hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
体節細胞の速い同調を構成する細胞モデルと検証

個々の細胞は個性が強く、乱雑でありながら、多細胞としての組織は極めて安定した発達過程を見せる。本融合課題は、脊椎動物の発達時における遺伝子発現の速い同調と安定が、細胞の乱雑さ(確率性)によって実現されることを作業仮説とし、実験と数理をもってこれを示すことを目的とする。脊椎動物の体節形成におけるHes7の発現は、これまで自律的に周期を生み出し(時間遺伝子=原因)、その周期性が組織(体節=結果)の空間周期性に至ると考えられてきた。しかし実際には、単離された細胞は周期的発現をせず、確率的な発現様式(乱雑さ)を持っている。この事実は、「細胞の集団化」というシグナルが入力(原因)となって、「その集団の速い同調と周期性発現」という出力(結果)に至ることを示している。前年度までに、目的の数理モデルの基礎部分が完成し、単位時間あたりのHes7発現平均開始回数の検証、細胞間相互作用のモデル化の検証、ヒートショック付加後のHes7の集団平均の挙動の確認、ヒートショック付加後の周りの細胞からの入力値と抑制因子の挙動確認、モデルパラメータのグリッドサーチ、Hes7発現量の細胞集団平均の検証、を行った。当該年度においては、同調発現の原理導出のためのモデルの簡略化を行った。特に、遺伝子発現にかかわる分子間相互作用のタイミングをランダムな時間を計算機上で生成することで決めていたが、単純なマルコフ連鎖モデルによる表現に変更した。また、最も重要である細胞間コミュニケーションの実験的制約とそれに基づくモデル設定に改善が必要となったため、そのモデル構築を行った。Hes7発現が未分節中胚葉を流れるように伝搬すると考えられている。実験観察に基づいてモデルを構成する中で、細胞間コミュニケーションに関する最大の問題点を抽出できた。細胞間コミュニケーションは本研究課題の本質的な要素である。先行研究では多種の分子による相互作用でその論理をモデル表現するが、本研究課題では細胞間コミュニケーションに重視したモデル化を行っている。また、発現の確率性に関して簡略化を行った。細胞間コミュニケーションのモデル化について、実験事実に基づいた再検証を行う。それに基づき、モデル全体の構成も再検証し、なぜ速い同調を行えるという問いに対する解答を見出す。特に発現の確率性に基づく論理展開を明確にする。これまでに、モデルパラメータの推定のための実験と、確率的にHes7遺伝子発現する過程の数理モデル化を行なった。具体的には、モデルパラメータを実験データから推定するために、マウス胚にヒートショックによる摂動を加え、細胞間の同調を破壊した。破壊後の幾つかのタイミングで胚を固定し、各細胞のHes7遺伝子の転写状態を観察した。細胞の確率的な遺伝子発現の数理モデルは、基本部分の定式化および数値計算による特性解析を行った。また、現在のところ、哺乳類の体節形成時の細胞間コミュニケーションが解明されていないため、いくつかの可能性について数理モデル化し、細胞集団の発現同調性を検証した。目的の数理モデルの基礎部分が完成し、単位時間あたりのHes7発現平均開始回数の検証、細胞間相互作用のモデル化の検証、ヒートショック付加後のHes7の集団平均の挙動の確認、ヒートショック付加後の周りの細胞からの入力値と抑制因子の挙動確認、モデルパラメータのグリッドサーチ、Hes7発現量の細胞集団平均の検証、を行った。当初の研究計画では、従来の決定論的な数理モデル(微分方程式)で構成された細胞による発現同調の限界を示すことが29年度の目的であった。実験データを定量化し、モデルパラメータを推定することで、細胞集団の発現同調速度を推定する予定であった。しかし、実験データの定量化方法で工夫が必要なこと、統計的に十分なデータを得るためにもう少し時間が必要なことから、30年度に行う予定であった確率的発現の数理モデルを前倒しで行なった。また、遺伝子発現の確率性と周期性は相反する特性であるため、その論理的説明が困難になる可能性がある。そこで当初の計画通り、神経科学分野で明らかになっている神経集団の同期活性現象との類似性に基づいたモデル化方針により、その問題の解決の糸口を見出している。

この事実は、「細胞の集団化」というシグナルが入力(原因)となって、「その集団の速い同調と周期性発現」という出力(結果)に至ることを示している。前年度までに、目的の数理モデルの基礎部分が完成し、単位時間あたりのHes7発現平均開始回数の検証、細胞間相互作用のモデル化の検証、ヒートショック付加後のHes7の集団平均の挙動の確認、ヒートショック付加後の周りの細胞からの入力値と抑制因子の挙動確認、モデルパラメータのグリッドサーチ、Hes7発現量の細胞集団平均の検証、を行った。当該年度においては、同調発現の原理導出のためのモデルの簡略化を行った。特に、遺伝子発現にかかわる分子間相互作用のタイミングをランダムな時間を計算機上で生成することで決めていたが、単純なマルコフ連鎖モデルによる表現に変更した。また、最も重要である細胞間コミュニケーションの実験的制約とそれに基づくモデル設定に改善が必要となったため、そのモデル構築を行った。Hes7発現が未分節中胚葉を流れるように伝搬すると考えられている。実験観察に基づいてモデルを構成する中で、細胞間コミュニケーションに関する最大の問題点を抽出できた。細胞間コミュニケーションは本研究課題の本質的な要素である。先行研究では多種の分子による相互作用でその論理をモデル表現するが、本研究課題では細胞間コミュニケーションに重視したモデル化を行っている。また、発現の確率性に関して簡略化を行った。本研究課題の目的は、細胞集団の速い発現同調が従来の決定論的数理モデルで説明できないこと、本来の発現が確率的であること、そしてその確率性こそが細胞集団の速い同調を生むこと、を示すことである。それぞれの数理モデル化と関連する実験は調整段階に入ったため、実験データと数理モデルの統合が今後の中心的な方針となる。具体的にはデータ解析が中心的なタスクとなるが、実験およびそのデータの性質上、最も困難な研究フェーズになると予想される。全体的な枠組が大まかに構築できているため、データ解析に多くの研究リソースを投入し、研究課題を完遂させる予定である。科学的な側面からの展望としては、本研究課題が従来の決定論的数理モデルを否定するわけではなく、すでに同調している細胞群の「集団平均の数理モデル」であること、その意味で、同調そのものを示すための概念としては不適切であること、一方で、本研究課題は同調自体を解決すべき問題と捉えていること、同調するためのシグナルが分子ではなく「細胞の集団化」にあることについて証拠を明確化する予定である。細胞間コミュニケーションのモデル化について、実験事実に基づいた再検証を行う。それに基づき、モデル全体の構成も再検証し、なぜ速い同調を行えるという問いに対する解答を見出す。特に発現の確率性に基づく論理展開を明確にする。本研究課題の申請時、研究代表者は現在と別の組織(愛知県立大学)に所属し、共同研究者の組織(奈良先端大)との往復の旅費を申請していたが、採択時は共同研究者と同じ組織となったこと。実験データの解析が昨年度の段階で不可能であり、そのための謝金を使用しなかったこと。理由:研究協力者の異動と交代にともない、研究費の使用予定が変更になったため。
モノネガウイルスの病原性発現決定因子の解析と制御法の開発

