عنوان پایان‌نامه
مدل سازی رشد و باز سازی قلب با در نظر گرفتن همزمان عوامل رشد مکانیکی و شیمیایی
- رشته تحصیلی
- مهندسی مکانیک طراحی کاربردی
- مقطع تحصیلی
- دکتری تخصصی PhD
- محل دفاع
- کتابخانه مرکزی پردیس 2 فنی شماره ثبت: 3711;کتابخانه مرکزی پردیس 2 فنی شماره ثبت: 3711
- تاریخ دفاع
- ۲۵ شهریور ۱۳۹۶
- دانشجو
- علی خلیلی میبدی
- استاد راهنما
- علیرضا دانش مهر
- چکیده
- برای بیش از سه دهه است که محققین رشته‌های مختلف برای پی‌بردن به اصول رشد و تغییر شکل بافت‌ها تلاش بسیاری نموده‌اند، ولی تاکنون به علت وجود پارامترهای موثر گوناگون و پیچیدگی‌های ذاتی این فرآیند، مدلی که بتواند اثرات عوامل گوناگون بر روی رشد بافت نرم و به ویژه بافت قلب را نشان دهد، ارائه نشده است. با وجود تحقیقات بسیار درباره چگونگی رشد بافت قلب و عوامل تاثیرگذار بر آن و ایجاد مدل‌های متنوع، این مدل‌ها به دلیل تمرکز روی یک عامل خاص در رشد قلب همانند عامل بیومکانیکی تنش یا کرنش، قابلیت بالایی در پیش‌بینی فرآیند رشد قلب ندارند. با گسترش استفاده از رویکردهای محاسباتی و ارائه مدل‌های پیچیده و غیرخطی برای مسیرهای سیگنالی، این امکان ایجاد شده است تا بتوان اثر عوامل گوناگون بیوشیمیایی و بیومکانیکی موثر در رشد قلب را به صورت ترکیبی بررسی نمود. بنابراین در این رساله، پدیده هایپرتروفی قلبی با در نظرگرفتن دو مورد از مهم‌ترین عوامل رشد بیومکانیکی (تنش ناشی از فشار خون بالا) و بیوشیمیایی (تحریک مداوم گیرنده های بتاآدرنرژیک) مدلسازی شده است. بر اساس مدلی سه‌بعدی از قلب انسان و انتخاب رویکردی بر پایه اصول مکانیک رشد برای عامل بیومکانیکی، و مدلسازی مسیر سیگنالی بتاآدرنرژیک مدلی محاسباتی و ترکیبی از رشد بافت قلب ارائه شده است. صحه‌گذاری نتایج به ویژه در مدل بیوشیمیایی با مقایسه کیفی و کمی نتایج شبیه‌سازی با مشاهدات تجربی و تحقیقات مرتبط صورت گرفته است. نتایج نشان می‌دهد با وجود عدم تاثیرگذاری گیرنده بتا2 و مسیر غیرکلاسیک آن در هایپرتروفی قلبی بدون تحریک گیرنده بتا1، این گیرنده در حضور تحریک گیرنده بتا1 در تنظیم هایپرتروفی قلبی مشارکت می‌کند. همچنین اِی‌کِی‌تی و پی‌کِی‌اِی اثرات دوگانه ای برهایپرتروفی قلبی دارند. از میان عوامل موثر گوناگون، جی‌اِس‌کاتری‌بتا، پی‌کِی‌اِی و فرکانس نوسانات کلسیم به عنوان عوامل اصلی در تنظیم هایپرتروفی قلبی نقش دارند. همچنین نتایج مدلسازی ترکیبی نشان داد وجود تحریک مداوم ایزو سبب افزایش حساسیت بافت قلب به فشاربطنی می‌شود. واژه‌های کلیدی: مدلسازی محاسباتی، هایپرتروفی قلب، فشارخون بالا، سیستم بیولوژی، مکانیک محیط‌های پیوسته، مسیر سیگنالی بتاآدرنرژیک
- Abstract
- It is for more than three decades that many efforts have been made to understand the principles of tissue growth and deformation by scientists from various fields. But so far, due to the existence of various effective parameters and the inherent complexity of the growth process, a model that would demonstrate the effects of various factors on soft tissue growth and specially heart tissue is not presented. Despite many studies have been investigated the growth of the cardiac tissue and its effective parameters and a variety of models are presented in this field, these models lack the ability to predict precisely the growth of the heart due to their focus on just one particular parameter in heart development and growth, such as biomechanical strain or stress. Nowadays, with the spread of computational approaches and the development of complex and nonlinear models for cellular signaling pathways, it is feasible to examine the effects of various biochemical and biomechanical factors on cardiac growth. Hence, in this dissertation, the cardiac hypertrophy has been modeled with considering two of the most important factors of the cardiac growth: 1-biomechanical stress due to the hypertension, 2-sustained activation of ?-adrenergic receptors as biochemical factor. So, by developing a 3D model of a human heart, a computational model based on the principles of growth mechanic has been selected to model stress factor. Also, a systems biology approach has been used to model the ?-adrenergic signaling pathway. Finally, these two models have been combined to demonstrate the concurrent effects of both biomechanical and biochemical factors on cardiac growth. The validation of the results has been made by comparing simulation and experimental results, qualitatively and quantitatively. The results show that ?2 receptors contribute in cardiac hypertrophy only when ?1 receptors are also stimulated. The results also illustrate that Akt and PKA has double-edged sword effects on cardiac hypertrophy and GSK3?, PKA and Ca2+ oscillation frequency play the main roles in ?-adrenergic-induced cardiac hypertrophy. Finally, the hybrid model shows that chronic ?-adrenergic receptors stimulation increases the heart tissue sensitivity to left ventricular pressure. Keywords: Computational modeling, cardiac hypertrophy, hypertension, systems biology, continuum mechanic, ?-adrenergic signaling pathway
