Cardiomyocyte sistemleri Biyoloji hücresel mimarisi rolü eğitim için bir Cardiomyocyte bir yapısal olarak gerçekçi Sonlu elemanlar geometrik Model oluşturma

Bu prosedürün genel amacı, bir kalp hücresinin hücre içi mimarisinin uzamsal olarak ayrıntılı bir sonlu eleman modelini oluşturmaktır. Bu model elektron ve konfokal mikroskopi verilerinden oluşturulmuştur. Bu tür modeller, hücresel mimarinin kardiyak hücre fonksiyonu üzerindeki rolünü incelemek için kullanılabilir.

Bu yöntem, hücrenin iç organizasyonundaki değişimin ve sağlık ve hastalık koşullarının kardiyak hücre sistemlerinin biyolojisini nasıl etkileyebileceği hakkındaki temel soruları yanıtlamaya yardımcı olabilir. Bu yöntemin temel avantajı, hücresel mimarinin uzamsal olarak ayrıntılı bir modelini oluşturmak için elektron mikroskobu ve konfokal mikroskopiden gelen tamamlayıcı bilgileri entegre etmenize izin vermesidir. Bu yöntem kardiyak hücre sistemi biyolojisi hakkında fikir verebilse de, bu genel genel yaklaşım, hücresel yapının hücrenin işlevi üzerindeki etkisini anlamamız gereken diğer hücrelerde de kullanılabilir.

Bu yöntemin görsel gösterimi kritik öneme sahiptir, çünkü iyon kanallarını daha ince eleman ağı üzerine simüle etme ve eşleme adımları çok yenidir. Sol ventrikül serbest duvar dokusu kesitlerini hazırladıktan ve metin protokolüne göre elektron tomografisi kullanarak görüntüledikten sonra IMOD programı 3dmod çalıştırılır. Grafik kullanıcı arabiriminde, hücrenin 3B yeniden oluşturulmuş görüntü veri kümesini içeren rec veya mrc dosyasının adresini Görüntü Dosyaları etiketli giriş kutusuna girin ve ardından Tamam'a basın.

Ardından, dosya menüsü altında Yeni Model'i seçin. Ardından, Modeli Farklı Kaydet menü öğesini kullanarak dosyayı uygun bir adla kaydedin. Özel menüsü altında, Çizim Araçları'nı seçin, ardından Şekillendir seçeneğini belirleyin ve fareyi görüntü penceresinin üzerine getirin.

Fare imlecini ortalamış dairesel bir kontur görünecektir. Farenin orta düğmesini, görüntü dosyalarının daha koyu bir bölgesi olan bir mitokondrinin üzerinde basılı tutarken, daire konturunun çevresini sınırının şekline sürükleyin. Mitokondri sınırının şekillendirilmesi tamamlandıktan sonra, orta düğmeyi bırakın ve verilerdeki her mitokondri için bu işlemi tekrarlayın.

Her kontur, IMOD tarafından aynı nesne içinde yeni bir kontur olarak otomatik olarak tanınacaktır. Nesneyi Düzenle menüsünde, yeni bir nesne oluşturmak için Yeni'yi seçin. Bu, toplam nesne sayısını otomatik olarak bir artırır ve bu sayıyı yeni nesneye atar.

Miyofibril konturlarını segmentlere ayırmak ve kaydetmek için Şekillendir seçeneğini kullanın. Ayrıca hücre sınırını bölümlere ayırın, ardından Dosya menüsü altında model dosyasını kaydedin. Metin protokolüne göre iso2mesh'i indirdikten sonra, burada gösterilen GitHub web sitesinden ağ üzerindeki RyR kümelerini simüle etmek için kaynak kodlarını ve verileri indirin.

Kardiyak Hücre Mesh Jeneratörü MATLAB uygulamasını başlatın. Ardından, GUI'nin sol üst tarafındaki üç Basma düğmesini kullanarak, farklı organel bileşen maskelerini MATLAB'a yükleyin. Miyofibriller ve mitokondri arasındaki boşlukları ayıran başka bir ikili görüntü yığını oluşturmak için Görüntü J'yi açın, ardından Dosya Aç iletişim kutusunu kullanarak miyofibriller ve mitokondri TIFF yığınlarını programa yükleyin.

Process Calculator Plus'ı seçerek Görüntü Ekleme eklentisini başlatın. Miyofibril görüntü yığınını I1 olarak, mitokondri görüntü yığınını I2 olarak seçin ve İşleç Ekle'yi seçin, ardından Tamam'a tıklayın. Sonucu temsil eden yeni bir görüntü yığını göründükten sonra, bir görüntü yığını oluşturmak için Ters Çevir'i Düzenle'yi seçin.

Cardiac Cell Mesh Generator programındaki RyR Gaps dosya düğmesine basarak miyofibriller ve mitokondri arasındaki boşlukların ikili görüntü yığınını içeren dosyayı yükleyin, ardından GUI'de Generate Mesh düğmesine basın. GUI'de RyR-Simulator Girişleri Oluştur etiketli düğmeye basarak RyR-Simulator için gerekli girişleri oluşturun. İşlev yürütüldükten sonra, OUT_DIR yolu olarak belirtilen dizin içinde aşağıdaki dosyaların oluşturulup oluşturulmadığını kontrol edin, d_axial_micron.

txt dosyası, Z diskinin konumu ile görüntü yığınındaki piksellerin geri kalanı arasındaki eksenel mesafeyi temsil eder, d_radial_micron. txt dosyası, olası RyR küme konumları kümesindeki her pikselden Z diski düzlemindeki piksellere eksenel bileşen hariç Öklid mesafesini temsil eder, W_micro. txt dosyası, RyR kümelerinin mevcut olması için mevcut tüm konumların uzamsal koordinatlarının listesini temsil eder.

Klasördeki kalan üç dosya, bu dosyalardaki değerlerin piksel koordinat biçiminde yazıldığını belirtmek için mikron yerine piksel sonekini içerir. Miyofibrillerin ikili görüntü yığınında RyR küme dağıtımlarının benzetimini yapmak için, R programını başlatmak üzere Open RyR-Simulator in R etiketli düğmeye basın. R GUI'de Dosya Aç'ı seçin ve RyR-Simulator paketinde dosya ayarlarını bulun.

R.Bu alandaki parametrelerin ve varsayılan değerlerin ayrıntılı açıklamaları için metin protokolüne bakın. Kullanıcılar, R penceresindeki RyR kümelerinin simüle edilmiş dağılımını incelemeli ve kümelerin Z disklerinin yakınında bulunduğundan ve hücrenin tüm kesitine eşit olarak yayıldığından emin olmak için ayarları yapmalıdır. Kardiyak Hücre Ağı Oluşturucu'yu kullanarak noktaları uzamsal yoğunluklar olarak bir hesaplama modeline eşlemek için RyR Puan Dosyası Seç etiketli düğmeyi seçin ve RyR-Simulator tarafından çıktısı alınanlardan sanal bir RyR küme dağıtım metin dosyası seçin.

Son olarak, MATLAB'daki GUI'de RyR Yoğunluk Eşleştiricisi'ni yürütün. Kullanıcılar, yoğunluk değerlerinin, yüksek yoğunluklu değerlerin komşulukları deneysel verilerdeki RyR kümelerinin boyutuna benzer olacak şekilde dağıtıldığını görsel olarak kontrol etmelidir. Bu parlak alan görüntüleri, hücrelerin kesme düzlemine göre uzunlamasına, eğik ve enine kesitsel olarak yönlendirildiğinde nasıl göründüğünü ortaya çıkarır.

Eğik ve uzunlamasına numuneler çizgiler sergilerken, kesitsel numuneler göstermez. Kılcal damarlar ayrıca kesit görünümlerinde eğik görünümlere göre daha dairesel görünür. Bu panel, bu protokolün doku hazırlama kısmı takip edildiğinde elde edilebilecek kaliteli bir tomogram yığınını temsil eder.

Doku bloklarının yeterince boyandığından ve kolloidal altın parçacıklarının doku hacmi boyunca eşit bir şekilde dağıldığından emin olmak için özen ve deneyim gereklidir. Burada, miyofibrillerin ve mitokondrinin bölümlere ayrılmış bir 3B modeli gösterilmektedir. Tetrahedral ağın bu 3B görüntüsü, iso2mesh tarafından üretilir.

Orijinal görüntü yığını ve segmentasyon görevleri iyi kalitede olduğu sürece, bu adım oldukça sağlamdır. Son olarak, bu paneller, küresel çekirdek yoğunluğu tahmin algoritması kullanıldıktan sonra aynı ağ topolojisi üzerinde simüle edilmiş RyR kümelerinin üç örneğini gösterir. RyR kümelerinin organizasyonundaki farklılığa dikkat edin.

Bir kez ustalaştıktan ve düzgün bir şekilde gerçekleştirilirse, bir kalp hücresinin yapısal olarak gerçekçi bir sonlu eleman modeli, tekniğimizi kullanarak birkaç saat içinde oluşturulabilir. Bu prosedürü takiben, kalsiyum sinyalizasyonu, kardiyak biyoenerjetik ve hücresel mekaniğin sonlu eleman simülasyonları, hücresel mimarinin kardiyomiyositlerin işleyişi üzerindeki rolü hakkındaki soruları yanıtlamak için gerçekleştirilebilir.