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チタン酸バリウムが強誘電体である最小粒子の作製とその相転移温度の解明

下記の実験A, B, Cを平行して進めた。【実験A 410nmレーザー顕微鏡による強誘電体双晶類似構造の観察】強誘電体双晶構造の存否あるいはその消失によりチタン酸バリウムの正方と立方の相の判別、あるいは正方から立方への相転移の検出を狙って標記観察を進めてきた。しかし、次の不可解な現象により目的を遂げられないことが判明した。即ち、200°Cにて立方晶であるにも係わらず強誘電体双晶に酷似構造が観察され、さらに相転移温度において同構造の生成あるいは消滅の急激な変化が見られる。【実験B加熱下の粉末X線回折による相転移の検出】拡散した回折線の分離により正方・立方晶相の判別を行ってきたが、確信的結論を得るには至らなかった。そこで、113、400回折の半価幅の温度変化が可逆的であることを測定し、水熱合成のBT-01は正方晶であると結論した。【実験C加熱下のラマン分光よる相転移の検出】堺化学工業社製水熱合成のBT-01を各温度で予め加熱し,それらのラマン分光を試料を加熱・冷却しながら測定した。その結果、点群に許容されるラマン散乱自体の存否により相が判定できないことを明らかにすると共に、点群非許容散乱の散乱強度の急変で相転移が検出されると結論した。さらに、同合成粉ならびにその全温度加熱試料が室温で正方晶であると結論した。下記の実験A、B、Cを平行して進めた。なお、これら実験では基本的に次の測定を行なった。(1)粉末X線回折パターンのピーク分離による正方晶と立方晶の判別、(2)111と222の回折を用いての結晶子と歪みの解析、(3)粉末の密度、(4)SEM観察、(5)TEM観察【実験A水熱合成微細粉(BT-01)の短時間加熱/急冷/混合の繰返し】格子欠陥の少ない立方晶BaTiO_3の作製を狙い原料粉およびその500°C、312h加熱粉を800°Cで1分あるいは2分の加熱・急冷・混合を繰返した。これにより、繰返し回数に伴い結晶子の増大と格子定数の減少という狙いに添った結果も得た。しかし、回折線分離によれば当初から存在する正方晶が繰返し回数と共に増加する傾向が見られ、別の原料粉の採択を検討せざるを得ない。【実験B410nmレーザー顕微鏡による相転移のその場観察】独立粒子および焼成体中の粒子個々の相の判別、ならびに粒子の正方-立方相転移の認知を目指し、最近開発された410nmレーザー顕微鏡に試料加熱装置を装着し相転移のその場観察を行なった。その結果、熱エッチ法により現像させた強誘電体双晶組織が転移点を超えても残存するという、厳しい困難に立ち向かわされている。【実験C正方晶BaTiO3の粒子径、結晶子径、歪み、相転移温度と転移エンタルピー】申請者等が発見した正方晶BaTiO3粒子集合体への静水圧印加(1GPa)による結晶子径の減少と歪みの増加を求めて、40回の印加まで繰り返した。その結果、1回の印加により強誘電体転移エンタルピーが加圧前のそれの6.7%にまで壊滅的に減少することが明らかになった。なお、実験B、Cでは基本的に次の測定を行った。(1)粉末X線回折図形のピーク分離によるチタン酸バリウムの正方晶と立方晶の判別の努力、(2)111と222の回折を用いての結晶子と歪の評価、(3)TEM観察【実験A 410nmレーザー顕微鏡による相転移のその場観察】単独粒子および焼成体の粒子の正方と立方の相の判別と正方-立方相転移の直接認知を目指した2種の観察を行った。その1は相転移に伴う自発分極の喪失が試料表面に付着させた「微細粒子の動き」として観測できることを狙った。

正方晶BaTiO_3や石英の微粒子にての実験で、その動きを観測することにまだ成功していない。その2では相転移温度にて強誘電体双晶構造が消失する筈であることに注目した。しかし、同構造を出現させた前処理の条件により、転移点にて双晶構造が急減あるいは急増するという複雑で矛盾する結果を得た。【実験B繰り返し静水圧印可した正方晶BaTiO_3粉末のキャラクタリゼーション】昨年、ΔH_<trans>が1GPaでの1回の加圧により元の6.7%までに急減すると報告した。繰り返し加圧により結晶子は減少し、歪は増加するが、60回の後でも正方晶のみと判定しても基本的に正しいと判明した。同試料の高分解能構造像より格子の乱れを明らかにした。【実験C水熱合成BaTiO_3を用いた立方晶相作製の試み】昨年、境化学工業製BT-01につき実験したが、水熱合成時から従来注目されなかった正方晶が存在するため、立方晶の作製を断念せざるを得ないと判明した。そこで、BT-01より粒子径が60nmとさらに小さいBT-006に注目した。しかし、高温粉末X線回折によりBT-006にも正方晶が生成していると明らかになった。下記の実験A,B,Cを平行して進めた。【実験A 410nmレーザー顕微鏡による強誘電体双晶類似構造の観察】強誘電体双晶構造の存否あるいはその消失によりチタン酸バリウムの正方と立方の相の判別、あるいは正方から立方への相転移の検出を狙って標記観察を進めてきた。しかし、次の不可解な現象により目的を遂げられないことが判明した。即ち、200°Cにて立方晶であるにも係わらず強誘電体双晶に酷似構造が観察され、さらに相転移温度において同構造の生成あるいは消滅の急激な変化が見られる。【実験B加熱下の粉末X線回折による相転移の検出】拡散した回折線の分離により正方・立方晶相の判別を行ってきたが、確信的結論を得るには至らなかった。そこで、113、400回折の半価幅の温度変化が可逆的であることを測定し、水熱合成のBT-01は正方晶であると結論した。【実験C加熱下のラマン分光よる相転移の検出】堺化学工業社製水熱合成のBT-01を各温度で予め加熱し、それらのラマン分光を試料を加熱・冷却しながら測定した。その結果、点群に許容されるラマン散乱自体の存否により相が判定できないことを明らかにすると共に、点群非許容散乱の散乱強度の急変で相転移が検出されると結論した。さらに、同合成粉ならびにその全温度加熱試料が室温で正方晶であると結論した。
金属錯体型塩基対のＤＮＡポリメラーゼによる認識

