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基于异构并行计算的单细胞测序数据聚类算法

计算机工程与应用 2022年第24期58卷 83-89页

作者：谢林娟李荔瑄张少强天津师范大学计算机与信息工程学院天津300387

随着单细胞RNA测序技术的发展,目前单细胞测序通量由上千细胞发展到主流上万细胞的规模。基于单细胞RNA测序数据的细胞分型是研究细胞的重要问题之一,该问题主要运用无监督聚类方法。现有针对大规模单细胞测序数据的聚类方法通过简化细... 详细信息

随着单细胞RNA测序技术的发展,目前单细胞测序通量由上千细胞发展到主流上万细胞的规模。基于单细胞RNA测序数据的细胞分型是研究细胞的重要问题之一,该问题主要运用无监督聚类方法。现有针对大规模单细胞测序数据的聚类方法通过简化细胞关系网络来降低时间复杂度,从而导致细胞分型准确度降低。而常见较高准确度的细胞分型方法无法处理大规模数据。为此,采用将k最近邻与细胞相似度阈值结合构建全新的细胞关系网络,并采用CPU+GPU异构并行计算提高运算速度,通过改进的马尔科夫聚类算法进行细胞聚类。通过在七个较大规模单细胞数据集上实验,发现该算法比现有主要算法具有更好的聚类准确度,从而适合基于主流单细胞测序技术数据的细胞分型。

关键词：单细胞RNA测序无监督聚类并行计算细胞分型

基于大规模单细胞RNA测序数据的细胞聚类和差异表达基因分析研究

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基于大规模单细胞RNA测序数据的细胞聚类和差异表达基因分析研究

作者：谢林娟天津师范大学

学位级别：硕士

在过去的几年里,为了人类健康以及诊断、监测和治疗疾病,单细胞RNA测序(sc RNA-seq)相关的研究得到了迅速的发展。单细胞RNA测序数据的细胞分型是基于单细胞数据集研究的典型问题之一。随着新一代测序技术的飞速推广应用,单细胞RNA测序... 详细信息

在过去的几年里,为了人类健康以及诊断、监测和治疗疾病,单细胞RNA测序(sc RNA-seq)相关的研究得到了迅速的发展。单细胞RNA测序数据的细胞分型是基于单细胞数据集研究的典型问题之一。随着新一代测序技术的飞速推广应用,单细胞RNA测序数据的规模急剧增长,单细胞测序通量由上千细胞发展到主流上万细胞的规模。目前有许多针对大规模单细胞测序数据细胞分型的无监督聚类,这些算法主要通过简化细胞关系网络来降低时间复杂度,却降低了细胞分型的聚类精度和算法的鲁棒性。而现有的高精度细胞分型方法无法很好地处理大规模数据。此外,当前的差异基因分析大都基于单一概率分布进行拟合,由于sc RNA-seq数据具有高异质性和高漏失(dropout)噪声,为当前细胞聚类和差异表达基因检测方法留下了很大的提升空间。为此,本文提出一种基于大规模单细胞RNA测序数据的无监督细胞聚类算法SCMC和差异表达基因检测方法DEGman。SCMC算法首先将k最近邻与细胞相似度阈值结合,并以此构建全新的细胞关系网络,然后通过改进马尔科夫聚类算法进行细胞聚类。通过与主流的sc RNA-seq聚类算法工具,在七个较大规模单细胞数据集上比较实验表明,SCMC比现有主要算法具有更好的聚类准确度,而且对于稀有细胞的聚类也有一定的效果。后续的差异表达基因分析算法DEGman结合巴氏(Bhattacharyya)距离并尝试拟合多种可能的分布,最后通过置换检验来检测差异表达基因。此外,SCMC在算法中使用多核中央处理器和图形处理器(CPU+GPU)进行异构并行计算来提升算法运行速度。相较于其他差异表达基因分析工具,DEGman算法在灵敏度和精度取得了最佳的均衡,并成功地识别小鼠大脑具有与恐惧相关的差异表达基因。因此可以预估这两个算法能够很好地应用于单细胞测序数据分析。

关键词：单细胞RNA测序聚类算法并行计算差异表达基因细胞分型

原位基因测序分析数据可视化方法的开发与应用研究

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原位基因测序分析数据可视化方法的开发与应用研究

作者：邵慧华侨大学

学位级别：硕士

空间转录组指的是一个组织样本在空间位置上的全部转录组数据信息,其能够提供特定条件下的基因表达图谱。目前空间转录组技术主要包括基于原位捕获并测序的空间转录组学技术和基于成像的空间转录组学技术两大类。可以认为基于成像的空... 详细信息

