Introdução

Quando o exame de sistemas de coordenadas que pode ser usado para diferentes entidades biológicas, características específicas devem ser consideradas. Por exemplo, o número de cromossomos e a posição do par base formam um sistema de coordenadas lineares que é suficiente para definir a localização no genoma de referência (1). No entanto, um sistema de Coordenadas para todo o corpo humano, que pode atender às necessidades do HuBMAP, HCA, HPA e outros esforços de mapeamento, é muito mais complexo por várias razões (2-5). Em primeiro lugar, as células vivem em três dimensões; e, informações adicionais são necessárias para descrever o tamanho e a orientação rotacional de qualquer amostra de tecido utilizada para gerar os dados. Em segundo lugar, enquanto a posição do par de base do genoma não depende de como o DNA é dobrado e embalado no núcleo, as posições de elementos individuais (e.g., células, órgãos) dentro do corpo são dinâmicos, pois podem mudar com movimentos esqueléticos e musculares, gravidade, respiração, batimentos cardíacos, e outras funções e forças que distorcem o tecido. Third, although the variability of DNA between people is <1%, human body geometry spans a wide range of heights, weights, and shapes, which vary by sex and race and change significantly over a person’s lifespan.

uma opção é usar um sistema de coordenadas cartesianas 3D para descrever a posição dentro do corpo. Os sistemas de coordenadas cartesianas têm o benefício de serem familiares e facilmente compreendidos. Com o corpo em posição anatômica padrão, esquerda-direita, caudal-craniano e posterior-anterior formam três eixos perpendiculares (x-y-z). Para análises em escala menor, centralizar a origem em um marco anatômico pode ser mais útil e potencialmente menos variável entre pessoas diferentes. Por exemplo, seria mais fácil medir a distância de uma amostra de tecido do rim para o pólo superior do rim do que para o topo da cabeça de uma pessoa. A desvantagem das coordenadas cartesianas é que seus eixos não seguem a forma natural do corpo. Como resultado, criar um mapa do corpo de referência por digitalmente” costurar ” amostras de tecido coletadas de pessoas de diferentes tamanhos requereria um processo complexo de deformar, rodar e alinhar os dados. Fazer isso de uma forma que Escale para todo o corpo, mantendo a precisão de nível celular, seria extremamente desafiador.outros sistemas de coordenadas 3D foram desenvolvidos para diferentes aplicações. Por exemplo, coordenadas esféricas, com eixos representando latitude, longitude e elevação, convenientemente descrevem a localização na superfície da Terra. Um caminho simples em coordenadas esféricas, como “1 km a leste”, é muito mais difícil de se comunicar usando coordenadas cartesianas. Do mesmo modo, os sistemas de Coordenadas para o corpo humano devem ter, idealmente, eixos que sigam estruturas anatómicas, padrões de expressão genética, gradientes químicos e/ou outras vias biologicamente relevantes. Vários sistemas de coordenadas específicos de órgãos foram desenvolvidos, tais como coordenadas Talairach para imagiologia cerebral funcional, mas estes não se estendem a todo o corpo (6).

sistema de coordenadas vasculares

em 2017, uma reunião de Quadro Comum de coordenadas (CCF) foi organizada pelos Institutos Nacionais de Saúde, O Instituto alargado, o Instituto Sanger e a iniciativa Chan Zuckerberg. Participantes do encontro, que incluíram anatomistas, patologistas, clínicos e especialistas em tecnologia de todo o mundo, sugeriram várias abordagens para mapear as células do corpo humano, incluindo sistemas de coordenadas anatomicamente baseados (7). Um destes, que usa a vasculatura, foi discutido mais adiante em uma oficina CCF 2019, especificamente para localizar células renais (8). Neste manuscrito, apresentamos uma visão conceitual deste sistema de coordenadas vascular e descrevemos os seus benefícios e limitações (Figura 1).

