hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
IC設計情報に基づく暗号回路のサイドチャネル攻撃予測に関する研究

暗号回路の設計情報に基づきRTLレベルシミュレーションによりサイドチャネル攻撃耐性を予測する方法を開発した。暗号回路の設計情報に基づくRTLレベルシミュレーションによりサイドチャネル攻撃耐性を精度よく予測可能であることを示し、設計データからシミュレーションモデルを同定する方法を開発できた。さらに、設計情報に基づく耐性予測に基づく暗号回路のサイドチャネル攻撃耐性の設計方法論の開発を目的として、サイドチャネル情報漏えい波形の信号対雑音比(SNR)による耐性予測の可能性を検証した。実測した漏えい波形に基づく検討より、解析的に導出されたSNRとサイドチャネル情報漏えい強度の関係式が実際に漏えい波形に対して成立することを示した。さらにAES暗号回路への実攻撃を想定して、ステート行列の1 byteごとのSNRを設計情報から推定する方法について検討し、その実現可能性のある方法について示唆を得た。また、サイドチャネル攻撃耐性の設計ため、情報漏洩周波数帯域を導出しそれを実験により検証した。加えて、サイドチャネル攻撃法を応用し、電磁妨害波(EMI)のノイズ源を推定する手法を開発した。EMIのノイズ源となるディジタルICのスイッチング電流をICで処理されるデータを変更することにより振幅変調し、その結果時間変動するEMI強度と処理データの相関係数に基づきICごとのEMIへの寄与度を定量的に推定する手法を開発した。この手法をノイズ源となりうるディジタルICを3個搭載したプリント基板に対して適用し、その有効性を検証した。その結果、各ICに起因するEMI強度を1GHz以下において数dB以下の誤差で推定できることを示した。まず、設計情報であるVerilogデータから暗号回路のスイッチング電流を同定する準備として、シンプルな論理回路のVerilogデータを作成し、スイッチング電流波形をシミュレーションする方法を検討した。その結果、FPGA開発ソフトウェアを用いた消費電力解析によりスイッチング電流を同定する可能性を確認した。次に、サイドチャネル波形の信号対雑音比(SNR)を設計指標とする設計法の確立を目的として、サイドチャネル波形のSNR測定法を検討した。暗号モジュールの設計者は任意の平文を選択可能であるとの仮定に基づき、同一平文を暗号化した時のサイドチャネル波形の平均化処理を利用して信号成分とノイズ成分を分離測定する手法を提案した。そして提案法によりサイドチャネル波形のSNRを精度よく測定可能であることを実測に基づき示した。また、設計情報から等価回路モデルを同定する際に、サイドチャネル攻撃予測を精度よく実現するために重要となる回路部が分かっていると効率的にモデル同定できる。そこで、サイドチャネル情報漏洩強度が異なるAES暗号回路をFPGAに実装し、それらの回路の情報漏洩特性を分析し、サブ回路部ごとの情報漏洩特性を調べた。その結果、暗号処理の中間値を格納するレジスタとその後段回路が情報漏洩特性に寄与していることが分かった。したがって、それらの回路部のモデル化が重要と分かった。以上の結果より、サイドチャネル情報漏洩に寄与する回路部と寄与しない回路部に分けてスイッチング電流を同定し、暗号回路のSNRを算出することによりサイドチャネル攻撃耐性を予測可能との見込みを得た。初年度に計画していたVerilogデータに基づくスイッチング電流の同定は、評価対象である暗号回路のFPGA実装の準備に時間がかかったため、フリップフロップのみで構成した一般的な論理回路を用いた検討のみを実施した。一方で、2年目以降に実施予定であったサイドチャネル攻撃に対する安全性評価手法を検討し、その方向性を得ることができた。よって、全体としては概ね順調に進んでいる。昨年度、サイドチャネル波形のSNRに基づき暗号回路のサイドチャネル攻撃耐性予測可能性を明らかにしたため、今年度はSNRに基づく暗号モジュールのサイドチャネル攻撃耐性予測手法を検討した。まず、サイドチャネル波形のSNR測定法を提案し、実験によりその有効性を示した。さらに、SNRと攻撃耐性の関係を表す解析式の妥当性を、限られた実装においてではあるが示した。この結果より、SNRに基づきサイドチャネル攻撃耐性を予測可能であることを確認できた。プリント基板のインピーダンスを設計情報に基づき電磁界シミュレーションにより同定した。同定したインピーダンスを用いてサイドチャネル情報漏えい強度の変化を予測し、その結果を実測と比較することで基板インピーダンスを実用上十分な精度で同定できた。これにより、プリント基板インピーダンスの同定を完了した。サイドチャネル波形の周波数特性より漏えい周波数帯域を解析的に同定し、それを実験により検証した。さらに上で同定した基板インピーダンスの情報を使用し、漏えい帯域で共振する共振器を付加することでSNRを向上させ情報漏えい強度を向上させられることを確認した。VerilogHDLデータからサイドチャネル波形のSNRを同定する準備として、AES回路のAltera社製FPGAへの実装を完了した。さらに、SNRを同定するための消費電力シミュレーション方法を検討し、決定した。加えて、複数のサイドチャネル耐性を予測するため、サイドチャネル耐性の異なる複数のAES回路をFPGA実装した。さらに、プリント基板上のフィルタリング条件も検討し、耐性予測で使用する条件を決定した。検討項目に対する進捗度は75%である。以下に検討項目ごとの達成度を示す。(1)Verilogデータに基づく暗号ICのSNR同定【60%】内訳は、同定法として消費電力シミュレーションに基づく手法を適用する【100%】、シミュレーション条件の検討&決定【0%】、シミュレーションの実行&SNR同定【0%】(2)プリント基板インピーダンスの同定【100%】(3)サイドチャネル攻撃予測【50%】