DNAポリメラーゼを用いた銀(I)イオン存在下でのプライマー伸長反応を行い、銀(I)イオンが最も安定化すると報告されているC-Ag(I)-C塩基対ではなく、C-Ag(I)-A塩基対が形成されることを見出した。また、各種金属イオンの存在下、様々なミスマッチ塩基対の形成反応を系統的に検討したところ、銀(I)イオン存在下でC-Ag(I)-T塩基対が形成されることを見出した。本反応と、以前見出したT-Hg(II)-T塩基対形成反応を組合せ、異なる二種の金属イオン(Hg(II)およびAg(I)イオン)を二重鎖DNA中の標的とする部位に特異的に取り込ませることに成功した。研究目的のうち、平成24年度の最重要課題はAg(I)イオン存在下でのプライマー伸長反応の検討であり、小野らによるシトシン-シトシン(C-C)ミスマッチ塩基対がAg(I)イオンにより安定化されるという報告に基づくものある。一本鎖領域にCを含む鋳型鎖を用いてAg(I)イオン存在下でのプライマー伸長反応を検討したところ、dCTPではなくdATPが取り込まれることが判明した。この反応はDNAポリメラーゼとしてKlenow fragment以外のTaq polymeraseやKOD dash polymeraseでも進行する一般性を持つ反応であることを見出した。このように、Ag(I)イオン存在下でのDNAポリメラーゼによる伸長反応では、熱力学的に安定とされるC-Ag(I)-C錯体型塩基対ではなく、C-Ag(I)-A錯体型塩基対が形成されることが明らかになった(Angew. Chem. Int. Ed., 2012, 51, 6464.)また、このAg(I)イオン存在下での反応の検討の際に鋳型鎖のCに対してdATPだけでなくdTTPも取り込まれるケースがあることが明らかになってきた。このdTTPの取り込みはdATPの取り込みほど普遍的に起こる反応ではなく、取り込み部位の数塩基上流の塩基配列に依存する反応であることから、3種類(C-Ag(I)-C, C-Ag(I)-A, C-Ag(I)-T)の銀錯体型塩基対の熱力学的安定性を評価した。これらの塩基対を含むDNAオリゴマーの二重鎖形成の自由エネルギー変化からこれらの安定性はC-Ag(I)-C >C-Ag(I)-A ≈C-Ag(I)-Tであることが明らかになり、必ずしも金属錯体型塩基対の熱力学的安定性が、金属錯体型塩基対形成を介するプライマー伸長反応の基盤となっているのではないことを明らかにした。シトシン-シトシン(C-C)ミスマッチ塩基対がAg(I)イオンにより安定化されるという小野らの報告に基づき、一本鎖領域にCを含む鋳型鎖を用いてAg(I)イオン存在下でプライマー伸長反応を検討したところ、dCTPではなくdATPが取り込まれることを見出した。この反応はDNAポリメラーゼとしてKlenow fragment(KF)以外のTaq polymeraseやKOD dash polymeraseでも進行する一般性を持つことを明らかにした。このように、Ag(I)イオン存在下でのDNAポリメラーゼによる伸長反応では、熱力学的に安定とされるC-Ag(I)-C錯体型塩基対ではなく、C-Ag(I)-A錯体型塩基対が形成されることが明らかになった(Angew. Chem. Int. Ed., 2012, 51, 6464.)。核酸化学DNAポリメラーゼにより12通りのミスマッチ塩基対がAg(I)イオンを介して形成されるか網羅的に検討を行い、「研究実績の概要」で述べたように、基本的にはC-Ag(I)-AおよびC-Ag(I)-Tの2種の錯体型塩基対のみが形成されることを明らかにしているが、平成25年度は新たにC-Ag(I)-C錯体型塩基対も反応条件によっては生成することを明らかにするとともに、これらの相対的な生成しやすさがC-Ag(I)-A >C-Ag(I)-T >> C-Ag(I)-Cとなることを明らかにした。DNAポリメラーゼによる金属錯体型塩基対形成の速度論的解析については、上述のように定性的な各金属錯体型塩基対の形成傾向の評価が可能であったため平成25年度は優先事項とはしなかったため、有意な進展はない。今後、他の研究項目の進捗状況も睨みがらこの点についても進めていく予定である。また、水銀イオンや銀イオンにより形成が促進される既知のミスマッチ塩基対以外に、特定のミスマッチ塩基対の安定化によりプライマー伸長反応を引き起こす金属イオンの探索を平成24年度より実施してきたが、水銀イオンや銀イオン以上にミスマッチ塩基対の形成を明確に促進する金属イオンは認められなかった。

これは、スクリーニング条件が銀イオン存在下でのプライマー伸長反応を基礎にしており、ミスマッチ形成反応を促進している可能性のある金属イオンについては個々に反応条件の最適化を行って評価する必要があると思われる。C-Ag(I)-A塩基対のgeometryの決定については、15Nおよび13C標識したオリゴヌクレオチド二重鎖を合成し、多核NMRによる解析で明らかにする戦略を取ることとし、検討を行っているが、15N,13C-標識ATPの取り込みの選択性が低く現在のところ大きな進展には至っていない。DNAポリメラーゼにより12通りのミスマッチ塩基対がAg(I)イオンを介して形成されるか網羅的に検討を行い、「研究実績の概要」で述べたように、基本的にはC-Ag(I)-AおよびC-Ag(I)-Tの2種の錯体型塩基対のみが形成されることを明らかにすることができ、平成24年度の最重要課題であったAg(I)イオン存在下でのプライマー伸長反応についてほぼ完了することができた。プライマー伸長反応の速度論的解析については、現時点で報告可能な結果は得られていないが、速度論実験の最適実験条件の検討、および反応混合物の電気泳動での定量の高精度化を目的とし、高純度プライマーの入手法、鎖長が一塩基異なるバンドの完全分離を達成するための泳動条件の検討等について進めてきた。これまでの検討により以上の点についてほぼ問題点は解決できており、本実験に着手できる段階に入っている。今後、他の研究項目の進捗状況も睨みがらこの点についても進めていく予定である。また、既知の水銀イオンや銀イオンにより安定化されるミスマッチ塩基対以外に、特定のミスマッチ塩基対を安定化することによってプライマー伸長反応を引き起こす金属イオンの探索の研究計画を前倒して平成24年度より開始している。当初計画では予定していなかったが、DNAポリメラーゼによる金属錯体型塩基対の連続形成についての検討を行っていく予定である。これは有害な水銀イオンや銀イオンをトラップする方法論としても、導電性などユニークな物性を持つナノマテリアルとしてのDNA分子を創製する方法論としても重要な課題と考えている。こうした金属錯体型塩基対の連続形成が可能ならば、その速度論的解析も重要と考えられることから、金属イオン存在下でのプライマー伸長反応の速度論的解析を引き続き検討する予定ではあるが、金属錯体型塩基対の熱力学的安定性が、必ずしも金属錯体型塩基対形成を介するプライマー伸長反応の基盤となっているのではないことから、酵素的に金属錯体型塩基対形成反応が進行する要因についても検討項目としたい。当初計画で、平成25年度の研究実施計画としてC-Ag(I)-A塩基対のgeometryの決定を掲げた。その方法論としては、8位をブロム化した8-Br-dATPや8-Br-アデニンを含むオリゴヌクレオチドを用いたプライマー伸長反応や二重鎖DNAの熱安定性評価を考えていた。しかし、その予備的な検討結果から、8位のブロム化によるグリコシド結合のanti型からsyn型への配座変化以外にも、大きな原子半径を持つ臭素原子の立体的影響が金属イオンの核酸塩基への配位やDNAポリメラーゼの基質認識にも表れることが考えられた。そこで方法論を変更し、15Nおよび13C標識したデオキシアデノシンを含むオリゴヌクレオチド二重鎖を合成し、多核NMRによりAg(I)イオンの配位部位を直接観測することでC-Ag(I)-A塩基対のgeometryを明らかにしようというものである。15N,13C標識したデオキシアデノシンを部位
生命システムの物理:分子から細胞へ

