Introducere

la examinarea sistemelor de coordonate care ar putea fi utilizate pentru diferite entități biologice, ar trebui luate în considerare caracteristicile specifice. De exemplu, numărul cromozomului și poziția perechii de baze formează un sistem de coordonate liniar care este suficient pentru a defini locația în genomul de referință (1). Cu toate acestea, un sistem de coordonate pentru întregul corp uman, care poate servi nevoilor HuBMAP, HCA, HPA și alte eforturi de cartografiere, este mult mai complex din mai multe motive (2-5). În primul rând, celulele trăiesc în trei dimensiuni; și sunt necesare informații suplimentare pentru a descrie dimensiunea și orientarea rotativă a oricărei probe de țesut utilizate pentru a genera datele. În al doilea rând, în timp ce poziția perechii de baze a genomului nu depinde de modul în care ADN-ul este pliat și ambalat în nucleu, pozițiile elementelor individuale (de ex., celulele, organele) din corp sunt dinamice, deoarece se pot schimba cu mișcările scheletice și musculare, gravitația, respirația, bătăile inimii și alte funcții și forțe care distorsionează țesutul. În al treilea rând, deși variabilitatea ADN-ului între oameni este <1%, geometria corpului uman se întinde pe o gamă largă de înălțimi, greutăți și forme, care variază în funcție de sex și rasă și se schimbă semnificativ pe durata de viață a unei persoane.

o opțiune este utilizarea unui sistem de coordonate carteziene 3D pentru a descrie poziția în interiorul corpului. Sistemele de coordonate carteziene au avantajul de a fi familiare și ușor de înțeles. Cu corpul în poziție anatomică standard, stânga-dreapta, caudal-cranian și posterior-anterior formează trei axe perpendiculare (x-y-z). Pentru analize la scară mai mică, centrarea originii pe un reper anatomic ar putea fi cea mai utilă și potențial mai puțin variabilă între diferite persoane. De exemplu, ar fi mai ușor să se măsoare distanța unei probe de țesut de la rinichi la polul superior al rinichiului decât la vârful capului unei persoane. Dezavantajul coordonatelor carteziene este că axele sale nu urmează forma naturală a corpului. Drept urmare, crearea unei hărți a corpului de referință prin „coaserea” digitală a specimenelor de țesut colectate de la persoane de diferite dimensiuni ar necesita un proces complex de deformare, rotire și aliniere a datelor. A face acest lucru într-un mod care se scalează la întregul corp, menținând în același timp precizia la nivel celular ar fi extrem de provocator.

alte sisteme de coordonate 3D au fost dezvoltate pentru diferite aplicații. De exemplu, coordonatele sferice, cu axe reprezentând latitudine, longitudine și altitudine, descriu în mod convenabil locația de pe suprafața Pământului. O cale simplă în coordonate sferice, cum ar fi” 1 km est”, este mult mai dificil de comunicat folosind coordonatele carteziene. În mod similar, sistemele de coordonate pentru corpul uman ar trebui să aibă în mod ideal axe care urmează structuri anatomice, modele de expresie genetică, gradienți chimici și/sau alte căi relevante din punct de vedere biologic. Au fost dezvoltate mai multe sisteme de coordonate specifice organelor, cum ar fi coordonatele Talairach pentru imagistica funcțională a creierului, dar acestea nu se extind la întregul corp (6).

sistem de coordonate vasculare

în 2017, o întâlnire comună a cadrului de coordonate (CCF) a fost organizată de Institutele Naționale de Sănătate, Institutul Broad, Institutul Sanger și inițiativa Chan Zuckerberg. Participanții la întâlnire, care au inclus anatomiști, patologi, clinicieni și experți în tehnologie din întreaga lume, au sugerat mai multe abordări pentru cartografierea celulelor corpului uman, inclusiv sisteme de coordonate bazate anatomic (7). Unul dintre acestea, care utilizează vasculatura, a fost discutat în continuare la un atelier CCF din 2019, în special pentru localizarea celulelor renale (8). În acest manuscris, prezentăm o prezentare conceptuală a acestui sistem de coordonate vascular și descriem beneficiile și limitările acestuia (Figura 1).

