hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
中質量星周りの短周期ガス惑星欠乏の解明に向けた理論的、観測的研究

本研究では2-3太陽質量の早期巨星周りに観測を行っています.早期巨星とは主系列を離れた後赤色巨星分枝に至る前の天体のことを指します.中質量早期巨星にはこれまで惑星が検出されておらず,惑星の検出が必要な天体です.観測データを解析した結果,惑星の兆候を示す天体が複数検出されました.まだ観測数が少なく確認には至っていませんが,二年目の目的としていた新たな系外惑星の検出が期待される結果がすでに得られています.本研究課題では理論的な研究と観測的研究の2つの軸があります.まず理論的研究について述べます.理論的研究では若い中質量星の進化と中質量星周りの原始惑星系円盤の散逸の二つの研究を行っています.惑星は若い星の周りに付随する原始惑星系円盤の中で形成すると考えられていため,これら二つの研究は惑星形成を理解する上で必須です.これまで中質量星周りの円盤散逸に関する理論的研究はわずかに一つしかありませんでした.さらにその研究では観測から示唆されている,中質量星周りの円盤散逸が低質量星周りより早いという結果を再現出来ていません.本研究ではこれまで考慮されてこなかったX線光度の時間進化を考慮しました.2太陽質量の星の周りでは低質量星よりも早く円盤が散逸する一方で,3太陽質量以上になるとX線の減衰が早く,円盤寿命が長くなる傾向が見られました.しかし一方で,高質量星の紫外線の光度は時間とともに急激に大きくなり,円盤を速やかに散逸させる効果があることを発見しました.中小質量星の前主系列進化の理解において近年大きな進展がありました.紙面の都合上詳細は割愛しますが,従来考えられてきた進化とは大きく異なる進化を辿る条件(質量降着率,降着物質のエントロピー等)の制約にまで至り,現在論文にまとめているところです.最後に「中質量星周りのガス惑星の検出」の観測的研究については,自ら岡山天体物理観測所での共同利用観測の提案を行い,採択され,観測を行いました.本研究では2-3太陽質量の早期巨星周りに観測を行っています.早期巨星とは主系列を離れた後赤色巨星分枝に至る前の天体のことを指します.中質量早期巨星にはこれまで惑星が検出されておらず,惑星の検出が必要な天体です.観測データを解析した結果,惑星の兆候を示す天体が複数検出されました.現在確認のための解析を急いでおり.確認され次第論文にまとめる予定です.26年度が最終年度であるため、記入しない。26年度が最終年度であるため、記入しない。原始惑星系円盤の散逸に関する理論的研究,系外惑星の観測的研究の双方で予定通りに研究が進んでいる中で,中心星の進化のテーマも始めることが出来たため.観測的研究では二年目の計画通り惑星の検出が期待できる結果が得られているため.さらに昨年度から始めた中心星の進化のテーマも結果をまとめるにまで至った一方で,中質量星周りのガス惑星形成の理論研究では計画していたモンテカルロ計算を進められていないため.中心星の進化は海外の研究者との共同研究であり,原始惑星系円盤の散逸に関する理論的研究についても海外の研究グループが有力であるため,何度か海外に赴き研究を進める必要があると考えています.観測的研究については当専攻の観測をされている研究室の方々と一緒に研究を進めて行きたいと考えています.前主系列星の進化の研究および原始惑星系円盤の散逸の研究は海外の研究者と連絡を取りながら進めていきたいと考えています.
国立大学の研究評価における定量的評価指標に関する研究

本基盤研究(B)においては、当初研究目的において次の2点を目標とした。(A)研究評価における定量的指標の拡大可能性について実証的調査を通して明らかにする。(B)次に「国の研究開発全般に共通する評価の実施の在り方についての大綱的指針」(平成9年)において、学術研究の特性に留意した評価手法の採用が求められた。以上2つの目標に関する研究成果として大きく以下の2点が挙げられる。一点目として平成16年度に概念形成を行った、大学における「研究者集積度」を定量的評価指標とする新しいアイディアの具現化である。21世紀COE事業の中間評価においては、研究拠点形成進捗状況が拠点評価の一つの主眼となっており、特に人材の要素は研究者集積度と密接な関係があるので、当該指標は人材面での拠点形成の指標として実効性を持っものと考えられた。このことにより研究者集積度という定量的な指標により競合研究機関と比較考量が可能になるということが16年度に検討された。その結果を踏まえて17年度においては、平成13年度と平成16年度で、平成14年度にCOE拠点として採択された各拠点大学における研究者数の比較を実施した。二点目に17年度に従来企業等のブランド資産価値の定性・定量評価で活用されてきた「広報分析」を応用した定量・定性評価手法の開発である。その内容は国立大学における研究成果が社会的にどのような評価を受けているかをマスメディア等に掲載された記事件数と内容を基に定性分析と定量分析を行うことである。この研究成果から新たに国立大学のアウトリーチを定量評価する可能性が見出された。また応用研究として文部科学省によるデルファイ式技術予測調査結果のデータを活用し、政府による大学等の基礎研究振興施策の実効性について評価を行う手法を考案した。その他研究プロセスを対象とする研究評価の可能性に関する他の調査研究プログラムと交流を行った。平成15年度は、本研究課題の初年度として既存先行研究の論文・文献を収集し徹底したサーベイを行った。平行して我が国のみならず、米国、EU諸国、ロシア東欧等市場移行諸国についても大学・研究機関評価についてファクトの収集を行った。国内調査については、高知工科大学、産業技術総合研究所、理化学研究所の先進事例を調査し、実際に運用されている定量的評価指標の現状把握を行った。海外事例については、米国マサチューセッツ工科大学、メリーランド大学、オーストラリア・メルボルン大学、ロシア・ロシア科学アカデミー付属レベデフ物理学研究所等の事例について、各研究機関においてどのような研究評価が行われているかの現状把握を行った。次に当初研究計画において、設定した研究項目(A):定量的指標の拡大可能性について実証的調査については、我々はI-O分析の枠組みを応用した基礎研究成果の評価の可能性の検討を行った。具体的には、公的資金(科学研究費補助金等)を投入して作成された学術論文の引用の波及状況を探索し、所定の評価軸(Innovation、市場化、産業連携、学際性の拡張等)に基づきその実現度を把握することを目指すものである。今年度は「市場化」の評価軸について実際に産業連関表を用いて光触媒の事例について実証的な定量的評価を実施した(主として馬場が担当)。他の評価軸については、運用に当たって適切なインバータの設定が必要であり、それ無しには負のバイアスを研究推進にもたらす可能性を認識した(主として小林が担当)。研究項目(B)学術研究の特性に留意した評価手法の採用と研究分野毎の特性、また学際領域における特性等を明らかにする、については国内有数の学際領域研究機関である東京大学先端科学技術研究センターにおいてフィールドサーベイを実施し、それにより研究者が抱くあるべき評価方法について種々の意見を収集した。

