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

وقد تم تمويل LHB من قبل برنامج الدكتوراه خلية يلكوم ترست الحيوي. وقد تم تمويل كار عن طريق منحة المشروع MRC MR / L002566 / 1 (تمنح للEJR وCLH)، والممول من قبل الوامق ARUK منحة 19479. كما نود أن نشكر منشأة وولفسون Bioimaging للحصول على المشورة التصوير.

كل الخطوات ضمن بروتوكول تتبع جامعة بريستول رعاية الحيوان والمبادئ التوجيهية الرعاية الاجتماعية وتلك من وزارة الداخلية في المملكة المتحدة. 1. التصور العضلية الهيكلية التشريح ملاحظة: لتصور شكل من العناصر الهيكلية، لتحديد العضلات وتحديد وضع المحدد من المرفقات العضلات، immunostain (القسم 1.1) الأسماك في العمر المناسب للميوسين الهيكل العظمي (الذي يكشف العضلات) والنوع الثاني الكولاجين (لتصور غضروف). بدلا من ذلك، تصور تشريح العضلات والعظام باستخدام خطوط مراسل الفلورسنت المعدلة وراثيا مثل الكولاجين مراسل A1 col2a1: mCherry 13،14 لتصور الغضروف وبطيئة الميوسين السلسلة الثقيلة مراسل smyhc: GFP 15 إلى تصور موقف إرفاق ملفات العضلات (القسم 1.2). خطوط بديلة بمناسبة الغضاريف والعضلات يمكن أن تعمل جيد على قدم المساواة. <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> نيون Immunostaining <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> إصلاح يرقة في زيادة 4٪ بارافورمالدهيد (PFA) في الفوسفات مخزنة المالحة (PBS) لمدة 1 ساعة. يغسل في برنامج تلفزيوني مع 0.1٪ توين 20 (PBT) ويذوى في 50٪ الميثانول (MeOH) في PBT و 100٪ MeOH لمدة 5 دقائق على التوالي. تحذير: PFA غير سامة، ويجب أن يتم التعامل معها وفقا لصحيفة سلامة المواد. ملاحظة: يمكن تخزين اليرقة في 100٪ MeOH حتى المطلوبة. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> ترطيب يرقة في 50٪ MeOH في PBT لمدة 5 دقائق. يغسل في PBT لمدة 5 دقائق. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> Permeabilize يرقة في التربسين 0.25٪ في PBT على الجليد لمدة 5-6 دقيقة. يغسل في 4X PBT لمدة 5 دقائق لكل منهما. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> منع لمدة 2-3 ساعة في 5٪ مصل في PBT. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> احتضان اليرقة في التخفيف الموصى بها من أرنب المضادة من نوع 2 الكولاجين والفأر الأجسام المضادة المقاومة للميوسين في 5٪ مصل في PBT لمدة 1 ساعة في درجة حرارة الغرفة أو بين عشية وضحاها في 4 درجات مئوية. ملاحظة: مجموعة التخفيف الموصى به هو عادة على ورقة بيانات الأجسام المضادة. اختيار الأجسام المضادة التي تثار ضد الأنواع المختلفة لبعضها البعض، والتي هي أيضا زراعية مختلفةالإيجار إلى الأنسجة. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> غسل 6X اليرقة لمدة 15 دقائق في PBT. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> منع لمدة 1-2 ساعة في 5٪ مصل في PBT. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> احتضان في الأجسام المضادة الثانوية في الظلام. استخدام fluorescently المسمى مكافحة فأر (550) والمضادة للأرنب (488) الأجسام المضادة الثانوية في التخفيف المناسبة في 5٪ مصل وPBT لالأجسام المضادة المحددة. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> غسل 6X لمدة 10 دقائق في كل PBT وصورة على مبائر المجهر 10X في أقرب وقت ممكن. </li></ol></li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> التصوير العضلية الهيكلية الهندسة <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> جبل اليرقات البطني على ساترة في الفاتر منخفض الاغاروز 0.3-0.5٪ نقطة انصهار (آخر دورة شهرية) في حل Danieau في 16. ملاحظة: الأسماك المعدلة وراثيا ستكون هناك حاجة إلى تخدير في 0.02٪ MS222 (تريكين methanesulfonate، ودرجة الحموضة 7) قبل التركيب وأثناء التصوير. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> خذ كومة صورة متحد البؤر في المنطقة ذات الاهتمام باستخدام عدسة الهدف 10X وتقريب رقمي 2.5x و تقريبا. إعداد الصور للقناة الخضراء والحمراء باستخدام نانومتر 488 و 561 نم يزر على التوالي. صورة في بكسل القرار 512 × 512 مع فاصل زمني بين الطائرات ض من 1.3 ميكرون و 3 متوسطات خط. وسيضم كومة مما أدى ما يقرب من 100 شرائح ض. