hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
エフリン受容体シグナルの破綻によるがん悪性化機構の解明

エフリン受容体(Eph)ファミリーは、正常な組織においてはリガンドであるephrinと結合することで、細胞内のチロシンキナーゼ活性が上昇し、神経軸索ガイダンスなど発生過程において様々な役割を担う。一方、がん細胞におけるEph受容体は本来のシグナル伝達とは異なり、ephrin非依存的に働くことで細胞の増殖や運動性の促進など、がん悪性化を引き起こしていることが多数報告されている。今年度は、神経膠芽腫細胞において高発現が確認されているEphA3受容体に着目し、EphA3ノックアウト細胞及び過剰発現細胞をそれぞれ神経膠芽腫細胞で作成し、これらの細胞を用いて神経膠芽腫細胞におけるEphA3受容体の発現が及ぼす影響について解析を行った。がん細胞は、浮遊条件下で培養すると細胞同士が結合し大きな細胞の凝集体を形成することが知られており、単体の細胞より細胞死が引き起こされる割合が少なく、さらには細胞凝集体の大きさとがん細胞の増殖及び生存との間には相関があることが報告されている。我々の結果から、EphA3ノックアウト細胞では神経膠芽腫細胞の浮遊培養条件下で形成される細胞の凝集体の大きさが有意に小さくなった一方、EphA3過剰発現細胞では凝集体の形成が促進された。また、浮遊培養条件下では神経膠芽腫の悪性化に大きく関わっているEGFによってEphA3の発現がタンパク質レベルで制御され、それにはEGFによるAktの活性化が必要であることも示唆された。さらには、EphA3はN-cadherinの発現上昇を促進することで、凝集体の形成を促進していることも見出された。この機能には、リガンドであるephrinの関与は認められなかった。以上の結果から、EphA3はEGF-Aktシグナル経路によってリガンド非依存的に制御され、浮遊培養条件下での神経膠芽腫細胞の凝集体形成促進に働いていることが示唆された。本研究計画調書に記載した平成30年度における研究計画では、1)神経膠芽腫細胞において過剰なEphA2の発現によって制御される遺伝子の網羅的解析、2)神経膠芽腫においてEphA2と複合体を形成するタンパク質の網羅的解析、3)EphA3による神経膠芽腫細胞の凝集体形成制御の解析、を計画していた。1)については、EphA2の発現を抑制した神経膠芽腫細胞を用いて、EphA2が高発現することによって発現が変化する遺伝子をマイクロアレイ解析により網羅的に解析を行った。その結果、アクチン細胞骨格を制御する分子や細胞接着因子など、細胞の運動性と関わるような遺伝子の変化が顕著に見られた解析結果が既に得られている。来年度以降は、これらの遺伝子がEphA2受容体シグナルによるがん悪性化にどのように関わっているかについて、siRNAによるノックダウン、あるいはsgRNAを作成してノックアウト細胞を樹立することにより検討していくことを計画している。2)についても、神経膠芽腫細胞の溶解液をEphA2の抗体で免疫沈降を行い、EphA2と細胞内で結合しているタンパク質について質量分析法を用いた網羅的な解析を既に行っている。同定されたタンパク質については、in vitroにおけるEphA2との結合性についても確認しており、今後はその機能的意義について調べていく予定である。3)については、研究実績の概要で述べた通り、まとまった成果が得られており、その内容については既に学術論文として発表している。EphA2が高発現することによって発現が変化する遺伝子群については、各遺伝子に対するsiRNAによるノックダウン、あるいはsgRNAを作成してノックアウト細胞を樹立する。これらの細胞を用いることで、各遺伝子がEphA2シグナルによるがん悪性化にどのように関わっているかについて検討する。また、質量分析法により同定されたEphA2結合タンパク質についても同様に解析を行い、各タンパク質とEphA2との結合の意義を探る。また、正常なグリア細胞におけるシグナル伝達と比較検討することで、神経膠芽腫でのみ大きく変化しているシグナル伝達経路を同定する。EphA3についても特異的に結合するタンパク質の探索やEphA3の発現の有無によって発現が変化する遺伝子の存在を解析する。具体的には、既に作製したEphA3発現抑制細胞を用いて、浮遊状態で凝集体を形成させた細胞からRNAを回収し、EphA3の発現の有無によって発現が変化する遺伝子が存在しないか解析を行う。一方、接着状態で培養した細胞と浮遊状態で凝集体を形成させた細胞を回収し、EphA3と細胞内で結合しているタンパク質をEphA2の場合と同様の方法で精製する。その後、質量分析法により網羅的に結合タンパク質の同定を行い、特に凝集体が形成される時に特異的にEphA3と複合体を形成するタンパク質が存在しないか調べる。同定されたタンパク質については、in vitroにおける結合性の確認とその機能的意義について検討する。一方、通常のがん細胞は栄養飢餓などの様々な環境下にさらされることが考えられるため、このような様々なストレス下における神経膠芽腫細胞においても、EphA2あるいはEphA3受容体シグナルがどのようにがん細胞にとって有利な状況を作り出すことに関わっているか、飢餓ストレスや酸化ストレスなどの環境下における受容体シグナルの変化を詳細に解析する。

