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Cellular automaton-based model for radiation-induced bystander effects

放射線誘発バイスタンダー効果のセル・オートマトンベースのモデル構築

服部 佑哉; 横谷 明徳; 渡辺 立子

Hattori, Yuya; Yokoya, Akinari; Watanabe, Ritsuko

低線量放射線が照射された細胞集団では、細胞間シグナル伝達により、放射線が当たっていない細胞に放射線の影響が伝達する。低線量の放射線による生物影響の評価やリスクを考える上で、個々の細胞間の照射影響伝達が組織や細胞集団に与える影響を調べることは重要である。本研究では、2種類の細胞間シグナル伝達を考慮した細胞集団の放射線応答モデルを構築し、モデルの特性を解析した。モデルは、1細胞レベルで細胞集団の動的変化を表現した数理モデルのセルオートマトンをベースとして、(1)放射線照射、(2)細胞間シグナルの生成と伝達、(3)DNA損傷の誘発、(4)細胞周期変化の要素を新たに導入した。細胞間シグナル伝達では、低線量放射線応答モデルとしては初めて、異なる伝達経路である培養液経由とギャップ結合経由を両方とも考慮した。細胞応答では、細胞周期の時間変化に着目した。モデルの特性解析では、照射線量と細胞間シグナルの伝達経路が、細胞周期変化に与える影響を調べた。解析結果から、細胞周期停止を示す細胞の数が照射線量に対して非線形に増加することが分かった。また、2種類の細胞間シグナル伝達ともに細胞周期停止を誘発し、その細胞数は伝達経路によって異なる時間変化を示した。モデルが示した特性は、今後、実験と比較して検証する。本モデルは、細胞間シグナル伝達による時間・空間的な細胞集団の変化を追跡可能であり、低線量放射線の応答解析に有用である。

The radiation-induced bystander effect is a biological response observed in non-irradiated cells surrounding an irradiated cell, which is known to be caused by two intercellular signaling pathways. However, the behavior of the signals is largely unknown. To investigate the role of these signaling pathways, we developed a mathematical model to describe the cellular response to direct irradiation and the bystander effect, with a particular focus on cell-cycle modification. The analysis of model dynamics revealed that bystander effect on cell cycle modification was different between low-dose irradiation and high-dose irradiation. We demonstrated that signaling through both pathways induced cell cycle modification via the bystander effect. By simulating various special and temporal conditions of irradiation and cell characteristics, our model will be a powerful tool for the analysis of the bystander effect.

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分野:Mathematical & Computational Biology

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