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医療ビッグデータから難治性疾患の創薬標的を予測する革新的AI手法の開発

研究課題

研究課題/領域番号 21H04915
研究種目

基盤研究(A)

配分区分補助金
応募区分一般
審査区分 中区分62:応用情報学およびその関連分野
研究機関名古屋大学 (2023-2024)
九州工業大学 (2021-2022)

研究代表者

山西 芳裕  名古屋大学, 情報学研究科, 教授 (60437267)

研究分担者 石崎 敏理  大分大学, 医学部, 教授 (70293876)
研究期間 (年度) 2021-04-05 – 2026-03-31
研究課題ステータス 交付 (2024年度)
配分額 *注記
41,470千円 (直接経費: 31,900千円、間接経費: 9,570千円)
2025年度: 8,190千円 (直接経費: 6,300千円、間接経費: 1,890千円)
2024年度: 8,190千円 (直接経費: 6,300千円、間接経費: 1,890千円)
2023年度: 8,190千円 (直接経費: 6,300千円、間接経費: 1,890千円)
2022年度: 8,190千円 (直接経費: 6,300千円、間接経費: 1,890千円)
2021年度: 8,710千円 (直接経費: 6,700千円、間接経費: 2,010千円)
キーワード創薬標的 / ビッグデータ / AI / 医療
研究開始時の研究の概要

新薬を一個開発するのに数千億円の研究開発費と10年以上の歳月を要すると云われており、新薬開発の道のりは非常に険しく遠い。また創薬ターゲットの枯渇が深刻化しており、従来の研究手法では限界があるため、ビッグデータやAI技術の有効活用が切望されている。本研究では、多様な疾患の患者に関する医療ビッグデータを解析し、創薬ターゲットを予測する人工知能(AI)の研究開発を行う。予測結果を実験で検証し、有用な新しい創薬ターゲット分子を同定することを目標とする。

研究実績の概要

近年の医薬品開発は非常に困難な状況にある。また創薬ターゲットの枯渇が深刻化しており、近年の創薬の低迷の一因となっている。既存の研究手法では限界があるため、ビッグデータや人工知能(AI)技術の有効活用が切望されている。本研究では、医療データやオミックスデータを解析し、創薬ターゲットを予測する人工知能(AI)の基盤となる機械学習手法の研究開発を行う。潰瘍性大腸炎、クローン病などに関する患者の遺伝子発現情報、病因遺伝子、配列変異、環境因子、診断マーカー、治療標的、異常パスウェイなどの分子機序データを、OMIM, KEGG, GEOなどのデータベースや文献から整備した。また新しい情報を加えてデータを更新した。SNPなど配列変異の情報を用いる可能性も検討した。さらに、バルクレベルだけでなくシングルセルレベルのオミックス情報の解析手法についても検討を行なっている。疾患-タンパク質の関係性の情報を収集して、情報解析できる電子データの形に整備した。また新しい情報を文献から収集し、それを加えてデータを更新した。データベースとして公開できるように整備を進めている。タンパク質をコードする遺伝子に摂動を加えた時のヒト細胞の遺伝子発現プロファイルを解析し、疾患の新しい創薬ターゲット分子を予測する深層学習モデルを検討し、従来手法よりも性能が高いことを確認した。特に次数が少ない疾患に対しても予測できる点が特徴である。オーファンな希少疾患へも応用可能にした。提案手法のアルゴリズムやその解析結果を論文にまとめ、ジャーナルや国際会議に投稿中である。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

疾患の分子機序データや既知の治療標的情報に基づいて、疾患の治療標的を予測する機械学習モデルを構築することができた。特に新しい深層学習モデルの方法を提案し、従来手法よりも性能が高いことを確認した。特に次数が少ない希少疾患に対しても予測できるようにした。ゲノム、エピゲノム、トランスクリプトーム、プロテオームなどのオミックス情報をフル活用し、教師なし学習や教師付き学習を組み合わせて予測できるような枠組みを構築した。これらの研究成果については、複数のジャーナルや国際会議に投稿中である。リバイズまで進んでいるものもある。疾患-タンパク質の関係性の情報を収集して、機能的な情報もアノテーションして情報解析できる電子データの形に整備することができた。対象疾患に対してヒト由来細胞やマウスなどの動物モデルを使った評価系の構築を進めてきており、ある程度構築することができた。第三者の研究者も利用できるようにデータベース化の方向で、公開できるように整備を進めている。この研究テーマやこれまでに得られた研究成果は国内外で大きな注目を浴びている。国際学会からも4件の招待講演の依頼があった。国内学会の医学・薬学関連学会からも多くの招待講演の依頼があった。

