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骨代謝数理モデルに基づく皮質骨・海綿骨リモデリングの統合的理解

基于骨代谢数学模型对皮质骨和松质骨重塑的综合理解

基本信息

批准号：
22K03827
负责人：
亀尾佳貴
金额：
$ 2.66万
依托单位：
Kyoto University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-04-01 至 2025-03-31
项目状态：
未结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22K03827/
关键词：
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

项目摘要

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。

The aim of this study is to construct a matrix for bone metabolism and to reconstruct, predict and control the movement of cortical bone and spongy bone in silico. The following is the main research results of this year. 1. Evaluation of predictive performance of bone surface movement velocity and load response to mechanical stimulation, bone absorption and bone formation by finite element analysis. The effects of the static and dynamic mechanical stimulation on the interstitial fluid flow are determined by the results and the individual differences. 2. The mathematical model of multicellular tissue morphology is important for understanding the integration of cortical and spongy bone in the formation of tissue with different densities. The importance of internal forces in bone morphogenesis is identified and linked to the physical and mathematical development of bone morphogenesis. The Material Point Method (MPM) was successfully applied to the analysis of particle discretization, shape, and mechanical properties, and the growth and propagation of cells in this year's organization.