絕不外傳的高分秘籍!——生信應該卷臨床,而不是卷熱點
用于預測疾病的診斷模型數(shù)不勝數(shù),傳統(tǒng)模型以已無新意!想開發(fā)創(chuàng)新算法,又覺得過于艱難!此時,又出現(xiàn)了一類對純生信分析造成“降維打擊”新興高分思路,分析思路極簡單,研究專家也喜歡!
小編今天打開格局,仔細分析一下這嚴重沖擊純生信分析發(fā)文渠道的思路。拆開來看,不過就是具有爭議的/熱門的臨床問題+生信分析,可以基于公共數(shù)據(jù)庫,也可以用自己的臨床數(shù)據(jù),方法靈活!
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今天分享的文章于2022/6 發(fā)表在Intensive Care Medicine(IF 41.787/Q1)。
題目“使用基因表達特征對術后感染和敗血癥進行癥狀前診斷Presymptomatic diagnosis of postoperative infection and sepsis using gene expression signature”
術后感染是手術常見的并發(fā)癥之一,嚴重的感染會造成敗血癥,器官衰竭甚至患者的死亡。早期準確診斷感染±器官功能障礙(敗血癥)仍然是臨床實踐的主要挑戰(zhàn)。但是,目前尚無癥狀前檢測的方法。
作者鑒定了一組signatures,可以在臨床表現(xiàn)出現(xiàn)前三天內,對術后是否發(fā)生感染,全身炎癥反應以及器官功能障礙(敗血癥)的做出預測。這為日后對于擇期手術的具有高危因素的患者進行精確的風險分層,對可能發(fā)生器官功能障礙(敗血癥)的感染患者采取預防性的抗生素使用或者其他治療措施,以此改善患者的預后,減少臨床中不適當?shù)目股厥褂镁哂兄卮蟮闹笇б饬x。
一、背景
膿毒癥是宿主對感染的失調反應,導致危及生命的器官功能障礙,是死亡率和發(fā)病率的重要原因。感染和器官功能障礙的早期準確診斷仍然存在問題,這反映在多年來的干預性試驗未能改善感染結局,臨床試驗的失敗與感染存在的不確定性有關,但也與一旦患者多器官衰竭機制啟動后,進行及時的診斷極其困難,治療的時間機會窗口短暫有關。
預防性的使用免疫調節(jié)劑和其他治療策略,可能在的膿毒癥發(fā)生前或者早期使用,可能可以成功的改善感染的結局。另一方面,不適當預防性使用抗生素會導致抗菌素耐藥性,造成繼發(fā)性的多重感染并分散臨床醫(yī)生診斷非感染性疾病的注意力。
研究的主要目標在于開發(fā)基于基因組中的轉錄變化的,可以前瞻性的在出現(xiàn)癥狀前,對發(fā)生感染的患者進行鑒定的signatures;次要目標:前瞻性的預測那些在以后的病程中會出現(xiàn)新發(fā)器官功能障礙(敗血癥)的感染患者。
為此,作者對接受擇期大手術的患者進行了一項大規(guī)模的前瞻性多中心研究,從術前開始進行血液采樣和數(shù)據(jù)記錄,并持續(xù)到術后一周。臨床裁決小組獨立檢查臨床和實驗室數(shù)據(jù),以確定患有明確感染±敗血癥的患者。將這些患者進行匹配,并且與與術后住院時間,年齡,性別和手術方式匹配的非感染性全身炎癥或術后病程不復雜的患者進行比較。
二、方法
1.研究設計
多中心招募擇期手術的患者,收集患者入組時收集人口統(tǒng)計學數(shù)據(jù),術前1-7天采集基線血樣。術后每天的實驗室和影像學數(shù)據(jù)。膿毒癥、敗血癥和無并發(fā)癥的感染亞組或敗血癥亞組都做了嚴格的定義。將感染患者分為訓練組(n=63)和驗證組(n=91)隊列。
