hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
水制御による砂漠緑化の設計と可能性評価

降雨で不足する水分を、エネルギー変換効率の高い太陽電池は燃料電池を用いて海水を淡水化し補うことも考えられる。そのため本年度は太陽光発電システム、燃料電池の評価も行った。さらに、砂漠緑化の水収支のうち、モデル実験により蒸散量・土壌水分・地表面蒸発の総合依存関係を調べた。植物の蒸散による水の持ち去りは土壌水分量の豊かさに比例するが、土壌がある程度乾燥すると蒸散量はむしろ抑制されることが明らかになった。平成7年度は前年度に引き続いて砂漠気象シミュレーションのプログラム開発、および要素技術のモデル化を進めるとともに緑化シナリオの策定および評価を行った。西オーストラリア砂漠内に海岸を含む600km×600kmの領域を設定し、その中の120km平方について、15km平方のメッシュに切り、物質収支、エネルギー収支に基づくプログラム計算を行い、大気中の水蒸気量や降雨量の変化を求めた。その結果、アルベド、表面の起伏、含水率を変化させることにより、大気中の水蒸気量や降雨量を増加させることができた。また砂漠に降雨をもたらすために必要な上昇気流について検討し、人工山の設置による上昇気流の誘起と、地表面を黒体に近づけ熱対流によって上昇気流を起こさせる場合について検討し、降雨量の増加が期待できることがわかった。砂漠緑化シナリオの具体性を高めるためには、緑化により固定された炭素のコストを計算することとともに、他の対策技術と比較を行うことが必要であり、そのための評価手法および一時的評価の具体例を検討した。さらに二酸化炭素問題は地球温暖化問題、エネルギー問題とも重なる部分が多く、これらへの副次的効果についても検討を進めた。
無限次元空間における確率解析の展開

適当な空間が与えられたとき、それを状態空間とする自然な拡散過程を構成するという問題は確率論において最も基本的なものの一つである。特に境界が存在するとき、ランダムに動く粒子がその境界で反射するような拡散過程の構成は一般には容易ではない。特に空間が無限次元である場合は、未だに部分的な結果が知られているのみである。区間上のR^d-値連続関数からなるようなパス空間は典型的な無限次元空間の例であるが、その領域上の拡散過程は、Rdの領域内をランダムに動く弦の運動を記述していると解釈され、物理現象の記述という見地からも自然な対象であるといえる。本年度の内田裕人氏との共同研究においては、無限次元空間上の有界変動関数と対応する確率過程の性質に関する理論を援用することにより、外部一様球条件という条件を新たに導入した上で、この条件の下、パス空間の領域の定義関数が有界変動関数であることを示すことによってその上の自然な拡散過程である反射壁Ornstein-Uhlenbeck過程のSkorohod表現を得た。更に容量に関する詳しい評価を求めることで、この拡散過程の反射が起こる場所が領域の位相境界より遙かに小さい集合であることを証明した(現在論文を準備中)。この結果はL.Zambotti氏と針谷祐氏による先行研究の、ある意味での一般化および拡張になっているのみならず、このテーマにおける研究に新たな解析方法を導入しその有効性を示したという意義を持つ。ループ空間などの無限次元空間を典型例とするような,ユークリッド空間とは本質的に構造を異にするような空間における確率解析に関して,以下のような研究を行った.1)位相構造を仮定しない可測空間上の局所対称Dirichlet形式に付随して定まる対称Markov半群について,Varadhan型の短時間漸近挙動評価が成立することを,全測度が有限かつDirichlet形式が保存的という場合に2003年に発表した論文で証明した.今年度行った研究において,これら2つの仮定を外してもやはり同様の漸近評価が成り立つことが示せた.ただし,定式化の際に必要な内在的距離については適切に定義を一般化しておく必要がある.これによってこのような漸近評価が空間の特定の構造によらない普遍的なものであることが従前より強い主張により支持されたことになる.現在論文を準備中である.今年度は以下の2つのテーマに関して研究を行った.1.局所対称Dirichlet形式に付随する対称Markov半群がVaradhan型の短時間漸近挙動を持つことは従来様々な枠組の下で示されてきており,熱方程式の基本解や付随する確率過程の漸近的性質の研究において基本問題であるといえる.そのうち最も一般的な条件下で示したのは2003年の研究代表者とJ.A.Ramirezによる結果(全測度が有限でDirichlet形式が保存的である場合に証明)であったが,今年度の有吉哲平氏との共同研究で,これらの仮定を課さない状況下での証明に成功した.これはこの方向での最終結果であるといえる.論文を現在投稿中である.2.実関数論において関数空間についてのトレース定理は基本的なツールである.しかしながら,通常の証明方法はユークリッド空間や多様体にのみ通用するものであり,無限次元空間やフラクタル集合といった局所的性質がユークリッド的でないものには適用できない.今年度の熊谷隆氏との共同研究において,広いクラスのフラクタル集合において,その上で定義される自己相似的なDirichlet形式の定義域として定まるBesov-Lipschitz空間を自己相似的部分集合に制限したトレース空間を決定した.証明方法はフラクタルの自己相似性を駆使したものでユークリッド空間の場合とはかなり異なる手法である.先行研究としてのA.Jonssonの結果を大幅に拡張したものであり,現在論文を準備中である.適当な空間が与えられたとき、それを状態空間とする自然な拡散過程を構成するという問題は確率論において最も基本的なものの一つである。
高齢者および脊髄損傷者における皮膚冷却が運動時肺胞酸素摂取動態に及ぼす影響

本研究は、高齢者や脊髄損傷者を対象とした、生活習慣病を予防・改善するための有酸素運動法を開発することを目的とした。この方法として皮膚冷却刺激を用い、この刺激がある場合に運動中の酸素摂取量が増大するという仮説を検討することを目的とした。平成19年度は、高齢者(n=5)を対象とした。各被験者に、70wattsに相当する自転車運動を6分間行わせた。運動中は、右手を冷水(14.3±0.8°C,平均±標準偏差)に浸した。また、各被験者は冷却刺激の無い自転車運動も行わせた。これら2種類の運動は同一日に順不同で行った。各運動の間には20分以上の安静休息期を置いた。運動中の酸素摂取量(VO_2)の変化を指数近似式によりフィッティングし、各変数の運動開始直前からの増加量(Amp)、増加開始までの時間遅れ(Td)、時定数(Tc)、および平均反応時間(MRT,Td+Tc)を求め、冷却刺激有の場合(C)と無しの場合(N)で比較した。指数近似解析により得られた各パラメーターは以下の通りである。条件間で有意な差は認められず、本研究で用いた冷却刺激では酸素摂取量を高める効果が少ないことが明らかとなった。冷却強度や冷却面積などの条件によっては酸素摂取動態が変動する可能性もある。この点については今後の検討課題である。平成18年度は、下肢の麻疹を有する脊髄損傷者(PSCI,n=5)が対象であった。各被験者に、換気性作業閾値の1.1倍に相当する腕クランキング運動(51±22watts,mean±SD)を6分間行わせた。運動中は、アイスパックを用いて麻痺下肢に断続的に6回の冷却刺激を与えた。1回の刺激時間は30秒であり、刺激後は30秒の非冷却期をおいた。また、各被験者は冷却刺激を行わない腕運動も行った。これら2種類の運動は順不同で別々の日に行った。条件間で有意な差は認められなかった。このため、麻痺領域への皮膚冷却刺激は酸素摂取量を高める効果が少ないことが示唆された。
病原遺伝子データベースの構築およびゲノム全遺伝子の相互比較による相関解析

