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fMRIによる脳卒中後の運動・言語機能回復機序の解明と臨界期の同定

片麻痺は脳卒中後に最も多く認められる運動障害で、脳卒中患者の機能予後を規定する最大の因子である。脳卒中後には何らかの運動機能の回復が認められるが、その脳内機序の詳細は未だ不明である。今回、われわれはfunctional MRI (fMRI)を用いて脳卒中患者の麻痺手運動時の脳活性化領域を画像化した。対象は片麻痺が軽度ないし中等度で、手の開閉運動が可能であった脳卒中患者21例で、急性・亜急性期と慢性期の2回、fMRIを検討した。健手の運動時に活性化される脳領域は主として、対側一次感覚運動野、補足運動野、同側小脳であり、正常対照者と同様であった。急性・亜急性期の麻痺手の運動時には、これらの脳領域の活性化が減少、あるいは、消失するか、同側運動関連領域や対側運動領域に近接する皮質の活性化の出現、あるいは、その混在、が観察された。慢性期の麻痺手の運動時には、低下した活性化の回復、または、付加的活性化領域の消失あるいは永続的な出現が観察された。以上のように、脳卒中後の片麻痺の回復に伴って、急性期に低下した脳活動の再開、あるいは、脳運動ネットワーク内での付加的活動領域の一過性あるいは永続的な出現が認められた。これらの所見より、片麻痺の回復には、可逆的障害からの回復に加えて、大脳皮質運動ネットワークの一時的あるいは継続的な再構築が関与していると考えられた。運動ネットワークの活動の流動的な変動が起こる時期は、脳卒中発症後の12ヶ月に限定しており、機能回復に関する臨界期が存在することが示唆された。脳卒中後の運動機能障害(片麻痺)の回復の機序を解明するために、functional MRIを用いて片麻痺の回復と脳機能の変化を検討した。対象は軽症ないし中等症の脳卒中患者16名で、一側手運動時のfunctional MRIを、急性期と慢性期に計測した。正常者では、一側手の運動により、対側一次感覚運動野、補足運動野、同側小脳前葉が活性化された。脳卒中患者の健手運動時のfunctional MRIによる活性化脳領域は正常者と同様であった。脳卒中患者の患手運動時の活性化脳領域は、正常者と大きく異なっていた。脳卒中後の片麻痺の回復に伴って見られる活性化脳領域の変動は次の3型に分けられた。1.急性期には、正常者で見られる脳領域の活性化が低下していたが、慢性期に回復する。2.急性期には、正常者で見られるより広範な脳領域が活性化されたが、慢性期には正常化した。3.急性期には、正常者で見られる脳領域の活性化は低下していたが、慢性期にはその回復が見られ、さらに、新たな活性化脳領域が出現した。1は可逆的な障害の回復と考えられる。これに対して、2は急性期の運動ネットワークの代償、動員が起こったと考えられ、3は運動ネットワークの再構築が起こったと考えられる。これらの活性化脳領域の変化は脳卒中発症12ヶ月の間に観察された。このように、脳卒中後の片麻痺の回復には、いくつかの脳機能の変動のパターンがあり、単純に障害が回復するだけでなく、脳機能を積極的に再構築して機能回復につなげる機構が存在することが示唆された。さらに、このような脳機能の再構築は発症後12ヶ月という臨界期が存在する可能性も示された。片麻痺は脳卒中後に最も頻繁に見られる運動障害で、脳卒中患者の機能予後を規定する最大の因子である。脳卒中後には何らかの運動機能回復が認められることが原則的であるが、その脳内機序の詳細は不明のままである。今回、われわれはfunctional MRI(fMRI)を用いて脳卒中患者の麻痺手運動時の脳活性化領域を画像化した。

対象は片麻痺が軽度ないし中等度で、手の開閉運動が可能であった脳卒中患者21例で、急性・亜急性期と慢性期の2回、fMRIを検討した。正常手の運動時に活性化される脳領域は主として、対側一次感覚運動野、補足運動野、同側小脳であり、正常対照者と同等であった。急性・亜急性期の麻痺手の運動時には、これらの脳領域の活性化が減少、あるいは、消失するか、同側運動関連領域や対側運動領域に近接する皮質の活性化の出現、あるいは、その混在、が観察された。慢性期の麻痺手の運動時には、低下した活性化の回復、または、付加的活性化領域の永続的な出現が観察された。以上のように、脳卒中後の片麻痺の回復に伴って、急性期に低下した脳活動の再開、あるいは、脳運動ネットワーク内での付加的活動領域の出現が認められた。これらの所見より、片麻痺の回復には、可逆的障害からの回復に加えて、大脳皮質運動機能の再構築が関与していると考えられた。興味深いことに、運動ネットワークの再構築の起こる時期は、脳卒中発症後の12ヶ月に限定しており、機能回復が著明に見られる臨界期が存在することが示唆された。片麻痺は脳卒中後に最も多く認められる運動障害で、脳卒中患者の機能予後を規定する最大の因子である。脳卒中後には何らかの運動機能の回復が認められるが、その脳内機序の詳細は未だ不明である。今回、われわれはfunctional MRI(fMRI)を用いて脳卒中患者の麻痺手運動時の脳活性化領域を画像化した。健手の運動時に活性化される脳領域は主として、対側一次感覚運動野、補足運動野、同側小脳であり、正常対照者と同様であった。慢性期の麻痺手の運動時には、低下した活性化の回復、または、付加的活性化領域の消失あるいは永続的な出現が観察された。以上のように、脳卒中後の片麻痺の回復に伴って、急性期に低下した脳活動の再開、あるいは、脳運動ネットワーク内での付加的活動領域の一過性あるいは永続的な出現が認められた。これらの所見より、片麻痺の回復には、可逆的障害からの回復に加えて、大脳皮質運動ネットワークの一時的あるいは継続的な再構築が関与していると考えられた。運動ネットワークの活動の流動的な変動が起こる時期は、脳卒中発症後の12ヶ月に限定しており、機能回復に関する臨界期が存在することが示唆された。
分子認識核酸の速度調節に基づく遺伝子発現の制御デバイスの構築

