Name: computational reconstruction of pancreatic islets as a tool for structural and functional analysis
Uploaded: 2022-03-09T13:30:00
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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。

メモ: プロトコルの概略図を 図 1 に示します。ステップバイステップの説明は次のとおりです(プロトコルの各ステップで使用されるコントロールパネルの詳細については 、補足ファイル1 を参照してください)。
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/63351/63351fig01.jpg"> 図1:フ?...

<ol>
	<li>Chen, L., Pan, X., Zhang, Y. H., Huang, T., Cai, Y. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Analysis+of+Gene+Expression+Differences+between+Different+Pancreatic+Cells.">Analysis of Gene Expression Differences between Different Pancreatic Cells.</a> ACS Omega. 4 (4), 6421-6435 (2019).</li><li>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, <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Anatomy,+Histology,+and+Fine+Structure+of+the+Pancreas.">Anatomy, Histology, and Fine Structure of the Pancreas.</a> The Pancreas. , (2018).</li><li>Liao, E. P., Brass, B., Abelev, Z., Poretsky, L., Poretsky, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Endocrine+Pancreas.">Endocrine Pancreas.</a> Principles of Diabetes Mellitus. , (2017).</li><li>Noguchi, G. M., Huising, M. O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Integrating+the+inputs+that+shape+pancreatic+islet+hormone+release.">Integrating the inputs that shape pancreatic islet hormone release.</a> Nature Metabolism. 1, 1189-1201 (2019).</li><li>P&#233;rez-Armendariz, E. 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T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+Conserved+Rule+for+Pancreatic+Islet+Organization.">A Conserved Rule for Pancreatic Islet Organization.</a> PloS One. 9 (10), 110384 (2014).</li><li>Hoang, D. T., Hara, M., Jo, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Design+Principles+of+Pancreatic+Islets:+Glucose-Dependent+Coordination+of+Hormone+Pulses.">Design Principles of Pancreatic Islets: Glucose-Dependent Coordination of Hormone Pulses.</a> PloS One. 11 (4), 0152446 (2016).</li><li>Brissova, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Assessment+of+human+pancreatic+islet+architecture+and+composition+by+laser+scanning+confocal+microscopy.">Assessment of human pancreatic islet architecture and composition by laser scanning confocal microscopy.</a> The Journal of Histochemistry and Cytochemistry: Official Journal of the Histochemistry Society. 53 (9), 1087-1097 (2005).</li><li>F&#233;lix-Martinez, G. J., God&#237;nez-Fern&#225;ndez, J. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mathematical+models+of+electrical+activity+of+the+pancreatic+&#946;-cell:+a+physiological+review.">Mathematical models of electrical activity of the pancreatic &#946;-cell: a physiological review.</a> Islets. 6 (3), 949195 (2014).</li><li>F&#233;lix-Mart&#237;nez, G. J., Gonz&#225;lez-V&#233;lez, V., God&#237;nez-Fern&#225;ndez, J. R., Gil, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electrophysiological+models+of+the+human+pancreatic+&#948;-cell:+From+single+channels+to+the+firing+of+action+potentials.">Electrophysiological models of the human pancreatic &#948;-cell: From single channels to the firing of action potentials.</a> International Journal for Numerical Methods in Biomedical Engineering. 36 (2), 3296 (2020).</li><li>Watts, M., Sherman, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Modeling+the+pancreatic+&#945;-cell:+dual+mechanisms+of+glucose+suppression+of+glucagon+secretion.">Modeling the pancreatic &#945;-cell: dual mechanisms of glucose suppression of glucagon secretion.</a> Biophysical Journal. 106 (3), 741-751 (2014).</li><li>Lei, C. L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Beta-cell+hubs+maintain+Ca2++oscillations+in+human+and+mouse+islet+simulations.">Beta-cell hubs maintain Ca2+ oscillations in human and mouse islet simulations.</a> Islets. 10 (4), 151-167 (2018).</li><li>Watts, M., Ha, J., Kimchi, O., Sherman, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Paracrine+regulation+of+glucagon+secretion:+the+&#946;/&#945;/&#948;+model.">Paracrine regulation of glucagon secretion: the &#946;/&#945;/&#948; model.</a> American Journal of Physiology. Endocrinology and Metabolism. 310 (8), 597-611 (2016).</li><li>F&#233;lix-Mart&#237;nez, G. J., Mata, A., God&#237;nez-Fern&#225;ndez, J. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Reconstructing+human+pancreatic+islet+architectures+using+computational+optimization.">Reconstructing human pancreatic islet architectures using computational optimization.</a> Islets. 12 (6), 121-133 (2020).</li><li>Hellman, B., Salehi, A., Gylfe, E., Dansk, H., Grapengiesser, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Glucose+generates+coincident+insulin+and+somatostatin+pulses+and+antisynchronous+glucagon+pulses+from+human+pancreatic+islets.">Glucose generates coincident insulin and somatostatin pulses and antisynchronous glucagon pulses from human pancreatic islets.</a> Endocrinology. 150 (12), 5334-5340 (2009).</li><li>Hellman, B., Salehi, A., Grapengiesser, E., Gylfe, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Isolated+mouse+islets+respond+to+glucose+with+an+initial+peak+of+glucagon+release+followed+by+pulses+of+insulin+and+somatostatin+in+antisynchrony+with+glucagon.">Isolated mouse islets respond to glucose with an initial peak of glucagon release followed by pulses of insulin and somatostatin in antisynchrony with glucagon.</a> Biochemical and Biophysical Research Communications. 417 (4), 1219-1223 (2012).</li><li>F&#233;lix-Mart&#237;nez, G. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=IsletLab:+an+application+to+reconstruct+and+analyze+islet+architectures.">IsletLab: an application to reconstruct and analyze islet architectures.</a> Islets. 14 (1), 36-39 (2022).</li><li>F&#233;lix-Mart&#237;nez, G. J., God&#237;nez-Fern&#225;ndez, J. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Comparative+analysis+of+reconstructed+architectures+from+mice+and+human+islets.">Comparative analysis of reconstructed architectures from mice and human islets.</a> Islets. 14 (1), 23-35 (2022).</li></ol>

