1-秦曉峰-組學大數據平臺在腫瘤精準醫(yī)療中的應用

ChineseAcademicofMedicalScienceCenterofSystemMedicine組學大數據平臺在腫瘤精準醫(yī)療中的應用2021/3/29星期一1醫(yī)療行業(yè)產生大量數據非結構化文本病案記錄檢查報告手術記錄病歷報告圖像照片等二維圖像病理學切片掃描CT、MRI等三維圖像電生理數據無創(chuàng)腦電圖術中腦電監(jiān)護SEEG結構化文本病案首頁醫(yī)囑視頻顯微鏡視頻信號內鏡視頻信號24小時腦電檢測視頻組學數據微生物組基因組代謝組蛋白組表型組2021/3/29星期一2臨床數據來源和分析臨床數據來源：年齡性別過敏情況藥物測試疾病詳情家族史藥物接受和排斥曾使用劑量水平生存率診斷測試手術臨床數據分析：生存分析預測2021/3/29星期一3組學數據來源和分析全基因組全外顯子組/靶向測序轉錄組mRNA測序甲基化組學測序

ChiP-seq測序小插入/缺失點突變拷貝數變異結構變異差異分析融合基因可變剪切RNA編輯甲基化位點組蛋白修身轉錄因子結合位點突變的功效分析功能，網絡和通路分析整合分析理解病理機制并應用于臨床技術數據分析數據整合及解讀患者蛋白質組學磷酸化組學差異分析磷酸化位點分析新生/新肽段分析16srDNA測序,宏基因組測序其他微生物組學物種及功能組成物種差異分析功能差異分析與疾病的關聯(lián)分析2021/3/29星期一4宏基因組深度挖掘挖掘組間物種、功能差異樣品聚類分析（腸型）拷貝數變異：挖掘功能變化從宏基因組數據中組裝單菌菌群、表型、臨床數據關聯(lián)分析耐藥基因挖掘CAG/MGS/MLG分析：從種或菌株層級挖掘物種變化2021/3/29星期一5多組學聯(lián)合分析2021/3/29星期一6微生物組在腫瘤免疫治療中的應用期刊：Science發(fā)表時間：2017.11實驗設計：249名接受過抗PD-1免疫療法的肺癌、腎癌等多種不同的癌癥；免疫治療前69名患者接受了抗生素的治療；研究技術：糞便宏基因組測序驗證：無菌小鼠FMT（糞菌移植）驗證；結果：1）抗生素治療的患者，癌癥很快出現(xiàn)復發(fā)，生存時間也更短； 2）恢復較好的患者體內，Akkermansiamuciniphila的益生菌豐度更高，對癌癥免疫療法還有促進作用；3）接受了“起效者”糞便的小鼠對于PD-1抑制劑的反應要明顯優(yōu)于接受了“無效者”糞便的小鼠，后者在口服Akkermansiamuciniphila后，能恢復對免疫療法的反應。2021/3/29星期一7醫(yī)生目前面臨決策的信息維度大大增加HawgoodS,Hook-BarnardIG,O’BrienTC,YamamotoKR.Precisionmedicine:Beyondtheinflectionpoint.Sciencetranslationalmedicine2015;7:300ps17.2021/3/29星期一8癌癥專家助手閱讀和記憶學習醫(yī)療文獻、臨床指導和醫(yī)學指南將病人和臨床試驗方案進行匹配持續(xù)不斷的學習從不斷增加的病人的組學數據和臨床數據中不斷學習依據最新用藥指導推薦潛在的治療選擇方案2021/3/29星期一9Watson醫(yī)生由IBM公司開發(fā)人工智能系統(tǒng)詢問病人的病征、病史人工智能技術自然語言的處理和分析技術從各個渠道搜集到的信息和數據迅速給出診斷提示和治療意見2021/3/29星期一10針對個人進行縱向密集數據收集可以揭示分子疾病標志物前瞻性108個人全基因組測序分析臨床檢測分析蛋白質組學分析代謝組學分析微生物群落分析（對16SrRNA進行測序）參與者配戴活動跟蹤器監(jiān)測日?；顒觿?chuàng)立相關性網絡關聯(lián)分析鑒定已知和候選標志物Meta分析PriceND,MagisAT,EarlsJC,etal.Awellnessstudyof108individualsusingpersonal,dense,dynamicdataclouds[J].NatureBiotechnology,2017,35(8):747.2021/3/29星期一11在癌癥治療中的聯(lián)合用藥不同癌癥分期的醫(yī)學研究基因和分子診斷腫瘤信息學傳統(tǒng)中藥數學分析治療毒性評價個性化用藥2021/3/29星期一12利用深度學習和關聯(lián)規(guī)則挖掘預抗癌藥物反應數據來源：藥物基因組689個癌癥細胞系和139種抗癌藥物。來自CCLP和GDSC.規(guī)則關聯(lián)挖掘深度學習預測藥物反應2021/3/29星期一13深度挖掘數據中心檢測方案數據資源庫(DataBase)數據分析平臺(PipeLine)知識庫(Knowledge