(主として馬場が担当)。平成16年度は、平成15年度の成果を受けて、引き続き定量的評価指標の拡大可能性について検討を推進した。主な成果は二点である。一点目は、大学における「研究者集積度」を定量的評価指標とする新しいアイディアの検討である。これは平成14年度にスタートした21世紀COEプログラムが、その中間評価項目に拠点形成の実績を挙げていることから、その事業意図に基づき考案したものである。当面、定量的指標は研究者数、研究者の専従換算(Full Time Equivalent : FTE)に留意して計量することを提案する。16年度は研究者集積度を定量的指標として用いる場合の問題点の検討を共同研究者と行い論文化した。17年度はこのアイディアの実証のプロセスに踏み込む所存である。また上記の調査研究と並行して、文部科学省によるデルファイ式技術予測調査結果のデータを活用し、政府による大学等の基礎研究振興施策の実効性について評価を行う手法を考案した。科学技術基本計画に定める重点4分野について実際に技術予測データを用いて検討を行い、その成果を論文化した。二点目は、研究代表者(小林)が参画している21世紀COEプログラムとも連携して推進しつつある、システム思考的アプローチによる研究プロセス評価の可能性に関する実証的調査である。より質の高い研究成果を出すために研究者がどのような研究活動(プロセス)に力を入れて取り組めばよいかという問題意識に基づき、研究組織の成果物(アウトプット)がどのような研究活動(プロセス)によって生み出されているのかを明らかにする。この関係を明らかにする事で、研究組織における成果につながるプロセス項目を提案する事が出来る。本研究においては、国公私立大学(21世紀COEプログラム拠点に限定)並びに独立行政法人等公的研究部門の各研究室にプロセスと成果についてのアンケート調奪を行い、その関係を明かにした。その結果、公的研究部門においてはプロセスと研究成果への研究代表者の満足度について顕著な相関を示した要素の抽出を行った。一方大学においては公的研究部門のような顕著な相関を認めることができなかった。この結果について17年度に継続的な調査を遂行する予定である。なお15年度に実施したロシア科学アカデミー付属研究機関で実施した面接調査結果を論文化して16年度に公表している。平成17年度は、当該課題研究開始3年目として大きな進捗を得た。主な成果は3点ある。一点目として、平成16年度に概念形成を行い論文化した、大学における「研究者集積度」を定量的評価指標とする新しいアイディアの具現化である。21世紀COE事業の中間評価においては、研究拠点形成進捗状況が拠点評価の一つの主眼となっており、人材、施設・機器、資金(すなわちヒト・モノ・カネである)等の要素が重視された。特に人材の要素は研究者(研究支援者を含む)集積度と密接な関係があるので、当該指標は人材面での拠点形成の指標として実効性を持つものと考えられた。
生体データと作業履歴に着目したプログラム理解過程の分析

去年度に開発した実験用システムを用いた被験者実験を行った.実験はプログラム理解タスク・デバッグタスクを被験者に与え,視線移動と脳波を同期して計測する.プログラム理解タスクではソースコードと仕様,ソースコードを理解したか確認するための課題文を被験者に提示し,時間制限内に課題文に回答してもらう.デバッグタスクはプログラム理解タスク後に行われ,改変されたソースコードを提示する.被験者には制限時間内に改変後のソースコードが仕様を満たすか回答してもらう.実験の結果,いずれのタスクにおいてもタスクによってアルファ波,ベータ波のパワースペクトルが増加していたが,タスクを正しく完了(プログラムの理解,またはバグ判断)できた時にアルファ波が有意に増加することが明らかになった.また,プログラム理解タスクにおける視線移動と脳波を同期した分析を行った.視線移動からはすべての被験者でタスク開始と同時に問題文を注視し,その後,仕様とソースコードを交互に注視する動作が確認された.一方で,タスクの正否で比較すると正しく理解した被験者は仕様に対する注視の割合が早い時間で低下するのに対して正しく理解できなかった被験者は長時間にわたって仕様を注視する傾向が見られた.加えて注視割合と脳波の変化を時系列で並べると,ソースコードに対する注視割合が一定以上に達した時点からアルファ波が上昇を始めていることが確認された.この結果は,脳波のパワースペクトルの変化がプログラム理解のプロセスと連動していることを示しており,変化の開始点を見ることで,プログラム理解の段階を外部から推定できる可能性を示している.申請時に提出した研究実施計画で予定していた作業をすべて期間内に完了した.今年度の実験で得られたデータについて詳細な分析を行い,結果を論文誌などに報告する.視線と脳波の同期分析によって,注視割合の変化が表す読みの段階と,脳活動の変化に関連があることが確認された.今後,視線移動について,提示した各文章を行単位で意味に基づいたラベリングを行い,読みの段階を詳細に分析すると共に脳活動との関連性を明らかにする.また,同様のデータを用いて,視線と脳活動からプログラム理解の有無を推定する手法について開発を行う.視線移動や脳波,作業履歴からプログラム理解の状態を表すメトリクスを抽出し,プログラム理解の有無を機械学習により弁別する.本研究課題に関連する最新文献を調査するとともに,プログラム理解過程における視線移動と脳波,脳活動を計測するための実験用システムについて仕様を整理,設計した.システムを構成する脳波計測装置や視線計測装置については汎用性,拡張性を考慮して比較的安価な市販装置を採用した.本年度は4名の同時計測を行うための装置を選定し,購入と設定を行った.また,視線計測装置によって計測した視線移動のデータを作成する実験・分析用プログラムに取り込むためのAPIについて調査し,試験用プログラムを作成した.申請時に提出した研究実施計画で予定していた作業をすべて期間内に実施・完了した.去年度から開発を進めていた実験用システムの実装が完了した.視線計測装置が出力するデータと,脳波計測装置が出力するデータ,及び被験者に提示する実験ツールに対する操作履歴を統合し,同期した状態で分析が可能な環境を構築した.構築したシステムの動作を確認すると共に,次年度に実施を予定している視線と脳波の同時計測実験の条件設定を精査するために,予備実験を行った.予備実験では16人の被験者に16種類のソースコードと問題文を提示し,プログラム内容の理解とバグの有無の判断するタスクを課した.予備実験の結果,作成した実験環境に不具合があることが判明したため修正し,再実験で問題が無いことが確認できた.また,予備実験で得られたデータを分析した結果,プログラム内容の理解と,バグの有無の判断それぞれにおいて,達成できたときとできなかったときで異なる脳波指標に有意な差が生じることがわかった.加えて,作成した実験環境を用いてプログラムの実装戦略を推定する被験者の脳波を計測する実験を行った.時系列分析の結果,実装戦略が推定できた被験者のタスク中,タスク後脳波に特徴があることが明らかになった.これらの成果はプログラム開発時に発生するプログラム理解,バグ検出,実装方針の決定という異なる作業について,脳波を計測することでその成否が外部から計測できる可能性を示している.今後,これらの脳波の差が現れている時に見ているソースコードの要素を視線計測を用いて明らかにすることで,プログラミング作業における開発者の内的な活動についてより詳細な理解が得られると考えられる.申請時に提出した研究実施計画で予定していた作業をすべて期間内に実施・完了し,作成した実験環境を用いて複数の実験を実施することができた.去年度に開発した実験用システムを用いた被験者実験を行った.実験はプログラム理解タスク・デバッグタスクを被験者に与え,視線移動と脳波を同期して計測する.プログラム理解タスクではソースコードと仕様,ソースコードを理解したか確認するための課題文を被験者に提示し,時間制限内に課題文に回答してもらう.デバッグタスクはプログラム理解タスク後に行われ,改変されたソースコードを提示する.被験者には制限時間内に改変後のソースコードが仕様を満たすか回答してもらう.実験の結果,いずれのタスクにおいてもタスクによってアルファ波,ベータ波のパワースペクトルが増加していたが,タスクを正しく完了(プログラムの理解,またはバグ判断)できた時にアルファ波が有意に増加することが明らかになった.また,プログラム理解タスクにおける視線移動と脳波を同期した分析を行った.視線移動からはすべての被験者でタスク開始と同時に問題文を注視し,その後,仕様とソースコードを交互に注視する動作が確認された.

一方で,タスクの正否で比較すると正しく理解した被験者は仕様に対する注視の割合が早い時間で低下するのに対して正しく理解できなかった被験者は長時間にわたって仕様を注視する傾向が見られた.加えて注視割合と脳波の変化を時系列で並べると,ソースコードに対する注視割合が一定以上に達した時点からアルファ波が上昇を始めていることが確認された.この結果は,脳波のパワースペクトルの変化がプログラム理解のプロセスと連動していることを示しており,変化の開始点を見ることで,プログラム理解の段階を外部から推定できる可能性を示している.申請時に提出した研究実施計画で予定していた作業をすべて期間内に完了した.本年度に引き続き,実験用システムの実装を行う.プログラム理解過程のデータを分析するためには,複数の装置が出力するデータ,および実験時の作業履歴データを統合し,被験者の作業内容と脳波や視線の変化を同期する必要がある.実装する実験システムは複数の実験装置から送信されるデータを統合した状態で出力するよう作成することで,分析精度を高めるとともに,データ処理時間を短縮する.作成したシステムについては予備実験などで機能,性能を確認するとともに,国内会議や国際会議で随時発表して意見を求めるとともに,研究成果の公開に努める.本年度までに開発した実験用システムを用いた実験を行う.これまでの研究で実施した,プログラム理解の過程に連動して視線移動や脳血流が特徴的に現れることが分かっているタスクを用いて,複数の計測データの関連と特徴の差異について分析する.それぞれの計測装置から得られるデータの特徴について差異を明らかにした後に,それらを統合した分析を行う.これまでの研究から,それぞれの計測装置で得られるデータについて欠点がいくつか明らかになっている.本研究では,複数のデータを統合・分析することで,個々の計測装置のみでは困難であったプログラム理解を構成する小タスクについて弁別し,タスクの種類ごとに活動する脳機能の違いやタスク間の類似性を分析する.今年度の実験で得られたデータについて詳細な分析を行い,結果を論文誌などに報告する.視線と脳波の同期分析によって,注視割合の変化が表す読みの段階と,脳活動の変化に関連があることが確認された.今後,視線移動について,提示した各文章を行単位で意味に基づいたラベリングを行い,読みの段階を詳細に分析すると共に脳活動との関連性を明らかにする.また,同様のデータを用いて,視線と脳活動からプログラム理解の有無を推定する手法について開発を行う.視線移動や脳波,作業履歴からプログラム理解の状態を表すメトリクスを抽出し,プログラム理解の有無を機械学習により弁別する.
「看護学生の適切な手指衛生とタイミング」定着に繋がる効果的な教育プログラムの構築

医療関連感染の予防には「手指衛生と5つの(適切な)タイミング」が重要であり、臨床では積極的な取り組みがされている。しかし、基礎看護教育の中では具体的な「手指衛生のタイミング」の教育は少なく、臨床との乖離が推測される。そのため、本研究で実態を調査し現状を明らかにする。また、学生の教育には内発的動機付けが重要である。そのため、看護学生に対する手指衛生の教育内容が、内発的動機付けをもたらすものなのか評価することが必要である。そこで「手指衛生とタイミング」を定着させる教育を評価する尺度開発をするとともに「看護学生の適切な手指衛生のタイミング」定着に繋がる効果的な教育プログラムを構築する。
抗細菌性タンパクβディフェンシンの遺伝子導入とDNAワクチンによる抗腫瘍性効果

本研究ではβディフェンシンの遺伝子導入による抗腫瘍性効果を明らかにするために、1)(直接的作用)βディフェンシンの遺伝子導入での強発現による移殖扁平上皮癌の抗腫瘍性、2)(間接的作用)βディフェンシンのfusion vectorを用いたDNAワクチンによる悪性リンパ腫への抗腫瘍性について検討を行った。βディフェンシン強発現の腫瘍への直接的な影響を観察するために、アデノウィルス発現ベクターを用いてヌードマウスに移殖した扁平上皮癌に遺伝子導入を行った。その結果、βディフェンシンを遺伝子導入したものでは、コントロールに比較し扁平上皮癌のmassの直径は有為に小さく、腫瘍への直接的影響が確認された。次いで、間接的影響を確認するために、マウスに腫瘍を移殖後、DNAワクチンの注射を行った。A20lymphomaが生着したBALB/cマウスの大腿筋中にin vivoエレクトロポレーション法によって腫瘍抗原断片の遺伝子とを連結させた発現ベクターを導入しβディフェンシン-腫瘍抗原断片のフュージョンタンパク質を発現させた。その結果、DNAワクチンを導入したほうが、コントロールに比べてマウスの生存率の有為な延長がみられた。抗細菌性のタンパクであるβディフェンシンは扁平上皮の分化に関与していることから、扁平上皮癌ではこの発現増強により、分化が促進され、細胞の増殖が抑制されると思われる(直接作用)。また、βディフェンシンには樹状細胞のケモカインとしての働きもあることから、腫瘍の免疫樹状細胞療法への応用も期待される(間接作用)。本研究では、これらの作用をin vitroで明らかにするために実験を行った。本年度は、直接的作用による抗腫瘍性を検索するために、まず、アデノウイルス発現ベクターβディフェンシン発現系の構築を行った。構築のために、既に単離されているヒトβディフェンシン1,2,3の全コード配列を含むcDNAをベクター内で同時にGFP個別に発現できるプラスミドpIRES-hrGFPベクターにつなぎこみ、さらにアデノウイルス発現システム及びEGFP-N1ベクターを用いて組み換えβディフェンシン/GFP-アデノウイルス発現ベクターを作製した。また、同時に、扁平上皮癌由来細胞のヌードマウスへの移植を行った。細胞には、SAS-H1とBSC-OFさらにβディフェンシンの発現が減弱しているKB細胞を用いた。また、間接的作用による抗腫瘍性を確認するために、βディフェンシンのDNAワクチン系の構築を行った。すなわち、βディフェンシン遺伝子と悪性リンパ腫の腫瘍抗原断片の遺伝子とを連結させた発現ベクターを構築した。以上のように、本年度はβディフェンシンの抗腫瘍直接作用と間接作用を明らかにするための、ベクターの構築、動物実験への腫瘍の植え込みなどが主であった。本研究ではβディフェンシンの遺伝子導入による抗腫瘍性効果を明らかにするために、1)(直接的作用)βディフェンシンの遺伝子導入での強発現による移植扁平上皮癌の抗腫瘍性、2)(間接的作用)βディフェンシンのfusion vectorを用いたDNAワクチンによる悪性リンパ腫(悪性リンパ腫は、がんのワクチン療法として多くの実績がある)への抗腫瘍性、について検討を行なった。前年に引き続き、βディフェンシン強発現の腫瘍への直接的な影響を観察するために、アデノウイルス発現ベクターを用いてヌードマウスに移植した扁平上皮癌に遺伝子導入を行った。精製したβディフェンシン/GFP-アデノウイルス発現ベクターを直接皮下のtumor massに注入し、組み換えアデノウイルスを感染させβディフェンシンをin vivoで発現させた。タンパクの発現及び局在はGFPの発色及びWestern blot法で、mRNAの発現はRT-PCR法で確認した。次いで、間接的影響を確認するために、マウスに腫瘍を移植後、DNAワクチンの注射を行った。その結果、DNAワクチンを導入した方が、コントロールに比べてマウスの生存率の有為な延長がみられた。

