VeloCycle：利用流形约束RNA速度模型揭示细胞周期动态的新方法
细胞周期是生物体生命活动中的核心过程，涉及细胞从分裂、生长到再次分裂的一系列复杂步骤。在细胞周期的不同阶段(G1、S、G2、M期)，基因表达呈现出高度动态的变化模式。研究人员长期以来试图在细胞周期中追踪基因表达动态，而RNA速度(RNA velocity)作为一种强大的工具，已被应用于细胞基因表达状态的时间变化预测。然而，传统的RNA速度推断方法，如velocyto和scvelo，通常存在统计不一致性，不同基因间的速度估计缺乏统一的尺度，难以保持速度方向上的几何一致性。
针对这些问题，研究团队开发了一个名为VeloCycle的创新工具。它结合了低维流形学习与速度场学习，能够更精确地捕捉细胞周期中的动态变化，为RNA速度的推断带来了新的突破和准确性。VeloCycle的独特之处在于，它利用流形约束模型实现了RNA速度的统一估计，从而为揭示细胞周期内的基因表达动态提供了可靠的工具。
VeloCycle的原理与创新
VeloCycle的核心创新在于将基因表达状态映射到低维流形上，并在该流形上进行速度场的学习。流形(Manifold)可以理解为一个低维的几何空间，用于描述细胞基因表达状态的复杂变化。通过这种映射，VeloCycle能够确保速度向量在几何上保持一致，克服了传统RNA速度模型的统计和几何不一致性，显著提高了模型的准确性。
数学上，VeloCycle基于贝叶斯生成模型，将细胞在基因表达空间中的运动描述为流形上点的动态变化。研究团队采用随机变分推断(Stochastic Variational Inference, SVI)对模型参数进行估计，并利用Pyro这一概率编程语言实现推断。在估计基因的剪接速率(β)和降解速率(γ)时，VeloCycle将这些动力学参数与低维流形坐标相结合，从而达到细胞周期动力学的统一推断。
VeloCycle方法的工作流程
VeloCycle的工作流程可以概括为以下几个步骤：
1. 联合框架构建：在模型中，基因表达流形和RNA速度场构成了参数化的联合框架。流形用于描述基因表达的低维空间变化，而速度场则刻画了基因表达的动态变化。
2. 速度估计与几何约束：传统的RNA速度推断方法通常忽略了速度向量的几何约束。VeloCycle通过流形学习实现统一的速度方向估计，确保不同基因间速度的一致性，显著提高了推断的稳定性。
3. 概率关系建模：通过板图(plate diagram)展示了潜在变量与可观测数据之间的概率关系。基因表达状态(S)基于流形坐标采样得出，并结合动力学参数和速度函数，实现细胞周期状态的精确推断。
4. 动力学参数估计：VeloCycle使用流形上的速度场和动力学参数(如β和γ)来推断剪接和降解速率。通过应用链式法则，对速度向量进行导数运算，将速度描述为流形坐标的直接函数。
VeloCycle的应用与验证
为了验证VeloCycle的有效性，研究团队首先在模拟数据集上进行测试。在包含3000个细胞、300个基因的数据集上，VeloCycle推断出的细胞周期阶段与真实值的圆形相关系数达到了0.95，表现出极高的准确性。即使在较小规模的数据集上(如100个细胞或100个基因)，VeloCycle也保持了良好的性能，相关系数达到0.70以上，证明了模型的鲁棒性。