本研究では、天然に存在する遺伝子の発現調節に関わるRNAを研究対象とし、特定の分子との相互作用に伴うRNAの構造変化や、相互作用における物理化学的なパラメータ(結合親和性、結合速度定数、解離速度定数など)を定量的に解析する。平成29年度は、以下の2つの研究課題を中心に進めた。(1)分子クラウディング環境下におけるFMNリボスイッチとFMNとの相互作用解析F. nucleatumに由来するFMNリボスイッチのアプタマードメイン(FMNアプタマー)をin vitroで転写合成し、細胞内環境を模倣した分子クラウディング環境下において、FMNとの相互作用における物理化学的なパラメータを種々の実験手法を用いて解析した。その結果、分子クラウディング環境下でのFMNアプタマーとFMNとの相互作用は、induced fitタイプの相互作用様式を示し、希薄溶液条件下での相互作用様式とは大きく異なることが示唆された。(2)細胞内におけるRNA四重鎖構造の形成と翻訳反応への影響を評価する新手法の開発mRNA上での四重鎖構造の形成が翻訳反応に及ぼす影響を評価するために、2種類のタンパク質が同一mRNAから翻訳されるレポーター遺伝子を設計した。本研究では、二次構造と四重鎖構造を競合して形成し得る癌遺伝子mRNAの5′非翻訳領域に由来する配列を用いて評価を行った。その結果、二次構造と四重鎖構造とが競合する配列の場合には、二次構造が有意に形成されることで、四重鎖構造を介した翻訳反応の抑制が現れてこない可能性が示された。29年度が最終年度であるため、記入しない。本研究では、遺伝子の発現制御に関わる機能性核酸であるリボスイッチに着目し、溶液環境や核酸の高次構造を考慮しつつ制御分子である代謝産物との相互作用を定量的に解析することで、細胞内における遺伝子発現制御システムを合理的に構築するための一般法則を得ることを目的としている。当該研究年度では、フラビンモノヌクレオチド(FMN)を制御分子とするリボスイッチのアプタマードメインを解析した。天然の生物に由来するFMNを認識するリボスイッチのアプタマードメインを合成し、細胞内環境を考慮した分子クラウディング環境下においてFMNとの相互作用を定量的に解析した。その結果、希薄な溶液環境ではFMNとアプタマードメインが相互作用するためにマグネシウムイオンが必須であるのに対し、分子クラウディング環境下では、マグネシウムイオンの非存在下でもFMNとアプタマードメインとの相互作用が維持されることが明らかとなった。また、2mMのマグネシウムが存在する希薄溶液条件下と、マグネシウム非存在下で15wt%の平均分子量200のポリエチレングリコールで誘起した分子クラウディング環境下では、同程度の結合親和性を示すことが分かった。一方で、等温滴定型熱量測定(ITC)を用いた詳細な熱力学的解析を行うことにより、マグネシウムイオン存在下と分子クラウディング環境下では、まったく異なる機構でFMNとアプタマードメインが相互作用していることが示唆された。特に、分子クラウディング環境下では結合に伴う大きなエンタルピー変化とエントロピー変化が認められたことから、アプタマードメインの構造変化を伴う相互作用が起こっているのではないかと考えられる。この研究成果は、構造変化を利用して遺伝子の発現を調節するというリボスイッチの機能発現機構に対して、分子クラウディングという細胞内環境が大きく関与していることを示すものである。当該研究課題では、天然のリボスイッチに由来するアプタマードメインと代謝産物との相互作用を、熱力学的、および速度論的に定量的な解析を行い、細胞内における遺伝子発現制御システムを合理的に構築するための一般法則を得ることを目的としている。そのためには、細胞内という特殊な化学環境(分子クラウディング環境)を考慮した実験系で解析を進めることが重要である。当該研究年度においては、分子クラウディング環境が、FMNとFMNを認識するアプタマーとの相互作用を促進することを明らかにした。また、その相互作用メカニズムを明らかにするために、ITCによる熱力学的な定量解析を行った。分子クラウディング環境については、これまでにもリボザイム活性の促進効果を示すことなどが明らかになっている。当該研究年度で得られた研究成果は、アプタマーと標的代謝産物との相互作用に対する分子クラウディング環境の重要性を示すだけではなく、高次構造の形成により機能を発揮する核酸分子に対する分子クラウディング効果の一般則を説明づける知見を与えるものであり、当初の研究計画以上の成果が得られていると考えられる。これまでの研究において、フラビンモノヌクレオチド(FMN)を制御分子とするリボスイッチのアプタマードメイン(FMNアプタマー)が、分子クラウディング環境下でFMNとの結合親和性を高めることを明らかにした。さらに、マグネシウムイオン存在下とPEG200による分子クラウディング環境下では、同程度の結合親和性を示す溶液条件においても、結合に伴う熱量変化(エンタルピー変化)が大きく異なることが示された。そこで当該年度では、蛍光標識したFMNアプタマーを作製し、RNase T1による限定分解を行う事で高次構造の解析を行った。その結果、マグネシウムイオン存在下では、結合の前後においてFMNアプタマーの構造に大きな変化は見られなかった。一方で、PEG200による分子クラウディング環境下では、FMNが結合することでFMNアプタマーが高次構造を形成することを示唆する結果が得られた。

この結果より、分子クラウディング環境下でのFMNアプタマーとFMNとの結合はinduced fitタイプの結合様式を示し、マグネシウムで予め高次構造を形成させた場合の結合様式とは異なることが考えられる。天然のリボスイッチは、RNAの構造変化に基づいて遺伝子の発現を制御するため、分子クラウディング環境下でのinduced fitによる相互作用がその機能に重要であると考えられる。本研究成果は現在、論文投稿準備中である。また当該年度は、競合するRNA高次構造の平衡に対する生体分子の影響に着目し、二重鎖構造と四重鎖構造の平衡を解析した。癌遺伝子に由来するmRNAの配列を用いて解析したところ、癌細胞内での発現が増強するtRNAの存在下では、RNAが二重鎖構造を有意に形成することを明らかにした。つまり、リボスイッチと似たような機構で、tRNAが制御分子として癌遺伝子の発現を調節している可能性があると考えられる。当該年度では、FMNアプタマーとFMNとの結合親和性が分子クラウディング環境下で増大する要因を解析する研究を進めた。RNAの構造変化により遺伝子の発現を制御するリボスイッチの機能と相関させ、リガンドの結合前後におけるFMNアプタマーの構造を生化学的に解析した。その結果として、リボスイッチを対象とした研究で高次構造を誘起してリガンドとの結合親和性を高めるために使用されるマグネシウムイオンとは異なり、分子クラウディングの環境下ではRNAの高次構造が誘起されなくてもリガンドとの結合親和性が増大することが示唆された。この成果は、分子クラウディング環境にある細胞内のリボスイッチの機能化機構を理解するうえで重要な情報を与えるものと考えられる。さらに当該年度では、二重鎖構造と四重鎖構造との間で平衡になりうるRNA構造に対するtRNAの影響を解析する研究を進めた。tRNAについては、原核生物内において、アミノアシル化されたtRNAがリボスイッチの制御分子として作用し、mRNAの構造を変化させることで遺伝子の発現を制御することが知られているが、真核生物内で類似の機構が存在しているかどうかは明らかでなかった。当該研究課題にて、蛍光シグナルの変化を用いた解析を行った結果、tRNAが二重鎖構造と四重鎖楮との平衡を二重鎖構造側にシフトさせることが明らかとなり、その結果としてmRNAからのタンパク質の発現量が増大することも示された。この研究成果は、化学分野を代表する国際学術誌である、独国化学会のAngewandte Chemie International Edition誌に掲載され、掲載号の中裏表紙に取り上げられた。このようにリボスイッチと同様、特定の生体分子によるRNAの構造変化を介した遺伝子の発現調節の可能性を癌遺伝子を用いて示すことができ、本研究は当初の計画以上に進行していると言える。本研究では、天然に存在する遺伝子の発現調節に関わるRNAを研究対象とし、特定の分子との相互作用に伴うRNAの構造変化や、相互作用における物理化学的なパラメータ(結合親和性、結合速度定数、解離速度定数など)を定量的に解析する。平成29年度は、以下の2つの研究課題を中心に進めた。(1)分子クラウディング環境下におけるFMNリボスイッチとFMNとの相互作用解析F. nucleatumに由来するFMN
ポストゲノム時代におけるカイコランダムミュータージェネシスとその基盤研究

