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

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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.