论文标题：An effective method for quantification, visualization, and analysis of 3D cell shape during early embryogenesis

期刊：Quantitative Biology

作者：Zelin Li, Zhaoke Huang, Jianfeng Cao, Guoye Guan, Zhongying Zhao, Hong Yan

发表时间：20 December 2024

DOI： https://doi.org/10.1002/qub2.83

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在过去的30年里，生物学家和计算机科学家一直致力于量化3D细胞形态，并分析其交互行为。胚胎发生是发育生物学中最基本的过程，而复杂且动态变化的3D胚胎细胞使得细胞形态的有效量化变得极具挑战性。传统的描述方法（如体积、表面积、平均曲率等）往往仅提供全局信息，缺乏局部细节和形态重建能力。近年来，成像技术的进步使得动态时间序列荧光成像成为可能，进而实现了秀丽隐杆线虫（Caenorhabditis elegans, C. elegans）等模式生物的3D细胞形态图谱。然而，由于宿主特异性的基因表达机制、代谢方式及DNA载体的差异，向非模式生物转化这些基因模块仍然面临挑战。此外，由于活体3D细胞形态的高质量数据稀缺，限制了研究者探索细胞形态与细胞命运之间的关联。因此，迫切需要一种集成化的量化与分析方法。

近日，香港城市大学、香港浸会大学、北京大学、哈佛医学院、Dana-Farber癌症研究所和香港科学园智能多维数据分析中心的研究团队在Quantitative Biology期刊上发表了一篇题为"An effective method for quantification, visualization, andanalysis of 3D cell shape during early embryogenesis"的论文。他们提出了一种高效的集成方法——3D细胞形态量化方法（3DCSQ），可将数字化的3D细胞形态转化为分析特征向量，即Eigengrid、Eigenharmonic 和 Eigenspectrum。研究团队独特地结合了球面网格（Spherical Grid）、球面谐波（Spherical Harmonics）和主成分分析（Principal Component Analysis, PCA），实现了细胞形态的精准量化。实验表明，3DCSQ在识别细胞形态表型和聚类分析方面具有显著优势。

全文概要

在过去的30年里，细胞形态的量化一直是生物学领域中的难题，尤其是在胚胎发育过程中，3D细胞形态的分析为理解细胞行为和命运提供了关键视角。传统的细胞形态学分析方法如体积、表面积和平均曲率等，虽然能够提供一些全局性的细胞特征信息，但由于其无法呈现局部细节，且缺乏对细胞形态演化的精准描述，往往无法满足发育生物学中的需求。随着成像技术的发展，动态时间序列荧光成像技术已经能够捕捉到像秀丽隐杆线虫等模式生物的胚胎发育过程，揭示细胞形态在发育过程中的变化。然而，由于数据的高复杂性和高维度性，如何有效量化和分析这些3D细胞形态，仍然是一个挑战。

在这一背景下，研究团队提出了3D细胞形态量化方法（3DCSQ），一种创新性的集成方法，旨在将数字化的3D细胞形态转化为易于分析和处理的特征向量，包括Eigengrid、Eigenharmonic 和 Eigenspectrum等。这些特征向量能够有效捕捉细胞形态的全局特征及局部细节，提供了更为精准的细胞形态量化方案。研究表明，3DCSQ在识别细胞形态表型、聚类分析以及不同细胞群体的区分方面具有明显优势。研究团队进一步验证了该方法在秀丽隐杆线虫活体胚胎中的应用，通过对29个不同发育阶段的胚胎（从4细胞期至350细胞期）进行分析，成功识别并量化了生物学可复现的细胞形态模式，并且能够监测到特定皮肤细胞的形态变形过程。此外，3DCSQ还提供了自动化细胞形态谱系分析程序，使得对细胞分化过程的追踪和分析变得更加高效和精确。。

研究团队还采用了球面谐波变换（Spherical Harmonics Transform）和主成分分析（PCA）等先进的数学工具，结合定量生物学的方法，进一步提升了3D细胞形态量化的精度和可靠性。这些技术手段的结合，不仅使得细胞形态的定量描述更加全面，同时也使得细胞形态的演化和细胞分化过程的追踪得以实现。

图1 3DCSQ在细胞形态量化、分析和可视化中的应用示例。

3DCSQ的应用前景非常广阔，特别是在发育生物学、定量生物学和再生医学等领域。通过实时追踪细胞形态的变化，研究者可以更好地理解细胞的发育过程，探索细胞形态与细胞命运之间的关系，为疾病研究和新型治疗方法的开发提供有力支持。研究团队认为，未来随着数据量的进一步增加和算法的优化，3DCSQ将在生命科学的各个领域发挥更加重要的作用，成为生物学家和临床研究人员分析细胞形态变化的重要工具。

QB期刊介绍

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