数理モデルから紐解く漢方薬の複雑系動力学～「未病」の検出からの新たな創薬に向けて～
統
括者
所内共同研究者
所内共同研究者
申 請 代 表 者
所外共同研究者

小泉
門脇林
合原
奥桂一
真周作
一幸
牧人

漢方診断学分野
消化管生理学分野
消化管生理学分野
東京大学生産技術研究所
東京大学生産技術研究所准教授
教授
助教
教授
助教

【報告セミナー要旨】【要旨】「未病」という言葉は、西洋医学的な「健康か病気か」の二元論では対処できない中間の状態を指す用語として近年は広く用いられている。このような健康状態から疾病状態への遷移を「分岐」という数学概念として捉えることで、深刻な変化が起こる前に、その予兆をオミクスデータ解析などにより検出するための新たな手法「動的ネットワークバイオマーカー、DNB 解析」[1] が提案され、様々な疾患の発症前・早期診断への応用が期待されている。そこで本研究では、この DNB 解析を用い、大腸炎、およびメタボリックシンドロームモデルマウスにおける「未病」状態を制御する因子を同定することを目的とした。昨年度までの研究により、大腸炎モデルマウスで同定された 238 個の DNB遺伝子群に関して、KEGG の pathway 解析を行ったところ、トップヒットに、NK 細胞を含む MHCI pathway が選抜された。本研究の DSS 誘発性の大腸炎の発症機序は、マクロファージ依存性であることが報告されている。そこで、DNB 解析より導き出された NK 細胞の関与を確認するために、定法に従って、NK 細胞の除去効果を有する抗アシアロ GM1 抗体をマウスに投与後、DSS による大腸炎を発症させた。その結果、NK 細胞を除去することで、大腸炎に伴う体重低下の顕著な抑制や症状の顕著な軽減が観察された。さらに、自然発症メタボモデルで同定された 157 個の DNB 遺伝子群中のある種のサイトカインに着目した。そこで、このサイトカインの受容体欠損マウスの脂肪組織を観察した結果、驚くべき事に、脂肪組織重量が 30% も減少していることが確認できた。なお、今後、
このサイトカインの欠損マウスでの脂肪組織重量の確認、および肥満発症実験を行う予定である。
従来医療の戦略は、疾病形質が獲得された後の状態に対して対処を行うことであった。しかしながら、世界的な医療および経済課題であるメタボリックシンドロームなどは、従来医療では、根本的には対応できないことが明らかになってきている。従って、本研究の最終目標である ｢未病｣ 状態の検出法を開発し、臨床検査に利用する新たな医療の創生は、この課題を根本的に解決する可能性を秘めた挑戦である。この目的を達成するために、今後も鋭意努力を続けたい。
参考文献：[1] L. Chen, R. Liu, Z.-P. Liu, M. Li, K. Aihara, "Detecting early-warning signals for sudden
deterioration of complex diseases by dynamical network biomarkers," Scientiﬁc Reports, 2:342(2012).

