Yöntem makalesi

Yapısal ve Fonksiyonel Analiz için Bir Araç Olarak Pankreatik Adacıkların Hesaplamalı Rekonstrüksiyonu

DOI:

10.3791/63351

⸱

9 Mart 2022

 ,  , 
1Department of Electrical Engineering, Universidad Autónoma Metropolitana

Bu makalede

Özet

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Bu protokolde, pankreas adacıkları yeniden yapılandırılır ve özel bir çok platformlu uygulamada uygulanan hesaplamalı algoritmalar kullanılarak analiz edilir.

Özet

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Pankreatik adacıkların yapısal özellikleri, elektrik, parakrin ve otokrin sinyalizasyonu yoluyla adacık içi iletişimdeki etkileri nedeniyle insülin, glukagon ve somatostatin salgılayan hücrelerin fonksiyonel yanıtı için anahtardır. Bu protokolde, bir pankreas adacığının üç boyutlu mimarisi ilk olarak yeni bir hesaplama algoritması kullanılarak deneysel verilerden yeniden oluşturulmuştur. Daha sonra, yeniden yapılandırılmış adacığın morfolojik ve bağlantı özellikleri, örneğin farklı hücre tiplerinin sayısı ve yüzdeleri, hücresel hacim ve hücreden hücreye temaslar elde edilir. Daha sonra, adacığın bağlantı özelliklerini, ortalama derece, kümeleme katsayısı, yoğunluk, çap ve verimlilik gibi ağ kaynaklı ölçümlerle tanımlamak için ağ teorisi kullanılır. Son olarak, tüm bu özellikler, bir birleştirilmiş osilatör modeli kullanılarak hesaplamalı simülasyonlar yoluyla işlevsel olarak değerlendirilir. Genel olarak, burada, pankreas adacıklarının incelenmesi ve simülasyonu için özel olarak geliştirilmiş çok platformlu bir uygulama olan IsletLab'da uygulanan, pankreas adacıklarını deneysel çalışmanın tamamlayıcısı olarak karakterize etmek ve analiz etmek için yeni bir hesaplama metodolojisi uygulamak üzere adım adım bir iş akışını açıklıyoruz.

Giriş

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Pankreas baş, boyun, vücut ve kuyruk olarak adlandırılan bölgelere ayrılır ve her biri farklı yapılara, fonksiyonlara ve anatomik pozisyona sahiptir 1,2. İşlevsel bir bakış açısına göre, pankreas endokrin ve ekzokrin sistemlere ayrılabilir, birincisi glikoz homeostazının düzenlenmesinde kritik rol oynayan hormonların salgılanmasından sorumludur, ikincisi ise enzimlerin duodenum1'e salgılanması yoluyla gıda sindirimine katkıda bulunur. Pankreas adacıkları pankreasın endokrin dokusunu oluşturur ve sırasıyla ɑ, β ve δ hücrelerinden salgılanan glukagon ve insülin ve somatostatin salgılanmasından sorumludur3. İçsel düzenleyici mekanizmalarına ek olarak, bu hücreler doğrudan elektriksel iletişim yoluyla (β hücreler ile muhtemelen β ve δ hücreler arasında) ve ayrıca 4,5,6 numaralı parakrin ve otokrin sinyalleme ile düzenlenir. Her iki mekanizma da adacık mimarisine (yani, adacık içindeki farklı hücre tiplerinin bileşimine ve organizasyonuna) büyük ölçüde bağımlıdır7,8. Daha da önemlisi, adacık mimarisi diyabet varlığında değiştirilir, büyük olasılıkla 9,10 sonuç olarak adacık içi iletişimi bozar.

Pankreas adacıklarının incelenmesi çok çeşitli deneysel metodolojileri içerir. Bunlar arasında, adacıktaki farklı hücrelerin sayısını, yerini ve tipini belirlemek için floresan tekniklerinin kullanılması, pankreasadacıklarının yapısal ve morfolojik özelliklerinin incelenmesine ve sağlık ve hastalıktaki fonksiyonel etkilerin daha iyi anlaşılmasına olanak sağlamıştır. Bir tamamlayıcı olarak, pankreas hücrelerininhesaplamalı modelleri 14,15,16 ve daha yakın zamanda pankreas adacıkları12,17,18,19, son yıllarda deneysel olarak ele alınması zor veya hatta imkansız yönleri değerlendirmek için kullanılmıştır.