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> تصدير البيانات على شكل سلسلة شجار. وتظهر التوقعات إلى أقصى حد من العضلات والغضاريف عناصر من اليرقة الزرد 5dpf في الشكل 1. </li></ol></li></ol> 2. توليد سطح 3D <ol style="margin-left: 40px;;text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> اختيار مجموعة بيانات تمثيلية لكل نقطة زمنية في 3 و 4 و 5 DPF (اختر بعد التصور من عينات متعددة). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> فتح 3-الأبعاد كومة شجار وتحديد كافة القنوات في برامج التحليل. انقر بزر الماوس الأيمن على قناة الغضروف واختر صورة مرشح وتمهيد: جاوس (الشكل 2B). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> في ضوء مشروع حق انقر على الصورة التي تمت تصفيتها واختر &#39;تقطيع الصورة&#39; ثم &#39;تعديل تسمية جديدة &quot;. إنشاء تسمية جديدة لكل مادة، أي الغضروف ويoint. حدد منطقة غضروف الصورة (الشكل 2C، إشارة البيضاء، الخطوط العريضة الأرجواني) باستخدام أداة العصا السحرية. استخدام أداة فرشاة لإزالة الضجيج من الخطوط. ملاحظة: إذا كنت تستخدم أداة العصا السحرية، انقر فوق &quot;جميع شرائح. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> حدد منطقة مشتركة مع أداة الفرشاة وتعيين إلى مكون مشترك (الشكل 2C، المخطط الأزرق) </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> شرائح متعددة ناعمة في آن واحد عن طريق تحديد تجزئة في القائمة العلوية والعلامات على نحو سلس. انقر بزر الماوس الأيمن على الصورة واختر توليد سطح لإنتاج سطح 3D تجعل من المكون (الشكل 2D). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> انقر على السطح وحفظ البيانات كملف hmascii للاستيراد إلى برنامج الربط. </li></ol> 3. حساب القوات العضلات لاستخدامه في FE نموذج <ol style="margin-left: 40px;;text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> حساب عدد الألياف العضلية من الصور مبائر من smyhc: GFP الزرد المعدلة وراثيا (الشكل 1A، رأس السهم، 1C) وقياس بقطرالعطر من الألياف لحساب مساحة المقطع صليبهم (πr 2). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> تحديد القوة المناسبة لكل وحدة مساحة العضلات من الأدب. واستخدمت القوة العضلية القصوى ولدت في وحدة المساحة للعضلات الهيكل العظمي الزرد اليرقات (40 ن ن / ميكرون 2) 17. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> حساب القوى من أجل كل مجموعة العضلات التشريحية بضرب عدد من الألياف ومنطقتهم من قبل القوة في وحدة المساحة. انظر الجدول 1. </li></ol> 4. توليد لشبكة <ol style="margin-left: 40px;;text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> استيراد نموذج 3D ولدت في القسم 2 (أعلاه) إلى مجموعة من البرامج قادرة على توليد شبكة العناصر المحدودة. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> توليد A2D شبكة من الغضروف والسطوح المشتركة باستخدام أداة يتقلص التفاف ضمن القائمة 2D. اختر حجم العنصر المناسب. ملاحظة: استخدام حجم عنصر بين 1.5-2.5. إذا لزم الأمر، وتوليد مجموعة من سطح 2D الحجم بشكل مختلف الحديدية لتنفيذ 3D شبكة الأمثل (القسم 4.4). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> القيام بعمليات تفتيش جودة شبكة وجدت تحت &quot;2D&gt; أدوات&gt; تحقق عناصر&quot; لوحة للتحقق من العناصر المكررة، الإدراج والاختراقات في شبكة. إصلاح زاوية زوجية باستخدام علامة التبويب فائدة في شجرة النموذج. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> توليد شبكة 3D من تنسجم سطح 2D من اختلاف حجم عنصر باستخدام subpanel 3D&gt; Tetramesh. ملاحظة: مقارنة نتائج أحجام شبكة مختلفة، واختيار النموذج FE بأقل حجم شبكة أن يتقاطع بعد مزيد من عمليات المحاكاة ولا تساوم تعريف الميزة. على سبيل المثال في الشكل (3) يحتوي على 1.5 مليون العناصر رباعي السطوح لغضاريف الفك السفلي، وكان حجم عنصر 2D من 2.0. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> تحويل شبكة بذلك نموذج الفك على نطاق وفقا كومة متحد البؤر باستخدام الهندسة&gt; بعد subpanel. ملاحظة: تأكد من الغضروف وترتبط مكونات مشتركة في النموذج من خلال تصدير نموذج المدمجة أو باستخدام العلاقات بين البلدين. </li></ol> 5. عنصر محدود وزارة الدفاعالبناء ايل <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> باستخدام البرمجيات التجارية العناصر المحدودة (FE)، خلق نموذج FE. باستخدام العضلات والغضاريف 3D المسمى مداخن متحد البؤر ولدت في القسم 1 كدليل، تعيين العقد التي تتوافق مع نقاط التعلق العضلات. إنشاء ناقلات بين عقدتين تمثل الأصل والإدراج من كل العضلات (الشكل 3). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> إنشاء جامع شحنة من &quot;التاريخ&quot; نوع لتطبيق &quot;تحميل C&quot; لكل عضلة. تحديد الحجم في نيوتن (المحسوبة في الخطوة 3.3) وتعيين ناقلات المرتبطة بها. ويبين الشكل 3 نقاط مرفق للفك السفلي المقرب (AM)، منقلة اللامي (PH) وintermandibularis (IM). ملاحظة: للحصول على هذه عضلات الفك، يتم توزيع أقصى قوة مقلص بين الأصل والإدراج بحيث يتم تطبيق 50٪ فقط من كل حمولة في كل موقع. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> تعيين خصائص المواد الخواص المرنة المناسبة على النحو الذي تحدده الأدب. معامل يونغ لغضروفوكانت interzone في هذا النموذج 1.1 ميجا باسكال و 0.25 ميجا باسكال على التوالي وكان نسبة بواسون 0.25 لكل من 18،19. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> إنشاء جامع حمولة من نوع &quot;الحدود&quot; لتطبيق القيود الأولية على النموذج. انتقل إلى علامة التبويب تحليل&gt; القيود وفي خلق subpanel، واختيار العقد على النموذج الذي ترغب في تقييد. حدد درجات الحرية (DOF) أن حركة الحد من النموذج إلى أفضل تقريب نطاقها الطبيعي للحركة. ملاحظة: تم تقييد هذا النموذج في الشكل (3) في جميع محاور الحركة (DOF: 1، 2، 3 تمثل س، ص و z على التوالي) في قرني لامي لتثبيته في الفضاء في منتصف نقطة في نموذج وفي محور y و ض عند النقطة التي تربط palatoquadrate إلى بقية الجمجمة الزرد (الشكل 3، الجدول 1). يجب أن تكون مقيدة نموذج في كل شعبة الشؤون المالية الثلاث في أقل عقدة واحدة. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> إنشاء &quot;تحميل خطوة، لكل نوع من أنواع الحركة التي ترغب في simulأكل (أي فتح، إغلاق)، ضمن القائمة تحليل وتحديد كافة الأحمال ذات الصلة (صنع في القسم 5.2) والقيود (صنع في القسم 5.4) لمحاكاة هذه الحركة. اختر &#39;ثابت&#39; من القائمة المنسدلة عند ظهوره. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> نموذج التصدير بما في ذلك شبكة، والأحمال والقيود وخصائص المواد في تنسيق الملف المناسب، في شكل هذه القضية &quot;.inp&quot;. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> نموذج الحمل في برامج التحليل FE. إنشاء وتنفيذ وظيفة للنموذج باستخدام وحدة العمل. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> تحليل الناتج عن الإجهاد، والتوتر، والتشريد، وما إلى ذلك وجدت في نتائج التبويب والقائمة التصور (الشكل 4 و 5). </li></ol> 6. التحقق من الفك التشوه / المهجرين المسافات <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> حدد 3-6 تيراغرام (Col2a1aBAC: mcherry) الزرد المعدلة وراثيا. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> بخفة تخدير اليرقات مع 0.02٪ MS222 حتى انتهوا إلى الاستجابة للمس ولكن قلوبهم لا تزال الضرب. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> جبلاليرقات أفقيا (في حين مخدرة) coverslips على في الفاتر 1٪ من آخر دورة شهرية الاغاروز (تتكون في حل Danieau ل). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> إزالة الاغاروز من حول الرأس والفك مع ملقط. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> طرد حل جديد Danieau ل(مع عدم وجود MS222) على رأس اليرقة لإزالة التخدير باستخدام ماصة باستور حتى تستأنف حركات الفم العادية. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> استخدام الفيلم التقاط برامج لاتخاذ مشرق الميدان عالية السرعة الفيديو من حركات الفم. خذ الأفلام من حول مدة دقيقة على أعلى معدل الإطار، أو كافية لتسجيل دورات متعددة من فتح الفك. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> اختيار الإطارات التي تظهر الفك مفتوحة إلى أقصى النزوح لها. قياس المسافة بين طرف الأمامي من غضروف ميكل والفك العلوي (غيض من لوحة الغربالية) في ميكرون. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> حساب متوسط ​​النزوح من يرقات الأسماك متعددة. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> استخراج البيانات النزوح من الطراز. استخدام متوسط ​​النزوح المحسوبة في 6.8 للتحقق من السلوك النزوح نموذجي ( <stronز&gt; الشكل 4). إذا ينحرف نموذج من المتوقع، تحليل الحساسية تشغيل عن طريق تغيير خصائص المواد بالتتابع والأحمال العضلات. </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>

