hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
耐性因子をターゲットとした薬剤耐性微生物の検出についての基礎的検討

臨床的に重要な薬剤耐性微生物を迅速に検出する方法の構築を目指し、ターゲットとした耐性因子は、1)メチシリン耐性黄色ブドウ球菌およびメチシリン耐性コアグラーゼ陰性ブドウ球菌の耐性因子PBP2a、2)カルバペネム耐性細菌の産生するベータラクタマーゼIMP-1、3)タミフルおよびペラミビル耐性インフルエンザウイルスの変異ノイラミニダーゼ(H275Y)である。これらを認識する抗体を取得し、臨床分離微生物を用いて抗体が耐性型微生物に特異的に反応することを確認した。PBP2aに関してはイムノクロマトグラフィーを構築し、模擬検体を用いて検討したところ3時間以内に耐性菌を検出でき、臨床への応用が期待された。薬剤耐性菌による感染症を薬剤感受性試験ではなく耐性因子をターゲットとした検出方法により迅速に検出する方法の構築を目指している。本研究により薬剤耐性微生物が迅速に検出され、その耐性微生物に適切な治療薬が早期に選択されることが期待される。具体的には耐性因子を認識する抗体の取得およびその応用方法の検討を進めている。前年度に作成した、メチシリン耐性黄色ブドウ球菌MRSAの耐性因子PBP2aを検出するイムノクロマトグラフィーの評価を行った。MRSAとメチシリン感受性黄色ブドウ球菌MSSAの比較については昨年度に順調な結果が得られたが、MRSA同様に臨床現場で高い分離頻度を示すコアグラーゼ陰性ブドウ球菌に関しては、MRSAと同じ検体処理方法では耐性菌(MRCNS)が偽陰性になることが本年度明らかとなった。今後、抗原の溶出方法あるいは抗原発現量について検討を行うこととした。メタロベータラクタマーゼIMP-1産生菌については緑膿菌を中心に検出感度の検討を行っていたが、同様の抗IMP-1抗体を応用した先行論文が発表されたため、今後について再考が必要と考えられた。タミフル耐性インフルエンザウイルスの検出については、ノイラミニダーゼの変異か所(H275Y)を認識するモノクローナル抗体を得た。組換えタンパク質の検討では耐性型組換えノイラミニダーゼを特異的に検出できた。臨床分離された耐性型および感受性型ウイルス株を用いた検討では、MDCK培養細胞由来のウイルス株について、濃縮操作を行うことで耐性型ウイルスのみの検出が可能であった。応用する上では、補足するための抗体が必要であるため、抗原として有効な領域についてのタンパク質発現系を構築した。臨床的に迅速な診断が望まれる薬剤耐性微生物の検出に関して、臨床分離株を使っての実証を順調に進めている。感染症の根本的な治療は抗菌薬・抗ウイルス薬により行われる。しかしながら薬剤耐性の微生物による感染症であることも多い。適切な治療薬を速やかに選択するために、時間を要する感受性試験ではなく耐性因子をターゲットとした薬剤耐性微生物の迅速検出法の構築を目指し耐性因子を認識する抗体の取得およびその応用方法の検討を進めている。メチシリン耐性黄色ブドウ球菌MRSAの検出に関しては耐性因子であるPBP2aに特異的な抗体を用いてイムノクロマトグラフィーを作製した。菌体をアルカリ-中和処理することによって抗原を可溶化し検出感度を測定し、平成24年度に論文として発表した。今後、現時点の感度で応用可能な臨床検体を想定し血液培養の模擬検体および臨床検体を用いた検体からの直接検出についての検討を行う予定にしている。臨床現場でMRSA同様に高い耐性割合を示すコアグラーゼ陰性ブドウ球菌に関しても検討を行うべく菌株の収集を進めている。メタロベータラクタマーゼIMP-1産生菌については多剤耐性緑膿菌臨床分離株からPCRによってIMP-1の遺伝子保有を調査し終えたので、今後感度・特異度の検討を進めるところである。タミフル耐性インフルエンザウイルスの検出についてはノイラミニダーゼの変異か所(H274Y)を認識する抗体を用いて耐性型ウイルスの検出を行ったが核タンパク質に対する抗体に比較して抗体価が低いため抗体の精製やウイルスの濃縮を行い感度の測定を行う予定である。臨床的に迅速な診断が望まれる薬剤耐性微生物の検出に関して臨床分離株を使っての実証を順調に進めている。メチシリン耐性黄色ブドウ球菌MRSAの耐性因子PBP2aを検出するイムノクロマトグラフィーの評価ではこれまでにMRSAとメチシリン感受性黄色ブドウ球菌MSSAが区別できる順調な結果が得られた(Yamada K. et al. Jpn J Infect Dis. 2013;66(2):103-8)。表皮ブドウ球菌を中心に高い分離頻度を示す

コアグラーゼ陰性ブドウ球菌CNSに関しては、MRSAと同じ検体処理方法では耐性菌(MRCNS)が偽陰性になることが昨年度明らかとなった。今年度は、抗原の溶出方法あるいは抗原発現について検討を行い、手法を一部追加・変更することでMRCNSの検出にも応用できることが明らかとなった。カルバペネム耐性にかかわるベータラクタマーゼIMP-1に対する抗体を作成しIMP-1産生菌株が特異的に検出できたが、切替らによるイムノクロマトの開発及びその応用の発表(Tomoe Kitao et. al, J Microbiol Methods. 2011 87(3):330-7)を受け、計画を再考察することとした。タミフル耐性インフルエンザウイルスの検出については、ノイラミニダーゼの変異か所(H275Y)を認識するモノクローナル抗体を得た。組換えタンパク質の検討では耐性型組換えノイラミニダーゼを特異的に検出できており、本年度は臨床分離された耐性型および感受性型ウイルス株をMDCK細胞により増殖し、反応性を調査した。得られた抗体は耐性型ウイルスのみと反応し、感受性型ウイルスには反応しなかった。臨床的に迅速な診断が望まれる薬剤耐性微生物の検出に関して、臨床分離株を使っての実証を順調に進めた。病態検査学メチシリン耐性黄色ブドウ球菌MRSAを検出するイムノクロマトグラフィーを構築し、MSSAと区別して検出できることを報告した。臨床現場で黄色ブドウ球菌と同様にβ-ラクタム耐性の割合が高くなっているコアグラーゼ陰性ブドウ球菌CNSに関してもメチシリン耐性MRCNSと感受性であるMSCNSを収集して検討を行った。耐性因子PBP2aは同じなのでMRCNSも検出可能なはずであるが、MRSAと同じ菌体処理方法ではMRCNSの中に検出できるものとできないものが存在することが明らかとなった。この差異を詳細に検討した。細胞壁を構成しているアミノ酸の種類が一部異なり、アルカリ処理に対する感受性が異なる可能性と、抗原の発現量が異なることなどが考えられたためその詳細を検討中である。カルバペネム耐性にかかわるβ-ラクタマーゼIMP-1に対する抗体を作成しIMP-1産生菌株の検出は順調に行われた。しかしながら、国立国際医療研究センター切替らによるイムノクロマトの開発及びその応用の発表(Tomoe Kitao et. al, J Microbiol Methods. 2011 87(3):330-7)を受け、計画を再考察することとした。タミフル耐性型インフルエンザウイルスのノイラミニダーゼの変異か所(H274Y)に対するモノクローナル抗体をマウス復水より精製した。大腸菌で作成した感受性型組換えノイラミニダーゼタンパク質には反応せず、耐性型組換えノイラミニダーゼタンパク質に対して反応性がみられた。
原子描像に基づく非コヒーレント輸送の第一原理輸送計算法の開発とナノ構造への応用

