hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
準線形解析による壁乱流における逆カスケード機構の解明

同時に行われる2つの平行平板間乱流の直接数値シミュレーションにおいて,一方の一部の情報を他方に定期的に上書きコピーする「データ同化」の手法により,乱れエネルギーの逆カスケード機構を支配するモードの探索を試みた。ここで逆カスケード機構とは,エネルギーが壁から離れると同時に小さなスケールから大きなスケールへと輸送される機構を指し,壁乱流では普遍的に現れると考えられている。最終年度に,異なるレイノルズ数に対する流れを用いて上記の同期シミュレーションを実施したところ,壁単位で流れ方向に75,スパン方向に25程度の波長以上のすべての変動成分をコピーしなければ,2つのシミュレーションは完全に同期しないことがわかった。この大きさは,壁付近の典型的な乱れの構造のスケールよりも小さく,粘性散逸が活発に起こるスケールである。散逸領域のスケールの乱れの振る舞いはそれよりも大きなスケールの乱れに従うという,一般的によく知られた結論しか得られず,壁乱流固有の性質を得るには至らなかった。上のシミュレーションと並行して,エネルギー輸送の収支のスペクトルを求め,エネルギーの空間輸送とスケール間輸送がスケール空間においてどのように起こるのかを調査した。その結果,逆カスケード機構が起こると考えられている対数層では,エネルギー保有領域においては壁から離れる向きの空間的なエネルギーの輸送が起こることがわかったが,どの高さにおいてもエネルギー保有領域の大きなスケールから散逸領域の小さなスケールへとエネルギーが輸送されることもわかった。このことから,従来期待されているような小から大へのエネルギーの輸送は存在しないことが示唆される。また,逆カスケード機構とは反対に,非常に大きなスケールでは対数層から壁のごく近傍へ向かうエネルギーの輸送が存在し,その輸送量はレイノルズ数とともに増加することも新たにわかった。同時に行われる2つの平行平板間乱流の直接数値シミュレーションにおいて,一方の一部の情報を他方に定期的に上書きコピーする「データ同化」の手法により,乱れエネルギーの逆カスケード機構を支配するモードの探索を行なった。まず基本的なテストとして,壁面近傍の領域の速度場を一方から他方にコピーし続けても,壁面から離れた領域の速度場は両者の間では無相関に振る舞うことを確認した。このことから,壁面近傍と遠方における流れの振る舞いは互いに独立であり,それぞれの領域が乱れのエネルギーの生成と輸送のメカニズムを備えていることがわかる。流れ方向に長大な高速/低速領域のストリーク構造の振る舞いと逆カスケード機構を担う速度変動成分の振る舞いとの強い相関は見出されなかった。その一方で,ある範囲のスケールの速度変動成分をコピーすると,2つのシミュレーションは完全には一致しないが,ある程度の相関を維持して振る舞うことがわかった。このことは,コピーされた情報に従属して振る舞う乱れが部分的に存在することを示している。しかしながら,その振る舞いが乱流場におけるどのようなダイナミクスに対応するかが明らかになっておらず,これを明らかにすることは今後の課題である。数値シミュレーションのデータからスケール間のエネルギー輸送の収支を計算すると,逆カスケードが現れる対数層では各高さにおいて,小スケールの乱れは壁により近い乱れからエネルギーを受け取り,大スケールの乱れは壁からより遠い乱れにエネルギーを渡す,という相似的かつ階層的な構造があることがわかった。このことから,逆カスケード機構を担う乱れのダイナミクスも相似的であり,それらの中に相似的な支配モードと被支配モードの組が無数に存在することが期待される。ここで逆カスケード機構とは,エネルギーが壁から離れると同時に小スケールから大スケールに輸送される機構を指し,壁乱流では普遍的に現れると考えられている。また,流れ方向とスパン方向のスケールが壁面の間隔のそれぞれ約0.15倍, 0.05倍程度以上の速度変動成分をコピーすると,これら以外のスケールの成分はコピーされた成分に従属的に振る舞うことがわかった。これにより,支配モードのスケールの下限の特定ができた。以上のシミュレーションと並行して,統計的なアプローチによりスケール間のエネルギー輸送の収支を調査した。その結果,逆カスケードが現れると考えられる対数層では各高さにおいて,小スケールの乱れは壁により近い乱れからエネルギーを受け取り,大スケールの乱れは壁からより遠い乱れにエネルギーを渡す,という相似的かつ階層的な構造があることがわかった。また,非常に大きなスケールでは,逆カスケードとは反対に壁に向かう方向のエネルギーの輸送が起こることもわかった。「データ同化」の手法は乱流中の異なるスケールの速度変動成分の間の主従関係を明らかにするための手法として有効であることが確認された。しかしながら,第一に想定していたモデルである,大スケールの背景場が逆カスケード機構を支配する,という単純な二元的描像は成り立たたないということがわかった。

そこで,逆カスケード機構を担う支配-被支配モード群の相似的かつ階層的構造を「データ同化」の手法により明らかにすることを新たな研究目標とし,支配モードの特徴的なスケールを特定することを試みている。これまでは,レイノルズ数を固定して支配モードのスケールの探索を行ってきたが,得られた支配モードのスケールの物理的意味を明かにするために,異なるレイノルズ数に対しても同様の探索をさらに行う必要がある。また,支配モードのダイナミクスの理解がまだ進んでいない。以上の理由により,進捗状況は「やや遅れている」とした。同時に行われる2つの平行平板間乱流の直接数値シミュレーションにおいて,一方の一部の情報を他方に定期的に上書きコピーする「データ同化」の手法により,乱れエネルギーの逆カスケード機構を支配するモードの探索を試みた。ここで逆カスケード機構とは,エネルギーが壁から離れると同時に小さなスケールから大きなスケールへと輸送される機構を指し,壁乱流では普遍的に現れると考えられている。最終年度に,異なるレイノルズ数に対する流れを用いて上記の同期シミュレーションを実施したところ,壁単位で流れ方向に75,スパン方向に25程度の波長以上のすべての変動成分をコピーしなければ,2つのシミュレーションは完全に同期しないことがわかった。この大きさは,壁付近の典型的な乱れの構造のスケールよりも小さく,粘性散逸が活発に起こるスケールである。散逸領域のスケールの乱れの振る舞いはそれよりも大きなスケールの乱れに従うという,一般的によく知られた結論しか得られず,壁乱流固有の性質を得るには至らなかった。上のシミュレーションと並行して,エネルギー輸送の収支のスペクトルを求め,エネルギーの空間輸送とスケール間輸送がスケール空間においてどのように起こるのかを調査した。その結果,逆カスケード機構が起こると考えられている対数層では,エネルギー保有領域においては壁から離れる向きの空間的なエネルギーの輸送が起こることがわかったが,どの高さにおいてもエネルギー保有領域の大きなスケールから散逸領域の小さなスケールへとエネルギーが輸送されることもわかった。このことから,従来期待されているような小から大へのエネルギーの輸送は存在しないことが示唆される。また,逆カスケード機構とは反対に,非常に大きなスケールでは対数層から壁のごく近傍へ向かうエネルギーの輸送が存在し,その輸送量はレイノルズ数とともに増加することも新たにわかった。「データ同化」の手法は乱流中の異なるスケールの速度変動成分の間の主従関係を明らかにするための手法として有効であることが確認された。しかしながら,第一に想定していたモデルである,大スケールの背景場が逆カスケード機構を支配する,という単純な二元的描像は成り立たたないということがわかった。そこで,逆カスケード機構を担う支配-被支配モード群の相似的かつ階層的構造を「データ同化」の手法により明らかにすることを新たな研究目標とした。複雑な構造をもつと予想される支配-被支配モード群を整理しこれらのダイナミクスを明らかにすることは,当初の想定よりも時間を要するものと思われる。
