構造・機能解析ツールとしての膵島の計算再構成
Summary
このプロトコルでは、膵島は、専用のマルチプラットフォームアプリケーションに実装された計算アルゴリズムを使用して再構築および分析されます。
Abstract
膵島の構造特性は、電気、パラクリン、およびオートクリンシグナル伝達を 介 した膵島内通信におけるそれらの意味合いのために、インスリン、グルカゴン、およびソマトスタチン分泌細胞の機能的応答にとって重要である。このプロトコルでは、膵島の3次元アーキテクチャは、まず、新しい計算アルゴリズムを使用して実験データから再構築されます。次に、再構成された膵島の形態学的および接続性特性、例えば、異なるタイプの細胞の数およびパーセンテージ、細胞体積、および細胞間接触が得られる。次に、ネットワーク理論を使用して、平均次数、クラスタリング係数、密度、直径、効率などのネットワーク派生メトリックを通じて、膵島の接続特性を記述します。最後に、これらすべての特性は、結合発振器のモデルを使用した計算シミュレーションによって機能的に評価されます。全体として、ここでは、膵島の研究とシミュレーションのために特別に開発されたマルチプラットフォームアプリケーションであるIsletLabに実装されたステップバイステップのワークフローを説明し、実験作業を補完するものとして膵島を特徴付けて分析するための新しい計算方法論を適用します。
Introduction
膵臓は、頭、首、体、尾と呼ばれる領域に分割され、それぞれが異なる構造、機能、および解剖学的位置1,2を有する。機能的観点からは、膵臓は内分泌系と外分泌系に分けることができ、前者はグルコース恒常性の調節に決定的に関与するホルモンの分泌に関与し、後者は十二指腸への酵素の分泌を介して食物消化に寄与する1。膵島は膵臓の内分泌組織を構成し、それぞれɑ、β、およびδ細胞から分泌されるグルカゴン、インスリン、およびソマトスタチンの分泌に関与している3。それらの固有の調節機構に加えて、これらの細胞は、直接の電気通信(β細胞と、おそらくβ細胞およびδ細胞との間の)を介して、またパラクリンおよびオートクリンシグナル伝達によって調節される4,5,6。どちらのメカニズムも、膵島のアーキテクチャ(すなわち、膵島内の異なるタイプの細胞の組成および組織)に大きく依存している7,8。重要なことに、膵島構造は糖尿病の存在下で変化し、結果として膵島内通信を妨害する可能性が最も高い9、10。
膵島の研究には、幅広い実験方法論が含まれます。これらの中で、膵島内の異なる細胞の数、位置、およびタイプを決定するための蛍光技術の使用は、膵島11、12、13の構造的および形態学的特性を研究し、健康および疾患における機能的影響のより良い理解を得ることを可能にした。補完として、膵臓細胞14、15、16、およびより最近では、膵島12、17、18、19の計算モデルは、実験的に対処することが困難または不可能でさえある側面を評価するために過去数十年間に使用されてきた。
このプロトコルでは、膵島構造を再構築し、定量的メトリックを通じて形態学的および接続性特性を分析し、膵島特性の機能的影響を評価するための基本的なシミュレーションを実行する方法論を概説することによって、実験と計算作業の間のギャップを埋めることを目指しています。
以下に説明するプロトコルは、膵島の研究のために特別に設計された計算アルゴリズムに基づいています。要約すると、プロトコルの最初のステップでは、4′,6-ジアミジノ-2-フェニルインドール(DAPI)染色によって得られた核位置と免疫蛍光によって同定された細胞型(Hoang et al.11,12によって詳細に記載されているように)のFélix-Martínezらによって最近提案されたアルゴリズムを使用して、膵島構造が実験データから再構築される。) は反復最適化プロシージャーで処理されます。これにより、各セルの最適なサイズと位置が決定され、重複しないセルで構成される膵島が得られます。第2に、再構成されたアーキテクチャに基づいて、セル間接触が識別され、接続特性を決定し、対応する膵島ネットワークを生成するために、ユーザが膵島アーキテクチャをさらに記述するための定量的メトリクスを得ることができる(再構成アルゴリズムに関する詳細は、主題19に関する元の研究において参照することができる)。最後に、Hoangら12によって提案されたモデリングアプローチを用いて基本的な機能シミュレーションが行われ、実験的に観察されたホルモン分泌の拍動性の性質に基づいて20,21、各細胞が発振器として扱われ、したがって膵島は再構成された膵島の接続特性に続く結合振動子のネットワークとして表される。
このプロトコルで使用されるアルゴリズムの計算上の複雑さを考えると、関連するすべてのステップは、特殊なソフトウェアまたはプログラミング言語の使用における経験のレベルにかかわらず、関心のあるすべての読者にこれらの計算ツールにアプローチすることを主な目的として、スタンドアロンアプリケーション22 に実装されている。
Protocol
Representative Results
Discussion
上記のプロトコルは、新しい計算アルゴリズムを使用して膵島アーキテクチャを再構築および分析するための実用的なアプローチを概説しています。この研究の主な目的は、膵島研究コミュニティが膵島アーキテクチャの形態学的および接続性特性を特徴付けるための定量的測定基準を導き出し、計算シミュレーション を介して そのような特性の可能な機能的影響を評価できるよう?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
G.J. Félix-Martínezは、このプロジェクトへの支援に対して、CONACYT(Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología、メキシコ)とUniversidad Autónoma Metropolitana(メキシコ市)の電気工学科に感謝します。Danh-Tai Hoang博士、原真奈美博士、Jo Junghyo Dr. Dr. の傑出した仕事と、この作業を可能にした島の建築を研究コミュニティと共有してくれた寛大さに感謝します。
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).