本年度は本研究で開発した第一原理電子輸送計算プログラムを使用し、一次元系である共役系有機分子ワイヤーと3次元系であるA1/Si/Alの金属・半導体・金属界面接合系に対して電子輸送特性の解析を行った。特に分子ワイヤーの計算については有機材料の特徴である構造の柔軟性を考慮し、分子構造の変化を取り入れた系の解析を行い、その電気伝導度、電流一電圧特性を明らかにした。また、金属・半導体・金属接合系についでは、半導体材料の暑さに対する電子輸送特性の依存性の解析に加え、プログラムの更なる高効率化を実現した。1次元系と異なり、接合界面系においては界面方向の周期性により計算は高負荷なものとなる。そこで並列計算に加えて疎行列演算をプログラムに組み込むことで、計算に使用するコア数の増加に伴い平均性能向上比97%の良好なスケーラビリティーを実現した。これは例えば1024コアを使用した際、1コアでの計算に対して988倍もの効率化が見込めることを意味する。疎行列演算には本研究で用いた原子局在基底関数が有限のカットオフ半径を持ち、計算対象のKohn-Sbamハミルトニアンの非零の行列要素が系の構造のみから決定されることを利用し、Fortran2003の機能により非零行列要素のみを厳密に格納するフォーマット新規に開発することで対処した。特に計算に使用する配列が疎行列形式となったことにより、並列計算時に不可欠なプロセス間の通信不可を最小限に抑えられ、これが本研究で達成した高い性能向上比につながった。また以上の結果は日本物理学会において発表済みであるとともに、現在学術誌へ投稿、査読中である(抄録なし)本研究の目的は原子・分子スケールにおける外場との相互作用を含めた非コヒーレントな電子輸送過程に対する第一原理計算法を開発することである。フォノン、フォトンを始めとする外場との相互作用を含めた非コヒーレントな電子輸送過程に対する第一原理に基づいて計算する方法論は現在までも研究段階であり、確立した方法論は存在しない。一方で外場との相互作用を含めたコヒーレント輸送過程に対する計算法は現在までに多くのプログラムとして実装され広く利用されている。本研究のように新たな数値計算法を実装する場合、既存の電子輸送計算プログラムに対し新規に計算プログラムを追加するのは非常に困難であり、このためプログラムを一から実装し運用する必要がある。そこで本年度ではまず研究実施計画に従い、原子局在関数を既定関数とした密度汎関数法に基づく第一原理電子状態計算プログラムと、新たに実装した非平衡Green関数法に基づく電子輸送計算プログラムとを組み合わせ、外場との相互作用が存在しないコヒーレント輸送過程に対する第一原理電子輸送計算プログラムを開発した。本年度に開発したプログラムにより電極とナノ構造との間の界面電子状態、固体や単一分子といった各系に対しての電子輸送特性、具体的には電極間のコンダクタンスや電流量さらにナノ構造内部の電流分布や状態密度といった重要な物性量を第一原理計算に基づいて計算することが可能となった。本年度に開発したプログラムは本年度以降の研究計画における基礎となるものであり、今後の外場を含めた非コヒーレント輸送過程計算部の追加を円滑に行うための基盤が完成したことを意味する。本研究は原子・分子スケールにおける外場との相互作用を含めた非コヒーレントな電子輸送過程に対する計算法およびその数値計算プログラムを開発し、これを用いて実際のナノ構造の電子輸送特性を解析することである。平成24年度は平成23年度までに開発した第一原理電子輸送計算プログラムを使用し、具体的なナノ構造として有機半導体材料、特に有機太陽電池等に応用されている共役系有機ポリマー材料の一つであるポリチオフェンを対象として電子輸送特製の解析を行うと共に平成25年度での実施内容である電子-フォノン、電子-フォトン相互作用を取り入れた電子輸送特製解析に向けて、これらの相互作用を記述するハミルトニアンを計算するプログラムの開発および計算規模の大規模化に向けてMPIを使用した並列化によるプログラムのチューニングを行った。ポリチオフェンの電子輸送特性においては有機半導体材料の特徴である柔軟性を念頭に特に分子構造の変化に対する電子輸送特性の変化について全エネルギーによる系の構造安定性の観点から解析を行った。特に共役系有機材料の特徴であるFermiエネルギー近傍のπ電子軌道により伝導チャネルが構成される一方で、ポリマーを構成するモノマーの分子面の回転により伝導チャネルが寸断され、さらに全エネルギーの観点からも分子面の回転により系の構造が不安定化するため、系を流れる電流が安定構造時のπ電子により支配されることを明らかにした。一方でプログラムの拡充やチューニングは既存のプログラムの改良ではなく、1から実装したものであるため拡張性に富んだものとなっており今後の各種計算内容の追加や計算精度、計算速度の向上に関するプログラムの各種チューニングを円滑に進めることを可能としている。

そこで並列計算に加えて疎行列演算をプログラムに組み込むことで、計算に使用するコア数の増加に伴い平均性能向上比97%の良好なスケーラビリティーを実現した。これは例えば1024コアを使用した際、1コアでの計算に対して988倍もの効率化が見込めることを意味する。疎行列演算には本研究で用いた原子局在基底関数が有限のカットオフ半径を持ち、計算対象のKohn-Sbamハミルトニアンの非零の行列要素が系の構造のみから決定されることを利用し、Fortran2003の機能により非零行列要素のみを厳密に格納するフォーマット新規に開発することで対処した。特に計算に使用する配列が疎行列形式となったことにより、並列計算時に不可欠なプロセス間の通信不可を最小限に抑えられ、これが本研究で達成した高い性能向上比につながった。また以上の結果は日本物理学会において発表済みであるとともに、現在学術誌へ投稿、査読中である交付申請書の年度計画の通り、初年度の目標である密度汎関数法および非平衡Green関数法に基づく第一原理電子輸送計算プログラムの構築を行い、これを完成させた。年次計画に基づき、第一原理電子輸送計算プログラムのチューニングおよび、有機半導体材料を対象とした電子輸送特製の解析を行った。また次年度の研究内容の下準備として電子-フォノンおよび電子-フォトン相互作用を取り入れるために必要となるプログラムの一部を開発した。交付申請書の年度計画に従い、24年度の研究計画を遂行する。具体的には23年度に開発した第一原理電子輸送計算プログラムに対し大規模計計算に向けた並列化とチューニングを施しつつ、実際のナノ構造に対して電子輸送特性の計算を行う。平成24年度までに開発したプログラムを運用し、具体的なナノ構造、特に有機半導体材料を対象に霞子輸送特性の解析を進めつつ、電子-フォトン、電子-フォノン相互作用による非コヒーレント電子輸送過程計算プログラムの開発を引き続き行う。外場による散乱のないコヒーレントな輸送過程に比べ、外場による散乱が含まれる非コヒーレント輸送過程においては計算規模が大きくなるが、昨年度までに行ったプログラムのチューニングおよび今後適宜行う調整により対処する。この点は独自実装によるプログラムの拡張性により保証される。(抄録なし)
強いローレンツ力下でのMHD発電機の性能

