Summary

Etablering av en murine maxillary ortodontisk modell

Published: October 27, 2023
doi:

Summary

Her demonstrerer vi trinn for trinn en håndterbar, kjeveortopedisk tannbevegelsesprotokoll operert på en murine maxillarmodell. Med den eksplisitte forklaringen av hvert trinn og visuell demonstrasjon, kan forskere mestre denne modellen og bruke den til deres eksperimentelle behov med noen få modifikasjoner.

Abstract

På grunn av mangelen på reproduserbare protokoller for å etablere en murine maxillær kjeveortopedisk modell, presenterer vi en pålitelig og reproduserbar protokoll for å gi forskere et gjennomførbart verktøy for å analysere mekanisk belastningsassosiert beinremodellering. Denne studien presenterer et detaljert flytskjema i tillegg til forskjellige typer skjematiske diagrammer, operasjonsbilder og videoer. Vi utførte denne protokollen på 11 voksne brede C57/B6J-mus og høstet prøver på postoperative dager 3, 8 og 14. Mikro-CT og histopatologiske data har bevist suksessen til tannbevegelser kombinert med beinremodellering ved hjelp av denne protokollen. Videre, i henhold til mikro-CT-resultatene på dag 3, 8 og 14, har vi delt beinmodellering i tre faser: forberedelsesstadium, benresorpsjonsstadium og beindannelsesstadium. Disse stadiene forventes å hjelpe forskere som er opptatt av ulike stadier til å sette prøveinnsamlingstiden rimelig. Denne protokollen kan utstyre forskere med et verktøy for å utføre regenerativ analyse av beinremodellering.

Introduction

Ben er et svært aktivt rekonstruert vev som tilpasser sin størrelse, form og egenskaper gjennom levetiden til individet 1,2. I tillegg til hormoner, aldring, ernæring og andre biologiske eller biokjemiske faktorer3, har ideen om at mekanisk belastning er den mest avgjørende faktoren fått generell aksept 4,5. Under noen omstendigheter med unormal mekanisk belastning kan ubalansen mellom benresorpsjon og beindannelse føre til unormal beinremodellering og beinforstyrrelser. Bensykdommer som misbruk av osteoporose og bentap under langvarig sengeleie eller i nærvær av mikrogravitasjon ved romfart har et nært forhold til unormal mekanisk belastning 6,7,8.

Mekanisk belastning har også blitt brukt til å behandle beinrelaterte sykdommer som distraksjonsbehandling og kjeveortopedisk behandling. Distraksjonsbehandling har vært brukt ved utviklingssykdommer som kraniosynostose og mandibulær hypoplasi 9,10, mens kjeveortopedisk behandling har vært mye brukt for å rette opp unormal tannstilling og eventuell maloklusjon11. Kjernen i kjeveortopedisk behandling er også styring av mekanisk belastning. Når beinvevet utsettes for mekanisk belastning, induseres en høyt koordinert beinremodelleringsprosess ved kobling av benresorpsjon etterfulgt av beindannelse, som kan bevege tenner for å oppnå kjeveortopedisk formål12,13.

Selv om kjeveortopedisk behandling har vært mye brukt i klinisk praksis, da vår kunnskap om biologiske effekter av mekanisk belastning er begrenset, er resultatene av kjeveortopedisk behandling ukontrollerbare. For å overvinne disse begrensningene har flere dyremodeller som mus, rotte, kanin, katt, hund, ape og gris blitt etablert for å undersøke den underliggende mekanismen for mekanisk belastningsindusert beinremodellering (tabell 1) 14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24, 25,26,27,28,29,30,31,32. Store dyr som hunder, aper og griser har noen fordeler i forhold til små dyr i kjeveortopedisk operasjon – de har mer menneskelignende tenner og tannkjøtt, slik at den kirurgiske prosedyren er lett å replikere hos mennesker. I tillegg kan et bredt syn redusere operasjonsvanskene og gjøre det mulig å anvende en rekke kjeveortopediske ordninger33,34. Store dyr er imidlertid vanskelige å få tak i, noe som fører til utfordringer knyttet til utvalgsstørrelse, og de er underlagt etiske begrensninger35. Videre gjør rutinemessige ekstraksjonsprosedyrer og komplekse instrumenter forsøkene vanskelige å utføre på grunn av hvilke store dyr sjelden brukes.