Base)精準醫(yī)療平臺(組學數據+臨床數據)熒光定量PCR、基因芯片、SNP分型、二代測序組學大數據平臺與精準醫(yī)療2021/3/29星期一14用藥指導藥物推薦聯(lián)合用藥指導藥物不良反應評估輔助診療預測生存期發(fā)現(xiàn)新療法治療方案預后方案輔助科研致病基因腸道菌群藥物代謝/靶標腫瘤驅動基因臨床數據年齡性別過敏情況藥物測試疾病詳情家族史藥物接受和排斥曾使用劑量水平生存率診斷測試手術組學檢測數據基因組轉錄組蛋白組代謝組表觀組微生物組暴露組臨床數據數據脫敏標準化結構化Pipleline組學數據分析注釋整合公共數據庫整合TCGA

ICGC

GO

KEGGParmGKB

GEO

DO數據庫知識庫深度學習數據模型知識圖譜文獻收集臨床指南診斷路徑用藥指導組學大數據平臺在腫瘤精準醫(yī)療中的應用2021/3/29星期一15醫(yī)院業(yè)務數據非結構化電子病歷外部文件HIS系統(tǒng)EMR系統(tǒng)LIS系統(tǒng)…..系統(tǒng)PACS系統(tǒng)醫(yī)院業(yè)務系統(tǒng)及數據源醫(yī)院數據中心醫(yī)院數據來源數據匯聚數據抽取數據整合數據關聯(lián)數據存儲結構化處理數據匯聚整合服務非結構化抽取服務數據轉換清洗與標準化服務數據比對數據清洗標準化處理醫(yī)院標準化數據中心備份庫(ODS)臨床主題庫經營主題庫管理主題庫……主題庫非標準化臨床數據中心A病種標準主題庫B病種標準主題庫…….標準主題庫專題統(tǒng)計庫專題分析庫專題應用庫標準化數據中心醫(yī)院級臨床數據智能采集系統(tǒng)統(tǒng)計分析可視化呈現(xiàn)搜索導航深度挖掘互聯(lián)互通常規(guī)共享應用服務專題應用定制服務……深度挖掘分析服務醫(yī)療大數據應用服務醫(yī)療大數據來源2021/3/29星期一16左側中央型肺鱗癌并縱膈淋巴結轉移原發(fā)性支氣管肺癌左上肺中央型肺癌1234左肺小細胞癌廣泛期原發(fā)性支氣管肺癌左下肺腺癌例如：左側中央型肺鱗癌并縱膈淋巴結轉移1.診斷名稱：

