Yapısal ve Fonksiyonel Analiz için Bir Araç Olarak Pankreatik Adacıkların Hesaplamalı Rekonstrüksiyonu
Summary
Bu protokolde, pankreas adacıkları yeniden yapılandırılır ve özel bir çok platformlu uygulamada uygulanan hesaplamalı algoritmalar kullanılarak analiz edilir.
Abstract
Pankreatik adacıkların yapısal özellikleri, elektrik, parakrin ve otokrin sinyalizasyonu yoluyla adacık içi iletişimdeki etkileri nedeniyle insülin, glukagon ve somatostatin salgılayan hücrelerin fonksiyonel yanıtı için anahtardır. Bu protokolde, bir pankreas adacığının üç boyutlu mimarisi ilk olarak yeni bir hesaplama algoritması kullanılarak deneysel verilerden yeniden oluşturulmuştur. Daha sonra, yeniden yapılandırılmış adacığın morfolojik ve bağlantı özellikleri, örneğin farklı hücre tiplerinin sayısı ve yüzdeleri, hücresel hacim ve hücreden hücreye temaslar elde edilir. Daha sonra, adacığın bağlantı özelliklerini, ortalama derece, kümeleme katsayısı, yoğunluk, çap ve verimlilik gibi ağ kaynaklı ölçümlerle tanımlamak için ağ teorisi kullanılır. Son olarak, tüm bu özellikler, bir birleştirilmiş osilatör modeli kullanılarak hesaplamalı simülasyonlar yoluyla işlevsel olarak değerlendirilir. Genel olarak, burada, pankreas adacıklarının incelenmesi ve simülasyonu için özel olarak geliştirilmiş çok platformlu bir uygulama olan IsletLab’da uygulanan, pankreas adacıklarını deneysel çalışmanın tamamlayıcısı olarak karakterize etmek ve analiz etmek için yeni bir hesaplama metodolojisi uygulamak üzere adım adım bir iş akışını açıklıyoruz.
Introduction
Pankreas baş, boyun, vücut ve kuyruk olarak adlandırılan bölgelere ayrılır ve her biri farklı yapılara, fonksiyonlara ve anatomik pozisyona sahiptir 1,2. İşlevsel bir bakış açısına göre, pankreas endokrin ve ekzokrin sistemlere ayrılabilir, birincisi glikoz homeostazının düzenlenmesinde kritik rol oynayan hormonların salgılanmasından sorumludur, ikincisi ise enzimlerin duodenum1’e salgılanması yoluyla gıda sindirimine katkıda bulunur. Pankreas adacıkları pankreasın endokrin dokusunu oluşturur ve sırasıyla ɑ, β ve δ hücrelerinden salgılanan glukagon ve insülin ve somatostatin salgılanmasından sorumludur3. İçsel düzenleyici mekanizmalarına ek olarak, bu hücreler doğrudan elektriksel iletişim yoluyla (β hücreler ile muhtemelen β ve δ hücreler arasında) ve ayrıca 4,5,6 numaralı parakrin ve otokrin sinyalleme ile düzenlenir. Her iki mekanizma da adacık mimarisine (yani, adacık içindeki farklı hücre tiplerinin bileşimine ve organizasyonuna) büyük ölçüde bağımlıdır7,8. Daha da önemlisi, adacık mimarisi diyabet varlığında değiştirilir, büyük olasılıkla 9,10 sonuç olarak adacık içi iletişimi bozar.
Pankreas adacıklarının incelenmesi çok çeşitli deneysel metodolojileri içerir. Bunlar arasında, adacıktaki farklı hücrelerin sayısını, yerini ve tipini belirlemek için floresan tekniklerinin kullanılması, pankreasadacıklarının yapısal ve morfolojik özelliklerinin incelenmesine ve sağlık ve hastalıktaki fonksiyonel etkilerin daha iyi anlaşılmasına olanak sağlamıştır. Bir tamamlayıcı olarak, pankreas hücrelerininhesaplamalı modelleri 14,15,16 ve daha yakın zamanda pankreas adacıkları12,17,18,19, son yıllarda deneysel olarak ele alınması zor veya hatta imkansız yönleri değerlendirmek için kullanılmıştır.
