浸透圧・粘度・リンパ節サイズから最適なリンパ行性薬物送達法(LDDS)を予測 ―AI×数理モデルで治療戦略に沿ったリンパ節治療をー

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2026-05-29 東北大学

東北大学の研究グループは、リンパ節転移がんに対するリンパ行性薬物送達法(LDDS)の最適化を目的として、薬剤の浸透圧・粘度・リンパ節サイズを統合的に解析するAI×数理モデル基盤を開発した。LDDSではセンチネルリンパ節へ投与した抗がん剤を下流リンパ節へ送達するが、従来は浸透圧や粘度の設定が経験則に依存していた。本研究では、リンパ節内での薬剤動態を表現する数理モデルを構築し、AIと組み合わせることで、薬剤のリンパ節内貯留性と下流リンパ節への送達効率を高精度に予測できるようにした。さらに、薬剤挙動を4つのクラスに分類し、リンパ節サイズごとに最適な浸透圧・粘度条件を提示する予測マップを作成した。ヒト臨床データとの比較では、本モデルがヒト初期リンパ流動態の説明にも応用可能であることが示唆された。本成果により、患者ごとのリンパ節特性や治療目的に応じた個別化LDDS設計が可能となり、リンパ節転移治療の有効性向上や副作用低減につながることが期待される。

浸透圧・粘度・リンパ節サイズから最適なリンパ行性薬物送達法(LDDS)を予測 ―AI×数理モデルで治療戦略に沿ったリンパ節治療をー
図1.LDDSの4パターン分類とリンパ節サイズに応じた薬剤貯留・送達予測マップ

<関連情報>

浸透圧、粘度、リンパ節サイズを用いたリンパ系薬物送達システムのモデル誘導設計 Model-guided design of lymphatic drug delivery systems using osmotic pressure, viscosity and lymph node size

Reito Miyazaki, Ariunbuyan Sukhbaatar, Shiro Mori, Takahiro Kusaka, Katsunori Katagiri, Kiyoto Shiga, Tetsuya Kodama
Journal of Controlled Release  Available online: 12 May 2026
DOI:https://doi.org/10.1016/j.jconrel.2026.115010

Highlights

  • A quantitative framework that links osmotic pressure, viscosity, and lymph node size in lymphatic drug delivery system.
  • Deep-learning surrogate modeling predicts entire intranodal concentration-time profiles.
  • Downstream lymphatic transport exhibits two discrete, classifiable Tmax regimes.
  • An LDDS strategy map enables inverse formulation design for N0 lymph nodes.
  • Early human lymphatic transport dynamics are consistent with model prediction.

Abstract

Metastatic lymph nodes (LNs) represent a major barrier to effective drug delivery in cancer therapy. To address this challenge, a lymphatic drug delivery system (LDDS) enabling direct intranodal administration has been developed. In LDDS, drug transport and retention are governed by formulation osmotic pressure and viscosity; however, optimization strategies according to LN size and therapeutic objectives remain unclear.

Here, we established a quantitative framework that integrates mathematical modeling with machine and deep learning to describe and predict intranodal drug kinetics as a function of osmotic pressure, viscosity and Maximum cross-sectional area of LN (MALN). Using a unique mouse model possessing human-sized LNs, we first constructed a parametric model that accurately reproduced fluorescence intensity profiles in LNs. The model captured key kinetic features and is enabled to apply time-series datasets. A multilayer perceptron–based surrogate model was then trained to predict C(t) profiles and pharmacokinetic parameters across the entire π–μ–MALN space. In parallel, downstream LN transport exhibited two distinct Tmax phenotypes, which were successfully classified using machine learning to evaluate network-level delivery efficiency.

Importantly, comparison with clinical LDDS data demonstrated that the model also describes early drug kinetics in human LNs. Because this framework relies only on clinically accessible LN size information, it enables inverse design of osmotic pressure and viscosity tailored to LN size and desired delivery outcomes. This study provides a mechanistically grounded and translatable strategy for rational LDDS formulation design to support controlled lymphatic drug delivery in future clinical applications.

医療・健康
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