创建心肌细胞的结构逼真有限元几何模型以研究细胞架构在心肌细胞系统生物学中的作用
2018年4月18日
本方案概述了一种利用电子显微镜和共聚焦显微镜图像构建心肌细胞细胞内结构高空间分辨率有限元模型的新方法。通过钙信号传导和生物能量学的案例研究，展示了该高空间分辨率模型的强大功能。
本实验的总体目标是构建一个空间细节精确的心肌细胞内结构有限元模型。该模型基于电子显微镜和共聚焦显微镜数据构建而成。此类模型可用于研究细胞结构对心肌细胞功能的影响。
该方法有助于解答有关细胞内部结构变化以及健康与疾病状态如何影响心肌细胞系统生物学的关键问题。此方法的主要优势在于，它能够整合来自电子显微镜和共聚焦显微镜的互补信息，从而构建出细胞结构的空间精细模型。尽管该方法可为心肌细胞系统生物学提供深入见解，但这种总体策略也可应用于其他需要理解细胞结构对细胞功能影响的细胞类型。
该方法的可视化演示至关重要，因为将离子通道模拟并映射到更精细的单元网格上的步骤是全新的。在制备左心室游离壁组织切片并根据文本方案使用电子断层扫描技术进行成像后，运行 IMOD 程序 3dmod。在图形用户界面中，将包含细胞三维重建图像数据集的 rec 或 mrc 文件的地址输入标有“Image Files”的输入框，然后按“Okay”。
接下来，在文件菜单下选择“新建模型”。然后，通过“另存为模型”菜单项，使用适当的名称保存文件。在“特殊”菜单下选择“绘图工具”，然后选择“雕刻”选项，并将鼠标移至图像窗口。
一个以鼠标指针为中心的圆形轮廓将出现。在图像文件中较暗的线粒体区域上，按住鼠标中键，拖动圆形轮廓的边缘，使其形状与线粒体边界一致。完成线粒体边界的轮廓绘制后，松开鼠标中键，并对数据中的每个线粒体重复此过程。
每个轮廓将被 IMOD 自动识别为同一对象中的新轮廓。在“编辑对象”菜单下，选择“新建”以创建一个新对象。这将使对象总数自动增加一，并将此编号分配给新对象。
使用 Sculpt 选项来分割并保存肌原纤维轮廓。同时分割细胞边界，然后在文件菜单下保存模型文件。根据文本协议下载 iso2mesh 后，从此处所示的 GitHub 网站下载源代码和数据，以在网格上模拟兰尼碱受体（RyR）簇。
启动 Cardiac Cell Mesh Generator MATLAB 应用程序。然后，使用图形用户界面左上角的三个按钮，将不同的细胞器组分掩膜加载到 MATLAB 中。为了创建另一个用于划分肌原纤维与线粒体之间间隙的二值图像序列，请打开 ImageJ，然后通过“文件打开”对话框，将肌原纤维和线粒体的 TIFF 图像序列加载到程序中。
通过选择“Process Calculator Plus”启动图像加法插件。将肌原纤维图像堆栈选为I1，线粒体图像堆栈选为I2，并选择“Add”操作符，然后点击“Okay”。当显示代表结果的新图像堆栈后，选择“Edit Invert”以生成图像堆栈。
通过点击“心肌细胞网格生成器”程序中的 RyR 间隙文件按钮，加载包含肌原纤维与线粒体之间间隙的二值图像堆栈文件，然后在图形用户界面（GUI）中点击生成网格。通过点击 GUI 上标注为“生成 RyR-Simulator 输入”的按钮，生成 RyR-Simulator 所需的输入文件。函数执行完毕后，请检查是否已在指定为 OUT_DIR 路径的目录中成功生成 d_axial_micron 文件。
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，表示从可能的 RyR 聚集体位置集合中的每个像素到 Z 盘平面上像素的欧几里得距离（不包括轴向分量）；W_micro.txt 文件，表示所有可用于 RyR 聚集体存在的空间坐标的列表。
