空间倍性推断新方法：基于定量成像的iSPy管道在多物种组织中的应用与验证

《Cell Reports Methods》：Spatial ploidy inference using quantitative imaging

本研究针对组织内细胞核倍性空间信息缺失的技术瓶颈，开发了名为iSPy（inferring Spatial Ploidy）的高通量计算管道。通过结合显微成像与无监督高斯混合模型（Gaussian mixture model），研究人员在拟南芥、果蝇和人类心脏组织中实现了非破坏性的倍性定量分析，并生成空间倍性分布图。该方法突破了传统流式细胞术破坏组织结构的局限，为发育生物学、再生医学及疾病研究提供了重要工具。

　　

在生物体发育、应激响应及疾病进程中，细胞核的倍性（ploidy）变化具有关键作用。然而，传统倍性检测方法如流式细胞术需破坏组织，无法保留空间信息；而基于显微成像的手动分析效率低下。为此，Russell等人开发了iSPy管道，通过定量成像与无监督机器学习，实现了跨物种组织的空间倍性映射，相关成果发表于《Cell Reports Methods》。

本研究主要采用以下技术方法：

1. 1.
   核分割与特征提取：使用ilastik软件对三维或二维投影的显微图像进行核分割，并提取核体积、荧光强度等特征；
2. 2.
   高斯混合模型聚类：基于核特征对倍性类别进行无监督聚类，通过AIC（Akaike information criterion）和BIC（Bayesian information criterion）确定最优聚类数；
3. 3.
   多物种验证：在拟南芥（表达p35S::H2B-RFP1）、果蝇（Hoechst染色）及人类心脏组织（匿名捐赠者样本）中验证方法普适性。

基于机器学习的图像分析方法确定核倍性

iSPy管道以荧光标记的核图像为输入，通过ilastik分割核并提取特征，再经高斯混合模型将核按倍性分类。例如，在拟南芥子叶中，以气孔保卫细胞（已知为2C）为内参，成功区分2C至32C的倍性层级，且二维模型（结合核体积与荧光强度）的准确性显著优于单一特征模型。

iSPy在植物组织荧光标记倍性测定中的应用

通过对比表达p35S::H2B-RFP1的拟南芥子叶成像数据与流式细胞术结果，发现iSPy的倍性分布与流式数据高度一致（Cramér-von Mises检验p=0.10684）。核荧光强度随倍性倍增呈2.0–2.4倍增加，核体积增加1.8–2.1倍，证实荧光标记可准确反映DNA含量。空间图谱显示高倍性核（如32C）多远离气孔分布。

iSPy精准识别果蝇幽门损伤依赖性内多倍体

在果蝇幽门损伤模型中，iSPy成功区分未损伤（以2C为主）、轻度损伤（以4C为主）及重度损伤（以≥16C为主）组织的倍性分布，且空间图谱显示高倍性细胞沿组织轴均匀分布。该结果与既往手动分析结论一致，但效率显著提升。

iSPy验证人类心肌细胞组织特异性多倍体

对人类左心房（LA）与左心室（LV）心肌细胞的分析显示，LV细胞倍性（以4aC、8aC为主）高于LA（以2aC、4aC为主），符合心脏腔室特异性多倍化规律。基于Hoechst强度与核面积的二维高斯混合模型准确捕获了倍性间的2倍荧光强度增长。

结论与意义

iSPy首次实现了跨物种、非破坏性的空间倍性分析，为研究发育编程性多倍体（如植物叶片模式形成）、再生相关倍性调控（如果蝇损伤修复）及疾病中异常倍性（如心肌病）提供了高通量工具。未来可通过整合更多核形态特征或深度学习模型进一步提升精度，推动多倍体在组织生物学中的功能解析。