إعادة البناء الحسابي لجزر البنكرياس كأداة للتحليل الهيكلي والوظيفي
Summary
في هذا البروتوكول ، يتم إعادة بناء جزر البنكرياس وتحليلها باستخدام خوارزميات حسابية يتم تنفيذها في تطبيق مخصص متعدد المنصات.
Abstract
الخصائص الهيكلية لجزر البنكرياس هي المفتاح للاستجابة الوظيفية للأنسولين والجلوكاجون والخلايا المفرزة للسوماتوستاتين ، بسبب آثارها في الاتصالات داخل الجزيرة عبر الإشارات الكهربائية والباراكرين والأوتوكرين. في هذا البروتوكول ، يتم أولا إعادة بناء البنية ثلاثية الأبعاد لجزيرة البنكرياس من البيانات التجريبية باستخدام خوارزمية حسابية جديدة. بعد ذلك ، يتم الحصول على الخصائص المورفولوجية والاتصالية للجزيرة المعاد بناؤها ، مثل عدد ونسب الأنواع المختلفة من الخلايا ، والحجم الخلوي ، وجهات الاتصال من خلية إلى خلية. بعد ذلك ، يتم استخدام نظرية الشبكة لوصف خصائص الاتصال للجزيرة من خلال مقاييس مشتقة من الشبكة مثل متوسط الدرجة ومعامل التجميع والكثافة والقطر والكفاءة. وأخيرا ، يتم تقييم كل هذه الخصائص وظيفيا من خلال المحاكاة الحسابية باستخدام نموذج من مؤشرات التذبذب المقترنة. بشكل عام ، نصف هنا سير عمل خطوة بخطوة ، تم تنفيذه في IsletLab ، وهو تطبيق متعدد المنصات تم تطويره خصيصا لدراسة ومحاكاة جزر البنكرياس ، لتطبيق منهجية حسابية جديدة لتوصيف وتحليل جزر البنكرياس كمكمل للعمل التجريبي.
Introduction
ينقسم البنكرياس إلى مناطق يشار إليها باسم الرأس والرقبة والجسم والذيل ، ولكل منها هياكل ووظائف ومواقع تشريحية مختلفة 1,2. من وجهة نظر وظيفية ، يمكن تقسيم البنكرياس إلى أنظمة الغدد الصماء والإفرازات الخارجية مع الأول المسؤول عن إفراز الهرمونات المشاركة بشكل حاسم في تنظيم توازن الجلوكوز ، في حين أن الأخير يساهم في هضم الطعام عن طريق إفراز الإنزيمات في الاثني عشر1. تشكل جزر البنكرياس أنسجة الغدد الصماء في البنكرياس وهي مسؤولة عن إفراز الجلوكاجون والأنسولين والسوماتوستاتين ، التي تفرز من الخلايا β δ ، على التوالي3. بالإضافة إلى آلياتها التنظيمية الجوهرية ، يتم تنظيم هذه الخلايا عن طريق الاتصال الكهربائي المباشر (بين الخلايا β والخلايا β المحتملة δ) ، وكذلك عن طريق إشارات paracrine و autocrine 4,5,6. تعتمد كلتا الآليتين اعتمادا كبيرا على بنية الجزيرة (أي تكوين وتنظيم الأنواع المختلفة من الخلايا داخل الجزيرة)7,8. الأهم من ذلك ، يتم تغيير بنية الجزيرة في وجود مرض السكري ، على الأرجح إزعاج التواصل داخل الجزيرة نتيجةلذلك 9,10.
تتضمن دراسة جزر البنكرياس مجموعة واسعة من المنهجيات التجريبية. من بين هذه ، سمح استخدام تقنيات التألق لتحديد عدد وموقع ونوع الخلايا المختلفة في الجزيرة بدراسة الخصائص الهيكلية والمورفولوجية لجزر البنكرياس 11،12،13 واكتساب فهم أفضل للآثار الوظيفية في الصحة والمرض. كمكمل ، تم استخدام النماذج الحسابية لخلايا البنكرياس 14،15،16 ، ومؤخرا ، جزر البنكرياس 12،17،18،19 في العقود الأخيرة لتقييم الجوانب التي يصعب أو حتى من المستحيل معالجتها تجريبيا.
