皮膚炎を標的とした免疫応答ダイナミクスのマルチスケールモデリング

2015 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 25871132
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 中岡 慎治 東京大学, 医学(系)研究科(研究院), 助教 (30512040)
• Project Period (FY): 2013-04-01 – 2016-03-31
• Keywords: マルチスケール数理モデル / 確率シミュレーション / 免疫系 / アトピー性皮膚炎

Outline of Annual Research Achievements

皮膚炎発症と進行のダイナミクスを記述したマルチスケール数理モデルの構築を大目標として掲げ、三年間にわたってミクロ・メゾ・マクロスケール各階層における動態を記述した数理モデルの作成に取り組んでいる。初年度はメゾスコピック系 (表皮細胞間のオートクライン型サイトカイン分泌による細胞間相互作用を記述した確率モデル)の研究を進めた。

２年目は、マクロスケールを記述した数理モデル構築と確率シミュレーション研究に専念して研究を進めた。具体的には、表皮の大多数を占める細胞であるケラチノサイトを標的として、炎症反応が表皮組織レベルでどう拡大し、維持されるかに関する数理モデルを構築して解析した。黄色ブドウ球菌など、アトピー性皮膚炎発症時には個体数増大が観察される皮膚常在菌による抗原刺激を想定し、表皮におけるプロテアーゼ活性と細菌に対する免疫応答も組み込んだ数理モデルを構築・解析した。プロテアーゼ活性と免疫応答の相互作用によって、持続的な炎症反応が表皮組織レベルで維持される仕組みをまとめ、ただいま論文として投稿準備中である。

最終年度 (３年目) では、ミクロレベルでの皮膚炎関連シグナル伝達ネットワーク数理モデル構築に向けて取得可能な遺伝子発現データと、注目すべきシグナル伝達系の選定を行った。ミクロレベルのシグナル伝達ネットワーク数理モデルでは、ネットワーク上の常微分方程式を考えることになるが、変数が多くなると数値計算上の工夫が必要である。先立って、どのような数値計算スキームが適しているかを別の方程式系で検証が終わった段階 (システム制御情報学会の特集号へ和文として受理済み) である。とりわけ、セリンプロテアーゼの相互作用ネットワークに着目した数理モデルを今現在解析中であり、まとまり次第論文として投稿する。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Konkuk University/UNIST(韓国)
  • Country Name: KOREA (REP. OF KOREA)
  • Counterpart Institution: Konkuk University/UNIST
• [Journal Article] Identifying determinants of heterogeneous transmission dynamics of the Middle East respiratory syndrome (MERS) outbreak in the Republic of Korea, 2015: A retrospective epidemiological analysis (2016)
  • Author(s): Hiroshi Nishiura, Akira Endo, Masaya Saitoh, Ryo Kinoshita, Ryo Ueno, Shinji Nakaoka, Yuichiro Miyamatsu, Yueping Dong, Gerardo Chowell, Kenji Mizumoto
  • Journal Title: BMJ Open Volume: 6 Pages: e009936
  • DOI: doi:10.1136/bmjopen-2015-009936
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Dynamics of HIV infection in lymphoid tissue network (2016)
  • Author(s): Shinji Nakaoka, Shingo Iwami, and Kei Sato
  • Journal Title: Journal of Mathematical Biology Volume: 72 Pages: 909-938
  • DOI: 10.1007/s00285-015-0940-x
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Mathematical modeling and analysis of combinational immune boost for tumor elimination (2016)
  • Author(s): Naoki Nakada, Mizuho Nagata, Yasuhiro Takeuchi and Shinji Nakaoka
  • Journal Title: AIP Conference Proceedings Volume: 1723 Pages: 020002
  • DOI: doi:10.1007/s13160-015-0193-5
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Cell-to-cell infection by HIV contributes over half of virus infection (2015)
  • Author(s): Shingo Iwami, Junko S. Takeuch, Shinji Nakaoka, Fabrizio Mammano, François Clavel, Hisashi Inaba, Tomoko Kobayashi, Naoko Misawa, Kazuyuki Aihara, Yoshio Koyanagi, and Kei Sato
  • Journal Title: eLIFE Volume: 4 Pages: e08150
  • DOI: doi:10.7554/eLife.08150
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Dynamical behavior of combinational immune boost against tumor (2015)
  • Author(s): Mizuho Nagata, Yutaro Furuta, Yasuhiro Takeuchi, and Shinji Nakaoka
  • Journal Title: Japan Journal of Industrial and Applied Mathematics Volume: 32 Pages: 759-770
  • DOI: doi:10.1007/s13160-015-0193-5
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] Ordinary differential equations for HIV infection in lymphoid tissue network (2015)
  • Author(s): Shinji Nakaoka, Shingo Iwami, Kei Sato
  • Organizer: RIMS 研究集会「実領域における常微分方程式の定性的研究」
  • Place of Presentation: 京都大学数理解析研究所
  • Year and Date: 2015-11-10
  • Invited
• [Presentation] HIV infection in lymphoid tissue-blood stream network (2015)
  • Author(s): Shinji Nakaoka, Shingo Iwami, Kei Sato
  • Organizer: IMAID 2015 (Innovative Mathematical Modeling for the Analysis of Infectious Disease Data)
  • Place of Presentation: Hokkaido University
  • Year and Date: 2015-10-30
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Mathematical modeling and simulation for a coupled communication system of immune cells (2015)
  • Author(s): Shinji Nakaoka
  • Organizer: 4th IFAC Conference on Analysis and Control of Chaotic Systems
  • Place of Presentation: Tokyo Metropolitan University
  • Year and Date: 2015-08-26
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Dynamics of HIV infection in lymphoid tissue network (2015)
  • Author(s): Shinji Nakaoka, Shingo Iwami, Kei Sato
  • Organizer: 2nd Virus Dynamics Workshop
  • Place of Presentation: Fields Institute, Toronto, Canada
  • Year and Date: 2015-07-17
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Mathematical modeling and simulation of HIV infection in a lymph node network (2015)
  • Author(s): Shinji Nakaoka
  • Organizer: 10th Colloquium on the Qualitative Theory of Differential Equations
  • Place of Presentation: Bolyai Institute, Szeged, Hungary
  • Year and Date: 2015-07-03
  • Int'l Joint Research / Invited