April 18th, 2018
이 프로토콜은 전자 현미경 검사 법 그리고 confocal 현미경 검사 법 심상에서 cardiomyocytes의 세포내 구조의 공간적 상세한 유한 요소 모델을 생성 하는 새로운 방법을 설명 합니다. 이 공간 세부 모델의 파워는 칼슘 신호 및 생체에서 사례 연구를 사용 하 여 보여 줍니다.
이 절차의 전반적인 목표는 심장 세포의 세포 내 구조에 대한 공간적으로 상세한 유한 요소 모델을 만드는 것입니다. 이 모델은 전자 및 컨포칼 현미경 데이터에서 생성됩니다. 이러한 모델은 심장 세포 기능에 대한 세포 구조의 역할을 연구하는 데 사용할 수 있습니다.
이 방법은 세포의 내부 조직 변화와 건강 및 질병 상태가 심장 세포 시스템의 생물학에 어떤 영향을 미칠 수 있는지에 대한 주요 질문에 답하는 데 도움이 될 수 있습니다. 이 방법의 주요 장점은 전자 현미경과 컨포칼 현미경의 보완 정보를 통합하여 세포 아키텍처의 공간적으로 상세한 모델을 만들 수 있다는 것입니다. 이 방법은 심장 세포 시스템 생물학에 대한 통찰력을 제공할 수 있지만 이 일반적인 전반적인 접근 방식은 세포 구조가 세포 기능에 미치는 영향을 이해해야 하는 다른 세포에도 사용할 수 있습니다.
이 방법을 시각적으로 시연하는 것은 매우 중요한데, 이온 채널을 시뮬레이션하고 더 미세한 요소 메시에 매핑하는 단계가 매우 새롭기 때문입니다. 좌심실 자유벽 조직 절편을 준비하고 텍스트 프로토콜에 따라 전자 단층촬영을 사용하여 영상화한 후 IMOD 프로그램 3dmod를 실행합니다. 그래픽 사용자 인터페이스 내에서 셀의 3D 재구성된 이미지 데이터 세트가 포함된 rec 또는 mrc 파일의 주소를 Image Files라는 입력 상자에 입력한 다음 Okay를 누릅니다.
그런 다음 파일 메뉴에서 새 모델을 선택합니다. 그런 다음 다른 이름으로 모델 저장 메뉴 항목을 사용하여 적절한 이름으로 파일을 저장합니다. Special 메뉴에서 Drawing Tools를 선택한 다음 Sculpt 옵션을 선택하고 마우스를 이미지 창으로 이동합니다.
마우스 포인터 중앙에 있는 원형 윤곽선이 나타납니다. 이미지 파일의 어두운 영역인 미토콘드리아 위에 마우스 가운데 버튼을 누른 상태에서 원 윤곽선의 둘레를 경계 모양으로 드래그합니다. 미토콘드리아 경계의 윤곽 형성이 완료되면 중간 버튼을 놓고 데이터의 각 미토콘드리아에 대해 이 과정을 반복합니다.
각 윤곽은 IMOD에 의해 동일한 개체 내의 새 윤곽으로 자동 인식됩니다. Edit Object(개체 편집) 메뉴에서 New(새로 만들기)를 선택하여 새 개체를 만듭니다. 이렇게 하면 총 개체 수가 자동으로 1씩 증가하고 이 숫자가 새 개체에 할당됩니다.
조각(Sculpt) 옵션을 사용하여 근섬유브릴 윤곽선을 분할하고 저장할 수 있습니다. 또한 셀 경계를 분할한 다음 파일 메뉴에서 모델 파일을 저장합니다. 텍스트 프로토콜에 따라 iso2mesh를 다운로드한 후, 여기에 표시된 GitHub 웹사이트에서 메시에 RyR 클러스터를 시뮬레이션하기 위한 소스 코드와 데이터를 다운로드합니다.
Cardiac Cell Mesh Generator MATLAB 응용 프로그램을 시작합니다. 그런 다음 GUI의 왼쪽 상단에 있는 세 개의 푸시 버튼을 사용하여 서로 다른 소기관 구성요소 마스크를 MATLAB에 로드합니다. 근피브릴과 미토콘드리아 사이의 간격을 구분하는 또 다른 이진 영상 스택을 만들려면 영상 J를 연 다음 파일 열기(File Open) 대화 상자를 사용하여 근피브릴 및 미토콘드리아 TIFF 스택을 프로그램에 불러옵니다.
Process Calculator Plus를 선택하여 Image Addition 플러그인을 시작합니다. myofibril 이미지 스택을 I1로, 미토콘드리아 이미지 스택을 I2로 선택한 다음 연산자 추가를 선택한 다음 확인을 클릭합니다. 결과를 나타내는 새 이미지 스택이 나타나면 반전 편집을 선택하여 이미지 스택을 생성합니다.
