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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か？
生物学における研究は、試験管、培養皿、インキュベーターなどの人工の囲いの中で、微生物、細胞、組織、器官などの生体内の物質に行うインビトロと対照的に、植物、動物、人間などの生体内の全生物で行います（「生体の中で」という意味のラテン語）。 コンピュータ チップはシリコンでできているため、「シリコンの中で」という意味のインシリコは、コンピュータ モデリングおよびシミュレーションを使用して行われる研究を指します
インシリコ医学（「計算医学」とも呼ばれる）は、疾患の予防、診断、予後、治療計画&実行、管理に直接貢献するモデル化およびシミュレーション技術を指します。 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対して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、生理学的プロセスや医学を支える構造-機能関係に関する定量研究の、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・分子的基盤の解明により、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、生物医学研究者は、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、環境が果たす役割を完全に無視していると指摘し、過度の還元主義に反対を唱え始めました。
欧州委員会は、第6次研究技術開発枠組み計画（FP6、2002-2006）において、計算生理学、生物物理学、バイオメカニクス手法を使用して臨床に関連する問題に対処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）とNational Science Foundation（NSF）のプログラムスタッフが調整されました。 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。 この会合の後、11月に白書が発表され、その中で初めてVirtual Physiological Human（VPH）という言葉が使われた。
2007年には、世界中から200人以上の専門家が、VPH開発の舞台となる研究ロードマップである「Seed the Europhysiome」レポートに貢献した。 2010年には、1年後に国際的な非営利団体であるVPH Institute for Integrative Biomedical Researchが設立され、現在も世界中の研究者コミュニティを代表する組織として活動しています。
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則を動物実験に適用し、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、来たる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。 詳細はDiscipulusのロードマップを参照。
- 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（臨床試験の動物実験を減らし、洗練し、部分的に代替するためのインシリコ技術）. 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。 このテーマについては、Viceconti教授（Insigneo前常務理事）のインタビューをご覧ください。
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ます。
- 細胞および分子生物学的研究：システムの小さなサブユニットに焦点を当てる、積極的な還元主義的アジェンダによって推進される。
- 臨床研究：人体をブラック ボックスとして扱い、主に経験則に基づく観測の統計分析に依存する。
第三のアプローチは、19 世紀および 20 世紀初頭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ておらず、その重要性はほとんど認識されていませんでした。 私たちは、2 つの出来事がこのシナリオを変えつつあると信じています。
1つ目は、物理学と工学が生物医学の計測器を中心に推進した劇的な進歩です。 自動化学分析装置、分光器、シークエンサーは、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、今日で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、多くの生理学的・病理学的プロセスを定量的に記述できる膨大な数の複雑な数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。 生物学的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となります。 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、私たちは考えています。 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方法における根本的な変化」であると主張しています
重要な機関
- 統合生命医科学研究機構（The VPH Institute for Integrated biomedical research. 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と運用のためのJavaベースのシミュレーションシステムであるJSIMなど、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始められ、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ひとつに過ぎない。
- スタンフォード大学の神経筋バイオメカニクス研究室。 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科です。 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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