a Figura 1. A estrutura central de um sistema de coordenadas vasculares. O sistema de coordenadas vasculares consiste em ciclos de vasos representativos que começam e terminam nas câmaras do coração e se estendem às unidades funcionais de cada órgão (no sentido anti-horário a partir da parte superior esquerda: alvéolos, glomérulos e lobos hepáticos). O ” endereço “de uma célula inclui o nome do laço (por exemplo,” R “para renal e” H “para hepático) e o nível de ramificação do vaso mais próximo (por exemplo,” RA1 ” para arterióis aferentes no laço renal). Note – se que as paredes do coração se encontram ao longo do ciclo coronário (“C”) vascular, e as células de algumas estruturas internas ao coração são realmente posicionadas na periferia do sistema de coordenadas, perto dos capilares que lhes fornecem sangue. Há várias maneiras de identificar uma ainda mais preciso “GPS-como” posição, incluindo, indo no sentido horário a partir do canto superior direito, o “hipóxia impressão digital” que resulta de diminuir os níveis de oxigênio mais longe do navio, o único “histológica de impressões digitais” e “expressão do gene de impressões digitais” em diferentes tipos de células endoteliais vasculares, e o próprio “vascular arquitetura de impressões digitais”, encontrado em diferentes tipos de tecido. A vasculatura estende-se a todas as partes do corpo (fundo) e moldura todos os órgãos em todas as escalas. arquivo: Imagens dos lóbulos hepáticos, glomeruli, alvéolos, a expressão do gene de mapa de calor, e todo o corpo vasculatura são adaptados a partir de Wikimedia Commons: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:2423_Microscopic_Anatomy_of_Liver.jpg (Domínio Público); https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Juxtaglomerular_Apparatus_and_Glomerulus.jpg (CC BY 3.0 license); https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Alveolus_diagram.svg (Domínio Público); https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Iris_dendrogram.png (CC BY-SA 4.0 licença); e, https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Circulatory_System_en.svg (Domínio Público). Gene expression heat map recriado a partir de Guo et al. (9) utilizando dados simulados. Arquitectura Vascular baseada em Bosetti et al. (10) (CC BY 4.0 license).

o objectivo de um sistema de coordenadas vasculares não é construir um mapa da vasculatura. Em vez disso, a idéia é usar vias vasculares conhecidas através do corpo como um eixo em um sistema de coordenadas que pode descrever a posição dos elementos anatômicos, como as células, no tecido circundante da vasculatura. Neste quadro proposto, as câmaras do coração podem ser vistas como a origem no mapa de todo o corpo. O eixo vascular contém loops vasculares (comparáveis às” estradas ” na metáfora do Google Map) que se estendem através da aorta ou artéria pulmonar, gradualmente se afrouxam para o tamanho de uma única célula à medida que se aproximam de todas as outras células em cada órgão do corpo, e retornam ao coração. Ao longo destes caminhos, a vasculatura segue a biologia única dos vários órgãos e tecidos; e, da mesma forma, os órgãos e tecidos do corpo não poderiam existir sem as propriedades únicas de sua vasculatura estreitamente integrada.assim como o mapa do genoma desdobra o DNA em uma sequência linear, podemos imaginar desdobrando as complexas reviravoltas 3D e voltas do eixo da vasculatura em uma forma mais simples de 2D “hub-and-spoke” com as câmaras do coração no centro. Esta representação esquemática da vasculatura torna mais fácil (1) descrever a localização no corpo; (2) alinhar vascular percursos com diferentes formas em 3D, mas equivalente em função de diferentes pessoas; (3) identificar padrões, tais como mudanças no tipo de célula e a expressão do gene como um transições das grandes para as pequenas embarcações dentro de um órgão (ao longo de um raio); e, (4) comparar o tecido no mesmo nível (por exemplo, capilares) em diferentes órgãos (raios transversais).um órgão, como o rim, tem dezenas de milhares de vias de vasculatura se cada capilar for considerado distintamente. No entanto, a fim de tornar a construção de um CCF viável, faremos uma suposição simplificadora adicional de que muitas dessas vias são indistinguíveis umas das outras. Notavelmente, os menores vasos (capilares) estão no centro das pequenas unidades funcionais especializadas em cada órgão (e.g.), lóbulos hepáticos no fígado, glomérulos no rim e alvéolos no pulmão). Um órgão inteiro requer muitas dessas unidades funcionais centradas no vascular que são anatomicamente e fisiologicamente similares (11). Esta semelhança pode ser usada para colapsar numerosas vias vasculares em algumas representativas (Figura 2). No futuro, à medida que aprendemos mais sobre os perfis Biomoleculares destas vias, podemos refinar o CCF dividindo as vias em quaisquer subtipos descobertos.

