Name: building finite element models to investigate zebrafish jaw biomechanics
Uploaded: 2016-12-03T14:00:00.000+00:00
Duration: 14 min 11 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Building Finite Element Models to Investigate Zebrafish Jaw Biomechanics at JoVE.com

LHB מומן על ידי תכנית PhD Cell Wellcome Trust הדינמית; קאר מומנה על ידי מענק פרויקט MRC MR / L002566 / 1 (הוענק Ejr ו CLH) ו CLH מומנה על ידי מענק ערוק 19479. כמו כן, אנו רוצים להודות מתקן bioimaging וולפסון ייעוץ הדמיה.

כל השלבים שונים הפרוטוקול אחרי מאונ&#39; הטיפול בבעלי החיים של הבריסטול והנחיות רווחה לבין אלה של משרד הפנים בבריטניה. ויזואליזציה 1. לאנטומיה השלד והשרירים הערה: כדי להמחיש את הצורה של אלמנטים השלד, לכמת שרירים כדי למצוא את המיקום המדויק של הקבצים המצורפים שריר, immunostain (סעיף 1.1) דגים בגיל המתאים עבור שרירן השלד (אשר חושף שרירים) וקולגן מסוג II (לדמיין סָחוּס). לחלופין, לדמיין את האנטומיה השריר-שלד באמצעות קווי כתב ניאון מהונדסים כגון col2a1 כתב a1 קולגן: mCherry 13,14 לדמיין סחוס ואת smyhc כתב השרשרת כבדה האיטי השרירן: GFP 15 כדי להמחיש את העמדה מצורפת שריר (סעיף 1.2). קווים אלטרנטיביים המסמנים סחוס ושרירים יכולים לעבוד באותה מידה. <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> פלורסנט Immunostaining <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> תקן זחל paraformaldehyde 4% העודפים (PFA) ב פוספט שנאגר מלוח (PBS) במשך שעה 1. לשטוף ב- PBS עם 0.1% Tween 20 (PBT) ו מייבשים מתנול 50% (MeOH) ב PBT ו 100% MeOH במשך 5 דקות בהתאמה. זהירות: PFA הוא רעיל, יש לטפל בהתאם גיליון בטיחות חומרים. הערה: זחל ניתן לאחסן 100% MeOH עד לרגע השימוש. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> רעננותם זחל ב -50% MeOH ב PBT במשך 5 דקות. לשטוף PBT במשך 5 דקות. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> Permeabilize זחל טריפסין 0.25% ב PBT על קרח למשך 5-6 דקות. לשטוף 4x PBT במשך 5 דקות כל אחד. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> חסום במשך 2-3 שעות בסרום 5% ב PBT. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> דגירה הזחל עם הדילול המומלץ של קולגן אנטי סוג הארנב 2 ונוגדנים נגד שרירן העכבר בסרום 5% ב PBT במשך שעה 1 ב טמפ החדר או לילה ב 4 מעלות צלזיוס. הערה: טווח הדילול המומלץ הוא בדרך כלל על גיליון נתוני נוגדן. בחר נוגדנים אשר מועלות כנגד זנים שונים זה לזה וכי הם גם diffeלשכור לרקמה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לשטוף 6x זחל במשך 15 דקות ב PBT. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> חסום במשך 1-2 שעות בסרום 5% ב PBT. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מדגירים נוגדנים משני בחושך. השתמש שכותרתו fluorescently ועכבר אנטי (550) ו-ארנב נגד (488) נוגדנים משני ב דילול מתאים בסרום 5% ו PBT עבור הנוגדן הספציפי. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לשטוף 6X במשך 10 דקות כל אחד ב PBT ותמונה על מיקרוסקופ confocal 10X בהקדם האפשרי. </li></ol></li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הדמיה השלד והשרירים גיאומטריה <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הר הזחלים ventrally על coverslip ב נקודת התכה 0.3-0.5% נמוך פושר (LMP) agarose בתמיסה של Danieau 16. הערה: דג מהונדס יהיה צורך מסומם ב 0.02% MS222 (methanesulfonate Tricaine, pH 7) לפני הרכבה ובמהלך הדמיה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> קח ערימת תמונת confocal של האזור של עניין באמצעות העדשה 10X אובייקטיבית הזום הדיגיטלי כ פי 2.5. הכנת תמונות של ערוץ ירוק ואדום באמצעות 488 ננומטר ו 561 nמ לייזרי בהתאמה. תמונה ברזולוציה פיקסל 512 x 512 עם מרווח בין מטוסי z של 1.3 מיקרומטר ו -3 ממוצעי קו. המחסנית וכתוצאה מכך תהווה של כ -100 פרוסות z. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לייצא את הנתונים כסדרה TIFF. תחזיות מקסימלי של אלמנטים שריר וסחוס של פגית דג הזברה 5dpf מוצגים באיור 1. </li></ol></li></ol> 2. יצירת משטח 3D <ol style="margin-left: 40px;;text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> בחר במערך נציג עבור כל נקודת זמן ב -3, 4 ו -5 DPF (בחר לאחר להדמיה של דגימות מרובות). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> פתח ערימת TIFF 3 ממדים ובחר את כל ערוצי תוכנת ניתוח. קליק ימני על ערוץ הסחוס ובחרתי תמונת מסנן חלק: גאוס (איור 2 ב). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לאור פרויקט קליק ימני על תמונה מסוננת ובחר &#39;פילוח תמונה&#39; ולאחר מכן &#39;לערוך תווית חדשה&#39;. צור תווית חדשה עבור כל חומר, כלומר, סחוס joint. בחר את אזור הסחוס של התמונה (איור 2C, אות לבן, מתאר סגול) באמצעות הכלי מטה הקסמים. השתמש בכלי המברשת כדי להסיר את רעש מן המתאר. הערה: אם אתה משתמש בכלי מטה קסם, לחץ על &#39;כל הפרוסות&#39;. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> בחר את האזור המשותף עם כלי המברשת ולהקצות לרכיב משותף (איור 2 ג, מתאר כחול) </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מספר פרוסות חלקות בבת אחת על ידי בחירת פילוח בתפריט העליון ותוויות חלקות. קליק ימני על התמונה ובחר ליצור משטח לייצר משטח 3D לדקלם של הרכיב (איור 2 ד). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הקש על המשטח ולשמור נתונים כקובץ hmascii לצורך יבוא תוכנת meshing. </li></ol> 3. חישוב הכוחות השרירים כדי לשמש דגם FE <ol style="margin-left: 40px;;text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לספור את מספר סיבי שריר מתמונות confocal של smyhc: דג הזברה מהונדס GFP (איור 1 א &#39;, ראש חץ, 1C) ולמדוד את קוטרeter של סיבים כדי לחשב שטח החתך שלהם (πr 2). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> זהה כוח מתאים ליחידת שטח שריר מהספרות. כוח השריר המקסימאלי שנוצר ליחידת שטח עבור שרירי שלד דג זברת זחל (40 ננ / מיקרומטר 2) שמש 17. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לחשב את הכוחות לכל קבוצת שרירים אנטומיים ידי הכפלת מספר סיבי ושטחם ידי הכוח ליחידת שטח. ראה טבלה 1. </li></ol> 4. יצירת Mesh <ol style="margin-left: 40px;;text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> ייבא את מודל 3D שנוצר בסעיף 2 (לעיל) לתוך חבילת תוכנה מסוגלת לייצר רשת אלמנטים סופית. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> צור רשת A2D של הסחוס ומשטחים משותפים על ידי שימוש באפשרות הפסיכולוג לעטוף תחת תפריט 2D. בחר גודל אלמנט מתאים. הערה: השתמש בגודל אלמנט בין 1.5-2.5. במידת הצורך, ליצור מגוון של השטח 2D בגודל שונה משתלב לבצע אופטימיזציה רשת 3D (סעיף 4.4). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לבצע בדיקות איכות רשת למצוא תחת &quot;כלי 2D&gt;&gt; בדוק אלמנטים&quot; לוח לבדוק אלמנטים כפולים, הוספות וחדירות של הרשת. תקן זוויות dihedral באמצעות לשונית שירות עץ מודל. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> צור רשת 3D מן משתלב משטח 2D עם הבדלי גודל האלמנט באמצעות subpanel 3D&gt; Tetramesh. הערה: השווה את התוצאות של גדלי רשת שונים ובחר את מודל FE עם גודל הרשת הנמוך ביותר מתכנס לאחר סימולציות נוספות כלשהו ואינו משפיע על הגדרת תכונה. הדוגמא באיור 3 מכילה 1.5 מיליון אלמנטים tetrahedral עבור סחוסי הלסת התחתונים והייתה לו גודל אלמנט 2D של 2.0. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> להפוך את הרשת כך מודל לסת הוא להתרחב בד בבד לכל מחסנית confocal באמצעות subpanel הגיאומטריה&gt; המרחק. הערה: ודא הסחוס ורכיבים משותפים מחוברים במודל על ידי יצוא מודל ממוזג או באמצעות קשרים. </li></ol> 5. Mod אלמנטים סופייםאל בניה <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> באמצעות אלמנטים סופיים תוכנה מסחרית (FE), ליצור מודל FE. באמצעות ערימות confocal 3D השרירים שכותרתו סחוס שנוצרו בסעיף 1 כמדריך, להקצות צמתים מתאימות נקודות מצורפות שריר. צור וקטור בין שני צמתים המייצגים את המקור ואת החדרת כל שריר (איור 3). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> צור אספן עומס מסוג &#39;היסטוריה&#39; כדי להחיל &quot;עומס ג &#39;עבור כל שריר. ציין את גודל ב ניוטונים (המחושב בשלב 3.3) ולהקצות וקטור הקשורים. איור 3 מציג את נקודות ההתקשרות עבור mandibulae adductor (PM), מד-זווית hyoideus (PH) ו intermandibularis (IM). הערה: לקבלת שרירי לסת אלה, כוח התכווצות מקסימלית מופץ בין מוצא ההחדרה כך שרק 50% של כל אחד מעומסי מוחל בכל אתר. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הקצאת תכונות החומר איזוטרופיים אלסטי המתאים כפי שנקבע על ידי הספרות. מודול יאנג עבור סחוסואת interzone במודל זה היו 1.1 מגפ&quot;ס ו 0.25 מגפ&quot;ס בהתאמה ויחס פואסון היה 0.25 עבור שני 18,19. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> צור אספן עומס של &#39;הגבול&#39; הסוג להחיל מגבלות ראשוניות לדגם. עבור אל כרטיסיית ניתוח&gt; האילוצים של subpanel ליצור, לאסוף את הבלוטות לדגם ברצונך להגביל. בחר את דרגות החופש (DOF) כי מגבילים את התנועה של המודל הקירוב הטוב ביותר של טווח התנועה הטבעי. הערה: המודל באיור 3 היה מוגבל בכל צירי תנועה (DOF: 1, 2, 3 מייצגים x, y ו- z, בהתאמה) בבית ceratohyal לעגן אותו בחלל בנקודה אמצע במודל וב ציר y ו- z בנקודה שבה palatoquadrate מתחבר לשאר הגולגולת דג הזברה (איור 3, טבלה 1). המודל חייב להיות מוגבל בכל השלושה DOF בתוך צומת לפחות אחד. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> צור &quot;צעד טען &#39;, עבור כל סוג של תנועה ברצונך מכשירי כושראכול (כלומר, פתיחה, סגירה), תחת תפריט הניתוח ובחר את כל ההמון הרלוונטי (עשה בסעיף 5.2) ואילוצים (עשה בסעיף 5.4) כדי לדמות את התנועה הזאת. בחירה &#39;סטטי&#39; מן התפריט הנפתח כאשר הוא מופיע. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מודל יצוא כוללים רשת, המון, אילוצי תכונות חומר בפורמט קובץ מתאים, בפורמט &quot;.inp&quot; במקרה זה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מודל טען לתוך תוכנת ניתוח FE. יצירה וביצוע עבודה עבור המודל באמצעות מודול איוב. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לנתח פלט מתח, מתח, עקירה, וכו המצויות בתפריט להדמיה הכרטיסייה ותוצאות (איור 4 ו -5). </li></ol> 6. אימות של לסת דפורמציה / עקירת מרחקים <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> בחר 3-6 Tg (Col2a1aBAC: mCherry) דג הזברה מהונדס. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> קלות לטשטש את הזחלים עם MS222 0.02% עד שהם מפסיקים להגיב למגע אך ליבם עדיין פועם. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הרהזחלים רוחביים (תוך מורדם) על coverslips ב agarose LMP פושר 1% (המורכבים בתמיסה של Danieau). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הסר את agarose מרחבי הראש והלסתות עם מלקחיים. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לשטוף הטרי הפתרון של Danieau (ללא MS222) מעל ראשו של הזחל להסיר הרדמה בעזרת פיפטה פסטר עד תנועות פה נורמליות לחדש. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> השתמש בתוכנת לכידת סרט לקחת קטעי וידאו בהיר שדה מהיר של תנועות פה. קח סרטים של סביב משך דקות בקצב התמונות הגבוה ביותר, או מספיק כדי להקליט מחזורים רבים של פתיחת לסת. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> בחר מסגרות המציגות את הלסת פתוחה העקירה המקסימלית שלה. למדוד את המרחק בין הקצה הקדמי של הסחוס של המקל ואת הלסת העליונה (קץ צלחת כִּברָתִי) ב מיקרומטר. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> חשב את עקירת ממוצע זחלי דג מרובים. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לחלץ נתוני עקירה מהמודל. השתמש העקירה הממוצעת מחושבת ב 6.8 לאמת התנהגות תזוזת מודל ( <strong&gt; איור 4). אם המודל חורג מן צפוי, ניתוח רגיש מנוהל על ידי שינוי ברצף תכונות חומר והמון שרירים. </li></ol>

