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Research Article
Ziduan Ding1,2, Ruomei Li1,2, Yufeng Duan1,2, Zhenxia Li1,2, Bing Fang1,2, Dian Jing1,2
1Department of Orthodontics, China Shanghai Ninth People’s Hospital, College of Stomatology,Shanghai Jiao Tong University School of Medicine, 2National Center for Stomatology, National Clinical Research Center for Oral Diseases, Shanghai Key Laboratory of Stomatology,Shanghai Jiao Tong University
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Erratum Notice
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Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
このプロトコルは、標準化された縫合糸拡張マウスモデルと3D視覚化方法を示し、引張力負荷下での縫合糸の機械生物学的変化と骨のリモデリングを研究します。
頭蓋顔面縫合糸は、頭蓋顔面骨をつなぐ線維性関節であるだけでなく、重要な役割を果たします。また、頭蓋骨や顔面骨の成長のための主要なニッチとして機能し、間葉系幹細胞や骨前駆細胞を収容しています。ほとんどの頭蓋顔面骨は膜内骨化によって発達するため、縫合糸の辺縁領域が開始点として機能します。この重要性から、これらの縫合糸は、バネによる頭蓋骨丸天井の拡張、急速な上顎の拡張、上顎の伸展などの整形外科治療において興味深い標的となっています。整形外科のトレース力の下で、縫合糸幹細胞は急速に活性化され、拡張中の骨リモデリングの動的なソースになります。その重要性にもかかわらず、骨リモデリング期間中の生理学的変化は十分に理解されていないままです。従来の切片作成法は、主に矢状方向では、縫合糸全体で発生する包括的な変化を捉えることができません。この研究は、矢状縫合糸拡張の標準的なマウスモデルを確立しました。縫合糸拡張後の骨リモデリングの変化を完全に可視化するために、PEGASOS組織透明化法をホールマウントEdU染色およびカルシウムキレート二重標識と組み合わせました。これにより、高度に増殖する細胞と、拡張後の頭蓋骨全体にわたる新しい骨形成を可視化することができました。このプロトコルは、標準化された縫合糸拡張マウスモデルと3D可視化法を提供し、引張力負荷下での縫合糸と骨リモデリングの機械生物学的変化に光を当てます。
頭蓋顔面縫合糸は、頭蓋顔面骨をつなぐ線維組織であり、頭蓋顔面骨の成長とリモデリングに重要な役割を果たします。縫合糸の構造は川に似ており、膜内骨形成を介して頭蓋顔面骨の形成に寄与する骨形成前線として知られる「川岸」に栄養を与えて構築するための細胞資源の流れを提供します1。
頭蓋顔面縫合糸への関心は、頭蓋縫合糸の早期閉鎖と顔面縫合機能障害を理解したいという臨床的ニーズによって推進されてきました。開腹縫合糸切除術は臨床治療で日常的に使用されていますが、長期追跡により、一部の患者で不完全な再骨化の再発が示されています2。拡張スプリングまたは内視鏡的ストライプ頭蓋切除術による低侵襲開頭術は、組織を廃棄するよりも、潜在的な縫合糸を保存するためのより安全なアプローチを提供する可能性があります3。同様に、フェイスマスクや拡張器具などの整形外科的治療は、矢状または水平上顎形成不全の治療に広く使用されており、いくつかの研究では、年齢制限を延長して、ミニスクリュー支援口蓋エキスパンダーを介して成人患者を治療しています4,5,6。さらに、間葉系幹細胞(MSC)と生分解性材料を組み合わせた頭蓋縫合糸再生は、将来の潜在的な治療法であり、関連疾患の治療に新しい方向性を提供します7。しかし、縫合糸の機能過程や調節機構は、いまだに解明されていない。
