2019年12月23日,上海交通大學(xué)丁顯廷教授和林關(guān)寧教授團隊聯(lián)合在Genome Biology上發(fā)表了題為“A Comparison Framework and Guideline of Clustering Methods for Mass Cytometry Data”的文章。 該文章從準確性(precision)、一致性(coherence)和穩(wěn)定性(stability)三個層面由淺入深地闡明了不同單細胞質(zhì)譜流式技術(shù)(CyTOF)細胞族群分析方法的優(yōu)劣及其適用場景。這是國際一線雜志第一次報道中國大陸學(xué)者在單細胞質(zhì)譜流式技術(shù)數(shù)據(jù)標準化和分析方法學(xué)方面的工作。
相比傳統(tǒng)熒光標記的流式細胞術(shù),CyTOF技術(shù)采用金屬同位素標記抗體,避免了熒光重疊和自熒光消除的問題,可在單細胞水平同時測量數(shù)百萬細胞中近百種蛋白質(zhì)的表達量。這種同時獲取高維度蛋白質(zhì)的超強能力使得CyTOF技術(shù)在藥物優(yōu)化、疫苗開發(fā)和疾病標記發(fā)現(xiàn)方面具有重要的應(yīng)用價值。
然而,迄今為止CyTOF技術(shù)的數(shù)據(jù)標準化、樣本和數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制、分析方法學(xué),主要還是基于歐美學(xué)者提出的Accense,PhenoGraph和Xshift等分析方法。雖然這些分析方法已被廣泛應(yīng)用于不同的領(lǐng)域和臨床研究,但是很多研究者對于采用哪個方法能更好地分析個體化的數(shù)據(jù)仍然存在疑惑。
在這篇文章中,研究人員在三類異源(骨髓細胞、肌肉組織、結(jié)腸組織)6個單細胞組學(xué)的數(shù)據(jù)集上對目前經(jīng)典的無監(jiān)督和半監(jiān)督細胞分群方法進行了基準分析和深度比較。在準確性(precision)分析上,根據(jù)四種內(nèi)部評價指標(Accuracy,F(xiàn)-measure, NMI和ARI)討論了不同方法對細胞進行分群的準確性;在一致性(coherence)分析上,利用三種外部評價指標(DB,CH和XB)探討了細胞分群方法揭示細胞數(shù)據(jù)內(nèi)部本質(zhì)結(jié)構(gòu)的能力;在穩(wěn)定性(stability)分析方面,研究了隨細胞采樣數(shù)量變化,不同方法的準確性和識別出的細胞亞群數(shù)量的魯棒性。此外,這篇文章還討論了分群方法的分群分辨率,發(fā)現(xiàn)PhenoGraph和Xshifit能夠識別出更細粒度的亞群(亞群數(shù)量偏多),而DEPECHE傾向于識別粗粒度的亞群(亞群數(shù)量偏少)。
圖1 CyTOF數(shù)據(jù)細胞分群方法的選擇決策樹
綜合上述框架的分析結(jié)果,這篇文章為單細胞質(zhì)譜流式分析領(lǐng)域的研究者,特別是初學(xué)者以及沒有生物信息學(xué)基礎(chǔ)的研究者,提供了細胞分群方法的選擇決策樹。
圖2 聚類方法的穩(wěn)定性分析
上海交通大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院個性化醫(yī)學(xué)研究院是中國最早建立起單細胞質(zhì)譜流式技術(shù)的單位之一,并已初步實現(xiàn)技術(shù)向臨床應(yīng)用的轉(zhuǎn)化,先后利用單細胞痕量蛋白分析技術(shù)完成了寄生蟲耐藥、銀屑病、結(jié)腸癌、肺結(jié)核方面的相關(guān)臨床應(yīng)用研究。
劉曉博士、宋煒宸博士生是論文的第一作者。丁顯廷教授和林關(guān)寧教授是論文的通訊作者。相關(guān)研究得到國際人類表型組計劃、國家傳染病重大專項、上海市高峰高原學(xué)科建設(shè)計劃、國家自然科學(xué)基金等項目的支持。
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