文件夹中的其余三个文件使用后缀 pixel 而非 micron，表示这些文件中的数值是以像素坐标形式写出的。为了在肌原纤维的二值图像堆栈上模拟兰尼碱受体（RyR）簇的分布，请点击标记为“Open RyR-Simulator in R”的按钮，以启动 R 程序。在 R 的图形用户界面中，选择“File”菜单下的“Open”，然后在 RyR-Simulator 软件包中找到 settings 文件。
R.有关此字段中参数及默认值的详细说明，请参阅文本方案。用户应检查R窗口中RyR簇的模拟分布，并调整设置，以确保簇位于Z盘附近，并在整个细胞横截面上均匀分布。若要使用心肌细胞网格生成器将点映射为计算模型上的空间密度，请单击标记为“Select RyR Points File”的按钮，并从RyR-Simulator输出的模拟RyR簇分布文本文件中选择一个文件。
最后，在 MATLAB 的图形用户界面中运行 RyR 密度映射程序。用户应通过视觉检查确认密度值的分布情况，确保高密度值区域的范围与实验数据中 RyR 聚集体的大小相似。这些明场图像展示了细胞相对于切面呈纵向、斜向和横截面方向时的形态。
斜切和纵切样本均显示出条纹状结构，而横切样本则无此特征。在横切面视图中，毛细血管呈现较接近圆形的形态，而在斜切面视图中则不然。该图显示了按照本实验方案的组织制备步骤操作后可获得的高质量断层成像序列。
确保组织块染色充分，并且胶体金颗粒在组织体积内均匀分布，需要细致的操作和丰富的经验。图中显示的是肌原纤维和线粒体的分段三维模型。该四面体网格的三维渲染图由 iso2mesh 生成。
只要原始图像堆栈和分割任务的质量良好，此步骤就具有较强的稳健性。最后，这些图示展示了在使用球形核强度估计器算法后，同一网格拓扑上模拟的三种兰尼碱受体（RyR）簇的示例。请注意RyR簇在组织结构上的差异。
一旦掌握并正确操作，利用我们的技术可在数小时内构建出结构逼真的心肌细胞有限元模型。通过该方法，可开展钙信号传导、心脏生物能量学及细胞力学的有限元模拟，以探究细胞结构对心肌细胞功能的影响。
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概述
本方案概述了一种利用电子显微镜和共聚焦显微镜图像构建心肌细胞细胞内结构高空间分辨率有限元模型的方法。该模型有助于理解细胞结构对心肌细胞功能的影响。
关键研究组成部分
科学领域
- 心血管生物学
- 细胞结构
- 显微镜技术
背景
- 心肌细胞在心脏功能中起着至关重要的作用。
- 了解细胞结构对于研究心脏健康与疾病至关重要。
- 电子显微镜和共聚焦显微镜为建模提供了互补的数据。
- 空间细节精确的模型有助于揭示钙信号传导和生物能量学方面的机制。
研究目的
- 建立心肌细胞结构的有限元模型。
- 研究细胞组织方式的变化如何影响心脏功能。
- 为研究其他细胞类型的结构-功能关系提供框架。
使用的方法
- 电子显微镜数据的整合。
- 共聚焦显微镜图像的应用。
- 有限元建模技术。
- 钙信号传导与生物能量学的案例研究。
主要结果
- 成功构建心肌细胞结构的详细模型。
- 揭示了细胞结构在心脏功能中的作用。
- 展示了在钙信号研究中的应用实例。
- 具备在其他细胞类型中广泛适用的潜力。
结论
- 该方法为研究心肌细胞生物学提供了新途径。
- 显微镜数据的整合提高了模型的准确性。
- 研究结果可为未来心脏健康与疾病的研究提供参考。
常见问题
行业重要性概述
本方案使生物制药研究人员能够构建心肌细胞结构的空间分辨有限元模型，提供一个计算平台，用于研究心脏细胞中结构与功能之间的关系。通过整合高分辨率电子显微镜和共聚焦显微镜数据，该方法可支持心血管治疗药物在靶点验证和检测开发中的机制性风险评估。所构建的模型有助于对钙信号传导和线粒体生物能量学进行预测性模拟，从而增强早期发现阶段决策的信心，并减少对经验性筛选的依赖。
