高次元データから細胞運命の“かたち”を取り出す~生命システムの成り立ちと破綻の予測や制御の道を拓く数理解析手法を開発~

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2025-12-29 九州大学

九州大学医学研究院の前原一満准教授と生体防御医学研究所の大川恭行教授は、単一細胞解析データから細胞運命の動的構造を高精度に復元する数理解析手法「ddHodge」を開発した。従来のシングルセル解析は静止画的データに限られ、分化や発生に伴う状態遷移の力学を直接捉えることが困難だった。本手法はデータに含まれる微分情報を活用し、細胞状態の変化経路だけでなく、その安定性を規定するポテンシャル地形、すなわち細胞運命の“かたち”を定量化する。マウス胚約4.5万細胞の解析により、発生過程が勾配系ダイナミクスで説明できることを実証した。生命科学に加え、高次元ビッグデータ解析全般への応用が期待される。

高次元データから細胞運命の“かたち”を取り出す~生命システムの成り立ちと破綻の予測や制御の道を拓く数理解析手法を開発~
データから運命の“かたち”を導く本技術のコンセプト

<関連情報>

ddHodge法を用いた高次元細胞状態ダイナミクスの幾何学的保存ベクトル場再構築 Geometry-preserving vector field reconstruction of high-dimensional cell-state dynamics using ddHodge

Kazumitsu Maehara & Yasuyuki Ohkawa
Nature Communications  Published:29 December 2025
DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-025-67782-6

Abstract

The differentiation potency of cells is governed by dynamic changes in gene expression, which can be inferred from single-cell RNA sequencing (scRNA-seq) data. While velocity-based approaches have been used to analyze cell state changes as vector fields, extracting acceleration (change of change) information remains challenging because of the sparsity and high-dimensionality of the data. Here, we develop ddHodge, a framework based on Hodge decomposition for precise vector-field reconstruction. ddHodge accurately recovers all basic components of the vector field, namely, the gradient, curl, and divergence, including the acceleration of the cell state, as second-order derivatives, even from biased and sparse samples. Furthermore, we extend the method to approximate high-dimensional gene expression dynamics on lower-dimensional data manifolds. By applying ddHodge to scRNA-seq data from mouse embryogenesis, we reveal that the gene expression dynamics during development follow a gradient system shaped by potential landscapes, which has not previously been validated with real data. Furthermore, we quantify differentiation potency as cell state stability on the basis of the divergence and identify key genes that drive potency. Our general computational framework for analyzing complex biological systems can elucidate cell fate decisions in developmental processes.

生物工学一般
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