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前立腺癌におけるＤＤ３による癌抑制候補遺伝子ＢＭＣＣ１の制御と癌化への関わり

BMCC1遺伝子座にコードされるLong non-coding RNA・DD3遺伝子の機能を調べた所、前立腺癌細胞株において、DD3がBMCC1の発現をmRNAレベルで負に制御することを明らかにした。前立腺癌で高発現するDD3に対して、抗BMCC1抗体を用いた免疫組織染色の結果、BMCC1は癌組織で発現低下傾向にある事が判明した。さらにBMCC1が、Bcl-2との結合およびAKTのリン酸化抑制を介して細胞死を促進し、抗癌剤感受性に寄与することを示したが、これはDD3の発現抑制によりBMCC1が発現亢進した細胞でも見られ、DD3のsiRNAと抗癌剤の組合せがより有効な治療法となる可能性を示した。本研究は、前立腺癌のマーカーとして注目されるDD3遺伝子が、当研究室で発見した新規遺伝子BMCC1遺伝子の第6イントロンに逆向きにコードされることから、前立腺癌において機能未知non-coding RNAのDD3遺伝子の発現がBMCC1の発現制御に関わる可能性について検討する(項目1)と共に、この制御系を応用した前立腺癌の治療および診断への有用性の検討(項目2)を二本柱としている。平成22年度は、項目1の「前立腺癌細胞株におけるnon-coding RNAのDD3によるBMCC1の発現制御機構の解明。」について行った。DD3(がん遺伝子の候補)が同じ遺伝子座に逆向きにコードされるBMCC1(がん抑制遺伝子の候補)の発現を負に制御する可能性を検証する為に、前立腺癌細胞株LNCaP細胞株を使用してDD3遺伝子の強制発現系とsiRNAを用いた発現抑制系を用いることによってDD3の発現量を人工的に変動させた。これら細胞について、RT-PCR法にてmRNAの発現を、抗BMCC1抗体を用いたウェスタンブロット法や免疫抗体染色法によってBMCC1タンパク質の発現を検討した。DD3遺伝子を過剰発現したところ、BMCC1の発現がmRNAレベルとタンパク質レベルで有意に低下することを見出した。次に、DD3遺伝子をsiRNAによりノックダウンしたところ、BMCC1の発現がmRNAレベルとタンパク質レベルで有意に増加することを明らかにした。DD3のノックダウンにより、アポトーシス促進因子BMCC1の発現が増加した細胞は増殖が抑制されることも見出した。詳細なメカニズム等については、次年度以降明らかにする予定であるが、前立腺癌で高発現するDD3の発現抑制が、項目2に掲げた前立腺癌の新たな治療法となる可能性を示すことが出来た。なお、以上の内容は国際学会および国内の学会で報告を行った。本研究は、前立腺癌のマーカーとして知られるDD3遺伝子が、当研究室で発見した新規遺伝子BMCC1遺伝子の第6イントロンに逆向きにコードされることから、前立腺癌において機能未知non-coding RNAのDD3遺伝子の発現がBMCC1の発現制御に関わる可能性について検討する(項目1)こと、および、この制御系を応用した前立腺癌の治療および診断への有用性を検討すること(項目2)を二本柱とする。(項目1)23年度は、DD3がBMCC1の発現を転写レベルで抑制するのかについて、RNA合成阻害剤アクチノマイシンD処理を行って検討した。その結果、RNA合成を止めたにもかかわらずBMCC1 mRNAの蓄積が確認されたことから、DD3はBMCC1 mRNAの不安定化に寄与することを明らかにした。また、BMCC1がアポトーシス促進因子として働くメカニズムについても明らかにしつつある。(項目2)前立腺癌組織のパラフィン切片を用いて抗BMCC1抗体による免疫組織染色とHE染色を組み合わせ、癌部と非癌部におけるBMCC1の検出方法の確立およびそれを用いた発現解析を行った。その結果,BMCC1は正常部で高発現するが癌部で発現低下していることを発見した。DD3のin situハイブリダイゼーション法による検出については現在検討中である。興味深いことに、DD3 mRNAの発現は癌部で高く非癌部で低いことがin situハイブリダイゼーション法を用いた解析から報告されており、BMCC1の発現と逆相関することが示唆される。以上、培養細胞を用いた解析より、前立腺癌で高発現するDD3の発現抑制が項目2に掲げた前立腺癌の新たな治療法となる可能性を示すことが出来た。さらに、BMCC1の免疫組織染色法を確立できたことは、今後の前立腺癌臨床検体におけるBMCC1発現解析を行う上で非常に有用である。本研究は、前立腺がんのマーカーとして知られるDD3遺伝子が、当研究室で発見した新規遺伝子BMCC1遺伝子の第6イントロンに逆向きにコードされることを手がかりとし、前立腺がんにおいて機能未知non-coding RNAのDD3遺伝子の発現がBMCC1の発現制御に関わる可能性について検討を行うとともに(項目1)、この制御系を応用した前立腺がんの治療および診断への有用性を検討すること(項目2)を目指している。

(項目1)25年度は、DD3の発現抑制によってその発現が亢進することを明らかにしてきたBMCC1が、細胞増殖を抑制し細胞死を誘導するメカニズムについて昨年に引続き検討を行った。ヒト培養細胞株において、過剰発現させたBMCC1が細胞死を誘導する際に、細胞の生存シグナル(AKTシグナル)を負に制御することを発見した。これには、多機能性足場ドメインとして知られ、細胞内シグナルを調節する働きが示唆されるBCHドメインが関わることを明らかにした。実際に、BCHドメインはBcl-2との結合および細胞死の促進に必須なドメインでもあることを見出した。さらに、細胞におけるBMCC1の過剰発現は、シスプラチンやアドリアマイシン等の抗癌剤に対する感受性を増加させることを示した。(項目2)項目1の成果をふまえて、本年度は、siRNA導入法によるDD3の発現抑制とシスプラチン処理を組み合わせることにより、前立腺がん細胞株に対してより効率良く細胞死を誘導できることを見出した。すなわち、アンドロゲンの脱制御が生じてDD3の発現が亢進した進行性の前立腺がんにおいても、DD3の発現抑制と抗癌剤を組み合わせる方法がより効果のある治療法となる可能性を示した。なお、以上の研究内容の一部は国内および国際学会で報告を行うとともに学術論文として投稿中である。本研究は、前立腺がんのマーカーとして知られるDD3遺伝子が、当研究室で発見した新規遺伝子BMCC1遺伝子の第6イントロンに逆向きにコードされることから、前立腺がんにおいて機能未知non-coding RNAのDD3遺伝子の発現がBMCC1の発現制御に関わる可能性について検討する(項目1)とともに、この制御系を応用した前立腺がんの治療および診断への有用性を検討すること(項目2)を目的としている。(項目1)24年度は、DD3の発現抑制によってその発現が亢進することを明らかにしてきたBMCC1が、細胞増殖を抑制し細胞死を誘導するメカニズムについて解析を行った。その結果、前立腺がん細胞株等において、BMCC1を過剰発現することにより細胞死が誘導されることを明らかにした。さらに、BMCC1タンパク質は細胞死を負に制御するBcl-2蛋白質と結合することを明らかにした。(項目2)DD3によるBMCC1の発現制御機構を標的とした前立腺癌の新規治療法の検討するための準備段階として、前立腺がん細胞株を用いてsiRNA導入法によりDD3の発現抑制を行い、BMCC1の発現亢進に伴い細胞死が誘導されるかを検討した。その結果、DD3特異的なsiRNAを導入した細胞において、BMCC1の発現上昇とともに細胞死が誘導されることを見出した。また、DD3およびBMCC1の発現を指標とした診断法の検討に関しては、前立腺がん組織切片中のDD3の発現量をin situハイブリダイゼーション法により検出するための条件を検討した。なお、以上の内容を含む研究は国内の学会で報告を行った。DD3がBMCC1を発現抑制するという現象およびその機構については、おおむね検証・解明できた。
無機結晶を用いた不斉認識ナノ空間の創成と固体不斉有機触媒への応用