الكتاب ليس لديهم ما يكشف. وقد طبع بعض البيانات في التين 3-5 من J.Biomech، 48 (12)، برانت وآخرون، والنمذجة عنصر محدود يتوقع تغييرات في شكل مشترك وسلوك الخلية بسبب فقدان شد عضلي في التنمية الفك، 3112-22. 2015، بإذن من السيفير 15.

وقد استخدمت نماذج عنصر محدود لربط المناطق من العناصر الهيكلية التي هي تحت ضغط مع تلك التي تتعرض لتكوين العظام 10، وكذلك لرسم خريطة للمناطق تحت الضغط خلال التحجر غضروفي والتشكل مشترك 8،12،21. وكانت دراسات أخرى أيضا قادرة على تطبيق نماذج النمو النظرية لتكرار التغييرات خلال التنمية المشتركة 11،12. هنا نعرض بروتوكول لبناء نماذج FE للنظام بسيط نسبيا، الفك الزرد 20. خلافا لأساليب بديلة لجمع الصور الخام للنماذج FE، مثل الفحص بالاشعة المقطعية 22، التصوير متحد البؤر من خطوط المعدلة وراثيا أو الزرد immunostained يسمح لأنسجة متعددة لدراستها. فإنه يمكن، بالتالي، تقديم معلومات مباشرة على نقاط التعلق العضلات فيما يتعلق الغضروف. ومن بين النماذج الفقاريات الزرد قابلة جدا للتلاعب الجيني والدوائي. توليد نماذج FE لالزردالغضروف القحفي يفتح حتى الآن إمكانية إجراء مزيد من الدراسة للتفاعل بين الميكانيكا الحيوية وعلم الوراثة في التشكل المشترك. وهناك عدد من الخطوات الحاسمة لعملية خلق نموذج FE. الأول هو توليد تمثيل دقيق ثلاثي الأبعاد للنظام. وهذا يتطلب التصوير في قرار مرتفع بما فيه الكفاية أن تحدد بوضوح حدود. لاحظ أنه حتى مع ارتفاع القرار التصوير لجعل سطح جيد واحد قد يكون لتذليل بعض المناطق. خطوة حاسمة أخرى هي تحديد موضع الصحيح للتحميل والقيود الصحيحة. ستفشل نموذج مقيدة بما فيه الكفاية لحلها وسوف وضع غير صحيح من الأحمال يسبب حركة غير طبيعية. بعض معالجة البيانات الخام (الشكل 2) ضروري كسطح المتولدة من البيانات الخام سيكون من الصعب شبكة (الشكل 2B). نحن تصفية البيانات باستخدام فلتر جاوس (الشكل 2C </sترونج&gt;) وأجرينا بعض الصقل اليدوي للمنحنيات لإنتاج مجموعة من الخطوط العريضة النظيفة التي يمكن تحويلها إلى سطح 3D. والكثير من تجانس يمكن أن يؤدي إلى &quot;ذاب&quot; السطحية التي فقدت الكثير من معالمه. اختيار حجم العنصر الصحيح هو عملية تكرارية مثل اختيار صغيرة جدا حجم عنصر يخلق كبيرة جدا شبكة الذي هو كثافة حسابيا. ومع ذلك، اختيار كبير جدا حجم العنصر سوف تنتج شبكة الذي فشل في تلخيص الشكل الصحيح للهيكل. وكانت شبكة الصحيحة أصغر حجم العناصر التي استولت على الشكل الصحيح من الفك وتلاقت على الحل الصحيح، التحقق منها باستخدام النزوح الفك. قد يكون من الضروري أيضا تعديل خصائص المواد أو حسابات الحمل لمحاكاة أفضل تشريد الصحيح كما الأعمار والأنواع المختلفة سيكون لها خصائص مختلفة إلى حد كبير. من المهم أن نتذكر أن هناك دائما حدود لنموذج افتراضي و<html> جعل ssumptions لتشغيل نماذج FE. عندما وضع نماذج فقط واحد أو عدد قليل من عينات من الأهمية بمكان لضمان أن عينة تمثيلية يتم اختيار كما أن هناك احتمالا أن تكون الاختلافات الصغيرة بين الأفراد. كما أدرجت فقط بعض العناصر الفك والعضلات، وهذا النموذج هو نسخة مبسطة من نظام العضلات والعظام القحفي الزرد. ولذلك، كان القيود على وضعه لحساب حيث العناصر الفك غرار سوف يربط مع بقية الجمجمة ونموذج مقيدة بشكل مصطنع في وسط لاصلاحها في &quot;الفضاء&quot;. لم هذا القيد الاصطناعي لن يؤثر على تفسير استخلاصها من نماذج مثل قرني لامي لم تحلل نفسها. إدراج أكثر من هيكل القحفي، خصوصا الأخرى الفك فتح العضلات مثل sternohyals والغضاريف المرفقة به 23، يمكن أن تضاف إلى هذا النموذج، وإنما تشمل القيود على قدرة النماذج الكبيرة للتشغيل في البرنامج عنصر محدود. <html> الصورة = &quot;jove_content&quot;&gt; الحد الآخر هو أننا لم غرار الرباط الإدراج، رغم أن هذا يمكن تحقيقه عن طريق إدخال الينابيع 8. كان واحدا افتراض الأخرى التي تقدمت بها في هذه الحالة أن هذا النموذج سوف تتصرف خطيا. وكانت مقادير من الضغوط على نماذج مماثلة لتلك التي في النماذج المنشورة وتطبيقها على خلايا في المختبر 10،24، مع سلالات يجري تحت 3500 وفوق -5000 μɛ بصرف النظر عن القيد والتعلق العضلات نقطة. لذلك، اعتبرت السلالات في المناطق ذات الصلة من طراز ضمن نطاق مقبول لنموذج خطي. الغضروف لا تتصرف تماما كمادة الخطية وسبق غرار كمادة poroelastic، مما مكن تحليل سلوك السوائل في نموذج 25. ان نشر نقاط التعلق العضلات بين مجموعة من العقد المحلية توزيع القوات الذروة وتمثل أكثر دقة الإدراج العضلات لعضلات معينة. والأنف والحنجرة &quot;&gt; استخدام FE يتيح إجراء تقييم للسلالات والضغوط بناء على الهيكل. وتقنية في كثير من الأحيان يتم استخدامه في العديد من التخصصات العلوم الحيوية بما في ذلك العظام، علم المتحجرات ومؤخرا البيولوجيا التطورية. نحن هنا تصف كيفية بناء فاس للالزرد الفك السفلي، وفي المستقبل يمكن تمديد هذه النماذج للنظر في الفك كله، بما في ذلك الحنك. تقنيات مماثلة يمكن استخدامها لنموذج الميكانيكا الحيوية في العمود الفقري في الأسماك، والتي حتى الآن لم معظمها تم دراستها من قبل وسائل الحركية.

