A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.
Method Article
מחקר זה מתאר את השיטה לדמיין ולפתח מודלים תלת-ממדיים (תלת-ממדיים) של אוסטיאוציטים בתוך הרשת הלאקונרית-קנאליקולרית (LCN) לניתוח דינמיקת נוזלים חישובית (CFD). המודלים שנוצרו בשיטה זו מסייעים להבין אוסטיאוציטים mechanosensation בעצמות בריאות או חולות.
אוסטיאוציטים הם תאי עצם שנחשבים כמגיבים לזנים מכניים וללחץ גזירה של זרימת נוזלים (FFSS) על ידי הפעלת מסלולים ביולוגיים שונים בתהליך המכונה מכנוטרנסדוקציה. מודלים קונפוקליים של רשתות אוסטיאוציטים הם כלי רב ערך לביצוע ניתוח Computational Fluid Dynamics (CFD) להערכת עומסי גזירה על קרום האוסטאוציטים, שלא ניתן לקבוע באמצעות מדידה ישירה. מודלים חישוביים באמצעות תמונות ברזולוציה גבוהה אלה של הארכיטקטורה המיקרו-מבנית של העצם שימשו כדי לדמות מספרית את העומס המכני המופעל על העצם ולהבין את הגירוי המושרה על ידי עומס של אוסטיאוציטים.
מחקר זה מרחיב את השיטות לפיתוח מודלים תלת-ממדיים של אוסטיאוציטים בודדים באמצעות תמונות מיקרוסקופ קונפוקלי של רשת Lacunar-Canalicular Network (LCN) לביצוע ניתוח CFD תוך שימוש בתוכנות מידול חישוביות שונות. לפני מיקרוסקופיה קונפוקלית, עצמות העכבר חתוכות ומוכתמות בצבע פלואורסצאין איזותיוציאנט (FITC) כדי לסמן את LCN. ברזולוציה של 100x, תמונות Z-stack נאספות באמצעות מיקרוסקופ קונפוקלי ומיובאות לתוכנת MIMICS (תוכנת עיבוד מבוססת תמונה תלת-ממדית) כדי לבנות מודל פני שטח של תהליכי LCN ואוסטאוציטים-דנדריטים.
לאחר מכן משטחים אלה מופחתים באמצעות פעולה בוליאנית בתוכנת 3-Matic (תוכנת אופטימיזציה לנתונים תלת-ממדית) כדי למדל את החלל הנוזלי הלאקונרי סביב גוף התא האוסטיאוציטי ואת החלל הקנליקולרי סביב הדנדריטים המכילים נוזל לאקונוקנליקולרי. גיאומטריית נוזל נפחי תלת מימדית מיובאת לתוכנת ANSYS (תוכנת סימולציה) לניתוח CFD. ANSYS CFX (CFD תוכנה) משמשת להפעלת עומס פיזיולוגי על העצם כלחץ נוזלים, ונקבעים לחצים על האוסטיאוציטים והתהליכים הדנדריטיים. המורפולוגיה של LCN משפיעה על ערכי עקת הגזירה שחשים קרום התא האוסטיאוציטי ותהליכי התא. לכן, הפרטים על האופן שבו מודלים מבוססי תמונה קונפוקלית מפותחים יכולים להיות בעלי ערך בהבנת אוסטיאוציטים מכנוסנסציה ויכולים להניח את היסודות למחקרים עתידיים בתחום זה.
אוסטיאוציטים מניחים לווסת את מסת העצם בתגובה לפעילות גופנית1. עיוות ממברנה של אוסטיאוציטים והתהליכים הדנדריטיים שלהם עקב עומס מכני, חושף אותם ל- FFSS, אשר מזוהה על ידי האוסטיאוציטים ומפעיל איתות תוך תאי 2,3,4. מיקרו-מבנה העצם עובר הידרדרות או שינויים במורפולוגיה הלאקונרית-קנאליקולרית שלו עקב הזדקנות או מחלות עצם כגון אוסטאופורוזיס וסוכרת ובמצבים כגון מחסור בפרלקן הגורם לפגיעה בתגובת מכנו של אוסטיאוציטים 5,6. שינויים אלה בארכיטקטורת העצם גורמים לאוסטיאוציטים לחוות רמות שונות של FFSS וזנים 7,8. חשוב לציין, FFSS שחווים אוסטיאוציטים בתגובה לעומס מכני קשה לכימות in vivo מכיוון שהם מוטמעים במטריצת העצם המסוידת.
מודלים מבוססי תמונה קונפוקלית היא טכניקה רבת עוצמה להתגבר על המגבלות של חקר אוסטיאוציטים בלתי נגישים בסביבתם הטבעית על ידי שכפול מודלים ממוחשבים של LCN 9,10. עיבוד ומידול הרשת המחוברת של LCN בתלת-ממד היה מאתגר. קיימות מספר טכניקות הדמיה, כגון מיקרוסקופ אלקטרונים תמסורת (TEM), מיקרוסקופ אלקטרונים סורק (SEM), חתך פנים של בלוקים טוריים ומיקרוסקופ אלקטרונים לסריקת קרן יונים ממוקדת טורית (FIB/SEM)2,11,12. טכניקה רבת ערך פותחה כדי לדמיין עצם 13,14,15 וליצור מודלים תלת ממדיים של אוסטיאוציטים באמצעות מיקרוסקופ סריקת לייזר קונפוקלי (CLSM). CLSM נבחרה כאן למידול חישובי ולא לטכניקות הדמיה אחרות בשל יכולתה לצלם את כל נפח הלקונה ואת רוב הקנליקולי בתלת מימד16,17. ניתן ליצור את גאומטריית LCN באמצעות CLSM עבור ניתוח אלמנטים סופיים של אוסטיאוציטים (FEA) לחיזוי זני עצם. עם זאת, ניתוח נוזלים כדי לחזות FFSS שחווים אוסטיאוציטים הוא מסובך יותר מכיוון שהוא דורש מידול של קרום התא של האוסטיאוציטים והדנדריטים שלו בתוך LCN כדי לאפשר מידול של החלל הלאקונרי-קנליקולרי הצר, שבו הנוזל הבין-תאי נע סביב18.