scopul unui sistem de coordonate vasculare nu este de a construi o hartă a vasculaturii. Mai degrabă, ideea este de a folosi căile vasculare cunoscute prin corp ca o axă într-un sistem de coordonate care poate descrie poziția elementelor anatomice, cum ar fi celulele, în țesutul care înconjoară vasculatura. În acest cadru propus, camerele inimii pot fi privite ca origine în harta întregului corp. Axa vasculară conține bucle vasculare (comparabile cu” drumurile ” din metafora Hărții Google) care se extind prin aorta sau artera pulmonară, se reduc treptat la dimensiunea unei singure celule pe măsură ce se apropie de fiecare altă celulă din fiecare organ din corp și se întorc la inimă. De-a lungul acestor căi, vasculatura urmează biologia unică a diferitelor organe și țesuturi; și, de asemenea, organele și țesuturile corpului nu ar putea exista fără proprietățile unice ale vasculaturii lor strâns integrate.așa cum Harta genomului desfășoară ADN-ul într-o secvență liniară, ne putem imagina desfășurarea complexelor răsuciri 3D ale axei vasculaturii într-o formă mai simplă 2D „hub-and-spoke” cu camerele inimii în centru. Această reprezentare schematică a vasculaturii face mai ușoară (1) descrierea locației în corp; (2) alinierea căilor vasculare cu forme 3D variate, dar funcții echivalente de la oameni diferiți; (3)identificarea tiparelor precum modificările tipului de celule și expresia genelor ca o tranziție de la vase mai mari la mai mici într-un organ (de-a lungul unei spițe); și (4) comparați țesutul la același nivel (de exemplu, capilare) în diferite organe (peste spițe).

un organ, cum ar fi rinichiul, are zeci de mii de căi vasculare dacă fiecare capilar este considerat distinct. Cu toate acestea, pentru a face posibilă construirea unui CCF, vom face o presupunere suplimentară simplificatoare că multe dintre aceste căi nu se pot distinge între ele. În special, cele mai mici vase (capilare) se află în centrul micilor unități funcționale specializate din fiecare organ (de ex., lobule hepatice în ficat, glomeruli în rinichi și Alveole în plămâni). Un organ întreg necesită multe dintre aceste unități funcționale centrate pe vase care sunt similare anatomic și fiziologic (11). Această similitudine poate fi utilizată pentru a restrânge numeroase căi vasculare în câteva căi reprezentative (Figura 2). În viitor, pe măsură ce aflăm mai multe despre profilurile biomoleculare ale acestor căi, putem rafina CCF prin împărțirea căilor în orice subtipuri descoperite.

o „adresă” a unei celule individuale dintr-un sistem de coordonate vasculare are patru componente. (1) Primul este cel mai apropiat vas numit anatomic care identifică cel mai precis o buclă vasculară (teritoriul vascular sau „bazinul hidrografic”), cum ar fi artera renală dreaptă. (2) următoarea componentă reprezintă nivelul de ramificare al vasului. În rinichi, Exemple de la proximal la distal includ arterele interlobare, arterele radiate corticale, arteriolele aferente și capilarele glomerulare. Nivelul de ramificare poate fi, de asemenea, definit numeric, cu capilare la nivelul zero și niveluri mai ridicate cu un număr mai mare. (3) a treia componentă este distanța perpendiculară în micrometri sau numărul de celule din stratul endotelial al vasului. (4) o a patra componentă opțională ar putea fi unghiul de rotație perpendicular pe lungimea vasului. Zero grade pot fi definite în mai multe moduri, în funcție de aplicație. De exemplu, poate fi relativ la un marker pe specimenul de țesut sau poate indica o structură anatomică, cum ar fi centrul celui mai apropiat glomerul din rinichi. Utilitatea și necesitatea acestor componente ar trebui confirmate prin teste experimentale.

