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。
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摘要
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.
胰岛的研究涉及多种实验方法。其中，利用荧光技术确定胰岛内不同细胞的数量、位置和类型，已使研究人员能够深入探究胰岛的结构与形态学特性11,12,13，并更好地理解其在健康和疾病状态下的功能意义。作为补充，过去几十年中，研究者还应用了胰腺细胞的计算模型14,15,16，以及近年来发展的胰岛计算模型12,17,18,19，用于评估那些在实验上难以甚至无法实现的研究问题。
在本实验方案中，我们旨在通过建立一种重建胰岛结构的方法，利用定量指标分析其形态学和连接特性，并进行基础模拟以评估胰岛特性的功能意义，从而弥合实验研究与计算研究之间的差距。
以下所述方案基于专为胰岛研究设计的计算算法。简而言之，该方案的第一步是利用Félix-Martínez等人最近提出的一种算法19，从实验数据中重建胰岛结构。该算法通过迭代优化过程处理由4′,6-二脒基-2-苯基吲哚（DAPI）染色获得的细胞核位置信息，以及通过免疫荧光鉴定的细胞类型（具体方法详见Hoang等人11,12的描述），从而确定每个细胞的最佳大小和位置，最终构建出由不重叠细胞组成的胰岛模型。第二步是基于重建的结构识别细胞间的接触关系，以确定其连接特性，并生成相应的胰岛网络，使用户能够获得用于进一步定量描述胰岛结构的指标（有关重建算法的详细信息可参见原始研究文献19）。最后，采用Hoang等人提出的建模方法12进行基本的功能模拟：根据实验中观察到的激素分泌脉冲特性20,21，将每个细胞视为一个振荡器，因此整个胰岛被表示为一个耦合振荡器网络，其连接特性与重建的胰岛结构一致。
鉴于本方案所用算法的计算复杂性，所有相关步骤均已集成到一个独立的应用程序中22，主要目的是使所有感兴趣的读者都能便捷使用这些计算工具，而无需考虑其在专业软件或编程语言方面的经验水平。
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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。
- 打开一个互联网浏览器并访问 https://github.com/gjfelix/IsletLab。下载并解压 IsletLab 仓库文件。
注意：补充文件3 包含本实验方案中所用 IsletLab 版本的副本。 - 确认已安装 gcc 和 nvcc 编译器。打开终端并输入以下命令：
gcc --version
nvcc --version
如果系统无法识别其中任一命令，请参阅补充文件2第1节中列出的说明。 - 下载并安装数据科学平台（参见材料表）。打开终端并进入 IsletLab 文件夹。
- 在终端中输入以下命令以创建新环境：
conda env create -f isletlabgui_v1.0.yml - 通过输入以下命令激活新环境：
conda activate isletlab_v1.0 - 在终端中输入以下命令以启动 IsletLab 应用程序（主窗口的说明见图2）：
python isletlabgui_v1.0.py
图2：IsletLab 的用户界面。 界面由三个主要面板组成：配置面板（1）、统计面板（2）和图形面板（3）。图形工具栏（4）位于图形面板的底部。 请点击此处以查看此图的放大版本。
2. 胰岛重建
- 准备输入数据。将输入的胰岛数据（即细胞类型和三维（3D）坐标）整理为四列文件，其中第1列包含细胞类型（编码为11：ɑ细胞，12： β细胞，13: δ-细胞）以及第2至第4列分别包含x、y和z坐标（参见第5节中的输入文件示例） 补充文件 2 或 IsletLab 仓库中包含的输入测试文件。
- 确保输入文件不包含列标题。如有需要，可参考 IsletLab 代码库中包含的示例输入文件（Input_Islet_test.txt）以遵循操作流程。
注意：用于开发 IsletLab 中所实现算法的输入数据是通过实验获得的，具体方法详见 Hoang 等人的描述。11,12 使用 DAPI 染色确定细胞核位置，并通过免疫荧光鉴定细胞类型。 - 点击 加载初始胰岛 单击按钮并选择包含输入数据的文件，以生成初始胰岛、三维图像及相应的统计结果。若出现错误，将显示以下消息：“Error loading islet file”。此时请重复步骤 2.1。
- 配置重建过程。单击 重建设置 按钮并修改优化参数（参见第4和第5节） 补充文件 2 有关重建设置窗口中所示算法及参数的简要说明）。
- 设置初始温度 = 1，迭代因子 = 1，接受因子 = 1。点击 好的 单击按钮以保存参数值。
注意：通常情况下，提高温度参数以及迭代次数和接受因子，可在重建胰岛所包含的实验细胞方面获得更好的重建结果，但会增加计算时间。 - 点击 重建胰岛 打开重建日志窗口的按钮（参见第6节 补充文件 2 有关重建日志中所提供信息的说明）。
- 点击 运行 开始重建过程的按钮。监测优化过程，直至出现提示信息：“请关闭此窗口以继续”。关闭重建日志窗口，以生成重建胰岛的可视化图像并计算相关统计结果（参见左列） 图3A- C).
