hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
B細胞抗原受容体からの情報伝達と機能発現の制御機構

本研究ではB細胞の生存と分化におけるB細胞抗原受容体からのシグナル伝達の役割及びその制御機構について、Lynキナーゼを中心とするシグナル伝達及びホスファチジルイノシトル系代謝の制御から検討を加えた。Lynキナーゼ欠損マウスと自己赤血球産生性トランスジェニックマウスの掛け合わせでは、B1細胞の異常増加と分化亢進が見られる。本研究ではB1細胞での抗原受容体からのシグナル伝達の制御、特に負の制御機構に異常を来していると考え、シグナル伝達の負の制御に関わる受容体を検索した。その結果、CD5、CD72、FcγRIIBなどの受容体のチロシンリン酸化にLynが深く関与していること、Lyn欠損マウスB細胞においては、これらの受容体の細胞内ITIMのチロシンリン酸化とITIMへのSHP-1フォスファターゼの会合が見られないことがわかった。さらに抗原受容体刺激後での正常B細胞でのチロシンリン酸化タンパクとLyn欠損マウスB細胞でのチロシンリン酸化タンパクのパターンを比較した結果、Lynキナーゼによって抗原受容体刺激後に強くチロシンリン酸化を受ける新たな分子を見出した。分子量及びその抗原性からLy49分子ファミリーと考えられた。B細胞ではB1細胞上のみにLy49様受容体が発現されており、抗原受容体刺激によりチロシンリン酸化を受け、SHP-1がリクルートしてくることがわかった。このLy49様受容体を抗原受容体からSequesterするとB1細胞での増殖と生存が亢進された。以上の結果は、B1細胞では複数の負の制御を行う受容体が存在しその制御にLynキナーゼが重要な働きをしている事を示している。AktはPI3キナーゼを介して活性化され、細胞の増殖と生存を亢進させる。Lyn欠損B細胞ではAktの異常に高く、しかも長期に続く亢進が見られる。Lynキナーゼは自己抗体産生B細胞の増殖、生存に強い負の制御を行っていることが明らかになった。本研究では次のような成果を得た。(1)Lynキナーゼ欠損マウスにおける自己免疫病発症のさらなる解明。Lynキナーゼ欠損マウスと自己赤血球に対する自己抗体産生性トランスジェニックマウスを掛け合わせると、その自己免疫性貧血は著明に増悪する。このようなマウスでは、著明なB1細胞の増殖と活性化が見られ、逆にB2細胞は殆ど消滅する。Lynキナーゼの欠損が自己反応性B1細胞の生存、増殖、分化の促進に深く関わっているが明らかとなった。これは、Lynキナーゼの欠損B1細胞では、抗原受容体シグナルを負に制御する機構に破綻が生じたためである。B1細胞でシグナルを負に制御する補助受容体として、従来のCD22,CD72,PIR-B,FcgRIIBの他に、CD5,Ly49が重要な役割を演じていることを示した。Lynキナーゼによるこれら受容体の細胞内ITIMモチーフのリン酸化とSHP1/2などのフォスファターゼのリクルートメントが重要である。(2)BCRシグナルによって特異的にその発現が制御される転写因子FosB、△FosBの転写調節を解析して受容体からのシグナル伝達系と核内遺伝子発現系を一連の反応系としてつなぐ試みを行っている。(3)Golgi膜、小胞体膜輸送に重要な新たな分子PITPnmを我々は単離した。PITPnmがGolgi膜上でPI4Kと会合して、PI代謝の制御を行っていることを示した。

今後、PITPnmが抗原受容体からのMHCクラスII分子への抗原ペプチドの提示にどのように関わっているかを、PITPnm及びその変異タンパクを高発現したB細胞株を用いて明らかにする。(4)マウスB細胞株WEHI231細胞のBCRシグナルによるアポトーシス誘導には、ミトコンドリアに働く新たに合成されるタンパクが関与していることを示した。現在、この分子の同定を行っている。本研究ではB細胞の生存と分化におけるB細胞抗原受容体からのシグナル伝達の役割及びその制御機構について、Lynキナーゼを中心とするシグナル伝達及びホスファチジルイノシトル系代謝の制御から検討を加えた。Lynキナーゼ欠損マウスと自己赤血球産生性トランスジェニックマウスの掛け合わせでは、B1細胞の異常増加と分化亢進が見られる。本研究ではB1細胞での抗原受容体からのシグナル伝達の制御、特に負の制御機構に異常を来していると考え、シグナル伝達の負の制御に関わる受容体を検索した。その結果、CD5、CD72、FcγRIIBなどの受容体のチロシンリン酸化にLynが深く関与していること、Lyn欠損マウスB細胞においては、これらの受容体の細胞内ITIMのチロシンリン酸化とITIMへのSHP-1フォスファターゼの会合が見られないことがわかった。さらに抗原受容体刺激後での正常B細胞でのチロシンリン酸化タンパクとLyn欠損マウスB細胞でのチロシンリン酸化タンパクのパターンを比較した結果、Lynキナーゼによって抗原受容体刺激後に強くチロシンリン酸化を受ける新たな分子を見出した。分子量及びその抗原性からLy49分子ファミリーと考えられた。B細胞ではB1細胞上のみにLy49様受容体が発現されており、抗原受容体刺激によりチロシンリン酸化を受け、SHP-1がリクルートしてくることがわかった。このLy49様受容体を抗原受容体からSequesterするとB1細胞での増殖と生存が亢進された。以上の結果は、B1細胞では複数の負の制御を行う受容体が存在しその制御にLynキナーゼが重要な働きをしている事を示している。AktはPI3キナーゼを介して活性化され、細胞の増殖と生存を亢進させる。Lyn欠損B細胞ではAktの異常に高く、しかも長期に続く亢進が見られる。Lynキナーゼは自己抗体産生B細胞の増殖、生存に強い負の制御を行っていることが明らかになった。
チェルノブイリ事故後のフィンランド・旧東独における旧ソ連製原発の運用継続と中止

