مروری بر عملکرد مکانیکی سلول های بافت های موثر در حرکت انسان

نوع مقاله : مقاله مروری

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری بیومکانیک ورزشی، دانشگاه خوارزمی، تهران، ایران

2 استاد تمام دانشکده تربیت بدنی و علوم ورزشی، دانشگاه خوارزمی، تهران، ایران

چکیده

 

مقدمه و اهداف
مطالعه بدن انسان به­شکل سلولی و ریز مولکولی، از شاخه­های نوین علوم درمانی و توانبخشی است. از آنجا که متغیر­های مکانیکی، تنظیم­گر عملکرد سلولی هستند، مشخصه­های مکانیکی از جمله مطالعه نیروها، فشارها، تنش­ها و سرعت برای شناخت بهتر رفتار سلولی بافت­های بدن انسان مورد توجه قرار گرفته است.
مواد و روش ها
بررسی مقالات در پایگاه­های اطلاعاتی معتبر ScienceDirect، PubMed با جستجوی کلمات سلول، بیومکانیک، بافت، عضله، تاندون، لیگامنت، میکرو در قالب ارزیابی چهل مقاله وابسته انجام گرفت.
نتیجه­گیری
در مطالعه­ی حاضر، رویکردهای مطالعه مکانیکی بافت­ها و روش­های ارزیابی آن­ها مطرح شد. براساس پیشینه­های علمی در دسترس، مکش میکروپیپت و میکروسکوپ نیروی اتمی، روش­های مناسبی برای شناخت ویژگی­های مکانیکی سلول به­شمار می­رود. به­علاوه، مطالعاتی نیز روی بافت سلول­های مینیسک، تاندون و عضلات انجام شده است. در این زمینه، مطالعات موجود عمده روش­های پیشگیری از آسیب و درمان را از طریق میکرو خاطرنشان می­کند. با این حال، در مطالعات پیش رو تناقضاتی وجود دارد، به­طوری که مکانیسم میکروسکوپی که زیربنای عملکرد مکانیکی بافت­های بدن را مشخص می­کند، کاملاً مشخص نیست. بنابراین به­کار بردن روش­های نسبتاً جدید و تحقیقات کامل­تر برای ارزیابی عملکرد مکانیکی بافت­ها در سطوح میکرو و نانو جهت درک عمیق­تر در تحقیقات آتی، سودمند خواهد بود. در مقاله­ی حاضر مروری برای آشنایی بیشتر پژوهشگران به چالش­های پیش روی بررسی سلولی عضلات، تاندون­ها و لیگامنت­ها در سطح میکرو، دستگاه­های به­کاررفته و موارد بیومکانیکی مختلف، اشاره شده است و تلاش می­شود که اهمیت این روش­ها بیشتر نمایان گردد. در این مقاله مروری، هدف جمع‌آوری، دسته‌بندی و ارائه خلاصه‌ای از نتایج این دست مطالعات می‌باشد، به­نحوی که بتوان با شتاب بیشتر پیرامون اطلاعات وابسته در زمینه عملکرد مکانیکی سلول­های مؤثر در حرکت انسان را به‌دست آورد.
 

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Overview of the Mechanical Function of Tissue Cells Affecting Human Movement

نویسندگان [English]

  • Parastoo Shamsehkohan 1
  • Heydar Sadeghi 2
1 PhD Candidate in Sport Biomechanics, Department of Sport Biomechanics, Faculty of Physical Education and Sport Science, Kharazmi University, Tehran, Iran
2 Full Professor of Faculity of Physical Education and Sport Science, Department of Sport Biomechanics, Kharazmi University, Tehran, Iran.
چکیده [English]

Background and Aim: Cellular study of the human body is new in clinical and rehabilitation sciences. Since mechanical variables are regulators of cellular functions, a study of properties including forces, stresses, strains, and velocities is considered for a better understanding of conventional methods of cellular behavior. Articles were found in reputable databases such as ScienceDirect, PubMed searching the keywords: cells, biomechanics, tissue, muscle, tendon, ligament, and micro and a final check was performed on 40 directly related articles.
Conclusions: In the current study, the aspects of tissues mechanical study and their assessment methods are addressed. According to the previous research, micropipette aspiration and atomic force microscopy are good methods for understanding the mechanical properties of the cell. Although some studies are carried out on cellular meniscus, tendons, and muscles, inconsistencies were observed. In this context, the studies note the major injury prevention and treatment methods through micro methods. Also, the microscopic mechanisms underlying the specific mechanical performance of body tissue are not quite clear. Therefore, the use of relatively new methods and more detailed studies seems essential in order to evaluate the mechanical performance of tissues in micro and nano levels to provide a light insight into the mechanical properties of tissues in future research. In the present review, the challenges facing cellular study of muscles, tendons, and ligaments at the micro level and the various used biomechanical devices have been noted. In the current article, the aim is to collect, classify and summarize the results of the studies, which can provide quick thorough information on the mechanical function of cells affecting human movement.
 