(4)サイドチャネル情報漏えい帯域の同定とそれを利用した情報漏えい強度向上【90%】暗号回路の設計情報に基づきRTLレベルシミュレーションによりサイドチャネル攻撃耐性を予測する方法を開発した。暗号回路の設計情報に基づくRTLレベルシミュレーションによりサイドチャネル攻撃耐性を精度よく予測可能であることを示し、設計データからシミュレーションモデルを同定する方法を開発できた。さらに、設計情報に基づく耐性予測に基づく暗号回路のサイドチャネル攻撃耐性の設計方法論の開発を目的として、サイドチャネル情報漏えい波形の信号対雑音比(SNR)による耐性予測の可能性を検証した。実測した漏えい波形に基づく検討より、解析的に導出されたSNRとサイドチャネル情報漏えい強度の関係式が実際に漏えい波形に対して成立することを示した。さらにAES暗号回路への実攻撃を想定して、ステート行列の1 byteごとのSNRを設計情報から推定する方法について検討し、その実現可能性のある方法について示唆を得た。また、サイドチャネル攻撃耐性の設計ため、情報漏洩周波数帯域を導出しそれを実験により検証した。加えて、サイドチャネル攻撃法を応用し、電磁妨害波(EMI)のノイズ源を推定する手法を開発した。EMIのノイズ源となるディジタルICのスイッチング電流をICで処理されるデータを変更することにより振幅変調し、その結果時間変動するEMI強度と処理データの相関係数に基づきICごとのEMIへの寄与度を定量的に推定する手法を開発した。この手法をノイズ源となりうるディジタルICを3個搭載したプリント基板に対して適用し、その有効性を検証した。その結果、各ICに起因するEMI強度を1GHz以下において数dB以下の誤差で推定できることを示した。平成29年度は、まずFPGA実装したAES回路のVerilogデータよりスイッチング電流を同定し、その検証を実施する。また、サブ回路ごとにスイッチング電流を同定し、サイドチャネル情報漏洩に寄与している回路部と寄与しない回路部の電流に分離することで、サイドチャネル波形としてのSNRを算出する。次に、暗号モジュールの等価回路を電磁界シミュレーションにより同定し、実測したインピーダンス特性との比較により等価回路の精度を検証する。平成30年度は、これらのスイッチング電流と等価回路を組み合わせ、暗号モジュールから漏洩するサイドチャネル波形を予測する。VerilogHDLデータに基づくSNR同定として、FPGA実装したAES回路の消費電力をシミュレーションしサイドチャネル波形のSNRを同定する。また、最適なシミュレーション条件を決定する。同定したSNRに基づくサイドチェネル攻撃耐性予測として、サイドチャネル攻撃耐性の異なる3つのAES回路に対して提案手法を適用し、サイドチャネル攻撃耐性予測を実行する。予測結果を実測により求めた結果と比較し提案法の精度を評価する。
日本産小哺乳類の起源に関する研究:特にヒマラヤ回廊に由来する動物の進化について

日本・ロシア・韓国・台湾・ネパールの各地で採集されている小哺乳類を材料にして,「ヒマラヤ回廊」に由来すると思われるものの進化学的解析をおこない,以下の知見を得た.1.分子系統:mtDNAチトクロームbの塩基解析によって日本産ヒナコウモリ科9属の分子系統を明らかにした.2.染色体:ハタネズミがM.oeconomusに由来することを確定した.台湾産Crocidura attenuataの核型を明らかにした.ミズラモグラの核型を分染法により検討した.台湾産キクチハタネズミの染色体のG-バンドパターン分析とXY染色体の対合状態を日本産ハタネズミと比較してシナプトネマ構造の形成を確認し,ヒマラヤ回廊上のハタネズミ属の類縁関係を考察した.台湾産ケムリトガリネズミ属2種の核型の相違を明らかにした.日本と日本周辺に生息するニホンモグラ属の染色体分染法による解析からこれらの系統関係を明らかにし,さらに韓国産Mogeraの系統的位置を考察した.台湾産キクチハタネズミとネパール産シッキムハタネズミの染色体核型を示し,両者がともに精子形成の際に性染色体対合を行うことから,日本産ハタネズミと台湾産キクチハタネズミがともにヒマラヤ回廊に由来する可能性を議論した.3.形態:日本各地に生息するニホンイタチとチョウセンイタチの個体群に由来する標本を用いて頭骨の計測学的研究を行い,両種の形態学的な特徴を明らかにした.歯と骨格の形態学的特徴から,日本産ヒメヒミズ・ヒミズ・ミズラモグラ・センカクモグラ・トガリネズミ類の系統関係を示し,その由来を論議した.4.寄生虫:日本国内の陸上哺乳類に寄生する寄生虫相のリストを作成し,ヒマラヤ回廊に関する寄生虫の移動経路を推定するための基礎資料とした.日本・ロシア・韓国・台湾・ネパールの各地で採集されている小哺乳類を材料にして,「ヒマラヤ回廊」に由来すると思われるものの進化学的解析をおこない,以下の知見を得た.1.分子系統:mtDNAチトクロームbの塩基解析によって日本産ヒナコウモリ科9属の分子系統を明らかにした.2.染色体:ハタネズミがM.oeconomusに由来することを確定した.台湾産Crocidura attenuataの核型を明らかにした.ミズラモグラの核型を分染法により検討した.台湾産キクチハタネズミの染色体のG-バンドパターン分析とXY染色体の対合状態を日本産ハタネズミと比較してシナプトネマ構造の形成を確認し,ヒマラヤ回廊上のハタネズミ属の類縁関係を考察した.台湾産ケムリトガリネズミ属2種の核型の相違を明らかにした.日本と日本周辺に生息するニホンモグラ属の染色体分染法による解析からこれらの系統関係を明らかにし,さらに韓国産Mogeraの系統的位置を考察した.台湾産キクチハタネズミとネパール産シッキムハタネズミの染色体核型を示し,両者がともに精子形成の際に性染色体対合を行うことから,日本産ハタネズミと台湾産キクチハタネズミがともにヒマラヤ回廊に由来する可能性を議論した.3.形態:日本各地に生息するニホンイタチとチョウセンイタチの個体群に由来する標本を用いて頭骨の計測学的研究を行い,両種の形態学的な特徴を明らかにした.歯と骨格の形態学的特徴から,日本産ヒメヒミズ・ヒミズ・ミズラモグラ・センカクモグラ・トガリネズミ類の系統関係を示し,その由来を論議した.4.寄生虫:日本国内の陸上哺乳類に寄生する寄生虫相のリストを作成し,ヒマラヤ回廊に関する寄生虫の移動経路を推定するための基礎資料とした.日本・ロシアシベリア・ネパール・台湾の各地で採集されている小哺乳類(食虫類・翼手類・齧歯類)を材料にして,「ヒマラヤ回廊」に由来すると思われるものの進化学的解析をおこなった.これらの研究から得られた新たな知見は以下の通りである.日本・ロシアシベリア・ネパール・台湾の各地で採集されている小哺乳類を材料にして,「ヒマラヤ回廊」に由来すると思われるものの進化学的解析をおこなった.これらの研究から得られた新たな知見は以下の通りである.1.染色体:岩手県産ミズラモグラの各種分染法による核型の検討(川田ほか,1998)により,染色体数2n=36を追認したほか不明だった性染色体構成を明らかにした.またヒミズとの染色体数の差がロバートソン型変異によって説明できることを発見した.台湾産キクチハタネズミの染色体のG-バンドパターンの分析とXY染色体の減数分裂時における対合状態を日本産ハタネズミと比較してシナプトネマ構造の形成を確認し,ヒマラヤ回廊上のハタネズミ属の類縁関係を考察した(目加田ほか,1998a;1998b).台湾産ケムリトガリネズミ属(Soriculus)2種の核型の相違を明らかにした(Motokawa et al.,1998).2.形態:日本産トガリネズミ科の種に関する分類・形態・分布などの総説を発表して,その起源に関する考察をおこなった(子安,1998).台湾産タカサゴモグラの形態的特徴を示して「ヒマラヤ回廊」の意義について発表した(子安はか,1998).