本研究では、シード率を10100PPM程度まで下げ、これを完全電離させて運転されるクローズドサイクルMHD発電機を取り上げ、強いローレンツ力下で、この発電機からどの程度のエンタルピー抽出率が得られるかを調べる事を目的とした。1.ヘリウムを用いたMHD発電機の性能:ヘリウムを作動気体とした場合には、プラズマを安定化できる電子温度の領域が広いこと、更に、アルゴンと同一のマッハ数の流れでも、非常に高い流速(20004000m/s)が得られ、起電力が大きくなる。従って、同一の出力を得る場合にMHD発電機が小型化できるという利点を有する。そこで、これを作動気体とするディスク型およびファラデー型発電機の性能を調べた。その結果、(1)ディスク型発電機でヘリウムを作動気体とし、2200Kのよどみ点温度で実験を行ったところ、出力451KW、エンタルピー抽出率21.1%と優れた性能が得られた。同時に、ヘリウムの持つ広い安定領域と高出力密度が実験的に確認された。(2)ファラデー型発電機でも、低シード率でヘリウムを用いて運転した場合には、アルゴンよりも優れた性能が期待できる事が分かった。本実験では、最大出力約100KW、エンタルピー抽出率11.9%が得られ、また、発電流路のほぼ全域でシード完全電離が達成された。2.アルゴンを作動気体とするディスク型MHD発電機の性能:アルゴンを作動気体とした場合には、安定領域はヘリウムよりも狭いが、高いよどみ点圧力で安定化が可能となる。これを実験的に検証するため、ブローダウン装置「FUJI-1」で、初めて熱入力6MWで超電導磁石を用いた定格運転を行った。今回の実験では、蓄熱型熱交換器の底部の加熱が不十分であったため、アルゴン中の水分が多く、その結果、電子のジュール加熱が小さくなり、出力電圧に大きなゆらぎが見られた。しかし、時間平均出力60KW、瞬間最大出力500KW以上の値が得られた。
摂食障害と窃盗累犯 -心理社会的要因に関する質的・量的調査研究-

本研究の目的は、摂食障害患者にみられる窃盗行為について、半構造化面接および質問紙調査による質的量的調査によってその心理社会的背景を明らかにするとともに、司法精神医学的評価や処遇のあり方について、文献調査および視察を中心とした海外調査により、問題点を明らかにし、比較法的視点も加味した考察を深めることにある。2018年度は、和歌山刑務所において質問紙および面接による質的量的調査研究を実施したほか、法律実務家とともにスウェーデンを視察し、矯正施設及び司法精神病院における触法精神障害者の治療および処遇について、情報収集をおこなった。また、スウェーデン矯正保護庁職員も交えた実務家・研究者と意見交換を行ない、精神鑑定から処遇・治療にわたる過程について学際的視点から議論を交わし、考察を深めた。これらの一部成果は2018年11月、第22回日本摂食障害学会学術集会シンポジウムにおいて「摂食障害の窃盗に関する司法精神医学的考察」と題して研究代表者が発表を行なった。その内容は論文化し、現在投稿準備中である。さらに、2019年6月には第15回日本司法精神医学会大会において「スウェーデン司法精神医療視察報告」として一部成果を研究代表者が発表予定である。2019年度は刑務所における調査を継続する他、法学者・矯正施設医師等とともにオランダへ赴き、触法精神障害者治療施設・摂食障害専門治療施設を視察し、現地大学に於いて研究者等との学際的交流を予定している。概ね予定どおりの進行ではある。但し研究代表者が2018年4月に東京へ赴任したことや、臨床業務の多忙さにより、調査回数を当初予定より減らさざるを得なかった。また、海外視察においては、摂食障害治療専門施設の視察も当初予定し、最後まで交渉を続けたものの、叶わなかった。ただし、視察許可を得たヒンズバーグ女子刑務所やヘリックス司法精神病院、カロリンスカ研究所において矯正処遇官・医師・研究者から情報収集を行い、意見交換を重ね、摂食障害窃盗を含めた触法精神障害者の精神鑑定・処遇・治療について学際的視点から議論を交わすことができた。今後は、2019年4月に研究代表者が刑務所所在地である和歌山県へ赴任し、かつ研究職を兼任することから、より柔軟なフィールドワークが可能となる見込みである。これまで以上に研究を推進できることが期待でき、データ収集や解析、文献的考察を進める予定である。2018年度の成果の一端を論文化し、現在投稿手続中である.2019年度は刑務所調査の継続に加え、海外調査としてオランダ渡航を予定しており、法学者・矯正施設医師らとともに、触法精神障害者治療施設、摂食障害専門治療施設の視察、ライデン大学法学部における法学者等との意見交換会を予定している。さらに、研究分担者の追加を検討しており、調査・研究の議論を深め、研究を発展的に推進する予定である。

転勤や臨床業務の多忙が重なり、研究計画が当初予定より遅れ、当初予定していたほどの研究費を使用できなかった。また、旅費の負担増を鑑み、物品費等への支出を控え、私費でまかなった。今後は研究実施計画を実現可能なスケジュールで組み直し、使用する。
ゲーム理論を用いた群集運動モデルの構築