代表者は前年度に特徴的な病原性に関するデータベースは作成完了したが,今年度は病原性という曖昧な表現型にこだわるのではなく,病原遺伝子に着目し,その遺伝子群をターゲットとして比較ゲノム解析をすることで,病原遺伝子の分布や構造を明らかにしようとした.初めとして,病原性大腸菌や腸炎ビブリオ,さらには植物病原菌において代表的な病原因子として注目されている3型分泌装置(TTSS)に着目した.TTSSでは装置を構成する遺伝子群のみならず,宿主細胞に送り込まれる分泌蛋白(エフェクター)こそが病原性として重要であるが,これら分泌蛋白は遺伝子配列レベルでの相同性がほとんどなく,それら遺伝子を予測することは非常に困難であり,世界中で精力的に予測が試みられている.代表者は既知の分泌蛋白遺伝子のN末端50残基のアミノ酸頻度パターンに着目し,ゲノム全遺伝子から多次元尺度構成法(MDS)および自己組織化地図法(SOM)によりクラスタリングすることで,分泌蛋白遺伝子の予測をおこなった.病原性大腸菌O157に本方法を適用し,60個の遺伝子を分泌蛋白遺伝子候補として予測した.これら予測した遺伝子には,既知の分泌蛋白遺伝子だけでなく,共同研究者により実験的に明らかとなった分泌蛋白遺伝子がすべて含まれていることから,本予測法が極めて高いレベルにあることを示唆しており,それら以外の候補も分泌蛋白遺伝子としての可能性が高いと考えられる.このような高い精度をもった予測法は世界的にも例がない.今後は,本方法で予測した遺伝子の抗体を作成し,共同研究者により実際に分泌されているか否かの検証をすると同時に,実験で確認された分泌蛋白遺伝子情報を本方法に取り入れることにより予測精度を向上させ,他の菌種にも応用していく予定である.代表者は前年度に特徴的な病原性に関するデータベースは作成完了したが,今年度は病原性という曖昧な表現型にこだわるのではなく,病原遺伝子に着目し,その遺伝子群をターゲットとして比較ゲノム解析をすることで,病原遺伝子の分布や構造を明らかにしようとした.初めとして,病原性大腸菌や腸炎ビブリオ,さらには植物病原菌において代表的な病原因子として注目されている3型分泌装置(TTSS)に着目した.TTSSでは装置を構成する遺伝子群のみならず,宿主細胞に送り込まれる分泌蛋白(エフェクター)こそが病原性として重要であるが,これら分泌蛋白は遺伝子配列レベルでの相同性がほとんどなく,それら遺伝子を予測することは非常に困難であり,世界中で精力的に予測が試みられている.代表者は既知の分泌蛋白遺伝子のN末端50残基のアミノ酸頻度パターンに着目し,ゲノム全遺伝子から多次元尺度構成法(MDS)および自己組織化地図法(SOM)によりクラスタリングすることで,分泌蛋白遺伝子の予測をおこなった.病原性大腸菌O157に本方法を適用し,60個の遺伝子を分泌蛋白遺伝子候補として予測した.これら予測した遺伝子には,既知の分泌蛋白遺伝子だけでなく,共同研究者により実験的に明らかとなった分泌蛋白遺伝子がすべて含まれていることから,本予測法が極めて高いレベルにあることを示唆しており,それら以外の候補も分泌蛋白遺伝子としての可能性が高いと考えられる.このような高い精度をもった予測法は世界的にも例がない.今後は,本方法で予測した遺伝子の抗体を作成し,共同研究者により実際に分泌されているか否かの検証をすると同時に,実験で確認された分泌蛋白遺伝子情報を本方法に取り入れることにより予測精度を向上させ,他の菌種にも応用していく予定である.
栄養メタボロームプロファイリングによる内臓脂肪蓄積に関連する代謝物マーカーの解明

世界的に肥満人口は増加し、全人口の約半数が肥満ないし過体重であることがWHOより報告されている。特に日本人は高度肥満に到達する前から耐糖能異常等の疾患を発症していることから、早期に肥満を予防するためのバイオマーカーが求められている。そこで本研究では山形県鶴岡市に居住する地域在住者のメタボロームプロファイリングを行い、肥満に関連するアミノ酸代謝を中心とする中心炭素代謝を含む、尿中75物質、血漿77物質を網羅的に測定した。尿、血漿ともに肥満による代謝の違いが明らかになり、予防に役立つバイオマーカー候補を示すことができ、肥満に関連するバイオマーカーとして、メタボロミクスが有用であることが示された。平成26年度は、(1)「鶴岡市民を対象とした地域コホート研究」の平成26年度調査(ベースライン調査最終年)の参加者約300名について、尿のメタボローム解析、新たに開発された非侵襲的内臓脂肪測定器を用いた内臓脂肪量の測定と一般的なライフスタイル状況の収集行いデータベースを構築した。これに並行して、(2)約50名を対象に食事記録調査による栄養摂取量の推定と尿のメタボローム解析を実施した。(1)については、尿のメタボローム解析を安定した精度で測定を終え、データセットの整備まで完了し、すぐに解析できる状態に仕上げている。内臓脂肪測定についても安定的に実施済みで、データ解析をすぐに始められる状態になっている。(2)については、34名の協力者に食事調査と24時間蓄尿と随時尿の採取を行い、32名が最後まで調査に協力した。食事調査と24時間蓄尿を同時に行うことは協力者にとって負担が大きく、実施主体のサポートが重要であるが、管理栄養士チームの多大なサポートがあり、脱落が2名と集団の大きな変動はなく、安定的に調査を実施し、データセットを作成することができた。本研究は、新たに開発された非侵襲的内臓脂肪測定器(医療機器の認可済み)を用いて内臓脂肪蓄積度を評価するとともに、メタボローム解析により内臓脂肪蓄積に関連する代謝物マーカーを明らかにするとともに、代謝物マーカーに食事摂取が与える寄与について明らかにすることを目指した。平成27年度は、平成26年度と同様の食事調査を都市部住民ボランティアを対象に実施する予定であったが、平成26年度実施のデータセットの整備に時間を要したため、実施を見送らざるを得なかった。しかし、同様の食事調査ならびに内臓脂肪測定をすでに実施しており、尿検体のメタボローム解析が可能である他研究機関との共同研究計画を立案し、その準備として共通の栄養計算ソフトを用いて、栄養摂取データセットの読み替え作業、ならびにコホート研究参加者約3000名の内臓脂肪測定を実施した。平成24年度にコホート調査に参加したもののうち、約2000名については血漿メタボローム解析を終えており、血漿メタボロームプロファイルにより肥満に関連する代謝物マーカーの検討を行った。男性、女性共に3つの代謝経路が肥満と関連する可能性が示唆された。引き続き、平成26、27年度で得られた集団ならびにデータセットについて、引き続き尿メタボローム測定と統計解析を進め、メタボロームプロファイリングによる肥満に関連する代謝物マーカーの検討と食事摂取・栄養素摂取と代謝物マーカーの関連の検討を進めたい。内臓脂肪測定、尿中代謝物マーカーの測定を安定的に行うことができたため。また、食事記録調査と24時間蓄尿についても、集団の大きな偏りが発生することなく情報収集が完了したため。栄養疫学研究計画通り実施予定。未使用額の発生は、購入予定であった分析消耗品について、物品調整を行うため、部分的に翌年度にまとめて消耗品購入することにしたためである。物品調整自体は全体の計画に影響を与えるものではなく、翌年度にまとめて購入することとしたため、計画は予定通り進める。
プラズマ流体方程式に対するガウス則保証型高次精度衝撃波捕獲法の開発

