CN113284610A - 一种检测晚期胃癌的组合生物标志物方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种检测晚期胃癌的组合生物标志物方法,属于肿瘤生物检测技术领域。本发明使用生物信息学分析,发现了检测晚期胃癌的相关基因,通过机器学习算法,并建立晚期胃癌相关的风险模型,确定了两个基因(CHSY3,FMO1)组合可作为检测晚期胃癌的组合生物标志物。该组合生物标志物在检测晚期胃癌具有很高的预测精确度,并且在胃癌患者的组织芯片中,验证了该组合生物标志物的预测结果。
Description
技术领域
本发明涉及一种检测晚期胃癌的组合生物标志物方法,属于肿瘤生物检测技术领域。
背景技术
胃癌(GC)是全球癌症相关死亡率的第三大诱因,也是全球第五大常见的恶性肿瘤,约50%的病例来自东亚,而中国是发病率最高的地区,中国新发胃癌和死亡率占全球所有病例的42.6%~45.0%。大多数胃癌患者通常要到晚期才被诊断出来,早期胃癌治疗后5年生存率的可能大于90%,甚至可能被治愈。因此,了解胃癌发生的分子机制,找到早期胃癌相关的生物标志物就显得尤为重要,这将有助于促进靶向药物的开发和未来胃癌的临床治疗。
随着生物信息学分析的发展,利用新的分析方法,找到可以用于更准确地预测肿瘤的生物标志物。机器学习(ML)方法提供了一组工具,以改善对具有高质量数据的特定问题的发现和决策。支持向量机(Support Vector Machine,SVM)是较为常用的一种机器学习算法,SVM是一种监督学习模型,被认为比传统的线性方法具有更好的性能。SVM的优势使其成为出色的非概率二进制分类器,在各领域的模式识别问题中有应用,包括人像识别、文本分类、生物信息学等。
本研究中,首先在TCGA公共数据中收集数据,统计胃癌中的高扩增基因及其分布位置。并使用传统的生物信息学分析方法,找出与晚期胃癌相关的候选基因,而后运用机器学习分析方法,更加精确的找出胃癌相关的分子,筛选出具有临床应用价值的早期胃癌标志物。同时在胃癌病例组织中进行验证,为生物信息学早期分析,结合机器学习算法,与晚期胃癌临床诊断提供了支持。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述现有技术存在的问题,进而提供一种检测晚期胃癌的组合生物标志物方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的:
一种检测晚期胃癌的组合生物标志物方法,包括以下步骤:
S1,从TCGA数据库(https://tcga-data.nci.nih.gov/tcga/)中下载440例胃癌患者的基因组芯片数据。对芯片数据中340例胃癌组织样本与30个癌旁组织样本运用DESeq2包进行差异表达分析,根据筛选标准:差异倍数的绝对值(log2Fold Change)>1和P值<0.05;筛选得到4265个差异表达基因;
S2,对340例胃癌样本中的4265个差异表达基因进行WGCNA分析,识别与T分期最相关的模块;
S3,对与T分期最相关的模块中基因进行Kaplan-Meier生存分析,筛选与预后相关的基因;
S4,筛选得到与预后相关的基因进行两两组合,运用机器学习SVM算法,识别划分早期胃癌和晚期胃癌病例的最优两基因(CHSY3,FMO1)组合生物标志物。
本发明的有益效果为:
本发明使用生物信息学分析,发现了检测晚期胃癌的相关基因,通过机器学习算法,并建立预测晚期胃癌的两基因(CHSY3,FMO1)组合生物标志物,该组合生物标志物在检测晚期胃癌具有很高的预测精确度,并且在胃癌患者的组织芯片中,验证了该组合生物标志物的预测结果。
附图说明
图1为胃癌差异表达基因火山图。
图2为胃癌样本树状图和基因表达特征热图。
图3为WGCNA算法筛选合适软阈值示意图。其中,a)表示软阈值在纵坐标上显示p(k)和连通性k之间的相关性;b)表示在纵坐标上显示平均连通性。
图4为将表达模式相似的基因组成集合示意图。
图5为基因模块与临床特征相关性图。
图6为胃癌患者基因表达与生存率的关系示意图。
图7为胃癌患者基因表达与生存率的关系示意图。
图8为支持向量机预测晚期胃癌相关基因组合的准确性示意图。
图9为CHSY3,FMO1和两基因(CHSY3,FMO1)组合的ROC曲线。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明:本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施,给出了详细的实施方式,但本发明的保护范围不限于下述实施例。
如图1至图9所示,本实施例所涉及的一种检测晚期胃癌的组合生物标志物方法,包括:
