عنوان پایان‌نامه
بررسی محاسباتی و آزمایشگاهی سفتی توده های سلول بنیادی مزانشیمی حاوی میکرو ذرات پلیمری
- رشته تحصیلی
- مهندسی پزشکی - بیومکانیک
- مقطع تحصیلی
- کارشناسی ارشد
- محل دفاع
- کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 73535;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 73535
- تاریخ دفاع
- ۱۷ بهمن ۱۳۹۴
- دانشجو
- فاطمه عباسی
- استاد راهنما
- بهمن وحیدی
- چکیده
- سلول‌های بنیادی مزانشیمی به دلیل داشتن خواص پرتوانی و سرکوب کنندگی سیستم ایمنی، ابزار مهمی برای درمان اختلالات ایمنی و ترمیم بافت هستند. خاصیت خودسازمان‌دهی سلول‌های بنیادی مزانشیمی در توده‌های سه بعدی سبب ارتقای پتانسیل تمایزی سلول‌ها و فعالیت پاراکراین‌ها می‌شود. به علاوه، این توده‌های سلولی توانایی تولید مقیاس بالا از سلول‌های درمانی را از طریق کشت معلق دارند. اما این توده‌های سلولی محدودیت‌هایی نیز دارند، از جمله این‌که نفوذ اکسیژن و مواد غذایی به سلول‌های داخلی توده بسیار کم بوده و باعث افزایش تمایز غضروفی و حتی مرگ سلول‌های داخلی توده می‌شود. برای رفع این مشکل، از میکروذرات پلیمری در داخل توده‌ی سلولی استفاده می‌شود که با فاصله اندازی بین سلول‌ها محدودیت کاهش نفوذ مواد غذایی و اکسیژن به سلول‌های داخلی توده را برطرف می‌نماید. از طرفی دیگر، خواص مکانیکی میکروذرات، خود به تنهایی می‌تواند سرنوشت تمایزی سلول‌های بنیادی را تحت تاثیر قرار دهد. در واقع قرار گرفتن میکروذرات در داخل توده‌ی سلولی، باعث تغییر تنش‌های غشایی سلول‌ها و در نتیجه سیگنال‌های مکانیکی دریافتی توسط آن‌ها خواهد شد و در نتیجه رفتارهای مختلف سلولی از جمله رفتارهای مکانیکی کلی توده‌ی سلولی مثل سفتی کلی توده و همچنین تمایز را تحت تاثیر قرار می‌دهد. همچنین ثابت شده است که سفتی میکرومحیط می‌تواند رده‌ی تمایزی سلول‌های بنیادی مزانشیمی را در کشت دو بعدی تعیین کند. اما تاثیر این سفتی بر تمایز سلول‌ها در کشت سه بعدی و همچنین خواص مکانیکی کلی توده‌ی سلولی بررسی نشده است. برای رفع این خلا تحقیقاتی، در این تحقیق اثر سفتی میکروذرات بر سفتی کلی توده‌ی سلولی به کمک شبیه سازی و همچنین بر تنظیم سرنوشت تمایزی توده‌های سلول بنیادی مزانشیمی با استفاده از روش‌های آزمایشگاهی بررسی شد. برای این منظور از میکروذرات پلی دی متیل سیلوکسان در داخل توده‌ی سلول‌های بنیادی مزانشیمی انسانی استفاده شد. نتایج این مطالعه در بخش شبیه سازی به وضوح نشان می‌دهد که با ورود میکروذرات پلی دی متیل سیلوکسان در داخل توده‌ی سلول‌های بنیادی مزانشیمی انسانی، خواص مکانیکی سلول‌های بنیادی مزانشیمی در اثر تغییرات در تنش‌های غشایی سلول‌ها تا حد قابل توجهی بهبود می‌یابد و دلیل افزایش سفتی توده در حضور میکروذرات همین تغییر خواص سلول‌ها است. به علاوه، نتایج آزمایشگاهی نشان می‌دهد که تمایز خودبخودی توده‌ی سلول‌های بنیادی مزانشیمی حاوی میکروذرات، به طور چشمگیری بیان ژن بالاتری نسبت به توده‌های سلولی بدون میکروذرات داشتند. همچنین، بیان ژن وابسته به سفتی میکروذرات بود، به طوری که تمایز استخوانی و غضروفی در گروه حاوی میکروذرات با سفتی متوسط، 500 کیلوپاسکال، بالاترین میزان را داشت و بیان ژن COL1 و ACAN به ترتیب حدود 85 و 140 برابر گروه بدون میکروذرات بود. تمایز به چربی نیز در گروه حاوی میکروذرات با بالاترین سفتی، 2600 کیلوپاسکال، بیشترین میزان را داشت. هم‌جنین سلول ها در مجاورت میکروذرات با سفتی 20 کیلوپاسکال در حالت خاموش قرار داشتند. این مطالعه نشان داد که تنش‌های مکانیکی دریافت شده توسط سلول‌های بنیادی مزانشیمی انسانی به طور چشمگیری از سفتی میکروذرات حاضر در توده‌ی سلولی تاثیر می‌پذیرد و سفتی کلی توده و بیان ژن سلول‌ها را تحت تاثیر قرار می‌دهد. به علاوه، در این مطالعه القای مکانیکی تمایز سلول‌های بنیادی مزانشیمی انسانی در غیاب هرگونه تحریک شیمیایی انجام شد.
