高かった(J Dent Res. 2012; 91: 828-833)。さらに我々はCKDのリスクファクターであるメタボリックシンドロームと歯周病の関連も評価し,80歳高齢者においてメタボリックシンドロームと歯周病には有意な関連があることを報告した(J Periodontal Res, in press, 2014)。今後は歯周病治療がCKDおよびその合併症の予防・治療に効果があるか評価する介入研究を実施したい。

本研究は血漿抗体価測定を用い,歯周病原細菌感染度と腎機能の関連を調査することにより,歯周病がCKDに与える影響を解明することを目的としているが,まず始めに,2010年度は,日本人におけるCKDと歯周病との関連について新潟大学歯学部予防歯科で保管されていた新潟市在住高齢者のデータを基に評価を行った。2003年のベースライン調査と2005年の追跡調査に参加した75歳高齢者317名を本研究対象とした。ベースラインの歯周組織検査結果から歯周組織の炎症部位面積(Periodontal inflamed surface area:PISA)を求め,対象者をPISAに応じて上位25%と下位75%に分け2年間での腎機能低下の度合いを比較したところ,ベースラインの広範囲なPISAがその後の腎機能の低下と有意に関連していた(調整済オッズ比=2.24,95%信頼区間=1.05-4.79)。本解析結果は日本人を対象としたCKDと歯周病の関連をみた初の縦断調査結果であり,この結果は日本人高齢者においても歯周病がCKDの潜在的なリスクファクターの一つである可能性が示された(Am J Kidney Dis. 2012;59:202-209)。さらに本研究の結果は歯周病治療がCKDおよびその合併症の予防・治療に効果がある可能性を示唆している。これまでの研究から歯周病がCKDの危険因子となりうる可能性が示唆されている。Fisherらは歯周病患者が健康な者に比べ,CKDの罹患率が1.61.9倍高いことを報告した(Am J Kidney Dis. 2008;51:45-52)。また我々は米国での調査から2型糖尿病患者でさらに歯周病に罹患している者はCKDを含めた糖尿病合併症のリスクが有意に高いことを報告した(NIDCR Study Progress Report Summary [5R03DE017162 - 02]. 2009)。しかし,これら研究の全体としての数は未だ少なく,また研究対象に日本人を含むアジア系はほとんど含まれていないため日本人を対象とした調査研究を行う必要があると考えられた。我々は昨年度に日本人高齢者におけるCKDと歯周病の関連を評価し,本人高齢者においても歯周病がCKDの潜在的なリスクファクターの一つである可能性を日本で初めて報告した(Am J Kidney Dis. 2012;59:202-209)。さらに本年度は歯周病原細菌Porphyromonas gingivalis感染度と腎機能の関連をみた初の調査結果を報告した(J Dent Res. 2012; 91: 828-833)。しかし,これら研究の全体としての数は未だ少ない。さらに先行研究は海外で行われ,研究対象に日本人を含むアジア系はほとんど含まれていない。腎機能の評価・CKDの診断には血清クレアチニン値を基にした計算式にて推定した糸球体濾過量を用いるが,その推算式は欧米人と日本人とでは異なり,CKDの病態には人種差も寄与している。そのため日本人を対象とした調査研究を行う必要があると考える。
臨床実用を目指した癌幹細胞標的光線力学的療法の基礎研究

タラポルフィンナトリウムによる光線力学的治療: PDTの対象となり得る化学放射線療法後の再発性食道癌を想定して、癌幹細胞の性質を持つ扁平上皮細胞株を見つけだし、基礎実験を行った。CD44vの発現が高い幹細胞様性質を持つ癌においては、シスチントランスポーター;グルタチオンを標的とした治療法として、酸化ストレス抵抗性を標的とした癌幹細胞に対する治療戦略が基盤となり得る。この目的でスルファサラジンを添加してMTS Assay及びグルタチオン生合成活性を測定した。グルタチオン合成阻害剤を添加した場合、MTS Assayを行なったがPDTの効果の増強はほとんど認められなかった。タラポルフィリンナトリウムによる光線力学的治療:PDTの対象となり得る化学放射線療法後の再発性食道癌を想定して、癌幹細胞の性質をもつ扁平上皮細胞株を見つけだし、基礎実験を行った。既報より癌幹細胞の性質を示す扁平上皮細胞株として、OSC19を用いた。