Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Developmental Biology
Click here for the English version

Developmental Biology

Opbygning Finite Element Modeller til undersøgelse Zebrafisk Jaw Biomekanik

Published: December 3, 2016 doi: 10.3791/54811
Automatic Translation
1, 1, 2, 1
1Physiology, Pharmacology and Neuroscience, University of Bristol, 2Earth Sciences, University of Bristol

Introduction

Finite Element (FE) modellering er en ingeniør teknik, der beregningsmæssigt kan beregne og kortlægge omfanget og placeringen af stammer, der handler på en struktur en. Modellen består af 3D-strukturen, repræsenteret ved en maskestørrelse på "Finite Elements", og det endelige resultat af analysen er underlagt en række faktorer, herunder strukturen og antallet af elementer i masken, størrelsen og placeringen af ​​den mekaniske belastninger og materialeegenskaber. Materialeegenskaber beskrive visse aspekter af et materiales opførsel under en given type belastning; Youngs modul (E) beskriver elasticiteten af ​​materialet, medens Poissons forhold beskriver den proportionale fald i bredden af ​​et materiale til sin længde, når en prøve strækkes. FE modellering kan anvendes til at beregne en række variabler, herunder forskydning, stress, pres og tryk virkende på modellen ved at tage hensyn til de unikke inputdata om strukturen '; S form, placering og omfanget af belastninger og de specifikke materialeegenskaber.

FE modellering er meget udbredt i teknik 2 og i stigende grad til ortopædiske 3 og palæontologiske applikationer 4. I udviklingen er biomekaniske kræfter kendt for at optræde som en stimulus i mange celler til at aktivere celle responser 5-8, og det er nyttigt at forudsige både de relative positioner og størrelser af mekaniske stimuli med udvikling organsystemer, men i øjeblikket FE modellering har været lidt brugt for zebrafisk udvikling.

Både brusk og knogle er blevet vist at være mekanosensitive materialer. For eksempel har in vitro kompression vist sig at aktivere chondrogene veje, mens spændingen er blevet vist at være nødvendig for knogledannelse 9. FE-analyse (FEA) er blevet udnyttet til at modellere stammer handler på biologiske prøver, herunder dem, der handler på skelet elementer under knogle foin ger 10. Andre udvikling applikationer omfatte dets anvendelse til at forudsige form af en fælles, efter at den har været udsat for teoretiske biomekaniske kræfter 11,12 og for at vise mønstret af stammer stede under chick knæleddet morfogenese 8.

Denne protokol er rettet mod at dele oplevelsen af ​​at generere 3-dimensionelle overflader, masker og Finite Element-modeller fra konfokale billeder med henblik på at forstå mekanikken i udviklingslandene væv. Vi viser også måder at validere FE modellerne selv fange ægte fælles forskydning information in vivo. Mens vi bruger zebrafisk kæbe som forbillede de samme teknikker kan bruges på enhver lille biologisk system, som kan fås 3D oplysninger om strukturen af ​​bevægeapparatet ved konfokal eller multifoton billeddannelse.

Protocol

Alle trin i protokollen følger Universitets Bristols dyrs pleje og velfærd retningslinjer og de af det britiske indenrigsministerium.

1. Visualisering af Muskuloskeletal Anatomi

BEMÆRK: For at visualisere formen af ​​skelet elementer, at kvantificere muskler og at identificere den nøjagtige placering af de vedhæftede filer muskel, immunofarvningsprocedure (afsnit 1.1) fisk på et passende alder for skelet myosin (som afslører muskel) og type II-collagen (at visualisere brusk). Alternativt, visualisere bevægeapparatet anatomi ved hjælp af transgene fluorescerende reporter linjer såsom collagen a1 reporter COL2A1: mCherry 13,14 at visualisere brusk og den langsomme myosin tung kæde reporter smyhc: GFP 15 at visualisere placeringen af muskel vedhæftede (afsnit 1.2).

Alternative linjer, der markerer brusk og muskler kunne arbejde lige så godt.