此外，研究人员还将VeloCycle与另一种基于自动编码器的细胞周期分析工具DeepCycle进行比较。在多次模拟测试中，VeloCycle的均方误差(MSE)低于DeepCycle的60%，相关系数(r)为0.95，而DeepCycle仅为0.73，显示出VeloCycle在速度推断方面的明显优势。
VeloCycle在生物学验证中的应用
在生物学实验中，研究团队进一步应用VeloCycle对人类视网膜色素上皮细胞(RPE1细胞)和小鼠胚胎干细胞(mES细胞)的细胞周期进行推断。实验中，VeloCycle推断出的RPE1细胞周期时间为17.7小时，与时间延迟显微镜测量的实验结果(平均17.7小时，标准差3.4小时)高度一致。这一结果表明，VeloCycle在细胞周期速度的推断上具有高度的生物学可信度。同样，对于快速循环的小鼠胚胎干细胞，VeloCycle推断其平均周期为10.5小时，这与该细胞类型的生物学特性非常吻合。
模型的敏感性与鲁棒性分析
为了确保VeloCycle在不同情境下的表现稳定，研究人员进行了敏感性分析。即便在速度较慢的细胞状态下，VeloCycle的推断误差保持在0.2%至35.8%之间。在估计剪接速率和降解速率的比值时，VeloCycle几乎完全符合真实值，平均相关系数为0.99，显示出其高精度和稳定性。
研究人员还考察了数据集规模对模型的影响。结果显示，使用更多的细胞样本或基因数量均能提升模型的准确性。研究建议，对于实现高精度的速度估计，数据集中至少需包含500个细胞和50个基因，或者350个基因和50个细胞。
VeloCycle在不同生物样本中的潜力
研究团队在不同数据集中对VeloCycle进行了测试，包括小鼠胚胎干细胞和人类成纤维细胞的数据，这些数据来自不同的单细胞RNA测序技术。VeloCycle在所有数据集中均成功地推断出细胞周期状态，并与现有基于标记基因的分类结果高度一致。此外，研究团队还将VeloCycle应用于基因敲除实验。通过对Perturb-seq数据集的分析，VeloCycle揭示了一些特定基因对细胞周期速度的影响，为细胞周期研究提供了新视角。
结论
VeloCycle通过低维流形与速度场学习的结合，为细胞周期中的动态变化提供了高精度的推断手段，克服了传统RNA速度模型的统计与几何不一致性。作为一种创新工具，VeloCycle在胚胎发育、组织再生以及基因敲除等复杂生物学过程中展现出广泛的应用潜力，为我们进一步理解生命过程中的基本机制开辟了新的视角。
温馨提示：医疗科普知识仅供参考，不作诊断依据；无行医资格切勿自行操作，若有不适请到医院就诊。
-
罗氏IL-33R单抗Astegolimab治疗COPD III期研究未达主要疗效终点
-
强生首个口服IL-23R拮抗剂Icotrokinra递交FDA申请，为银屑病带来全新治疗希望
-
肥胖的真相：是吃得太多，而不是动得太少？PNAS研究得出新结论
-
华东医药罗氟司特乳膏Ⅲ期临床取得突破，显著改善斑块状银屑病
-
诺和诺德司美格鲁肽新适应症在华获批，拓展慢性肾病治疗领域
-
罗氏小核酸药物初战告捷：天使综合征治疗迈出关键一步
-
哈佛研究挑战常识：生男生女并非完全随机，母亲年龄和基因或是关键因素
-
300亿白蛋白市场迎来变革：国产重组人白蛋白新药首获批
-