 

کلیدواژه‌ها [English]

  • Cell
  • Biomechanics
  • Rehabilitation
  • Rissue

مراجع

  1. Jacobs CR, Huang H, Kwon RY. Introduction to Cell Mechanics and Mechanobiology. Garland Science. 2013.##
  2. Peterson DR, Bronzino JD. (Eds.). Biomechanics: Principles and Applications. CRC press. 2007.##
  3. Theret DP, Levesque MJ, Sato M, Nerem RM, Wheeler LT. The application of a homogeneous half-space model in the analysis of endothelial cell micropipette measurements. Journal of Biomechanical Engineering. 1988; 110(3): 190-199.##
  4. Steigmann DJ. Fluid films with curvature elasticity. Archive for Rational Mechanics and Analysis. 1999; 150(2): 127-152.##
  5. Evans EA, Skalak R. Mechanics and thermodynamics of biomembranes. Boca Raton, Florida. 1980.
  6. Guilak F, Tedrow JR, Burgkart R. Viscoelastic properties of the cell nucleus. Biochemical and Biophysical Research Communications. 2000; 269(3): 781-786.##
  7. Caille N, Thoumine O, Tardy Y, Meister JJ. Contribution of the nucleus to the mechanical properties of endothelial cells. Journal of Biomechanics. 2002; 35(2); 177-187.##
  8. Dahl KN, Kahn SM, Wilson KL, Discher DE. The nuclear envelope lamina network has elasticity and a compressibility limit suggestive of a molecular shock absorber. Journal of Cell Science. 2004; 117(20): 4779-4786.##
  9. Hammer DA, Lauffenburger DA. A dynamical model for receptor-mediated cell adhesion to surfaces. Biophysical Journal. 1987; 52(3): 475-487.##
  10. Dembo M, Torney DC, Saxman K, Hammer D. The reaction-limited kinetics of membrane-to-surface adhesion and detachment. Proceedings of the Royal Society of London. Series B. Biological Sciences. 1988: 234(1274); 55-83.##
  11. Discher DE, Boal DH, Boey SK. Simulations of the erythrocyte cytoskeleton at large deformation. II. Micropipette aspiration. Biophysical Journal. 1998; 75(3): 1584-1597.##
  12. Binnig G, Quate CF, Gerber C. Atomic force microscope. Physical Review Letters. 1986; 56(9): 930-941.##
  13. Wu X, Sun Z, Meininger GA, Muthuchamy M. Application of atomic force microscopy measurements on cardiovascular cells. In Cardiovascular Development. Humana Press. 2012; 229-244.##
  14. Svensson RB. Tendon Force Transmission at the Nanoscale. 2012. (Doctoral dissertation, Institute of Sport Medicine Copenhagen).##
  15. Sun M. Cell mechanics studied using atomic force microscopy. 2008. (Doctoral dissertation, University of Missouri--Columbia).##
  16. Jeong KH, Lee SH. A new technical approach to monitor the cellular physiology by atomic force microscopy. Electrolytes and Blood Pressure. 2012; 10(1): 7-11.##
  17. Venturoni M, Gutsmann T, Fantner GE, Kindt JH, Hansma PK. Investigations into the polymorphism of rat tail tendon fibrils using atomic force microscopy. Biochemical and Biophysical Research Communications. 2003; 303(2): 508-513.##
  18. Stewart MP, Toyoda Y, Hyman AA, Müller DJ. Tracking mechanics and volume of globular cells with atomic force microscopy using a constant-height clamp. Nature Protocols. 2012; 7(1): 143-154.##
  19. Sanchez-Adams J, Athanasiou KA. Biomechanics of meniscus cells: regional variation and comparison to articular chondrocytes and ligament cells. Biomechanics and Modeling in Mechanobiology. 2012; 11(7): 1047-1056.##
  20. Koay EJ, Shieh AC, Athanasiou KA. Creep indentation of single cells. Journal of Biomechanical Engineering. 2003; 125(3): 334-341.##
  21. Leipzig ND, Athanasiou KA. Static compression of single chondrocytes catabolically modifies single-cell gene expression. Biophysical Journal. 2008; 94(6): 2412-2422.##
  22. Benedict JV, Walker LB, Harris EH. Stress-strain characteristics and tensile strength of un embalmed human tendon. Journal of Biomechanics. 1968: 1(1): 53-63.##
