精子アクティブマターによる生体内集団動態の物理機構

• Project/Area Number: 21K18601
• Research Category: Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Medium-sized Section 13:Condensed matter physics and related fields
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 平島 剛志 京都大学, 白眉センター, 特定准教授 (10620198)
• Project Period (FY): 2021-07-09 – 2023-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000); Fiscal Year 2023: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000); Fiscal Year 2022: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000); Fiscal Year 2021: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000)
• Keywords: 精子集団運動 / 生体イメージング / 数理モデル / 精子 / アクティブマター

Outline of Research at the Start

本申請では、生体二光子イメージング技術と数理モデル解析を用いて、マウス生体内で観察される特徴的な精子集団流れ場の形成機構の解明を目的とする。世界的に見ても生命科学のアクティブマター研究は、実験対象がバクテリアや分子モーターなどに限られているが、本研究で扱う現象はこれまでの学術の方向を大きく転換させる潜在性を有している。本研究成果は生物物理のみならず物質輸送工学や生殖医療分野への波及効果が期待できる。

Outline of Annual Research Achievements

脊椎動物において、精細管から生み出された精子は、精巣上体管内に運ばれ輸送される間に運動能を獲得する。この過程は、精子の生殖細胞としての機能の獲得に極めて重要であるにもかかわらず、生体内でどのように精子が振る舞うのかについては全く未解明であった。本研究の目的は、１）生体イメージング計測と２）数理モデリングによる理論解析を通して、精巣上体内の精子流れを明らかにし、その形成の仕組みを明らかにすることである。
本研究課題中に、マウスを用いて生体内および生体外の両実験系におけるライブイメージング法の確立と精子集団運動の特徴づけを行った。特に、マウス個体を生かした状態で組織深部を顕微鏡観察する生体イメージング法の確立に注力した。多光子顕微鏡を用いた生体イメージングにより精巣上体管内での精子集団運動の詳細な観察を行った。その結果、精巣上体頭部では精子が管の拍動に応じて受動的に輸送される一方で、精巣上体尾部ではダイナミックな精子集団の流れ場が形成されていることを明らかにした。また、精子流れの時系列画像から渦度などの特徴量を抽出し、精子集団流れ場を定量的に特徴づける一連の解析システムを構築した。さらに、得られたデータを基に精子集団流れの数理モデル化を進めた。これらの成果は、論文として国際誌にて報告するために取りまとめている最中である。
本研究課題の推進により、新たなアクティブマター生命現象の原理の理解につながるだけでなく、生殖生物学・再生医学を含む基礎科学分野に影響を与えることが期待される。
なお、代表者の所属機関変更による科研費の受給資格の喪失のため、2022年度途中で本計画を中断している。

Research Products

• [Int'l Joint Research] シンガポール国立大学(シンガポール)
• [Int'l Joint Research] ニールスボーア研究所(デンマーク)
• [Journal Article] Tissue hydraulics in reproduction (2022)
  • Author(s): Chan Chii Jou、Hirashima Tsuyoshi
  • Journal Title: Seminars in Cell and Developmental Biology Volume: 1 Pages: 1-10
  • DOI: 10.1016/j.semcdb.2022.05.008
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Three-dimensional analysis and in vivo imaging for sperm release and transport in the murine seminiferous tubule (2022)
  • Author(s): Kanazawa Yuta、Omotehara Takuya、Nakata Hiroki、Hirashima Tsuyoshi、Itoh Masahiro
  • Journal Title: Reproduction Volume: 164 Issue: 1 Pages: 9-18
  • DOI: 10.1530/rep-21-0400
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Mechanical feedback control for multicellular tissue size maintenance: a minireview (2022)
  • Author(s): Tsuyoshi Hirashima
  • Journal Title: Frontiers in Cell and Developmental Biology Volume: 9
  • DOI: 10.3389/fcell.2021.820391
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Live imaging approach of dynamic multicellular responses in ERK signaling during vertebrate tissue development (2022)
  • Author(s): Hirashima Tsuyoshi
  • Journal Title: Biochemical Journal Volume: 479 Issue: 2 Pages: 129-143
  • DOI: 10.1042/bcj20210557
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Stalling interkinetic nuclear migration in curved pseudostratified epithelium of developing cochlear duct (2021)
  • Author(s): Ishii M., Tateya T., Matsuda M. and Hirashima T.
  • Journal Title: Royal Society Open Science Volume: 8 Issue: 12 Pages: 211024-211024
  • DOI: 10.1098/rsos.211024
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Dynamic erectile responses of a novel penile organ model utilizing TPEM. (2021)
  • Author(s): Hashimoto D, Hirashima T, Yamamura H, Kataoka T, Fujimoto K, Hyuga T, Yoshiki A, Kimura K, Kuroki S, Tachibana M, Suzuki K, Yamamoto N, Morioka S, Sasaki T, Yamada G.
  • Journal Title: Biol Reprod. Volume: in press Issue: 4 Pages: 875-886
  • DOI: 10.1093/biolre/ioab011
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 生体イメージングで照らし出すマウス精路内の精子集団運動 (2022)
  • Author(s): 平島剛志
  • Organizer: 日本顕微鏡学会学術講演会
  • Invited
• [Presentation] マウス精巣上体における精子集団運動 (2022)
  • Author(s): 平島剛志
  • Organizer: 学術変革 ジオラマ行動力学シンポジウム
  • Invited
• [Presentation] マウス精巣上体における精子集団運動 (2021)
  • Author(s): 平島剛志
  • Organizer: 第５１回 精子研究会
  • Invited
• [Presentation] 力学ー生化学フィードバックによる細胞集団遊走と長距離信号伝達 (2021)
  • Author(s): 平島剛志
  • Organizer: 和光ー精神懇話会
  • Invited
• [Presentation] 細胞集団運動におけるメカノケミカルフィードバック (2021)
  • Author(s): 平島剛志
  • Organizer: 第３３回バイオエンジニアリング講演会
  • Invited
• [Presentation] Mechanochemical feedbacks in collective cell motion (2021)
  • Author(s): 平島剛志
  • Organizer: NIPS International Symposium, "Frontiers in Epithelial Cell Biology"
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Remarks] Lab webpage
  • URL: https://sites.google.com/view/hirashima-group/home