2019 Fiscal Year Research-status Report
In silico骨代謝動態観察に基づく骨の力学的適応機構の解明
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19K04074
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
亀尾 佳貴 京都大学, ウイルス・再生医科学研究所, 助教 (60611431)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 骨代謝 / 骨リモデリング / 力学的適応 / in silico実験 / バイオメカニクス |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、骨代謝・リモデリングにおける微視的な分子・細胞の複雑な相互作用と巨視的な組織・器官の適応変化とを関連付けた数理モデルを構築することにより、動的な力学的負荷に応じて骨組織内部で生じる細胞間シグナル伝達、個々の骨構成細胞動態、骨形態変化をコンピュータ上で同時観察することを可能にするシミュレーション基盤の構築を目指している。以下に、本年度中の主な研究実施内容と、得られた成果をまとめる。
１．間質液流れによる骨細胞突起の局所的ひずみ評価
生体内の骨細胞に負荷される流れ刺激を定量化するため、コンピュータ内に骨細胞突起と骨細管のイメージベースモデルを構築し、流体－構造連成解析を通じて、間質液の流れにより細胞突起に生じる局所的なひずみを評価した。その結果、間質液流れにともない、骨細胞突起上における張力の大きなテザリングエレメント（細胞突起と骨細管壁とを繋ぐプロテオグリカン）との結合部近傍でひずみ集中が発生し、その分布は、流れの方向に応じて著しく変化することが確認された。
２．皮質骨－海綿骨転換の数理モデリング
皮質骨の多孔化（海綿骨化）は、加齢にともなう骨量減少の主たる要因とされていることから、それを適切に予防、治療するためには、リモデリングによる皮質骨から海綿骨への転換を統合的に理解することが重要である。そこで、皮質骨および海綿骨のリモデリングを統一的に表現可能な数理モデルを提案した。本数理モデルに基づくシミュレーションにより、皮質骨と海綿骨の力学的適応現象を再現するとともに、局所的な骨吸収と骨形成のバランスの変化が、皮質骨から海綿骨への転換を引き起こすことを明らかにした。
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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
当初の予定通り、骨細胞のイメージベースモデルを用いて流体－構造連成解析を行い、骨組織への力学的負荷にともない骨細胞に作用する流れ刺激を定量的に評価することができた。また、皮質骨と海綿骨の力学的適応現象を再現するリモデリング数理モデルを提案し、今後、骨代謝に関連する細胞間シグナル伝達経路を考慮した骨代謝・リモデリングのシミュレーション基盤を構築するための枠組みを完成させることができた。よって、本研究はおおむね順調に進展しているものと考えられる。
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| Strategy for Future Research Activity |
繰返し流れ刺激に対する骨細胞の力学応答と、骨代謝に関連する細胞間シグナル伝達とを連成させ、これまでに構築した骨リモデリングの数理モデルに組み込むことにより、力学－生化学連成制御メカニズムを考慮した骨代謝・リモデリングのシミュレーション基盤構築を目指す。
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| Causes of Carryover |
本年度の研究では、主に新たな数理モデルの構築とその基礎的な振舞の検証を行ったことから、計算規模が比較的小さく、現有の計算機を使用することができた。そのため、当初、設備備品費として計上していた高性能ワークステーションに相当する繰越金が発生した。
次年度の研究計画では、計算の大規模化が必須となるため、分子・細胞スケールから組織・器官スケールまでの膨大な時空間データを一括かつ高速にハンドリングするための高性能ワークステーションを購入する。
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Research Products
(11 results)