不斉合成反応は、医農薬をはじめとするファインケミカル合成に必要不可欠な手段であり、金属触媒を用いない新規合成法の開発は、実用面からもその必要性は高い。不斉有機触媒は常温下で活性を示し、厳密な無水溶媒を必要とせず、生分解性、生体適応性が高いなど、環境調和型反応を実現する新たな触媒として極めて有望である。本研究では高効率・高選択的な触媒反応を環境調和条件で達成することを目指して、固体無機物が形成する層間を反応場として有効利用する新規な触媒不斉反応システムの構築を行なっている。結晶性無機固体の表面および層間のイオン場および極性場を利用して新規な活性反応場を構築し、従来不可能であった固体触媒による不斉酸化反応までを実現できる実用的不斉触媒の開発のための、ハイブリッド系触媒の設計方針の確立を目指しており、本年度は、無機層状粘土鉱物であるモンモリロナイト層間を利用した不斉有機触媒の固定化を行い、高選択的ディールス・アルダー反応を行った。キラルアミンである光学活性imidazolidinoneの固定化とディールズ・アルダー反応における立体選択性のさらなる検討を行った。モンモリロナイトでは、インターカレーションするゲスト分子や溶媒により層間距離を制御することができ、モンモリロナイトの層間カチオン交換性と柔軟な層状構造を利用して、光学活性imidazolidinoneの固定化に成功した。種々の固定化条件の検討を行った結果、イオン交換法による固定化が最も有効であり、光学活性imidazolidinone塩酸塩を用いると固定化が可能となる。均一系での光学活性imidazolidinoneと同等もしくはそれ以上の触媒活性および、高い不斉収率を達成することに成功した。本反応は不均一系で進行し、触媒調製が容易であることや分離回収も簡便であることから、優れた固体不斉触媒の開発に成功した。本研究では、固体無機結晶としてオングストロームオーダーの層間距離をもつ酸性層状粘土鉱物モンモリロナイト、塩基性層状鉱物ハイドロタルサイト、ハイドロキシアパタイトを用い、不斉有機触媒として、キラルアミンである光学活性imidazolidinoneの固定化とディールズ・アルダー反応における立体選択性を検討する予定した。本年度は、種々の有機分子をインターカレーションした触媒を調製し、液相でのディールズ・アルダー反応における触媒効果をスクリーニング、特に、均一系での不斉有機触媒との触媒活性、立体選択性の比較検討を計画した。モンモリロナイトでは、インターカレーションするゲスト分子や溶媒により層間距離を制御することができることから、高機能触媒の開発が期待される。本年度の成果として、モンモリロナイトの層間カチオン交換性と柔軟な層状構造を利用して、光学活性imidazolidinoneの固定化に成功した。さらに、不斉Diels-Alder反応への応用を行ったところ、均一系での光学活性imidazolidinoneと同等もしくはそれ以上の触媒活性および、高い不斉収率を達成することに成功した。
気管支喘息におけるTh2特異的ケモカインの発現

一方MDCの染色性は、正常、喘息とも弱く、両群間に差は認めなかった。気道上皮細胞株(A-549、BEAS-2B)を用いて、in vitroでの産生を検討したところ、A-549は、IL-4/TNF-αの、またBEAS-2BはIL-4TNF-αの共刺激でng/mlオーダーの大量のTARCを産生した。一方、MDCの産生は、種々の刺激にかかわらず、全く認めなかった。また、気道上皮細胞株によるTARC産生は、グルココルチコイドにより完全に抑制された。気管支喘息患者の誘発痰、血清中のTARC、MDC濃度を測定し、健常人と比較した。健常人に比べ、喘息患者の誘発痰中のTARCは有意に増加していた(117±139vs32±39pg/ml)。また、血清TARCも喘息患者で増加していた(89±58vs192±143pg/ml)。誘発痰中のMDCは測定限界以下であった。また、血清MDCについては喘息、健常人間で有意差を認めなかった。以上の結果より、気道上皮細胞はTARCの重要な産生細胞であり、喘息患者の気道ではTARC発現が増加していることが判明した。Th2特異的ケモカインであるTARCは喘息の病態に関わっている可能性が示された。(1)喘息患者、正常人の気道粘膜の生検組織について、TARC、MDCの免疫組織染色を行った。喘息患者の気道上皮は正常人に比べ、明らかに強いTARCを発現していたが、MDCについては極めて弱く、喘息患者と正常人の間に差を認めなかった。(2)気道上皮細胞株(A549、BSAS-2B)を種々のサイトカインで刺激し、TARC、MDCの産生をみた。IL-4を含む刺激でTARC産生が蛋白、mRNAレベルで確認された。一方、MDC産生はほとんど認められなかった。(3)気道上皮細胞株のTARC産生は、喘息の有効な治療薬であるグルココルチコイドにより蛋白、mRNAレベルで完全に抑制された。以上の検討より、喘息における重要なサイトカイン/ケモカイン産生である気道上皮細胞は大量のTARCを産生しうることが明らかとなった。(1)塩野義製薬との共同研究で入手した高濃度のTARCのELISAを用い検討したところ誘発痰中、血清中に有意なTARCの増加を認めた。(2)血清中のMDCは喘息患者、正常人間に有意な差を認めなかった。誘発痰中のMDCは測定不能であった。以上の検討より、喘息におけるTARCの重要性とともに、血中TARC濃度が喘息の診断、病勢の指標になりうることが示唆された。健常人に比べ、喘息患者の誘発痰中のTARCは有意に増加していた(117±139 vs 32±39pg/ml)。また、血清TARCも喘息患者で増加していた(89±58 vs 192±143pg/m1)。誘発疾中のMDCは測定限界以下であった。
メタゲノム遺伝子の効率的発現を目指した大腸菌の改変

