Yöntem makalesi

Zebra balığı Çeneli Biyomekanik Araştırma Sonlu Elemanlar Modelleri Bina

11.6K görüntülenme

⸱

DOI:

10.3791/54811

⸱

3 Aralık 2016

 ,  ,  , 
1Physiology, Pharmacology and Neuroscience, University of Bristol, 2Earth Sciences, University of Bristol

Bu makalede

Özet

Sonlu Elemanlar Analizi, yapıların yük altındaki mekanik performansını araştırmak için sıkça kullanılan bir araçtır. Burada, zebra balığı çenesinin biyomekaniğini modellemek için kullanımını uyguluyoruz.

Özet

İskelet morfogenezi, gelişim sırasında sıkı bir şekilde düzenlenmiş hücre davranışları yoluyla gerçekleşir; birçok hücre tipi, mekanik zorlanmaya yanıt olarak davranışlarını değiştirir. İskelet eklemleri dinamik mekanik yüklemeye tabi tutulur. Sonlu elemanlar analizi (FEA), bir malzeme veya yapının mekanik girdiye nasıl tepki vereceğini tahmin edebilen mühendislikte sıklıkla kullanılan bir hesaplama yöntemidir. Bütün bir sistemi (bu durumda zebra balığı çene iskeleti) daha küçük 'sonlu elemanlardan' oluşan bir ağa bölerek, FEA, yapının dış yüklere mekanik tepkisini hesaplamak için kullanılabilir. Sonuçlar, maksimum ve minimum ana gerinimlerin konumunu gösteren bir 'ısı haritası' da dahil olmak üzere birçok şekilde görselleştirilebilir (pozitif bir ana gerinim gerilimi gösterirken, negatif bir sıkıştırma gösterir. Maksimum ve minimum, en büyük ve en küçük suşu ifade eder). Bunlar, çene hareketi sırasında çenenin hangi bölgelerinin ve dolayısıyla hangi hücrelerin özellikle yüksek gerilim veya kompresyon yükleri altında olma olasılığının yüksek olduğunu belirlemek için kullanılabilir ve bu nedenle mekanik zorlanma ile hücre davranışı arasındaki ilişkileri tanımlamak için kullanılabilir. Bu protokol, zebra balığı alt çenesini pratik bir örnek olarak kullanarak, kas-iskelet sistemi üzerindeki konfokal görüntü verilerinden Sonlu Elemanlar modelleri oluşturma adımlarını açıklar. Protokol okuyucuyu bir dizi adımdan geçirir: 1) kas-iskelet sistemi bileşenlerinin boyanması, 2) kas-iskelet sistemi bileşenlerinin görüntülenmesi, 3) 3 boyutlu (3D) bir yüzey oluşturulması, 4) Sonlu Elemanlardan oluşan bir ağ oluşturulması, 5) FEA'nın çözülmesi ve son olarak 6) balık çenesinin hareketlerinde görülen gerçek yer değiştirmelerle karşılaştırılarak sonuçların doğrulanması.

Giriş

Sonlu Elemanlar (FE) modelleme hesaplama hesaplamak ve bir yapı 1 etkiyen suşları büyüklüğünü ve konumunu harita olabilir bir mühendislik tekniğidir. Modeli "Sonlu Element" bir örgü ile temsil edilen 3D yapı oluşur ve analiz Sonuç örgü, mekanik büyüklük ve konum elemanlarının yapısı ve sayısı da dahil olmak üzere bir dizi faktöre tarafından yönetilir yükler ve malzeme özellikleri. Malzeme özellikleri yükün belli bir türü altında bir malzemenin davranış bazı yönlerini tanımlamak; Örnek gerildiğinde Poisson oranı, uzunluğu bir malzemenin genişliği oransal azalma tarif ise Young modülü (E) malzemenin elastikiyetini açıklanmaktadır. FE modelleme 'yapısı hakkında hesaba benzersiz giriş verileri alarak model üzerinde değiştirme, stres, baskı ve gerilme oyunculuk da dahil olmak üzere değişkenler çeşitli hesaplamak için kullanılabilir; S şekil, konum ve yüklerin büyüklüğü ve özgül malzeme özellikleri.

FE modelleme yaygın mühendislik 2 ve giderek 3, ortopedik ve paleontolojik uygulamaları 4 kullanılır. Gelişmede biyomekanik kuvvetler hücresi tepkilerini 5-8 aktif hale getirmek için birçok hücrede bir uyarıcı olarak işlev gördükleri bilinmektedir ve organ sistemlerini geliştirmek içinde göreli konumları ve mekanik uyarıcılara büyüklüğünü hem de tahmin etmek yararlıdır, ancak, şu anda FE modelleme az kullanılan olmuştur Zebra balığı gelişimi için.

