細胞内部の構造を含む細胞形状の数理モデルの構築

• Project/Area Number: 23K03345
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 13040:Biophysics, chemical physics and soft matter physics-related
• Research Institution: Nihon University
• Principal Investigator: 野瀬 真規子 (野々村真規子) 日本大学, 生産工学部, 教授 (20333320)
• Project Period (FY): 2023-04-01 – 2026-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000); Fiscal Year 2025: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2024: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000); Fiscal Year 2023: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000)
• Keywords: フェーズフィールド法 / 細胞集団 / 細胞運動 / 形態形成 / 内部構造

Outline of Research at the Start

本研究は、細胞形状のフェーズフィールドモデルを細胞の内部構造や細胞膜での分子局在などを包括的に扱えるよう拡張することを目的とした基盤研究である。フェーズフィールドで表した細胞が移動・変形する場合、細胞内部の座標系を決めることは難しく、このことが、フェーズフィールドモデルに核などの内部構造や分子局在を入れる上で一番の問題となる。実験データとの比較・検証を行いながらこの問題解決できる数理モデルの構築を目指す。

Outline of Annual Research Achievements

細胞運動で重要となるアクチンフィラメントの重合などの小さなスケールでの現象と、形態形成のような複数の細胞が関与する現象、という２つの異なる時空間スケールの現象を結びつけて議論できる数理的ツールは、細胞生物学や医学研究において非常に有益であると考えている。本研究では、細胞内部の構造を含む数理モデルの構築を通じて、そのようなツールの開発の一助を担うことを目指している。
これまで考案してきたフェーズフィールド法の多細胞モデルは、細胞輪郭を表現するのに適しているという利点をもつ一方で、変形・運動する細胞内部の相対位置を記述するのには適していないという問題があった。そこで、内部の相対位置を決定する手法として、本年度は当初計画のいくつかの手法を実装した。数値計算を行った結果、内部構造まで考慮した数理モデリングの方向性を見出すことができた。
また、上記の数理的モデルの構築と並行して、実験画像の機械学習によって、細胞輪郭だけでなく核などの内部構造の位置情報も抽出する試みを行った。まだ改良の余地はあるものの、ある程度の精度で情報を取得できることが確認できている。実験画像を精査し、機械学習の精度も高めることで、数理モデルの検証に用いていく予定である。
今後の展望としては、さらなる実験画像の解析を進めると共に、未実装の手法の精度を実験データと併せて検討して、細胞挙動を説明するための適切な方法を見出していきたいと考えている。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

最適な検証用実験データが手に入らなかったため、当初の予定を一部入れ替え、基本的な手法の実装とその関連研究を重点的に進めた。

Strategy for Future Research Activity

本年度はモデリングに必要となるいくつかの手法を実装し、それぞれの利点と欠点について理解を深めた。来年度はこれらの知見をもとに、細胞の内部構造を取り入れたモデリングを目指す。