愛知県山間部におけるニホンイタチの形態的特徴を明らかにした(太田はか,1998).3.スクラーゼ活性:スクラーゼ活性の有無が進化史の上でどのような意義があるかを明らかにした(織田ほか,1998).4.生物地理:「ヒマラヤ回廊」に由来するとおもわれるミズラモグラの石川県における分布を明らかにした(林・子安,1998).日本・ロシア・韓国・ネパールの各地で採集されている小哺乳類を材料にして,「ヒマラヤ回廊」に由来すると思われるものの進化学的解析をおこなった.これらの研究から得られた主要な知見は以下の通りである.1.染色体:日本と日本周辺に生息するニホンモグラ属Mogeraの染色体分染法による解析から,ミズラモグラ・コウベモグラ・サドモグラの系銃関係を明らかにし,さらに韓国産Mogeraの系統的位置を考察した(川田ほか,1999).台湾産キクチハタネズミとネパール産シッキムハタネズミの染色体核型を示し,両者がともに精子形成の際に染色体対合を行うことから、日本産ハタネズミと台湾産キクチハタネズミがともにヒマラヤ回廊に由来する可能性を議論した.2.形態:日本各地に生息するニホンイタチとチョウセンイタチの個体群に由来する標本を用いて頭骨の計測学的研究を行い,両種の形態学的な特徴を明らかにした.歯と骨格の形態学的特徴から,日本産ヒメヒミズ・ヒミズ・ミズラモグラ・センカクモグラ・トガリネズミ類の系統関係を示し,その由来を論議した(子安,1999).3.寄生虫:日本国内の陸上哺乳類に寄生する寄生虫相のリストを作成し(長谷川・浅川,1999),ヒマラヤ回廊に関する寄生虫の移動経路を推定するための基礎資料とした.
樹状細胞と新規ケモカイン製剤の併用により肝がんの二次発がんを制御する手法の開発

肝がん治療後の再発(二次発がん)を抗腫瘍免疫によって制御する目的で、樹状細胞と新規ケモカイン製剤を併用する手法を開発した。樹状細胞の誘導についてOK-432と亜鉛を用いる方法の有用性、ケモカイン製剤についてがん免疫の賦活化作用が示唆された。さらに、組換技術を用いて本製剤の生物学的安定性を向上した。これより、樹状細胞とケモカイン製剤の併用によって肝がんの二次発がんが抑制される可能性が示された。我が国で開発された免疫増強技術であるアジュバント製剤に関して、肝がんに対する経皮的ラジオ波焼灼療法(RFA)と樹状細胞治療に併用する手法の開発を進めた。この研究は、前年度の(1)に加えて(2)を行い、来年度以降は(3)を行う。(1)樹状細胞の誘導培養法(ex vivo)の検討:末梢血単核球から得られたCD14(+)接着細胞を分離して、GM-CSF、IL-4を含む培養液中で7日間培養した。誘導培養の過程で、a)GM-CSF/IL-4、+ b)IL-1β;/IL-6/TNFα;、+ c)PEG2、+ d)OK-432、e)[Zn]の刺激を用いた。その結果、OK-432と亜鉛を用いる新たな樹状細胞の誘導法が示唆され、抗腫瘍免疫を賦活化する治療法に発展する可能性が示された。(2)肝がんモデル(in vivo)でのアジュバントの併用に関する前臨床試験:アジュバント(ECI301製剤)をマウス肝がんモデルに用いて、ラジオ波焼灼療法(RFA)との併用による効果を検討したところ、RFAを施行したがん腫の消失に加えてRFAを施行していない他部位のがん腫の増殖が著明に抑制された。また作用機序として、末梢血中に多くの抗原提示細胞が誘導され、これらの細胞がRFA部位において活性化されることによって、所属リンパ節を介して他部位のがん腫に効果を発揮することが示唆された。これより、アジュバント製剤による局所での感作が全身のがん免疫を賦活しているものと考えられ、この活性は肝がん局所治療後の二次発がんの制御に有望であると考えられた。免疫増強技術であるアジュバント(ケモカイン)製剤に関して、肝がんに対する局所療法(RFAなど)と樹状細胞免疫治療に併用する手法の開発(1)ー(3)を3年間にわたって実施した。(1)樹状細胞の誘導培養法の検討(ex vivo):末梢血単核球から得られたCD14(+)接着細胞を分離して、GM-CSF、IL-4を含む培養液中で7日間培養した。各種培養法に関する検討の結果、OK-432と亜鉛を用いる新たな樹状細胞の誘導法が示唆された。(2)肝がん再発モデルにおけるアジュバント製剤の前臨床試験(in vivo):ケモカイン製剤(ECI301)をマウス肝がんモデルに用いてラジオ波焼灼療法(RFA)との併用による効果を検討した。その結果、末梢血中の抗原提示細胞と本製剤の作用によって、腫瘍局所における感作反応が全身のがん免疫を賦活し二次発がんを抑制することが示された。(3)アジュバント製剤の改良:当初計画されていた安全性臨床研究の実施前にさらなる治療効果を向上させる目的で、アジュバント製剤のひとつであるケモカインCCL2/MCP-1について生物学的安定性を改良した。具体的には、他のケモカインCX3CL1の細胞膜結合ドメインを融合した組換タンパクmMCP-1を作製した。その結果、mMCP-1はマクロファージ、CD4・CD8(+)Tリンパ球の強い活性化を介して高い抗腫瘍効果を発揮した。これより、本研究の基礎的・前臨床的検討の結果は、肝がんに対するRFA併用樹状細胞治療に用いるアジュバント製剤の開発に寄与するとともに、治療後の二次発がんの制御に有望であると考えられた。この研究は、本年度に(1)、来年度以降は(2)(3)を行う。誘導培養の過程で、(a)GM-CSF/IL-4、+ (b)IL-1&#61538;/IL-6/TNF&#61537;、+ (c)PEG2、+ (d)OK-432、(e)亜鉛[Zn]の刺激を用いた。その結果として以下の点が明らかになった。