今後の研究の推進方策

これまでに開発してきた機械学習モデルは、治療標的に関する情報が少ない疾患に対する精度には限界がある。教師つき学習の枠組みだけでなく、教師なし学習や半教師つき学習の枠組みも取り入れた方法論を開発する。オーファンな希少疾患へ応用した際の精度を高めれるように改良を行なっていく。また深層学習モデルを拡張し、より精度の高い方法への拡張を行うことを検討する。潰瘍性大腸炎、クローン病などに関する患者の遺伝子発現情報、病因遺伝子、配列変異、環境因子、診断マーカー、治療標的、異常パスウェイなどの分子機序データを、さらに収集して整備し、最新のデータに全て更新する。利用しやすいように、データベース化も進めていく。既知の創薬ターゲット情報は、現在独自に文献から収集・整備しているが、更に拡充して、機能的なアノテーション情報を付加する。ゲノム関連データやエピゲノム関連データ、プロテオーム関連データを整備し、これらの情報も取り入れた方法論を開発する。対象疾患に対してヒト由来細胞やマウスなどの動物モデルを使った評価系の構築を進めてきており、これらを活用して、開発してきた機械学習手法で予測した結果を、実際に治療効果につながるかどうかの検証を進めていく予定である。

報告書

(4件)
  • 2023 実績報告書
  • 2022 実績報告書
  • 2021 審査結果の所見   実績報告書
  • 研究成果

    (37件)

すべて 2024 2023 2022 2021

すべて 雑誌論文 (5件) (うち査読あり 5件、 オープンアクセス 4件) 学会発表 (32件) (うち国際学会 7件、 招待講演 23件)

  • [雑誌論文] De Novo Generation of Chemical Structures of Inhibitor and Activator Candidates for Therapeutic Target Proteins by a Transformer-Based Variational Autoencoder and Bayesian Optimization2023

    • 著者名/発表者名
      Matsukiyo Yuki、Yamanaka Chikashige、Yamanishi Yoshihiro
    • 雑誌名

      Journal of Chemical Information and Modeling

      巻: 64 号: 7 ページ: 2345-2355

    • DOI

      10.1021/acs.jcim.3c00824

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Pathway trajectory analysis with tensor imputation reveals drug-induced single-cell transcriptomic landscape2022

    • 著者名/発表者名
      Iwata Michio、Mutsumine Hiroaki、Nakayama Yusuke、Suita Naomasa、Yamanishi Yoshihiro
    • 雑誌名

      Nature Computational Science

      巻: 2 号: 11 ページ: 758-770

    • DOI

      10.1038/s43588-022-00352-8

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Regulome-based characterization of drug activity across the human diseasome2022

    • 著者名/発表者名
      Iwata Michio、Kosai Keisuke、Ono Yuya、Oki Shinya、Mimori Koshi、Yamanishi Yoshihiro
    • 雑誌名

      npj Systems Biology and Applications

      巻: 8 号: 1 ページ: 44-44

    • DOI

      10.1038/s41540-022-00255-4

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] From drug repositioning to target repositioning: prediction of therapeutic targets using genetically perturbed transcriptomic signatures2022

    • 著者名/発表者名
      Namba Satoko、Iwata Michio、Yamanishi Yoshihiro
    • 雑誌名

      Bioinformatics

      巻: 38 号: Supplement_1 ページ: i68-i76

    • DOI

      10.1093/bioinformatics/btac240

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Epigenetic landscape of drug responses revealed through large-scale ChIP-seq data analyses2022

