Dans un tissu, chaque cellule individuelle est entourée d’autres cellules, et elles interagissent toutes constamment les unes avec les autres pour donner naissance à une fonction biologique. Pour comprendre le fonctionnement ou le dysfonctionnement des tissus dans des maladies telles que le cancer, il est essentiel non seulement de connaître les caractéristiques de chaque cellule, mais également de tenir compte de leur contexte spatial. La caractérisation quantitative des cellules dans le contexte de l'espace physique qu'elles habitent est essentielle à la compréhension des systèmes complexes.

Les technologies permettant ces types d’exploration sont appelées technologies spatiales omiques, et leur développement progressif contribue à la popularité croissante de la biologie spatiale. De telles technologies peuvent fournir des informations détaillées sur la composition moléculaire des cellules individuelles et leur disposition spatiale.

Cependant, ces technologies se concentrent sur différentes caractéristiques d’une cellule, telles que les niveaux d’ARN ou de protéines, et les ensembles de données qui en résultent sont gérés et stockés de diverses manières. Pour résoudre ce défi, un projet collaboratif dirigé par le groupe Stegle a développé SpatialData, une norme de données et un cadre logiciel qui permet aux scientifiques de représenter les données d'un large éventail de technologies d'omique spatiale de manière unifiée.

Développement technologique pour la biologie spatiale

Au cours de la dernière décennie, de nombreuses technologies ont été développées tant par le monde universitaire que par l’industrie pour visualiser spatialement les tissus, les cellules et les compartiments subcellulaires. Cependant, chaque technique se concentre sur un petit nombre de caractéristiques souhaitables et présente des compromis associés. Par exemple, Visium de 10x Genomics capture des informations sur l'expression de tous les gènes dans un tissu, mais ne fournit pas de résolution unicellulaire.

En revanche, le test 10x Genomics Xenium, MERFISH ou la plateforme MERSCOPE de Vizgen produit des cartes fines de l'expression des gènes avec une résolution subcellulaire. Cependant, ces tests sont actuellement limités à quelques centaines de gènes présélectionnés. Et la liste de ces technologies, chacune fournissant une petite partie du tableau complet, ne cesse de s'allonger.

Les défis des technologies spatiales omiques

Cette hétérogénéité des technologies se reflète du côté informatique par une hétérogénéité encore plus grande des formats de fichiers :chaque technologie est livrée avec son propre format de stockage, et souvent les données générées par la même technologie peuvent être stockées dans plusieurs formats.

En pratique, cela pose plusieurs défis à l’analyse des données spatiales omiques. Les méthodes de visualisation et d'analyse sont généralement adaptées à une technologie spécifique, ce qui limite la compatibilité des données et rend difficile l'intégration de différentes méthodes dans un seul pipeline d'analyse. Cependant, pour une compréhension globale d'un système biologique, il est important d'examiner simultanément différentes caractéristiques cellulaires ou échantillons provenant de différents emplacements.

Les technologies omiques génèrent d’énormes quantités de données (téraoctets d’images, millions de cellules, milliards de molécules uniques), exigeant des solutions d’ingénierie optimisées. Par conséquent, la biologie spatiale a besoin de toute urgence d’un cadre universel capable d’intégrer les données issues des expériences et des technologies et de fournir des informations holistiques sur la santé et la maladie. C'est là qu'intervient SpatialData.

SpatialData :un cadre pour les unir tous

"Il existe un besoin urgent d'établir des solutions communautaires pour la gestion et le stockage des données omiques spatiales. En particulier, il est nécessaire de développer de nouvelles normes de données et de nouvelles bases informatiques permettant d'unifier les approches d'analyse sur l'ensemble des différentes technologies omiques spatiales. qui émergent", a déclaré Oliver Stegle, chef de groupe à l'EMBL dans l'unité de biologie du génome et chef de la division Génomique computationnelle et génétique des systèmes au Centre allemand de recherche sur le cancer (DKFZ).

"Une première étape majeure dans cette direction est SpatialData, une norme de données et un cadre logiciel qui relie et adapte les concepts de gestion de données précédents, du multiomique unicellulaire au domaine spatial."

SpatialData unifie et intègre les données de différentes technologies omiques, reliant les technologies de pointe avec un cadre qui permet un accès et une manipulation informatiquement performants des données.

Cet outil a été introduit dans un document Nature Methods publication, rédigée par Luca Marconato lors de son doctorat. à l'EMBL au sein du groupe Stegle, un diplôme conjoint avec la Faculté des biosciences de l'Université de Heidelberg.

