Вычислительная реконструкция островков поджелудочной железы как инструмент структурного и функционального анализа
Summary
В этом протоколе островки поджелудочной железы реконструируются и анализируются с использованием вычислительных алгоритмов, реализованных в специальном мультиплатформенном приложении.
Abstract
Структурные свойства островков поджелудочной железы являются ключевыми для функционального ответа инсулиновых, глюкагоновых и соматостатин-секретирующих клеток из-за их влияния на внутриизлечную связь с помощью электрической, паракринной и аутокринной сигнализации. В этом протоколе трехмерная архитектура островка поджелудочной железы сначала реконструируется из экспериментальных данных с использованием нового вычислительного алгоритма. Далее получают морфологические и связные свойства реконструированного островка, такие как количество и процентное содержание различных типов клеток, клеточный объем и межклеточные контакты. Затем теория сетей используется для описания свойств связности островка с помощью сетевых метрик, таких как средняя степень, коэффициент кластеризации, плотность, диаметр и эффективность. Наконец, все эти свойства функционально оцениваются с помощью вычислительного моделирования с использованием модели связанных осцилляторов. В целом, здесь мы описываем пошаговый рабочий процесс, реализованный в IsletLab, мультиплатформенном приложении, разработанном специально для изучения и моделирования островков поджелудочной железы, для применения новой вычислительной методологии для характеристики и анализа островков поджелудочной железы в качестве дополнения к экспериментальной работе.
Introduction
Поджелудочная железа разделена на области, называемые головой, шеей, телом и хвостом, каждая из которых имеет различные структуры, функции и анатомическое положение 1,2. С функциональной точки зрения поджелудочную железу можно разделить на эндокринную и экзокринную системы, причем первая отвечает за секрецию гормонов, критически участвующих в регуляции глюкозного гомеостаза, в то время как последняя способствует перевариванию пищи посредством секреции ферментов в двенадцатиперстную кишку1. Островки поджелудочной железы составляют эндокринную ткань поджелудочной железы и отвечают за секрецию глюкагона, инсулина и соматостатина, секретируемых из ɑ, β и δ-клеток соответственно3. В дополнение к своим внутренним регуляторным механизмам, эти клетки регулируются посредством прямой электрической связи (между β-клетками и, вероятно, β и δ-клетками), а также паракринной и аутокринной сигнализацией 4,5,6. Оба механизма сильно зависят от островковой архитектуры (т.е. состава и организации различных типов клеток внутри островка)7,8. Важно отметить, что островковая архитектура изменяется при наличии сахарного диабета, скорее всего, нарушая внутриизлеточную связь в результате 9,10.
Изучение островков поджелудочной железы включает в себя широкий спектр экспериментальных методик. Среди них использование методов флуоресценции для определения количества, местоположения и типа различных клеток в островке позволило изучить структурные и морфологические свойства островков поджелудочной железы 11,12,13 и лучше понять функциональные последствия для здоровья и болезней. В качестве дополнения вычислительные модели клеток поджелудочной железы 14,15,16 и, совсем недавно, островков поджелудочной железы 12,17,18,19 были использованы в последние десятилетия для оценки аспектов, которые трудно или даже невозможно решить экспериментально.
В этом протоколе мы стремимся преодолеть разрыв между экспериментальной и вычислительной работой, изложив методологию реконструкции островковых архитектур, анализа их морфологических и связных свойств с помощью количественных метрик и выполнения базового моделирования для оценки функциональных последствий свойств островков.
Протокол, описанный ниже, основан на вычислительных алгоритмах, специально разработанных для изучения островков поджелудочной железы. Таким образом, на первом этапе протокола островковая архитектура реконструируется из экспериментальных данных с использованием алгоритма, недавно предложенного Félix-Martínez et al.19, в котором ядерные позиции, полученные с помощью окрашивания 4′,6-диамидино-2-фенилиндола (DAPI), и клеточные типы, идентифицированные с помощью иммунофлуоресценции (как подробно описано Hoang et al.11,12 ) обрабатываются в итеративной процедуре оптимизации. Это приводит к определению оптимального размера и положения каждой ячейки и получению островка, состоящего из неперекрывающихся ячеек. Во-вторых, на основе реконструированной архитектуры идентифицируются контакты между ячейками для определения свойств связности и генерации соответствующей островковой сети, что позволяет пользователю получать количественные метрики для дальнейшего описания архитектуры островков (подробности об алгоритме реконструкции можно получить в оригинальной работе по теме19). Наконец, базовое функциональное моделирование выполняется с использованием подхода моделирования, предложенного Hoang et al.12, в котором, основываясь на пульсирующей природе секреции гормонов, наблюдаемой экспериментально 20,21, каждая клетка рассматривается как осциллятор, и поэтому островок представлен в виде сети связанных осцилляторов, следующих свойствам связности реконструированного островка.
