ナノインフォマティクス

ナノインフォマティクスは、ナノテクノロジーへの情報科学の応用です。ナノマテリアル、その特性、および生物との相互作用を理解し、その情報をより効率的に使用するための方法とソフトウェア ツールを開発する学際的な分野です。ナノマテリアルは通常、指定する必要のある物理的特性の分布を持つ粒子の不均一な集合体である点で、ケモインフォマティクスとは異なります。ナノインフォマティクス インフラストラクチャには、ナノマテリアルのオントロジー、ファイル形式、およびデータ リポジトリ が含まれます。

ナノインフォマティクスは、基礎研究、製造、環境衛生におけるワークフローの改善に応用でき、高スループットのデータ駆動型手法を使用して幅広い実験結果を分析できます。 ナノメディシンの応用には、バイオインフォマティクスと同様の方法でナノ粒子ベースの医薬品の構造と活性の関係を分析することが含まれます。

従来の化学物質は化学組成と濃度で指定されますが、ナノ粒子にはサイズ、形状、表面特性、結晶度、分散状態など、完全な記述のために測定しなければならない他の物理的特性があります。さらに、ナノ粒子の調製は不均一であることが多く、これらの特性の分布も指定する必要があります。これらの分子スケールの特性は、マクロ的な化学的および物理的特性だけでなく、生物学的効果にも影響を及ぼします。これらは、ナノ粒子の実験的特性評価と情報科学システムでの表現の両方で重要です。^{[1] [2]}ナノインフォマティクスの文脈では、ナノテクノロジーの潜在的な用途を効果的に開発および実装するには、安全性、健康、幸福、生産性、リスク管理、および新興ナノテクノロジーの交差点で情報を活用する必要があります。^{[3] [4]}

コミュニティベースのナノインフォマティクス2020ロードマップ^[5]を通じて開発され、その後拡張された^[3]ナノインフォマティクスの実用的な定義の1つは次のとおりです。

• ナノスケールの科学、工学、技術分野の安全、健康、幸福、生産性の目標を満たすためにどの情報が関連しているかを判断する。
• 情報の収集、検証、保存、共有、分析、モデル化、適用のための効果的なメカニズムを開発し、実装する。
• その情報に基づいて適切な決定が下され、望ましいミッション成果が達成されたことを確認する。そして最後に
• 経験を幅広いコミュニティに伝え、一般化された知識に貢献し、標準とトレーニングを更新します。

ナノテクノロジーは重要な実験の対象となっているが、データの多くは標準化された形式で保存されておらず、広くアクセス可能でもない。ナノインフォマティクスの取り組みは、データ標準とインフォマティクス手法の開発を調整することを目指している。^[5]

情報科学の文脈では、オントロジーとは、定義、属性、関係などの用語の階層を使用して、ドメイン内の知識を正式に表現したものです。オントロジーは、データの共有と発見を容易にする機械可読なフレームワークで共通の用語を提供します。研究者が大量のデータを検索、アクセス、分析する必要があるため、ナノ粒子のオントロジーを確立することは、がんナノ医療にとって重要です。 ^{[6] [7]}

ナノ粒子オントロジーは、がん研究に関係するナノマテリアルの準備、化学組成、特性評価のためのオントロジーです。Basic Formal Ontologyフレームワークを使用し、 Web Ontology Languageで実装されています。国立生物医学オントロジーセンターがホストし、 GitHubで管理されています。^{[6] eNanoMapperオントロジーはより新しいもので、可能な限り既存のドメインオントロジーを再利用しています。そのため、ナノ粒子オントロジーだけでなく、バ​​イオアッセイオントロジー、}実験因子オントロジー、ユニットオントロジー、ChEBI も再利用および拡張しています。^[8]

ISA-TAB-Nanoは、ナノマテリアルデータを表現および共有するための4つのスプレッドシートベースのファイル形式のセットであり、^{[9] [10]} ISA-TABメタデータ標準に基づいています。^{[11]ヨーロッパでは、}産業医学研究所^[12]とNANoREGプロジェクトの共同研究センターによって開発された他のテンプレートが採用されています。^[13]

ナノインフォマティクスはナノテクノロジーに関する情報の集約と共有に限定されず、化学情報学や生物情報学に由来する多くの補完的なツールを持っています。^{[14] [15]}

過去数年間で、さまざまなデータベースが利用可能になりました。^[16]

米国国立がん研究所が開発したcaNanoLabは、バイオメディカルに関連するナノテクノロジーに焦点を当てています。^[17] RTIインターナショナルが管理するNanoMaterials Registryは、ナノマテリアルのキュレーションされたデータベースであり、caNanoLabのデータが含まれています。^[18]

EUナノセーフティクラスターのプロジェクトであるeNanoMapperデータベースは、eNanoMapperプロジェクトで開発されたデータベースソフトウェアを展開したものである。^[19]その後、EUナノマテリアル観測所（EUON）などの他の環境でも使用されている。^{[20] [21]}

その他のデータベースとしては、ナノテクノロジーの環境影響センターのナノインフォマティクス知識コモンズ（NIKC）^[22]とナノデータバンク^{[23] 、} PEROSHのナノ曝露とコンテキスト情報データベース（NECID）^[24] 、ナノマテリアルに関するデータと知識（DaNa）^[25]、Springer Natureのナノデータベース^{[26]などがある。}

ナノインフォマティクスは、基礎研究、製造、環境衛生におけるワークフローの改善に応用され、高スループットのデータ駆動型手法を使用して幅広い実験結果を分析することができます。^[5]