"Nous avons développé le cadre SpatialData pour atténuer les problèmes de représentation des données lors de l'étude de la biologie spatiale, afin que le chercheur puisse se concentrer sur l'analyse biologique, plutôt que d'être ralenti par des manipulations fastidieuses de données, autrement nécessaires pour simplement visualiser les données. Le cadre fournit une représentation unifiée et met en œuvre des opérations ergonomiques pour un traitement pratique des données spatiales omiques", a déclaré Marconato.

L'outil permet à tout chercheur d'importer ses données et d'effectuer des tâches telles que la représentation, le traitement et la visualisation des données. De plus, il offre la possibilité d'annoter les données de manière interactive et de les enregistrer dans un format indépendant du langage, facilitant ainsi l'émergence de stratégies d'analyse combinant des méthodes de différents langages de programmation ou communautés d'analyse.

Le cadre a été développé dans le cadre d'un projet collaboratif entre plusieurs institutions telles que le DKFZ, l'Université technique de Munich, le Helmholtz Center Munich, German BioImaging, l'ETH Zürich, le VIB Center for Inflammation Research en Belgique, ainsi que Huber et Saka. groupes à l'EMBL.

"Nous avons mené nos recherches et notre développement technologique en gardant à l'esprit les avantages pour la communauté scientifique dans son ensemble", a déclaré Giovanni Palla, co-premier auteur et docteur en sciences. étudiant au Centre Helmholtz de Munich.

"Nous avons non seulement établi un projet de collaboration interdisciplinaire entre instituts de recherche, mais avons également travaillé en étroite collaboration avec des développeurs travaillant avec différentes technologies spatiales et dans différents langages de programmation pour résoudre le problème de l'interopérabilité. En conséquence, notre cadre est compatible avec la grande majorité des omiques spatiales. tests du monde universitaire et de l'industrie.

"Étant publiés ouvertement, d'autres chercheurs peuvent désormais utiliser librement SpatialData pour gérer leurs propres données et avoir la possibilité de collaborer sur diverses technologies et sujets de recherche."

"Dans notre article, nous illustrons trois caractéristiques importantes de SpatialData", a expliqué Kevin Yamauchi, co-premier auteur et chercheur postdoctoral à l'ETH Zürich.

"Premièrement, nous présentons une interface standardisée et un format de stockage unifié (basé sur OME-NGFF) pour toutes les technologies d'omique spatiale. Deuxièmement, en utilisant la représentation unifiée, nous intégrons des signaux provenant de plusieurs modalités. Ici, nous transférons des annotations entre les modalités et quantifions les signaux. en utilisant ces annotations transférées. Enfin, nous présentons un moyen d'annoter de manière interactive des images (de pathologie) et d'utiliser les annotations pour analyser les profils moléculaires associés. "

SpatialData fournit une représentation interactive des données, à la fois sur votre disque dur et dans la RAM de votre ordinateur, ce qui permet l'analyse de données d'imagerie volumineuses ou de plusieurs géométries ou cellules.

D'autres caractéristiques clés importantes sont la capacité du framework à aligner et annoter les données omiques dans un système de coordonnées commun. Ainsi, SpatialData permet la gestion et la manipulation efficaces d'ensembles de données spatiales, y compris la définition d'un système de coordonnées commun à travers les technologies basées sur le séquençage et l'imagerie.

Application au cancer du sein

L’équipe interdisciplinaire a utilisé le cadre SpatialData pour réanalyser un ensemble de données multimodales sur le cancer du sein de 10X Genomics comme preuve de concept. Cet ensemble de données comprend des sections consécutives du même bloc de cancer du sein, où chaque section est analysée à l'aide de technologies différentes, comme Visium, Xenium et un ensemble de données scRNA-seq distinct.

L'étude démontre la complémentarité de ces technologies. "En intégrant 10X Xenium et scRNAseq, nous avons cartographié les types de cellules dans l'espace", a déclaré Elyas Heidari, titulaire d'un doctorat. candidat au DKFZ et l'un des auteurs de l'étude.

"Ensuite, nous avons utilisé 10X Visium pour identifier les clones de cancer dans l'espace. Cela est possible car nous disposons de lectures à l'échelle du transcriptome. Enfin, nous avons utilisé les images de microscopie colorées H&E pour identifier les régions d'intérêt pour les annotations histopathologiques. Cette analyse a mis en valeur avec succès une approche unique. application de SpatialData pour débloquer des analyses multimodales d'ensembles de données à résolution spatiale."

À l'avenir, la tumeur d'un patient pourrait être analysée à l'aide de différentes technologies couramment utilisées en clinique, les données étant ensuite unifiées par SpatialData pour acquérir une compréhension globale de la tumeur. De plus, l'interface interactive permettrait au médecin d'annoter les données, permettant ainsi une analyse détaillée de régions et de caractéristiques spécifiques de la tumeur, conduisant potentiellement à des approches thérapeutiques personnalisées.