hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
癌細胞の微小環境適応因子の探索

前年度に引き続き口腔癌をモデルに癌細胞微小環境適応因子として同定したRANKLの機能解析を行りた。RANKLのmRNAレベルおよびタンパクレベルでの発現をRT-PCRと免疫染色で行ったところ、いずれのヒト口腔癌組織における発現が培養細胞に比べて高く、なかでも低分化型の組織での発現が高かった。各種口腔癌細胞株における低いRANKLの発現量は、樹立した元の腫瘍の組織型が低分化型であっても同様であったが、培養癌細胞をヌードマウスの口腔に移植したところ、RANKLの発現が亢進した。一方で同じ細胞株をマウスの下肢に移植したところ、口腔に移植して形成された腫瘍と比較して有意に小さく、RANKLの発現も低かった。すなわち生体内の周囲組織依存的に発現したRANKLが、腫瘍形成を制御することが明らかになった。さらにRANKLの腫瘍形成における役割を明らかにするために、RANKL過剰発現細胞を樹立しマウスの下肢に接種したところ、口腔環境同様に腫瘍の形成が認められた。また組織学的に、コントロール細胞で形成された腫瘍が高分化型扁平上皮癌の組織型を示したのに対し、RANKL発現細胞によって形成された腫瘍は低分化性であった。以上の結果から、RANKLは生体内特異的に発現し腫瘍形成を制御する環境適応因子であり、低分化型の癌すなわち悪性度の高い癌の形成に関与する因子であることが明らかとなった。またこの組織型の変化は上皮間葉転換EMTによることも解明した。また、RANKLの下流で誘導される因子としてインテグリンα2を同定し、現在悪性度との関与を解析中である。興味深いことにインテグリンα2の発現上昇は活性化型インテグリンの細胞内輸送を亢進するというデータが得られている。近年、EMT等の癌細胞の形態変化と細胞内膜輸送の関連性が報告されつつあり、我々のデータは新たな分子メカニズムを提供する可能性が示唆される。口腔癌をモデルに癌細胞の微小環境適応因子として、receptor activator of nuclear factor kappa B ligand(RANKL)を同定し、その機能解析を行った。RANKLのmRNA発現をヒト口腔癌組織で検索したところ、舌癌・歯肉癌を問わずその発現が認められた。RANKLの発現量と臨床病期を初めとする種々の因子との相関を検討したところ、組織学的分化度とのみ正の相関が認められた。すなわち、低分化型扁平上皮におけるRANKLの発現量が他の組織型と比較して有意に高く、免疫学組織染色において蛋白質レベルでも発現が確認できた。一方、各種口腔癌細胞株においては、調べた限りRANKLの発現量は著しく低く、樹立した元の腫瘍の組織型が低分化型であっても、コントロールの数倍程度であった。そこで、培養細胞と実際の癌組織での発現量の相違は、癌細胞周囲の微小環境の有無に起因するという仮説を立て、培養癌細胞をヌードマウスの口腔に移植したところ、予想通りRANKLの発現が亢進した。すなわち生体内の周囲組織依存的に発現したRANKLが、腫瘍形成に関与することを示唆する結果である。また組織学的に、コントロール細胞で形成された腫瘍が高分化型扁平上皮癌の組織型を示したのに対し、RANKL発現細胞によって形成された腫瘍は低分化型であった。
電気泳動エピタキシャル電着法によるナノ結晶チタン酸バリウム薄膜の合成

研究目的:本年度(平成15年10月平成16年3月)の研究項目と目的は、(1)チタン酸バリウム(BaTiO_3)ナノ結晶の合成、及びその単分散サスペンション作製法の確立とキャラクタリゼーション、(2)BaTiO_3単分散サスペンションを用いた電気泳動電着法によるSi基板上へのBaTiO_3セラミック薄膜の作製、の2点であり、結果として所期の目的を十分に達成することができた。方法及び結果:先ず当研究室で独自に開発した高濃度ゾル-ゲル法を用い、粒径10-15nmのBaTiO_3ナノ結晶からなるゲルの合成を行った。この基本的な合成法は既に確立していたが、エージングプロセスを改善することによりさらにシャープな粒径分布を持つナノ結晶からなるゲルの合成を行った。次いで、2-メトキシエタノールとアセチルァセトンの混合分散媒を用いたナノ結晶単分散液の作製を行った。これにより、高濃度のBaTiO_3ナノ結晶(0.075mol/L)を分散した透明単分散サスペンションの作製法を確立した。得られたBaTiO_3ナノ結晶のキャラクタリゼーションとして、X線回折測定(XRD)及び高分解能透過型電子顕微鏡(HR-TEM)により、合成されたBaTiO_3ナノ粒子の結晶サイズ、結晶化度、格子定数についての詳細な情報を得た。また、BaTiO_3ナノ結晶単分散サスペンションの安定性を評価するために、ゼータ電位の測定を行った。これにより、アセチルアセトンの添加量とゼータ電位(20-35mV)の変化の様子が明らかになり、安定なサスペンションを与える条件を明確にすることができた。上記のBaTiO_3ナノ結晶単分散サスペンションを用い、電気泳動電着法(EPD)によりPt/Ti/SiO_2/Si基板上にBaTiO_3ナノ結晶薄膜を作製した。本実験により、印加電界2-5V/cm,電着時間5-60minの条件で、1μm以下の任意の膜厚と表面粗さ<10nmという極めて高い平滑度を持つBaTiO_3ナノ結晶薄膜の作製に初めて成功した。現在、作製した薄膜の低温焼成(800°C以下)を行い、緻密なセラミックス薄膜を得る手法の確立及び誘電特性評価についての研究を進めている。
電子ビーム励起プロセシングを対象とした分子シミュレーションの開発

