Articolo metodologico

Ricostruzione computazionale delle isole pancreatiche come strumento per l'analisi strutturale e funzionale

DOI:

10.3791/63351

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9 marzo 2022

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1Department of Electrical Engineering, Universidad Autónoma Metropolitana

In questo articolo

Sommario

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In questo protocollo, le isole pancreatiche vengono ricostruite e analizzate utilizzando algoritmi computazionali implementati in un'applicazione multipiattaforma dedicata.

Abstract

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Le proprietà strutturali delle isole pancreatiche sono fondamentali per la risposta funzionale delle cellule secernenti insulina, glucagone e somatostatina, a causa delle loro implicazioni nella comunicazione intraisletale tramite segnalazione elettrica, paracrina e autocrina. In questo protocollo, l'architettura tridimensionale di un'isolotto pancreatica viene prima ricostruita da dati sperimentali utilizzando un nuovo algoritmo computazionale. Successivamente, si ottengono le proprietà morfologiche e di connettività dell'isolotto ricostruito, come il numero e le percentuali del diverso tipo di cellule, il volume cellulare e i contatti da cellula a cellula. Quindi, la teoria della rete viene utilizzata per descrivere le proprietà di connettività dell'isolotto attraverso metriche derivate dalla rete come grado medio, coefficiente di clustering, densità, diametro ed efficienza. Infine, tutte queste proprietà sono valutate funzionalmente attraverso simulazioni computazionali utilizzando un modello di oscillatori accoppiati. Nel complesso, qui descriviamo un flusso di lavoro passo-passo, implementato in IsletLab, un'applicazione multipiattaforma sviluppata appositamente per lo studio e la simulazione di isole pancreatiche, per applicare una nuova metodologia computazionale per caratterizzare e analizzare le isole pancreatiche come complemento al lavoro sperimentale.

Introduzione

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Il pancreas è diviso in regioni denominate testa, collo, corpo e coda, ognuna con diverse strutture, funzioni e posizione anatomica 1,2. Da un punto di vista funzionale, il pancreas può essere suddiviso in sistemi endocrino ed esocrino con il primo responsabile della secrezione di ormoni criticamente coinvolti nella regolazione dell'omeostasi del glucosio, mentre il secondo contribuisce alla digestione degli alimenti attraverso la secrezione di enzimi nel duodeno1. Le isole pancreatiche costituiscono il tessuto endocrino del pancreas e sono responsabili della secrezione di gluc....

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Protocollo

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NOTA: un diagramma schematico del protocollo è illustrato nella Figura 1. Una descrizione dettagliata è la seguente (vedere Il file supplementare 1 per i dettagli sui pannelli di controllo utilizzati in ogni fase del protocollo).

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Figura 1: Diagramma di flusso. Diagramma di flusso che descrive l'ordine sequenziale del protocollo implementato in IsletLab.

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Risultati

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La ricostruzione delle isole pancreatiche utilizzando la metodologia proposta da Félix-Martínez et al.19 dipende fortemente dai parametri dati all'algoritmo di ottimizzazione (definito nelle impostazioni di ricostruzione). Un esempio di questo è mostrato visivamente nella Figura 3 dove vengono mostrati gli isolotti ricostruiti ottenuti utilizzando diversi insiemi di parametri. In primo luogo, nella Figura 3A, viene mostrata una ricostruzi.......

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Discussione

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Il protocollo di cui sopra delinea un approccio pratico per ricostruire e analizzare le architetture delle isole pancreatiche utilizzando nuovi algoritmi computazionali. L'obiettivo principale di questo lavoro è quello di consentire alla comunità di ricerca sulle isole di ricavare metriche quantitative per caratterizzare le proprietà morfologiche e di connettività delle architetture delle isole pancreatiche e per valutare le possibili implicazioni funzionali di tali proprietà attraverso simulazioni computazional.......

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Dichiarazioni

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Gli autori non hanno nulla da rivelare.

Ringraziamenti

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G.J. Félix-Martínez ringrazia CONACYT (Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología, México) e il Dipartimento di Ingegneria Elettrica dell'Universidad Autónoma Metropolitana (Città del Messico) per il sostegno dato a questo progetto. Ringraziamo il Dr. Danh-Tai Hoang, il Dr. Manami Hara e il Dr. Junghyo Jo per il loro eccezionale lavoro e la generosità nel condividere le architetture degli isolotti che hanno reso possibile questo lavoro con la comunità di ricerca.

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Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo
NomeAziendaNumero di catalogoCommenti
grafica NVIDIA compatibile con CUDANecessaria per le simulazioni funzionali
IsletLabhttps://github.com/gjfelix/IsletLab (Seguire le istruzioni per scaricare e installare l'applicazione.)
Scheda

Riferimenti

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Chen, L., Pan, X., Zhang, Y. H., Huang, T., Cai, Y. D. Analysis of Gene Expression Differences between Different Pancreatic Cells. ACS Omega. 4 (4), 6421-6435 (2019).
  2. Longnecker, D. S., Gorelick, F., Thompson, E. D., Histology, Anatomy, Histology, and Fine Structure of the Pancreas. The Pancreas. Beger, H. G., Warshaw, A. L., H....

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Pancreatic IsletsIslet ReconstructionComputational SimulationNetwork TheoryCell To Cell ContactsMorphological AnalysisFunctional AnalysisCoupled OscillatorsIsletLab ApplicationStructural Properties

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