Analiza kolektivne celične aktivnosti v normalnih in diabetičnih pankreatičnih otočkih s principi večplastnih mrež

Langerhansovi otočki v trebušni slinavki natančno uravnavajo tvorbo inzulina glede na metabolne potrebe organizma. Slabi inzulinski odziv, ki je lahko posledica motenj v sekreciji, v inzulinski signalizaciji, ali oboje od naštetega, vodi v sladkorno bolezen, ki predstavlja velik javnozdravstveni problem in je postala ena izmed najbolj razširjenih obolenj v sodobnem svetu. Ocenjuje se, da se za zdravljenje s sladkorno boleznijo povezanih bolezni v razvitem svetu nameni okoli 10 % sredstev namenjenih javnemu zdravstvu. Pravšnjo raven sekrecije inzulina kroji kompleksna večcelična dinamika pankreatičnih celic beta, ki izločajo inzulin, ob interakciji z drugimi tipi endokrinih celic, ki prav tako skrbijo za uravnoteženo izločanje hormonov. Razumeti, kako subpopulacije celic v otočkih vplivajo na skupen odziv sistema na višjem nivoju organiziranosti, je velik izziv. Celice beta so multimodalne oscilatorne enote, ki so intrinzično zelo heterogene, električno so med seboj sklopljene v funkcionalni sincicij, poleg tega pa so vpletene še v homologne in heterologne parakrine interakcije. Ključnega pomena je, da medcelična povezanost znotraj otočkov ne zagotavlja le koordiniranega obnašanja celic, ki je potrebno za normalne pulzarujoče sekretorne odzive, temveč da so tudi perturbacije medceličnih interakcij povezane z razvojem metabolnih bolezni in motenj v sekreciji inzulina. Do nedavnega je bilo ta pomemben vidik medceličnega komuniciranja, ki igra pomembno vlogo v patogenezi sladkorne bolezni, težko naslavljati. Eksperimentalna rešitev je prišla z razvojem funkcionalne večcelične mikroskopije v tkivnih rezinah, ki jo vpeljala naša skupina. Metoda omogoča neinvazivna in dolgotrajna merjenja celičnih odzivov v velikem številu celic naenkrat. Toda, podatki, ki nastanejo pri konfokalni mikroskopiji z visokoločljivostnem zajemanjem so dokaj kompleksni in zahtevajo napredne komputacijske pristope, ki pomagajo pri procesiranju in interpretaciji podatkov večcelične narave. V predlaganem projektu nameravamo nadgraditi obstoječa orodja in znanja, in sicer z združitvijo inovativnih eksperimentalnih tehnik, temelječih prvenstveno na konfokalni mikroskopiji akutnih tkivnih rezin, z najsodobnejšimi principi modeliranja in metod s področja mrežnih znanosti, kar bo omogočilo raziskave obnašanja pankreatičnih celic v njihovem večceličnem okolju. S tem želimo preučiti kolektivno večmodalno oscilatorno aktivnost celic beta v mišjih in človeških otočkih, jo povezati z aktivnostjo mitohondrijev in s sekretornimi odzivi ter ovrednotiti različne vidike sprememb v celični signalizaciji povezanih z razvojem sladkorne bolezni. Posebno pozornost bomo namenili tudi sovisnim interakcijam med celicami alfa in beta ter preučevanju vpliva novih antidiabetikov in drugih farmakoloških substanc na kompleksne dinamične vzorce v otočkih. Prepričani smo, da je interdisciplinarna narava predlaganega projekta, v katerem se povezujejo področja fiziologije, medicine in komputacijske fizike, velika prednost in je tudi v skladu z najsodobnejšimi smernicami razvoja na področju medicine in biomedicinskih raziskav. Pričakovani rezultati o mrežah endokrinih celic bodo razkrili nove temeljne organizacijske principe v zdravih in diabetičnih mišjih in človeških otočkih, do katerih ne bi mogli priti s konvencionalnimi biomedicinskimi metodami. To bo pomembno prispevalo k translacijski relevantnosti mišjih modelov za stanje pri človeku, poglobilo naše znanje (pato)fiziologije otočkov in prav tako omogočilo razvoj novih potencialnih terapevtskih tarč za preprečevanje in zdravljenja sladkorne bolezni, kar je z vidika bremena javnozdravstvenih stroškov izrednega pomena.