شبيه سازي محاسباتي تحريك مكانيكي سلول‌هاي بنيادي مزانشيمي تحت نيروي كشش چرخه‌اي تك‌محوره

Computational Simulation of Mechanical stimulation of Mesenchymal Stem Cells under Uniaxial Cyclic Tensile Stress

در پاسخ به نيروهاي خارجي، سلول‌هاي چسبيده به سطح از حالت آرايش تصادفي به حالت منظم و يكنواخت بسته به كشش اعمالي، بازآرايي مي‌شوند. در سطح زير سلولي، اسكلت سلولي و همچنين رشته‌هاي تنشي با قطبي شدن، نيروهاي داخلي انقباضي ايجاد مي‌كنند كه موجب بازآرايي سلول‌ها در زاويه‌اي مشخص مي‌شوند. در پژوهش حاضر، به بررسي محاسباتي پاسخ تك سلول به كشش چرخه‌اي زيرلايه پرداخته شده است. نوآوري پژوهش، شبيه‌سازي تغييرات مورفولوژي سلول بنيادي با استفاده از مدل ويسكوالاستيك است. به اين منظور، تك سلول با توجه به ابعاد سلول‌هاي بنيادي مزانشيمي در نرم‌افزار comsol طراحي گرديد. كرنش چرخه‌اي تك محوره به زيرلايه اعمال شد و فركانس‌ اعمال اين كرنش به عنوان پارامتري متغير بررسي شد. زاويه‌ي خوابيدگي سلول روي بستر از 34 تا 90 درجه تغيير داده شد. مدول الاستيك بستر و تغييرات كرنش اعمالي نيز در مقادير مختلف بررسي شد. نتايج به‌دست آمده حاكي از وابستگي شديد توزيع تنش روي سطح سلول و هسته به زاويه‌ي خوابيدگي است و نشان داد كه سلول در زاويه‌ي تقريبي 70 درجه نسبت به راستاي بارگذاري كمترين تنش و كرنش را دارا مي‌باشد.

To respond to the external forces, adherent cells are reoriented from random orientation to an ordered and homogeneous one, regarding the applied strain direction. Furthermore, in subcellular scale, cytoskeleton and stress filaments with polarization generate inner contractile forces leading to a reorientation of the cell at a specific angle. In the present study, morphological changes of mesenchymal stem cells under cyclic strain toward myogenic differentiation were analyzed. Simulation of stem cell morphological changes using a nonlinear mechanical model (viscoelastic) is the innovative aspect of this research. To do so, mesenchymal stem cells with real size by the use of finite element method were designed in the Comsol software. Furthermore, time-dependent mechanical properties were applied. The uniaxial cyclic strain is applied to the substrate, and the frequency of the strain was considered as one of the variables. The lying angle of the cell on the substrate was varied from 34 to 90°. Also, Young’s modulus of the substrate and the role of strain alteration were investigated. The results revealed that the stress distribution on the cell and the nucleus are strongly dependent on the lying angle. The approximate angle in which the stress and strain is minimum was calculated about 70 degrees.