יצירת מודל גיאומטרי מבנית מציאותי סופיים של Cardiomyocyte ללמוד את התפקיד של אדריכלות הסלולר Cardiomyocyte במערכות ביולוגיות

המטרה הכוללת של הליך זה היא ליצור מודל אלמנטים סופיים מפורט מרחבית של הארכיטקטורה התוך-תאית של תא לב. מודל זה נוצר מנתוני מיקרוסקופיה אלקטרונית וקונפוקלית. ניתן להשתמש במודלים כאלה כדי לחקור את תפקידה של הארכיטקטורה התאית על תפקוד תאי הלב.

שיטה זו יכולה לעזור לענות על שאלות מפתח לגבי האופן שבו שינוי בארגון הפנימי של התא ומצבי בריאות ומחלות יכולים להשפיע על הביולוגיה של מערכות תאי הלב. היתרון העיקרי בשיטה זו הוא בכך שהיא מאפשרת לשלב מידע משלים ממיקרוסקופ אלקטרונים ומיקרוסקופיה קונפוקלית על מנת ליצור מודל מפורט מרחבי של הארכיטקטורה התאית. למרות ששיטה זו יכולה לספק תובנה לגבי הביולוגיה של מערכת תאי הלב, אך גישה כללית זו, ניתן להשתמש בה גם על תאים אחרים שבהם אנו צריכים להבין את השפעת המבנה התאי על תפקוד התא.

הדגמה חזותית של שיטה זו היא קריטית, מכיוון שהשלבים להדמיה ומיפוי של תעלות היונים על רשת האלמנטים העדינה יותר הם כל כך חדשים. לאחר הכנת קטעי רקמת דופן חופשיים של החדר השמאלי והדמתם באמצעות טומוגרפיה אלקטרונית על פי פרוטוקול הטקסט, בצע את תוכנית IMOD 3dmod. בתוך ממשק המשתמש הגרפי, הזן את הכתובת של קובץ ה-rec או ה-mrc המכיל את מערך נתוני התמונה המשוחזר בתלת-ממד של התא בתיבת הכניסה שכותרתה קבצי תמונה, ולאחר מכן לחץ על אישור.

לאחר מכן, תחת תפריט קובץ, בחר דגם חדש. לאחר מכן, באמצעות פריט התפריט Save Model As, שמור את הקובץ בשם מתאים. תחת מיוחד תפריט, בחר כלי ציור, ולאחר מכן בחר באפשרות פיסול והעבר את העכבר לחלון התמונה.

יופיע קו מתאר עגול שבמרכזו מצביע העכבר. תוך כדי לחיצה ממושכת על כפתור העכבר האמצעי מעל מיטוכונדריון, שהוא אזור כהה יותר בקובצי התמונה, גרור את היקף קווי המתאר של המעגל לצורת הגבול שלו. לאחר השלמת קווי המתאר של גבול המיטוכונדריון, שחרר את הכפתור האמצעי וחזור על תהליך זה עבור כל מיטוכונדריון בנתונים.

כל קו מתאר יזוהה באופן אוטומטי על-ידי IMOD כקו מתאר חדש בתוך אותו אובייקט. בתפריט Edit Object, בחר New ליצירת אובייקט חדש. פעולה זו תגדיל באופן אוטומטי את המספר הכולל של האובייקטים באחד ותקצה מספר זה לאובייקט החדש.

השתמש באפשרות Sculpt כדי לפלח ולשמור קווי מתאר של מיופיבריל. פלח גם את גבול התא, ולאחר מכן תחת שלח תפריט שמור את קובץ המודל. לאחר הורדת iso2mesh בהתאם לפרוטוקול הטקסט, הורד את קודי המקור והנתונים כדי לדמות אשכולות RyR על הרשת מאתר GitHub המוצג כאן.

הפעל את היישום MATLAB של מחולל רשת תאי לב. לאחר מכן, באמצעות שלושת כפתורי הלחיצה בצד שמאל למעלה של ממשק המשתמש הגרפי, טען את מסכות רכיבי האברונים השונים לתוך MATLAB. כדי ליצור ערימת תמונות בינארית נוספת התוחמת פערים בין מיופיברילים למיטוכונדריה, פתח את תמונה J ולאחר מכן, באמצעות תיבת הדו-שיח File Open, טען את ערימות ה-TIFF של המיופיברילים והמיטוכונדריה לתוך התוכנית.

הפעל את התוסף Image Addition על-ידי בחירה ב-Process Calculator Plus. בחר את ערימת התמונות של מיופיבריל כ- I1, את ערימת התמונות של המיטוכונדריה כ- I2 ובחר את האופרטור הוסף ולאחר מכן לחץ על אישור. לאחר שאוסף תמונות חדש מייצג את התוצאה, בחרו Edit Invert ליצירת אוסף תמונות.

