|
|
Computational Simulation of Mechanical Tests of Isolated Animal Cells
Bansod, Yogesh Deepak ; Kučera,, Ondřej (referee) ; Florian, Zdeněk (referee) ; Canadas, Patrick (referee) ; Burša, Jiří (advisor)
Buňka tvoří složitý biologický systém vystavený mnoha mimobuněčným mechanickým podnětům. Hlubší pochopení jejího mechanického chování je důležité pro charakterizaci její odezvy v podmínkách zdraví i nemoci. Výpočtové modelování může rozšířit pochopení mechaniky buňky, která může přispívat k vytvoření vztahů mezi strukturou a funkcí různých typů buněk v různých stavech. Za tímto účelem byly pomocí metody konečných prvků (MKP) vytvořeny dva bendotensegritní modely buňky v různých stavech: model vznášející se buňky pro analýzu její globální mechanické odezvy, jako je protažení nebo stlačení, a model buňky přilnuté k podložce, který vysvětluje odezvu buňky na lokální mechanické zatížení, jako třeba vtlačování hrotu při mikroskopii atomárních sil (AFM). Oba zachovávají základní principy tensegritních struktur jako je jejich předpětí a vzájemné ovlivnění mezi komponentami, ale prvky se mohou nezávisle pohybovat. Zahrnutí nedávno navržené bendotensegritní koncepce umožňuje těmto modelům brát v úvahu jak tahové, tak i ohybové namáhání mikrotubulů (MTs) a také zahrnout vlnitost intermediálních filament (IFs). Modely předpokládají, že jednotlivé složky cytoskeletu mohou měnit svůj tvar a uspořádání, aniž by při jejich odstranění došlo ke kolapsu celé buněčné struktury, a tak umožňují hodnotit mechanický příspěvek jednotlivých složek cytoskeletu k mechanice buňky. Model vznášející se buňky napodobuje realisticky odezvu síla-deformace během protahování a stlačování buňky a obě odezvy ilustrují nelineární nárůst tuhosti s růstem mechanického zatížení. Výsledky simulací ukazují, že aktinová filamenta i mikrotubuly hrají klíčovou úlohu při určování tahové odezvy buňky, zatímco k její tlakové odezvě přispívají podstatně jen aktinová filamenta. Model buňky přilnuté k podložce dává odezvu síla-hloubka vtlačení ve dvou různých místech odpovídající nelineární odezvě zjištěné experimentálně při AFM. Výsledky simulací ukazují, že pro chování buňky je rozhodující místo vtlačení a její tuhost určují aktinová povrchová vrstva, mikrotubuly a cytoplazma. Navržené modely umožňují cenný vhled do vzájemných souvislostí mechanických vlastností buněk, do mechanické úlohy komponent cytoskeletu jak individuálně, tak i ve vzájemné synergii a do deformace jádra buňky za různých podmínek mechanického zatížení. Tudíž tato práce přispívá k lepšímu pochopení mechaniky cytoskeletu zodpovědné za chování buňky, což naopak může napomáhat ve zkoumání různých patologických podmínek jako je rakovina a cévní choroby.
|
|
|
Computational Simulation of Mechanical Behaviour of Endothelial Cells
Jakka, Veera Venkata Satya ; Gumulec, Jaromír (referee) ; Majer, Zdeněk (referee) ; Matsumoto,, Takeo (referee) ; Burša, Jiří (advisor)
Ateroskleróza je v rozvinutém světě hlavní příčinou úmrtí a finančně zatěžuje zdravotnické systémy po celém světě. Převládající hemodynamické působení spolu s lokální koncentrací mechanického napětí hrají důležitou roli v lokální povaze aterosklerózy a jejím rozvoji ve specifických oblastech lidských cév. Endotel v krevních cévách je tvořen tenkou vrstvou buněk, ležící na rozhraní mezi krevním řečištěm a cévní stěnou. Dysfunkce endoteliálních buněk se podílí na hlavních patologiích. Například ateroskleróza se rozvíjí, když jsou narušeny bariérové a protizánětlivé funkce endotelu, což umožňuje akumulaci cholesterolu a dalších materiálů v arteriální stěně. U rakoviny je klíčovým krokem v růstu nádoru jeho vaskularizace a proces migrace endoteliálních buněk. Mechanické zatížení endoteliálních buněk hraje klíčovou roli v jejich funkci a dysfunkci. Počítačové modelování může zlepšit porozumění buněčné mechanice a tím přispět k poznání vztahů mezi strukturou a funkcí různých typů buněk v různých stavech. K dosažení tohoto cíle jsou v této práci navrženy konečnoprvkové modely endoteliálních buněk, tj. model buněk plovoucích v roztoku a model buněk přilnutých k podložce, které objasňují reakci buňky na globální mechanické zatížení, jako je tah a tlak, jakož i model buňky s jeho přirozeným tvarem uvnitř endoteliální vrstvy. Zachovávají hlavní principy tensegritních struktur, jako je předpětí a spolupůsobení jednotlivých součástí, ale prvky se mohou organizovat vzájemně nezávisle. Při