ポストゲノム時代において有益なカイコのバイオリソースを開発する為に化学変異源:エチルニトロソウレアを用いたミュータジェネシスの可能性を追究した。その結果、ENUは有用な変異源であることが判明した。カイコの翅には鱗粉が形成されるが、その鱗粉が形成が劣る変異体、幼虫時期に体形が反り、行動が緩慢になる変異体、蛹の翅原基が膨張する変異を始め、卵形成が不完全になる一群の変異体等20種を上回る変異体を得た。また、凍結した精子の受精率を上げる上で有効な3倍体カイコを高率に得る方法を見出した。野外のクワコの変異(大型の卵を産む系統や黒蛹の存在)、既存の遺伝的変異体の連鎖解析も行い、リソースの充実をはかった。ポストゲノム時代においても多様な遺伝的変異体が研究発展に大きな役割を果たす。そこで、本研究ではENU(エチルニトロソウレア)、MNU(メチルニトロソウレア)を用いたランダムミュータジェネシスによる新たな変異体の開発とその保存法の開発を目標にしている。今年度は、処理条件と有効性の検討を行い、用いる卵齢と濃度に依存して孵化率が変化する知見を得た。他の生物種を参考にすると孵化率50%前後でポイントミューテーション変異が多く獲得できる事が報告されているので、ENU、MNUの有効性が確認できたと考えている。一方、ランダムミュータジェネシスで増大する遺伝的変異体を安全かつ効率的に維持するシステムとして、凍結保存によるリソース維持の構築を計画し、今年度は卵巣を液体窒素に保存し、凍結卵巣を融解後、宿主個体へ移植し、個体を再生する実験を行った。その結果、凍結保護剤としてDMSOまたは市販のセルバンカー2が有効であり、4齢1日に発育した個体を用いると約40%で目的が達成されることが判明した。従来の方法に比べると2倍近い成功率であり、実用化が可能な技術として今後期待が出来る事が判明した。また、移植した個体内には造卵されるものの産下されない卵が体内に存在するので、その卵に対して単為発生を行い、個体を再生させる条件を種々検討したところ、非休眠性の系統では単為発生による系統維持が可能であることが示された。これまで、支配遺伝子の連鎖群が不明であった2種の致死遺伝子(幼虫3齢期から5齢期にかけて致死する変異体と5齢後半から蛹期にかけて致死する変異体)に対してSNPs解析を行った結果、第16,23連鎖群に原因遺伝子があることが判明した。そこで、本研究ではEMU(エチルニトロソウレア)、MNU(メチルニトロソウレア)を用いたランダムミュータジェネシスによる新たな変異体の開発、その保存方法の開発を目標にしている。昨年度、本変異源の有効性が明らかとなったので本年度は最適な処理濃度の検討を行い、ENUでは25mMから100mM、MNUでは10mMから50mMに絞り込まれた。同時に形質調査を行い、幼虫皮膚が透明になる個体、過剰な附属肢を持つ個体、皮膚の斑紋が異常になる個体等が処理当代に得られた。G2世代の調査では遺伝性を確認できなかったが、G3世代を得たので次年度以降遺伝解析を継続する予定である。凍結保存によるリソース維持の構築では、昨年度卵巣を用いた凍結法に成果を得たので精巣にも適用する事にした。成功率は卵巣の40%に比べ、低率であるが2%の個体では凍結精巣から再生させることができた。尚、この技術はカイコの祖先種であるクワコにも有効な可能性を示唆する結果を得た。成功率の向上が次年度以降の雪課題となった。単為発生による系統の維持法として、炭酸水も有効である事を認めた。SNPs解析の結果、第16,23連鎖群に原因遺伝子があることが判明していた致死変異体のうち、第16連鎖群のものは交配実験から既存の変異体姫日油(ohi)のアレルであることが判明した。既知のohiは幼虫皮膚が透明となる点は今回解析した規変異体と同様であるが、致死はみられない。新たな変異体が見出されたことになる。カイコリソースの遺伝変異を拡大する為、クワコの遺伝変異を探索した結果、蛹期に黒色となる変異を発見する等の成果を得た。そこで、本研究ではENU(エチルニトロソウレア)等を用いたランダムミュータジェネシスによる新たな変異体の開発、クワコの持つ遺伝変異の収集と安定した効率的なリソースの保存法の開発を目標にしている。

一昨年度、ENU処理したG3世代の形質調査を行い、変異体の検出を行なったが、可視形質レベルでの変異体発見には至らなかった。マウス等では、系統によって変異の出現率は異なることが知られているので、今年度は供試系統を変えてENU処理を行ない、G2卵を育成した。次年度に形質解析を行なう予定である。カイコの祖先種とされるクワコの形質調査の結果、隠岐の島から採集した個体が有意に大型である結果を得た。比較した地域は長野県、北海道、福井県、福岡県等であるがそれらの地域のいずれよりも大型であった。カイコには、致死遺伝子が多数存在するが、致死遺伝子の系統維持は当該遺伝子をヘテロで維持する方法で行っており、SNPs等のマーカーを用いた方法が有効である。終齢致死蚕(l-li)の維持に有効なSNPsを設定した。第23連鎖群に原因遺伝子があることが判明していた油蚕致死変異体は新規変異体であることを交配実験によって確定すると共に系統維持に有効なSNPsの絞り込みを行なった。効率的な保存体制として凍結精子を用いることを計画している。凍結後、融解した精子の運動性が劣り、受精まで至らない場合が多い。この機構を明らかにするには雌の受精嚢、交尾嚢及び両者を繋ぐ管内での精子の動きを観察する方法が必要であるが、その方法をほぼ完成することができた。1、変異個体のスクリーニング(九州大学:伴野豊)化学変異源であるENUを処理した後代のG2、G3世代で表現型変異を探索する共にその遺伝性について検討した。その結果、卵、幼虫、蛹、成虫の各段階で遺伝的変異体が誘発されることを認めた。遺伝性が確認された変異体は卵時期で7、幼虫期で8、蛹期に4、成虫期に4であった(合計で23変異体)。以上の結果は、40ペアの親からのスクリーニングであり、2ペアで、1ミュータントが得られる高頻度であった。飼育スペースの関係から後代検定を行っていない変異体候補も維持することが出来た。2、SNPsマッピングによる変異遺伝子の解析(農業生物資源研究所:山本公子)ENUで誘発された幼虫期に致死する変異体が第10連鎖群に、自然突然変異体として発見された小卵(卵サイズが小さい)が第3連鎖群に所属することを認めた。第3連鎖群には既知の類似の変異遺伝子があるので、対立性を検定した結果、アレル遺伝子であることを認めた。3、変異体系統の長期保存方法の構築(九州大学:伴野豊)精巣の凍結保存では3齢直後から3齢1日の雄個体を宿主にすると蘇生率が改善されることを認めた。しかし、系統間差異が大きく実用化には今後も検討が必要である。卵巣に関しては一昨年に凍結した卵巣から個体を回収することできた。凍結日数は560日であったが蘇生する卵数は短期間のものと変わらず、液体窒素中での長期保存の可能性は拡大した。4、単為発生、倍数体利用による個体再生に関する研究(東京農工大学:横山岳)卵を炭酸水で処理することで多数の4倍体雌を得る条件を認めた。得られた雌に2倍体雄を交配し、3倍体雄を効率よく生産する体制が可能となった。5、クワコの遺伝変異の活用(九州大学:伴野豊)隠岐の島のクワコの卵サイズの大型性について遺伝解析を行った結果、カイコのX染色体に座乗するGe遺伝子とは異なる支配を受けていることが示唆された。1、変異個体のスクリーニング(九州大学:伴野豊)産卵後10時間以内の卵に対し、ENU濃度が約6mMから100mMの範囲で5段階、15分間の浸漬処理を行なった後代を基本的に1蛾育を行い、形質調査を行った。
二官能性放射性薬剤を用いた内用放射線がん治療法の確立