空间转录组指的是一个组织样本在空间位置上的全部转录组数据信息,其能够提供特定条件下的基因表达图谱。目前空间转录组技术主要包括基于原位捕获并测序的空间转录组学技术和基于成像的空间转录组学技术两大类。可以认为基于成像的空间转录组学技术在本质上就是多重RNA原位杂交技术,通过不同的颜色或者其编码实现对不同种类的RNA同时进行原位检测。原位测序技术是一种基于成像的靶向空间转录组学技术。通过对不同基因的RNA或者其编码探针的扩增产物进行测序,可以实现在细胞或者组织中对不同基因直接进行空间基因表达分析。原位测序图像解码是原位测序的关键步骤,其主要目的是将每一轮成像的图像信息转化成数据信息。将解码得到的基因空间表达矩阵与对应组织图像导入基于R开发的平台进行基因空间表达可视化展示。原位测序获得空间基因表达数据后还可以进一步分析,本课题利用坐标信息对数据进行空间相关性分析生成相关性热图,发现空间上的共定位基因后与原位基因测序图像中进行相互佐证;根据相关性分析结果选取目的基因,进行数据聚类分析与降维分析,生成基因表达异质性的可视化分析图像;将数据可视化展示与数据可视化分析结合,可以进一步探索内在基因调控网络与微环境之间的相互作用。本论文以原位测序分析造血干细胞相关基因为模型,开展原位测序数据分析与可视化的研究。本课题选取小鼠骨髓切片作为研究样本,进行原位测序实验,将实验条件进行优化后,对原位测序结果图像进行原位基因测序解码,将解码后的结果进行细胞与基因空间位置表达展示,并进一步进行数据可视化分析,得到相关性图像与降维聚类分析图像,研究骨髓微环境的异质性,并构建小鼠骨髓基因关系网络。基于此,我们将实验与算法相结合,建立了一套完整的从实验技术到数据处理的原位测序分析流程。

关键词：原位测序数据可视化造血干细胞骨髓微环境细胞分型

单细胞转录组测序在中枢神经系统研究中的应用

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神经解剖学杂志 2021年第3期37卷 362-366页

作者：樊喻龚熹南昌大学生命科学学院南昌330031

大脑细胞类型的复杂性众所周知,只有对中枢神经系统组织中各种成分和细胞类型的相互作用进行彻底了解,才能更好地理解中枢神经系统的生理功能与病理状态。现有细胞分类方式在标记的选择上限制了细胞类型的分辨率,难以体现中枢神经系统... 详细信息

大脑细胞类型的复杂性众所周知,只有对中枢神经系统组织中各种成分和细胞类型的相互作用进行彻底了解,才能更好地理解中枢神经系统的生理功能与病理状态。现有细胞分类方式在标记的选择上限制了细胞类型的分辨率,难以体现中枢神经系统的异质性。单细胞转录组测序技术通过无偏见的获取单细胞使得组织异质性得到最大程度的体现。本文将对单细胞转录组测序概况以及该技术手段在神经系统中对细胞类型分析、发育动力、神经系统疾病、可变剪接等多方面进行综述。

关键词：单细胞转录组测序细胞分型发育动力学可变剪接

基于单细胞转录组测序的肝癌免疫微环境功能特征研究

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基于单细胞转录组测序的肝癌免疫微环境功能特征研究

作者：徐启越华东师范大学

学位级别：硕士

肝细胞癌(Hepatocellular carcinoma,HCC)是高发病率和高死亡率的恶性肿瘤之一,其肿瘤发展与机体的免疫微环境异常密切相关。HCC的现有治疗手段主要是临床手术,并且放射疗法和化学疗法效果受限,通过免疫学机制研究可为HCC治疗提供新的... 详细信息

