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2021 Fiscal Year Annual Research Report

Mathematical modeling of virtual human

Planned Research

Project AreaScience for virtual human development: Organ(s)-on-a-chips reveal systemic metabolic networks
Project/Area Number 20H05743
Research InstitutionTokyo Medical University

Principal Investigator

杉本 昌弘  東京医科大学, 医学部, 教授 (30458963)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 斎藤 輪太郎  慶應義塾大学, 政策・メディア研究科(藤沢), 特任教授 (40348842)
前田 和勲  九州工業大学, 大学院情報工学研究院, 助教 (50631230)
Project Period (FY) 2020-10-02 – 2023-03-31
Keywords生体医工学
Outline of Annual Research Achievements

数理モデル班では、細胞内の様々な分子の相互作用を数理モデル化し、細胞内外で同時に起こる多数のイベントがどのような相互作用を経て表現型に現れるかを予測するシステム生物学を実践することである。モデル化においては未知パラメータの予測や条件を変えた実行などが必要であるため、E-CellやCADLIVEといった統合開発環境を使わずに、Python言語を用いて独自にモデルを開発した。分子レベルのモデルとしては肝臓の代謝で門脈近くと静脈近くで異なる挙動を示す現象の再現に取り組んだ。また、他の班と協力して、検証が可能な培養実験のメタボローム解析も実施した。肝臓の線維化に関しては、エージェント指向モデルであるSPARKを改良して、肝小葉の中の炎症とコラーゲンの生成をモデル化した。肝臓の細胞が薬剤に暴露された場合に死細胞推移し、マクロファージや星細胞などが炎症性サイトカインの濃度分布に合わせて移動し、コラーゲンが生成されるという一連の現象を再現した。またがんの微小空間における血管新生の現象を再現すべく、シミュレーションのモデルも開発した。腫瘍部にて低酸素状態になると周囲に血管を新たに生成する因子を誘導し、既存の血管から新しい血管を伸ばすが、これらの物理的な特徴と化学的な特徴の両方を満たす数理モデルを開発した。
同時に、培養細胞や臨床検体のメタボローム解析を実施するときに、高感度化や測定対象物質を増やすだけでなく、定量性の再現性を高くすることが重要である。長期的な測定では、測定バッチや様々な試薬や消耗品のロット間の違いなどが影響してくるが、品質制御用の検体を用いてこれらの影響を最小化するアルゴリズムの構築を行った。様々な疾患の臨床検体を長期間測定し、これらの評価も多数実施してきた。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

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

Reason

本研究では数理モデルの開発とメタボローム解析の高感度化と定量値の再現性を高める技術開発を中心に実施してきている。数理モデルでは、分子レベルのシミュレーションとして肝臓の代謝のモデル開発を行い、絶食時と摂食時の薬物動態の変動など既存の知見と一致するかという評価まで実施してきた。また、肝線維化の数理モデルも病態の変化に伴いコラーゲンが生成されていく動的な変化を実装してきた。血管新生のモデルに関しては、従来のモデルでは単調に血管が伸びていくだけであったが、実際には途中でいったん縮退の現象が起きる。Ang-1とAng-2の因子を含めることで、こられの縮退現象を再現することもできた。メタボローム解析に関しては技術開発だけでなく、実際に様々な臨床検体を測定した。ある集団で生体の病態に応じて変動する物質を見つけ、更に他の集団でその再現性を確認するなど、再現性の確認も実施できた。

Strategy for Future Research Activity

これまでに開発してきた数理モデルに関して、その妥当性を評価できた後は、様々な条件を変更して、実際にモデルを活用して新しい仮説を生み出すシミュレーション実験を実施する必要がある。また、それぞれのモデルにまだ不十分な点もあり、改善の余地がある。代謝モデルでは個々の細胞のモデルが独立してモデル化されているために小葉内での物質の収支がシミュレーションできない。肝線維化のモデルでは、コラーゲンの修復機能が実装できていないために、一方的にコラーゲンが蓄積する。また、これらそれぞれ他の班と協力によって評価試験を実施することも必要である。メタボローム解析に関しても、イオン性代謝物は再現性が高い方法を確立することができたが、脂溶性物質などでも同様の技術開発が課題として残っている。

  • Research Products

    (31 results)

All 2022 2021

All Journal Article (20 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results,  Peer Reviewed: 19 results,  Open Access: 18 results) Presentation (11 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results,  Invited: 2 results)

  • [Journal Article] Metabolic profiling of charged metabolites in association with menopausal status in Japanese community-dwelling midlife women: Tsuruoka Metabolomic Cohort Study2022

