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首页 看点啥 课前准备--通用-专用AI框架:用于空间分析流程中的感兴趣区域(ROI)选择

课前准备--通用-专用AI框架:用于空间分析流程中的感兴趣区域(ROI)选择

2026-07-07 0

作者,Evil Genius

大家一定要珍惜学生时代,尤其硕士博士阶段,对于生物学、医学方向而言,一篇好的文章意味着什么,我相信大家比我更深有体会。

学生时代年轻,有精力,只要有时间,能学习的技能尽量学,能发多高的文章尽量发,工作了以后,尤其是进入了社会,想着再发文章,难如登天,且年纪越大精力越不够,很多时候,好的阶段过去就是过去了,再也不会有第二次机会。

高精度空转一个很重要的问题就是选择ROI,大家看文章的话,几乎都是圈选ROI进行深入分析。

那么AI能否在其中起到作用,帮助我们选择关键区域呢?

感兴趣区域(ROI)的选择在空间分子病理分析和许多病理学任务中通常是关键一步,对研究可重复性和生物学可解释性具有重要影响。

传统ROI选择依赖于人工和专家经验,存在评估者间差异大、易受偏差影响、难以规模化等问题,而病理医生短缺进一步加剧了这一困境。更复杂的是,不同平台捕获区域、检测手段和生物学问题各不相同,没有一套固定的选择规则能通用所有场景。

基于MD Anderson Patient Mosaic数据库中1,116个人工精选ROI(涵盖55种癌症类型,分为癌、黑色素瘤、肉瘤及其他四大类),利用GeoMx DSP空间蛋白组学和多重免疫荧光(mIF)数据,将每个ROI分割为肿瘤区室(PanCK⁺/S100B⁺)和TME区室(PanCK⁻/S100B⁻)进行区室特异性分析。研究发现癌和黑色素瘤的免疫活性高于肉瘤,黑色素瘤在肿瘤区室的PD-1/PD-L1表达最高且免疫逃逸最为显著,而TME中癌的PD-1表达反而高于黑色素瘤;同时PD-L1与增殖标志物Ki-67在所有癌种中均呈显著正相关(r范围0.36–0.78),提示免疫逃逸与肿瘤增殖密切关联。基于mIF的单细胞免疫评分(mIF-scIS,�45细胞)与DSP蛋白组学数据显著相关(CD45:癌r=0.44,黑色素瘤r=0.50;CD8:癌r=0.36,黑色素瘤r=0.51),验证了评分的可靠性,而mIF-scIS与肿瘤区室PD-L1的相关性仅见于黑色素瘤(r=0.41),提示癌种特异性关联。人工ROI免疫评分与全切片水平显著相关(r=0.753,ICC=0.75)且无明显固定偏差,但个体一致性界限较宽(-16.25~18.19),表明ROI在群体水平上能较好代表全切片而个体差异仍存。

研究目标与整体框架

目标:基于人工ROI的生物学见解,开发自动化ROI选择流程

采用通才-专才混合框架(GFM ASTROS),实现跨癌种可重复的大规模分析

流程分为三个阶段,从粗到细(coarse-to-fine)处理mIF全切片图像

基于网格的自动化免疫评分(mIF-aIS)

利用快速像素级CD45表达估算,计算网格级自动化免疫评分

与两位病理医生独立人工评分(mIF-mIS)显著相关:

mIF-aIS vs 病理医生1:r = 0.74

mIF-aIS vs 病理医生2:r = 0.72

与病理医生间一致性相当(r = 0.74)

分类免疫评分的一致性(Light's κ = 0.688)与病理医生间一致性(κ = 0.672)高度吻合

结论:图像免疫评分可靠,可作为自动化ROI选择的关键组件

阶段二:代表性网格筛选

按全切片中各免疫类别网格的比例,分配每样本可用ROI数量(N=6),维持全切片代表性

将人工ROI边界扩展至网格大小,构建免疫分层参考网格集

使用PLIP(GFM)提取参考网格和候选网格的嵌入向量,计算GFM相似度评分(SGFM)(最大余弦相似度)

选定网格的余弦相似度显著高于淘汰网格(Wilcoxon检验,p = 1.3×10⁻³⁰³)

Hybrid.v1:仅基于GFM相似度进行网格选择

Hybrid.v2:额外应用ASTROS对每个候选网格打分(SAST,最大检测置信度),动态整合SGFM和SAST权重(基于各评分分布在全切片的判别离散度),实现自适应协同

阶段三:ASTROS模型开发与应用

ASTROS:面向ROI选择的AI专才任务导向模型

训练数据:606个人工标注ROI(57例) 额外222个ROI(2位病理医生,以纳入评估者间变异)

验证数据:128张WSI,含768个ROI(覆盖癌、肉瘤、黑色素瘤等)

输出ROI尺寸:1,649×1,961像素(匹配人工DSP ROI平均尺寸)

开发一个虚拟支持框架,用于预览来自H&E的ROI选择

由于H&E染色比mIF更常规、成本更低,研究利用生成式AI从H&E合成虚拟mIF(vmIF),在此基础上运行混合ROI选择框架

目标:实现仅凭H&E即可预可视化ROI选择,加速框架落地应用

将混合框架适配到10x Genomics空间转录组平台(Visium和Visium HD)

回顾性数据:4种肿瘤类型的H&E染色WSI——胶质母细胞瘤(GBM)、胆管癌(CCA)、肺腺癌(LUNG)、上尿路尿路上皮癌(UTUC)

设计三种应用场景,展示框架应对不同需求的灵活性

最终在前瞻性CCA样本(N=4)中用于Visium HD实验的ROI输入

三种场景展示了单一模型的优缺点及模块化框架的灵活适配能力

生活很好,有你更好。

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