採用者は今年度、段階的に列をまとめていくカスケード型の待ち行列について新たに考察を行った。カスケード型の待ち行列とは、例えば窓口が四つある場合、二つの窓口の待ち行列をまとめて二列の待ち行列を形成した後、さらにそれをまとめて一列の待ち行列にするシステムである。カスケード型の待ち行列は、適切に構成すれば待ち時間を増加させる原因である歩行距離の影響を減少させることができるだけでなく、人が感じるストレスに深く関係する順序の入れ替わりもほとんど増加させることがない。従って、現実への応用が期待できる非常に有効なシステムであることが分かった。また退出の研究では、ゲーム理論によって二列の退出がスムーズであることも説明した。昨年度までのモデルでは、人は単純に早く進もうとしていたため、二列の場合は出口まで並走して衝突してしまうが、人が近い未来のことを考えるという効果を導入すると、出口前まで急いで移動して衝突するよりも、早めに合流して出口をスムーズに通過する方がよいと考えるようになり、二列の退出が早い現象を再現することができた。さらに出口における人どうしのミクロな駆け引きについても研究を行った。全ての人が目先のことしか考えない場合は、やはり出口前で人が激しく衝突し、出口を通過する人の流れは悪くなっていく。しかし出口前で長く待たされている人ほど優先して退出することができるという効果を考えると、自分が早く退出しようと考えることによって譲り合いが生まれ、出口を通過する人の流れがスムーズになる。これらのゲーム理論用いたモデルでは、人に目先のことだけでなく未来の情報を与えることにより、流れを増加させる解を得ることができた。従って、人どうしの相互作用により混雑するような場所においては、人に情報を与えることにより人が殺到するのを防ぎ、混雑させないようすることが重要である。昨年度、私はゲーム理論の基礎を学びつつ、それを応用するためのモデルの研究に取り組んできた。主なテーマは二つであり、一つは災害時の総避難時間の短縮法、もう一つはレジや銀行のATM、国際空港の入国審査といった待ち行列での待ち時間の短縮法である。まずは避難の研究に関して述べる。私は退出実験データの分析から「複数人の同時衝突」と「方向転換による歩行速度の減少」が総避難時間増大の大きな要因であると考え、「衝突関数」と「方向転換関数」という二つの新しい要素を導入した。この拡張により、建築物の避難設計に使われている流動係数を過去のモデルよりも現実に近い値で得ることができるため、大いに工学的な応用が可能であると考えられる。また障害物を出口の手前に置くと早く避難できることを実験により発見した。障害物が出口手前にあると、複数人の人が同時に衝突するのを防ぐことができるため、立ち止まる頻度が減少し早く避難することができる。現在は、特定の状況において人がうまく譲り合って交互に出口から退出することにより、早く避難することができるジッパー現象が起こる原因について、ゲーム理論を用いて研究を進めている。次に待ち行列の研究について述べる。待ち行列理論には、待ち行列の先頭から窓口までの歩行距離の効果が含まれていない。そこで私は待ち行列理論に歩行時間の効果を取り入れ拡張した。その結果、待ち行列を一つにまとめ空いた窓口に先頭の人が移動できるフォーク型の待ち行列よりも、窓口ごとに待ち行列をつくる並列型の待ち行列の方が平均待ち時間が短くなる場合があることが分かった。拡張前の待ち行列理論では常にフォーク型の方が平均待ち時間か短いという結果しか得られないため、この結果は非常に新規性に富んだものであった。今年度は待ち行列形態が決まってない場合に、人はどのような待ち行列を形成するのかゲーム理論を用いて研究を進める予定である。昨年度、私はゲーム理論の応用について学ぶと同時に、避難と待ち行列の研究にも取り組んできた。避難に関しては、出口での衝突や方向転換の効果を導入したモデルの研究がPhys.Rev.Eという学術誌に掲載され、三つの海外の科学メディアにも取り上げられた。この論文では、流動係数(一秒当たりにーメートル幅の出口を通過することができる人数)が、人どうしの衝突の効果を詳細に考慮することができる「衝突関数」と、出口周りの方向転換による減速を表わす「方向転換関数」により、非常に正確に計算することができた。また適切な障害物を特定の位置に設置すると、障害物を迂回することによる歩行速度の減少を抑えた上で、人どうしの衝突や、自分が先に行くのか譲るのかといった迷いを減少することができるため、流動係数が大きくなり早く避難できることも分かった。待ち行列に関しては、二つのテーマに焦点を当て研究を行ってきた。一つは待ち行列に並んでいる人達のダイナミクスを考慮した待ち行列理論の研究である。私は従来の待ち行列理論とセルオートマトンを組み合わせたモデルを考えることにより、行列に並んでいる人が列を詰める効果や、並んでいる人の間の間隔の効果を導入した。この新しいモデルの定常状態は厳密に求められ、その結果を用いて平均待ち時間や平均待ち行列長さを簡単な数式で表すことができる。実際の人による実験により、これらの結果が元の待ち行列モデルよりもより現実的であることも確認できた。シンプルでかつ現実的な本研究成果は、工学的な応用が大いに可能であると考えられる。もう一つは、待ち行列での並び方の改善方法についてである。アミューズメントパークの乗り物や観光名所のエレベーターなど一度に多くの人が移動するタイプの待ち行列では、乗り物やエレベーターに乗る人が素早く移動して乗り込むことが待ち時間の短縮に繋がる。

しかし、人は長い間行列に並んで待っていると大きなストレスを感じると同時に、列はなかなか進まないと思うようになり、列が動き始めても素早く動き出すことができなくなってしまう。そこで我々は待ち行列をサーキット状にし、待っている間もゆっくりと歩いてもらうことを考えた。実験を行うと全員が止まっている状態から移動し始める場合よりも、サーキットを一周してから移動し始める方が早く全員の移動が完了することが分かった。我々はこの結果が人の慣性によって説明することができると考え、慣性効果を取り入れた歩行者モデルを作り、上記の実験結果を理論的にも説明することに成功した。待っている間に歩き続けるのは、一見負担となるように思えるが、大きなアミューズメントパークなどでは、どのように列が進んでいるか把握することができないため、歩いているだけで列が進んでいると錯覚を起こし、ストレスを軽減することもできると考えられる。従って、この結果は大いに現実への応用が考えられる。採用者は今年度、段階的に列をまとめていくカスケード型の待ち行列について新たに考察を行った。カスケード型の待ち行列とは、例えば窓口が四つある場合、二つの窓口の待ち行列をまとめて二列の待ち行列を形成した後、さらにそれをまとめて一列の待ち行列にするシステムである。カスケード型の待ち行列は、適切に構成すれば待ち時間を増加させる原因である歩行距離の影響を減少させることができるだけでなく、人が感じるストレスに深く関係する順序の入れ替わりもほとんど増加させることがない。従って、現実への応用が期待できる非常に有効なシステムであることが分かった。また退出の研究では、ゲーム理論によって二列の退出がスムーズであることも説明した。昨年度までのモデルでは、人は単純に早く進もうとしていたため、二列の場合は出口まで並走して衝突してしまうが、人が近い未来のことを考えるという効果を導入すると、出口前まで急いで移動して衝突するよりも、早めに合流して出口をスムーズに通過する方がよいと考えるようになり、二列の退出が早い現象を再現することができた。さらに出口における人どうしのミクロな駆け引きについても研究を行った。全ての人が目先のことしか考えない場合は、やはり出口前で人が激しく衝突し、出口を通過する人の流れは悪くなっていく。しかし出口前で長く待たされている人ほど優先して退出することができるという効果を考えると、自分が早く退出しようと考えることによって譲り合いが生まれ、出口を通過する人の流れがスムーズになる。これらのゲーム理論用いたモデルでは、人に目先のことだけでなく未来の情報を与えることにより、流れを増加させる解を得ることができた。従って、人どうしの相互作用により混雑するような場所においては、人に情報を与えることにより人が殺到するのを防ぎ、混雑させないようすることが重要である。
前立腺癌の癌微小環境における血管新生制御因子バソヒビンを標的とした新規治療戦略