    • Author(s)
      Watanabe Keiko、Iida Miho、Harada Sei、Kato Suzuka、Kuwabara Kazuyo、Kurihara Ayako、Takeuchi Ayano、Sugiyama Daisuke、Okamura Tomonori、Suzuki Asako、Amano Kaori、Hirayama Akiyoshi、Sugimoto Masahiro、Soga Tomoyoshi、Tomita Masaru、Kobayashi Yusuke、Banno Kouji、Aoki Daisuke、Takebayashi Toru
    • Journal Title

      Maturitas

      Volume: 155 Pages: 54~62

    • DOI

      10.1016/j.maturitas.2021.10.004

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Salivary Metabolomics for Prognosis of Oral Squamous Cell Carcinoma2022

    • Author(s)
      Ishikawa Shigeo、Sugimoto Masahiro、Konta Tsuneo、Kitabatake Kenichiro、Ueda Shohei、Edamatsu Kaoru、Okuyama Naoki、Yusa Kazuyuki、Iino Mitsuyoshi
    • Journal Title

      Frontiers in Oncology

      Volume: 11 Pages: 789248~789248

    • DOI

      10.3389/fonc.2021.789248

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Validation of Urinary Charged Metabolite Profiles in Colorectal Cancer Using Capillary Electrophoresis-Mass Spectrometry2022

    • Author(s)
      Sakurai Toru、Katsumata Kenji、Udo Ryutaro、Tago Tomoya、Kasahara Kenta、Mazaki Junichi、Kuwabara Hiroshi、Kawakita Hideaki、Enomoto Masanobu、Ishizaki Tetsuo、Nemoto Yukako、Osaka Yoshiaki、Nagakawa Yuichi、Sugimoto Masahiro、Tsuchida Akihiko
    • Journal Title

      Metabolites

      Volume: 12 Pages: 59~59

    • DOI

      10.3390/metabo12010059

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] The usefulness of sparse k-means in metabolomics data: An example from breast cancer data2022

    • Author(s)
      Goudo Misa、Sugimoto Masahiro、Hiwa Satoru、Hiroyasu Tomoyuki
    • Journal Title

      bioRxiv

      Volume: - Pages: -

    • DOI

      10.1101/2022.02.05.479235

    • Open Access
  • [Journal Article] Perturbation of monoamine metabolism and enhanced fear responses in mice defective in the regeneration of tetrahydrobiopterin2022

    • Author(s)
      Miyajima Katsuya、Sudo Yusuke、Sanechika Sho、Hara Yoshitaka、Horiguchi Mieko、Xu Feng、Suzuki Minori、Hara Satoshi、Tanda Koichi、Inoue Ken‐ichi、Takada Masahiko、Sugimoto Masahiro、Sumi‐Ichinose Chiho、Kondo Kazunao、Takao Keizo、Miyakawa Tsuyoshi、Ichinose Hiroshi
    • Journal Title

      Journal of Neurochemistry

      Volume: 161 Pages: 129~145

    • DOI

      10.1111/jnc.15600

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Reliability of urinary charged metabolite concentrations in a large-scale cohort study using capillary electrophoresis-mass spectrometry2021

    • Author(s)
      Ishibashi Yoshiki、Harada Sei、Takeuchi Ayano、Iida Miho、Kurihara Ayako、Kato Suzuka、Kuwabara Kazuyo、Hirata Aya、Shibuki Takuma、Okamura Tomonori、Sugiyama Daisuke、Sato Asako、Amano Kaori、Hirayama Akiyoshi、Sugimoto Masahiro、Soga Tomoyoshi、Tomita Masaru、Takebayashi Toru
    • Journal Title

      Scientific Reports

      Volume: 11 Pages: 7407~7407

    • DOI

      10.1038/s41598-021-86600-9

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Cognitive Dysfunction in a Mouse Model of Cerebral Ischemia Influences Salivary Metabolomics2021

    • Author(s)
      To Masahiro、Sugimoto Masahiro、Saruta Juri、Yamamoto Yuko、Sakaguchi Wakako、Kawata Akira、Matsuo Masato、Tsukinoki Keiichi
    • Journal Title

      Journal of Clinical Medicine

      Volume: 10 Pages: 1698~1698

    • DOI

      10.3390/jcm10081698

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Quality Assessment of Untargeted Analytical Data in a Large-Scale Metabolomic Study2021

    • Author(s)
      Saito Rintaro、Sugimoto Masahiro、Hirayama Akiyoshi、Soga Tomoyoshi、Tomita Masaru、Takebayashi Toru
    • Journal Title

      Journal of Clinical Medicine

      Volume: 10 Pages: 1826~1826

    • DOI

      10.3390/jcm10091826

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Multi-Omics Analysis of Anti-Inflammatory Action of Alkaline Extract of the Leaves of Sasa sp.2021

