エージェントベースのモデリングと有限要素法による皮膚収縮のパラメータ感度解析

Agent-based modelling and parameter sensitivity analysis with a finite-element method for skin contraction.

• Qiyao Peng
• Fred Vermolen

抄録

本論文では、Boonetalによる創傷治癒のモデルを拡張した(J Biomech 49(8):1388-1401, 2016)。このモデルをあらゆる構成要素、すなわち細胞、シグナル分子、組織束について明示的に説明することに加えて、線維芽細胞を規則的な線維芽細胞と筋線維芽細胞に分類した。これは、筋線維芽細胞が創傷治癒と皮膚収縮の間に重要な役割を果たし、永久的な変形の原因となる細胞の主な表現型であることが広く文書化されているためである。さらに、あるパラメータ値を変更してモデルの感度試験を行ったところ、モデルがいくつかの生物学的現象との整合性を示すことを確認した。モンテカルロシミュレーションを用いて、最終的な創傷面積と最小創傷面積との間には有意で強い正の相関があることがわかった。4日後の創傷面積と最終/最小創傷面積の間に高い相関があることから、医師は患者の創傷の最も確率の高い時間発展を予測することが可能である。しかし、創傷面積が平衡・最小に達した時点でのコラーゲン密度比では創傷収縮の程度を示すことができないのに対し、創傷後４日目のヌルからコラーゲンが蓄積している時点では、創傷面積とコラーゲン密度比との間に強い負の相関が見られる。さらに、我々がモデル化した状況下では、患者が5％の収縮で終わる確率は約0.627であった。

In this paper, we extend the model of wound healing by Boon et al. (J Biomech 49(8):1388-1401, 2016). In addition to explaining the model explicitly regarding every component, namely cells, signalling molecules and tissue bundles, we categorized fibroblasts as regular fibroblasts and myofibroblasts. We do so since it is widely documented that myofibroblasts play a significant role during wound healing and skin contraction and that they are the main phenotype of cells that is responsible for the permanent deformations. Furthermore, we carried out some sensitivity tests of the model by modifying certain parameter values, and we observe that the model shows some consistency with several biological phenomena. Using Monte Carlo simulations, we found that there is a significant strong positive correlation between the final wound area and the minimal wound area. The high correlation between the wound area after 4 days and the final/minimal wound area makes it possible for physicians to predict the most probable time evolution of the wound of the patient. However, the collagen density ratio at the time when the wound area reaches its equilibrium and minimum, cannot indicate the degree of wound contractions, whereas at the 4th day post-wounding, when the collagen is accumulating from null, there is a strong negative correlation between the area and the collagen density ratio. Further, under the circumstances that we modelled, the probability that patients will end up with 5% contraction is about 0.627.