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2017 年度 実施状況報告書

階層フィードバックを考慮したマルチスケール数理モデルと疾患力学系の解析

研究課題

研究課題/領域番号 16K05265
研究機関東京大学

研究代表者

中岡 慎治  東京大学, 生産技術研究所, 派遣研究員 (30512040)

研究期間 (年度) 2016-04-01 – 2019-03-31
キーワードモデル化 / 数理工学 / 数学基礎論 / 免疫学 / 再生医学
研究実績の概要

数ある疾患の中には、分子 (速いダイナミクス) と組織 (遅いダイナミクス) 間に階層フィードバックが存在し、悪循環によって発症するものがある。本研究では、階層フィードバックを考慮した疾患のマルチスケールダイナミクスの研究を進めている。

平成27年度から継続する形で、平成28年度には階層フィードバックを考慮した疾患のマルチスケールダイナミクスを表現する数理モデル構築に向けて、復数の解析を実施した。

ウイルス感染に起因する疾患を対象とし、サル・ヒト免疫不全ウイルス (速いダイナミクス) と標的細胞 (遅いダイナミクス) 動態に関するマルチスケール数理モデルを構築し、感染成立に関わる要素 (ウイルスの増殖率や感染率など) のうち、どの要素がもっとも病原性の違いに関係するかを数理モデル・シミュレーションとデータ解析によって明らかにした (成果・論文 1)。癌に対する免疫応答 (速いダイナミクス) と癌の突然変異による適応的な免疫回避機構 (遅いダイナミクス) を記述した数理モデルを構築し、癌の適応的変化が免疫応答を逃れる上で癌の生存上有利になる理論条件を導出した (成果・論文 3、責任著者)。ヒト T リンパ球白血病ウイルス (HTLV-1) のタンパク質発現 (速いダイナミクス) と細胞増殖 (遅いダイナミクス) の双方を考慮したマルチスケール数理モデルを構築し、階層間フィードバックの影響がウイルス感染維持に必要であることをシミュレーションによって示した (成果・論文4、責任著者)。抗生物質投与によるバクテリア群集動態の変化を記述した数理モデルを構築し、詳細な数理解析を行った (成果・論文 5、責任著者)。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

平成28年度では、5本の論文が受理された。当初想定していた階層フィードバックを考慮したマルチスケール数理モデルを様々な疾患を対象として解析が進んだのみならず、細胞内の分子ダイナミクスに関わる因子のデータ解析についても、研究が進捗した。

このため、予定以上に研究が進展していると判断できる。

今後の研究の推進方策

前年度に得られた成果を元に、平成 30 年度は、以下の課題に取り組む:
[1] ウイルス感染に起因する疾患では、H29年度までに取り組んだウイルスとは異なるウイルスにおいても、同様にマルチスケール数理モデルを構築して解析を行う。多種類のウイルスを扱うことで、ウイルス特有の生活史や宿主との相互作用の違いも含めた、より一般的かつ汎用的なマルチスケール数理モデルの構築を進める。

[2] H29年度では、創傷・治癒過程の数理モデル構築において重要な細菌種の候補をデータ解析から選定したので、H30年度ではこれら細菌種を変数とする細菌群数理モデルの構築と解析を進める。

[3] 上記の予定 [2] と並行して、H30年度では、創傷・治癒過程の数理モデル構築を進める。外的要因である細菌の影響も含めた分子 (速いダイナミクス) と組織 (遅いダイナミクス) 間に階層フィードバックの数理的性質について検討を進める。

次年度使用額が生じた理由

本年度は 1,414 円余る形となった。1,414 円は、計画通り予算を使用したが、どうしても制御できなかった残額である。1,414 円は、平成30年度に物品購入等に充てる予定である。

  • 研究成果

    (9件)

すべて 2018 2017

すべて 雑誌論文 (5件) (うち国際共著 3件、 査読あり 5件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (4件) (うち国際学会 4件、 招待講演 2件)

  • [雑誌論文] The CCR4-NOT deadenylase complex controls Atg7-dependent cell death and heart function2018

    • 著者名/発表者名
      Yamaguchi Tomokazu et al
    • 雑誌名

      Science Signaling

      巻: 11 ページ: eaan3638~3638

    • DOI

      doi: 10.1126/scisignal.aan3638

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Sporadic on/off switching of HTLV-1 Tax expression is crucial to maintain the whole population of virus-induced leukemic cells2018

    • 著者名/発表者名
      Mahgoub Mohamed、Yasunaga Jun-ichirou、Iwami Shingo、Nakaoka Shinji、Koizumi Yoshiki、Shimura Kazuya、Matsuoka Masao
    • 雑誌名

      Proceedings of the National Academy of Sciences

      巻: 115 ページ: E1269~E1278

    • DOI

      10.1073/pnas.1715724115

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] A mathematical model of multiple delayed feedback control system of the gut microbiota?Antibiotics injection controlled by measured metagenomic data2018

    • 著者名/発表者名
      Dong Yueping、Takeuchi Yasuhiro、Nakaoka Shinji
    • 雑誌名

      Nonlinear Analysis: Real World Applications

      巻: 43 ページ: 1~17

    • DOI

      doi.org/10.1016/j.nonrwa.2018.02.005

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] A highly pathogenic simian/human immunodeficiency virus effectively produces infectious virions compared with a less pathogenic virus in cell culture2017

    • 著者名/発表者名
      Iwanami Shoya、Kakizoe Yusuke、Morita Satoru、Miura Tomoyuki、Nakaoka Shinji、Iwami Shingo
    • 雑誌名

      Theoretical Biology and Medical Modelling

      巻: 14 ページ: 9

    • DOI

      doi: 10.1186/s12976-017-0055-8

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Dynamics of tumor immune escape via adaptive change2017

    • 著者名/発表者名
      Naoki Nakada, Mizuho Nagata, Yueping Dong, Yasuhiro Takeuchi, and Shinji Nakaoka
    • 雑誌名

      Nonlinear Theory and Its Applications

      巻: E9-N ページ: -

    • DOI

      doi.org/10.1587/nolta.9.295

    • 査読あり
  • [学会発表] Mathematical and informatics analysis of community composition change of the gut microbiota2018

    • 著者名/発表者名
      Shinji Nakaoka
    • 学会等名
      2018 INTERNATIONAL WORKSHOP ON MATHEMATICAL BIOLOGY
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Compositional change of the gut microbiota in HIV infected humanized mice2018

    • 著者名/発表者名
      Shinji Nakaoka, Kei Sato
    • 学会等名
      Next Gen Immunology
    • 国際学会
  • [学会発表] Detection of responding factors to external perturbation in a microbial community2017

    • 著者名/発表者名
      Shinji Nakaoka
    • 学会等名
      International Symposium on Nonlinear Theory and Its Applications
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Data mining of metabolic interactions in a gut microbial community induced by viral infection2017

    • 著者名/発表者名
      Shinji Nakaoka, Kei Sato
    • 学会等名
      SMB 2017 Annual Meeting
    • 国際学会

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公開日: 2018-12-17  

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