نوع مقاله: مقاله کامل پژوهشی

نویسندگان

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

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

10.22041/ijbme.2016.19662

چکیده

بررسی تحریکات مکانیکی موثر بر سلول بنیادی در شرایط طبیعی بدن و همچنین شرایط کشت آزمایشگاهی، موضوعی بسیار مهم درجهت دستیابی به توانایی کنترل بر رفتار و پاسخ‎های سلولی همچون رشد، تکثیر و تمایز می‎باشد. درمورد عوامل بیومکانیکی دخیل در این پدیده پژوهش‎های فراوانی انجام­شده است. امروزه ثابتشده است که عواملی همچون مورفولوژی  سلول، آرایش اجزای زیرسلولی، هندسة داربست، سختی بستر و تحریک مکانیکی اعمالی از جانب آن و یا جریان سیال تاثیر بسزایی در پاسخ‎های سلولی دارند. در پژوهش حاضر سعی­شده است تا با استفاده از تحلیل اجزای محدود، یکی از عوامل مذکور در تحریک مکانیکی موثر بر سلول بنیادی مزنشیمال یعنی اثر سختی و ضخامت بستر و پاسخ سلول از جنس تنش و کرنش به این عامل ارزیابی شود. برای این منظور از بستر‎های ‎پایه کلاژنی به­عنوان ماتریس خارج­سلولی مصنوعی استفاده شد و شرایط کشت سلول درون یک بیوراکتور و در حضور جریان سیال شبیه‎سازی شد. با به­کار­گیری روش برهم­کنش  سیال و سازه برای شبیه‎سازی و حل آن به شیوة جفت­شوندگی دو­طرفة معادلات سیال و جامد، تاثیر افزایش سختی بستر و ضخامت آن به ترتیب در افزایش و کاهش تنش‎های وارده بر سلول از جانب بستر به میزان حداکثر 15 درصد در نتایج مشاهده شد. همچنین مشاهده شد که تغییر سختی بستر تنها در بازه‎ی 1/0 تا 100 کیلو پاسکال می‎تواند در تغییر رفتار سلول در­مقابل تحریک خارجی موثر باشد. نتایج به­دست آمده از این تحقیق در کنار سایر تحقیقات مشابه می‎توانند یک راهنما برای محققان جهت بهینه­سازی شرایط ریزمحیطی سلول بنیادی در محیط کشت آزمایشگاهی و در­نهایت دستیابی به نتایج کارآمدتر در پژوهش‎های مرتبط با مهندسی سلول‎های بنیادی محسوب شود.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Effect of Collagen Substrate Stiffness and Thickness on the response of a Mesenchymal Stem Cell in Cell Culture Environment: A Computational Study

نویسندگان [English]

  • Mahdi Moradkhani 1
  • Bahman Vahidi 2

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

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

چکیده [English]

Investigating the mechanical stimuli on stem cells under in vitro and in vivo conditions is a very important topic to achieve an ability tocontrol the cellular responses like growth, proliferation and differentiation. Many investigations carried out about biomechanical factors involved in this phenomenon and nowadays, it is proved that some factors like as cell morphology, subcellular elements configuration, scaffold architecture, substrate stiffness and mechanical stimulation via substrate displacement or fluid flow, have got an important effecton cellular responses. In this study, we have tried to evaluate the responses of a stem cell to the stiffness and thickness of the substrate by the means of finite element method. For this purpose, we have used collagen-based scaffolds as the artificial ECM and a cell culture in a bioreactor with fluid flow was simulated. By use of fluid-structure interaction method and solving the equations in two-way coupling scheme, the results show that the increase in thickness and stiffness of the substrate will result in15 percent change in cell-substrate stresses, respectively. Also, it was seen that the change of substrate stiffness only in the range of 0.1-100 KPa could affect the cell response to an external stimulation. These results, along with other similar investigations, could be used as an instructor by the researchers to optimize the stem cell’s microenvironment in vitro, and finally get the most out of their stem cell related Investigations.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Mechanical Modulation
  • finite element method
  • Fluid Structure Interaction
  • Substrate Thickness and Stiffness
  • collagen
  • Stem Cell

[1]           Melchels, Ferry PW, Beatrice Tonnarelli, Andy L. Olivares, Ivan Martin, Damien Lacroix, Jan Feijen, David J. Wendt, and Dirk W. Grijpma. "The influence of the scaffold design on the distribution of adhering cells after perfusion cell seeding." Biomaterials 32, no. 11 (2011): 2878-2884.

