hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
日本住血吸虫の感染防御および肉芽腫形成におけるIL-18の機能解析

日本住血吸虫虫卵に対する肉芽腫形成および感染防御におけるIL-18の機能解析を行う目的で、IL-18ノックアウト(KO)マウスを用いて検討した.これらの成績は野生型のC57BL/6やIL-4KO、IFN-gKOマウスのそれと比較検討した.1.サイトカイン産生の特徴;住血吸虫感染ではIL-18の産生および他のサイトカインに対するIL-18の調節は今まで分っていない.血清ではIL-18KO、IFNgKOでは認めず、B6,IL-4KOで有意に高い(50pg/ml)レベルのIL-18産生を認めた.IL-18KOマウスにおけるサイトカイン産生の特徴はTh2サイトカイン(IL-4,IL-5,IL-13)が増加することである.これに対し、KOマウスにおけるIFNg産生は減少する傾向を認めた.以上の結果は住血吸虫感染で初めてIL-18産生があることを認め、その産生は他のサイトカイン産生に重要な影響を与えていることを示している.2.実験的肉芽腫形成;IL-18KOマウスの肉芽腫サイズは他のマウス(B6,IL-4KO,IFNgKO)と明らかに異る.特に注入後4週では有意に大きい肉芽腫形成を来した.この結果はサイトカイン分析結果が示すとおりにTh2レスポンスの増加に原因すると考えられる.尚、IL-18KOとIFNgKOマウス間で肉芽腫形成が異ることは後者ではTh2応答、特にIL-4,IL-13の明かな増加が見られないことと関連するものと考えられる.3.感染防御とサイトカイン;4種マウス間で比較した結果、IL-18KOで有意な虫体数の減少を認めた.以上の結果はIL-18が日本住血吸虫の感染抵抗性および病理に重要な影響を与えていることを示す.日本住血吸虫虫卵に対する肉芽腫形成および感染防御におけるIL-18の機能解析を行う目的で、IL-18ノックアウト(KO)マウスを用いて検討した.これらの成績は野生型のC57BL/6やIL-4KO、IFN-gKOマウスのそれと比較検討した.1.サイトカイン産生の特徴;住血吸虫感染ではIL-18の産生および他のサイトカインに対するIL-18の調節は今まで分っていない.血清ではIL-18KO、IFNgKOでは認めず、B6,IL-4KOで有意に高い(50pg/ml)レベルのIL-18産生を認めた.IL-18KOマウスにおけるサイトカイン産生の特徴はTh2サイトカイン(IL-4,IL-5,IL-13)が増加することである.これに対し、KOマウスにおけるIFNg産生は減少する傾向を認めた.以上の結果は住血吸虫感染で初めてIL-18産生があることを認め、その産生は他のサイトカイン産生に重要な影響を与えていることを示している.2.実験的肉芽腫形成;IL-18KOマウスの肉芽腫サイズは他のマウス(B6,IL-4KO,IFNgKO)と明らかに異る.特に注入後4週では有意に大きい肉芽腫形成を来した.この結果はサイトカイン分析結果が示すとおりにTh2レスポンスの増加に原因すると考えられる.尚、IL-18KOとIFNgKOマウス間で肉芽腫形成が異ることは後者ではTh2応答、特にIL-4,IL-13の明かな増加が見られないことと関連するものと考えられる.3.感染防御とサイトカイン;4種マウス間で比較した結果、IL-18KOで有意な虫体数の減少を認めた.以上の結果はIL-18が日本住血吸虫の感染抵抗性および病理に重要な影響を与えていることを示す.IL-18は兵庫医大の岡村氏らによりクローニングされた新規のサイトカインであり,IL-12と協同してIFN-g産生を高めることが明らかになっている.このことから,種々の病態,特に感染症におけるIL-18の機能的役割を明らかにすることが重要となってきた.本研究の目的は日本住血吸虫の病態,特に虫卵周囲肉芽腫形成および感染防御における本サイトカインの役割を追求する事である.本年度(平成10年)では実験的肝肉芽腫形成モデルを用い,サイトカインと肉芽腫形成との関係について検討した.虫卵周囲過敏型反応を取り巻くサイトカインネットワークは複雑であるため,いくつかの基礎的実験を含めて下記の項目について検討した.上記の項目はIL-18に限っていないが,総合的にサイトカインの役割を判断するために必要と考えられた.これらの結果の一部はかなりまとまりつつあるが,なお,検討すべき課題も残されているため,十分検討した上で報告する予定である.前年度,リコンビナントIL-18を用いて日本住血吸虫虫卵周囲肉芽腫形成との関係をin vivo,in vitroで検討した.その結果,各種細胞の浸潤あるいは肉芽反応の程度に有意な変化を認めなかった.今年度はIL-18の発現を中心に種々の状況で検討した.即ち,セルカリア抗原,虫体抗原,虫卵抗原を1ug-100ugを1-4回マウスに経静脈或は腹腔内投与して脾臓,肝臓(肝臓実質,肉芽腫),肺,腸管における発現誘導を試みた.その結果,いずれも誘導できなかった.腸管においては刺激が無くても正常マウスで陽性細胞が観察された.即ち,IL-18の発現を認めたのは腸管が唯一の臓器であったが,その機能的意義は不明である.

それ故,現在,住血吸虫感染(感染防御,肝臓肉芽腫)におけるIL-18の役割はまだ不明のままであり,その関与に否定的な結果も予想される.このことを明確にするためには更に完全にIL-18が欠損しているIL-18ノックアウトマウスを用いた方が良いと考えられる.それ故,現在IL-18KOマウスにおける実験を計画中である.その他,現在進行中の日本住血吸虫の感染防御,病理に関係する検討事項を記す.1.日本住血吸虫の各発育ステージにおけるTGFβの発現.2.NOの虫卵肉芽腫形成における役割.4.感染防御と虫卵肉芽腫形成における好中球の役割を特異抗体を用いて検討.日本住血吸虫虫卵に対する肉芽腫形成および感染防御におけるIL-18の機能解析を行う目的で,IL-18ノックアウト(KO)マウスを用いて検討した.肉芽腫形成は主に実験的に虫体産出虫卵を肝臓内に移入して検討した.感染防御はセルカリアを30隻リング法により経皮的に感染させ,感染後7,10週に剖検して調べた.KOマウスのサイトカイン産生の特性は虫卵抗原(SSEA),虫体抗原(SWAP)刺激の脾細胞上清或は血清を用いてELISAにより検討した.これらの成績は野生型のC57BL/6やIL-4KO,IFN-γKOマウスのそれと比較検討した.1.サイトカイン産生の特徴;住血吸虫感染ではIL-18の産生および他のサイトカインに対するIL-18の調節は今まで分っていない.脾細胞刺激によるIL-18産生は低値であるので省略するが,血清ではIL-18KO,IFNgKOでは認めず,B6,IL-4KOで有意に高い(50pg/ml)レベルのIL-18産生を認めた.IL-18KOマウスにおけるサイトカイン産生の特徴はTh2サイトカイン(IL-4,IL-5,IL-13)が増加することである.これに対し,KOマウスにおけるIFNg産生は減少する傾向を認めた.以上の結果は住血吸虫感染で初めてIL-18産生があることを認め,その産生は他のサイトカイン産生に重要な影響を与えていることを示している.2.実験的肉芽腫形成;IL-18KOマウスの肉芽腫サイズは他のマウス(B6,IL-4KO,IFNgKO)と明らかに異る.特に注入後4週では有意に大きい肉芽腫形成を来した.この結果はサイトカイン分析結果が示すとおりにTh2レスポンスの増加に原因すると考えられる.尚,IL-18KOとIFNgKOマウス間で肉芽腫形成が異ることは後者ではTh2応答,特にIL-4,IL-13の明かな増加が見られないことと一致する.3.感染防御とサイトカイン;4種マウス間で比較した結果,IL-18KOで有意な虫体数の減少を認めた.
標的特異的制御性T細胞による過剰応答抑制

