Utilisation de souris knock-out Stat3 inductibles spécifiques à la lignée ostéoblastique pour étudier le remodelage osseux alvéolaire pendant le mouvement des dents orthodontiques
Summary
Cette étude fournit un protocole pour l’utilisation de souris knock-out Stat3 inductibles spécifiques à la lignée ostéoblastique pour étudier le remodelage osseux sous force orthodontique et décrit des méthodes d’analyse du remodelage osseux alvéolaire pendant le mouvement orthodontique des dents, mettant ainsi en lumière la biologie mécanique squelettique.
Abstract
L’os alvéolaire, avec un taux de renouvellement élevé, est l’os le plus activement remodelant du corps. Le mouvement orthodontique des dents (OTM) est un processus artificiel courant de remodelage osseux alvéolaire en réponse à une force mécanique, mais le mécanisme sous-jacent reste insaisissable. Des études antérieures n’ont pas été en mesure de révéler le mécanisme précis du remodelage osseux dans le temps et l’espace en raison de restrictions liées aux modèles animaux. Le transducteur de signal et activateur de la transcription 3 (STAT3) est important dans le métabolisme osseux, mais son rôle dans les ostéoblastes pendant l’OTM n’est pas clair. Pour fournir des preuves in vivo que STAT3 participe à l’OTM à des moments spécifiques et dans des cellules particulières pendant l’OTM, nous avons généré un modèle murin knock-out Stat3 spécifique à la lignée d’ostéoblastes induit par le tamoxifène, appliqué une force orthodontique et analysé le phénotype osseux alvéolaire.
La micro-tomodensitométrie (Micro-TDM) et la stéréomicroscopie ont été utilisées pour accéder à la distance OTM. L’analyse histologique a sélectionné la zone située à l’intérieur de trois racines de la première molaire (M1) dans la section transversale de l’os maxillaire comme région d’intérêt (ROI) pour évaluer l’activité métabolique des ostéoblastes et des ostéoclastes, indiquant l’effet de la force orthodontique sur l’os alvéolaire. En bref, nous fournissons un protocole pour l’utilisation de souris knock-out Stat3 inductibles spécifiques à la lignée ostéoblastique pour étudier le remodelage osseux sous force orthodontique et décrivons des méthodes d’analyse du remodelage osseux alvéolaire pendant l’OTM, jetant ainsi un nouvel éclairage sur la biologie mécanique squelettique.
Introduction
Il est généralement connu que l’os est soumis à une reconstruction constante tout au long de la vie, en réponse à des forces mécaniques selon la loi de Wolff 1,2. Une stimulation mécanique appropriée, telle que la gravité et l’exercice quotidien, maintient la masse osseuse et la force et prévient la perte osseuse en stimulant à la fois les ostéoblastes et les ostéoclastes. Les ostéoclastes, responsables de la résorption osseuse 3,4,5,6,7, et les ostéoblastes, responsables de la formation osseuse 8,9,10, maintiennent l’homéostasie osseuse et fonctionnent conjointement dans le processus biologique de remodelage osseux. En revanche, en l’absence de stimuli de charge, comme chez les astronautes soumis à une microgravité à long terme, les os subissent une perte de densité minérale osseuse de 10 %, augmentant ainsi le risque d’ostéoporose11,12. De plus, des thérapies mécaniques non invasives et pratiques, y compris l’orthodontie et l’ostéogenèse de distraction, sont apparues comme traitements pour les maladies osseuses13,14. Tous ces éléments ont montré que la force mécanique joue un rôle essentiel dans le maintien de la qualité et de la quantité des os. Des études récentes ont généralement analysé le remodelage osseux en réponse à une charge mécanique à l’aide de modèles chronophages tels que les tests de suspension des roues et de la queue, qui prenaient généralement 4 semaines ou plus pour simuler la charge ou le déchargement de la force15,16. Par conséquent, il existe une demande pour un modèle animal pratique et efficace pour étudier le remodelage osseux entraîné par la charge de force.
