Name: שחזור חישובי של איי הלבלב ככלי לניתוח מבני ותפקודי (וידאו) | JoVE Journal
Uploaded: 2022-03-09T13:30:00.000+00:00
Duration: 7 min 58 s
Description: חקור שחזור חישובי של איי הלבלב לניתוח מבני ותפקודי באמצעות אלגוריתמי מחשוב בעוצמה גבוהה. שיטה זו מאפשרת השוואת איי לבלב בריאים ומופרעים ותומכת במחקר סוכרת.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

G.J. Félix-Martínez מודה ל- CONACYT (Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología, México) ולמחלקה להנדסת חשמל של אוניברסיטת אוטונומה מטרופוליטנה (México City) על התמיכה שניתנה לפרויקט זה. אנו מודים לד"ר דאן-טאי הואנג, לד"ר מנאמי הארה ולד"ר ג'ונגיו ג'ו על עבודתם יוצאת הדופן ונדיבותם בשיתוף ארכיטקטורות האיים שאפשרו עבודה זו עם קהילת המחקר.

הערה: דיאגרמה סכמטית של הפרוטוקול מוצגת באיור 1. תיאור שלב אחר שלב ניתן כדלקמן (ראה קובץ משלים 1 לקבלת פרטים על לוחות הבקרה המשמשים בכל שלב של הפרוטוקול).
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/63351/63351fig01.jpg"> איור 1: דיאגרמת זרימה. דיאגרמת זרימה המתארת את הסדר הרציף של הפרוטוקול כפי שהוא מיושם ב- IsletLab. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/63351/63351fig01large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.</a>
1. התקנת IsletLab בלינוקס
הערה: בצע/י את ההוראות המופיעות בסעיפים 2 ו-3 של הקובץ המשלים 2 כדי להתקין את IsletLab בחלונות או ב-macOS.
<ol><li>פתח דפדפן אינטרנט ועבור אל https://github.com/gjfelix/IsletLab. הורד וחלץ את קבצי המאגר של IsletLab. הערה: הקובץ המשלים 3 כולל עותק של גירסת IsletLab המשמשת בפרוטוקול זה.</li>
	<li>ודא שמהדרים gcc ו- nvcc מותקנים. פתח מסוף והקלד את הפקודות הבאות: gcc --גרסה nvcc --version בצע את ההוראות המפורטות בסעיף 1 של הקובץ המשלים 2 אם אחת מפקודות אלה אינה מוכרת על-ידי המערכת.</li>
	<li>הורד והתקן את פלטפורמת מדעי הנתונים (ראה טבלת חומרים). פתח מסוף ועבור אל התיקיה IsletLab.</li>
	<li>צור סביבה חדשה על-ידי הקלדת הפקודה הבאה במסוף: conda env create -f isletlabgui_v1.0.yml
</li>
	<li>הפעל את הסביבה החדשה על-ידי הקלדה: conda הפעל את isletlab_v1.0
</li>
	<li>הפעל את יישום IsletLab על-ידי הקלדת הפקודה הבאה במסוף (ראה איור 2 לתיאור החלון הראשי): פייתון isletlabgui_v1.0.py
</li>
</ol><img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/63351/63351fig02.jpg"> איור 2: ממשק המשתמש של IsletLab. הממשק מורכב משלושה לוחות עיקריים: תצורה (1), סטטיסטיקה (2) וגרפיקה (3) לוחות. סרגל הכלים הגרפי (4) ממוקם בתחתית לוח הגרפיקה. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/63351/63351fig02large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.</a>
2. שחזור האיים
<ol><li>הכן את נתוני הקלט. ארגן את נתוני אי הקלט (כלומר, סוגי תאים וקואורדינטות תלת-ממדיות (3D) בקובץ בן ארבע עמודות שבו עמודה 1 מכילה את סוג התא (מקודד כ- 11: ɑ-cell, 12: β-cell, 13: δ-cell) ועמודות 2 עד 4 מכילות את הקואורדינטות x, y ו- z, בהתאמה (ראה קטע מקובץ קלט בסעיף 5 של הקובץ המשלים 2 או קובץ בדיקת הקלט הכלול במאגר IsletLab).</li>
	<li>ודא שקובץ הקלט אינו כולל כותרות עמודות. השתמש בקובץ הקלט לדוגמה הכלול במאגר IsletLab כדי לעקוב אחר הפרוטוקול במידת הצורך (Input_Islet_test.txt). הערה: נתוני קלט המשמשים לפיתוח האלגוריתמים המיושמים ב- IsletLab התקבלו באופן ניסיוני כפי שתואר בפירוט על ידי Hoang et al.11,12 באמצעות צביעת DAPI כדי לקבוע את המיקומים הגרעיניים ואת אימונופלואורסצנציה כדי לזהות את סוגי התאים.</li>
	<li>לחץ על לחצן טען איון ראשוני ובחר את הקובץ המכיל נתוני קלט כדי ליצור איון ראשוני, ייצוג תלת-ממדי והנתונים הסטטיסטיים המתאימים. במקרה של שגיאה, תוצג ההודעה הבאה: 'שגיאה בטעינת קובץ איון'. כדי לתקן זאת, חזור על שלב 2.1.</li>
	<li>הגדר את תהליך השחזור. לחץ על הלחצן הגדרות שחזור ושנה את פרמטרי האופטימיזציה (ראה סעיפים 4 ו- 5 של קובץ משלים 2 לתיאור קצר של האלגוריתם והפרמטרים המוצגים בחלון הגדרות השחזור).</li>
	<li>הגדר את הטמפרטורה ההתחלתית = 1, גורם איטרציות = 1, וגורם קבלה = 1. לחץ על הלחצן אישור כדי לשמור את ערכי הפרמטרים. הערה: ככלל אצבע, עלייה בפרמטר הטמפרטורה, כמו גם באיטרציות ובגורמי הקבלה, תניב תוצאות שחזור טובות יותר במונחים של תאי הניסוי הכלולים באי המשוחזר על חשבון עלייה בזמן החישוב.</li>
	<li>לחץ על לחצן שחזר את האי כדי לפתוח את חלון יומן השחזור (ראה סעיף 6 של קובץ משלים 2 לתיאור המידע המופיע ביומן השחזור).</li>
	<li>לחץ על הפעל כפתור כדי להתחיל את תהליך השחזור. עקוב אחר תהליך המיטוב עד שתוצג ההודעה: 'סגור חלון זה כדי להמשיך'. סגור את חלון יומן השחזור כדי ליצור את הייצוג החזותי של האי המשוחזר ולחשב את הנתונים הסטטיסטיים הקשורים (ראו את העמודה השמאלית באיור 3A-C).</li>
	<li>הערך את תוצאות תהליך השחזור על ידי ניתוח סטטיסטיקות האופטימיזציה המוצגות בכרטיסיית האיים הסופית של לוח הסטטיסטיקה. במיוחד, התמקדו במקסום אחוז התאים הניסיוניים הכלולים באיים המשוחזרים (% מהניסוי) או באופן שווה ערך, במזעור מספר החפיפות (מוצג גם באופן גרפי במתווה ההתכנסות, עמודה ימנית באיור 3A-C).</li>
