استخراج تجربی مدول یانگ سلول سرطانی سینه MCF-7 با استفاده از مدل‌های تماسی کروی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 اراک-مهندسی مکانیک

2 دانشجوی کارشناسی ارشد، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه اراک، اراک، ایران

چکیده

سرطان سینه به علت شیوع بالا، از جمله سرطان‌های مورد توجه در حوزه‌ی پزشکی می‌باشد. شناخت ویژگی‌های مکانیکی بافت سلولی از جمله مدول یانگ و مقایسه‌ی تفاوت‌های ایجاد شده پس از بروز بیماری، سبب ایجاد روش‌های نوین در شناخت، کنترل و درمان این بیماری می‌گردد. نانومنیپولیشن از جمله فرآیندهای مورد استفاده در حوزه‌ی نانو است که با کاوش سطح ذرات بیولوژیکی و تحلیل اطلاعات در دو فاز مختلف به استخراج ویژگی‌های بافت‌های سلولی می‌پردازد. میکروسکوپ نیروی اتمی ابزار مورد استفاده در این فرآیند می‌باشد که از طریق تماس نوک سوزن با بافت سلولی در حین حرکت تیرک و با اندازه‌گیری تغییرات جابه‌جایی و نیرو به بررسی ویژگی‌های بافت سلولی می‌پردازد. در این پژوهش نانومنیپولیشن سلول سرطانی سینه ام‌سی‌اف-7 با هدف یافتن مدول یانگ بافت، با میکروسکوپ نیروی اتمی به صورت تجربی صورت گرفته است. پس از استخراج نتایج تجربی به مدل‌سازی و محاسبه‌ی نیرو و زمان بحرانی با در نظر گرفتن مدل‌های تماسی مختلف از جمله مدل‌ تماسی هرتز، پی‌تی و سی‌ا‌اس، پرداخته شده است. با توجه به مقایسه‌ی نتایج تجربی و شبیه‌سازی انجام شده، مدول یانگ سلول سرطانی سینه ام‌سی‌اف-7 در محدوده‌ی 800 پاسکال به دست آمده است. همچنین مدل تماسی سی‌ا‌اس تطابق بیشتری با نتایج تجربی داشته است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Experimental Extraction of Young's Modulus of MCF-7 Breast Cancer Cell Using Spherical Contact Models

نویسندگان [English]

  • Moein Taheri 1
  • mahdi mirzaluo 2
1 اراک-مهندسی مکانیک
2 M.Sc. Student, Department of Mechanical Engineering, Faculty of Engineering, Arak University, Arak, 38156-88349, Iran
چکیده [English]

Breast cancer is one of the most important cancers in the field of medicine due to its high prevalence. Understanding the mechanical properties of cellular tissue, including Young's modulus, and comparing the differences created after the onset of the disease, lead to the development of new methods in recognizing, controlling, and treating the disease. Nanomanipulation is one of the processes used in the field of nanotechnology, which explores the properties of cellular tissues. An atomic force microscope is a tool used during this process that examines the properties of cellular tissue by measuring the movement of the cantilevers and the changes due to displacement and force. In this study, nanomanipulation of MCF-7 breast cancer cells was performed experimentally using an atomic force microscope with the aim of finding the Young modulus of cell tissue. After extracting the experimental results, modeling and calculating the critical force and time by considering different contact models including the Hertz contact model, PT, and COS, has been done. According to the comparison of experimental and simulation results, Young's modulus of MCF-7 breast cancer cells was obtained in the range of 800 Pa. Also, the COS contact model was more in line with the experimental results.

کلیدواژه‌ها [English]

