Mathematical studies of morphogenesis models of cell populations by energy optimization and its development

能量优化细胞群形态发生模型的数学研究及其发展

基本信息

批准号：
22K03426
负责人：
須志田隆道
金额：
$ 2.58万
依托单位：
SALESIAN POLYTECHNIC
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-04-01 至 2027-03-31
项目状态：
未结题

项目摘要

今年度は第一に、細胞性粘菌のように個々の細胞が走化性によって集団を形成することを表現するフェーズフィールドモデルの構築およびその数値シミュレーションの研究を前田楓太氏（サレジオ工業高等専門学校専攻科）との共同研究として行った。本研究では三次元空間内で平面状の基底膜上を運動する場合と球体状の基底膜内を運動する場合の2つについてモデルを構築した。平面状の基底膜上を運動する場合では、飢餓状態の細胞性粘菌を念頭において、細胞性粘菌が放出するサイクリックAMPを記述するMartiel-Goldbeterモデルを多細胞集団の細胞運動を表現するフェーズフィールドモデルにカップリングすることを試み、走化性応答によって集団が形成されることと他細胞の細胞膜状を運動する効果を導入することでマウンド状の細胞集団が自己組織的に形成されることの数値シミュレーション結果を得ることができた。球体状の基底膜内を運動する場合では、走化性応答を導入せずに、細胞性粘菌のように速く運動する細胞と遅く運動する細胞の2種類を導入した場合について、細胞集団が回転軸方向に伸長することを示す数値シミュレーションに行った。上記の2つの場合の三次元フェーズフィールドモデルの数値シミュレーションでは、GPGPUによる陰解法を用いることで高速化を行うことを検討しているが、細胞数が多い場合には膨大な時間を要してしまうため、さらなる高速化を実現するための数値計算アルゴリズムの実装を検討することが課題である。第二に、河西通氏（東京工業大学）との共同研究として、ゼブラフィッシュの正中軸組織の伸長現象における集団細胞運動と細胞分裂の関係を説明するためのバーテックスモデルの数値シミュレーションの研究を行い、現在成果を論文としてまとめている段階である。

首先，今年，我们与Maeda Futa（Salesio技术学院系）进行了联合研究，以构建一种相位场模型，该模型通过趋化性（例如细胞粘液模具）表达单个细胞形成，并研究其数值模拟。在这项研究中，我们构建了两个模型：在三维空间中的平面基底膜上移动，然后在球形地下膜内移动。当在平面地下膜上移动时，我们试图将Martiel-Goldbeter模型描述为细胞粘液模具释放的环状AMP，以表达在心中饥饿的细胞粘液层的细胞运动的相位场模型，并通过将数字构建的成立型成型的单元组成的单元组成，从而介绍了动作细胞的细胞膜的效果。如果在球体状的基底膜内移动，我们进行了一个数值模拟，表明当引入两种细胞时，细胞群体沿旋转轴的方向扩展，例如细胞粘液模霉菌，以及在不引入趋化性反应的情况下快速而缓慢移动的细胞。在上述两种情况下的三维相位场模型的数值模拟中，我们正在考虑使用GPGPU使用隐式解决方案来加快速度，但是如果单元格的数量较大，则需要大量时间，因此挑战是考虑实施数值计算算法以进一步加速。其次，他与Kanishi Michi先生（东京理工学院）合作，对顶点模型进行了数值模拟，以解释Zebrafish中线组织的伸长现象中的人口细胞运动与细胞分裂之间的关系，并目前正在汇编结果作为论文。