今年度は、神経膠芽腫細胞において高発現が確認されているEphA3受容体に着目し、EphA3ノックアウト細胞及び過剰発現細胞をそれぞれ神経膠芽腫細胞で作成し、これらの細胞を用いて神経膠芽腫細胞におけるEphA3受容体の発現が及ぼす影響について解析を行った。がん細胞は、浮遊条件下で培養すると細胞同士が結合し大きな細胞の凝集体を形成することが知られており、単体の細胞より細胞死が引き起こされる割合が少なく、さらには細胞凝集体の大きさとがん細胞の増殖及び生存との間には相関があることが報告されている。我々の結果から、EphA3ノックアウト細胞では神経膠芽腫細胞の浮遊培養条件下で形成される細胞の凝集体の大きさが有意に小さくなった一方、EphA3過剰発現細胞では凝集体の形成が促進された。また、浮遊培養条件下では神経膠芽腫の悪性化に大きく関わっているEGFによってEphA3の発現がタンパク質レベルで制御され、それにはEGFによるAktの活性化が必要であることも示唆された。さらには、EphA3はN-cadherinの発現上昇を促進することで、凝集体の形成を促進していることも見出された。この機能には、リガンドであるephrinの関与は認められなかった。以上の結果から、EphA3はEGF-Aktシグナル経路によってリガンド非依存的に制御され、浮遊培養条件下での神経膠芽腫細胞の凝集体形成促進に働いていることが示唆された。本研究計画調書に記載した平成30年度における研究計画では、1)神経膠芽腫細胞において過剰なEphA2の発現によって制御される遺伝子の網羅的解析、2)神経膠芽腫においてEphA2と複合体を形成するタンパク質の網羅的解析、3)EphA3による神経膠芽腫細胞の凝集体形成制御の解析、を計画していた。1)については、EphA2の発現を抑制した神経膠芽腫細胞を用いて、EphA2が高発現することによって発現が変化する遺伝子をマイクロアレイ解析により網羅的に解析を行った。その結果、アクチン細胞骨格を制御する分子や細胞接着因子など、細胞の運動性と関わるような遺伝子の変化が顕著に見られた解析結果が既に得られている。来年度以降は、これらの遺伝子がEphA2受容体シグナルによるがん悪性化にどのように関わっているかについて、siRNAによるノックダウン、あるいはsgRNAを作成してノックアウト細胞を樹立することにより検討していくことを計画している。2)についても、神経膠芽腫細胞の溶解液をEphA2の抗体で免疫沈降を行い、EphA2と細胞内で結合しているタンパク質について質量分析法を用いた網羅的な解析を既に行っている。同定されたタンパク質については、in vitroにおけるEphA2との結合性についても確認しており、今後はその機能的意義について調べていく予定である。3)については、研究実績の概要で述べた通り、まとまった成果が得られており、その内容については既に学術論文として発表している。EphA2が高発現することによって発現が変化する遺伝子群については、各遺伝子に対するsiRNAによるノックダウン、あるいはsgRNAを作成してノックアウト細胞を樹立する。
歩行空間の実体験と疑似体験が歩行行動と健康感に与える影響評価

インフラの老朽化と高齢化による社会保障費増大を解決するためには,健康促進に寄与するインフラ整備による横断的な対策が重要である.これに対して,歩いて暮らせるまちづくりが検討されているが,車依存が進んだ都市においてこの行動転換は容易ではなく,体験的な取り組みが必要と考えられる.そこで本研究では,「歩行空間の実歩行と疑似歩行の体験の組み合せが歩行行動の促進と健康感の向上に繋がるか」を社会実験を通して検証する.この体験として,大型商業施設で健康目的の歩行を促進するモールウォーキングと,VRツールを用いた体感型の情報発信を組み合わせる.インフラの老朽化と高齢化による社会保障費増大を解決するためには,健康促進に寄与するインフラ整備による横断的な対策が重要である.これに対して,歩いて暮らせるまちづくりが検討されているが,車依存が進んだ都市においてこの行動転換は容易ではなく,体験的な取り組みが必要と考えられる.そこで本研究では,「歩行空間の実歩行と疑似歩行の体験の組み合せが歩行行動の促進と健康感の向上に繋がるか」を社会実験を通して検証する.この体験として,大型商業施設で健康目的の歩行を促進するモールウォーキングと,VRツールを用いた体感型の情報発信を組み合わせる.
アリの群知能を利用したグラフ構造プログラムの自動生成に関する研究

本研究は,群知能を用いてグラフ構造プログラムを自動生成する手法を提案することを目的としている.先に筆者らが提案したアリコロニー最適化に基づくグラフ構造生成手法Cartesian Ant Programming (CAP)では,プログラムの構成要素となる関数記号をノードに固定的に割り当てるため,局所解に陥りやすいという問題があった.平成25年度の取り組みでは,探索状況に応じて各ノードへの関数記号の割り当てを修正する「ノードの置換を行うCAP」を提案した.また,平成26年度には,さらに探索性能の向上を図るため,「ノードへの関数記号の割り当て機能を備えたノード解放型CAP」を提案した.本研究は,群知能を用いてグラフ構造プログラムを自動生成する手法を提案することを目的としている.先に筆者らが提案したアリコロニー最適化に基づくグラフ構造生成手法Cartesian Ant Programming (CAP)では,プログラムの構成要素となる関数記号をノードに固定的に割り当てるため,局所解に陥りやすいという問題があった.平成25年度の取り組みでは,探索状況に応じて各ノードへの関数記号の割り当てを修正する「ノードの置換を行うCAP」を提案した.また,平成26年度には,さらに探索性能の向上を図るため,「ノードへの関数記号の割り当て機能を備えたノード解放型CAP」を提案した.本研究は,群知能を用いてグラフ構造プログラムを自動生成する手法を提案することを目的としている.先に筆者らが開発したアリコロニー最適化に基づくグラフ構造プログラム生成手法Cartesian Ant Programming (CAP)では,プログラムの構成要素となるノードを格子状に配置した環境内をアリエージェントが行動する.しかし,各ノードに対して関数記号は固定的に割り当てられるため,問題に対する事前知識が必要という問題があった.平成25年度の取り組みでは,このCAPを改良し,探索状況に応じて各ノードへの関数記号の割当てを適応的に行うアルゴリズムを設計した.提案手法である「ノードの置換を行うCartesian Ant Programming」のアルゴリズムの概要を以下に示す.アリエージェントの行動環境は,従来のCAPと同様に,あらかじめ用意した関数記号を各ノードに周期的に配置する.用意したノード群は探索を進める過程で,獲得プログラムの構成要素として利用されている接続ノードと,プログラムに利用されておらずプログラムの動作に影響を及ぼさない非接続ノードの2種類に分類できる.提案手法では,この非接続ノードに割り当てられている関数記号を問題解決に不必要な記号であるとみなし,その他の関数記号に置換する処理を行う.また関数記号が置換されたノードを利用して探索を行うようにフェロモン情報を調整する仕組みを導入した.このアルゴリズムにより,従来のCAPでは解の表現が困難となるノード数が少ない場合においても,適応的に関数記号の割当てを更新することで解の表現力を向上させることが可能となった.プログラム自動生成に関するベンチマーク問題である関数同定問題において,提案手法を従来のCAPや進化的手法に基づくプログラム自動生成手法Cartesian Genetic Programmingと比較し,両手法を上回る性能を得ることができた.本研究は,群知能を用いてグラフ構造プログラムを自動生成する手法を提案することを目的としている.先に筆者らが開発したアリコロニー最適化に基づくグラフ構造プログラム生成手法Cartesian Ant Programming (CAP)では,プログラムの構成要素となるノードを格子状に配置した環境内をアリエージェントが行動する.しかし,各ノードに対して関数記号は固定的に割り当てられるため,問題に対する事前知識が必要という問題があった.平成25年度の取り組みでは,このCAPを改良し,探索状況に応じて各ノードへの関数記号の割り当てを修正する「ノードの置換を行うCartesian Ant Programming」を提案し,従来手法よりも優れた性能を持つことを示した.平成26年度の取り組みでは,さらに手法の汎用性を高めるため,「ノードへの関数記号の割り当て機能を備えたノード解放型Cartesian Ant Programming」を提案した.従来手法が初期のノード群に対してあらかじめ周期的に関数記号を割り当てて必要に応じて修正を行うのに対して,平成26年度に提案した「ノードへの関数記号の割り当て機能を備えたノード解放型Cartesian Ant Programming」では,探索初期からフェロモンに基づいて各ノードの関数記号を経路と同時に最適化するものとなっており,より自由度の高いプログラムを生成できる.また,従来手法の振る舞いを分析した結果,用意したノードのうち,入力に近い方のノード群しか有効に活用されていないことが分かった.提案手法では,あらかじめ用意したノード群の一部を探索序盤は使用不可とし,一定のステップ経過後にそれらを使用可能とするもので,使用ノードに関する位置の偏りを解消し,より高性能なプログラムの向上につなげている.進化計算交付申請書では,平成25年度の研究項目として次の3点を挙げた.(1)グラフ構造プログラムを自動生成するアントプログラミングの基本アルゴリズムの設計,(2)比較対象プログラムの実装,(3)提案手法と従来手法の性能比較.特に(1)では,従来手法がノードの種類や位置を固定して配置する必要があることの問題点を解決するため,汎用的なノードを配置し,そのノードにどの機能を割り当てるかについてもアリエージェントの選択によって決定する方法を検討することとしていた.

