بخشی از مقاله
چکیده
سلول ها همواره تحت تأثیر محیط خود هستند و با توجه به شرایط محیطی، پاسخهای مختلف و متناسبی ارائه میدهند. بنابراین هر گونه تغییر در ساختار یا عملکرد سلول، می تواند ناشی از تغییر در ساختار محیط اطراف باشد. عوامل مختلف بیوشیمیایی، فیزیکی و مکانیکی بر رفتار، شکل - مورفولوژی - ، سیگنالدهی و عملکردهای سلول مانند تکثیر، تمایز، ترمیم، مرگ، مهاجرت، گسترش سلولهای سرطانی و غیره تاثیرگذار هستند. از جمله خصوصیات بستر که میتواند بر درک و رفتار سلول موثر باشد مدول الاستیسیته، ایزوتروپ یا غیر ایزوتروپ، ناهمگنی، قیدهای مکانیکی و هندسه بستر میباشد.
در این مدلسازی، یک مدل المان محدود از سلول و محیط پیرامونش بازسازی شده و تاثیر ناهمگنی بستر بر رفتار سلول ارزیابی شد. نتایج نشان میدهد که هر چه ناهمگنی بستر بیشتر باشد، تنش-های توزیع شده در سلول و شکل آن نامتقارنتر است و جهتگیری سلول تحت تاثیر قرار میگیرد.
مقدمه
سلول ها همواره تحت تأثیر محیط پیرامونی خود هستند و به دلیل ویژگی منحصر به فرد زنده بودن در بین اجزاء میکروسکوپی سازنده بدن، به شرایط محیطی پاسخ میدهند. هر گونه تغییر در ساختار یا عملکرد سلول، به معنی تغییر در ساختار آن بافت و کل بدن است
عوامل مختلف بیوشیمیایی، فیزیکی و مکانیکی بر رفتار، شکل - مورفولوژی - ، سیگنالدهی و عملکردهای سلول مانند تکثیر، تمایز، ترمیم، مرگ، مهاجرت، گسترش سلولهای سرطانی و غیره تاثیرگذارند
سلولها به وسیلهی پروتئینهایی به نام اینتگرین که چسبندههای موضعی، حسگرهای مکانیکی و تعیین کنندهی رفتار مکانیکی آنها هستند به لیگاند بستر خود متصل میشوند [5] و به وسیلهی تعامل با ماتریس خارج سلولی، محیط مکانیکی احاطه کننده خود را درک و براساس یافتههای خود، عملکرد سلول را تعدیل و نقش اساسی در مورفولوژی و حرکت سلول ایفا میکنند .
در سال 2011 یک مدل میکروسکوپی به منظور حرکتشناسی اینتگرین ارائه شد و به وسیلهی آن چگونگی انتشار اینتگرین در هنگام تولد سلول، فعال شدن روی بستر الاستیک، اتصال گیرنده-لیگاند و حرکت مکانیکی وابسته را بررسی کردند
در گذشته سال های سال، پاسخ به مکانیزم مخالفت با اعوجاج شکل سلول و پایدار ماندن ساختار سلول این بود که غشای بیرونی که مایع سیتوپلاسم را احاطه کرده است شکل سلول را پایدار نگه می دارد .[8] این مدل برای سلول های معلق می تواند درست باشد اما برای سلول های چسبنده دارای نقص است .[8] مدل های گذشته فقط تعداد محدودی از ویژگیهای مشاهده شده سلول ها را بررسی میکردند احتمالا به این علت که مدلسازی را به عنوان یک بارگذاری بسیار ساده در نظر گرفته اند .[9] نوع تعامل موجود بین سلول و بستر مستقیما متأثر از ویژگیهای هر دوی آنها است
در مطالعات جدیدتر که در سالهای اخیر در راستای درک بهتر رفتار سلولهای چسبنده و عوامل مکانیکی موثر بر آنها انجام شده اند چگونگی تأثیر عوامل مختلفی از جمله انقباض سلول، الگوی کرنش زمانی و فضایی [11]، چسبندگی، سفتی، غیر ایزوتروپ بودن، ناهمگن بودن و ابعاد بستر و یا ترکیبی از این عوامل که سبب ایجاد یک پاسخ خاص توسط سلول می شوند مورد بررسی قرار گرفته اند
نتایج برخی از این مطالعات نشان میدهد که سلول متصل به بستر از طریق اعمال نیروهای کششی به بستر، خود را روی آن نگه میدارد .کاهش این نیرو باعث میشود که سلول حرکت داشته باشد و روی بستر بخزد .[10] نیروهای کششی سلول که بر بستر وارد می-شود همراه با افزایش فاصله نسبت به مرکز سلول افزایش مییابد [5] و رابطهی بین کشش- فاصله از رابطه خطی روی بسترهای نرم به رابطهی نمایی روی بسترهای سفت تغییر میکند
میزان نیروی اعمالی سلولها بر بستر به الاستیسیته بستر وابسته است. همچنین استفاده از بسترهایی با توپوگرافیهای سطحی مختلف میتواند منجر به رشد جهت یافته در سلولها شده و به عنوان یک عامل کلیدی، مهاجرت سلول را در راستایی که سلول با سفتی بیشتری از سوی بستر مواجه میشود تحت تاثیر قرار دهد. برای مثال در بسترهایی با گرادیان سفتی، سلولها به طرف مناطق سفتتر مهاجرت میکنند .