前立腺全摘術を施行したヒト前立腺癌206例を対象としてVASH2の発現を免疫組織学的に検討した。1VASH2発現は腫瘍組織の間質の血管内皮細胞と癌細胞に発現していた。2VASH2陽性癌細胞は、High Gleason scoreとHigh pT Stageの症例において有意に高い傾向を認めた(p<0.05)。3PSA非再発生存解析では、単変量解析にてVASH2陽性癌細胞高発現群(p=0.001)、VASH2陽性血管高発現群(p<0.001)ともに有意に予後不良であった。多変量解析では術前PSA値高値、pT3以上とともにVASH2陽性癌細胞高発現が有意に予後不良であった(p=0.006)。バソヒビン2は癌細胞と癌組織の血管内皮細胞に発現して血管新生に関与しているとの報告がある。血管新生やリンパ管新生は癌の進行や遠隔転移、リンパ節転移に関係することから、バソヒビンの機能の解明は上皮間葉転換を含めた転移のメカニズムを解明し、癌細胞と癌血管を標的にした新たな治療につながる可能性がある。そのため、前立腺癌においてバソヒビン2の発現調節機構と治療標的となるか検討するために研究をおこなった。本研究は、バソヒビンの未だ解明されていない発現制御機構を解明し、バソヒビンやその調節因子を含む、癌微小環境を明らかにすることで新しい予後診断方法や、癌細胞と癌血管を標的とした治療薬への臨床応用に展開するための分子基盤の確立を目指して基礎研究を行うものである。本年度は、前立腺癌におけるバソヒビン2の発現を検討するために、ヒトの前立腺癌の全摘標本を用いて前立腺癌におけるバソヒビン2の発現を免疫染色にて検討した。バソヒビン2は前立腺癌組織の癌細胞に発現しており、また癌間質における血管にも一部発現が認められた。各種臨床・病理学的パラメーターとの比較では、バソヒビン2の発現は癌の進展や悪性度に関連しており、また、PSA非再発生存率に関連しており、バソヒビン2の発現が高いほど、非再発生存率が低下するという結果であった。また、多変量解析においてもバソヒビン2の高値は、有意な予後因子であることが判明した。バソヒビン2がヒト前立腺癌全摘標本の検討において、重要な因子であることが判明したため、今後、その発現調節機構と治療標的となりうるか検討を行うことは大きな意義があることがわかったため。血管新生やリンパ管新生は、癌の浸潤や遠隔転移、リンパ節転移に関係することから、バソヒビンの機能の解明は上皮間葉転換を含めた転移のメカニズムを解明し、癌細胞と癌血管を標的とした新たな治療につながる可能性がある。そのため、前立腺癌においてバソヒビン2の発現調節機構と治療標的となるか検討するために研究を行った。平成28年度は、前立腺癌のバソヒビン2の発現を検討するために、ヒトの前立腺癌の全摘標本を用いて、前立腺癌におけるバソヒビン2の発現を免疫染色にて検討した。バソヒビン2は前立腺癌組織の癌細胞に発現しており、また、癌間質における癌血管にも一部発現が認められた。各種臨床・病理学的パラメーターとの比較では、バソヒビン2の発現は癌の進展や悪性度に関連しており、また術後のPSA非再発生存率に関連していた。バソヒビン2の発現が高いほど、PSA非再発生存率が低下するという結果であった。多変量解析において、バソヒビン2の高発現は、有意な予後因子であることが判明した。平成29年度は、血管内皮細胞株や前立腺癌細胞株におけるバソヒビンの発現を検討した。バソヒビン1は血管内皮細胞に発現していたが、前立腺癌細胞株では殆ど発現していなかった。バソヒビン2は血管内皮細胞と一部の前立腺癌細胞株で強く発現を認めた。また、バソヒビンを標的とした薬剤投与によって前立腺癌細胞株の細胞増殖抑制効果が認められたことから、バソヒビンが治療標的となりうる可能性が示唆された。

今後は、前立腺癌細胞株(DU145、PC3、LNCaP)を用いて、細胞免疫染色やウエスタンブロット法を用いてバソヒビン2の発現を検討する。また、マウスのゼノグラフトモデルを作成して、バソヒビン2を標的とした分子標的薬の治療効果を検討する。血管新生当院研究室での共用品の試薬や薬品のストックがあったたためストック品で実験が可能であったため、新たに購入する試薬や薬品の購入する時期を先延ばしすることが可能となったため。試薬や薬品は予定通り使用しており、今後も使用する予定なので、消耗品として次年度に購入する予定である。
高悪性腫瘍への標的化とアポトーシス誘導を担うEGCG修飾リポソーム製剤の検討

悪性度の高い腫瘍に高発現する67 kDaラミニンレセプター(67LR)を標的としたリポソーム製剤の開発を試みた。薬物キャリアとしてのみでなく、エピガロカテキンガレート(EGCG)による標的性の増大及びアポトーシスの誘導も期待したリポソーム製剤を検討した。EGCGのみを修飾したリポソームはマウスへ投与後速やかに血中より消失したが、ステルス性を付与したEGCG-ポリエチレングリコール(PEG)修飾リポソームは血中滞留性を改善した。さらに、殺細胞検討においてEGCG-PEG修飾リポソームで強い効果が得られた。以上の結果より、EGCG-PEG修飾リポソームは抗腫瘍効果を増大させることが期待された。緑茶成分のひとつである(-)-epigallocatechin-3-gallate (EGCG)が67kDaラミニンレセプター(67LR)と結合するとアポトーシスを誘導することより、悪性度の高いがん細胞に高発現する67LRを標的としたリポソーム製剤の開発を目指し検討した。表面にEGCGを修飾したリポソームはがん細胞へ到達後、発現した67LRへ結合しアポトーシスを誘導、細胞死を導くとともに、リポソームには抗がん剤を内封することで抗がん剤による抗腫瘍効果も期待している。すなわち、正常細胞を障害するような副作用を抑制し、かつ効果的ながん治療を可能とすると考えた。平成25年度は大きく3つの成果を得た。ひとつめにEGCG修飾リポソームの調製方法を確立し、EGCGの修飾量や抗がん剤ドキソルビシン(DOX)の内封量などを測定し物性評価も行った。ふたつめに異なる種類のがん細胞を用いた殺細胞効果を検討した。DOXの水溶液に比べEGCG修飾リポソームで強い殺細胞効果を得た。さらに殺細胞効果はEGCGの修飾量に影響され、その効果はEGCGの修飾量に比例するものではないと考えられる結果を得た。すなわち、EGCGの修飾量が多ければ多いほど強い効果を示すものではない可能性が示唆された。最後に、EGCG修飾リポソームはin vitroにおいては優れた効果を示したが、in vivoにおいては速やかに血中より消失してしまうことを明らかとした。そこで、血中での長期滞留性を得るためにPEG修飾が必須であるとの考えよりEGCG-PEG脂質の合成法や構造をデザインし合成を試みた。合成したEGCG-PEG脂質をリポソームへ修飾した結果、目的とする量を修飾することは困難であることが明らかとなった。そこで、平成26年度での検討にむけて更に検討を重ね何種類かのEGCG-PEG脂質を合成した。EGCGをリポソームに修飾するためにはアンカー部が必要となる。最初にEGCG-dipalmitateを合成し、リポソーム修飾を行った。EGCG-dipalmitate修飾リポソームを用いた殺細胞効果の検討では、67LR高発現のB16メラノーマ細胞に対して効果が認められた(in vitro)。しかしながら、本リポソームをマウスに投与した結果、速やかに血中より消失した。これは組織分布評価の結果よりリポソームが異物認識されたことによるものであり、リポソームの血中滞留性を確保するためにはpolyethyleneglycol (PEG)が必要であることが明らかとなった。そこで、EGCGとアンカー部の間にPEGを結合させた2種類のEGCG誘導体を合成した。新たなEGCG誘導体を修飾したリポソームは血中滞留性を改善した。また、western blottingにより細胞種による67LRの発現を評価し、in vitroにて67LR発現の有無によるEGCG誘導体修飾リポソームの殺細胞効果を評価した。その結果、67LR発現細胞に対して強い殺細胞効果が認められた。さらに、これら細胞に対してEGCG誘導体修飾リポソームに内封した薬物の細胞への移行性が優れていることが明らかとなった。最後に、担癌マウスに対する抗腫瘍効果検討を実施した。リポソームのEGCG修飾量が不十分であったことにより本リポソームの有意な抗腫瘍効果は得られなかったが、EGCG誘導体修飾による影響は認められた。今後、目的達成を視野に引き続き検討する。医歯薬学平成25年度に各種がん細胞に発現している67LRの発現量をwestern blot解析で実施する予定であったが、実施に至らなかった。