	<li>אם האחוז של הסטטיסטיקה הניסיונית נחשב נמוך בהתאם למטרות המשתמש, הפעל מחדש את IsletLab כמתואר בשלב 9.1, והעלה את הטמפרטורה הראשונית, גורם האיטרציות וגורם הקבלה בהגדרות השחזור וחזור על שלבים 2.1-2.4 עד לקבלת תוצאות משביעות רצון (&gt; 95% מתאי הניסוי). ראו סעיפים 5-7 לתיק המשלים 2 לתיאור נוסף של תהליך השחזור והתוצאות הקשורות אליו.</li>
</ol>3. זיהוי אנשי קשר בין תא לתא
<ol><li>לחץ על הלחצן הגדרות שחזור והגדר את הפרמטר עמידות בפני איש קשר כדי להגדיר את עמידות הקשר בין התא לתא ולחץ על אישור כדי לשמור את ערכי הפרמטרים. הערה: פרמטר סובלנות המגע מייצג את המרחק המרבי בין התאים כדי להיחשב כמגע.</li>
	<li>לחץ על לחצן אנשי קשר מתא לתא כדי לזהות את התאים הנמצאים במגע קרוב. בכרטיסיה אנשי קשר, בדוק אם קיימים תאים במגע המוצגים באופן גרפי (קווים שחורים) בלוח הגרפיקה ובנתונים הסטטיסטיים המתאימים (כלומר, אנשי קשר כוללים, הומוטיפיים והטרוטיפיים ואנשי קשר ɑ-ɑ-ɑ, β-β, δ-δ, ɑ-β, ɑ-δ, β-δ אנשי קשר) המוצגים בחלונית הסטטיסטיקה (ראו העמודה השמאלית של איור 4A-C).</li>
	<li>הגדל (הקטן) את פרמטר עמידות המגע כדי להגדיל (להקטין) את מספר אנשי הקשר בין התא לתא. ראה סעיף 8 של קובץ משלים 2 לקבלת פרטים על זיהוי אנשי קשר בין תא לתא ועל התוצאות הקשורות אליו.</li>
</ol>4. בניית רשת האיים
<ol><li>לחץ על לחצן בנה רשת כדי ליצור את רשת האיים ולחשב את מדדי הרשת המשויכים (ראה העמודה הימנית באיור 4A-C). הערה: תיאור נוסף של התוצאות הקשורות לרשת האיים שנוצרה ניתן בסעיף 9 של קובץ משלים 2.</li>
</ol>5. סימולציה פונקציונלית של האי המשוחזר
<ol><li>עבור לכרטיסיית הסימולציה של לוח התצורה של הממשק (איור 5).</li>
	<li>בחר את המצב הרצוי של תדר פנימי - קבוע או אקראי - ולחץ על הגדר תדר פנימי כפתור כדי להגדיר את תדרי המתנדים (ב- Hz). אם נבחר תדר פנימי אקראי, הגדר את הממוצע ואת הסטייה (ב- Hz) כדי ליצור תדרים אקראיים המתפלגים באופן נורמלי (ראה סעיף 11 של קובץ משלים 2 לתיאור הפרמטרים של הסימולציה).</li>
	<li>בחר את המצב הרצוי של השלב הראשוני - קבוע או אקראי. אם נבחר שלב התחלתי קבוע, לחץ על הלחצן הגדר את השלב הראשוני כדי להגדיר את הפאזה של המתנדים (ברדיאנים). אם נבחר שלב התחלתי אקראי, המערכת תקצה שלבים אקראיים בין 0 ל- 2π לכל המתנדים. הערה: אם נבחר שלב התחלתי קבוע, כל המתנדים יאותחלו בפאזה.</li>
	<li>לחץ על לחצן קביעת תצורה של אינטראקציות כדי להגדיר את הפרמטרים של אינטראקציה בין תא לתא בחלון חוזק האינטראקציה. לתיאור הפרמטרים של האינטראקציה, ראה סעיף 11 של קובץ משלים 2.</li>
	<li>הגדר את הסימולציה על-ידי הגדרת זמן הסימולציה הכולל (ב- s), שלב הזמן (ב- s) וגורם השמירה (מספרי השלבים בין נקודות הנתונים שנשמרו). בסימולציה המוצגת באיור 5 הזמן הכולל היה 20000 שניות, עם שלב זמן של 0.1 שניות ומקדם שמירה של 500 שניות.</li>
	<li>הגדר את מספר הבלוקים, החוטים והיכולת של פלטפורמת המחשוב הזמינים לביצוע הסימולציה. הגדר פרמטרים אלה בהתאם למאפיינים הספציפיים של יחידת העיבוד הגרפי (GPU) הזמינה. הערה: בדוגמה המוצגת באיור 5, נעשה שימוש ב-36 בלוקים ו-64 הליכי משנה לכל בלוק (2304 ליבות של פלטפורמת מחשוב) מאז שנעשה שימוש במעבד גרפי עם 36 מעבדים מרובים ו-64 ליבות של פלטפורמת מחשוב לכל מעבד מרובה מעבדים. הערך של פרמטר יכולת פלטפורמת המחשוב בו נעשה שימוש היה 75 מכיוון שיכולת פלטפורמת המחשוב בחומרה הייתה 7.5 (ראה סעיף 10 של קובץ משלים 2 לפרטים על פרמטרים אלה).</li>
	<li>לחץ על לחצן הפעל סימולציה כדי לפתוח את חלון יומן הסימולציה. לחץ על הפעל כפתור כדי להתחיל את הסימולציה ולנטר את התהליך עד להצגת המקרא: 'אנא סגור את החלון כדי להמשיך'. ראה סעיף 12 של קובץ משלים 2 לקבלת פרטים על יומן הסימולציה.</li>
	<li>סגור את חלון יומן הסימולציה כדי לצפות בתוצאות הסימולציה (ראו איור 5). פרטים על תוצאות הסימולציה מובאים בסעיף 13 לתיק משלים 2.</li>
</ol>6. שמור את הפרויקט (אופציונלי)
<ol><li>לחץ על קובץ &gt; ייצוא פרוייקט בשורת התפריטים. בחר את הספריה שבה יישמר קובץ הפרוייקט ולחץ על הלחצן אישור . הערה: שם קובץ הפרוייקט נקבע באופן אוטומטי בהתבסס על שם קובץ הנתונים הראשוני. אם הפרוייקט לא נשמר, כל התוצאות והקבצים הקשורים יימחקו באופן אוטומטי.</li>
	<li>טען פרוייקט מיוצא על-ידי לחיצה על קובץ &gt; טען פרוייקט.</li>
</ol>7. שמירת נתונים (אופציונלי)
<ol><li>לחץ על סמל שמור עלילה הממוקם בסרגל הכלים של העלילה כדי לשמור את התצוגה החזותית הנוכחית בקובץ תמונה. חזור על שלב זה עבור כל הדמויות שנוצרו לאורך הפרוטוקול. הערה: ניתן לשנות עלילות ותצוגות חזותיות של איון באמצעות הסמלים הזמינים בסרגל הכלים של העלילה של החלונית הגרפית.</li>
</ol>8. טען פרויקט (אופציונלי)
<ol><li>לחץ על קובץ &gt; טען פרוייקט בתפריט הראשי ובחר קובץ פרוייקט שנשמר קודם לכן כמתואר בשלבים 6.1-6.2. הערה: פרוייקט לא ייטען כראוי אם קובץ הפרוייקט השתנה באופן חיצוני. אם פרויקט נטען בהצלחה, רק יכולות הסימולציה יהיו זמינות.</li>
</ol>9. הפעל מחדש את תהליך השחזור והניתוח (אופציונלי)
<ol><li>בכל עת המשתמש יכול לבחור קובץ &gt; הפעלה מחדש כדי למחוק את כל התוצאות ולהתחיל שחזור וניתוח חדשים.</li>
</ol>