超軽量高剛性バイコンベックスブームによる大型宇宙構造物の実現

展開・伸展後は閉断面梁と同等の高剛性を有し,かつ,平面上に折り畳まれて小さな曲率半径で巻き付けることが可能な,画期的なバイコンベックスブームの力学特性,特に,収納特性と自己伸展特性を理論的に明らかにし,実験により理論の妥当性を確認した.この理論を用いて,このブームを用いた自己伸展/展開構造物の設計手法を明らかにした.このブームを用いたトラス部材の自己伸展運動の構造保存型陽解法を定式化し,数値シミュレーションによりその妥当性を示した.そして,19ノード42ブームの自己展開トラスを試作し,提案するトラスが非同期展開性に優れ,大型宇宙構造物に適していることを実験的に示した.展開・伸展後は閉断面梁と同等の高剛性を有し,かつ,平面上に折り畳まれて小さな曲率半径で巻き付けることが可能な,画期的なバイコンベックスブームの力学特性,特に,収納特性と自己伸展特性を理論的に明らかにし,実験により理論の妥当性を確認した.この理論を用いて,このブームを用いた自己伸展/展開構造物の設計手法を明らかにした.このブームを用いたトラス部材の自己伸展運動の構造保存型陽解法を定式化し,数値シミュレーションによりその妥当性を示した.そして,19ノード42ブームの自己展開トラスを試作し,提案するトラスが非同期展開性に優れ,大型宇宙構造物に適していることを実験的に示した.本研究は平成2526年度の2年間で,4つの課題を順に実施することにより研究目的を達成する.平成25年度は課題1,2を実施した.また,課題3の一部である三次元展開骨組み構造に必要となる,3次元ノードの検討を行った.その実績は次の通りである.課題1:ブーム一本の数学モデルと力学特性解析理論の構築:組紐被覆バイコンベックスブーム(以下,BCONブーム)は比較的厚肉で曲率の大きいコンベックステープを二つ,エッジで合わせ,その周りを組紐で覆う構造となっている.そこで,1枚のコンベックステープの曲げ変形理論を構築し,それをもとに,2枚のコンベックステープの接触力や組紐による締め付け力を定式化し,BCONブームの非線形の曲率-曲げモーメント関係,ならびに,自己伸展力を定式化した.課題2:数値計算と実験によるブーム一本の力学特性(収納特性・自己伸力等)の評価:課題1の成果をもとに,1ブーム2ノードのBCONブームの伸展運動のシミュレーションを行った.その際,陽解法の構造保存型解法を考案した.また,ノード内でのブームの接触問題も解くことで,伸展中のノードの局所回転運動も含めて運動を模擬できた.そして,実験により,1枚のコンベックステープの自己伸展力を測定する方法を考案し,実際に測定した.これにより,定式化の妥当性を確認し,数値計算で伸展運動をシミュレーションすることが可能であることを確認した.課題3:本ブームを用いた三次元展開立体骨組み構造物の試作と数値計算及び実験による収納/非同期展開性能評価:BCONブームを用いた三次元トラス構造を実現するには,ノード部の設計がポイントであり,最もシンプルな直交配置型の他に,正四面体型配置を検討した.その結果,巻き付け機構を極限まで簡素化することで,正四面体型配置が可能であることを確認した.平成26年度はこれをもとに実験モデルを開発する.本研究は4つの課題を順に実施することで研究目的を達成するものであり,課題1と2は平成25年度に達成済みである.平成26年度は残りの2つの課題と,それから派生した新たな課題について取り組んだ.その実績は以下の通りである.課題3「本研究が提案するバイコンベックスブームを用いた三次元展開立体骨組み構造物の試作と数値計算及び実験による収納/非同期性能評価」:例として三角柱のモデルを試作した.収納は問題なかったが,展開については,計算上は問題なかったが,試作モデルでは予想以上に摩擦と重力の影響が大きく,一部のブームが座屈するなど,重力下では展開が完全にはできなかった.最終的には微小重力下で性能を評価するしかないと考えており,本研究期間終了後(平成27年11月)に,航空機を用いた微小重力実験を行う予定である.また,これから派生して,二次元展開トラスにおいて,一部のブームが座屈したりノードでスタックしたりした場合の非同期展開性の評価が課題となった.そこで,19ノード42ブームの二次元展開トラスを試作し,高い非同期展開性があることを示した.また,併せて,このような自己伸展式ブームを用いた大型宇宙構造物の実現には摩擦の影響をより正確に評価できる理論が必要であることが明らかとなり,これについても定式化および計算を行い,試作モデルともよく符合する,摩擦の影響を考慮した設計理論をつくることができた.課題4「軌道上運動シミュレーションによる千m級大型宇宙構造物の実現可能性評価」:軌道上外乱を考慮した計算までには至らなかった.上述の通り,課題4よりも,ノード部分の摩擦を考慮した,実用に資する設計理論の構築を優先した.その結果,この研究成果の外部プロジェクトでの利用(平成26年度ISAS/JAXA戦略的開発研究費による超小型衛星RG)や,国内外企業による研究・開発への利用(平成27年度以降の共同研究を計画)といった道が拓けた.宇宙構造物工学

従来,定式化されていなかった,コンベックステープの曲げ理論や,それを応用したBCONブームの曲げ理論を定式化できたことは,世界的にも価値の高いものであり,コンベックステープが宇宙用展開構造の補助部材として利用することが多くなってきている現在,この成果は多くの研究者やメーカー技術者に有用となると考える.また,BCONブームの伸展運動のシミュレーションでは,研究の副産物として,多体力学の手法を用いて,ブームとノードの接触の有無をシームレスに考慮した定式化,ならびに,陽解法でありながら,構造保存できる解法を構築しており,これは多体動力学分野で大きな成果となる.当初の計画に対して,BCONブームのねじり理論の定式化が途中であることが,計画に対して若干遅れている部分であるが,これを差し引いても,当初の計画を上回る成果が出ていると評価できる.当初の予定通り,BCONブームを用いた三次元トラス構造物の概念モデルの設計・試作・展開実験を行うとともに,よりモジュール数の多い二次元トラス構造物の設計・試作・展開実験も実施する.そして,数値シミュレーションと合わせることで,BCONブームを用いた大型展開構造物が実現可能であることを示す.また,学会発表等により本研究の成果を適宜,内外にアピールすること,ならびに,研究会での議論等を通じて,次世代大型宇宙構造物研究の推進役の一人として次世代の大型宇宙構造物の実現に向けた研究を推進する.それにより,本研究へのフィードバックを得て,本研究をより効果的に推進する.その過程において,計画から若干遅れている,BCONブームのねじり理論の完成を急ぐとともに,曲げ理論や伸展運動の動力学理論を学術雑誌で発表することを急ぐ.そして,昨年度に引き続き,本研究の適用例として太陽発電衛星を取り上げ,太陽発電衛星の研究者とも意見交換を行うことで,本研究の成果を太陽発電衛星に適用した場合の性能を評価し,BCONブームを用いた実現可能な展開構造物例を示す.以上により,国内外からのフィードバックを得ながら研究を推進し,研究目的である超大型宇宙構造物の実現性を示す.差額の720円は,実験用消耗品の一部を当初見積りよりも720円分,少なく購入できたために生じた.平成26年度に購入予定の実験用消耗品に充当する.
