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

우리 혈관의 벽 안에서는 혈관 자체와 그 주위를 감싸고 있는 세포들 사이에 조용하지만 필수적인 파트너십이 펼쳐집니다. 이 감싸는 세포들은 벽세포(mural cells)로 알려져 있으며, 주세포(pericytes)와 혈관 평활근 세포(vascular smooth muscle cells)를 포함합니다. 이들은 단순히 수동적인 덮개가 아닙니다. 이들은 몸 전체에 혈액을 운반하는 미세한 관들을 능동적으로 형성하고 안정화합니다. 이 세포들이 어떻게 기능하는지 이해하기 위해, 과학자들은 이들의 3차원적 형태를 살펴봐야 합니다. 수년 동안 연구자들은 이 세포들을 연구하기 위해 평면적인 2차원 이미지를 활용해 왔는데, 이 방식은 세포의 복잡하게 뒤틀린 가지들을 단일 평면으로 납작하게 만듭니다. 이러한 접근 방식은 종종 세포의 진정한 본질을 숨기며, 서로 다른 부분들이 겹치게 만들어 세포가 둘러싸고 있는 혈관과 정확히 어떻게 접촉하고 상호작용하는지를 모호하게 만듭니다. 세포의 완전한 3차원 구조를 명확하게 볼 수 없다면, 내부 화학 성분이 변화할 때 세포가 어떻게 변하는지 측정하기 어렵습니다.

이 문제를 해결하기 위해, 연구진은 Mural-VISTA라는 새로운 디지털 도구를 개발했습니다. 이것은 세포와 혈관의 복잡한 3차원 모델을 받아 높은 정밀도로 측정하도록 설계된 특수 컴퓨터 프로그램입니다. 평면적인 사진을 보는 대신, 이 도구는 세포의 형태 위에 구축된 디지털 피부와 같은 재구성된 표면 메쉬(surface mesh)를 사용하여 작동합니다. 이 소프트웨어를 통해 과학자는 혈관의 중심을 대화형으로 추적할 수 있으며, 그 후 세포의 본체와 뻗어 나가는 길고 가는 가지들을 구분하여 각 부분을 세심하게 분리할 수 있습니다. 부분이 분리되면, 프로그램은 36가지의 서로 다른 측정값을 계산합니다. 이 지표들은 세 가지 다른 척도, 즉 가지의 아주 작은 마디, 전체 가지, 그리고 하나의 단위로서의 세포 전체의 관점에서 세포의 형태를 설명합니다. 이러한 측정값을 사용함으로써, 연구자들은 세포가 정확히 어떻게 구성되어 있는지, 그리고 혈관벽과 어떤 관계를 맺으며 자리 잡고 있는지를 정량화할 수 있습니다.

연구팀은 이 새로운 도구를 사용하여 세포 내부의 특정 단백질인 RhoA의 활성이 변할 때 어떤 일이 일어나는지 조사했습니다. RhoA는 세포의 형태와 강직도를 결정하는 내부 골격을 조절하는 데 도움을 주는 분자입니다. 연구진은 두 가지 시나리오를 테스트했습니다. 하나는 단백질이 영구적으로 활성화된 상태로 고정된 경우였고, 다른 하나는 그 활성이 현저히 감소한 경우였습니다. 단백질이 계속 활성 상태를 유지하도록 강제되었을 때, 도구는 세포의 구조가 더 단순해졌음을 보여주었습니다. 가지들은 수가 적어지고 더 곧게 뻗었으며, 혈관과 더 밀접하게 정렬되었습니다. 이러한 변화는 두 종류의 벽세포 모두에서 나타났습니다. 그러나 이 도구는 두 세포 유형 사이의 차이점 또한 감지했습니다. 활성 단백질이 혈관 평활근 세포를 더욱 견고하고 조밀하게 만들었지만, 이러한 특정한 변화는 주세포에서는 일어나지 않았습니다.

연구진이 단백질의 활성을 줄였을 때, 결과는 다시 달랐으며 세포의 종류에 따라 차이를 보였습니다. 주세포의 경우, 가지들이 더 많아지고 덜 견고해졌으며 평소보다 더 넓게 퍼졌습니다. 반면, 혈관 평활근 세포는 이러한 가지 수의 증가나 견고함의 감소를 보이지 않았습니다. 이는 동일한 내부 신호가 약해질 때 두 종류의 벽세포가 서로 다르게 반응한다는 것을 시사합니다. 이 연구는 이러한 세포의 형태가 무작위적인 것이 아니라, 내부의 화학적 신호 및 혈관과의 물리적 관계와 밀접하게 연결되어 있음을 확인해 줍니다. 복잡한 형태를 3차원으로 측정할 수 있는 방법을 제공함으로써, Mural-VISTA는 이 필수적인 세포들이 우리 혈관의 건강을 어떻게 유지하는지에 대한 더 명확한 창을 제공합니다.