本研究ではβディフェンシンの遺伝子導入による抗腫瘍性効果を明らかにするために、1)(直接的作用)βデイフェンシンの遺伝子導入での強発現による移植扁平上皮癌の抗腫瘍性、2)(間接的作用)βディフェンシンのfusion vectorを用いたDNAワクチンによる悪性リンパ腫への抗腫瘍性について検討を行なった。前年に引き続き、βディフェンシン強発現の腫瘍への直接的な影響を観察するために、アデノウイルス発現ベクターを用いてヌードマウスに移植した扁平上皮癌に遺伝子導入を行った。精製したβディフェンシン/GFP-アデノウイルス発現ベクターを直接皮下のtumor massに注入し、組み換えアデノウイルスを感染させβディフェンシンをin vivoで発現させた。タンパクの発現及び局在はGFPの発色及びWestern blot法で、mRNAの発現はRT-PCR法で確認した。その結果、βディフェンシンを遺伝子導入したものでは、コントロールに比較し扁平上皮癌のmassの直径は有為に小さく、腫瘍への直接的影響が確認された。次いで、間接的影響を確認するために、マウスに腫瘍を移植後、DNAワクチンの注射を行った。A20lymphomaが生着したBALB/cマウスの大腿筋中にin vivoエレクトロポレーション法によって腫瘍抗原断片の遺伝子とを連結させた発現ベクターを導入しβディフェンシン-腫瘍抗原断片のフュージョンタンパク質を発現させた。その結果、DNAワクチンを導入した方が、コントロールに比べてマウスの生存率の有為な延長がみられた。本研究ではβディフェンシンの遺伝子導入による抗腫瘍性効果を明らかにするために、1)(直接的作用)βディフェンシンの遺伝子導入での強発現による移植扁平上皮癌の抗腫瘍性、2)(間接的作用)βディフェンシンのfusion vectorを用いたDNAワクチンによる悪性リンパ腫への抗腫瘍性について検討を行なった。βディフェンシン強発現の腫瘍への直接的な影響を観察するために、アデノウイルス発現ベクターを用いてヌードマウスに移植した扁平上皮癌に遺伝子導入を行った。本研究結果は国際歯科研究会議で発表し、国際誌に現在投稿中である。
表面プラズモン共鳴を用いた歯周病診断システムの開発

本研究事業では,光ファイバ表面プラズモン共鳴センサ(光ファイバSPRセンサ)を用いて,歯周病原細菌が保有する病原因子であるForsythia detaching factor(FDF)の検出システムの開発を進めてきた。その結果, FDFと結合する抗FDF IgG抗体をスキャホールドプロテイン(O uter membrane protein A)を介在させて固定化することによりFDF抗原の定量化に必要な検量線の作成が可能となった。光ファイバ表面プラズモン共鳴センサ(光ファイバSPRセンサ)は診断領域での実用化が期待されているが歯科領域での実用化は未だ行われていない.本研究の目的は表面プラズモン共鳴光ファイバSPRセンサを用いた歯周病診断システムの開発である.23年度では,センサ表面におけるソフト界面の最適化を行った.その結果,Forsythia detaching factor(FDF)抗原を検出することを目的とした光ファイバ型表面プラズモンセンサチップへの抗FDF抗体の固定法について,センサ表面への抗FDF抗体の固定化にproteinGを介在させると抗体濃度5 %(v/v %)とした固定化条件において,抗原濃度に相関する傾向が認められた.最終年度では,23年度の結果を踏まえ,FDF標準溶液を1 - 200 μg/mlの濃度に調整し, FDF抗原の定量化に必要な検量線の作成を行った.光ファイバSPRセンシングシステムを構成後, proteinGを介在させてセンシング部の自己組織化膜の構築を行い検量線の作成を行った.その結果,標準試料としてFDF溶液を1 μg /ml - 200 μg/mlに調整して抗原抗体反応の検出を行った場合にFDF濃度依存的な波長シフトの変化が検出でき、検量線( y = 0.0098 x + 0.431,R2= 0.9927 )が得られた.以上よりproteinGを介在して構築した自己組織化膜を有する光ファイバSPRセンサにより,FDF抗原の定量が可能であることが示唆された.現在までに,慢性歯周炎患者10名と健常者10名の唾液サンプルを本学倫理委員会の承認を得て既に採取済である.今後は唾液中のFDF抗原濃度の測定を行っていく予定である.本研究により得られた知見は,表面プラズモン共鳴を用いた診断システムの構築にきわめて重要であると思われる.本研究事業では,光ファイバ表面プラズモン共鳴センサ(光ファイバSPRセンサ)を用いて,歯周病原細菌が保有する病原因子であるForsythia detaching factor(FDF)の検出システムの開発を進めてきた。今年度の研究事業では、光ファイバSPRセンサを利用した歯周病診断システムの構築に必要なセンサ表面におけるソフト界面の最適化を行った。本研究における構成技術は原理:表面プラズモン共鳴、トランスデューサー:光ファイバ、固定化方法:ポリマー分子、分子識別素子:Forsythia Detaching Factor(FDF)抗原・抗FDF抗体を用いた。(1)FDF抗原および(2)抗FDF抗体をそれぞれセンサ表面に固定化する技術の検討に関する研究実績の概要を以下に示す。(1)光ファイバ型表面プラズモンセンサチップへのFDF抗原の固定法の確立センサ表面へのFDF抗原の固定にポリマー固定法を用い、抗FDF抗体溶液濃度を変化させ、波長シフト量の変化を検討した結果、使用した抗体濃度依存的に再現性を伴った波長変化は得られなかった。また波長変化量も1-2 nmと比較的小さい値であった。この原因として抗FDF抗体により認識されるFDFエピトープがセンサ表面に規則正しく配列していないこと、あるいは用いた固定化方法により立体構造の変化が起こったことなどの理由が考えられた。(2)光ファイバ型表面プラズモンセンサチップへの抗FDF抗体の固定法の確立センサ表面への抗FDF抗体の固定化にプロテインGを介在させ、抗体溶液濃度の変化による、波長シフト量の変化を検討した結果、抗体濃度5 %(v/v %)とした固定化条件において、50 μg/mlのFDF抗原を検出できた。抗原抗体反応を示す波長変化量は最大4.57 nmであった。今後はl-500μg/mlの範囲における検量線を作成する予定である。本研究においてはまず、我々が世界で初めて報告した病原因子Forsythia Detaching Factor (FDF)と、当該因子に対する抗FDF抗体を表面プラズモンバイオセンサを利用して定量する系の確立を行った。現在のところ(1)Tannerella forsythia (T. forsythia)からFDF抗原の精製に関しては既に実験系は確立されている。次に(2)光ファイバ型表面プラズモンセンサチップへのFDF抗原および抗FDF抗体の固定法の確立に関しては、まずFDF抗原のセンサ表面への固定に関して、現時点で再現性を持った抗体との結合を検出できていない。これはFDF抗原の固定処理で、光ポリマー固定法を用いたため、センサ表面に露出する抗FDF抗体により認識されるエピトープがランダムに固定化されていること、また固定化操作の段階で、FDFの立体構造が変化していることが原因と考えられる。一方、IgG抗体のセンサ表面への固定はプロテインGを用いていることから、配向性を持って固定化することが可能であるため、3.73 nmー最大4.57nmの波長変化量を測定できた。