今年度も、各人が担当地域における資料収集およびインタビューを行い、その成果を発表した。さらに、国内外および本研究以外の研究者を交えて研究会や勉強会を重ねた。具体的には、佐藤は、2018年6月に東北大学で行われた比較政治学会にて、自由企画「ヨーロッパにおける『境界』の意味ー隣国の原子力政策とどう向き合うのか」の報告者らと意見交換を行った。同年7月には同志社大学で行われた日本ドイツ学会にて、拙稿が所収された『核開発時代の遺産』(昭和堂、2017年)の出版シンポジウムに、編著者であり研究分担者の木戸ならびに他の著者らと共に参加し、各自の原稿に関するコメントに返答した。8・9月には、フィンランド・スウェーデンにて研究調査を行った。この成果をまとめた論考が、2019年、『北ヨーロッパ研究』にて公表予定である。11月には京都大学で行われた国際ワークショップ"Radiation Diplomacy"に参加し、科学史への知見を深めた。2・3月にはドイツ・コブレンツにある連邦文書館にて、ドイツにおけるウラン濃縮施設建設過程の議論、およびチェルノブイリ原発後の政府内部の動向を探った。3月下旬には、広島で行われた「放射性物質の政治文化史研究会」にて、中川保雄『増補放射線被曝の歴史ーアメリカ原爆開発から福島原発事故までー』(明石書店2011)についての書評コメントを依頼されて行った。この過程で、科学史の研究手法と視座を分析することができ、本研究にも生かされる予定である。木戸は、4月にドイツのフランクフルト・アム・マインにあるドイツ国立図書館にて資料収集を行い、12月には阪神ドイツ文学会にて研究成果報告を行った。ヘルシンキの図書館において、今年から部外者に電子資料へのアクセスができなくなったことに加えて、佐藤の公務が忙しくなり研究との兼ね合いが困難になった。2019年8・9月にフィンランドのロヴィーサ原発周辺およびドイツにて、追加の研究調査を行う。本年度は、各人が担当地域における資料収集およびインタビューを行い、適宜他の研究者も交えて研究会や勉強会を重ねた。具体的には、7月に大阪大学で本研究の詳細な打ち合わせが行われた後、9月に京都、10月に広島において、各国の原子力に関する研究者らを交えて、研究成果を報告し意見交換する勉強会が行われた。佐藤は、2016年10ー11月にヘルシンキの国立図書館と議会図書館、タンペレ大学図書館において研究資料を収集した後、ユヴァスキュラ大学社会科学・哲学学部研究者タピオ・リトマネンのもとで研究滞在を行った。現地において研究報告を行い、現地研究者らと情報交換を行い、かつ研究に必要なネットワークを構築した。加えて、リトマネン氏およびロヴィーサの反対運動中心人物トーマス・ローゼンベリへのインタビューを実施した。貴重な資料を得るとともに、次回の訪問調査協力の確約もまた得られた。木戸は、2017年1、2月にボーフムでドイツのエネルギー産業に関する歴史を概観し、ベルリンで旧東独原子力産業に関する資料を閲覧、ディーター・ホフマン、ライナー・カールシュ、セバスティアン・プフルークバイル各氏に関連のインタビューを行った。現地で研究報告を行うことにより、情報交換および意見交換がなされた。「研究計画」に記載した通り、両者とも、チェルノブイリ事故後のフィンランド・東独における受け止められ方と対応策に関して分析を行った。今年度の研究成果の一部は、特に2017年公刊の本『核開発時代の遺産』(昭和堂)所収の論文および『北ヨーロッパ研究』所収の研究ノートをはじめとして反映されている。上記「研究業績の概要」欄記載の通り、現地資料調査およびインタビューにより、興味深い知見が得られ、その一部を2017年に成果として発表している。ロヴィーサ原発関係者とのインタビューが先方の都合により果たせなかったが、2017年度に行われる次回の訪問調査の協力に関して約束を得ているため、上記のように評価した。本年度は、各人がこれまでに担当地域において行った資料収集およびインタビューにより得られた成果の一部を公に発表し、さらに適宜、国内外および本科研以外の研究者も交えて研究会や勉強会を重ねた。具体的な成果として、主に次の3点が挙げられる:第一に、10月に木戸が共編著者を務める『核開発時代の遺産』(昭和堂)が出版された。本書中において木戸は東ドイツに関して、佐藤はフィンランドに関する章を執筆した。また、本書出版に関連して、韓国から関連研究者を招いた出版記念シンポジウムが、同志社大学で行われた。同シンポジウムにおいて佐藤はフィンランドの原発に関するドキュメンタリー映画を上映、現代のフィンランドの原発事情と放射性廃棄物処分に関する解説を行った。第二に、11月には日本平和学会(於:香川大学)において佐藤の企画した「核開発に対する抵抗活動ー各国の事例に学ぶ:(自由論題部会・パッケージ企画)」が催された。本部会では、木戸が司会を担当し、佐藤はフィンランドに関する報告を行った。第三に、2018年3月にドイツ現代史研究会(京都)でフィンランドより第一線の研究者を招聘して、フォーラム「放射性物質の政治文化史国際比較」が行われた。その際に、佐藤と木戸はそれぞれフィンランド・東ドイツに関する研究報告を行った。続けて、大阪大学においてもフィンランドの放射性廃棄物問題に関する講演会が開かれた。その際、佐藤は司会を務めた。2018年度に予定していた海外研究者を招聘しての講演会を、双方の都合を勘案して、前倒して行った。また、この過程で、フィンランド側との研究に関する協力体制も構築された。

今年度も、各人が担当地域における資料収集およびインタビューを行い、その成果を発表した。さらに、国内外および本研究以外の研究者を交えて研究会や勉強会を重ねた。具体的には、佐藤は、2018年6月に東北大学で行われた比較政治学会にて、自由企画「ヨーロッパにおける『境界』の意味ー隣国の原子力政策とどう向き合うのか」の報告者らと意見交換を行った。同年7月には同志社大学で行われた日本ドイツ学会にて、拙稿が所収された『核開発時代の遺産』(昭和堂、2017年)の出版シンポジウムに、編著者であり研究分担者の木戸ならびに他の著者らと共に参加し、各自の原稿に関するコメントに返答した。8・9月には、フィンランド・スウェーデンにて研究調査を行った。この成果をまとめた論考が、2019年、『北ヨーロッパ研究』にて公表予定である。11月には京都大学で行われた国際ワークショップ"Radiation Diplomacy"に参加し、科学史への知見を深めた。2・3月にはドイツ・コブレンツにある連邦文書館にて、ドイツにおけるウラン濃縮施設建設過程の議論、およびチェルノブイリ原発後の政府内部の動向を探った。3月下旬には、広島で行われた「放射性物質の政治文化史研究会」にて、中川保雄『増補放射線被曝の歴史ーアメリカ原爆開発から福島原発事故までー』(明石書店2011)についての書評コメントを依頼されて行った。この過程で、科学史の研究手法と視座を分析することができ、本研究にも生かされる予定である。木戸は、4月にドイツのフランクフルト・アム・マインにあるドイツ国立図書館にて資料収集を行い、12月には阪神ドイツ文学会にて研究成果報告を行った。ヘルシンキの図書館において、今年から部外者に電子資料へのアクセスができなくなったことに加えて、佐藤の公務が忙しくなり研究との兼ね合いが困難になった。ひきつづき、現地における資料調査およびインタビューを重視するとともに、成果の公表を目指す。フィンランド研究に関しては、ヘルシンキの国立図書館および2016年に知見を得たロヴィーサの反対運動中心人物ローゼンベリを訪問、旧ソ連製原発ロヴィーサ周辺地域において比較的長期滞在し、施設の視察とインタビューを実施し、新聞等の資料収集を集中して行う。東独研究に関しては、ベルリンにある連邦文書館、ハインリヒ・ベル財団文書館を訪問し、平和革命期の反原発運動に関して、「新フォーラム」や旧東独「緑の党」の動向を含めて研究する。今後は、日本平和学会にて研究成果を公表し、社会還元するとともに、意見交換・情報収集を行う。また、海外から研究者を招聘し、研究会を開く予定である。2018年度は最終年度のため、これまでの分析結果をまとめ、フィンランドと東ドイツの比較研究を論文にまとめるよう努める。また、フィンランドと日本の比較研究に関しても英語で研究をまとめたい。なお、佐藤は丸善出版から『現代ドイツ事典』(2018年11月出版予定)の中でドイツの原発に関する執筆依頼を受けており、既に原稿は提出済である。本研究の成果を発信していきたい。
直感的に読み取り可能な指向性触覚サイン「DiGITS」の開発

