Mathematical analysis of outlier immune cells using extreme statistics

• Project Area: Singularity biology
• Project/Area Number: 19H05422
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Complex systems
• Research Institution: Nagoya University
• Principal Investigator: 中村 直俊 名古屋大学, 理学研究科, 特任准教授 (30554472)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2021-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000); Fiscal Year 2020: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000); Fiscal Year 2019: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000)
• Keywords: 細胞間不均一性 / 距離学習 / 細胞運動 / 1細胞 / 運動軌跡 / 確率分布 / in vivo イメージング / 細胞極性

Outline of Research at the Start

近年のイメージング研究の進展により、同じ種類の細胞であっても生体の中で異なる振る舞いを示す 「細胞間不均一性」が明らかになってきた。申請者は、細胞の動態データから細胞間不均一性をバイアスなく図示し、細胞間の違いを司る軸を明らかにするデータ解析方法を開発した。 本研究では、この申請者の研究に立脚し、マウスの in vivo イメージングの細胞データに対して、外れ値となる免疫細胞を同定する。その動態を詳細に解析し、細胞分布の経時変化を解明して、外れ値免疫細胞の存在意義を明らかにする。

Outline of Annual Research Achievements

多光子顕微鏡で観察された免疫細胞の運動を解析する過程で得られた、距離学習による細胞軌跡の可視化手法を、Springer社の国際学会特集書籍に原著論文として投稿し、査読を経て掲載された。（Nakamura N and Yamada R. Proceedings in Mathematics & Statistics (Methods of Mathematical Oncology: Fusion of Mathematics and Biology): Distance-matrix-based extraction of motility features from functionally heterogeneous cell populations, 283-293, Springer (2021).）同様の距離学習は、細胞間の不均一性以外のみならず、個体間の表現型の不均一性を可視化する目的で利用可能である(Nakamura N et al., medRxiv 2022)。近年盛んになっている深層学習ベースの学習方法とは異なる、新たな教師なし学習手法として拡張可能性があると考えられ、今後も研究を進めていく。また、複数の数理モデルの距離を木構造を用いて比較する新規方法について、共同研究者と進めていた研究が情報系の国際学会 ISAAC 2022 (33rd International Symposium on Algorithms and Computation) に査読を経て採択され、Leibniz International Proceedings in Informatics に収録された。（Akutsu T, Mori T, Nakamura N et al. On the complexity of tree edit distance with variables. doi: 10.4230/LIPIcs.ISAAC.2022.44）この手法についても、上記の距離学習の副産物というべき成果であり、BioModelsなどの数理モデルデータベースへの応用を検討している。