－ 16 －■背景および目的(1)背景

1. 背景および目的
漢方医学の基盤概念として、人は「病気になる前」に「未病」の臨界状態を遷移する。これは、中(1)背景
国最古の医学書「黄帝内経」に、「未病」とは「病気に向かう状態」を指し、この「未病」の時期を漢方医学の基盤概念として、人は「病気になる前」に「未病」の臨界状態を遷移する。これは、捉えて治すことが最高の医療であると記載されている。一方で、平均寿命が長くなり、生活習慣病な中国最古の医学書「黄帝内経」 に、「未病」とは「病気に向かう状態」を指し、この「未病」のどが問題になってきた現代において、日々を健康に生きるために、「病気になる前のセルフメディケー時期を捉えて治すことが最高の医療であると記載されている。一方で、平均寿命が長くなり、生活ション」の実施が全世界的に推奨されてきている（本邦においては、平成 25、26 年公表の「日本再習慣病などが問題になってきた現代において、日々を健康に生きるために、「病気になる前のセル興戦略」）。興味深いことに、「黄帝内経」より二千数百年を経た現在、深刻な医療課題である生活習フメディケーション」の実施が全世界的に推奨されてきている（本邦においては、平成25、26年公慣病などは、まさに「未病」と認識されてきている。しかしながら、この ｢未病｣ の存在は科学知へ表の「日本再興戦略」）。興味深いことに、「黄帝内経」より二千数百年を経た現在、深刻な医療課は変換されておらず、経験知に基づく概念論を脱していないのが現状である。
題である生活習慣病などは、まさに「未病」と認識されてきている。しかしながら、この｢未病｣の申請代表者の合原らのグループ（東大・生産技術研）は、これまでに、「複雑系数理モデル理論」存在は科学知へは変換されておらず、経験知に基づく概念論を脱していないのが現状である。
を疾病や脳へと応用している。特に、疾病を健康状態からの分岐現象と捉えるアイディアは、非線形申請代表者の合原らのグループ（東大・生産技術研）は、これまでに、「複雑系数理モデル理論」を疾病動力学理論と複雑ネットワーや脳へと応用している。特に、疾病をク理論によって、少数サンプル健康状態からの分岐現象と捉えるアイ
ディアは、非線形動力学理論と複雑ネ数から得られる遺伝子などのットワーク理論によって、少数サンプル大規模発現データから疾病前数から得られる遺伝子などの大規模状態と動的ネットワークバイ発現データから疾病前状態と動的ネオマーカーを同定し、疾病の早ットワークバイオマーカーを同定し、疾期診断や病態悪化の予兆検出
分岐理論に基づく｢未病｣の概念
病の早期診断や病態悪化の予兆検に適用できる可能性がある（右出に適用できる可能性がある（右図）。
図）。

(2)目的
(2) 目的
本研究では (1)メタボリックシンドロ－ム、および(2)炎症・がんを題材として、漢方医薬学研究と複雑系本研究では (1) メタボリックシンドロ－ム、および (2) 炎症・がんを題材として、漢方医薬学研究数理モデル理論が融合することで、 (1)各種疾患動物モデルを用いて、｢未病｣状態を記述し検出するたと複雑系数理モデル理論が融合することで、(1) 各種疾患動物モデルを用いて、｢未病｣ 状態を記述しめの数理的手法を開発し、(2)漢方薬の｢未病｣状態に対する効果を解析する。将来的には、セルフメデ検出するための数理的手法を開発し、(2) 漢方薬の ｢未病｣ 状態に対する効果を解析する。将来的には、ィケーションの推進に寄与することを目標としている。なお、漢方医薬学研究は所内グループ（富山セルフメディケーションの推進に寄与することを目標としている。なお、漢方医薬学研究は所内グルー大 和漢研）が、「未病」数理モデル理論構築は申請代表者ら（東京大・生産技術研）が遂行する。
プ（富山大 和漢研）が、「未病」数理モデル理論構築は申請代表者ら（東京大・生産技術研）が遂行する。

2. 方 法
【第1期：平成26年4月～平成27年3月】■方 法(1) 漢方医薬学研究や漢方治療において、｢未病｣の存在が予見される広範囲における複数の疾患(1)メ【第 1 期：平成 26 年 4 月～平成 27 年 3 月】
タボリックシンドロ－ム、および(2)炎症・がんに関する合計8つの動物モデルにおいて、経日的に血清、(1) 漢方医薬学研究や漢方治療において、｢未病｣ の存在が予見される広範囲における複数の疾患 (1)および各種疾患組織を回収し、遺伝子の発現強度をDNAマイクロアレイにより検出する。
メタボリックシンドロ－ム、および (2) 炎症・がんに関する合計 8 つの動物モデルにおいて、経日的に血清、および各種疾患組織を回収し、遺伝子の発現強度を DNA マイクロアレイにより検出する。

(2) 遺伝子の網羅的な発現強度を解析ソースとして、｢未病｣状態を合原らが確立した疾病前状態として数理モデル化し、それを特徴づける動的ネットワークバイオマーカーを同定することで、上記動物モデル(2) 遺伝子の網羅的な発現強度を解析ソースとして、｢未病｣ 状態を合原らが確立した疾病前状態とにおける｢未病｣状態の検出、およびその検出時期の可能性を探索する。
して数理モデル化し、それを特徴づける動的ネットワークバイオマーカーを同定することで、上記動物モデルにおける ｢未病｣ 状態の検出、およびその検出時期の可能性を探索する。

【第2期：平成27年4月～平成28年3月】
第1期の研究結果より得られた｢未病｣状態を漢方薬が改善するのか否かを解析する。なお、予想される結果としては、以下2点である。漢方薬は、(a)｢未病｣状態を正常アトラクタへ安定化させる、または(b)可－ 17 －