<ol>
	<li>Rayfield, E. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Finite+Element+Analysis+and+Understanding+the+Biomechanics+and+Evolution+of+Living+and+Fossil+Organisms.">Finite Element Analysis and Understanding the Biomechanics and Evolution of Living and Fossil Organisms.</a> Annu. Rev. Earth Planet. Sci. 35, 541-576 (2007).</li><li>Rao, S. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> The Finite Element Method in Engineering: Fifth Edition. , (2010).</li><li>Taylor, M., Prendergast, P. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Four+decades+of+finite+element+analysis+of+orthopaedic+devices:+Where+are+we+now+and+what+are+the+opportunities.">Four decades of finite element analysis of orthopaedic devices: Where are we now and what are the opportunities.</a> J Biomech. 48, 767-778 (2015).</li><li>Button, D. J., Rayfield, E. J., Barrett, P. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Cranial+biomechanics+underpins+high+sauropod+diversity+in+resource-poor+environments.">Cranial biomechanics underpins high sauropod diversity in resource-poor environments.</a> Proc Royal Soc London B: Biol Sci. 281. 281, (2014).</li><li>Mammoto, T., Mammoto, A., Ingber, D. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mechanobiology+and+developmental+control.">Mechanobiology and developmental control.</a> Annu Rev Cell Dev Biol. 29, 27-61 (2013).</li><li>Shwartz, Y., Farkas, Z., Stern, T., Aszodi, A., Zelzer, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Muscle+contraction+controls+skeletal+morphogenesis+through+regulation+of+chondrocyte+convergent+extension.">Muscle contraction controls skeletal morphogenesis through regulation of chondrocyte convergent extension.</a> Dev biol. 370, 154-163 (2012).</li><li>Rolfe, R. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Identification+of+mechanosensitive+genes+during+skeletal+development:+alteration+of+genes+associated+with+cytoskeletal+rearrangement+and+cell+signalling+pathways.">Identification of mechanosensitive genes during skeletal development: alteration of genes associated with cytoskeletal rearrangement and cell signalling pathways.</a> BMC genomics. 15, 48 (2014).</li><li>Roddy, K. A., Kelly, G. M., van Es, M. H., Murphy, P., Prendergast, P. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Dynamic+patterns+of+mechanical+stimulation+co-localise+with+growth+and+cell+proliferation+during+morphogenesis+in+the+avian+embryonic+knee+joint.">Dynamic patterns of mechanical stimulation co-localise with growth and cell proliferation during morphogenesis in the avian embryonic knee joint.</a> J Biomech. 44, 143-149 (2011).</li><li>Haudenschild, D. R., Chen, J., Steklov, N., Lotz, M. K., D'Lima, D. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Characterization+of+the+chondrocyte+actin+cytoskeleton+in+living+three-dimensional+culture:+response+to+anabolic+and+catabolic+stimuli.">Characterization of the chondrocyte actin cytoskeleton in living three-dimensional culture: response to anabolic and catabolic stimuli.</a> Mol cell biomech. 6, 135-144 (2009).</li><li>Nowlan, N. C., Murphy, P., Prendergast, P. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+dynamic+pattern+of+mechanical+stimulation+promotes+ossification+in+avian+embryonic+long+bones.">A dynamic pattern of mechanical stimulation promotes ossification in avian embryonic long bones.</a> J Biomech. 41, 249-258 (2008).</li><li>Giorgi, M., Carriero, A., Shefelbine, S. J., Nowlan, N. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mechanobiological+simulations+of+prenatal+joint+morphogenesis.">Mechanobiological simulations of prenatal joint morphogenesis.</a> J Biomech. 47, 989-995 (2014).</li><li>Heegaard, J. H., Beaupre, G. S., Carter, D. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mechanically+modulated+cartilage+growth+may+regulate+joint+surface+morphogenesis.">Mechanically modulated cartilage growth may regulate joint surface morphogenesis.</a> J Ortho Res. 17, 509-517 (1999).</li><li>Hammond, C. L., Schulte-Merker, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Two+populations+of+endochondral+osteoblasts+with+differential+sensitivity+to+Hedgehog+signalling.">Two populations of endochondral osteoblasts with differential sensitivity to Hedgehog signalling.</a> Development. 136, 3991-4000 (2009).</li><li>Mitchell, R. E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=New+tools+for+studying+osteoarthritis+genetics+in+zebrafish.">New tools for studying osteoarthritis genetics in zebrafish.</a> Osteoarthritis and cartilage / OARS, Osteoarth Res Soc. 21, 269-278 (2013).</li><li>Elworthy, S., Hargrave, M., Knight, R., Mebus, K., Ingham, P. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=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.">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.</a> Development. 135, 2115-2126 (2008).</li><li>. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Danieau's+solution+(30&#215;).">Danieau's solution (30&#215;).</a> Cold Spring Harb Prot. , (2011).</li><li>Iorga, B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Micromechanical+function+of+myofibrils+isolated+from+skeletal+and+cardiac+muscles+of+the+zebrafish.">Micromechanical function of myofibrils isolated from skeletal and cardiac muscles of the zebrafish.</a> J Gen physiol. 137, 255-270 (2011).</li><li>Tanck, E., Blankevoort, L., Haaijman, A., Burger, E. H., Huiskes, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Influence+of+muscular+activity+on+local+mineralization+patterns+in+metatarsals+of+the+embryonic+mouse.">Influence of muscular activity on local mineralization patterns in metatarsals of the embryonic mouse.</a> J Ortho Res. 18, 613-619 (2000).</li><li>Tanck, E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+mechanical+consequences+of+mineralization+in+embryonic+bone.">The mechanical consequences of mineralization in embryonic bone.</a> Bone. 35, 186-190 (2004).</li><li>Brunt, L. H., Norton, J. L., Bright, J. A., Rayfield, E. J., Hammond, C. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Finite+element+modelling+predicts+changes+in+joint+shape+and+cell+behaviour+due+to+loss+of+muscle+strain+in+jaw+development.">Finite element modelling predicts changes in joint shape and cell behaviour due to loss of muscle strain in jaw development.</a> J Biomech. 48, 3112-3122 (2015).</li><li>Roddy, K. A., Prendergast, P. J., Murphy, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mechanical+influences+on+morphogenesis+of+the+knee+joint+revealed+through+morphological,+molecular+and+computational+analysis+of+immobilised+embryos.">Mechanical influences on morphogenesis of the knee joint revealed through morphological, molecular and computational analysis of immobilised embryos.</a> PloS one. 6, e17526 (2011).</li><li>Cuff, A. R., Bright, J. A., Rayfield, E. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Validation+experiments+on+finite+element+models+of+an+ostrich+(Struthio+camelus)+cranium.">Validation experiments on finite element models of an ostrich (Struthio camelus) cranium.</a> Peer J. 3, 1294 (2015).</li><li>Schilling, T. F., Kimmel, C. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Musculoskeletal+patterning+in+the+pharyngeal+segments+of+the+zebrafish+embryo.">Musculoskeletal patterning in the pharyngeal segments of the zebrafish embryo.</a> Development. 124, 2945-2960 (1997).</li><li>Dowthwaite, G. P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+mechanism+underlying+the+movement+requirement+for+synovial+joint+cavitation.">A mechanism underlying the movement requirement for synovial joint cavitation.</a> Matrix biol. 22, 311-322 (2003).</li><li>Nia, H. T., Han, L., Li, Y., Ortiz, C., Grodzinsky, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Poroelasticity+of+cartilage+at+the+nanoscale.">Poroelasticity of cartilage at the nanoscale.</a> Biophys J. 101, 2304-2313 (2011).</li></ol>

החוקרים אין לי מה לחשוף. חלק מנתוני תאני 3-5 כבר נדפסו מן J.Biomech, 48 (12), בניטל et al., דוגמנות אלמנט סופית צופה שינויים בצורה משותפת ותא התנהגות כתוצאה מאובדן מתיחת שריר בפיתוח לסת, 3112-22. 2015, באישור Elsevier 15.