本研究の目的は、次世代宇宙・天体プラズママクロスケールシミュレーションに関する数値技法の基盤を確立することにある。特にプラズマ流体の基礎的なモデル方程式である磁気流体力学(MHD)方程式、および完全圧縮性電子・イオン二流体方程式に対し、磁場および電場に関するガウスの法則を厳密に満足する高次精度衝撃波捕獲法を研究開発する。重み付き高次補間法と高次度中心差分法を最適に組み合わせた新たな高次精度衝撃波捕獲法を提案し、MHD方程式に適用した。さらに、多次元MHD方程式に対して、磁場に関するガウスの法則を満足し、かつ1次元高次精度衝撃波捕獲法と無矛盾な高次精度Constrained Transport法の開発に成功した[Minoshima, et al., 2019(印刷中)]。また、二流体方程式についても、同様の多次元高次精度衝撃波捕獲法を適用した。ただし、電場に関するガウスの法則を満足する半陰的な時間積分法の開発が検討課題して残った。本研究で開発したガウス則保証型高次精度衝撃波捕獲法は、宇宙・天体突発現象などの解明に重要な役割を果たすと共に、電磁場解析など工学分野への波及も期待できる。本研究の目的は、プラズマ流体モデルに対してガウスの法則を保証する高次精度の衝撃波捕獲法を研究開発し、次世代宇宙・天体プラズマシミュレーション研究において基盤となる数値技法を確立することにある。本年度は、本研究計画全体の基礎となるシミュレーションコードの整備に注力した。特に磁気流体力学方程式に対する基礎的シミュレーションコードとして、研究代表者らが開発したHLLD近似リーマン解法に有限体積WENO法およびWCNS法を適用し高次精度化を実現、さらに多次元化も進め、整備をほぼ完了した。プラズマ二流体方程式に対する基礎的シミュレーションコードについても、整備を着実に進めている。また、新たに整備した磁気流体力学方程式に対する基礎的シミュレーションコードを用い、磁場に対するガウスの法則を保証する高次精度衝撃波捕獲法の検討を開始した。本年度現在では、特にWCNS法に注目し研究を進めている。WCNS法では、重み付きの高次精度変数補間と高次精度差分の組み合わせによって、高次精度の衝撃波捕獲が実現される。特に本年度は、磁場の誘導方程式に対して多次元的な高次精度差分を導入し、かつ格子点に加え中点においても磁場の時間発展を同時に解き進めることによって、ガウスの法則を保証する新たな高次精度数値解法が構築できることを示した。ただし、この数値技法を用いた場合、強い不連続の近傍において格子点と中点を分離する数値的振動が生じることが数値実験から明らかになった。当初の予定どおり、基礎的シミュレーションコードの整備を進め、磁気流体力学方程式に対するシミュレーションコードについては、ほぼ整備を完了した。また、整備した基礎的シミュレーションコードを用いて、磁場に対するガウスの法則を保証する高次精度衝撃波捕獲法の検討を開始した。特に、WCNS法を用いて、ガウスの法則を保証する新たな高次精度数値解法を構築できることを示したことは、特筆すべき進展であった。本研究の目的は、プラズマ流体力学モデルに対して磁場および/または電場に関するガウスの法則を厳密に満足する高次精度衝撃波捕獲法を研究開発し、次世代宇宙・天体プラズマシミュレーションの基盤となる数値解法を確立することにある。本研究では特に、理想磁気流体方程式および完全圧縮性電子・イオンプラズマ二流体方程式(以下、二流体方程式)について検討を行う。本年度は主に、二流体方程式に対するシミュレーションコードの基盤整備に注力した。電子流体、イオン流体、およびマクスウェル方程式によって構成される二流体方程式は、振動解が得られるソース項を持つ双曲型偏微分方程式(双曲型釣合則)である。二流体方程式の保存則項については、流体方程式系に対してHLLC近似リーマン解法、マクスウェル方程式に対してLax法を基礎解法として適用し、WENO法およびWCNS法によって高次精度かつ安定な数値解法を実現した。一方、ソース項については、高周波の物理的な振動解を安定に解くため、時間に関して陰的な取り扱いが適切である。本年度は特に、二流体方程式の簡易的モデルとして振動型ソース項を持つ線形双曲型釣合則を導入し、Implicit-Explicit Runge-Kutta法、Semi-Implicit Runge-Kutta法等幾つかの部分的陰解法の評価を行った。また、磁気流体方程式に対する数値解法の実証的研究として、高磁気レイノルズ数領域における磁気リコネクションに関する高精度磁気流体シミュレーションも進めた。磁気流体方程式に対する数値解法の研究開発については、概ね計画どおり進んでいる。一方、二流体方程式に対するシミュレーションコード基盤構築については、当初計画より若干遅れている。これは、二流体方程式の振動型ソース項に対する時間積分法が確立できていないためであった。しかし、二流体方程式の簡易的モデルを用いた基礎研究を本年度進めたことにより、ある程度の見通しは立ったと考える。本研究の目的は、プラズマ流体モデルに対して磁場および電場に関するガウスの法則を厳密に保証する高次精度衝撃波捕獲法を研究開発し、次世代マクロスケールプラズマシミュレーションの数値技法の基盤を確立することにある。特にプラズマ流体の基礎的モデルである理想磁気流体力学方程式、および電子・イオンの完全圧縮性二流体方程式について検討する。本年度は特に、Weighted Compact Nonlinear Scheme (WCNS法)とConstrained-Transport method (CT法)から着想を得て、重み付き差分法に基づき磁場に関するガウスの法則を厳密に保証する理想磁気流体力学方程式に対する高次精度衝撃波捕獲法の開発に成功した。本数値解法では、近似リーマン解法から得られた格子中点の電場(誘導方程式に対する数値流束)を格子節点上に重み付きで高次補間し、同格子節点電場の高次差分を用いてスタッガード