A)細胞表面マーカーについて、樹状細胞の活性化を示すCD83、T細胞への補助刺激分子であるCD86の発現に関しては、誘導法(a)と比べてOK-432(d)やOK+Zn(e)で亢進を認めたが、樹状細胞の遊走能を示すCCR7の発現は、OK+Zn刺激(e)で低下傾向を示した。B)サイトカイン産生について、OK-432刺激(d)によって誘導された樹状細胞は著明なIL-12、IFN-&#61543;産生能を示した。C)樹状細胞の貪食能(FITC dextran uptake)の評価について、OK-432刺激(d)では樹状細胞の活性化に伴い低下傾向を示したが、OK+Zn刺激(e)では回復(増加)を認めた。D)樹状細胞の細胞障害活性(51Cr-release assay)について、誘導法(a)と比べてOK-432刺激(d)で亢進を認め、OK+Zn刺激(e)ではさらに増強することが観察された。これより、OK-432と亜鉛を用いる新たな樹状細胞の誘導法が示唆され、抗腫瘍免疫を賦活化する治療法に発展する可能性が示された。本研究において、平成23ー24年度は(1)樹状細胞の誘導培養法(ex vivo)に関する検討、(2)肝がんモデル(in vivo)でのアジュバントの併用に関する前臨床試験を計画していた。(1)について、各種の誘導刺激に関する樹状細胞の表面マーカー、サイトカイン産生、貪食能、細胞障害活性についての成果が得られている。(2)について、肝がんRFA治療とアジュバントの併用効果が示され、その細胞免疫学的機序に関する解析も行われており、予定通りの進展と考えられる。(理由)本研究において、平成23年度は樹状細胞の誘導培養法(ex vivo)に関する検討を計画していた。各種の誘導刺激に関する樹状細胞の表面マーカー、サイトカイン産生、貪食能、細胞障害活性についての成果が得られており、予定通りの進展と考えられる。当初の計画通り、今後は(1)(2)に加えて以下の研究を予定している。肝がん患者を対象とした安全性臨床研究:アジュバント製剤を用いた新規治療法の開発過程として、本研究期間内においては安全性臨床試験として開始する。(1)(2)で確立した方法、至適量に基づいて、RFAと併用する樹状細胞治療の際にGMPグレードのアジュバント製剤を投与する。実施に際しては、本学医学倫理委員会の承認を得て行う。・対象:肝癌診療ガイドライン(2005年版)においてRFAの適応となる肝がん症例・投与法:RFA時に、ほぼ同時に樹状細胞、アジュバント製剤(経皮的、全身性)に投与する。・投与量:1/100量3例、1/10量3例、至適量10例(ドーズエスカレーション)主要エンドポイントとして投与後の副反応、有害事象を観察する(NCI CTC Scale)。また、肝がんの再発は定期的画像診断(dynamic造影CT, MRI)、免疫誘導能の検討は末梢血リンパ球を用いて(1)(2)の手法にて解析する。当初の計画通り、今後は(2)肝がんモデル(in vivo)でのアジュバントの併用に関する前臨床試験や、(3)肝がん患者を対象とした臨床研究、を予定している。当初の計画通り、(1)(2)に加えて(3)において、肝がん患者における安全性臨床研究にまで発展させる一連の計画を予定している。GMPグレードの細胞培養試薬、サイトカインをはじめとする大量の消耗品を購入して計画を推進するとともに、これまでの基礎的・前臨床的検討の結果および安全性臨床研究について、得られた結果を取りまとめ、成果の発表を行う。当初の計画通り、(2)肝がん再発モデルにおけるアジュバント製剤の前臨床試験(in vivo)において、ラジオ波焼灼療法(RFA)とともに、樹状細胞、アジュバント製剤を投与して抗腫瘍免疫、再発抑制効果を観察する計画である。
マルチボディシステムを用いた食品の「機能物性」

"健康日本21"において「咀嚼機能の維持」は達成すべき目標のひとつとして掲げられているが、これは高齢者の咀嚼と全身の身体機能に高い相関があることが理由に他ならない。正常な咀嚼機能の獲得や回復を考え、食品や補助具を用いて治療やリハビリテーションを行う上で必要なことは、食品毎にどのような運動が行われ、どのような負荷(effort)が必要かを明確にすることである。食品の「機能的物性」の応用は特に低年齢の小児や高齢者に求められるものである。被験食品の選定については国内外に幾つかの基準が存在するが、これらは食材の機械的物性として分類している場合が多1く、調理後に実際に咀囎する場合と一致しないことが多い。また、被験食品は日本独自の食品(豆腐、するめなど)を避けるために海外の文献を参考におこなった。現在の九州大学の下顎運動測定装置(TRIMET)と咀嚼筋筋電図(SignalProcessorDP100)では同時記録が可能であり、篩分法を用いることにより「機能的物性」に必要な咀嚼能率も計測が可能となる。しかし、「機能的物性」はこれら生体から得られた機能データと咀嚼能率が有機的に結びついて初めて定義が可能となる。またそれを可視化することが機能(運動および筋活動)と物性を結びつけることに不可欠である。そこでマルチボディシステム解析および統合IDL解析を導入した。本研究の特色は咀嚼運動における食品の負荷を利用して食品を定義づけようとするものであり、臨床的に非常に興味深いものであった。本研究の結果、診断方法が得られ、それがシュミレーションすることが可能になったことから、この研究の意義は大きい。下記のように数多くの成果が得られた一方で、これから解決すべき数多くの疑問が新たに噴出したことも事実であり、今後本研究で得られたシステムおよび成果をより臨床応用すべく、さらなる発展が望まれる。小児においても「まるのみ」による肥満の増加や視力低下が咀嚼筋の筋力低下と相関があると指摘されており、咀嚼機能の「維持増進」のみでなく「獲得」も忘れてならない課題である。長寿社会の到来をむかえ、咀嚼能力の低下や脳卒中などの後遺症として咀嚼・嚥下障害を有する高齢者も増加傾向にあり、その食には多くの企業が粘度調整補助食品の開発を行うほど注目が集まっている。本研究では正常な咀嚼機能の獲得や回復を考え、食品や補助具を用いて治療やリハビリテーションを行う上で必要なことは、食品毎にどのような運動(筋電図を含む)が行われ、どのような負荷(effort)が必要かを明確にすることである。そこで、実際の咀嚼運動時の下顎の三次元的な運動を計測するとともに、筋電図、咬合力計を用いその積分値などから、食品の種類と量(大きさ)における負荷を求めることにより、食品の物性を定義することにより、その結果から咀嚼機能の獲得、維持増進に資することを目的としている。

本年度は、1)下顎運動解析システムの検証、2)食品別の咬合力測定、3)咀嚼筋筋電図計測システムと下顎運動解析システムの統合、4)IDL解析(Interactive Data LanguageによるData Analysis Data Visualization Application Development)による本研究において使用可能なシステムの開発に力を注いだ。基礎的なデータ収集のため、成人女性を被験者とし、また形状や特性が変化しないガムを被験食品とし上記2)および3)、4)について計測を行い、現在解析を進めているところである。"健康日本21"において「咀嚼機能の維持」は達成すべき目標のひとつとして掲げられているが、これは高齢者の咀嚼と全身の身体機能に高い相関があることが理由に他ならない。正常な咀嚼機能の獲得や回復を考え、食品や補助具を用いて治療やリハビリテーションを行う上で必要なことは、食品毎にどのような運動が行われ、どのような負荷(effort)が必要かを明確にすることである。食品の「機能的物性」の応用は特に低年齢の小児や高齢者に求められるものである。被験食品の選定については国内外に幾つかの基準が存在するが、これらは食材の機械的物性として分類している場合が多く、調理後に実際に咀嚼する場合と一致しないことが多い。また、被験食品は日本独自の食品(豆腐、するめなど)を避けるために海外の文献を参考におこなった。現在の九州大学の下顎運動測定装置(TRIMET)と咀嚼筋筋電図(Signal Processor DP100)では同時記録が可能であり、篩分法を用いることにより「機能的物性」に必要な咀嚼能率も計測が可能となる。しかし、「機能的物性」はこれら生体から得られた機能データと咀嚼能率が有機的に結びついて初めて定義が可能となる。またそれを可視化することが機能(運動および筋活動)と物性を結びつけることに不可欠である。そこでマルチボディシステム解析および統合IDL解析を導入した。本研究の特色は咀嚼運動における食品の負荷を利用して食品を定義づけようとするものであり、臨床的に非常に興味深いものであった。本研究の結果、診断方法が得られ、それがシュミレーションすることが可能になったことから、この研究の意義は大きい。下記のように数多くの成果が得られた一方で、これから解決すべき数多くの疑問が新たに噴出したことも事実であり、今後本研究で得られたシステムおよび成果をより臨床応用すべく、さらなる発展が望まれる。
ヒト網膜色素上皮細胞の基底膜遊離による遺伝子発現様式変化と増殖性硝子体網膜症

