VCAD と E-Cell の連携による肝臓の 4D シミュレーション－正常から病態モデルへの発展－木下綾子1), 横田秀夫2), 槌谷夏子1), 末松誠1)1)

慶應義塾大学医学部医化学教室, 2)独立行政法人 理化学研究所

ayakosan@sc.itc.keio.ac.jp, hyokota@riken.jp, na-tsuch@sc.itc.keio.ac.jp, msuem@sc.itc.keio.ac.jp
概要： 肝臓は、様々な生体代謝機能において中心的な役割を担っており、その分子レベルでの制御機構を理解することは、個体全体の代謝を理解するのに必要不可欠である。本研究では、動的で複雑な代謝分子ネットワークを精緻にモデリングし、生化学的に裏付けられた単肝細胞代謝シミュレーションモデルを E-Cell System 上に構築し、それら細胞モデルを、臓器の三次元構造、時空間的な環境要因の変動と相互の細胞間のやりとりを勘案して VCAD の単位ボクセルに配列させ、一細胞、肝細胞索、肝小葉、肝臓全体の各階層におけるモデルを作成する。生化学的に妥当性が検証された細胞シミュレーションを数億個の単位で、実際の四次元空間情報に基づいて配置し、シミュレーションすることで、臓器における時空間的な細胞代謝機能を考察する。同時に、シミュレーションモデルのパラメータ解析を行うことで、病態モデルを再現し、分子レベルでの代謝が肝臓臓器、ひいては個体全体の代謝に与える影響を予測することが可能になると考える。

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はじめに

2単一肝細胞モデルの構築

肝臓は、肝小葉と呼ばれる構造単位の規則的な肝臓組織構造の最小単位であり、肝実質の大部集合で構成された組織である。肝小葉は、中心静分(60%)を占める肝細胞における精緻な代謝シミ脈を中心とし、門脈域を角の頂点として区画化さュレーションモデルを、細胞シミュレーションにれた六角形の構造をとっている。更に微細な階層特化したソフトウェア、E-Cell System version 3では、肝細胞が一列に並んだ肝細胞索と呼ばれる1)（以下、E-Cell v.3）上に構築する。E-Cell v.3構造体が放射線状に配置されて肝小葉を形作って用いて、筆者らは既に赤血球細胞の大規模な代謝いる。肝細胞索において横に並んだ肝細胞同士はシミュレーションモデルを完成させており、代謝小分子の物質交換が行われており、その間には毛物一斉測定（メタボローム測定）による実証実験

細胆管が存在して、肝細胞で生成された胆汁や代とシミュレーション解析を連携させることで新た謝物質が輸送される。このように、肝臓は非常にな細胞生理機能の予測を行うことに成功している

複雑な構造をとる一方で、同一の細胞や構造体を2)。
赤血球モデルを用いたシミュレーションにおい整列させた単純な繰り返しの形態が全ての階層でて、実測データとの比較を行う際、広範な代謝ネ観察される、特徴的な臓器であると言える。加えットワークを網羅していること、また、アロステて、均一の細胞であるはずの肝細胞が、その環境リック制御などを勘案した精緻な酵素反応速度式によって遺伝子発現パターンを変え、それぞれので記述することが非常に重要であることが示され配列部位に応じた機能を持つことが知られている。

た。肝細胞モデルにおいても、肝細胞特異的な制しかし、詳細な立体構造が把握できているにも関御機構を含めた精緻な代謝ネットワークモデルをわらず、「時空間依存的に変化する単一細胞内の代構築する必要がある。そのため、本研究で構築す謝」が、肝臓全体の機能にどのような意味をもたる単一肝細胞モデルでは、これまでモデルへの実らすのかは未だ解明されていない。そこで、本研装が行われてこなかった、または個々にモデリン

究では、一細胞レベルから臓器全体の代謝モデルグが行われてきた、解糖系、ペントースリン酸回をボトムアップに構築することで、細胞代謝の時路、グリコーゲン貯蔵•分解経路、一部のアミノ酸空間的な制御機構の解明を行う。

代謝経路、ミトコンドリアによるエネルギー産生をなどを既存データに基づいて広範に実装し、肝臓の主要な機能に関連する代謝ネットワークを網羅する。反応数数百から数千の微分方程式を連立さ肝臓における、細胞、細胞の集合単位(肝小葉)せて解くモデルとなる。生化学実験側のアプローの「特定の構造体を均一に配置することで複雑なチとして、コラゲナーゼで処理して肝細胞を分離高次構造を形成していく」という構造からは、生した後、エルトリエータを用いて肝細胞を門脈部