Research Progress Status

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Blood flow kinetic energy is a novel marker for right ventricular global systolic function in patients with left ventricular assist device therapy (2023)
  • Author(s): Akiyama K, Colombo PC, Stohr EJ, Ji R, Wu IY, Itatani K, Miyazaki S, Nishino T, Nakamura N, Nakajima Y, McDonnel BJ, Takeda K, Yuzefpolskaya M, Takayama H
  • Journal Title: Front. Cardiovasc. Med., Volume: 10 Pages: 1093576-1093576
  • DOI: 10.3389/fcvm.2023.1093576
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Stratifying elicited antibody dynamics after two doses of SARS-CoV-2 vaccine in a community-based cohort in Fukushima, Japan. (2022)
  • Author(s): Nakamura N, Kobashi Y, Kim KS, Tani, Shimazu, Zhao, Nishikawa, Omata, Kawashima, Yoshida, Abe, Saito Y, Senoo Y, Nonaka S, Takita M, Yamamoto C, Kawamura T, Sugiyama A, Nakayama A, Kaneko Y, Park H, Jeong YD, Tatematsu D, Akao M, Sato Y, Iwanami S, Fujita Y, Wakui M, Aihara K, Kodama T, Shibuya K, Iwami S, Tsubokura M
  • Journal Title: medRxiv Volume: -
  • DOI: 10.1101/2022.06.11.22276266
  • Open Access
• [Journal Article] A personalized antibody score for predicting individual COVID-19 vaccine-elicited antibody levels from basic demographic and health information. (2022)
  • Author(s): Nakamura N, Park H, Kim KS, Sato Y, Jeong YD, Iwanami S, Fujita Y, Zhao T, Tani Y, Nishikawa Y, Yamamoto C, Kobashi Y, Kawamura T, Sugiyama A, Nakayama A, Kaneko Y, Aihara K, Iwami S, Tsubokura M.
  • Journal Title: medRxiv Volume: -
  • DOI: 10.1101/2022.07.05.22277283
  • Open Access
• [Journal Article] Lifestyle changes during the coronavirus disease 2019 pandemic impact metabolic dysfunction–associated fatty liver disease (2022)
  • Author(s): Fujii Hideki、Nakamura Naotoshi、Fukumoto Shinya、Kimura Tatsuo、Nakano Akemi、Nadatani Yuji、Tauchi Yukie、Nishii Yuuko、Takashima Shingo、Kamada Yoshihiro、Watanabe Toshio、Kawada Norifumi
  • Journal Title: Liver International Volume: 42 Issue: 5 Pages: 995-1004
  • DOI: 10.1111/liv.15158
  • URL: https://ocu-omu.repo.nii.ac.jp/records/2020090
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Preoperative Left Ventricular Energy Loss in the Operating Theater Reflects Subjective Symptoms in Chronic Aortic Regurgitation (2022)
  • Author(s): Kainuma Atsushi、Itatani Keiichi、Akiyama Koichi、Naito Yoshifumi、Ishii Maki、Shimizu Masaru、Ohara Junya、Nakamura Naotoshi、Nakajima Yasufumi、Numata Satoshi、Yaku Hitoshi、Sawa Teiji
  • Journal Title: Frontiers in Surgery Volume: 9 Pages: 739-743
  • DOI: 10.3389/fsurg.2022.739743
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Mathematical Cell Biology (4): Dealing with Insufficient Information (2021)
  • Author(s): 中村 直俊
  • Journal Title: Bulletin of the Japan Society for Industrial and Applied Mathematics Volume: 31 Issue: 4 Pages: 28-33
  • DOI: 10.11540/bjsiam.31.4_28
  • NAID: 40022784449
  • ISSN: 2432-1982
  • Year and Date: 2021-12-22
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Mathematical Cell Biology (3): Motile Cells (2021)
  • Author(s): 中村 直俊
  • Journal Title: Bulletin of the Japan Society for Industrial and Applied Mathematics Volume: 31 Issue: 3 Pages: 28-33
  • DOI: 10.11540/bjsiam.31.3_28
  • NAID: 130008135912
  • ISSN: 2432-1982
  • Year and Date: 2021-09-22
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Mathematical Cell Biology (2): Cell-To-Cell Variability (2021)
  • Author(s): 中村 直俊
  • Journal Title: Bulletin of the Japan Society for Industrial and Applied Mathematics Volume: 31 Issue: 2 Pages: 28-33
