بررسی مشخصات مکانیکی و دینامیکی سلول‌های سالم و سرطانی مغز موش با استفاده از میکروسکوپ نیروی اتمی و مدل‌سازی عددی FEM

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه مهندسی پزشکی، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه آزاد اسلامی واحد تهران مرکزی، تهران، ایران

2 گروه مکانیک، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه آزاد اسلامی واحد دماوند، دماوند، تهران، ایران،

3 گروه علوم پایه، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه آزاد اسلامی واحد دماوند، دماوند، تهران، ایران

چکیده
در این تحقیق، تأثیرات بیماری سرطان و درمان‌های مرتبط با آن بر مشخصات مکانیکی سلول‌های مغزی سالم و سرطانی (C6) موش صحرایی، با استفاده از نفوذ نانویی توسط میکروسکوپ نیروی اتمی مورد بررسی قرار گرفت. شیمی‌درمانی به‌عنوان اولین درمان با استفاده از داروی ضدسرطان سیس‌پلاتین انجام شد. غلظت ایده‌آل سیس‌پلاتین با ارزیابی MTT و با فرض غلظت زنده ماندن سلولی IC50 برای کشت‌های 24 و 48 ساعته تعیین شد. نتایج نشان داد که مدول یانگ سلول سالم به‌دلیل سرطان کاهش یافته و از 79.17 کیلو پاسکال به 446.2 کیلو پاسکال (0.139 برابر) رسیده است. از طریق شیمی‌درمانی مدول یانگ از 2.446 کیلو پاسکال به 3.482 کیلو پاسکال (1.423 برابر) و 38.38 کیلو پاسکال (15.691 برابر) برای کشت 24 و 48 ساعت افزایش می‌یابد. درمان دوم، پلاسما درمانی بود و به مدت 30 و 60 ثانیه طی 24 و 48 ساعت انجام شد. طبق برآیندها، استفاده از پلاسما درمانی در زمان کشت 48 ساعته، سفتی سلول را به‌سرعت افزایش می‌دهد. نتایج نشان داد که عرض سلول مغز سالم موش بزرگتر از C6 (1.744 برابر) بود. در بخش بعدی، برای به دست آوردن فرکانس‌های تشدید و دامنه تابع پاسخ فرکانسی حرکت تیرک AFM با فرض سلول‌ها به‌عنوان نمونه از روش‌های تئوری و تجربی استفاده شد. نتایج نشان داد که افزایش صلبیت (سفتی) نمونه‌ها فرکانس تشدید را افزایش می‌دهد. در نتیجه، فرکانس تشدید در سلول‌های درمان‌شده بیشتر از سلول‌های درمان‌نشده است. در نهایت، FEM و نتایج تجربی مورد ارزیابی قرار گرفت. مقایسه توافق خوبی را نشان می‌دهد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله English

Investigating the Mechanical and Dynamic Characteristics of Healthy and Cancerous Mouse Brain Cells Using Atomic Force Microscopy and FEM Numerical Modeling

نویسندگان English

Mohammad Reza Amin Far 1
Ali Sadeghi 2
Mansoureh Lafouti 3
1 Department of Biomedical Engineering, Central Tehran branch, Islamic Azad University, Tehran, Iran
2 Department of Mechanical Engineering, Damavand branch, Islamic Azad University, Damavand, Tehran, Iran
3 Department of Basic Sciences, Damavand branch, Islamic Azad University, Tehran, Iran
چکیده English

In this investigation, the influences of cancer illness and related treatments on the mechanical specifications of rat healthy and cancerous (C6) brain cell were studied using nanoindentation by AFM. Chemotherapy as the first treatment was done by Cisplatin anti-cancer drug. The ideal concentration of Cisplatin was found by MTT assessment and supposing IC50 cell viability concentration for 24- and 48-h cultures. The results showed that Young’s modulus of healthy cell was decreased due to cancer and reached from 17.79 kPa to 2.446 kPa (0.139 times). By chemo treatment the Young’s modulus increases from 2.446 kPa to 3.482 kPa (1.423 times) and 38.38 kPa (15.691 times) for 24 and 48-h culture times. The second treatment was plasma treatment and was done for 30 and 60 s for 24 and 48-h culture times. The outcomes showed that applying the plasma treatment raises rapidly the cell rigidity for 48-h culture time. The results displayed that the width of rat healthy brain cell was larger than C6 (1.744 times). In the next section, theoretical and experimental methods were used to obtain the resonant frequencies and amplitude of the frequency response function of the AFM beam’s motion by supposing cells as specimens. The outcomes displayed that rising the specimens’ rigidity increases the resonant frequency. As the result, the resonant frequency of treated cells is bigger than untreated cell. Finally, the FEM and experimental results were evaluated. The comparison displays good agreement.