Hem kıkırdak ve kemik mechanosensitive malzeme olduğu gösterilmiştir. Örneğin, in vitro olarak bir sıkıştırma gerilimi kemik oluşumu 9 için gerekli olduğu gösterilmiştir edilmiş olmasına rağmen, kondrojenik yolunu aktive olduğu bulunmuştur. FE analizi (FEA) fo kemiğin sırasında iskelet elemanları üzerinde etki gösterenler dahil, biyolojik örnekler üzerinde etkili suşları modellemek için istismar edilmiştirım 10. Teorik biyomekanik güçler 11,12 maruz kalmıştır ve civciv diz eklemi morfolojilerinden 8 sırasında mevcut suşları desen göstermek için sonra diğer kalkınma uygulamaları eklem şeklini tahmin etmek kullanımını da kapsar.

Bu protokol gelişmekte olan dokulara mekaniğini anlamak için bir bakış açısıyla konfokal görüntüleri 3 boyutlu yüzeyler, kafesleri ve Sonlu Elemanlar modellerinin üretilmesi deneyim paylaşımı amaçlanıyor. Biz de in vivo gerçek eklem değiştirme bilgileri yakalayan rağmen FE modelleri doğrulayarak yollarını göstermektedir. Biz bir örnek olarak Zebra balığı çene kullanırken aynı teknikler kas-iskelet sistemi yapısı üzerinde 3D bilgiler konfokal veya multiphoton görüntüleme ile elde edilebilir olan herhangi bir küçük bir biyolojik sistemde kullanılabilir.

Protokol

protokolü dahilinde tüm adımları Üniversite Bristol hayvan bakımı ve refahı kurallarına ve İngiltere Ev Office olanların izleyin.

Kas-iskelet Anatomi 1. Görselleştirme

NOT: kas ölçmek için ve kas ekleri tam yerleştirme tanımlamak için, iskelet elemanlarının şeklini görselleştirmek için, immunostain (bölüm 1.1) (kas ortaya) iskelet miyozin için uygun yaşta balık ve tip II kollajen (görselleştirmek için kıkırdak). Alternatif olarak, kollajen a1 muhabiri col2a1 olarak transgenik floresan muhabiri hatları kullanılarak kas-iskelet anatomisi görselleştirmek: mCherry 13,14 kıkırdak ve yavaş miyozin ağır zincir raportör smyhc görselleştirmek için: GFP 15 kas ekleri (Bölüm 1.2) konumunu görselleştirmek için.

kıkırdak ve kas işaretlemek alternatif hatlar eşit işe yarayabilir.

  1. floresan Immunostaadencilik
    1. 1 saat süre ile, fosfat-tamponlu tuzlu su (PBS) içinde fazla% 4 paraformaldehit (PFA) larva düzeltildi. % 0.1 Tween 20 (PBT) ile PBS içinde yıkanır ve sırasıyla, 5 dakika için PBT içinde% 50 metanol (MeOH) ve% 100 MeOH kurutmak.
      Dikkat: PFA toksik ve malzeme güvenlik levha doğrultusunda ele alınmalıdır.
      Not: gerekene kadar Larva% 100 MeOH içinde saklanabilir.
    2. 5 dakika PBT içinde% 50 MeOH larva rehidrate. 5 dakika boyunca PBT yıkayın.
    3. 5-6 dakika boyunca buz üzerinde PBT% 0.25 tripsin larva geçirgenliği. 5 dakika her biri için 4x PBT yıkayın.
    4. PBT% 5 serum 2-3 saat engelleyin.
    5. Oda sıcaklığında 1 saat ve gece boyunca 4 ° C PBT içinde% 5 serum içinde tavşan anti-tip 2, kollajen ve fare anti-miyosin antikorların Tavsiye edilen seyreltme larva inkübe edin.
      NOT: Tavsiye edilen seyreltme aralığı antikor veri sayfasında normalde. birbirinden farklı türlere karşı yükseltilir ve bu da yönün olan antikorları seçindokuya kira.
    6. PBT 15 dakika Larva 6x yıkayın.
    7. PBT% 5 serumunda 1-2 saat engelleyin.
    8. Karanlıkta, ikincil antikorlar inkübe edin. Belirli bir antikor için% 5 serum ve PBT uygun seyreltide flüoresan etiketli anti-fare (550) ve anti-tavşan (488) sekonder antikor kullanın.
    9. mümkün olduğunca çabuk bir 10X konfokal mikroskop PBT ve görüntüde her biri 10 dakika yıkayın 6X.
  2. Görüntüleme Kas-iskelet Geometri
    1. Danieau çözümü 16 ılık 0.3-0.5% düşük erime noktası (LMP) agaroz bir lamel ventral larvaları monte edin.
      NOT: Transgenik balık montaj öncesi ve görüntüleme sırasında% 0.02 MS222 (Tricaine metansülfonat, pH 7) sedasyon gerekir.
    2. 10X objektif lens ve yaklaşık 2.5X dijital zoom kullanarak ilgi bölgenin konfokal görüntü yığını alın. 488 nm ve 561 n kullanarak yeşil ve kırmızı kanalın görüntülerini hazırlayınm sırasıyla lazerler. 1.3 mikron ve 3 hat ortalamalar z düzlemleri arasında bir aralık ile 512 x 512 piksel çözünürlükte görüntü. Ortaya çıkan yığın yaklaşık 100 z dilim oluşacaktır.
    3. Bir tiff dizisi olarak veri ihracat. Bir 5dpf zebrabalıkları larva kas ve kıkırdak elemanlarının en fazla çıkıntılar, Şekil 1 'de gösterilmiştir.

