Astrosyyttien morfologian ja kalsiumsignaloinnin mallinnus STEPS-työkalulla

Abstract

Astrosyytit ovat aivojen yleisin tukisoluryhmä, ja ne ovat rakenteeltaan hyvin haaroittuneita. Astrosyyteillä on monia tehtäviä aivoissa, kuten hermovälittäjäaineiden ja soluvälitilan ionikonsentraatioiden säätely. Kalsiumsignalointi on astrosyyteillä moninaista, mutta monimutkaisen rakenteen sekä haarakkeiden pienen koon vuoksi niiden signaloinnin tutkiminen perinteisin menetelmin on haasteellista. Laskennallisten menetelmien hyödyntäminen neurotieteissä mahdollistaa aivosolujen toiminnan ja yhteyksien tutkimisen tällaisissa tilanteissa.

Työn tarkoituksena oli tutustua STochastic Engine for Pathway Simulation -työkaluun eli STEPS:iin, joka on biokemiallisten systeemien mallinnukseen soveltuva simulaatiotyökalu. Simulaattori pohjautuu stokastiseen Gillespien algoritmiin, ja simulaattorissa morfologiat koostuvat tetraedreistä. Työssä mallinnettiin kalsiumin diffuusiota sekä sen reagointia kalmoduliinin kanssa kahdella eri mallilla, joista monimutkaisemmassa huomioitiin kalsiumin sitoutumiskohta kalmoduliinissa. Yksinkertaisemmassa mallissa sitoutumiskohtaa ei huomioitu. Diffuusiota sekä molempia reaktiodiffuusiomalleja simuloitiin sylinterissä, ja monimutkaisempaa reaktiodiffuusiomallia simuloitiin lisäksi realistisemmassa Bergmannin gliasolun haarakkeessa. Kalmoduliini toimii soluissa kalsiumkonsentraatioita säätelevänä proteiinina ja signaloi astrosyytissä useissa viestintäketjuissa.

Python-käyttöliittymän ansiosta STEPS-simulaattori on suhteellisen helppokäyttöinen, ja sillä voidaan mallintaa solujen monimutkaisia rakenteita tetraedriverkostoilla. Työssä suoritetuissa kahdessa eri reaktiodiffuusiomallissa kalmoduliinin, johon on kiinnittynyt neljä kalsiumionia, konsentraatioiden välillä oli suuri ero. Kalsiumin injektiokohdalla ei ollut näissä malleissa suurta merkitystä tuloksiin. Neljän kalsiumin kalmoduliinin konsentraatio oli paljon pienempi verrattuna kalsiumiin ja kalmoduliiniin, ja myös sen yksittäisen ajon konsentraatio erosi merkittävämmin keskiarvosta. Tällaisia pieniä biokemiallisia systeemejä mallintaessa olisi syytä ottaa huomioon molekyylien törmäyksien satunnainen luonne. STEPS:n kaltaisia työkaluja, jotka mahdollistavat morfologian yksityiskohtaisen määrittämisen, tarvitaan astrosyyttien sekä hermosolujen ja astrosyyttien vuorovaikutusten mallinnuksessa.