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空间转录组细胞邻域(Cellular Neighborhood)分析

 健明 2025-05-25 发布于广东

Cell Neighborhood(细胞邻域)概念来自 2020 年 7 月份发表在 Cell 杂志上的文献,标题为《Coordinated Cellular Neighborhoods Orchestrate Antitumoral Immunity at the Colorectal Cancer Invasive Front》这项工作和研究思路,堪称细胞空间邻域研究的典范

文献数据背景

作者选择了 17 例 CLR 和 18 例 DII 患者的队列,在肿瘤浸润前构建免疫肿瘤微环境的组织芯片(图1B和1C):

CLR组:该组在肿瘤浸润前沿表现出大量三级淋巴组织(TLSs)的从头形成——“克罗恩样反应”(Crohn’s-like reaction,CLR);

DII组:这组定义为无 TLSs ,但存在弥漫性炎症浸润(diffuse inflammatory infiltration,DII);

临床特征CLR 组患者的总生存期远长于 DII 组患者

细胞邻域(cellular neighborhoods)定义

CN:细胞邻域(cellular neighborhoods、CNs),定义:We identified CNs as regions of the tissue with a specific local density of various CTs(cell types)。即空间切片组织中的一个区域,这个特定的区域由不同的细胞类型组成,这种区域可以反映一些特定的组织结构和生物学状态。

那这个区域如何划分呢,这是一个非常重要的点!下面是文章使用用了窗口进行的的一个定义:

窗口定义: For every cell in the tissue, its 10 nearest spatial neighbors, which we labeled its ''window,’’ were identified。

对于每一个细胞,他周围的10个最邻近的邻居,定义为一个区域单位。(为什么是10个细胞,不是5个,不是20个?先保留一下这个疑问。)

CN识别示意图如下图A:

CNs 的构建过程:

  • step1.邻近窗口构建:以每个细胞为中心,计算其与周围10个最近邻细胞的物理距离,形成一个windows,上图的1;
  • step2.对windows进行聚类:将所有 windows 的细胞类型组成(上图2示意图矩阵)进行 K-means 聚类(如K=15),识别出具有相似细胞类型组成的空间区域,即邻域;
  • step3.富集分析:通过超几何检验评估每个邻域中特定细胞类型的富集打分;
  • step4.邻域注释:根据富集的细胞类型和已知生物学知识(如三吉林把结构),为每个聚类赋予生物学意义的名称,如下面的图B的每一行注释。

在 2023年7月19 号发表在 Nature 中的另一篇文献《Organization of the human intestine at single-cell resolution》,也采用了这样的分析策略,示意图如下:

识别9个不同的CNs

识别后的CNs可以使用什么方式进行展示呢,如图B热图

  • 每一行为一个细胞邻域,并标注了这个细胞领域中的主要富集细胞类型;

  • 每一列为一种细胞类型,颜色代表每种细胞在每个邻域中的富集打分。

如图C:CLR 和 DII 患者 CN 代表性 Vorsonoi 图,插页为H&E图像

图D &E:Voronoi 图显示代表性的患者33 (D)和19 (E)的9种不同的CNs(左面板)和相应的7色图像(右面板)。

图F:CLR 与 DII 患者的9种 CNs 频率差异。每个点代表每个患者四个 TMA 核的平均 CN 频率,水平线代表每个患者之间的平均频率(***表示 p < 0.001, Student’s t 检验)

图6A:TMA spots的Voronoi图示例。不同颜色表示不同CNs,CN中的点表示CD4+(左)和CD8+ T细胞(右)

图D:每个CN中CD4+ (FOXP3) T细胞、CD8+ T细胞和Treg细胞至少有一种功能标记(ICOS、Ki-67和PD-1)呈阳性的相对比例。

图E:CN-1、CN-2、CN- 4和CN-6中标记阳性CD4+ T细胞、CD8+ T细胞和Treg细胞的CN特异性CT频率的小提琴图

结果说明:结直肠癌免疫肿瘤微环境的细胞邻域特征:在不同病人Group间具有保守性。从细胞形成的空间结构来观察患者样本,而不仅仅是单个细胞的集合,将为iTME的组织过程提供见解。

算法实现

这个方法作者放在github上:https://github.com/nolanlab/NeighborhoodCoordination

需要有python基础,作者的代码也提供的比较详细,还有发表的这篇文献相关的脚本 paper_submission.zip

去看看吧~

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