本研究では、触覚を用いて、誰もが直感的に方向を読み取ることのできる触覚サイン「DiGITS」の開発と、その効果について評価を行う。DiGITSの特徴は、・指し示す方向を、触運動時に順目方向と逆目方向で触感の差異を生じるような立体の凹凸パターンによって規定すること・順目方向と逆目方向で生じる触感の差異と、DiGITSの指し示す方向とを対応づけることによって、事前の学習がなくとも、ヒトが意味を解釈できるようにすることにある。DiGITSの実用例として、緊急時の方向表示用途が考えられる。トンネルで火災が起こり、暗闇で目が開けられなくても、DiGITSであれば手探りで非常口の方向を示すことができる。
心の諸問題の探求

前年度に引き続き、本研究の当初の目的であった近年の「心の哲学」の議論との接続を性急にはかる前に、ハイデガーの哲学にたいする確固とした理解を得ることが肝要との認識から、主著『存在と時間』に至るまでの彼の試行錯誤の過程を辿り直し、彼の哲学をいわばその内側から、より良く理解するということに専念してきたが、本年度に至り、その作業にもようやく完成の目処が立った。前年度までの研究は、この時期のハイデガーの哲学が持ついくつかの特徴を明らかにした一方で、それらを包括的・統一的に捉える視点を欠いたものであった。しかし本年度においては、この時期の彼の歩みを貫くある一つの筋道が見いだされ、それを軸とした初期ハイデガーの全体像の解明が、明確な目標として設定された。その核となる二つのアイデアのうち、一つは今年の3月に発表済みであり(「実存思想協会」における発表)、もう一つは5月に発表する予定である(「日本哲学会」における発表)。まず前者の発表では、ハイデガーは師フッサールの「現象学」を受容するさいにすでに、『存在と時間』の核心をなす「憂慮」としての人間観を抱いていたということを明らかにした。次に後者の発表では、この時期のハイデガーにとって、この「憂慮」としての人間観は、アリストテレスに由来し後の哲学の歴史を規定していくことになる、ある転倒した人間観にたいする批判という意味合いを持っていた、ということを示す予定である。そしてこうした「憂慮」としての人間観と、アリストテレス解釈との連関が発展していったところに、『存在と時間』が成立するということが、上述した筋道の概要である。当初の計画通り、第1年度は、『存在と時間』(1927年)に結実する初期ハイデガーの思想を包括的に理解することを目標にして、研究を行った。具体的には、1919年から1922年にかけてフライブルク大学で行われた諸講義を解釈した。この「『存在と時間』以前」の時期への注目は、ハイデガー研究における近年のトレンドの一つではあるが、それ自体は何ら一枚岩的なものではなく、この時期にしてすでに見られるハイデガーの語りの内実上の深さ、広さに、研究者たち自身の関心が組み合わさることで、様々なアプローチが混在しており、さらにこの時期の講義群に対する原則的な解釈方針というものがいまだ確立されているとは言い難いため、悪く言えば「言いたい放題」、「言った者勝ち」的な状況が、一部では見受けられるほどである。このような状況のなか、報告者は、解釈を通じて自らが手にしているハイデガー哲学の全体像が、講義テキストのあらゆる細部に適合しているかどうかを、そのつどチェックすることを心がけた。そうした細部のなかには、多くの研究者が見て見ぬ振りをしているかのように素通りしているものもある。その一つに、いくつかの講義で見られる、「否定(Negation)」や「無(Nichts)」といったものに対する考察がある。報告者は、日本現象学会第32回研究大会にて、それらの考察が、この時期のハイデガー哲学の方法に重要な仕方でかかわっていることを示した。この発表原稿は、同学会誌である『現象学年報』への掲載が決定済みである。この研究は、この時期のハイデガー哲学の原則的な解釈方針の確立を目指すものでありつつ、独自の視点を持つものでもあり、上述の状況を鑑みたとき、固有の意義を持っている。当初の研究計画に記載した通り、ハイデガー哲学の心の哲学や関連諸分野に対する現代的意義を明らかにすることを目標にしつつも、まずは彼の哲学に対する徹底した理解を得ることが先決と考え、前年度に引き続き、彼の最初期から『存在と時間』に至るまでの思索の歩みを辿り直し、解釈し、そのアクチュアリティを見定めるということを行ってきた。具体的には、いわゆる「初期フライブルク講義」という、ハイデガーが『存在と時間』の構想段階にあたる1919-23年に行った講義録を網羅的に解釈することを通じて、いかにして彼が同書の「存在の意味への問い」という独特の問題設定に到達したのかということを明らかにすることが目指された。その成果は、彼の独自の術語である「意味」や「地平」、また彼の哲学の方法である「形式的告示」が持つ、これまで十分に論じられてこなかった含意を明らかにするというかたちで、一本の学会発表、および二本の学術論文として発表された。当該年度の成果は、ハイデガーの代名詞ともいうべき「存在の意味への問い」の複雑で動的な構造を解明するという、ハイデガー研究における最重要課題の一つでありながらこれまで研究者たちが必ずしも十分に取り組んでこなかった課題への寄与を、それも彼の最初期の思索を辿り直すことを通じて目指している点で、この分野における十分な意義と重要性を持っているといえる。しかし当該年度の成果は、いまだ途上にある本研究全体の一部分であり、その意義と重要性は、本研究が完成した暁に、十分に明らかになるだろう。