【第 2 期：平成 27 年 4 月～平成 28 年 3 月】
第 1 期の研究結果より得られた ｢未病｣ 状態を漢方薬が改善するのか否かを解析する。なお、予想される結果としては、以下 2 点である。漢方薬は、(a) ｢未病｣ 状態を正常アトラクタへ安定化させる、または (b) 可逆可能期間を延長させる。また、使用する漢方薬は、上記疾患に対して、臨床上汎用されている漢方薬を選択する。メタボリックシンドローム：防風通聖散、炎症・がん：大建中湯

逆可能期間を延長させる。また、使用する漢方薬は、上記疾患に対して、臨床上汎用されている漢方薬を選択する。メタボリックシンドローム：防風通聖散、炎症・がん：大建中湯■結果および考察

以下に、その代表的な成果を抜粋する。

3. 結果および考察【第 1 期：平成 26 年 4 月～平成 27 年 3 月】
以下に、その代表的な成果を抜粋する。
(1) 大規模遺伝子情報の獲得【第1期：平成26年4月～平成27年3月】
上記 8 つのモデルから総遺伝子数約 710 万の大規模な変化情報を獲得した。
(1) 大規模遺伝子情報の獲得
上記8つのモデルから総遺伝子数約710万の大規模な変化情報を獲得した。

DNB 解析による自然発症メタボモデルでの「未病」状態の検出自然発症メタボマウス（TSOD、状病

長期メタボマウスの５週齢おける｢未 ｣ 態の検出
自然発

マウス（症3、4、5、6、7 週齢）とその対(2) DNB解析による自然発症メタボモ
照 群 で あ る TSNO マ ウ ス の 脂
デルでの「未病」状態の検出自然発症
肪組織における遺伝子変化にメタボマウス（TSOD、3、4、5、6、7週齢）とその対照群であるTSNOマウスの脂肪関して、複雑系数理モデル理論
組織における遺伝子変化に関して、複（動的ネットワークバイオマー
雑系数理モデル理論（動的ネットワー
カ ー（Dynamical Network
クバイオマーカー（DynamicalBiomarkers, DNB） をNetwork用いてBiomarkers,DNB）を用いて解析した。
解析した。その結果、5 週齢時
その結果、5週齢時に、我々が定義しに、我々が定義した「未病」状た「未病」状態が観察され、157個の態 が 観 察 さ れ、157 個 の DNB
DNB遺伝子群が同定された（右図）。

3W

4W

OD）/コントロールマウス（
5W

6W

NO）
7W

Normalized SD ratio(2)

