شبیه سازی محاسباتی تحریک مکانیکی سلول‌های بنیادی مزانشیمی تحت نیروی کشش چرخه‌ای تک‌محوره

در پاسخ به نیروهای خارجی، سلول‌های چسبیده به سطح از حالت آرایش تصادفی به حالت منظم و یکنواخت بسته به کشش اعمالی، بازآرایی می‌شوند. در سطح زیر سلولی، اسکلت سلولی و همچنین رشته‌های تنشی با قطبی شدن، نیروهای داخلی انقباضی ایجاد می‌کنند که موجب بازآرایی سلول‌ها در زاویه‌ای مشخص می‌شوند. در پژوهش حاضر، به بررسی محاسباتی پاسخ تک سلول به کشش چرخه‌ای زیرلایه پرداخته شده است. نوآوری پژوهش، شبیه‌سازی تغییرات مورفولوژی سلول بنیادی با استفاده از مدل ویسکوالاستیک است. به این منظور، تک سلول با توجه به ابعاد سلول‌های بنیادی مزانشیمی در نرم‌افزار comsol طراحی گردید. کرنش چرخه‌ای تک محوره به زیرلایه اعمال شد و فرکانس‌ اعمال این کرنش به عنوان پارامتری متغیر بررسی شد. زاویه‌ی خوابیدگی سلول روی بستر از 34 تا 90 درجه تغییر داده شد. مدول الاستیک بستر و تغییرات کرنش اعمالی نیز در مقادیر مختلف بررسی شد. نتایج به‌دست آمده حاکی از وابستگی شدید توزیع تنش روی سطح سلول و هسته به زاویه‌ی خوابیدگی است و نشان داد که سلول در زاویه‌ی تقریبی 70 درجه نسبت به راستای بارگذاری کمترین تنش و کرنش را دارا می‌باشد.

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

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, timedependent 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.