本研究では、生命現象の本質と考えられる基本的な化学反応ダイナミクス(自己複製反応、遺伝子発現ネットワークなど)を細胞中または基板上で再構成し、一分子計測の技術を用いて可視化と定量測定を行い、定量的予測に耐える理論モデルの構築に繋げ、新しい方法論の確立を目指すことを目的として2年間にわたって行われた。第一にDNAの凝縮転移に着目し、溶液のイオン濃度を制御できる流路を作製し、レーザーピンセットを用いた1分子計測により凝縮状態のDNAを機械的に引き伸ばすことにより張力特性を測ることに成功した。その結果、プラトー応答やスティック・レリース応答を確認した。これは、凝縮したグロビュール状態と引き伸ばされたランダムコイル状態が共存していることを示している。さらに高濃度のスペルミジンの存在下では、再び凝縮状態が解けリエントラント転移を起こすことを見出した。これらの実験結果の1部を理論モデルで説明できることを明らかにした。これらの結果は発表済みである。第二に、速度を自在に変更できるAFM装置を自作し、蛋白質アンフォールディングのダイナミクスの引っ張り速度依存性を測定することに成功した。その成果は投稿準備中である。第三に、細胞内の遺伝子ネットワークにおける基本的なモチーフの動的特性を明らかにするため、ポジティブフィードバツク系を人工的に再構成し大腸菌に導入し、GFP(緑色蛍光蛋白)を用いて発現量を時々刻々モニターする実験を実現した。その結果、外液のIPTG濃度を変化させるとGFP量の発現はヒステリシス特性を示し、さらにステップ入力に対する動的応答としてはフィードバックのない場合に比べて明らかな時間遅れが生じることを始めて見出した。この時間遅れは、ネットワークの力学系モデルによる予測と良く一致することも確認された。この結果については現在投稿準備中である。他の研究項目については研究継続中である。本年度の研究実績は次のとおりである。(1)1分子DNAの多価イオン条件下での凝縮ダイナミクスをレーザーピンセットを用いて計測した。その結果、イオン濃度を変化させた時に見られるリエントラント転移を1分子で初めて観測することに成功した。3価のポリアミンであるスペルミジンの濃度を上げていくと、凝縮転移を起こし、DNAの伸び-力応答曲線は、WLC的な応答から、プラトーを持つ応答になり、凝縮とコイル状態の共存状態を示し、さらにイオン濃度を上げると鋸波状のスティック・レリース型の非平衡応答を示し、さらに高濃度では、凝縮が解けて再びコイル状態に戻ることが確認された。(2)上記の現象を説明するため、G-LモデルとDNAのWLC特性をあわせた新しいモデルを考案し、理論及び数値計算により実験をよく説明できることを示した。(3)基板上の複製反応を実現するため、Qβレプリカーゼをゲル中で反応させ、鋳型RNAの複製パターンのダイナミクスを蛍光色素で可視化した。その結果、中心からほぼ等方的に広がる複製パターンの波が観測された。今後はこの現象の定量化を行っていく予定である。(4)培養神経細胞のカルシウム応答を調べるため、レーザーフォトリシスを用いた神経伝達物質による局所刺激と高速カルシウム動態の観察系を立ち上げ、刺激によるカルシウム波の伝搬を詳細および定量的に調べた。その結果、カルシウムの自己増殖的ダイナミクス、IP3の細胞間拡散を指示する実験結果、さらにATPによる伝搬説を否定する結果を得た。

第一にDNAの凝縮転移に着目し、溶液のイオン濃度を制御できる流路を作製し、レーザーピンセットを用いた1分子計測により凝縮状態のDNAを機械的に引き伸ばすことにより張力特性を測ることに,成功した。その結果、プラトー応答やスティック・レリース応答を確認した。これは、凝縮したグロビュール状態と引き伸ばされたランダムコイル状態が共存していることを示している。さらに高濃度のスペルミジンの存在下では、再び凝縮状態が解けリエントラント転移を起こすことを見出した。これらの実験結果の1部を理論モデルで説明できることを明らかにした。これらの結果は発表済みである。第二に、速度を自在に変更できるAFM装置を自作し、蛋白質アンフォールディングのダイナミクスの引っ張り速度依存性を測定することに成功した。その成果は投稿準備中である。第三に、細胞内の遺伝子ネットワークにおける基本的なモチーフの動的特性を明らかにするため、ポジティブフィードバック系を人工的に再構成し大腸菌に導入し、GFP(緑色蛍光蛋白)を用いて発現量を時々刻々モニターする実験を実現した。その結果、外液のIPTG濃度を変化させるとGFP量の発現はヒステリシス特性を示し、さらにステップ入力に対する動的応答としてはフィードバックのない場合に比べて明らかな時間遅れが生じることを始めて見出した。この時間遅れは、ネットワークの力学系モデルによる予測と良く一致することも確認された。
直腸肛門奇形患児の治療におけるバーチャルリアリティ技術の応用