L’os alvéolaire est le plus actif en termes de remodelage osseux, avec un taux de renouvellement élevé17. Le mouvement orthodontique des dents (OTM), un traitement courant de la malocclusion, est un processus artificiel de remodelage osseux alvéolaire en réponse à une force mécanique. Cependant, l’OTM, qui induit un remodelage osseux rapide18, est également un moyen de gagner du temps pour étudier les effets de la force mécanique sur le remodelage osseux par rapport à d’autres modèles ayant une longue période expérimentale. Par conséquent, l’OTM est un modèle idéal pour étudier le remodelage osseux sous stimuli mécaniques. Il convient de noter que le mécanisme du remodelage osseux alvéolaire est souvent sensible au temps et qu’il est nécessaire d’observer les changements dans le remodelage osseux alvéolaire à certains moments après la modélisation. Avec le double avantage du contrôle temporel et spatial de la recombinaison de l’ADN et de la spécificité tissulaire, un modèle murin de knock-out génique conditionnel inductible est un choix approprié pour les études OTM.
Classiquement, le remodelage osseux alvéolaire médié par OTM a été divisé en zones de tension impliquant la formation osseuse et en zones de pression impliquant la résorption osseuse 19,20,21, qui est plus détaillée mais difficile à réguler. De plus, Yuri et al. ont rapporté que le temps de formation osseuse dans l’OTM différait du côté de la tension et de la compression22. De plus, une étude antérieure avait démontré que la première molaire pouvait initier un remodelage large de l’os alvéolaire maxillaire sous l’effet d’une force orthodontique, qui n’était pas contrainte aux zones de tension et de pression23. Par conséquent, nous avons sélectionné la zone située à l’intérieur de trois racines de M1 dans la section transversale de l’os maxillaire comme région d’intérêt (ROI) et décrit des méthodes pour évaluer l’activité des ostéoblastes et des ostéoclastes dans la même zone afin d’évaluer le remodelage osseux alvéolaire sous OTM.
En tant que facteur de transcription nucléaire, transducteur de signal et activateur de la transcription 3 (STAT3) s’est avéré essentiel dans l’homéostasie osseuse24,25. Des études antérieures ont rapporté une faible densité minérale osseuse et des fractures pathologiques récurrentes chez des souris mutantes Stat3 26,27. Notre étude précédente a démontré que la délétion de Stat3 dans les ostéoblastes Osx+ provoquait une malformation craniofaciale et une ostéoporose, ainsi qu’une fracture osseuse spontanée28. Récemment, nous avons fourni des preuves in vivo avec un modèle murin de délétion Stat3 inductible spécifique de l’ostéoblaste (Col1α2CreERT2 ; Stat3 fl/fl, ci-après appelé Stat3Col1α2ERT2) que STAT3 est essentiel dans la médiation des effets de la force orthodontique entraînant le remodelage osseux alvéolaire29. Dans cette étude, nous fournissons des méthodes et des protocoles pour l’utilisation de souris knock-out Stat3 inductibles spécifiques à la lignée ostéoblastique pour étudier le remodelage osseux sous force orthodontique et décrivons des méthodes d’analyse du remodelage osseux alvéolaire pendant l’OTM, mettant ainsi en lumière la biologie mécanique squelettique.
