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.
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.
דוגמנות אלמנט סופי (FE) היא טכניקה הנדסה שניתן לחשב המחשוב ולמפות את גודל ומיקום של זנים שפועלים על מבנה 1. המודל מורכב מבנה 3D, מיוצג על ידי רשת של "אלמנטים סופיים", ואת התוצאה הסופית של הניתוח נשלטת על ידי מספר גורמים, כולל את המבנה ואת מספר אלמנטי הרשת, העוצמת והמיקום של המכנים המון ואת תכונות חומר. תכונות חומר לתאר היבטים מסוימים של ההתנהגות של חומר תחת סוג של עומס נתון; מודול יאנג (E) מתאר את האלסטיות של החומר תוך מקדם פואסון מתאר את הירידה המידתית ברוחב של חומר אורכו כאשר מדגם נמתח. דוגמנות FE יכול לשמש כדי לחשב מגוון רחב של משתנים ובהם עקירה, מתח, לחץ ומשחק הלחץ על מודל על ידי לקיחת בחשבון את נתוני הקלט שמייחד את מבנה '; S צורה, מיקום וגדל המון ואת תכונות חומר המבוקשות.
דוגמנות FE נעשה שימוש נרחב בהנדסה 2 ויותר עבור יישומים אורתופדיות 3 ו כפליאונטולוג 4. בפיתוח כוחות ביומכניים ידועים לפעול כגירוי בתאים רבים כדי להפעיל תגובות תא 5-8 וזה שימושי לחזות הוא את המיקום היחסי ואת הבהירויות של גירויים מכאניים בתוך בפיתוח מערכות איברים, לעומת זאת, כיום דוגמנות FE כבר המשמש קצת לפיתוח דג הזברה.
הסחוס והעצם שניהם הוכחו להיות חומרי mechanosensitive. לדוגמא, במבחנת דחיסה נמצאה להפעיל מסלולי chondrogenic, תוך מתח הוכח להיות הכרחי עבור עצם היווצרות 9. FE הניתוח (FEA) נוצל מודל זנים הפועלים דגימות ביולוגיות, כולל הפועלים אלמנטי שלד במהלך עצם FOrmation 10. פיתוח יישומים אחרים כוללים את שימוש בו כדי לחזות את הצורה של ג'וינט לאחר שהוא נחשף כוחות ביומכניים תיאורטי 11,12 וכדי להראות הדפוס של זנים נוכחים במהלך המורפוגנזה מפרק ברך חומוס 8.
פרוטוקול זה נועד לשתף את החוויה של יצירת משטחים 3 ממדים, משתלב ומודלי אלמנטים סופיים מתמונות confocal עם נוף להבנת המכניקה של רקמות מתפתחות. אנחנו גם להראות דרכים של תיקוף המודלים FE אף לכידת מידע עקירה משותף אמיתי in vivo. בעוד אנו משתמשים לסת דג הזברה כדגם אותן הטכניקות יכולות לשמש על כל מערכת ביולוגית קטנה עבורו מידע 3D על המבנה של מערכת השלד והשרירים ניתן להשיג על ידי הדמית confocal או multiphoton.
מודלים אלמנטים סופיים שימשו להתייחס בתחומי אלמנטים השלד כי הם תחת לחץ עם אלה היווצרות העצם והתנסות 10, כמו גם למפות את האזורים תחת לחץ במהלך התאבנות endochondral ומורפוגנזה משותף 8,12,21. מחקרים אחרים גם הצליחו ליישם מודלי צמיחה תיאורטי לשכפל שינויים במהלך פיתוח משותף 11,12. כאן אנו מציגים את הפרוטוקול לבניית מודלי FE עבור מערכת פשוטה יחסית, לסת דג הזברה 20. בניגוד לשיטות חלופיות איסוף תמונות גולמיות עבור דגמי FE, כגון CT סריקה 22, הדמית confocal של קווים מהונדסים או דג זברת immunostained מאפשר רקמות מרובות כדי להיחקר. זה יכול, אם כן, לספק מידע ישיר על נקודות מצורפות שריר ביחס סחוס. בין דגמי חוליות דג הזברה ניתנת במיוחד מניפולציה גנטית תרופתית. הדור של דגמי FE עבור דג הזברהסחוס craniofacial עכשיו פותח את האפשרות של מחקר נוסף של יחסי הגומלין בין ביומכניקה וגנטיקה morphogenesis משותף.
ישנם מספר שלבים קריטיים לתהליך של יצירת מודל FE; הראשון הוא יצירת ייצוג תלת ממדי מדויק של המערכת. זה דורש הדמיה ברזולוציה גבוהה מספיק כדי להגדיר גבולות ברורים. שימו לב כי גם עם הדמיה ברזולוציה גבוהה לבצע משטח טוב אחד יכול להיות להחליק כמה אזורים. שלב קריטי נוסף הוא הגדרת המיקום הנכון של העומס ואילוצים נכונים. מודל מוגבל מספיק ייכשל לפתור והשמה שגוי של העומסים יגרום תנועה חריגה.