肺癌2.部位分型：中央型3.病理類型：鱗癌4.病灶部位：左側5.轉移部位：縱膈淋巴結將不同描述的診斷轉化成統(tǒng)一的標準化診斷，并且保留診斷中的重要信息。醫(yī)學術語標準化2021/3/29星期一17患者不慎摔傷，傷后神志不清約30余秒，后可喚醒，體溫正常（36.5℃），感頭痛明顯，左側鼻腔內有少量鼻血。于我院行腹部B超及胸片，未見明顯異常。入院體格檢查：腸鳴音正常，約4次/分?，F(xiàn)有電子病歷檢查描述指標名稱結果摔傷有神志不清30余秒體溫36.5℃頭痛明顯左側鼻腔少量流血腹部B超未見明顯異常胸片未見明顯異常處理后的結構化檢查描述將自然語言描述的電子病歷轉化成結構化、標準化的電子病歷臨床數據結構化2021/3/29星期一18覆蓋各種可能的組學組學數據基因組學數據轉錄組學數據蛋白組學數據表型組學數據代謝組學數據微生物組學數據……組學數據格式fasta/fastq/vcf/sam/bam/gff3/gff2/gtf/bed/…MetabolicNetworksRepli-SeqSystermsBiologyPhenomicsChlp-SeqDNA-SeqRNA-SeqExome-SeqSmallRNA-SeqPopulationGeneticsMicroarrayGWASMetagenomicsProteomics2021/3/29星期一19組學數據來源熒光定量PCR基因芯片SNP分型二代測序……檢測2021/3/29星期一20組學數據匯集2021/3/29星期一21組學數據來源TCGA癌癥基因信息的數據庫TGDB腫瘤基因數據庫ICGC國際癌癥基因組聯(lián)盟Oncomine腫瘤基因芯片數據庫CGAP癌癥基因數據庫MethylCancerDNA甲基化與癌癥數據庫……NCBI美國國家生物技術信息中心美國國家健康研究所、國家醫(yī)學圖書館EBI歐洲生物信息研究所歐洲分子生物學實驗室DDBJ日本DNA數據庫日本研究機構BIGD生命與健康大數據中心北京科學院北京基因研究所……綜合數據庫腫瘤相關數據庫2021/3/29星期一22組學數據分析處理流程2021/3/29星期一23用藥指導藥物推薦聯(lián)合用藥指導藥物不良反應評估輔助診療預測生存期發(fā)現(xiàn)新療法治療方案預后方案輔助科研致病基因腸道菌群藥物代謝/靶標腫瘤驅動基因臨床數據年齡性別過敏情況藥物測試疾病詳情家族史藥物接受和排斥曾使用劑量水平生存率診斷測試手術組學檢測數據基因組轉錄組蛋白組代謝組表觀組微生物組暴露組臨床數據數據脫敏標準化結構化Pipleline組學數據分析注釋整合公共數據庫整合TCGA

ICGC

GO

KEGGParmGKB

GEO

DO數據庫知識庫深度學習數據模型知識圖譜文獻收集臨床指南診斷路徑用藥指導組學大數據平臺在腫瘤精準醫(yī)療中的應用2021/3/29星期一24輔助診療醫(yī)生初步檢查輔助診療根據類似患者信息，精確匹配最佳診療方案，快速診斷、準確用藥、提高診療水平。最佳診療方案推薦2021/3/29星期一25輔助診療預測生存期發(fā)現(xiàn)新療法治療方案預后方案病歷系統(tǒng)疾病知識圖譜疾病病史檢驗用藥癥狀預后組學診療“統(tǒng)計關聯(lián)網絡”病史采集患者候選疾病:患病概率高于閾值診斷模型主訴：XXX現(xiàn)病史：XXX家族史：推斷可能疾病患病概率低于閾值推薦采集更多信息輔助診斷動態(tài)輔助診斷確診檢測系統(tǒng)2021/3/29星期一26致病基因腸道菌群藥物代謝/靶標腫瘤驅動基因輔助科研2021/3/29星期一27疾病醫(yī)生患者藥品表型—藥效關系藥品研發(fā)改進疾病史分析臨床表型分析從而發(fā)現(xiàn)疾病新分類用藥效果分析從而發(fā)現(xiàn)新藥效用藥效果分析治療效果分析合理用藥疾病醫(yī)生患者藥品表型—藥效關系藥品研發(fā)改進疾病史分析臨床表型分析從而發(fā)現(xiàn)疾病新分類用藥效果分析從而發(fā)現(xiàn)新藥效用藥效果分析治療效果分析合理用藥藥物推薦聯(lián)合用藥指導藥物不良反應評估用藥指導2021/3/29星期一28深度挖掘數據中心檢測方案數據資源庫(DataBase)數據分析平臺(PipeLine)知識庫(Knowledge

Base)精準醫(yī)療平臺(組學數據+臨床數據)熒光定量PCR、基因芯片、SNP分型、二代測序組學大數據平臺與精準醫(yī)療2021/3/29星期一29乳腺癌組學數據分析與可視化平臺BCIP