  1. Fluorescerende Immunostaining
    1. Fix larve på over 4% paraformaldehyd (PFA) i phosphatbufret saltvand (PBS) i 1 time. Vask i PBS med 0,1% Tween 20 (PBT) og dehydrere i 50% methanol (MeOH) i PBT og 100% MeOH i 5 min hhv.
      Advarsel: PFA er giftigt og skal behandles i overensstemmelse med sikkerhedsdatabladet.
      BEMÆRK: Larver kan opbevares i 100% MeOH indtil brug.
    2. Rehydrér larve i 50% MeOH i PBT i 5 min. Vask i PBT i 5 min.
    3. Permeabilisere larve i 0,25% trypsin i PBT på is i 5-6 min. Vask i 4x PBT i 5 min hver.
    4. Bloker for 2-3 timer i 5% serum i PBT.
    5. Inkuber larve i den anbefalede fortynding af kanin-anti-type 2 collagen og muse-anti-myosin-antistoffer i 5% serum i PBT i 1 time ved stuetemperatur eller natten over ved 4 ° C.
      BEMÆRK: Det anbefalede fortynding serien er normalt på antistoffet datablad. Vælg antistoffer, der er rejst mod forskellige arter til hinanden, og at der også er diffeleje til vævet.
    6. Vask larve 6x i 15 minutter i PBT.
    7. Bloker for 1-2 timer i 5% serum i PBT.
    8. Inkuber i sekundære antistoffer i mørke. Brug fluorescensmærket anti-muse (550) og anti-kanin (488) sekundære antistoffer i en passende fortynding i 5% serum og PBT for det specifikke antistof.
    9. Wash 6X for så hurtigt som muligt 10 minutter hver i PBT og billede på en 10X konfokal mikroskop.
  2. Imaging Muskuloskeletal Geometri
    1. Monter larverne ventralt på et dækglas i lunkent 0,3-0,5% lavt smeltepunkt (LMP) agarose i Danieau løsning 16.
      BEMÆRK: Transgene fisk vil skulle bedøvet i 0,02% MS222 (tricaine methansulfonat, pH 7) før montering og under billedbehandling.
    2. Tag en konfokal billede stak af området af interesse ved hjælp af 10X objektiv og ca 2.5x digital zoom. Forbered billeder af den grønne og røde kanal ved hjælp af 488 nm og 561 nm lasere hhv. Billede på en 512 x 512 pixel opløsning med et interval mellem z planer af 1,3 um og 3 linje gennemsnit. Den resulterende stabel vil bestå af cirka 100 z skiver.
    3. Eksportere dataene som en tiff serie. Maksimale projektioner af musklen og brusk elementer fra en 5dpf zebrafisk larve er vist i figur 1.

2. Generering af en 3D-Surface

  1. Vælg et repræsentativt datasæt for hvert tidspunkt på 3, 4 og 5 dpf (vælg efter visualisering af flere prøver).
  2. Åbn 3-dimensionel tiff stack og vælge alle kanaler i analyse software. Højreklik på brusk kanal og vælg billedet filter og udjævning: Gauss (figur 2B).
  3. I projekt view højreklikke på filtreret billede og vælg 'billede segmentering' og derefter 'rediger ny etiket «. Opret en ny etiket for hvert materiale, dvs, brusk og jFælles. Vælg brusk område af billedet (Figur 2C, hvid signal, lilla skitse) ved hjælp af Tryllestavsværktøjet. Brug børsten til at fjerne støj fra konturerne.
    BEMÆRK: Hvis du bruger Tryllestavsværktøjet, klikke 'Alle skiver «.
  4. Vælg det fælles område med pensel værktøjet og tildele en fælles komponent (figur 2C, blå omrids)
  5. Glat flere udsnit på én gang ved at vælge segmentering i topmenuen og jævne etiketter. Højreklik på billedet og vælg generere overflade for at producere en 3D overflade gør af komponenten (figur 2D).
  6. Klik på overfladen og gemme data som en hmascii fil til import i meshing software.