Under slike omstendigheter brukes gnagere hovedsakelig til å etablere ortodontiske modeller. Blant disse modellene har rotter og kaniner lavere driftsvansker og flere tannbevegelsesskjemaer sammenlignet med mus. Murine modellen har imidlertid den unike fordelen at det er et stort antall genmodifiserte mus tilgjengelig, noe som er spesielt viktig for å undersøke de underliggende mekanismene36. Murine modellen er imidlertid den vanskeligste modellen å manipulere på grunn av sin lille størrelse. Gjennomgang av dagens metoder, flytting av den første molaren i mesial retning er den eneste praktiske metoden for en kjeveortopedisk modell. To enheter brukes hovedsakelig til å flytte tannspiralfjæren og elastikken. Å bruke et elastisk bånd er enklere, men kjeveortopedisk kraft varierer sterkt, noe som gjør det vanskelig å oppnå stabile resultater.

Xu et al.15 har etablert en murinmodell med spiralfjær på mandibelen. På grunn av mandibelens mobilitet og tungens obstruktive natur er operasjon på maxillaen imidlertid alltid førstevalget for både intraoperative og postoperative hensyn. Taddei et al.16 beskrev en mer detaljert protokoll på murine maxilla for 10 år siden, og flere visuelle og pellucid detaljer bør legges til. Oppsummert har denne protokollen systematisk beskrevet en detaljert ortodontisk tannbevegelsesprotokoll i en murine maxillarmodell for å hjelpe forskere å mestre modelleringsmetoden på en standardisert måte og muliggjøre komparativ evaluering mellom ulike studier.

Protocol

Dyreprosedyrene i denne studien ble gjennomgått og godkjent av den etiske komiteen ved West China School of Stomatology, Sichuan University (WCHSIRB-D-2017-041). Voksne C57BL/6-mus ble brukt i denne studien (se materialfortegnelsen). Denne protokollen legger mekanisk belastning til høyre maksillære første molar (M1) for mesial bevegelse der en høyt koordinert beinremodelleringsprosess induseres ved kobling av benresorpsjon og beindannelse (figur 1). <p class="jove_t…

Representative Results

Vi har utført OTM-operasjonen på 11 voksne hannmus (C57/BL6, 3 måneder gamle). De ble avlivet for resultater på dag 3, 8 og 14 etter operasjonen. I disse forsøkene er høyre maksillærside operasjonssiden, mens venstre maksillærside er kontrollsiden. Mikro-CT viste at det var en tidsmessig fortløpende økning i avstanden mellom M1 og M2: 30 μm, 70 μm og 110 μm ved henholdsvis dag 3, 8 og 14 etter operasjonen (figur 4). Det periodontale ligamentet med lav tetthet viste utvidelse på…

Discussion

I dette papiret prøvde vi å beskrive den enkleste kjeveortopediske tannbevegelsesprotokollen på murine maxillarmodell trinn for trinn for å studere latente mekanismer for mekanisk belastningsindusert beinremodellering. Bortsett fra forskning på beinremodellering, er det noen andre vanlige anvendelser av denne metoden: 1) metodologisk forskning på akselerasjon av kjeveortopedisk tannbevegelse; 2) forskning på kjeveortopedisk rotresorpsjon; 3) biologiske mekanismer for kjeveortopedisk tannbevegelse og smerte; 4) for…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Dette arbeidet ble støttet av National Natural Science Foundation of China grant 82100982 til F.L.

Materials

Experimental Models: Mouse Lines
C57/B6J  Gempharmatech Experimental Animals Company  C57/B6J
Critical Commercial Assays
Hematoxylin and Eosin Stain Kit Biosharp BL700B
Masson’s Trichrome Stain Kit Solarbio G1340
Instruments
27 G needle Chengdu Xinjin Shifeng Medical Apparatus & Instruments Co. LTD. SB1-074(IV)
Adhesives Minnesota Mining and Manufacturing Co., Ltd. 41282
Corkboard DELI Group Co., Ltd. 8705
Cotton balls Haishi Hainuo Group Co.,  Ltd. 20120047
Cotton sticks Lakong Medical Devices Co., Ltd. M6500R
Customized coil spring Chengdu Mingxing Spring Co., Ltd. 1109-02
Forceps Chengdu Shifeng Co., Ltd. none
Light-cured fluid resin Shofu Dental Trading (SHANGHAI) Co., Ltd. 518785
Light curer Liang Ya Dental Equipment Co., Ltd. LY-A180
Medical adhesive tapes  Haishi Hainuo Group Co.,  Ltd. 0008-2014
Medical non-woven fabric Henan Yadu Industrial Co., Ltd. 01011500018
Needle holders Chengdu Shifeng Co., Ltd. none
Rubber bands Haishi Hainuo Group Co.,  Ltd. 32X1
Surgical scissors Chengdu Shifeng Co., Ltd. none
Tweezers Chengdu Shifeng Co., Ltd. none