מודלים אלמנטים סופיים שימשו להתייחס בתחומי אלמנטים השלד כי הם תחת לחץ עם אלה היווצרות העצם והתנסות 10, כמו גם למפות את האזורים תחת לחץ במהלך התאבנות endochondral ומורפוגנזה משותף 8,12,21. מחקרים אחרים גם הצליחו ליישם מודלי צמיחה תיאורטי לשכפל שינויים במהלך פיתוח משותף 11,12. כאן אנו מציגים את הפרוטוקול לבניית מודלי FE עבור מערכת פשוטה יחסית, לסת דג הזברה 20. בניגוד לשיטות חלופיות איסוף תמונות גולמיות עבור דגמי FE, כגון CT סריקה 22, הדמית confocal של קווים מהונדסים או דג זברת immunostained מאפשר רקמות מרובות כדי להיחקר. זה יכול, אם כן, לספק מידע ישיר על נקודות מצורפות שריר ביחס סחוס. בין דגמי חוליות דג הזברה ניתנת במיוחד מניפולציה גנטית תרופתית. הדור של דגמי FE עבור דג הזברהסחוס craniofacial עכשיו פותח את האפשרות של מחקר נוסף של יחסי הגומלין בין ביומכניקה וגנטיקה morphogenesis משותף. ישנם מספר שלבים קריטיים לתהליך של יצירת מודל FE; הראשון הוא יצירת ייצוג תלת ממדי מדויק של המערכת. זה דורש הדמיה ברזולוציה גבוהה מספיק כדי להגדיר גבולות ברורים. שימו לב כי גם עם הדמיה ברזולוציה גבוהה לבצע משטח טוב אחד יכול להיות להחליק כמה אזורים. שלב קריטי נוסף הוא הגדרת המיקום הנכון של העומס ואילוצים נכונים. מודל מוגבל מספיק ייכשל לפתור והשמה שגוי של העומסים יגרום תנועה חריגה. חלק מהעיבוד של הנתונים הגולמיים (איור 2) יש צורך כמשטח המופק מהנתונים הגולמיים יהיה קשה רשת (תרשים 2B). אנחנו מסוננים הנתונים באמצעות מסנן גאוס (איור 2 ג </sטרונג&gt;) וביצענו כמה החלקה ידנית של עקומות לייצר סדרה של קווי המתאר נקי כי ניתן להמיר את משטח 3D. חלקה יותר מדי יכולה לייצר משטח &quot;נמס&quot; שאבד רבים מסממניה. בחירת גודל האלמנט הנכון היא תהליך חוזר ונשנה כמו בחירה קטנה מדי גודל אלמנט היוצר גדולה מדי רשת אשר מחשוב אינטנסיבי. עם זאת, בחירת גודל אלמנט גדול מדי תפיק רשת אשר נכשלה לשחזר את הצורה הנכונה של המבנה. הרשת הנכונה, ניתנה גודל האיבר הקטן שכבש את הצורה הנכונה של הלסת והתאסף פתרון נכון, לאמת אותם באמצעות עקירת בלסת. זה יכול להיות גם צורך לשנות את תכונות חומר או חישובי עומס טוב יותר לחקות את העקירה הנכונה כגילים ומינים שונים יהיו מאפיינים שונים באופן משמעותי. חשוב לזכור כי תמיד יש מגבלות מודל היפותטי<html> ssumptions הריץ מודלי FE. כאשר רק דוגמנות אחד או מספר קטן של דוגמאות הוא קריטי כדי להבטיח מדגם מייצג נבחר שם צפוי להיות שינויים קלים בין אנשים. כפי רק כמה מן האלמנטים הלסת והשרירים נכללו, המודל הוא גרסה פשוטה יותר של מערכת השלד והשרירים craniofacial דג הזברה. לכן, אילוצים חייבים להיות ממוקמים לתת דין וחשבון על שלושת יסודות לסת הדגם שיחברו עם שאר הגולגולת ואת המודל היה מוגבל באופן מלאכותי במרכז לתקן את זה ב &#39;מרחב&#39;. אילוץ מלאכותי זה לא השפיע על פרשנות שאובי המודלים כמו ceratohyal עצמו לא נותח. ההכללה יותר של מבנה craniofacial, במיוחד אחרים שרירי פתיחת לסת כגון sternohyals והסחוס המצורף שלה 23, יכל להוסיף למודל, אבל מגבלות כוללות את היכולת של דגמים גדולים יותר לרוץ בתוכנת האלמנטים הסופיים. <html> s = &quot;jove_content&quot;&gt; מגבלה נוספת היא שלא אנו דגם כניסת רצועה, אם כי זו יכולה להיות מושגת על ידי ההחדרה של מעיינות 8. הנחה נוספת אחת עשתה במקרה זה הייתה שהמודל יתנהג באופן ליניארי. סדרי הגודל של זנים על המודלים היו דומים לאלו במודלים שפורסמו וכן להחיל תאים במבחנת 10,24, עם זנים להיות מתחת 3500 ומעלה -5000 μɛ מלבד נקודות מצורפות אילוץ ושרירים. לכן, הזנים על האזורים הרלוונטיים של המודל נחשבו בתוך טווח מקובל עבור מודל ליניארי. סחוס אינו מתנהג לגמרי כחומר לינארית כבר דגם בעבר כחומר poroelastic, שאפשר ניתוח של ההתנהגות הנוזלת במודל 25. הפצת נקודות המצורפת שריר בקרב צרור של בלוטות מקומיות תחלק כוחות השיא ועוד לייצג במדויק את כניסת השריר עבור שרירים מסוימים. אף אוזן גרון &quot;&gt; שימוש FE מאפשר הערכה של הזנים המדגישים מתנהגים על מבנה. כטכניקה הוא משמש לעתים קרובות בתחומי מדעי חיים רבים כולל אורתופדיה, פליאונטולוגיה וביולוגיה התפתחותית ולאחרונה. כאן אנו מתארים כיצד לבנות פס עבור דג הזברה לסת תחתונה. בעתיד המודלים האלה ניתן יהיה להרחיב להסתכל הלסת כולה, כולל את החיך. בטכניקות דומות יכולות לשמש מודל ביומכניקה שדרה בדגים, אשר עד כה בעיקר נחקרו באמצעות קינמטיקה.

