一种基于空间转录组可视化图像评估异常免疫细胞的方法

本发明涉及生物信息学，尤其涉及一种基于空间转录组可视化图像评估异常免疫细胞的方法。

背景技术：

1、空间转录组学是一门研究细胞中基因表达如何在空间和时间上变化的科学。它结合了生物学、遗传学、生物化学、物理学等多个学科的知识。在过去的几十年里，科学家们已经开发出了各种技术来研究基因表达的变化和调控。其中，空间转录组学技术是近年来发展最迅速的方法之一。这种技术利用了先进的成像技术、分子生物学技术和计算机科学方法，可以在特定组织或器官的细胞中跟踪和解析基因表达的变化。空间转录组学的研究内容非常广泛，包括确定基因在空间中的位置，了解基因表达水平和细胞类型之间的关系，以及探索细胞在特定条件下的活动和功能。这些研究不仅有助于我们更好地了解生命的本质和过程，还可以为疾病诊断和治疗提供重要的信息和线索。

2、空间转录组学的研究需要多种技术的支持。其中，最关键的技术之一是组织切片技术。这种技术可以将样本切成薄片，并利用免疫荧光或原位杂交等方法标记特定的基因或蛋白质。通过这种方法，我们可以获得高分辨率和高清晰度的图像，从而更好地了解基因表达的空间分布和组织结构的变化。另一种关键的技术是计算机图像分析。这种技术可以利用计算机算法和机器学习等方法对图像进行分析和处理。通过这种方法，我们可以提取出图像中的特征和模式，并将它们转化为可比较的数据。这有助于我们更好地理解基因表达的变化和调控机制。

3、空间转录组学的研究还涉及到许多复杂的问题和挑战。其中，最突出的问题之一是数据的处理和分析。由于空间转录组学数据是复杂而多维的，因此需要专门的方法和技术进行处理和分析。这包括数据的预处理、特征提取、聚类分析、模型建立等多个步骤。科学家们需要利用计算机科学、统计学和机器学习等方法来解决这些问题。另一个问题是数据的可视化和解释。由于空间转录组学数据是高度复杂的，因此需要专门的技术和方法来进行可视化和解释。这包括热图、聚类图、三维重建等多种方法。通过这些技术，我们可以将复杂的数据转化为直观的图形和图像，从而更好地理解基因表达的变化和细胞调控机制。

4、以牙周炎和炎症性肠病的研究为例，目前现有的研究主要是通过测序分析，并且基于普通转录组（bulk rna sequencing），获得的是一个大的细胞群体中单个基因的平均表达水平。虽然近年来也有将单细胞转录组测序（single cell rna sequencing，scrna-seq）应用于牙周炎和炎症性肠病检测的报道，但将实体组织解离成单个细胞的过程中，丢失了空间信息，无法做到可视化地检测牙周炎和ibd病损区的免疫细胞和异常免疫信号分子，不能很好对牙周炎特异性免疫靶点进行分析。尽管，空间转录组则能够将细胞在组织分布的位置信息和基因表达信息相结合，允许在空间背景下了解细胞和分子的异质性，但是缺乏对于空间转录组可视化图像的进一步分析和研究。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术的不足之处而提供一种基于空间转录组可视化图像评估异常免疫细胞的方法。

2、为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

3、第一方面，本发明提供一种基于空间转录组可视化图像评估异常免疫细胞的方法，包括以下步骤：

4、（1）在空间转录组可视化图像中构建二维坐标系，统计炎症激活细胞的数量n0，以单个炎症激活细胞的坐标为中心，以r为半径构建炎症浸润核心区；

5、（2）统计步骤（1）中所述的炎症浸润核心区内的活化免疫细胞的数量n1以及坐标，计算炎症浸润核心区内每个活化免疫细胞与单个炎症激活细胞的距离；选择对于每个活化免疫细胞最小的作为该活化免疫细胞值；

6、（3）根据步骤（2）中所述活化免疫细胞di值以及炎症浸润核心区的半径r计算炎症浸润核心区内每个活化免疫细胞对单个炎症激活细胞的最大影响权重；

7、（4）根据步骤（3）所述的最大影响权重和炎症浸润核心区内活化免疫细胞的类型概率计算某一种类免疫细胞的免疫分型系数，通过免疫分型系数的大小评估该种免疫细胞在组织损伤中的作用。

8、本发明提供的基于空间转录组可视化图像评估异常免疫细胞的方法，能够对空间转录组可视化图像中的信息进行进一步分析，避免了在检测过程中导致的样本空间信息丢失。同时，能够可视化的针对炎症进行病损区的免疫细胞和异常免疫信号分子的检测，锁定炎症导致的特异性免疫靶点细胞，进一步地在空间背景下了解细胞和分子的异质性。本发明基于炎症浸润核心区构建的最大影响权重以及免疫分型系数，能有效评估免疫细胞在组织损伤中的作用，进而有利于结合细胞在组织分布的位置信息和基因表达信息，研究炎症中的异常信号以及相关调控机制。