<ol><li>Chen, L., Pan, X., Zhang, Y. H., Huang, T., Cai, Y. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Analysis+of+Gene+Expression+Differences+between+Different+Pancreatic+Cells%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+Omega%22%5BJournal%5D)">Analysis of Gene Expression Differences between Different Pancreatic Cells.</a> ACS Omega. 4 (4), 6421-6435 (2019).</li>
<li>Longnecker, D. S., Gorelick, F., Thompson, E. D., Histology, Anatomy, Histology, and Fine Structure of the Pancreas. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aLongnecker%2C+DS+%22The+Pancreas%22">The Pancreas</a>. Beger, H. G., Warshaw, A. L., Hruban, R. H., Buchler, M. W., Lerch, M. M., Neoptolemos, J. P., Shimosegawa, T., Whitcomb, D. C., GroB, C. , Wiley Online Library. (2018).</li>
<li>Liao, E. P., Brass, B., Abelev, Z., Poretsky, L. Endocrine Pancreas. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aLiao%2C+EP+%22Principles+of+Diabetes+Mellitus%22">Principles of Diabetes Mellitus</a>. Poretsky, L. , Springer. Cham. (2017).</li>
<li>Noguchi, G. M., Huising, M. O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Integrating+the+inputs+that+shape+pancreatic+islet+hormone+release%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Metabolism%22%5BJournal%5D)">Integrating the inputs that shape pancreatic islet hormone release.</a> Nature Metabolism. 1, 1189-1201 (2019).</li>
<li>Pérez-Armendariz, E. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Connexin+36%2C+a+key+element+in+pancreatic+beta+cell+function%5BTitle%5D)+AND+%22Neuropharmacology%22%5BJournal%5D)">Connexin 36, a key element in pancreatic beta cell function.</a> Neuropharmacology. 75, 557-566 (2013).</li>
<li>Briant, L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((%CE%B4-cells+and+%CE%B2-cells+are+electrically+coupled+and+regulate+%CE%B1-cell+activity+via+somatostatin%5BTitle%5D)+AND+%22The+Journal+of+Physiology%22%5BJournal%5D)">δ-cells and β-cells are electrically coupled and regulate α-cell activity via somatostatin.</a> The Journal of Physiology. 596 (2), 197-215 (2018).</li>
<li>Arrojoe Drigo, R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((New+insights+into+the+architecture+of+the+islet+of+Langerhans%3A+a+focused+cross-species+assessment%5BTitle%5D)+AND+%22Diabetologia%22%5BJournal%5D)">New insights into the architecture of the islet of Langerhans: a focused cross-species assessment.</a> Diabetologia. 58 (10), 2218-2228 (2015).</li>
<li>Cabrera, O., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+unique+cytoarchitecture+of+human+pancreatic+islets+has+implications+for+islet+cell+function%5BTitle%5D)+AND+%22Proceedings+of+the+National+Academy+of+Sciences+of+the+United+States+of+America%22%5BJournal%5D)">The unique cytoarchitecture of human pancreatic islets has implications for islet cell function.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 103 (7), 2334-2339 (2006).</li>
<li>Folli, F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Pancreatic+islet+of+Langerhans%27+cytoarchitecture+and+ultrastructure+in+normal+glucose+tolerance+and+in+type+2+diabetes+mellitus%5BTitle%5D)+AND+%22Diabetes%2C+Obesity+%26+Metabolism%22%5BJournal%5D)">Pancreatic islet of Langerhans' cytoarchitecture and ultrastructure in normal glucose tolerance and in type 2 diabetes mellitus.</a> Diabetes, Obesity & Metabolism. 20, Suppl 2 137-144 (2018).</li>
<li>Kilimnik, G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Altered+islet+composition+and+disproportionate+loss+of+large+islets+in+patients+with+type+2+diabetes%5BTitle%5D)+AND+%22PloS+One%22%5BJournal%5D)">Altered islet composition and disproportionate loss of large islets in patients with type 2 diabetes.</a> PloS One. 6 (11), 27445(2011).</li>
<li>Hoang, D. T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+Conserved+Rule+for+Pancreatic+Islet+Organization%5BTitle%5D)+AND+%22PloS+One%22%5BJournal%5D)">A Conserved Rule for Pancreatic Islet Organization.</a> PloS One. 9 (10), 110384(2014).</li>
<li>Hoang, D. T., Hara, M., Jo, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Design+Principles+of+Pancreatic+Islets%3A+Glucose-Dependent+Coordination+of+Hormone+Pulses%5BTitle%5D)+AND+%22PloS+One%22%5BJournal%5D)">Design Principles of Pancreatic Islets: Glucose-Dependent Coordination of Hormone Pulses.</a> PloS One. 11 (4), 0152446(2016).</li>