3. Beregning af Muscle kræfter, der skal bruges i FE Model

  1. Tæl antallet af muskelfibre fra konfokale billeder af smyhc: GFP transgene zebrafisk (figur 1A, pilespids, 1C) og måle diameter af fibrene til at beregne deres tværsnitsareal (πr 2).
  2. Identificer passende kraft pr muskel arealenhed fra litteraturen. Den maksimale muskelkraft genereret per arealenhed for larvestadium zebrafisk skeletmuskulatur (40 nN / um 2) blev anvendt 17.
  3. Beregn kræfterne for hver anatomisk muskel gruppe ved at gange antallet af fibre og deres område med kraften per arealenhed. Se tabel 1.

4. Generering af en Mesh

  1. Importere 3D-modellen genereres i afsnit 2 (ovenfor) i en softwarepakke stand til at generere en finite element mesh.
  2. Generer A2D maske i brusk og ledfladerne ved hjælp af shrink wrap værktøj under menuen 2D. Vælg en passende element størrelse.
    Bemærk: Brug et element størrelse mellem 1,5-2,5. Hvis det er nødvendigt, at generere en række forskelligt størrelse 2D overflade masker til at udføre 3D mesh optimering (afsnit 4.4).
  3. Udfør kontrol mesh kvalitet findes under de »2D> Værktøj> Kontroller elementer 'panel for at tjekke for duplikerede elementer, indsættelser og gennemføringer masken. Fix toplansvinkler ved hjælp af fanen nytte i model træ.
  4. Generer en 3D-maske fra 2D overflade masker af forskellig element størrelse ved hjælp af 3D> Tetramesh undertavle.
    BEMÆRK: Sammenlign resultaterne af forskellige maskestørrelser og vælg FE modellen med det laveste maskestørrelse, der konvergerer efter yderligere simuleringer og går ikke på kompromis funktionen definition. Eksemplet i figur 3 indeholder 1,5 millioner tetraedriske elementer til de nedre kæbe brusk og havde en 2D element størrelse på 2,0.
  5. Omdan masken så kæben model er at skalere som pr konfokal stak ved hjælp af geometri> Distance undertavle.
    BEMÆRK: Sørg for, brusk og fælles komponenter er forbundet i modellen ved at eksportere en fusioneret model eller ved at bruge bånd.

5. Finite Element Model Byggeri

  1. Brug kommerciel finite element (FE) software, oprette en FE-model. Brug af 3D muskler og brusk mærket konfokale stakke genereret i § 1 som en guide, tildele knuder, der svarer til muskel fastgørelsespunkter. Skabe en vektor mellem to knudepunkter repræsenterer oprindelse og indsættelse af hver muskel (figur 3).
  2. Opret en belastning samler af typen 'historie' for at anvende et 'C belastning "for hver muskel. Angiv størrelsen i newton (beregnet i trin 3.3) og tildele den tilhørende vektor. Figur 3 viser fastgørelsespunkterne for adductor mandibulae (AM), vinkelmåler hyoideus (PH) og intermandibularis (IM).
    BEMÆRK: For disse kæbemusklerne er maksimal kontraktil kraft fordeles mellem oprindelsen og indsættelse således at kun 50% af hver belastning påføres på hvert site.
  3. Tildel passende elastiske isotropisk materialeegenskaber som bestemt ved litteraturen. Youngs modul for bruskog Interzone i denne model var 1,1 MPa og 0,25 MPa og Poissons forhold var 0,25 for begge 18,19.
  4. Opret en belastning samler af typen 'grænse' for at anvende de første begrænsninger på modellen. Gå til fanen Analyse> Begrænsninger, og i skabe undertavle, plukke noder på den model, du ønsker at begrænse. Vælg de frihedsgrader (DOF) denne grænse bevægelse af modellen til den bedste tilnærmelse af dens naturlige vifte af bevægelse.
    BEMÆRK: Modellen i figur 3 blev begrænset i alle akser bevægelse (DOF: 1, 2, 3 repræsenterer x, y og z, henholdsvis) på ceratohyal at forankre den i rummet på et midtpunkt i modellen og i y og z-aksen på det punkt, hvor palatoquadrate forbinder til resten af zebrafisk kraniet (figur 3, tabel 1). Modellen skal være begrænset i alle tre DOF i en mindst én node.
  5. Opret en "Load skridt«, for hver type bevægelse, du ønsker at simulspiste (dvs. åbning, lukning), under analysen menuen og vælge alle de relevante belastninger (lavet i afsnit 5.2) og begrænsninger (lavet i afsnit 5.4) for at simulere denne bevægelse. Vælg 'Static' fra drop down menu, når den vises.
  6. Eksport model herunder mesh, belastninger, begrænsninger og materialeegenskaber i et passende filformat, i dette tilfælde ".inp" format.
  7. Load model i FE analyse software. Opret og udføre en opgave for modellen ved hjælp af Job-modulet.
  8. Analyser udgang til stress, stamme, fordrivelse, etc. findes i resultaterne fanen og visualisering menuen (figur 4 og 5).

