April 18th, 2018
ويحدد هذا البروتوكول طريقة جديدة لإنشاء نموذج عنصر محدود مكانياً مفصلة من بنية داخل الخلايا من كارديوميوسيتيس من المجهر الإلكتروني وصور مجهرية [كنفوكل]. ويتجلى السلطة من هذا الطراز مفصلة مكانياً باستخدام دراسات الحالة في إشارات الكالسيوم والاستقلاب.
الهدف العام من هذا الإجراء هو إنشاء نموذج عنصر محدود مفصل مكانيا للبنية داخل الخلايا لخلية القلب. تم إنشاء هذا النموذج من بيانات المجهر الإلكتروني ومتحد البؤر. يمكن استخدام هذه النماذج لدراسة دور العمارة الخلوية في وظيفة خلايا القلب.
يمكن أن تساعد هذه الطريقة في الإجابة على الأسئلة الرئيسية حول كيفية تأثير التغيير في التنظيم الداخلي للخلية والظروف الصحية والمرضية على بيولوجيا خلايا القلب. الميزة الرئيسية لهذه الطريقة هي أنها تسمح لك بدمج المعلومات التكميلية من الفحص المجهري الإلكتروني والفحص المجهري متحد البؤر من أجل إنشاء نموذج مفصل مكانيا للبنية الخلوية. على الرغم من أن هذه الطريقة يمكن أن توفر نظرة ثاقبة لبيولوجيا نظام خلايا القلب ، ولكن هذا النهج العام العام ، يمكن استخدامه أيضا في الخلايا الأخرى حيث نحتاج إلى فهم تأثير البنية الخلوية على وظيفة الخلية.
يعدالعرض المرئي لهذه الطريقة أمرا بالغ الأهمية ، حيث أن خطوات محاكاة القنوات الأيونية وتعيينها على شبكة العناصر الدقيقة جديدة جدا. بعد تحضير أقسام أنسجة الجدار الحر للبطين الأيسر وتصويرها باستخدام التصوير المقطعي الإلكتروني وفقا لبروتوكول النص ، قم بتنفيذ برنامج IMOD 3dmod. داخل واجهة المستخدم الرسومية ، أدخل عنوان ملف rec أو mrc الذي يحتوي على مجموعة بيانات الصورة المعاد بناؤها ثلاثية الأبعاد للخلية في مربع الإدخال المسمى ملفات الصور ، ثم اضغط على موافق.
بعد ذلك، ضمن قائمة الملف، حدد نموذج جديد. بعد ذلك، باستخدام عنصر القائمة حفظ النموذج باسم، احفظ الملف باسم مناسب. ضمن القائمة الخاصة ، حدد أدوات الرسم ، ثم اختر خيار النحت وحرك الماوس إلى نافذة الصورة.
سيظهر محيط دائري متمركز على مؤشر الماوس. أثناء الضغط باستمرار على زر الماوس الأوسط لأسفل فوق الميتوكوندريا ، وهي منطقة أغمق من ملفات الصور ، اسحب محيط محيط الدائرة إلى شكل حدودها. بمجرد اكتمال تحديد حدود الميتوكوندريا ، حرر الزر الأوسط وكرر هذه العملية لكل ميتوكوندرية في البيانات.
سيتم التعرف تلقائيا على كل كفاف بواسطة IMOD ككفاف جديد داخل نفس الكائن. ضمن القائمة تحرير الكائن، حدد جديد لإنشاء كائن جديد. سيؤدي هذا تلقائيا إلى زيادة العدد الإجمالي للكائنات بمقدار واحد وتعيين هذا الرقم للكائن الجديد.
استخدم خيار Sculpt لتقسيم وحفظ ملامح اللييفات العضلية. قم أيضا بتقسيم حدود الخلية ، ثم ضمن قائمة "ملف" ، احفظ ملف النموذج. بعد تنزيل iso2mesh وفقا لبروتوكول النص ، قم بتنزيل أكواد المصدر والبيانات لمحاكاة مجموعات RyR على الشبكة من موقع GitHub الموضح هنا.
ابدأ تطبيق MATLAB لمولد شبكة الخلايا القلبية. بعد ذلك ، باستخدام أزرار الضغط الثلاثة الموجودة في الجانب الأيسر العلوي من واجهة المستخدم الرسومية ، قم بتحميل أقنعة مكونات العضية المختلفة في MATLAB. لإنشاء مكدس صور ثنائي آخر يحدد الفجوات بين اللييفات العضلية والميتوكوندريا ، افتح الصورة J ، ثم باستخدام مربع الحوار File Open ، قم بتحميل مكدسات TIFF للميتوكوندريا في البرنامج.
ابدأ المكون الإضافي إضافة الصور عن طريق تحديد Process Calculator Plus. حدد مكدس صور اللييفات العضلية ك I1، ومكدس صور الميتوكوندريا ك I2، واختر ملف إضافة عامل تشغيل، ثم انقر فوق موافق. بعد ظهور مكدس صور جديد يمثل النتيجة، حدد Edit Invert لإنتاج مكدس صور.
