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Enregistrement W4220694311 · doi:10.1101/2022.03.22.485258

An agent based model of intracellular ice formation and propagation in small tissues

2022· preprint· en· W4220694311 sur OpenAlexaff
Fatemeh Nasiri Amiri, James D. Benson

Notice bibliographique

RevuebioRxiv (Cold Spring Harbor Laboratory) · 2022
Typepreprint
Langueen
DomaineMedicine
ThématiqueReproductive Biology and Fertility
Établissements canadiensUniversity of Saskatchewan
Organismes subventionnairesnon disponible
Mots-clésCryopreservationIntracellularBiological systemComputer scienceBiochemical engineeringCell biologyBiologyEngineeringEmbryo

Résumé

récupéré en direct d'OpenAlex

Abstract Successful cryopreservation of tissues and organs would be a critical tool to accelerate drug discovery and facilitate myriad life saving and quality of life improving medical interventions. Unfortunately success in tissue cryopreservation is quite limited, and there have been no reports of successful long term organ cryopreservation. One principal challenge of tissue and organ cryopreservation is the propagation of damaging intracellular ice. Understanding the probability that cells in tissues form ice under a given cryopreservation protocol would greatly accelerate protocol design, enabling rational model-based decisions of all aspects of the cryopreservation procedure. Established models of intracellular ice formation (IIF) in individual cells have previously been extended to small linear (one-cell-wide) arrays to establish the theory of intercellular ice propagation in tissues. However these small-scale lattice-based tissue ice propagation models have not been extended to more realistic tissue structures, and do not account for intercellular forces that arise from the expansion water into ice that may cause mechanical disruption of tissue structures during freezing. To address these shortcomings, here we present the development and validation of a lattice-free agent-based stochastic model of ice formation and propagation in small tissues. We validate our Monte Carlo model against Markov chain models in the linear two-cell and four-cell arrays presented in the literature, as well as against new Markov chain results for 2 × 2 arrays. Moreover we expand the existing model to account for the solidification of water into ice in cells. We then use literature data to inform a model of ice propagation in hepatocyte disks, spheroids, and tissue slabs. Our model aligns well with previously reported experiments, and demonstrates that the mechanical effects of individual cells freezing can be captured. Author summary The widespread ability to successfully store, or cryopreserve, tissues and organs in liquid nitrogen temperatures would be game changing for human and animal medicine and drug discovery. However, success is limited to a select number of small tissues, and no organs can currently be stored in a frozen or solid state and survive thawing. One major contributor to damage during this process is the formation of intracellular ice, and its associated cell level damage. This ice formation is complicated in tissues by the number of intercellular connections facilitating intercellular ice propagation. Previous researchers have developed and experimentally validated simple one dimensional models of ice propagation in tissues, but these fail to capture complex tissue geometries, and have many fewer intercellular connections compared to three dimensional tissues. In this paper, we adopt previous models of ice formation and propagation to a model capable of capturing arbitrary cell orientations in three dimensions, allowing for realistic tissue structures to be modelled. We validated this tool on simple models and with experimental data, and then test it on three structures made of digital liver cells: disks, spheroids, and slabs. We show that we can capture new information about the interaction of cooling the tissue, the formation of intracellular ice, the movement of ice from one cell to another, and the mechanical disruption that occurs during this process. This allows for novel insights into a mechanism of damage during cryopreservation that is cooling rate and tissue structure dependent.

Récupéré en direct depuis OpenAlex et désinversé. Les résumés ne sont pas conservés dans cette base de données : les index inversés représentent 8,6 Go des 9,3 Go de texte de la base, et le serveur dispose de 13 Go libres.

Comment cette classification a été obtenuedéplier

Prédiction machine sur la base complète

Imitation des enseignants

Ni prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Le volet Gemma est une étiquette directe du modèle pour chaque travail de la base, lue sur la notice réduite au titre. Le volet Codex est un classifieur appris des 10 348 étiquettes directes de Codex et calibré sur les taux pondérés de l'échantillon; les champs sans appui suffisant ne portent aucun appel Codex. Le mode candidate est l'union des deux volets; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont pas des étiquettes humaines.

score de la tête « metaresearch » (Codex)0,001
score de la tête « metaresearch » (Gemma)0,002
Version: metacan-v3-hybrid-931329e0061cStatut de validation: machine_predicted_unvalidated
Catégories candidatesaucune
Catégories consensuellesaucune
DomaineSignal candidat: aucune · Signal consensuel: aucune
Devis d'étudeSignal candidat: Simulation ou modélisation · Signal consensuel: Simulation ou modélisation
GenreSignal candidat: Empirique · Signal consensuel: aucune
Score de désaccord entre enseignants0,033
Score d'incertitude au seuil0,065

Scores du classifieur distillé par catégorie (deux têtes)

CatégorieCodexGemma
Métarecherche0,0010,002
Méta-épidémiologie (sens strict)0,0000,001
Méta-épidémiologie (sens large)0,0010,001
Bibliométrie0,0010,000
Études des sciences et des technologies0,0010,002
Communication savante0,0010,001
Science ouverte0,0020,001
Intégrité de la recherche0,0020,001
Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger)0,0030,000

Scores machine (provisoires)

Les deux têtes enseignantes du modèle étudiant, lues sur ce travail. Un score ordonne la base pour la relecture; il n'affirme jamais une catégorie, et le statut de validation accompagne chaque rangée tel quel.

Scores de référence d'un modèle non mature (critères de maturité non atteints, 7 itérations). Un score ordonne; il n'affirme jamais une catégorie.

Tête enseignante Opus0,031
Tête enseignante GPT0,249
Écart entre enseignants0,219 · la distance entre les deux têtes enseignantes sur ce seul travail
Statut de validationscore_only:v0-immature-baseline · tel quel depuis la passe de notation : score_only signifie que le nombre peut ordonner les travaux, et qu'aucune étiquette de catégorie n'en découle

Classification

machine, non validée

Prédiction automatique; un appel candidat d’une seule source (Gemma direct ou Codex distillé), pas un consensus.

Les modèles n’ont appliqué aucune catégorie : rien dans la taxonomie ne correspondait à ce travail.
Devis d'étudeSimulation ou modélisation
Domainenon disponible
GenreEmpirique

Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».

En bref

Citations0
Publié2022
Routes d'admission1
Résumé présentoui

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