Predicting single-cell gene expression profiles of imaging flow cytometry data with machine learning

流式细胞术 生物 卷积神经网络 计算生物学 细胞仪 单元格排序 基因表达 基因 人工智能 计算机科学 分子生物学 遗传学
作者
Nikolaos‐Kosmas Chlis,Lisa Rausch,Thomas Brocker,Jan Kranich,Fabian J. Theis
出处
期刊:Nucleic Acids Research [Oxford University Press]
卷期号:48 (20): 11335-11346 被引量:16
标识
DOI:10.1093/nar/gkaa926
摘要

Abstract High-content imaging and single-cell genomics are two of the most prominent high-throughput technologies for studying cellular properties and functions at scale. Recent studies have demonstrated that information in large imaging datasets can be used to estimate gene mutations and to predict the cell-cycle state and the cellular decision making directly from cellular morphology. Thus, high-throughput imaging methodologies, such as imaging flow cytometry can potentially aim beyond simple sorting of cell-populations. We introduce IFC-seq, a machine learning methodology for predicting the expression profile of every cell in an imaging flow cytometry experiment. Since it is to-date unfeasible to observe single-cell gene expression and morphology in flow, we integrate uncoupled imaging data with an independent transcriptomics dataset by leveraging common surface markers. We demonstrate that IFC-seq successfully models gene expression of a moderate number of key gene-markers for two independent imaging flow cytometry datasets: (i) human blood mononuclear cells and (ii) mouse myeloid progenitor cells. In the case of mouse myeloid progenitor cells IFC-seq can predict gene expression directly from brightfield images in a label-free manner, using a convolutional neural network. The proposed method promises to add gene expression information to existing and new imaging flow cytometry datasets, at no additional cost.
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