Western blot解析に必要な機器や試薬は現在購入している途中であり、平成26年度には最優先で本検討を行う予定である。・各種がん細胞の67LR発現量と薬効との評価(in vitro):Western blot解析を行い、67LRの発現量を明らかにする。その後、67LR発現量と殺細胞効果、または薬物の細胞移行性との相関性を評価する。・EGCG-PEG修飾リポソームを確立:目的とするリポソームの確立に至っていないため、EGCG-PEGをリポソーム膜表面に修飾する方法を多方面より検討し、基本的な物性データを得る。・EGCG-PEG修飾リポソームの血中滞留性評価(in vivo):正常マウスへEGCG-PEG修飾リポソームを投与し、経時的に採血を行うことによりリポソームの血中滞留時間を評価する。・抗腫瘍効果検討:67LRの発現量が最も多いがん細胞をマウス背部皮下に移植し、EGCG-PEG修飾リポソームを尾静脈内投与することによる抗腫瘍効果を検討する。がん細胞に発現している67LRの発現量をwestern blot解析で実施する予定であったが、実施に至らなかったため、細胞培養に必要な培地や消耗品に加え、解析に必要な試薬などの購入が遅れててしまった。さらに、論文投稿に及ばなかったため、論文投稿にかかる経費もなく、次年度使用額が生じてしまった。Western blot解析を行うために必要な細胞培養にかかる試薬や培地、消耗品の購入をする。さらに、平成25年度に購入し終わらなかったWestern blot解析用の物品や試薬も購入する。動物実験も進める予定であるため、マウスの購入やその飼育費に使用する予定である。その他、計画時に挙げた消耗品等は予定通りに購入する。
TGF-βファミリーシグナルによる腸管上皮幹細胞維持と破綻のメカニズム

腸管上皮組織を構成している様々な細胞集団に焦点を当てて、TGF-βシグナルによる異種細胞間による組織構築を行うメカニズムを捉え、TGF-βファミリーシグナル伝達の時空間的制御と絡めて腸管上皮幹細胞から各細胞への分化及びがん進展時の組織構築の破綻・再構築の理解を同時に深めて行くことを目指す。さらにTGF-βシグナル関連遺伝子を腸管上皮幹細胞で欠損させた場合の組織構築の破綻・再構築を観察し、腸管上皮幹細胞特異的にTGF-βシグナル関連遺伝子を欠損させた状態で、Wntシグナルを活性化することで、TGF-βシグナルによる消化管がん進展時の組織構築の破綻・再構築制御機構を解明する。
デジタル拡大X線写真を用いた骨変化の解析

われわれが、これまでに行ってきた研究すなわち、物理的刺激である圧力を微妙にコントロールする事により、骨の石灰化を促進するのではないかという仮説を明らかにするため、1つには、視覚的に認識可能な画像抽出、2つ目は、この画像を基本に数値化し定量的に解析することである。第1に画像抽出であるが、マイクロフォーカス管とイメージングプレートを組み合わせComputed Radiographyを介す事により、視覚的に認識可能なvisualな画像画像として抽出することを可能とした。第2に定量解析であるが、抽出された画像を基にBio-imaging analyzerにより、X線吸収率の変動として、高精度での定量解析を行う事ができた。さらに今年度は、これらの事をより明確にするため、n数を増やし、関心領域である骨を荷重骨・非荷重骨とに分類し、同様な手法で解析した。その結果、非荷重骨よりも荷重骨において、X線吸収率の変動の差は大きく、圧力によるメカニカルストレスの影響が大きく反映されることが確認できた。次に、暴露形態での最適圧力下による研究では、圧力形態を何段階かに分類し暴露させた結果、高圧な急激暴露よりも比較的ゆるやかな圧力(2.5ATA)で緩除な暴露の方が影響を受けやすく、コントロールに比べその差が明らかに認められた。これらの事から推測すると、2.5ATA下での暴露において、画像及び定量的な解析から、骨の石灰化は促進されることが推測され、また荷重骨においては非荷重骨に比べ顕著であった。さらに現在、最適圧力下での器官培養を行い、in-vitroにおいてどの様な影響を及ぼすのかを調べ、in-viboとの相関性の研究を行っている。
ニューラルネットワークによるオンライン学習の最適化

