2021 Fiscal Year Annual Research Report
関数論による逆問題的アプローチに基づく細胞配向構造の設計理論の構築
| Project/Area Number |
20K22387
|
|---|
| Research Institution | The University of Tokyo |
|---|
Principal Investigator |
宮廻 裕樹 東京大学, 大学院情報理工学系研究科, 助教 (40881206)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2020-09-11 – 2022-03-31
|
| Keywords | 細胞集団 / 位相欠陥 / 関数論 / 逆問題 / ソフトマター / 確率ゆらぎ |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は，紡錘形細胞の配向構造を再現性良く実現するための細胞パターン形状の設計手法を確立することを目的としている．本年度は，昨年度に確立した複素関数論に基づいた2次元領域上の細胞配向構造の順問題解法を応用し，以下の研究を遂行した．
(1) 細胞配向の順問題解法の実験検証：前年度に確立した細胞配向構造の順問題解法の妥当性を検証するための培養実験を行った．高さ40μmの凹凸をもつPDMS構造体上にマウス筋芽細胞(C2C12)を播種し，細胞の配向を位相差顕微鏡より計測した．その結果，細胞は凹凸に沿って配向し，数値計算による予測結果と同様な配向パターンが得られていることを確認した．
(2) 細胞配向の確率的ゆらぎを少なくするためのパターン形状の設計法とその実験検証：前年度に確立した細胞配向の順問題解法は，細胞集団をネマチック液晶とみなしたときの弾性エネルギーを位相欠陥（配向角度が定義できない特異点）の位置について最小化することで，最適な細胞の配向パターンを求めるという方略をとっていた．しかし，細胞組織中の欠陥は実験的には細胞運動によるゆらぎによってばらついてしまうという問題があった．そこで，位相欠陥の位置のゆらぎについての確率モデルを導入することで、欠陥の位置のゆらぎを定量的に評価する手法を確立した．さらに確率的ゆらぎを抑えるパターン形状の設計法を提案した．マルコフ連鎖モンテカルロ法を用いた数値実験とマウス筋芽細胞を用いた培養実験の結果を比べることで，形状の対称性を崩した領域において欠陥のばらつきを抑えられることを示した．
(1), (2)の研究成果により，培養実験と整合性のある細胞配向の設計理論を構築することができた．これらの成果は，組織の均質性が数理的・物理的に保証された細胞組織の設計の指針になると考えられる．
|