電子ビーム励起による材料改質を再現できる分子シミュレーションの開発を行った。電子衝突過程は衝突断面積に基づくモンテカルロ法により分子シミュレーションに導入した。すなわち、衝突の種類を衝突断面積により確率的に決定した。弾性衝突が起こった場合は二体衝突モデルにより照射電子から被衝突原子へ運動量を移行させた。また、非弾性衝突が起こった場合は被衝突原子周辺に一時的に遮蔽クーロン斥力を付加し、電離により電荷のバランスが崩れた状態をモデル化した。被衝突原子はランダムに選択し、電子照射下の構造変化を分子動力学法により追跡した。また、計算対象となる材料を多元材料に拡張するため、各元素の衝突断面積に基づき衝突を受ける元素を確率的に決定する過程をシミュレーションに導入した。この多元材料への拡張については、シリカガラスを対象に弾性衝突過程についてのみシミュレーションへの導入が終了した。多元材料への非弾性衝突過程の導入は今後の課題である。開発したシミュレーションによりナノカーボン材料を対象に電子ビーム励起プロセスの解析を行ったところ、高エネルギーでの電子ビーム照射では非弾性衝突(電子励起)過程が欠陥生成を抑制する働きをすることが分かった。低エネルギーでの電子ビーム照射では電子励起過程が欠陥構造を部分的に修復し、再結晶化を促進することが分かった。また、開発したシミュレーションにより電子ビーム照射によるナノカーボン材料加工を試行したところ、電子照射を受けた部位の照射損傷生成が電子励起により抑制され、結晶性の比較的良い状態で材料加工が再現された。これらの知見は実験的に得ることが困難であるため、開発したシミュレーションはナノ材料の電子ビーム加工や改質を原子レベルで理解する上で有効な解析ツールとなることが期待できる。高エネルギー電子ビーム照射による電子励起プロセスの分子シミュレーションを開発するため、励起状態を表す原子間ポテンシャルを分子動力学シミュレーションに導入した。電子照射により材料構成原子の結合が切れた状態を、原子間にクーロン斥力を付加する状態に置く仮定でモデル化した。すなわち、確率的に選んだ励起原子に対して、その周辺原子との相互作用を記述するポテンシャルに一時的にクーロン反発項を付加した。アモルファスシリコンに対して電子励起のポテンシャルを導入した分子シミュレーションを実行した結果、電子励起が十分緩和した後のアモルファスシリコンの持つ全エネルギーは、始めの状態に比べてわずかに低くなり、より安定な系に移行した。しかしながら、アモルファスシリコンが結晶化するような大きな構造相転移は見られなかった。また、電子ビーム照射を受けたナノカーボン材料に対して、弾性衝突過程による構造変化を分子シミュレーションにより解析した。電子の弾性衝突過程は衝突断面積に基づき確率的に導入し、二体衝突理論により電子から炭素原子への運動量の移行を計算した。収束した電子ビーム照射による構成炭素原子の叩き出しと、その後の表面再構成により、電子ビームの照射条件に依存したナノカーボン材料の構造変化が見られた。特にカーボンナノチューブでは、電子ビーム照射により屈曲変形を誘起することが可能であり、照射を受けるナノチューブの部位により変形形状を制御できることが分かった。
ゲノム不安定性症候群の分子遺伝学的研究

早期老化や高発ガン性などの症状を呈するRecQ helicase遺伝病の原因遺伝子(WRN, BLM, RTS)の分子遺伝学的解析を目指し、以下の成果をあげた。3ファンコニー貧血症(FANC)とブルーム症候群は従来全く関連のない疾病と考えられていたが、近年FANC複合体とBLMが相互作用することが示された。そこでFANCCとBLMの関係をDT40細胞を用いて解析し、両者の間に密接な関係があることを見いだした(EMBO J.2005)。5出芽酵母Sgs1およびTop3の機能を解析し、Sgs1のDNA傷害時における相同組換え修復誘導能はSgs1と相互作用するTop3に依存することを証明した(DNA Repair 2005)。さらに高等動物細胞でBLMとMSH2が相互作用することが報告されている。そこで酵母sgs1/msh2株を解析し、sgs1株の表現型の一部がMsh2の機能に依存することを示した(DMA Repair,2004)。本年度は、ウェルナー症候群、ブルーム症候群の原因遺伝子WRN,BLMの機能をニワトリDT40細胞株を用いて系統的に解析した。その成果を以下に箇条書きにする。さらにXRCC3の関わる相同組換え(HR)経路とは異なる機能をWRNが有すること、複製後修復に関わるRAD18とWRNが同じ修復経路で働く可能性があることなど、混沌としたデーターを多数得た。3)DT40 wrn/wrnip1,wrnip1/rad18,wrn/rad18の解析から、RAD18とWRNIP1がDNAトポイソメラーゼ阻害剤カンプトテシン(CPT)に感受性を示し、特にrad18株でCPT超感受性を見いだした。xrcc3やrad54株のようなHR欠損株ku70のようなNHEJ欠損株は全くCPTに感受性を示さず、また出芽酵母の遺伝学からRAD18の下流でtrans-lesion synthesis経路で働くことが予想されているREV3の欠損株やPOLκの欠損株でもCPT感受性を示さなかった。このことはRAD18が支配するもうひとつの経路template-switching DNA synthesis経路の欠損がCPT超感受性の原因であるという予想外の結果を得た。本年度は最終年度にあたり、ウェルナー症候群、ブルーム症候群の原因遺伝子WRN, BLMの機能をニワトリDT40細胞株を用いて系統的に解析した。また出芽酵母のWRN/BLMの相同遺伝子SGS1を解析し新たな知見を得た。(2)ファンコニー貧血症(FANC)とブルーム症候群は従来全く関連のない疾病と考えられていたが、近年FANC複合体とBLMが相互作用することが示された。そこでFANCCとBLMの関係をDT40細胞を用いて解析し、両者の間に密接な関係があることを見いだした(平野らEMBO J.2005)。(4)出芽酵母Sgs1およびTop3の機能を解析し、Sgs1のDNA傷害時における相同組換え修復誘導能はSgs1と相互作用するTop3に依存することを証明した(宇井DNA Repair 2005)。その関係を調べるために出芽酵母sgs1/msh2二重変異株を解析したところ、sgs1の欠損で現れる表現型の一部がMsh2の機能に依存することを示した(小野田DNA Repair,2004)。
統合失調症疾患候補遺伝子DISC-1はカリリンを制御しシナプスを維持する。

