バイオテクノロジー詳論 バイオインフォマティクスの医療への応用 バイオテクノロジー詳論 バイオインフォマティクスの医療への応用 2006年6月6日（火） 生物機能制御学講座 濱田浩幸

バイオインフォマティクス 生命科学と情報科学、情報工学が融合した学問分野。遺伝子解析情報を元に並列コンピュータで各遺伝子の機能予測実験を行なったり、データベース化された実験結果を元に遺伝子間の相互作用を予測したりするなど、主に遺伝子に関する情報をコンピュータによって分析する学問のこと。「生命情報学」「生物情報学」などと略される。遺伝子解析の進展により近年急激に発展している学問分野であり、各国の研究機関や民間企業による研究競争が激化している。 コンピュータ用語辞典 狭義の意味のバイオインフォマティクス

広義のバイオインフォマティクス 遺伝子に限らず生物の実験データをコンピュータで整理したり、解析すれば、 バイオインフォマティクスである。 遺伝子に限らず生物の実験データをコンピュータで整理したり、解析すれば、 　　　　　　バイオインフォマティクスである。 　生命現象の解明のためのコンピュータツール 　およびアルゴリズムの開発 　生命現象に情報理論およびモデルを適用 生物学 情報科学 課題 手法 バイオインフォマティクス DNA二重 らせん構造 酵素反応 のM-M式

医療への適用 メディカル（医療）インフォマティクス 疾患の原因（遺伝子）の究明 合併症の機序（遺伝子間相互作用）の解明 遺伝子を用いた体質や薬剤耐性の判別 副作用（代謝経路）の検討 化学物質やタンパク質の立体構造解析 適正処方の検討 臓器のコンピュータシミュレーション ・・・・ 狭義

狭義の医療インフォマティクス 新薬の開発では、候補となる分子を選択する際に、薬効および薬物の安定性など様々な生化学実験を行い、最良の物質（分子）を選択しなくてはならない。この実験は大変な労働量を伴い、新薬開発の遅延原因の一つであった。 近年、DNAマイクロアレイ、DNAチップ、質量分析機によるタンパク質の同定などを利用することで、これらの実験を同時に進行させる、ハイスループット分析法が開発された。 これらの方法を用いれば、数千、数万という大量の実験結果を得ることができるが、その膨大なデータを整理して結論を導くことは非常に難しい。 情報科学的手法を用いて、これら大量の生化学実験データから新薬開発に重要な情報を抽出する。

広義の医療インフォマティクス Δ マルチフィジックス有限要素法と生体医工学への応用 Δ 人工関節の摩耗シミュレーションと設計 Δ　マルチフィジックス有限要素法と生体医工学への応用 Δ　人工関節の摩耗シミュレーションと設計 Δ　肝炎治療における薬物応答性の予測 ：  　　　　　　　　データマイニングによるSNP解析 Δ　腹膜透析療法プランニングソフトウエアの開発 Δ　クリニカル・ゲノム・インフォマティクスの情報基盤 Δ　バイオインフォマティクスの新しい挑戦課題： 　　　　　　　　核内受容体と生活習慣病 Δ　心血管系疾患の病因，病態形成機構における 　　　　　　　　ゲノム情報の意義と臨床応用への展望 日本バイオインフォマティクス学会　医療インフォマティクス講演会　060603

