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

私たちの血管の壁の中では、血管そのものと、それを包み込む細胞との間で、静かではあるが極めて重要なパートナーシップが行われています。これらの包み込む細胞は「壁細胞（mural cells）」と呼ばれ、ペリサイト（周細胞）や血管平滑筋細胞が含まれます。これらは単なる受動的な被覆層ではありません。それらは、体中に血液を運ぶ微細な管を能動的に形成し、安定させています。これらの細胞がどのように機能しているかを理解するために、科学者たちはその三次元的な形状に注目しなければなりません。長年、研究者たちはこれらの細胞を研究するために平面的な二次元画像に頼ってきましたが、この手法は細胞の複雑でねじれた枝分かれを単一の平面へと押しつぶしてしまいます。このアプローチはしばしば細胞の真の姿を隠してしまい、異なる部分が重なり合うことで、細胞が周囲の血管とどのように接触し、相互作用しているのかを不明瞭にしてしまいます。完全な三次元構造を明確に捉えることができなければ、細胞内部の化学状態が変化した際に、細胞がどのように変化するかを測定することは困難です。

この問題を解決するために、研究者たちは「Mural-VSTA」と呼ばれる新しいデジタルツールを開発しました。これは、細胞と血管の複雑な三次元モデルを取り込み、高い精度で測定するために設計された専用のコンピュータプログラムです。平坦な画像を見る代わりに、このツールは「再構築されたサーフェスメッシュ」、つまり細胞の形状の上に構築されたデジタルな「皮膚」を用いて機能します。このソフトウェアを使用すると、科学者は血管の中心をインタラクティブに辿り、その後、細胞の各部分を注意深く分離して、本体と、外へと伸びる長く細い枝の部分を区別することができます。パーツが分離されると、プログラムは36種類の異なる測定値を算出します。これらの指標は、枝の微細なセグメント、枝全体、そして単一のユニットとしての細胞全体という、3つの異なるスケールにおける細胞の形状を記述します。これらの測定値を用いることで、研究者は細胞がどのように構築されているか、そして血管壁に対してどのように位置しているかを正確に定量化することができます。

研究チームはこの新しいツールを使用して、細胞内の「RhoA」と呼ばれる特定のタンパク質の活性が変化したときに何が起こるかを調査しました。RhoAは、細胞の形状や硬さを決定する細胞内部の骨格を制御する助けとなる分子です。研究者たちは、タンパク質が永久に活性化された状態に固定されるシナリオと、その活性が大幅に減少するシナリオの2つの状況をテストしました。タンパク質が活性化したままになるよう強制されたとき、ツールは細胞の構造がより単純になっていることを明らかにしました。枝の数は減り、より直線的になり、血管により密接に沿うようになりました。この変化は両方のタイプの壁細胞で見られました。しかし、ツールはこれら2つの細胞タイプ間の違いも検出しました。活性化されたタンパク質は、血管平滑筋細胞においては細胞全体とその枝をより強固でコンパクトにしましたが、ペリサイトにおいてはこの特定の変化は起こりませんでした。

タンパク質の活性を低下させた場合、結果は再び異なり、細胞の種類に依存していました。ペリサイトにおいては、枝の数が増え、密度が低くなり、通常よりも広がった状態になりました。対照的に、血管平滑筋細胞は、このような枝の数の増加や密度の低下を示しませんでした。このことは、同じ内部信号が弱められた際、これら2種類の壁細胞が異なる反応を示すことを示唆しています。この研究は、これらの細胞の形状がランダムではなく、内部の化学信号および血管との物理的な関係と密接に結びついていることを裏付けています。複雑な形状を三次元で測定する方法を提供することで、Mural-VISTAは、これら不可欠な細胞がいかにして私たちの血管の健康を維持しているかを知るための、より鮮明な窓を開くものとなります。