تعیین مدول یانگ سلول‌های سرطانی با استفاده از مدل‌های مکانیک تماس

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 کارشناسی ارشد، گروه مهندسی مکاترونیک، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه تبریز، تبریز، ایران

2 دانشیار، گروه مهندسی مکاترونیک، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه تبریز، تبریز، ایران

3 استادیار، گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه زنجان، زنجان، ایران

چکیده
اندازه‌گیری سفتی سلولی که به علت تغییر ساختار سیتواسکلتی سلول‌های سرطانی است می‌تواند در زمینه تشخیص زودهنگام انواع سرطان مورداستفاده قرار گیرد. یکی از روش‌های بررسی خواص مکانیک سطح سلول، استفاده از میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM) است که با دندانه گذاری سلولی می‌توان سفتی غشای سلولی را اندازه‌گیری کرد. ازنقطه‌نظر بیومکانیکی، بیماری سرطان را می‌توان با روش تعیین مدول یانگ بافت سرطانی موردبررسی قرارداد. تعیین و اندازه‌گیری مدول یانگ در سلول‌های سرطانی به دو روش تجربی و استفاده از روش‌های مدل‌سازی ریاضی انجام می‌شود. در این مقاله با بررسی نمودار نیرو-فرورفتگی به‌دست‌آمده از بررسی‌های تجربی به تعیین مدول یانگ سلول‌ها پرداخته می‌شود. برای این منظور از داده‌های نیرو-فرورفتگی اندازه‌گیری شده توسط AFM برای دو نوع سلول‌ سالم و سرطانی دهانه رحم و پروستات استفاده می‌شود. سپس مدل‌های مکانیک تماسی هرتز، JKR و تاتارا بر روی داده‌های اعمال و مقدار مدول یانگ محاسبه می‌گردد. با بررسی نتایج به‌دست‌آمده از این سه مدل مشخص می‌شود که مدول یانگ به‌دست‌آمده از مدل‌های هرتز و تاتارا بسیار به هم نزدیک می‌باشند، در حالی که نتایج به‌دست‌آمده از مدل JKR به طور چشمگیری نسبت به دو مدل دیگر کمتر است. دلیل این اختلاف استفاده از نیروهای چسبندگی در مدل JKR می‌باشد. بنابراین با توجه به نتایج به دست آمده از این مقاله، تفاوت مدول یانگ در سلول‌های سرطانی و سلول‌های سالم می‌تواند شاخصی برای تشخیص زودهنگام سرطان باشد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله English

Calculating Young's Modulus of Cancer Cells Using Contact Mechanic Models

نویسندگان English

Elham Baradari 1
Manizhe Zakeri 2
Javad Faraji 3
1 MSc. graduate, Department of Mechanical Engineering, University of Tabriz, Tabriz, Iran
2 Department of Mechanical Engineering, University of Tabriz, Tabriz, Iran
3 Assistant Professor, Department of Mechanical Engineering, Faculty of Engineering, University of Zanjan, Zanjan, Iran
چکیده English

Measurement of cell stiffness, which results from changes in the cytoskeletal structure of cancer cells, can be used as a promising approach for the early detection of cancer. One of the methods for investigating the mechanical properties of the cell surface is the use of atomic force microscopy (AFM), which can be used to determine the stiffness of the cell membrane by indenting the cell. From a biomechanical point of view, cancer can be investigated by determining the Young’s modulus of cancer tissue. The determination and measurement of Young’s modulus in cancer cells can be performed either experimentally or using mathematical modeling approaches. In this study, Young’s modulus of cells is determined by analyzing force-indentation curves from experimental studies. For this purpose, force- indentation data measured with the AFM are used for two cell types: healthy and cancerous cervical and prostate cells. The mechanical contact models of Hertz, JKR and Tatara are then applied to the data to calculate the Young’s modulus. The results of these three models show that the Young’s modulus values obtained with the Hertz and Tatara models are very close to each other, while the value obtained with the JKR model is significantly lower. This discrepancy is attributed to the inclusion of adhesion forces in the JKR model. Based on the results of this study, the difference in Young’s modulus between cancerous and healthy cells could serve as a potential indicator for early cancer detection.

