hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
大質量星が周辺環境に与える影響の観測的研究

本研究は、銀河系の星の70-90%が生まれる星団形成を理解することを大目標に、星団形成に支配的な影響を与えていると考えられる大質量星から放出される紫外線の周辺環境及び星形成に与える影響を調査することを目的としている。この目的を達成するために、大質量星の紫外線が周辺環境に与える物理的・化学的影響を明らかにし、紫外線に照射されたコアと照射されていないコアとの間の物理量(質量・密度・温度・速度構造)の相違点を明らかにすることを目指している。研究代表者は紫外線の照射により破壊されやすい一酸化炭素(CO)分子と紫外線の照射により強度が増加する8μm放射の分布の違いから、紫外線の影響を受けている領域を同定してきた。しかし、この同定方法は空の面に平行に分布している領域しか同定できない。紫外線の影響を無バイアスに明らかにするには、新たな診断方法が必要となる。そこで、CO分子の同位体の存在量比(X[13CO]/X[C18O])から紫外線の影響を診断する。C18O分子は13CO分子と比べ紫外線により選択的に破壊される。そのため、紫外線の影響を受けた領域では、存在量比が大きくなることが期待される。オリオン座A分子雲には多くの大質量星が分布している。この周辺部では存在量比が大きい事が期待される。この作業仮説を検証するため、オリオン座A分子雲北部の1平方度の領域に対してC18O分子輝線と13CO分子輝線の同時観測を野辺山45m電波望遠鏡を用いたプロジェクト観測に立案し、観測時間が割り当てられた。しかし、使用を予定していた新受信機の科学運用が遅れたため、今年度は既存の受信機を用いて、半分の領域(0.5平方度)に対してデータを取得した。現在、これらのデータをもとに論文を執筆中である。この作業仮説を検証するため、C18O分子輝線と13CO分子輝線の同時観測を野辺山45m電波望遠鏡を用いたプロジェクト観測に立案し、観測時間が割り当てられた。しかし、使用を予定していた新受信機の科学運用が遅れたため、今年度は既存の受信機を用いて、基礎データの取得とともに、解析ツールの整備を行った。

野辺山45m電波望遠鏡に搭載予定であった新受信機の科学運用が延期となったため、平成24年度中に取得予定であった3分子輝線(12CO, 13CO, C18O)のデータを取得することができなかった。そこで、取得予定であった3分子輝線のうち最も強度が弱く、より多くの観測時間が必要とされるC18O分子輝線のデータを既存の受信機を使用して取得した。来年度以降に取得予定のデータは既存の受信機のデータと比べ大容量であるため、データ解析に時間を要する事が予想される。そこで、効率的にデータを処理するため、大容量データの扱いに適した解析ソフトを用いた解析スクリプトの作成を行った。さらに、本研究で調査する物理量(各分子の存在量)をイメージから導出するためのプログラムも作成を行った。これらの準備により、来年度新しいデータを取得した後、即座に解析を行う事が可能となり、本年度の遅れを取り戻す事が期待出来る。新しい受信機を用いて、平成24年度取得予定であった3分子輝線(12CO, 13CO, C18O)のデータを取得する。平成24年度の取得したC18O分子輝線のデータは、新しい受信機のデータと足し合わせる事で感度不足を補う。新しい受信機が搭載される平成25年度秋までの間に、より効率的にデータが取得できるスキャン方法などを考案する。観測データの取得後は、平成24年度に準備をしたデータ解析スクリプトを用いて円滑にデータ処理を行いイメージの作成を行う。さらに、13CO分子輝線とC18O分子輝線のデータから準備をした解析プログラムを用いて、各分子の存在量を導出し、作業仮説の検証を行う。平成25年度取得予定の観測データは既存の観測データと比べ大容量である。そのためデータ処理には、大量の計算機処理が必要とされるため、高い演算能力と大容量のデータストレージを持つ計算機環境の構築が必須となる。この環境整備は観測データの円滑な処理と、成果の速やかな公表、論文出版とを可能にするための基盤となる。この基盤整備のために、高性能のコンピュータ、大容量のデータストレージ、解析ソフト(IDL)が必要となる。
1,3,5-ヘキサトリインの特異な反応性を駆使した新規合成法の開発

[2+2+2]付加環化反応は、多置換六員環骨格を合成する上で原子効率の高い反応である。中でもアルキンの三量化によるベンゼン環の構築が最も一般的であり、これまでに多くの報告例がある。一方、ヘキサアルキニルベンゼンは、有機液晶や有機非線形光学材料などの有機エレクトロニクス材料の中心骨格としての利用が期待されている。しかしながら、従来の合成法では工程数の多さ、副生成物の生成など問題点があった。このような背景を踏まえ報告者は、1,3,5-ヘキサトリインの中央のアルキン部位選択的な触媒的[2+2+2]付加環化反応により、[2+2+2]付加環化反応によるヘキサエチニルベンゼン誘導体の合成法の開発した。本研究は、ヘキサ-1,3,5-トリインを新たなC6反応試剤として有機合成化学において活用することを目的とする。特に両側の2つのアルキニル基を電子求引性基と考えることにより、ヘキサ-1,3,5-トリインの3,4-アルキン部位を求電子的で活性な反応部位として活用する。予備的な検討として、DFT計算によりMulliken電荷を求めた結果、モノアルキンである1,2-ビス(トリメチルシリル)エチンは、シリル基の電子供与性によりアルキン部分の電荷は-0.11で、求核的であるのに対し、1,3,5-トリインである1,6-ビス(トリメチルシリル)ヘキサ-1,3,5-トリエンの中央のアルキン部分の電荷は+0.28であり、求電子的であることがわかった。そこで、モデル基質として、既に合成法が既知である1,6-ビス(トリイソプロピルシリル)ヘキサ-1,3,5-トリエンを選択し、その反応性を検討した。まずLindlar触媒を用いて水素添加を行ったところ、予期した通り中央のアルキンのみが選択的にアルケンに還元され、(Z)-ヘキサ-3-エン-1,5-ジイン骨格の構築を達成した。さらに、ロジウム触媒存在下、ヒドロシラン類との反応を検討したところ、中央のアルキンのみが選択的にヒドロシリル化された。次に、[2+2+2]付加環化反応において1,6-ビス(トリイソプロピルシリル)ヘキサ-1,3,5-トリエンの反応性を検討した。まず、自己三量化によるヘキサアルキニルベンゼン誘導体の合成を行ったが、所望の環化体を得ることはできなかった。そこで窒素架橋1,6-ジインとの分子間反応を行った結果、カチオン性ロジウム、あるいは中性イリジウム触媒を用いた場合に、低収率ながら環化体は得られたが、トリインの転化率が低い上に、所望の3,4-アルキン部分が反応した環化体に加え、1,2-アルキン部分が反応した環化体も生成した。シリル置換ヘキサ-1,3,5-トリインをモデル基質として用いることにより、アルキンの典型的な反応である水素添加ならびにヒドロシリル化が、中央のアルキン部分で位置選択的に進行することを見出した。本結果は、1,3,5-トリインの特異の反応を実証できたことに加え、合成中間体として多用されるエンジイン誘導体の新規な前駆体になり得ることを示している。一方で、当研究室で総括的に検討している[2+2+2]付加環化反応の基質としては反応性が低く、また想定した位置選択的な反応の実現に至っていない。ベンゼン環に6つのアルキニル基が置換した六置換ベンゼンであるヘキサアルキニルベンゼン誘導体は、その特徴的な構造と電子的特性から機能性有機材料の分野で用いられている有用な合成中間体である。しかしながら、報告されているヘキサアルキニルベンゼン誘導体の合成例は工程数の多さ、副生成物の生成など解決すべき問題点があった。一方当研究室では、多置換の六員環を構築する原子効率の高い合成法として知られる触媒的[2+2+2]付加環化反応を数多く報告している。そこで報告者は本反応を利用し、1,3,5-ヘキサトリインの中央のアルキン部位選択的な触媒的[2+2+2]付加環化反応を行うことで、効率的にヘキサエチニルベンゼン誘導体が合成できると考えた。過去の研究、DFT計算をもとに両末端に嵩高いトリイソプロピルシリル(TIPS)基を有する1,3,5-ヘキサトリインをモデル基質としてイリジウム、ロジウム、コバルト、ルテニウム、ニッケルなどの遷移金属触媒、ならびにホスフィン配位子の検討を網羅的に行った。その結果、本反応は中性イリジウム錯体[Ir(cod)Cl]2と二座リン配位子rac-BINAPより調製される触媒存在下進行した。原料であるトリインが多く残存するため、低収率ではあるが所望のヘキサエチニルベンゼン誘導体が得られた。トリインの低い反応性の理由がTIPS基の嵩高さであると考え、トリメチルシリル(TMS)基やフェニル基を検討した。その結果、トリインは消費されたが、消耗の環化体の収率が改善しなかった。

