hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
早期回復を促し安全で長時間駆動可能なエネルギー回生型ウエアラブル装具の開発

ウエアラブル機器に制御機能をもたせ高機能化し、かつ、安全な長時間の連続駆動を可能とするため、制御中の機器の動作や健常部の運動からエネルギーを回生することを検討した。セミアクティブ短下肢装具、2つのDCモータを用いた力センサレスのシンプルなマスタースレーブシステム、および上肢リハビリ訓練装置を開発し、86.5%の高い電力回収率、高い追従性、さらに、患者自身の機器コントロールによるリハビリの効果向上を確認した。リハビリテーションや生活を支援するウエアラブルな機器に制御機能をもたせ、同時に、安全に駆動源を確保する課題に対し、エネルギー回生の技術を適用することを考えた。セミアクティブ制御の最適化として、実装回路の前段階である昇圧チョッパの基礎回路で数値計算と実験により想定可能な入力条件のちがいによる回生電圧量を取得した結果、両者はよく一致した。これにより、エネルギー回生率の定量評価が可能となったので、実装回路での効率化の検討へ展開していく。次に、アクティブ制御への導入として、2つのDCモータを用いた簡易システムを作製し、理論解析、および実験による検証を行った。提案は、小型軽量と安全性を考慮して大型の外部電源と力覚センサを用いることなく、エネルギー回生によって2端での操作が可能なシステムである。具体的には、患者の健常側の運動エネルギーを入力してモータを通して電気エネルギーに変換し、そのエネルギーをもう一方のモータで機械エネルギーに再変換して麻痺側(リハビリ機器)を動かす。同様の過程により麻痺側の抵抗が健常側に帰還されるため、患者自身が麻痺側の反力を感じることができる。しかしながら電気系でのエネルギー消散により運動制御性能が低下するためその改善法として、速度や変位フィードバックにより小型バッテリを用いた損失分の補充、モータ特性の利用、増速機構の挿入、およびこれらの組み合わせについて、理論と簡易実験による検証を行い、速度、位置に対する高い追従性を確認した。さらに実用化の一例として、バイラテラルな上肢リハビリが可能な試作機を開発し、提案法のウエアラブル機器への導入に対する効果を確認した。よって、患者自身が安全に機器操作や症状に適した微調整を行うことが可能となる見通しを得た。次年度では、片麻痺者が歩行時に用いる短下肢装具への適用と、定量評価を行う。リハビリテーションの効果向上をねらいウエアラブルな機器や装具に制御機能をもたせ、かつ、外部電源を用いずに長時間の連続駆動を可能とするため、制御中の機器の動作や健常部の運動からエネルギーを回生することを検討した。1.セミアクティブ制御の最適化では、電力回収率の高効率化が重要課題である。例題として短下肢装具を試作し、昇圧チョッパの基礎回路で数値計算と実験からデューティ比ごとの回生量を導出し、これを基にさらに、回路の実装、機構改善を行って試作機による歩行実験を行った。結果、片麻痺歩行で問題となる下垂足と歩きにくさが、歩行状態のセンシングにあわせた短下肢装具の足関節部の減衰可変制御により改善される結果が得られた。また、歩行時の足関節のブレーキ力の回生による電力回収率を導出した結果、86.5%となり、長時間使用が可能なことが明らかとなった。2.アクティブ制御の検討として、小型軽量化を考慮したマイコン制御による2つのDCモータを用いたマスタースレーブシステムを試作した。健常側の運動をモータを通して電気エネルギーに変換し、そのエネルギーをもう一方のモータで機械エネルギーに再変換して麻痺側を駆動する。このとき問題となるのが電気系でのエネルギー消散による運動制御性能の低下である。改善策として、変位フィードバックにより小型バッテリを用いた損失分の補充、増速機構の挿入を行い、結果、理論と実験から、力センサを用いずに力覚を有しながら、広い駆動速度範囲において速度、位置に対する高い追従性を実現できた。よって、患者自身が自らの意思によりウエアラブル装具を操作できるシステムの開発が可能となり、能動的なリハビリにより脳神経系と連動させた効果向上が期待できる。
C型肝炎ウィルス遺伝子の複製開始機構の解析

申請者はHCVゲノムの複製機構を明らかにする目的でゲノム3'末端の構造について詳しい解析を行った。その結果,従来知られていなかった新たな構造が3'末端に存在することを発見し,3'X配列と名付けた。この3'X配列は98ヌクレオチドから成り,異なる型間で高度に保存されており,また特徴的な高次構造を取り得ることを明らかにした(Tanaka et al.J.Virol.1996)。3'X配列はゲノムの複製に中心的な働きをすると考えられることから,まず,RNA複製酵素などのHCV遺伝子産物との相互作用について検討した。真核細胞や大腸菌においてHCV遺伝子を発現させ,ゲルシフトアッセイ,UVクロスリンキングアッセイなどにより解析を行ったが,3'X配列との相互作用は検出できなかった。そこで,次に3'X配列と細胞性因子との相互作用を検討したところ,UVクロスリンキングアッセイにより複数の細胞タンパク質が3'X配列と結合することが観察された。種々の領域の3'末端配列を用いた阻害実験などにより,57kDaと38kDaのタンパク質が特異的な結合を示すことがわかった。このうち,結合の最も強い57kDaのタンパク質について詳しく解析した結果,これがポリピリミジントラクト結合タンパク質(PTB)と同一であることを発見した。3'X配列上のPTB結合部位も同定した(論文投稿中)。現在,細胞タンパク質の関与の元でHCVのゲノムがどのような機構で複製されるのか,という視点から研究を進めている。
古代アメリカの比較文明論