Western blot及び免疫細胞染色で、同株はびまん性にCD44vを強く発現していた。タラポルフィリンナトリウム濃度は04μg/mLの範囲で、PDTとして1J照射により、MTTアッセイによる細胞生存性を検討したところ、3μg/mL以上で効果が得られた。タラポルフィリンナトリウム濃度3μg/mLでは、PDT3JでOSC19細胞はほとんど死滅した。幹細胞性質を持つと思われるOSC19はタラポルフィリンナトリウムによるPDTに感受性が高い可能性がある。CD44vの発現が高い幹細胞様性質を持つ癌においては、CD44vシスチントランスポーターグルタチオンを標的とした治療法として、酸化ストレス抵抗性を標的とした癌幹細胞に対する治療戦略基盤となり得る。この目的で、スルファサラジンをOSC19細胞に添加してMTTアッセイを行ったところ、PDTに関係なく殺細胞効果がみられた。PDT作用の増感性に関しては今後の課題である。スルファサラジンがCD44vによって促進されているシスチンの取り込みを阻害する効果があり、グルタチオン活性を計測予定である。化学放射線治療前及び治療後に再発或いは遺残した食道扁平上皮癌組織を内視鏡的に採取しており、CD44v、シスチントランスポーター、グルタチオン発現等を免疫染色で確認する。タラポルフィンナトリウムによる光線力学的治療:PDTの対象となり得る化学放射線療法後の再発性食道癌を想定して、癌幹細胞の性質を持つ扁平上皮細胞株を見つけだし、基礎実験を行った。既報より癌幹細胞の性質を示す扁平上皮細胞株として、昨年用いたOSC-19に追加してHSC-2及びHSC-4を用いた。Western BlotでHSC-2はCD44 variantを強く発現していたが、HSC-4は発現を認めなかった。タラポルフィンナトリウム濃度は010μMの範囲で、レーザーは05Jの範囲で照射し、MTS Assayによる細胞生存率を確認したところ、いずれの細胞においても効果が得られた。昨年用いたOSC-19と同じく、幹細胞性質を持つと思われるHSC-2及びHSC-4細胞もタラポルフィンナトリウムによるPDTに感受性が高い可能性がある。CD44vの発現が高い幹細胞様性質を持つ癌においては、CD44vシスチントランスポーターグルタチオンを標的とした治療法として、酸化ストレス抵抗性を標的とした癌幹細胞に対する治療戦略が基盤となり得る。この目的でPimozideをHSC-2及びHSC-4細胞に添加してMTS Assayを行ったが、PDTの効果を増強する効果は認められなかった。他のPDT効果を増感させる薬剤としてグルタチオン合成阻害剤、及びスルファサラジンの有効成分であるアミノサリチル酸を添加してMTS Assay及びグルタチオン生合成活性を測定する予定である。タラポルフィンナトリウムによる光線力学的治療:PDTの対象となり得る化学放射線後の再発性食道癌を想定して、癌幹細胞様の性質を持つ扁平上皮細胞株を見つけ出し基礎実験を行った。特にCD44vの発現が高い癌幹細胞においては、CD44vシスチントランスポーターグルタチオンを標的とし、酸化ストレス抵抗性を減弱することにより、PDTの効果を高めることが治療戦略の基盤となり得る。昨年、この目的でPimozideをOSC-19、HSC-2及びHSC-4細胞に添加してMTS assayを行なったが、PDTの効果を増強する効果は認められなかった。このためグルタチオン合成阻害剤を添加してMTS Assayを行なったが、PDTの効果の増強はほとんど認められなかった。このことより、グルタチオンに依存しないPDT抵抗機構の存在が予想された。また胃癌細胞株MKN-45及びMKN-74細胞に対してMTS Assayを行なったところ、MKN-74細胞においてPDT抵抗性が認められた。real-time PCR及びWestern Blottingで、MKN-74細胞のCD44vの発現が低いことが確認されたことからも、CD44vグルタチオンに依存しないPDT抵抗機構の存在が裏付けられた。過酸化水素に対する抵抗性は既報通りCD44v発現量に依存することがOSC-19、HSC-2及びHSC-4細胞を用いたMTS Assayで確認されており、この酸化ストレスに対する応答性の違いはPDTで発生する活性酸素は一重項酸素であり、過酸化水素とは異なる活性酸素種であることに起因すると推測される。MKN-74細胞は低比重リポタンパク受容体LDL-Rの発現が低いことが確認できており、現在LDL-R発現とPDT抵抗性の関連を確認中である。

