Mantpy: a framework for extracellular matrix analysis in spatial proteomics

在活体组织的微观世界中，细胞并非孤立存在。它们嵌入在一个被称为细胞外基质（extracellular matrix）的复杂纤维支架之中。这种物质不仅仅是消极的填充物；它是一个动态的结构，提供着物理支撑和化学信号，引导着细胞的行为、移动和交流方式。几十年来，研究人体组织的科学家几乎完全专注于细胞本身，将周围的基质视为背景噪音。这种方法虽然在细胞功能研究方面取得了深刻见解，但却留下了一个关键性的认知空白。正如如果不考虑塑造人类活动的墙壁和地板，就无法通过仅仅研究房子里的居民来充分理解一栋房屋一样，如果不考虑将细胞维系在一起的基质，就无法通过仅观察细胞来充分理解组织。现代成像技术终于达到了能够同时捕捉细胞及其复杂的原始、未受干扰位置下的基质的水平，然而分析这种组合数据的工具却一直滞后。

一个名为 Mantpy 的新框架通过提供一种将细胞与其周围环境映射为单一、连接系统的途径，解决了这种不平衡。这项工作的研究人员意识到，现有的分析工具是基于以细胞为中心的视角设计的，迫使科学家将基质视为一个独立的实体或静态的背景。Mantpy 通过将组织表示为一个空间图（spatial graph）改变了这一视角，这是一种根据物理邻近性将感兴趣的点连接在一起的数字结构。在这个系统中，该框架直接从识别基质材料的标记物构建网络，从而创建出支架本身的地图。随后，它将此基质地图与单独的细胞地图连接起来，将它们编织成一个联合网络。这使得软件能够计算统计数据并应用先进的学习方法，从而考虑基质与细胞如何相互作用，而不是孤立地分析它们。该工具旨在处理从单一类型的基质标记物到包含许多不同细胞和基质信号的复杂面板的数据。

这种方法的实用性在几种不同的生物学场景中得到了验证，揭示了此前难以观察到的细节。在人类肠道组织中，该框架成功恢复了器官的分层架构，展示了基质如何与细胞一起在不同的地层中进行自我组织。当应用于受感染的小鼠肝脏组织时，Mantpy 解析了与疾病状态相关的基质成分和组织结构的特定变化，突显了支架如何响应感染进行重构。同样，在小鼠肺部组织中，该系统表征了单个细胞与其接触的基质结构之间的特定关联。这些发现不仅是理论性的；该框架在包含细胞和基质标记物的真实多重数据集上进行了测试，证明了其处理复杂、多层生物信息的能力。

为了确保这一工具能被更广泛的科学界所使用，研究人员将其发布的同时，也发布了研究中所使用的数据集，其中包括复现该工作所需的细胞外基质信息。该框架旨在与 scverse 生态系统互操作，这是一个广泛用于分析单细胞数据的软件工具集，确保其能够无缝融入现有的工作流。通过将分析单元从细胞扩展到包括其周围的基质，Mantpy 提供了一个更完整的组织生物学图景。它提供了一种看待组织的方式，即不再将其视为孤立单元的集合，而是一个整合的景观，其中支架与细胞密不可分，从而更清晰地展示了健康与疾病是如何由细胞间的空间所塑造的。