Genome Biology | 上海交通大學(xué)丁顯廷 林關(guān)寧團(tuán)隊(duì)提出單細(xì)胞質(zhì)譜流式技術(shù)數(shù)據(jù)分群方法的基準(zhǔn)分析框架
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(tuán)隊(duì)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(zhǔn)確性（precision）、一致性（coherence）和穩(wěn)定性（stability）三個(gè)層面由淺入深地闡明了不同單細(xì)胞質(zhì)譜流式技術(shù)（CyTOF）細(xì)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(bào)道中國大陸學(xué)者在單細(xì)胞質(zhì)譜流式技術(shù)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化和分析方法學(xué)方面的工作。
相比傳統(tǒng)熒光標(biāo)記的流式細(xì)胞術(shù)，CyTOF技術(shù)采用金屬同位素標(biāo)記抗體，避免了熒光重疊和自熒光消除的問題，可在單細(xì)胞水平同時(shí)測(cè)量數(shù)百萬細(xì)胞中近百種蛋白質(zhì)的表達(dá)量。這種同時(shí)獲取高維度蛋白質(zhì)的超強(qiáng)能力使得CyTOF技術(shù)在藥物優(yōu)化、疫苗開發(fā)和疾病標(biāo)記發(fā)現(xiàn)方面具有重要的應(yīng)用價(jià)值。
然而，迄今為止CyTOF技術(shù)的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)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(duì)于采用哪個(gè)方法能更好地分析個(gè)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(xì)胞、肌肉組織、結(jié)腸組織）6個(gè)單細(xì)胞組學(xué)的數(shù)據(jù)集上對(duì)目前經(jīng)典的無監(jiān)督和半監(jiān)督細(xì)胞分群方法進(jìn)行了基準(zhǔn)分析和深度比較。在準(zhǔn)確性（precision）分析上，根據(jù)四種內(nèi)部評(píng)價(jià)指標(biāo)（Accuracy，F(xiàn)-measure， NMI和ARI）討論了不同方法對(duì)細(xì)胞進(jìn)行分群的準(zhǔn)確性；在一致性（coherence）分析上，利用三種外部評(píng)價(jià)指標(biāo)（DB，CH和XB）探討了細(xì)胞分群方法揭示細(xì)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(xì)胞采樣數(shù)量變化，不同方法的準(zhǔn)確性和識(shí)別出的細(xì)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(shí)別出更細(xì)粒度的亞群（亞群數(shù)量偏多），而DEPECHE傾向于識(shí)別粗粒度的亞群（亞群數(shù)量偏少）。
圖1 CyTOF數(shù)據(jù)細(xì)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(xì)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(xì)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(gè)性化醫(yī)學(xué)研究院是中國最早建立起單細(xì)胞質(zhì)譜流式技術(shù)的單位之一，并已初步實(shí)現(xiàn)技術(shù)向臨床應(yīng)用的轉(zhuǎn)化，先后利用單細(xì)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(jì)劃、國家傳染病重大專項(xiàng)、上海市高峰高原學(xué)科建設(shè)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的支持。
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