| 研究課題/領域番号 |
22K03827
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| 研究種目 |
基盤研究(C)
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| 配分区分 | 基金 |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
小区分18010:材料力学および機械材料関連
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| 研究機関 | 京都大学 |
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研究代表者 |
亀尾 佳貴 京都大学, 医生物学研究所, 助教 (60611431)
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| 研究期間 (年度) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2022年度)
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| 配分額 *注記 |
4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円)
2024年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円)
2023年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円)
2022年度: 2,210千円 (直接経費: 1,700千円、間接経費: 510千円)
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| キーワード | 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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| 研究開始時の研究の概要 |
本研究では、分子・細胞の相互作用と組織・器官の形態変化とを関連付ける骨代謝数理モデルを組み込んだ、皮質骨・海綿骨リモデリングの統合in silico（コンピュータ内）実験基盤の構築を目的とする。これにより、骨代謝系による皮質骨・海綿骨リモデリング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とともに、力学的・生化学的要因によって生じる骨粗鬆症に対し、その病因・病態に応じた効果的な治療戦略の提案を試みる。
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| 研究実績の概要 |
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．力学刺激に対する骨リモデリング則の予測性能評価
マウス尾椎に対する繰返し荷重負荷実験により得られた骨表面移動速度と、同じマウス尾椎のイメージベース有限要素解析により得られた様々な力学量に基づき、骨細胞への力学刺激と骨吸収・骨形成とを関連付ける骨リモデリング則をモデル化し、その予測性能を評価した。相当応力や間質液流れなど、いくつかの静的・動的な力学刺激を候補として骨リモデリング則を定式化した結果、マウスの個体差による影響が大きいため、それらの予測性能に顕著な違いは見られないことが確認された。
２．多細胞ダイナミクスによる組織形態形成の数理モデル開発
皮質骨と海綿骨のリモデリングを統合的に理解するためには、密度の異なる両組織の形成過程を明らかにすることが重要である。そこで、骨形態形成過程において組織内部に働く力の重要性に鑑み、連続体力学をベースとし、かつ、個々の細胞ダイナミクスを追跡可能な新しい組織形態形成の数理モデル開発に着手した。粒子により離散化された物体の変形を連続体力学に基づき解析するMaterial Point Method（MPM）を応用し、本年度までに、組織を構成する細胞の成長と増殖のモデル化に成功した。
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| 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
当初の予定通り、マウス尾椎のリモデリングに関する時系列データから、骨細胞への力学刺激と骨吸収・骨形成とを関連付ける骨リモデリング則を定式化することができた。また、多細胞ダイナミクスによる組織形態形成を解析可能な新たな数理モデルの開発にも着手し、今後、皮質骨と海綿骨が形成される過程を探求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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| 今後の研究の推進方策 |
本年度に導出した骨リモデリング則に基づき、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化し、力学的負荷にともなう骨損傷の影響も考慮して、骨リモデリングのin silico実験基盤の開発を進める。また、組織形態形成の数理モデルを長管骨の形態形成に適用し、皮質骨と海綿骨の形成過程の再現を試みる。
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