1.前回報告のごとく、ヒト網膜色素上皮細胞(以下細胞と呼ぶ)を物理的あるいは酵素にて基底膜から分離し、再接着を妨げるために軽い震盪を与えながら培養すると多くの細胞がアポトーシスと思われる細胞死を引き起こし、病態の再現が困難であったため、細胞をマトリゲル、コラーゲンIまたはファイブロネクチンでそれぞれコートされた培養皿で培養し、今回の実験系を作成した。2.コンフルエントになった細胞を無血清培地にてさらに3日間培養したところ、いずれの細胞も正常の網膜色素上皮細胞の表現型を示し、形態学的な差異は認めなかった。3.各条件の細胞からtotalRNAを抽出してDNAマイクロアレイで約300種の遺伝子発現様式を調べた後、候補遺伝子をリアルタイムPCRで定量的解析を行った結果、コラーゲンI上で培養された細胞ではマトリゲルに比べ血管新生因子(VEGF、インテグリンスーパーファミリー、uPA、TGF-β2など)の発現増加が見られる一方、FGFファミリーやIGF-1、ファイブロネクチンの発現減少が認められた。また、VEGFとインテグリンα2β1に関してはウエスタンブロットや免疫細胞染色にて蛋白量の増加も確認できた。4.ファイブロネクチン上で培養された細胞ではマトリゲルに比べインターロイキンスーパーファミリーやICAM-1など炎症に関わる分子の発現増加が認められたが、VEGFなどの血管新生因子の発現には有意差がなかった。5.コラーゲンI上での培養系においてインテグリン阻害薬を添加した実験ではインテグリンおよびVEGF-A,B,C各サブタイプの発現上昇が濃度依存的に抑制された。6.今までに得られた結果からは、本実験系は増殖性硝子体網膜症よりむしろ滲出型加齢黄斑変性症の初期病変に近い病態を擬似している可能性が示唆された。今回判明した事実は加齢黄斑変性症の研究分野においても過去に報告がなく、新しい知見であることからさらなる発展が期待できる。1.ヒト網膜色素上皮細胞(以下細胞と呼ぶ)をマトリゲルでコートされた培養皿で培養したところ、細胞は正常の網膜色素上皮細胞の表現型を示した。2.この細胞を物理的あるいは酵素にて基底膜から分離し、再接着を妨げるために軽い震盪を与えながら培養すると多くの細胞がアポトーシスと思われる細胞死を引き起こした。3.コラーゲンIでコートされた培養皿上で細胞を培養すると細胞死を起こすことなく増殖を続け、コンフルエントの状態にすることができた。4.マトリゲルコートとコラーゲンIコートの培養皿でそれぞれコンフルエントになった細胞を無血清培地にて3日間培養し、totalRNAを抽出したのち、DNAマイクロアレイで約300種の遺伝子発現様式を調べたところコラーゲン群にてマトリゲル群より1.5倍以上発現が増加していたものが11.9%、0.5倍以下になっていたものが94%あった。遺伝子群別では成長因子がそれぞれ13.8%、13.8%の増減、細胞接着因子が22.5%、10%の増減、細胞外基質蛋白関連が20%、0%の増減、蛋白分解酵素が8.8%、17.6%の増減であった。特にVEGFやTGF-β2など血管新生に関わる遺伝子やインテグリン、ラミニンやMMP、uPAなど細胞外基質の合成や代謝に関わる遺伝子の発現増加が認められた。一方、Caspase-8やTNF-αなどアポトーシスに関与する遺伝子の発現には両群間で明らかな差は認められなかった。5.リアルタイムPCRによる定量的解析では無血清培地に交換後それぞれの遺伝子発現は経時的に変化し、約24時間後には殆どの遺伝子発現が安定化した。無血清培地交換後3日目におけるマトリゲル群とコラーゲンI群間の相対的遺伝子発現量はマイクロアレイで認められた傾向を裏付けるものであった。

6.今までに得られた結果からは、本実験系は増殖性硝子体網膜症よりむしろ滲出型加齢黄斑変性症の初期病変に近い病態を擬似している可能性が示唆された。今回判明した事実は加齢黄斑変性症の研究分野においても過去に報告がなく、新しい知見であることからさらなる発展が期待できる。
RNA合成酵素複合体の機能構造解析

本研究では鋳型非依存的RNA合成酵素群と翻訳因子と複合体を形成して機能する鋳型依存的RNA合成酵素群の構造一機能解析を行い、これらの酵素のRNA合成における基質特異性の分子基盤や翻訳因子のRNA合成の役割を明らかにすることを目的としている。本年度は、真正細菌由来のポリA付加酵素単体およびATPとの複合体のX線結晶構造解析を行った。ポリA付加酵素の活性触媒ドメイン、ヌクレオチド結合部位の構造はCCA付加酵素のそれと非常に似通っていたが、ヌクレオチド結合部位内のヌクレオチド認識に関わるアミノ酸の構造が異なっていた。ポリA付加酵素ではこれらのアミノ酸が、活性部位の他のアミノ酸と分子内水素結合を形成し、ヌクレオチド結合部位が固い構造をとっており、その結果、ヌクレオチド結合ポケットの形と大きさがATPのみに適したものになっており、保存されたふたつのアミノ酸のうちひとつのアミノ酸のみがヌクレオチドの塩基認識に用いられていた。ポリA付加酵素の、固いヌクレオチド結合ポケット構造の維持は、ヌクレオチド結合ドメインとRNA結合ドメインとの相互作用によることが示唆された。また、Qβレプリケースのコア複合体の複合体形成分子機構を解明するために、コア複合体のX線結晶構造解析を行い、構造を決定した。EF-Tu、EF-Tsはβサブユニットと疎水的相互作用し、コア複合体の中のβサブユニットの活性触媒コアの構造が維持されていた。生化学的解析から、EF-Tu、Tsとβサブユニットの相互作用は、コア複合体形成に必要であり、EF-Tu、Tsがシャペロン機能を有していることを明らかにした。鋳型RNA、合成されたRNA、付加されるヌクレオチドのコア複合体活性部位へのモデルから、コア複合体内のEF-Tuが、RNA合成のプロセッシブなRNA伸長反応を促進する"Modulator"としての、翻訳過程での役割を越えた、新たな機能を有する可能性を提示した。
外国語音声模倣に関与する神経基盤の小児発達研究

