SmartGate is a spatial metabolomics tool for resolving tissue structures

计算机科学 空间分析 代谢组学 模式识别(心理学) 人工智能 聚类分析 分割 鉴定(生物学) 数据挖掘 计算生物学 生物信息学 生物 数学 统计 植物
作者
Kaixuan Xiao,Yu Wang,Kangning Dong,Shihua Zhang
标识
DOI:10.1101/2022.09.25.509375
摘要

Abstract Imaging mass spectrometry (IMS) is one of the powerful tools in spatial metabolomics for obtaining metabolite data and probing the internal microenvironment of organisms. It has dramatically advanced the understanding of the structure of biological tissues and the drug treatment of diseases. However, the complexity of IMS data hinders the further acquisition of biomarkers and the study of certain specific activities of organisms. To this end, we introduce an artificial intelligence tool SmartGate to enable automatic peak picking and spatial structure identification in an iterative manner. SmartGate selects discriminative m/z features from the previous iteration by differential analysis and employs a graph attention auto-encoder model to perform spatial clustering for tissue segmentation using the selected features. We applied SmartGate to diverse IMS data at multicellular or subcellular spatial resolutions and compared it with four competing methods to demonstrate its effectiveness. SmartGate can significantly improve the accuracy of spatial segmentation and identify biomarker metabolites based on tissue structure-guided differential analysis. For multiple consecutive IMS data, SmartGate can effectively identify structures with spatial heterogeneity by introducing three-dimensional spatial neighbor information.
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