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- インシリコ・メディスン（In Silico Medicine）。 定義、歴史、組織、主な業績
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インシリコ医学とは何でしょうか？
生物学では、試験管、培養皿、インキュベーターなどの人工的な囲いの中で、微生物、細胞、組織、臓器などの生きた物質を対象とするin vitroとは対照的に、植物、動物、人間などの生きた生物全体を対象とするin vivo（ラテン語で「生きている内に」という意味）の研究を行うことができます。 1542>
In silico medicine（「計算医学」とも呼ばれる）は、病気の予防、診断、予後、治療計画&の実行、または管理に直接貢献するモデリングおよびシミュレーション技術です。 インシリコ医学技術は、直接測定することが困難または不可能であるが、患者に関する医学的決定をサポートするために重要な量の被験者固有の予測を提供します。
たとえば、磁気共鳴画像データから生成した被験者固有のコンピューター モデルは、人が肺高血圧症に罹っているかどうかをはるかに正確に予測することが可能です。 また、透視画像に基づく別の被験者固有のコンピューター モデルでは、冠動脈狭窄のある患者に最適な治療方針を決定するのに不可欠な情報を提供できます。
A brief history of in silico medicine
Physiology には、特に 19 世紀の Claude Bernard の仕事から始まった、生理過程や医療行為を支える構造-機能関係についての定量的研究の、長い伝統があります。
この伝統は、生命の複雑なプロセスを理解するために、単純なレベルではあるが、物理法則と数学を用いることによって、学際的な知識を統合することを強調したものであった。 しかし、生命の遺伝的・分子的基盤の解明とともに、20世紀後半の生物医学研究は、生理学から分子生物学へと大きく舵を切った。 しかし、90 年代初頭から、分子生物学が細胞、組織、臓器間の複雑な相互作用や、生活習慣、栄養、環境による役割を完全に無視していると指摘し、生物医学研究者は過度の還元主義に反対を唱え始めました。
第6次研究・技術開発枠組み計画（FP6、2002-2006）において、欧州委員会（EC）は、計算生理学、生物物理学、バイオメカニクス手法を臨床的関連問題に対処するために使用するプロジェクトに資金を提供しました。 しかし、これだけの専門知識がありながら、欧州は「乗り遅れた」という感があった。 IUPSは1993年にIUPS Physiome Projectを正式に承認しましたが、その推進は主にニュージーランド、日本、米国で行われました。 また、2003年4月には、米国のInteragency Modeling and Analysis Group（IMAG）が設立され、この成長分野のプロジェクトを管理するNational Institutes of Health（NIH）およびNational Science Foundation（NSF）のプログラムスタッフを調整することになりました。 2005年6月1日、少人数の研究者グループがバルセロナで開催された専門家ワークショップで、ECの役員に会いました。 1542>
2007年には、世界中から200人以上の専門家が参加し、VPH開発のための研究ロードマップである「Seeding the Europhysiome」という報告書が発表された。 この報告書では、現在の製薬業界のビジネスモデルは持続不可能であり、イノベーションサイクルには、インシリコ技術の大規模な採用を含む、抜本的な変化が必要であると指摘しています。
2011年、VPH InstituteのPolicy Affairs Work Groupは、動物実験に関するポジションステートメントを作成し、VPHが提供するバーチャルモデリング技術の原理を動物実験に応用することで、研究に使用する動物の数を減らすのに役立つというテーゼを支持しています。 また、来るべきH2020フレームワーク・プログラムに関するポジションペーパーでは、インシリコ医学技術に関する3つのターゲットが示されている：
- The Digital Patient – The VPH for the doctor; Patient-specific modelling to support medical decisions.とある。
- In silico clinical trials – The VPH for the biomedical industry; The collection of patient-specific models to augment the preclinical and clinical assessment of new biomedical products; in silico technologies for the reduction, refinement and partial replacement of animal and human experiments.詳細については Discipulus roadmap を参照。 詳細はアビセナのロードマップを参照。
- Personal Health Forecasting – VPH for the patient/citizen; 患者のデータ（ウェアラブルセンサーや環境センサーで収集したものを含む）に基づく被験者固有のシミュレーションで、自己管理が必要な状態にある個人や、疾病発症リスクのある人にアドバイスを提供する。 この件に関するViceconti教授（Insigneo前常務理事）のインタビューはこちら