    • 著者名/発表者名
      Zou Zhaonan、Iwata Michio、Yamanishi Yoshihiro、Oki Shinya
    • 雑誌名

      BMC Bioinformatics

      巻: 23 号: 1 ページ: 51-51

    • DOI

      10.1186/s12859-022-04571-8

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] 多層オミクスデータを活用したAI創薬2024

    • 著者名/発表者名
      山西芳裕
    • 学会等名
      第113回日本病理学会総会, シンポジウム「仮説駆動型、データ駆動型病理学研究」
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 人工知能が拓く創薬と医療2024

    • 著者名/発表者名
      山西芳裕
    • 学会等名
      第17回健康医療開発機構シンポジウム「デジタルメディシン-その現状と未来-」
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] AI・ビッグデータ時代の創薬や医療の可能性2024

    • 著者名/発表者名
      山西芳裕
    • 学会等名
      第10回CBI学会個別化医療研究会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 機械学習による治療標的分子の予測と希少疾患への応用2024

    • 著者名/発表者名
      難波里子, 李晨, 大谷則子, 山西芳裕
    • 学会等名
      第10回CBI学会個別化医療研究会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] AI・ビッグデータ時代の創薬の可能性2024

    • 著者名/発表者名
      山西芳裕
    • 学会等名
      医療産業イノベーションフォーラム「製薬業界でのAI活用の現在地」
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Data-driven drug discovery and healthcare by machine learning2024

    • 著者名/発表者名
      Yamanishi, Y.
    • 学会等名
      The 14th International Conference on Bioscience, Biochemistry and Bioinformatics (ICBBB2024)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] AI・ビッグデータ時代の創薬の可能性2023

    • 著者名/発表者名
      山西芳裕
    • 学会等名
      第51回構造活性相関シンポジウム
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] AIによるデータ駆動型が拓く生命医科学と創薬2023

    • 著者名/発表者名
      山西芳裕
    • 学会等名
      トーゴーの日シンポジウム2023
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] GWASとTWASの融合による希少疾患に対する治療標的分子の予測2023

    • 著者名/発表者名
      難波里子、岩田通夫、山西芳裕
    • 学会等名
      第12回生命医薬情報学連合大会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] AIによるデータ駆動型創薬2023

    • 著者名/発表者名
      山西芳裕
    • 学会等名
      第33回 新薬創製談話会「新薬創製に向けて―創発的学際融合・産学連携―」
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] バイオインフォマティクスが拓く医療と創薬2023

    • 著者名/発表者名
      山西芳裕
    • 学会等名
      令和5年度健康・医療データサイエンス人材育成事業シンポジウム「沖縄ならではのSociety5.0実現に向けて」
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 機械学習モデルによるデータ駆動型創薬と医療2023

    • 著者名/発表者名
      山西芳裕
    • 学会等名
      第5回日本メディカルAI学会学術集会, シンポジウム「先進的モデル化技術による生体情報の予測と発見」
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Data-driven drug discovery and healthcare by machine learning2023

    • 著者名/発表者名
      Yamanishi, Y.
    • 学会等名
      International Workshop on Data-driven Science for Graphs: Algorithms, Architectures, and Applications (IEEE BigData)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Data-driven drug discovery and healthcare by machine learning2023

    • 著者名/発表者名
      Yamanishi, Y.
    • 学会等名
      "Data-driven drug discovery and healthcare by machine learning", The 13th International Workshop on Biomedical and Health Informatics (BHI2023)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Data-driven drug discovery and healthcare by machine learning2023

    • 著者名/発表者名
      Yamanishi, Y.
    • 学会等名
      The 3rd International Conference on Image, Vision and Intelligent Systems (ICIVIS2023)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Target repositioning to predict therapeutic target proteins using genetically perturbed transcriptome data2023

    • 著者名/発表者名
      Namba, S., Iwata, M. and Yamanishi, Y.
    • 学会等名
      The 31st Annual Intelligent Systems For Molecular Biology and the 22nd Annual European Conference on Computational Biology (ISMB/ECCB2023)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Drug-induced single-cell transcriptomic landscape is revealed by pathway trajectory analysis with tensor imputation2023

