توصيفگر ها :
رشد و تقسيم سلول , تئوري ميدان فاز , بارگذاري مكانيكي و شيميايي , تأثير پارامترهاي انرژي , تأثير پارامترهاي حل عددي
چكيده فارسي :
سلول واحد بنيادي تمام موجودات زنده است و فرايندهاي چندسلولي شامل رشد، جدايش، مهاجرت و برهم‌كنش بين سلولي هستند. علاوه بر مطالعات گسترده آزمايشگاهي، استفاده از روش‌هاي محاسباتي نيز براي درك فرايندهاي سلولي در حال گسترش است. در اين پژوهش رشد و تقسيم سلول و توده سرطاني با استفاده از تئوري ميدان فاز و با استفاده از دو مدل متفاوت مورد بررسي قرار گرفت و تأثير پارامترهاي مختلف شيميايي و مكانيكي بر رشد و تقسيم سلول مشخص گرديد. شبيه‌سازي اين مدل‌ها با استفاده از معادلات ديفرانسيل جزئي در نرم‌افزار كامسول انجام شد. در قسمت اول، به مدل‌سازي غشا بر مبناي تئوري ميدان فاز در محيط سيال و بررسي رشد و تقسيم توده تحت شرايط مختلف با پارامترهاي غلظت مواد مغذي و فشار پرداخته شد. اين مدل شامل معادلات فشار، سرعت و غلظت است و ميدان فاز براي دنبال كردن مرز مشترك توده و بافت استفاده مي‌شود. هم‌چنين فرايندهايي شامل كموتاكسي و هپتوتاكسي مورد بررسي قرار گرفت. اثر شبكه بندي حل، اندازه ميكرومحيط، شكل اوليه توده، ضخامت غشا، ضريب كشش سطحي غشا و ضرايب كموتاكسي و هپتوتاكسي بررسي شد. هم‌چنين رابطه چگالي و فشار به سيستم اضافه شد و اثر فشار مورد بررسي قرار گرفت. نتايج نشان مي‌دهد اندازه بستر به شدت بر رشد و تقسيم و سرعت اين فرايندها تأثيرگذار است ولي شكل اوليه توده تأثيري در مورفولوژي ندارد و فقط سينتيك را تقويت مي‌نمايد. هم‌چنين محدوده ضخامت غشا براي رشد و تقسيم مشخص گرديد و خارج از اين بازه يا مورفولوژي غير واقعي است يا رشد توده بسيار كند اتفاق مي‌افتد. در عين حال ضريب كشش سطحي مي‌تواند به قدري زياد باشد كه اجازه رشد به توده ندهد. بررسي عوامل شيميايي نشان مي‌دهد كه كموتاكسي و هپتوتاكسي هر دو به رشد و تغيير مورفولوژي توده سرعت مي‌دهند ولي كموتاكسي سريع‌تر عمل مي‌كند. هپتوتاكسي به سمت تقسيم اما كموتاكسي به سمت شاخه‌اي شدن توده حركت مي‌كند و هر دو عامل عملكرد غيرخطي دارند. به علاوه مجموع اثر اين دو عامل به صورت غيرخطي جمع مي‌شود. اضافه شدن چگالي به مدل، امكان اعمال بار مكانيكي را فراهم مي‌كند و افزايش مقدار ضريب چگالي موجب كند‌تر شدن سرعت رشد توده مي‌شود ولي مورفولوژي متفاوتي ايجاد نمي‌كند. هم‌چنين فشار بحراني، كه به ازاي آن از رشد توده جلوگيري مي‌شود، به دست آمد. دومين قسمت از پژوهش به مدل‌سازي رشد و تقسيم سلول با تئوري ميدان فاز بر مبناي رفتار جامد براي سلول پرداخته است. انرژي مورد استفاده شامل بخش‌هاي شيميايي، برهم‌كنش و الاستيك هستند. در اين قسمت هم اثر تغيير ضخامت غشا، ضرايب انرژي و مدول الاستيسيته بر رشد و برهم‌كنش سلول‌ها و مدل بدون مكانيك براي برهم‌كنش سه سلول در كنار هم بررسي شد. نتايج نشان مي‌دهند با توجه به رابطه بين ضريب انرژي و ضخامت غشا، تغيير هر يك از آن‌ها روي ديگري تأثير دارد. پس، با افزايش ضريب انرژي، ضخامت غشا كم مي‌شود و سلول‌ها به صورت يكپارچه به رشد و تعامل ادامه مي‌دهند و افزايش ضخامت غشا موجب ايجاد مورفولوژي‌هاي يكنواخت‌تر و فاصله بيش‌تر سلول‌ها از يك‌ديگر مي‌شود. به علاوه، تغيير ضريب مربوط به ممانعت از ورود سلول‌ها به داخل مرز ديگري، اثري بر مورفولوژي سلول‌ها و برهم‌كنش آن‌ها نشان نداد. نتيجه اعمال مدول الاستيسيته به صورت تابعي از پارامتر ميدان فاز، امكان اعمال بار مكانيكي به سيستم است. پس مي‌توان سيستم را تحت نيروي فشاري و با تغيير مدول الاستيسيته با حالت بدون مكانيك مقايسه كرد.
چكيده انگليسي :
Cell is the fundamental unit of all living organisms and multicellular processes include growth, differentiation, migration, and intercellular interaction. In addition to extensive experimental studies, the use of computational methods is growing to understand cellular processes. In this study, the growth and division of cells and tumors were investigated using two different phase field models, and the effect of different chemical and mechanical parameters on the cell growth and division was determined. These models were simulated using partial differential equations in Comsol software. In the first part, the membrane was modeled based on the phase field theory in fluid environment, and the tumor growth and division was studied under different conditions including nutrients concentration and pressure. This model consists of pressure, velocity and concentration equations, and the phase field equation is used to track the interface between the tumor and the tissue. Also, processes like chemotaxis and haptotaxis were studied. The effect of mesh, microenvironment size, initial tumor morphology, membrane thickness, membrane surface tension coefficient and chemotaxis and haptotaxis coefficients was investigated. Also, the dependence of the density on the applied pressure was added and the effect of pressure on the cell growth and division was investigated. The obtained results showed that the microenvironment size remarkably affects the tumor growth and division and the kinetics but the initial ovality of tumor has no effect on the morphology and only enhances the kinetics. The physical range of the membrane thickness was determined out of which either the morphology is unphysical or kinetics is very slow. Large surface tension coefficients also suppress the growth. Both the haptotaxis and in particular, chemotaxis promote the tumor growth. The haptotaxis causes the division while the chemotaxis causes the tumor branching. These chemical forces and their combination show nonlinear functionalities. Including the dependence of the density on the pressure allows for pressure loading which results showed that increasing the density coefficient decreases the growth rate but does not change the morphology. Also, a critical pressure was obtained above which the growth is suppressed. The second part of the work deals with the simulation of cell growth and division using a phase field model based on solid cell behavior. The energy potential includes the chemical, interaction and elastic parts. The effect of membrane thickness, energy coefficients and the Young’s modulus on the cell growth and interaction was investigated. The interaction between three cells was modeled with elastic energy and without it. The obtained results show that due to the relation of the energy coefficient with the membrane thickness, by increasing the double-well energy coefficient, the membrane thickness decreases and the cells continue to grow and interact. Increasing the membrane thickness results in more uniform morphologies and a larger intercellular distance. The interaction coefficient showed no effect on the morphology and the interaction of cells. A phase field parameter-dependent Young’s modulus made it possible for mechanical loading. However, it showed no practical effect on the morphology.