本領域研究の目的は、1精密な自然科学的年代測定法や古環境復元によって、メソアメリカとアンデスの高精度の編年を確立し環境史を解明する、2精密な編年をもとにメソアメリカ文明とアンデス文明の詳細な社会変動に関する通時的比較研究を行う、3植民地時代から現代まで、メソアメリカとアンデスの文明が中南米の先住民文化に及ぼした影響を検証することである。さらにこれらの成果をもとに導かれる歴史的教訓と文明研究の今日的意義を探求する。本研究は、新学術領域研究「環太平洋の環境文明史」(平成21-25年度、領域代表者:青山和夫)の成果を踏まえ、環境と文明の関係を一層精密に検討し、文明の変動を人口変動、戦争、経済、イデオロギー等の諸側面からも実証的かつ多面的に検証するためにメソアメリカとアンデスに地域を絞る。また計画研究A04「植民地時代から現代の中南米の先住民文化」を加え、より長い時間軸で文明の動態を探求する。総括班は、研究代表者である青山の主導のもと、1領域全体の研究方針の策定と企画・調整、2研究活動の監督と協力、3研究成果のとりまとめと公表、4研究成果の社会還元、5研究成果の総括と評価、6総括班会議と全体研究集会の主催に関して責務を負う。2019年2月に東京で公開講演会を主催し、領域ウェブサイトで情報を社会に発信した。2月に総括班会議と領域会議(研究者全体会議)を主催して、領域研究の成果を報告し、意見交換を行った。総括班の主導のもと研究成果をわかりやすく解説する一般書『古代アメリカの比較文明論』を京都大学学術出版会から2019年度に出版するために原稿を執筆・編集した。平成30年度が最終年度であるため、記入しない。本年度は総括班活動として、以下の項目を実施した。1領域全体の研究方針の策定と企画・調整:研究組織のデータベースとメーリングリスト(ML、総括班、各計画研究別)を作成し、連絡体制を採択直後に確立した。2研究活動の監督と協力:10月に研究者全体集会を主催した。総括班会議及び、必要性に即応してウェブ会議やML持ち回り会議を開催した。個々の計画研究の活動(調査・分析・発表等)を迅速に把握し、計画研究間の協力関係をまとめた。その結果、効率的な領域運営が実現できた。3研究成果のとりまとめ・公表と社会還元:領域発足直後にウェブサイトを立ち上げた。4研究成果の総括と評価:各計画研究の成果を報告し、意見交換を行った。5総括班会議を3回(7月、12月、1月)開催し、領域の企画調整や進行状況を報告、評価し、次年度へ向けた企画立案を行った。総括班は、上記の研究活動を円滑かつ効果的に推進するために、以下の項目を実施した。1領域全体の研究方針の策定と企画・調整、2研究活動の監督と協力:6月に研究者全体集会を開催した。総括班会議および、必要性に応じてウェブ会議やML持ち回り会議を開催した。個々の研究活動(調査、分析、発表等)を迅速に把握し、計画研究の協力体制を強化した。その結果、効率的な領域運営を実現できた。3研究成果のとりまとめと公表・社会還元:6月に国立民族学博物館で公開講演会を開催し、領域ウェブサイトで情報を社会に発信した。4研究成果の総括と評価:各研究計画の成果を報告し、意見交換を行った。6総括班会議を3回(6月、1月、2月)開催し、領域の企画調整や進行状況を報告、評価し、次年度に向けて企画立案した。領域全体の研究活動を、ほぼ当初の計画通りに推進できたため。

本領域研究の目的は、1精密な自然科学的年代測定法や古環境復元によって、メソアメリカとアンデスの高精度の編年を確立し環境史を解明する、2精密な編年をもとにメソアメリカ文明とアンデス文明の詳細な社会変動に関する通時的比較研究を行う、3植民地時代から現代まで、メソアメリカとアンデスの文明が中南米の先住民文化に及ぼした影響を検証することである。さらにこれらの成果をもとに導かれる歴史的教訓と文明研究の今日的意義を探求する。本研究は、新学術領域研究「環太平洋の環境文明史」(平成21-25年度、領域代表者:青山和夫)の成果を踏まえ、環境と文明の関係を一層精密に検討し、文明の変動を人口変動、戦争、経済、イデオロギー等の諸側面からも実証的かつ多面的に検証するためにメソアメリカとアンデスに地域を絞る。また計画研究A04「植民地時代から現代の中南米の先住民文化」を加え、より長い時間軸で文明の動態を探求する。総括班は、上記の研究活動を円滑かつ効果的に推進するために、以下の項目を実施した。1領域全体の研究方針の策定と企画・調整、2研究活動の監督と協力、3研究成果のとりまとめと公表・社会還元。6月にキャンパスイノベーション・センター東京で公開講演会を開催し、領域ウェブサイトで情報を社会に発信した。4研究成果の総括と評価:各研究計画の成果を報告し、意見交換を行った。5総括班会議を5回(6月に2回、9月に2回、1月)開催し、領域の企画調整や進行状況を報告、評価し、次年度に向けて企画立案した。領域全体の研究活動を、ほぼ当初の計画通りに推進できたため。7月に国立民族学博物館で公開講演会を主催し、領域ウェブサイトで情報を社会に発信した。5研究成果の総括と評価:7月に国立民族学博物館で領域会議(研究者全体集会)を主催して各研究計画の成果を報告し、意見交換を行った。6総括班会議を2回開催し、領域の企画調整や進行状況を報告・評価し、次年度に向けて企画立案した。
研究シミュレーションによる新たな医学系大学院教育の確立

研究成果は以下の2つに大別できる。一つはデータベースとパスウエイ解析を使った研究シミュレーション実習の確立と、この実習がバイオインフォマティクスのための有効な教育手段であることの証明である。福井大学医学系研究科博士課程において試行した結果は、バイオインフォマティクス専門家が不在の大学でも、短期で実施可能な実習として成立することを示した。さらに、良好な教育効果も得られた。もう一つは大学連携による実習教育システムの構築である。大学横断型技術研修会の組織を使い、ウエブ会議を利用して大学間で行う遠隔実習を可能にした。研究シミュレーション実習技術の拡散と普及のためのシステムとして利用を予定している。研究シミュレーションを大学院生向けの学生実習として成立させるため、次のような実習プログラムを組み立てた。1. NCBI GEO(http://www.ncbi.nlm.nih.gov/geo/)等の遺伝子発現情報データベースからの関連データの検索。→2.ダウンロードデータの変換(遺伝子の抽出、分類、比較、意味づけのための数値標準化)。→3.遺伝子発現解析ソフトによる個々の遺伝子の比較とパスウエイ解析ソフトによる全遺伝子発現の比較。平成26年度は大学院生1人、基礎医学系研究者1人の協力を得て、この実習プログラムをすべて手作業で適用し、検討を行った。1.のステップはArray Express (http://www.ebi.ac.uk/arrayexpress/)の検索エンジンを利用することで、3.のステップについてはIngenuity Pathway Analysis (IPA)の機能を効果的に利用することで、問題なく進行した。バイオインフォマティクスの未経験者対象と仮想しても、実習プログラムの基本骨格として十分活用していけると考えている。ただし、3.を正確に行うためには2.のデータフォーマットの変換やデータ処理に対する要求が高度になり、このステップの自動化ソフトの開発には今回の予算では全く足りないことも判明した。自動化ソフト開発は今後の課題としつつ、本来の目的は教育プログラム構築とその効果の判定なので、次善の方策として2.のステップは外注+マニュアルで行うこととして再構築した。今回自動化ソフトの開発相談をした(株)Subioの担当者と検討を重ねた結果、外注部分はマルチオミクス管理ソフトSubriumを利用することで、1件あたり約1万円程度の費用で実習への適用が可能となり、自動化ソフトの開発よりはるかに安価に進めることができると判明した。本申請の期間中に予算範囲内でプロジェクト進行が可能であることも確認できた。平成26年度の研究実績から、NCBI GEOを検索し選んだデータを、マルチオミクス管理ソフトSubriumを利用しつつパスウエイ解析ソフトIPAによりシミュレーションを行う形式で「研究シミュレーション」の実施手順を確立した。大学院教育の現場でこの形式の研究シミュレーション実習の適用と実施数の拡大を目指し、平成27年度は「医学系大学院教育カリキュラムの中での実験的実施」「大学間連携を利用した実施枠の拡大」の2点に重点をおき研究を進めた。教育現場での実験的実施:福井大学医学系研究科博士課程、統合先進医学専攻共通科目の「実験基礎演習」の選択実習に「ワークショップ:研究シミュレーション」を設定し、参加者の募集をした。合計4名の募集に対し、定員いっぱいの応募があり、応募者全員に対して研究シミュレーションを実施した。参加者については実施後アンケートをとり、良好な教育効果を示す結果が得られている。また参加者のパスウエイ解析ソフト再利用率が劇的に上昇しており、アンケートで示された教育効果の裏付けもとることができた。大学間連携を利用した実施枠の拡大:福井大学内での実施で得られるサンプル数が限られることがはっきりしてきたこともあり、他大学大学院の教育現場へ拡大していく来年度の作業計画を前倒しして、大学間連携による実習実施の枠組みつくりを始めた。「解析の技術導入のための大学横断的教育の確立」をテーマとして日教弘本部奨励金の獲得に成功し、国立大学法人生命科学研究機器施設協議会の参加校を対象にした技術研修会開催から、相互支援サービスの仕組みを再生した。他大学での研究シミュレーションの実験的な試行は、この仕組みを利用して今後行う。組織再生の議論の過程で、遠隔医療ネットワークを利用した遠隔授業の可能性も提示されており、平成28年度の試験的な実施にむけ、システムの確立、大学間の話し合いを現在も進めている。ここまでの研究シミュレーション実施数は、当初の予定に比べ少ないのが現状であるが、大学院教育の実習としての研究シミュレーションのプログラムはほぼ完成したと考えている。しかし、福井大学の大学院生数や規模から考えて28年度も当初の実施予定数を下回るのは避けられないと考えられるため、当初は28年度の活動予定としていた他大学への研究シミュレーション実施拡大の模索を、予定を前倒しして始めた。福井大学外への展開のためには研究シミュレーションを行う大学間の協力体制が不可欠で、国立大学法人生命科学研究機器施設協議会の組織の一部を再整備するところから始めた。日教弘本部奨励金の助成を受けることができて実施した大学横断型技術研修会の成果もあり、協議会参加校の協力が得られる目途がたつところまで進展した。この点は当初の予定と比べて進展があった点であり、今後の研究シミュレーション実施拡大を進めるうえで重要なステップになった。個別化医療の現場への導入には、大容量のオミックスデータを読み取ることができる医師の育成が必須である。しかし医学教育においてこのことが十分認識されているとは言い難く、多くの大学では解決の模索も始まっていない状態にある。教育と啓蒙活動を効率よく推進する手段として、研究シミュレーションを通して受講者の印象に残る実習を開発することが本研究の主題である。