前年度までの研究は、この時期のハイデガーの哲学が持ついくつかの特徴を明らかにした一方で、それらを包括的・統一的に捉える視点を欠いたものであった。しかし本年度においては、この時期の彼の歩みを貫くある一つの筋道が見いだされ、それを軸とした初期ハイデガーの全体像の解明が、明確な目標として設定された。その核となる二つのアイデアのうち、一つは今年の3月に発表済みであり(「実存思想協会」における発表)、もう一つは5月に発表する予定である(「日本哲学会」における発表)。まず前者の発表では、ハイデガーは師フッサールの「現象学」を受容するさいにすでに、『存在と時間』の核心をなす「憂慮」としての人間観を抱いていたということを明らかにした。次に後者の発表では、この時期のハイデガーにとって、この「憂慮」としての人間観は、アリストテレスに由来し後の哲学の歴史を規定していくことになる、ある転倒した人間観にたいする批判という意味合いを持っていた、ということを示す予定である。そしてこうした「憂慮」としての人間観と、アリストテレス解釈との連関が発展していったところに、『存在と時間』が成立するということが、上述した筋道の概要である。当初の研究計画に記した研究遂行上の三つの段階のうち第一の基礎的な段階(ハイデガー解釈)に本研究はとどまっているが、それは本研究の遅れを意味するのではなく、むしろ、安易に次の段階に進まず、この段階の研究に十分な時間を割くことこそが、結局は当初の目論みを達成するためのもっとも堅実で確実な方策だと自覚されたからである。このように捉え直された研究全体の構想の枠内では、本研究はおおむね順調に進展している。本研究は、当初の研究計画に記した基礎的段階(ハイデガー解釈)にむしろとどまることこそが、結局は実りある研究につながると考え、研究計画は変更された。今後はこの方針で研究を推し進め、最終的には、『存在と時間』にいたるまでのハイデガーの思索の歩みを、本研究がこれまでに発表してきた独自の成果を含めたかたちで再構成し、さらなる中間成果を学会発表や論文投稿というかたちで公にし、それらをもとに博士論文を執筆する予定である。
インプラント周囲炎の治療予後に影響を与える組織特異的幹細胞傷害の可能性を探る

未分化の間葉系幹細胞においても成熟した骨芽細胞においてもLPSの受容体であるTLR-4の発現は低く、LPSによる増殖阻害も20%程度であった。この結果は仮説と解離したので検証実験を行ったところ同様の結果を得た。培養系において、LPSと複合体を形成する可溶性LPB (LPS-binding protein)と可溶性CD14の不足と考えた。LPBとCD14を培養系に添加してLPSによる増殖阻害効果を検討した。効果が顕著になる傾向も認めたが再現性に乏しく、培地の成分を検討して最適な実験条件を確立する。一方、インプラント周囲炎の病因は、インプラント表面へのバイオフィルムの形成とLPSの吸着にある。表面が滑沢な純チタン板と表面に微細構造を付与した純チタン板を材料として、これらに対する各種接着タンパクの吸着性を検討した。接着タンパクはfibronectin (FN), fibrinogen (FGN), von Willebrand factor (vWF), vitronectin (VN)とし、対照としてアルブミン(Alb)として検討した。結果はFGNがもっともチタン表面に吸着しやすく、それは同時に添加したAlbによって阻害されない。ただし、事前にチタン表面にコートされたbovine serum albumin (BSA)によって強力に阻害されることが判明した。FNやvWFもチタンへの親和性は高く血小板はこれらの接着タンパクを介してチタン表面と接着することも明らかになった。LPSについては,増殖阻害実験に用いたP.gingivalis由来LPS抗体が入手できないので吸着度を定量化出来なかった。しかし、E.Coli由来LPS抗体は入手できることから次年度の課題とすることにした。昨年来の細胞増殖に対する効果は、可溶性関連因子の添加によっても大きな改善は見られなかった。具体的には、LPSの情報伝達に関与する因子のなかで細胞内に含まれるもの以外で、細胞外に浮遊性に存在して関与するといわれるLPS-binding protein (LPB)とCD14を培地に適当量添加することで情報伝達をより確実な状態に再構成しようと試みた。しかし、P.gingivlisのLPSが骨芽細胞や骨髄由来間葉系幹細胞の増殖に及ぼす影響に大きな変動は見られなかった。しかし,研究課題のもうひとつの中心である純チタン表面に対する各種接着因子(タンパク)の親和性の違いについては予想外な進捗が見られた。具体的にはFibronectin(FN)やvon Willebrand factor(vWF)やfibrinogen(FGN)などの血漿中に含まれる細胞接着因子が、血漿中にもっとも多く含まれるalbumin(Alb)に対してより高い親和性をもってチタン表面に吸着することを実証できた。vWFやFGNは血小板の接着に大いに関与しているものの骨芽細胞などの付着細胞系の接着にはあまり関与していないと考えられている。一方、幹細胞の接着に重要な役割を果たすとされるvitronectin(VN)に関しては、チタン表面への吸着が相対的に少量であることが判明した。これまではプラスチックディッシュ上での細胞増殖ばかりに目がとらわれていたが、今後は基材をチタンに移して細胞接着という機能面からLPSの増殖に及ぼす影響を検討することで遅れを取り戻したい。順調に進んでいる実験を優先的に実施することで、停滞している課題についても解決の糸口を見出すことが可能なこともある。ここでは、チタン板とLPSの吸着親和性を他の接着因子との相対的な評価をすることを中心に進めたい。具体的には、以下の推進方策を実施する。1) Fibronectin (FN)やvon Willebrand factor(vWF)およびcollagenなどの接着因と比較して、LPSのチタン表面への吸着親和を評価する。LPSは抗体の入手が可能なE. coli由来のものとし、評価方法はそれぞれの特異的抗体をもちいた免疫蛍光染色法(IF)による。2) E. coli由来LPSをチタン表面にコートした状態で、骨芽細胞、骨膜細胞、骨髄・脂肪由来間葉系幹細胞の増殖に及ぼす影響を検討する。3)上記実験系に可溶性因子(LPB (LPS-binding protein)やCD14)を添加して、LPSが細胞増殖に及ぼす影響を検討する。4)上記の実験で、期待した様な明らかな効果が見られた場合、蛍光プローブを使用して細胞内に産生された活性酸素(ROS)を蛍光顕微鏡で検出を試みる。5)チタン表面をコートするLPSの濃度依存性データと細胞増殖のデータを比較検討することにより、相関関係・因果関係を分析する。インプラント周囲炎による歯周組織の破壊が再生力の低下と関連しているのではないかという仮説を立て第一の検証目標を歯肉線維芽細胞や骨膜細胞、骨芽細胞(Saos-2)と骨髄由来間葉系幹細胞(MSC-BM)の間でリポ多糖(LPS)に対する応答性の違いに置いた。1)LPSが細胞増殖に及ぼす影響:各細胞を1x103/wellの細胞密度で96穴プレートに播種し、DMEM+1%FBS培地中(あるいは、MSC-BMはMesenPRO培地中)で24時間のpreincubationの後、48時間LPS(0.01-10 ng/mL)で処理した。細胞数はCell-counting kit-8により比色的に計測した。結果は骨芽細胞の分化度が最も高いSaos-2の増殖活性が最も強くLPSにより阻害され、MSC-BMの感度は低いものであった。しかし、これはそれぞれの細胞の有するdoubling timeによる差が影響している可能性も大きいと思われるため、更なる検討が必要である。

2)フローサイトメーターによるToll-like receptor-4 (TLR4)の発現度評価:LPS-PGに対する特異的受容体として知られているTLR4の発現程度を各細胞種ごとに解析した。その結果、MG63とNHostとMSC-BMはわずかな発現しか認められなかった。Saos-2に関しては、15-30%程度の細胞にTLR4の発現が認められるという結果になった。3)TLR4陽性細胞のクローニング:細胞増殖とTLR4受容体の発現の相関関係を検証するために、MG63細胞からTLR4陽性細胞をクローニングする試みを行った。150以上のクローン化細胞についてフローサイトメーターによる解析を行ったが、クローニング直後に比較的高い陽性率を示した細胞集団についても継代を重ねると親細胞とほとんど変わらないレベルに減少するという結果になった。P. gingivalisのLPSが骨芽細胞や間葉系幹細胞に対して増殖抑制的に作用することは予想通りの結果であった。次年度の進展にとって基盤的データとなった。しかしその反面、年度末に参加した学会において、E. coliのLPSが増殖促進的に作用するという報告に接し、比較検討の必要を感じた。LPSの受容体と言われるTLR4の発現について、上記の細胞種について検討し、高発現しているクローンを釣り上げるという計画を立て実施したものの、TLR4の発現は安定していないようで、得たクローンのTLR4陽性細胞の割合は継代ごとに減少したため、LPS-TLR4のシグナル伝達系の役割を明確にする実験は実施できなかった。ただし、文献的には、LPSの細胞増殖等に及ぼす影響はTLR4を介さずに、同定されていない機能的LPS受容体を介するという報告もあるため、われわれのデータが間違っているわけではないと思われる。今後は、TLR4に限定せずに、LPSの生物学的効果を検討していくことで挽回できると思われる。未分化の間葉系幹細胞においても成熟した骨芽細胞においてもLPSの受容体であるTLR-4の発現は低く、LPSによる増殖阻害も20%程度であった。この結果は仮説と解離したので検証実験を行ったところ同様の結果を得た。培養系において、LPSと複合体を形成する可溶性LPB (LPS-binding protein)と可溶性CD14の不足と考えた。LPBとCD14を培養系に添加してLPSによる増殖阻害効果を検討した。効果が顕著になる傾向も認めたが再現性に乏しく、培地の成分を検討して最適な実験条件を確立する。一方、インプラント周囲炎の病因は、インプラント表面へのバイオフィルムの形成とLPSの吸着にある。表面が滑沢な純チタン板と表面に微細構造を付与した純チタン板を材料として、これらに対する各種接着タンパクの吸着性を検討した。接着タンパクはfibronectin (FN), fibrinogen (FGN), von Willebrand factor (vWF), vitronectin (VN)とし、対照としてアルブミン(Alb)として検討した。
マウス片側精巣外傷後に誘導される反対側精巣のリンパ球浸潤と造精障害の解析

片側精巣外傷モデルにおける反対側精巣炎は、C3H/He,A/Jマウスとも、精巣細胞の反復皮下注射によって誘導される自己免疫性精巣炎に比べ、明らかに発症率が低く、炎症の程度も弱いことが組織学的観察でわかった。しかし、精巣外傷の2日前にサイクロフォスファマイドを投与すると、外傷後40日において、精巣抗原に対する遅延型反応・液性免疫とも、コントロール群に比して増強し、反対側精巣炎が激しく起こった。このことは正常下においては、精巣細胞抗原に対する自己免疫応答は抑制されているが、免疫抑制剤であるサイクロフォスファマイド前処置により、精巣抗原に対する免疫抑制が逆に外れてしまったことを示唆している。また、同じ外傷処置をしているにも関わらず、激しい精巣炎を起こすマウスと精巣炎が全く発症しないマウスとに二分され、軽度精巣炎が起こりにくい傾向にあった。その理由として疾患発症(=精巣へのリンパ球浸潤)にいたる過程では抵抗性があるものの、一度精巣へのリンパ球の浸潤と精子形成障害が発症すると、その後の精巣内の炎症を抑制する機構が働きにくい組織環境であることが考えられる。精巣細胞の反復注射による自己免疫精巣炎はC3H/He,A/Jマウスとも高率に発症したが、この精巣外傷モデルにおける疾患感受性はA/JマウスのほうがC3H/Heよりも高かった。今後は感受性の高いA/Jマウスにおいて、この外傷性精巣炎モデルの解析を進めていく予定である。外傷を受けた片側精巣と反対側精巣の両者の形態変化の場をヘマトキシリン-エオジン染色にて経時的に観察するとリンパ球浸潤は外傷側精巣にはほとんど見られないことがわかった。外傷側の精細管は消失し成熟ライデッヒ細胞も認められず、カルシウム沈着と線維芽様細胞の増殖で占められ精子肉芽腫の発症もなかった。それに比し反対側精巣は外傷処置後4週以降に軽度リンパ球浸潤が直精細管周囲に認められた。しかし浸潤程度は精巣細胞感作の精巣炎モデルよりも遥かに軽度であり、組織像はリンパ球浸潤よりも精子形成障害のほうが顕著であることがわかった。免疫組織学的に浸潤白血球の分画を調べるとCD4T細胞、CD8T細胞、B細胞、マクロファージなどが混在していることがわかった。また免疫組織学的に炎症細胞から分泌されているサイトカインを調べるとIFN-rが陽性であることがわかった。血清テストステロンは特にコントロール群と比べて有意に低下はしていないので反射側精巣のライデッヒ細胞は障害をうけておらず寧ろ外傷側で消失したライデッヒ細胞機能を代償していることが推察された。今後は反射側精巣へのリンパ球浸潤と造精障害が自己免疫性のものかどうか調べるために精巣に外傷を受けたマウスのリンパ節細胞および脾細胞を健常マウスに全身または局所投与しレシピエント精巣の組織反応を観察する予定である。
自己組織化ナノチューブハイドロゲルによるバイオ分離デバイス創出