- 通过分析统计面板最终胰岛标签页中显示的优化统计结果，评估重建过程的效果。尤其应关注最大化被纳入重建胰岛中的实验细胞百分比（实验细胞占比，% of experimental），或等效地最小化重叠数量（也在收敛图中以图形方式显示，位于右侧列） 图3A- C).
- 如果根据用户目标认为实验统计百分比偏低，则按照步骤9.1所述重新启动IsletLab，提高重建设置中的初始温度、迭代因子和接受因子，并重复步骤2.1–2.4，直至获得满意结果（> 95%的实验细胞）。参见第5-7节 补充文件 2 有关重建过程及相关结果的进一步描述。
3. 鉴定细胞间接触
- 点击 重建设置 按钮，并设置 接触容差 参数以定义细胞间接触的容差范围，然后点击 确定 保存参数值。
注意：接触容差参数表示判断两个细胞是否处于接触状态的最大距离。 - 点击 细胞间接触 按钮以识别紧密接触的细胞。在接触标签页中，通过图形面板中显示的黑色线条查看处于接触状态的细胞，并在统计面板中查看相应的统计数据（即总接触数、同型接触和异型接触，以及 ɑ-ɑ、β-β、δ-δ、ɑ-β、ɑ-δ、β-δ 接触）（见 图4A-C 的左列）。
- 增大（或减小）接触容差参数值可增加（或减少）细胞间接触的数量。有关细胞间接触识别及其相关结果的详细信息，请参见 补充文件2 的第8节。
4. 构建胰岛网络
- 点击 构建网络 按钮以生成胰岛网络并计算相关网络指标（见 图 4A-C 的右侧列）。
注意：有关生成的胰岛网络结果的进一步说明见 补充文件 2 的第 9 节。
5. 重建胰岛的功能模拟
- 切换到界面配置面板的模拟选项卡（图5）。
- 选择所需的固有频率模式——恒定或随机——然后点击配置固有频率按钮，以定义振荡器的频率（单位：Hz）。若选择随机固有频率，则需设定均值和偏差（单位：Hz），以生成符合正态分布的随机频率（有关模拟参数的说明，请参见补充文件2的第11节）。
- 选择所需的初始相位模式——恒定或随机。若选择恒定初始相位，则点击配置初始相位按钮，以定义振荡器的相位（单位：弧度）。若选择随机初始相位，系统将为所有振荡器分配0至2π之间的随机相位。
注意：若选择恒定初始相位，所有振荡器将被同相初始化。 - 点击配置相互作用按钮，在相互作用强度窗口中定义细胞间相互作用参数。有关相互作用参数的说明，请参见补充文件2的第11节。
- 通过设定总模拟时间（单位：s）、时间步长（单位：s）以及保存因子（保存数据点之间的步数）来配置模拟。在图5所示的模拟中，总时间为20000 s，时间步长为0.1 s，保存因子为500。
- 定义用于执行模拟的线程块数、每块线程数以及计算平台能力。应根据可用的图形处理单元（GPU）的具体特性来设定这些参数。
注意：在图5所示示例中，使用了36个线程块，每块64个线程（共2304个计算平台核心），因为所用GPU包含36个多处理器，每个多处理器具有64个计算平台核心。所用计算平台能力参数值为75，因为硬件计算平台能力为7.5（有关这些参数的详细信息，请参见补充文件2的第10节）。 - 点击运行模拟按钮以打开模拟日志窗口。点击运行 按钮以启动模拟，并监控过程，直至出现提示“请关闭窗口以继续”。有关模拟日志的详细信息，请参见补充文件2的第12节。
- 关闭模拟日志窗口以查看模拟结果（见图5）。有关模拟结果的详细说明，请参见补充文件2的第13节。
6. 保存项目（可选）
- 在菜单栏中点击 文件 > 导出项目。选择项目文件将要保存的目录，然后点击 确定 按钮。
注意：项目文件的名称将根据初始数据文件的名称自动确定。如果项目未被保存，所有结果及相关文件将被自动删除。 - 通过点击 文件 > 加载项目 来加载已导出的项目。
7. 保存图像（可选）
- 点击图形工具栏中的 保存图形图标，将当前可视化结果保存为图像文件。在整个实验方案中，对所创建的所有图形重复此步骤。
注意：可使用图形面板的图形工具栏中提供的图标对图形和胰岛可视化结果进行修改。
8. 加载项目（可选）
- 在主菜单中点击 文件 > 加载项目，并选择此前按照 6.1–6.2 步骤保存的项目文件。
注意：如果项目文件已被外部修改，则无法正确加载。若项目成功加载，仅可使用模拟功能。
9. 重新启动重建过程和分析（可选）
- 在任何时候，用户均可选择 文件 > 重新开始 以放弃所有结果，并开始新的重建与分析。
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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...
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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...
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披露
作者无任何利益冲突需要披露。
致谢
G.J. Félix-Martínez 感谢墨西哥国家科学技术委员会（CONACYT）以及墨西哥城自治都市大学电气工程系为本项目提供的支持。我们感谢 Danh-Tai Hoang 博士、Manami Hara 博士和 Junghyo Jo 博士所做出的杰出工作，并感谢他们慷慨分享胰岛结构数据，使本研究工作得以实现并惠及科研群体。
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材料
| 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。） |
参考文献
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