تحدد هذه الدراسة طريقة تصور وتطوير نماذج ثلاثية الأبعاد (3D) للخلايا العظمية داخل الشبكة الجوقرية القنوية (LCN) لتحليل ديناميكيات السوائل الحسابية (CFD). تساعد النماذج التي تم إنشاؤها باستخدام هذه الطريقة على فهم الإحساس الميكانيكي للخلايا العظمية في العظام السليمة أو المريضة.
يتطلب اشتراك JoVE لعرض هذا المحتوى. تسجيل الدخول أو ابدأ نسخة تجريبية مجانية
في هذه المقالة
ملخص
الملخص
الخلايا العظمية هي خلايا العظام التي يعتقد أنها تستجيب للسلالات الميكانيكية وإجهاد قص تدفق السوائل (FFSS) عن طريق تنشيط مسارات بيولوجية مختلفة في عملية تعرف باسم النقل الميكانيكي. تعد النماذج المشتقة من الصور متحدة البؤر لشبكات الخلايا العظمية أداة قيمة لإجراء تحليل ديناميكيات السوائل الحسابية (CFD) لتقييم ضغوط القص على غشاء الخلايا العظمية ، والتي لا يمكن تحديدها عن طريق القياس المباشر. تم استخدام النمذجة الحسابية باستخدام هذه الصور عالية الدقة للبنية المجهرية للعظام لمحاكاة الحمل الميكانيكي الممارس على العظام عدديا وفهم التحفيز الناجم عن الحمل للخلايا العظمية.
توضح هذه الدراسة طرق تطوير نماذج خلية عظمية مفردة ثلاثية الأبعاد باستخدام صور المجهر متحد البؤر للشبكة اللاكونارية القناعية (LCN) لإجراء تحليل CFD باستخدام برامج النمذجة الحسابية المختلفة. قبل الفحص المجهري متحد البؤر ، يتم تقطيع عظام الفأر وتلطيخها بصبغة إيزوثيوسيانات الفلوريسين (FITC) لتسمية LCN. بدقة 100x ، يتم جمع صور Z-stack باستخدام مجهر متحد البؤر واستيرادها إلى برنامج MIMICS (برنامج معالجة قائم على الصور ثلاثية الأبعاد) لإنشاء نموذج سطحي لعمليات LCN والخلايا العظمية.
ثم يتم طرح هذه الأسطح باستخدام عملية منطقية في برنامج 3-Matic (برنامج تحسين البيانات ثلاثية الأبعاد) لنمذجة المساحة السائلة الثاقبة حول جسم الخلية العظمية والفضاء القني حول التشعبات التي تحتوي على سائل القناة الفراغية. يتم استيراد هندسة السوائل الحجمية ثلاثية الأبعاد إلى برنامج ANSYS (برنامج محاكاة) لتحليل CFD. يستخدم ANSYS CFX (CFD) لتطبيق الحمل الفسيولوجي على العظام كضغط سائل ، ويتم تحديد ضغوط قص الجدار على الخلايا العظمية والعمليات المتغصنة. يؤثر مورفولوجيا LCN على قيم إجهاد القص التي تشعر بها غشاء خلية الخلايا العظمية وعمليات الخلية. لذلك ، يمكن أن تكون تفاصيل كيفية تطوير النماذج القائمة على الصور متحدة البؤر ذات قيمة في فهم الإحساس الميكانيكي للخلايا العظمية ويمكن أن تضع الأساس للدراسات المستقبلية في هذا المجال.
المقدمة
يفترض أن الخلايا العظمية تنظم كتلة العظام استجابة لممارسة الرياضةالبدنية 1. تشوه الغشاء للخلايا العظمية وعملياتها التغصنية بسبب التحميل الميكانيكي ، يعرضها ل FFSS ، والذي يتم اكتشافه بواسطة الخلايا العظمية ويؤدي إلى إشارات داخل الخلايا2،3،4. تخضع البنية المجهرية للعظام من خلال تدهور أو تغييرات في مورفولوجيا القناة الجوبية بسبب الشيخوخة أو أمراض العظام مثل هشاشة العظام والسكري وفي حالات مثل نقص البيرليكان الذي يسبب ضعف الاستجابة الميكانيكية للخلايا العظمية5،6. ت....
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
البروتوكول
تم إجراء التجارب على بموافقة اللجنة المؤسسية لرعاية واستخدامه في جامعة ميسوري ، كانساس سيتي (UMKC) ، وامتثلت للإرشادات الفيدرالية ذات الصلة.
1. عملية تحضير العظام
- اجمع عظم الفخذ من إناث الفئران C57BL6 البالغة من العمر 4 أشهر و 22 شهرا وثبتها في بارافورمالدهيد بارد بنسبة 4٪ في PBS لمدة 24 ساعة عند 4 درجات مئوية مع هزاز لطيف ، ثم اشطفها في PBS وقم بتخزينها في 70٪ من الإيثانول قبل التضمين.