    • Author(s)
      Sakagami Hiroshi、Nakatani Sachie、Enomoto Ayame、Ota Sana、Kaneko Miku、Sugimoto Masahiro、Horiuchi Misaki、Toeda Kazuki、Oizumi Takaaki
    • Journal Title

      Journal of Clinical Medicine

      Volume: 10 Pages: 2100~2100

    • DOI

      10.3390/jcm10102100

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Optimization of prediction methods for risk assessment of pathogenic germline variants in the Japanese population2021

    • Author(s)
      Senda Noriko、Kawaguchi‐Sakita Nobuko、Kawashima Masahiro、Inagaki‐Kawata Yukiko、Yoshida Kenichi、Takada Masahiro、Kataoka Masako、Torii Masae、Nishimura Tomomi、Togashi Kaori、Haga Hironori、Yamada Takahiro、Kosugi Shinji、Inamoto Takashi、Sugimoto Masahiro、Ogawa Seishi、Toi Masakazu
    • Journal Title

      Cancer Science

      Volume: 112 Pages: 3338~3348

    • DOI

      10.1111/cas.14986

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Kernel weighted least square approach for imputing missing values of metabolomics data2021

    • Author(s)
      Kumar Nishith、Hoque Md. Aminul、Sugimoto Masahiro
    • Journal Title

      Scientific Reports

      Volume: 11 Pages: 11108~11108

    • DOI

      10.1038/s41598-021-90654-0

    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Correlation of Plasma Amino Acid and Anthropometric Profiles with Brown Adipose Tissue Density in Humans2021

    • Author(s)
      Kuroiwa Miyuki、Hamaoka-Fuse Sayuri、Sugimoto Masahiro、Kurosawa Yuko、Aita Yasuko、Tomita Atsumi、Anjo Mikiko、Tanaka Riki、Endo Tasuki、Kime Ryotaro、Hamaoka Takafumi
    • Journal Title

      Journal of Clinical Medicine

      Volume: 10 Pages: 2339~2339

    • DOI

      10.3390/jcm10112339

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Time-Course of Salivary Metabolomic Profiles during Radiation Therapy for Head and Neck Cancer2021

    • Author(s)
      Yatsuoka Wakako、Ueno Takao、Miyano Kanako、Enomoto Ayame、Ota Sana、Sugimoto Masahiro、Uezono Yasuhito
    • Journal Title

      Journal of Clinical Medicine

      Volume: 10 Pages: 2631~2631

    • DOI

      10.3390/jcm10122631

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] TGF-β-dependent reprogramming of amino acid metabolism induces epithelial?mesenchymal transition in non-small cell lung cancers2021

    • Author(s)
      Nakasuka Fumie、Tabata Sho、Sakamoto Takeharu、Hirayama Akiyoshi、Ebi Hiromichi、Yamada Tadaaki、Umetsu Ko、Ohishi Maki、Ueno Ayano、Goto Hisatsugu、Sugimoto Masahiro、Nishioka Yasuhiko、Yamada Yasuhiro、Tomita Masaru、Sasaki Atsuo T.、Yano Seiji、Soga Tomoyoshi
    • Journal Title

      Communications Biology

      Volume: 4 Pages: 782~782

    • DOI

      10.1038/s42003-021-02323-7

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Feiyanning Formula Induces Apoptosis of Lung Adenocarcinoma Cells by Activating the Mitochondrial Pathway2021

    • Author(s)
      Zhu Li-Min、Shi Hai-Xia、Sugimoto Masahiro、Bandow Kenjiro、Sakagami Hiroshi、Amano Shigeru、Deng Hai-Bin、Ye Qing-Yu、Gai Yun、Xin Xiao-Li、Xu Zhen-Ye
    • Journal Title

      Frontiers in Oncology

      Volume: 11 Pages: 690878~690878

    • DOI

      10.3389/fonc.2021.690878

    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] High-throughput screening of salivary polyamine markers for discrimination of colorectal cancer by multisegment injection capillary electrophoresis tandem mass spectrometry2021

    • Author(s)
      Igarashi Kaori、Ota Sana、Kaneko Miku、Hirayama Akiyoshi、Enomoto Masanobu、Katumata Kenji、Sugimoto Masahiro、Soga Tomoyoshi
    • Journal Title

      Journal of Chromatography A

      Volume: 1652 Pages: 462355~462355

    • DOI

      10.1016/j.chroma.2021.462355

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] The Impact of m1A Methylation Modification Patterns on Tumor Immune Microenvironment and Prognosis in Oral Squamous Cell Carcinoma2021

    • Author(s)
      Gao Li、Chen Ru、Sugimoto Masahiro、Mizuta Masanobu、Kishimoto Yo、Omori Koichi
    • Journal Title

      International Journal of Molecular Sciences

      Volume: 22 Pages: 10302~10302

    • DOI

      10.3390/ijms221910302

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Phase separation and toxicity of C9orf72 poly(PR) depends on alternate distribution of arginine2021

