Graph deep learning for the characterization of tumour microenvironments from spatial protein profiles in tissue specimens

计算生物学 深度学习 转录组 免疫荧光 生物 肿瘤异质性 计算机科学 病理 人工智能 癌症 医学 基因表达 基因 免疫学 抗体 遗传学
作者
Zhenqin Wu,Alexandro E. Trevino,Eric Q. Wu,Kyle Swanson,Honesty J. Kim,H. Blaize D’Angio,Ryan Preska,Gregory W. Charville,Piero Dalerba,Ann Marie Egloff,Ravindra Uppaluri,Umamaheswar Duvvuri,Aaron T. Mayer,James Zou
出处
期刊:Nature Biomedical Engineering [Nature Portfolio]
卷期号:6 (12): 1435-1448 被引量:148
标识
DOI:10.1038/s41551-022-00951-w
摘要

Multiplexed immunofluorescence imaging allows the multidimensional molecular profiling of cellular environments at subcellular resolution. However, identifying and characterizing disease-relevant microenvironments from these rich datasets is challenging. Here we show that a graph neural network that leverages spatial protein profiles in tissue specimens to model tumour microenvironments as local subgraphs captures distinctive cellular interactions associated with differential clinical outcomes. We applied this spatial cellular-graph strategy to specimens of human head-and-neck and colorectal cancers assayed with 40-plex immunofluorescence imaging to identify spatial motifs associated with cancer recurrence and with patient survival after treatment. The graph deep learning model was substantially more accurate in predicting patient outcomes than deep learning approaches that model spatial data on the basis of the local composition of cell types, and it generated insights into the effect of the spatial compartmentalization of tumour cells and granulocytes on patient prognosis. Local graphs may also aid in the analysis of disease-relevant motifs in histology samples characterized via spatial transcriptomics and other -omics techniques.
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