このような背景を踏まえ報告者は、1,3,5-ヘキサトリインの中央のアルキン部位選択的な触媒的[2+2+2]付加環化反応により、[2+2+2]付加環化反応によるヘキサエチニルベンゼン誘導体の合成法の開発した。1年目の検討として、ヘキサ-1,3,5-トリインの両端の置換基として合成的に導入が容易なトリイソプロピル基に限定して検討を行い、還元とヒドロシリル化において、中央のアルキン部分のみが反応した。しかしながらその位置選択性の理由として、電子的要因に加え、トリイソプロピル基の立体的要因を考慮すべきである。そこで2年目は、立体的に小さいトリメチルシリル基、あるいは合成的な利用も視野に入れた1-hydroxy-1-methylethyl基などを置換基として検討する。また、反応としても、これまで検討した[2+2+2]付加環化反応に加え、活性アルケン類との[2+2]付加環化反応、あるいは1,3-双極子との[3+2]付加環化反応についても検討し、ヘキサ-1,3,5-トリインの合成的利用を目指す。有機合成化学
保存されたタンパク質Ｍａｄ１によるスピンドルチェックポイント不活性化機構の解明

染色体分配が正しく起きるためには、すべての染色体が分裂装置であるスピンドルの中央部に整列する必要がある(染色体整列)。未整列の染色体が存在するまま染色体分配が起きると、染色体が不均等に分配してしまい、細胞死や癌化につながる。そこで細胞はこのような事態を回避するために以下の二つのシステムを備えている。1スピンドルチェックポイント2キネシンモーターによる染色体整列の促進これらのシステムは、同時期(分裂前期)に、同じ場所(動原体)で、同じ目的(染色体整列の完了)のために働くにも関わらず、分子レベルでの繋がりは明らかになっていなかった。昨年度の研究成果により、分裂酵母とヒトにおいてスピンドルチェックポイント因子Mad1がチェックポイントを活性化するだけでなく、キネシンモーターを動原体に局在化させることが明らかになった。これは、チェックポイントと染色体整列が分子レベルで繋がっていることを示唆しているが、具体的にMad1がどのようにしてキネシンモーターを動原体に局在化させているかは未知のままであった。今年度の研究により分裂酵母とヒトにおいて、Mad1はそのN末端領域を介してキネシンと直接結合することが分かった。真核生物におけるMad1のN末端領域のアミノ酸配列を比較したところ、種間で進化的に保存されたモチーフが存在したため、モチーフに変異を導入したところ、分裂酵母でもヒトでもキネシンとの結合が失われた。このMad1のモチーフ変異体は細胞内において、キネシンを動原体に局在化させることができず、染色体整列にも異常が見られた。以上の結果から、Mad1は保存されたモチーフを介してキネシンを動原体に局在化させ、染色体整列を促進していることが分かった。今年度の研究成果により、Mad1がどのようにして「スピンドルチェックポイント」と「染色体整列」とを統合的に制御しているのかが明らかになった。26年度が最終年度であるため、記入しない。当初、Mad1のスピンンドルチェックポイント不活性化機構を解析していたが、その過程でMad1のスピンドルチェックポイント以外の重要な機能を発見し追究した。Madlのスピンドルチェックポイント以外の機能はこれまで、いくつかの生物で示唆されていたものの、その具体的なメカニズムは明らかになっていなかった。私は、分裂酵母Mad1の新規相互作用因子として、Cut7キネシンモーターを同定した。このCut7の分裂期における局在を観察したところ、Mad1同様、微小管未結合の動原体に局在することが分かった。微小管未結合の動原体に局在するキネシンとしては、分裂酵母において初めての発見である。またCut7の動原体局在はMad1に依存していることが分かった。ではCut7は動原体で何をしているのだろうか。そこでCut7が動原体に局在できない変異体において分裂期をライブ観察したところ、染色体整列に異常があることがわかった。以上の結果から、Mad1のスピンドルチェックポイント以外の機能はCut7の動原体局在を介した染色体整列であることが明らかになった。つぎにMad1染色体整列機能がヒトにおいても保存されているかを、ヒト培養細胞を用いて検討した。そこでMad1をRNAiで発現抑制したところ、染色体整列に異常があることが分かった。ヒトにおいてはCENP-Eキネシンが動原体に局在し染色体整列を促進することが分かっている。そこでMad1のRNAiで細胞を処理したのちCENP-Eキネシンの局在を観察したところ、動原体局在が顕著に減少していることがわかった。よって、分裂酵母においてもヒトにおいても、Mad1がキネシンを動原体に局在化させることにより染色体整列を促進していることが分かった。CENP-EやMad1の変異はヒトの癌において頻繁に観察される。したがって本研究が癌の治療に活かされることが期待される。

