Giotto Suite：构建跨尺度、技术无关的空间多组学分析生态系统

《Nature Methods》推荐：为解决空间多组学数据在多尺度整合、技术兼容性及可视化分析中的瓶颈问题，Rubens Dries与Guo-Cheng Yuan团队开发了Giotto Suite——一套模块化R包生态系统。其核心创新在于提出技术无关的统一数据框架，支持分子、形态学与空间注释信息的融合分析，并实现了与Bioconductor、Seurat等平台的互操作。该工具显著提升了大规模空间数据（如MERFISH、Xenium、Stereo-seq）的分析效率与可重复性，为多尺度生物系统研究提供全新基础设施。

　　

随着空间多组学技术的迅猛发展，研究人员如今能够在组织原位捕获不同分子层面的信息（如转录组、蛋白质组、表观遗传组），并在多个尺度上——从亚细胞结构到细胞群乃至组织区域——解析生物系统的空间架构。然而，海量、多模态、多分辨率的空间数据的高效表示、整合与可视化仍面临巨大挑战。现有工具多针对特定技术或单一尺度设计，缺乏统一的、可扩展的框架来支持跨技术、跨模态的整合分析，严重限制了从系统生物学角度全面理解组织功能与疾病机制的能力。

在此背景下，国际研究团队在《Nature Methods》上发表了题为“Giotto Suite: a multiscale and technology-agnostic spatial multiomics analysis ecosystem”的研究论文，推出了新一代空间多组学分析生态系统——Giotto Suite。该系统通过模块化R包集合、创新的数据框架和高度可扩展的工程实现，为多尺度、多模态空间数据的首尾分析提供了完整解决方案。

为开展本研究，团队主要依托以下几项关键技术：基于R语言构建模块化分析体系；开发giottoPoints、giottoPolygon和giottoLargelmage等核心类以统一表示点、多边形和图像数据；采用DelayedArray和HDF5后端实现大规模数据延迟计算与磁盘存储；利用空间统计与插值方法（如双变量Moran's I）评估多模态空间关联；通过Shiny应用实现交互式区域标注与三维数据探索；并建立与SpatialExperiment、Seurat、AnnData等主流生态系统的双向转换接口。研究所用数据来自公共数据库，包括10x Genomics Xenium／Visium、Vizgen MERFISH、Stereo-seq及人类淋巴结节成像质谱（IMC）等多个技术平台的数据集。

研究结果主要包括以下四个方面：

Giotto Suite核心框架

该系统以轻量级、可扩展的S4类对象为核心，提供giottoPoints（代表转录本等点数据）、giottoPolygon（代表细胞、网格等多边形结构）和giottoLargelmage（处理图像数据）三种基本数据结构，支持从亚细胞到组织域的多尺度数据聚合与查询。该框架允许用户在相同分析环境中处理不同来源和技术的数据，并保留数据的原始信息和空间关系。

多尺度与多组学分析应用

通过分析MERFISH人类乳腺癌数据，研究演示了Giotto Suite在多尺度注释（如细胞核、细胞、邻域和域）上的灵活性，并开展亚细胞水平分析，如识别核内与胞质富集的转录本（如核腔相关基因和COPII包裹内质网至高尔基转运囊泡相关基因）。此外，团队还整合多个z栈层的三维数据，实现跨层细胞表达模式比较与技术误差评估。

配准与多模态整合

利用10x Genomics乳腺癌多切片数据，研究实现了Visium、Xenium、H&E和免疫荧光图像的跨技术配准。结果发现ERBB2基因与HER2蛋白在221.7 μm2格点水平呈现高空间相关性（双变量Moran's I = 0.71），而低表达基因（如HDC）在不同技术间一致性较差。该案例突显了Giotto Suite在协调多技术、多分辨率数据中的优势。

可扩展性、交互性与互操作性

针对大规模数据（如Stereo-seq小鼠胚胎数据，包含2.92亿个空间单元），Giotto Suite引入数据库后端（DuckDB）和延迟计算策略，显著降低内存占用。系统还提供交互式Shiny工具，支持用户手动标注兴趣区域、选择三维切片并进行实时下游分析。通过与VitesseR、Bento等工具集成，进一步扩展了其交互可视化能力。

Giotto Suite的推出不仅填补了多模态空间数据整合基础设施的关键空白，也极大促进了空间系统生物学研究的发展。其技术无关的设计和高度模块化的架构，使得用户和开发者能够灵活应对快速演进的技术 landscape，并在同一框架下实施标准化分析流程。此外，系统对FAIR原则的贯彻以及与多个大型生物信息学社区的互操作支持，为未来空间数据共享、方法评价和大型联盟项目（如HuBMAP）提供了坚实基石。

尽管当前版本在原始数据前处理和新出现技术（如空间代谢组）的支持上仍存局限，但其开放的架构和活跃的开发者社区将有力推动后续功能的持续增强与人工智能方法的集成。综上所述，Giotto Suite为代表的空间多组学分析生态系统将成为推动精准医学和单细胞时空生物学研究的关键工具。