Cell子刊！华大开发新算法，为组织发育和疾病研究提供重要支撑

2025.02.04 内容来源：华大BGI

细胞时空分化轨迹‌是指在个体发育过程中，细胞在不同时间和空间条件下的分化过程。细胞分化的轨迹推断，能够为研究组织发育、疾病进展提供重要见解。由于细胞位置和周围环境的不同，细胞分化具有空间异质性。然而，现有很多方法忽视了细胞的空间分布，且仅限于解析简单的发育路径。

北京时间2月4日，西南华大生命科学研究院科研团队成功开发了推断细胞时空分化轨迹的新算法SpaTrack，相关成果在线发表于Cell旗下子刊Cell Systems。该算法可充分整合细胞的转录组和空间信息，构建细胞分化的动态轨迹，为揭示组织发育、器官再生和疾病进展的动态研究提供了有效的方法支持与重要见解。

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Cell Systems官网截图

空间坐标和取样时间可以作为补充转录组特征的重要约束条件，用于细胞分化的轨迹推断。华大自主研发的时空组学技术Stereo-seq作为一种领先的高精度捕获细胞时空组学的检测技术，为研究团队提供了细胞转录组和空间分布的精确信息。

基于最优传输理论和单细胞空间转录组学，研究团队开发新算法SpaTrack，自然地将空间距离纳入细胞分化的成本测量中，能够准确捕捉生物组织的局部分化细节、空间上不连续的分化轨迹。

利用算法优势，SpaTrack能够实现以下几个主要功能：（1）从单细胞空间转录组数据中，直接构建精细的细胞分化轨迹；（2）通过直接细胞映射，追踪跨时间样本的细胞分化轨迹；（3）通过建模预测转录因子在分化过程中对基因表达的调控关系，捕捉发育的驱动因素。

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SpaTrack功能与原理示意图

研究团队对SpaTrack在多种模拟和真实的分化场景下进行了性能测试，并与多种现行方法进行比较，均表明SpaTrack在稳定性和准确性上具有优势。进而，研究团队将SpaTrack应用于多个生物系统的研究中，结果表明，SpaTrack在重建细胞分化轨迹、揭示相关分化事件和寻找驱动因素等方面表现出色，并帮助研究取得了新的发现。

举例而言，研究团队重构了蝾螈端脑的受损再生过程，揭示了蝾螈脑在损伤区域和正常区域不同的分化轨迹；在解析小鼠胚胎的中脑发育过程中，研究团队观察到多个关键前体细胞在多时间点样本中的分化过程和空间协调特征；在肿瘤的生长和转移过程的研究中，SpaTrack帮助发现了肿瘤的生长扩增表现出了空间异质性，其中一条以上皮间质转化为特征的分化路径，其肿瘤细胞发生了转移，在淋巴结区域形成了转移位的肿瘤。

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应用SpaTrack揭示蝾螈脑损伤再生过程（A）、小鼠胚胎中脑发育过程（B）以及肿瘤生长和转移过程（C）

文章共同通讯作者、西南华大生命科学研究院秦鹏飞副研究员表示，“以Stereo-seq为代表的时空组学技术极大推动了生物系统在发育分化问题上的研究，本次开发的新算法借助空间转录组信息，在解析组织发育和疾病进展的时空动态上取得了初步成效。接下来团队将进一步实现时空多组学的融合，解析多源分化、复杂分化等复杂问题。”

研究团队在GitHub上提供了SpaTrack的开源软件和使用教程（https://github.com/yzf072/SpaTrack）。同时，该软件也在华大时空云平台STOmics Cloud上开放使用，赋能时空组学的应用和研究。

西南华大生命科学研究院秦鹏飞副研究员和吴靓研究员、深圳华大生命科学研究院朱红梅和徐讯研究员为该论文的共同通讯作者。北京华大生命科学研究院沈旭楠博士、天津华大基因科技有限公司左璐璐博士、西南华大生命科学研究院工程师叶中飞、华大学院-南开大学联合培养研究生袁中阳为该论文的共同第一作者。该项目得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、深圳市科技项目等基金的支持，同时也得到了国家基因库（www.cngb.org）的支持。

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