Imaging 3D delle fibre di collagene PDL durante il movimento ortodontico dei denti nel modello murino mandibolare

Summary

Presentiamo un protocollo per generare movimento ortodontico dei denti nei topi e metodi per la visualizzazione 3D delle fibre di collagene e dei vasi sanguigni del legamento parodontale senza sezioni.

Abstract

Il movimento ortodontico dei denti è un complesso processo biologico di rimodellamento alterato dei tessuti molli e duri come risultato di forze esterne. Per comprendere questi complessi processi di rimodellamento, è fondamentale studiare i tessuti dentali e parodontali all’interno del loro contesto 3D e quindi ridurre al minimo qualsiasi sezionamento e artefatti tissutali. I modelli di topo sono spesso utilizzati nella biologia dello sviluppo e strutturale, così come nella biomeccanica a causa delle loro piccole dimensioni, alto tasso metabolico, genetica e facilità di manipolazione. In linea di principio questo li rende anche modelli eccellenti per studi relativi all’odontoiatria. Tuttavia, un grosso impedimento è la loro piccola dimensione del dente, i molari in particolare. Questo documento ha lo scopo di fornire un protocollo passo dopo passo per generare il movimento ortodontico dei denti e due metodi per l’imaging 3D del componente fibroso legamento parodontale di un molare mandibolare del topo. Il primo metodo presentato si basa su una configurazione micro-CT che consente l’imaging di miglioramento della fase dei tessuti di collagene fresco. Il secondo metodo è un metodo di compensazione ossea che utilizza cinnamato etilico che consente l’imaging attraverso l’osso senza sessare e preserva la fluorescenza endogena. Combinando questo metodo di compensazione con topi reporter come Flk1–Cre; TdTomato ha fornito una prima opportunità nel suo genere di immagine della vascuola 3D nel PDL e nell’osso alveolare.

Introduction

Il processo biologico di base nel movimento ortodontico dei denti (OTM) è il rimodellamento osseo. Il trigger per questo processo di rimodellamento è attribuito a cambiamenti nella struttura del legamento parodontale (PDL) come lo stress della matrice extracellulare (ECM), la necrosi, la distruzione e la formazione dei vasi^{sanguigni 1,2,3}. Altri possibili fattori scatenanti per il rimodellamento osseo alveolare sono correlati al rilevamento della forza da parte degli osteociti nell’osso, così come alla deformazione meccanica dell’osso alveolare stesso; tuttavia il loro ruolo in OTM non è ancora del tutto chiarito^4,5.

Nonostante molti studi volti a rivelare le relazioni struttura-funzione del PDL durante l’OTM, un chiaro meccanismo funzionale deve ancora essere^{definito 6,7}. La ragione principale di ciò è la sfida nel recupero dei dati di un tessuto molle (PDL) situato tra due tessuti duri (cemento e osso alveolare). I metodi accettati per raccogliere informazioni strutturali di solito richiedono fissazione e sezionamento che interrompono e modificano la struttura PDL. Inoltre, la maggior parte di questi metodi fornisce dati 2D che, anche se non distorti, forniscono solo informazioni parziali e localizzate. Poiché il PDL non è uniforme nella sua struttura e funzione, è giustificato un approccio che affronta la struttura 3D intatta dell’intero complesso dentale-PDL-osso.

Questo documento descriverà un metodo per generare un OTM nei topi e due metodi che consentono la visualizzazione 3D delle fibre di collagene nel PDL senza alcuna sezione del campione.

I modelli murini sono ampiamente utilizzati per esperimenti in vivo in medicina, biologia dello sviluppo, somministrazione di farmaci e studi strutturali. Possono essere geneticamente modificati per eliminare o migliorare proteine e funzioni specifiche; forniscono un controllo dello sviluppo rapido, ripetibile e prevedibile; sono anche facili da immaginare grazie alle loro piccole dimensioni⁸. Nonostante i loro numerosi vantaggi, i modelli di topo nella ricerca dentale non vengono utilizzati frequentemente, specialmente quando le manipolazioni cliniche sono giustificate, principalmente a causa dei denti di piccole dimensioni. Modelli animali come ratti^9,10,11,cani^12,13,maiali^{14,15,16 e scimmie 17 sono} usati più spesso dei topi. Con il recente sviluppo di tecniche di imaging ad alta risoluzione, i vantaggi dell’utilizzo di un modello di mouse per decifrare i processi contorti in OTM sono numerosi. Questo articolo presenta un metodo per generare un movimento mesiale del dente molare nella madibola con livelli di forza costanti che innescano il rimodellamento osseo. La maggior parte degli esperimenti OTM sui roditori sono fatti nella mascella, poiché la mobilità della mattiglia e la presenza della lingua aggiungono un altro livello di complessità. Tuttavia, la madibola ha molti vantaggi quando si desidera l’integrità strutturale 3D. Può essere facilmente sezionato come un osso intero; in alcune specie può essere separato in due emi-madibole attraverso la sifisi fibrosa; è compatto, piatto e contiene solo i denti senza spazi seno. Al contrario, la mascella è una parte del cranio e strettamente correlata ad altri organi e strutture, quindi è necessaria una sezione estesa per sezionare l’osso alveolare con i denti associati.

Utilizzando una camera di umidità interna accoppiata a un sistema di carico all’interno di una micro-TAC ad alta risoluzione che consente il miglioramento della fase, abbiamo sviluppato un metodo per visualizzare tessuti fibrosi freschi in 3D come^{precedentemente descritto 9,18,19,20,21,22,23.} I tessuti freschi vengono scansionati immediatamente dopo che l’animale è stato sacrificato senza alcuna colorazione o fissazione, il che riduce i manufatti tissutali e le alterazioni delle proprietà biomeccaniche. Questi dati 3D possono essere utilizzati per analisi di distribuzione e direzione delle fibre come descritto altrove¹⁹.