週齢遺伝子群が同定された（右図）。

(3) クラスター解析による短期メタボモデルでの漢方薬の効果解明(3) クラスター解析による短期メタボモデルでの漢方薬の効果解明
C57BL6マウスに高脂肪食を摂餌させ、漢方薬（防風通聖散）および対照群として水を1日1回経口投
C57BL6 マウスに高脂肪食を摂餌させ、漢方薬（防風通聖散）および対照群として水を 1 日 1 回経与後、0、1、3、5、7日目のマウス大腸組織における遺伝子変化に関してクラスター解析を行った結果、口投与後、0、1、3、5、7 日目のマウス大腸組織における遺伝子変化に関してクラスター解析を行っ8つのグループに分類できた。特に、グループ10の遺伝子群は、では経日的に著しく低下するが、防た結果、8 つのグループに分類できた。特に、グループ 10 の遺伝子群は、では経日的に著しく低下
風通聖散はその低下を食い止め普通餌と同様な発現挙動に制御していた。また、パスウェイ解析によするが、防風通聖散はその低下を食い止め普通餌と同様な発現挙動に制御していた。また、パスウェりグループ10は、脂肪酸代謝関連遺伝子であった。この遺伝子の大規模解析の結果から、防風通聖イ解析によりグループ 10 は、脂肪酸代謝関連遺伝子であった。この遺伝子の大規模解析の結果から、散は、包括的に脂肪酸代謝関連遺伝子を制御することで、効果を発揮していることが明らかとなった。
防風通聖散は、包括的に脂肪酸代謝関連遺伝子を制御することで、効果を発揮していることが明らか【第2期：平成27年4月～平成28年3月】となった。
(1) クラスター解析による大腸炎モデルでの漢方薬の効果解明【第 2C57BL6マウスに炎症惹起物質であるDSSを7日間自由飲水にて投与することで、マウスに大腸炎
期：平成 27 年 4 月～平成 28 年 3 月】を発症させた。漢方薬（大建中湯）および対照群として水を1日1回経口投与後0、1、3、5、7日目の(1) クラスター解析による大腸炎モデルでの漢方薬の効果解明
大腸組織における遺伝子変化に関して、クラスター解析を行った結果、8つのグループに分類できた。
C57BL6 マウスに炎症惹起物質である DSS を 7 日間自由飲水にて投与することで、マウスに大腸炎
特に、グループ6の遺伝子群は、水では経日的に著しく上昇するが、大建中湯はその上昇を抑制しを発症させた。漢方薬（大建中湯）および対照群として水を 1 日 1 回経口投与後 0、1、3、5、7 日目ていた。また、パスウェイ解析によりグループ6は、炎症性関連遺伝子であった。この遺伝子の大規模の大腸組織における遺伝子変化に関して、クラスター解析を行った結果、8 つのグループに分類でき解析の結果から、大建中湯は、包括的に炎症性関連遺伝子を制御することで、効果を発揮していることが明らかとなった。
－ 18 －(2) DNB解析による大腸炎モデルでの「未病」状態の検出
第1期では、自然発症メタボモデルの検討を行ったが、その他の疾病モデルにおいても、DNB解た。特に、グループ 6 の遺伝子群は、水では経日的に著しく上昇するが、大建中湯はその上昇を抑制していた。また、パスウェイ解析によりグループ 6 は、炎症性関連遺伝子であった。この遺伝子の大規模解析の結果から、大建中湯は、包括的に炎症性関連遺伝子を制御することで、効果を発揮していることが明らかとなった。
(2)

DNB 解析による大腸炎モデルでの「未病」状態の検出

第 1 期では、自然発症メタボモデルの検討を行ったが、その他の疾病モデルにおいても、DNB 解析により「未病」状態が検出できるのかを大腸炎モデルマウスを用いて検討した。炎症惹起物質である DSS を 7 日間自由飲水にて投与することで、マウスに大腸炎を発症させた。投与後 0、1、3、5、7日目のマウス大腸組織における遺伝子変化に関して、複雑系数理モデル理論（DNB）を用いて解析るDSSを7日間自由飲水にて投与することで、マウスに大腸炎を発症させた。投与後0、1、3、5、7日目した。その結果、3日目に、我々が定義した「未病」状態が観察され、238 個の DNB 遺伝子群が同定のマウス大腸組織における遺伝子変化に関して、複雑系数理モデル理論（DNB）を用いて解析した。

された。
その結果、3日目に、我々が定義した「未病」状態が観察され、238個のDNB遺伝子群が同定された。
↓DSS による大腸炎を発症させた。その結果、NKによる大腸炎を発症させた。その結果、NK細胞を除去することで、大腸炎に伴う細胞を除去することで、大腸炎に伴う体重低下のDisease Activity Index状症↓
これまでに、DNB理論により「未病」状態を記述する遺伝子群が、メタボモデルにおいては157個、これまでに、DNB 理論により「未病」状態を記述する遺伝子群が、メタボモデルにおいては 157 個、および大腸炎モデルでは238個が同定された。そこで、当初計画通り、この遺伝子群の生物学的なおよび大腸炎モデルでは238 個が同定された。そこで、当初計画通り、この遺伝子群の生物学的な役役割の解明を行った。
割の解明を行った。
↓↓(3) NK細胞除去マウスにおける大腸炎の軽減(3) NK 細胞除去マウスにおける大腸炎の軽減
大腸炎モデルマウスで同定された238個のDNB遺伝子群に関して、KEGGのpathway解析を行った大腸炎モデルマウスで同定された 238 個の DNB 遺伝子群に関して、KEGG の pathway 解析をところ、トップヒットに、NK細胞を含むMHCNK細胞除去による大腸炎の軽減行ったところ、トップヒットに、NK 細胞を含むI pathwayが選抜された。本研究のDSS
10MHC I pathway が選抜された。本研究の DSS 誘誘発性の大腸炎の発症機序は、マクロフ発性の大腸炎の発症機序は、マクロファージ依存
Controlァージ依存性であることが報告されてい8性であることが報告されている。そこで、DNB
Anti-aGM1る。そこで、DNB解析より導き出されたNK
解析より導き出されたNK細胞の関与を確認す細胞の関与を確認するために、定法に6るために、定法に従って、NK細胞の除去効果を従って、NK細胞の除去効果を有する抗有する抗アシアロ
GM1 抗体をマウスに投与後、4アシアロGM1抗体をマウスに投与後、DSS
2

