Name: building finite element models to investigate zebrafish jaw biomechanics
Uploaded: 2016-12-03T14:00:00
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 финансировался программой Wellcome Trust Dynamic Cell PhD; КАР финансировалось за счет гранта проекта MRC MR / L002566 / 1 (присужден и CLH Эйр) и CLH финансировалось за счет гранта Aruk 19479. Мы также хотели бы поблагодарить центр Wolfson биоимиджинга за советом к визуализации.

<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>

Авторы не имеют ничего раскрывать. Некоторые данные на фиг 3-5 была перепечатана из J.Biomech, 48 (12), Брант и др., Моделирование методом конечных элементов предсказывает изменения в совместной форме и поведения клеток из - за потери мышечного напряжения в развитии челюсти, 3112-22. , 2015, с разрешения Elsevier 15.

Конечно - элементных моделей были использованы для соотнесения областей скелетных элементов , которые находятся под напряжением с тех , которые подвергаются костеобразование 10, а также для отображения области , находящиеся под напряжением во время эндохондральной окостенение и совместного морфогенеза 8,12,21. Другие исследования также были в состоянии применить теоретические модели роста для репликации изменений во время совместной разработки 11,12. Здесь мы показываем протокол для построения моделей FE для относительно простой системы, данио челюсти 20. В отличие от альтернативных методов сбора необработанных изображений для моделей FE, таких как КТ 22, конфокальной микроскопии трансгенных линий или иммунологически данио позволяет нескольким ткани должны быть изучены. Он может, таким образом, обеспечивают прямую информацию о точках крепления мышц по отношению к хрящевой ткани. Среди позвоночных животных моделей данио особенно поддаются генетической и фармакологической манипуляции. Поколение моделей FE для даниокраниофациальные хрящ в настоящее время открывает возможность дальнейшего изучения взаимосвязи между биомеханики и генетики в совместном формообразования. Есть целый ряд важных шагов в процессе создания модели FE; первый генерирует точный трехмерное представление системы. Это требует обработки изображений при достаточно высоком разрешении, чтобы четко определить границы. Обратите внимание, что даже с высокой разрешающей способностью, чтобы сделать хорошую поверхность, вероятно, придется сгладить некоторые регионы. Другим важным шагом является определение правильного размещения груза и правильных ограничений. Недостаточно ограничена модель будет не в состоянии решить и неправильное расположение нагрузок вызовет ненормальное движение. Некоторые обработки необработанных данных (рисунок 2) необходимо в качестве поверхности , генерируется из необработанных данных , было бы трудно меш (Фигура 2В). Мы фильтруют данные с помощью гауссовского фильтра (рис 2C </sЧонг&gt;) и мы провели некоторое ручное сглаживание кривых, чтобы произвести набор чистых контуров, которые могут быть преобразованы в 3D-поверхности. Слишком много сглаживания может произвести &quot;топленое&quot; поверхность, которая потеряла многие из его особенностей. Выбор правильного размера элемента является повторяющимся процессом, как выбор слишком мал размером элемент создает слишком большую