    • Author(s)
      Chen Chen、Yamanaka Yoshiaki、Ueda Koji、Li Peiying、Miyagi Tamami、Harada Yuichiro、Tezuka Sayaka、Narumi Satoshi、Sugimoto Masahiro、Kuroda Masahiko、Hayamizu Yuhei、Kanekura Kohsuke
    • Journal Title

      Journal of Cell Biology

      Volume: 220 Pages: -

    • DOI

      10.1083/jcb.202103160

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] The RNA Methylation Modification 5-Methylcytosine Impacts Immunity Characteristics, Prognosis and Progression of Oral Squamous Cell Carcinoma by Bioinformatics Analysis2021

    • Author(s)
      Gao Li、Chen Ru、Sugimoto Masahiro、Mizuta Masanobu、Zhou Lei、Kishimoto Yo、Huang Xinsheng、Omori Koichi
    • Journal Title

      Frontiers in Bioengineering and Biotechnology

      Volume: 9 Pages: 760724~760724

    • DOI

      10.3389/fbioe.2021.760724

    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Differential diagnosis of lung cancer and benign lung lesion using salivary metabolites: A preliminary study2021

    • Author(s)
      Takamori Satoshi、Ishikawa Shigeo、Suzuki Jun、Oizumi Hiroyuki、Uchida Tetsuro、Ueda Shohei、Edamatsu Kaoru、Iino Mitsuyoshi、Sugimoto Masahiro
    • Journal Title

      Thoracic Cancer

      Volume: 13 Pages: 460~465

    • DOI

      10.1111/1759-7714.14282

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] MPSと数理モデルを用いた生体ネットワークの理解に向けて2022

    • Author(s)
      杉本昌弘
    • Organizer
      細胞アッセイ研究会シンポジウム2021
    • Invited
  • [Presentation] 仮想人体構築のための数理モデル化2022

    • Author(s)
      杉本昌弘
    • Organizer
      第21回日本再生医療学会総会
  • [Presentation] メタボロミクスを用いた眼内リンパ腫と眼サルコイドーシスにおける血清代謝物の解析2021

    • Author(s)
      脇田遼、杉本昌弘
    • Organizer
      第125回日本眼科学会総会
  • [Presentation] データ駆動型サイエンスとメタボロミクス2021

    • Author(s)
      杉本昌弘
    • Organizer
      第28回クロマトグラフィーシンポジウム(CS28)
    • Invited
  • [Presentation] LC-MS を用いた水溶性代謝物の一斉分析法 による眼関連疾患のメタボローム解析2021

    • Author(s)
      相田泰子、富田淳美、脇田遼、相澤有美、杉本昌弘、臼井嘉彦、後藤浩
    • Organizer
      第28回クロマトグラフィーシンポジウム(CS28)
  • [Presentation] Metabolomics and machine learning for ophthalmic diseases2021

    • Author(s)
      Masahiro Sugimoto、Hiroyuki Shimizu、Yumi Aizawa、Ryo Wakita、Yoshihiko Usui、Hiroshi Goto
    • Organizer
      METABOLOMICS 2021 ONLINE
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 筋痛性脳脊髄炎/慢性疲労症候群におけるメタボロミクス研究2021

    • Author(s)
      山野恵美、杉本昌弘、曽我朋義、渡辺恭良、片岡洋祐
    • Organizer
      第17回日本疲労学会総会・学術集会
  • [Presentation] ヒト全身代謝シミュレーションの最前線2021

    • Author(s)
      倉田博之、松崎芙美子、羽賀雅俊、川西潤、吉澤美沙、前田和勲、杉本昌弘
    • Organizer
      2021年日本バイオインフォマティクス学年年会・第10回生命医薬情報学連合大会(IIBMP2021)
  • [Presentation] 機械学習と代謝プロファイルを用いたIgG4関連眼疾患と眼窩MALTリンパ腫の識別2021

    • Author(s)
      杉本昌弘、富田淳美、相田泰子、脇田遼、臼井嘉彦、後藤浩
    • Organizer
      第15回メタボロームシンポジウム
  • [Presentation] 数理モデルと生体模倣システム(MPS)による仮想人体構築に向けた取り組み2021

    • Author(s)
      杉本昌弘
    • Organizer
      CBI学会 2021年大会
  • [Presentation] AI(General), AI(Radiology), AI(Pathology)2021

    • Author(s)
      Eiji Aramaki、Masako Kataoka、Yosiaki Matsumoto、Kazunori Kubota、Ichiro Maeda、Masahiro Sugimoto
    • Organizer
      Best of SABCS Kyoto
    • Int'l Joint Research

URL: 

Published: 2023-12-25  

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