Creando un modelo geométrico realista estructural de elementos finitos de cardiomiocitos para estudiar el papel de la arquitectura celular de cardiomiocitos biología de sistemas

El objetivo general de este procedimiento es crear un modelo de elementos finitos espacialmente detallado de la arquitectura intracelular de una célula cardíaca. Este modelo se crea a partir de datos de microscopía electrónica y confocal. Estos modelos se pueden utilizar para estudiar el papel de la arquitectura celular en la función de las células cardíacas.

Este método puede ayudar a responder preguntas clave sobre cómo el cambio en la organización interna de la célula y las condiciones de salud y enfermedad pueden afectar la biología de los sistemas celulares cardíacos. La principal ventaja de este método es que permite integrar información complementaria de microscopía electrónica y microscopía confocal para crear un modelo espacialmente detallado de la arquitectura celular. Aunque este método puede proporcionar información sobre la biología del sistema celular cardíaco, este enfoque general también se puede utilizar en otras células donde necesitamos comprender el efecto de la estructura celular en la función de la célula.

La demostración visual de este método es fundamental, ya que los pasos para simular y mapear los canales iónicos en la malla de elementos más finos son muy nuevos. Después de preparar las secciones de tejido de la pared libre del ventrículo izquierdo y obtener imágenes mediante tomografía electrónica de acuerdo con el protocolo de texto, ejecute el programa IMOD 3dmod. Dentro de la interfaz gráfica de usuario, introduzca la dirección del archivo rec o mrc que contiene el conjunto de datos de imagen reconstruida en 3D de la celda en el cuadro de entrada denominado Archivos de imagen y, a continuación, pulse Aceptar.

A continuación, en el menú de archivos, seleccione Nuevo modelo. A continuación, utilice el elemento de menú Guardar modelo como, guarde el archivo con un nombre adecuado. En el menú Especial, seleccione Herramientas de dibujo, luego elija la opción Esculpir y mueva el mouse a la ventana de la imagen.

Aparecerá un contorno circular centrado en el puntero del ratón. Mientras mantiene presionado el botón central del mouse sobre una mitocondria, que es una región más oscura de los archivos de imagen, arrastre el perímetro del contorno del círculo en la forma de su límite. Una vez que se complete el contorno del límite de las mitocondrias, suelte el botón central y repita este proceso para cada mitocondria en los datos.

Cada contorno será reconocido automáticamente por IMOD como un nuevo contorno dentro del mismo objeto. En el menú Editar objeto, seleccione Nuevo para crear un nuevo objeto. Esto incrementará automáticamente el número total de objetos en uno y asignará este número al nuevo objeto.

Utilice la opción Esculpir para segmentar y guardar los contornos de myofibril. Segmente también el límite de la celda y, a continuación, en el menú Archivo, guarde el archivo de modelo. Después de descargar iso2mesh de acuerdo con el protocolo de texto, descargue los códigos fuente y los datos para simular clústeres de RyR en la malla desde el sitio web de GitHub que se muestra aquí.

Inicie la aplicación Cardiac Cell Mesh Generator de MATLAB. A continuación, utilizando los tres botones Push situados en la parte superior izquierda de la interfaz gráfica de usuario, cargue las diferentes máscaras de componentes de orgánulos en MATLAB. Para crear otra pila de imágenes binarias que demarque los espacios entre miofibrillas y mitocondrias, abra la Imagen J y, a continuación, mediante el cuadro de diálogo Abrir archivo, cargue las pilas TIFF de miofibrillas y mitocondrias en el programa.

Inicie el plug-in Adición de imágenes seleccionando Process Calculator Plus. Seleccione la pila de imágenes de miofibrillas como I1, la pila de imágenes de mitocondrias como I2 y elija el operador Agregar y, a continuación, haga clic en Aceptar. Después de que aparezca una nueva pila de imágenes que represente el resultado, seleccione Editar invertir para generar una pila de imágenes.