Il secondo metodo di imaging 3D di tessuti interi qui presentato si basa sulla pulizia ottica della madibola che consente l’imaging delle fibre PDL attraverso l’osso senza alcuna sezione. È interessante notare che consente anche la visualizzazione delle fibre di collagene dell’osso stesso, tuttavia questo non sarà discusso qui. In generale, ci sono due metodi per la pulizia dei tessuti. Il primo è la radura a base acquosa in cui il campione è immerso in una soluzione acquosa con un indice di rifrazione maggiore di 1,4 attraverso una semplice immersione, iperidratazione o immersione di idrogel. Tuttavia, questo metodo è limitato nel livello di trasparenza e nella conservazione strutturale del tessuto e quindi richiede la fissazione del tessuto. Il secondo metodo che produce campioni altamente trasparenti e non richiede fissazione è il metodo di compensazione a base di^{solventi 24,25}. Abbiamo generato un metodo di compensazione modificato a base di solventi basato sull’etil-3-fenilprop-2-enoato (etil cinnamato, ECi) per i campioni mandibolari. Questo metodo ha i vantaggi di utilizzare agenti di compensazione non tossici per uso alimentare, restringimento minimo dei tessuti e conservazione delle proteine fluorescenti.

Protocol

Tutti gli esperimenti sugli animali sono stati eseguiti in conformità con le Linee guida del NIH per la cura e l’uso degli animali da laboratorio e le linee guida del Comitato istituzionale per la cura e l’uso degli animali dell’Università di Harvard (protocollo n. 01840). 1. Movimento ortodontico dei denti Per generare un letto per topi, utilizzare una piattaforma di plastica piatta con un poggiacapo angolato a forma di cuneo a 45°. Il poggiacapo può essere generato tagliando un…

Representative Results

Questo articolo presenta un metodo per produrre OTM e due metodi per l’imaging 3D di fibre di collagene all’interno del PDL senza alcuna sezione. Ai fini della ricerca animale, quando l’allineamento dei denti non è necessario, un movimento del dente è considerato ortodontico se genera rimodellamento dell’osso alveolare a tutti i livelli delle radici. È necessario un livello di forza costante applicato sui denti per generare un OTM affidabile. Qui, una bobina NiTi a memoria di forma attivata viene utilizzata per genera…

Discussion

La generazione di OTM nei topi è altamente desiderata a causa delle dimensioni, della genetica e dei vantaggi di gestione. L’uso della mattiere fornisce una facile manipolazione sia in termini di dissezione tissutale che di preparazione e imaging del campione. Qui abbiamo presentato un metodo per generare OTM con movimento trascizionale del dente all’interno dell’osso entro 7 giorni da OTM. Utilizzando questo protocollo, la durata complessiva del movimento del dente può essere estesa, poiché la bobina attivata fornisc…

Materials

1-mL BD Luer-Lok syringe	BD	309628
1X phosphate buffered saline	VWR Life Sciences	0780-10L
200 proof ethanol	VWR Life Sciences	V1016
Aluminum alloy 5019 wire	Sigma-aldrich	GF15828813	0.08 mm diameter wire, length 100th, temper hard. Used as wire ligature around molar.
Avizo 9.7	Thermo Fisher Scientific	N/A	Used to analyze microCT scans
Castroviejo Micro Needle Holders	Fine Science Tools	12060-01
Clr Plan-Apochromat 20x/1.0,CorrVIS-IR M27 85mm	Zeiss	N/A	Used for second harmonic generation imaging
Cone socket handle, single ended, hand-form	G.Hartzell and son	126-CSH3	Handle of the inspection mirror
EC Plan-Neofluar 5x/0.16	Zeiss	440321-9902	Used for light-sheet imaging
Elipar DeepCure-S LED curing light	3M ESPE	76985
Eppendorf safe-lock tubes, 1.5mL	Eppendorf	22363204
Ethyl cinnamate, >= 98%	Sigma-aldrich	W243000-1KG-K
Hypodermic Needle, 27G x 1/2''	BD	305109
Ketathesia 100mg/ml	Henry Schein Animal Health	NDC:11695-0702-1
KIMWIPES delicate task wipers	Kimberly-Clark	21905-026 (VWR Catalog number)	Purchased from VWR
LightSheet Z.1 dual illumination microscope system	Zeiss	LightSheet Z.1/LightSheet 7	Used for lightsheet imaging
LSM 880 NLO multi-photon microscope	Zeiss	LSM 880 NLO	Used for two-photon imaging
MEGAmicro, plane, 5mm dia, SS-Thread	Hahnenkratt	6220	Front surface inspectrio mirror
MicroCT machine, MicroXCT-200	Xradia	MICRO XCT-200
Mini-Colibri	Fine Science Tools	17000-01
PermaFlo Flowable Composite	Ultradent	948
Procedure platform	N/A	N/A	Custom-made from lab materials
Routine stereo micscope M80	Leica Micosystems	M80
Sentalloy NiTi open coil spring	TOMY Inc.		A 0.15mm diameter closed NiTi coil with an inner coil diameter of 0.9mm delivers a force of 10g. Similar products can be purchased from Dentsply Sirona.
T-304 stainless steel ligature wire, 0.009'' diameter	Orthodontics	SBLW109	0.009''(.23mm) diameter, Soft temper
X-Ject E (Xylazine) 100mg/ml	Henry Schein Animal Health	NDC:11695-7085-1
Z100 Restorative, A2 shade	3M ESPE	5904A2