狭義の医療インフォマティクスの形態

アレイデータのクラスタリング（１） 対象とする遺伝子を抽出するための技術

アレイデータのクラスタリング（２） ノイズに強く、重要な遺伝子を正確にグループ化 V1・V2　：寄与度

アレイデータを用いた判別分析（１）

アレイデータを用いた判別分析（２）

アレイデータを用いた判別分析（３） A4用紙の配布資料を見て！

遺伝子間相互作用の推定（１）

遺伝子間相互作用の推定（２） A3用紙の配布資料を見て！

重要な遺伝子およびその代謝物が絞られたら、 計算機シミュレーション（１） 重要な遺伝子およびその代謝物が絞られたら、 関連する代謝系を解析する

計算機シミュレーション（２）

細胞周期G2/M phaseの 数理モデルの構築と網羅的システム解析 よろしくお願いします。 ↓ まず最初に細胞周期について説明させていただきます。

狭義の医療インフォマティクスの形態

広義の医療インフォマティクス Δ マルチフィジックス有限要素法と生体医工学への応用 Δ 人工関節の摩耗シミュレーションと設計 Δ　マルチフィジックス有限要素法と生体医工学への応用 Δ　人工関節の摩耗シミュレーションと設計 Δ　肝炎治療における薬物応答性の予測 ：  　　　　　　　　データマイニングによるSNP解析 Δ　腹膜透析療法プランニングソフトウエアの開発 Δ　クリニカル・ゲノム・インフォマティクスの情報基盤 Δ　バイオインフォマティクスの新しい挑戦課題： 　　　　　　　　核内受容体と生活習慣病 Δ　心血管系疾患の病因，病態形成機構における 　　　　　　　　ゲノム情報の意義と臨床応用への展望 日本バイオインフォマティクス学会　医療インフォマティクス講演会　060603

薬物経皮吸収システムの開発 鎮痛剤・更年期障害剤・強心剤 表皮 ： 脂溶性 真皮 ： 親水性 阻害剤・酵素・障壁 株式会社 ＪＭＳが開発いたしました腹膜透析プランニングソフトウェア 「ＰＤ ＮＡＶＩ」のご紹介をさせていただきます。よろしくお願い申し上げます。 まず、簡単にＰＤ ＮＡＶＩ開発の背景につきまして、簡単にご説明いたします。 腹膜透析療法は、慢性腎不全患者の腎置換療法でございますが、腎臓の働 きから簡単にご説明いたしたいと存じます。 表皮　：　脂溶性 真皮　：　親水性 　　　　　　阻害剤・酵素・障壁

心拍調律メカニズムの解明 洞房結節 左心房 右心房 左心室 右心室 活動電位の伝播に伴う興奮現象の引き込み

腹膜透析療法プランニング ソフトウェアの開発 第二回日本バイオインフォマティクス学会 九州支部講演会・医療インフォマティクス ２００６年 ６月 ３日 九州大学大学院農学研究院生物機能科学部門 大学院システム生命科学府生命情報科学講座 ○濱田浩幸　・　岡本正宏 ありがとうございます。九州大学の濱田と申します。このたびは、このような機会をいただき、ありがとうございます。 さて、今日は、末期腎不全療法の１つであります、腹膜透析療法の処方検討や腹膜の透析能力を評価するソフトウェアの開発につきまして、ご紹介させていただきます。よろしくお願いします。

まとめ 医療インフォマティクスは、遺伝子発現量を解析し、診断および処方設定に有効な知見（エビデンス）をもたらす。 臨床データを説明する数理モデルの設計、薬物の分子設計など、あらゆる医療に関連するデータの解析を、現在では、医療インフォマティクスとして認識している。

参考文献など 先端のゲノム医学を知る 著者：中村祐輔 わかる！使える！ DNAマイクロアレイデータ解析入門 監訳：辻本豪三 他 先端のゲノム医学を知る　著者：中村祐輔 わかる！使える！　DNAマイクロアレイデータ解析入門 監訳：辻本豪三　他 パターン識別　監訳：尾上守夫 ハーバード大学講義テキスト　生物統計学入門 監訳：竹内正弘 ゲノム情報生物学　監修：松原謙一　他 バイオインフォマティクス事典 　編集：宮野 悟 　他 コンピュータ言語　C言語など

どちらか１問を答えてください １．バイオインフォマティクスを用いて、肝がんに罹患しているか否かを判別するシステムを開発する手続きを簡単に説明してください。 ２．バイオインフォマティクスを用いて、糖尿病の対症療法であるインシュリンによる血糖値制御の投与計画を設計する手続きを簡単に説明してください。

細胞内シグナル伝達経路の シミュレーション STAT1の核移動 インターフェロン処理前 インターフェロン処理後1h フォスファターゼ STAT1の核移行 免疫系サイトカインの細胞内 シグナル伝達経路パスウェイ インターフェロン処理後6h

ホストディフェンスにおける シグナルパスウェイ解析 シミュレーション 情報駆動型創薬設計 フォスファターゼ阻害剤なし 通常の状態 フォスファターゼ阻害剤あり 核内フォスファターゼ 阻害がある場合 実際に実験をしてみると 確かにSTAT1は核の外に 出ていかなかった。 ホストディフェンスにおける シグナルパスウェイ解析 シミュレーション シミュレーションの結果、核内フォスファターゼ を阻害するとSTAT1は核から細胞質に戻れない と予想された。（赤は核内STAT1の量）