2025年10月22日，Genome Research在線發(fā)表中國科學(xué)院廣州生物醫(yī)藥與健康研究院細(xì)胞命運(yùn)研究組的研究論文，題為“Polyomino reconstructs spatial transcriptomic profiles with single-cell resolution via region-allocation method”，該論文被選為Genome Research第11期的封面文章。研究提出了一種全新的空間數(shù)據(jù)整合算法 Polyomino，能夠在單細(xì)胞分辨率下高效、精準(zhǔn)地重建空間轉(zhuǎn)錄組圖譜。

在生命體中，細(xì)胞并非孤立存在，它們需要根據(jù)空間位置相互通信，形成精密的組織與器官?？臻g轉(zhuǎn)錄組學(xué)作為揭示這一細(xì)胞藍(lán)圖的關(guān)鍵技術(shù)，近年來發(fā)展迅速。然而，現(xiàn)有的單細(xì)胞數(shù)據(jù)與空間數(shù)據(jù)整合方法在面對(duì)動(dòng)輒百萬級(jí)規(guī)模的細(xì)胞時(shí)，往往受限于運(yùn)算效率和噪聲干擾，難以兼顧速度與精度。

研究團(tuán)隊(duì)借鑒圖像處理中“感興趣區(qū)域”（ROI）的概念，提出通過多層次區(qū)域約束來分配細(xì)胞位置。與傳統(tǒng)方法直接分配不同，Polyomino先將空間數(shù)據(jù)劃分為多個(gè)格子，利用水平/垂直條帶、空間聚類等多層區(qū)域化信息約束細(xì)胞定位，再在格子內(nèi)部進(jìn)行精細(xì)匹配。這一設(shè)計(jì)不僅顯著降低了計(jì)算量，還能有效抵御常見的細(xì)胞分割誤差與細(xì)胞類型比例失衡等噪聲干擾。

在一系列模擬和真實(shí)數(shù)據(jù)的評(píng)估中，Polyomino表現(xiàn)出色：

a)?計(jì)算效率高：在整合約1.5萬單細(xì)胞和近2萬空間點(diǎn)的數(shù)據(jù)時(shí)，僅用141秒完成，比現(xiàn)有算法快10到1000倍，是目前唯一能夠在單次運(yùn)行中處理百萬級(jí)細(xì)胞整合的方法。

b)?精度與魯棒性兼?zhèn)洌涸诙喾N噪聲場(chǎng)景（如分割誤差、比例偏差）下保持高精度；在小鼠胚胎和大腦皮層的驗(yàn)證中，Polyomino均能準(zhǔn)確重建細(xì)胞的空間分布。

c)?應(yīng)用廣泛：在結(jié)直腸癌肝轉(zhuǎn)移組織的分析中，Polyomino揭示了cDC（常規(guī)樹突狀細(xì)胞）在腫瘤與旁腫瘤區(qū)的空間亞群差異，并識(shí)別出與血管生成相關(guān)的免疫信號(hào)網(wǎng)絡(luò)。這為進(jìn)一步理解腫瘤微環(huán)境提供了新視角。

Polyomino通過多層區(qū)域約束實(shí)現(xiàn)單細(xì)胞空間定位，顯著提高了計(jì)算效率

綜上，Polyomino不僅突破了大規(guī)模數(shù)據(jù)整合的計(jì)算瓶頸，還為研究組織發(fā)育、疾病機(jī)制乃至未來臨床應(yīng)用提供了更高分辨率的工具。研究者認(rèn)為，隨著單細(xì)胞與空間組學(xué)數(shù)據(jù)量的持續(xù)增長(zhǎng)，Polyomino有望成為構(gòu)建全景細(xì)胞圖譜、解析器官發(fā)生與病理變化的重要方法學(xué)支撐。

中國科學(xué)院廣州生物醫(yī)藥與健康研究院博士蔡佺佑、中國科學(xué)院廣州生物醫(yī)藥與健康研究院副研究員林立惠與廣東第二師范學(xué)院劉欣博士為該論文共同第一作者。中國科學(xué)院廣州生物醫(yī)藥與健康研究院研究員陳捷凱、中國科學(xué)院廣州生物醫(yī)藥與健康研究院副研究員林立惠為該論文的共同通訊作者。該研究工作是人類細(xì)胞譜系大科學(xué)研究設(shè)施系統(tǒng)四的建設(shè)內(nèi)容之一，也得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、廣州實(shí)驗(yàn)室重大專項(xiàng)、廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目及香港特區(qū)政府Health@InnoHK計(jì)劃等支持。

論文鏈接