本研究の目的は、直腸肛門奇形患児の術前術後にX線CT像あるいはMRl画像に基づいてコンピュータ上で三次元情報を得た上で、三次元画像を仮想現実的に表現し、実際の根治手術により緊密に結びつけて三次元画像の利用を試みることであった。本研究は、小児外科領域の臨床的問題をコンピュータグラフィックスの技術を用いて解決しようとする、医学と工学との学際領域における研究テーマであり、その推進には工学系・医学系研究者の協力が最も有効と考えられる。そこで、同一大学内の開発工学部と医学部に研究費でパソコン・システムを購入・設置して医用三次元画像処理に関するソフトウェア開発を行う計画を立てた。すなわち、医学部では、X線CT・MRI装置から臨床画像収集を行うとともにこれをインターネットを介して開発工学部へ転送し、開発されたソフトウェアで三次元表示像を得てその評価を行うという手法により、研究を進めた。その結果、平成9年度は、上記の情報の交換によるソフトウェア開発環境を構築でき、研究を進める一方、これまでの臨床経験とソフトウェア開発の結果を研究成果として発表した。平成10年度は、さらに開発工学部において肛門形成手術シミュレーションソフトウェアの開発が行われた。このソフトウェアの特徴は、術者の目から見た画像の質の向上が意図され、手術操作に模した画像の切断が可能であることであり、実際の手術に近い3D画像が得られた。バーチャルリアリティ技術の応用については、基礎的な画像処理方法が試みられ、基本的な画像は作成されたが、パーソナルコンピュータの処理速度により制限を受け、実用的な画像の作成までにはいたらず、今後の課題として残された。本研究の目的は、多くの病型がある直腸肛門奇形の肛門形成術に当たり、直腸肛門奇形患児の術前術後にX線CT像あるいはMRI画像に基づいてコンピュータ上で三次元情報を得た上で、三次元画像を仮想現実的に表現し、実際の根治手術により緊密に結びつけて三次元画像の利用を試みることである。平成9年度の研究計画は、(1)新たな三次元表示技術による画像作成のため、最新のパーソナルコンピュータ一式を開発工学部に購入し、骨盤部画像データを利用して新たな三次元表示画像処理ソフトウエアを開発工学部と共同開発する。(2)三次元画像のリアルタイムアニメーションと手術操作を模擬した画像処理により、手術方式を検討するという手術シミュレーションを実現するため、バーチャルリアリティシステムを購入し、これによる肛門形成手術シミュレーションを試みる。というものであった。平成9年度は、計画実施のためのこれまでの研究成果発表を行う一方、パーソナルコンピュータ一式と、バーチャルリアリティシステムを購入し、医学部と開発工学部の共同研究により、研究を進めた。ネットワークを介した情報の交換により医学部より原画像データを送信して開発工学部において画像処理ソフトウエアを開発、さらにこれを医学部で試用して、作成された画像について検討することによりより優れたソフトウエアの開発を目指す。システムにはこれらの画像処理ソフトウエアが組み込まれており、これを利用して肛門形成手術シミュレーションを行う計画である。本研究の目的は、多くの病型がある直腸肛門奇形の治療に当たり、術前術後にX線CT像あるいはMRI画像に基づいてコンピュータ上で三次元画像を仮想現実的に表現し、実際の根治手術により緊密に結びつけて三次元画像の利用を試みることである。平成10年度の研究計画は、医学部と開発工学部の共同研究により、研究を進め、ネットワークを介した情報の交換により医学部より原画像データを送信して開発工学部において画像処理ソフトウェアを開発、さらにこれを医学部で試用して、作成された画像について検討することによりより優れた肛門形成手術シミュレーションソフトウェアの開発を目指すというものであった。これに基づき、開発工学部において肛門形成手術シミュレーションソフトウェアの開発が行われた。
電波センシングによる環境情報の収集・解析・評価に関する基礎的研究

1.研究の目的本研究は電波を利用して環境情報を収集するための新しい電波センサの試作、データ解析手法の確立および電波センシングの環境情報計測への適応性などについて研究を行うことを目的とする。2.研究実績の概要本年度は昨年度に継続して(1)総括班、(2)電波センサ開発班、(3)データ収集と解析班の三つのグループに分かれて研究が行われた。総括班は研究の全体計画の推進及び研究成果の評価と取りまとめを行い、補助金は合同研究会費などに適正に使用された。センサ開発班はさらに(A),(B),(C)の三つのグループに分かれ、(A)では受動型ビーム圧縮マイクロ波放射計の改良を行い、安定性を向上させた。またマイクロ波放射計による天空輝度温度の観測を行い、大気リモートセンシングに関する基礎データを得た。地中レーダはあらたに符号化パルス方式の開発に着手し、基礎的実験を行った。(B)ではSARデータにおけるSN比と設計パラメータの関係を明確化し、スペックルノイズの軽減法を新提案した。(C)では電波センシング用方向拘束式電力最小化アダプティブアレイの解析、電波ホログラフィによる雪中埋設物観測が行われ基本性能が確認された。データ収集と解析班はレーダによる流氷観測、大型架橋に伴う海上交通環境変化の観測、衛星データによる海洋環境観測が積極的に行われた。これらの班における補助金は一部が備品購入に当てられ、前年度備品と併せて信号処理やデータ解析に有効かつ十分に使用された。残りの補助金についても電気部品の購入や観測実験費用などとして研究逐行のために適切かつ有効に使用された。研究成果は各研究分担者により27件以上の論文又は口頭発表論文として報告された。
腫瘍併発膜性腎症の責任抗原の分子生物学的解析

膜性腎症は自己免疫疾患の一つであると考えられているが、その責任抗原についてはB型肝炎ウイルスなどごく少数を除いては未だほとんどが明らかにされていない。膜性腎症は特発性と二次性に分類されているが、後者については特に腫瘍に併発した症例が多く報告されており、腫瘍関連抗原が本腎症の自己抗原として考えられているが、現在のところその責任抗原分子の同定についてはほとんど解析がなされていない。動物モデルにおける膜性腎症はHeymann腎症がよく研究されており、その責任抗原は分子量330kDの糖蛋白質であり、最近そのアミノ酸配列が同定されMegarinと命名された。しかしながら、この抗原はヒトには存在しないことが明らかになっており、ヒト膜性腎症の責任抗原分子の解析が本分野における重要な課題となっている。Heymann腎症の責任抗原が糸球体上皮細胞に存在することが強く示唆される。以上の事実より糸球体には未だ未知の抗原が存在し、これが膜性腎症の責任抗原となっている可能性が強いと想定される。今回我々は、ラット糸球体を単離し高pH緩衝液および非イオン性detergentを用いて糸球体の細胞膜を精製、これを抗原としてモノクローナル抗体を作成した。得られた単クローン抗体の対応抗原は分子量43kDであり、糸球体上皮細胞に発現していることが明らかとなり、Podoplaninと命名した。抗Podoplanin抗体をラットに一回投与すると一過性に多量の蛋白尿が惹起され、上皮細胞足突起の消失が起こることが明らかとなった。以上の結果よりPodoplaninは糸球体係蹄壁の透過性を保つ機能蛋白であることが明らかになり、ヒト腎症におる本蛋白質の同態が今後重要な課題であることが明らかとなった。ヒト膜性腎症の動物モデルとしてラットHeymann腎炎が研究されその責任抗原は糸球体上皮細胞に存在する分子量330kDの糖蛋白質megalinであることが近年明らかになった。しかし、ヒトにおいては同様の抗原は未だ発見されていない、また膜性腎症においては上皮細胞下に免疫複合体が沈着することより同腎症の抗原は、上皮細胞に存在すると仮定し、新しい膜性腎症の責任抗原を検索する目的でラット糸球体を抗原としてモノクローナルLF3抗体を作製した。同抗体の抗原は分子量34kDであり糸球体上皮細胞膜表面に存在する事が免疫電顕法で明らかになった。さらに腎糸球体より作製されたλgtll gene libraryより同抗体が認識する蛋白コードcDNAをクローニングししたところ166個のアミノ酸から成る糖蛋白質であることが明らかになり、これをpodoplaninと命名した。このpodoplaninに対する家兎抗血清をラットに静注すると直後より蛋白尿が出現し上皮下に免疫複合体が沈着する事が明らかになった。さらに蛋白尿を惹起させるために抗体以外の液性若しくは細胞性因子を検索するために以下の実験を行った。補体の関与を検索する目的でラットに蛇毒を投与し補体を枯渇させ抗血清を静注した、この場合でも同様に蛋白尿が惹起しうることとが分かった。また活性酸素種の関与を検討するために、これをスカベンジするDMTUを腹腔内投与し同様に抗血清を投与したところ同様に蛋白尿を惹起しうることが分かった。さらに血液成分の関与を検討するために腎臓を単離し血液を除去した後に同抗体を含む培養液(中性dextra添加)を潅流すると30分後より尿中にdextranが検出された。これらの結果より補体、活性酸素種、白血球は同腎症モデルの蛋白尿惹起に関与しておらず、抗体のpodoplaninへの結合が係蹄壁の透過性を亢進させることが明らかになった。