平成27年度までに次のような手順の実習プログラムをひな型として作成した。(1)NCBI GEOから研究の参考となるデータの検索(2)(1)のデータの標準化等を外注(3)(2)のデータを使ったパスウエイ解析による研究シミュレーション。平成28年度は福井大学医学系研究科博士課程の希望者にこの試作プログラムでの研究シミュレーション実習を実施。3名が受講し、参加者アンケートと実施状況を基に次の3点を改良した。(1)検索するデータを発現データに限定。(2)外注依頼内容を絞り込み、1件当たりの費用を削減。(3)受講者へのシミュレーション結果提示を、パスウエイ解析の「Disease & Function」結果に絞り込む。改良を加えた実習をさらに2名の希望者に実施。円滑な実習進行と良好な参加者アンケートの結果が得られている。改良により専門家不在の大学でも実施可能な実習として完成し、平成29年度から福井大学医学系研究科博士課程では「実験基礎演習」に正規に組み込まれることが決定。次の段階として他大学での実施を考えているが、他大学への広報と実施を目指した活動は大学横断型技術研修会プロジェクトとして平成27年度から開始している。平成28年度は旭川医科大学遠隔医療センターの協力を得て、DNAアレイデータ解析技術をテーマとした遠隔型の大学横断型研修会を実施した。研究シミュレーション実習を遠隔で行う技術的、組織的基盤が整い、平成29年度の実施を目指している。研究成果は以下の2つに大別できる。一つはデータベースとパスウエイ解析を使った研究シミュレーション実習の確立と、この実習がバイオインフォマティクスのための有効な教育手段であることの証明である。福井大学医学系研究科博士課程において試行した結果は、バイオインフォマティクス専門家が不在の大学でも、短期で実施可能な実習として成立することを示した。さらに、良好な教育効果も得られた。もう一つは大学連携による実習教育システムの構築である。大学横断型技術研修会の組織を使い、ウエブ会議を利用して大学間で行う遠隔実習を可能にした。研究シミュレーション実習技術の拡散と普及のためのシステムとして利用を予定している。実習のプログラム作製に際し、実施サンプル数を5例以上予定していたが、未だ2例のみである。当初の予定ではより多くの実施例を積み重ねつつ改良を行い、実習プログラムとして運用できる段階までを想定していたので、この点で遅れがでていることは否めない。これはこの2例の適用例を検討している段階で、実習プログラムの中のデータ自動変換が技術的、経済的に困難であることが判明したことで、本プロジェクトの重要なステップについて再検討する必要が生じたためである。
仮想現実感における精度向上を目的とした上半身全体への力覚などの情報提示方法の研究