Cargue el archivo que contiene la pila de imágenes binarias de los espacios entre miofibrillas y mitocondrias presionando el botón de archivo RyR Gaps en el programa Cardiac Cell Mesh Generator, luego presione Generate Mesh en la GUI. Genere las entradas necesarias para el RyR-Simulator pulsando el botón Generate RyR-Simulator Inputs en la GUI. Una vez ejecutada la función, compruebe que se han creado los siguientes archivos dentro del directorio especificado como ruta de acceso OUT_DIR, el d_axial_micron.

txt, que representa la distancia axial entre la posición del disco Z y el resto de los píxeles en la pila de imágenes, el archivo d_radial_micron. txt, que representa la distancia euclidiana excluyendo el componente axial de cada píxel en el conjunto de posibles ubicaciones del clúster RyR a los píxeles en el plano del disco Z, el W_micro. txt, que representa la lista de coordenadas espaciales de todas las posiciones disponibles para que los clústeres de RyR estén presentes.

Los tres archivos restantes de la carpeta contienen el sufijo píxel en lugar de micras para indicar que los valores de estos archivos se han escrito en forma de coordenadas de píxeles. Para simular distribuciones de clústeres de RyR en la pila de imágenes binarias de miofibrillas, presione el botón con la etiqueta Open RyR-Simulator in R para iniciar el programa R. En la GUI de R, seleccione Abrir archivo y, dentro del paquete RyR-Simulator, busque la configuración del archivo.

R.Consulte el protocolo de texto para obtener explicaciones detalladas de los parámetros en este campo y los valores predeterminados. Los usuarios deben examinar la distribución simulada de los clústeres de RyR en la ventana de R y ajustar la configuración para asegurarse de que los clústeres estén ubicados cerca de los discos Z y se distribuyan uniformemente por toda la sección transversal de la celda. Para mapear puntos como densidades espaciales en un modelo computacional utilizando el Generador de malla de células cardíacas, seleccione el botón Seleccionar archivo de puntos de RyR y elija un archivo de texto de distribución de clúster de RyR simulado de los que generó el simulador de RyR.

Por último, en la interfaz gráfica de usuario de MATLAB, ejecute el mapeador de densidad RyR. Los usuarios deben comprobar visualmente que los valores de densidad se distribuyen de forma que las vecindades de los valores de alta densidad sean similares al tamaño de los clústeres RyR en los datos experimentales. Estas imágenes de campo claro revelan cómo aparecen las células cuando se orientan longitudinalmente, oblicuamente y transversalmente con respecto al plano de corte.

Las muestras oblicuas y longitudinales presentan estrías, mientras que las muestras transversales no. Los capilares también parecen más circulares en las vistas transversales que en las oblicuas. Este panel representa una pila de tomografías de buena calidad que se puede adquirir cuando se sigue la parte de preparación de tejidos de este protocolo.

El cuidado y la experiencia son necesarios para garantizar que los bloques de tejido estén suficientemente teñidos y que haya una distribución uniforme de las partículas de oro coloidal a través del volumen de tejido. Aquí se muestra un modelo 3D segmentado de miofibrillas y mitocondrias. Esta representación 3D de la malla tetraédrica es producida por iso2mesh.

Siempre que la pila de imágenes original y las tareas de segmentación sean de buena calidad, este paso es bastante sólido. Finalmente, estos paneles muestran tres ejemplos de clústeres RyR simulados en la misma topología de malla después de usar el algoritmo de estimador de intensidad de kernel esférico. Observe la variación en la organización de los clústeres de RyR.

Una vez dominado y si se realiza correctamente, un modelo de elementos finitos estructuralmente realista de una célula cardíaca, se puede generar en un par de horas mediante el uso de nuestra técnica. Siguiendo este procedimiento, se pueden realizar simulaciones de elementos finitos de señalización de calcio, bioenergética cardíaca y mecánica celular, para responder preguntas sobre el papel de la arquitectura celular en el funcionamiento de los cardiomiocitos.