نوع مقاله: مقاله کامل پژوهشی

نویسندگان

1 کارشناسی ارشد مهندسی پزشکی -مهندسی بافت، دانشگاه تهران، دانشکده علوم و فنون نوین

2 استادیار مهندسی پزشکی، دانشگاه تهران، دانشکده علوم و فنون نوین

3 بانک سلولی ایران، انیستیتو پاستور ایران

10.22041/ijbme.2014.13045

چکیده

سلول­های بدن، ازجمله سلول­های بنیادی مزانشیمی در معرض نیروهای مکانیکی مختلفی قرار دارند. نوع و بزرگی این نیرو­ها در شرایط مختلف فیزیولوژیک و پاتولوژیک متفاوت بوده و پاسخ­های بسیار متنوعی در سلول­ها ایجاد می­کند که توانایی تغییر عملکرد سلول را دارد. بررسی پاسخ سلول­های بنیادی به نیروهای مکانیکی در شناخت عملکرد سلول­ها و بافت­ها در شرایط سالم و بیمار از اهمّیّت بالایی برخوردار است. توانایی تمایز سلول­های بنیادی مزانشیمی به دیگر سلول­ها، آن­ها را به یک منبع سلولی بسیار مهم در مهندسی بافت تبدیل کرده­است. درین مطالعه، با استفاده از میکروسکوپ نیروی اتمی و روش محاسباتی اجزای محدود، به شبیه­سازی اثر بارگذاری­های مکانیکی بر سلول بنیادی پرداخته شد که شامل بررسی رفتار سلول، متأثر از رفتار اجزای داخلی آن، از طریق توزیع تنش و تغییر شکل­های بزرگ است. درین طرح، نرم­افزار اجزای محدود آدینا برای شیبه­سازی رفتارهای اِلاستیک خطی و هایپرالاستیک اجزای سلول (غشای سلول، سیتوپلاسم و هسته) تحت بار فشاری به کار گرفته­شد. نتایج حاصل، نشان دهنده­ی پاسخ مکانیکی سلول بنیادی در بدن است که در اثر اِعمال بار فشاری در محدوده­ی مورد بررسی فیزیولوژیک، قابلیت تمایز به سلول­های استخوانی و غضروفی را دارد. جنبه­های نوآوری برجسته­ی این حوزه تحقیق، استفاده از نوع سلول (سلول بنیادی بافت هم­بندی چربی)، به کارگیری اجزای سلولی و نیز استفاده از مدل­های محاسباتی دقیق­تر برای اجزای سلولی با بهره­گیری از داده­های آزمایشگاهی از خواص مکانیکی سلول است. این پژوهش می­تواند گام اوّلیه­ی مهمّی در تحقیقات از سلول­های مختلف بیمار و بررسی پاسخ­های آن سلول­ها به بارگذاری­های مکانیکی با روش مشابه در جهت یافتن روش­های درمانی جدید باشد و باعث تعمیق مطالعات آسیب شناسی بافت و سلول خواهد شد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Numerical analysis of a single cultured mesenchymal stem cell under pressure stimulation using atomic force microscopy and finite element method

نویسندگان [English]

  • Zakieh Alihemmati 1
  • Bahman Vahidi 2
  • Nooshin Haghighipour 3

1 MSc of Biomedical Engineering-Tissue Engineering, Faculty of New Sciences and Technologies (FNST), University of Tehran, Tehran, Iran

2 Assistant Professor of Biomedical Engineering, Faculty of New Sciences and Technologies (FNST), University of Tehran, Tehran, Iran

3 National cell bank of Iran, Pasteur Institute of Iran, Tehran, Iran

چکیده [English]

Body cells, including mesenchymal stem cells are subject to a lot of mechanical forces. The type and magnitude of these forces are different in different physiological and pathological conditions. They cause a wide variety of cell responses and are able to change metabolisms and functions of the cell. Analysis of stem cell response to mechanical stimulation is very important in recognizing healthy and diseased condition of tissues and cells. Differentiation potential of mesenchymal stem cells to specialized cells makes them important cell sources in tissue engineering. In this study, atomic force microscopy and finite element method and used mechanical effects on a stem cellaresimulated which includes cell behavior due to strain andstress distributions in internal components of the cell. In this study, the ADINA software used to simulate mechanical behavior of the cell components (cell membrane, cytoplasm and nucleus) under a compressiveload. Results indicate mechanical response of stem cells in the body through which they can differentiate into bone cells and cartilage under compressive loads in the physiological range. This study has some considerable innovations as compared with the similar studies in the literature which is because of the kind of cells has been used (adipose-derived stem cells) as well as and also using precise material models for cell components based on the data extracted from laboratory tests for mechanical properties of the cell. Furthermore, this study can be considered as an important initial step for future studies on different patho-cells and analyzing their responses to mechanical loading using a similar method of this study to find new diagnostic methods. Also, it can be used to deepen pathological studies of the cells and the tissues.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Mechanical regulation of stem cell behavior
  • mechanical properties of the cell
  • finite element method
  • cell Mechanics

[1]     D. Aubry, H. Thiam,  M. Piel, R. Allena, “A computational mechanics approach to assess the link between cell morphology and forces during confined migration” Journal of Biomech Model Mechanobiol 2014.

