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

• 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

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。

This study で は, bone metabolism mathematical モ デ ル を group み 込 ん だ bone リ モ デ リ ン グ の in silico (コ ン ピ ュ ー タ) be 験 base plate を し, mechanical environment に 応 じ た cortical bone, sponge bone リ モ デ リ ン グ の 挙 dynamic を in Silico で reappearance, be す る こ と に よ り, そ の suppression メ カ ニ ズ ム を molecular, cellular ダ イ ナ ミ ク ス か ら integration に understand す る こ と を purpose と し て い る. The following に, the implementation content of the main な research in this year と, and the られた results をまとめる obtained. 1. Mechanical stimulation に す seaborne る bone リ モ デ リ ン グ is の to measure the performance evaluation of 価 マ ウ ス coccygeal vertebra に す seaborne る Qiao return し load load be 験 に よ り have ら れ た bone surface movement speed と, in じ マ ウ ス coccygeal vertebra の イ メ ー ジ ベ ー ス finite element analytic に よ り have ら れ た others 々 な mechanical quantity に base づ き, bone cells へ の mechanical stimulation と bone absorption, 収 bone formation, と を masato even pay け る The bone リモデリ グ グ then をモデ グ is used to simulate <s:1> and そ the performance to be tested is を evaluated by 価 た た. Quite 応 force や interstitial fluid flow れ な ど, い く つ か の is static, dynamic な mechanical stimulation を alternate と し て bone リ モ デ リ ン グ is を demean し た results, マ ウ ス の individual difference に よ る が affected き い た め, そ れ ら の to measure performance に 顕 the な violations い は see ら れ な い こ と が confirm さ れ た. 2 Multicellular ダ イ ナ ミ ク ス に よ る form の mathematical morphology モ デ ル open 発 cortical bone と sponge bone の リ モ デ リ ン グ を integration に understand す る た め に は, density の different な る struck tissue formation の を Ming ら か に す る こ と が important で あ る. そ こ で, bone morphogenetic process に お い に て organization 働 く importance force の に み, even 続 strength を ベ ー ス と し, か つ, a 々 の cells ダ イ ナ ミ ク ス を tracing may な new し い form の mathematical morphology モ デ ル open 発 に to し た. Particle に よ り discretization さ れ の た object - shaped を even 続 strength に base づ き parsing す る Material Point Method (MPM) を 応 し, this year's ま で に, tissue を す る cells grow の と raised colonization の モ デ ル change に successful し た.

项目成果

“骨代謝・リモデリングにおける多階層数理バイオメカニクス”，日本臨牀 増刊号 最新の骨粗鬆症学（第2版）（第II章1節6項）

《骨代谢与重塑的多层次数学生物力学》，日本Rinpaku特刊最新骨质疏松科学（第2版）（第二章，第1节，第6节）

• 发表时间: 2023
• 作者: 後藤啓光 ; 池戸皓星 ; 明松圭昭 ; 谷貴幸 ; 平尾篤利 ; 毛利尚武;横山優花，亀尾佳貴，安達泰治;亀尾佳貴，安達泰治
• 通讯作者: 亀尾佳貴，安達泰治

力学状態に応じた細胞増殖による組織形態形成の数理解析

根据机械条件对细胞增殖引起的组织形态发生进行数学分析

• 发表时间: 2022
• 作者: 横山優花;亀尾佳貴;安達泰治
• 通讯作者: 安達泰治