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功能组织单位（Functional tissue units, ftu）是器官的基本组成部分，对于理解和模拟器官的健康生理功能和疾病状态非常重要。在这里，作者提出了来自10个健康人体器官的22个解剖学基础的ftu目录，作为正在进行的构建人体所有细胞的人类参考图谱的国际努力的一部分。
人体参考图谱中功能组织单位的研究解读
在构建人体参考图谱（Human Reference Atlas，HRA）的国际合作进程中，印第安纳大学 Luddy 信息学、计算与工程学院智能系统工程系的研究人员 Supriya Bidanta、Katy B?rner 等人在Nature Communications期刊上发表了题为 “Functional tissue units in the Human Reference Atlas” 的论文。这一研究成果意义重大，它为深入理解人体器官的生理功能以及疾病状态下的变化提供了关键支撑，是 HRA 构建不可或缺的部分，为后续在医学研究、药物开发、教育等多领域的应用奠定了坚实基础。
一、研究背景
HRA 旨在构建一个可免费获取的健康成人体单细胞水平图谱，这一庞大的国际项目由 17 个联盟共同推进。在人体结构层次中，器官系统处于较高层级，其包含的各个器官由不同组织构成，而组织则由重复的功能组织单位（Functional Tissue Units，FTUs）组成。FTUs 作为器官的基本构建单元，对理解器官健康生理功能及疾病状态下的变化至关重要。
早期，Bernard de Bono 等人将 FTUs 定义为 “以毛细血管为中心的三维细胞块，该细胞块内每个细胞与其他细胞间的距离都在扩散距离范围内”，这个定义强调了细胞间的扩散关系。随着研究的深入，为契合 HRA 项目需求，研究人员对其进行了修订，将 FTUs 描述为 “能够执行独特生理功能且在整个器官中多次复制的最小组织单位” 。在本研究中，进一步拓展了 FTUs 的定义，使其形成嵌套层次结构，以解释多个 FTUs 协同完成复杂功能的情况，这一拓展为深入研究人体组织功能提供了更完善的理论框架。
二、研究材料与方法
研究人员为开发 HRA 中的 FTUs 和实验数据可视化，采用了一套严谨的八步流程：
- 结构与类型确定：查阅解剖结构、细胞类型和生物标志物（ASCT + B）表，精准识别 FTU 中存在的解剖结构和细胞类型。
- 几何特征识别：从学术论文中已发表的 FTU 几何实验数据和组织学可视化资料里，获取 FTU 的形状、尺寸和细胞类型信息。
- 初步绘图：由专业医学插画师依据上述信息，绘制 FTU 在细胞水平的初始铅笔草图。
- 专家评议：具备丰富人体解剖学和单细胞研究经验的器官专家，对 FTU 的属性和初始草图进行评估并提出意见。
- 矢量绘图：专业医学插画师按照 “Creating 2D Reference Illustrations for FTU” 标准操作程序（SOP）和 “Style Guide for Human Reference Atlas 2D Functional Tissue Unit (FTU) Illustrations” 风格指南，绘制 FTU 的矢量图。
- 再次审查修订：器官专家再次审查绘制的矢量图、相关元数据及现有免责声明，根据需要提出修改建议并完成修订。
- 编制交叉表：依据 “Authoring Crosswalk Tables Between Functional Tissue Unit (FTU) Illustrations and ASCT + B Tables” 标准操作程序，编制交叉表，将 FTU 矢量文件中的元素（解剖结构和细胞类型）与 ASCT + B 表中的对应项关联起来。
- 数据记录与发布：记录每种细胞类型的细胞数量，通过 HRA 门户将 FTU 的二维文件连同所有元数据和交叉表作为 HRA 版本的一部分发布。
通过这一系列步骤，确保了研究数据的准确性、可视化结果的规范性以及与其他数据集的关联性，为后续研究提供了高质量的数据和可视化资源。
三、研究结果
（一）FTUs 的嵌套组织