Cardiac Cell Mesh Generator 프로그램에서 RyR Gaps 파일 버튼을 눌러 근섬유와 미토콘드리아 사이의 갭에 대한 이진 이미지 스택이 포함된 파일을 로드한 다음 GUI에서 Generate Mesh를 누릅니다. GUI에서 Generate RyR-Simulator Inputs(RyR-Simulator 입력 생성)라고 표시된 버튼을 눌러 RyR-Simulator에 필요한 입력을 생성합니다. 함수가 실행된 후 OUT_DIR 경로인 d_axial_micron로 지정된 디렉터리 내에 다음 파일이 만들어졌는지 확인합니다.
txt 파일은, Z-디스크의 위치와 이미지 스택 내의 나머지 픽셀들 사이의 축 거리를 나타내고,d_radial_micron. txt 파일은, 가능한 RyR 클러스터 위치 집합의 각 픽셀로부터 Z-디스크 평면의 픽셀들까지의 축 성분을 제외한 유클리드 거리를 나타내고, W_micro. txt 파일: RyR 클러스터가 존재할 수 있는 모든 사용 가능한 위치의 공간 좌표 목록을 나타냅니다.
폴더의 나머지 세 파일에는 micron이 아닌 접미사 pixel이 포함되어 있어 이러한 파일 내의 값이 픽셀 좌표 형식으로 기록되었음을 나타냅니다. myofibrils의 이진 이미지 스택에서 RyR 클러스터 분포를 시뮬레이션하려면 Open RyR-Simulator in R이라고 표시된 버튼을 눌러 R 프로그램을 시작합니다. R GUI에서 File Open을 선택하고 RyR-Simulator 패키지 내에서 파일 설정을 찾습니다.
R.이 필드의 매개변수와 기본값에 대한 자세한 설명은 텍스트 프로토콜을 참조하십시오. 사용자는 R 창에서 RyR 클러스터의 시뮬레이션된 분포를 검사하고 클러스터가 Z 디스크 근처에 있고 셀의 전체 단면에 고르게 분포되어 있는지 확인하기 위해 설정을 조정해야 합니다. Cardiac Cell Mesh Generator를 사용하여 점을 공간 밀도로 계산 모델에 매핑하려면 Select RyR Points File(RyR 포인트 파일 선택)이라는 버튼을 선택하고 RyR-Simulator에서 출력된 텍스트 파일 중에서 시뮬레이션된 RyR 클러스터 분포 텍스트 파일을 선택합니다.
마지막으로, MATLAB의 GUI에서 RyR Density Mapper를 실행합니다. 사용자는 고밀도 값의 이웃이 실험 데이터에서 RyR 클러스터의 크기와 유사하도록 밀도 값이 분포되어 있는지 육안으로 확인해야 합니다. 이러한 명시야 이미지는 절단면에 대해 세로, 비스듬하게, 단면적으로 배향될 때 세포가 어떻게 나타나는지 보여줍니다.
경사 및 세로 샘플은 줄무늬를 나타내지만 단면 샘플은 그렇지 않습니다. 또한 모세관은 비스듬한 보기보다 단면 보기에서 더 원형으로 보입니다. 이 패널은 이 프로토콜의 조직 준비 부분을 따를 때 획득할 수 있는 우수한 품질의 단층촬영 스택을 나타냅니다.
조직 블록이 충분히 염색되고 조직 부피를 통해 콜로이드 금 입자가 균일하게 분포되도록 하기 위해 주의와 경험이 필요합니다. 여기에 표시된 것은 근섬유와 미토콘드리아의 분절된 3D 모델입니다. 이 사면체 메쉬의 3D 렌더링은 iso2mesh에 의해 생성됩니다.
원본 이미지 스택 및 세분화 작업의 품질이 좋은 경우 이 단계는 매우 강력합니다. 마지막으로, 이 패널은 구형 커널 강도 추정기 알고리즘을 사용한 후 동일한 메시 토폴로지에서 시뮬레이션된 RyR 클러스터의 세 가지 예를 보여줍니다. RyR 클러스터의 조직 변동을 확인할 수 있습니다.
일단 숙달되고 제대로 수행된다면, 구조적으로 사실적인 심장 세포의 유한 요소 모델은 우리의 기술을 사용하여 몇 시간 내에 생성될 수 있습니다. 이 절차에 따라 칼슘 신호, 심장 생물 에너지학 및 세포 역학에 대한 유한 요소 시뮬레이션을 수행하여 심근세포의 기능에 대한 세포 구조의 역할에 대한 질문에 답할 수 있습니다.
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이 프로토콜은 전자 현미경 이미지와 공초점 현미경 이미지를 사용하여 심근 세포의 세포 내 구조의 공간적으로 상세한 유한 요소 모델을 만드는 방법을 설명합니다. 이 모델은 세포 구조가 심장 세포 기능에 미치는 영향을 이해하는 데 도움이 됩니다.
This protocol enables biopharma researchers to develop spatially resolved finite element models of cardiomyocyte architecture, providing a computational platform to interrogate structure-function relationships in cardiac cells. By integrating high-resolution electron and confocal microscopy data, the method supports mechanistic de-risking in target validation and assay development for cardiovascular therapeutics. The resulting models facilitate predictive simulations of calcium signaling and mitochondrial bioenergetics, enhancing confidence in early discovery decisions and reducing reliance on empirical screening alone.
The method fits within the early discovery continuum, supporting target validation through structural phenotyping and informing lead identification by providing architecture-informed functional readouts for compound screening campaigns.