室温下、pHに応答して形成可能な自己組織化ナノチューブハイドロゲルの開発に成功した。ナノチューブ同士が形成する三次元網目構造のナノ・マイクロ空間、ナノチューブ自身の一次元中空シリンダー(ナノチャネル)といった2つの独立した空間を有するナノチューブハイドロゲルをキャピラリー内に充填し、バイオ高分子の電気泳動分離を行った。イメージング技術を駆使し、内径約8nmのナノチャネルがDNAの高効率分離場として機能することを実証した。自己組織化ナノチューブハイドロゲルのライブラリ構築を行った。疎水部メチレン鎖の両端に親水部としてグルコースとオリゴグリシンを有する非対称くさび形脂質群を設計・合成し、水中における自己集合挙動及びゲル化能を詳細に検討した。メチレン鎖の長さ、グリシン残基数の違いが自己集合形態に大きな影響を及ぼすことを見出した。グリシン残基の末端がカルボキシル基の場合、脂質分子(0.1wt%)を水中で100°Cに加熱溶解後、室温まで徐冷すると水媒体がゲル化することが分かった。各種電子顕微鏡観察、粉末X線回折やIR等の分光化学的測定により、ハイドロゲル内では内径10nm以下、長さが数μ数十μmに及ぶ単分子膜ナノチューブが形成していることが明らかとなった。また、グリシン残基の末端がアミンの場合、脂質分子(0.1wt%)を弱酸性水媒体に分散させ、水酸化ナトリウムの添加により弱アルカリにするだけで、水媒体が瞬時にゲル化することが分かった。室温下、pH変化を駆動力とするナノチューブハイドロゲル形成に世界で初めて成功した。また、アゾベンゼンを連結した脂質分子群が光照射によるアゾベンゼン部位のトランスーシス構造異性化によりナノチューブを形成することが明らかとなり、光刺激応答性ナノチューブの開発にも成功した。ナノチューブハイドロゲルには、ナノファイーバーから成る従来の高分子架橋ハイドロゲルや超分子ハイドロゲルが持ち得ない2つの空間、即ちナノチューブ同士が形成する3次元網目空間とナノチューブ自身の1次元中空シリンダーが存在することを実証した。実際、両空間に生体高分子を固定化し、変性剤に対する耐性を検討したところ、網目空間に固定化した生体高分子は瞬時に変性が生じたのに対し、中空シリンダーに固定化した生体高分子は内径サイズに依存して変性が強く抑制されていることが分かった。両空間の生体高分子の束縛度の違いを反映した結果であり、分離の選択性に大きな影響を及ぼすことが示唆された。エチレンジアミンの両端にオリゴグリシンとアゾベンゼンをそれぞれアミド結合を介して連結した両親媒性モノマー分子群を設計・合成し、水中において自己集合させたところ、内径10-20nmの固体状二分子膜構造からナノチューブ群を形成することが明らかとなった。得られたナノチューブに紫外光を照射すると、固体状態にも関わらず二分子膜内でアゾベンゼン部位がトランスーシス構造異性化を起こし、それに伴いナノチューブが内径数nm以下のシリンダー状ナノファイバーへと形態変化することを見出した。さらに可視光を照射すると、アゾベンゼン部位の可逆的なシスートランス構造異性化に伴い、シリンダー状ナノファイバーが中空構造を持たないヘリカルナノテープへと形態変化することが分かった。これにより、ナノチューブの中空シリンダーに包接したゲスト分子を光照射によってバルク水中へと放出可能であることも明らかとなった。平成21年度に開発したpH駆動型ナノチューブハイドロゲル化剤(=カチオン性非対称双頭型脂質分子モノマー)とゲスト分子として塩基性アミノ酸を包接した上記の光刺激応答性ナノチューブをキャピラリー内に充填した。検出窓から紫外光続いて可視光を照射し、光刺激応答性ナノチューブの形態変化により放出した塩基性アミノ酸がカチオン性非対称双頭型脂質分子モノマーを中和することで、キャピラリー内でナノチューブハイドロゲルを形成させることに成功した。ナノチューブハイドロゲルを実装したキャピラリーを用いて、DNAの電気泳動分離を試みたが、分離の再現性が得られなかった。ナノチューブ同士が形成する3次元網目空間のサイズの不均一性及びハイドロゲルの収縮・相分離が原因であることが推定された。そこで、ナノチューブの1次元中空シリンダー(ナノチャネル)におけるDNAの泳動について、蛍光顕微鏡観察と蛍光共鳴エネルギー移動を組み合わせた手法を用いて詳細に検討した。ナノチャネルにおけるDNAの拡散係数の値が、塩基数に依存することが明らかとなり、ナノチューブ1本によるDNAの分離デバイス創出の可能性を新たに提示することが出来た。
細管式等速電気泳動用走査型UV検出装置の製作と分離過程の解析への応用

等速電気泳動法では分離ゾ-ンのpHやイオン強度が成分毎に異なるため、細管式ゾ-ン電気泳動法などに較べると分離条件の最適化が難しいといわれている。筆者は等速電気泳動法の分離過程及び定常状態をシミュレ-トするソフトウエアを開発し、多くの試料についてその妥当性について検討し、コンピュ-タ-支援による分離条件最適化を試みている。分離条件最適化にあたってはまず分離過程と分離時間に影響を与える因子について詳しく検討する必要がある。過去3成分系までの分離挙動を明らかにし、2および3成分系については5%以下の誤差で分離時間の実測値と理論値が一致する事がわかっている。一般にn成分の場合についても同様な解析法を確立する必要があるが、成分数が増加するにつれ分離に必要な細管の長さが増加するため、当面の課題としてより長い細管中で分離過程を追跡する装置が必要であった。今回の補助により、従来の倍に当たる細管長32cmに渡って分離過程を追跡する走査型等速電泳動装置を製作する事ができた。本装置は紫外光源および検出器を一体としてパルスモ-タ-駆動のリニアヘッドに装着し細管を走査し、分離過程のUVスペクトルを測定するものである。本装置作製にあたり、必要な部品およびデ-タ取り込みと制御に使用するマイクロコンピュ-タ等を購入した(別紙)。また製作した装置を使用して4成分系試料の分離過程を測定し理論値と比較検討したところ、筆者らの開発したMSPRモデルが4成分系においても非常によく実測結果にフィットする事が明らかになった。また分離時間に影響を与える因子のうち組成比や成分数の影響について明確な結論を得ることができた。
MOS型リアルタイム医用検出装置の研究

MOS型リアルタイム医用検出装置画像読み出し速度の向上とノイズの低減を図る研究を行った。C-MOSチャージアンプには、各チャージアンプのアンプノイズを減らす目的でCollerated double sampling circuitを、各アンプ間のばらつきによる固定パターンノイズを減らす目的でOffset variance compensation circuitを設けた。露光後の素子の出力波形から、立ち上がり時間、立ち下がり時間はそれぞれ400nsec,600nsecであり、フレームレートとしては約15フレーム/秒となった。400μm厚のヨウ化セシウムシンチレータを3mm厚の光ファイバープレートを介して、フォトダイオードアレイ受光面にコーティングしてX線用2次元検出器を試作し、特性評価を行った。画像解像度は設計通り、2.5lp/mmの分解能を得た。ノイズレベルは約1.5mV rmsで、飽和電圧は1.8V、ダイナミックレンジは1200:1であった。積分時間・出力信号電圧特性では、積分時間が0.16秒以下で歪みがみられる以外ではほぼ直線性が認められた。照射線量・出力信号電圧特性では、約3桁の直線性が示された。管電圧60kV、管電流5mA、フレームレート2/秒での手指の画像はFCRと比較して遜色ない画質であった。金属性プロペラをチョッピングモータで回転させ、ディテクタを様々な状態で動作させて、動画に関する特性を評価した。15フレーム/秒以上の読み出し速度では、残像が観察された。単位検出器を組み合わせて大面積化を図る研究を行った。単位検出器を直接密着させる方法により試作装置を完成した。単位検出器の受光面をウェハの角に位置させるように回路設計に変更を加え、4つの検出器の受光面を密着させることで、10cm×10cmの受光面を作成した。デッドスペースに関しては、ソフトウェア的に処理することとした。受光面の後方に回路部分をまとめることで,無数の単位検出器を密着させることが可能となる。5cm×5cmの単位センサの試作に成功した。これはC-MOSフォトダイオードチップ,C-MOSチャージアンプおよびC-MOS垂直シフトレジスタ部,C-MOS水平シフトレジスタ部の3種類のチップからなる。受光面のC-MOSフォトダイオードチップは200ミクロン平方のシリコンダイオード素子をウエハ-ス上に微細加工技術により256×256個配列したものである。画像の読みだしは水平,垂直のC-MOSシフトレジスタによって、水平、垂直方向のスイッチを開閉することによって、各素子の電荷をビデオラインに流して行く。この際、水平方向のビデオラインの一本毎にアンプ(C-MOSチャージアンプ)を設けることでノイズの低減を図った。水平方向の走査一回毎に、垂直方向一列の各フォトダイオード中の電荷がチャージアンプに読み込まれ、この積算された電荷を順次スキャンして出力する。読み出し速度は現状では4フレーム/秒,飽和電荷に対するノイズ値は1/5000である。消費電力を低減するため,すべてを5V単一駆動とした。画像処理用の簡易プログラムを作成し、パーソナルコンピュータ上でリアルタイム表示を可能にした。紙シンチレータをファイバープレートを介して密着させ,70KVX線を用いて撮像した結果、良好なリアルタイム画質が得られた。光子検出率約70%であった。空間分解能用チャートを撮影した結果、センサのフォトダイオードピッチである200μの理論限界値である2.5本/mmを問題なく達成した。また、厚さ1cmのアクリル製バーガーファントム内の直径0.8mm、深さ0.5mmの穴を分解することができた。