בפרוטוקול זה, צבע פלואורסצאין איזותיוציאנט (FITC) מוחל על חלקי עצם עבים לא מסוידים לפני מיקרוסקופ קונפוקלי כדי לתייג את LCN בתוך העצם, וממברנות אוסטיאוציטים-דנדריטיות מודלות על סמך נתוני הדמיה מה-LCN. המרחב הלאקונרי-קנליקולרי מדומה באמצעות מודלים חישוביים, ועומס פיזיולוגי כתוצאה מפעילות גופנית ממודל באמצעות גישת CFD. האוסטיאוציטים נתונים לשיפוע לחץ נוזל בתוכנת CFD כדי לנתח את פרופיל הנוזל בתוך ה- LCN ולמדוד FFSS על האוסטיאוציטים והקרומים הדנדריטיים. יתר על כן, גישת FEA יכולה למדוד זנים או לחצים של אוסטיאוציטים על ידי הפעלת עומס מכני דחוס.
טכניקת שינוי גיאומטריה פותחה גם כדי לשנות את המיקרו-מבנים הנגזרים מתמונות של עצם צעירה ובריאה על מנת לדמות את המורפולוגיה הלאקונרית-קנאליקולרית שהשתנתה בבעלי חיים זקנים או באלה עם מחלות עצם. שינויים במיקרו-מבנה העצם כללו הפחתת מספר הקנליקולי עם ההזדקנות, הקטנת שטח החלל הלאקונרי-קנליקולרי כדי למדל מה קורה במחסור בפרלקן והגדלתו להשפעות הזדקנות מודל, והקטנת שטח הדופן הקנליקולרית והדנדריטית למודל עצם סוכרתית 5,6. טכניקת שינוי הגיאומטריה מאפשרת לנו להשוות FFSS שחווים אוסטיאוציטים בעצמות עם מיקרו-מבנים שונים, כגון צעירים לעומת זקנים או עצמות בבעלי חיים בריאים לעומת חולים.
באופן כללי, מידול מבוסס תמונה קונפוקלית הוא כלי רב ערך להדמיית המורפולוגיה של אוסטיאוציטים בעצמות בריאות, כמו גם בשינויים הקשורים להזדקנות / מחלות במורפולוגיה של אוסטיאוציטים. יתר על כן, פרמטרים מורפולוגיים של אוסטיאוציטים, כגון שטח הפנים ונפח החלל הלאקונרי-קנאליקולרי, ניתנים למדידה ולהשוואה בעצמות שונות כדי לחזות תגובות תאיות למתח מכני.
ניסויים בבעלי חיים בוצעו באישור הוועדה המוסדית לטיפול ושימוש בבעלי חיים באוניברסיטת מיזורי, קנזס סיטי (UMKC), ותאמו את ההנחיות הפדרליות הרלוונטיות.
1. תהליך הכנת העצם
2. מיקרוסקופ קונפוקלי
3. דוגמנות מחשב
4. טכניקת שינוי גיאומטריה בתוכנת עיבוד מבוססת תמונה תלת ממדית ובתוכנת אופטימיזציה לנתונים תלת ממדית
הערה: טכניקת שינוי הגיאומטריה משמשת למדל שינויים במורפולוגיה של אוסטיאוציטים, כגון צפיפות וקוטר של תעלה ועובי לאקונר-קנליקולרי עקב הזדקנות או מחלת עצמות.
5. ניתוח CFD
הערה: לאחר יצירת המודלים של אוסטיאוציטים נפחיים, מתבצעים מספר שלבים, כולל גיאומטריה, רשת והתקנה, במודול CFX של תוכנת הסימולציה.
6. עיבוד פוסט CFD
פרוטוקול זה מתאר כיצד לפתח מודלים של אוסטיאוציטים שמקורם בקונפוקליים כדי לחקור את כמות זרימת הנוזלים, לחץ הגזירה שאוסטיאוציטים והתהליכים הדנדריטיים שלו נתונים לו עקב עומס מכני. עכבר C57BL6 זקן ועכבר צעיר נבחרו לבנות מודלים אוסטיאוציטים מבוססי תמונה קונפוקלית צעירה ומבוג...
פרוטוקול זה מתאר טכניקת הדמיה קונפוקלית להדמיה ומידול חישובי של האוסטיאוציטים. לפני הדמיה קונפוקלית מתבצע תהליך הכנת העצם לחתך והכתמת דגימות עצם. תמונות קונפוקליות בהגדלה של פי 100 מיובאות לתוכנות שונות כדי לפתח מודלים ממוחשבים של אוסטיאוציטים והמרחב הלאקונרי-קנליקולר...
למחברים אין מה לחשוף.
המחברים רוצים להודות לקרן הלאומית למדע (NSF, מספר פרס NSF-CMMI-1662284 PI: T Ganesh), המכון הלאומי לבריאות (NIH - NIA P01 AG039355 PI: LF Bonewald) ו- (NIH/SIG S10OD021665 ו- S10RR027668 PI: SL Dallas), ולתוכנית מענקי המחקר של בית הספר ללימודים מתקדמים של אוניברסיטת מיזורי-קנזס סיטי.
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 |
Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article
Request PermissionThis article has been published
Video Coming Soon
Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved