Die Modellierung mittels eines Zellulären Automaten kann Variationen in der mitochondrialen Netzwerkstruktur von Beta-Zellen des Pankreas charakterisieren

Fragestellung Der mitochondriale oxidative Stoffwechsel ist für die Glucose-stimulierte Insulinsekretion der Beta-Zelle vital. Für seine Funktionalität ist die ständige Adaptation der Mitochondrien-Morphologie durch Fusions- und Teilungsprozesse notwendig. Der Einsatz der Fluoreszenzmikroskopie ermöglicht die Visualisierung der Mitochondrien-Dynamik. Alle Parameter des Prozesses zu variieren, stößt aber an experimentelle Grenzen. Ziel dieser Studie war es, die Veränderung des Mitochondrien-Netzwerkes in Beta-Zellen auf Basis der numerischen Modellierungsmethode „Zellulärer Automat“ räumlich zu simulieren.

Methodik Die Expression des dynamin-related protein 1 (Drp1) als zentraler Teilungsfaktor der Mitochondrien wurde in MIN6-Beta-Zellen mittels shRNA reduziert. Das mitochondriale Netzwerk wurde durch Transfektion mit pTaqBFP-Mito in der Fluoreszenzmikroskopie sichtbar gemacht und versus Kontrollzellen hinsichtlich Größe und Sphärizität der Mitochondrien in der Software Imaris analysiert. Im Zellulären Automaten wurde die Mitochondrien-Bewegung durch einen Random Walk dargestellt und die Prozesse der Fusion und Teilung als stochastisches Ereignis modelliert.

Ergebnisse Unter Drp1-Reduktion vergrößerten sich die Mitochondrien in den Beta-Zellen signifikant. Damit einhergehend nahm die Sphärizität ab. Die Nachbildungen der zerteilten und fusionierten Strukturen im Zellulären Automaten entsprachen mit geringen Abweichungen, trotz der Vernachlässigung der weiteren realbiologischen Prozesse, den experimentellen Ergebnissen. In Abhängigkeit der Drp1-beeinflussten Parameter entstanden aggregierte, stark fusionierte Mitochondrien-Netzwerke oder zerteilte Strukturen, mit vielen kleinen, eher rundlichen Mitochondrien. Die Trennungswahrscheinlichkeit und die Fusionswahrscheinlichkeit gerade getrennter Mitochondrien konnten als entscheidende Faktoren für die Strukturausbildung identifiziert werden.

Schlussfolgerung Die Weiterentwicklung dieses Zellulären Automaten ist aufgrund der erreichten guten Annäherung an die realen Prozesse der Beta-Zelle vielversprechend, Veränderungen des Mitochondrien-Netzwerkes zu modellieren und darüber Funktionsstörungen im Diabetes mellitus zu verstehen.

Publikationsverlauf

Artikel online veröffentlicht:
02. Mai 2023