Development and validation of mathematical model of nanomedicine for cancer treatment by using zebrafish
| Project/Area Number |
20K20532
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Challenging Research (Pioneering)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
Medium-sized Section 19:Fluid engineering, thermal engineering, and related fields
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
長谷川 洋介 東京大学, 生産技術研究所, 准教授 (30396783)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
中嶋 洋行 国立研究開発法人国立循環器病研究センター, 研究所, 室長 (10467657)
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| Project Period (FY) |
2020-07-30 – 2024-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2022)
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| Budget Amount *help |
¥25,740,000 (Direct Cost: ¥19,800,000、Indirect Cost: ¥5,940,000)
Fiscal Year 2023: ¥4,940,000 (Direct Cost: ¥3,800,000、Indirect Cost: ¥1,140,000)
Fiscal Year 2022: ¥4,940,000 (Direct Cost: ¥3,800,000、Indirect Cost: ¥1,140,000)
Fiscal Year 2021: ¥5,850,000 (Direct Cost: ¥4,500,000、Indirect Cost: ¥1,350,000)
Fiscal Year 2020: ¥10,010,000 (Direct Cost: ¥7,700,000、Indirect Cost: ¥2,310,000)
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| Keywords | 血流シミュレーション / ナノメディシン / ライブイメージング / セブラフィッシュ / ゼブラフィッシュ |
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| Outline of Research at the Start |
本研究では，胚が透明であり，生体内輸送現象のライブイメージングが可能である，ゼブラフィッシュを用いて，がん細胞，その周辺の血管構造，血流分布，ナノ粒子の輸送・集積過程の同時計測を行う．更に，複雑な血管網内部における血流と血球の連成シミュレーション，血管内壁や細胞間質における輸送プロセスのモデリングを実施し，上述の実験から得られるライブイメージングとの詳細な比較を通じて，生体内ナノ粒子輸送の数理モデルを構築する．最終的には，ナノ粒子のサイズ，形状，物理化学的性質を最適化する数理設計ツールを構築を目指す．．
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| Outline of Annual Research Achievements |
高解像度共焦点顕微鏡により取得されたゼブラフィッシュ脳内血管の断面画像から3次元血管構造を再構築し、蛍光させた赤血球の動画に流体の支配方程式を考慮する人工知能流体計を適用することにより、血管網全体の流れを推定するアルゴリズムのさらなる精緻化を行った。これにより、実験では計測できない血管内壁に働く圧力やせん断応力などの血行力学的因子の推定が可能となった。さらに、得られた血行力学因子と血管構造リモデリングの関係性を機械学習により抽出することにより、その数理モデリングを行った。また、DPDシミュレーションの大規模化に取り組み、ゼブラフィッシュ後脳全体の血管網に関して、赤血球のダイナミクスを陽的に考慮したシミュレーションが可能となった。
実験においては、ゼブラフィッシュ体内にガン細胞を移植し、腫瘍を定着させ、成長させることに成功し、これによりゼブラフィッシュを用いたガン治療の生体モデルの構築を完了した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
ゼブラフィッシュ生体内の血管画像から3次元構造を再構築し、散逸動力学法(DPD: dissipative particle dynamics)、３D連続体モデル、１Dモデル、人工知能流速計などの異なる血流推定手法を行うための基盤が構築され、実験データとの比較を通じて、検証が可能となった。また、ゼブラフィッシュ体内にガン細胞を培養し、ガン治療の生体モデルとして利用することを可能とした。また、ナノメディシンの製作においては、異なるサイズのポリマーによりナノ粒子を被覆することにより、生体内でのナノ粒子の流動パターンの制御が可能となりつつある。以上の成果を考慮し、概ね順調に研究が進んでいると判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでに構築したシミュレーション技法、ゼブラフィッシュ体内の観察手法、ガン細胞の移植技術、ナノメディシンの製造技術を組み合わせることにより、ゼブラフィッシュ体内において薬物を内包したナノメディシンの輸送過程を予測するための数理モデルの構築とそれがガン治療に与える影響に関する研究を継続する。特に、散逸動力学法においては、赤血球、血漿、ナノ粒子までを様的に扱うことが可能であり、これを実現するコードを開発するとともに、実験結果との比較を通じて、シミュレーション手法の検証を進める。また、得られたデータを用いて、3D連続体シミュレーションや1Dモデルの検証を行い、より少ない計算負荷により、血管網全体の血流やそれに伴うナノ粒子の輸送過程の予測を実現する。
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Report
(3 results)
Research Products
(26 results)
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[Journal Article] Heat transfer and pressure loss characteristics of an offset fin with oblique waves2023
Author(s)
Gong, J., Onishi, J., Komatsu, Y., Mao, N., Kametani, Y., Hasegawa, Y., Shikazono, N.
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Journal Title
International Journal of Heat and Mass Transfer
Volume: 200
Pages: 123522-123522
DOI
Related Report
Peer Reviewed / Open Access
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[Journal Article] Investigation of the vibration-induced local flow around a micro-pillar under various vibration conditions2023
Author(s)
Kaneko, K., Huang, Z., Sato, T., Ujikawa, N., Hayakawa, T., Hasegawa, Y., Suzuki, H.
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Journal Title
Mechanical Engineering Journal
Volume: 10
Issue: 1
Pages: 22-00223-22-00223
DOI
ISSN
2187-9745
Related Report
Peer Reviewed / Open Access
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