W tym protokole wyspy trzustkowe są rekonstruowane i analizowane za pomocą algorytmów obliczeniowych zaimplementowanych w dedykowanej aplikacji wieloplatformowej.
Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.
Artykuł metodologiczny
W tym protokole wyspy trzustkowe są rekonstruowane i analizowane za pomocą algorytmów obliczeniowych zaimplementowanych w dedykowanej aplikacji wieloplatformowej.
Strukturalne właściwości wysp trzustkowych są kluczowe dla funkcjonalnej odpowiedzi komórek wydzielających insulinę, glukagon i somatostatynę, ze względu na ich implikacje w komunikacji wewnątrzwyspowej poprzez sygnalizację elektryczną, parakrynną i autokrynną. W tym protokole trójwymiarowa architektura wyspy trzustkowej jest najpierw rekonstruowana na podstawie danych eksperymentalnych przy użyciu nowatorskiego algorytmu obliczeniowego. Następnie uzyskuje się właściwości morfologiczne i łącznościowe zrekonstruowanej wysepki, takie jak liczba i procentowa zawartość różnych typów komórek, objętość komórkowa i kontakty międzykomórkowe. Następnie teoria sieci jest wykorzystywana do opisania właściwości łączności wysepki za pomocą wskaźników pochodzących z sieci, takich jak średni stopień, współczynnik grupowania, gęstość, średnica i wydajność. Wreszcie, wszystkie te właściwości są oceniane funkcjonalnie za pomocą symulacji obliczeniowych z wykorzystaniem modelu sprzężonych oscylatorów. Ogólnie rzecz biorąc, tutaj opisujemy przepływ pracy krok po kroku, zaimplementowany w IsletLab, wieloplatformowej aplikacji opracowanej specjalnie do badania i symulacji wysp trzustkowych, w celu zastosowania nowatorskiej metodologii obliczeniowej do charakteryzowania i analizy wysp trzustkowych jako uzupełnienia prac eksperymentalnych.
Trzustka jest podzielona na regiony określane jako głowa, szyja, tułów i ogon, z których każdy ma inną strukturę, funkcje i pozycję anatomiczną1,2. Z funkcjonalnego punktu widzenia trzustkę można podzielić na układ hormonalny i zewnątrzwydzielniczy, przy czym pierwszy z nich odpowiada za wydzielanie hormonów krytycznie zaangażowanych w regulację homeostazy glukozy, podczas gdy drugi przyczynia się do trawienia pokarmu poprzez wydzielanie enzymów do dwunastnicy1. Wyspy trzustkowe stanowią tkankę endokrynną trzustki i są odpowiedzialne za wydzielanie glukagonu, insuliny i somatostatyny, wydzielanych odpowiednio z komórek ɑ, β i δ3. Oprócz ich wewnętrznych mechanizmów regulacyjnych, komórki te są regulowane przez bezpośrednią komunikację elektryczną (między komórkami β a prawdopodobnie komórkami β i δ), a także przez sygnalizację parakrynną i autokrynną4,5,6. Oba mechanizmy są w dużym stopniu zależne od architektury wysepki (tj. składu i organizacji różnych typów komórek w obrębie wysepki)7,8. Co ważne, architektura wysepek ulega zmianie w obecności cukrzycy, co najprawdopodobniej zakłóca komunikację wewnątrz wysepki9,10.
Badanie wysp trzustkowych obejmuje szeroki zakres metodologii eksperymentalnych. Wśród nich zastosowanie technik fluorescencyjnych do określenia liczby, lokalizacji i typu różnych komórek w wysepce pozwoliło na zbadanie właściwości strukturalnych i morfologicznych wysp trzustkowych11,12,13 oraz lepiej zrozumieć funkcjonalne implikacje dla zdrowia i choroby. Jako uzupełnienie, modele obliczeniowe komórek trzustki14,15,16 i, ostatnio, wyspy trzustkowe12,17,18,19 były używane w ostatnich dziesięcioleciach do oceny aspektów trudnych lub nawet niemożliwych do rozwiązania eksperymentalnie.
W tym protokole staramy się wypełnić lukę między pracami eksperymentalnymi a obliczeniowymi, przedstawiając metodologię rekonstrukcji architektur wysepek, analizując ich właściwości morfologiczne i łączności za pomocą wskaźników ilościowych oraz przeprowadzając podstawowe symulacje w celu oceny funkcjonalnych implikacji właściwości wysepek.