膜性腎症は自己免疫疾患の一つであると考えられているが、その責任抗原についてはB型肝炎ウイルスなどごく少数を除いては未だほとんどが明らかにされていない。膜性腎症は特発性と二次性に分類されているが、後者については特に腫瘍に併発した症例が多く報告されており、腫瘍関連抗原が本腎症の自己抗原として考えられているが、現在のところその責任抗原分子の同定についてはほとんど解析がなされていない。動物モデルにおける膜性腎症はHeymann腎症がよく研究されており、その責任抗原は分子量330kDの糖蛋白質であり、最近そのアミノ酸配列が同定されMegarinと命名された。しかしながら、この抗原はヒトには存在しないことが明らかになり、ヒト膜性腎症の責任抗原分子の解析が本分野における重要な課題となっている。Heymann腎症の責任抗原が糸球体上皮細胞に存在すること、また膜性腎症が自己免疫疾患であることより、同腎症の責任抗原は糸球体に存在することが強く示唆される。以上の事実より糸球体には未だ未知の抗原が存在し、これが膜性腎症の責任抗原となっている可能性が強いと想定される。今回我々は、ラット糸球体を単離し、高pH緩衝液及び非イオン性detergentを用いて糸球体の細胞膜を精製、これを抗原としてモノクローナル抗体を作成した。得られた単クローン抗体の対応抗原は分子量43kDであり、糸球体上皮細胞に発現していることが明らかとなり、Podoplaninと命名した。抗Podoplanin抗体をラットに一回投与すると一過性に多量の蛋白尿が惹起され、上皮細胞足突起の消失が起こることが明らかとなった。以上の結果よりPodoplaninは糸球体係蹄壁の透過性を保つ機能蛋白であることが明らかになり、ヒト腎症における本蛋白質の同態が今後重要な課題であることが明らかとなった。
タンパク質機能の自由エネルギー解析と機能制御の分子基盤

酵素触媒の主要因として、遷移状態を安定化する静電相互作用の重要性は良く知られている。これとは別に、原理的には基底状態を不安定化することでも反応加速効果が得られるが、この作業仮説を巡っては多くの論争が繰り返されてきた。本作業仮説を検証するため、オロチジン一リン酸脱炭酸酵素を例にとり、QM/MM法を主とした複合モデリング計算を実行し、基質歪みが酵素活性に与える影響を詳細に解析した。一連の計算結果から、本酵素でも遷移状態/反応中間体を安定化する反応場の効果が確かめられたが、その一方、基質歪みの影響で活性化エネルギーが相対的に低下し、基底状態の不安定化が無視出来ない影響を持つ事も確認出来た。理論計算から得られた構造を用いて、反応経路に沿ってエネルギー成分解析を実施し「基質の立体歪み」が化学反応に及ぼす影響を定量的に解析した。計算機を用いた仮想実験で、タンパク質場が基質に与える立体場/静電場の影響を徐々に取り除き、脱炭酸過程の活性化エネルギーへ「基質歪み」が寄与する程度を解析したが、全エネルギー成分の約2割弱程度で相対的に反応障壁を低下させる効果が認められ、「基底状態の不安定化」が酵素活性に無視出来ない寄与を持つ事が明らかとなった。またタンパク質場が作り出す主たる触媒要因としては、活性中心近傍の極性残基が作る静電相互作用が大きな因子であるが、主要残基をアラニンに変異させた変異型酵素のモデルを作成、自由エネルギー変化を解析する事で、酵素活性を低下させる要因をより詳細に解析した。オロチジンーリン酸脱炭酸酵素はピリミジン環を新規合成する過程で必須の酵素で、オロチジンーリン酸からウリジンーリン酸を生成する脱炭酸反応を触媒する。本酵素の反応加速率は、既知の酵素中でも最も大きな値を示し、本反応の特異性を説明する作業仮説として「基底状態を不安定化する事で、相対的に活性化エネルギーを低下させ反応を加速する」ことが提案されている。今回我々はこの作業仮説を理論計算の立場から検証するため、藤橋らにより決定された高分解能結晶構造を出発点として、QM/MM計算と分子動力学計算を組み合わせた複合モデリング計算を実施し、タンパク質場が酵素活性に与える影響を詳細に検討した。天然型タンパク質においては、タンパク質の作る立体場/静電場の影響から「基質歪み」が認められ、活性化エネルギーとしては2割弱ほど、反応障壁を低下させる効果が認められた。その一方で遷移状態を安定化するタンパク質場の効果も同時に確かめられたので、QM/MM計算およびフラグメント法ベースの相互作用解析により、アミノ酸残基レベルで酵素活性に必要な残基を特定した。活性中心の主要4残基のうち、Asp70/Lys72の2者に関しては反応中間体を安定化するのに貢献する一方、Lys42/Asp75の2者は基底状態とより強く結合していた。そこで次に、特に強い相互作用を示すAsp70/Lys72の2者に関して、これら残基をアラニンに変異させた酵素反応系をモデル化し、反応自由エネルギー変化や相互作用エネルギー、反応過程における構造変化を追跡する事で、これら2残基は「静電相互作用」を介して反応遷移状態や中間体を安定化している事が確かめられた。またこの2残基に関しては、基底状態での「基質歪み」には殆ど貢献していない事実が確認出来き、結果として、活性中心に隣接する4残基の並びが巧みに反応プロセスを制御している事が明らかとなった。オロチジンーリン酸脱炭酸酵素(Orotidine 5'-mono-phosphate decarboxylase、ODCase)は生物体内でピリミジン環を新規合成する過程で必須の酵素であり、オロチジンーリン酸(Orotidine 5'-mono-phosphate、OMP)からカルボキシル基を引き抜いてウリジンーリン酸(Uridine 5'-mono-phosphate、UMP)を生成する反応を触媒する酵素である。本酵素の反応加速率の特異性を示す為に導入された作業仮説「反応の基底状態を不安定化する事により、相対的に遷移状態とES錯体間の活性化自由エネルギーを低下させる」を検証するため、藤橋らにより決定されたMethanobacterium thermoautotrophicum由来の高解像度結晶データを用いて分子モデルを作成し、QM/MM計算と分子動力学計算を組み合わせた複合モデリング計算により、脱炭酸過程の反応経路と反応自由エネルギー変化を評価した。QM/MM計算で最適化されたES錯体の構造は、ピリミジン環に結合する6位のカルボキシル基がすべてねじれて面外変角した構造を取る事が確認された。これは基質に対して酵素が立体的な歪みを加えて基質の構造を不安定化しうる事を示唆している。次に得られた複数の初期構造に対してそれぞれ脱炭酸反応経路を計算した。