ملاحظة: يجب أن يكون حجم التثبيت حوالي 20 ضعف حجم الأنسجة - قم بتضمين العظام بسرعة في أكريليك بلمرة سريع (جدول المواد) باتباع تعليمات الشركة المصنعة.
ملاحظة: من المه....
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
النتائج
يصف هذا البروتوكول كيفية تطوير نماذج الخلايا العظمية المشتقة من الكونفوكالات للتحقيق في مقدار إجهاد القص لتدفق السوائل التي تتعرض لها الخلايا العظمية وعملياتها المتغصنة بسبب التحميل الميكانيكي. تم اختيار فأر C57BL6 مسن وشاب لبناء نماذج خلايا عظمية متحدة البؤر صغيرة وكبيرة السن قائمة على الصور. تم إنشاء ستة نماذج أخرى محاكاة للخلايا العظمية من نفس نموذج الخلايا العظمية الصغيرة باستخدام تقنية تعديل الهندسة لدراسة تغيير مورفولوجيا LCN بسبب الشيخوخة أو أمراض العظام. تضمنت المعلمات المعدلة بالهندسة سمك القناة الجوقة وكثافة ال.......
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
المناقشة
يحدد هذا البروتوكول تقنية التصوير متحد البؤر للتصور والنمذجة الحسابية للخلايا العظمية. قبل التصوير متحد البؤر ، يتم إجراء عملية تحضير العظام لتقطيع عينات العظام وتلطيخها. يتم استيراد الصور متحدة البؤر للتكبير 100x إلى برامج مختلفة لتطوير نماذج حاسوبية للخلايا العظمية والفضاء الجوقي القناتي. يتم إجراء تحليل CFD أخيرا على النماذج المستندة إلى الصور متحدة البؤر لنمذجة FFSS المحيطة بالخلايا العظمية والأغشية المتغصنة بسبب النشاط البدني ، وهو أمر يمثل تحديا تقنيا في الجسم الحي بسبب عد.......
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
الإفصاحات
المؤلفون ليس لديهم ما يكشفون عنه.
شكر وتقدير
يود المؤلفون أن يعرب عن تقديرهم للمؤسسة الوطنية للعلوم (NSF ، رقم الجائزة NSF-CMMI-1662284 PI: T Ganesh) ، والمعهد الوطني للصحة (المعاهد الوطنية للصحة - NIA P01 AG039355 PI: LF Bonewald) و (NIH / SIG S10OD021665 و S10RR027668 PI: SL Dallas) ، وبرنامج منحة أبحاث كلية الدراسات العليا بجامعة ميسوري - كانساس سيتي.
....الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
المواد
| الاسم | الشركة | رقم فهرسي | التعليقات |
|---|---|---|---|
| 1,200 حصى ورق الصنفرة | Buehler | 30-5170-012-100 | |
| برنامج 3-Matic | Materialise | https://www.materialise.com/en/industrial/software/3-matic | برنامج تحسين البيانات ثلاثي الأبعاد |
| 600 حصى ورق الصنفرة | Buehler | 30-5118-600-100 | |
| 800 Grit ورق الصنفرة | Buehler | 30-5170-800-100 | |
| برنامج | ANSYSANSYS | https://www.ansys.com/ | برنامج محاكاة |
| Fluorescein Isothiocyanate (FITC) برنامج | Sigma-Aldrich | F7250 | |
| ImageJ | https://imagej.net/ij/ | ||
| زيت الغمر للمجاهر | Leica Microsystems | 195371-10-9 | |
| Leica TCS Sp5 II مجهر متحد البؤر | Leica Microsystems | TCS Sp5 II | |
| Leitz 1600 منشار الماس الثقب الداخلي | Leica | ||
| برنامج MIMICS Innovation Suite | Materialize | https://www.materialise.com/en/healthcare/mimics-innovation-suite | برنامج معالجة ثلاثي الأبعاد قائم على الصور |
| Permount متوسط | فيشر العلمي | SP15-500 | |
| Sampl-Kwick طقم أكريليك سريع العلاج | Buehler | 20-3560 | |
| شاكر مختبر منصة | واحدة موثوق به علمي INC | موديل 55S |
المراجع
- Li, M. C. M., Chow, S. K. H., Wong, R. M. Y., Qin, L., Cheung, W. H. The role of osteocytes-specific molecular mechanism in regulation of mechanotransduction - A systematic review. J Orthop Translat. 29, 1-9 (2021).
- Fritton, S. P., Weinbaum, S.
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
إعادة الطباعة والأذونات