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?...

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。

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>CUDA-capable NVIDIA graphics card</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>Required for the functional simulations</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>IsletLab</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>https://github.com/gjfelix/IsletLab (Follow the instructions to download and install the application.)</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

computational reconstruction of pancreatic islets as a tool for structural and functional analysis

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。

Félix-Martínez et al.19によって提案された方法論を用いた膵島の再構成は、最適化アルゴリズム(再構成設定で定義される)に与えられたパラメータに大きく依存する。この例を図 3 に視覚的に示し、異なるパラメータ セットを使用して得られた再構築された膵島を示します。まず、図3Aに、初期データに含まれるセルの86.6%を含む再?...

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Computational Reconstruction of Pancreatic Islets as a Tool for Structural and Functional Analysis

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。

構造・機能解析ツールとしての膵島の計算再構成

Structural properties of pancreatic islets are key for the functional response of insulin, glucagon, and somatostatin-secreting cells, due to their ...

このプロトコルは、膵島アーキテクチャを再構築し、その形態学的および接続性特性を分析し、計算シミュレーションを介してそれらの機能的影響を評価するための計算ワークロードを記述するため、重要です。主な利点は、島研究の分野における理論的および実験的研究を補完するために、高性能コンピューティングアルゴリズムを実装する方法を提供することです。この方法論は、健康な島や変化した膵島の形態学的および接続性特性を比較したり、異なる動物種からの膵島構造を比較したりするのに特に有用であり得る。開始するには、GCC コンパイラーと NVCC コンパイラーがインストールされていることを確認します。コマンドを実行して端末を開き、これらのコマンドのいずれかがシステムに認識されない場合は、テキストに記載されている指示に従います。ターミナルを開き、IsletLab フォルダーに移動します。ターミナルでコマンドを実行して、新しい環境を作成します。コマンドを実行して、新しい環境をアクティブ化します。ターミナルでコマンドを実行して、IsletLab アプリケーションを起動します。入力データを準備するには、入力膵島データを 4 列のファイルに編成し、1 列目がセル・タイプで、2 列目、3 列目、および 4 列目がそれぞれ入力セルの X、Y、Z 座標であるようにして、入力ファイルに列ヘッダーが含まれないようにします。