以上の結果から、Mad1は保存されたモチーフを介してキネシンを動原体に局在化させ、染色体整列を促進していることが分かった。今年度の研究成果により、Mad1がどのようにして「スピンドルチェックポイント」と「染色体整列」とを統合的に制御しているのかが明らかになった。26年度が最終年度であるため、記入しない。当初は想定していなかった発見が複数あり、研究が大きく発展したため。(1)Mad1とCut7の結合には、分裂期特異的な修飾による制御はあるかMad1とCut7の共局在が細胞内で観察されるのは分裂期だけである。これは、これらの因子の結合が分裂期特異的であることを示唆している。そこで、分裂期特異的キナーゼに焦点を合わせ、Mad1とCut7との結合への寄与を検討する。(2)ヒトにおいてMad1はどのようにしてCENP-Eを動原体に局在化させているのかヒトのMad1がCENP-Eの動原体局在に必要であることは、これまでの解析で明らかになったが、どのようにして局在を制御しているかは未知のままである。そこで、Mad1とCENP-Eが結合するかを検討し、局在制御の分子メカニズムに迫る。
胃内の食物流動の数値シミュレーションによる機能性ディスペプシアのメカニズムの解明

胃の主な機能は食物の貯留・攪拌・排出である.攪拌機能は胃内の消化と密接に関連している.胃内の攪拌は蠕動運動と呼ばれる胃壁の運動によって引き起こされるが,加齢やストレスなどによってこの運動機能が低下すると,機能性消化不良といった疾患が起きることが知られている.しかしながら,機能性ディスペプシアの発生メカニズムは未だ不明である.そこで本研究課題では,数値解析を用いて,胃壁の運動機能が変化した時にどのように胃内の流れ場が変化するのか,流れ場の変化がどのように胃内容物の攪拌に影響するのかを明らかにすることを目的としている.まず,本研究では構築した計算力学モデルを用いて胃壁の運動機能と胃内容物攪拌の関係を調査した.特に,蠕動運動の伝播速度と発生周期,胃内容物の粘度等のパラメータを変化させたときに攪拌がどのように変化するかを調査した.胃壁の運動機能は,レイノルズ数とストローハル数という2つの無次元数で記述でき,それらと,胃内容物攪拌を定量化するために新たに提案したmixing efficiencyという指標との関係を解析した.レイノルズ数が大きく,ストローハル数が小さいほどよく攪拌されることが明らかになった.次に,胃蠕動運動が幽門(胃から十二指腸への出口部)で加速するterminal accelerationと呼ばれる現象が胃内容物攪拌に与える影響を解析し,terminal accelerationによって少ないエネルギーで効率よく胃内容物を攪拌している可能性が示唆された.これらの研究結果は,工学のみならず,生理学,医学分野においても重要なデータであり,今後の臨床応用が期待できる.28年度が最終年度であるため、記入しない。28年度が最終年度であるため、記入しない。胃の主な機能は食物の貯留・攪拌・排出の3つであると言われている.胃の攪拌機能によって消化液と食物が混合され,また食物同士がこすり合わされ小さくなるため,攪拌機能は胃内の消化と密接に関連している.胃内の攪拌は蠕動運動と呼ばれる胃壁の運動によって引き起こされるが,加齢やストレスなどによってこの運動機能が低下すると,機能性ディスペプシア(機能性消化不良)といった疾患が起きることが知られている.しかしながら,どの運動機能の低下がどのように攪拌機能を変化させるのかについては明らかにされておらず,機能性ディスペプシアの発生メカニズムは未だ不明である.そこで本研究課題では,コンピュータシミュレーションを用いて胃内の流れを再現し,胃壁の運動機能が変化した時にどのように胃内の流れ場が変化するのか,流れ場の変化がどのように胃内容物の攪拌に影響するのかを明らかにすることを目的としている.まず,本研究では胃壁の運動と胃内容物攪拌の関係を解明するための新しい計算力学モデルを構築した.本研究では,移動壁境界条件としてよく用いられる埋め込み境界法と,混相流計算でよく用いられるVolume of Fluid法という2つの手法を組み合わせることによって胃の計算力学モデルを構築した.次に,構築した計算力学モデルを用いて胃壁の運動機能と胃内容物攪拌の関係に関する調査を行った.具体的には,胃壁の運動機能のうち,蠕動運動の伝播速度と発生周期を変化させ,胃内容物の粘度を変化させたときに攪拌がどのように変化するかを調査した.胃内容物は,単位時間当たりに通過する蠕動の数が多いほどよく攪拌されることを示した.一方,1周期当たりの攪拌量は胃壁の伝播速度と胃内容物の動粘度,胃の平均管直径から決まる慣性力と粘性力の比であるレイノルズ数によって表されることが明らかになった.本研究では胃壁の運動と胃内容物攪拌の関係を解明するための新しい計算力学モデルを構築した.胃は複雑な形状をしており,蠕動運動時には複雑に運動している.また,胃内容物は気・液・固相から成る混相流である.このため,胃の計算力学モデルには,複雑形状かつ移動壁境界かつ混相流といった複雑なモデルが必要になる.本研究では,移動壁境界条件としてよく用いられる埋め込み境界法と,混相流計算でよく用いられるVolume of Fluid法という2つの手法を組み合わせることによって胃の計算力学モデルを構築した.また,計算の高速化のためにGPU(Graphics Processing Unit)を用いて計算を行っている.このモデルにより,実形状を用いた胃内の気液混相流計算が世界で初めて可能になった.次に,構築した計算力学モデルを用いて胃壁の運動機能と胃内容物攪拌の関係に関する調査を行った.具体的には,胃壁の運動機能のうち,蠕動運動の伝播速度と発生周期を変化させ,胃内容物の粘度を変化させたときに攪拌がどのように変化するかを調査した.胃内容物攪拌量を定量化するための新しい手法を提案し,その指標を用いて胃内容物攪拌量の評価を行った.胃内容物は,単位時間当たりに通過する蠕動の数が多いほどよく攪拌されることを示した.一方,1周期当たりの攪拌量は胃壁の伝播速度と胃内容物の動粘度,胃の平均管直径から決まる慣性力と粘性力の比であるレイノルズ数によって表されることが明らかになった.レイノルズ数が大きくなるにつれて蠕動運動1周期当たりの攪拌量が大きくなり,レイノルズ数が十分小さく,胃内容物流れをストークス流れとみなせる場合は胃内容物攪拌量は一定であることが明らかになった.