二官能性放射性薬剤の概念に基づき、安定な^<186>Re錯体を形成するMAG3をビスホスホネート骨格に導入した化合物、^<186>Re-MAG3-HBPを合成した。^<186>Re-MAG3-HBPの体内分布を正常マウスを用いて調べたところ、高い生体内安定性を示すと同時に、骨への選択的な放射能分布を認めた。そこで、ラット乳癌細胞MRMT-1を雌性SDラットの左足脛骨の骨髄腔に移植することにより骨転移モデルラットを作製し、本化合物の有用性を評価した。腫瘍細胞移植3週間後のモデルラットに対し、^<186>Re-MAG3-HBP(222、111、55.5MBq/kg)、もしくは^<186>Re-HEDP(55.5MBq/kg)を単回投与した。まず各化合物のこのモデルに対する疼痛緩和効果を評価するためにvon Freyfilamenttestを行った。その結果、^<186>Re-MAG3-HBP投与群は、非投与群に対して有意な疼痛緩和効果を示した。^<186>Re-HEDP投与群も疼痛緩和効果を示したが、その効果は、^<186>Re-MAG3-HBP投与群の方が大きかった。また、非放射性のRe-MAG3-HBPを投与した群では、有意な疼痛緩和効果は観察されなかった。一方、腫瘍容積の変化を経時的に測定したところ、^<186>Re-MAG3-HBP投与群では、非投与群と比較して有意に腫瘍の増殖が抑制されたが、^<186>Re-HEDP投与群では抑制効果は認められなかった。また、副作用の指標として血球数を経時的に計測した結果、いずれの群においても有意な血球数の減少は認められなかった。以上の結果から、二官能性放射性薬剤の概念に基づいて設計され、生体内での高い安定性と、選択的な骨集積性を有する^<186>Re-MAG3-HBPが、転移性骨腫瘍の内用放射線治療薬として有用であることが示された。
ミュータンス連鎖球菌の糖輸送関連遺伝子がバイオフィルム形成に与える影響について

う蝕(虫歯)原因菌として知られるStreptococcus mutansの重要な病原因子である酸産生に深く関与するscrA遺伝子とバイオフィルム形成との関係を検討するために,まずscrA遺伝子と菌の初期付着との関係についてELISA法にて解析を行った。その結果,scrA遺伝子が菌の初期付着に影響を及ぼしていることが示された。また,バイオフィルムの構成成分であるグルカンの合成量を測定し比較検討したところ,scrA遺伝子がグルカン合成に関与している可能性が示唆された。Streptococcus mutansの主な病原因子であるバイオフィルム形成ならびに酸産生にはスクロースが深く関与している。スクロース輸送機構の一つであるホスホエノールピルビン酸依存ホスホトランスフェラーゼ系(PEP-PTS)において,スクロースを菌体内へ取り込むのに必須な酵素をコードするscrA遺伝子の役割を明らかにし,バイオフィルム形成をはじめとする他の病原因子との関連を解明していくことは,う蝕や歯髄炎の発症メカニズムを探る上で重要である。そこで,scrA遺伝子がバイオフィルムの構成成分であるグルカンの合成にどのように関与しているかを解析するため,S.mutans UA159株(親株)とscrA遺伝子改変株の非水溶性グルカンおよび水溶性グルカン合成量を測定し,比較検討を行った。親株およびscrA遺伝子改変株をBHI液体培地と5%スクロース含有BHI液体培地の2種類の培地で培養し,グルカン量を測定した。培養上清中の非水溶性グルカンと水溶性グルカン合成量は,BHIのみで培養した場合では親株とscrA遺伝子改変株の間に有意な差は認められなかった。一方,5%スクロースを添加した培地で培養したscrA遺伝子改変株のグルカン合成量は親株の合成量に比べて有意に低い値を示した。また,象牙質板に付着した非水溶性グルカン合成量も同様に,スクロース存在下でscrA遺伝子改変株は親株に比べて有意に低い値となった。この結果より,scrA遺伝子がグルカンの合成に関与している可能性が示唆された。スクロース輸送機構の一つであるホスホエノールピルビン酸依存ホスホトランスフェラーゼ系(PEP-PTS)においてスクロースを菌体内へ取り込むのに必須な酵素をコードするscrA遺伝子の役割を明らかにし,バイオフィルム形成をはじめとする他の病原因子との関連を解明していくことは,う蝕や歯髄炎の発症メカニズムを探る上で重要である。現在に至るまで,S. mutans UA159株を親株として作製したscrA遺伝子改変株を用いて,菌の初期付着との関連を中心に行った解析結果では,scrA遺伝子が菌の初期付着に関与していることが示された。より詳細なメカニズムを検索するために,今回ELISA法を用いて初期付着に関与するタンパク質PAcの発現解析を行い,親株と遺伝子改変株について比較検討した。親株とscrA遺伝子改変株をBHI液体培地で培養し,対数増殖期の菌を98穴プレートに固着させ牛血清アルブミン溶液にてブロッキングした後に,一次抗体として抗PAcモノクローナル抗体を添加して反応させた。その後,二次抗体としてHRPマウス抗IgG抗体を反応させた後,発色させ,波長450 nmでの吸光度を測定したところ,scrA遺伝子改変株では親株と比較してPAcの発現が有意に低下した。この結果より,scrA遺伝子がPAcの発現に影響を及ぼし,初期付着に関与している可能性が示唆された。現在,同じくELISA法を用いて,バイオフィルム形成に関与するタンパク質の発現解析を行っている。計画当初の目的は,S. mutans UA159株を親株として作製したscrA遺伝子改変株を用いて,S. mutansの初期付着およびバイオフィルムの形成に重要な役割を担うタンパク質の発現解析を行い,scrA遺伝子とバイオフィルム形成の関連性を明らかにすることであった。現在,初期付着に関与するタンパク質の発現解析は遂行したが,バイオフィルム形成に関与するタンパク質については解析途中である。現在解析途中となっているGTFが合成したグルカンを結合させるのに重要な役割を担うタンパク質GbpAの発現解析を,ELISA法を用いて行う。また,S. mutans UA159株とscrA遺伝子改変株の,非水溶性および水溶性グルカン合成量の測定を行う。これは,ウシ前歯において歯髄および軟組織を除去した歯根部象牙質を用いて,歯軸方向にほぼ平行な約500 μmの厚さの象牙質板を作製し,これを一定の大きさにトリミングする。作製した象牙質板をUA159株およびscrA遺伝子改変株の懸濁液に投入して37°Cにて48時間嫌気培養し,象牙質板上にバイオフィルムを形成させる。なお,スクロース存在下と非存在下のグルカンの合成量を比較するために,両株ともにスクロースを添加しない懸濁液と5%スクロース含有の懸濁液を用いる。