現在、結果が良好な抗FDF抗体の固定に絞り再現性あるデータを得るため、繰り返し測定を続けている状態である。再現性が得られたのちに、定量の為に必要な検量線の作成を行っていく予定である。今後は、センサ表面における分子識別素子タンパクとして、より成果が期待できる抗FDF抗体の固定化に絞って研究を推進していく予定である。同時に、今年度の結果よりセンサ表面の金薄膜上にIgG抗体の固定を可能とする自己組織化膜(self-assembly monolayer: SEM)の作製が重要であるとの知見を得たので、IgG抗体の配向性を制御し、さらに活性を維持した状態で固定化する方法も並行して検討していくことで検出感度の向上を図る。また既知の濃度の標準FDF抗原を用いて、FDFの濃度とSPRセンサによる現時点での検出感度における共鳴波長の変化量との関係線を作成し、歯肉溝滲出液中(GCF)のFDF抗原濃度の定量を行う予定である。具体的には、明海大学歯学部付属明海大学病院歯周病科外来を受診した歯周炎患者20名を被験者とする。選択基準は、(1)全身疾患を有さない、(2)少なくとも15歯以上の歯が残存している、(3)実験開始3か月以内に全身的、局所的抗菌剤投与が行われていないこととする。歯科臨床検査は歯周組織検査として、プロービングポケット深さ(PPD)、クリニカルアタッチメントレベル(CAL)、プロービング時の歯肉からの出血(BOP)を記録する。光ファイバプローブによる抗FDF抗体の実時間測定を光ファイバ表面プラズモンセンサを用いて、被験部位の歯周ポケットから採取したGCFをPBSバッファーに溶出し、FDF抗原濃度の定量を行う。本研究に関する倫理委員会の承認は既に得ている。次年度に使用する予定の研究費が生じているが、これは研究協力者より光ファイバSPRセンサチップの購入予定前にデモ用としてセンサチップと関連試薬のサンプル提供を受けたためである。さらに光ファイバSPRセンサチップは、100mM塩酸による処理で再生が可能であるとの結果を得たため、購入費用が現在までに発生していない。しかし次年度に行う予定である臨床サンプルの測定時には、新品未使用の光ファイバSPRセンサチップを使用する必要があるため、翌年度に繰り越した当該研究費は研究計画の変更に伴い、翌年度に請求する予定である。具体的な研究計画の変更点としては、センサ検出感度の向上に必須と考えられるセンサの金薄膜上に形成する自己組織化膜の構築を並行して行っていく点である。
混合導電性酸化物緻密薄膜電極を用いた高温固体電解質型燃料電池電極反応の解明

クリーンでエネルギーの総合利用効率が高く、地域分散型電源やコジェネレーションシステム等への応用が期待されるエネルギー変換デバイスである高温固体電解質型燃料電池(SOFC)の電極反応機構の解明目指した。そのために、化学気相成長法-電気化学気相成長法プロセスを応用して、SOFC正極材料であるLa_<1-x>Sr_xMnO_3の緻密で均一な薄膜電極を作製し、その電気化学的特性を評価した。この電極は電極表面積及び、電極/電解質/ガスの三者が接する三相界面長さを容易に規定できる利点を持ち、La_<1-x>Sr_xMnO_3のような混合導電性電極の反応活性点を解明する上できわめて都合のよい電極である。その結果、電子と酸化物イオンの両方がチャージキャリヤーであるLa_<1-x>Sr_xMnO_3薄膜電極では電極表面が反応活性点であり、酸化物イオンの拡散が律速過程であることを直接的に明らかにした。また、La_<1-x>Sr_xMnO_3緻密薄膜電極の複素インピーダンススペクトルを詳細に解析し、LaMnO_3へのストロンチウムドーピングが電極特性へ与える影響を検討した。LaMnO_3電極はSrドープによって、電極活性が飛躍的に向上することが知られているが、その機構は明らかになっていない。La_<1-x>Sr_xMnO_3緻密薄膜電極を用いることによって、初めて電極表面反応と内部のイオン拡散のインピーダンスを明確に分離することに成功した。インピーダンススペクトルを等価回路を用いてフィッティング解析した結果、Srドープ量によって化学拡散係数は大きく変化しないが、酸素の脱吸着などの電極表面の反応速度が大きく向上することが明らかとなった。これより、電極表面反応速度を向上させることが、電極特性の向上に有効であることを明らかにした。LaMnO_3電極上での酸素の酸化還元に酸化物イオンが関与するか否かを明らかにすることは、SOFC負極の電極設計や新規なカソード材料の探索のために重要と考えられる。本研究では、電気化学気相成長法(EVD)により作製したLaMnO_3緻密薄膜電極を用いて酸素の酸化還元速度を電気化学的に測定し、酸化物イオンの拡散に関する知見を得ることを試みた。実験に用いたセルは多孔性La(Sr)MnO_3基板上にYSZとLaMnO_3を順に積層して作製した。様々な電極表面積・三相界面長さが得られるよう、基板を任意の大きさに切断した。生成したYSZ,LaMnO_3膜ともに多結晶であるがSEMで観察した範囲では緻密と考えられる。作製したLaMnO_3はペロブスカイトの単相であることをX線回折測定によって確認した。交流インピーダンス測定の結果、電極界面導電率(=1/電極界面抵抗)は電極表面積に比例することがわかった。したがって、LaMnO_3薄膜電極上での酸素の酸化還元反応電極の大部分は電極表面(又は電解質表面)で生成していることが明らかとなった。この緻密電極を用いて、Srドープの影響についてさらに詳細な検討を行う。
ビ-ム散乱実験用の精密試料位置制御装置の開発