חלק מהעיבוד של הנתונים הגולמיים (איור 2) יש צורך כמשטח המופק מהנתונים הגולמיים יהיה קשה רשת (תרשים 2B). אנחנו מסוננים הנתונים באמצעות מסנן גאוס (איור 2 ג </sטרונג>) וביצענו כמה החלקה ידנית של עקומות לייצר סדרה של קווי המתאר נקי כי ניתן להמיר את משטח 3D. חלקה יותר מדי יכולה לייצר משטח "נמס" שאבד רבים מסממניה. בחירת גודל האלמנט הנכון היא תהליך חוזר ונשנה כמו בחירה קטנה מדי גודל אלמנט היוצר גדולה מדי רשת אשר מחשוב אינטנסיבי. עם זאת, בחירת גודל אלמנט גדול מדי תפיק רשת אשר נכשלה לשחזר את הצורה הנכונה של המבנה. הרשת הנכונה, ניתנה גודל האיבר הקטן שכבש את הצורה הנכונה של הלסת והתאסף פתרון נכון, לאמת אותם באמצעות עקירת בלסת. זה יכול להיות גם צורך לשנות את תכונות חומר או חישובי עומס טוב יותר לחקות את העקירה הנכונה כגילים ומינים שונים יהיו מאפיינים שונים באופן משמעותי.
חשוב לזכור כי תמיד יש מגבלות מודל היפותטי ssumptions הריץ מודלי FE. כאשר רק דוגמנות אחד או מספר קטן של דוגמאות הוא קריטי כדי להבטיח מדגם מייצג נבחר שם צפוי להיות שינויים קלים בין אנשים. כפי רק כמה מן האלמנטים הלסת והשרירים נכללו, המודל הוא גרסה פשוטה יותר של מערכת השלד והשרירים craniofacial דג הזברה. לכן, אילוצים חייבים להיות ממוקמים לתת דין וחשבון על שלושת יסודות לסת הדגם שיחברו עם שאר הגולגולת ואת המודל היה מוגבל באופן מלאכותי במרכז לתקן את זה ב 'מרחב'. אילוץ מלאכותי זה לא השפיע על פרשנות שאובי המודלים כמו ceratohyal עצמו לא נותח. ההכללה יותר של מבנה craniofacial, במיוחד אחרים שרירי פתיחת לסת כגון sternohyals והסחוס המצורף שלה 23, יכל להוסיף למודל, אבל מגבלות כוללות את היכולת של דגמים גדולים יותר לרוץ בתוכנת האלמנטים הסופיים.
<p clas s = "jove_content"> מגבלה נוספת היא שלא אנו דגם כניסת רצועה, אם כי זו יכולה להיות מושגת על ידי ההחדרה של מעיינות 8. הנחה נוספת אחת עשתה במקרה זה הייתה שהמודל יתנהג באופן ליניארי. סדרי הגודל של זנים על המודלים היו דומים לאלו במודלים שפורסמו וכן להחיל תאים במבחנת 10,24, עם זנים להיות מתחת 3500 ומעלה -5000 μɛ מלבד נקודות מצורפות אילוץ ושרירים. לכן, הזנים על האזורים הרלוונטיים של המודל נחשבו בתוך טווח מקובל עבור מודל ליניארי. סחוס אינו מתנהג לגמרי כחומר לינארית כבר דגם בעבר כחומר poroelastic, שאפשר ניתוח של ההתנהגות הנוזלת במודל 25. הפצת נקודות המצורפת שריר בקרב צרור של בלוטות מקומיות תחלק כוחות השיא ועוד לייצג במדויק את כניסת השריר עבור שרירים מסוימים. אף אוזן גרון "> שימוש FE מאפשר הערכה של הזנים המדגישים מתנהגים על מבנה. כטכניקה הוא משמש לעתים קרובות בתחומי מדעי חיים רבים כולל אורתופדיה, פליאונטולוגיה וביולוגיה התפתחותית ולאחרונה. כאן אנו מתארים כיצד לבנות פס עבור דג הזברה לסת תחתונה. בעתיד המודלים האלה ניתן יהיה להרחיב להסתכל הלסת כולה, כולל את החיך. בטכניקות דומות יכולות לשמש מודל ביומכניקה שדרה בדגים, אשר עד כה בעיקר נחקרו באמצעות קינמטיקה.The authors have nothing to disclose.
LHB מומן על ידי תכנית PhD Cell Wellcome Trust הדינמית; קאר מומנה על ידי מענק פרויקט MRC MR / L002566 / 1 (הוענק Ejr ו CLH) ו CLH מומנה על ידי מענק ערוק 19479. כמו כן, אנו רוצים להודות מתקן bioimaging וולפסון ייעוץ הדמיה.
Coll2 | Abcam | ab34712 | Type II collagen antibody – stains all cartilage |
A4.1025 / MF20 | Developmental studies hybridoma bank | A4.1025 | Skeletal mysoin antibody – marks all skeletal muscle |
Low melt agarose | Sigma | A9414-5G | For mounting zebrafish |
MS222 (Ethyl 3-aminobenzoate methanesulfonate ) | Sigma | E10521-10G | To make anaesthetic |
Trypsin | Fisher | T/3760/48 | sample permeablilisation |
Dylight 488Mouse IgG | Thermofisher | 35502 | Secondary antibody |
Dylight 550 Rabbit IgG | Thermofisher | 84541 | Secondary antibody |
SP8/SP5 or SPE confocal | Leica | For imaging | |
LAS Leica capture software | Leica | Imaging software | |
Aviso (version 7.0.0) | FEI Visualization Science Group | 3D image analysis software (Section 2) | |
Hypermesh part of the Hyperworks package (version 10) | Altair Engineering | FE model generating software (Section 4-5) | |
Abaqus (version 6.14) | SIMULIA | FE analysis software (Section 5.7-5.8) |