本研究は、モービリウイルスの病原性発現に関わる因子の同定とその機序の解明、およびニパウイルス感染症のワクチン開発を目的として行なった。その結果、モービリウイルス感染において、細胞種により宿主因子への影響が異なることを発見した。またウイルス主要構成蛋白であるN蛋白がIFN-α/β、γ共に阻害活性をもつことという新たな知見を得た。またニパウイルスに関しては、アクセサリー蛋白が病原性に強く関与することが明らかとなり、さらに組換え麻疹ウイルスを用いたワクチンが優れたワクチン候補となることを示した。ニパウイルスはBSL4に分類されているため、感染性ニパウイルスを用いる実験はBSL4施設で行なうことが必須である。このため我々はBSL4施設を持つフランスINSERMと共同研究を行なっているが、平成19年度末にかけて本BSL4施設に大規模改修工事が入ってしまったため、ニパウイルス感染ウイルスを使用する実験計画が大幅に遅れた。このため、平成19年3月までに終える予定の研究計両のうち、ニパウイルスを感染させる必要のある実験のみを平成20年7月まで繰り越した。既に作製した各種遣伝子を欠損または挿入した組換えウイルスの各種細胞での感染後の増殖機能を解析したところ、C蛋白欠損ウイルスではやや増殖性が遅くなり最終力価も低い傾向が認められたが、EGFP遣伝子を挿入させたゲノムを持つ組換えウイルスでは増殖能に遜色は認められなかった。ウイルスを感染させた実験助物の臓器内でのウイルス増殖性を観察したところ、それぞれの欠損ウイルスで異なる増殖性が認められ、ウイルス増殖能と臨床症状および病理組織学的変化は相関性が認められた。本成果は平成20年度の実験計画に有用な情報を与えた。本研究の目的は、これまでの研究成果の蓄積を元に、モノネガウイルスの病原性発現に関わる因子を同定してその機序を解明し、ニパウイルス感染症ではワクチン開発を目指すことである。具体的には、これまでに牛疫ウイルスにおいて病原性の発現に最も重要な役割を果たすことが示唆されているP蛋白と相互作用する宿主因子を同定し、モノネガウイルスの病原性発現におけるP蛋白の関与機序を解明する。またIFN応答反応の抑制作用が報告されているモノネガウイルスのアクセサリー蛋白においても、それらの本来の機能および病原性への関与を明らかにする。ニパウイルスにおいては、組換えウイルスを用いたワクチン開発の可能性を検索する。平成20年度は、上記の研究目標に基づき、具体的に以下の項目で研究を行った。1.昨年度作出した組換えバキュロウイルスから発現精製したP蛋白を用いて、細胞溶解液からP蛋白と結合する因子を検索した結果、特異的に結合する宿主因子を一つ同定することができた。現在この因子に関してウイルス増殖への関与を解析中である。2.モービリウイルスアクセサリー蛋白(V, C)の宿主遺伝子発現への関与を解析した結果、V蛋白は宿主遺伝子転写量に影響を与えない事が判明した。3.ニパウイルスの種々の組換えウイルスを作製し、動物個体での増殖様式を解析した結果、増殖性に変化をおよぼさないことがわかった。4.麻疹ウイルスをベースにしたニパウイルスに対する組換え2価ワクチンを作製し、感受性動物であるハムスターに接種し継時的に抗体価を測定した。その結果、接種3週間後からニパウイルス蛋白に対する抗体価の上昇が認められた。引き続き解析を進める予定である。モービリウイルスのアクセサリー蛋白の機能解析では、リバースジェネティクス技術を用いて作出したC蛋白、V蛋白を欠損させた組換え牛疫ウイルスを、血球系由来細胞と上皮系由来細胞とに感染させ、マイクロアレイ解析を行った結果、細胞種によって異なる発現プロファイルを示すことを見いだした。その違いに関与すると予想される候補遺伝子を抽出し、中心的役割を担う遺伝子の探索を現在も継続している。病原性発現決定因子の解析では、細胞への侵入に必須のウイルス膜蛋白がまず考えられる。特に本ウイルスでは、標的細胞である血球系細胞上に存在する受容体SLAMを介して侵入し、この細胞群が全身伝播を起こさせ病原性発現に最も関わると予想されている。そこで、この受容体との結合部位を改変させた組換え牛疫ウイルスを作出した。これを、ウサギの感染モデル実験系を用いてウサギに様々なルートで感染させたところ、病原性は著しく減弱した。しかし病理組織学的解析によって、この組換えウイルスの感染が成立していることが明らかになった。従ってSLAM以外の受容体を介した感染成立およびウイルス伝播機序が存在すると推測された。ニパウイルスの細胞内増殖様式の解析においては、アクセサリー蛋白欠損ウイルスを作出しそれぞれの細胞内での増殖を比較解析したところ細胞増殖性が著しく劣ることが明らかになった。また、ニパウイルスのN蛋白のリン酸化部位を同定することに成功した。さらにこの部位がウイルスの複製・転写に役割を担うことも明らかになった。
上皮組織の分枝形態形成能の活性化法に関する研究

