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今天來看一篇今年十月份剛發(fā)表在Nature Communications上的利用公共數(shù)據(jù)結(jié)合自己的數(shù)據(jù)開發(fā)算法鑒定新的腫瘤標(biāo)記物的文獻(xiàn)，整個研究思路都不復(fù)雜，也都是一些常規(guī)的簡單分析，很值得借鑒。
通過來自治療中腫瘤樣本的通路標(biāo)記預(yù)測轉(zhuǎn)移性黑色素瘤對抗PD1阻斷的反應(yīng)
摘要
本研究主要是基于來自于以抗PD1為基礎(chǔ)的治療作為訓(xùn)練集的轉(zhuǎn)移性黑色素瘤的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)和臨床信息，在治療前（PASS-PRE）和治療中（PASS-ON）腫瘤樣本中構(gòu)建基于路徑的超級標(biāo)記，同時也在轉(zhuǎn)移性黑色素瘤的三個獨立數(shù)據(jù)集中進(jìn)行了驗證。此外，還合并了所有的樣本，PASS-PRE和PASS-ON 標(biāo)記的AUC值分別是0.65和0.88。與現(xiàn)有標(biāo)記相比，PASS-ON標(biāo)記在所有四個數(shù)據(jù)集上表現(xiàn)出更穩(wěn)健和更優(yōu)越的預(yù)測性能?？偟膩碚f，本研究提供了一個基于通路的標(biāo)記的構(gòu)建思路，該標(biāo)志高度準(zhǔn)確地預(yù)測了治療中腫瘤病人的抗PD1治療的反應(yīng)。最后，研究人員指出，基于治療中腫瘤樣本的通路的標(biāo)記有望應(yīng)用預(yù)測患者對ICB治療的治療反應(yīng)。
研究背景
免疫檢查點阻斷（ICB）療法是一類通過調(diào)節(jié)T細(xì)胞活性來提高抗腫瘤免疫反應(yīng)的治療方法。這種療法雖然在治療轉(zhuǎn)移性黑色素瘤和許多其他類型的癌癥患者方面取得了顯著的成功，但是只有一部分患者長期獲益。因此很有必要對患者進(jìn)行ICB療法上的分診，否則可能還會產(chǎn)生比較大的副作用，確定對ICB療法反應(yīng)的預(yù)測性生物標(biāo)志物是非常必要的，這將為治療決策提供并優(yōu)化信息。
目前基于基因組和轉(zhuǎn)錄組研究已報道的生物標(biāo)記主要包括有腫瘤突變負(fù)荷（TMB）、新抗原負(fù)荷、HLA-I基因型、細(xì)胞溶解活性、非整倍性和T細(xì)胞庫。此外，在腫瘤或腫瘤免疫微環(huán)境（TiME）中表達(dá)的免疫預(yù)測評分（IMPRES）和IFN-γ反應(yīng)基因等基因表達(dá)特征也與預(yù)測轉(zhuǎn)移性黑色素瘤對ICB療法的反應(yīng)有關(guān)?，F(xiàn)有的標(biāo)記主要都是基于臨床前模型、僅進(jìn)行治療前活檢的臨床隊列、外周血樣本和非全轉(zhuǎn)錄組測序數(shù)據(jù)，而且由于批次效應(yīng)、缺乏可重復(fù)性或其他原因等，ICB療法的大多數(shù)預(yù)測標(biāo)記未能在其他隊列中得到驗證。
預(yù)測標(biāo)記在獨立數(shù)據(jù)集和潛在各種癌癥類型的可重復(fù)性是臨床實踐中廣泛應(yīng)用之前的一項基本要求。研究人員推測僅用有限數(shù)量的基因構(gòu)建的單個基因或預(yù)測標(biāo)記可能會降低可重復(fù)性和普遍性。在本研究中，他們利用RNAseq數(shù)據(jù)和治療前和治療中轉(zhuǎn)移性黑色素瘤的臨床信息，在四個獨立的數(shù)據(jù)集中鑒定了基于通路的標(biāo)記，以預(yù)測轉(zhuǎn)移性黑色素瘤對抗PD1療法的反應(yīng)。他們分別在治療前和治療中的時間點，從抗PD1應(yīng)答（R）與無應(yīng)答（NR）的腫瘤樣本中鑒定出顯著富集的通路標(biāo)記?？偟膩碚f，本研究證明了來源于非治療性腫瘤標(biāo)本的基于通路的特征標(biāo)記能夠高度預(yù)測轉(zhuǎn)移性黑色素瘤患者對抗PD1阻斷療法的反應(yīng)。
