生体組織の形態形成において細胞移動から生じる組織流動現象の連続体力学モデリング

生物组织形态发生中细胞迁移引起的组织流动现象的连续力学建模

• 批准号: 22KJ2231
• 负责人: 竹田 宏典
• 金额: $ 2.33万
• 依托单位: Kobe University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2023
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2023-03-08 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22KJ2231/
• 关键词: バイオメカニクス; 生体力学; 細胞膜; 細胞移動; 形態形成; 連続体力学; 流体ー構造連成解析; アイソジオメトリック解析; 座屈; 粘弾性流体; シミュレーション; 計算力学

本研究は，細胞移動にともなう組織の流動的な性質を表現する数理モデルを構築することを目的とし，微視的な細胞の変形と，巨視的な組織の変形それぞれの空間スケールにおける数理モデルを構築する．細胞2022年度は，細胞が移動する際に観察される細胞膜の突出形状に着目し，昨年度に構築したアイソジオメトリック解析手法を用いて，膜面積の拡大にともなう細胞膜の突出の数値シミュレーションを行った．その結果，膜面積の拡大の空間分布に応じて，実際の細胞膜上で観察されるようなStubby形状やFilopodia形状，Mushroom形状といった突出パターンが形成されることを明らかにした．細胞膜の変形には，細胞膜が細胞内外の環境から受ける影響を考慮する必要がある．そこで，細胞膜が粘性抵抗を受ける状況を想定し，粘性流体中での薄膜の変形の数値計算手法を新たに開発した．粘性流体中での薄膜の変形を解析するため，アイソジオメトリック解析手法と境界積分法を組み合わせた新たな解析手法を構築した．本手法は，薄膜と粘性流体の流体―構造連成問題を解くための汎用性の高い手法である．本手法を用いて，流体―構造連成問題の代表例である単純せん断流れ中のカプセルの変形の解析を行った．ここで，カプセル表面に生じるシワに着目し，従来の研究では困難であったシワ形状の詳細を調べて新たな知見を得ている．また，粘性流体中での面拡大にともなう細胞膜の変形に本手法を適用し，解析を進めている．

本研究的目的是构建表达与细胞迁移相关的组织流体性质的数学模型，并在微观细胞变形和宏观组织变形的空间尺度上建立数学模型。在《Cell 2022》中，我们重点关注了细胞迁移时观察到的细胞膜的突出形状，并利用去年开发的等几何分析方法对细胞膜随着膜面积增加而突出的情况进行了数值模拟．结果，我们发现，在实际细胞膜上观察到的粗短、丝状伪足和蘑菇形状等突出图案是根据膜面积扩张的空间分布而形成的。在使细胞膜变形时，需要考虑细胞膜受到的来自细胞内外环境的影响。因此，我们假设细胞膜受到粘性阻力的情况，开发了一种新的粘性流体中薄膜变形的数值计算方法。为了分析粘性流体中薄膜的变形，我们开发了一种结合等几何分析和边界积分方法的新分析方法。该方法是解决薄膜和粘性流体的流固耦合问题的高度通用的方法。利用这种方法，我们分析了简单剪切流过程中胶囊的变形，这是流固耦合问题的典型例子。在这里，我们关注胶囊表面出现的皱纹，并通过研究皱纹形状的细节获得新的知识，这在以前的研究中是困难的。我们还将这种方法应用于粘性流体中由于表面膨胀而导致的细胞膜变形，并正在进行分析。

项目成果

Isogeometric hyperelastic analysis for cell membrane protrusion

细胞膜突出的等几何超弹分析

• 发表时间: 2021
• 作者: Yuya Yamaguchi; Hironori Takeda; Yusuke Asai; Shunichi Ishida; Yohsuke Imai
• 通讯作者: Yohsuke Imai

膜面積の拡大にともなう細胞突起形成の有限要素解析

随着膜面积增加细胞突起形成的有限元分析

• 发表时间: 2022
• 作者: 竹田宏典;山口悠也;石田駿一;今井陽介
• 通讯作者: 今井陽介