Création d’un modèle géométrique structurellement réaliste par éléments finis d’un Cardiomyocyte pour étudier le rôle de l’Architecture cellulaire en biologie des systèmes Cardiomyocyte

Vijay Rajagopal; Gregory Bass; Shouryadipta Ghosh; Hilary Hunt; Cameron Walker; Eric Hanssen; Edmund Crampin; Christian Soeller

doi:10.3791/56817

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Article de méthode

Création d’un modèle géométrique structurellement réaliste par éléments finis d’un Cardiomyocyte pour étudier le rôle de l’Architecture cellulaire en biologie des systèmes Cardiomyocyte

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DOI :

10.3791/56817

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18 avril 2018

Vijay Rajagopal¹^,²^,³ , Gregory Bass²^,³ , Shouryadipta Ghosh¹^,²^,³ , Hilary Hunt²^,⁴ , Cameron Walker⁵ , Eric Hanssen⁶ , Edmund Crampin²^,³^,⁴^,⁷^,⁸ , Christian Soeller⁹

¹Cell Structure and Mechanobiology Group, University of Melbourne, ²Systems Biology Laboratory, Melbourne School of Engineering, University of Melbourne, ³Department of Biomedical Engineering, University of Melbourne, ⁴School of Mathematics and Statistics, Faculty of Science, University of Melbourne, ⁵Department of Engineering Science, University of Auckland, ⁶Advanced Microscopy Facility, Bio21 Molecular Science and Biotechnology Institute, University of Melbourne, ⁷ARC Centre of Excellence in Convergent Bio-Nano Science and Technology, University of Melbourne, ⁸School of Medicine, Faculty of Medicine, Dentistry and Health Sciences, University of Melbourne, ⁹Living Systems Institute, University of Exeter

Dans cet article

Résumé

Ce protocole décrit une nouvelle méthode pour créer un modèle par éléments finis spatialement détaillée de l’architecture intracellulaire des cardiomyocytes de microscopie électronique et d’images de microscopie confocale. La puissance de ce modèle dans l’espace détaillé est démontrée à l’aide d’études de cas en signalisation calcique et la bioénergétique.

Résumé

Avec l’avènement des trois dimensions (3D) technologies d’imagerie telles que la tomographie électronique, serial-îlot balayage, microscopie confocale, microscopie électronique et la communauté scientifique a accès sans précédent aux grands ensembles de données au micromètre sous résolution qui caractérisent le remodelage architectural qui accompagne les changements dans la fonction cardiomyocyte sain ou malade. Cependant, ces ensembles de données ont été sous-utilisées pour enquêter sur le rôle de l’architecture cellulaire se transformant en fonction du cardiomyocyte. Ce protocole vise à décrire comment créer un modèle par éléments finis précis d’un cardiomyocyte à l’aide de la microscopie électronique à haute résolution et des images de microscopie confocale. Un modèle détaillé et précis de l’architecture cellulaire a un potentiel important d’offrir de nouvelles perspectives sur la biologie du cardiomyocyte, plus que peuvent recueillir des expériences seuls. La puissance de cette méthode réside dans sa capacité à fusionner des informations provenant des deux modalités d’imagerie disparates de l’ultrastructure du cardiomyocyte pour développer un modèle unifié et détaillé de la cardiomyocyte. Ce protocole décrit les étapes pour intégrer la tomographie électronique et des images de microscopie confocale de cardiomyocytes mâles adultes de rat Wistar (nom d’une race spécifique de rat albinos) d’élaborer un modèle de moitié-sarcomère par éléments finis de la cardiomyocyte. La procédure génère un modèle éléments finis 3D qui contient une description précise, haute résolution (sur l’ordre de ~ 35 nm) de la distribution des mitochondries, des myofibrilles et des grappes de récepteurs de la ryanodine qui libèrent du calcium nécessaire pour cardiomyocyte contraction du réseau réticulaire sarcoplasmique (SR) dans le myofibrillaire et le compartiment cytosolique. Le modèle généré ici comme une illustration n’intègre pas les détails de l’architecture de tubules transverses ou le réseau réticulaire sarcoplasmique et est donc un modèle minimal de la cardiomyocyte. Néanmoins, le modèle peut déjà s’appliquer dans les enquêtes basées sur des simulations dans le rôle de structure cellulaire en bioénergétique de signalisation et mitochondrial calcium, qui est illustrée et discutées à l’aide de deux études de cas qui se présentent après la Protocole détaillé.

Introduction

Couplage excitation-contraction (ECC) dans le coeur se réfère à l’important et complexe de couplage entre l’excitation électrique de la membrane du cardiomyocyte et la contraction mécanique ultérieure de la cellule au cours de chaque battement cardiaque. Des modèles mathématiques ont joué un rôle clé dans le développement d’une compréhension quantitative des processus biochimiques liées entre elles qui régulent le potentiel d’action¹, calcium cytosolique,²,³de bioénergétique, de signalisation et suivantes génération de la force contractile. Ces modèles ont prédit avec succès les changements de la ....