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2021 年度 実施状況報告書

In silico骨代謝動態観察に基づく骨の力学的適応機構の解明

研究課題

研究課題/領域番号 19K04074
研究機関京都大学

研究代表者

亀尾 佳貴  京都大学, ウイルス・再生医科学研究所, 助教 (60611431)

研究期間 (年度) 2019-04-01 – 2023-03-31
キーワード骨代謝 / 骨リモデリング / 力学的適応 / in silico実験 / バイオメカニクス
研究実績の概要

本研究では、骨代謝・リモデリングにおける微視的な分子・細胞の複雑な相互作用と巨視的な組織・器官の適応変化とを関連付けた数理モデルを構築することにより、力学的負荷に応じて骨組織内部で生じる細胞間シグナル伝達、個々の骨構成細胞動態、骨形態変化をコンピュータ上で同時観察することを可能にするシミュレーション基盤の構築を目指している。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.骨細管ネットワーク内における間質液流れ解析
骨細管の複雑なネットワーク構造が、間質液の流れを介して骨細胞への力学刺激に及ぼす影響を明らかにするため、FIB-SEMにより取得した骨基質中の骨細胞画像から、間質液の流路である骨細管ネットワーク形態を3次元再構築し、このイメージベースモデルを用いて内部の間質液流れを解析した。生体内の骨細管ネットワークには、行き止まりや分岐、合流、肥大部などの特徴的な構造が観察され、このような構造が間質液流れに不均一な流速分布を発生させ、骨細胞に負荷される流れ刺激を増幅させている可能性が示唆された。
2.骨損傷発展とリモデリングの連成数理モデルによる骨量・骨質変化のin silico解析
前年度までに構築した骨損傷発展とリモデリングの連成数理モデルを用い、様々な力学的負荷条件下や骨代謝条件下における、マウス大腿骨海綿骨のリモデリングシミュレーションを行った。その結果、低荷重や骨粗鬆症に起因する骨量の減少のみならず、過荷重にともなう骨損傷の蓄積により生じる骨質の低下を再現することができた。さらに、シミュレーションにより得られた骨形態と骨損傷から海綿骨の見かけの剛性を導出し、骨量・骨質という多角的観点から海綿骨の荷重支持機能の変化をin silico評価することが可能になった。

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、骨代謝における複雑な分子・細胞動態と組織・器官の形態変化をコンピュータ上で同時観察できるシミュレーション基盤の開発に成功し、これを用いて骨リモデリング現象の統合的な解析を可能にしたことから、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。

今後の研究の推進方策

開発した骨リモデリングのシミュレーション基盤の医療応用を目指し、代謝性骨疾患に対する種々のin silico投薬実験を行い、薬物治療効果の予測を試みる。また、これまでの研究成果をまとめ、国際会議や国内学会にて研究発表を行うとともに、学術論文を作成して国際学術誌に投稿する。

次年度使用額が生じた理由

令和2年度に引き続き、新型コロナウイルス感染拡大の影響により、参加を予定していた国際会議や国内学会がすべてオンライン開催となり、また、感染拡大防止の観点から、高性能ワークステーションの購入を見送ったため、関連する旅費、物品費に相当する繰越金が発生した。
次年度は、この繰越金を国際会議や国内学会にて研究発表を行う際の旅費・参加費、および、学術論文を国際学術誌に発表するための英文校閲費・論文投稿費に充てる予定である。

  • 研究成果

    (15件)

すべて 2022 2021 その他

すべて 国際共同研究 (1件) 雑誌論文 (2件) (うち査読あり 2件、 オープンアクセス 2件) 学会発表 (12件) (うち国際学会 6件)

  • [国際共同研究] スイス連邦工科大学チューリッヒ校(スイス)

    • 国名
      スイス
    • 外国機関名
      スイス連邦工科大学チューリッヒ校
  • [雑誌論文] Computational framework for analyzing flow-induced strain on osteocyte as modulated by microenvironment2022

    • 著者名/発表者名
      Kameo Yoshitaka、Ozasa Masahiro、Adachi Taiji
    • 雑誌名

      Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials

      巻: 126 ページ: 105027~105027

    • DOI

      10.1016/j.jmbbm.2021.105027

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] High-resolution image-based simulation reveals membrane strain concentration on osteocyte processes caused by tethering elements2021

