שחזור חישובי של איי הלבלב ככלי לניתוח מבני ותפקודי
Summary
בפרוטוקול זה, איי הלבלב משוחזרים ומנותחים באמצעות אלגוריתמים חישוביים המיושמים ביישום רב-תכליתי ייעודי.
Abstract
תכונות מבניות של איי הלבלב הן המפתח לתגובה התפקודית של תאים מפרישי אינסולין, גלוקגון וסומטוסטטין, בשל השלכותיהם בתקשורת תוך-תאית באמצעות איתות חשמלי, פרקרין ואוטוקרין. בפרוטוקול זה, הארכיטקטורה התלת-ממדית של איון לבלב משוחזרת תחילה מנתונים ניסיוניים באמצעות אלגוריתם חישובי חדשני. לאחר מכן, מתקבלות התכונות המורפולוגיות והקישוריותיות של האי המשוחזר, כגון המספר והאחוזים של הסוגים השונים של התאים, נפח התא והמגעים בין התא לתא. לאחר מכן, תורת הרשת משמשת לתיאור תכונות הקישוריות של האי באמצעות מדדים הנגזרים מרשת כגון תואר ממוצע, מקדם אשכולות, צפיפות, קוטר ויעילות. לבסוף, כל המאפיינים הללו מוערכים באופן פונקציונלי באמצעות סימולציות חישוביות באמצעות מודל של מתנדים מצומדים. בסך הכל, כאן אנו מתארים זרימת עבודה שלב אחר שלב, המיושמת ב- IsletLab, יישום רב-שכבתי שפותח במיוחד עבור המחקר וההדמיה של איי הלבלב, כדי ליישם מתודולוגיה חישובית חדשנית לאפיון וניתוח איי הלבלב כהשלמה לעבודה הניסויית.
Introduction
הלבלב מחולק לאזורים המכונים ראש, צוואר, גוף וזנב, שלכל אחד מהם יש מבנים, תפקודים שונים ומיקום אנטומי 1,2. מנקודת מבט פונקציונלית, ניתן לחלק את הלבלב למערכות אנדוקריניות ואקסוקריניות כאשר הראשון אחראי על הפרשת ההורמונים המעורבים באופן קריטי בוויסות ההומאוסטזיס של גלוקוז, בעוד שהאחרון תורם לעיכול מזון באמצעות הפרשת אנזימים לתוך התריסריון1. איי הלבלב מהווים את הרקמה האנדוקרינית של הלבלב והם אחראים להפרשת גלוקגון, אינסולין וסומטוסטאטין, המופרשים מתאי ɑ, β ו-δ, בהתאמה3. בנוסף למנגנוני הוויסות הפנימיים שלהם, תאים אלה מווסתים באמצעות תקשורת חשמלית ישירה (בין תאי β וככל הנראה β ותאי δ), וגם על ידי איתות פאראקרין ואוטוקרין 4,5,6. שני המנגנונים תלויים מאוד בארכיטקטורת האי (כלומר, בהרכב ובארגון של סוגי התאים השונים בתוך האי)7,8. חשוב לציין, ארכיטקטורת האיים משתנה בנוכחות סוכרת, ככל הנראה מטרידה את התקשורת התוך-תאית כתוצאה מכך 9,10.
המחקר של איי הלבלב כולל מגוון רחב של מתודולוגיות ניסיוניות. בין אלה, השימוש בטכניקות פלואורסצנטיות כדי לקבוע את מספרם, מיקומם וסוגם של התאים השונים באי אפשר לחקור את התכונות המבניות והמורפולוגיות של איי הלבלב 11,12,13 ולהבין טוב יותר את ההשלכות התפקודיות בבריאות ובמחלות. כהשלמה, מודלים חישוביים של תאי לבלב 14,15,16 ולאחרונה, איי לבלב 12,17,18,19 שימשו בעשורים האחרונים להערכת היבטים שקשה או אפילו בלתי אפשרי לטפל בהם בניסוי.
בפרוטוקול זה, אנו שואפים לגשר על הפער בין העבודה הניסיונית לעבודה החישובית על ידי התוויית מתודולוגיה לשחזור ארכיטקטורות איים, לנתח את תכונותיהן המורפולוגיות והקישוריותיות באמצעות מדדים כמותיים, ולבצע סימולציות בסיסיות כדי להעריך את ההשלכות הפונקציונליות של תכונות האיון.
הפרוטוקול המתואר להלן מבוסס על אלגוריתמים חישוביים שתוכננו במיוחד לחקר איי הלבלב. לסיכום, בשלב הראשון של הפרוטוקול, ארכיטקטורת האיים משוחזרת מנתונים ניסיוניים באמצעות האלגוריתם שהוצע לאחרונה על ידי Félix-Martínez et al.19 שבו עמדות גרעיניות המתקבלות באמצעות צביעת 4′,6-diamidino-2-phenylindole (DAPI) וסוגי תאים שזוהו באמצעות אימונופלואורסצנציה (כפי שתואר בפירוט על ידי Hoang et al.11,12 ) מעובדים בהליך אופטימיזציה איטרטיבי. זה מוביל לקביעת הגודל והמיקום האופטימליים של כל תא ולקבל איון המורכב מתאים שאינם חופפים. שנית, בהתבסס על הארכיטקטורה המשוחזרת, מזוהים אנשי קשר בין תא לתא כדי לקבוע את תכונות הקישוריות וליצור את רשת האיים המתאימה המאפשרת למשתמש לקבל מדדים כמותיים כדי לתאר עוד יותר את ארכיטקטורת האיים (ניתן לעיין בפרטים על אלגוריתם השחזור בעבודה המקורית בנושא19). לבסוף, סימולציות פונקציונליות בסיסיות מבוצעות באמצעות גישת המידול שהוצעה על ידי Hoang et al.12 שבה, בהתבסס על האופי הפועם של הפרשת ההורמונים שנצפתה בניסוי 20,21, כל תא מטופל כמתנד, ולכן האי מיוצג כרשת של מתנדים מצומדים בעקבות תכונות הקישוריות של האי המשוחזר.
בהתחשב במורכבות החישובית של האלגוריתמים המשמשים בפרוטוקול זה, כל השלבים המעורבים יושמו ביישום עצמאי22 במטרה העיקרית לגשת לכל הכלים החישוביים הללו לכל הקוראים המעוניינים ללא קשר לרמת הניסיון שלהם בשימוש בתוכנות מיוחדות או בשפות תכנות.
Protocol
Representative Results
Discussion
הפרוטוקול הנ”ל מתווה גישה מעשית לשחזור וניתוח ארכיטקטורות איון הלבלב באמצעות אלגוריתמים חישוביים חדשניים. המטרה העיקרית של עבודה זו היא לאפשר לקהילת המחקר של האיים לגזור מדדים כמותיים כדי לאפיין את התכונות המורפולוגיות והקישוריות של ארכיטקטורות איון הלבלב ולהעריך את ההשלכות הפונקציונ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
G.J. Félix-Martínez מודה ל- CONACYT (Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología, México) ולמחלקה להנדסת חשמל של אוניברסיטת אוטונומה מטרופוליטנה (México City) על התמיכה שניתנה לפרויקט זה. אנו מודים לד”ר דאן-טאי הואנג, לד”ר מנאמי הארה ולד”ר ג’ונגיו ג’ו על עבודתם יוצאת הדופן ונדיבותם בשיתוף ארכיטקטורות האיים שאפשרו עבודה זו עם קהילת המחקר.
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).