制御性T細胞(Treg)は、免疫応答を抑制するT細胞サブセットであり、自己免疫疾患等の過剰な免疫反応を押える目的での臨床応用が注目されている。本研究では分化したエフェクターT細胞を、抗原特異性を保持したままTregへとリプログラミングする培養法を樹立した。このエフェクター由来のTregはマウス個体内で免疫抑制作用を示した。このリプログラミングには代謝の変化が重要であった。同じ手法にてヒトのエフェクターT細胞からもTregを誘導することに成功しており、将来臨床応用に繋がることが期待される。制御性T細胞(Treg)のマスター転写因子であるFoxp3を発現する、Th1由来の細胞(Th1R)について解析している。Th1を活性化させず、すなわちT細胞受容体(TCR)を刺激せずに培養(resting)することで、その後の一般的な試験管内でのTreg誘導法にてTh1Rを誘導できることを既に当研究室で見出している。移植片対宿主病(GVHD)を起こしたマウスより精製したTh1からTh1Rを誘導し、再びGVHDマウスに移入して治療効果を見る実験は条件検討中である。試験管内で用意したTh1由来のTh1Rに関して、ビタミンC処理にて試験管内にて高いFoxp3発現の安定性を示すTh1Rを誘導することに成功した。このTh1Rは元のTh1と異なり生体内にて炎症を引き起こさないことが示唆された。マイクロアレイ解析の結果、Th1Rは元のTh1と比較してTregと近縁の遺伝子発現パターンを示した。Restingの過程ではFoxp3遺伝子座の修飾に変化は見られず、その後のTreg誘導培養にて活性化型の修飾が付与された。加えてTh1Rの誘導効率は培養中の細胞増殖とほとんど相関せず、当初の仮定と異なり、エフェクターT細胞からTregへの変換は細胞分裂に伴うエピゲノムの再構成を必要としない、極めてダイナミックな機序により制御されていることが強く示唆された。これを支持するデータとして、細胞代謝において中心的な役割を果たすmTORの阻害剤処理にてTh1から直接Foxp3の発現を誘導できることを見出した。さらにTh1Rへの変換機序の解明を試みた。CRISPR/Cas9はマウスより調整した細胞への導入が困難であったため、過剰発現系にてFoxp3遺伝子座に結合する転写因子群を標的にスクリーニングを行った。その結果、STAT5とTreg誘導培養の組み合わせにてTh1からFoxp3が発現されることを見出した。マウスを用いたGVHDモデルでは、致死性の激しい炎症のためTregの抑制能の解析が難航している。次項の推進方策に示すようにGVHD以外の病態モデルの立ち上げも試みている段階であり、病態モデルを用いたTh1Rの有用性の解析は計画より少し遅れている。一方、薬剤処理によるTh1R誘導効率の改善に関しては、種々の薬剤の中でビタミンCが高効率で安定なTh1Rを誘導することを見出し、計画通りに遂行されたと言える。また平成29年度に重点的に取り組む予定であったTh1R誘導のメカニズムの解明については、28年度にて既に代謝系およびSTAT5が重要な役割を担うこと、加えてエピゲノムの変化が必須でないことを強く示唆するデータが得られており、申請時の計画以上に進展していると言える。概して全体の進捗状況は概ね順調といって差し支えない。Th1Rは、分化したTh1をTCR刺激を入れずに4日間程度培養(resting)し、その後TGF-b存在下で刺激することで誘導される(Th1からTh1Rへのリプログラミング)。既に報告のある薬剤の添加にて、Th1Rの炎症性サイトカイン産生量を抑えかつFoxp3発現を安定化することができた。網羅的な遺伝子発現解析の結果、Th1RはTh1と比べて、iTregに近い性質を獲得したことが明らかとなった。当初restingの過程におけるエピジェネティクスの変化がTh1Rの誘導に重要であると考えていたが、Foxp3遺伝子領域の主要なエピジェネティクスはrestingによって大きな変化を示すことはなかった。エフェクター細胞であるTh1は活発な代謝状態にあるが、restingによりその代謝状態が、未感作のT細胞に見られるような穏やかな状態へと移行することが明らかとなった。試験管内でのFoxp3の誘導に必須なTGF-bのシグナルは、Th1では低下しているがrestingによりある程度回復することが分かった。加えてこのTGF-bへの感受性が、先述した代謝状態の変化と相関することが強く示唆された。GVHDを起こしたマウスからはTh1を調整できるが、このTh1からrestingを介してTh1Rが誘導できる。しかしながら、GVHDは激しい全身性の炎症を伴う致死性の疾患モデルであり、Th1Rの免疫抑制能を評価するのは困難であった。そこでリンパ球欠損マウスにT細胞を移入して腸炎を誘導するモデルを使用した。このモデルにおいて、Th1RはiTregには劣るものの有意な炎症抑制能を示した。本研究成果を基に、抗原特異性を活かした新たな細胞療法の樹立が期待される。また本研究で示された代謝制御による細胞のリプログラミングは、代謝と免疫の分野の学術的な発展に大きく寄与するものである。

このエフェクター由来のTregはマウス個体内で免疫抑制作用を示した。このリプログラミングには代謝の変化が重要であった。同じ手法にてヒトのエフェクターT細胞からもTregを誘導することに成功しており、将来臨床応用に繋がることが期待される。マウス病態モデルを使用したTh1Rの機能の解析については、GVHDモデルを引き続き解析する。さらにより厳密にTCRの重要性を解析するため、規定されたTCRを発現するOT-IIマウスを使用した病態モデルを解析する。具体的には、OT-II TCRが認識するモデル抗原OVAを膵臓に発現するマウスを用いた糖尿病モデルにて、OT-II Th1Rの治療効果を検討する。いずれのマウスも既に当研究室にて保有している。Th1Rの誘導メカニズムの解析に関しては、前年度の研究にてエピゲノムの変化ではなく代謝系の寄与が大きい可能性が強く示唆されているので、実験計画を大幅に変更する。栄養源であるグルコースの取り込み、酸素消費率や培養液の酸化率を計測し、Th1R誘導の過程において代謝状態がどのように変化するかの基礎的な解析を行う。さらに質量分析にて、代謝産物量の変遷を詳細かつ網羅的に解析する。以上の解析から、Th1R誘導に関連する代謝の変化を担う遺伝子群を選定する。これら遺伝子を過剰発現させたり、siRNA導入にてノックダウンしたり、あるいは可能であれば当該遺伝子のノックアウトマウスを入手して解析を行い、Th1R誘導に必須な遺伝子の同定を試みる。加えてこれらの代謝系の変化とSTAT5の協調作用について解析する。免疫学
心腎脳連関におけるバゾプレッシン系と交感神経系のクロストークの解明