平成25年度に提案した手法「ノードの置換を行うCartesian Ant Programming」は,不要な関数記号ノードをアリの探索状況から判定し別の記号に置換する仕組みと,置換したノードをアリエージェントの以降の探索に積極的に利用するフェロモン更新の仕組みを導入し,よりプログラムの表現能力の高い手法を実現した.上記項目(1)のアリエージェントの行動評価およびフェロモンによる環境へのフィードバック方法の設計の観点から,従来の固定的なアリエージェントの行動環境設定を改善する新たなアルゴリズムが設計できた.提案アルゴリズムの有効性の検証については,比較手法として,従来のCartesian Genetic ProgrammingおよびCartesian Ant Programmingに対して,関数同定問題を対象に実験を行っており,上記項目(2),(3)についても一定の成果が得られた.平成25年度内に達成できなかった論理関数合成やデータ分類などの他の問題においての有効性の検証は来年度の課題である.なお,この研究成果については,同年度内での学会発表は行えなかったが,平成26年度に国際会議等で進捗状況を報告する予定である.当初の研究計画として,平成26年度は次の2つを研究項目としている.(1)探索空間の大きい問題における有効性の検証,(2)異種エージェントを導入した非均質なコロニーによるアントプログラミングの検討.平成26年度は,これらを実施すると共に,平成25年度の研究を進める過程で得られた以下のような新たな検討事項についても引き続き研究を進める予定である.1つは,より汎用的なアリエージェントの行動環境の設計である.平成25年度に提案したアルゴリズムは,適応的にアリエージェントの行動環境を変更する手法であるが,探索序盤の関数ノードの配置は従来手法の設計を利用したものである.各ノードの接続関係だけでなく,関数記号の各ノードへの割当てまでをアリエージェントの選択に任せ,探索の序盤からより自由度の高い探索を可能とすることができるか検討したい.また,アリの群知能を利用したグラフ構造プログラムの自動生成については,近年,筆者らがこれまでに提案したCartesian Ant Programmingに基づいた新たな手法[1]の提案がなされている.これら最近の研究動向についても,比較手法等に取り込み,実験および有効性の検証を行う予定である.本研究課題では,提案アルゴリズムの有効性をより探索空間の大きな問題で検証するため,当研究室が所有するロボットシミュレータソフトウェアを利用する計画であり,このソフトウェアの保守およびライセンス更新に必要な費用を計上している.平成25年度は,提案アルゴリズムの設計及び基本的なベンチマーク問題での有効性の検証までを行ったため,このソフトウェアに関する保守およびライセンス更新費は今年度は使用しなかった.平成26年度は,提案手法の有効性を探索空間の大きい問題において検証するため,エージェントの行動制御問題に適用する計画である.今回生じた次年度使用額については,当研究室が所有するロボットシミュレータソフトウェアの保守およびライセンス更新費用として利用する.シミュレーションの同時実行可能数が上がるなど,最適化実験の実施効率の改善が期待できる.
C型肝炎における鉄代謝異常と肝発癌

