Határok a fiziológiában

Craniofacialis biológia és fogászati ​​kutatás

Szerkesztette
Pierfrancesco Pagella

Zürichi Egyetem, Svájc

Felülvizsgálta
Joan T. Richtsmeier

Pennsylvania Állami Egyetem (PSU), Egyesült Államok

Stavros Kiliaridis

Université de Genève, Svájc

Demetrios Halazonetis

Nemzeti és Kapodisztrian Egyetem, Athén, Görögország

A szerkesztő és a lektorok kapcsolatai a legfrissebbek a Loop kutatási profiljukban, és nem feltétlenül tükrözik a felülvizsgálat idején fennálló helyzetüket.

több

  • Cikk letöltése
    • PDF letöltése
    • ReadCube
    • EPUB
    • XML (NLM)
    • Kiegészítő
      Anyag
  • Exportálás
    • EndNote
    • Referencia menedzser
    • Egyszerű TEXT fájl
    • BibTex
OSZD MEG

Eredeti kutatás CIKK

  • 1 Fogszabályozási tanszék, Száj- és Fogorvosi Kar, South Valley University, Qena, Egyiptom
  • 2 A koponya- és arcbiológiai program, Kaliforniai Egyetem, San Francisco, San Francisco, Kalifornia, Egyesült Államok
  • 3 Száj- és szájsebészeti tanszék, Guanghua Sztomatológiai Iskola, Fogorvosi Kórház, Szun Jat-szen Egyetem, Guangzhou, Kína
  • 4 Guangdong tartományi sztomatológiai laboratórium, Sun Yat-sen Egyetem, Guangzhou, Kína
  • 5 Fejlesztési Biológiai és Regeneratív Orvostudományi Központ, Seattle Gyermekkutató Intézet, Seattle, WA, Egyesült Államok
  • 6 Ortopédiai Sebészeti Osztály, Kaliforniai Egyetem, San Francisco, San Francisco, Kalifornia, Egyesült Államok
  • A kraniofaciális anomáliák és a fogszabályozás 7 osztálya, Kaliforniai Egyetem, San Francisco, San Francisco, Kalifornia, Egyesült Államok

Bevezetés

Megváltoztathatja-e a lágy étrend (SD) kizárólagos és tartós fogyasztása az utódaink koponya-arc morfológiáját? Az emberi koponyák morfológiai átalakulásokon mentek keresztül évszázadok alatt, a változások a leginkább a rágóizmok kötődésével járó területeken mutatkoznak (Jantz, 2001; Godde, 2015; Manthey et al., 2017). Az emberi koponya alakjában (alakjában és méretében) bekövetkezett változásokat a lágyabb étrendre való áttéréssel társították, az ős vadász-gyűjtögető kultúrától a mezőgazdaság és a gazdálkodás kultúrájáig (Larsen, 2006; Pinhasi et al., 2015). Az ipari forradalmat követő lágyabb étrendre való áttérésről azt feltételezik, hogy ez az egyik elsődleges oka a koponyafaciális struktúrák adaptív változásainak (Larsen, 2006; von Cramon-Taubadel, 2011; Rando et al., 2014). A neolamarcsi evolúció azt sugallja, hogy a környezet közvetlenül megváltoztathatja a fenotípust, és ezt a megszerzett tulajdonságot örökölhető módon adják át a környezeti epigenetika és az epigenetikus transzgenerációs öröklés révén (Skinner, 2015). Továbbá a szülői étrendről korábban kimutatták, hogy potenciálisan befolyásolhatja a craniofacialis deformitások széles skálájának jelenlétét utódokban (Hassan et al., 2019; Wang et al., 2019).

Az SD generáció egyetlen generáción keresztül kraniofaciális szerkezeti és morfológiai változásokat eredményez, amelyek a koponya szomatikus sejtjeinek és szöveteinek funkcionális adaptációját jellemzik a funkcionális terhelési különbségek miatt (Mavropoulos et al., 2010, 2014; Chen et al., 2011; Dias et al., 2011; Utreja et al., 2016; Ödman et al., 2019). Korábbi tanulmányok egyértelműen kimutatták, hogy a rövid távú SD csökkenti az összes craniofacialis csontmennyiséget, a csontvastagságot, az alveoláris csonttrabekuláris térfogatot és a subchondralis condylaris csontmennyiséget (Odman et al., 2008; Mavropoulos et al., 2010; Anderson et al., 2014 ). Ezenkívül a mandibulák rövidebb alveoláris folyamatokat, kisebb coronoid és gonialis folyamatokat, valamint extrudált molarokat mutattak a kemény étrenddel etetett kontroll egerekhez képest (Odman et al., 2008; Mavropoulos et al., 2010; Anderson et al., 2014 ). Nevezetesen, ezeket a kísérleteket egyetlen generáció alatt hajtották végre, különböző kétdimenziós (2D) mérésekkel (Kiliaridis et al., 1985; Bresin, 2001; Mavropoulos et al., 2004; Enomoto et al., 2010; Guerreiro et al., 2013).