6. Validering af Jaw Deformation / Displacement Afstande

  1. Vælg 3-6 Tg (Col2a1aBAC: mcherry) transgene zebrafisk.
  2. Let bedøve larverne med 0,02% MS222 indtil de ophører med at reagere til at røre, men deres hjerter er stadig slå.
  3. Mountlarverne lateralt (mens bedøvede) på dækglas i svag 1% LMP agarose (fremstillet i Danieau opløsning).
  4. Fjern agarose fra omkring hovedet og kæbe med pincet.
  5. Skyl frisk Danieau løsning (uden MS222) over hovedet på larve at fjerne anæstesi ved hjælp af en Pasteur-pipette indtil normal mundbevægelser genoptages.
  6. Brug film capture software til at tage lys-felt med høj hastighed videoer af mundbevægelser. Tag film på omkring et minut varighed på højeste frame rate, eller tilstrækkelig til at optage flere cyklusser af kæbe åbning.
  7. Vælg frames, der viser kæben åben til sin maksimale forskydning. Måle afstanden mellem den forreste spids af Meckel brusk og den øvre kæbe (spidsen af ​​ethmoid plade) i um.
  8. Beregn den gennemsnitlige forskydning fra flere larver fisk.
  9. Uddrag forskydningsdata fra modellen. Brug den gennemsnitlige forskydning beregnet i 6,8 til verificere model forskydning adfærd (

Representative Results

Immunfarvning for muskel (figur 1A) og brusk (figur 1B) eller billeddannelse af transgene reportere (figur 1C) tillader 3D-strukturen af kæben, der skal visualiseres, sammen med den tilknyttede muskulatur. Ved billeddannelse med en høj opløsning var det muligt at bygge en model, der indfanger både tredimensionale form af kæben (figur 2) og placeringen og placering af laster (figur 3). Ved hjælp in vivo forskydninger set gennem højhastigheds videooptagelse (figur 4) vi kontrolleret, at den række af forslag i modellen var inden for et realistisk interval.

FE modeller gang løb kan anvendes til at vise en række data, såsom stress (figur 5A), minimal og maksimal principal stamme (figur 5B - K). Disse resultater er tre- ensional så modellen kan forstørres for at se fine mønstre af detaljer (figur 5E, 5I) drejes for at opnå relevante synspunkter (figur 5F, 5G, 5J, 5K) og digitalt sektionerede (figur 5E ", 5E '', 5I ', 5I '') for at vise, hvordan de mønstre af stress, stamme eller trykændring i hele modellen. Det er også muligt at udtrække kvantitative data fra modellen (ikke vist). Ved at verificere modellen og med den mest nøjagtige materialeegenskaber, belastninger og mesh form FE model kan anvendes til at udforske det bedste skøn over den mekaniske miljø, der opleves af celler under vinduet i udviklingen. Resultaterne af modellen kan sammenlignes direkte med ændringer i cellulær adfærd og genekspression 20.

re en "src =" / files / ftp_upload / 54.811 / 54811fig1.jpg "/>
Figur 1:. Repræsentative billeder af muskuloskeletale elementer af zebrafisk underkæben ved 5 dpf Repræsentative konfokale stakke af underkæben af 5dpf larver alle vist med anterior til toppen (A) Immunfarvning for A4.1025 som farver alle skelet myosin (B) immunfarvning for type II-collagen, som markerer al brusk (C) Stak fra en levende larve udtrykker de transgene reportere COL2A1: mCherry mærkning brusk (rød) og smyhc: GFP langsom muskel (grøn). IA: intermandibularis anterior, PH: vinkelmåler hyoideus, AM: adductor mandibulae, HI: hyoideus ringere, HI: hyoideus overlegen, CH: sternohyoideus, MC: Meckel s brusk, PQ: Palatoquadrate, CH:. Ceratohyal Klik her for at se en større version af dette tal.

