Development of a large-scale kinetic model of human organ systems

2021 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 19H04208
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 62010:Life, health and medical informatics-related
• Research Institution: Kyushu Institute of Technology
• Principal Investigator: Kurata Hiroyuki 九州工業大学, 大学院情報工学研究院, 教授 (90251371)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: シミュレーション / 全身代謝 / ロバストネス / 糖尿病 / コンピュータ / ダイナミクス / メカニズム

Outline of Final Research Achievements

A virtual metabolic human model is a valuable complement to experimental biology and clinical studies, because in vivo research involves serious ethical and technical problems. I have proposed a multi-organ and multi-scale kinetic model that formulates the reactions of enzymes and transporters with the regulation of hormonal actions at postprandial and postabsorptive states. The computational model consists of 202 ordinary differential equations for metabolites with 217 reaction rates and 1141 kinetic parameter constants. It is the most comprehensive, largest and highly predictive model of the whole-body metabolism. The model predicted a glycerol kinase inhibitor to be an effective medicine for type 2 diabetes, which not only decreased hepatic triglyceride but also reduced plasma glucose. The model also enabled us to rationally design combination therapy.

Free Research Field

システム生物学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

臓器をひとつのコンパートメントと考える薬物動態モデルでは，臓器細胞内の分子メカニズムはブラックボックスである。本研究では，臓器間ネットワークと臓器を構成する細胞の生体分子ネットワークを統合するマルチスケール数理モデルを世界で初めて開発した。生体分子ネットワークの数理モデルを構築して，次世代の創薬CADを開発した。インスリン抵抗性の病態下で，糖尿病治療薬(構造的類似化合物で代謝酵素反応を阻害する薬剤)が引き起こす，多様な代謝応答をシミュレーションすることが可能となった。臨床実験の一部をコンピュータで代替するVirtual Physiological Human(VPH)の端緒を開いた。