これは同時に計測した空間分解能200μのCR用イメージングプレートに比較して優れていた。本年度は主として、画像読み出し速度の向上とノイズの低減を図る研究を行った。CMOSチャージアンプには、各チャージアンプのアンプノイズを減らす目的でCollerated double sampling circuitを、各アンプ間のばらつきによる固定パターンノイズを減らす目的でOffset variance compensation circuitを設けた。露光後の素子の出力波形から、立ち上がり時間、立ち下がり時間はそれぞれ400nsec,600nsecであり、読み出し速度は素子あたり約1μ秒となった。256×256個の素子に対しては0.066秒を要し、垂直シフトレジスタのスキャン速度としては1MHz、フレームレートとしては約15フレーム/秒となった。400μm厚のヨウ化セシウムシンチレータを3mm厚の光ファイバープレートを介して、フォトダイオードアレイ受光面にコーティングしてX線用2次元検出器を試作し、特性評価を行った。シンチレータ変換効率は500光子/X線光子、開口率は約60%、フォトダイオード変換効率は約50%であった。画像解像度は設計通り、2.51p/mmの分解能を得た。ノイズレベルは約1.5mVrmsで、飽和電圧は1.8V、ダイナミックレンジは1200:1であった。管電圧60kV、管電流5mA、フレームレート2/秒での手指の画像はFCRと比較して遜色ない画質であった。X線管電圧60kVp、X線管電流0.5mA、フレームレート15フレーム/sec、ディテクタ面線量率2.5mR/secで十分な画質が得られたが、透視レベルの線量率ではノイズレベル以下の信号しか得られなかった。今後感度を2桁向上させる必要がある。また、大面積化についても、来年度の研究に備え、フレキケーブルやバンフを用いる方法などの予備的検討を行った。5cm×5cmの単位検出器の、静止画像における画質評価、動画像の読み出し速度評価を行った。積分時間・出力信号電圧特性では、積分時間が0.16秒以下で歪みがみられる以外ではほぼ直線性が認められた。照射線量・出力信号電圧特性では、約3桁の直線性が示された。Darkノイズ特性では、概ね積分時間に相閑してRMS値が上昇しており、設計より高いノイズ値が観察された。空間分解能に関しては、照射X線強度に関わらず、画素サイズから得られる理論値通りの結果を得た。動画に関する以下の評価系を作成した。X線線源の照射口とディテクタ受光面との間に、金属性プロペラをとりつけたチョッピングモータを設置し、このプロペラを回転させた状態で、ディテクタを様々な状態で動作させる。出力されたアナログ信号をA/D変換してパソコン上に表示し、スキャンコンバータを用いてNTSC信号変換後、ビデオテープに録画した。X線撮影を行いながら、回転数速度を上げていくと、15フレーム/秒以上の読み出し速度では、残像が観察された。
心臓ネットワーク数理モデルの構築と分岐解析による交互脈の制御

本研究では,心臓の数理モデルを用いて交互脈の発生メカニズムを解明した.心室筋はペースメーカ細胞からの信号により動いているが,本研究では(1)ペースメーカ細胞が信号を作る場合,(2)心室筋細胞へ正常な信号が入力されたと仮定した場合,の2つについて調査した.結果として,カリウム・イオンの細胞内外への通りやすさの異常により交互脈が発生し,更なる変化で心停止へと至ることが分かった.本年度は下記の2点に焦点を絞り,研究を行った.1.数理モデルの作成とその解析甲殻類の心臓数理モデルにおいて,小細胞(small cell)と大細胞(large cell)間で作り出され,心筋細胞へ入力される自励振動のリズムについて研究を行った.細胞体と樹状突起を分けた2コンパートメントモデルを作成し,電気シナプス及び化学シナプスモデルを用いて2つの細胞を結合した数理モデルを用いた.文献で示された波形では実験結果とずれが生じていたので,研究協力者の助言を基にパラメータ値の調整を行い,正常なパラメータ値(各種イオン電流のコンダクタンス値)において実験に近い波形を出すことに成功した.そこから,イオンチャネル病などの疾病によりイオン電流の流入に異常が生じた場合を想定して,それらのコンダクタンス値を変化させた場合の出力(大細胞の樹状突起部の膜電位)を計算した.結果として,小細胞の細胞体のカリウムイオンのコンダクタンス値が下がることにより,交互脈が発生することがわかった.更にコンダクタンス値が下がると,バースト発火数が減少しやがては脈が1回跳ぶ現象が発生し,心臓にとって好ましくない状況が発生することを明らかにした.2.交互脈の抑制昨年と今年の数理心臓モデルの解析により,イオン電流の流入の異常が発生すると交互脈が起こることを明らかにした.そこで,パラメータ値の制御によりこの交互脈を抑制する手法を提案した.具体的には,交互脈は力学系における周期倍分岐に対応するので,安定性に関する評価関数を構築し,その関数値が大きくなると制御が入り,自動的にパラメータを調整し,交互脈の発生(周期解の周期倍分岐による不安定化)を防ぐことに成功した.本年度は下記の2点に焦点を絞り,研究を行った.1.心筋数理モデルの解析ラットの心臓数理モデルであるLuo-Rudyモデルを用いて,細胞外カリウムイオン濃度が上昇し,時間非依存カリウムイオン電流の平衡電位が高くなれば交互脈が発生することを初年度に明らかにした.本年度は更に詳しい解析を行った.結果として,時間非依存カリウムイオン電流の平衡電位が与える影響の中で,特に時間非依存カリウム電流の不活性ゲートが重要であることを明らかにした.更には,6種類の各種イオン電流の変化と細胞の膜電位の変化は相互に影響を与え合うので,1種類のイオン電流のみが膜電位に影響を与えると仮定し,それらの組合せを詳細に調べた.結果として,時間依存・時間非依存カリウム電流と膜電位の影響のみで交互脈が発生することを明らかにした.2.リズム発生器の解析甲殻類の心臓数理モデルを用いて,心筋細胞に送られるリズムの発生について解析を行った.昨年度に小細胞の細胞体のカリウムイオンのコンダクタンス値が下がることにより,交互脈が発生することを明らかにした.しかし,交互脈から心停止に至る現象をモデルで再現できていなかった.本年度は,電気シナプスモデルとして,更に詳細なモデルを使用することにより,小細胞の細胞体のカリウムイオンのコンダクタンス値が下がることのみで正常脈から交互脈を経て心停止へと至る現象を再現することができた.1.は心筋細胞へ正常なリズム信号が入力されたシステム,2.はリズムを作り出すシステムの解析結果である.いずれの場合もカリウムイオンに関するパラメータが交互脈の発生に寄与していることがわかった.イオンチャネル病などで異常が生じた場合には,特にカリウムイオンに注目することにより,重篤な状態となることを未然に防ぐことが可能であることが数理モデルを用いた結果より分かる.本研究では,心臓の数理モデルを用いて交互脈の発生メカニズムを解明した.心室筋はペースメーカ細胞からの信号により動いているが,本研究では(1)ペースメーカ細胞が信号を作る場合,(2)心室筋細胞へ正常な信号が入力されたと仮定した場合,の2つについて調査した.結果として,カリウム・イオンの細胞内外への通りやすさの異常により交互脈が発生し,更なる変化で心停止へと至ることが分かった.本年度は下記の2点に焦点を絞り,研究を行った.1.数理モデルの作成とその解析ペースメーカ細胞から刺激電流が流れて心筋細胞へ伝わる部分のモデル化を行った.心筋細胞モデルとしては従来型のLuo-Rudyモデルを使用したが,細胞の膜電位の値によって系が切り替わるハイブリッド系(不連続系)での記述となっていた.数値計算,特に分岐解析を行う場合は,ハイブリッド系は非常に煩雑な計算が必要となるために,シグモイド関数を用いて連続系への変換を行った.各種パラメータ平面で観測される現象が元の不連続系と提案した連続系で変化がないことを確認し,変換がうまくいったことを示した.その修正した式を用いて解析を行った結果,細胞外カリウムイオン濃度が上がると交互脈が起こることがわかった.これらの結果は,ペースメーカ細胞からの電流が正常であっても,心筋細胞の細胞外カリウムイオン濃度が高まると交互脈が起こることを示している.2.解析の高速化