S1,从TCGA数据库(https://tcga-data.nci.nih.gov/tcga/)中下载440例胃癌患者的基因组芯片数据。对芯片数据中340例胃癌组织样本与30个癌旁组织样本运用DESeq2包进行差异表达分析,根据筛选标准:差异倍数的绝对值(log2Fold Change)大于1和P值小于0.05;筛选得到4265个差异表达基因;
S2,对340例胃癌样本中的4265个差异表达基因进行WGCNA分析,识别与T分期最相关的模块;
S3,对与T分期最相关的模块中基因进行Kaplan-Meier生存分析,筛选与预后相关的基因;
S4,筛选得到与预后相关的基因进行两两组合,运用机器学习SVM算法,识别划分早期胃癌和晚期胃癌病例的最优两基因(CHSY3,FMO1)组合生物标志物。
在步骤S1中,对芯片数据中340例胃癌组织样本与30个癌旁组织样本运用DESeq2包进行差异表达分析,根据筛选标准:差异倍数的绝对值(log2Fold Change)>1和P值<0.05。筛选得到4265个差异表达基因如图1所示。纵坐标为FDR的负对数,可以认为纵坐标越大,得到的基因越有意义,横坐标为两组基因表达量的比值的对数,若横坐标大于0,则该基因在胃癌组织组中的表达量要高于癌旁组织组,本实施例中选取的横坐标绝对值大于等于1,说明基因的差异倍数在两倍以上,图中右侧为上调的差异表达基因,左侧为下调的差异表达基因。
在步骤S2中,对340例胃癌样本中的4265个差异表达基因进行WGCNA分析,识别与T分期最相关的模块的步骤包括:
S2-1,对340例胃腺癌样本中的4265个差异表达基因进行WGCNA分析,去除表达量过低的基因,同时剔除缺失值的样本,而后对样本进行层次聚类,剔除离群样本,最后剩下4241个基因,如图2所示;
S2-2,WGCNA算法需要筛选合适的软阈值,使得样本构建的网络更加符合无尺度网络分部特征,如图3所示。图中的软阈值(power)代表的为这个数值,左图纵坐标表示的p(k)与连通度k之间的相关性,节点连接度的对数log(k)与连接度为k的概率对数的相关系数R2。R2越接近1,说明越符合无尺度网络的分布特征。右图的纵坐标代表的是平均的连接度,左图中横线是选取的合适阈值,因此确定的阈值为7,来建立了拓扑矩阵,对得到的拓扑矩阵的基因进行聚类,并通过动态剪切树算法分割模块,构建了网络图,由此得到了8个模块,如图4所示,8个模块包括:MEblack、MEgreen、MEred、MEturquoise、MEbrown、MEblue、MEyellow、MEgrey;
S2-3,选取15个临床特征,包括性别(Sex)、组织学类型(Histological type)、是否白种人(White)、是否亚洲人(Asian)、WHO I级(Stage I)、WHO II级(Stage II)、WHO III级(Stage III)、WHO IV级(Stage IV)、T分期(T stage)、N分期(N stage)、M分期(Mstage)、组织学级别(Histological grade)、家族史(Family history)、淋巴结计数(Lymphnode count)和生存状态(Cancer status);计算模块与临床特征的皮尔森相关系数。如图5所示;方框内数值为模块与临床特征的皮尔森相关系数,括号内为P值。正数代表正相关,负数代表负相关,图中右侧表示相关的程度,并且颜色越深,模块与临床特征的相关性越强。圆圈为与胃癌T分期最为相关的正相关模块,P<0.001。
S2-4,选取了与胃癌的T分期最为相关的模块,提取模块内的70个基因,作为与胃癌T分期相关的候选基因。
在步骤S3中,对与T分期最相关的模块中基因进行Kaplan-Meier生存分析,筛选与预后相关的基因的步骤包括:
S3-1,首先对与T分期最相关的正相关模块内的70个基因按照基因表达量的中位数分组,基因表达量大于中位数的为高表达组,低于中位数为低表达组;
S3-2,根据基因的高低分组进行Kaplan-Meier生存分析,根据筛选标准P值<0.05,筛选得到22个与预后相关的基因,如表1所示。在图6和图7中是所有的生存有意义的基因(P<0.05),high是相对高表达组,low为低表达组。可见这些基因的高表达,导致胃癌患者预后较差。
表1. 22个与预后相关的基因
在步骤S4中,筛选得到与预后相关的基因进行两两组合,运用机器学习SVM算法,识别划分早期胃癌和晚期胃癌病例的最优两基因(CHSY3,FMO1)组合生物标志物的步骤包括:
S4-1,对于得到的22个与预后相关的基因,进行两两组合,共有231种组合;
S4-2,运用机器学习SVM算法,根据划分特征的标准:(T1期和T2期)为早期胃、(T3期和T4期)为晚期胃癌,识别得到划分早期胃癌和晚期胃癌病例的最优两基因组合为(CHSY3,FMO1),如图8所示。从图7中可以得到识别划分早期胃癌和晚期胃癌病例的最优两基因组合为(CHSY3,FMO1)精确度达到了75.7%。