في هذا البروتوكول ، نهدف إلى سد الفجوة بين العمل التجريبي والحسابي من خلال تحديد منهجية لإعادة بناء معماريات الجزر ، وتحليل خصائصها المورفولوجية والاتصالية من خلال المقاييس الكمية ، وإجراء عمليات محاكاة أساسية لتقييم الآثار الوظيفية لخصائص الجزر.
يعتمد البروتوكول الموضح أدناه على خوارزميات حسابية مصممة خصيصا لدراسة جزر البنكرياس. باختصار ، في الخطوة الأولى من البروتوكول ، يتم إعادة بناء بنية الجزيرة من البيانات التجريبية باستخدام الخوارزمية التي اقترحها مؤخرا فيليكس مارتينيز وآخرون.19 حيث يتم الحصول على المواقع النووية من خلال تلطيخ 4′,6-diamidino-2-phenylindole (DAPI) والأنواع الخلوية التي تم تحديدها من خلال التألق المناعي (كما هو موضح بالتفصيل من قبل Hoang et al.11,12 ) في إجراء التحسين التكراري. هذا يؤدي إلى تحديد الحجم والموضع الأمثل لكل خلية والحصول على جزيرة تتكون من خلايا غير متداخلة. ثانيا ، استنادا إلى البنية المعاد بناؤها ، يتم تحديد جهات الاتصال من خلية إلى خلية لتحديد خصائص الاتصال وإنشاء شبكة الجزر المقابلة التي تسمح للمستخدم بالحصول على مقاييس كمية لمزيد من الوصف لبنية الجزيرة (يمكن الرجوع إلى تفاصيل حول خوارزمية إعادة الإعمار في العمل الأصلي حول الموضوع19). وأخيرا، يتم إجراء المحاكاة الوظيفية الأساسية باستخدام نهج النمذجة الذي اقترحه هوانغ وآخرون.12 والذي يتم فيه التعامل مع كل خلية على أنها مذبذب استنادا إلى الطبيعة النابضة لإفراز الهرمونات التي لوحظت تجريبيا20,21، وبالتالي يتم تمثيل الجزيرة كشبكة من مؤشرات التذبذب المقترنة بعد خصائص الاتصال للجزيرة المعاد بناؤها.
نظرا للتعقيد الحسابي للخوارزميات المستخدمة في هذا البروتوكول ، تم تنفيذ جميع الخطوات المعنية في تطبيق مستقل22 بهدف رئيسي هو الاقتراب من هذه الأدوات الحسابية لجميع القراء المهتمين بغض النظر عن مستوى خبرتهم في استخدام البرامج المتخصصة أو لغات البرمجة.
Protocol
Representative Results
Discussion
يحدد البروتوكول أعلاه نهجا عمليا لإعادة بناء وتحليل معماريات جزر البنكرياس باستخدام خوارزميات حسابية جديدة. الهدف الرئيسي من هذا العمل هو تمكين مجتمع أبحاث الجزيرة من اشتقاق مقاييس كمية لتوصيف الخصائص المورفولوجية والاتصالية لمعماريات جزر البنكرياس وتقييم الآثار الوظيفية المحتملة له?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
فيليكس مارتينيز يشكر المجلس الوطني للعلوم والتكنولوجيا في المكسيك وقسم الهندسة الكهربائية في الجامعة الحضرية المستقلة (مكسيكو سيتي) على الدعم المقدم لهذا المشروع. نشكر الدكتور دانه تاي هوانغ والدكتور مانامي هارا والدكتور جونغيو جو على عملهم المتميز وكرمهم في مشاركة معماريات الجزر التي جعلت هذا العمل ممكنا مع مجتمع البحوث.
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).
