外有毛細胞可動メカニズムの数値シミュレーション

外毛细胞运动机制的数值模拟

• 批准号: 08457446
• 负责人: 和田 仁
• 金额: $ 3.39万
• 依托单位: Tohoku University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• 财政年份: 1996
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 1996 至 无数据
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-08457446/
• 关键词: 外有毛細胞; 数値シミュレーション; タンパク質モータ; 細胞骨格; 伸縮挙動

聴覚の鋭敏な判別機能は、蝸牛内に存在し自ら筋肉のように動くことができる、外有毛細胞の働きにより、達成されているとする説が、現在の所最も有力である。外有毛細胞の細胞側壁は、主に細胞膜と細胞骨格とから構成されるが、伸縮挙動の源は、細胞膜に存在すると考えられているタンパク質モータにあると推察されている。また、細胞骨格が、伸縮挙動に対し何らかの影響を及ぼすと考えられているが、その機序は明確にはなっていない。そこで本研究では、シェル理論を用いて、タンパク質モータの働きを組み込んだ外有毛細胞モデルを構築し、数値シミュレーションにより、細胞側壁の機械的特性を推察した。そして、外有毛細胞が伸縮の際に発生する力を推測し、さらに外有毛細胞の伸縮挙動解析を試みた。その結果、以下のことかが明らかになった。1.外有毛細胞の細胞側壁のスティフネス(硬さ)は、細胞膜には依存せず、細胞骨格に依っている。また、細胞骨格は、長さ方向に比べ円周方向がより硬いという異方性を有すると考えられているが、この異方性が、細胞骨格のスティフネスに大きく影響を及ぼす。2.外有毛細胞は、長さ方向に1%伸縮する際、約1〜30nNの力を発生する。このとき、力の大きさは細胞骨格の異方性の度合いにより異なり、異補性が大きいほど発生する力は減少する。3.タンパク質モータの変形により外毛細胞が伸縮挙動を示す際、その長さ方向変位振幅は、およそ数百Hzまでは一定であるが、数百Hz〜千Hzっを境に減少する。また、伸縮挙動は過減衰であり、従って、細胞側壁、あるいは細胞内の流体の粘性が非常に高いと推察される。

目前最有可能的理论是，听觉的灵敏辨别功能是通过外毛细胞的作用实现的，外毛细胞存在于耳蜗内，可以像肌肉一样自行运动。外毛细胞的细胞侧壁主要由细胞膜和细胞骨架组成，推测拉伸行为的来源是被认为存在于细胞膜中的蛋白质马达。此外，细胞骨架被认为对拉伸行为有一定影响，但其机制尚不清楚。因此，在本研究中，我们利用壳理论构建了包含蛋白质马达功能的外毛细胞模型，并通过数值模拟估计了细胞侧壁的力学特性。然后，他们估计了外毛细胞拉伸和收缩时产生的力，然后尝试分析外毛细胞的拉伸行为。结果，以下的事情就清楚了。 1.外毛细胞侧壁的硬度不取决于细胞膜，而是取决于细胞骨架。此外，细胞骨架被认为具有各向异性，因为其在圆周方向上比在纵向方向上更硬，并且该各向异性极大地影响细胞骨架的刚度。 2. 当外毛细胞在长度方向上拉伸或收缩 1% 时，会产生大约 1 至 30 nN 的力。此时，力的大小根据细胞骨架的各向异性程度而变化，异质互补性越大，产生的力越小。 3.当外毛细胞由于蛋白质马达的变形而表现出拉伸行为时，纵向位移幅度在大约几百赫兹之前是恒定的，但从几百赫兹下降到1,000赫兹。此外，膨胀和收缩行为被过度阻尼，因此推断细胞侧壁或细胞内流体的粘度极高。