培養後,プレートより象牙質板を取り出し,象牙質板へ付着した非水溶性グルカン,培養液中の非水溶性グルカンと水溶性グルカンに分離する。それぞれを0.5 N NaOHで溶解させ,遠心後に得られた上清を用いて,フェノール硫酸法にて吸光度の測定を行う。一方,濃度を規定したグルコース溶液(0 μg/ml,25 μg/ml,50 μg/ml,75 μg/ml,100 μg/ml,150 μg/ml)を用いて,同様にフェノール硫酸法により吸光度を測定して標準曲線を作成する。この標準曲線を用いて,実験で得られた吸光度をグルカン濃度に換算し,各々のグルカン合成量を両菌株で比較検討する。また,スクロースを添加する場合と添加しない場合のグルカン合成量を比較検討する。これにより,scrA遺伝子がグルカン合成にどのように関与しているか,またスクロースの存在がグルカン合成に与える影響が明らかになると予想される。マイクロプレートリーダーを購入予定であったが,今年度は他の講座の機器を使用することができたため購入を見送った。しかし,研究室間のサンプルの移動等が,得られるデータに及ぼす影響を考えると実験全行程を他の研究室で行わなければならず,スペースの確保が困難な面もあるため,研究代表者の講座に設置する必要がある。次年度への繰越額は、マイクロプレートリーダーの購入に使用する予定である。また,今年度の研究計画がすべて遂行できておらず途中となっており,今年度使用を予定していた研究費を次年度に繰り越して研究を遂行する。
「水と霧に触れる」総合的インタラクション技術の基盤確立

本課題では,霧を用いたインタラクティブな映像投影システムを実現するために,フォグディスプレイの形状の変化を画像処理によってリアルタイムに捉え,その形状変化に応じて適切に補正された映像を投影するシステムを構築することに主に取り組んだ.具体的には,近赤外領域の画像を利用したセンシング手法とその処理アルゴリズムの提案により,撮像した霧の形状変化に応じてリアルタイムにインタラクティブな映像投影を実現するプロジェクタ・カメラシステムの基盤技術を確立した.初年度は,研究期間全体を通して使用したフォグディスプレイと映像投影システムを構築し,画像の適切な撮像条件等を明らかにした.二年目にはフィードフォワード的アプローチに基づき,鑑賞者がフォグディスプレイに触れた際の形状変化を事前の観測データを利用して物理シミュレーションによって推定する手法を主に確立した.最終年度はオプティカルフローを利用したフィードバック的アプローチによる霧の形状変化の推定と適応的な投影映像の変化を実現するシステムを構築し,その性能評価を行った.さらに,本課題の最終目的である「霧と水に触れる」総合的なインタラクションを実現するために上記の研究と並行して,水を媒体とするインタラクティブシステムの基盤技術として,水に触れる手の形状のパターン認識手法の確立,Time of Flightカメラの計測歪みを利用した多点同時水深推定アルゴリズムの開発と性能評価などを実施した.最終的に,構築したシステムを用いた卓上型のインタラクティブアートのプロトタイプを構築し,研究を総括した.具体的には,鑑賞者の働きかけにより霧や水の状態が変化すると,それに応じて投影映像やBGMが変化するようなインタラクティブアートのプロトタイプを作成し,国内研究会および国際会議等における報告ならびにデモンストレーションを行った.本申請課題では,ユーザが触れることにより生じる霧の形状変化を推定し,その変化に応じたインタラクティブな映像投影を実現するフォグディスプレイ・カメラシステムの基盤技術を確立することを主な目的としている.そのために,本課題では特に「霧に触れる」新奇なインタラクティブ立体映像表現をリアルタイムで違和感なく実現するために必要な諸条件を物理的・数理的両面から明らかにすることを重視している.また,申請者が既に開発している,水の赤外線吸光特性を利用した「水に触れる」技術との融合を行い,流体を利用した総合的インタラクション技術の深化を最終的に目指している.本年度前半は,研究期間全体を通して使用する予定の卓上型フォグディスプレイシステムを構築し,光源の配光方法,光源・光学フィルタの波長,スイッチング手法,カメラの露光パラメータなどの物理的側面から,適切な画像の撮像条件を明らかにするとともに,映像投影のための基本的なキャリブレーションソフトウェアの開発などを実施した.本年度後半は,既成のセンサを利用したハンドトラッキングおよびハンドジェスチャ認識機構を上記のシステムに組み込み,ユーザが霧に触れた際の形状変化を計算機上であらかじめシミュレーションしておいた結果を用いて,フィードフォワード的に適応的映像投影を行うシステムを開発した.このシステムについては学会におけるデモ発表を実施した.当初の予定通り,卓上型のフォグディスプレイ・カメラシステムを試作し,基本的な映像撮影条件の検証や映像投影のための基本的ソフトウェアの実装が平成28年度中に行えている.後期には最終的な目標を意図したデモシステムの実装と学会発表が完了していることから,本研究は概ね順調に進展していると言える.本申請課題では,ユーザが触れることにより生じるフォグディスプレイの形状変化を推定し,その変化に応じたインタラクティブな映像投影を実現するフォグディスプレイ・カメラシステムの基盤技術を確立することを主な目的としている.本年度前半は,既成のセンサを利用したハンドトラッキングおよびハンドジェスチャ認識機構を利用し,ユーザが霧に触れた際の形状変化を計算機上であらかじめシミュレーションしておいた結果を用いてフィードフォワード的に適応的映像投影を行うシステム(前年度に開発済)の改良を重点的に行なった.具体的には,動画像処理によってフォグディスプレイの形状変化をリアルタイムに推定し,投影映像を補正するためのフィードバック的アプローチによる処理を実現するために,光源・カメラの配置および配光,光学フィルタの使用条件などについて検討を行うと共に,動画像処理によって形状推定を行うためのアルゴリズムの開発と評価を実施した.その結果,形状の概形をリアルタイムで推定するという目的が概ね達成されたが,さらなる精度の向上が必要である.さらに本申請課題では,「霧に触れる」ことを特徴とするインタラクティブなインスタレーションのための基盤技術を確立するため,赤外線画像から腕の動きや手の詳細な形状を精度よく認識する動画像処理アルゴリズムも必要となる.そこで,当初の計画のうち,実時間でのハンドトラッキングとジェスチャ認識処理を実現するためのシステム開発を実施した.具体的には,CoHoG特徴量とランダムフォレストを組み合わせた赤外線動画像処理系を構築し,検出精度と計算速度ともに実用的なレベルの結果を得た.本年度は,画像処理により霧の形状変化を捉えるための撮像系に関する検討と,基本的な動画像処理のアルゴリズムの検討が完了した.さらに本申請課題では,「霧に触れる」ことを特徴とするインタラクティブなインスタレーションのための基盤技術を確立するため,赤外線画像から腕の動きや手の詳細な形状を精度よく認識する動画像処理アルゴリズムも必要となる.そこで,当初の計画のうち,実時間でのハンドトラッキングとジェスチャ認識処理を実現するための内容に注力し,CoHoG特徴量とランダムフォレストを組み合わせた赤外線動画像処理系を構築することで,検出精度と計算速度ともに実用的なレベルの認識が可能なシステムを構築した.また,研究成果については国内研究会,国際会議等で適宜報告を行っており,本研究は概ね順調に進展していると言える.本課題では,霧を用いたインタラクティブな映像投影システムを実現するために,フォグディスプレイの形状の変化を画像処理によってリアルタイムに捉え,その形状変化に応じて適切に補正された映像を投影するシステムを構築することに主に取り組んだ.

