Comprehensive mechanical mapping of developing embryo by atomic force microscopy

2022 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 21K18886
• Research Category: Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Medium-sized Section 29:Applied condensed matter physics and related fields
• Research Institution: Hokkaido University
• Principal Investigator: Okajima Takaharu 北海道大学, 情報科学研究院, 教授 (70280998)
• Project Period (FY): 2021-07-09 – 2023-03-31
• Keywords: 発生胚 / 原子間力顕微鏡 / メカニクス

Outline of Final Research Achievements

In this study, I developed an atomic force microscopy technique allowing elastic modulus and tension of developing embryos. The AFM relied on the measurement of nonlinear force curves, which were analyzed with Boltzmann's superposition principle. Using the AFM technique, I investigated the spatiotemporal dynamics of the mechanical properties of embryonic cells in the early cleavage and neurula stages. I found that the rheological properties of cells during cell division were similar in the animal and vegetal hemispheres. Furthermore, I estimated embryonic cells' elastic modulus and tension during the neurula stage.

Free Research Field

生物物理学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

発生胚の形成メカニズムを理解することは、基礎生物学的および再生医工学的に重要である。発生胚の時空間的な構造変化は、力学的な相互作用により制御されているが、その1細胞レベルの挙動は計測法の欠如により、未知な点が多い。本研究では、胚形成過程の細胞の弾性率や張力、および粘弾性（レオロジー）を1細胞レベルで計測可能な原子間力顕微鏡（AFM）技術を開発した。そして、初期胚および神経胚のメカニクスの計測に成功した。したがって、本研究で開発したAFMは、今後の胚形成過程の研究において極めて有用な手法を提案すると期待される。