本研究では、心不全および心腎機能障害進展におけるバゾプレッシン系と交感神経系のクロストークを心腎脳ネットワークの観点より検討し、その修飾による新規治療の可能性を探ることを目的としている。具体的には、【課題A】心不全におけるV1a受容体、V2受容体と交感神経系の相互連関作用の検討、【課題B】敗血症ショックモデルにおけるバゾプレッシン系と交感神経系の役割の検討、【課題C】バゾプレッシン系ー交感神経系におけるmiRNA制御と心不全・心腎機能障害との関わり、からなる.平成28-29年度は、敗血症性心筋障害モデルに、腎臓交感神経切除を施行し、心機能障害の発現および生命予後が改善されることが明らかになった。さらにはバゾプレッシン受容体ノックアウトマウスにおける腎臓交感神経切除術の施行は、更なる心腎機能改善および生命予後改善をもたらすことも明らかになり、両システムにおいて独立した制御系が存在する可能性が考えられた。H30年度は、上記の制御メカニズムの検討を行った。腎交感神経切除術の結果から、腎臓での局所交感神経制御にはバゾプレッシン系が上流で作用していること、心臓では全身性交感神経過剰反応もまたバゾプレッシン系の制御を受け心臓局所の交感神経障害を軽減し、そのことが心機能障害の改善に関与することが明らかになった。また、心不全モデル動物を用いて、β遮断薬のみならず、洞房結節に直接作用し直接心拍数低下させるイバブラジンも全身および心臓感神経活動を抑制すること、更にはそれを介しバゾプレッシン系にも作用することを明らかにしそこでのクロストークの存在も明らかにした。そのことが結果として心機能障害の進展阻止の働いていると考えられた。本研究の目的は、「心不全および心腎機能障害進展におけるバゾプレッシン系と交感神経系のクロストークを心腎脳ネットワークの観点より検討し、その修飾による新規治療の可能性を探る」ことである。【課題A】心不全におけるV1a受容体、V2受容体と交感神経系の相互連関作用の検討、【課題B】敗血症ショックモデルにおけるバゾプレッシン系と交感神経系の役割の検討する。【課題C】バゾプレッシン系ー交感神経系におけるmiRNA制御と心不全・心腎機能障害との関わりから成り、心不全、心腎機能障害の新しい病態生理の解明そして予防・治療法への応用を目指している。本年度は、課題Aおよび課題Bにおける、バゾプレッシン系と交感神経系のクロストークの基礎となるデータを検討した。課題Aでは、心腎障害モデルラットにて腎交感神経切除術による腎臓交感神経の持続的な遮断により、腎臓局所および中枢性の交感神経活性抑制化を惹起し、心腎両組織にて局所バゾプレッシン系の活性抑制を引き起こすことが明らかになった。また課題Bでは、敗血症性モデルマウスでは、心局所の交感神経系およびバゾプレッシン系の活性化がみられること、バゾプレッシン受容体ノックアウトマウスでは良好な心および生命予後を示すことが明らかになった。ただし腎臓局所におけるバゾプレッシン系の活性化はみられなかった。また、同モデルにおいて腎交感神経切除ないしはベータ遮断薬による予後改善の有無を検討し、両者のダイレクトなクロストークを証明する実験を開始しているが、本年度中には明らかな結果は得られなかった。前述の課題AおよびBにおいて、バゾプレッシン系と交感神経系のクロストークが存在することが明らかになった。しかしながらマウスノックアウトモデルに対する腎交感神経切除術施行に際して、手技的な問題等が生じたため、その後の進行は遅れており、十分なデータを得ることができず、発表も行うことができなかった。具体的には、【課題A】心不全におけるV1a受容体、V2受容体と交感神経系の相互連関作用の検討、【課題B】敗血症ショックモデルにおけるバゾプレッシン系と交感神経系の役割の検討、【課題C】バゾプレッシン系ー交感神経系におけるmiRNA制御と心不全・心腎機能障害との関わり、からなる.昨年度は、課題AとBにおけるバゾプレッシン系と交感神経系のクロストークとなる基礎的データ、つまり腎臓交感神経切除による腎臓交感神経の持続的な遮断により、心腎両組織における局所バゾプレッシン系活性化の抑制がみられること、敗血症性心筋障害モデルにおいて、バゾプレッシン系と交感神経系の活性化がともに認められることが明らかになった。平成29年度は、敗血症性心筋障害モデルに、腎臓交感神経切除を施行し、心機能障害の発現および生命予後が改善されることが明らかになった。さらにはバゾプレッシン受容体ノックアウトマウスにおける腎臓交感神経切除術の施行は、更なる心機能改善および生命予後改善をもたらすことも明らかになり、少なくとも本病態においては両システムにおいて独立した制御系が存在する可能性が考えられた。さらにはバゾプレッシン受容体ノックアウトマウスにおける腎臓交感神経切除術の施行は、更なる心機能改善および生命予後改善をもたらすことも明らかになった。相互の連関作用のみならず独立した制御の部分が、病態において意義ある薬絵アリを果たしていることが明らかになっている。