バーチャルリアリティにおいては,種々な力覚提示機構が提案されており,その有名なものとしては,Phantom, Spidar, HapticMaster, HapticGearなどが開発されている.しかし,それらは外部固定型が多く,使用時の制限になっている.そこで,本研究は力覚提示機構の自由度を向上させるためにウエアラブルな力覚提示機構を開発することを目的とする.ウエアラブルな機構を開発するためには,人間の生体情報を考慮する必要があると考え,人間の動作時に重要な役割をはたす筋肉に注目する.今回は,動作時の筋電位を測定し,筋肉の活性化パターンを検出する.動作時に筋肉の活性化を促進する目的で,活性化を妨げるように人工筋肉を配置したウエアラブルスーツを開発する.初年度は,対象動作を[手を引く]動作として,アイスホッケーの防具や空気圧駆動方式の人工筋を用いて,重要な筋肉の動作を妨げるような人工筋を配置するウエアラブルスーツを開発し,それを被験者に着用してもらい,重要な筋肉の筋電位から求めた負荷曲線を基に,力覚を提示する実験を行った.その結果,重要な筋電位から生成した曲線を用いることにより,人間の動作感覚に適する力覚提示機構:の開発が可能であることの知見を得た.しかし,空気圧駆動方式の精度不足や軽量化の課題が生じており,解決する必要があった.最終年度はDCサーボモータをベースとしたウエアラブルスーツを開発した.そして,DCサーボモータによる力覚を制御する制御回路の開発とC++言語を用いた制御ソフトウエアを開発した.そして,[物を持ち上げる]動作を対象として,被験者に開発したウエアラブルスーツを着用してもらい,筋電位を基に作成した力覚提示曲線を用いた力覚提示方法の有効性を検討した.ここでは,実際の動作時の筋電位も測定しながら,比較・検討も行った.その結果,提示した力覚曲線のパターンの有効性が確かめられた.そして,この方式に対比する方法として,CVT機構や風力を用いた力覚提示方法も検討した.バーチャルリアリティにおいては,種々な力覚提示機構が提案されており,その有名なものとしては,Phantom, Spidar, HapticMaster, HapticGearなどが開発されている.しかし,それらは外部固定型が多く,使用時の制限になっている.そこで,本研究は力覚提示機構の自由度を向上させるためにウエアラブルな力覚提示機構を開発することを目的とする.ウエアラブルな機構を開発するためには,人間の生体情報を考慮する必要があると考え,人間の動作時に重要な役割をはたす筋肉に注目する.今回は,動作時の筋電位を測定し,筋肉の活性化パターンを検出する.動作時に筋肉の活性化を促進する目的で,活性化を妨げるように人工筋肉を配置したウエアラブルスーツを開発する.初年度は,対象動作を[手を引く]動作として,アイスホッケーの防具や空気圧駆動方式の人工筋を用いて,重要な筋肉の動作を妨げるような人工筋を配置するウエアラブルスーツを開発し,それを被験者に着用してもらい,重要な筋肉の筋電位から求めた負荷曲線を基に,力覚を提示する実験を行った.その結果,重要な筋電位から生成した曲線を用いることにより,人間の動作感覚に適する力覚提示機構:の開発が可能であることの知見を得た.しかし,空気圧駆動方式の精度不足や軽量化の課題が生じており,解決する必要があった.最終年度はDCサーボモータをベースとしたウエアラブルスーツを開発した.そして,DCサーボモータによる力覚を制御する制御回路の開発とC++言語を用いた制御ソフトウエアを開発した.そして,[物を持ち上げる]動作を対象として,被験者に開発したウエアラブルスーツを着用してもらい,筋電位を基に作成した力覚提示曲線を用いた力覚提示方法の有効性を検討した.ここでは,実際の動作時の筋電位も測定しながら,比較・検討も行った.その結果,提示した力覚曲線のパターンの有効性が確かめられた.そして,この方式に対比する方法として,CVT機構や風力を用いた力覚提示方法も検討した.バーチャルリアリティにおいては,種々な力覚提示機構が提案されており,その有名なものとしては,Phantom, Spidar, HapticMaster, HapticGearなどが開発されている.しかし,それらは外部固定型が多く,使用時の制限になっている.そこで,本研究は力覚提示機構の自由度を向上させるためにウエアラブルな力覚提示機構を開発することを目的とする.ウエアラブルな機構を開発するためには,人間の生体情報を考慮する必要があると考え,人間の動作時に重要な役割をはたす筋肉に注目する.今回は,動作時の筋電位を測定し,筋肉の活性化パターンを検出する.動作時に筋肉の活性化を促進する目的で,活性化を妨げるように人工筋肉を配置したウエアラブルスーツを開発する.研究方法は,まず,対象動作を[手をかく]動作とする.そして,重要な筋肉に電極を貼り付け,動作時の時間変化の筋電位を測定する.今回は5個の筋肉が重要であることが実験から調べられている.そのデータから平均的な筋肉の励起曲線を求める.そして,人工筋に与える力は,筋電位から得られた励起曲線を基に作成する.ウエアラブルスーツは,アイスホッケーの防具を用いて重要な筋肉の動作を妨げるように人工筋を配置して製作する.また,C++言語を用いて,手の位置を測定し,人工筋の力を制御するソフトウエアも開発している.

次に被験者にウエアラブルスーツを着用してもらい,[手をかく]動作時に,手の位置に応じて人工筋から抵抗となる力を生成する実験を実施する.そして,力覚について評価をしてもらうことにより,その有効性を検討する.その結果,力覚の認識やタイミングについては,妥当な条件を検討することができている.バーチャルリアリティにおいては,種々なカ覚提示機構が提案されており,その有名なものとしては,Phantom, Spidar, HapticMaster, HapticGearなどが開発されている.しかし,それらは外部固定型が多く,使用時の制限になっている.そこで,本研究は力覚提示機構の自由度を向上させるためにウエアラブルな力覚提示機構を開発することを目的とする.ウエアラブルな機構を開発するためには,人間の生体情報を考慮する必要があると考え,人間の動作時に重要な役割をはたす筋肉に注目する.今回は,動作時の筋電位を測定し,筋肉の活性化パターンを検出する.動作時に筋肉の活性化を促進する目的で,活性化を妨げるように人工筋肉を配置したウエアラブルスーツを開発する.昨年度は,対象動作を[手をかく]動作として,アイスホッケーの防具を用いて重要な筋肉の動作を妨げるように人工筋を配置するウエアラブルスーツを開発し,それを被験者に着用してもらい,重要な筋肉の筋電位から求めた負荷曲線を基に,力覚を提示する実験を行った.そこで,空気圧駆動方式の精度や軽量化の課題が生じたために,本年度はサーボモータをベースとしたウエアラブルスーツを開発した.そして,[物を持ち上げる]動作を対象として,筋電位を基にしたカ覚提示曲線を用いて,制御時と実際の動作時の筋電位を測定しながら,有効性を検討した.ここで,DCサーボモータによる力覚を制御するハードウエアの開発とC++言語を用いた制御ソフトウエアを開発した.被験者に開発したウエアラブルスーツを着用してもらい,[物を持ち上げる]動作時に,手の位置に応じてDCサーボモータから抵抗となる力覚を生成する実験を実施し,実験時の筋電位も測定することにより,提示したカ覚について評価をした.その結果,提示したカ覚曲線のパターンやタイミングについては,個人差があることが確かめられた.そして,この方式に対比する方法としてCVT機構や風力を用いた力覚提示方法も検討した.
スピン軌道相互作用による不安定性で形成される遍歴多極子秩序

