肾脏组织学的无监督自监督学习揭示表型与预后新见解：一项基于多中心队列的形态学表型聚类研究

　　本研究针对肾脏病理人工标注耗时且存在主观偏差的难题，创新性地采用无监督自监督学习框架（HPL），通过对1,421张全切片图像（WSIs）的深度学习，成功构建了肾脏组织形态学表型聚类（HPCs）系统。研究证实HPCs能准确识别间质纤维化（AUC=0.83）等病理特征，预测肾功能下降（ESKD/CKD进展），并发现患者分组与基因变异（SLC34A1 rs6420094）显著相关。该技术为肾脏病理量化提供了可扩展的新范式，有望推动精准肾脏病学发展。

　　

在传统肾脏病理诊断领域，深度学习方法通常依赖于病理学家手动标注的组织切片进行监督学习。这种模式面临双重挑战：一方面，组织标注工作需要耗费大量专业人力（例如一项肺癌分类研究需39名病理学家标注4704张切片），另一方面，不同观察者之间存在显著的主观差异。对于结构高度异质性的肾脏组织而言，这个问题尤为突出——许多医疗机构甚至没有专职的肾脏病理学家，导致基于监督学习的研究往往受限于小样本数据集或动物模型。

面对这一困境，纽约大学Grossman医学院Krutika Pandit等研究人员在《Scientific Reports》发表了创新性研究，他们采用自监督学习（SSL）框架，首次实现了无需人工标注的肾脏组织形态学定量分析。该研究收集了来自21个队列的1,421张PAS染色全切片图像（WSIs），通过多放大倍数（5X、10X、20X）的深度学习管道，构建了肾脏组织形态学表型聚类（HPCs）系统。

研究人员采用的关键技术方法包括：基于BarlowTwins算法的自监督特征提取、Leiden社区检测的双轮聚类策略、WSI向量表示量化，以及多中心外部验证体系。研究队列涵盖UPenn肾切除样本（训练/验证/测试集）、NYU独立测试集、JHU死亡供肾移植（DDKT）配对样本和TRIDENT糖尿病肾病核心活检样本。

组织形态学表型图谱的构建

通过自监督学习管道，研究在训练集中分别识别出77个（5X）、100个（10X）和99个（20X）非artifact HPCs。视觉一致性验证显示，HPCs在不同验证集中保持高度一致性，专家与非专家的图块匹配正确率分别达94.2%和90.0%。在DDKT数据集中，同一患者左右肾样本的WSI向量表示欧氏距离显著小于不同患者间距离（p=4.5e-23），证实了方法的生物学合理性。

HPC组成与病理学家定量的关联

在10X放大倍数下，HPC组成与幻灯片水平的病理学家定量显示显著相关性（经Bonferroni校正）。特别是与间质纤维化相关的HPCs在所有外部验证集中保持一致性。基于HPC组成的多实例学习（MIL）模型预测二分类间质纤维化（>5%）在测试集和独立测试集中的AUC分别达到0.79和0.83。与预训练的ResNet-50和UNI模型相比，HPL衍生的Leiden聚类显示与间质纤维化的关联强度显著更高。

HPC组成对肾功能下降的预测价值

在TRIDENT队列的纵向分析中，特定HPCs显示与肾功能预后的强关联。HPC 49（经盲法病理学家标注为“间质纤维化和肾小管萎缩背景下的全球硬化”）高组成患者显示更快的肾功能下降，而HPC 53（“组织学无显著异常的近端小管”）高组成患者则预后较好。多变量Cox比例风险模型显示，加入四个HPCs（34、40、49、86）后，临床模型（年龄、性别、ACR、eGFR）的预测性能从c-statistic=0.82提升至0.84；组织学模型（间质纤维化、RPS评分、上皮增生）从0.76提升至0.80。

基于HPC组成的患者分层与基因型关联

通过WSI向量表示的层次聚类，患者被分为五个显著不同的组。患者组4显示显著较低的eGFR（p=2.0e-10）和较高的尿蛋白水平（p=0.008）；患者组0包含较高比例的1型糖尿病患者（p=0.006）；患者组1显示SLC34A1基因rs6420094位点的等位基因频率差异，该基因在CRISPR/Cas9筛选中被证实对维持肾功能不可或缺。

研究结论表明，自监督学习框架成功实现了对肾脏组织学的无偏定量表征，克服了传统监督学习对人工标注的依赖。所开发的HPC系统不仅能够准确识别已知病理特征（如间质纤维化），还能预测临床重要的肾功能结局，并揭示与遗传变异相关的患者亚群。这种可扩展的方法为肾脏病理学提供了新的标准化工具，有望提高诊断效率、统一评分系统，并发现新的预后组织学模式，最终推动肾脏病精准医疗的发展。

讨论部分指出，尽管当前训练集未包含罕见肾病或移植受体样本，但该方法已展示出强大的泛化能力。未来工作应扩展疾病谱系，探索染色方法通用性（如H&E染色），优化放大倍数选择，并评估预训练策略的潜在价值。随着进一步验证，这种SSL衍生方法有望整合到临床工作流程中，为临床医生提供可视化、可量化的肾脏组织学见解。