平成28年度に生じたマウスモデルにおける腎臓交感神経切除術の技術的な問題と、平成29年度後半に生じたノックアウトマウスのbleeding不良の問題にて全体的な進行がおくれている。現在は課題Bにおける、バゾプレッシン系と交感神経系の心臓、腎臓および脳局所での具体的な制御メカニズムの検討を開始したところである。また課題CにおけるmiRNAのマイクロアレイ解析の準備を開始した。本研究では、心不全および心腎機能障害進展におけるバゾプレッシン系と交感神経系のクロストークを心腎脳ネットワークの観点より検討し、その修飾による新規治療の可能性を探ることを目的としている。具体的には、【課題A】心不全におけるV1a受容体、V2受容体と交感神経系の相互連関作用の検討、【課題B】敗血症ショックモデルにおけるバゾプレッシン系と交感神経系の役割の検討、【課題C】バゾプレッシン系ー交感神経系におけるmiRNA制御と心不全・心腎機能障害との関わり、からなる.平成28-29年度は、敗血症性心筋障害モデルに、腎臓交感神経切除を施行し、心機能障害の発現および生命予後が改善されることが明らかになった。さらにはバゾプレッシン受容体ノックアウトマウスにおける腎臓交感神経切除術の施行は、更なる心腎機能改善および生命予後改善をもたらすことも明らかになり、両システムにおいて独立した制御系が存在する可能性が考えられた。H30年度は、上記の制御メカニズムの検討を行った。腎交感神経切除術の結果から、腎臓での局所交感神経制御にはバゾプレッシン系が上流で作用していること、心臓では全身性交感神経過剰反応もまたバゾプレッシン系の制御を受け心臓局所の交感神経障害を軽減し、そのことが心機能障害の改善に関与することが明らかになった。また、心不全モデル動物を用いて、β遮断薬のみならず、洞房結節に直接作用し直接心拍数低下させるイバブラジンも全身および心臓感神経活動を抑制すること、更にはそれを介しバゾプレッシン系にも作用することを明らかにしそこでのクロストークの存在も明らかにした。そのことが結果として心機能障害の進展阻止の働いていると考えられた。現在上記手技上の問題は解決したため、現在課題AおよびBについて研究を進めている状況である。来年度は、課題Cについても着手する予定である。
計算困難な整数計画問題に対する主算法アプローチに基づく厳密解法の構築

本研究の目的は,計算困難な整数計画問題に対して,主算法によるアプローチを使って,効率的な厳密解法を構築する,というものである.一般の非線形整数計画問題に対する効率的なアルゴリズムの完成には至らなかったが,それまでの研究において効率的なアルゴリズムの構築に有用と思われる興味深い結果を得ることができた.その内容を以下に述べる.・完全ユニモジュラ行列と呼ばれる行列により制約条件が表現される非線形整数計画問題が,M凸関数,L凸関数などの離散凸関数と密接な関係をもつことがわかった.この結果は論文誌に掲載された.この結果のように,一般の非線形整数計画問題も局所的には何らかの良い構造をもっていることが期待され,これを利用することで効率的な解法が構築できるのではないかと考えられる.・L凸関数最小化アルゴリズムに対する検討を行った.2005年9月にKolmogorovにより提案されたアルゴリズムと,2003年の室田のアルゴリズムの比較を行い,室田のアルゴリズムはKolmogorovのアルゴリズムを特殊化したものと見なせることを明らかにした.Kolmogorovのアルゴリズムは各反復での探索方向に自由度があるので,それを利用してより一般的な問題が解けるかどうかさらに検討した.・ジャンプシステム上の分離凸関数最小化問題について検討を行った.基多面体上での分離凸関数最小化についてはすでに多項式時間アルゴリズムが知られているが,基多面体を一般化した概念であるジャンプシステムについてはまだ多項式時間で解けるかどうかわかっていない.そのため,研究代表者がこれまでに提案した領域縮小法やスケーリング法などの最小化手法が適用可能かどうか調べた.本研究の目的は,計算困難な整数計画問題に対して,主算法によるアプローチを使って,効率的な厳密解法を構築する,というものである.この目的の実現のため,本年度はまずネットワークフロー問題に対する主算法の拡張について研究を進めた.ネットワークフロー問題に対する解法の多くは,劣モジュラ流問題と呼ばれる,より一般的な問題の解法へ拡張されているが,その際のキーポイントは,ネットワークフロー問題に現れる良い組合せ構造を抽出することである.そのような良い性質をもつ組合せ的構造として,整数格子点上で定義される関数に対する概念である,M凸関数,L凸関数が近年提案された.本研究ではさらにそれらの概念を実数空間上で定義される関数へと拡張し,それらのもつ構造について組合せ的および解析的な視点から調べた.また,双対ネットワークフロー問題に対する算法の拡張についても研究を進めた.双対ネットワークフロー問題は,ネットワークフロー問題の(非線形計画問題としての)双対問題として表れる問題であり,isotone regression, dial-a-ride transit, production/inventory systemなどに応用をもつ重要な問題である.この問題に対し,様々な解法が提案されているが,双対ネットワークフロー問題とL凸関数の関係を踏まえ,既存の解法がL凸関数に対してどのように拡張可能であるか,調査を進めた.その結果,L凸関数に対する効率的な貪欲算法が得られることがわかった.また,この貧欲算法にスケーリング技法を適用可能であり,更なる高速化が可能であることもわかった.本研究の目的は,計算困難な整数計画問題に対して,主算法によるアプローチを使って,効率的な厳密解法を構築する,というものである.この目的の実現のため,昨年度は解きやすい非線形整数計画問題の数理的構造とアルゴリズムについて研究を行ってきた.この研究をさらに発展させるために,本年度はより一般的な非線形整数計画問題に注目し,その数理的構造とアルゴリズムに関する調査及び研究を行った.本年度は特に,次元が定数の場合の(線形目的関数の)整数計画問題に対する既存の研究について調査を行った.一般に解く事が難しい(NP困難な)整数計画問題であるが,次元を固定すると多項式時間で解ける,という結果が知られており,これについて調査を行った.この証明で使われているアイディアは目的関数が非線形の場合でも利用可能なことがわかり,現在この方針に基づく効率的なアルゴリズムを構築中である.また,次元が固定されている場合には,多面体に含まれる整数格子点の数を多項式時間で計算可能である,という結果が知られている.この論文では,有利関数を利用して,多面体に含まれる整数格子点集合をいわば「暗号化」しているのであるが,近年,この技法は整数計画に関連する様々な問題で利用されている.我々の課題である非線形整数計画問題にこの技法を如何にして有効利用するか,検討を進めている.また,整数計画問題に対する新たな厳密解法として注目を浴びている「整数基底法」についても調査を行い,どのような非線形整数計画問題に対して適用可能であるか,検討を行った.本研究の目的は,計算困難な整数計画問題に対して,主算法によるアプローチを使って,効率的な厳密解法を構築する,というものである.一般の非線形整数計画問題に対する効率的なアルゴリズムの完成には至らなかったが,それまでの研究において効率的なアルゴリズムの構築に有用と思われる興味深い結果を得ることができた.その内容を以下に述べる.・完全ユニモジュラ行列と呼ばれる行列により制約条件が表現される非線形整数計画問題が,M凸関数,L凸関数などの離散凸関数と密接な関係をもつことがわかった.この結果は論文誌に掲載された.この結果のように,一般の非線形整数計画問題も局所的には何らかの良い構造をもっていることが期待され,これを利用することで効率的な解法が構築できるのではないかと考えられる.・L凸関数最小化アルゴリズムに対する検討を行った.