2.患者診斷流程
將“敗血癥”描述為疑似或確診感染兩種或兩種以上全身炎癥反應綜合征(SIRS);將“嚴重敗血癥”描述為敗血癥加上特征不佳的新發(fā)器官功能障礙;將“膿毒癥”重新定義為感染加上新的器官功能障礙,由序貫器官衰竭評估(SOFA)評分升高≥2分。--
由于診斷感染或敗血癥時臨床意見可能會有所不同,臨床咨詢小組對病例進行了裁決,并能夠充分的識別術后感染患者。SOFA得分比基線提高≥2分與未感染的術后白天,年齡,性別和手術匹配的隊列進行匹配。這些是進行簡單的術后恢復(SIRS-)或發(fā)生全身炎癥反應(SIRS+)的患者。三組患者的血液樣本共453例,用于轉錄組學和隨后的逆轉錄定量聚合酶鏈反應(RT-qPCR)分析。--
三、結果
患者招募和亞組識別
從4385名高危擇期手術患者中收集臨床數(shù)據(jù)和血液樣本,其中154名為感染確定性很高的患者,98名患有敗血癥(圖1、S5)。
將這些患者與術后住院天數(shù),年齡,性別和手術方式匹配的無感染患者的樣本進行比較,其中148例發(fā)生系統(tǒng)性炎癥反應(SIRS+),151例(SIRS-)(表1)。
81名膿毒癥患者和45名無并發(fā)癥的感染患者經過了微生物檢測,分離出廣泛的革蘭氏陰性,革蘭氏陽性和真菌并確認感染(表S6)。其余15名和11名患者分別一句強有力的感染的臨床證據(jù)被確診。
大約60%的未感染患者未接受術后抗生素(表S7)。其余患者接受了一劑或多劑抗生素,79%從術后第1天開始,可能代表正在進行的預防性藥物治療。
四、訓練隊列
1.基于微陣列的生物標志物發(fā)現(xiàn)
58名感染患者,在術后感染臨床表現(xiàn)前的三天內,對其血液樣本進行了生物標志物檢測和轉錄組學分析,并且與匹配組的患者比較(圖1,表1)。
感染前三天內在感染和對照之間鑒定出2594個差異表達基因(DEG),前1500個DEG中,863個(57.5%)DEG上調,637個(42.5%)下調。功能富集分析顯示主要涉及中性粒細胞和T細胞的免疫相關途徑(圖2,表S8)。
2.基于微陣列的生物標志物的RT-qPCR驗證和選擇
差異表達分析和同時基于隨機森林的分類算法有同樣高性能的指標,從微陣列數(shù)據(jù)中提出了前80個基因。
通過RT-qPCR分析,這些患者被篩選下來進行驗證,使用的是同樣的58例感染患者隊列樣本,用于生物標志物發(fā)現(xiàn)分析,以及來自另外5例患者的樣本,并與62例未感染的SIRS患者進行比較。
一個具有代表性的8個基因集在兩個患者組之間顯示出高度顯著的差異表達,說明了基于微陣列和RT-qPCR的基因表達之間的兼容性(圖2C)。
作者隨后探索了基于80個基因集的亞組是否足以區(qū)分63名感染患者與58名SIRS+患者,以及在感染隊列中區(qū)分伴有(n=37)或無(n= 26)器官功能障礙患者的區(qū)分(圖1,表1)。
隨機森林的分類方法在所有分類嘗試中產生了令人信服的模型性能:感染SIRS-模型的7個基因集(B4GALT5,AFF1,LDLR,ATXN7L3,LARP4B,SLC36A1,TRPM2,AUC>0.85,PPV>0.8),感染SIRS+模型的12個基因集(ATXN1,SLC41A3,MED13L,STOM,B4GALT5,MIDN,HVCN1,LDLR,CFLAR,SPATA13,EIF4G3,METTL7B,AUC>0.9,PPV>0.8);對術后結果進行分類8個基因集(DOK3,ICAM2、IL1R1、LGALS2、LSG1、RPL13A、RPS13、SGSH,膿毒癥與無并發(fā)癥感染的AUC>0.75(PPV>0.7))。
