2015 Fiscal Year Research-status Report
細胞分裂を伴う腫瘍成長の流体力学的シミュレーション
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26610131
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
山本 量一 京都大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (10263401)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | シミュレーション / 細胞分裂 / 腫瘍 / 生体組織 / アクティブマター |
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| Outline of Annual Research Achievements |
再生医療の様な最先端の医学・生物学が対象とする複雑な問題に対して、物理学的な視点から矛盾のないモデルを構築し、計算機シミュレーションで定量的に正しい予測が得られる日は来るだろうか？現状の計算機とモデリング技術では全く歯が立たないが、そう遠くない未来にこれを実現できるよう、世界に先駆けて計算科学のフロンティアを前進させることには大きな意義がある。我々は、ソフトマターに対して成功を納めたモデリング手法を発展させ、生体細胞や生体組織に対して有効なモデリング手法を構築し、現実的な具体例への適用を目指している。
生体組織では細胞分裂や細胞遊走などにより能動的に内部応力が発生し、自発的な組織の成長・修復・変形が長い時間スケールで起こる。また、細胞分裂や細胞遊走の起こる確率はマクロな外力や変形に強く依存する。このようなミクロとマクロの能動的な結合を計算科学によって理解し、制御しようとする試みはほとんど例がなく、急速な発展が見込まれる研究領域であるにもかかわらずほとんど未開拓である。
我々は先駆的な試みを開始したところであるが、最終的には細胞分裂より長い時間スケールで起こる生体組織の成長や変形という問題に挑戦する計画である。その場合は細胞分裂という通常の物質にはないアクティブなプロセスのモデリングが鍵となる．現実の細胞は，細胞内部のアクチン・ミオシンによる伸張と収縮を周期的に繰り返して移動する．この機構で発生する力は内的なものであり，その総和はゼロでなければいけない．我々はまず，この様な内的な力の切り替えによる周期運動で移動する力学モデルを考えた．この様に導出した遊走する細胞の力学モデルに対し，モデル細胞間の相互作用（排除体積＋接着力＋運動の接触阻止），更には細胞が分裂して増える機構を加えることで，自己複製・自己組織化する細胞集団のモデリングを可能とした．
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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
平成２７年度は、自発的に運動・増殖する細胞集団のモデリングに主に取り組んだ。アメーバや粘菌の一種，あるいはケラトサイトと呼ばれる魚類の表皮細胞を基板上に置くと，自発的に一見ランダムな遊走運動を開始する．この運動は微粒子のブラウン運動にも似ているが，細胞はエネルギーを消費しながら基盤に駆動力を作用させて自走している点で，熱平衡状態での受動的なブラウン運動とは大きく異なる．さらに，そのような遊走細胞が多数集まると，非常に不思議な集団運動を示すことも知られている．我々は，このような自発的に運動する細胞集団に対して有効な力学的モデルを構築し，自己複製・自己組織化する細胞集団が示す特異なダイナミクスの再現に成功した．これらのことから、研究はおおむね順調に進展していると考えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
平成２７年度は、自発的に運動する細胞集団に対して有効な力学的モデル構築を行った。平成２８年度は、構築したモデルを用いた大規模なシミュレーションを実施し、得られた結果の解析を行う。我々のモデルは１つの細胞を青赤２つの粒子で表し，１周期の前半部分で伸張が，後半部分で収縮が起こるように内部のバネを切り替える．同時に青部分と赤部分の基板に対する摩擦係数を変化させることで，細胞の移動が実現出来る．１周期ΔTの間に距離ΔLを移動するので，平均速度はΔL/ΔTである．このままでは細胞の周期運動を顕わに考慮する必要があるので，次に平均速度を一定に保ったまま，周期ΔT→0とすることで，周期を持たない（周期運動を平均化した）力学モデルを導出する．
この様に導出した遊走する細胞の力学モデルに対し，モデル細胞間の相互作用（排除体積＋接着力＋運動の接触阻止），更には細胞が分裂して増える機構を加えることで，自己複製・自己組織化する細胞集団のモデリングを可能とし，細胞組織に発生した傷の治癒や細胞コロニーの成長に応用する．
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| Causes of Carryover |
小規模なシミュレーションを試行錯誤することで，構築したモデルの妥当性を高める予定であったが，モデルの構築が予想以上にスムーズに進行した．そのため，その過程で予定していたデータ整理のための人件費を，次年度の大規模データの解析に一括して使用することにした．また，成果発表を次年度に行うほうがよりインパクトがあると判断し，今年度予定していた成果発表のための旅費を次年度に使用することにした．
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
平成２８年度後期に大規模データの解析を行う計画であり，そのために人件費を使用する．また，平成２８年度中に成果発表のための旅費を使用する予定である．
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Research Products
(7 results)
