Wir präsentieren ein Protokoll zur Erzeugung kieferorthopädischer Zahnbewegungen bei Mäusen und Methoden zur 3D-Visualisierung der Kollagenfasern und Blutgefäße von Parodontalbändern ohne Schnitt.
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Methodenartikel
Wir präsentieren ein Protokoll zur Erzeugung kieferorthopädischer Zahnbewegungen bei Mäusen und Methoden zur 3D-Visualisierung der Kollagenfasern und Blutgefäße von Parodontalbändern ohne Schnitt.
Kieferorthopädische Zahnbewegung ist ein komplexer biologischer Prozess des veränderten Weich- und Hartgewebeumbaus als Folge äußerer Kräfte. Um diese komplexen Umbauprozesse zu verstehen, ist es wichtig, das Zahn- und Parodontalgewebe in ihrem 3D-Kontext zu untersuchen und somit Schnitte und Gewebeartefakte zu minimieren. Mausmodelle werden aufgrund ihrer geringen Größe, hohen Stoffwechselrate, Genetik und einfachen Handhabung häufig in der Entwicklungs- und Strukturbiologie sowie in der Biomechanik eingesetzt. Prinzipiell sind sie damit auch hervorragende Modelle für zahnärztliche Studien. Ein großes Hindernis ist jedoch ihre geringe Zahngröße, insbesondere die Backenzähne. Dieses Papier zielt darauf ab, ein Schritt-für-Schritt-Protokoll zur Erzeugung kieferorthopädischer Zahnbewegungen und zwei Methoden zur 3D-Bildgebung der parodontalen Bandfaserkomponente eines Maus-Unterkiefermolaren bereitzustellen. Die erste vorgestellte Methode basiert auf einem Mikro-CT-Setup, das die Phasenverstärkungsbildgebung von frischem Kollagengewebe ermöglicht. Die zweite Methode ist eine Knochenreinigungsmethode mit Ethylzimt, die eine Bildgebung durch den Knochen ohne Schnitt ermöglicht und die endogene Fluoreszenz bewahrt. Kombination dieser Clearing-Methode mit Reportermäusen wie Flk1-Cre; TdTomato bot eine erste Gelegenheit seiner Art, das 3D-Gefäßsystem in der PDL und im Alveolarknochen abbilden zu können.
Der grundlegende biologische Prozess in der kieferorthopädischen Zahnbewegung (OTM) ist der Knochenumbau. Der Auslöser für diesen Umbauprozess wird auf Veränderungen in der Struktur des Parodontalbandes (PDL) wie extrazellulären Matrix (ECM) Stress, Nekrose sowie Blutgefäßzerstörung und -bildung zurückgeführt1,2,3. Andere mögliche Auslöser für den Alveolarknochenumbau sind die Krafterfassung durch Osteozyten im Knochen sowie die mechanische Verformung des Alveolarknochens selbst; ihre Rolle im OTM ist jedoch noch nicht vollständig aufgeklärt4,5.
Trotz vieler Studien, die darauf abzielten, Struktur-Funktions-Beziehungen der PDL während der OTM aufzudecken, muss noch ein klarer funktioneller Mechanismus definiert werden6,7. Der Hauptgrund dafür ist die Herausforderung, Daten eines Weichgewebes (PDL) zwischen zwei Hartgeweben (Zement und Alveolarknochen) abzurufen. Die akzeptierten Methoden zum Sammeln von Strukturinformationen erfordern in der Regel Fixierungen und Abschnitte, die die PDL-Struktur stören und modifizieren. Darüber hinaus liefern die meisten dieser Methoden 2D-Daten, die, selbst wenn sie nicht verzerrt sind, nur teilweise und lokalisierte Informationen liefern. Da die PDL in ihrer Struktur und Funktion nicht einheitlich ist, ist ein Ansatz gerechtfertigt, der die intakte 3D-Struktur des gesamten Zahn-PDL-Knochenkomplexes adressiert.
In diesem Artikel werden eine Methode zur Erzeugung eines OTM in Mäusen und zwei Methoden beschrieben, die eine 3D-Visualisierung der Kollagenfasern in der PDL ohne Schnitt der Probe ermöglichen.
