Computerrekonstruktion von Pankreasinseln als Werkzeug für die Struktur- und Funktionsanalyse
Summary
In diesem Protokoll werden die Pankreasinseln rekonstruiert und analysiert, indem Berechnungsalgorithmen verwendet werden, die in einer dedizierten Multiplattform-Anwendung implementiert sind.
Abstract
Strukturelle Eigenschaften von Pankreasinseln sind aufgrund ihrer Auswirkungen auf die intraisletale Kommunikation über elektrische, parakrine und autokrine Signalgebung der Schlüssel für die funktionelle Reaktion von Insulin-, Glucagon und Somatostatin-sezernierenden Zellen. In diesem Protokoll wird die dreidimensionale Architektur einer Pankreasinsel zunächst aus experimentellen Daten mit einem neuartigen Rechenalgorithmus rekonstruiert. Als nächstes werden die morphologischen und Konnektivitätseigenschaften der rekonstruierten Insel, wie die Anzahl und die Prozentsätze der verschiedenen Arten von Zellen, des Zellvolumens und der Zell-zu-Zell-Kontakte, erhalten. Dann wird die Netzwerktheorie verwendet, um die Konnektivitätseigenschaften der Insel durch vom Netzwerk abgeleitete Metriken wie Durchschnittsgrad, Clustering-Koeffizient, Dichte, Durchmesser und Effizienz zu beschreiben. Schließlich werden alle diese Eigenschaften funktional durch Computersimulationen unter Verwendung eines Modells gekoppelter Oszillatoren bewertet. Insgesamt beschreiben wir hier einen Schritt-für-Schritt-Workflow, der in IsletLab, einer Multiplattform-Anwendung, die speziell für die Untersuchung und Simulation von Pankreasinseln entwickelt wurde, implementiert wurde, um eine neuartige Berechnungsmethodik zur Charakterisierung und Analyse von Pankreasinseln als Ergänzung zur experimentellen Arbeit anzuwenden.
Introduction
Die Bauchspeicheldrüse ist in Regionen unterteilt, die als Kopf, Hals, Körper und Schwanz bezeichnet werden und jeweils unterschiedliche Strukturen, Funktionen und anatomische Positionenaufweisen 1,2. Aus funktioneller Sicht kann die Bauchspeicheldrüse in endokrine und exokrine Systeme unterteilt werden, wobei erstere für die Sekretion von Hormonen verantwortlich sind, die entscheidend an der Regulation der Glukosehomöostase beteiligt sind, während letzteres über die Sekretion von Enzymen in den Zwölffingerdarm1 zur Nahrungsverdauung beiträgt. Pankreasinseln bilden das endokrine Gewebe der Bauchspeicheldrüse und sind verantwortlich für die Sekretion von Glucagon, Insulin und Somatostatin, die aus ɑ-, β- bzw. δ-Zellen ausgeschiedenwerden 3. Zusätzlich zu ihren intrinsischen Regulationsmechanismen werden diese Zellen über direkte elektrische Kommunikation (zwischen β-Zellen und wahrscheinlichen β- und δ-Zellen) sowie durch parakrine und autokrine Signalgebung 4,5,6 reguliert. Beide Mechanismen hängen stark von der Inselarchitektur ab (d.h. von der Zusammensetzung und Organisation der verschiedenen Zelltypen innerhalb der Insel)7,8. Wichtig ist, dass die Inselarchitektur in Gegenwart von Diabetes verändert wird, was höchstwahrscheinlich die intrainselförmige Kommunikation als Folge von 9,10 stört.
Die Untersuchung von Pankreasinseln umfasst eine breite Palette von experimentellen Methoden. Unter diesen hat die Verwendung von Fluoreszenztechniken zur Bestimmung der Anzahl, Lage und Art der verschiedenen Zellen auf der Insel es ermöglicht, die strukturellen und morphologischen Eigenschaften der Pankreasinseln11,12,13 zu untersuchen und ein besseres Verständnis der funktionellen Auswirkungen auf Gesundheit und Krankheit zu erlangen. Als Ergänzung wurden in den letzten Jahrzehnten Computermodelle der Pankreaszellen 14,15,16 und in jüngerer Zeit der Pankreasinseln12,17,18,19 verwendet, um Aspekte zu bewerten, die experimentell schwer oder gar unmöglich zu behandeln sind.