本研究では、核磁気共鳴画像法(MRI)を用いて、学童期から思春期の子どもの外国語音声の発話時の脳活動とその発達的変化、および外国語音声発話の巧さと脳形態の関係を調べた。結果として、外国語音声模倣中の脳活動は、年少の小児では母語の発話時とほぼ差がないが、年齢とともにその差が顕著になること、外国語音の発音の精度は年齢とともに向上すること、また、外国語発音の巧さに関連した脳形態の違いが明らかになった。本研究の目的は、6歳から18歳の健常な小児を対象に、外国語学習に重要となる外国語意声の模倣に関与する神経基盤、および小児の発達によってそれらがどのように変化するのかを、機能的磁気共鳴画像(fMRI)を用いて明らかにすることである。この目的を達成するために、研究実施計画に基づき、本年度は、fMRI実験デザインの確立、被験者の募集、fMRI実験遂行、取得されたMRIデータの初期処理および整理を行った。具体的には、fMRI実験に刺激として用いる音声の種類や課題の長さなどについて、国内外の関連する研究に関する情報収集、関連する研究者とのディスカッションを通して、最適化した。また同時並行的に、被験者のこれまでの英語教育と音楽経験について調べるための質問紙や、実験の目的や内容などの説明文書や参加に関する同意書などを準備し、それらを仙台市在住の健常な右利きの小学生から大学生を対象に配布した。その上で、文書にて保護者と本人に実験目的や内容を十分に説明した上で、6歳18歳の小児を募り、最終的に76人の被験者にfMRI実験に参加してもらった。fMRI実験では、被験者にMRIスキャナーの中で外国語および日本語の音声を聞いて模倣や区別を行ってもらい、その際の脳活動を測定した。同時に被験者の発話をMRI対応のマイクを用いて録音し記録した。本年度に実施された研究活動により、未だ明らかになっていない小児の外国語音声模倣の神経基盤とその年齢変化を明らかにするために必要なデータが収集された。本研究の目的は、6歳から18歳の健常な小児を対象に、外国語学習に重要となる外国語音声の模倣に関与する神経基盤、および小児の発達によってそれらがどのように変化するのかを、fMRIを用いて明らかにすることである。この目的を達成するために、研究実施計画に基づき、本年度は、前年度で取得されたfMRIデータを用いて、小児が外国語音声模倣を行う際に成人と同様の神経基盤を使っているか、またそのような神経基盤があるとするならば、そこでの脳活動が発達とともにどのように変化するかを明らかにするために(研究課題1)、小児被験者全員分のデータを用いて、外国語音声模倣に固有に活動する神経基盤の特定を試みた。しかしながら、この解析では、母国語と外国語に対する脳活動に有意な差が見られず、研究代表者の成人対象の先行研究結果とは異なり、外国語音声模倣に固有に活動する神経基盤は同定することができなかった。この結果は、年齢とともに脳活動が大きく変化していることで、幅広い年齢幅をもつ被験者群全体では、外国語音声模倣に固有の神経基盤が同定できなかった可能性を示唆していると考え、次に、成人対象実験で明らかになった外国語音声模倣に固有に活動する脳領域を小児の関心領域にとり、脳活動と年齢の相関を調べたところ、左下前頭回弁蓋部の脳活動に、年齢との有意な正相関が見つかった。また、各母国語話者による、外国語音声模倣の巧さの評価スコアは、年齢と有意な正相関を示している一方で、脳活動とは有意な相関がなく、年齢にともなう脳活動の変化を説明できなかった。この結果は、音声模倣の巧さとは直接関係しない、何らかの音声模倣機能が年齢変化していることを示唆しており、未だ明らかになっていない小児の外国語音声模倣の神経基盤の年齢変化を示す重要な知見が得られたと考えられる。本研究の目的は、6歳から18歳の健常な小児を対象にく外国語学習に重要となる外国語音声の模倣に関与する神経基盤、および小児の発達によってそれらがどのように変化するのかを、fMRIを用いて明らかにすることである。この目的を達成するために、研究実施計画に基づき、本年度は、研究課題1および2に関して得られた結果を、国際科学雑誌へ投稿するため論文としてまとめた(5月中に投稿予定)。ここで初めて明らかになったことは、左下前頭回弁蓋部の外国語音声模倣中の脳活動と年齢の間に有意な正相関を呈することである。また、外国語音声模倣の巧さが年齢とともに向上したことは、先行研究の結果と一致する。左下前頭回弁蓋部は、成人が外国語音声模倣を行う際に、新奇な言語音のモータプランニングにおいて重要な役割を持つ領域であることが知られている。また小児の脳の発達において、比較的に遅くに成熟する領域でもある。以上のことより、新奇な言語音のような複雑な発話のモータプランニングを担う領域の発達によって、即時の外国語音声模倣の能力が年齢とともに向上したと考えられる。

このことは、外国語学習の初期に重要となる外国語音声の発音学習の適切な時期を考える際の基礎的なデータを提供するという意味で重要である。また、研究実施計画に基づき、3年間の縦断研究を開始した。同じ被験者に再度同じfMRI実験を行うことで、個人差を考慮することによって、より良い感度で脳活動の発達的変化を捉えられると考えられる。また、脳活動の変化が、3年間の間における英語教育の違いや音楽経験といった環境の違いによって影響を受けるのか(研究課題3)が明らかになると考えている。本研究の目的は、6歳から18歳の健常な小児を対象に、外国語学習に重要となる外国語音声の模倣に関与する神経基盤、および小児の発達によるその神経基盤の変化を、fMRIを用いて明らかにすることである。この目的を達成するために、前年度までは、横断研究を行い、外国語音声模倣の巧さと、成人で外国語音声模倣で重要な役割を持つことが示されている左下前頭回弁蓋部と呼ばれる脳領域の活動が、ともに年齢と正の相関を持つことが明らかになった(本結果は、国内学会および国際学会で発表済、国際科学雑誌はunder revision)が、前年度後半から本年度は、縦断解析のために、前回参加した小児を対象に募集を行った。しかしながら、予定していた数が集まらなかったために、計画を若干変更し、外国語音声模倣の知覚過程を取り出すデザインとして、前回参加しなかった小児にも募集を広げて、最終的に37名の被験者のデータを得ることができた。予定変更に伴い、当初の脳機能に関する計画を脳形態へ拡張し、脳形態画像(T1強調像)を用いて、脳局所白質体積および局所灰白質体積を計算し、外国語音声の模倣の巧さとの相関解析を行った。関連する脳形態研究は、成人対象の研究に限られており、外国語学習に適していると考えられている小児の知見は意義がある。解析の結果、小児の縁状回前部の白質体積と外国語音声模倣の巧さの間に有意な正の相関があることが初めて明らかになった。同様の結果が成人対象の脳形態研究でも得られており、縁上回前部が音声産出における体性感覚処理に関わっていることを考えると、成人だけでなく小児においても、外国語音声模倣に体性感覚処理が重要な役割を担っている可能性が示唆された。これらのことは、外国語学習の初期に重要となる外国語音声模倣のメカニズムを理解する上で重要な知見を提供するものと考えられる(本結果は今年の国際学会で発表が決定済)。昨年の東日本大震災の影響で、研究の進度に多少の遅れがあったが、幸い研究計画の目標(前年度までの結果を論文としてまとめ、縦断研究をスタートする)はほぼ達成できたと考えている。24年度が最終年度であるため、記入しない。研究計画の変更あるいは研究を遂行する上での大きな問題点はないため、当初の研究計画に従って、1回目のfMRI実験と同様に2回目のfMRI実験を行い(縦断研究)、外国語音声模倣の際の脳活動、および外国語音声の模倣能力の年齢の変化の関係を調べ、その結果を国際学会および国際科学雑誌に投稿を行う予定である。
血管内皮容量依存性カルシウムチャネルに及ぼす全身麻酔薬の影響の分子生物学的研究

