過去幾年，空間組學(xué)技術(shù)爆發(fā)：空間轉(zhuǎn)錄組、原位蛋白質(zhì)組、空間代謝組、周期性免疫組化……技術(shù)花樣繁多，數(shù)據(jù)量和分辨率都在飆升。問題也隨之顯現(xiàn)：這些不同來源、不同尺度的數(shù)據(jù)像散落在桌面上的拼圖，缺少一種既能放大細(xì)節(jié)，又能把碎片拼成全景的「工作臺(tái)」。

考慮到工作者的實(shí)際需要，美國(guó)波士頓大學(xué)（Boston University）與西奈山伊坎醫(yī)學(xué)院（Icahn School of Medicine at Mount Sinai）等介紹了一套模塊化軟件包 Giotto Suite，它提供可擴(kuò)展的端到端解決方案，用于多尺度和多組學(xué)數(shù)據(jù)分析、集成和可視化。

他們的研究成果以「Giotto Suite: a multiscale and technology-agnostic spatial multiomics analysis ecosystem」為題，于 2025 年 10 月 1 日發(fā)布在《Nature Methods》。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41592-025-02817-w

一個(gè)「技術(shù)無(wú)關(guān)」的數(shù)據(jù)框架與模塊化包組

現(xiàn)有的空間組學(xué)軟件通常偏向某一類技術(shù)或某一層級(jí)分辨率，比如說專門處理 spot-based 的序列化空間轉(zhuǎn)錄組，或?qū)ｉT做圖像分割/可視化的工具。諸如此類工具在面對(duì)研究者的整合需求（RNA、蛋白、形態(tài)學(xué)特征以及注釋信息跨尺度）時(shí)，就顯得有些麻煩。

這些麻煩不僅體現(xiàn)在需要在不同工具間頻繁轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)格式、手動(dòng)對(duì)齊坐標(biāo)或編寫大量 glue 代碼，更頭疼的地方在于，工具生態(tài)碎片化也阻礙了社區(qū)共享與復(fù)用。

圖 1：Giotto Suite 生態(tài)系統(tǒng)和核心數(shù)據(jù)框架。

Giotto Suite 的目標(biāo)正是變「工具林」成「生態(tài)圈」，減少重復(fù)造輪子，讓下游分析更順手、更可復(fù)現(xiàn)。

先來看看其設(shè)計(jì)的三條關(guān)鍵思路。

1.技術(shù)無(wú)關(guān)的數(shù)據(jù)框架—— 它把空間數(shù)據(jù)用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表示（例如 giottoPoints、giottoPolygon、giottoLargeImage），能同時(shí)承載點(diǎn)狀（transcripts）、矢量（注釋區(qū)域）和柵格（組織切片圖像）等多種空間單元，保留原始信息并支持多尺度聚合。這個(gè)框架的核心讓不同技術(shù)生成的數(shù)據(jù)可以在同一「語(yǔ)言」下互通。

2.模塊化、可擴(kuò)展的 R 包生態(tài)—— Giotto Suite 不是一個(gè)單體程序，而是一組 R 包和接口，強(qiáng)調(diào)可插拔、與 Bioconductor 等生態(tài)互操作，同時(shí)提供交互式可視化與高性能計(jì)算支持，方便開發(fā)者在其上構(gòu)建自定義流水線與方法。

3.多模態(tài)與多尺度的耦合分析能力—— 它不僅能做單細(xì)胞級(jí)的分子分析，還能把細(xì)胞級(jí)信息匯聚到組織結(jié)構(gòu)（region/zone）或柵格層次，支持從亞細(xì)胞到組織的跨尺度問題建模與可視化。

總體思路就是，先用一個(gè)強(qiáng)壯的、技術(shù)無(wú)關(guān)的數(shù)據(jù)底座把信息屋架搭好，然后在上面放各種分析、可視化與擴(kuò)展組件。對(duì)用戶而言，等于把「數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換+格式對(duì)齊」的時(shí)間換成「真正做生物學(xué)問題」的時(shí)間。

開箱即用

為了展示 Giotto Suite 的能力并突出其空間技術(shù)無(wú)關(guān)性，與它靈活且可拓展的實(shí)現(xiàn)方式，它的研究團(tuán)隊(duì)展示了在以下由一些最新空間技術(shù)生成的特定數(shù)據(jù)集上的各種應(yīng)用。