[初期膵島をロード] ボタンをクリックし、入力データを含むファイルを選択して、初期膵島、3 次元表現、および対応する統計を生成します。再構築プロセスを構成するには、[再構築の設定] ボタンをクリックし、最適化パラメーターを変更します。「OK」ボタンをクリックして、パラメータ値を保存します。「島の再構築」ボタンをクリックして、「再構築ログ」ウィンドウを開きます。「実行」ボタンをクリックして、再構築プロセスを開始します。再構成された膵島に含まれる実験細胞の割合を最大化すること、または同等に重複の数を最小限に抑えることに焦点を当てて、統計パネルの[最終膵島]タブに表示される最適化統計を分析することによって、再構成プロセスの結果を評価します。実験統計量の割合がユーザー目標に従って低いと考えられる場合は、[ファイル]メニューをクリックして[再起動]を選択します。「初期膵島をロード」ボタンをクリックし、入力データを含むファイルを選択して初期膵島を生成します。次に、再構成設定で初期温度、反復係数、および受け入れ係数を上げ、満足のいく結果が得られるまで前述の膵島再構築プロセスを繰り返します。[再構成]設定をクリックし、[接触公差]を選択してセル間接触公差を定義します。「OK」をクリックして、パラメーター値を保存します。[セル間接触] ボタンをクリックして、密接に接触しているセルを識別します。「ネットワークの構築」ボタンをクリックして、島ネットワークを生成し、関連するネットワーク行列を計算します。インターフェイスの設定パネルの [シミュレーション] タブに切り替えます。希望する固有周波数のモードを「一定」または「ランダム」を選択します。固有周波数を設定ボタンをクリックして、発振器の周波数をヘルツ単位で定義します。初期フェーズの目的のモード、定数またはランダムを選択します。「相互作用の構成」ボタンをクリックして、「相互作用の強さ」ウィンドウで細胞間相互作用パラメーターを定義します。シミュレーションを構成するには、合計シミュレーション時間、時間ステップ、および保存係数を定義します。シミュレーションの実行に使用できるブロック、スレッド、およびコンピューティング プラットフォーム機能の数を定義します。「シミュレーションの実行」ボタンをクリックして、「シミュレーション・ログ」ウィンドウを開きます。[実行]ボタンをクリックしてシミュレーションを開始し、凡例が表示されたらウィンドウを閉じてください続行してくださいと表示されるまでプロセスを監視します。次に、[シミュレーション ログ] ウィンドウを閉じて、シミュレーション結果を確認します。「ファイル」をクリックし、メニューバーの「プロジェクトをエクスポート」を選択します。プロジェクトファイルを保存するディレクトリを選択し、「OK」ボタンをクリックします。再構成設定におけるパラメータの最適でないセットを用いた膵島再構成が得られ、初期細胞の86.6%を含む。初期温度、反復、および受容因子を増加させると、再構成された島において初期細胞の割合が93.37%および99.15%として高まった。再構成プロセスの収束プロットが得られ、温度の関数として重なり合った細胞の進化を実証した。再構築された膵島アーキテクチャからのセル間接触の識別は、接触公差パラメータの値に依存する。1マイクロメートルの値で細胞間接触が同定されたのは290件のみであったが、2マイクロメートルの場合、同定された総コンテキストはそれぞれ636および731に増加した。互いに接続されているセル間接点を視覚的に表現したネットワークプロットが得られました。シミュレーションの結果、アルファ細胞とベータ細胞は完全に位相がずれて振動し、デルタ細胞はアルファ細胞とベータ細胞で外期に振動することが実証されました。膵島の振動挙動は、他の細胞集団のわずかな寄与を伴うアルファ細胞の振動によって支配された。膵島同期指数プロットは、膵島細胞間の振動の位相コヒーレンスおよび膵島細胞間の同期性の経時変化の測定値を提供する。すべての派生メトリックと機能シミュレーションは再構成プロセスに依存するため、再構築された島の初期細胞の割合を最大にすることが重要です。この手順から得られた再構成された膵島は、膵島細胞の詳細な生物物理学的記述を含むことによって、膵島のより現実的な計算モデルを開発するためにさらに使用することができる。

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