Name: Sagittal Suture Expansion Surgery to Prepare Mouse Suture Expansion Model
Uploaded: 2023-08-18T12:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Sagittal Suture Expansion Surgery to Prepare Mouse Suture Expansion Model at JoVE.com

sagittal suture expansion surgery to prepare mouse suture expansion model

3D-visualisatie van botremodellering onder trekbelasting in muizen met hechtdraadexpansie

Craniofacial sutures are fibrous tissues that connect craniofacial bones and play essential roles in the growth and remodeling of craniofacial bones. The structure of the suture resembles a river, providing a flow of cell resources to nourish and build the &#34;river bank&#34;, known as the osteogenic fronts, which contribute to the formation of craniofacial bones via intramembranous osteogenesis1.
Interest in craniofacial sutures has been driven by clinical needs to understand premature closure of cranial sutures and facial suture dysfunction, which may lead to craniofacial deformities and even life-threatening conditions in children. Open suturectomy is routinely used in clinical treatment, but long-term follow-up has shown incomplete re-ossification recurrence in some patients2. Minimally invasive craniotomy assisted by expansion springs or endoscopic stripe craniectomy may provide a safer approach to preserving the potential suture rather than discarding the tissues3. Similarly, orthopedic therapies such as facemasks and expansion appliances have been widely used to treat sagittal or horizontal maxillary hypoplasia, with some studies extending the age limitation to treat adult patients via miniscrew-assisted palatal expanders4,5,6. Additionally, cranial suture regeneration with mesenchymal stem cells (MSCs) combined with biodegradable materials is a potential therapy in the future, offering a novel direction for the treatment of related diseases7. However, the function process or regulatory mechanism of sutures remains elusive.
Bone remodeling mainly consists of a balance between bone formation conducted by osteoblasts and bone resorption conducted by osteoclasts, where osteogenic differentiation of stem cells stimulated by mechanical signals plays an important role. After decades of research, it has been found that craniofacial sutures are highly plastic mesenchymal stem cell niches8. Suture stem cells (SuSCs) are a heterogeneous group of stem cells, belonging to mesenchymal stem cells (MSCs) or bone stem cells (SSCs). SuSCs are labeled in vivo by four markers, including Gli1, Axin2, Prrx1, and Ctsk. Gli1+ SuSCs, in particular, have strictly verified the biological characteristics of stem cells, not only exhibiting high expression of typical MSC markers but also demonstrating excellent osteogenic and chondrogenic potential9. Previous research has shown that Gli1+ SuSCs actively contribute to new bone formation under tensile force, identifying them as the suture stem cell source supporting distraction osteogenesis10.
In the past, extensive mechanical characteristics of stem cells were studied in vitro via Flexcell, four-point bending, micro-magnet loading system, and others. Although mouse cranial suture-derived mesenchymal cells have been identified in vitro11, and human suture mesenchymal stem cells have also been isolated recently12, the biomechanical response of suture cells remains unclear in the in vitro system. To further investigate the bone remodeling process, a suture expansion model based on isolated calvaria organ culture has been established, paving the way for establishing a useful in vivo suture expansion model1,13. Rabbits14 and rats15 have been the most widely used animals in basic research for suture expansion. However, mice are preferred animal models for exploring human disease due to their highly homologous genome with humans, numerous gene modification lines, and strong reproductive hybridization ability. Existing mouse models of cranial suture expansion typically rely on stainless steel orthodontic spring wires to apply tensile force to the sagittal suture16,17. In these models, two holes are made in each side of the parietal bones to fix the expansion device, and the wires are embedded under the skin, which may affect the cell activation mode.
Regarding the visualization method, the two-dimensional observation of slices in the sagittal direction has been generally adopted for decades. However, considering that bone remodeling is a complex three-dimensional dynamic process, obtaining complete three-dimensional information has become an urgent need. The PEGASOS tissue transparency technique emerged to meet this requirement18,19. It offers unique advantages for the transparency of hard and soft tissues, enabling the complete bone remodeling process to be reproduced in three-dimensional space.
To gain a deeper and more comprehensive understanding of the physiological changes in the bone remodeling periods, a standard sagittal suture expansion mouse model with a spring setting between the handmade holders was established10. With a standardized acid etching and bonding procedure, the expansion device could be firmly bonded to the cranial bone, generating a tensile force perpendicular to the sagittal suture. Furthermore, the PEGASOS tissue clearing method was applied after double labeling of the mineralized bone post-expansion to fully visualize the bone modeling changes after suture expansion.

Auteur in de schijnwerpers: PEGASOS Tissue Clearing Technique om botremodellering te visualiseren 

Een 3D-visualisatietechniek voor botremodellering in een muismodel met hechtingsexpansie

The interest in craniofacial sutures has been driven by the clinical needs to understand the mechanisms of orthodontic and the orthopedic treatment. The scope of our study is to establish a standardized suture expansion mouse model, and the 3D visualization method to study the mechanobiological changes of suture and bone remodeling upon expansion. PEGASOS tissue clearing technique has been combined with various labeling methods to obtain versatile information of suture and bond remodeling in space perspective.This model is suitable for various strengths of transgenic mice of different age. It is convenient to adjust the magnitude of tensile stress and withdraw force at any time. With the PEGASOS technique, we can observe the three dimensional spatial temporal distribution of cranial suture stem cells during bone remodeling.With the PEGASOS technique, we will further explore the relationship between suture stem cells and mechanical stress, as well as its specific mechanisms.

Watch this Scientific Journal Video about Sagittal Suture Expansion Surgery to Prepare Mouse Suture Expansion Model at JoVE.com

Sagittal Suture Expansion Surgery to Prepare Mouse Suture Expansion Model  

Sagittale hechtingsexpansiechirurgie om het uitbreidingsmodel voor de hechting van muizen voor te bereiden

Begin met het voorbereiden van twee retentiehouders. Gebruik een lichte draadtang en een Australische draad van 0.014 inch om een spiraalvormige lus te maken. Bereid vervolgens op maat gemaakte roestvrijstalen veren voor en snijd de veer op de juiste lengte.Bereid ook een rechte Australische draad of rechte staaldraad van zeven millimeter lengte voor en knip twee stukken papier met een diameter van twee millimeter om als barrières te gebruiken. Plaats vervolgens een verdoofde muis op de operatietafel en verwijder voorzichtig de vacht bovenop het hoofd met ontharingscrème of een scheerapparaat. Desinfecteer vervolgens de hoofdhuid van de muis met afwisselend rondes Iodoform en 75% alcohol.Plaats de muis met zijn hoofd op de bovenkant en gebruik chirurgische tapes om de ledematen op de operatietafel te bevestigen. Gebruik nu een chirurgische schaar om een boogvormige flap langs de hoofdhuid bij de nek van de muis uit te voeren, waardoor de sagittale hechting en de omliggende schedel volledig zichtbaar worden. Bevestig vervolgens de hoofdhuidflap met een 6-0 hechting op de operatietafel.Droog de schedel en ets deze gedurende 20 seconden met 37% fosforzuur. Gebruik vervolgens een normale zoutoplossing om de zuurets op te ruimen. Plaats de twee houders aan weerszijden van de pariëtale botten, drie millimeter van de sagittale hechtingen en lijm ze vast met een licht uitgeharde lijm.Plaats vervolgens de hoofdhuidflap terug. Label de positie van de houders en snijd twee kleine gaatjes in de hoofdhuid op de overeenkomstige posities. Reset de flaphoofdhuid door tegelijkertijd de kleine lusjes door de gaatjes te halen om het huidoppervlak bloot te leggen.Om de veer en voerdraad te installeren, knipt u de veer een millimeter langer af dan de afstand tussen de twee houders. Druk de drukveer samen en plaats deze tussen de kleine spoelen aan beide zijden. Leid de roestvrijstalen draad door de kleine spoelen en de veer en laat de veer los om een startstuwkracht van ongeveer 30G te verkrijgen.Plaats vervolgens twee stukjes papier tussen de veer en de houders en plak ze vast met een licht uitgeharde lijm om barrières aan beide uiteinden van de veer op te zetten. Na expansie werd micro-CT gebruikt om de veranderingen in de schedelhechting te visualiseren. In vergelijking met controles zette de schedelhechting geleidelijk en aanzienlijk uit na het uitoefenen van kracht gedurende één dag en verschenen er na dag vijf pluizige benige uitsteeksels op de botrand.Ook toonde visualisatie van mineralisatie met behulp van de dubbele labelmethode aan dat krachtbelasting osteogenese significant activeerde. Nieuw gemineraliseerd bot werd na zeven dagen waargenomen, wat wijst op het botremodelleringsproces na uitzetting van de hechting.

Research

JoVE Journal

Biology

Sagittal Suture Expansion Surgery to Prepare Mouse Suture Expansion Model

A 3-D Visualization Technique for Bone Remodeling in a Suture Expansion Mouse Model

Craniofacial sutures play a crucial role beyond being fibrous joints connecting craniofacial bones; they also serve as the primary niche for calvarial and ...