Újszerű tanulmányunk célja az volt, hogy meghatározzuk a hosszan tartó, több generációs SD-fogyasztás hatásait az egér koponya-arc morfológiájára 3D GMA segítségével. Ebből a célból HD egérrel (normál egér chow) és SD-vel etettünk 15 folyamatos generáción keresztül, és 3D GMA és 2D lineáris morfometriát végeztünk egér crania és mandibula esetében. A terepen félig tájékozódást alkalmaztak. A rövid távú SD az egér koponya-arc méretének csökkenését eredményezte. A hosszan tartó SD nem befolyásolta a koponya és az állcsont méretét, de megfigyelték az alakváltozásokat, például a keresztirányú dimenzió kiszélesedését és a koponya és az alsó állcsont anteroposterior dimenziójának csökkenését.

Anyagok és metódusok

Állatok és kísérleti tervezés

1.ábra. Folytatás 1. ÁBRAEgér koponyája és tereptárgyai. (A) Kísérleti terv. Az FVB egereket lágy étrendre (SD) vagy kemény diétára/normál chow-ra (HD) helyeztük 15 folyamatos generációig (F15SD és HD Con). Ezt követően a HD Con és az F15SD egereket egyetlen generációra SD-re és HD-re váltották (F1SD és F15SD-F1HD). (B) Szegmentált koponya és állcsont. Piros pontok jelölje meg az összes tereptárgyat. Oldalsó, háti, ventrális és mediális. (C) Szegmentált félkagyló oldalnézetben, félig tereptárgyakat mutatva (piros pontok) a kondiláris fej (fekete szaggatott doboz) és a nyak proximo-dorsalis a meghatározott határig (fekete szaggatott vonal). (C ’) Nagyított kilátás a kondil fejre. Piros pontok jelölje meg az összes tereptárgyat. an, elülső; di, disztális; la, oldalirányú; én, mediális; po, hátsó; pr, proximális.

Képfeldolgozás és mérföldkő adatgyűjtési protokoll

A rögzített egérfejeket a microCT segítségével SkyScan 1076 MicroCT segítségével készítettük a Seattle Children’s Research Institute-ban (Egyesült Államok) található Small Animal Tomographic Analysis Facility (SANTA) alkalmazásában. A mintákat 17,2 mikronos felbontással (55 kV, 150 mA, 0,5 mm Al szűrő) szkenneltük. A rekonstrukciókat NRecon (1.6.9.4 verzió) segítségével állítottuk elő, konzisztens küszöbérték-paraméterekkel, és átalakítottuk 3D térfogatokká. A koponya szegmentálását és a csontos felületek előállítását microCT adatokból az Avizo Lite-vel (9.1.1 verzió) végeztük.

Tereptárgy

Három tereptárgyat állítottunk össze: az 1. készlet 13 páros kétoldalú tereptárgyat tartalmazott, amelyek jellemezték az állcsont morfológiáját, a 2. készlet 43 olyan tereptárgyat tartalmazott, amelyek jellemezték a koponya morfológiáját (1B. Ábra), a 3. készlet pedig 50 félföldrajzi jelet tartalmaz az összes minta jobb oldali kondíliája - ezekből a pontokból kilencet a kondiláris fej és a nyak mentén helyeztek el egy képzeletbeli vonal mentén, amely a koronoid folyamat csúcsától a goniális szögig halad (1C ábra). Fél-landmarking technikákat alkalmaztunk a 3D-s kondiláris alakok számszerűsítésére, mivel a fél-landmarkok jelentősen javíthatják a komplex struktúrák jellemzését (Bardua et al., 2019).

Hagyományos morfometriás adatok

A hagyományos morfometriák standard méréseket alkalmaztak, amelyeket rutinszerűen használtak az egér koponyájának variációinak elemzéséhez. A koponyától és az állcsonttól mért következő távolságokat vettük fel: koponya hossza (SL); koponyaszélesség (SW); neurokranium szélessége (ÉNy); az állkapocs hossza (ML), a két-kondiláris szélesség (BCW), a kétgonialis szélesség (BGW) és az intermoláris szélesség (IMW) (S1. kiegészítő ábra). Az összes mérést a Landmark szoftver segítségével végeztük (Wiley et al., 2005). A mandibula hosszméréseit a jobb oldali félhajlítmányokon végeztük.

Főkomponens és kanonikus variánselemzések

A mérföldkő koordinátákat szöveges fájlokként exportálták, és a MorphoJ szoftverbe importálták a GMA elvégzésére (Klingenberg, 2011). Mindegyik halmaznál a tereptárgyakat általános Procrustes-analízissel (GPA) helyeztük el, és a kapott Procrustes-koordinátákat fő komponenselemzéssel (PCA) és kanonikus variánsanalízissel (CVA) értékeltük (Slice, 2005). Ezek az eljárások minimalizálják a méret hatását, és minden tájékozódáshoz egyetlen tájolást alkalmaznak azáltal, hogy a tereptárgy-konfigurációkat egy közös helyzetbe tolják, standard méretre méretezik, és addig forgatják, amíg a megfelelő tereptárgyak a legjobban illeszkednek. A GPA tehát rögzíti a méretarány, a transzláció és a forgatás hatásait, de nem szünteti meg a mérethez kapcsolódó allometriai alakváltozást (Rohlf, 1996; Slice, 2005).