דוגמנות אלמנט סופי (FE) היא טכניקה הנדסה שניתן לחשב המחשוב ולמפות את גודל ומיקום של זנים שפועלים על מבנה 1. המודל מורכב מבנה 3D, מיוצג על ידי רשת של &quot;אלמנטים סופיים&quot;, ואת התוצאה הסופית של הניתוח נשלטת על ידי מספר גורמים, כולל את המבנה ואת מספר אלמנטי הרשת, העוצמת והמיקום של המכנים המון ואת תכונות חומר. תכונות חומר לתאר היבטים מסוימים של ההתנהגות של חומר תחת סוג של עומס נתון; מודול יאנג (E) מתאר את האלסטיות של החומר תוך מקדם פואסון מתאר את הירידה המידתית ברוחב של חומר אורכו כאשר מדגם נמתח. דוגמנות FE יכול לשמש כדי לחשב מגוון רחב של משתנים ובהם עקירה, מתח, לחץ ומשחק הלחץ על מודל על ידי לקיחת בחשבון את נתוני הקלט שמייחד את מבנה &#39;; S צורה, מיקום וגדל המון ואת תכונות חומר המבוקשות. דוגמנות FE נעשה שימוש נרחב בהנדסה 2 ויותר עבור יישומים אורתופדיות 3 ו כפליאונטולוג 4. בפיתוח כוחות ביומכניים ידועים לפעול כגירוי בתאים רבים כדי להפעיל תגובות תא 5-8 וזה שימושי לחזות הוא את המיקום היחסי ואת הבהירויות של גירויים מכאניים בתוך בפיתוח מערכות איברים, לעומת זאת, כיום דוגמנות FE כבר המשמש קצת לפיתוח דג הזברה. הסחוס והעצם שניהם הוכחו להיות חומרי mechanosensitive. לדוגמא, במבחנת דחיסה נמצאה להפעיל מסלולי chondrogenic, תוך מתח הוכח להיות הכרחי עבור עצם היווצרות 9. FE הניתוח (FEA) נוצל מודל זנים הפועלים דגימות ביולוגיות, כולל הפועלים אלמנטי שלד במהלך עצם FOrmation 10. פיתוח יישומים אחרים כוללים את שימוש בו כדי לחזות את הצורה של ג&#39;וינט לאחר שהוא נחשף כוחות ביומכניים תיאורטי 11,12 וכדי להראות הדפוס של זנים נוכחים במהלך המורפוגנזה מפרק ברך חומוס 8. פרוטוקול זה נועד לשתף את החוויה של יצירת משטחים 3 ממדים, משתלב ומודלי אלמנטים סופיים מתמונות confocal עם נוף להבנת המכניקה של רקמות מתפתחות. אנחנו גם להראות דרכים של תיקוף המודלים FE אף לכידת מידע עקירה משותף אמיתי in vivo. בעוד אנו משתמשים לסת דג הזברה כדגם אותן הטכניקות יכולות לשמש על כל מערכת ביולוגית קטנה עבורו מידע 3D על המבנה של מערכת השלד והשרירים ניתן להשיג על ידי הדמית confocal או multiphoton.

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

building finite element models to investigate zebrafish jaw biomechanics

Skeletal morphogenesis occurs through tightly regulated cell behaviors during development; many cell types alter their behavior in response to mechanical strain. Skeletal joints are subjected to dynamic mechanical loading. Finite element analysis (FEA) is a computational method, frequently used in engineering that can predict how a material or structure will respond to mechanical input. By dividing a whole system (in this case the zebrafish jaw skeleton) into a mesh of smaller 'finite elements', FEA can be used to calculate the mechanical response of the structure to external loads. The results can be visualized in many ways including as a 'heat map' showing the position of maximum and minimum principal strains (a positive principal strain indicates tension while a negative indicates compression. The maximum and minimum refer the largest and smallest strain). These can be used to identify which regions of the jaw and therefore which cells are likely to be under particularly high tensional or compressional loads during jaw movement and can therefore be used to identify relationships between mechanical strain and cell behavior. This protocol describes the steps to generate Finite Element models from confocal image data on the musculoskeletal system, using the zebrafish lower jaw as a practical example. The protocol leads the reader through a series of steps: 1) staining of the musculoskeletal components, 2) imaging the musculoskeletal components, 3) building a 3 dimensional (3D) surface, 4) generating a mesh of Finite Elements, 5) solving the FEA and finally 6) validating the results by comparison to real displacements seen in movements of the fish jaw.

