胰岛的计算重建作为结构与功能分析的工具

摘要

在本方案中，使用专有的多平台应用程序中实现的计算算法对胰岛进行重建和分析。

摘要

胰岛的结构特性对于胰岛素、胰高血糖素和生长抑素分泌细胞的功能反应至关重要，因其涉及胰岛内细胞间的通讯 通过 电、旁分泌和自分泌信号。在本方案中，首先使用一种新型计算算法，基于实验数据重建胰岛的三维结构。接着，获取重建后胰岛的形态学和连接特性，例如不同类型细胞的数量与占比、细胞体积以及细胞间接触情况。随后，利用网络理论通过网络衍生的度量指标（如平均度、聚类系数、密度、直径和效率）来描述胰岛的连接特性。最后，通过使用耦合振荡器模型的计算模拟，对上述所有特性进行功能评估。总体而言，本文介绍了一种逐步实施的工作流程，该流程已在IsletLab中实现；IsletLab是一款专为胰岛研究与模拟而开发的跨平台应用程序，旨在提供一种新型计算方法，作为实验研究的补充手段，用于表征和分析胰岛。

引言

胰腺分为头、颈、体和尾四个区域，每个区域具有不同的结构、功能和解剖位置^1,2从功能角度来看，胰腺可分为内分泌系统和外分泌系统，前者负责分泌在血糖稳态调节中起关键作用的激素，后者则参与食物的消化过程。 通过 酶向十二指肠的分泌¹胰岛构成胰腺的内分泌组织，负责分泌胰高血糖素、胰岛素 分别由α细胞、β细胞和δ细胞分泌的胰高血糖素、胰岛素和生长抑素³除了其内在的调控机制外，这些细胞还受到调控 通过 β细胞之间以及β细胞与δ细胞之间直接的电通讯，以及旁分泌和自分泌信号传导^4,5,6这两种机制在很大程度上依赖于胰岛的结构（即胰岛内不同类型细胞的组成和排列方式）。^7,8重要的是，糖尿病状态下胰岛结构会发生改变，很可能由此干扰胰岛内部的细胞间通讯^9,10.

方案

注意：本方案的示意图见图1。以下为分步说明（有关本方案每一步所用对照面板的详细信息，请参见补充文件1）。

图1：流程图。 描述在 IsletLab 中实施的实验方案顺序的流程图。请点击此处查看此图的放大版本。

1. 在 Linux 系统中安装 IsletLab

注意：请按照 补充文件2 中第2和第3节的说明，在 Windows 或 macOS 系统中安装 IsletLab。

1. 打开一个互联网浏览器并....

结果

 采用Félix-Martínez等人提出的方法重建胰岛¹⁹ 高度依赖于赋予优化算法的参数（在重建设置中定义）。这一点的示例如下图所示 图3 不同参数组合下获得的重建胰岛结构如图所示。首先，在 图3A，显示了包含初始数据中 86.6% 细胞的重建结果（588 个细胞中的 509 个，初始温度 = 1，迭代因子 = 1，接受因子 = 1）。当初始温度以及迭代因子和接受因子增加时（初始温度 = 10，迭代因子 = 5，接受因子 = 5， 图3B），在重建的胰岛中包含了更高比例（93.37%）的初始细胞（即588个细胞中的549个）。如果使用更高的数值，特别是迭代因子和接受因子，可以获得更优的结果，如图所示 图3C （初始温度 = 10，迭代因子 = 1000，接受因子 = 500），其中重建的胰岛由初始细胞的 99.15% 组成（583 个细胞，共.......

讨论

上述方案概述了一种利用新型计算算法重建和分析胰岛结构的实用方法。本研究的主要目标是使胰岛研究领域能够获得定量指标，用以表征胰岛结构的形态学和连接性特征，并评估这些特征可能带来的功能影响。 通过 计算模拟

尽管本方案中采用的算法此前已有详细描述^12,19，但由于其相对复杂，一直缺乏直接且用户友好的实现方式，从而限制了其作为实验与理论工作补充工具的应用。

首先，采用 Félix-Martínez 等人最近提出的一种算法¹⁹，根据实验数据（例如细胞核坐标和细胞类型）重建胰岛结构。由此，用户可获得由非重叠的球形细胞组成的胰岛结构，其中细胞半径根据已报道的实验分布自动分配。在实际操作中，该重建算法是一种迭代优化过程，随着胰岛中细胞数量的增加，其计算成本显著上升。因此，强烈建议使用多处理器系统，以充分利用本方案中所述算法的并行处理实现。如上所述，重建过程的关.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
支持 CUDA 的 NVIDIA 显卡			功能模拟所必需
IsletLab			https://github.com/gjfelix/IsletLab （请按照说明下载并安装该应用程序。）