反応過程のエネルギー成分解析により、脱炭酸の結果生成する反応中間体がタンパク質環境下で安定化されうる事が確認されたが、これは脱炭酸とプロトン移動が段階的に進行してUMPが生成されうる事を示唆している。また水溶液中での参照系反応(OMPの脱炭酸過程)との反応自由エネルギー変化の比較から、タンパク質環境の静電場の効果が反応中間体を安定化する要素も無視できない事が確かめられた。昨年度は研究所内部での移動等により、必ずしも予定通りに研究が進捗しなかったが、今年度の後半から集中的に計算を実行し、また実験グループとの密な議論を重ねる事で、基底状態を不安定化するタンパク質場の効果に関する理解が深まり、酵素ー基質複合体形成時における「基質歪み」が活性化エネルギー低下に寄与する程度も定量的に見積もる事が出来た。この結果をもとに、天然型酵素に対する反応エネルギーダイアグラムが(過去に報告された理論計算と比べても)より詳細に明らかとなり、酵素触媒過程をより定量的にモデル化する事が可能となった。さらにここで得られた天然型酵素の触媒因子を解析する事で、触媒活性の鍵となる重要アミノ酸残基も絞り込む事ができ、触媒プロセスで必須と考えられるアミノ酸残基を変異させた変異型タンパク質の反応過程をモデル化・エネルギー成分解析を実行する事で、より酵素反応の本質に迫る解析が可能になると期待される。天然型酵素の分子モデリングに関してはある程度の研究成果が得られたが、変異型酵素の分子モデリング、反応解析は予定通りに進まなかった。新規な構造データを用いたモデリングに時間を要した事もあるが、出向により研究職が併任となり、研究時間が大幅に制約された事が主な原因である。これまでの研究成果として、「遷移状態を安定化する因子」と「基底状態を不安定化する要因」がそれぞれ明らかとなったので、「タンパク質場が形成する静電場」の主要な構造因子として、静電場を形成する重要アミノ酸残基を変異させる事により引き起こされる活性変化、およびその主たる分子論的な要因を詳細に解析する。これまで得られた新たな研究成果を、学会や論文誌等で積極的に発表すると同時に、複数の変異型酵素に対して更にQM/MM計算、自由エネルギー計算等を実行する必要性があるため、ワークステーションを追加購入し、計算機資源をさらに充実させつつ、最終年度でも継続してシミュレーションおよびデータ解析を実行して行く。初年度に得られた天然型酵素の計算結果に基づき、変異型酵素の反応機構を解析する。過去の実験データを参考にする事で、触媒活性の鍵となるアミノ酸残基を変位させた酵素の反応活性への影響を考察するが、少なくとも4つの変異型酵素を検討する事になるため、QM/MM計算、自由エネルギー計算ともに計算負荷が大きくなる事が予想される。次年度は本研究提案の最終年度に該当する。そこで今回得られた研究成果を積極的に発表するため、国内外の関連学会に積極的に参加して、本研究成果のアピールに努める。その為の出張旅費として本研究費を利用する予定である。またこれと平行して、タンパク質機能改変を意図した変異型酵素の反応解析のため、共同研究者である実験グループとの打ち合わせ、および新規に計算機資源を追加する予定があり、旅費と物品の購入が使用予算の骨格となる予定である。初年度購入予定であった分も含め、研究費の大半でワークステーションを購入し、今年度に計算機資源を充実させ、集中的に計算を実施する。
クリティカルケアにおけるDVT発生要因と発生予防ケア方法に関する研究

本研究は、クリティカルケア領域でのDVT発生状況とその要因を明らかにした上で、クリティカルな状態にある患者のDVT発生予防の1方法として、下肢マッサージと足浴がどれだけ効果があるものかを明らかにすることとを目的とした。DVT発生状況とリスク因子については、多重ロジスティック回帰分析によって、入院前ADL(Activities of Daily Living)とAPACHEスコアー、ACT(アンチキモトリプシン)が重要な要因であることが示唆されている。下肢マッサージと足浴の効果については、ストレスフルと考えられるクリティカルな状況を想定した環境のなかで、下腿に対するアロマセラピーを用いたマッサージ・足浴に見立てた保温による影響を検証した。その結果、1.アロマ保温は嗅覚刺激により脳血流を増大させるが、脳神経活動を抑制させる可能性がある。2.アロマ保温群の介入による自律神経の変化は、510分の時間差をもって交感神経活動の次に副交感神経活動の変化を認める。3.アロマ保温は保温部位の効果的な温度の上昇をもたらし、遠隔部位の温度も上昇させるが、保温部位の温度の維持はむずかしい。4.アロマ保温はストレス感情を緩和させ、血流促進効果を目的とした看護介入の一手段となりうる。以上の結果より、ストレスフルなクリティカルケアの状況にあっても、下肢マッサージと足浴などのケアが末梢循環促進に貢献すること、生体に過度な侵襲を加えることなく安全に、かつ、ストレス緩和にも役立てる看護技術であることを検証できた。静脈血栓塞栓症は、手術後や急性疾患、重症疾患などのクリティカルな状態にある患者の入院中に多く発症し不幸な転帰をとる。特に救命救急センターやクリティカルケアの臨床では、致命的疾患である肺梗塞症(PE)の原因のほとんどは、下肢の深部静脈血栓症(DVT)とも言われている。DVT予防では、足浴や保温、マッサージが行われるが、これらの方法がクリティカルな患者にとって安全な看護技術であるかは不明なところが多い。そこで本研究では、クリティカルな状態にある患者へのアロマセラピーを用いた保温(アロマ保温)がどれだけ効果があるものかを明らかにすることを目的とした。方法は、健康な成人を対象にクリティカルな状況を想定した擬似的環境を設置し、クロスオーバーデザインで「保温群」「アロマ保温群」「無介入群」の実験を行った。評価項目は、脳代謝と脳神経活動、自律神経活動、保温効果、および心理的変化である。対象は男性2名、女性16名。環境条件を同一とした中で2006年7月から9月に実験を行った。その結果、アロマ保温は嗅覚刺激により脳血流を増大させるが脳神経活動を抑制させること、交感神経活動抑制の後に副交感神経活動の活発化が見られることが明らかになった。また、アロマ保温は保温効果が高く遠隔部位の温度をも上昇させ、心理的に緊張や不安などの感情を軽減させることがわかった。健康な成人においてアロマ保温の介入は、脳神経活動は抑制させ自律神経系では副交感神経活動が優位に変化することから、負的感情を抑制するだけでなく生理面でも神経の緊張を緩和する効果があることが示唆された。自主的なマネージメントが難しく様々な刺激因子が多い環境において、アロマ保温はクリティカルケアでも安全に効果の得られる看護技術であり、DVT予防の1つのケアとして位置づけられることが示唆された。