    • 著者名/発表者名
      Iwata, M., Mutsumine, H., Nakayama, Y., Suita, N., and Yamanishi, Y.
    • 学会等名
      The 31st Annual Intelligent Systems For Molecular Biology and the 22nd Annual European Conference on Computational Biology (ISMB/ECCB2023)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] バイオインフォマティクスが拓く生命科学と医療・創薬2022

    • 著者名/発表者名
      山西芳裕
    • 学会等名
      GEAR5.0 ライフサイエンス・カンファレンス
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] ヒト全タンパク質に対する結合親和性を考慮した医薬品化合物の薬理作用予測2022

    • 著者名/発表者名
      山西芳裕
    • 学会等名
      第43回日本臨床薬理学会学術総会(JPW2022)
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] ターゲットリポジショニング:遺伝子摂動応答トランスクリプトームを用いた治療標的予測2022

    • 著者名/発表者名
      難波里子、岩田通夫、山西芳裕
    • 学会等名
      第11回生命医薬情報学連合大会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] ヒト全タンパク質に対する結合親和性を考慮した化学物質の薬理作用予測2022

    • 著者名/発表者名
      山西芳裕
    • 学会等名
      第49回日本毒性学会学術年会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] From drug repositioning to target repositioning: prediction of therapeutic targets using genetically perturbed transcriptomic signatures2022

    • 著者名/発表者名
      Namba, S., Iwata, M., and Yamanishi, Y.
    • 学会等名
      The 30th International Conference on Intelligent Systems for Molecular Biology (ISMB2022)
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] AIによるデータ駆動型研究が拓く生命医科学と創薬2022

    • 著者名/発表者名
      山西芳裕
    • 学会等名
      第1393回生物科学セミナー
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] From drug repositioning to target repositioning: omics-based prediction of therapeutic targets for a variety of diseases2021

    • 著者名/発表者名
      難波里子、岩田通夫、山西芳裕
    • 学会等名
      情報計算化学生物学会(CBI学会)2021年大会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] ターゲットリポジショニング:遺伝子摂動応答トランスクリプトームを用いた創薬標的予測2021

    • 著者名/発表者名
      難波里子、岩田通夫、山西芳裕
    • 学会等名
      第10回生命医薬情報学連合大会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 臨床ビッグデータからの疾患予防薬の探索と治療標的の推定2021

    • 著者名/発表者名
      岡本紗枝、澤田隆介, 山西芳裕
    • 学会等名
      第10回生命医薬情報学連合大会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] AIによるデータ駆動型研究が拓く創薬と医療2021

    • 著者名/発表者名
      山西芳裕
    • 学会等名
      第26回 AI・データ利活用研究会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] AIによるデータ駆動型研究が拓く生命医科学と創薬2021

    • 著者名/発表者名
      山西芳裕
    • 学会等名
      バイオDXの最前線 - JST戦略的創造研究推進事業 CREST「データ駆動・AI駆動を中心としたデジタルトランスフォーメーションによる生命科学研究の革新[バイオDX]」キックオフシンポジウム
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] AIによるデータ駆動型研究が拓く創薬と医療2021

    • 著者名/発表者名
      山西芳裕
    • 学会等名
      技術士CPD研鑽会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] AIによるデータ駆動型研究が拓く創薬と医療2021

    • 著者名/発表者名
      山西芳裕
    • 学会等名
      薬物動態談話会 第44年会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] AIによるデータ駆動型研究が拓く創薬と医療2021

    • 著者名/発表者名
      山西芳裕
    • 学会等名
      ゲノム創薬・創発フォーラム 第8回シンポジウム
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] AIによるデータ駆動型研究が拓く創薬と医療2021

    • 著者名/発表者名
      山西芳裕
    • 学会等名
      情報計算化学生物学会(CBI学会)2021年大会, シンポジウム「国内 AI 創薬の最前線」
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 招待講演

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公開日: 2021-04-28   更新日: 2025-04-17  

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