2. 3D Surface oluşturuluyor

  1. 3, 4 ve 5 dpf, her bir zaman noktası için temsili bir veri kümesi seçin (çoklu numunelerin görselleştirme sonra seçin).
  2. 3 boyutlu tiff yığını açın ve analiz yazılımı tüm kanalları seçmek. Sağ kıkırdak kanala tıklayın ve görüntü filtresi ve yumuşatma seçin: Gauss (Şekil 2B).
  3. Proje görünümünde sağ 'yeni bir etiket düzenleme' sonra süzülür resmin üzerine tıklayın ve 'görüntü segmentasyonu' seçin ve. Her malzeme, yani kıkırdak ve j için yeni bir etiket oluşturunoint. Sihirli değnek aracını kullanarak görüntünün kıkırdak bölgesini (Şekil 2C, beyaz sinyal, mor anahat) seçin. özetliyor gürültü çıkarmak için fırça aracını kullanın.
    NOT: sihirli değnek aracını kullanarak ise, 'Bütün dilimleri tıklayın.
  4. Fırça aracıyla ortak bölgeyi seçin ve ortak bir bileşene atamak (Şekil 2C, mavi anahat)
  5. Üst menüde ve pürüzsüz etiketlerde segmentasyon seçerek bir kerede düzgün birden dilimleri. Sağ 3D yüzey bileşeni (Şekil 2B) render üretmek için yüzey oluşturmak resmin üzerine tıklayın ve seçin.
  6. yüzeyde tıklayın ve meshing yazılımı içine aktarmak için bir hmascii dosyası olarak kaydedebilirsiniz.

3. FE Modeli Kullanılacak Muscle Kuvvetleri hesaplanması

  1. Smyhc konfokal görüntüleri kas liflerinin sayısını: GFP transgenik zebra balığı (Şekil 1A, ok ucu, 1C) ve diam ölçmekelyafların eter enine kesit alanını hesaplamak için (πr 2).
  2. literatürden kas birim alan başına uygun kuvvet tanımlayın. Larva Zebra balığı iskelet kasları (40 nN / um 2) için birim alan başına üretilen maksimal kas kuvveti 17 kullanılmıştır.
  3. Birim alan başına kuvvet liflerin sayısı ve bunların alanı çarpılarak her bir anatomik kas grubu için kuvvetleri hesaplayın. Tablo 1'e bakınız.