また,胃内容物攪拌量は蠕動間の距離によっても変化することを示した.胃の主な機能は食物の貯留・攪拌・排出である.攪拌機能は胃内の消化と密接に関連している.胃内の攪拌は蠕動運動と呼ばれる胃壁の運動によって引き起こされるが,加齢やストレスなどによってこの運動機能が低下すると,機能性消化不良といった疾患が起きることが知られている.しかしながら,機能性ディスペプシアの発生メカニズムは未だ不明である.そこで本研究課題では,数値解析を用いて,胃壁の運動機能が変化した時にどのように胃内の流れ場が変化するのか,流れ場の変化がどのように胃内容物の攪拌に影響するのかを明らかにすることを目的としている.まず,本研究では構築した計算力学モデルを用いて胃壁の運動機能と胃内容物攪拌の関係を調査した.特に,蠕動運動の伝播速度と発生周期,胃内容物の粘度等のパラメータを変化させたときに攪拌がどのように変化するかを調査した.胃壁の運動機能は,レイノルズ数とストローハル数という2つの無次元数で記述でき,それらと,胃内容物攪拌を定量化するために新たに提案したmixing efficiencyという指標との関係を解析した.レイノルズ数が大きく,ストローハル数が小さいほどよく攪拌されることが明らかになった.次に,胃蠕動運動が幽門(胃から十二指腸への出口部)で加速するterminal accelerationと呼ばれる現象が胃内容物攪拌に与える影響を解析し,terminal accelerationによって少ないエネルギーで効率よく胃内容物を攪拌している可能性が示唆された.これらの研究結果は,工学のみならず,生理学,医学分野においても重要なデータであり,今後の臨床応用が期待できる.今後は,胃内容物の排出に関する研究を行っていく予定である.胃から十二指腸への胃内容物の排出量などは実際に測定することができるが,胃と十二指腸の間の圧力差,幽門開閉のタイミングなどは測定が難しく,個人差も大きいため不明である.そこで,まず現在の計算力学モデルに幽門,十二指腸を加え胃内容物排出モデルの構築を行う.構築した計算力学を用いて,胃と十二指腸の間の圧力差,幽門の開閉量,開閉のタイミングなどを入力パラメータとして与え,胃から十二指腸への排出量を出力パラメータとし,実際の臨床の場で測定されている胃内容物排出量などと照らし合わせることによって,圧力差や幽門の開閉量,開閉のタイミング等のパラメータを同定する.次に,同定したパラメータを用いて,胃壁の運動機能を変化させた時に排出量がどのように変化するのかを明らかにする.28年度が最終年度であるため、記入しない。28年度が最終年度であるため、記入しない。
胃癌の新しい癌抑制遺伝子RUNX3の細胞分化・癌化機構の解明と診断・治療への応用

RUNX3はTGFβ依存性アポプトーシスに重要な役割を果たしており、放射線化学療法の感受性に関与していることが明らかになった(Oncogene, Sakakura et al., 2007)。大腸癌の発癌シグナル伝達系(Wntシグナル系)とRUNX3-TGFβシグナル伝達系のオーバーラップする分子も同定されており(Cancer Cell,2009)、また乳癌や肺腺癌への関与も明らかになっており、今後更なる発展が期待しうる。我々はLuminexシステムにより、多数の検体における複数遺伝子のメチル化を定量的に短時間で測定しうる迅速血清診断システムを確立し、実地臨床に応用可能しつつある。また我々はRUNX3ノックアウトマウスとAPCノックアウトマウスの掛け合せにより大腸病変の発生を確認している。大腸癌の発癌シグナル伝達系(Wntシグナル系)とRUNX3-TGFβシグナル伝達系のオーバーラップする分子(TCF4)も同定されており(Cancer Cell, Ito et al, 2009)、今後更なる発展が期待しうる。我々は日立ソフトLuminexシステムにより、多数の検体における複数遺伝子のメチル化を定量的に短時間で測定しうる迅速血清診断システムを確立し、実地臨床に応用可能しつつある。また最近、我々の共同研究者は、肺腺癌の発癌におけるRUNX3の関与とp53シグナルとのクロストークについて報告している(Bae et al., Cancer Cell, 2014)。また近年、米国における乳癌臨床検体における全ゲノムシークエンス解析結果では乳癌におけるRUNXファミリーの高頻度の変異やメチル化、さらにエストロゲンレセプターシグナル伝達系や骨転移への関与が報告されており(Nature 2012, 2013)、乳癌における早期診断や薬剤耐性克服、さらに低分子化合物による治療などにおいて今後更なる発展が期待される。大腸癌の発癌シグナル伝達系(Wntシグナル系)とRUNX3-TGFβシグナル伝達系のオーバーラップする分子(TCF4)も同定されており(Cancer Cell, Ito et al, 2009)、また乳癌や肺腺癌への関与も明らかになっており(Cancer Cell, Bae et al, 2014)、今後更なる発展が期待しうる。消化器外科肺腺癌におけるRUNX3の関与とp53シグナルとのクロストーク(Cancer Cell, 2013)や、全ゲノムシークエンスにて乳癌における高頻度の変異やメチル化、さらにエストロゲンレセプターシグナル伝達系や骨転移への関与が報告されており(Nature 2012, 2013)、RUNXファミリーを指標とした乳癌の早期診断や薬剤耐性克服など更なる発展が期待される。上記結果に鑑み、乳腺外科との共同研究を推進しつつある
ペタスケールシミュレーションのための高性能な並列線形ソルバ