<li>Brissova, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Assessment+of+human+pancreatic+islet+architecture+and+composition+by+laser+scanning+confocal+microscopy%5BTitle%5D)+AND+%22The+Journal+of+Histochemistry+and+Cytochemistry%3A+Official+Journal+of+the+Histochemistry+Society%22%5BJournal%5D)">Assessment of human pancreatic islet architecture and composition by laser scanning confocal microscopy.</a> The Journal of Histochemistry and Cytochemistry: Official Journal of the Histochemistry Society. 53 (9), 1087-1097 (2005).</li>
<li>Félix-Martinez, G. J., Godínez-Fernández, J. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Mathematical+models+of+electrical+activity+of+the+pancreatic+%CE%B2-cell%3A+a+physiological+review%5BTitle%5D)+AND+%22Islets%22%5BJournal%5D)">Mathematical models of electrical activity of the pancreatic β-cell: a physiological review.</a> Islets. 6 (3), 949195(2014).</li>
<li>Félix-Martínez, G. J., González-Vélez, V., Godínez-Fernández, J. R., Gil, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Electrophysiological+models+of+the+human+pancreatic+%CE%B4-cell%3A+From+single+channels+to+the+firing+of+action+potentials%5BTitle%5D)+AND+%22International+Journal+for+Numerical+Methods+in+Biomedical+Engineering%22%5BJournal%5D)">Electrophysiological models of the human pancreatic δ-cell: From single channels to the firing of action potentials.</a> International Journal for Numerical Methods in Biomedical Engineering. 36 (2), 3296(2020).</li>
<li>Watts, M., Sherman, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Modeling+the+pancreatic+%CE%B1-cell%3A+dual+mechanisms+of+glucose+suppression+of+glucagon+secretion%5BTitle%5D)+AND+%22Biophysical+Journal%22%5BJournal%5D)">Modeling the pancreatic α-cell: dual mechanisms of glucose suppression of glucagon secretion.</a> Biophysical Journal. 106 (3), 741-751 (2014).</li>
<li>Lei, C. L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Beta-cell+hubs+maintain+Ca2%2B+oscillations+in+human+and+mouse+islet+simulations%5BTitle%5D)+AND+%22Islets%22%5BJournal%5D)">Beta-cell hubs maintain Ca2+ oscillations in human and mouse islet simulations.</a> Islets. 10 (4), 151-167 (2018).</li>
<li>Watts, M., Ha, J., Kimchi, O., Sherman, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Paracrine+regulation+of+glucagon+secretion%3A+the+%CE%B2%2F%CE%B1%2F%CE%B4+model%5BTitle%5D)+AND+%22American+Journal+of+Physiology.+Endocrinology+and+Metabolism%22%5BJournal%5D)">Paracrine regulation of glucagon secretion: the β/α/δ model.</a> American Journal of Physiology. Endocrinology and Metabolism. 310 (8), 597-611 (2016).</li>
<li>Félix-Martínez, G. J., Mata, A., Godínez-Fernández, J. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Reconstructing+human+pancreatic+islet+architectures+using+computational+optimization%5BTitle%5D)+AND+%22Islets%22%5BJournal%5D)">Reconstructing human pancreatic islet architectures using computational optimization.</a> Islets. 12 (6), 121-133 (2020).</li>
<li>Hellman, B., Salehi, A., Gylfe, E., Dansk, H., Grapengiesser, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Glucose+generates+coincident+insulin+and+somatostatin+pulses+and+antisynchronous+glucagon+pulses+from+human+pancreatic+islets%5BTitle%5D)+AND+%22Endocrinology%22%5BJournal%5D)">Glucose generates coincident insulin and somatostatin pulses and antisynchronous glucagon pulses from human pancreatic islets.</a> Endocrinology. 150 (12), 5334-5340 (2009).</li>
<li>Hellman, B., Salehi, A., Grapengiesser, E., Gylfe, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Isolated+mouse+islets+respond+to+glucose+with+an+initial+peak+of+glucagon+release+followed+by+pulses+of+insulin+and+somatostatin+in+antisynchrony+with+glucagon%5BTitle%5D)+AND+%22Biochemical+and+Biophysical+Research+Communications%22%5BJournal%5D)">Isolated mouse islets respond to glucose with an initial peak of glucagon release followed by pulses of insulin and somatostatin in antisynchrony with glucagon.</a> Biochemical and Biophysical Research Communications. 417 (4), 1219-1223 (2012).</li>
<li>Félix-Martínez, G. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((IsletLab%3A+an+application+to+reconstruct+and+analyze+islet+architectures%5BTitle%5D)+AND+%22Islets%22%5BJournal%5D)">IsletLab: an application to reconstruct and analyze islet architectures.</a> Islets. 14 (1), 36-39 (2022).</li>
<li>Félix-Martínez, G. J., Godínez-Fernández, J. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Comparative+analysis+of+reconstructed+architectures+from+mice+and+human+islets%5BTitle%5D)+AND+%22Islets%22%5BJournal%5D)">Comparative analysis of reconstructed architectures from mice and human islets.</a> Islets. 14 (1), 23-35 (2022).</li>
</ol>