神経発達を観察すると、DISC-1と同様にDISC-1結合蛋白であるダイニン、BBS4は中心体からスパインに移行するのに対し、r-チュブリン、PCM-1はスパインに移行しなかった。統合失調症疾患候補遺伝子DISC-1はカリリン、Rac1との結合に関与し、カリリン機能を制御しシナプス維持に関与した。難治の統合失調症に効果がありNMDA受容体機能に影響を及ぼすクロザピンが後シナプスのマーカーPSD95を増やすことを発見した。はじめに、DISC-1とKalirin 7の結合を免疫沈降法により結合部位を含めて調べた。Kalirin 7はRacl GEFとしてアクチンの再構築に関与しておりLamellipodia(硝子化)の形成に関与する。そこで、培養細胞を用いて蛍光免疫染色を行うことで、DISC-1がこのKalirin 7の機能を阻害することを突き止めた。この結果を、Racl activation assayを用いて、Kalirin 7のRaclの活性化作用をDISC-1が抑制することを生化学的にも確認した。また、このDISC-1のKalirin 7のRacl GEF機能の阻害作用は、Kalirin 7とRaclの結合をDISC-1が阻害することによってなされることを突き止めその機序を解明した。また、ラット大脳皮質のプライマリーカルチャーニューロンを28日in vitroで培養し、その樹状突起スパインにもDISC-1が存在しKalirin 7と蛍光免疫染色にてco-localizeすることが分かった。DISC-1は細胞の核、中心体、樹状突起、スパインとその神経発達時期に応じて分布している。最近、統合失調症の疾患候補遺伝子として注目されるようになってきているPericentriole materiall(PCM1)やBardet-Bedel syndrome(BBS)タンパクともDISC-1は結合している。このBBSタンパクが中心体にのみではなく、樹状突起、スパインにも分布することを突き止めた。今後、DISC-1の神経発達の段階における分布の変化と機能解析を、Kalirin 7、PCM1、BBS4、r-tubulinなどの細胞骨格タンパクとの関係を通して、RNAiやグルタミン酸系の刺激薬や阻害薬などを使用して、中心体、樹状突起、スパインにおいて更に解析していく予定である。ラット大脳皮質において、DISC-1がPSD分画に存在することを確認した。大脳皮質プライマリーカルチャーニューロンを28日間培養しスパインを形成したものを用い、抗体蛍光抗体法により二重染色したところ、DISC-1はKalirin、actin、PSD95と分布が一致するが、前シナプスのマーカーであるsynaptophysinとは完全に一致していなかった。このことも後シナプスにDISC-1が存在していることを示唆する。また、DISC-1結合蛋白でも、バーデー・ビードル症候群の疾患遺伝子BBS4はスパインに存在するのに対し、統合失調症の疾患候補遺伝子であるPericentriole materiall(PCM1)はスパインに存在していなかった。DISC-1 RNAiを用いてDISC-1の遺伝子発現を抑制するとスパインの形態、数が大きくなり、Kalirin強制発現と同じ形態となり、培養細胞と同じ結果となった。DISC-1結合蛋白は、他にもr-チュブリン、ダイニン、ダイナクチンなどがあるが、神経発達の段階における分布の変化が各蛋白で異なり、スパインに分布する蛋白も異なっていた。難治の統合失調症に効果があると言われているクロザピン(日本は平成21年度発売)は、従来の抗精神病薬であるハロペリドールと異なり、NMDA受容体機能に影響を及ぼすことが報告されている。ハロペリドールは後シナプスのマーカーであるPSD95を減らすのに対して、クロザピンは増やすことから、NMDA受容体機能に関係して、抗精神病薬がシナプスに及ぼす影響が異なる可能性が示唆された。今後、薬理学的検討を含め、各蛋白の発現をRNAiで抑制することで、統合失調症疾患候補遺伝子の神経発達における機能解析を、スパインにおける変化を中心として続けていく予定である。
湿原植物の分布を左右する微地形の水分環境の変動に関する研究

福島県の南会津地方にある面積8haの宮床湿原で微地形、高等植物の分布および泥炭地の水理環境について調査をおこなった。中央よりやや北部が最も高度が高く、湿原全体の比高差は約2.5mあった。北部を流れる水路は人為的に用水化したと考えられた。特徴的な景観としてハイイヌツゲの低木帯が周囲の林に隣接して帯状に存在し、わい小木が中央に一様に分布していた。ヤマドリゼンマイは北部のやや高い地域に多く、ヨシは中央の水路より東部に多かった。ワタスゲ・タテヤマリンドウはほぼ湿原全体に分布していた。周囲に山地斜面から湿原い移る水路沿いのハイヌツゲとハンノキの低木帯下にザゼンソウが分布していた。表層から深さ150cmのピエゾメータにより地下水位の変化を湿原の3ヵ所で連続モニターした。いずれも、異る月変化をし降水量の変化とは関係なかった。凹地と凸地おける150cm深のピエゾメータによる水位は場所によって異なっているが凹凸地による違いはなく、ともに月変化が小さかった。夏期の無降水期に、表層10cmの方が下層30cmより泥炭土壌の毛管ポテンシャルの絶対値は大きかった。凹地に比べ凸地で差が大きく表層はより乾燥していた。土壌水分の連続測定の結果、凸地の毛管ポテンシャルの減少量は降水量と相関が高く、表層10cmの点の方が下層の30cmの点より回帰直線の傾きが大きかった。凸地の毛管ポテンシャルの増加速度は夏期にほぼ同じ程度で、表層で-3.67.1gf cm^<-2> day^<-1>(k Pa day^<-1>)、下層で-2.5-4.3gf cm^<-2> day^<-1>(k Pa day^<-1>)であった。
フラビン蛋白蛍光イメージングを用いたマウス大脳皮質前庭領野同定とその可塑性の解析

