肝ヘテロ細胞ダイナミクスの数理モデル化

• 研究課題/領域番号: 22H00595
• 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90:人間医工学およびその関連分野
• 研究機関: 慶應義塾大学
• 研究代表者: 杉本 昌弘 慶應義塾大学, 政策・メディア研究科(藤沢), 教授 (30458963)
• 研究分担者: 酒井 康行 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 教授 (00235128) ; 廣安 知之 同志社大学, 生命医科学部, 教授 (20298144) ; 西川 昌輝 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 准教授 (40843149) ; 田中 稔 国立研究開発法人国立国際医療研究センター, 研究所, 細胞療法開発研究室長 (80321909)
• 研究期間 (年度): 2022-04-01 – 2026-03-31
• 研究課題ステータス: 交付 (2025年度)
• 配分額: 42,250千円 (直接経費: 32,500千円、間接経費: 9,750千円); 2025年度: 10,530千円 (直接経費: 8,100千円、間接経費: 2,430千円); 2024年度: 10,400千円 (直接経費: 8,000千円、間接経費: 2,400千円); 2023年度: 9,100千円 (直接経費: 7,000千円、間接経費: 2,100千円); 2022年度: 12,220千円 (直接経費: 9,400千円、間接経費: 2,820千円)
• キーワード: 生体医工学関連 / 生体医工学

研究開始時の研究の概要

本研究では肝硬変を対象とし，(1)肝臓内の多様な細胞の分子間・細胞間の相互作用や物理的な特性変化を再現する数理モデルの開発，(2)ヒトの肝硬変を再現する動物モデルの確立，(3)動物実験では不可能な観測や介入実験を可能とする生理学的微小細胞培養系の開発を行う．
多様な実験系から導かれる数理モデルの多面的な検証と，数理モデルから得られる仮説の実験による検証を繰り返し行い，病態形成の仕組みの理解に迫る．この三位一体の取り組みにてデータ駆動型サイエンスを具現化し、システム生物学の方法論の確立と個々の成果の両面で学術的成果を創出する．

研究実績の概要

本研究は、肝臓の慢性化を対象として既知のメカニズムをボトムアップ的に統合し、数理モデル化を行うことを目的とする。肝臓内の化学的および物理的要因を再現するモデルを開発し、現象のスケールの違いを考慮して、細胞内の分子レベルと細胞間相互作用をそれぞれ独立してモデル化を進めてきた。一定の成果を達成し、動物実験との比較検証を行い、論文発表に至った。しかし、これらのモデルを統合する過程でいくつかの課題が明らかになった。分子レベルのモデルを細胞間相互作用モデルの全ての細胞に適用すると、計算量が膨大になり、実行時間が現実的ではなくなるという問題が発生した。このため、肝細胞については臓器内の場所による代謝の差異を考慮し、代謝活性状態を表す変数を細胞間相互作用モデルに組み込む方法に挑戦した。しかし、既存のエージェント型シミュレーションライブラリでは、1細胞を1つのエージェントとして扱い、エージェント内に変数を設定して細胞の振る舞いを変化させることが難しく、実現を断念した。これに代わり、Pythonにマルチエージェントシミュレーションをモデル化できるMesaを組み合わせて新たなライブラリを構築し、細胞の状態変化も実装可能なエージェント指向型ライブラリを作成した。細胞の動作と共に細胞から分泌されるサイトカイン等は時間と共に徐々に分散され、他の細胞に取り込み濃度が低下するなどの現象も必要となる。このような細胞の動作と細胞間の分子の相互作用を実現できるライブラリを開発し、肝臓の慢性線維化プロセスにおける動的な変化の再現に取り組んだ。