复宏汉霖创新型抗HER2单抗HLX22完成首例患者给药，开启国际3期临床研究
-
癌症相关VTE患者：低剂量阿哌沙班疗效不逊全剂量，同时显著减少出血风险
点击查看更多>
-
罗氏IL-33R单抗Astegolimab治疗COPD III期研究未达主要疗效终点
-
强生首个口服IL-23R拮抗剂Icotrokinra递交FDA申请，为银屑病带来全新治疗希望
-
肥胖的真相：是吃得太多，而不是动得太少？PNAS研究得出新结论
-
华东医药罗氟司特乳膏Ⅲ期临床取得突破，显著改善斑块状银屑病
-
诺和诺德司美格鲁肽新适应症在华获批，拓展慢性肾病治疗领域
点击查看更多>
-
肺水肿和心脏病有关系吗
回答：肺水肿是一种临床症状，表现为肺部积聚异常的液体，使得肺泡无法进行有效的气体交换。这种情况通常导致呼吸困难和低氧血症，严重时可能危及生命。而心脏病（包括心力衰竭、冠心病、心律失常等）与肺水肿之间有着密切的关系，尤其是在心衰患者中，肺水肿是常见的并发症之一。 1. 心脏病引起肺水肿的机制 心脏病导致肺水肿的主要机制是心脏功能不全，尤其是左心衰竭。在左心衰竭的情况下，左心室无法有效地从肺部接受血液，导致肺循环中的血液回流增加。由于肺部的静脉压力升高，液体从微血管渗漏到肺泡中，导致肺水肿的发生。 此外，心脏病患者可能存在其他因素，例如体液潴留和电解质失衡，也可能加重肺水肿的发生。 2. 肺水肿对心脏病的影响 反过来，肺水肿也会对心脏病患者的病情产生负面影响。当肺部充满液体时，患者的呼吸困难水平增加，氧气供应减少，心脏为了弥补氧合不足，可能会更加努力地工作，从而加重心脏的负担，这可能导致心脏功能进一步恶化，形成恶性循环。 3. 临床表现和诊断 肺水肿的症状包括剧烈的呼吸困难、咳嗽、咳痰（可能是粉红色泡沫痰）、胸痛等，而心脏病患者在出现这些症状时，往往需要通过胸部X光、心电图和超声心动图等检查来明确病因及评估心脏功能。 4. 治疗方法 治疗肺水肿的关键在于改善心脏的功能，以及去除多余的液体。常见的治疗方法包括： 利尿剂：帮助身体排除多余的液体，减轻肺部水肿。 静脉扩张剂：改善心脏的前负荷，降低心脏压力。 氧疗：为患者提供额外的氧气，以缓解低氧症状。 心脏病治疗：包括使用ACE抑制剂、β-adrenergic 受体拮抗剂等药物来改善心脏功能。 5. 预防与管理 对于有心脏病史的患者，定期的随访和监测是预防肺水肿发生的重要手段。同时，制定合理的饮食和运动计划，控制体重，也是降低心脏病和肺水肿风险的重要措施。 结论 肺水肿与心脏病之间存在着相互影响的关系，心脏病的进展可能导致肺水肿，而肺水肿又可能加重心脏病的症状与病情。因此，对于有心脏病风险的患者，及早关注肺水肿的症状和表现，进行及时有效的治疗和管理，是非常重要的。医务工作者和患者应该加强沟通，共同制定适合的治疗与预防方案，从而提高生活质量，减少并发症的发生。 -
湿疹怎么治好