分枝形態形成は哺乳類動物の内臓諸器官の発生過程で共通に見られる基本的な形態形成パターンである。本研究では,マウス胚の唾液腺において,FGF刺激によりEGF関連の受容体の発現が上皮に誘導され,そこにEGFが作用すると,上皮に分枝が誘導されることを明らかにした。また,エレクトロポレーション法により,これまで困難であった肺上皮組織への遺伝子導入にも成功した。平成19年度はマウス胚肺上皮への遺伝子導入法の確立を目指して実験をおこなった。CMVプロモーター+GFP遺伝子の発現ベクターを作製し,これを用いて肺上皮へ効率良く遺伝子導入する方法を検討した。1、GenePORTERトランスフェクション試薬(Gene Therapy Systems社)ならびにLipofectamineLTX試薬(Invitrogen社)を用いて,リポフェクションによる遺伝子導入を試みた。どちらの試薬でも肺上皮組織にGFP発現細胞は全く認められず,平行しておこなった肺間充織細胞ではGFP発現細胞が高頻度で認められた。リポフェクション法は簡便であるが,インビボに近い状態の肺上皮組織に遺伝子導入することは困難であるとの結論を得た。2、エレクトロボレーター(BTX社ECM830)を購入し,エレクトロポレーションによる遺伝子導入を試みた。どのタイプの電極が適当かは難しい選択であるが,今後の汎用性を考慮して,キュベット型電極を使用することにした。キュベット型電極はそのままでは容量が大き過ぎるため,整形した絶縁性シリコンラバーを電極間に挿入し,必要なDNA溶液量を約10μlにまで削減した。電気パルスの電圧,長さ,回数の組み合わせを変え,いろいろと試してみたが,電圧に関しては3035Vが必須であり,これより低いと導入されず,高いと細胞が死ぬことが判明した。現時点でのエレクトロポレーションによる導入効率は10%位であり,平成20年度はさらなる改良を加えて50%超にする計画である。1.肺の分枝形態形成で重要な役割を担っている分子を解明する方法として、問題となる分子を上皮組織で過剰に発現させその影響を調査することが挙げられる。しかし、その基幹技術である遺伝子導入法は、肺上皮では未だ確立されていない。そこで、本研究では、マウス胚肺上皮を用い、遺伝子導入法の確立を目指した。平成19年度の実験からエレクトロポレーション法が有望であることが判明したので、平成20年度はその改良をおこなった。市販のエレクトロポレーションキュベットに改良を加え容量10μlとし、高濃度のGFP発現プラスミド溶液中でのエレクトロポレーションを可能にした。電圧、パルス数の条件検討をおこなったところ、35V-4回または40V-3回で効率よくGFP発現細胞が認められた。これにより、本研究計画の最終目標である「肺上皮で発現している転写調節因子を気管上皮で発現させ、気管上皮の分枝形態形成能を活性化する」という実験を平成21年度におこなう準備が整った。2.肺と同様に分枝する器官である唾液腺についても平行して研究をおこなった。その結果、唾液腺原基形成初期に間充織から分泌されるFGFに反応して、上皮でのEGFレセプターならびにLPAレセプターの発現が誘導され、遅れて分泌されるEGFリガンドに対して上皮が反応資格を有するようになることを明らかにした(Nitta et al., 2009)。このFGFとEGFの協調作用は、肺の分枝形態形成を研究する上でも検討を要する事項であり、肺と唾液腺の分枝形態形成を平行して研究することの意義が再認識された。1.肺の分枝形態形成で重要な役割を担っている分子を解明するために、その分子を分枝しない気管上皮で過剰に発現させ、その影響を調査することを計画した。そのための基幹技術である気管上皮組織への遺伝子導入法の確立を目的とした。平成19、20年度の実験から、エレクトロポレーション法によるGFP発現プラスミドの導入に一定の成果を得たので、平成21年度は当初の目的の転写調節因子(Etv5)を気管上皮で発現させることを試みた。何度も試みたが高濃度・高純度のプラスミド溶液を調整することができず、その影響を調査するところまで研究を進めることができなかった。今後もこの実験は継続しておこない、最終段階まで進めると同時に、他の培養実験にも遺伝子導入法の利用を広げていく予定である。
系統解析によるマメ-マメゾウムシ-寄生蜂群集の共進化的な生成過程の解析

生物群集の成り立ちを理解する上で、構成種の系統関係が被食-捕食の連鎖構造(群集構造)にどのような効果を及ぼしているかは、生態学の重要な研究テーマの一つである。しかし、栄養段階が多階層からなる群集で、構成種の系統の効果を調べた研究はまだ先例がない。このような現状に鑑み、我々は本研究を、世界で初めてDNA系統解析をもちいて、多階層の栄養段階をもつ群集構造の共進化的な生成過程の解明を目的として計画した。マメ科植物-マメゾウムシ科(種子捕食者)-寄生蜂の群集は、マメ科種子を介して成立する生物群集であるが、研究材料としては、種子を採集して虫の羽化を観察しさえすれば、被食-捕食の関係を正確に把握できるという利点がある。また、マメ科植物の種子はさまざまな毒(化学)物質を含むため、マメゾウムシの寄主範囲は、その解毒作用が通用する相手に限られている。それゆえマメ科植物-マメゾウムシ科の関係では、系統的(歴史的)効果が強いと期待される。さらに、寄生蜂も種子内のマメゾウムシ幼虫に対しては寄生しづらく、そのためマメゾウムシの寄生蜂相は比較的単純である。よって、この群集は3栄養段階を含むにもかかわらず、自然界の群集構造を共進化の観点から研究する際に、ほどよい単純さを提供する。種子の調査地としては、旧大陸では台湾・タイ・バングラデシュ・ニジェール・カメルーン、新大陸ではアリゾナ・メキシコ・仏領ギアナ等を対象とした。いずれもマメ科とマメゾウムシが豊富で、本研究の開始に先立ち、すでに現地協力体制を確立してあった地域である。この他インド・中近東・欧州に関しては、現地の研究者から種子を採集して送ってもらうことにより、本研究計画の拡充を図ることにした。採集したマメから羽化したマメゾウムシと寄生蜂は、寄主(マメまたはマメゾウムシ)を記録して標本にし、さらに生きた成虫をアルコール漬けにしてDNA分析用資料とした。マメゾウムシの標本は協力者のC.D.Johnson(北アリゾナ大教授)へ、寄生蜂はCasasへ、マメ科標本はJohnson及び立石(琉球大学助教授)に依頼して、それぞれ種を同定してもらうことにした。虫のアルコール漬け試料は、Cox-I・Cox-II・ND5などのmtDNA領域で、PCR-RFLP法とシーケンサのDNA情報を基に系統樹を作成することにした。マメ科植物の系統樹はrbcLの塩基配列データベースをもとに行なったが、配列情報がない種は、協力者の横山(東北大・助手)に依頼した。これらの解析を基に、被食者-捕食者の対応関係(群集構造)を、その分子系統樹の対応と比べる。マメ科植物-マメゾウムシ科-寄生蜂群集を対象に、構成種の「被食-捕食」