محدود عنصر (FE) النمذجة هي تقنية الهندسة التي يمكن حساب حسابيا ورسم خريطة لحجم وموقع السلالات بناء على هيكل 1. يتكون نموذج للهيكل 3D، ممثلة شبكة من &quot;العناصر المحددة&quot;، ويخضع النتيجة النهائية للتحليل من قبل عدد من العوامل بما في ذلك هيكل وعدد من العناصر في شبكة، وحجم وموقع الميكانيكية الأحمال وخصائص المواد. خصائص المواد تصف جوانب معينة من السلوك مادة تحت نوع معين من الحمل. معامل يونج (E) يصف مرونة من المواد في حين يصف نسبة بواسون الانخفاض النسبي في عرض مادة طوله عند امتدت عينة. FE نماذج يمكن استخدامها لحساب مجموعة متنوعة من العوامل بما فيها التهجير، والإجهاد والضغط والإجهاد يتصرف على هذا النموذج من قبل مع الأخذ بعين الاعتبار إدخال البيانات فريدة من نوعها حول الهيكل &#39;؛ ق الشكل والموقع وحجم الأحمال وخصائص المواد المحددة. ويستخدم على نطاق واسع FE النمذجة في الهندسة (2) وعلى نحو متزايد لتقويم العظام 3 و الحفرية التطبيقات 4. وفي تطور معروفة قوات النشاط الحيوي ليكون بمثابة حافز في العديد من الخلايا لتنشيط استجابة خلايا 5-8 ومن المفيد للتنبؤ على حد سواء المواقف النسبية والمقادير من المحفزات الميكانيكية في تطوير أجهزة الجسم، ومع ذلك، في الوقت الحالي وقد FE النمذجة تستخدم إلا قليلا للتنمية الزرد. وقد تبين أن كلا الغضاريف والعظام أن تكون المواد mechanosensitive. على سبيل المثال، تم العثور في المختبر ضغط لتفعيل مسارات المولدة للغضروف، في حين ثبت التوتر أنها ضرورية لتكوين العظام 9. وقد استغلت FE التحليل (الهيئة الاتحادية للبيئة) لنموذج السلالات بناء على العينات البيولوجية، بما في ذلك أولئك الذين يعملون على عناصر الهيكل العظمي خلال العظام FOrmation 10. وتشمل التطبيقات الإنمائية الأخرى استخدامه للتنبؤ شكل مشترك بعد تعرضها لقوات النشاط الحيوي النظرية 11،12 ولإظهار نمط من السلالات الحالية خلال كتكوت الركبة التشكل مشترك 8. ويهدف هذا البروتوكول إلى تبادل الخبرات لتوليد السطوح 3-الأبعاد، تنسجم ونماذج عنصر محدود من الصور مبائر بهدف فهم اليات الأنسجة النامية. وتبين لنا أيضا طرق المصادقة على النماذج FE الرغم من التقاط المعلومات والتشريد مشتركة الحقيقية في الجسم الحي. بينما نستخدم الفك الزرد باعتباره نموذجا نفس تقنيات يمكن استخدامها على أي نظام البيولوجي الصغيرة التي يمكن الحصول على معلومات 3D على هيكل الجهاز العضلي الهيكلي بواسطة التصوير متحد البؤر أو 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.