結(jié)果
1. 樣本隊列和計算流程
本研究中主要分析了三個已發(fā)表的黑色素瘤數(shù)據(jù)集，一個已發(fā)表的MGH（Massachusetts General Hospital，麻省總醫(yī)院）隊列和一個新生成的MGH隊列的RNA-seq數(shù)據(jù)。這些樣本都來自轉(zhuǎn)移性黑色素瘤患者，包括有治療前和治療中的患者，他們接受抗PD-1/PD-L1單藥療法，抗PD-1/PDL1單藥療法和抗CTLA-4單藥療法，或抗PD-1加抗CTLA-4療法的組合（圖1a-b）。
圖1a-b
研究人員開發(fā)了一個計算流程來鑒定基于通路的標(biāo)記，用于預(yù)測患者對ICB治療的反應(yīng)。首先在訓(xùn)練集中篩選出通路標(biāo)記，然后在驗證集中檢驗標(biāo)記的預(yù)測能力（圖1c）。由于Riaz et al數(shù)據(jù)集（GSE91061）是所有四個數(shù)據(jù)集中最大的，所以研究人員指定這個數(shù)據(jù)集為訓(xùn)練集，其他三個數(shù)據(jù)集為驗證集。其中MGH數(shù)據(jù)集是已發(fā)表的MGH隊列與新生成的MGH隊列合并而成。
圖1c
2. 治療前樣本中基于通路的超級標(biāo)記
研究人員構(gòu)建了一個回歸模型用于計算鑒定Riaz et al數(shù)據(jù)集中基于通路的預(yù)測標(biāo)記，主要流程包括差異表達(dá)基因分析（DEGs）、基因集富集分析（GSEA）、候選通路篩選以及ENLR模型的訓(xùn)練和驗證（圖2a）。在基因差異分析中，鑒定出了190個上調(diào)基因（R vs NR，圖2b）。通過對鑒定出的DEGs進(jìn)行GSEA富集分析，一共富集出了98條通路，圖2c中展示了前15條顯著富集的通路。研究人員接著進(jìn)行了ssGSEA分析，對這15條通路進(jìn)行了一個打分（圖2d）；基于路徑分?jǐn)?shù)，利用 ENLR 模型來識別具有最高預(yù)測精度的通路，識別出了六條通路作為預(yù)測抗PD1治療反應(yīng)的最有效標(biāo)記。最后，研究人員計算了這六條通路的ssGSEA值的加權(quán)平均值，并將其命名為基于通路的超級標(biāo)記（PASS-PR）得分。Riaz et al數(shù)據(jù)集中的治療前樣本 （PASS-PRE） 的 R組的PASS-PR得分明顯高于NR組（圖2e）。
圖2a-e
為了評估這個標(biāo)記的預(yù)測能力，研究人員繪制了ROC曲線圖，發(fā)現(xiàn)其AUC的值為0.73（圖2f），說明其預(yù)測能力還不錯。最后，還將患者分成高低兩組對其進(jìn)行生存分析，結(jié)果顯示與低分組患者相比，高分組患者的OS和PFS顯著改善（圖2g-h）。
圖2f-h
以上都只是在訓(xùn)練集中的情況，那這個新鑒定出的標(biāo)記在其他數(shù)據(jù)集的情況又是如何呢？所以研究人員進(jìn)一步驗證了PASS-PRE在其他三個獨立數(shù)據(jù)集中的預(yù)測性能。盡管在所有的治療前樣本中高分組的患者有顯著改善的PFS和OS，但結(jié)合所有的驗證集中的結(jié)果發(fā)現(xiàn)PASS-PRE在治療前樣本中的預(yù)測性能其實并不夠顯著和穩(wěn)定（圖3）。
