多繊毛配置と流体輸送効率の関係の解明　数値流体力学的アプローチ

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上皮多繊毛細胞は、1つの細胞から生える何百本もの繊毛を協同的に波打たせることによって、気管清掃や卵細胞輸送などの重要な生命活動を担っている。効率的な流体輸送を実現するために、多繊毛はその形成の過程で皆が同じ方向を向いて波打つようにきっちりと制御されている。その一方で、多繊毛の配置は種や器官によって大きく異なり、繊毛の一様な向きに比べて多様性があることが近年の研究で明らかとなった。しかしながら、異なる繊毛配置の生物学的意味は依然よく分かっていない。本研究では繊毛配置の意味を探るため、具体的な解析対象としてマウス上皮多繊毛細胞で見られる直線状の繊毛配置に焦点を絞り、その意味を流体力学シミュレーションを用いて調べた。具体的には、まず、1) 実際に生体内で観察される形と同じ波打ちを行うモデル繊毛を多数用意し、2) これらのモデル繊毛を特定の配置で二次元平面上に並べて波打たせ、 3) 配置の違いによって繊毛による三次元的な流体輸送の様子がどのように変化するのかを調べた。その結果、単位時間当たりに多繊毛によって輸送される流体の総量は、繊毛が波打ち方向に対して垂直に直線状配置をとっている時に大きくなり、直線配置を撹乱すると劇的に減少することが分かった。また一方で、多繊毛が流体を輸送するために消費した単位時間当たりの総エネルギーは、繊毛の配置にはほとんど影響されないことも分かった。以上より、単位消費エネルギー当たりの流体輸送量、つまり流体輸送効率は、直線状配置の時に高くなることが示された。これらの結果は、限られたスペースに特定の数の繊毛を配置する場合は、繊毛の波打ちと垂直な方向に繊毛を直線状に配置する方法が、流体輸送効率の観点から優れていることを意味している。これが実際のマウス上皮多繊毛細胞において、繊毛が直線状に配置していることの適応的意味の一つであると考えられる。