肝细胞癌(Hepatocellular carcinoma,HCC)是高发病率和高死亡率的恶性肿瘤之一,其肿瘤发展与机体的免疫微环境异常密切相关。HCC的现有治疗手段主要是临床手术,并且放射疗法和化学疗法效果受限,通过免疫学机制研究可为HCC治疗提供新的治疗策略。肿瘤的免疫微环境具有高度异质性,不同种类的细胞互相调控肿瘤的发生发展过程。单细胞测序技术克服了传统测序中无法有效识别不同细胞类型及其功能的弊端,基于单细胞水平揭示了准确而细致的细胞状态,有助于全面了解HCC的免疫微环境组成,为HCC个体化免疫治疗提供参考。本文基于临床HCC患者获得的6个肿瘤及癌旁标本进行单细胞转录组测序,通过对24267个细胞执行聚类分析后获得19个细胞亚群,对各亚群细胞进行功能注释。之后,基于定义的19个细胞亚群做深入分析,主要包括表征各细胞亚型的功能特点、描述细胞发育分化路径、探究细胞间相互作用关系、分析亚群内部的基因调控网络以及挖掘生存相关的免疫治疗靶点。基于这五个维度对HCC免疫微环境中各类型细胞进行详细描述,我们对已有报道的细胞亚群的功能状态进行扩展,并发现了既往研究中未报道的新的巨噬细胞亚群(CD3巨噬细胞),分析该亚型细胞可能通过补体信号通路促进效应T细胞分化并增强效应功能,从而发挥抑癌作用,生存分析进一步验证了患者体内高富集该亚群细胞可显著提高HCC预后。总而言之,本研究提供了一个肝细胞癌免疫微环境的单细胞图谱,揭示了不同细胞类型的功能状态及发展轨迹,并发现了新的免疫细胞类型,提供潜在的免疫治疗靶点,为HCC的免疫治疗提供参考与思路。

关键词：肝细胞癌单细胞测序免疫微环境细胞分型肿瘤进展

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苏州地区慢性鼻窦炎合并鼻息肉细胞表型分析

中国耳鼻咽喉头颈外科 2020年第11期27卷 640-643,647页

作者：李晶纪文君惠奕王鑫苏州高新区人民医院耳鼻咽喉头颈外科江苏苏州215129 苏州高新区人民医院病理科江苏苏州215129

目的分析苏州地区慢性鼻窦炎合并鼻息肉(CRSwNP)的细胞表型分布及其临床特征,并确定苏州地区鼻息肉组织嗜酸性粒细胞增多预测息肉复发的最佳分界点。方法选取74例就诊于苏州高新区人民医院的CRSwNP患者,术后随访12~24个月。鼻息肉组织标... 详细信息

目的分析苏州地区慢性鼻窦炎合并鼻息肉(CRSwNP)的细胞表型分布及其临床特征,并确定苏州地区鼻息肉组织嗜酸性粒细胞增多预测息肉复发的最佳分界点。方法选取74例就诊于苏州高新区人民医院的CRSwNP患者,术后随访12~24个月。鼻息肉组织标本HE染色,计数炎性反应细胞数量。依据嗜酸性粒细胞、中性粒细胞、淋巴细胞、浆细胞百分比,分为五种表型。分析五种细胞表型的分布比例,并比较不同表型间临床特征的差异。应用ROC曲线,确定苏州地区鼻息肉组织嗜酸性粒细胞增多预测息肉复发的最佳分界点。结果苏州地区CRSwNP患者嗜酸性粒细胞性鼻息肉占12.1%(9/74),远低于北京地区(37.2%)。该表型患者主观症状和客观CT评分与其他组相比均最差,复发率高达100%。浆细胞性鼻息肉和淋巴细胞性鼻息肉占总病例数的一半以上。与北京地区相仿,中性粒细胞性鼻息肉占比最少,为9.5%(7/74)。本研究中鼻息肉的术后复发率为32.4%(24/74)。组织嗜酸性粒细胞百分比>28.5%时,预测息肉复发的敏感度为95.8%,特异度为96%。结论苏州地区嗜酸性粒细胞性鼻息肉比例明显低于北京,嗜酸性粒细胞百分比>28.5%,是预测息肉复发的最佳分界点。

关键词：鼻窦炎鼻息肉复发细胞分型

基于多网络集成嵌入的单细胞RNA-seq数据降维方法研究

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基于多网络集成嵌入的单细胞RNA-seq数据降维方法研究

作者：肖雪松厦门大学

学位级别：硕士

单细胞RNA测序(single-cell RNA sequencing,scRNA-seq)数据以高通量、高分辨率反映单个细胞内的基因表达信息,为细胞异质性的研究提供了有效途径。但目前测序技术的不完善,使高维的单细胞RNA-seq数据中存在随机噪声和数据缺失,为后续... 详细信息