タラポルフィンナトリウムによる光線力学的治療: PDTの対象となり得る化学放射線療法後の再発性食道癌を想定して、癌幹細胞の性質を持つ扁平上皮細胞株を見つけだし、基礎実験を行った。CD44vの発現が高い幹細胞様性質を持つ癌においては、シスチントランスポーター;グルタチオンを標的とした治療法として、酸化ストレス抵抗性を標的とした癌幹細胞に対する治療戦略が基盤となり得る。この目的でスルファサラジンを添加してMTS Assay及びグルタチオン生合成活性を測定した。グルタチオン合成阻害剤を添加した場合、MTS Assayを行なったがPDTの効果の増強はほとんど認められなかった。グルタチオン合成阻害剤、アミノサリチル酸を添加してMTS Assay及びグルタチオン生合成活性を測定する。CD44v高発現株、OSC-19及びHSC-2に対するHoechst蛍光染色・DNA fragmentation assay・細胞周期解析でアポトーシス誘導率を検証する。腫瘍組織のcDNAマイクロアレイ、マイクロRNAマイクロアレイを行い、化学放射線治療法の治療抵抗性に関する分子基盤を得る。幹細胞様性質を持つ複数の細胞を用いた実験系を確立したことで、アミノサリチル酸の併用効果の検証を円滑に行える。消化器内科CD44v高発現株、OSC119に対するHoechst蛍光染色・DNA fragmentation assay・細胞周期解析でアポトーシス誘導率を検証する。化学放射線療法前後で、腫瘍組織のcDNAマイクロアレイ、マイクロRNAマイクロアレイを行い、化学放射線療法の治療抵抗性に関する分子基盤を得る。実験系を確立したことで、スルファサラジンの併用効果の検証を円滑に行える。腫瘍組織のcDNAマイクロアレイ、マイクロRNAマイクロアレイを行い(受託)、化学放射線治療法の治療抵抗性に関する分子基盤を得る。CD44v高発現株、OSC119に対するHoechst蛍光染色・DNA fragmentation assay・細胞周期解析でアポトーシス誘導率を検証する。化学放射線療法前後で、腫瘍組織のcDNAマイクロアレイ、マイクロRNAマイクロアレイを行い(受託)、化学放射線療法の治療抵抗性に関する分子基盤を得る。
新規パラジウム-リンリガンド反応系による複素環芳香族化合物合成の新展開

1.ケレリスリン型塩基の一般的合成法の検討我々はすでに脱離基としてトリフレートあるいはハロゲンを有する芳香族アミド化合物の分子内カップリング反応のための新規反応系の確立についての検討を加えた。その結果、酢酸パラジウム-二座配位リンリガンド-ブチルフォスフィンによる新規な反応系を確立し、所期の目的を達した。本法を用い、ケレリスリンの合成に成功しているが、今回。さらに本法を用い、12-メトキソジヒドロケレリスリン、ノルケレリスリンの全合成に成功した。ベンゾ[c]フェナンスリジン型塩基の合成研究の際に得た知見を、その酸素同族体であるベンゾ[d]ナフトピラノン型化合物の合成研究に応用し、ケレリスリンの酸素同族体であるアルノチンIの合成に成功した。現在、パラヂウムを用いる閉環反応におけるアミドとエステルの反応性の相異について検討中である。2.酢酸パラジウム-二座配位リンリガンド-ブチルフォスフィン反応系の触媒化の検討酢酸パラジウム:ブチルフォスフィン=1:3(パラジウム試薬は0.2等量)のとき、脱離基がハロゲンの場合はもちろんトリフレートの場合でも基質に酸素官能基がなければ高収率で閉環反応が進行することが明かとなった。3.フェノール性ベンゾフェナンスリジン型塩基の合成研究上記の方法を用いて,フェノール性水酸基を有するベンゾフェナンスリジン型塩基の合成の検討をおこなった。ファガリジンの合成研究においては水酸基の保護基を種々検討を加え、イソプロピル基を用いて所期の目的を達した。4.ヒガンバナ科塩基トリスフェリジンの合成研究パラジウム反応剤によるアリール-アリール結合反応はフェナンスリドン骨格の合成にも大変有用であり、トリスフェリジンの合成に成功した。1.フェナンスリジン型塩基の合成への一般性の検討(1)フェナンスリドン骨格の合成既に我々はパラジウム試薬によるアミド化合物の分子内aryl-arylカップリング反応を用い、ケレリスリンをはじめとする数種のアルカロイドの合成に成功している。その際に新規に開発したPd(OAc)_2-二座配位リンリガンド-PBu_3を用いれば、脱離基がハロゲンのみならず、OTfの場合にも収率よくカップリング反応が進行することを明らかにした。