为了验证两基因(CHSY3,FMO1)组合预测晚期胃癌的精确性,分别绘制画出CHSY3、FMO1、(CHSY3,FMO1)的ROC曲线。见图9。CHSY3曲线下面积AUC为0.607;FMO1曲线下面积AUC为0.576;(CHSY3,FMO1)曲线下面积AUC为0.714。结果可见两基因(CHSY3,FMO1)组合在预测晚期胃癌的准确度要高于单一基因CHSY3和FMO1。
为了验证验证两基因(CHSY3,FMO1)组合在晚期胃癌风险评估模型在实际患者中的效果。本研究采用了胃腺癌组织微阵列,除去染色异常无法判读的样本,得到可用胃癌组织79例,应用免疫组化方法,通过胃腺癌组织微阵列评分,来比较两基因(CHSY3,FMO1)组合的表达量在早期和晚期胃癌中的差异。结果如表2所示,发现两基因(CHSY3,FMO1)组合的表达量在早期(T1期和T2期)胃癌与晚期(T3期和T4期)胃癌显著的差异(P=0.03),综上所述,两个基因(CHSY3,FMO1)组合可作为检测晚期胃癌的组合生物标志物。该组合生物标志物在检测晚期胃癌具有很高的预测精确度,并且在胃癌患者的组织芯片中,验证了该组合生物标志物的预测结果。
表2胃腺癌芯片中(CHSY3,FMO1)表达与T分期的关系
以上所述,仅为本发明较佳的具体实施方式,这些具体实施方式都是基于本发明整体构思下的不同实现方式,而且本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,可轻易想到的变化或替换,都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此,本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (4)
1.一种检测晚期胃癌的组合生物标志物方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1,从TCGA数据库中下载440例胃癌患者的基因组芯片数据;对芯片数据中340例胃癌组织样本与30个癌旁组织样本运用DESeq2包进行差异表达分析,根据筛选标准:差异倍数的绝对值log2Fold Change>1和P值<0.05;筛选得到4265个差异表达基因;
S2,对340例胃癌样本中的4265个差异表达基因进行WGCNA分析,识别与T分期最相关的模块;
S3,对与T分期最相关的模块中基因进行Kaplan-Meier生存分析,筛选与预后相关的基因;
S4,筛选得到与预后相关的基因进行两两组合,运用机器学习SVM算法,识别划分早期胃癌和晚期胃癌病例的最优两基因(CHSY3,FMO1)组合生物标志物。
2.根据权利要求1所述的检测晚期胃癌的组合生物标志物方法,其特征在于,在步骤S2中,对340例胃癌样本中的4265个差异表达基因进行WGCNA分析,识别与T分期最相关的模块的步骤包括:
S2-1,对340例胃腺癌样本中的4265个差异表达基因进行WGCNA分析,去除表达量过低的基因,同时剔除缺失值的样本,而后对样本进行层次聚类,剔除离群样本,最后剩下4241个基因;
S2-2,建立拓扑矩阵,对得到的拓扑矩阵的基因进行聚类,并通过动态剪切树算法分割模块,构建了网络图,由此得到了8个模块;
S2-3,选取15个临床特征,包括:性别、组织学类型、是否白种人、是否亚洲人、WHOI级、WHOII级、WHOIII级、WHOIV级、T分期、N分期、M分期、组织学级别、家族史、淋巴结计数和生存状态;计算模块与临床特征的皮尔森相关系数;
S2-4,选取与胃癌的T分期最为相关的模块,提取模块内的70个基因,作为与胃癌T分期相关的候选基因。
3.根据权利要求1所述的检测晚期胃癌的组合生物标志物方法,其特征在于,在步骤S3中,对与T分期最相关的模块中基因进行Kaplan-Meier生存分析,筛选与预后相关的基因的步骤包括:
S3-1,首先对与T分期最相关的正相关模块内的70个基因按照基因表达量的中位数分组,基因表达量大于中位数的为高表达组,低于中位数为低表达组;
S3-2,根据基因的高低分组进行Kaplan-Meier生存分析,根据筛选标准P值<0.05,筛选得到22个与预后相关的基因。
4.根据权利要求1所述的检测晚期胃癌的组合生物标志物方法,其特征在于,在步骤S4中,筛选得到与预后相关的基因进行两两组合,运用机器学习SVM算法,识别划分早期胃癌和晚期胃癌病例的最优两基因(CHSY3,FMO1)组合生物标志物的步骤包括:
S4-1,对于得到的22个与预后相关的基因,进行两两组合,共有231种组合;
S4-2,运用机器学习SVM算法,根据划分特征的标准:T1期和T2期为早期胃、T3期和T4期为晚期胃癌,识别得到划分早期胃癌和晚期胃癌病例的最优两基因组合为(CHSY3,FMO1)。
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