сетку, которая является вычислительно интенсивным. Тем не менее, выбирая слишком большой размер элемента будет производить сетку материала, который не перепросматривать правильную форму структуры. Правильная сетка имела наименьший размер элемента, который захватил правильную форму челюсти и сходились на правильное решение, проверяется с помощью смещения челюсти. Он также может быть необходимо изменить свойства материала или расчетов нагрузки, чтобы лучше имитировать правильное смещение в разных возрастов и видов будут иметь существенно различные свойства. Важно помнить, что всегда есть ограничения гипотетической модели иssumptions сделал для запуска моделей FE. При моделировании только один или небольшое число выборок, которые имеет решающее значение для обеспечения того, чтобы репрезентативная выборка выбирается так как, вероятно, будут небольшие вариации между людьми. Как только некоторые из элементов челюсти и мышцы были включены, модель представляет собой упрощенную версию данио краниофациальной системы опорно-двигательного аппарата. Таким образом, ограничения должны были быть установлены, чтобы учесть, где смоделированные элементы челюстной бы соединиться с остальной частью черепа и модель была искусственно ограничена в центре, чтобы зафиксировать его в &quot;пространстве&quot;. Это искусственное ограничение не повлияло на интерпретации, проведенной из моделей как ceratohyal сам не был проанализирован. Включение большего количества краниофациальной структуры, особенно другие открытия мышцы челюсти , такие как sternohyals и подключенного к нему хряща 23, мог бы добавить к модели, но ограничения включают в себя способность больших моделей для работы в программном обеспечении конечных элементов. s = &quot;jove_content&quot;&gt; Другим ограничением является то, что мы не смоделирован вставки связки, хотя это может быть достигнуто путем введения пружин 8. Еще одно предположение, сделанное в этом случае было то, что модель будет вести себя линейно. Величины напряжений на моделях , были сопоставимы с теми , в опубликованных моделях и применены к клеткам в пробирке 10,24, штаммами быть ниже +3,500 и выше -5,000 μɛ кроме ограничений и прикрепления мышц точек. Таким образом, штаммы в соответствующих областях модели были признаны в пределах диапазона приемлемых для линейной модели. Хрящ не ведет себя полностью как линейный материал и ранее был смоделирован как пороупругой материал, который позволил анализировать поведение жидкости в модели 25. Распространение места прикрепления мышц среди кластера локальных узлов будет распределять пиковые силы и более точно отражают вставку мышц для определенных мышц. лор &quot;&gt; Использование FE позволяет провести оценку деформаций и напряжений, действующих на конструкции. В качестве методики она часто используется во многих бионаучных дисциплин, включая ортопеда, палеонтологии и совсем недавно биологии развития. Здесь мы опишем, как построить FES для данио нижняя челюсть. в будущем эти модели могут быть расширены, чтобы смотреть на всю челюсть, включая вкус. Подобные методы могут быть использованы для моделирования позвоночника биомеханики в рыбе, которая до сих пор в основном были изучены с помощью кинематических средств.

Методом конечных элементов (FE) моделирование является инженерная техника , которая может вычислительно рассчитать и сопоставить величину и местоположение штаммов , действующих на конструкцию 1. Модель состоит из 3D-структуры, представленной сеткой &quot;конечных элементов&quot;, и конечный результат анализа определяется целым рядом факторов, включая структуру и количество элементов в сетке, величины и расположения механического нагрузки и свойств материала. Существенные свойства описывают некоторые аспекты поведения материала при заданном типе нагрузки; модуль Юнга (Е) описывает эластичность материала в то время как коэффициент Пуассона описывает пропорциональное уменьшение ширины материала к его длине при растяжении образца. КЭ моделирование может быть использовано для вычисления различных переменных, включая перемещение, напряжение, давление и деформации, действующей на модели, принимая во внимание уникальные входные данные о структуре &quot;; S форма, расположение и величина нагрузки и специфические свойства материала. FE моделирование широко используется в технике 2 и все чаще для ортопедических 3 и палеонтологических приложений 4. В развитии биомеханические силы , как известно, выступают в качестве стимула во многих клетках , чтобы активировать клеточные ответы 5-8 и полезно для прогнозирования как относительные положения и величины механических стимулов в развивающихся систем органов, тем не менее, в настоящее время КЭ моделирование было мало используется для данио развития. Оба хрящевой и костной было показано, что механочувствительных материалы. Например, сжатие в пробирке было обнаружено , чтобы активировать хондрогенное пути, в то время как напряжение было показано, что необходимо для образования костной ткани 9. FE анализ (FEA) было использовано для моделирования штаммов, действующие на биологических образцах, в том числе и те, которые действуют на скелетных элементов во время кости Foия 10. Другие разработки приложений включают его использование для прогнозирования форму сустава после того, как он подвергся воздействию теоретических биомеханических сил 11,12 и показать картину штаммов , присутствующих во время птенца коленного сустава морфогенеза 8. Этот протокол направлен на обмен опытом создания 3-мерных поверхностей, сеток и конечно-элементных моделей из конфокальных изображений с целью понимания механики развивающихся тканей. Мы также покажем способы проверки моделей FE , хотя захватив реальное совместное перемещения информации в естественных условиях. В то время как мы используем данио челюсть как образец одни и те же методы могут быть использованы на любой малой биологической системы, для которой 3D информация о структуре костно-мышечной системы могут быть получены с помощью конфокальной или многофотонной томографии.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="937">
	<tbody>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Coll2</td>
			<td style="width:237px;">Abcam</td>
			<td style="width:119px;">ab34712</td>
			<td style="width:365px;">Type II collagen antibody - stains all cartilage</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">A4.1025 / MF20</td>
			<td style="width:237px;">Developmental studies hybridoma bank</td>
			<td style="width:119px;">A4.1025</td>
			<td>Skeletal mysoin antibody - marks all skeletal muscle&#160;</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Low melt agarose</td>
			<td style="width:237px;">Sigma&#160;</td>
			<td>A9414-5G</td>
			<td>For mounting zebrafish</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">MS222 (Ethyl 3-aminobenzoate methanesulfonate )</td>
			<td style="width:237px;">Sigma</td>
			<td>E10521-10G</td>
			<td>To make anaesthetic</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Trypsin</td>
			<td style="width:237px;">Fisher</td>
			<td>T/3760/48</td>
			<td>sample permeablilisation</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Dylight 488Mouse IgG</td>
			<td style="width:237px;">Thermofisher</td>
			<td align="right" style="width:119px;">35502</td>
			<td>Secondary antibody</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Dylight 550 Rabbit IgG</td>
			<td style="width:237px;">Thermofisher&#160;</td>
			<td align="right" style="width:119px;">84541</td>
			<td>Secondary antibody</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">SP8/SP5 or SPE confocal</td>
			<td style="width:237px;">Leica&#160;</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td>For imaging&#160;</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">&#160;LAS Leica capture software&#160;</td>
			<td style="width:237px;">Leica&#160;</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td>Imaging software</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Aviso (version 7.0.0)</td>
			<td style="width:237px;">FEI Visualization Science Group</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td>3D image analysis software (Section 2)</td>
		</tr>
		<tr height="63">
			<td height="63" style="height:63px;width:216px;">Hypermesh part of the Hyperworks package (version 10)</td>
			<td style="width:237px;">Altair Engineering</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td>FE model generating software (Section 4-5)</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Abaqus (version 6.14)</td>
			<td style="width:237px;">SIMULIA</td>
			<td style="width:119px;"></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.

Иммуногистохимическое мышцы (рис 1А) и хрящевой ткани (рис 1б) или изображений трансгенных репортеров (фиг.1С) позволяет 3D структура челюсти , чтобы визуализировать, вместе с соответствующим мускулатуру. По визуализации при высоком разрешении можно было построить модель , которая как трехмерную форму челюсти (рисунок 2) и расположение и размещение грузов (рисунок 3). Использование в естественных условиях смещений видели при захвате видео высокой скорости (рисунок 4) , мы убедились , что диапазон движения в модели была в пределах реалистичного диапазона. Модели FE После запуска может быть использован для отображения диапазона данных, таких как стресс (рисунок 5А), минимальной и максимальной главной деформации (фиг.5В - K). Эти результаты являются тремя тусклыми<html> ensional поэтому модель можно увеличить , чтобы увидеть прекрасные образцы деталей (рис 5e, 5i) поворачивается , чтобы получить соответствующие взгляды (рис 5F, 5G, 5J, 5K) и в цифровом виде секционного (рис 5E &#39;, 5E&#39; &#39;, 5i&#39;, 5i &#39;&#39;) , чтобы показать , как паттерны напряжения, деформации или изменения давления по всей модели. Кроме того, можно извлечь количественные данные из модели (не показана). Подтвердив модели и используя самые точные свойства материалов, нагрузки и сетки форму модель FE может быть использован для изучения наилучшей оценки механической среды, испытываемых клеток во время этого окна развития. Результаты модели могут быть непосредственно по сравнению с изменениями в клеточном поведении и экспрессии генов 20. <html> Re 1 &quot;SRC =&quot; / файлы / ftp_upload / 54811 / 54811fig1.jpg &quot;/&gt; Рисунок 1:. Характерные образы элементов опорно - двигательного аппарата данио нижней челюсти на 5 DPF Типичные конфокальной стеки нижней челюсти личинок 5dpf все показано с передним вверх (А) иммуногистохимическое A4.1025 , который окрашивает все скелетные миозин (B) иммуногистохимическое II типа коллагена , который помечает все хрящей (C) Стек из живой личинкой выражения трансгенные репортеров Col2a1: mCherry маркировка хрящ (красный) и smyhc: GFP медленный мышцы (зеленый). IA: intermandibularis передняя, PH: транспортир hyoideus, AM: аддуктор челюстями, HI: hyoideus хуже, HI: hyoideus превосходит, CH: sternohyoideus, MC: хрящ Меккелев, PQ: Palatoquadrate, CH:. Ceratohyal <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54811/54811fig1large.jpg" target="_blank">Пожалуйста</a> , <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54811/54811fig1large.jpg" target="_blank">нажмите здесь</a> , <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54811/54811fig1large.jpg" target="_blank">чтобы увидеть увеличенную версию этой фигуры.</a> &quot;ВОК: Keep-together.within-страницу =&quot; 1 &quot;&gt; <img alt="фигура 2" src="/files/ftp_upload/54811/54811fig2.jpg" /> Рисунок 2: Генерация 3D поверхности от конфокальной данных изображения , показывающие переход от конфокальной данных в 3D - поверхности для данио нижней челюсти с большим увеличением совместного региона.. (A) Исходные данные конфокальной; (Б) Dataset после применения фильтра Гаусса; (C) Filtered контур; (D) 3D поверхность. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54811/54811fig2large.jpg" target="_blank">Пожалуйста</a> , <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54811/54811fig2large.jpg" target="_blank">нажмите здесь</a> , <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54811/54811fig2large.jpg" target="_blank">чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.</a> <img alt="Рисунок 3" src="/files/ftp_upload/54811/54811fig3.jpg" /> Рисунок 3: Типичные сетки , показывающие ограничения и векторы силы Типичные сетки для 5 DPF личинкой для (A) и закрытия рта.(B) во рту открытие. Белые точки обозначают места , где ограничена модель и в которой размеры (например, х и у или х, у и г). Белые линии обозначают мышечные позиции, с вектором силы мышц, обозначенном белыми стрелками. Красный показывает хрящ и Желтый Interzone. Эта цифра была изменена из дополнительного материала , ранее опубликованного в Брант и др. 15. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54811/54811fig3large.jpg" target="_blank">Пожалуйста</a> , <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54811/54811fig3large.jpg" target="_blank">нажмите здесь</a> , <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54811/54811fig3large.jpg" target="_blank">чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.</a> <img alt="Рисунок 4" src="/files/ftp_upload/54811/54811fig4.jpg" /> Рис . 4: тестирование чувствительности FE-модель имитации смещения челюсти в 5dpf данио для различных хрящей и межзоны модулей Юнга. Челюсть перемещение (открытого в закрытое в мкм) отмечен на челюсти; записанные с помощью ключа цвета. Каждая модель (А - Л) имеет различную комбинацию хряща (с = 1,1, 3,1 или 6,1 МПа) или межзоны (I = 0.25, 0.5, 0.75, или 1 МПа) свойствами. Горизонтальная черная стрелка указывает на значение смещения челюсти на кончик хряща Меккеля ( в лице вертикальной черной стрелкой). М и N кадры из видео , 5 DPF личинок показывая минимум, то есть, челюсти закрыты (М) и максимум, т.е. челюсть полностью открыт (N) с двумя наложенными (O) - белая линия на O представляет смещение (43 мкм). В этом случае относительная свойства хрящ 1.1 с Interzone 0,25 (А) лучший матч перемещения видели в живую рыбу (O). Панели AL этой фигуры были ранее опубликованы в Бранта и др. 15. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54811/54811fig4large.jpg" target="_blank">Пожалуйста</a> , <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54811/54811fig4large.jpg" target="_blank">нажмите здесь</a> , <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54811/54811fig4large.jpg" target="_blank">чтобы увидеть увеличенное верс</a>ион этой фигуры. <img alt="Рисунок 5" src="/files/ftp_upload/54811/54811fig5.jpg" /> Рисунок 5: Типичные данные модели FE FE-имитационная модель всех мышц , применяемых в 5 денье личинка (А - С).. (A) Мизеса (EMaxmin) (B) Минимальная главной деформации (Е Мин. Р, μɛ) (C) Максимальная основная деформация (E Макс. P., μɛ). FE-имитационная модель максимальных и минимальных главных деформаций при открывании челюсти. (D - K): Максимальная главная деформация (. E Макс П., μɛ) в (D) вентральной челюсти и (E) вентральный совместный вид (Е) показывает расположение проксимальных-дистальных отделов через хряща Меккеля сустава и Interzone в (Е &#39;) и (Е&#39; &#39;), соответственно. (F): боковаячелюсть вид. (G): боковой вид сустава. (H - K): Минимальная главной деформации (. E Min P, μɛ) в (H) зрения вентральной челюсти и (I) вентральный совместного просмотра. (I) показывает расположение проксимальной-дистальной участков через хрящ сустава Меккеля и межзоны в (I &#39;) и (I&#39; &#39;) , соответственно , (J): вид сбоку в челюсть. (K): боковой вид сустава. Эта цифра была ранее опубликована в Бранта и др. 15. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54811/54811fig5large.jpg" target="_blank">Пожалуйста</a> , <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54811/54811fig5large.jpg" target="_blank">нажмите здесь</a> , <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54811/54811fig5large.jpg" target="_blank">чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.</a> <table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always"><tbody><tr><td></td><td> Количество мышечных волокон </td><td> Область мышечного волокна (мкм 2) </td><td> Площадь группы мышц (мкм2) </td><td> Сила (N) </td></tr><tr><td> 5 DPF intermandibularis передняя </td><td> 5 </td><td> 23,8 </td><td> 119 </td><td> 4.76e-6 </td></tr><tr><td> 5 DPF транспортир hyoideus </td><td> 6 </td><td> 23,8 </td><td> 142,8 </td><td> 5.71e-6 </td></tr><tr><td> 5 DPF аддуктор челюстями </td><td> 9 </td><td> 23,8 </td><td> 214,2 </td><td> 8.57e-6 </td></tr></tbody></table> Таблица 1: Мышцы Количественное. Вычисленной средней силы мышц для Intermandibularis Передней, Adductor челюстями и транспортир Hyoideus на 5 DPF с использованием 40 Nn / мкм 2 (стоимость в расчете на единицу площади , взятой из ссылки 17). (Lorga и др., 2011) (N = 3).

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

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.

Построение конечно-элементных моделей по расследованию данио рерио Щековые биомеханики

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

Research

Education

JoVE Journal

JoVE Core

Biology

Developmental Biology

Human Biology

Musculoskeletal System

SCIENTISTS IN ACTION

Using Confocal Analysis of Xenopus laevis to Investigate Modulators of Wnt and Shh Morphogen Gradients

Using Confocal Analysis of Xenopus laevis to Investigate Modulators of Wnt and Shh Morphogen Gradients

Использование конфокальной Анализ<em&gt; Xenopus Laevis</em&gt; По расследованию модуляторы Wnt и Shh морфогена градиентов

This protocol describes a method to visualise ligands distributed across a field of cells. The ease of expressing exogenous proteins, together with the ...

Loss- and Gain-of-function Approach to Investigate Early Cell Fate Determinants in Preimplantation Mouse Embryos

Убыт- и Gain-оф-функции подход к расследованию Early Cell Судьба определителям предимплантационной эмбрионов мыши

 Gene silencing and overexpression techniques are instrumental for the identification of genes involved in embryonic development. Direct target gene ...

In Vitro and In Vivo Models to Study Corneal Endothelial-mesenchymal Transition

In Vitro and In Vivo Models to Study Corneal Endothelial-mesenchymal Transition

В пробирке и в естественных моделей для изучения роговичный эндотелий мезенхимальных перехода

Corneal endothelial cells (CECs) play a crucial role in maintaining corneal clarity through active pumping. A reduced CEC count may lead to corneal edema ...

Analysis of Coronary Vessels in Cleared Embryonic Hearts

Анализ коронарных сосудов сердца в Сбрасывается эмбриональных сердец

Whole mount visualization of the embryonic coronary plexus from which the capillary and arterial networks will form is rendered problematic using standard ...

Acute and Chronic Models of Hyperglycemia in Zebrafish: A Method to Assess the Impact of Hyperglycemia on Neurogenesis and the Biodistribution of Radiolabeled Molecules

Острые и хронические модели гипергликемии у рыбок данио: метод оценки влияния гипергликемии на нейрогенез и биораспределение радиоактивно меченых молекул

Hyperglycemia is a major health issue that leads to cardiovascular and cerebral dysfunction. For instance, it is associated with increased neurological ...

Establishment of Larval Zebrafish as an Animal Model to Investigate Trypanosoma cruzi Motility In Vivo

Establishment of Larval Zebrafish as an Animal Model to Investigate Trypanosoma cruzi Motility In Vivo

Создание личиночной данио рерио как модель животного к расследованию Trypanosoma cruzi подвижности In Vivo

Chagas disease is a parasitic infection caused by Trypanosoma cruzi, whose motility is not only important for localization, but also for cellular binding ...

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

Взрослый данио рерио травмы модели для изучения последствий преднизолона в регенерации костной ткани

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

Adult Mouse Digit Amputation and Regeneration: A Simple Model to Investigate Mammalian Blastema Formation and Intramembranous Ossification

Взрослая мышь Digit Ампутации и регенерации: Простая модель для расследования формирования млекопитающих Blastema и интрамембранной оссификации

Here, we present a protocol of adult mouse distal terminal phalanx (P3) amputation, a procedurally simple and reproducible mammalian model of epimorphic ...

Whole-Mount In Situ Hybridization in Zebrafish Embryos and Tube Formation Assay in iPSC-ECs to Study the Role of Endoglin in Vascular Development

Целая гора В Ситу Гибридизация в зебрафиш эмбрионов и трубоусветки Ассав в iPSC-ECs для изучения роли эндоглин в сосудистом развитии

Vascular development is determined by the sequential expression of specific genes, which can be studied by performing in situ hybridization assays in ...

Translating Ribosome Affinity Purification (TRAP) to Investigate Arabidopsis thaliana Root Development at a Cell Type-Specific Scale

Translating Ribosome Affinity Purification TRAP to Investigate Arabidopsis thaliana Root Development at a Cell Type-Specific Scale

Перевод Рибосома сродство очищения (TRAP) для расследования Arabidopsis thaliana Корневая развития в масштабе типа клеток

In this article, we give hands-on instructions to obtain translatome data from different Arabidopsis thaliana root cell types via the translating ribosome ...