2005年9月にKolmogorovにより提案されたアルゴリズムと,2003年の室田のアルゴリズムの比較を行い,室田のアルゴリズムはKolmogorovのアルゴリズムを特殊化したものと見なせることを明らかにした.Kolmogorovのアルゴリズムは各反復での探索方向に自由度があるので,それを利用してより一般的な問題が解けるかどうかさらに検討した.・ジャンプシステム上の分離凸関数最小化問題について検討を行った.基多面体上での分離凸関数最小化についてはすでに多項式時間アルゴリズムが知られているが,基多面体を一般化した概念であるジャンプシステムについてはまだ多項式時間で解けるかどうかわかっていない.そのため,研究代表者がこれまでに提案した領域縮小法やスケーリング法などの最小化手法が適用可能かどうか調べた.
グロビン遺伝子エンハンサーLCRによる活性化クロマチン構造の誘導機構

赤血球特異的に発現するグロビン遺伝子の発現調節領域(Locus Control Region,LCR)は、数多くある組織特異的エンハンサーのなかでも、染色体構造を赤血球特異的に活性化するという点でユニークな調節領域であり、クロマチン構造と転写調節の相互作用を解析する上で格好のモデルとなる。これまで、LCRの機能発現に重要と考えられる転写因子NF-E2とECHの構造と機能の解析を進めてきたが、本年度はこれら蛋白質に関する理解が一段と深まるとともに、新しいNF-E2関連因子が発見された。1)ECH分子の機能ドメインの解析:ECHは非常に強い転写活性化因子として機能する。種々の欠失変異を作製し、この強い転写活性化を担う機能ドメインを同定した。また、ECHの転写活性化機能を赤血球中で制御する領域を同定した。この領域は、赤血球中に存在する分子と会合することによりECH分子の機能を調節することが考えられた。2)NF-E2の小サブユニットと会合する分子を酵母でのスクリーニング系を用いて検索したところ、NF-E2大サブユニットと弱い類似性を示し、さらにGAGAなどに見い出されるBTBドメインを有する二種類の分子を発見し、BCH-1,BCH-2と名付けた。これらはいずれもNF-E2小サブユニットと二量体を形成しLCR中の配列に結合することから、LCRの機能発現に関与することが考えられる。3)クロマチン鋳型を用いた試験管内転写系で各因子の機能を解析することを目的として、ECH,BCH-1,BCH-2そしてNF-E2小サブユニットの大腸菌での過剰発現系を確立した。また、それぞれに対する抗体を調製した。
転写装置の新規機能とネットワーク解析による生存戦略の再評価

前年度に明らかにしたRNAポリメラーゼコア酵素の新規機能として、ppGpp合成能欠損の抑圧があるが、転写開始点+1Aに対する+1Gの転写レベルを低下させる機能が、転写装置と転写開始点ヌクレオチドの親和性によるものかどうかを検証するため、RNA-seq解析を行った。rpoB抑圧変異株において、緊縮応答を誘導させる薬剤RHXを添加後20分の発現パターンを添加前と比較した。その結果、rpoB抑圧変異株においては、発現パターンが野生株に近づいている傾向を示し、全体としては転写開始点+1Gの転写レベルが下がっていた。したがってrRNAオペロン等、+1がGの発現を低減させることで緊縮調節をしていることを更に示唆する結果となった。また、主要シグマ因子SigAのみが機能する株において高温での溶菌を抑圧するrpoCの変異株を報告したが、この株を更に植継ぎ、高温馴化を行った。約半年の高温馴化により、60°Cでの生育が可能になった株を得た。単コロニーにして解析したところ、ほとんどが運動性を失っており、対数増殖後期の機能をトレードオフの対象にしている可能性を示唆する結果を得た。一方、プロモーター認識に関するコア酵素の機能として、-10+1領域にあるアデニン(A)の数に依存してコアがプロモーター認識特異性を担っている、という仮説を提唱してきた。Aの数を変化させたさまざまな変異プロモーターのレポーターアッセイにより、枯草菌ではプロモーター活性が変化したが、大腸菌ではあまり変化無かった。枯草菌細胞内(in vivo)では大腸菌型プロモーターの多くを効率よく転写できない要因が明らかになった訳だが、その分子機構を探るため、DNA認識部位と考えられているrpoB, rpoCの領域を大腸菌型に置換したキメラRNAポリメラーゼコア酵素を構築したが、大腸菌型プロモーターの転写活性増加は見られなかった。緊縮応答に関する転写装置の機能に関しては、細胞内GTPレベルが低下しない状況下でも、転写開始点の違いにより+1Gの転写を抑制するという細胞の巧妙なしくみを明らかにすることが出来た。一方で、ppGpp合成能欠損の抑圧では転写装置以外にも同定された変異があり、特にPRPP合成酵素の変異について解析しているが、ATPとGTPのバランスが重要なのか、GTPレベルだけが鍵になっているのかという点は謎として残っている。また、先行研究と異なりメチオニン要求株を用いなかった点で多くの新知見に繋げることが出来たが、メチオニンの効果を探求する過程で新たな核酸制御機構の知見に近づきつつあり、この全貌が解明されると、RNAポリメラーゼの変異効果についてもその生理的意義が明らかになると考える。高温耐性枯草菌の取得は、基礎生物学的にも応用微生物学的にも貴重な知見が得られると考える。高温耐性の研究は主として好熱菌の研究から得られたものが多く、本来中温菌の耐熱化という視点は近年ようやく研究対象とされてきた。工業微生物の耐熱化という点では応用範囲が広がる可能性がある。こうした点から、枯草菌のような中温菌の生育限界温度を34°C上げることが出来た点は大きな意義があると考える。RNAポリメラーゼの変異株を出発点にしたことに意味があったかどうか、さらに胞子形成初期過程のプロセスをトレードオフの対象としているという意義については今後の課題として検討していく。一方で、大腸菌と枯草菌のコアキメラRNAポリメラーゼの解析ではプロモーター認識特異性の変換を目指したものの、明確な結果が得られなかった。DNA鎖認識とプロモーター配列認識とは一致しない可能性もあり、巨視的、合成生物的視点から、キメラRNAポリメラーゼを構築して、in vivo特異的な枯草菌のプロモーター認識機構に迫ることを考える。転写装置に軸をおいた基本計画であるが、緊縮応答および耐熱化研究は、手法も確立し新たな展開を見せている。緊縮応答は増殖相遷移期における生存戦略であり、生命科学研究の重要な要素が凝縮している。メチオニンの効果について、重要なシグナル分子のSAMに注目し、アミノ酸代謝と核酸代謝の両面から解析を行っているが、新たな関連性の発見に繋がれば、これまでの知見を更に大きなネットワークの中に位置づけられる。この点は本研究の大きな目的であり、重要課題として推進する。転写装置との関連については、抑圧変異をrpoB以外にrpoCにも得ており、同様に解析していく。RNAポリメラーゼの転写活性に関しては、+1ヌクレオチドとの親和性変化を示唆しているため、精製ポリメラーゼを用いたin vitro転写実験等により分子機構を検証していく。こうした解析により、緊縮応答の全体像に近づくとともに、転写装置の新たな機能に関する知見が得られる。一方、rpoC変異株を出発点とし、枯草菌生育限界温度の上昇を達成した。応用的に重要な工業微生物への波及効果も期待し、この耐熱化株の全ゲノム解析を含め、更なる解析を行って耐熱化の要因を検証する。また、耐熱化のトレードオフとして胞子形成初期遺伝子を同定しているが、胞子形成初期過程はエネルギーを多く消費する過程であり、その消費を節約して耐熱化機構に回していると考えると合理的である。増殖遷移期の生存戦略の視点からも、本研究の根幹に関わる課題である。TCA回路の重要因子OdhBの機能を通し、細胞のエネルギー生産と酸化還元制御に重要な機能を示唆する結果を得ており、遷移期の細胞機能ネットワークを探る。キメラRNAポリメラーゼの課題は、細菌の種間における発現特異性を解明する意味も兼ね、保存性の高さを考慮してサブユニットレベルでのキメラを構築して、合成生物学的研究分野に新たな視点をもたらす。