格子上に定義された磁場の時間発展を計算する。高次差分で評価された磁場発散は厳密にゼロであることが保証される。数値実験結果から、従来の有限体積的数値解法を上回る高次精度化を達成していることを確認した。画期的な成果であり、現在、国際学術雑誌に投稿準備中である[Minoshima, Miyoshi, and Matsumoto]。本数値解法の応用として、磁気静水圧平衡解を高精度に求める磁気流体力学的緩和法についても検討を開始した。また昨年度に引き続き、電子・イオン二流体方程式に対する数値技法の基礎的研究に注力した。特に、簡易的モデルを用いて開発・評価した半陰的時間積分法を電子・イオン二流体方程式に拡張することに成功し、シミュレーションコードに実装した。理想磁気流体力学方程式に対する数値解法の研究開発については画期的な成果をあげた。磁場に関するガウスの法則を厳密に保証する高次精度衝撃波捕獲法の開発に成功した。また新たな応用的課題についても検討を開始し、順調に研究が進んでいる。一方、電子・イオン二流体方程式に対する数値解法の開発については、当初計画に比べ若干の遅れがある。主な原因は二流体方程式の時間積分法に関する課題である。しかし、簡易的モデルにおいて開発・評価してきた半陰的時間積分を電子・イオン二流体方程式に拡張し、シミュレーションコードに実装した。したがって、遅れを取り戻し、当初目標の達成見込みは十分にある。本研究の目的は、次世代宇宙・天体プラズママクロスケールシミュレーションに関する数値技法の基盤を確立することにある。特にプラズマ流体の基礎的なモデル方程式である磁気流体力学(MHD)方程式、および完全圧縮性電子・イオン二流体方程式に対し、磁場および電場に関するガウスの法則を厳密に満足する高次精度衝撃波捕獲法を研究開発する。重み付き高次補間法と高次度中心差分法を最適に組み合わせた新たな高次精度衝撃波捕獲法を提案し、MHD方程式に適用した。さらに、多次元MHD方程式に対して、磁場に関するガウスの法則を満足し、かつ1次元高次精度衝撃波捕獲法と無矛盾な高次精度Constrained Transport法の開発に成功した[Minoshima, et al., 2019(印刷中)]。また、二流体方程式についても、同様の多次元高次精度衝撃波捕獲法を適用した。ただし、電場に関するガウスの法則を満足する半陰的な時間積分法の開発が検討課題して残った。本研究で開発したガウス則保証型高次精度衝撃波捕獲法は、宇宙・天体突発現象などの解明に重要な役割を果たすと共に、電磁場解析など工学分野への波及も期待できる。
コンビケムを用いた生理活性糖鎖を認識するペプチドリガンドの取得

1)糖鎖を認識するペプチド配列のスクリーニング生理活性糖鎖(β-グルカン)を修飾し、マトリクス(疎水性および親水性)上に共有結合で固定化し、バイオパニングのターゲットを調製した。ターゲット固定用マトリクスとして、ポリスチレン(疎水性)および多糖系親水性マトリクスを用いた。バイオパニングの溶出条件として、酸、塩基、拮抗溶出を検討した。親水性マトリクスを用いたスクリーニングにおいて、吸着率の上昇が観測された。ペプチドの配列を調べたところ、Thrが頻出しており、配列に若干の偏りが認められた。残念ながら、現在のところ、ターゲットと強いアフィニティーを示すペプチド配列は得られていない。2)糖鎖を認識するDNAアプタマーの取得100塩基のランダムDNAライブラリー(59残基のランダム配列を含む)を糖鎖を固定化したマトリクスに対してアフィニティーセレクションを行い、糖鎖を認識する配列を選抜した。8ラウンドアフィニティーセレクションを経て得られたDNAをクローニングし、各クローンの塩基配列を比較したところ、ほとんどのクローンは4個のグアニンクラスターを複数個内包しており、かつそれらグアニンクラスター周辺は回文配列になっていることがわかった。また、これらのクローン化学合成してキチンカラムに通したところ、結合能を有していることがわかった。
透過型電子顕微鏡による気液相変化のナノスケール直接観察

ナノ液体セルを用いて純水中での気泡の発生と成長について調べた。独自に開発したフレネルフリンジ法によって、二次元のTEM像から気液界面の高さ情報を推定した。厚さ600nmの水中での気泡発生は不均質核生成が支配的であることがわかった。より狭い空間での気液界面を調べるために親水化したカーボンナノチューブを用いたところ、マクロスケールでは見られない特異な水構造が観察された。ナノ空間での強い分子間相互作用によるものと思われる。透過型電子顕微鏡を用いてナノスケールで気泡発生のメカニズムを調べる実験研究を行った。そのための超高真空用液体セルとして、一般に販売されている窒化ケイ素のメンブレンが設けられたシリコン基板を2枚張り合わせ、隙間に純水を侵入させた状態でエポキシ樹脂で周囲を埋めてTEM用試料を自作した。2枚のメンブレンは600nm程度のギャップで平行に維持され、その間の空間は純水と大気で満たされた。この大気は純水中の気泡の発生による圧力上昇を緩和する効果があることもわかった。これをTEM内で観察したところ、電子線照射が気泡の発生を引き起こし直径10nm以下の気泡を観察することができた。特に、気泡の界面の観察で生じるフレネルフリンジがTEMの焦点とのずれに応じて変化することに気づき、それを用いて気泡の発生場所をナノスケールで特定することに成功したことは特筆すべき成果と言える。当初の計画ではTEM用液体試料セルに白金薄膜のマイクロ温度センサを組み込んで時系列の温度情報を得る予定であったが、セルに用いる厚さ50nmのメンブレンに薄膜センサを形成することはメンブレンの耐久性の低さから非常に難しいことがわかった。この想定外の状況には遭遇したものの、それ以上に新規に得られた成果は大きく、おおむね順調に進展していると考えている。SiNメンブレンを窓として用いる液体試料セルに純水を封入し、透過電子顕微鏡(TEM)を用いて水中に生じる直径10nm以下の気泡の場所を特定することに昨年度中に成功したことを踏まえ、本年度はその生成した気泡の成長および合体について実験を行った。気泡は加速電圧300kVの電子ビームによる水分子の分解による水素ガスを主成分として成長するが、それらはすべて界面ナノバブルであること、液体セル内でピン止めされることなくスムーズに成長することがわかった。複数の気泡の成長は互いに押し合って最終的に合体に至るが、その際、大きなナノバブルは気液界面が柔軟に変形して合体しにくいのに対して、小さなナノバブルは比較的合体しやすいことがわかった。液体セルの内側表面に集束イオンビームを用いて濡れ性を局所的に変化させて水の観察を行ったが今回の実験ではその影響は確認できなかった。そこで、内壁の効果がより顕著に表れることを期待して、液体試料セルとしてカーボンナノチューブの内部空間を利用することとした。特に、直径100nm程度のカップスタック型カーボンナノチューブを十分に親水化して水を含ませた状態でTEM観察すると、TEMの試料室の高真空中であっても内部の水は長時間蒸発しないで保持されること、また、理論から予想されるよりもはるかに薄い2nm程度の厚さの懸架した膜が安定して存在することがわかった。この新規性の高い実験結果はナノ空間での強い相互作用によるものであり既存のマクロな理論では説明できないものと考えている。温度センサを組み込む計画は中止して、化学的に水分子が分解して発生する水素気泡の様子を詳しく調べることでナノスケールの相変化の理解につなげる。TEM用液体試料セルの表面の濡れ性を局所的に変化させて相変化への影響を調べる。それらの実験の基礎となるのは初年度に見出したフレネルフリンジ法であり、その定量的な利用についても探究していく。マイクロナノ熱工学当初の計画ではTEM用液体試料セルに白金薄膜のマイクロ温度センサを組み込んで時系列の温度情報を得る予定であったが、セルに用いる厚さ50nmのメンブレンに薄膜センサを形成することはメンブレンの耐久性の低さから非常に難しいことがわかった。そのため使用額が計画よりも少なくなった。マイクロ温度センサの組み込みの代わりに表面に濡れ性の変化をつける実験を次年度に多く行うこととする。そのためにはFIB装置による局所堆積技術を用いる予定で、その費用および装置の保守費に使用する。
脳の形成と機能を司る分泌蛋白質リーリンの、機能制御機構の解明とその創薬への応用

