一种房颤心肌纤维化的分析装置、方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种房颤心肌纤维化的分析装置和方法，包括空间转录模块、表达变化差异基因筛选模块、降维处理模块、聚类分析模块、聚类差异基因集筛选模块、主要差异类群筛选模块和分析模块；采用空间转录组技术对正常组、模型组动物心肌组织切片进行空间转录测序，利用空间转录测序数据进行后续分析，筛选高度变异基因、降维、聚类处理，对每个聚类的差异基因进行筛选，对筛选出的各聚类差异基因进行富集分析，得到主要差异聚类，最后对主要差异聚类的差异基因在进行富集分析。利用本发明专利技术装置分析出房颤心房肌纤维化病变机制中的关键特征基因及相关分子信号通路，为更好地了解房颤病变的发生、发展过程提供了有效的分子理论基础和理论支持。理论支持。

【技术实现步骤摘要】
一种房颤心肌纤维化的分析装置、方法


[0001]本专利技术属于中医内科学与生物信息
，涉及一种利用空间转录组技术分析房颤心房肌纤维化病理机制的方法。

技术介绍

[0002]复杂的异质组织由多种细胞类型和空间组成。对这些复杂的异质组织的研究，需要有能够评估基因表达谱以及多种细胞类型和状态的空间组织的工具。在细胞和分子水平上对组织的正式分析提供了生物学信息，同时保留了组织和细胞微环境的组织。
[0003]转录组分析中没有组织解离偏向性，因为组织是完整的，并可以确定异质组织中的细胞类型。来自10X公司的Visium空间基因表达解决方案，提供了分析空间整体转录组的方法。通过将总mRNA基因表达数据与形态H&E染色的图像相叠加，利用Visium，研究人员可以从整个组织切片和各种各样的样本类型中获得整个转录组高通量基因表达分析结果。该解决方案使研究人员能够揭示正常和患病组织的生物学结构，并发现新的组织生物标志物；而且，通过使用现有的实验室设备和组织分析工具，可以轻松地将visium集成到工作流程中，在一个工作日之内完成从对样本切片到建好测序文库的端到端工作流程。
[0004]房颤是成年人最常见的持续性心律失常。近年来其发病率和患病率逐年增高。流行病学数据显示，2010年全球房颤患者总数约3350万人。我国成人房颤患病率为0.2％，并且随着年龄的增长而增加，80岁以上房颤患病率高达8.3％。房颤增加了中风、心力衰竭和死亡的风险，降低了患者的生活负担，增加了心律失常患者的住院率，给社会带来巨大的经济负担。
[0005]以间质纤维化为特征的结构重构是房颤维持和复发的基质，间质纤维化可以阻滞或减慢心房局部的兴奋传导，有利于折返环的形成。既往研究表明，芪珀生脉颗粒可有效改善房颤心房纤维化，进一步深入研究其改善房颤心房肌纤维化的分子机制，对阐明其药理作用具有重要意义。其中芪珀生脉颗粒组合物包括生黄芪、北沙参、麦冬、琥珀、五味子、酸枣仁、丹参、玄参、蝉蜕、僵蚕组成。方中以黄芪、北沙参、麦冬以益气养阴为君药；五味子、酸枣仁酸甘化阴、宁心安神为臣药；丹参凉血清心除烦，活血通脉，琥珀宁心复脉、定惊安神共为佐使。全方共奏益气养阴，宁心安神定悸之功效，临床用于治疗气阴两虚型心房纤颤。
[0006]近年来，转录组学领域已经发展成为一种甚至在具有混合成分的情况下研究细胞的调节性分子途径的更普遍的方式。这些方法尽管提供了信息，但主要集中在均质化组织或单细胞悬液中的细胞上，从而失去了空间的特异性，原位杂交技术虽然能显示分子的空间位置，但是存在通量的限制。
[0007]空间转录组学是将基因的表达与组织切片的免疫组化图像进行正好，从而将组织内不同细胞的基因表达信息定位到组织的原始空间位置上去，区分哪些基因在组织内是活跃的，达到直观检测组织中不同部位基因表达的差异。
[0008]空间转录组技术结合了组织学成像和单细胞测序技术，通过空间固定和条形码化cDNA合成引物保留每个转录物的位置信息。通过空间分辨的mRNA数据，我们可以将注意力
集中在特定的组织区域。通过比较模型组病变区域的转录组改变，可以明确解释房颤纤维化相关的病理机制；通过比较给药前后心房肌纤维化组织区域的转录组改变，可以明确解释药物对心肌组织发挥作用的作用靶点。
[0009]Visium空间基因表达解决方案是10X公司给的空间转录组样本制备到数据分析的一个方案，研究人员使用visium空间基因表达载玻片绘制复杂组织样品的空间基因表达图。visium空间基因表达载玻片(Visium Spatial Gene Expression Slide，又称芯片、visium载玻片)为载有poly(A)捕获和新型空间条形码技术的载玻片，且每个visium空间基因表达载玻片包含四个捕获区域(6.5
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6.5mm)，每个捕获区域容纳1张单独的组织切片，每个捕获区域具有5000个被条形码标记的斑点(spots)，每个斑点中包含数百万个含有聚(dT)的寡核苷酸链，寡核苷酸链可捕获、识别mRNA，且每个斑点都有一个独特的条形码序列。当RNA从组织切片的细胞中释放出来后，迁移到每个斑点的RNA会被标记上相应的条形码序列，然后进行文库构建并进行测序。接下来，根据数据的条形码信息对数据进行分配，以确定哪些数据来自哪个位置。最终实现空间基因表达的可视化，也就是说这个空间基因表达载玻片可以捕获识别mRNA，并且可以确定这些mRNA的空间位置。
[0010]寡核苷酸链有唯一的分子标识符或者叫UMI(可对mRNA分子进行计数)以及空间条形码，可查看mRNA在捕获区域中的来源。每个斑点的直径为55微米，因此根据组织类型，每个斑点可以检测到1
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10个细胞。

技术实现思路

[0011]本专利技术的目的是针对房颤导致的心肌组织中复杂异质组织在细胞和分子水平上的研究方法复杂，且病变部位的细胞、基因以及变异基因空间位置信息不明确的问题，提供一种利用空间转录组技术分析房颤心房肌纤维化病理机制的方法，解决了现有研究方法无法清楚分析和确定房颤心房纤维化病理发生、发展的机制的问题。
[0012]为实现本专利技术的目的，本专利技术一方面提供一种房颤心肌纤维化的分析装置，包括：
[0013]表达变化差异基因筛选模块，用于对正常组、模型组动物心肌组织切片样本的空间转录数据进行标准化处理，并通过vst算法对标准化处理后的数据进行高度变异基因筛选，得到表达变化差异从高到低的表达变化差异基因集；
[0014]降维处理模块，用于对正常组、模型组样本中筛选获得的表达变化差异基因集进行标准化处理后的数据采用PCA方法进行线性降维处理，获得PCA降维数据；然后采用T
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SNE的非线性降维算法对PCA降维数据进行非线性降维处理，获得T
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SNE降维数据；
[0015]聚类分析模块，用于对降维处理数据采用SNN聚类算法进行聚类分析处理，获得正常组、模型组样本的表达变化差异基因聚类亚群；
[0016]聚类差异基因集筛选模块，用于采用Seurat软件的wilcox秩和检验分别对正常组、房颤模型组动物组织样本的每个聚类亚群的基因与对应组的组织样本的其他所有聚类亚群的基因进行差异比较，筛选获得每个聚类的差异基因集(即每个聚类的表达差异变化大的基因集)；
[0017]主要差异类群筛选模块，用于采用R语言ClusterProfiler包分别对正常组、模型组样本的每个聚类的聚类差异基因集进行差异基因富集分析，并将正常组与模型组的富集分析结果进行比较，筛选获得主要差异类群；
[0018]主要差异类群分析模块，用于对模型组的主要差异类群与模型组的其他聚类亚群的聚类差异基因集进行差异基因功能富集分析，获得导致房颤心肌纤维化病变相关的差异基因的相关生物学过程和信号通路。
[0019]其中，所述表达变化差异基因筛选模块筛选的表达变化差异基因集为表达变化差异基因从高到低的前3000个基因。
[0020]特别本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种房颤心肌纤维化的分析装置，其特征是，包括：表达变化差异基因筛选模块，用于对正常组、模型组动物心肌组织切片样本的空间转录数据进行标准化处理，并通过vst算法对标准化处理后的数据进行高度变异基因筛选，得到表达变化差异从高到低的表达变化差异基因集；降维处理模块，用于对正常组、模型组样本中筛选获得的表达变化差异基因集进行标准化处理后的数据采用PCA方法进行线性降维处理，获得PCA降维数据；然后采用T
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SNE的非线性降维算法对PCA降维数据进行非线性降维处理，获得T