前庭系においてはヒトやサルでは島後方のPIVC(Parieto Insular Vestibular Cortex)が前庭領野にあたるが、マウスなどの小型動物では同定されていない。PIVCの機能を解明することにより、前庭障害後の中枢代償やめまい感のメカニズムの解明、めまい治療やリハビリへの応用が期待できる。本研究ではフラビン蛋白蛍光イメージングを用いたマウスの前庭領野の同定が目的である。本研究の初年度は、マウスに対して適切な前庭刺激を探ることから開始した。5-8週のCB57BL/6マウスを用いて、カロリック冷刺激による前庭機能低下刺激や、逆に温刺激による前庭機能亢進刺激を与えても、平衡障害を示す眼振所見の再現性は高くなかった。そこで2年目である今年度は、カロリック刺激以外の刺激として、経外耳道的に鼓室内に電気刺激を与えるガルバニック刺激を試みた。導電気刺激装置からアイソレーター(日本光電SS-203Jを導入した)を介してbiphasic刺激を出力し、直径0.5mm程度の針電極針を経外耳道的に鼓室内の前庭窓へ留置して電気刺激する方法である。他の動物種で実績のある刺激法だがマウスに行った報告はなく、適切な刺激方法、刺激強度などのパラメータを探った。刺激方法の工夫として、まず刺激針電極からの体性感覚刺激を避けるために電極先端以外の部分は絶縁し、手術手技的には耳介や鼓膜、耳小骨などの前庭層より浅い部分の組織を可及的に除去した上で、確実な固定を目的に瞬間接着剤を用いる術式に変更した。また電気刺激の電流値、刺激周波数を変更したところ、刺激周波数に応じて反応する大脳感覚野が変化する所見を得た。すなわち、低周波数刺激ではPIVCと思われる前庭感覚野、より高周波刺激では聴覚野が反応することを示唆する所見が得られた。今後、再現性を確認する予定である。まず前庭刺激として確実に前庭機能低下、または亢進させなければ本研究を進めていくことは困難である。ガルバニック刺激による前庭領野反応の再現性を高める手術手技、適正刺激を見出す段階にとどまっているため。まず、ガルバニック刺激による前庭領野PIVC領域の反応の再現性を高め、マウス大脳皮質の前庭領野を同定する。まだ再現性が乏しいものの、ガルバニック刺激の刺激周波数によって、前庭領野のみならず聴覚野も反応を示すことを示唆するデータが得られており、前庭領野と聴覚野の相互関係を解明したい。聴覚野のみならず、視覚、体性感覚刺激による前庭領野の反応性をフラビン蛋白蛍光イメージングを用いて検討することにより、前庭刺激以外の刺激(視覚、体性感覚)で前庭領野の反応に可塑性が生じるなら、めまいのリハビリに応用できる可能性がある。視覚刺激はマウス正面から30cm離れた位置に赤色LED(λ=613nm)を1秒間点灯、体性感覚刺激は機械刺激装置の先端に綿棒を取り付け、50Hz、1秒間の振動刺激を尾の根元部分に加える予定である。前庭障害後の中枢代償や前庭刺激以外の感覚刺激による前庭領野反応を解明することにより、めまい治療やリハビリへの応用が期待できる。さらに、われわれがマウスを実験動物に使用する理由は、遺伝子改変マウスを使用できることである。加齢性難聴のモデルマウスを用いれば、高齢者の平衡障害患者に対する治療、リハビリプログラムの新規開発に有用な所見が得られると考えている。視覚や聴覚など多くの感覚系においては大脳1次感覚野が同定されている。前庭感覚は視覚や体性感覚と脳内で統合され眼運動系や脊髄運動系へ適切に出力することで空間認知を保ち、それらの感覚入力の統合は脳幹レベルやPIVCにおいて報告され、PIVCは"multisensory vestibular cortical area"であると認識されている。本研究の初年度である今年は、マウスに対して適切な前庭刺激を探ることから開始した。5-8週のCB57BL/6マウスを用いて、カロリック冷刺激、つまり前庭機能低下を試みた。具体的には、マウスの一側外耳道に約20°Cの生理食塩水を注入後、マウスでも眼振を認める例を確認したが、同条件で刺激しても眼振の再現性は乏しかった。約45°Cの生理食塩水を注入して注入側の前庭機能亢進刺激を与えたが、同様に眼振所見の再現性は高くなかった。そこで、カロリック刺激以外の刺激として、経外耳道的に鼓室内に電気刺激を与えるガルバニック刺激を現在試みている。導電気刺激装置からアイソレーター(日本光電SS-203Jを導入した)を介してbiphasicな200μsec、10mAの刺激を出力し、直径0.5mm程度の電極針を経外耳道的に鼓室内へ留置して電気刺激する方法である。他の動物種で実績のある刺激法だがマウスに行った報告はなく、現在、適切な刺激方法、刺激強度などのパラメータを探っている。

まず前庭刺激として確実に前庭機能低下、または亢進させなければ本研究を進めていくことは困難である。眼振所見の再現性が高く、適切な前庭刺激法や刺激条件を模索する段階で留まったため。前庭系においてはヒトやサルでは島後方のPIVC(Parieto Insular Vestibular Cortex)が前庭領野にあたるが、マウスなどの小型動物では同定されていない。PIVCの機能を解明することにより、前庭障害後の中枢代償やめまい感のメカニズムの解明、めまい治療やリハビリへの応用が期待できる。本研究ではフラビン蛋白蛍光イメージングを用いたマウスの前庭領野の同定が目的である。本研究の初年度は、マウスに対して適切な前庭刺激を探ることから開始した。5-8週のCB57BL/6マウスを用いて、カロリック冷刺激による前庭機能低下刺激や、逆に温刺激による前庭機能亢進刺激を与えても、平衡障害を示す眼振所見の再現性は高くなかった。そこで2年目である今年度は、カロリック刺激以外の刺激として、経外耳道的に鼓室内に電気刺激を与えるガルバニック刺激を試みた。導電気刺激装置からアイソレーター(日本光電SS-203Jを導入した)を介してbiphasic刺激を出力し、直径0.5mm程度の針電極針を経外耳道的に鼓室内の前庭窓へ留置して電気刺激する方法である。他の動物種で実績のある刺激法だがマウスに行った報告はなく、適切な刺激方法、刺激強度などのパラメータを探った。刺激方法の工夫として、まず刺激針電極からの体性感覚刺激を避けるために電極先端以外の部分は絶縁し、手術手技的には耳介や鼓膜、耳小骨などの前庭層より浅い部分の組織を可及的に除去した上で、確実な固定を目的に瞬間接着剤を用いる術式に変更した。また電気刺激の電流値、刺激周波数を変更したところ、刺激周波数に応じて反応する大脳感覚野が変化する所見を得た。すなわち、低周波数刺激ではPIVCと思われる前庭感覚野、より高周波刺激では聴覚野が反応することを示唆する所見が得られた。今後、再現性を確認する予定である。ガルバニック刺激による前庭領野反応の再現性を高める手術手技、適正刺激を見出す段階にとどまっているため。まず再現性の高い前庭刺激法を確立し、前庭刺激前後、および刺激中に、フラビン蛋白蛍光イメージングを用いて、ヒト、サルのPIVC領域を参考に島付近の側頭葉を観察し、マウス大脳皮質の前庭領野を同定する。まず対照群としてのnを増やし、手技や結果の再現性を高める事が重要である。その後、前庭領野の同定後、同定された前庭領野を関心領域として、視覚、体性感覚、聴覚刺激による反応性をフラビン蛋白蛍光イメージングを用いて検討する。さらに、これらの感覚刺激を組み合わせて行うことで前庭領野での反応が増強するかどうか検討する。これにより前庭刺激以外の刺激(視覚、体性感覚)で前庭領野の反応に可塑性が生じるなら、めまいのリハビリに応用できる可能性がある。視覚刺激はマウス正面から30cm離れた位置に赤色LED(λ=613nm)を1秒間点灯、体性感覚刺激は機械刺激装置の先端に綿棒を取り付け、50Hz、1秒間の振動刺激を尾の根元部分に加える予定である。まず、ガルバニック刺激による前庭領野PIVC領域の反応の再現性を高め、マウス大脳皮質の前庭領野を同定する。
大型ミリ波サブミリ波望遠鏡観測最適地決定のための大気電波環境の調査