建立了以基因為中心的乳腺癌數據分析平臺。分析處理了來自TCGA、metabric、GEO三大數據庫中的30個數據集的數據，包含9000多個組織樣本。樣本的臨床數據包括癌癥分型、分期、是否絕經、預后、ER＋／－、PR＋／－、Her2+／－、P53突變、年齡等。方便生物醫(yī)學工作者，對關注的基因進行檢索，從差異表達分析、生存分析、共表達分析、KEGG代謝通路等多個層次進行分析并可視化展示。輔助識別乳腺癌的調控和驅動基因，找到乳腺癌研究和治療的潛在的生物標志物。平臺簡介

網址：

文章：BCIP:agene-centeredplatformforidentifyingpotentialregulatorygenesinbreastcancer[J].ScientificReports,2017,7.DOI:doi:10.1038/srep45235

影響因子：4.259PMID:

28327601

案例成果文章發(fā)表于2017年Scientific

Reports乳腺癌數據庫平臺網站2021/3/29星期一3015個臨床特征三陰/非三陰型

PAM50型

組織學分級

病理分期

轉移狀態(tài)

淋巴結轉移

ER＋／－

PR＋／－

Her2+／－

TP53突變

是否絕絕經

年齡

腫瘤大小

療效

預后臨床特征抽提2021/3/29星期一31生存分析MELK的過量表達與較差預后相關表明MELK與基底樣乳腺癌相關2021/3/29星期一32拷貝數變化在METABRIC數據集PAM50亞型中拷貝數減少和增加的百分比情況2021/3/29星期一33差異表達分析腫瘤組織相比于周圍正常組織，MELK的表達量要高出許多PAM50型乳腺癌中的基底樣乳腺癌，MELK的表達量最高。2021/3/29星期一34共表達分析分析MELK影響基底樣乳腺癌的機理在基底樣乳腺癌的METABRIC數據集中，MELK與包括CDCA5,TPX2和CEP55在內的78個基因共表達。一些研究已經闡述了TPX2和CEP55是參與乳腺癌轉移、侵襲、增殖和擴散的關鍵分子。CDCA5也被報道在肺癌中起關鍵作用，并可作為口腔鱗細胞癌的治療靶點。這些結果都可以作為挖掘MELK在乳腺癌中的潛在功能和機制的有用線索。腫瘤組織相比于周圍正常組織，MELK的表達量要高出許多2021/3/29星期一35miRNA靶相互作用分析發(fā)現(xiàn)hsa-miR-193b-3pandhsa-miR-372-5p與miRNA靶相互作用有關2021/3/29星期一36KEGG通路分析2021/3/29星期一37深度挖掘數據中心檢測方案數據資源庫(DataBase)數據分析平臺(PipeLine)知識庫(Knowledge

Base)精準醫(yī)療平臺(組學數據+臨床數據)熒光定量PCR、基因芯片、SNP分型、二代測序組學大數據平臺與精準醫(yī)療2021/3/29星期一38IntegrationofExoseqandRNAseqdatafortumorantigenprofiling2021/3/29星期一39pipelinepVAC-Seq(personalizedVariantAntigensbyCancerSequencing)輸入數據的準備（全基因組與全外顯子組測序）BWA;SAMtools;VarScan

somatic;Strelka;Tophat;Ovation;Truseq;CufflinksVariant

Effect

Predictor

VEP抗原表位預測FASTA文件生成運行抗原預測軟件NetMHC結果解析整合測序信息Coverage

&

Variant

Allele

Frequency

(VAF)候選抗原的過濾深度過濾基因表達HundalJ,CarrenoBM,PettiAA,etal.pVAC-Seq:Agenome-guidedinsilico,approachtoidentifyingtumorneoantigens[J].GenomeMedicine,2016,8(1):11.2021/3/29星期一40深度挖掘數據中心檢測方案數據資源庫(DataBase)數據分析平臺(PipeLine)知識庫(Knowledge

Base)精準醫(yī)療平臺(組學數據+臨床數據)熒光定量PCR、基因芯片、SNP分型、二代測序組學大數據平臺與精準醫(yī)療2