細胞核的形態(tài)特征與染色質(zhì)結(jié)構(gòu)存在密切關(guān)聯(lián)，能夠在一定程度上反映細胞類型、功能狀態(tài)及某些疾病相關(guān)的變化。DAPI染色因其低成本、操作簡便和廣泛兼容性，已成為細胞與組織成像中最常用的核染方式之一。然而，在多數(shù)空間組學(xué)和成像分析流程中，DAPI圖像常被作為細胞定位或輪廓提取的輔助信息，其潛在的價值尚未被系統(tǒng)挖掘和利用。其關(guān)鍵瓶頸在于，細胞核形態(tài)變化具有復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)和多尺度特征，傳統(tǒng)人工提取特征難以全面表征；同時，監(jiān)督學(xué)習(xí)方法對標注數(shù)據(jù)依賴較強，限制了在多組織、多疾病、多平臺條件下的泛化能力和遷移應(yīng)用。

近日，同濟大學(xué)張勇課題組在Genome Biology在線發(fā)表文章Self-supervised pretraining withNuSPIReunlocks nuclear morphology-driven insights in spatial omics，構(gòu)建了用于細胞核形態(tài)建模的自監(jiān)督預(yù)訓(xùn)練模型NuSPIRe。該模型通過大規(guī)模自監(jiān)督預(yù)訓(xùn)練，從DAPI染色圖像中學(xué)習(xí)具有可遷移性的核形態(tài)表征，可在無需人工標注的條件下支持多種下游分析任務(wù)，包括細胞類型識別與擾動響應(yīng)檢測。同時，NuSPIRe還可作為輔助工具融入空間組學(xué)實驗流程，用于支持更高效的視野選擇與數(shù)據(jù)采集決策。

NuSPIRe采用基于遮擋重建的自監(jiān)督學(xué)習(xí)策略，將細胞核圖像劃分為若干小塊，隨機遮擋部分區(qū)域，并由模型依據(jù)上下文信息進行重建，從而在無標注條件下同時學(xué)習(xí)細胞核形態(tài)的全局結(jié)構(gòu)與局部細節(jié)特征（圖1）?；谠撃Ｐ?，系統(tǒng)評估了細胞核形態(tài)信息在多個典型應(yīng)用場景中的潛力。例如，在非小細胞肺癌組織切片中，經(jīng)過少量樣本微調(diào)后，NuSPIRe能夠支持腫瘤細胞與免疫細胞等類型的區(qū)分，并在標注數(shù)據(jù)受限的情況下保持較好的跨樣本泛化能力。在大規(guī)模擾動數(shù)據(jù)集中，利用細胞核形態(tài)表征在無標注條件下篩選出引發(fā)顯著形態(tài)變化的擾動，并進一步歸納不同細胞核表型模式，為藥物篩選和作用機制探索提供形態(tài)學(xué)層面的參考。此外，通過將細胞核形態(tài)表征與空間轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)相結(jié)合，研究初步探索了形態(tài)特征與基因表達在空間尺度上的關(guān)聯(lián)，為形態(tài)驅(qū)動的空間分析提供了新的技術(shù)路徑。

圖1. NuSPIRe模型架構(gòu)

在應(yīng)用層面，進一步將NuSPIRe前移至實驗設(shè)計階段，用于輔助空間組學(xué)實驗流程的優(yōu)化。模型可在預(yù)掃描的DAPI圖像上自動識別潛在的感興趣區(qū)域，并對候選視野進行排序與優(yōu)先級評估，從而在既定采集預(yù)算下提高關(guān)鍵信息的覆蓋效率。以腫瘤免疫微環(huán)境中的三級淋巴結(jié)構(gòu)為例，NuSPIRe能夠僅基于DAPI圖像識別與免疫富集相關(guān)的核形態(tài)模式，并在肺癌空間組學(xué)數(shù)據(jù)中顯著提升免疫細胞的捕獲效率。這種模型先評估再采集的實驗策略，為空間組學(xué)實驗提供了一種具有可操作性的成本優(yōu)化方案。

同濟大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院博士后華玉為、博士生李詩雨為本文共同第一作者，張勇教授為本文通訊作者。

原文鏈接：https://link.springer.com/article/10.1186/s13059-026-03987-2

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