外部制御可能な分子通信を利用した脳腫瘍監視制御システムの設計と概念実証

• Project/Area Number: 21H04876
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Medium-sized Section 60:Information science, computer engineering, and related fields
• Research Institution: Osaka Metropolitan University (2022-2024); Osaka City University (2021)
• Principal Investigator: 中野 賢 大阪公立大学, 大学院情報学研究科, 教授 (70571173)
• Project Period (FY): 2021-04-05 – 2026-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥38,610,000 (Direct Cost: ¥29,700,000、Indirect Cost: ¥8,910,000); Fiscal Year 2024: ¥7,670,000 (Direct Cost: ¥5,900,000、Indirect Cost: ¥1,770,000); Fiscal Year 2023: ¥7,670,000 (Direct Cost: ¥5,900,000、Indirect Cost: ¥1,770,000); Fiscal Year 2022: ¥8,320,000 (Direct Cost: ¥6,400,000、Indirect Cost: ¥1,920,000); Fiscal Year 2021: ¥6,890,000 (Direct Cost: ¥5,300,000、Indirect Cost: ¥1,590,000)
• Keywords: 分子通信 / 情報ネットワーク / ナノ医療 / 生命科学

Outline of Research at the Start

本研究では、外部制御可能な分子通信の基本概念に基づいて、全く新しい脳腫瘍監視制御システムを設計し、その概念実証を行う。外部制御可能な分子通信とは、生体・非生体インタフェースを介してバイオナノマシンを外部機器から制御できるように拡張した分子通信である。設計するシステムは、がん細胞と周囲の細胞の間で交換されるメッセージ（情報分子）やがん細胞どうしで交換されるメッセージを収集、分析、制御することによって、がん細胞の増殖を抑制する。本研究はまた、国際共同研究を通して、当該分野最大規模となる概念実証を行い、設計するシステムの実用可能性を検証する。

Outline of Annual Research Achievements

本研究の目的は、外部制御可能な分子通信の基本概念に基づて、全く新しい脳腫瘍監視制御システムを設計し、その概念実証を行うことであ る。外部制御可能な分子通信とは、生体・非生体インタフェースを介してバイオナノマシンを外部機器(電子機器)から制御できるように拡張した分子通信である。脳腫瘍監視制御システムの設計においては、がん細胞と周囲の細胞の間で交換されるメッセージやがん細胞どうしで交換 されるメッセージを収集、分析、制御することで、がん細胞の増殖を抑える方法を考える。がん細胞が送受信するメッセージを制御できるよう になれば、がん細胞が血管にアクセスすることを回避したり、がん細胞集団が形成する構造を特異的に破壊できる可能性がある。本研究はまた当該分野最大規模となる概念実証を行い、設計するシステムの実用可能性を検証する。

2022年度は、がん細胞集団が血管様構造を形成する原理を理解することを目的として、血管様構造形成の３次元数理モデルを個体ベースモデルに基づいて構築した。構築した数理モデルでは、個々のがん細胞が他のがん細胞との間に働く種々の力によって3次元空間を移動する。また、細胞分裂をすることにより増殖する。本研究ではまた、構築した数理モデルに基づくシミュレーション実験を行った。シミュレーション実験では、数理モデルのパラメータががん細胞集団が形成する構造に与える影響を分析した。さらに本研究では、シミュレーション実験の結果と培養癌細胞実験の結果を比較し、構築したモデルの妥当性を検証した。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

当初の計画通りに研究が進み、研究成果を残すことができた。

Strategy for Future Research Activity

次年度は、がん細胞同士およびがん細胞と基質の相互作用を制御することにより、がん細胞集団が血管様構造を形成する過程を阻害する方法や、がん細胞集団が形成した血管様構造を破壊する方法を検討する。