平成17年度までに、HCV全遺伝子が組み込まれたトランスジェニックマウス(HCV TgM)に軽度の鉄過剰餌を与えC型慢性肝炎患者に匹敵する肝内鉄濃度に達すると、肝細胞癌を含む肝腫瘍を生じる発癌モデルの作製に成功した。そこで本研究ではHCV TgMを用いてHCVタンパクが鉄代謝に与える影響について検討した。肝臓におけるhepcidin nRNAおよびprohepcidinのタンパク発現レベルはHCV TgMがコントロールマウスに比べて有意に低く、これに対応して十二指腸ならびに脾臓における鉄汲出しタンパクであるferroportinの発現はHCV TgMで亢進していた!HCV TgMのprimary hepatocyteにhepcidin promoterをtransfectionしreporter assayを行ったところ、HCV TgMではhepcidin promoter活性が低下していることが明らかとなった。転写因子のひとつであるC/EBPαのDNA binding activityがHCV TgMでは有意に低下していた。C/EBPファミリーの一つであるCHOPはC/EBPα、C/EBPβとheterodimerを形成してC/EBPα、C/EBPβのDNA結合活性を低下させるためHCV TgMの肝におけるCHOPの発現をwestern blottingで解析したところ、HCV TgMのCHOPの発現はコントロールに比べて有意に上昇していた。さらにCHOPの発現充進時期に一致して肝組織内の活性酸素の産生が亢進していた。以上の結果より、HCVタンパク存在下では活性酸素の産生亢進に伴うCHOPの発現増加によりC/EBPαのDNA結合活性が低下し、これによりhepcidin promoter活性が低下することでhepcidinの転写活性が低下し、結果的に十二指腸からの鉄吸収ならびに網内系からの鉄放出が亢進することで肝の鉄蓄積が引き起こされることが明らかとなった。本研究はC型慢性肝炎における鉄蓄積機構を世界で初めて明らかにしたものとして国際的にも注目された。HCV全遺伝子が組み込まれたトランスジェニックマウス(HCV TgM)を用いて、HCVタンパクが鉄代謝に与える影響について検討した。肝臓におけるhepcidin nRNAおよびprohepcidinのタンパク発現レベルはHCV TgMがコントロールマウスに比べて有意に低く、これに対応して十二指腸ならびに脾臓における鉄汲出しタンパクであるferroportinの発現はHCV TgMで亢進していた。肝臓内の鉄蓄積はKupffer細胞にも認められたが、肝細胞優位であった。一方、肝細胞内の鉄蓄積に応じてferritinの発現は亢進し、transferrin receptorlの発現は低下しており、iron regulatory protein(IRP)/iron response element(IRE)の調節は正常に機能していると考えられた。Lipopolysaccharide(LPS)の腹腔内投与により肝臓内のIL-1β,IL-6,TNF-α濃度が上昇し、これに伴いhepcidinの発現も亢進した。したがって炎症性サイトカインによるhepcidinの誘導能も機能していると考えられた。HCV TgMのprimary hepatocyteにhepcidin promoterをtransfectionしreporter assayを行ったところ、HCV TgMではhepcidin promoter活性が低下していることが明らかとなった。転写因子のひとつであるC/EBPαがhepcidin promoter活性に関与することが報告されているため、C/EBPαのDNA binding activityを測定したところHCV TgMでは有意に低下しており、肝内の活性酸素の産生が亢進していた。

以上より、HCV誘導性の活性酸素がC/EBPαのDNA binding activityを低下させることによりhepcidin promoter活性を低下させ、肝内の鉄蓄積を引き起こすと考えられた。平成18年度までにHCV全遺伝子が組み込まれたトランスジェニックマウス(HCV TgM)の肝内鉄蓄積機構として、鉄代謝ホルモンであるhepcidinの転写活性が低下しており、その原因としてhepcid in promoterの転写因子のひとつであるC/EBPαのDNA結合活性が低下していることを明らかにした。平成19年度はこのC/EBPαのDNA結合活性がなぜ低下しているかについて検討を行った。C/EBPファミリーにはC/EBPα以外にC/EBPβ、C/EBPδ、C/EBP homology protein(CHOP)が知られている。このうちCHOPはC/EBPα、C/EBPβとheterodimerを形成してC/EBPα、C/EBPβのDNA結合活性を低下させることが明らかにされている。そこで4ケ月齢、8ケ月齢、14ケ月齢のHCV TgMの肝におけるCHOPの発現をwestern blottingで解析したところ、8ケ月齢、14ケ月齢のHCV TgMのCHOPの発現はコントロールに比べて有意に上昇していた。さらにCHOPの発現亢進時期に一致して肝組織内の活性酸素(スーパーオキサイド)の産生が亢進していた。以上の結果より、HCVタンパク存在下では活性酸素の産生亢進に伴うCHOPの発現増加によりC/EBPαのDNA結合活性が低下し、これによりhepcidin promoter活性が低下することでhepcidinの転写活性が低下し、結果的に十二指腸からの鉄吸収ならびに網内系からの鉄放出が亢進することで肝の鉄蓄積が引き起こされることが明らかとなった。このHCV TgMの肝蔵には炎症を伴わないなどC型慢性肝炎と同一視できない部分もあるが、本研究はC型慢性肝炎における鉄蓄積機構を世界で初めて明らかにしたものとして国際的にも注目され、その研究成果はGastroenterologyに掲載された。
連続体における特異点集合の形状最適化問題の理論と応用