緊縮応答に関与するRNAポリメラーゼの機能として、アラーモンppGppの合成酵素をすべて欠いた株の抑圧変異解析を行ったところ、rpoB, rpoCのコア酵素の変異が同定された。これらの株の転写活性を測定したところ、転写開始点+1Aに対する+1Gの転写レベルが低下した。すなわち、細胞内GTPレベルの低下を引き起こせなくなった株においても、+1ヌクレオチドに対する親和性を変化させることにより、rRNAオペロンの発現を制御し、緊縮応答を可能にしていることが明らかになった。主要シグマ因子SigAのみが機能するSigA only株において高温での溶菌を抑圧するrpoCの変異株を得ているが、この変異を野生株に戻したところ、高温での生菌率が上がり、耐熱化したことが分かった。この株は常温では胞子形成頻度が下がったり、運動性が消失するなど、対数増殖後期の機能低下が多く観察された。モデル微生物において、高温耐性の獲得は常温での生育速度を犠牲にする等、トレードオフの考え方が一般的になってきているが、枯草菌においては、胞子形成開始等、対数増殖後期の機能をトレードオフの対象にしていることが考えられた。なお、胞子形成率低下の要因については初期胞子形成シグマ因子依存の発現が低下しており、シグマ因子との親和性が変化したことが考えられた。一方、別途さらなる植継ぎによって高温馴化株の取得にも成功した。プロモーター認識に関するコア酵素の機能として、-10+1領域にあるアデニン(A)の数に依存してコアがプロモーター認識特異性を担っている、という仮説を提唱したが、Aの数を変化させたさまざまな変異プロモーターを構築してレポーターアッセイを行ったところ、予想通りプロモーター活性が変化した。この機能は枯草菌RNAポリメラーゼが特異的に持っていると考えられる。緊縮応答に関する転写装置の機能に関しては、GTPレベルの低下を引き起こさずに、転写レベルで調節するという細胞の巧妙なしくみを明らかにすることが出来た。一方で、転写装置以外にも同定された抑圧変異があり、この解析も進行中であるが、ATPとGTPのバランスが重要なのか、GTPレベルだけが鍵になっているのかという点は謎として残っている。さらに、先行研究との違いはメチオニン要求株を用いなかった点であり、多くの新知見に繋げることが出来たが、メチオニンの効果は再現出来るもののそのメカニズムは不明であり、今後の課題として残っている。高温耐性に関するモデル微生物の研究は近年、次世代シーケンサーの普及とともに増加しつつあり、常温での生育活性を抑制して耐熱化するというトレードオフの考え方が認識されつつある。この点において、枯草菌を用いた解析では胞子形成初期過程のプロセスをトレードオフの対象としているという新知見を得ることが出来た。胞子形成初期過程はエネルギーを多く消費する過程であり、そのエネルギー消費を節約して耐熱化機構に回していると考えると合理的な説明が出来る。一方で、キメラRNAポリメラーゼの解析ではプロモーター認識特異性の変換を目指したものの、明確な結果が得られなかった。この方向に関しては戦略の見直しが必要であると考える。
VLSI設計へのグラフ描画アルゴリズムの応用

これまでに平面グラフの埋め込みアルゴリズム,矩形描画アルゴリズム,凸描画アルゴリズム, 4連結平面グラフの直線描画アルゴリズム,直交描画アルゴリズムなど数多くの効率のよいアルゴリズムを開発してきた。これらのもとに,新しい描画形式である内部矩形描画,面積指定8角形描画,折れ曲り数最小な直交描画等に関する理論を確立し,効率のよいアルゴリズムを開発し, VLSI配置・配線問題への応用を図った.これまでに平面グラフの埋め込みアルゴリズム,矩形描画アルゴリズム,凸描画アルゴリズム, 4連結平面グラフの直線描画アルゴリズム,直交描画アルゴリズムなど数多くの効率のよいアルゴリズムを開発してきた。これらのもとに,新しい描画形式である内部矩形描画,面積指定8角形描画,折れ曲り数最小な直交描画等に関する理論を確立し,効率のよいアルゴリズムを開発し, VLSI配置・配線問題への応用を図った.VLSI配置・配線問題に対する従来のほとんどの手法ほヒューリスティックであり,解が存在するにもかかわらず解を見つけられなかったり,解を見つけても最適解とは限らない.これに対し,本研究ではグラフ描画の分野で培われてきた手法を応用して,解が存在する限り必ず解を見つけ,しかも最適な解を見つけることが理論的に保障されたアルゴリズムを与えた.これが本研究の一番の特色である.本研究で開発する内部矩形描画アルゴリズムでは,モジュールに対応するグラフの内面は長方形で描画されるが,VLSIの外形に対応するグラフの外面は長方形とは限らずにL字形やT字形のような軸平行直交多角形で描画することができ,実用的応用に向いている.また,内部矩形描画問題をグラフの完全マッチング問題に帰着するという,きわめて革新的な手法を用いた.面積指定8角形描画というまったく新しい描画形式を導入することにより,モジュール間の隣接要求を満足させたままで面積要求をも満足する配置が求まることは驚くべき結果である.直並列グラフの折れ曲り最小な直交描画を求めるアルゴリズムでは,与えられた直並列グラフの平面への埋め込みを固定しておらず,全ての埋め込みの中で折れ曲り数が最小なものを求めることができるところに特徴があり,実用的利点にもなる.VLSI配置・配線問題に対する従来のほとんどの手法はヒューリスティックであり,解が存在するにもかかわらず解を見つけられなかったり,解を見つけても最適解とは限らない.これに対し,本研究ではグラフ描画の分野で培われてきた手法を応用して,解が存在する限り必ず解を見つけ,しかも最適な解を見つけることが理論的に保障されたアルゴリズムを与えた.面積指定8角形描画というまったく新しい描画形式を導入することにより,モジュール間の隣接要求ばかりでなく各モジュールの面積要求も正確に満足する配置が求まることを示した.最大次数が3以下の直並列グラフに対し,折れ曲り最小な直交描画を求めるアルゴリズムを開発した.与えられた直並列グラフの平面への埋め込みを固定しておらず,全ての埋め込みの中で折れ曲り数が最小なものを求めることができるところに特徴があり,実用的利点にもなっている.内部三角化平面グラフの格子直線描画で,各辺を対角線とする長方形の内部に点がないような描画を見つける効率のよいアルゴリズムの開発に成功した.
長期臥床を必要とする傷病者に対するポータブル褥創防止デバイスの開発