遺伝子解析による結核菌のピラジナミド感受性試験法の開発

本研究は結核菌のピラジナミド(PZA)感受性試験を迅速に行うため、遺伝子診断法の開発を行った。得られた研究成果の概要を以下に示した。1、PZAはニコチンアミド類似物質でプロドラッグとして結核菌に抗菌作用を示す。そのメカニズムは結核菌の持つピラジナミダーゼ活性により殺菌作用を持つピラジン酸に変換され、効力を発揮する。ピラジナミダーゼ活性の消失と結核菌のPZA耐性が相関することが判明したので、臨床分離結核菌のピラジナミダーゼ活性を測定することによりPZA耐性菌の判別を行うことができた。2、結核菌のピラジナミダーゼ活性の測定には大量の新鮮培養菌を必要とし、そのため測定には数週間を要した。またピラジナミダーゼ活性の消失はピラジナミダーゼをコードする遺伝子(pncA)の変異の結果によるため、pncAの変異をダイレクトシークエンス法により検出することも可能であったが、これも高価な設備を必要とすることから一般に普及する方法ではないと判断した。3、そこでわれわれはPCRをベースにしたピラジナミダーゼ迅速検出システムを開発した。すなわち、プライマーの5'末端にT7ファージプロモーター配列を付加しておき、そのPCR産物を直接in vitro転写/翻訳システムに導入し、ピラジナミダーゼ活性の有無から遺伝子変異を調べた。その結果、30株のPZA耐性結核菌はすべてPZA感受性結核菌標準株H37Rvと比較してピラジナミダーゼ活性の低下が認められた。それに対して、PZA感受性結核菌はPZA感受性結核菌標準株H37Rvと同レベルの低い活性しか示さなかった。また本システムは検査が8時間で終了し、特別な装置を必要としない。これらの事実より本システムはPZA耐性結核菌を迅速に検出する有用な方法であると考える。1、PZA耐性結核菌の収集:我が国ではPZA耐性菌の蔓延度は低いと推測されたので、肺結核初回治療の標準化学療法にPZAが加えられた平成8年以前から多剤耐性結核菌感染患者等にPZAを使用してきた病院に注目し、PZA耐性が疑われる結核菌臨床分離株39株の分与を受け、実験に供試した。2、小川培地、寒天培地、液体培地を基礎とした培地を用いたPZA感受性試験法の検討:小川培地、Middlebrook7H10寒天培地(pH6.0)、Middlebrook7H10寒天培地(pH5.6)、Middlebrook7H9液体培地(pH6.0)およびMiddlebrook7H9液体培地(pH5.6)の5種類の培地を基礎培地として、PZA感受性試験を実施した。小川培地およびMiddlebrook7H10寒天培地(pH6.0)では耐性菌と感受性菌を明確に判別できなかった。Middlebrook7H10寒天培地(pH5.6)では感受性菌と耐性菌の判別は可能になったが感受性菌30株中1株、耐性菌9株中4株が感受性測定培地に発育が認められず判定が不可能であった。Middlebrook7H9液体培地(pH6.0)では感受性菌30株は全て感受性菌と判定でき、耐性菌9株中5株も耐性菌と判定できたが、他の4株中2株は感受性測定培地に発育が認められず判定が不可能であり、2株は感受性菌と判定された。Middlebrook7H9液体培地(pH5.6)では感受性菌30株は全て感受性菌と判定でき、耐性菌9株中4株も耐性菌と判定できたが、他の5株は感受性測定培地に発育が認められず判定が不可能であった。いずれの培地を使用した場合でも全ての分離菌株のPZA感受性を判定することはできなかった。

1、PZA耐性結核菌株の収集およびPZA感受性試験前年度に収集した結核菌39菌株(PZA耐性菌9株、感受性菌30株)に加え、さらに多くのPZA耐性菌を得るため、PZAが効果を示さない患者より分離され、耐性化していることが推測される17菌株を収集し、従来法(卵培地法、寒天培地法、液体培地法)によるPZA感受性試験を試みた。分離された患者の薬剤使用歴、PZA投与による効果等を総合的に判断し、11株がPZA耐性であると判定された。2、PZA耐性結核菌の遺伝子変異の検出収集した全菌株についてピラジナミダーゼ活性の有無とピラジナミダーゼをコードする遺伝子(pncA)の変異を調べた。ピラジナミダーゼ活性は試験管内でピラジナミドからのピラジン酸産生の有無を検査し、遺伝子変異についてはプロモーター領域を含む領域をPCR法により増幅し、ダイレクトシークエンス法により塩基配列の決定を行い、野生株と耐性株を比較し遺伝子の変異を検出した。その結果、PZA耐性菌20株はすべてピラジナミダーゼ活性陰性であり、遺伝子の変異も認められた(プロモーター領域の変異1株、pncAの変異19株)。これに対して感受性株36株はすべてピラジナミダーゼ活性陽性であり、遺伝子の変異も認められなかった。本年度の結果は、pncAの変異の検出によりPZA耐性の遺伝子診断が可能になることを示した。次年度以降は、さらに迅速な遺伝子変異の検出法を開発していく予定である。収集した結核菌のピラジナミド(PZA)感受性試験をpH5.5に調整した7H10寒天培地を基礎培地として実施し、MICが200μg/ml以上の耐性菌30株および感受性菌16株を供試した。PZA感受性菌16株はすべてピラジナミダーゼ活性を有し、ピラジナミダーゼをコードする遺伝子(pncA)に変異は認められなかった。これに対して、PZA耐性菌30株はすべてピラジナミダーゼ活性を失っており、30株中29株はpncAに変異が認められ、残り1株はpncA全体を欠いていた。PZA耐性とピラジナミダーゼ活性の消失またはpncAの変異に相関が認められることが判明したが、これらは検査に数週間を要したり、検査コストが高くつくなどの理由で一般の臨床検査室で実施できるものではない。そこで検査の迅速化および簡素化を目的としPCRを利用したin vitroの発現系を利用したPZA耐性菌の検出法を開発した。T7ファージプロモーター配列を含むプライマーを用いてpncAを増幅、これをウサギ網状赤血球抽出液を用いたin vitro転写/翻訳システムによりピラジナミダーゼを産生させ、定量して発現量を測定した。その結果、このシステムで耐性菌はすべてピラジナミダーゼ活性を発現しなかったのに対して、感受性菌はピラジナミダーゼ活性を発現し、明確に判別できた。PZA耐性菌には検出率は低いがpncAのプロモーター領域に変異が認められるものも報告されている、これらの株は本システムでは検出できないが、それ以外の90%以上のPZA耐性菌を検出でき、検査所用時間も8時間程度であることから非常に有用なPZA耐性菌検出法であると考えられる。
個体群動態モデルの統計数理：情報量規準・観察モデル・近似ベイズ法