破壊力学でのエネルギー解放率、そして連続体の形状感度解析を包含する計算量として一般J積分を考案し、最適形状を求める畔上教授(分担者)によるH1勾配法と結びつけることで「偏微分方程式境界値問題での特異点集合の形状最適化問題」の定式化と解法を導いた。特異点形状最適化の対象は、混合境界を含む境界形状、亀裂形状、不連続係数での界面であり、評価関数としてはエネルギー、平均コンプライアンス、平均2乗誤差、固有値などが使える。汎関数の形状感度解析は物質微分を含む項と初期形状による形状微分に分かれるが、分担者の木村教授は最小値問題における形状感度解析については物質微分を含む項が消えることを示した。この結果により、非線形問題や界面での形状感度が一般J積分で表現できることが容易に証明できた。形状感度解析に一般J積分、形状探索にH1勾配法を用いる特異点形状最適化の解法は、変分法に基づく境界値問題での弱解に対して使え、解の滑らかさを必要としない点にある。また、変分法に基づくことから有限要素法に相性がよく、理論と数値計算とに自然な繋がりを造っている。具体的な数値計算はパリ第6大学J.L.Lions研究所のO.Pironneau教授が開発を始め、F.Hecht教授が開発を続けている有限要素解析ツールFreeFem++を用いている。FreeFem++を用いた計算について高石教授が分担者となっている。特異点集合の形状最適化については、岩波「数学」第70巻に研究の概略を述べた。国内外の研究者による国際会議CoMFoS18において当該科研の成果を発表した。固有値の形状最適化、初期形状と変形後の形状を結ぶ写像による「引き戻し」が許容関数集合間で全単射とならないストークス問題について、V.A. kovtunenko教授との共同研究によってラグランジュ乗数法を使うことで解決できたことが直近の成果である。偏微分方程式境界値問題での解が特異性を持つ点の集合(特異点集合)の形状最適化問題を研究している。点pの任意近傍U(p)において解が滑らかさを持たないとき,点pを「特異点」と言う。特異点集合として,(1)境界,(2)混合境界値問題では異なる境界条件の接合部,(3)亀裂,(4)方程式の係数が不連続な場合の不連続面(界面),(5)空孔,(6)介在物(inclusion),(7)複合材料などを考えている。なお,数学的には(6)と(7)は(4)に帰着でき,(5)は内部境界と考えられる。最適化としては,エネルギーを最小化するエネルギー最小化を基本とし,エネルギー最大化となる平均コンプライアンス最小化問題,そして随伴法を用いることで2乗平均誤差最小化問題も対象とできる。また,亀裂では破壊力学でのGriffithのエネルギー平衡理論を用いる。研究対象は数学だけでなく,工学で有用な研究となっている。申請者が破壊力学でのJ積分を一般化した一般J積分Jω(u,μ)を用いる。ここでuは解,ωは観察する部分を示す「視野」,μはベクトル場である。一般J積分Jω(u,μ)は方程式を考える領域Ωとωの共通部分Ω∩ωでの境界積分Pω(u,μ)と,Ω∩ωでの積分Rω(u,μ)の和で,一般J積分Jω(u,μ)視野内に特異点が無ければゼロとなり,特異点にのみ感度を持つ。本理論は,特異点γの摂動γ(t)におけるエネルギーE(γ(t))に対して,感度解析として「主定理」ベクトル場をμ=dγ(t)/dt(t=0)としたとき,dE(γ(t))/dt≒ーRΩ(u,μ),「最適形状探索」として畔上教授(名古屋大学)によるH1勾配法,数値計算法として有限要素法を用いて求めることができる。弱解に対して適用でき,視野を絞ることで,特異点毎の特性を調査できるのが本手法の特徴である。2次元破壊問題で提唱されていたJ積分を,1981年に3次元破壊問題に拡張したのが一般J積分である。その後,グリーン関数の形状感度解析であるHadamardの変分公式を一般J積分を用いて証明するため,一般J積分を1985年に楕円型方程式境界値問題へ拡張して「主定理」dE(γ(t))/dt≒ーRΩ(u,μ)を証明した。2006年ごろの木村教授(金沢大学)との共同研究で,摂動t→γ(t)に対する条件を弱めることができ,非線形問題でも「主定理」が成り立つことが示せた。また,2010年ごろには畔上教授の提唱するH1勾配法を用いることで形状最適化が数値計算できることが,申請者も関係するパリ第6大学で開発しているFreeFem++を用いて混合境界問題での形状最適化の計算できた。本研究での実施状況は次の通りである。(1)混合境界問題での形状最適化では,他で見られない複雑な形状を取ることが分かった。(2)主定理だけでは全特異点を拾うので,特異点の特性を知ることが難しい。しかし,視野を分割するなどにより特異点を分離し,特異性を取り出すことができる。混合境界問題でのディリクレ境界,ノイマン境界,接合部の特性を理論的に取り出すことができた。

(3)エネルギー最小化の数値計算では,特異性の高い部分から変形が始まり,解の勾配の高い部分と順に最適化していることが分かった。(4)特に,初期段階では解uが3/2次の2乗可積分ソボレフ空間に属さない(境界へのトレースが2乗可積分にならない)特異点が弱い特異性となることが観察される。(5)微分方程式の係数が不連続となる(界面や介在物)問題での主定理が証明できた。(6)これらを岩波`数学'の論説として2017年7月ごろ出版されるので,興味をもつ研究者が増えると予想する。偏微分方程式境界値問題での解が特異性を持つ点の集合(特異点集合)の形状最適化問題を研究している。点pの任意近傍U(p)において解が滑らかさを持たないとき,点pを「特異点」と言う。特異点集合として,(1)境界,(2)混合境界値問題では異なる境界条件の接合部,(3)亀裂,(4)方程式の係数が不連続な場合の不連続面(界面),(5)空孔,(6)介在物(inclusion),(7)複合材料などを対象としている。なお,数学的には(6)と(7)は(4)に帰着でき,(5)は内部境界と考えられる。エネルギー最小化、平均コンプライアンス最小化問題、2乗平均誤差最小化問題、固有値問題といった諸問題における特異点集合最適化について研究している。なお、破壊力学はGriffithのエネルギー平衡理論に基づくエネルギー最小化問題とも考えられる。形状感度解析は申請者による一般J積分を用い、「最適形状探索」として畔上教授(名古屋大学)によるH1勾配法,数値計算法として有限要素法を用いて最適形状を数値計算できる所まで研究が進んでいる。一般J積分を使うことで特異点の感度を分離でき、数値計算結果の理論解析を可能としている。本科研費による研究実績:(1)従来の一般J積分理論の整備、(2)固有値問題への適用、(3)ストークス問題など鞍点として解が得られる場合への適用。許容関数が写像で引き戻せない場合について、ラグランジェ未定係数法を使った解に対するエネルギー形状感度を一般J積分を拡張することで、従来と同様な結果を得られることがKarl-Franzens大学のKovtunenko教授との共同研究でわかった。一般J積分が2次元破壊問題で提唱されていたJ積分を拡張してきた関係で、「一般J積分≒エネルギー形状感度」を研究での根幹としてきた。そこでは、木村教授との共同研究によるパラメータ付汎関数の最小値に関するFrechet微分で物質微分を含む項が消えることを使っていた。そのため、固有値の形状感度解析においてもエネルギーとの関係を探っていたが、研究はデッドロックに乗り上げていた。研究の突破口となったのは、固有値の形状感度解析が物質微分を使わない形に表現できること、その結果を記述する一般J積分が造れることが分かったので、形状最適化の数値計算までの道が開けた。また、ストークス問題での形状感度解析に関するKarl-Franzens大学のKovtunenko教授との共同研究では、ラグランジュの未定乗数法での鞍点に対する形状感度解析では物質微分が消えることが分かり、ストークス問題に対応する一般J積分を造ることが可能である。共同研究は投稿中だが、査読者から鞍点の感度解析に関するCorrea-Seegerの定理を紹介され、鞍点の感度解析においても物質微分を使わずに感度解析が可能であることが分かったので対象問題を広げられる。破壊力学でのエネルギー解放率、そして連続体の形状感度解析を包含する計算量として一般J積分を考案し、最適形状を求める畔上教授(分担者)によるH
機能性流体ＥＣＦを用いた高出力パワー密度マイクロ液圧源

