تحليل عددي تحريك فشاري سلول بنيادي مزانشيمي كشت داده شده با استفاده از ميكروسكوپ نيروي اتمي و روش اجزاي محدود

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

سلول هاي بدن، ازجمله سلول هاي بنيادي مزانشيمي در معرض نيروهاي مكانيكي مختلفي قرار دارند. نوع و بزرگي اين نيروها در شرايط مختلف فيزيولوژيك و پاتولوژيك متفاوت بوده و پاسخ هاي بسيار متنوعي در سلول ها ايجاد مي كند كه توانايي تغيير عملكرد سلول را دارد. بررسي پاسخ سلول هاي بنيادي به نيروهاي مكانيكي در شناخت عملكرد سلول ها و بافت ها در شرايط سالم و بيمار از اهمّيّت بالايي برخوردار است. توانايي تمايز سلول هاي بنيادي مزانشيمي به ديگر سلول ها، آن ها را به يك منبع سلولي بسيار مهم در مهندسي بافت تبديل كرده است. درين مطالعه، با استفاده از ميكروسكوپ نيروي اتمي و روش محاسباتي اجزاي محدود، به شبيه سازي اثر بارگذاري هاي مكانيكي بر سلول بنيادي پرداخته شد كه شامل بررسي رفتار سلول، متاثر از رفتار اجزاي داخلي آن، از طريق توزيع تنش و تغيير شكل هاي بزرگ است. درين طرح، نرم افزار اجزاي محدود آدينا براي شيبه سازي رفتارهاي اِلاستيك خطي و هايپرالاستيك اجزاي سلول (غشاي سلول، سيتوپلاسم و هسته) تحت بار فشاري به كار گرفته شد. نتايج حاصل، نشان دهنده ي پاسخ مكانيكي سلول بنيادي در بدن است كه در اثر اِعمال بار فشاري در محدوده ي مورد بررسي فيزيولوژيك، قابليت تمايز به سلول هاي استخواني و غضروفي را دارد. جنبه هاي نوآوري برجسته ي اين حوزه تحقيق، استفاده از نوع سلول (سلول بنيادي بافت هم-بندي چربي)، به كارگيري اجزاي سلولي و نيز استفاده از مدل هاي محاسباتي دقيق تر براي اجزاي سلولي با بهره گيري از داده هاي آزمايشگاهي از خواص مكانيكي سلول است. اين پژوهش مي تواند گام اوّليه ي مهمّي در تحقيقات از سلول هاي مختلف بيمار و بررسي پاسخ هاي آن سلول ها به بارگذاري هاي مكانيكي با روش مشابه در جهت يافتن روش هاي درماني جديد باشد و باعث تعميق مطالعات آسيب شناسي بافت و سلول خواهد شد.

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 cell are simulated which includes cell behavior due to strain and stress 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 compressive load. 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.