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

Bygge Finite Element Modeller for å etterforske sebrafisk Jaw Biomekanikk

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 teknisk teknikk som kan beregnings beregne og kartlegge omfanget og plasseringen av stammer som virker på en struktur 1. Modellen består av 3D-strukturen, representert ved en maske av "Finite Elements", og sluttresultatet av analysen er styrt av en rekke faktorer, inkludert struktur og antall elementer i det mesh, størrelsen og plasseringen av den mekaniske laster og materialegenskaper. Materialegenskaper beskrive visse aspekter av et materiale oppførsel under en gitt type last; Youngs modul (E) beskriver elastisiteten i materialet mens Poissons tall beskriver proporsjonal reduksjon i bredden på et materiale til sin lengde når en prøve blir strukket. FE modellering kan brukes til å beregne en rekke variabler, inkludert forskyvning, stress, trykk og belastning som virker på modellen ved å ta hensyn til de spesielle inngangsdata om strukturen '; S form, plassering og omfanget av belastninger og de spesifikke materialegenskaper.

FE modellering er mye brukt i prosjektering 2 og i økende grad for ortopediske 3 og paleontologiske applikasjoner 4. I utviklings biomekaniske krefter er kjent for å opptre som en stimulans i mange celler å aktivere celle responser 5-8, og det er nyttig å forutsi både de relative posisjoner og størrelser av mekaniske stimuli innen utvikling av organsystemer er imidlertid for tiden FE modellering har vært lite brukt for sebrafisk utvikling.

Både brusk og ben har vist seg å være mechanosensitive materialer. For eksempel, har in vitro kompresjon blitt funnet å aktivere chondrogenic veier, mens spenningen har vist seg å være nødvendig for bendannelse 9. FE analyse (FEA) har blitt utnyttet til å modellere stammer som virker på biologiske prøver, inkludert de som handler på skjelettelementer under bein formation 10. Andre utviklings bruksområder er bruken å forutsi formen på en felles etter at den har vært utsatt for teoretiske biomekaniske krefter 11,12 og for å vise mønsteret av stammer stede under chick kneleddet morphogenesis 8.

Denne protokollen er rettet mot å dele opplevelsen av å generere tre-dimensjonale overflater, masker og Finite Element modeller fra confocal bilder med tanke på å forstå mekanikken i utviklings vev. Vi viser også måter å validere FE modellene om å fange ekte felles forskyvning informasjon in vivo. Mens vi bruker sebrafisk kjeve som et eksemplar de samme teknikkene kan anvendes på en hvilken som helst liten biologisk system hvor det 3D informasjon om strukturen i muskel-skjelettsystemet kan oppnås ved konfokal eller multiphoton avbildning.

Protocol

Alle trinnene i protokollen følge University of Bristol dyr omsorg og velferd retningslinjer og de av den britiske Home Office.

1. Visualisering av muskler Anatomy

NB: For å visualisere formen på skjelettelementene, for å kvantifisere muskel og for å identifisere den eksakte plassering av muskel vedlegg, immunfarging (avsnitt 1.1) fisken i riktig alder for skjelett myosin (som avslører muskel) og type II kollagen (for å visualisere brusk). Alternativt, visualisere musculoskeletal anatomi ved hjelp av transgene fluorescerende reporter linjer som kollagen a1 reporter col2a1: mCherry 13,14 for å visualisere brusk og treg myosin tung kjede reporter smyhc: GFP 15 for å visualisere posisjonen til muskel vedlegg (§ 1.2).

Alternative linjer som markerer brusk og muskel kan fungere like godt.