ミリ波およびサブミリ波帯において現在計画されている、世界最高の空間分解能(目標0.1-0.01秒角)と集光力を持つ大型ミリ波サブミリ波アレイ等の大型望遠鏡に最適な設置場所の電波環境等の調査をチリ、ハワイで行ってきた。このような短い波長帯では大気による電波の吸収や位相ゆらぎが大きく、晴天であっても曇量は水蒸気量によってはまったく観測が不可能になる。従ってそのような波長帯で電波望遠鏡の本来の性能を発揮させて観測を行うためには、標高が少なくとも2000m以上の高地で水蒸気量が少なく、電波シ-イングや年間晴天率も良い土地に望遠鏡を設置する必要がある。これまで世界で行われてきた研究調査により、チリの砂漠地帯とハワイの山岳の山頂部が世界的にみて非常に天文観測に向いた気象条件を有する事がわかってきた。しかし、電波シ-イング(大気による空間分解能の限界)やミリ波サブミリ波帯での電波の大気透過率は、これまでハワイの一部でしか調査されていない。本調査研究は、チリの砂漠地帯とハワイ山頂部で電波シ-イングや大気透過率などの電波環境と気象を測定し、さらに地形、標高などと大気電波環境の詳細な関係を調べ、大型ミリ波サブミリ波アレイ等の大型望遠鏡に最良の土地を選定する目的で、進めてきている。94年度までに、チリ北部の高地の砂漠地帯(4カ所)への気象装置の設置、及びチリ・パラナル山への電波シ-イングモニターとラジオメータの設置・調整を行い、これまで測定されたことのない地域で順調に気象及び電波環境データをとる事ができている。測定は現在も継続中である。また、チリ北部の高地の砂漠地帯数カ所にラジオメータを持ち込み、ミリ波帯での大気吸収率の測定を約10日間に渡って行うことができた。さらに本年度は、チリの標高4000-5000mのサイトの電波環境を調査するため、新たにチリ・リオフリオ(標高4100m)への電波シ-イングモニター、及びラジオメータの設置を無事行うことができ、順調に無人で気象及び電波環境データをとる事ができた(チリの標高5000mのサイトは、米国電波天文台との協力でデータを取得した)また、94年度にチリ北部に設置した気象装置、及びチリ・パラナルに設置した電波シ-イングモニター、及びラジオメータでの定常観測を継続、データを回収し、データ解析を行った。一方、ハワイにおける候補地(マウナケア山山頂)についても、地理学的な面からの調査、アクセスの容易性、また大型ミリ波サブミリ波干渉計を設置する上での現地機関(ハワイ大学、ハワイ州)との協力体制も含めた検討を今年度末に行う予定である。これらの測定により、以下の事がわかった。1)パラナル山の付近は、標高(2600m)にわりには電波環境は良い。しかし、大気吸収率などは、サブミリ波の観測が十分行えるほどではない。サブミリ波の観測が可能な大気吸収率0・05%以下の日数は測定全体の5%未満である。2)チリ北部の標高4000mを越えるような高地は、アンデス山脈に近く、北部ほど風が強いなど気象条件はそれほ良くはないが、電波環境に関しては、大気吸収率0.05以下の日数は測定全体の50%以上であり、十分サブミリ波の効率の良い観測が可能である事が分かった。また、大気吸収率は、アンデス山脈に近い標高5000mのサイトの方が、アンデス山脈から多少離れ気象の安定した4000m近辺のサイトより、統計的に低い事がわかった。3)電波シ-イングや大気吸収率についても、標高のより高いサイトの方がパラナル山より良い。位置的には、アントファガスタと同緯度付近の、海岸とアンデス山脈の中間の標高4000mの高地が比較的乾燥しており大気吸収率も小さく、電波環境も良い。4)電波シ-イング及びミリ波サブミリ波での大気吸収率等の電波環境は、統計的には、チリ北部の標高4000m-5000mのサイトの方がハワイ・マウナケア山(標高4200m)より良く、地理学的にもチリのサイトの方が、ミリ波サブミリ波干渉計等の大型電波望遠鏡による観測に敵している。

94年度までに、チリ北部の高地の砂漠地帯(4カ所)への気象装置の設置、及びチリ・パラナル山への電波シ-イングモニターとラジオメータの設置・調整を行い、これまで測定されたことのない地域で順調に気象及び電波環境データをとる事ができている。測定は現在も継続中である。また、チリ北部の高地の砂漠地帯数カ所にラジオメータを持ち込み、ミリ波帯での大気吸収率の測定を約10日間に渡って行うことができた。さらに本年度は、チリの標高4000-5000mのサイトの電波環境を調査するため、新たにチリ・リオフリオ(標高4100m)への電波シ-イングモニター、及びラジオメータの設置を無事行うことができ、順調に無人で気象及び電波環境データをとる事ができた(チリの標高5000mのサイトは、米国電波天文台との協力でデータを取得した)また、94年度にチリ北部に設置した気象装置、及びチリ・パラナルに設置した電波シ-イングモニター、及びラジオメータでの定常観測を継続、データを回収し、データ解析を行った。一方、ハワイにおける候補地(マウナケア山山頂)についても、地理学的な面からの調査、アクセスの容易性、また大型ミリ波サブミリ波干渉計を設置する上での現地機関(ハワイ大学、ハワイ州)との協力体制も含めた検討を今年度末に行う予定である。これらの測定により、以下の事がわかった。1)パラナル山の付近は、標高(2600m)にわりには電波環境は良い。しかし、大気吸収率などは、サブミリ波の観測が十分行えるほどではない。サブミリ波の観測が可能な大気吸収率0・05%以下の日数は測定全体の5%未満である。2)チリ北部の標高4000mを越えるような高地は、アンデス山脈に近く、北部ほど風が強いなど気象条件はそれほ良くはないが、電波環境に関しては、大気吸収率0.05以下の日数は測定全体の50%以上であり、十分サブミリ波の効率の良い観測が可能である事が分かった。また、大気吸収率は、アンデス山脈に近い標高5000mのサイトの方が、アンデス山脈から多少離れ気象の安定した4000m近辺のサイトより、統計的に低い事がわかった。3)電波シ-イングや大気吸収率についても、標高のより高いサイトの方がパラナル山より良い。位置的には、アントファガスタと同緯度付近の、海岸とアンデス山脈の中間の標高4000mの高地が比較的乾燥しており大気吸収率も小さく、電波環境も良い。4)電波シ-イング及びミリ波サブミリ波での大気吸収率等の電波環境は、統計的には、チリ北部の標高4000m-5000mのサイトの方がハワイ・マウナケア山(標高4200m)より良く、地理学的にもチリのサイトの方が、ミリ波サブミリ波干渉計等の大型電波望遠鏡による観測に敵している。チリ北部の高地の砂漠地帯(4カ所)への気象装置の設置、及びチリ・パラナル山への電波シ-イングモニターとラジオメータの設置・調整を行い、これまで測定されたことのない地域で順調に気象及び電波環境データをとる事ができている。1)パラナル山の付近は、標高(2600m)のわりには電波環境は良い。吸収率0.05以下の日数は測定全体の5%未満である。2)チリ北部の標高4000mを越えるような高地は、アンデス山脈に近く、北部ほど風が強いなど気象条件は安定せず、電波環境もあまり良くない。
肺癌に対する樹状細胞療法と血管新生抑制の統合的治療法の開発研究