4. Bir Mesh oluşturma

  1. Bir sonlu elemanlar örgü üretme yeteneğine sahip bir yazılım paketi içine bölüm 2 (yukarıda) üretilen 3D modeli alın.
  2. 2B menüsü altında shrink wrap aracını kullanarak kıkırdak ve eklem yüzeylerinin A2D örgü oluşturun. Uygun bir eleman boyutunu seçin.
    Not: 1.5-2.5 arasında bir eleman boyutunu kullanın. Gerekirse, farklı boyutlardaki 2D yüzeyin bir dizi 3D örgü optimizasyonu (Bölüm 4 yürütmek için kafesleri oluşturmak.4).
  3. '> 2D> Araçlar elemanların kontrol' altında bulunan örgü kalite kontrolleri yürütmek örgü çoğaltılamaz elemanları, eklemeler ve sızmalar kontrol paneli. Model ağacında yarar sekmesini kullanarak dihedral açıları sabitleyin.
  4. 3D> Tetramesh nolu alt-panel kullanılarak eleman boyutunu farklı 2D yüzey kafesleri bir 3B kafes oluşturun.
    NOT: Farklı örgü boyutlarda sonuçları karşılaştırın ve daha fazla simülasyonları sonra yakınsar ve özellik tanımı ödün vermeyen düşük mesh boyutu ile FE model seçin. Şekil 3'te örnek alt çene kıkırdaklar için 1,5 milyon tetrahedral öğeler içerir ve 2.0 2D eleman boyutu vardı.
  5. çene modeli Geometri> Mesafe nolu alt-panel kullanarak konfokal yığınının başına ölçekli yani örgü Transform.
    NOT: kıkırdak sağlanması ve ortak bileşenler birleştirilmiş bir model ihraç ederek veya bağlarını kullanarak modelde bağlanır.

5. Sonlu Elemanlar Model İnşaat

  1. Ticari sonlu eleman (FE) yazılımını kullanarak, bir FE modeli oluşturmak. 3D kas ve bir rehber olarak bölüm 1 oluşturulan kıkırdak etiketli konfokal yığınları kullanarak, kas bağlantı noktaları karşılık düğümleri atayın. Her kasın kökeni ve ekleme temsil iki düğüm (Şekil 3) arasında bir vektör oluşturun.
  2. tip 'tarih' bir yük toplayıcı oluşturun, her kas için bir 'C yükü' uygulamak için. (Adım 3.3 hesaplanan) Newton cinsinden büyüklüğünü belirleyin ve ilgili vektör atayın. 3 adduktor mandibulae'de (PM), açıölçer hyoideus (PH) ve intermandibularis (IM) için bağlantı noktaları göstermektedir.
    NOT: Bu çene kaslarının için, maksimum kasılma kuvveti her yükün sadece% 50'si her yerinde uygulanan, böylece kökeni ve ekleme arasında dağıtılır.
  3. Literatürde tarafından belirlenen uygun elastik izotrop malzeme özelliklerini atayın. kıkırdak için Young modülüve bu modelde Interzone, sırasıyla 1.1 MPa ila 0.25 MPa ve Poisson oranı, her iki 18,19 için 0.25 olmuştur.
  4. model üzerinde ilk kısıtlamalar uygulamak Türün 'sınır' bir yük toplayıcı oluşturun. Sekme Analiz> Kısıtlar gidin ve oluşturmak nolu alt-panel de, sen sınırlamak istediğiniz modele düğümleri seçin. serbestlik dereceleri (DOF) hareket doğal aralığının en iyi yaklaşım Modelin bu sınırı hareketini seçin.
    Not: Şekil 3'te örnek tüm hareket eksenleri sınırlandığını: modeli ve bir orta noktada yer içinde çapa ceratohyal de (DOF 1, 2, 3, sırasıyla x, y ve z, temsil eder) palatoquadrate zebra balığı kafatası geri kalanı (Şekil 3, Tablo 1) bağlandığı noktada, y ve z eksenleri. modeli en az bir düğüm üç derinliğindeki sınırlanmalıdır.
  5. Eğer Simul istediğiniz hareketin her tür için bir 'yük adım' oluşturmaAnaliz menüsü altında (yani, açma, kapama) yedik ve bu hareketi simüle etmek (Bölüm 5.4'te yapılan) ve kısıtlamaları (Bölüm 5.2 yapılan) ilgili tüm yükleri seçin. göründüğünde açılır menüden 'Static' seçeneğini seçin.
  6. Bu durumda ".inp" biçiminde uygun bir dosya biçiminde örgü, yükler, kısıtlamalar ve malzeme özellikleri de dahil olmak üzere ihracat modeli.
  7. FE analiz yazılımı yükleyin modeli. Oluşturma ve İş modülü kullanılarak model için bir iş yürütmek.
  8. Sonuçlar sekmesi ve görselleştirme menüsü bulunan vb stres, gerginlik, yer değiştirme, için çıkış analiz (Şekil 4 ve 5).