  1. fluorescent Immunostaining
    1. Feste larve som overstiger 4% paraformaldehyd (PFA) i fosfat-bufret saltvann (PBS) i 1 time. Vask i PBS med 0,1% Tween 20 (PBT) og dehydrere i 50% metanol (MeOH) i PBT og 100% MeOH i 5 minutter henholdsvis.
      Forsiktig: PFA er giftig og bør håndteres i henhold til sikkerhetsbladet.
      MERK: Larver kan lagres i 100% MeOH inntil anvendelse.
    2. Rehydrere larve i 50% MeOH i PBT i 5 min. Vask i PBT i 5 min.
    3. Permeabilize larve i 0,25% trypsin i PBT på is i 5-6 min. Vask i 4x PBT for 5 min hver.
    4. Blokker i 2-3 timer i 5% serum i PBT.
    5. Inkuber larve i den anbefalte fortynning av kanin-anti-type 2 collagen og mus anti-myosin-antistoffer i 5% serum i PBT i 1 time ved romtemperatur eller over natten ved 4 ° C.
      MERK: Den anbefalte fortynning serien er normalt på antistoffet datablad. Velge antistoffer som er dannet mot forskjellige arter til hverandre og som også er diffeleie ut til vevet.
    6. Vask larve 6x for 15 minutter i PBT.
    7. Blokkere for 1-2 timer i 5% serum i PBT.
    8. Inkuber i sekundære antistoffer i mørket. Bruke fluorescens-merket anti-mus (550) og anti-kanin (488) sekundære antistoffer ved en passende fortynning i 5% serum og PBT for det spesifikke antistoff.
    9. Vask 6X i 10 minutter hver i PBT og bilde på en 10X konfokalmikroskop så snart som mulig.
  2. Imaging Muskel geometri
    1. Monter larver ventralt på et dekkglass i lunkent 0,3-0,5% lavt smeltepunkt (LMP) agarose i Danieau løsning 16.
      MERK: Transgene fisk må bli bedøvet i 0,02% MS222 (Tricaine metansulfonat, pH 7) før montering og under bildebehandling.
    2. Ta en confocal bilde stabel av regionen av interesse å bruke 10X objektiv og omtrent 2,5 ganger digital zoom. Forbered bilder av grønn og rød kanal med 488 nm og 561 nm lasere hhv. Bildet på en 512 x 512 pikslers oppløsning med et intervall mellom z plan av 1,3 mikrometer og 3 linje gjennomsnitt. Den resulterende stabel vil bestå av omtrent 100 z skiver.
    3. Eksportere dataene som en tiff-serien. Maksimum projeksjoner av muskel og brusk elementer fra en 5dpf sebrafisk larve er vist i figur 1.

2. Generering av en 3D Surface

  1. Velge et representativt datasett for hvert tidspunkt ved 3, 4 og 5 dpf (velg etter visualisering av flere prøver).
  2. Åpne 3-dimensjonal tiff stack og velge alle kanaler i analyseprogramvare. Høyreklikk på brusk kanal og velger bilde filter og glatting: Gaussian (figur 2B).
  3. I prosjektet syn høyreklikk på filtrert bildet og velg 'image segmentering "og deretter" rediger ny etikett'. Opprett en ny etikett for hvert materiale, det vil si, brusk og joint. Velg brusk region av bildet (figur 2C, hvit signal, lilla omriss) ved hjelp av tryllestav verktøyet. Bruk pensel verktøyet til å fjerne støy fra skisserer.
    MERK: Hvis du bruker tryllestav verktøyet, klikk "Alle skiver '.
  4. Velg joint regionen med penselverktøyet og tilordne til en felles komponent (figur 2C, blå omriss)
  5. Glatte flere stykker på en gang ved å velge segmentering i toppmenyen og glatt etiketter. Høyreklikk på bildet og velg generere overflate for å produsere en 3D overflate gjengi av komponenten (figur 2D).
  6. Klikk på overflaten og lagre data som en hmascii fil for import til meshing programvare.

3. Beregning av Muscle Forces å bli brukt i FE Model

  1. Tell antall muskelfibre fra confocal bilder av smyhc: GFP transgen sebrafisk (figur 1A, pilspiss, 1C) og måle diameter av fibrene for å beregne deres tverrsnittsareal (πr 2).
  2. Identifisere passende kraft pr muskelarealenhet fra litteraturen. Den maksimale muskelstyrken generert per arealenhet for larvesebrafisk skjelettmuskulaturen (40 Nn / mikrometer 2) ble brukt 17.
  3. Beregne krefter for hver anatomisk muskelgruppe ved å multiplisere antall fibre og deres område av den kraft pr arealenhet. Se tabell 1.