強いスピン軌道相互作用と電子相関に起因したフェルミ面の不安定性は、遍歴多極子秩序を引き起こすことが理論的に提案されている。5d遷移金属化合物Cd2Re2O7は、200 Kにおいて反転対称性を破る構造相転移を示し、この転移が遍歴多極子秩序形成に対応しているのではないかと指摘されている。本研究では、純良な単結晶試料を用いた輸送特性の測定から、Cd2Re2O7における多極子秩序状態の観測とその相転移機構の微視的理解を目的としている。2018年度はまず、本質的な物性を明らかにするために、純良かつ十分な大きさのCd2Re2O7単結晶の育成に取り組んだ。出発原料の精製、反応容器の洗浄法、温度勾配の最適化などを行うことで、残留抵抗比が500を超えるようなこれまでで最も純良な単結晶の育成に成功した。また、3mm程度の大型単結晶育成にも成功しており、様々な測定グループと共同研究を展開している。2018年度はさらに、本質的な物性を測定する際に問題となる双晶ドメインの制御にも取り組んだ。まず、育成した純良な単結晶試料を偏光顕微鏡で観察することで、ドメイン構造に関する知見を得た。さらに、ピエゾ素子を用いてドメイン構造を制御することにも成功した。一般的な1軸に応力を印加するものに加えて、面内に2軸の圧力を印加できるピエゾ素子も導入し、c軸方向を面内にも面直方向にも自在に制御する手法を確立した。今後、このドメインをそろえた純良単結晶に対して電流誘起磁化の測定などを行い、多極子秩序形成に起因する応答を観測する。2018年度は、物性を明らかにするうえで不可欠な純良かつ大型の単結晶を育成することを最も重要な課題として位置付けていた。事前準備で純良な結晶が得られていた方法にさらなる改良を加えることで、純良で、さまざまな測定を行うのに十分な大きさの単結晶を育成することに成功した。これまで結晶サイズが小さくできなかった測定が可能となり、核磁気共鳴や超音波測定など、複数のグループと共同研究を開始した。これらの多面的な測定によって、これまで明らかになっていなかったCd2Re2O7の相転移に関する知見が得られると考えている。大型単結晶の育成に成功して以降は、2018年度のもう一つの目標であるドメインの制御に取り組んだ。Cd2Re2O7は相転移の際にドメイン構造が形成されてしまい、伝導の異方性や期待される電気磁気応答などの本質的な物性が定量的に評価できないという問題がある。本研究では、ピエゾ素子を使い圧力を印加することでの単一ドメインの実現を目標とした。試行錯誤の結果、試料の厚みや接着剤の選択、圧力印加の方法などを最適化し、すべての温度域で単一ドメインの試料を得ることに成功した。単一ドメイン試料が得られたことによって、2019年度に予定している電流印可しながらの磁化測定などの電気磁気応答観測が可能になっている。このように、当初の計画通りに順調に研究が進められている。2018年度に行った、純良かつ大型の単結晶育成およびピエゾ素子を用いた単一ドメイン試料の実現によって、Cd2Re2O7の本質的な物性を明らかにする準備が整った。2019年度は、この単一ドメイン試料を用いた物性測定により、反転対称性の破れに伴うスピン分裂の詳細を明らかにし、相転移の微視的機構解明に挑む。まず、相転移に伴ってスピン分裂したフェルミ面に起因して現れる輸送特性の異方性をあきらかにする。その後、期待される電気磁気応答を観測するために、電流を印加しながら磁化測定に取り組む。電流の印加方向を変化させながら磁化測定を行うことで、スピン構造を明らかにする。誘起される磁化は非常に小さいことが考えられるので、スクイド磁束系によるマクロな磁化測定以外にも、カー回転によって誘起された磁化を評価するという手法にも挑戦する。

今後、このドメインをそろえた純良単結晶に対して電流誘起磁化の測定などを行い、多極子秩序形成に起因する応答を観測する。2018年度は、物性を明らかにするうえで不可欠な純良かつ大型の単結晶を育成することを最も重要な課題として位置付けていた。事前準備で純良な結晶が得られていた方法にさらなる改良を加えることで、純良で、さまざまな測定を行うのに十分な大きさの単結晶を育成することに成功した。これまで結晶サイズが小さくできなかった測定が可能となり、核磁気共鳴や超音波測定など、複数のグループと共同研究を開始した。これらの多面的な測定によって、これまで明らかになっていなかったCd2Re2O7の相転移に関する知見が得られると考えている。大型単結晶の育成に成功して以降は、2018年度のもう一つの目標であるドメインの制御に取り組んだ。Cd2Re2O7は相転移の際にドメイン構造が形成されてしまい、伝導の異方性や期待される電気磁気応答などの本質的な物性が定量的に評価できないという問題がある。本研究では、ピエゾ素子を使い圧力を印加することでの単一ドメインの実現を目標とした。試行錯誤の結果、試料の厚みや接着剤の選択、圧力印加の方法などを最適化し、すべての温度域で単一ドメインの試料を得ることに成功した。単一ドメイン試料が得られたことによって、2019年度に予定している電流印可しながらの磁化測定などの電気磁気応答観測が可能になっている。このように、当初の計画通りに順調に研究が進められている。2018年度に行った、純良かつ大型の単結晶育成およびピエゾ素子を用いた単一ドメイン試料の実現によって、Cd2Re2O7の本質的な物性を明らかにする準備が整った。2019年度は、この単一ドメイン試料を用いた物性測定により、反転対称性の破れに伴うスピン分裂の詳細を明らかにし、相転移の微視的機構解明に挑む。まず、相転移に伴ってスピン分裂したフェルミ面に起因して現れる輸送特性の異方性をあきらかにする。その後、期待される電気磁気応答を観測するために、電流を印加しながら磁化測定に取り組む。電流の印加方向を変化させながら磁化測定を行うことで、スピン構造を明らかにする。誘起される磁化は非常に小さいことが考えられるので、スクイド磁束系によるマクロな磁化測定以外にも、カー回転によって誘起された磁化を評価するという手法にも挑戦する。
エピトープ別にみたGAD抗体の自己免疫性1型糖尿病の発症・進展に対する関与の研究

GAD65抗体は病態の異なる1型糖尿病の亜型ごとに特有なエピトープを有する。本研究はGAD65抗体の糖尿病病態への関与を明らかとするため、GAD65/GAD67キメラ蛋白遺伝子を用いて動物モデルにエピトープ特異的GAD65抗体を発現させて糖尿病病態の検討を行うものである。最近樹立されたGAD65をノックアウトしたNODマウス(GAD65KO・NODマウス)に、我々が作成したN端GAD65/C端GAD67、N端GAD67/C端GAD65などのキメラ蛋白遺伝子を導入して、β細胞特異的に発現するトランスジェニックマウスを現在作成中である。しかしGAD65KO・NODマウスが妊娠前に糖尿病を発症するため、受精卵の回収が困難な状態である。現在、糖尿病発症率の低いNODマウスとのバッククロスにより糖尿病発症率を漸減しながらの検討を行っている。また、以下の検討も同時に施行中である。1.GAD65/67キメラ蛋白を強制発現する2種類のベクター(N端GAD65/C端GAD67もしくはN端GAD67/C端GAD65)を作成し、これらをGAD65KO・NODマウスに投与することで各々の蛋白をin vivoで発現させて糖尿病発症率の変化を検討した。これら発現ベクターを各々ワイルド6匹、ヘテロ6匹、ホモ6匹のGAD65KO・NODマウスに導入したところ、28週齢の現時点では糖尿病発症率に有意な違いを認めていない。今後各群の匹数を増やすとともに観察期間を延長して検討を行っていく予定である。2.大腸菌発現系でGAD65中央部やC端の蛋白を作成し、GAD65KO・NODマウスに投与した。各々ワイルド5匹、ヘテロ5匹、ホモ5匹のGAD65KO・NODマウスに投与したところ、20週齢の現時点では糖尿病発症率に有意な違いを認めていない。GAD65抗体は病態の異なる1型糖尿病の亜型ごとに特有なエピトープを有している。最近樹立されたGAD65をノックアウトしたNODマウスに、我々が作成したN端GAD65/C端GAD67、N端GAD67/C端GAD65などのキメラ蛋白遺伝子を導入して、β細胞特異的に発現するトランスジェニックマウスを現在作成中である。しかしノックアウトNODマウスが妊娠前に糖尿病を発症してしまうため、受精卵の回収が困難な状態である。さらにGAD65ノックアウトNODマウスに対する発生工学的遺伝子導入の不成功も想定し、以下の検討も同時に施行中である。(1)GAD65遺伝子のN端、中央部およびC端の蛋白を作成し、GAD65ノックアウトNODマウスへの投与を計画している。このためGAD65の各断端遺伝子をpTrcHisAもしくはpTrcHis2Cに結合し、これらのGAD65t蛋白フラグメントとヒスチジンtagの融合蛋白を大腸菌(BL21)中で産生させ、Hisカラムでの精製を試みている。(2)サイトメガロウィルスプロモーターによる強制発現ベクターpcDNA3.1にGAD65/67キメラ蛋白遺伝子を導入し、これをin vivo electroporationによりGAD65ノックアウトNODマウスの筋組織に導入し、ノックアウトNODマウスの筋組織にGAD65/67キメラ蛋白を発現させる。現在、キメラ蛋白遺伝子導入の発現ベクターの作成中である。