טען את הקובץ המכיל את ערימת התמונות הבינארית של הפערים בין מיופיברילים למיטוכונדריה על ידי לחיצה על כפתור הקובץ RyR Gaps בתוכנית Cardiac Cell Mesh Generator, ולאחר מכן לחץ על Generate Mesh בממשק המשתמש הגרפי. צור את הכניסות הדרושות עבור RyR-Simulator על ידי לחיצה על הכפתור שכותרתו צור כניסות RyR-Simulator בממשק המשתמש הגרפי. לאחר ביצוע הפונקציה, בדוק שהקבצים הבאים נוצרו בספרייה שצוינה כנתיב OUT_DIR, d_axial_micron.

txt, המייצג את המרחק הצירי בין מיקום דיסק Z לשאר הפיקסלים בערימת התמונות, קובץ d_radial_micron. txt, המייצג את המרחק האוקלידי למעט הרכיב הצירי מכל פיקסל בקבוצת מיקומי אשכול RyR האפשריים לפיקסלים במישור דיסק Z, W_micro. txt, המייצג את רשימת הקואורדינטות המרחביות של כל המיקומים הזמינים עבור אשכולות RyR שיהיו נוכחים.

שלושת הקבצים הנותרים בתיקייה מכילים את הסיומת פיקסל ולא מיקרון כדי לציין שהערכים בתוך קבצים אלה נכתבו בצורת קואורדינטות פיקסלים. כדי לדמות התפלגויות אשכול RyR בערימת התמונות הבינארית של מיופיברילים, לחץ על הכפתור שכותרתו Open RyR-Simulator ב-R כדי להפעיל את תוכנית R. בממשק המשתמש הגרפי R , בחר פתח קובץ ובתוך חבילת RyR-Simulator, מצא את הגדרות הקובץ.

R.עיין בפרוטוקול הטקסט להסברים מפורטים על הפרמטרים בשדה זה וערכי ברירת המחדל. על המשתמשים לבחון את ההתפלגות המדומה של אשכולות RyR בחלון R ולהתאים את ההגדרות כדי להבטיח שהאשכולות ממוקמים ליד דיסקי Z ומפוזרים באופן שווה על פני כל חתך התא. כדי למפות נקודות כצפיפויות מרחביות על גבי מודל חישובי באמצעות מחולל רשת תאי הלב, בחר את הכפתור שכותרתו בחר קובץ נקודות RyR ובחר קובץ טקסט מדומה של התפלגות אשכול RyR מאלה שהוצאו על ידי RyR-Simulator.

לבסוף, בממשק המשתמש הגרפי ב-MATLAB, בצע את ממפה הצפיפות של RyR. על המשתמשים לבדוק ויזואלית שערכי הצפיפות מפוזרים כך שהשכונות של ערכי צפיפות גבוהה דומות לגודל אשכולות RyR בנתונים ניסיוניים. תמונות שדה בהירות אלה חושפות כיצד תאים מופיעים כאשר הם מכוונים לאורך, אלכסון וחתך ביחס למישור החיתוך.

דגימות אלכסוניות ואורכיות מציגות פסים, בעוד שדגימות חתך לא. הנימים נראים גם עגולים יותר במראות חתך מאשר בנופים אלכסוניים. פאנל זה מייצג ערימת טומוגרפיה באיכות טובה שניתן לרכוש כאשר מקפידים על חלק הכנת הרקמות של פרוטוקול זה.

זהירות וניסיון נחוצים כדי להבטיח שגושי הרקמה מוכתמים מספיק ושיש פיזור אחיד של חלקיקי זהב קולואידים דרך נפח הרקמה. מוצג כאן מודל תלת-ממדי מפולח של מיופיברילים ומיטוכונדריה. עיבוד תלת מימד זה של הרשת הטטרהדרלית מיוצר על ידי iso2mesh.

כל עוד ערימת התמונות המקורית ומשימות הפילוח הן באיכות טובה, שלב זה חזק למדי. לבסוף, לוחות אלה מציגים שלוש דוגמאות של אשכולות RyR מדומים באותה טופולוגיית רשת לאחר שימוש באלגוריתם אומדן עוצמת הליבה הכדורית. שימו לב לשונות בארגון של אשכולות RyR.

לאחר ששולטים בו ואם הוא מבוצע כראוי, מודל אלמנט סופי ריאליסטי מבחינה מבנית של תא לב, ניתן ליצור אותו תוך מספר שעות באמצעות הטכניקה שלנו. בעקבות הליך זה, ניתן לבצע סימולציות של אלמנטים סופיים של איתות סידן, ביו-אנרגטיקה של הלב ומכניקה תאית, כדי לענות על שאלות לגבי תפקיד הארכיטקטורה התאית על תפקוד הקרדיומיוציטים.