Development of an osteoporosis treatment simulation system that enables bone quality analysis based on cell dynamics

2023 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 20K18020
• Research Category: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Basic Section 56020:Orthopedics-related
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: Kim Young Kwan 京都大学, 医生物学研究所, 助教 (30843338)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: 骨代謝 / 数理モデル / 薬剤投与シミュレーション / 骨質

Outline of Final Research Achievements

In osteoporosis practice, the importance of drug effects on bone quality, which is a microscopic evaluation of bone strength, has been recognized. However, it is difficult to understand how drug treatment affects bone quality based on a wide variety of mechanisms of drug action, because the bone microarchitecture is reconstructed based on complex bone cell dynamics regulated mechanically and biochemically. In this research, we constructed an in silico model of bone metabolism and treatment that describes bone structural changes based on cell dynamics and various drug actions. Through in silico simulations, our approach enables to analyze bone quality resulting from spatiotemporal cell activities and understand or predict therapeutic effects on bone quality.

Free Research Field

骨代謝学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

従来の数理モデル研究では、骨質に対する薬剤効果の多様性を表現することが難しかった。本研究成果は、分子・細胞の時空間的動態を要素過程としてモデル化することで、骨質に対する薬剤効果が発現する機構を細胞動態に基づき理解することを可能とするものであり、学術的に意義深いと考える。本手法を応用することで、骨密度および骨質解析に基づいた包括的な骨強度評価が可能となり、病態に応じたより正確な診断や治療方法の策定につながるため、社会的に果たす役割は大きいだろう。骨粗鬆症だけでなく、幅広い骨代謝疾患へと拡張できれば、様々な患者の自立性の喪失を未然に防ぐことができる、包括的な診断・治療支援技術として期待できる。