関係がどのように共進化的に生成したのかを、被食者-捕食者双方の分子系統樹の対応関係から分析を試みた。今年度の種子の調査値は、アジアでは台湾(徳永グループが1回、津田が1回)、西アフリカではト-ゴとセネガルにそれぞれ1回(ツール大学のMongeグループ)、新大陸では米国アリゾナ、メキシコ(嶋田グループが2回)北米中部(徳永グループが1回)行った。採集したマメ科種子は、嶋田あるいはHuignardの実験室(ともに植物防疫の輸入許可付き)に持ち込み、羽化したマメゾウムシと寄生蜂の寄主を記録して標本にし、さらに生きた成虫をアルコール漬けにしてDNA分析試料とした。マメゾウムシの標本は協力者のC. D. Johnson(北アリゾナ大学・生物学教室・教授)へ、寄生蜂は協力者のCasas(ツール大学・農業生物実験研究所・教授)へ送り、それぞれ種を同定した。虫のアルコール漬け試料は、嶋田と津田がCox-I・Cox-II・ND5などのmtDNA領域を用いて、PCR-RFLP法とシーケンサのDNA情報により系統樹の作成を開始した。マメ科植物-マメゾウムシ科-寄生蜂群集を対象に、構成種の「被食-捕食」関係がどのように共進化的に生成したのかを、被食者-捕食者双方の分子系統樹の対応関係から分析を試みた。今年度の種子の調査は、アジアではタイ(津田グループ)、バングラデシュ(徳永)、西アフリカではトーゴとベナン(ツール大学のMongeグループ)、カメルーン(徳永)、新大陸では米国アリゾナ(嶋田グループが1回、藤井グループが1回)、メキシコ(嶋田)にて行った。マメゾウムシの標本は協力者のC.D.Johnson(北アリゾナ大学・生物学教室・教授)へ、寄生蜂は協力者のCasas(ツール大学・農業生物実験研究所・教授)へ送り、それぞれ種を同定した。今年度の種子の調査は、アジアではタイ(藤井、徳永が1回、津田グループが2回)、ミャンマー(藤井、徳永)、西アフリカではトーゴとブキナ・ファソ(ツール大学のMonge、Huignard)、オセアニアではオーストラリア(徳永)、新大陸では米国アリゾナ(嶋田グループが2回)にて行った。マメゾウムシの標本は協力者のC.D.Johnson(北アリゾナ大学・生物学教室・教授)
遅発型喘息の基礎的・臨床的研究

遅発型喘息の発症メカニズムの解明のためにヒツジ,モルモット,イヌに動物モデルを作成し、遅発型反応、すなわち二相性反応のおこることを示した。その際の気管支肺胞洗浄を施行し、洗浄液中に好中球の増多とロイコトリエの増加することを示した。またメチラポン注射によって遅発型反応のおこることは遅発型反応の発現メカニズムには副腎髄質との関与が元唆された。臨床的研究としては遅発型反応の呼吸生理学的検討がなされ、とくにFEV1.0,呼吸コンダクタンスが鋭敏に遅発型反応を反映し、Δ【N_2】は12時間と24時間においてもなお前値に復してはいないので末梢気道の閉塞性障害は長時間存在することがうかがわれた。抗原吸入誘発による遅発型反応を職業性喘息において検討を加えた。抗原吸入誘発と運動誘発の遅発型反応の病態生理差異について検討を加えた。また遅発型反応に関与する化学的伝達物質の検討をおこない、とくにヒスタミンの代謝,ロイコトリエン【C_4】,【D_4】の代謝,血漿中の好中球遊走因子(Neutrophzl chemotactic factor,NCF)について検討を加えた。とくにNCFの呼吸機能の変化に一致した二相性の変化であること、NCFは高分子の物質であることは遅発型反応と肥満細胞との関係を示唆するものである。さらに遅発型反応の発症メカニズムについてアレルギー自律神経の関与について倹討を加えた。
凸集合のフェイス構造と凸作用素のインテグランド表現

順序線形空間Eにおいて,A⊂Eの上界全体の集合U(A)の極小元全体として定義される一般化上限supAの概念は導入以来,基礎理論の整備が進み,性質や応用の可能性が明らかになりつつある。Eの部分集合全体の族をU(A)=U(B),(A,B⊂E)という同値関係で割った商集合をXとし,Xに自然な順序と線形構造を定義することで,XがEを順序同型な部分空間として含む完備ベクトル束となることが分かった。このことは,Eが順序完備でない,あるいは束でない場合にひとつの手段を与えると同時に,集合値写像の最適化理論への応用も考えられる。更に,U(A)=(supA)+P,(PはEの正錐)等自然な条件の下で,上記一般化上限全体の族とXが同一視できることも分かっている。これらの結果については,2000年8月の「非線形解析学と凸解析学の研究」で発表し,2001年に開催される国際会議「NACA2001」においても発表予定である。又,順序完備性をわずかに弱めた単調順序完備性と上記の条件:U(A)=(supA)+P,更には,正錐Pの幾何学的性質(凸集合としてのface構造や代数的閉性等)の相互関係が,最近になり,具体例の構成などにより詳しく分かってきた。例えば,Pが閉であることがU(A)=(supA)+Pの必要条件であること,Pのすべてのfaceの次元が有限であることは十分条件であるが必要条件にはなっていないことなどである。これらの結果については現在投稿準備中である。順序線形空間において集合Aの上界全体U(A)とその極小元全体で定義される一般化上限SupA及び正錘Pの間に、U(A)=SupA+Pが成り立つかは、一般化上限の理論を展開する上で極めて重要である。十分条件の一つとして単調順序完備性が知られていたがそれとは独立な条件として,正錘Pのfaceがすべて有限次元であることが十分条件となっていることを示した。これにより、一般化上限が一価の場合それが通常の上限となることなどいくつかの基本的諸性質が確かめられる。さらに単調順序完備性についても,いくつかの基本的な結果を得ている。一般化上限に関しては,いまだに基本段階における未解決部分が多く今後の課題である。face構造の一方の応用である凸作用素の表現については、これまで未解決だった無限次元空間において、凸作用素のdomainのface構造を用いたある種の条件を満たせば表現の存在が保証できることを示した。それは凸集合のface全体が相対内部を用いたある種の順序構造を持つことという抽象的なものだが、この条件を満たす凸集合は十分に例があり、これまで分かっていたdomainが全空間である場合に比べ大きく一般化できた。凸作用素の凸共役に関する回帰性や下半連続性などに関し、表現を持つ凸作用素に対し成り立つ性質は様々得られてきたが、それらの適用範囲が一段階広がったことになる。この結果については,2000年1月に台湾で開かれたInternatonal Conference on Mathematical Analysis and its Applications 2000において発表した。順序線形空間Eにおいて,A⊂Eの上界全体の集合U(A)の極小元全体として定義される一般化上限sup Aの概念は導入以来,基礎理論の整備が進み,性質や応用の可能性が明らかになりつつある。Eの部分集合全体の族をU(A)=U(B),(A,B⊂E)という同値関係で割った商集合をXとし,Xに自然な順序と線形構造を定義することで,XがEを順序同型な部分空間として含む完備ベクトル束となるが分かった。

