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本課題では、形態形成における階層を超えた秩序形成ロジックを理解するために、力学－生化学連成に着目し、形態形成素過程における力学的、生化学的な場の形成素過程と分子・細胞動態との相互作用、そこから創発する組織階層のダイナミックな形状変化との関連について解析する数理モデルの構築を目指している。また、力学の観点から形態形成を捉え直すことにより、純粋に力学的な記述が可能である組織変形と力学－生化学連成が重要である組織変形とを分類・対比し、純粋な力学を超えて力学－生化学連成によってどのような特徴を有する組織変形の動態が可能となるのかを明確に理解することを目指している。
本研究代表者らは、これまでに、形態形成に見られる組織変形を細胞の力学的挙動から解析できる数理モデル(RNRモデル)を構築してきた。本年度は、組織スケールに渡る生化学因子の反応拡散現象を細胞個々が見える空間精度で数理モデル化を行い、力学的な組織変形を細胞レベルから表すRNRモデルと連成した。生化学因子として、細胞増殖因子を対象に、シミュレーションを行い、細胞増殖因子にトリガーされて成長する組織形状の変化を解析した。その結果、生化学因子の発生源（シグナリングセンター）を起点に形成される濃度パターンの２次元空間情報は、細胞増殖による細胞圧縮力として組織内に作用し、結果、組織の面外変形を起こすこと、すなわち、力学－生化学連成により、３次元的な組織立体構造に変換されることを示すことができた。さらに、力学的観点から、組織立体構造の形成過程について、細胞が能動的に発生する力と組織形成との関連について焦点を絞り、検討した。その結果、発生する力の空間パターンが、形成される組織立体構造に極めて重要であることがわかってきた。
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