"Fo: holde-together.within-side =" 1 "> Figur 2
Figur 2: Generering af en 3D-overflade fra konfokale data Billeder, der viser overgangen fra konfokale data til en 3D overflade til zebrafisk underkæbe med større forstørrelse af det fælles område.. (A) Raw konfokal data; (B) Dataset efter anvendelse af en Gauss filter; (C) Filtreret omrids; (D) 3D overflade. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 3
Figur 3: Repræsentative masker viser begrænsninger og kraftvektorer Repræsentative masker for en 5 dpf larve til (A) mund lukning og.(B) mundingsåbning. Hvide prikker angiver steder, hvor modellen er begrænsede, og hvor dimensioner (f.eks, x og y eller x, y og z). Hvide linjer angiver muskel positioner, med vektoren ifølge muskelkraft betegnet med hvide pile. Rød viser brusk og gul på Interzone. Dette tal er blevet ændret fra supplerende materiale, der tidligere er offentliggjort i Brunt et al. 15. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 4
Figur 4:. Følsomhed test FE-model simulerer kæbe forskydning i 5dpf zebrafisk for forskellige brusk og BEMÆRKNINGER Interzone Youngs moduli. Kæbe forskydning (åben for lukket i um) er markeret på kæben; optaget med farven tasten. Hver model (A - L) har en anden kombination af brusk (c = 1,1, 3,1, eller 6,1 MPa) eller Interzone (I = 0,25, 0,5, 0,75 eller 1 MPa) egenskaber. Vandret sort pil understreger værdien af kæben forskydning på spidsen af Meckel brusk (repræsenteret ved den lodrette sorte pil). M og N stills fra videoer af 5 dpf larver, der udviser minimum, dvs. kæbe lukket (M) og den maksimale, dvs. kæbe helt åben (N) med de to overlejret (O) - hvid linje på O repræsenterer forskydningen (af 43 um). I dette tilfælde relativ brusk egenskaber på 1,1 med en Interzone på 0,25 (A) bedste match forskydningerne ses i levende fisk (O). Paneler AL af dette tal har tidligere været offentliggjort i Brunt et al. 15. Klik her for at se et større version af dette tal.

Figur 5
Figur 5: Repræsentative data fra FE modellerne FE-model simulering af alle muskler, der anvendes i en 5 dpf larve (A - C).. (A) Von Mises (EMaxmin) (B) Min Principal stamme (E Min. P, μɛ) (C) Maks vigtigste stamme (E Max. P., μɛ). FE-model simulering af maksimale og minimale vigtigste stammer under kæben åbning. (D - K): Maksimal principal stamme (. E Max P., μɛ) i (D) ventral kæbe visning og (E) ventrale fælles visning (E) viser placeringen af proksimale-distal snit gennem Meckel s brusk fælles og Interzone i (E) og (E ''), henholdsvis. (F): lateralkæbe udsigt. (G): lateral fælles visning. (H - K): Minimum Principal stamme (. E Min P, μɛ) i (H) ventral kæbe visning og (I) ventral fælles opfattelse. (I) viser placeringen af de proksimale-distale snit gennem Meckel brusk fælles og Interzone i (I ') og (I' ') henholdsvis (J): lateral kæbe view. (K): lateral fælles visning. Dette tal har tidligere været offentliggjort i Brunt et al. 15. Klik her for at se en større version af dette tal.

