【创新理论】樊嘉院士细化时空分子医学重要部分一一时空分子影像学

【编者按】时空分子影像的定义是临床影像(如x射线、计算机断层扫描(CT)、核磁共振(NMR)、正电子发射断层扫描-CT (PET-CT)、超声、介入放射学和心电图)中分子事件的动力学和定位。在这篇社论中，我们通过将时空临床影像与分子病理学相结合，强调时空分子影像的重要性、独特性、可实现性和挑战，并将其视为时空分子医学关键的必不可少的组成部分。时空分子病理学通过可视化和建模跨越多个学科，包括组织切片成像、基因表达定位和细胞表型分析，以连接临床影像和分子信息。但是，仍然还有许多挑战和困难需要克服。时空分子影像的功能可以通过功能性影像的附加值来增强。时空分子影像将为理解疾病，多层次、方向和维度上改善治疗提供新的见解。

本文作者为复旦大学附属中山医院樊嘉院士、王向东教授。

时空分子医学旨在强调临床医学与分子医学多维整合的重要性-“通过整合临床空间化、时间化、表型和分子多组学，为疾病的诊断、治疗和预后提供了四维和动态的疾病图谱”。从解剖学角度出发，“四维”是指在生理和病理生理条件下，器官/组织发育的时间、长度、宽度和高度。从疾病的角度来看，这四个维度应该包括疾病的发生和发展、疾病的严重程度和类型、患者的依从性和主诉，以及临床医生的概述和处理。从诊断的角度出发，我们应该考虑动态监测、各种方法联合（如实时聚合酶链反应、质谱仪、计算机断层扫描、病理学）、生物标志物的质量、数量（如基因、蛋白质、细胞、影像）、准确性和可重复性。时空分子医学最重要的问题是从多个角度将“四维”与分子表型相结合，并在分子水平上进行临床实践。本文阐述了时空分子影像作为时空分子医学重要组成部分的重要性、独特性、可实现性和挑战。时空分子影像是分子事件在临床影像(如x射线、计算机断层扫描(CT)、核磁共振(NMR)、正电子发射断层扫描-CT (PET-CT)、超声、介入放射学和心电图)中的动力学和定位 (图1A)。时空分子影像通过临床跨组学的原理和方法，全面整合了临床影像、病理形态学和分子图谱（如基因组、蛋白质组、代谢组和转录组）。

图1   时空分子影像的工作流程

 

定义时空分子病理学

通过时空分子影像，时空分子病理学已经在实验性疾病模型中进行，以解决组织/器官目标位置的基因和蛋白质变化、细胞间相互作用以及分子调控。这不仅加深了我们对时空细胞生物学和毒理学机制的理解，也使我们对疾病发生发展过程中空间转录组学的动态模式有了更深入的认识。由于人类组织样本的动态可用性，尤其是具有病理变化的样本，如肿瘤、炎症或组织损伤样本，在临床实践中很难进行时空分子病理学检查。这些样本采集可能会受到以下限制：只能取样一次、难以获得或者存在伦理上的挑战。Maniatis等人通过动态测量肌萎缩性侧索硬化症模型开发过程中小鼠脊髓切片的基因表达谱，并选择性验证肌萎缩性侧索硬化症患者死后组织中空间转录组表型的重要发现，对时空分子病理学进行了重要的探索。这是将时空分子影像转化为临床实践的关键途径，并为理解组织细胞(如驻留细胞、浸润的免疫细胞或肿瘤细胞)的多维动力学和相互作用提供了新的视角。临床病理常规诊断为术中快速诊断提供了重要的形态学依据和证明，为手术区域和类别、疾病类型以及靶分子异质性的精准治疗等方面的决策提供了帮助。此外,时空的分子病理可以定义引起靶细胞功能障碍和丧失的细胞类型、位置和通讯，时空中的基因-基因、蛋白质-蛋白质、基因-蛋白质之间的相互作用, 通路动力学, 细胞间和病理病灶内的异质性(表现为时间、分期、严重程度)和自然依赖性模式。

 

在临床影像和分子表型之间起桥梁作用

时空分子病理学是时空分子影像的重要组成部分，以连接临床影像和分子表型。时空分子影像要求临床表型和影像之间、临床检测和微观结构之间以及病理学和分子组学之间进行形态匹配(图1)。Asp等人绘制了三个不同发育阶段的胚胎心脏中细胞类型的全转录图谱，并在心脏特定解剖区域中定义了某些特异性细胞类型的基因表达谱。这为三维基因表达谱、器官图谱以及器官解剖结构一起生成“全器官基因表达协同”提供了明确的证据。时空分子影像可以实现与解剖区域和结构相一致的全转录组时空模式和多维表达图谱的可视化和数字化构建。除了丰富的知识、经验和方法外，整个器官基因表达的协同还需要大量的数据分析、挖掘、注释和可视化。Asp等人提出了一种建立心脏空间转录组学数据库的方法，该数据库可以在未来进一步完善。建立全器官的基因表达协同图谱将是促进时空分子病理学和成像的第一步也是重要步骤。这就需要获取360°旋转的横向和纵向截面(图1B)，测量更多的切面，以获得更精确的整个器官基因表达图谱(图1C)。将多个组织切片与临床影像相结合，为理解空间图像变化提供了双向可视化，例如，与计算机断层扫描不同层面相对应的组织的组织学结构。

 