Murine Modelle werden häufig für In-vivo-Experimente in der Medizin, Entwicklungsbiologie, Medikamentenabgabe und Strukturstudien verwendet. Sie können genetisch verändert werden, um bestimmte Proteine und Funktionen zu eliminieren oder zu verbessern. sie bieten eine schnelle, wiederholbare und vorhersehbare Entwicklungskontrolle; Sie sind auch aufgrund ihrer geringen Größe 8 leichtabbildbar. Trotz ihrer vielen Vorteile werden Mausmodelle in der Zahnforschung nicht häufig eingesetzt, insbesondere wenn klinische Manipulationen gerechtfertigt sind, meist aufgrund der kleinen Zähne. Tiermodelle wie Ratten9,10,11, Hunde12,13, Schweine14,15,16 und Affen17 werden häufiger als Mäuse verwendet. Mit der jüngsten Entwicklung hochauflösender bildgebungsähnlicher Verfahren sind die Vorteile der Verwendung eines Mausmodells zur Entschlüsselung der verworrenen Prozesse im OTM zahlreich. Dieser Artikel stellt eine Methode vor, um eine mesiale Bewegung des Backenzahns im Unterkiefer mit konstanten Kraftniveaus zu erzeugen, die einen Knochenumbau auslösen. Die meisten OTM-Experimente an Nagetieren werden im Oberkiefer durchgeführt, da die Beweglichkeit des Unterkiefers und das Vorhandensein der Zunge eine weitere Komplexitätsebene hinzufügen. Der Unterkiefer hat jedoch viele Vorteile, wenn strukturelle 3D-Integrität gewünscht wird. Es kann leicht als ganzer Knochen seziert werden; bei einigen Arten kann es durch die faserige Symphyse in zwei Hemi-Unterkiefer getrennt werden; es ist kompakt, flach und enthält nur die Zähne ohne Sinusräume. Im Gegensatz dazu ist der Oberkiefer ein Teil des Schädels und eng mit anderen Organen und Strukturen verwandt, so dass umfangreiche Schnitte erforderlich sind, um den Alveolarknochen mit den zugehörigen Zähnen zu sezieren.
Unter Verwendung einer hauseigenen Feuchtigkeitskammer, die mit einem Beladungssystem in einem hochauflösenden Mikro-CT gekoppelt ist, das eine Phasenverstärkung ermöglicht, haben wir eine Methode entwickelt, um frisches faseriges Gewebe in 3D zuvisualisieren,wie zuvor beschrieben9,18 , 19,20,21,22,23. Frisches Gewebe wird unmittelbar nach dem Opfer des Tieres ohne Färbung oder Fixierung gescannt, was Gewebeartefakte sowie Veränderungen der biomechanischen Eigenschaften reduziert. Diese 3D-Daten können für Verteilungs- und Richtungsanalysen der Fasern wie an anderer Stelle beschrieben verwendet werden19.
Die zweite hier vorgestellte 3D-Ganzgewebsbildgebungsmethode basiert auf der optischen Reinigung des Unterkiefers, die eine Bildgebung der PDL-Fasern durch den Knochen ohne Schnittbildung ermöglicht. Interessanterweise ermöglicht es auch die Visualisierung der Kollagenfasern des Knochens selbst, dies wird hier jedoch nicht diskutiert. Im Allgemeinen gibt es zwei Methoden zur Gewebereinigung. Die erste ist die wässrige Reinigung, bei der die Probe in eine wässrige Lösung mit einem Brechungsindex von mehr als 1,4 getaucht wird, entweder durch einfaches Eintauchen, Hyperhydratation oder Hydrogeleinbettung. Diese Methode ist jedoch sowohl in der Transparenz als auch in der strukturellen Erhaltung des Gewebes begrenzt und erfordert daher eine Fixierung des Gewebes. Das zweite Verfahren, das hochtransparente Proben liefert und keine Fixierung erfordert, ist das lösungsmittelbasierte Clearingverfahren24,25. Für die Unterkieferproben haben wir ein modifiziertes lösemittelbasiertes Clearingverfahren auf Basis von Ethyl-3-phenylprop-2-enoat (Ethylzimt, ECi) erstellt. Diese Methode hat die Vorteile der Verwendung von ungiftigem Clearingmittel in Lebensmittelqualität, minimaler Gewebeschrumpfung und Konservierung von fluoreszierenden Proteinen.
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Alle Tierversuche wurden in Übereinstimmung mit den NIH-Richtlinien für die Pflege und Verwendung von Labortieren und den Richtlinien des Harvard University Institutional Animal Care and Use Committee (Protokoll Nr. 01840) durchgeführt.
1. Kieferorthopädische Zahnbewegung
2. Mikro-CT-Scan von PDL-Fasern in frischen Hemi-Unterkiefern
3. Clearing-Methode (Abbildung 3)
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Dieser Artikel stellt eine Methode zur Herstellung von OTM sowie zwei Methoden zur 3D-Bildgebung von Kollagenfasern innerhalb der PDL ohne Schnitte vor. Für Tierversuchszwecke gilt eine Zahnbewegung, wenn eine Ausrichtung der Zähne nicht notwendig ist, als kieferorthopädisch, wenn sie einen Umbau des Alveolarknochens auf allen Wurzelebenen erzeugt. Um ein zuverlässiges OTM zu erzeugen, ist ein konstantes Kraftniveau auf die Zähne erforderlich. Hier wird eine aktivierte Formgedächtnis-NiTi-Spule verwendet, um eine konstan...