این سفتی همچنین میتواند در سرعت حرکت سلولها نیز موثر باشد. بسترهای سفتتر منجر به حرکت آهستهتر سلول میشوند در حالی که بسترهای خیلی نرم رابطه دوگانهای با سرعت حرکت دارند .[10] بنابراین چسبندگی سلول و رفتارهای مهاجرتی میتوانند به وسیلهی شکل سلول و سفتی بستر تنظیم شوند
در مطالعات اخیر در راستای درک بهتر تعامل سلولهای چسبنده با بستر، ویژگیهای مختلفی مورد بررسی قرار گرفته اند، ولی در این میان نقش بسترهای ناهمگن در مورفولوژی و مهاجرت سلول کمتر مورد توجه قرار گرفته است. در این مقاله به تحلیل مکانیکی سلول متصل به بستر ناهمگن پرداخته میشود و از یک مدل المان محدود جهت درک بهتر حرکت سلولهای چسبنده روی بسترهایی با ویژگی-های مکانیکی مختلف استفاده میگردد.
مواد و روش ها در این مطالعه جهت مدلسازی سلول و بستر از نظریه مکانیک
محیطهای پیوسته استفاده گردید. در واقعیت ماده پیوسته نیست اما میتوان بدون توجه به ساختمان مولکولی، مواد را توصیف و رفتار آن ها را پیشبینی کرد تا پیچیدگیهای ناشی از وجود اجزاء مختلف و ناپیوستهی آنها از میان برداشته شود و تفاوتها بزرگتر و قابل لمستر شود. بدین جهت اجسام مدلسازی شده، به عنوان اجسامی پیوسته طراحی شدند.
مدلسازی در نرم افزار آباکوس ورژن - 6-14-2 - انجام شد. این مدلسازی شامل دو جزء اصلی به نام سلول و بستر است. بسترهای موجود در بدن در دو دسته مدلسازی شدند: -1 بستر همگن -2 بسترهای ناهمگن. بستر غیرهمگن شباهت بیشتری به واقعیت شرایط موجود در بدن دارد. با طراحی بسترهای ناهمگن می توانیم رفتار سلول را در محیطهای واقعیتری رصد کنیم. ناهمگنی به چهار صورت مورد بررسی قرار گرفت. -1 ایجاد ناهمگنی به صورت تغییر ارتفاع بستر -2 ایجاد بستر چند قطعهای با مدول الاستیسیتههای متفاوت -3 ایجاد بسترهایی که دارای چند فیبر با مدول الاستیسیته-های متفاوت از بستر هستند. -4 ایجاد تخلخل در بستر
در بسترهایی که از بیش از یک جزء تشکیل شده بودند مانند بسترهای چند تکهای یا فیبردار با اعمال قید tie، قطعات جداگانه به یکدیگر متصل شدند، به صورتی که حرکت نسبی میان آنها محدود شد تا فرض پیوسته بودن بستر پایدار بماند و نتایج اشتباه ناشی از عدم قرارگیری صحیح این قطعات در کنار یکدیگر از بین برود.. هم-چنین سطح زیرین بستر در حالت پین شده قرار گرفت، یعنی تمام درجات آزادی انتقالی سطح، برابر صفر قرار داده شد.
مدل سلول و بستر در این مدل سلول به شکل یک نیم کره به شعاع 5 و ارتفاع 2/3 میکرون مدلسازی شد. همچنین سلول یک جسم الاستیک با مدول الاستیسیته 3/5 کیلو پاسکال در نظر گرفته شد.
بسترها:
- 1 بستر همگن: بستری به شکل مکعب مستطیل با طول و عرض و ارتفاع به ترتیب 40، 40 و 10 میکرون در نرمافزار مدلسازی شد و مدول الاستیسیتهی آن 1/3 مگاپاسکال در نظر گرفته شد.
-2 بسترهای ناهمگن
-1-2 بستر غیرهمگن به وسیلهی تغییر ارتفاع بستر.
در این مدلسازی بستری با حداکثر ارتفاع 10 میکرون و حداقل ارتفاع 5 میکرون و مدول الاستیسیتهی 1/3 مگاپاسکال مدل-سازی گردید.
-2-2 بسترهای چند تکهای با مدول الاستیسیتههای متفاوت:
الف - بستر دو تکه ای با مدول الاستیسیتههای 1/3 و 13 مگاپاسکال ،
ب - سه تکه ای با مدول الاستیستههای 1/3، 2/6 و 13
-3-2 بسترهای فیبردار:
دو بستر همانند بستر همگن و با همان مدول الاستیسیته که چهار استوانه به شعاع 3 میکرون و به صورت متقارن از طرفین آنها توخالی گردید. در یک بستر این استوانهها خالی باقی ماندند و در حالت دوم استوانهها با مادهای دیگر که مدول الاستیستهی آن 10 برابر مدول بستر بود پر شد.