更に,U(A)=(sup A)+P,(PはEの正錐)等自然な条件の下で,上記一般化上限全体の族とXが同一視できることも分かっている。これらの結果については,2000年8月の「非線形解析学と凸解析学の研究」で発表し,2001年に開催される国際会議「NACA2001」においても発表予定である。又,順序完備性をわずかに弱めた単調順序完備性と上記の条件:U(A)=(sup A)+P,更には,正錐Pの幾何学的性質(凸集合としてのface構造や代数的閉性等)の相互関係が,最近になり,具体例の構成などにより詳しく分かってきた。例えば,Pが閉であることがU(A)=(sup A)+Pの必要条件であること,Pのすべてのfaceの次元が有限であることは十分条件であるが必要条件にはなっていないことなどである。これらの結果については現在投稿準備中である。
ランドサットデータを用いた日韓地方都市の市街地形成と緑地環境の定量的比較分析

対照的な市街地形態をもつ日本と韓国の地方都市の市街地と緑地環境変化の実態を、ランドサットTMデータと画像処理技術を用いて定量的に比較分析し、両国の土地利用規制制度との関連を把握した。以下に得られた成果・知見をまとめる。1.土地被覆分類手法としてポスト分類比較法及び主成分分析による二つの手法で都市内土地利用変化抽出を試み、一定の限界はあるが、これまで不可能だった日本と韓国の都市の土地利用変化の定量的比較分析が可能であることを示した。2.土地被覆分類結果とNVI分布特性、都心距離、小学校距離を用い、韓国の方が都心や日常生活空間に近い所に多くの緑地が存在することを示し、さらに空間スケール別緑被率とジョイン理論による緑の集塊性の分析から、両国の市街地形態と土地利用規制制度の相違が緑のまとまり具合に大きく関わっていることを示した。3.区域・地域指定との関連分析からは、(1)韓国の市街地は、市街化を計画的に図るべき区域にその85%前後が存在し、かつ緑地全体の25%程度がその区域内に存在する。一方豊橋市の市街地は、市街化を抑制すべき区域にも35%程度が存在し、市街化区域内の緑地は10%以下に低下している。(2)NVI特性から植生活性度をみると、韓国の方は市街化を図るべき区域と抑制すべき区域で明確な差異がみられるが、豊橋市では類似した特性をもつ地域が多く、韓国の2都市よりも相対的に植生活性度の評価が高いことが確認された。(3)緑被率の要因分析からは、3都市とも用地地域指定と都心距離が緑地分布に大きく関わっており、この傾向は経年的により強くなっていることが示された。両国の地方中心都市である豊橋市、木浦市、蔚山市の3都市ごとにランドサットTMデータを用いて土地被覆分類を行い、市街地形成と緑地環境の実態を把握した。今年度の研究成果は以下の3点に集約される。1.次の手順による経年変化比較を前提とした土地被覆分類手法をパソコン上で定式化した。まずアフィン変換を行い、次に2時点の画像データ間で回帰分析より一方の画像をベースに他方の回帰推定画像を求め、その後画像の平滑化、濃度補間を行い、これら前処理を施した画像データを用いて最尤法による土地被覆分類を行った。2.分類結果の精度は、500m程度のメッシュスケールでは妥当な経年比較が可能である。しかし1ピクセル単位では現実にはほぼありえない変化がみられ、この点は今後の課題である。木浦市については現地調査を行い、トレーニングサンプルの精度を向上させるとともに、高密度市街地と低密度市街地の分類が可能となった。3.分類結果の主題図から、これまで定性的に指摘されてきた日韓両国の市街地と緑地分布の実態を客観的に把握することができた。さらに分類結果を区域・地域指定との関係で分析し、以下の知見を得た。(1)韓国の2都市は市街化区域内の一人当たりの緑量は豊橋市に比べ少ないものの、都心に近い郊外にまとまった緑地が保全され、かつ市街化区域内の緑被率も高めに保たれている。(2)一方豊橋市では市街化区域内の一人当たり緑量は最も多いものの、緑被率はどの用途地域においても韓国の2都市よりも低く、都心に近いところではまとまった緑が少ない。このような対照的な結果の背景には、両国の土地利用規制制度の相違がある。今後これらの結果を踏まえて緑地環境の保全に配慮した市街地形成を規制誘導する土地利用制御システムの方向性を検討する必要がある。対照的な市街地形態をもつ日本と韓国の地方都市の市街地と緑地環境変化の実態を、ランドサットTMデータを用いて定量的に比較分析し、両国の土地利用規制制度との関連を把握した。今年度はとくに主成分分析を用いた土地利用変化抽出法を試み、また土地被覆分類結果を補完するためNVIによる植生分布特性の把握も行った。

以下に主に今年度得られた成果・知見をまとめる。1.ポスト分類比較法及び主成分分析を用いた都市内土地利用変化抽出を試み、一定の限界はあるが、これまで不可能だった日本と韓国の都市の土地利用変化の定量的比較分析が可能であることを示した。2.土地被覆分類結果とNVI分布特性、都心距離、小学校距離からは、韓国の方が都心や日常生活空間に近い所に緑地が多く存在することを定量的に示し、空間スケール別緑被率とジョイン理論による緑の集塊性の分析から、両国の市街地形態と土地利用規制制度の相違が緑のまとまり具合に大きく関わっていることを具体的に示した。3.区域・地域指定との関連分析からは、(1)韓国の市街地は、市街化を計画的に図るべき区域にその85%前後が存在し、かつ緑地全体の25%程度がその区域内に存在する。一方豊橋市の市街地は、市街化を抑制すべき区域にも35%程度が存在し、市街化区域内の緑地は10%以下に低下している。(2)植生活性度からみると、韓国の方は市街化を図るべき区域と抑制すべき区域でNVI特性に明確な差異がみられるが、豊橋市では類似したNVI特性をもつ地域が多く、植生活性度の点で韓国の2都市よりも相対的に評価が高いことが確認された。(3)緑被率の要因分析からは、3都市とも用地地域指定と都心距離が緑地分布に大きく関わっており、この傾向は経年的により強くなっていることが示された。
ハイブリッドナノ構造の制御による異方形態金ナノ触媒の高活性化