安価で大量生産が可能であると同時に,世界一の高出力パワー密度を有するマイクロ液圧源を実現するために,直流電圧の印加により電極間に活発な流れが発生する電界共役流体(ECF)の駆動原理とマイクロマシン(MEMS)の加工技術を融合した新たなマイクロ液圧源を開発した.高出力パワー密度のマイクロ液圧源の特性評価を行ない,電子チップの冷却,小形なソフトアクチュエータなどの具体的な応用例に適用することによって,その有効性を確認した.安価で大量生産が可能であると同時に,世界一の高出力パワー密度を有するマイクロ液圧源を実現するために,直流電圧の印加により電極間に活発な流れが発生する電界共役流体(ECF)の駆動原理とマイクロマシン(MEMS)の加工技術を融合した新たなマイクロ液圧源を開発した.高出力パワー密度のマイクロ液圧源の特性評価を行ない,電子チップの冷却,小形なソフトアクチュエータなどの具体的な応用例に適用することによって,その有効性を確認した.本研究課題では,ECFマイクロ液圧源の出力パワー密度の向上を目的として,三角柱ースリット形電極対(TPSE)を集積化した高性能ECFマイクロポンプを開発している.本年度では,このマイクロ液圧源の応用研究として,偏心チューブソフトマイクロアクチュエータにECFマイクロポンプを組み込んだソフトマイクロアクチュエータを提案,試作してその特性を解明することを目的とした.偏心チューブソフトマイクロアクチュエータは,偏心した孔を有するチューブの一端が閉じている形状をしており,この孔へECFジェットの圧力を印加することで屈曲動作する.また,そのアクチュエータの応用として,このアクチュエータ3個をフィンガとして組み合わせたECFマイクロハンドを提案し,試作した.先行研究と比較して,発生力は10倍の10mNを目標とし,それを実現するためにECFマイクロポンプの発生圧力は3倍の0.3MPaを目標とした.偏心チューブソフトマイクロアクチュエータについて発生力および変位の測定実験を行ない,ECFマイクロポンプでの駆動に適した寸法および物性値を決定し,圧力0.3MPa印加で目標値以上の11mNの発生力を得た.3本のフィンガを有するECFマイクロハンドの製作を行った.このマイクロハンドはECFマイクロポンプと体積変化ができECFの供給・戻りが可能なECFタンクとを内蔵しているため電気を供給するだけで動作が可能である.アクチュエータを除いた大きさは19.3mm×19.3mm×4mm,体積は1490mm3であり,搭載している電極対は41対直列のポンプ3個分の123対である.システム内にECFを封入するプロセスや外部漏れのない組立プロセスに成功し, ECFマイクロハンドの実現の可能性を示すことができた.本研究課題では,ECFマイクロ液圧源の出力パワー密度の向上を目的として,(a)三角柱ースリット形電極対(TPSE)からなるECFポンプチップを積層するデバイス積層化(MDS)と,(b) TPSE自体の高アスペクト比化(HAR)の二種類の三次元集積方法を提案した.MDSとして,MEMS技術で製作したECFポンプチップを超精密機械加工によるスルーホールで連結させて,高さ0.5mmのTPSEを直列10対×並列3対×2層集積することに成功した.HARを具現する方法として,一層目の鋳型と電極構造体を研削により平坦化し,その上に二層目を積層するMEMSプロセスを用いて,アスペクト比を高くした高さ0.88mmのTPSEを直列10対×並列3対集積した.製作した三次元集積ECFマイクロポンプ(HAR)の最大出力パワー密度は,3.0kV印加時に233kW/m3であり,出力パワー密度が向上することを確認した.また,ECFマイクロ液圧源の応用として,駆動源を一体化したバルーン形マイクロアクチュエータ(ECF-BMA)を提案,試作した.蛇行流路にTPSEを20対直列に配置することで可能な限り小形で高い最大発生圧力が得られる構造とした.このECF-BMAの寸法は,ポンプ部分の体積が441(14.6×12.1×2.5)mm3,駆動部にあたるバルーン部の体積が5.3mm3であり,バルーン部を含めた全長は22.6mmであった.このECF-BMAでは,印加電圧3.5kV時に発生圧力76kPaで,最大無負荷屈曲変位6.0mm,最大発生力0.9mNが得られた.ステップ応答は,印加電圧3.5kV時,立ち上がり時間2.4s,立ち下り時間1.5sであった.このECF-BMAのプロトタイプ2個により構成されるECFマイクログリッパを試作し,印加電圧2.5kVにおいてグリッパの開閉動作と把持動作を確認した.本研究課題では,ECFマイクロ液圧源の出力パワー密度の向上を目的として,三角柱ースリット形電極対(TPSE)を集積化した高性能ECFマイクロポンプを開発している.本年度では,高出力マイクロ液圧ソフトアクチュエータを駆動に必要となる300 kPa以上の高い発生圧力を得るため,電極対のさらなる高密度集積化に有利な新たな電極の並びを提案した.新たな電極対の並び,電極対形状の工夫,電極対の微小化および流路形状の工夫といった高密度集積化を目指した取り組みにより,10×10×1 mm^3の十分小さいECFマイクロポンプにおいて,1.5kV印加で400 kPaの高い発生圧力をはじめて実現した.この結果から高出力パワー密度化とともに駆動電圧の低電圧化ができたことを明確にした.