抗原提示細胞である樹状細胞を用いた治療は、腫瘍に対する新たな免疫療法として有望視されている。従来の樹状細胞を単独で用いる方法と比較して、今回我々が開発した可溶性血管内皮由来成長因子(VEGF)受容体遺伝子を導入した樹状細胞を用いる方法の有用性について検討した。可溶性VEGF受容体遺伝子は樹状細胞に容易に導入することが可能であり、樹状細胞は可溶性VEGF受容体を十分量発現し、樹状細胞自身への傷害作用も殆ど認められなかった。一般的に腫瘍組織においては腫瘍細胞からVEGFが分泌され、その結果、樹状細胞の機能が抑制されるが、可溶性VEGF受容体を遺伝子導入された樹状細胞はVEGF存在下でもVEGFによる抑制機能を阻害し、腫瘍組織内においても有効に抗原提示機能を発揮することが可能であった。また、VEGF存在下では最終的に樹状細胞はアポトーシスに陥ってしまうが、遺伝子導入された樹状細胞はアポトーシス抵抗性を獲得した。さらにマウス肺癌モデルを作成して、in vivoにおける抗腫瘍効果を検討した結果、可溶性VEGF受容体遺伝子を導入した樹状細胞を投与したマウスは樹状細胞単独投与されたマウスと比較して有意に腫瘍抑制効果が認められた。以上の結果より、樹状細胞へ可溶性VEGF受容体遺伝子を導入することで癌に対する細胞性免疫の活性化が誘導され、より強力な抗腫瘍効果が得られることが明らかになった。従来より、樹状細胞への遺伝子導入は困難であるとの報告があった。まず樹状細胞に対する遺伝子導入効率について検討を加えた。あらたなリポフェクションシステムの採用下において、アデノウイルスベクターを用いたLacZ遺伝子は100moi以上の高濃度の感染で約90%の樹状細胞に導入可能であることがβ-gal assayにて判明した。また可溶性VEGF受容体遺伝子に関しても感染濃度が100moiでは、蛍光顕微鏡にて90%以上の樹状細胞が可溶性VEGF受容体を産生しており、ELISA法で測定したその分泌量も十分に認められた。そこで、実際に可溶性VEGF受容体遺伝子を樹状細胞に導入し、得られた遺伝子導入樹状細胞の機能について検討を行った。樹状細胞は骨髄細胞から分化誘導されるが、VEGF添加培地においては樹状細胞への分化が抑制され、MTT assayにてVEGF非添加時と比較して40%程度にまで誘導される樹状細胞数は減少する。また、誘導された樹状細胞の機能を測定するためにallo-MLRにて抗原提示能を検討した結果、VEGF添加により有意にT細胞増殖刺激能は低下した。さらに表面マーカーをflow cytometryで解析した結果、MHC分子,共刺激分子の発現が減弱しており、VEGFにより樹状細胞の機能は低下していることが明らかになった。一方で、樹状細胞に可溶性VEGF受容体遺伝子を導入すると、VEGFを添加しても上述した分化誘導能の低下及び機能低下は阻害され、成熟し抗原提示能を十分に保持した樹状細胞が得られる結果となった。すなわち、VEGFに対する抵抗性を誘導することができた。現在、上記の結果を踏まえて可溶性VEGF受容体遺伝子導入樹状細胞が、生体内においてもVEGFの作用を阻害しうるか、さらにVEGF高産生腫瘍に対しても十分な抗腫瘍効果を誘導できるかを検討中である。

一般的に腫瘍組織においては腫瘍細胞からVEGFが分泌され、その結果、樹状細胞の機能が抑制されるが、可溶性VEGF受容体を遺伝子導入された樹状細胞はVEGF存在下でもVEGFによる抑制機能を阻害し、腫瘍組織内においても有効に抗原提示機能を発揮することが可能であった。また、VEGF存在下では最終的に樹状細胞はアポトーシスに陥ってしまうが、遺伝子導入された樹状細胞はアポトーシス抵抗性を獲得した。さらにマウス肺癌モデル及びマウス悪性黒色腫モデルを作成して、in vivoにおける抗腫瘍効果を検討した結果、可溶性VEGF受容体遺伝子を導入した樹状細胞を投与したマウスは樹状細胞単独投与されたマウスと比較して有意に腫瘍抑制効果が認められた。以上の結果より、樹状細胞へ可溶性VEGF受容体遺伝子を導入することで癌に対する細胞性免疫の活性化が誘導され、より強力な抗腫瘍効果が得られることが明らかになった。
レジオネラの遺伝子解析

レジオネラ・ニューモフィラ(以下Lp)は浴槽水で増殖し、レジオネラ肺炎を引き起こすが、およそ半数のレジオネラ肺炎患者は入浴施設を利用しておらず、感染源は不明である。そこで、浴槽水の他に、冷却塔水、土壌、噴水、シャワー水などから採取されたLpの遺伝子型を調べ、患者由来Lpの遺伝子型と比較した。浴槽水が感染源と考えられた患者由来Lpの遺伝子型は、浴槽水由来Lpと遺伝子型が同じグループに属するものが多く、感染源不明の患者から分離されたLpの遺伝子型の多くは、浴槽水以外の環境から分離されたLpの遺伝子型と似ていた。したがって入浴施設以外の感染源の調査、衛生管理も重要である。1980年から2008年にわが国で分離されたレジオネラ症の主要な起因菌であるL. pneumophila臨床分離株86株について、sequence-based typing (SBT)法により、7種の遺伝子の一部領域の塩基配列を決定し、遺伝子型別を行っていたが、新たに2012年までの分離された177株を追加し、併せて263株について解析を行った。neuA遺伝子が増幅しなかったため型別できなかった10株を除く253株は128種類の遺伝子型(ST)に分けられ、SBT法は遺伝子型別法として有用であることが示された。感染源についてみると、43%が浴槽水と推定・確定されていて、他に空調、加湿器、シャワー、畑仕事などが感染源と推定・確定されているが、50%は感染源不明だった。血清群1の株についてminimum spanning tree解析を行った。昨年度、血清群1の環境分離株の遺伝子型別を行い、8つの遺伝子型グループを形成することを見出した(浴槽水分離株が多いグループB-1、B-2、B-3、冷却塔水分離株が多いグループC-1、C-2、土壌由来株が多いS-1、S-2、S-3)。今年度調べた血清群1の臨床分離株の遺伝子型についても、minimum spanning tree解析の結果、それらのグループと対応させることができた。Bグループに属する臨床分離株は実際に浴槽水が感染源のものが多かった。また、Sグループに属する臨床分離株は感染源不明のものが多く、土埃などからの感染、あるいは土壌が混入している水からの感染が考えられた。他に新しい1つのグループ(感染源が不明のものが多いためUグループと名付けた)が形成され、まだ認識されていない感染源があることも示唆された。レジオネラ症の主たる起因菌であるLegionella pneumophilaについて日本各地からの臨床分離株の遺伝子型別(7遺伝子配列よるSBT法)を行った。一部の菌株で増幅が不可能だったneuA遺伝子に新しいプライマーが導入されたので、今まで型別不能だった10株および、新たに収集された臨床分離株も加えて、前年までの253株に加えて、最終年度は82株について解析した。すべての株のneuA遺伝子がPCRで増幅し、335株は157種類の遺伝子型(ST)に分けられ、SBT法の遺伝子型別法としての有用性が示された。血清群1の環境分離株については、最終年度は116株(浴槽水由来46株、冷却塔水由来39株、土壌由来2株、噴水・修景水18株、シャワー水8株、給湯水3株)について、遺伝子型別を行った。以前の135株(浴槽水由来50株、冷却塔水由来50株、土壌由来35株)も合わせると、251株は81種類の遺伝子型に分けられた。臨床分離株に比べて遺伝子型数が少ないのは、冷却塔水の7割が1つの遺伝子型(ST1)のためである。Minimum spanning tree法により10の遺伝的グループ(浴槽水分離株が多いB1、B2、B3、土壌分離株が多いS1、S2、S3、冷却塔水分離株が多いC1、C2、および由来がさまざまなグループU)が見出された。シャワー水は、B、C、S、Uグループに散らばり、遺伝的傾向が一定しなかった。噴水・修景水はおよそ7割がST1(C1グループ)となったが、それ以外はS、Uグループなどに分散した。臨床分離株と環境分離株の遺伝子型との比較を行うと、入浴施設が感染源と推定される患者分離株はB1-3グループが多く、感染源不明の患者分離株はS1-3グループあるいはUグループが多かった。臨床分離株の遺伝子型により感染源の類推ができることが示された。日本各地から分離された互いに無関係なLegionella pneumophila