現在までの達成度

3: やや遅れている

理由

モデル開発に関しては、これまで分子レベルと細胞・臓器レベルのモデルと２つの抽象化のレベルを進めてきた。前者のモデルはPython言語を用いてシミュレータ本体から自ら開発したために、自由度が高く、細胞内の局在ごとに異なる代謝(zonation)を十分再現できてきた。一方、後者のモデルはピッツバーグ大学で開発されたJava言語のSparkライブラリを改良して開発してきており、肝臓内の多様な種類の細胞の相互作用を考慮しながら肝臓全体としての動的な挙動は示してきたが、肝細胞が局在ごとに異なる代謝の特徴を反映させられることができていなかった。これを実現するためにプログラム手法的に様々なアプローチをとってみたが断念し、こちらもシミュレータから自ら開発するために大幅な遅れが発生した。特に、細胞の移動と共に細胞から分泌される分子の挙動を同時に実現することが極めて難しく、仮想的に２つの空間に同一の肝臓があるように実装し、片方には細胞の挙動、もう片方には分子の挙動を実装し、時間が進むごとにお互いに同期をとりながら進めるという独特の設計とした。これらの実装と共に、使用していた既存のモデルのパラメータでは、不自然な挙動を示すために、条件を変えながら様々なシミュレーションを行い、妥当な挙動をする条件検討にも多くの時間を要した。メタボロームの分子測定に関しては、従来キャピラリー電気泳動・質量分析を用いてイオン性代謝物を中心に検出する方法を用いてきたが、調べたい代謝経路や物質として、標準物質を持っていないものがあり、これらの試薬購入や検証のための試験に時間を要した。

今後の研究の推進方策

肝臓内の様々な抽象度の情報を統合して真にヘテロな状況を再現するために、自由度が高くモデルを実装できるようPython言語等を用いてライブラリを独自に作成する。継続して、ピッツバーグ大学のグループが開発したモデルも使用はするが結果の比較のための利用に留める。ただしこちらのモデル慢性線維化の進行に関しては、一方的に線維化が進むモデルから、条件によっては線維化が回復するところまでモデル化ができているため、どのような条件で可逆・不可逆が変化するかという特徴空間を明らかにするところまでは進める。また独自ライブラリに関しては、機能実装ではまだ不十分なところがあり、門脈から静脈に流れる物質等の実装が未完成である。これらは従来の物質分散のライブラリだけでは実現不可能なところもあり、独自の実装を行う。また、今後考慮すべき別の要素として、臓器内の血管や血流等の現象も取り込むことを見越して他のグループで開発されてきた血管新生のモデルを改良も実施してきた。しかし、モデル内のパラメータのわずかな変更で大きくシミュレーション結果が変わるために、感度解析等によりモデルの虚弱な個所を同定し、先の問題が発生しないロバスト性の高いモデルを構築することを行う。いずれも、動物実験で変化を見せる慢性線維化のデータの経時的な蓄積を実施しており、同一モデルで一部の境界条件を変更するだけでこれらの違いを再現することを最初に目指す。また、MPSの開発によって、周辺の影響を遮断した部分的な臓器の実験系の再現も進んでおり、特定の刺激（薬剤投与等）を与えた場合の代謝物の変化を観測し、モデルの挙動との比較データとする。