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Die Erzeugung von OTM bei Mäusen ist aufgrund der Größe, Genetik und Handhabungsvorteile sehr erwünscht. Die Verwendung des Unterkiefers bietet eine einfache Handhabung sowohl in Bezug auf die Gewebedissektion als auch auf die Probenvorbereitung und Bildgebung. Hier haben wir eine Methode vorgestellt, um OTM mit translationaler Bewegung des Zahnes im Knochen innerhalb von 7 Tagen nach OTM zu erzeugen. Mit diesem Protokoll kann die Gesamtdauer der Zahnbewegung verlängert werden, da die aktivierte Spule ein konstantes Kraf...
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Die Autoren haben nichts preiszugeben.
Diese Studie wurde vom NIH (NIDCR R00- DE025053, PI:Naveh) unterstützt. Wir danken dem Harvard Center for Biological Imaging für die Infrastruktur und Unterstützung. Alle Zahlen werden mit biorender.com generiert.
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| Name | Unternehmen | Katalognummer | Kommentare |
|---|---|---|---|
| 1-mL BD Luer-Lok Spritze | BD | 309628 | |
| 1X phosphatgepufferte Kochsalzlösung | VWR Life Sciences | 0780-10L | |
| 200 proof Ethanol | VWR Life Sciences | V1016 | |
| Aluminiumlegierung 5019 Draht | Sigma-Aldrich | GF15828813 | Draht mit 0,08 mm Durchmesser, Länge 100th, härte härte. Wird als Drahtligatur um den Backenzahn verwendet. |
| Avizo 9.7 | Thermo Fisher Scientific | N/A | Wird zur Analyse von microCT-Scans |
| verwendet Castroviejo Micro Needle Holders | Fine Science Tools | 12060-01 | |
| Clr Plan-Apochromat 20x/1.0,CorrVIS-IR M27 85mm Zeiss | N/A | Wird für die Bildgebung der zweiten harmonischen Generation verwendet | |
| Kegelsockelgriff, einseitig, handgeformt | G.Hartzell und Sohn | 126-CSH3 | Griff der Inspektionsspiegel |
| EC Plan-Neofluar 5x/0.16 | Zeiss | 440321-9902 | Für die Lichtblatt-Bildgebung |
| Elipar DeepCure-S LED-Polymerisationsleuchte | 3M ESPE | 76985 | |
| Eppendorf Safe-Lock Röhren, 1,5mL | Eppendorf | 22363204 | |
| Ethylzimt, >= 98% | Sigma-aldrich | W243000-1KG-K | |
| Injektionsnadel, 27G x 1/2'' | BD | 305109 | |
| Ketathesia 100mg/ml | Henry Schein Animal Health | NDC:11695-0702-1 | |
| KIMWIPES Delicate Work | Wischtücher Kimberly-Clark | 21905-026 (VWR Katalognummer) | Gekauft von VWR |
| LightSheet Z.1 Mikroskopsystem mit doppelter Beleuchtung | Zeiss | LightSheet Z.1/LightSheet 7 | Wird für die Lichtblatt-Bildgebung |
| verwendet LSM 880 NLO Multi-Photon Mikroskop | Zeiss | LSM 880 NLO | Verwendet für die Zwei-Photonen-Bildgebung |
| MEGAmicro, Ebene, 5mm Durchmesser, SS-Gewinde | Hahnenkratt | 6220 | Frontflächen-Inspectrio-Spiegel |
| MicroCT-Maschine, MicroXCT-200 | Xradia | MICRO XCT-200 | |
| Mini-Colibri | Fine Science Tools | 17000-01 | |
| PermaFlo Flowable Composite | Ultradent | 948 | |
| Prozedurenplattform | N/A | N/A | Sonderanfertigung aus Labormaterialien |
| Routine-Stereomikrofon M80 | Leica Micosystems | M80 | |
| Sentalloy NiTi offene Schraubenfeder | TOMY Inc. | Eine geschlossene NiTi-Spule mit einem Durchmesser von 0,15 mm und einem inneren Spulendurchmesser von 0,9 mm liefert eine Kraft von 10 g. Ähnliche Produkte können bei Dentsply Sirona erworben werden. | |
| T-304 Edelstahl-Ligaturdraht, 0,009'' Durchmesser | Kieferorthopädie | SBLW109 | 0,009'' (0,23mm) Durchmesser, weiches Temperieren |
| X-Ject E (Xylazin) 100mg/ml | Henry Schein Animal Health | NDC:11695-7085-1 | |
| Z100 Restauration, A2 Farbe | 3M ESPE | 5904A2 |
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