Protocol
Representative Results
Discussion
La malocclusion étant l’un des troubles bucco-dentaires les plus courants, affectant la respiration, la mastication, la parole et même l’apparence, la demande d’orthodontie augmente de jour en jour, l’incidence passant de 70 % à 93 % selon une précédente enquête épidémiologique31,32. Comment accélérer le remodelage osseux alvéolaire pour augmenter l’efficacité du traitement orthodontique en toute sécurité est devenu un sujet brûlant dans …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ces travaux ont été financés en partie par des subventions de la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine (81870740, 82071083, 82271006, 82101048, 81800949) ; la Fondation des sciences naturelles de Shanghai (21ZR1436900, 22ZR1436700) ; le programme de leader de la recherche universitaire et technologique de Shanghai (20XD1422300) ; Plan de recherche clinique de la SHDC (SHDC2020CR4084) ; le Fonds de recherche interdisciplinaire du Neuvième Hôpital du Peuple de Shanghai, Faculté de médecine de l’Université Jiao Tong de Shanghai (JYJC201902, JYJC202116) ; l’équipe de recherche sur l’innovation des universités locales de haut niveau à Shanghai (SSMUZLCX20180501) ; le Fonds pour la discipline de recherche no. KQYJXK2020 du Neuvième Hôpital du Peuple, de l’École de médecine de l’Université Jiao Tong de Shanghai et du Collège de stomatologie de l’Université Jiao Tong de Shanghai ; Projet d’exploration original du Neuvième Hôpital du Peuple de Shanghai, École de médecine de l’Université Jiao Tong de Shanghai (JYYC003) ; Projet de deux cents talents de la faculté de médecine de l’Université Jiao Tong de Shanghai ; le projet de recherche coopérative de l’Institut des biomatériaux et de la médecine régénérative de l’École de médecine de l’Université Jiao Tong de Shanghai (2022LHB02) ; le projet de biobanque du neuvième hôpital populaire de Shanghai, École de médecine de l’Université Jiao Tong de Shanghai (YBKB201909, YBKB202216).
Materials
| 1x PBS | Beijing Solarbio Science & Technology Co.,Ltd. | P1020 | |
| 4% paraformaldehyde | Wuhan Servicebio Technology Co., Ltd. | G1101 | |
| Alizarin red | Sigma-Aldrich | A5533 | |
| Anti-CTSK antibody | Santa Cruz | sc-48353 | |
| Anti-OPN antibody | R&D Systems, Minneapolis, MN, USA | AF808 | |
| Calcein | Sigma-Aldrich | C0875 | |
| Closed-coil springs | Innovative Material and Devices, Shanghai, China | CS1006B | |
| Col1α2CreERT2 mice | A gift from Bin Zhou, Shanghai Institutes for Biological Sciences, Chinese Academy of Sciences. | ||
| Dexmedetomidine hydrochloride | Orionintie Corporation, Orion Pharma Espoo site | ||
| EDTA | Beyotime Biotechanology | ST069 | |
| Embedding tanks | Citotest Labware Manufacturing Co., Ltd | 80106-1100-16 | |
| Ethanol | Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd. | 100092183 | |
| ImageJ software | NIH, Bethesda, MD, USA | ||
| Mounting medium with DAPI | Beyotime Biotechanology | P0131 | |
| Mouse dissection platform | Shanghai Huake Experimental Devices and Materials Co., Ltd. | HK105 | |
| Paraffin | Sangon biotech Co., Ltd. | A601889 | |
| Primers for genotyping | Stat3 F-TTGACCTGTGCTCCTACAAAAA; Stat3 R-CCCTAGATTAGGCCAGCACA; Cre F-CGATGCAACGAGTGATGAGG; Cre R-CGCATA ACCAGTGAAACAGC | ||
| Protease K | Sigma-Aldrich | 539480 | |
| Self-curing restorative resin | 3M ESPE, St. Paul, MN, USA | 712-035 | |
| Stat3fl/fl mice | GemPharmatech Co., Ltd | D000527 | |
| Tamoxifen | Sigma-Aldrich | T5648 | |
| TRAP staining kit | Sigma-Aldrich | 387A | |
| Tris-HCl | Beyotime Biotechanology | ST780 | |
| Universal tissue fixative | Wuhan Servicebio Technology Co., Ltd. | G1105 | |
| Xylene | Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd. | 10023418 | |
| Zoletil | VIRBAC |
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