皮膚疾患の環状紅斑を対象とした数理解析と実験による炎症調節機構の解明

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パターン形成の理論研究でよく用いられる数理モデルである反応拡散モデルと培養皮膚細胞イメージング実験を用いて皮膚炎の時空間変化を明らかにした。この成果は、病的な皮膚に共通する炎症の時空間制御機構を予測するものであり、基礎生物学的、医学的観点からも大変意義深い。この成果は学術雑誌に投稿準備中である。また一細胞単位における免疫応答の細胞間の伝播を観察するライブ観察系を確立した。以下に、具体的な研究成果を記す。計画(A). 炎症促進因子と炎症抑制因子の相互作用に基づく数理モデルによる形態の再現：環状紅斑を示す11種類の疾患に観察される形態を分類し、各形態を数理モデルで再現した。11種類の疾患で見られる環状紅斑の形態を臨床報告から整理し、5種類（輪・木目・円・破円・多環）に分類した。これらの形態が炎症促進因子と炎症抑制因子の相互作用から形成されると考え、数理モデルを構築した。数理モデル上で、因子の分泌速度・分解速度・促進因子と抑制因子の相互作用の強さのパラメーターを制御することで、5種類全ての形態を再現できた。計画(B). 数理モデルによる、各形態を形成する炎症の時間的・空間的な調節機構の推定：5種類の拡大パターンごとに有効な治療戦略を予測するため、各パターンが現れるパラメーター条件を網羅的に探索した。円状のパターンは抑制因子の産生が少ない場合、輪状のパターンは促進因子の産生が多い場合に現れた。螺旋・多環・円弧のパターンは消失パターンよりも抑制因子の産生がやや少ないか、促進因子の産生がやや多い場合に現れた。計画(C). ヒト培養皮膚細胞を用いた数理モデルの実験的検証：数理モデルによる予測を検証するため、ヒト角化細胞集団におけるNF-κB活性化領域を1細胞レベルで観察する実験系を構築した。その結果、NF-κB活性化領域は数個の細胞から集団全体へと一定速度で拡大する様子を観察できた。