Antallet af muskelfibre Muskel fiber område (um 2) Muskel gruppe område (um2) (N)
5 dpf intermandibularis anterior 5 23.8 119 4.76e-6
5 dpf vinkelmåler hyoideus 6 23.8 142,8 5.71e-6
5 dpf adductor mandibulae 9 23.8 214,2 8.57e-6

Tabel 1: Muskel kvantificering. Beregnet gennemsnitlige muskel kræfter for Intermandibularis Anterior, adductor Mandibulae og Vinkelmåler Hyoideus ved 5 dpf bruge 40 NN / um 2 (værdi per arealenhed taget fra henvisning 17). (Lorga et al., 2011) (n = 3).

Discussion

Finite element modeller er blevet anvendt til at relatere områderne skelet elementer, der er under pres med dem, der gennemgår knogledannelse 10, samt at kortlægge de områder under belastning under endochondral ossifikation og fælles morfogenese 8,12,21. Andre undersøgelser har også været i stand til at anvende teoretiske vækstmodeller at kopiere forandringer under fælles udvikling 11,12. Her viser vi protokollen for at bygge FE modeller for et relativt simpelt system, zebrafisk kæbe 20. I modsætning til alternative metoder til indsamling rå billeder til FE modeller, såsom CT-scanning 22, konfokal billeddannelse af transgene linjer eller immunfarvet zebrafisk giver mulighed for flere væv, der skal undersøges. Det kan derfor give direkte oplysninger om muskel fastgørelsespunkter i forhold til brusk. Blandt hvirveldyr modeller zebrafisk er særligt modtagelige for genetisk og farmakologisk manipulation. Frembringelsen af ​​FE modeller til zebrafiskkraniofaciale brusk åbner nu op for muligheden for yderligere undersøgelse af samspillet mellem biomekanik og genetik i fælles morfogenese.

Der er en række kritiske trin til processen med at skabe en FE-model; den første er at generere en korrekt tredimensional repræsentation af systemet. Det kræver billedbehandling ved høj nok opløsning til klart at definere grænser. Bemærk, at selv med høj opløsning billeddannelse at gøre en god overflade man kan have at udglatte nogle regioner. Et andet kritisk trin er at definere den korrekte placering af lasten og korrekte begrænsninger. En utilstrækkeligt begrænset model vil undlade at løse og forkert placering af belastningerne vil forårsage unormal bevægelse.

Nogle behandling af de rå data (figur 2) er nødvendig som en overflade genereret fra de rå data ville være vanskeligt at mesh (figur 2B). Vi filtrerede data ved hjælp af en Gaussisk filter (figur 2C

Det er vigtigt at huske, at der altid er begrænsninger for en hypotetisk model og enAntagelser til at køre FE modeller. Når kun modellering ét eller et lille antal prøver er det vigtigt at sikre, at en repræsentativ prøve er valgt som der sandsynligvis vil være små variationer mellem individer. Da kun nogle af kæben elementer og muskler blev medtaget, modellen er en forenklet version af zebrafisk kraniofaciale bevægeapparatet. Derfor begrænsninger måtte positioneret til at redegøre for, hvor de modellerede kæbe elementer ville forbinde med resten af ​​kraniet og modellen blev kunstigt begrænset i midten til at ordne det i 'rum'. Denne kunstige begrænsning påvirkede ikke om fortolkningen trukket fra modellerne som ceratohyal selv ikke blev analyseret. Inklusionen af flere af kraniofacial struktur, kunne især andre kæbe åbning muskler såsom sternohyals og dens vedhæftede brusk 23, have tilføjet til modellen, men begrænsninger omfatter evnen til større modeller til at køre i Finite Element-softwaren.

s = "jove_content"> En anden begrænsning er, at vi ikke har modelleret ligament insertion, selv om dette kan opnås ved indsættelse af fjedrene 8. En anden antagelse i dette tilfælde var at modellen ville opføre sig lineært. Størrelserne af pres på modellerne var sammenlignelige med dem i offentliggjorte modeller og anvendt til in vitro-celler 10,24, med stammer er under 3500 og over -5000 μɛ bortset fra tvang og muskel fastgørelsespunkter. Derfor blev stammerne på de berørte dele af modellen vurderes inden for et interval acceptabelt for en lineær model. Brusk ikke opfører sig helt som en lineær materiale og er tidligere blevet modelleret som en poroelastic materiale, som gjorde det muligt analyse af fluidet adfærd i modellen 25. Spredning af muskel fastgøringspunkter blandt en klynge af lokale knudepunkter vil distribuere peak kræfter og mere præcist repræsenterer musklen indsættelse for visse muskler.