1.一般的なD次元空間に於ける、任意の確率分布のオンライン学習(学習用の例題が順次与えられる学習)の最適化を、場の理論的な観点から解明した。確率分布の学習は、ニューラル・ネットワークによる教師あり学習,教師なし学習を含む、最も一般的で重要な問題である。私は、学習用の例題数Nを観測の運動量スケールと見なす事により、繰り込み群の手法を用いて、学習アルゴリズムを導出した。また、そのアルゴリズムの最適性の証明に成功した。最適な学習アルゴリズムを導く為には、例題数Nに応じて系の自由度をコントロールする事が重要であるが、確率分布のオンライン学習では、データを観測する空間解像度を例題数Nの(-D)分の1乗に比例させて変化させれば良いという重要な結果を導いた。2.対象である確率分布が、平行,回転移動や連続的な変形をした場合にも、互いに同一であると認識可能な学習アルゴリズムを導出した。これは第一の研究結果に、"一般共変性"という対称性を取り入れる事により実現され、アルゴリズムの最適性は同様に証明される。この成果は、テンポの変化した音声データや、連続変形した画像データの認識を可能にする、非常に一般的なものである。またこれは、座標系など確率分布の記述法に依存しない、"情報"の持つ本来の性質を尊重した学習アルゴリズムである。3.学習対象である確率分布が、ある時刻に突然変化しても対応可能な、最適なオンライン学習アルゴリズムを導出した。ここでは、確率分布相互の関数空間内での距離を、逐次観測する方法を用い、大きな揺らぎのある観測量から、確率関数の変化を抽出する事に成功した。また数値シミュレーションにより、1次元空間に於けるアルゴリズムの有効性を確認した。本年度は、一般的な確率分布のオンライン学習(学習用の例題が順次与えられる学習)を、場の理論的な観点から解明した。確率分布の学習に関して、バッチ学習(学習用例題が一度にすべて与えられる学習)の場合については、場の理論を用いた一般的な結果が既にBialek et.al.[Phys.Rev.Lett,,Vol.77(1996)4693.]によって得られていた。私は新たに「学習用の例題数が、観測の解像度を決定する。」という物理的な視点を導入し、問題の場の理論的な特質をより明確に把握した方向へ、彼らの定式化を拡張した。その結果、一般的な一次元確率分布のオンライン学習アルゴリズムを導き、その最適性の証明に成功した。また実際に、数値計算による実証にも成功した。この結果は、「我々は学習のためにどのぐらいの自由度を用意すべきか?」という最も基本的かつ重要な問題へ、オンライン学習のコンテキストに於いて回答を与えるものである。複雑な対象の学習は、多くの自由度を必要とする一方、単純な対象の学習には、過多な自由度は効率を下げる要因となるからである。またこの結果は、「学習対象に応じて、ニューラル・ネットワークモデルの構造をどの様に変化させればよいか?」という問いへの基本的な回答に通じるものである。更に、最適なモデルとアルゴリズムの探索といった、従来的な結果とは大きく異なる。それは、最も一般的なモデルから出発し、例題数の物理的意味付けを通じて、操り込み群という統計力学の原理的な性質から、アルゴリズムが自然に導出される点である。
分子生物学的手法による魚卵・仔魚捕食者の特定と初期減耗研究への試行的適用

1.被食仔魚DNA検出用プライマーの作成昨年までに作成したミトコンドリアDNA調節領域,16Sリボゾーム領域に加え,新たにシトクロームB領域に被食仔魚検出用のPCRプライマーを作成した.様々なDNA濃度において増幅検出試験を行ったところシトクロームBプライマーにおいてもっとも高感度の検出結果が得られたため,以下の分析においてはこの手法を用いた.2.ミズクラゲによるカタクチイワシ仔魚消化時間の推定ミズクラゲを個別に小型飼育容器に収容し,カタクチイワシ仔魚1個体を与えて消化されるまでの時間を測定した.18°Cと25°Cの2水温区を設け,平均傘径101.1mmのミズクラゲおよび平均体長20.1mmのカタクチイワシを用いた.両水温区ともに,捕食されたカタクチイワシ仔魚は3時間後には形態的には同定不可能なほどに消化され,6時間後には肉眼および実体顕微鏡下での確認が困難となった.しかし,胃腔の内容物からDNA増幅を試みたところ,18°C区では6時間後までの全個体で,25°C区では1個体を除く全ての個体で捕食されたカタクチイワシのDNAが検出され,本手法の有効性が確認された.3.天然海域で採集されたミズクラゲからの被食仔魚DNA検出2005年4月から9月にかけ,若狭湾西部の栗田および舞鶴湾内の2定点において1-2回/月の頻度でミズクラゲの採集を行った.ネット内部での受動的な卵・仔魚捕食を避けるため,採集には目合い3mmのネットを用いた.採集されたミズクラゲは,船上において傘径を計測するとともに胃腔を切り出しエタノール中に保存した.1定点での採集数が多すぎる場合は無作為に一部を取り出してサンプルとし,8回の調査から計61個体(平均傘径127.6mm)のミズクラゲが得られた.そのうち46個体の胃腔内容物から粗DNAを抽出しPCR法を行ったところ,7個体から魚類由来のDNAが検出され,その多くはカタクチイワシと推定された.1)被食魚卵・仔魚由来DNA検出方法の開発マダイ,スズキ,マアジについて,それぞれのDNAを特異的に増幅することのできるPCRプライマーを設計した.対象領域はミトコンドリアDNAの調節領域および16SリボゾームRNA領域とした.DNA抽出条件を工夫することで,これらのプライマーを用いて魚卵1個からでも良好なPCR増幅が可能であることを確認した.しかし,クラゲ等に実験的に捕食させた魚卵・仔魚からの増幅が可能であるかどうかについては未確認である.2)ミズクラゲによるマダイ仔稚魚捕食実験マダイ仔稚魚を対象にミズクラゲによる予備的な捕食実験を行った.ミズクラゲは飼育条件下で容易に飼育することができた.マダイ仔魚をミズクラゲと混合飼育し,捕食行動と消化状態を観察した.ミズクラゲはマダイ仔魚に近づくような行動を示しており,眼点或いは化学物質などにより餌生物を認識している可能性が示唆された.クラゲに触れた仔魚は,触れた部分がクラゲのカサの部分でも多くの場合死亡した.刺胞に触れて死亡したクラゲは体内に取り込まれ,水温20°C前後では,全長7mmのマダイ仔魚では1時間程度,稚魚では数時商で肉眼では見えなくなった.また,さらに大型の稚魚に対しては,養分を吸い取った後死骸を放棄することもあった.来年度は,今年度開発した種特異的PCRを用いて,被食仔稚魚のサイズ,捕食後の経過時間と検出感度との関係,および水温の影響について飼育実験を行う予定である.1)クラゲ類の分布調査および形態学的手法による食性分析2004年の5月から11月にかけて,若狭湾由良川および舞鶴湾伊佐津川河口域において稚魚ネットを用いたクラゲ類の採集調査を行った.5月下旬から6月上旬にはアカクラゲ,6月下旬にはミズクラゲが多く採集され,8月から11月にかけてはクラゲ類はほとんど採集されなかった.平均傘長はアカクラゲで11.4cm,ミズクラゲで14.5cmであり,両種ともに閉鎖的な湾の奥部である伊佐津川河口域で採集数が多かった.実体顕微鏡下での観察によると,魚類仔魚はアカクラゲでは胃内容物の4.2%,ミズクラゲでは6.3%を占めており,種別ではカタクチイワシが最も多く捕食されていた.しかし,消化が進み同定不能な仔魚や卵も多く認められたため,DNAによる同定の必要性が確認された.2)カタクチイワシ卵・仔魚由来DNA検出方法の検討上記調査によりカタクチイワシの捕食例数が多いことが明らかになったため,本種を対象としてクラゲ類による被食減耗の定量的把握を目指す.まず,形態的に同定不能な胃内容物からカタクチイワシを検出するため,カタクチイワシのミトコンドリアDNAのみを特異的に増幅することのできるPCRプライマーを設計した.対象領域は16SリボゾームRNA遺伝子の後半部分とし,クロスチェックを行ってこのプライマーを用いたPCR増幅の種特異性を確認した.またカタクチイワシとミズクラゲの組織を混合したうえでのDNA抽出・PCR増幅を行い,増幅が阻害されないことを確認した.次年度はこの検出手法をフィールドで採集されたクラゲ類に適用する予定である.1.被食仔魚DNA検出用プライマーの作成