Учитывая вычислительную сложность алгоритмов, используемых в этом протоколе, все задействованные этапы были реализованы в автономном приложении22 с основной целью приблизить эти вычислительные инструменты ко всем заинтересованным читателям независимо от их уровня опыта в использовании специализированного программного обеспечения или языков программирования.
Protocol
Representative Results
Discussion
Приведенный выше протокол описывает практический подход к реконструкции и анализу архитектур островков поджелудочной железы с использованием новых вычислительных алгоритмов. Основная цель этой работы состоит в том, чтобы позволить сообществу исследователей островков получить коли…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Г.Х. Феликс-Мартинес благодарит КОНАСИТ (Национальный совет по вопросам науки и техники, Мексика) и Департамент электротехники Автономного университета Метрополитана (Мексика) за поддержку, оказанную этому проекту. Мы благодарим д-ра Дан-Тай Хоанга, д-ра Манами Хару и д-ра Джунгё Джо за их выдающуюся работу и щедрость в обмене архитектурой островков, которые сделали эту работу возможной с исследовательским сообществом.
Materials
| CUDA-capable NVIDIA graphics card | Required for the functional simulations | ||
| IsletLab | https://github.com/gjfelix/IsletLab (Follow the instructions to download and install the application.) |
References
- 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).
- Longnecker, D. S., Gorelick, F., Thompson, E. D., Histology, H. G., Beger, A. L., Warshaw, R. H., Hruban, M. W., Buchler, M. M., Lerch, J. P., Neoptolemos, T., Shimosegawa, D. C., Whitcomb, C., GroB, Anatomy, Histology, and Fine Structure of the Pancreas. The Pancreas. , (2018).
- Liao, E. P., Brass, B., Abelev, Z., Poretsky, L., Poretsky, L. Endocrine Pancreas. Principles of Diabetes Mellitus. , (2017).
- Noguchi, G. M., Huising, M. O. Integrating the inputs that shape pancreatic islet hormone release. Nature Metabolism. 1, 1189-1201 (2019).
- Pérez-Armendariz, E. M. Connexin 36, a key element in pancreatic beta cell function. Neuropharmacology. 75, 557-566 (2013).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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, 137-144 (2018).
- 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).
- Hoang, D. T., et al. A Conserved Rule for Pancreatic Islet Organization. PloS One. 9 (10), 110384 (2014).
- Hoang, D. T., Hara, M., Jo, J. Design Principles of Pancreatic Islets: Glucose-Dependent Coordination of Hormone Pulses. PloS One. 11 (4), 0152446 (2016).
- 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).
- 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).
- 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).
- Watts, M., Sherman, A. Modeling the pancreatic α-cell: dual mechanisms of glucose suppression of glucagon secretion. Biophysical Journal. 106 (3), 741-751 (2014).
- Lei, C. L., et al. Beta-cell hubs maintain Ca2+ oscillations in human and mouse islet simulations. Islets. 10 (4), 151-167 (2018).
- 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).
- Félix-Martínez, G. J., Mata, A., Godínez-Fernández, J. R. Reconstructing human pancreatic islet architectures using computational optimization. Islets. 12 (6), 121-133 (2020).
- 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).
- 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).
- Félix-Martínez, G. J. IsletLab: an application to reconstruct and analyze islet architectures. Islets. 14 (1), 36-39 (2022).
- Félix-Martínez, G. J., Godínez-Fernández, J. R. Comparative analysis of reconstructed architectures from mice and human islets. Islets. 14 (1), 23-35 (2022).
