細胞是生命的基本單位，其在組織内的空間分布和組成決定了系統的結構和功能。例如，在神經組織中，神經元和膠質細胞以特定的方式排列，确保信息的高效傳遞；在肝髒中，不同類型細胞（如肝細胞和Kupffer細胞）在解剖學上形成特定的結構，發揮代謝和免疫的雙重功能。在腫瘤微環境中，腫瘤細胞、免疫細胞和基質細胞的相互作用和空間重塑可以影響腫瘤的生長、侵襲和轉移。然而，腫瘤微環境是一個極其複雜的異質性系統，不同的細胞群體在腫瘤的不同階段和微環境條件下表現出多樣化的空間分布與組成，這種異質性極大地限制了對其功能的全面解析。因此，識别具備特定細胞分布和組成的空間區域，即所謂的“空間域”（spatial domain），對于揭示腫瘤微環境的功能至關重要。這些空間域可能成為關鍵的細胞信号傳遞與相互作用的“熱點”，通過研究這些熱點，研究人員能夠發現影響腫瘤生長與轉移的關鍵生物标志物和潛在治療靶點。
近年來，空間分辨轉錄組學技術的興起，極大地推動了我們對複雜組織（如腫瘤微環境）中細胞組成與功能的理解。這些技術使研究者能夠在單細胞水平上探究細胞的基因表達譜，揭示其在特定空間位置上的異質性和功能多樣性。然而，如何從空間轉錄組數據中識别與病理相關的空間域仍面臨巨大挑戰。一方面，傳統的聚類方法依賴空間鄰近性和基因表達數據識别不同區域的特定表達模式，從而揭示其病理功能，但往往忽視了不同細胞類型之間的功能關聯和相互作用。另一方面，反卷積方法雖然能夠推測出特定區域的細胞類型比例，卻未充分考慮這些細胞的空間連續性及其複雜的相互作用網絡。
2024 年 9 月 27 日，伟徳国际官网登录入口陳迪俊課題組在《Science Advances》雜志發表了題為 “SpaTopic: A statistical learning framework for exploring tumor spatial architecture from spatially resolved transcriptomic data” 的研究論文。該研究開發了一種名為 SpaTopic 的統計學習框架，通過主題建模（topic modeling）将空間轉錄組數據的聚類和反卷積分析有機結合，能夠将腫瘤微環境劃分為具有一緻細胞組成的空間域，從而實現對其精細的功能注釋。SpaTopic能夠精準識别多種與腫瘤功能相關的空間域，包括三級淋巴結構和腫瘤邊界等。更為重要的是，SpaTopic 推斷出的空間域标記基因穩定性強，具有良好的遷移能力，能夠用于預測新數據集中的空間域。此外，SpaTopic 還支持跨數據集的空間域定量比較和功能分析，為腫瘤微環境的功能解析提供了強大的工具和全新視角，其推斷出的空間域标記物具有廣泛的應用潛力。
簡單來說，SpaTopic利用空間轉錄組學數據和單細胞轉錄組數據作為輸入，進行空間域的預測、注釋和比較。其分析流程大緻如下：首先，利用反卷積方法推斷每個空間點（spot）的細胞類型組成，并通過無監督聚類方法将這些空間點初步聚類。接着，使用 Kolmogorov-Smirnov（KS）檢驗來确定每個分群的細胞類型特異性得分。然後，應用主題模型對細胞類型特異性矩陣進行分解，得到兩個概率分布矩陣：一個是“主題-細胞類型矩陣”，表示每個主題中不同細胞類型的分布；另一個是“分群-主題矩陣”，表示每個分群在不同主題中的概率分布。在此基礎上，對“分群-主題矩陣”進行二值化處理，将每個分群分配到特定的主題（稱為 CellTopics）。通過這些步驟，能夠将空間點的分群映射到相應的主題，其中屬于特定主題的分群被定義為空間域（spatial domains）。因此，SpaTopic不僅能夠準确表征空間域中的細胞類型，還能實現不同空間轉錄組數據集之間的定量比較和空間基因表達模式的挖掘。
