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Method Article
In dieser Studie wird die Methode zur Visualisierung und Entwicklung dreidimensionaler (3D) Modelle von Osteozyten innerhalb des lakunar-kanalikulären Netzwerks (LCN) für die CFD-Analyse (Computational Fluid Dynamics) beschrieben. Die mit dieser Methode generierten Modelle helfen, die Mechanoempfindung von Osteozyten in gesunden oder kranken Knochen zu verstehen.
Osteozyten sind die Knochenzellen, von denen angenommen wird, dass sie auf mechanische Dehnungen und Fluidströmungsscherstress (FFSS) reagieren, indem sie verschiedene biologische Signalwege in einem Prozess aktivieren, der als Mechanotransduktion bekannt ist. Konfokale bildabgeleitete Modelle von Osteozytennetzwerken sind ein wertvolles Werkzeug für die Durchführung von CFD-Analysen (Computational Fluid Dynamics) zur Bewertung von Scherspannungen auf der Osteozytenmembran, die nicht durch direkte Messung bestimmt werden können. Die computergestützte Modellierung unter Verwendung dieser hochauflösenden Bilder der mikrostrukturellen Architektur des Knochens wurde verwendet, um die auf den Knochen ausgeübte mechanische Belastung numerisch zu simulieren und die belastungsinduzierte Stimulation von Osteozyten zu verstehen.
In dieser Studie werden die Methoden zur Entwicklung von 3D-Einzelosteozytenmodellen unter Verwendung von konfokalen Mikroskopbildern des Lacunar-Canalicular Network (LCN) erläutert, um CFD-Analysen unter Verwendung verschiedener Computermodellierungssoftware durchzuführen. Vor der konfokalen Mikroskopie werden die Knochen der Maus geschnitten und mit Fluorescein-Isothiocyanat (FITC)-Farbstoff gefärbt, um die LCN zu markieren. Bei 100-facher Auflösung werden Z-Stapel-Bilder mit einem konfokalen Mikroskop aufgenommen und in die MIMICS-Software (3D-Bildbearbeitungssoftware) importiert, um ein Oberflächenmodell des LCN und der Osteozyten-dendritischen Prozesse zu erstellen.
Diese Oberflächen werden dann mit einer booleschen Operation in der 3-Matic-Software (3D-Datenoptimierungssoftware) subtrahiert, um den lakunaren fluidischen Raum um den Osteozytenzellkörper und den Kanalraum um die Dendriten mit lakunokanalikulärer Flüssigkeit zu modellieren. Die volumetrische 3D-Fluidgeometrie wird für die CFD-Analyse in die ANSYS-Software (Simulationssoftware) importiert. ANSYS CFX (CFD-Software) wird verwendet, um den Knochen physiologisch als Flüssigkeitsdruck zu belasten und die Wandschubspannungen auf die Osteozyten und dendritischen Prozesse zu bestimmen. Die Morphologie des LCN beeinflusst die Scherspannungswerte, die von der Osteozytenzellmembran und den Zellprozessen wahrgenommen werden. Daher können die Details, wie konfokale bildbasierte Modelle entwickelt werden, für das Verständnis der Osteozyten-Mechanoempfindung wertvoll sein und die Grundlage für zukünftige Studien in diesem Bereich bilden.
Es wird postuliert, dass Osteozyten die Knochenmasse als Reaktion auf körperliche Betätigung regulieren1. Die Membrandeformation von Osteozyten und ihre dendritischen Fortsätze aufgrund mechanischer Belastung unterwirft sie einer FFSS, die von den Osteozyten detektiert wird und die intrazelluläre Signalübertragung auslöst 2,3,4. Die Knochenmikrostruktur erfährt eine Verschlechterung oder Veränderung ihrer lakunar-kanalikulären Morphologie aufgrund von Alterung oder Knochenerkrankungen wie Osteoporose und Diabetes sowie bei Erkrankungen wie Perlikanmangel, der zu einer Beeinträchtigung der Mechano-Reaktionsfähigkeit der Osteozyten führt 5,6. Diese Veränderungen in der Knochenarchitektur führen dazu, dass Osteozyten unterschiedliche FFSS- und Dehnungsniveaus aufweisen 7,8. Wichtig ist, dass die FFSS, die Osteozyten als Reaktion auf mechanische Belastung erfahren, in vivo schwer zu quantifizieren ist, da sie in die verkalkte Knochenmatrix eingebettet sind.
