Reconstruction computationnelle des îlots pancréatiques comme outil d’analyse structurelle et fonctionnelle
Summary
Dans ce protocole, les îlots pancréatiques sont reconstruits et analysés à l’aide d’algorithmes de calcul implémentés dans une application multiplateforme dédiée.
Abstract
Les propriétés structurelles des îlots pancréatiques sont essentielles à la réponse fonctionnelle des cellules sécrétant de l’insuline, du glucagon et de la somatostatine, en raison de leurs implications dans la communication intra-îlot via la signalisation électrique, paracrine et autocrine. Dans ce protocole, l’architecture tridimensionnelle d’un îlot pancréatique est d’abord reconstruite à partir de données expérimentales à l’aide d’un nouvel algorithme de calcul. Ensuite, les propriétés morphologiques et de connectivité de l’îlot reconstruit, telles que le nombre et les pourcentages des différents types de cellules, le volume cellulaire et les contacts de cellule à cellule, sont obtenues. Ensuite, la théorie des réseaux est utilisée pour décrire les propriétés de connectivité de l’îlot à l’aide de mesures dérivées du réseau telles que le degré moyen, le coefficient de clustering, la densité, le diamètre et l’efficacité. Enfin, toutes ces propriétés sont évaluées fonctionnellement par des simulations computationnelles utilisant un modèle d’oscillateurs couplés. Dans l’ensemble, nous décrivons ici un flux de travail étape par étape, mis en œuvre dans IsletLab, une application multiplateforme développée spécifiquement pour l’étude et la simulation d’îlots pancréatiques, afin d’appliquer une nouvelle méthodologie de calcul pour caractériser et analyser les îlots pancréatiques en complément du travail expérimental.
Introduction
Le pancréas est divisé en régions appelées tête, cou, corps et queue, chacune ayant des structures, des fonctions et une position anatomiquedifférentes 1,2. D’un point de vue fonctionnel, le pancréas peut être divisé en systèmes endocrinien et exocrine, le premier étant responsable de la sécrétion d’hormones impliquées de manière critique dans la régulation de l’homéostasie du glucose, tandis que le second contribue à la digestion des aliments via la sécrétion d’enzymes dans le duodénum1. Les îlots pancréatiques constituent le tissu endocrinien du pancréas et sont responsables de la sécrétion de glucagon, d’insuline et de somatostatine, sécrétés respectivement par les cellules ɑ, β et δ,respectivement 3. En plus de leurs mécanismes de régulation intrinsèques, ces cellules sont régulées par une communication électrique directe (entre les cellules β et les β probables et les cellules δ), ainsi que par la signalisation paracrine et autocrine 4,5,6. Les deux mécanismes dépendent fortement de l’architecture de l’îlot (c.-à-d. la composition et l’organisation des différents types de cellules dans l’îlot)7,8. Il est important de noter que l’architecture des îlots est altérée en présence de diabète, ce qui perturbe très probablement la communication intra-îlot en conséquence 9,10.
L’étude des îlots pancréatiques implique un large éventail de méthodologies expérimentales. Parmi ceux-ci, l’utilisation de techniques de fluorescence pour déterminer le nombre, l’emplacement et le type des différentes cellules de l’îlot a permis d’étudier les propriétés structurelles et morphologiques des îlots pancréatiques 11,12,13 et de mieux comprendre les implications fonctionnelles pour la santé et la maladie. En complément, des modèles informatiques de cellules pancréatiques 14,15,16 et, plus récemment, d’îlots pancréatiques 12,17,18,19 ont été utilisés au cours des dernières décennies pour évaluer des aspects difficiles, voire impossibles à traiter expérimentalement.
Dans ce protocole, nous visons à combler le fossé entre le travail expérimental et informatique en décrivant une méthodologie pour reconstruire les architectures d’îlots, analyser leurs propriétés morphologiques et de connectivité à travers des métriques quantitatives, et effectuer des simulations de base pour évaluer les implications fonctionnelles des propriétés des îlots.
Le protocole décrit ci-dessous est basé sur des algorithmes de calcul spécialement conçus pour l’étude des îlots pancréatiques. En résumé, dans la première étape du protocole, l’architecture des îlots est reconstruite à partir de données expérimentales à l’aide de l’algorithme récemment proposé par Félix-Martínez et al.19 dans laquelle les positions nucléaires obtenues par coloration au 4′,6-diamidino-2-phénylindole (DAPI) et les types cellulaires identifiés par immunofluorescence (comme décrit en détail par Hoang et al.11,12 ) sont traités dans le cadre d’une procédure d’optimisation itérative. Cela conduit à déterminer la taille et la position optimales de chaque cellule et à obtenir un îlot composé de cellules qui ne se chevauchent pas. Deuxièmement, sur la base de l’architecture reconstruite, des contacts de cellule à cellule sont identifiés pour déterminer les propriétés de connectivité et générer le réseau d’îlots correspondant qui permet à l’utilisateur d’obtenir des mesures quantitatives pour décrire plus en détail l’architecture des îlots (les détails sur l’algorithme de reconstruction peuvent être consultés dans le travail original sur le sujet19). Enfin, des simulations fonctionnelles de base sont réalisées à l’aide de l’approche de modélisation proposée par Hoang et al.12 dans laquelle, sur la base de la nature pulsatile de la sécrétion hormonale observée expérimentalement 20,21, chaque cellule est traitée comme un oscillateur, et donc l’îlot est représenté comme un réseau d’oscillateurs couplés suivant les propriétés de connectivité de l’îlot reconstruit.
Compte tenu de la complexité de calcul des algorithmes utilisés dans ce protocole, toutes les étapes impliquées ont été implémentées dans une application autonome22 avec l’objectif principal d’approcher ces outils de calcul à tous les lecteurs intéressés quel que soit leur niveau d’expérience dans l’utilisation de logiciels spécialisés ou de langages de programmation.
Protocol
Representative Results
Discussion
Le protocole ci-dessus décrit une approche pratique pour reconstruire et analyser les architectures d’îlots pancréatiques à l’aide de nouveaux algorithmes de calcul. L’objectif principal de ces travaux est de permettre à la communauté de recherche sur les îlots de dériver des mesures quantitatives pour caractériser les propriétés morphologiques et de connectivité des architectures d’îlots pancréatiques et d’évaluer les implications fonctionnelles possibles de ces propriétés via des sim…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
G.J. Félix-Martínez remercie le CONACYT (Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología, Mexique) et le Département de génie électrique de l’Universidad Autónoma Metropolitana (Ville de Mexico) pour le soutien apporté à ce projet. Nous remercions le Dr Danh-Tai Hoang, le Dr Manami Hara et le Dr Junghyo Jo pour leur travail exceptionnel et leur générosité dans le partage des architectures d’îlots qui ont rendu ce travail possible avec la communauté de recherche.
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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