エネルギー地形に基づくデータ駆動型状態遷移モデルの構築

• 研究課題/領域番号: 21K19813
• 研究種目: 挑戦的研究(萌芽)
• 配分区分: 基金
• 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: 北海道大学
• 研究代表者: 中岡 慎治 北海道大学, 先端生命科学研究院, 准教授 (30512040)
• 研究期間 (年度): 2021-07-09 – 2024-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2023年度)
• 配分額: 6,500千円 (直接経費: 5,000千円、間接経費: 1,500千円); 2023年度: 2,730千円 (直接経費: 2,100千円、間接経費: 630千円); 2022年度: 2,470千円 (直接経費: 1,900千円、間接経費: 570千円); 2021年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円)
• キーワード: エネルギーランドスケープ解析 / データ駆動型数理モデル / 発症ロードマップ / オミクスデータ / 擬似時間再構成法

研究開始時の研究の概要

エネルギー地形は、複数のとり得る状態をエネルギーの高低差に基づいて地形図として表現する方法であり、エネルギー地形の概念は、生命医科学分野において、細胞分化や疾患発症に関わるデータ分析に幅広く利用されている。しかしながら、現在しられているエネルギー地形を活用したデータ分析手法は、細胞や個体の状態を静的に把握することが目的であり、細胞分化・発症過程のように動的な遷移の軌跡を推定するには至っていない。そこで本研究では、エネルギー地形に基づくデータ駆動型状態遷移モデルを構築することで、細胞分化や発症のような状態遷移を伴う過程において、数学理論に基づいた新しいデータ分析方法を提供する。

研究成果の概要

エネルギー地形の概念は、生命医科学分野において、細胞分化や疾患発症に関わるデータ分析に幅広く利用されている。しかしながら、細胞分化・発症過程のように動的な遷移の軌跡を推定するには至っていない。そこで本研究では、エネルギー地形に基づくデータ駆動型状態遷移モデルを構築することで、細胞分化や発症のような状態遷移を伴う過程において、新しいデータ分析方法の開発と応用に取り組んだ。結果として、主に７報を含む研究成果として報告した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

本研究では、エネルギー地形に基づくデータ駆動型状態遷移モデルや数理モデルを構築することで、細胞分化や発症のような状態遷移を伴う過程において、データ分析方法の開発と応用を行った。腸内細菌叢の関わる乳児の健康、発がんや HIV-1 といった感染症の課題に対して、データから発症に関与が疑われる因子の推定やその性質を定量的に理解することにつながった。数理科学を生命科学に応用するという意味での学術的意義に加えて、研究を主に疾患を理解するという社会課題に応用した点に本研究の意義がある。

