DPM: A Deep Learning and Optimal Transport Framework for Cost-Effective Spatial Metabolomics

代谢组学 深度学习 人工智能 空间分析 计算机科学 模式识别(心理学) 特征(语言学) 生物系统 数据挖掘 化学 欧几里德距离 钥匙(锁) 空间分布 空间生态学 数据采集
作者
Bo Shi Yao,Longfeng Yang,Chi Zhang,Yuanyuan Lv,Chenkun Yang,Li-Jun Di,Jie Luo,Shuhai Lin
出处
期刊:Analytical Chemistry [American Chemical Society]
卷期号:98 (4): 3217-3225
标识
DOI:10.1021/acs.analchem.5c06903
摘要

Mass spectrometry imaging (MSI) is a powerful technology in spatial metabolomics that enables the in situ detection and distribution analysis of metabolites in tissue sections. However, the high cost associated with high-resolution and multislice MSI acquisition remains a major limitation. Here, we introduce DeepPathMetabol (DPM), a deep learning-enhanced framework based on optimal transport theory, which accurately predicts spatial metabolite distributions in an MSI section using data from an adjacent section through an optimized mapping strategy. DPM achieves superior alignment and prediction accuracy, outperforming conventional feature similarity-based methods such as those using Euclidean or kernel-based metrics both with and without spatial distance weighting. We further demonstrated that the DPM framework can effectively enhance MSI resolution, providing a powerful tool for cost-effective and high-precision spatial metabolomics research. This approach also shows promising potential for extension to spatial transcriptomics. Collectively, our work establishes histology-facilitated MSI-to-MSI prediction as a versatile strategy for spatial biology research. DPM is open-source and available at https://github.com/LinShuhaiLAB/DeepPathMetabol.
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