今後各群の匹数を増やすとともに観察期間を延長して検討を行っていく予定である。2.大腸菌発現系でGAD65中央部やC端の蛋白を作成し、GAD65KO・NODマウスに投与した。各々ワイルド5匹、ヘテロ5匹、ホモ5匹のGAD65KO・NODマウスに投与したところ、20週齢の現時点では糖尿病発症率に有意な違いを認めていない。
NiMn合金を含む新規反強磁性/強磁性人工格子の作製と磁性

単原子層交互蒸着法による反強磁性NiMn合金と強磁性金属を含むエピタキシャル人工格子の作製と磁気特性の評価を目的として、Ni/Mn短周期人工格子およびNiMn/Co人工格子について検討を行った。これまで報告されているNi/Mn人工格子では配向性の良好な試料が作製されていなかったが、Au(111)配向膜を下地層とすることにより、一軸配向性の良質なエピタキシャル人工格子膜を作製することが出来た。その構造と磁性を検討した結果に基づいて、Au(111)配向膜を下地層上にNiとMnを単原子程度の厚さで交互蒸着すれば良質なNi-Mn合金薄膜が得られ、交互蒸着の膜厚比を変えることにより合金の組成も制御できることを明らかにした。また、単原子層交互蒸着による合金膜はバルクの合金膜と同様に低温では反強磁性状態にあることが分かった。本研究で用いた単原子層程度の厚さの交互蒸着による合金膜作製法は、超高真空蒸着法(MBE法)で合金膜の作製法として一般に用いられている同時蒸着法と相補的な方法であると考えられる。単原子層程度の厚さのNiとMnを交互蒸着して得られる反強磁性Ni-Mn合金膜を1つの構成単位とする人工格子膜として、NiMn/NiおよびNiMn/Co人工格子膜を作製することが出来た。いずれも、Au(111)下地層上に一軸配向エピタキシャル成長した試料が得られ、結晶学的コヒーレンスもかなり良好である。また、NiMn/Co人工格子については、NiMn合金層の組成を制御した試料の作製も可能であることを明らかにした。磁気的には、スパッタリング法を用いて作製した試料とは異なる特性がみられた。高いネール温度および大きなMnの磁気モーメントという特徴を有する反強磁性合金NiMnと、強磁性Coからなる良質な人工格子膜を作製し、界面における反強磁性相互作用と強磁性相互作用の競合に由来する特性を有する新しい磁性体を開発することを目的として研究を行った。超高真空蒸着法とスパッタリング法を用いて試料を作製した。NiMn合金層を作製する方法として、超高真空蒸着法では、膜厚2Åに相当するNiとMnを交互に蒸着する方法(単原子層交互蒸着法)、スパッタリング法では、合金ターゲットをスパッタ蒸発させる方法を用いた。超高真空蒸着法によるNiMn/Co人工格子作製方法を検討するため、まずCo/NiMn/Co三層膜をAu(111)バッファ層上に作製し、良質な一軸配向性が得られることを確認した。次に、Co層の厚さ5nm,NiMn層の厚さ2nmの人工格子について、[111]一軸配向しX線回折パターンに人工周期構造による衛星反射が現れる試料が生成されることを確認した。現在、3元交互蒸着を効率的に行うため製膜プロセス制御プログラムを改良中である。一方、特異な磁性や構造的に興味深い人工格子が生成される膜厚範囲を探るため、スパッタリング法を用いてCoおよびNiMn層の厚さが1-10nmの範囲で試料を作製した。厚さ2nm近傍のNiMn層と比較的厚い4nm以上の強磁性Co層からなる[111]配向人工格子で、強磁性Co層間の反強磁性的磁気結合が見られること、また、膜厚1nmのCo層からなる人工格子では、2nm以上の場合とは異なり、[100]配向した人工格子が生成されることを見いだした。

次年度は、これらの膜厚領域の人工格子を超高真空蒸着法を用いて作製し、構造および磁性の研究を進めていく計面である。スパッタリング法で作製した反強磁性NiMn合金と強磁性金属からなる人工格子は、良好な結晶配向性を示し、界面における強い磁気的結合に由来すると考えられる特異な磁性を示すことを、昨年度までに明らかにした。また、超高真空蒸着法を用い、単原子層に相当する厚さ2ÅのMnとNiの交互蒸着層と、fcc-NiあるいはCoからなる一軸配向性エピタキシャル人工格子膜が作製できることを明らかにしてきた。今年度は、Mn/Ni交互蒸着層の組成を制御した試料の作製について検討した。まず、NiおよびMnの厚さが3ML(monolayer)以下の短周期多層膜をAu(111)下地層上に作製し、X線回折およびTEMによる構造評価とRBS法による組成分析を行った。[Ni(2Å)/Mn(2Å)]_<25>多層膜を作製して得られるfcc[111]一軸配向膜の(111)面間隔d=2.119Åを、単原子層の厚さ(1ML)と定義した。つまり、この値に対応する格子定数をもつfcc-Niとfcc-Mnの(111)原子面を単原子層とみなし、水晶振動子膜厚計の膜厚表示値2Åが単原子層となるような密度の値を膜厚計に入力した。作製した試料の格子定数は、全組成範囲でバルクのfcc Ni-Mn合金の値とほぼ対応しており、組成も数at.%の誤差範囲内で制御できていることが判明した。また、Ni/Mn短周期多層膜はAu(111)下地層上にエピタキシャル成長しており、ミスフィットが大きいためかなり多量の転位を含む構造となっている。上記の条件で作製したNi(0.5ML)/Mn(1.5ML),Ni(1ML)/Mn(1ML),およびNi(1.5ML)/Mn(0.5ML)交互蒸着層と膜厚50ÅのCo層からなる人工格子膜を作製した。Ni/Mn交互蒸着層の厚さが12-40Åの試料では、fcc[111]一軸配向性のエピタキシャル人工格子が生成されることが判明した。また、磁気的性質も測定し、研究結果をとりまとめた。
音素配列の生起制限と音節の持続時間が第二言語学習者の言語処理に与える影響