骨リモデリングは、主に骨芽細胞による骨形成と破骨細胞による骨吸収のバランスから成り立っており、力学的信号によって刺激された幹細胞の骨分化が重要な役割を果たします。何十年にもわたる研究の結果、頭蓋顔面縫合糸は高度に可塑性の間葉系幹細胞のニッチであることが判明しました8。縫合幹細胞(SuSC)は、間葉系幹細胞(MSC)または骨幹細胞(SSC)に属する幹細胞の不均一なグループです。SuSCは、Gli1、Axin2、Prrx1、Ctskの4つのマーカーによって in vivo で標識されています。 特にGli1+ SuSCは、幹細胞の生物学的特性を厳密に検証しており、典型的なMSCマーカーの高い発現を示すだけでなく、優れた骨形成能および軟骨形成能も示しています9。これまでの研究では、Gli1+ SuSCが引張力下での新しい骨形成に積極的に寄与していることが示されており、伸展骨形成をサポートする縫合糸幹細胞源として特定されています10。
過去には、幹細胞の広範な機械的特性が、Flexcell、4点曲げ、マイクロマグネットローディングシステムなどを介してin vitroで研究されていました。マウスの頭蓋縫合糸由来の間葉系細胞がin vitroで同定され11、ヒト縫合糸間葉系幹細胞も最近単離された12が、in vitro系では縫合糸細胞の生体力学的応答は不明のままである。骨リモデリングプロセスをさらに調査するために、単離された頭蓋骨器官培養に基づく縫合糸拡張モデルが確立され、有用なin vivo縫合糸拡張モデルを確立するための道が開かれました1,13。ウサギ14およびラット15は、縫合糸拡張のための基礎研究において最も広く用いられている動物である。しかし、マウスは、ヒトとの相同性の高いゲノム、多数の遺伝子改変系統、および強力な生殖ハイブリダイゼーション能力により、ヒト疾患を探索するための好ましい動物モデルです。頭蓋縫合糸拡張の既存のマウスモデルは、典型的には、矢状縫合糸に引張力を加えるためにステンレス鋼の歯列矯正スプリングワイヤーに依存している16,17。これらのモデルでは、拡張装置を固定するために頭頂骨の両側に2つの穴が開けられ、ワイヤーが皮膚の下に埋め込まれているため、細胞活性化モードに影響を与える可能性があります。
可視化法に関しては、矢状方向のスライスの2次元観察が数十年にわたって一般的に採用されてきました。しかし、骨のリモデリングが複雑な3次元の動的プロセスであることを考えると、完全な3次元情報を取得することが急務となっています。PEGASOS組織透明技術は、この要件を満たすために登場しました18,19。硬組織と軟組織の透明性に独自の利点があり、完全な骨リモデリングプロセスを3次元空間で再現することができます。
骨リモデリング期間の生理学的変化をより深く、より包括的に理解するために、手作りのホルダー間にバネをセットした標準的な矢状縫合糸拡張マウスモデルが確立されました10。標準化された酸エッチングおよび接着手順により、拡張装置を頭蓋骨にしっかりと接着し、矢状縫合糸に垂直な引張力を発生させることができました。さらに、PEGASOS組織透明化法は、縫合糸拡張後の骨モデリングの変化を完全に視覚化するために、拡張後の石灰化骨の二重標識後に適用されました。
ここで説明するすべての実験手順は、上海交通大学医学部上海第九人民病院の動物管理委員会によって承認されました(SH9H-2023-A616-SB)。この研究では、4週齢のC57BL/6雄マウスを使用しました。使用した器具はすべて、手順の前に滅菌されました。
1. 縫合糸拡張モデルの準備
2.矢状縫合糸拡張手術
3.石灰化した骨の二重標識
4. EdU染色
5. マイクロコンピュータ断層撮影イメージング
6. ペガソス組織透明化のための作業液の調製
7. PEGASOS法による頭蓋骨の透明度
8. イメージング
注:この研究では、透明組織の3D可視化に共焦点顕微鏡を使用しました。ライトシート顕微鏡もこのプロトコルに適しています。いくつかのオペレーティングシステムは、以前に利用可能であることが確認されています。ここでは、レーザー共焦点顕微鏡のオペレーティングシステムを例として取り上げます( 材料表を参照)。
