2018 Fiscal Year Research-status Report
一細胞の複雑な形状に基づく器官・組織動力学モデルのシミュレーション研究
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17K00410
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| Research Institution | Akita Prefectural University |
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Principal Investigator |
石本 志高 秋田県立大学, システム科学技術学部, 准教授 (30391858)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | コンピュータシミュレーション / 細胞・組織・器官 / 発生・分化 / 粘弾性 / データ解析 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
上皮組織中の一細胞の形状、すなわち細胞境界の形状は、細胞内力学装置である各種高分子の複雑な粘弾性特性の影響を受け、時空間スケールにより異なる振る舞いをもつことが実験的に示されている。この一細胞レベルの知見に基づく理論およびそれを表現する力学モデル構築を目指し、泡・頂点モデルの開発およびシミュレーション研究を発展させた。前年度行った計算機粘弾性実験は、境界外部からの周期的な応力（圧力）としてインプットし、変形量の周波数応答を見たものであるが、現実の粘弾性実験と比較しやすい周期的ひずみ入力に対する応力応答をみる計算機実験を構成、実行した。前年度の学会発表に関する講演論文の出版１編、上記研究の先取的な結果に関して複数の学会にて発表した。
前年度研究実績にて言及した、新見氏（ヘルシンキ大学）らとの共同研究を継続発展させた。即ち、ショウジョウバエ蛹期の翅におけるシグナル分子の時空間動態と器官形成の関係に関する研究であり、蛹期翅器官の３次元形態変化とシグナル分子の時空間動態および成長分化を促進する遺伝子の発現状況とが密接に関連して進行していることを実験的および解析的に明らかにした。この状況は他種および他器官でも同様に起こっていることが示唆される。この結果に関して、査読付き論文１編を出版した。
尚、上記２業績に関しては、国際共同研究加速基金（課題番号17KK0007）による発展研究の内容も含んだものである。
また、昆虫翅形成力学モデルに関する講演論文１編を出版し、当初の研究実施計画では明示されていなかった研究として、岡嶋氏（北海道大学情報工）らと共に、ＡＦＭによる細胞弾性力学情報の測定および解析を行った。この成果をまとめ、査読付き論文誌にて出版した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
当初計画されていた通り、拡張された泡・頂点モデルに関して、実験的知見と比較するべく、新たな実験条件を再現できる計算機実験プログラムのアップデートを行い、シミュレーション研究を行った。また、高速科学計算を実行するため、既存のＧＰＵボードの実装および関連プログラムの開発を進めた。他方、マウス嗅上皮組織の実験および対応する数理モデルの開発に関して若干の遅れがあり、また、生体組織のレーザー実験を再現するプログラムの構築に関しても同様であった。翅形成力学モデルに関しては、当初計画に加え、飛翔昆虫（各種トンボ）の翅の採取および翅脈パターンの観察・解析を進めた。
当初の研究計画では明示されていなかった研究として、前年度進捗状況にて報告した新見氏（ヘルシンキ大学）らと共同研究をさらに推し進め、器官形成中のシグナル分子が単純な側方拡散のみでなく、器官の形態と密接にからみあいながら方向性を変化させていることを実験的および解析的に示した。この研究成果を査読付き学術論文誌にて出版した。また、研究実績の概要に示した通り、岡嶋氏（北海道大学）らと一細胞レベルの力学情報に関する研究を行った。培養系上皮様組織として頻繁に用いられるＭＤＣＫ細胞塊に対してＡＦＭによるサブ細胞レベル弾性率測定を行い、力学情報に数細胞レベルおよび小組織レベルの２種類の距離相関が現れることを示した。この研究成果の一部を査読付き学術論文誌にて出版した。
上記の通り、概して計画・想定していたレベルの成果を得た。
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| Strategy for Future Research Activity |
当初計画通り、細胞境界の複雑な形状を時系列で表現でき、一頂点しか含まない細胞を表現できる数理モデルおよび翅器官力学モデルを発展・統合し、マウス嗅上皮組織の発生過程・パターニングおよび昆虫翅形成ダイナミクスを表現しうるシミュレーションモデルを構築し、再現・予測シミュレーションを実装する。マウス嗅上皮組織に関しては協力研究者の協力を仰ぎ、実験との比較を進める。昆虫翅に関しては、ハエ・トンボ以外の種の翅の採取およびパターン解析を行い、シミュレーション結果との比較・検討を進める。また、in-silico粘弾性測定をさらに推し進め、実験の提案および予測を目指す。
当該年度は本研究課題の最終年度にあたるため、各種研究成果に対して論文投稿を目指し、セミナー発表、講演、学会発表によるアウトリーチ活動もあわせて行う。
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| Causes of Carryover |
当初計画作成時にはなかった国際共同研究による発展研究（課題番号17KK0007）に一定量のエフォートを割き、また、進捗状況で説明した通り、当初計画で明示されていなかった研究の大幅な進捗、すなわち論文作成・投稿・出版２編を行ったために、当初計画で予定していたＰＣクラスターの拡張および新規ＧＰＵボードの実装等、物品費の執行により行う部分や、数理モデル開発に関する共同研究打合せや研究発表等、主に旅費の執行により行う部分を延期した。これら、当初計画にて予定していた物品費および旅費の執行を次年度に行うこととしたため、次年度使用額が生じた。
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| Remarks |
研究内容の紹介は現在 Research Gate の次ページ及び研究室ＨＰにて一部公開しており、さらなる公開に向けて準備中。
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