2013 Fiscal Year Annual Research Report
レーザー過渡力学解析による細胞・組織内の応力テンソルの解明
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24360027
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| Research Institution | Nara Institute of Science and Technology |
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Principal Investigator |
細川 陽一郎 奈良先端科学技術大学院大学, 物質創成科学研究科, 准教授 (20448088)
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| Project Period (FY) |
2012-04-01 – 2016-03-31
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| Keywords | フェムト秒レーザー / 原子間力顕微鏡 / 生体計測 / 衝撃波 / 力学作用 |
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| Research Abstract |
本年度はまず、植物生理学において代表的な植物試料として用いられているシロイヌナズナを対象として実験を進めた。シロイヌナズナの根の先端（根端）にAFM探針を接触させ、探針の移動量と探針の曲り量の関係（フォースカーブ）から根端の弾性と塑性を評価することに成功した。さらに、AFM探針が接触している根端の直下にフェムト秒レーザーを集光照射することにより、衝撃力を誘起し、それにより根端を過渡的に振動させることに成功し、その振動をAFM探針により検出することができた。AFM探針の振動は、プローブレーザーの四分割フォトダイオード上の電圧変位として検出され、その電圧変位はオシロスコープによりナノ秒の時間分解能で検出される。この電圧変位をAFM探針の位置変位に構成することができ、フェムト秒レーザー誘起衝撃力により根端は数10nm程度振動していることが分かった。この振動データを高速フーリエ変換することにより、根の振動スペクトルを得ることに成功した。ここでバネ定数の異なるAFM探針により計測した結果、振動スペクトルがAFM探針に依存する結果が得られた。この結果は、AFM探針の種類によっては、探針と根とが強く共鳴する場合があることが示しており、試料の弾性に合わせた探針を選択して実験を行うことが重要である。さらに、発生生物学において代表的な試料として用いられるゼブラフィッシュ胚を用いて実験を行い、シロイヌナズナの場合と同様に振動スペクトルを得ることに成功した。細胞壁を持たないゼブラフィッシュ胚は、シロイヌナズナの根に比べて圧倒的に柔らかく、バネ定数の低いAFM探針を使用することにより、適正な振動スペクトルを得ることに成功した。さらに、これらの試料で得られる振動スペクトルが、レーザー集光位置とAFM探針の位置関係に依存することが分かった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
前年度の交付申請書に記載したとおりシロイヌナズナについては遺伝子改変により根の機械的強度を変化させた試料を用いた実験も行っており、変異体でフォースカーブおよび振動スペクトルに差を見出すことができている。一方で実験を進める中、振動スペクトルの意味が当初予測よりも遥かに複雑で、かつ生体試料の最大の問題である個体差が非常に大きい問題から、実験の再現性を含め、その意味を理解するためにはより詳細な実験検証の必要性が生じた。そのため計画していたカルシウムイオン濃度のイメージングの実験を保留し、AFM探針により検出される振動スペクトルのレーザー集光位置依存性を詳細に評価することに注力した。結果として、振動スペクトルがレーザー集光位置に依存することに成功した。この成功により、本実験にトモグラフィー解析を適用し、試料内の弾性応力を推定できる可能性が示された。シロイヌナズナの弾性と塑性をAFMのみを用いたフォースカーブの測定により調べた研究例がこれまでにあるが、この方法では、力の付加と検出の両方をAFM探針により行うため、本研究で提案している方法のように力の付加（レーザー誘起衝撃力）と検出（AFM探針）の位置を分けることができないため、トモグラフィー解析のための情報を得ることが難しい。本実験で得られた結果のトモグラフィー解析までが達成されれば、従来法では得られなかった生体組織内の弾性応力の空間分布が評価できるようになると考えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後、有限要素法を用いた物理シミュレーションソフトを用いて、シロイヌナズナやゼブラフィッシュなどの生体試料内の応力テンソルの分布を仮定した物体の物理モデルを構築し、そのモデルに過渡的な力を加えたときの振動を計算していきたいと考えている。その結果と実験で得られる結果を照合することにより、生体試料の応力テンソルの分布を推定するトモグラフィー解析の足掛かりを作っていきたいと考えている。また、このような逆解析を行うためには、応力テンソルが既知であるシンプルな試料を用いた実験による実験データと照合モデルの蓄積が不可欠となる。そのため、生体材料と機械的特性の似た微小なシリコーン製の構想物を作製し、その試料に対してAFM探針を接触させ、レーザー誘起衝撃力を加えた際の振動スペクトルのレーザー集光位置依存性について計測し、実際の実験結果と計算モデルの間の整合性についての検討を進めていく必要性があると考えている。さらにシロイヌナズナでは、浸透圧を調整することにより細胞内の膨圧を変化させ、機械強度を変化させることができる。ゼブラフィッシュでは、ヨークの膨圧を緩和することのよりヨークに接触している杯の機械強度を変化させることができる。このような操作により、同じ形状を持つが、機械強度のみが変化させられている試料を用いて振動スペクトルのレーザー照射位置依存性を調べ、計算モデルと比較することにより、シロイヌナズナやゼブラフィッシュの細胞および組織レベルの応力テンソルを如何にモデル化し、実験で得られる振動スペクトルとの間で整合性をとるかについて検討を進めていきたいと考えている。
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| Expenditure Plans for the Next FY Research Funding |
以下の2点の理由で前年度未使用額が生じた。
①フェムト秒レーザーが想定外に順調に駆動したため、光学部品の補填や整備の必要が生じなかった。
②生物実験のための試料購入を予定したいたが、共同研究者からの提供で足りたため、その購入費が少なくて済んだ。
上記①②が前年度に必要なかった分、今年度必要になると想定され、前年度未使用金をそのために使う。
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