このプロトコルを用いて、矢状縫合糸拡張のマウスモデルが確立されました(図1-2)。縫合糸拡張後の骨モデリング変化を3D可視化するために、PEGASOS組織透明化法を拡張後の頭蓋骨全体に適用しました。灌流後、頭蓋骨を分離し(図3A)、適切なPEGASOSプロセスを継続した(表1および表2)。驚くべきことに、頭蓋骨は、脱灰が行われたかどうかにかかわらず、完全なPEGASOSプロセス後にほぼ透明になりました(図3B、C)。
増殖後の変化を迅速に可視化するために、採取して固定したサンプルにμCTを使用しました。対照群(図4A)と比較して、頭蓋縫合糸は1日間力を加えた後、徐々に有意に拡大した(図4B)。5日目までに、骨縁にふわふわの骨突起が現れました(図4C)。
拡張後の縫合糸全体の石灰化並置率を3次元的に可視化するために、脱灰されていない頭蓋骨に対しても、効率的なPEGASOS技術とともにデュアルラベリング法を採用しました(図5)。生理学的条件下では、事前の標識シグナル間にわずかな変化が見られ(図5A)、力負荷は骨形成を有意に活性化しました。新たに石灰化した骨のジグザグパターンは、単一のカルシウム黄緑色のマーカーで標識され、7日間拡大した後に広がりました(図5B、C)。高解像度の3次元可視化では、辺縁骨のパターン変化は縫合糸拡張後の骨リモデリングプロセスを示し、縫合糸の両側で新たに形成された骨の程度が変化しました(図5C)。
さらに、縫合糸拡張時の細胞の増殖速度を可視化するために、石灰化プロセスを伴うPEGASOS組織透明化法を用いて、ホールマウントEdUの取り込みを試みました。成功裏に、標識は効率的で、透明な組織でよく保存されました。対照群では、いくつかのEdU+細胞が縫合糸全体にびまん性に分布しており(図6A)、これは生理学的骨リモデリングに重要であり、2D切片作成では見落とされる可能性があります。1日間増殖させると、増殖細胞は縫合糸の中央と端でピークに達しました(図6B)。縫合糸が広がるにつれて、増殖細胞の数は時間の経過とともに減少し、7日目に達しました(図6C)。強調表示された細胞は骨髄の小さな丸い細胞であり、EdU+縫合細胞とは異なる血球を示しました(図6C)。

図1:手術に必要な材料を準備しました。 保持ホルダーはステンレス鋼線で作られました。それらの直径は2mmで、1mmの尾部は両側に予約されていました(A)。線径0.2mm、外径1.5mm、間隔1mmの加圧ばね(B)を適用した。引張力はダイナメータ(C、D)によって検出されました。この実験では、1mmのばね圧縮ごとに約30g(E)の推力が得られました。紙切れを直径2mmの凧の形に切り取り、バリア(F)として使用しました。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。

図2:縫合糸拡大マウスモデルの手術プロセス。 頭蓋骨フラップを反転させた後、保持ホルダーが露出する位置で酸エッチング(A)と接着(B)を行いました。頭皮フラップ(C)をリセットした後、ホルダーはマークされた位置(D)で露出しました。2つのホルダーの間には、頭蓋縫合糸に膨張力を加えるためのバネをセットし、ホルダーがしっかりと接着されていることを確認した上で、バネの両端に2枚の紙切れをバリア(E,F)として固定しました。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。

図3:PEGASOS組織除去手順は、脱灰の有無にかかわらず、2つの頭蓋骨に適用されました。 灌流後、頭蓋骨が分離し、血痕のついた軟部組織が付着した(A)。脱灰過程(B)または非脱灰過程(C)を経験した頭蓋骨は、PEGASOSの全過程の後、ほぼ完全に透明であった。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。

図4:引張力が加わった後、徐々に膨張する頭蓋縫合糸。 矢状縫合糸のμCT画像(A)と1日および5日間の力負荷後(B、C)。スケールバー:100 μm。 Exp = 膨張。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。