金ナノ結晶の触媒特性は、サイズや形態により大きく異なることが知られている。そのため、ナノ金平糖のような異方形態ナノ結晶を触媒材料へ応用する研究は、大きな注目を集めている。金ナノ結晶は、担持する担体の種類に応じてアルコール酸化反応に対する触媒活性能が変化するため、担体の最適化が必要となる。これまでに、球状金ナノ粒子に関しては、様々な担体を用いた担持ナノ触媒の調製と触媒応用に関する研究が報告されてきたが、異方形態ナノ結晶に関してはほとんどない。そこで、本研究では異方形態ナノ結晶の触媒活性に対する担体の影響について検討を行った。これまでに我々は、金ナノ金平糖(平均サイズ75 nm)の調製とアルコール酸化反応触媒への応用に成功している。そして、金ナノ金平糖が同じサイズの球状金ナノ粒子よりも高活性であることも明らかにした。そこで、本研究では、異方形態ナノ結晶として金ナノ金平糖を用いることにした。本年度は、担体としてアルミナと酸化鉄を用いて担持金ナノ金平糖触媒を調製した。調製した金ナノ金平糖の平均サイズは、担持後も変化が見られなかった。この担持ナノ金平糖を1-フェニルエチルアルコールの酸化反応触媒に利用したところ、アルミナよりも酸化鉄の方が高い触媒活性を示すことがわかった。さらに、XPS測定より、触媒活性能の向上は金原子の電子状態変化に起因していることが示された。これらの結果から、金ナノ金平糖触媒の担体を変化させることは、触媒活性能の向上に有効であることがわかる。本年度の研究では、金ナノ金平糖の触媒活性能を向上させるためアルミナと酸化鉄に担持した2種類の担持触媒を調製した。その結果、酸化鉄に担持した金ナノ金平糖触媒は、アルミナ担持触媒よりも1-フェニルエチルアルコールの酸化反応に対して高い触媒活性能を示すことがわかった。さらに、この触媒活性能の向上は、金原子の電子状態変化に由来していることも明らかにすることができた。以上のことから、本研究は順調に進展しているものと考えられる。2種類の金属からなる異方形態合金ナノ結晶は、1種類の金属からなる異方形態ナノ結晶とは異なる触媒特性を示すことが知られている。そこで、担体の最適化による触媒活性能の向上に関する研究を、異方形態合金ナノ結晶へと応用展開する。これまでの研究で、金ナノ金平糖と同じサイズの金-銀ナノ金平糖の調製に成功している。さらに、金-銀ナノ金平糖は、金ナノ金平糖よりも1-フェニルエチルアルコールの酸化反応に対して高い触媒活性能を示すことも明らかにしている。そこで、この金-銀ナノ金平糖の担体を変化し、触媒活性能の向上に取り組む。ここで、担体としては初年度に用いたアルミナと酸化鉄に関して検討を行う。また、金ナノ金平糖触媒に関する研究も引き続き行い、酸化チタンなどを担体として用いて更なる触媒活性能の向上を達成する。

さらに、金-銀ナノ金平糖は、金ナノ金平糖よりも1-フェニルエチルアルコールの酸化反応に対して高い触媒活性能を示すことも明らかにしている。そこで、この金-銀ナノ金平糖の担体を変化し、触媒活性能の向上に取り組む。ここで、担体としては初年度に用いたアルミナと酸化鉄に関して検討を行う。また、金ナノ金平糖触媒に関する研究も引き続き行い、酸化チタンなどを担体として用いて更なる触媒活性能の向上を達成する。ナノ金平糖触媒の調製ルートを複数検討する中で、当初予定していなかった調製ルートにおいて良好な結果が得られた。そのため、次年度以降に必要な検討項目が当初予定よりも増えたため、研究配分を見直し、次年度以降の使用額を確保した。主に、ナノ結晶の調製にかかわる試薬などの物品費に用いる予定である。
エバネッセンス場照明を利用した抗原抗体反応検出に関する研究-迅速マグロ種判別システム開発の試み-

我が国では一部の国からのまぐろ類輸入禁止措置をとっているが,税関での種判別に現時点ではミトコンドリアDNAを用いる手法が採用されている.本手法は確実なものであるが,生ものを扱うには要する時間が長過ぎることが問題となっており,さらに簡便迅速な手法が要求されている.一方,抗原抗体反応は種特異的な抗体が得られれば有望であるが,その反応に平衡化および洗浄を必要とし,数時間を要する.そこで本研究では,抗原抗体反応を用いた検出系に,蛍光ラベルおよびエバネッセンス照明場検出法の適用を試みた.昨年度研究では,抗パルブアルブミンモノクローナル抗体EG8を3-aminopropyltriethoxysilaneでアミノ基を導入したカバーグラスにグルタールアルデヒドで化学架橋することにより固相化した.TRITC標識したコイパルブアルブミン(TRITC-cPA)を滴下したところ,抗原1分子に相当する輝点が抗体に捕捉され,遊離していく経過が観察された.これにより,抗原抗体反応は1分子レベルで観察すると定常的な反応ではなく,確率的に生じ,ELISAなどで観察される平衡状態は見かけ上のものであると推定された.また,エバネッセンス場照明を用いれば高感度かつ迅速な抗原抗体反応検出法の原理構築が可能であることを照明した.本年度研究では,昨年度の結果に基づいてエバネッセンス場照明系のもう一つの計測系である表面プラズモン現象を用いて抗原抗体反応の検出を行った.アミノシランキュベットまたはCMDキュベットにEG8を固相化し,種々の濃度のコイパルブアルブミンを添加すると表面プラズモンシグナルが添加量に直線的に比例して増加した.また,結合解離曲線から結合定数および解離定数を算出するとそれぞれ20.0x10^7および21.0x10^<-4>となった.これらの結果と,昨年度得られた抗原と抗体の結合解離における時系列解析を比較するとn数は低いものの,エバネッセンス場照明系で得られた結合・解離速度の方が表面プラズモン検出器によって得られたものより,10倍程度大きかった.これは,表面プラズモン検出器では1分子間の反応ではなく多分子間の平均的な反応が反映されていること,1分子解析では蛍光標識抗原が長時間結合している場合蛍光団が消光する可能性があり,結合時間が過小評価される可能性があることなどが原因であると考えられた.しかしながら,時間あたりの結合数が抗原の濃度を反映することが明らかであるため,測定上は問題ないと考えられる.以上本研究により,エバネッセンス場照明1分子検出法によって抗原抗体反応を数分内で計測できることが明らかとなった.大西洋まぐろ類保存国際委員会勧告に従い,我が国では一部の国からのクロマグロ輸入禁止措置をとっているが,税関での種判別に現時点では数時間を要するミトコンドリアDNAを用いる手法が採用されている.本手法は確実なものであるが,生ものを扱うには要する時間が長すぎることが大きな問題となっており,さらに簡便迅速な手法が要求されている.一方,抗原抗体反応は種特異的な抗体が得られれば有望であるが,その反応に平衡化および洗浄ステップを必要とし,全行程では数時間を要する.そこで本研究では,抗原抗体反応を用いた検出法における平衡化および洗浄ステップを省略するため,蛍光ラベルおよびエバネッセンス照明場検出法の適用を試みた.まず,大西洋クロマグロ,太平洋クロマグロおよびミナミマグロの筋肉水溶性タンパク質画分に対するモノクローナル抗体を作製した.このうち,異なるエピトープを認識する抗パルブアルブミンモノクローナル抗体を3-amino-propyltri-ethoxysilaneでアミノ基を誘導したカバーグラスにglutaraldehydeを介して化学架橋した.コイパルブアルブミンをtetramethylrhodamine-isothiocyanateで標識した(TRITC-cPA).532nmのレーザーを開口数1.4の対物レンズに導入し,有効照明域外に光束を移動した後,TRITC-cPAを滴下した.抗原1分子を示す光粒子が抗体に捕捉され,遊離していく状態が観察された.これをDVビデオに記録し,パーソナルコンピューターを用いて画像解析を行ったところ,抗原が抗体に捕捉される時間は粒子ごとに不均一であった.これは,抗原抗体反応は1分子レベルで観察すると確率的に生じるものであり,ELISAなどで平衡状態に達したものとは,全く異なることが確認された.捕捉時間の平均は,約0.5秒と非常に短かったが,この原因として,固相化した抗体がモノクローナル抗体であること,パルブアルブミンの直径が2nm以下であるのに対して抗体の抗原結合部位間の数nm以上と抗原を二価で捕捉することができないことなどから,親和性が低かったためであると予想される.以上の本年度研究結果から,エバネッセンス場照明を用いることにより,高感度かつ迅速な抗原抗体反応検出法の原理的構築が十分に可能であることが明らかとなった.我が国では一部の国からのまぐろ類輸入禁止措置をとっているが,税関での種判別に現時点ではミトコンドリアDNAを用いる手法が採用されている.本手法は確実なものであるが,生ものを扱うには要する時間が長過ぎることが問題となっており,さらに簡便迅速な手法が要求されている.

