14. ケーススタディ

14.1 COVID-19変異株解析

背景と目的: 2020年以降、SARS-CoV-2の変異株追跡が公衆衛生上の重要課題となった。リアルタイムでの変異検出と伝播パターンの解析が求められた。

実装アプローチ:

class COVID19VariantTracker:
    """COVID-19変異株追跡システム"""
    
    def __init__(self):
        self.reference_genome = self.load_reference()
        self.variant_database = {}
        
    def analyze_new_sequence(self, sequence_data):
        """新規配列の変異解析"""
        # アライメント
        alignment = self.align_to_reference(sequence_data)
        
        # 変異検出
        mutations = self.call_mutations(alignment)
        
        # 既知変異株との比較
        lineage = self.assign_lineage(mutations)
        
        # 新規変異の評価
        novel_mutations = self.identify_novel_mutations(mutations)
        
        return {
            'lineage': lineage,
            'mutations': mutations,
            'novel_mutations': novel_mutations
        }
    
    def track_mutation_dynamics(self, time_series_data):
        """変異の時間的ダイナミクス追跡"""
        mutation_frequencies = {}
        
        for timepoint in time_series_data:
            for mutation in timepoint['mutations']:
                if mutation not in mutation_frequencies:
                    mutation_frequencies[mutation] = []
                    
                freq = timepoint['frequency']
                mutation_frequencies[mutation].append(
                    (timepoint['date'], freq)
                )
                
        return mutation_frequencies

成果と影響:

  • 世界規模での変異株モニタリング体制の確立
  • ワクチン開発への情報提供
  • 公衆衛生政策への科学的根拠提供

14.2 大規模がんゲノムプロジェクト

The Cancer Genome Atlas (TCGA)解析:

class TCGAAnalyzer:
    """TCGAデータの統合解析"""
    
    def __init__(self, cancer_type):
        self.cancer_type = cancer_type
        self.load_multiomics_data()
        
    def integrated_analysis(self):
        """マルチオミクス統合解析"""
        # 体細胞変異
        mutations = self.analyze_mutations()
        
        # コピー数変異
        cnv = self.analyze_copy_number()
        
        # 遺伝子発現
        expression = self.analyze_expression()
        
        # メチル化
        methylation = self.analyze_methylation()
        
        # 統合クラスタリング
        subtypes = self.consensus_clustering([
            mutations, cnv, expression, methylation
        ])
        
        return subtypes
    
    def survival_analysis(self, subtypes, clinical_data):
        """サブタイプ別の生存解析"""
        from lifelines import KaplanMeierFitter
        
        results = {}
        
        for subtype in subtypes.unique():
            mask = subtypes == subtype
            
            kmf = KaplanMeierFitter()
            kmf.fit(
                clinical_data[mask]['survival_time'],
                clinical_data[mask]['event']
            )
            
            results[subtype] = {
                'median_survival': kmf.median_survival_time_,
                'survival_function': kmf.survival_function_
            }
            
        return results

主要な発見:

  • 新規がんサブタイプの同定
  • 予後予測バイオマーカーの発見
  • 治療標的の特定

14.3 日本人基準ゲノム構築

プロジェクト概要: 日本人集団に特有の遺伝的多様性を反映した高精度な基準ゲノム配列の構築。

技術的アプローチ:

class JapaneseReferenceGenome:
    """日本人基準ゲノム構築"""
    
    def __init__(self):
        self.samples = []
        self.assembly = None
        
    def construct_pangenome(self, population_samples):
        """パンゲノムの構築"""
        # 各個体のde novoアセンブリ
        assemblies = []
        for sample in population_samples:
            assembly = self.perform_hifi_assembly(sample)
            assemblies.append(assembly)
            
        # グラフゲノムの構築
        graph_genome = self.build_graph_genome(assemblies)
        
        # 日本人特異的変異の同定
        jp_specific = self.identify_population_specific_variants(
            graph_genome
        )
        
        return graph_genome, jp_specific
    
    def clinical_application(self, patient_genome):
        """臨床応用:患者ゲノムの解析"""
        # 日本人基準ゲノムへのマッピング
        alignment = self.align_to_jp_reference(patient_genome)
        
        # 疾患関連変異の検出
        variants = self.call_variants(alignment)
        
        # 日本人集団での頻度情報を考慮した解釈
        interpreted = self.interpret_with_population_frequency(
            variants
        )
        
        return interpreted

インパクト:

  • 日本人における希少疾患診断の精度向上
  • 薬理ゲノミクスへの応用
  • 個別化医療の推進

14.4 AI創薬プラットフォーム

深層学習による新薬候補探索:

class AIdrugDiscovery:
    """AI創薬プラットフォーム"""
    
    def __init__(self):
        self.molecular_generator = self.build_generator()
        self.activity_predictor = self.build_predictor()
        
    def design_novel_compounds(self, target_protein):
        """新規化合物の設計"""
        # 標的タンパク質の構造解析
        binding_site = self.analyze_binding_site(target_protein)
        
        # 分子生成
        candidates = []
        for _ in range(10000):
            molecule = self.molecular_generator.generate()
            
            # ドッキングシミュレーション
            docking_score = self.perform_docking(
                molecule, binding_site
            )
            
            # ADMET予測
            admet = self.predict_admet_properties(molecule)
            
            if self.passes_filters(docking_score, admet):
                candidates.append(molecule)
                
        return self.rank_candidates(candidates)

成果:

  • 開発期間の大幅短縮(5年→2年)
  • 成功確率の向上(従来の3倍)
  • 複数の臨床試験段階化合物

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