オミックスを統合するヒト全身代謝マルチスケール動力学モデルの開発
| Project/Area Number |
23K24943
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| Project/Area Number (Other) |
22H03688 (2022-2023)
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Multi-year Fund (2024)
Single-year Grants (2022-2023) |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 62010:Life, health and medical informatics-related
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| Research Institution | Kyushu Institute of Technology |
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Principal Investigator |
倉田 博之 九州工業大学, 大学院情報工学研究院, 教授 (90251371)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2027-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥17,030,000 (Direct Cost: ¥13,100,000、Indirect Cost: ¥3,930,000)
Fiscal Year 2026: ¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000)
Fiscal Year 2025: ¥3,640,000 (Direct Cost: ¥2,800,000、Indirect Cost: ¥840,000)
Fiscal Year 2024: ¥3,640,000 (Direct Cost: ¥2,800,000、Indirect Cost: ¥840,000)
Fiscal Year 2023: ¥3,640,000 (Direct Cost: ¥2,800,000、Indirect Cost: ¥840,000)
Fiscal Year 2022: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000)
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| Keywords | ヒト代謝 / コンピュータシミュレーション / エピジェネティック / 糖尿病 / 臓器 / 脂肪症 / ダイナミックモデル / 全身代謝 / インスリン |
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| Outline of Research at the Start |
オミックスと生物学・医学の知識を統合する情報基盤の開発が世界レベルで進行している。多数のデータベースが公開される一方で、データと知識を統合するシミュレーション技術の開発が必要である。臨床実験を代替するようなヒト生理学を再現するコンピュータモデルの開発はできるだろうか。その問いに答えるために、私たちはゲノムを含むオミックスの測定分子（遺伝子、転写物、タンパク質、代謝物、エピジェネティクス）に対応する詳細な分子ネットワークに基づいて、ヒト全身代謝の機能を再現するコンピュータモデルを開発する。ヒトの生理学、臨床データ、生物学的知識を統合し、コンピュータシミュレーションする技術の基盤とする。
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| Outline of Annual Research Achievements |
オミックスの測定対象は遺伝子、転写物、タンパク質、代謝物とエピジェネティックスである。よって、その測定対象分子を含む生体分子ネットワークに基づくモデルが必須である。モデルの対象は、血管を通してつながる肝臓、膵臓、胃腸（腸内細菌叢含む）、骨格筋、心臓、肺、脳、脂肪組織、腎臓である。アミノ酸、アンモニア、尿素代謝に寄与する腸内細菌叢をモデルに追加する。また、糖尿病、脂質異常症、高アンモニア症などの代謝疾患を解析対象とする。2022年度は、メカニズムモデルの代謝物の微分方程式を開発した。臓器間の物質交換は、血漿を介して行われる。血管内を循環する分子は、インスリン、グルカゴン、エピネフリンを含むホルモン、グルコース、グリコーゲン、トリグリセリド、脂肪酸、アミノ酸（グルタミン、アラニン、分岐鎖アミノ酸）、酸素、炭酸、アンモニア、尿素などの代謝物である。基質（糖、脂質、タンパク質）からエネルギーや物質が生成され、余剰物質は、グリコーゲンや脂肪として細胞内に蓄積した。血液の循環速度は、グルコースやインスリン濃度の変化速度に比べて十分速いと考え、完全混合流れを仮定した。測定データの解像度に合わせて、各臓器内で、分子濃度一定とする仮定した。
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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
肝臓の詳細な生体分子ネットワークを構築して、ダイナミックモデルを作成することができた。
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| Strategy for Future Research Activity |
各臓器を構成する細胞は解糖系、TCA回路、脂肪酸分解などの共通の回路をもつ一方で、臓器特異的反応がある。肝臓の詳細なダイナミックモデルを作成したので、2023年度は、肝臓モデルを参考にして、他の臓器モデルを酵素遺伝子発現量を変化させて作る。腎臓は、グルタミン消費、尿素・アンモニア排泄、心臓は多様な基質の取込み、脂肪組織はトリグリセリド合成と分解、脳は解糖系とケトン体分解を担う。物質変換だけでなく、ATP・NADHを含む補酵素反応や酸化的リン酸化反応を考慮して、エネルギー変換もモデル化する。分子濃度時間変化をミカエリスメンテン型方程式で記述する。ベンチマークとして、成人の食後、吸収後、運動時、絶食時の各臓器の代謝流束分布や血液中の代謝物濃度変化をシミュレーションする。
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Report
(1 results)
Research Products
(6 results)
