Bio3D

Визуализация биологических процессов

Архив для категории ‘Без рубрики’

30
Окт

2013. Видео-ролик 2

Опубликовал Author в категории Без рубрики

Антиапоптотическая функция белка теплого шока hsp70

Антиапоптотическая функция белка теплого шока hsp70

Схема показывает, что антиапоптотическая функция белка теплого шока hsp70 у личинок Drosophila melanogaster осуществляется за счет снижения экспрессии гена-индуктора апоптоза hid. Тогда как в трансгенных линиях, после теплового стресса, помимо белков теплового шока происходит повышение уровня оксида азота, который подавляет антиапоптозные функции белка теплового шока и стимулирует экспрессию апоптозиндуцирующего гена  hid.

 

30
Окт

2013. Видео-ролик 1

Опубликовал Author в категории Без рубрики

Влияние оксида азота на процесс программируемой клеточной гибели на основе экспериментов над дрозофилами

Видео-ролик состоит из снимков, полученных в ходе исследования клеток  дрозофилы. Образцы получали методом введения оксида азота. Высокий уровень оксида азота приводит к повышенному синтезу проапоптического белка Hid у дрозофилы. В то время как низкий уровень оксида азота приводит к снижению синтеза проапоптического белка Hid. Высокий уровень оксида азота усиливает апоптические процессы в клетках личинок дрозофилы (рисунки 1-3).

2-rolik1-1

Рисунок 1 — Высокий уровень оксида азота вызывает индукцию программированной клеточной гибели, визуализация процесса

2-rolik1-6

Рисунок 2 — Низкий уровень оксида азота вызывает торможение программируемой клеточной гибели клеток, визуализирование процесса

2-rolik1-7

Рисунок 3 — Визуализирование влияния донатора оксида азота на процесс программируемой клеточной гибели клеток

 

 

 

 

 

 

30
Окт

2013. Результаты исследования

Опубликовал Author в категории Без рубрики

Для визуализации процессов программируемой клеточной гибели потенциально возможно три подхода:

  • Используя описательные модели, формировать анимированные (видеоролики) или графические изображения процессов.
  • Создание системы преобразующей описательные модели с ограниченным набором параметров в визуализированную модель (рисунок, фотография, картина) из ограниченного массива моделей
  • Создание системы преобразующей изменения параметров модели, созданной в одной из сред моделирования, например, в CellML, в изменения визуального объекта.

Кратко проанализируем возможности каждого подхода.

1. Формирование анимированных (видеоролики) или графических изображений процессов

Это направление реализовывалось во втором этапе проекта. В течение года реализовывалось:

  • Визуализирование влияния ингибитора апоптоза на процесс программированной клеточной гибели клеток.
  • Визуализирование влияния донатора оксида азота на процесс программированной клеточной гибели клеток.
  • Визуализирование влияния оксида азота на процесс программированной клеточной гибели клеток и антиапоптотической функции белка теплового шока.

Плюсы – наиболее простой в реализации подход.

Минусы – отсутствует вариативность, нет возможности моделирования процессов.

2.  Создание системы преобразующей описательные модели с ограниченным набором параметров в визуализированную модель – визуальное отображение (рисунок, фотография, картинка) из ограниченного массива моделей

При таком подходе создается набор видеороликов или рисунков (визуальных отображений), каждый из которых соответствует своему набору параметров. Создается интерфейс, обеспечивающий пользователю ввод параметров, ограниченных некоторыми рамками. На основании введенных параметров система производит выбор отображений наиболее близких к введенному набору параметров. Такой подход возможен вследствие того, что имеющиеся в распоряжении модели являются описательными, а также предполагается их применение преимущественно в образовательных целях. Кроме того, принципиально возможно создать систему, подбирающую наиболее близкий образ по описанию в соответствии с вводимыми параметрами. Для решения задачи потребуется:

  • Создать набор визуальных отображений. Для чего потребуется база данных с описанием параметров процесса, визуализируемого данным отображением.
  • Создать систему, подбирающую наиболее близкое по параметрам визуальное отображение.
  • Создать интерфейсную систему, которая должна анализировать введенные параметры, «запрещая» ввод заведомо несовместимых значений. Проверять корректность введенных данных и отображать результат.

Работа системы иллюстрируется рисунком 1, на котором:

User – пользователь системы  («игрок», «студент», «врач»);

Interface – блок работы с пользователем, выполняющий прием значений параметров модели и ее отображение;

Block of selection – система подбора модели по введенным пользователем параметрам;

Data base – база данных системы, сохраняющая набор отображений и их параметров, предельные величины параметров и иные ограничения, например, сочетания несовместных значений параметров;

Block of checking – блок контроля вводимых пользователем параметров.

Shema_vizualiz

Рисунок 1 — Интерфейсная система визуализации

 

 

 

 

 

 

3.Создание системы преобразующей изменения параметров модели, созданной в одной из сред моделирования, например, в CellML, в изменения визуального объекта

Создание системы транслирующей изменения параметров модели, созданной в выбранной среде моделирования в изменения визуального объекта (отображения). В состав системы может входить система генерации объектов, которые затем взаимодействуют друг с другом в рамках модели. Данный подход представляется самым перспективным, но и самым сложным в силу как отсутствия комплексной математической модели апоптоза так и сложности реализации системы. В настоящее время среды моделирования могут отображать создаваемые модели схематически. Для создания полноценных 2-х и 3-х мерных моделей графически близких к фотографическим изображениям и способных к изменениям при изменении параметров, потребуются значительные усилия. Рисунок  2 иллюстрирует данный подход.