GPU(Graphics Processing Unit)を用いて分岐解析用のプログラム(簡略版)を開発した.従来のCPUを用いて並列化を行った場合よりも約50倍の高速化を実現できた.解析結果も正しいことを確認した.更にはFPGA(Filed Programmable Gate Array:書き換え可能なLSI)を用いた高速化にもチャレンジし,簡単なシステムの解析を行い,CPUよりも約100倍の高速化が得られることを確認した.これらの結果を,分岐解析アルゴリズムに適用することにより,詳細な解析を高速で行うことが可能となる.それらは心臓数理モデルに限らずに,数理モデル一般に適用することが可能であり,モデル解析の高速化が可能となる.本年度は下記の2点に焦点を絞り,研究を行った.1.交互脈の抑制交互脈は周期倍分岐により発生することが知られている.本年度は,Dobsonらによって提案されたclosest bifurcationの概念を基に,分岐による解の不安定化を制御するために新たなアルゴリズムを開発した.具体的には分岐集合に沿ってベクトル場を形成し,安定なパラメータ領域内のある点から出発し,分岐に当たった点における法線ベクトルを求める.次に,始めのパラメータ値からその法線ベクトル方向に変化させて同様の処理を繰り返すことにより,最も近い分岐点が求まる(closest bifurcationという).動作パラメータ値から最も近い分岐点の方向とは逆方向にパラメータを動かすことにより,分岐から最も遠いパラメータ値を求めることが可能となる.提案手法を心筋細胞モデルに適用し,交互脈の発生点からパラメータ値を遠ざけることに成功した.2.FPGAを用いた解析の高速化初年度において,簡単な数理モデルに対してFPGA上に分岐解析ツールの構築を行った.本年度は,複雑な数式で記述される神経細胞モデルのシミュレータをFPGA上に構築した.ルックアップテーブルの作成や,ハードウェア用の数値解析アルゴリズムを実装した.結果としてCPUよりも高速に演算できる専用シミュレータの開発に成功した.更に,心臓の刺激伝導系モデルのシミュレータをFPGA上に作成し,並列処理を行うことによりCPUよりも約20倍の高速化を達成できた.システム工学心筋細胞に人工的なシナプス電流を入力した数理モデルの解析を通して,死の予兆と言われている交互脈の発生要因の一つとして「細胞外カリウムイオン濃度の上昇」を平成23年度に特定した.これらの解析では,心筋細胞への入力が一定であるという仮定であったが,平成24年度は小細胞と大細胞間のネットワークにより心筋細胞へ入力されるリズムの変化を考察した.結果として,「細胞外カリウムイオン濃度の下降」が,交互脈を生ずることを明らかにした.すなわち細胞外のカリウム濃度は上昇しても下降しても異なるメカニズムで交互脈が発生する可能性があることが分かった.数値計算の高速化では,FPGAを用いた簡略化分岐解析プログラムを作成し,ソフトウェアを用いた並列処理よりも約30倍の高速化を実現できた.
海水の溶存炭酸許容過飽和度の測定

石灰石(CaCO_3)の海水への溶解は、海水のpHを変えることなく二酸化炭素(CO_2)の海水への吸収量を増大させうる。しかし、表面海水がCaCO_3に関して過飽和であるため表面海水にCaCO_3が溶解するはずがないと、今日まで考えられてきた。しかし、CaCO_3に関して表面海水が過飽和であるのは、CaCO_3の表面海水への溶解の結果であるという、今までの考え方とは全く逆の発想から本研究を実施した。東北中国地方の各地点で、表面海水の溶存炭酸過飽和度の測定を行い、朝ー昼ー夕ー夜の日変化および夏ー秋ー冬の季節変化の様子を観測した。その結果、海水の溶存炭酸過飽和度の変化は大変大きく、海水の溶存炭酸許容過飽和度がなお一層高いことが明らかになった。次に、室内実験においてCaCO_3に関して過飽和である表面海水がさらにCaCO_3を溶解しうることを確認し、海水の溶存炭酸過許容飽和度の測定を実施した。その結果、大気CO_2濃度が高いほど、海水の溶存炭酸過許容飽和度が高いことも分かった。それゆえ、CaCO_3の海水への溶解に伴う大気CO_2の海水への吸収が全く考慮されてこなかった、大気CO_2濃度に関する各国の政府機関や研究者の将来予測においては大きく見積もり過ぎている可能性が大きく、「Problem of missing sink」と呼ばれるCO_2の吸収源問題の解明においても海洋が担っている可能性が大きくなってきた。