o altă abordare este utilizarea celulelor endoteliale ca „celule de ancorare” pentru a identifica pozițiile relative ale celorlalte celule într-un mod asemănător GPS-ului. Endoteliul acoperă întreaga vasculatură. Tipuri distincte de celule endoteliale (EC) apar în diferite părți ale vasculaturii, care pot fi detectate histologic prin caracteristicile celulare unice și celulele vecine („amprenta histologică”), precum și prin analiza profilurilor lor genetice specifice („amprenta expresiei genetice”, Figura 1 harta căldurii) (9, 12, 13). Modelul organizatoric Vascular, complexitatea ramificării, diametrul etc. furnizați caracteristici suplimentare recunoscute care formează o” amprentă arhitecturală vasculară ” pentru fiecare țesut (Figura 1 Imagini de vasculatură fluorescentă cu culori false) (10, 14). Fiecare țesut are gradienți specifici de oxigen, care pot fi utilizați pentru a determina distanța de la vas. Când PO2 nu poate fi măsurat direct, se poate deduce distanța celulară față de gradienții de inducție/Expresie ai genelor inductibile de hipoxie în diferite tipuri de celule („amprenta hipoxiei”, Figura 1 vedere transversală a unui vas) (15-17).

beneficiile unui CCF Vascular

un sistem de coordonate vascularizate are sens biologic. Fiecare celulă vie trebuie să se afle într-o rază mică de cel mai apropiat vas de sânge (100 mm până la 1 mm, în funcție de țesut) pentru a primi oxigen (18); și, fiecare vas este căptușit de același strat continuu de endoteliu (19). Astfel, vasculatura formează o cale neîntreruptă care ajunge la toate părțile corpului, înclinându-se perfect pe scări, de la macroscală (întregul corp/clinic) la mezoscală până la microscală (vase capilare cu o singură celulă). Ca parte a acestui lucru, se ocupă de tranziția treptată de la arterele și venele mari, care sunt conservate la majoritatea oamenilor, până la milioanele de vase microscopice care sunt recunoscute pe categorii (de exemplu, glomerul capilar), dar nu prin nume individuale. Sistemul vascular se adaptează dimensiunii și formei individuale a corpului, reprezentând variații interindividuale (20, 21). Definește forma unităților funcționale din diferite organe, cum ar fi lobulele hepatice, glomerulii renali și alveolele pulmonare. Dezvoltarea normală a țesutului nou începe cu formarea vaselor înainte ca tipurile de celule suplimentare să poată crește în jurul acestuia (22).

sistemul vascular ajunge, de asemenea, la toate organele, țesuturile și celulele într-o manieră contiguă. Alte structuri anatomice nu par să aibă o versatilitate similară. De exemplu, sistemul scheletic se extinde la întregul corp; cu toate acestea, Distanța de la o celulă dintr-un organ până la cel mai apropiat os poate fi de câțiva centimetri și este puțin probabil ca acel os să facă parte din organ și chiar mai puțin probabil să facă parte dintr-un specimen de țesut. Sistemul nervos urmează multe dintre aceleași căi ca și vasele mai mari investite cu proprietăți contractile, dar nu se știe dacă acestea se extind pentru a urma vasele mai mici care ajung la toate celulele tisulare. Astfel, spre deosebire de dependența celulelor de oxigen, nu există o garanție că fiecare celulă se află în imediata apropiere a unui nerv. Sistemele de referință specifice organelor se bazează pe caracteristici structurale unice care există numai în acel organ individual (de exemplu, regiuni specifice ale creierului) și este puțin probabil să fie utile pentru reprezentarea locațiilor celulare în altă parte a corpului.