研究成果

• [雑誌論文] Multiscale modeling of HBV infection integrating intra- and intercellular viral propagation to analyze extracellular viral markers (2024)
  • 著者名/発表者名: Kitagawa Kosaku、Kim Kwang Su、Iwamoto Masashi、Hayashi Sanae、Park Hyeongki、Nishiyama Takara、Nakamura Naotoshi、Fujita Yasuhisa、Nakaoka Shinji、Aihara Kazuyuki、Perelson Alan S.、Allweiss Lena、Dandri Maura、Watashi Koichi、Tanaka Yasuhito、Iwami Shingo
  • 雑誌名: PLOS Computational Biology 巻: 20 号: 3 ページ: 1011238-1011238
  • DOI: 10.1371/journal.pcbi.1011238
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Disentangling the growth curve of microbial culture (2023)
  • 著者名/発表者名: Kumakura Daiki、Yamaguchi Ryo、Hara Akane、Nakaoka Shinji
  • 雑誌名: Journal of Theoretical Biology 巻: 573 ページ: 111597-111597
  • DOI: 10.1016/j.jtbi.2023.111597
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Anti‐HTLV‐1 immunity combined with proviral load as predictive biomarkers for adult T‐cell leukemia‐lymphoma (2023)
  • 著者名/発表者名: Yamada Asami、Yasunaga Jun‐ichirou、Liang Lihan、Zhang Wenyi、Sunagawa Junya、Nakaoka Shinji、Iwami Shingo、Kogure Yasunori、Ito Yuta、Kataoka Keisuke、Nakagawa Masanori、Iwanaga Masako、Utsunomiya Atae、Koh Ki‐Ryang、Watanabe Toshiki、Nosaka Kisato、Matsuoka Masao
  • 雑誌名: Cancer Science 巻: 115 号: 1 ページ: 310-320
  • DOI: 10.1111/cas.15997
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Antithetic effect of interferon-α on cell-free and cell-to-cell HIV-1 infection. (2022)
  • 著者名/発表者名: Kumata R, Iwanami S, Mar KB, Kakizoe Y, Misawa N, Nakaoka S, Koyanagi Y, Perelson A, Schoggins J, Iwami S, Sato K
  • 雑誌名: PLoS Computational Biology 巻: 18 号: 4 ページ: 1010053-1010053
  • DOI: 10.1371/journal.pcbi.1010053
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Evolving neural networks through bio-inspired parent selection in dynamic environments (2022)
  • 著者名/発表者名: Sunagawa Junya、Yamaguchi Ryo、Nakaoka Shinji
  • 雑誌名: Biosystems 巻: 218 ページ: 104686-104686
  • DOI: 10.1016/j.biosystems.2022.104686
  • 査読あり
• [雑誌論文] Analysis of the Pancreatic Cancer Microbiome Using Endoscopic Ultrasound-Guided Fine-Needle Aspiration-Derived Samples (2022)
  • 著者名/発表者名: Nakano S, Kawamoto Y, Komatsu Y, Saito R, Ito K, Yamamura T, Harada K, Yuki S, Kawakubo K, Sugiura R, Kato S, Hirata K, Hirata H, Nakajima M, Furukawa R, Takishin Y, Nagai K, Yokota I, Ota KH, Nakaoka S, Kuwatani M, Sakamoto N.
  • 雑誌名: Pancreas 巻: 51 号: 4 ページ: 351-357
  • DOI: 10.1097/mpa.0000000000002028
  • 査読あり
• [雑誌論文] Early dynamics of chronic myeloid leukemia on nilotinib predicts deep molecular response (2022)
  • 著者名/発表者名: Okamoto Yuji、Hirano Mitsuhito、Morino Kai、Kajita Masashi K.、Nakaoka Shinji et al
  • 雑誌名: npj Systems Biology and Applications 巻: 8 号: 1
  • DOI: 10.1038/s41540-022-00248-3
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Dynamic Associations of Milk Components With the Infant Gut Microbiome and Fecal Metabolites in a Mother-Infant Model by Microbiome, NMR Metabolomic, and Time-Series Clustering Analyses (2022)
  • 著者名/発表者名: Komatsu Yosuke、Kumakura Daiki、Seto Namiko、Izumi Hirohisa、Takeda Yasuhiro、Ohnishi Yuki、Nakaoka Shinji、Aizawa Tomoyasu
  • 雑誌名: Frontiers in Nutrition 巻: 8
  • DOI: 10.3389/fnut.2021.813690
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Chemical-Mediated Microbial Interactions Can Reduce the Effectiveness of Time-Series-Based Inference of Ecological Interaction Networks (2022)
  • 著者名/発表者名: Suzuki Kenta、Abe Masato S.、Kumakura Daiki、Nakaoka Shinji、Fujiwara Fuki、Miyamoto Hirokuni、Nakaguma Teruno、Okada Mashiro、Sakurai Kengo、Shimizu Shohei、Iwata Hiroyoshi、Masuya Hiroshi、Nihei Naoto、Ichihashi Yasunori
  • 雑誌名: International Journal of Environmental Research and Public Health 巻: 19 号: 3 ページ: 1228-1228
  • DOI: 10.3390/ijerph19031228
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] 生成AIを用いた論文要約システム (2023)
  • 著者名/発表者名: 中岡慎治
  • 学会等名: IIBMP2023
  • 招待講演
• [学会発表] Application of energy landscape analysis method to microbiome data (2023)
  • 著者名/発表者名: Shinji Nakaoka
  • 学会等名: The 8th CIJK International Conference on Mathematical and Theoretical Biology
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 数理・情報科学手法を用いた 食習慣と腸内細菌叢調節因子の探索 (2023)
  • 著者名/発表者名: 中岡慎治
  • 学会等名: 日本栄養・食糧学会シンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] 疑似時間再構成法の腸内細菌叢データへの適用 (2022)
  • 著者名/発表者名: 中岡 慎治
  • 学会等名: 日本微生物生態学会 第35回大会
  • 招待講演
• [学会発表] 数理科学を用いた腸内環境のデザインと保全にむけて (2022)
  • 著者名/発表者名: 中岡 慎治
  • 学会等名: 腸内デザイン学会
  • 招待講演
• [図書] ウイルス感染の数理モデルとシミュレーション (2024)
  • 著者名/発表者名: 岩見 真吾 著・ 中岡 慎治 著・ 岩波 翔也 著
  • 総ページ数: 304
  • 出版者: 共立出版
  • ISBN: 9784320115538
• [図書] Exploring similarity between embedding dimension of time-series data and flows of an ecological population model (2021)
  • 著者名/発表者名: Daiki Kumakura and Shinji Nakaoka
  • 総ページ数: 10
  • 出版者: Springer