2021 Fiscal Year Annual Research Report
生体組織の形態形成において細胞移動から生じる組織流動現象の連続体力学モデリング
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21J00294
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Research Institution | Kobe University |
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Principal Investigator |
竹田 宏典 神戸大学, 工学研究科, 特別研究員(PD) (30931787)
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| Project Period (FY) |
2021-04-28 – 2024-03-31
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| Keywords | 形態形成 / 細胞移動 / 座屈 / 粘弾性流体 / アイソジオメトリック解析 / シミュレーション / 計算力学 / 連続体力学 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
2021年度は、生体の形態形成における細胞移動について、多数の細胞から成る多細胞組織としての巨視的な挙動と、個々の細胞の微視的な挙動の両空間スケールにおける数理モデリングを行った。そして、それぞれの数理モデルに対して、アイソジオメトリック解析手法を用いた数値シミュレーションのための計算基盤を開発した。組織スケールの数理モデリングでは、負荷された力に応じた受動的な細胞の配置替えにおいて、細胞同士の接着面が再編成される過程を組織の粘性的な挙動として数理モデル化した。加えて、組織に蓄積される弾性エネルギーを考慮し、組織を粘弾性流体として数理的に記述した。そして、支配方程式の有限要素法離散化と、NURBS(Non-Uniform Rational B-Spline)による形状表現を用いて、アイソジオメトリック解析を行った。組織の体積的な成長によって生じる粘弾性流体の座屈現象について解析し、弾性体の座屈との比較を通じて、伸長したしわ形態が形成されることを明らかにした。
また、組織中を移動する個々の細胞の変形を調べるため、細胞膜の変形を表現する連続体力学モデルを構築した。細胞膜の運動は、Kirchihhoff-Love shell理論に基づいて記述し、細胞膜の構成則にはHelfrichモデルとSkalakモデルを用いた。そして、細胞が移動する際に、細胞膜が流動して伸長した突起が形成されることに着目し、細胞膜の流動から生じる突起形成のアイソジオメトリック解析を行った。その結果、細胞膜の流動にともなう面拡大の空間分布によって、伸長した形状とくびれた形状が形成されることを明らかにした。
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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
2021年度は、細胞移動から生じる組織の流動的な挙動の数理モデリングに取り組んだ。特に、細胞同士の接着が再編成される配置替えを組織の粘弾性流体としての挙動としてモデル化した。さらに、本モデルに基づいて、アイソジオメトリック解析手法を用いて数値シミュレーションのための計算手法を開発した。また、個々の細胞の移動を表現するための数理モデリングについて、2022年度に行う予定であった細胞膜の変形の数理モデリングを前倒しして行った。組織変形の数値シミュレーションで用いた計算手法と同様の手法を適用することにより、膜面積の拡大にともなう細胞膜の突出について解析を行うことが可能になった。以上のように、細胞移動から生じる組織挙動と、細胞膜の変形について、おおむね研究計画の通りに研究を進めることができた。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は、構築した数理モデルの拡張と、生体組織の形態形成の数値シミュレーションを行う。まず、これまでに構築した組織の粘弾性流体モデルは、組織に生じる応力によって受動的に細胞が移動する現象を対象としていた。これに加えて、能動的に細胞が力を発揮して移動する現象を表現する数理モデルを新たに構築する。そして、細胞移動をともなう脳のしわ形成や腸の柔毛形成へ本モデルを適用し、数値シミュレーションを通じて、細胞移動がしわ形成に与える影響を明らかにする。ここで、能動的な細胞移動において、細胞が発揮する力や周囲の組織に生じる応力場などは、細胞動態の数値シミュレーションにより解析する。そのために、昨年度に構築した細胞膜の突出の数理モデルに、細胞膜の突出の駆動力となる細胞骨格の形成を組み込む予定である。以上の方策を通じて、細胞移動が組織の形態形成に与える影響を明らかにする。
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