圖1. SpaTopic技術流程圖
三級淋巴結構是非淋巴組織中因慢性炎症形成的獨特免疫微環境，包含B細胞、T細胞、樹突狀細胞（DCs）等多種免疫細胞。TLSs的細胞組成因組織和炎症條件的不同而存在變異，給計算預測帶來挑戰。通過對原發性肝癌的空間轉錄組數據進行分析，SpaTopic識别出與TLSs相關的空間域，這些空間域與B細胞、T細胞和樹突狀細胞等免疫細胞緊密共定位，形成了典型的TLSs結構。此外，SpaTopic不僅為TLSs的識别提供了一種無偏的方法，其衍生的标記基因集TLS-25在不同癌症類型中顯示出一緻的表達模式，能夠有效預測TLS的存在，并與患者的生存率相關聯。
圖2. SpaTopic對TLSs的準确識别
進一步，SpaTopic 對結直腸癌（CRC）原發腫瘤和肝轉移腫瘤的空間細胞組織進行了比較分析，成功識别了原發腫瘤和轉移腫瘤的不同空間域，并通過聚類分析将它們歸為七個主要的MetaTopics。原發腫瘤和轉移腫瘤的MetaTopics 展現出一緻的細胞組成，揭示了特定細胞類型的功能組合。例如：來自 MetaTopic2（M2）的Mac_SPP1細胞亞群在原發腫瘤中高度富集，而 Mac_CXCL9 細胞亞群則在轉移腫瘤的 M4 和 M6 中增加。研究發現原發腫瘤和轉移腫瘤之間存在共享和獨特的 MetaTopics，同時特定 MetaTopics（如 M6 和 M7）專屬于轉移腫瘤。這些發現與單細胞數據分析結果一緻，進一步證明原發腫瘤與轉移腫瘤之間的細胞組成和功能差異。
圖3. SpaTopic在結直腸癌肝轉移性腫瘤空間域的定量比較
然後，通過深入分析不同 MetaTopics 間的基因表達模式，得到 907 個基因在各MetaTopics中表現出顯著差異，并将它們劃分為七個不同的基因模塊（K1 到 K7）。例如：基因模塊 K3 在轉移特異性 MetaTopic M7 中顯著高表達，包含脂肪酸代謝和急性炎症反應等生物過程，标志着腫瘤轉移的特征。模塊 K4 和 K5 在原發腫瘤相關 MetaTopics中活躍，涉及能量生産和代謝調控等功能。模塊 K7 在原發和轉移相關的MetaTopics間共享，富含免疫相關通路。通過整合六個空間轉錄組數據集，MetaTopics在相似的基因表達模式的特定點聚類中明确映射，進一步驗證了SpaTopic在空間域定量比較和功能注釋中的有效性。
圖4. MetaTopics 的表達分析
綜上所述，該研究展示了SpaTopic在解析和注釋腫瘤微環境中細胞空間域方面的強大能力。通過識别具有一緻基因表達模式和細胞類型構成的空間域，SpaTopic不僅能夠揭示腫瘤微環境中的潛在功能單元，還支持跨樣本和跨數據集的定量比較，具有較好的适用性。
伟徳国际官网登录入口陳迪俊副教授為該論文的通訊作者，伟徳国际官网登录入口博士研究生張月蕾、2020級本科生俞邊炯和明文軒（兩位均為新入學碩士研究生）為論文共同第一作者。伟徳国际官网登录入口王進教授和碩士研究生周小龍也參與本研究。該研究得到了伟徳国际官网登录入口高層次人才引進項目和國家自然科學基金面上項目的資助。
論文鍊接
https://www.science.org/doi/pdf/10.1126/sciadv.adp4942