4. Generere en Mesh

  1. Importer 3D-modellen generert i punkt 2 (ovenfor) i en programvarepakke stand til å generere en endelig element mesh.
  2. Generere A2D mesh av brusk og leddflater ved hjelp av krympeplast verktøyet under 2D-menyen. Velg en passende element størrelse.
    Merk: Bruk et element størrelse mellom 01.05 til 02.05. Om nødvendig, generere en rekke forskjellig størrelse 2D flate maskene til å utføre 3D mesh optimalisering (§ 4.4).
  3. Gjennomføre mesh kvalitetssjekk funnet under '2D> Verktøy> Kontroller elementene' panel for å se etter dupliserte elementer, innsettinger og gjennomføringer i mesh. Fix dihedral vinkel ved hjelp av kategorien verktøyet i modelltreet.
  4. Generere et 3D-mesh fra 2D overflate maskene av ulik element størrelse ved hjelp av 3D> Tetramesh underpanelet.
    MERK: Sammenlign resultatene av ulike maskevidder og velg FE-modellen med lavest maskevidde som konvergerer etter ytterligere simuleringer og ikke kompromiss funksjon definisjon. Eksemplet på figur 3 inneholder 1,5 millioner tetraederelementer for de nedre kjeve brusk og hadde en 2D-element størrelse på 2,0.
  5. Transform maskene slik kjevemodellen er å skalere i henhold confocal stabel med geometri> Avstand underpanelet.
    MERK: Pass på brusk og felles komponenter er koblet i modellen ved å eksportere en sammenslått modell eller ved å bruke bånd.

5. Finite Element Model Construction

  1. Ved hjelp av kommersielle endelig element (FE) programvare, lage en FE modell. Ved hjelp av 3D-muskler og brusk merket confocal stabler generert i § 1 som en guide, tildele noder som tilsvarer muskelfester. Danne en vektor mellom to noder som representerer opprinnelsen og innsetting av hver muskel (figur 3).
  2. Lag en last samler av typen "historie" for å bruke en "C load" for hver muskel. Spesifiser størrelsen i Newton (beregnet i trinn 3.3) og tilordne den tilhørende vektor. Figur 3 viser festepunkter for adductor mandibulae (AM), vinkelmåler hyoideus (PH) og intermandibularis (IM).
    NB: For disse kjevemusklene, det maksimale kontraktile kraft fordeles mellom origo og innsetting, slik at bare 50% av hver last påføres på hvert sted.
  3. Tildel egnede elastiske isotropisk materialegenskaper som bestemt ved litteraturen. Youngs modul for bruskog Interzone i denne modellen var henholdsvis 1,1 MPa og 0,25 MPa og Poissons tall var 0,25 for begge 18,19.
  4. Lag en last samler av type 'grense "for å søke innledende begrensninger på modellen. Gå til fanen Analysis> Begrensninger og i skape underpanelet, plukke noder på modellen du ønsker å begrense. Velg de frihetsgrader (DOF) som begrenser bevegelse av modellen til den beste tilnærming av sin naturlige utvalg av bevegelse.
    MERK: modellen i figur 3 er begrenset i alle bevegelsesakser (DOF: 1, 2, 3 representerer x, y og z henholdsvis) ved ceratohyal for å feste den på plass ved et midtpunkt i modellen og i y og z-aksen ved punktet hvor den palatoquadrate kobles til resten av sebrafisk skallen (figur 3, tabell 1). Modellen må bli begrenset i alle tre DOF i en minst en node.
  5. Lag en "Load skritt", for hver type bevegelse du ønsker å SIMULspiste (dvs. åpning, lukking), under analysemenyen og velg alle relevante belastninger (laget i punkt 5.2) og begrensninger (laget i punkt 5.4) for å simulere denne bevegelsen. Velg "Static" fra rullegardinmenyen når den vises.
  6. Eksporter modell inkludert mesh, masse, begrensninger og materialegenskaper i et passende filformat, i dette tilfellet ".inp" format.
  7. Load modellen i FE analyse programvare. Lag og utføre en jobb for modellen med Jobb-modulen.
  8. Analyser utgang for stress, belastning, fortrengning, etc. funnet i resultatene kategorien og visualisering menyen (figur 4 og 5).