リーリンは脳形成と脳機能発現に必須な蛋白質であり、その機能低下は精神神経疾患の発症に関与する。本研究では、リーリンがそのC末端領域内で分解を受けることを新たに見出し、この分解によるリーリンの機能制御は、上層神経細胞の正常な配置と樹状突起発達に必要であることが明らかになった。また、生体内でのリーリンのN末側での分解抑制は、リーリンの機能を増強すること、このリーリン機能増強は胎生期の脳形成には影響を与えないことがわかった。本研究は、巨大分泌蛋白質リーリンのプロテオリシス(蛋白質分解)による機能制御機構、及びその生理的意義の解明を目的とする。脳におけるリーリン分解に対するADAMTS-3の寄与を明らかにするために、ADAMTS-3ノックアウトマウスにおけるリーリンの分解を調べた。その結果、胎生期の大脳皮質では、野生型マウスに比べADAMTS-3ノックアウトマウスでは有意にリーリン分解が減少した。このことから、胎生期においてADAMTS-3はリーリン分解を担う主要なプロテアーゼであることがわかった。さらに、リーリンの下流シグナル分子Dab1(リーリンの活性によりリン酸化を受けダウンレギュレーションされる分子)の量が野生型マウスに比べADAMTS-3ノックアウトマウスでは有意に増加することもわかった。このことは、脳内におけるADAMTS-3によるリーリンの分解は、リーリンの機能を負に制御することが明らかとなった。リーリンのC末端領域を欠くマウスの解析により、リーリンのC末端領域は遅生まれの神経細胞の配置と樹状突起発達に必要であり、C末端領域内の分解により制御されることを明らかにし、論文として発表した(Kohno et al., J. Neurosci., 2015)。また、C末端領域内分解により制御されるリーリンシグナル機構を明らかにするために、アルカリフォスファターゼ融合リーリンをprobeとして、完全長のC末端領域に結合する分子が脳スライス上に存在するかを調べた。その結果、大脳皮質の全体や海馬のアンモン角に、完全長のC末端領域に結合する分子が存在することがわかった。前年度までに、分泌型メタロプロテアーゼであるADAMTS-3がリーリンを分解する活性を持ち、生体内でのリーリンのシグナル活性を負に制御すること、またリーリンC末端領域を欠くノックイン(ΔC-KI)マウスの解析から、リーリンのC末端領域は大脳皮質浅層の神経細胞の配置に必須であることを明らかにした。本年度は、リーリン機能増強が大脳皮質形成に与える影響を明らかにすることを目的とし、研究を行った。各種神経細胞マーカーを用いた組織免疫染色解析により、ADAMTS-3ノックアウト(KO)マウスの大脳皮質構造は正常に形成されることがわかった。このことから、リーリン分解抑制によるリーリン機能増強は、大脳皮質層構造形成には影響を与えないことが明らかになった。また、ΔC-KIマウスとADAMTS-3KOマウスを交配し、ΔC-KIマウスで見られる大脳皮質浅層神経細胞の配置異常が、リーリン分解抑制により回復するか否かを検討した。ADAMTS-3の欠損によりΔC-KIマウスの大脳皮質でも、リーリンの分解が著しく抑制され、リーリンシグナル活性も増強されることがわかった。しかしながら、ΔC-KIマウスで見られる神経細胞の異常配置は、リーリンの分解抑制により回復しなかった。以上のことから、大脳皮質浅層の神経細胞が正常に配置されるためには、リーリン下流シグナルが増強されるだけでは不十分であり、リーリンのC末端領域を介したシグナルが必要であることが示唆された。また、リーリンリピート6番目と7番目の間のリーリン分解部位をアミノ酸レベルで同定し、meprin alphaとmeprin betaにリーリン分解活性があることを見出した。しかし、meprin beta KOマウスの大脳及び小脳では、リーリンの分解が抑制されなかったため、生体内でのmeprin betaのリーリン分解への寄与は低いことが示唆された。脳内におけるリーリン分解のメカニズムと意義が明らかになりつつあり、研究は概ね順調に進展している。分子神経生物リーリン機能増強の効果を調べるために作製したリーリン発現アデノウィルス発現ベクターは、期待していたほどリーリンが発現しなかったため、力価を上げるなどを行い研究を進める予定である。脳におけるリーリン機能増強の効果を明らかにするために、リーリンC末端領域欠損マウスとADAMTS-3ノックアウトマウスを交配し、樹状突起発達や細胞配置の異常がリーリン分解抑制によりレスキューされるかを調べる。完全長のC末端領域に結合する分子の同定を試み、C末端領域内分解により制御されるリーリンシグナル機構を明らかにする。
リゾリン脂質アシル転移酵素の骨芽細胞分化・再生の解析とその臨床的意義

脂質二重層からなる生体膜は、脂質やタンパク質から構成されその存在比は細胞や組織によって異なることが知られている。脂質の主成分はリン脂質であり、その脂質組成の違いにより細胞の機能や形態に影響を与えると考えられているが、その詳細については未解明な点が多く取り残されている。近年、この生体膜のリン脂質の脂質組成を変化させる新規酵素群であるリゾリン脂質アシル転移酵素群が発見された。本研究では、細胞分化における同酵素群の働きを解析し、生体膜リン脂質とその脂質組成についての役割を解明を行う研究である。
慢性炎症性肺疾患発症と細菌膜成分との関係に関する研究