Рисунок  2 – Система взаимодействия описательной модели и блока визуализации

Рисунок 2 – Система взаимодействия описательной модели и блока визуализации

 

 

 

 

 

 

 

User – пользователь системы  («игрок», «студент», «врач»);

Interface – блок работы с пользователем, выполняющий выбор модели из числа имеющихся в базе данных или создание новых моделей и их отображение;

Block of visualization – система визуализации модели;

Data base – база данных системы, сохраняющая модели, компоненты изображений, предельные величины параметров и иные ограничения, например, сочетания несовместных значений параметров;

Model (CellML,SBML) – модель на выбранном языке описания, выбираемая или создаваемая пользователем.

В этом направлении возможно по крайней мере два подхода, в той или иной степени упрощающих процесс моделирования.

  1. Использование специального парсера транслирующего результаты работы модели для последующей визуализации специально разработанным или существующим «визуализатором».
  2. Использование модели только на начальном этапе с последующим вычислением параметров и отображением их с помощью некоторого «визуализатора».

Первый подход представляется наиболее перспективным. С целью его аппробирования разработаны программы, описанные ниже и использована среда Game Maker для визуализации процесса с помощью «игрового движка».

Ниже описаны разработанные в ходе второго этапа исследования видеоролики процессов апоптоза. Из них на сегодняшний момент сделаны следующие  видеоролики.

 

 

 

 

29
Окт

2012. Результаты исследования

Опубликовал Author в категории Без рубрики

Рассмотрены общедоступные примеры визуализации апоптоза и некроза клеток. Выполнен обзор методов визуализации и применяемых в настоящее время программных средств.  Проведен частичный анализ текста монографий и диссертаций на предмет их перевода в электронный формат и представление в виде электронного учебника.

Выполнен научный поиск оптимальной визуализациии,   фаза планирования исследования по визуализации процесса апоптоза при ИБС и начата разработка научных основ  визуализации процесса апоптоза клеток миокарда в эксперименте.

На основании изучения материалов по процессам, происходящим в коронарных сосудах, кардиомиоцитах и анализа существующих технических средств для визуализации процессов, происходящих в человеческом организме были созданы видео-ролики, электронная книга в формате PDF и книга, размещенная в Википедии.

В видео-роликах четко показаны такие процессы, как образование атеросклеротической бляшки, нарастание тромба в коронарном сосуде, так же ишемия, некроз и, конечно же, апоптоз. Были подробно визуализированы процессы начала самого апоптоза, показаны пути возникновения, причины начала, сам процесс и окончание данного процесса.

Наглядные материалы были созданы с целью облегчения и лучшего восприятия информации, попытки показать процесс изнутри.

Краткое описание созданных видео-роликов

1. Механизмы развития апоптоза.

Механизмы развития апоптоза

Рис.1 — «Механизмы развития апоптоза».

Апоптоз начинается с внешнего воздействия радикалов, которые прикрепляются к оболочке клетки. Далее поступает сигнал на начала апоптоза. Начинает повреждаться ДНК, что приводит к образованию АТМ, который в свою очередь активирует белок р53. Р53 активирует ген ВАХ. Это вызывает выброс ионов кальция и водорода, которые находятся внутри мембраны.

Выделяется молекула Cytochrome C, которая соединяется с APAF. Затем они соединяются с неактивным белком Pro-Caspase 9, после чего Caspase 9 становится активным и начинает уничтожать белки. Посредством уничтожения белков разрушается внутренний скелет клетки, и клетка начинает разваливаться. Части раздробленной клетки усваиваются фагоцитами.

 

 

2. Сравнительный видео-ролик некроза и апоптоза

Некроз и апоптоз. Кадр из ролика

Рис.2 — Некроз и апоптоз.

 

Первым показывается процесс некроза. Он начинается с того что к здоровой клетке прикрепляются агрессивные бактерии. Бактерии выделяют секреты, которые разрушают структуру оболочки. Клетка теряется возможность регуляции и начинает разрушаться. Разрушение начинается со структуры ядра и митохондрий. Клетка начинает увеличиваться в размерах, набухают органеллы, разрушается кора ядра. Что приводит к разрыву оболочки клетки (рисунок 2).

Далее показывается процесс апоптоза. Апоптоз начинается с того,  что митохондрия активирует белок bcl-2 и посылает сигнал клетке на саморазрушение. Растворяются оболочки митохондрий и других органелл. Ядро начинает уменьшаться в размерах, оболочка клетки сморщивается. Далее начинается процесс разрушение белкового скелета клетки и ядра. Ядро начинает сжиматься и разваливается на части. Далее оболочка клетки начинает сжиматься и разделяется на части. Потом клетка фагоцит уничтожает остатки клетки (рисунок 7).

Некроз

Некроз

 

 

 

 

 

 

 

3. Анимированная схема апоптоза

Схема показывает, что антиапоптотическая функция белка теплого шока hsp70 у личинок Drosophila melanogaster осуществляется за счет снижения экспрессии гена-индуктора апоптоза hid. Тогда как в трансгенных линиях после теплового стресса помимо белков теплового шока происходит повышение уровня оксида азота, который подавляет антиапоптозные функции белка теплового шока и стимулирует экспрессию апоптозиндуцирующего гена  hid.

Animation scheme