本报讯 杭州华大生命科学研究院联合美国斯坦福大学、武汉大学等国内外科研机构宣布，其在时空算法工具包的研究取得了重大突破，相关成果于11月12日在国际顶级学术期刊《细胞》上发表。这一名为Spateo的高精度生命全景时空算法工具包，以数学模型的方式实现了三维时空建模，为器官的三维结构重构和时空动态过程的量化提供了新方法。
“这就相当于给器官拍了一个‘全息视频’。”杭州华大生命科学研究院白寅琪博士介绍，科研人员由此可从不同视角观察三维器官的丰富细节，并且能够对应胚胎发育的时间点逐帧改变影像内容，使静态的全息图像“活”起来。
这一工具包的实现，得益于我国科学家自主研发的堪称“超广角百亿像素生命照相机”的时空组学技术Stereo-seq，它的分辨率达500纳米，可“拍”组织里每个细胞的基因信息和空间位置。
“我们最具创意的算法，是将宏观组织的形态变化与微观的基因表达变化关联起来，实现了对影响器官发生的关键基因进行分子层面的推断，这是以往工具未能实现的。”白寅琪告诉笔者，以小鼠心脏的非对称发育研究为例，探索了三维空间中随时间变化的器官生态形成机制，并构建了小鼠胚胎发育的“3D分子全息图”。
斯坦福大学医学院教授邱肖杰认为，Spateo工具包能够将生物系统视为一个相互连接的整体，这在揭示先天性疾病背后的分子机制方面具有巨大的潜力，对促进人类的健康具有深远的影响。
此外，工具包提供多种算法选择，具备三维重建、区域数字化、细胞间相互作用推断、“形态计量向量场”以及用于交互式操作的可视化界面等独特优势。
华大生命科学研究院院长徐讯说：“我们借鉴了多个学科的理论知识，通过算法弥补了实验技术无法解决的问题，譬如切片的细微形变、需要克服不连续间断取样造成的数据丢失问题，还解决了跨时间点重构发育过程中的细胞分化、迁移等难题。”
Spateo工具包的应用将助力理解多种生物系统问题。目前，团队正通过生成空间分辨的跨物种细胞图谱，比较不同物种间器官的三维模型，进而揭示组织结构的进化过程，如脊椎动物的四腔心脏是如何从无脊椎动物的单腔心脏演变而来的。何冬健
