2016 Fiscal Year Annual Research Report
Stress field estimation in three-dimensional optic-cup by image-based modeling
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15K14534
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| Research Institution | Institute of Physical and Chemical Research |
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Principal Investigator |
奥田 覚 国立研究開発法人理化学研究所, 多細胞システム形成研究センター, 基礎科学特別研究員 (80707836)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
橋本 敦史 京都大学, 教育学研究科, 助教 (80641753)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | 三次元バーテックスモデル / 器官形成 / バイオメカニクス |
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| Outline of Annual Research Achievements |
多細胞生物の発生過程では，細胞の増殖，アポトーシス，収縮などの様々な細胞活動が見られる．これらの細胞レベルの力作用により，組織レベルの三次元的で複雑な形態変化が生じる．しかし，組織形成に対する細胞活動の力学的な影響については未知な点が多く，細胞レベルと組織レベルを橋渡しする試みは緒に就いたばかりである．本研究では，三次元頂点モデルによる力学シミュレーション技術と画像解析技術を組み合わせることにより，多細胞組織形成における立体的な力学場を定量的に推定する手法の開発を行う．さらに，マウス胚における眼杯形成の過程を観察し，開発した推定手法を適用することにより，眼杯組織の立体構造の形成過程における細胞レベルの力学場，および，それが細胞の動態や組織の形態形成に及ぼす影響について究明する．
昨年度の研究により，アポトーシスによる細胞数の変化や力学作用が及ぼす影響を考慮した形態形成の力学場推定を可能にする，三次元バーテックスモデルを開発した．本年度では，この数理モデルをマウスの眼杯組織の形成過程に適用し，その力学機構の定量的な予測を行った．まず，マウス胚の眼杯組織の三次元形態を観察し，画像処理により，変形量の定量化を行った．次に，原子間力顕微鏡を用いて，眼杯組織を構成する組織局所の弾性率を計測した．さらに，これらの計測データに基づき，開発した数理モデルを適用し，眼杯組織の形成過程の力学シミュレーションを行い，眼杯組織形成過程の再現を行った．ここで，細胞の収縮，伸長，分裂，アポトーシスなど，個々の細胞の力学的な振る舞いを決める力学パラメータを探索することにより，眼杯の形態形成に重要な力学因子を予測し，各過程における組織の応力分布を推定した．
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