implementaci nedávno navržené bendo-tensegritní koncepce uvažují tyto modely namáhání mikrotubulů nejen v tahu/tlaku, ale i ohybu a také zohledňují vlnitost intermediálních filament. Modely umožňují, že jednotlivé komponenty cytoskeletu mohou změnit svůj tvar a uspořádání bez zhroucení celé buněčné struktury, dokonce i když jsou odstraněny, a umožňují nám tak vyhodnotit mechanický přínos jednotlivých cytoskeletálních složek k buněčné mechanice. Navržené modely jsou validovány porovnáním jejich křivek síla-posunutí s experimentálními výsledky. Model plovoucí buňky realisticky popisuje silově-deformační odezvu buňky při tahu a tlaku a obě reakce ilustrují nelineární zvýšení tuhosti s mechanickým zatížením. Je simulována také tlaková zkouška ploché endoteliální buňky a porovnána s testem přilnuté buňky a jeho simulací. Poté se simuluje smykový test ploché buňky, aby se vyhodnotilo její chování při smykovém zatížení vyskytujícím se v cévní stěně v důsledku proudění krve. Poté byla zkoumána mechanická odezva ploché buňky ve vrstvě endotelu za fyziologických podmínek v arteriální stěně. Později byla zkoumána buněčná odezva při odtrhování od položky během cyklických úseků pomocí 3D simulací metodou konečných prvků. Navrhované modely poskytují cenné poznatky o vzájemných souvislostech mechanických vlastností buněk, o mechanické roli jednotlivých cytoskeletálních složek i jejich synergii a o deformaci jádra za různých podmínek mechanického zatížení. Proto by práce měla přispět k lepšímu pochopení cytoskeletální mechaniky, zodpovědné za chování buněk, což může zase pomoci při zkoumání různých patologických stavů souvisejících s buněčnou mechanikou, jako je rakovina a vaskulární onemocnění.
|
|
|
Computational Simulation of Mechanical Tests of Isolated Animal Cells
Bansod, Yogesh Deepak ; Kučera,, Ondřej (referee) ; Florian, Zdeněk (referee) ; Canadas, Patrick (referee) ; Burša, Jiří (advisor)
Buňka tvoří složitý biologický systém vystavený mnoha mimobuněčným mechanickým podnětům. Hlubší pochopení jejího mechanického chování je důležité pro charakterizaci její odezvy v podmínkách zdraví i nemoci. Výpočtové modelování může rozšířit pochopení mechaniky buňky, která může přispívat k vytvoření vztahů mezi strukturou a funkcí různých typů buněk v různých stavech. Za tímto účelem byly pomocí metody konečných prvků (MKP) vytvořeny dva bendotensegritní modely buňky v různých stavech: model vznášející se buňky pro analýzu její globální mechanické odezvy, jako je protažení nebo stlačení, a model buňky přilnuté k podložce, který vysvětluje odezvu buňky na lokální mechanické zatížení, jako třeba vtlačování hrotu při mikroskopii atomárních sil (AFM). Oba zachovávají základní principy tensegritních struktur jako je jejich předpětí a vzájemné ovlivnění mezi komponentami, ale prvky se mohou nezávisle pohybovat. Zahrnutí nedávno navržené bendotensegritní koncepce umožňuje těmto modelům brát v úvahu jak tahové, tak i ohybové namáhání mikrotubulů (MTs) a také zahrnout vlnitost intermediálních filament (IFs). Modely předpokládají, že jednotlivé složky cytoskeletu mohou měnit svůj tvar a uspořádání, aniž by při jejich odstranění došlo ke kolapsu celé buněčné struktury, a tak umožňují hodnotit mechanický příspěvek jednotlivých složek cytoskeletu k mechanice buňky. Model vznášející se buňky napodobuje realisticky odezvu síla-deformace během protahování a stlačování buňky a obě odezvy ilustrují nelineární nárůst tuhosti s růstem mechanického zatížení. Výsledky simulací ukazují, že aktinová filamenta i mikrotubuly hrají klíčovou úlohu při určování tahové odezvy buňky, zatímco k její tlakové odezvě přispívají podstatně jen aktinová filamenta. Model buňky přilnuté k podložce dává odezvu síla-hloubka vtlačení ve dvou různých místech odpovídající nelineární odezvě zjištěné experimentálně při AFM. Výsledky simulací ukazují, že pro chování buňky je rozhodující místo vtlačení a její tuhost určují aktinová povrchová vrstva, mikrotubuly a cytoplazma. Navržené modely umožňují cenný vhled do vzájemných souvislostí mechanických vlastností buněk, do mechanické úlohy komponent cytoskeletu jak individuálně, tak i ve vzájemné synergii a do deformace jádra buňky za různých podmínek mechanického zatížení. Tudíž tato práce přispívá k lepšímu pochopení mechaniky cytoskeletu zodpovědné za chování buňky, což naopak může napomáhat ve zkoumání různých patologických podmínek jako je rakovina a cévní choroby.
|
guest ::