3.アロヤ保温は保温部位の効果的な温度の上昇をもたらし、遠隔部位の温度も上昇させるが、保温部位の温度の維持はむずかしい。4.アロマ保温はストレス感情を緩和させ、血流促進効果を目的とした看護介入の一手段となりうる。以上の結果より、ストレスフルなクリティカルケアの状況にあっても、下肢マッサージと足浴などのケアが末梢循環促進に貢献すること、生体に過度な侵襲を加えることなく安全に、かつ、ストレス緩和にも役立てる看護技術であることを検証できた。
ヒト正常胃粘膜由来培養細胞を用いたヘリコバクターピロリと胃癌発生に関する検討

ヘリコバクターピロリの胃癌への関与に関し、昨年に引き続き細胞培養を用い検討を行った。培養細胞は、ヒトの癌の解析という観点から、株細胞のみでなく、ヒト正常胃粘膜由来培養細胞を用い、両者による比較検討を行った。胃内視鏡施行時の生検より、primary cultureを行い、ヒト正常胃粘膜由来培養細胞を得る手技は確立している。ヘリコバクターピロリ培養上清全分画に、昨年迄の実験から変異原性物質が存在する可能性が示唆された為、ヒト正常胃粘膜由来培養細胞及びKATO-IIIを用い、ヘリコバクターピロリ培養上清を培養細胞に添加することによりアポトーシスの誘導やDNA障害が惹起されるか否かの検討を行った。また、ヘリコバクターピロリとのcocul ture、アンモニア、モノクロラミンの添加によりアポトーシスの誘導やDNA障害が惹起されるか否かの検討も行った。検討は、位相差顕微鏡による形態学的観察、DNAラダーの検出及びTUNEL法により行った。アンモニア、モノクロラミン、臨床株のヘリコバクターピロリ培養上清の一部にはアポトーシスの誘導をするものがあった。ヒト正常胃粘膜由来培養細胞とKATO-IIIではアポトーシスの誘導に若干の差が認められた。この実験結果は、ヘリコバクターピロリの感染により胃粘膜にアポトーシスが起こる可能性を示唆するものである。現在アポトーシスに至るカスケードで、どの過程が活性化されるのかについて検討中である。我々は、胃癌とヘリコバクターピロリとの関連を細胞培養を用いて検討している。培養細胞は、ヒトの癌の解析という観点から、ヒト正常胃粘膜由来培養細胞を用い、その他の株細胞と比較検討を行っている。ヒト正常胃粘膜由来培養細胞は継代中であり、また、胃内視鏡施行時に生検を行うことにより、primary cultureを行うことによりヒト正常胃粘膜由来培養細胞を得る手技は確立している。ヘコリバクターピロリ培養上清全分画を用いてLYM-1細胞の形態異常とモード変化については論文報告した。ヘリコバクターピロリ培養上清全分画でMm2Tに低頻度ながら染色分体相互変換、ギャップ相互変換がみられることより、ヘリコバクターピロリ培養上清中に変異原性物質が存在する可能性が示唆され、どの分画中に変異原物質があるかについては、カラムを用い分画後、LYM-1細胞に添加し現在解析中である。ヒト正常胃粘膜由来培養細胞、KATO-IIIを用い、ヘリコバクターピロリ培養上清,アンモニア、モノクロラミンを添加することにより、アポトーシスも誘導やDNA障害が惹起されるが、起こしうる条件の詳細については現在検討中である。癌遺伝子の変化については、ヘリコバクターピロリ培養上清添加したヒト胃粘膜由来の正常細胞について継続中であり、解析はこれからの予定である。胃内視鏡施行時の生検より、primary culureを行い、ヒト正常胃粘膜由来培養細胞を得る手技は確立している。また、ヘリコバクターピロリとのcoculture、アンモニア、モノクロラミンの添加によりアポトーシスの誘導やDNA障害が惹起されるか否かの検討も行った。

この実験結果は、ヘリコバクターピロリの感染により胃粘膜にアポトーシスが起こる可能性を示唆するものである。現在アポトーシスに至るカスケードで、どの過程が活性化されるのかについて検討中である。
種々な溶媒系における希土類ハロゲン酸塩の溶液化学的研究

(1)希土類臭素酸塩結晶の生成條件と組成の決定及び溶解熱の測定。希土類臭素酸塩は、希土類硫酸塩と臭素酸バリウムを用い合成した。硫酸塩は、希土類硝酸塩の弱酸性水溶液に濃硫酸を加え、エタノールで晶出させた時、高収率で硫酸塩8水和物の粉末結晶を得ることが出来た。硫酸塩8水和物の脱水過程を熱分析で解析し、150°Cで8水和物は無水物となり、300°Cまでの測定範囲で、無水物として安定であった。臭素酸塩は、硫酸塩と臭素酸バリウムの両水溶液を混合後、硫酸バリウムを除去した溶液から晶出させたが、純粋な臭素酸塩9水和物を得るには、臭素酸塩の濃厚溶液を濃硫酸上で数週間の乾燥が必要であった。臭素酸塩9水和物の脱水過程も熱分析した。Dy等では、180°Cで9水和物から直ちに無水物に変るが、Gd等では9水和物が段階的に脱水し無水物になるなど、希土類元素の種類で脱水過程が異った。臭素酸塩9水和物の水に対する溶解熱は、25°Cで約15kcal【mol^(-1)】の吸熱であった。溶解熱測定には、双子型微少熱量計を出力が自動解析出来るよう、本研究費で改良し用いた。今後非水溶媒系での溶解熱測定も行い、希土類臭素酸塩と溶媒系との相互作用の熱力学的考察を深める予定である。(2)希土類ヨウ素酸塩の溶解度と溶解に伴う熱力学的諸量の解析。希土類ヨウ素酸塩は、希土類硝酸塩とヨウ素酸カリウムを用い合成した2水和物を、溶媒系は、非プロトン性溶媒と水の混合系を用い、25°Cでの溶解度を測定した。ヨウ素酸塩の溶解度と希土類元素の原子番号(又はイオン半径)、及び算出した溶媒間移行の自由エネルギーと希土類元素の原子番号との関係をプロットすると、両者の関係ともテトラド効果が観察された。ヨウ素酸は難溶(溶解度【10^(-3)】mol【dm^(-3)】)で直接溶解熱を測定することは困難で、溶解度積の温度変化からこれを求めるなど、溶解に伴う熱力学的諸量の解析を発展させることを計画している。
通信被害地域における被災者情報収集・共有・拡散手法に関する研究