一方,抗原抗体反応は種特異的な抗体が得られれば有望であるが,その反応に平衡化および洗浄を必要とし,数時間を要する.そこで本研究では,抗原抗体反応を用いた検出系に,蛍光ラベルおよびエバネッセンス照明場検出法の適用を試みた.昨年度研究では,抗パルブアルブミンモノクローナル抗体EG8を3-aminopropyltriethoxysilaneでアミノ基を導入したカバーグラスにグルタールアルデヒドで化学架橋することにより固相化した.TRITC標識したコイパルブアルブミン(TRITC-cPA)を滴下したところ,抗原1分子に相当する輝点が抗体に捕捉され,遊離していく経過が観察された.これにより,抗原抗体反応は1分子レベルで観察すると定常的な反応ではなく,確率的に生じ,ELISAなどで観察される平衡状態は見かけ上のものであると推定された.また,エバネッセンス場照明を用いれば高感度かつ迅速な抗原抗体反応検出法の原理構築が可能であることを照明した.本年度研究では,昨年度の結果に基づいてエバネッセンス場照明系のもう一つの計測系である表面プラズモン現象を用いて抗原抗体反応の検出を行った.アミノシランキュベットまたはCMDキュベットにEG8を固相化し,種々の濃度のコイパルブアルブミンを添加すると表面プラズモンシグナルが添加量に直線的に比例して増加した.また,結合解離曲線から結合定数および解離定数を算出するとそれぞれ20.0x10^7および21.0x10^<-4>となった.これらの結果と,昨年度得られた抗原と抗体の結合解離における時系列解析を比較するとn数は低いものの,エバネッセンス場照明系で得られた結合・解離速度の方が表面プラズモン検出器によって得られたものより,10倍程度大きかった.これは,表面プラズモン検出器では1分子間の反応ではなく多分子間の平均的な反応が反映されていること,1分子解析では蛍光標識抗原が長時間結合している場合蛍光団が消光する可能性があり,結合時間が過小評価される可能性があることなどが原因であると考えられた.しかしながら,時間あたりの結合数が抗原の濃度を反映することが明らかであるため,測定上は問題ないと考えられる.以上本研究により,エバネッセンス場照明1分子検出法によって抗原抗体反応を数分内で計測できることが明らかとなった.
整形外科治療支援のためのMS-FE解析法の開発に関する研究

逆動力学解析と有限要素解析を組み合わせることによって人体運動時の骨格系に生じる動的応力分布の経時変化を可視化する新しい解析方法であるMS-FE解析法(Muscular Skeletal-Finite Element解析法)を開発することを目的とし,研究期間内では歩行時の大腿骨近位部の動的応力分布の経時解析を対象とする.初年度の2018年度はMS-FE解析法を汎用有限要素解析ソルバーABAQUSに実装した.そこでは,骨盤寛骨と大腿骨近位部の股関節骨モデルをベースに大腿骨の屈曲・伸展運動に関与する代表的な骨格筋をモデル化した.逆動力学解析で歩行一周期の間の股関節角度の時間変化とモデル化した骨格筋の筋力の時間変化を解析し,有限要素解析での変位境界条件(関節角度)と動荷重条件(筋力)として設定することで,歩行一周期内の時々刻々の股関節周りの骨格系に生じる動的応力分布を経時的に可視化することができた.当初,大腿骨全体および膝関節まで骨モデルの拡張を予定していたが,骨盤寛骨と大腿骨近位部の骨モデルにとどまっているため.一方で,MS-FE解析法の汎用有限要素解析ソルバーへの実装が完了し,解析法の開発自体は順調に進んでいる.2019年度は,2018年度に実現していなかった大腿骨全体および膝関節までの骨モデルの拡張に取り組む.また,当初の計画である研究代表者らの過去の静止条件下での静解析との比較を行い,解析結果の相違の物理的意味を考察するとともに解析結果の違いを定量評価することで術後合併症のメカニズム解明に対する開発手法の有用性を検討する.さらに,解析モデルの改良としてCT値に基づく被験者固有の物性値分布を反映したモデル化に取り組む.2018年度に得られた研究成果を国内外の学会で発表するとともに,2018年度に引き続きMS-FE解析の研究動向を調査する.逆動力学解析と有限要素解析を組み合わせることによって人体運動時の骨格系に生じる動的応力分布の経時変化を可視化する新しい解析方法であるMS-FE解析法(Muscular Skeletal-Finite Element解析法)を開発することを目的とし,研究期間内では歩行時の大腿骨近位部の動的応力分布の経時解析を対象とする.初年度の2018年度はMS-FE解析法を汎用有限要素解析ソルバーABAQUSに実装した.そこでは,骨盤寛骨と大腿骨近位部の股関節骨モデルをベースに大腿骨の屈曲・伸展運動に関与する代表的な骨格筋をモデル化した.逆動力学解析で歩行一周期の間の股関節角度の時間変化とモデル化した骨格筋の筋力の時間変化を解析し,有限要素解析での変位境界条件(関節角度)と動荷重条件(筋力)として設定することで,歩行一周期内の時々刻々の股関節周りの骨格系に生じる動的応力分布を経時的に可視化することができた.当初,大腿骨全体および膝関節まで骨モデルの拡張を予定していたが,骨盤寛骨と大腿骨近位部の骨モデルにとどまっているため.一方で,MS-FE解析法の汎用有限要素解析ソルバーへの実装が完了し,解析法の開発自体は順調に進んでいる.2019年度は,2018年度に実現していなかった大腿骨全体および膝関節までの骨モデルの拡張に取り組む.また,当初の計画である研究代表者らの過去の静止条件下での静解析との比較を行い,解析結果の相違の物理的意味を考察するとともに解析結果の違いを定量評価することで術後合併症のメカニズム解明に対する開発手法の有用性を検討する.さらに,解析モデルの改良としてCT値に基づく被験者固有の物性値分布を反映したモデル化に取り組む.2018年度に得られた研究成果を国内外の学会で発表するとともに,2018年度に引き続きMS-FE解析の研究動向を調査する.当初,大腿骨全体および膝関節まで骨モデルの拡張を予定していたが,骨盤寛骨と大腿骨近位部の骨モデルにとどまったので,2018年度後半に計画していた国内学会での成果発表を次年度に延期したことにより学会出張旅費および参加費に相当する額が次年度(2019年度)使用額として生じた.2019年度は,2018年度に実現していなかった大腿骨全体および膝関節までの骨モデルの拡張に取り組み,延期した学会発表を行う計画であり,次年度(2019年度)の研究費と合わせて当初の研究目的達成に向けて研究を推進する.
癌の分子標的ダイナミクスを可視化するダイヤモンド量子センサ

