Computing analysis of leukemic stem cell dynamics in acute myelocytic leukemia

2021 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 19K08356
• Research Institution: Kanazawa Medical University
• Principal Investigator: 犀川 太 金沢医科大学, 医学部, 教授 (60283107)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 小松崎 俊彦 金沢大学, フロンティア工学系, 教授 (80293372) ; 西山 宣昭 金沢大学, 高等教育開発・支援系, 教授 (10198525) ; 八田 稔久 金沢医科大学, 医学部, 教授 (20238025)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: コンピュータシミュレーション / 急性骨髄性白血病 / 白血病幹細胞 / 再発 / 細胞移動軌跡

Outline of Annual Research Achievements

本研究（令和1－3年度）では、細胞の分裂と移動を単純な局所ルールのみで規定する「セルオートマトン」を基本原理（アルゴリズム）に用いて、複雑な自然現象の一つである造血機構をコンピュータシミュレーションした。まず、正常骨髄系造血モデルに白血病幹細胞システムを導入し、急性骨髄性白血病モデルを構築した。ここに抗がん剤治療を導入し、急性骨髄性白血病の治療後の経過をシミュレーションした。その結果「治癒型急性骨髄性白血病治療モデル（治癒モデル）」と「再発型急性骨髄性白血病治療モデル（再発モデル）」が創成された。両モデルの細胞動態の比較解析から「白血病幹細胞の挙動には治癒と再発を分ける分岐点」が存在する可能性を見いだした。この分岐点の解析が「再発の予測」につながると期待された。
分岐点の解析には細胞動態の可視化が必須であり、細胞の移動軌跡の描出に取り組んだ。そのために細胞をマーキング（幹細胞マーキング）し、それぞれの解析空間内の位置と細胞状態の継時的変化を記録し追跡した。マーキングにより生じる膨大な情報データから軌跡描画に必要なデータを抽出するために自動化プログラムを共同開発し、令和2年度にそのプログラムが完成した。最終年度（令和3年度）は治癒モデルと再発モデルの幹細胞マーキングデータを精力的に集積し、自動化プログラムを用いて細胞軌跡の解析をおこなった。
その結果、以下の成果を得た。１）細胞移動が一点に留まる不動細胞の平均時間は再発において白血病幹細胞由来の細胞の方が有意に短く、この細胞の優越な細胞移動と増殖の維持が再発の根底を為す。２）再発において白血病幹細胞の軌跡にレヴィウォークに類似した移動パターンが観察された。移動による探索効率に関与するとされるレヴィウォークはT細胞や癌細胞にも観察される移動軌跡であり、今後白血病幹細胞の挙動軌跡から再発の予測につながる可能性が示された。