また,ECFマイクロポンプのパワー密度を向上させる画期的な新たな制作方法として,DRIEを用いて三角柱ースリット形電極対(TPSE)を製作するプロセスを提案し,このプロセスを用いて,電極高さ0.2mm,0.38mm,0.5mmのTPSEを直列10対×並列3対集積したECFマイクロポンプを製作した.本研究室の電鋳のプロセスで製作されたECFマイクロポンプの特性と比較した結果,3.0kV以降印加時に提案したDRIEプロセスを用いて製作したECFマイクロポンプの発生圧力が電鋳のプロセスで製作されたECFマイクロポンプの発生圧力を上回る結果となった.また,発生流量については提案したプロセスを用いて製作したECFマイクロポンプ同士で比較した際に電極高さ0.38mmと0.5mmでは電極高さ1.3倍にも関わらず1.4倍の発生流量となり,TPSEのアスペクト比を上昇させることでECFマイクロポンプのパワー密度が向上することが確かめられた.これにより提案したプロセスを用いて製作されたTPSEの有効性が確かめられた.26年度が最終年度であるため、記入しない。工学26年度が最終年度であるため、記入しない。ECFジェット圧力で駆動されるチューブ状で屈曲動作をするフィンガ形のソフトマイクロアクチュエータを提案し,試作した.ここでは孔が偏心しており一端が閉じているソフトチューブに圧力を印加し,アクチュエータとして用いている.このアクチュエータは発生力および変位に優れ,小形化が容易という特徴を有する.これを駆動するのにECFジェットによる圧力を用いることでコンパクトなシステムができる.その圧力を発生するため,ECF電極対を2次元および3次元に集積したマイクロポンプの実現に成功した.電界共役流体(ECF)を用いたマイクロ液圧源の高性能化のために,三角柱ースリット形電極対(TPSE)の三次元集積化を提案し,多層化プロセスで製作した高アスペクト比TPSEを用いたECFマイクロ液圧源の性能を実験的に明らかにすることで,高出力パワー密度化が可能であることを明確にした.また,ECFジェットの流動メカニズムの解明については,完全ではないが,関連分野の徹底的な文献調査を行ない,内容の検討を行なっているところである.従来の三角柱-スリット形電極対の配列では,三角柱の先端の反対側からスリットへ逆方向のECFジェットが発生しないよう距離を設けられ設計されている.しかし,枠の空間において有効に活用ができず,その空間分の面積を多く使ってしまう.そこで,三角柱-スリット形電極対においてスリットを統合し,前方の三角柱間に後方の三角柱先端を配置した五角柱アレイ電極対を提案する.この配置から,連続的に急峻な箇所からスリットへとECFジェットが発生するというECF効果によってすべての電極がECFジェットを発生させることができ,なおかつデッドボリュームを減らすことができる.五角柱アレイ電極配置では,五角柱の先端から発生されたECFジョットは次の五角柱からのECFジェットの流れに乗ることができ,損失を軽減することが期待できる.この五角柱電極対アレイと従来の電極対は面積比より約30%電極の面積を少なくすることができる.また,五角柱電極対が従来形の電極対と同じ条件において同等の圧力や流量が得られれば体積パワー密度ではデバイスの面積より約2.23倍の性能が期待できる.今後は,この新たな電極形状の試作・実験・性能を評価し,従来の形状との比較検証も行う.1)歩留まりの向上三角柱ースリット形電極対の高アスペクト比化による三次元集積化に成功したものの,まだ100%の歩留まりで多数の電極対を三次元集積できていない.
公開講座のためのＬＥＤを使ったミニイルミネーションの教材開発

研究目的半導体を活用した発光体の一つであるLEDが一般的になってすでに何十年も経っているが、最近になりLEDが再び脚光を集めている。本研究は、安価であり、手軽に扱えるLEDに注目し、ミニイルミネーションの設計・製作を行い、教材開発終了後に「楽しみながら学べる公開講座」を実施することが動機となっている。研究方法ミニイルミネーションの教材開発にあたり、LEDの特性を上手く利用するため、以下の点において工夫を凝らす。1.プリント基板を作製することにより、部品のハンダ付けのみを行うシンプルかつ信頼性の高い構造とする。2. LEDの色の組み合わせや向きによる光り方(同時点滅・交互点滅)の選択を可能にするため、LEDはプリント基板に直接ハンダ付けせず、シングルロウソケット&圧着端子を使用する。3.表示部については、身近な材料を使った飾り付けに対応できるようパンチングボードやリースを用いる。研究成果以下の内容で公開講座を実施した。実施日時:平成26年9月23日(火・祝)13:0016:00参加者:小学校高学年・中学生・一般(10名)講座名: LEDを使ったミニイルミネーションを作ろう講座内容:始めにLEDについて講義(概要説明)を行い、続いてブレッドボードを用いてLED点灯回路の実験(直流・交流)を行った後、ミニイルミネーションを作製(プリント基板に部品のハンダ付け)した。公開講座終了後に実施したアンケート結果は、ほぼ全員から「楽しかった」、「わかりやすかった」、「また、参加したい」などの声が聞かれた。こうした「もの作り」にこだわった教材開発は、「もの作り」の面白さや、ものを作りあげる喜びを得るなど教育効果も高く、今後益々必要とされると考え、平成27年度以降も継続して実施予定である。
Semaphorin3Aシグナルの細胞内伝播機構の解明

