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。

在这项研究中，我们将建立一个用于骨重塑的计算机模拟实验平台，该平台结合了骨代谢的数学模型，旨在重现和预测皮质骨和松质骨重塑对计算机力学环境的响应行为。目的是从分子和细胞动力学方面全面了解控制机制。以下是今年以来进行的主要研究和取得的成果的总结。 1.响应机械刺激的骨重塑规则的预测性能评估基于对小鼠尾椎重复加载实验获得的骨表面运动速度以及对同一小鼠尾椎进行基于图像的有限元分析获得的各种力学量，我们建模将机械刺激与骨细胞和骨吸收/骨形成联系起来的骨重塑定律，并评估其预测性能。通过使用几种静态和动态机械刺激作为候选，例如等效应力和间质液流量来制定骨重塑规则，我们发现它们的预测性能受到小鼠个体差异的显着影响，并证实没有观察到差异。 。 2.利用多细胞动力学开发组织形态发生的数学模型为了全面了解皮质骨和松质骨的重塑，重要的是阐明这两种具有不同密度的组织的形成过程。因此，鉴于骨形态发生过程中作用在组织内部的力的重要性，我们开始开发一种基于连续介质力学且能够跟踪个体细胞动力学的新的组织形态发生数学模型。通过应用基于连续介质力学的质点法（MPM）来分析由粒子离散的物体的变形，今年我们已经成功地模拟了构成组织的细胞的生长和增殖。

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