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空間多組學(xué)研究思路分享(三):利用AI算法預(yù)測空間生物標(biāo)志物

瀏覽次數(shù):303 發(fā)布日期:2025-11-4  來源:本站 僅供參考,謝絕轉(zhuǎn)載,否則責(zé)任自負(fù)

空間多組學(xué)技術(shù)與人工智能的融合正開啟生物標(biāo)志物挖掘的新范式。本文分享了構(gòu)建AI驅(qū)動(dòng)型空間標(biāo)志物預(yù)測模型的研究思路,通過整合高精度空間轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)與機(jī)器學(xué)習(xí)算法,實(shí)現(xiàn)了從組織微環(huán)境到臨床預(yù)測的系統(tǒng)性跨越。該研究思路不僅突破傳統(tǒng)標(biāo)志物篩選的局限,更通過空間維度特征提取,為疾病分層與復(fù)發(fā)預(yù)測等工作提供全新解決方案。

一. 研究思路

【芯空一號(hào)快訊】空間多組學(xué)研究思路分享(三):利用AI算法預(yù)測空間生物標(biāo)志物
 
二. 研究思路詳解

1、根據(jù)模型的預(yù)測目的,提取合適的組織切片樣品。例如,如果要預(yù)測疾病分層,就要獲取包含不同疾病分期病灶區(qū)的組織樣品,和非病灶區(qū)域樣品。如果要預(yù)測復(fù)發(fā)不復(fù)發(fā),就要分別獲取復(fù)發(fā)與未復(fù)發(fā)的腫瘤組織樣品等等。然后,使用空間轉(zhuǎn)錄組檢測技術(shù)(10x Visium、CosMx SMI)獲得基因的空間表達(dá)圖譜。
 
圖片圖1 空間轉(zhuǎn)錄組聚類結(jié)果示例

 
2、收集組織中主要細(xì)胞類型的經(jīng)典特異性marker基因,進(jìn)行基因集打分,確認(rèn)細(xì)胞相對豐度。比較不同區(qū)域/分組中各細(xì)胞類型的豐度,篩選具有顯著差異的細(xì)胞類型,結(jié)合先驗(yàn)知識(shí),鎖定候選細(xì)胞類型。對候選細(xì)胞類型進(jìn)行細(xì)分,進(jìn)一步鎖定更重要的候選細(xì)胞亞型。

圖片圖2 基于marker基因集打分篩選候選細(xì)胞亞型

3、從候選細(xì)胞亞型中篩選候選的標(biāo)志物基因。通過差異分析(候選細(xì)胞亞型vs其他細(xì)胞類型、候選細(xì)胞亞型在不同區(qū)域的差異比較等)獲得初步的候選基因集。使用廣義線性模型基于基因集的表達(dá)水平進(jìn)一步篩選候選標(biāo)志物基因,隨后用機(jī)器學(xué)習(xí)模型如XGboost等,結(jié)合基因的空間位置信息構(gòu)建預(yù)測模型,并設(shè)計(jì)評(píng)分系統(tǒng)。
 

圖片圖3 篩選候選標(biāo)志物基因并基于空間表達(dá)信息構(gòu)建預(yù)測模型

4、擴(kuò)大隊(duì)列,評(píng)估模型性能。在大隊(duì)列樣品中測試模型性能,將評(píng)分與多種臨床因素指標(biāo)進(jìn)行多變量回歸分析。此外,可將該模型的評(píng)估效果與其他判別方法進(jìn)行比較,確認(rèn)構(gòu)建模型的性能強(qiáng)弱。
 

圖片圖4 在大隊(duì)列樣品中評(píng)估模型的預(yù)測性能并與其他方法比較

5、分析用于構(gòu)建模型的標(biāo)志物基因和表達(dá)標(biāo)志物基因的候選細(xì)胞亞型,確認(rèn)在疾病進(jìn)展中發(fā)揮的功能。使用細(xì)胞互作分析和功能驗(yàn)證實(shí)驗(yàn),為新療法開發(fā)找尋潛在的細(xì)胞或基因靶點(diǎn)。

三. 案例分享
 

圖片

空間免疫評(píng)分系統(tǒng)預(yù)測肝細(xì)胞癌復(fù)發(fā)
期刊:Nature 
影響因子:48.5     
發(fā)表時(shí)間:2025.04

本研究對61例患者的腫瘤侵襲前沿及瘤中心區(qū)域進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)自然殺傷(NK)細(xì)胞呈現(xiàn)與HCC復(fù)發(fā)相關(guān)的空間特異性分布。基于五種生物標(biāo)志物的空間表達(dá)模式,采用極限梯度提升算法與逆方差加權(quán)法,構(gòu)建了腫瘤免疫微環(huán)境空間(TIMES)評(píng)分模型用于預(yù)測HCC復(fù)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)。該TIMES評(píng)分在患者風(fēng)險(xiǎn)分層中的表現(xiàn)優(yōu)于當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)工具(包括TNM分期系統(tǒng)和BCLC分期系統(tǒng))。我們在來自五個(gè)多中心隊(duì)列的231例患者中對模型進(jìn)行了驗(yàn)證,其在實(shí)際臨床中的準(zhǔn)確率達(dá)82.2%,特異性達(dá)85.7%。這些生物標(biāo)志物的預(yù)測效力源于其空間分布特征的整合,而非單一標(biāo)志物的表達(dá)水平。體內(nèi)模型揭示,SPON2(五種標(biāo)志物之一)可增強(qiáng)侵襲前沿區(qū)域的IFNγ分泌及NK細(xì)胞浸潤。本研究推出的TIMES評(píng)分工具可用于預(yù)測HCC復(fù)發(fā)風(fēng)險(xiǎn),為早期HCC治療決策提供了潛在的參考依據(jù)。
 

圖片圖5 研究設(shè)計(jì)

參考文獻(xiàn):
Jia, Gengjie et al. “Spatial immune scoring system predicts hepatocellular carcinoma recurrence.” Nature vol. 640,8060 (2025): 1031-1041.
發(fā)布者:上海生物芯片有限公司
聯(lián)系電話:400-100-2131
E-mail:marketing@shbiochip.com

標(biāo)簽: 空間組學(xué) 基因 SMI
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