مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

شبیه‌سازی تئوری و تجربی استخراج مدول یانگ سلول MCF-10 سینه با استفاده از میکروسکوپ نیروی اتمی

نوع مقاله : پژوهشی اصیل

نویسندگان
معین طاهری 1
مهدی میرزالو 2
1 دانشیار، گروه مهندسی مکانیک، دانشکده فنی و مهندسی اراک، دانشگاه اراک، اراک، ایران
2 دانشجوی کارشناسی‌ارشد‌، گروه مهندسی مکانیک، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه اراک، اراک، ایران
چکیده
جهش در دی‌ان‌ای و ایجاد ژن‌های جهش‌یافته که به صورت ارثی یا اکتسابی که در طی زندگی فرد اتفاق می‌افتد، سبب بروز سرطان می‌شود. این نوع بیماری سبب از بین رفتن کنترل طبیعی رشد و تکثیر سلول می‌گردد. سرطان سینه با همه‌گیری در زنان و مردان و آمار مبتلایان بیشتر در جامعه زنان از جمله سرطان‌های مورد توجه در جامعه پزشکی می‌باشد. تغییرات ظاهری در سینه، وجود توده و ترشح و خونریزی از نوک سینه از نشانه‌های بروز سرطان سینه می‌باشد. درمان هدفمند این بیماری سبب کاهش عوارض ناشی از روش‌های درمان می‌گردد. همچنین شناخت ویژگی‌های مکانیکی سلول همچون مدول یانگ، و بررسی تغییرات ناشی از سرطان در این ویژگی‌ها سبب کارآمد شدن درمان و کمک به علوم دارویی خواهد شد. بدین منظور در این مقاله، سلول MCF-10 سینه با استفاده از میکروسکوپ نیروی اتمی و با روش نانومنیپولیشن مورد مطالعه قرار گرفته است. میکروسکوپ نیروی اتمی با امکان تهیه‌ی تصاویر از بافت‌های نرم تحت شرایط محیطی متفاوت و با روشی غیر مخرب از ابزارهای کارآمد در مطالعات ساختاری ذرات بیولوژیکی محسوب می‌شود. مدل‌های تماسی chung، chen و brake از مدل‌های مورد استفاده در شبیه‌سازی انجام شده می‌باشند. در نهایت با شبیه‌سازی‌های صورت گرفته مدول یانگ 1200 پاسکال برای این سلول در نظر گرفته شده است. همچنین با درنظر گرفتن مقایسه‌های صورت گرفته با کار تجربی، مدل تماسی chen به عنوان مدل مطلوب برای استخراج خواص سلولی معرفی شده است.
کلیدواژه‌ها
مدول یانگ
سلول MCF-10
میکروسکوپ نیروی اتمی
مدل‌های تماسی
سرطان سینه

موضوعات

عنوان مقاله English

Theoretical and Experimental Simulation of Young Modulus Extraction of Breast MCF-10 Cells Using Atomic Force Microscope

نویسندگان English

Moein Taheri 1
mahdi mirzaluo 2
1 Department of Mechanical Engineering, Arak University, Arak, Iran
2 Department of Mechanical Engineering, Arak University, Arak, Iran
چکیده English

Mutations in DNA and the development of mutated genes that are inherited or acquired during a personchr('39')s lifetime can cause cancer. This type of disease causes the loss of normal control of cell growth and proliferation. Breast cancer, with its prevalence in both men and women and the higher incidence of women in the female population, is one of the most important cancers in the medical community. Appearance changes in the breast, the presence of a lump, and discharge and bleeding from the nipple are signs of breast cancer. Targeted treatment of this disease reduces the complications of treatment methods. Also, recognizing the mechanical properties of the cell, such as the Youngchr('39')s modulus, and examining the changes caused by cancer in these properties will make treatment more efficient and help the pharmaceutical sciences. For this purpose, in this paper, the MCF-10 breast cell has been studied using atomic force microscopy and nanomanipulation method. Atomic force microscope is one of the efficient tools in the structural studies of biological particles with the possibility of producing images of soft tissues under different environmental conditions and in a non-destructive manner. Chung, chen and brake contact are the models used in the simulation. Finally, with the simulations performed, the Young modulus of 1200 Pa is considered for this cell. Also, considering the comparisons made with experimental work, the chen contact model has been introduced as the optimal model for extracting cellular properties.