私たちは発酵食品や抗生物質の生成など、様々な場面で微生物の恩恵を受けている。しかし、培養が困難なため、全微生物種の大部分(>99%)を活用できていない。この打開策として、環境中の遺伝子資源を直接クローン化する、メタゲノム技術が注目されている。培養を省略することで、これまで俎上にのぼらなかった「難培養性微生物」からの新規有用物質の発見が期待されている。しかし、メタゲノム技術は取得効率が極めて低いのが難点である。メタゲノム遺伝子の発現効率は、宿主である大腸菌の転写・翻訳装置に依存する。このため、大腸菌とは系統的に離れた微生物由来の遺伝子だと、発現レベルが著しく低くなることも多い。例えば、微生物の中には大腸菌では使用頻度が低い開始コドン(non-AUG:GUG,UUG)や各種アミノ酸に相当するコドン(AUA→イソロイシン、AGA→アルギニンなど、いわゆるレアコドン)を頻繁に利用するもの、大腸菌とは異なるリボソーム結合配列、プロモーター配列を有する微生物の遺伝子は、大腸菌内での発現レベルが著しく低い。本研究では、大腸菌の転写・翻訳機構をターゲットとした宿主改良を行い、メタゲノム探索用宿主を創出する。特に、大腸菌では使用頻度が低い開始コドンを持つ遺伝子(GUG,UUG;non-AUG遺伝子)でも高発現できる大腸菌の作製を目指した。まず、モデル遺伝子として、non-AUG開始コドンを持つGFPを合成したところ、弱蛍光性を示した。外来因子の導入により強蛍光性になったクローンを選抜し、宿主改良に必要な因子を探索する。外来因子として、開始コドンの識別に関わるInitiation factor 3(IF3)に着目した。より正確な評価を行うため、内在性IF3を除去したIF3欠損株を作製した。IF3欠損株の中でnon-AUG-GFPと各種IF3変異体を共発現させた。その結果、強蛍光性を示すクローンをGUG-GFPでは7つ、UUG-GFPでは3つ見つけることができた。変異点が点在していることから、これらの変異を組み合わせることで、さらに強い蛍光を示すクローンを得られる可能性が高い。この打開策として、環境サンプル中の遺伝子資源を直接クローン化する、メタゲノム技術が注目されている。培養を省略することで、これまで俎上にのぼらなかった、「難培養性微生物」からの新規有用物質の発見が期待されている。しかし、メタゲノム技術は未だ発展途上であり、取得効率が極めて低いのが難点である。数十万クローンからわずか数個の陽性クローンにとどまることも多く、労力に見合った結果とは言い難い。メタゲノム遺伝子の発現効率は、宿主である大腸菌の転写・翻訳装置に大きく依存する。それ故に、大腸菌とは系統的に離れた微生物由来の遺伝子発現には、時として大きな困難が伴う。そこで本研究では、大腸菌では使用頻度が低い開始コドンを持つ遺伝子(non-AUG遺伝子)でも高発現できる大腸菌の作製を目指した。また、外来IF3の効果をより正確に評価するため、内在性IF3を欠損させて外来IF3を加えた、外来IF3単独型変異体でも同様の実験を行った。その結果、単独型でも(1)を用いるとnon-AUG遺伝子の発現量が約2倍になった。本研究はnon-AUG遺伝子の効率的発現にIF3をターゲットとした宿主改良が有効であることを示した、初めての例である。今後は進化工学的手法あるいはメタゲノムを含めた外来ソースを用いて、IF3のさらなる改良を進めていく。IF

3欠損株の中でnon-AUG-GFPと各種IF3変異体を共発現させた。その結果、強蛍光性を示すクローンをGUG-GFPでは7つ、UUG-GFPでは3つ見つけることができた。変異点が点在していることから、これらの変異を組み合わせることで、さらに強い蛍光を示すクローンを得られる可能性が高い。
不眠・不穏を改善するための看護ケアに関する研究-生体リズムの位相変化に注目して-

高齢者の睡眠を援助することを目的に、高吸水性樹脂を使ったホットパックを作成した。この用具は入浴に比べ簡便に実施できる特徴を持つ。深部温を一旦あげ、次いで低下させるが、この変動時に睡眠が誘導される。実際に施設入所の高齢者に実施したところ、夜間の睡眠の質が向上した(睡眠潜時と中途覚醒の減少)。特に、日頃から不眠を訴える群で、その効果は大きい。この用具を使った睡眠援助のための看護プログラムを作成した。高齢者施設では夜間の不眠不穏に睡眠剤が投与されることがある。しかし薬物の連用は、持ち越し効果による日中の眠気や倦怠感などを招き、高齢者のQOLを低下させることになる。そこで本研究では、入浴の睡眠促進効果に着目した。薬物ではなく入浴やそれに匹敵する用具を開発し、これを活用する看護ケアによって、睡眠リズムを調整する計画である。具体的な研究計画は、(1)高齢者の生活リズムの把握、(2)入浴と高齢者の睡眠の関係の検討、(3)高齢者の生体リズムの把握、(4)用具の開発、(5)開発した用具による深部体温の上昇効果、循環促進効果、入眠促進効果の解析、(6)高齢者に用具を適用し、睡眠障害の改善を図る、(7)研究成果の発表である。そこで本研究では、薬物ではなく入浴やそれに匹敵する用具(我々の開発したホットパックを用いた用具)等を活用した看護ケアによって、睡眠リズムを調整する方法を開発する。本年度はその基礎として、入浴、温罨法について次のことを調べ、また生体リズムを把握する方法を検討した。1.入浴の時間帯と高齢者の睡眠の関係高齢者施設で夜間入浴を実施している高齢者と日中入浴を実施している高齢者の生活リズムをアクチグラフで調べた。両者ともに入浴後20-50分に入眠がみられた。前者では、この入眠は以後の夜間睡眠に続いており中途覚醒は殆ど見られなかった。一方後者の夜間睡眠では、頻繁に中途覚醒が見られた。朝の状況は前者ではトイレを誘導されてから直ちに活動を開始していたが、後者では約1時間、半覚醒状態が続いた。夜間入浴は高齢者の睡眠の質を向上させることが示唆されるが、今後対象者の条件や数を整え精査する予定である。2.ホットパック施行部位の検討開発した温罨法の施行部位として頸部と腰部のどちらが有効であるかを、自律神経活動より検討した。本温罨法にはリラクゼーション効果があり、頸部への施行が援助に有効であることが分かった(第32回看護研究学会)。3.開発したホットパックの循環促進効果当該の材料ををブーツ状に成形した。これを下肢に施行し皮膚血流量・温度の変化を経時的に調べた。足浴の場合と比較した結果、このブーツは足浴と同様の温熱・循環促進効果を持つことが分かった(第5回コ・メディカル形態機能学会)。4.生体リズムの把握方法の検討血圧や深部温度の24時間持続測定等を検討したが、唾液のメラトニンをELISAサンドイッチ法によって経時的に測定することが、本研究には適していると考えられた。考案したホットパック温罨法を高齢者に対して本格的に施行するための基礎として、ホットパックの施行部位、時期、時間、対象者の選定のための特性と高齢者からの唾液の採取法等を検討し、以下のホットパック施行方法とその評価方法を決定した。特別養護老人ホーム入所中の後期高齢者(20人程度)に、1.入眠直前に3040分間のホットパック温罨法を、下肢に、約8週間施行する。2.ホットパック温罨法による介入前、介入後に、唾液中のメラトニン、コルチゾールを測定し、概日リズムとストレスの緩和状況を解析する。3.また、この時、1-2日間アクチウォッチを装着してもらい、睡眠覚醒リズムを解析する。4.認知症の見られない高齢者からはアンケートによって、主観的睡眠感について情報を収集する。5.血流の改善を見るためには、血量計の装着は現実的ではないため、サーモグラフィーを使用する。この決定した方法について、高齢者、その家族、関係する特別養護老人ホームから、協力の同意を得た(本学倫理委員会の承認もすでに得た)。ホットパック温罨法の低温熱傷の危険性については、ラットなどの動物だけだけではなく、究極的にはヒトについての解析が不可欠である。しかし、本邦ではヒトへの実験は極めて困難である。そこで、米国ワシントン大学看護学部Whitney教授の下で、ホットパックのヒト皮膚への影響を検討した。我々が想定しているホットパックの施行は危険性が少ないことが分かった。またホットパックの効果として、皮下組織酸素分圧の上昇、および血流の増加がヒトでも見られた。