Research Products

• [Int'l Joint Research] University of CYPRUS(キプロス)
• [Journal Article] Modelling and Simulations of Collective Bio-nanomachine Rotation in Three-dimensional Space (2023)
  • Author(s): J. Wang and T. Nakano
  • Journal Title: IEEE Transactions on Molecular, Biological and Multiscale Communications Volume: 9 Issue: 2 Pages: 222-226
  • DOI: 10.1109/tmbmc.2023.3275542
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Bionanomachine Diagnostics and Nanonetwork Therapeutic in Brain Malignancies With Bionanodevice Interfaces (2022)
  • Author(s): Andreani D. Odysseos and Tadashi Nakano
  • Journal Title: IEEE TRANSACTIONS ON MOLECULAR, BIOLOGICAL, AND MULTI-SCALE COMMUNICATIONS Volume: 8 Issue: 1 Pages: 28-35
  • DOI: 10.1109/tmbmc.2021.3083725
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] ATP levels influence cell movement during the mound phase in Dictyostelium discoideum as revealed by ATP visualization and simulation (2022)
  • Author(s): Hiraoka H, Wang J, Nakano T, Hirano Y, Yamazaki S, Hiraoka Y, Haraguchi T
  • Journal Title: FEBS Open Bio Volume: 12 Issue: 11 Pages: 2042-2056
  • DOI: 10.1002/2211-5463.13480
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] A Biologically Inspired Model of Collective Bio-nanomachine Rotation via Chemical and Physical Interactions (2022)
  • Author(s): Wang Jiewen、Nakano Tadashi
  • Journal Title: IEEE Transactions on NanoBioscience Volume: - Issue: 3 Pages: 570-581
  • DOI: 10.1109/tnb.2022.3219867
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Collective Bio-nanomachine Rotation via Chemical and Physical Interactions: A Three- dimensional Model (2023)
  • Author(s): J. Wang and T. Nakano
  • Organizer: 14th EAI International Conference on Bio-inspired Information and Communications Technologies (BICT 2023)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Design and Implementation of a General-purpose Multicellular Molecular Communication Simulator (2023)
  • Author(s): S. Takanori and T. Nakano
  • Organizer: 14th EAI International Conference on Bio-inspired Information and Communications Technologies (BICT 2023)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Collective Migration and Large-scale Structure Formation of Cancer Cells (2023)
  • Author(s): T. Nakano
  • Organizer: Workshop on Molecular, Biological, and Multi-Scale Communications (WMBMC)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Modeling and Simulations of Vascular-Like Structure Formation of Cancer Cells (2022)
  • Author(s): T. Tsuchiya, T. Saiki, T. Nakano
  • Organizer: 16th IEEE International Symposium on Medical Information and Communication Technology (ISMICT 2022)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Wet-laboratory Experiments and Computer Simulation of Growing Cell Clusters (2022)
  • Author(s): K. Matsushita and T. Nakano
  • Organizer: 2022 IEEE Global Communications Conference (IEEE GLOBECOM 2022)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Collective Rotational Motion of Bio-nanomachines in Noisy Environments (2022)
  • Author(s): J. Wang and T. Nakano
  • Organizer: 2022 Joint 12th International Conference on Soft Computing and Intelligent Systems and 23rd International Symposium on Advanced Intelligent Systems (SCIS&ISIS 2022)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Two Point Correlation Analysis of Cancer Cell Structure Formation (2022)
  • Author(s): T. Tsuchiya, T. Nakano and W. Tang
  • Organizer: 2022 Joint 12th International Conference on Soft Computing and Intelligent Systems and 23rd International Symposium on Advanced Intelligent Systems (SCIS&ISIS 2022)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Design and Implementation of a Multicellular Molecular Communication Simulator (2022)
  • Author(s): T. Saiki and T. Nakano
  • Organizer: 2022 Joint 12th International Conference on Soft Computing and Intelligent Systems and 23rd International Symposium on Advanced Intelligent Systems (SCIS&ISIS 2022)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Collective Gradient Detection for Forming a Bio-nanomachine Supercluster (2022)
  • Author(s): M. Chiba and T. Nakano
  • Organizer: 2022 Joint 12th International Conference on Soft Computing and Intelligent Systems and 23rd International Symposium on Advanced Intelligent Systems (SCIS&ISIS 2022)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Frequency-based Directional Sensing for Mobile Molecular Communication (2022)
  • Author(s): M. Nishino and T. Nakano
  • Organizer: 2022 Joint 12th International Conference on Soft Computing and Intelligent Systems and 23rd International Symposium on Advanced Intelligent Systems (SCIS&ISIS 2022)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] バイオナノマシン集団による分子通信を介した信号分子濃度の協調検出方式 (2022)
  • Author(s): 千葉 万柚香、中野 賢
  • Organizer: 第21回情報科学技術フォーラム（FIT2022）
• [Presentation] 分子通信を介して相互作用するバイオナノマシンの集団回転運動 (2022)
  • Author(s): 王 潔文、中野 賢
  • Organizer: 第21回情報科学技術フォーラム（FIT2022）
• [Presentation] がん細胞集団が作る大規模ネットワーク構造の分析 (2022)
  • Author(s): 中野賢
  • Organizer: BioMedical Forum 2022
  • Invited
• [Presentation] 生体内分子通信ネットワークの理解と医療応用 (2022)
  • Author(s): 中野賢
  • Organizer: 日本化学会第102春季年会