多尺度與泛用框架

Giotto Suite 的核心框架可以促進(jìn)任何級(jí)別的聯(lián)合數(shù)據(jù)表示和分析，譬如說 MERFISH FFPE 人類乳腺癌數(shù)據(jù)集的一個(gè)子集。MERFISH、編碼原位雜交、免疫組化圖像及質(zhì)譜成像等不同技術(shù)的數(shù)據(jù)被接入統(tǒng)一框架，并完成了跨層級(jí)的聯(lián)合分析（把轉(zhuǎn)錄水平和蛋白分布映射到相同組織結(jié)構(gòu)中）。

圖 2：多尺度分析。

除了通常將每個(gè)細(xì)胞視為基本單元的常見分析管道外，Giotto Suite 的框架還允許用戶進(jìn)行亞細(xì)胞分析。詳細(xì)點(diǎn)說，根據(jù)任何預(yù)定義的空間單元查詢單個(gè)轉(zhuǎn)錄本位置，并用于識(shí)別在亞細(xì)胞器上空間富集的基因或基因集，或檢測(cè)優(yōu)先在細(xì)胞邊界內(nèi)或外部發(fā)現(xiàn)的轉(zhuǎn)錄本。

多模態(tài)數(shù)據(jù)分析

Giotto Suite 為新型技術(shù)提供了重要補(bǔ)充，其中一點(diǎn)體現(xiàn)在支持多模態(tài)數(shù)據(jù)分析和集成，以獲得更全面的細(xì)胞狀態(tài)表征方面。這通過添加核心框架促進(jìn)的特定功能而實(shí)現(xiàn)。

圖 3：使用 Giotto Suite 框架進(jìn)行多組學(xué)數(shù)據(jù)分析。

拓展性與交互性

Giotto Suite 能夠輕松包含來自數(shù)百萬(wàn)個(gè)細(xì)胞的時(shí)空和表達(dá)信息，即使是高性能計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施也常常難以用傳統(tǒng)方法處理這些數(shù)據(jù)集。這其中實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化的并行編碼、延遲磁盤計(jì)算和數(shù)據(jù)投影策略等幾個(gè)互補(bǔ)工具，用以緩解可拓展分析的挑戰(zhàn)。

圖 4：可擴(kuò)展的數(shù)據(jù)分析、平鋪方法和應(yīng)用。

在 Giotto Suite，用戶可以在細(xì)胞級(jí)別鉆取，也能把注意力拉遠(yuǎn)看組織分區(qū)或立體切片堆棧的模式，工具鏈支持交互式探索，適合科學(xué)家與臨床同事共同討論切片/圖譜。

研究團(tuán)隊(duì)重做了 Giotto 的 S4 類設(shè)計(jì)、增加單元測(cè)試與持續(xù)集成，強(qiáng)調(diào)向外部開發(fā)者開放接口，使社區(qū)能在它上面貢獻(xiàn)新方法或插件（利于長(zhǎng)期生態(tài)建設(shè)）。

工程化落地

把技術(shù)與數(shù)據(jù)「放在一個(gè)桌面上」帶來的好處很多，不單單是更快速地將基因表達(dá)模式與蛋白分布、細(xì)胞形態(tài)聯(lián)系起來，面向 FAIR 原則的框架使得數(shù)據(jù)與分析流程更易共享與審查?？蓮?fù)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)與開放 API 等設(shè)計(jì)使得 Giotto Suit 更像是一個(gè)平臺(tái)而非產(chǎn)品，便于形成社區(qū)插件與方法互補(bǔ)。

空間多組學(xué)是未來生物醫(yī)學(xué)與基礎(chǔ)生物學(xué)的重要方向，但它需要的不僅是更高分辨率的技術(shù)，而是一套能把不同尺度與模態(tài)連通起來的工程與軟件哲學(xué)。Giotto Suite 正是沿著這條路線做出的工程化落地。

對(duì)整個(gè)領(lǐng)域來說，這比多出一個(gè)分析方法更重要——它可能決定未來幾年空間生物學(xué)研究能否真正從「各自為戰(zhàn)」走向「協(xié)同進(jìn)化」。