さらに創傷を局所加温すると、Flow Cytometryおよびimmunohistochemistryの解析で、治癒を促進する可能性があることも分かった。高齢者に良好な睡眠をもたらす道具として、これまでに独特のホットパックを考案し、その簡便性と安全性を確かめた。20年度は、前年度に決定したプロトコールに従って、実際に不眠を訴える施設入所の高齢者にホットパック温罨法を施行し、その効果を明らかにした。就寝前の8週間連日、ホットパックによる下肢温罨法を40分間、施設入居中の高齢者15名(87±8.53歳)に実施し、アクチグラフを用いて睡眠-覚醒リズムの変動を測定し、またサーモグラフィーを用いて皮膚表面温度を測定した。さらにベッドサイドでの観察(自発的な被験者からの発言の聴取を含む)、夜間巡回記録の調査を行った。1.入眠潜時と夜間中途覚醒回数が有意に減少し、睡眠状況の改善が認められた。2.深部体温の指標である前額部皮膚温度の上昇と、末梢からの熱放散の指標である手背の皮膚温度の上昇が認められた。本ホットパックでは、40分間という長時間の貼用が可能であったために、深部温度の上昇を招いたと思われる。3.全ての被験者から、ホットパック実施時に「気持ちがよい」「温かい」「ありがたい」「また明日もお願いね」等、ホットパックに対して好意的な言動が聞かれた。以上から、本ホットパック温罨法は、加齢に伴って振幅が小さくなる深部体温リズムを修正し、入眠を促進したことが考えられる。また、リラクゼーション効果もあり、入眠によい状況を提供したことが考えられる。このほか20年度は、日内リズムの位相のずれを検討するために、8週間のホットパック温罨法の前後に、唾液を採取した。現在ELIZA法によってメラトニン量を解析中である。前年度に実施した高齢者に対するホットパック温罨法<8週間連日夕食後に、ホットパックによる下肢温罨法を40分間、施設入居中の高齢者15名(87±8.53歳)に実施>について、本年度は多方面からデータ解析をし、また高齢者の皮膚弾力性へのホットパックの影響を調べた。1.アクチグラム:ホットパック温罨法によって、睡眠潜時(p=0.043)、中途覚醒回数(p=0.018)に明らかな改善が認められ、最長の連続睡眠時間には延長の傾向(p=0.063)が認められた。2.サーモグラフィー:ホットパック実施中は、前額部と、末梢からの熱放散指標である手背の皮膚表面温度の上昇が認められた。ホットパック除去後では、20分まで前額部の皮膚表面温度はホットパック貼用中のままで推移し、手背の皮膚表面温度は緩やかに低下した。本ホットパック法は深部温度の一過性上昇と末梢からの熱放散を促すことができることが示唆された。3.Cutemeter:40分間のホットパック実施では皮膚弾力性に対して大きな変化は認められなかった。4.メラトニンの定量:7人の高齢者から経時的にサリベットコットンで唾液を採取し、ELISA法で解析した。しかし高齢者から十分な唾液量を採取することは極めて困難であることが分かった。現在のところ、明らかな所見は得られていない。今後何らかの工夫を加えて、再度メラトニンを定量する予定である。5.主観的使用感:全ての被験者からホットパック下肢温罨法を心地よいものと捉える発言が聞かれた。本ホットパック法がリラクゼーションを促すケアとしても有用であることが示唆された。
代謝理論にもとづいた食物網構造の定量化と野外生態系への応用

