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

Questo protocollo è significativo perché descrive un carico di lavoro computazionale per ricostruire architetture di isole, per analizzare le loro proprietà morfologiche e di connettività e per valutarne le implicazioni funzionali tramite simulazioni computazionali. Il vantaggio principale è che fornisce un modo per implementare algoritmi di calcolo ad alte prestazioni per integrare il lavoro teorico e sperimentale nel campo della ricerca sulle isole. Questa metodologia può essere particolarmente utile per confrontare le proprietà morfologiche e di connettività di isolotti sani e alterati o per confrontare architetture di isolotti di diverse specie animali.

Per iniziare, verificare che i compilatori GCC e NVCC siano installati. Aprire un terminale eseguendo i comandi e seguire le istruzioni fornite nel testo se uno di questi comandi non viene riconosciuto dal sistema. Apri un terminale e vai alla cartella IsletLab.

Creare un nuovo ambiente eseguendo il comando nel terminale. Attivare il nuovo ambiente eseguendo il comando. Avvia l'applicazione IsletLab eseguendo il comando nel terminale.

Per preparare i dati di input, organizzare i dati dell'isolotto di input in un file a quattro colonne in cui la prima colonna è il tipo di cella e la seconda, la terza e la quarta colonna sono rispettivamente le coordinate X, Y e Z delle celle di input, assicurando che il file di input non includa intestazioni di colonna. Fare clic sul pulsante Carica isolotto iniziale e selezionare il file contenente i dati di input per generare un isolotto iniziale, la rappresentazione tridimensionale e le statistiche corrispondenti. Per configurare il processo di ricostruzione, fare clic sul pulsante Impostazioni di ricostruzione e modificare i parametri di ottimizzazione.

Fare clic sul pulsante OK per salvare i valori dei parametri. Fare clic sul pulsante Ricostruisci isolotto per aprire la finestra Registro ricostruzione. Fare clic sul pulsante Esegui per avviare il processo di ricostruzione.

Valutare i risultati del processo di ricostruzione analizzando le statistiche di ottimizzazione mostrate nella scheda Final Islet del pannello statistico concentrandosi sulla massimizzazione della percentuale di cellule sperimentali incluse negli isolotti ricostruiti o, equivalentemente, sulla minimizzazione del numero di sovrapposizioni. Se la percentuale di statistiche sperimentali è considerata bassa in base agli obiettivi dell'utente, fare clic sul menu File e selezionare Riavvia. Fare clic sul pulsante Carica isolotto iniziale e selezionare il file contenente i dati di input per generare un isolotto iniziale.

Quindi aumentare la temperatura iniziale, il fattore Iterazioni e il fattore accettazione nelle impostazioni di ricostruzione e ripetere il processo di ricostruzione dell'isolotto descritto in precedenza fino a ottenere risultati soddisfacenti. Fate clic su Impostazioni di ricostruzione (Reconstruction settings) e selezionate Tolleranza contatto (Contact tolerance) per definire la tolleranza di contatto cella-cella. Fare clic su OK per salvare i valori dei parametri.

Fare clic sul pulsante Contatti cella a cella per identificare le celle a stretto contatto. Fare clic sul pulsante Crea rete per generare la rete isolotta e calcolare la matrice di rete associata. Passare alla scheda Simulazione del pannello di configurazione dell'interfaccia.

Selezionare la modalità desiderata di frequenza intrinseca, Costante o Casuale. Fare clic sul pulsante Configura frequenza intrinseca per definire la frequenza dell'oscillatore in hertz. Selezionare la modalità desiderata della fase iniziale, Costante o Casuale.

Fare clic sul pulsante Configura interazioni per definire i parametri di interazione da cella a cella nella finestra Intensità interazione. Configura la simulazione definendo il tempo totale di simulazione, il passo temporale e il fattore di risparmio. Definire il numero di blocchi, thread e funzionalità della piattaforma di elaborazione disponibili per eseguire la simulazione.

Fare clic sul pulsante Esegui simulazione per aprire la finestra Registro simulazione. Fare clic sul pulsante Esegui per avviare la simulazione e monitorare il processo fino a quando non viene visualizzata la legenda Chiudere la finestra per continuare. Quindi chiudere la finestra Registro simulazione per osservare i risultati della simulazione.

Fare clic su File e selezionare Esporta progetto nella barra dei menu. Selezionare la directory in cui verrà salvato il file di progetto e fare clic sul pulsante OK. È stata ottenuta la ricostruzione delle isole utilizzando insiemi non ottimali di parametri nelle impostazioni di ricostruzione, incluso l'86,6% delle cellule iniziali.

L'aumento della temperatura iniziale, dell'iterazione e dei fattori di accettazione ha portato a una percentuale più elevata di cellule iniziali come 93,37 e 99,15% negli isolotti ricostruiti. Sono stati ottenuti i grafici di convergenza del processo di ricostruzione, dimostrando l'evoluzione delle celle sovrapposte in funzione della temperatura. L'identificazione dei contatti cellula-cellula dalle architetture delle isole ricostruite dipende dal valore del parametro di tolleranza di contatto.

Solo 290 contatti cellula-cellula sono stati identificati per il valore di un micrometro, mentre per due micrometri, il contesto totale identificato è aumentato rispettivamente a 636 e 731. È stato ottenuto il grafico di rete che fornisce una rappresentazione visiva dei contatti cellula-cellula che sono collegati tra loro. I risultati della simulazione hanno dimostrato che le cellule alfa e beta oscillano completamente fuori fase, mentre le cellule delta oscillano fuori fase con le cellule alfa e beta.

Il comportamento oscillatorio dell'isolotto era dominato dalle oscillazioni delle cellule alfa con un contributo minore dell'altra popolazione cellulare. È stato ottenuto il grafico dell'indice di sincronizzazione delle isole che fornisce la misura della coerenza di fase delle oscillazioni tra le celle insulari e la variazione della sincronicità tra le cellule insulari nel tempo. Tutte le metriche derivate e le simulazioni funzionali dipendono dal processo di ricostruzione, quindi è fondamentale ottenere la più alta percentuale di cellule iniziali negli isolotti ricostruiti.

Le isole ricostruite ottenute da questa procedura possono essere ulteriormente utilizzate per sviluppare modelli computazionali più realistici delle isole pancreatiche includendo una descrizione biofisica dettagliata delle cellule insulari.