山本量一 工学研究科教授、John Molina 同助教、Simon Schnyder 福井謙一記念研究センター特定研究員らの研究グループは、基板上を自走する細胞をバネでつながった二つの円盤としてモデル化し、多数の細胞が集団で運動する様子を再現することに成功しました。生体組織内部で見られる細胞の複雑な集団運動が、実は非常に単純なメカニズムで起こっている可能性を示す結果です。
本研究成果は、2017年7月12日午後6時に英国の科学誌「Scientific Reports」に掲載されました。
研究者からのコメント
山本教授
生物科学の分野でも计算科学の导入は始まっていますが、これまでの成功例の多くは、细胞内の顿狈础や蛋白质など、ごく一部の生体分子を対象としたものでした。多数の细胞からなる生体组织を対象とした场合、関与する分子が膨大な数に上ることに加え、细胞分裂などの非常に遅い现象をも考虑する必要があるため、既存の分子モデルをそのまま适用するのは不可能です。私たちの研究室では、粗视化モデリングと呼ばれる手法を発展させ、生体组织に対して有効なシミュレーション手法の构筑を目指しています。本研究の最も顕着な成果は、膨大な数の分子からなる细胞に対して简単な物理モデルを提案し、生体组织内部で见られる细胞の复雑な集団运动が、実は非常に単纯なメカニズムで起こり得ることを示したことにあります。
概要
生物が机能を発现する际に、复雑な细胞运动が重要な役割を果たしています。例えば、受精卵が胎仔に成长する胚発生のプロセスでは、个々の细胞の调和した集団运动によって健全な成长が実现されています。伤が治る过程でも、个々の上皮细胞が伤のそばへ移动する际に、组织だった集団运动を见いだすことができます。逆に、悪性肿疡などでは细胞运动の调和がとれず、癌化した细胞の异常な増殖や组织中への侵食などが起こります。细胞の集団运动ではどのようにして个々の细胞が周りの细胞と相互作用し、大规模な运动を引き起こすのかは大きな谜となっており、生物学?医学?物理学などの様々な分野において研究者の兴味を引きつけています。
细胞は内部で起こる复雑な生化学プロセスの结果として周りの状况に応答することができます。例えば、复数の细胞が接触するような状况が発生すると、お互いに干渉を避けるような运动が応答として得られます。この现象は「细胞游走の接触阻害（颁滨尝）」と呼ばれ、细胞の集団运动の発现に重要な役割を果たしていると考えられているものの一つです。
本研究グループは、実际の细胞集団が示す种々の复雑な集団运动を再现することができる、简単な细胞モデルの构筑に成功しました。このモデルでは、基板上を游走する细胞をバネでつながった二つの円盘（仮足部分を表す前部の円盘と细胞本体を表す后部の円盘が细胞骨格で结合されたもの）として表现し、円盘间の距离で示される细胞の伸びに依存した推进力を导入することで、接触阻害の効果を取り入れました。この简単なモデルで、细胞が他の细胞と接触すると减速することや、基板上の细胞数密度の増加とともに不动状态に陥ることを正しく再现したのに加え、细胞の形が集団运动に大きな影响を与えることを発见しました。特に、前部の円盘が后部より大きい场合に、同じ方向に多数の细胞による集団移动が出现しやすいことを见出しており、実际の游走细胞の形との类似性を指摘しています。
図：（a） 自走する細胞をバネでつながった二つの円盤でモデル化し、細胞の伸び（円盤間の距離）に依存した推進力を導入することで接触阻害（Contact inhibition of locomotion、CIL）を取り入れる。
（b） シミュレーション結果の一例。上部の混雑した渋滞領域に向かって自走する細胞の集団運動の再現に成功した。
书誌情报
【顿翱滨】
【碍鲍搁贰狈础滨アクセス鲍搁尝】
Simon K. Schnyder, John J. Molina, Yuki Tanaka & Ryoichi Yamamoto (2017). Collective motion of cells crawling on a substrate: roles of cell shape and contact inhibition. Scientific Reports, 7, 5163.