Bu protokolde, adacık mimarilerini yeniden yapılandırmak, morfolojik ve bağlantı özelliklerini nicel metrikler aracılığıyla analiz etmek ve adacık özelliklerinin işlevsel etkilerini değerlendirmek için temel simülasyonlar gerçekleştirmek için bir metodoloji çizerek deneysel ve hesaplamalı çalışma arasındaki boşluğu kapatmayı amaçlıyoruz.

Aşağıda açıklanan protokol, pankreas adacıklarının incelenmesi için özel olarak tasarlanmış hesaplama algoritmalarına dayanmaktadır. Özetle, protokolün ilk adımında, adacık mimarisi, Félix-Martínez ve ark.19 tarafından yakın zamanda önerilen algoritma kullanılarak deneysel verilerden yeniden yapılandırılmıştır; burada nükleer pozisyonlar, 4′,6-diamidino-2-fenilindol (DAPI) boyama yoluyla elde edilir ve immünofloresan yoluyla tanımlanan hücresel tipler (Hoang ve ark.11,12 tarafından ayrıntılı olarak açıklandığı gibi). ) yinelemeli optimizasyon yordamında işlenir. Bu, her hücrenin optimal boyutunu ve konumunu belirlemeye ve örtüşmeyen hücrelerden oluşan bir adacık elde etmeye yol açar. İkincisi, yeniden yapılandırılmış mimariye dayanarak, bağlantı özelliklerini belirlemek ve kullanıcının adacık mimarisini daha ayrıntılı olarak tanımlamak için nicel metrikler elde etmesini sağlayan ilgili adacık ağını oluşturmak için hücreden hücreye temaslar tanımlanır (yeniden yapılandırma algoritması ile ilgili ayrıntılara konuyla ilgili orijinal çalışmada danışılabilir19). Son olarak, Hoang ve ark.12 tarafından önerilen modelleme yaklaşımı kullanılarak temel fonksiyonel simülasyonlar gerçekleştirilir; burada deneysel olarak gözlemlenenhormon sekresyonunun pulsatil doğasına dayanarak, her hücre bir osilatör olarak muamele edilir ve bu nedenle adacık, yeniden yapılandırılmış adacığın bağlantı özelliklerini takiben bir kuplajlı osilatörler ağı olarak temsil edilir.

Bu protokolde kullanılan algoritmaların hesaplama karmaşıklığı göz önüne alındığında, ilgili tüm adımlar, bu hesaplama araçlarına, özel yazılım veya programlama dillerinin kullanımındaki deneyim seviyelerine bakılmaksızın ilgilenen tüm okuyuculara yaklaşmak amacıyla bağımsız bir uygulamada22 uygulanmıştır.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Protokol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

NOT: Protokolün şematik diyagramı Şekil 1'de gösterilmiştir. Adım adım açıklama aşağıdaki gibidir (protokolün her adımında kullanılan kontrol panelleri hakkında ayrıntılar için Ek Dosya 1'e bakınız).

figure-protocol-1
Şekil 1: Akış diyagramı. IsletLab'de uygulanan protokolün sıralı sırasını açıklayan bir akış diyagramı. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

1. IsletLab'ı Linux'a Yükleme

NOT: IsletLab'ı Windows veya macOS'a yüklemek için Ek Dosya 2'nin 2. ve 3. bölümlerinde verilen yönergeleri izleyin.