血管内皮細胞容量作動性Ca^<2+>チャネル(Store-operated-Ca^<2+>Channel:SOCC)の一つをクローニングした。選択的スプライシングにより少なくともlong typeとshort typeの2種類存在する。このチャネルは血管内皮細胞以外に消化管、肺、脳、尿管、副腎に発現している。血管平滑筋細胞にはこの2種類のタイプが完全な形で存在しており発現量も多い。チャネルの機能的発現を明らかにするため前年度はアフリカツメガエル卵母細胞にチャネルcRNAをマイクロインジェクションし強制大量発現させる系で行ったが卵母細胞は内因性SOCCを有し、強制発現したチャネルが単独ではなくオリゴヘテロマーの形成など内因性SOCCを修飾することにより機能している可能性があり、SOCCをほとんど持たないHEK細胞系にこのチャネルを安定発現させた細胞株を作成した。この系でもthapsigargin刺激によりCa^<2+>流入が起こり、クローニングしたチャネルが単独でSOCを起こすと考えられる。また両発現系でshort typeの方が発生する電流が大きく、選択的スプライシングで欠落した部位がチャネル開閉の調節に関わる可能性がある。血管平滑筋細胞では、エンドセリン刺激で活性化されるCa^<2+>流入は電位依存性チャネル(VOCC)よりも容量作動性チャネル(SOCC)や非選択的陽イオンチャネル(NSCC)の寄与の割合が大きく、またSOCCとNSCCはCa^<2+>チャネルブロッカーのSK&F96365とLOE908への感受性が異なることで区別できることを報告した。今回クローニングしたチャネルもSK&F96365によって抑制され、LOE908では抑制されない。単独のチャネルでこのような薬物感受性を確認した例は今のところ報告されておらず初めて得られた知見である。全身麻酔薬等の他の薬物による影響も現在検討中である。カルシウム流入チャネル分子をクローニングするにあたりtrp(transient receptor potential)をモデルにした。Trpとは盲目のショウジョウバエ自然変異の原因遺伝子として光受容細胞から発見されたものであり、その変異体の網膜電位をみると細胞外液のカルシウム依存性の持続相を欠くのが特徴である。すなわち細胞内のカルシウムストアを枯渇させるような細胞外からの刺激の後におこる細胞内へのカルシウム流入に関与している分子である可能性が考えられた。この分子のアミノ酸配列を元にしてPCR法により血管内皮細胞のcDNAからショウジョウバエtrpに類似した分子の部分シークエンスを得た。分子の全長を得るため血管内皮細胞のcDNAライブラリのスクリーニングを行い2種類の分子を得た。すなわち981アミノ酸、869アミノ酸の長さの2クローンで短い方は長いほうの302番目から413番目のアミノ酸が欠落したおそらくaltemative spliceformであると考えられた。疎水性分析により欠損部は2つの膜貫通領域に相当し、長いほうが6回膜貫通型、短いほうが4回膜貫通型であることが推定された。これらの分子の機能を調べるためcRNAをアフリカツメガエルの卵母細胞にマイクロインジェクションにより強制大量発現させたところthpsigarginn刺激により細胞外からのカルシウム流入が著明に増加し容量依存性カルシウム流入チャネルの性質を持つことを示す結果を得た。(研究発表1)容量依存性カルシウムチャネルを電位依存性カルシウムチャネルや受容体依存性カルシウムチャネルのようなその他のカルシウム流入チャネルと区別するためにの薬物感受性の違いについても検討している。(研究発表2)容量依存性カルシウムチャネルは単一のものではないと考えられており今回クローニングしたチャネルの薬理学的位置づけを検討している。
脳の可塑性における液性調節

1.新しい信号修飾因子:プロスタグランジンD_2はCa流入を介するcGMP系とイノシトールリン酸交替系を活性化する(渡辺班員)。ロイコトリエンC_4の受容体分子はGタンパクを活性化しこのGタンパクが直接K^+チャネルを活性化する(清水班員)。カルパインIの活性を特異的に抑制する新しいカルパスタチンが存在する(村地班員)。2.神経回路網の分化と発達に関与する活性因子大脳辺縁葉海馬体から抽出した培養神経細胞の生存因子は分子量40K以下のタンパクである(高坂班員)。神経突起伸展因子はラミニンファミリーの基底膜タンパクであり、その受容体分子は82Kのタンパクである(三木班員)。ツメガエル初期胚細胞の分散培養系の神経細胞の分化誘導因子の作用は細胞間接触を必要とする(岡本班員)。3.視床下部下垂体系における神経ペプチドの作用機構松果体のメラトニン分泌制御にペプチド(NPY.VIP.SP/CGRP)とドーパミンが関与する(塩谷班員)。心房性Na利尿ペプチドの脳内受容体量とバゾプレシン分泌の間に相反関係がある(斉藤班員)。ガラニンの成長ホルモンとプロラクチンの分泌促進作用にカテコラミン、GABA、オピオイドが関与する(井村班員)。内因性オピオイドは習得的ストレスの記億・学習の想起には関与しない、またバゾプレシンV1受容体は記憶よりむしろ情動性を促進する(八木班員)。以上の結果により脳の信号伝達の可塑性に関する神経ペプチドとアラキドン酸誘導体の作用が分子レベル、受容体レベル、個体レベルで明らかにされた。神経回路網形成の可塑性に関与する分化誘導因子、生存因子、神経突起伸展因子の特性が明らかにされ、一部その分子が抽出された。すなわち、神経回路網の形成と信号伝達の可塑性に関与する液性因子が分子レベルで理解されるに至った。
微粒子分散系のレオロジーコントロール