قم بتحميل الملف الذي يحتوي على مكدس الصور الثنائية للفجوات بين اللييفات العضلية والميتوكوندريا عن طريق الضغط على زر ملف RyR Gaps في برنامج Cardiac Cell Mesh Generator ، ثم اضغط على Generate Mesh على واجهة المستخدم الرسومية. قم بإنشاء المدخلات اللازمة ل RyR-Simulator عن طريق الضغط على الزر المسمى إنشاء مدخلات RyR-Simulator على واجهة المستخدم الرسومية. بعد تنفيذ الدالة، تحقق من إنشاء الملفات التالية داخل الدليل المحدد كمسار OUT_DIR، d_axial_micron.
txt ، الذي يمثل المسافة المحورية بين موضع القرص Z وبقية وحدات البكسل في مكدس الصور ، الملف d_radial_micron. txt ، الذي يمثل المسافة الإقليدية باستثناء المكون المحوري من كل بكسل في مجموعة مواقع مجموعة RyR المحتملة إلى وحدات البكسل على مستوى القرص Z ، W_micro. txt ، والذي يمثل قائمة الإحداثيات المكانية لجميع المواضع المتاحة لمجموعات RyR المراد وجودها.
تحتويالملفات الثلاثة المتبقية في المجلد على اللاحقة بكسل بدلا من ميكرون للإشارة إلى أن القيم الموجودة داخل هذه الملفات قد تمت كتابتها في شكل إحداثيات البكسل. لمحاكاة توزيعات نظام مجموعة RyR على مكدس الصور الثنائية للليكون العضلي ، اضغط على الزر المسمى Open RyR-Simulator في R لبدء برنامج R. في واجهة المستخدم الرسومية R ، حدد فتح الملف وداخل حزمة RyR-Simulator ، ابحث عن إعدادات الملف.
R.ارجع إلى بروتوكول النص للحصول على تفسيرات مفصلة للمعلمات في هذا الحقل والقيم الافتراضية. يجب على المستخدمين فحص التوزيع المحاكي لمجموعات RyR في نافذة R وضبط الإعدادات للتأكد من أن المجموعات تقع بالقرب من أقراص Z وتنتشر بالتساوي عبر المقطع العرضي للخلية بأكملها. لتعيين النقاط ككثافات مكانية على نموذج حسابي باستخدام مولد شبكة خلايا القلب ، حدد الزر المسمى حدد ملف نقاط RyR واختر ملفا نصيا لتوزيع مجموعة RyR محاكيا من تلك التي تم إخراجها بواسطة RyR-Simulator.
أخيرا ، على واجهة المستخدم الرسومية في MATLAB ، قم بتنفيذ RyR Density Mapper. يجب على المستخدمين التحقق بصريا من توزيع قيم الكثافة بحيث تكون الأحياء ذات القيم عالية الكثافة مشابهة لحجم مجموعات RyR في البيانات التجريبية. تكشف صور المجال الساطع هذه كيف تظهر الخلايا عند توجيهها طوليا وغير مباشر ومقطعيا فيما يتعلق بمستوى القطع.
تظهرالعينات المائلة والطولية تشققات ، بينما لا تظهر العينات المقطعية العرضية. تظهر الشعيرات الدموية أيضا دائرية أكثر في مناظر المقطع العرضي منها في المناظر المائلة. تمثل هذه اللوحة مكدسة مقطعية عالية الجودة يمكن الحصول عليها عند اتباع جزء تحضير الأنسجة من هذا البروتوكول.
العناية والخبرة ضروريان للتأكد من أن كتل الأنسجة ملطخة بدرجة كافية وأن هناك توزيعا متساويا لجزيئات الذهب الغروية من خلال حجم الأنسجة. يظهر هنا نموذج ثلاثي الأبعاد مجزأ من اللييفات العضلية والميتوكوندريا. يتم إنتاج هذا العرض ثلاثي الأبعاد للشبكة رباعية السطوح بواسطة iso2mesh.
طالما أن مكدس الصور الأصلي ومهام التجزئة ذات نوعية جيدة ، فهذه الخطوة قوية إلى حد ما. أخيرا ، تعرض هذه اللوحات ثلاثة أمثلة لمجموعات RyR المحاكاة على نفس طوبولوجيا الشبكة بعد استخدام خوارزمية مقدر شدة النواة الكروية. لاحظ الاختلاف في تنظيم مجموعات RyR.
بمجرد إتقانها وإذا تم إجراؤها بشكل صحيح ، يمكن إنشاء نموذج عنصر محدود واقعي من الناحية الهيكلية لخلية القلب ، في غضون ساعتين باستخدام تقنيتنا. بعد هذا الإجراء ، يمكن إجراء محاكاة العناصر المحدودة لإشارات الكالسيوم ، والطاقة الحيوية للقلب ، والميكانيكا الخلوية ، للإجابة على أسئلة حول دور العمارة الخلوية في عمل خلايا عضلة القلب.
View the full transcript and gain access to thousands of scientific videos
يوضح هذا البروتوكول طريقة لإنشاء نموذج مفصل مكانيًا لعناصر محدودة للهندسة الداخلية لخلايا القلب باستخدام صور المجهر الإلكتروني والمجهر المجسم. يساعد هذا النموذج في فهم تأثير الهندسة الخلوية على وظيفة خلايا القلب.
This protocol enables biopharma researchers to develop spatially resolved finite element models of cardiomyocyte architecture, providing a computational platform to interrogate structure-function relationships in cardiac cells. By integrating high-resolution electron and confocal microscopy data, the method supports mechanistic de-risking in target validation and assay development for cardiovascular therapeutics. The resulting models facilitate predictive simulations of calcium signaling and mitochondrial bioenergetics, enhancing confidence in early discovery decisions and reducing reliance on empirical screening alone.
The method fits within the early discovery continuum, supporting target validation through structural phenotyping and informing lead identification by providing architecture-informed functional readouts for compound screening campaigns.