優れた生体親和性と、磁場に高感度でベクトルイメージング可能なダイヤモンド中のNVセンタの特長を活用して、材料-物性-デバイス-計測-システム-医療の理・工・医学の連携により、原発癌の性状特定と迅速・高精度・低侵襲に転移癌を検出するダイヤモンド量子センサを世界に先駆けて実現することを目的とする。NVセンタのナノ領域における量子(電子スピン、光子、フォノン)間相互作用を解明・制御し、材料・スピン制御計測技術とナノ光子制御技術と融合することで性能と機能性を向上させる。さらには診断・治療に即した生体計測法を実現し、次世代医療に重要なQuality of Lifeの向上につなげる。本年度は1)高性能・高機能ダイヤ量子センサ、2)プローブヘッドの開発、3)磁性粒子の発生する磁場の2次元イメージングを行った。1)に関してNVセンタを含むダイヤ膜の合成では、NVセンタの生成率を従来比約10倍向上させ、2.3nT/√Hz (AC磁場)の高感度化を図ることができた。また生体計測に向けたDC磁気感度向上を目的とし,低周波ノイズを除去するために系に交流磁場を印加する新規なロックイン検出法を提案し、36倍の感度向上を確認した。2)では、実際の診断・治療に即した生体計測のために、ハンドヘルドプローブを試作した。磁気ヘッド部には光ファイバによる光照射・検出系を用いて、小型化・堅牢化を実現するとともに、磁性微粒子を効率よく磁化させるための励起コイルを実装した。さらにグレーティングカップによる光取り出し効率の高い構造の数値検討を行い、ダイヤ基板と金グレーティングカップの間に発生するプラズモンモードを高効率に励起することにより、2桁程度の検出効率向上が得られることがわかった。3)では、環境ノイズ低減を低減するフィードバック系を構築し、リンパ節に注入する磁性微粒子を想定した磁場のイメージングを取得した。ダイヤモンド量子センサの早期実現のために、各グループの実施目標を明確にし、独自アイデアの原理実証を行った。その結果、要素技術([1]高性能・高機能ダイヤ量子センサ、[2]プローブヘッド、[3]磁性粒子の発生する磁場の2次元イメージングの各目標について、予定した結果を計画より早期に得ることができたため。これまでに各グループで得られた結果を踏まえて、有機的に統合することで、実際の診断・治療に即した生体計測を行う。外科医による術中使用も視野に入れて、磁気センサモジュールを試作してハンドヘルドプローブへ搭載し、システム全体を可搬型の筐体に収めた試作機を完成させる。試作機の性能評価のため、動物実験を行う。後肢の指間皮下に磁性トレーサー粒子を皮下投与して、継時的に膝下リンパ節への集積を測定する。この実験から,検出に必要な集積時間と、検出可能なリンパ節の深さなどを明らかにする。センチネルリンパ節は、癌組織の近傍に投与された粒子がリンパ流によって最初に到達するリンパ節であるが、体型などの個人差によってリンパ節の深さやリンパ流に差があり、従来の磁気センサではリンパ節を検出できないケースがあった。ダイヤ量子センサによって検出距離が伸長され、個人差によらずリンパ節を検出できる性能を有することを示す。この実験から,検出に必要な集積時間と、検出可能なリンパ節の深さや磁性トレーサー粒子の量などを明らかにするすることで、各技術要素([1]高性能・高機能ダイヤ量子センサの創製、[2]プローブヘッド、[3]磁性粒子の発生する磁場の2次元イメージング)の改良につなげる。さらなる磁気感度向上のために、NVからの発光効率を向上することが必須となる。そこで、グレーティングカップを通してファイバによるダイヤモンド基板からのNV発光の高効率検出を実証し、作製したファイバプローブヘッドを利用して、高感度磁場検出を達成する。さらにNV同士の発光の協調現象を利用した超放射発光制御を検討する。超放射を発生させるためには、双極子の向きの制御も重要となる。そのため、NVセンタの密度依存性に加えて配向度依存性も併せて詳細を検討する予定である。優れた生体親和性と、磁場に高感度でベクトルイメージング可能なダイヤモンド中の窒素-空孔(NV)センタの特長を活用して、材料-物性-デバイス-計測-システム-医療の理・工・医学の連携により、原発癌の性状特定と迅速・高精度・低侵襲に転移癌を検出するダイヤモンド量子センサを世界に先駆けて実現することを目的とする。NVセンタのナノ領域における量子(電子スピン、光子、フォノン)間相互作用を解明・制御し、波多野が開拓した世界最先端の材料・スピン制御計測技術とナノ光子制御技術と融合することで性能と機能性を向上させる。さらには実際の診断・治療に即した生体計測法を実現し、次世代医療に重要なQuality of Lifeの向上につなげる。本年度は、上記目標実現に向けて[1]高性能・高機能ダイヤ量子センサ、[2]プローブヘッドの開発を行った。[1]では、大面積化が可能なSi基板上に、独自の先端プラズマCVD法でダイヤ膜を合成することにより、感度の向上に有効であるNVセンタ軸の配向が揃ったセンサが得られた。また、高感度、環境ノイズ低減につながるダイナミカルデカップリングによる量子プロトコルを構築し、リンパ節に注入する磁性微粒子を想定したACイメージング(ピクセルサイズ20×20ミクロン)に成功した。[2]では、実際の診断・治療に即した生体計測のために、取り回しが容易なハンドヘルドプローブを試作した。