血清群1の環境分離株(浴槽水由来50株、冷却塔水由来50株、土壌由来35株)、計135株について、EWGLI (European Working Group of Legionella Infections)の提唱する方法(sequence-based typing)に従い、7種の遺伝子の一部領域の塩基配列を決定し、遺伝子型別を行った。また、6種のモノクローナル抗体(MAb)に対する反応性により、血清群1内のサブタイプを決定した。MAb型別の結果、それぞれの由来により、主要なMAb型は、すべて異なっていた[浴槽水はBellingham (42%)、冷却塔水はOxford (72%)、土壌はOLDA (51%) ]。遺伝子型別については、分離株135株は50種類に型別され、本法が分子疫学的に有用な方法であることが示された。冷却塔水分離株は8種類の遺伝子型に分けられ、74%がST1だった。浴槽水分離株は多様性に富み、50株は34種類の遺伝子型に分けられた。また、土壌分離株35株は11種類に分けられた。異なる由来株で共通だった遺伝子型はそれぞれ1つずつだけだった(冷却塔水と浴槽水はST1、冷却塔水と土壌はST129、浴槽水と土壌はST48)。したがって各々の環境により異なる遺伝子型の株が生息していると考えられた。今年度は臨床分離株の遺伝子解析を行い、環境分離株の遺伝子型によるグループと対応させることができ、実際に浴槽水分離株が多いグループに属する臨床分離株は浴槽水が感染源のものが多いことが分かった。また、土壌分離株が多いグループに属する臨床分離株は感染源不明のものが多く、土埃などが混入するようなまだ考慮されていない感染源の探索の必要性が明らかになった。さらに環境分離株の解析からは見つからなかった新しい遺伝子型グループが明らかになった。L. pneumophila血清群1環境分離株を解析し、異なる環境に生息する菌株がそれぞれ遺伝学的に異なっていることを明らかにした。冷却塔水、浴槽水、土壌に由来する菌株についての解析を行ったが、給湯水由来株については菌株数が十分ではなく解析に至らなかった。また、臨床分離株との比較については進行中である。レジオネラ症の感染源となる可能性のある噴水などの修景水や、給湯水、シャワー水など、まだ調べていない環境分離株の収集を行い、解析を行う。また、SBT法に含まれていない遺伝子についても解析を行う。浴槽水、冷却塔水、土壌以外からの環境分離株を収集して同様の解析を行う。臨床分離株についても同様の解析を行い、環境分離株との違いを明らかにする。本法に含まれない遺伝子についても、解析を行う。引き続き遺伝子解析のための試薬類やプラスチック器具類に研究費を使用する。昨年度から繰り越された研究費は遺伝子解析等のソフトの購入に至らなかったためである。今年度は遺伝子解析のためにその研究費を使用する予定である。また、国による違いがあるかなどをあきらかにするため、国外の研究者と打ち合わせをするための旅費に研究費を使用する。
マクロファージ遊走阻止因子制御による腱・靱帯組織の修復促進に関する研究