ナノインフォマティクスは、ナノ粒子ベースの癌診断および治療に特に有用である。ナノ粒子ベースの癌診断および治療は、化学的および物理的修飾の組み合わせが非常に多いため、その性質上非常に多様であり、機能特性に劇的な変化を引き起こす可能性がある。これにより、例えばゲノムデータをはるかに超える組み合わせの複雑さが生じる。^[6]ナノインフォマティクスにより、ナノ粒子ベースの薬剤の構造活性相関モデリング が可能になる。 ^[6]ナノインフォマティクスと生体分子ナノモデリングは、効果的な癌治療への道を開く。^[27]ナノインフォマティクスにより、健康と環境のニーズを満たす材料の設計に対するデータ駆動型アプローチも可能になる。^[28]

ワークフロープロセスとして見ると、^[2]ナノインフォマティクスは、データ、メタデータ、制御された語彙、オントロジーを使用して実験研究を分解し、データベースにデータを入力し、傾向、規則性、理論を明らかにして予測計算ツールとして使用します。各段階でモデルが関与し、一部は物質的（実験、参照資料、モデル生物）で一部は抽象的（オントロジー、数式）であり、すべて対象システムの表現として意図されています。モデルは実験設計に使用でき、実験の代わりに使用することも、複雑なシステムが時間の経過とともにどのように変化するかをシミュレートすることもできます。^[29]

現在、ナノインフォマティクスは、医療用途におけるナノテクノロジーの大きな機会と、製品の商品化における規制承認の重要性により、バイオインフォマティクスの延長線上にある。これらの場合、モデルのターゲット、その目的は、物理化学的、構造に基づいて特性を推定すること（定量的構造-特性関係、QSPR）、または生物学的、分子構造に基づいて生物活性を予測すること（定量的構造-活性関係、QSAR）、またはシミュレーションの経時的展開（生理学的に基づく毒物動態学、PBTK）である可能性がある。^{[30] [31]}これらはそれぞれ、小分子 医薬品開発のために研究されており、それを支持する文献もある。

粒子は分子実体とは異なり、特にその表面が命名システムやQSAR/PBTKモデルの開発に課題を生じさせています。例えば、粒子はQSAR/PBTKモデルの原動力となるオクタノール-水分配係数を示さず、生体内で溶解したりバンドギャップを持つことがあります。 ^{[32]現在のQSARモデルとPBTKモデルの例としては、Puzynら[33]}とBachlerら^[34]のモデルがあります。OECD は規制上の許容基準を成文化しており^[35] 、国際的な取り組みを調整するための支援ワークショップ^[36]を伴うガイダンスロードマップ^{[5] [12]}があります。

ナノインフォマティクスで活動しているコミュニティとしては、欧州連合 ナノセーフティクラスター^[37]、米国国立がん研究所国立がん情報プログラムのナノテクノロジーワーキンググループ^{[38] [39]}、米国-EUナノテクノロジー研究コミュニティ^{[40]などがあります。}

ナノインフォマティクスに従事する個人は、ナノインフォマティクスの方法とデータに対する役割と責任の4つのカテゴリーに当てはまると考えられます。^{[4] [41] [42]}

• データを作成する方法、データ自体、またはその両方を必要とし、意図した目的のために科学的アプリケーションと特性評価方法およびデータのニーズを指定する顧客。
• ナノテクノロジーコミュニティの顧客のニーズを満たすために、関連性と信頼性のある方法とデータを開発するクリエイター。
• 方法と関連データの品質を維持し保証するキュレーター。
• アナリストは、データの品質と量に一致し、顧客のニーズを満たすデータ分析と解釈の方法とモデルを開発して適用します。

場合によっては、同じ人が 4 つの役割をすべて担うこともあります。多くの場合、多くの個人が相互作用し、その役割と責任は、かなりの距離、組織、時間にまたがります。さまざまな顧客、クリエイター、キュレーター、アナリストの間に存在する 12 のリンク (6 つのペアワイズ相互作用のそれぞれにおける双方向) 全体で効果的なコミュニケーションが重要です。^[4]

ナノインフォマティクスが最初に言及されたのは、ナノテクノロジーに関する情報の取り扱いに関する文脈でした。^[43]

ナノテクノロジーとナノマテリアルに関するあらゆる種類の情報を共有する必要性について本格的に議論された初期の国際ワークショップは、2004年10月12日から14日に英国ダービーシャー州バクストンのパレスホテルで開催された第1回ナノマテリアルの労働衛生への影響に関する国際シンポジウムでした。 ^[44]ワークショップの報告書^{[44]には、ナノテクノロジーの安全と健康のための情報管理[45]}に関するプレゼンテーションが含まれており、ナノ粒子情報ライブラリ（NIL）の開発について説明し、ナノテクノロジー従事者と一般市民の健康と安全を確保するための取り組みは、情報管理への協調的なアプローチによって大幅に強化できると指摘しました。その後、NILはナノマテリアルの特性データをWebベースで共有する例として機能しました。^[46]

国立がん研究所は2009年に、当時はまだナノテクノロジーインフォマティクスと呼ばれていたものの大まかなビジョンを策定し、^{[47]ナノインフォマティクスが構成すべきさまざまな側面を概説しました。その後、既存のソリューション、ニーズ、およびこの分野をさらに発展させる方法に関するアイデアを詳述した2つのロードマップ、}ナノインフォマティクス2020ロードマップ^[5]とEU米国ロードマップナノインフォマティクス2030が続きました。^[12]

2013年に開催されたナノインフォマティクスに関するワークショップでは、現在のリソース、コミュニティのニーズ、データ共有と情報統合のための共同フレームワークの提案について説明されました。^[48]

• ケミインフォマティクス
• マテリアルインフォマティクス

• ウィキデータ: Q61911710 (スコリア)