Die konfokale bildbasierte Modellierung ist eine leistungsfähige Technik, um die Einschränkungen bei der Untersuchung unzugänglicher Osteozyten in ihrer natürlichen Umgebung durch die Replikation von Computermodellen des LCNzu überwinden 9,10. Die Verarbeitung und Modellierung des miteinander verbundenen Netzwerks von LCN in 3D war eine Herausforderung. Es gibt verschiedene bildgebende Verfahren, wie z. B. die Transmissionselektronenmikroskopie (TEM), die Rasterelektronenmikroskopie (REM), das serielle Blockflächenschneiden und die seriell fokussierte Ionenstrahl-Rasterelektronenmikroskopie (FIB/REM)2,11,12. Es wurde eine wertvolle Technik entwickelt, um den Knochen 13,14,15 zu visualisieren und 3D-Osteozytenmodelle mittels konfokaler Laser-Scanning-Mikroskopie (CLSM) zu erzeugen. CLSM wurde hier für die Computermodellierung anstelle anderer bildgebender Verfahren gewählt, da es in der Lage ist, das gesamte Lückenvolumen und den größten Teil der Canaliculi in 3D abzubilden16,17. Die LCN-Geometrie kann mit CLSM für die Osteozyten-Finite-Elemente-Analyse (FEA) generiert werden, um Knochendehnungen vorherzusagen. Die Flüssigkeitsanalyse zur Vorhersage der FFSS bei Osteozyten ist jedoch komplizierter, da sie die Modellierung der Zellmembran des Osteozyten und seiner Dendriten innerhalb des LCN erfordert, um die Modellierung des engen lakunar-kanalikulären Raums zu ermöglichen, in dem sich die interstitielle Flüssigkeit um18 bewegt.
In diesem Protokoll wird der Farbstoff Fluoresceinisothiocyanat (FITC) vor der konfokalen Mikroskopie auf nicht entkalkte dicke Knochenabschnitte aufgetragen, um das LCN im Knochen zu markieren, und Osteozyten-dendritische Membranen werden auf der Grundlage von Bildgebungsdaten des LCN modelliert. Der lakunar-kanalikuläre Raum wird mit Hilfe von Computermodellen simuliert, und die physiologische Belastung durch körperliche Aktivität wird mit einem CFD-Ansatz modelliert. Die Osteozyten werden in der CFD-Software einem Flüssigkeitsdruckgradienten ausgesetzt, um das Flüssigkeitsprofil im LCN zu analysieren und FFSS an den Osteozyten und dendritischen Membranen zu messen. Darüber hinaus kann ein FEA-Ansatz Osteozytendehnungen oder -spannungen durch Anwendung mechanischer Druckbelastung messen.
Es wurde auch eine Technik zur Modifikation der Geometrie entwickelt, um die Mikrostrukturen, die aus Bildern jungen, gesunden Knochens abgeleitet wurden, zu modifizieren, um die veränderte lakunarkanalikuläre Morphologie bei älteren Tieren oder solchen mit Knochenerkrankungen zu simulieren. Zu den Veränderungen der Knochenmikrostruktur gehörten die Verringerung der Anzahl der Canaliculi mit zunehmendem Alter, die Verkleinerung der lakunar-kanalikulären Raumfläche, um zu modellieren, was bei Perlikanmangel passiert, und deren Vergrößerung, um Alterungseffekte zu modellieren, und die Verkleinerung der kanalikulären und dendritischen Wandfläche, um den diabetischen Knochenzu modellieren 5,6. Die Technik der Geometriemodifikation ermöglicht es uns, FFSS von Osteozyten in Knochen mit unterschiedlichen Mikrostrukturen zu vergleichen, wie z. B. jung und alt oder Knochen bei gesunden und kranken Tieren.