本研究の目的は,我々が開発してきた超高真空用ステッピングモ-タを利用し,真空用スライドベアリングやボ-ルねじなどを使用して,分子線やイオンビ-ムなどの実験で要求される精密試料位置制御装置を開発することであった。初年度はマニピュレ-タとそれを収めるアルミ合金製の真空容器を,東北大学科学計測研究所の付属工場で製作した。次年度はマニピュレ-タを真空容器に収め,配線をしたのち動作テストと真空テストを行った。パ-ソナルコンピュ-タでステッピングモ-タをコントロ-ルするため,インタ-フェ-スおよびソフトプログラムを作成した。本装置のマニピュレ-タは,試料位置をビ-ム軸に対して,(X,Y,Z,θ,ψ,傾き)の6軸につき,精密にコントロ-ルする機能を持つように開発された。XY軸はステ-ジを使い,Z軸はそれを上下動させ,θはシャフトの回転であるから,動作テストは簡単に終了して問題もなかった。しかし,ψと傾きは機構が複雑で動作テストを完了するに到らなかった。装置の真空テストは,タ-ボ分子ポンプを主とする排気系に接続して行った。初期には大量のガス放出が認められたが,ベ-キングをくり返して排気を続けると,マイナス9黍ト-ルに到達した。しかし,当初の目的マイナス10黍ト-ルには届かなかった。これは若干のリ-クとポンプの排気速度が小さいことに原因がある。真空の質を調べるために,残留ガス分析を行ったが,炭化水素や塩酸が認められ,清浄さにやや問題がある。ステ-ジなどの動作中のガス放出やモ-タの発熱も不可避の問題として残った。以上のように,超高真空用ステッピングモ-タを使用した精密試料位置制御装置はほぼ完成され,動作テストも順調に進んでいるが,改善すべき点はまだ残されている。本研究の目的は、我々が開発してきた超高真空用ステッピングモ-タ、真空用スライドベアリング、真空用ボ-ルねじなどを使って、超高真空下での表面分析をミクロに精度よく行うための精密試料位置制御装置を開発することである。本年度は従来から進めてきた装置の設計に対して最終チェックを行い、東北大学科学計測研究所の付属工場で実際の製作を行った。その製作は、5軸(x,y,z,θ,ψ)が微調可能な真空用の精密ステ-ジと、それを収める超高真空容器に分けて行なわれた。容器は重量を軽減するために、アルミ合金を使用した。これは我々の工場にとって始めての経験であり、アルミ合金の溶接技術の収得から始まった。それは容易なことではなく、真空リ-クテストをくり返しながら数ケ月を費やした。現在はタ-ボ分子ポンプとイオンポンプをとりつけ、超高真空へのテストを行っている。我々の部品は費用との関係もあって、アルミ製とステンレス製のものが混在する状況にあり、ベ-キングによってしばしばフランジ部分からのリ-クを経験している。現在の最高到達真空度は2×10^<-9>ト-ルであり、目標値よりも一ケタ悪い。現在はそれを改善するための努力を行っている。容器内に入る精密ステ-ジ本体の製作についても、種々の困難があったが、現在はそれを乗り越えて、試作を完了している。しかし、実際の動作テストは真空容器内で行なわれなければならず、真空容器が初期の性能に到達していない現状では、まだ実行されていない。これは来年度の課題である。

分子線やイオンビ-ムなどの散乱実験で使用する高精度マニピュレ-タを,超高真空用に開発されたステッピングモ-タ,スライドベアリング,ボ-ルねじなどを利用して製作した。機械部分の製作は東北大学科学計測研究所の付属工場で行い,配線,動作テスト,真空テストは我々の研究室で実行した。昨年度に,6軸(X,Y,Z,θ,φ,傾き)が微調可能な精密ステ-ジと,それを収めるアルミ合金製超高真空容器をそれぞれ完成していたので,本年度は精密ステ-ジを真空容器に収め,配線をして真空中での動作テストを行うことが主な仕事であった。パ-ソナルコンピュ-タでステッピングモ-タをコントロ-ルするために,インタ-フェ-スを作り,ソフトプログラムの開発を行った。動作テストは4軸(X,Y,Z,θ)に関しては,順調に進んで問題もなかったが,φおよび傾き動作については機構が複雑であり,最終チェックをするに到っていない。真空テストは,タ-ボ分子ポンプ,インオポンプ,ロ-タリ-ポンプからなる排気系を使って行なわれ,残留ガス分析には四重極質量分析計を使用した。到達真空度はベ-キングによってマイナス10乘ト-ルをめざしたが,現在はマイナス9乘ト-ルで足踏みしている。これは真空装置に若干のリ-クがあるためである。残留ガス成分には,水素,水,一酸化炭素,二酸化炭素の他に,種々の炭化水素および塩酸がみられた。これらの不純物ガスのソ-スが,配線に使用したテフロン線によるのか,スライドベアリングなどかは末だ不明である。ステ-ジを動かすと,残留ガスの水素が増えた。これはベアリングから放出されたものである。装置は外見上完成しているが,当初に目的とした動作についてはまだ一部確認されておらず,到達真空度もやや悪いので,今後に時間をかけて改善してゆく予定である。
耐震性の向上を目指した空間構造物の崩壊挙動予測および応答低減手法の提案

