基于數(shù)學(xué)框架的3D透明成像分析法在全血管研究的應(yīng)用

血管系統(tǒng)是維持動物體內(nèi)液體平衡和營養(yǎng)運輸?shù)闹匾�網(wǎng)絡(luò)，其功能異常與癌癥、炎癥、纖維化等多種疾病密切相關(guān)。然而，由于傳統(tǒng)成像技術(shù)的局限性，對血管網(wǎng)絡(luò)的完整性和復(fù)雜性的理解仍然存在空白。日本研究團隊在《Nature Communications》發(fā)表的研究中，創(chuàng)新性地將組織透明化技術(shù)（CUBIC）與拓?fù)鋽?shù)據(jù)分析（TDA）、非均勻泊松過程模型（NHPP）相結(jié)合，構(gòu)建了一套從三維成像到數(shù)學(xué)建模的完整分析框架。這一技術(shù)體系為血管生物學(xué)研究提供了全新的方法論范式，標(biāo)志著血管系統(tǒng)研究從定性描述邁入定量解析的新階段。

研究背景與技術(shù)挑戰(zhàn)
血管系統(tǒng)的重要性
血管系統(tǒng)由血液和淋巴兩大網(wǎng)絡(luò)組成，是一個封閉的循環(huán)網(wǎng)絡(luò)，而淋巴系統(tǒng)則是一個單向網(wǎng)絡(luò)，主要負(fù)責(zé)運輸淋巴液、膽固醇和免疫細(xì)胞。血管功能的異常與多種疾病密切相關(guān)，例如癌癥中的血管生成、炎癥中的血管滲漏以及纖維化中的淋巴管重塑。

傳統(tǒng)成像技術(shù)的局限性激光共聚焦與雙光子顯微鏡雖能實現(xiàn)微米級分辨率成像，但受限于組織光散射效應(yīng)，難以穿透厚樣本。磁共振與超聲成像雖具備深層成像能力，卻無法達到細(xì)胞級分辨率。此外，現(xiàn)有技術(shù)對淋巴管的成像靈敏度不足，且缺乏標(biāo)準(zhǔn)化的三維數(shù)據(jù)分析方法。多數(shù)研究仍依賴血管體積、分支點數(shù)量等簡單參數(shù)，無法全面表征血管網(wǎng)絡(luò)的幾何異質(zhì)性。

技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用

CUBIC技術(shù)的原理與優(yōu)勢
CUBIC技術(shù)結(jié)合光片熒光顯微鏡（LSFM），可以捕捉到單細(xì)胞級別的清晰圖像。與傳統(tǒng)的透明化方法相比，無需復(fù)雜的設(shè)備，操作簡便；能夠保留熒光信號，適合多種標(biāo)記方法；適用于多種組織類型，包括腦、肺、胃、腸、腎等。這些特點使得CUBIC成為研究血管網(wǎng)絡(luò)的理想工具。

拓?fù)鋽?shù)據(jù)分析的核心方法
拓?fù)鋽?shù)據(jù)分析（TDA）是一種從復(fù)雜數(shù)據(jù)中提取形狀特征的新技術(shù)，能夠識別數(shù)據(jù)的連通性、環(huán)狀結(jié)構(gòu)和空洞等拓?fù)涮卣�。在研究中，TDA通過構(gòu)建虛擬圓圈，分析血管網(wǎng)絡(luò)的連接性、孔隙和空洞等特征。具體而言，通過逐漸擴大虛擬圓圈的半徑，記錄圓圈的“出生”和“死亡”時間，從而生成持久性圖。這種方法能夠捕捉血管網(wǎng)絡(luò)的全局幾何特征，而無需預(yù)先定義血管的長度、體積或密度等參數(shù)。

非均勻泊松過程模型的應(yīng)用
非均勻泊松過程模型（NHPP）是一種用于評估點過程強度的統(tǒng)計方法。在研究中，NHPP被用來分析血管信號的強度和方向性。通過將血管信號視為三維空間中的點，NHPP能夠計算每個點的強度和方向性參數(shù)，從而實現(xiàn)血管結(jié)構(gòu)的量化分析。與傳統(tǒng)方法相比，NHPP不僅能夠評估血管的強度，還能捕捉其空間分布特征，為血管網(wǎng)絡(luò)的比較和分類提供了新的參數(shù)體系。