6. Validering av Jaw Deformasjon / Displacement Avstander

  1. Velg 3-6 Tg (Col2a1aBAC: mcherry) transgen sebrafisk.
  2. Lett bedøver larver med 0,02% MS222 før de slutter å reagere på berøring, men deres hjerter er fortsatt slo.
  3. Mountlarvene lateralt (mens bedøvet) på dekk i lunkent 1% LMP agarose (laget opp i Danieau løsning).
  4. Fjern agarose fra rundt hodet og kjeven med tang.
  5. Skyll frisk Danieau løsning (uten MS222) over hodet på larven å fjerne anestesi ved hjelp av en Pasteur pipette inntil normal munnbevegelser fortsette.
  6. Bruk filmopptak programvare for å ta lyse-feltet høyhastighets videoer av munnbevegelser. Ta filmer på rundt et minutt varighet på høyeste bildefrekvens, eller nok til å ta opp flere sykluser av kjeven åpning.
  7. Velg rammer som viser kjeven åpne til sin maksimale forskyvning. Mål avstanden mellom den fremre spissen av Meckels brusk, og den øvre kjeve (tuppen av ethmoid plate) i um.
  8. Beregne gjennomsnittlig forskyvning fra flere fiskelarver.
  9. Ekstraher forskyvningsdataene fra modellen. Bruk gjennomsnittlig forskyvning beregnet i 6.8 for å verifisere modellen forskyvning atferd (

Representative Results

Farging for muskler (figur 1A) og brusk (figur 1B) eller avbildning av transgene reportere (figur 1C) kan 3D-strukturen av kjeven for å bli visualisert, sammen med tilhørende muskulatur. Ved avbildning med høy oppløsning var det mulig å bygge en modell som fanger opp både den tredimensjonale formen av kjeven (figur 2) og plasseringen og plassering av last (figur 3). Utnytte in vivo forskyvninger sett gjennom høyhastighets videoopptak (figur 4) vi bekreftet at omfanget av bevegelse i modellen var innenfor en realistisk rekkevidde.

FE-modeller en gang løp kan brukes til å vise en rekke data, som for eksempel stress (figur 5A), minimum og maksimum hovedstamme (Figur 5B - K). Disse resultatene er tredime ensional slik at modellen kan forstørres for å se fine mønstre av detalj (figur 5E, 5i) roteres for å oppnå relevante synspunkter (figur 5F, 5G, 5J, 5K) og digitalt seksjonert (figur 5E ', 5E' ', 5I', 5I '') for å vise hvordan mønstre av stress, belastning eller trykkendring i hele modellen. Det er også mulig å trekke kvantitative data fra modellen (ikke vist). Ved å bekrefte modellen og bruker den mest nøyaktige materialegenskaper, masse og mesh form FE modellen kan brukes til å utforske det beste estimatet av den mekaniske miljø som oppleves av cellene under vinduet for utvikling. Resultatene fra modellen kan sammenlignes direkte til endringer i mobilnettet atferd og genekspresjon 20.

re en "src =" / files / ftp_upload / 54811 / 54811fig1.jpg "/>
Figur 1:. Representative bilder av muskel-elementer av sebrafisk underkjeven ved 5 dpf Representative konfokale stabler av den nedre kjeve av 5dpf larver alle vist med anterior til toppen (A) immunofarging for A4.1025 som farger alle skjelett myosin (B) farging for Type II kollagen som markerer all brusk (C) Stack fra en levende larve uttrykker transgene journalister col2a1: mCherry merking brusk (rød) og smyhc: GFP langsom muskel (grønn). IA: intermandibularis anterior, PH: vinkelmåler hyoideus, AM: adductor mandibulae, HI: hyoideus dårligere, HI: hyoideus overlegen, CH: sternohyoideus, MC: Meckels brusk, PQ: Palatoquadrate, CH. Ceratohyal Klikk her for å se en større versjon av denne figur.