細菌の細胞膜構成物の一つであるlipopolysaccharide(LPS)はさまざまな病原因子となることがわかっている。K.pneumoniae Kasuya株から得られたLPSは細胞障害活性と強力なadjuvant活性を有する。まず、LPSをマウスにくり返し接種すること(くり返し細胞障害を起こさせること)で肺に亜急性の炎症性変化を引き起こすことがわかった。病理学的には、細気管支周囲から胞隔にかけてのリンパ球の浸潤である。間質に線維化はみられなかった。血中サイトカインの測定では、TNFαやIL-1aの関与の可能性は低いと考えられた。これらの病理変化はminocycline(抗生剤)を投与したマウスでは顕著でなく、病変の形成に抑制的に働いた。theophylline(LPS投与後のTNFαの上昇を抑制する)は病変形成を抑制しなかった。次に、LPSを強力なadjuvantとして用い同系マウスの肺抗原(肺組織のhomogenate)を週に一回または月に一回接種し感作することで、気管支から肺胞へ移行する部位にリンパ球が集蔟し閉塞性細気管支炎様病変を形成できた。この変化はcyclophophamideやG-CSFの投与においても同様にみられ、しかも、cyclophosphamide投与の方が強く感じられた。この本疾患モデルにおいて好中球の影響は少ないと思われた。この閉塞性細気管支病変は臓器移植後の肺病変や膠原病に伴う肺病変にみられる変化に類似していると考えられた。以上より、LPSにより誘導される病変は二つの異なる作用によって生じた肺病変であり、くり返し障害を受けることまたは自己免疫性機序による肺病変である。後者の病変は膠原病に伴って発症する肺病変や臓器移植後にみられる肺病変のモデルになり、発症機序の解析や治療方法の応用に利用できることが期待される。・endotaxine(3ng/kg)を3日間筋肉注射し、1日目、7日目、14日目と肺の組織、血中サイトカイレを比較した。組織的には、好中球による胞隔点からリンパ球による細気管支点へと進んだ。これに対して、MINO、Theoghylline(TNFの上昇を抑制する)は、大きな予防効果はなかった。血中サイトカインの変化では、好中球による胞隔点には、TNF、リンパ球による細気管支点にはIL-10の関与が考えられた。(学会発表後に論文作成予定)・マウスはddY系マウス、肺のホモジケート(抗原)とendotoxineを週1回筋注した。3ケ月後まで注射して、肺の病理変化と血中サイトカインを測定した。気管支、動脈、静脈の周囲にリンパ球の浸潤、細気管支から肺胞洞に肉芽腫をともなう閉塩性病変がみられた。IL-1とIL-4の高値と示し、関連が考えられた。MINOは病変を抑制していることが考えられた。(論文作成中)。細菌の膜成分であるK.pneumoniae Kasuya株から得られたエンドトキシン(KO3)はmannoseが主成分であり、強力なadjuvant効果がある。このエンドトキシンと同種肺抗原を繰り返し接種することにより、マウスの肺に自己免疫性病変の誘導を試みた。マウスはSMA・系マウス雄性810週令を用い,肺抗原は肺組織を破粋し遠沈した上清を用い、エンドトキシンと混ぜ週一度、12回接種した。接種前にcyclophophamideとG-CSFを投与し、肺の病理変化に好中球の与える影響も検討した。その結果、動脈周囲、器官支周囲にリンパ球の浸潤がみられ、さらに末梢気道に閉塞性病変もみられた。

一部に肉芽腫様にリンパ球が集族している病変が得られた。しかし、肺胞間質には繊維化は認められなかった。この病理学的変化はcyclophophamideやG-CSFの投与においても同様にみられ、しかも、cyclophophamide投与の方が強く感じられた。従って、この本モデルにおいて好中球の影響は少ないと思われた。エンドトキシンを接種した群では、IL1β、IL2、IL4とも高値を示し、エンドキサン前処置ではIL4が、G-CSF前処置群ではIL2が低くなる傾向を示したことより、病理学的変化と関連が深かったのは最後のエンドトキシン接種から7日目においても血中で高レベルを示したIL1βと考えられた。肉芽腫様のリンパ球の集族はエンドトキシンを接種したすべての群にみられ、これは使用したエンドトキシンによって強いadjuvannt活性が惹起されるSMA系マウスに特徴的なものと考えられた。ヒトの膠原病による肺病変の原因究明に有用なモデルと考えられ、さらなる研究が必要である。
シミュレーション生成関数を用いた電力系統過渡安定度の評価

近年、大規模で複雑な工学システムが社会において重要な役割を果たすようになってきており、当該システムの特性を確実かつ効率的に評価する手法を確立することが強く要請されている。評価手法は解析的手法とシミュレーション手法に大別できるが、計算精度を十分に確保する必要がある場合には、後者を採用するのが一般的である。この場合、漫然と網羅的にシミュレーションを実行したのでは、計算コストに見合うだけの評価結果を得ることができない。そこで、シミュレーションの実行とシステムの最も重要な特性評価関数の生成を他方の結果を反映しながら、交互に繰り返し、徐々に精度の高い関数を生成し、最終的に得られた関数を用いて当該特性を評価する手法を着想し、これを代表的な大規模・複雑系である電力系統に適用した。系統計画や運用上最も重要な特性である過渡安定度が主として故障除去時間と系統負荷によって支配されることに着目し、臨界故障除去時間関数CCT(W)を新たに定義した。ここで、CCT(Critical Fault Clearing Time)は臨界故障除去時間(これ以上故障を除去する時間が長くなると過渡安定度が損なわれ、発電機が脱調する限界の時間)、また、Wは系統負荷である。本研究では、シミュレーションを実行することにより生成した臨界故障除去時間関数を用いて過渡安定度を評価する手法を開発し、これをモデル系統に適用した。その結果、次の事項が明らかになった。(1)本手法を用いることにより過渡安定度を高精度かつ効率的に評価可能である。(2)本手法を利用することにより、過渡安定度に及ぼす系統構成、構成機器、制御系、保護系等の設計要素の影響を高精度かつ効率的に評価可能である。(3)本手法は上記特性を備えているため、実務に使用可能である。今後本手法をより多様な系統や設計要素に適用し、それらの結果に基づいて改良することにより、本手法の有効がさらに増すと期待できる。1.電力系統シミュレーションソフトウェアを購入し、それを保有しているパソコンにインストールして解析ツールを構築した。2.当該ツールを用いて次の手法について検討し、確実かつ効率的に実行可能な手法を開発した。(1)系統シミュレーションの結果から臨海故障除去時間関数を効率的に生成する手法a)現伏の臨界故障除却時間関数に基づて追加シミュレーションケースを選択する手法最初、負荷を荒く取って関数の大体の形を把握し、それに基づいて負荷に対する非線形性が強い箇所を重点的に追加シミュレーションする。b)臨海故障除去時間関数の特性を利用して該当関数を生成する手法独立変数である負荷を増加すると、関数値が単調に増加し、最大点を過ぎると単調に減少する当該関数の特性を利用して、初期設定値から徐々に最大点の存在範囲を狭めていく新アルゴリズムを用いて効率的に最大点を求めるとともに、2分法を用いて低測零点、高側零点を求める。これらのデータより当該関数の形を決定付ける点を把握し、この結果に基づして当該関数を生成する。c)基準となる臨界故障除却時間関数に基づいて系統変更された当該関数を生成する手法基準となる臨界故障除却時間関数を参考に初期値を設定し、上述した手法を用いて最大点、低側零点、高側零点を求める。次に、基準となる関数を上記3点を通るように相似的に変形することにより、系統変更後の関数を求める。d)系統シミュレーションの結果から2分法により臨界故障除去時間を決定する手法(2)臨界故障時間関数と負荷の確率密度などより、過渡安定度に起因する供給支障電力量を求める手法