個体ベースデータからの推定を原則とする個体群動態行列モデルにおいて、個体情報が欠損したデータを伴う場合に、欠損があっても伴う情報を最大限に生かした行列成分の推定法を開発した。結果は、統計関連の研究集会で発表した。本課題にある、「観察モデル」を挟むことで真の個体群動態モデルのパラメータを推定する手法である。地下茎によりクローン繁殖する多年生草本のクローン成長動態では、地下部で行われたクローン繁殖は基本的に欠損状態にある。掘り返すことで、その時の繁殖についての情報は地下の新芽などで得られるが、過去のクローン繁殖の証拠は得られない。それを、地上部の経年モニタリング調査と併用させることで、欠損を補い、クローン繁殖動態モデルのパラメータを推定する手法を開発した。これも、「観察モデル」と状態モデルを階層させるベイズモデリングの発想を基盤に置く。環境依存のニッチモデルと、親からの散布(中立モデル)を融合させた、空間個体分布データに適用される非定常ネイマン・スコット過程について、未知パラメータを推定する手法を開発した。これまで提唱された手法より早い計算で、パラメータを事後分布の形でベイズ推定する。成果は、統計数理研究所における国際シンポで講演した。また、個体群動態の推移行列モデルについて研究協力者と執筆を予定していた教科書の細かな相談を行い、内容と執筆計画が具体化された。本年度は、統計モデルを用いた論文を、その論理展開を中心に精読しながら議論する研究会から始めた。6月に第1回、7月に第2回を行い、それぞれ有志10名程度で2日にわたる議論を行った。野外の観察データの多くが欠損を含む。しかも、有益な情報を含んでいることの確かな欠損データが多い。そのような場合に相当する事例を2件、階層モデルの形で数学として定式化できた。実績の概要に挙げた3つの成果は、いずれもベイズの枠組みで定式化した。このため、WAICなどのベイズ情報量規準を適用でき、かつ、その働きについても検証できる。空間点過程モデルについては、近似ベイズ法も試す計画だったが、未だ、本格的な研究実践に至っていない。このため、「おおむね」順調と言わざるを得ない。昨年度、研究集会などで公表した成果は、論文の形で公表すべく、学術誌に投稿する。Ecological and Environmental Statistics誌に、統計数理研究所における国際シンポジウムにおける講演でspecial issueを組み、そのeditorを担当する。シンポジウムで発表した空間点過程に関する論文は、その中の1論文として投稿する。情報量規準に関しては、並行して人工データによるシミュレーションで、空間点過程モデルを中心に、その有効性と、実データへ適用する際の妥当性について、検証を加えていく。個体群動態の推移行列モデルの教科書は、研究協力者との分担執筆して原稿を完成させ、近代科学社統計スポットライトシリーズの1巻として、出版する。年度内に、階層モデル、情報量規準、パラメータ推定法をキーワードとすると生態統計の研究集会を開催する。5月に研究協力者7名と研究打ち合わせ会議を行い、意見交換を行った。実データから統計モデルで推定や仮説検証を行う、数理モデルで空間パターン生成メカニズムを解明する、空間点過程の数学的基礎を充実させる。異なる3つの観点から議論を重ねた。統計数理研究所公開講座として渡辺澄夫氏によるベイズ統計を立案したが、そこへ研究協力者5名にも受講してもらい(6月)、講義前に準備学習会、講義後に渡辺氏を交えて、新しいベイズ情報量規準WAICに関する質疑や意見交換を行った。6月と11月に青森県のブナ2次林調査区において研究協力者と野外調査を行った。樹高について、その観察モデルに利用するため、6月と11月で同じ木を異なる人が測量し、その変動データを作った。本研究の主要な手法である推移行列の入門書執筆について、高田氏と協議し、執筆カレンダーと手順を確立させた。個別の課題について、それぞれの研究協力者と以下のように前進させた。標高経度に沿った多年生草本個体群動態の変異を推移行列モデルで定量的に比較検証する課題は、不完全なデータから推移行列モデルのパラメータをどう推定するかについて、検討を重ね、2月末にベイズ推定法を確立した。クローナル植物のラメット動態について推移行列作成における推定法を確立させ、推移行列モデルから示唆されるクローン植物の拡大についてシミュレーションモデルで検討する段階に入った。カタツムリ個体群動態について、専門誌へ投稿したが審査の末、却下された。観察モデルとベイズ推定に関して再検討を加えた。フィンランド極域における針葉樹林について、航空写真を用いた50年動態のデータ解析を始めた。推移行列モデルを核とする方針で本研究を進めている。個別の個体群動態に関する研究課題については、推移行列の構造及びデータからの統計的推定法に固有な改良を加えることで、不完全データの問題を解決してきている。また、その数理及びデータからの統計的推定法に関する基礎を普及させるための教科書執筆も、共著者との協議を済ませ、軌道に乗せることができた。

掘り返すことで、その時の繁殖についての情報は地下の新芽などで得られるが、過去のクローン繁殖の証拠は得られない。それを、地上部の経年モニタリング調査と併用させることで、欠損を補い、クローン繁殖動態モデルのパラメータを推定する手法を開発した。これも、「観察モデル」と状態モデルを階層させるベイズモデリングの発想を基盤に置く。環境依存のニッチモデルと、親からの散布(中立モデル)を融合させた、空間個体分布データに適用される非定常ネイマン・スコット過程について、未知パラメータを推定する手法を開発した。これまで提唱された手法より早い計算で、パラメータを事後分布の形でベイズ推定する。成果は、統計数理研究所における国際シンポで講演した。また、個体群動態の推移行列モデルについて研究協力者と執筆を予定していた教科書の細かな相談を行い、内容と執筆計画が具体化された。本年度は、統計モデルを用いた論文を、その論理展開を中心に精読しながら議論する研究会から始めた。6月に第1回、7月に第2回を行い、それぞれ有志10名程度で2日にわたる議論を行った。野外の観察データの多くが欠損を含む。しかも、有益な情報を含んでいることの確かな欠損データが多い。そのような場合に相当する事例を2件、階層モデルの形で数学として定式化できた。実績の概要に挙げた3つの成果は、いずれもベイズの枠組みで定式化した。このため、WAICなどのベイズ情報量規準を適用でき、かつ、その働きについても検証できる。空間点過程モデルについては、近似ベイズ法も試す計画だったが、未だ、本格的な研究実践に至っていない。このため、「おおむね」順調と言わざるを得ない。今年度も、個別の個体群動態に関する研究打ち合わせと全体的な研究意見交換(小研究会)を並行させて進める。多年生草本、クローナル植物、カタツムリの個体群動態については専門誌へ論文を投稿する。最初の小研究会は6月前半、続いて3か月程度の間隔を置いて、毎回、異なる主題を設けて行う。1回目は、統計解析手法でなく、その結果からどのような推論を経て生態学的知見をもたらすか、どういう推論は飛躍あるいは誤りか、に重点を置く。森林樹木の樹高の観察モデルに関して、昨年までの測量結果とモデルの状態を踏まえて今年もデータするための測量を行う(6月と11月)。推移行列の入門書の原稿作成を完了し、出版社に渡す。昨年度、研究集会などで公表した成果は、論文の形で公表すべく、学術誌に投稿する。Ecological and Environmental Statistics誌に、統計数理研究所における国際シンポジウムにおける講演でspecial issueを組み、そのeditorを担当する。シンポジウムで発表した空間点過程に関する論文は、その中の1論文として投稿する。情報量規準に関しては、並行して人工データによるシミュレーションで、空間点過程モデルを中心に、その有効性と、実データへ適用する際の妥当性について、検証を加えていく。
Naポンプの分子機構

1.構造面の研究:電気エイトとヒトのNa^+, K^+-ATPaseのα鎖, β鎖の一次構造が決定された.ラットではα鎖のイソフォームα(+)鎖, αIII鎖(新発見)の構造も決定された.酸素活性部位,膜貫通ドメイン等の相互位置関係など,膜酵素としてのトポロジーが明らかにされた. α鎖, β鎖のcDNAより各mRNAを合成しXenopus oocyteに注射し,機能活性をもったNa^+, K^+-ATPaseを発現させることに成功した.その際, α, β各鎖は蛋白質合成後独自に膜への組込能をもつが, α鎖の膜への正しい組込と活性発現にはβ鎖の共存が必要であった.一方, HPLCを組込んだ低角レーザー光錯乱法により可溶化Na^+, K^+-ATPaseの分子量を測定し, turnover時のコンホメーション変化とプロトマー間の相互作用の変化が対応することが明らかにされた.2.反応機構面の研究:酵素の各反応中間体で, BIPM,DACM等の各種外部蛍光, Trp内部蛍光,光散乱および42K+結合を測定し,酵素のコンホメーション変化が解析された.アミン化合物による阻害測定から,カチオン結合部位の様相が考察された.ラットの心筋Na^+, K+-ATPaseの精製法が開発され,心臓におけるウアバイン高・低感受性両アイソザイムの共存が示された.3.輸送機能面の研究:再構成ベシクルを用いて, NaポンプによりH+がNa+の代わりに輸送されることが示された.カエル骨格筋におけるインスリン作用によるNa輸送活性の増大は, Na^+, K^+-ATPaseが細胞内より形質膜へ移行し,ポンプ数の増加によることが結論された.脳の初代培養神経細胞では分化に伴い, α型の他にα(+)型の酵素が発現し,優先的に輸送活性を示した.cDNAによるmRNAの検索で, α, α(+), αIII各鎖の脳,心筋,腎等における局在と,培養に伴う量的変化がしらべられた.小腸刷子縁で, Na^+のみ, H^+のみ, Na^+とH^+双方に親和性をもつ3種類のカチオン共輸送系の共存が明らかにされ,その性質が比較検討された.1.構造面の研究:電気エイトとヒトのNa^+, K^+-ATPaseのα鎖, β鎖の一次構造が決定された.ラットではα鎖のイソフォームα(+)鎖, αIII鎖(新発見)の構造も決定された.酸素活性部位,膜貫通ドメイン等の相互位置関係など,膜酵素としてのトポロジーが明らかにされた. α鎖, β鎖のcDNAより各mRNAを合成しXenopus oocyteに注射し,機能活性をもったNa^+, K^+-ATPaseを発現させることに成功した.その際, α, β各鎖は蛋白質合成後独自に膜への組込能をもつが, α鎖の膜への正しい組込と活性発現にはβ鎖の共存が必要であった.一方, HPLCを組込んだ低角レーザー光錯乱法により可溶化Na^+, K^+-ATPaseの分子量を測定し, turnover時のコンホメーション変化とプロトマー間の相互作用の変化が対応することが明らかにされた.2.反応機構面の研究:酵素の各反応中間体で, BIPM,DACM等の各種外部蛍光, Trp内部蛍光,光散乱および42K+結合を測定し,酵素のコンホメーション変化が解析された.アミン化合物による阻害測定から,カチオン結合部位の様相が考察された.ラットの心筋Na^+, K+-ATPaseの精製法が開発され,心臓におけるウアバイン高・低感受性両アイソザイムの共存が示された.3.輸送機能面の研究:再構成ベシクルを用いて, NaポンプによりH+がNa+の代わりに輸送されることが示された.カエル骨格筋におけるインスリン作用によるNa輸送活性の増大は, Na^+, K^+-ATPaseが細胞内より形質膜へ移行し,ポンプ数の増加によることが結論された.脳の初代培養神経細胞では分化に伴い, α型の他にα(+)型の酵素が発現し,優先的に輸送活性を示した.cDNAによるmRNAの検索で, α, α(+), αIII各鎖の脳,心筋,腎等における局在と,培養に伴う量的変化がしらべられた.小腸刷子縁で, Na^+のみ, H^+のみ, Na^+とH^+双方に親和性をもつ3種類のカチオン共輸送系の共存が明らかにされ,その性質が比較検討された.1.構造面の研究:先に電気エイ【Na^+】,【K^+】-【ATP_(ase)】の鎖の一次構造が決定されたが、本年度はβ鎖一次構造の決定と、異種生物への応用としてヒト酵素のα,β両鎖の構造決定がなされた(長野,川村)。さらにウアバイン低感受性のラットでα鎖及び脳型アイソザイムのα(+)鎖のcDNAクローニングにも成功しアミノ酸配列の決定が行われたが(中尾,原)、米国のShullらと競合するところとなった。一次構造の決定に関連し、活性部位の一部としてのFSBAラベル部位の局在が明らかになった(長野)。高次構造レベルの研究では可溶化酵素を膜結合酵素に匹敵する比活性を持つ状態で高速液クロ分離することに成功した(林,松井)。

2.反応機構面の研究:酵素の立体構造変化に関与するBIPM結合の部位,ATPに対する低親和性をとる原因,及び3種の構造上異なった【E_1】Pの出現が示された(谷口)。【KE_2】-→Na【E_1】への変化におけるATPの役割(松井)や、カチオン結合を阻害する有機塩基や2価金属イオンの【E_2】Pに対する影響など(福島)が明らかにされた。またウアバイン作用の解明に必須な心臓【Na^+】,【K^+】-【ATP_(ase)】の精製法が開発された(渡辺)。3.輸送機能面の研究:再構成リポソームの研究で、【H^+】が【Na^+】の代わりに輸送されることが明らかにされた(原,中尾)。細胞レベルの研究では、インスリン投与により筋細胞で既存の輸送活性より【Na^+】親和性の高い新しい輸送活性が発現することが明らかにされた(北里)。さらに脳の初代培養神経細胞では細胞分化にともない、α型の他にα(+)型(脳型)の酵素が発現し、このα(+)型ポンプが優先的に輸送活性を示すことが認められた(松井)。一方小腸刷子縁膜には、【Na^+】ポンプによって作られた【Na^+】,【H^+】勾配を使う、【Na^+】or【H^+】/糖,【Na^+】/アミノ酸,および【H^+】/ペプチドの三つの共輸送担体が存在することが明確になった(星)。1.構造面の研究:ラット脳でα鎖,α(+)鎖の何れとも異なるαIII鎖のcDNAが発見され,一次構造が決定された(中尾,原).生合成時のα,β各鎖の膜への組込みが研究され,蛋白合成後各鎖は独自に膜に組込まれることが示された(長野,松井).さらに,α鎖,β鎖のcDNAより各mRNAを合成し,Xenopus oocyteに注射し,機能活性をもったNa^+,K^+ーATPaseを発現させることに成功した(川村).その際,α鎖の正しい膜への組込みと活性発現にはβ鎖の共存が必要であった.高次構造レベルの研究では,HPLCを組込んだ低角レーザー光散乱法により可溶化Na^+,K^+ーATPaseの分子量を測定し,turnover時のコンホメーション変化とプロトマー間の相互作用の変化の対応が示された(林,松井).2.反応機構面の研究:酵素の各反応中間体で,BIPM,FITC,DACM等の各種外部蛍光,Tryp内部蛍光及び光散乱を測定し,ポンプによるエネルギー変換の中心問題である酵素のコンホメーション変化が解析された(谷口).また,アミノ化合物による阻害の測定から,カチオン結合部位の様相が考察された(福島).ラットの心筋Na^+,K^+ーATPaseの精製法が開発され,心臓におけるウアバイン高・低感受性両アイソザイムが研究された(渡辺).3.輸送機能面の研究:再構成ベシクルでNaポンプによるH^+の輸送が研究された(原,中尾).カエル骨格筋でのインスリン作用によるNa輸送活性の増大は,Na^+,K^+ーATPaseの細胞内部より形質膜への移動によるポンプ数の増加によることが明らかにされた(北里).cDNAによりmRNAの検索で,α,α(+),αIII各鎖の脳,心筋,腎等における局在と細胞培養に伴う変化が解析された(松井,原,中尾).Na^+部位におけるH^+の代行性に関連して,小腸刷子緑の,Na^+のみ,H^+のみ,およびNa^+とH^+双方に親和性をもつ三種類のカチオン共輸送系が比較検討された(星).
エピソード記憶の脳内メカニズム

ニホンザル1頭を対象にエピソード記憶を要する課題を学習させた。3面モニター内にバーチャル迷路を作り出し,その迷路内を,ジョイスティックを用いて自由に移動し,目標物体を見つけ出す課題の訓練をおこなった。サルはそのエピソードを覚え,続く試行ではより早く目標に到達することができるようになった。また,ラットを対象に,8方向の放射状迷路を用いた「いつ」「どこ」「なに」というエピソード記憶を必要とする課題を学習させた。今後,損傷実験やニューロン活動の記録実験を通して,エピソード記憶の神経機構について検討する予定である。本年度は,ニホンザル1頭を対象にエピソード記憶を要する訓練をおこなった.コンピュータ・グラフィクスを用いて,サルの眼前に設置した3面モニター内に5x5の区画からなるバーチャル迷路を作り出した.モニターには特殊加工した偏光フィルムを装着し,サルには偏光メガネをかけさせることによって,より没入感のある立体的なバーチャル環境を作成することができた.バーチャル迷路内の移動は手元にあるジョイスティックを用いて行なわせた.迷路内の様々な場所には果物(リンゴ)が置かれており,サルは,ジョイスティックを用いて自由に迷路内を移動し,その果物の場所を探す課題を訓練した.サルが果物に到達した場合には,報酬として少量の水あるいはジュースを与えた.果物の置き場所は2回繰り返され, 1回目についてはサルは迷路内のどこにあるかわからないので,迷路内を探し回らなければならないが, 2回目は同じ場所におかれているので,その記憶をもとに果物が置かれた場所に到達できるものと考えた.訓練の結果, 1回目よりも2回目において果物が置かれた場所への到達時間が短くなる傾向が認められ,サルがバーチャル迷路内の果物の置き場所を記憶している可能性が示唆された.また,迷路内の移動時に壁にぶつかつたり同じ場所を何度も訪れたりするような不適切な行動の回数なども減少する傾向がみられた.本年度は,ラットを対象に「いつ」「どこ」「なに」という記憶情報が必要なエピソード記憶課題を学習させた。具体的には,8方向の放射状迷路のそれぞれの経路(アーム)の先端部にエサ(ペレット)を置き,ラットにそのエサを集めさせる課題を学習させた。この際,アームの一つには特別なエサ(チョコレートペレット)を置いておき,別の一つのアームには食べることのできないビーズを置いておいた。ラットにはすべてのアームの先端部に行きエサを集めさせ,ここまでを第1フェーズとした。そして,2分間の遅延期間の後に,第2フェーズとして,もう一度迷路内のエサを集めさせた。第2フェーズでのチョコレートペレットを置くアームの位置は,ラットが第1フェーズにおいてチョコレートペレットを得たタイミングによって変えた。つまり,ラットは第1フェーズのいっ,どこで,なにを得たのかというエピソードについて覚えておく必要があった。この課題の訓練を108試行おこなわせたところ,ラットは第2フェーズでチョコレートペレットが置かれたアームに相対的に早く到達する行動を示し,第1フェーズにおけるエピソードを記憶していることが示唆された。今後は,脳梁膨大後部皮質の破壊が課題遂行に与える影響の検討をおこない,さらに,課題遂行時のニューロン活動を記録・解析することを通して,「いつ」「どこ」「なに」というエピソード記憶に関わる脳領域とその処理メカニズムを明らかにする予定である。
顕微分光法によるGaInN混晶半導体のポテンシャル障壁の定量解析と高効率化モデル

