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

L’objectif global de cette procédure est de créer un modèle d’éléments finis spatialement détaillé de l’architecture intracellulaire d’une cellule cardiaque. Ce modèle est créé à partir de données de microscopie électronique et confocale. De tels modèles peuvent être utilisés pour étudier le rôle de l’architecture cellulaire sur la fonction des cellules cardiaques.

Cette méthode peut aider à répondre à des questions clés sur la façon dont les changements dans l’organisation interne de la cellule et les conditions de santé et de maladie peuvent affecter la biologie des systèmes cellulaires cardiaques. Le principal avantage de cette méthode est qu’elle permet d’intégrer des informations complémentaires issues de la microscopie électronique et de la microscopie confocale afin de créer un modèle spatialement détaillé de l’architecture cellulaire. Bien que cette méthode puisse donner un aperçu de la biologie du système cellulaire cardiaque, cette approche globale générale peut également être utilisée sur d’autres cellules où nous devons comprendre l’effet de la structure cellulaire sur la fonction de la cellule.

La démonstration visuelle de cette méthode est essentielle, car les étapes de simulation et de cartographie des canaux ioniques sur le maillage d’éléments plus fins sont si nouvelles. Après avoir préparé des coupes de tissu de la paroi libre du ventricule gauche et les avoir imageées à l’aide de la tomographie électronique conformément au protocole de texte, exécutez le programme IMOD 3dmod. Dans l’interface utilisateur graphique, entrez l’adresse du fichier rec ou mrc qui contient l’ensemble de données d’image reconstruites en 3D de la cellule dans la zone de saisie intitulée Fichiers image, puis appuyez sur OK.

Ensuite, dans le menu Fichier, sélectionnez Nouveau modèle. Ensuite, à l’aide de l’élément de menu Enregistrer le modèle sous, enregistrez le fichier sous un nom approprié. Dans le menu Spécial, sélectionnez Outils de dessin, puis choisissez l’option Sculpter et déplacez la souris sur la fenêtre de l’image.

Un contour circulaire centré sur le pointeur de la souris apparaîtra. Tout en maintenant le bouton central de la souris enfoncé sur une mitochondrie, qui est une région plus sombre des fichiers image, faites glisser le périmètre du contour du cercle dans la forme de sa limite. Une fois le contournage de la limite mitochondrie terminé, relâchez le bouton central et répétez ce processus pour chaque mitochondrie dans les données.

Chaque contour sera automatiquement reconnu par IMOD comme un nouveau contour au sein du même objet. Dans le menu Modifier l’objet, sélectionnez Nouveau pour créer un objet. Cela incrémentera automatiquement le nombre total d’objets d’une unité et attribuera ce nombre au nouvel objet.

Utilisez l’option Sculpter pour segmenter et enregistrer les contours des myofibrilles. Segmentez également la limite de la cellule, puis dans le menu Fichier, enregistrez le fichier de modèle. Après avoir téléchargé iso2mesh selon le protocole texte, téléchargez les codes sources et les données pour simuler les clusters RyR sur le maillage à partir du site Web GitHub illustré ici.

Démarrez l’application MATLAB Cardiac Cell Mesh Generator. Ensuite, à l’aide des trois boutons-poussoirs situés en haut à gauche de l’interface graphique, chargez les différents masques de composants d’organites dans MATLAB. Pour créer une autre pile d’images binaires qui délimite les espaces entre les myofibrilles et les mitochondries, ouvrez l’image J, puis, à l’aide de la boîte de dialogue Ouvrir de fichier, chargez les piles TIFF de myofibrilles et de mitochondries dans le programme.

Lancez le plug-in d’ajout d’image en sélectionnant Calculatrice de processus Plus. Sélectionnez la pile d’images de myofibrilles comme I1, la pile d’images de mitochondries comme I2, et choisissez l’opérateur d’ajout, puis cliquez sur OK. Une fois qu’une nouvelle pile d’images représentant le résultat apparaît, sélectionnez Modifier l’inversion pour produire une pile d’images.