کلیدواژه‌ها English

Young’s modulus
Carcinomatous cell
Chemo treated
Plasma treated
Atomic force microscope
[1] Kajiyama H, Utsumi F, Nakamura K, Tanaka H, Toyokuni S, Hori M, Kikkawa F. Future perspective of strategic non-thermal plasma therapy for cancer treatment. Journal of Clinical Biochemistry and Nutrition. 2017;60(1):33-8.
[2] Tanaka H, Mizuno M, Ishikawa K, Takeda K, Nakamura K, Utsumi F, Kajiyama H, Kano H, Okazaki Y, Toyokuni S, Maruyama S. Plasma medical science for cancer therapy: toward cancer therapy using nonthermal atmospheric pressure plasma. IEEE Transactions on Plasma Science. 2014;42(12):3760-3764.
[3] Khalili M, Daniels L, Lin A, Krebs FC, Snook AE, Bekeschus S, Bowne W B, Miller V. Non-thermal plasma-induced immunogenic cell death in cancer. Journal of Physics D: Applied Physics. 2019;52(42):423001.
[4] Keidar M, Shashurin A, Volotskova O, Ann Stepp M, Srinivasan P, Sandler A, Trink B. Cold atmospheric plasma in cancer therapy. Physics of Plasmas. 2013;20(5).
[5] Scholtz V, Pazlarova J, Souskova H, Khun J, Julak J. Nonthermal plasma—A tool for decontamination and disinfection. Biotechnology Advances. 2015;33(6):1108-1119.
[6] Babajani A, Eftekharinasab A, Bekeschus S, Mehdian H, Vakhshiteh F, Madjd Z. Reactive oxygen species from non-thermal gas plasma (CAP): implication for targeting cancer stem cells. Cancer Cell International. 2024;24(1):344.
[7] Kim S J, Seong M J, Mun J J, Bae J H, Joh H M, Chung T H. Differential sensitivity of melanoma cells and their non-cancerous counterpart to cold atmospheric plasma oxygen and nitrogen species. International Journal of Molecular Sciences. 2022;23(22):14092.
[8] Wu K, E l Zowalaty A E, Sayin V I, Papagiannakopoulos T. The pleiotropic functions of reactive oxygen species in cancer. Nature Cancer, 2024;5(3):384-399.
[9] Yu Y, Liu S, Yang L, Song P, Liu Z, Liu X, Yan X, Dong Q. Roles of reactive oxygen species in inflammation and cancer. MedComm. 2024;5(4):e519.
[10] Averill-Bates D. Reactive oxygen species and cell signaling. Biochimica et Biophysica Acta (BBA)-Molecular Cell Research. 2024;1871(2):119573.
[11] Ye B, Jiang A, Liang F, Wang C, Liang X, Zhang P. Navigating the immune landscape with plasma cells: A pan-cancer signature for precision immunotherapy. Biofactors. 2025;51(1):e2142.
[12] Tian K, Yao Z, Pan D. "Leveraging single-cell and multi-omics approaches to identify MTOR-centered deubiquitination signatures in esophageal cancer therapy. Frontiers in Immunology. 2024;15:1490623.
[13] Stoof J, Kalmoua Z, Sobota A, Brakenhoff R H, Stigter M, Pham T V, Piersma S R, Henn, Lagerweij T, de Goeij-de Haas R, van Moorselaar R J. Non-thermal plasma as promising anti-cancer therapy against bladder cancer by inducing DNA damage and cell cycle arrest." Scientific Reports, 2025;15(1):2334.
[14] Lima LG, Marcondes MS, Queiroz RC, Junior CA, Pessoa RS, Azevedo Neto NF, Tada DB. Comparative effects of direct plasma treatment and plasma-activated media on B16F10 cancer cells using a multipoint surface dielectric barrier discharge system. Journal of Physics D: Applied Physics. 2025;58(13):135201.
[15] Di Giacomo V, Balaha M, Pece A, Cela I, Fulgenzi G, Orsini G, Spadoni T, Acharya TR, Kaushik NK, Choi EH, Rapino M. "Human head and neck cancer cell lines response to cold atmospheric plasma activated media is affected by the chemistry of culture media." Heliyon. 2025;11(1):e41458.
[16] Adesina K, Lin T C, Huang Y W, Locmelis M, Han D. A Review of Dielectric Barrier Discharge Cold Atmospheric Plasma for Surface Sterilization and Decontamination. IEEE Transactions on Radiation and Plasma Medical Sciences. 2024;8(3):295-306.
[17] Seraji M E, Dorranian D. Experimental investigation on food decontamination by low-temperature dielectric barrier discharge (LT-DBD) plasma: application to bread-born mold. Journal of Theoretical and Applied Physics. 2024;18(3).
[18] Jafari A, Sadeghi A, Lafouti M. Mechanical properties of human kidney cells and their effects on the atomic force microscope beam vibrations. Microscopy Research and Technique. 2024;87(8):1704-1717.
[19] Zadeh NM, Sadeghi A, Lafouti M. "Mechanical Properties of Mouse Lung Cells and Their Effects on the Atomic Force Microscope Beam Vibrations." Cell Biochemistry and Biophysics. 2024;82(2):1079-99.
[20] Chen Y, Maguire T, Marks R M. Demonstration of binding of dengue virus envelope protein to target cells, J. Virol. 1996;70(12):8765-8772.
[21] Timoshenko S P, Goodier J N. Theory of Elasticity. McGraw- Hill, New York. 1970;970(4):279-91.
[22] Derjaguin, B V, Muller, V M, Toporov Y P. Adhesion of Spheres: Effect of Contact Deformations on the Adhesion of Particles, Journal of Colloid and Interface Science. 1975;53(2):314-326.
[23] Turner J A. Non-linear Vibrations of a Beam with Cantilever- Hertzian Contact Boundary Conditions, Journal of Sound and Vibration, 2004;275(1-2):177-91.
[24] Reddy J N. An Introduction to the Finite Element Method; McGraw-Hill, New York, 2005.
[25] Korayem, A. H., Alipour, A., Younesian, D., Vibration suppression of atomic-force microscopy cantilevers covered by a piezoelectric layer with tensile force, J. Mech. Sci. Technol. 2018;32:4135-4144.
[26] Lin Y  H. Vibration analysis of Timoshenko beams traversed by moving loads. Journal of Marine Science and Technology. 1994;2(1):4.
دوره 4، شماره 4
زمستان 1403
صفحه 645-668

  • تاریخ دریافت 05 بهمن 1403
  • تاریخ بازنگری 18 اسفند 1403
  • تاریخ پذیرش 24 اسفند 1403