【研究分野】生命・健康・医療情報学

【研究領域課題番号】15H02776 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

スマート創薬 / ケモインフォマティクス / バイオインフォマティクス / IT創薬 / スーパーコンピュータ / 顧みられない熱帯病 / SDGs / 機械学習 / 創薬 / コンピュータシミュレーション / スーパーコンピューティング / 分子シミュレーション / 量子化学計算 / ハイパフォーマンス・コンピューティング / in silico創薬 / in vitroアッセイ / 抗寄生原虫治療薬

【研究成果の概要】

主に熱帯地域を中心にして、いわゆる顧みられない熱帯病（NTDs）と呼ばれる寄生虫・細菌感染症が蔓延している。NTDｓの中でシャーガス病を引き起こす寄生原虫の治療薬候補を、in silicoとin vitroの融合アプローチを取るスマート創薬により探索を行い、4化合物を得ることに成功した。また、X線結晶構造解析に基づき、共結晶構造をProtein Data Bank (PDB)に登録をおこなった（5B1S）。そして、Fragment Molecular Orbital(FMO)法を用いてた解析により、量子化学的相互作用の重要性についても示した。

【研究の社会的意義】

WHOが焦点を当てているNTDsの17の疾患群は、世界で10億人以上が感染しているとされているが、未だ安価で安全な治療薬を入手できない為に、人々の生命を脅かす健康問題に留まらず、経済活動の足かせ・貧困の原因ともなっている。2015年に採択された持続可能な開発目標（SDGs）における目標3においてNTDsの根絶が掲げられており、本研究はシャーガス病治療薬候補探索を行うことで直接的にSDGsへの貢献っているほか、疾病に関わる標的遺伝子、標的蛋白質と薬化合物候補との相互作用様式、化合物のスクリーニングの実験結果等の公開など、NTDsの根絶に向けての基礎データの開示も積極的に行った。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2015-04-01 - 2019-03-31

【配分額】15,990千円 (直接経費: 12,300千円、間接経費: 3,690千円)

【研究分野】医用生体工学・生体材料学

【研究領域課題番号】18300157 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

フィジオーム / バーチャル心臓 / 致死性不整脈 / コンピュータグフィックス / 電気生理学的特性 / コンピュータシミュレーション / スーパーコンピュータ / 可視化 / コンピュータグラフィックス

【研究成果の概要】

統合的人体シミュレーションを目指し、心臓の電気生理学的現象を再現するバーチャル心臓に必要な機能について研究した。スーパーコンピュータによる高速大規模計算技術、ヒト心臓形状抽出のための医用画像処理技術、コンピュータグラフィックスによるバーチャル心臓3次元興奮伝播の可視化技術、効果的なシミュレーションモデル構築のためのコンピュータ・インタフェースのソフトウェア技術など、さまざまな要素技術が更新された。さらに、研究成果の公開や研究資産の共通利用化を図ることにより、フィジオーム研究の連携促進を行うための基盤が整備された。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2006 - 2008

【配分額】17,350千円 (直接経費: 14,800千円、間接経費: 2,550千円)