改进时空临床影像的使用

临床影像的时空化已经得到一定的发展，并且被证明了是在临床和转化实践中的关键方法，例如，放射组学用于检测实体瘤微环境中血液和血管形成的变化并预测患者的预后。此外，临床影像代表了器官和/或肿瘤的多维事件，可以进行动态监测。Rizk基于MRI的心脏动态三维体积、速度和血管形成，证明了可以通过适当的时空分辨率来显示生理和病理生理条件下的血流动力学的数量和质量。时空临床影像需要大规模的时间相关图像数据库，并要求其具有自动学习、挖掘、建模和辅助功能。随着合成生物学的快速发展和检测能力的增强，可检测性强的靶向或非靶向分子（如RNA、DNA、蛋白质、代谢物）的组合可以直接提供实时的多维临床图像。随着技术的进步，临床影像的重建可以动态、精确、重复地传递身体各器官的时空信息，包括四维超声、NMR和PET-CT图像。Qian等人最近通过将时空动态四维PET-CT图像、动态基因测序和靶向药物治疗相结合，开发了针对晚期恶性肿瘤多器官转移的临床精准医学新治疗策略。尽管这项研究是一个概念性试验，尚不符合时空分子图像的定义，但是它为时空分子医学在临床实践中提供了早期的证据和原理。Kevin等人证明基于“高约束反投影”的降噪运算符/内核可以改善重建4D复合材料的时空高频特征、模式和图像质量。这些稳定而准确的时空临床影像显示可以将临床影像与组织学图像进行匹配、覆盖和对应的潜力（图1C和1D）。我们需要持续努力和大量工作，通过组织学切片和临床影像进行整个器官重建。

 

聚焦时空功能图像

时空临床影像有助于常规的临床诊断和治疗，并随时准备促进整个器官分子构建的发展。四维超声图像可以在时空上定义和表征蛋白质沉积、矿物质分布、细胞定位、组织特性和微环境事件的鉴定和可视化，其高度依赖于超声换能器、探针和程序。超声引导的时空给药可以提高细胞对药物的敏感性、作用部位的特异性。 临床影像进入了一个多层次、多方向、多方面的时空多模态器官功能和构造时代。例如，将四维NMR与超声图像、空间心脏电描记图以及各器官的组织学结构或基因表达相结合，将创建一个具有心脏运动、电信号、细胞分布、转录网络和信号通路的新图谱，使临床医生可以参照患者的临床表型做出准确的决策。临床图像的测量和相关性与其他技术结合可以描述器官的时空功能，如血流动力学、运动活动、尖峰活动、器官发生、异质性和神经网络。Xu等人利用静息态功能磁共振成像技术展示了大脑区域间信息传递的时空动态，并利用预测相关技术发现了大脑区域间连接的功能异质性。与时空临床成像不同，时空分子影像从组织学结构角度可以帮助临床医生观察染色质多维结构的重组、基因表达的空间定位以及的细胞间相互作用（图1E和1F），从临床影像中可以了解病理学临床影像的交替、细胞重新分布和微环境异质性（图1D和1G），以及观察人体临床影像的时空变化。

新挑战

从器官解剖到时空分子影像的过程，经历了时空临床影像、组织图像和图像整合的各个阶段(图1)。尽管距离其精准的应用于临床还需要很多工作，但各个阶段所涉及的方法学正在快速发展，并可用于临床研究。这些方法的灵敏度、可重复性和标准化至关重要，因为它们需要符合临床标准的操作性能。生殖系和体细胞异质性、疾病特性和分子机制的复杂性之间的巨大差异，需要更强、更稳定的深度学习和编程来实现可视化和模型创建，以将基因和细胞信息与临床影像整合起来。建立一个完整的数据库是十分重要的，以保持临床影像和组织切片以及分子表型之间的精确和实时匹配。我们应该关注疾病、器官或细胞特定事件的时空分子影像的创新和发展，因为每个图像都需要大量的时间、劳动和预算。Zhuang强调，空间转录组学在临床病理学中的应用, 旨在通过建立大规模的空间数据和高通量图像来了解疾病的发病机制和改善治疗方法。每个基因、蛋白质和细胞的结构和表型都会随着细胞内和细胞间的变化而改变，这增加了检测、监控和注释的难度，并可能由于3D基因组结构折叠的复杂性而变得更难。Sun等人通过约80000张冠状动脉图像与显微断层扫描重建了立体的三维肺部结构。这是一项重要且有价值的研究，初步展示了3D整个器官肺部解剖和形态表型（如气道、动脉、静脉和肺泡）的高精度跨维度可视化。这为观察和检测整个器官解剖结构、组织细胞类型和位置以及细胞内细胞器的时空变化提供了潜力，尽管这种监测的动力学、细胞器的精确检测、目标分子的追踪以及与临床影像和分子组学的相容性仍不清楚。  总之，时空分子影像是将时空临床影像与分子病理学相结合的时空分子医学的关键的必不可少的组成部分。时空分子病理学包括组织切片图像、基因表达定位和细胞表型，通过可视化和建模将临床影像和分子图谱联系在一起(图1G)。尽管存在诸多挑战和困难，但时空分子影像的功能可以通过功能性图像的附加值来增强。时空分子影像将为了解疾病和在多个层次、方向和维度上改善疗法提供新的见解。

致谢

本研究得到上海临床生物信息学研究所，上海市中山医院心肺疾病人工智能技术工程中心，国家自然科学基金项目的资助，编号81873409。

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