-4-2 بستر متخلخل:
بستری به شکل مکعب مستطیل و مدول الاستیسیتهی 1/3 مگاپاسکال که تخلخل به صورت چهار کرهی همسان به شعاع 3 میکرون و به صورت متقارن از دیوارههای آن، مدلسازی شد.
ضریب پواسون در همه حالات 0/49 در نظر گرفته شد. همچنین مشبندی سلول و بسترها همه از نوع هشت وجهی انتخاب شد. سلول دارای 4166 المان است و بسترها هم دارای المان هایی به اندازهی 1 میکرون هستند.
مراحل شبیه سازی نحوه برهمکنش و بارگذاری روی سلول در محیط بدن:
-1 ایجاد قابلیت تنش اولیه در سلول در محیط واقعی بدن، هنگامی که سلول در حالت آزاد خود قرار دارد و هنوز به محیط پیرامون خود متصل نشده، به علت دارا بودن پیش تنش، در شعاعی بیش از شعاع واقعی خود قرار دارد. جهت مدلسازی آن، در راستای شعاعی یک جابهجایی به اندازه %4 شعاع سلول به طور یکنواخت به محیط سلول اعمال گردید. این پیش تنش باید دارای اندازه متعادلی باشد. انتخاب مقدار کم باعث میشود که به دلیل بالا بودن مدول الاستیسیتهی بستر نسبت به سلول، تغییری در بستر رخ ندهد. مقدار زیاد برای این عدد هم باعث به وجود آمدن اعوجاجاتی در مدل میگردد.وجود این تنش اولیه و ویژگی الاستیک بودن سلول باعث میشود که هر زمان که در مراحل بعد، این پیش تنش برداشته شود سلول بتواند به حالت اولیه خود برگردد.
-2 تعریف رفتار موجود میان سلول و بستر هنگامی که سلول روی بستر جدیدی قرار میگیرد پس از طی مدت زمانی سعی میکند با بستر تعامل برقرار کند و به وسیلهی پروتئین های اینتگرین خود، به سطح بستر متصل شود. جهت مدل-سازی رفتار تماسی سلول یک نیروی تماسی صفحه به صفحه از نوع تماس مکانیکی چسبندگی بین سطح زیرین سلول و سطح فوقانی بستر اعمال گردید. بنابراین در مرحله دوم سلول با همان تنش اولیه روی سطح بستر آرام میگیرد.
-3 بازگشت سلول به حالت اولیه سلول پس از استقرار و اتصال به بستر تنش اولیه خود را آزاد می-کند و سعی دارد که به حالت اولیه خود برگردد. از طرفی چون به بستر متصل است این پیش تنش سعی دارد بر میزان سفتی بستر غلبه، سطح بستر را به سمت خود و در جهت کاهش شعاع خود جمع کند. این بازگشت و تعامل به وجود آمده میان دو سطح باعث به وجود آمدن تنشی در سلول و بستر میگردد. در واقع درک سلول از میزان مدول الاستیسیتهی بستر، تعیین کنندهی میزان کاهش شعاع سلول و تنش وارد شده به سلول و بستر در این تعامل است. بازگشت سلول به حالت آزاد خود نیز به وسیلهی غیر فعال کردن نیروهای موجود در سلول بازسازی گردید.
شکل :2 نسبت ابعادی سلول برابر است با Lx/Lz
در حقیقت هنگامی که سلول متصل به بستر میخواهد تنش اولیه خود را رها کند و به حالت آزاد خود بازگردد، با توجه به خصوصیات بستری که به آن متصل شده ممکن است با مقاومتهایی از طرف بستر روبهرو شود. این مقاومت با توجه به نوع بستر از لحاظ همگن بودن و درک سلول از سفتی ناشی از ناهمگنی بستر متفاوت است. بنابراین در هر حالت میتوان تنش توزیع شده در سلول و مورفولوژی و جهت آن را مشاهده نمود. این نسبتها به تفکیک در جدول زیر آورده شده است.
جدول :1 نسبت ابعاد در بسترهای مختلف
شکل :1 نمونه توزیع تنش در سلول و بستر الف - بستر همگن ب - بستر غبر همگن - سوراخدار - پ - بستر غیر همگن - دو تکه -
نتایج
جهت بررسی تاثیر نوع بستر بر جهتگیری و مورفولوژی سلول شکل :3 نسبت ابعادی سلول روی بسترهای مختلف مفهومی به نام " نسبت ابعاد"1 به کار رفت. در واقع نسبت ابعاد نشان دهندهی نسبت قطر سلول در راستای محور X به قطر آن در راستای محور Z است که این نسبت پس از بازگشت سلول به حالت آرامش، در حالت متصل به بستر، اندازه گیری شد.