マクロファージ遊走阻止因子(MIF)の腱・靱帯損傷の治癒に与える影響は明らかではない。そこでMIF遺伝子の欠損が膝内側側副靱帯(MCL)断裂後の治癒過程に与える影響を検討し、28日におけるMIFknock-outマウスの大腿骨-MCL-脛骨複合体の力学的特性およびMMP-2および-13の遺伝子発現はwildtypeに比し有意に低値であり、組織学的には肥厚しており血管新生に乏しくかつ細胞数の減少の遅延が観察された。以上よりMIF遺伝子欠損はMMPの遺伝子発現抑止を介して、MCL損傷治癒を遅延させることが示唆された。膝内側側副靱帯の修復過程におけるMIFの関与を検討するため,MIFノックアウトマウスを用いた以下の実験を行なった。1)10週令野生型マウス(WT)群およびMIFノックアウトマウス(MIF-KO)群(各群6匹)に膝内側側副靱帯を切離し,処置後4週にて屠殺し、これら標本を力学試験へ供した。力学試験にはVideo-dimension analyzerを組み込んだ生体軟組織材料試験システムを用いて大腿骨一内側側副靱帯一脛骨複合体を摘出し以下の力学的パラメーターの測定を解析した。2)内側側副靱帯の断面積に関してはWT群0.15±0.05 m^2, MIF-KO群0.26±0.07 mm^2とMIF-KO群が有意に高値であった(p=0.01)。大腿骨-内側側副靱帯-脛骨複合体の構造特性に関しては,最大破断荷重はWT群4.71±0.94N, MIF-KO群2.81±0.99NとMIF-KO群が有意に低値であり(P=0.01),線形剛性はWT群4.44±0.26 N/mm, MIF-KO群2.83±0.74 N/mmとMIF-KO群が有意に低値であった(p=0.005)。また,内側側副靱帯の力学的特性に関しては引張強度はWT群33±11 MPa、MIF-KO群11±4 MPaとMIF-KO群が有意に低値であり(p=0.013),弾性率はWT群340±77 MPa, MIF-KO群116±16 MPaとMIF-KO群が有意に低値であった(p=0.0001)。3)以上より膝内側側副靱帯の修復過程においてMIFの欠損は膝内側側副靭帯の修復を阻害することが明らかとなった。(2)WT群ではMCL損傷後3日目で有意なMIFのmRNAの上昇を認めた(p=0.0101)。MMP-2の遺伝子発現は損傷後14日まで両群ともに次第に上昇するが、損傷後28日目ではMIFKO群はWT群と比較し有意に低値であった(p=0.014)。MMP-13の遺伝子発現レベルはWT群では損傷後7日目でピークを示し、MIFKO群に比し有意に低値であった(p<0.0001)。VEGFのmRNA発現はWT群では損傷後28日目で上昇しMIFKO群のVEGF遺伝子発現に比し、有意に高値であった(p<0.0001)。TNF-αとMMP9に関しては両群に有意差を認めなかった。(3)前年度までの研究にて研究者らはMIFKOマウスはWTマウスと比較しMCL損傷損傷後28日目で有意に力学特性の低下することを明らかにしている。さらに組織学的評価ではMIFKOマウスは長期にわたりMCL損傷後の治癒組織は肥厚し、新生血管も少なく、細胞密度の増加を認めていた。以上の知見と本年度の剛Pの遺伝子発現の結果結果から、MIFKOマウスのMCL損傷後の治癒遅延はMMP-2とMMP-13の遺伝子発現の低下により起こったことが示唆された。(1)10週齢のMIFノックアウト(MIFKO)マウスと野生型(WT)マウスを使用し、両側膝関節内側に1cmの縦切開を加え,マイクロ用メスを用いて内側側副靱帯(MCL)を鋭的に全層切離し、術後はケージ内で自由に歩行させた。MCL損傷作製後7、14、28、および56日に屠殺し治癒過程にあるMCLを摘出し、HE染色を行い光学顕微鏡を用いて以下の定量的評価を行った。MCLの損傷部位を中心に300×300μm2の正方形の中にある細胞数を測定し、その値から100×100μm2当たりの細胞数を算出し、細胞密度と定義した。また損傷部位付近の血管数を算出した。(2)損傷後7日目では靱帯損傷部位周囲は疎な、配列方向が一定していない線維組織と、多数の小さな円形もしくは、紡錘形の核を持つ細胞で満たされた。

WT群の治癒組織の厚みと細胞密度の上昇は、損傷後7日目でピークを迎えるのに対し、MIFKO群では損傷後14日目でピークを迎えた。これらのパラメーターに関して、WT群は損傷後28、56日目でほぼ正常のレベルまで低下するのに対し、MIFKO群は損傷後56日目になっても有意にWT群に対し高値のままであった。(3)前年度までの研究にて研究者らはMIFKOマウスのMCL損傷損傷後28日目でWTマウスと比較し有意に力学特性の低下し、MIFKOマウスのMCL損傷後にMMP-2とMMP-13の遺伝子発現の低下により起こったことを明らかにしている。これらの知見を総合するとMIFの欠損は、MMP-2とMMP-13の発現の低下により、MCL損傷後の長期にわたり損傷治癒を遅延させ、力学的強度の低下をもたらすことが示唆された。力学的試験の技術的失敗により力学評価に必要な標本数が予定より弱干不足していることを除き、概ね順調に伸展している。24年度が最終年度であるため、記入しない。前述の不足分の標本数を追加し、論文作成を行ない、国際学会での成果発表および国際学術誌への投稿を予定している。
電子加熱に対する不純物イオン輸送の過渡的応答に関する研究

プラズマ乱流を介した間接的な炉心制御手法の開発に向けて、プラズマ加熱に対する過渡的プラズマ応答の理解が重要な課題となっている。本研究では、変調電子加熱実験で観測されている不純物イオン輸送の過渡的応答を明らかにするために、大域的full-fジャイロ運動論コードGT5Dを多種イオン系モデルに拡張し、最先端スーパーコンピュータを駆使してエネルギー閉じ込め時間スケールの数値実験を実施する。これにより原子番号Zの異なる様々な不純物イオンの電子加熱に対する応答を再現し、不純物イオン輸送の過渡的応答をもたらす非局所、非線形、かつ、電子・多種イオンを含む複数輸送チャネルが相互作用するプラズマ輸送現象を解明する。今年度はGT5Dを多種イオン系モデルに拡張した。特に、異種粒子衝突演算子に関しては、電子やバルクイオンとの質量比が極端に大きく、衝突演算子のクーラン条件が厳しいタングステン等の高Z不純物の解析に向けて、衝突演算子の陰解法ソルバを開発した。新古典輸送理論に対する不純物の衝突性輸送を検証し、低Z不純物から高Z不純物まで新古典輸送理論を定量的に再現できることを確認した。また、GT5Dにおける従来の運動論的電子モデルでは無視していた対流セル(トロイダルモード数n=0、ポロイダルモード数m=1の静電ポテンシャル)の不純物輸送への影響を調べるために、運動論的電子モデルを改良し、対流セルを含む数値実験を可能とした。次年度以降のプロダクション計算に向けてこれらの開発モデルを統合し、さらにメニーコア計算機向きの省通信アルゴリズムを導入することで並列計算性能を向上した。次年度はバルクイオンに比べて低密度のトレーサー不純物を含むイオン温度勾配駆動乱流の数値実験を実施する。初年度に予定していた大域的full-fジャイロ運動論コードGT5Dの多種イオン系モデルへの拡張を完了した。これに加えて、2018年に発表された不純物輸送の大域的乱流輸送解析に関する先行研究の議論を反映して、当初予定していなかった運動論的電子モデルの改良を実施した。これにより、次年度のプロダクションランの準備が完了した。今年度に多種イオン系モデルへの拡張、および、運動論的電子モデルの改良を完了した大域的full-fジャイロ運動論コードGT5Dを用いてトレーサー不純物を含むイオン温度勾配駆動乱流の数値実験を実施する。今年度に実施した予備的な数値実験結果から、トレーサー不純物間の相互作用は無視できることがわかったため、次年度に予定しているプロダクション計算では、単一の数値実験において複数粒子種のトレーサー不純物を同時に解析することで計算コストを削減する。今年度のコード開発に必要な計算が想定より小規模であったため、原子力機構の計算資源を用いて研究開発を行うことができた。このため、スーパーコンピュータ利用負担金が未使用となった。当該予算は次年度以降のプロダクション計算のためのスーパーコンピュータ利用負担金として利用する。