تحلیل محاسباتی تکنیک آزمایشگاهی مکش میکروپیپت بر روی یک سلول بنیادی

نوع مقاله : پژوهشی اصیل

نویسندگان

1 دانشجو/دانشگاه تهران

2 دانشیار/دانشگاه تهران

3 استادیار/دانشگاه علوم پزشکی شهید بهشتی

چکیده
خصوصیات مکانیکی سلول‌های زنده نقش مهمی‌در کمک به درک فیزیولوژی سلول و آسیب‌شناسی دارند. ارزیابی خصوصیات مکانیکی سلول‌ها ممکن است به‌طور بالقوه منجر به ایجاد روش‌های جدید تشخیصی مکانیکی برای برخی از این بیماری‌ها شود. در این مطالعه، به کمک مدل جامد خطی استاندارد و خواص موجود ویسکوالاستیک هسته، خواص ویسکوالاستیک‌ لایه بیرونی (سیتوپلاسم و غشا) استخراج و مدل‌سازی اجزای محدود دولایه سلول انجام ‌شد و راستی‌آزمایی مدل به‌وسیله داده‌های آزمایشی صورت پذیرفت. در مدل دولایه، به مطالعه تأثیر شعاع هسته و مکان هسته در سلول بر روی خواص کلی سلول پرداخته‌ شده است. با کاهش نسبت شعاع سیتوپلاسم، تا نسبت ۴۳% ، خواص کل سلول پیرو خواص سیتوپلاسم بوده و از اثر هسته می‌توان چشم‌پوشی کرد. مقدار افزایش در جابه‌جایی در ثانیه ۵۰ از شبیه‌سازی در نسبت شعاعی 53/0، 5/4 درصد در مقایسه با نسبت شعاع 58/1 گزارش شد. درحالی‌که در نسبت شعاع 43/0، مقدار 8/6 و 5/9 درصد کاهش جابه‌جایی در مقایسه با نسبت شعاع 58/1 و 53/0 به­ترتیب مشاهده شده است. کاربرد این مطالعه با استفاده از آزمایش مکش میکروپیپت اهمیت این موضوع را نشان می‌دهد که مکان هسته و نسبت شعاع سیتوپلاسم به شعاع هسته می‌تواند در خواص ویسکوالاستیک و رفتار مکانیکی سلول تأثیرگذار بوده و ضرورت اطلاع از این داده‌ها را افزایش میدهد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1] H. Liu, et al., "Biophysical characterization of bladder cancer cells with different metastatic potential," Cell biochemistry and biophysics, vol. 68, no. 2, pp. 241-246, 2014.
[2] E. M. Darling, M. Topel, S. Zauscher, T. P. Vail, and F. Guilak, "Viscoelastic properties of human mesenchymally-derived stem cells and primary osteoblasts, chondrocytes, and adipocytes," Journal of biomechanics, vol. 41, no. 2, pp. 454-464, 2008.
[3] H. Pu, et al., "Micropipette aspiration of single cells for both mechanical and electrical characterization," IEEE Transactions on Biomedical Engineering, vol. 66, no. 11, pp. 3185-3191, 2019.
[4] M. Li, L. Liu, X. Xiao, N. Xi, and Y. Wang, "Viscoelastic properties measurement of human lymphocytes by atomic force microscopy based on magnetic beads cell isolation," IEEE transactions on nanobioscience, vol. 15, no. 5, pp. 398-411, 2016.
[5] E. Evans, "New membrane concept applied to the analysis of fluid shear-and micropipette-deformed red blood cells," Biophysical journal, vol. 13, no. 9, pp. 941-954, 1973.
[6] B. González-Bermúdez, G. V. Guinea, and G. R. Plaza, "Advances in micropipette aspiration: applications in cell biomechanics, models, and extended studies," Biophysical journal, vol. 116, no. 4, pp. 587-594, 2019.
[7] G. Plaza, et al., "Simple measurement of the apparent viscosity of a cell from only one picture: Application to cardiac stem cells," Physical Review E, vol. 90, no. 5, p. 052715, 2014.
[8] D. Needham, and R. Hochmuth, "Rapid flow of passive neutrophils into a 4 μm pipet and measurement of cytoplasmic viscosity," 1990.
[9] D. P. Theret, M. Levesque, M. Sato, R. Nerem, and L. Wheeler, "The application of a homogeneous half-space model in the analysis of endothelial cell micropipette measurements," 1988.
