編輯 | 蘿蔔皮
空間組學的最新進展已將分子類別分析的範圍擴充套件到轉錄組學之外。然而，許多此類技術都受到空間解析度的限制，阻礙了科學家深入表徵複雜組織結構的能力。現有的計算方法主要側重於轉錄組學資料的解析度增強，缺乏針對各種組學型別的新興空間組學技術的適應性。
在這裡，北京航空航天大學和清華大學的研究人員提出了 soScope，這是一個統一的生成框架，旨在提高從各種空間組學技術獲得的分子譜的資料質量和空間解析度。
soScope 可以彙總來自組學、空間關係和影像的多模態組織資訊，並透過分佈先驗與組學特定建模聯合推斷出具有增強解析度的組學譜。
透過對 Visium、Xenium、spatial-CUT&Tag、slide-DNA/RNA-seq 等多種空間組學平臺的綜合評估，soScope 提高了識別具有生物學意義的腸道和腎臟結構的效能，揭示了無法以原始解析度解決的胚胎心臟結構，並糾正了測序和樣本處理中出現的樣本和技術偏差。
此外，soScope 擴充套件到空間多組學技術 spatial-CITE-seq 和空間 ATAC-RNA-seq，利用跨組學參考同時進行多組學增強。soScope 提供了一種多功能工具來提高不斷擴充套件的空間組學技術和資源的利用率。
該研究以「Tissue characterization at an enhanced resolution across spatial omics platforms with deep generative model」為題，於 2024 年 8 月 2 日釋出在《Nature Communications》。
組織是由具有不同分子狀態和空間組織的細胞構成的。空間組學技術近年來取得了顯著進展，可以在保持空間背景的同時，對各種分子類別進行空間分析。
這些技術在多種生物領域中提供了重要見解，雖然取得了早期成功，但仍面臨兩個主要挑戰：冷凍或福爾馬林固定的組織可能影響分子狀態，降低測序準確性；同時，大多數技術的空間解析度有限，難以揭示組織結構的細微異質性。
雖然計算技術能夠改善空間組學資料的解析度，但目前的方法大多僅針對單一組織模態，難以充分利用多模態資訊。
在這裡，北航和清華的研究團隊引入了空間組學範圍（soScope），這是一個完全生成的框架，它模擬來自不同空間組學技術的點級概況的生成過程，旨在提高它們的空間解析度和資料質量。
為了實現這一目標，soScope 將每個點視為增強空間解析度的“子點”的集合，其組學特徵與空間位置和形態模式相關。
然後，soScope 使用多模態深度學習框架整合斑點組學概況、空間關係和高解析度形態學影像，並聯合推斷子斑點解析度下的組學概況。透過選擇組學特定分佈，soScope 可以對不同的空間組學資料進行精確建模和減少變異。
圖示：soScope 及其應用的概述。（來源：論文）
soScope 提供了一種統一的工具，該工具結合了多模態組織圖譜，以增強具有不同分子類別的組學圖譜。soScope 可以有效提高空間解析度，減少不必要的變化，並能夠表徵無法在原始解析度下檢測到的複雜組織結構。
圖示：對來自多種組織和平臺的空間轉錄組學資料集上的 soScope 進行評估。（來源：論文）
該團隊廣泛評估了 soScope 對透過多種空間技術分析的多種分子型別的有效性和普遍性，包括 Visium、Xenium、spatial-CUT&Tag、slide-DNA-seq、slide-RNA-seq、spatial-CITE-seq 和 spatial ATAC-RNA-seq。
在健康和患病組織中，soScope 改進了組織域識別，提高了已知標記的可區分性，並糾正了資料和技術偏差。該方法能夠揭示比原始解析度高出 36 倍的更精細的組織結構。它可以有效地適應空間多組學資料，以同時增強多組學概況。
研究人員注意到，有幾種基於成像的空間組學技術，例如 seqFISH、STARmap 和 MERFISH，它們可以直接實現單細胞解析度的空間分析，但代價是組學通量較低和組織區域較小。雖然 soScope 為預先指定的亞點或細胞位置提供了增強的配置檔案，但它可能無法達到亞細胞解析度。
圖示：使用空間 CITE-seq 將多組學 soScope 應用於來自人體皮膚組織的空間蛋白質 + 轉錄資料集。（來源：論文）
為了進一步提高解析度，可以修改 soScope 以包含來自同一組織的配對單細胞組學資料，以更高解析度為亞點推斷提供資訊。此外，soScope 還整合了 H&E 影像作為輸入，在某些臨床研究中，人類專家可以輕鬆對其進行註釋。研究人員可以修改 soScope，以整合人類標籤並以半監督方式指導後驗推理，以改進潛在表徵和概況學習。
對於包含來自同一器官的多個連續切片的較大資料集，soScope 可以在部分資料上進行訓練並應用於其餘組織切片，以降低計算成本。
隨著可用空間組學資料資源的不斷擴充套件和新空間技術的出現，研究人員相信 soScope 有潛力成為一種多功能工具，充分利用空間組學資料並增強科學家對複雜組織結構和生物過程的理解。
論文連結：https://www.nature.com/articles/s41467-024-50837-5