障害者・高齢者の長期臥床患者における褥創予防用バルーンデバイスの開発を行った。研究の進行と成果であるがバルーンデバイスはより市販化にカスタマイズし完成した。また、完成品の褥創予防効果を確実にする同時使用用体向用ペーパーデバイスを企画し作成し市販化に至った。論証試験は救命センター・身体障害者施設にて施行し良好な結果を得た。また、成果物はその送気効率の良さより最新の外科手術用腸管洗浄デバイスとしても利用可能であり、世界に広く学会報告した。最終的に計画の90%目的を達成した。詳細:褥創の発生機序を背部に加わる持続的な圧力負荷と考え、仰臥位の傷病者の背部への圧力の分散目的に多数のシリコンバルーンを圧力制御しつつ効率よくインフレーション・デフレーションできる送気デバイスを作成することを目的に開発を進めた。初年度に送気ユニットの試作第一号の作成を終了しブタを使用した生体試験まで進めることに成功した。この作成デバイスは外科・内科領域で圧力管理が必要な消化管内送気ユニットとして使用できる可能性も確認され外科・内科領域で実現が困難と言われていた消化管内圧コントロールを褥創予防用のシリコンバルーンを使用して可能であることを証明し、その成果を国内の研究会のほか、アメリカにて発表し評価された。送気ユニットをポータブル化も看護士が容易に移動できるほどコンパクトにすることにも成功し本来の計画のデバイス作成について2008年の段階で70%を完了するに至った。以上の成果を踏まえ臨床モデル作成の企業交渉も進めており交渉中2社のうち1社の前向きな姿勢を獲得した。2007年の成果物である送気ユニットを使用して2008年度はシリコンバルーンを人体の背側形体に合わせて成型し試験できるレベルまでユニットの準備を完了できた。2009年度においては、ポータブル褥創防止デバイスのバルーンの強度・柔軟性・可逆性について評価し、実際の褥創防止効果についても評価する。また、バルーンの送気ユニットの送気効率について評価している。送気用ユニットに関しては、最新の外科治療における消化管洗浄用バルーン拡張期としても使用できる可能性が確認されたため生体試験を行いその成果を学会に報告した。2010年春までに、実際の病院における臨床試験を実施できた。この過程で褥創防止用バルーンユニットと同時に使用する体向用シートの市販化に成功、薬事申請の必要が無いことを確認したため市販化に向け市場調査行うに至った。研究の目的自体はほぼ完了したが、市販化および広く臨床使用が開始されることが最終的な段階として残っている。褥創の発生機序を背部に加わる持続的な圧力負荷と考え,仰臥位の傷病者の背部への圧力の分散目的に多数のシリコンバルーンを圧力制御しつつ効率よくインフレーション・デフレーションできる送気デバイスを作成することを目的に開発を進めた。

初年度に送気ユニットの試作第一号の作成を終了しブタを使用した生体試験まで進めることに成功した。この作成デバイスは外科・内科領域で圧力管理が必要な消化管内送気ユニットとして使用できる可能性も確認され外科・内科領域で実現が困難と言われていた消化管内圧コントロールを褥創予防用のシリコンバルーンを使用して可能であることを証明し,その成果を国内の研究会のほか,アメリカにて発表し評価された。送気ユニットをポータブル化も看護士が容易に移動できるほどコンパクトにすることにも成功し本来の計画のデバイス作成について70%を完了するに至った。以上の成果を踏まえ臨床モデル作成の企業交渉も進めており交渉中2社のうち1社の前向きな姿勢を獲得した。2007年の成果物である送気ユニットを使用して2008年度はシリコンバルーンを人体の背側形体に合わせて成型し試験できるレベルまでユニットの準備を完了できた。平成19度に褥創予防用空気圧コントロールシリコンマットのブタを使用した生体試験を終了し、デバイス試作の70%を終了した。また、送気ユニットを応用したデバイスが消化管内圧コントロールに有用であるという研究副産物が国内外の学会で評価された。以上の成果を踏まえ平成20年度は臨床モデル作成と企業交渉を進めた。厚生労働省の薬事申請担当者に確認したところ、本デバイスは薬事申請の対象とならない旨の説明があったため、市販化モデルの試験に先立ち、臨床にて使用するシリコンマットのサイズ・使用感・表面処理の摩擦係数を評価する目的で、自治医大関連の100床規模の福祉施設兼病院にて臨床試験を施行した。良好な評価を受けると共に、サイズ・摩擦係数について問題点が明らかになった。平成20年度はその問題点を参考としたデザイン設計および硬性紙型の作成をし、再臨床試験を行う準備をした時点までを行うことができた。また、送気ユニットの消化管内応用研究も共に進行し、国際学会にてその成果を発表した。平成21年度は、20年度に作成した臨床試験を踏まえた硬性パルプ型を使用した臨床再試験とその最終決定型に基づくシリコンマット成形および送気デバイスとのコンビネーションによる最終試験を行う予定である。褥創予防デバイスの開発がテーマの研究であってデバイスの臨床利用を最終目標とする。最終年度の最終結果であるが、計画していたデバイスはすべて完成し、成果物として(1)褥創防止用布パッド(2)褥創防止用敷マット(3)褥創防止用送気ユニットを完成するに至った。(1)の褥創防止用布パッドは市販化を果たし、(2)は臨床試験を終了し市場に投入する段階であり(3)最も複雑な機構を有する送気ユニットは褥創防止用として使用できる状態を確認した他、生体試験にて付随的に成果として得られた手術腸洗浄デバイスとして学会報告を多数行い、市販化を目指す段階に到達した。(2)の市販化が(1)に続き、(3)のユニットが市場調査で良好な結果が得られればすべての統合が視野に入る。既に(1)の褥創防止用布パッドは、傷病者への商品としての還元が始まっており、(2)療養所での成果を得る段階に至っているため、(3)の製品化を目指すが、褥創対策としての目標は達成できていると判断している。
迅速脳酸素代謝検査法における動静脈血管容積画像計算法の確立