ペタスケールシミュレーションに向けた線形ソルバのために、大規模問題を含む悪条件問題に対する対応技術、高い並列性能を実現する並列化技術に関する研究を行った。悪条件問題に対する処置として、陰的マルチグリッド法やEEC/IEC法と呼ばれる誤差修正法を活用し、多様なマルチグリッドソルバを簡便に構築する技術の開発や具体的な応用分野(計算電磁気学)における収束性の改善法を提案した。また、開発した並列化線形ソルバの性能評価試験として、大規模高周波電磁場解析において生ずる8億自由度の問題を1024コアにより250秒以内で求解することに成功した。平成21年度では、Ruge、StubenらのAMGアルゴリズムに基づいた陰的マルチグリッド法プログラムを開発した。本プログラムはCRS(Compressed Row Storage)形式の疎行列データを入力とし、陰的マルチグリッド法により得られる拡大係数行列および補間関数を出力するプログラムである。本プログラムにより様々な応用分野において生ずる連立一次方程式の陰的マルチグリッド化を簡単に行うことが可能となる。次に、本プログラムに対して行列データベース等より入手したテストデータを適用し、その有効性について検討を行った。その結果、陰的マルチグリッド法において定常反復法を利用した場合、通常のマルチグリッドVサイクルと同一の収束性が得られることが確認された。さらに、得られた拡大連立一次方程式と線形ソルバライブラリを組み合わせることにより、簡単に各種のマルチレベル型前処理付き反復法を構築できることを示した。次に本研究では、拡大連立一次方程式に対して利用可能な分散メモリ形式に対応したハイブリッド並列処理型ICCGソルバを開発した。本ソルバはこれまでにライブラリ化されていないマルチプロセス方式とマルチスレッド方式を併用可能な分散型ICCGソルバで元の係数行列の次元数よりも大きい行列を扱う陰的マルチグリッド法に適合するソルバである。本並列ICCGソルバの陰的マルチグリッド法における有用性については平成22年度以降に検証する予定である。平成22年度には、平成21年度に開発した陰的マルチグリッド化プログラムに基づいて、様々な数値シミュレーションで生ずる連立一次方程式に対して陰的マルチグリッド法を適用し、これにより得られる拡大係数行列を持つ連立一次方程式に対して既存の反復法ライブラリを適用することで、従来の前処理付き反復法の枠組みでは実現できない形式をもつ反復解法の実現とその性能評価を行った。数値実験には研究代表者らが開発した有限要素電磁場解析やフロリダ大学Matrix Collectionデータベースより取得した連立一次方程式を用い、陰的マルチグリッド化後の拡大方程式に対して、定常反復法前処理・ILU分解系前処理を用いた共役勾配法、GMRES法、BiCG-STAB法等の反復法を適用した。本研究により、陰的マルチグリッド法と既存ライブラリの組み合わせることで簡便に多様なマルチグリッド型反復解法の適用が可能であることが確認された。また、解析結果から、拡大係数行列に対する前処理では、対角ブロック部の収束性への影響が大きく、非対角ブロック部については大きな影響を与えないことが見出された。本結果は、並列処理に適合性のある加法シュワルツ型の前処理が拡大方程式に対して有効に機能する可能性を示唆しており、重要な知見と言える。一方、平成22年度中の研究において、既存の反復解法ライブラリは、陰的マルチグリッド法により生ずる冗長な未知変数をもつ連立一次方程式に対するサポートが不十分であることが分かった。そこで、平成23年度には、これらの冗長な未知変数をもつ連立一次方程式に対応する線形反復法プログラムを開発し、その並列化についても取り組む予定である。平成23年度では、平成22年度までに作成した陰的マルチグリッド化プログラムの成果を受け、同プログラムで生成された拡大連立一次方程式に対応する並列化線形ソルバを作成した。具体的には、冗長な未知変数を持つ連立一次方程式の求解を訂能とするシフトILU分解前処理付きクリロフ部分空間反復法のスレッド並列化ライブラリを作成した。これにより、与えられた任意の連立一次方程式に対して、これを陰的マルチグリッド化し、並列化ソルバで解くという一連の解法手順が確立できた。その結果、各応用分野において生ずる連立一次方程式において、マルチグリッド法の有効性や各種のスムーザの比較が簡便に行うことが可能となった。次に、本研究におけるターゲットの一つである悪条件な問題への対応については、陰的マルチグリッド法の基盤概念であり、研究代表者らが考案したEEC/IEC(陽的/陰的誤差修正)法の適用が有効であることが分かった。同手法では問題固有の性質に着目した誤差修正法を用いるため、本研究では研究代表者が知見を有している電磁場解析に本手法を適用した。その結果、非常に多くのタイムステップを必要とする電動モータの時間発展解析において、時間周期有限要素法の定式化に基づくEEC法の利用により、大幅に収束までのタイムステップ数を削減することに成功した。

また本研究と関連して、時間周期有限要素法の並列化による時間方向の並列化を実現し、EEC法による手法との比較検討を行った。これらの研究成果はIEEE Trans. Magn.誌に発表されている。また、プロセス並列による分散メモリ環境が不可欠な問題として、大規模なEMC(Electromagnetic compatibility)の問題を取り上げ、開発したマルチグリッドソルバがマルチプロセス・マルチスレッドを併用するハイブリッド並列環境下でも良好に動作することを示した。
有機トランジスタの界面構造

今日の電子デバイスのほとんどはシリコンを基礎とした技術に依存している。しかし,これを炭素ベースに置き換える事で,ある種の用途には大きなメリットが生まれ得ることが認識されるようになってきた。そこで本研究では,有機半導体によるデバイスの高度化を目指し,デバイスの機能発現に直接関連する界面部分の構造を観測した。測定には非破壊で高分解能な測定が可能な放射光表面X線回折法を用いた。その結果,有機半導体テトラセンの表面近傍での構造を高い分解で観測することに成功した他,イオン液体が形成する電気二重層の構造を,印加電圧による変化も含めて観測することに成功した。有機半導体を基礎に電子デバイスを作製する事で安価,軽量,柔軟性を持った透明なデバイスを作製できる,あるいは印刷によってデバイスが作製できる特性を生かして,電子デバイスの多品種少量生産が可能となると期待されている。そのために近年,有機半導体デバイスの研究が盛んになっており,現在では半導体素材の性能としてはアモルファスシリコンを上回る易動度の有機半導体素材まで開発されている。本研究では,有機半導体デバイスで利用される界面の物性を微視的に理解するために,0.01nmの分解能で界面構造を明らかにする。そのために放射光を用いた表面X線回折法を用い,さらにホログラフィの考え方を取り入れた解析を適用する。初年度の研究では,有機トランジスタのゲート絶縁層に利用されるイオン液体電気二重層からのX線反射率測定に成功した。イオン液体と固体の界面を形成し,電圧を印加することで界面に電気二重層が形成されることはよく知られているが,その電気二重層の直接観測はこれまでほとんどなされてこなかった。そこで我々は金単結晶とイオン液体の界面に電気二重層を形成し,放射光を用いたX線反射率測定を行った。その結果,電圧の方向や大きさに依存して反射率の大きな変化を観測した。同時に金-有機半導体界面や,SrTiO3-有機半導体界面の構造を観測するべく表面X線回折実験を進めているが,現時点まででこれらについて良い結果は得られていない。試料の室の問題であるのか,本質的な問題なのかを検討する。本研究では,有機半導体デバイスで利用される界面の物性を微視的に理解するために,0.01nmの分解能で界面構造を明らかにした。そのために放射光を用いた表面X線回折法を用い,さらにホログラフィの考え方を取り入れた解析を適用した。本研究において,我々は有機半導体物質テトラセンの表面近傍の構造を解明することに成功した。その結果,有機半導体において非常に大きな表面構造緩和が生じている場合があることを初めて明らかにした。もう一つの大きな結果は,イオン液体の形成する電気二重層構造の直接観測に成功したことである。この電気二重層は有機トランジスタのゲート絶縁層に用いられ,動作電圧の低減に大きな効果があることが知られているのみならず,幅広い物性物理の研究分野において強電場印加に有効な手段として注目が高まっている。この電気二重層の構造を,電場依存性まで含めて初めて非接触なやり方で観測することに成功した。今年度,我々は2つの成果を得た。一つは有機半導体物質テトラセンの表面X線回折データの取得,もう一つは有機トランジスタのゲート絶縁層に用いられるイオン液体の構造を明らかにしたことである。

