2022 Fiscal Year Research-status Report
Role of fluctuation in regulating the elastic-plastic property of tissues during organogenesis
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22K18749
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| Research Institution | Kanazawa University |
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Principal Investigator |
奥田 覚 金沢大学, ナノ生命科学研究所, 准教授 (80707836)
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| Project Period (FY) |
2022-06-30 – 2024-03-31
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| Keywords | 生体力学 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、器官の形成過程は，ミクロな分子・細胞レベルの力発生により駆動される動的な変形過程であり，マクロな器官レベルにおいて頑強に制御されている．近年，器官発生の進行に応じて，器官を構成する組織の弾塑性が適応的に変化することが分かってきた．特に，この組織の弾塑性を介して，内部構造である細胞骨格や接着構造等のアクティブなゆらぎが，組織の形態形成を制御している可能性がある．そこで本研究では，器官形成にみられる分子・細胞レベルの内部構造ゆらぎが，マルチスケールな相互作用を介して，組織の弾塑性をどのように制御するのかを解明する．
これまでの研究により、細胞骨格から多細胞までを繋ぐマルチスケールな新規力学シミュレーション手法の開発に成功した。この基盤モデルでは、細胞表面の膜は質量を保存しない粘性流体膜として扱った。また、細胞の形態は三角形メッシュで離散化し、その動態は実効的な力学エネルギーと散逸関数で表現した。膜の運動により歪んだメッシュ構造は、改良した動的リメッシング手法により、動的に最適化した。提案した基盤モデルを検証するため、数値シミュレーションを行い、膜の流れが物理的に矛盾なく再現されること、リメッシング手法の影響が無視できることを示した。さらに、開発した基盤モデルの有用性を示すために、マランゴニ効果に類似した細胞運動の数値シミュレーションを実施した。結果として得られた細胞運動は既存の解析解と一致しており、開発した基盤モデルが膜のターンオーバーを伴う細胞の長時間動態を定量的に再現できることが示された。本基盤モデルは、細胞膜動態の単純な記述に基づき、様々な細胞の形や動きを解析するための有用な基盤を提供するものである。
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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
細胞骨格から多細胞までを繋ぐマルチスケールな新規力学シミュレーション手法の開発に成功した。
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| Strategy for Future Research Activity |
（１）開発したマルチスケールな力学シミュレーション手法を用いて、細胞膜・細胞骨格・細胞間接着の三次元動態に関する連成解析を実施する．
（２）器官形成における組織の弾塑性と内部構造ゆらぎとの関係を知るため，多能性幹細胞から誘導した網膜オルガノイドを用いて，材料力学的な摂動下におけるライブイメージングを行う．特に，内部構造である細胞骨格や接着構造の局在，細胞の形態や配置を観察し，その特徴量を抽出する．この幹細胞オルガノイド実験系により，本来は胚組織内部で生じる器官形成の観察と摂動を可能にし，組織の弾塑性と内部構造ゆらぎの定量化を実現する．
（３）開発した力学シミュレーション手法，および，網膜オルガノイドを用いた力学的な摂動実験を組み合わせ，弾塑性のマルチスケールな調節機構を同定する．まず，ライブイメージングにより得られた実データに基づいて，網膜形成における多細胞動態の定量的な力学シミュレーションを行い，どのような調節機構がマクロな組織の形成過程を頑強に実現し得るのかを予測する．さらに，網膜オルガノイドを用いた力学的な摂動実験により，その予測の妥当性を検証する．
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Research Products
(14 results)
