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 tro-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 tro-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 µm pod optično rezino na periferiji otočka ter da je hitrost širjenja kalcijevih valov približno 80 µm/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 v pankreasnih Langerhansovih otočkih prispevajo k homeostazi glukoze z izločanjem inzulina. Pri tem je znano, da za zagotavljanje homeostaze zdrave celice intenzivno komunicirajo med seboj, vendar natančna vloga medcelične komunikacije ni dobro raziskana. V tej študiji predstavimo nov vidik na to temo, in sicer v obliki 1) dinamičnega mrežnega modela, ki podrobno opisuje hitre kalcijeve oscilacije v primeru nadpražne stimulacije z glukozo in 2) empirične analize podatkov, ki nakazuje kvalitativni premik v strukturi prečnih korelacij izmerjenih signalov v primerih podpražne in nadpražne stimulacije. Naši rezultati pokažejo, da stimulacija z glukozo povzroči prehod v aktivnosti celic beta, ki je odraz tako povečane komunikacije preko presledkovnih stikov, kakor tudi parakrinih interakcij. Naši podatki in rezultati modela prav tako nakažejo, kako se ohranitev celokupne prevodnosti medceličnih stikov med sklopljenimi celicami, odraža kot kolektivni pojav. Pod črto naše ugotovitve implicirajo, da izboljšave v meritvah signalizacije v celicah beta vodijo do boljšega razumevanja patogeneze sladkorne bolezni.
COBISS.SI-ID: 512974648
Tudi v tako majhnih organih, kot so Langerhansovi otočki, različni tipi in podtipi endokrinih celic tvorijo heterogene kolektive, katerih naloga je zaznavanje kemične sestave zunajcelične raztopine in ustrezno uravnavanje izločanja hormonov. Napake v celičnem procesiranju in izločanju hormonov vodijo do različnih metabolnih obolenj, med katerimi je najbolj razširjena sladkorna bolezen. V tej študiji smo naslovili funkcionalno heterogenost celic, in sicer na podlagi prečnih korelacij med kalcijevimi signali parov celic. Celično aktivnost smo izmerili v optični ravnini v več stotih celicah naenkrat, njene lastnosti pa smo preučevali z vidika statističnih lastnosti korelacij, kot jih predvideva teorija naključnih matrik (TNM). Ugotovili smo, da empirični spekter lastnih vrednosti zelo dobro sovpada z napovedmi TNM, vendar ob tem obstajajo tudi vrednosti, ki ležijo nad ali pod spektralnim robom, kar implicira, da so korelacije regulirane tudi s strani lokalnih in razširjenih načinov. Naši rezultati prav tako pokažejo, da empirično sortiranje lastnih vrednosti po bližnjih sosedih sledi univerzalnim lastnostim TNM, ne glede na koncentracijo glukoze, s katero so bile celice stimulirane. Ob tem pa številska varianca nakazuje jasno odstopanje od predikcij TNM pri podatkih, kjer primerjamo empirične spektre med ne-stimulatornimi in stimulatornimi pogoji. Naše ugotovitve tako predlagajo, da pristop TNM predstavlja občutljivo orodje za preučevanje funkcionalne celične heterogenosti in njenega vpliva na prostorsko-časovno dinamiko kolektiva celic beta v pankreatičnih otočkih tako v fiziološko gledano mirujočih kakor tudi v stimuliranih pogojih in presega trenutne okvirje in omejitve molekularne in celične biologije.
COBISS.SI-ID: 22652438
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 zadnjih 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 pod različnimi pogoji. Eksperimentalno smo uporabili visokoločljivostno funkcionalno večcelično snemanje kalcija v fluoroscenčno obarvanih svežih pankreasnih rezinah. S tem pristopom smo z dobro prostorsko 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 začetni 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 patofiziološko 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 prostih 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
Namen naše raziskave je bil razviti novo metodo za preučevanje fiziološke aktivnosti mišjih gladkomišičnih celic (GMC) detruzorja z uporabo akutne priprave tkivnega preparata in konfokalne mikroskopije. Za pripravo tkivnega preparata smo uporabili mehur predhodno žrtvovane odrasle NMRI miši. S svetlobno in transmisijsko elektronsko mikroskopijo smo preučili morfologijo GMC znotraj tkiva. Nato smo s pomočjo konfokalne mikroskopije preučili kalcijevo dinamiko posameznih GMC ob stimulaciji z naraščajočimi koncentracijami karbamilholina (CCh). GMC smo identificirali na podlagi njihove morfologije in kalcijevih odzivov. Odzive GMC smo opredelili z naslednjimi spremenljivkami: zamik do odziva, rekrutacija in relativna aktivnost ter kontrakcija tkiva. Stimulacija tkiva s CCh je razkrila tri različne fenotipe GMC: spontano aktivne GMC z in brez odziva na stimulacijo s CCh, ter GMC z odzivom zgolj ob stimulaciji s CCh. Rekrutacija GMC v aktivno stanje je potekala znotraj ozkega koncentracijskega območja (1–25 µM), ki je povzročilo aktivacijo praktično vseh GMC. Maksimalna aktivnost kalcija v GMC je bila pri koncentraciji 25 µM, kar je sovpadalo z vidno kontrakcijo tkiva. Dodatno smo pri višjih koncentracijah CCh opažali krajše zamike do pričetka odzivov celic. Zaključimo lahko, da je naša nova in situ metoda preučevanja morfologije in fiziologije GMC detruzorja učinkovita in ponovljiva.
COBISS.SI-ID: 512962616