References

  1. Kenkre, J. S., Bassett, J. The bone remodeling cycle. Annals of Clinical Biochemistry. 55 (3), 308-327 (2018).
  2. Feng, X., McDonald, J. M. Disorders of bone remodeling. Annual Review of Pathology. 6 (1), 121-145 (2011).
  3. Alliston, T. Biological regulation of bone quality. Current Osteoporosis Reports. 12 (3), 366-375 (2014).
  4. Duncan, R. L., Turner, C. H. Mechanotransduction and the functional response of bone to mechanical strain. Calcified Tissue International. 57 (5), 344-358 (1995).
  5. García-Aznar, J. M., Nasello, G., Hervas-Raluy, S., Pérez, M. &. #. 1. 9. 3. ;., Gómez-Benito, M. J. Multiscale modeling of bone tissue mechanobiology. Bone. 151 (10), 1-12 (2021).
  6. Rolvien, T., Amling, M. Disuse osteoporosis: clinical and mechanistic insights. Calcified Tissue International. 110 (5), 592-604 (2022).
  7. Vico, L., Hargens, A. Skeletal changes during and after spaceflight. Nature Reviews Rheumatology. 14 (4), 229-245 (2018).
  8. Iwaniec, U. T., Turner, R. T. Influence of body weight on bone mass, architecture and turnover. Journal of Endocrinology. 230 (3), R115-R130 (2016).
  9. Governale, L. S. Craniosynostosis. Pediatric Neurology. 53 (5), 394-401 (2015).
  10. Sahoo, N. K., Issar, Y., Thakral, A. Mandibular Distraction osteogenesis. Journal of Craniofacial Surgery. 30 (8), e743-e746 (2019).
  11. Roberts-Harry, D., Sandy, J. Orthodontics. Part 1: Who needs orthodontics. British Dental Journal. 195 (8), 433-437 (2003).
  12. Li, Y., Jacox, L. A., Little, S. H., Ko, C. C. Orthodontic tooth movement: The biology and clinical implications. Kaohsiung Journal of Medical Sciences. 34 (4), 207-214 (2018).
  13. Will, L. A. Orthodontic tooth movement: a historic prospective. Frontiers of Oral Biology. 18, 46-55 (2016).
  14. Xu, H., Lee, A., Sun, L., Naveh, G. R. S. 3D Imaging of PDL collagen fibers during orthodontic tooth movement in mandibular murine model. Journal of Visualized Experiments. (170), e62149 (2021).
  15. Taddei, S. R., et al. Experimental model of tooth movement in mice: a standardized protocol for studying bone remodeling under compression and tensile strains. Journal of Biomechanics. 45 (16), 2729-2735 (2012).
  16. Deguchi, T., Takeshita, N., Balam, T. A., Fujiyoshi, Y., Takano-Yamamoto, T. Galanin-immunoreactive nerve fibers in the periodontal ligament during experimental tooth movement. Journal of Dental Research. 82 (9), 677-681 (2003).
  17. Gudhimella, S., et al. A rodent model using skeletal anchorage and low forces for orthodontic tooth movement. American Journal of Orthodontics and Dentofacial Orthopedics. 155 (2), 254-263 (2019).
  18. Lira Dos Santos, E. J., et al. Orthodontic tooth movement alters cementocyte ultrastructure and cellular cementum proteome signature. Bone. 153 (12), 116-139 (2021).
  19. Danz, J. C., Bibby, B. M., Katsaros, C., Stavropoulos, A. Effects of facial tooth movement on the periodontium in rats: a comparison between conventional and low force. Journal of Clinical Periodontology. 43 (3), 229-237 (2016).
  20. Kohno, T., Matsumoto, Y., Kanno, Z., Warita, H., Soma, K. Experimental tooth movement under light orthodontic forces: rates of tooth movement and changes of the periodontium. Journal of Orthodontics. 29 (2), 129-135 (2002).
  21. Gad, A. M., Soliman, S. O. Evaluation of systemic Omega-3 PUFAs effect on orthodontic tooth movement in a rabbit model: RCT. Angle Orthodontist. 93 (4), 476-481 (2023).
  22. Huang, C. Y., et al. Comparison of tooth movement and biological response resulting from different force magnitudes combined with osteoperforation in rabbits. Journal of Applied Oral Science. 29 (2), 20200734 (2021).