脳血流(CBF)、酸素摂取率(OEF)、酸素代謝量(CMRO2)および脳血液量(CBV)画像は脳血管病変に対し重要な診断情報である。これらの定量画像を約10分の迅速検査により得ることができる。しかし、標識一酸化炭素投与による脳血液量(CBV)検査を省略するため、迅速法からCBVの推定法を開発した。本法の有効性を病変無の43名、有の45名を対象とした検討を行った。CBV値は従来法と同等、回帰分析より本法および従来法で強い相関が見られた。CBV画像は従来法と同等であった。以上の結果から本方法によりCBF、OEF、CMRO2に加えCBVが得られることが示唆された。脳虚血についてその重症度の診断は患者の予後にかかわるため、迅速な診断法の開発は重要な課題である。本研究課題はPETによる10分程度の迅速脳血流・酸素代謝量検査(標識水と標識酸素を5分差程度で投与し検査時間を短縮した検査法、迅速法)において、血管成分量(CBV)画像を推定する方法の開発を目的としている。今年度は、前年度に引き続き迅速脳血流・酸素代謝量法(連続投与法)により香川大学医学部付属病院および国立循環器病センターにおいてPET検査を実施し、30例程度の症例データがあった。連続投与法データによりダイナミック画像を計算し、またその画像にフィルターをかけノイズを軽減させた画像を得た。CBV計算において、動脈入力関数の組織への到達時間の誤差が大きく誤差要因となることがわかり、画像の画素ごとに到達時刻を縫製する方法を開発した。この補正計算法をCBV画像(CBV(Dual))計算に適用した。本計算法の有効性の確認のため、従来法である標識一酸化炭素によるCBV画像(CBV(CO))を計算し、CBV画像を比較した。その結果、迅速法から得たCBV画像のコントラストが類似していることを確認した。特に、虚血のためCBVが上昇している領域でその上昇領域が一致していることを確認した。また定量値を比較し相関係数は健常者でr=0.80患者でr=0.75であることがわかった。他方、到達時間補正なしの場合、健常者でr=0.60患者でr=0.22であり、補正の有効性を確認した。フィルター処理をした場合、健常者でr=0.83患者でr=0.85で、より有効なCBV画像が得られることを確認した。健常領域と虚血病変領域に関心領域をとり、精度の高い最適化フィッテング法を適用した。病変部位において健常域と比べ有意な遅延があることを確認した。本方法により計算したCBV(Dual)画像は脳虚血診断に有効と考えられる。脳血流(CBF)、酸素摂取率(OEF)、酸素代謝量(CMRO2)および脳血液量(CBV)定量画像は脳虚血など脳血管病変に対し、治療方針を決定する上で重要な診断情報である。これらCBF、OEFおよびCMRO2定量画像は、標識水および標識酸素の連続投与による10分程度の迅速検査法により得ることができる。他方、本迅速検査法は標識一酸化炭素投与による脳血液量(CBV)撮像検査を省略することを想定しており、CBV画像が得られなかったため、迅速検査法撮像によるデータからCBVを推定する方法を開発した。開発した方法の有効性を確認するため、ECAT HR+による撮像検査により病変の見られなかった43名(病変無)、片側性の血管閉塞・狭窄によりCBV上昇のあった28名(病変有)を対象とした検討をおこなった。迅速検査法撮像によるデータからのCBV計算において、入力関数の脳組織到達時刻(ATB)に敏感であるためこのATBを推定する方法を開発した。ATB推定においては、複数の計算法によるCBF計算値の差を利用した。推定したATBに基づき、時系列データの時間補正を収集データ画素ごとに行い、CBV画像を得た。ATBの推定値は関心領域ごとに非線形最適化法による解析法と比較し有効性を確認した。これに基づき得られたCBV画像(VBD)を、標識一酸化炭素撮像によるCBV画像(VBC)と比較し有効性を確認した。ATBの推定値は両解析法で有意差がないことを確認した。CBV値は病変無でVBC = 0.038 ±0.014およびVBD = 0.039 ±0.023 (NS)であった。病変有でVBC = 0.030±0.01およびVBD = 0.028±0.014 (NS)であった。回帰分析によりr=0.90 (病変無)、r=0.91 (病変有)と強い相関が見られた。CBV画像はVBCとVBDで類似が見られた。これらの結果から、本方法により迅速脳酸素代謝量検査においてCBF、OEF、CMRO2に加えてCBVが得られることが示唆された。

CBV値は従来法と同等、回帰分析より本法および従来法で強い相関が見られた。CBV画像は従来法と同等であった。以上の結果から本方法によりCBF、OEF、CMRO2に加えCBVが得られることが示唆された。脳梗塞診断は患者の予後を左右するため、早期診断法の開発は重要な課題である。本研究課題はPETによる10分程度の迅速脳血流・酸素代謝量検査(標識水と標識酸素を5分差程度で投与し検査時間を短縮した検査法、迅速法)において、血管成分量(CBV)画像を推定する方法の開発を目的とした。今年度は、迅速脳血流・酸素代謝量法(連続投与法)により香川大学医学部付属病院および国立循環器病センターにおいて検査を実施した。検査は健常者、患者を合わせて50例程度の実施があった。健常者に対する連続投与法データによりダイナミック画像を計算し、またその画像にフィルターをかけノイズを軽減させた画像を得た。これらの画像に対しCBV画像を計算した。また従来法である標識一酸化炭素によるCBV画像を計算した。標識一酸化炭素によるCBV画像と比較し、迅速法から得たCBV画像のコントラストは類似していることを確認した。また定量値においても、これらの差が40%以内の一致であった。更に、画像にフィルターをかけた場合の画像はよりノイズの影響が小さく、標識一酸化炭素によるCBV画像とコントラストがより一致していることを確認した。但し、定量値はフィルターをかけない場合と同等であった。40%以内の一致であれば、診断に問題がないと考えられる。更にCBV計算において複数の種類の重み付け計算を行った。その結果入力関数で重み付けを行った場合に標識一酸化炭素によるCBV画像と最も画像のコントラストが近く、また、定量値も相関が強いことが分かった。患者データ(軽度の虚血)においては健常領域と病変領域に関心領域をとり、それぞれの領域での時系列曲線の立ち上がり時間と曲線の形状を比較した。病変部位において遅延やなまりの程度は健常域と比べて同等であることが見られた。今後はより重症度の高い患者データでの検討が必要である。本年度は昨年度と合わせて、健常者、患者データを80件程度得ることを計画し、これらが得られた。これらのデータにおいて迅速検査法による画像データおよび標識一酸化炭素によるCBV画像を計算し比較した。特に計算においては入力関数到達時刻の画素ごとの方正法を加えた計算、更に撮像画像データにフィルターをかけノイズの影響を軽減させる方法について検討することができた。患者データにおいては、健常領域と虚血領域で入力関数到達時刻の遅延の可能性を検討し、有意な遅延があることを確認し、本方法の有効性を評価した。シミュレーションにおいて入力関数の遅延時間の影響とその補正法の有効性についてもデータを得た。以上、本年度において計画していた課題を達成することができた。本年度は、健常者、患者データを50件程度得ることを計画し、これらが得られた。このうち健常者データにおいて迅速検査法による画像データおよび標識一酸化炭素によるCBV画像を計算し比較した。これに加えて迅速検査法による画像データにフィルターをかけノイズの影響を軽減させる方法について検討することができた。患者データにおいては、健常領域と虚血領域で入力関数変動の可能性を検討することを計画していたが、現在あるデータにおいてその影響が評価できた。シミュレーションによる入力関数の遅延時間やなまりの影響についてもデータを得ることができた。