(3)臨界故障時間関数を用いて過渡安定度に及ぼす保護系や制御系の影響を定量的こ評価する手法3.上記研究成果を横兵で開催されたIEEE主催の送配電工学に関する国際会議と東京で開催された計測自動制御学会主催の知能システムシンポジウムで発表し、今後の研究に役立つコメントを受けるとともに、最新の技術情報を収集した。1.系統シミュレーション結果から精度の高い臨界故障除去時間関数を効率良く生成する手法の開発昨年開発した手法をさらに詳細に検討し、それをモデル電力系統に適用し、解析ツールを用いて評価した。評価結果に基づいて、下記手法を開発した。臨界故障除去時間関数は負荷を増加すると、単調に増加し、ある点で最大値を取り、そこを過ぎると単調減少する。また、厳しい事故においては低、高の両方で零点を持つ。この特性を利用して、負荷を次のように変更し、負荷と臨界故障除去時間の対応データを求める。(1)低零点と高零点とを2分法を用いて求める。(2)負荷を低、中、高の3点取り、中点における関数値が最大である場合は必ず低点と高点の中間に最大点(関数値を最大にする点)が存在する。この特性を利用し、最初、中点における関数値が最大になる3点を求め、それらの点における関数値の大きさを比較しながら、徐々に最大点の存在範囲を狭めていくことにより、当該関数の最大点を求める。低零点、高零点、最大点が分かれば、関数の骨格を決定でき、当該関数をより効率的に生成可能となる。2.臨界故障時間関数を用いて過渡安定度に及ぼす保護系や制御系の影響を定量的に評価する手法の高度化上記関数生成法に関する研究成果を取り入れ、過渡安定度に及ぼす保護系や制御系の影響を組織的に評価できるより高度な手法について検討した。本手法の概略フローは次の通りであり、要求を満足するまで、適宜、各ステップを繰り返し計算する。(1)評価する保護・制御系の選定(2)評価する事故の選定(3)臨界故障除去時間関数の生成(4)各事故に対する平均供給支障電力量関数の生成(5)複数の事故をまとめた系統全体の平均供給支障電力関数の生成(6)生成した関数を用いて過渡安定度に及ぼす保護系や制御系の影響を定量的に評価3.研究成果の発表ギリシャで開催された国際会議等で、上記研究成果を発表し、専門家のコメントを受け、今後の研究に反映させた。1.過渡安定度に及ぼす設計要素の影響評価手法の開発昨年までの研究成果を発展させ、臨界故障除去時間関数を用いて過渡安定度に及ぼす系統構成、構成機器、制御保護系等の設計要素の影響を精度良く、効率的に評価可能な手法を開発した。(1)詳細評価する全設計要素の選定(2)詳細評価する設計要素の設定(3)評価事故の設定(4)臨界故障除去時間関数の生成(5)各事故に対する平均供給支障電力量関数の生成(6)全ての評価事故を統括した平均供給支障電力関数の生成(7)生成した関数を用いて過渡安定度に及ぼす設計要素の影響を定量的に評価
昼食と夕食の"摂取量"と"摂取時間"のバランスが朝食の糖質の消化吸収に及ぼす影響

昼食と夕食の"摂取量"と"摂取時間"のバランスが翌日の朝食の糖質の消化吸収に及ぼす影響について実験した。夕食の摂取時間の違いによる実験では、夕食を遅く摂取した場合、早く摂取した時と比較して翌朝の糖質の非消化吸収率が低い傾向にあり、このことは食後血糖が高値を示したことと関連していたものと考えられる。また前日の昼食と夕食の摂取量のバランスの違いによる翌朝の糖質の非消化吸収効率と消化管活動、血糖変化、呼吸商については有意な違いが見られなかった。本研究は昼、夕食の"摂取量"や"摂取時間"のバランスの違いが翌日の朝食の消化管通過時間・糖質の消化吸収効率に与える影響を検討することにより日本人の"消化管の生理的性質"に適応し全身的協関を示す"食"のリズムを明らかにすることを目的とした。22年度は以下の計画により夕食の時刻の違いによる翌日の朝食の糖質消化吸収効率への影響を調べた。被験者は女子学生15名であり、1名に対して計3日間の測定を行った。1回目と2回目の測定の前日に、実験者が指定した食事(朝・昼・夕食)を指定時刻に摂取してもらった。但し、1回目と2回目では夕食時刻を変えた(18時または23時)。測定日は朝7時40分に実験室に入室してもらい、8時に空腹状態での(1)呼気中水素ガス測定、(2)簡易型自己血糖測定器による血糖値測定、(3)呼吸商測定を行った後、試験朝食を摂取し、(1)(2)については以後30分ごとに、(3)は1時間ごとに同様の測定を行った。(2)について朝食後3時間値までとした。夕食時刻の2条件の実施順序は被験者毎に変えた。3回目の測定は試験朝食をラクトスクロースに置き換え(1)の指標のみ同様の測定を行った。本研究で用いる規定食(朝食・昼食・夕食)は調理による誤差や衛生面を配慮し、冷凍食品を中心とした食事とした。内容は食事摂取基準に沿って1850kcal(朝:昼:夕=1:1:1)とした。測定結果、夕食時刻の違いによって、糖質の非吸収効率や血糖変化および呼吸商に違いは見られなかった。今回のような条件、つまり若年女性に対し食事摂取基準に沿った朝:昼:夕=1:1:1(1食600kcal程度)で一定の睡眠時間を確保すれば、翌日の糖質の消化吸収効率や呼吸商、血糖変化にほとんど影響はないということが示唆された。今後は食事の量の配分や対象年齢を変えた同様の検討が必要である。本研究は昼、夕食の“摂取量"や“摂取時間"のバランスの違いが翌日の朝食の消化管通過時間・糖質の消化吸収効率に与える影響を検討することにより日本人の“消化管の生理的性質"に適応し全身的協関を示す“食"のリズムを明らかにすることを目的とした。22年度は夕食の時刻の違いによる翌日の朝食の糖質消化吸収効率への影響を調べた結果、夕食時刻が遅い場合、早い場合と比較して非消化吸収率が低い傾向にあり、これが食後血糖が優位に高値を示した。23年度は夕食時刻を一定にしての昼食と夕食の食事内容のバランスの違い(1昼多い夕少ないパターン,2昼少ない夕多いパターン)が翌日の朝食に含まれる糖質の消化管活動や朝食後の血糖変動、呼吸商に与える影響を検討した。その結果、糖質の非消化吸収率、呼吸商、食後の血糖変動のそれぞれの全体の平均で有意な差はみられなかった。このことから、20代女性の朝食の消化吸収には、前日の同じ時刻に摂取した場合では昼食と夕食の摂取量の違いは関係ないことが考えられた。なお、今回の測定を行った集団の平均値には有意な差はなかったが、個人差が見られた。このことより、食事摂取頻度調査から得られた個人の日常の食生活習慣の結果を含めて分析した。その結果、食物繊維を日常的に比較的多く摂取しているグループでは、昼食・夕食のボリュームに関係なく、小腸通過時間の延長及び、血糖値が通常の値まで低下するのが早かった。さらにアルコールを日常的に全く摂取しないグループでは、昼食・夕食のボリュームに関係なく、朝食の消化吸収率が低くなるということがわかった。これらのことより、前日の昼食と夕食の摂取量のバランスの違いよりも、日常の食習慣や生活習慣の方が、朝食の消化吸収に影響を与える可能性が示唆された。24年度が最終年度であるため、記入しない。
ストレプトゾトシン糖尿病における骨格筋AMPKの代謝調節作用と病態生理的意義