回答：湿疹，医学上称为特应性皮炎，是一种常见的皮肤疾病，通常表现为皮肤干燥、瘙痒、红肿，甚至可能出现渗液和结痂。湿疹可以影响到任何年龄段的人，特别是在儿童中更为常见。虽然湿疹的确切病因尚未完全明确，但遗传因素、免疫系统异常、环境刺激和过敏反应等都可能起到一定作用。下面，我们将讨论湿疹的护理和治疗方法。 1. 确定诱因 治疗湿疹的第一步是了解和避免诱因。不同的个体可能对不同的因素敏感，常见的诱因包括： 食物过敏（如乳制品、坚果、海鲜等） 环境过敏原（如尘螨、花粉、宠物毛发等） 气候变化（如极端温度、湿度等） 皮肤刺激物（如香皂、洗涤剂、化妆品等） 建议记录湿疹发作的情况，包括饮食、环境和使用的产品，以帮助医生找到可能的诱因。 2. 保湿护理 保持皮肤湿润是缓解湿疹症状的重要措施。以下是一些有效的保湿方法： 使用无香料的润肤剂：选择适合敏感肌肤的润肤剂，避免含有香料、酒精等刺激成分的产品。建议在洗澡后立即涂抹，以锁住皮肤水分。 定期沐浴：每天洗澡（使用温水而非热水），可以帮助清洁皮肤并保持水分，洗后及时涂抹润肤剂以防止水分流失。 湿敷：在严重瘙痒的情况下，可以考虑用湿毛巾进行湿敷，帮助缓解不适。 3. 药物治疗 在医生的指导下，药物治疗可以帮助控制湿疹症状。常见的药物包括： 外用类固醇药膏：帮助减少炎症和瘙痒，适用于急性湿疹的局部治疗。应遵循医生的建议，避免长期使用高强度类固醇。 免疫调节剂：如他克莫司（Tacrolimus）和匹美莫司（Pimecrolimus），适用于长期使用，尤其是面部和皮肤褶皱处。 抗组胺药：可以帮助缓解瘙痒和过敏反应，适合夜间使用。 4. 生活方式调整 除了药物和护理，调整生活方式也可以有效帮助控制湿疹： 饮食注意：保持均衡饮食，必要时进行食物过敏原检测，并根据医生建议调整饮食。 避免抓挠：因湿疹导致的瘙痒可能使人忍不住抓挠，这会导致皮肤损伤和感染。可以尝试穿上手套以减少抓挠的机会。 保持环境清新：保持室内空气湿润，避免过热或过冷的环境。同时，定期清洁家庭环境，减少过敏原的积累。 5. 寻求专业帮助 如果湿疹症状持续或加重，建议及时就医，寻求皮肤科医生的专业意见。医生可以根据具体情况制定个性化的治疗方案，并提供专业的护理建议。 结论 湿疹虽然常见，但通过合理的护理、药物治疗和生活方式的调整，绝大多数患者是可以有效控制和缓解症状的。关键在于了解自己的皮肤状况，找到并避免诱因，并在医生的指导下进行科学的治疗和管理。如果你或你的孩子正在与湿疹作斗争，切勿孤单面对，及时寻求专业帮助将会使你走出困境。 -
哪些人容易得肠绞痛
回答：肠绞痛是指由于肠道痉挛或部分肠道闭塞，导致的剧烈腹痛。症状通常表现为间歇性的腹部疼痛，可能伴随有腹胀、恶心、呕吐等不适感。虽然这一状况可以影响任何人，但某些群体由于自身的健康状况、生活习惯或遗传因素，可能更容易患上肠绞痛。以下是一些容易得肠绞痛的人群： 1. 肠易激综合征患者 肠易激综合征（IBS）是一种常见的功能性肠道疾病，患者常常出现腹痛、腹泻或便秘交替等症状。这类患者的肠道对外界刺激更加敏感，因此在情绪波动、压力大或饮食不当时，容易发生肠绞痛。 2. 有消化系统疾病的人 患有消化系统疾病的人，如克罗恩病、溃疡性结肠炎等，肠道可能已经处于炎症或损伤的状态，容易导致肠道功能紊乱，从而引发肠绞痛。 3. 生活方式不健康的人 不良的饮食习惯，尤其是高脂肪、高糖分、低纤维素的饮食，会影响肠道健康。此外，缺乏运动、吸烟、酗酒等习惯也可能增加肠道疾病的风险，进而导致肠绞痛。 4. 压力和焦虑的易感者 心理因素对肠道健康有着重要影响。研究表明，长时间的心理压力和焦虑状态可导致肠道功能紊乱，从而引发肠绞痛。 5. 家族遗传史 有些人可能因遗传因素更容易发生肠道疾病。家族中如果有肠易激综合征、克罗恩病或其他消化系统疾病的患者，其他家庭成员可能也更容易出现相关症状。 