[2]     C. Borau, R. Kamm, “A time-dependentphenomenological model for cell mechano-sensing” Journal of Biomech Model Mechanobiol 13, 451–462, 2014.

[3]     S. Wong, S. Teo, S. Park, K. Chiam, E. Yim, “Anisotropic rigidity sensing on grating topography directs human mesenchymal stem cell elongation” Journal of Biomech Model Mechanobiol 13, 27–39, 2014.

[4]     E. Canovi´c, et al. “Biomechanical imaging of cell stiffness and prestress with subcellular resolution” Journal of Biomech Model Mechanobiol 13, 665–678, 2014.

[5]     T. Woolley, et al. “Cellular blebs: pressure-driven, axisymmetric, membrane protrusions” Journal of Biomech Model Mechanobiol 13, 463–476, 2014.

[6]     C. Obbink-Huizer, et al. “Computational model predicts cell orientation in response to a range of mechanical stimuli” Journal of Biomech Model Mechanobiol  13, 227–236, 2014.

[7]     S. Verbruggen, et al. “Fluid flow in the osteocyte mechanical environment: a fluid–structure interaction approach” Journal of Biomech Model Mechanobiol 13, 85–97, 2014.

[8]     C. Giverso, et al. “Influence of nucleus deformability on cell entry into cylindrical structures” Journal of Biomech Model Mechanobiol 13, 481–502, 2014.

[9]     R. Katzengold, et al.  “Simulating single cell experiments in mechanical testing of adipocytes” Journal of Biomech Model Mechanobiol 2014.

[10] M. R. K. Mofrad, R. D. Kamm, “Cytoskeletal mechanics models and measurements”2006.

[11] K. B. Bernick, “Cell Biomechanics of Central Nervous system” Massachusetts Institute of Technology 2011.

[12] D. Rafael, V. González-Cruz, C. Fonseca, M. Eric, “Darling  Cellular mechanical prop differentiation potential mesenchymal stem cells” Journal of Proceedings of the National Academy of Sciences 109, 1523- 1529, 2012.

[13] N. Slomka, A. Gefen, “Confocal microscopy-based three-dimensional cell-specific modeling for large deformation analyses in cellular mechanics” Journal of Biomechanics 43, 1806–1816, 2010.

[14] F. Guilak, R. John, s.l.Tedrow, R. Burgkart, “Viscoelastic Properties of the Cell Nucleus” Journal of Biochemical and Biophysical Research Communications 269, 781–786, 2000.

[15] H. Hatami, M. Marbini, R. K. Mofrad,  “Cytoskeletal Mechanics and Cellular Mechanotransduction: a molecular prospective”   book auth.   2010.

[16] A. C. Guyton, J. E. Hall, “Text book of medical physiology” Elsevier Science 2005.

[17] S. A. Berger, L. D. Jou, “Flows in stenotic vessels” Journal of Annual Review of Fluid 32 347-382, 2000.

[18] A. Gefen, “cellular and biomolecular mechanics and mechanobiology” springer, 2011.

[19] W. Christopher Harland, J. Miranda Bradley, R. Parthasarathy. “Phospholipid bilayers are viscoelastic” Journal of Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) 107, 19146–19150, 2010.

[20] Suncica Canic. “Fluid-Structure Interaction In Blood Flow. S.L. : Women In Mathematics” 2006.

[21] O. C. Zienkiewicz, R. L. Taylor, J.Z. Zhu, “The Finite Element Method: Its Basis and Fundamentals” Sixth edition. Oxford OX2 8D 2005.

[22] E. Leopold, A. Gefen, “A simple stochastic model to explain the sigmoid nature of the strain-time cellular tolerance curve” Journal of Tissue Viability 21, 27-36, 2012.

[23] L. Zheng, et al. “A Porous Elastic Model for Bacterial Biofilms:Application to the Simulation of Deformation of Bacterial Biofilms Under Microfluidic Jet Impingement” Journal of Biomechanical Engineering 134, 051003, 2012.

[24] A. Kweku, “Measurement Techniques for Cellular Biomechanics In Vitro” Journal of Experimental Biology and Medicine 233, 792-809, 2008.

[25] S. Shojaei, et al. “Essential Functionality of Endometrial and Adipose Stem Cells in Normal and Mechanically Motivated Conditions”  Journal of Biomaterial and Tissue Engeeniring 3, 581-588, 2013.

[26] A. Aryaei, A. Jayasuriya “Mechanical properties of human amniotic fluid stem cells using nanoindentation” Journal of Biomechanics 46, 1524–1530, 2013.

[27] N. Slomka, S. Or-Tzadikario, D. Sassun, A. Gefen, “Membrane-stretch-induced cell death in deep tissue injury: computer model studies” Journal of Cellular and Molecular Bioengineering 2, 118–132, 2009.

[28] M. Robin, Delaine-Smith et al. “Mesenchymal stem cell responses to mechanical stimuli”  Journal of Muscles, Ligaments and Tendons 2, 169-180, 2012.

[29] S. Or-Tzadikario, A. Gefen, “Confocal-based cell-specific finite element modeling extended to study variable cell shapes and intracellular structures: the example of the adipocyte” Journal of  Biomechanics  44, 567–573, 2011.