"Fo: keep-together.within-page =" 1 "> Figur 2
Figur 2: Generering av en 3D-overflate fra konfokale bilder data som viser overgangen fra konfokale data til en 3D-overflate for sebrafisk underkjeven med høyere forstørrelse av skjøtområdet.. (A) Rå konfokal data; (B) Datasett etter påføring av en Gauss-filter; (C) filtrert omriss; (D) 3D overflate. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 3
Figur 3: Representative nett som viser begrensninger og snittkrefter Representative masker for en 5 dpf larve for (A) munnen lukking og.(B) munn åpning. Hvite prikker angir steder hvor modellen er begrenset, og i hvilke dimensjoner (f.eks, x og y eller x, y og z). Hvite linjer betegne muskel posisjoner, med vektoren av muskelkraft merket med hvite piler. Red viser brusk og gul den interzone. Dette tallet har blitt forandret fra supplerende materiale tidligere publisert i Brunt et al. 15. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figur 4
Figur 4:. Sensitivity testing FE-modellen simulerer kjeven forskyvning i 5dpf sebrafisk for ulike brusk og Interzone Youngs moduler. Kjeve fortrengning (åpen til stengt i mikrometer) er markert på kjeven; registreres ved hjelp av fargekartet. Hver modell (A - L) har en forskjellig kombinasjon av brusk (c = 1,1, 3,1 eller 6,1 MPa) eller interzone (I = 0,25, 0,5, 0,75 eller 1 MPa) egenskaper. Horisontal svarte pilen fremhever verdien av kjeven forskyvning ved spissen av Meckels brusk (representert ved den vertikale sort pil). M og N stillbilder fra videoer av 5 DPF larver viser minimum, dvs. kjeve lukket (M) og maksimum, dvs. helt åpen kjeve (N) med de to overlagret (O) - hvit linje på O representerer forskyvning (på 43 um). I dette tilfellet relative brusk egenskapene til 1,1 med en interzone på 0,25 (A) beste kamp forskyvningene sett i levende fisk (O). Paneler AL av dette tallet er tidligere publisert i al. Brunt et 15. Klikk her for å se et større version av denne figuren.

Figur 5
Figur 5: Representative data fra FE modeller FE-modellen simulering av alle muskler anvendt i en 5 dpf larve (A - C).. (A) Von Mises (EMaxmin) (B) Minimum Principal stamme (E Min. P, μɛ) (C) Maksimal hovedstamme (E Max. P., μɛ). FE-modellen simulering av maksimums- og minimums viktigste stammene under kjeven åpning. (D - K): Maksimal rektor stamme (. E Max P., μɛ) i (D) ventral kjeve utsikt og (E) ventral felles visning (E) viser plasseringen av proksimale-distal seksjoner gjennom Meckels brusk felles og interzone i (E ') og (E' '), henholdsvis. (F): lateralkjeve visning. (G): lateral felles visning. (H - K): Minimum Principal stamme (. E Min P, μɛ) i (H) ventral kjeve visning og (I) ventral felles visning. (I) viser plassering av de proksimale-distale delene gjennom Meckels brusk felles og interzone i (I ') og (I' ') henholdsvis (J): lateral kjeve visning. (K): lateral felles visning. Dette tallet er tidligere publisert i al. Brunt et 15. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Antall muskelfibre Muskel fiber område (mikrometer 2) Muskelgruppe området (mikrometer2) Force (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

Tabell 1: Muskel kvantifisering. Beregnet gjennomsnittlig muskelkrefter for Intermandibularis Anterior, Adductor Mandibulae og vinkelmåleren Hyoideus på 5 dpf bruker 40 Nn / mikrometer 2 (verdi per arealenhet tatt fra referanse 17). (Lorga et al., 2011) (n = 3).

Discussion

Finite Element modeller har blitt brukt til å relatere de områdene av skjelett elementer som er under press med de som gjennomgår beindannelse 10, samt å kartlegge områdene under belastning under endochondral forbening og felles morphogenesis 8,12,21. Andre studier har også vært i stand til å anvende teoretiske tilvekstmodeller for å replikere endringer under felles utvikling 11,12. Her viser vi protokollen for å bygge FE modeller for et relativt enkelt system, sebrafisk kjeve 20. I motsetning til alternative metoder for innsamling av RAW-bilder for FE-modeller, for eksempel CT scanning 22, konfokal avbildning av transgene linjer eller immunostained sebrafisk tillater flere vev for å bli undersøkt. Det kan derfor gi direkte informasjon om muskel festepunkter i forhold til brusk. Blant virveldyr modeller sebrafisk er spesielt mottagelig for genetisk og farmakologisk manipulasjon. Den generasjonen av FE modeller for sebrafiskkraniofaciale brusk åpner nå opp muligheten for videre studier av samspillet mellom biomekanikk og genetikk i felles morphogenesis.