In diesem Protokoll wollen wir die Lücke zwischen experimenteller und computergestützter Arbeit schließen, indem wir eine Methodik zur Rekonstruktion von Inselarchitekturen, zur Analyse ihrer morphologischen und Konnektivitätseigenschaften durch quantitative Metriken und zur Durchführung grundlegender Simulationen zur Bewertung der funktionalen Auswirkungen der Inseleigenschaften skizzieren.
Das unten beschriebene Protokoll basiert auf Berechnungsalgorithmen, die speziell für die Untersuchung von Pankreasinseln entwickelt wurden. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass im ersten Schritt des Protokolls die Inselarchitektur aus experimentellen Daten unter Verwendung des kürzlich von Félix-Martínez et al.19 vorgeschlagenen Algorithmus rekonstruiert wird, in dem Kernpositionen durch 4′,6-Diamidino-2-phenylindol (DAPI) Färbung und Zelltypen durch Immunfluoreszenz identifiziert werden (wie ausführlich beschrieben von Hoang et al.11,12 ) werden in einem iterativen Optimierungsverfahren verarbeitet. Dies führt dazu, die optimale Größe und Position jeder Zelle zu bestimmen und eine Insel zu erhalten, die aus nicht überlappenden Zellen besteht. Zweitens werden auf der Grundlage der rekonstruierten Architektur Zell-zu-Zell-Kontakte identifiziert, um die Konnektivitätseigenschaften zu bestimmen und das entsprechende Inselnetzwerk zu generieren, das es dem Benutzer ermöglicht, quantitative Metriken zu erhalten, um die Inselarchitektur weiter zu beschreiben (Details über den Rekonstruktionsalgorithmus können in der Originalarbeit zum Thema19 konsultiert werden). Schließlich werden grundlegende funktionelle Simulationen mit dem von Hoang et al.12 vorgeschlagenen Modellierungsansatz durchgeführt, bei dem basierend auf der pulsierenden Natur der experimentell beobachteten Hormonsekretion20,21 jede Zelle als Oszillator behandelt wird und daher die Insel als ein Netzwerk gekoppelter Oszillatoren dargestellt wird, die den Konnektivitätseigenschaften der rekonstruierten Insel folgen.
Angesichts der rechnerischen Komplexität der in diesem Protokoll verwendeten Algorithmen wurden alle beteiligten Schritte in einer eigenständigen Anwendung22 implementiert, mit dem Hauptziel, diese Rechenwerkzeuge allen interessierten Lesern unabhängig von ihrer Erfahrung in der Verwendung von spezialisierter Software oder Programmiersprachen zu nähern.
Protocol
Representative Results
Discussion
Das obige Protokoll skizziert einen praktischen Ansatz zur Rekonstruktion und Analyse von Pankreasinselarchitekturen unter Verwendung neuartiger Berechnungsalgorithmen. Das Hauptziel dieser Arbeit ist es, die Inselforschungsgemeinschaft in die Lage zu versetzen, quantitative Metriken abzuleiten, um die morphologischen und Konnektivitätseigenschaften von Pankreasinselarchitekturen zu charakterisieren und die möglichen funktionalen Implikationen solcher Eigenschaften durch computergestützte Simulationen zu bewe…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
G.J. Félix-Martínez dankt CONACYT (Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología, Mexiko) und der Abteilung für Elektrotechnik der Universidad Autónoma Metropolitana (Mexiko-Stadt) für die Unterstützung dieses Projekts. Wir danken Dr. Danh-Tai Hoang, Dr. Manami Hara und Dr. Junghyo Jo für ihre hervorragende Arbeit und Großzügigkeit beim Teilen der Inselarchitekturen, die diese Arbeit mit der Forschungsgemeinschaft ermöglicht haben.
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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