図5:3D画像で縫合糸拡張後に活性化された骨形成。 (A-C) PEGASOS法でクリアした二重標識矢状縫合糸の3次元可視化。アリザリンレッドとカルセイングリーンは、それぞれ7日間拡大する前に一晩中腹腔内注射され(B、C)、同時時点で機械的負荷のない対照群(A)と比較して、安楽死しました。5倍レンズを用いて縫合画像全体を効率よく取得し(A,B)、(B)のボックス像は10倍レンズで撮像した(C,C',C''s)で拡大した。A,Bのスケールバー:100 μm、C:150 μm。この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。

図6:3D画像での引張力負荷時に高度に増殖する縫合糸細胞。 PEGASOS組織透明化法と組み合わせたホールマウント取り込みアッセイでは、静粛性(A)または1日および7日間の強制負荷後(B、C)に縫合糸全体で増殖する細胞が示されました。10倍レンズで撮像。破線は、矢状縫合糸の2つのエッジの輪郭を描いています。スケールバー:100 μm。 Exp = 膨張。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。
| プロセス | ソリューション | 時間と温度 |
| 1.腹腔内注射 | 1 mg/10 g EdU | マウスを安楽死させる2時間前 |
| 2.灌流 | 0.02% ヘパリン & 0.05 mol/L EDTA | / |
| 3.固定 | 4%のPFA | O/N、4 °C |
| 4.脱灰 | ||
| & | ||
著者は何も開示していません。
このプロトコルは、標準化された縫合糸拡張マウスモデルと3D視覚化方法を示し、引張力負荷下での縫合糸の機械生物学的変化と骨のリモデリングを研究します。
上海交通大学医学部耳研究所の研究室プラットフォームと支援に感謝します。この研究は、上海浦江プログラム(22PJ1409200)の支援を受けました。中国国家自然科学基金会(No.11932012);上海交通大学医学部上海第九人民病院のポスドク科学研究財団。上海交通大学医学部附属第九人民病院の基礎研究プログラム資金(JYZZ154)。
| 37% 酸エッチング | Xihubiom | E10-02/1807011 | |
| アリザリン レッド | シグマ アルドリッチ | A3882 | |
| オーストラリア ワイヤー | AJ ウィルコック | 0.014''ベン | |
| ジル安息香酸 | シグマ アルドリッチ | B6630 | |
| カルセイン グリーン | シグマ アルドリッチ | C0875 | |
| 硫酸銅(II) 無水 | Sangon Biotech | A603008 | |
| Dynamometer | Sanliang | SF-10N | |
| EDTA | Sigma-Aldrich | E9884 | |
| EdU | Invitrogen | E104152 | |
| レーザー共焦点顕微鏡 | Leica | SP8 | |
| PBS | Sangon Biotech | E607008 | |
| PEG-MMA 500 | Sigma-Aldrich | 447943 | |
| PFA | Sigma-Aldrich | P6148 | |
| pHメーター | メトラー・トレド | S220 | |
| クワドロール | Sigma-Aldrich | 122262 | |
| アスコルビン酸ナトリウム | Sigma-Aldrich | A4034 | |
| 重炭酸ナトリウム | Sangon Biotech | A500873 | |
| 塩化ナトリウム | Sangon Biotech | A610476 | |
| 水酸化ナトリウム | Sigma-Aldrich | S5881 | |
| スプリング | タオバオ | 0.2*1.5*1*7 | |
| スルホ-シアニン3 アジド | Lumiprobe | A1330 | |
| tert-ブタノール | Sigma-アルドリッチ | 360538 | 光から保護してください。凍結しないでください。 |
| トランスボンドMIP 水分に敏感でないプライ | マー3M Unitek | 712-025 | |
| ボンドXT 光硬化接着剤ペースト | 3M Unitek | 712-035 | |
| エタノールアミン | Sigma-Aldrich | V900257 | |
| トリス緩衝生理食塩水 | サンゴンバイオテクノロジー A500027 |