Criando um modelo geométrico de elementos finitos estruturalmente realista de um casos para estudar o papel da arquitetura celular em casos de biologia de sistemas

O objetivo geral deste procedimento é criar um modelo de elementos finitos espacialmente detalhado da arquitetura intracelular de uma célula cardíaca. Este modelo é criado a partir de dados de microscopia eletrônica e confocal. Tais modelos podem ser usados para estudar o papel da arquitetura celular na função das células cardíacas.

Este método pode ajudar a responder a perguntas-chave sobre como a mudança na organização interna da célula e as condições de saúde e doença podem afetar a biologia dos sistemas de células cardíacas. A principal vantagem deste método é que ele permite integrar informações complementares da microscopia eletrônica e da microscopia confocal, a fim de criar um modelo espacialmente detalhado da arquitetura celular. Embora esse método possa fornecer informações sobre a biologia do sistema celular cardíaco, mas essa abordagem geral geral também pode ser usada em outras células onde precisamos entender o efeito da estrutura celular na função da célula.

A demonstração visual desse método é crítica, pois as etapas para simular e mapear os canais iônicos na malha de elementos mais finos são muito novas. Depois de preparar os cortes de tecido da parede livre do ventrículo esquerdo e imaginá-los usando tomografia eletrônica de acordo com o protocolo de texto, execute o programa IMOD 3dmod. Na interface gráfica do usuário, insira o endereço do arquivo rec ou mrc que contém o conjunto de dados de imagem reconstruída em 3D da célula na caixa de entrada rotulada Arquivos de imagem e pressione OK.

Em seguida, no menu de arquivo, selecione Novo modelo. Em seguida, usando o item de menu Salvar modelo como, salve o arquivo com um nome apropriado. No menu Especial, selecione Ferramentas de desenho, escolha a opção Esculpir e mova o mouse até a janela de imagem.

Um contorno circular centralizado no ponteiro do mouse aparecerá. Enquanto mantém o botão do meio do mouse pressionado sobre uma mitocôndria, que é uma região mais escura dos arquivos de imagem, arraste o perímetro do contorno do círculo para a forma de seu limite. Quando o contorno do limite da mitocôndria estiver concluído, solte o botão do meio e repita esse processo para cada mitocôndria nos dados.

Cada contorno será automaticamente reconhecido pelo IMOD como um novo contorno dentro do mesmo objeto. No menu Editar objeto, selecione Novo para criar um novo objeto. Isso incrementará automaticamente o número total de objetos em um e atribuirá esse número ao novo objeto.

Use a opção Esculpir para segmentar e salvar contornos de miofibrilas. Segmente também o limite da célula e, no menu Arquivo, salve o arquivo de modelo. Depois de baixar o iso2mesh de acordo com o protocolo de texto, baixe os códigos-fonte e os dados para simular clusters RyR na malha do site do GitHub mostrado aqui.

Inicie o aplicativo MATLAB do Cardiac Cell Mesh Generator. Em seguida, usando os três botões de pressão no lado superior esquerdo da GUI, carregue as diferentes máscaras de componentes de organelas no MATLAB. Para criar outra pilha de imagens binárias que demarca lacunas entre miofibrilas e mitocôndrias, abra a Imagem J e, em seguida, usando a caixa de diálogo Abrir arquivo, carregue as pilhas TIFF de miofibrilas e mitocôndrias no programa.

Inicie o plug-in Image Addition selecionando Process Calculator Plus. Selecione a pilha de imagens de miofibrilas como I1, a pilha de imagens de mitocôndrias como I2 e escolha Adicionar operador e clique em OK. Depois que uma nova pilha de imagens representando o resultado for exibida, selecione Editar Inverter para produzir uma pilha de imagens.

Carregue o arquivo que contém a pilha de imagens binárias das lacunas entre miofibrilas e mitocôndrias pressionando o botão de arquivo RyR Gaps no programa Cardiac Cell Mesh Generator e, em seguida, pressione Generate Mesh na GUI. Gere as entradas necessárias para o RyR-Simulator pressionando o botão Generate RyR-Simulator Inputs na GUI. Após a execução da função, verifique se os arquivos a seguir foram criados no diretório especificado como o caminho OUT_DIR, o d_axial_micron.

txt, que representa a distância axial entre a posição do disco Z e o restante dos pixels na pilha de imagens, o arquivo d_radial_micron. txt, que representa a distância euclidiana excluindo o componente axial de cada pixel no conjunto de possíveis localizações de cluster RyR para os pixels no plano do disco Z, o W_micro. txt, que representa a lista de coordenadas espaciais de todas as posições disponíveis para que os clusters RyR estejam presentes.

Os três arquivos restantes na pasta contêm o sufixo pixel em vez de mícron para indicar que os valores dentro desses arquivos foram gravados em forma de coordenada de pixel. Para simular distribuições de cluster RyR na pilha de imagens binárias de miofibrilas, pressione o botão Abrir Simulador RyR em R para iniciar o programa R. Na GUI do R, selecione Abrir arquivo e, no pacote RyR-Simulator, localize as configurações do arquivo.

R.Consulte o protocolo de texto para obter explicações detalhadas dos parâmetros neste campo e os valores padrão. Os usuários devem examinar a distribuição simulada de clusters RyR na janela R e ajustar as configurações para garantir que os clusters estejam localizados próximos aos discos Z e espalhados uniformemente por toda a seção transversal da célula. Para mapear pontos como densidades espaciais em um modelo computacional usando o Cardiac Cell Mesh Generator, selecione o botão rotulado Selecionar arquivo de pontos RyR e escolha um arquivo de texto de distribuição de cluster RyR simulado daqueles que foram gerados pelo RyR-Simulator.

Finalmente, na GUI do MATLAB, execute o RyR Density Mapper. Os usuários devem verificar visualmente se os valores de densidade são distribuídos de forma que as vizinhanças de valores de alta densidade sejam semelhantes ao tamanho dos clusters RyR em dados experimentais. Essas imagens de campo brilhante revelam como as células aparecem quando orientadas longitudinalmente, obliquamente e transversalmente em relação ao plano de corte.

Amostras oblíquas e longitudinais exibem estrias, enquanto amostras transversais não. Os capilares também parecem mais circulares em vistas transversais do que em vistas oblíquas. Este painel representa uma pilha de tomogramas de boa qualidade que pode ser adquirida quando a parte de preparação de tecido deste protocolo é seguida.

Cuidado e experiência são necessários para garantir que os blocos de tecido sejam suficientemente corados e que haja uma distribuição uniforme de partículas de ouro coloidal através do volume do tecido. Aqui é mostrado um modelo 3D segmentado de miofibrilas e mitocôndrias. Esta renderização 3D da malha tetraédrica é produzida por iso2mesh.

Desde que a pilha de imagens original e as tarefas de segmentação sejam de boa qualidade, esta etapa é bastante robusta. Finalmente, esses painéis mostram três exemplos de clusters RyR simulados na mesma topologia de malha após o uso do algoritmo estimador de intensidade de kernel esférico. Observe a variação na organização dos clusters RyR.

Uma vez dominado e se for executado corretamente, um modelo de elementos finitos estruturalmente realista de uma célula cardíaca, pode ser gerado em algumas horas usando nossa técnica. Seguindo este procedimento, simulações de elementos finitos de sinalização de cálcio, bioenergética cardíaca e mecânica celular, podem ser realizadas para responder a perguntas sobre o papel da arquitetura celular no funcionamento dos cardiomiócitos.