生物制药研发中的战略应用
早期发现与靶点验证
- 科学价值：能够探究亚细胞结构如何影响钙处理和收缩功能，支持心肌细胞系统生物学中的靶向假设验证。
- 操作价值：提供可重复使用的计算框架，用于评估基因或药物扰动对细胞结构的影响，而无需针对每种条件开展新的湿实验。
筛选与检测方法开发
- 科学价值：可生成定量的、具有空间分辨能力的输出结果，例如细胞器分布和兰尼碱受体（RyR）簇的定位，从而实现不同实验条件下结果的标准化比较。
- 操作价值：通过定义结构基线，支持检测方法的标准化，进而对化合物诱导的结构重塑进行测量和量化。
转化与临床前研究
- 科学价值：通过模拟与细胞超微结构相关的钙信号动态，将发现阶段的成像与临床前功能评估相结合。
- 操作价值：通过模拟疾病模型中结构重塑对电生理和代谢结果的影响，支持基于风险评估的推进决策。
流程与工作流整合
该方法适用于早期发现阶段，通过结构表型分析支持靶点验证，并通过提供基于结构的功能性读出结果，指导化合物筛选项目中的先导化合物发现。
- Discovery Biology：促进以假设为驱动的探索，研究线粒体定位、肌原纤维排列或钙释放位点分布的变化如何影响心肌细胞功能。
- Screening：能够生成定量的结构指标（例如，细胞器体积分数、最近邻距离），可作为高内涵筛选中的基于成像的生物标志物。
- Analytics：生成空间密度图和几何描述符，实现对不同遗传、环境或药物处理条件下细胞结构状态的计算比较。
- Translational Research：通过将观察到的结构变化与钙处理和能量传递中模拟的功能缺陷相关联，支持向临床前研究的衔接。
- Enterprise Reuse：建立可扩展、与成像模态无关的流程，用于将多分辨率成像数据整合到适用于不同细胞类型和疾病背景的机制模型中。
运营与企业影响
- 科学价值：通过降低心肌细胞内结构-功能关系的不确定性，提高靶点验证的预测可信度。
- 操作价值：提升不同实验室和成像平台之间结构定量分析的可重复性与标准化水平。
- 战略价值：通过在投入昂贵的体内验证之前实现计算机靶点优先排序，提高资本使用效率。
- 项目组合影响：通过提供选择可使病理性结构表型正常化的化合物的作用机制依据，支持降低风险的推进决策。
实施注意事项
- 需要具备电子显微镜和共聚焦显微镜图像处理、分割以及有限元建模方面的专业知识。
- 依赖于高分辨率三维成像数据及IMOD、iso2mesh、MATLAB和基于R的模拟工具等计算资源的获取。
- 需要跨团队统一图像分割协议和文件命名规范，以确保模型之间的可比性。
- 在将该工作流程应用于具有不同超微结构复杂性的细胞类型或疾病模型时，需考虑适应性调整。
- 实际局限性包括目前尚未纳入横小管和肌浆网的细节结构，这可能影响钙信号模拟的完整性。
生物制药常见问题
Chapters in this video
0:04
Title
1:19
Segment Myofibrils and Mitochondria Regions from the EM 3D Image Dataset
3:05
Create a Finite Element Mesh from the Segmented Components
4:36
Mathematically Map the Spatially Varying Density of Ion-channels of Interest onto the Finite Element Mesh
6:51
Results: A Structurally Realistic Finite Element Geometric Model of a Cardiomyocyte
8:13
Conclusion
