3D-spaGNN-E：解析细胞间通信亚细胞基序的创新利器

为探究细胞间通信（CCC），研究人员开发 3D-spaGNN-E，发现亚细胞基因邻近关系，助力相关研究。

　　

在生命科学的微观世界里，细胞间的通信就像一场精密的交响乐，每一个音符（细胞活动）都至关重要。细胞间通信（Cell-Cell Communication，CCC）影响着细胞的命运和功能，对维持生物体的正常生理状态起着关键作用。然而，以往的研究在探索这场 “交响乐” 时，存在诸多局限。

传统的分析方法常常将细胞近似为二维（2D）投影，忽略了细胞在三维（3D）空间中的真实结构和位置关系。这就好比从一个二维视角去欣赏一场立体的演出，丢失了很多重要的细节。例如，在研究 RNA 转录本的空间分布时，忽略 3D 空间分辨率会改变转录本之间的相对空间关系，导致对细胞功能和细胞间通信的理解出现偏差。

此外，现有的一些利用图表示空间组学数据的分析方法，虽然在一定程度上考虑了基因表达水平，但却忽视了 RNA 转录本的亚细胞分布。而亚细胞分布与许多细胞功能，如细胞周期调节和蛋白质翻译调节等密切相关。这就如同在演奏交响乐时，忽略了某些乐器的具体位置和演奏细节，使得整个 “音乐” 的效果大打折扣。

为了更全面、准确地理解细胞间通信的奥秘，研究人员开展了一项具有创新性的研究。他们开发了一种名为 3D 空间分辨基因邻域网络嵌入（3D-spatially resolved gene neighborhood network embedding，3D-spaGNN-E）的技术。这项研究成果发表在《BMEF (BME Frontiers)》上，为生命科学领域对细胞间通信的研究开辟了新的道路。

在这项研究中，研究人员运用了多种关键技术方法。首先是 3D 成像技术，它能够获取细胞在三维空间中的信息，为后续的分析提供了更真实的基础。其次，图自动编码器技术被用于提取基因邻近关系的高级特征，将复杂的基因信息进行降维处理，便于深入分析。此外，RNA 荧光原位杂交（RNA Fluorescence In Situ Hybridization，RNA-FISH）技术也发挥了重要作用，它可以在单细胞水平上识别 RNA 转录本，帮助研究人员准确了解基因的表达位置和数量。

研究人员首先对在水凝胶中培养的间充质干细胞（Mesenchymal Stem Cells，MSCs）展开研究。通过 3D-spaGNN-E 技术，他们对 RNA 转录本进行 3D 定位，并将细胞划分为不同的亚细胞区域。经过分析发现，在同型（homotypic）和异型（heterotypic）MSCs 边界附近，局部基因邻近关系存在显著变化。这一结果表明，细胞间的通信方式在不同类型细胞的边界处存在差异，为深入理解细胞间相互作用提供了新的视角。

接着，研究人员构建了 MSCs 与外周血单个核细胞（Peripheral Blood Mononuclear Cells，PBMC）的共培养体系。在这个体系中，他们识别出了 CD4?和 CD8? T 细胞，并发现局部基因邻近关系和自动编码器嵌入的变化，能够区分不同免疫细胞受到的强弱抑制作用。这对于研究免疫细胞与 MSCs 之间的相互作用机制，以及开发相关的免疫治疗策略具有重要意义。

最后，研究人员分析了小鼠下丘脑和皮层中的星形胶质细胞 - 神经元 CCC。通过对 3D 多重误差稳健荧光原位杂交（Multiplexed-Error-Robust Fluorescence In Situ Hybridization，MERFISH）数据的研究，他们发现不同脑区的星形胶质细胞 - 神经元相互作用存在差异，具体表现为基因邻近关系的不同。这一发现有助于揭示大脑不同区域功能差异的细胞间通信机制。

在研究结论和讨论部分，3D-spaGNN-E 技术展现出了重要的意义。它能够在细胞培养和组织水平上区分不同的 CCC，为研究细胞间通信提供了一种强大的工具。通过该技术，研究人员可以更深入地了解细胞间通信的机制，这对于细胞治疗、癌症免疫治疗等领域具有重要的指导意义。例如，在细胞治疗中，准确把握细胞间的通信机制有助于优化细胞培养条件，提高治疗效果；在癌症免疫治疗中，可以更好地理解免疫细胞与癌细胞之间的相互作用，为开发更有效的治疗策略提供依据。

然而，研究也存在一些局限性。例如，成像深度受到水凝胶材料和显微镜物镜工作距离的限制，轴向分辨率较低。此外，在分析某些数据时，由于数据集不平衡等问题，可能会影响分类算法的性能。但这些局限性并不妨碍 3D-spaGNN-E 技术成为研究细胞间通信的重要手段，未来研究人员可以针对这些问题进一步改进和优化技术，推动生命科学领域对细胞间通信的研究不断向前发展。