  23. Alhasyimi, A. A., Pudyani, P. P., Asmara, W., Ana, I. D. Enhancement of post-orthodontic tooth stability by carbonated hydroxyapatite-incorporated advanced platelet-rich fibrin in rabbits. Orthodontics & Craniofacial Research. 21 (2), 112-118 (2018).
  24. Elkattan, A. E., et al. Effects of Different Parameters of Diode Laser on Acceleration of Orthodontic Tooth Movement and Its Effect on Relapse: An Experimental Animal Study. Open Access Macedonian Journal of Medical Sciences. 7 (3), 412-420 (2019).
  25. von Böhl, M., Maltha, J. C., Von Den Hoff, J. W., Kuijpers-Jagtman, A. M. Focal hyalinization during experimental tooth movement in beagle dogs. American Journal of Orthodontics and Dentofacial Orthopedics. 125 (5), 615-623 (2004).
  26. Machibya, F. M., et al. Effects of bone regeneration materials and tooth movement timing on canine experimental orthodontic treatment. Angle Orthodontist. 88 (2), 171-178 (2018).
  27. Deguchi, T., et al. Histomorphometric evaluation of alveolar bone turnover between the maxilla and the mandible during experimental tooth movement in dogs. American Journal of Orthodontics and Dentofacial Orthopedics. 133 (6), 889-897 (2008).
  28. Tanimoto, K., et al. Experimental tooth movement into new bone area regenerated by use of bone marrow-derived mesenchymal stem cells. Cleft Palate-craniofacial Journal. 52 (4), 386-394 (2015).
  29. Oltramari, P. V., et al. Orthodontic movement in bone defects filled with xenogenic graft: an experimental study in minipigs. American Journal of Orthodontics and Dentofacial Orthopedics. 131 (3), e10-e17 (2007).
  30. Verna, C., Dalstra, M., Lee, T. C., Melsen, B. Microdamage in porcine alveolar bone due to functional and orthodontic loading. European Journal of Morphology. 42 (1-2), 3-11 (2005).
  31. Steiner, G. G., Pearson, J. K., Ainamo, J. Changes of the marginal periodontium as a result of labial tooth movement in monkeys. Journal of Periodontology. 52 (6), 314-320 (1981).
  32. Celebi, A. A., Demirer, S., Catalbas, B., Arikan, S. Effect of ovarian activity on orthodontic tooth movement and gingival crevicular fluid levels of interleukin-1β and prostaglandin E(2) in cats. Angle Orthodontist. 83 (2), 70-75 (2013).
  33. Holmes, H. D., Tennant, M., Goonewardene, M. S. Augmentation of faciolingual gingival dimensions with free connective tissue grafts before labial orthodontic tooth movement: an experimental study with a canine model. American Journal of Orthodontics and Dentofacial Orthopedics. 127 (5), 562-572 (2005).
  34. Wennström, J. L., Lindhe, J., Sinclair, F., Thilander, B. Some periodontal tissue reactions to orthodontic tooth movement in monkeys. Journal of Clinical Periodontology. 14 (3), 121-129 (1987).
  35. Ibrahim, A. Y., Gudhimella, S., Pandruvada, S. N., Huja, S. S. Resolving differences between animal models for expedited orthodontic tooth movement. Orthodontics & Craniofacial Research. 20, 72-76 (2017).
  36. Kirschneck, C., Bauer, M., Gubernator, J., Proof, P., Schröder, A. Comparative assessment of mouse models for experimental orthodontic tooth movement. Scientific Reports. 10 (1), 1-12 (2020).
  37. Ransom, R. C., et al. Mechanoresponsive stem cells acquire neural crest fate in jaw regeneration. Nature. 563 (7732), 514-521 (2018).
  38. Mardas, N., et al. Experimental model for bone regeneration in oral and cranio-maxillo-facial surgery. Journal of Investigative Surgery. 27 (1), 32-49 (2014).

Play Video

Cite This Article
Liu, J., Yu, C., Li, F. The Establishment of a Murine Maxillary Orthodontic Model. J. Vis. Exp. (200), e66033, doi:10.3791/66033 (2023).

View Video