具体的には,近赤外領域の画像を利用したセンシング手法とその処理アルゴリズムの提案により,撮像した霧の形状変化に応じてリアルタイムにインタラクティブな映像投影を実現するプロジェクタ・カメラシステムの基盤技術を確立した.初年度は,研究期間全体を通して使用したフォグディスプレイと映像投影システムを構築し,画像の適切な撮像条件等を明らかにした.二年目にはフィードフォワード的アプローチに基づき,鑑賞者がフォグディスプレイに触れた際の形状変化を事前の観測データを利用して物理シミュレーションによって推定する手法を主に確立した.最終年度はオプティカルフローを利用したフィードバック的アプローチによる霧の形状変化の推定と適応的な投影映像の変化を実現するシステムを構築し,その性能評価を行った.さらに,本課題の最終目的である「霧と水に触れる」総合的なインタラクションを実現するために上記の研究と並行して,水を媒体とするインタラクティブシステムの基盤技術として,水に触れる手の形状のパターン認識手法の確立,Time of Flightカメラの計測歪みを利用した多点同時水深推定アルゴリズムの開発と性能評価などを実施した.最終的に,構築したシステムを用いた卓上型のインタラクティブアートのプロトタイプを構築し,研究を総括した.具体的には,鑑賞者の働きかけにより霧や水の状態が変化すると,それに応じて投影映像やBGMが変化するようなインタラクティブアートのプロトタイプを作成し,国内研究会および国際会議等における報告ならびにデモンストレーションを行った.現在までの研究が順調に進んでいることから,今後は当初の研究計画通りに,霧の形状変化の推定アルゴリズムの開発および適応的映像投影アルゴリズムの開発を進める.また,本研究で最終的に構築するシステムは高負荷な処理の組み合わせとなることから,それらを実用に耐える処理速度で実現するための並列計算等を利用した実装方法についても同時並行的に研究を進める.現在までの研究が概ね順調に進んでいることから,今後は当初の研究計画通りに,霧の形状変化の推定アルゴリズムの改良および適応的映像投影アルゴリズムの開発を進める.また,本研究で最終的に構築するシステムは高負荷な処理の組み合わせとなることから,それらを実用に耐える処理速度で実現するための並列計算等を利用した実装方法についても同時並行的に研究を進める.また,本課題の実施最終年度となることから,成果の公開を積極的に進める予定である.
ソルビトール合成律速酵素のcDNAクローンの調製とそれによる糖集積機能の解析

リンゴ果実への糖の集積のKey酵素としてソルビトール-6-リン酸脱水素酵素(S6PDH)とソルビトール脱水素酵素(SDH)の存在が明らかである。そこでこの酵素を精製し、その機能を明らかにし、さらにcDNAを単離し、それを用いて遺伝子レベルでの発現の調節を検討することを目的とした。その結果、S6PDHとSDHとを様々な精製ステップによって精製することに成功した。特に、SDHの精製は植物においては初めてであり価値がある。それらの精製標品の性質から、生体内においてはS6PDHはソルビトールを生成する方向に、SDHはソルビトールをフルクトースに変換する方向に反応が偏っており、生理的に重要であることが証明された。次に、リンゴ実生の芽生えよりポリ(A)RNAを調製し、これに基づいたcDNAライブラリーを作り、S6PDH抗体によるスクリーニングによってS6PDHのcDNAクローンを単離することに成功した。このcDNAクローンは310のアミノ酸をコードする930塩基対の翻訳領域を持ち、計算分子量35、000と精製標品のものとほぼ一致した。このアミノ酸配列からアルドース、ケトース環元酵素ファミリーとの相関性が認められた。そこで、このcDNAプローブを用いてリンゴ実生の発芽に伴うS6PDHの遺伝子発現を検討したところ、S6PDHのmRNAはS6PDHタンパク質の合成よりも2日も早く生成されていることが明らかとなり、S6PDHの発現の段階で様々な調節を受けていることが示唆された。今後、SDHについても抗体及びcDNAクローンを作成し、遺伝子発現の研究を進めることによって糖蓄積の機構を明らかに出来、遺伝子組換え等を通して遺伝子レベルで糖の蓄積を制御することによって、果実の品質を向上させることが可能となるものと思う。リンゴ実生より抽出した粗ソルビトール-6-リン酸脱水素酵素(S6PDH)を、ブチルトヨパール、ブルーセファローズ、セファデックスG-200ゲルクロマト、ADP-セファローズアフィニティークロマト、セファデックスG-150ゲルクロマトのステップにより約2000倍にまで精製し、SDS-PAGEにおいて約36kDaの単一のバンドを示した。分子量はゲルロ過で約65、000であり、ビワにおける本酵素と同様に二量体であると考えられた。VmaxはS6P合成反応において高く、特に中性付近でこの傾向が顕著であった。S6P合成反応における活性調節物質を探索したところ、糖及び糖リン酸エステルはあまり影響しなかったが、ATPが顕著な活性阻害をみせた。解析の結果、これはNADPHに対する競争阻害であり、ATP、ADPに対するKi値はそれぞれ0.18mM、0.3mMと求められ、生体内でもこれらの物質の濃度比によってソルビトール合成が調節されている可能性がある。リンゴ実生cDNAライブラリーより、ビワS6PDH抗体を用いて本酵素のcDNAクローニングを行い、上記精製酵素の一部アミノ酸配列との比較及び大腸菌における活性の検出により同定した。このcDNAクローンは310のアミノ酸をコードする930塩基対の翻訳領域をもち、計算分子量は35、000と精製標品のものとほぼ一致した。そのアミノ酸配列からアルドース、ケトース還元酵素ファミリーとの相同性が認められた。またS6PDHは葉緑体にも局在することが知られており、N末端付近のアミノ酸配列にも特異的なシグナルが認められた。リンゴ実生より精製したソルビトール-6-リン酸脱水素酵素(S6PDH)のcDNAのクローニングに成功した。このcDNA及びS6PDHの抗体を用いてリンゴ実生におけるS6PDHの発現を検討した。イムノブロッティングによりS6PDH活性の上昇と翻訳活性の上昇が一致し、発芽に伴うS6PDH活性の誘導がde novoの合成であることが分かった。