单细胞RNA测序(single-cell RNA sequencing,scRNA-seq)数据以高通量、高分辨率反映单个细胞内的基因表达信息,为细胞异质性的研究提供了有效途径。但目前测序技术的不完善,使高维的单细胞RNA-seq数据中存在随机噪声和数据缺失,为后续的计算分析带来了困难。降维作为处理高维数据的常用方法,是缩减维度、去除噪声的有效手段。然而,由于单细胞RNA-seq数据常具有复杂结构和数据缺失,以往的降维方法并不能适应其数据特点。本文提出了一个基于多网络集成嵌入的单细胞RNA-seq数据降维方法scLINE。scLINE依据数据在原空间和低维空间的概率分布,构建相似度模型并对其进行优化,使降维后的数据最大程度地拟合原数据结构分布。同时,该模型引入并参考相关的基因网络,补充基因间结构和功能关联信息,克服单细胞RNA-seq数据中的缺失问题。本文使用8个不同的单细胞RNA-seq数据集综合评估scLINE的算法效能。结果表明,在可视化效果、聚类指标以及参数稳定性方面,scLINE 比常用的数据降维方法PCA、t-SNE和Isomap相比具有更佳的效果。除此之外,引入外部参考信息的scLINE模型在样本聚类评估中显示出一定的辨识优势。scLINE是一个结合了网络嵌入和外部信息提取的非线性降维方法。该方法以数据网络的拓扑特征为驱动,适用于结构复杂多样的单细胞RNA-seq数据。通过该方法得到的低维数据不仅反映原数据特点,同时利用综合的生物学先验知识填补信息缺失,对于下游单细胞分析如细胞分型有显著的优化作用。此外,本文已经将scLINE开发为R语言工具包并将其上传至开源平台,方便用户实现单细胞RNA-seq数据的降维处理及可视化操作。

关键词：单细胞测序降维网络嵌入细胞分型

超声弹性成像参数与肝癌患者TNM分期的相关性分析

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肿瘤影像学 2022年第2期31卷 187-191页

作者：田苗高小瞻宜昌市第二人民医院超声科湖北宜昌443000

目的:分析超声弹性成像参数与肝癌患者TNM分期的相关性。方法:选取2019年1月—2020年1月宜昌市第二人民医院收治的80例肝癌患者为肝癌组,80例肝脏良性病变患者为良性组,另选同期收治的80例非肝病患者为对照组,均实施超声弹性成像,对3组... 详细信息

目的:分析超声弹性成像参数与肝癌患者TNM分期的相关性。方法:选取2019年1月—2020年1月宜昌市第二人民医院收治的80例肝癌患者为肝癌组,80例肝脏良性病变患者为良性组,另选同期收治的80例非肝病患者为对照组,均实施超声弹性成像,对3组患者以及肝癌组内不同TNM分期患者检查结果进行对比,利用Spearman相关性分析法对超声弹性成像参数与肝癌患者TNM分期的相关性进行检验。结果:3组患者弹性图像压放指数、弹性应变率比值差异有统计学意义(P<0.05);肝癌组内不同TNM分期患者弹性图像压放指数、弹性应变率比值差异有统计学意义(P<0.05);Spearman相关性分析结果提示:弹性图像压放指数、弹性应变率比值与TNM分期呈正相关性(P<0.05)。结论:超声弹性成像参数与肝癌患者TNM分期密切相关,对判断TNM分期具有一定的参考价值。

关键词：肝癌超声弹性成像细胞分型 TNM分期

基于显微成像流式细胞技术的白细胞三类群分型和计数方法研究与不确定度评定

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中国计量 2021年第10期 92-95页

作者：刘瑛颖中国计量科学研究院

建立了基于显微成像流式细胞技术对人新鲜血液样本中的三个白细胞类群(中性粒细胞(Neu)、淋巴细胞(Lym)和单核细胞(Mon))进行分型计数的方法。在本方法中,对白细胞进行分型计数的参数为:CD45-FITC信号强度、SsC信号强度、Lobe Count(核... 详细信息

建立了基于显微成像流式细胞技术对人新鲜血液样本中的三个白细胞类群(中性粒细胞(Neu)、淋巴细胞(Lym)和单核细胞(Mon))进行分型计数的方法。在本方法中,对白细胞进行分型计数的参数为:CD45-FITC信号强度、SsC信号强度、Lobe Count(核分叶计数)参数和FITC/DQ5 area ratio(FITC.和DRAQ5信号面积比)。通过多份人血液样本的多次测量分析证明,该方法具有良好的室内重复性和日间重复性,通过使用多个品牌的单克隆荧光抗体操作该方法证明,该方法具有良好的稳健性。在此基础上对该方法测量中性粒细胞(Neu)、淋巴细胞(Lym)和单核细胞(Mon)细胞浓度的不确定度进行评定,分别为u_(rel)(Neu)=3.45%,u_(rel)(Lym)=3.24%,u_(rel)(Mon)=6.12%。

关键词：白细胞细胞分型细胞计数不确定度显微成像流式细胞技术