Figura 2. Desdobrar a via vascular renal até ao nível da célula única. Uma via vascular representativa entra no rim através da artéria renal, passa pelo glomérulo e retorna a veia renal. Na macroscala (esquerda) e mesoscale (centro), etiquetas em caixas amarelas são estruturas anatômicas que correspondem a diferentes vasos ao longo deste laço. No microscale (à direita), etiquetas em caixas amarelas são diferentes tipos de células que estão a uma curta distância de um recipiente próximo no glomerulus. A posição das células individuais pode ser descrita pelo endereço do navio mais próximo (ex., “RA0” para o capilar de glomerulus), a distância em micrómetros ou o número de células do endotélio do recipiente e um ângulo perpendicular ao comprimento do recipiente (por exemplo, “RA0-10 µm-135°” ou “RA0-1c-135°”). Na extrema-direita, cada recipiente e seu tecido circundante foram extraídos da imagem original e alinhados verticalmente para facilitar ver como os tipos de células e distribuição mudam ao longo da via vascular. Neste exemplo, as imagens alinhadas também foram rodadas de modo que o centro do glomerulus está sempre à direita. arquivo: Imagens do rim e glomerulus são adaptadas da Wikimedia Commons: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:KidneyStructures_PioM.svg (licença CC BY 3.0); e, https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Renal_corpuscle-en.svg (licença CC BY-SA 4.0).

um “endereço” de uma célula individual num sistema de coordenadas vasculares tem quatro componentes. (1) o primeiro é o vaso anatomicamente nomeado mais próximo que identifica mais precisamente um laço vascular (o território vascular ou “bacia hidrográfica”), como a artéria renal direita. (2) o componente seguinte representa o nível de ramificação do navio. No rim, exemplos de proximal a distal incluem as artérias interlobares, artérias radiadas corticais, artérias aferentes e capilares glomerulares. O nível de ramificação também pode ser definido numericamente, com capilares no nível zero, e níveis mais elevados com números maiores. (3) o terceiro componente é a distância perpendicular em micrómetros ou o número de células da camada endotelial do recipiente. (4) um quarto componente facultativo pode ser o ângulo de rotação perpendicular ao comprimento do navio. Zero graus pode ser definido de muitas maneiras, dependendo da aplicação. Por exemplo, pode ser relativo a um marcador na amostra de tecido, ou pode apontar para uma estrutura anatômica, como o centro do glomérulo mais próximo no rim. A utilidade e a necessidade destes componentes teriam de ser confirmadas por testes experimentais.

outra abordagem é usar células endoteliais como” células de ancoragem ” para identificar as posições relativas das outras células de forma GPS. O endotélio perfura toda a vasculatura. Distintos de células endoteliais (CE) tipos aparecem em diferentes partes da vasculatura, a qual pode ser detectada histologicamente através do exclusivo características de células e células vizinhas (o “histológica de impressões digitais”), bem como através da análise de seus gene específico perfis (a “expressão do gene de impressão digital,” Figura 1 mapa de calor) (9, 12, 13). Padrão organizacional Vascular, complexidade de ramificação, diâmetro, etc. fornecer Características adicionais reconhecíveis que formam uma “impressão digital de arquitetura vascular” para cada tecido (Figura 1 imagens fluorescentes de falsa cor) (10, 14). Cada tecido tem gradientes específicos de oxigênio,que podem ser usados para determinar a distância do vaso. Quando PO2 não pode ser medido diretamente, pode-se inferir a distância celular dos gradientes de indução/expressão de genes indutíveis de hipóxia em vários tipos de células (a “impressão digital de hipóxia”, Figura 1 vista transversal de um vaso) (15-17).