Ehhez a vizsgálathoz ezeknek a mintáknak a craniofacialis alakjának variációit PCA alkalmazásával értékeltük. A PCA-t Procrustes-koordináták többváltozós regressziójának maradványainak felhasználásával végeztük el a centroid méreten, hogy megvizsgáljuk a mérettől független alakváltozatot (Darroch és Moismann, 1985; Falsetti és mtsai, 1993). A Procrustes-koordináták PCA-ja egy kovariancia-mátrix sajátérték-bontásán alapul, amely a Procrustes-koordinátákat ponttá alakítja a fő összetevőkkel (PC-k) együtt. A legtöbb esetben az első néhány számítógép megmagyarázza az adatkészlet varianciájának legnagyobb részét. Minden megfigyelést minden egyes fő tengelyre pontoznak, és a fő tengelyek mentén végzett megfigyelés pontszáma MorphoJ segítségével leképezi ezt a megfigyelést a morfoszférába (Klingenberg, 2011).

Ezenkívül elvégeztük a CVA-t azon alakjellemzők azonosítására, amelyek maximalizálják a csoportok közötti elkülönülést az egyes csoportokon belüli eltérések segítségével. A daru és a mandibulák alakjának változását vizuálisan jelenítettük meg a MorphoJ drótváz körvonalaival összehasonlítva az egyes kánonok mentén kialakult átlagos alakokkal, a szélsőséges vonalakkal. Végül kiszámoltuk a koponya méretét (az egyes tereptárgyak és a saját centroidjaik négyzetgyökének összege négyzetgyökét az euklideszi távolságok összegéből). Általában ez a mérés a mérőszám mércéje a GMA-ban (Le és Kume, 2000; Schwarze és mtsai, 2019).

Statisztikai analízis

A leíró statisztikákat lineáris mérésekre és centroid méretekre számoltuk. A szignifikancia tesztekhez egyirányú ANOVA-t használtunk. A tesztek és grafikák elvégzésére a Graphpad Prism (8.0.2 verzió) szolgált. Annak megállapításához, hogy az alakbeli különbségek statisztikailag szignifikánsak-e, a o a Procrustes ANOVA és a Mahalanobis távolságok segítségével is kiszámoltuk (S1 kiegészítő táblázat). A megfigyelők közötti tereptárgyak reprodukálhatóságának meghatározásához két megfigyelő (MGH és HK) egymástól függetlenül 10 véletlenszerűen kiválasztott mintán helyezte el a tereptárgyakat (S2. Kiegészítő ábra). 10 000 körös permutációs tesztet hajtottak végre a megfigyelők mérföldkőnek számító mintái közötti Procrustes távolságon, tesztelve a köztük lévő átlagos általános alakbeli különbségeket. Lineáris mérésekhez a megfigyelőkön belüli megbízhatóságot a páros segítségével elemeztük-t teszt és Bland-Altman módszer (S3 kiegészítő ábra). A fő megfigyelő (MGH) egy második méréssorozatot (hét véletlenszerűen kiválasztott minta) 1 héttel az első sorozat után végzett, hogy megerősítse az intra-megfigyelő hiba hiányát.

Eredmények

Vizsgálatunk négy egércsoportot elemzett: (1) HD Con egerek, (2) F15SD egerek, (3) F1SD egerek és (4) F15SD-F1HD egerek (1A ábra). A tanulmányban használt változók, a centroid méret és a lineáris mérések leíró statisztikáit mutatjuk be (1. táblázat).

Asztal 1. Az összes változó leíró statisztikája és a csoportok közötti összehasonlítás.

Az SD hatása a koponya morfológiájára

Egyirányú ANOVA-t végeztek az SD kraniofacialis morfológiára gyakorolt ​​hatásának szemléltetésére. Jelentős különbség volt az átlagos centroid méretben [F(3,38) = 14,25, o Kulcsszavak: puha étrend, koponya- és arcalakú morfológia, több generáció, egér, geometriai morfometria, koponya, állcsont

Idézet: Hassan MG, Kaler H, Zhang B, Cox TC, Young N és Jheon AH (2020) A többgenerációs lágy diéta fogyasztásának hatása az egér koponyafélék morfológiájára. Elülső. Physiol. 11: 783. doi: 10.3389/fphys.2020.00783

Beérkezett: 2020. február 10 .; Elfogadva: 2020. június 15 .;
Megjelent: 2020. július 10.

Pierfrancesco Pagella, Zürichi Egyetem, Svájc

Demetrios Halazonetis, Athén Nemzeti és Kapodisztrian Egyetem, Görögország
Joan Therese Richtsmeier, Pennsylvania Állami Egyetem (PSU), Egyesült Államok
Stavros Kiliaridis, Université de Genève, Svájc

† Jelenlegi cím: Timothy C. Cox, Száj- és Arc- és Arctudományi Tanszék, Missouri Egyetem-Kansas City Fogorvosi Iskola, Kansas City, MO, Egyesült Államok