למחברים אין מה לחשוף.

הפרוטוקול הנ"ל מתווה גישה מעשית לשחזור וניתוח ארכיטקטורות איון הלבלב באמצעות אלגוריתמים חישוביים חדשניים. המטרה העיקרית של עבודה זו היא לאפשר לקהילת המחקר של האיים לגזור מדדים כמותיים כדי לאפיין את התכונות המורפולוגיות והקישוריות של ארכיטקטורות איון הלבלב ולהעריך את ההשלכות הפונקציונליות האפשריות של תכונות כאלה באמצעות סימולציות חישוביות.
בעוד שהאלגוריתמים שאומצו בפרוטוקול זה תוארו בעבר בפירוט12,19, יישום ישיר וידידותי למשתמש ...

הלבלב מחולק לאזורים המכונים ראש, צוואר, גוף וזנב, שלכל אחד מהם יש מבנים, תפקודים שונים ומיקום אנטומי 1,2. מנקודת מבט פונקציונלית, ניתן לחלק את הלבלב למערכות אנדוקריניות ואקסוקריניות כאשר הראשון אחראי על הפרשת ההורמונים המעורבים באופן קריטי בוויסות ההומאוסטזיס של גלוקוז, בעוד שהאחרון תורם לעיכול מזון באמצעות הפרשת אנזימים לתוך התריסריון1. איי הלבלב מהווים את הרקמה האנדוקרינית של הלבלב והם אחראים להפרשת גלוקגון, אינסולין וסומטוסטאטין, המופרשים מתאי ɑ, β ו-δ, בהתאמה3. בנוסף למנגנוני הוויסות הפנימיים שלהם, תאים אלה מווסתים באמצעות תקשורת חשמלית ישירה (בין תאי β וככל הנראה β ותאי δ), וגם על ידי איתות פאראקרין ואוטוקרין 4,5,6. שני המנגנונים תלויים מאוד בארכיטקטורת האי (כלומר, בהרכב ובארגון של סוגי התאים השונים בתוך האי)7,8. חשוב לציין, ארכיטקטורת האיים משתנה בנוכחות סוכרת, ככל הנראה מטרידה את התקשורת התוך-תאית כתוצאה מכך 9,10.
המחקר של איי הלבלב כולל מגוון רחב של מתודולוגיות ניסיוניות. בין אלה, השימוש בטכניקות פלואורסצנטיות כדי לקבוע את מספרם, מיקומם וסוגם של התאים השונים באי אפשר לחקור את התכונות המבניות והמורפולוגיות של איי הלבלב 11,12,13 ולהבין טוב יותר את ההשלכות התפקודיות בבריאות ובמחלות. כהשלמה, מודלים חישוביים של תאי לבלב 14,15,16 ולאחרונה, איי לבלב 12,17,18,19 שימשו בעשורים האחרונים להערכת היבטים שקשה או אפילו בלתי אפשרי לטפל בהם בניסוי.
בפרוטוקול זה, אנו שואפים לגשר על הפער בין העבודה הניסיונית לעבודה החישובית על ידי התוויית מתודולוגיה לשחזור ארכיטקטורות איים, לנתח את תכונותיהן המורפולוגיות והקישוריותיות באמצעות מדדים כמותיים, ולבצע סימולציות בסיסיות כדי להעריך את ההשלכות הפונקציונליות של תכונות האיון.
הפרוטוקול המתואר להלן מבוסס על אלגוריתמים חישוביים שתוכננו במיוחד לחקר איי הלבלב. לסיכום, בשלב הראשון של הפרוטוקול, ארכיטקטורת האיים משוחזרת מנתונים ניסיוניים באמצעות האלגוריתם שהוצע לאחרונה על ידי Félix-Martínez et al.19 שבו עמדות גרעיניות המתקבלות באמצעות צביעת 4′,6-diamidino-2-phenylindole (DAPI) וסוגי תאים שזוהו באמצעות אימונופלואורסצנציה (כפי שתואר בפירוט על ידי Hoang et al.11,12 ) מעובדים בהליך אופטימיזציה איטרטיבי. זה מוביל לקביעת הגודל והמיקום האופטימליים של כל תא ולקבל איון המורכב מתאים שאינם חופפים. שנית, בהתבסס על הארכיטקטורה המשוחזרת, מזוהים אנשי קשר בין תא לתא כדי לקבוע את תכונות הקישוריות וליצור את רשת האיים המתאימה המאפשרת למשתמש לקבל מדדים כמותיים כדי לתאר עוד יותר את ארכיטקטורת האיים (ניתן לעיין בפרטים על אלגוריתם השחזור בעבודה המקורית בנושא19). לבסוף, סימולציות פונקציונליות בסיסיות מבוצעות באמצעות גישת המידול שהוצעה על ידי Hoang et al.12 שבה, בהתבסס על האופי הפועם של הפרשת ההורמונים שנצפתה בניסוי 20,21, כל תא מטופל כמתנד, ולכן האי מיוצג כרשת של מתנדים מצומדים בעקבות תכונות הקישוריות של האי המשוחזר.
בהתחשב במורכבות החישובית של האלגוריתמים המשמשים בפרוטוקול זה, כל השלבים המעורבים יושמו ביישום עצמאי22 במטרה העיקרית לגשת לכל הכלים החישוביים הללו לכל הקוראים המעוניינים ללא קשר לרמת הניסיון שלהם בשימוש בתוכנות מיוחדות או בשפות תכנות.