体重低下の顕著な抑制や症状の顕著な顕著な抑制や症状の顕著な軽減が観察された（右図）。 軽減が観察された（右図）。

001234567(4)サイトカインX欠損マウスにおける脂肪組織重量の低下
サイトカイン X 欠損マウスにおける脂肪組織重量の低下
自然発症メタボモデルで同定された157個のDNB遺伝子群に関して、KEGGのpathway解析を行っ自然発症メタボモデルで同定された 157 個の DNB 遺伝子群に関して、KEGG の pathway 解析をたところ、ヒットするpathwayはなく、これら157個の遺伝子の関連性は報告されていなかった。そこで、行ったところ、ヒットする pathway はなく、これら 157 個の遺伝子の関連性は報告されていなかった。
この157個の遺伝子を「肥満や糖尿病など」でPubMedにより検索（現在精査中）すると、約1/3の遺伝
そこで、この 157 個の遺伝子を「肥満や糖尿病など」で PubMed により検索（現在精査中）すると、子は機能未知、1/3は、少数例であるが「肥満や糖尿病など」の報告が検索できた。しかしながら、残約 1/3 の遺伝子は機能未知、1/3 は、少数例であるが「肥満や糖尿病など」の報告が検索できた。しり1/3は機能既知であるが、「肥満や糖尿病など」との関連性は全く報告がない遺伝子であった。そこかしながら、残り 1/3 は機能既知であるが、「肥満や糖尿病など」との関連性は全く報告がない遺伝で、これら残り1/3の遺伝子群中のサイトカインXに着目した。なお、サイトカインXは、現在、アトピー子であった。そこで、これら残り1/3 の遺伝子群中のサイトカイン X に着目した。なお、サイトカイ性皮膚炎の免疫学的な主要因として着目されているサイトカインである。そこで、サイトカインX受容ン X は、現在、アトピー性皮膚炎の免疫学的な主要因として着目されているサイトカインである。そ体欠損マウスの脂肪組織を観察した結果、驚くべき事に、脂肪組織重量が減少していることが確認できた。なお、今後、サイトカインX欠損マウスでの脂肪組織重量の確認、およびサイトカインXおよびサイトカインX受容体欠損マウスでの肥満発症実験を行う予定である。

(4)－ 19 －4. 結論

こで、サイトカイン X 受容体欠損マウスの脂肪組織を観察した結果、驚くべき事に、脂肪組織重量が減少していることが確認できた。なお、今後、サイトカイン X 欠損マウスでの脂肪組織重量の確認、およびサイトカイン X およびサイトカイン X 受容体欠損マウスでの肥満発症実験を行う予定である。

■結論
本研究において、「未病」を経験知から科学知へ変換する理論として、複雑系数理モデル理論（動的ネットワークバイオマーカー（Dynamical Network Biomarkers, DNB）を適用した。
その結果、大腸炎発症の機序としては、これまであまり着目されていなかった NK 細胞の関与を明らかにすることができた。さらに、特筆すべき結果として、今後の検討が必要であるが、メタボリック症候群発症に関して、これまで全く報告のなかったサイトカイン X の関与が示唆された。

■今後の展望従来医療の戦略は、疾病形質が獲得された後の状態に対して対処を行うことであった。しかしながら、世界的な医療および経済課題であるメタボリックシンドロームなどは、従来医療では、根本的には対応できないことが明らかになってきている。従って、本研究の最終目標である ｢未病｣ 状態の検出法を開発し、臨床検査に利用する新たな医療の創生は、この課題を根本的に解決する可能性を秘めた挑戦である。これらを達成するためには、1) その他の疾患モデルでの検討（医・薬・和漢研）、2)数理および情報解析方法の向上（理・工）、および 3) 臨床医（医・病院）の参画が必須である。本研
究は、富山大学の第 3 期中期目標・中期計画に選抜されたことから、医・薬・和漢・理・工・病院からなる全学チームで最終目標に到達すべく努力する所存である。

－ 20 －