  1. Bir internet tarayıcısı açın ve https://github.com/gjfelix/IsletLab'a gidin. IsletLab depo dosyalarını indirin ve ayıklayın.
    NOT: Ek Dosya 3 , bu protokolde kullanılan IsletLab sürümünün bir kopyasını içerir.
  2. gcc ve nvcc derleyicilerinin yüklü olduğunu doğrulayın. Bir terminal açın ve aşağıdaki komutları yazın:
    gcc --versiyon
    nvcc --versiyon
    Bu komutlardan herhangi biri sistem tarafından tanınmıyorsa, Ek Dosya 2'nin 1. bölümünde listelenen yönergeleri izleyin.
  3. Veri bilimi platformunu indirin ve yükleyin (bkz. Bir terminal açın ve IsletLab klasörüne gidin.
  4. Terminalde aşağıdaki komutu yazarak yeni bir ortam oluşturun:
    conda env create -f isletlabgui_v1.0.yml
  5. Aşağıdakileri yazarak yeni ortamı etkinleştirin:
    conda isletlab_v1.0 etkinleştirmek
  6. Terminalde aşağıdaki komutu yazarak IsletLab uygulamasını başlatın (ana pencerenin açıklaması için Şekil 2'ye bakın):
    python isletlabgui_v1.0.py

figure-protocol-2
Şekil 2: IsletLab'ın kullanıcı arabirimi. Arayüz üç ana panelden oluşur: konfigürasyon (1), istatistik (2) ve grafik (3) panelleri. Grafik araç çubuğu (4), grafik panelinin alt kısmında bulunur. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

2. Adacık rekonstrüksiyonu

  1. Giriş verilerini hazırlayın. Giriş adacığı verilerini (yani, hücre türleri ve üç boyutlu (3B) koordinatlar), sütun 1'in hücre türünü (11: ɑ hücre, 12: β hücre, 13: δ hücre olarak kodlanmış) içerdiği ve 2 ila 4 arasındaki sütunların sırasıyla x, y ve z koordinatlarını içerdiği dört sütunlu bir dosyada düzenleyin ( Ek Dosya 2'nin 5. bölümündeki bir giriş dosyasının alıntısına veya IsletLab deposunda bulunan giriş testi dosyasına bakın).
  2. Giriş dosyasının sütun başlıkları içermediğinden emin olun. Gerekirse protokolü izlemek için IsletLab deposunda bulunan örnek giriş dosyasını kullanın (Input_Islet_test.txt).
    NOT: IsletLab'da uygulanan algoritmaları geliştirmek için kullanılan giriş verileri, Hoang ve ark.11,12 tarafından ayrıntılı olarak açıklandığı gibi, hücresel tipleri tanımlamak için nükleer pozisyonları ve immünofloresanı belirlemek için DAPI boyaması kullanılarak deneysel olarak elde edilmiştir.
  3. İlk Adacığı Yükle düğmesini tıklatın ve bir başlangıç adacığı, 3B gösterimi ve ilgili istatistikleri oluşturmak için giriş verilerini içeren dosyayı seçin. Hata durumunda, aşağıdaki mesaj görüntülenecektir: 'Adacık dosyası yüklenirken hata'. Bunu düzeltmek için adım 2.1'i yineleyin.
  4. Yeniden yapılandırma sürecini yapılandırın. Yeniden Yapılandırma Ayarları düğmesini tıklatın ve optimizasyon parametrelerini değiştirin (algoritmanın ve yeniden yapılandırma ayarları penceresinde gösterilen parametrelerin kısa bir açıklaması için Ek Dosya 2'nin 4. ve 5. bölümlerine bakın).
  5. Başlangıç sıcaklığını = 1, yineleme faktörü = 1 ve kabul faktörünü = 1 olarak ayarlayın. Parametre değerlerini kaydetmek için Tamam düğmesini tıklatın.
    NOT: Genel bir kural olarak, sıcaklık parametresindeki artışın yanı sıra yinelemeler ve kabul faktörlerindeki bir artış, hesaplama süresindeki bir artış pahasına yeniden yapılandırılmış adacığa dahil edilen deneysel hücreler açısından daha iyi yeniden yapılandırma sonuçları verecektir.
  6. Yeniden yapılandırma günlüğü penceresini açmak için Islet'i Yeniden Yapılandır düğmesini tıklatın (yeniden yapılandırma günlüğünde sağlanan bilgilerin açıklaması için Ek Dosya 2'nin 6. bölümüne bakın).
  7. Yeniden yapılandırma işlemini başlatmak için Çalıştır düğmesine tıklayın. Optimizasyon sürecini, 'Lütfen devam etmek için bu pencereyi kapatın' mesajı görüntülenene kadar izleyin. Yeniden yapılandırılmış adacığın görsel temsilini oluşturmak ve ilgili istatistikleri hesaplamak için yeniden yapılandırma günlüğü penceresini kapatın (Şekil 3A-C'deki sol sütuna bakın).
  8. İstatistik panelinin son adacık sekmesinde gösterilen optimizasyon istatistiklerini analiz ederek yeniden yapılanma sürecinin sonuçlarını değerlendirin. Özellikle, yeniden yapılandırılmış adacıklara dahil edilen deneysel hücrelerin yüzdesini (deneysel % 'si) veya eşdeğer bir şekilde, örtüşme sayısını en aza indirmeye odaklanın (ayrıca yakınsama grafiğinde, Şekil 3A-C'de sağ sütunda grafiksel olarak gösterilmiştir).








Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Sonuçlar

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Félix-Martínez ve ark.19 tarafından önerilen metodolojiyi kullanarak pankreas adacıklarının yeniden yapılandırılması, optimizasyon algoritmasına (rekonstrüksiyon ayarlarında tanımlanan) verilen parametrelere büyük ölçüde bağlıdır. Bunun bir örneği, farklı parametre kümeleri kullanılarak elde edilen yeniden yapılandırılmış adacıkların gösterildiği Şekil 3'te görsel olarak gösterilmiştir. İlk olarak, Şekil 3A'da, ilk verilerde yer alan hücr...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Tartışma

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Yukarıdaki protokol, yeni hesaplama algoritmaları kullanarak pankreas adacık mimarilerini yeniden yapılandırmak ve analiz etmek için pratik bir yaklaşımı özetlemektedir. Bu çalışmanın temel amacı, adacık araştırma topluluğunun, pankreas adacık mimarilerinin morfolojik ve bağlantı özelliklerini karakterize etmek için nicel metrikler elde etmesini sağlamak ve bu özelliklerin olası işlevsel etkilerini hesaplamalı simülasyonlar yoluyla değerlendirmektir.

Bu protokolde benimsenen algoritma...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Açıklamalar

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Yazarların açıklayacak hiçbir şeyleri yoktur.

Teşekkürler

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

G.J. Félix-Martínez, CONACYT'e (Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología, México) ve Universidad Autónoma Metropolitana (México City) Elektrik Mühendisliği Bölümü'ne bu projeye verdikleri destek için teşekkür eder. Dr. Danh-Tai Hoang, Dr. Manami Hara ve Dr. Junghyo Jo'ya, bu çalışmayı mümkün kılan adacık mimarilerini araştırma topluluğuyla paylaşmadaki olağanüstü çalışmaları ve cömertlikleri için teşekkür ederiz.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Malzemeler

Bu makalede kullanılan malzemelerin listesi
AdŞirketKatalog numarasıYorumlar
İşlevsel simülasyonlar içinCUDA özellikli NVIDIA grafik kartı
gereklidir IsletLabhttps://github.com/gjfelix/IsletLab (Uygulamayı indirmek ve yüklemek için talimatları izleyin.)