المناعية للعضلة (الشكل 1A) والغضاريف (الشكل 1B) أو التصوير من الصحفيين المعدلة وراثيا (الشكل 1C) يسمح للهيكل 3D من الفك أن تصور، جنبا إلى جنب مع الجهاز العضلي المرتبطة بها. بواسطة التصوير بدقة عالية كان من الممكن لبناء نموذج الذي يلتقط كل من شكل ثلاثي الأبعاد من الفك (الشكل 2) والموقع ووضع الأحمال (الشكل 3). استخدام في نزوح فيفو ينظر من خلال التقاط فيديو عالي السرعة (الشكل 4) ونحن التحقق من أن مجموعة من الحركة في النموذج كان ضمن مجموعة واقعية. يمكن استخدام نماذج FE مرة واحدة المدى لعرض مجموعة من البيانات، مثل الإجهاد (الشكل 5A)، والحد الأدنى والحد الأقصى للسلالة الرئيسي (الشكل 5B - K). هذه النتائج هي ثلاثة قاتمة،<html> ensional ذلك نموذج يمكن تضخيم لمعرفة أنماط غرامة من التفاصيل (الشكل 5E، 5I) استدارة للحصول على وجهات النظر ذات الصلة (الشكل 5F، 5G، 5J، 5K) ومقطوع رقميا (الشكل 5E، 5E &#39;&#39;، 5I، 5I &#39;&#39;) لإظهار كيف أن أنماط من الإجهاد أو سلالة أو التغير في الضغط طوال هذا النموذج. ومن الممكن أيضا لاستخراج البيانات الكمية من طراز (لا يظهر). من خلال التحقق من نموذج وباستخدام أدق خصائص المواد، والأحمال وشبكة شكل نموذج FE يمكن استخدامها لاستكشاف أفضل تقدير للبيئة الميكانيكية التي تمر بها الخلايا خلال تلك النافذة التنمية. نتائج نموذج يمكن مقارنة مباشرة للتغيرات في السلوك الخلوية والتعبير الجيني 20. <html> إعادة 1 &quot;SRC =&quot; / ملفات / ftp_upload / 54811 / 54811fig1.jpg &quot;/&gt; الشكل 1: صور الممثل من العناصر العضلات والعظام من الفك السفلي الزرد في 5 DPF مداخن متحد البؤر التمثيلية للالفك السفلي من اليرقات 5dpf كلها تظهر مع الأمامي إلى أعلى (A) المناعية للA4.1025 التي بقع جميع الميوسين الهيكل العظمي (ب) المناعية لنوع الثاني الكولاجين الذي يصادف كل الغضروف (C) كومة من يرقة حية معربا عن صحفيين col2a1 المعدلة وراثيا: mCherry علامات الغضروف (الحمراء)، وsmyhc: GFP العضلات بطيئة (الأخضر). IA: intermandibularis الأمامي، PH: منقلة اللامي، AM: المقربة الفك السفلي، مرحبا: اللامي السفلي، مرحبا: اللامي متفوقة، CH: القصية اللامية، MC: غضروف ميكل، PQ: Palatoquadrate، CH: قرني لامي <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54811/54811fig1large.jpg" target="_blank">الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.</a> &quot;FO: المحافظة على together.within الصفحات =&quot; 1 &quot;&gt; <img alt="الشكل 2" src="/files/ftp_upload/54811/54811fig2.jpg" /> الشكل 2: جيل من سطح 3D من البيانات مبائر الصور تظهر الانتقال من البيانات مبائر إلى 3D سطح الفك السفلي الزرد مع التكبير العالي في المنطقة المشتركة. (أ) البيانات متحد البؤر الخام. (ب) الإدراجات بعد تطبيق فلتر التمويه. (ج) مخطط تصفيتها. سطح (D) 3D. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54811/54811fig2large.jpg" target="_blank">الرجاء النقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.</a> <img alt="الشكل (3)" src="/files/ftp_upload/54811/54811fig3.jpg" /> الشكل (3): شبكة الممثل تظهر القيود وناقلات قوة تنسجم التمثيلية لليرقة 5 DPF ل(A) إغلاق الفم و.(ب) فتح الفم. بقع بيضاء دلالة على الأماكن التي يتم تقييد نموذج والتي الأبعاد (على سبيل المثال، x و y أو X و Y و Z). خطوط بيضاء تدل على مواقع العضلات، مع ناقل القوة العضلية الرمز بواسطة السهام البيضاء. يظهر الأحمر الغضروف والاصفر interzone. تم تعديل هذا الرقم من المواد التكميلية التي نشرت سابقا في برانت وآخرون. 15. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54811/54811fig3large.jpg" target="_blank">يرجى النقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.</a> <img alt="الشكل (4)" src="/files/ftp_upload/54811/54811fig4.jpg" /> الرقم 4: اختبار الحساسية FE-نموذج محاكاة النزوح الفك في الزرد 5dpf لغضروف مختلفة والرجوعية يونغ interzone. الفك النزوح (مفتوح ليغلق في ميكرون) وضعت على الفك. سجلت باستخدام مفتاح اللون. كل نموذج (أ - L) لديها مجموعة مختلفة من الغضروف (ج = 1.1، 3.1، أو 6.1 ميجا باسكال) أو interzone (ط = 0.25، 0.5، 0.75، أو 1 ميجا باسكال) الخصائص. الأفقي السهم الأسود يسلط الضوء على قيمة النزوح الفك في غيض من غضروف ميكل (ويمثلها السهم الأسود العمودي). M و N لقطات من الفيديو من 5 يرقات DPF تبين الحد الأدنى، أي مغلق الفك (M) والحد الأقصى، أي الفك مفتوحة بالكامل (N) مع اثنين من فرضه (O) - خط أبيض حول O يمثل تشريد (43 ميكرون). في هذه الحالة النسبية خصائص غضروف 1.1 مع interzone 0.25 (أ) أفضل مباراة نزوح ينظر في الأسماك الحية (O). لوحات AL هذا الرقم يكون قد سبق نشرها في برانت وآخرون. 15. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54811/54811fig4large.jpg" target="_blank">الرجاء انقر هنا لعرض أكبر فرس</a>أيون من هذا الرقم. <img alt="الرقم 5" src="/files/ftp_upload/54811/54811fig5.jpg" /> الرقم 5: بيانات تمثيلية من نماذج المحاكاة FE FE-نموذج من جميع عضلات تطبيقها في 5 DPF يرقة (A - C). (A) فون ميزس (EMaxmin) (ب) سلالة الحد الأدنى الرئيسي (E مين. P، μɛ) (C) سلالة الرئيسي أقصى (E ماكس. P.، μɛ). محاكاة FE-نموذج من السلالات الرئيسية القصوى والدنيا خلال فتح الفك. (D - K): سلالة الرئيسي أقصى (. إي ماكس P.، μɛ) في (د) عرض الفك بطني و (E) عرض مشترك بطني (E) يبين موقع أقسام الداني القاصي من خلال غضروف ميكل المشتركة وinterzone في (E &#39;) و (E&#39; &#39;)، على التوالي. (F): الجانبيالفك الرأي. (G): عرض مشترك الجانبي. (H - K): سلالة الرئيسي الحد الأدنى (هاء مين P، μɛ) في (H) عرض الفك بطني و(I) عرض مشترك بطني. (I) ويبين موقع المقاطع الداني القاصي من خلال مشترك غضروف ميكل وinterzone في (أنا &#39;) و (أنا&#39; &#39;) على التوالي (J): الجانبي عرض الفك. (K): عرض مشترك الجانبي. وقد تم هذا الرقم المنشور سابقا في برانت وآخرون. 15. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54811/54811fig5large.jpg" target="_blank">يرجى النقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.</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> عدد من الألياف العضلية </td><td> منطقة الألياف العضلية (ميكرون 2) </td><td> منطقة مجموعة العضلات (ميكرون2) </td><td> قوة (N) </td></tr><tr><td> 5 DPF intermandibularis الأمامي </td><td> 5 </td><td> 23.8 </td><td> 119 </td><td> 4.76e-6 </td></tr><tr><td> 5 DPF منقلة اللامي </td><td> 6 </td><td> 23.8 </td><td> 142.8 </td><td> 5.71e-6 </td></tr><tr><td> 5 DPF المقرب الفكية </td><td> 9 </td><td> 23.8 </td><td> 214.2 </td><td> 8.57e-6 </td></tr></tbody></table> الجدول 1: الكمي العضلات. محسوب متوسط قوات العضلات لIntermandibularis الأمامي، المقرب للفك والمنقلة اللامي في 5 DPF باستخدام 40 ن ن / ميكرون 2 (القيمة في وحدة المساحة المأخوذة من الإشارة 17). (Lorga وآخرون، 2011) (ن = 3).

