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Scalable imaging-free spatial genomics through computational reconstruction

计算机科学 条形码 空间分析 可扩展性 背景(考古学) 基因组学 图像分辨率 数据挖掘 人工智能 模式识别(心理学) 生物 基因组 遥感 数据库 地理 古生物学 生物化学 基因 操作系统
作者
Chenlei Hu,Mehdi Borji,Giovanni Marrero,Vipin Kumar,Jackson A. Weir,Sachin V. Kammula,Evan Z. Macosko,Fei Chen
标识
DOI:10.1101/2024.08.05.606465
摘要

Abstract Tissue organization arises from the coordinated molecular programs of cells. Spatial genomics maps cells and their molecular programs within the spatial context of tissues. However, current methods measure spatial information through imaging or direct registration, which often require specialized equipment and are limited in scale. Here, we developed an imaging-free spatial transcriptomics method that uses molecular diffusion patterns to computationally reconstruct spatial data. To do so, we utilize a simple experimental protocol on two dimensional barcode arrays to establish an interaction network between barcodes via molecular diffusion. Sequencing these interactions generates a high dimensional matrix of interactions between different spatial barcodes. Then, we perform dimensionality reduction to regenerate a two-dimensional manifold, which represents the spatial locations of the barcode arrays. Surprisingly, we found that the UMAP algorithm, with minimal modifications can faithfully successfully reconstruct the arrays. We demonstrated that this method is compatible with capture array based spatial transcriptomics/genomics methods, Slide-seq and Slide-tags, with high fidelity. We systematically explore the fidelity of the reconstruction through comparisons with experimentally derived ground truth data, and demonstrate that reconstruction generates high quality spatial genomics data. We also scaled this technique to reconstruct high-resolution spatial information over areas up to 1.2 centimeters. This computational reconstruction method effectively converts spatial genomics measurements to molecular biology, enabling spatial transcriptomics with high accessibility, and scalability.
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