さらに本法を用い、ニチジン、ノルケレリスリン、12-メトキシジヒドロケレリスリン、トリスフェリジン等の合成に成功し、その一般性を明らかにした。その際、フェナンスリドン骨格の合成において、脱離基がアミン側にある場合、閉環が2ケ所で起こることを見いだした。特に酸素官能基の性質により、その選択性が明らかに異なるが、その理由は不明である。(2)テトラヒドロフェナンスリドン骨格の合成ヒガンバナ科植物に含まれる表記骨格の塩基の一般的合成法の開発を目的とし、アリール-アルケンの結合反応を検討した。特にアミン部がアルケンの場合、望む立体配置で選択性よく目的化合物が生成することを明らかにした。現在、天然物合成への応用を検討中である。(3)フェナンスリドン骨格合成の際の脱離基の反応性の相異の検討カルボン酸部に2種類の脱離基を有するアミドの閉環反応を検討した。IおよびOTf、BrおよびOTfについて検討を加えたが、Iの反応性が高く、常にIの位置で結合が起こり、任意の脱離基の場所での結合生成反応の条件の確立には成功しなかった。1.ベンゾフェナンスリジン型塩基の一般的合成法の検討

我々はすでにアミド化合物の分子内カップリング反応の新規反応系の創製の検討を加え、Pd(OAc)_2-二座配位リンリガンドーPBu_3による新規な反応系を確立し、脱離基がOTfのみならずハロゲンの場合も收率よく分子内のアリール-アリールのカップリング反応が進行することを明らかにした。さらに本法を用い、12-メトキソジヒドロケレリスリン、ノルケレリスリンの全合成に成功した。2,フェノール性べンゾフェナンスリジン型塩基の合成研究上記の方法を用いて、フェノール性水酸基を有するべンゾフェナンスリジン型塩基の合成の検討をおこなった。ファガリジンの合成研究においては水酸基の保護基を種々検討を加え、イソプロピル基を用いて所期の目的を達した。3.パラジウム反応剤を用いたビアリール閉環反応における位置選択性に対する酸素官能基の影響脱離基がアミン側にあるアミドにおいて、閉環反応が2箇所で進行することを見いだした。反応条件により、高い選択性を出すことは不可能であったが、一般的に酸素官能基のオルト位で閉環しやすい傾向が見られた。4.Pd(OAc)_2-二座配位リンリガンドーPBu_3反応系の触媒量での閉環反応の検討種々検討した結果、Pd(OAc)_2-PBu_3=1:3(Pd試薬は0.2等量)のとき、脱離基がOTfの場合でも基質に酸素官能基がなければ閉環反応が進行することが明かとなった。
高速・高感度なイオン化検出による極低温多原子分子研究

近年、極低温原子気体を用いた研究が大きく進展しており、Efimov状態の研究も盛んに行われてきた。Efimov状態は、粒子間に遠距離相互作用があるときに、相互作用の共鳴点付近に現れる少数個の粒子が束縛された状態であり、粒子の種類等には影響されない普遍的な性質を持つ。そのため、原子核物理や低温物理等との分野横断的な研究が広がっている。他方で、冷却原子を用いたEfimov状態の研究には、Efimov状態を直接観測ができないという問題があった。本研究では、パルスレーザーを用いたEfimov状態の直接観測法を開発し、Efimov状態の研究をさらに進めることで、物質の階層構造の解明に貢献する。
テイラー・ディーン流れカオス混合の速度・濃度同時計測による混合促進メカニズム解明

研究代表者らは,曲がり流路内流であるディーン流れと同軸回転二重円筒内流であるテイラー流れを組み合わせたテイラー・ディーン流れを利用したカオス混合によって混合の促進を図るマイクロミキサを開発している.本研究では,12種類のマイクロミキサモデル機の可視化実験による時系列PIV / LIF同時計測とCFDによる数値解析により,テイラー・ディーン流れの流れ場と混合場の時間発展を調査した.そして,曲がり流路断面のアスペクト比および壁面の移動が混合に及ぼす影響を明らかにし,テイラー・ディーン流れによる混合促進メカニズムを検討した.近年,化学やバイオなどの分野においてμ-TAS (Micro Total Analysis Systems)と呼ばれる超小型・化学分析装置の開発が注目されている.この装置は様々なマイクロ流体素子やセンサなどから構成され,混合,攪拌,反応,分離や抽出などの一連の操作を行う.しかし,流路はマイクロサイズであるため,その流れは低レイノルズ数となり乱流による攪拌や熱移動が期待できない.