există multe beneficii practice ale unui sistem de coordonate vasculare. Căile vasculare în toate organele au fost studiate extensiv și sunt descrise în detaliu în literatură. Sunt utile, bine cunoscute și au nume standardizate în multe domenii de specialitate. Modelele de vascularizare tisulară sunt utilizate clinic pentru a diagnostica boala; și, vasele sunt utilizate în chirurgie și biopsii ca repere anatomice principale și pentru a defini „Teritoriile vasculare” (23, 24). Deși poziția exactă în spațiul cartezian 3D ar putea fi dificil de determinat pentru un specimen de țesut rezecat, chirurgul va putea de obicei să indice care bazin vascular a inclus specimenul.

limitările unui CCF Vascular

numai cunoașterea perechilor de baze dintr-o secvență genomică nu oferă suficiente informații pentru a determina modul în care ADN-ul este pliat într-o anumită celulă. În mod similar, deși sistemul de coordonate vasculare desfășurat poate descrie relația spațială 3D a celulelor din apropiere la scară microscopică, căile de înfășurare pe care le iau vasele și distanța relativă dintre celule la scări mai mari se pierde. Informații despre structuri la scară mai mare ar putea fi obținute prin integrarea imagisticii clinice și a modelelor histologice și moleculare.

unele informații poziționale suplimentare se pierd prin colapsul căilor vasculare. De exemplu, un sistem de coordonate vasculare ar putea trata inițial toate capilarele glomerului din rinichi ca aceeași structură, mascând potențial diferențele în glomeruli la polii renali superiori și inferiori. Deși, pe măsură ce aflăm mai multe despre profilurile biomoleculare ale acestor căi, putem rafina iterativ CCF vascular în timp prin împărțirea căilor în orice subtipuri descoperite.în ciuda acestor limitări, un sistem de coordonate vasculare păstrează suficiente informații poziționale pentru a răspunde la multe tipuri de întrebări de cercetare, permițând cercetătorilor să localizeze cu precizie celulele individuale în unități funcționale, țesuturi și organe sau să compare efectele contextului asupra diferitelor tipuri de celule din întregul corp la scară macro și mezo.

pașii următori și direcțiile viitoare

în Figura 1 prezentăm o reprezentare extrem de simplificată și stilizată a CCF vascular pentru a introduce conceptul general. Căile vasculare reale sunt mult mai complexe, CCF vascular complet constând în cele din urmă din sute sau mii de structuri, precum și modele de ramificare care nu urmează un aspect strict al butucului și spițelor. De exemplu, venele din sistemul portal hepatic, care transportă sângele de la mai multe organe la ficat și anastomozele circulatorii, cum ar fi cercul lui Willis din creier, ar rula perpendicular și ar trece peste „spițele” din Figura 1.CCF vascular va trebui, de asemenea, să încorporeze variante anatomice normale ale vasculaturii, cum ar fi thyroidea ima și arterele chistice duble, în același mod în care polimorfismele nucleotidice unice (SNP) descriu variațiile normale ale genomului. Pe măsură ce extindem și completăm detaliile CCF vasculare, ar putea avea un aspect mai fulg de zăpadă sau de tip web, cu probabilități atribuite diferitelor secțiuni pentru a indica probabilitatea de a le găsi într-o anumită persoană.

CCF vascular actual va necesita o schemă de codificare mai sofisticată pentru denumirea vaselor decât ceea ce este prezentat în Figura 1, pentru a reprezenta complexitatea sa mai precis și a o face „calculabilă” prin algoritmi software. O abordare este de a construi pe ontologii anatomice existente, cum ar fi UBERON, care conține deja identificatori unici de resurse uniforme (uri) pentru multe nave și definește diferite tipuri de relații, cum ar fi „branching_part_of”, pentru a descrie modul în care navele se conectează (25).

o celulă poate fi în apropiere de mai multe nave, caz în care este posibil să-i atribuiți o adresă separată în raport cu fiecare navă. Sunt necesare cercetări viitoare pentru a determina care ar trebui să fie distanța adecvată de „tăiere”. Ar putea fi de dorit să stocați mai multe adrese pentru celule pentru a ajuta la triangularea poziției lor în spațiul 3D.