  23. [23] Svensson RB, Mulder H, Kovanen V, Magnusson SP. Fracture mechanics of collagen fibrils: influence of natural cross-links. Biophysical Journal. 2013; 104(11): 2476-2484.##
  24. Arya S, Kulig K. Tendinopathy alters mechanical and material properties of the Achilles tendon. Journal of Applied Physiology. 2010; 108(3): 670-675.##
  25. fibrils. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. 2010; 3(1): 112-115.##
  26. Kongsgaard M, Kovanen V, Aagaard P, Doessing S, Hansen P, Laursen AH, Magnusson SP. Corticosteroid injections, eccentric decline squat training and heavy slow resistance training in patellar tendinopathy. Scandinavian Journal of Medicine and Science in Sports. 2009; 19(6): 790-80##
  27. Carroll CC, Dickinson JM, Haus JM, Lee GA, Hollon CJ, Aagaard P, Trappe TA. Influence of aging on the in vivo properties of human patellar tendon. Journal of Applied Physiology. 2008: 105(6); 1907-1915.##
  28. Bennett MB, Ker RF, Imery NJ, Alexander R. Mechanical properties of various mammalian tendons. Journal of Zoology. 1986; 209(4): 537-548.##
  29. Butler DL, Grood ES, Noyes FR, Zernicke RF, Brackett K. Effects of structure and strain measurement technique on the material properties of young human tendons and fascia. Journal of Biomechanics. 1984; 17(8): 579-596.##
  30. Chun KJ, Butler DL. Spatial variation in material properties in fascicle-bone units from human patellar tendon. Key Engineering Materials. 2006; 326: 797-802.##
  31. Johnson GA, Tramaglini DM, Levine RE, Ohno K, Choi NY, Woo S. Tensile and viscoelastic properties of human patellar tendon. Journal of Orthopaedic Research. 1994; 12(6): 796-803.##
  32. Haut RC. The influence of specimen length on the tensile failure properties of tendon collagen. Journal of Biomechanics. 1986; 19(11): 951-955.##
  33. Yang L, Van Werf KO, Dijkstra PJ, Feijen J, Bennink ML. Micromechanical analysis of native and cross-linked collagen type I fibrils supports the existence of microfibrils. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. 2012; 6: 148-158.##
  34. Miller MS, Tanner BC, Nyland LR, Vigoreaux JO. Comparative biomechanics of thick filaments and thin filaments with functional consequences for muscle contraction. Journal of Biomedicine and Biotechnology. 2010; 1-14.##
  35. Huxley HE, Stewart A, Sosa H, Irving T. X-ray diffraction measurements of the extensibility of actin and myosin filaments in contracting muscle. Biophysical Journal. 1994; 67(6): 2411-2421.##
  36. Nyland LR, Palmer BM, Chen Z, Maughan DW, Seidman CE, Seidman JG, Vigoreaux JO. Cardiac myosin binding protein-C is essential for thick-filament stability and flexural rigidity. Biophysical Journal. 2009; 96(8): 3273-3280.##
  37. Gittes F, Mickey B, Nettleton J, Howard J. Flexural rigidity of microtubules and actin filaments measured from thermal fluctuations in shape. The Journal of Cell Biology. 1993; 120(4): 923-934.##
  38. Kojima H, Ishijima A, Yanagida T. Direct measurement of stiffness of single actin filaments with and without tropomyosin by in vitro nanomanipulation. Proceedings of the National Academy of Sciences. 1994; 91(26): 12962-12966.##
  39. Isambert H, Venier P, Maggs AC, Fattoum A, Kassab R, Pantaloni D, Carlier MF. Flexibility of actin filaments derived from thermal fluctuations. Effect of bound nucleotide, phalloidin, and muscle regulatory proteins. Journal of Biological Chemistry. 1995; 270(19): 11437-11444.##
  40. Higuchi H, Yanagida T, Goldman YE. Compliance of thin filaments in skinned fibers of rabbit skeletal muscle. Biophysical Journal. 1995; 69(3): 1000-1010.##
دوماهنامه علمی - پژوهشی طب توانبخشی
دوره 5، شماره 4
آذر و دی 1395
صفحه 271-281

فایل ها

سابقه مقاله

  • تاریخ دریافت: 23 خرداد 1394
  • تاریخ بازنگری: 29 دی 1394
  • تاریخ پذیرش: 29 بهمن 1394
  • تاریخ اولین انتشار: 01 دی 1395

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار