구조 및 기능 분석을위한 도구로서의 췌장섬의 전산 재구성
Summary
이 프로토콜에서 췌장섬은 전용 다중 플랫폼 응용 프로그램에서 구현 된 계산 알고리즘을 사용하여 재구성되고 분석됩니다.
Abstract
췌장섬의 구조적 특성은 인슐린, 글루카곤 및 소마토스타틴 분비 세포의 기능적 반응에 핵심적이며, 이는 전기, 파라크린 및 자가분비 신호를 통한 췌도 내 통신에 미치는 영향으로 인한 것입니다. 이 프로토콜에서 췌장섬의 입체 구조는 먼저 새로운 계산 알고리즘을 사용하여 실험 데이터로부터 재구성됩니다. 다음에, 재구성된 섬의 형태학적 및 연결성 특성, 예컨대 상이한 유형의 세포의 수 및 백분율, 세포 부피, 및 세포-대-세포 접촉이 얻어진다. 그런 다음 네트워크 이론은 평균 정도, 클러스터링 계수, 밀도, 직경 및 효율성과 같은 네트워크 파생 메트릭을 통해 췌도의 연결 특성을 설명하는 데 사용됩니다. 마지막으로, 이러한 모든 특성은 결합된 발진기 모델을 사용하는 계산 시뮬레이션을 통해 기능적으로 평가됩니다. 전반적으로, 여기서는 췌장섬의 연구 및 시뮬레이션을 위해 특별히 개발된 다중 플랫폼 애플리케이션인 IsletLab에서 구현된 단계별 워크플로우를 설명하고, 실험 작업을 보완하기 위해 췌장섬을 특성화하고 분석하기 위한 새로운 계산 방법론을 적용합니다.
Introduction
췌장은 머리, 목, 신체 및 꼬리라고하는 영역으로 나뉘며, 각각은 서로 다른 구조, 기능 및 해부학 적 위치 1,2를 가지고 있습니다. 기능적 관점에서 볼 때, 췌장은 내분비 시스템과 외분비 시스템으로 나눌 수 있으며, 전자는 포도당 항상성 조절에 중요한 관여하는 호르몬 분비를 담당하는 반면, 후자는 십이지장1로 효소 분비를 통해 음식 소화에 기여합니다. 췌장섬은 췌장의 내분비 조직을 구성하며 각각 ɑ, β 및 δ 세포에서 분비되는 글루카곤, 인슐린 및 소마토스타틴의 분비를 담당합니다3. 그들의 본질적인 조절 메커니즘 외에도, 이들 세포는 직접적인 전기 소통 (β-세포와 가능성 있는 β 및 δ-세포 사이), 또한 파라크린 및 자가분비 신호전달 4,5,6에 의해 조절된다. 두 메카니즘 모두 췌도 구조(즉, 췌도 내의 상이한 유형의 세포의 조성 및 조직)7,8에 크게 의존한다. 중요하게도, 췌도 건축은 당뇨병이있는 상태에서 변경되며, 결과적으로 섬 내 의사 소통을 방해 할 가능성이 큽니다 9,10.
췌장섬에 대한 연구는 광범위한 실험 방법론을 포함합니다. 이들 중에서도, 췌도에서 상이한 세포의 수, 위치 및 유형을 결정하기 위한 형광 기술의 사용은 췌장섬11,12,13의 구조적 및 형태학적 특성을 연구하고 건강 및 질병에 대한 기능적 함의에 대한 더 나은 이해를 얻을 수 있게 하였다. 보완물로서, 췌장 세포 14,15,16 및 보다 최근에, 췌장섬12,17,18,19의 계산 모델은 실험적으로 다루기 어렵거나 심지어 불가능한 양상을 평가하기 위해 지난 수십 년 동안 사용되어 왔다.
이 프로토콜에서 우리는 췌도 아키텍처를 재구성하고, 정량적 메트릭을 통해 형태 학적 및 연결 특성을 분석하고, 췌도 특성의 기능적 영향을 평가하기위한 기본 시뮬레이션을 수행하는 방법론을 요약하여 실험과 계산 작업 사이의 격차를 해소하는 것을 목표로합니다.
아래에 설명 된 프로토콜은 췌장섬의 연구를 위해 특별히 설계된 계산 알고리즘을 기반으로합니다. 요약하면, 프로토콜의 첫 번째 단계에서, 췌도 아키텍처는 Félix-Martínez et al.19에 의해 최근에 제안된 알고리즘을 사용하여 실험 데이터로부터 재구성되며, 여기서 4′,6-디아미디노-2-페닐인돌(DAPI) 염색을 통해 얻어진 핵 위치 및 면역형광을 통해 확인된 세포 유형(Hoang et al.11,12에 의해 상세히 기술됨). )는 반복적인 최적화 절차로 처리됩니다. 이것은 각 세포의 최적 크기와 위치를 결정하고 겹치지 않는 세포로 구성된 섬을 얻게합니다. 둘째로, 재구성된 아키텍처에 기초하여, 세포-세포 접촉들이 식별되어 연결 특성들을 결정하고, 대응하는 췌도 네트워크를 생성하여, 사용자가 췌도 아키텍처를 더 기술하기 위해 정량적 메트릭들을 획득할 수 있게 한다(재구성 알고리즘에 대한 세부사항은 주제(19)에 대한 원래의 작업에서 참조될 수 있다). 마지막으로, 기본적인 기능 시뮬레이션은 Hoang et al.12에 의해 제안 된 모델링 접근법을 사용하여 수행되며, 여기서 실험적으로 관찰 된 호르몬 분비의 박동성 성질20,21에 기초하여, 각 세포는 발진기로 처리되고, 따라서 섬은 재구성 된 섬의 연결 특성에 따라 결합 된 발진기의 네트워크로 표현된다.
이 프로토콜에 사용된 알고리즘의 계산 복잡성을 감안할 때, 관련된 모든 단계들은 전문화된 소프트웨어 또는 프로그래밍 언어의 사용에 대한 그들의 경험 수준에 관계없이 모든 관심있는 독자들에게 이러한 계산 도구들에 접근하는 주된 목적을 갖는 독립형 애플리케이션(22 )에서 구현되었다.
Protocol
Representative Results
Discussion
위의 프로토콜은 새로운 계산 알고리즘을 사용하여 췌장섬 구조를 재구성하고 분석하는 실용적인 접근 방식을 설명합니다. 이 연구의 주요 목적은 췌도 연구 공동체가 췌장섬 아키텍처의 형태 학적 및 연결 특성을 특성화하고 계산 시뮬레이션을 통해 이러한 특성의 가능한 기능적 함의를 평가하기위한 양적 메트릭을 도출 할 수있게하는 것입니다.
이 프로토콜에 채택…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
G.J. Félix-Martínez는 CONACYT (Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología, México)와 Universidad Autónoma Metropolitana (México City)의 전기 공학과에 감사드립니다. Danh-Tai Hoang 박사, Manami Hara 박사 및 Junghyo Jo 박사가이 작업을 가능하게하는 섬 건축물을 연구 공동체와 공유하는 데 탁월한 노력과 관대함에 감사드립니다.
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
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