Insgesamt ist die konfokale bildbasierte Modellierung ein wertvolles Werkzeug für die Simulation der Morphologie von Osteozyten in gesundem Knochen sowie für alters-/krankheitsbedingte Veränderungen in der Osteozytenmorphologie. Darüber hinaus können morphologische Parameter der Osteozyten, wie z.B. Oberfläche und Volumen des lakunar-kanalikulären Raums, in verschiedenen Knochen gemessen und verglichen werden, um zelluläre Reaktionen auf mechanische Belastung vorherzusagen.
Die Tierversuche wurden mit Genehmigung des Institutional Animal Care and Use Committee an der University of Missouri, Kansas City (UMKC) durchgeführt und entsprachen den einschlägigen Bundesrichtlinien.
1. Prozess der Knochenvorbereitung
2. Konfokale Mikroskopie
3. Computermodellierung
4. Geometrieänderungstechnik in der 3D-bildbasierten Verarbeitungssoftware und der 3D-Datenoptimierungssoftware
HINWEIS: Die Technik der Geometriemodifikation wird verwendet, um Veränderungen in der Osteozytenmorphologie zu modellieren, wie z. B. die Kanaldichte und den Durchmesser sowie die lakunar-kanalikuläre Dicke aufgrund von Alterung oder Knochenerkrankungen.
5. CFD-Analyse
HINWEIS: Nach der Generierung der volumetrischen Osteozytenmodelle werden mehrere Schritte, einschließlich Geometrie, Netz und Einrichtung, im CFX-Modul der Simulationssoftware durchgeführt.
6. CFD-Nachbearbeitung
Dieses Protokoll beschreibt, wie konfokale Osteozytenmodelle entwickelt werden können, um die Menge an Fluidströmungsscherspannungen zu untersuchen, denen ein Osteozyten und seine dendritischen Prozesse aufgrund mechanischer Belastung ausgesetzt sind. Eine gealterte und eine junge C57BL6-Maus wurden ausgewählt, um konfokale bildbasierte Osteozytenmodelle für junge und ältere Menschen zu erstellen. Sechs weitere simulierte Osteozytenmodelle wurden aus demselben jungen Osteozytenmodel...
Dieses Protokoll beschreibt ein konfokales Bildgebungsverfahren zur Visualisierung und computergestützten Modellierung der Osteozyten. Vor der konfokalen Bildgebung wird der Knochenvorbereitungsprozess für das Schneiden und Färben von Knochenproben durchgeführt. Konfokale Bilder mit 100-facher Vergrößerung werden in verschiedene Software importiert, um Computermodelle von Osteozyten und dem lakunar-kanalikulären Raum zu entwickeln. Abschließend wird eine CFD-Analyse an den konfok...
Die Autoren haben nichts offenzulegen.
Die Autoren danken der National Science Foundation (NSF, Fördernummer NSF-CMMI-1662284 PI: T Ganesh), dem National Institute of Health (NIH - NIA P01 AG039355 PI: LF Bonewald) und (NIH/SIG S10OD021665 und S10RR027668 PI: SL Dallas) sowie dem Forschungsstipendienprogramm der University of Missouri-Kansas City School of Graduate Studies.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
1,200 Grit sandpaper | Buehler | 30-5170-012-100 | |
3-Matic software | Materialise | https://www.materialise.com/en/industrial/software/3-matic | 3D data optimization software |
600 grit sandpaper | Buehler | 30-5118-600-100 | |
800 Grit sandpaper | Buehler | 30-5170-800-100 | |
ANSYS software | ANSYS | https://www.ansys.com/ | simulation software |
Fluorescein Isothiocyanate (FITC) | Sigma-Aldrich | F7250 | |
ImageJ software | https://imagej.net/ij/ | ||
Immersion Oil for Microscopes | Leica Microsystems | 195371-10-9 | |
Leica TCS Sp5 II confocal microscope | Leica Microsystems | TCS Sp5 II | |
Leitz 1600 inner hole diamond saw | Leica | ||
MIMICS Innovation Suite software | Materialise | https://www.materialise.com/en/healthcare/mimics-innovation-suite | 3D image-based processing software |
Permount mount medium | Fisher scientific | SP15-500 | |
Sampl-Kwick Fast Cure Acrylic Kit | Buehler | 20-3560 | |
Single Platform Laboratory Shaker | Reliable scientific INC | Model 55S |
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