国自然2025热点：空间组学开启3D时代

企业 2024-12-27 16:21 浙江

随着华大时空Stereo-seq系列、10X HD等高清空转平台的普及，空间组学已经不满足于高清2D的效果，前沿研究关注到了高清3D模型的搭建。24年就有两篇Cell主刊发表了基于3D模型的研究成果——一篇发表于5月，使用PASTE+Maya+plotly的方案进行人原肠胚的3D模型搭建；另一篇刚在12月发表，作者开发了一个新的3D重建工具Spateo，该工具具有多个重要突破，让我们一起来认识一下！

1、3D重建方法普适性强、精度更高、成本更低

Spateo基于高斯过程、变分推理等算法对齐多张空间数据，并且允许刚性、非刚性、部分对齐、成对对齐、多切片细化、框架校正等功能（图1）。在小鼠脑、人类淋巴瘤、猴脑和小鼠胚胎等多个空间中组学数据集中，作者比较Spateo和其他3D建模工具的效果差异，发现Spateo在准确性、计算效率、内存消耗等方面均优于当前国际主流的3D重建算法（图1-2）。

另外，值得一提的是，Spateo允许非刚性对齐和框架校正。非刚性对齐可以调整实验过程或其他原因导致的组织边缘形变，让同一组织的形态边缘更加顺滑。而框架校正则允许使用外部参考形状框架（如Allen小鼠标准脑图谱 CCF v3）对建模过程进行矫正，让模型更加平滑（图2D）。

图1 Spateo建模过程示意与重建小鼠胚胎3D模型的效果

图2 Spateo优于当前主流的3D 对齐方法

2、强大的数字化和细胞间相互作用分析

Spateo 引入了一种基于图势函数的3D数字化方法，允许用户在2D和3D结构中创建任意轴，从而实现空间组学的轴线相关研究。在细胞互作分析上，Spateo不仅分析了配体-受体，还同时考虑了其对下游基因表达模式的影响，将细胞间互作和细胞内互作联系起来。例如，在小鼠胚胎的丘脑内限制带（ZLI）相关区域，通过定义“背-腹”轴和“喙-尾”轴，表征相关的细胞互作和调控因子变化，展示了Wnt和Bmp家族的信号传导模式。

图3 Spateo 识别ZLI近端的发育过程的细胞间信号传导和细胞内调节网络

3、开创性的形态测量向量场算法

在建立不同发育时期3D模型过程中，Spateo可以分析形态测量向量场，以揭示物理空间中的细胞迁移模式。结合细胞转运过程中的基因表达变化，有助于揭示形态发生的潜在调控机制。典型的是，该分析揭示了小鼠心脏发育过程的不对称迁移模式（图4）。

图4 Spateo表征了小鼠心脏不对称发育的形态学和分子动力学

4、3D模型浏览工具Spateo-viewer

高清3D模型的数据查看是一大难题，Spateo同时发布了一款类似于类似于“Google Earth”的用户友好型 Web 程序Spateo-viewer，可以实现 3D模型及组织结构的直接浏览，并能交互式地可视化基因表达以及器官形态发生模式。

图5 用户友好型的3D模型浏览工具Spateo-viewer

总之，Spateo的发布不仅使空间组学3D模型的构建更加精细、准确、快速，还降低了重建过程的资源消耗，增加了轴线研究、细胞互作分析、形态测量向量场等多个3D空间组学研究手段，应是3D空间组学时代的一大猛将。

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