イオン液体と固体の界面を形成し,電圧を印加することで界面に電気二重層が形成されることはよく知られているが,その電気二重層の直接観測はこれまでほとんどなされてこなかった。放射光を用いた我々の測定の結果,電圧の方向や大きさに依存して界面付近の液体構造が大きく変化し,電気二重層の極性反転が生じている様を明瞭に観察することに成功した。さらにイオン液体の形成する電気二重層では,陽イオンと陰イオンが交互に層状構造を形成していることも明らかにした。申請書の23年度分の計画と比較すると,一部達成,一部については期待した結果が得られていないという状況であるが,期待通りでないのは当初の期待が現実と違っているからではないかと考えている。当初期待していたのは,金と有機半導体は原子レベルで見て広い範囲で接触しており,キャリアのやり取りが広い面で生じているという状況であった。しかし,これまでに得られた結果が示唆する真の界面構造は,極狭い面でのみ両者は接触しており,ほとんどの領域で金と有機半導体は全く接触していないという状況である。今後確認を進める。23年度の11月からと,開始が遅かったことを考えると,一つでも期待通りの進行をしているのは概ね順調と言えると判断している。25年度が最終年度であるため、記入しない。24年度終了時点で課題申請段階の23年度の予定をほぼ達成し,24年度計画に少し入った程度の進行であるが,これは研究開始が23年度の11月からであるためで,ほぼ予定通りのペースで進行している。初年度は金と有機固体の界面についての調査,及び金とイオン液体の界面構造の研究を予定していた。これまでのところ,後者については完全に期待通りの結果を得ている。一方前者は実験の結果,想像と全く異なる状態が生じている事が明らかになった。金-有機固体界面はほとんどの領域で接しておらず,単に人の目で見たスケールで近接しているだけである。デバイス駆動の観点で問題になる電子移動の観点では,極めて限定された部分を通して電子の移動が生じている。当初想定していたのは全体が均一に接している状況であったので,この部分の測定は原理的に不可能であると判明した。イオン液体-金界面の電気二重層構造の観測に成功したので,他の界面に対する測定を行うのがひとつの方向性である。固体-有機半導体界面の観測については,本質的にきちんと接触していない可能性が高いと考えているが,これについて確認をする。並行して,有機半導体と空気の界面の構造を観測する。自発的な表面構造緩和がどの程度生じているのかを明らかにすることで,表面や界面の物性の理解の基準点を設ける事が目標である。SrTiO3とイオン液体の界面で,X線照射によってSrTiO3が腐食してしまったことは今後の研究計画に大きな影響を及ぼす。
食品添加物由来の組織シーラントを用いた結膜癒着防止効果の検討

白色家兎緑内障モデルで術中に粉末状LYDEX(ライデックス)を用いて線維柱帯切除術(トラベクレクトミー)を施行し、組織学的評価をおこなった。白色家兎3匹3眼に線維柱帯切除術を施行した。術中、線維柱帯切除後に粉末状LYDEXを術野に散布しBSS (Balanced Salt Salution)溶液を滴下しゲル化させ結膜縫合を行い、手術を終了した。術後7日、術後1ヶ月、術後3ヶ月に眼圧、組織癒着の状態を細隙灯顕微鏡検査、前眼部光干渉断層計(optical coherence tomography:OCT)によって評価した。その後術後4ヶ月時点で家兎を安楽死のうえ組織標本(Hematoxylin-Eosin染色)を作成し、炎症や癒着の程度を評価した。術後、細隙灯顕微鏡検査で全ての家兎眼において有意な炎症や感染兆候はみられなかった。前眼部光干渉断層計では術後3ヶ月時点においても結膜下および強膜フラップ下に低輝度のスペースが残存し、LYDEXが吸収されずに残存していることが示唆された。組織標本においても結膜下にLYDEXが確認され、炎症細胞浸潤、肉芽形成、線維化はほぼみられず、軽度の瘢痕化がみられるのみであった。緑内障手術においてLYDEXは少なくとも4ヶ月残存し、術野の組織癒着は軽微であり、癒着防止効果は少なくとも4ヶ月間は継続する可能性が示唆された。また明らかな低眼圧や炎症もみられていない。LYDEX併用トラベクレクトミーを白色家兎眼に施行し、術後4ヶ月の組織標本でLYDEXの残存が確認されている。今後、粉末状LYDEX以外の成形したLYDEX(シート状など)を使用して同様の実験をおこなう予定である。本年度は国際学会へ参加予定である。テロに影響を鑑みて国際学会への出席を取りやめたため本年度は国際学会へ参加予定である。
薬物治療の効率・安全性向上に寄与する薬局における患者の情報伝達促進の方策の確立

2017年度に実施したインタビュー調査について詳細な解析を実施した。「症状はどうですか?」「体調変わらないですか?」などの容態を尋ねる【医師のような質問・発言】や【毎回繰り返される同じ質問】、【疾患に対する患者の気持ちへの配慮を欠いた質問・発言】は直接的に患者の感情に影響している。生活習慣の改善に取組む患者は検査値が改善していない場合、【生活を改善できないことへの忸怩たる思い】があるため「薬局で『お薬は変わっていませんね(薬剤師にとっては確認作業)』と言われると『状態が良くなってない』と追い打ちをかけられた気持ちになる」といった患者の思いを得た。また、薬剤師の質問・発言に対する患者による、【薬の専門家としての期待に不相応な情報】や【必要な質問であるか疑問】といった評価もネガティブな感情に結びついていた。その他、【質問・説明は調剤報酬を得るためとの疑念】や【医師に情報を伝えた上での処方なので薬剤師の確認は不要】といった患者の認識が得られた。以上から、患者から積極的に薬剤師に情報を伝え、相談したいと思われるには、下記の改善が必要と考える。1.戸惑いやネガティブな感情を抱かせない聞き方/伝え方→定型的な質問・説明ではなく「疾患に対する患者の気持ちに配慮した」「疾患にフォーカスした」聞き方・伝え方の技術の向上が必要である。2.薬剤師との対話の有益性の認知→処方に問題がなければ目に見えるアウトカムである「薬の変更」は発生しないため、「薬剤師による処方内容の監査」「情報蓄積」など安全性に繋がる薬剤師業務の有益性が認識されるような取組や、質の高い情報の提供が必要である。研究代表者の岸本が本年度4月に昭和大学に異動し、その関係でスケジュールに遅れが生じている。研究の実施体制が整ったので、2019年度は2018年度にできなかった研究を遂行するとともに、2019年度の計画も進めていく。薬局外来患者を対象とした質問紙による量的調査を行い、認知情報の非対称性と情報伝達積極性との関連性の検証及び情報伝達阻害要因の特定を行う。(1)情報伝達積極性の測定尺度の作成:質問紙による量的調査を行う準備として、情報伝達積極性の測定尺度を、Patient Activation Measure(Judith H Hibbard et al. 2004)の開発手順を参考に作成する。1文献調査に基づき質問内容の試作を行う。2内容妥当性を得るために、薬局薬剤師(20名)を対象に郵送調査を行い、内容のコンセンサスを図る。3信頼性を担保するために、定期的来局患者100名(web調査会社の患者モニター)を対象にweb調査を行い、α係数、項目-総得点の相関から内定整合性の評価を行い、更に30名(先行調査の100名の中からリクルート)を対象に試験再試験信頼性評価を行う。(2)来局外来患者を対象とした質問紙による量的調査の実施:定期来局患者を対象に、薬局薬剤師に質問紙及び返信用封筒の配布を依頼し、実査での調査を行う。1200名分以上の質問紙回収を目標とし、500名に対し質問紙を配布する(回収率40%と想定)。2特定の薬局に集中すると回答が偏る可能性があるため、協力薬局を20店舗リクルートする。3回収率を上げるために、質問紙配布の際にボールペンをノベルティとして渡す。4協力薬剤師が回答を閲覧できないよう、回答者自身が記入済み質問紙を封筒に入れ厳封する。5調査データから、認知情報の非対称性と情報伝達の積極性との関連性の分析及び、アソシエーション分析により情報伝達の阻害要因の特定を行う。平成29年度の研究計画は、申請者らが想定していない情報伝達の積極性に対する患者側の阻害要因について、薬剤師へのインタビュー及び患者へのインタビューを行い、阻害要因の探索することである。薬剤師へのインタビューの結果:「薬局における患者から薬剤師への情報伝達の積極性に対する患者側の阻害要因」について、5名の薬剤師にインタビューを行った。患者側の阻害要因として「患者が求める薬剤師像とのギャップ」「薬剤師業務を理解していないこと」、薬剤師側の要因として「個人にフォーカスを当てた聞き取りが不十分」であることが挙げられた。患者は薬物療法等について相談したい相手は求めているが、それは薬剤師ではない(主に医師である)現状があり、薬剤師に相談し解決可能なことと、医師に相談し解決可能なことの整理が必要である。また、患者へのインタビューであるが、これまでは協力者を薬局でリクルートすることが多かったが、今回の研究テーマの場合は薬局を介さないリクルート方法が適切との意見を得た。患者へのインタビューの結果:「薬局において薬剤師からの質問に対して、戸惑いやネガティブな感情を抱いたこと」に関し、研究者と研究協力者(患者)の1対1でのインタビュー調査(約1時間)を8名を対象に行った。患者の情報伝達の積極性を阻害する主要因は「薬剤師との対話に有益性を感じない(有益性=知らない情報が得られる、薬の変更)」であった。薬剤師の確認作業により処方に問題がなければ目に見えるアウトカムである「薬の変更」は発生しない。「有益性=薬剤師による確認作業」となるよう、患者の認知の変化が必要である。また、その他、生活習慣病の改善に取り組む患者にとっては、クリニックで検査値が改善していない場合、落ち込んだ気持ちとなっており、薬局での会話は「傷口に塩を塗られたように感じる」との患者の新たな思いを得ることができた。