Çene Deformasyon / Deplasman Mesafeler 6. Doğrulama

  1. Transgenik zebrafish: 3-6 Tg (mCherry Col2a1aBAC) seçin.
  2. onlar dokunmak ama yürekleri hala yenerek cevap sona erene kadar hafifçe% 0.02 MS222 ile larva uyuşturan.
  3. dağyanal ılık% 1 LMP agaroz lamelleri (anestezi iken) (Danieau çözümü içinde yapılır) larvalarının.
  4. başının etrafında agaroz çıkarın ve forseps ile çene.
  5. Normal ağız hareketleri devam ettirene kadar Pasteur pipeti kullanarak anestezi kaldırmak için larva başının üzerinde (hiçbir MS222) ile taze Danieau çözümünü yıkayın.
  6. Ağız hareketlerinin parlak alan yüksek hızlı video çekmek için film yakalama yazılımı kullanabilirsiniz. En yüksek kare hızında bir dakika süre etrafında film çekmek, ya da yeterli çene açıklığının birden döngülerini kaydetmek için.
  7. maksimum deplasman açık çene göstermek çerçeveleri seçin. Meckel kıkırdağı ön uç ve mikron üst çene (etmoid plaka ucu) arasındaki mesafeyi ölçün.
  8. Birden balık larvaları ortalama deplasman hesaplayın.
  9. modelden deplasman veri ayıklayın. (Model değiştirme davranışı doğrulamak için 6.8 hesaplanan ortalama deplasman kullanın Şekil 4). Model sırayla malzeme özelliklerini ve kas yüklerini değiştirerek beklenen çalıştırmak duyarlılık analizi saparsa.

Sonuçlar

Kas (Şekil 1A) ve kıkırdağın (Şekil 1B) veya transgenik muhabir görüntüleme immün (Şekil 1C) ilişkili kas birlikte, çene 3 boyutlu yapısı görüntülenmiştir sağlar. Yüksek çözünürlükte görüntüleme ile çene üç boyutlu bir şekil (Şekil 2) ve konumunu ve yüklerin yerleştirme (Şekil 3) hem de yakalayan bir model oluşturmak mümkün olmuştur. Yüksek hızlı video yakalama keflfe in vivo değiştirmeler (Şekil 4) kullanarak biz modelde hareket açıklığı gerçekçi bir aralıkta olduğunu doğruladı.

Run kez FE modelleri, stres (Şekil 5A), minimum ve maksimum asal gerinim (- K Şekil 5B) gibi veriler, bir dizi görüntülemek için kullanılabilir. Bu sonuçlar, üç loş İlgili görünümleri (Şekil 5F, 5G, 5J, 5K) ve dijital (Şekil 5E kesitli ', 5E' '5I', 5I elde etmek döndürülmüş böylece modeli detay ince desenleri (Şekil 5E, 5I) görmek için büyütülmüş olabilir boyutlu, '') göstermek için nasıl bir model boyunca stres, gerginlik veya basınç değişikliği desenleri. Bu modelden nicel veri ayıklamak için de mümkündür (gösterilmemiştir). modeli doğrulamak ve şekli en doğru malzeme özellikleri, yükler kullanılarak ve örgü ile FE model geliştirme o pencereden sırasında hücreler tarafından yaşanan mekanik çevrenin en iyi tahmini keşfetmek için kullanılabilir. Modelin sonucu doğrudan hücresel davranış ve gen 20 değişikliklere karşılaştırılabilir.

1 re "src =" / files / ftp_upload / 54811 / 54811fig1.jpg "/>
Şekil 1:. 5 dpf'e zebrabalıkları alt çene iskelet elemanlarının Temsilcisi görüntüleri 5dpf larvalarının alt çenenin Temsilcisi konfokal yığınları tüm iskelet miyozinin lekeleri A4.1025 için immün top anterior (A) (B) ile gösterilen transgenik gazetecilere col2a1 ifade eden bir canlı larva tüm kıkırdak (C) Stack işaretler Tip II kollajen için immün: GFP yavaş kas (yeşil): mCherry kıkırdak (kırmızı) ve smyhc işaretleme. IA: intermandibularis ön PH: iletki hyoideus, AM: adduktor mandibula'nın, Havai: hyoideus aşağı, Havai: hyoideus üstün, CH: sternohyoideus MC: Meckel kıkırdağı, PQ: Palatoquadrate, CH:. Ceratohyal görmek için lütfen buraya tıklayınız daha büyük bir versiyonu bu rakamın.