2011年秋、シェフィールドにVPH研究に特化した新しい研究所の開発が提案され、2012年5月にInsigneo研究所の会員募集が開始されました。 詳しくは、以下をご参照ください。 インシグネオについて」「インシグネオ研究所」をご覧ください。
生物医学研究におけるインシリコ医学の役割
1823年のLancet誌の創刊は、19世紀における生物医学研究の革命が始まった瞬間を象徴的に示しています。 この拡大から、現代の生物医学研究は、3つのかなり異なるパラダイムを中心に組織されるようになり、それぞれが人体の不可能な複雑さに対処しようと試みている。
- 細胞および分子生物学的研究：積極的な還元主義に基づき、システムの小さなサブユニットに焦点を当てる；
- 臨床研究：人体をブラック ボックスとして扱い、主に経験的観察の統計分析に頼る；
- 生理研究：物理および工学の科学によくあるアプローチに従って人体を調査しようと試みる。
第三のアプローチは、19 世紀から 20 世紀初頭にかけての微積分と計測機器の劇的な限界に阻まれ、最近まで 3 つのアプローチのうち最も成功しなかったし、その重要性もほとんど認識されていなかった。 1542>
第一は、物理学および工学の進歩により、生物医学的な計測が劇的に進歩したことです。 自動化された化学分析装置、分光器、シーケンサーは、まったく新しい可能性を開くハイスループット生化学を提供し、現代の電気生理学の驚くべき能力は、心臓、筋肉、脳の働きの詳細を教えてくれます。 つまり、今日、私たちは個々の患者について、解剖学、生理学、生化学、代謝などを詳細に記述した膨大な量のデータを収集することができるのです。 この発展は、多くの生理的・病理的プロセスを定量的に記述できる膨大な数の複雑な数理方程式を初めて解くことができるようになったという点で、極めて重要です。 現在では、個々の患者の完全な評価に必要なほぼすべてのものを測定または計算する手段があります。
しかし、複雑な生物に関する課題は、それらが劇的に絡み合っており、どの部分の機能も他のすべてから独立していると実際に仮定することができないことです。 生物学研究の大部分は還元主義を理由にこの問題を回避し、臨床研究は詳細な機械的説明を求める試みを無視することで完全に回避している。 しかし、物理学や工学の手法に基づいた生物医学の研究課題は、この複雑さに直面しなければなりません。これは、数学的、計算的手法を使って理論を構築し、その証明や反証の主要手段として、予測結果を実験観察と定量的に比較して初めて可能になるのです。 現代医学の大きな課題（予防、個別化、参加、リロイ・フッドによって最初に述べられた「P4医学」のビジョンのための予測）の多くは、病気の経過や任意の個人に対する異なる治療オプションの効果を予測する能力の向上によって容易に対処することができるだろう。
したがって、インシリコ医学は、過去の世代の偉大な生理学者が最終的に正しいことを証明し、物理学および工学科学の手法に基づく生物医学がますます成功するための主要な導管であると、私たちは信じています。 私たちは、インシリコ医学が、哲学者トーマス・クーンが提唱した意味でのパラダイムシフト、すなわち「ある科学分野の基本概念と実験手法の根本的変化」
重要な機関
- 統合バイオメディカル研究センター（The VPH Institute for Integrative biomedical Research.
- The Auckland Bioengineering Institute(オークランドバイオエンジニアリング研究所)：世界中のVPH/インシリコ医学研究コミュニティを代表する非営利の国際組織。 IUPS Physiomeプロジェクトの拠点であり、Peter Hunter教授が率いるこの研究所は、この分野で世界的に最も重要な機関である。
- The National Simulation Resource Physiome at the University of Washington Department of Bioengineering. Jim Bassingthwaighte氏のチームが心臓フィジオームイニシアチブを創始し、定量的数値モデルの構築および運用のためのJavaベースのシミュレーションシステムであるJSIMを含む、多くの必須技術をサポートしています。 2003年以降、Dr. Grace Pengが率いるこのイニシアティブは、生命科学および生物医学研究におけるモデリングおよびシミュレーション研究を支援するすべての米国連邦政府資金提供機関を調整しています。 2004年にインシリコ医学グローバルセンターによって設立され、倉地教授の指揮の下、日本政府が資金を提供し、日本におけるリファレンスセンターとなっている。
- ジョン・ホプキンス大学計算医学研究所。 Natalia Trayanova氏の研究室は、最近設立されたこの研究所に所属する優れた研究グループの一つである。 Scott Delp氏のチームは、国立衛生研究所のBig Data to Knowledge Mobilize Center of ExcellenceとNIH National Center for Simulation in Rehabilitation Researchを牽引し、OpenSIMソフトウェアの開発と維持を行っています。
- アイントホーヘン工科大学のバイオメディカル工学部です。 ヨーロッパでもトップクラスの生物医学工学部で、教授陣にはFrans van de Vosse、Cees Oomens、Keita Ito、Dan Baderなど、インシリコ医学のリーダーたちが名を連ねています。 主な成果
米国食品医薬品局（FDA）が、1型糖尿病の新たな制御戦略のための前臨床動物試験の代替となりうる、初のインシリコ糖尿病1型モデルT1DMSを承認（人工すい臓技術に使用）
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