1997 Fiscal Year Annual Research Report
膜動輸送シシュレータの開発研究-細胞内物質輸送および細胞移動の機構解明への応用-
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09558111
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| Research Institution | Yamagata University |
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Principal Investigator |
小沢田 正 山形大学, 工学部, 助教授 (10143083)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
飯島 良明 山形大学, 医学部, 助手 (90241710)
中田 瑛浩 山形大学, 医学部, 教授 (50009495)
久保田 洋子 山形大学, 医学部, 助教授 (60125763)
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| Keywords | 膜動輸送 / シミュレータ / 細胞内輸送 / 細胞移動 / 有限要素法 / リポゾーム / 大変形解析 / 生体膜 |
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| Research Abstract |
生命の最小単位である細胞内の膜動輸送機構は,物質輸送,エネルギー変換,情報伝達など細胞の機能存亡にとって根幹的な役割を果たしている.また細胞分裂,細胞移動,細胞膜融合にも密接に関与している.本研究では,膜動輸送機構を数値シミュレーションにより可視化し動的に解析する新たなシミュレータシステムの開発,実用化をめざす.
本年度は,汎用数理解析用プログラムMathematicaを利用し,生体膜大変形解析用の独自の有限要素法基本コード開発を試み,新たに以下の知見を得た.
1)弾性ポテンシャル関数を用いて大変形解析用有限要素法の定式化を提示した.
2)生体膜の大変形解析を行い,膜に圧力を印加することで表面積一定条件を満足させ得ることが分かった.また表面積一定条件は,変形後の形状に大きな影響を及ぼす.例えば,平面生体膜に存在する小孔の半径は,周辺部の膜のわずかな変異に反応し大きく変化することが明らかになった.
3)物性値として,Mooney-Rivlin体型ゴム製赤血球膜解析に用いられる定数を使用した.その結果,変形過程における膜張力は,平面生体膜では0.01ー0.04[dyn/cm],3次元球形膜シェル解析では,0.001ー0.05[dyn/cm]となり,既知の実験値を理論的に裏付けることが出来た.
さらに解析的手法により,連結小胞及びチャネルの力学的挙動を解析する手法を提示し,以下の新たな知見を得た.
1)球形膜シェルの開口部を軸に平行に保持して開口展開していくと,わずかな開口半径の変化で大きく形状や張力などのパラメータが変化する位置が数カ所存在する.これは自然曲率を有する膜の,ある種の座屈のような現象と考えられる.
2)連結小胞の繰り返し部では,円筒状および砂時計状のエネルギー的に安定な形状が見出された.
3)連結小胞の末端部においても,砂時計状のくびれを有するエネルギー的に安定な形状が見出された.
4)以上のことから,連結小胞およびこれから派生した円筒状チャネルがエネルギー的に安定名形状の一つとして血管内皮皮細胞内に生成され,存在し得る可能性が理論的に示された.
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[Publications] Kosawada, Skalak et al.: "Formation of Chained Vesicle on Vascular Endothelial Cell and Its Dynamic Aspects" Proc. International Conf. on New Frontiers in Biomechanical Engineering. 85-88 (1997)
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[Publications] 小沢田, 吉田, Skalak et al.: "血管内皮細胞における連結小胞およびチャネルの生成メカニズム" 日本機械学会論文集. 63-607C. 823-830 (1997)
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[Publications] Kosawada, Iijima, Kubota, Nakada, et al.: "A New Approach for Identification of Dynamic Properties of Mammalian Soft Tissues" Proc. International Conf. on New Frontiers in Biomechanical Engineering. 467-470 (1997)
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[Publications] 小沢田, 渡辺, Skalak et al.: "細胞内小胞膜シェルの力楽挙動におけるせん断変形の影響" 日本機械学会 D & D Conf.97,講演論文集. 97-10. 309-312 (1997)
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[Publications] 小沢田, 小野寺, Skalak et al.: "細胞膜シェル構造体の大変形解析用FEMの開発" 日本機械学会 D&D Conf.97,講演論文集. 97-10. 305-308 (1997)
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[Publications] Kosawada, Schmid-Schonbein et al.: "Dynamic Aspects of Endothelial Cell Vesicle-A Theoretical Analysis" Proc. The Third World Congress of Biomechanics. (発表予定). (1998)