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SNE降维数据；聚类分析模块，用于对降维处理数据采用SNN聚类算法进行聚类分析处理，获得正常组、模型组样本的表达变化差异基因聚类亚群；聚类差异基因集筛选模块，用于采用Seurat软件的wilcox秩和检验分别对正常组、房颤模型组样本的每个聚类亚群的基因与对应组的组织样本的其他所有聚类亚群的基因进行差异比较，筛选获得每个聚类的差异基因集(即每个聚类的表达差异变化大的基因集)；主要差异类群筛选模块，用于采用R语言ClusterProfiler包分别对正常组、模型组样本的每个聚类的聚类差异基因集进行差异基因富集分析，并将正常组与模型组的富集分析结果进行比较，筛选获得主要差异类群；主要差异类群分析模块，用于对模型组的主要差异类群与模型组的其他聚类亚群的聚类差异基因集进行差异基因功能富集分析，获得导致房颤心肌纤维化病变相关的差异基因的相关生物学过程和信号通路。2.如权利要求1所述的分析装置，其特征是，还包括空间转录模块，用于采用空间转录组技术分别对正常组、房颤模型组动物的心房肌组织切片样本进行空间转录测序处理，获得正常组、模型组动物样本的空间转录数据。3.如权利要求1或2所述的分析装置，其特征是，所述聚类分析模块对正常组样本的表达变化差异基因聚为3个cluster(聚类亚群)；对模型组样本的表达变化差异基因聚为4个cluster。4.如权利要求1或2所述的分析装置，其特征是，所述聚类差异基因集筛选模块中的差异比较的标准为Fold Change≥2且q
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value<0.1，即筛选Fold Change≥2且q
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value<0.1的基因即为特征表达差异变化大的基因。5.如权利要求1或2所述的分析装置，其特征是，所述主要差异类群筛选模块具体用于：采用R语言ClusterProfiler包分别对正常组、模型组样本的每个聚类的聚类差异基因集进行生物学过程富集分析，并将正常组与模型组的生物学过程富集分析结果进行比较，筛选获得主要差异类群。6.如权利要求1或2所述的分析装置，其特征是，所述主要差异类群分析模块分析的主要差异类群的聚类差异基因集为Nppa，Apoe，Reg3b，Myl4，Bgn，Postn，Ftl1，Lbp，lgfbp4和Fn1。7.如权利要求1或2所述的分析装置，其特征是，所述主要差异类群分析模块具体用于：对模型组的主要差异类群与模型组的其他聚类亚群的聚类差异基因集进行差异基因富集分析，即对主要差异类群的差异基因进行生物学过程富集分析(即GO注释系统的生物学过程分析Biological Process(BP分析))，获得房颤心肌纤维化涉及衰老、胶原纤维结合、补体激活、细胞外基质、对机械刺激的反应过程等生物学过程；
对模型组的主要差异类群与模型组的其他聚类亚群的聚类差异基因集进行KEGG pathway分析，获得房颤心肌纤维化与补体系统，ECM

【专利技术属性】
技术研发人员：胡元会，褚瑜光，崔翰明，石晶晶，石树青，魏艺，王欢，
申请(专利权)人：中国中医科学院广安门医院，
类型：发明
国别省市：