2016 Fiscal Year Annual Research Report
Establishing Theoretical Foundations for Mathematical Modeling of Pathological Biosystems and its Applications to Personalized Medicine
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15H05707
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
合原 一幸 東京大学, 生産技術研究所, 教授 (40167218)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
宮野 悟 東京大学, 医科学研究所, 教授 (50128104)
鈴木 大慈 東京大学, 情報理工学系研究科, 准教授 (60551372)
奥 牧人 富山大学, 和漢医薬学総合研究所, 特命准教授 (30633565)
森野 佳生 東京大学, 生産技術研究所, 特任助教 (90712737)
中岡 慎治 東京大学, 生産技術研究所, 派遣研究員 (30512040)
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| Project Period (FY) |
2015-05-29 – 2020-03-31
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| Keywords | 生命病態システム / 数理モデリング / 個別化医療 / 内分泌療法 / 動的ネットワークバイオマーカー |
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| Outline of Annual Research Achievements |
1. 数理モデルに基づく前立腺がんの内分泌療法と他の疾患への展開
前立腺がんに関しては、PSA（Prostate Specific Antigen: 前立腺特異抗原）という高感度のバイオマーカーが存在するため、数理モデルの性能を PSAデータを用いて定量的に評価することが可能である。平成28年度は、昨年度までの解析をさらに進めると共に、統計的機械学習理論を用いて、不十分なPSA時系列データからの予後予測を目指した拡張手法の研究および数理モデルによる分類と癌の転移との関係性についての検討を行った。
2. 動的ネットワークバイオマーカー理論の発展とその応用
本研究では、病態の変化を一種の複雑生体ネットワークの動的な状態遷移としてとらえ、疾患前後で先導して不安定化する生体ネットワークの部分ネットワーク (動的ネットワークバイオマーカー DNB) を効率的に検出する数理手法とアルゴリズムを開発している。平成28年度は、これまでの成果をさらに発展させ、あらたな遺伝子発現情報のビッグデータを解析の対象として DNB の有効性を確認した。また、DNB を効率的に検出する数理手法の理論的基盤の整理、観測データから生命システムの複雑ネットワーク構造を再構築する手法の開発、DNB 検出に応用可能なテンソル解析など機械学習手法の開発、腫瘍内不均一性を含めた癌の進化シミュレーションモデルの構築、構成要素の多様性減少による遷移方式および遷移に関わる少数因子の相互作用を記述した数理モデルの構築と分析などを行った。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
1. [数理モデルに基づく前立腺がんの内分泌療法と他の疾患への展開]では、短い時系列データを扱える基礎理論の開発を進めるとともに、がんの転移が起こる可能性の高い患者の検出や他の疾患への応用などの重要性の高い応用展開発展の可能性について研究する準備ができた。
2. [動的ネットワークバイオマーカー理論の発展とその応用] では、DNB 検出に有効な数理的手法とアルゴリズムの開発や理論的基盤の整備を行い、様々な遺伝子発現情報データなどを対象に DNB の有効性を確認した。さらには観測データから生命システムの複雑ネットワーク構造を再構築する手法などの開発を予定通り進めるとともに、研究費の繰越により、あらたに構成要素の多様性減少による遷移方式および遷移に関わる少数因子の相互作用を記述した数理モデルの構築と分析を行った。これらの成果により、当初予定していたDNB理論を様々な疾患へ応用する手法の進展のみならず、DNB理論の拡張や他の多様な複雑システムへの応用も含めた発展の足がかりができた。
以上の成果を踏まえ、今年度は「当初の計画以上に進展している」と自己評価している。
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| Strategy for Future Research Activity |
1. 数理モデルに基づく前立腺がんの内分泌療法と他の疾患への展開
研究分担者の森野佳生（東大・生研・特任助教）、研究協力者の平田祥人（東大・情報理工・准教授）、福原浩（杏林大・医・主任教授）と協力して、昨年度までの解析・手法を元に、実用化に向けた研究を本格的に開始する。また、前立腺がんの数理モデルや制御手法をさらに発展させるとともに、他のがんやアトピー性皮膚炎など他の疾患も含めた治療に関わる応用発展の可能性についての研究を引き続き進める。
2. 動的ネットワークバイオマーカー理論の発展とその応用
実用的な応用のための理論的基盤の構築を継続する。様々な疾患や遺伝子発現情報データ以外の生体ビッグデータなどを対象に DNB理論 の有効性を確認する。また、電力システムなど他の複雑システムへの DNB を拡張した DNM (Dynamic Network Markers) の応用可能性について検討する。
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