Elucidation of the mechanism of vascular network formation by mathematical modeling based on in vitro data analysis

血管網の形成は，怪我による治癒過程だけでなく，悪性新生物の増殖や転移に深くかかわっている。そこで，本研究では，実験から得られる細胞個々の運動に関するデータから，数理分野の理論と技術，特にクラスタリングなどの統計手法を用いて解析し，血管新生（既存の血管網から新しい血管が出現する形態形成過程である）において管腔が形成されるまでのメカニズムを明らかにする。そこでまず本年度は，血管新生における内皮細胞のダイナミクスを2次元数理モデルで検討した。近年，血管新生時の伸長，分岐，細胞混合などの細胞運動を，内皮細胞間の単純な二体相互作用を仮定して再現する一次元離散力学モデルが提案されている。その2次元的な拡張を行ったのが今年度の成果であり，内皮細胞を，排除体積効果による反発的相互作用，仮足による引力的相互作用，接触による回転という2体相互作用を持つ楕円体として表現している点が特徴である。そして，今回提案した数理モデルによって，楕円の扁平率や接触回転の大きさが，形成される血管パターンの形状や枝の伸長に大きく影響を及ぼすことを示した。より現実的な数理モデルを提案できたことは，今後の血管網形成のメカニズム解明において大きな意義を持つと考える。今後は，管腔形成を再現する数理モデルの提案のために，3次元への拡張を行うとともに，管腔形成のメカニズムを解明するために，管腔構造を作り出す内皮細胞の特性を実験結果の解析により明らかにしていく。

血管網の形成は，怪我による治癒過程だけでなく，悪性新生物の増殖や転移に深くかかわっている。そこで，本研究では，実験から得られる細胞個々の運動に関するデータから，数理分野の理論と技術，特にクラスタリングなどの統計手法を用いて解析し，血管新生（既存の血管網から新しい血管が出現する形態形成過程である）において管腔が形成されるまでのメカニズムを明らかにする。そこでまず本年度は，血管新生における内皮細胞のダイナミクスを2次元数理モデルで検討した。近年，血管新生時の伸長，分岐，細胞混合などの細胞運動を，内皮細胞間の単純な二体相互作用を仮定して再現する一次元離散力学モデルが提案されている。その2次元的な拡張を行ったのが今年度の成果であり，内皮細胞を，排除体積効果による反発的相互作用，仮足による引力的相互作用，接触による回転という2体相互作用を持つ楕円体として表現している点が特徴である。そして，今回提案した数理モデルによって，楕円の扁平率や接触回転の大きさが，形成される血管パターンの形状や枝の伸長に大きく影響を及ぼすことを示した。より現実的な数理モデルを提案できたことは，今後の血管網形成のメカニズム解明において大きな意義を持つと考える。今後は，管腔形成を再現する数理モデルの提案のために，3次元への拡張を行うとともに，管腔形成のメカニズムを解明するために，管腔構造を作り出す内皮細胞の特性を実験結果の解析により明らかにしていく。