    • 著者名/発表者名
      Yokoyama Yuka、Kameo Yoshitaka、Kamioka Hiroshi、Adachi Taiji
    • 雑誌名

      Biomechanics and Modeling in Mechanobiology

      巻: 20 ページ: 2353~2360

    • DOI

      10.1007/s10237-021-01511-y

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] 損傷発展にともなう海綿骨の構造・荷重支持機能変化のシミュレーション解析2022

    • 著者名/発表者名
      藤本航成,亀尾佳貴,安達泰治
    • 学会等名
      日本機械学会第32回バイオフロンティア講演会
  • [学会発表] Mathematical Modeling of Cortical to Cancellous Bone Transformation by Remodeling2021

    • 著者名/発表者名
      Yoshitaka Kameo, Nobuaki Sakano, Taiji Adachi
    • 学会等名
      26th Congress of the European Society of Biomechanics (ESB2021)
    • 国際学会
  • [学会発表] Image-based Analysis of Flow-induced Strain on the Osteocyte Process via Tethering Elements2021

    • 著者名/発表者名
      Yuka Yokoyama, Yoshitaka Kameo, Taiji Adachi
    • 学会等名
      26th Congress of the European Society of Biomechanics (ESB2021)
    • 国際学会
  • [学会発表] In Silico Experiments of Bone Remodeling Towards Predicting Drug Treatment of Bone Diseases2021

    • 著者名/発表者名
      Yoshitaka Kameo, Yuki Miya, Taiji Adachi
    • 学会等名
      16th U.S. National Congress on Computational Mechanics (USNCCM16)
    • 国際学会
  • [学会発表] Remodeling Simulation of Cancellous Bone and Cortical Endosteal Surface Using in Vivo μCT Image Data2021

    • 著者名/発表者名
      Tsuyoshi Sawada, Yoshitaka Kameo, Taiji Adachi
    • 学会等名
      The 11th Asian-Pacific Conference on Biomechanics (AP Biomech 2021)
    • 国際学会
  • [学会発表] Computational Analysis of the Effects of Bone Microdamage on Bone Remodeling2021

    • 著者名/発表者名
      Kosei Fujimoto, Yoshitaka Kameo, Taiji Adachi
    • 学会等名
      The 11th Asian-Pacific Conference on Biomechanics (AP Biomech 2021)
    • 国際学会
  • [学会発表] Computer Simulation of Multicellular Dynamics in Bone Morphogenesis by Material Point Method2021

    • 著者名/発表者名
      Yuka Yokoyama, Yoshitaka Kameo, Taiji Adachi
    • 学会等名
      The 11th Asian-Pacific Conference on Biomechanics (AP Biomech 2021)
    • 国際学会
  • [学会発表] 骨リモデリングのin silico実験基盤開発と医療応用2021

    • 著者名/発表者名
      亀尾佳貴,宮雄貴,安達泰治
    • 学会等名
      日本機械学会第33回バイオエンジニアリング講演会
  • [学会発表] 骨損傷がリモデリングに及ぼす影響の数理モデル解析2021

    • 著者名/発表者名
      藤本航成,亀尾佳貴,安達泰治
    • 学会等名
      日本機械学会第33回バイオエンジニアリング講演会
  • [学会発表] 海綿骨・皮質骨内膜面のin vivo実験データに基づくリモデリングシミュレーション2021

    • 著者名/発表者名
      澤田剛,亀尾佳貴,安達泰治
    • 学会等名
      日本機械学会第33回バイオエンジニアリング講演会
  • [学会発表] 細胞増殖による組織形態形成の力学モデル構築2021

    • 著者名/発表者名
      横山優花,亀尾佳貴,安達泰治
    • 学会等名
      日本機械学会M&M2021材料力学カンファレンス
  • [学会発表] リモデリングによる骨形態変化と骨損傷発展の連成数理モデル解析2021

    • 著者名/発表者名
      藤本航成,亀尾佳貴,安達泰治
    • 学会等名
      第48回日本臨床バイオメカニクス学会

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公開日: 2022-12-28  

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