ent "> Anvendelse af FE giver en vurdering af stammer og spændinger, der handler på en struktur. Som en teknik er det ofte bruges i mange biovidenskab discipliner, herunder ortopædi, palæontologi og for nylig udviklingsmæssige biologi. Her beskriver vi, hvordan man opbygger FEs for zebrafisk underkæbe. i fremtiden disse modeller kan udvides til at se på hele kæben, herunder ganen. Lignende teknikker kan anvendes til at modellere spinal biomekanik i fisk, som til dato har mest været studeret af bevægelige organer.

Disclosures

Forfatterne har intet at afsløre.

Nogle data i fig 3-5 er blevet genoptrykt fra J.Biomech, 48 (12), Brunt et al., Finite element modellering forudsiger ændringer i fælles form og celle adfærd i forbindelse med tab af muskel stamme i kæben udvikling, 3112-22. 2015, med tilladelse fra Elsevier 15.

Acknowledgments

LHB blev finansieret af Wellcome Trust Dynamic Cell ph.d.; KAR blev finansieret af MRC projekttilskud MR / L002566 / 1 (tildelt EJR og CLH) og CLH blev finansieret af ARUK tilskud 19479. Vi vil også gerne takke Wolfson Bioimaging facilitet for imaging rådgivning.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Coll2 Abcam ab34712 Type II collagen antibody - stains all cartilage
A4.1025 / MF20 Developmental studies hybridoma bank A4.1025 Skeletal mysoin antibody - marks all skeletal muscle 
Low melt agarose Sigma  A9414-5G For mounting zebrafish
MS222 (Ethyl 3-aminobenzoate methanesulfonate ) Sigma E10521-10G To make anesthetic
Trypsin Fisher T/3760/48 sample permeablilisation
Dylight 488 Mouse IgG Thermofisher 35502 Secondary antibody
Dylight 550 Rabbit IgG Thermofisher  84541 Secondary antibody
SP8/SP5 or SPE confocal Leica  For imaging 
LAS Leica capture software Leica Imaging software
Aviso (version 7.0.0) FEI Visualization Science Group 3D image analysis software (Section 2)
Hypermesh part of the Hyperworks package (version 10) Altair Engineering FE model generating software (Section 4-5)
Abaqus (version 6.14) SIMULIA FE analysis software (Section 5.7-5.8)