کلیدواژه‌ها English

Young modulus
MCF-10 cell
Atomic Force Microscopy
contact models
Breast Cancer
[1] J. Chen, S.-B. Huang, C. Xue, B. Fan, D. Chen, J. Wang, M.-H. Wu, Single-cell mechanical properties: label-free biomarkers for cell status evaluation, in: Essentials of Single-Cell Analysis, Springer, 2016, pp. 213-234.
[2] X. Deng, F. Xiong, X. Li, B. Xiang, Z. Li, X. Wu, C. Guo, X. Li, Y. Li, G. Li, Application of atomic force microscopy in cancer research, Journal of nanobiotechnology, 16(1) (2018) 1-15.
[3] T. Fischer, N. Wilharm, A. Hayn, C.T. Mierke, Matrix and cellular mechanical properties are the driving factors for facilitating human cancer cell motility into 3D engineered matrices, Convergent Science Physical Oncology, 3(4) (2017) 044003.
[4] J. Guck, S. Schinkinger, B. Lincoln, F. Wottawah, S. Ebert, M. Romeyke, D. Lenz, H.M. Erickson, R. Ananthakrishnan, D. Mitchell, Optical deformability as an inherent cell marker for testing malignant transformation and metastatic competence, Biophysical journal, 88(5) (2005) 3689-3698.
[5] I. Guido, M.S. Jaeger, C. Duschl, Dielectrophoretic stretching of cells allows for characterization of their mechanical properties, European Biophysics Journal, 40(3) (2011) 281-288.
[6] T. Yoshino, T. Tanaka, S. Nakamura, R. Negishi, N. Shionoiri, M. Hosokawa, T. Matsunaga, Evaluation of cancer cell deformability by microcavity array, Analytical biochemistry, 520 (2017) 16-21.
[7] M.H. Korayem, M. Vaez, Z. Rastegar, Modeling and simulation of three-dimensional manipulation of viscoelastic folded biological particles considering the nonlinear model of the cell by AFM, Mechanics of Materials, 143 (2020) 103342.
[8] S.H. Lee, O.-K. Kim, S. Lee, J.K. Kim, Local-dependency of morphological and optical properties between breast cancer cell lines, Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy, 205 (2018) 132-138.
[9] S. Moasses Ghafary, M. Nikkhah, S. Hatamie, S. Hosseinkhani, Design and Preparation of Photoluminescent Nanoparticles based on Chimeric Peptides-Graphene Quantum Dots for Nuclear Drug Delivery and Tracking, Modares Journal of Biotechnology, 10(1) (2019) 45-51.
[10] M.H. Korayem, H. Khaksar, R.N. Abad, M. Taheri, Simulation of soft bacteria contact to be applied in nanomanipulation, Modares Mechanical Engineering, 14(14) (2015).
[11] M. Kazemi, J. Amani, A.H. Salmanian, M.M. Forghanifard, H. Aghamollaei, Design and expression of recombinant HER-2 antigen as a marker for detection of breast cancer, Pathobiology Research, 17(4) (2015) 88-99.
[12] M. Soltani, R. Rahpeima, F. Moradi Kashkooli, A. Alipoor, P. Torkaman, Numerical modeling of breast cancer diagnosis with microwave thermo-acoustic imaging, Modares Mechanical Engineering, 18(9) (2018) 142-150.
[13] J. Rother, H. Nöding, I. Mey, A. Janshoff, Atomic force microscopy-based microrheology reveals significant differences in the viscoelastic response between malign and benign cell lines, Open biology, 4(5) (2014) 140046.
[14] W. Chang, I. Etsion, D.B. Bogy, An elastic-plastic model for the contact of rough surfaces, (1987).
[15] Y. Chen, W. Norde, H.C. van der Mei, H.J. Busscher, Bacterial cell surface deformation under external loading, MBio, 3(6) (2012).
[16] M. Brake, An analytical elastic-perfectly plastic contact model, International Journal of Solids and Structures, 49(22) (2012) 3129-3141.
[17] M. Korayem, M. Zakeri, Sensitivity analysis of nanoparticles pushing critical conditions in 2-D controlled nanomanipulation based on AFM, The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 41(7) (2009) 714-726.
[18] Y. Wang, C. Xu, N. Jiang, L. Zheng, J. Zeng, C. Qiu, H. Yang, S. Xie, Quantitative analysis of the cell‐surface roughness and viscoelasticity for breast cancer cells discrimination using atomic force microscopy, Scanning, 38(6) (2016) 558-563.
[19] M.H. Korayem, Z. Rastegar, Experimental Characterization of MCF-10A Normal Cells Using AFM: Comparison with MCF-7 Cancer Cells, Molecular & Cellular Biomechanics, 16(2) (2019) 109.
مهندسی مکانیک مدرس
دوره 22، شماره 1
دی 1400
صفحه 37-45