"Fo: keep-together.within-page =" 1 "> figure-results-1
Şekil 2: konfokal verilerden 3B yüzey Nesil ortak bölgenin yüksek büyütme ile Zebra balığı alt çene için 3 boyutlu yüzey içine konfokal veri geçişi gösteren görüntüler.. (A) Ham konfokal veri; (B) bir Gauss filtresinin uygulanması sonrasında Veri kümesi; (C) Filtreli anahat; (D) 3 boyutlu yüzey. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

figure-results-2
Şekil 3: kısıtları ve kuvvet vektörleri gösteren temsili kafes (A) ağız kapama ve bir 5 dpf larva Temsilcisi kafes.(B) ağız açıklığı. Beyaz noktalar modeli kısıtlıdır yerleri belirtmek ve hangi ölçüler (örneğin, x ve y veya x, y ve z). Beyaz çizgiler beyaz oklarla gösterilen kas kuvveti vektörü ile, kas pozisyonları ifade etmektedir. Kırmızı kıkırdak gösterir ve sarı interzone. Bu rakam daha önce Brunt ve ark., 15 yılında yayınlanan ek malzemeden modifiye edilmiştir. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

figure-results-3
Şekil 4:. Duyarlılık testi farklı kıkırdak ve interzone Young modüllerine için 5dpf Zebra balığı çene deplasman simüle FE-modeli. çene işaretlenir (um kapalı açık) yer değiştirmesini çene; renk anahtarı kullanılarak kaydedildi. Her model (A - L) kıkırdak farklı bir kombinasyon (c = 1.1, 3.1 ya da 6.1 MPa) ya da interzone (0.25 i = 0.5, 0.75, veya 1 Mpa) özelliklere sahiptir. Yatay siyah ok (dikey siyah okla temsil edilen) Meckel kıkırdağı ucundaki çene deplasman değerini vurgulamaktadır. M ve N larva gösteren asgari dpf'e 5 videolardan fotoğraflar, yani çene (M) kapalı ve maksimum, yani çene üst üste iki ile (K) tam açık (O) - O beyaz çizgi (43 mikron) yer değiştirmesini ifade eder. Değiştirmeler canlı balık görülen 0.25 (A) en iyi maç bir Interzone ile 1.1 Bu durumda göreceli kıkırdak özelliklerinde (O). AL bu rakamın paneller daha önce Brunt et al., 15 yayınlanmıştır. Daha büyük bir vers görmek için buraya tıklayınızBu rakamın iyon.

figure-results-4
Şekil 5: FE modelleri Temsilcisi veri larva dpf bir 5'te uygulanan tüm kasların FE-modeli simülasyon (A - C).. (A) Von Mises (EMaxmin) (B) Asgari Anapara suş (E Min. P, μɛ) (C) Maksimum asıl suş (E Max. P., μɛ). çene açılması sırasında maksimum ve minimum temel suşlar FE model simülasyonu. (D - K): Maksimum asıl suş (. E Max P., μɛ) (D) ventral çene görünümü ve (E), ventral eklem görünümü (E) Meckel kıkırdağı ile proksimal-distal bölümlerinin yerini göstermektedir eklem ve interzone (E ') ve (E') 'de, sırasıyla,. (F): Lateralgörünümü çene. (G): Lateral eklem görünümü. (H - K): Minimum Anapara suş (. E Min P, μɛ) (H) ventral çene görünümü ve (I), ventral eklem görünümü. (I) Meckel kıkırdak eklem içinden proksimal-distal bölümlerinin yerini göstermektedir ve (I ') ve (I' ') sırasıyla, (J) interzone: Yanal çene görünümü. (K): Lateral eklem görünümü. Bu rakam daha önce Brunt et al. 15 yayımlanarak yürürlüğe girmiştir. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Kas liflerinin sayısı Kas liflerinin alanı (mikron 2) Kas grubu alanı (mikron2) Kuvvet (N)
5 dpf intermandibularis ön 5 23.8 119 4.76e-6
5 dpf iletki hyoideus 6 23.8 142.8 5.71e-6
5 dpf Adduktor mandibula'nın 9 23.8 214.2 8.57e-6

Tablo 1: Kas ölçümü. 40 NN / mikron 2 (referans 17 alınan birim alan başına değeri) kullanılarak dpf'e 5 ° Intermandibularis Anterior, Adduktör Mandibulae ve İletki Hyoideus için ortalama kas kuvvetleri hesaplanmıştır. (Lorga ve diğ., 2011) (n = 3).

