組織透明化によるカエル胚内部構造定量化と有限要素解析：発生と力の関係の解明

利用组织透明度量化青蛙胚胎内部结构和有限元分析：阐明发育与力之间的关系

• 批准号: 18K12028
• 负责人: 安東 頼子
• 金额: $ 2.83万
• 依托单位: Nagoya University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• 财政年份: 2018
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2018-04-01 至 2020-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-18K12028/
• 关键词: Biomechanics; Physical force,; Residual stress; Strain; Young’s modulus; バイオメカニクス; 発生; Xenopus laevis; 残留応力; 蛍光イメージング; ひずみ; 透明化; 胚発生; 力学; 形態形成

生物はその発生過程において, 遺伝情報のみならず細胞間の位置関係や細胞間に生じる力を利用して自律的に形態を形成することが知られており, 正常発生には胚内部に生じる力が重要である.よって発生過程における胚内部の3次元的組織構造や力学状態を明らかにすることが形態形成原理を明らかにする上で必須である. 組織毎の力学特性, 組織間の力のバランスはある程度調べられているが, ３次元組織構造については十分な情報が得られていない. そこで本研究では, 発生の研究で多用されているアフリカツメガエル胚を対象とし, これを透明化することで内部の3次元組織構造を詳細に定量化し, 有限要素解析を通じて, 発生段階における胚内部の３次元力学場を明らかにすることを目的とした. Stage22-36の各発生段階における, 細胞膜にRFPを強制発現させた遺伝子改変アフリカツメガエル尾芽胚を, BABB法を用いて組織透明化し, 焦点蛍光イメージングを行った. 画像解析ソフトImageJを用いて得られたz stack画像から各組織のセグメンテーションを行い, ２値化処理の後3次元再構成することにより胚内部3次元組織構造が得られる. 胚内部の組織に引張力が、隣接組織に圧縮力が作用していた場合, 力の作用方向と直交する面で切断すると、圧縮領域は突出、引張領域は陥凹するはずである. この原理を基に, 先行研究において,アフリカツメガエル尾芽胚内部を切断した後の凹凸を計測することで切断面における組織間の力の残留応力の分布を求めた. また, 押込試験により各組織のヤング率を求めることで切断面内の応力・ひずみ分布を見積もった. 本研究で得られた組織3次元構造と先行研究で得られたヤング率や残留応力などを用いて尾芽胚単純化モデルを作成し,有限要素法による力学モデル解析を行い, 胚内部の3次元応力・ひずみ分布を見積もった.

Biological は そ の 発 birth process に お い て, heritage 伝 intelligence の み な ら ず intercellular の position masato に between cell や じ る force を using し て self-discipline に を form す る こ と が know ら れ て お り, Born born normal 発 に は embryo internal に じ る force が important で あ る. よ っ て 発 birth process に お け る embryo internal の 3 yuan of the mechanical state of the organization structure や を Ming ら か に す る こ と が morphogenetic principle を Ming ら か に す る で must で あ る. Organizations in their の mechanical characteristics, organizational の force の バ ラ ン ス は あ る degree adjustable べ ら れ て い る が, Three dimensional organization structure に つ い て は very な intelligence が ら れ て い な い. そ こ で this study で は, born 発 の research で multi-purpose さ れ て い る ア フ リ カ ツ メ ガ エ ル embryo を like と seaborne し, こ れ を transparent す る こ と で の 3 dimensional internal organization structure を detailed に quantitative し, finite element analytic を tong じ て, 発 raw Duan Jie に お け る embryo internal の 3 dimensional mechanics field を Ming ら か に す る こ と を purpose と し た. Stage22-36 の born each 発 Duan Jie に お け る, cell membrane に RFP を forced 発 now さ せ た heritage 伝 child change - ア フ リ カ ツ メ ガ エ ル を tail bud embryos and new method を with い て organization transparent し, The focus is on 蛍 light メ メ ジ ジ グを line った. Portrait parsing ソ フ ト ImageJ を with い て must ら れ た z stack portrait か ら organizations の セ グ メ ン テ ー シ ョ ン を い, 2 nt change 処 three dimensional form again after Richard の す る こ と に よ り embryo within 3 yuan が organization structure to ら れ る. Embryo internal の organizations に lead tension が, 隣 に が 圧 shrinkage force し て い た occasions, force の direction と rectangular す る surface で cut す る と, outstanding は 圧 shrinkage field, led Zhang Lingyu は 陥 concave す る は ず で あ る. こ の principle を に, Leading research に お い て, ア フ リ カ ツ メ ガ エ ル tail bud embryos internal を cut し た の is concave and convex を after measuring す る こ と で cut surface に お け る の の residual 応 forces between organization を の distribution o め た. ま た, detain 込 test に よ り organizations の ヤ ン を グ rate for め る こ と で cut surface within の 応 Rio DE ひ ず み distribution を see product も っ た. This study で have ら れ た group 3 dimensional structure と first research で ら れ た ヤ ン グ rate や 応 residual force な ど を with い て tail bud embryos 単 purification モ デ ル を し consummate, finite element method に よ る mechanics モ デ ル parsing を い, embryo internal の 応 force, the three dimensional ひ ず み distribution を see product も っ た.

项目成果

Clearing of Xenopus laevis Tailbud Embryos and Quantification of their 3D-tissue Structure toward Finite Element Analysis

非洲爪蟾尾芽胚胎的清除及其 3D 组织结构的量化以进行有限元分析

• 发表时间: 2019
• 作者: Ando Y;Hayashi K;Maeda E;Tsunoda R;Tanaka H;Murase K;Ueno N;Matsumoto T
• 通讯作者: Matsumoto T

非固定透明化ラット胸大動脈加圧時の壁内微視的３次元変形観察

未固定透明大鼠胸主动脉加压过程中三维壁内显微变形观察

• 发表时间: 2019
• 作者: 岡本博之;藤森茜;森川公彦;水野薫;安東頼子，前田英次郎，松本健郎
• 通讯作者: 安東頼子，前田英次郎，松本健郎

血管壁の３次元微細構造を明らかにする画像化技術

揭示血管壁三维微观结构的成像技术

• 发表时间: 2020
• 作者: T. Oyama;M. Ayabe;Y. Inukai;S. Saito;J. Takato;and A. Sako;岡本博之，内藤愛莉奈，水野薫;松本健郎，横田秀夫，杉田修啓，安東頼子
• 通讯作者: 松本健郎，横田秀夫，杉田修啓，安東頼子

押込試験によるアフリカツメガエル尾芽胚切断面かたさの多点計測装置の開発

爪蟾尾芽胚切割表面硬度压痕多点测量装置的研制

• 发表时间: 2019
• 作者: 角田涼，安東頼子，前田英次郎，上野直人，松本健郎