Chargez le fichier contenant la pile d’images binaires des espaces entre les myofibrilles et les mitochondries en appuyant sur le bouton du fichier RyR Gaps du programme Cardiac Cell Mesh Generator, puis appuyez sur Generate Mesh sur l’interface graphique. Générez les entrées nécessaires pour le RyR-Simulator en appuyant sur le bouton intitulé Generate RyR-Simulator Inputs sur l’interface graphique. Une fois la fonction exécutée, vérifiez que les fichiers suivants ont été créés dans le répertoire spécifié comme chemin d’accès OUT_DIR, le d_axial_micron.

, qui représente la distance axiale entre la position du disque Z et le reste des pixels dans la pile d’images, le fichier d_radial_micron. txt, qui représente la distance euclidienne à l’exclusion de la composante axiale de chaque pixel de l’ensemble des emplacements possibles du cluster RyR par rapport aux pixels sur le plan du disque Z, le W_micro. txt, qui représente la liste des coordonnées spatiales de toutes les positions disponibles pour la présence de clusters RyR.

Les trois fichiers restants du dossier contiennent le suffixe pixel plutôt que micron pour indiquer que les valeurs de ces fichiers ont été écrites sous forme de coordonnées de pixels. Pour simuler les distributions de cluster RyR sur la pile d’images binaires de myofibrilles, appuyez sur le bouton intitulé Ouvrir le simulateur RyR dans R pour lancer le programme R. Sur l’interface graphique R, sélectionnez Ouvrir un fichier et dans le package RyR-Simulator, recherchez les paramètres du fichier.

R.Reportez-vous au protocole texte pour des explications détaillées des paramètres de ce champ et des valeurs par défaut. Les utilisateurs doivent examiner la distribution simulée des clusters RyR dans la fenêtre R et ajuster les paramètres pour s’assurer que les clusters sont situés à proximité des disques Z et répartis uniformément sur toute la section transversale de la cellule. Pour cartographier des points sous forme de densités spatiales sur un modèle de calcul à l’aide du générateur de maillage de cellules cardiaques, sélectionnez le bouton Sélectionner un fichier de points RyR et choisissez un fichier texte de distribution de cluster RyR simulé parmi ceux qui ont été générés par le simulateur RyR.

Enfin, sur l’interface graphique de MATLAB, exécutez le RyR Density Mapper. Les utilisateurs doivent vérifier visuellement que les valeurs de densité sont distribuées de telle sorte que les voisinages des valeurs de haute densité soient similaires à la taille des clusters RyR dans les données expérimentales. Ces images en champ clair révèlent comment les cellules apparaissent lorsqu’elles sont orientées longitudinalement, obliquement et transversalement par rapport au plan de coupe.

Les échantillons obliques et longitudinaux présentent des stries, contrairement aux échantillons transversaux. Les capillaires apparaissent également plus circulaires en coupe transversale qu’en vue oblique. Ce panel représente une pile de tomogrammes de bonne qualité qui peut être acquise lorsque la partie préparation des tissus de ce protocole est suivie.

Des soins et de l’expérience sont nécessaires pour s’assurer que les blocs tissulaires sont suffisamment colorés et qu’il y a une répartition uniforme des particules d’or colloïdal dans le volume tissulaire. Voici un modèle 3D segmenté de myofibrilles et de mitochondries. Ce rendu 3D du maillage tétraédrique est produit par iso2mesh.

Tant que les tâches de pile d’images et de segmentation d’origine sont de bonne qualité, cette étape est assez robuste. Enfin, ces panneaux montrent trois exemples de clusters RyR simulés sur la même topologie de maillage après utilisation de l’algorithme d’estimation de l’intensité du noyau sphérique. Remarquez la variation dans l’organisation des clusters RyR.

Une fois maîtrisé et s’il est exécuté correctement, un modèle d’éléments finis structurellement réaliste d’une cellule cardiaque, il peut être généré en quelques heures en utilisant notre technique. À la suite de cette procédure, des simulations par éléments finis de la signalisation calcique, de la bioénergétique cardiaque et de la mécanique cellulaire peuvent être effectuées pour répondre à des questions sur le rôle de l’architecture cellulaire sur le fonctionnement des cardiomyocytes.