【研究分野】流体工学

【研究領域課題番号】13750137 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

多層流体 / 複雑流れ / 数値計算モデル / コンピュータ・シミュレーション / 流体現象 / 並列計算・ベクトル処理 / スーパー・コンピュータ

【研究成果の概要】

本研究の目的である「多層流を含む複雑流体の数値計算モデル」の確立に向かって、平成13年度から14年度にかけて次のような研究を行った:
1.自由表面をより正確に捕らえるために、適合座標計算モデルを開発した。局所的にグリッドを細分割することによって、自由表面をより高い解像度で表現することはできた。これによって、密度関数(色関数)に基づく物質界面の表現手法及び表面張力の計算精度が一層改善された。
2.不連続係数及び特異項を持つPoisson方程式の計算アグロリズムについて研究を行った。分散メモリ計算機環境に対し、前処理演算方式を変えることによって完全に並列化できる数値解法を提案した。この解法を用いて、計算コード全体の計算時間は2/3まで大幅に短縮した。この解法を実際シミュレーションに適用し、その性能について検証した。前処理の効率化による収束率の劣化を見えず、ベクトル演算にも適していることを確認できた。この解法は超並列ベクトルコンピュータにおける効率的な反復解法として期待できる。
3.モデルの検証及び応用に当たって、複雑な自由表面を持つ跳水現象に対する数値シミュレーション研究を行った。この研究によって重力、表面張力、主流の慣性力の釣り合いで発生する定常状態の圧力分布と流れパタンの関係を明らかにした。さらに、異なる流れモッド間の遷移について、動的な解析を行い、跳水の発生及び変化機構について考察した。この研究では、初めて従来の理論モデルに用いられた静水圧近似の不適正性を指摘した。
4.二種類の新しい自由表面計算法を開発した。これらの計算法は、保存型の移流スキームに基づき、完全な質量保存を保ちながら数値拡散をコントロールことができる。激しく変形した自由表面も取り扱うことができるなどの特徴から、更に広い分野への応用を期待できる。

【研究種目】若手研究(B)

【研究期間】2001 - 2002

【配分額】2,200千円 (直接経費: 2,200千円)

【研究分野】医用生体工学・生体材料学

【研究領域課題番号】12308046 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

不整脈 / コンピュータシミュレーション / Spiral Reentry / LR2次元 / 光学的心筋細胞膜活動電位マッピングシステム / 電気刺激に対する心臓全体の応答 / 心筋二次元標本 / Spiral Reentryのダイナミクス / Siral Reentry / LR2次元バイドメイン仮想心室筋モデル / 心室細動電気的除細動メカニズム / Siral Reentr のダイナミクス / M細胞 / 広領域心臓活動電位計測 / 機能的ブロックライン / 心筋細胞膜活動電位光学マッピングシステム / シミュレーション / LRモデル / スーパーコンピュータ / 心臓の興奮伝播の可視化 / 高速DVCR / 抗不整脈薬

【研究成果の概要】

本研究では、コンピュータシミュレーション技術を応用し、不整脈発生時の心臓興奮伝播や関連現象を解析するとともに、心筋細胞膜活動電位計測システムを開発し、実験的に発生したSpiral Reentryを観察してシミュレーション結果と比較するべく、以下の研究を行った。(1)心筋活動電位モデルによるシミュレーションと心臓興奮伝播の可視化:単位心筋をLRモデルによる微分方程式で記述し、スーパーコンピュータで不整脈のシミュレーションを実施した。またSpiral Wave理論に基づき心臓興奮伝播を再現し、ワークステーション上でCG手法による動画像表現での可視化に成功した。(2)光学的心筋細胞膜活動電位マッピングシステムの開発と光信号の解析による電気刺激に対する心臓全体の応答の検討:膜電位感受性色素Di-4-ANEPPSで染色したウサギのLangendorff灌流心の膜電位伝播の様子を観察可能とするため、高速度ディジタルビデオカメラ(DVCR)を用いて高分解能光学マッピングシステムを開発した。また2台のDVCRにより、広領域心臓活動電位の計測を可能とした。これによる光学マッピング下に電気刺激を与え、光信号の解析により、電気刺激に対する心臓全体の応答を詳細に検討することができた。さらに仮想電極の発生や任意条件で任意個所を刺激可能とする刺激系の作製などにより、伝導系に異常を生じた心臓に光信号のフィードバックで脈を発生することを可能ならしめた。(3)ウサギ灌流心標本のSpiral Reentryのダイナミクスと活動電位の関係や抗不整脈薬の作用についての検討:光学マッピングシステムを用い、ウサギ灌流心二次元標本のSpiral Reentryについて、興奮旋回のダイナミクスと活動電位波形との変化や抗不整脈薬作用の面から検討した。その結果、心室筋Spiral Reentryのダイナミクスは、(1)興奮波前面と終末部との相互作用、(2)興奮前面の曲率による効果、および(3)心筋構築の異方性により規定されることが判明した。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2000 - 2002

【配分額】33,160千円 (直接経費: 28,300千円、間接経費: 4,860千円)