6. 年龄因素 虽然肠绞痛可以发生在任何年龄段，但研究显示，老年人由于肠道功能自然减退，或者有其他慢性病的影响，可能更容易患上肠绞痛。 7. 女性 研究表明，女性相较于男性更容易经历肠绞痛，可能与女性的荷尔蒙波动有关。在月经周期前期或妊娠期间，部分女性可能会经历肠道活动的改变，导致腹痛的发生。 结论 肠绞痛是一种常见的消化系统症状，其发病原因多种多样。了解哪些人群更容易得肠绞痛，不仅有助于早期识别和干预，也提醒人们在日常生活中注意饮食、心理健康及定期体检。如出现持续的腹痛，建议及时就医，以排除其他潜在的健康问题。 -
腺样体肥大的药物治疗有哪些
回答：腺样体肥大（也称腺样体增生）通常发生在儿童中，腺样体是位于鼻咽部的一种淋巴组织，主要功能是抵御感染。腺样体肥大可能引起多种问题，包括睡眠呼吸暂停、鼻塞、耳部感染和影响声调等。对于轻度症状的患儿，药物治疗是首选的方法之一。本文将介绍腺样体肥大的药物治疗方案。 1. 类固醇药物 类固醇药物是常见的治疗腺样体肥大的药物之一，主要用于减轻腺样体的炎症。常用的类固醇药物包括： 氟氯噻吨（Fluticasone）：这是局部喷雾剂，能够直接作用于腺样体，减少其大小和炎症反应。 布地奈德（Budesonide）：同样为局部喷雾剂，能有效减少腺样体的肥大，并且副作用较小。 通过减轻腺样体的炎症，类固醇可以改善呼吸道通畅，减轻相关症状。 2. 抗组胺药物 抗组胺药物通常用于治疗过敏症状，对于合并有过敏性鼻炎的腺样体肥大患者，可能会有帮助。常用的抗组胺药物包括： 氯雷他定（Loratadine） 西替利嗪（Cetirizine） 抗组胺药物能够减轻鼻腔的分泌物，缓解鼻塞，从而改善呼吸情况。 3. 口服类药物 在某些情况下，医生可能会推荐口服的类固醇药物，比如强的松，以帮助控制较为严重的症状。这种一般用于短期治疗，旨在快速缓解炎症和减轻症状。 4. 生理盐水喷雾剂 生理盐水喷雾剂可以帮助保持鼻腔湿润，减少分泌物堵塞，对于有轻度症状的患者尤为重要。通过冲洗鼻腔，可以帮助改善呼吸，缓解不适感。 5. 其他辅助治疗 除了具体的药物治疗，其他一些治疗措施也可能对腺样体肥大的患者有所帮助： 保持环境清洁：定期清洁家庭环境，减少空气中的过敏原。 加强室内通风：确保空气流通，保持空气清新。 总结 对于腺样体肥大的药物治疗，通常以类固醇药物和抗组胺药物为主，结合生理盐水喷雾等辅助治疗手段，有助于减轻炎症和缓解症状。对于严重的腺样体肥大病例，药物治疗可能效果有限，此时可能需要考虑手术切除腺样体。家长应根据医生的建议，综合评估，选择适合自己孩子的治疗方案。如出现明显症状或对药物治疗无效，建议及时就医，寻求专业意见。 -
小儿脑积水手术后有后遗症吗
回答：脑积水（Hydrocephalus）是一种因脑脊液循环障碍而导致脑室扩张、颅内压增高的疾病。在小儿中，脑积水的发生可能与先天性缺陷、感染、肿瘤等因素有关。对于许多患有脑积水的儿童，手术是治疗的关键，通常涉及放置脑室-腹腔分流管以帮助引流多余的脑脊液。虽然手术可以有效减轻症状，改善生理状况，但手术后是否会出现后遗症是家长们普遍关心的问题。 一、手术后的可能后遗症 1. 神经系统损伤： 手术过程中，若不慎损伤到周围神经，可能导致运动能力或感觉功能的障碍。这些障碍的程度因个体差异而异，有的孩子可能恢复良好，而有的则可能需要长期的康复治疗。 