方法の変更は生じたが(患者を対象としたインタビュー調査のリクルート方法の変更)、おおむね順調に進展している。2017年度に実施したインタビュー調査について詳細な解析を実施した。「症状はどうですか?」「体調変わらないですか?」などの容態を尋ねる【医師のような質問・発言】や【毎回繰り返される同じ質問】、【疾患に対する患者の気持ちへの配慮を欠いた質問・発言】は直接的に患者の感情に影響している。生活習慣の改善に取組む患者は検査値が改善していない場合、【生活を改善できないことへの忸怩たる思い】があるため「薬局で『お薬は変わっていませんね(薬剤師にとっては確認作業)』と言われると『状態が良くなってない』と追い打ちをかけられた気持ちになる」といった患者の思いを得た。また、薬剤師の質問・発言に対する患者による、【薬の専門家としての期待に不相応な情報】や【必要な質問であるか疑問】といった評価もネガティブな感情に結びついていた。その他、【質問・説明は調剤報酬を得るためとの疑念】や【医師に情報を伝えた上での処方なので薬剤師の確認は不要】といった患者の認識が得られた。以上から、患者から積極的に薬剤師に情報を伝え、相談したいと思われるには、下記の改善が必要と考える。1.戸惑いやネガティブな感情を抱かせない聞き方/伝え方→定型的な質問・説明ではなく「疾患に対する患者の気持ちに配慮した」「疾患にフォーカスした」聞き方・伝え方の技術の向上が必要である。2.薬剤師との対話の有益性の認知→処方に問題がなければ目に見えるアウトカムである「薬の変更」は発生しないため、「薬剤師による処方内容の監査」「情報蓄積」など安全性に繋がる薬剤師業務の有益性が認識されるような取組や、質の高い情報の提供が必要である。研究代表者の岸本が本年度4月に昭和大学に異動し、その関係でスケジュールに遅れが生じている。薬局外来患者を対象とした質問紙による量的調査を行い、認知情報の非対称性と情報伝達積極性との関連性の検証及び情報伝達阻害要因の特定を行う。(1)情報伝達積極性の測定尺度の作成:質問紙による量的調査を行う準備として、情報伝達積極性の測定尺度を、Patient Activation Measure(Judith H Hibbard et al. 2004)の開発手順を参考に作成する。1文献調査に基づき質問内容の試作を行う。2内容妥当性を得るために、薬局薬剤師(20名)を対象に郵送調査を行い、内容のコンセンサスを図る。3信頼性を担保するために、定期的来局患者100名(web調査会社の患者モニター)を対象にweb調査を行い、α係数、項目-総得点の相関から内定整合性の評価を行い、更に30名(先行調査の100名の中からリクルート)を対象に試験再試験信頼性評価を行う。(2)来局外来患者を対象とした質問紙による量的調査の実施:定期来局患者を対象に、薬局薬剤師に質問紙及び返信用封筒の配布を依頼し、実査での調査を行う。1200名分以上の質問紙回収を目標とし、500名に対し質問紙を配布する(回収率40%と想定)。2特定の薬局に集中すると回答が偏る可能性があるため、協力薬局を20店舗リクルートする。3回収率を上げるために、質問紙配布の際にボールペンをノベルティとして渡す。4協力薬剤師が回答を閲覧できないよう、回答者自身が記入済み質問紙を封筒に入れ厳封する。
Bone lining cellsを標的としたエピゲノム制御による骨再生への展開

