研究背景
大腸癌（CRC）是全球第三大最常被診斷的癌癥，也是第二大癌癥死亡的主要原因。流行病學(xué)研究表明，代謝綜合征（MS）增加了CRC的風(fēng)險。CRC的早期篩查有效提高了5年生存率，對于處于發(fā)展CRC高風(fēng)險中的MS人群至關(guān)重要。低敏感性和特異性限制了CRC早期篩查的各種生物標(biāo)志物。代謝組學(xué)是系統(tǒng)生物學(xué)中用于發(fā)現(xiàn)小分子代謝標(biāo)記物的新興工具。本研究旨在確定可用于診斷CRC的可靠血清生物標(biāo)志物。
來自中國藥科大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)與臨床藥學(xué)學(xué)院天然藥物國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的李健康老師在Gastroenterology（IF16.7）上在線發(fā)表了題為”Tyrosine and Glutamine-Leucine Are Metabolic Markers of Early-Stage Colorectal Cancers”的研究文章，該文章采用代謝組學(xué)的方法運(yùn)用機(jī)器學(xué)習(xí)算法，篩選Glu-Leu和Tyrosine作為CRC早期的血清標(biāo)志物，同時ROC分析表明該組生物標(biāo)志物組顯示出令人滿意的診斷性能，預(yù)測值高達(dá)92.38％。這些結(jié)果表明，血清中Glu-Leu和Tyrosine的組合可能是CRC早期診斷的新型生物標(biāo)志物。
研究材料
發(fā)現(xiàn)集（訓(xùn)練集）360份血清樣本（120名健康，120名MS患者以及120名-CRC患者）；
驗(yàn)證集：1594名份血清樣本（580名健康，577名MS患者以及437名-CRC患者）；
預(yù)測集：1528份血清樣本（504名健康，486名MS患者以及538名-CRC患者）。
技術(shù)方法
非靶向代謝組學(xué)；機(jī)器學(xué)習(xí)生信算法；ROC（受試者工作特征曲線）
研究結(jié)果
1 發(fā)現(xiàn)集中差異代謝物的篩選以及驗(yàn)證
首先，作者在訓(xùn)練集中， 對360個血清樣本。 通過OPLSDA以及FDR值挑選差異代謝物，分別從健康與CRC，健康與MS以及MS與CRC參與者的比較中鑒定出61、37和59種差異代謝物。通過對這三者的比較，發(fā)現(xiàn)有30種差異代謝物發(fā)生了顯著變化。并且對篩選得到的30 種候選生物標(biāo)志物進(jìn)行鑒定，發(fā)現(xiàn)其中存在代謝途徑紊亂。其主要與苯丙氨酸代謝、甘油磷脂代謝、苯丙氨酸代謝、酪氨酸和色氨酸的生物合成有關(guān)。
然后對來自驗(yàn)證集的1594名血清中30個代謝產(chǎn)物進(jìn)行定量驗(yàn)證。同樣利用通過OPLSDA以及FDR值驗(yàn)證訓(xùn)練集里的30種差異代謝物，最終驗(yàn)證出具有顯著性差異的7種差異代謝物（紅色標(biāo)注）。
2 目標(biāo)代謝產(chǎn)物與疾病臨床特征相關(guān)性分析
對7種潛在生物標(biāo)志物含量與臨床特征之間的相關(guān)系數(shù)進(jìn)行分析，通過機(jī)器學(xué)習(xí)進(jìn)一步篩選差異代謝物，以此構(gòu)建代謝物panel。最終選擇了能夠區(qū)分CRC參與者和非CRC參與者的Glu-Leu和Tyrosine生物標(biāo)志物。同時這2個差異代謝物的相對水平以熱圖形式顯示（顯示為驗(yàn)證集中的7種差異代謝物的表達(dá)量）。
3 Glu-Leu和Tyrosine診斷性能評價
從驗(yàn)證集中隨機(jī)抽取900份血清樣本（300名健康，300例MS患者和300例CRC患者）進(jìn)行分析。根據(jù)血清樣品中Glu-Leu和Tyrosine的血清濃度，證明這兩個標(biāo)志物在CRC診斷和CRC高危人群診斷方面具有很好的診斷性能。
前期訓(xùn)練集中健康，CRC和MS血清中Glu-Leu和Tyrosine含量具有明顯的差異，而且在驗(yàn)證集中結(jié)果得到驗(yàn)證。進(jìn)一步通過ROC分析證明這兩個標(biāo)志物在CRC診斷和MS診斷方面具有很好的診斷性能，AUC分別達(dá)到0.98和0.79；同時在區(qū)分CRC和MS上也具有非常好的診斷性能（AUC=0.99）。以上在預(yù)測集的新隊(duì)列中數(shù)據(jù)結(jié)果是一致的。
小結(jié)
在這項(xiàng)研究中，通過對3482名人員進(jìn)行研究。用非靶向代謝組學(xué)將30種代謝物轉(zhuǎn)變?yōu)椴町惔x物，其中7種在多個中心得到了驗(yàn)證。基于機(jī)器學(xué)習(xí)分析，選擇Glu-Leu和Tyrosine的簡化面板作為靶向代謝組學(xué)。發(fā)現(xiàn)該生物標(biāo)志物預(yù)測值高于92.38％。綜合這些結(jié)果表明，血清中Glu-Leu和Tyrosine組合可能是CRC早期診斷的新型生物標(biāo)志物。
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