AMPキナーゼ(AMPK)は、細胞内エネルギー枯渇を感知して活性化するリン酸化酵素であり、近年では、肥満・糖尿病などの代謝分野において注目されている。応募者は、STZを投与したマウスの骨格筋でAMPKが活性化することを見出した。骨格筋選択的AMPK不活性型マウス(DN-AMPK Tg)マウスにSTZを投与するとインスリン依存性糖尿病による代謝異常が改善することを見出した。これには、IL-6、myonectin、leptinなどが骨格筋AMPK活性化に依存してSTZ糖尿病の代謝異常に関わることを見出した。これまでに、野生型(C57BL/6J)マウスにストレプトゾトシン(STZ)を投与すると骨格筋でAMPKが活性化することを見出した。骨格筋AMPKの役割を明らかにするために、骨格筋選択的にAMPKを抑制したDN-AMPK TgマウスにSTZを投与(STZ DN-AMPK Tg)したところ、血中インスリン濃度が低値なのにも関わらず、STZ糖尿病による高脂肪酸血症、高ケトン体血症が正常化し、部分的ではあるものの高血糖も改善した。また、骨格筋および脂肪組織重量が増加し体重減少が抑制された。そこで、STZ DN-AMPK Tgマウスの脂肪組織重量の改善メカニズムを調べるため、parabiosis(双体結合)した野生型マウスとDN-AMPK Tgマウスの腹腔内にSTZを投与し糖尿病を発症させたところ、野生型同士をparabiosisしたマウスによる高血糖や高脂肪酸血症などの代謝異常が改善した。骨格筋から分泌するIL-6は、STZ糖尿病マウスの骨格筋のタンパク質発現および血中濃度がいずれも上昇し、DN-AMPKマウスでは低下した。さらに、新たなマイオカインとして、骨格筋から分泌され肝臓や脂肪組織に作用し、脂肪酸の取込みを促進するmyonectinについて検討したところ、STZ糖尿病マウスで血中濃度が低下し、DN-AMPKマウスでは上昇していた。このように、私は、骨格筋AMPKの活性化が、IL-6やmyonectinといったマイオカインの分泌を介して、STZ糖尿病の代謝異常に重要な役割をしている可能性がある。双体結合(Parabiosis)マウスの作成および各中和抗体あるいはタンパク質の浸透圧ポンプを使った慢性的な投与実験における実験条件の確立に手間取ってしまった。申請者は、骨格筋選択的dominant negative-AMPK発現マウス(DN-AMPK Tg)にストレプトゾトシン(STZ)を投与すると、血中インスリン濃度は低値であるにも関わらず、糖尿病(STZ糖尿病)による高血糖、高脂肪酸血症、高ケトン体血症などの代謝異常が改善し、体重、骨格筋および脂肪組織の組織重量、致死率が改善することを見出した。このSTZ DN-AMPKTgマウスの代謝異常の改善には骨格筋から分泌されるIL-6やirisinが関わっていた。昨年度は、新たなマイオカインであるmyonectinと脂肪組織から分泌されるレプチンが、STZ糖尿病において血中濃度が低下し、STZ DNーAMPK Tgマウスにおいて回復していたことを見出した。本年度は、STZ糖尿病マウスにリコンビナントタンパク質のmyonectinあるいはレプチンを浸透圧ポンプで慢性的に投与すると代謝異常が改善し、反対に、STZ DN-AMPK Tgマウスにmyonectin又はレプチン抗体を慢性的に投与すると改善していた代謝異常が再び悪化していたことを見出した。以上の実験結果から、IL-6やirisinと共に、myonectin、レプチンが臓器連関を伴ってSTZ糖尿病の代謝異常に関わることが明らかとなった。今後は、糖尿病におけるmyonectinの効果を調べるために、STZ糖尿病マウスにmyonectinを補充する実験、逆に、STZ DN-AMPK Tgマウスにmyonectinの中和抗体を投与する実験を行う。予備実験では、STZ糖尿病マウスにmyonectinを補充したところ、糖尿病による代謝異常が改善し、逆に、STZ DN-AMPK Tgマウスにmyonectinの中和抗体を投与したところ、代謝は悪化した。DN-AMPKTgマウスにおいてどの組織においてグルコース及び脂肪酸の利用が改善したかを明らかにするため、RIラベルした2-deoxyglucose (2DG)を投与し、各組織におけるグルコース取込み速度を測定する。また、脂肪酸の利用がどの組織で行われているかを確かめるために、RIラベルしたbromopalmitate(BP)をこれらのマウスに投与し、各組織における脂肪酸取込み速度を測定する。さらに、インスリンについて検討する。インスリンはAMPK活性を抑制する。STZ糖尿病においてインスリンによる代謝改善効果の一つは、STZ糖尿病の骨格筋においてAMPKが異常に活性化することを防ぐことにあると考えられる。AMPKが活性化する結果、mTOR活性が抑制され、蛋白合成が抑制される為、治療に必要なインスリン量も増加する。

実際に、グルコース負荷試験を行うと、STZ DN-AMPKTgマウスでは有意に改善していることから、AMPKシグナルを抑制したマウスでは少量のインスリン投与で血糖値も正常化する可能性がある。そこで、STZ DN-AMPK Tgマウス、STZ糖尿病マウスにIL-6の中和抗体あるいはマイオネクチンを浸透圧ポンプで投与した時に、血糖値を長期的に正常化するために必要なインスリン投与量を調べる。代謝・内分泌学