使用NHPP分析腦血管

 

成像實驗與結(jié)果分析

 

全器官血管成像的實現(xiàn)
 

利用CUBIC技術(shù)對小鼠的多種器官（如腦、肺、胃、腸、腎等）進行了全器官級別的血管成像，并通過轉(zhuǎn)基因小鼠實現(xiàn)了血液和淋巴血管的特異性標(biāo)記。實驗結(jié)果顯示，CUBIC能夠清晰呈現(xiàn)血管的三維結(jié)構(gòu)，包括肝、胃和腸中的密集毛細(xì)血管網(wǎng)絡(luò)，以及腎小球和小腸絨毛中的微血管分布。此外，通過TDA和NHPP的分析，研究者發(fā)現(xiàn)不同器官的血管網(wǎng)絡(luò)具有獨特的幾何特征。

 

小鼠血管的全身和全器官3D成像

 

小鼠淋巴管的全器官3D成像

 

病理模型中的應(yīng)用
 

在肺纖維化模型中，研究者觀察到淋巴管結(jié)構(gòu)的顯著改變。通過CUBIC成像和TDA分析，研究者發(fā)現(xiàn)纖維化肺中的淋巴管呈現(xiàn)出特定的幾何特征，表明該技術(shù)能夠捕捉病理條件下的血管變化。此外，在B16F10肺癌轉(zhuǎn)移模型中，研究者發(fā)現(xiàn)腫瘤與淋巴管的共定位現(xiàn)象。實驗結(jié)果顯示，在腫瘤形成的早期階段，淋巴管與腫瘤細(xì)胞并未共存，但在腫瘤發(fā)展到后期時，淋巴管與腫瘤的共定位顯著增加。這一發(fā)現(xiàn)為理解癌癥轉(zhuǎn)移機制提供了新的視角。

 

計算訓(xùn)練評估3D圖像

 

腫瘤轉(zhuǎn)移與淋巴管相互作用
 

研究者進一步分析了腫瘤與淋巴管的相互作用。通過TDA和NHPP的結(jié)合分析，研究者發(fā)現(xiàn)腫瘤周圍的淋巴管結(jié)構(gòu)發(fā)生了顯著變化，包括分支長度和半徑的減小以及幾何特征的重塑。這些變化可能與腫瘤誘導(dǎo)的炎癥反應(yīng)和血管滲漏有關(guān)。研究結(jié)果表明，CUBIC技術(shù)不僅能夠量化轉(zhuǎn)移性腫瘤的體積，還能通過分析淋巴管的時空變化，揭示腫瘤微環(huán)境中的血管重塑機制。

總結(jié)與展望
CUBIC技術(shù)與TDA、NHPP的結(jié)合，為血管結(jié)構(gòu)的三維分析提供了一種全新的模態(tài)。這一方法不僅能夠可視化全器官級別的血管網(wǎng)絡(luò)，還能通過數(shù)學(xué)框架量化血管的幾何特征和空間分布，為研究血管功能異常及相關(guān)疾病提供了強有力的工具。這一創(chuàng)新方法不僅填補了傳統(tǒng)成像技術(shù)的空白，還為疾病機制的探索和治療策略的開發(fā)提供了全新的視角。隨著技術(shù)的進一步優(yōu)化（如自動化信號分類和更高性能顯微鏡的開發(fā)），該方法有望在臨床診斷和疾病研究中發(fā)揮更大作用。

論文信息
聲明：本文僅用作學(xué)術(shù)目的。

Takahashi K, Abe K, Kubota SI, Fukatsu N, Morishita Y, Yoshimatsu Y, Hirakawa S, Kubota Y, Watabe T, Ehata S, Ueda HR, Shimamura T, Miyazono K. An analysis modality for vascular structures combining tissue-clearing technology and topological data analysis. Nat Commun. 2022 Sep 12;13(1):5239.

DOI:10.1038/s41467-022-32848-2.