神経細胞は、細胞体、軸索、樹状突起と呼ばれる特徴的な細胞区画を有する細胞である。これらは常に相互に情報交換をしており、例えば軸索先端で感知された情報を、他の細胞区画まで伝える必要がある。本申請課題では、軸索の伸長制御に関与する分子の情報が、軸索だけでなく細胞体や樹状突起まで伝わることを明らかにした。さらにこのように伝えられた情報を介して、樹状突起の発育や成熟が制御されることが分かり、実際に神経発生に重要な役割を果たしていることが明らかとなった。本研究では、軸索ガイド分子の1つであるSemaphorin3A (Sema3A)の作用点が軸索成長末端の成長円錐に限局し、樹状突起己まで伝播するという作用様式に着目し、局所からの逆行性シグナルが細胞内をどのように伝播し、その結果どのような作用を発揮するかの解明を目指している。特に本年度は、Sema3A受容体(PkexinA)と神経栄養因子受容体(Trks)の相互作用に着目し、この相互作用がSema3A刺激においてどのように変化するのか、また、すでに知られているSema3Aの樹状突起への作用において、実際にTrksが関与するかに焦点を当てて研究を行った。その結果、これまでは、強制発現系の実験系においての相互作用しか示されていなかったが、神経軸索内において、これらの分子がSema3A刺激に応じて共局在することが分かった。また、Trks側の相互作用部位として、細胞外のLRRドメインを同足した。一般に、中枢神経系の神経発生に深く関与するTrksは、TrkBとされており、末梢神経系においてはTrkAやTrkCが関与することが知られている。そこで、中枢神経系の初代培養細胞を用いて、どのTrksがSema3Aの情報伝達に関与するかを検討したところ、驚くべきことにTrkBではなく、TrkAが関与することが分かった.これまでに、TrkAは中枢神経系においてもその発現が確認されていたが、その機能は不明な点が多かった。従って本研究は、Sema3Aの情報伝播機構の解明のみならず、中枢神経系におけるTrkAの役割を解明することにも貢献できる可能性が見出された。本研究では、軸索ガイド分子の1つであるSemaphorin3A(Sema3A)の作用点が、軸索成長末端の成長円錐に限局し、樹状突起まで伝播するという作用様式に着目し、局所からの逆行性シグナルが細胞内をどのように伝播し、その結果どのような作用を発揮するかの解明を目指している。本年度は、Sema3A受容体(PkexinA)と神経栄養因子受容体(Trks)の相互作用が、実際にSema3Aの生理作用に必須であるかを明らかにするための実験を行った。昨年に引き続き、TrkA側の相互作用部位を詳細に検討した結果、細胞外のIg1ドメインと相互作用することが分かった。そこで、TrkAとPlexinAの相互作用を阻害するため、可溶性型のIg1タンパク(sIg1)を作製し、その添加実験を行った。その結果、sIg1はSema3Aによる軸索成長円錐の退縮応答は阻害しなかったが、樹状突起における作用の一つである、AMPA型グルタミン酸受容体サブユニット・GluR2の移行促進は阻害した。この結果は、昨年までのRNAiの実験から示された、TrkAはSema3Aの軸索への作用には影響を与えないが、樹状突起への作用には関与するという結果と一致した。また、sTg1の局所添加実験を行ったところ、軸索先端にsIg1を添加すると、GluR2の樹状突起への移行を行阻害したが、細胞体・樹状突起領域に添加した場合は阻害されなかった。これらの結果かち、Sema3Aは、軸索先端でPlexinA-TrkAの相互作用を促進し、形成された複合体は細胞体方向へ運ばれ、樹状突起におけるSema3Aの生理作用に関与することが示唆された。昨年までに、Sema3A受容体(PkexinA)と神経栄養因子受容体(Trks)が、海馬培養神経の軸索において相互作用することが、Sema3Aシグナルの軸索から樹状突起への情報伝播に必要であることが示唆された。また中枢神経系で発現するTrksは主にTrkBであるが、本シグナル系で重要なのはTrkAであることを示唆する結果をRNAノックダウンの実験から得ていた。そこで本年度は、RNAノックダウン耐性のTrkA遺伝子を発現させたレスキュー実験を行ったところ、Sema3Aによる効果が認められ、レスキュー効果を示すことが分かった。

従って、TrkAが海馬神経における、軸索から樹状突起へのSema3Aシグナルの伝播に必要であることが分かった。また、このシグナルが実際にSema3Aによる樹状突起形成促進作用に関与するかを、TrkA側の相互作用部位の発現実験により調べたところ、この相互作用部位の発現により、軸索におけるSema3Aの作用は阻害されないが、樹状突起分枝形成における作用は阻害できることが分かった。従って、本申請課題で見出したシグナル伝搬経路は、Sema3Aの樹状突起への作用にのみ関与する新規経路であることが分かった。現在は本シグナル経路が実際に生体レベルにおいても存在するかを検討しているところである。
カルポニン欠失マウスにおける過剰繊維化とその機序

1.カルポニンh1欠失マウスの創傷部位での線維化が強い傾向にありこの原因を細胞の増殖能に着目して明かにするために,カルポニンh1欠失マウスより線維芽細胞を培養し,増殖をカルポニンh1正常マウスとの間で比較した。その結果,カルポニンh1欠失マウス由来線維芽細胞の増殖が必ずしも正常に比べまさっているということはなかった。この事実はin vitroにおける細胞増殖の制御要因がin vivoとは異なるか,増殖以外の要因が線維化を促進していると考えられた。現在、TGFβに対する感受性等について検討を進めている。2.線維芽細胞や他の間葉系細胞である平滑筋細胞の増殖に対するカルポニンh1の関与を調べる目的で,種々の形質転換した線維芽細胞や平滑筋肉腫細胞にカルポニンh1遺伝子を導入した。その結果受容細胞に依存する結果が観察された。すなわち1)カルポニンh1の強制発現で細胞の分化形質が顕著に誘導され,造腫瘍性が失なわれる場合(子宮筋肉腫の場合),2)in vitroでもin vivoでも増殖性が昂進するが(HT1080の場合),細胞接着性が増強し,細胞運動性は低下する場合,3)in vitroでは細胞増殖がやや促進されるが,in vivoでは増殖性が抑制される場合(src癌遺伝子で形質転換したラット3Y1線維芽細胞の場合)など,種々の現象が観察された。(尚、平滑筋型αアクチン遺伝子導入でsrcによる形質転換細胞のin vitro、in vivoの増殖運動が全て抑制されることを観察した。)このようにカルポニンh1の生物学的影響が発現する細胞によって異なる事実をふまえ,カルポニンh1の細胞骨格制御や増殖制御への関わり方は一様でなく,細胞内のどのような分子とどのように関わるのかを個々の場合で明かにしていくことが今後の課題といえる。1.カルポニンh1ノックアウトマウスの創傷部位、例えば尾切断端等で正常なカルポニンh1遺伝子を持ったマウスに比べ線維化が強く生じることを見出した。2.創傷部位の線維化には線維芽細胞の関与が考えられるが、正常なカルポニンh1遺伝子を持ったマウスから線維芽細胞を培養し、線維芽細胞にカルポニンh1遺伝子が発現していることを認めた。3.正常な線維芽細胞3Y1にカルポニンh1、平滑筋型αアクチンが発現しており、これがsrc等の癌遺伝子による形質転換によってカルポニンh1が平滑筋型αアクチンとともに発現低下することを観察した。4.カルポニンh1ノックアウト加齢マウスにおいて、心筋の間や冠動脈の周辺に線維化が認められ、その程度が正常なカルポニンh1遺伝子を持ったマウスに比べ強いことが分かった。5.線維芽細胞以外のカルポニンh1の発現がみられる間葉系の細胞である平滑筋、骨芽細胞等にもカルポニンh1が欠失することによって分化・増殖に影響が現れることを認めた。具体的には子宮形成、骨形成において正常カルポニンh1遺伝子を持ったマウスと欠失マウスとの間に顕著な差が観察された。以上のことから、カルポニンh1遺伝子産物は線維芽細胞の形質転換に影響をもたらすと考えられ線維化を昂進するための形質に関与していることが示唆された。また、広く間葉系細胞の分化・増殖制御にカルポニンh1は関わることが示唆された。