Det finnes en rekke kritiske trinn i prosessen med å lage en FE modell; den første er å generere en nøyaktig tredimensjonal representasjon av systemet. Dette krever bildebehandling med høy nok oppløsning til å klart definere grenser. Merk at selv med høy oppløsning bildebehandling for å gjøre en god overflate man kan ha for å glatte ut noen regioner. Et annet kritisk punkt er å definere riktig plassering av lasten og riktige begrensninger. En utilstrekkelig begrenset modell vil mislykkes i å løse og feil plassering av masser vil føre til unormal bevegelse.

Noen behandlingen av rådataene (figur 2) er nødvendig som en overflate som genereres fra rådataene ville være vanskelig å mesh (figur 2B). Vi filtrert data ved hjelp av en Gaussian filter (figur 2C

Det er viktig å huske på at det alltid er begrensninger for en hypotetisk modell og enssumptions laget for å kjøre FE-modeller. Når bare modellerer en eller et lite antall prøver er det viktig å sikre at en representativ prøve blir valgt som det er sannsynlig å være små variasjoner mellom individer. Som bare noen av kjeveelementer og muskler ble inkludert, er modellen en forenklet versjon av sebrafisk kraniofaciale bevegelsesapparatet. Derfor begrensninger måtte være posisjonert til å redegjøre for hvor de modellerte kjeve elementene vil koble sammen med resten av skallen og modellen ble kunstig begrenset i sentrum for å fikse det i 'space'. Denne kunstige begrensningen ikke innvirkning på tolkningen trekkes fra modellene som ceratohyal selv ikke ble analysert. Inkludering av flere av kraniofaciale struktur, spesielt andre kjeve åpning musklene som de sternohyals og dens festet brusk 23, kunne ha lagt til modellen, men begrensningene inkluderer muligheten for større modeller til å kjøre i Finite Element programvare.

s = "jove_content"> En annen begrensning er at vi ikke har modellert ligament innsetting, selv om dette kunne oppnås ved innføring av fjærer 8. En annen antagelse gjøres i dette tilfellet var at modellen ville oppføre seg lineært. Størrelsene av stammene på de modellene var sammenlignbare med de i publiserte modeller og brukes til in vitro celler 10,24, med stammer være under 3500 og over -5000 μɛ bortsett fra begrensningen og muskelfester. Derfor ble stammene på de relevante delene av modellen anses som innenfor et område akseptabelt for en lineær modell. Brusk ikke oppfører seg helt som et lineært materiale, og har tidligere blitt modellert som en poroelastic materiale, som aktivert analyse av fluidet oppførsel i modellen 25. Spre muskelfestepunktene blant en klynge av lokale noder vil fordele peak krefter og mer nøyaktig representerer muskel innsetting for visse muskler.

ent "> Bruk av FE gjør en vurdering av de påkjenninger som virker på en struktur. Som en teknikk det er hyppig brukt i mange biovitenskap disipliner, inkludert ortopedi, paleontologi og mer nylig utviklingsbiologi. Her beskriver vi hvordan du kan bygge FE for sebrafisk underkjeven. i fremtiden disse modellene kan bli utvidet til å se på hele kjeven, inkludert ganen. Lignende teknikker kan brukes til å modellere spinal biomekanikk i fisk, som hittil har stort sett blitt studert av kinematiske midler.

Disclosures

Forfatterne har ikke noe å avsløre.

Noen data i figurene 3-5 er gjengitt fra J.Biomech, 48 (12), Brunt et al., Spår Finite element modellering endringer i felles form og celle atferd på grunn av tap av muskelspenninger i kjeven utvikling, 3112-22. 2015, med tillatelse fra Elsevier 15.

Acknowledgments

LHB ble finansiert av Wellcome Trust Dynamic Cell PhD-programmet; KAR ble finansiert av MRC prosjektstøtte MR / L002566 / 1 (tildelt Ejr og CLH) og CLH ble finansiert av Aruk tilskuddet 19479. Vi vil også gjerne takke Wolfson Bioimaging anlegg for bildebehandling råd.

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 Sebrafisk biomekanikk Strain muskler Finite Element Confocal morfologi Joint morphogenesis
Bygge Finite Element Modeller for å etterforske sebrafisk Jaw Biomekanikk
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