Immunostaining עבור שריר (איור 1 א) וסחוס (איור 1B) או הדמיה של כתבים מהונדסים (תרשים 1C) מאפשר מבנה 3D של הלסת להיות מדמיין, יחד עם השרירים הקשורים. על ידי הדמיה ברזולוציה גבוהה ניתן היה לבנות מודל לוכד הוא הצורה התל-ממדית של הלסת (איור 2) ואת המיקום ומיקום של עומסים (איור 3). ניצול ב התקות vivo לראות דרך לכיד וידאו במהירות גבוהה (איור 4) אנו מאשרים כי את טווח התנועה במודל היה בטווח מציאותי. מודלי FE פעם ריצה יכולים לשמש כדי להציג מגוון של נתונים, כגון מתח (איור 5 א), מינימום ומתח עיקרי מרבי (איור 5 ב - K). תוצאות אלו עולות שלושה עמומות<html> ensional כך המודל יכול להיות מוגדל לראות דפוסים בסדר הפירוט (איור 5E, 5i) לסובב להשיג צפיות רלוונטי (איור 5F, 5G, 5J, 5K) מחולק באופן דיגיטלי (5E איור &#39;, 5E&#39; &#39;, 5i&#39;, 5i &#39;&#39;) כדי להראות עד כמה דפוסי מתח, מתח או שינוי בלחץ לאורך כל דגם. כמו כן ניתן לחלץ נתונים כמותיים מהמודל (לא מוצג). על ידי אימות המודל באמצעות תכונות חומר המדויק ביותר, המון רשת צורת המודל FE יכול לשמש כדי לחקור את האומדן הטוב ביותר של הסביבה המכאנית נחווים על ידי תאים במהלך החלון של פיתוח. התוצאות של המודל ניתן להשוות באופן ישיר לשינויים בהתנהגות הסלולר ביטוי גנים 20. <html> בתשובה לשאלה 1 &quot;src =&quot; / files / ftp_upload / 54,811 / 54811fig1.jpg &quot;/&gt; איור 1:. נציג תמונות של אלמנטי השלד של לסת דג הזברה הנמוכה ב 5 DPF ערימות confocal נציג של הלסת התחתונה של זחלי 5dpf כל מוצג עם קדמי למעלה (א) Immunostaining עבור A4.1025 אשר מכתים את כל שרירן השלד (B) immunostaining עבור קולגן סוג II המסמן את כל הסחוס (C) סטאק של פגיית חיים המבטאים את col2a1 הכתבים המהונדס: mCherry סימון סחוס (אדום) ו smyhc: שרירים איטיים GFP (ירוק). IA: הקדמי intermandibularis, PH: המד hyoideus, AM: adductor mandibulae, HI: hyoideus נח, HI: hyoideus מעולה, CH: sternohyoideus, MC: הסחוס של המקל, PQ: Palatoquadrate, CH:. Ceratohyal <a href="https://ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/54811/54811fig1large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של נתון זה.</a> &quot;FO: keep-together.within-page =&quot; 1 &quot;&gt; <img alt="איור 2" src="/files/ftp_upload/54811/54811fig2.jpg" /> איור 2: דור של משטח 3D מנתונים confocal תמונות מראות את המעבר מנתוני confocal לתוך משטח 3D עבור לסת דג הזברה הנמוכה עם גדלה גבוהה של האזור המשותף.. (א) נתונים confocal גלם; (ב) מערך נתונים לאחר היישום של מסנן גאוס; (ג) מתאר מסונן; (ד) משטח 3D. <a href="https://ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/54811/54811fig2large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.</a> <img alt="איור 3" src="/files/ftp_upload/54811/54811fig3.jpg" /> איור 3: משתלב נציג מראים אילוצי וקטורי כוח משתלב נציג עבור זחל 5 DPF עבור (א) סגירת פה.(ב) פתיחת פה. נקודות לבנות מציינים במקומות בהם מודל מוגבל ושבהם ממדים (למשל, x ו- y או x, y ו- z). קווים לבנים לציין עמדות שרירות, עם הווקטור בכוח השריר כונה על ידי חצים לבנים. אדום עולה סחוס צהוב interzone. נתון זה יש הבדל בין חומר משלים שפורסמו בעבר בנטל et al. 15. <a href="https://ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/54811/54811fig3large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.</a> <img alt="איור 4" src="/files/ftp_upload/54811/54811fig4.jpg" /> איור 4:. בדיקות רגישות FE-מודל המדמה עקירה בלסת דג הזברה 5dpf לסחוס שונים moduli של interzone יאנג. לסת עקירה (פתוח סגור מיקרומטר) מסומן על הלסת; רשם באמצעות מקש הצבע. כל דגם (A - L) יש שילוב שונה של סחוס (c = 1.1, 3.1, או 6.1 MPA) או interzone (i = של 0.25, 0.5, 0.75, או 1 נכסים MPA). חץ שחור אופקי מדגיש את הערך של עקירת בלסת בקצה של הסחוס של המקל (המיוצגים על ידי החץ השחור האנכי). M ו- N סטילס מתוך וידאו של 5 DPF מינימום מראה זחלים, כלומר, לסת סגורה (M) ומקסימום, כלומר, לסת פתוחה לגמרי (N) עם שני גבים (O) - קו לבן על O מייצגת את העקירה (43 מיקרומטר). יחסית במקרה זה תכונות סחוס של 1.1 עם interzone של 0.25 (א) ההתאמה הטובה ביותר התקות לראות דגים חיים (O). לוחות AL של נתון זה פורסמו בעבר בנטל et al. 15. <a href="https://ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/54811/54811fig4large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג vers גדול</a>יון של נתון זה. <img alt="איור 5" src="/files/ftp_upload/54811/54811fig5.jpg" /> איור 5: נציג נתונים מהמודלים FE סימולציה FE-מודל של כל השרירים מיושם 5 DPF הזחל (A - C).. (א) פון מיזס (EMaxmin) (B) זן עיקרי מינימום (E Min. P, μɛ) (ג) זן העיקרי מקסימלי (E מקס. פ, μɛ). FE-מודל סימולציה של זנים עיקריים מינימום ומקסימום במהלך פתיחת הלסת. (D - K): זן עיקרי מקסימאלי (. E מקס פ, μɛ) (ד) צפה לסת גחון (E) נוף משותף גחון (E) מציג את המיקום של חלקים הפרוקסימלי-דיסטלי דרך הסחוס של המקל משותף ואת interzone ב (E &#39;) ו- (ה&#39; &#39;), בהתאמה. (F): לרוחבלסת בעלת נוף. (G): נוף משותף לרוחב. (H - K): זן עיקרי מינימום (. E Min P, μɛ) ב (H) גחון לסת הצגה (I) נוף משותף גחון. (אני) מציג את המיקום של חלקים הפרוקסימלי-דיסטלי דרך משותפת הסחוס של מקל ו interzone ב (אני) ו (אני &#39;&#39;) בהתאמה (J): נוף הלסת לרוחב. (K): נוף משותף לרוחב. נתון זה כבר פורסם בעבר בנטל et al. 15. <a href="https://ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/54811/54811fig5large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.</a> <table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always" style=";text-align:right;direction:rtl"><tbody><tr><td></td><td> מספר סיבי שריר </td><td> שריר סיבים באזור (מיקרומטר 2) </td><td> שרירים באזור הקבוצה (מיקרומטר2) </td><td> חיל (N) </td></tr><tr><td> 5 DPF intermandibularis קדמי </td><td> 5 </td><td> 23.8 </td><td> 119 </td><td> 4.76e-6 </td></tr><tr><td> 5 DPF מד hyoideus </td><td> 6 </td><td> 23.8 </td><td> 142.8 </td><td> 5.71e-6 </td></tr><tr><td> 5 DPF adductor mandibulae </td><td> 9 </td><td> 23.8 </td><td> 214.2 </td><td> 8.57e-6 </td></tr></tbody></table> שולחן 1: כימות שרירים. לפי חישוב כוחות שריר הממוצע עבור Anterior Intermandibularis, adductor Mandibulae ואת זוית Hyoideus ב 5 DPF באמצעות 40 ננ / מיקרומטר 2 (ערך ליחידת שטח שנלקח התייחסות 17). (Lorga et al., 2011) (n = 3).

Watch this Scientific Journal Video about Building Finite Element Models to Investigate Zebrafish Jaw Biomechanics at JoVE.com

בניית מודלים של אלמנטים סופיים כדי לחקור את הביומכניקה של הלסת של דג הזברה | ביולוגיה התפתחותית | וִידֵאוֹ

Building Finite Element Models to Investigate Zebrafish Jaw Biomechanics

Finite Element Analysis is a frequently used tool to investigate the mechanical performance of structures under load. Here we apply its use to modeling the biomechanics of the zebrafish jaw.

בניית מודלים אלמנטים סופיים לחקור ביומכניקה לסת דג הזברה

Skeletal morphogenesis occurs through tightly regulated cell behaviors during development; many cell types alter their behavior in response to mechanical ...

building-finite-element-models-to-investigate-zebrafish-jaw

Universidad San Sebastian

Research

Education

JoVE Journal

JoVE Core

Biology

Developmental Biology

Human Biology

Musculoskeletal System

SCIENTISTS IN ACTION

9.1K Views.  University of Bristol. Finite Element Analysis is a frequently used tool to investigate the mechanical performance of structures under load. Here we apply its use to modeling the biomechanics of the zebrafish jaw. 

Video: Building Finite Element Models to Investigate Zebrafish Jaw Biomechanics

Microbead Implantation in the Zebrafish Embryo

The zebrafish has emerged as a valuable genetic model system for the study of developmental biology and disease. Zebrafish share a high degree of genomic conservation, as well as similarities in cellular, molecular, and physiological processes, with other vertebrates including humans. During early ontogeny, zebrafish embryos are optically transparent, allowing researchers to visualize the dynamics of organogenesis using a simple stereomicroscope. Microbead implantation is a method that enables tissue manipulation through the alteration of factors in local environments. This allows researchers to assay the effects of any number of signaling molecules of interest, such as secreted peptides, at specific spatial and temporal points within the developing embryo. Here, we detail a protocol for how to manipulate and implant beads during early zebrafish development.