在獨立患者隊列中構建機器學習預測模型
在單獨的患者隊列中,作者評估了7、12和8個基因標記的分類性能(圖1,表1)。在基于隨機森林的分類之后,對隨機選擇的80%數(shù)據(jù)進行了10次分類訓練。基因signatures對于術后感染與SIRS對照,7基因特征的AUC值為0.871(圖3)。
用于區(qū)分感染與未感染SIRS+患者的12個基因標記的AUC值為0.897;膿毒癥與無并發(fā)癥感染患者的鑒別的AUC值為0.703。最后,使用所有25個轉錄本將敗血癥與所有其他臨床表現(xiàn)區(qū)分開來,AUC為0.843。
所有分類的敏感性都很高(0.785-0.942),而與未感染的SIRS+(0.838)和SIRS-(0.776)患者相比,感染的特異性很高,但膿毒癥與無并發(fā)癥感染的差異很小(0.217)。
討論
這項研究表明,通過在臨床診斷前三天內使用轉錄組學,可以可靠地預測接受擇期大手術的患者發(fā)生術后感染伴或不伴器官功能障礙(敗血癥),并與未感染患者進行區(qū)分。--
準確,早期診斷感染和敗血癥是改善患者護理和預后以及避免不必要的抗菌藥物使用的圣杯。研究增加了作者對膿毒癥發(fā)病機制的理解,證明了一些預后能力,并合理區(qū)分了全身炎癥的傳染性和非傳染性原因。癥狀前診斷將有助于早期調查和治療,并且可以合理推測以改善患者預后。-
目前為止,沒有研究專門研究感染臨床發(fā)作前采集的患者樣本。擇期手術人群代表了一個理想的患者群體,因為大多數(shù)患者的術后病程不受感染的影響。
作者采用了一種創(chuàng)新性的,依賴統(tǒng)計而非生物學特征的目標選擇策略。使用機器學習方法選擇合適的目標,并根據(jù)宿主基因表達對患者進行分類,并與明確的臨床診斷進行比較,以確定預測準確性。---在分類模型中鑒定出的80個基因中,只有6個與先前公布的敗血癥和社區(qū)獲得性肺炎基因特征重疊。
總之,作者證明術后感染可以通過一組基因轉錄本在臨床表現(xiàn)發(fā)作前三天內進行鑒定。這可以從簡單的術后對照以及更重要的是與感染無關的術后全身炎癥患者中描述出來。也可以提前確定發(fā)生器官功能障礙(敗血癥)的感染患者。
經前瞻性證實,所鑒定的signatures可以可靠地在出現(xiàn)癥狀前診斷感染和敗血癥,這為日后對于擇期手術的具有高危因素的患者進行精確的風險分層,對可能發(fā)生器官功能障礙(敗血癥)的感染患者采取預防性的抗生素使用或者其他治療措施,以此改善患者的預后,減少臨床中不適當?shù)目股厥褂镁哂兄卮蟮闹笇б饬x。
五、思維拓展
作者構建模型和分析的思路很簡單,只是結合了有待解決的臨床問題,將生信分析運用到解決實際臨床問題的層面上,就發(fā)表了高分!
其實臨床待解決的問題很多,以惡性腫瘤為例子:
特殊部位轉移:血管和淋巴管侵犯,特定分區(qū)淋巴結轉移[比如PTC側區(qū)淋巴結轉移];
治療效果:消融,栓塞,內放射治療;
高危并發(fā)癥:消化道大出血,腹水,肝性腦?。?/p>
腫瘤器官功能異常:肝臟——凝血異常,腦腫瘤——癲癇,認知障礙。
如果大家可以關注臨床指南的更新,新注冊的前瞻性臨床試驗等等,就會發(fā)現(xiàn)最熱門的、有爭議的臨床方向就在這些信息里!希望作者都可以用臨床應用,為生信減負!越卷越輕松!