Role of fluctuation in regulating the elastic-plastic property of tissues during organogenesis

本研究では、器官の形成過程は，ミクロな分子・細胞レベルの力発生により駆動される動的な変形過程であり，マクロな器官レベルにおいて頑強に制御されている．近年，器官発生の進行に応じて，器官を構成する組織の弾塑性が適応的に変化することが分かってきた．特に，この組織の弾塑性を介して，内部構造である細胞骨格や接着構造等のアクティブなゆらぎが，組織の形態形成を制御している可能性がある．そこで本研究では，器官形成にみられる分子・細胞レベルの内部構造ゆらぎが，マルチスケールな相互作用を介して，組織の弾塑性をどのように制御するのかを解明する．これまでの研究により、細胞骨格から多細胞までを繋ぐマルチスケールな新規力学シミュレーション手法の開発に成功した。この基盤モデルでは、細胞表面の膜は質量を保存しない粘性流体膜として扱った。また、細胞の形態は三角形メッシュで離散化し、その動態は実効的な力学エネルギーと散逸関数で表現した。膜の運動により歪んだメッシュ構造は、改良した動的リメッシング手法により、動的に最適化した。提案した基盤モデルを検証するため、数値シミュレーションを行い、膜の流れが物理的に矛盾なく再現されること、リメッシング手法の影響が無視できることを示した。さらに、開発した基盤モデルの有用性を示すために、マランゴニ効果に類似した細胞運動の数値シミュレーションを実施した。結果として得られた細胞運動は既存の解析解と一致しており、開発した基盤モデルが膜のターンオーバーを伴う細胞の長時間動態を定量的に再現できることが示された。本基盤モデルは、細胞膜動態の単純な記述に基づき、様々な細胞の形や動きを解析するための有用な基盤を提供するものである。

本研究では、器官の形成過程は，ミクロな分子・細胞レベルの力発生により駆動される動的な変形過程であり，マクロな器官レベルにおいて頑強に制御されている．近年，器官発生の進行に応じて，器官を構成する組織の弾塑性が適応的に変化することが分かってきた．特に，この組織の弾塑性を介して，内部構造である細胞骨格や接着構造等のアクティブなゆらぎが，組織の形態形成を制御している可能性がある．そこで本研究では，器官形成にみられる分子・細胞レベルの内部構造ゆらぎが，マルチスケールな相互作用を介して，組織の弾塑性をどのように制御するのかを解明する．これまでの研究により、細胞骨格から多細胞までを繋ぐマルチスケールな新規力学シミュレーション手法の開発に成功した。この基盤モデルでは、細胞表面の膜は質量を保存しない粘性流体膜として扱った。また、細胞の形態は三角形メッシュで離散化し、その動態は実効的な力学エネルギーと散逸関数で表現した。膜の運動により歪んだメッシュ構造は、改良した動的リメッシング手法により、動的に最適化した。提案した基盤モデルを検証するため、数値シミュレーションを行い、膜の流れが物理的に矛盾なく再現されること、リメッシング手法の影響が無視できることを示した。さらに、開発した基盤モデルの有用性を示すために、マランゴニ効果に類似した細胞運動の数値シミュレーションを実施した。結果として得られた細胞運動は既存の解析解と一致しており、開発した基盤モデルが膜のターンオーバーを伴う細胞の長時間動態を定量的に再現できることが示された。本基盤モデルは、細胞膜動態の単純な記述に基づき、様々な細胞の形や動きを解析するための有用な基盤を提供するものである。