定量的な食物網構造の把握はその動態や安定性の理解に欠かせない。植物遺体から食うー食われる関係を通じて、食物網の他の生物へどのようにエネルギーが流れるかは、食物網全体の動態に大きく影響を与えることが知られている。本研究では、食物網構造を定量化するための一連の手法を開発し、その方法を応用することで植物遺体を消費する生物の多様性が高いほど植物遺体由来のエネルギーが食物網の上位の捕食者のエネルギー獲得に占める割合いが大きくなるという仮説を検証した。多数のため池における定量的な食物網構造の分析から、植物遺体食者の多様性および個体数が植物遺体由来のエネルギー割合と有意な正の関係を持っていることが示された。本研究では、安定同位体データをもとに食物網を構成する消費者に対する餌の貢献比率を一括して推定する手法(IsoWeb)と代謝理論から得られる知見を活用し、食物網内の主要なエネルギー流の簡便な把握を可能にすることを目的とする。本年度は、この目的にそって、推定モデルIsoWebの高度化を行った。具体的には、野外において食物網の捕食-被食関係が完全に把握できない場合においても、構成種の安定同位体データと情報基準をもとに、適切な食物網構造を選択することができるようにIsoWebを拡張した。また、エネルギー食物網の把握手法の検討にもちいるためのデータとして、複数の淡水生態系において取得された食物網データ(構成種の安定同位体比データおよびバイオマス)を整理し、文献情報から得た捕食-被食関係に関する情報とIsoWebを合わせて、それぞれの淡水生態系の食物網における餌の貢献比率の推定を行った。さらに、代謝理論にもとづいたパラメータ値を用いて仮想的な食物網を多数構成し、食物網全体のエネルギー流を強く規定する、食う-食われる関係が、全体の食物網構造のとの関係でどのような場所に現れやすいかを検証するための解析を進めた。次年度以降は、これらのデータおよび解析結果を用いて、餌の貢献比率に応じたバイオマス分配をもとに得られる定量的な食物網構造に関する情報が、食物網の中で、全体のエネルギー流を規定したり、安定性に影響したりするのに重要な役割をはたす部分を特定できるかどうかを検証する計画である。また、IsoWebの汎用性を高めるために、使い方や応用例を解説論文としてまとめた。また、前年度に取り組んだ、対象種の機能群、捕食者と被食者の体サイズ比、IsoWebによって推定された餌の貢献比率等から、食物網構造の再構成手法を利用して得られた多数の食物網構造にもとづいて動的なモデルを構築した。さらに、動的な食物網モデルを、少数の種の組み合わせからなる多数のサブネットワーク(食物網モチーフ)に分解して安定性を解析することで、食物網全体の安定性に大きな影響を及ぼすキースストーン的な種や捕食ー被食関係を特定する方法を考案し、その実装と妥当性の検証を行った。複雑な野外食物網に適用可能な、食物網の特性(とくに安定性)解析の手法の開発と検証が本研究の主要課題であるが、基本的な手法の開発には予定通りめどがついたため。本年度は、発展的な課題として、食物網構造の定量化に加えて、前年度に開発した、動的な食物網モデルを少数の種の組み合わせからなる多数のサブネットワーク(食物網モチーフ)に分解して安定性を解析することで、食物網全体の安定性に大きな影響を及ぼすキースストーン的な種や捕食ー被食関係を特定する方法を用いて、湖沼生態系の食物網を分析し、食物網内の栄養段階の低い捕食-被食関係(具体的には、植物プランクトン-動物プランクトン)が、生態系全体の安定性に対して特に大きな影響をもっていることを示した。手法開発およびその検証のための野外データの収集整理ともに、予定通り進展している。また、研究成果の公表・発表も順調に行っている。次年度は、今年度までに考案・構築した一連の食物網データを、野外の食物網に適用し、その有効性を検討する予定である。

群集生態学次年度以降は、これまでに行った解析手法の拡張、収集・整理したデータおよびシミュレーションを用いた食物網解析結果を総合的に用いて、餌の貢献比率に応じたバイオマス分配をもとに得られる定量的な食物網構造に関する情報が、食物網の中で、全体のエネルギー流を規定したり、安定性に影響したりするのに重要な役割をはたす部分を特定できるかどうかを検証する計画である。当初の計画では、代謝理論をもとに消費者の体サイズデータのみからバイオマス量を理論的に推定し、エネルギー食物網の推定に用いる計画にしていた。しかし検討の結果、この方法では食物網推定に必要とされる精度でバイオマス情報を得ることが困難なことが判明した。そこで、今後の計画ではバイオマスの実測情報を用いる手法とすることにした。またそれと同時に、より簡便な定量化手法の実現を目指して、安定同位体比データなどから食物網構成種のバイオマスを推定するための手法の検討も実施する計画である。今年度は、研究計画をより効率的に進めるために、手法の開発に注力したため、予定していた野外データ採取・収集のための旅費・人件費等が次年度になった。データ解析の手法を変更したため、その分析を優先し、当初予定していた研究打ち合わせを次年度以降に実施することとした。そのための旅費を今年度使用しなかったため。既存資料等のデータ収集および入力作業を迅速に進めるために、人件費を中心に支出する予定である。これまでの計画に加えて、前年度延期した研究打ち合わせを実施する。
視覚障害者と健常者が共に快適でバリアフリーなオフィス環境を構築するシステムの開発

UHF帯RFIDを用いて,視覚障害者が職場で安心・安全に働くことができ,視覚障害者が他の障害者や健常者と,気軽にコミュニケーションを取ることができ,安全に職場内を移動できるシステムの構築を目指して研究を行った。H28年度,都立八王子盲学校の教室・体育館・食堂・職員室・トイレ等,すべての部屋の入り口に15cm角の点字標識を取り付けた。点字標識の裏にはRFIDが貼り付けてある。またシステムを懐中電灯サイズまで小型化し,使い勝手も向上させた。平成29年度はこの実験環境と小型化したシステムを用いて,現在地から目的の部屋までナビゲーションを行う実証実験を行い,良好な結果を得た。Deep Learningによる点字ブロックの学習を試みたが,直線模様を点字ブロックと誤認識する場合があり,屋外ナビゲーションに使える認識精度は得られなかった。v-SLAMによる障害物検知については,マイクロソフトのホロレンズを使い,障害物検知とそれをよけるルート作成及びナビゲーションについて実装を行った。ホロレンズの処理能力の問題から,案内やリルートの速度に不満はあるものの,ホロレンズだけですべての機能を実装でき,実証実験に成功した。平成30年度は,薄暗い光でも動作可能な太陽電池駆動のBLE(Bluetooth Low Energy)ビーコンが開発され,サンプル出荷が始まったので,RFIDをBLEビーコンに置き換えて,ナビゲーション環境を再構築した。これによりRFIDリーダが不要になり,スマートフォンだけでナビゲーションを可能にした。またスマートフォンで撮影した,7種類の文房具の写真約1300枚を用意し,学習済みの機械学習ネットワークを用いて,転移学習を行うことで,認識精度の検証を行ったところ70%の正答率が得られた。一般物体認識モデルの精度は20-30%であり高い認識精度を実現できた。UHF帯RFIDを用いて,視覚障害者が職場で安心・安全に働くことができ,視覚障害者が他の障害者や健常者と,気軽にコミュニケーションを取ることができ,安全に職場内を移動できるシステムの構築を行っている。当初,民間企業との協力を得ることで合意していたが,ビル所有者との交渉がうまくいかず,都立八王子盲学校で実証実験をさせていただくこととなった。盲学校の要望で,教室・体育館・食堂・職員室・トイレ等,すべての部屋について,15cm角の点字標識を取り付けた。点字標識の裏にはRFIDタグを貼り付けている。点字標識のピクトのデザインについて,全盲でない視覚障害者がハレーションを起こしにくい色・デザインについて提案があり,市販のピクトで対応できなかったため,すべてオリジナルで作成した。スマートフォンと接続したRFIDリーダによりタグを読み取り,音声によりナビゲーションを行うシステムは,鞄に入れ,視覚障害者が肩にかけて運用することを予定していたが,大きくて重い・面倒との意見が出され,ハードウェアの小型化に取り組んだ。現在までに少し大きめの懐中電灯サイズにまで小型化できたが,予定外の作業だったため,実際の実証実験についてはこれからスタートする。実証実験そのものは遅れたが,次年度の研究内容を先んじて取り組んだ。RFIDによる事故位置推定は障害物を見つけられないため,v-SLAMによる障害物検知を試み,研究室内で様々な障害物を避ける経路の作成に成功している。さらにDeep Learningによる点字ブロックの学習・認識についても基礎実験を行った。撮影した画像を細かく分割し,その中から点字ブロックの存在する画像と存在しない画像をCNNモデルで学習させ,未学習のデータについて正答率を検証している。正答率を高めるための画像情報の効果的な前処理について様々な検討を行っている。実証実験については開始できなかったが,次年度実施予定の障害物検知とDeep Learningを使った画像認識技術の応用については先んじて研究を進めることができた。実証実験の対象となった,都立八王子盲学校との打ち合わせにおいて,点字標識に対するデザインの要望が,全盲以外の人に配慮するものであったことは想定外であり,点字標識のピクトをオリジナルでデザインすることになり想定外の時間の要した。また装置を預け盲学校で使ってもらえるようにするためには,装置の小型化と使い勝手の簡便化は必須であり,その改良にも時間を要した。反面,次年度実施予定のv-SLAMを使った障害物検知については良好な結果が得られており,今後実装するための検討を進める。Deep Learningを用いた点字ブック検出についても,先に実験を進めており,学習における画像データの有効な前処理について検討を行っている。今後点字ブロックだけでなく,オフィス内で仕事で使用する物品の学習についても検討を進めていく。盲学校の希望のデザインにより,教室・体育館・食堂・職員室・トイレ等,すべての部屋について,15cm角の点字標識を取り付けた。平成29年度はこの実験環境を用い,懐中電灯サイズにまで小型化したシステムを用いて,現在地から目的の部屋までナビゲーションを行う実証実験を行い,良好な結果を得ることができた。しかし,周辺環境に強い影響を受ける場合があることも判明した。すなわち,廊下のように鉄筋や鉄骨が狭い範囲に存在する場合,反射波の影響で,遠方のRFIDを強く読み取ってしまい,逆に足下のRFIDが読み取れない場合が時々あり,ナビゲーションがうまくいかない場合があった。逆に広い教室内で仮のコースを設定し,床にRFIDを貼り付けた場合はほぼ間違いのないナビゲーションを実現できた。