<table><tbody><tr>כרטיס <td></td><td></td><td>גרפי NVIDIA התומך ב-CUDA</td><td>נדרש עבור הסימולציות הפונקציונליות</td></tr><tr><td>IsletLab</td><td></td><td></td><td>https://github.com/gjfelix/IsletLab (עקוב אחר ההוראות להורדה והתקנה של היישום.)</td></tr></tbody></table>

שחזור חישובי של איי הלבלב ככלי לניתוח מבני ותפקודי

Computational Reconstruction of Pancreatic Islets as a Tool for Structural and Functional Analysis

תכונות מבניות של איי הלבלב הן המפתח לתגובה התפקודית של תאים מפרישי אינסולין, גלוקגון וסומטוסטטין, בשל השלכותיהם בתקשורת תוך-תאית באמצעות איתות חשמלי, פרקרין ואוטוקרין. בפרוטוקול זה, הארכיטקטורה התלת-ממדית של איון לבלב משוחזרת תחילה מנתונים ניסיוניים באמצעות אלגוריתם חישובי חדשני. לאחר מכן, מתקבלות התכונות המורפולוגיות והקישוריותיות של האי המשוחזר, כגון המספר והאחוזים של הסוגים השונים של התאים, נפח התא והמגעים בין התא לתא. לאחר מכן, תורת הרשת משמשת לתיאור תכונות הקישוריות של האי באמצעות מדדים הנגזרים מרשת כגון תואר ממוצע, מקדם אשכולות, צפיפות, קוטר ויעילות. לבסוף, כל המאפיינים הללו מוערכים באופן פונקציונלי באמצעות סימולציות חישוביות באמצעות מודל של מתנדים מצומדים. בסך הכל, כאן אנו מתארים זרימת עבודה שלב אחר שלב, המיושמת ב- IsletLab, יישום רב-שכבתי שפותח במיוחד עבור המחקר וההדמיה של איי הלבלב, כדי ליישם מתודולוגיה חישובית חדשנית לאפיון וניתוח איי הלבלב כהשלמה לעבודה הניסויית.

השחזור של איי הלבלב באמצעות המתודולוגיה המוצעת על ידי Félix-Martínez et al.19 תלוי מאוד בפרמטרים שניתנו לאלגוריתם האופטימיזציה (המוגדר בהגדרות השחזור). דוגמה לכך מוצגת באופן חזותי באיור 3, שם מוצגים איונים משוחזרים המתקבלים באמצעות קבוצות שונות של פרמטרים. ראשית, באיור 3A מוצג שחזור שכלל 86.6% מהתאים שנכללו בנתונים הראשוניים (509 מתוך 588 תאים, טמפרטורה התחלתית = 1, גורם איטרציות = 1, גורם קבלה = 1). כאשר הטמפרטורה ההתחלתית וגורמי האיטרצי...

בפרוטוקול זה, איי הלבלב משוחזרים ומנותחים באמצעות אלגוריתמים חישוביים המיושמים ביישום רב-תכליתי ייעודי.

Structural properties of pancreatic islets are key for the functional response of insulin, glucagon, and somatostatin-secreting cells, due to their ...

