Establishment of theoretical models for collective cell migration

2022 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 19K03764
• 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: The University of Tokyo
• Principal Investigator: Hiraiwa Tetsuya 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 客員共同研究員 (20612154)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: 細胞集団遊走 / 数理モデリング / 数値シミュレーション / データ解析 / 上皮細胞

Outline of Final Research Achievements

I am interested in the dynamic collective behavior generated by living cells when they are interacting with each otehr through intercellular communication, called dynamic self-organization, and am investigating the mechanisms that can give rise to such behavior using theoretical modeling and computer simulations. In this project, in particular, I investigated the case where the cells spontaneously migrating around on a two-dimensional substrate are preforming the types of communications observed in many cell types ubiquitously, called contact inhibition of locomotion, contact attraction of locomotion, and contact follow. I discovered that the combination of cell motility and these types of communication can lead to a highly diverse patterns of dynamic self-organization. Additionally, I found that, through such dynamic self-organization, the cell population become able to efficiently respond to directional external stimuli as a collective entity on average.

Free Research Field

理論生物物理学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

真核細胞が互いにコミュニケーションしながら集団で遊走する過程は、多細胞生物、特に動物の形態形成などの生き物の機能に重要な役割を果たす。本研究により、そのような細胞の集団遊走挙動を計算するための数理モデリングの枠組みが完成した。また、ある種の真核細胞が実際に示す多彩な集団遊走挙動が、本枠組みから提示される単一のモデルで再現できることが示された。さらに本枠組みを応用することで、細胞の集団に限らず、細胞内の骨格として働く生体高分子の集団の運動に見られるある種の特性も説明できることが明らかになった。本研究により細胞集団挙動も含む多彩な動的秩序形成を理論的に研究するための汎用的方法が確立されたと言える。