benefícios de um CCF Vascular

um sistema de coordenadas vasculaturais faz sentido biologicamente. Cada célula viva deve estar dentro de um pequeno raio do vaso sanguíneo mais próximo (100 µm a 1 mm, dependendo do tecido), a fim de receber oxigênio (18); e, cada recipiente é forrado pela mesma camada contínua de endotélio (19). Assim, a vasculatura forma uma via ininterrupta que atinge todas as partes do corpo, descendo perfeitamente em escalas, de macroscala (corpo inteiro/clínica) a mesoscale até microscale (vasos capilares de tamanho celular único). Como parte disso, ele lida com a transição gradual de grandes artérias e veias, que são conservados na maioria das pessoas, para baixo, para os milhões de vasos microscópicos, que são reconhecíveis por categoria (por exemplo, glomerulus capilar), mas não por nomes individuais. O sistema vascular Adapta-se ao tamanho e forma individuais do corpo, contabilizando variações inter-individuais (20, 21). Define a forma de unidades funcionais em diferentes órgãos, tais como os lóbulos hepáticos, glomérulos renais e alvéolos pulmonares. O desenvolvimento Normal de novos tecidos começa com a formação de vasos antes que outros tipos de células possam crescer em torno dele (22).o sistema vascular também atinge todos os órgãos, tecidos e células de uma forma contígua. Outras estruturas anatômicas não parecem ter versatilidade semelhante. Por exemplo, o sistema esquelético estende-se a todo o corpo; no entanto, a distância de uma célula dentro de um órgão para o osso mais próximo pode ser de vários centímetros, e esse osso é improvável de ser parte do órgão, e ainda menos provável de ser parte de um espécime de tecido. O sistema nervoso segue muitas das mesmas vias que os vasos maiores investidos com propriedades contrácteis, mas não se sabe se eles se estendem para seguir os vasos menores que atingem todas as células do tecido. Assim, ao contrário da dependência das células de oxigénio, não há uma garantia de que todas as células estejam próximas de um nervo. Os sistemas de referência específicos de um órgão baseiam-se em características estruturais únicas que existem apenas nesse órgão individual (por exemplo, regiões específicas do cérebro) e é pouco provável que sejam úteis para representar localizações celulares em outras partes do corpo.existem muitos benefícios práticos de um sistema de coordenadas vasculares. As vias vasculares em todos os órgãos foram amplamente estudadas e são descritas em pormenor na literatura. Eles são úteis, bem conhecidos, e têm nomes padronizados em muitos domínios especiais. Os padrões de vascularização dos tecidos são utilizados clinicamente para diagnosticar a doença.; e, vasos são usados em cirurgia e biópsias como os principais marcos anatômicos e para definir “territórios vasculares” (23, 24). Embora a posição exata no espaço cartesiano 3D possa ser difícil de determinar para um espécime de tecido ressecado, o cirurgião tipicamente será capaz de indicar que bacia vascular incluiu o espécime.

limitações de um CCF Vascular

apenas conhecer os pares de base numa sequência genómica não fornece informação suficiente para determinar como o ADN é dobrado numa determinada célula. Similarmente, embora o sistema de coordenadas vasculares não dobradas possa descrever a relação espacial 3D das células próximas no microscale, os caminhos enrolamento que as naves tomam e a distância relativa entre as células em escalas maiores é perdida. A informação sobre estruturas de maior escala poderia ser obtida integrando imagens clínicas e padrões histológicos e moleculares.algumas informações posicionais adicionais são perdidas devido ao colapso das vias vasculares. Por exemplo, um sistema de coordenadas vasculares pode inicialmente tratar todos os capilares glomerulus no rim como a mesma estrutura, potencialmente mascarando diferenças no glomeruli nos pólos renais superiores e inferiores. No entanto, à medida que aprendemos mais sobre os perfis Biomoleculares destas vias, podemos refinar iterativamente o CCF vascular ao longo do tempo, dividindo as vias em quaisquer subtipos descobertos.

Apesar destas limitações, vascular e o sistema de coordenadas mantém o suficiente informação posicional para responder a vários tipos de perguntas de pesquisa, permitindo que os pesquisadores precisamente para localizar células individuais dentro de unidades funcionais, tecidos e órgãos, ou comparar os efeitos do contexto em vários tipos de células de todo o corpo na macro e meso – escalas.

próximas etapas e direções futuras

na Figura 1 apresentamos uma representação altamente simplificada e estilizada do CCF vascular, a fim de introduzir o conceito geral. As vias vasculares atuais são muito mais complexas, com o CCF vascular completo eventualmente consistindo de centenas ou milhares de estruturas, bem como padrões de ramificação que não seguem um layout rígido de hub-and-spoke. Por exemplo, as veias no sistema Portal hepático, que transportam sangue de vários órgãos para o fígado, e anastomoses circulatórias, como o círculo de Willis no cérebro, correriam perpendicularmente e cruzariam sobre os “raios” na Figura 1.

O CCF vascular também precisará incorporar variantes anatômicas normais da vasculatura, como a tiroideia ima e artérias císticas duplas, da mesma forma que polimorfismos nucleotídicos simples (SNP) descrevem variações normais no genoma. À medida que expandimos e preenchemos os detalhes do CCF vascular, ele pode assumir uma aparência mais Floco de neve ou web-like, com probabilidades atribuídas a diferentes seções para indicar a probabilidade de encontrá-los em uma determinada pessoa.