Tartışma

Sonlu Elemanlar modelleri, zorlanan iskelet elemanlarının alanlarını kemik oluşumu 10 geçirenlerle ilişkilendirmek ve ayrıca endokondral kemikleşme ve eklem morfogenezi 8,12,21 sırasında zorlanan alanları haritalamak için kullanılmıştır. Diğer çalışmalar da ortak gelişim sırasındaki değişiklikleri çoğaltmak için teorik büyüme modellerini uygulayabilmiştir 11,12. Burada nispeten basit bir sistem olan zebra balığı çenesi 20 için FE modelleri oluşturma protokolünü gösteriyoruz. CT taraması 22 gibi FE modelleri için ham görüntü toplamanın alternatif yöntemlerinden farklı olarak, transgenik çizgilerin veya immün lekeli zebra balığının konfokal görüntülemesi, birden fazla dokunun incelenmesine izin verir. Bu nedenle, kıkırdak ile ilgili kas bağlantı noktaları hakkında doğrudan bilgi sağlayabilir. Omurgalı modelleri arasında zebra balığı özellikle genetik ve farmakolojik manipülasyona uygundur. Zebra balığı kraniyofasiyal kıkırdak için FE modellerinin oluşturulması, şimdi eklem morfogenezinde biyomekanik ve genetik arasındaki etkileşimin daha fazla araştırılması olasılığını açıyor.

Bir FE modeli oluşturma sürecinde bir dizi kritik adım vardır; Birincisi, sistemin doğru bir üç boyutlu temsilini oluşturmaktır. Bu, sınırları net bir şekilde tanımlamak için yeterince yüksek çözünürlükte görüntüleme gerektirir. İyi bir yüzey oluşturmak için yüksek çözünürlüklü görüntülemede bile bazı bölgelerin düzeltilmesi gerekebileceğini unutmayın. Bir diğer kritik adım, yükün doğru yerleşimini ve doğru kısıtlamaları tanımlamaktır. Yeterince kısıtlanmamış bir model çözülemeyecek ve yüklerin yanlış yerleştirilmesi anormal harekete neden olacaktır.

Ham verilerden oluşturulan bir yüzeyin ağa bağlanması zor olacağından, ham verilerin bir miktar işlenmesi (Şekil 2) gereklidir (Şekil 2B). Verileri bir Gauss filtresi kullanarak filtreledik (Şekil 2C) ve 3B yüzeye dönüştürülebilen bir dizi temiz anahat oluşturmak için eğrilerin bazı manuel yumuşatmalarını gerçekleştirdik. Çok fazla düzleştirme "erimiş" bir yüzey üretebilir birçok özelliğini kaybetmiş bir yüzey. Doğru eleman boyutunu seçmek yinelemeli bir süreçtir, çünkü çok küçük bir eleman boyutu seçmek, hesaplama açısından yoğun olan çok büyük bir ağ oluşturur. Bununla birlikte, çok büyük bir eleman boyutu seçmek, yapının doğru şeklini özetleyemeyen bir ağ üretecektir. Doğru ağ, çenenin doğru şeklini yakalayan ve çene yer değiştirmesi kullanılarak doğrulanan doğru bir çözüm üzerinde birleşen en küçük eleman boyutuna sahipti. Farklı yaşlar ve türler önemli ölçüde farklı özelliklere sahip olacağından, doğru yer değiştirmeyi daha iyi taklit etmek için malzeme özelliklerini veya yük hesaplamalarını değiştirmek de gerekli olabilir.

Varsayımsal bir modelin her zaman sınırlamaları ve FE modellerini çalıştırmak için yapılan varsayımlar olduğunu hatırlamak önemlidir. Yalnızca bir veya az sayıda numuneyi modellerken, bireyler arasında küçük farklılıklar olması muhtemel olduğundan, temsili bir numunenin seçilmesini sağlamak çok önemlidir. Çene elemanlarının ve kaslarının sadece bir kısmı dahil edildiğinden, model zebra balığı kraniyofasiyal kas-iskelet sisteminin basitleştirilmiş bir versiyonudur. Bu nedenle, modellenen çene elemanlarının kafatasının geri kalanıyla nereye bağlanacağını hesaba katmak için kısıtlamaların konumlandırılması gerekiyordu ve model, onu 'uzayda' sabitlemek için yapay olarak merkezde sınırlandırıldı. Bu yapay kısıtlama, ceratohyal'in kendisi analiz edilmediği için modellerden çıkarılan yorumu etkilemedi. Kraniyofasiyal yapının, özellikle sternohyaller ve ona bağlı kıkırdak 23 gibi diğer çene açma kaslarının daha fazla dahil edilmesi modele eklenebilirdi, ancak sınırlamalar, daha büyük modellerin Sonlu Elemanlar yazılımında çalışabilme yeteneğini içerir.