פרוטוקול זה משמעותי משום שהוא מתאר עומס עבודה חישובי לשחזור ארכיטקטורות איים, לניתוח תכונותיהן המורפולוגיות והקישוריות ולהערכת ההשלכות הפונקציונליות שלהן באמצעות סימולציות חישוביות. היתרון העיקרי הוא שהוא מספק דרך ליישם אלגוריתמים של מחשוב בעל ביצועים גבוהים כדי להשלים את העבודה התיאורטית והניסיונית בתחום חקר האיים. מתודולוגיה זו יכולה להיות שימושית במיוחד כדי להשוות את התכונות המורפולוגיות והקישוריות של איים בריאים ומשתנים או כדי להשוות ארכיטקטורות איים ממיני בעלי חיים שונים.כדי להתחיל, ודא כי מהדרים GCC ו- NVCC מותקנים. פתח מסוף על-ידי ביצוע הפקודות ופעל בהתאם להוראות המופיעות בטקסט אם אחת מפקודות אלה אינה מזוהה על-ידי המערכת. פתח מסוף ועבור אל התיקיה IsletLab.צור סביבה חדשה על-ידי הפעלת הפקודה במסוף. הפעל את הסביבה החדשה על-ידי הפעלת הפקודה. הפעל את יישום IsletLab על ידי ביצוע הפקודה במסוף.כדי להכין את נתוני הקלט, ארגן את נתוני איון הקלט בקובץ בן ארבע עמודות שבו העמודה הראשונה היא סוג התא והעמודות השנייה, השלישית והרביעית הן הקואורדינטות X, Y ו- Z של תאי הקלט, בהתאמה, כדי להבטיח שקובץ הקלט אינו כולל כותרות עמודות. לחץ על לחצן טען איון ראשוני ובחר את הקובץ המכיל נתוני קלט כדי ליצור איון ראשוני, את הייצוג התלת-ממדי ואת הנתונים הסטטיסטיים המתאימים. כדי לקבוע את תצורת תהליך השחזור, לחץ על לחצן הגדרות שחזור ושנה את פרמטרי המיטוב.לחץ על הלחצן אישור כדי לשמור את ערכי הפרמטרים. לחץ על לחצן שחזר את האיון כדי לפתוח את חלון יומן השחזור. לחץ על הפעל כפתור כדי להתחיל את תהליך השחזור.להעריך את התוצאות של תהליך השחזור על ידי ניתוח סטטיסטיקות האופטימיזציה המוצגות בכרטיסיית האיים הסופית של לוח הסטטיסטיקה על ידי התמקדות במקסום אחוז התאים הניסוייים הכלולים באיים המשוחזרים או, באופן שווה, במזעור מספר החפיפות. אם אחוז הנתונים הסטטיסטיים הניסוייים נחשב נמוך בהתאם למטרות המשתמש, לחץ על תפריט קובץ ובחר הפעל מחדש. לחץ על לחצן טען איון ראשוני ובחר את הקובץ המכיל נתוני קלט כדי ליצור איון ראשוני.לאחר מכן העלו את הטמפרטורה הראשונית, גורם האיטרציות וגורם הקבלה בהגדרות השחזור, וחזור על תהליך שחזור האיים שתואר קודם לכן עד לקבלת תוצאות משביעות רצון. לחץ על הגדרות השחזור ובחר סובלנות ליצירת קשר כדי להגדיר את עמידות הקשר בין התא לתא. לחץ על אישור כדי לשמור את ערכי הפרמטרים.לחץ על לחצן אנשי קשר מתא לתא כדי לזהות את התאים הנמצאים במגע קרוב. לחץ על לחצן בנה רשת כדי ליצור את רשת האיים ולחשב את מטריצת הרשת המשויכת. עבור לכרטיסיה סימולציה של לוח התצורה של הממשק.בחר את המצב הרצוי של תדר פנימי, קבוע או אקראי. לחץ על לחצן הגדר תדר פנימי כדי להגדיר את התדר של המתנד בהרץ. בחר את המצב הרצוי של השלב הראשוני, קבוע או אקראי.לחץ על לחצן קביעת תצורה של אינטראקציות כדי להגדיר את הפרמטרים של אינטראקציה בין תא לתא בחלון חוזק האינטראקציה. הגדר את הסימולציה על-ידי הגדרת זמן הסימולציה הכולל, שלב הזמן וגורם השמירה. הגדר את מספר הבלוקים, החוטים והיכולת של פלטפורמת המחשוב הזמינים לביצוע הסימולציה.לחץ על לחצן הפעל סימולציה כדי לפתוח את חלון יומן הרישום של סימולציה. לחץ על הפעל כפתור כדי להתחיל את הסימולציה ולפקח על התהליך עד שהמקרא אנא סגור את החלון כדי להמשיך מוצג. לאחר מכן סגור את חלון יומן הסימולציה כדי לצפות בתוצאות הסימולציה.לחץ על קובץ ובחר את פרוייקט ייצוא בשורת התפריטים. בחר את הספריה שבה יישמר קובץ הפרוייקט ולחץ על הלחצן אישור. שחזור איון באמצעות קבוצות לא אופטימליות של פרמטרים בהגדרות השחזור התקבל, כולל 86.6% מהתאים ההתחלתיים.העלאת הטמפרטורה הראשונית, האיטרציה וגורמי הקבלה הביאו לאחוז גבוה יותר של תאים ראשוניים כמו 93.37 ו-99.15% באיים המשוחזרים. חלקות ההתכנסות של תהליך השחזור התקבלו, המדגימות את האבולוציה של תאים חופפים כפונקציה של הטמפרטורה. זיהוי המגעים בין התא לתא מארכיטקטורות האיים המשוחזרות תלוי בערך של פרמטר סובלנות המגע.רק 290 מגעים בין תא לתא זוהו עבור הערך של מיקרומטר אחד, בעוד שעבור שני מיקרומטרים, ההקשר הכולל שזוהה עלה ל-636 ו-731, בהתאמה. התקבלו תרשים הרשת המספק ייצוג חזותי של אנשי הקשר בין התא לתא המחוברים זה לזה. תוצאות הסימולציה הראו שתאי אלפא ובטא מתנדנדים לחלוטין מחוץ לפאזה, בעוד שתאי דלתא מתנדנדים מחוץ לפאזה עם תאי אלפא ובטא.ההתנהגות המתנודדת של האי נשלטה על ידי תנודות תאי האלפא עם תרומה מינורית של אוכלוסיית התאים האחרים. תרשים אינדקס סנכרון האיים התקבל אשר מספק את מדידת קוהרנטיות הפאזה של התנודות בין תאי האיים ואת השונות של הסינכרוניות בין תאי האי לאורך זמן. כל המדדים הנגזרים וההדמיות הפונקציונליות תלויים בתהליך השחזור, ולכן המפתח הוא להשיג את האחוז הגבוה ביותר של תאים ראשוניים באיים המשוחזרים.איים משוחזרים המתקבלים מהליך זה יכולים לשמש גם לפיתוח מודלים חישוביים מציאותיים יותר של איי הלבלב על ידי הכללת תיאור ביופיזי מפורט של תאי איון.

