Mural-VISTA: A tool for mural cell-vessel interaction assessment and multiscale single-cell topo-morphological analysis

In den Wänden unserer Blutgefäße spielt sich eine stille, aber lebenswichtige Partnerschaft zwischen dem Gefäß selbst und den Zellen ab, die es umhüllen. Diese umschließenden Zellen, bekannt als Muralzellen, umfassen Perizyten und vaskuläre glatte Muskelzellen. Sie sind nicht bloß passive Bedeckungen; sie formen und stabilisieren aktiv die winzigen Röhren, die das Blut durch den Körper transportieren. Um zu verstehen, wie diese Zellen funktionieren, müssen Wissenschaftler ihre dreidimensionale Form betrachten. Jahrelang haben Forscher auf flache, zweidimensionale Bilder zurückgegriffen, um diese Zellen zu untersuchen – eine Methode, welche die komplexen, gewundenen Verzweigungen der Zellen in eine einzige Ebene flachdrückt. Dieser Ansatz verbirgt oft die wahre Natur der Zelle, da verschiedene Teile einander überlagern und verschleiern, wie genau die Zelle das Gefäß, das sie umgibt, berührt und mit ihm interagiert. Ohne eine klare Sicht auf die vollständige dreidimensionale Struktur ist es schwierig zu messen, wie sich diese Zellen verändern, wenn sich ihre interne Chemie wandelt.

Um dieses Problem zu lösen, entwickelten Forscher ein neues digitales Werkzeug namens Mural-VISTA. Dies ist ein spezialisiertes Computerprogramm, das darauf ausgelegt ist, komplexe, dreidimensionale Modelle von Zellen und Gefäßen mit hoher Präzision zu vermessen. Anstatt ein flaches Bild zu betrachten, arbeitet das Werkzeug mit einem rekonstruierten Oberflächennetz, was im Wesentlichen eine digitale Haut ist, die über die Form der Zelle gelegt wird. Die Software ermöglicht es einem Wissenschaftler, interaktiv die Mitte des Gefäßes nachzuverfolgen und dann die verschiedenen Teile der Zelle sorgfältig zu trennen, indem sie den Hauptkörper von den langen, dünnen Verzweigungen unterscheidet, die weit ausgreifen. Sobald die Teile getrennt sind, berechnet das Programm sechsunddreißig verschiedene Messwerte. Diese Metriken beschreiben die Form der Zelle auf drei verschiedenen Skalen: die winzigen Segmente eines Astes, den gesamten Ast und die gesamte Zelle als eine einzelne Einheit. Durch die Verwendung dieser Messungen können die Forscher genau quantifizieren, wie die Zelle aufgebaut ist und wie sie im Verhältnis zur Gefäßwand steht.

Das Team nutzte dieses neue Werkzeug, um zu untersuchen, was passiert, wenn die Aktivität eines spezifischen Proteins innerhalb der Zelle, genannt RhoA, verändert wird. RhoA ist ein Molekül, das hilft, das interne Skelett der Zelle zu kontrollen, welches deren Form und Steifigkeit bestimmt. Die Forscher testeten zwei Szenarien: eines, bei dem das Protein in einem dauerhaft aktiven Zustand fixiert wurde, und ein anderes, bei dem seine Aktivität signifikant reduziert wurde. Als das Protein gezwungen wurde, aktiv zu bleiben, zeigte das Werkzeug, dass die Zellen in ihrer Struktur einfacher wurden. Die Verzweigungen wuchsen weniger zahlreich und gerader und richteten sich enger am Gefäß aus. Diese Veränderung trat bei beiden Arten von Muralzellen auf. Das Werkzeug detektierte jedoch auch einen Unterschied zwischen den beiden Zelltypen. Während das aktive Protein die gesamte Zelle und ihre Verzweigungen in den vaskulären glatten Muskelzellen massiver und kompakter machte, trat diese spezifische Veränderung in den Perizyten nicht auf.

Als die Forscher die Aktivität des Proteins reduzierten, fielen die Ergebnisse erneut anders aus und hingen von der Art der Zelle ab. Bei den Perizyten wurden die Verzweigungen zahlreicher und weniger solide und breiteten sich stärker als üblich aus. Im Gegensatz dazu zeigten die vaskulären glatten Muskelzellen nicht denselben Anstieg der Verzweigungsanzahl oder die Abnahme der Solidität. Dies deutet darauf darauf hin, dass die beiden Arten von Muralzellen unterschiedlich reagieren, wenn dasselbe interne Signal gedrosselt wird. Die Studie bestätigt, dass die Form dieser Zellen nicht zufällig ist, sondern eng mit ihren internen chemischen Signalen und ihrer physischen Beziehung zum Gefäß verknüpft ist. Indem Mural-VISTA einen Weg bietet, diese komplexen Formen in drei Dimensionen zu messen, eröffnet es ein klareres Fenster dazu, wie diese essenziellen Zellen die Gesundheit unserer Blutgefäße aufrechterhalten.