The zebrafish is an excellent model system for genetic and developmental studies. Bead implantation is a valuable tissue manipulation technique that can be used to interrogate developmental mechanisms by introducing alterations in local cellular environments. This protocol describes how to perform microbead implantation in the zebrafish embryo.

Microbead השרשה בעובר דג הזברה

The zebrafish has emerged as a valuable genetic model system for the study of developmental biology and disease. Zebrafish share a high degree of genomic ...

Drug Treatment and In Vivo Imaging of Osteoblast-Osteoclast Interactions in a Medaka Fish Osteoporosis Model

Bone-forming osteoblasts interact with bone-resorbing osteoclasts to coordinate the turnover of bone matrix and to control skeletal homeostasis. Medaka and zebrafish larvae are widely used to analyze the behavior of bone cells during bone formation, degeneration, and repair. Their optical clarity allows the visualization of fluorescently labeled bone cells and fluorescent dyes bound to the mineralized skeletal matrix. Our lab has generated transgenic medaka fish that express the osteoclast-inducing factor Receptor Activator of Nuclear-factor &#954;B Ligand (RANKL) under the control of a heat&#160;shock-inducible promoter. Ectopic expression of RANKL results in the excess formation of activated osteoclasts, which can be visualized in reporter lines with nlGFP expression under the control of the cathepsin K (ctsk) promoter. RANKL induction and ectopic osteoclast formation leads to severe osteoporosis-like phenotypes. Compound transgenic medaka lines that express ctsk:nlGFP in osteoclasts, as well as mCherry under the control of the osterix (osx) promoter in premature osteoblasts, can be used to study the interaction of both cell types. This facilitates the in vivo observation of cellular behavior under conditions of bone degeneration and repair. Here, we describe the use of this system to test a drug commonly used in human osteoporosis therapy and describe a protocol for live imaging. The medaka model complements studies in cell culture and mice, and offers a novel system for the in vivo analysis of drug action in the skeletal system.

Drug Treatment and In Vivo Imaging of Osteoblast-Osteoclast Interactions in a Medaka Fish Osteoporosis Model

Small laboratory fish have become popular models for bone research on the mechanisms underlying human bone disorders and for the screening of bone-modulating drugs. In this report, we describe a protocol to assess the effect of alendronate on bone cells in medaka larvae with osteoporotic lesions.

ותרופות טיפול<em&gt; In vivo</em&gt; הדמיה של אוסטאובלסטים-osteoclast אינטראקציות במודל אוסטאופורוזיס Medaka דגים

Bone-forming osteoblasts interact with bone-resorbing osteoclasts to coordinate the turnover of bone matrix and to control skeletal homeostasis. Medaka ...

Shifting Zebrafish Lethal Skeletal Mutant Penetrance by Progeny Testing

Zebrafish mutant phenotypes are often incompletely penetrant, only manifesting in some mutants. Interesting phenotypes that inconsistently appear can be difficult to study, and can lead to confounding results. The protocol described here is a straightforward breeding paradigm to increase and decrease penetrance in lethal zebrafish skeletal mutants. Because lethal mutants cannot be selectively bred directly, the classic selective breeding strategy of progeny testing is employed. This method also includes protocols for Kompetitive Allele Specific PCR (KASP) genotyping zebrafish and staining larval zebrafish cartilage and bone. Applying the husbandry strategy described here can increase the penetrance of an interesting skeletal phenotype enabling more reproducible results in downstream applications. In addition, decreasing the mutant penetrance through this selective breeding strategy can reveal the developmental processes that most crucially require the function of the mutated gene. While the skeleton is specifically considered here, we propose that this methodology will be useful for all zebrafish mutant lines.

The goal of this protocol is to alter the penetrance of lethal skeletal mutant phenotypes in zebrafish by selective breeding. Lethal mutants cannot be grown to adulthood and bred themselves, therefore this protocol describes a method for tracking and selecting penetrance through multiple generations by progeny testing.

הסטה דג זברה קטלני השלד Penetrance מוטציה על ידי רומא בדיקות

Zebrafish mutant phenotypes are often incompletely penetrant, only manifesting in some mutants. Interesting phenotypes that inconsistently appear can be ...

Adult Zebrafish Injury Models to Study the Effects of Prednisolone in Regenerating Bone Tissue

Zebrafish are able to regenerate various organs, including appendages (fins) after amputation. This involves the regeneration of bone, which regrows within roughly two weeks after injury. Furthermore, zebrafish are able to heal bone rapidly after trepanation of the skull, and repair fractures that can be easily introduced into zebrafish bony fin rays. These injury assays represent feasible experimental paradigms to test the effect of administered drugs on rapidly forming bone. Here, we describe the use of these 3 injury models and their combined use with systemic glucocorticoid treatment, which exerts bone inhibitory and immunosuppressive effects. We provide a workflow on how to prepare for immunosuppressive treatment in adult zebrafish, illustrate how to perform fin amputation, trepanation of calvarial bones, and fin fractures, and describe how the use of glucocorticoids affects both bone forming osteoblasts and cells of the monocyte/macrophage lineage as part of innate immunity in bone tissue.

Here, we describe 3 adult zebrafish injury models and their combined use with immunosuppressive drug treatment. We provide guidance on imaging of regenerating tissues and on detecting bone mineralization therein.

דג זברה בוגרת מודלים פציעה ללמוד את השפעות Prednisolone רגנרציה רקמת העצם

Zebrafish are able to regenerate various organs, including appendages (fins) after amputation. This involves the regeneration of bone, which regrows ...

Methods for the Study of the Zebrafish Maxillary Barbel

Barbels are skin sensory appendages found in fishes, reptiles and amphibians. The zebrafish, Danio rerio, develops two pairs of barbels- a short nasal pair and a longer maxillary pair. Barbel tissue contains cells of ectodermal, mesodermal and neural crest origin, including skin cells, glands, taste buds, melanocytes, circulatory vessels and sensory nerves. Unlike most adult tissue, the maxillary barbel is optically clear, allowing us to visualize the development and maintenance of these tissue types throughout the life cycle. 
This video shows early development of the maxillary barbel (beginning approximately one month post-fertilization) and demonstrates a surgical protocol to induce regeneration in the adult appendage (&gt;3 months post-fertilization). Briefly, the left maxillary barbel of an anesthetized fish is elevated with sterile forceps just distal to the caudal edge of the maxilla. A fine, sterile spring scissors is positioned against the forceps to cut the barbel shaft at this level, establishing an anatomical landmark for the amputation plane. Regenerative growth can be measured with respect to this plane, and in comparison to the contralateral barbel. Barbel tissue regenerates rapidly, reaching maximal regrowth within 2 weeks of injury.
Techniques for analyzing the regenerated barbel include dissecting and embedding matched pairs of barbels (regenerate and control) in the wells of a standard DNA electrophoresis gel. Embedded specimens are conveniently photographed under a stereomicroscope for gross morphology and morphometry, and can be stored for weeks prior to downstream applications such as paraffin histology, cryosectioning, and/or whole mount immunohistochemistry. These methods establish the maxillary barbel as a novel in vivo tissue system for studying the regenerative capacity of multiple cell types within the genetic context of zebrafish.