昨年までに作成したミトコンドリアDNA調節領域,16Sリボゾーム領域に加え,新たにシトクロームB領域に被食仔魚検出用のPCRプライマーを作成した.様々なDNA濃度において増幅検出試験を行ったところシトクロームBプライマーにおいてもっとも高感度の検出結果が得られたため,以下の分析においてはこの手法を用いた.2.ミズクラゲによるカタクチイワシ仔魚消化時間の推定ミズクラゲを個別に小型飼育容器に収容し,カタクチイワシ仔魚1個体を与えて消化されるまでの時間を測定した.18°Cと25°Cの2水温区を設け,平均傘径101.1mmのミズクラゲおよび平均体長20.1mmのカタクチイワシを用いた.両水温区ともに,捕食されたカタクチイワシ仔魚は3時間後には形態的には同定不可能なほどに消化され,6時間後には肉眼および実体顕微鏡下での確認が困難となった.しかし,胃腔の内容物からDNA増幅を試みたところ,18°C区では6時間後までの全個体で,25°C区では1個体を除く全ての個体で捕食されたカタクチイワシのDNAが検出され,本手法の有効性が確認された.3.天然海域で採集されたミズクラゲからの被食仔魚DNA検出2005年4月から9月にかけ,若狭湾西部の栗田および舞鶴湾内の2定点において1-2回/月の頻度でミズクラゲの採集を行った.ネット内部での受動的な卵・仔魚捕食を避けるため,採集には目合い3mmのネットを用いた.採集されたミズクラゲは,船上において傘径を計測するとともに胃腔を切り出しエタノール中に保存した.1定点での採集数が多すぎる場合は無作為に一部を取り出してサンプルとし,8回の調査から計61個体(平均傘径127.6mm)のミズクラゲが得られた.そのうち46個体の胃腔内容物から粗DNAを抽出しPCR法を行ったところ,7個体から魚類由来のDNAが検出され,その多くはカタクチイワシと推定された.
筋のボリューム及びその変形を考慮した次世代筋骨格モデルの開発

現在普及している筋骨格モデルは、筋のボリュームや変形を無視しているため、肩周辺など複雑な筋の重なりや走行を正確に再現することができていなかった。本研究では、筋のボリュームをモデル化し、形状推定にかかる膨大な計算をGPU(Graphic processing Unit)並列処理によって対処した軽快な筋骨格モデルのプロトタイプモデルを作成した。筋骨格モデルは、バイオメカニクス関連の幅広い分野において欠かせないツールとなっている。しかし、現在広く用いられているモデルのほとんどは、筋を直線で近似しているため、肩関節まわりの複雑な筋の走行を再現することができないという大きな欠点があった。本研究では、この問題を根本的に解決するために、筋のボリューム及び筋同士の接触による変形を考慮した次世代筋骨格モデルを開発することを目的としている。ボリュームをモデル化する際の最大の課題は、「計算負荷の増大をいかに抑えるか」である。本研究では、近年急速に発展しつつある並列計算プログラミング手法を用いることによって解決をはかる。1年目の平成24年度では、格子座標系を用いて質点を配置した単一筋のプロトタイプモデルを作成し、並列計算処理によって計算量を抑えながら多量の質点の計算を行うことができることを実証した。2年目の本年度(25年度)では、複数筋を同時にシミュレーションするための準備として1干渉計算の実装、2ヒト肩筋形状の格子座標モデルへの変換を行った。1干渉計算の実装:考えられる全ての3角形同士の干渉チェックを行うのは計算負荷が高く非効率であるため、ブロードフェイズとナローフェイズからなる2レベルの干渉チェックシステムを作成した。干渉判定された部位についてはペナルティ法によって反発力を生じさせてシミュレーションしたところ適切に反発が再現できていることを確認した。2格子座標モデルへの変換:本シミュレーションにおいては、格子座標系で筋をモデル化する必要があるため、市販の筋表面形状モデル(Zygoteモデル)から格子座標系モデルへの変換を行った。対象としたのは、肩甲上腕関節と肩甲帯に関与する33個の筋部位である。筋骨格モデルは、現在、バイオメカニクス関連分野において幅広く用いられるようになってきており、ヒト多リンク系の運動解析には欠かせないものとなってきている。しかし、筋を直線で近似するという20年来の手法を採用したモデルでは、肩関節まわりなどの複雑な筋走行を再現することは困難であり、バイオメカニクス研究の大きな壁となっている。この問題を根本的に解決するために、本研究では、筋のボリューム及び筋同士の接触による変形を考慮した次世代筋骨格モデルを開発することを目的とした。ボリュームをモデル化する際の最大の課題は「計算負荷の増大をいかに抑えるか」である。単一筋の形状を精度良くモデル化するためであれば、多少計算時間がかかったとしても有限要素法を用いるべきである。しかし、ヒトの個体レベルでの運動解析を行うには、多数の筋の形状を同時に計算する必要があるため、計算負荷の高い有限要素法を用いていては実用に耐えられないと考えられる。そこで、本研究では、筋の表面に質点を配置し、それら質点の動きをバネマスダンパ系でモデル化しただけの簡易的なボリュームモデルを作成することにした。また、多質点のバネマスダンパ系は、並列計算処理に向いているため、近年その高速性能で急激に注目を集めるようになってきたGPU並列計算プログラミング手法を適用できるというメリットもある。初年度の平成24年度では、紡錘状筋の形状をシミュレートできる単一筋のプロトタイプモデルを作成し、三角筋中部線維、烏口腕筋の収縮シミュレーションを行った。その結果、解剖学的に妥当な関節運動が得られることを確認した。また、質点数の増加に伴う計算時間の増加は非常に緩やかであることも確認した。この結果は、並列計算処理の効果が現われていることを示しており、本モデルを発展させることで、今後、多数筋を同時にシミュレートする際に有効に機能することが期待できる。1年目は、筋のボリュームを表現するために多量の質点を格子座標系で配置し、多数の質点を並列で処理することのできる単一筋のプロトタイプモデルを作成し、2年目では、筋同士の干渉チェック計算の実行、および、市販の筋表面形状モデル(Zygoteモデル)から格子座標系モデルへの変換作業を行った。3年目の本年度は、上記を組み合わせ、肩関節まわりの約20筋の形状を同時にシミュレーションすることを試みた。その際、多数の筋を扱う上で膨大なメモリが必要になることから、プログラムの64bit化、及び、GPU上のメモリの最適化を行った。その結果、干渉計算部分を除けば、約20筋もの筋形状を、デスクトップPCでほぼリアルタイムにシミュレーションできるほどの性能がでることがわかった。今後、干渉計算部分のさらなる高速化を行うことで次世代に通用する実用的筋骨格モデルになることが十分期待できる。