  • MCF-7 breast cancer
  • Nanomanipulation
  • contact models
  • Young's modulus
  • Atomic force microscopy
[1] Y. Wang, C. Xu, N. Jiang, L. Zheng, J. Zeng, C. Qiu, H. Yang, S. Xie, Quantitative analysis of the cell‐surface roughness and viscoelasticity for breast cancer cells discrimination using atomic force microscopy, Scanning, 38(6) (2016) 558-563.
[2] M.H. Korayem, Z. Rastegar, Experimental Characterization of MCF-10A Normal Cells Using AFM: Comparison with MCF-7 Cancer Cells, Molecular & Cellular Biomechanics, 16(2) (2019) 109.
[3] E.A. Corbin, F. Kong, C.T. Lim, W.P. King, R. Bashir, Biophysical properties of human breast cancer cells measured using silicon MEMS resonators and atomic force microscopy, Lab on a Chip, 15(3) (2015) 839-847.
[4] A.H. Kulkarni, A. Chatterjee, P. Kondaiah, N. Gundiah, TGF-β induces changes in breast cancer cell deformability, Physical biology, 15(6) (2018) 065005.
[5] J. Iturri, A. Weber, A. Moreno-Cencerrado, R. Benítez, S. Leporatti, J.L. Toca-Herrera, Resveratrol-induced temporal variation in the mechanical properties of MCF-7 breast cancer cells investigated by atomic force microscopy, International journal of molecular sciences, 20(13) (2019) 3275.
[6] S. Leporatti, D. Vergara, A. Zacheo, V. Vergaro, G. Maruccio, R. Cingolani, R. Rinaldi, Cytomechanical and topological investigation of MCF-7 cells by scanning force microscopy, Nanotechnology, 20(5) (2009) 055103.
[7] Y. Nematbakhsh, K.T. Pang, C.T. Lim, Correlating the viscoelasticity of breast cancer cells with their malignancy, Convergent Science Physical Oncology, 3(3) (2017) 034003.
[8] A. Samani, J. Zubovits, D. Plewes, Elastic moduli of normal and pathological human breast tissues: an inversion-technique-based investigation of 169 samples, Physics in medicine & biology, 52(6) (2007) 1565.
[9] P.-H. Wu, D.R.-B. Aroush, A. Asnacios, W.-C. Chen, M.E. Dokukin, B.L. Doss, P. Durand-Smet, A. Ekpenyong, J. Guck, N.V. Guz, A comparison of methods to assess cell mechanical properties, Nature methods, 15 (2018) 491-498.
[10] C. Alibert, B. Goud, J.B. Manneville, Are cancer cells really softer than normal cells?, Biology of the Cell, 109(5) (2017) 167-189.
 [11] Q. Li, G.Y. Lee, C.N. Ong, C.T. Lim, AFM indentation study of breast cancer cells, Biochemical and biophysical research communications, 374(4) (2008) 609-613.
[12] M.H. Korayem, Y. H. Sooha1, Z. Rastegar, MCF-7 cancer cell apparent properties and viscoelastic characteristics measurement using AFM, Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering, 40(6) (2018) 1-11.
[13] A. Heydarian, D. Milani, S.M.M. Fatemi, An investigation of the viscoelastic behavior of MCF-10A and MCF-7 cells, Biochemical and Biophysical Research Communications, 529(2) (2020) 432-436.
[14] J. Chen, K. Xu, Applications of atomic force microscopy in materials, semiconductors, polymers, and medicine: A minireview, Instrumentation Science & Technology, 48(6) (2020) 667-681.
 [15] L. Zhou, M. Cai, T. Tong , H. Wang, Progress in the Correlative Atomic Force Microscopy and Optical Microscopy, Sensors,  17 (2017) 938:1-15.
[16] E. Alizadeh, M. Dehestani, P. Zysset, Mechanical Properties and Structural Behavior of Bone at Nano Scale with Cohesive Elementmm, Amirkabir Journal of Mechanical Engineering, 53(2) (2021) 1-3. (in persian)
[17] M. Li, L. Liu, N. Xi, Y. Wang, Z. Dong, X. Xiao, W. Zhang, Atomic force microscopy imaging and mechanical properties measurement of red blood cells and aggressive cancer cells, Science China Life Sciences, 55(11) (2012) 968-973.
[18] M. Korayem, M. Zakeri, Sensitivity analysis of nanoparticles pushing critical conditions in 2-D controlled nanomanipulation based on AFM, The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 41(7) (2009) 714-726.
 [19] M. Korayem, M. Taheri, Modeling of various contact theories for the manipulation of different biological micro/nanoparticles based on AFM, Journal of nanoparticle research, 16(1) (2014) 1-18.
[20] Y. Wang, C. Xu, N. Jiang, L. Zheng, J. Zeng, C. Qiu, H. Yang, and S. Xie, Quantitative analysis of the cell‐surface roughness and viscoelasticity for breast cancer cells discrimination using atomic force microscopy. Scanning, 38(6)(2016) 558-563.
[21] S. Leporatti, D. Vergara, A. Zacheo, V. Vergaro, G. Maruccio, R. Cingolani, and R. Rinaldi, Cytomechanical and topological investigation of MCF-7 cells by scanning force microscopy. Nanotechnology, 20(5) (2009), 055103.