اثر نحوه اتصال مژک اولیه به سلول در پاسخ آن به جریان سیال: شبیه سازی محاسباتی سه بعدی

نوع مقاله: مقاله مستقل

نویسندگان

1 کارشناسی ارشد مهندسی پزشکی - بیومکانیک، دانشکده علوم و فنون نوین، دانشگاه تهران

2 استادیار مهندسی پزشکی، دانشکده علوم و فنون نوین، دانشگاه تهران

چکیده

مژک اولیه اندامکی است که تقریبا در تمامی سلول‌های بدن مهره‌داران وجود دارد. این اندامک که مانند شاخک از سطح سلول بیرون زده است به عنوان حسگر سلول شناخته می‌شود که می‌تواند تحریکات مکانیکی و شیمیایی وارد بر سلول را حس کند. در اثر عبور جریان سیال از سطح سلول، مژک اولیه خم می‌شود و غشای اطرافش تحت کرنش قرار می‌گیرد. در اثر این کرنش کانال‌های یونی موجود در غشا فعال می‌شوند و می‌توانند یون‌های کلسیم را از خود عبور دهند. به این ترتیب مژک اولیه می‌تواند تحریک مکانیکی را به پیام یونی تبدیل کند و باعث شود که سلول به نحوی جریان سیال اطراف خود را حس کند. در تحقیق پیش رو مدلی جدید برای مژک ارائه شده است که هم چرخش و هم خمش آن را تحت اثر جریان سیال ممکن می‌سازد. در این مدل سه بعدی، مژک توسط یک لایه‌ی نازک الاستیک که یک نوع شرط مرزی است به سلول متصل شده است. دامنه‌ی مژک با ماده الاستیک خطی مدل شده و از روش اجزا محدود در کنار تکنیک‌های برهم‌کنش سیّال و سازه به منظور حل معادلات کاملا جفت‌شده‌ی حاکم بر دامنه‌ها استفاده شده‌است‌. بیشینه‌ی تنش به دست آمده در پایه‌ی مژک بسته به سختی لایه‌ی الاستیک بین 10 تا 50 کیلو پاسکال متغیر است. به‌کارگیری این شرط مرزی خاص باعث انتقال محل رخ دادن تنش و کرنش بیشینه از نواحی داخلی پایه‌ی مژک به کناره‌های آن می‌شود. به همین دلیل این مدل می‌تواند حساسیت پاسخ مژک اولیه به تحریکات مکانیکی را بهتر توجیه کند.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1] Adams M (2010) The primary cilium: An orphan organelle finds a home. Nature Education 3(9): 54.

[2] Singla V, Reiter JF (2006) The primary cilium as the cell's antenna: signaling at a sensory organelle. science 313(5787): 629-633.

[3] Marshall WF, Nonaka S (2006) Cilia: tuning in to the cell's antenna. Curr Biol 16(15): R604-R614.

[4] Fliegauf M, Benzing T, Omran H (2007) When cilia go bad: cilia defects and ciliopathies. Nat Rev Mol Cell Biol 8(11): 880-893.

[5] Kovalevskij AO (1867) Entwickelungsgeschichte des Amphioxus lanceolatus, Acad. Impériale des Sciences.

[6] Mathieu PS, Bodle JC, Loboa EG (2014) Primary cilium mechanotransduction of tensile strain in 3D culture: Finite element analyses of strain amplification caused by tensile strain applied to a primary cilium embedded in a collagen matrix. J Biomech 47(9): 2211-2217.

[7] Wilson PD (2004) Polycystic kidney disease. N Engl J Med 350(2): 151-164.

[8] Winyard P, Jenkins D (2011) Putative roles of cilia in polycystic kidney disease. Biochimica et Biophysica Acta (BBA)-Molecular Basis of Disease 1812(10): 1256-1262.

[9] Hoey DA, Tormey S, Ramcharan S, O'Brien FJ, Jacobs CR (2012) Primary cilia‐mediated mechanotransduction in human mesenchymal stem cells. Stem Cells 30(11): 2561-2570.

[10] Tummala P, Arnsdorf EJ, Jacobs CR (2010) The role of primary cilia in mesenchymal stem cell differentiation: a pivotal switch in guiding lineage commitment. Cell Mol Bioeng 3(3): 207-212.

[11] Bodle JC, Rubenstein CD, Phillips ME, Bernacki SH, Qi J, Banes AJ, Loboa EG (2013) Primary cilia: the chemical antenna regulating human adipose-derived stem cell osteogenesis. PLoS One 8(5): e62554.

[12] Rydholm S, Zwartz G, Kowalewski JM, Kamali-Zare P, Frisk T, Brismar H (2010) Mechanical properties of primary cilia regulate the response to fluid flow. Am J Physiol Renal Physiol 298(5): F1096-F1102.

[13] Khayyeri H, Barreto S, Lacroix D (2015) Primary cilia mechanics affects cell mechanosensation: A computational study. J Theor Biol 379: 38-46.

[14] Meriam J, Kraige L (2007) Engineering mechanics: Statics; SI Version. 6th edn. Wiley, Hoboken.

[15] Battle C, Ott CM, Burnette DT, Lippincott-Schwartz J, Schmidt CF (2015) Intracellular and extracellular forces drive primary cilia movement. Proc Natl Acad Sci U S A 112(5): 1410-1415.

[16] Abbasszadeh Rad A, Vahidi B (2016) A finite elements study on the role of primary cilia in sensing mechanical stimuli to cells by calculating their response to the fluid flow. Journal of Computational Applied Mechanics 47(1): 35-44.

[17] C. Multiphysics, 2014. Version 4.4. COMSOL, Inc., Burlington, MA, USA, pp. Fluid-Structure Interaction (fsi), Fluid Properties 1, Equation.

[18] Praetorius H, Spring KR (2001) Bending the MDCK cell primary cilium increases intracellular calcium. J Membr Biol 184(1): 71-79.