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

بناء نماذج العناصر المحدودة لدراسة الميكانيكا الحيوية لفك الزرد | علم الأحياء التنموي | فيديو

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.

بناء نماذج العناصر المحدودة المعنية بالتحقيق في الزرد الفك الميكانيكا الحيوية

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

Research

Education

JoVE Journal

JoVE Core

Biology

Developmental Biology

Human Biology

Musculoskeletal System

SCIENTISTS IN ACTION

9.2K 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 زرع الأجنة الزرد

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.

علاج المخدرات و<em&gt; في فيفو</em&gt; التصوير من خلية بناء العظم، تآكل العظام Osteoclast التفاعلات في نموذج الميداكا السمك هشاشة العظام

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.

تحويل الزرد الفتاكة Penetrance متحولة الهيكل العظمى بذرية اختبار

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.

نماذج الإصابة الزرد الكبار دراسة آثار البردنيزولون في تجديد أنسجة العظام

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.

طرق لدراسة بربل الفكين اسماك الزرد

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.

في الوقت الحقيقي والقياس المتكرر لنمو العضلات الهيكلية في أسماك الزرد الحية الفردية المعرضة لنشاط كهربائي متغير

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>إزالة قشور الزرد للزراعة ودراسات بيولوجيا العظام

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>أضواء الكاتب: تطوير أبحاث نشاط خلايا العظام باستخدام قشور الزرد

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.

تقنية الاستزراع في المختبر لدراسة الديناميكيات الخلوية في قشور أسماك الزرد

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.

تحليل الجمجمة التشكل في الزرد عن طريق 4D متحد البؤر المجهري

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 ...

بناء نماذج العناصر المحدودة المعنية بالتحقيق في الزرد الفك الميكانيكا الحيوية

Summary

Explore More Videos

Chapters in this video

Microbead زرع الأجنة الزرد

علاج المخدرات و

تحويل الزرد الفتاكة Penetrance متحولة الهيكل العظمى بذرية اختبار

نماذج الإصابة الزرد الكبار دراسة آثار البردنيزولون في تجديد أنسجة العظام

طرق لدراسة بربل الفكين اسماك الزرد

في الوقت الحقيقي والقياس المتكرر لنمو العضلات الهيكلية في أسماك الزرد الحية الفردية المعرضة لنشاط كهربائي متغير

تقنية الاستزراع في المختبر لدراسة الديناميكيات الخلوية في قشور أسماك الزرد

تقنية الاستزراع في المختبر لدراسة الديناميكيات الخلوية في قشور أسماك الزرد

تقنية الاستزراع في المختبر لدراسة الديناميكيات الخلوية في قشور أسماك الزرد

تحليل الجمجمة التشكل في الزرد عن طريق 4D متحد البؤر المجهري