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

瀏覽次數(shù):499 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

空間多組學(xué)技術(shù)與人工智能的融合正開啟生物標志物挖掘的新范式。本文分享了構(gòu)建AI驅(qū)動型空間標志物預(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)與機器學(xué)習(xí)算法,實現(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、收集組織中主要細胞類型的經(jīng)典特異性marker基因,進行基因集打分,確認細胞相對豐度。比較不同區(qū)域/分組中各細胞類型的豐度,篩選具有顯著差異的細胞類型,結(jié)合先驗知識,鎖定候選細胞類型。對候選細胞類型進行細分,進一步鎖定更重要的候選細胞亞型。

圖片圖2 基于marker基因集打分篩選候選細胞亞型

3、從候選細胞亞型中篩選候選的標志物基因。通過差異分析(候選細胞亞型vs其他細胞類型、候選細胞亞型在不同區(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水平進一步篩選候選標志物基因,隨后用機器學(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)計評分系統(tǒng)。
 

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

4、擴大隊列,評估模型性能。在大隊列樣品中測試模型性能,將評分與多種臨床因素指標進行多變量回歸分析。此外,可將該模型的評估效果與其他判別方法進行比較,確認構(gòu)建模型的性能強弱。
 

圖片圖4 在大隊列樣品中評估模型的預(yù)測性能并與其他方法比較

5、分析用于構(gòu)建模型的標志物基因和表達標志物基因的候選細胞亞型,確認在疾病進展中發(fā)揮的功能。使用細胞互作分析和功能驗證實驗,為新療法開發(fā)找尋潛在的細胞或基因靶點。

三. 案例分享
 

圖片

空間免疫評分系統(tǒng)預(yù)測肝細胞癌復(fù)發(fā)
期刊:Nature 
影響因子:48.5     
發(fā)表時間:2025.04

本研究對61例患者的腫瘤侵襲前沿及瘤中心區(qū)域進行分析,發(fā)現(xiàn)自然殺傷(NK)細胞呈現(xiàn)與HCC復(fù)發(fā)相關(guān)的空間特異性分布;谖宸N生物標志物的空間表達模式,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)評分模型用于預(yù)測HCC復(fù)發(fā)風(fēng)險。該TIMES評分在患者風(fēng)險分層中的表現(xiàn)優(yōu)于當(dāng)前標準工具(包括TNM分期系統(tǒng)和BCLC分期系統(tǒng))。我們在來自五個多中心隊列的231例患者中對模型進行了驗證,其在實際臨床中的準確率達82.2%,特異性達85.7%。這些生物標志物的預(yù)測效力源于其空間分布特征的整合,而非單一標志物的表達水平。體內(nèi)模型揭示,SPON2(五種標志物之一)可增強侵襲前沿區(qū)域的IFNγ分泌及NK細胞浸潤。本研究推出的TIMES評分工具可用于預(yù)測HCC復(fù)發(fā)風(fēng)險,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

參考文獻:
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

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