しかしながらこのcDNAをプローブにしたノーザンブロッティングによるS6PDH特異的なmRNAの発現は、S6PDHタンパク質合成よりも2日も早く誘導された。S6PDHの器官特異性をS6PDH抗体を用いて検討したところ、発現部位はソースである子葉及び本葉で強く、根、茎及び果実においては活性、タンパク質とも殆ど検出出来なかった。S6PDHの種間差を成葉から抽出したタンパク質のイムノブロッティングで検討したところ、モモ、ニホンナシ、セイヨウナシにおいてもリンゴS6PDHとほぼ同じ分子量のS6PDHを検出することが出来た。またリンゴ子葉及び発育枝葉においてソルビトール合成と関連すると考えられるS6PDH活性の変動が見られ、イムノブロッティッグによる分析から、いずれも酵素の活性化および不活性化ではなくタンパク質量の増減を伴うものであった。一方、ソルビトール代謝の律速酵素の一つであるソルビトール脱水素酵素(SDH)をリンゴ果実より精製することに成功した。本酵素の植物からの精製は初めてである。リンゴ果実からの粗酵素液をブチルトヨパール、DEAE-セルロース、ブルーセファロース、Superose6ゲルクロマトにより、SDS-PAGEゲルにより一本のバンドになるまで精製した。本酵素は62kDaサブユニットの2量体からなる分子量12万のタンパク質である。キネティックスより本酵素はソルビトールをフルクトースに変換する方向に働くことが明かとなった。今後、SDHのcDNAのクローニングを行う予定である。
ダイカスト法におけるインジェクション時の溶湯流動の解明およびその制御

ダイカストは短時間で鋳肌の良好な製品を得る鋳造法であるが、キャビティ内流動挙動や凝固様式が複雑であり、高品質製品を保証する湯流れシステムの開発を確立されていない。本研究は最適湯流れの解明、最適ベント条件の確立、欠陥発生に関連する流れ挙動の予測などを目的として、実験及びシミュレーションを行った。以下成果を具体的に示す。(1)単純な内部障害物を有するキャビティに対して空気を用いた実験により、流れの最終合流面を調査し、最終充てん部へのベント配置の重要性を示した。(2)(1)と同様の矩形障害物を有する直方体キャビティに対して水モデル実験により、流れ挙動の調査を行った。流れの剥離、合流部、渦の存在が明かになった。ナビエストークス式の2次元解析により流れのフロントラインなど充てん挙動を求めた。充てん時間、流れのフロントラインなどの実験結果をほぼ予測することができ、シミュレーションモデルの妥当性を確認できた。(3)(2)の成果をさらに一般化するために、キャビティ側面に邪魔板を2ケ取り付れたものを用いて研究を行った。特に渦の生成、流れ境界部(湯境い)や未充てん領域の発生を重点的に調査した。ベント/ゲート断面積比をパラメータにとり、それら発生頻度との関係を定量化した。上記比率が約45%において未充てん領域や流れ境界部の発生が抑制されることが示され、ベント条件に最適状態が存在することが示唆された。(4)(2)と同様の数式モデルを用いて、本キャビティに対して湯流れシミュレーションを行った結果、流れの特徴をよく説明できた。解析結果を高速度写真と比較し、流れ状態をほぼ予測できることがわかった。この結果、本数式モデルによるシミュレーションによりダイカスト充てん挙動の予測が可能であり、湯流れ最適化への有力な数値シミュレータ開発に基礎的知見を与えることができた。高精度で鋳肌のすぐれたダイカスト製品をつくるためには、キャビティ内の湯流れを最適化する必要がある。本研究では、今年度水によるコールドモデルを用いてキャビティ内流れ挙動の解明を行い、実際に問題となる空気まき込み、合流面の形成などについて基礎的調査を行った。320×115×6mmのアクリル製キャビティに射出シリンダと押出しシリンダをとりつけ、キャビティまわりのベントの配置条件とゲートからの水射出速度を変えて実験を行った。実際のダイカストとの相似性はRe数を合致させた。キャビティ内流動を油点法により可視化し、電流短絡法により流れ到達時間を測定した。得られた結果は以下のようである。1.流れはゲートよりスプラッシュ状となってキャビティ内に噴出し、周回するように空間を満たしてゆく。今回のように内部模型を設けない場合にはベント配置を変えても流れパターンはあまり変化しなかった。2.流れはキャビティ厚み方向では変化は大きく、3次元的流れが得られた。このため、ゲート面側と非ゲート面側では同一ベントへの流れ到達時間が異なる場合が多い。実際的にはこのようなことが生ずると、ベント付近で介在物や気泡が滞留する可能性があり、好ましくない。ベント設計に一指針を与えることができた。3.実際の流れでは、キャビティ内部で流れの合流面が生じ、合流面で1m/sec以下の大きさの流速の場合、湯境いなどの欠陥が生成する。本研究でもそのような流動条件がベント配置によって生ずることが予想できた。4.非定常のナビエ・ストークス式を基本式として、キャビティ内の流動状態を定量的に評価するアルゴリズムを構築した。

