Mnogo tkiv s presledkovnimi stiki tvori sincicije, ki omogočajo medcelično komunikacijo s širjenjem kalcijevih valov. Slednje drži tudi za Langerhansove otočke pankreasa, v katerih nekaj tisoč celic beta deluje sinhrono in tako zagotavljajo ustrezno izločanje inzulina. Dva pomembna funkcionalna parametra delovanja otočkov sta regija izvora in hitrost širjenja kalcijevih valov. Konfokalna laserska mikroskopija z visoko prostorsko in časovno ločljivostjo je ena najboljših eksperimentalnih metod za določevanje teh parametrov, vendar je žal omejena na dvo-dimenzionalno optično rezino sicer tri-dimenzionalnega tkiva. V prispevku pokažemo kako lahko z uporabo matematičnega modela močno izboljšamo oceno omenjenih parametrov. Najprej analitično določimo obliko hitrostnega profila sferičnega eksitacijskega vala v optični rezini tri-dimenzionalnega homogenega tkiva. Nato vpeljemo matematični model, ki sestoji iz heterogenih sklopljenih ekscitabilnih celic, in se tako bolj približamo realnim pogojem v numeričnih simulacijah. Učinkovitost pristopa demonstriramo na eksperimentalnem posnetku kalcijevih valov v Langerhansovem otočku, ki smo ga stimularali z 9 mM koncentracijo glukoze. Poleg tega pokažemo, da so bili kalcijevi valovi v veliki večini sproženi iz regije otočka približno 30 m pod optično rezino na periferiji otočka ter da je hitrost širjenja kalcijevih valov približno 80 m/s. Izpostavimo tudi pomembnost našega pristopa za natančno določitev izvora in hitrosti kalcijevih valov iz eksperimentalnih podatkov, kot tudi pasti v katere se lahko ujamemo ob prekomernih poenostavitvah.
COBISS.SI-ID: 26793987
Celice beta znotraj Langerhanskovih otočkov trebušne slinavke se na stimulacijo odzovejo s koherentnimi oscilacijami membranskega potenciala in znotrajcelične koncentracije kalcija, za katere se domneva da so gonilo pulzatilnega izločanja inzulina. Njihova multimodalna ritmična aktivnost izhaja iz omrežja interakcij povratnih informacij različnih oscilatornih podsistemov, kot so glikolitična, mitrohondrijska in električna/kalcijeva komponenta. Vzajemno delovanje teh oscilatornih modulov in njihov vpliv na kolektivno celično aktivnost, ki je predpogoj za primerno izločanje hormona, je slabo razumljeno. V tej študiji smo združili napredno konfokalno Ca2+ mikroskopijo v svežih tkivnih rezinah trebušne slinavke z analizo časovnih vrst ter pristope mrežne znanosti da bi razkrili glukozno odvisne značilnosti različnih oscilatornih komponent tako na intra- kot tudi na interceličnem nivoju. Naši rezultati razkrivajo medsebojno odvisnost med nizkofrekvenčno komponento, katere gonilo je metabolizem ter visoko frekvenčno, električno gnano, komponento. Slednja ima najvišjo hitrost izbruhov električne aktivnosti okoli vrhov počasne komponente in najnižjo okoli najnižjih točk. Aktivnost in povprečna sinhronost hitre komponente se z višanjem stimulatorne koncentracije glukoze pomembno povečata, medtem ko nivo stimulacije ne vpliva na parametre počasne domene. Presenetljivo, pri obeh dinamičnih komponentah povprečna korelacija z medcelično razdaljo podobno upade, kar kaže na vpliv medcelične komunikacije na oba tipa oscilacij. Da bi podrobneje preučili sinhronizacijske vzorce znotraj otočkov smo izdelali karto funkcionalne povezljivosti. Primerjava mrežnih značilnosti različnih oscilatornih komponent je pokazala višjo lokalno gručavost in segregacijo mrež hitre oscilatorne aktivnosti ter večjo globalnost počasnih oscilacij, kar se kaže s številnimi dolgimi povezavami in bolj kohezivno strukturo. Poleg strukturnih razlik smo odkrili tudi razmeroma šibko povezavo med hitrimi in počasnimi mrežnimi plastmi, kar kaže na pomen različnih sinhronizacijskih mehanizmov na oblikovanje celične aktivnosti v otočkih. Slednje bi morali imeti v mislih v prihodnjih raziskavah, ki bodo kot osnovo za izgradnjo mrež uporabljaje različne oscilacije.
COBISS.SI-ID: 56986115
Celice beta, ki se nahajajo v Langerhansovih otočkih trebušne slinavke, prispevajo k homeostazi glukoze tako, da v telesu uravnavajo oskrbo z inzulinom. Četudi je znano, da zdrave celice beta obsežno komunicirajo z ostalimi celicami z namenom vzdrževanja homeostaze, so natančna vloga in učinki takšne komunikacije še delno neraziskani. Predstavljamo nov pogled na področje v obliki (i) modelov dinamičnih mrež, ki posnemajo hitre oscilacije kalcija kot odziv na stimulacijo z nadpražno koncentracijo glukoze in (ii) empiričnih analiz podatkov, ki razkrivajo kvalitativni premik v strukturi prečnih korelacij izmerjenih signalov pridobljenih pri koncentracijah glukoze pod in nad vzdražnostnim pragom. Skupno ti rezultati nakazujejo na z glukozo spodbujen prehod v aktivnosti celic beta, ki je posledica večje koordinacije v signalizaciji preko presledkovnih stikov in parakrinih vplivov. Pridobljeni podatki in matematični model dodatno nakazujejo kako se ohranitev prevodnost med celicami, ki jo lahko opazimo med sklopljenimi ne pa med nesklopljenimi celicami beta, vzpostavi v obliki kolektivnega pojava. Nakazujemo misel, da bi izboljšave v zmožnostih zaznave signalizacije celic beta lahko nudile boljši vpogled v razumevanje patogeneze sladkorne bolezni tipa 2.