9、作为本发明方法的优选实施方式，步骤（1）中，所述炎症浸润核心区的半径r的范围为0-100μm；优选地，所述炎症浸润核心区的半径r为40μm。通过选择不同的r值，可以调节后续影响权重计算时的分布宽度。较小的r使影响权重集中在距离圆心较近的区域，而较大的r使权重分布更广泛。

10、作为本发明方法的优选实施方式，步骤（2）中，所述活化免疫细胞为表达炎症相关基因的免疫细胞；所述炎症相关基因包括但不限于grzb、inf-γ、il-1b。

11、作为本发明方法的优选实施方式，步骤（2）中，所述，单位为微米。

12、作为本发明方法的优选实施方式，步骤（3）中，所述最大影响权重。

13、本发明通过套用高斯分布函数实现影响权重函数的分布效果，高斯函数本身是一种稳定的分布函数，不会因为数据的小波动而产生剧烈的变化，同时具有明确的数学表达式和参数，因此可以很容易地预测数据的分布和概率密度，并且其数学运算简易。本发明通过调整不同的r值，可以调节后续影响权重计算时的分布宽度。较小的r使影响权重集中在距离圆心较近的区域，而较大的r使权重分布更广泛。当di= 0时，影响权重w最大，为100；随着di值增大，影响权重以指数速度衰减；当di= 100时，影响权重w为4。

14、作为本发明方法的优选实施方式，步骤（4）中，所述某一种类免疫细胞的免疫分型系数为。通过免疫分型系数的大小，能够显示某一种类的免疫细胞在该免疫浸润核心区内的总影响权重，进一步的应用于评估该种免疫细胞在对应组织损伤中的作用。

15、作为本发明方法的优选实施方式，步骤（4）中，所述活化免疫细胞的类型概率的获取方法为：通过seurat映射，确定活化免疫细胞可能的细胞类型概率饼图，得到活化免疫细胞的类型概率；对于每个活化免疫细胞，所有可能的细胞类型概率之和为1。在空间转录组学中有许多单细胞数据，seurat映射能够自动化、可重复和可扩展的方法，可以有效地处理大规模的单细胞数据集，同时准确地评估每个细胞的概率。

16、作为本发明方法的优选实施方式，步骤（1）中，所述空间转录组可视化图像的获取步骤包括：通过冰冻切片技术获得待测样本组织切片，对待测样本组织切片进行空间转录组技术进行测序，获得空间转录组数据，对空间转录组数据进行标准化，将标准化的空间转录组数据在空间染色片中进行可视化展示，获得空间转录组的可视化图像。

17、作为本发明方法的优选实施方式，所述空间转录组可视化图像为炎症性肠病加剧的牙周炎患者的牙周组织和结肠组织的空间转录组可视化图像。

18、第二方面，本发明提供一种基于空间转录组可视化图像评估异常免疫细胞的系统，包括：

19、数据获取模块，用于获取空间转录组可视化图像；

20、图像构建模块，用于在空间转录组可视化图像中以单个炎症激活细胞为中心构建二维图像区域；所述图像区域为炎症浸润核心区；

21、记录模块，用于记录炎症浸润核心区内免疫细胞参数，所述免疫细胞参数包括炎症激活细胞的数量n0、活化免疫细胞数量n1、炎症浸润核心区内每个活化免疫细胞与单个炎症激活细胞的距离和对于每个活化免疫细胞最小的活化免疫细胞值；

22、第一计算模块，用于根据炎症浸润核心区内免疫细胞参数计算区域内每个活化免疫细胞对单个炎症激活细胞的最大影响权重；

23、第二计算模块，用于根据最大影响权重和炎症浸润核心区内活化免疫细胞的类型概率计算某一种类免疫细胞的免疫分型系数；

24、输出模块，用于根据免疫分型系数评估该种免疫细胞在组织损伤中的作用。

25、第三方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序；所述计算机程序被处理器执行时实现所述的基于空间转录组可视化图像评估异常免疫细胞的方法的步骤。

26、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

27、1.本发明提供的基于空间转录组可视化图像评估异常免疫细胞的方法，能够对空间转录组可视化图像中的信息进行进一步分析，避免了在检测过程中导致的样本空间信息丢失。同时，能够可视化的针对炎症进行病损区的免疫细胞和异常免疫信号分子的检测，锁定炎症导致的特异性免疫靶点细胞，进一步地在空间背景下了解细胞和分子的异质性。本发明基于炎症浸润核心区构建的最大影响权重以及免疫分型系数，能有效评估免疫细胞在组织损伤中的作用，进而有利于结合细胞在组织分布的位置信息和基因表达信息，研究炎症中的异常信号以及相关调控机制。

28、2.本发明的免疫分析系数模型能够在多组学研究的基础上对牙周炎和/或炎症性肠病组织中的特异性免疫细胞和免疫分子进行原位检测，评估免疫细胞在组织损伤中的作用，并确定关键免疫细胞；并且通过相关基因通路的检测，最终锁定了巨噬细胞在加剧牙周炎中关键的作用，同时基于免疫调控的策略，开发针对调节宿主异常免疫炎症反应的治疗方法。