[10] G. Esteban-Manzanares, et al., "Improved measurement of elastic properties of cells by micropipette aspiration and its application to lymphocytes," Annals of biomedical engineering, vol. 45, no. 5, pp. 1375-1385, 2017.
[11] E. Zhou, C. Lim, and S. Quek, "Finite element simulation of the micropipette aspiration of a living cell undergoing large viscoelastic deformation," Mechanics of Advanced Materials and Structures, vol. 12, no. 6, pp. 501-512, 2005.
[12] P. A. Pullarkat, P. A. Fernández, and A. Ott, "Rheological properties of the eukaryotic cell cytoskeleton," Physics Reports, vol. 449, no. 1-3, pp. 29-53, 2007.
[13] R. Zhao, K. Wyss, and C. A. Simmons, "Comparison of analytical and inverse finite element approaches to estimate cell viscoelastic properties by micropipette aspiration," Journal of Biomechanics, vol. 42, no. 16, pp. 2768-2773, 2009.
[14] E. Zhou, S. Quek, and C. Lim, "Power-law rheology analysis of cells undergoing micropipette aspiration," Biomechanics and modeling in mechanobiology, vol. 9, no. 5, pp. 563-572, 2010.
[15] A. Mohammadkarim, M. Mokhtari-Dizaji, A. Kazemian, H. Saberi, M. M. Khani, and M. Bakhshandeh, "The mechanical characteristics of human endothelial cells in response to single ionizing radiation doses by using micropipette aspiration technique," Molecular & Cellular Biomechanics, vol. 16, no. 4, p. 275, 2019.
[16] F. Guilak, J. R. Tedrow, and R. Burgkart, "Viscoelastic properties of the cell nucleus," Biochemical and biophysical research communications, vol. 269, no. 3, pp. 781-786, 2000.
[17] M.-M. Khani, M. Tafazzoli-Shadpour, M. Rostami, H. Peirovi, and M. Janmaleki, "Evaluation of mechanical properties of human mesenchymal stem cells during differentiation to smooth muscle cells," Annals of biomedical engineering, vol. 42, no. 7, pp. 1373-1380, 2014.
[18] E. Gladilin, A. Micoulet, B. Hosseini, K. Rohr, J. Spatz, and R. Eils, "3D finite element analysis of uniaxial cell stretching: from image to insight," Physical biology, vol. 4, no. 2, p. 104, 2007.
[19] G. Ourique, EF. Teixeira, and LG. Brunnet, "Modelling Micropipette Aspiration with Active Particles," arXiv preprint arXiv:2103.16532, pp. 1-6, 2021.
[20] P. M. Davidson, et al., "High-throughput microfluidic micropipette aspiration device to probe time-scale dependent nuclear mechanics in intact cells," Lab on a Chip, vol. 21, no. 21, pp. 3652-3663, 2019.
[21] H. Huang, et al., "Recent advances on the model, measurement technique, and application of single cell mechanics," International Journal of Molecular Sciences, vol. 21, no. 17, pp. 6248:1-30, 2020.
[22] E. Rahimpour, B. Vahidi, and Z. Mollahoseini, "A computational simulation of cyclic stretch of an individual stem cell using a nonlinear model, " Journal of tissue engineering and regenerative medicine. vol. 13, no. 2, pp. 274-282, 2019.
[23] CR. Ethier, and CA. Simmons, "Introductory biomechanics: from cells to organisms," Cambridge University Press, Chapter 2, pp. 43-53, 2007.
[24] YJ. Li, et al., "A microfluidic micropipette aspiration device to study single-cell mechanics inspired by the principle of wheatstone bridge," Micromachines. vol.10, no. 2, pp. 131:1-12, 2019.