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

利用组织透明度量化青蛙胚胎内部结构和有限元分析：阐明发育与力之间的关系

基本信息

批准号：
18K12028
负责人：
安東頼子
金额：
$ 2.83万
依托单位：
Nagoya University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2018
资助国家：
日本
起止时间：
2018-04-01 至 2020-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

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.

众所周知，在发育过程中，生物体不仅利用遗传信息，还利用细胞之间的位置关系以及它们之间发生的力来自主形成其形态，因此，阐明三维组织结构和作用力至关重要。胚胎在发育过程中的机械状态，以阐明形态发生的原理尽管已经在一定程度上研究了平衡，但尚未获得有关三维组织结构的足够信息。因此，在本研究中，我们以发育研究中经常使用的非洲爪蟾胚胎为对象，将其透明化，以详细量化内部三维组织结构，通过有限元分析，研究了胚胎的内部结构。目的是使用 BABB 阐明在第 22 至 36 阶段的每个发育阶段，RFP 被迫在细胞膜中表达的转基因非洲爪蟾尾芽胚胎的三维机械场。方法。使用图像分析软件ImageJ对获得的z-stack图像进行聚焦荧光成像，如果对组织施加拉力，则通过二值化处理后的3D重建获得胚胎的内部3D组织结构。在垂直于力作用方向的平面上切割时，受压区域应突出，受拉区域应凹陷。在之前的研究中，我们通过测量非洲爪蟾尾芽胚胎内部的不均匀性来确定切割表面组织之间的残余应力的分布，我们还通过压痕测试确定了每个组织的杨氏模量。使用单元法进行动态模型分析来估计剖面内的应变分布，我们估计了胚胎内部的三维应力和应变分布。