COBISS.SI-ID: 512974648
Samo-organizirana kritična dinamika je značilna za delovanje številnih realnih sistemov in vključuje emergentno aktivnost, pri kateri porazdelitev določenih opazljivk sledi potenčni funkciji. Značilnosti kritičnega obnašanja so v zadnjič časih opisali tudi v mnogih bioloških sistemih, vključno s populacijami celic beta v Langerhansovih otočkih. V tej študiji smo s komputacijskimi in eksperimentalnimi pristopi sistematično preučevali mehanizme, ki uravnavajo kritično in superkritično obnašanje v mreži sklopljenih celic beta po različnimi pogoji. Eksperimentalno smo uporabili visokoločljivostno funkcionalno večcelično snemanje kalcija v fluoroscenčno obarvanih svežih pankreasnih rezinah. S tem pristopom smo z dobro prostorko in časovno resolucijo lahko zajemali kalcijeve signale v velikem številu celic beta naenkrat. Naši eksperimentalni rezultati kažejo, da so celični odzivi na glukozo bifazični in glukozno-odvisni. Tako pod fiziološko kakor tudi pod suprafiziološko stopnjo stimulacije, je začeni fazi sledila superkritična plato faza v kateri opazimo veliko število globalnih kalcijevih valov. Toda, v aktivacijski fazi smo pod nižjim nivojem stimulacije opazili kritično obnašanje, kjer so se celice postopno rekrutirale, velikost kalcijevih valov pa je sledila potenčni funkciji. Po drugi strani pa je obnašanje v aktivacijski fazi v primeru stimulacije s patofiziološkimi visoko koncentracijo glukoze bilo drugačno, saj se je rekrutacija celic zgodila mnogo hitreje, manj zvezno in superkritično. Da smo pridobili bolj poglobljeno razumevanje eksperimentalno izmerjenih kompleksnih dinamičnih vzorcev, smo izdelali fenomenološki model sklopljenih ekscitabilnih celic in empirično raziskali značilnosti modela, ki vodijo do dobrega ujemanja med eksperimentalnimi in modelnimi rezultati. Izkazalo se je, da dobro ujemanje med komputacijskim modelom in eksperimenti dosežemo, če se je v model vključilo večplastno heterogenost, in sicer v zamikih aktivacij, v stopnjah ekscitabilnosti in v sklopitvi med celicami. Ker naš fenomenološki model vsebuje malo prostoh parametrov, je z njim mogoče raziskati ključne mehanizme, ki zagotavljajo kritično obnašanje na nivoju tkiva, poleg tega pa nakazuje tudi značilnosti, ki bi se naj upoštevale pri modeliranju različnih realnih ekscitabilnih sistemov.
COBISS.SI-ID: 512903480
Koordinirano delovanje celic beta znotraj otočkov trebušne slinavke je posredovano z oscilatornimi depolarizacijami celične membrane in posledičnimi spremembami v citoplazemski koncentraciji kalcija. Kljub temu da presledkovni stiki dovoljujejo prenos informacij znotraj otočka, tvorijo celice beta znotraj otočkov kompleksne sincicije, ki so intrinzično nelinearni in zelo heterogeni. Za proučevanje časovno-prostorske dinamike kalcija znotraj teh sincicijev smo uporabili računsko modeliranje in funkcionalno večcelično konfokalno zajemanje z visoko hitrostjo. Pokazali smo, da so napovedi modelov skladne z eksperimentalnimi podatki, predvsem če privzamemo visoko stopnjo heterogenosti v medcelični sklopljenosti. Natančneje, v prvih minutah po začetku stimulacije lahko verjetnostno distribucijo velikosti kalcijevih valov opišemo s ‘power law’, kar nakazuje kritično obnašanje. Po tem obdobju se dinamika kvalitativno spremeni tako, da število globalnih medceličnih kalcijevih dogodkov naraste do točke, kjer obnašanje postane superkritično. Da bi lahko bolje posnemali in vivo pogoje, smo opisano obnašanje primerjali v času suprafiziološke ne oscilatorne stimulacije z obnašanjem, ki se pojavi med obremenitvijo z nižjo in oscilatorno glukozo. V slednjem primeru smo opazili zgolj kritično obnašanje v obeh eksperimentih in modelu. Naši rezultati nakazujejo, da je lahko izguba oscilatornih sprememb s hkratnim dvigom plazemske glukoze, kot opazimo v primeru sladkorne bolezni, povezana s prehodom k superkritični dinamiki kalcija in izgubo funkcionalnosti celic beta.
COBISS.SI-ID: 512760376