時空間パターンを形成する細胞シートの連続体モデル構築と解析
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22K03428
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 12040:Applied mathematics and statistics-related
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
小林 康明 北海道大学, 電子科学研究所, 准教授 (50455622)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000)
Fiscal Year 2024: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000)
Fiscal Year 2023: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000)
Fiscal Year 2022: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000)
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| Keywords | パターン形成 / 反応拡散系 / 細胞接着 / 数理モデリング / 形態形成 / 分岐理論 |
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| Outline of Research at the Start |
細胞が隙間なく並んだ細胞シート上では，細胞の疎密がつくる空間パターンや，疎密の時間的振動パターンが観察される。化学反応で駆動されるパターン形成に比べて，力学的な要素が駆動する，細胞の疎密を伴うパターン形成の理解は進んでいない。本研究課題では，細胞シートにおいて力学的な因子によって生じるパターン形成を記述するための，数理解析が可能な連続体モデルを構築する。細胞シートの時空間パターンの発生原理を明らかにすることを目指す。
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| Outline of Annual Research Achievements |
今年度は昨年度に引き続き，2次元培養表皮細胞において生じる粗密パターンの実験を説明する数理モデルの構築とその数値計算を行った．表皮細胞は増殖細胞と分化した細胞が層構造をなして並んでいるが，その構造を制御する機構は明らかになっていない．HaKaT細胞とよばれる培養表皮細胞系において，飢餓状態に陥った細胞が凝集して空間パターンが形成されることが共同研究者らの実験で明らかになった．この凝集機構の解明が，表皮における細胞の空間構造を細胞レベルで理解するための鍵になっていると考えられる．昨年構築した数理モデルをさらに改良し，実験結果をよく説明するモデルを構築することを試みた．数値シミュレーションにより，実験で観察されるような粗密パターンが細胞接着の効果のみから生じることを示した．数理モデルはKeller-Segel系と同じ構造をもっており，局所的な接着が実効的に誘引物質と同じ働きをすることでスポットを形成することを明らかにした．以上の結果は対応する実験結果とともに現在論文投稿中であり，プレプリントはbioRxivにアップロードされている．
またこの連続体モデルを，細胞を離散的に扱った粒子モデルから導出することを目標として，同様のパターン形成を示す粒子モデルの構築を行った．数値計算によりこのモデルでも接着の効果のみでスポットパターンを形成することが示された．また安定性解析により，連続体の場合と同様の安定性条件をもつことも明らかになった．
またこの細胞シートの数理モデルを応用した，化学反応が駆動する2次元弾性体シートの振動現象の数理モデルの構築を行った．化学反応により2状態間を遷移するドメインを三角格子状に結合した弾性体において，フラットな状態が不安定化し，実験に対応する振動現象が生じることを示した．現在解析を進めている．
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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
昨年構築された数理モデルを基に、さらなる改良を加えることができた．これにより、モデルがより実験データと一致するようになり、実験で観察される細胞の粗密パターンを数値シミュレーションによって再現できた．また細胞の接着がどのようにしてパターン形成を引き起こすのかを明らかにすることができた．
次に、新たに構築した数理モデルがKeller-Segel系と同じ構造を持つことを確認し、細胞接着が誘引物質と同様の機能を果たしていることを解明できた．これらの成果を基にした論文を現在投稿中であることから，研究は概ね順調であると考えられる．また現在の連続体モデルは現象論的に導出されたものだが，これを細胞レベルのモデルから導出するための粒子モデルの構築に入ることができている．またこの研究を発展させた，2次元弾性体シートの研究も進めることができている．
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| Strategy for Future Research Activity |
現在の現象論的に導出された2変数連続体モデルを，より基礎的な細胞レベルの離散モデルから導出することを試みる．現在の離散モデルの数値計算で得られている空間パターンには連続体モデルにはない異方性があり，これを解消するための数理モデルの改良が今後の課題である．2次元弾性体シートの研究については次年度中に論文投稿を行う予定である．
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Report
(2 results)
Research Products
(5 results)