研究成果

• [雑誌論文] Injectable phase-separated tetra-armed poly(ethylene glycol) hydrogel scaffold allows sustained release of growth factors to enhance the repair of critical bone defects (2024)
  • 著者名/発表者名: Nepal Shant、Si Jinyan、Ishikawa Shohei、Nishikawa Masaki、Sakai Yasuyuki、Akimoto Aya M.、Okada Hiroyuki、Ohba Shinsuke、Chung Ung-il、Sakai Takamasa、Hojo Hironori
  • 雑誌名: Regenerative Therapy 巻: 25 ページ: 24-34
  • DOI: 10.1016/j.reth.2023.11.008
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Renal Pharmacokinetic Adaptation to Cholestasis Causes Increased Nephrotoxic Drug Accumulation by Mrp6 Downregulation in Mice (2023)
  • 著者名/発表者名: Arakawa Hiroshi、Kawanishi Takumi、Shengyu Dai、Nishiuchi Takumi、Meguro-Horike Makiko、Horike Shin-ichi、Sugimoto Masahiro、Kato Yukio
  • 雑誌名: Journal of Pharmaceutical Sciences 巻: 112 号: 12 ページ: 3209-3215
  • DOI: 10.1016/j.xphs.2023.08.008
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Fibroblast growth factor 18 stimulates the proliferation of hepatic stellate cells, thereby inducing liver fibrosis (2023)
  • 著者名/発表者名: Tsuchiya Y, Seki T, Kobayashi K, Komazawa-Sakon S, Shichino S, Nishina T, Fukuhara K, Ikejima K, Nagai H, Igarashi Y, Ueha S, Oikawa A, Tsurusaki S, Yamazaki S, Nishiyama C, Mikami T, Yagita H, Okumura K, Kido T, Miyajima A, Matsushima K, Imasaka M, Araki K, Imamura T, Ohmuraya M, Tanaka M, Nakano H
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 14 号: 1 ページ: 6304-6304
  • DOI: 10.1038/s41467-023-42058-z
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Optimization of physical microenvironment to maintain the quiescence of human induced pluripotent stem cell‐derived hepatic stellate cells (2023)
  • 著者名/発表者名: Gong Ya、Danoy Mathieu、Kido Taketomo、Mitsuhashi Kento、Choi Hyunjin、Matsugi Tomoaki、Yang Jingjing、Esashika Katsuhiro、Takahashi Jun、Nishikawa Masaki、Ito Taichi、Miyajima Atsushi、Sakai Yasuyuki
  • 雑誌名: Biotechnology and Bioengineering 巻: 120 号: 8 ページ: 2345-2356
  • DOI: 10.1002/bit.28485
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Data Processing and Analysis in Liquid Chromatography-Mass Spectrometry-Based Targeted Metabolomics. (2023)
  • 著者名/発表者名: Sugimoto M, Aizawa Y, Tomita A.
  • 雑誌名: Methods Mol Biol. 巻: 2571 ページ: 241-255
  • DOI: 10.1007/978-1-0716-2699-3_21
  • ISBN: 9781071626986, 9781071626993
  • 査読あり
• [雑誌論文] Simulation of the crosstalk between glucose and acetaminophen metabolism in a liver zonation model (2022)
  • 著者名/発表者名: Maeda Kazuhiro、Hagimori Shuta、Sugimoto Masahiro、Sakai Yasuyuki、Nishikawa Masaki
  • 雑誌名: Frontiers in Pharmacology 巻: 13 ページ: 995597-995597
  • DOI: 10.3389/fphar.2022.995597
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Computational simulation of liver fibrosis dynamics (2022)
  • 著者名/発表者名: Yoshizawa Misa、Sugimoto Masahiro、Tanaka Minoru、Sakai Yusuyuki、Nishikawa Masaki
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 12 号: 1 ページ: 14112-14112
  • DOI: 10.1038/s41598-022-18123-w
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Computational Simulation of Tumor-Induced Angiogenesis (2022)
  • 著者名/発表者名: Sugimoto Masahiro
  • 雑誌名: Methods in Molecular Biology 巻: - ページ: 275-283
  • DOI: 10.1007/978-1-0716-2617-7_14
  • ISBN: 9781071626160, 9781071626177
  • 査読あり
• [学会発表] 肝臓の線維化における局在ごとに異なる代謝の変化 (2023)
  • 著者名/発表者名: 杉本昌弘
  • 学会等名: 第17回メタボロームシンポジウム
• [学会発表] ポリアミン研究の最前線 (2023)
  • 著者名/発表者名: 曽我朋義, 杉本昌弘
  • 学会等名: 第96回日本生化学会大会
• [学会発表] Simulation of tumor-induced angiogenesis with angiopoietins (2023)
  • 著者名/発表者名: Masahiro Sugimoto, Tomoyuki Miyashita
  • 学会等名: 45th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society
• [学会発表] メタボローム解析の基礎技術及びメタボロームデータの 実践的な解析・管理・活用ノウハウ (2023)
  • 著者名/発表者名: 杉本昌弘
  • 学会等名: 情報機構
• [学会発表] メタボローム解析の基礎から応用研究まで (2022)
  • 著者名/発表者名: 杉本昌弘
  • 学会等名: 第26回WAKO Web受託セミナー
• [学会発表] 肝臓のヘテロな代謝と線維化における動的変化 (2022)
  • 著者名/発表者名: 杉本昌弘
  • 学会等名: 第16回メタボロームシンポジウム
• [図書] 動物実験代替法とNew Approach Methodologiesの開発・利用動向 (2023)
  • 著者名/発表者名: 監修 小島肇夫 執筆者 杉本昌弘 ほか51名
  • 総ページ数: 296
  • 出版者: シーエムシー出版
  • ISBN: 9784781317472