本研究は,休止期骨芽細胞の再活性化を利用した新しい骨形成促進剤の創薬に貢献するため,骨関連細胞の運命決定の分子基盤を解明することを目的とする。骨特異的プロモーター制御下に蛍光タンパク質Venusを発現するレポーターマウスを使用し,シングルセルRNA-seqによりVenus陽性細胞1個あたりの遺伝子発現を網羅的に解析した。解析した全ての細胞で骨芽細胞マーカーの発現が認められ,一部の細胞は既知の休止期骨芽細胞に特徴的な発現様式を示した。また,脂肪細胞分化に関連する遺伝子発現が認められるなど,Venus陽性細胞が多様性に富むことが明らかとなった。骨表面に並ぶBone lining cells(休止期骨芽細胞)は文字通り休止した骨芽細胞であると考えられていたが,近年,骨リモデリングの場の調整に働くことや,機械的刺激等により骨芽細胞へ再活性化する可能性が報告されている。本研究では,Bone lining cellsを規定する分子基盤を解明し,骨芽細胞の活性休止と再活性化を自在に制御できるバイオ医薬技術の基礎開発を目的とする。本年度は活性型骨芽細胞とBone lining cellsを区別して可視化できるマウス系統の樹立を試みた。まず,活性型骨芽細胞とBone lining cellsの細胞内小器官の発達の違いに注目し,Creリコンビナーゼを発現する組織において細胞膜またはゴルジ体をそれぞれVenusまたはmCherryで標識するレポーターマウスを導入した。これらのマウスに,I型コラーゲンプロモーターの下流にCreリコンビナーゼを連結した遺伝子を持つトランスジェニックマウスを交配させ,トリプルトランスジェニックマウスを作製した。このトリプルトランスジェニックマウスの骨から組織切片を作製し,共焦点蛍光顕微鏡により観察したところ,Venusのみ陽性の細胞(Bone lining cellsと考えられる)とVenusとmCherryの両方とも陽性の細胞(活性型骨芽細胞と考えられる)が認められた。また,このトリプルトランスジェニックマウスの頭蓋冠から骨芽細胞を単離し,初代培養したところ,蛍光標識が維持されており,培養系への応用が可能であることを確認した。本年度は,昨年度に樹立した骨関連細胞の細胞膜またはゴルジ体をそれぞれVenusまたはmCherryで標識したレポーターマウスを用いて,骨芽細胞,Bone lining cellsおよび骨細胞について成長や加齢に伴う組織学的分布ならびにゴルジ体の発達度合いを観察した.3週齢,8週齢,6ヶ月齢のマウス大腿骨について,矢状断切片を作製し,免疫組織染色により観察した.よく発達したゴルジ体を持つ立方体の骨芽細胞は,3週齢では海綿骨,皮質骨ともに,ほぼすべての骨表面に並んでいるが,8週齢では点在するようになり,6ヶ月齢ではごくわずかに存在するのみであった.比較的ゴルジ体に乏しく扁平なBone lining cellsは,3週齢,8週齢ともに骨外膜に点在する様子が観察されたが,6ヶ月齢ではごくわずかに存在するのみであった.骨細胞は,3週齢,8週齢では比較的大きく,よく発達したゴルジ体を持つが,6ヶ月齢では小さく扁平でゴルジ体に乏しい構造を示した.以上により,成長・加齢に伴うダイナミックな細胞組織構造変化が明らかとなった.また,このレポーターマウス(2-4日齢)の頭蓋冠からコラゲナーゼ消化により頭蓋冠由来細胞(骨原生細胞)を採取し,骨分化誘導培地にて初代培養したところ,石灰化ノジュールの形成とともに,Venus陽性の脂肪細胞の存在が認められた.つまり,少なくとも培養系では,一部の骨芽細胞にコミットした細胞が脂肪細胞に分化転換することが確認され,骨芽細胞の不均一性(heterogeneity)が示唆された.活性型骨芽細胞とBone lining cellsを区別して可視化できるマウス系統の樹立に想定以上の時間がかかり,詳細な分子機構の解析にまで到達できていない.本年度はまず,Bone lining cellsの単離を試みるため,I型コラーゲンプロモーター制御下で蛍光タンパク質Venusを発現するレポーターマウスを使用した。同マウスの頭蓋冠をコラゲナーゼで処理し,得られた頭蓋冠由来細胞(骨原生細胞)の小胞体をER-trackerにて染色した。その後,Venus陽性の細胞について,ER-tracker陽性(骨芽細胞)あるいは陰性(Bone lining cells)の割合をFACSにより分析した。その結果,Bone lining cellsはVenus陽性細胞のうち約3%程度しか存在しないことが明らかとなり,昨年度までの組織学的解析を裏付ける結果となった。このBone lining cellsの細胞数の観点から,細胞集団として単離・解析することは困難と考え,次に,Venus陽性細胞を無作為に選択し,シングルセルRNA-seqにより細胞1個あたりの遺伝子発現を網羅的に解析した。96個の細胞を解析し,90個の細胞について信頼性の高い結果が得られた。全ての細胞はCol1a1/2やIbspなどの骨芽細胞マーカーを発現し,SostやFgf23などの骨細胞マーカーを発現していないことが確認された。さらに,既存の報告では,Bone lining cellsは骨芽細胞と比較すると,Col1a1/2およびBglapの発現低下,CD54(ICAM1)の発現上昇を示すとされており,実際に同様の発現パターンを示す細胞が5個確認された。今後,これらの細胞と骨芽細胞の遺伝子発現パターンを詳細に比較解析し,Bone lining cellsへの運命決定を制御する機構を解明する。

骨特異的プロモーター制御下に蛍光タンパク質Venusを発現するレポーターマウスを使用し,シングルセルRNA-seqによりVenus陽性細胞1個あたりの遺伝子発現を網羅的に解析した。解析した全ての細胞で骨芽細胞マーカーの発現が認められ,一部の細胞は既知の休止期骨芽細胞に特徴的な発現様式を示した。また,脂肪細胞分化に関連する遺伝子発現が認められるなど,Venus陽性細胞が多様性に富むことが明らかとなった。活性型骨芽細胞とBone lining cellsを区別して可視化できるマウス系統の樹立に想定以上の時間がかかり,詳細な分子機構の解析にまで到達できていない。本年度の解析より明らかとなった骨芽細胞の不均一性に注目するとともに,Bone lining cellsの特性を組織学的ならびに分子生物学的解析により明らかにしていく.まず,骨芽細胞の不均一性を解析するために,次世代シーケンサーを用いて1細胞レベルでの網羅的トランスクリプトーム解析を行う.また,Bone lining cellsを規定する転写制御ネットワークの解明を目的として,Bone lining cellsにおける網羅的トランスクリプトーム解析を行う.Bone lining cellsの分化におけるマスター転写因子やエピゲノム制御因子となる固有分子を同定し,その発現の骨組織分布を明確にする.以上の実験から得られた結果をもとに,Bone lining cellsを骨芽細胞へと再活性化する機構を解明する.医歯薬学研究推進の遅れにより,使用予定であった試薬を購入しなかったことがあげれられる。平成27年度は本年度の研究費未使用額と合わせて,本年度に樹立したマウスを用い,機能的解析に研究費を使用する。具体的には,次世代シーケンサーによる網羅的トランスクリプトーム解析を行い(次世代シーケンサー解析関連費用約80万円),得られた結果をリアルタイムPCR等を用いた発現解析により確認する(発現解析試薬約10万円)。以上の解析をもとに,Bone lining cellsの固有分子について,骨組織分布を解析する(組織学的解析試薬約20万円)。その他,マウス系統の維持管理(マウス飼育管理約10万円),研究成果を学会にて発表する旅費(約10万円)として研究費を使用する。