そのため,低レイノルズ数流れにおいて効率よく混合・攪拌されるマイクロ流体デバイスが必要とされている.そこで研究代表者らは,曲がり管内流であるディーン流れと同軸回転二重円筒内流であるテイラー流れを組み合わせたテイラー・ディーン流れを利用したカオス混合によって混合の促進を図るマイクロミキサを提案している.本研究課題の最終目標は,テイラー・ディーン流れを利用したカオス混合の混合促進メカニズムと評価法を明らかにすることである.平成27年度は二次流れと断面混合場の時間発展をPIV(速度)およびLIF(濃度)によって同時計測し,さらに有限体積法によるCFDの結果を用いることでカオス混合に及ぼす二次流れの効果を検討した.その結果,以下の知見が得られた.[1]主流の逆流が発生し,その逆流による二次流れが組み合わされ,乱れた二次流れとなることで混合は促進される.[2]流路断面のアスペクト比が大きい方が逆流の発生範囲は広く,混合が早く進行する.CFDによる計算結果が予想以上に目覚しいものであり,実験結果と極めてよい一致を示した.また,計算条件として曲がり流路4壁面中,移動させる壁面を当初は2壁面としていたが,計算結果が早くまとまったため,移動させる壁面を1壁面,3壁面とした追加計算をすることができた.以上の理由から,当初の計画以上に進展していると判定した.近年,化学やバイオなどの分野においてμ-TAS (Micro Total Analysis Systems)と呼ばれる超小型・化学分析装置の開発が注目されている.この装置は様々なマイクロ流体素子やセンサなどから構成され,混合,攪拌,反応,分離や抽出などの一連の操作を行う.しかし,流路はマイクロサイズであるため,その流れは低レイノルズ数となり乱流による攪拌や熱移動が期待できない.そのため,低レイノルズ数流れにおいて効率よく混合・攪拌されるマイクロ流体デバイスが必要とされている.そこで研究代表者らは,曲がり管内流であるディーン流れと同軸回転二重円筒内流であるテイラー流れを組み合わせたテイラー・ディーン流れを利用したカオス混合によって混合の促進を図るマイクロミキサを提案している.本研究課題の最終目標は,テイラー・ディーン流れを利用したカオス混合の混合促進メカニズムと評価法を明らかにすることである.平成28年度は3次元カオス流れ場の時間発展をPIV(速度)およびLIF(境界面の引き伸ばしと折り畳み)によって同時計測し,さらに有限体積法によるCFD結果を用いることで,カオス混合の混合促進メカニズムを検討した.その結果,以下の知見が得られた.[1]逆流の速度と発生範囲が増加することで混合は促進される.[2]曲り流路出口からの逆流が循環流となることで混合は促進される.現在までの進捗状況はおおむね順調に進んでいる.当初の予定通り,テイラー・ディーン流れを利用したカオス混合の混合促進メカニズムを検討し,研究実績の概要で示した結果を得ることができた.近年,化学やバイオなどの分野においてμTAS (Micro Total Analysis Systems)と呼ばれる超小型・化学分析装置の開発が注目されている.この装置はさまざまなマイクロ流体デバイスやセンサなどから構成され,混合,反応,分離や抽出などの一連の操作を行う.しかし,流路はマイクロサイズであるため,その流れは低レイノルズ数の層流となり乱流による物理的混合が期待できない.そのため,低レイノルズ数流れにおいて効率よく混合促進可能なマイクロミキサが必要とされている.そこで研究代表者らは,曲がり流路内流であるディーン流れと同軸回転二重円筒内流であるテイラー流れを組み合わせたテイラー・ディーン流れを利用したカオス混合によって混合の促進を図るマイクロミキサを提案している.本研究課題の最終目標は,テイラー・ディーン流れを利用したカオス混合の混合促進メカニズムを明らかにし,混合が促進される条件を見出すことである.平成27年度から平成29年度において3次元カオス流れ場の時間発展をPIV(速度)およびLIF(境界面の引き伸ばしと折り畳み)によって同時計測し,さらに有限体積法と粒子法によるCFD結果を用いることで,カオス混合の混合促進メカニズムを明らかにし,混合が促進される条件を検討した.その結果,以下の知見が得られた.[1]主流の逆流が発生し,その逆流による二次流れと主流による二次流れが組み合わせられることで混合は促進される.[2]曲がり流路出口からの主流の逆流が循環流となることで混合は促進される.[3]流路断面のアスペクト比が増加すると,逆流の速度と発生範囲も増加するため混合は促進される.