本研究は,地震または台風などの災害時に避難場所,防災拠点となるべき建築物である空間構造物の地震時における損傷,崩壊挙動の解明,予測手法の提案および応答制御法の提案を目的としている。まず,体育館等に使用されることの多い円筒ラチスシェルを対象とした振動台実験により動的崩壊実挙動を分析した。次に,構造物が崩壊に至らないようにするためにエネルギー吸収機構による応答制御を試みた。最後に地震動を多方向から受ける場合の応答性状について振動台実験および数値解析によって分析した。本研究は,空間構造物の地震時における損傷,崩壊拳動の解明,予測手法の提案および応答制御法の提案を目的としたものである。平成21年度の実施計画は,1)振動実験による空間構造物の崩壊実挙動の分析,2)前・若手研究(B)において提案した空間構造物の崩壊挙動予測手法の妥当性の検証,3)空間構造物の崩壊実挙動の数値解析による検証であった。1)については,既往の研究で提案した空間構造物の振動実験システムを用いて,レベル2を上回る地震動入力および1周期コサイン波を受ける場合の弾塑性応答性状および崩壊実挙動について分析を行った。実験対象は,一方向のみに曲率を有する屋根型円筒ラチスシェルとした。ここでは,入力波の加速度レベルを段階的に上げていき,屋根部材の降伏過程や部材の塑性化が弾塑性応答性状に及ぼす影響を分析し,部材塑性化に伴う卓越モードの変化による振動周期の長周期化と,ひずみエネルギーの増加に伴う減衰の憎加により最大加速度応答倍率は変動し,その分布形状は一様となることがわかった。また,2)については,崩壊拳動予測手法の考え方を応用し,入力エネルギーや部材塑性化後の振動周期,等価減衰を考慮した応答スペクトルから実挙動における最大加速度応答倍率を予測することを試みた。また,3)については,自研究室開発の非線形時刻歴応答解析プログラムを使用した数値解析により,振動実験に用いた地震動に対する空間構造物の動的崩壊性状を分析した。数値解析に関しては,平成22年度も引き続き行う予定である。なお,数値解析には,本助成金によって購入したワークステーションおよび東京工業大学所有のスーパーコンピューター(TSUBAMEグリッドクラスタ)を使用した。本研究は,空間構造物の地震時における損傷,崩壊挙動の解明,予測手法の提案および応答制御法の提案を目的としたものである。平成22年度の実施計画は,1)数値解析によるエネルギー吸収機構を用いた空間構造物の応答低減効果の分析,2)振動実験によるエネルギー吸収機構を用いた空間構造物の応答低減効果および応答低減手法の提案であった。1)については,当初計画していた対象構造物の屋根型円筒ラチスシェルではなく,アーチ構造物を対象として検討を行った。エネルギー吸収機構としてはパッシブ型であるTuned Mass Damper(TMD)を採用した。ここでは,TMDの設置数,設置位置等が応答低減効果に与える影響についてパラメトリックに分析した。その結果,TMD1台を設置する場合に比べ,TMD4台を分散配置する場合に広い周波数帯に対して応答低減効果を発揮し,さらに節点の負担質量を分散することができた。また,設置位置については制御対象とするモードの腹に設置することで効率の良い応答低減が可能となる。2)については,屋根型円筒ラチスシェルを対象として,粘性ダンパーを付加した場合について振動台実験を行った。ここでは、応答低減手法として下部構造にダンパーを付加し,屋根構造への入力を低減することを狙った。その結果,屋根部の応答加速度を5070%程度に低減することができ,構造物が塑性化を伴うような大地震に対しても屋根構造を弾性域内に留めることができた。平成23年度においても,TMDによる応答低減効果について分析を進め,また現在まで行われていない振動台実験による二方向入力に対する応答性状についても分析する予定である。平成23年度の実施計画は,1)多方向から地震動を受ける空間構造物の応答性状,2)空間構造物の地震応答性状の体系的整理であった。1)については,平成22年度まで分析してきた単一方向からのみの入力に対する地震崩壊,応答性状を発展させ,多方向から地震動を受ける場合の応答性状について振動実験および数値解析によって分析することで分析した。振動実験において対象とする空間構造物は,スパン160cmの単層ラチスドームとした。実験における入力地震動は,実地震動および人工地震波である。応答は弾性範囲とし,弾塑性範囲における応答は今後の課題とした。また,数値解析では,振動実験結果を検証した上で,さらにパラメトリックな解析を行い,応答性状について体系的に分析した。最終的には,多方向入力に対応した応答加速度評価手法を提案した。2)については,平成23年度までの3年間の研究成果を論文としてまとめることにより体系的なまとめとした。具体的には,動的崩壊実挙動の分析,崩壊挙動予測手法を応用した最大加速度応答倍率の予測,エネルギー吸収機構(TMD,粘性ダンパー)を用いた応答低減効果の分析等である。

その結果として,未だ解明されていない性状,提案の適用範囲外となる場合はあるものの,今後提案されることになる空間構造物のための耐震設計手法の一助となったものと考えている。また,本研究で明らかとなった課題や対応しきれなかった範囲については,今後も研究を進めていく予定である。
原始ブラックホール連星からの重力波放射とその宇宙論的帰結

インフレーション中にタキオン不安定性が生じると、曲率ゆらぎが増幅し、原始ブラックホール形成が実現すると期待される。このことから、インフレーション中にタキオン不安定性を含む二次相転移が起こる場合に生成する揺らぎを1ループの計算まで含めて詳細に解析した。結果としては、原始ブラックホールを多数生成するほど大きな振幅の揺らぎを生成することは容易ではないことを示した。ヒッグス場のラグランジアンの各項がインフレーションを引き起こす場の微分と結合しているモデルを解析し、そのような結合が曲率ゆらぎの非ガウス性に現れることを示した。非ガウス性が大きいと原始ブラックホールの生成が増幅される場合があるので、これは有意義な結論である。また、このモデルではヒッグス場がタキオン不安定性を示す状況も起こり、その場合ヒッグス場は一様な進化を示すのではなく、クランプにフラグメントすることを示した。その衝突によって重力波も生成することが期待される。また、同じように非ガウス性が増幅されるモデルとして、ハイブリッドインフレーション型のポテンシャルを持ちつつ、インフレーション後のドメインウォール生成を適切な運動項の結合によって回避するモデルを提唱した。このモデルはパラメータを微調整すれば原始ブラックホールを生成することが可能である。また、その当否は次世代の大規模構造観測や21cm線を用いた観測によって検証することが可能である。原始ブラックホールの生成に繋がるようなインフレーションモデルの研究について一定の進展は見られたものの、本来の目的である原始ブラックホールの質量分布を与えるところまでは外国人特別研究員のあと一歩の努力が必要である。本研究計画は外国人特別研究員が博士研究員としてのキャリアを積むため、自主的に行わなければならないものである。受け入れ教員たる代表者はさまざまな助言をしているところであるが、最終的には本人の意思と能力と努力が重要であるので、それを促進する。今年度はまず、単一場インフレーションモデルにおいて、インフレーションの途中で重い場が相転移を起こす状況を考察した。その結果曲率ゆらぎが増大し、原始重力波も増幅されることを示した。しかし、原始ブラックホールが十分生成するほどの曲率ゆらぎの増幅を果たすことは容易ではないことがわかった。この結果は、揺らぎを量子化し、その量子的なループダイアグラムを計算することによって得られたものである。そのループ計算による特徴的な痕跡は、パワースペクトルだけでなく、3点相関を与えるバイスペクトルにも現れることを明らかにした。アインシュタインの重力理論の記述の仕方には2種類あり、一つは最も標準的な一般相対性理論であり、もう一つは四脚場を用いたテレパラレル重力理論(重力場の力学的変数をベクトル量として表す理論)である。時空に境界があるような状況を考えた場合、一般相対性理論では、ラグランジアンにGibbons-Hawking termを加えた後で変分を行わなければ、アインシュタイン方程式を正しく導出できないことが知られていた。しかし、テレパラレル重力理論で余分に存在していた表面項は、まさにそのGibbons-Hawking termと等価であることが明らかとなった。従来標準的な重力理論とされてきた一般相対性理論では、時空に境界があるか否かでラグランジアンの形を人為的に変える操作が必要であったが、テレパラレル重力理論にはその必要がない。その意味で、テレパラレル重力理論の利点を明らかにすることに成功した。研究員就任前から取り組んでいた研究の取り纏めに時間を要し、本来の研究計画の進捗がやや遅れている。本来の研究計画をきちんと推進するよう指導していきたい。
生命病態システムの数理モデリングとその個別化医療への応用のための数理的基盤の確立