  • DOI: 10.11540/bjsiam.31.2_28
  • NAID: 130008094868
  • ISSN: 2432-1982
  • Year and Date: 2021-06-24
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Mathematical Cell Biology (1): Overview and Michaelis-Menten Kinetics (2021)
  • Author(s): 中村 直俊
  • Journal Title: Bulletin of the Japan Society for Industrial and Applied Mathematics Volume: 31 Issue: 1 Pages: 32-37
  • DOI: 10.11540/bjsiam.31.1_32
  • NAID: 130008059720
  • ISSN: 2432-1982
  • Year and Date: 2021-03-25
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] On the Complexity of Tree Edit Distance with Variables (2021)
  • Author(s): Akutsu T, Mori T, Nakamura N, Kozawa S, Ueno Y, Sato TN
  • Journal Title: Leibniz International Proceedings in Informatics Volume: -
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Expression of Cancer Stem Cell Markers EpCAM and CD90 Is Correlated with Anti- and Pro-Oncogenic EphA2 Signaling in Hepatocellular Carcinoma (2021)
  • Author(s): Asakura Nobuhiko、Nakamura Naotoshi、Muroi Atsushi、Nojima Yosui、Yamashita Taro、Kaneko Shuichi、Ikeda Kazuki、Koshikawa Naohiko、Suzuki Takashi
  • Journal Title: International Journal of Molecular Sciences Volume: 22 Issue: 16 Pages: 8652-8652
  • DOI: 10.3390/ijms22168652
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 細胞の表現型不均一性を数理モデルとデータサイエンスで解明する (2022)
  • Author(s): 中村直俊
  • Organizer: 京都駅前セミナー
  • Invited
• [Presentation] Deciphering heterogeneity in liver diseases using mathematical models and data science. (2022)
  • Author(s): 中村直俊
  • Organizer: ASHBiセミナー
  • Invited
• [Presentation] コロナワクチンに対する免疫応答の個人差を予測するスコアリング (2022)
  • Author(s): 中村直俊
  • Organizer: 日本数理学会シンポジウム「医学で活躍するデータ解析」
  • Invited
• [Presentation] Deciphering heterogeneity in liver diseases using mathematical models and data science (2022)
  • Author(s): 中村直俊
  • Organizer: ASHBiセミナー
  • Invited
• [Presentation] EphA2 と EGFR を介する肝細胞がんの悪性化経路の数理モデリング (2021)
  • Author(s): 中村直俊
  • Organizer: ネオMEセミナー
  • Invited
• [Presentation] Mathematical modeling of hepatocellular cancer progression via EphA2 and EGFR. (2021)
  • Author(s): 中村直俊
  • Organizer: 日本癌学会学術総会
• [Presentation] 肝がん悪性化シグナルの数理モデルによる解析 (2021)
  • Author(s): 中村直俊
  • Organizer: 日本応用数理学会2021年度年会
• [Presentation] Team 14: Lipid therapeutics for rejuvenating senile T cells (2021)
  • Author(s): Nakamura N, Tay A, Almsherqi Z
  • Organizer: The Interstellar Initiative: 2nd workshop
• [Presentation] 外れ値免疫細胞の動態の数理解析 (2020)
  • Author(s): 中村直俊
  • Organizer: 新学術シンギュラリティ生物学・第13回web交流会
  • Invited
• [Presentation] EphA2とEGFRを介する肝細胞がんの悪性化経路の数理モデリング (2020)
  • Author(s): 中村直俊
  • Organizer: 数理腫瘍学研究会
• [Presentation] EphA2とEGFRを介する肝細胞がんの悪性化経路の数理モデリング (2020)
  • Author(s): 中村直俊
  • Organizer: ワークショップ・工学と数学の接点を求めて
  • Invited
• [Presentation] Mathematical modeling of hepatocellular cancer progression via EphA2 and EGFR (2020)
  • Author(s): 中村直俊
  • Organizer: Fusion of Mathematics and Biology, JSPS Core-to-Core Program "Establishing International Research Network of Mathematical Oncology"
  • Int'l Joint Research
• [Book] 高度情報リテラシー : 情報科学・データ科学への入門 第3版 (2022)
  • Author(s): 中村直俊
  • Total Pages: 110
  • Publisher: 学術図書出版社
  • ISBN: 9784780610192
• [Book] データサイエンティスト教程 応用 (2021)
  • Author(s): 数理人材育成協会編、下川和郎、中村直俊、中澤嵩、高野渉、上阪彩香、松原繁夫著
  • Total Pages: 272
  • Publisher: 学術図書出版社
  • ISBN: 9784780609400
• [Book] Methods of Mathematical Oncology (2021)
  • Author(s): Naotoshi Nakamura, Ryo Yamada
  • Total Pages: 11
  • Publisher: Springer
  • ISBN: 9789811648663