2021 Fiscal Year Research-status Report
Multiscale design platform for innovating freezing processes of iPS cells
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20K21102
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
杉山 弘和 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 教授 (70701340)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
紀ノ岡 正博 大阪大学, 工学研究科, 教授 (40234314)
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| Project Period (FY) |
2020-07-30 – 2023-03-31
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| Keywords | ヒトiPS細胞 / 凍結 / 解凍 / 計算化学 / プロセス設計 / シミュレーション / ハイブリッドモデリング / ライフサイクルアセスメント |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は、iPS細胞凍結の課題に対して、分子・細胞・プロセスの各スケールで取り組み、成果を階層的につなげた「マルチスケール設計基盤」を構築することである。2年目の2021年度は、遂行項目①「新規保護剤の探索」、項目②「多細胞凍結モデル構築」、項目③「冷却装置モデル構築」に取り組んだ。「新規保護剤の探索」については、初年度に、量子化学・分子動力学計算による有望化合物の特定に取り組み、論文発表した。また、ライフサイクルアセスメント（LCA）を用いた環境影響評価も実施した。本年度は、LCAに関する分析モデルと結果を見直しつつ、論文投稿準備を進めた。「多細胞凍結モデル構築」については、初年度に、生存率・所要時間を多目的に最適化する非線形温度プロファイルを特定し、論文発表した。今年度は、この成果をもとに実験的検討に取り組んだ。さらに、凍結保存プロセス全体を扱う充填・解凍プロセスモデルについて成果をまとめ、論文をComputers and Chemical Engineering誌で発表した。「冷却装置モデル構築」については、初年度から取り組んできた、数値流体力学（CFD）を用いたシミュレーションモデル構築とプロセス設計への応用について、成果まとめて論文投稿した。さらに、凍結保存プロセスを一要素とするサプライチェーン全体に研究を展開した。エージェントベーストモデル（ABM）を用いて治療対象者個々の状態をモデル化し、さらに製造に関する費用対効果を評価できるようにした。これにより、対象疾病ごとに最適拠点配置が変わることを明らかにした。成果をまとめた論文は、Chemical Engineering Research and Design誌に発表した。
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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
遂行項目①「新規保護剤の探索」については、当初予定した分子動力学（MD）計算と量子化学計算による候補化合物の評価を完了し、LCAによる化合物評価まで研究を展開した。項目②「多細胞凍結モデル構築」については、非線形温度プロファイルの多目的評価を実施し、品質・生産性を両立させるプロファイルをシミュレーションで特定した。さらに凍結・充填・解凍のプロセス全体を扱うモデル構築も実施した。項目③「冷却装置モデル構築」についても、CFDによるシミュレーションモデル構築と、装置内温度分布計算、さらにはプロセス評価まで実施した。さらに、当初予定になかった展開として、製造に関する費用対効果分析まで研究を広げた。初年度と合わせて、学術誌4報、査読付きプロシーディングス1報、総合解説2報、学会発表8件（国内5件、海外3件）の成果を得た。
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| Strategy for Future Research Activity |
3年目・最終年度の2022年度は、遂行項目①「新規保護剤の探索」、項目②「多細胞凍結モデル構築」、項目③「冷却装置モデル構築」の成果をまとめる。継続中の検討事項は引き続き取り組み、準備中の論文については、投稿に向けてた作業を進める。さらに2022年度は、項目④「統合設計基盤構築」に取り組む。項目①～③で構築した、分子・細胞からプロセス、供給網にまたがる個別モデルを階層化し、結び付けていくための方法を検討する。最終的に成果をまとめるにあたり、モデルや手法の限界についても考察を加える。
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Research Products
(5 results)