27年度は、国際学会(ICPhS, Interspeech)に参加し、研究者との情報交換を行い、エジンバラ大学に研究員として1カ月滞在した。28年度は、2つの国際学会(査読有り)で成果報告を行った。まず、ABX課題の結果はNew Sounds(Aarhus, Denmark: 2016年6月12日)で、探知課題の結果はInterspeech (San Francisco, US: 2016年9月9日)でそれぞれポスター発表を行った。また、後者の研究結果は、Interspeechの予稿集でも発表されている。29年度は、研究成果を論文にまとめあげ、国際誌に投稿し、査読中である。本研究の目的は、第二言語学習者の言語処理プロセスを明らかにすることにある。特に、日本人英語学習者がどのように第二言語の音節を知覚し、単語分節を行うかを調査した。単語分節方略は言語特有であり、母語の音節構造が影響を与えていると報告されていることから、母語の音韻配列の生起制限が第二言語処理に影響を与えると予測した。母語と音節構造の異なる第二言語を聞き取るとき、何を単位として聞き取っているのか、また第二言語習熟度によって単語分節方略は変化するのかを検証するため、ABX課題および探知課題を行った。ABX課題では、日本語では許されていない音素配列(VCCV;e.g., egbu)と日本語に存在する音素配列(VCVCV; e.g., egubu)の違いを認識できるかどうかを日本人上級英語学習者18名と初級学習者20名、および英語母語話者18名に行った。探知課題では、刺激音声の持続時間を加工するわりに、モーラの音節配列を変数に用いて実験を行った。2種類の目標音韻配列(CVC/CV)を含む2音節の無意味語を目標単語として(例:目標音韻配列bay/base、目標単語basetove)、日本語の音素配列(CV)で分節しているのかどうかを調査した。エジンバラ滞在中、当該大学研究者との研究打ち合わせ、実験音声の録音、および実験プログラムの作成、英語母語話者のデータ収集を行った。国内では、日本人英語上級者の被験者データ収集のため、東京、および札幌の大学を訪れた。ABX課題の結果は国際学会New Sounds(Aarhus, Denmark)の査読が通り、発表が決定している。概ね予定通り、研究は進行しているが、実験方法において刺激音作成に不自然さが感じられたので、音声を加工するかわりに実験単語を変更した。調査目的の一つであった持続時間に関しては、分析段階で検証する。本研究は、日本人母語話者のモーラ単位による言語処理仮説を検証するとともに、異なった英語習熟度の第二言語学習者の音声知覚を音節レベルで調査することで、音節の知覚発達を検証した。こればでの第二言語による音声知覚発達モデルは、音韻レベルのものが主であったため、本研究結果は、第二言語習得研究および言語処理モデルに新たな知見を加えることができると考える。28年度は、本研究結果が2つ国際学会の査読を通り、ポスター発表を行った。まず、ABX課題の結果はNew Sounds(Aarhus, Denmark: 2016年6月12日)で、探知課題の結果はInterspeech (San Francisco, US: 2016年9月9日)で発表を行った。

特に、日本人英語学習者がどのように第二言語の音節を知覚し、単語分節を行うかを調査した。単語分節方略は言語特有であり、母語の音節構造が影響を与えていると報告されていることから、母語の音韻配列の生起制限が第二言語処理に影響を与えると予測した。母語と音節構造の異なる第二言語を聞き取るとき、何を単位として聞き取っているのか、また第二言語習熟度によって単語分節方略は変化するのかを検証するため、ABX課題および探知課題を行った。ABX課題では、日本語では許されていない音素配列(VCCV)と日本語に存在する音素配列(VCVCV)の違いを認識できるかどうかを日本人上級英語学習者18名と初級学習者20名、および英語母語話者18名に行った。探知課題では、刺激音声の持続時間を加工するわりに、モーラの音節配列を変数に用いて実験を行った。27年度は、国際学会(ICPhS, Interspeech)に参加し、研究者との情報交換を行い、エジンバラ大学に研究員として1カ月滞在した。エジンバラ滞在中、当該大学研究者との研究打ち合わせ、実験音声の録音、および実験プログラムの作成、英語母語話者のデータ収集を行った。28年度は、本研究結果が2つ国際学会の査読を通り、ポスター発表を行った。まず、ABX課題の結果はNew Sounds(Aarhus, Denmark: 2016年6月12日)で、探知課題の結果はInterspeech (San Francisco, US: 2016年9月9日)で発表を行った。また、後者の研究結果は、Interspeechの予稿集でも発表されている。29年度は、28年度に国際学会で発表した研究成果を論文にまとめあげ、国際誌に投稿し、査読中である。28年度は、2つの国際学会(査読有り)で成果報告を行った。まず、ABX課題の結果はNew Sounds(Aarhus, Denmark: 2016年6月12日)で、探知課題の結果はInterspeech (San Francisco, US: 2016年9月9日)でそれぞれポスター発表を行った。29年度は、研究成果を論文にまとめあげ、国際誌に投稿し、査読中である。昨年度収集した調査結果を、国際学会(デンマークおよび札幌)で発表予定である。また学会で得たフィードバックをもとに論文を執筆する予定。29年度は、28年度に国際学会で発表した研究成果を論文にまとめあげ、国際誌に投稿する予定である。探知課題の研究成果はすでに、Interspeechの予稿集に収められているため、ABX課題の研究結果の論文執筆を行いたい。第二言語習得
新しい3次元配向性コラーゲンを用いた難治性尿道狭窄症に対する尿道再生技術の開発

