بررسي محاسباتي اثر ضخامت و سختي بستركلاژني بر پاسخ سلول‎هاي ‎بنيادي مزنشيمال در محيط كشت

Effect of Collagen SubstrateStiffeness and Thickness on the response of a Mesenchymal Stem Cell in Cell Culture Environment: A Computational Study

بررسي تحريكات مكانيكي موثر بر سلول بنيادي در شرايط طبيعي بدن و همچنين شرايط كشت آزمايشگاهي، موضوعي بسيار مهم درجهت دستيابي به توانايي كنترل بر رفتار و پاسخ‎هاي سلولي همچون رشد، تكثير و تمايز مي‎باشد. درمورد عوامل بيومكانيكي دخيل در اين پديده پژوهش‎هاي فراواني انجام شده است. امروزه ثابتشده است كه عواملي همچون مورفولوژي سلول، آرايش اجزاي زيرسلولي، هندسه داربست، سختي بستر و تحريك مكانيكي اعمالي از جانب آن و يا جريان سيال تاثير بسزايي در پاسخ‎هاي سلولي دارند. در پژوهش حاضر سعي شده است تا با استفاده از تحليل اجزاي محدود، يكي از عوامل مذكور در تحريك مكانيكي موثر بر سلول بنيادي مزنشيمال يعني اثر سختي و ضخامت بستر و پاسخ سلول از جنس تنش و كرنش به اين عامل ارزيابي شود. براي اين منظور از بستر‎هاي ‎پايه كلاژني به عنوان ماتريس خارج سلولي مصنوعي استفاده شد و شرايط كشت سلول درون يك بيوراكتور و در حضور جريان سيال شبيه‎سازي شد. با به كار گيري روش برهم كنش سيال و سازه براي شبيه‎سازي و حل آن به شيوه جفت شوندگي دو طرفه معادلات سيال و جامد، تاثير افزايش سختي بستر و ضخامت آن به ترتيب در افزايش و كاهش تنش‎هاي وارده بر سلول از جانب بستر به ميزان حداكثر 15 درصد در نتايج مشاهده شد. همچنين مشاهده شد كه تغيير سختي بستر تنها در بازه‎ي 1/0 تا 100 كيلو پاسكال مي‎تواند در تغيير رفتار سلول در مقابل تحريك خارجي موثر باشد. نتايج به دست آمده از اين تحقيق در كنار ساير تحقيقات مشابه مي‎توانند يك راهنما براي محققان جهت بهينه سازي شرايط ريزمحيطي سلول بنيادي در محيط كشت آزمايشگاهي و در نهايت دستيابي به نتايج كارآمدتر در پژوهش‎هاي مرتبط با مهندسي سلول‎هاي بنيادي محسوب شود.

Investigating the mechanical stimuli on stem cells under in vitro and in vivo conditions is a very important topic to achieve an ability tocontrol the cellular responses like growth, proliferation and differentiation. Many investigations carried out about biomechanical factors involved in this phenomenon and nowadays, it is proved that some factors like as cell morphology, subcellular elements configuration, scaffold architecture, substrate stiffness and mechanical stimulation via substrate displacement or fluid flow, have got an important effecton cellular responses. In this study, we have tried to evaluate the responses of a stem cell to the stiffness and thickness of the substrate by the means of finite element method. For this purpose, we have used collagen-based scaffolds as the artificial ECM and a cell culture in a bioreactor with fluid flow was simulated. By use of fluid-structure interaction method and solving the equations in two-way coupling scheme, the results show that the increase in thickness and stiffness of the substrate will result in15 percent change in cell-substrate stresses, respectively. Also, it was seen that the change of substrate stiffness only in the range of 0.1-100 KPa could affect the cell response to an external stimulation. These results, along with other similar investigations, could be used as an instructor by the researchers to optimize the stem cell’s microenvironment in vitro, and finally get the most out of their stem cell related Investigations.