化学シグナルの「波」に乗る細胞の集団行動を可視化~細胞が波を待ち、波に乗り、集合体をつくる仕組みを解明~

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2026-08-26 北海道大学,徳島大学,東京大学,大阪大学

北海道大学、徳島大学、東京大学、大阪大学の研究グループは、細胞性粘菌が化学シグナルの波に合わせて集団移動する仕組みを、画像解析によって体系的・定量的に解明した。飢餓状態になると細胞性粘菌はcAMP(環状AMP)を互いに放出し、化学波を形成しながら集合する。研究チームは、蛍光タイムラプス画像に画像のぼかし処理、粒子画像流速測定法(PIV)、ウェーブレット解析を組み合わせ、細胞個々の運動と化学波の動きを同時に解析する手法を開発した。その結果、細胞は波に受動的に運ばれるのではなく、化学波が接近すると濃度勾配を感知して波の進行方向へ移動し、波が通過すると休止して次の波を待つことを確認した。この行動を「波を待ち、波に乗るサーファー」に例え、単独細胞が協調的な集団へ移行する過程を明らかにした。創傷治癒や免疫細胞の集合、発生など、化学シグナルによって制御される生命現象の理解への応用が期待される。

化学シグナルの「波」に乗る細胞の集団行動を可視化~細胞が波を待ち、波に乗り、集合体をつくる仕組みを解明~
図1.ガウシアンぼかしの度合いを⼤きくすると、カメラのシャッター速度を遅くした場合と同様に、個々の細胞の運動は背景に埋もれていく。⼀⽅、cAMP波の⼤規模な伝播は、コロニー全体を滑らかかつ協調的に広がる波紋として浮かび上がる。⽮印は得られた画像から評価した速度ベクトル場で細胞レベルの動態を表現する(a)からcAMP波を表現する(d)へ向けて、速度ベクトル場が180°逆転するのが分かる。

<関連情報>

マルチスケール・オイラー速度ベクトル場を用いた化学誘引物質波上をサーフィンする単一細胞レベルの集団挙動 Collective surfing of single cells on a chemo-attractant wave using multiscale Eulerian velocity vector field

Sulimon Sattari,Md. Motaleb Hossain,Udoy S. Basak,Mikito Toda,Takeharu Nagai,Satoshi Sawai,Kazuki Horikawa & Tamiki Komatsuzaki
Scientific Reports  Published:18 July 2026
DOI:https://doi.org/10.1038/s41598-026-61774-2

Abstract

Wavelike motion mediated by chemotactic signaling occurs in various biological phenomena including neutrophil swarms, wound healing, and amoeba aggregates. However, the macroscopic transition from independent to collective cellular behavior remains unclear, including how to quantify the response of individual cells to a developing chemotactic wave. Recent advances in molecular imaging allow concurrent observation of cyclic adenosine monophosphate (cAMP) concentrations and cell movement at individual resolution. Employing particle image velocimetry (PIV), a scheme to extract Eulerian velocity vector fields in fluids, we derived velocity fields at different Gaussian blurring levels and found that while original fluorescent images reflect cell movement, blurred versions highlight cAMP wave propagation. We identified the phase of cAMP signal wave dynamics and analyzed the interplay between single-cell motility and cAMP wave development. The extracted velocity fields at single-cell resolution show an almost antipodal relationship to those of the cAMP wave characterized by the blurred image, with an angle close to 180° during the rise of the wave when the spiral wave is well developed. Furthermore, single-cell dynamics collectively move toward the crest of the coming cAMP wave but rest (with randomized directionality) in the troughs between waves, akin to “surfing of the collectives”.

生物環境工学
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