- Abstract
- Mesenchymal stem cells (MSCs) are important tools for treating immune disorders and for tissue repair due to their multi/pluripotency and immunosuppressive properties. Self-assembly of MSCs into three-dimensional aggregates, known as mesenspheres, can augment MSC differentiation potential and paracrine activity. In addition, these cell aggregates enable scalable generation of therapeutic cells by suspension culture. However, MSCs spheroids have some limitations, too. They suffer from lack of oxygen and nutrition and this fact results in enhanced chondrogenic differentiation and even inner cell’s apoptosis. To solve the problem, polymeric microparticles (MPs) are incorporated within the spheroids. In this way, the created spaces between cells eliminate the limitations. On the other hand, cell fate can be influenced by MPs mechanics itself. Incorporation of MPs within the spheroids, results changes in cortical tension and mechanical signaling of the cells and consequently changes different mechanical behaviors of the cells such as bulk stiffness of the mesenchymal stem cell spheroids and their differentiation. It has been demonstrated that microenvironment stiffness modulates the lineage commitment of monolayer cultured MSCs. However, there is no evidence to demonstrate the effect of microenviroment stiffness on cell differentiation and also bulk mechanical properties of the spheroids. Therefore, in this research we investigate the effect of MPs stiffness on the bulk stiffness of the spheroids, through simulation, and also MSCs differentiation fate, through experiments. Our simulation demonstrates that PDMS MPs significantly change mechanical properties of mesenchymal stem cells through changing cortical tensions of the cells. Moreover, our experimental data indicates that spontaneous differentiation of the MPs-incorporated mesenspheres resulted in considerably higher multi-lineage gene expression compared with the mesenspheres without MPs. Furthermore, gene expression was governed by MPs stiffness, whereas osteogenesis and chondrogenesis were higher in the mesenspheres containing MPs of medium stiffness, 500 kPa, and expression of COL1 and ACAN were, respectively, 85 and 140 times more than mesenspheres without MPs. In addition, adipogenesis was higher in the mesenspheres containing most stiff MPs, 2600 kPa. Also, MSCs were quiescent in the vicinity of lowest stiffness of MPs. Our study demonstrates that mechanical tensions of the cells are considerably influenced by MPs stiffness and affect bulk stiffness of the mesenchymal stem cell spheroids as well as gene expression of the cells. Furthermore, we were able to differentiate mesenchymal stem cells only through mechanical stimulations in the absence of any chemical stimulations. Key words: Stiffness, Human mesenchymal stem cell, Differentiation