圖3
3. 治療中樣本中基于通路的超級標(biāo)記
前面的分析都是在治療前樣本中的分析，所以接下來研究人員用類似的方法對治療中的樣本進(jìn)行了分析，鑒定出了1078差異基因（圖4a），然后對這些差異基因進(jìn)行GSEA分析和后續(xù)的一系列分析，最后得到了一個命名為PASS-ON的打分標(biāo)記（圖4b-d）。與NR組相比，R組PASS-ON分?jǐn)?shù)明顯高（圖4e）。觀察到 AUC 為 0.83（圖4f），說明PASS-ON的預(yù)測能力很好。通過生存分析發(fā)現(xiàn)高分組的患者的OS和PFS明顯優(yōu)于低分組患者（圖4g-h）。
圖4
同樣的，為了進(jìn)一步驗證PASS-ON的預(yù)測性能，研究人員也在其他三個數(shù)據(jù)集中進(jìn)行了一系列的驗證測試（圖5）?？偠灾?，通過對治療中的樣本的分析，研究人員發(fā)現(xiàn)并證明了PASS-ON在預(yù)測患者對抗PD1療法的臨床反應(yīng)方面的有效性。此外，PASS-ON分?jǐn)?shù)對不同生存情況的患者可以進(jìn)行很好的區(qū)分。
圖5
4. 基于治療前和治療中樣本的時間變化的通路相關(guān)的超級標(biāo)記
上述標(biāo)記主要是用于R和NR之間的比較，研究人員推斷一些標(biāo)記在治療過程中是動態(tài)變化的，因此構(gòu)建了如圖6a所示的計算流程，用于分析治療前和治療中時間變化相關(guān)的標(biāo)記。一共設(shè)計了TimeANLS-PRE和TimeANLS-ON兩個回歸模型。對于第一個回歸模型來說，在訓(xùn)練集中的R樣本中鑒定出了60個治療后顯著上調(diào)的基因（圖6b），然后進(jìn)行富集分析，通路篩選以及標(biāo)記的確定。經(jīng)計算，訓(xùn)練集中的AUC值為0.82（圖6c），其他三個驗證集中的AUC分別是0.60，0.49和0.76（圖6d），綜合所有樣本以后的AUC為0.63（圖6e）。在圖6f-h中展示了TimeANLS-ON模型在不同數(shù)據(jù)集中的預(yù)測效果的不同情況。
圖6
5. 本研究中鑒定出的標(biāo)記與其他已報道的標(biāo)記的比較
雖然本研究前面從各個方面和多個數(shù)據(jù)集中展現(xiàn)了新的標(biāo)記的優(yōu)良性能，但是它與目前已報道的標(biāo)記相比又有什么優(yōu)勢呢？基于這個問題，研究人員將其與目前研究中一些已經(jīng)報道的標(biāo)記進(jìn)行了一系列的比較。首先是對治療前樣本的分析，將PASS-PRE和 TimeANLS-PRE的預(yù)測性能與已報道的預(yù)測標(biāo)記進(jìn)行了比較。PASS-PRE 和 TimeANLS-PRE 顯示的平均 AUC 分別為 0.66 和 0.67，這與其他已報道的標(biāo)記不相上下（圖7a）。而PASS-ON和 TimeANLS-ON的平均 AUC 分別為 0.86 和 0.82，明顯優(yōu)于其他標(biāo)記物（圖7b）。
圖7
討論
總之，從治療中樣本提取的通路標(biāo)記對轉(zhuǎn)移性黑色素瘤患者的抗PD1治療反應(yīng)具有高度預(yù)測性。本研究不僅提供了抗PD1治療反應(yīng)的高度準(zhǔn)確和個性化的預(yù)測標(biāo)記，而且還為抗PD1治療轉(zhuǎn)移性黑色素瘤患者的臨床管理提供了依據(jù)。但是需要進(jìn)一步的研究來驗證這些標(biāo)記在更大的轉(zhuǎn)移性黑色素瘤、其他類型ICB治療和癌癥患者隊列中的預(yù)測性能。
