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2019 年度 実施状況報告書

細胞集団遊走モデルの展開―動的秩序形成と多細胞現象の理解に向けた発展―

研究課題

研究課題/領域番号 19K03764
研究機関東京大学

研究代表者

平岩 徹也  東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 客員共同研究員 (20612154)

研究期間 (年度) 2019-04-01 – 2022-03-31
キーワード細胞集団遊走 / 数理モデリング / 数値シミュレーション / データ解析
研究実績の概要

遊走細胞が集まった際の動的秩序を調べている。先行研究で構築した細胞集団遊走モデルに基づき、細胞たちが互いに多彩な細胞間コミュニケーションを行っていることを仮定し、その際にどのような集団での挙動が見られるかを理論的、数値的に解析している。
特に接触追尾(Contact following)を行う場合の数値シミュレーションを行った。結果、ある種の細胞性粘菌の変異株が自発的に示す伝搬密度波パターン(理研BDR柴田研究室の実験結果)が接触追尾の効果により再現されることを見出した。柴田研究室と共同で実験理論の比較を行い、査読付き学術論文として公表した(Hayakawa, Hiraiwa, Wada,Kuwayama and Shibata,(2020) "Polar pattern formation induced by contact following locomotion in a multicellular system" eLife.)。
また、接触追尾と同じく多様な遊走細胞種で見られるコミュニケーション様式である、接触遊走抑制(Contact inhibition of locomotion)や接触遊走牽引(Contact attraction of locomotion)も行う場合に予想される集団挙動についても研究した。結果として過去の文献などにみられる細胞性粘菌やその変異株が示す多彩なパターンが各種コミュニケーションの強さをコントロールするだけで再現できることがわかった。さらにそれらの集団挙動を行うことで、細胞たちが外からの方向性のある刺激に対して、自然と集団で効率良く応答できるようになることを発見した。本結果を査読付き学術論文として投稿準備中である(Hiraiwa, "Dynamical ordering of idealized migrating cells")。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

一年目の課題である孤立した遊走細胞数理モデルの数値シミュレーションはほぼ完成し、一報の共同研究論文の公表につながった。また一報の論文が投稿直前である。数理モデルと実験をつなぐための課題である、機械学習を用いた細胞遊走アッセイデータ解析についても、シンガポール国立大学メカノバイオロジー研究所の研究員らと共同で、導入を進めている。

今後の研究の推進方策

当初の計画に沿って研究を進める。1つ目の数理研究課題である「孤立した遊走細胞が集まった際の動的秩序」はほぼ完成したため、2つ目の課題である「上皮細胞集団の遊走の2層モデル」に進む。
多細胞生物の身体は細胞がコラム状に敷き詰まった上皮という組織で覆われている。この組織を構成する細胞が上皮細胞と呼ばれる。イヌ腎臓尿細管上皮細胞株(MDCK細胞)など遊走上皮細胞では、上皮側の力学状態に依存して各細胞の遊走能や細胞サイクルなどのダイナミクスが変わり得ることが知られている。例えばMDCKは上皮側の引張を感じてその逆方向に極性を発現することが知られている。この系の数理モデルとして上皮側の力学と基盤側の運動の両方を取り入れた数理モデルを提案した。本モデルの解析を進めていく。
機械学習を用いて細胞遊走アッセイから数理モデル検証につなげるデータ解析についても引き続き導入を進める。

次年度使用額が生じた理由

本務先がシンガポール国立大に変更になったことにより、必要設備に変更が生じたため。
新型コロナウイルス感染症(COVID-19)の影響により、学会参加や研究者招聘が実施不可能になったため

  • 研究成果

    (7件)

すべて 2020 2019 その他

すべて 国際共同研究 (1件) 雑誌論文 (1件) (うち査読あり 1件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (4件) (うち国際学会 2件) 備考 (1件)

  • [国際共同研究] シンガポール国立大学メカノバイオロジー研究所(シンガポール)

    • 国名
      シンガポール
    • 外国機関名
      シンガポール国立大学メカノバイオロジー研究所
  • [雑誌論文] Polar pattern formation induced by contact following locomotion in a multicellular system2020

    • 著者名/発表者名
      Masayuki Hayakawa, Tetsuya Hiraiwa, Yuko Wada, Hidekazu Kuwayama, Tatsuo Shibata
    • 雑誌名

      ELife

      巻: 9 ページ: e53609

    • DOI

      10.7554/eLife.53609

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] 遊走細胞集団の動的秩序形成: 数値シミュレーション研究2020

    • 著者名/発表者名
      平岩徹也
    • 学会等名
      日本物理学会 第75回年次大会(オンライン開催)
  • [学会発表] Computer simulations on collective behavior of migrating eukaryotic cells2019

    • 著者名/発表者名
      Tetsuya Hiraiwa
    • 学会等名
      XVth RENCONTRES DU VIETNAM 2nd Mechanobiology Meeting in Vietnam: When Physics meets Biology
    • 国際学会
  • [学会発表] 遊走細胞集団の挙動の数値シミュレーション2019

    • 著者名/発表者名
      平岩徹也
    • 学会等名
      日本物理学会 2019年秋季大会
  • [学会発表] Dynamical ordering of migrating eukaryotic cells2019

    • 著者名/発表者名
      Tetsuya Hiraiwa
    • 学会等名
      2nd Joint Symposium between MBI and Universal Biology Institute
    • 国際学会
  • [備考] Tetsuya Hiraiwa, Ph.D

    • URL

      https://sites.google.com/site/tetsuyahiraiwa/

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公開日: 2021-01-27  

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