Protokół opisany poniżej opiera się na algorytmach obliczeniowych specjalnie zaprojektowanych do badania wysp trzustkowych. Podsumowując, w pierwszym kroku protokołu architektura wysepek jest rekonstruowana na podstawie danych eksperymentalnych przy użyciu algorytmu zaproponowanego niedawno przez Félixa-Martíneza i wsp.19, w którym pozycje jądrowe uzyskano poprzez barwienie 4′,6-diamidino-2-fenyloindolem (DAPI) i typy komórkowe identyfikowane za pomocą immunofluorescencji (szczegółowo opisane przez Hoang i wsp.11, 12) są przetwarzane w iteracyjnej procedurze optymalizacji. Prowadzi to do określenia optymalnego rozmiaru i położenia każdej komórki oraz uzyskania wysepki złożonej z nienakładających się na siebie komórek. Po drugie, w oparciu o zrekonstruowaną architekturę, identyfikowane są kontakty międzykomórkowe w celu określenia właściwości łączności i wygenerowania odpowiedniej sieci wysepek, co pozwala użytkownikowi uzyskać metryki ilościowe w celu dalszego opisania architektury wysepek (szczegóły dotyczące algorytmu rekonstrukcji można znaleźć w oryginalnej pracy na ten temat19). Wreszcie, podstawowe symulacje funkcjonalne są wykonywane przy użyciu podejścia modelowania zaproponowanego przez Hoang et al.12, w którym, w oparciu o pulsacyjną naturę wydzielania hormonów obserwowaną eksperymentalnie20,21, każda komórka jest traktowana jako oscylator, a zatem wysepka jest reprezentowana jako sieć sprzężonych oscylatorów zgodnie z właściwościami łączności zrekonstruowanej wysepki.
Biorąc pod uwagę złożoność obliczeniową algorytmów używanych w tym protokole, wszystkie kroki zostały zaimplementowane w samodzielnej aplikacji22, której głównym celem jest przybliżenie tych narzędzi obliczeniowych wszystkim zainteresowanym czytelnikom, niezależnie od ich poziomu doświadczenia w korzystaniu ze specjalistycznego oprogramowania lub języków programowania.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
UWAGA: Schematyczny diagram protokołu przedstawiono na Rysunku 1. Szczegółowy opis krok po kroku przedstawiono poniżej (szczegóły dotyczące paneli sterowania używanych na każdym etapie protokołu znajdują się w Pliku uzupełniającym 1).

Rysunek 1: Schemat blokowy. Schemat blokowy opisujący sekwencję kroków protokołu wdrożonego w IsletLab. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.
1. Instalacja IsletLab w systemie Linux
UWAGA: Należy postępować zgodnie z instrukcjami podanymi w sekcjach 2 i 3 Pliku uzupełniającego 2, aby zainstalować IsletLab w systemie windows lub macOS.

Rycina 2: Interfejs użytkownika IsletLab. Interfejs składa się z trzech głównych paneli: konfiguracji (1), statystyk (2) oraz grafiki (3). Pasek narzędzi graficznych (4) znajduje się na dole panelu grafiki. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.
2. Rekonstrukcja wysepek
3. Identyfikacja kontaktów międzykomórkowych
4. Budowanie sieci wysepek
5. Symulacja funkcjonalna zrekonstruowanego wysepki
6. Zapisz projekt (opcjonalnie)
7. Zapisywanie rycin (opcjonalnie)
8. Wczytywanie projektu (opcjonalnie)
9. Ponowne uruchomienie procesu rekonstrukcji i analizy (opcjonalnie)
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Rekonstrukcja wysepek trzustkowych przy użyciu metodologii zaproponowanej przez Félix-Martínez i wsp.19 jest silnie zależna od parametrów przekazanych do algorytmu optymalizacji (zdefiniowanych w ustawieniach rekonstrukcji). Przykład tego przedstawiono wizualnie na Rysunku 3, gdzie ukazano wysepki zrekonstruowane przy użyciu różnych zestawów parametrów. Po pierwsze, na Rysunku 3A przedstawiono rekonstrukcję, która objęła 86,6% komór...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Powyższy protokół przedstawia praktyczne podejście do rekonstrukcji i analizy architektur wysp trzustkowych przy użyciu nowatorskich algorytmów obliczeniowych. Głównym celem tej pracy jest umożliwienie społeczności badawczej wysp trzustkowych uzyskania wskaźników ilościowych w celu scharakteryzowania właściwości morfologicznych i łączności architektur wysp trzustkowych oraz oceny możliwych implikacji funkcjonalnych takich właściwości za pomocą symulacji obliczeniowych.
Chociaż algoryt...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Autorzy nie mają nic do ujawnienia.
G.J. Félix-Martínez dziękuje CONACYT (Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología, México) i Wydziałowi Inżynierii Elektrycznej Universidad Autónoma Metropolitana (miasto Meksyk) za wsparcie udzielone temu projektowi. Dziękujemy dr Danh-Tai Hoangowi, dr Manami Hara i dr Junghyo Jo za ich wyjątkową pracę i hojność w dzieleniu się architekturą wysepek, która umożliwiła tę pracę ze społecznością naukową.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| graficzna NVIDIA z obsługą CUDA | Wymagana do symulacji funkcjonalnych | ||
| IsletLab | https://github.com/gjfelix/IsletLab (Postępuj zgodnie z instrukcjami, aby pobrać i zainstalować aplikację). |
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.