胰岛的计算重建作为结构和功能分析的工具
Summary
在该协议中，胰岛使用专用多平台应用程序中实现的计算算法进行重建和分析。
Abstract
胰岛的结构特性是胰岛素、胰高血糖素和生长抑素分泌细胞功能反应的关键，因为它们 通过 电、旁分泌和自分泌信号传导影响胰岛内通讯。在该协议中，首先使用一种新的计算算法从实验数据中重建胰岛的三维结构。接下来，获得重建胰岛的形态学和连接特性，例如不同类型细胞的数量和百分比，细胞体积和细胞间接触。然后，使用网络理论通过网络派生的指标（如平均度、聚类系数、密度、直径和效率）来描述胰岛的连通性属性。最后，所有这些属性都通过使用耦合振荡器模型的计算仿真进行功能评估。总体而言，在这里我们描述了一个分步工作流程，在IsletLab中实现，IsletLab是一个专门为胰岛研究和模拟开发的多平台应用程序，以应用一种新的计算方法来表征和分析胰岛，作为实验工作的补充。
Introduction
胰腺分为称为头部，颈部，身体和尾巴的区域，每个区域具有不同的结构，功能和解剖位置1，2。从功能的角度来看，胰腺可以分为内分泌和外分泌系统，前者负责分泌严重参与葡萄糖稳态调节的激素，而后者 通过 酶分泌到十二指肠1中来促进食物消化。胰岛构成胰腺的内分泌组织，负责胰高血糖素、胰岛素和生长抑素的分泌，分别由 ɑ、β 和 δ 细胞分泌3。除了其内在的调节机制外，这些细胞 还通过 直接电通信（β细胞和可能的β和δ细胞之间）以及旁分泌和自分泌信号传导4，5，6进行调节。这两种机制都高度依赖于胰岛结构（即胰岛内不同类型细胞的组成和组织）7，8。重要的是，胰岛结构在糖尿病存在的情况下被改变，结果最有可能干扰胰岛内的通信9，10。
胰岛的研究涉及广泛的实验方法。其中，使用荧光技术来确定胰岛中不同细胞的数量，位置和类型，使得能够研究胰岛11，12，13的结构和形态学特性，并更好地了解健康和疾病的功能影响。作为补充，胰腺细胞14，15，16和最近的胰岛12，17，18，19的计算模型在过去几十年中已被用于评估难以甚至不可能通过实验解决的方面。
在该协议中，我们的目标是通过概述重建胰岛结构的方法，通过定量指标分析其形态和连通性属性，并执行基本模拟以评估胰岛属性的功能含义，从而弥合实验和计算工作之间的差距。
下面描述的方案基于专门为胰岛研究而设计的计算算法。总之，在方案的第一步中，使用Félix-Martínez等人最近提出的算法从实验数据中重建胰岛结构.19 ，其中通过4’，6-二脒-2-苯基吲哚（DAPI）染色获得的核位置和通过免疫荧光鉴定的细胞类型（如Hoang等人详细描述的那样11，12）。） 在迭代优化过程中进行处理。这导致确定每个细胞的最佳大小和位置，并获得由非重叠细胞组成的胰岛。其次，基于重构架构，识别小区间接触点，以确定连通性，生成相应的胰岛网络，使用户能够获得定量指标，进一步描述小岛架构（关于重构算法的细节可以在关于该主题19的原始工作中查阅）。最后，使用Hoang等人提出的 建模方法进行基本功能模拟，其中，基于实验观察到的激素分泌的脉动性质20，21，每个细胞被视为振荡器，因此该胰岛被表示为遵循重建胰岛的连通性特性的耦合振荡器网络。
鉴于该协议中使用的算法的计算复杂性，所涉及的所有步骤都在独立的应用程序22 中实现，其主要目标是将这些计算工具接近所有感兴趣的读者，无论他们在使用专用软件或编程语言方面的经验水平如何。
Protocol
Representative Results
Discussion
上述协议概述了一种使用新型计算算法重建和分析胰岛结构的实用方法。这项工作的主要目标是使胰岛研究界能够推导出定量指标，以表征胰岛结构的形态学和连接特性， 并通过 计算模拟评估这些特性的可能功能影响。
虽然该协议中采用的算法先前已在12，19中进行了详细描述，但由于其相对复杂性，缺乏直接和用户友好的…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
G.J. Félix-Martínez 感谢 CONACYT（墨西哥国家科学与技术委员会）和墨西哥城自治大学电气工程系对该项目的支持。我们感谢Danh-Tai Hoang博士，Manami Hara博士和Junghyo Jo博士在与研究界分享小岛建筑方面的出色工作和慷慨。
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.) |
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