Deep Learningによる点字ブロックの学習・認識については撮影した画像を細かく分割し,点字ブロックの有無の2値分類を行ったが,直線的な模様を誤認識してしまう結果となった。そこで画像全体を入力として点字ブロックのパターンだけを教師信号として学習する手法について検討を続けている。v-SLAMによる障害物検知については,マイクロソフトのホロレンズを使い,障害物検知とそれをよけるルート作成及びナビゲーションについて検討を行った。その結果,健常者がアイマスクを付け,廊下にある障害物を避けて,移動する実証実験を成功させることができた。しかしホロレンズ搭載コンピュータの計算速度の関係で,ゆっくりと歩かないと案内やリルートが現状では間に合わない。都立八王子盲学校に構築した実験環境を利用して,実際にナビゲーションの実証実験を行うことができた。廊下の場所によっては反射波等の影響を受け,うまくいかない場合があるが,RFIDタグを増やすことで対応が可能と考えられる。Deep Learningによる点字ブロックの認識は,実証実験を行うほど,高い正答率で点字ブロックを認識することはできなかった。しかしながら,v-SLAMによる障害物検知では,ホロレンズを使用し,ルート作成と障害物検知,及びナビゲーションについて,処理速度に問題があるものの一通りの機能を実装でき,実証実験も良好な結果を得ることができた。UHF帯RFIDを用いて,視覚障害者が職場で安心・安全に働くことができ,視覚障害者が他の障害者や健常者と,気軽にコミュニケーションを取ることができ,安全に職場内を移動できるシステムの構築を目指して研究を行った。H28年度,都立八王子盲学校の教室・体育館・食堂・職員室・トイレ等,すべての部屋の入り口に15cm角の点字標識を取り付けた。点字標識の裏にはRFIDが貼り付けてある。またシステムを懐中電灯サイズまで小型化し,使い勝手も向上させた。平成29年度はこの実験環境と小型化したシステムを用いて,現在地から目的の部屋までナビゲーションを行う実証実験を行い,良好な結果を得た。Deep Learningによる点字ブロックの学習を試みたが,直線模様を点字ブロックと誤認識する場合があり,屋外ナビゲーションに使える認識精度は得られなかった。v-SLAMによる障害物検知については,マイクロソフトのホロレンズを使い,障害物検知とそれをよけるルート作成及びナビゲーションについて実装を行った。ホロレンズの処理能力の問題から,案内やリルートの速度に不満はあるものの,ホロレンズだけですべての機能を実装でき,実証実験に成功した。平成30年度は,薄暗い光でも動作可能な太陽電池駆動のBLE(Bluetooth Low Energy)ビーコンが開発され,サンプル出荷が始まったので,RFIDをBLEビーコンに置き換えて,ナビゲーション環境を再構築した。
極限高地棲息動物の生理特性

平成14年度は以下の研究を行った。1.極限高地生息動物(ナキウサギ、チベットヒツジ、ヤク)の高地適応特性を解明するために、前年度の補充実験を行った。具体的にはヤク5頭について、中国青海省の高原医学実験所(海抜2,300m)で低圧タンク装置を使って、海抜0,2,300および4,500m相当の環境暴露を行った際の肺循環動態の検討およびNO阻害剤(NLA)の効果。さらに高度3,750m地点において、ブタ5頭、ナキウサギ12匹、ラット8匹について肺循環動態の測定とNLAの効果について測定した。2.自然環境下に生息するナキウサギ概日リズムを測定した。調査地として、中国青海省の省都、西寧から南南西の方向へ直線距離にして275kmにある果洛州瑪沁県の中心の町大武郊外の草原のクチグロナキウサギの生息地(標高3730m)を選んだ。野生のクチグロナキウサギを捕獲し、ケタラール(50100mg/kg体重)麻酔下に腹腔内に体温測定用テレメータを埋め込んだ。テレメータとしては(1)CHP-IMP、重さ:7.0g大きさ:3.3×1.9×1.0cm、電池寿命:約1ケ月、米国テロニクス社製、(2)M1130、重さ:2.1g、大きさ:2.7×1.0×0.6cm、電池寿命:2550日、米国アドバンストテレメトリーシステム(ATS)社製の2種類を用いた。温度に応じた周波数のパルス音がテレメータから発信され、その電波をアンテナで受信する。各周波数チャンネルを設定した時間間隔で順番にスキャンして受信し、パルス間隔(m sec)データをデータロガに記録できる電池(直流12V)駆動の受信機兼ロガ(TR-5、米国テロニクス社製)に記録した。平成14年度は19匹のクチグロナキウサギにテレメータの埋め込み測定した。初年度の2000年は8月7日から8月24日の18日間に亘って中国青海省に出張し、チベットヒツジについて研究を行った。ヒツジは中国青海省の高原に放牧しているものを用い、標高別に海抜3,000mの大通で雄7頭、3,750mの大武で雄7頭の合計14頭である。3,000m地点のチベットヒツジと3750m地点のチベットヒツジを比較して、右心室の重量比(RVW/LVW)を比較してみると、それぞれ0.32±0.017,0.33±0.017で3750m地点のヒツジがやや高値を示すが、その差は僅かで有意差がみられない。同様に3,000mと37,50m地点のヒツジについて、ヘマトクリット(Ht)、動脈圧(Psa)、肺動脈圧(Ppa)、動脈圧に対する肺動脈圧の割合(Ppa/Psa)および心拍出量(CO)を比較してみると、Htは37.1±3.62%に対して39.0±3.82%、Psaは108.4±25.9mmHgに対して99.6±16.4mmHg、Ppaは28.3±10.0mmHgに対して29.8±4.3mmHg、Ppa/Psaは0.26±0.05に対して0.31±0.07、COは7.16±1.12l/minに対して7.13±1.09

