SPARKLE: evidence-constrained correction of local RNA leakage in high-resolution spatial transcriptomics

組織内の生命の景観を理解するために、科学者たちは、個々の細胞が体内のどこに位置しているかを正確に把握しながら、数千もの個別の細胞の遺伝的指示を一度に読み取る方法を開発してきました。空間トランスクリプトミクスとして知られるこの分野により、研究者はどの遺伝子が特定の近隣領域で活性化しているかをマッピングすることができ、異なる細胞型が器官を構築したり疾患と戦ったりするためにどのように組織化されているかを明らかにすることができます。しかし、永続的な問題がこれらのマップに影を落としてきました。科学者がこの種の解析のために組織サンプルを準備する際、遺伝物質を外に出すために組織を軟化させなければなりません。その過程で、一部の遺伝メッセージ、すなわちRNAが本来の住処から逃げ出し、細胞間の空間へと漂い込んでしまうのです。この漏出は偽の信号の霧を生み出し、細胞が実際には作っていないはずの遺伝的指示を生成しているかのように見せてしまい、その細胞が本当は何であり、隣人とどのように関わっているのかについての混乱を招く可能性があります。

SPARKLEと呼ばれる新しい手法は、外部からの参照ガイドを必要とせずに、この霧を晴らす方法を提供します。この研究の背後にある研究者たちは、漏出という行為そのものが痕跡を残すことに気づきました。RNAが細胞から逃げ出すとき、それは消えてなくなるのではなく、細胞を取り囲む空のスペース、つまり特定の組織構造には属さない領域に着地します。これらの空の領域を見ることで、この手法は遺伝物質がどの程度移動する傾向があるか、そしてどれだけ漏れ出すかを測定することができます。推測したり外部データに頼ったりする代わりに、SPkARKLEはサンプル内に存在する証拠を用いて補正を計算します。それは、空のゾーンで見つかった信号を用いてRNAがどのように広がるかのモデルを構築し、細胞内の信号のうち、どれが実際にその細胞自身のものか、そしてどれが隣人から借りたものかを推定します。

このアプローチは、細胞の境界の外側で見つかった観察結果に対して、数学的なパターンを適合させることで機能します。このパターンにより、ソフトウェアは、その特定の組織サンプルにおいてRNAがどの程度移動するか、および各特定の遺伝子についてどれだけ漏出するかという尺度を決定できます。極めて重要な点は、この手法は、空のスペースからの証拠が計算を裏付けるのに十分に強力である遺伝子に対してのみ、補正を行うということです。ソースとなる細胞で高度に活性化している遺伝子については、真の信号を誤って消去しないように、慎重かつ保守的な調整を適用します。これにより、ソフトウェアは、タンパク質を真に生成している細胞と、単に隣人の存在を反映しているだけの細胞を区別することができます。

研究者たちは、生物学的組織の乱雑な現実を模倣するように設計された10種類のシミュレーションシナリオにわたって、このアイデアをテストしました。10回のテストのうち9回において、この手法は細胞活動の最も正確なマップを作成し、既知の真実と比較して最小のエラーを生み出しました。これが実世界で機能するかどうかを確認するため、チームはアホロートル（メキシコサンショウウオ）の脳、マウスの脳、およびヒトの卵巣癌のサンプルにSPARKLEを適用しました。いずれの場合も、この手法は隣接する細胞に現れた偽の信号を効果的に除去しながら、遺伝子が由来する細胞内の真の信号を維持することに成功しました。この補正は、組織のより鮮明な姿を明らかにし、その結果をシングルセル研究からの独立したデータとより一致させました。ヒトの卵巣癌のサンプルでは、この手法は、コラーゲンの拡散によって隠されていた細胞間の特定のコミュニケーションを明らかにし、線維芽細胞が以前は不明瞭であった信号を送っていたことを示しました。

このツールは、高速かつ信頼できることが証明されました。データの処理にかかる時間は、解析する組織領域のサイズが増加するにつれて、一定かつ予測可能な形で増大し、専用のコンピュータハードウェアを使用することでプロセスをさらに加速させることができました。研究者が解析する領域のサイズや想定される拡散のスケールを調整しても、結果は一貫していました。サンプルに含まれる証拠を用いて漏出の問題を解決することにより、SPARKLEは、細胞の生命の視界を鮮明にするための参照フリーな方法を提供します。この改善は、異なる細胞型がどこに住み、どのように組織コンパートメントへとグループ化され、どのように互いにコミュニケーションをとっているかを特定する能力を強化し、身体の複雑な構造を理解するためのより明確な基礎を提供します。