Bu protokolde, adacık mimarilerini yeniden yapılandırmak, morfolojik ve bağlantı özelliklerini nicel metrikler aracılığıyla analiz etmek ve adacık özelliklerinin işlevsel etkilerini değerlendirmek için temel simülasyonlar gerçekleştirmek için bir metodoloji çizerek deneysel ve hesaplamalı çalışma arasındaki boşluğu kapatmayı amaçlıyoruz.
Aşağıda açıklanan protokol, pankreas adacıklarının incelenmesi için özel olarak tasarlanmış hesaplama algoritmalarına dayanmaktadır. Özetle, protokolün ilk adımında, adacık mimarisi, Félix-Martínez ve ark.19 tarafından yakın zamanda önerilen algoritma kullanılarak deneysel verilerden yeniden yapılandırılmıştır; burada nükleer pozisyonlar, 4′,6-diamidino-2-fenilindol (DAPI) boyama yoluyla elde edilir ve immünofloresan yoluyla tanımlanan hücresel tipler (Hoang ve ark.11,12 tarafından ayrıntılı olarak açıklandığı gibi). ) yinelemeli optimizasyon yordamında işlenir. Bu, her hücrenin optimal boyutunu ve konumunu belirlemeye ve örtüşmeyen hücrelerden oluşan bir adacık elde etmeye yol açar. İkincisi, yeniden yapılandırılmış mimariye dayanarak, bağlantı özelliklerini belirlemek ve kullanıcının adacık mimarisini daha ayrıntılı olarak tanımlamak için nicel metrikler elde etmesini sağlayan ilgili adacık ağını oluşturmak için hücreden hücreye temaslar tanımlanır (yeniden yapılandırma algoritması ile ilgili ayrıntılara konuyla ilgili orijinal çalışmada danışılabilir19). Son olarak, Hoang ve ark.12 tarafından önerilen modelleme yaklaşımı kullanılarak temel fonksiyonel simülasyonlar gerçekleştirilir; burada deneysel olarak gözlemlenenhormon sekresyonunun pulsatil doğasına dayanarak, her hücre bir osilatör olarak muamele edilir ve bu nedenle adacık, yeniden yapılandırılmış adacığın bağlantı özelliklerini takiben bir kuplajlı osilatörler ağı olarak temsil edilir.
Bu protokolde kullanılan algoritmaların hesaplama karmaşıklığı göz önüne alındığında, ilgili tüm adımlar, bu hesaplama araçlarına, özel yazılım veya programlama dillerinin kullanımındaki deneyim seviyelerine bakılmaksızın ilgilenen tüm okuyuculara yaklaşmak amacıyla bağımsız bir uygulamada22 uygulanmıştır.
Protocol
Representative Results
Discussion
Yukarıdaki protokol, yeni hesaplama algoritmaları kullanarak pankreas adacık mimarilerini yeniden yapılandırmak ve analiz etmek için pratik bir yaklaşımı özetlemektedir. Bu çalışmanın temel amacı, adacık araştırma topluluğunun, pankreas adacık mimarilerinin morfolojik ve bağlantı özelliklerini karakterize etmek için nicel metrikler elde etmesini sağlamak ve bu özelliklerin olası işlevsel etkilerini hesaplamalı simülasyonlar yoluyla değerlendirmektir.
Bu …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
G.J. Félix-Martínez, CONACYT’e (Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología, México) ve Universidad Autónoma Metropolitana (México City) Elektrik Mühendisliği Bölümü’ne bu projeye verdikleri destek için teşekkür eder. Dr. Danh-Tai Hoang, Dr. Manami Hara ve Dr. Junghyo Jo’ya, bu çalışmayı mümkün kılan adacık mimarilerini araştırma topluluğuyla paylaşmadaki olağanüstü çalışmaları ve cömertlikleri için teşekkür ederiz.
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).
