Changes in cell’s mechanical properties are potential to identify certain types of cancer. Therefore, the mechanical characterization, including experiments and parameter modeling, is essential to prove this idea for clinical applications. the micropipette aspiration method combined with simple local linear elastic models is widely used but this approach has difficulties to be used to adherent cells, which stick to the substrate.
In this thesis, indentation experiments on adherent cells were conducted by an Atomic Force Microscope (AFM) and the results were analyzed to characterize the mechanical properties of adherent cells. Single cell indentation experiments were performed on cell lines including HegG2, a hepatocarcinoma cell, and THLE2, a normal hepatocytes. In addition, the actin disrupted experiments were also implemented to verify effects of cellular membrane and cytoplasm.
For identifying nonlinear mechanical properties of the cells, the nonlinear FE model including topological information of the cells and indenters was developed and simulated with the optimization algorithm. FE model considering both membrane and cytoplasm layer was also developed from the actin disrupted experiment results. The results of this study can be summarized as; 1) The Young’s modulus of each cell was 16.3 ~ 3.4 kPa and 1.49 ~ 0.45 kPa from Hertz-Sneddon model. 2) Due to the weight factor’ change of actin filament, composition, kinetics, or cross-linking between actin filaments could be altered in cancer process. 3) The parameter is similar to the elastic modulus estimated by Hertz-Sneddon model as a result of the optimization process.
정상 세포와 암세포 간에는 물성치 차이가 존재하기 때문에, 세포의 물성치 측정은 새로운 암 진단 방법으로 주목 받고 있다. 따라서, 물성치 측정을 위해서는 측정 방법과 물성치 모델을 필요로 한다. 기존에는 미세 피펫 흡입과 선형 탄성 모델을 주로 사용하였으나, 유착세포에는 적용이 어려운 단점을 가지고 있다. 따라서 본 연구에서는 원자힘 현미경를 통해 유착 세포에 대한 인덴테이션 실험을 수행하였다. 사용된 유착세포는 간암세포 중 하나인 HegG2와 간 정상세포인 THLE2를 사용하였다. 또한, 세포질과 세포막의 영향을 확인하기 위해, 각각의 세포에 대해 액틴을 무력화시키고 인덴테이션 실험을 수행하였다. 실험결과는 선형 탄성 모델 중의 하나인 허츠-스네돈 모델과 세포의 형상정보가 반영된 비선형 유한요소 모델 최적화를 통해 분석하였다. 세포막과 세포질의 이중 구조를 가진 유한 요소 모델에는 액틴을 무력화시킨 실험 결과를 반영하였다.
간암세포와 간 정상세포의 인덴테이션 실험결과, 16.3~3.4kPa 과 1.49~0.45kPa 의 탄성계수를 가졌고, 물성치 차이를 통한 암진단 가능성을 확인하였다. 액틴 무력화 실험 결과 정상세포와 암세포내에서의 액틴 골격의 가중치가 달라졌음을 확인할 수 있었다. 이를 통해 이러한 물성치 차이가 액틴 골격의 결합구조 등의 변화로부터 기인함을 확인하였다. 또한, 액틴이 무력화 된 암세포가 여전히 정상세포보다 높은 탄성계수를 가지므로, 액틴 이외의 마이크로튜뷸과 핵 등 세포내의 다른 요소 또한 변화하였음을 확인하였다.
비선형 유한 요소 모델의 최적화 결과, 허츠-스네돈 모델의 유사한 결과값을 얻었으며, 큰 변형내에서의 허츠-스네돈 모델의 문제점을 해결할 수 있었다. 이중 구조의 유한 요소 모델은 위의 실험결과 액틴 외에도 세포 내에 다른 요소들을 고려해주어야 하는 것을 확인하였기 때문에, 추가 세포골격 무력화 및 핵에 대한 실험이 필요하다.