貫通転位起因のVピット拡張層として中温成長されたGaN(MT-GaN)を用いたInGaN/GaN量子井戸(QW)構造について、近接場光学顕微分光法を用いてVピット近傍の発光エネルギーの空間分布を評価した。InGaN/GaNQW発光の高エネルギー側にHE発光ピークが観測された。HE発光は局所的に観察され、GaN発光強度像の暗点(貫通転位)とよく一致し、MT-GaNを用いた場合も貫通転位近傍にポテンシャル障壁が形成されることを示した。また、低温局所PLスペクトルに発光エネルギーが異なる2つのHE発光が存在することを明らかにした。複数のHE発光がほぼ同一の領域において観測されたことから、Vピット中の局所的な構造の不均一を示していると考えた。さらに、MT-GaN層上InGaN QWにおけるHE発光とQW発光のエネルギー差が、InGaN/InGaN超格子(SL)をVピット拡張層としたInGaN QWよりも大きくなることを明らかにした。両者の差は、MT-GaN層とSL層を用いた場合の面内歪みの差による効果で定性的に説明しうることを明らかにした。AlGaN/AlGaN QW構造における貫通転位近傍の局所高エネルギー発光について、QW構造が異なる試料に対する系統的な評価を行い、主発光と局所高エネルギー発光のエネルギー差を局所カソードルミネッセンスマッピング法により見積もった。QWの構造パラメータに対してエネルギー差が系統的に変化することを見出し、この発光がQW構造に起因したものであると結論づけた。QW構造の最適化によりAlGaN QWにおいても貫通転位に対するポテンシャル障壁として機能する可能性を見出した。c面サファイア基板上に作製された青色緑色で発光するInGaN/GaN量子井戸(QW)構造について、貫通転位近傍に形成される局所的なポテンシャル分布を近接場光学顕微分光(SNOM-PL)法を用いて室温にて評価した。観察領域の大部分においてGaNからの発光とInGaNからの発光(InGaN主発光)のみが観測されたが、緑色QWではそれらに加えてInGaN主発光の高エネルギー側に発光が現れる領域が点在することがわかった。緑色QWにおいて高エネルギー発光成分が現れる位置では、InGaN主発光は弱く、またGaN発光の暗点(貫通転位)との明確な相関はなかった。これらの実験事実から、緑色発光QWで観測された高エネルギー発光成分は貫通転位近傍のポテンシャル障壁モデルで説明できず、InGaN組成の多い緑色QWにおける貫通転位以外の組成・構造不均一を反映していると考えられた。また、局所的に現れるこれらの発光と構造欠陥との相関の評価に、比較的簡便に広い領域対する顕微分光評価が可能な走査電子顕微鏡-カソードルミネッセンス(SEM-CL)法の適用を試みた。過去の低温SNOM-PL測定において貫通転位近傍にポテンシャル障壁の形成が確認されているIn組成比18 %の青緑色発光InGaN MQW構造に対して室温SEM-CL測定を行い、InGaN主ピークの高エネルギー側(450 nm)を中心波長として分光マッピング像を測定した結果、貫通転位(全光マッピング像の暗点)近傍に局所的な発光が観測された。InGaN主ピークと局所高エネルギー発光の発光エネルギー差は7090 meV程度とSNOM-PL評価(75-110 meV)と比較して若干低く見積もられた。局所高エネルギー発光領域の密度は貫通転位密度より一桁以上低く、これは非輻射再結合の影響を強く受けているためと考えられた。当初の研究計画である低温でのSNOM-PL測定を繰り返し試みているにもかかわらず、測定の困難性、装置不良等により十分なデータが得られていない状況である。一部、不良点については改善点を洗い出し、H28年度末には測定データを得ることが出来る状況まで改善した。今後の研究進捗に期待が持てる。他方、室温におけるSNOM-PL評価については、高In組成である緑色発光QWに特有の高エネルギー発光が存在することを明らかにしており、ポテンシャル障壁モデルで説明される発光と十分に区別をして考察することの必要性を明らかにしている。また、室温SEM-CL法を用いて、SNOM-PL法で明らかとなった「貫通転位近傍に形成されるポテンシャル障壁」に対応する局所発光分布を観測可能であることを確認した。測定原理上エネルギーの定量性に難があるものの、SEM-CL評価結果をSNOM-PL評価結果の補完として用いることができることがわかった。これら室温における観察結果を元に、低温評価を一気に進める体制が整った。InGaN/GaN量子井戸(QW)構造中の貫通転位を起点として形成される成長ピットに起因したポテンシャル障壁について、緑色QWにおける直接観測を主眼とした評価を行った。昨年度の室温での評価結果を元に、c面サファイア基板上に作製された緑色QW構造について、近接場光学顕微分光(SNOM-PL)法により、貫通転位近傍の局所的なバンドギャップエネルギーの分布を評価した。評価は低温(3040 K)にて、微小開口プローブ(60 nm)を用いて行った。低温SNOM-PL測定においても室温時と同様にInGaN QW発光の高エネルギー側に発光が現れる領域が局所的に観察された。室温時に高エネルギー発光領域がGaN発光の明領域で観測されたのに対して、低温では高エネルギー発光領域はGaNの明領域に加えて、GaNの暗点(非輻射再結合中心である転位に対応)でも観察された。この実験事実は、緑色QWにおいても貫通転位近傍にポテンシャル障壁が自己形成されること示している。

また、低温で観察されていた暗点近傍の高エネルギー発光領域が、非輻射再結合中心の熱的活性化の影響で室温で観察されなくなることも示された。発光エネルギー差からポテンシャル障壁高さは200300 meVと見積もられた。室温で観測されたGaN明領域の高エネルギー発光の起源としてプレナー量子井戸の局所的膜厚減少が考えられ、高温での成膜が難しい緑色QWにおいて顕著化したものと考えられる。さらに低温78 Kにおいて走査電子顕微鏡-カソードルミネッセンス(SEM-CL)法を用いて、ポテンシャル障壁の評価を試み、ポテンシャル障壁高さを見積もったところ、SNOM-PL法で評価した場合と比較して低エネルギーとなった。この差はSNOM-PL法とSEM-CL法の評価法の違いにより説明可能であり、SEM-CL法の有用性と妥当性に関する指針を与えた。InGaN/GaN QW構造のポテンシャル障壁高さに関する定量的な見積もりを行った。緑色QWの低温SNOM-PL測定において、GaNの暗点(貫通転位)に関与したポテンシャル障壁の障壁高さが200300 meVと非常に大きいことを示した。このことから、緑色QWにおいてもポテンシャル障壁は形成されており、貫通転位でのキャリア捕獲を抑制するに十分な高さを有するが、点欠陥等の影響および内部電界による輻射再結合寿命の長寿命化の影響が顕著であり、ポテンシャル障壁の効果を打ち消しているという描像が示唆された。