本研究では、通信被害地域において被災者情報を収集・共有・拡散するために、(1)要救助者群においてバッテリ消費を削減した情報共有手法と(2)ドローンによる被災者情報収集手法に関する研究を行った。(1)では、提案方式が多数の端末が存在する環境下においても、既存方式と比較して、稼働時間が増加し、メッセージ収集時間も削減できることを示した。(2)では、要救助者がスマートフォンを保持している場合、ドローンにより上空から要救助者の存在確認が可能であることを示した。これまでに開発したSOSCastアプリケーションをベースに人口集中地域においても救助要請メッセージを拡散できるように機能拡張の提案を行った。初期の研究では、要救助者が送信する救助要請メッセージを端末間通信により救助者まで配送することに着目していたが、人口集中地域における迅速な情報収集及び要救助者の端末のバッテリ消費削減のため、要救助者間で連携した通信方式の提案、評価を行った。これまでのアプローチとして、通信回数の削減によりバッテリ消費の削減を試みたが、送信によるバッテリ消費量は小さいため、効果は限定的であった。そこで、平成26年度は、無線LANデバイスのオンオフ制御によるバッテリ消費削減と効率的な情報共有を実現するための手法を提案した。要救助者端末の無線LANをオフにした場合、端末のバッテリ消費量は削減されるが、通信できないため救助要請メッセージを転送できないというトレードオフが生じる。この問題を解決するために、近接クラスタと代表者クラスタの2段階のクラスタを構築した救助要請メッセージの収集・共有・拡散を行った。近接クラスタでは、近距離に存在する端末間でクラスタを作成し、その中で決定した代表者以外は無線LANをオフにする。また、各近距離クラスタの代表者間でクラスタを作成(代表者クラスタ)することで、救助要請メッセージを一度に拡散することが可能となる。シミュレーション結果より、既存方式と比べて、情報共有効率を低下させることなく、端末の生存時間を20%から30%向上可能であることを示した。また、本研究により、災害時においても、端末間通信による救助要請メッセージの収集・共有・拡散の実現可能性が高まった。平成27年度は、災害直後の被害状況を把握するために、Unmanned Aerial Vehicle(UAV)を活用した情報収集手法について取り組んだ。災害時において、地方公共団体等は救助活動を行うためにも迅速に罹災状況を把握する必要があり、現在、罹災状況を収集するためのツールの一つとしてUAVの利活用が期待されている。そこで、我々は、UAVで取得できる映像情報に加え、センシング情報も取得可能な災害情報収集試作機としてのUAVを作成し、その有用性を示すためにデモンストレーションを行った。また、UAVは上空を飛行するため、利点もあるが安全に運用することが特に重要となる。しかし、現時点ではUAVの具体的な運用方法については決まっていない。そこで、これまでに我々が行ってきた運用事例についても紹介し、地方公共団体等(高知県危機管理部、高知市消防局、香美市消防局、神戸市危機管理部、精華町消防局)とも情報共有を行った。UAVによる情報収集手法としては、上空から被災者のスマートフォンから出力される無線LANの電波のWi-Fiセンシングを行い、避難行動要支援者の存在確認の可能性を示した。また、プロトタイプを用いた実験より、空撮映像に加え、上空からのWi-Fiのセンシングにより、目では見えない情報を視覚化することの有用性を示した。平成27年度の大目標であるUAVの自動航行によるスマートフォンの電波の検知による情報収集を行うことができ、国内研究会において発表を行った。また、現場に関わっている消防局等との連携を行うことができるようになり、より社会に還元できる研究内容に近づいている。一方で、無人航空機に対する航空法が施行により、UAVを利用した環境が限られてしまったため、平成28年度においては、UAVの利用に対する手続の調査を含める必要がある。平成28年度は、これまでに提案した方式の有用性を示すためのフィールド構築、および実利用に向けたデータ収集に関する調査に取り組んだ。平成27年度、平成28年度において、スマートフォンとUAVを用いた情報収集について提案してきた。しかし、これらの提案は研究者からの視点による考えが強く、実利用につなげるためには、本技術を使用するユーザの視点に基づく批評が重要である。そこで、高知市消防局の協力の下、提案技術の有用性、必要機能の選定、ユースケースの確認などを行ない、これまでの実環境における実験結果も考慮した上で、実利用に向けての課題を明らかにした。災害時において、災害現場を早期に把握するために、スマートフォンやUAVを用いた情報収集は有用であり、特に映像情報は、現場の緊張感や対象物の動きからの気づきなど、口頭や写真では伝達が難しい情報を多く含んでいる。そのため、特に進行中の災害において被害予測を立て易く、人命危険や作業の困難性といった度合いについても視覚的に伝えられるなど、策戦指揮面でのメリットは多い。しかし、映像情報はデータサイズが大きいため、送信に十分な通信状況を確保できない恐れがある。そのため、隊員による操作無しに、アプリケーションが最適な送信方法を自動選択する制御等が次の段階では必要となることが明らかになった。一方、情報収集の面においても、単に情報を収集するだけでなく、それらの集約・分析した情報を的確な意思決定につなげるための状況認識の統一図が求められることを明らかにした。また、災害情報は消防局だけでなく、様々な機関や部署が関連する。

そのため、次世代の災害情報システムのあるべき役割、求められる技術、制度等を議論し、地域連携、異分野連携、産学官民連携を促進し、持続可能な災害情報システムの発展を目指すことを目的としたセミナーを行った。本研究では、通信被害地域において被災者情報を収集・共有・拡散するために、(1)要救助者群においてバッテリ消費を削減した情報共有手法と(2)ドローンによる被災者情報収集手法に関する研究を行った。(1)では、提案方式が多数の端末が存在する環境下においても、既存方式と比較して、稼働時間が増加し、メッセージ収集時間も削減できることを示した。(2)では、要救助者がスマートフォンを保持している場合、ドローンにより上空から要救助者の存在確認が可能であることを示した。平成26年度に計画した「要救助者群において、大幅にバッテリ消費を削減した情報共有手法」は目的どおり、バテリー消費を削減することができ、国内研究会において発表を行うことができた。現在、ジャーナル化に向けて執筆中である。平成28年度は、これまでの研究成果を用いた実験を行う。当初の実施計画では、UAVを用いて有効性を示すことを予定しているが、航空法の改正の影響もあり、UAVを用いた実証実験に近い形での実験方法について検討する必要がある。また、これまでに投稿した国内研究会等の論文内容を拡張し、ジャーナル化も並行して行う。''スマホ電波で被災者捜索奈良先端大、ドローン活用,''日本経済新聞, 2017年1月16日朝刊.次世代災害情報システムヘ向けての連携促進セミナー@高知工科大学永国寺キャンパス地域連携棟4階, 2017年1月10日.電子情報通信学会モバイルネットワークとアプリケーション研究会2015年度優秀発表賞(対象論文:ドローンを用いた罹災状況収集用センサの試作と実験), 2016年8月.モバイルコンピューティング平成27年度は「ラジコンヘリコプタを用いた被災者情報自動収集手法」について取り組む。いわゆるドローンを用いるため飛行の安全には十分注意する。また、ドローンの安全な運用方法に対する情報は少ないため、研究を通して安全運用に対する取り組みも行う。災害情報に関する研究は地方公共団体等の現場の方無しでは進めることはできない。そこで、産官学が連携して、災害情報をどのように収集すればよいか考えていくための勉強会を開いた内容が高知新聞の2015年11月26日の朝刊に掲載された。なお、本勉強会は今年度も継続して行う。(1)現在取り組んでいる研究内容が高知新聞の2015年3月25日朝刊に掲載されました。