細(xì)胞核的形態(tài)特征與染色質(zhì)結(jié)構(gòu)存在密切關(guān)聯(lián)，能夠在一定程度上反映細(xì)胞類型、功能狀態(tài)及某些疾病相關(guān)的變化。DAPI染色因其低成本、操作簡便和廣泛兼容性，已成為細(xì)胞與組織成像中最常用的核染方式之一。然而，在多數(shù)空間組學(xué)和成像分析流程中，DAPI圖像常被作為細(xì)胞定位或輪廓提取的輔助信息，其潛在的價(jià)值尚未被系統(tǒng)挖掘和利用。其關(guān)鍵瓶頸在于，細(xì)胞核形態(tài)變化具有復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)和多尺度特征，傳統(tǒng)人工提取特征難以全面表征；同時(shí)，監(jiān)督學(xué)習(xí)方法對標(biāo)注數(shù)據(jù)依賴較強(qiáng)，限制了在多組織、多疾病、多平臺條件下的泛化能力和遷移應(yīng)用。

近日，同濟(jì)大學(xué)張勇課題組在Genome Biology在線發(fā)表文章Self-supervised pretraining withNuSPIReunlocks nuclear morphology-driven insights in spatial omics，構(gòu)建了用于細(xì)胞核形態(tài)建模的自監(jiān)督預(yù)訓(xùn)練模型NuSPIRe。該模型通過大規(guī)模自監(jiān)督預(yù)訓(xùn)練，從DAPI染色圖像中學(xué)習(xí)具有可遷移性的核形態(tài)表征，可在無需人工標(biāo)注的條件下支持多種下游分析任務(wù)，包括細(xì)胞類型識別與擾動響應(yīng)檢測。同時(shí)，NuSPIRe還可作為輔助工具融入空間組學(xué)實(shí)驗(yàn)流程，用于支持更高效的視野選擇與數(shù)據(jù)采集決策。

NuSPIRe采用基于遮擋重建的自監(jiān)督學(xué)習(xí)策略，將細(xì)胞核圖像劃分為若干小塊，隨機(jī)遮擋部分區(qū)域，并由模型依據(jù)上下文信息進(jìn)行重建，從而在無標(biāo)注條件下同時(shí)學(xué)習(xí)細(xì)胞核形態(tài)的全局結(jié)構(gòu)與局部細(xì)節(jié)特征（圖1）。基于該模型，系統(tǒng)評估了細(xì)胞核形態(tài)信息在多個典型應(yīng)用場景中的潛力。例如，在非小細(xì)胞肺癌組織切片中，經(jīng)過少量樣本微調(diào)后，NuSPIRe能夠支持腫瘤細(xì)胞與免疫細(xì)胞等類型的區(qū)分，并在標(biāo)注數(shù)據(jù)受限的情況下保持較好的跨樣本泛化能力。在大規(guī)模擾動數(shù)據(jù)集中，利用細(xì)胞核形態(tài)表征在無標(biāo)注條件下篩選出引發(fā)顯著形態(tài)變化的擾動，并進(jìn)一步歸納不同細(xì)胞核表型模式，為藥物篩選和作用機(jī)制探索提供形態(tài)學(xué)層面的參考。此外，通過將細(xì)胞核形態(tài)表征與空間轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)相結(jié)合，研究初步探索了形態(tài)特征與基因表達(dá)在空間尺度上的關(guān)聯(lián)，為形態(tài)驅(qū)動的空間分析提供了新的技術(shù)路徑。

圖1. NuSPIRe模型架構(gòu)

在應(yīng)用層面，進(jìn)一步將NuSPIRe前移至實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)階段，用于輔助空間組學(xué)實(shí)驗(yàn)流程的優(yōu)化。模型可在預(yù)掃描的DAPI圖像上自動識別潛在的感興趣區(qū)域，并對候選視野進(jìn)行排序與優(yōu)先級評估，從而在既定采集預(yù)算下提高關(guān)鍵信息的覆蓋效率。以腫瘤免疫微環(huán)境中的三級淋巴結(jié)構(gòu)為例，NuSPIRe能夠僅基于DAPI圖像識別與免疫富集相關(guān)的核形態(tài)模式，并在肺癌空間組學(xué)數(shù)據(jù)中顯著提升免疫細(xì)胞的捕獲效率。這種模型先評估再采集的實(shí)驗(yàn)策略，為空間組學(xué)實(shí)驗(yàn)提供了一種具有可操作性的成本優(yōu)化方案。

同濟(jì)大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院博士后華玉為、博士生李詩雨為本文共同第一作者，張勇教授為本文通訊作者。

原文鏈接：https://link.springer.com/article/10.1186/s13059-026-03987-2

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