细胞生态位的定义

🧬 空间组学中的细胞生态位建模与分析

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🧠 1. 细胞生态位的定义

细胞生态位（Cellular Niche）指的是一个细胞在组织内的空间位置及其所处的微环境，包括：

• 邻近细胞类型与密度结构；
• 分泌/接收的信号因子网络（如细胞因子、趋化因子）；
• 局部物理/代谢状态（如氧气浓度、酸碱度、营养供应）；
• 细胞外基质与组织结构特征。

生态位并非静态的空间区域，而是细胞与其环境持续交互作用形成的功能性空间单元，对细胞命运决策、状态变化与疾病进展具有调控作用。

✅ 常用于研究肿瘤微环境、干细胞生态位、免疫细胞浸润与异质性分析。

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📏 2. 80 μm 半径邻域 ≈ 细胞生态位？

在实际分析中，80 μm 半径被广泛作为生态位建模的经验尺度，该选择源于：

• ✅ 细胞因子扩散范围：大部分细胞间信号（CXCL12、IFN-γ 等）在组织中扩散半径为 50–150 μm；
• ✅ 组织结构单元尺度：此范围通常覆盖 5–20 个细胞，是捕捉局部细胞组成与相互作用的理想粒度；
• ✅ 技术对应：如 Visium Spot 直径 55 μm，理论扩展至 80 μm 可容纳完整空间信号感知区。

因此，在空间分析中，以 80 μm 为半径定义邻域，可近似等效于“生态位”单位。

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🧩 3. 细胞生态位在空间分析中的作用

🔬 空间生物学中的三类典型任务：

应用方向	说明
🧭 细胞功能状态评估	分析微环境如何影响细胞增殖、分化、免疫逃逸等
🧬 细胞通讯网络构建	分析细胞间的配体-受体对表达与空间共表达关系
🧪 生态位特异基因识别	比较不同生态位中的同类细胞差异表达谱，发现区域功能化趋势

🔄 常用技术方法：

• 最近邻分析（KNN）
• 空间自相关（Moran’s I, Geary’s C）
• 生态位聚类（Niche clustering）
• 区域富集分析（Enrichment score）

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🧪 4. 分析中如何构建与利用“生态位”

✅ 建模方式（推荐组合使用）

方法	描述	工具举例
固定半径邻域	以目标细胞为中心，定义如 80 μm 的邻域	Squidpy, Giotto
最近邻网络	通过空间距离构建图结构，分析空间连接性与属性传播	SpaGCN, CellCharter
区域富集打分	统计某种细胞或状态在特定邻域内是否显著富集	scanpy, score_genes
空间配对通讯分析	配合 CellPhoneDB、NATMI，结合空间邻域构建局部信号网络	Squidpy, Tangram

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🚀 5. 前沿生态位分析方法（建议重点关注）

🧬 5.1 Niche-DE

🔍 基于 负二项回归 模型，分析目标细胞在不同生态位（邻域组成差异）下的基因表达变化，适用于免疫微环境与异质性研究。

• 可结合 Niche-LR 推断局部活跃的配体-受体路径。
• 强调生态位影响下的“细胞功能可塑性”识别。

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📊 5.2 COVET / ENVI

🌐 通过邻域中细胞表达的协方差构建“生态位结构图谱”，结合最优传输距离（OT distance）比较生态位差异。

• 利用变分自编码器（VAE）进行低维嵌入。
• 支持空间数据与 scRNA 的联合嵌入，适用于跨平台整合。

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🧱 5.3 scNiche

🧠 多模态特征建模框架，整合单细胞表达、邻域结构、空间位置等多种数据，进行 生态位分类与结构识别。

• 适合揭示组织中复杂生态位结构（如 CAF 子群的空间异构性）。
• 通过多视角特征融合，提升生态位聚类的分辨力与可解释性。

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✅ 6. 总结与建议

核心观点	建议做法
细胞生态位是理解空间调控的基本单位	从细胞邻域出发建模，整合信号、邻近性与基因表达
80 μm 是当前经验性的生态位尺度	可调整该值以适配不同组织密度（如小鼠 vs 人体）
工具多样化、目标驱动优先	若做信号分析→CellPhoneDB；若做富集→Niche-DE；若做联合建模→COVET/scNiche

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