کلیدواژه‌ها English

Cancer Cells
Hertz
JKR. Tatara
AFM
[1] Tirino V, Desiderio V, Paino F, De Rosa A, Papaccio F, La Noce M, et al. Cancer stem cells in solid tumors: an overview and new approaches for their isolation and characterization. The FASEB Journal. 2013;27:13-24.
[2] Khalili AA, Ahmad MR. A review of cell adhesion studies for biomedical and biological applications. International journal of molecular sciences. 2015;16:18149-84.
[3] Pillet F, Chopinet L, Formosa C, Dague É. Atomic force microscopy and pharmacology: from microbiology to cancerology. Biochimica et Biophysica Acta (BBA)-General Subjects. 2014;1840:1028-50.
[4] Sokolov I, Dokukin ME. AFM indentation analysis of cells to study cell mechanics and pericellular coat.  Nanoscale Imaging: Springer; 2018: 449-68.
[5] Paszek MJ, Zahir N, Johnson KR, Lakins JN, Rozenberg GI, Gefen A, et al. Tensional homeostasis and the malignant phenotype. Cancer cell. 2005;8:241-54.
[6] Lekka M, Laidler P, Gil D, Lekki J, Stachura Z, Hrynkiewicz A. Elasticity of normal and cancerous human bladder cells studied by scanning force microscopy. European Biophysics Journal. 1999;28:312-6.
[7] Cross SE, Jin Y-S, Rao J, Gimzewski JK. Nanomechanical analysis of cells from cancer patients. Nature nanotechnology. 2007;2:780-3.
[8] Li Q, Lee GY, Ong CN, Lim CT. AFM indentation study of breast cancer cells. Biochemical and biophysical research communications. 2008;374:609-13.
[9] Faria EC, Ma N, Gazi E, Gardner P, Brown M, Clarke NW, et al. Measurement of elastic properties of prostate cancer cells using AFM. Analyst. 2008;133:1498-500.
[10] Bongiorno T, Kazlow J, Mezencev R, Griffiths S, Olivares-Navarrete R, McDonald JF, et al. Mechanical stiffness as an improved single-cell indicator of osteoblastic human mesenchymal stem cell differentiation. Journal of biomechanics. 2014;47:2197-204.
[11] Hanahan D, Weinberg RA. Hallmarks of cancer: the next generation. cell. 2011;144:646-74.
[12] Hammer AM, Sizemore GM, Shukla VC, Avendano A, Sizemore ST, Chang JJ, et al. Stromal PDGFR-α activation enhances matrix stiffness, impedes mammary ductal development, and accelerates tumor growth. Neoplasia. 2017;19:496-508.
[13] Girot M, Boukallel M, Régnier S. Modeling soft contact mechanism of biological cells using an atomic force bio-microscope.  2006 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems: IEEE; 2006:1831-6.
[14] Zakeri M, Faraji J. Modeling of the rough spherical nanoparticles manipulation on a substrate based on the AFM nanorobot. Applied Physics A. 2014;117:1947-62.
[15] Zakeri M, Faraji J. Dynamic modeling of nano/microparticles displacement in multi-point contact based on the Rumpf model. Modares Mechanical Engineering. 2016;16:120-30.
[16] Zakeri M, Faraji J, Kharazmi M. Multipoint contact modeling of nanoparticle manipulation on rough surface. Journal of Nanoparticle Research. 2016;18:1-23.
[17] Daeinabi K, Korayem MH. Indentation analysis of nano-particle using nano-contact mechanics models during nano-manipulation based on atomic force microscopy. Journal of Nanoparticle Research. 2011;13:1075-91.
[18] Korayem M, Zakeri M. Dynamic modeling of manipulation of micro/nanoparticles on rough surfaces. Applied Surface Science. 2011;257:6503-13.
[19] Korayem M, Khaksar H, Hefzabad R, Taheri M. Contact simulation of soft micro/nano bioparticles for use in identification of mechanical properties and manipulation based on atomic force microscopy. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part K: Journal of Multi-body Dynamics. 2018;232:274-85.
[20] Hayashi K, Iwata M. Stiffness of cancer cells measured with an AFM indentation method. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. 2015;49:105-11.
[21] Lekka M, Pabijan J. Measuring elastic properties of single cancer cells by AFM.  Atomic Force Microscopy: Springer; 2019:315-24.
[22] Israelachvili JN. Intermolecular and surface forces: Academic press, 2015.
[23] Obataya I, Nakamura C, Han S, Nakamura N, Miyake J. Nanoscale operation of a living cell using an atomic force microscope with a nanoneedle. Nano letters. 2005;5:27-30.
[24] Iyer S, Gaikwad R, Subba-Rao V, Woodworth C, Sokolov I. Atomic force microscopy detects differences in the surface brush of normal and cancerous cells. Nature nanotechnology. 2009;4:389-93.
[25] Remmerbach TW, Wottawah F, Dietrich J, Lincoln B, Wittekind C, Guck J. Oral cancer diagnosis by mechanical phenotyping. Cancer research. 2009;69:1728-32.
[26] Watanabe T, Kuramochi H, Takahashi A, Imai K, Katsuta N, Nakayama T, et al. Higher cell stiffness indicating lower metastatic potential in B16 melanoma cell variants and in (−)-epigallocatechin gallate-treated cells. Journal of cancer research and clinical oncology. 2012;138:859-66.
[27] Ladjal H, Hanus J-L, Pillarisetti A, Keefer C, Ferreira A, Desai JP. Reality-based real-time cell indentation simulator. IEEE/ASME Transactions On Mechatronics. 2010;17:239-50.
[28] Korayem M, Estaji M, Homayooni A. Noncalssical multiscale modeling of ssDNA manipulation using a CNT-nanocarrier based on AFM. Colloids and Surfaces B: Biointerfaces. 2017;158:102-11.
[29] Runel G, Lopez-Ramirez N, Chlasta J, Masse I. Biomechanical Properties of Cancer Cells. Cells. 2021;10:887.
[30] Zakeri M, Kharazmi M, Faraji J. Low-dimensional Friction Modelling with Considering Random Asperity Distributions. Iranian Journal of Mechanical Engineering Transactions of the ISME. 2023;24:119-40.
[31] Keighobadi J, Faraji J, Rafatnia S. Chaos control of atomic force microscope system using nonlinear model predictive control. Journal of Mechanics. 2017;33:405-15.
[32] Keighobadi J, Hosseini‐Pishrobat M, Faraji J, Oveisi A, Nestorović T. Robust nonlinear control of atomic force microscope via immersion and invariance. International Journal of Robust and Nonlinear Control. 2019;29:1031-50.
دوره 5، شماره 2
تابستان 1404
صفحه 271-291

  • تاریخ دریافت 06 تیر 1404
  • تاریخ بازنگری 15 مرداد 1404
  • تاریخ پذیرش 03 شهریور 1404