Kaynaklar

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  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., Hruban, R. H., Buchler, M. W., Lerch, M. M., Neoptolemos, J. P., Shimosegawa, T., Whitcomb, D. C., GroB, C. , Wiley Online Library. (2018).
  3. Liao, E. P., Brass, B., Abelev, Z., Poretsky, L. Endocrine Pancreas. Principles of Diabetes Mellitus. Poretsky, L. , Springer. Cham. (2017).
  4. Noguchi, G. M., Huising, M. O. Integrating the inputs that shape pancreatic islet hormone release. Nature Metabolism. 1, 1189-1201 (2019).
  5. Pérez-Armendariz, E. M. Connexin 36, a key element in pancreatic beta cell function. Neuropharmacology. 75, 557-566 (2013).
  6. Briant, L., et al. δ-cells and β-cells are electrically coupled and regulate α-cell activity via somatostatin. The Journal of Physiology. 596 (2), 197-215 (2018).
  7. Arrojoe Drigo, R., et al. New insights into the architecture of the islet of Langerhans: a focused cross-species assessment. Diabetologia. 58 (10), 2218-2228 (2015).
  8. Cabrera, O., et al. The unique cytoarchitecture of human pancreatic islets has implications for islet cell function. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 103 (7), 2334-2339 (2006).
  9. Folli, F., et al. Pancreatic islet of Langerhans' cytoarchitecture and ultrastructure in normal glucose tolerance and in type 2 diabetes mellitus. Diabetes, Obesity & Metabolism. 20, Suppl 2 137-144 (2018).
  10. Kilimnik, G., et al. Altered islet composition and disproportionate loss of large islets in patients with type 2 diabetes. PloS One. 6 (11), 27445(2011).
  11. Hoang, D. T., et al. A Conserved Rule for Pancreatic Islet Organization. PloS One. 9 (10), 110384(2014).
  12. Hoang, D. T., Hara, M., Jo, J. Design Principles of Pancreatic Islets: Glucose-Dependent Coordination of Hormone Pulses. PloS One. 11 (4), 0152446(2016).
  13. Brissova, M., et al. Assessment of human pancreatic islet architecture and composition by laser scanning confocal microscopy. The Journal of Histochemistry and Cytochemistry: Official Journal of the Histochemistry Society. 53 (9), 1087-1097 (2005).
  14. Félix-Martinez, G. J., Godínez-Fernández, J. R. Mathematical models of electrical activity of the pancreatic β-cell: a physiological review. Islets. 6 (3), 949195(2014).
  15. Félix-Martínez, G. J., González-Vélez, V., Godínez-Fernández, J. R., Gil, A. Electrophysiological models of the human pancreatic δ-cell: From single channels to the firing of action potentials. International Journal for Numerical Methods in Biomedical Engineering. 36 (2), 3296(2020).
  16. Watts, M., Sherman, A. Modeling the pancreatic α-cell: dual mechanisms of glucose suppression of glucagon secretion. Biophysical Journal. 106 (3), 741-751 (2014).
  17. Lei, C. L., et al. Beta-cell hubs maintain Ca2+ oscillations in human and mouse islet simulations. Islets. 10 (4), 151-167 (2018).
  18. Watts, M., Ha, J., Kimchi, O., Sherman, A. Paracrine regulation of glucagon secretion: the β/α/δ model. American Journal of Physiology. Endocrinology and Metabolism. 310 (8), 597-611 (2016).
  19. Félix-Martínez, G. J., Mata, A., Godínez-Fernández, J. R. Reconstructing human pancreatic islet architectures using computational optimization. Islets. 12 (6), 121-133 (2020).
  20. Hellman, B., Salehi, A., Gylfe, E., Dansk, H., Grapengiesser, E. Glucose generates coincident insulin and somatostatin pulses and antisynchronous glucagon pulses from human pancreatic islets. Endocrinology. 150 (12), 5334-5340 (2009).
  21. Hellman, B., Salehi, A., Grapengiesser, E., Gylfe, E. Isolated mouse islets respond to glucose with an initial peak of glucagon release followed by pulses of insulin and somatostatin in antisynchrony with glucagon. Biochemical and Biophysical Research Communications. 417 (4), 1219-1223 (2012).
  22. Félix-Martínez, G. J. IsletLab: an application to reconstruct and analyze islet architectures. Islets. 14 (1), 36-39 (2022).
  23. Félix-Martínez, G. J., Godínez-Fernández, J. R. Comparative analysis of reconstructed architectures from mice and human islets. Islets. 14 (1), 23-35 (2022).

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Yeniden basım ve izinler

Bu JoVE makalesinin metnini veya şekillerini yeniden kullanmak için izin iste

İzin iste

Etiketler

Islet ReconstructionComputational SimulationNetwork TheoryCell To Cell ContactsMorphological AnalysisCoupled OscillatorsIsletLab ApplicationStructural Properties

İlgili makaleler