2. 认知和学习障碍： 一些研究表明，经历过脑积水的儿童可能在认知功能上存在一定的影响，包括学习能力、记忆力和注意力等方面。手术后，孩子可能需要接受特殊教育支持，以帮助提高学习能力。 3. 情绪和行为问题： 手术及其后果可能对儿童的情绪和行为产生影响。一些孩子可能会出现焦虑、抑郁或行为问题，家长需关注孩子的情绪变化，及时寻求心理支持和干预。 4. 视力问题： 脑积水可能会对视神经造成影响，手术后，部分孩子可能出现视力模糊或其他视力障碍。因此，定期的眼科检查是必不可少的。 5. 分流管相关问题： 分流管可能出现堵塞或感染等并发症，这些问题可能需要再次手术处理。因此，家长应密切关注孩子的症状，如头痛、呕吐或行为改变等，以便及时就医。 二、影响后遗症发生的因素 后遗症的发生与多个因素相关，包括： 病因及早期干预：儿童脑积水的病因和形成时间，以及是否及时进行干预和手术，会直接影响术后恢复情况。 手术技术与经验：手术的成功与否与医生的经验和手术技术密切相关。高水平的医疗团队能够降低术后并发症的发生几率。 个体差异：每个孩子的生理特点、心理承受能力和适应能力不同，这也会导致术后恢复效果的差异。 三、术后跟踪和康复 对于脑积水儿童，术后的定期随访和评估至关重要。医生会根据孩子的恢复情况进行定期检查，以确保分流管的正常功能并监测神经功能的恢复。 此外，提供适当的康复支持也很重要。例如，通过物理治疗、职业治疗和语言治疗等，帮助孩子恢复运动能力和沟通能力。此外，家庭的支持与互动同样是促进孩子健康成长的重要因素。 结论 小儿脑积水手术后可能会有后遗症，但并非所有孩子都会出现问题。通过早期诊断、适当的治疗和阶段性康复，可以最大限度地减少后遗症的发生，帮助孩子健康成长。作为家长，及时关注孩子的身体和心理变化，积极配合医生的建议，对提升孩子的生活质量至关重要。 -
麻风的不同类型有哪些？
回答：麻风，又称麻疯病，是一种慢性传染病，通常由麻风桿菌引起，主要侵犯神经系统和皮肤。根据患者表现和病情进展的不同，麻风可以分为不同类型，主要包括了以下几种： 1. 麻疯病：这是最常见且广泛流行的一种麻风类型。患者通常表现出皮肤上的麻木、神经损伤和肢体畸形。皮肤上会出现麻疯病结节，特征是皮肤变厚、颜色异常，并伴有感觉减退。如果病情得不到控制，可能导致手指、脚趾等肢体出现畸形。 2. 神经炎型麻风：这种类型的麻风主要侵犯神经系统，导致患者出现严重的持续性神经疼痛。患者可能会出现神经痛、肌无力、神经炎和肌腱反射减弱等症状。 3. 多纤维神经炎型麻风：这种类型的麻风主要表现为多处神经纤维受侵犯，导致全身多处神经受损。患者可能出现疼痛、感觉异常、肌肉无力和麻木等症状。 4. 结节型麻疯病：这种类型的麻风表现为患者体表出现多个结节，这些结节通常是皮肤和神经的复合物，是麻风菌以及宿主的反应形成的复合物。结节型麻疯病通常表现为沿着神经分布的结节，造成局部组织受损和永久性功能障碍。 无论是哪种类型的麻风，及早发现并接受治疗对患者来说至关重要。麻风病在当今社会已经较为罕见，但仍然存在于一些地区，特别是在一些贫困地区以及发生自然灾害后的严重环境中。预防措施、早期诊断和治疗是控制和消灭麻风病的关键，也是我们共同努力的方向。愿我们的努力能够让这一疾病彻底消失，让世界变得更加清洁和美好。
点击查看更多>