[論文レビュー] Construction and Usage of a Human Body Common Coordinate Framework Comprising Clinical, Semantic, and Spatial Ontologies

Katy Börner, Ellen M. Quardokus+15 more|arXiv (Cornell University)|Jul 28, 2020

Biomedical Text Mining and Ontologies参考文献 23被引用数 5

ひとこと要約

本論文では、臨床的・意味的・空間的オントロジーを統合したヒト臓器共通座標フレームワーク（CCF）を提示する。このフレームワークにより、多様な研究室間で標準化された空間的レジistrationと意味的アノテーションが可能となり、ヒト組織サンプルの統合的管理が実現される。CCFはHuBMAPポータルに実装され、48個の腎臓および脾臓組織断片の空間的および意味的レジISTRATIONを成功裏に実現した。これにより、共通の3次元基準座標系において統合的な照会とデータ探索が可能となった。

ABSTRACT

The National Institutes of Health's (NIH) Human Biomolecular Atlas Program (HuBMAP) aims to create a comprehensive high-resolution atlas of all the cells in the healthy human body. Multiple laboratories across the United States are collecting tissue specimens from different organs of donors who vary in sex, age, and body size. Integrating and harmonizing the data derived from these samples and 'mapping' them into a common three-dimensional (3D) space is a major challenge. The key to making this possible is a 'Common Coordinate Framework' (CCF), which provides a semantically annotated, 3D reference system for the entire body. The CCF enables contributors to HuBMAP to 'register' specimens and datasets within a common spatial reference system, and it supports a standardized way to query and 'explore' data in a spatially and semantically explicit manner. [...] This paper describes the construction and usage of a CCF for the human body and its reference implementation in HuBMAP. The CCF consists of (1) a CCF Clinical Ontology, which provides metadata about the specimen and donor (the 'who'); (2) a CCF Semantic Ontology, which describes 'what' part of the body a sample came from and details anatomical structures, cell types, and biomarkers (ASCT+B); and (3) a CCF Spatial Ontology, which indicates 'where' a tissue sample is located in a 3D coordinate system. An initial version of all three CCF ontologies has been implemented for the first HuBMAP Portal release. It was successfully used by Tissue Mapping Centers to semantically annotate and spatially register 48 kidney and spleen tissue blocks. The blocks can be queried and explored in their clinical, semantic, and spatial context via the CCF user interface in the HuBMAP Portal.

研究の動機と目的

• 複数の研究室で得られた多様なドナー人口統計的背景を有するヒト組織データを統合する課題に対処すること。
• 空間的に整列されたヒト組織標本のための標準化された意味的アノテーション付き3次元基準座標系を構築すること。
• 臨床的・解剖学的・空間的メタデータに基づいて、組織データの一貫性のある照会と探索を可能にすること。
• ヒトバイオマoleculeアトラス計画（HuBMAP）が高分解能で全身にわたる細胞アトラスを構築することを支援すること。

提案手法

• CCFは、ドナーおよび標本のメタデータ用の臨床的オントロジー、解剖学的構造・細胞タイプ・バイオマーカー用の意味的オントロジー（ASCT+B）、3次元座標マッピング用の空間的オントロジーの3つのコアオントロジーを統合する。
• フレームワークは、標準化された3次元基準空間を用いて、異なるドナーおよび臓器由来の組織断片をレジストレーションする。
• 意味的アノテーションはASCT+Bオントロジーを用いて、解剖学的および細胞的構成要素を正確に同定する。
• 空間的レジストレーションは、画像ベースのレジストレーション技術を用いて、組織断片を共通の座標系にマッピングする。
• CCFはHuBMAPポータルに実装され、ユーザーが臨床的・意味的・空間的基準に基づいてデータを照会できる。
• 共通のオントロジー基盤を用いることで、複数の組織マッピングセンター間のデータ連携を支援する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 複数のドナーおよび研究室から得られた多様なヒト組織サンプルを、共通の3次元基準座標系に空間的に整列させる方法は何か？
• RQ2 ドナー、解剖学的構造、細胞タイプ、バイオマーカーの観点から組織サンプルを意味的に記述するために必要なオントロジー的構成要素は何か？
• RQ3 臨床的・意味的・空間的メタデータを統合的に統合し、データ発見と探索を可能にする統一フレームワークを構築する方法は何か？
• RQ4 CCFは、異なる臓器および研究室間で一貫性があり標準化された組織データの照会を可能にするか？

主な発見

• 初版のCCF（臨床的・意味的（ASCT+B）・空間的オントロジーを含む）が、初回HuBMAPポータルリリースに成功裏に実装された。
• CCFにより、複数の組織マッピングセンターから得られた48個の腎臓および脾臓組織断片の意味的アノテーションと空間的レジストレーションが可能になった。
• 組織サンプルは正確に共通の3次元座標系にマッピングされ、空間的に明示的なデータ探索が可能となった。
• CCFは、HuBMAPポータルインターフェースを通じて、臨床的・解剖学的・空間的基準に基づいた標準化された照会を可能にした。
• フレームワークは、多様な貢献者間で異種の組織データを統一する可能性と実用性を示した。
• オントロジーの統合により、再現可能で機械可読性が高く意味的豊かであるデータ統合が、ヒトバイオマoleculeアトラス計画に不可欠となった。