computational-reconstruction-pancreatic-islets-as-tool-for-structural

Research

JoVE Journal

Bioengineering

הנדסה ביולוגית

שיטות רומן בעזרת מחשב של רכש בקנה מידה גדול וניתוח של immunohistochemically דגימות הלבלב מוכתם מתוארים: (1) ללכוד Slice וירטואלי של הסעיף כולו; (2) ניתוח המוניים בקנה מידה גדול של נתונים, (3) שחזור וירטואלי Slices 2D ; (4) מיפוי 3D איון; ו (5) ניתוח מתמטי.

בסיוע מחשב ויזואליזציה בקנה מידה גדול כימות המוניים הלבלב איילט, התפלגות גודל ואדריכלות

סרט הווידאו הזה מדגים נהלים ואפיון של איים הלבלב אדם באמצעות hematoxylin ו eosin (H &amp; E) ו אימונוהיסטוכימיה (IHC). סעיפים הלבלב מן הראש, הגוף, באזורים הזנב מוכתמות על ידי שני H &amp; E ו-IHC לקבוע הרכב האנדוקרינית איון (אינסולין, גלוקגון, והלבלב פוליפפטיד), שכפול תאים (Ki67), וכן מחלחל דלקתיות (H &amp; E, CD3). האזור אונקלי הוא מקומי באמצעות IHC של הלבלב פוליפפטיד.

הפרוטוקולים מכתים עבור איי הלבלב אדם

כאן, אנו מציגים פסיבים פרוטוקול לסעיפים לבלב אנושי התמונה בתלת מימד (3D) באמצעות אופטימיזציה ניקוי שיטות. כתב יד זה מדגים אלו נהלי סליקה אופטי פסיבי ואחריו מספר immunofluorescence מכתים לזהות את המרכיבים העיקריים של אוטונומי, חושי רשתות עצביות innervating אנושי איונים.

הדמיה תלת-ממדית ברזולוציה גבוהה של הרשת נוירו-סקסיסטית לבלב אנושי

כאן, אנו מציגים פרוטוקול לייצר אינסולין לבטא 3D מאתר pancreatoids בין לתרשים e10.5 הפומבית אבות הלבלב מזנכימה המשויך את...

דור של אינסולין נטולת לגרדום, תלת מימדי לבטא Pancreatoids העכבר אבות הלבלב במבחנה

Ex-vivo הלבלב איון מחקרים חשובים לחקר הסוכרת. קיימות טכניקות ללמוד איונים בתרבית באדריכלות תלת-ממדי מקורי שלהם הן זמן רב, לא יעיל, הנמצאים בשימוש לעיתים רחוקות. עבודה זו מתאר שיטה חדשה, פשוט ויעיל ליצירת באיכות גבוהה פרפין מקטעי איונים תרבותי שלם.

הלבלב איון הטבעה למקטעי פרפין

אנו מתארים שיטה בידודו של תאים האנדוקרינית הלבלב עובריים, neonatal ופוסט ואחריו רצפי RNA בתא יחיד. שיטה זו מאפשרת ניתוח של השושלת האנדוקרינית הלבלב פיתוח, תא dynamics הטרוגניות, transcriptomic.

Transcriptomic תא בודד ניתוחים של תאים בלבלב האנדוקרינית העכבר

אנו מציגים את ההכנה של פרוסות רקמת לבלב חריפה ואת השימוש בהן במיקרוסקופיה לסריקת לייזר קונפוקלית לחקר דינמיקת סידן בו זמנית במספר רב של תאים חיים, לאורך תקופות זמן ארוכות, ועם רזולוציה מרחבית-טמפורלית גבוהה.

מיקרוסקופיה לסריקת לייזר קונפוקלית של דינמיקת סידן בפרוסות רקמת לבלב חריפה של עכבר

פרוטוקול זה מתאר כיצד ליצור פרוסות לבלב אנושיות מתורמי איברים שנפטרו כדי לחקור את תפקוד התאים בתנאים כמעט פיזיולוגיים. גישה חדשנית זו מאפשרת לחקור איים נורמליים ופגועים מבנית ואת יחסי הגומלין המורכבים בין תאים אנדוקריניים ואקסוקריניים.

יצירת פרוסות רקמת לבלב אנושית לחקר פיזיולוגיה אנדוקרינית ואקסוקרינית של הלבלב

במאמר זה, אנו מציגים שיטה microfluidic מבוסס על הכליאה החלקיקים מבוסס על זרימה הידרודינמית. אנו מדגימים לכידה חלקיק יציב בנקודה נוזל הקיפאון באמצעות מנגנון בקרה ומשוב, ובכך מאפשרים כליאה ו המיקרומניפולציה של חלקיקים שרירותי microdevice משולבת.

Microfluidic מבוססי הידרודינמית מלכודת חלקיקים יחיד

שיטה כדי לעקוב אחר איחוי תא אורגניזמים חיים על פני זמן מתואר. הגישה מנצל...

Cre-P לקס גישה רקומבינציה לצורך זיהוי של Fusion Cell In vivo</em

חקור שחזור חישובי של איי הלבלב לניתוח מבני ותפקודי באמצעות אלגוריתמי מחשוב בעוצמה גבוהה. שיטה זו מאפשרת השוואת איי לבלב בריאים ומופרעים ותומכת במחקר סוכרת.

שחזור חישובי של איי הלבלב ככלי לניתוח מבני ותפקודי

גלה סרטונים נוספים