l/minとなっており、Psa以外のいずれの項目も3750m地点のヒツジがやや高値を示すが、両群の間に有意さが認められない。高地環境下では右心室肥大を中心とした肺循環系に適応的変化がみられる。その点からみると、右心室の重量比(RVW/LVW)、ヘマトクリット(Ht)、肺動脈圧(Ppa)、動脈圧に対する肺動脈圧の割合(Ppa/Psa)などは高地に生活しているものほど高い値を示すのが一般であるが、結果はすでに述べたように、その差は僅かで有意差がみられないのがチベットヒツジの特徴と言える。2001年7月30日から8月19日までの延べ21日間にわたって、中国青海省において調査を実施した。今回は研究成果の効率化を計るために、研究班をAとBの2班に分けた。即ち、A班は松本、斉藤、松崎が担当し海抜3、750m地点でナキウサギの体温の日内リズムの計測に専念した。B班は酒井、石崎、小泉が担当し、青海省の高原医学研究所が所有する大型人工気象室を用いて、チベットヒツジ(7頭)、ブタ(5頭)、ヤク(2頭)について海抜0m, 2300m, 4500mの各海抜高度に暴露した時の肺循環動態の変化にについて測定しただらに、これらの動物こついてNO阻害剤の効果についても検討した主な測定項目は体血圧、肺動脈圧、ヘマトクリット、心室重量、血液ガス分析であった。その結果、チベットヒツジはブタと比較して、ヘマトクリット、酸素消費量、右心室肥大、肺高血圧などが有意に低いことが明らかとなった。この結果は、完全高地適応動物と考えられるナキウサギの結果とも一致する。また、ナキウサギの体温の日内リズムについてはテレメター法で長期間観察することが腰なため完全なデータはまだ少ない。しかし、今までの記録からナキウサギの体温の日内リズムは他の搬動物と比較してリズムが微弱であることが推測された。平成14年度は以下の研究を行った。1.極限高地生息動物(ナキウサギ、チベットヒツジ、ヤク)の高地適応特性を解明するために、前年度の補充実験を行った。具体的にはヤク5頭について、中国青海省の高原医学実験所(海抜2,300m)で低圧タンク装置を使って、海抜0,2,300および4,500m相当の環境暴露を行った際の肺循環動態の検討およびNO阻害剤(NLA)の効果。さらに高度3,750m地点において、ブタ5頭、ナキウサギ12匹、ラット8匹について肺循環動態の測定とNLAの効果について測定した。2.自然環境下に生息するナキウサギ概日リズムを測定した。調査地として、中国青海省の省都、西寧から南南西の方向へ直線距離にして275kmにある果洛州瑪沁県の中心の町大武郊外の草原のクチグロナキウサギの生息地(標高3730m)を選んだ。野生のクチグロナキウサギを捕獲し、ケタラール(50100mg/kg体重)麻酔下に腹腔内に体温測定用テレメータを埋め込んだ。テレメータとしては(1)CHP-MP、重さ:7.0g大きさ:3.3×1.9×1.0cm、電池寿命:約1ヶ月、米国テロニクス社製、(2)M1130、重さ:2.1g、大きさ:2.7×1.0×0.6cm、電池寿命:2550日、米国アドバンストテレメトリーシステム(ATS)社製の2種類を用いた。温度に応じた周波数のパルス音がテレメータから発信され、その電波をアンテナで受信する。各周波数チャンネルを設定した時間間隔で順番にスキャンして受信し、パルス間隔(m sec)データをデータロガに記録できる電池(直流12V)駆動の受信機兼ロガ(TR-5、米国テロニクス社製)に記録した。平成14年度は19匹のクチグロナキウサギにテレメータの埋め込み測定した。
階層型連成現象シミュレーションによる燃料電池内の物質移動メカニズムの解明

