Sci Adv | 邢建华团队开发活细胞追踪图像及定量分析的方法

责编 | 酶美

细胞表型转化（cell phenotypic transition , CPT）是生命科学中一个非常重要的问题。一个广泛研究的例子是表皮到间充质细胞的转化（epithelial-to-mesenchymal transition, EMT）。EMT发生在多种生理过程中的一种表型转化现象，比如胚胎发育，成纤维化，肿瘤迁移。单细胞高通量测序手段的发展特别是单细胞RNA测序使得定量化研究细胞表型转化成为近年来的一个研究热点。通过这些测序手段可以了解表型转化如何在高维基因表达空间一步一步发生。但是这些高通量测序手段的主要问题在于细胞在实验过程中要被杀死，这样单细胞的时间动力学信息就丢失了。尽管一些用来推断表型转化过程的算法被发展出来，但这些算法都存在各种各样的限制，甚至给出错误的推断结果。因此，长时间观测单细胞对于研究细胞表型转化是非常必要的。目前从活细胞提取的信息受限于可用的显微镜荧光通道数目以及荧光毒性对于细胞的影响。因此能否从活细胞图像中提取高维特征信息成为解决问题的关键。

2020年9月4日，University of Pittsburgh计算与系统生物学系邢建华实验室在Science Advances杂志上发表了文章Live-cell imaging and analysis reveal cell phenotypic transition dynamics inherently missing in snapshot data，报道了一种基于显微镜明场图像分析细胞形态特征以及从荧光图像获取多维纹理信息的方法。

研究人员将此方法用于研究转化生长因子-β刺激下的肺癌细胞A549 细胞的EMT过程。A549细胞中的波形蛋白（EMT过程的重要标志蛋白）被红色荧光蛋白标记。研究人员提取了A549 细胞的形态特征和波形蛋白的纹理分布特征。通过这些单细胞信息，A549细胞在EMT过程中的单细胞轨迹就可以在高位特征空间中表示出来。为了提取其中的关键信息，研究人员分别对细胞形态特征和波形蛋白分布特征做了主成分分析（principal component analysis, PCA）。主成分分析揭示了EMT过程中一些主要变化特征，比如细胞沿着长轴的伸长是EMT中形态变化最重要的特征。通过这些分析，细胞表型转化的动力学过程可以被成功的定量化。

研究发现A549在4ng/ml 转化生长因子-β刺激下的EMT过程是一个弛豫过程。这个过程中，细胞从最初的占据特征空间某区域的稳定分布逐渐过渡到另外一个区域的稳定分布。通过分析多条不同的单细胞轨迹，研究人员发现A549的EMT过程主要沿着两条路径进行：一条是波形蛋白在细胞内的分布先发生变化，而后细胞形态再发生变化，另一条则是细胞形态和波形蛋白分布几乎同时发生变化。

这一结果揭示了细胞表型转化过程特别是EMT的异质性。然而通过传统的固定细胞的手段是很难得到这种结果的。如果将实验中单细胞轨迹中的时序信息剔除，然后用现有的一些推断基于单细胞测序数据推断细胞表型转化轨迹的算法分析，得到的结果和真实的观测到的轨迹相差甚远，甚至无法解释。

综上，该研究发展了一套活细胞追踪图像及定量分析的方法，建立了用物理和生物相结合的手段来研究不同细胞表型转化的实验理论体系，并揭示固定细胞数据中丢失的关键动力学信息。

该研究由邢建华教授课题组的王维康博士参与设计并主导完成。

原文链接：

https://advances.sciencemag.org/content/6/36/eaba9319

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