O CCF vascular real exigirá um esquema de codificação mais sofisticado para nomear navios do que o mostrado na Figura 1, a fim de representar sua complexidade com mais precisão e torná-lo “computável” por algoritmos de software. Uma abordagem é basear-se em ontologias anatômicas existentes, como o UBERON, que já contém identificadores de recursos uniformes únicos (URIs) para muitas embarcações e define vários tipos de Relacionamento, como “branching_part_of”, para descrever como as embarcações se conectam (25).

uma célula pode estar próxima de mais de uma embarcação, caso em que é possível atribuir-lhe um endereço separado em relação a cada embarcação. A investigação futura é necessária para determinar qual deve ser a distância de “corte” apropriada. Pode ser desejável armazenar vários endereços para células para ajudar a triangular sua posição no espaço 3D.embora a nossa motivação inicial para um CCF vascular seja definir um sistema de Coordenadas para especificar a localização das células, a nova disposição radial do corpo humano em torno do vascular, como representado na Figura 1, pode ter outras aplicações científicas. Por exemplo, a informação posicional dentro deste quadro tem analogias ao desenvolvimento embriológico e pode fornecer insights sobre mecanismos que causam doenças ou desregulações que surgem de um grupo de células. Por exemplo, na vascular CCF, macrovascular doenças associadas com diabetes tipo 2 (por exemplo, doença cardíaca isquêmica, doença vascular periférica e doença cerebrovascular) são agrupados perto do centro, enquanto o microvascular doenças (por exemplo, retinopatia, nefropatia e neuropatia) formam um anel em torno de fora (26).

resumo

o sistema vascular tem várias propriedades que respondem às características anteriormente consideradas desejáveis para um CCF para permitir o mapeamento de todas as células do corpo humano (7). (1) funciona em várias escalas. Através de um endotélio contínuo faz uma transição sem descontinuidades de grandes estruturas anatômicas para o nível celular. (2) é aplicável a todos os tecidos do corpo. Como os órgãos se desenvolvem em torno de vasos, a vasculatura molda a arquitetura de órgãos em todas as escalas. Os padrões vasculares são tão distintos que imagens de vasos isolados, com todas as outras células removidas, podem ser facilmente usadas para identificar o órgão. (3) é responsável pelas diferenças entre os dadores. A vascularização Adapta-se naturalmente às variações individuais no tecido, tamanho e forma do corpo. Em vez de ter que mapear as coordenadas 3D de cada glomerulus em uma pessoa para aqueles em outra pessoa, o CCF vascular posicionaria cada célula dentro de um capilar de glomerulus representativo de cada pessoa. (4) a vasculatura é bem conhecida pelos praticantes de muitas especialidades clínicas diferentes, ajudando a diagnosticar doenças e orientar cirurgias, e usada como marcos por patologistas, radiologistas e outros clínicos. Isso facilitaria o posicionamento das amostras de tecido no corpo e o registro da localização de células individuais. Embora nenhum CCF único seja ideal para todos os casos de uso, um CCF vascular define um sistema de coordenadas naturais que tornaria fácil combinar dados Biomoleculares de várias pessoas e fazer perguntas biologicamente relevantes de pesquisa.neste estudo foram analisados conjuntos de dados disponíveis ao público. Estes dados podem ser encontrados aqui: .

contribuições dos autores

GW concebeu este estudo com base em relatórios da reunião CCF 2017 e Workshop CCF 2019. KB e YJ forneceram feedback crítico. GW escreveu o rascunho inicial, com texto adicional transcrito a partir da apresentação do slide CCFWS-01. Todos os autores contribuíram para a edição do manuscrito.esta investigação foi apoiada pelo prémio OT2OD026671 do National Institutes of Health (NIH). Este trabalho não representa a opinião do NIH ou do National Heart, Lung, and Blood Institute (NHLBI).

conflito de interesses

os autores declaram que a pesquisa foi realizada na ausência de quaisquer relações comerciais ou financeiras que possam ser interpretadas como um potencial conflito de interesses.Agradecemos à Dra. Zorina S. Galis dos Institutos Nacionais de saúde para ajudar a desenvolver a ideia de um sistema de coordenadas vascular na reunião CCF 2017 e na oficina CCF 2019, fornecendo-nos apresentações desses eventos, e participando de numerosas discussões que formaram a base deste manuscrito. Os comentários de peritos dos revisores ajudaram a clarificar e a detalhar o sistema comum de coordenadas de base vascular proposto.