Ingenieurs en wetenskaplikes van die Universiteit Stellenbosch het visualiseringssagteware ontwikkel wat outomaties spesifieke sellulêre prosesse soos mitochondriale splitsing en samesmelting kan lokaliseer en kwantifiseer, en dít boonop in driedimensionele ruimte en tyd.

Mitochondriums is organelle wat die meeste van die chemiese energie genereer wat benodig word vir die sel se biochemiese reaksies.  Mitochondriale prosesse soos bv. splitsing en samesmelting speel dus 'n sentrale rol in die balans, funksie en oorlewing van selle. Wanneer dinge skeefloop, is dit dikwels 'n teken van die aanvang van neurodegeneratiewe siektes soos Parkinson se siekte of Alzheimer se siekte.  

Tot dusver was die akkurate kwantifisering van hierdie seldinamika egter uitdagend, met die meeste van hierdie werk wat met die hand gedoen moes word.

Prof Ben Loos, 'n fisioloog in die Departement Fisiologiese Wetenskappe, sê hulle is ongelooflik opgewonde oor hierdie werk: “Ons glo dat dit hierdie navorsingsveld op vele fronte uitbou, van lewenswetenskappe wat te make het met mitochondriums en mikroskopie, tot die velde van beeldanalise en voorwerpherkenning, berekening en majienleer, datahantering en -analise, en 3D-visualisering.

Hy het die afgelope ses jaar saam met Prof Thomas Niesler van die Departement Elektries en Elektroniese Ingenieurswese gewerk ten einde 3D-visualiseringssagteware wat met mikroskopie te make het, te verbeter. Die huidige verbeterde sagteware wat as die Mitochondrial Event Localiser (MEL) bekend staan, is deur Dr Rensu Theart ontwikkel as deel van sy PhD-navorsing oor die virtuele werklikheidsvisualisering en analise van mikroskopiedata.

Volgens Prof Loos is die beeldanalise van biologiese data dikwels so tydrowend dat slegs 'n paar navorsingsgroepe sulke take aanpak. “Met die gebruik van MEL is ons nou in staat om die strukture en die interaksies (splitsing en samesmelting) tússen die strukture in die sel te kwantifiseer, en kan ons ook akkuraat aandui waar dit plaasvind," voeg hy by.

“Dit is ongelooflik opwindend om te kan vasstel waar splitsing, samesmelting en depolarisasie in die sel plaasvind, en om die omvang van hierdie gebeurtenis kwantitatief te kan beskryf.

Hoekom is dit so belangrik?

Hy sê dat navorsers sukkel om die morfologie van die mitochondriale netwerk te interpreteer: “Sommige sê dat 'n hoogs genetwerkte mitochondriale struktuur 'n aanduiding is van verbeterde sellulêre gesondheid, terwyl ander getuienis voorstel dat dit die begin van 'n stresrespons is. Dieselfde geld ook vir 'n gefragmenteerde mitochondriale prentjie - sommige wetenskaplike verkondig dat fragmentasie gelyk is aan stres en agteruitgang, terwyl ander bewyse daarop dui dat dit 'n aanpassingsmeganisme is om mitochondriale kwlaiteitsbeheer toe te pas.

“Dit het ons regtig gepla. Veral aangesien dit so 'n belangrike rol in neurodegeneratiewe siektes speel, wou ons te voorskyn kom met 'n hulpmiddel wat die mitochondriale netwerk dinamies kon beskryf, wat beteken dat dit met intydse datastelle kon werk. Deur dit te doen, word 'n heel nuwe datastel gegenereer wat ons in staat stel om die toestand van ekwilibrium van mitochondriums tussen splitsing en samesmelting te kan aantoon."  

Hulle glo dat hierdie sagteware tot groot voordeel van die navorsingsgemeenskap sal wees wat omgaan met mitochondriale disfunksie, veral daardie laboratoriums wat fokus op Alzheimer se siekte en Parkinson se siekte.

“Dit kan ook deel word van 'n diagnostiese hulpmiddel, indien dit geïntegreer word in die sogenaamde hoë deursetbeeldvormingsplatforms. En aangesien mitochondriale depolarisasie 'n uiters belangrike deel uitmaak in die aanvang van seldood, kan daar self 'n wyer toepassingsveld wees," sluit hy af. 

Inligtingsblokkie: Hoe werk MEL?

1. Eerstens, 'n beeldreeks met tydintervalle van 'n sel wat gemerk is vir mitochondriums, word in 3D met konfokale mikroskopie verkry.

2. Hierdie beeldreeks met tydintervalle word dan gepreprosesseer ten einde te verseker dat die beste beeldkwaliteit en eenvormigheid tussen die rame in die reeks verkry word.
3. Twee opeenvolgende rame word dan gekies, en gebinariseer. Die onderskeie mitochondriale strukture kan dan hieruit onttrek word.
4. Deur middel van verskeie wiskundige stappe wat 'n nuwe algoritme genaamd “back-and-forth structure matching" insluit, kan die teenwoordigheid en plek van voorkoms van die mitochondriale gebeurtenisse dan vasgestel word.
5. Hierdie plekke van voorkoms word dan as verskillende kleure bo-oor die oorspronklike mitochondriale beeld geplaas.
6. Hierdie proses word dan herhaal vir al die opeenvolgende beeldpare in die beeldreeks met tydintervalle, wat dan 'n kwantitatiewe evaluasie van hoe die mitochondriale gebeurtenisse met verloop van tyd varieer, moontlik maak.  

• Saamgestel deur Dr Rensu Theart

Die artikel getitel “Mitochondrial event localiser (MEL) to quantitatively described fission, fusion and depolarisation in the three dimensional space" is onlangs in die vaktydskrif Plos One gepubliseer en is aanlyn beskikbaar by https://doi.org/10.1371/journal.pone.0229634

Die kode wat MEL implementeer kan afgelaai word by https://github.com/rensutheart/MEL

Dit is die resultaat wat verkry word wanneer die Mitochondrial Event Localiser (MEL) toegepas word op 'n beeld wat slegs die mitochondriale netwerk van 'n sel aantoon wat met behulp van konfokale mikroskopie verkry is.  Die verskillende kleure dui die plekke aan waar die mitochondriale splitsing, samesmelting, en depolarisasiegebeurtenisse opgemerk is. Beeld: Rensu Theart

Kontakbesonderhede