1.数理モデルに基づく前立腺がんの内分泌療法と他の疾患への展開前立腺がんに関しては、PSA(Prostate Specific Antigen:前立腺特異抗原)という高感度のバイオマーカーが存在するため、前立腺がんに関してはその数理モデルの性能をPSAデータを用いて定量的に評価することが可能である。平成29年度は、昨年度までの解析をさらに進めると共に,統計的機械学習理論や数理生物学的知見等を用いて,転移を表現する数理モデルの構築やその指標作成に向けた基礎理論開発に取り組んできた.また,研究費の繰越により、ポジティブ2次システムの安定化解析などの制御理論を用いた手法による解析も新たに行った.2.動的ネットワークバイオマーカー理論の発展とその応用本研究では、病態の変化を一種の複雑生体ネットワークの動的な状態遷移としてとらえ、疾患前後で先導して不安定化する生体ネットワークの部分ネットワークである動的ネットワークバイオマーカー(Dynamical Network Biomarkers: DNB)を効率的に検出する数理手法とアルゴリズムを開発している。平成29年度は、これまでの成果をさらに発展させ、DNBの理論的解析を通じて,理論の全体像をより明確にすることに取り組んだ.具体的には,従来の標準偏差と相関係数の統計量を基に構築されていた理論を,本年度の研究で新たに共分散行列を基に据えることで、より全体像が見通しやすい理論として再構築した。さらに,腸内細菌の多様性減少による疾患発症に着目した実データ解析も行った.1. [数理モデルに基づく前立腺がんの内分泌療法と他の疾患への展開]では、転移を表現する数理モデルの構築に着手すると共に,前立腺がん改良モデルの解析の過程で,観測データの定量的な説明に当初予定していた数理モデルに加えて,それとは異なるクラスの数理モデルも有効である可能性を発見し,研究費の繰越により、あらたに制御理論を用いた手法による解析を行った.これらの成果により,重要性の高い応用展開・発展の可能性について検討する準備ができた。2. [動的ネットワークバイオマーカー理論の発展とその応用]では、DNBの理論的基礎を整理することによって,理論の全体像をより明確にした.これにより,DNB理論の実用的な応用のための理論的基盤の構築が進んだ.特に,分岐を決める固有値が複素固有値の場合(Hopf分岐)の扱い,制御理論との繋がり,主成分分析との関連性などが明確になった.さらには,腸内細菌の多様性減少による疾患発症に着目した実データ解析を始めとした実データへの取り組みも進めつつあるなどと,DNB理論の拡張や他の多様な複雑システムへの応用も含めた発展の足がかりができつつある。以上の成果を踏まえ、今年度は「当初の計画以上に進展している」と自己評価している。1.数理モデルに基づく前立腺がんの内分泌療法と他の疾患への展開研究分担者の藤原寛太郎(東大・IRCN・特任准教授),森野佳生(東大・生研・特任助教),研究協力者の平田祥人(東大・情報理工・准教授),福原浩(杏林大・医・主任教授)らと連携・協力して,昨年度までの考察・開発を元に,実用化に向けた検討を引き続き進める.また,前立腺がんの数理モデルをさらに発展させるとともに,その他の複雑系疾患も含めた治療に関わる応用展開の可能性についての検討を引き続き進める.2.動的ネットワークバイオマーカー理論の発展とその応用研究分担者の宮野悟(東大・医科研・教授),鈴木大慈(東大・情報理工・准教授),奥牧人(富山大・和漢研・特命准教授),中岡慎治(北大・先端生命・特任講師)らと連携・協力して,昨年度に続いて実用的な応用のための理論的基盤のさらなる拡張と実データへの適用方法の検討を継続する.また,他の複雑システムへのDNBを拡張したDNM(Dynamical Network Markers)の応用可能性についても引き続き検討する.1.数理モデルに基づく前立腺癌の内分泌療法と他の疾患への展開前立腺がんに関しては、PSA (前立腺特異抗原)という高感度のバイオマーカーが存在するため、数理モデルの性能をPSAデータを用いて定量的に評価することが可能である。平成27年度は、研究計画で掲げる不十分な時系列データからの予後予測手法を確立する上で必要なアイディアについて検討を行った。具体的には、時系列データが不十分な場合の予測に必要となる情報を収集し、知見としてまとめると共に、予後予測手法の拡張可能性を入念に検討した。また、過去の2論文で提案した、間欠的ホルモン療法により再燃を防ぐための2つの異なる条件間の関係性を導いた。加えて、東京大学医学部附属病院で前立腺手術を受けた778症例の腫瘍マーカーPSAを経時的に測定し、当グループの先行研究で提唱した数理モデルの妥当性を検証した。2.動的ネットワークバイオマーカー理論の発展とその応用本研究では、病態の変化を一種の複雑生体ネットワークの動的な状態遷移としてとらえ、疾患発症前後で先導して不安定化する生体ネットワークの部分ネットワーク(動的ネットワークバイオマーカーDNB)を効率的に検出する数理手法とアルゴリズムを考案する。平成27年度は、生命システムの複雑ネットワーク構造とDNBとの関係性の考察をもとにDNBを効率よく検出する数理的手法とアルゴリズムを考案して、実データに適用してその有効性を検証した。次に、がんの進化シミュレーションモデルを構築し、腫瘍内不均一性を生み出している進化原理の一端を明らかにした。また、DNB検出に有用なノンパラメトリックテンソル推定のベイズ推定手法をあらたに考案し、推定精度の理論的証明および予備実験データで精度の高さを実際に確認した。さらに、不安定化後の状態の急変を防ぐ制御手法を考案した。