燃料電池システムの性能にかかわるマルチスケール流動現象の予測に焦点を当てて,分子動力学・非平衡熱力学モデル・非定常流動シミュレーションを連成する階層型連成シミュレーションの各階層,および,それらの連成に対して数理モデルの検討・改良を進めて,1)非定常連成シミュレーションによるセル,スタックレベルでの電池性能予測の実用性検証,2)格子ボルツマン法(LBM)に基づく気液界面シミュレーションの構築と検証,および,触媒層の水輸送モデルの構築,3)水分子ポテンシャルモデルとして6-siteモデルを用いた混合流体の気液相分子シミュレーションの構築,などの成果を得た.高分子形燃料電池内(PEFC)の物質移動現象の合理的な予測法としてナノスケールの電気化学反応機構とマクロスケールの熱流体力学的機構を関連付ける「階層型連成シミュレーション」のための基盤モデルの構築と実証を行う。特にPEFC内液水分布の影響に着目したマクロスケール(平均モデル)・メゾスケール(格子ボルツマン法)・ナノスケール(分子動力学)の3つの階層モデルの構築・改良、各スケール現象における物質移動特性と燃料電池性能への寄与予測、および、それらの相互関連の検証を行う。それぞれの階層モデルにおける研究課題として以下を実施した.課題1マクロスケールモデルによるMEA全体モデリングとPEFC特性シミュレーションPEFC物質輸送シミュレーションにおいて多孔質・触媒層・電解質のメゾ・ナノ構造によって生じる非一様性、非等方性を考慮した拡張モデルを構築するため、申請者らが汎用流体解析ソフトウェアFrontFlowを基に開発した燃料電池流動シミュレータにおいて各モデルを試作し,基本的な現象予測に適用して検証を行った.課題2多孔質構造モデリングと液水輸送シミュレーション従来個別に議論されてきた触媒層におけるH2O輸送の3相モデルを連成して評価し、また、メゾ・ナノスケールの直接シミュレーションによる知見を導入することで、特に触媒層の水輸送モデルの再構築,および,基礎的現象における数値検証を行った.課題3気液界面の分子動力学モデリングと拡散素過程シミュレーション液滴、液膜の共存する場の物理的特性をMD法によって明らし,触媒層内を想定した数nmのオーダーの液滴、液膜の形成機構と、それを介してのガス拡散速度予測に関する予備的計算を実施した.また,高精度予測実現のため,GPGPU型並列計算による大規模シミュレーション・プログラムの試作をおこなった.燃料電池システムの性能にかかわるマルチスケール流動現象の予測に焦点を当てて,分子動力学・非平衡熱力学モデル・非定常流動シミュレーションを連成する階層型連成シミュレーションの各階層,および,それらの連成に対して数理モデルの検討・改良を進めて,1)非定常連成シミュレーションによるセル,スタックレベルでの電池性能予測の実用性検証,2)格子ボルツマン法(LBM)に基づく気液界面シミュレーションの構築と検証,および,触媒層の水輸送モデルの構築,3)水分子ポテンシャルモデルとして6-siteモデルを用いた混合流体の気液相分子シミュレーションの構築,などの成果を得た.高分子形燃料電池内(PEFC)の物質移動現象の合理的な予測法としてナノスケールの電気化学反応機構とマクロスケールの熱流体力学的機構を関連付ける「階層型連成シミュレーション」のための基盤モデルの構築と実証を行う。特にPEFC内液水分布の影響に着目したマクロスケール(平均モデル)・メゾスケール(格子ボルツマン法)・ナノスケール(分子動力学)の3つの階層モデルの構築・改良、各スケール現象における物質移動特性と燃料電池性能への寄与予測、および、それらの相互関連の検証として以下の課題を実施した.課題1マクロスケールモデルによるMEA全体モデリングとPEFC特性シミュレーション:燃料電池設計の課題として間欠的な水素供給による非定常流動によって窒素濃度を拡散し電流低下が防がれる基本的メカニズム解析などへ応用した.課題2多孔質構造モデリングと液水輸送シミュレーション:LBM(格子ボルツマン)法による気液界面流動の直接シミュレーションに関して計算精度向上のための数値モデル基礎検証を進めた.課題3気液界面の分子動力学モデリングと拡散素過程シミュレーション:Ptナノ界面でのカソード酸素輸送と液水分布の関連性に着目して6-Siteモデルによる高精度なMDシミュレーションを開発実装し,水-蒸気界面のナノスケール現象予測に対しして実証計算を進めた.高分子形燃料電池内(PEFC)の物質移動現象の合理的な予測法としてナノスケールの電気化学反応機構とマクロスケールの熱流体力学的機構を関連付ける「階層型連成シミュレーション」のための基盤モデルの構築と実証を行う。特にPEFC内液水分布の影響に着目したマクロスケール・メゾスケール・ナノスケールの3つの階層モデルの研究課題として以下を実施した.課題1マクロスケールモデルによるMEA全体モデリングとPEFC特性シミュレーション: EFC多孔質・触媒層・電解質のメゾ・ナノ構造によって生じる非一様性、非等方性を考慮するため、異なる流路、MEA形状寸法、運転条件に対する系統的な解析を行い、特に、セパレータ流路から多孔質へのクロス流の制御とそれによる圧力損失および限界電流への影響メカニズムの解析、検証を行った.課題2多孔質構造モデリングと液水輸送シミュレーション:昨年度成果である触媒層の水輸送モデルの再構築に基づく解析シミュレーションを、汎用流体解析ソフトウェアFrontFlow/red、および、OpenFOAMに実装し、,基礎的現象における数値検証を行った.また、多孔質内での液水・気流の輸送メカニズムを解析するための2次元疑似多孔質MEMS実験モデルを設計試作するとともに、予備的な数値解析として格子ボルツマン法に基づく数値シミュレーション法の計算精度、効率の改良検証を行った。課題3気液界面の分子動力学モデリングと拡散素過程シミュレーション:触媒層内を想定した数nmのオーダーの液滴、液膜の形成機構と物理的特性をMD法によって明らにするため、水のマイクロ物性を正確、かつ、効率的に予測できると考えられるマルチサイト分子モデルを導入し、その数値計算法および各モデルの比較検証を行った。

燃料電池システムの性能は触媒ナノスケール界面からマクロ熱流体現象への相互の物質収支,熱収支に強く依存しており,特に気・液・固相の共存する水輸送メカニズムの予測制御は最重要な課題となっている.本研究では,これらのマルチスケール流動現象の予測に焦点を当てて,分子動力学・非平衡熱力学モデル・非定常流動シミュレーションを連成する階層型連成シミュレーションの各階層およびそれらの連成に対して数理モデルの検討,改良を進め,以下の新しい知見を得た.マクロ連成シミュレーションの代表的対象としてアノード側の局所的水素欠乏抑制のためのセパレータおよび多孔質内の非定常・不均一な流動・拡散の予測制御を取り上げて,セル,スタックレベルでの電池性能予測の実用性検証を行った.デッドエンド条件での欠的な水素供給による非定常流動によって電流低下が防がれる機構,ガス置換時の過渡応答シミュレーションによって流入マニホールドの乱れにより濃度不均一が生じるメカニズムなどを実証した.連続体力学が直接適用できないミクロ・ナノスケールでの気液界面を含む物質輸送に対してはラティス・ボルツマン法(LBM)およびフェーズフィールド法(PF)による気液界面シミュレーションの構築と検証を行った.実現象の大きな気液密度比を再現した際に生じる数値的誤差についての基礎的な検証によって,それらの誤差の支配要因を詳細に解析し,抑制方法を提案した.燃料電池において重要な液水の物理性質を正しく表す分子ポテンシャルモデルとして6-siteモデルに着目し,単原子分子(アルゴン),2原子分子(酸素,窒素)および極性分子(水)の単一および混合流体の気液相分子動力学シミュレーションを再現した.特に,水-蒸気のナノスケール気液界面への混合ガス吸着,気液相を含む不均一系の圧力評価,ナノスケール液膜内の圧力予測などについての定量的予測を得た.26年度が最終年度であるため、記入しない。工学26年度が最終年度であるため、記入しない。各課題において,解析モデルの検討と基礎的現象における検証,および,最終的な目的達成のためのソフトウェアの改良・構築を計画通り実行し,ほぼ,当初想定した成果を得た.よって,次年度以降も計画通りの研究実施を行うことができる.各課題において,解析モデルの検討と基礎的現象における検証,および,最終的な目標達成達成のためのソフトウェアの改良・性能向上を計画通りに実行し,ほぼ,当初想定した成果を得ている.