本研究は、凝集分散系の粘度レベルと流動パターンとを独立に調整することのできる新しいレオロジーコントロール法を確立することを目的とする。凝集分散系はほとんどの場合、せん断速度の増大とともに粘度が減少する擬塑性流動を示す。これは、せん断流動場において凝集構造が容易に破壊され、静置すると再び可逆的に形成されるためであると説明されており、堅くて脆いという粒子間結合の基本的な性質に由来する。研究の目的を達成するためには、これまでにない新規な粒子間ポテンシャルを導入する必要があり、ここでは高分子を用いて粒子間に柔らかくて弾力性のある結合を導入することを試みた。一本の高分子鎖がいくつかの粒子表面に吸着して分散系を凝集させる効果を架橋凝集という。通常の条件では高分子鎖は表面に対して強い吸着性を持っているので架橋も不可逆となり、堅くて脆い固体的な結合が形成される。しかし、高分子の親和性を弱めると吸着が可逆となり、形成される高分子架橋は熱運動でも可逆的に形成・破壊されるようになる。さらに、粒子表面に対して高分子はコイル状のまま吸着するので、粒子間架橋には柔軟性が付与されることになる。このような分散系に高せん断を与えると架橋の伸長に起因して、粘度が急激に増加するダイラタント流動が発生する。可逆架橋という極めて特異な粒子間結合を創製することにより、粒子間に液体的性質をもつ相互作用を導入するとともに、凝集分散系において初めて、ダイラタント流動を発現させること成功した。粘弾性解析の結果、ダイラタント流動は凝集の弾性的性質と密接な関係があり、これは高分子架橋のエントロピー弾性に起因することを解明した。本研究で開発した手法は分散系の新しいレオロジーコントロール技術として極めて高いポテンシャルをもっていると期待される。本研究は、凝集分散系の粘度レベルと流動パターンとを独立に調整することのできる新しいレオロジーコントロール法を確立するすることを目的とする。凝集分散系はほとんどの場合、せん断速度の増大とともに粘度が減少する凝塑性流動を示す。これは凝集形成が不可逆過程であり、熱運動により破壊されることはないという粒子間結合の基本的性質に由来する。これまでの凝集機構に基づく限り、あるせん断速度で粘度を調整しても、低せん断速度では必ずそれより粘度が高くなることを意味し、流動パターンそのものを変えることは極めてむづかしいと考えられている。本研究の目的を達成するためには、熱運動により粒子間結合の破壊と再形成が繰り返し起こるような凝集機構を開発しなければならない。そこで、一本の高分子鎖がいくつかの粒子表面に同時に吸着して凝集する架橋凝集に着目した。一般に、高分子吸着は不可逆であると考えられ、その結果、通常の条件では不可逆架橋のため、流動も擬塑性となる。しかし、粒子表面と高分子との親和性が弱くなると、吸着点数が減少するため熱運動により容易に脱着できるようになる。熱運動により可逆的に凝集の形成と破壊が繰り返されるようになると、分散系はニュートン流動を示すことになる。さらに、粒子表面に対して、吸着性が弱いと高分子はコイル状のまま吸着して、粒子間架橋には柔軟性が付与されることになる。このような凝集分散系に高せん断を与えると架橋の伸長に起因して、粘度が急激に増加するダイラタント流動が発生する。界面活性剤を併用して高分子吸着の親和性を変えることにより、粘度レベルを変化させずに、擬塑性流動、ニュートン流動、ダイラタント流動を発現させることに成功した。この手法は分散系の新しいレオロジーコントロール技術として有望であり、今後、適用範囲の拡張について検討するとともにおよび定量的な解析を行う予定である。

本研究は、凝集分散系の粘度レベルと流動パターンとを独立に調整することのできる新しいレオロジーコントロール法を確立することを目的とする。一本の高分子鎖がいくつかの粒子表面に同時に吸着して分散系を凝集させる効果を架橋凝集という。一般に、高分子吸着は不可逆であると考えられ、その結果、通常の条件では架橋も不可逆となり流動も擬塑性となる。しかし、粒子表面と高分子との親和性が弱いと、熱運動により可逆的に凝集の形成と破壊が繰り返されるようになり、分散系は低せん断速度でニュートン流体となる。また、粒子表面に対して、吸着性が弱いと高分子はコイル状のまま吸着して、粒子間架橋には柔軟性が付与されることになる。このような凝集分散系に高せん断を与えると架橋の伸長に起因して、粘度が急激に増加するダイラタント流動が発生する。界面活性剤を併用して高分子吸着の親和性を変えることにより、粘度レベルを変化させずに、擬塑性流動、ニュートン流動、ダイラタント流動を発現させることに成功した。今年度は、粒子間架橋のベクトル的性質とレオロジーとの関係について解析した。その結果、緩和時間はせん断速度に依存せず一定であるが、弾性率はひずみとともに急増することがわかった。これは、架橋の寿命はせん断流動場の影響を受けないが、高速で伸長変形を受けたとき大きな流動抵抗を発現することを意味している。架橋を非線形弾性ばねと近似して、ダイラタント流動を記述するモデルを構築し、これを支配するのは高分子架橋のエントロピー弾性であることを定量的に導出した。さらに、顕著なダイラタントを発現させるためには、高分子の粒子表面に対する親和性が非常に弱く、高分子コイルの大きさと粒子の大きさがある範囲に入っていなければならないことを明らかにした。
腫瘍抽出RNAの導入樹状細胞を用いた抗腫瘍免疫療法の開発

樹状細胞を用いたがんワクチンには腫瘍抗原の解明が重要であるが、大部分のがんでは不明であり、また腫瘍の多様性により同じ種類のがんであっても抗原は患者各個により異なる可能性もある。そこで腫瘍よりRNAを抽出して樹状細胞に導入・抗原提示をはかる方法が考えられる。このように癌細胞抽出RNAを導入した樹状細胞が、有効ながんワクチンとして機能しうるかを検討する目的で、RNAの増幅・細胞への導入の条件決めを行った。ヒト大腸癌細胞株SW480,HT-29からmRNAを抽出し、これを元にRT-PCRによるcDNAの作製、更にin vitro transcriptionによりRNAを増幅した。手技的には比較的安定してamplified RNAを得ることが出来た。それぞれのRNAをHLA-A locusの一致する健常人から採取した単球由来樹状細胞に、Liposomeを用いて導入。in vitroでのTリンパ球との共培養を行い細胞障害性Tリンパ球が樹立されるかをcytotoxicity assayで検討した。Total RNAを樹状細胞に導入した場合、CTLの誘導が確認されたがamplified RNAの導入では様々な条件を設定してもin vitroにてCTLを樹立することが出来なかった。現在更にRNA導入の条件を検討するとともに、マウス細胞株を用いて同様に樹状細胞に導入し、免役したマウスにおけるCTL誘導を確認するマウスin vivoモデルの検討を進めている段階である。またヒト腫瘍組織(凍結切片)からRNAを抽出。同様の方法を用いてRNAの増幅がなされることを確認している。