Diğer bir sınırlama, bağ yerleştirmeyi modellememiş olmamızdır, ancak bu, yayların 8 yerleştirilmesiyle elde edilebilir. Bu durumda yapılan bir diğer varsayım, modelin doğrusal olarak davranacağıydı. Modellerdeki suşların büyüklükleri, yayınlanmış modellerdekilerle karşılaştırılabilir ve in vitro hücrelere 10,24 uygulandı, suşlar, kısıtlama ve kas bağlantı noktaları dışında +3.500'ün altında ve -5.000 μɛ'nin üzerindeydi. Bu nedenle, modelin ilgili bölgelerindeki gerinimler, doğrusal bir model için kabul edilebilir bir aralıkta kabul edildi. Kıkırdak tamamen doğrusal bir malzeme gibi davranmaz ve daha önce model 25'teki sıvı davranışının analizini sağlayan poroelastik bir malzeme olarak modellenmiştir. Kas bağlantı noktalarını bir yerel düğüm kümesi arasında yaymak, tepe kuvvetlerini dağıtacak ve belirli kaslar için kas girişini daha doğru bir şekilde temsil edecektir.

FE kullanımı, bir yapıya etki eden gerinimlerin ve gerilmelerin değerlendirilmesine izin verir. Bir teknik olarak ortopedi, paleontoloji ve son zamanlarda gelişimsel biyoloji dahil olmak üzere birçok biyobilim disiplininde sıklıkla kullanılmaktadır. Burada zebra balığı alt çenesi için FE'lerin nasıl oluşturulacağını açıklıyoruz. Gelecekte bu modeller damak da dahil olmak üzere tüm çeneye bakacak şekilde genişletilebilir. Benzer teknikler, bugüne kadar çoğunlukla kinematik yollarla incelenen balıklarda omurga biyomekaniğini modellemek için kullanılabilir.

Açıklamalar

Yazarlar ifşa hiçbir şey yok.

Şekil 3-5'te bazı veriler J.Biomech, 48 (12), Brunt ve ark. Yeniden basıldı olmuştur Sonlu eleman modelleme nedeniyle çene gelişiminde, 3112-22 kas zorlanma kaybına ortak şekil ve hücre davranış değişiklikleri öngörüyor. 2015, Elsevier 15 izniyle.

Teşekkürler

LHB, Wellcome Trust Dynamic Cell PhD programı tarafından finanse edildi; KAR, MRC proje hibesi MR / L002566/1 (EJR ve CLH'ye verildi) tarafından finanse edildi ve CLH, ARUK hibesi 19479 tarafından finanse edildi. Görüntüleme tavsiyeleri için Wolfson Biyogörüntüleme tesisine de teşekkür ederiz.

Malzemeler

Bu makalede kullanılan malzemelerin listesi
AdŞirketKatalog numarasıYorumlar
Coll2Abcamab34712Tip II kollajen antikoru - tüm kıkırdağı boyar
A4.1025 / MF20Gelişimsel çalışmalar hibridoma bankasıA4.1025İskelet mizoin antikoru - tüm iskelet kasını işaretler ve nbsp;
Düşük eriyikagaroz Sigma A9414-5GZebra balığı montajı için
MS222 (Etil 3-aminobenzoat metansülfonat)SigmaE10521-10GAnestezik
TripsinFisherT/3760/48numune geçirgenliği
Dylight 488 Fare IgGThermofisher35502İkincil antikor
Dylight 550 Tavşan IgGThermofisher 84541İkincil antikor
SP8/SP5 veya SPE konfokalLeica Görüntüleme için 
LAS Leica yakalama yazılımıLeicaGörüntüleme yazılımı
Aviso (sürüm 7.0.0)FEI Visualization Science Group3D görüntü analiz yazılımı (Bölüm 2)
Hyperworks paketinin Hypermesh parçası (sürüm 10)Altair EngineeringFE model oluşturma yazılımı (Bölüm 4-5)
Abaqus (sürüm 6.14)SIMULIAFE analiz yazılımı (Bölüm 5.7-5.8)
yapmak için

Kaynaklar

  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).

Yeniden basım ve izinler

Etiketler

Sonlu Elemanlar AnaliziKonfokal G r nt leme3 Boyutlu Y zey Olu turmaA rg Olu turmaMekanik Y klemeGerinim Analizimm nboyamaMalzeme zellikleriModel Do rulama
Zebra balığı Çeneli Biyomekanik Araştırma Sonlu Elemanlar Modelleri Bina
Bize Ulaşın
Kütüphaneye Öner

Gizlilik

Kullanım Koşulları

Politikalar

Telif Hakkı © 2026 MyJoVE Corporation. Tüm hakları saklıdır.