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Rayfield, E. J. Finite Element Analysis and Understanding the Biomechanics and Evolution of Living and Fossil Organisms. Annu. Rev. Earth Planet. Sci. 35, 541-576 (2007).
  2. Rao, S. S. The Finite Element Method in Engineering: Fifth Edition. , (2010).
  3. Taylor, M., Prendergast, P. J. Four decades of finite element analysis of orthopaedic devices: Where are we now and what are the opportunities. J Biomech. 48, 767-778 (2015).
  4. Button, D. J., Rayfield, E. J., Barrett, P. M. Cranial biomechanics underpins high sauropod diversity in resource-poor environments. Proc Royal Soc London B: Biol Sci. 281. 281, (2014).
  5. Mammoto, T., Mammoto, A., Ingber, D. E. Mechanobiology and developmental control. Annu Rev Cell Dev Biol. 29, 27-61 (2013).
  6. Shwartz, Y., Farkas, Z., Stern, T., Aszodi, A., Zelzer, E. Muscle contraction controls skeletal morphogenesis through regulation of chondrocyte convergent extension. Dev biol. 370, 154-163 (2012).
  7. Rolfe, R. A., et al. Identification of mechanosensitive genes during skeletal development: alteration of genes associated with cytoskeletal rearrangement and cell signalling pathways. BMC genomics. 15, 48 (2014).
  8. Roddy, K. A., Kelly, G. M., van Es, M. H., Murphy, P., Prendergast, P. J. Dynamic patterns of mechanical stimulation co-localise with growth and cell proliferation during morphogenesis in the avian embryonic knee joint. J Biomech. 44, 143-149 (2011).
  9. Haudenschild, D. R., Chen, J., Steklov, N., Lotz, M. K., D'Lima, D. D. Characterization of the chondrocyte actin cytoskeleton in living three-dimensional culture: response to anabolic and catabolic stimuli. Mol cell biomech. 6, 135-144 (2009).
  10. Nowlan, N. C., Murphy, P., Prendergast, P. J. A dynamic pattern of mechanical stimulation promotes ossification in avian embryonic long bones. J Biomech. 41, 249-258 (2008).
  11. Giorgi, M., Carriero, A., Shefelbine, S. J., Nowlan, N. C. Mechanobiological simulations of prenatal joint morphogenesis. J Biomech. 47, 989-995 (2014).
  12. Heegaard, J. H., Beaupre, G. S., Carter, D. R. Mechanically modulated cartilage growth may regulate joint surface morphogenesis. J Ortho Res. 17, 509-517 (1999).
  13. Hammond, C. L., Schulte-Merker, S. Two populations of endochondral osteoblasts with differential sensitivity to Hedgehog signalling. Development. 136, 3991-4000 (2009).
  14. Mitchell, R. E., et al. New tools for studying osteoarthritis genetics in zebrafish. Osteoarthritis and cartilage / OARS, Osteoarth Res Soc. 21, 269-278 (2013).
  15. Elworthy, S., Hargrave, M., Knight, R., Mebus, K., Ingham, P. W. Expression of multiple slow myosin heavy chain genes reveals a diversity of zebrafish slow twitch muscle fibres with differing requirements for Hedgehog and Prdm1 activity. Development. 135, 2115-2126 (2008).
  16. Danieau's solution (30×). Cold Spring Harb Prot. , pdb.rec12467 (2011).
  17. Iorga, B., et al. Micromechanical function of myofibrils isolated from skeletal and cardiac muscles of the zebrafish. J Gen physiol. 137, 255-270 (2011).
  18. Tanck, E., Blankevoort, L., Haaijman, A., Burger, E. H., Huiskes, R. Influence of muscular activity on local mineralization patterns in metatarsals of the embryonic mouse. J Ortho Res. 18, 613-619 (2000).
  19. Tanck, E., et al. The mechanical consequences of mineralization in embryonic bone. Bone. 35, 186-190 (2004).
  20. Brunt, L. H., Norton, J. L., Bright, J. A., Rayfield, E. J., Hammond, C. L. Finite element modelling predicts changes in joint shape and cell behaviour due to loss of muscle strain in jaw development. J Biomech. 48, 3112-3122 (2015).
  21. Roddy, K. A., Prendergast, P. J., Murphy, P. Mechanical influences on morphogenesis of the knee joint revealed through morphological, molecular and computational analysis of immobilised embryos. PloS one. 6, e17526 (2011).
  22. Cuff, A. R., Bright, J. A., Rayfield, E. J. Validation experiments on finite element models of an ostrich (Struthio camelus) cranium. Peer J. 3, 1294 (2015).
  23. Schilling, T. F., Kimmel, C. B. Musculoskeletal patterning in the pharyngeal segments of the zebrafish embryo. Development. 124, 2945-2960 (1997).
  24. Dowthwaite, G. P., et al. A mechanism underlying the movement requirement for synovial joint cavitation. Matrix biol. 22, 311-322 (2003).
  25. Nia, H. T., Han, L., Li, Y., Ortiz, C., Grodzinsky, A. Poroelasticity of cartilage at the nanoscale. Biophys J. 101, 2304-2313 (2011).

Tags

Developmental Biology zebrafisk Biomekanik Strain Knogler Finite Element Konfokal morfologi Joint morfogenese
Opbygning Finite Element Modeller til undersøgelse Zebrafisk Jaw Biomekanik
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Brunt, L. H., Roddy, K. A.,… More

Brunt, L. H., Roddy, K. A., Rayfield, E. J., Hammond, C. L. Building Finite Element Models to Investigate Zebrafish Jaw Biomechanics. J. Vis. Exp. (118), e54811, doi:10.3791/54811 (2016).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter