組學(xué)大數(shù)據(jù)平臺(tái)在腫瘤精準(zhǔn)醫(yī)療中的應(yīng)用

1、Chinese Academic of Medical Science Center of System Medicine組學(xué)大數(shù)據(jù)平臺(tái)在腫瘤精準(zhǔn)醫(yī)療中應(yīng)用秦曉峰中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院醫(yī)學(xué)生物信息大數(shù)據(jù)中心蘇州系統(tǒng)醫(yī)學(xué)研究所第1頁醫(yī)療行業(yè)產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)非結(jié)構(gòu)化文本病案統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)匯報(bào)手術(shù)統(tǒng)計(jì)病歷匯報(bào)圖像照片等二維圖像病理學(xué)切片掃描CT、MRI等三維圖像電生理數(shù)據(jù)無創(chuàng)腦電圖術(shù)中腦電監(jiān)護(hù)SEEG結(jié)構(gòu)化文本病案首頁醫(yī)囑視頻顯微鏡視頻信號(hào)內(nèi)鏡視頻信號(hào)二十四小時(shí)腦電檢測視頻組學(xué)數(shù)據(jù)微生物組基因組代謝組蛋白組表型組第2頁臨床數(shù)據(jù)起源和分析臨床數(shù)據(jù)起源： 年紀(jì) 性別 過敏情況 藥品測試 疾病詳情 家族史 藥品接收和排斥

2、曾使用劑量水平生存率診療測試 手術(shù)臨床數(shù)據(jù)分析： 生存分析 預(yù)測第3頁組學(xué)數(shù)據(jù)起源和分析全基因組全外顯子組/靶向測序轉(zhuǎn)錄組mRNA測序甲基化組學(xué)測序 ChiP-seq測序小插入/缺失點(diǎn)突變拷貝數(shù)變異結(jié)構(gòu)變異差異分析融合基因可變剪切RNA編輯甲基化位點(diǎn)組蛋白修身轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點(diǎn)突變功效分析功效，網(wǎng)絡(luò)和通路分析整合分析了解病理機(jī)制并應(yīng)用于臨床技 術(shù)數(shù)據(jù)分析數(shù)據(jù)整合及解讀患 者蛋白質(zhì)組學(xué)磷酸化組學(xué)差異分析磷酸化位點(diǎn)分析新生/新肽段分析16s rDNA測序,宏基因組測序其它微生物組學(xué)物種及功效組成物種差異分析功效差異分析與疾病關(guān)聯(lián)分析第4頁宏基因組深度挖掘挖掘組間物種、功效差異樣品聚類分析（腸型）拷貝

3、數(shù)變異：挖掘功效改變從宏基因組數(shù)據(jù)中組裝單菌菌群、表型、臨床數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析耐藥基因挖掘CAG/MGS/MLG分析：從種或菌株層級(jí)挖掘物種改變第5頁多組學(xué)聯(lián)合分析第6頁微生物組在腫瘤免疫治療中應(yīng)用期刊：Science 發(fā)表時(shí)間：.11試驗(yàn)設(shè)計(jì)：249名接收過抗PD-1免疫療法肺癌、腎癌等各種不一樣癌癥；免疫治療前69名患者接收了抗生素治療；研究技術(shù)：糞便宏基因組測序驗(yàn)證：無菌小鼠FMT（糞菌移植）驗(yàn)證；結(jié)果：1）抗生素治療患者，癌癥很快出現(xiàn)復(fù)發(fā)，生存時(shí)間也更短； 2）恢復(fù)很好患者體內(nèi)，Akkermansia muciniphila益生菌豐度更高，對(duì)癌癥免疫療法還有促進(jìn)作用； 3）接收了“起效者”糞

4、便小鼠對(duì)于PD-1抑制劑反應(yīng)要顯著優(yōu)于接收了“無效者”糞便小鼠，后者在口服Akkermansia muciniphila后，能恢復(fù)對(duì)免疫療法反應(yīng)。第7頁醫(yī)生當(dāng)前面臨決議信息維度大大增加Hawgood S, Hook-Barnard IG, OBrien TC, Yamamoto KR. Precision medicine: Beyond the inflection point. Science translational medicine ;7:300ps17.第8頁癌癥教授助手閱讀和記憶學(xué)習(xí)醫(yī)療文件、臨床指導(dǎo)和醫(yī)學(xué)指南將病人和臨床試驗(yàn)方案進(jìn)行匹配連續(xù)不停學(xué)習(xí)從不停增加病人組學(xué)數(shù)據(jù)和臨床數(shù)

5、據(jù)中不停學(xué)習(xí)依據(jù)最新用藥指導(dǎo)推薦潛在治療選擇方案第9頁Watson醫(yī)生由IBM企業(yè)開發(fā)人工智能系統(tǒng)問詢病人病征、病史人工智能技術(shù)自然語言處理和分析技術(shù)從各個(gè)渠道搜集到信息和數(shù)據(jù)快速給出診療提醒和治療意見第10頁針對(duì)個(gè)人進(jìn)行縱向密集數(shù)據(jù)搜集能夠揭示分子疾病標(biāo)志物前瞻性108個(gè)人全基因組測序分析臨床檢測分析蛋白質(zhì)組學(xué)分析代謝組學(xué)分析微生物群落分析（對(duì)16S rRNA進(jìn)行測序）參加者配戴活動(dòng)跟蹤器監(jiān)測日?；顒?dòng)創(chuàng)建相關(guān)性網(wǎng)絡(luò)關(guān)聯(lián)分析判定已知和候選標(biāo)志物Meta分析Price N D, Magis A T, Earls J C, et al. A wellness study of 108 indivi

6、duals using personal, dense, dynamic data cloudsJ. Nature Biotechnology, , 35(8):747.第11頁在癌癥治療中聯(lián)適用藥不一樣癌癥分期醫(yī)學(xué)研究基因和分子診療腫瘤信息學(xué)傳統(tǒng)中藥數(shù)學(xué)分析治療毒性評(píng)價(jià)個(gè)性化用藥第12頁利用深度學(xué)習(xí)和關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘預(yù)抗癌藥品反應(yīng)數(shù)據(jù)起源：藥品基因組689個(gè)癌癥細(xì)胞系和139種抗癌藥品。來自CCLP和GDSC.規(guī)則關(guān)聯(lián)挖掘深度學(xué)習(xí)預(yù)測藥品反應(yīng)第13頁深度挖掘數(shù)據(jù)中心檢測方案數(shù)據(jù)資源庫 (Data Base)數(shù)據(jù)分析平臺(tái) (PipeLine)知識(shí)庫 (Knowledge Base)精準(zhǔn)醫(yī)療平臺(tái) (

7、組學(xué)數(shù)據(jù) + 臨床數(shù)據(jù))熒光定量PCR、基因芯片 、SNP分型、 二代測序 組學(xué)大數(shù)據(jù)平臺(tái)與精準(zhǔn)醫(yī)療第14頁用藥指導(dǎo)藥品推薦聯(lián)適用藥指導(dǎo)藥品不良反應(yīng)評(píng)定輔助診療預(yù)測生存期發(fā)覺新療法治療方案預(yù)后方案輔助科研致病基因腸道菌群藥品代謝/靶標(biāo)腫瘤驅(qū)動(dòng)基因臨床數(shù)據(jù)年紀(jì) 性別 過敏情況藥品測試疾病詳情家族史藥品接收和排斥曾使用劑量水平生存率診療測試手術(shù)組學(xué)檢測數(shù)據(jù)基因組轉(zhuǎn)錄組蛋白組代謝組表觀組微生物組暴露組臨床數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)脫敏標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)構(gòu)化Pipleline組學(xué)數(shù)據(jù)分析注釋整合公共數(shù)據(jù)庫整合TCGA ICGC GO KEGGParmGKB GEO DO數(shù)據(jù)庫知識(shí)庫深度學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)模型知識(shí)圖譜文件搜集臨床指南診療路徑

8、用藥指導(dǎo)組學(xué)大數(shù)據(jù)平臺(tái)在腫瘤精準(zhǔn)醫(yī)療中應(yīng)用第15頁醫(yī)院業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)非結(jié)構(gòu)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(wù)系統(tǒng)及數(shù)據(jù)源醫(yī)院數(shù)據(jù)中心醫(yī)院數(shù)據(jù)起源數(shù)據(jù)匯聚數(shù)據(jù)抽取數(shù)據(jù)整合數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)存放結(jié)構(gòu)化處理數(shù)據(jù)匯聚整合服務(wù)非結(jié)構(gòu)化抽取服務(wù)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換清洗與標(biāo)準(zhǔn)化服務(wù)數(shù)據(jù)比對(duì)數(shù)據(jù)清洗標(biāo)準(zhǔn)化處理醫(yī)院標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)中心備份庫(ODS)臨床主題庫經(jīng)營主題庫管理主題庫主題庫非標(biāo)準(zhǔn)化臨床數(shù)據(jù)中心A病種標(biāo)準(zhǔn)主題庫B病種標(biāo)準(zhǔn)主題庫.標(biāo)準(zhǔn)主題庫專題統(tǒng)計(jì)庫專題分析庫專題應(yīng)用庫標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)中心醫(yī)院級(jí)臨床數(shù)據(jù)智能采集系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)分析可視化呈現(xiàn)搜索導(dǎo)航深度挖掘互聯(lián)互通常規(guī)共享應(yīng)用服務(wù)專題應(yīng)用定制服務(wù)深度挖掘分析

9、服務(wù)醫(yī)療大數(shù)據(jù)應(yīng)用服務(wù)醫(yī)療大數(shù)據(jù)起源第16頁左側(cè)中央型肺鱗癌并縱膈淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移原發(fā)性支氣管肺癌左上肺中央型肺癌1234左肺小細(xì)胞癌廣泛期原發(fā)性支氣管肺癌左下肺腺癌比如：左側(cè)中央型肺鱗癌并縱膈淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移1.診療名稱： 肺癌2.部位分型： 中央型3.病理類型： 鱗癌4.病灶部位： 左側(cè)5.轉(zhuǎn)移部位： 縱膈淋巴結(jié)將不一樣描述診療轉(zhuǎn)化成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化診療，而且保留診療中主要信息。醫(yī)學(xué)術(shù)語標(biāo)準(zhǔn)化第17頁患者不慎摔傷，傷后神志不清約30余秒，后可喚醒，體溫正常（36.5），感頭痛顯著，左側(cè)鼻腔內(nèi)有少許鼻血。于我院行腹部B超及胸片，未見顯著異常。入院體格檢驗(yàn)：腸鳴音正常，約4次/分?，F(xiàn)有電子病歷檢驗(yàn)描述指標(biāo)名稱結(jié)

10、果摔 傷有神志不清30余秒體 溫36.5頭 痛顯著左側(cè)鼻腔少許流血腹部B超未見顯著異常胸 片未見顯著異常處理后結(jié)構(gòu)化檢驗(yàn)描述將自然語言描述電子病歷轉(zhuǎn)化成結(jié)構(gòu)化、標(biāo)準(zhǔn)化電子病歷臨床數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化第18頁覆蓋各種可能組學(xué)組學(xué)數(shù)據(jù)基因組學(xué)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)錄組學(xué)數(shù)據(jù)蛋白組學(xué)數(shù)據(jù)表型組學(xué)數(shù)據(jù)代謝組學(xué)數(shù)據(jù)微生物組學(xué)數(shù)據(jù) 組學(xué)數(shù)據(jù)格式fasta/fastq/vcf/sam/bam/gff3/gff2/gtf/bed/ MetabolicNetworksRepli-SeqSystermsBiologyPhenomicsChlp-SeqDNA-SeqRNA-SeqExome-SeqSmallRNA-SeqPopulation

11、GeneticsMicroarrayGWASMetagenomicsProte omics第19頁組學(xué)數(shù)據(jù)起源熒光定量PCR基因芯片 SNP分型 二代測序 檢測第20頁組學(xué)數(shù)據(jù)聚集第21頁組學(xué)數(shù)據(jù)起源TCGA 癌癥基因信息數(shù)據(jù)庫TGDB 腫瘤基因數(shù)據(jù)庫ICGC 國際癌癥基因組聯(lián)盟Oncomine 腫瘤基因芯片數(shù)據(jù)庫CGAP癌癥基因數(shù)據(jù)庫MethylCancer DNA甲基化與癌癥數(shù)據(jù)庫 NCBI美國國家生物技術(shù)信息中心美國國家健康研究所、國家醫(yī)學(xué)圖書館EBI歐洲生物信息研究所歐洲分子生物學(xué)試驗(yàn)室DDBJ 日本DNA數(shù)據(jù)庫日本研究機(jī)構(gòu)BIGD 生命與健康大數(shù)據(jù)中心北京科學(xué)院北京基因研究所 綜合數(shù)

12、據(jù)庫腫瘤相關(guān)數(shù)據(jù)庫第22頁組學(xué)數(shù)據(jù)分析處理流程第23頁用藥指導(dǎo)藥品推薦聯(lián)適用藥指導(dǎo)藥品不良反應(yīng)評(píng)定輔助診療預(yù)測生存期發(fā)覺新療法治療方案預(yù)后方案輔助科研致病基因腸道菌群藥品代謝/靶標(biāo)腫瘤驅(qū)動(dòng)基因臨床數(shù)據(jù)年紀(jì) 性別 過敏情況藥品測試疾病詳情家族史藥品接收和排斥曾使用劑量水平生存率診療測試手術(shù)組學(xué)檢測數(shù)據(jù)基因組轉(zhuǎn)錄組蛋白組代謝組表觀組微生物組暴露組臨床數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)脫敏標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)構(gòu)化Pipleline組學(xué)數(shù)據(jù)分析注釋整合公共數(shù)據(jù)庫整合TCGA ICGC GO KEGGParmGKB GEO DO數(shù)據(jù)庫知識(shí)庫深度學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)模型知識(shí)圖譜文件搜集臨床指南診療路徑用藥指導(dǎo)組學(xué)大數(shù)據(jù)平臺(tái)在腫瘤精準(zhǔn)醫(yī)療中應(yīng)用第24頁輔助

13、診療醫(yī)生初步檢驗(yàn)輔助診療依據(jù)類似患者信息，準(zhǔn)確匹配最正確診療方案，快速診療、準(zhǔn)確用藥、提升診療水平。最正確診療方案推薦第25頁輔助診療預(yù)測生存期發(fā)覺新療法治療方案預(yù)后方案病歷系統(tǒng)疾病知識(shí)圖譜疾病病史檢驗(yàn)用藥癥狀預(yù)后組學(xué)診療“統(tǒng)計(jì)關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)”病史采集患者候選疾病:患病概率高于閾值診療模型主訴： 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療動(dòng)態(tài)輔助診療確診檢測系統(tǒng)第26頁致病基因腸道菌群藥品代謝/靶標(biāo)腫瘤驅(qū)動(dòng)基因輔助科研第27頁疾病醫(yī)生患者藥品表型藥效關(guān)系藥品研發(fā)改進(jìn)疾病史分析臨床表型分析從而發(fā)覺疾病新分類用藥效果分析從而發(fā)覺新藥效用藥效果分析治療效果分析合理用

14、藥疾病醫(yī)生患者藥品表型藥效關(guān)系藥品研發(fā)改進(jìn)疾病史分析臨床表型分析從而發(fā)覺疾病新分類用藥效果分析從而發(fā)覺新藥效用藥效果分析治療效果分析合理用藥藥品推薦聯(lián)適用藥指導(dǎo)藥品不良反應(yīng)評(píng)定用藥指導(dǎo)第28頁深度挖掘數(shù)據(jù)中心檢測方案數(shù)據(jù)資源庫 (Data Base)數(shù)據(jù)分析平臺(tái) (PipeLine)知識(shí)庫 (Knowledge Base)精準(zhǔn)醫(yī)療平臺(tái) (組學(xué)數(shù)據(jù) + 臨床數(shù)據(jù))熒光定量PCR、基因芯片 、SNP分型、 二代測序 組學(xué)大數(shù)據(jù)平臺(tái)與精準(zhǔn)醫(yī)療第29頁乳腺癌組學(xué)數(shù)據(jù)分析與可視化平臺(tái)BCIP 建立了以基因?yàn)橹行娜橄侔?shù)據(jù)分析平臺(tái)。 分析處理了來自TCGA、metabric、GEO三大數(shù)據(jù)庫中30個(gè)數(shù)據(jù)集

15、數(shù)據(jù)，包含9000多個(gè)組織樣本。樣本臨床數(shù)據(jù)包含癌癥分型、分期、是否絕經(jīng)、預(yù)后、ER、PR、Her2+、P53突變、年紀(jì)等。 方便生物醫(yī)學(xué)工作者，對(duì)關(guān)注基因進(jìn)行檢索，從差異表示分析、生存分析、共表示分析、KEGG代謝通路等多個(gè)層次進(jìn)行分析并可視化展示。 輔助識(shí)別乳腺癌調(diào)控和驅(qū)動(dòng)基因，找到乳腺癌研究和治療潛在生物標(biāo)志物。平臺(tái)介紹 網(wǎng)址： /bcancer/文章： BCIP: a gene-centered platform for identifying potential regulatory genes in breast cancerJ. Scientific Reports, , 7.D

16、OI: doi:10.1038/srep45235 影響因子：4.259PMID:28327601案例結(jié)果文章發(fā)表于Scientific Reports乳腺癌數(shù)據(jù)庫平臺(tái)網(wǎng)站第30頁15個(gè)臨床特征三陰/非三陰型 PAM50型 組織學(xué)分級(jí) 病理分期 轉(zhuǎn)移狀態(tài) 淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移 ER PR Her2+ TP53突變 是否絕絕經(jīng) 年紀(jì) 腫瘤大小 療效 預(yù)后 臨床特征抽提第31頁生存分析MELK過量表示與較差預(yù)后相關(guān)表明MELK與基底樣乳腺癌相關(guān)第32頁拷貝數(shù)改變在METABRIC數(shù)據(jù)集PAM50亞型中拷貝數(shù)降低和增加百分比情況第33頁差異表示分析腫瘤組織相比于周圍正常組織，MELK表示量要高出許多PAM50

17、型乳腺癌中基底樣乳腺癌，MELK表示量最高。第34頁共表示分析分析MELK影響基底樣乳腺癌機(jī)理在基底樣乳腺癌METABRIC數(shù)據(jù)集中，MELK與包含CDCA5,TPX2和CEP55在內(nèi)78個(gè)基因共表示。一些研究已經(jīng)闡述了TPX2和CEP55是參加乳腺癌轉(zhuǎn)移、侵襲、增殖和擴(kuò)散關(guān)鍵分子。CDCA5也被報(bào)道在肺癌中起關(guān)鍵作用，并可作為口腔鱗細(xì)胞癌治療靶點(diǎn)。這些結(jié)果都能夠作為挖掘MELK在乳腺癌中潛在功效和機(jī)制有用線索。腫瘤組織相比于周圍正常組織，MELK表示量要高出許多第35頁miRNA靶相互作用分析發(fā)覺hsa-miR-193b-3p and hsa-miR-372-5p與miRNA靶相互作用相關(guān)第

18、36頁KEGG通路分析第37頁深度挖掘數(shù)據(jù)中心檢測方案數(shù)據(jù)資源庫 (Data Base)數(shù)據(jù)分析平臺(tái) (PipeLine)知識(shí)庫 (Knowledge Base)精準(zhǔn)醫(yī)療平臺(tái) (組學(xué)數(shù)據(jù) + 臨床數(shù)據(jù))熒光定量PCR、基因芯片 、SNP分型、 二代測序 組學(xué)大數(shù)據(jù)平臺(tái)與精準(zhǔn)醫(yī)療第38頁Integration of Exoseq and RNAseq data for tumor antigen profiling第39頁pipeline pVAC-Seq (personalized Variant Antigens by Cancer Sequencing)輸入數(shù)據(jù)準(zhǔn)備（全基因組與全外顯子組測

19、序）BWA;SAMtools;VarScan somatic;Strelka;Tophat;Ovation;Truseq;CufflinksVariant Effect Predictor VEP抗原表位預(yù)測FASTA文件生成運(yùn)行抗原預(yù)測軟件NetMHC結(jié)果解析整合測序信息Coverage & Variant Allele Frequency (VAF)候選抗原過濾深度過濾基因表示Hundal J, Carreno B M, Petti A A, et al. pVAC-Seq: A genome-guided in silico, approach to identifying tumor neoantigensJ. Genome Medicine, , 8(1):11.第40頁深度挖掘數(shù)據(jù)中心檢測方案數(shù)據(jù)資源庫 (Data Base)數(shù)據(jù)分析平臺(tái) (PipeLine)知識(shí)庫 (Knowledge Base)精準(zhǔn)醫(yī)療平臺(tái) (組學(xué)數(shù)據(jù) + 臨床數(shù)據(jù))熒光定量PCR、基因芯片 、SNP分型、 二代測序 組學(xué)大數(shù)據(jù)平臺(tái)與精準(zhǔn)醫(yī)療第41頁人體自免疫抗原數(shù)據(jù)庫平臺(tái) AAgA