従って、結晶性の改善が進むことでポテンシャル障壁の発光効率への寄与が顕在化する可能性は残している。H30年度に計画していたピエゾ電界の影響を受けない結晶面方位についてのInGaN/GaN量子井戸構造については試料の入手が現状困難であるため、一部計画を変更する。また、派生的にAlGaN/AlGaN QW構造における貫通転位近傍のバンドギャップエネルギーについて、カソードルミネッセンス法による顕微分光評価を実施した。その結果、貫通転位位置において局所的に、AlGaN QW主発光の高エネルギー側の発光線が観測された。本試料では表面ピット等は観測されておらず、InGaN系とは異なるメカニズムで貫通転位近傍の局所ポテンシャル障壁が形成される可能性を示した。貫通転位起因のVピット拡張層として中温成長されたGaN(MT-GaN)を用いたInGaN/GaN量子井戸(QW)構造について、近接場光学顕微分光法を用いてVピット近傍の発光エネルギーの空間分布を評価した。InGaN/GaNQW発光の高エネルギー側にHE発光ピークが観測された。HE発光は局所的に観察され、GaN発光強度像の暗点(貫通転位)とよく一致し、MT-GaNを用いた場合も貫通転位近傍にポテンシャル障壁が形成されることを示した。また、低温局所PLスペクトルに発光エネルギーが異なる2つのHE発光が存在することを明らかにした。複数のHE発光がほぼ同一の領域において観測されたことから、Vピット中の局所的な構造の不均一を示していると考えた。
新規アメロジェニン会合蛋白の分子基盤構築による歯周組織再生の創薬標的分子の同定

歯周組織再生治療薬、エムドゲインは広く臨床応用されており、その90%以上はアメロジェニンにより構成されている。しかし、歯周組織再生における詳細なメカニズムは不明な点が多い。申請者は以前、アメロジェニン会合分子をプロテオーム解析でスクリーニングした結果、新規アメロジェニン会合分子Grp78を同定した。そこで、本研究では歯周組織に重要な歯根膜幹細胞を用いて、アメロジェニンとGrp78の効果生物学的相互作用について検討した。その結果、両者の会合がRac1の活性化と糸状仮足形成促進を介して歯根膜幹細胞の遊走能を促進することで、歯周組織再生を誘導する可能性が示唆された。【目的】我々は、エナメル基質蛋白の主成分であるアメロジェニンのプロテオーム解析を行い、新規アメロジェニン会合分子としてGrp78を同定・報告してきた。歯周組織再生に歯根膜が必須である観点より、ヒト歯根膜幹細胞/前駆細胞株(hPDLSCs)におけるアメロジェニン(rM180)刺激とGrp78が及ぼす影響を検討した。【材料及び方法】Grp78を強発現またはノックダウンしたhPDLSCsで以下の検討を行った。1Grp78の発現分布およびrM180細胞内取り込み時のGrp78の局在変化:共焦点蛍光顕微鏡撮影2遺伝子発現変動の検討:マイクロアレイ解析3細胞増殖・細胞遊走・細胞接着実験4Grp78強発現およびrM180刺激の細胞骨格への影響:共焦点蛍光顕微鏡撮影5RhoファミリーG蛋白活性化:Rac1,Cdc42 activationassay【結果および考察】rM180はhPDLSCs細胞内へ取り込まれる際に、細胞膜上に発現しているGrp78と共局在している事を確認した。マイクロアレイ解析では、rM180刺激によりTGF-&#61538;経路を活性化する一方で、Grp78発現量が細胞遊走関連遺伝子群の発現制御に関与することを確認した。また、rM180刺激はhPDLSCsの細胞増殖へ影響及ぼすことなしに、細胞接着・細胞遊走能を促進したが、これらの効果はGrp78の発現量依存性であった。以上よりhPDLSCsにおけるアメロジェニン誘導性の細胞遊走促進効果はGrp78依存性であり、Rac1の活性化と葉状仮足の形成がアメロジェニン誘導性の細胞遊走に必須のプロセスであることが示唆された。【目的】EMDによる歯周外科処置に,疼痛・腫脹の軽減を伴う治癒促進効果があることが経験的に知られているが,実際アメロジェニンが炎症性/抗炎症性サイトカイン産生の面から抗炎症作用を示す報告が存在する.本研究ではアメロジェニンの免疫応答に及ぼす影響を検討するために,マクロファージでのマイクロアレイによる網羅的遺伝子解析とその表現系への影響について確認した.【結果】1LPS + Amelogenin刺激群において,抗炎症関連遺伝子TSG-6,抗酸化関連遺伝子SOD2,貪食促進関連遺伝子SLAMF1の特異的な亢進を確認した.2LPS刺激ではM1型に特徴的な円状の細胞形態を呈した.一方, Amelogenin刺激ではM2マーカー発現及び紡錘形への細胞形態の変化を確認し,さらにVEGFの遺伝子発現亢進を確認した.【考察および結論】アメロジェニン刺激で炎症・抗炎症作用の両方が活性化される事が示唆される一方,抗炎症遺伝子の著明な増幅が確認された.ヒートマップ解析から,アメロジェニン刺激の初期は炎症反応の亢進による炎症期間の早期収束を,後期には抗炎症作用を促進する可能性が示唆されるとともに,M2マクロファージへの分化促進の能性が示された.昨年度までの経過の論文報告が受理された現在、歯周組織再生治療薬、エムドゲインは広く臨床応用されており、その90%以上はエナメル基質タンパク質のアメロジェニンにより構成されている。これまでにアメロジェニン単味での歯周組織再生効果や抗炎症効果が報告されているが、長年アメロジェニンに関する研究が行われてきたにも関わらず、歯周組織再生の出発点である炎症反応に関する分子基盤及びシグナル伝達メカニズムの詳細な機序は解明されていない。そこで、本研究ではアメロジェニンの免疫応答に及ぼす影響を解明するために、ヒト単球様細胞株U937をPMAによりマクロファージ分化させた細胞を用いて、LPS誘導性炎症に対するアメロジェニンの効果について検討した。はじめに、アメロジェニンがU937に与える影響を検討するためマイクロアレイ解析を行った結果、LPS存在下でのアメロジェニン刺激後4時間で炎症関連遺伝子群が亢進し、24時間では抗炎症関連遺伝子群が亢進した。アメロジェニン刺激後48時間において抗炎症性タンパク質発現が増加していたことから、M1(炎症誘導型/ M2(創傷治癒型)マクロファージの表現系について解析を行った。その結果、アメロジェニン刺激後にM1マーカー(CD86、iNOS)の発現が抑制され、細胞外形の紡錘形変化を伴ってM2マーカー(CD163、CD206)の発現が亢進した。さらに、アメロジェニン刺激後にPGE2の発現亢進とともに、そのレセプターであるEP2/4の発現が亢進した。