2020 Fiscal Year Research-status Report
4D data analysis and simulation study on the relationship between extracellular signaling and morphogenesis
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17KK0007
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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, 教授 (30391858)
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| Project Period (FY) |
2018 – 2021
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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 / 生体情報 / データ解析 / 発生・分化 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
前年度に引き続き、基課題「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」において進展させた方向性、すなわち、ハエ発生過程における細胞外シグナル伝達と生体組織の分化・成長メカニズムの解明を目指し、発展研究を行った。具体的には、昨年度取得した一次データ、すなわち、キイロショウジョウバエの蛹期翅上皮の細胞核および膜や、上皮組織の細胞接着分子であるカドヘリンの蛍光染色を高速共焦点顕微鏡や多光子顕微鏡を用いて得られたライブイメージングデータに関して、プログラム開発およびプログラムによる解析を進めた。各時刻の３Ｄ画像に我々が開発した半定量的画像処理を施し、形状データの抽出を行った。比較的頻繁に起こる変形や細胞分裂、トポロジー変化により、抽出データそのままではトラッキングはスムーズにいかない。最終的なリアルタイム処理も視野に据え、アルゴリズム及び実装プログラムの改良を行った。数時間程度（2桁タイムポイント）の半自動形状トラッキングを行うためのプログラムの拡張および実装を行った。
得られたデータ及び関連する生物学的知見に関して共同研究者らと議論を重ね、基課題において開発したの泡・頂点モデルシミュレーションに反映させつつ、新規計算機実験の改良に関して議論を重ねた。さらに、本研究事業において開発した細胞核移動の深層学習によるトラッキングに関し、若干の改良を施した。これらに関する結果に関し、学会にて口頭発表２件、ポスター発表２件を行った。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
当該年度はコロナ禍のため当初計画通りの海外渡航および滞在は行えない状況となった。また、海外渡航先研究機関での新規測定実験の実施も事実上不可能となったため、リモートで行える作業や国内計算機器のメンテナンス、および理論研究の実施に注力した。
昨年度に引き続き各種生体情報に対する実験条件および取得データの品質検証を行った。また、共焦点顕微鏡、多光子顕微鏡により昨年度までに得られたデータの解析を進めた。具体的には、昨年度までに開発した高品質化画像処理プログラムを用いて処理後、データ画像処理プログラムの開発を進めてこれを適用し、細胞移動現象の定量化および細胞形状トラッキングを行った。単層上皮組織における応力分布の推定プログラムの開発および簡略版の解析実施を進め、多細胞動態数理モデルとのデータ同化に関する予備研究を推し進めた。これらを昨年度養成した解析システム構築に係る開発要員かつ協力研究者と伴に行い、研究発表を行った。また、これらに関する理論的な側面や問題点の整理について、共同研究者のマーク氏らと議論した。
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| Strategy for Future Research Activity |
前項と同様、次年度もコロナ禍の影響で海外渡航や海外研究機関での滞在ができない状況が暫く続くと考えられるが、渡航可能時期の到来に備えてリモートで行える作業を進め、渡航可能となり次第、共同研究者と渡航先において研究を実施する。海外研究機関での実験の実施と、昨年度において利用可能となった可視化機器でのデータ取得の再開およびデータ処理、４Ｄデータ解析システムの高精度化を行う。本事業期間延長の決定を受け、本来の予定通り本課題の目的は遂行可能であると考えている。
ショウジョウバエ翅発生過程における細胞外シグナル伝達と生体組織の形態形成・分化・成長メカニズムの解明に向けて、細胞形状取得の３Ｄ高精度化および時系列化を行う。具体的には、細胞形状トラッキングプログラムを完成させ、解析システムに実装していく。トラッキングデータおよびその情報解析により力学量推定を行い、数理モデルとのデータ同化とシミュレーションによる再現を目標とする。シグナル伝達部分の４Ｄデータは十分取得できているため、上記推進方策により形態形成との関連をより明確にできると期待される。
理論的な側面である、上記トラッキングデータの作成手順およびその情報解析部分、また既存の類似プログラムとの比較検討に関しては、理論研究の共同研究者や関連研究者との議論を進め、現在開発中のモデルの改良や新規多細胞動態モデルの開発を試みる。
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