The zebrafish maxillary barbel is an integumentary sense organ containing ectodermal, mesodermal and neural crest derivatives. Importantly, the adult barbel can regenerate after proximal amputation. This video introduces maxillary barbel development and demonstrates a surgical protocol to induce regeneration, followed by collection, embedding and downstream imaging of barbel specimens.

שיטות מחקר של דג הזברה לסתי בינית

Barbels are skin sensory appendages found in fishes, reptiles and amphibians.  The zebrafish, Danio rerio, develops two pairs of barbels- a short nasal ...

Real Time and Repeated Measurement of Skeletal Muscle Growth in Individual Live Zebrafish Subjected to Altered Electrical Activity

A number of methods can be used to visualize individual cells throughout the body of live embryonic, larval or juvenile zebrafish. We show that live fish with fluorescently-marked plasma membranes can be scanned in a confocal laser scanning microscope in order to determine the volume of muscle tissue and the number of muscle fibers present. Efficient approaches for the measurement of cell number and size in live animals over time are described and validated against more arduous segmentation methods. Methods are described that permit the control of muscle electrical, and thus contractile, activity. Loss of skeletal muscle contractile activity greatly reduced muscle growth. In larvae, a protocol is described that allows reintroduction of patterned electrical-evoked contractile activity. The described methods minimize the effect of inter-individual variability and will permit analysis of the effect of electrical, genetic, drug, or environmental stimuli on a variety of cellular and physiological growth parameters in the context of the living organism. Long-term follow-up of the measured effects of a defined early-life intervention on individuals can subsequently be performed.

Optical clarity is a major advantage for cell biological and physiological work in zebrafish. Robust methods for measurement of cell growth in individual animals are described that permit novel insights into how growth of skeletal muscle and neighboring tissues are integrated with whole body growth.

מדידה בזמן אמת וחוזרת ונשנית של גדילת שרירי השלד אצל דגי זברה חיים בודדים הנתונים לשינויים בפעילות החשמלית

A number of methods can be used to visualize individual cells throughout the body of live embryonic, larval or juvenile zebrafish. We show that live fish ...

<meta charset="utf8"></head><body>הסרת קשקשי דגי זברה ללימודי תרבית וביולוגיה של העצם

In Vitro Culturing Technique for Studying Cellular Dynamics in Zebrafish Scales

Zebrafish scales offer a variety of advantages for use in standard laboratories for teaching and research purposes. Scales are easily collected without the need for euthanasia, regenerate within a couple of weeks, and are translucent and small, allowing them to be viewed using a standard microscope. Zebrafish scales are especially useful in educational environments, as they provide a unique opportunity for students to engage in hands-on learning experiences, particularly in understanding cellular dynamics and in vitro culturing methods. The main objective of this protocol is to describe a method for collecting and maintaining zebrafish scales in culture for use in a variety of biological studies using basic laboratory equipment. Additionally, the protocol details their use in understanding bone homeostasis by examining the activity of bone cells involved in bone resorption and deposition. It also includes additional protocols for general techniques, such as the visualization of nuclei and apoptotic cells. The in vitro culturing protocol produces reliable results with minimal reagents and equipment. This article discusses the benefits of using in vitro cultures of zebrafish scales to foster scientific inquiry and outlines the resources needed to support their integration into educational settings.

<meta charset="utf8"></head><body>מחבר זרקור: קידום מחקר פעילות תאי עצם עם קשקשים של דגי זברה

This protocol offers a method to study cellular dynamics using a simple in vitro culture technique. It provides an opportunity for zebrafish researchers and educators to study cellular processes, such as those related to bone homeostasis and basic cell biology, by visualizing fluorescent nuclei and apoptotic cells within the scales.

טכניקת תרבית חוץ גופית לחקר דינמיקה תאית בסקאלות דגי זברה

Zebrafish scales offer a variety of advantages for use in standard laboratories for teaching and research purposes. Scales are easily collected without ...

Analyzing Craniofacial Morphogenesis in Zebrafish Using 4D Confocal Microscopy

Time-lapse imaging is a technique that allows for the direct observation of the process of morphogenesis, or the generation of shape. Due to their optical clarity and amenability to genetic manipulation, the zebrafish embryo has become a popular model organism with which to perform time-lapse analysis of morphogenesis in living embryos. Confocal imaging of a live zebrafish embryo requires that a tissue of interest is persistently labeled with a fluorescent marker, such as a transgene or injected dye. The process demands that the embryo is anesthetized and held in place in such a way that healthy development proceeds normally. Parameters for imaging must be set to account for three-dimensional growth and to balance the demands of resolving individual cells while getting quick snapshots of development. Our results demonstrate the ability to perform long-term in vivo imaging of fluorescence-labeled zebrafish embryos and to detect varied tissue behaviors in the cranial neural crest that cause craniofacial abnormalities. Developmental delays caused by anesthesia and mounting are minimal, and embryos are unharmed by the process. Time-lapse imaged embryos can be returned to liquid medium and subsequently imaged or fixed at later points in development. With an increasing abundance of transgenic zebrafish lines and well-characterized fate mapping and transplantation techniques, imaging any desired tissue is possible. As such, time-lapse in vivo imaging combines powerfully with zebrafish genetic methods, including analyses of mutant and microinjected embryos.

Time-lapse confocal imaging is a powerful technique useful for characterizing embryonic development. Here, we describe the methodology and characterize craniofacial morphogenesis in wild-type, as well as pdgfra, smad5, and smo mutant embryos.

ניתוח Craniofacial המורפוגנזה בדג הזברה שימוש 4D מיקרוסקופיה confocal

Time-lapse imaging is a technique that allows for the direct observation of the process of morphogenesis, or the generation of shape. Due to their optical ...

בניית מודלים אלמנטים סופיים לחקור ביומכניקה לסת דג הזברה

Summary

Explore More Videos

Chapters in this video

Microbead השרשה בעובר דג הזברה

ותרופות טיפול

הסטה דג זברה קטלני השלד Penetrance מוטציה על ידי רומא בדיקות

דג זברה בוגרת מודלים פציעה ללמוד את השפעות Prednisolone רגנרציה רקמת העצם

שיטות מחקר של דג הזברה לסתי בינית

מדידה בזמן אמת וחוזרת ונשנית של גדילת שרירי השלד אצל דגי זברה חיים בודדים הנתונים לשינויים בפעילות החשמלית

טכניקת תרבית חוץ גופית לחקר דינמיקה תאית בסקאלות דגי זברה

טכניקת תרבית חוץ גופית לחקר דינמיקה תאית בסקאלות דגי זברה

טכניקת תרבית חוץ גופית לחקר דינמיקה תאית בסקאלות דגי זברה

ניתוח Craniofacial המורפוגנזה בדג הזברה שימוש 4D מיקרוסקופיה confocal