HRA v2.0 的第 6 版涵盖了分布在 10 个不同器官中的 22 个 FTUs。其中，顶层 FTUs 由较小的 FTUs 组成，例如肾脏肾单位就是由七个嵌套 FTUs 构成的顶层 FTU。研究通过列出 10 个器官及其包含的 FTUs，明确了各 FTU 对应的 Uberon ID，构建了 2D - FTU 交叉表，将 22 个 FTUs 中的所有解剖结构和细胞类型分别与 Uberon 和细胞本体（Cell Ontology）相关联，为深入研究 FTUs 的层次结构和组成成分提供了清晰的框架。
（二）FTUs 的几何属性
研究详细测定并记录了各 FTUs 的几何属性，对于球形 FTUs，如肺泡，列出其典型直径值（或范围）；对于圆柱形 FTUs，像肾内髓集合管，则给出长度和直径数据。胰腺闰管的直径在头部最大、尾部最小。这些精确的几何数据为从形态学角度理解 FTUs 的功能差异提供了量化依据。
（三）FTUs 的血管连接
研究团队此前发布的 HRA 血管通用坐标框架（HRA - VCCF）数据库，包含了近千条人体血管的丰富信息。在本研究中，借助该数据库确定了直接为每个 FTU 供血或引流的血管。例如，肾单位的供血和引流涉及多条血管，如升直小血管、降直小血管等；指表皮嵴虽无血管，但可通过真皮乳头扩散获取氧气。研究还尽可能将血管映射到相应的 Uberon ID 或基础解剖模型（FMA）本体 ID，发现约 83% 的血管能在这些本体中找到对应，这为研究血管与 FTUs 的空间关系和物质交换提供了重要线索。
（四）细胞类型
在 HRA 门户上可获取 22 个 FTUs 中不同细胞类型的详细列表，以肾脏肾单位内的 FTUs 为例，展示了其中多种细胞类型及其对应的细胞本体（CL）ID，像肾小体包含壁层上皮细胞、足细胞等多种细胞类型。这一成果为研究细胞功能和细胞间相互作用提供了基础数据。
（五）细胞的空间排列
研究以 2D 插图形式记录了每个 FTU 中细胞的空间排列和类型信息，这些插图保存为 SVG、PNG 和 AI 格式。其中，SVG 文件可转换为 JSON 文件，通过链接元数据实现结构的可选择查看，并且编制了交叉表，将 FTUs 中的 2D 解剖结构和细胞类型与 HRA 中的相应术语和 ID 关联起来。不同放大倍数的 2D 插图为观察细胞空间排列提供了多维度视角。
（六）FTU 目录的海报可视化
为将 FTUs 置于 HRA 的宏观背景下，研究人员创建了可视化图谱，展示了 HRA 第 5 版中 1607 个解剖结构、1943 种细胞类型及其血管连接。可视化图谱由两个径向树图组成，一个呈现人体解剖结构和细胞类型的嵌套 “部分 onomy”，另一个展示血管结构，代表 FTUs 的节点以绿色突出显示。该可视化图谱可从指定网站下载 AI 或 PDF 格式文件，且会随 HRA 的更新而完善，为直观理解 FTUs 与人体整体结构的关系提供了有效工具。
四、研究结论与讨论
本研究系统地整理和描述了 10 个器官中 22 个 FTUs 的关键信息，涵盖定义、物理尺寸、血管连接和细胞组成等方面，并将解剖结构和细胞类型映射到相应本体，确保了数据的标准化和可计算性。这是首次对主要重要器官中 FTUs 及相关血管通路进行全面系统的编目，为后续研究搭建了坚实的数据平台。
研究提供的 FTU 插图采用多种标准格式，如 PNG 适用于展示和出版，SVG 和 AI 格式便于编辑，且 SVG 格式支持创建交互式用户界面，增强了数据的实用性。虽然当前 FTU 目录存在数据来源多样、未列出解剖变异等局限性，但已在多个 HRA 应用场景中发挥作用，如通过 Kaggle 竞赛开发识别 FTUs 的分割代码，用于自动计数和计算生物标志物表达值，还用于比较组织数据中的分层细胞邻域与目录中的 FTUs。
从更广泛的角度来看，FTU 目录为研究人员提供了一个通用框架，有助于探究 FTU 相关信息在不同供体人口统计学特征（年龄、性别、种族）和不同疾病状态下的差异。通过理解 FTUs 之间的异同，能够辅助预测药物不良反应、发现新的药物靶点，在医学研究和药物开发领域具有潜在应用价值。此外，相关数据和 2D 插图在教育领域也有重要意义，可用于对比不同器官和组织的生理学和血管系统，帮助学生和专业人员更好地理解人体结构和功能。研究人员还计划将不同数据门户的实验数据映射到这 22 个 FTUs，并开发交互式用户界面，进一步挖掘 FTUs 在不同条件下的变化规律，推动人体参考图谱的不断完善和发展。
这项关于人体参考图谱中功能组织单位的研究成果，在整合人体微观结构信息、推动多领域研究应用方面迈出了重要一步，为未来深入探索人体奥秘提供了关键的理论和数据支持，对生命科学领域的发展具有深远的影响。
