2023 Fiscal Year Research-status Report
骨代謝数理モデルに基づく皮質骨・海綿骨リモデリングの統合的理解
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22K03827
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| Research Institution | Shibaura Institute of Technology |
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Principal Investigator |
亀尾 佳貴 芝浦工業大学, 工学部, 准教授 (60611431)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Keywords | 骨代謝 / 骨リモデリング / 皮質骨 / 海綿骨 / 計算バイオメカニクス |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、骨代謝数理モデルを組み込んだ骨リモデリングのin silico（コンピュータ内）実験基盤を構築し、力学環境に応じた皮質骨・海綿骨リモデリングの挙動をin silicoで再現、予測することにより、その制御メカニズムを分子・細胞ダイナミクスから統合的に理解することを目的としている。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．骨代謝数理モデルによる皮質骨・海綿骨リモデリングシミュレーション
力学刺激に応じた骨細胞のシグナル分子産生から、破骨細胞・骨芽細胞による骨吸収・骨形成に至る骨代謝過程を数理モデルとして表現し、マウス大腿骨を対象として、皮質骨と海綿骨のリモデリングシミュレーションを行った。皮質骨と海綿骨がいずれも同じ骨リモデリング則に従うと仮定し、力学的負荷の低下（力学的要因）、ならびに、骨吸収を促進させるシグナル分子の発現上昇（生化学的要因）にともなう骨粗鬆症を想定した骨形態変化を解析することにより、骨粗鬆症を引き起こす要因の違いが、皮質骨・海綿骨それぞれの骨形態変化に及ぼす影響を明らかにした。
２．長管骨の形態形成シミュレーション
前年度に開発した、個々の細胞ダイナミクスから組織の力学状態の経時変化を解析可能な組織形態形成の連続体ベース粒子モデルに基づき、骨形態形成に関連する複雑な細胞間シグナル伝達を単純化した数理モデルを組み込むことにより、長管骨の形態形成シミュレーションを行った。その結果、成長板における細胞層構造を維持しながら、増殖軟骨細胞によるカラム形成を通じて長管骨が伸長する力学的メカニズムを明らかにした。また、形態形成の進行にともなう骨の石灰化により、骨表面の皮質骨と、骨内部の海綿骨とが形成される過程を再現することができた。
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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、骨代謝数理モデルに基づいて、リモデリングによる皮質骨と海綿骨の形態変化を同時に解析可能なin silico実験基盤を構築し、加齢を想定した力学的・生化学的要因により生じる骨粗鬆症の病態を再現することができた。また、骨の形態形成の段階から、皮質骨と海綿骨という密度の異なる両組織が形成される過程を再現することができ、骨が外的環境の影響を受けながらその特徴的な内部構造と外形状を獲得するメカニズムを解明するための基礎を築くことができた。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 |
骨粗鬆症の治療薬の効果を数理モデル化し、骨代謝数理モデルに組み込むことにより、力学的・生化学的要因により生じる骨粗鬆症に対してin silico投薬実験を実施し、病因・病態に応じた効果的な治療戦略の提案を試みる。特に、投薬頻度の影響に焦点を当て、それが皮質骨・海綿骨それぞれに対する治療効果に及ぼす影響を検討する。
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| Causes of Carryover |
（理由）
世界的な半導体不足により、計算機の高性能化に必要なGPUの納品が本年度内に間に合わなかったため。
（使用計画）
計算機の高性能化のため、GPUを購入する。
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