命体のあらゆる階層における構造原理との共通性位/中心静脈部位に分け、代謝物量をメタボロームが見いだせると同時に、「構造体単独ではなく、配測定によって明らかにする。

列して高次構造をとることによって初めて機能が生まれる」ことが示唆される。実際、肝臓はその3 肝臓における時空間的な細胞代謝機能のシミュレーション構造を巧みに利用して血糖調節、尿素生成、胆汁生成、解毒など様々な生体代謝機能において中心的な役割を担っている。しかし、肝細胞の機能不生体が細胞の位置的な情報をどのように利用均一性に起因する複雑性、代謝ネットワークの広し、部位の異なる細胞の連関不全がどのような時範さ、環境要因や内部の制御機構による動的な代に病態となり得るかを検証するために、2.で構築

謝変動によって、これまでの生化学的アプローチ、した単一肝細胞モデルを肝細胞索−類洞モデルへ

構造生理学的アプローチのみでは肝臓代謝の包括と拡張する。現在、時空間的な膨大な 4Dデータを的な理解が不可能であった。また、スーパーコン収納、解析し得るVCADとE-Cellの連携が進んでピュータの計算能力なしに、数億に及ぶ細胞代謝おり、VCADが定義したメッシュの一つ一つの格シミュレーションを同時に実行することは不可能

子内で均一系の代謝シミュレーションを解き、シであった。本研究によって、個々の細胞代謝が正ミュレーション結果に基づいて、それぞれの格子常状態で「時間的」「空間的」にどのような機能を間で自然拡散を仮定した物質変換が起こるシステ司るのかを考察することが初めて可能になる。一ムが開発されている。このVCAD-E-Cellシステム

方で、本研究で構築したモデルは、種々の代謝病を用いて、１格子１細胞のE-Cellシミュレーショ態の解析に非常に有用なツールとなる。例えば、ンモデルを配置した細胞索モデルを構築し、イメ肝硬変では、肝細胞が壊死、脱落して繊維化し、ージングデータに基づいて肝細胞索を放射線状に間質性隔壁が生成されることで、酸素を含む物質配列した肝小葉モデル、それらを空間に正しく配輸送が障害され、最終的に肝小葉の構造が変化し置した肝臓モデルを構築する。類洞内を流れる分て肝機能障害が起こる。これらの分子レベルでの子は自然拡散を仮定することができないため、血メカニズムは全く解明されていないのが現状であ流速度を加味した拡散速度を定義する。酸素に富るが、本モデルの相互輸送のパラメータ解析によむ門脈、胆管、栄養に富む肝動脈、類洞の最下流って、個々の細胞で起こる代謝を精緻に勘案しつにある中心静脈など、太い血管についても、類洞つ、臓器全体への各物質輸送の影響を見積もり、と同様にそれぞれに均一系の格子で区切り、血流仮説を提唱、検証することが可能である。

速度に基づいた物質移動を再現する。血流速度、肝細胞間の物質移動速度、一列に配置した肝細胞内の酵素分布（heterogeneity が見られる酵素の酵素濃度）をパラメータとして様々に変化させた際に、代謝がどのように変動するかの予測が可能なモデルとなる。マウスの肝臓には約 2.6 億個 (肝臓重量約 2g, 1.3x108細胞/g 肝臓[3]より算出)の肝細胞が存在する。それらの細胞 1 つ 1 つの代謝状態を勘案して肝臓全体の代謝プールの増減を計算し、肝臓組織全体のメタボローム解析結果や時空間的なイメージングデータと照合してモデルの検証を行う。

4まとめ

参考文献
[1] Takanashi K. et al., “Space in systems
biology of signaling pathways--towards
intracellular molecular crowding in silico.”
FEBS Lett. 579(8):1783-8 (2005)[2] Kinoshita A., et al, “Roles of hemoglobin
Allostery in hypoxia-induced metabolic
alterations in erythrocytes: simulation andits verification by metabolome analysis.”
J Biol Chem. 282(14) 10731-41 (2007)[3] Sato H. et al., “Receptor-recycling model ofclearance and distribution of insulin in theperfused mouse liver” Diabetologia 34: 613621(1991)