培養領域の形状最適化に基づく細胞遊走能の制御法の確立

基于培养区形状优化的细胞迁移能力控制方法的建立

基本信息

批准号：
22K14202
负责人：
宮廻裕樹
金额：
$ 3万
依托单位：
The University of Tokyo
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究の目的は，周期的な微細構造パターン上を遊走する紡錘形細胞集団の遊走現象を系統的に計算する手法を確立し，微細構造の最適化による細胞遊走の制御を実験的に実現することである．本年度は，遊走現象の計算に必要である周期構造上の紡錘形細胞の配向場や配向に伴う流体場の計算方法についての基礎理論の構築と細胞培養実験による原理検証を行った．基礎理論の構築では，研究代表者による先行研究の結果を拡張し，周期境界を表す等角写像を用いることによって周期構造上の細胞配向場を陽に記述する計算法を構築した．得られた細胞配向場の公式から弾性エネルギーを最適化することによって，与えられた微細周期構造パターンに対するエネルギー最適な細胞配向場を得ることができた．様々な周期構造に対して最適な配向場を計算したところ，周期構造の形状によってはエネルギーが極小となる配向パターンだけでなく，エネルギー曲面の鞍点に対応する配向パターンが存在することや，鞍点を経由してエネルギーが最小化するように細胞配向場が変化する場合があることを示した．以上の計算結果が細胞培養環境で再現するかを確認するため，細胞培養実験による検証を行った．周期構造を持つPDMS構造体上でマウス筋芽細胞（C2C12）を培養し，インキュベーター内での長時間タイムラプス観察を行って細胞の増殖や配向場の変化を観察した．その結果として，周期構造上で観察された細胞は数値計算で予測された配向パターンをとる傾向が高いことが分かり，数値計算による予測の妥当性を確認することができた．

这项研究的目的是建立一种系统地计算纺锤形细胞种群的迁移现象，这些细胞种群迁移到周期性的微观结构模式上，并通过微观结构优化实验实现对细胞迁移的控制。今年，我们在周期性结构上构建了有关纺锤形细胞的取向场的基本理论，这对于计算迁移现象是必不可少的，并使用细胞培养实验测试了原理，并测试了原理。在基本理论的构建中，我们扩展了主要研究者先前研究的结果，并构建了一种计算方法，该方法通过使用代表周期性边界的保形映射来明确描述细胞取向场。通过从获得的细胞取向场公式中优化弹性能，我们能够获得具有最佳能量的细胞取向场，以获得给定的微隔离结构模式。当我们计算各种周期性结构的最佳取向场时，我们表明，不仅能量模式最小，具体取决于周期结构的形状，还取决于与能量弯曲表面的鞍点相对应的方向模式，以及细胞取向场可能会改变能量，从而可以通过鞍点最小化能量。为了确认是否可以在细胞培养环境中再现上述计算结果，我们使用细胞培养实验进行了验证。在具有周期性结构的PDMS结构上培养小鼠成肌细胞（C2C12），并在孵化器中进行延时观察长时间观察细胞增殖和方向场的变化。结果，发现在周期性结构上观察到的细胞具有很高的趋势，即通过数值计算预测的方向模式，并且通过数值计算确认了预测的有效性。