建立一种结构逼真的心肌细胞的有限元几何模型研究蜂窝结构在心肌系统生物学中的作用

该程序的总体目标是创建心脏细胞细胞内结构的空间详细有限元模型。该模型是根据电子和共聚焦显微镜数据创建的。此类模型可用于研究细胞结构对心肌细胞功能的作用。

这种方法可以帮助回答有关细胞内部组织的变化以及健康和疾病状况如何影响心脏细胞系统生物学的关键问题。这种方法的主要优点是它允许您整合来自电子显微镜和共聚焦显微镜的互补信息，以创建细胞结构的空间详细模型。虽然这种方法可以提供对心脏细胞系统生物学的见解，但这种一般的整体方法，它也可以用于我们需要了解细胞结构对细胞功能影响的其他细胞。

这种方法的可视化演示至关重要，因为模拟离子通道并将其映射到更细的元素网格上的步骤非常新。在准备左心室游离壁组织切片并根据文本协议使用电子断层扫描对其进行成像后，执行 IMOD 程序 3dmod。在图形用户界面中，在标有 Image Files 的输入框中输入包含单元格的 3D 重建图像数据集的 rec 或 mrc 文件的地址，然后按 Okay。

接下来，在文件菜单下，选择 New Model。然后，使用 Save Model As 菜单项，使用适当的名称保存文件。在 Special 菜单下，选择 Drawing Tools，然后选择 Sculpt 选项并将鼠标移动到图像窗口。

将出现一个以鼠标指针为中心的圆形轮廓。在线粒体（图像文件的较暗区域）上按住鼠标中键的同时，将圆轮廓的周边拖动到其边界的形状中。线粒体边界的轮廓绘制完成后，松开中间按钮并对数据中的每个线粒体重复此过程。

IMOD 将自动将每个轮廓识别为同一对象中的新轮廓。在 Edit Object 菜单下，选择 New 以创建新对象。这会自动将对象总数增加 1，并将此编号分配给新对象。

使用 Sculpt （雕刻） 选项分割和保存肌原纤维轮廓。此外，分割单元边界，然后在 File （文件） 菜单下保存模型文件。根据文本协议下载 iso2mesh 后，从此处显示的 GitHub 网站下载源代码和数据以模拟网格上的 RyR 集群。

启动 Cardiac Cell Mesh Generator MATLAB 应用程序。然后，使用 GUI 左上角的三个按钮，将不同的细胞器组件掩码加载到 MATLAB 中。要创建另一个划分肌原纤维和线粒体之间间隙的二进制图像堆栈，请打开图像 J，然后使用"文件打开"对话框，将肌原纤维和线粒体 TIFF 堆栈加载到程序中。

通过选择 Process Calculator Plus 启动 Image Addition 增效工具。选择肌原纤维图像堆栈作为 I1，线粒体图像堆栈作为 I2，然后选择 Add 运算符，然后单击 Okay。在显示表示结果的新图像堆栈后，选择 Edit Invert 以生成图像堆栈。

通过按下 Cardiac Cell Mesh Generator 程序上的 RyR Gaps 文件按钮，加载包含肌原纤维和线粒体之间间隙的二进制图像堆栈的文件，然后按 GUI 上的生成网格。通过按下 GUI 上标有 Generate RyR-Simulator Inputs 的按钮，为 RyR-Simulator 生成必要的输入。函数执行后，请检查是否在指定为OUT_DIR路径的目录中创建了以下文件，即 d_axial_micron。

txt 文件，表示 Z 盘位置与图像堆栈中其余像素之间的轴向距离;d_radial_micron. txt 文件，表示欧几里得距离，不包括从可能的 RyR 群集位置集中的每个像素到 Z 盘平面上的像素的轴分量， W_micro。txt 文件，该文件表示 RyR 聚类存在的所有可用位置的空间坐标列表。

文件夹中的其余三个文件包含后缀 pixel 而不是 micron，以表示这些文件中的值已以像素坐标形式写出。要模拟肌原纤维的二进制图像堆栈上的 RyR 簇分布，请按下标记为 Open RyR-Simulator in R 的按钮以启动 R 程序。在 R GUI 上，选择 File Open 并在 RyR-Simulator 包中找到文件设置。

R.有关此字段中的参数和默认值的详细说明，请参阅文本协议。用户应在 R 窗口中检查 RyR 集群的模拟分布并调整设置，以确保集群位于 Z 盘附近，并均匀分布在单元的整个横截面上。要使用 Cardiac Cell Mesh Generator 将点作为空间密度映射到计算模型上，请选择标有 Select RyR Points File 的按钮，然后从 RyR-Simulator 输出的文件中选择一个模拟的 RyR 簇分布文本文件。

最后，在 MATLAB 的 GUI 上，执行 RyR Density Mapper。用户应目视检查密度值的分布情况，以便高密度值的邻域与实验数据中 RyR 集群的大小相似。这些明场图像揭示了细胞在相对于切割平面纵向、倾斜和横截面定向时的外观。

斜向和纵向样品出现条纹，而横截面样品则没有。毛细管在横截面视图中也比在斜视图中看起来更圆。该面板代表了一种高质量的断层照片堆栈，当遵循该方案的组织制备部分时，可以获取该堆栈。

需要谨慎和经验来确保组织块得到充分染色，并且胶体金颗粒在组织体积中均匀分布。此处显示的是肌原纤维和线粒体的分段 3D 模型。四面体网格的 3D 渲染由 iso2mesh 生成。

只要原始图像堆栈和分割任务质量良好，此步骤就相当健壮。最后，这些面板显示了使用球形核强度估计器算法后，同一网格拓扑上模拟 RyR 集群的三个示例。请注意 RyR 集群的组织变化。

一旦掌握并正确执行，就可以使用我们的技术在几个小时内生成结构逼真的心脏细胞有限元模型。按照此程序，可以执行钙信号传导、心脏生物能量学和细胞力学的有限元模拟，以回答有关细胞结构对心肌细胞功能的作用的问题。