2021 Fiscal Year Annual Research Report
二次元細胞集団の相状態とダイナミクス：局所秩序構造の定量手法の開拓
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20H01870
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
山本 暁久 京都大学, 高等研究院, 特定助教 (90706805)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
上野 盛夫 京都府立医科大学, 医学(系)研究科(研究院), 講師 (40426531)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | ソフトマター物理 / 細胞集団 / 秩序構造 / 位相的データ解析 / 医学物理 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、上皮系細胞集団における細胞の局所的な配列秩序に着目し、細胞集団の秩序形成過程と摂動に対する再配列過程における局所的な秩序の維持・喪失ダイナミクスの時空間パターンを細胞スケールの精度で定量的に記述する新たな物理モデルを構築する。多細胞集団がつくる局所的な配列秩序の定量から集団全体の相状態と安定性を記述する新たな枠組みを提案する。臨床医学の課題に直結するヒト角膜内皮細胞を用い、さらにその細胞生物学的な特性を制御した上で細胞集団の配列秩序と安定性を実験的に検証する。
今年度はコロナ禍の影響を受けながらもヒト角膜内皮細胞の供給を得ることができるようになり、細胞集団の成熟過程における秩序形成過程を測定するための実験を行った。安定な細胞培養条件下において、高品質な細胞亜集団を作成するための条件で細胞増殖過程を連続観察できる実験系を構築した。また、細胞集団における局所的配列秩序の可視化と評価を行うために、再生角膜内皮画像および培養ヒト角膜内皮のスナップショット画像に対するパーシステントホモロジー解析を行った。細胞集団がその品質により異なる特徴的な局所的配列構造を持つことを見出した。さらに、その低品質の細胞群でのみ局所的配列構造の周縁部と内部において細胞サイズが有意に異なることや、周縁部の細胞が形成するリング構造の形状に特徴的なゆがみが生じることを明らかにした。
さらに、培養されたヒト角膜内皮細胞および細胞注入療法によって再生した角膜内皮組織の長期予後の臨床評価の両方について、細胞配列秩序に関する解析の結果と臨床成績の関係を研究分担者・上野らと国際誌に発表した（上野、山本ら、Am. J. Ophthalmol. (2022)）。
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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
角膜内皮細胞を安定的に確保することができるようになったことに加え、技術補佐員を雇用したことで、細胞実験を多角的に行うことが可能になった。そのため、条件検討を行いながら必要な実験を行い、データ解析に最適な動画像データを取得できるようになった。
また、パーシステントホモロジー解析による再生角膜内皮画像および培養ヒト角膜内皮のスナップショット画像の特徴づけにおいても、細胞品質により異なる特徴的構造を見出しただけでなく、そのようなパターンを形成する細胞配列の条件が分かってきた。現在、この成果を発表するため論文を執筆している。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後、細胞形状をより精密に観察するために、蛍光分子による細胞の標識化を行う。また、細胞の増殖について得られた動画像データから細胞輪郭を抽出するアルゴリズムを高速化・高精度化し、これまで進めてきた局所構造の時間発展の定量化を更に精密に解析することを試みる。また、パーシステントホモロジー解析による特徴的な構造の抽出については、細胞品質と特長的構造を形成する細胞配列の条件をより詳しく解析する。
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