Mathematical analysis of on-demand digital control model for type 2 Diabetes Mellitus

2022 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 19K12198
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 62010:Life, health and medical informatics-related
• Research Institution: Tohoku University (2021-2022); University of Tsukuba (2019-2020)
• Principal Investigator: Ando Hiroyasu 東北大学, 材料科学高等研究所, 教授 (20553770)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 藤原 寛太郎 東京大学, ニューロインテリジェンス国際研究機構, 特任准教授 (00557704)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: カオス制御 / 膵β細胞 / Chayモデル / Rizモデル / フィードバック制御

Outline of Final Research Achievements

In our pursuit to develop a novel treatment for type 2 diabetes, we have proposed a digital control model for on-demand pancreatic electrical stimulation. Specifically, we aimed to represent the activity of pancreatic beta cells, which play a crucial role in insulin secretion and blood glucose regulation, through a mathematical model. To achieve this, we implemented a feedback control mechanism. The results of our investigation are as follows:
We successfully constructed a control model that encompasses both stochastic and deterministic behaviors of pancreatic β-cells. We demonstrated the effectiveness of this model by numerical simulations. Additionally, we conducted a search for parameters that optimize the energy efficiency of the input electrical stimulation. Our efforts led us to identify the parameters that can effectively regulate pancreatic β-cells at the lowest cost. The numerical study serves as a foundation for future applications in real cellular settings.

Free Research Field

数理モデル

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

糖尿病患者の数は全世界で５．４億人に達しており、その９割以上が２型である。２型糖尿病は遺伝的な因子に食事などの生活スタイルが関連して発症し、膵臓におけるインスリン分泌に機能障害が生じる。本研究では、２型糖尿病の新治療開発のために数理モデリングを活用した機能不全解消法を提案した。特に、膵β細胞の律動機能の消失に対して、外部刺激による細胞活動の律動化が効果を持つと考えた。そこで、フィードバック制御法を非線形動力学のカオス制御の文脈から構築し、ヒトの膵β細胞の数理モデルに適用に成功した。本提案での手法を実際の膵臓に電気刺激として適用することができれば、薬物を利用しない新たな治療法となりうる。