deși motivația noastră inițială pentru un CCF vascular este de a defini un sistem de coordonate pentru specificarea locației celulelor, Noua dispunere radială a corpului uman în jurul vascularului, așa cum este descris în Figura 1, ar putea avea alte aplicații științifice. De exemplu, informațiile poziționale din acest cadru au analogii cu dezvoltarea embriologică și ar putea oferi o perspectivă asupra mecanismelor care provoacă boli sau dereglări care apar dintr-un grup de celule. De exemplu, în CCF vascular, bolile macrovasculare asociate cu diabetul de tip 2 (de exemplu, boala cardiacă ischemică, boala vasculară periferică și boala cerebrovasculară) sunt grupate în apropierea centrului, în timp ce bolile microvasculare (de exemplu, retinopatia, nefropatia și neuropatia) formează un inel în jurul exteriorului (26).

rezumat

sistemul vascular are mai multe proprietăți care răspund la caracteristicile considerate anterior ca fiind de dorit pentru un CCF pentru a permite cartografierea tuturor celulelor din corpul uman (7). (1) funcționează pe mai multe scări. Printr-un endoteliu continuu face o tranziție fără probleme de la structuri anatomice mari până la nivel celular. (2) se aplică tuturor țesuturilor corpului. Deoarece organele se dezvoltă în jurul vaselor, vasculatura încadrează arhitectura organelor la toate scările. Modelele vasculare sunt atât de distincte încât imaginile vaselor singure, cu toate celelalte celule îndepărtate, pot fi utilizate cu ușurință pentru a identifica organul. (3) se explică diferențele donatorilor. Vascularizarea se adaptează în mod natural la variațiile individuale ale țesutului, dimensiunii și formei corpului. În loc să trebuiască să mapeze coordonatele 3D ale fiecărui glomerul de la o persoană la cele de la o altă persoană, CCF vascular ar poziționa fiecare celulă într-un capilar glomerul reprezentativ de la fiecare persoană. (4) vasculatura este bine cunoscută practicienilor din multe specialități clinice diferite, ajutând atât la diagnosticarea bolilor, cât și la ghidarea intervențiilor chirurgicale și folosită ca repere de către patologi, radiologi și alți clinicieni. Acest lucru ar facilita poziționarea probelor de țesut în organism și înregistrarea locației celulelor individuale. Deși niciun CCF nu este ideal pentru toate cazurile de utilizare, un CCF vascular definește un sistem natural de coordonate care ar facilita combinarea datelor biomoleculare de la mai multe persoane și ar pune întrebări de cercetare relevante din punct de vedere biologic.

Declarația de disponibilitate a datelor

seturile de date disponibile publicului au fost analizate în acest studiu. Aceste date pot fi găsite aici: https://www.proteinatlas.org.

contribuțiile autorului

GW a conceput acest studiu pe baza rapoartelor de la reuniunea CCF din 2017 și atelierul CCF din 2019. KB și YJ au oferit feedback critic. GW a scris proiectul inițial, cu text suplimentar transcris din prezentarea diapozitivului CCFWS-01. Toți autorii au contribuit la editarea manuscrisului.

finanțare

această cercetare a fost susținută de Institutul Național de sănătate (NIH) premiul OT2OD026671. Această lucrare nu reprezintă opinia NIH sau a Institutului Național al Inimii, Plămânului și sângelui (NHLBI).

Conflict de interese

autorii declară că cercetarea a fost realizată în absența oricăror relații comerciale sau financiare care ar putea fi interpretate ca un potențial conflict de interese.

mulțumiri

îi mulțumim Dr. Zorina S. Galis de la Institutul Național de sănătate pentru a ajuta la dezvoltarea ideii unui sistem de coordonate vascular la reuniunea CCF 2017 și atelierul CCF 2019, oferindu-ne prezentări de la aceste evenimente și participând la numeroase discuții care au stat la baza acestui manuscris. Comentariile experților de către recenzori au ajutat la clarificarea și detalierea sistemului de coordonate comune propus pe bază vasculară.