[2]           Kapur, Sonia, David J. Baylink, and K-H. William Lau. "Fluid flow shear stress stimulates human osteoblast proliferation and differentiation through multiple interacting and competing signal transduction pathways." Bone 32, no. 3 (2003): 241-251.

[3]           Angele, P., J. U. Yoo, C. Smith, J. Mansour, K. J. Jepsen, M. Nerlich, and B. Johnstone. "Cyclic hydrostatic pressure enhances the chondrogenic phenotype of human mesenchymal progenitor cells differentiated in vitro." Journal of Orthopaedic Research 21, no. 3 (2003): 451-457.

[4]           Engler AJ, Sen S, Sweeney HL, Discher DE. Matrix elasticity directs stem cell lineage specification. Cell.126:677–689. (2006)

[5]           Fridley, Krista M., Melissa A. Kinney, and Todd C. McDevitt. "Hydrodynamic modulation of pluripotent stem cells."Stem Cell Res Ther 3 (2012): 45.

[6]           Verbruggen, Stefaan W., Ted J. Vaughan, and Laoise M. McNamara. "Fluid flow in the osteocyte mechanical environment: a fluid–structure interaction approach." Biomechanics and modeling in mechanobiology 13.1 (2014): 85-97.

[7]           Vaughan, T. J., M. G. Haugh, and L. M. McNamara. "A fluid–structure interaction model to characterize bone cell stimulation in parallel-plate flow chamber systems." Journal of The Royal Society Interface 10.81 (2013): 20120900.

[8]           Zhao, Feihu, Ted J. Vaughan, and Laoise M. Mcnamara. "Multiscale fluid–structure interaction modelling to determine the mechanical stimulation of bone cells in a tissue engineered scaffold." Biomechanics and modeling in mechanobiology 14.2 (2015): 231-243.

[9]           Zhao, Feihu, Ted J. Vaughan, and Laoise M. McNamara. "Quantification of fluid shear stress in bone tissue engineering scaffolds with spherical and cubical pore architectures." Biomechanics and modeling in mechanobiology (2015): 1-17.

[10]         Mullen, Conleth A., Ted J. Vaughan, Kristen L. Billiar, and Laoise M. McNamara. "The Effect of Substrate Stiffness, Thickness, and Cross-Linking Density on Osteogenic Cell Behavior."Biophysical journal 108, no. 7 (2015): 1604-1612.

[11]         Fox, Robert W., Alan T. McDonald, and Philip J. Pritchard. Introduction to fluid mechanics.Vol. 7. New York: John Wiley & Sons, 1985.

[12]         Mathieu, Pattie S., and Elizabeth G. Loboa. "Cytoskeletal and focal adhesion influences on mesenchymal stem cell shape, mechanical properties, and differentiation down osteogenic, adipogenic, and chondrogenic pathways." Tissue Engineering Part B: Reviews 18.6 (2012): 436-444.

[13]         Barreto, Sara, Casper H. Clausen, Cecile M. Perrault, Daniel A. Fletcher, and Damien Lacroix. "A multi-structural single cell model of force-induced interactions of cytoskeletal components."Biomaterials 34, no. 26 (2013): 6119-6126.

[14]         Barreto, Sara, Cecile M. Perrault, and Damien Lacroix. "Structural finite element analysis to explain cell mechanics variability."Journal of the mechanical behavior of biomedical materials 38 (2014): 219-231.

[15]         Lai, W. Michael, David H. Rubin, David Rubin, and Erhard Krempl. Introduction to continuum mechanics. Butterworth-Heinemann, 2009.

[16]         Donea, J., Huerta, A., Ponthot, J.-P. and Rodríguez-Ferran, A. 2004. Arbitrary Lagrangian–Eulerian Methods.Encyclopedia of Computational Mechanics. 1:14.

[17]         Feng, Chia-hsiang, Yu-chen Cheng, and Pen-hsiu Grace Chao. "The influence and interactions of substrate thickness, organization and dimensionality on cell morphology and migration."Acta biomaterialia 9, no. 3 (2013): 5502-5510.

[18]         Leong, Wen Shing, Chor Yong Tay, Haiyang Yu, Ang Li, Shu Cheng Wu, Duong-Hong Duc, Chwee Teck Lim, and Lay Poh Tan. "Thickness sensing of hMSCs on collagen gel directs stem cell fate." Biochemical and biophysical research communications 401, no. 2 (2010): 287-292.