尿道狭窄症を治療する際、狭窄部位周辺に残存している患者自身の尿道上皮前駆細胞の増殖を活性化させ、尿道損傷部位を再建することができれば、これまでの治療方法と比較してより侵襲性の低い治療方法を開発することができる。本研究では、これまでに、上皮細胞の増殖に必要な物質としてInsulin-like Growth Factor (IGF)-1を同定し、IGF-1を外傷性尿道狭窄症モデルウサギへ投与するという尿道狭窄症治療研究を実施した。IGF-1を尿道狭窄部位局所において長期間作用させるために、コラーゲンチューブを用い、IGF-1の局所徐放化による尿道狭窄症予防と尿道粘膜上皮組織の再生を本研究で検証してきた。平成30年度は、3次元分子配向性を有するコラーゲンチューブを用いて研究を行った。3次元分子配向性コラーゲンの特長は、体内のコラーゲン組織と同様の配向性を有するため、体内コラーゲンにより近い環境で細胞を成長させることが可能である。また配向性を有するため、細胞が配向性の方向に沿って成長し、その成長速度が配向性の無いコラーゲンよりも速いことが知られている。このことから、3次元分子配向性コラーゲンは組織再生を促す細胞の足場材料として期待されている。3次元分子配向性を有するコラーゲンチューブからIGF-1を徐放化する群において、尿道狭窄幅を改善することができた。本研究では、コラーゲンから徐放可能であるIGF-1が上皮細胞増殖に有効であることを示し、IGF-1徐放性尿道カテーテルによりウサギの尿道狭窄予防効果を確認した。この技術は、経尿道的手術後の狭窄予防や内尿道切開後の再狭窄予防に応用可能である。平成30年度が最終年度であるため、記入しない。【細胞足場材料の作製】本研究では、尿道再建に最適な細胞足場材料の形状や性状を最初に検討する必要がある。そこで、細胞親和性の高いコラーゲンを用いてスポンジまたはシート状の細胞足場材料を作製した。コラーゲンの中性水溶液を成型枠に流し込み、凍結乾燥を行いスポンジ状とした。さらに(株)アトリー社製の3次元配向性コラーゲンシート上で口腔粘膜上皮細胞を培養し、細胞足場材料としての生体適合性を検討した。その結果、豚由来type Iコラーゲンから作製した細胞足場材料上で、口腔粘膜上皮細胞は活発に増殖と遊走を行ったことから、本研究に用いる細胞足場材料としてコラーゲンを用いることは問題ないと判断した。【口腔粘膜上皮細胞の培養】尿道の再建を行うためには、尿道上皮を構成する上皮細胞を効率よく増殖させ、瘢痕化を防ぐとともに尿道内腔の再狭窄を予防する必要がある。そこで本研究では、防衛医科大学校倫理委員会の承認を受けた後、口腔粘膜組織を用いた尿道再建術の際に余剰となった組織から上皮前駆細胞を分離し、上皮前駆細胞の増殖に必要な因子の同定を行った。その結果、インスリンおよびInsulin-like Growth Factor-1(IGF-1)が上皮前駆細胞の増殖を促していることを見出した。【外傷性尿道狭窄症ウサギの作製】これまでに、外傷性尿道狭窄症のモデル実験動物は確立されていない。そこで本研究では、まず尿道狭窄症ウサギの作製を試みた。尿道内腔に刺創を複数個所作製し、尿道内腔の損傷と線維化・瘢痕化による狭窄を惹起し、外傷性尿道狭窄症ウサギを作製した。しかしながら、この方法ではウサギの手術に時間を要し、また、尿道狭窄の程度も実験動物によって個体差があり、適切な尿道狭窄症モデルとは言えなかった。そこで、尿道内腔を電気メスのボール電極にて凝固し、短時間で再現性が高い尿道粘膜傷害モデルを作製することに成功した。当初の予定では平成29年度に実施予定であった外傷性尿道狭窄症ウサギの作製を前倒しして平成28年度に実施し、動物実験モデルを確立した。この研究成果は、今後に尿道狭窄症の治療実験や尿道再建術の実験を行う上で飛躍的に研究スピードを上げることができる。また、尿道再建に用いる細胞足場材料の決定も当初の計画通り順調に作製できている。さらに、上皮細胞の増殖にインスリンまたはInsulin-like Growth Factor-1(IGF-1)の添加が有効であったという研究成果は、これらの因子を用いた尿道狭窄症治療実験を行う上で非常に重要な研究成果である。これらの理由から、当初の計画以上に本研究は進展してると言える。次年度も本研究成果を活用した研究を進める予定である。そこで本研究では、細胞培養実験系により、上皮前駆細胞の増殖に必要な物質としてインスリンおよびInsulin-like Growth Factor (IGF)-1を同定し、IGF-1を外傷性尿道狭窄症モデルウサギへ投与するという尿道狭窄症治療研究を実施した。

IGF-1を尿道狭窄部位局所において長期間作用させるために、コラーゲンチューブを用い、IGF-1の局所徐放化による尿道狭窄症予防と尿道粘膜上皮組織の再生を検証した。治療開始2週間後の尿道造影の結果、IGF-1徐放群において尿道狭窄の改善を認めた。また、内視鏡所見では、未治療群において尿道内腔は著明に狭窄しており、壊死組織が存在する例も観察されたが、IGF-1徐放群においては潰瘍がないかあっても軽度であり、尿道上皮組織の修復が見られた。さらに、肉眼所見では、未治療群では全例において広範な上皮欠損を認め、多くの症例で海綿体にまで潰瘍が達していたが、IGF-1徐放群では上皮組織の欠損をほとんど認めず、上皮組織が完全に再生した例もあった。摘出尿道の組織学的所見(HE染色)は、IGF-1徐放群においてのみ凝固部の粘膜下層に再生平滑筋細胞層の存在を認めた。引き続いて平成30年度には、本研究の主目的である分子配向性の異なるコラーゲン材料を用いて、IGF-1を尿道狭窄部位で一定期間にわたって徐放させ、尿道外傷部における狭窄予防・治療を検証する。今後は、炎症細胞浸潤の影響の評価、および、線維化で被覆されている場合と肉芽組織で被覆されている場合の組織学的な差異についても確認していく予定である。平成29年度も平成28年度に引き続き、当初の計画以上に研究が進捗し、良好な研究成果を得た。平成29年度に公表された学術論文は5件、学会発表は17件(うち、招待講演・特別講演5件)であった。さらに、若手研究協力者による第14回泌尿器科再建再生研究会・研究会賞を受賞した。今後も、研究計画を前倒しして研究を鋭意推進し、研究成果の公表と臨床での応用を目指して研究を進める。尿道狭窄症を治療する際、狭窄部位周辺に残存している患者自身の尿道上皮前駆細胞の増殖を活性化させ、尿道損傷部位を再建することができれば、これまでの治療方法と比較してより侵襲性の低い治療方法を開発することができる。本研究では、これまでに、上皮細胞の増殖に必要な物質としてInsulin-like Growth Factor (IGF)-1を同定し、IGF-1を外傷性尿道狭窄症モデルウサギへ投与するという尿道狭窄症治療研究を実施した。IGF-1を尿道狭窄部位局所において長期間作用させるために、コラーゲンチューブを用い、IGF-1の局所徐放化による尿道狭窄症予防と尿道粘膜上皮組織の再生を本研究で検証してきた。平成30年度は、3次元分子配向性を有するコラーゲンチューブを用いて研究を行った。3次元分子配向性コラーゲンの特長は、体内のコラーゲン組織と同様の配向性を有するため、体内コラーゲンにより近い環境で細胞を成長させることが可能である。また配向性を有するため、細胞が配向性の方向に沿って成長し、その成長速度が配向性の無いコラーゲンよりも速いことが知られている。このことから、3次元分子配向性コラーゲンは組織再生を促す細胞の足場材料として期待されている。3次元分子配向性を有するコラーゲンチューブからIGF-1を徐放化する群において、尿道狭窄幅を改善することができた。本研究では、コラーゲンから徐放可能であるIGF-1が上皮細胞増殖に有効であることを示し、IGF-1徐放性尿道カテーテルによりウサギの尿道狭窄予防効果を確認した。この技術は、経尿道的手術後の狭窄予防や内尿道切開後の再狭窄予防に応用可能である。平成28年度には、細胞足場材料の作製、上皮細胞の培養および外傷性尿道狭窄症モデルウサギの作製に成功した。