Polarity-JaM：解锁细胞极性、连接与形态量化的图像分析新利器

在细胞极性研究中，图像数据分析面临挑战。研究人员开发了开源软件包 Polarity-JaM，对内皮细胞进行研究。结果表明其可量化多种细胞特征，为细胞极性研究提供了新方法，助力理解细胞行为及相关疾病机制。

　　在生命科学的微观世界里，细胞就像一个个神秘的小宇宙，其中细胞极性的研究至关重要。细胞极性涉及细胞内信号分子、细胞器的不对称分布，以及细胞形态和细胞间接触的改变，它在从血管生成到组织修复等众多生物学过程中都发挥着关键作用。想象一下，细胞如同精密的机器，其内部各组件的有序排列和相互协作是维持正常功能的基础，而细胞极性就是这台机器正常运转的重要保障。

随着科技的飞速发展，荧光显微镜和深度学习算法为细胞极性研究带来了前所未有的机遇。通过荧光显微镜，研究人员能够获取高分辨率、高内涵的细胞图像，在亚细胞分辨率下观察细胞内的微观世界；深度学习算法更是如虎添翼，能够实现对单个细胞和细胞器近乎人类精度的分割。然而，这也带来了新的难题。面对海量且复杂的图像数据，如何进行全面、准确且易于理解的分析成为了摆在科学家面前的一道难题。就好比在一座巨大的知识宝库中，虽然拥有了丰富的宝藏，但却缺乏有效的钥匙去开启和整理它们。

在这样的背景下，来自德国多个研究机构（如 Max Delbrück Center for Molecular Medicine in the Helmholtz Association、DZHK （German Center for Cardiovascular Research）等）的研究人员开启了一项重要研究。他们开发了一款名为 Polarity-JaM 的开源软件包，旨在为细胞极性、连接和形态量化的图像分析提供有力工具。这一研究成果发表在《Nature Communications》上，引起了广泛关注。

为了开展这项研究，研究人员运用了多种关键技术方法。在图像获取方面，他们使用共聚焦显微镜对经过处理的细胞样本进行成像；在细胞和细胞器分割环节，采用了 Cellpose、Otsu 阈值分割等算法；在数据分析时，运用了一系列统计学方法，如计算极性指数、V - 检验等。

下面来详细看看研究结果：

1. 亚细胞细胞器定位的不对称性：细胞极化是一个动态过程，涉及多种细胞成分的重组。研究人员以核 - 高尔基体定位和核位移为指标进行研究。在不同剪切应力和培养基条件下处理内皮细胞，通过计算核 - 高尔基体向量、极性指数和 signed 极性指数（V），发现内皮细胞在剪切应力下核 - 高尔基体极化与核位移高度相关且方向相反。
2. 形状取向和形态：细胞形态对细胞功能至关重要。研究人员对比了静态、6 dyne/cm2 剪切应力 24 小时和 20 dyne/cm2 剪切应力 48 小时这三种实验条件下内皮细胞的形态变化。通过计算细胞和细胞核的取向、长宽比以及形状对称性等指标，发现较高剪切应力（20 dyne/cm2）下细胞取向更集中于平行于流动方向，且细胞伸长和形状对称性变化显著。
3. 细胞内信号梯度的量化：信号分子的梯度分布是细胞极性的重要特征。以 NOTCH1 蛋白为例，研究人员通过计算标记极性和线索方向强度比来量化信号梯度。对比静态和剪切应力处理 2 小时的内皮细胞，发现剪切应力处理后 NOTCH1 信号的标记线索方向强度比和标记极性发生变化，且两者存在强相关性。
4. 细胞内强度模式：为了解细胞内特定过程的定位，研究人员对 Krüppel 样因子 4（KLF4）在细胞核和细胞质中的信号强度进行量化。结果显示，在 6 dyne/cm2 流动处理 4 小时后，KLF4 在细胞核中的定位显著增加，16 小时后有所下降。
5. 连接形态：细胞 - 细胞连接对组织架构至关重要。研究人员利用已有工具 JunctionMapper 的细胞 - 细胞接触特征，对内皮细胞连接进行分析。计算界面占有率、每界面面积强度和簇密度等特征，发现流动刺激后内皮细胞连接的这些特征发生明显变化。
6. 可重复性、可复制性和互操作性：Polarity - JaM 软件包具备多种执行场景，生成标准化输出，并采用常用格式存储数据，便于与其他工具结合使用。同时，它还拥有简单的 Python API 和 Napari 插件，方便用户进行交互操作。

在研究结论和讨论部分，Polarity - JaM 软件包能够同时计算细胞极性的多种特征，实现单细胞和集体的高内涵内皮细胞表型分析。通过网络应用程序可进行交互式圆形统计分析，并提供了直观的图形设计展示数据。该研究不仅适用于内皮细胞，还可推广到其他细胞类型，如心肌细胞、上皮细胞等，且不受限于荧光显微镜成像方式。不过，研究也面临一些挑战，如对亚细胞结构的更好分割、处理 3D 组织和类器官图像数据等问题，这些将是未来研究的方向。总体而言，Polarity - JaM 软件包为细胞极性研究提供了创新的工具和方法，有助于深入理解细胞行为和相关疾病机制，为生命科学和健康医学领域的研究开辟了新的道路 。