現在数値実験を行いつつあり、最適ベント配置、ゲート条件などを求めつつある。今後ホットモデルについても研究を進めてゆく。前年度は,ダイカスト湯流れの基本的挙動を究明するために,水モデル実験を行い,流動の可視化も行った.その結果,キャビティに備えつけるベントの大きさや配置,ゲート位置などの流れに対する影響を明かにすることができた.本年度は引き続いてモデル実験による詳細な流れ挙動の検討を行い,かつコンピュータによる流れシミュレーションを試みた.得られた結果は以下のようである.1.キャビディサイズは320×115×6mm直方体(昨年度と同一サイズ)であるが,内部に55×210×6mmの障害物を有するものに対して種々のベント条件とゲート条件,ゲート速度のもとで射出実験を行った.ゲート速度10,15,20m/sの条件下では,ベント面積やベント配置を変化させても流れ挙動は大きく変化しなかった.ゲート位置により流れパターンはほぼ決まり,流れ境界部,最終の合流面,渦流生成,流れのはく離位置を明かにすることができた.2.上記の実験結果を説明すべく,コンピュータによる数値シミュレーションを行った.基礎方程式は二次元のナビエストークス式を用い, SMAC法(Simplified Marker and Cell法)で数値計算を行った.ポテンシャル関数の反復計算により計算に長時間要し,最終充填まで流れシミュレーションが実現できていないが,流れ先端部位置や,流れ到達時間,流れのはく離現象,渦流部などの予測についてはほぼ実験結果と一致した.また合流面についても妥当な予測ができ,本モデル式による数値予測が可能であることが明かとなった.3.現在,シミュレーションで流れ挙動の解明を続行中である.今後更に収束性の良い数値解析法の研究を行い,最適湯流れ設計への有力なモデルを開発を行ってゆく.今年度は、キャビティとして壁面に邪魔板(2ケ又は1ケ)を有するものを用い、水射出モデル実験と流れシミュレーションを行った。すなわち320×115×6mmの直方体キャビティ内に30×45mmの邪魔板があり、周囲に合計14ケのベントが取付けられて、その開閉により条件を変えた。得られた結果を以下に箇条書きすると、(1)ベント条件、邪魔板配置、射出速度の条件を変えて実験を行った。それぞれの場合の流れパターン、流れ到達時間、未充てん領域、流れ境界領域など調査を行った。本研究範囲内では上記条件変化によりマクロ的流れ挙動はあまり変化しなかった。(2)実際のダイカストにおいて欠陥の生成と大きな関連を有する、未充てん領域や流れ境界部(湯境い)の規模や発生頻度にベント条件が影響を及ぼすことがわかった。邪魔板が2ケの場合にその影響が現われやすく、約45%のベント/ゲート断面積で未充てん領域や流れ境界部が少くなることがわかった。すなわち最適なベント面積、配置が存在する。(3)油点法による可視化、高速度カメラによる流れ挙動の観察を行い、実際で問題となる流れフロントライン、最終充てん部についての情報が得られた。(4)ナビエ・ストークス式を基礎として、SMAC法を用いた数値シミュレーションを行い、キャビティ内流動挙動の予測を試みた。二次元の取扱により、自由表面(フロントライン)にマーカー粒子を配置し、流速値、流体圧力などを求めた。
巨細胞腫の発生病理-巨細胞腫と骨肉腫の共通プロセスの解明-

巨細胞腫と骨肉腫の共通プロセスとして、多核巨細胞、破骨細胞の多形成という病的プロセスが存在する。本年はそれらの研究中、in vitroで破骨細胞を誘導する新たに見いだした4つの方法を詳しく解析した。一つは、骨肉腫細胞由来細胞あるいは巨細胞腫由来細胞と血液単球を、ミリポアーフィルターを介在させて、培養すると血液単球が破骨細胞へと分化するというものです。従RANKLは細胞膜上にあると考えられてきたが、この研究により、可溶性RANKLの存在が初めて証明された。この可溶性RANKLの産生機構を明らかにした。更に、血液単球を長期間(8週間以上)培養すると、何らの骨細胞誘導因子を加えなくても、破骨細胞が誘導されてくることを見いだした。ただ,培養途中でプラスチック面から血液単球を剥がすと,その後細胞が死んでしまうことから,細胞接着が重要な要因であることが分かった。三つ目は、高濃度の炭酸ガス中で血液単球を培養すると破骨細胞形成が亢進するということを初めて明らかにした。また,ヘパリン誘導骨粗鬆症の分子機構の解析を行い、ヘパリン自身が破骨細胞誘導活性を有することも初めて明らかにした。最近、CD98/FRP-1のコンディショナル・ノックアウトマウスの樹立に成功したので、この系を用い、CD98/FRP-1媒介破骨細胞形成の詳細な解析も行う予定です。本研究は巨細胞腫と骨肉腫発生病理上の共通プロセスを手がかりに、破骨細胞形成の分子機構を明らかにし、巨細胞腫や骨肉腫の病態解明の興味深い側面を解明した。更に、骨粗鬆症の予防や治療に関しても有益な情報を得ることができた。本年は破骨細胞形成の二つの経路、すなわちRANK-RANKLシステムとCD98-integrinシステムで形成される破骨細胞の異同について解析した。(1)RANK-RANKLシステムではM-CSFは必須のファクターであるが、CD98-integrinシステムではM-CSFは不可欠の因子ではない。(2)RANK-RANKLシステムで誘導された破骨細胞はデンチン表面に這ったような溶骨像を示すが、CD98-integrinシステムで誘導された破骨細胞はCa-プレートではRANK-RANKLシステムで誘導された破骨細胞より効率よく溶解するが、デンチン表面では孤立した小さい溶骨像しか示さない。(3)CD98-integrinシステムで破骨細胞を誘導する際、他のサイトカイン(M-CSF, interleukin-1a)は補助的に働き、破骨細胞形成効率はあげるが、デンチン表面上の走化性は亢進しない。(4)CD98-integrinシステムで誘導された破骨細胞は骨表面に対する付着性が弱い。このことが、デンチン表面上のピットの大きさや、走化性の制限をしていると考えられる。(5)両システムの間にpHやHCO_3^-の濃度に差が見られる。(6)CD98-integrinシステム破骨細胞形成系とRANK-RANKLシステム破骨細胞形成系お互いに独立系であるが、cross-talkも見られる。(7)今後、巨細胞腫と骨肉腫の発症病理に於いて破骨細胞形成の両システムの関与について解析する必要がある。
タスク並列を活用した分散共有メモリによる高生産スパコンプログラミング環境

スーパーコンピュータと呼ばれる巨大な計算機は,一般的な計算機と異なって,「分散メモリ」と呼ばれる特殊なメモリ形態と,「SPMD並列」という柔軟でない実行方式でソフトウェアを開発する必要があり,ソフトウェア開発者の負担が大きい問題がある.そこで,本研究では,「分散共有メモリ」という分かりやすいメモリ形態と,「タスク並列」という柔軟な実行方式の2つをベースにし,現代の計算機の特徴を考慮しつつ開発の容易さと計算性能の両立を目指した新たな仕組みを提案し開発する.スーパーコンピュータと呼ばれる巨大な計算機は,一般的な計算機と異なって,「分散メモリ」と呼ばれる特殊なメモリ形態と,「SPMD並列」という柔軟でない実行方式でソフトウェアを開発する必要があり,ソフトウェア開発者の負担が大きい問題がある.そこで,本研究では,「分散共有メモリ」という分かりやすいメモリ形態と,「タスク並列」という柔軟な実行方式の2つをベースにし,現代の計算機の特徴を考慮しつつ開発の容易さと計算性能の両立を目指した新たな仕組みを提案し開発する.